DE1598289A1

DE1598289A1 - Dosiervorrichtung fuer Fluessigkeiten,insbesondere fuer Seriendosierung

Info

Publication number: DE1598289A1
Application number: DE19661598289
Authority: DE
Inventors: Hrdina Dr-Ing Jiri
Original assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Current assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Priority date: 1965-11-27
Filing date: 1966-11-23
Publication date: 1970-12-17
Also published as: SE326055B; CH465920A; AT272272B; GB1163602A; US3437051A; FR1513370A; BE690177A

Description

.. sue. (Zoenhaml i/Caestetti

PATENTANWALT

Π. H. 1969

Anw.-Akte: 75.25

PATENTANMELDUNG

Aktenzeichen: P 15 98 289. 5-52

Anmelder:

Ceskoslovenska akademie ved.₇ Praha 1

"Dosiervorrichtung für Flüssigkeiten, insbesondere für Seriendosierung"

Für die Seriendosierung von Flüssigkeiten, besonders in mit großen Mengen gleicher Analysenproben arbeitenden Laboratorien und ähnlichem, wird für einen rationellen Betrieb eine Dosiervorrichtung mit einer Art automatisch oder halbautomatisch wirkender Pipette benötigt. Hierdurch wird das langdauernde und manchmal auch wenig genaue Pipettieren ersetzt.

Für die Zwecke einer automatischen oder halbautomatischen Dosierung wurden aufgrund der oben angeführten Erfordernisse zahlreiche Arten von Dosiervorrichtungen, bzw. halbautomatischen Pipetten auf der Grundlage der verschiedensten Arbeitsprinzipien ausgebildet. Solche Einrichtungen gibt es in der einfachsten Ausführung, die eigentlich nur eine Ergänzung der Handpipette ist, mit der die Flüssigkeit von einem Gefäß in ein anderes durch freie Bewegung der in der Hand gehaltenen Pipette übertragen wird, wobei sich die Einrichtung von dem allgemein verwendeten Pipettieren vor allem durch die Ausbildung

009851/1656

einer mechanischen Hilfe unterscheidet, welche die in die Pipette mit dem Mund angesaugte Flüssigkeitsmenge abmißt, ohne daß diese mit dem Daumen angehalten und abgelassen wird₀ Das-andere Extrem sind vollautomatische Einrichtungen, die zum Beispiel periodisch genaue Mengen dosieren und im Wesen Pumpen sind, deren Arbeitszyklus sich periodisch von einem an den anderen anschließt, wobei jeder einzelne Arbeitszyklus, bzw_o Serien von Arbeitszyklen, durch einen Impuls mit der Hand oder mit dem Fuß oder irgendwie anders ausgelöst wird. Hierbei ist der Antrieb oder die eigentliche Dosierungsvorrichtung elektrisch an einen Motor oder Solenoid gebunden und der eingezogene Kern hydraulisch an eine Wasser-Druckleitung,, gegebenenfalls an ein hochgestelltes Flüssigkeitsgefäß oder ähnlichem, oder pneumatisch an eine Leitung oder wenigstens an ein Gefäß mit Druckluft angeschlossen.

Die Dosiereinrichtungen gemäß dem ersten Extrem beschäftigen eine Hand der bedienenden Person und verhindern eine genügend rasche Arbeit. Ihr Vorteil liegt in der Einfachheit und in der verhältnismäßig billigen Herstellung, gestattet jedoch in der Regel nur einen sehr unvollkommenen Grad der Automatisierung des ganzen Dosierprozesseso Automatische oder halbautomatische Einrichtungen der zweiten Gruppe sind in der Regel sehr kostspielig und ihre Anwendung ist häufig durch den Anschluß an eine Druckleitung begrenzte Außerdem sind Einrichtungen beider Art häufig unzuverlässig, insbesondere darum, weil es aufgrund der unvollkommenen mechanischen Lösung häufig zum Verklemmen und Selbstschluß des Mechanismus kommt und dies insbesondere dadurch, daß die Mechanik der Kolbenbewegung nicht in entsprechender Weise mit Rücksicht auf die Kräfte gelöst ist, welche in bestimmten Lagen zur Selbsthemmung und damit zu einer Verklemmung des ganzen Mechanismus fuhren können. Dies tritt insbesondere %n solchen

