DE2455598A1

DE2455598A1 - Anlage mit einer verdraengerpumpe, insbesondere dosierpumpe, und einer steuereinrichtung zur konstanthaltung der foerdermenge pro zeiteinheit

Info

Publication number: DE2455598A1
Application number: DE19742455598
Authority: DE
Inventors: Franz Orlita
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-11-23
Filing date: 1974-11-23
Publication date: 1976-05-26
Also published as: JPS5173603A; FR2292135A1

Description

Patentanwälte 22.11.1974

Qipl.-lng. Helmut Missling 33 Giessen

Dipl.-Ing. Richard Schlee Bismarckstrasse 43

_.,,._., Telefon: C0641) 71019

Dr.-Ing. Joachim Boecker

^S/B12·³⁰⁵ 2455598

Franz Orlita, 6301 Alten-Buseck, Waldstraße 33

Anlage mit einer Verdrängerpumpe, insbesondere Dosierpumpe, und einer Steuereinrichtung zur Konstanthaltung der Fördermenge pro Zeiteinheit

Der volumetrische Wirkungsgrad von Verdrängerpumpen, also insbesondere Dosierpumpen, die ihrer Natur nach als Verdrängerpumpen ausgebildet sind, wird umso niedriger, je höher der Förderdruck steigt. Der volumetrische Wirkungsgrad ist 1 bzw. 100 %, wenn die Fördermenge gleich dem geometrischen Hubvolumen der vom Verdrängerkörper, also z.B. einem Kolben, in Anspruch genommene Raum verstanden wird. Dieser in Anspruch genommene Raum Vg hat bei einer Kolbenpumpe mit einem Kolben vom Querschnitt F und einem Kolbenhub von der Länge h die Größe Vg = F · h. Der volumetrische Wirkungsgrad 1 kann nur dann annähernd erreicht werden, wenn der Förderdruck niedrig ist. Mit höher werdenden Förderdrücken nimmt der volumetrische Wirkungsgrad ab, wobei die Hauptursache hierfür die Kompressibilität des zu fördernden Mediums ist. Weitere das Fördervolumen vermindernde Einflüsse sind Leckagen an Dichtungen des Verdrängerkörpers und den Ventilen und die Elastizität der Pumpenbauteile,

0O98-22/O6S.2 - 2 -

Es gibt häufig Betriebsfälle, bei denen sich der Förderdruck während des Betriebes ändert. Dies ist beispielsweise bei der Flüssigkeitschromatografie der Fall. Hierbei wird durch sogenannte Kolonnen ein Lösungsmittel hindurchgedrückt. Die Kolonnen bestehen aus verhältnismäßig dünnen Rohren mit Innendurchmessern zwischen ca. 1 bis ca. 20 mm, die mit einer pulverförmigen Masse gefüllt sind. Durch diese Masse, die einen Strömungswiderstand bildet, dessen Größe von der Packungsdichte der Pulverfüllung abhängt, muß ein Lösungsmittel hindurchgepumpt werden. Die durchzupumpenden Lösungsmittelmengen liegen in der Regel zwischen ca. 0,05 bis 30 ml pro Minute. Die zum Durchpumpen des Lösungsmittels erforderlichen Drücke liegen zwischen ca. 1 und ca. 500 bar. Je höher nun der Widerstand der Kolonne ist, ein desto höherer Förderdruck ist nötig, wenn eine gegebene Menge pro Zeiteinheit an Lösungsmittel durch die Kolonne gepreßt werden soll. Der unterschiedliche Förderdruck kann darauf beruhen, daß in einer gegebenen Kolonne der Widerstand im Lauf der Zeit zunimmt und/oder darauf, daß mehrere nacheinander an die Pumpe anzuschließende Kolonnen verschiedene Strömungswiderstände haben.

In dem Diagramm nach Fig. 1 ist dargestellt, wie bei einer gegebenen Pumpe die Fördermenge vom Gegendruck abhängt. Es ist angenommen, daß es sich um eine Kolben-Membran-Pumpe mit veränderbarem Kolbenhub handelt. Auf der Ordinate des Diagramms

