Дозатор жидкости Советский патент 1993 года по МПК G01F13/00 

Изобретение относится к технике объемного дозирования жидких сред и может быть использовано в микробиологической промышленности для дозирования питательных и титрующих растворов при проточном культивировании различных-микроорганиз- мов, а также в фармацевтической, пищевой и химической промышленности; может быть с успехом применено в исследовательской практике в указанных областях.

Дискретно-непрерывный принцип дозирования жидких питательных сред, .например, в микробиологических процессах, заключающийся в импульсной подаче заранее откалиброванных объемов доз с необходимой частотой, определяемой ийтёнсйвнбстцю происходящих биохимических и физиологических процессов, весьма удобен с точки зрения автоматизации уНрав- ления им; так как дискретные управляющие сигналы от современных вЬ1Ч1лслите ьных средств легко трансформировать в частоту импульсов, шагов. В этих случаях очень важна высокая точность каждой калиброваннрй дозы. ;;. ; .. ;,.. ;. ..;

Известно устройство для объемного до зйрования, Б котором движущийся калибро- ванный сосуд черпает дозу из: основной массы исходной дозируемой жидкости и самотеком подает ее к адресату. : :; -:,.-

Его главный недостаток: вi низкой тЬчнО: сти дозирования (особенно малых доз), так как при циклических Движениях калйбрбйан-: н ого сосуда в жидкость и ш нее Ироис 6дйТ весьма грубый перелив, расдлёски.ёаниё час- ти жидкости, достаточно большое и трудно учитываемое количество жидкости остается на стенках дозирующего сосуда. : ,г

Известен механизм дозирования, содержащий неподвижный дозирующий сосуд с погружным калибровочным стержнем и связанные с Полостью сосуда меха, расширение которых обеспечивает предварительное заполнение этого сосуда, а сжатие - принудйтельноё вытеснение отмеренной дозы к потребителю, а излишков жидкости - обратно в исходную емкость.

Основные недостатки его заключаются в том, что, во-первых, с уменьшением калибруемой дозы в нем возрастает погрешность дозирования, так как введение стержня внутрь сосуда увеличивает поверхность соприкосновения с дозируемой жидкостью, что увеличивает влияние на дозу пристеночной остаточной пленки жидкости при вытеснений дозы К адресату, а во-вторых, управление указанными тактами предусматривает промежуточные непроизводительные операции между всасыванием жидкости и ее транспортированием к адре

й

10.

15

25

30

; 20 ;:.

:; 3.5 ;

40

45

50

55

сату, что значительно снижает быстродействие такого устройства, значительно затрудняет автоматизацию управления им.

Известен дозатор жидкости, содержащий мерную емкость с калиброванной дозирующей трубкой и шестиходовой плоский золотник, последовательно переключающий различные такты каждого цикла дозирования.

Недостатки этого дозатора в том, что, во-пёрв ых, он требует поддержания постоянного напора (избыточного давления) в исходной жидкости перед ним, что усложняет общую, схему дозирования, а во-вторых, сложность конструкторского и технологического воплощения шестиходового плоского золотника никогда не может гарантировать его герметичности переключаемых каналов, неконтролируемые утечки жидкости через них приводят к значительным погрешно- Стям подаваемых доз, быстродействие его за счёт многотактности работы низкое. . Известен автоматический дозатор жидкости с калиброванным объемом в виде поршневого двусторонн ёго гидроцилиндра и гшевмопривода управления золотниками, переключающими вход и выход дозируемой жидкости. Этот дозатор способен работать только при Наличии существенного избыточного давления в подводимой к нему жид- КОСТИ. v :; v;- ...-,.; -.;.;,,..,/.;: J.;..,,.

Рснов н6й недостаток его в наличии нескольких подвижных уплотнйтельных элементов (поршней, золотников, сальников), что неизбежна приводит к их срабатыванию, снижению надёжнбсти и, главное, к /увеличению погрешности подаваемых доз за счёт утечек жидкости через подвижные уплотнйтёльныё соединения, тем более что последние постоянно находятся под избыточным давлением ;- -: :.

Кроме того, требование поддержания .избыточного Давления в жидкости перед дозатором усложняет схему дозирования, вызывает неудобства в эксплуатации, например при пополнении сосудов с исходной жидкостью. -. . : s

Наиболее близким .к предлагаемому ;ймг1ульсйому Дозатору по технической бущности и достигаемому результату является устройство дозирования жидкости, содержащее вертикальную калибровочную камеру, связанный с ней двухканальный перистальтический на.сос с эластичными шлангами и шаговым приводом, управляемые запорные клапана и блок управления, в котором предусмотрена автоматическая коррекция производительности перистальтического насоса по расходу жидкости из калибровочной камеры.

