Suchen

Portescap

Stärken und Schwächen von Motoren für Pipetten

| Redakteur: Peter Reinhardt

Mit elektronischen Pipetten lassen sich im Labor winzige Flüssigkeitsmengen schnell und zuverlässig dosieren. Vorausgesetzt, ihr Entwicklungsingenieur entscheidet sich für den richtigen Motor.

Firmen zum Thema

Entwurf einer elektronischen Pipette: Entscheidet sich der Entwickler für eine DC-Motorlösung, ...
Entwurf einer elektronischen Pipette: Entscheidet sich der Entwickler für eine DC-Motorlösung, ...
(Bild: Portescap)

Anstelle eines per Daumen betätigten Pipettierknopfs und einer manuellen Volumeneinstellung verfügen elektronische Pipetten über einen motorbetriebenen Kolben zum Ansaugen und Dosieren von Flüssigkeiten sowie über eine digitale Bedienoberfläche zur Volumenanpassung. Da das Pipettieren in der Regel der erste Schritt eines mehrstufigen Verfahrens darstellt, summieren sich Ungenauigkeiten oder Mängel beim Messen der winzigen Flüssigkeitsmengen letztlich zu einer hohen Fehlerrate am Ende des Verfahrens. Präzision ist also gefragt.

Zwischen Präzision und Genauigkeit unterscheiden

Präzision bedeutet, dass Anwender beim mehrmaligen Pipettieren jedes Mal dieselbe Menge Flüssigkeit abgeben. Genauigkeit bedeutet, dass das anvisierte Volumen fehlerfrei pipettiert wird. In der Praxis kommt es immer wieder vor, dass zwar präzise, aber nicht das korrekte Volumen pipettiert wird. Es muss daher sichergestellt werden, dass sowohl Präzision als auch Genauigkeit gewährleistet sind. Für reproduzierbare Untersuchungsergebnisse ist das von kritischer Bedeutung.

Bildergalerie

Das Kernstück elektronischer Pipetten ist der Motor. Dessen Eigenschaften wirken sich nicht nur wesentlich auf Präzision und Genauigkeit aus, sondern auch auf andere wichtige Faktoren wie die Gehäusegröße, die Leistung und das Gewicht. Entwicklungsingenieure wählen in der Regel Linear-Schrittmotor-Aktuatoren oder DC-Motoren. Letztendlich haben sowohl Schritt- als auch DC-Motoren ihre Stärken und Schwächen.

DC-Motoren und Schritt-motoren im Vergleich

DC-Motoren sind einfache elektrische Maschinen, die sich beim Anlegen von Gleichstrom drehen. Sie erfordern keine Elektronik wie Treiber und Controller. Angesichts der linearen Bewegungsanforderung einer elektronischen Pipette müssen DC-Motorlösungen jedoch zusätzlich mit einer Gewindespindel und einem Getriebesystem ausgestattet werden, um die Rotation in eine lineare Bewegung umzusetzen. Die DC-Lösung müsste dann außerdem mit einem Rückkopplungsmechanismus in Form eines optischen Sensors oder Encoders ausgerüstet werden, damit die lineare Kolbenposition genau gesteuert werden kann. Zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit integrieren einige Entwickler aufgrund der hohen Rotorträgheit ein Bremssystem in die Konstruktion. DC-Motoren können die Präzision und Genauigkeit von Pipettiersystemen insgesamt verbessern, führen jedoch zu relativ kostspieligen Lösungen.

Direkte Ansteuerung im offenen Regelkreis

Viele Ingenieure ziehen daher die Verwendung von Linear-Schrittbetätigern vor. Diese lassen sich leicht integrieren, bieten eine hohe Leistung und sind kostengünstig. Ein Linear-Schrittmotor-Aktuator besteht aus einem Can-Stack-Schrittmotor mit einem Gewinderotor mit integrierter Gewindespindel, der eine direkte lineare Bewegung liefert und klein baut.

Anders als beim DC-Motor bewegt sich der Linear-Schrittmotor-Aktuator in diskreten Schritten auf und ab, wenn elektrische Impulse angelegt werden. Einer der wichtigen Vorteile von Linear-Schrittmotor-Aktuatoren ist die Möglichkeit von deren Ansteuerung im offenen Regelkreis. Kostspielige Rückkopplungsgeräte und Bremssysteme zur Positionierung sind daher nicht erforderlich.

Wenn Schrittmotoren nicht richtig ausgelegt sind, können Schritte verloren gehen, was beim Dosieren zu Ungenauigkeiten führen würde. Das Problem lässt sich jedoch leicht beheben, indem die passende Motorleistung für das Antriebssystem sichergestellt wird.

Berechnung eines Linear-Schrittmotor-Aktuators

Ein Beispiel: Für eine Anwendung wird eine Kraft von 10 N benötigt, und der Verfahrweg beträgt 40 mm bei einer Geschwindigkeit von 5 mm/s:

  • Addieren Sie bei der erforderlichen Kraft einen Sicherheitsfaktor von 50 Prozent: 10 N x 1,5 = 15 N
  • Geschwindigkeit: 5 mm/s
  • Gewindespindelsteigung: 1,22 mm
  • Verfahrweg pro Schritt: 0,0254 mm

Somit beträgt der Verfahrweg 5,0/0,0254 Schritte in 1 s = 197 pps (Impulse pro Sekunde).

Das ist beispielsweise mit dem 26DBM10DXB-L von Portescap möglich. Dieser liefert eine Kraft von 25 N bei der erforderlichen Geschwindigkeit von 197 pps, was einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor für die Anwendung bietet. Ein Blick auf die Geschwindigkeits-Kraft-Kennlinie zeigt, dass die Geschwindigkeit für eine schnellere Dosierung noch nach Bedarf erhöht werden kann.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sowohl Schrittmotoren als auch DC-Motoren besondere Vorteile für elektronische Pipetten bieten. Das DC-Motorkonzept mit seinem integrierten Rückkopplungsmechanismus ist präzisier und genauer, jedoch sind Schrittmotoren kostengünstiger und können im offenen Regelkreis ganz einfach durch Variieren der Anzahl der Eingangsimpulse und deren Frequenz gesteuert werden. Wenn ein Schrittmotor passend zur Applikation ausgelegt ist, bietet er Eigenschaften, die für eine präzise und genaue Dosierung erforderlich sind.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 43634830)