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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laborgerät mit einem bewegbaren Element und einer Antriebsvorrichtung für dieses.
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Laborgeräte kommen im Laborbetrieb zum Einsatz, beispielsweise in den Bereichen Physik, Chemie, Biologie und Pharmazie. Einige dieser Laborgeräte haben bewegbare Elemente, durch die beispielsweise Substanzen gefördert oder gemischt werden. Zu diesen zählen unter anderem Peristaltikpumpen, Schüttel-Misch-Geräte, Labor-Rührer und Rotationsverdampfer.
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Der Antrieb eines solchen bewegbaren Elements erfolgt in der Regel über einen Gleichstrommotor oder einen Spaltpolmotor. Diese Motortypen liefern allerdings bei einer geringen Drehzahl nur ein geringes Drehmoment. Um das für den Betrieb in einem Laborgerät erforderliche Drehmoment zu erzielen, wird ein solcher Motor mit einer hohen Drehzahl betrieben, die anschließend über ein Getriebe (eine Untersetzung) auf die erforderliche Drehzahl reduziert wird. Ein solcher Antrieb ist komplex und enthält viele Teile. Andererseits würde eine Auslegung eines solchen Motors für hohe Drehmomente bei geringen Drehzahlen große Dimensionen des Motors erfordern, so dass er für den Einsatz in vielen Laborgeräten nicht geeignet wäre.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für ein Laborgerät und ein Laborgerät mit dieser Antriebsvorrichtung bereitzustellen, die gegenüber dem herkömmlichen Antrieb vereinfacht sind und weniger Teile enthalten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Laborgerät gemäß Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Laborgerät enthält ein bewegbares Element und eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen des bewegbaren Elements. Die Antriebsvorrichtung enthält einen Schrittmotor und eine Steuereinheit zum Ansteuern des Schrittmotors. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den Schrittmotor mittels einer feldorientierten Regelung anzusteuern.
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Die feldorientierte Regelung (FOC = field oriented control), auch Vektorregelung genannt, ist ein Regelungsverfahren, das darauf abzielt, den Erregerfluss und die Ankerdurchflutung eines Motors möglichst senkrecht zueinander zu stellen. Dadurch ist es möglich, das maximale Drehmoment des Motors zu erreichen. Hierzu ist eine Regelschleife mit Rückkopplung vorgesehen, in der an der Maschine erfasste Daten über Transformationen verarbeitet werden.
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Die Realisierung der Antriebsvorrichtung durch einen Schrittmotor und die Ansteuerung des Schrittmotors mittels feldorientierter Regelung ermöglichen es beispielsweise, den Aufbau des Laborgeräts zu vereinfachen und die Anzahl der darin enthaltenen Teile zu verringern. Das kann beispielsweise zu einer vereinfachten Herstellung des Laborgeräts und zu geringeren Herstellungskosten führen.
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Vorzugsweise ist das bewegbare Element getriebefrei mit dem Schrittmotor verbunden. Dadurch können beispielsweise eine weitere Reduzierung der Teile erreicht, die Herstellung weiter vereinfacht und die Herstellungskosten weiter verringert werden.
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Vorzugsweise ist das bewegbare Element über eine Welle mit einem Rotor des Schrittmotors verbunden. Das bewegbare Element kann auch durch eine Welle gebildet sein oder eine Welle enthalten, antriebsmäßig mit der Ausgangswelle des Schrittmotors verbunden oder einstückig mit dieser gebildet sein kann. Dadurch kann beispielsweise eine besonders einfache Art der Verbindung des bewegbaren Elements mit dem Schrittmotor realisiert werden.
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Vorzugsweise ist die feldorientierte Regelung so ausgelegt, dass die für den Antrieb des bewegbaren Elements erforderlichen Drehzahlen und/oder Drehmomente direkt durch den Schrittmotor erzeugt werden. Unter „Auslegung der Regelung“ ist hierbei die Dimensionierung der einzelnen Funktionsblöcke zu verstehen, die in einer zum Durchführen der Regelung dienenden Regelschleife enthalten. Anders ausgedrückt umfasst die Auslegung der Regelung eine geeignete Auswahl der Parameter der Übertragungsfunktionen dieser Funktionsblöcke. Eine solche Auslegung der Regelung kann beispielsweise dazu dienen, eine getriebefreie Verbindung des beweglichen Elements mit dem Schrittmotor zu ermöglichen.
