Wasserpumpen-projekt

  • Hallo, ich habe ein Problem mit meinem Projekt.
    Ich will einen Behälter auffüllen lassen durch Pumpe A und den Behälter durch Pumpe B auspumpen lassen.
    So weit so gut. Der Behälter soll bloß exakt 1 ml groß sein und die herausgepumpte Wassermenge soll auch exakt 1ML sein.


    Ich habe jetzt schon einen Prototypen gebaut der das ganze halbwegs zuverlässig schafft.



    Das schwarze soll der große Behälter sein, dass rote ist der kleine 1ml-Behälter. Links sieht man den Motor welcher die Flüssigkeit in den roten Behälter pumpt und rechts sieht man den Motoren der die Flüssigkeit aus dem kleinen Behälter an den Bestimmungsort pumpt.


    Das ganze habe ich so schon nachgebaut und es funktioniert auch. Wie man sich jedoch denken kann, ist es nicht sonderlich genau.. der Motor schafft es nicht 100% der Flüssigkeit weiter zu pumpen und es bleiben Rückstände im Schlauch.
    Wenn ich das ganze jetzt dann 5x hintereinander durchführe, hat man da Abweichung, da die Rückstände vom 1. Pumpvorgang beim 2. Pumptvorgang mitgepumpt werden usw. Um möglichst genaue Ergbenisse zu erhalten muss ich den rechten Motor immer auf 100% laufen lassen und am besten auch immer mind. 15 Sekunden um möglichst viele Wasserrückstände im Schlauch mitzupumpen.. Das ganze ist jedoch extremst ineffizent... von den 15 Sekunden werden geschätzt 90% des Wassers in den ersten 3 Sekunden gepumpt und der rest ist quasi fast ein Leerlauf.
    Das ganze soll auf einem mechanischen Prinzip basieren. Also nicht so etwas wie "90 ml/Minute" -> 1,5ml/Sekunde..



    Ich überlege mir gerade einen Aufbau welcher das Problem der Genauigkeit löst.
    Meine beste Idee ist folgender Aufbau:

    Die Pumpe Links bleibt.. Die Pumpe rechts wird möglichst nach unter den Behälter gestellt.
    In den 1Ml-Behälter wird unten eine Öffnung angebracht, die direkt an den Anschluss der Pumpe liegt und durch einen weiteren Motor (auf der grauen scheibe) geöffnet/geschlossen wird.
    Jetzt wird der kleine Behälter gefüllt, wenn er voll ist, wird die untere Öffnung geöffnet und die zweite Pumpe pumpt die Flüssigkeit dorthin wo sie hin soll (mit möglichst steilem Winkel).


    Mir fällt aber absolut keine sichere Methode für die Öffnung des 1ML-Behälters sein, die sicher durch den zweiten Motor gesteuert werden kann, ohne dass da Flüssigkeit durchläuft. Ich hab als ertes einfach an ein Kunststoff-plätchen gedacht, dass durch ein Zahnrad verschoben werden kann. aber mir scheint das nicht dicht genug zu sein.
    Die Methode die mir eingefallen ist, wäre mit einem Schrittmotor eine Platte an den 1ML-Behälter-Boden zu drücken und dann ggf. zu öffnen. Bloß wird die Konstruktion irgendwie extrem kompliziert, weil die Flüssigkeit ja in einen 3mm-Schlauch abfließen soll.. Müsste dann also unter den 1Ml-Behälter noch einen Behälter basteln, welcher den 1ML-Behälter mit dem 3mm Schlauch verbindet und gleichzeitig durch ein Stab eine Platte den den 1ML-Behälter presst..
    Würde dann in etwa so aussehen:



    Also der rote Behaelter erfasst genau 1ML.
    Unter dem Behaelter ist eine Platte (grau) welche an den Schrittmotor(rechts, blau) befestigt ist.
    In dem Bild befindet sich der 1ML-Behaelter im offenen Zustand. Im geschlossenen Zustand, presst der Schrittmotor die Platte an den 1ML-Behaelter.
    Im offenen Zustand strömt das Wasser durch den Anschluss(schwarz) in den Schlauch(gelb) und der Motor pumpt das ganze dann weiter wo es hin soll..