- 3 609822/0552

ist der Kolbenhub in Prozent vom maximalen Kolbenhub aufgetragen, während auf der Abszisse die Fördermenge in Prozent des Hubvolumens aufgetragen ist. Die eingezeichneten Kurven sind parallele Gerade. Der einer Kurve zugeordnete Förderdruck ist angeschrieben. Die Kurve 1, die dem Förderdruck Null entspricht, zeigt, daß auch schon bei ganz kleinem Kolbenhub eine Förderung vorhanden ist. Vereinfachend ist angenommen, daß bei einem Kolbenhub von 100 % die Fördermenge Q ebenfalls 100 % ist, d.h. gleich dem geometrischen Hubvolumen des Kolbens. Diese Annahme ist etwas vereinfachend, da auch bei fehlendem Gegendruck ein volumetrischer Wirkungsgrad von 100 % nicht erreicht wird. Bei einem Förderdruck von z.B. 100 bar (Kurve 2) entsteht bei kleinem Kolbenhub noch keine Förderung. Das geometrische Fördervolumen wird im wesentlichen dazu verbraucht, die Übertragungsflüssigkeit zwischen Kolben und Membran und das Fördermedium zu kompensieren, sowie Materialdehnungen zu bewirken. Beim Rückwärtshub des Kolbens dehnt sich das Fördervolumen wieder aus, d.h. es wirkt wie eine Feder. Bei dem dargestellten Fall ist ein Pumpenhub von 10 % des größten Hubes nötig, um überhaupt eine Förderung zu erhalten. Die Förderung nimmt, immer weiter ab, je höher der Gegendruck ist. Bei einem Gegendruck von 500 bar wird schon der halbe Pumpenhub verbraucht, ohne daß eine Förderung erfolgt.

60S822/0SS2

Der Erfindung nun liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zu schaffen, bei der die Fördermenge pro Zeiteinheit unabhängig vom Gegendruck konstant bleibt oder anders ausgedrückt, bei der die Verschlechterung des volumetrischen Wirkungsgrades kompensiert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Verdrängerpumpe mit Steuereinrichtung zur Konstanthaltung der Fördermenge pro Zeiteinheit dadurch gelöst, daß die Steuervorrichtung zur Konstanthaltung der Fördermenge pro Zeiteinheit unabhängig vom Förderdruck dient und einen Förderdruckmesser sowie eine Stellvorrichtung aufweist, die bei steigendem Förderdruck das geometrische Verdrängungsvolumen pro Zeiteinheit vergrößert.

Eine solche Pumpe läßt sich derart betreiben, daß die Fördermenge pro Zeiteinheit unabhängig vom Förderdruck ist. Wenn der Förderdruck z.B. ansteigt, veranlaßt der Förderdruckmesser, daß das geometrische Verdrängungsvolumen pro Zeiteinheit vergrößert wird. Dies läßt sich bei einer Pumpe mit gleichbleibender Drehzahl, jedoch veränderbarem Kolbenhub dadurch erreichen, daß der Kolbenhub vergrößert wird_e Bei einer Pumpe mit nicht veränderbarem Kolbenhub läßt sich die Vergrößerung des geometrischen Verdrängungsvolumens pro Zeiteinheit durch ■ Erhöhung der Anzahl der Förderhübe erzielen, also z.B. durch Erhöhung der Drehzahl eines Pumpenantriebsmotors. Die Steuerung

- 5 609822/05S2

ausgehend vom Förderdruck gestattet auch die Anpassung bei Pumpen, die nur sehr geringe Förderströme erzeugen sollen, wie dies insbesondere bei Pumpen für flüssigkeitschromatografische Anlagen der Fall ist. Bei solchen Anlagen würde z.B. eine Durchflußmessung nicht mit der nötigen Genauigkeit erfolgen können. Die Steuervorrichtung kann verhältnismäßig einfach ausgebildet werden, da die Abhängigkeit des Förderstromes vom Druck etwa linear ist.

Verdrängerpumpen arbeiten ihrer Natur nach diskontinuierlich, so daß es von Vorteil ist, wenn an die Druckleitung ein Dämpfer zur Vergleichmäßigung des Förderstromes angeordnet ist, also eine Einrichtung nach Art des bekannten Windkessels und wenn der Förderdruckmesser am Dämpfer angeordnet ist. Man erhält dadurch eine kontinuierliche Druckanzeige, d.h. die Schwingungen einer intermittierend fördernden Pumpe fallen weg, was die Steuerungsprobleme vereinfacht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gibt der Förderdruckmesser ein elektrisches Signal ab, das in eine Signalverarbeitungsschaltung eingespeist wird, die auf die Stellvorrichtung einwirkt. Eine solche Steuerungsvorrichtung läßt sich verhältnismäßig billig herstellen. Es sind aber im Prinzip

609822/ÖS S

auch andere Steuereinrichtungen möglich. So könnte z.B. der Förderdruck auf einen Schieber einer Hydraulikanlage einwirken. Die Stellvorrichtung hätte dann zweckmäßigerweise einen Stellmotor in Form eines Hydraulikzylinders.