Основной его недостаток в том, что он не может обеспечить необходимую и гарантированную точность каждой единичной (разовой) дозы питательной жидкости,1 которая весьма необходима при малых скоростях роста микроорганизмов или подтитровкё культуральной жидкости, так ,как вся сх$,ма управления и исполнения в этом дозаторе основана на прохождений через него многих десятков управляющих Шагов.ых импульсов, чтобы пропустить че1 рез насос вёсь отмеренный заранее объем кидкорти от верхнего до Нижнего датчика уровня и, таким образом, сравнить его с заданной в блоке управления величиной. Лишь только после этого вводят коррекцию в скорость вращения перистальтического насоса на последующее дозирбвание. Таким образом, указанный дозатор может контролировать (и соответственно кор- (эёктиров ать) лишь усреднённую скорость дозирования заранее отмеренного в калиб- зовочной камере объема, вариации же ско- Уости потока жидкости в промежутке нёподконтрольны (а они для шланговых насосов весьма характерны). .

Недостатком этого дозатора является акже режим работы его при закрытых положениях нормально открытых клапанов |при расходовании насосом жидкости из калибровочного сосуда), В этом режиме насос продолжает нагнетать жидкость в эластич- йый шланг второго канала при закрытом ыходе из него. Это со временем приводит нарушению его герметичности и сказыва- тся н.а ухудшении точности контроля за озированием, к ошибкам в его коррекции.. , Кроме того, каждый из таких дозаторов должен иметь весьма прецизионные датчи- i и уровня и электронное устройство контрб- i я скорости дозирования, коррекции ее, что } сложняет конструкцию устройства, особенно при наличии нескольких каналов до- ;ирования различных питательных сред и титрантов к ферментеру. . / ,. ;,

Достигаемый технический результат с беспечивается тем, что в дозатор жидко- сти, содержащий расходную емкость, подключенную к входу эластичного шланга Первого канала перистальтического насоса Л к выходу эластичного шланга его второго канала, сообщенного с калибровочной камерой, снабженной входным патрубком, размещенным в ее нижней части, и выходным патрубком, и нормально открытый управляемый клапан, введены обратный и Предохранительный клапаны, крышка с вертикальной трубкой и уплотнением и трубопровод для подачи сжатого газа, в котором установлен нормально открытый

управляемый клапан, входом подключенный к -верхней части калибровочной камеры; котораяГгер мет ичнЬ закрыта крышкой, а вертикальная трубка опущена в калибро- 5 вбчную емкость через уплотнение в крышке и наруж ным ko HUOM сообщена с входом эластичного шланга второго канала пёристаль- t и ч ее к о г о н а С о с а, вы хG Д эластичного utfrsft га ri ер во го ка 1 aTfS1 kofарЪго пбд кМто ч eft

0 через обратный клапан к входному патрубку .причём внутреннее сечение эластичного шланга второго канала больше внутреннего сечения эластичного шла:нт а первого канала, а гт рб дохранйТёльнШ клапан установ5 лен в выходном патрубке.

Введение перечисленных выше но вых элементов позволяет в первую Ъ ёрёдь -Обеспечить с высокой точностью отмеривание и дозирование каждой единичной (раз0 овой) дозы на один управляющий импульс, поддерживать в Калибровочной камере ctapTOByra готовность к Импульсной подаче этой отмеренной дозы постоянно осв ежзе- Мой дбзйруёмбй жидкости.

5Кроме того, стало вОзмрж ным Значительно упростить схему и конструкцию управления дозйрованйе м,:искл ю1Л1в эл ё тронное - устройство периодического контроля за дозой и коррекции ее, исключив два электро0 управляемых клапана из трёх, заменив шаговый привод насоса с его сложной системой импульсного питания на об ычный ма- лобборотный электродвигатель сетевого питания (например, РД-09), а все управле5 ние работой дозатора свести к подаче на него простых электрических импульсов сетевого питания, количеству кдт6рШ соот- ветствуёт количество totjftbTx rip б бьему единичных доз, суМтйё зТ а чит ёЯьнЪ

0 упрощает конструкцию всего дозатора.

На чертеже представлена принципиальная схема предложенного йтйиу/ТьснЬ г б дбзатбра жидкости ; ---- - .

