Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Um die Abgabe einer vorbestimmten Flüssigkeitsmenge zu erreichen, werden im allgemeinen Pumpen mit einer entsprechenden, die Menge bestimmenden Einrichtung eingesetzt. Dies kann im einfachsten Falle so erfolgen, dass der Pumpe ein Zeitgeber zugeordnet wird, der die Pumpe nach dem Einschalten und einer eingestellten Betriebszeit wiederum abschaltet. Selbst wenn die Pumpe unmittelbar zeitgerecht abzuschalten ist, also praktisch trägheitsfrei läuft, ergeben sich dabei Mengendifferenzen auf Grund unterschiedlicher Gegendrücke.
Dies gilt in erhöhtem Masse für Pumpen, bei denen der Arbeitshub kraftschlüssig durch eine entsprechende Belastungseinrichtung (Feder, Gasdruck, Magnet) erfolgt, somit bei gewissen Membranpumpen, vor allem aber auch bei Schwingankerpumpen. Solche Pumpen werden aber bevorzugt dort eingesetzt, wo es sich um geringe abzugebende Flüssigkeitsmengen handelt, bei denen also die Genauigkeitsanforderungen besonders hoch sind. Ein Beispiel für solche Anwendungen sind Espressomaschinen, die auf Knopfdruck eine vorherbestimmte, einer Tasse entsprechende Menge abzugeben haben. Gerade dort aber kann der Gegendruck je nach Ausmahlung des Kaffeepulvers und je nach Menge desselben beträchtlich schwanken, was zu einer entsprechenden Schwankung der Abgabemenge führt.
Eine bessere, aber auch aufwendigere Dosiervorrichtung besitzt eine Turbine, beziehungsweise ein Flügelrad im Ansaugkreis der Pumpe, wobei die Umdrehungen dieses Drehkörpers zu der geförderten Flüssigkeitsmenge proportional sein sollen. Dabei werden diese Umdrehungen berührungslos, und zwar mittels einer Hallsonde, gemessen. Zwar lässt sich damit ein relativ hoher Genauigkeitsgrad erreichen, doch ist diese Genauigkeit mit der Zeit abnehmend, da Korrosion und/oder Verkalkung (wenn Wasser die geförderte Flüssigkeit ist) die Drehung des Flügelrades zu bremsen vermögen. Dabei ist aber die ganze Messeinrichtung mit Turbine, beziehungsweise Flügelrad und Hallsonde auch noch relativ teuer.
Der Erfindung liegt einerseits die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Dosieren einer Flüssigkeit aufzuzeigen, das die Nachteile der vorbenannten Verfahren vermeidet. Andererseits liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache, sichere und billige Dosiervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit preisgünstigen Bauteilen auskommt. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe einerseits durch ein Verfahren gemäss Patentanspruch 1 und andererseits durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 3 gelöst.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann natürlich einfach von Hand ausgeführt werden, indem man die Stromaufnahme der Pumpe während des Dosiervorganges misst und das Zeitglied bei Abweichungen der Stromaufnahme von einem Sollwert entsprechend nachstellt. Bevorzugt erfolgt jedoch dieser Vorgang automatisch mit Hilfe einer Vorrichtung gemäss Anspruch 3.
Diese Lösung kann prinzipiell bei allen Dosierpumpen eingesetzt werden, wobei sich allerdings das Problem bei zwangsweise fördernden Pumpen in geringerem Masse stellt, wo ein allfälliger Gegendruck höchstens zu einer Vergrösserung von Leckverlusten im Durchlauf der Flüssigkeit durch die Pumpe führt. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung stellt sich daher durch die Merkmale des Anspruches 2 dar.
An sich widerspricht die in Anspruch 2 gegebene Lehre der üblichen Erfahrung, ja scheinbar auch dem Gesetz von der Erhaltung der Energie. Sie erklärt sich aber daraus, dass bei einer kraftschlüssig arbeitenden Pumpe der eigentliche Arbeitshub von der Kraft einer Belastungseinrichtung geleistet wird, die meist von einer Feder gebildet wird, an sich aber auch als Gasfeder oder als Magnet ausgebildet sein könnte. Die Begründung für dieses Phänomen wird im einzelnen anhand der Fig. 2 erläutert.
Ist die Vorrichtung entsprechend Anspruch 4 ausgebildet, so kann das Steuerglied einfach von einem Schalter gebildet sein, der je nach Stromaufnahme das Zeitglied ein- beziehungsweise abschaltet beziehungsweise die Stärke der Umladung eines Kondensators bestimmt. Eine einfachere Lösung ist jedoch durch die Merkmale des Anspruches 5 gekennzeichnet.
Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 eignet sich am besten eine Vorrichtung nach Anspruch 8. Dabei wäre es an sich möglich, die Widerstandsanordnung in verschiedener Weise auszubilden. Auch ein Kondensator oder eine Induktivität, ja sogar ein Transformator mit Luftspalt kann verwendet werden. Einfacher ist hingegen die Schaltung nach Anspruch 9.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Funktionsschema einer kraftschlüssig arbeitenden Pumpe, nämlich einer Schwingankerpumpe;
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform, die speziell für solche kraftschlüssig arbeitenden Pumpen ausgelegt ist, als Blockschaltbild; und
Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform, die die Einzelheiten des Blockschaltbildes nach Fig. 3 veranschaulicht.
Gemäss Fig. 1 ist eine Dosierpumpe P in einer Flüssigkeitsleitung 1 angeordnet, um eine bestimmte Menge dieser Flüssigkeit an einem Auslass 2 abzugeben. Die Pumpe P wird von einem Elek tromotor M angetrieben, der hier als Gleichstrommotor dargestellt ist, nötigenfalls aber auch von jedem anderen Motor gebildet sein kann, beispielsweise einem Schrittmotor.
