Verfahren und Einrichtung zur serienmässigen Dosierung von Flüssigkeitsmengen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur serienmässigen Dosierung von Flüssigkeitsmengen mit einer Steuerung durch automatisch wirkende Ventile, wobei die dosierte Flüssigkeitsmenge über ein Saugventil durch einen Kolben im Arbeitszylinder angesaugt und ausgedrückt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei verschiedenen Laboratoriumsarbeiten, besonders bei serienmässigen, ist eine Einrichtung für die Rationalisierung des Betriebes notwendig, die eine serienmässige Dosierung vorherbestimmter Flüssigkeitsmengen mit minimalen Handreichungen gestattet. Solche Einrichtungen ersetzen also die Seriendosierung mit Hilfe normaler Pipetten durch Ansaugen mit dem Mund, Schliessen der oberen Öffnung mit dem Finger und Ablassen zwecks Übertragung der Flüssigkeit von einem Gefäss in ein zweites usw. Es wurden darum viele Arten von halbautomatischen und ganzautomatischen Dosiereinrichtungen vorgeschlagen, die eine schlechte Wirkungsweise haben oder zu kompliziert und teuer sind.
Zur Vereinfachung der Erzeugung und zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen korrosive Einflüsse wird gewöhnlich eine Kombination einer Injektionsspritze mit einem genügend dichten Kolben in einem Arbeitszylinder und automatisch wirkenden Glasventilen verwendet. Trotz der Vorteile dieser Kombination zeigt sich jedoch der Nachteil einer zu geringen Genauigkeit und/oder einer mangelhaften Kontrollmöglichkeit von Fehlern aus folgendem Grunde: Wenn der Kolben sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in den durch Anschläge gegebenen Grenzen bewegt, dann entsteht beim Erreichen dieser Anschläge ein Stoss auf die Flüssigkeit, welche in einer bestimmten Menge durch Ventilsteuerung in dem Augenblick fliesst, in welchem die durch die Bewegung des Kolbens bestimmte Geschwindigkeit schlagartig auf Null herabsinkt.
Die Flüssigkeit in der Leitung, die eine bestimmte kinetische Energie besitzt, strömt in diesem Augenblick direkt durch beide Ventile bis zum Zeitpunkt des Geschwindigkeitsabfalles bis auf Null. Da die Grösse der Menge, die dosiert wird, stark von der Geschwindigkeit der Bewegung, resp. von den Stössen auf die die Bewegung des Kolbens beschränkenden Anschläge abhängt, bedeutet diese Erscheinung eine unerwünschte Verschlechterung der Messung. Eine vorherige Eichung kann diesen Fehler auch nicht ausschalten. Es ist bekanntlich nicht möglich, bei Handbetrieb immer mit der gleichen Geschwindigkeit des Kolbens zu arbeiten und selbst wenn die Bedienungsperson immer den gleichen Druck auf einen Hand- oder Fusstaster, welcher den Kolben steuert, ausübt, so ist die Kolbengeschwindigkeit bei den aufeinanderfolgenden Dosierungen nicht gleich.
Die Erfindung beseitigt die erwähnten Nachteile.
Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen einer die Kolbenbewegung steuernden Vorrichtung und einer den Kolben direkt betätigenden Anordnung verändert wird.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Exzenter besteht mit in seiner Lage veränderlichem oder festem Exzenterzapfen und mit einem auf einer Welle befestigten Exzenterbett, wobei am Exzenterzapfen die Über- tragungsanordnung zur direkten Betätigung des Kolbens und an einer an der Welle befestigten Seilrolle ein Seil befestigt ist, welches Seil zur steuernden Vorrichtung führt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Seitenriss der gesamten Einrichtung,
Fig. 2 einen Grundriss der Einrichtung,
Fig. 3 eine vergrösserte Darstellung entsprechend der Schnittlinie A-A der Fig. 1,
Fig. 4 bis 7 mehrere Ausführungsbeispiele.
