DE19632875A1 - Gerät zur Trennung von Substanzen nach der Masse und/oder Dichte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Trennung von Substanzen nach der Masse und/oder Dichte, umfassend eine Halterung zum Haltern von Behältern, in denen diese Substanzen enthalten sind, eine Antriebseinheit zur Bewegung der Halterung, gegebenenfalls eine Steuereinheit für die Antriebseinheit sowie Bedienungselemente für die Antriebs- und/oder Steuereinheit und gegebenen­ falls eine optische Anzeigeeinrichtung für die Betriebszustände, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für vielerlei Untersuchungen in Labors aller Art müssen Proben untersucht werden, die aus Flüssigkeiten bestehen, welche unterschiedlich schwere Teilchen enthalten. Dabei müssen oftmals die unterschiedlich schweren Teilchen getrennt werden, zu welchem Zweck diese Proben in Behälter abgefüllt und nach dem bekannten Stand der Technik in Zentrifugen durch schnelles Bewegen auf einer Kreisbahn die Separation erfolgt. Die schwereren Bestandteile wandern nach außen und die leichteren Bestandteile verbleiben näher dem Zentrum der Kreisbewegung.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Gerät zur Trennung von Substanzen gemäß den eingangs angegebenen Vorgaben zu schaffen, welches eine verbesserte Trennung von Bestandteilen sogar sehr geringen Unterschiedes im spezifischen Gewicht gestattet und das für viele Anwendungen eine verbesserte Probenbehandlung gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Halterung entlang einer zyklisch durchlaufenden Bahn mit zumindest zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung oder zumindest zwei Umkehrpunkten mit in diesen Bereichen bzw. Umkehrpunkten stattfindender großer Bahn­ beschleunigung geführt ist.

In vorteilhafter Weise macht sich die Erfindung dabei den Effekt zunutze, daß in Umkehrpunkten oder in Teilen starker sich ändernder Bahnkrümmungen die auf die Teilchen wirkenden Beschleunigungskräfte sehr groß werden und für eine Bewegungsumkehr um 180 Grad sogar gegen unendlich gehen, wenn nur die Zeit für die Bewegungsumkehr genügend klein gemacht wird. Daher ist beim erfindungsgemäßen Gerät selbst bei kleinen Unterschieden in der Masse und/oder Dichte eine optimale Trennung gewährleistet. Eine verbesserte Trennung von Bestandteilen ist sogar bei sehr geringen Unter­ schieden im spezifischen Gewicht gegeben, woraus eine für viele Anwen­ dungen verbesserte Probenbehandlung resultiert.

Im Gegensatz dazu ist bei der Rotation, wie sie in bisher üblichen Zentrifugen angewendet wird, die auf die zu trennenden Teilchen einwirkende Kraft konstant, wirkt aber während der gesamten Zeit des Trennungsprozesses ein. Um große Kräfte für die Trennung von Teilchen zu erreichen, müssen sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten vorgesehen sein, was einen hohen baulichen und sicherheitstechnischen Aufwand erfordert. Diese lange Zeit konstanter Krafteinwirkung auf die Proben ist für eine Reihe von Substanzen nachteilig, während eine kurzzeitige Krafteinwirkung zur Trennung von Teilchen, unter­ brochen von Phasen ohne wesentliche Krafteinwirkung, wie es durch das erfindungsgemäße Gerät ermöglicht wird, keine oder praktisch keine negativen Beeinflussungen ergibt, sondern sich in vielen Fällen im Hinblick auf weitere Analysen oder Nachbehandlungen der Proben vorteilhaft auf dieselben auswirken kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Halterung entlang eines Teils eines Kreisumfanges mit zwei Umkehrpunkten in den Enden der Bahn geführt ist. Dabei ist eine besonders einfache Kopplung mit der Antriebseinheit möglich, die bei herkömmlicher Auslegung beispiels­ weise als Elektromotor vorzugsweise eine Drehbewegung hervorruft.

Eine noch bessere Probenbehandlung durch Minimierung der zwischen den Umkehrpunkten auf die Proben einwirkenden Kräfte ist gewährleistet, wenn die Halterung entlang einer Geraden mit zwei Umkehrpunkten in den Enden der Bahn geführt ist.

Ebenso ist es möglich, daß die Halterung entlang einer Ellipse mit zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung geführt wird, deren Achsver­ hältnis lange Achse zu kurzer Achse eine große Zahl ist. Gleichermaßen kann die Halterung entlang einer Halbellipse mit einem Bereich starker Bahnkrümmungsänderung und zwei Umkehrpunkten geführt sein.

