DD249307A1

DD249307A1 - UNIVERSAL LABORATORY TUBING PUMP AND METHOD FOR CONTROLLING IT

Info

Publication number: DD249307A1
Application number: DD29041586A
Authority: DD
Inventors: Norbert Klimes; Bernd Fahrenbruch
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-05-21
Filing date: 1986-05-21
Publication date: 1987-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine universelle Schlauchpumpe und ein Verfahren zu ihrer Ansteuerung. Sie bezieht sich auf das Gebiet des pulsionsarmen Fluessigkeitstransportes fuer biochemische Messungen und medizinische Diagnostik im Labormassstab. Das Ziel ist eine universelle Schlauchpumpe, deren Pumpgeschwindigkeit moeglichst stabil und in weiten Grenzen elektronisch regelbar ist. Die Aufgabe ist es, durch den mechanischen Aufbau und die Ansteuerung kleine, variable, pulsionsarme Fluessigkeitsstroeme zu erreichen. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass mehrere Schlaeuche und Pumpenrollen in Fig. 1 beschriebener Anordnung verwendet werden und bei der Ansteuerung eines Quasischrittmotors ein Verfahren mit Taktgenerator benutzt wird. Die Anwendungsgebiete sind Laborarbeiten in Forschung und Entwicklung und der Einbau in Geraete der medizinischen und chemisch-analytischen Diagnostik.The invention relates to a universal hose pump and a method for its control. It relates to the field of low-pulsed fluid transport for biochemical measurements and medical diagnostics on a laboratory scale. The goal is a universal peristaltic pump whose pumping speed is as stable as possible and electronically controllable within wide limits. The task is to achieve small, variable, low-pulsation fluid flows through the mechanical structure and the control. The object is achieved in that a plurality of hoses and pump rollers in Fig. 1 described arrangement are used and in the control of a quasi-stepping motor, a method with clock generator is used. The areas of application are laboratory work in research and development and the installation in devices of medical and chemical-analytical diagnostics.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine universelle Laborschlauchpumpe, die in Labors der medizinischen und biologischen Forschung sowie im Bereich der chemischen und pharmakologischen Industrieforschung angewendet wird. Die Schlauchpumpe wird besonders an Durchflußapparaturen mit Mikromeßzellen der medizinischen Labordiagnostik angewendet. Die universelle Laborschlauchpumpe ist weiterhin allgemein zum Pumpen von Flüssigkeiten und Gasen mit konstanten Fließgeschwindigkeiten, die in weiten Grenzen variierbar sind, einsetzbar.The invention relates to a universal laboratory hose pump, which is used in laboratories of medical and biological research as well as in the field of chemical and pharmacological industrial research. The peristaltic pump is especially applied to micro-cell flow-through apparatus of medical laboratory diagnostics. The universal laboratory hose pump is also generally applicable for pumping liquids and gases at constant flow rates, which can be varied within wide limits.