Mit der Erfindung wird also eine ungefähr harmonische Bewegung des Kolbens bei Hand- oder Fussbetrieb auch dann erreicht, wenn auf das den Kolben steuernde Hand- oder Fussdruckorgan eine solche Kraft von der Bedienungsperson ausgeübt wird, welche ohne die Erfindung zu irgendwelchen unkontrollierbaren Geschwindigkeiten des Kolbens führen würde.
In der Einrichtung der Fig. 1 wird die Flüssigkeit in genau abgemessenen Mengen aus der Saugleitung 1 über die Ventilsteuerung mit automatischen Ventilen geleitet.
Sie wird über das Saugventil 2, das in der Kammer 3 liegt und mit der Leitung 4 zum Arbeitsraum 5 im Zylinder 6 verbunden ist, durch Bewegung des Kolbens 7 nach unten angesaugt. Bei der Bewegung des Kolbens 7 in der Richtung nach oben strömt wiederum die Flüssigkeit aus dem Raum 5 durch die Leitung 4 über das Auslassventil 8 in die Kammer 9 und weiter in die Ausdrückleitung 10. Am unteren Ende des Kolbens 7 ist der Körper 11 angeordnet, der durch den Druck der Feder 12 nach unten gedrückt wird. Dieser Körper 11 wird durch einen äusseren Mechanismus bewegt. Die Stange 13, die in der Bohrung 14 des Körpers 11 durch das kugelförmige Ende 15 sich abstützt, ist durch das Gelenk 16 mit dem zweiarmigen Hebel 17, der um den Bolzen 18 drehbar ist, verbunden.
Durch den Bolzen 19 ist das zweite Ende des Hebels 17 mit der Kurbelstange 20, die an ihrem oberen Ende vom Kurbelzapfen 21 erfasst wird, verbunden. Die Exzentrizität des Zapfens 21 ist im Hinblick auf die Welle 23 veränderbar und in jeder Stellung durch eine Einrichtung fixierbar. Diese Einrichtung besteht aus dem Grundkörper (Exzenterbett) 22, der an der Welle 23 befestigt ist. Der Kurbelzapfen 21 ist in der Platte 24 des Supports befestigt. Diese Platte 24 ist am Grundkörper 22 durch das Plättchen 25 (Fig. 3) mit abgeschrägten Seiten geführt, welche sich auf entsprechenden Gleitflächen des Grundkörpers 22 bewegen. Der Kurbelzapfen 21 geht ohne Andruck durch das Plättchen 25, das ausserdem hinsichtlich der Lage zur Platte 24 mit Hilfe der Schraube 26' fixiert und angezogen ist.
Die Platte 24, resp. der Körper 22 tragen eine Skala mit Index, durch die eine bestimmte Exzentrizität des Zapfens 21 eingestellt werden kann.
Die Skala ist mit einem Nonius versehen. Die Feinbewegung des Supports wird mit der Führungsschraube 27 und mit der an der Platte 24 befestigten Führungsmutter 28 bewerkstelligt. Dabei ist die Führungsschraube 27 mit dem Handknopf 27' drehbar und eventuell mit einer Einteilung versehen, die gemeinsam mit der Skala am Support den Einteilungen des Mikrometers entspricht.
Die Schraube 27 ist gegen axiale Bewegung durch Führung im Stirnlager 30 gesichert.
Der ganze Supportexzenter dreht sich gemeinsam mit der Welle 23, die durch das lange Lager 24' geht, das auf der Grundplatte 45 des Dosierers befestigt ist.
Am anderen Ende der Welle 23 ist gemäss Fig. 2 die Seilscheibe 26 mittels der Schraube 28' befestigt. Um diese Seilscheibe 26 ist in einer oder mehreren Windungen das Seil 29 aufgewickelt. Eine Zugfeder 30' ist mit diesem einen Ende des Seiles verbunden. Die Zugfeder 30' verursacht also eine Drehung der Seilscheibe 26 nach links und somit auch der Welle 23. Das Seil 29 wird von dieser Seilscheibe über die Rolle 31 (Fig. 1) geführt und mit seinem anderen Ende an der Kupplung 32 befestigt. Auf der anderen Seite 33 dieser Kupplung ist ein Ende eines Bowdenzuges befestigt. Dieser Bowdenzug 34 führt über den Mantel 35 zu dem nicht gezeigten Fussschalter, welcher von der Bedienungsperson betätigt wird und die Bewegung des Kolbens 7 steuert. Dies wird später noch näher beschrieben.