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Vorzugsweise enthält die Antriebsvorrichtung ferner einen zweiphasigen Wechselrichter zum Erzeugen einer zweiphasigen Wechselspannung aus einer Eingangsgleichspannung, wobei der Ausgang des zweiphasigen Wechselrichters über zwei Motorzuleitungen mit dem Schrittmotor verbunden ist. Durch das Ansteuern des Schrittmotors mittels einer sinusförmigen Wechselspannung ist es beispielsweise möglich, Schrittverluste des Schrittmotors zu vermeiden und das Laufgeräusch zu verringern.
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Vorzugsweise enthält der Schrittmotor einen Encoder zum Ausgeben eines Encodersignals, das Informationen über eine Stellung des Rotors in dem Schrittmotor enthält. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die feldorientierte Regelung des Schrittmotors in Abhängigkeit von der momentanen Rotorstellung durchzuführen.
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Vorzugsweise enthält die Steuereinheit eine Positions- und Drehzahlbestimmungseinheit zum Bestimmen eines Rotorwinkels, einer Istposition und einer Istdrehzahl aus dem von dem Encoder ausgegebenen Encodersignal und aus Strommesssignalen, die die in den beiden Motorzuleitungen fließenden Ströme widerspiegeln. Dadurch ist es beispielsweise möglich, für die feldorientierte Regelung erforderliche Ist-Größen des Schrittmotorbetriebs bereitzustellen.
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Vorzugsweise enthält die Steuereinheit ferner
- einen ersten Regler, vorzugsweise einen PI-Regler, zum Erzeugen einer Zieldrehzahl aus einer Abweichung zwischen einer vorgegebenen Zielposition und der Istposition,
- einen zweiten Regler, vorzugsweise einen PI-Regler, zum Erzeugen eines Ziel-Steuersignals aus einer Abweichung zwischen der Zieldrehzahl und der Istdrehzahl,
- eine erste Transformationseinheit zum Durchführen einer Park-Transformation zum Erzeugen eines ersten Steuersignals und eines zweiten Steuersignals aus den Strommesssignalen und dem Rotorwinkel,
- einen dritten Regler, vorzugsweise einen PI-Regler, zum Erzeugen eines dritten Steuersignals aus einer Abweichung zwischen dem Ziel-Steuersignal und dem ersten Steuersignal,
- einen vierten Regler, vorzugsweise einen PI-Regler, zum Erzeugen eines vierten Steuersignals aus dem zweiten Steuersignal und
- eine zweite Transformationseinheit zum Durchführen einer inversen Park-Transformation zum Erzeugen von Spannungssteuersignalen aus dem dritten Steuersignal, dem vierten Steuersignal und dem Rotorwinkel,
- wobei die Spannungssteuersignale an den zweiphasigen Wechselrichter angelegt sind zum Steuern des Erzeugens der zweiphasigen Wechselspannung.
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Diese Auswahl einzelner Funktionsblöcke und ihre Anordnung in einer Regelschleife ermöglicht es beispielsweise, einen konkreten Aufbau für die feldorientierte Regelung des Schrittmotors bereitzustellen.
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Vorzugsweise ist das Laborgerät ein Labor-Rührer, eine Peristaltikpumpe, ein Rotationsverdampfer oder ein Schüttel-Misch-Gerät. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Wirkungen der Erfindung auf die jeweiligen Arten von Laborgeräten anzuwenden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ansteuern eines bewegbaren Elements in einem Laborgerät umfasst das Verbinden des bewegbaren Elements mit einem Schrittmotor und das Ansteuern des Schrittmotors mittels einer feldorientierten Regelung. Dabei ist die feldorientierte Regelung vorzugsweise so ausgelegt, dass die für den Antrieb des bewegbaren Elements erforderlichen Drehzahlen und/oder Drehmomente direkt durch den Schrittmotor erzeugt werden.
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Mit einem solchen Verfahren und seinen nachfolgend wiedergegebenen Weiterbildungen können beispielsweise die gleichen Wirkungen erzielt werden wie bei dem erfindungsgemäßen Laborgerät.