Characteristic of the well-known technical solutions

In der Patentschrift (GB) 1595901 vom 10.2.77 ist eine Schlauchpumpe für den Einsatz in der Landwirtschaft dargestellt, die für große Flüssigkeitsmengen konzipiert ist und zum Pumpen von geringen Flüssigkeitsmengen einige Nachteile aufweist. Die dort beschriebene Schlauchpumpe läßt sich für kleine Ausführungen als Laborschlauchpumpe und für den Einbau in Geräten schlecht realisieren, da dort für jeden Pumpkanal ein gesonderter Rotor und ein gesondertes Gehäuse erforderlich ist. Bei einseitiger Anordnung der Pumpschläuche, was den Vorteil der günstigeren Verbindungsanordnungen von Ein- und Ausgängen mit sich bringt, müssen die getrennten Rotoren mit ihren jeweils drei Rollen zusätzlich um einen Betrag zueinander versetzt gesteuert sein. Ein weiterer Nachteil in der dargestellten Anordnung besteht darin, daß die Pumpschläuche nicht entlastet werden können, da hier ein geschlossenes Pumpengehäuse verwendet wird. Die Anwendung von nur drei Rollen pro Pumpsystem birgt den Nachteil in sich, daß die Pumpschläuche nicht definiert in dem Gehäuse anliegen. Weiterhin entstehen dadurch größere Zug- und Walkbelastungen an den Pumpschläuchen, wodurch eine kräftige Befestigung der Pumpschläuche an ihren Anschlußenden unbedingt erforderlich ist, was das Auswechseln und Einlegen der Pumpschläuche erschwert.The patent (GB) 1595901 of 10.2.77 a hose pump for agricultural use is shown, which is designed for large amounts of liquid and has some disadvantages for pumping small amounts of liquid. The peristaltic pump described there can be poorly realized for small versions as a laboratory hose pump and for installation in devices, since there for each pumping channel, a separate rotor and a separate housing is required. In one-sided arrangement of the pump tubing, which brings the advantage of the more favorable connection arrangements of inputs and outputs, the separate rotors must be additionally controlled offset by an amount with their three roles. Another disadvantage in the illustrated arrangement is that the pump tubing can not be relieved, since a closed pump housing is used here. The use of only three rollers per pumping system has the disadvantage that the pumping hoses are not defined in the housing. Furthermore, this results in greater tensile and flexing loads on the pump tubing, whereby a strong attachment of the pump tubing at their connection ends is absolutely necessary, which makes it difficult to replace and insert the pump tubing.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, mit geringem technischen Aufwand kleine Substanzmengen mit konstanter Fließgeschwindigkeit durch Durchflußapparaturen mit Durchflußmeßzellen oder Durchflußküvetten pulsionsarm pumpen zu können.The object of the invention is to be able to pump small quantities of substance at constant flow rate by means of flow apparatuses with flowmeters or flow cells with little technical effort.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die universelle Laborschlauchpumpe in Geräte der medizinischen Labordiagnostik einzubauen, was durch eine einfache und kleine Ausführung der Pumpe mit geringem Gewicht erreicht wird.Another object of the invention is to incorporate the universal laboratory hose pump into medical laboratory diagnostic equipment, which is achieved by a simple and small design of the low weight pump.

Als drittes Ziel ist die Änderung der Fließgeschwindigkeiten in weiten Grenzen durch Variation der Drehzahl des Antriebsmotors bei gleichbleibender Stabilität, geringer Geräuschbelästigung und ohne elektrische Störeinflüsse der Pumpe auf andere Baugruppen zu erhalten.The third objective is to achieve a wide variation in the flow rates by varying the speed of the drive motor while maintaining stability, low noise and without electrical interference with the pump on other assemblies.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universelle Laborschlauchpumpe derart zu gestalten, daß eine Minimierung des Pulsierens des zu pumpenden Mediums mit der Zusatzbedingung des geringsten technischen Aufwandes, kleiner und einfacher Ausführung, geringem Gewicht, geringer Geräuschbelästigung und der elektronisch gesteuerten Variation der Fließgeschwindigkeit unter Beibehaltung der Stabilität für eine ausgewählte Geschwindigkeit für den Einbau in Geräten der medizinischen Labordiagnostik erreicht wird. Durch den Einsatz von Halbschalen mit im Durchmesser unterschiedlichen Pumpschläuchen können unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten mit ein und demselben Rollenkopf erreicht werden."The invention has for its object to make a universal laboratory hose pump such that minimizing the pulsation of the medium to be pumped with the additional condition of the least technical effort, small and simple design, low weight, low noise and electronically controlled variation of the flow rate while maintaining Stability for a selected speed for installation in medical laboratory diagnostic equipment is achieved. Through the use of half-shells with different diameter pump tubing different flow velocities can be achieved with one and the same roller head.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem speziellen Aufbau der Laborschlauchpumpe und mit einem Verfahren zur Ansteuerung des Motors derselben. Die erfindungsgemäße Laborschlauchpumpe besteht aus einem mit Rollen, z. B. aus Teflonrollen, bestückten Rollenkopf, um welchen zwei Halbschalen, die zur Aufnahme der Pumpenschläuche dienen, angeordnet sind. Weiterhin besteht die Laborschlauchpumpe aus einem Einphasen-Wechselspannungs-Induktionsmotor mit Getriebe und der Taktsteuerung zur Ansteuerung des Motors.The problem is solved with a special construction of the laboratory hose pump and with a method for controlling the motor of the same. The laboratory hose pump according to the invention consists of a roller, z. B. from Teflon rolls, stocked roller head to which two half-shells, which serve to receive the pump hoses, are arranged. Furthermore, the laboratory hose pump consists of a single-phase AC induction motor with gear and the clock control for controlling the motor.