0098S1/1S66

Fällen ein, wo als Arbeitsdosierzylinder' eine gläserne Injektionsspritze verwendet wird, die für den gegebenen Fall ein sehr geeignetes und serienmäßig billig hergestelltes Element darstellte Diese Problematik zeigt sich insbesondere dann, wenn der Inhalt der Injektionsspritze weitgehendst ausgenützt werden soll, in welchem Fall der Kolben sich in Stellungen befindet, wo er verhältnismäßig wenig in den Zylinder der Spritze eingeschoben ist, wo also die Entfernungen der beiden Kräfte, welche die Reaktion auf den Seitendruck darstellen, der nicht genügend beseitigt werden kann, durch die Größe der angeführten Kräfte zu solchen Werten ansteigen, daß diese eine freie Bewegung des Kolbens behindern und unter gewissen Umständen zu einer vollkommenen Selbsthemmung fuhren können.

Die Erfindung besteht in einer Kombination von an sich bekannten Elementen einer Dosiereinrichtung, die alle an eine Dosiereinrichtung gestellten Bedingungen einschließlich des Freimachens einer Hand oder beider Hände der bedienenden Person für das Übertragen der Gefäße, in die dosiert wird, erfüllt, wobei gleichzeitig ein hoher Grad von Zuverlässigkeit erreicht wird, der Störungsanfall, insbesondere aus den oben angeführten 'Gründen, wird bei der Erfindung'praktisch durch einfache und herstellungsmäßig leicht durchführbare Mittel völlig beseitigte

Das Wesen der Flüssigkeits-Dosiereinrichtung gemäß der Erfindung beruht darin, daß zur Sicherstellung der Genauigkeit, zum Anschließen eines toten Ganges und weitgehender Verminderung der auf den Kolben wirkenden Seitenkräfte die Dosiervorrichtung eine weiche, zylindrische, den Kolben zentrisch umschließende Feder hat, die auf das untere Ende des Kolbens mit Hilfe eines Körpers, der den unteren Teil des Kolbens

0Q98S1/16S6

einschließt und als Kardangelenk einwirkt» Dabei ist der Körper durch ein Kugelgelenk an einer Pleuelstange angelenkt und mit Hilfe eines Gelenkes mit einem zweiarmigen Hebel verbunden, der um den Grundbolzen drehbar ist, an dessen anderem Ende ein für die Druckwirkung eines Fingers der Hand in Abwärtsrichtung dienender Anschlagbolzen befestigt ist. Dieser bewegt sich zwischen zwei Anschlägen, von denen der eine fest oder verstellbar ist und sich mit Hilfe einer Mikrometerschraube mit Einteilung fein einstellen läßt. Zur Minimalisierung der Seitendrücke, die zwischen dem Kolben und dem Zylinder wirken, ist in der unteren Stellung des Kolbens die Ablenkung der Pleuelstange von der Nullachse kleiner als die Ablenkung von der Mittellage. Das Austrittsende der Druckleitung ist in weiten Grenzen durch ein Gelenk an einer verstellbaren Klemme verstellbar, wobei die Dosiereinrichtung fUr die Möglichkeit einer einfachen Fußbedienung mit einem Pedal versehen ist, das ,mit der eigentlichen Dosiereinrichtung durch einen Bodenzug verbunden ist, der mit einem Hebel an einem an der Verbindung gelagertem Zapfen der verstellbar am Hebel befestigt ist, angreift.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig_o la ein lotrechter Schnitt durch die Einrichtung, Fig. Ib ein lotrechter Schnitt durch die Fußbedienungseinrichtung,

Fig. 2-4 eine schematische Darstellung der auftretenden Querkräfte zwischen Zylinder und Kolben der Dosiereinrichtung.

