CN101245770A - 电动机驱动计量泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有旋转驱动电动机和摆动活塞的计量泵，其中由传动装置将驱动电动机的旋转运动转换成连接杆的摆动，从而使由此致动的位移装置随着驱动电动机的连续旋转而进行线性摆动，这样就在计量头(12)中传送所要计量的介质，该计量头沿连接杆(19)的纵轴线布置并与出口和进口阀交替配合，以产生泵送行程(压力行程)和灌装行程。在这样一种计量泵中，参考元件(35)与连接杆相关联，所述连接杆的位置由位置传感器检测，其中位置传感器提供实际信号(x₁)，该信号与参考元件的位置成固定关系，从而与位移装置的位置成固定关系，并且该信号还提供与位移装置所进行的运动相关的信息，从而计量泵的电子控制系统可对计量回路和泵的操作条件做出反应。

Description

电动机驱动计量泵

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的电动机的驱动计量泵。

背景技术

该类型的电动机驱动计量泵是已知的，并且可采用附件来满足各种需要。它们根据体积来工作，其中通过将一闭合容积输送通过位移装置来进行计量。这样，每一行程的计量容积与根据位移装置运动的容积差相对应。

总体来说，这样的电动机驱动计量泵通过传动装置将驱动电动机的连续旋转运动转换成位移装置的直线摆动运动。电动机的旋转速度和转矩在传动装置中被减小，并与位移装置所需的速度和动力相匹配。传动装置的输出轴驱动用来将旋转运动转换成侧向、即与旋转轴线成直角的偏移运动的装置，例如通过弹簧/轮齿或凸轮传动。侧向偏移可驱动连接杆，该连接杆在轴承中沿偏移方向被可滑动地引导。这就将运动和动力传送给位移装置，在沿连接杆的纵轴线方向布置的计量头中，该位移装置交替地与出口阀和进口阀配合，产生泵送行程(压力行程)和灌装行程，从而使所要计量的介质运动。

各种实施例之间的不同首先在于电动机的类型，它们通常是异步电机、同步电机和步进电机，这些电机安装在现有的泵壳体的外部或内部。各种计量泵类型的不同还在于传动类型的不同，它可以是蜗轮、直齿轮或皮带传送装置。可以只在偏移装置向前运动时通过偏移装置使用于连接杆的驱动装置被动引导或主动锁定。在压力行程中，连接杆由偏移装置驱动，而在其后的灌装情形中，它由回复弹簧驱动，该回复弹簧将连接杆置于反向偏移装置附近。回复弹簧受压力行程的压缩，且其尺寸为可提供灌装所需的力。各种类型的泵的区别还在于从连接杆到作为位移装置的隔膜的动力联结器，该动力联结器或者通过刚性连接器或者通过液压中间回路。由于液压流体(通常是油)是不可压缩的，该液压联结器的操作类似刚性联结器。除了此处所描述的带一个计量头的系统之外，还已知带两个或更多计量头的泵结构，这些计量头由共同的驱动装置驱动。在一个例子中，可将两个相对的连接杆沿同一根轴线布置在凸轮的一侧，沿相反的方向驱动这两个连接杆，且这两个连接杆各自具有自己的位移装置。在另一个实施例中，还已知随带延长的凸轮轴的多个计量头工作，该凸轮轴带有数个共同被驱动的凸轮，每个凸轮驱动一个由横向于凸轮轴线布置的连接杆和带有沿连接杆轴线方向放置的位移装置的计量头所形成的单元。

在最简单的情况下，所有运动的部件都安装在一个共用的泵壳体中的球轴承或滑动轴承中，在其它情况中，各个功能组集中在另一个壳体或装置中并被安装成模块，这些壳体或装置中的一些可填充有油。这一情况的一个例子是安装在泵壳体外部、由电动机和减速齿轮与安装法兰和安装好的输出轴形成的单元。

在最简单的情况下，驱动电动机连续运行以连续测量，或者运行特定的时间段以测量个别的行程。其它的类型通过频率转换器依据预定的时间图形来控制驱动电动机，由此电动机旋转速度以及计量动力更加具有可重复性，并且独立于诸如频率或电源的实际水平之类的电气参数。

电动机旋转速度由电动机驱动器的电子频率所预定，并且与齿轮减速和齿轮特性一起决定每一行程的周期，齿轮减速和齿轮特性与凸轮装置呈正弦曲线关系。当受到连续驱动时，每一行程的周期由在载荷以及齿轮减速作用下的有效电动机旋转速度给定。当进行打开/关闭操作的时候、即进行单次或一组行程时，在这些行程之间电动机自身是停止的，比如在灌装死点处是停止的，则必须将启动和减速的时间考虑在内，每一次行程的周期也因此延长。在连续操作过程中，行程频率是由每一行程的周期所给定的，而在打开/关闭操作的时候，它是由电动机开关的循环率(repetition rate)所决定的，该周期自然无法比进行一次行程所需的时间快。

可通过限制侧向偏移来调节行程长度。这可通过调节偏心装置来进行，例如采用摆动圆筒，该摆动圆筒基于两个倾斜的平面，它们可沿相反方向旋转。另一种可能是可调节缓冲器，该缓冲器可以是自然(unforced)偏移系统。该缓冲器的形式为可机械调节的心轴，当被调节时，可在达到偏移装置的后死点之前，将连接杆在灌装时的反向运动限制到一个可调节位置。缓冲器为行程运动提供起始点，结束位置是偏移运动的完成位置。在一个可能的实施例中，一行程调节销被旋进泵壳体中的螺纹中，并具有可从外部够到的校准钮，该校准钮组成灌装时的连接杆缓冲器。有了液压系统，行程调节由例如可滑动套管来进行，该套管的位置可由操作人员可以够到的校准钮来调节，该校准钮被旋进泵壳体中的螺纹内。该套管将连接杆中的旁通孔盖住，该旁通孔在运动一定距离之后打开油回路中的一分路并增加从连接管到隔膜的动力联结。

位移装置的运动由齿轮和其它机械元件的组合所引起。在向前运动过程中，驱动装置克服回复弹簧通过位移装置而作用在连接杆上的力而工作。在相反的运动中，移动系统受力，从而使连接杆被驱动装置拉回，而通过一侧致动，回复弹簧将连接杆推回并由此产生灌装计量介质的动力。这样，连接杆的运动跟从偏移装置的特性，例如，对于凸轮，该运动为正弦曲线，其在凸轮行程的完整行程长度的两个死点之间。在以减小的行程长度操作时，调节凸轮之后的运动依然是纯正弦的但其幅度减小，而在带可调节缓冲器的刚性连接系统或具有旁路孔的液压系统的情况下，可保持偏移装置的初始运动和幅度，但不再能彻底进行；此外，根据调节后的行程长度和联结系统，连接杆的运动在起始和结束区域(停止相)处相交。执行压力行程的向前运动是在小于一秒(例如大约200ms)的时间段内依据电动机的驱动而进行的。灌装行程是根据偏移装置的设定在类似于压力行程的时间段内进行的。这使计量介质在两个行程相位中都具有高的即时速度，对于偏心驱动，最大量是运动路程的一半。

对于由连接杆和计量头所组成的数个单元组成的实施例中，连接杆和计量头由与数个凸轮一同操作的同一根凸轮轴驱动，这样那些凸轮可以相位移位的方式布置在轴上，从而在凸轮轴完整的一圈旋转中向各个计量头分配所需的峰值动力，并由此优化对可用的电动机动力的利用。

被称为隔膜计量泵的特定实施例采用部分柔性的隔膜作为位移装置。该隔膜不是刚性的，而是在计量介质的压力作用在其上时在柔性区域内弹性变形特定的量。在并非用于计量的行程运动的第一部分所发生的变形量使有效行程运动损失，其结果是，随着操作压力上升，计量的量减小。在正常使用中，这一下降特性比计量精度所允许的要多得多。这样，电动机驱动计量泵通常不能在一个较宽的操作压力范围内根据所需的精度调节；另外，由校准而引起的误差在随后的进一步计算中将愈加严重。然而，在实际的操作条件下的使用中必须进行的所述校准测量是非常困难的一步，尤其是在使用侵蚀性的化学品时。

现有的通常使用的电动机驱动计量泵是有效的，且对于许多工艺来说具有良好的计量性能，但是与理想状态相比，其液压性能有不足。可以提到的例子是所测量的量对计量回路的操作压力有相对较强的依赖性，以及由于计量介质较高的即时流动速度而引起的流动噪声或压力下降之类的缺点。