Die Rollen des Kopfes haben eine Achse mit geringem Durchmesser zur Minimierung der Achsreibung und einen Rollendurchmesser, der der Art und dem Durchmesser der Pumpschläuche optimal angepaßt ist. Die Rollen können auch in einem Rollenlager (ohne Rollenachse) untergebracht sein. Die zwei Halbschalen, welche um den Rollenkopf angeordnet sind, nehmen jeweils zwei oder mehr Pumpschläuche auf, deren Ein- bzw. Ausgänge um gleiche Abstände versetzt angeordnet sind. Die gleichen Abstände werden aus der Division des Auflageabstandes der Rollen durch die Anzahl der in einer Halbschale verwendeten Schläuche berechnet. Die hier beschriebene Anordnung der Schläuche kann bei fast jeder Schlauchpumpe angewendet werden und erzeugt die gewünschte geringe Pulsation. Die Zu- und Abflüsse der in den jeweiligen Halbschalen liegenden Pumpschläuche werden geeignet miteinander verbunden, wodurch die Pulsation minimiert wird. Bei der Anwendung von drei Pumpschläuchen in jeder Halbschale transportieren mindestens jeweils zwei Schläuche das Medium, wenn der dritte Schlauch gerade nicht transportiert, was eine größere Verringerung der Pulsation gegenüber der Anwendung von jeweils zwei Pumpschläuchen zur Folge hat. Die Pumpschläuche sind derart in den Halbschalen angeordnet, daß sie in einer, in Abhängigkeit vom Schlauchdurchmesser, definierten Vertiefung liegen, so daß die Rollen auf einer Lauffläche abrollen und die Pumpschläuche nur soweit abquetschen, daß sie gerade geschlossen und somit am geringsten mechanisch belastet werden, wodurch auch das Wandern der Pumpschläuche vermindert wird. Der Antriebsmotor ist mit einem Getriebe ausgestattet, welches die maximale Drehgeschwindigkeit des Rollenkopfes bestimmt. Die Variation der Geschwindigkeit zu niedrigeren Drehzahlen erfolgt durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Einphasen-Wechselspannungs-Induktionsmotors.The rollers of the head have a small diameter axis to minimize axle friction and a roller diameter optimally adapted to the type and diameter of the pumptubes. The rollers can also be accommodated in a roller bearing (without roller axle). The two half-shells, which are arranged around the roller head, each take two or more pump tubing, the inputs and outputs are arranged offset by equal distances. The same distances are calculated by dividing the support distance of the rollers by the number of tubes used in a half-shell. The arrangement of hoses described here can be applied to almost any peristaltic pump and produces the desired low pulsation. The inflows and outflows of the pump tubes lying in the respective half-shells are suitably connected with each other, whereby the pulsation is minimized. With the use of three pumptubes in each half-shell, at least two hoses each carry the medium when the third hose is not being transported, resulting in a greater reduction in pulsation over the use of two pumptubes. The pumptubes are arranged in the half shells that they lie in a, depending on the tube diameter, defined depression, so that the rollers roll on a tread and squeeze the pump tubing only to the extent that they are just closed and thus least mechanically stressed, whereby the migration of the pump tubing is reduced. The drive motor is equipped with a gear, which determines the maximum rotational speed of the roller head. The variation of the speed to lower speeds is achieved by a method for driving a single-phase AC induction motor.

