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Die vorliegende Erfindung betrifft eine HPLC-Pumpe, wobei die HPLC-Pumpe eine Antriebseinheit zum Bewegen des Kolbens entlang einer Längsachse der HPLC-Pumpe aufweist. Die folgenden Ausführungen sind vorwiegend auf HPLC-Pumpen bezogen, gelten aber im Allgemeinen auch für entsprechende Pumpen, die nicht im HPLC-Bereich eingesetzt werden. Die Qualität vieler Pumpen und insbesondere von HPLC-Pumpen zeichnet sich insbesondere durch ihre Fähigkeit aus, selbst kleine Volumina und Volumenströme sehr genau dosieren sowie bereitstellen und einhalten zu können. Dies gilt auch, wenn aufgrund der jeweiligen analytischen Anwendung, für welche die HPLC-Pumpe angewendet wird, die Volumenströme zeitabhängig geändert werden sollen, also ein Gradient eingestellt wird. Ferner dürfen Druckänderungen, die während der Anwendung auftreten können oder die aufgrund der Anwendung gezielt vorgenommen werden, die Genauigkeit der dosierten Volumina und der eingestellten Volumenströme nicht nachteilig beeinflussen. Moderne HPLC-Pumpen sind in der Lage, die Kolben in sehr kleinen Schritten entlang der Längsachse im Pumpenzylinder zu bewegen. So ist beispielsweise bei Volumenströmen von 0,05 bis 5 mL/min und bei einem 1/8"-Kolben eine Positionierungsgenauigkeit von 0,1 µm notwendig. Um die Genauigkeit der dosierten Volumina und der eingestellten Volumenströme einhalten zu können, ist es notwendig, jederzeit über die genaue Position des Kolbens im Zylinder informiert zu sein, um gegebenenfalls korrigierend eingreifen zu können.
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Die Antriebseinheit von HPLC-Pumpen umfasst üblicherweise einen Elektromotor, der eine rotatorische Bewegung bereitstellt. Der Elektromotor treibt entweder direkt oder indirekt eine Wandlungseinheit zum Wandeln der rotatorischen Bewegung in eine translatorische Bewegung an, so dass der Kolben entlang der Längsachse der HPLC-Pumpe translatorisch im Zylinder bewegt werden kann. Bei derartigen HPLC-Pumpen wird beispielsweise ein Rotationsgeber eingesetzt, welcher das vom Elektromotor abgegebene Maß der Drehung erfasst und quantifiziert. Da das Übersetzungsverhältnis der Wandlungseinheit bekannt ist, kann vom Maß der Drehung auf das Maß der hierdurch veranlassten translatorischen Bewegung und folglich auf die Position des Kolbens im Zylinder geschlossen werden. Bei Verwendung eines Schrittmotors ist die Position des Kolbens durch Auszählen der Schritte auch ohne Verwendung eines Rotationsgebers bekannt.
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Die Wandlungseinheiten umfassen häufig Spindel- oder Nockeneinheiten, um die rotatorischen Bewegungen in translatorische Bewegungen umsetzen zu können. Es ist bekannt, Rotationsgeber an die Spindelachse zu koppeln, was aber konstruktiv sehr aufwendig ist. Für den Fall, dass die Antriebseinheit Untersetzungsgetriebe aufweist, kann der Rotationsgeber direkt an der Motorwelle angebracht werden, was konstruktiv-einfacher ist und wodurch auch weniger genaue Rotationsgeber eingesetzt werden können. In beiden Fällen führen aber die unvermeidbaren fertigungstechnischen Ungenauigkeiten der Spindeleinheit und/oderdes Untersetzungsgetriebes zu Fehlern in der Positionsbestimmung des Kolbens. Auch wenn im Neuzustand eine ausreichend genaue Positionsbestimmung möglich sein sollte, so kann diese durch Verschleiß im Betrieb mit zunehmender Lebensdauer immer ungenauer werden. Zudem wirken sich elastische Verformungen der beteiligten Bauteile, insbesondere von Gehäusen oder Kolbenstangen, negativ auf die Positionsbestimmung aus.
