Schlauchpumpe mit Schrittmotorsteuerung

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Biotechnik, Chemie, Lebensmitteltechnik, Medizin und viele andere Bereiche setzen gerne Schlauchpumpen ein, wenn dosiert oder Flüssigkeit kontinuierlich zugeführt werden soll. Die oben gezeigte Schlauchpumpe ist ein Veteran aus den 80ern des letzten Jahrtausends, der in unseren Labors noch immer seinen Dienst tut.

Die Vorteile der Schlauchpumpe liegen zum Beispiel in:

  • der relativen Wartungsarmut,
  • der Fähigkeit, Flüssigkeiten anzusaugen,
  • gegen mäßig hohe Drücke anarbeiten zu können,
  • der Biokompatibilität (je nach Schlauchmaterial),
  • aggressive Flüssigkeiten pumpen zu können,
  • der Option gegebenenfalls mehrere Medien parallel fördern zu können,
  • ……

um nur einige wenige Vorzüge zu nennen.

Nachteile von Schlauchpumpen

  • Die Lebensdauer des Pumpenschlauches ist begrenzt (100 bis >5000Stunden je nach Material und Belastungssituation).
  • Druckschwankungen sind prinzipbedingt unvermeidlich
  • Gegendruck begrenzt (<10m H2O).

Funktionsweise

Viele Wege führen in die Stadt von Romulus und Remus. Schlauchpumpen fördern Flüssigkeiten durch Quetschen eines elastischen Schlauchteils, das innerhalb des Pumpenaufbaus fixiert ist. Stets sind mindestens 2 Bereiche innerhalb der Schlauchpumpe zusammengedrückt. Die Quetschstellen wandern eine Strecke auf dem fixierten Schlauch voran. Am Ende der Strecke öffnet die Pumpe die ausgangsseitige Quetschung während die eingangsseitige Quetschung weitergeführt wird.

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Diese Art des Förderung von Flüssigkeiten ist mit gewissen, ausgangsseitigen Druckschwankungen verbunden. Nicht alle Anwendungen vertragen diese Pulsationen. Je nach Einsatzbereich unterscheidet sich der Aufbau der Förderköpfe darum. Die Zahl der Quetschstellen und die Dicke des Schlauches beeinflussen beispielsweise die Pulsation wesentlich, aber es gibt auch andere, intelligente Lösungen. Die oben gezeigte Lösung zeigt ein federnd gelagertes Widerlager des Schlauches. Die federnde Lagerung mindert die Belastung für den Schlauch und die Pulsation.

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Andere Hersteller führen den Schlauch in einem mehr oder weniger flexiblen Widerlager und benötigen dann nur 2 Rollen, um eine entsprechend geringe Pulsatilität zu erreichen.

Derartig spezielle Führungen des Schlauches benötigen exakte Schlauchlängen und Fixierungen des Schlauches / der Schläuche gegen Verrutschen. Dazu ist der Pumpschlauch mit den Fixierungen speziell zu verbinden.

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Links und rechts des Schlauchlagers zeigt die Abbildung „Flügelchen“ zur Längsfixierung oder wie im unten gezeigten Beispiel Schellen und Fixierungen.

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In jedem Fall gibt es spezielle Verbinder zur weiteren Führung der Flüssigkeit. Übergänge an Verbindern sind jedoch stets Einfallstor für Probleme mit der Dichtigkeit und der Sterilität bei Handhabungen. Der Schlauchpumpenveteran benötigt „nur“ Schläuche mit einem bestimmten Außendurchmesser. Schläuche werden „unversehrt“ und ohne Anbauten durch die Pumpe geführt, sind also in Gänze autoklavierbar.

DSC_0112Die hier gezeigte, einfache Schlauchpumpe mit Schlauchverbindern, die unter anderem Einsatz in unserer Neutra und dem pH-Adjuster findet, verfügt über 3 Andruckrollen, einen starren Rollenkäfig, lässt aber einen Austausch des Pumpschlauches durch einen verbinderfreien Schlauch gleichen Durchmessers zu.

Antriebe

Den Antrieb der Schlauchpumpe / des Förderkopfs übernehmen Gleichstrom-, Synchron- oder Schrittmotoren. Die Bewegung des zusammengedrückten Bereichs erfordert auch dann einige Kraft, wenn die quetschenden Teile Rollen sind und sich als Teil eines Planetengetriebes aktiv drehen. Da die Kraft in einigem Abstand zur drehenden Achse wirkt, ergibt sich die Forderung nach einem hinreichend hohen Drehmoment (Kraft mal Abstand). Insbesondere im Anlaufen der Pumpe fließen dabei gerne Ströme in Höhe oder kurz unterhalb des Blockier-/Kurzschlussstroms des jeweiligen Motors, was ein Vielfaches des Nennstroms ist. Ist der Nennstrom eines Motors mit 1,2 A angegeben, können in diesem Fall gerne kurzzeitig bis 5 A benötigt werden.

Die Drehgeschwindigkeit von Gleichstrommotoren lässt sich mäßig präzise steuern. Die Implementation von Drehgebern (Encoder), Tachogeneratoren, Getriebe und/oder ähnliche Maßnahmen erfordern erheblichen Zusatzaufwand insbesondere wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit der treibenden Achse lastunabhängig auf 0,1 U/min oder genauer zu steuern sind.