Дозатор содержит вертикальную ка5 либровочную камеру 1, двухканальный перистальтический насос 2 с эластичными шлангами, выход ка нала 3 которого сообщён с патрубком 4 в нижне.й части камеры 1, нормально открытый управляемый кла0 пан 5, трубопровод б аэрации адресата до- зйрбвания, блок 7 управляющих импульсов. В нижней части камеры 1 имеется выходной патрубок 8, внутри которого установлен предохранительный клапан 9

5 (например, Ниппельного типа), а в верхней ее части установлена вертикально перемещаемая трубка 10, герметизированная в крышке 11 подвижным уплотнением 12, нижний открытый конец которой расположен на поверхности жидкости в камере 1, а

верхний сообщен с входом канала 13 перистальтического насоса 2, образуя устройство принудительного отсоса из камеры 1. При этом внутреннее сечение эластичного шланга в канале 13 насоса 2 больше, чем в его канале 3. ....;

Вход нормально открытого клапана 5, установленного в проходной трубопровод 6 аэрации, дополнительно сообщен трубопроводом 14с патрубком 15 в верхней крышке 11 камеры, который сообщает его с верхней внутренней полоетыр этой камеры.

Стенки камеры 1 выполнены йЭ прозрачного материала для удобства визуального наблюдения за процессом дозирования и возможности отмеривания

ДОЗЫ, v :-;:%4.:;;;-;/; v . V ; ;Л. ; л . .,

Управляющие цеИи связывают блок 7 импульсов с приводом пёрисгальтического насоса 2 и клапаном 5. Привод насоса 2 представляет собой обычный малооборотный электродвигатель сетевого питаний.

В трубопроводе, связывающем канал 3 с патрубком 4 камеры 1, устанрвле н обратный клапан 16.; V ,:

Кроме того, на схеме показаны адресат 17 дозирования (например, фёрмёнтер), источник 18 дозируемой Жидкости (например, ёмкость с жидкой питательной средой), биофильтр 19 связи ее с атмосферой, биофильтр 20 и ручной, регулирующий расход воздуха кран 21 на входе в трубопровод ;-:/ : v.,h: v/ ..- - ; .-/ .. -..

.Вход канала 3 и выход канала 13 насоса 2 должны подключаться соответствующими трубопроводами к источнику 18 (емкости со средой), а выходы из патрубка 8 и трубопровода 6 - к адресату 17 дозирования (фермёнT ipy). У.-;,. ( , :-: V.-:;/; ;:-л Исходные условия для работы дозатора

следующие. .;.-.-..-:;:-;/тЛ.:/ -.;-:; ;: -.Vл

В источнике 18 дозируемой жидкости (емкости) жидкость всегда находится при атмосферном давлении, так как верхняя полость этой емкости связана через биофильтр 19 с окружающей атмосферой.

Воздух от внешнего источника его давления непрерывно поступает в трубопровод 6 аэрации адресата (например, ферментера) через кран 21, регулирующий его расход, и биофильтр 20. Давление в трубопроводе 6 при открытом клапане 5 за счет его падения в регулирующем кране 21 незначител ьнр превышает атмосферное (только на величину сопротивления трубопровода и столба жидкости в ферментере 17).

В этих условиях дозатор работает следующим образом..

Жидкость из источника (емкости) 18 всасывается работающим перистальтическим

насосом 2 и по его каналу 3 нагнетается через обратный клапан 16 и патрубок 4 в камеру 1, наполняя ее внутреннюю полость. Одновременно канал 13 насоса 2 через

трубку 10 отсасывает из камеры 1 первоначально воздух, находящийся над жидкостью и подпитываемый из трубопровода 6 аэрации (клапан 5 открыт), а затем все излишки поднявшегося Столба жидкости таким образом,что в камере всегда остается герметически точный объем жидкости. Излишки жидкости по трубке 10, каналу 13 насоса 2 возвращаются в емкость 18. При этом за счет того, что внутреннее сечение эластичного шланга в канале 13 больше, чем в канале 3, уровень жидкости в камере 1 никогда Не поднимается выше нижнего конца трубки 10. Разница в объемных расходах жидкости по каналам 3 и 13 компенсируется

подсосом воздуха из трубопровода 6 аэрации через патрубок 15 в верхнюю часть камеры 1. В этом режиме с блока 7 на привод насоса 2 поступает напряжение питания, а на нормально Открытый клапан 5 электропита ние не поступает; ,: v V; : При поступлении на блок 7 команды на выдачу дозы к адресату с него следует им- пульс электропитания на клапан 5 и так же импульснр на это же время прекращается

электропитание привода насоса 2. В этом;- случае насос 2 останавливается, его ролики герметично перекрывают оба шланга в каналах 3 и 13, а клапан 5 закрывается.

В резул ьтате резко возросшее давление

перед клапаном 5 передается через патрубок 15 в верхнюю часть камеры 1 и быстро вытесняет отмеренную дозу жидкости через предохранительный клапан 9 и патрубок 8 к адресату 17 (ферментеру).. ,

Давление срабатывания (открывания) клапана 9 подобрано таким, что при давлении в трубопроводе 6 с открытым клапаном 5 (следовательно, и в камере 1) предохранительный клапан 9 герметично закрыт, а при

давлении с закрытым клапаном 5 он открывается и легко пропускает вытесняемую

ЖИДКОСТЬ. . л: -/.. 4 - -.,- . , ...