发明内容

本发明的具体目的是克服已知的关于计量工艺中液压特性的缺点，并为电动机驱动计量泵提供可变的、较宽的操作范围，而不会给制造成本带来负面影响。另外，连接杆和所连接的位移装置的运动应与参考细节相匹配，从而使计量工艺本身可调节，并且电子控制系统可将任何因制造和模块的不利特性(例如弹性隔膜，如果有的话)所产生的缺陷考虑在内。通过使用机载电子仪器来避免或检测有缺陷的操作条件并补偿制造和/或维护中所产生的缺陷，这些测量应该确保在计量工艺中对预定的计量介质的精确计量。

凭借一个与连接杆相关联的参考元件来解决这一问题，该参考元件的位置由位置传感器检测，其中该位置传感器提供实际的信号(x1)，该信号与参考元件的位置，进而与位移装置的位置存在固定关系，且该信号提供有关位移装置的运动的信息，从而使计量泵的电子控制系统可对计量回路和泵的操作条件进行反应。

位置传感器获取连接杆的运动，而电子控制系统对其进行估算。这样，从有限的条件开始，控制系统通过比较特性特征并通过影响电动机驱动来进行响应以检测运动，由此以可能的最佳方式进行计量，并消除由于隔膜的特性而引起的不精确。

如果位置传感器根据不接触的原理进行操作，那么就可保证传感器的不磨损操作，由于在计量泵的服务周期中所存在的大量的行程，这样的特性是有利的且实际上是必须的。

如果与连接杆相关联的位置元件位于计量头之外，则前驱体所需空间的灵活性就得到增加。

如果参考元件可影响光源的光路，且如果与之协作的、固定于泵壳体或另一个静止部件上的位置传感器是作为光感应接受器进行工作的，那么就可保证无磨损的操作，由于在计量泵的服务周期中所存在的大量的行程，这样的特性是很重要的，而且可以扫描运动部件而不必接触它们。这样的布置的另一个优点在于这样的位置传感器的结构对杂散的磁场不敏感。

如果参考元件是阴影生成体或阴影提供边缘，而固定在泵壳体内或另一个静止部件内的与之协作的位置传感器是由一系列感光电耦合器件(CCD)组成的，则这样的装置具有重要的光特性，而这一光特性必须为位置传感器所满足。首先，该装置以不磨损的光功能原理工作，且对杂散的磁场不敏感，其次，这样的传感器实际上不存在线性缺陷。

如果位置传感器布置在其自身的传感器载体上，而该传感器载体固定于泵壳体或其它静止部件上，则可以将这样的装置预先组装成模块并进行测试，从而便于组装。如果传感器载体形成为不绝缘的塑料部件，则除此之外，传感器元件与壳体或齿轮的金属部件之间的电绝缘得以简化。

如果光源、阴影生成体或阴影生成边缘以及接受器组成光盒(lightbox)型装置，且将测量值连续供给或分步供应给电子控制系统，则这样的装置以适合的速率向电子控制系统提供位置数据。

如果位置传感器的光接受器由多个线性排列的接受器(像素)、较佳的为128像素组成，则这样的装置可通过确定照亮的和没照亮的单元之间的阴影边缘来容易地确定位置，且清楚地具有与接受器单元的分支相等的分辨率。

如果光源是与位置传感器的光接受器相对排列的发光二极管(LED)，从而使指向接受器的光束不受连接杆的干扰，则这里所具有的优点在于，廉价的LED具有对高的光分辨率很重要的近点光源，并且具有几乎无限的使用寿命。将它与位置传感器相对地、远离连接杆地布置会在光源和接受器之间产生较大的间距，这使相关光束的投射角相对独立于元件的安装位置。

如果位置传感器的起始值是通过插入在阴影过渡区中的数个像素的亮度值而产生的，则位置传感器的起始信号的分辨率比它由CCD接受器单元的机械步距(间距)所确定时的要精细。

如果在处理来自位置传感器的信号时采用过滤装置，则使对位置传感器的干扰的抵抗性得到改进。

如果通过参考存储器来消除位置传感器的零位误差或通过将一个或多个参考位置包括在内以消除位置传感器刻度误差，那么位置传感器对在组装以及操作过程中的机械位移时、例如在轴承被加热或者轴承磨损的过程中的变化的灵敏度将减小。

如果通过控制或调节采用取自像素的亮度值的光源来整平位置传感器的照明变化，则位置传感器对模块参数的灵敏度将减小。

如果通过结合一个用于单个像素的灵敏度的参考存储器来补偿光接受器的各像素之间的亮度变化，则可减少光接受器上的灰尘的影响。

如果行程调节销所设定的值是在通过位置传感器直接进行的计量过程中由测量确定的，则可省去用来机械定位所附有的机载元件的额外传感器。

如果电子控制系统通过估算位置传感器的信号而在位移装置中检测到阻塞或检测到不完整的行程，则可以提高计量的可靠性。对于已有技术中没有位置传感器的计量泵，通常添加用来检测计量运动的传感器，例如通过在每一行程中使参考标记通过并向电子控制系统传送检测信号来实现，由此测量行程周期并进行推导，从而进行正确的计量过程。与这样的传感器相反，已经描述的对位置传感器的使用所具有的优点在于，可以在计量行程的任意一点处获取所需的信息，而不是仅仅在参考标记通过时获取信息，从而可以省却这样的附加传感器。

如果在例如采用异步电动机时，驱动电动机在工作时滑移，并且如果电子控制系统从驱动电动机的名义旋转速度以及已知的齿轮特性为位移装置确定名义行程频率或名义行程周期，并且还通过估算位置传感器来确定位移装置的实际行程频率或实际行程周期，其中驱动电动机的滑移是通过将实际行程频率与名义行程频率相比较、或者将实际行程周期与名义行程周期相比较而得到的，另外，如果驱动电动机的名义旋转速度改变，从而最终位移装置以所需的行程频率移动，则这将通过消除因驱动电动机的滑移而引起的行程频率的误差而改进计量的精度。已有技术中没有位置传感器的计量泵统常采用监测计量运动的传感器，例如通过在每一行程中使一个参考标记通过并向电子控制系统传送检查脉冲，由此可以测量和校正行程周期，当使用位置传感器时就可省却这样的额外的传感器。

如果在例如采用异步电动机时，驱动电动机在工作时滑移，并且如果电子控制系统从驱动电动机的名义旋转速度和已知的用于活塞的齿轮的特性为位移装置确定名义行程频率或名义行程周期，并且还通过估算位置传感器信号来确定位移装置的实际行程频率或实际行程周期，其中驱动电动机的滑移是通过将实际行程频率与名义行程频率相比较、或者将实际行程周期与名义行程周期相比较而得到的，另外，如果电子控制系统从所发现的驱动电动机中的滑移以及已知的齿轮特性确定作用在位移装置上的力，并且减小计量介质的工作压力，则这一信息意味着可以执行监测功能和补偿功能，这将提高计量的可靠性和精确度。如果电子控制系统通过驱动电动机的名义旋转速度和已知的齿轮特性在该计量过程的每一时刻为位移装置确定名义速度，并且还通过从位置信号来估算位移装置的实际速度以对其确定，其中它通过将实际即时速度与位移装置的名义速度相比较来计算驱动电动机的即时滑移，由此，还是与已知的齿轮特性相关，将其与位移装置中的即时能量图形相关联，然后在计量工艺的任何点上可以得到所需的关于能量的信息，从而可以进行不同次数的所需的检测和补偿功能，提高计量的可靠性和精确度。

如果电子控制系统依据位移装置中所观测到的动力图形来减小计量介质的操作压力，则这将补偿计量工艺中操作压力的破坏性影响。

如果电子控制系统由所观测到的计量介质的操作压力检测到在特定的压力范围以外的操作情况，或者如果它根据超出计量泵所特定的预定最大允许压力的情况或由操作人员来调节计量，或者根据低于预定的最小压力来进行调节，则可以检测到诸如超压情况或由于管道损坏而引起的压力损失之类的有问题的操作情况，同时可以进行安全的测量，比如调节计量，这将提高计量的可靠性。这样可以省却诸如超压限制器之类的另外所需的附加操作装置，只要在该工艺中计量泵是仅有的增压系统即可。将操作压力控制在特定的计量泵压力范围内的可能性拓宽了在已有技术计量泵的检测系统无法使用的条件下进行压力检测的可能性，在已有技术中，只有计量泵被阻塞时检测系统才运行。