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Eine Möglichkeit der Abhilfe besteht darin, die Position des Kolbens im Zylinder direkt zu bestimmen. Im Bereich des Zylinders, welcher vom zu fördernden Fluid ausgefüllt wird, oder in Verlängerung des Kolbens in Förderrichtung besteht jedoch keine Möglichkeit zur Bestimmung der Position des Kolbens. Eine Positionsbestimmung ist daher nur seitlich neben dem Kolben, neben der Spindel oder neben einer Kolbenführung möglich. Nachteilig hieran ist jedoch, dass eine elastische Verformung der kraftübertragenden Teile die Positionsbestimmung negativ beeinflusst. Zudem können Spindeln periodische Winkelbewegungen ausführen, die keinen Einfluss auf die Position des Kolbens, wohl aber auf die zur Positionsbestimmung verwendeten Messeinrichtungen haben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine HPLC-Pumpe anzugeben, mit der den oben genannten Nachteilen begegnet und mit der die Position des Kolbens auf einfache und genaue Weise bestimmt werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße HPLC-Pumpe umfasst einen der Bewegung des Kolbens folgenden Körper, der entlang der Längsachse der HPLC-Pumpe mittels des Kolbens bewegbar ist, und eine Messeinrichtung zum Bestimmen der Position des Körpers und zum Erzeugen von entsprechenden Positionssignalen. Erfindungsgemäß werden sowohl der Kolben als auch der Körper entlang derselben Achse, in diesem Fall der Längsachse, bewegt. Diese konstruktive Anordnung ist als Abbesches Komparatorprinzip bekannt. Der Körper ist nicht an einer Kraftübertragung zum Bewegen des Kolbens beteiligt. Folglich ist es möglich, die Position des Kolbens zu bestimmen, ohne dass elastische Verformungen infolge von Kraftübertragungen einen negativen Einfluss auf das Messergebnis haben. Da die Position des Kolbens direkt bestimmbar ist, haben Ungenauigkeiten beispielsweise von Spindeln oder Untersetzungsgetrieben, die zum Beispiel durch Verschleiß oder Grenzen der Fertigungsgenauigkeit hervorgerufen werden, keinen nachteiligen Einfluss auf das Messergebnis. Im Gegenteil spielt die Genauigkeit der verwendeten bewegungsübertragenden Maschinenelemente wie Spindeln mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem hierdurch realisierten Messprinzip keine nennenswerte Rolle mehr, so dass auch einfachere Spindeln mit einer geringeren Genauigkeit verwendet werden können, wodurch die Fertigungskosten für die HPLC-Pumpe gesenkt werden können. Die von der Messeinrichtung erzeugten Positionssignale können auf verschiedene Weise weiterverwendet werden. Sie können beispielsweise optisch visualisiert werden, so dass der Benutzer über die momentane Position informiert wird.
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Vorzugsweise weist der Körper eine Körperlängsachse auf, die mit der Längsachse der HPLC-Pumpe zusammenfällt. In dieser Ausgestaltung ist es möglich, den Körper rotationssymmetrisch beispielsweise in Form einer Stange oder eines Stabs auszuführen, so dass eine konstruktiv einfache Gestaltung gewählt werden kann, die kostengünstig zu fertigen ist Dadurch, dass die Körperlängsachse mit der Längsachse der HPLC-Pumpe zusammenfällt, ist auch die Anordnung des Kolbens und des Körpers innerhalb der HPLC-Pumpe konstruktiv einfacher, da ein höherer Grad an Symmetrie vorhanden ist.
