DE3035770C2

DE3035770C2 - Mehrfach-Kolbenpumpe mit konstanter Förderleistung

Info

Publication number: DE3035770C2
Application number: DE3035770A
Authority: DE
Inventors: Tonio 6940 Weinheim Gianotti; Dieter Dr. 7505 Ettlingen Koch
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1980-09-23
Filing date: 1980-09-23
Publication date: 1984-08-16
Also published as: US4492524A; DE3035770A1; FR2490742B1; CH654074A5; FR2490742A1; GB2085980B; GB2085980A; JPS5799285A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfach-Kolbenpumpe mit konstanter Förderleistung für chromatographischc Fiüssigkcits-Analyscngcräte, deren Antrieb einen Motor und ein auf den Druck der geförderten Flüssigkeil ansprechendes Regelsystem zur Veränderung der Drehzahl des Molors und infolgedessen der Förderleistung in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsdruck umfaßt.

Für die Flüssigkeits-Chromatographie ist es erforderlich, einen Flüssigkeilsstrom zu erzeugen, der unter hohem Druck mit größtmöglicher Stetigkeit die chromatographische Säule durchfließt Die dabei aufzuwendenden Drücke liegen in der Größenordnung von einigen hundert Bar bei einer Förderleistung bis zu IG ml/min. Bei einem Druck in der Größenordnung von einigen hundert Bar tritt schon eine merkliche Kompression der Flüssigkeit ein.

Aus der DE-AS 23 11 016 ist eine Mehrfach-Kolbenpumpe der eingangs genannten Art bekannt, die zwei Kolben-Zylinder-Einheiten aufweist, die von einem Motor unter Zwischenschaltung eines elliptisch ausgebildeten und exzentrisch angeordnete Zahnräde? umfassenden Getriebes derart angetrieben werden, daß die Summe der jeweiligen Kolbenverschiebungen beider Zylinder in Dmckrichtung eine Konstante ist, so daß die Kolbenpumpe aufgrund ihres mechanischen Aufbaus eine konstante Förderleistung besitzt Das auf den Druck der geförderten Flüssigkeit ansprechende Regelsystem dient dazu, die Motordrehzahl bei einer Druckänderung derart zu verändern, daß die durch die Kompression der Flüssigkeit bedingte Änderungen der Fördermenge kompensiert werden und die Fördermenge auch bei Druckänderungen konstant bleibt

Wie erwähnt, hängt bei der bekannten Kolbenpumpe die konstante Förderleistung von deren mechanischen Aufbau ab. Dieser Aufbau muß mit extrem hoher Genauigkeit erfolgen, um bei den geringen Förderleistungen eine Konstanz der Förderleistung zu gewährleisten. Außerdem ist die Herstellung und die Montage elliptischer und exzentrischer Zahnräder mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mehrfach-Kolbenpumpe mit konstanter Förderleistung zu schaffen, die einen bedeutend vereinfachten mechanischen Aufbau hat und insbesondere keiner Getriebe mit elliptischen und exzentrischen Zahnrädern bedarf.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kolbenpumpe mindestens drei Kolben-Zylinder-Einheiten aufweist, deren Kolben von dem Motor mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 360° In angetrieben werden, wenn π die Anzahl der Kolben-Zylinder-Einheiten bedeutet und das-Regelsystem zur Variation der Drehzahl des Motors während jeder Periode der Kolbenbewegung eingerichtet ist, derart, daß der Druck der geförderten Flüssigkeit während jeder Periode wenigstens annähen,-! konstant bleibt.

Anders als bei der bekannten Kolbenpumpe wird also hier eine konstante Förderleistung nicht aufgrund des mechanischen Aufbaus erzielt, sondern durch eine Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors der Kolbenpumpe. Bei der Verwendung von drei Kolben-Zylinder-Einheiten, die mit einer Phasenverschiebung von 360°/3 = 120° zueinander betrieben werden, addieren sich die von den drei Kolben-Zylinder-Einheiten geförderten Flüssigkeitsströme zu einem Gesamtstrom, dessen Schwankungen ohne zusätzliche Maßnahmen etwa 13% betragen. Da bei einem Flüssägkeits-Analysegerät gegen einen hohen Strömungswiderstand gearbeitet wird, der den hohen Förderdruck erfordert, äußern sich diese Schwankungen der Förderleistung in einer entsprechenden Schwankung des Druckes der geförderten Flüssigkeit, die erfindungsgemäß dazu benutzt wird, die Drehzahl des Motors ·/■ ährend jeder Periode der Kolbenbewegung so zu variieren, daß die Schwankungen der Förderleistung, die bei gleichbleibender Drehzahl des Motors auftreten wurden, kompensiert werden. Demnach macht es die Erfindung möglich, unter Anwendung einfacher Regelvorgänge eine Mehr(ach-Kolbenpumpe mit konstanter Förderleistung zu schaffen,

5 ohne daß hierzu komplizierte und kostspielige mechanische Maßnahmen erforderlich wären.

