УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ПОТОКА ЖИДКОЙ ПОДВИЖНОЙ ФАЗЫ

Заявляемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения, в частности, к аналитической химии, методам и системам жидкостной хроматографии, и может применяться при проведении анализов в различных отраслях промышленности, в клинической и судебной медицине, промышленной санитарии, для экологического контроля и т.п.
Известны устройства, обеспечивающие подачу беспульсационного потока жидкой подвижной фазы (далее по тексту ПФ) с постоянной регулируемой объемной скоростью, например, в хроматографическую колонку. Устройства содержат нагнетательный насос (плунжерный, мембранный или шприцевой) с приводом от электродвигателя, схему измерения давления, схему питания и управления (1,2).
Среди известных устройств наиболее близким по своей технической сущности к заявляемой модели является устройство (3), содержащее привод с регулятором и электродвигателем постоянного тока, счетчик оборотов вала электродвигателя, редуктор, гидравлическую систему, в состав которой входит дозатор, представляющий собой камеру из нержавеющей стали с поршнем, на котором установлена уплотнящая манжета, датчик давления со схемой измерения, схему ограничения давления по максимальному значению, гидравлические связи (трубки и соединители). Далее по тексту камера с поршнем, который через редуктор соединен с приводом, обозначается как шприцевой насос.
Значение объемной скорости потока жидкой ПФ задается переключателем, работающим в режиме дискретного или плавного задания скорости. Регулятор и счетчик оборотов обеспечивают стабильность оборотов вала электродвигателя. Управление устройством осуществляется от схемы управления насосом.
Недостатком известных устройств является низкая стабильность объемной скорости потока жидкой ПФ в рабочем диапазоне, что сужает возможности применения устройств, например, в области жидкостной хроматографии. К недостаткам следует отнести ненадежную конструкцию отдельных узлов. Устройства обладают большой массой и потребляют значительную мощность от питающей электросети.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей, повышение надежности и эффективности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве для подачи потока жидкой подвижной фазы, содержащем шприцевой насос с приводом от электродвигателя, узел переключения режимов и датчик давления, причем электродвигатель шприцевого насоса, с одной стороны соединен со счетчиком оборотов вала, а с другой стороны, через редуктор и механизм перемещения, кинематически связан с поршнем, размещенным в камере насоса, на поршне установлена самоуплотняющаяся эластичная манжета, выполненная в виде кольца, имеющего в поперечном сечении U - образный профиль, во внутренней полости манжеты установлен кольцевой упругий элемент в эластичной оболочке, имеющей в поперечном сечении U - образный профиль, с возможностью обеспечения начальной герметичности соединения и предварительно сжатый внешним усилием; узел переключения режимов выполнен в виде двух неподвижных и одного подвижного корпусов, причем один из неподвижных корпусов имеет, как минимум, три сквозных канала, один из которых гидравлически связан с камерой шприцевого насоса, а подвижный корпус, с установленным в нем коммутирующим элементом, размещен внутри второго неподвижного корпуса и гидравлически связан через два других канала с входным фильтром и датчиком давления; датчик давления выполнен двухкамерным, при этом одна камера проточная, а вторая - непроточная, проточная камера отделена от непроточной камеры мембраной из эластичного материала, причем в непроточной камере установлен тензопреобразователь с чувствительным элементом, а в проточной камере выполнены два сквозных канала, один из которых является вышеупомянутой связью с узлом переключения режимов, а второй - через вентиль связан со сливной линией устройства и, через линейный фильтр - с выходной линией устройства.
Указанная совокупность перечисленных признаков позволяет упростить гидравлическую схему устройства, повысить надежность устройства и расширить функциональные возможности устройства.
На фиг.1 представлено схемно-конструктивное исполнение заявляемого устройства.
Устройство содержит шприцевой насос 1, состоящий из камеры 2, поршня 3, манжеты 4. Поршень размещен в камере 2 шприцевого насоса 1 и кинематически связан через соединительный узел 5, механизм перемещения 6,
редуктор 7 и муфту 8 с одним концом вала электродвигателя 9. Другой конец вала электродвигателя 9 соединен со счетчиком оборотов вала электродвигателя 10. Устройство содержит также гидравлическую систему, в состав которой, помимо камеры 2 с поршнем 3 и манжетой 4, входит узел переключения режимов НАБОР / ПОДАЧА 11, датчик давления 12, вентиль АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА
13,входной фильтр 14, помещенный в резервуар 15 с жидкой ПФ, линейный фильтр 16 высокого давления, трубку 17 всасывания жидкой ПФ, трубку 18 слива жидкой ПФ. В линейный фильтр 16 высокого давления установлена выходная трубка 19 (далее по тексту гидравлическая линия нагнетания 19 высокого давления), которая может соединять устройство, например, с краномдозатором жидкостного хроматографа (на фиг.1 не показан). Узлы 2, 11, 12, 13,
14,16 устройства соединены трубками 20, 21, 22, 23 (далее по тексту гидравлическими линиями 20,. 21, 22, 23, высокого давления), трубкой 17 всасывания жидкой ПФ (далее по тексту гидравлической линией 17 низкого давления) и гидравлическими соединителями (на фиг.1 не показаны).
