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Präzisionsdosiergerät mit digitaler Anzeigevorrichtung
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Präzisionsdosiergerät zum
Dosieren flüssiger Medien der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, das
mit einer digitalen Anzeigevorrichtung für das Hubvolumen der Kolbenschieber-Dosierpumpe
des Präzisionsdosiergerätes ausgerüstet ist.
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Präzisionsdosiergeräte dieser Art sind Laboratoriumsgeräte zum hochgenauen
Dosieren flüssiger Medien mit Volumen vom Mikroliterbereich bis zu einigen hundert
Millilitern
oder in den beginnenden Literbereich hinein und werden
unter anderem zum Titrieren von Analysenlösungen eingesetzt.
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Bei herkömmlichen Präzisionsdosiergeräten ohne digitale Anzeige vorrichtung
besteht der Dosierzylinder der Kolbenschieber-Dosierpumpe aus klarem Glas und trägt
eine chemikalienbeständige Graduierung. Das Hubvolumen wird bei diesen Dosiergeräten
an der Graduierung auf dem Zylinder direkt mit Hilfe der Unterkante des Kolbens
abgelesen. Die Ablesbarkeit der Kolbenstellung wird dabei durch eine Dunkelfärbung
des Kolbens erleichtert.
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Es ist auch ein Präzisionsdosiergerät mit einer digitalen Anzeigevorrichtung
für das Hubvolumen der Kolbenschieber-Dosierpumpe bekannt. Durch die digitale Anzeige
des Hubvolumens wird der Einstellvorgang der Kolbenschieber-Dosierpumpe wesentlich
erleichtert. Von Nachteil bei diesem bekannten Präzisionsdosiergerät ist es jedoch,
daß die Stellung des Dosierkolbens gegenüber dem Dosierzylinder mit Hilfe einer
mechanischen Einrichtung erfaßt wird, welche bei der Dosierung aggressiver Chemikalien
leicht korrodiert und zudem nicht die erwünschte Dosiergenauig keit gewährleistet.
Außerdem bedarf die mechanische Erfassungseinrichtung für das Dosiervolumen eines
relativ großen Fertigungsaufwands, der mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist.
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Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Präzisionsdosiergerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das
kostengünstig gefertigt werden kann und eine präzise Ablesbarkeit des Hubvolumens
auch bei einem Einsatz in Zusammenhang mit
aggressiven zu dosierenden
Medien gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch die berührungsfreie Abtastung entfällt jegliche aufwendige und
dabei gegenüber den zu dosierenden Flüssigkeiten anfällige mechanische Erfassungseinrichtung.
Als berührungsfreie Abtastung kommt beispielsweise eine magnetische oder eine kapazitive
Abtastung ebenso in Frage wie eine Abtastung mittels Ultraschall oder eine optische
Abtastung.
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Die am Zylinder vorgesehene Graduierung ist dabei an das jeweilige
Abtastprinzip anzupassen.
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Bekanntlicherweise sind die genannten berührungsfreien Abtastarten
mit einer höheren Auflösung der abgetasteten Werte verbunden als mechanische Erfassungseinrichtungen.
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Die dem berührungsfreien Abtaster nachgeschaltete Auswerteschaltung
erlaubt eine präzise Ableitung des Hubvolumenwertes aus dem elektrischen Abtaster-Ausgangssignal,
das dann digital zur Anzeige gebracht wird. Als digitale Anzeige kommt vorzugsweise
ein an der Außenseite der Hülse angebrachtes Flüssigkristall-Anzeigeelement zum
Einsatz. Derartige Flüssigkristall-Anzeigelemente oder auch LCD-Displays werden
in Großserie gefertigt und werden deshalb entsprechend günstig angeboten. Von Vorteil
ist es außerdem, daß der Stromverbrauch eines LCD-Displays beispielsweise im Vergleich
zu Anzeigeelementen die aus Leuchtdioden bestehen1 extrem niedrig ist. Das LCD-Display
kann also über lange Zeit hinweg von einer relativ kleinen Batterie oder einem entsprechen
kleinen
Akkumulator gespeist1 betrieben werden.