Wenn nun in dem zum Auslass 2 führenden Leitungsabschnitt der Leitung 1 ein erhöhter Widerstand vorliegt - sei es dass die Flüssigkeit ein sich mit der Zeit zusetzendes Flüssigkeitsfilter zu durchlaufen hat, sei es dass die Leitung 1 in einem Getränkeautomaten angeordnet ist und die Flüssigkeit ein Pulver, wie Kaffeepulver, zu durchlaufen hat - kann es sein, dass durch den sich ergebenden Gegendruck in der Leitung 1 ein Teil der Flüssigkeit Undichtheiten innerhalb der Pumpe P zwischen ihrem Rotor und dem Gehäuse zum Ausweichen benützt, das heisst dass ein Teil der Flüssigkeit nicht gegen den Ausgang 2 gefördert wird. Dies wird bei positiv fördernden Pumpen sicher in geringerem Masse eine Rolle spielen, besonders aber bei Pumpen eines solchen Typs, bei dem der eigentliche Arbeitshub von einer vorgegebenen Kraft bewerkstelligt wird, die sich also nicht dem Gegendruck anzupassen vermag.
Dies wird später noch anhand der Fig. 2 erläutert werden.
In Serie zum Motor M der Pumpe P, resp. dessen Wicklung, liegt ein Widerstand R1, derart, dass eine Widerstandsanordnung M, R1 entsteht, mit deren Hilfe die Stromaufnahme des Motors M während des Betriebes feststellbar ist. An den Mittelabgriff 3 dieser Widerstandsanordnung M, R1 ist eine Steuerleitung 4 angeschlossen, die an den Steuereingang eines Taktgenerators 5 einstellbarer Frequenz führt, so dass das Ausgangssignal der Widerstandsanordnung M, R1 die Taktfrequenz des Generators 5 zu beeinflussen vermag.
Der Taktgenerator 5 bestimmt zusammen mit einem ihm nachgeschalteten Zähler 6 die Zeitkonstante der Vorrichtung, das heisst die Zeit der Abgabe der Flüssigkeit über die Pumpe P. Es versteht sich daher, dass diese Bauteile 5, 6 je nach den Erfordernissen ausgebildet sein werden, das heisst dass es für lange Flüssigkeitsabgabezeiten zweckmässig sein kann, dem Takt generator 5 einen Frequenzteiler nachzuschalten. Überdies könnte der Zähler 6 mehrere wahlweise anzuschliessende Ausgänge besitzen, so dass das ihm nachgeschaltete Relais 7 entsprechend einer Vorwahl auf den einen oder anderen Zählerausgang geschaltet wird. Insofern ist also Fig. 1 lediglich als Prinzipzeichnung zu verstehen.
Sobald zum Zwecke der Abgabe der Flüssigkeit ein Tastschalter TA geschlossen wird, wird über einen parallelen Schalter S1 auch ein Impuls an den Reseteingang des Zählers 6 gegeben, und derselbe beginnt zu laufen. Der Zähler 6 zählt dabei die vom Taktgenerator 5 eingehenden Taktimpulse so lange, bis die dem mit dem Relais 7 verbundenen Ausgang entsprechende Impulszahl erreicht ist. In diesem Moment wird das Relais 7 erregt und stösst die beiden Schalter TA, S1 wieder auf. Damit wird der Strom zum Motor M unterbrochen und die Pumpe P bleibt stehen.
Im oben geschilderten Falle sind die Verhältnisse relativ einfach, da ein grösserer Widerstand innerhalb des zum Auslass 2 führenden Abschnittes der Leitung 1 auch zu einer höheren Stromaufnahme des Motors M führen wird. Anders dagegen verhalten sich kraftschlüssig arbeitende Pumpen, wie nachstehend ausgeführt wird.
Eine solche kraftschlüssig arbeitende Pumpe, nämlich eine Schwingankerpumpe P min ist in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellt. Sie weist ein Pumpengehäuse 10 auf, in dem ein von einer Wicklung L umgebener Magnetkern ma als Motor für den Betrieb der Pumpe P min angeordnet ist. Der zugehörige Anker wird von einem Schieberohr 11 gebildet, das innerhalb eines dünnen Führungsrohres 12 des Pumpengehäuses 10 entlang seiner Achse zu gleiten vermag. Bei jeder Erregung der Wicklung L wird das Schieberohr 11 - mit Bezug auf Fig. 2 - nach links bewegt, wobei sich eine das Rohr 11 belastende Druckfeder 13 spannt.
Diese Druckfeder 13 liegt innerhalb eines Pumpkanales 14, der am linken Ende der gezeigten Pumpe P min von einem Anschlussrohr 15 zur Verbindung zu einem entsprechenden Tank (nicht dargestellt) begrenzt ist, im Bereiche der Druckfeder 13 vom Führungsrohr 12 und anschliessend vom Schieberohr 11. Im Verlaufe dieses Kanales 14 ist mindestens ein Rückschlagventil 16, im vorliegenden Falle auch noch ein weiteres Rückschlagventil 17, vorgesehen. Von diesen beiden Rückschlagventilen 16, 17 sitzt der Ventilkörper 16 am rechten, verschmälerten Ende des Schieberohres 11, das dort einen Ventilsitz bildet. Dabei ist der Ventilkörper 16 von einer Druckfeder 18 belastet, die sich andernends an einer Schulter 19 eines Pumpenauslassrohres 20 abstützt.
In diesem Pumpenauslassrohr 20, das gegen die Kraft einer Tellerfeder 21 leicht beweglich innerhalb des Pumpengehäuses 10 gehalten ist, ist das zweite Rückschlagventil 17 samt der es belastenden Feder 22 angeordnet. Alle bisher beschriebenen Teile sind herkömmlicher Natur und Bestandteile marktgängiger Schwingankerpumpen.
Das für das Verständnis der im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Besondere liegt in den Energieverhältnissen während des Betriebes einer solchen kraftschlüssig arbeitenden Pumpe.