如果位移装置是部分弹性的隔膜并向电子控制系统传送由隔膜的弹性变形而引起、并由所测得的计量介质的操作压力以及已知的计量功效对操作压力的依赖程度所决定的可能的计量误差，并且如果它影响驱动电动机的旋转速度以及行程频率从而补偿预期的计量误差，则这样可提高计量的精确度。

如果驱动电动机的旋转速度受到用于连接杆位置的位置传感器通过控制回路在控制精确度范围内所读取的信号(x₁)的影响，并且结果影响连接杆以及位移装置的线性运动，由此使之跟从一个给定的名义图形，则可以利用在位移装置上的这一可能的影响来达到或提高计量中的优良的液压性能，例如在部分行程中的慢速计量和/或计量精度时。

有利地，除了位置传感器以外，计量泵具有控制装置，且其由控制装置通过改变驱动电动机的旋转速度来交替地影响位移装置的位置(这里用x₁指代)、速度(这里用v₁指代)或加速度。对速度的控制允许对计量介质的流速进行直接控制，这一控制对避免例如慢速启动时的气穴现象是必须的。另一方面，对位置的控制使接近停止的情况得到控制，其中由位移信号之间的差值所产生的关于速度的信息变得很小，且不能由控制装置有效地处理。对位置的控制可以避免这一问题，并且可有利地用于例如电子行程限制或慢速计量。控制加速度有利于对调节进行简单的控制，因为所要移动的物体的加速度构成了用于快速处理的电动机动力的直接图像。

如果除了位置传感器之外，计量泵还具有控制装置，且如果它在灌装相位和/或压缩相位时减小位移装置的v₁，则可消除由于流动阻力所造成的压力损失或气穴现象。当计量高粘性的介质、例如卵磷脂时，当流速过高时，在狭窄的位置处产生较大的压力下降，比如在阀门处。必须用来自驱动器的额外的动力来克服这些压力下降，并且可以通过采取对位移装置的v₁的控制来使其保持较低的水平。此外，可有效地减少因减小的流速而产生的流动噪声。当计量诸如含氯气的漂白剂之类的含有气体的介质时，尤其在灌装过程中采取很高的流速时，由于压力降到计量介质的蒸发压力以下，经常会发生气穴现象，这会造成机械磨损增加。在灌装相位和/或压力相位时控制位移装置的v₁可有利地避免这一现象。

如果除了位置传感器以外，计量泵还有控制装置，并且如果将所需的行程长度传送给控制装置，且位移装置的运动由控制装置电子限定在所要进行的行程长度时，其中，控制装置在执行所需的行程长度之后停止驱动电动机，将它切换成反转并随后执行灌装行程，再随后停止电动机或执行下一个压力行程，那么就可以省却大量的机械调节元件。

如果除了位置传感器之外，计量泵还具有控制装置，且如果该控制装置通过在计量行程的循环率所给出的时间段内驱动电动机而在压力相位过程中来分配位移装置的向前运动，从而以尽可能平滑的方式分配计量介质，即便是很慢的计量行程持续数分钟，那么也可以基本避免计量介质中的浓度变化。

如果位移装置是部分弹性的隔膜，则可提高计量精度，并且，电子控制系统由即时动力图形检测到出口阀的打开，并且通过这一观测来测量因隔膜的弹性变形而造成的静止区域，然后通过有意地停止作为隔膜变形的函数的行程运动来影响实际的行程路径，从而显著减少所计量的量对背压的依赖程度。这一改进是通过消除隔膜的弹性变形所造成的误差而取得的，该变形是因操作压力而引起的，从而使变形无助于计量。借助于计量质量对操作压力的依赖性的下降，可省却其后的校准，而在诸如操作压力之类的操作参数显著改变时需要此类校准。当估算电动机滑移时，通过观测动力图形来补偿隔膜变形是有利的，因为这是对实际动力需求的良好反映，并且不需要进行额外的测量。

如果除了位置传感器以外，计量泵还有控制装置，则可提高计量精度，位移装置是部分弹性隔膜，而实际的行程路径受隔膜变形的影响，其中，在打开出口阀并完成所需的行程长度之后，控制装置停止驱动电动机，将其切换成反转，然后执行灌装行程，停止电动机或进行下一个压力行程，从而消除隔膜变形所造成的误差(相对于行程路径或所计量的容积)，而这一变形量无助于计量。所计量的量对操作压力的依赖程度的减小意味着可以省却随后的校准，而在诸如操作压力之类的操作参数改变时这一校准是必须的，同时，设定的行程长度和计量介质的实际计量的量之间的关系的线性度得到提高。当估算电动机的滑移时，通过观察动力图形来确定隔膜变形量是特别有利的，因为这是实际动力需求的良好图形，且不需要额外的测量。

如果位移装置是部分弹性的隔膜，且除了位置传感器之外计量泵还具有控制装置，并且实际行程频率受所确定的隔膜变形的影响，其中，控制装置确定对隔膜变形所造成的误差(相对于行程路径或所计量的量)的校正，驱动电动机的旋转速度由所述校正而改变，从而消除隔膜变形所造成的误差，所计量的量对操作压力的依赖性下降。

附图说明

现在，我们将详细描述本发明的带凸轮驱动器的电动机驱动隔膜计量泵的一个实施例及其各种用途。附图显示了：

图1：穿过带有位置传感器的电动机驱动计量泵的截面图；

图2：位置传感器的分解图(图1中的X截面的放大图)；

图3：位置控制回路的元件；

图4：速度控制回路的元件；

图5：沿轴向的位置传感器的俯视图；

图6：与轴线呈直角的位置传感器的侧视图；

图7：位置传感器的阴影区域的示意图；

图8：实际阴影中的像素的亮度值；

图9：根据几何排列的位置传感器测量的示意图；

图10：位置分辨率的插值(interpolation)；

图11：位置分辨率插值计算基础的示意图；

图12：作为机械行程长度和操作压力的函数的计量性能的示意图。

具体实施方式

图1示出了一种电动机驱动计量泵的结构(局部剖切)。如通常所知的，电动机驱动计量泵基本上包括三组元件，即带有传动装置的驱动电动机2、凸轮壳体1中的凸轮驱动器、以及其中容纳有电子控制装置且安装有机载电子模块和组块的电子壳体28。在电子壳体28下面有带固定孔的支座板4；被定位在电子壳体上并固定于该电子壳体的凸轮壳体1承载带有传动装置的驱动电动机2，用例如螺钉将该驱动电动机固定于凸轮壳体。

由凸轮壳体1和电子壳体28所组成的壳体在其上部、即凸轮壳体1处具有凸轮驱动器的各元件。凸轮驱动器的各元件被容纳在凸轮载体22中，该载体确保各个元件准确地定位并固定在凸轮壳体1中。从外部将三相异步电机2与减速齿轮11一起通过法兰而安装在凸轮壳体1上，该减速齿轮形成为伞齿轮并由螺钉固定。电动机的输出轴相对于电动机轴的轴线呈直角，并且或者直接形成用于凸轮驱动器的驱动轴，或者如在本实施例中那样通过联结器同轴地与之固定。凸轮驱动器的驱动轴、即凸轮轴17可旋转地安装在凸轮载体22中，并承载固定于该载体的凸轮。凸轮轴与凸轮一起通过经合适切割的推动臂20。凸轮轴17由电动机/传动装置通过用于驱动电动机2的轴联结器旋转，并借助凸轮的外表面将推动臂20驱动到其切口的内表面上、即止挡表面上。推动臂20驱动固定于该推动杆的连接杆19，该连接杆是注射而成的。由推动臂20和连接杆19所组成的单元可沿两个引导衬套纵向位移。凸轮轴17的轴线以及推动臂20和连接杆19的纵轴线18位于水平平面内，并且互相成直角。用于连接杆19的两个引导衬套26之一位于支承板24中，该支承板在压力头一侧固定于凸轮载体22，作为转向计量头一侧的推动臂20套管的另一个引导衬套27位于行程调节销8中。与连接杆19的纵轴线18同轴线的是可手动启动的调节装置7，用来调节被旋在凸轮载体22的螺纹中的行程调节销8，从而使推动臂20的轴向运动在灌装时受限制，由此限制计量泵的行程。

在密封室中的壳体下部中，壳体还包含有电子壳体28、即电子控制系统。壳体被密封，从而可避免飞沫并保护凸轮驱动器以及电子控制装置免受水分和腐蚀的侵害，这是因为计量泵通常用于化学性侵蚀介质。电子控制系统由水平控制电子元件34和电子器件6组成，水平控制电子元件34对电动机控制器29进行控制，并形成为集成频率转换器，电子器件6被布置在壳体盖5中，并带有操作计量泵所需的输入和显示元件。控制元件由盖子9所保护。在盖子9之下的是用于控制线10或电源的连接器。