Dieses Verfahren mit einer Taktsteuerung zur Ansteuerung ist derart gestaltet, daß über einen in der Frequenz variierbaren Rechteck-Taktgenerator die Leistungsendstufe der Taktsteuerung abwechselnd für gegebenenfalls aus der Netzfrequenz gewonnene 10O-Hzpositive und -negative Halbwellen durchgesteuert wird. Dadurch wird der Motor in Abhängigkeit von der zeitlichen Dauer des Steuertaktes in der einen Phase mit 100-Hz-positiven Halbwellen und in der anderen Phase mit 100-Hz-negativen Halbwellen abwechselnd angesteuert, wodurch sich ein quasi Schrittmotorbetrieb ergibt. Zum Weiterschreiten des Motors genügt jeweils eine Halbwelle der 10O-Hz-Frequenz. Alle weiteren Halbwellen der gleichen Polarität haben keinen weiteren Schritt zur Folge, sondern sie halten den Motor stabil in seiner Position fest, bis die Umschaltung durch den Rechteck-Taktgenerator auf die andere Polarität der 100-Hz-Halbwellen erfolgt und der gleiche Vorgang sich wiederholt. Die positiven und negativen 10OHz-Halbwellen können z. B. über einen Netztrafo mit zwei getrennten Wicklungen und den entsprechenden Greatzgleichrichtungen gewonnen werden. Zum Abbau der Gegeninduktion der Motorwicklung wird jede Gleichrichtung mit einem entsprechenden Kondensator versehen. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß ein 50-Hz-Wechselspannungsmotor mit einer 100-Hz-Halbwelle seine doppelte Nenndrehzahl erlangtThis method with a clock control for driving is designed such that the power output stage of the clock control is alternately controlled by optionally obtained from the mains frequency 10O-Hz positive and negative half-waves via a variable in frequency rectangular clock generator. As a result, the motor is alternately driven as a function of the duration of the control clock in one phase with 100 Hz positive half-waves and in the other phase with 100 Hz negative half-waves, resulting in a quasi stepper motor operation. For advancing the motor is sufficient in each case a half-wave of the 10O-Hz frequency. All other halfwaves of the same polarity have no further step to follow, but they hold the motor stable in its position until the switchover by the square clock generator to the other polarity of the 100 Hz half-waves and the same process is repeated. The positive and negative 10OHz half-waves can z. B. can be obtained via a network transformer with two separate windings and the corresponding Greatzgleichrichtungen. To reduce the mutual induction of the motor winding each rectification is provided with a corresponding capacitor. By these measures it is achieved that a 50 Hz AC motor with a 100 Hz half-wave reaches its double rated speed

Die gesteuerte Motordrehzahl ergibt sich aus The controlled engine speed results from

2x Nenndrehzahl2x rated speed

Anzahl der Halbwellen pro Rechteck-TaktNumber of halfwaves per square wave

embodiment

Fig. 1: Draufsicht der Anordnung der universellen Schlauchpumpe mit 8 Rollen am Rollenkopf und 3 Schläuchen in den HalbschalenFig. 1: Top view of the arrangement of the universal hose pump with 8 rollers on the roller head and 3 hoses in the half shells

Fig.2: Schnittdarstellung der Pumpenanordnung2 shows a sectional view of the pump arrangement

Fig.3: Abwicklungsdarstellung einer Halbschale mit 3 Pumpenschläuchen Fig.4: Schaltungsanordnung der Taktsteuerung3: development view of a half-shell with 3 pump hoses FIG. 4: Circuit arrangement of the clock control

In Fig. 1 sind um den Rollenkopf 6 mit den 8 Rollen 7 die beiden Halbschalen 1 mit den 3 Pumpenschläuchen 2, 3 und 4 angeordnet.In Fig. 1, the two half-shells 1 with the 3 pump hoses 2, 3 and 4 are arranged around the roller head 6 with the 8 rollers.

An den Eingängen und Ausgängen der Pumpschläuche 2, 3 und 4 sind jeweils die Anschlußstücke 5 zur Verbindung der Pumpschläuche angebracht. In den Halbschalen 1 sind die Ein- und Ausgänge 8, 9 und 10 der Schläuche, die jeweils um ein Drittel des Auflageabstandes der Rollen zueinander versetzt sind, eingearbeitet.At the inputs and outputs of the pump tubing 2, 3 and 4, the connecting pieces 5 are attached to the connection of the pump tubing respectively. In the half-shells 1, the inputs and outputs 8, 9 and 10 of the hoses, which are each offset by one third of the support distance of the rollers to each other, incorporated.