Wird nämlich bei Erregung der Wicklung L das den Anker bildende Schieberohr 11 entgegen der Druckfeder 13 nach links bewegt und befindet sich zu diesem Zeitpunkt innerhalb des Kanales 14 die zu pumpende Flüssigkeit, so wird diese den Druck der Feder 18 überwinden und das Rückschlagventil 16 von seinem Sitz am rechten Ende des Schieberohres 11 abheben.
Sobald die Erregung der Wicklung L abgeklungen ist, kommt die Druckfeder 13 zur Wirkung und sucht das Schieberohr 11 wieder nach rechts zu verschieben. Dabei wird das Rückschlagventil 16 durch die rechts von ihm vorhandene Flüssigkeitssäule wieder auf seinen Sitz gedrückt, wogegen die Kraft der Feder 22 überwunden und das Ventil 17 aufgestossen wird, um die Flüssigkeit durch das Auslassrohr 20 abzugeben.
Die obige Erläuterung zeigt, dass hier der Arbeitshub kraftschlüssig von der Feder 13 ausgeführt wird, wobei ein sorgfältig abgestimmtes Verhältnis zu den beiden übrigen Federn 18, vorallem aber 22 massgebend ist. An sich soll die Feder 13 so dimensioniert sein, dass das Schieberohr 11 am Ende des Arbeitshubes stets in die aus Fig. 2 ersichtliche Extremlage gelangt. Da die vorliegende Erfindung bevorzugt an kraftschlüssig arbeitenden Pumpen zur Anwendung gelangen soll, wurden diese Pumpen hinsichtlich ihres Verhaltens einer eingehenden Untersuchung unterzogen.
Dabei zeigte es sich, dass das oben aufgezeigte Gleichgewichtsverhältnis zwischen den verschiedenen Federkräften und dem Flüssigkeitsdruck ein sehr subtiles ist. Ändert sich nämlich der der Feder 13 entgegenwirkende Gegendruck der Flüssigkeit, so kommt es durchaus vor, dass das Rohr 11 nicht die gezeigte Endstellung erreicht, sondern links davon verbleibt, so dass die Feder 13 nicht völlig entspannt wird. Bisher war man davon ausgegangen, dass der Gegendruck der Flüssigkeit durch die Leitungsdimensionen und -widerstände vorgegeben sei und rechnete daher nicht mit Änderungen. Solche Widerstandsänderungen können aber auftreten, insbesondere wenn sich im Verlaufe der Leitung ein Filter oder dergleichen befindet, dessen Widerstand über die Zeit variabel ist. Ein derartiges Filter stellt beispielsweise das Kaffeepulver in Espressomaschinen dar.
Wird nun aber das Schieberohr 11 von der Feder 13 nicht mehr in die aus Fig. 2 ersichtliche rechte Endstellung zurückgebracht, weil die von der Feder 13 zu überwindende Last zu gross ist, so ist der durch den Magneten ma zu bewältigende Hub seines Ankers 11 entsprechend verkürzt, das heisst, es genügt ein kleinerer Strom, um das Schieberohr 11 in seine linke Endstellung zu bringen. Daraus erklärt sich also das Phänomen, dass bei Vergrösserung der Last die Stromaufnahme abnimmt, allerdings auf Kosten der durch die Pumpe P min hindurchgeförderten Flüssigkeitsmenge. Dieses Phänomen wird sich naturgemäss bei allen kraft schlüssig arbeitenden Pumpen ergeben, beispielsweise auch bei derartigen Membranpumpen.
Eine für solche kraftschlüssig arbeitenden Pumpen und insbesondere für eine Schwingankerpumpe geeignete Dosiersteuerung ist beispielshalber in Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellt. Dabei ist der Block der Schwingankerpumpe P min als in einer Leitung 8 liegend dargestellt, die mit Klemmen A und B an eine Wechselspannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Tatsächlich liegt natürlich in der Leitung 8 lediglich die Wicklung des zur Pumpe P min gehörigen Elektromagneten, wie später anhand der Fig. 4 noch gezeigt wird.
Die Leitung 8 wird über einen Thyristor TH als Schaltelement auf- und zugesteuert. Dabei ist die Gate-Elektrode des Thyristors TH an den Q-Ausgang eines Flip-Flops FF (bistabiler Multivibrator) angeschlossen, dessen einer Eingang S vom Tastschalter TA gesteuert wird. Dieses Flip-Flop FF liegt in einer Leitung 9, die mit einem Ende an der Klemme B, mit ihrem anderen Ende, ebenso wie der Tastschalter TA, an positiver Spannung liegt.
Der andere Eingang R des Flip-Flop FF wird von einem Komparator K angesteuert, der zweckmässig von einem Differenzverstärker mit relativ grosser Verstärkung, etwa nach Art eines Schmidt-Triggers, gebildet ist. Damit ergeben sich schon bei geringen negativen Differenzen zwischen seinen beiden Eingängen am Ausgang des Komparators K das Ausgangssignal "1", wogegen es andernfalls "0" gibt.
Während der Referenzeingang des Komparators beispielsweise am Mittelabgriff eines Potentiometers POT liegt, ist der andere Eingang des Komparators K an ein die Pumpdauer bestimmendes Zeitglied mit einem Kondensator C angeschlossen. Das Zeitglied ist prinzipiell als blosses RC-Glied aufgebaut, dessen Widerstandszweig aber zweckmässig mit einer Stromquelle CS versehen ist, die zwar an sich auch durch einen Widerstand ersetzt wer den könnte, wegen ihres relativ hohen Innenwiderstandes jedoch hier besonders zweckmässig sein wird. Dennoch ist die Erfindung keineswegs auf die Verwendung einer Stromquelle im Widerstandszweig des RC-Gliedes beschränkt, vielmehr kann jede Art von einen Widerstand ergebenden Elementen verwendet werden, beispielsweise auch ein als Widerstand betriebener Transistor, insbesondere ein FET oder Operationsverstärker, der als gesteuerte Stromquelle geschaltet ist.