Обратный клапан 16 предотвращает передачу импульса давления жидкости из камеры 1 в эластичный шланг канала 3, так как в противном случае его импульсная деформация в момент вытеснения из камеры дозы могла бы повлиять на ее величину, т.е. увеличилась бы погрешность дозирования.

Быстро вытеснив из камеры 1 дозу жидкости, воздух из трубопровода 6 в обход закрытого клапана 5 через камеру 1 и патрубок 8 поступает внутрь адресата 17 дозирования (ферментера), т.е. аэрация адресата не нарушается, в то же время воздух хорошо

продувает внутреннюю полость камеры 1, клапана 9, патрубка 8 и трубопровода, предотвращая задержку в них капель до- зир уемой жидкости, что в итоге также обеспечивает повышение точности дозирования.

Длительность команды подачи дозы оче нь мала (например, при объеме дозы 0,5 мл достаточно не более 0,3-0,5 с). После ее прекращения блок 7 снимает импульс элект- роНитания с клапана 5 и одновременно прекращает импульс остановки питания привода насоса 2. В результате клапан 5 открывается, давление воздуха в камере 1 снижается, предохранительный клапан 9 закрывается, насос 2 по каналу 3 вновь начинает заполнять жидкостью камеру 1, а его канал 13 поддерживать в ней заданную дозу. И так до следующей команды на подачу дозы к адресату.

Вертикальное перемещение в герметичном уплотнении 12 трубки 10 позволяет установить выше или ниже уровень отсоса излишков дозируемой жидкости, т.е. уста- нав ливать необходимую величину единичной (разовой) дозы.

Через прозрачную стенку камеры 1 легко можно обеспечить отсчет величины устанавливаемой дозы, а также визуально наблюдать за процессом дозирования, контролировать нормальную работу дозатора. Общая производительность дозатора

определяется устанавливаемой величиной единичной дозы и частотой следования командных импульсов. В тех случаях, когда ожидаемое в технологическом процессе произведение этих двух величин начинает

превышать производительность перистальтического насоса, следует либо увеличить число его оборотов (изменить редукцию привода), либо заменить его эластичные шланги, увеличив их диаметр (при этом соблюсти указанную выше разницу их внутренних сечений).

Между кратковременными управляющими импульсами процесс постоянного перекачивания перистальтическим насосом дозируемой жидкости из нижней части ее исходной емкости в калибровочную камеру и обратно, но уже в верхнюю часть этой емкости позволяет постоянно обновлять

жидкость в калибровочной камере и перемешивать ее в этой емкости хранения,

Использование: дозирование питательных растворов при проточном культивировании микроорганизмов. Сущность изобретения: расходная емкость 18 под- клкзчёна к Входу эластичного шланга 3 перистальтического насоса 2 и выходу эластичного шланга 13. Калибровочная камера 1 нижней частью с помощью входного патрубка 4 через обратный клапан16 подключена к выходу клапана. В выходном патрубке 8 установлен предохранительный клапан 9. В крыщке 11 камеры 1 размещена вертикальная трубка 10, которая сообщена с входом -шланга 13, Трубопровод подачи сжатого газа на входе управляемого клапана 5 сообщён с верхней частью камеры 1. Излишки жидкости отсасываются до уровня нижнего торца трубки 10 шлангом 13 насоса 2. Доза вытесняется сжатым газом при неработающем насосе 2 и при перекрытии управляемым клапаном 5. 1 ил. (/) G

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я Дозатор жидкости, содерхощий рас- ход ную емкость, подключённую к входу эластичного шланга первого канала перистальтического насоса и к выходу эла- шланга его второго канала, сообщенного с калибровочной камерой, снабженной входным патрубком, разме- щейным в ее нижней части, и выходным пафубком, и нормально открытый управля- емьлй клапан, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности-дозирования и упрощения конструкции, в него введены обратный и предохранительный клапаны, крышка с вертикальной трубкой и уплотне- ние м и трубопровод для подачи сжатого raj

за, в котором установлен нормально открытый управляемый клапан, входом подключенный к верхней части калибровочной камеры, которая герметично закрыта крышкой, а вертикальная трубка опущена в калибровочную емкость через уплотнение в крышке и наружным концом сообщена с входом эластичного шланга второго канала перистальтического насоса, выход эластичного шланга первого канала которого подключен через обратный клапан к входному патрубку, причем внутреннее сечение эластичного шланга второго канала больше внутреннего сечения эластичного шланга первого канала, а предохранительный клапан установлен в выходном патрубке.

; . Ч; ;;Y; -°- : .. .v.Vi( - .,,;.;..,.,;;...