    Hat irgendwer einen einfacheren Aufbau? Der ganze Aufbau soll nämlich nicht so extrem in die Höhe wachsen und ich möcht möglichst wenig Motoren direkt unter dem 1ML-Behaelter anbringen

    Edited once, last by madman ().

  • Hallo Madman,


    1. Material: Hast Du es mal mit Schläuchen aus PTFE probiert? Dort perlt Wasser üblicherweise rückstandsfrei ab.


    Einen noch besseren Effekt wirst Du mit Glasrohren erhalten, die mit Chromschwefelsäure behandelt wurden und eine Glasoberfläche erzeugen, an der Wasser ebenfalls nicht mehr haftet und ohne erkennbare Tröpfchenbildung abfließt.


    2. Schlauch- / Leitungsdurchmesser: Wenn ein Volumen von 1 ml - und dann noch reproduzierbar genau - abgepumpt werden soll, dann wirst Du auch recht kleine Leitungsdurchmesser einsetzen müssen. Sicherlich bewegst Du Dich im typischen Kapillaren-Bereich.


    3. Andere Methode: In einem anderen recht ähnlichen Thread habe ich epfohlen, eine Kolbenhub-Pipette einzusetzen. Den Kolbenhub kannst Du festlegen und per Motor ansteuern / messen / regeln. Das Volumen ist durch Kapillarendurchmesser und Kolbenhub bestimmt. Das Volumen wird bei Flüssigkeiten (üblicher Viskosität) vollständig abgegeben.


    Erst, wenn es Dir gelungen sein wird, solche Probleme zu beseitigen, macht der Rest des Projektes erst Sinn.



    Beste Grüße


    Andreas

    Ich bin wirklich nicht darauf aus, Microsoft zu zerstören. Das wird nur ein völlig unbeabsichtigter Nebeneffekt sein.
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    • Icon-Tutorials (IDE: Geany) - GPIO-Library - µController-Programmierung in Icon! - ser. Devices - kein Support per PM / Konversation

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    Edited once, last by Andreas ().

  • Hallo Andreas! Danke für die Antwort!
    1. Ich werd mir für den nächsten Aufbau dann einen PTFE-Schlauch holen. Ich habe einfach den dünnsten handelsüblichen Schlauch aus dem Baumarkt genommen.


    Die Idee mit der Pipette ist sehr gut, jedoch will ich mich nicht im mikroliterbereich sondern ab 1ML bewegen.
    Wenn wir uns meinen Aufbau anschauen und den komplett mit PTFE-Schlaüchen oder Glasröhren bewerkstelligen, sind hier dann dennoch Schläuche in Kappilardurchmesser notwendig?


    Was mir bei meinem jetztigen Aufbau aufgefiel, ist, dass beim Auffüllen des 1ML-Behälters unterschiede auftreten können. Je nach dem wie stark das Wasser hineingepumpt wird usw. Hierfür habe ich noch keine Lösung gefunden.

  • Hallo Madman,


    nach den bisherigen Schilderungen ging ich von einem Volumen von bis zu 1 ml = 1000 µl aus. Einem solchen Volumen musst Du Dich messtechnisch und pumpmäßig ganz anders nähern (sow wie von mir geschildert) als einem Volumen von - wie deutlich? - über einem ml.


    Du hast ein Volumen, von dem Di Dir erhoffst, dieses über eine Pumpleistung einer einzustellenden Zeit reproduzierbar zu erreichen.


    Hierzu musst Du entsprechend umfangreiche Messungen durchführen.
    - Volumen in Abhängigkeit der Zeit bei konstantem Pumpstrom
    - Volumen in Abhängigkeit des Pumpstroms und festen Zeiten
    - Volumen ist wahrscheinlich eine Funktion des zeitlichen Integrals des Pumpstroms, wobei eine angestrebte Linearität erst oberhalb eines Mindest-Pumpstroms zu erwarten sein dürfte
    - Aus den Messwerten Volumen gegen Zeit bzw. Pumpstrom-Integral kannst Du wahrscheinlich eine analystische Formel entwickeln, die Dir vorgibt, welchen Pumpstrom über welche Zeit einzustellen ist, um ein vorgegebenes Volumen zu erhalten.


