Hoch präzises Dosieren mit
Balluff MICROmote® Optosensoren

Hoch präzises Dosieren mit Balluff MICROmote® Optosensoren
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Basis der modular aufgebauten Dosieranlagen von Brand sind die bewährten seripettor® Dosiersysteme.
09.04.2015 | Präzision und Funktion der Hochleistungs-Dosieranlagen von Brand basieren auf der ausgereiften Technik des Flaschenaufsatz-Dispensers seripettor®. Brand Dosieranlagen mit 2 ml Dosiereinheiten können auch kleinste Abgabevolumina zuverlässig und mit hoher Genauigkeit abgeben. Die Prozesssicherheit wird dabei durch die miniaturisierten MICROmote® Optosensoren von Balluff entscheidend verbessert.

Hochpräzises Dosieren wässriger Medien ist aufgrund immer kleinerer Abgabevolumina nicht nur im Laboralltag eine stetig wachsende Herausforderung. Auch an automatisierte Dosiersysteme werden immer höhere Anforderungen für Genauigkeit und Prozesssicherheit gestellt. Das erfordert filigranere Systemkomponenten wie etwa Dosiereinheiten mit kleinen Volumina, aber auch Sensoren, die auf kleinsten Einbauraum ausgelegt sind. „Für unsere 2 ml seripettor® Dosiereinheit spezifizieren wir typischerweise bei einem Sollvolumen von 50 µl eines wässrigen, niedrigviskosen Mediums eine Genauigkeit von ±1%, also 0,5 µl“, berichtet Eberhard Albrecht, Leiter Produktionstechnik und Sondermaschinenbau bei der Brand GMBH + CO KG in Wertheim. Allerdings, so Albrecht ergänzend, handele es sich bei diesen Angaben um Standardwerte. Basierend auf Dosierversuchen mit dem Originalmedium sind bei der konkreten Anwendung häufig noch engere Toleranzen erreichbar.
 


Ein bewährtes Konzept
 
Flaschenaufsatz-Dispenser vom Typ  seripettor® aus dem Produktprogramm der sogenannten Liquid Handling Geräte von Brand, werden seit Jahren weltweit in den unterschiedlichsten Laboratorien eingesetzt. Sie ermöglichen das einfache und präzise Dosieren von Medien direkt aus der Vorratsflasche. Eine Aufwärtsbewegung des Kolbens füllt die Dosiereinheit mit Flüssigkeit, die während einer anschließenden Abwärtsbewegung des Kolbens über ein Ventilsystem durch die Dosierkanüle abgegeben wird. „Das hierbei angewandte Kolben-Zylinder-Prinzip lässt sich auch hervorragend für den Einsatz in maschinellen Präzisionsdosiersystemen anpassen“, erklärt Albrecht. Nach diesem Konzept werden bei uns schon seit vielen Jahren Dosieranlagen für eigene Produktivaufgaben gebaut. „Seit 1998 lösen wir auch kundenspezifische Dosieraufgaben“, ergänzt Albrecht: „Von der Projektierung über die Konstruktion und Fertigung, den Steuerungsbau und die Programmierung bis hin zur Inbetriebnahme und dem Service vor Ort bieten wir alles aus einer Hand.“
 
Als Herzstücke der Dosieranlagen wurden diese Kolbenhubsysteme zunächst im Nennvolumen von 10 und 25 ml eingesetzt. „Beim Einsatz kleinerer Dosiereinheiten für geringere Abgabevolumina erwiesen sich die bis dahin verwendeten kapazitiven Sensoren als ungeeignet, unerwünschte Luftansammlungen im Zylinder der Dosiereinheit zuverlässig zu erkennen. Wir brauchten also eine neue Sensorlösung“, erinnert Albrecht. Über Internetrecherchen stieß er auf die miniaturisierten Optosensoren von Balluff, die ihn mit außergewöhnlich kleinen Bauformen beindruckten und letztlich mit hervorragenden technischen Kennwerten überzeugten.


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Winzige MICROmote® Einweg-Lichtschranken überwachen den minimalen und maximalen Füllstand im Niveauausgleichsbehälter der Dosiermodule.

Ein bewährtes Konzept

 

Hochpräzises Dosieren wässriger Medien ist aufgrund immer kleinerer Abgabevolumina nicht nur im Laboralltag eine stetig wachsende Herausforderung. Auch an automatisierte Dosiersysteme werden immer höhere Anforderungen für Genauigkeit und Prozesssicherheit gestellt. Das erfordert filigranere Systemkomponenten wie etwa Dosiereinheiten mit kleinen Volumina, aber auch Sensoren, die auf kleinsten Einbauraum ausgelegt sind. „Für unsere 2 ml seripettor® Dosiereinheit spezifizieren wir typischerweise bei einem Sollvolumen von 50 µl eines wässrigen, niedrigviskosen Mediums eine Genauigkeit von ±1%, also 0,5 µl“, berichtet Eberhard Albrecht, Leiter Produktionstechnik und Sondermaschinenbau bei der Brand GMBH + CO KG in Wertheim. Allerdings, so Albrecht ergänzend, handele es sich bei diesen Angaben um Standardwerte. Basierend auf Dosierversuchen mit dem Originalmedium sind bei der konkreten Anwendung häufig noch engere Toleranzen erreichbar.