在控制线10或电源连接器一侧，与连接杆的纵轴线18同轴线的是计量头12，在计量头中，例如由塑料制成的隔膜作为位移装置动作，该隔膜固定在其周边。计量头12还携带有进口阀14和出口阀15，用来将灌装进计量腔16的计量介质经进口阀14推入隔膜和计量头12之间，并经出口阀15推入计量管中。电动机驱动计量泵按容积进行操作，即在每次行程中将预定的容积灌入，随后通过出口阀15将其推出。隔膜13通过凸轮驱动器以摆动运动方式移动，该凸轮驱动器沿纵轴线前后移动连接杆19。在行程调节销8一侧，由推动臂20和连接杆19所组成的单元借助作为可手动调节装置的调节装置7来工作。在另一端，连接杆19的面向计量头12的部分固定于隔膜13的中芯30，并以摆动运动的方式移动。

在推动臂20和轴承套24的轴环25之间的是压缩弹簧23，例如螺旋弹簧，该弹簧使推动臂20恒定地抵靠在凸轮上。在凸轮运动的向前的相位中、即连接杆向计量头的运动中，推动臂与连接杆一起向着压缩弹簧运动，同时隔膜13被推入计量腔16，这意味着在计量腔中形成过大的压力，而出口阀15、例如弹簧加载的球阀打开，将计量介质推进计量管中。在凸轮运动的相反相位中、即连接杆离开计量头的运动中，推动臂20在压缩弹簧23的作用下沿相反的方向随着凸轮的运动而向着行程调节销8运动，该弹簧可形成为例如螺旋弹簧，这意味着连接杆19移动隔膜13，而在计量腔16中产生负压，这使进口阀14打开，从而可将另一批计量介质灌入计量室中。隔膜13通过凸轮的交替摆动运动将计量介质推入计量管中。在计量行程中，凸轮驱动器产生由推动臂20、连接杆19和隔膜13所形成的正弦曲线运动。如果采用行程调节销8来设定减小的行程长度，则借助行程调节销8的可调节缓冲器，可以使在灌装相位中的运动在达到死点之前就提前制动，由此使运动的正弦路径相交，令行程运动的相位改变。

由推动臂20、连接杆19和隔膜13所组成的单元的位置由位置传感器36检测，来自该传感器的信号与这个位置呈预定的关系；该关系可以为例如严格的比例关系。位置传感器36的信号由此恒定地与可移动单元部件所占据的位置相关。这一固定点由参考元件形成，该参考元件在此是抽象的。根据位置传感器的需要，它可以形成为将要装入的现成的附加元件，但是它可以单独构成一种特征形状，例如在推动臂20之类的所需的元件之一上的边缘或面。

在这个实施例中，凸轮载体22具有固定于其上的传感器载体31(还可见图6中所示)，在传感器载体一侧承载有纵向朝向的感光CCD单元32(电耦合器件)，而在另一侧承载有光源33，例如发光二极管。

固定于凸轮载体的传感器载体31和固定于该传感器载体的元件形成光盒，来自该光盒的光束部分地被推动臂所遮挡。参考元件由推动臂20的阴影提供边缘35在光盒装置的区域中形成。当连接杆19摆动时，阴影提供边缘35通过感光单元32但不与之接触。如在示出了轴向的俯视图的图5中可以特别看出，光源33必须被布置成使光束在从光源到感光元件的路径上不被连接杆19遮断；这意味着，例如光源33和感光CCD单元32被布置在连接杆19的上方或下方。如在图7中可以特别看出，光源33的阴影提供边缘将阴影投到感光单元32上，这将这些单元分成被照亮的(h)和不被照亮的(d)单元。由于感光单元列的取向平行于纵轴线18，例如覆盖大约8mm距离的128个像素在过渡区域中只是部分地被照亮或在阴影中，因此发生图8中所示的过渡情形。图8中呈直角的表面的高度代表像素的亮度。将在下面参照图10来说明的一种特定工艺利用了这种过渡情形，以精确地确定阴影提供边缘的位置，并由此确定连接杆或隔膜的位置。由推动臂侧的阴影提供边缘以及在带有相对的光源的传感器载体上的感光CCD所组成的这一测量装置用于测量摆动中的连接杆的实际位置或速度，并利用这一信息来实现所述的功能。

将隔膜运动设定为摆动运动的连接杆在对应于机械行程长度的每一行程中覆盖一段距离。为了能够进行组装变化，感光CCD单元的纵向范围必须稍大一些，这原则上是借助其它所有能设想到的位置传感器都能实现的。

当采用位置传感器信号(如图3和4中所示出的那样)来具体控制隔膜、或者更加一般地说位移运动时，需要以下的机械和电子元件。在这两幅图中所使用的缩写意义如下：

x_s：位移装置的位置的名义值；

x₁：位移装置的位置的实际值；

x_s1位移装置的位置的偏移；

v_s：位移装置的速度的名义值；

v₁：位移装置的速度的实际值；

v_s1：位移装置的速度的偏移；

SG：控制器输出；

KSG：经校正的控制器输出；

MA(U，f)：电动机驱动的驱动值(电压或频率)。

其运动要受控制的驱动器的移动部分是由推动臂20和连接杆19组成的，隔膜中芯30固定于连接杆。回复弹簧23使推动臂在一个工作行程之后返回，并由此进行灌装。隔膜13的外环固定安装在计量头12中，被注入隔膜中的金属隔膜中芯30使隔膜的中心表面作为位移装置而沿计量头移动。进口阀14在灌装侧关闭，出口阀15在计量头的压力侧，并由此为外部的管道提供连接的可能性。参考元件例如在面对计量头的一端连接于连接杆19或与之连接的模块，在此情况下，例如是推动臂20，其位置由位置传感器36检测，该位置传感器不必接触即可工作。在所示实施例中，参考元件是推动臂20的阴影提供边缘35，而位置传感器是光盒型装置，该装置由以上所描述的光源33结合一系列感光单元32组成，该感光单元光学地确定阴影提供边缘35的位置，从而不必接触其阴影结构。由于连接杆19是连接到隔膜13的实际连接器和动力联结器，且推动臂和连接杆在本实例中是固定在一起的，以下的说明始终参照连接杆19的运动，虽然该运动实际上是所测量的推动臂20的阴影提供边缘35的运动。

位置传感器36产生实际信号x₁，该信号与阴影提供边缘35的位置成比例。对于速度控制器，在这个实施例中，通过时间微分器37(dx₁/dt)向该控制器进行传送，从而再生成实际信号v₁，这一信号与速度成比例。显然，其它方法也可适用于控制步骤，这些方法可产生与隔膜速度成比例的信号。根据控制类型和计量要求，可生成位置x_s或速度v_s的名义值对时间的图形。差值比较器39确定作为位置差值x_s1＝(x_s-x₁)或速度差值v_s1＝(v_s-v₁)的差值，且这些结果由PID控制给出(比例积分微分控制)。输出值、即控制器输出值SG与驱动装置的值相对应。为了提高控制器的稳定性，利用位置校正器41进一步处理控制器输出值SG。位置校正器将电动机转速依赖于凸轮的旋转角(从连接杆位置偏移开)这一因素考虑在内，这一依赖关系是根据正弦曲线特性而将凸轮的驱动转换成连接杆处的速度。然后，位置校正器41将用于PID控制器40的开始信号通过凸轮驱动装置的反转特性转换成校正的控制器输出值KSG，它代表相对于减速齿轮11的输入而言的所需电动机驱动值，这是为了在来自凸轮驱动装置的输出处得到与所需的控制器输出值SG相对应的连接杆19的运动。形成为频率转换器的放大器42保持功率水平并在附随的压力和频率下以所需的转速驱动电动机。根据位置的校正、校正的控制器输出值KSG到频率转换器所用的实际旋转速度的转换以及(如果需要的话)整体速度信号v₁转换的偏差常数由三个比例因子k1、k2、k3设定。根据位置的校正的因子k1是根据凸轮驱动装置的特性选取的，用于放大器的k2和用于速度信号偏离的k3这两个因子可以根据实际情况选取，比如借助最容易获得的使用尺寸进行操作等。