Wird der Tastschalter TA geschlossen, so springt der Ausgang Q des Flip-Flops FF von "0" auf "1". Damit kann beispielsweise ein von diesem Signal gesteuerter Schalter S2 den Kondensator kurzzeitig überbrücken, um ihn völlig zu entladen, und damit Fehler auszuschliessen. Anschliessend wird der Kondensator C über die an die Leitung 8 angeschlossene Stromquelle CS aufgeladen. Da durch das Ausgangssignal des Ausganges Q des Flip-Flops FF auch der Thyristor TH gezündet wurde, fliesst nämlich bei jeder positiven Halbwelle Strom durch die Leitung 8.
Die Stromquelle CS wird nun durch die Stromaufnahme der Pumpe P min gesteuert und ist zu diesem Zwecke an den Mittelabgriff 3 einer Widerstandsanordnung angeschlossen, die einerseits den schon anhand der Fig. 1 beschriebenen Widerstand R1 beinhaltet, wogegen in diesem Falle der andere Widerstand von der Wicklung L des zur Pumpe P min gehörigen Elektromagneten ma gebildet ist. Der Widerstand R1 liegt also in Serie zur Wicklung des elektromagnetischen Pumpenantriebes.
Das Regelverhalten ist hier auf die Bedürfnisse bei einer Schwingankerpumpe besonders zugeschnitten. Es wird nämlich der Ladestrom des Kondensators C in einem gewissen Verhältnis zum Pumpenstrom steigen oder sinken. Da - wie anhand der Fig. 2 erläutert wurde - mit steigendem Gegendruck der Pumpenstrom abnimmt, nimmt auch der Ladestrom des Kondensators C ab, so dass die Ladezeit - und somit die Dauer der Flüssigkeitsabgabe -verlängert wird.
Das in Fig. 3 gezeigte Blockschaltbild soll nun anhand eines praktischen Ausführungsbeispieles der Fig. 4 näher erläutert werden. Dabei ist wieder die Netzleitung 8 mit ihren Netzklemmen A und B dargestellt. Es ist deutlicher ersichtlich, wie die Wicklung L des Elektromagneten ma der Pumpe P min in Serie zum Widerstand R1 und dem Thyristorschalter TH liegt.
Die Stromquelle CS ist hier aus einem Transistor T1 aufgebaut, an dessen Emitter ein Widerstand R3 liegt, wogegen an seiner Basis ein aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R2 gebildetes RC-Glied liegt. Der Kollektor des Transistors T1 ist mit dem Kondensatorzweig (Kondensator C) dieses die Zeitkonstante der Dosiervorrichtung bestimmenden RC-Gliedes verbunden, dessen Widerstandszweig praktisch vom Widerstand R3 und der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T1 gebildet wird.
Der in Fig. 3 grob schematisch dargestellte Schalter S2 weist als Schaltelement einen Transistor T2 auf, der mit seiner Basis über einen Widerstand R7 vom Ausgangssignal des Flip-Flop-Ausganges Q gesteuert wird und dessen Kollektor mit dem Kollektor des Transistors T1 über einen Widerstand R9 verbunden ist.
Das in Fig. 3 gezeigte Potentiometer POT ist hier durch je einen Widerstand R4 bzw. R5 ergänzt, doch kann die Schaltung für den Referenzeingang in jeder beliebigen, an sich bekannten Weise aufgebaut sein, beispielsweise mit Temperaturkompensationsdioden. Zwischen dem Referenzeingang des Komparators K und dessen Ausgang liegt zweckmässig ein Mitkopplungszweig mit einem Widerstand R6, der die Schalthysterese bestimmt. Gewünschtenfalls kann der Widerstand, zum Beispiel zu Justierzwecken, einstellbar ausgebildet sein. Mit diesem Widerstand R6 werden undefinierte Zustände vermieden. Vorzugsweise liegen am Ausgang des Komparators K auch noch ein Widerstand R10 sowie eine Diode D3 in Rückkopplung zur Stromquelle CS, wodurch der Umschaltvorgang weiter beschleunigt werden kann.
Steigt nämlich das Ausgangssignal des Komparators K gegen die positive Spannung an, so fliesst auch ein zusätzlicher Strom über den Widerstand R10 und die Diode D3 an die Basis des Transistors T1, womit der Ladestrom für den Kondensator C weiter erhöht wird.
Zum Schutze des Transistors T1 und des Komparators K vor negativen Spannungen ist es vorteilhaft, wenn an dem mit dem RC-Glied aus Kondensator C und Stromquelle CS verbundenen Eingang des Komparators K eine Diode D2 liegt. Solche negative Spannungen können entstehen, falls während eines Dosiervorganges die Versorgungsspannung unterbrochen würde.
Es sei angenommen, die in Fig. 4 gezeigte Schaltungsanordnung würde als Dosiervorrichtung einer Expressomaschine zur Abgabe jeweils einer Kaffeemenge eingesetzt, die dem Inhalt einer Tasse entspricht. Wie schon anhand der Fig. 3 erwähnt, wird zur Einleitung dieses Vorganges die Taste TA gedrückt, worauf am Ausgang Q des Flip-Flops FF das Signal "1" erscheint (der Ausgang Q bleibt unbesetzt).
Der beim Einschalten der Versorgungsspannung leitend gewordene und den Kondensator C überbrückende Schalttransistor T2 wird über den Widerstand R7 gesperrt, so dass der Kondensator C nicht mehr überbrückt ist. Damit diese Funktion gesichert ist und nicht das Flip-Flop FF durch eine Fehlbetätigung das Signal "1" am Ausgang Q schon vor der Betätigung des Tastschalters TA liefert, ist vorzugsweise am Reset-Eingang MR des Flip-Flops FF eine aus einem ein Reset-Signal liefernden Kondensator C3 und einer Diode D6 (als Ventil) sowie einem Widerstand R11 bestehende Reset-Schaltung vorgesehen, die beim Einschalten der Versorgungsspannung den Ausgang Q automatisch auf "0" schaltet.