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Vorzugsweise wird der Abtaster und die Auswerteschaltung vom selben
Akkumulator oder vom selben Akkumulatorsatz mit Strom versorgt,und es ist vorgesehen,
das LCD-Display zusammen mit den Akkumulatoren, dem Abtaster und der Auswerteschaltung
hermetisch verkapselt in einer Hülse zu integrieren. Durch die hermetische Verkapselung
wird gewährleistet, daß auch extrem aggressive zu dosierende flüssige Medien verwendet
werden können, ohne daß eines der genannten elektrischen oder elektronischen Aggregate
durch Dämpfe dieser aggressiven Medien beschädigt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht es vor,
daß der Abtaster, die nachgeschaltete Auswerteschaltung und das Flüssigkristall-Anzeigeelement
zusammen mit den Akkumulatoren zur netzunabhänigen Stromversorgung dieser Aggregate
modulartig in einem einzigen Baublock zusammengefaßt sind. Dieser Baublock ist vorzugsweise
in eine Aussparung der Hülse von außen einsetzbar und fixierbar, beispielsweise
verratbar. Die zur Fixiereinrichtung am Bau- oder Modulblock komplementäre Fixiereinrichtung
innerhalb der Hülse ist dabei so ausgelegt, daß die modulartige Baueinheit mit einem
einfachen Handgriff aus der Hülse wieder entfernbar ist. Diese einfache Entfernbarkeit
des Erfassungs- und Anzeigemoduls ist nicht nur mit Hinblick auf eine Austauschbarkeit
im Falle einer Funktionsstörung von Bedeutung, sondern gewährleistet eine universelle
Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Präzisionsdosiergeräts.
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Der universelle Einsatz dieses Präzisionsdosiergeräts ergibt sich
daraus, daß dieses Gerät bei aus der Hülse entferntem Erfassung- und Anzeigemodul
uneingeschränkt
sterilisierbar ist.
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Selbstverständlich müssen nicht sämtliche Aggregate in diesem Modul
integriert sein. So sind auch berührungslose Abtaster auf dem Markt, welche die
zur Sterilisation üblichen Temperaturen von bis zu 150 "C unbeschadet überstehen.
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Wird ein optischer Abtaster zur Erfassung der Graduierung eingesetzt,
so besteht dieser Abtaster vorzugsweise aus einem auf dieGraduierung gerichteten
Lichtsender sowie aus einem Lichtempfänger, welcher das an der Graduierung reflektierte
Licht erfaßt. Für einen störungsfreien Betrieb des optischen Abtasters ist es vorteilhaft,
Lichtsender und Lichtempfänger zu wählen, die im Infrarotbereich arbeiten.
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Wird für das Präzisionsdosiergerät eine freie Verdrehbarkeit der Hülse
und damit des Kolbens gegenüber dem Zylinder gewünscht, so wird die Graduierung
auf der Außenfläche des Dosierzylinders vor allem bei optischer Abtastung in Form
von Teilstrichen vorgesehen, die sich zumindest im wesentlichen über den gesamten
Zylinderumfang erstrecken.
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Wo diese freie Verdrehbarkeit nicht erforderlich ist, kann auch ein
Meßstab an der Außenfläche des Dosierzylinders angebracht sein. Als Meßstab wird
im Falle der optischen Abtastung vorteilhafterweise ein Glasmeßstab verwendet, in
welchem die TeilstrichB eingeäzt, eingedruckt oder eindiffundiert sind.