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Erfindungsgemäß ist der Körper an einem ersten Ende direkt oder mittels einer Kupplungseinheit mit dem Kolben verbindbar. Die Kupplungseinheit ist so ausgestaltet, dass die Bewegung des Kolbens direkt auf den Körper übertragen wird, wobei ein Austausch des Körpers erleichtert wird. Ferner kann die Kupplungseinheit auch zum Lagern des Körpers dienen, so dass keine zusätzliche Lagerung des Körpers vorgesehen werden muss, wodurch die Anzahl von Fehlerquellen, welche die Bestimmung der Position des Kolbens nachteilig beeinflussen können, reduziert werden. Die Kupplungseinheit kann so ausgestaltet sein, dass beim Austausch des Körpers die austauschende Person eine eindeutige Rückmeldung bekommt, ob der Körper korrekt mit der Kupplungseinheit verbunden ist. Dies kann beispielsweise durch einen Einrastmechanismus oder durch den Einsatz eines Magnets realisiert sein, der auf einen magnetischen Abschnitt des Körpers einwirkt.
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In einer bevorzugten Fortbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Körper mittels eines Vorspannelements gegen die Kupplungseinheit oder deren Kolben vorspannbar. Dabei ist die Vorspannkraft des Vorspannelements so bemessen, dass es zu keiner wesentlichen elastischen Verformung des Körpers kommt. Folglich wird keine zugkraftübertragende Verbindung zwischen der Kupplungseinheit und dem Körper benötigt, wodurch die Konstruktion vereinfacht und Fertigungskosten reduziert werden. Durch die Vorspannung wird sichergestellt, dass sich der Körper nicht von der Kupplungseinheit lösen kann, wodurch der Körper nicht mehr der Bewegung des Kolbens folgen könnte und keine Bestimmung der Position des Kolbens möglich wäre. Die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hierdurch erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Kupplungseinheit eine Ausgleichseinrichtung zum Ausgleichen von Versätzen und Fluchtungsfehlern zwischen dem Kolben und dem Körper. Es ist aus fertigungstechnischen Gründen nicht möglich, den Körper und den Kolben exakt entlang der Längsachse zu bewegen. Ferner ist es aus denselben Gründen nicht möglich, den Kolben und den Körper so auszurichten, dass sie genau fluchten. Vielmehr wird es immer gewisse Abweichungen geben, die mit der Ausgleicheinrichtung ausgeglichen werden können, wodurch Messfehler infolge von Fertigungsungenauigkeiten minimiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Antriebseinheit einen Motor zum Bereitstellen einer rotatorischen Bewegung und eine Wandlungseinheit zum Wandeln der rotatorischen Bewegung in eine translatorische Bewegung zum Bewegen des Kolbens entlang der Längsachse der HPLC-Pumpe, wobei der Körper die Antriebseinheit und/ oder Wandlungseinheit durchdringt. Je nachdem, wie die Antriebseinheit der HPLC-Pumpe aufgebaut ist, kann diese um den Körper herum angeordnet werden, wobei der Körper beispielsweise in einem zentralen Hohlraum verläuft. Hierdurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung kompakt auszugestalten, ohne dass zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Zudem können Komponenten von bereits bekannten HPLC-Pumpen wie Gehäuse weitgehend unverändert verwendet werden, was den konstruktiven Mehraufwand für die Umsetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung reduziert.
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Bevorzugt umfasst die Wandlungseinheit eine Spindeleinheit oder eine Nockeneinheit. Diese Baueinheiten sind bewährte Elemente zum Umwandeln von rotatorischen in translatorische Bewegungen, so dass an dieser Stelle kein besonderer konstruktiver Aufwand zum Bereitstellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung nötig ist.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn die Messeinrichtung im Bereich eines zweiten Endes des Körpers angeordnet ist. Die Messeinrichtung kann sowohl vom Kolben als auch von der Antriebseinheit beabstandet angeordnet werden, so dass sich Einflüsse wie vom Kolben oder von der Antriebseinheit erzeugte Schwingungen oder Vibrationen nicht negativ auf das Messergebnis auswirken. Folglich wird die Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöht.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Messeinrichtung optische Messsensoren aufweist, die im Bereich des zweiten Endes mit dem Körper zusammenwirken. Optische Messsensoren sind einerseits kostengünstig in der Anschaffung und stellen andererseits eine hohe Messgenauigkeit bereit, so dass eine Linearmessung mit einer Genauigkeit von 0,1 µm ohne nennenswerte Schwierigkeiten bereitgestellt werden kann. Zudem sind optische Messsensoren weitgehend störungsunempfindlich, so dass sie auch über eine längere Betriebsdauer zuverlässig einsetzbar sind.