Wenn der Dosierer auch als Dosierer mit Handbedienung anstelle von Fussbedienung verwendet werden soll, geschieht dies durch die Handtaste 38', die am linken Ende des Druckhebels 39, der sich um den Bolzen 40 dreht, befestigt ist. Auf dem Hebel 39 ist der Verbindungskörper 41 befestigt, in dem das Seil 29 festgehalten ist. Der Druck des Fingers einer Hand auf die Taste 38' verursacht den gleichen Effekt wie der Druck des Fusses auf das Fusspedal.
Die Bewegung der Rolle 26 und hiedurch auch die der Welle 23 und des Exzenters ist auf eine Halbumdrehung respektive auf Punkte beschränkt, in denen das Obersetzungsverhältnis zwischen Seil und Kolben Null ist, wobei diese Einschränkung (Abb. 2) durch Anschlag auf den Begrenzungsstift 42 erreicht wird. Die Begrenzungsstifte 42 bilden durch den Anschlag auf den einstellbaren Anschlag 43, der mit Hilfe der Schraube 44 an der Grundplatte 45 befestigt ist, die notwendige Begrenzung.
Durch Verkleinerung des Hubs als Folge der Verkleinerung der Exzentrizität des Kurbelzapfens 21 auf Null wird die Bewegung des Kolbens 7 bis auf Null verringert, wobei der Kolben 7 sich in der mittleren Stellung befindet, wo er über sich den Arbeitsraum 5 in der Grösse einer Hälfte des ganzen Hubes belässt. Dieser Umstand kann manchmal unerwünscht sein, besonders dann, wenn es um die schnelle Reinigung der ganzen Einrichtung von einer Flüssigkeit und raschen Ersatz durch eine andere Flüssigkeit geht.
Dieser Nachteil kann dadurch behoben werden, dass die Befestigung des Bolzens 18, um den der zweiarmige Hebel 17 schwingt, zum Beispiel durch die Schraube 46 (Fig. 2) an die Grundplatte 45 gelockert und der Bolzen in eine andere Stellung gebracht wird, die durch die einzelnen, in die Platte 45 gebohrten Öffnungen 46 bestimmt ist, oder dass diese Bewegung in einem durchgehenden Ausschnitt in der Platte 45 vor sich geht. Es ist von Vorteil, wenn dieser Ausschnitt, respektive eine Reihe von Bohrungen 46 auf dem Kreisbogen, dessen Mitte das Gelenk 15 bildet, bei der höchsten Stellung des Kolbens 7 oder bei einer dieser Stellung nahen Lage liegt.
Die Abbildung 4 zeigt schematisch ein Beispiel einer Konstruktionsvariante, die ebenfalls eine Verkleinerung des grossen Raumes 5 über dem Kolben 7 ermöglicht, indem die Exzentrizität verändert oder auf Null verkleinert wird, wobei gleichzeitig gesichert ist, dass keine unerwünschten Drücke auf den Kolben 7 entstehen, respektive durch seine Vermittlung auf den Boden des Arbeitszylinders 6, und zwar auch in Fällen, wo übersehen wird, dass bei erneuter Vergrösserung der Exzentrizität der Bolzen 18 in die ursprüngliche Stellung gemäss der Abbildung 1 umgestellt werden muss, die eine Bewegung des Kolbens in vollem Ausmasse ermöglicht, die durch den benützbaren Inhalt der Injektionsspritze, respektive des Arbeitszylinders 6 gegeben ist.