Es versteht sich, daß eine Mehrfach-Kolbenpumpe nach der Erfindung auch mit mehr als drei Kolben-Zylinder-Einheiten aufgebaut werden könnte. Da jedoch

ίο durch die Anwendung zusätzlicher Kolben-Zylinder-Einheiten der Aufbau einer Regelschleife nicht nennenswert beeinflußt wird und jede zusätzliche Kolben-Zylinder-Einheit Kosten verursacht, wird gegenwärtig eine Pumpe mit drei Kolben-Zylinder-Einheiten als optimal angesehen.

Wie vorstehend dargelegt, findet bei der erfindungsgemäßen Mehrfach-Kolbenpumpe eine Drehzahlregelung des Motors in solcher Weise statt, daß der Druck der geförderten Flüssigkeit konstant bleibt Der Druck der geförderten Flüssigkeit ist jedc'„t nicht nur von der Förderleistung, sondern auch von der Viskosität der geförderten Flüssigkeit abhängig. Nimmt die Viskosität der geförderten Flüssigkeit zu, so steigt bei konstanter Förderleistung der Druck in der geförderten Flüssigkeit an. Eii.i Veränderung der Viskosität der geförderten Flüssigkeit hat demnach, wenn der Druck konstant gehalten wird, eine Veränderung der Förderleistung zur Folge. In der Flüssigkeits-Chromatographie wird jedoch häufig mit Lösungsmittel-Gemischen gearbeitet, deren Zusammensetzung im Verlauf einer Analyse geändert wird, so daß sich auch die Viskosität der geförderten Flüssigkeit im Verlauf einer Analyse ändert. Um auch in diesem Fall die Förderleistung konstant zu halten, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Regelsystem eine druckunabhängige Einrichtung zum Überwachen und Konstanthalten der mittleren Drehzahl des Motors umfaßt. Da die Drehzahl des Motors bei Kolbenpumpen ein direktes Maß für die Förderleistung ist, so bleibt die Förderleistung auch konsinnt, wenn die mittlere Drehzahl konstant gehalten wird. Die druckabhängige Regelung hat dann nur den Zweck, die Variation der Drehzahl des Motors zu bestimmen, die bei der Überwachung der minieren Drehzahl ausgemittelt wird.

Wie oben erwähnt, ist die Förderleistung in einem gewissen Maß von der Kompression abhängig, welche die Flüssigkeit bei dem herrschenden Förderdruck erleidet. Deshalb kann auch bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe das Regelsystem eine Einrichtung zum Verändern der Drehzahl des Motors in Abhängigkeit vom mittleren Druck der geförderten Flüssigkeit umfassen, derart, daß die Fördermenge durch Kompensation der liruckabhängigen Kompression der Flüssigkeit konstant bleibt.

Diese Einrichtung zum Verändern der Drehzahl kann grundsätzlich ebenso ausgebildet sein, wie es in der obengenannten DE-AS 23 11 016 beschrieben ist Vorteilhafter ist es je Joch, wenn die Einrichtung zum Verändern der Drehzahl einen auf den innerhalb wenigstens einer der Kolben-Zylinder-Einheiten herrschenden Druck ansprechenden Sensor umfaß', und die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit von dem Weg verändert, den der Kolben von seinem unteren Totpunkt bis zum Aufbau des Bttviebsdruckes durchläuft. Der Druck in der Kolben-Zylinder-Einheit muß sich vom Druck des zufließenden Mediums bis auf den Förderdruck aufbauen und wird dann bis zum Ende des Kompressionshubes konstant bleiben. Der Übergang von dem Druckanstieg

zum konstanten Druck läßt sich meßtechnisch erfassen. so daß auf diese Weise der Weg des Kolbens bis zum Aufbau des Betriebsdruckes ermittelt und in Abhängigkeit davon die Förderleistung der Pumpe kompensiert werden kann, ohne daß Daten über die Kompressibilität unterschiedlicher Flüssigkeiten als Funktion des Betriebsdruckes vorzuliegen brauchen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Motor zum Antrieb der Kolbenpumpe als Schrittmotor ausgebildet, der mit Stromimpulsen gespeist wird, deren Frequenz die Drehzahl des Motors bestimmt. Das Regelsystem ist dann dazu ausgebildet, die Frequenz der Stromimpulse zu beeinflussen. Bei Schrittmotoren ist eine Umdrehung des Motors in eine sehr große Anzahl von Schritten unterteilt, so daß durch die Variation der Pulsfrequenz und damit der zeitlichen Folge der einzelnen Schritte eine sehr feine Regelung der DrcrUäui des Motors während jeder Periode der Kolbenbewegung möglich ist. Die Beeinflussung der Frequenz der Stromimpulse wird dann besonders einfach, wenn die Stromimpulse für den Motor von einem auf Steuerimpulse ansprechenden Treiber erzeugt werden und eine Impulsquelle vorhanden ist, die Steuerimpulse mit einer Frequenz liefert, die höher ist als die Frequenz, welcher die Solldrehzahl des Motors entspricht, und zwischen die Impulsquelle und den Treiber ein steuerbarer Frequenzteiler geschaltet ist, dem ein druckabhängiges Steuersignal zugeführt wird, welches das Teilerverhältnis des Frequenzteilers auf solche Werte einstellt, daß die dem Treiber zugeführten Steuerimpulse Frequenzen aufweisen, die abwechselnd größer und kleiner sind als die der Solldrehzahl entsprechende Frequenz. Es versteht sich, daß diese Frequenzabweichungen beliebig und verschieden groß und auch zeitlich wechselnd sein können. Bei einer bevorzugten Ausführungsfcrm der Erfindung beträgt die der Solldrehzahl entsprechende Frequenz zwei Drittel der Frequenz der von der Impulsquelle gelieferten Steuerimpulse und es isit der Frequenzteiler auf die Teilerverhältnisse 1 :1 und 1 :2 einstellbar. Ein unter solchen Bedingungen arbeitendes Regelsystem ist mit äußerst geringem Aufwand erstellbar.