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Vorzugsweise umfasst die Messeinrichtung ein das zweite Ende des Körpers aufnehmendes Gehäuse, in welchem der Körper gelagert und das Vorspannelement und/oder die Messsensoren angeordnet sind. Das Gehäuse bietet den Messsensoren Schutz vor äußeren Einflüssen und verhindert Lichtreflexionen, welche sich negativ auf die Messergebnisse auswirken könnten. Zudem wird der versehentliche Kontakt eines Benutzers mit dem Körper verhindert, wodurch Beschädigungen vermieden werden. Ferner können die Vorspannelemente und die Messsensoren vormontiert werden, so dass deren korrekte Position sichergestellt ist. Mittels des Gehäuses kann der Körper auf einfache Weise gelagert werden. Zum Austausch des Körpers muss nur das Gehäuse entfernt werden, wodurch der freie Zugang zum Körper gewährleistet ist.
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Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuereinheit zum Auswerten der von der Messeinrichtung erzeugten Positionssignale und zum Ansteuern der Antriebseinheit. Mithilfe der Steuereinheit kann ein kontinuierlicher Abgleich der ermittelten Position des Kolbens mit den Sollwerten durchgeführt werden. Sobald die ermittelte Abweichung ein gewisses Maß überschreitet, kann die Antriebseinheit entsprechend angesteuert werden, so dass der gewünschte Volumenstrom oder das zu dosierende Volumen wieder erreicht werden. Hierdurch kann die erfindungsgemäße HPLC-Pumpe mit der gewünschten Genauigkeit betrieben werden.
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Insbesondere ermöglicht es die HPLC-Pumpe, einen sehr genauen Volumenstrom bereitzustellen, ohne dass hierzu aufwendige konstruktive Maßnahmen erforderlich wären.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Bezug auf die anhängenden Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen
- 1 eine vereinfachte prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Kolbens einer HPLC-Pumpe, und
- 2 eine detailliertere Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße HPLC-Pumpe 14 anhand einer vereinfachten Prinzipskizze dargestellt. Die HPLC-Pumpe 14 umfasst eine Antriebseinheit 16, mit der auf nicht näher dargestellte Weise der Kolben 12 entlang einer Längsachse L der HPLC-Pumpe 14 bewegt werden kann. Der Kolben 12 und die Antriebseinheit 16 sind mittels einer Kupplungseinheit 18 miteinander verbünden, über die der Kolben 12 auch mit einem ersten Ende 20 eines Körpers 22 verbunden ist, welcher der Bewegung des Kolbens 12 folgt und der entlang der Längsachse L mittels des Kolbens 12 bewegbar ist. Zum Ausgleichen von Versätzen und Fluchtungsfehlern zwischen dem Kolben 12 und dem Körper 22 umfasst die Kupplungseinheit 18 eine Ausgleichseinrichtung 24. Im Bereich eines zweiten Endes 26 des Körpers 22 ist eine Messeinrichtung 27 angeordnet, mit welcher die Position des Körpers 22 bestimmt werden kann. Darüber hinaus ist der Körper 22 in axialer Richtung über ein Vorspannelement 28 mittelbar gegen den Kolben 12 vorgespannt, wobei zwischen Kolben 12 und vorderem Körperende 20 Verbindungselemente einander axial und spielfrei beaufschlagen. Die Kopplung zwischen Körper und Kolben kann durch deren unmittelbaren Kontakt oder über dazwischenliegende Kupplungskomponenten erfolgen.