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Zur Einstellung des Hubvolumens der Kolbenschieber-Dosierpumpe sieht
die Erfindung eine Verstellmutter vor, welche die Außenwand des Dosierzylinders
mit Abstand umgreift
und ein Außengewinde aufweist. An der Innenwand
der Hülse sind zum Dosierkolben achsparallele Innengewindestäbe angebracht, und
das Außengewinde der Verstellmutter greift in das Innengewinde der Gewindestäbe
ein. Zur Einstellung des Hubvolumens wird die Verstellmutter also gegenüber diesen
Innengewindestäben verdreht und am oberen Rand des Dosierzylinders ist ein fester
Anschlagsring angebracht, gegen welchen die Verstellmutter am Ende der Hubbewegung
des Kolbens aufläuft. Die Länge der Innengewindestäbe ist dabei im wesentlichen
gleich dem Kolbenverschiebeweg bei maximalem Arbeitshub entsprechend gewählt.
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Die Anzeigevorrichtung bedarf beim Einsetzen des Kolbens in den Zylinder
einer Eichung. Eine solche Eichung ist immer dann fällig, wenn der Dosierkolben
aus dem Dosierzylinder, beispielsweise zu Reinigungszwecken entfernt werden muß.
Das erfindungsgemäße Eichverfahren sieht dabei eine selbständige Eichung beim Einsetzen
des Kolbens in den Dosierzylinder vor. Diese automatische Eichung wird dadurch ermöglicht,
daß die Auswerteschaltung einen Vorwärts-/RückwärtSzähler umfaßt, der vom Abtaster-Ausgangssignal
beaufschlagt wird, und der mit der Erfassung des ersten Teilstriches am oberen Ende
der Zylindergraduierung durch den berührungsfrei arbeitenden Abtaster auf Null zurückgesetzt
wird.
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Es ist außerdem vorgesehen, den Vorwärts-/Rückwärtszähler innerhalb
der Auswerteschaltung zum Kalibrieren der Digitalanzeige vor allem zum Nullsetzen
beim Titriervorgang von Hand rückstellbar auszulegen. Zu diesem Zweck ist auf der
Hülsenaußenfläche ein entsprechender Reset-Taster vorgesehen.
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Zwischen der Hülse und dem Dosierzylinder ist ein mit der Hülse verbundenes
Reibrad vorgesehen, das mit seiner Lauffläche über einen ebenfalls in der Hülse
integrierten und von außen zugänglichen Stellantrieb am Außenmantel des Dosierzylinders
anlegbar ist. Durch dieses Anlegen des Reibrads an den Außenmantel des Dosierzylinders
kann die Hubbewegung des Kolbens jederzeit unterbrochen werden.
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Durch ein Abheben des Reibrades vom Zylindermantel wird die Hubbewegung
des Kolbens wieder fortgesetzt. Es kann aber auch die Hülse zusammen mit dem Kolben
zur Steuerung des Kolbenhubs beim Titrieren mit Hilfe des Reibrads und des Stellantriebs
gegenüber dem Dosierzylinder gezielt verschoben werden.
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Die Erfindung ist im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 eine perspektivische
Ansicht des erfindungsgemäßen Präzisionsdosiergerät$; Fig. 2 eine Seitenansicht
des Präzisionsdosiergerätes aus Fig. 1 in teilweise aufgeschnittener Ansicht und
Fig. 3 einen Schnitt durch die Anordung von Fig. 2 in Höhe der Verstellmutter für
die Hubbegrenzung des Dosierkolbens.
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Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des Präzisionsdosiergeräts
10 ist auf den Hals 17 einer Vorratsflasche 13 aufgeschraubt. Das Präzisionsdosiergerät
umfaßt eine Dosierpumpe mit einem Zylinder 14 und einem Kolben 16. Der Zylinder
14 der Dosierpumpe ist mit seinem unteren Ende in einen Ventilkopf 12 eingesetzt,
vorzugsweise eingeschraubt und der Ventilkopf 12 weist einen Ausgießer 11 auf, der
mit Hilfe einer Kunststofftülle 15 verschließbar ist. Mit dem oberen Ende des Dosiertylinders
14 ist ein Anschlagring 36 fest verbunden, der den zylinderseitigen Teil einer Hubbegrenzungsvorrichtung
für den Dosierkolben 16 darstellt. Das vom Zylinder 14 herausstehende Kolbenende
ist mit einer Hülse 18 in Form eines Polyeders verbunden, die den Dosierzylinder
14 teilweise überlappt. Diese Hülse 18 trägt einerseits die digitale Erfassungs-
und Anzeigevorrichtung für das Hubvolumen des Präzisionsdosiergeräts 10 und andererseits
den kolbenseitigen Teil der Hubbegrenzungsvorrichtung.