    Die andere Vorgehensweise ist die mit der Kolbenhub-Pipette. Den Kolbenhub kannst Du über die Bewegung / Abstandsänderung recht genau einstellen. Und das betreffende entnommene Volumen berechnen.
    Über einen Servo-Motor kannst Du die Pipette mal in das Vorratsgefäß zur Entnahme eintauchen lassen und dann wieder woanders hindrehen, um die Flüssigkeit abzulassen.



    Hallo Andreas! Danke für die Antwort!
    1. Ich werd mir für den nächsten Aufbau dann einen PTFE-Schlauch holen. Ich habe einfach den dünnsten handelsüblichen Schlauch aus dem Baumarkt genommen.


    Hier wäre wohl ein Fachmarkt für Laborausstattung die bessere Wahl gewesen. Die hätten sicherlich Material, das Wasser besser abperlen lässt.



    Die Idee mit der Pipette ist sehr gut, jedoch will ich mich nicht im mikroliterbereich sondern ab 1ML bewegen.
    Wenn wir uns meinen Aufbau anschauen und den komplett mit PTFE-Schlaüchen oder Glasröhren bewerkstelligen, sind hier dann dennoch Schläuche in Kappilardurchmesser notwendig?


    Probier's aus und berichte. Ich habe Dir einen Weg beschrieben, wie ich ihn gehen würde - und von dem ich aufgrund meiner bisherigen Erfahrung weiß, dass er ohne Probleme zum Ziel führen wird.


    Anderes geht mehr in Richtung Murx. Viel Zeitaufwand - kein Erkenntnisgewinn - keine Reproduzierbarkeit - keine Prozessfähigkeit.




    Was mir bei meinem jetztigen Aufbau aufgefiel, ist, dass beim Auffüllen des 1ML-Behälters unterschiede auftreten können. Je nach dem wie stark das Wasser hineingepumpt wird usw. Hierfür habe ich noch keine Lösung gefunden.


    Na, was jetzt? Max. 1 ml oder mind. 1 ml? Entscheide Dich!



    Das habe ich mit dem letzten und dem Beginn dieses Beitrags angedeutet. Bevor Du das nicht im Griff hast wegen z.B.
    - Rückstände, der an den Verbindungsleitungen hängenbleibt
    - Nichtreproduzierbarkeit des gepumpten / umgefüllten Volumens (weil kein bekannter Zusammenhang zwischen Zeit, Pumpstrom und Volumen besteht)
    macht alles Weitere wenig Sinn.


    Und dann noch etwas.
    Egal, was Du machst und wie Du es machst. Wenn Du zehnmal ein Volumen, dass Du aufgrund welcher Erkenntnisse oder Empirik für 100 µl erhältst, sich reproduzierbar nicht zu einem nachweisbaren Volumen von 1000 µl ergänzt, dann wird das nichts.


    Das gleiche gilt für jedes andere Volumen und Teilvolumen. So hatten wir im Analytischen Praktikum unsere pseudo-10ml-Pipetten und pseudo-100ml-Messkolben aufeinander abgestimmt und am Messkolben die Position markiert, bei der 10 x pseudo-10ml erreicht waren.
    Kolleg/inn/en, die dies nicht für erforderlich gehalten haben, lagen mit ihren Analysen immer außerhalb außerhalb der Toleranz. Mir gelang so manches mal eine Punktlandung (0,0 % Abweichung von der eingewogenen Menge oder Abweichung erst in der zweiten Nachkommastelle).