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Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner
- das Erzeugen einer zweiphasigen Wechselspannung mittels eines zweiphasigen Wechselrichters aus einer Eingangsgleichspannung und das Anlegen der zweiphasigen Wechselspannung als Betriebsspannung an den Schrittmotor,
- das Ausgeben eines Encodersignals, das Informationen über eine Stellung des Rotors in dem Schrittmotor enthält, mittels eines in dem Schrittmotor enthaltenen Decoders,
- das Bestimmen eines Rotorwinkels, einer Istposition und einer Istdrehzahl aus dem von dem Encoder ausgegebenen Encodersignal und aus Strommesssignalen, die die in den beiden Motorzuleitungen fließenden Ströme widerspiegeln, mittels einer Positions- und Drehzahlbestimmungseinheit,
- das Erzeugen einer Zieldrehzahl aus einer Abweichung zwischen einer vorgegebenen Zielposition und der Istposition mittels eines ersten Reglers,
- das Erzeugen eines Ziel-Steuersignals aus einer Abweichung zwischen der Zieldrehzahl und der Istdrehzahl mittels eines dritten Reglers,
- das Durchführen einer Park-Transformation zum Erzeugen eines ersten Steuersignals und eines zweiten Steuersignals aus den Strommesssignalen und dem Rotorwinkel mittels einer ersten Transformationseinheit,
- das Erzeugen eines dritten Steuersignals aus einer Abweichung zwischen dem Ziel-Steuersignal und dem ersten Steuersignal mittels eines dritten Reglers,
- das Erzeugen eines vierten Steuersignals aus dem zweiten Steuersignal mittels eines vierten Reglers,
- das Durchführen einer inversen Park-Transformation zum Erzeugen von Spannungssteuersignalen aus dem dritten Steuersignal, dem vierten Steuersignal und dem Rotorwinkel mittels einer zweiten Transformationseinheit, und
- das Anlegen der Spannungssteuersignale an den zweiphasigen Wechselrichter zum Steuern des Erzeugens der zweiphasigen Wechselspannung.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
- 1 ist eine schematische Darstellung eines Laborgeräts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine schematisches Blockschaltbild einer in dem in 1 gezeigten Laborgerät enthaltenen Antriebsvorrichtung.
- 3 ist eine schematische Darstellung eines Laborgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine schematische Darstellung eines Laborgeräts gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine schematische Darstellung eines Laborgeräts gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Folgenden werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung eines Laborgeräts 100 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Laborgerät 100 als Labor-Rührer ausgebildet. Das bewegbare Element ist durch einen Rührstab 10 gebildet. Der Rührstab 10 umfasst einen Rührkopf 11 und eine mit diesem verbundene Welle 12. Mit dem Rührstab können Substanzen in einem (nicht gezeigten) Gefäß, in das der Rührkopf eingetaucht ist, verrührt werden.
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Zum Antrieb des Rührstabs 10 ist ein Schrittmotor 20 vorgesehen. Im Betrieb des Laborgeräts dreht der Schrittmotor 20 den Rührkopf 11 über die Welle 12. Der Schrittmotor 20 enthält einen Stator 21 und einen Rotor 22. Der Rührkopf 11 ist über die Welle 12 mit dem Rotor 22 des Schrittmotors verbunden.
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Ferner ist eine Steuereinheit 30 vorgesehen, die ausgebildet ist, den Schrittmotor 20 anzusteuern. Der Schrittmotor 20 und die Steuereinheit 30 bilden gemeinsam eine Antriebsvorrichtung 50 für den Rührstab 10. Zur Versorgung des Schrittmotors 20 und der Steuereinheit 30 enthält das Laborgerät 100 ferner ein Netzteil 40, beispielsweise ein Weitbereichsnetzteil, zum Erzeugen von internen Versorgungsspannungen aus einer von außen zugeführten Netzspannung.
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Die Steuereinheit 30 ist dazu ausgebildet, den Schrittmotor 20 mittels einer feldorientierten Regelung anzusteuern. 2 ist eine schematisches Blockschaltbild der Antriebsvorrichtung 50, das zum Erläutern dieser feldorientierten Regelung dient.
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Der Schrittmotor 20 enthält einen Encoder 23, der ein Encodersignal E ausgibt, das Informationen über eine Stellung des Rotors 22 in dem Schrittmotor 20 enthält.
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Die Steuereinheit 30 enthält einen zweiphasigen Wechselrichter 31, der aus einer von dem Netzteil 40 bereitgestellten Gleichspannung VDC eine zweiphasige Wechselspannung VAC erzeugt. Der Ausgang des zweiphasigen Wechselrichters ist über zwei Motorzuleitungen 31a, 31b mit dem Schrittmotor 20 verbunden. Über die Motorzuleitungen 31a, 31b wird die Wechselspannung VAC als Betriebsspannung an den Stator 21 des Schrittmotors 20 angelegt.