Bei unmittelbarer Zufuhr der vom Frequenzteiler gelieferten Steuerimpulse zum Treiber würde auch die Frequenz der vom Treiber gelieferten Stromimpulse und infolgedessen das Drehverhältnis des Schrittmotors im Verhältnis I :2 schwanken. Eine Glättung dieser Schwankungen kann dadurch erreicht werden, daß zwischen den steuerbaren Frequenzteiler und den Treiber ein weiterer Frequenzteiler mit festem Untersetzungsverhältnis geschaltet wird. Für die Praxis hat sich ein weiterer Frequenzteiler mit dem Teilerverhältnis 1 :8 als besonders zweckmäßig erwiesen. Es versteht sich, daß im Fall der Anwendung eines solchen weiteren Frequenzteilers die Frequenzen der Steuerimpulse um das Teilerverhältnis dieses Frequenzteilers höher gewählt werden müssen als es erforderlich wäre, wenn die Steuerimpulse vom Frequenzteiler dem Treiber unmittelbar zugeführt wurden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Regelsystem einen auf den Druck der geförderten Flüssigkeit ansprechenden elektrischen Druckwandler auf, dessen Ausgangssignal über ein HochpäBfiker und eine Summierstufe, in der das Ausgangssignal einer Bezugs-Gleichspannung überlagert wird, einem Schwellenwert-Diskriminator zugeführt wird, dessen Ausgangssignal die Einstellung des Freoucnzteilers steuert. In diesem Fall bestimmt die Bezugs-Gleichspannung die mittlere Drehzahl des Motors, während von dem Signal, welches der elektrische Druckwandler liefert, infolge der Anwendung eines Hochpaßfilters nur diejenigen Komponenten berücksichtigt werden, die auf zeitlich schnelle Druckschwankungen zurückgehen und daher zur Variation der Drehzahl des Motors während jeder Periode der Kolbenbewegung dienen. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, daß die Bezugs-Gleichspannung eine von der Drehzahl des Motors abgeleitete Steuerspannung sein kann. Diese Steuerspannung kann in besonders einfacher Weise für die Differenz zwischen der der Solldrehzahl entsprechenden Frequenz und der mittleren Frequenz der dem Treiber zugeführten Steuerimpulse charakteristisch sein und eine Verminderung dieser Differenzbewirken.

Um diese Stcuerspannung zu bilden, kann in besonders einfacher Weise ein für die der Solldrehzahl entsprechenden Frequenz charakteristisches erstes Impulssignal dem einen Eingang und ein der augenblicklichen Frequenz der dem Treiber zugeführten Steuerimpulse charakteristisches zweites Impulssignal dem anderen Eingang eines Vor-Rückwärts-Zählers zugeführt werden, so daß der Zählerstand stets gleich der Differenz zwischen den von beiden Impulssignalen zugeführten Impulsen gleich ist. Die als Bezugs-Gleichspannung verwendete Steucrspannung kann dann eine von dem jeweiligen Zählerstand abgeleitete Analogspannung sein. Wenn, wie oben angegeben, die der Solldrehzahl entsprechende Frequenz zwei Drittel der Frequenz der von der Impulsquelle gelieferten Steuerimpulse beträgt und der Frequenzteiler auf die Teilerverhältnisse 1 :1 und 1 :2 einstellbar ist, dann kann vorteilhaft das erste Impulssignal von einer gleichförmigen Impulsfolge gebildet werden, deren Frequenz gleich einem Drittel der Frequenz der von der Impulsquelle gelieferten Steuerimpulse ist, und der Frequenzteiler bei Einstellung auf das Teilerverhältnis 1:2 jeden zweiten der Steuerimpulse anstatt dem Treiber dem Zähler als zweites Impulssignal zugeführt.

Die oben erwähnte Einrichtung zum Verändern der Drehzahl in Abhängigkeit vom Mediumdruck, die zu einem Ausgleich der Kompression der Flüssigkeit dient, kann in besonders einfacher Weise eine druckabhängige Veränderung der Frequenz der von der Impulsquelle gelieferten Steuerimpulse bewirken.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles.

so Die der Beschreibung und der Zeichnung zu c.»nehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt Fig. 1 die Ansicht einer Mehrfach-Kolbenpumpe nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Ansicht der Pumpe nach F i g. 1 in Richtung des Pfeiles II,

F i g. 3 einen schematischen Schnitt längs der Linie III-III durch die Pumpe nach F i g. 2 und F i g. 4 das Blockschaltbild des Regelsystems der als Ausführungsbeispiel dargestellten Pumpe.