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Im speziell konstruierten, gabelförmigen Gehäuse sind die Sender- und Empfängereinheiten der MICROmote® Einweg-Lichtschranken optimal positioniert.

Überzeugende Sensortechnik

 

Die optoelektronischen MICROmote® Sensorköpfe mit Abmessungen von wenigen Millimetern haben robuste Metallgehäuse und werden über separate Verstärker betrieben. Somit sind sie ideal für kleine Einbauräume wie in den Dosiermodulen der Brand Dosieranlagen, in denen je nach Ausführung eine unterschiedliche Anzahl von Dosiereinheiten in Reihe nebeneinander platziert sind. Die Verstärker mit bequemen Anzeige- und Bedienelementen werden außerhalb der Anlage im Schaltschrank untergebracht. Hochflexible elektrische Leitungen sorgen für eine sichere Signalübertragung zwischen Sensorkopf und Verstärker. Ihre geringe Baugröße verdanken die Sensoren einer eigens entwickelten und patentierten Herstellungstechnologie zur Fertigung der mikrooptischen Komponenten, wie LEDs, Fotodioden sowie Fototransistoren- und Laserdioden-Einheiten mit konkurrenzlosen technischen Eigenschaften.
 
Die weltweit kleinsten Optosensoren mit Hochleistungsoptiken gibt es in vielfältigen Standardprodukten mit den unterschiedlichsten Ausführungen in Form von Reflexions-Lichttastern für diffuse Objekt-Reflexion oder mit Hintergrundausblendung sowie als Reflexions-Lichtschranken oder als Einweg-Lichtschranken. Im Fall der Anwendung in den Dosieranlagen von Brand werden die Sensoren als Einweg-Lichtschranken in modifizierten Ausführungen verwendet. „Entscheidend ist für uns auch die zuverlässige Wassererkennung, die mit anderen Techniken eher problematisch ist“, betont Albrecht. Dafür nutzen die MICROmote® Sensoren bei dieser Anwendung eine Wellenlänge im Infrarotbereich bei ca. 1.480 nm, bei der Wasser sein Absorptionsmaximum hat. Auf dieser Wellenlänge arbeiten die optischen Sensoren auch bei klarem Wasser zuverlässig und auch dann, wenn die mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder aus semitransparentem Material gefertigt sind. Dadurch wird die Detektion von Flüssigkeiten mit hohem Wassergehalt signifikant vereinfacht. Unerwünschte Luftansammlungen im Dosierzylinder, die zu Ungenauigkeiten beim Abgabevolumen führen können, werden so über die Abwesenheit von Flüssigkeit erkannt. Im Fall der Sensoren an den Zylindern der Dosiereinheiten sind diese in einem für die spezielle Montage konstruierten gabelförmigen Gehäusen untergebracht.
                                                                   
Das gleiche Konzept der Einweg-Lichtschranken nutzt das Unternehmen auch im Bereich der Niveauausgleichsbehälter, die als Bestandteil der Dosiermodule für konstanten Systemdruck und gleichzeitig als Luftfalle dienen. Hier wird der minimale und maximale Füllstand detektiert. Auf gleiche Weise erfolgt eine Überwachung des Hauptbehälters. Dazu werden die winzigen Sender- und Empfängermodule am Ansaugschlauch platziert. Wenn im Schlauch keine Flüssigkeit detektiert wird, ist das System leer.
 


Zusammenfassung
 
Die hochpräzise Dosierung flüssiger Medien ist zu allererst eine Frage der geeigneten Dosiertechnik, die Brand in Form der Flaschenaufsatz-Dispenser seripettor® exzellent löst. Aufgrund der bei vielen Anwendungen erforderlichen sehr kleinen Abgabemengen bei engen Toleranzen, ist die Gestaltung maschineller Hochleistungsdosiersysteme eine Herausforderung. Der Bauraum in den ganz oder in Teilen austauschbaren Dosiermodulen der Dosieranlagen ist extrem eng. Herkömmliche kapazitive Sensoren finden wegen ihrer Baugröße keinen Platz. Außerdem können sie aufgrund der speziellen Kolbenform bei den 2 ml Dosiereinheiten und aufgrund des maximal zulässigen Schaltabstandes die zuverlässige Detektion der Flüssigkeit im Zylinder nicht gewährleisten. „Übrigens hätten auch Faseroptiken größere Einbaumaße als die winzigen Optosensoren von Balluff. Allerdings sind dafür Ausführungen für die speziellen Wellenlänge zur Wassererkennung am Markt nicht verfügbar“, ergänzt Albrecht. Die MICROmote® Optosensoren sind also die ideale Lösung für die Applikationen in den Hochleistungsdosieranlagen von Brand. Sie gewährleisten die zuverlässige Erkennung wässriger Medien und tragen vor allem im Bereich der Dosiermodule wesentlich zu einer kompakten konstruktiven Gestaltung bei, was letztlich auch dem Anwender im laufenden Betrieb das Austauschen einzelner Module erheblich erleichtert.


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