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Die Steuereinheit 30 enthält ferner eine erste Transformationseinheit 32 und eine Positions- und Drehzahlbestimmungseinheit 34. Über (nicht dargestellte) Stromaufnehmer werden die in den Motorzuleitungen 31a, 31b fließenden Ströme erfasst und als Strommesssignale lα und lβ der ersten Transformationseinheit 32 und der Positions- und Drehzahlbestimmungseinheit 34 zugeführt.
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Die Positions- und Drehzahlbestimmungseinheit 34 bestimmt aus dem von dem Encoder 23 ausgegebenen Encodersignal E und den Strommesssignalen lα und lβ einen Rotorwinkel φ, eine Istposition P und eine Istdrehzahl n. Dabei bezeichnet der Rotorwinkel φ eine Winkelstellung des Rotors 22 innerhalb des Schrittmotors in einem Bereich von 0° bis 360°. Die Istposition dagegen zählt den Winkel fortlaufend weiter und erreicht somit bei mehrfacher Drehung des Rotors ein Mehrfaches von 360°.
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Ein erster Regler 35, der vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet ist, erzeugt aus einer Abweichung zwischen einer vorgegebenen Zielposition Pz und der Istposition P eine Zieldrehzahl nz. Ein zweiter Regler 36, der vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet ist, erzeugt aus einer Abweichung zwischen der Zieldrehzahl nz und der Istdrehzahl n ein Ziel-Steuersignal Iqz.
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Die erste Transformationseinheit 32 führt eine Park-Transformation durch und erzeugt aus den Strommesssignalen lα und lβ und dem Rotorwinkel φ ein erstes Steuersignal Iq und ein zweites Steuersignal Id.
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Ein dritter Regler 37, der vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet ist, erzeugt aus einer Abweichung zwischen dem Ziel-Steuersignal Iqz und dem ersten Steuersignal Iq ein drittes Steuersignal Vq. Ein vierter Regler 38, der vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet ist, erzeugt aus dem zweiten Steuersignal Id ein viertes Steuersignal Vd.
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Eine zweite Transformationseinheit 33 führt eine inverse Park-Transformation durch und erzeugt aus dem dritten Steuersignal Vq, dem vierten Steuersignal Vd und dem Rotorwinkel φ die Spannungssteuersignale Vα und Vβ. Die Spannungssteuersignale Vα und Vβ werden an den zweiphasigen Wechselrichter 31 angelegt und steuern die Erzeugung der zweiphasigen Wechselspannung VAC.
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Die einzelnen Funktionsblöcke dieser Regelschleife sind so dimensioniert, d.h. eine die Parameter der Übertragungsfunktionen dieser Funktionsblöcke sind so ausgewählt, dass der Schrittmotor 20 direkt die Drehzahl und das Drehmoment erzeugt, das für den Antrieb des bewegbaren Elements 10 erforderlich ist.
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Dadurch kann das bewegbare Element fest mit dem Schrittmotor verbunden sein, ohne dass irgendeine Art von Getriebe dazwischengeschaltet ist. Gegenüber herkömmlichen Antriebsvorrichtungen ist also der Aufbau vereinfacht und die Anzahl der Teile verringert. Dadurch können beispielsweise auch die Herstellungskosten verringert werden.
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Selbst wenn zwischen dem Motor und dem bewegbaren Element noch ein Getriebe vorgesehen ist, kann dieses für eine weitaus geringere Untersetzung dimensioniert sein und so immer noch eine Vereinfachung des Aufbaus und eine Verringerung der Herstellungskosten erzielen. Es kann beispielsweise auch ein 1:1-Getriebe verwendet werden.
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Da die feldorientierte Regelung mit einer sinusförmigen Wechselspannung und nicht wie bei der herkömmlichen Schrittmotorsteuerung mit Schritten arbeitet, kann es hierbei auch nicht zu einem Schrittverlust kommen. Ferner entfällt auch das bei der herkömmlichen Schrittmotorsteuerung auftretende Laufgeräusch, das in vielen Laborumgebungen sehr störend wirkt.
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Schon bei niedrigsten Drehzahlen kann über diese Regelung das volle Drehmoment abgerufen werden. Durch Dimensionierung der aufeinanderfolgenden Funktionsblöcke der Regelschleife können Positionen des beweglichen Elements in dem Laborgerät präzise angefahren und gehalten werden.