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Der in der Hülse untergebrachte Teil der Hubbegrenzungsvorrichtung
besteht aus einer Verstellmutter 30 mit Außengewinde, welche die Außenwand des Dosierzylinders
14 mit Abstand übergreift und diese Verstellmutter 30 greift mit ihrem Außengewinde
in das Gewinde von mehreren Innengewindestäben 31 bis 34 ein, die an der Innenwand
der mit dem Dosierkolben 16 verbundenen Hülse 18 achsparallel zum Kolben angeordnet
sind. In der Schnittdarstellung von Fig. 3 ist zu erkennen, daß drei achsparallele
Gewindestäbe 31, 32 und 33,34 an der Innenwandung der Hülse 18 vorgesehen sind,
die in der Schnittebene einen Winkel von etwa 1200 einschließen. Die Länge dieser
drei Innengewindestäbe 31 bis 34 entspricht zumindest im wesentlichen dem Kolbenverschiebeweg
bei maximalem Arbeitshub. Die
Volumeneinstellmutter 30 ist über
eine Aussparung in der mit dem Kolben 16 verbundenen Hülse 18 zugänglich, so daß
eine Verstellung des Hubvolumens jederzeit 'bei eingesetztem Kolben möglich ist.
Das Hubvolumen wird durch die Höhenlage der Volumeneinstellmutter 30 gegenüber den
Innengewindestäben 31 bis 34 bestimmt, sowie durch den am oberen Rand des Dosierzylinders
14 fest angebrachten Anschlagsring 36, gegen welchen die Volumeneinstellmutter 30
am Ende des;voreingestellten Kolbenverschiebewegs anschlägt.
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Ein Verdrehsicherungsstift 35 ist mit dem Anschlagring 36 verbunden
und steht von diesem radial hervor. Das freie Ende des Verdrehsicherungsstiftes
35 greift in eine Axialnut des Innengewindestabes 33, 34 ein. Durch diese Anordnung
wird erreicht, daß der Kolben 16 verdrehsicher gegenüber dem Zylinder 14 geführt
wird. Anstelle eines Innengewindestabs 33, 34 mit Längsnut zur Führung des Verdrehstiftes.35
können auch zwei getrennte Ir.nengewindestäbe 33, 34 zum Einsatz gelangen, die mit
Abstand zueinander achsparallel an der Hülse 18 befestigt sind. Der Verdrehsicherungsstift
35 greift dann zwischen die beiden Innengewindestäbe 33 und 34 ein.