В шприцевом насосе 1 применяется шаговый электродвигатель 9 с двухсторонним валом, с малым углом поворота вала на импульс управления. Счетчик оборотов вала электродвигателя 10, соединенный с одним из концов вала электродвигателя - электронно-оптический, предназначен для определения объемной скорости потока жидкой ПФ.
Поршень 3 шприцевого насоса 1 самоустанавливается в камере 2 без угловых перекосов, соосно продольной оси камеры 2, по двум степеням свободы (по углу и по плоскости, перпендикулярной оси механизма перемещения 6) при установке в камеру 2 и в процессе эксплуатации, при продольном перемещении по камере 2 в любом из рабочих режимов, что обеспечивается конструкцией соединительного узла 5. При этом уменьшается механический износ стенок манжеты 4, увеличивается ее эксплуатационный срок службы и, соответственно, повышается надежность манжеты 4.
На поршень 3 установлена самоуплотняющаяся эластичная манжета 4, выполненная в виде эластичного кольца 24, имеющего в поперечном сечении и - образный профиль. Во внутреннюю полость кольца 24 установлен упругое кольцо 25 в эластичной оболочке 26, имеющей в поперечном сечении U
средством конструктивного элемента поршня 3 (последний на фиг.1 не показан). При этом сила предварительного сжатия упругого кольца 25 распределяется равномерно по элементам манжеты 4, воздействует на внутренние поверхности кольца 24 и прижимает наружную поверхность 27 кольца 24 к поверхности 28 камеры 2 и наружные поверхности 29, 30 кольца 24 к опорным поверхностям 31 поршня 3. Кольцо 24 и камера 2 изготовлены из химически стойких материалов, подобранных по химическим и физико-механическим свойствам, а также технологически обработанных таким образом, чтобы в паре трения поверхность 27 кольца 24 - поверхность 28 камеры 2, коэффициент трения и механический износ поверхности 27 кольца 24 были минимальными. При этом повышается надежность манжеты 4.
Узел переключения режимов НАБОР / ПОДАЧА 11 выполнен в виде двух неподвижных 32, 33 и одного подвижного 34 корпусов. При этом неподвижный корпус 32 имеет, как минимум, три сквозных канала 35. Один сквозной канал связан гидравлической линией 20 высокого давления с камерой 2 шприцевого насоса 1, второй сквозной канал связан гидравлической линией 17 низкого давления с входным фильтром 14, третий сквозной канал связан гидравлической линией 21 высокого давления с датчиком давления 12. Подвижный корпус 34 с установленным в нем коммутирующим элементом 36 размещен в неподвижном корпусе 33.
Входной фильтр 14 выполнен из пористого материала и предназначен для предохранения гидравлических линий и узлов устройства от попадания в них твердых микрочастиц (при всасывании насосом 1 жидкой ПФ), которые могут оказаться в резервуаре 15 при некачественной очистке жидкой ПФ или в результате случайного попадания их в резервуар 15 извне.
Датчик давления 12 выполнен двухкамерным. При этом одна камера 37 проточная, а вторая камера 38 - непроточная, выполненная со сквозным каналом 39. Проточная камера 37 отделена от непроточной камеры 38 мембраной 40 из эластичного материала. В сквозном канале 39 непроточной камеры 38 установлен тензопреобразователь 41 с чувствительным элементом(на фиг.1 не показан). При этом непроточная камера 38 и сквозной канал 39 заполнены специальной жидкостью. В проточной камере 37 выполнены два сквозных канала 42, 43. При этом сквозной канал 42 является вышеупомянутой гидравлической связью с узлом переключения режимов
НАБОР / ПОДАЧА 11, а сквозной канал 43 связан гидравлической линией 22 высокого давления со сквозным каналом 44 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13.