■009851/1656

Auf dem Gestell 1 ist die lotrechte Grundplatte 2 befestigt, auf welcher der ganze Mechanismus der Dosiervorrichtung montiert ist. Mit Hilfe der Bügel 3 und 4 ist der Arbeitszylinder 5 mit.dem Kolben 6, der z. B. eine gläserne Injektionsspritze ist, an der Platte 2 befestigt. Der untere Teil des Kolbens 6 ist in den geteilten Körper 7 und 8 eingeschlossen, dessen beide Teile mit zwei oder mehreren Schrauben 9 fest verbunden sind«, Mit Hilfe der Körper 7 und 8 wirken auf den Kolben 6 in der Abwärtsrichtung die Kräfte der zylindrischen Feder 10, die sich oben auf den BUgel 4 abstützte Die zylindrische Feder 10, die eine flache Charakteristik hat, damit der Unterschied der Kräfte, mit denen sie in der obersten und untersten Lage des Kolbens wirkt, genügend klein ist, drückt mit ihrem unteren Ende auf den Körper 7 und 8, zweckmäßigerweise über einen Ring 11 und einen weiteren geformten Ring 12 in der Weise, daß die Resultante der Wirkung der Feder 10 sehr nahe der Kolbenachse 6 liegto Der geformte Ring 12 berührt nämlich auf der einen Seite den Ring 11 und auf der anderen S_eite den Körper 7, an punktförmigen Berührungsstellen, deren Verbindungslinien aufeinander senkrecht stehen, so daß eine einem Kardangelenk ähnliche Wirkung entsteht,. Hierdurch sind praktisch Querkomponenten der Kraftwirkung auch in dem Fall ausgeschlossen, bei welchem die Feder 10 allein keine genügend zentrische Wirkung garantiert. Die zylindrische Feder ruft, insbesondere bei verschiedenem Zusammendrücken, Krqftwirkungen hervor, deren Angriffspunkt allgemein außerhalb der Achse liegt. Die Feder 10 garantiert unter den gegebenen Verhältnissen, daß der Kolben immer mit genügend großer Kraft in der Richtung nach unten gedrückt wird und gewährt so mit ausreichender Kraftreserve die Füllung des Raumes im Zylinder 5 über dem Kolben mit der Flüssigkeit, welche in diesen Raum über die Saugleitung

- 6 00 9 8 51/1650

oder über das Kegelventil 14 und die Verbindungsleitung 15 gelangt, die in den Raum im Zylinder 5 oberhalb des Kolbens 6 über die Ver&indung 16 mündet. Das Druckventil 17', ähnlichen Typs wie das Saugventil 14, ist in einer ähnlichen Kammer angeordnet, die mit der Leitung 15 vorteilhafterweise ein Ganzes bildet und mit Hilfe der geläufigen Glastechnik hergestellt werden kann. Die Druckleitung 18 verbindet die obere Ausführung der Ventilkammer 17 und der Röhre 19_r durch die Flüssigkeit in einer geeigneten Raumorientierung in die Gefäße 20 eintritt, welche unter die Röhre 19 mit der Hand oder mit dem dargestellten, an sich bekannten Mechanismus, z. Bo einem beim Sammeln von Fraktionen angewandten Mechanismus, gebracht werden können.

Die Lage des Kolbens 6 im Zylinder 5 wird durch den äußeren Hebelmechanismus bestimmt, der gegen die Feder 10 wirkt. Die Pleuelstange 21, die durch die Kugelfläche 22 begrenzt ist und sich auf der Bohrung im unteren Teil 7 des Befestigungskörpers 7 und 8 des Kolbens 6 abstützt, ist an ihrem unteren Ende durch den Bolzen

23 an einem Ende des zweiarmigen Hebels 24 angelenkt, der um den Bolzen 25 schwingt» Das andere Ende des Hebels 24 trägt den gerändelten Knopf 26, auf welchen in der Richtung des Pfeiles 26 mit der Hand ein Druck ausgeübt werden kann, und zwar in einem Ausmaße, daß für die Winkelbewegung des Hebels 24 durch die Anschläge 27 und 28 begrenzt ist«, Zwischen diesen Anschlägen 27 und 28 bewegt sich der Bolzen 29, der in den Hebel 24 eingespannt ist. Der untere Anschlag 27 ist entweder fest oder einstellbar, und zwar so, daß damit sicherstellt ist, daß der Kolben 6 beim Drücken des Hebels

24 ganz dicht unter die obere Grenze des Zylinderraumes 5 kommt, ohne daß er aber auf ihn direkt aufsitzt und damit die Gefahr einer Beschädigung oder wenigstens eines Klemmen* des Mechanismus erhöht.