图3示出了用于位置调节器的控制回路，图4示出了采用速度控制器的控制回路。这里所述的控制回路将预定的位置x_s或速度v_s的名义值对时间的图形在它能够的控制调节范围内进行清晰的传送。

位置、速度或加速度的真实图形的建立以及在这些操作模式之间进行的切换如下所述，例如将诸如控制速度、可以达到的精度等的功能限制考虑在内。

有了这样的控制，电动机驱动计量泵可以用于预定所需的隔膜13(更总的来说是位移装置)的速度，并由此控制计量介质的有效流速。

这样，可以直接控制隔膜位置。这一功能允许在选定的相位处达到位置，并且如果需要的话可以在静止时进行。

通过利用位置指示器来控制运动，与不受控制的操作相反，操作参数中的变化可以对随时间而突然发生的或者由于环境状况或变化、即在产品系列中的统计偏差而发生的变化做出响应，并且可以使它们的有害影响最小。可以提出的例子是隔膜刚性或计量介质的粘度。这两个因素需要驱动力，必须将该驱动力加到用来产生隔膜表面上的操作压力的力中。通过确定它们的影响并由此调节电动机的驱动，则可以补偿这些有害影响。对于具有预定电动机转速的未调节计量泵，即使对其进行控制以使之稳定，它仍会受到这些影响。另外，由于凸轮驱动装置的正弦曲线特性，不可能在不知道连接杆的位置、即凸轮角度的情况下精确地预测位移装置的即时速度。

另外，与在未调节基础上的自发性计量工艺相反，利用位置指示器来控制运动使得可以对将在以下描述的内部和外部影响做出反应，并且可以建立可以利用或避免特定的液压条件或计量的操作条件。一个例子是避免灌装时的气穴现象，这将在以下进行描述。

以下将详细说明以上所述类型的电动机驱动计量泵的各器具，所述泵具有位置传感器，并且通过估算位置信号来减少计量回路的操作条件或通过控制和调节电动机驱动来影响隔膜的运动。

检测调节控制器在行程长度中的位置

已有技术中的计量泵通常是这样操作的，即，所执行的计量行程直接由活塞腔的分配体积(行程长度)转换成所计量的全部体积，举例来说，这是由单位为1/h的体积流速来表示。对于这样的功能，必须了解操作人员所设定的行程，因为每一行程所计量的体积与之相关。因此，在已有技术的计量泵中，行程调节装置的位置必须由一个独立的传感器转换成电信号并读入控制系统中。实际实施例的一个例子是在行程调节装置7上的线性电位计，该电位计通过探针来检测调节。

可以在行程中利用一体的位置传感器36来检测实际隔膜路径的计量泵不需要额外的传感器。可以利用在端部位置处的两个位置值之间的差值来直接计算行程长度并用于后续步骤，这两个位置值可以在达到机械缓冲器后、在运动停止时立即测量。

检测阻塞或不完全行程

没有位置传感器的已有技术计量泵通常采用向电子控制系统提供脉冲的传感器来监测每一行程中的计量运动。一种已知的器具是例如小的永磁体，该永磁体固定于齿轮的输出轴并由此在凸轮轴17上沿轴线向外，随着该轴旋转，该永磁体与一个静止的霍尔传感器相联系，当使磁体在凸轮轴的特定角度通过时，该霍尔传感器会产生信号。电子控制系统从该信号测量行程周期，该信号与凸轮轴的速度相同，并且通过该信号可推导出计量工艺在正确地进行。若在执行计量行程时因过大的压力情况(例如在计量管中被无意关闭的阻塞装置)而产生阻塞，则霍尔传感器信号关闭，在经过一个监测周期之后，给出一个报警并进行进一步的动作、例如停止计量泵。对于这样的已有系统，只有在监测周期过去后才能得到所需的信息。

使用位置传感器36意味着可以在计量行程中的任意时间设定与电动机2的驱动相关的连接杆19的速度，并基本上可在任意时间确定发生阻塞。

滑移补偿

如果电动机2是同步电动机，则例如承载负荷的电动机输出轴处的有效机械转速通常略小于由电子控制系统的频率所给定的值。两个转速之间的差值(称为滑移)依赖于电动机的参数，且在一个合理的负荷范围内通常与承载负荷的情况下的转矩成比例。可以采用各种方法来测量该滑移，这将在下面说明。它可以用来计算校正值，可以利用频率转换器将该校正值结合在所述电动机转速中，从而进行补偿，该校正值的形式为频率的增加。

可通过例如将所测得的行程周期与电子控制装置给定的周期相比较来确定滑移。通过测量两个霍尔传感器脉冲的时间差，该方法也被用于已有技术的计量泵。在带有位置传感器的计量泵情形下，在行程路径中确定一个特征点，例如半程点，从而测量周期，且为了进行连续计量工艺，记录下通过该点的时间，而这样两个时间的差值就是所需的周期。

在带有位置传感器36的电动机驱动计量泵中，可以采用直接的方法来确定滑移，该方法是观测连接杆19的即时速度。从电子控制装置所得到的电动机旋转速度，可以利用已知的齿轮和凸轮特性来计算理想的连接杆速度。将理想的速度与测得的速度比较就得到凸轮循环中任意时间点处的滑移，可以通过重新调节电动机驱动的频率来校正该滑移。

确定压力

如果采用的是异步电动机，则通过以上所述方法之一测量到的滑移可以被用来确定位移装置上的力，从而可以减小计量介质的操作压力。然而，应该注意的是，凸轮以正弦曲线的形式转换作用在连接杆19上的力，这依赖于经齿轮11而达到电动机2的瞬时角度。在两个死点，即行程运动的转向点处，电动机从连接杆的力脱开、即没有负荷，且在这两个点之间，凸轮向电动机传送最大负荷力矩。这样，对于假定恒定的连接杆力来说，电动机输出轴上的转矩具有相同的形式，从而滑移也几乎呈正弦曲线地变化。因此，这一变化是连接杆力的反映。

如果如上所述，行程周期中与理想值的偏差得到确定，这就代表通过凸轮的正弦图形传送的滑移，这也是对平均行程力、即操作压力的测量。如果通过将电子控制系统所给出的电动机转速与连接杆速度相比较来连续地确定滑移，则利用已知的凸轮特性以及对由连接杆位置所确定的凸轮瞬时角度的了解，可以计算连接杆19处的作用力图形。连接杆上的作用力图形还可用来推导操作压力。

如果通过凸轮以外的其它方式设置偏移机构，则可以对它适当地应用这一特性。

压力限制，压降的识别

如果根据以上所述的方法来确定操作压力，则可以对它进行监测从而使之在特定的限定范围内，并且对监测系统的查询可以生成警报以及其它动作，比如停止计量泵。对超出限制范围这一情况的监测可以保护泵或其它元件，在某些情况下，可以设定并监测的操作限制范围是计量泵最大压力的130％，但是，如果例如必须要保护感应元件的话，所监测的限制范围也可以在特定的计量泵操作限制范围内，而且在这一情况下，可由操作人员来设定。还可以根据预设的操作条件进行监测，在此情况下，如果例如设定为参考值的操作压力上升或下降一定的百分点，则可以给出一个警报。如果操作压力根据最小为1bar的压力进行监测，则举例来说，可以监测由管路的损坏而造成的泄漏。

压力补偿

在所采用的实施例中，电动机驱动计量泵的实际剂量以不同的方式受操作压力的影响。另一方面，当驱动电动机2是异步电动机时，它受到随操作压力上升而上升的滑移量的影响，这一现象的效果是转速下降以及与之伴随的行程频率下降。另一方面，被用作位移装置13的隔膜在操作压力的影响下经历弹性变形。在开始计量行程时，当出口阀15关闭时，计量腔16中的内压持续上升，其中，随着压力上升，隔膜中芯30由连接杆19移动到计量腔中，同时隔膜13的弹性变形区域给出克服隔膜中芯30的运动的压力。隔膜13向其自身变形，并且实际上完全没有发生体积变化，这是由于计量介质实际上是不可压缩的，且在这一点处，两个阀门都是关闭的。在这一变形相位的结束处，腔室压力与外部操作压力相对应。连接杆19所完成的路径对应于隔膜的变形，从而到达计量开始处的静止区域，并且基本上无助于计量。变形或静止区域通常在0.1mm到0.5mm的范围内，这依赖于隔膜的尺寸、操作压力等。在压力平衡点处，操作侧的出口阀15打开。作用在隔膜13上的压力现在实际上等于外部操作压力，且与隔膜变形相似，在计量行程的剩余部分几乎保持恒定。在操作侧出口阀打开的压力平衡点标出了计量的实际起始点，因此隔膜变形使计量行程损失，即有效行程长度是将机械长度减去隔膜变形量而得到的。由于隔膜变形自身基本上与操作压力成比例，计量曲线通常随着操作压力的上升而下降。对于较短的行程长度来说，负偏移更加明显。