Die in den F i g. 1 — 3 dargestellte Kolbenpumpe weist drei Kolben-Zylinder-Einheiten 1 bis 3 auf. die an die Mantelfläche eines zylindrischen Gehäuses angeflanscht sind. Die drei Kolben-Zylinder-Einheiten 1 bis 3 haben den gleichen Aufbau und bestehen jeweils, wie in F i g. 3 für die Kolben-Zylinder-Einheit 1 näher dargestellt, aus jeweils einem Zylinderblock 5 und einem Stö-

Bel 6, dessen vorderes, im Durchmesser vermindertes Ende den Kolben 7 bildet. Der Kolben 7 ragt in eine dünne Zylinderbnhrung 8 des Zylinderblockes 5 hinein und ist an seinem hinteren Ende gegenüber dem Zylinderblock durch eine schematisch angedeutete Dichtung 9 abgedichtet. In die Zylinderbohrung 8 mündet eine Radialbohrung 10, mit der eine Zulaufleitung 11 in Verbindunc steht. Zwischen der Zulaufleitung 11 und der Radialbohrung 10 befindet sich ein Rückschlagventil 12, das die Zulaufleitung U während des Förderhubes des Kolbens sperrt. An eine zweite Radialbohrung 13 ist die das geförderte Medium führende Leitung 14 angeschlossen. Auch hier befindet sich zwischen der Radialbohrung 13 und der Abflußleitung 14 ein Rückschlagventil 15, welches die Leitung 14 beim Saughub der Pumpe sperrt. Am Ende der Zylinderbohrung 8 befindet sich ein Sensor 16, der ein dem im Zylinder herrschenden Druck proportionales elektrisches Signal erzeugt und auf einer Leitung 17 dem Mikroprozessor 18 des Regelsystems zuführt (Fig. 4).

Zum Antrieb des Stößels 6 der Kolben-Zylinder-Einheit 1 sowie auch der Stößel 21 und 22 der Kolben-Zylinder-Einheiten 2 und 3 dient ein Schrittmotor 23, der an einer Stirnwand des Gehäuses 4 befestigt ist. Seine Antriebswelle 24 ragt in das Gehäuse 4 hinein und trägt ein Zahnrad 25, welches mit einem im Gehäuse 4 gelagerten Zahnrad 26 größeren Durchmessers in Eingriff steht. Auf der gleichen Welle 27 wie dieses Zahnrad 26 ist eine Nockenscheibe 28 exzentrisch befestigt, auf deren * Jmfang die Stößel 6, 21 und 22 mit ihren Enden aufsitzen. Zur Verminderung der Reibung kann zwischen der Nockenscheibe 28 und den Enden der Stößel 6,21 und 22 ein auf dem Umfang der Nockenscheibe 28 drehbar gelagerter Ring 29 angeordnet sein. Die Stößel 6,21 und 22 sind jeweils von einer Schraubendruckfeder 30,31,32 beaufschlagt, die sich einerseits am Mantel des Gehäuses 4 und andererseits an einem am Stößel angebrachten Flansch oder Bund 33 bzw. 34 bzw. 35 abstützt Da die drei Stößel 6,21 und 22 radial zu der die Nockenscheibe 28 tragenden Welle 27 im Winkel um 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind und mit der gleichen Nockenscheibe 28 zusammenwirken führen sie ihre von der Nockenscheibe 28 gesteuerten Bewegungen mit einer Phasenverschiebung von 120° gegeneinander aus. Bei dieser Anordnung ist ferner die Stellung der Kolben eine direkte Funktion der Stellung des die Nokkenscheibe 28 antreibenden Zahnrades 26. Infolgedessen kann die Zahnung des Zahnrades zugleich als digitaler Geber zur Ermittlung von dessen Winkelstellung und damit zur Bestimmung der Kolbenstellung benutzt werden. Die Zahnung kann durch geeignete optische oder elektrische Mittel abgetastet werden, beispielsweise mittels eines induktiven Fühlers 36, wie er in F i g. 3 schematisch angedeutet ist Die von dem Fühler 36 erzeugten Signale werden mittels einer aus dem Gehäuse 4 herausführenden Leitung 37 ebenfalls dem Mikroprozessor 18 (F i g. 4) zugeführt Die Zuführleitungen 11 der drei Zylinder-Kolben-Einheiten 1 bis 3 führen zu einem Verteiler 38, von dem aus eine Leitung 39 zu dem zu fördernden Medium führt Ähnlich sind auch die Abflußleitungen 14 an einen Verteiler 40 angeschlossen, von dem aus eine gemeinsame Hochdruckleitung 41 zu der Säule eines Flüssigkeits-Chromatographen führt An diesen Verteiler 40 ist auch ein Druckwandler 42 angeschlossen, dessen für den herrschenden Druck charakteristisches Signal über eine Leitung 43 einem Hochpaß 44 des Regelsystems zugeführt wird. Bei dem Druckwandler 42 kann es sich ebenso wie bei dem Sensor 16 um ein piezoelektrisches Bauelement handeln. Der Druckwandler 42 liefert jedoch nicht wie der Sensor 16 ein Signal, das für den wechselnden Druck in einem einzelnen Zylinder charakteristisch ist, sondern ein Signal, das für den Druck im Gesamtstrom charakteristisch ist. der sich aus der Addition der von den drei Kolben-Zylinder-Einheiten geförderten Ströme im Verteiler 40 ergibt. Dieser Druck ist im wesentlichen der augenblicklichen Gesamt-Födermenge der Flüssigkeit