009851/1656

Der obere Anschlag 28 ist durch Aufpressen auf die Schraube 30 befestigt, welche einerseits durch die glatte Führung 31 und andererseits durch die SchraubenfUhrung 32 so gefuhrt ist, daß sie gemeinsam mit der drehbaren Skala 33 und der festen Skala 34 eine mikrometrische Schraube mit den zugehörigen ablesbaren Skalen bildet.

Zum leichten und genauen Drehen der Mikrometerschraube 33 ist diese an ihrem oberen Ende mit dem Drehknopf 35 versehen, der die drehbare Skala 33 mit der Gegenmutter 36 einschließt; dadurch kann die drehbare Skala 33 so eingestellt werden, daß z. B. das Ablesen bei 0,0 bei der Stellung des Kolbens 6 in der Ausgangsstellung erreicht werden kann, das ist also in der Stellung, die durch das Aufsetzen des Bolzens 29 auf den unteren Anschlag 27 bestimmt ist» Die SchraubenfUhrung 32 der Schraube 30 ist vorteilhafterweise so durchgeschnitten, daß die Schraube 30 entweder genügend gelockert oder angezogen werden kann, entsprechend dem Lockern bzw. Anziehen der Arretierungsschraube 37, die im Querschnitt eingezeichnet ist.

Damit die Möglichkeit besteht, daß verschiedene Mundstücke 19 ausgewechselt und in ihren notwendigen räumlichen Lagen eingestellt werden können, werden die Mundstücke 19 in der Halterung 38 festgehalten, die in der Zeichnungsebene durchgeschnitten ist, und deren Backen an das Mundstück 19 durch die mit einem Feingewinde versehene Schraube 39 angezogen werden können«. Die Halterung 38 ist an ihrem linken Ende als Kugelfläche 40 ausgebildet, die durch zwei in der Zeichnung koinzidierende Backen 41, 42 eingeschlossen wird, welche mit Hilfe der Befestigungsschraube 43 so aneinandergezogen werden, daß das Zusammenschließen einerseits der Kugelfläche 40 und andererseits der Grundplatte 2 in verschiedener Stellung sichergestellt ist«,

009851/1656

Damit beide Hände der bedienenden Person frei sind, insbesondere beim rationellen Umsetzen der Gefäße 20, ist die Dosiereinrichtung mit einem Pedal versehen, das beim Niedertreten mit Hilfe eines Bowdenzuges die notwendigen Bewegungen der Dosiereinrichtung hervorruft. Das obere Ende des Mantels 44 des Bowdenzüge ist im Körper 45 befestigt, der mit der Anzugschraube 46 am Gestell 1 befestigt ist_o Das auslaufende obere Ende 47 des Bowdenzugs ist durch die Oese 48 abgeschlossen, die im Bolzen 49 eingehängt ist, der mit der Verbindung 50 mit Hilfe der Schrauben 51, 52 am Hebel 24 einstellbar befestigt ist. Das Pedal besteht aus der Grundplatte 53 und ist mit der Trittplatte 55 mit Hilfe des Bolzens 54 verbundene Beide Teile werden durch die Kraft der Feder 56 voneinander gehalten. Das untere Ende des Mantels 44 des Bowdenzugs ist an dem Körper befestigt, der in der Konsole 56 gelagert und mit der Grundplatte 53 verbunden ist₀ Die Konsole 56 trägt den festen oder verstellbaren Anschlag 57, der die Bewegung der Trittplatte 55 in der Richtung nach oben beschränkt. An die Platte 55 ist mit dem Bolzen 58 die untere Oese 59 des Bowdenzugseiles 47 angeschlossen. Beim Niedertreten des Pedals bewegt sich der Hebel 24 in ähnlicher Weiee wie beim Druck auf den Knopf 26 in der Richtung des Pfeiles 261