Der Hebel 17 in einer Form gemäss der Abbildung 4 trägt die Stellschraube 45, die den Ausschlag eines weiteren Hebels 46 beschränkt, der mit dem Hebel 17 durch den Bolzen 47 verbunden ist, und an seinem Ende den Bolzen 16 trägt, mit welchem er an die Stange 13 des Kolbens angelenkt ist. Der Hebel 46 wird durch die Feder 48 gegen die Stellschraube 45 gedrückt. Durch Drehen der Schraube 45 kann auch bei nicht bewegtem Hebel 17 eine Bewegung der Stange 13, also auch des Kolbens 7, in der Richtung nach aufwärts erreicht werden.
Hiebei kommt es jedoch im Falle des Aufsetzens des Kolbens 7 auf den oberen Boden des Zylinders 6 zu keinen übermässigen Drücken, denn durch die Wirkung eines lediglich elastischen Andrucks des Hebels 46 an die Stellschraube 45' ist der Druck auf den Kolben 7 auf eine Grösse beschränkt, die durch die reduzierte Kraft der federnden Wirkung der Feder 48 gegeben ist.
Die Abbildung 5 zeigt ein Beispiel einer konstruktiven Variante des Antriebes der Rolle 29 durch den Handhebel 39 und den Druckknopf 38', welcher Hebel sich um den Bolzen 40 dreht. An der Stelle der Schraube 28 ist nicht nur die Saite 29 an den Bowdenzug 34 wie im vorherigen Falle befestigt, sondern auch die weitere Saite 49, die anstelle der Saite 29 über die Stifte 50, 51 und die Klemmschraube 52 am Hebel 39 befestigt ist.
Da bei der Bewegung entlang dem Bogen, dessen Mittelpunkt in der Achse des Bolzens 40 liegt, sich die Länge der Saite 49 verändern wurde, wenn diese den ganzen Umfang um die Rolle 29 und 31 beschreiben würde, ist zwischen ihren Enden 53, 54 die Feder 55 gelegt, welche die Länge der Umfassung ausgleicht. Diese Feder 55 ist wesentlich stärker als die Feder 56, die einerseits am Bolzen 57 am Hebel 39 und anderseits durch den Stift 58 an der senkrechten Grundplatte 45 verankert ist. Die Feder 36 ersetzt die Feder 30 gemäss der Abbildung 1.
Die Abbildung 6 zeigt schematisch ein Beispiel eines anderen Mechanismus zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung.
In diesem Fall hat der Kurbelzapfen 21, der im Arm 59 befestigt ist, welcher auf der Welle 23 sitzt, eine feste Exzentrizität und ist mit der Pleuelstange 60 und dem Bolzen 61 verbunden, der an einem Ende des Hebels 62 von der gezeigten Form befestigt ist, wobei dieser eine mittlere Ausnehmung 63 hat und an seinem zweiten Ende mit dem Bolzen 64 einerseits mit der Stange 65 und anderseits mit dem Arm 66 verbunden ist, der sich um den in der Grundplatte 45 eingesetzten Bolzen 67 dreht. In die Längsausnehmung 63 des Hebels 62 reicht der bewegliche Bolzen 68, der mit Vorteil in der Form eines Kugellagers ausgebildet sein kann, wobei dieser Bolzen oder das Lager 68 auf der geraden oder bogenförmigen, gestrichelt gezeichneten Bahn 69 respektive 70 in verschiedene Stellungen umgestellt werden kann.
Der Bolzen 68 respektive das ersetzende Lager kann auf einem nicht eingezeichneten Support befestigt sein, durch den er bzw. es auf der Platte 45 in verschiedenen Stellungen entlang der geradenlBahn 69 befestigt werden kann oder er kann am Ende des Hebels 71 befestigt sein, der um den Bolzen 72 drehbar ist, wobei der Bolzen in der Grundplatte 45 eingespannt ist. Beim Drehen dieses Hebels nach dem Lockern und der erneuten Fixierung mit Hilfe der Fixierschraube 73 kann der Bolzen oder das Lager 68 an verschiedenen Punkten der bogenförmigen Bahn 69 mit dem Mittelpunkt in der Achse des Bolzens 72 fixiert werden.