Bei einer elektrischen Steuervorrichtung kann der Förderdruckmesser vorteilhafteiveise Dehnungsmeßstreifen aufweisen, die eine Wheatstone'sche Brücke bilden, wobei der von der Wheatstone'sehen Brücke ausgehende Strom zur Steuerung eines Stellmotors dient, der den Pumpenhub bzw. die Pumpendrehzahl verstellt. Hierbei kann der Stellmotor zur Darstellung des Istwertes ein Potentiometer antreiben, dessen Widerstand mit einem den Sollwert darstellenden Potentiometer vergleichen wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wirkt der Förderdruckmesser auf eine Abschaltvorrichtung für den Pumpenmotor ein. Der Förderdruckmesser wird in diesem Falle zugleich nutzbar gemacht, um eine Überlastung der Pumpe bzw. der Gesamtanlage zu vermeiden.

Die Pumpe kann als Membranpumpe ausgebildet sein, bei der sich einerseits der Membran nur Förderflüssigkeit und auf der anderen Seite nur Ubertragungsflüssigkeit befindet, die von einer Kolbenpumpe pulsierend bewegbar ist. Solche Pumpen sind

— 7 —

809822/0582

für viele Zwecke besser geeignet als gewöhnliche Kolbenpumpen, da das Fördermedium mit dem Pumpkolben nicht in Berührung kommt, sondern von der Membran völlig abgeschlossen ist. Es ist allerdings eine Eigenart solcher Membranpumpen, daß der volumetrische Wirkungsgrad verhältnismäßig stark vom Förderdruck abhängig ist, vor allem wegen des Vorhandenseins einer kompressiblen Übertragungsflüssigkeit. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird dieser Mangel einer Membranpumpe vollständig beseitigt.

Eine erfindungsgemäße Anlage für die Flüssigkeitschromatografie mit mindestens einer pulverförmigen Feststoff enthaltenden Kolonne und einer Pumpe zum Durchdrücken von Lösungsmittel durch die Kolonne ist dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung ausgebildet ist, insbesondere als Membranpumpe. Eine solche Anlage hat den Vorteil, daß sehr genaue Untersuchungen durchgeführt werden können, da gewährleistet ist, daß das Lösungsmittel mit konstantem Flüssigkeitsstrom durch die Kolonnen gedrückt wird. Eine Membranpumpe hat in einer solchen Anlage den Vorteil, daß das Lösungsmittel, das oft aggressiv ist, nur mit der beweglichen Pumpenmembran, nicht aber mit sonstigen beweglichen Teilen der Pumpe, insbesondere nicht mit dem Pumpenkolben, in Berührung kommt. Auch ist eine Membranpumpe absolut leckagefrei, so daß auch ohne jede Gefahr Lösungsmittel

609822/0

verwendet werden können, die giftige Dämpfe erzeugen, wie z.B. häufig als Lösungsmittel dienendes Chloroform. Die meisten Lösungsmittel haben eine geringe Viskosität und deshalb schlechte Schmiereigenschaften, was bei einer Kolbenpumpe zu Abdichtungsproblemen führt, die eine Membranpumpe naturgemäß nicht hat. Die niedrige Viskosität würde bei reinen Kolbenpumpen auch zu großen Leckverlusten führen, die mit einer Membranpumpe vermieden werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung weiterhin erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das bereits erwähnte Diagramm ,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Anlage zur Durchführung der Flüssigkeitschromatografie und

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild der Steuervorrichtung.

Die Anlage nach Fig. 2 besteht aus einer Dosierpumpe 1, einem Stellantrieb 2 für die Verstellung der Dosierpumpe, einem Elektronikteil 3 für die Verarbeitung von Meßsignalen, einem Förderdruckmesser 4, einem Dämpfer 5, einer Säule 6 und einem Detektor 7.

- 9 6O9822/OBS2

_ 9 —

Die Dosierpumpe 1 hat einen Antriebsteil 8 und einen Kopf 9· Im Antriebsteil 8 befindet sich ein Getriebe für den hin- und hergehenden Antrieb eines Pumpenkolbens, der in einer Zylinderbohrung 10 des Pumpenkopfes 9 hin- und herbevregbar ist. Zum Antrieb des Getriebes dient ein Elektromotor 11. Die Pumpe ist eine Membranpumpe mit Membran 12, die rechts von einer Übertragungsflüssigkeit beaufschlagt wird, die durch den Kolben, der in der Zylinderbohrung 10 beweglich ist, pulsierend bewegt wird. An der linken Seite der Membran liegt das zu fördernde Lösungsmittel an, das über eine Leitung 13 und ein Saugventil 14 in den Arbeitsraum 15 eintritt und über eine Leitung 16 und ein Druckventil 17 aus dem Arbeitsraum austritt.