    Beste Grüße


    Andreas

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  • Ich werfe da mal eine gänzlich andere Idee rein. Ist, die Dichte der Flüssigkeit bekannt, dann kann man die Dosierung auch auf das Gewicht zurückführen. Anstelle der Pumperei mit Ihren Meßungenauigkeiten des Volumens tritt dann eine Gewichtsmessung im 1ml Becher. Wäre das eine Option?
    Es ist für den Ausenstehenden immer sehr schwierig Empfehlungen zu geben, wenn der Kontext der Problemstellung nicht exakt beschrieben wird (was wird gepumpt - brennbar, ätzend...; welche Flußraten sollen erzielt werden; Totvolumina; wird kontinuierlich oder im Batch gearbeitet; kann man Schwerkraft anstelle einer Pumpe verwenden; welche relativen/absoluten Genauigkeiten sind gefordert...). Manchmal lassen sich bessere Lösungen finden, wenn das pure Problem (ohne Teillösungsansatz) spezifiziert wird. Ansonsten steckt man im Problem der Optimierung eines lokalen Maximum.

  • Hallo Schnasseldag,



    Ich werfe da mal eine gänzlich andere Idee rein. Ist, die Dichte der Flüssigkeit bekannt, dann kann man die Dosierung auch auf das Gewicht zurückführen.


    Es gibt hier einen recht ähnlichen Thread. Dort habe ich auch auch eine Möglichkeit der Gewichtsmessung vorgeschlagen.


    Ob das in diesem Thread DER Lösungsweg ist, möchte nach aktuellem Kenntnisstand bezweifeln.


    Eine Waage braucht eine gewisse Massendifferenz, damit eine Massenänderung angezeigt wird.


    An der Uni hatte ich mal im Organischen Fortgeschrittenen-Praktikum im Arbeitskreis rund 3 g eines Salzes zur schonenden Vortrocknung einer Reaktionsmischung abwiegen müssen. OK, die Waage war nicht die beste. Aber sie stand im Labor, wurde von allen genutzt - also nutzte ich sie auch. Ich legte ein Filterpapier auf den Waagenteller und brachte mit einem beherzten SCHÜTT aus der Flasche ein kleines Häuflein auf das vorbereitete Filterpapier. 0,3 g zu wenig. Aber gut geschätzt! Dann nahm ich meinen SAUBEREN Spatel und gab kleinste Mengen dazu und starrte wie gebannt auf die Anzeige... Tat sich wenig - kam auch wenig dazu. Irgendwann wurde die gewünschte Menge angezeigt.
    ABER! :s Das Salzhäufchen war dreimal so groß wie beim beherzten anfänglichen SCHÜTT! Ich habe den Haufen halbiert... Dann zeigte die Waage knapp 5 g an.
    :s oder?


    Was der TE bräuchte, nennt sich Titrationswaage. Und die kostet leicht vierstellig und ist ein Top-Teil. Die besseren lassen sich programmieren und mehrere Substanzen vorgeben, die nacheinander in vorgegebener Menge zuzutropfen sind. Und die sind so empfindlich, dass einzelne Tropfenausdünstungen heftige Änderungen der Gewichtsanzeige bewirken. Die Firma Kern hat 2014 welche mit einer Auflösung von 100 µg angeboten. Bei Wasser wären das dann so ca. 0,1 µl. Was wohl jegliche Ansprüche an die Messtechnik befriedigen sollte.



    Beste Grüße


    Andreas

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  • Hallo Andreas,


    hm, wenn Deine Waage einen Sprung macht, dann ist wohl irgendwo Haftreibung etc. im Spiel gewesen. Zwar kann ich mir das bei den mir bekannten Wägebalken/Kraftmessdosen (ohne weitere Kraftumleitungen) nicht vorstellen, jedoch erinnert mich das an meine huyteresebehaftete Membrane. Ob es für die vorliegende Meßaufgabe wirklich einer Präzisionswaage bedarf oder nicht, kann ich nicht beurteilen. Da fehlt mir der Marktüberblick. Vielleicht findet sich ja auch noch etwas günstigeres im niedrigen Grammbereich - mit serieller Schnittstelle vielleicht (Mettler ist vermutlich auch zu teuer?!)?