So lang der Transistor T2 den Kondensator C kurzgeschlossen hält, das heisst vor der Betätigung der Taste TA, dient der Widerstand R9 als Entladewiderstand. Dieser Entladewiderstand ist nun so zu dimensionieren, dass einerseits die Verlustleistung des Transistors T2 nicht überschritten wird, anderseits soll im Überbrückungsfalle der Kondensator C möglichst schnell entladen werden. Je nach der Spannung +V im Leitungszweig 9 wird der Widerstand R9 mit 250 bis 1500 Ohm bevorzugt zu dimensionieren sein.
Mit dem Erscheinen des Ausgangssignales "1" am Ausgang Q des Flip-Flops FF wird, wie schon erwähnt, der Thyristor TH gezündet, so dass die Netzleitung 8 durchgeschaltet ist. In Abhängigkeit von der Stromaufnahme der Wicklung L wird nun am Widerstand R1 eine diesem Strom proportionale Spannung (halbwellenförmig) abfallen. Dabei ist der Widerstand R1 relativ zum Widerstand der Wicklung L sehr gering zu bemessen.
Die am Mittelabgriff 3 abfallende Spannung wird nun über die Diode D1 dem Kondensator C1 zugeführt, der sie als Rippelspannung erhält. Dabei wird der Kondensator auf die Rippelspannung - abzüglich der Durchlassspannung der Diode D1 - aufgeladen und steuert die Basis des Transistors T1 an, der seinerseits mit dem Widerstand R3 die Stromquelle bildet. Je nach der Spannung am Kondensator Cl wird sich auch eine grössere oder kleinere Spannung über den Widerstand R3 ergeben, so dass der Ladestrom für den Kondensator C praktisch über die Spannung am Mittalabgriff 3 geregelt wird.
Sinkt also auf Grund höheren, durch das Kaffeepulver verursachten Gegendruckes die Stromaufnahme der Pumpe P min (während dadurch die Förderleistung der Pumpe P min vermindert wird), so verlängert sich die Ladezeit für den Kondensator C, das heisst die Dauer der Pumpenförderung wird um ein entsprechendes Mass verlängert, so dass über die Stromaufnahme der Pumpe P min (beziehungsweise der Wicklung L) eine Korrektur der Einschaltzeit automatisch erfolgt.
Mit Hilfe der Widerstände R4, R5 lässt sich nun die maximale beziehungsweise die minimale Fördermenge bestimmen; es kann daher erwünscht sein, die Widerstände R4, R5 (oder nur einen von ihnen) als Justierwiderstände auszubilden. In jedem Falle wird sich am Ausgange des Komparators K erst dann ein Signal "1" ergeben, wenn am Kondensator C eine Spannung erreicht wurde, die negativer ist als die am Potentiometer POT eingestellte Spannung. In diesem Augenblick springt der Ausgang Q des Flip- Flops FF wieder auf "0", der Thyristor TH schaltet, mangels Gate-Strom, ab und die Förderung der Pumpe P min ist beendet.
Gleichzeitig wird der Transistor T2 wieder durchgeschalten, so dass der Kondensator C über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T2 und über den Entladewiderstand R9 entladen wird.
Die Fig. 4 zeigt aber noch einige weitere Möglichkeiten. So kann der Ausgang des Flip-Flops FF mit einer Klemme E zur Steuerung weiterer Bauteile (zum Beispiel Anzeigelampe) verbunden sein. Ferner ist es möglich, einen zusätzlichen Reset-Eingang F über eine Diode D7 vorzusehen, um beispielsweise dann ein Reset-Signal an das Flip-Flop FF zu führen, wenn der Wassertank der Expressomaschine leer ist. In diesem Falle liegt an der Klemme F das Ausgangssignal eines Wasserstandsmelders. Dieser Wasserstandsmelder kann so eingestellt werden, dass er einen Dosiervorgang bereits verhindert, wenn nicht mehr genügend Wasser für die Beendigung dieses Füllvorganges vorhanden ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht im Anschluss einer Diode D5 an die Gate-Elektrode des Thyristors TH, um über eine Klemme G ein Schaltsignal (zum Beispiel über einen Tastschalter, gegebenenfalls über ein Monoflop) zur willkürlichen Einschaltung des Thyristors TH geben zu können. Damit kann die Leitung 8 zur Abgabe heissen Wassers oder zur Impulssteuerung für die Dampferzeugung über die Pumpe P min kurzfristig geschlossen werden.
Weitere Möglichkeiten der gezeigten Schaltung bestehen in der Steuerung von Rücklauf- oder Druckventilen über die Ausgänge Q und Q des Flip-Flops FF.
Es versteht sich, dass die Stromaufnahme über die Wicklung L im Normalfall, das heisst bei Fehlen eines Gegendruckes etwa durch Kaffeepulver, einem Sollwert entsprechen wird, dass sich aber bei Auftreten eines solchen Gegendruckes eine Abweichung von dem Sollwert ergibt, die dann durch entsprechende Verlängerung der Dosierzeit korrigiert wird.
The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for performing the method.
In order to achieve the delivery of a predetermined amount of liquid, pumps are generally used with a corresponding device which determines the amount. In the simplest case, this can be done by assigning a timer to the pump, which switches the pump off again after switching on and a set operating time. Even if the pump is to be switched off immediately in time, i.e. it runs practically without inertia, there are volume differences due to different back pressures.
This applies to an increased extent to pumps in which the working stroke is non-positively by means of a corresponding loading device (spring, gas pressure, magnet), and thus with certain diaphragm pumps, but above all also with oscillating armature pumps. However, pumps of this type are preferably used where there are small quantities of liquid to be dispensed, in which the accuracy requirements are particularly high. An example of such applications are espresso machines which have to dispense a predetermined amount corresponding to a cup at the push of a button. It is precisely there that the back pressure can fluctuate considerably depending on the grinding of the coffee powder and the amount of the same, which leads to a corresponding fluctuation in the quantity dispensed.