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Die Erfassung des Hubvolumens für die digitale Anzeigevorrichtung
besteht aus einem berührungsfrei arbeitenden Abtaster 20, im dargest8lten Ausführungsbeispiel
aus einem optischen Abtaster, welcher die Graduierung 22 abliest, die am Außenmantel
des Dosierzylinders 14 angebracht ist. Der optische Abtaster 20 ist im Inneren der
Hülse 18 angeordnet und mit dieser verbunden und umfaßt einen Lichtsender, der an
der Graduierung 22 reflektiertes Licht erfaßt, das von einem Lichtsender, beispielsweise
einer Infrarotleuchtdiode unter einem vorbestimmten Winkel
auf
die Graduierung 22 des Dosierzylinders 14 gesendet wird. Das elektrische Ausgangssignal
des Lichtempfängers wird in einer auf einer Platine untergebrachten Auswerte schaltung
26 verarbeitet und der gemessene Hubvolumenwert wird in einer Digitalanzeige 24
dargestellt. Als Digitalanzeige kommt ein Flüssigkristall-Anzeigeelement 24 zum
Einsatz. Der optische Abtaster 20, die Auswerteschaltung 26 und das Flüssigkristall-Anzeigeelement
24 sind in einer einzigen Baueinheit zusammengefaßt und auf einem Hülsensegment
40 montiert. In der Hülse 18 ist ein der Größe des Segmentes 40 entsprechendes Fenster
ausgespart, in welches das aus der Baueinheit und dem Hülsensegment 40 bestehende
Modul einsetzbar und verrastbar ist. Die Anordnung der Baueinheit auf dem Hülsensegment
40 ist derart gewählt, daß das Flüssigkristall-Anzeigeelement bzw. das LCD-Display
24 nach der Außenseite der Hülse 18 hin zu liegen kommt und damit bequem ablesbar
ist, während der optische Abtaster 20 auf die Graduierung 22 am Dosierzylinder 14
gerichtet ist. Außerdem ist die Baueinheit in Kunstharz eingegossen, um sie unempfindlich
gegenüber aggressiven Dämpfen der zu dosierenden Medien zu gestalten.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Stromversorgung für
die Baueinheit aus einer flachen Akkumulatorzelle 28, die getrennt von der Baueinheit
an der Innenseite der Hülse 18 befestigt ist. Selbstverständlich kann die Akkumulatorzelle
28 auch direkt an die Baueinheit angekoppelt und zusammen mit dieser aus der Hülse
herausnehmbar sein. Diese kompakte Anordnung von Baueinheit und Stromversorgung
in Form des Akkumulators 28 hat den Vorteil, daß das Präzisionsdosiergerät 10 nach
Abziehen der kompakten Einheit aus der Hülse uneingeschränkt
sterilisierbar
ist.
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Auf dem Hülsensegment 40 sind neben dem LCD-Display 24 noch zwei Taster
41 und 42 angeordnet. Durch Betätigung der Taste 42 wird die Baueinheit mit Erfassungseinrichtung
und Anzeigevorrichtung eingeschaltet, d.h. mit der Stromversorgung, also im Akkumulator
28 verbunden. Die auf dem Hülsensegment 40 integrierte Elektronik umfaßt weiterhin
eine Zeitschalteinrichtung, mit welcher die Stromversorgung nach einem vorgegebenen
Zeitintervall automatisch wieder abgeschaltet wird. Der Taster 42 dient dem Kalibrieren
der Digitalanzeige, insbesondes dem Nullsetzen beim Titrieren.
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An der Hülse 18 sind außerdem noch zwei Drehknöpfe 43 und 44 angeordnet.
Diese Drehknöpfe 43 und 44 stellen die Bedienelemente für einen Stellantrieb dar,
der im Inneren der Hülse 18 vorgesehen und mit dieser verbunden ist. Der Stellantrieb
umfaßt im wesentlichen ein Reibrad, dessen Lauffläche mit Hilfe des Drehknopfs 43
gegen den Außenmantel des Dosierzylinders 14 anlegbar ist. Dadurch wird erreicht,
daß die Hülse 18 und damit der Kolben 16 in jeder beliebigen Stellung gegenüber
dem Zylinder 14 arretiert werden kann. Mit Hilfe des Drehknopfs 44 auf der Hülsenvorderseite
läßt sich das an den Zylinder 14 angelegte Reibrad, dessen Achse senkrecht zur Kolben-und
Zylinderachse steht, verdrehen. Dadurch wird erreicht, daß der Kolben von Hand axial
gegenüber dem Zylinder verstellt werden kann, wodurch der Verbrauch an Maßlösung
beim Titrieren im LCD-Display 24 auf einfache Weise verfolgt werden kann.
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