    Gruß


    schnasseldag

  • Hallo! Danke für die Antworten!
    Ich habe mich glaub ich falsch ausgedrückt oder ich stehe ein wenig auf dem Schlauch (haha) :D
    Der 1ML-Behälter soll genau* 1 ML enthalten und es sollen insgesamt genau 1ML gepumpt werden. Also der 1ML-Behälter soll mit 1ML Wasser komplett befüllt werden und dann soll die Pumpe auch den kompletten Behälter auspumpen (1ML).
    Insgesamt ist das Ziel, dass ich fixe verschiedene Behälter-Größen (z.B. 1ML,5ML,50ML..) einsetzen kann und dann nach belieben z.B. 123ML Pumpen lassen kann.
    Also in diesem Beispiel würde der 1ML Behälter 3x verwendet werden, der 5ML-Behaelter 4x und der 50ML-Behaelter 2x.


    Ich will das ganze Konstrukt im Privatbereich einsetzen, also wenn ich einen Fehler bis 10% erreiche (also z.B. anstatt 1,0ML -> 1,1ML)bei dem 1ML-Behälter erreiche, ist das alles noch im grünen Bereich.
    Mit hilfe der von dir angesprochenen abperlenden Materialien wird man vermutlich relativ wenig Verlust beim Pumpen erhalten. Nur was innerhalb der Pumpe haftenbleibt kann ich hier leider nicht beeinflussen, sollten aber weit weniger als 10% sein.
    Dann bleibt noch das Problem, den Behälter mit exakt 1ML zu befüllen, ohne dass die Pumpenleistung hier große Unterschiede macht.


    Das mit der Waage war ganz zu Beginn auch meine Idee, aber es gibt anscheinend keine genauen Waagen für die Raspberry bzw. für meinen Geldbeutel die für Langzeitmessungen geeignet sind. Da soll es zu starken Schwankungen kommen und Komplikationen bzgl. des Eichens usw. geben.


    *mit "genau" ist 1ML +-10% gemeint.

    Edited once, last by madman ().

  • Hallo Madman,


    ich drücke es noch mal vorsichtig aus:
    Deinen Ansatz halte ich für ungeeignet:
    - Du kannst in ein Gefäß prinzipiell ein exakt bekanntes Volumen einkippen - aber da hängt es schon
    - Du kannst eine Flüssigkeit aus einem Reservoir umpumpen - Du kennst aber weder die Menge, die in den Leitungen noch in der Pumpe "hängenbleiben"
    - Verschleppungen unbekannten Ausmaßes machen Messungen weder vorhersagbar noch reproduzierbar


    In Beitrag #3 habe ich Dir beschrieben, wie Du dort vorgehen musst, um vernünftige Ergebnisse zu erzielen.
    - Kolbenhub-Pipette wird (durch einen Roboterarm so gesteuert, dass er in die Flüssigkeit eintaucht)
    - Der Kolben wird aufgezogen. Jeder mm Kolbenhub entspricht einer exakt berechenbaren Menge.
    - Die Pipette wird woanders hinbewegt und der Kolben gedrückt. Die Flüssigeit läuft zu 100 % aus.


    Das Ganze kannst Du mit minimalem Fehler beliebig oft wiederholen.


    Du sparst Dir die Pumpe, die die Flüssigkeit verunreinigt.
    Du sparst Dir die Leitungen, an denen Zeugs hängenbleibt.



    Und die ganze Geschichte ist von Anfang an exakt - sorry, beruflich bedingt kann ich nur "exakt".



    Beste Grüße


    Andreas

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  • Andreas ich danke dir für deine Mühe!
    Ich habe jedoch schon sehr viel Zeit in meinen aktuellen Aufbau reingesteckt und auch der Programmierteil steht schon zum großen Teil. Ich versuch das einfach mal und schaue wie genau das wird. Dein Aufbau ist wahrscheinlich um Welten besser, jedoch hatte ich selbst bei meinem aktuellen Aufbau schon massive Probleme nur eine Plastikschale durch einen Schrittmotor verschieben zu lassen. So etwas wie ein Roboterarm liegt dann doch über meinem technischen Knowhow..


    Danke aber auch für den Tipps bzgl. der Schläuche und dem behandeltem Glas. Werde das in den Aufbau mit einbauen.