Сквозные каналы 44, 46, 47 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13 гидравлически связаны между собой через камеру 45 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13,причем сквозной канал 44 коммутируется штоком с 48 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13 либо со сквозным каналом 46 (положение АНАЛИЗ), либо одновременно со сквозным каналом 46 и сквозным каналом 47 (положение ПРОМЫВКА). Сквозной канал 46 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13 соединен гидравлической линией 23 высокого давления с линейным фильтром 16 высокого давления. Сквозной канал 47 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13 соединен с трубкой 18 слива жидкой ПФ.
Линейный фильтр 16 высокого давления выполнен в виде корпуса, в который установлен фильтрующий элемент, предназначенный для удерживания твёрдых микрочастиц. Появление твердых микрочастиц в потоке жидкой ПФ, прокачиваемой из камеры 2 шприцевого насоса 1 через гидравлические линии 20, 21, 22, 23 высокого давления, возможно из-за механического износа материалов в динамических парах трения некоторых узлов устройства. Попадание твердых микрочастиц в гидравлическую линию нагнетания 19 высокого давления недопустимо в некоторых случаях, например, если устройство соединяется с краном - дозатором жидкостного хроматографа.
Управление устройством осуществляется от электронного модуля (на фиг.1 не показан); параметры режимов работы устройства, например, значение объемной скорости потока жидкой ПФ, задается на клавиатуре управления устройства (на фиг.1 не показана).
Работа устройства производится следующим образом.
При поступлении с управляющего электронного модуля команды НАБОР узел переключения режимов НАБОР / ПОДАЧА 11 устанавливают в положение НАБОР. При этом коммутирующий элемент 36 узла переключения режимов НАБОР / ПОДАЧА 11 связывает гидравлические линии 17, 20. По команде ПУСК включается шаговый электродвигатель 9. Вращение вала шагового электродвигателя 9 через муфту 8, редуктор 7, механизм перемещения 6 и соединительный узел 5 передается на поршень 3 с установленной на нем манжетой 4. При этом механизм перемещения 6 преобразует вращательное движение вала шагового электродвигателя 9 в поступательное движение узла связи 5, которое и передается на поршень 3. Направление поступательного движения
поршня 3 в камере 2 по команде НАБОР обеспечивает создание в камере 2 шприцевого насоса 1 некоторого разрежения. За счет создаваемого разрежения производится всасывание в камеру 2 жидкой ПФ из резервуара 15 через входной фильтр 14, который фильтрует поток жидкой ПФ от твердых микрочастиц, гидравлическую линию 17 низкого давления, узел переключения режимов НАБОР / ПОДАЧА 11, гидравлическую линию 20 высокого давления, т.е. производится заполнение жидкой ПФ камеры 2 шприцевого насоса 1. По окончании процесса заполнения жидкой ПФ камеры 2 шаговый электродвигатель 9 автоматически переводится электронным модулем управления в состояние СТОП.
По команде ПРОМЫВКА узел переключения режимов НАБОР / ПОДАЧА 11 устанавливают в положение ПОДАЧА, вентиль АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13 устанавливают в положение ПРОМЫВКА. Значение объемной скорости при выполнении команды ПРОМЫВКА постоянное и задается автоматически от электронного модуля. По команде ПУСК включается шаговый электродвигатель 9. Вращение вала шагового электродвигателя 9 передается на поршень 3 способом, аналогичным вышеописанному, причем направление поступательного движения поршня 3 в камере 2 по команде ПРОМЫВКА обеспечивает выдавливание из камеры 2 шприцевого насоса 1 жидкой ПФ и остатков воздуха. Поток жидкой ПФ с остатками воздуха поступает через гидравлическую линию 20 высокого давления, один из сквозных каналов 35 (соответствующий положению ПОДАЧА коммутирующего элемента 36 узла переключения режимов НАБОР / ПОДАЧА 11) неподвижного корпуса 32 и коммутирующий элемент 36 узла переключения режимов НАБОР / ПОДАЧА 11, гидравлическую линию 21 высокого давления, сквозной канал 42, проточную камеру 37, сквозной канал 43 датчика давления 12, гидравлическую линию 22 высокого давления, сквозной канал 44, камеру 45, частично через сквозной канал 47 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13 и трубку 18 слива жидкой ПФ в сливной резервуар (на фиг.1 не показан). Одновременно через сквозной канал 46 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА вентиля 13, гидравлическую линию 23, линейный фильтр 16 высокого давления другая часть потока жидкой ПФ с остатками воздуха поступает в линию нагнетания 19 и направляется в тот же сливной резервуар. Промывку гидравлической системы устройства производят до полного удаления из нее воздуха.