ίο proportional, die der einen sehr hohen Strömungswiderstand aufweisenden chromatographischen Säule des Analysegerätes zugeführt wird. Bei der Überlagerung der Flüssigkeitsmengen, die von drei mit einer Phasenverschiebung von 120° gegeneinander arbeitenden KoI-ben-Zylinder-Einheiten geliefert werden, ergibt sich ein Strom, in dem die Förderleistung um etwa 13% schwankt. Diese Schwankung wird bei der erfindungsgemäßen Pumpe mittels eines Regelsystems ausgeglichen, das auf die Druckschwankungen anspricht, welche sich aus den Schwankungen der Förderleistung ergeben und demgemäß die Drehzahl des Schrittmotors während jeder Periode der Kolbenbewegung variiert.

Die Drehzahl des Schrittmotors 23 wird von der Frequenz der Stromimpulse bestimmt, mit dem er gespeist wird, weil der Rotor des Schrittmotors durch jeden Stromimpuls um einen bestimmten Winkelbetrag schrittweise gedreht wird. Beispielsweise kann eine Umdrehung des Motors in 500 Schritte unterteilt sein.
Die zum Betrieb des Schrittmotors benötigten Stromimpulse werden bei dem durch das Blockschaltbild nach Fig.4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel von einem Treiber 60 erzeugt, der auf Stromimpulse anspricht und neben den notwendigen Leistungsverstärkern einen nicht näher dargestellten Decodierer oder Festspeicher umfaßt, der jeweils bei Eintreffen eines Steuerimpulses einen zum Antrieb des Schrittmotors erforderlichen Satz von beispielsweise fünf phasenverschobenen Stromimpulsen auslöst. Die Steuerimpulse werden von einer Impulsquelle 51 geliefert, die einen Oszillator 52 und einen Teiler 53 umfaßt, dessen Teilerverhältnis 1 : η in kleinen Schinen veränderbar ist Das Teilerverhältnis wird vom Ausgangssignal eines Mikroprozessors 18 bestimmt, in den eine gewünschte Drehzahl des Schrittmotors 23 bzw. eine gewünschte Förderleistung der Pumpe 54, die in dem Blockschaltbild nach F i g. 4 durch den Kasten 54 veranschaulicht ist, mit Hilfe eines Einstellers

55 eingegeben werden kann. Der Mikroprozessor bestimmt dann anhand von gespeicherten Daten das Teilerverhältnis 1 : η des Teilers 53, der wiederum die Frequenz der Steuerimpulse bestimmt, welche dem Treiber 60 zugeführt werden.

Die von der Impulsquelle 51 demgemäß gelieferten Steuerimpulse der Frequenz /werden auf der Leitung

56 einem Teiler 57 zugeführt der mittels eines Schaltgliedes 58 auf die Untersetzungsverhältnisse 1 :1 und 1 :2 einstellbar ist Das Ausgangssignal des Teilers 57 wird einem weiteren Teiler 59 zugeführt, der die Frequenz der Steuerimpulse nochmals im Verhältnis 1 :8 untersetzt bevor sie dem Treiber 60 zugeführt werden, der den Schrittmotor 23 speist

Die Frequenz /der von der Impulsquelle 51 gelieferten Steuerimpulse ist so gewählt daß der Schrittmotor 23 mit der gewünschten Drehzahl liefe und die Pumpe 54 die gewünschte Förderleistung hätte, wenn die Frequenz der Steuerimpulse 2 //3 betrüge. Daher läuft der Schrittmotor 23 zu schnell, wenn der Teiler 57 die Frequenz /der Steuerimpulse nicht untersetzt (Teilerverhältnis 1:1), und zu langsam, wenn der Teiler 57 die

JtU

Steuerimpulse mit der Frequenz /72 liefert. Infolgedessen entsteht in der von der Pumpe 54 geförderten Flüssigkeit ein Druckanstieg oder ein Druckabfall, auf den der Druckwandler 42 anspricht und ein elektrisches Signal liefert, das über die Leitung 43 dem Hochpaß 44 zugeführt wird. Die Anwendung des Hochpasses 44 hat zur Folge, daß dat Ausgangssignal des Hochpasses nur für die zeitlichen Schwankungen des Druckes charakteristisch ist und keine für den mittleren Druck charakteristische Komponente aufweist. Es kann daher das Ausgangssignal des Hochpasses in einer folgenden Summierstufe 61 einer Bezugs-Gleichspannung überlagert werden, welche auf die Ansprechschwelle eines Schmitt-Triggers 62 derart abgestimmt ist, daß der Schmitt-Trigger im Bereich positiver Abschnitte des vom Hochpaß zugeführten Signales ausgelöst wird. Während der Zeit, während der das vom Hochpaß 44 zugeführte Regelsignal den Schmitt-Trigger 62 auslöst, bewirkt das Ausgangssignal des Schaitgiiedes 58 ein