In Fig.2 ist die Pumpanordnung im Schnitt dargestellt, wo um den Rollenkopf 6 mit seiner Rollenkopfachse 13 und den Rollen 7 mit ihren Rollenachsen 12 die Halbschalen 1 mit den Pumpschläuchen 2,3 und 4, welche in dem Schlauchbett 11 liegen, angeordnet sind.In Figure 2, the pumping arrangement is shown in section, where around the roller head 6 with its roller head axis 13 and the rollers 7 with their roller axes 12, the half-shells 1 with the pumping hoses 2,3 and 4, which are located in the tube bed 11, respectively.

Die Rollen 7 liegen auf den Rollenlaufflächen 14 der Halbschalen 1 auf.The rollers 7 rest on the roller treads 14 of the half-shells 1.

Weiterhin ist in Fig.2 der Antriebsmotor 16 mit seinem Getriebe 15 und seiner Taktsteuerung 17 dargestellt.Furthermore, the drive motor 16 with its gear 15 and its clock control 17 is shown in FIG.

In Fig.3, der in Abwicklung dargestellten Halbschale 1, werden die um ein Drittel des Rollenauflageabstandes 26 zueinander versetzten Schlauch-ein- oder -ausgänge 8, 9 und 10 dargestellt. In den Schlauch-ein- oder- ausgängen 8, 9 und 10 sind die 3 Pumpschläuche 2, 3 und 4 mit ihren sich an den Schlauchenden befindlichen Anschlußstücken 5 angeordnet.In Fig.3, the semi-shell 1 shown in settlement, the offset by one third of the roller support distance 26 each other hose inputs or outputs 8, 9 and 10 are shown. In the hose inputs or outputs 8, 9 and 10, the 3 pumping hoses 2, 3 and 4 are arranged with their located at the hose ends connecting pieces 5.

laufen die Rollen 7 auf den Rollenlaufflächen 14 der Halbschalen 1 und transportieren das zu pumpende Medium durch die Pumpschläuche 2, 3 und 4 derart, daß eine Rolle auf die um ein Drittel des Rollenauflageabstandes 26 zueinander versetzten Pumpschläuche 2, 3 und 4 zu verschiedenen Zeiten aufläuft und die Schläuche über ihre Länge bis zu den zueinander im gleichen Verhältnis wie am Anfang versetzten Enden schließt.run the rollers 7 on the roller treads 14 of the half-shells 1 and transport the medium to be pumped through the pumptubes 2, 3 and 4 such that a roll runs on the staggered by a third of Rollenauflageabstandes 26 pumping hoses 2, 3 and 4 at different times and closing the tubes along their length to the ends offset from each other in the same ratio as at the beginning.

Beim Auflaufen einer Rolle auf einen Schlauch entsteht ein Mediumüberschuß, welcher sich nur entgegegesetzt der Pumprichtung ausbreiten kann, da in Pumprichtung die vorlaufenden Rollen den Schlauch verschließen. Dadurch entsteht in Abhängigkeit des Rollendurchmessers zum Schlauchdurchmesser eine mehr oder weniger große Haltephase des zu pumpenden Mediums. Beim Runterlaufen einer Rolle von einem Schlauch entsteht ein Zurückziehen des Mediums durch das Öffnen des Schlauches, was ebenfalls eine Haltephase zur Folge hat.When a roll rolls onto a hose, there is a medium surplus, which can only spread contrary to the pumping direction, since in the pumping direction the leading rollers seal the hose. As a result, depending on the roller diameter to the hose diameter, a more or less large holding phase of the medium to be pumped. When running down a roll from a hose, a retraction of the medium by opening the hose, which also has a holding phase result.