A better, but also more complex metering device has a turbine or an impeller in the suction circuit of the pump, the revolutions of this rotating body should be proportional to the amount of liquid conveyed. These revolutions are measured without contact, using a Hall probe. A relatively high degree of accuracy can be achieved with this, but this accuracy decreases over time, since corrosion and / or calcification (if water is the liquid being conveyed) can slow down the rotation of the impeller. However, the entire measuring device with turbine, or impeller and Hall probe is also relatively expensive.
On the one hand, the invention is based on the object of demonstrating a method for metering a liquid which avoids the disadvantages of the aforementioned methods. On the other hand, the invention has for its object to provide a simple, safe and cheap metering device of the type mentioned, which manages with inexpensive components. According to the invention, this object is achieved on the one hand by a method according to claim 1 and on the other hand by a device according to claim 3.
The method according to the invention can, of course, be carried out simply by hand by measuring the current consumption of the pump during the metering process and adjusting the timer accordingly in the event of deviations in the current consumption from a desired value. However, this process is preferably carried out automatically with the aid of a device according to claim 3.
In principle, this solution can be used with all metering pumps, although the problem arises to a lesser extent in the case of forced-delivery pumps, where a possible back pressure leads to an increase in leakage losses in the passage of the liquid through the pump. An important aspect of the invention is therefore represented by the features of claim 2.
As such, the teaching given in claim 2 contradicts normal experience, apparently also the law of the conservation of energy. However, it can be explained from the fact that in the case of a non-positive pump, the actual working stroke is performed by the force of a loading device, which is usually formed by a spring, but could also be designed as a gas spring or as a magnet. The reason for this phenomenon is explained in detail with reference to FIG. 2.
If the device is designed according to claim 4, the control element can simply be formed by a switch which, depending on the current consumption, switches the timer on or off or determines the strength of the charge reversal of a capacitor. However, a simpler solution is characterized by the features of claim 5.
A device according to claim 8 is best suited for carrying out the method according to claim 2. It would be possible per se to design the resistor arrangement in different ways. A capacitor or an inductor, even a transformer with an air gap, can also be used. In contrast, the circuit according to claim 9 is simpler.
Further details of the invention result from the following description of exemplary embodiments shown schematically in the drawing. Show it:
1 shows a first embodiment of the invention;
2 shows a functional diagram of a non-positive pump, namely an oscillating armature pump;
Fig. 3 shows a further embodiment, which is specially designed for such non-positive pumps, as a block diagram; and
Fig. 4 shows a preferred embodiment which illustrates the details of the block diagram of Fig. 3.
1, a metering pump P is arranged in a liquid line 1 in order to dispense a certain amount of this liquid at an outlet 2. The pump P is driven by an electric motor M, which is shown here as a DC motor, but if necessary can also be formed by any other motor, for example a stepper motor.
If there is an increased resistance in the line section of line 1 leading to outlet 2 - be it that the liquid has to pass through a liquid filter that clogs up over time, be it that line 1 is arranged in a drinks machine and the liquid is a powder, like coffee powder has to go through - it may be that due to the resulting back pressure in the line 1, part of the liquid uses leaks within the pump P between its rotor and the housing for evasion, that is to say that part of the liquid does not act against it Output 2 is promoted. This will certainly play a smaller role in positive-delivering pumps, but especially in pumps of a type in which the actual working stroke is accomplished by a predetermined force, which is therefore not able to adapt to the back pressure.
This will be explained later with reference to FIG. 2.
In series with the motor M of the pump P, resp. whose winding, there is a resistor R1, such that a resistor arrangement M, R1 is created, with the aid of which the current consumption of the motor M can be determined during operation. A control line 4 is connected to the center tap 3 of this resistor arrangement M, R1, which leads to the control input of a clock generator 5 of adjustable frequency, so that the output signal of the resistor arrangement M, R1 can influence the clock frequency of the generator 5.
The clock generator 5, together with a counter 6 connected downstream of it, determines the time constant of the device, that is to say the time at which the liquid is dispensed via the pump P. It is therefore understood that these components 5, 6 will be designed according to the requirements, that is to say that it can be useful for long liquid delivery times, the clock generator 5 downstream of a frequency divider. In addition, the counter 6 could have a plurality of optionally connectable outputs, so that the relay 7 connected downstream of it is switched to one or the other counter output in accordance with a preselection. In this respect, therefore, FIG. 1 is only to be understood as a basic drawing.
As soon as a pushbutton switch TA is closed for the purpose of dispensing the liquid, a pulse is also given to the reset input of the counter 6 via a parallel switch S1, and the same begins to run. The counter 6 counts the incoming clock pulses from the clock generator 5 until the number of pulses corresponding to the output connected to the relay 7 is reached. At this moment, the relay 7 is energized and opens the two switches TA, S1 again. The current to the motor M is thus interrupted and the pump P stops.
In the case described above, the situation is relatively simple, since a greater resistance within the section of line 1 leading to outlet 2 will also lead to a higher current consumption of motor M. In contrast, non-positive pumps behave, as will be explained below.
Such a force-fitting pump, namely an oscillating armature pump P min, is shown in longitudinal section in FIG. 2. It has a pump housing 10 in which a magnetic core ma surrounded by a winding L is arranged as a motor for the operation of the pump P min. The associated armature is formed by a sliding tube 11, which is able to slide along its axis within a thin guide tube 12 of the pump housing 10. Each time the winding L is excited, the sliding tube 11 is moved to the left, with reference to FIG. 2, a compression spring 13 loading the tube 11 being tensioned.