Der Dämpfer 5 ist an die Leitung 16 angeschlossen. Er stellt ein elastisches Glied dar, durch das der aus der Pumpe austretende pulsierende Förderstrom in einen kontinuierlichen Strom umgewandelt wird.

Zur Verstellung der Dosierpumpe 1 wird ein Stellmotor 18 betätigt, der das Getriebe im Antriebsteil 8 so verstellt, daß sich der Hub des Kolbens ändert. Der Stellmotor 18 wird vom Elektronikteil 3 aus gesteuert. Die Wirkungsverbindung ist durch gestrichelte Linien dargestellt.

- 10 -

609822/0SS2

In den Elektronikteil 3 wird vom Förderdruckmesser 4 aus ein elektrisches Signal eingespeist. Die Wirkungsverbindung ist durch die gestrichelte Linie 19 symbolisiert. Der Förderdruckmesser 4 enthält in Form einer Wheatstone¹sehen Brücke angeordnete Dehnungsmeßstreifen, die sich auf einer Platte befinden, die unter dem Einfluß des Förderdruckes elastisch gebogen wird. Die Schaltung im Elektronikteil 3 ist in Fig. dargestellt.

Die Schaltung enthält die erwähnte, aus Dehnungsmeßstreifen bestehende Wheatstone'sehe Brücke 20. Die zwischen 21 und vorhandene Spannung ist dem Druck in der Förderleitung 6 proportional und wird dem Verstärker V1 zugeführt und dort zur Steuerung eines druckabhängigen Gleichstromes benutzt. Ein Druckanzeiger 23 kann deshalb als elektrisches Instrument ausgebildet sein. Ferner kann der druckabhängige Strom benutzt werden, um einen Sicherheitsschalter 24 zu betätigen, der den Stromkreis zum Pumpenantriebsmotor 11 unterbrechen kann. Dem Schaltermagneten 25 ist ein Verstärker V3 und ein Potentiometer R4 vorgeschaltet. Das Potentiometer R4 gestattet es, zu bestimmen, bei welchem Druck der Schalter 24 geöffnet werden soll.

- 11 -

80 9822/0552

Zur Steuervorrichtung gehören weiter Potentiometer R1, R2 und R3. Das Potentiometer R1 dient zur Justierung der Steuereinrichtung, während das Potentiometer R2 den Sollwert und das Potentiometer R3 den Istwert des geometrischen Förderhübes angibt. Das Potentiometer R3 wird vom Stellmotor 18 angetrieben, d. h. jeder Stellung des Potentiometers R3 entspricht ein bestimmter Hubweg des Kolbens der Pumpe 1. Dieser Istwert wird in einem Istwertanzeiger 26 angezeigt. Die Potentiometer R2 und R3 sind über Widerstände R6 bzw. R5 an einen Verstärker V2 angeschlossen, dessen Ausgang auf den Stellmotor 18 einwirkt.

Die Anlage arbeitet wie folgt.

Zunächst wird durch die Säule 6 solange Lösungsmittel hindurchgedrUckt, bis stationäre Strömungsmfcfcfc&iverhältnisse eingetreten sind. Die Fördermenge wurde am Sollwert-Potentiometer R2 eingestellt, wodurch der Stellmotor über den Verstärker V2 so lange nachgeregelt wird, bis der Strom des Istwert-Potentiometers R3 gleich dem Strom des Sollwert-Potentiometers R2 ist ^¹ Istwert ^{= I} Sollwert^*

Nun wird die zu untersuchende Substanz bei 27 in die Förderleitung 16 injiziert. Wenn die bei 27 eindosierte flüssige oder gelöste Substanz oder eine Fraktion davon die Säule 6 durchlau-

- 12 609822/0552

fen hat, wird dies im Detektor 7 festgestellt. Die Zeit zwischen der Injektion und der Anzeige im Detektor ist ein Anhaltspunkt für die Identifizierung des Stoffes.