Synchronmotoren benötigen für variable Umdrehungsgeschwindigkeiten eine präzise Steuerung der Frequenz. Mit dieser Form des Antriebes haben wir in der Technik-Garage noch wenig Erfahrungen, aber dieser Aufbau einer Trommelschleifmaschine für Edelsteine mit Hilfe eines Synchronmotors aus einem Laserdrucker zeigt, dass es auch mit Hilfe des Arduino geht. Da der Aufbau der regelbaren Schlauchpumpe in vielen Projekten Eingang finden soll und ein einfacher Nachbau gewährleistet bleiben muss -> keine synchronmotorgetriebene Schlauchpumpe bis eine praktikable Lösung gefunden ist.

Die Drehgeschwindigkeit von Schrittmotoren steuert allein der Schrittmotortreiber und damit im Speziellen zum Beispiel ein Arduino, der Takt und Richtung der Schritte vorgibt. Das erforderliche Drehmoment erreicht das in anderen Projekten verwendete Motorshield von Adafruit (zumindest beim direktantreibenden Schrittmotor) nicht. Die Kenndaten der Schlauchpumpe mit Schrittmotor sehen einen Betrieb bei 24 V bei 0,8A und maximal 5A Anlaufstrom vor. Motortreiber, wie sie zum Bau von 3D-Drucker verwendet werden, wären zum Teil durchaus geeignet. Da die Anwendung einen Dauerbetrieb unter Last vorsieht, muss ein ausreichend dimensionierter Kühlkörper her.

Vorlage für die Umsetzung ist der Beitrag „Driving Big Stepper Motors with Arduino“ von John Saunders auf Makezine.com. Der Beitrag verwendet einen Nema 34-Schrittmotor, aber, wie dort erwähnt, natürlich eignet sich jeder größere Schrittmotor – also auch der in der schrittmotorgetriebenen Schlauchpumpe.

Bauteilliste für Testphase:

  • Arduino UNO
  • Adafruit-Motor-Shield V2.3
  • 12 V Netzteil
  • ST-M5045 Schrittmotortreiber
  • SR25-Schlauchpumpe mit Schrittmotor oder ähnlich

Anschluss des Schrittmotortreibers (übernommen von John Saunders)

Der Mikroschritt-Treiberbaustein ST-M5045 2M542 Datenblatt Schrittmotorcontroller ST-M5045 ist sicher überdimensioniert. Saunders geht zudem von einem Betrieb mit 24V aus. Auch die Schlauchpumpe SR25 Schlauchpumpe mit Schrittmotor verlangt entsprechend den Herstellerangaben 24V. Die angegebenen Ströme stellen hohe Ansprüche an die Spannungsquelle. Der folgende Sketch wurde exakt der Webseite von John Saunders entnommen.

Abweichend von den dortigen Angaben wurde eine Spannung von 12V gewählt. Im Unterschied zur Vorgabe wurde die Spannung für den Treiberbaustein über den Eingang für externe Spanungsquelle des Adafruit-Motor-Shield entnommen. Ein 12V / 5A-Netzteil, das zuvor Dienst an einer Netzwerkfestplatte getan hatte, versorgte in diesem Aufbau den Arduino Uno. PUL (+5V) und DIR+(+5V) wurden miteinander verbunden und auf den +5V Ausgang des Arduino gelegt.

MikroschritttreiberSchlauchpumpeEs fließt ein Strom von etwa 510mA. Das Potenziometer erlaubt eine Variation der Drehzahl in nur geringem Umfang. Längere Pausenzeiten (delayMicroseconds()) an unterschiedlichen Stellen führten zum Teil zu einer geringeren Drehzahl, aber die knurrige Geräuschentwicklung wies auf Probleme hin. Durch geeignete Wahl der Mikroschritteinstellung (256) ließ sich die Drehzahl auf etwa 5 pro Minute senken. Der Motor erwärmte sich bei 20°C Umgebungstemperatur auf 32°C nach 45 Minuten. Der Motor drehte kraftvoll, gibt jedoch leise „Tick“-Geräusche von sich.

Die Verwendung des Adafruit-Motor-Shields V2.3 als Treiber blieb erfolglos, da stets Ströme von mehr als 1A flossen und den Motor wie auch den Spannungsregler auf dem Shield erhitzten. Nach 45 Minuten erreichte der Schrittmotor 80°C. Der Versuch wurde abgebrochen. Nur im Mikroschrittbetrieb lief der Schrittmotor gleichmäßig. Der hohe Stromfluss korreliert nicht mit der erreichten Antriebskraft.

Schlussfolgerung:

Ein Betrieb der SR25 Schrittmotorschlauchpumpe im Bereich niedriger Drehzahlen ist bei 12V sehr gut möglich. Der monolithische Mikroschritttreiber lässt eine Steuerung über einen weiten Drehzahlbereich nicht zu. Wie auch bei der Konstruktion des Fraktionssammlers erweist sich die Motorshieldlösung als nicht universell genug in Bezug auf die verwendbaren Schrittmotoren und die Möglichkeiten der Adaption. Ein Folgeaufbau wird die Eignung von Motortreibern aus dem 3D-Druckerbereich untersuchen.

 

 

 

 

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