This compression spring 13 is located within a pump channel 14, which is delimited at the left end of the pump P min shown by a connecting pipe 15 for connection to a corresponding tank (not shown), in the region of the compression spring 13 from the guide tube 12 and then from the sliding tube 11 The course of this channel 14 is provided at least one check valve 16, in the present case also a further check valve 17. Of these two check valves 16, 17, the valve body 16 is seated at the right, narrowed end of the slide tube 11, which forms a valve seat there. The valve body 16 is loaded by a compression spring 18, which is supported at the other end on a shoulder 19 of a pump outlet pipe 20.
In this pump outlet pipe 20, which is held within the pump housing 10 so as to be easily movable against the force of a plate spring 21, the second check valve 17 together with the spring 22 loading it is arranged. All of the parts described so far are conventional in nature and are components of commercially available vibrating armature pumps.
What is special for the understanding of the preferred embodiment of the invention described below lies in the energy conditions during the operation of such a non-positive pump.
If, when the winding L is energized, the sliding tube 11 forming the armature is moved to the left against the compression spring 13 and at this time the liquid to be pumped is located within the channel 14, this will overcome the pressure of the spring 18 and the check valve 16 from it Lift off the seat at the right end of the slide tube 11.
As soon as the excitation of the winding L has subsided, the compression spring 13 comes into effect and attempts to move the sliding tube 11 to the right again. The check valve 16 is pressed back onto its seat by the liquid column on its right, whereas the force of the spring 22 is overcome and the valve 17 is pushed open in order to discharge the liquid through the outlet pipe 20.
The above explanation shows that the working stroke is non-positively carried out by the spring 13, a carefully coordinated relationship to the other two springs 18, but above all 22, being decisive. As such, the spring 13 should be dimensioned such that the sliding tube 11 always reaches the extreme position shown in FIG. 2 at the end of the working stroke. Since the present invention should preferably be used on non-positive pumps, the behavior of these pumps has been subjected to an in-depth investigation.
It turned out that the equilibrium ratio shown above between the different spring forces and the fluid pressure is a very subtle one. If the counterpressure of the liquid counteracting the spring 13 changes, it is quite possible that the tube 11 does not reach the end position shown, but remains to the left of it, so that the spring 13 is not completely relaxed. So far it was assumed that the back pressure of the liquid was determined by the line dimensions and resistances and therefore did not expect any changes. Such changes in resistance can occur, however, in particular if there is a filter or the like in the course of the line, the resistance of which is variable over time. Such a filter represents, for example, the coffee powder in espresso machines.
However, if the sliding tube 11 is no longer returned by the spring 13 to the right end position shown in FIG. 2 because the load to be overcome by the spring 13 is too great, the stroke of its armature 11 to be managed by the magnet ma is corresponding shortened, that is, a smaller current is sufficient to bring the sliding tube 11 into its left end position. This explains the phenomenon that when the load increases, the current consumption decreases, but at the expense of the amount of liquid pumped through the pump P min. This phenomenon will naturally occur in all force-fitting pumps, for example also in diaphragm pumps of this type.
A metering control suitable for such force-locking pumps and in particular for a vibrating armature pump is shown as a block diagram in FIG. 3 for example. The block of the oscillating armature pump P min is shown as lying in a line 8 which is connected to an AC voltage source (not shown) by terminals A and B. In fact, of course, only the winding of the electromagnet belonging to the pump P min lies in the line 8, as will be shown later with reference to FIG. 4.
Line 8 is turned on and off via a thyristor TH as a switching element. The gate electrode of the thyristor TH is connected to the Q output of a flip-flop FF (bistable multivibrator), the input S of which is controlled by the pushbutton switch TA. This flip-flop FF lies in a line 9, which has one end at the terminal B, and the other end, like the pushbutton switch TA, is connected to a positive voltage.
The other input R of the flip-flop FF is controlled by a comparator K, which is expediently formed by a differential amplifier with a relatively large gain, for example in the manner of a Schmidt trigger. This results in the output signal "1" even when there are slight negative differences between its two inputs at the output of the comparator K, whereas otherwise there is "0".
While the reference input of the comparator is, for example, at the center tap of a potentiometer POT, the other input of the comparator K is connected to a timing element with a capacitor C that determines the pump duration. The timing element is in principle constructed as a mere RC element, the resistance branch of which is expediently provided with a current source CS, which, in itself, could also be replaced by a resistor, but because of its relatively high internal resistance will be particularly useful here. Nevertheless, the invention is in no way limited to the use of a current source in the resistance branch of the RC element, rather any type of elements giving resistance can be used, for example also a transistor operated as a resistor, in particular an FET or operational amplifier, which is connected as a controlled current source .
If the push button switch TA is closed, the output Q of the flip-flop FF jumps from "0" to "1". Thus, for example, a switch S2 controlled by this signal can briefly bypass the capacitor in order to discharge it completely and thus rule out errors. The capacitor C is then charged via the current source CS connected to line 8. Since the thyristor TH was also ignited by the output signal of the output Q of the flip-flop FF, current flows through the line 8 with every positive half-wave.
The current source CS is now controlled by the current consumption of the pump P min and for this purpose is connected to the center tap 3 of a resistor arrangement which, on the one hand, contains the resistor R1 already described with reference to FIG. 1, whereas in this case the other resistor from the winding L of the electromagnet ma belonging to the pump P min is formed. The resistor R1 is therefore in series with the winding of the electromagnetic pump drive.
The control behavior is specially tailored to the needs of a vibrating armature pump. Namely, the charging current of the capacitor C will increase or decrease in a certain ratio to the pump current. Since - as was explained with reference to FIG. 2 - the pump current decreases with increasing back pressure, the charging current of the capacitor C also decreases, so that the charging time - and thus the duration of the liquid delivery - is extended.
The block diagram shown in FIG. 3 will now be explained in more detail using a practical embodiment of FIG. 4. The power line 8 with its power terminals A and B is shown again. It can be seen more clearly how the winding L of the electromagnet ma of the pump P min is in series with the resistor R1 and the thyristor switch TH.