对于已有技术的计量泵，计量不仅依赖于压力，而且在部分行程条件下并不是严格地与机械行程长度成比例。另外，有效计量只在初始静止区域之后的行程中隔膜变形最大的一点处(同时出口阀15也打开)才开始。如果做出稳定的状态特性，其中显示出作为机械行程长度的函数的计量图形，则产生一条直线上升曲线，该曲线是示出了与静止区域x_T1、x_T2、x_T3…x_Tn相对应的最小行程长度之后的实际剂量(见图12)。由于这一最小行程长度对应于隔膜变形，因此它依赖于操作压力p₁、p₂、p₃…p_n。

x_T1、x_T2、x_T3…x_Tn在稳态特征下的这一切换意味着在实际工作条件下的重新校准，在此范围下，当前的行程长度显著改变，因为新的计量性能无法以足够的精度通过比例计算从当前和新的行程长度来确定。

如果通过使用以上所述的方法之一来确定操作压力，则可以使用所述的依赖关系来提前确定并补偿由误差所产生的操作压力对计量性能的影响，该依赖关系可对一类设备提前进行定量确定。为此，还可用位置传感器来测量所确定的操作压力以及如上所述的所采用的行程长度，所得出的压力和长度可以用来计算校正值，该校正值是由已知的误差关系计算得到的，该误差关系被加到所采用的行程频率中。应该注意到，出于实际操作和经济原因，只有所述影响的系统部分才可以被消除。依赖于压力的计量性能误差主要是由材料特性和在所采用的元件上进行的测量决定的，这两个因素在一定程度上可以通过改造来改变，或者可以通过产品的变化来改变。这样的变化并没有被包括在此处所述的方法中，这些方法是利用预定的模块参数或一系列的测量值来校正由隔膜变形所造成的误差；此外，在本发明中，必须以规则的间隔或在每一次行程中重新限定实际的关系。

如果上述由隔膜变形误差所产生的影响得到补偿，其中操作压力是通过使用上述方法之一来确定的，而所采用的行程频率是通过校正值来改变的，在局部行程操作模式中的刻度误差也被消除，因此计量泵实际上可以在例如行程长度的20％到100％的整个有用范围内操作，而不需要进行重新校准，而在已有技术的计量泵中目前仍需要这一校准，其中需要进行例如行程长度的10％以上的调节，从而确保特定的计量精度。

在高粘度介质的情况下避免流量损失

对于隔膜13，特别是对于高粘度介质(例如卵磷脂)来说，调节位移装置的速度意味着可以限制阀门和其它密封处的流量损失。通过由流动阻力所造成的额外的压力下降，这样的介质的高流速对计量精度有不利影响。此外，如果阀门有更多的时间来打开和关闭的话，那么由于有限的速度，这一情况是有利的。这两种效果都能提高高粘度介质中的计量精度。为了达到这一效果，在整个计量工艺中，隔膜速度被限制在可以选择的最大值处。这一最大速度依赖于所要计量的实际介质的粘性，并且其形式为例如依赖于操作人员所选定或者是直接设置的数个预定值。上述位置传感器以及对位移装置的速度的调节可以用来确保所需的隔膜速度限制。

气穴现象保护

对于含有气体的介质(例如含氯漂白剂)来说，特别是在灌装行程时、而且在计量行程中，过高的流速会在狭窄点处由于蒸发压力的局部降低而造成气穴现象，这一压力降低是依赖于计量介质的化学组分及其温度，这就造成磨损增加。通过调节转速或仅仅设定为大大低于临界速流速一个值来限制速度，可以在压力行程以及灌装、即隔膜13的回程中避免气穴现象。由此，设定控制回路的速度要求、或者在最简单的情况下的电动机旋转速度，就可以将相应的隔膜速度限制在例如1mm/50ms。

对于灌装程序尤其可能发生气穴现象，因为在此处静压力特别低，因此在蒸发压力以下的压降安全区很小。为了改进该方法，在灌装时将隔膜速度限制在小于压力行程时所采用的速度是明智的。合理的值是在压力行程中为1mm/50ms，或者在灌装时为1mm/100ms，不过，其它值显然也是可以的。对于计量相位的各处理来说，重要的是位置传感器可以在任何时间确定隔膜的实际位置，从而可以可靠地确定灌装相位的开始。

电子行程长度调节

本发明允许省略用来调节行程长度的机械装置(调节装置7以及行程调节销8)。为此，以电子方式将所需的行程长度通知给控制装置，例如通过由操作人员输入。如果完成了所需的行程长度，隔膜13所到达的位置通过制动电动机2而停止，接着电动机反转以执行灌装相位。下一个行程可以通过沿相反的方向将电动机转过灌装死点而开始(压力相位反转，而灌装相位沿正常方向运行)，或者以与先前的行程相同的顺序进行；在第一种情况下，在各行程之间的电动机制动和开启程序可节省时间和能量。应该注意，方向的持续变化意味着固定于电动机轴的风扇不能有效地工作，所以在此情况下，使用外部驱动风扇对于电动机的冷却来说是重要且必须的。

慢速计量以避免浓度变化

对于要求与所处理的介质流良好混合的应用场合来说，要将计量介质尽可能均匀地分配进处理过程中。特定的应用场合还需要可以在很长的时间段内尽可能均匀地计量很小的量，从而生成几乎连续的计量。对于这些情况，在已有技术中采用电动机驱动计量泵，该计量泵具有例如步进电机和自锁齿轮。在这样的计量泵中，以减小的转速来完成一个完整的行程，或者将完整的行程分成几步进行，在这几步之间有中间停止时段，而在整个行程的结束处，进行完整(快速)的灌装相位，此后，以已经说明的方法继续计量工艺。

借助可调节运动的电动机驱动计量泵，可以分配由计量行程的循环频率所确定的可用时间，从而对向前的运动而言可以最大限度地利用灌装之后的剩余部分，以达到一个短的停止相位。这样，所要调节的速度是由所覆盖的路径(设定行程长度)和可用的时间来计算的。与已有技术的电动机计量泵相反，采用位置传感器36和调节装置意味着总是可以知道的连接杆19的位置可以给出凸轮驱动装置的即时角度，可将该角度结合在电动机转速中，从而补偿偏移装置的特性，当使用凸轮时，该特性是正弦曲线，同时，计量行程是具有相应恒定的计量介质分配的精确的直线运动。这一速度可以在一个非常宽泛的范围内，例如从1mm/min到1mm/s，或者超出这个范围。

以上所述用于部分与控制装置相结合的位置设定装置的应用显示出在例如整个行程和灌装过程中在连接杆上使用位置传感器可显示位移装置以及它可以监测的装置的实际位置。定位和监测意味着通过测量实际值，可以切实地符合依赖于可产生所述的优点的情况的控制参数。

位置传感器

如已经说明的，在所描述的实施例中的位置指示器的参考元件是推动臂20上用于检测位置的阴影提供边缘35，该边缘的阴影被投射到CCD(电耦合器件)单元32的行上。在本实例中详细描述的用来检测位置的有源传感器元件是在推动臂20上朝向计量头的一侧。光源33是LED，光接受器是带有CCD单元32的电子模块，在这里的情形中，该模块是安装在中间部件、即传感器载体31上的。将位置传感器36安装在传感器载体31上使得可以在生产过程中将其作为独立模块进行处理，并且可以离开最终的建造现场对它进行例如单独的预先组装和测试。另外，所说明的光盒型装置组成不接触、从而不磨损的传感器。

对于基本功能来说，将传感器定位在由推动臂20和连接杆19所形成的运动单元的区域中并不是重要的，该定位可以由诸如空间、组装的顺序等考虑因素确定。此外，这里所说明的固定安装的部件(光源33、接受器32)以及那些与连接杆一起运动的部件(阴影提供边缘35)可以交换功能。

在这个实例中，CCD单元32由估算单元控制，该估算单元包括微处理器并生成所需的控制信号。除了微处理器，估算单元还可由DSP(数字信号处理器)或离散技术生成。

任何元件都可以被用作光源33，只要它能产生足够窄的光斑即可。这一宽度与图7中的几何形状一起决定阴影区域SV(还是见图8)。

光源33还可由数个元件或由一个线光源组成，由此可产生阴影SV以满足特性的需求。一个实例是产生很高的亮度但不会影响运动方向上的清晰度。

CCD单元32是M个光接受器(在此称作像素)的线性排列，这些光接受器以数个μm的间距R排列成规则阵列。举例来说，在大约为8mm的总长上有间距为64μm的128个像素。