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Durch Aktivieren der Antriebseinheit 16 wird der Kolben 12 entläng der Längsachse L der HPLC-Pumpe 14 bewegt. Da der Körper 22 mittels der Kupptungseinheit 18 mit dem Kolben 12 verbunden ist, folgt der Körper 22 seiner Bewegung, ohne dass der Körper 22 selbst in Kontakt mit der Antriebseinheit 16 steht. Die Bewegung des Körpers 22 und des Kolbens 12 erfolgen entlang derselben Achse, hier entlang der Längsachse L der HPLC-Pumpe 14. Die Bewegung des Körpers 22 wird von der Messeinrichtung 27 registriert, wodurch auf die Position des Kolbens 12 geschlossen werden kann.
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In 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 im Detail anhand einer Schnittdarstellung gezeigt. Die Antriebseinheit 16 umfasst einen Motor 30, der auf nicht dargestellte Weise ein Drehmoment auf eine drehbar gelagerte Ausgangswelle 32 abgibt. Die Ausgangswelle 32 ist über einen Riementrieb 34 mit einer entlang der Längsachse L der HPLC-Pumpe 14 verlaufenden Hohlwelle 36, die einem inneren Hohlraum 38 aufweist, verbunden. Die Hohlwelle 38 ist mit Hilfe von zwei Lagern 40 in einem ersten Gehäuseabschnitt 41 eines Gehäuses 42 der Vorrichtung 10 drehbar gelagert. Die Hohlwelle 36 ist über eine Kupplung 43 mit einer Wandlungseinheit 44 verbunden, mit welcher die rotatorische Bewegung, die vom Motor 30 bereitgestellt wird, in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird. Im dargestellten Beispiel ist die Wandlungseinheit 44 als eine Spindeleinheit 46 ausgeführt, die eine Spindel 48, eine Spindelmutter 50 und ein Spindelgehäuse 52 aufweist. Die Spindel 48 selbst weist eine Durchgangsbohrung 53 auf, die sich an den inneren Hohlraum 38 der Hohlwelle 36 anschließt. Das Spindelgehäuse 52 wird von einem Schlitten 54 umschlossen. Die Spindeleinheit 46 ist in einem zweiten Gehäuseabschnitt 55 des Gehäuses 42 angeordnet. Sowohl der Schlitten 54 als auch das Spindelgehäuse 52 sind mit der bereits in Bezug auf die 1 beschriebene Kupplungseinheit 18 verbunden, an welcher der in einem Zylinder angeordnete Kolben 12 befestigt ist und welche die Ausgleichseinrichtung 24 umfasst.
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Wie zuvor erwähnt, ist auch der Körper 22 an seinem ersten Ende 20 mit der Kupplungseinheit 18 verbunden und durchläuft die Durchgangsbohrung 53 der Spindel 48 und den inneren Hohlraum 38 der Hohlwelle 36, ohne dabei in Kontakt mit den verschiedenen Komponenten der Antriebseinheit 16, der Wandlungseinheit 44, der Hohlwelle 36 oder sonstigen kraft-, drehmoment- oder bewegungsübertragenden Komponenten der HPLC-Pumpe 14 mit Ausnahme der Kupplungseinheit 18 zu treten. Der Körper 22 weist eine Körperlängsachse LK auf, die im dargestellten Beispiel mit der Längsachse L der HPLC-Pumpe 14 zusammenfällt. Im Bereich des zweiten Endes 26 des stab- oder stangenförmig ausgebildeten Körpers 22 ist die Messeinrichtung 27 angeordnet, die ein eigenes Gehäuse 60 aufweist. In dem Gehäuse 60 sind optische Messsensoren 62 angeordnet, welche die Bewegung des Körpers 22 registrieren und in entsprechende Positionssignale umwandeln können, wobei statt optischer auch andere Messprinzipien anwendbar sind. Ferner ist das Vorspannelement 28 im Gehäuse 60 angeordnet und im dargestellten Beispiel als eine Feder 64 ausgeführt, welche den Körper permanent gegen die Kupplungseinheit drückt.