I I\J

kositätsänderungen konstant gehalten, kann dies nur durch eine entsprechende Änderung der Förderleistung erfolgen, die aber unerwünscht ist. Daher umfaßt das in F i g. 4 dargestellte Regelsystem auch Glieder zum Konstanthalten der Förderleistung. Diese Glieder umfassen einen an die Impulswelle 51 angeschlossenen Teiler 71, der die Steuerimpulse mit der Frequenz Hm Verhältnis 1 :3 untersetzt, und einen Vor-Rückwärts-Zähler 72, dem als ein erstes Impulssignal das Ausgangssignal des Teilers 71 und als zweites Impulssignal vom Teiler 57 diejenigen Impulse zugeführt werden, die bei der Einstellung dieses Teilers auf das Teilerverhältnis 1 :2 unterdrückt werden. Das Ausgangssignal des 1 :3-Teilers wird dem Rückwärts-Eingang und das Ausgangssignal des 1 :2-Teilers 57 dem Vor-Eingang des Zählers 72 zugeführt. Wenn der Schrittmotor 23 mit der gewünschten Drehzahl läuft, muß die mittlere Frequenz der vom Teiler 57 gelieferten Steuerimpulse 2 /73 betragen. Dies ist dann der Fa!!, wenn im Mittel vom Teiler 57 jeder

Umschalten des Teilers 57 auf das Verhältnis I :2, so 20 dritte Impuls der Steuerimpulse mit der Frequenz fnndaß die Drehzahl des Schrittmotors 23 und demnach !erdrückt wird, so daß diese unterdrückten Impulse eine

Impulsfolge mit der mittleren Frequenz /73 bilden. Das zweite Impulssignal hat demnach ebenfalls die Frequenz /73 und es bleibt der Zähler 72 auf einem vorgese-

auch die Förderleistung der Pumpe 54 vermindert wird.
Das Arbeiten der Pumpe mit verminderter Förderleistung dauert an, bis das vom Druckwandler 42 gelieferte
Signal den Schwellenwert des Schmitt-Triggers wieder 25 henen Stand stehen, wenn der Teiler 57 dem Treiber 60 unterschreitet, wonach sich das Ausgangssignal des Steuerimpulse zuführt, deren Frequenz die gewünschte Schmitt-Triggers 62 entsprechend verändert und das
Schaltglied 58 veranlaßt, den Teiler 57 auf das Verhält

nis 1 :1 zurückzuschalten. Danach läuft der Schrittmo-

Drehzahl des Schrittmotors zur Folge hat. Weichen dagegen die vom Teiler 57 gelieferten Steuerimpulse in ihrer mittleren Frequenz vom Wert 2 //3 und infolge-

tor 23 wieder mit erhöhter Geschwindigkeit, so daß die 30 dessen das zweite Impulssignal von der mittleren Fre-Förderleistung der Pumpe 54 und demgemäß auch der quenz /73 ab, weil der Druckwandler 42 eine gleichsinni-

Druck in der geförderten Flüssigkeit wieder ansteigt, bis

es bei Überschreiten des Schwellenwertes des Schmitt-Triggers 62 wiederum ein Zurückschalten des Teilers 57

paß 44 gelieferten Signales gegenüber der Schwelle des Schmitt-Triggers 62 bewirkt, daß die vom Zähler 72 registrierte Abweichung vom Sollwert vermindert wird.

ge Druckänderung meldet, so wird der Stand des Zählers 72 verändert. Von dem Stand des Zählers 72 wird mittels eines Digital-Analog-Umsetzers 73 eine Gleich-

zur Folge hat. 35 spannung abgeleitet, die der Summierstufe 61 zugeführt

Die beschriebene Regelschleife hat einen sehr einfa- wird und die eine solche Verschiebung des vom Hochchen Aufbau, weil lediglich ein Teuer vom Teilerverhältnis 1 : 1 auf das Teilerverhältnis 1 :2 umgeschaltet werden muß. Am einfachsten ist eine solche Anordnung zu

realisieren, indem im Teiler wahlweise jeder zweite Im- 40 Auf diese Weise ist es möglich, mittels der den Druckpuls der Steuerimpulse unterdrückt wird. Durch die wandler 42 enthaltenden Regelschleife die schnellen Verwendung eines solchen Teilers sind allerdings die Druckschwankungen im geförderten Flüssigkeitstrom Drehzahlsprünge sehr groß. Die Anwendung des weite- und damit die kurzzeitigen Schwankungen in der Förren Teilers 1 :8 bewirkt jedoch eine Mittelung, insbe- derleistung auszugleichen und zugleich die mittlere sondere wenn ein Wechsel des Untersetzungsverhält- 45 Drehzahl des Schrittmotors 23 und damit die mittlere nisses häufig erfolgt, so daß die tatsächlichen Drehzahländerungen nicht im Verhältnis I : 2, sondern im Verhältnis (8 + ki): (8 + Jt₂) erfolgen, wenn k\ und Jt₂ jeweils eine ganze Zahl von 0 bis 8 bedeutet, welche angibt, wieviele der Steuerimpulse der Frequenz f vom 50
Teiler 57 in aufeinanderfolgenden Zahlintervallen des
Teilers 59 infolge der Umschaltung auf das Teilerverhältnis I : 2 unterdrückt worden sind.