Die Figur 2 zeigt den Hebel 24 in einer Stellung, die der tiefsten Stellung des Kolbens 6 entspricht. Außer der eingezeichneten Stellung α des unteren Bolzens 23 sind weiter die Stellungen b, c, d ein-. gezeichnet, die auf einem gemeinsamen Bogen um die Drehachse 25 des Hebels 24 liegen. In der Stellung d hat die Richtung der Achse 0 des Zylinders 5 auch die des Kolbens 6_O In der niedrigsten Position α ist die Pleuelstange 21 (Fig. 1) mit dem unteren Bolzen 23, der an dem Hebel 24 angelenkt ist, ein wenig nach links abgelenkt, in der Position c ist sie extrem weiter nach rechts und in der obersten Position d wiederum nach links um den bestimmten Winkel aC abgelenkt.

" 98 81/1656.

Die Figur 3 zeigt den Zylinder 5 und den Kolben 6 in der höchsten Position, die der Position d in der Figur 2 entspricht, in welcher Lage der Kolben 6 beinahe völlig in den Zylinder eingeschoben ist. Weiter ist die Zerlegung der Achsenkraft S in eine axiale Komponente A in der Richtung der Achse des Zylinders 5, des Kolbens 6 und in eine Komponente B, die senkrecht zur vorhergehenden ist, dargestellte Aus dieser Kraftwirkung der Pleuelstange 21 auf den Kolbenbolzen 6 entsteht die Kraftwirkung des Kolbens 6 auf den Zylinder 5, die voneinander maximal in den Punkten C und D entfernt sind, wobei die Kräfte E, F senkrecht zur Achse des Zylinders £ und des Kolbens 6 stehen, wobei die untere Kraft E nur verhältnismäßig wenig größer ist als die Kraft B und die obere Kraft F eine sehr kleine Größe hat, wie aus den Grundlagen der Mechanik für den Fall hervorgeht, daß die Entfernung beider Kräfte E verhältnismäßig groß ist und die Entfernung der Kraft E von der hervorrufenden Querkraft B verhältnismäßig klein ist_o

Anders liegen die Verhältnisse, wenn der Kolben 6 in die tiefste Position herausgezogen ist, wie es in der Figur 4 dargestellt ist. In einem solchen Fall bewirkt die kleine senkrechte Entfernung beider Kräfte E und F, daß diese beiden Kräfte verhältnismäßig groß sind, sogar vielfach größer als die Waagerechte Komponente B, die in einem gegenüber den Angriffspunkten der Kräfte E und F ziemlich herausgeschobenen Punkte wirkt. Es ist ersichtlich, daß das starke Anwachsen der Kräfte E und F bei einem weiten Herausziehen des Kolbens 6 erfolgt und dies auch dann, wenn der Winkel der Ablenkung der Pleuelstange 21 in der niedrigsten Lage verhältnismäßig klein ist_r wie durch die niedrigste Lage in der Figur 2 dargestellt ist. Hierbei erfordert jedoch die Ausnutzung

- 10 -

009851/1656

der standardmäßig auf den Injektionsspritzen eingravierte Skala ein ziemliches Herausziehen des Kolbens 6, wobei die Entfernung e der 'Angriffspunkte der beiden Querkräfte_/ die"zwischen Kolben und Zylinder wirken, noch dadurch vermindert wird, daß die Zylinderflächen sowohl des Kolbens als auch der inneren Fläche des Zylinders 5 der Spritze in eine auch in den Meridianschnitten gekrümmte Fläche Ubergehen₀ Damit das Ansteigen der Kräfte E und F bei dem geforderten weiten Herausziehen des Kolbens 6 noch in annehmbaren Grenzen bleibt und nicht zu Klemmungen fuhrt, ist es notwendig, daß der Winkel der Ablenkung der Pleuelstange 21 in der tiefsten Position einen Nullwert hat oder sehr klein ist. Hierbei kann die exzentrische Wirkung des Druckes der Feder 10 ausgenützt werden, die auf den Körper 7, 8 wirkt, der mit dem unteren Ende des Kolbens 6 entweder direkt oder mit Hilfe des Ringes 12 mit der Wirkung eines Kardangelenkes so verbunden ist, daß als Folge der resultierenden Wirkung, die in der Figur 4 dargestellt ist, durch die Kraft X gemeinsam mit der Wirkung der axialen Kraftkomponente durch welche die. Pleuelstange 21 auf den Kolben 6 im Punkte des unteren Gelenkes des Kolbens 6 drückt, ein Paar entsteht, das Völlig oder wenigstens teilweise das Drehmoment beseitigt, das durch die horizontale, nicht große Komponente ' E verursacht wird, jedoch auf den großen Arm des extrem weit herausgezogenen Kolben 6 wirkt, woraus die Bildung der großen Kräfte E und F resultiert. Durch die angeführte kompensierende Wirkung können diese Kräfte, die unter Umständen eine kritische Annäherung zur Selbsthemmung hervorrufen, zweckmäßig verkleinert werden.