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Ferner umfasst die Vorrichtung 10 eine Steuereinheit 66 zum Auswerten der von der Messeinrichtung erzeugten Positionssignale und zum Ansteuern der Antriebseinheit 16, die über elektrische Leitungen 68 zum Übertragen der Positionssignale mit der Messeinrichtung und dem Motor 30 verbunden sind. Alternativ können die Positionssignale auch drahtlos übertragen werden.
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Im Betrieb der HPLC-Pumpe 14 wird der Motor 30 zum Bewegen des Kolbens 12 aktiviert, in dem die Ausgangswelle 32 eine Drehbewegung ausführt. Über den Riementrieb 34 wird die Drehbewegung auf die Hohlwelle 36 und auf die Spindeleinheit 46 übertragen. In der Spindeleinheit 46 wird die Drehbewegung in eine translatorische Bewegung des Spindelgehäuses 52 und des Schlittens 54 umgewandelt. Die translatorische Bewegung wird über die Kupplungseinheit 18 auf den Kolben 12 übertragen, der folglich entlang der Längsachse L der HPLC-Pumpe 14 im Zylinder bewegt wird. Da der Körper 22 mit der Kupplungseinheit 18 verbunden und federbeaufschlagt gegen die Kupplungseinheit 18 bzw. den Kolben gedrückt ist, folgt auch der Körper 22 der Bewegung des Kolbens 12. Die Bewegung des Kolbens 12 entspricht daher der Bewegung des Körpers 22, wobei die Bewegung des Körpers 22 von der Messeinrichtung 27 und insbesondere von den Messsensoren 62 registriert und in entsprechende Positionssignale umgewandelt werden, die von der Steuereinheit 66 verarbeitet werden können. Die Steuereinheit 66 kann die Bewegung des Körpers 22 quantifizieren und so die aktuelle Position des Körpers 22 im Zylinder bestimmen. Ferner kann die Steuereinheit 66 einen Abgleich zwischen der Soll- und der Ist-Position des Kolbens 12 durchführen und bei Abweichungen, die über einen bestimmten Schwellenwert hinausgehen, den Motor 30 korrigierend ansteuern, um den Kolben 12 der Soll-Position näher zu bringen und so den gewünschten Volumenstrom oder das zu dosierende Volumen mit der gewünschten Genauigkeit einzustellen. Da der Körper 22 unmittelbar den Bewegungen des Kolbens 12 folgt und ansonsten nicht mit der Antriebseinheit 16 oder der Wandlungseinheit 44 in Kontakt tritt, haben Ungenauigkeiten der Antriebseinheit und/oder der Wandlungseinheit 44, die bereits ab Werk vorhanden sind oder sich im Betrieb einstellen, keinen Einfluss auf die Bestimmung der Position des Kolbens 12 im Zylinder.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Kolben
- 14
- HPLC-Pumpe
- 16
- Antriebseinheit
- 18
- Kupplungseinheit
- 20
- erstes Ende
- 22
- Körper
- 24
- Ausgleichseinrichtung
- 26
- zweites Ende
- 27
- Messeinrichtung
- 28
- Vorspannelement
- 30
- Motor
- 32
- Ausgangswelle
- 34
- Riementrieb
- 36
- Hohlwelle
- 38
- innerer Hohlraum
- 40
- Lager
- 41
- erster Gehäuseabschnitt
- 42
- Gehäuse
- 43
- Kupplung
- 44
- Wandlungseinheit
- 46
- Spindeleinheit
- 48
- Spindel
- 50
- Spindelmutter
- 52
- Spindelgehäuse
- 53
- Durchgangsbohrung
- 54
- Schlitten
- 55
- zweiter Gehäuseabschnitt
- 60
- Gehäuse
- 62
- Messsensor
- 64
- Feder
- 66
- Steuereinheit
- 68
- Leitung
- L
- Längsachse
- LK
- Körperlängsachse