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Diese Eigenschaften machen den feldorientiert geregelten Schrittmotor zu einem geeigneten Antrieb für alle Arten von Laborgeräten, die ein bewegbares Element aufweisen.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Laborgeräts 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Laborgerät 200 gemäß dieser Ausführungsform ist als Peristaltikpumpe (Schlauchpumpe) ausgebildet. Das bewegbare Element ist durch ein Rad 10a gebildet, an dem beidseitig Rollen 13 angebracht sind. Das Rad 10a ist über eine Welle 12a mit dem Rotor des Schrittmotors 20 verbunden.
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Im Betrieb der Peristaltikpumpe wird ein Schlauch 14 durch die Rollen 13 gegen eine Gehäusewand 15 gedrückt und somit an diesen Stellen abgeklemmt. Ein zwischen den abgeklemmten Stellen in dem Schlauch enthaltenes Medium wird durch die Drehung des Rads 10a innerhalb des Schlauchs 14 weiterbefördert.
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Zum Antrieb des Rads 10a enthält das Laborgerät 200 die den Schrittmotor 20 und die Steuereinheit 30 enthaltende Antriebsvorrichtung 50 und das Netzteil 40, wie sie in der ersten Ausführungsform beschrieben sind. Somit lassen sich die vorteilhaften Wirkungen der ersten Ausführungsform auch bei einer Peristaltikpumpe erzielen.
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4 ist eine schematische Darstellung eines Laborgeräts 300 gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Laborgerät 300 gemäß dieser Ausführungsform ist als Rotationsverdampfer ausgebildet. Das bewegbare Element ist durch einen Verdampferkolben 10b gebildet.
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Der Verdampferkolben 10b ist über eine Welle 12b mit dem Rotor des Schrittmotors 20 verbunden. Die Welle 12b kann als Hohlwelle ausgebildet sein, durch die eine Dampfdurchführung 16 in eine Öffnung 17 des Verdampferkolbens 10b eingeführt ist und diese abdichtet.
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Im Betrieb des Rotationsverdampfers wird der Verdampferkolben 10b teilweise in ein (nicht dargestelltes) Heizbad getaucht und in Drehung versetzt. Durch die von dem Heizbad zugeführte Wärme verdampft ein Teil einer in dem Verdampferkolben 10b enthaltenen Substanz und wird durch die Dampfdurchführung 16 weitergeleitet, beispielsweise in einen (nicht dargestellten) Kondensator.
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Zum Antrieb des Verdampferkolbens 10b enthält das Laborgerät die den Schrittmotor 20 und die Steuereinheit 30 enthaltende Antriebsvorrichtung 50 und das Netzteil 40, wie sie in der ersten Ausführungsform beschrieben sind. Somit lassen sich die vorteilhaften Wirkungen der ersten Ausführungsform auch bei einem Rotationsverdampfer erzielen.
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5 ist eine schematische Darstellung eines Laborgeräts 400 gemäß einer vierten Ausführungsform. Das Laborgerät 400 gemäß dieser Ausführungsform ist als Schüttel-Misch-Gerät ausgebildet. Das bewegbare Element ist durch eine Schüttelplattform 10c gebildet. Die Schüttelplattform 10c ist über eine Welle 12c mit dem Rotor des Schrittmotors 20 verbunden.
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Im Betrieb des Schüttel-Misch-Geräts wird die Schüttelplattform 10c je nach ihrer Lagerung und der Art ihrer Verbindung mit der Welle 12c durch eine Rotation der Welle 12c beispielsweise in eine oszillierende Bewegung versetzt. Dadurch werden Substanzen in (nicht gezeigten) Gefäßen, die auf der Schüttelplattform 10c stehen, geschüttelt und vermischt.
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Zum Antrieb der Schüttelplattform 10c enthält das Laborgerät 400 die den Schrittmotor 20 und die Steuereinheit 30 enthaltende Antriebsvorrichtung 50 und das Netzteil 40, wie sie in der ersten Ausführungsform beschrieben sind. Somit lassen sich die vorteilhaften Wirkungen der ersten Ausführungsform auch bei einem Schüttel-Misch-Gerät erzielen.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind als nicht einschränkende Beispiele zu verstehen. Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann auch bei anderen Arten von Laborgeräten verwendet werden, die ein bewegbares Element aufweisen.