Wenn das Lager oder der Bolzen 68 sich in der höchsten Lage, wie sie in der Abbildung 6 gezeigt ist, befindet, wo die Achse dieses Bolzens mit der Achse des Bolzens 64 zusammenfällt, führt die Stange 65 keine Bewegung aus, auch wenn die Kurbel 59 und die an sie angelenkte Pleuelstange 60 sich zwischen den beiden Totlagen bewegt. Wenn sich jedoch das Lager oder der Bolzen 68 in irgendeine andere Lage entlang der Bahn 69 oder 70 verschiebt, dann beginnt bei der Bewegung der Kurbel der Bolzen 64 und mit ihm die Stange 65 und damit auch die Kolben der Pumpe sich proportional zum Verhältnis der Armlängen des zweiarmigen Hebels, der um den Bolzen 68 schwingt, zu bewegen. Auf diese Weise kann eine stetig sich ändernde Grösse des Hubs der Pumpe auch bei ungeänderter Exzentrizität des Kurbelzapfens 21 erreicht werden.
Die Folge davon, dass bei dem oben angeführten Mechanismus der Wert des Übersetzungsverhältnisses bei Stellungen, die nahe den Anschlagsstellen sind, auf Null sinkt, ist die Tatsache, dass auch eine kleine Kraft bei einem Wert des Widerstandsmomentes in der Nähe von Null grosse Winkelbeschleunigungen gerade bei einer Stellung nahe den Anschlägen bewirkt.
Aus diesem Grunde wäre es von Vorteil, sicherzustellen, dass die Geschwindigkeit des Kolbens 7 in Stellung nahe den Anschlägen stetig auf Null sinkt, und als Ergänzung der ganzen Einrichtung einen Mechanismus vorzusehen, der in den Stellungen nahe den Anschlägen ein grosses, stetig sich vergrösserndes zusätzliches Moment entwickelt, das gemeinsam mit den übrigen Momenten ein resultierendes Moment bewirkt, das in den Gebieten der Annäherung zu den beiden Anschlägen so ansteigt, dass ein erhöhter Druck von der Hand oder dem Fuss auf den zugehörigen Taster notwendig ist, bevor noch der eigentliche Anschlag erreicht wird.
Hierdurch wird erreicht, dass die Geschwindigkeit des Kolbens 7 und hiedurch auch die der Flüssigkeit in den Leitungen stetig auf Null oder nahe diesem Wert herabsinkt, was die notwendige Voraussetzung dafür ist dass es nicht zu unerwünschten dynamischen Erscheinungen kommt, wo die kinetische Energie der sich bewegenden Säule der Flüssigkeit einen von der Geschwindigkeit des Kolbens unabhängigen Durchfluss durch die Ventile bewirkt. Die Abbildung 7 zeigt schematisch ein Beispiel einer Nockeneinrichtung für die Erreichung des zusätzlichen Moments für den eben angeführten Zweck. An der Welle 23, die den Exzenter oder eine Kurbel trägt, ist die Nocke 74 der gezeigten Form befestigt. In diese Nocke greift die Rolle 75 ein, die am Ende des Armes 77 befestigt ist, der sich um den festen Bolzen 78 dreht.
Der Arm und damit auch die Rolle 75 wird an den Umfang der Nocke 74 durch die Kraft der Feder 76 gedrückt. Die Nocke ist so geformt, dass durch ihren Eingriff mit der Rolle 75 ein zusätzliches Moment entsteht, das nach dem Zusammenlegen mit den übrigen auf die Welle wirkenden Momenten bewirkt, dass bei Anschlägen auf die eine oder andere Seite ein solches Anwachsen des ganzen Momentes auftritt, dass dieses durch die stetig sich vergrössernde auf den Hand- oder Fusstaster wirkende Kraft überwunden werden muss.