Wenn der Summierstufe 61 eine Bezugs-Gleichspannung nur von einer Spannungsquelle 63 zugeführt wird, 55 arbeiten jedoch unter Drücken, die 300 bar und mehr repräsentiert die Bezugsspannung einen bestimmten, betragen können. Bei solchen Drücken sind auch Flüsmittleren Druck in der von der Pumpe 54 geförderten sigkeiten schon mehr oder weniger kompressibel, so Flüssigkeit Das Einhalten eines solchen Druckes kann daß eine strenge Proportionalität zwischen der Drehdurchaus zweckmäßig sein, solange die zu fördernde zahl des Schrittmotors 23 und der Förderleistung der Flüssigkeit eine gleichbleibende Viskosität aufweist 60 Pumpe 54 nicht mehr besteht Um trotz einer Kompres-Wenn sich jedoch die Viskosität der geförderten Flüs- sion der geförderten Flüssigkeit zu gewährleisten, daß sigkeit infolge von Langzeit-Temperaturänderungen die gewünschte Förderleistung erzielt wird, wird mittels der geförderten Flüssigkeit ändert so ist mit dieser Vis- des Sensors 16 der im Pumpenzylinder herrschende kositätsänderung bei gleichbleibender Förderleistung Druck gemessen. Dieser Druck steigt von dem Druck eine Änderung des Förderdruckes verbunden. Eine Er- ω der angesaugten Flüssigkeit, im allgemeinen also dem höhung der Viskosität hat bei gleichbleibender Förder- Atmosphärendruck, zu Beginn des Förderhubes bis auf leistung auch eine Erhöhung des Druckes zur Folge und den in der geförderten Flüssigkeit herrschenden Druck umgekehrt Wird demnach der Druck trotz solcher Vis- an, bevor die Flüssigkeit unter Überwindung des vor der

Förderleistung der Pumpe 54 ungeachtet von langzeitigen Druckschwankungen, wie sie insbesondere durch Viskositätsänderungen bedingt sein können, konstant zu halten.

Eine genaue Proportionalität zwischen der Drehzahl des Schrittmotores 23 und der Förderleistung der Pumpe 54 besteht nur so lange, wie die geförderte Flüssigkeit als nicht-kompressibel betrachtet werden kann. Förderpumpen für chromatographische Analysegeräte

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Ausgangsleitung angeordneten Rückschlagventils aus dem Zylinder ausgestoßen werden kann. Wenn der Förderdruck erreicht ist, bleibt der Druck im Zylinder konstant. Das Ausgangssignal des Sensors 16 wird ciiiem Mikroprozessor 18 zugeführt, der auf den Zeitpunkt anspricht, in dem der Druck vom ansteigenden Teil in den konstanten Teil übergeht, und anhand des vom Fühler 36 auf der Leitung 37 gelieferten Signales feststellt, wie groß der Hub des Kolbens bis zum Erreichen des Förderdruckes war.

Aufgrund dieser Daten veranlaßt der Mikroprozessor 18 eine Änderung des Teilerverhältnisses π des Teilers 53, um so die Frequenz /"der von der Impulsquelle 51 gelieferten Steuerimpulse um soviel zu erhöhen, daß das infolge der Kompression verminderte Fördervolumen durch eine Erhöhung der Drehzahl des Schrittmotors 23 kompensiert wird.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. sondern Abweichungen davon möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Solche Abweichungen können sowohl den mechanischen Aufbau der Pumpe betreffen, insbesondere die Anzahl der verwendeten Zylinder, obwohl eine Erhöhung der Zylinderzahl nicht zweckmäßig erscheint, weil einerseits jeder zusätzliche Zylinder einen erhöhten mechanischen Aufwand bedeutet, der ohne Einfluß auf den Aufbau des Regelsystems bleibt, und andererseits eine Erhöhung der Zylinderzahl entweder eine Verminderung des Hubvolumens pro Zylinder und/oder eine Verminderung der Motordrehzahl jo zur Folge haben muß, wenn die gleiche Förderleistung erzielt werden soll. Beides erscheint jedoch ungünstig. Ebenso versteht es sich, daß das Regelsystem selbst in abweichender Weise ausgebildet sein kann, beispielsweise durch die verstärkte Anwendung analoger oder digitaler Bauelemente, sowie auch beispielsweise durch den Verzicht auf die Kompensation der Flüssigkeits-Kompression bei hohen Drücken. In dem Fall könnte auch der Mikroprozessor 18 völlig entfallen und der Einsteller 55 unmittelbar mit dem 1 : n-Teiler 53 gekoppelt sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Mehrfach-Kolbenpumpe mit konstanter Förderleistung für chromatographische Flüssigkeits-Analysengeräte, deren Antrieb einen Motor und ein auf den Druck der geförderten Flüssigkeit ansprechendes Regelsystem zur Veränderung der Drehzahl des Motors und infolgedessen der Förderleistung in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsdruck umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens drei Kolben-Zylinder-Einheiten (1, 2,3) aufweist, deren Kolben (7) von dem Motor (23) mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 360°/n angetrieben werden, wenn π die Anzahl der Kolben-Zylinder-Einheiten bedeutet, und das Regelsystem zur Variation der Drehzahl des Motors (23) während jeder Periode der Kolbenbewegung eingerichtet ist. derart, daß da Druck der geförderten Flüssigkeit während jeder Periode wenigstens annähernd konstant bleibt