Es kann sich nun der Druck in der Förderleitung 16 ändern, z.B. deshalb, weil sich der Durchgangswiderstand in der Säule 6 ändert oder aber auch deshalb, weil von der Säule 6 auf eine andere Säule mit anderer Packungsdichte umgeschaltet wird. Der Druck in der Förderleitung 16 wird durch die im Förderdruckmesser 4 vorhandenen Dehnungsmeßstreifen gemessen. Der Druck wird in der Schaltung in eine dem Druck proportionale Gleichspannung umgewandelt, tfoer den Widerstand R1 wird ein dieser Gleichspannung proportionaler Strom dem Sollwert zuaddiert. Für den Abgleich des Regelkreises gilt dann: I j . . = I _So-i-i ^+IDruck*

An dem Potentiometer R1, das auch als Kompensationsfaktor-Potentiometer bezeichnet werden kann, kann die Größe des druckabhängigen Gleichstromes beliebig eingestellt werden und somit der Sollwert um eine bestimmte Größe erhöht werden.

Die Steuereinrichtung ist so ausgelegt und kann so einjustiert werden, daß die Fördermenge pro Zeiteinheit unabhängig vom Druck in der Förderleitung ist. In dem Diagramm nach Fig.

- 13-609822/0552

bedeutet dies, daß die Regelung entlang einer senkrechten Linie verläuft, z.B. der Linie, die der Förderleistung Q von 30 % der gesamten geometrischen Förderleistung der Pumpe entspricht, d.h. daß z.B. bei einem Druck von 100 bar 40 % des maximalen Förderhubes, bei einem Druck von 200 bar 50 %> bei einem Druck von 300 bar 60 %, bei einem Druck von 400 bar 70 % und bei einem Druck von 500 bar 80 % des größten Förderhubes benötigt, um einen Förderstrom zu erzeugen, der gleichbleibend bei 30 % des maximalen geometrischen Förderhubes Q liegt. Wie das Diagramm zeigt, ist der Einfluß der Druckänderung auf die Fördermenge sehr wesentlich. Ohne Nachregelung würde die Fördermenge sehr stark abnehmen oder sogar Null werden können, z.B. dann, wenn bei einem Pumpenhub von 40 % des größtmöglichen Hubes der Gegendruck auf 300 bar steigt. Die zur Kompensation erforderliche Verstellung des Pumpenhubes ist also sehr wesentlich.

- 14 -

609822/0552

Claims

Patentansprüche;

1.J Anlage mit einer Verdrängerpumpe, insbesondere Dosier- ^—/
pumpe, und einer Steuereinrichtung zur Konstanthaltung der Fördermenge pro Zeiteinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung zur Konstanthaltung der Fördermenge pro Zeiteinheit unabhängig vom Förderdruck dient und einen Förderdruckmesser (4) sowie eine Stellvorrichtung (3, 2) aufweist, die bei steigendem Förderdruck das geometrische Verdrängungsvolumen· pro Zeiteinheit vergrößert.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1) eine Kolbenpumpe mit veränderbarem Kolbenhub ist und daß zur Änderung des geometrischen Hubvolumens pro Zeiteinheit der Kolbenhub veränderbar ist.

3. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Druckleitung (16) der Pumpe (1) ein Dämpfer (5) angeschlossen ist.

4. Anlage nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß der Förderdruckmesser (4) am Dämpfer (5) angeordnet ist.

609822/0552

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderdruckmesser ein elektrisches Signal abgibt, das in eine Signalverarbeitungsschaltung (3) eingespeist wird, die auf die Stellvorrichtung (2) einwirkt.

6. Anlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Förderdruckmesser (4) Dehnungsmeßstreifen aufweist, die eine ■Wheatstone'sche Brücke (20) bilden und daß die an der Wheatstone¹sehen Brücke anliegende Spannung zur Steuerung eines Stellmotors (18) dient, der den Pumpenhub bzw. die Pumpendrehzahl verstellt.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (.18) zur Darstellung des Istwertes des geometrischen Förderhubes ein Potentiometer (Rj5) antreibt, dessen Widerstand mit einem den Sollwert darstellenden Potentiometer (R2) verglichen wird.

8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderdruckmesser (4) auf eine Abschaltvorrichtung (R4, V3, 25, 24) einwirkt.

9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da3 die Pumpe als Membranpumpe ausgebildet ist, wobei sich auf einer Seite der Membran (12) nur Förder-

- 16 609 82 2/0 55 2

flüssigkeit und auf der anderen Seite nur Übertragungsflüssigkeit "befindet, die von einer Kolbenpumpe pulsierend bewegbar ist.

10. Anlage für die Flüssigkeitschromatografie, mit mindestens einer pulverförmigen Feststoff enthaltenden Kolonne und einer Pumpe zum Durchdrücken von Lösungsmittel durch die Kolonne, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, vorzugsweise als Membranpumpe gemäß Anspruch 9.

609822/0 55