由估算单元生成的控制信号设定发光时间，在该发光时间内，各个CCD单元32的像素将入射光在CCD模块中的放大器中求积分并将其保存以用于后续处理。这一积分步骤不但在照明时段内进行，而且是在每一像素的感光表面上进行的。在照明之后，像素的亮度值作为来自CCD模块的模拟值由其它控制信号连续读取，并由估算单元获取。

照明以及对亮度值的读取是以最简单的情形交替进行。一些商用的CCD行结构还可以同时进行这两个步骤，其中它们存储经积分的照明测量值，并且立即清空积分器以用于下一个测量值。同时输出用于后续过程的、在照明相位处的测量结果可以提高测量速度。

图8中的图表显示出举例实例中，在受影响的像素区域中的实际阴影的经积分的亮度值H。在这个例子中，阴影区域SV从像素#60到#63。

作为一个简单的估算过程，将一个判定阈值H_v(在图8中由虚线示出)设定为例如最大亮度的一半，并且寻找阴影区域中亮度值H首先下降到阈值H_v以下的像素，在本实例中是像素#62。

在其它实施例中，亮度可以是相反的方向，从未照亮的到照亮的CCD单元，其像素号增加；这取决于光源33、CCD单元32和阴影提供体35这些元件的布置以及所采用的CCD单元32的内部结构。在这样的情况中，所要寻找的是亮度第一个超出阈值的像素。

在照明、读取和处理这三个相位之后生成位置值。这三个相位决定获得位置值的频率。测量分辨度是由几何关系A所校正的CCD单元的像素间距R，该间距是由各个元件之间的安装距离给出的。

对于比率A(见图9)：

A＝s’/s＝x₃/x₂

其中：

s＝阴影提供边缘的实际运动

s’＝阴影提供边缘在CCD平面上的投影运动

x₂＝光学阴影提供边缘和光源之间的距离

x₃＝CCD平面和光源之间的距离

这一过程通过计算像素来确定位置，因此这是一个数字化过程。与模拟过程相比，诸如模块灵敏度之类的线性参数的偏移和转换实际上对结果没有影响。如果为实际值确定比率A，则组装的变化也只有较小的影响。在x₃＝21mm、x₂＝20mm的实际实施例中，得到1.05的比率A的名义值，也就是说阴影提供边缘35所运动的特定距离可在CCD单元32平面中的阴影区域SV中产生1.05倍的变换。假定±0.3mm的组装变化x₃、即CCD单元32离开光源33的距离的可能变化，以及在上端处x₃＝21.3mm和x₂＝20mm的组装公差范围，这样，在此情况下比率A为1.065。这个实例中的比率变化为1.065/1.05＝1.014、或者是+1.4％。这一偏移可在例如生产中通过单次校准来消除。该线性几乎完全有芯片几何形状中的像素间距的精度所决定，且其偏移小得几乎没有。

虽然上述用来确定阴影提供边缘35位置进而隔膜13位置的方法已经给出了确切且为线性的位置值，但进行插值可以产生更加精确的位置分辨率。在这个拓宽的实施方案中，对像素亮度H的估算生成例如像素61和62之间的位置分辨率(见图10)，该分辨率比像素间距R更加精细，其中将像素的亮度值插入判定阈值的区域中。其目的是确定亮度图形与判定阈值H_v相交的位置，并赋予该相交根据虚拟位置刻度的值，在各像素中间，该值的x值与实际像素数量相对应。

为此，寻找判定阈值H_v的左边和右边的两个像素，并且确定离开该阈值的亮度值的距离ΔH。如图10或11中所示：

ΔH₁＝H₁-H_v

ΔH_r＝H_r-H_v

从两个相邻的像素(在这个例子中是像素#61和#62)各自的中心轴线计算得到的、为相交点处像素宽度的倍数的距离Δx与相交点左边的像素#61(左邻像素)的亮度距离ΔH呈以下关系：

Δx₁/(Δx₁+Δx_r)＝ΔH₁/(ΔH₁+ΔH_r)

当(Δx₁+Δx_r)＝1(一个像素宽度)时：

Δx₁＝ΔH₁/(ΔH₁+ΔH_r)

相对于所要寻找的相交点右边的像素#62(右邻像素)，存在以下关系：

Δx_r/(Δx₁+Δx_r)＝ΔH_r/(ΔH₁+ΔH_r)

当(Δx₁+Δx_r)＝1(一个像素宽度)时：

Δx_r＝ΔH_r/(ΔH₁+ΔH_r)

在这个实例中，相交点处的值为61.7。如果插值区域中的亮度为理想的直线，则这两种计算可产生相同的结果，并且在原则上可以进行两种计算中的一种。然而，两种计算都进行并将结果平均可以使误差最小，而该误差是由所考虑的过渡区域中并非精确直线的亮度图形或者测量的不精确所造成的，上述平均是人们所希望的。

在其它实施例中，未被照明和已被照明的CCD单元相交点的任意一侧的条件可以交换；在此情况下，左、右指示器可根据需要交换它们的功能，同时插值公式也要伴随改变。

另外，也可以采取其它的实施例，其中采用两个以上的像素的亮度值。然后，可通过进行多次计算并将数个结果平均而得到位置。在另一个可用的方案中，可以采用与此处的讨论不同的线性插值，或者是带有来自不是直接相邻的像素的数据的插值。

模块灵敏度之类的线性参数的偏移和变换只对插值区域中的结果有影响。由阴影提供边缘投射在CCD平面上的阴影清晰度而得到的阴影过渡区域中的亮度图形的斜率并不重要，因为插值在很大程度上并不受它影响，只有亮度图形的线性度对插值的精度有重要影响。

与上述方法无关，可以采用其它用来提高传感器性能的程序，该程序建立在已经说明的基本原理之上。下面说明这些程序：

利用过滤来提高抗干扰性

传感器的抗干扰性可以由过滤器来提高。可以对像素的亮度值和位置确定本身进行过滤。在第一种情况中，该程序借助亮度值进行操作，该亮度值是对数个像素或数个通过事件的平均，而在第二种情况中，将数个最初确定的位置结果收集在一起，推导出一个位置值，然后将该位置值用于进一步的处理。

补偿组装变化

在一个限定的相位中，例如在实际计量行程前的停止相位中，可以确定该相位的位置值并将该值存在一个参考存储器中。在主动运动相位中，对与先前所确定的参考值相关的位置值进行处理。该程序使得在生产中所发生的停止位置组装变化以及操作过程中(例如热膨胀)所产生的偏移得到自动补偿，从而提高精度。

补偿刻度误差

在另一个替换方式中，可以采用被称为参考位置的两个或多个已知位置来对位置传感器标定刻度。这可以在生产或测试程序中进行一次，或者在操作中重复进行。

在第一种情况中，参考位置是由外部设备提供的，例如间距位置或外部测量设备。从这些参考位置处所测量的位置值以及对参考位置的实际的位置了解，可以确定用来对位置传感器进行标定刻度的校正值，并且存储该校正值以用于进一步的处理。

在重复进行刻度确定的第二种情况中，例如机械缓冲器的已知位置或来自其它可用的设备的参考信号对于确定位置来说是必需的。如果隔膜在操作过程中位于这样的已知位置的话，则从这一定位得到的位置值可以生成用于对位置传感器进行标定刻度的校正值，并且可以存储该位置值以进行进一步的处理。

对感光参数的补偿

在另一个实施例中，使用完全照明的像素来作为照明强度的代表值。为此，可以采用例如合适的像素组来提供平均亮度。照明强度可用来控制照明，从而可以最优地利用可用的范围，举例来说，可以控制光源的亮度或接通时间，从而使完全照明的像素的照明强度略低于CCD模块的烧毁极限。对于每一次测量来说，利用先前所得到的比率来校正照明强度，从而消除因例如老化而引起的照明参数的变化。