Eine einfache Steuerung und ein einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Gerätes ist möglich, wenn gemäß einem weiteren Merkmal die Antriebseinheit einen Gleichstrommotor, vorzugsweise mit Drehzahlregelung, umfaßt.

Vorteilhafterweise ist dabei der Gleichstrommotor für Drehzahlen zwischen 30 und 500 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise zwischen 60 und 300 Umdrehungen pro Minute ausgelegt. Diese Drehzahlwerte ergeben unter Berücksichtigung der Übersetzung der Drehbewegung in eine Doppelhub­ bewegung des Trägers mit den Probenbehältern eine optimale Bewegungs­ anzahl pro Zeiteinheit, welche vorzugsweise zwischen 100 und 200 Doppelhüben pro Minute liegt. Dabei bedeutet Doppelhub die Bewegung von einem Umkehrpunkt auf der offenen Bahn des Trägers zum anderen Umkehrpunkt und wieder zurück zum ersten Umkehrpunkt. Vorzugsweise ergibt eine Motorumdrehung einen Doppelhub des Trägers.

Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit mit den Bedienungselementen verbunden und enthält eine Speichereinrichtung, in der über diese Bedie­ nungselemente eingegebenen Werte zumindest vorübergehend abspeicherbar sind. Die gewünschten Werte für die Behandlung der Proben sind dabei alle unmittelbar hintereinander eingebbar, allenfalls können vor dem Beginn des Trennvorganges auch unrichtige oder irrtümlich falsche Wert noch korrigiert werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Speichereinrichtung ein EEPROM ist. Damit bleiben die eingestellten Parameter für den Trennvorgang auch nach dem Abschalten des Gerätes und bis zum Wiedereinschalten gespeichert.

Um eine einfache Eingabe der Prozeßparameter zu ermöglichen, enthält die Speichereinrichtung ein Programm enthält, welches die Bedienungselemente abfragt und entsprechend deren Stellung die Antriebseinheit, allenfalls auch die optische Anzeigeeinrichtung, ansteuert. Dabei sind die Bedienungs­ elemente vorzugsweise zumindest eine Zifferntastatur von 0 bis 9 mit einer Eingabebestätigungstaste und einem Ein/Ausschalter.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Steuereinheit mit einer vorzugsweise im Gehäuse integrierten Schnittstelle zu externen Steuerge­ räten, beispielsweise externen Bedienungseinheiten oder Computern, ver­ bunden zur Ausgabe von Meßergebnissen oder Eingabe von Daten. Dabei kann wegen der optimalen Kompatibilität vorgesehen sein, daß die Schnittstelle ein parallel Schnittstelle, vorzugsweise vom Typ RS232, ist.

In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gerätes

Fig. 2 eine Vorderansicht des Gerätes der Fig. 1, in welcher die Bedie­ nungselemente dargestellt sind und

Fig. 3a bis d mögliche Bahnkurven der Halterung.

Das in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Gerät besteht aus einem Gehäuse 1, einem Träger 2 und einem auf dem Träger 2 vorzugsweise abnehmbar montierten Aufnahmerahmen 3 als Halterung für die Probenbehälter, vorzugsweise Zentrifugengläser. Der Aufnahmerahmen 3 kann dabei für eine prinzipiell beliebige Anzahl von Behältern ausgelegt sein und gegebenenfalls durch unterschiedliche, auswechselbare Einsätze umrüstbar sein. Meist wird Platz für sechs oder acht Zentrifugengläser vorgesehen sein. Das vorzugsweise aus leichtem, aber stabilem Material wie etwa Aluminium bestehende Gehäuse 1 enthält den Antrieb für die Bewegung des Trägers 2 und auch die dazugehörige Steuerung, vorzugsweise auf elektronischer Basis.

Vorteilhafterweise ist diese elektronische Steuerschaltung auf einer Platine in SMD-Technik aufgebaut. Dabei bietet ein EEPROM die Möglichkeit, alle eingegebenen Wert bis zum nächsten Einschalten des Gerätes gespeichert zu halten. Dieser Speicherbauteil kann auch das Steuerprogramm für das Gerät enthalten, welches die Bedienungselemente abfragt, die eingegebenen Werte auf ihre Zulässigkeit überprüft und bei festgestellter Zulässigkeit der Eingabe diese Werte zur späteren Ansteuerung des Antriebes in den Speicher einschreibt. Des weiteren kann der genannte Speicherbauteil die notwendigen Treiber für eine optische Anzeigeeinrichtung enthalten, Testprogramme für die Gerätefunktionen, Fehlermeldungen, Sicherheitsschaltungen und anderes.