The current source CS is constructed here from a transistor T1, at the emitter of which there is a resistor R3, while at the base there is an RC element formed from a capacitor C1 and a resistor R2. The collector of the transistor T1 is connected to the capacitor branch (capacitor C) of this RC element which determines the time constant of the metering device, the resistance branch of which is practically formed by the resistor R3 and the emitter-collector path of the transistor T1.
The switch S2, shown roughly schematically in FIG. 3, has a transistor T2 as a switching element, the base of which is controlled by the output signal of the flip-flop output Q via a resistor R7 and the collector of which is connected to the collector of the transistor T1 via a resistor R9 connected is.
The potentiometer POT shown in FIG. 3 is supplemented here by a resistor R4 or R5, but the circuit for the reference input can be constructed in any manner known per se, for example with temperature compensation diodes. Between the reference input of the comparator K and its output there is expediently a positive feedback branch with a resistor R6, which determines the switching hysteresis. If desired, the resistance can be adjustable, for example for adjustment purposes. Undefined states are avoided with this resistor R6. A resistor R10 and a diode D3 in feedback to the current source CS are preferably also located at the output of the comparator K, as a result of which the switching process can be further accelerated.
If the output signal of the comparator K rises against the positive voltage, then an additional current flows through the resistor R10 and the diode D3 to the base of the transistor T1, which further increases the charging current for the capacitor C.
To protect the transistor T1 and the comparator K against negative voltages, it is advantageous if a diode D2 is connected to the input of the comparator K connected to the RC element comprising the capacitor C and the current source CS. Such negative voltages can arise if the supply voltage were interrupted during a dosing process.
It is assumed that the circuit arrangement shown in FIG. 4 would be used as the metering device of an expresso machine for dispensing a quantity of coffee that corresponds to the content of one cup. As already mentioned with reference to FIG. 3, the key TA is pressed to initiate this process, whereupon the signal "1" appears at the output Q of the flip-flop FF (the output Q remains unoccupied).
The switching transistor T2 which has become conductive when the supply voltage is switched on and bridges the capacitor C is blocked via the resistor R7, so that the capacitor C is no longer bridged. So that this function is secured and the flip-flop FF does not deliver the signal "1" at the output Q due to incorrect actuation even before the pushbutton switch TA is actuated, one of the one reset is preferably at the reset input MR of the flip-flop FF Signal-supplying capacitor C3 and a diode D6 (as a valve) and a resistor R11 existing reset circuit provided that automatically switches the output Q to "0" when the supply voltage is switched on.
As long as the transistor T2 keeps the capacitor C short-circuited, that is, before the button TA is pressed, the resistor R9 serves as a discharge resistor. This discharge resistance is now to be dimensioned such that, on the one hand, the power loss of the transistor T2 is not exceeded, on the other hand, the capacitor C should be discharged as quickly as possible in the event of a bypass. Depending on the voltage + V in the line branch 9, the resistor R9 should preferably be dimensioned with 250 to 1500 ohms.
When the output signal "1" appears at the output Q of the flip-flop FF, as already mentioned, the thyristor TH is ignited, so that the power line 8 is switched through. Depending on the current consumption of winding L, a voltage proportional to this current (half wave) will drop across resistor R1. The resistance R1 is to be dimensioned very low relative to the resistance of the winding L.
The voltage drop across the center tap 3 is now fed via the diode D1 to the capacitor C1, which receives it as a ripple voltage. The capacitor is charged to the ripple voltage minus the forward voltage of the diode D1 and drives the base of the transistor T1, which in turn forms the current source with the resistor R3. Depending on the voltage across the capacitor C1, there will also be a greater or smaller voltage across the resistor R3, so that the charging current for the capacitor C is practically regulated via the voltage at the center tap 3.
If the power consumption of the pump P min drops (due to the higher back pressure caused by the coffee powder) (while the delivery capacity of the pump P min is reduced), the charging time for the condenser C increases, i.e. the duration of the pump delivery is increased by a corresponding amount Dimension extended, so that the switch-on time is automatically corrected via the current consumption of the pump P min (or the winding L).
With the help of the resistors R4, R5, the maximum or the minimum delivery rate can now be determined; it may therefore be desirable to design the resistors R4, R5 (or only one of them) as adjusting resistors. In any case, a signal "1" will only appear at the output of the comparator K when a voltage has been reached at the capacitor C which is more negative than the voltage set at the potentiometer POT. At this moment, the output Q of the flip-flop FF jumps back to "0", the thyristor TH switches, due to a lack of gate current, and the pumping of the pump P min has ended.
At the same time, the transistor T2 is turned on again, so that the capacitor C is discharged via the emitter-collector path of the transistor T2 and via the discharge resistor R9.
4 shows some other possibilities. The output of the flip-flop FF can thus be connected to a terminal E for controlling further components (for example an indicator lamp). Furthermore, it is possible to provide an additional reset input F via a diode D7, for example in order to send a reset signal to the flip-flop FF when the water tank of the expresso machine is empty. In this case, the output signal of a water level detector is at terminal F. This water level detector can be set so that it already prevents a dosing process if there is not enough water left to complete this filling process.
Another possibility is to connect a diode D5 to the gate electrode of the thyristor TH in order to be able to give a switching signal via a terminal G (for example via a pushbutton switch, possibly via a monoflop) for the arbitrary switching on of the thyristor TH. The line 8 for dispensing hot water or for pulse control for steam generation via the pump P min can thus be closed at short notice.
Further possibilities of the circuit shown are the control of return or pressure valves via the outputs Q and Q of the flip-flop FF.
It goes without saying that the current consumption via the winding L will normally correspond to a target value, i.e. in the absence of a back pressure, for example due to coffee powder, but that when such a back pressure occurs, there will be a deviation from the target value, which is then caused by a corresponding extension of the Dosing time is corrected.