Werden die Eingänge und Ausgänge der drei Pumpschläuche 2,3 und 4 mit den Anschlußstücken 5 miteinander verbunden, so erreicht man dadurch ein ständiges gleichmäßiges Pumpen zweier Schläuche, mit einer kurzzeitigne Haltephase des dritten Schlauches.If the inputs and outputs of the three pumping hoses 2, 3 and 4 are connected to the connecting pieces 5, then this achieves a constant uniform pumping of two hoses, with a short-term holding phase of the third hose.

Die Pulsation des zu pumpenden Mediums kann durch Einsatz mehrerer Pumpschläuche weiter verringert werden.The pulsation of the medium to be pumped can be further reduced by using several pump tubings.

Die Anwendung der beschriebenen Schlauchpumpe in der analytischen Meßtechnik besitzt die Vorteile großer Pulsationsarmut bei kleinen, fast bis Null gehenden Fließgeschwindigkeiten, Geräuscharmut durch kleine Motordrehzahlen und die Möglichkeit der Ausführung mit kleinen Abmessungen und geringem Gewicht.The application of the described peristaltic pump in the analytical measuring technique has the advantages of low Pulsationsarmut small, almost to zero flow velocities, low noise by small engine speeds and the possibility of execution with small dimensions and low weight.

In Fig.4 ist die Schaltungsanordnung für das Verfahren zur Ansteuerung eines Einphasen-Wechselspannungs-Induktionsmotors schematisch dargestellt.In Figure 4, the circuit arrangement for the method for driving a single-phase AC induction motor is shown schematically.

Die Ausgangssignale eines Rechteckwellen-Taktgenerators 18, dessen Taktfrequenz mit dem Takt-Potentiometer 21 in weiten Grenzen variiert werden kann, werden einer Steuerstufe 19 zugeführt, welche die Leistungsendstufe 20 abwechselnd zum Übertragen der 100-Hz-positiven und -negativen Halbwellen auf den Antriebsmotor 16 durchsteuert.The output signals of a square wave clock generator 18 whose clock frequency can be varied within wide limits with the clock potentiometer 21, are fed to a control stage 19, which the power output stage 20 alternately for transmitting the 100-Hz positive and negative half-waves on the drive motor 16th by controls.

Die Versorgungsspannungen für den Antriebsmotor 16 werden über den Netztransformator 22, den Greatzgleichrichter 23 für negative und den Greatzgleichrichter 24 für positive Halbwellen erzeugt. Die Kondensatoren 25 bewirken den Abbau der Gegeninduktion des Antriebsmotors 16.The supply voltages for the drive motor 16 are generated via the power transformer 22, the Greatz rectifier 23 for negative and the Greatz rectifier 24 for positive half-waves. The capacitors 25 cause the reduction of the mutual induction of the drive motor 16.

Claims

1. Universal hose pump, consisting of a motor-driven roller head on which one or two half-shells are arranged with pump hoses, and a clock control, which determines the engine speed, characterized in that on the roller head several, at least 6, rollers are arranged at a uniform angular distance and each half-shell 2 or more, in the half shells optionally different, pump hoses in a hose bed contains their inputs and outputs are offset by an equal distance from each other, resulting from the division of the support spacing of adjacent roles in the half shell by the number of pump hoses results.

2. Universal hose pump according to item 1, characterized in that only a half-shell is arranged on the roller head.

3. Universal hose pump according to item 1, characterized in that in the two half-shells different, in particular different diameter pump hoses are used simultaneously.

4. Universal hose pump according to item 1,2 and 3, characterized in that the inputs and outputs of the pump hoses with fittings, depending on the application, are interconnected.

5. A method for controlling the universal peristaltic pump according to item 1 with Einphaseninduktionsmotor and a gearbox for roller head operation and clock control, characterized in that the Einphaseninduktionsmotor in dependence on the clock phase of the clock control is alternately rotated by a positive or negative half-wave of a 100 Hz frequency and the rotational speed is determined by the clock frequency.

6. The method according to item 5, characterized in that with fixed gear reduction and according to claim 1 selected pump design, the clock generator frequency by a factor of up to 1000

___ j / arnert_wird and the flow rate also changes by a factor of up to 1000.