Precisione delle pompe per fluidi nelle applicazioni di laboratorio

Precisione delle pompe per fluidi nelle applicazioni di laboratorio

Nel campo dell’automazione di laboratorio è di fondamentale importanza che il movimento e lo spostamento di liquidi e di campioni venga eseguito con estremo controllo e precisione. Per i settori sanitario, scientifico, farmaceutico, chimico, agricolo e del packaging è di fondamentale importanza sviluppare tecnologie sempre più accurate e precise per il controllo dei movimenti.
 
Per progettare un macchinario di laboratorio di successo è vantaggioso scegliere il tipo di pompa per fluidi che funzionerà meglio nell'applicazione e selezionare i controlli di movimento che daranno la precisione di pompaggio di cui si ha bisogno.
 
Ci sono due tipi di controllo del movimento relativi alla gestione dei fluidi. Il primo è l'effettivo movimento / controllo del fluido stesso. Ciò significa erogare con precisione un determinato volume di fluido, una determinata portata o una particolare pressione. Il secondo è il movimento dei contenitori che contengono questi fluidi, come provette, vetrini per microscopio e una varietà di altri vettori.

I diversi macchinari per il controllo dei liquidi condividono alcune caratteristiche comuni: la capacità di spostarsi in vari punti su una superficie di lavoro, aspirare il fluido da un contenitore ed erogare questo liquido in un altro contenitore.

La Figura 1 mostra schematicamente la gestione del liquido in tale sistema. Gli elementi principali sono la pompa, il tubo connettivo, il fluido di lavoro e la testa di aspirazione / erogazione (spesso chiamata punta).
 
 

Figura 1: schemi del sistema di gestione dei fluidi
 
Durante questa operazione, bisogna controllare accuratamente la quantità di liquido che viene aspirato o erogato ed isolare questo campione di liquido da quelli precedentemente manipolati per evitare una contaminazione.
La quantità di fluido aspirato deve sempre essere inferiore al volume della punta di erogazione, in modo da assicurare che nessun fluido campione penetri nel tubo di collegamento della pompa. Quando la pompa espelle l'aria, la pressione positiva spinge il fluido campione fuori dalla punta.

Molti sistemi di gestione dei liquidi supportano più punte in modo che il liquido possa essere aspirato e distribuito a più di una porta alla volta. Alcuni modelli forniscono più di 1.000 di tali porte!
 
Il pompaggio di liquidi in misure accurate è al centro del sistema di gestione dei fluidi, quindi diamo un'occhiata ad alcune diverse pompe che potrebbero essere utilizzate. Vale la pena notare che tutti questi tipi di pompe meccaniche possono essere utilizzate anche in applicazioni non di precisione. La differenza tra un'applicazione di precisione e applicazioni generali che utilizzano una pompa, è spesso proprio il tipo di controllo di movimento utilizzato.
 

La pompa a siringa

La Figura 2 mostra uno dei tipi più comuni di pompe per la manipolazione ad alta precisione di liquidi . Conosciuta come “pompa a pistone” o “pompa a siringa”, il liquido viene erogato o aspirato spostando uno stantuffo sigillato attraverso un tubo.

Figura 2: pompa a siringa

Le pompe a pistone (o a siringa) sono in grado di avere una precisione molto elevata. La maggior parte utilizza una vite guidata da un motore passo-passo o da un servomotore. Maggiore è la risoluzione di posizionamento del motore, maggiore è la risoluzione di erogazione. Grazie a ciò, le pompe a pistoni vengono ampiamente utilizzate non solo per la gestione di liquidi come sopra descritto, ma anche per una miriade di altre applicazioni come la cromatografia liquida, l’infusione di farmaci, la miscelazione chimica e molto altro.
 

Pompa a membrana

Una variazione della pompa a siringa è la pompa a membrana, mostrata in Figura 3. Come la pompa a siringa, ha una guarnizione che si muove dentro e fuori permettendo lo spostamento del liquido, con però la differenza che il sigillo viene azionato in modo alternato, simile a un motore a benzina, aspirando ed erogando il fluido alternativamente. 
 

Figura 3: Pompa a membrana
 
Poiché un semplice motore rotante può generare il movimento alternativo necessario per questo tipo di dispositivo, le pompe a membrana sono molto popolari e diffuse. Sono state persino utilizzate nei cuori artificiali.
Associato ai controlli di movimento di posizionamento, le pompe a membrana forniscono con accuratezza il liquido misurato. Tuttavia, uno svantaggio è che il liquido scorre in una sola direzione. Quindi per il pompaggio bidirezionale vengono utilizzate due pompe a diagramma, una per aspirare il liquido e una per erogarlo.
 