Über eine gegebenenfalls im Gerät integrierte Schnittstelle zu externen Steuereinheiten bzw. zu einem Computer können bei einer vorteilhaften Ausführungsform alle möglichen Gerätefunktionen auch programm- oder ferngesteuert durchgeführt werden. Vorzugsweise ist aufgrund der universellen Anwendbarkeit und Kompatibilität mit den meisten externen Einrichtungen eine parallele Schnittstelle, vorzugsweise vom Typ RS232 vorgesehen.

Der Antrieb des Trägers 2 erfolgt vorzugsweise durch einen Gleichstrommotor mit Drehzahlregelung. Dieser Motor wird vorzugsweise extern aus dem Netz mit Strom versorgt, wobei ein im Gehäuse 1 integriertes Netzteil für die Umwandlung von Wechselstrom in geeigneten Gleichstrom sorgt. Im Gehäuse 1 kann auch Platz für die Aufnahme einer Energieversorgungseinheit aus einem oder mehreren Akkumulatoren vorgesehen sein, womit das Gerät unabhängig von einem Stromanschluß ist.

Der Bereich, in welchem der Träger 2 aus dem Gehäuse 1 herausragt und in dem das Gehäuse 1 zur Ermöglichung der Bewegung des Trägers 2 und damit auch des Aufnahmerahmens 3 für die Probenbehälter eine Ausnehmung, beispielsweise in Form eines Langloches, aufweisen muß, ist zur Vermeidung des Eindringens von Schmutz oder Feuchtigkeit mit einem elastischen Balgen 4, vorzugsweise aus Gummi, abgedeckt.

Vorzugsweise ist der Träger 2 derart im Gehäuse 1 aufgehängt, daß sich der Aufnahmerahmen 3 auf einer Geraden oder auf einem Abschnitt eines Kreisumfanges immer zwischen zwei gegenüberliegenden Umkehrpunkten hin und her bewegt. Dabei wirken in den Umkehrpunkten je nach Geschwindigkeit der Bewegungsumkehr sehr hohe Kräfte auf die Teilchen in der Flüssigkeit ein, die sich in den Probenbehältern befindet, wodurch sogar die Trennung von Teilchen mit sehr geringem Massenunterschied gelingt.

Das Steuerprogramm im Speicherbauteil bzw. die allenfalls anders realisierte Steuerschaltung des Gerätes kann auch mit Sensoren oder anderen Einrichtungen verbunden sein, die eine Abweichung von der gewählten Umdrehungs- bzw. Bewegungszahl feststellen können, was beispielsweise auf eine Überlastung mit zu großer Probenmasse zurückzuführen sein kann. In derartigen Fällen stoppt das Steuerprogramm den Betrieb des Gerätes und gibt eine entsprechende Fehlermeldung aus.

Auf einer der Oberflächen des Gehäuses 1, vorzugsweise an der schräg nach oben weisenden Fläche 1a, können vorteilhafterweise die Bedienungselemente vorgesehen sein. Diese sind, wie in Fig. 2 dargestellt, zur leichten Eingabe jeder gewünschten Zahl von Motorumdrehungen bzw. von Doppelhüben des Trägers pro Zeiteinheit als Zahlentastatur 5 mit Tasten von 0 bis 9 ausgeführt. Die richtige Eingabe kann dann über eine separate Eingabetaste 5a bestätigt werden. Weiterhin ist im dargestellten Beispiel der Ein/Ausschalter des Gerätes als Taste 5b in die Tastatur integriert.

Um, falls bei der jeweiligen Ausführungsform vorgesehen, zwischen den Betriebsarten des erfindungsgemäßen Gerätes - Bedienung über die Tastatur 5, 5a oder Ansteuerung über die Schnittstelle beispielsweise über Computer - umschalten zu können, ist dann eine weitere Taste 5c vorgesehen. Die Betätigung einer Taste 5d bewirkt die Umschaltung des Gerätes in einen Modus, in dem über die Zahlentastatur 5 die gewünschte Anzahl von Umdrehungen pro Minute bzw. die Anzahl der Doppelhübe pro Minute eingegeben werden - und allenfalls in die Speichereinheit der Steuerschaltung eingeschrieben werden - kann.

Weitere Tasten 5e, 5f erlauben die Umschaltung in Betriebszustände für Testläufe über eine wieder über die Tastatur 5 wählbare Anzahl von Umdrehungen bzw. über eine bestimmte Zeitspanne, sowie eine Umschaltung in den Eingabe- und Editiermodus für die Anzahl der Umdrehungen bzw. Zeit für den tatsächlichen Betrieb mit den jeweiligen Proben, wobei vorzugsweise alle diese Betriebszustände, Testläufe und Separierungsvorgänge über das Programm der Speichereinheit gesteuert werden können.