- 11

009851/1656

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Dosiereinrichtung für Flüssigkeiten, insbesondere für serienmäßiges Dosieren, mit der Möglichkeit einer genauen Bestimmung der dosierten Mengen, mit einem Dosierzylinder und Kolben, der durch einen rein mechanischen Hebelmechanismus, welcher durch Anschläge in seiner Bewegung eingeschränkt ist, beherrscht wird, wobei dieser Mechanismus kräftemäßig gegen eine elastische, das Ansaugen der Flüssigkeit hervorrufende Kraft wirkt und mit automatisch arbeitenden Ventilen versehen ist, dadurch g e k e nn zeichnet_/ daß zur Sicherstellung der Genauigkeit, für den Ausschluß von toten Gängen und zur weitgehenden Verminderung von auf den Kolben wirkenden Seitenkräften die Dosiervorrichtung eine weiche zylindrische Feder (10) besitzt, die zentrisch um den Kolben (6) angeordnet ist und mit Hilfe eines Elemente (12) mit der Funktion eines Kardangelenks auf das untere Ende des Kolbens (6) mit Hilfe des Körpers (7, 8) der das untere Ende des Kolbens (6) einschließt, einwirkt, wobei an den Körper (7, 8) durch das kugelförmige Gelenk (22) eine Pleuelstange (21) angelenkt ist und mit Hilfe des Gelenkes (23) und des zweiarmigen, um den Grundbolzen (49) schwingenden Hebels (24), an dessen anderem Ende das für die Druckbewegung des Fingers der Hand in der Richtung nach unten (26") eingerichtet ist, der Anschlagbolzen (29) angeordnet ist, der sich zwischen den Anschlägen (27, 28) bewegt, von denen der eine (29) fest oder verstellbar und der zweite (28) mit Hilfe der mit Skalen (33, 34) versehenen Mikrometerschraube (30) fein einstellbar ist, wobei zum Zwecke der Minimalisierung der zwischen dem Kolben (6) und dem Zylinder (5) wirkenden Seiten-

- 12 -

009881/185 6

druck in der unteren Stellung des Kolbens (6), die Abweichung der Pleuelstange (21) von der Achse null oder kleiner ist als die Abweichung von der Mittellage und das Austrittsende (19) der Druckleitung (18) in weiten Grenzen durch das Gelenk (40) auf der stellbaren Klemme (41, 42, 43)einstellbar ist, wobei für eine ausschließliche Fußbedienung die Dosiereinrichtung" mit einem Pedal (55) versehen ist, das mit der eigentlichen Dosiervorrichtung mit Hilfe eines Bowdenzuges (44, 47) verbunden ist, der mit dem Hebel (24).am Bolzen (49), welcher an der Verbindung (50) einstellbar am Hebel (24) gelagert ist, eingreift.

2. Dosiereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Angriffspunkt der elastischen Kraft der Feder (10) gegebenenfalls die Stelle des effektiven Wirkens des Ringes (12) mit der Funktion eines Kardangelenkes außerhalb der Achse des Kolbens (6) an der Stelle liegt, wo ein Moment entsteht, das die Querkräfte, die eine Gefahr der Selbsthemmung für den Mechanismus darstellen, kompensiert oder verkleinert.

PATENTANWALT

ORIGINAL INSPECTED 009851/165 6