По команде РАБОЧИЙ РЕЖИМ задаются параметры рабочего режима устройства, например, значение объемной скорости потока жидкой ПФ, значения ограничительных давлений (по максимальному и минимальному значениям). Вентиль АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА переводят в положение АНАЛИЗ. При этом сквозной канал 45 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13 коммутируется со сквозным каналом 46 (посредством штока 48), с гидравлической линией 23 высокого давления, линейным фильтром 16 высокого давления, который фильтрует поток жидкой ПФ от твердых микрочастиц. Линию нагнетания 19 подсоединяют к гидравлической системе потребителя потока жидкой ПФ. По команде ПУСК включается шаговый электродвигатель 9. Вращение вала шагового электродвигателя 9 передается на поршень 3 способом, аналогичным вышеописанному. При этом направление поступательного движения поршня 3 в камере 2 при выполнении команды РАБОЧИЙ РЕЖИМ обеспечивает выдавливание из камеры 2 заполняющей ее жидкой ПФ и, далее, нагнетание жидкой ПФ с заданной объемной скоростью через гидравлическую линию 20 высокого давления, узел переключения режимов 11 (в положении ПОДАЧА), гидравлическую линию 21 высокого давления, сквозной канал 42, проточную камеру 37, сквозной канал 43 датчика давления 12, сквозной канал 44, камеру 45, сквозной канал 46 вентиля АНАЛИЗ / ПРОМЫВКА 13, гидравлическую линию 23 высокого давления, линейный фильтр 16 высокого давления в линию нагнетания 19. В гидравлическую систему потребителя, подсоединенную к линии нагнетания 19 устройства, могут входить составные части (например, вышеупомянутая хроматографическая колонка, установленная в кран-дозатор жидкостного хроматографа), создающие гидравлическое сопротивление нагнетаемому потоку жидкой ПФ. При этом в нагнетаемом потоке жидкой ПФ и, соответственно, в гидравлической системе устройства повышается давление относительно начального давления (атмосферного), в зависимости от величины гидравлического сопротивления, заданной объемной скорости нагнетаемого потока жидкой ПФ, физических свойств жидкой ПФ и температуры окружающей гидравлическую систему устройства среды.
При повышении давления в гидравлической системе устройства в процессе нагнетания жидкой ПФ герметичность соединения камера 2 - манжета 4 - поршень 3 обеспечивается, дополнительно к начальной герметичности (способ обеспечения которой описан ранее), внешней силой, действующей на манжету 4 со стороны жидкой ПФ при повышении давления в гидравличе7о((
ской системе устройства, а следовательно, и в камере 2 шприцевого насоса 1. При этом, чем больше давление в камере 2, тем больше усилие, прижимающее наружную поверхность 27 кольца 24 к поверхности 28 камеры 2 и наружных поверхностей 29, 30 кольца 24 к опорным поверхностям 31 поршня 3. Как было описано ранее, выбор материалов и технологических способов обработки поверхности 27 кольца 24 манжеты 4 и поверхности 28 камеры 2 обеспечивает минимальный коэффициент трения и минимальный механический износ поверхности 27 кольца 24, что повышает надежность манжеты 4 и устройства в целом.
Поршень 3, с установленной на нем манжетой 4, самоустанавливается в камере 2 шприцевого насоса 1 без угловых перекосов, соосно продольной оси камеры 2, (по двум степеням свободы - по углу и по плоскости, перпендикулярной оси механизма перемещения 6) посредством соединительного узла 5, также обеспечивает уменьшение величины износа поверхности 27 кольца 24 манжеты 4 и, соответственно, повышает надежность манжеты 4 и устройства в целом.
При повышении давления в гидравлической системе устройства в процессе нагнетания жидкой ПФ из камеры 2 шприцевого насоса 1 давление жидкой ПФ, протекающей через проточную камеру 37 датчика давления 12, воздействует через мембрану 40 датчика давления 12, выполненную из эластичного материала, специальную жидкость, заполняющую непроточную камеру 38 и сквозной канал 39 датчика давления 12, на чувствительный элемент (на фиг.1 не показан) тензопреобразователя 41. Электрический сигнал от тензопреобразователя поступает для регистрации и обработки в электронный модуль устройства.
Список используемой литературы
1.А.С.Канев, Г.С.Катыхин, А.А.Лезин, Н.Б.Кротова., Современное состояние и тенденции развития жидкостной хроматографии. Обзорная информация-М., Изд-во ЦНИИТЭИприборостроения, ТС-4, вып. 4, 1985, с. 18-21
2.Б.В.Столяров, И.М.Савинов, А.Г.Витенберг и др.. Практическая газовая и жидкостная хроматография - С.-Петербург, Изд-во СпбГУ, 1998, с. 179, 208.
« л / л /  /7
/f ctr//f bU