Die über die Tastatur 5 bis 5f eingegebenen Werte, der jeweilige aktuelle Betriebszustand des Gerätes, gegebenenfalls Fehlermeldungen usw. können auf einer optischen Anzeigeeinheit 6 abgelesen werden, die ebenfalls über die Steuerschaltung des Gerätes angesteuert wird. Auf der Anzeigeeinheit können des weiteren die eingegebenen Werte für Umdrehungszahl, Zeitspanne, Betriebsmodus und dergleichen angezeigt werden, gegebenenfalls auch eine aktive oder deaktivierte Verbindung zu externen Steuergeräten über die gegebenenfalls integrierte Schnittstelle.

Eine einfache, leicht ablesbare und stromsparende Anzeigevorrichtung 6 ist durch Ausführung als LCD-Anzeige gegeben, wobei vorteilhafterweise vier Anzeigezeilen vorhanden sind. Dabei kann als weiteres Bedienelement 7 ein Rad, ein Knopf oder dergleichen für ein die Helligkeit der Anzeige regelndes Potentiometer vorgesehen sein.

Auch eine Sicherung des Gerätes über einen codierten Schlüssel oder über einen über die Tastatur 5 einzugebenden und von der elektronischen Schaltung bzw. dem Steuerprogramm überprüften Zahlencode wäre möglich.

Fig. 3 zeigt weitere mögliche Bewegungsbahnen der Halterung mitsamt den Behältern in Form einer geschlossenen Ellipse oder offene Halbellipse oder eine offene zweiästige oder eine geschlossene dreiästige Bahnkurve.

Claims (16)

1. Gerät zur Trennung von Substanzen nach der Masse und/oder Dichte, umfassend eine Halterung zum Haltern von Behältern, in denen diese Substanzen enthalten sind, eine Antriebseinheit zur Bewegung der Halterung, gegebenenfalls eine Steuereinheit für die Antriebseinheit sowie Bedienungselemente für die Antriebs- und/oder Steuereinheit und gegebenen­ falls eine optische Anzeigeeinrichtung für die Betriebszustände, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 3) entlang einer zyklisch durchlaufenden Bahn mit zumindest zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung oder zumindest zwei Umkehrpunkten mit in diesen Bereichen bzw. Umkehrpunkten stattfindender großer Bahnbeschleunigung geführt ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 3) entlang einer offenen Bahn mit zumindest zwei Umkehrpunkten geführt ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 3) entlang eines Teils eines Kreisumfanges mit zwei Umkehrpunkten geführt ist.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 3) entlang einer Geraden mit zwei Umkehrpunkten geführt ist.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 3) entlang einer Ellipse mit zwei Bereichen starker Bahnkrümmungsänderung geführt ist.

6. Gerät nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 3) entlang einer Halbellipse mit einem Bereich starker Bahnkrümmungsänderung und zwei Umkehrpunkten geführt ist.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit einen Gleichstrommotor, vorzugsweise mit Drehzahlregelung, umfaßt.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor für Drehzahlen zwischen 30 und 500 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise zwischen 60 und 300 Umdrehungen pro Minute, ausgelegt ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 3) zwischen 100 und 200 Doppelhüben pro Minute ausführt.

10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit mit den Bedienungselementen (5 bis 5f) verbunden ist und eine Speichereinrichtung enthält, in der über diese Bedienungselemente eingegebenen Werte zumindest vorübergehend abspeicherbar sind.

11. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung ein EEPROM ist.

12. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung ein Programm enthält, welches die Bedienungs­ elemente (5 bis 5f) abfragt und entsprechend deren Stellung die Antriebs­ einheit, allenfalls auch eine optische Anzeigeeinrichtung (6), ansteuert.

13. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit mit mindestens einer vorzugsweise im Gehäuse integrierten Schnittstelle zu externen Steuer­ geräten, beispielsweise externen Bedienungseinheiten oder Computern, verbunden ist.

14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle ein parallel Schnittstelle, vorzugsweise vom Typ RS232, ist.

15. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anzeigeeinrichtung (6) mit den Bedienungselementen (5 bis 5f) und/oder der Steuereinheit verbunden bzw. über diese zur Ausgabe verschiedener Signale bzw. Meldungen ansteuerbar ist.

16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anzeigeeinrichtung (6) eine vorzugsweise vierzeilige LCD-Anzeige ist.