Pompa peristaltica

La Figura 4 mostra un tipo completamente diverso di pompa, che, come la pompa a siringa e la pompa a membrana, ha una vasta gamma di applicazioni nel campo medico, chimico e scientifico per la manipolazione di liquidi. Conosciuta come pompa peristaltica, questo tipo di pompa utilizza un rullo per schiacciare un tubo flessibile contenente liquido. Grazie a questa compressione, il fluido viene mosso. 
 

Figura 4: pompa peristaltica
 
Il grande vantaggio di questo tipo di pompa è la separazione del meccanismo di pompaggio (il rullo) dal mezzo (il tubo) che trattiene il liquido. Questo è l'ideale per applicazioni di controllo del movimento in cui il liquido contenuto in tubi sterili, cateteri o altro, deve essere pompato senza venire in contatto con il contenuto dell'imballaggio. Per questo motivo le macchine per dialisi, le trasfusioni di sangue e molte applicazioni simili usano queste pompe.

Per la manipolazione precisa di liquidi, il principale svantaggio delle pompe peristaltiche è la mancanza di accuratezza. I tubi flessibili sono elastici, il che significa che il loro volume su una determinata distanza può variare. 
Inoltre, il liquido viene consegnato in "pacchetti" costituiti dallo spazio tra due punti di impegno del rullo. Quindi il flusso del fluido tende ad essere pulsato. Esistono disposizioni di rulli che minimizzano questo effetto e circuiti di controllo in grado di gestire tali dinamiche di variabilità del carico, ma rispetto alle pompe a siringa l'uscita del fluido non è così costante.
 

Pompa ad aria

Infine, per una gestione precisa di fluidi, è possibile utilizzare pompe ad aria per uso generale accoppiate a sensori, per fornire misure di fluido sorprendentemente precise. Questo tipo di disposizione è mostrato nella figura 5.
 

Figura 5: Pompa ad aria

 
Ecco come funziona. Una pompa ad aria che crea una pressione positiva o negativa è collegata al tubo di lavoro per i fluidi. I sensori misurano l'effettiva pressione dell'aria impartita dalla pompa. Per determinare la quantità di liquido trasferito, la pressione dell'aria viene monitorata ad intervalli regolari e viene utilizzata una tabella di ricerca precedentemente creata che converte il differenziale di pressione in portata, in modo da calcolare la quantità totale di liquido trasferito.

Il vantaggio di questa disposizione è la compattezza e il basso costo. Le pompe ad aria sono economiche e disponibili in una vasta gamma di forme e dimensioni. Allo stesso tempo, i sensori di pressione elettronici diventano continuamente più piccoli e meno costosi. Quindi per molte applicazioni, questo sistema di pompaggio di base è perfettamente adeguato.
 

Concludendo

Le pompe di precisione per liquidi sono al centro di un'ampia gamma di dispositivi per l’automazione scientifica e di laboratorio. Una delle chiavi del successo nel design di un macchinario è capire quale tipo di pompe per fluidi funzionerà meglio nella propria applicazione. Esistono diversi tipi di pompe, ognuna caratterizzata da diverse proprietà e vantaggi d’uso.
 

Cosa offre Garnet?

Garnet dispone una serie di prodotti utilizzati per controllare le pompe, ideali per apparecchiature di laboratorio, macchine pick & place e per un'ampia varietà di applicazioni motion control per la movimentazione precisa di liquidi.


Circuiti integrati Juno PMD: la famiglia di circuiti integrati Juno è perfetta per costruire controller per pompe a basso costo e ad alte prestazioni. Juno si distingue per la velocità e per il preciso controllo della coppia.

Circuiti integrati della famiglia Magellan di PMD: Magellan è un IC di controllo del movimento e posizionamento ad alte prestazioni. È la soluzione ideale sia per il controllo della pompa e l'automazione di laboratorio, sia per l'automazione per scopi generici.

Azionamenti digitali ION PMD: I convertitori digitali ION® combinano un Magellan IC ad un asse e un amplificatore digitale ultra efficiente in un pacchetto robusto e compatto per il controllo di motori passo-passo, DC Brush e motori DC Brushless. Facili da usare, sono ideali per il controllo della pompa, in apparecchiature di laboratorio, e altre applicazioni nel campo motion.

Magneti: usati nelle pompe a trascinamento magnetico o sincrone, per la trasmissione del moto o per l aumento dell'efficienza energetica. I tipi di magneti utilizzati sono neodimio, samario-cobalto e plastomagneti.


Contenuti ispirati all’articolo " Precision Fluid Handling: It's All In The Pump" di Chuck Lewin, su pmdcorp.com

Per maggiori informazioni contattaci a info@garnetitalia.com 

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