2. Mehrfach-Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem eine druckunabhängige Einrichtung (57, 71, 72, 73) zum Überwachen und Konstanthalten der mittleren Drehzahl des Motors (23) umfaßt

3. Mehrfach-Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem eine Einrichtung (16,18) zum Verändern der Drehzahl des Motors (23) in Abhängigkeit vom mittleren Druck der geförderten Flüssigkeit umfaßt, derart, daß die Föniermenge durch ^kompensation der druckabhängigen Kompression der Flüssigkeit konstant bleibt.

4. Mehrfach-Kolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verändern der Drehzahl einen auf den innerhalb wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit (1) herrschenden Druck ansprechenden Sensor (16) umfaßt und die Drehzahl des Motors (23) in Abhängigkeit von dem Weg verändert, den der Kolben (7) von seinem unteren Totpunkt bis zum Aufbau des Betriebsdrukkes durchläuft.

5. Mehrfach-Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (23) zum Antrieb der Kolbenpumpe (54) als Schrittmotor ausgebildet ist, der mit Stromimpulsen gespeist wird, deren Frequenz die Drehzahl des Motors bestimmt, und daß das Regelsystem die Frequenz der Stromimpulse beeinflußt.

6. Mehrfach-Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromimpulse für den Motor (23) von einem auf Steuerimpulse ansprechenden Treiber (60) erzeugt werden, und eine Impulsquelle (51) vorhanden ist, welche die Steuerimpulse mit einer Frequenz /Tiefen, die höher ist als die Frequenz, welche der Solldrehzahl des Motors (23) entspricht, und zwischen die Impulsquelle (51) und den Treiber (60) ein steuerbarer Frequenzteiler (57) geschaltet ist, dem ein druckabhängiges Steuersignal so zugeführt wird, welches das Teilerverhältnis des Frequenzteilers (57) auf solche Werie einstellt, daß die dem Treiber (60) zugeführten Steuerimpulse Frequenzen aufweisen, die abwechselnd größer und kleiner sind als die der Solldrehzahl entsprechende b^r> Frequenz.

7. Mehrfach-Kolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die der Solldrehzahl entsprechende Frequenz zwei Drittel der Frequenz der von der Impulsquelle gelieferten Steuerimpulse beträgt und der Frequenzteiler (57) auf die Teilerverhältnisse 1 :1 und 1 :2 einstellbar ist

8. Mehrfach-Kolbenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den steuerbaren Frequenzteiler (57) und den Treiber (60) ein weiterer Frequenzteiler (59) mit festem Teilerverhältnis geschaltet ist

9. Mehrfach-Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß das Regelsystem einen auf den Druck der geförderten Flüssigkeit ansprechenden, elektrischen Druckwandler (42) aufweist dessen Ausgangssignal über ein Hochpaßfilter (44) und eine Summierstufe (61), in der das Ausgangssignal einer Bezugs-Gleichspannung überlagert wird, einem Schwellenwert-Diskriminator (62) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal die Einstellung des Frequenzteilers (57) steuert

10. Mehrfach-Kolbenpumpe nach den Ansprüchen 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugs-GIeichspannung eine von der Drehzahl des Motors (23) abgeleitete Steuerspannung ist

11. Mehrfach-Kolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die Steuerspannung für die Differenz zwischen der der Solldrehzahl entsprechenden Frequenz und der mittleren Frequenz der dem Treiber (60) zugeführten Steuerimpulse charakteristisch ist und eine Verminderung dieser Differenz bewirkt

IZ Mehrfach-Kolbenpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein für die der Solldrehzahl entsprechenden Frequenz charakteristisches erstes Impulssignal dem einen Eingang und ein für die augenblickliche Frequenz der dem Treiber (60) zugeführten Steuerimpulse charakteristisches zweites Impulssignal dem anderen Eingang eines Vor-Rückwärts-Zählers (72) zugeführt wird, so daß der Zählerstand stets der Differenz zwischen den von beiden Impulssignalen zugeführten Impulsen gleich ist, und daß die Bezugs-Gleichspannung eine von dem jeweiligen Zählerstand abgeleitete Analogspannung ist

13. Mehrfach-Kolbenpumpe nach den Ansprüchen 7 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Impulssignal von einer gleichförmigen Impulsstufe gebildet wird, deren Frequenz gleich einem Drittel der Frequenz der von der Impulsquelle (51) gelieferten Steuerimpulse ist, und der Frequenzteiler (57) bei Einstellung auf das Teilerverhältnis 1 ^jeden zweiten der Steuerimpulse anstatt dem Treiber (60) dem Zähler (72) als zweites Impulssignal zuführt.

14. Mehrfach-Kolbenpumpe nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verändern der Drehzahl eine druckabhängige Veränderung der Frequenz der von der Impulsquelle (51) gelieferten Steuerimpulse bewirkt.