对灰尘和像素偏移的补偿

在另一个实施例中，可以将传感器的机械结构构造成在一个限定的相位中、例如在执行实际计量行程的停止相位中，可以对整个像素范围或其大部分进行照明。一个可能的例子是例如采用面对隔膜的阴影提供边缘35用于估算，由此，在行程运动过程中，阴影提供边缘会扫过传感器并使在之前的静止位置时受到照明的CCD单元的一部分区域变暗。在这一相位中，对所有相关像素的亮度分别进行确定并存储到参考存储器中。单个像素的测量值从理想值的偏移可以由例如校正的形式得到补偿。在主动的运动相位中，每一像素的亮度首先得到校正，随后在每一次测量中利用先前所得到的参考值来进行校正。借助这一程序，可以补偿由制造工艺、并且在某种程度上由灰尘所造成的各个像素的灵敏度偏移，从而提高精度或操作可靠性。

自然，还可将CCD接受器布置成两排或更多排，从而利用增加数量来提高安全性以防因污染而造成的信号丢失，或者通过平均来提高测量精度。对于特别大的行程长度，可以结合两个或多个CCD行，从而拓宽单行的测量区域，使之超出单行的功能限制。

在实例中详细描述的电动机驱动计量泵可以在细节上有所变化，并且诸如电动机、齿轮、凸轮和其它结构细部之类的元件也可变化。然而，重要的是由驱动装置所产生的摆动运动可由位置传感器检测，其中位置传感器提供实际的信号，该信号与参考元件的位置成固定关系，从而与位移装置的也成固定关系，因此，利用这个值可以得到关于位移装置的运动的信息。

标号列表

1凸轮壳体

2电动机(异步电动机)

3壳体凸片

4支座板

5壳体盖

6壳体盖中的电子器件

7调节装置

8行程调节销

9盖子

10控制线

11齿轮(减速齿轮)

12计量头

13隔膜

14进口阀

15出口阀

16计量腔

17凸轮轴

18纵轴线

19连接杆

20推动臂

21凸轮撞击表面

22凸轮载体

23压缩弹簧(回复弹簧)

24支承板

25压缩弹簧套环

26支承板中的衬套

27行程调节销中的衬套

28电子壳体

29用于电动机驱动的动力设定

30隔膜中芯

31传感器载体

32接受器，CCD单元

33光源

34驱动电子器件

35作为参考元件的阴影提供边缘

36位置传感器

37微分器

38名义值设定

39名义值-实际值比较

40PID调节

41位置校正

42放大器

SV阴影图形

h亮区

d暗区

#58-#65CCD单元(像素)

H像素亮度

H_v比较阈值(VS)亮度

H₁亮度为VS的相交点左边像素(左手侧相邻像素)的亮度

ΔH₁左手侧相邻像素和比较阈值的亮度值之间的亮度差

H_r亮度为VS的相交点右边像素(右手侧相邻像素)的亮度

ΔH_r右手侧相邻像素和比较阈值的亮度值之间的亮度差

Δx₁亮度为VS的相交点的左手侧相邻像素位置分界中线

Δx_r亮度为VS的相交点的右手侧相邻像素位置分界中线

x₁阴影提供边缘和CCD平面之间的距离

x₂阴影提供边缘和光源之间的距离

x₃CCD平面和光源之间的距离

p₁操作压力p₁

p₂操作压力p₂

p₃操作压力p₃

p₄操作压力p₄

x_T1操作压力p₁下的静止区域

x_T2操作压力p₂下的静止区域

x_T3操作压力p₃下的静止区域

x_T4操作压力p₄下的静止区域

s阴影提供边缘的实际运动

s’阴影提供边缘的投影运动

D计量性能

HL机械行程长度

SG控制器输出

KSG校正的控制器输出值

MA(U，f)电动机驱动(压力，频率)

k1与位置相关的位置校正的因子

k2性能放大器的因子

k3速度信号偏移的因子

x_s位移装置的位置的名义值

x位移装置的位置的实际值

x_s1位移装置位置的受控的偏移

v_s位移装置速度的名义值

v₁位移装置速度的实际值

V_s1位移装置速度的受控的偏移

Claims (31)

1. 一种带有旋转驱动电动机和摆动活塞的计量泵，其中由传动装置将驱动电动机(2)的旋转运动转换成连接杆(19)的摆动，从而使由此致动的位移装置随着驱动电动机(2)的连续旋转而进行线性摆动，这样就在计量头(12)中传送所要计量的介质，该计量头沿连接杆(19)的纵轴线布置并与出口和进口阀交替配合，以产生泵送行程(压力行程)和灌装行程，其特征在于，参考元件(35)与连接杆(19)相关联，所述连接杆的位置由位置传感器(36)检测，其中位置传感器提供实际信号(x1)，该信号与参考元件的位置成固定关系，从而与位移装置的位置成固定关系，并且该信号还提供与位移装置所进行的运动相关的信息，从而使计量泵的电子控制系统可对计量回路和泵的操作条件做出反应。

2. 如权利要求1所述的计量泵，其特征在于，位置传感器(36)根据不接触原理来检测参考元件(35)的位置。

3. 如权利要求1所述的计量泵，其特征在于，与连接杆(19)和位置传感器(36)相关联的参考元件(35)在计量头的外侧。

4. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，参考元件(35)影响光源(33)和与之协作的位置传感器(36)的路径，该位置传感器固定在泵壳体或另一个静止部件上，以感光方式操作。

5. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，参考元件(35)是阴影生成体或阴影提供边缘，而与该参考元件协作、固定在泵壳体或另一个静止部件上的位置传感器(36)由光接受器(32)组成，所述光接受器的形式是一系列感光电耦合器件(CCD)。

6. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，位置传感器(36)被布置在它自身的传感器载体(31)上，该传感器载体固定于泵壳体或另一个静止部件上。

7. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，光源(33)、阴影生成体或阴影提供边缘(35)以及接受器(32)组成光盒型装置，将所测量到的值连续地或间歇地输送给电子控制系统。

8. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，位置传感器(36)的光接受器(32)由许多线性排列的接受器(32)组成，较佳地为128个像素。

9. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，光源(33)是发光二极管(LED)，该发光二极管相对于位置传感器(36)的光接受器(32)布置，从而使该发光二极管指向接受器的光束不被连接杆(19)所中断。

10. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，通过将多个像素的亮度值插入阴影过渡区域来生成位置传感器(36)的起始值。

11. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，当处理用于位置传感器(36)的信号时采取过滤。

12. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，通过参考存储器来消除位置传感器(36)的零位误差。

13. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，通过采用一个或多个参考位置来消除位置传感器(36)的刻度误差。

14. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，通过利用所获得的像素亮度值来控制或调节光源(33)，以补偿位置传感器(36)照明的变化。

15. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，通过使用用于每个像素的灵敏度的参考传感器来补偿光接受器(32)的各像素之间的亮度变化。

16. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，通过在计量过程中进行测量，从而直接由位置传感器(36)来确定行程调节装置(7)应该调整的值。

17. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，通过估算用于位置传感器(36)的信号，电子控制系统认识到位移装置中的阻塞或行程没有完全完成。

18. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，驱动电动机(2)操作时有滑移，此时采用的是例如异步电动机，同时，电子控制系统依据驱动电动机的名义旋转速度和已知的传动装置特性为位移装置限定名义行程频率或名义行程周期，并且还通过估算位置传感器(36)的信号来确定位移装置的实际行程频率或实际行程周期，其中，通过将位移装置的实际行程频率与名义行程频率相比较、或者将实际行程周期与名义行程周期相比较，可以计算驱动电动机的滑移，并可改变名义旋转速度，从而最终使位移装置以所需的行程频率运动。

19. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，驱动电动机(2)操作时有滑移，此时采用的是例如异步电动机，同时，电子控制系统依据驱动电动机的名义旋转速度和已知的传动装置特性为位移装置限定名义行程频率或名义行程周期，并且还通过估算位置传感器(36)的信号来确定位移装置的实际行程频率或实际行程周期，其中，通过将位移装置的实际行程频率与名义行程频率相比较、或者将实际行程周期与名义行程周期相比较，可以计算驱动电动机的滑移，并且电子控制系统可以通过所确定的驱动电动机滑移以及已知的传动装置特性确定作用在位移装置上的力，从而减小计量介质的操作压力。

20. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，驱动电动机(2)操作时有滑移，此时采用的是例如异步电动机，同时，电子控制系统依据驱动电动机的名义旋转速度和已知的传动装置特性在计量过程中的每一瞬时为位移装置确定名义速度，并且还通过估算位置传感器(36)的信号来确定位移装置的实际速度，其中，通过将位移装置的实际即时速度与名义速度比较，可以计算驱动电动机的即时滑移，并且还是与已知的传动装置相关联，可以推导出位移装置中的瞬时力。

21. 如权利要求20所述的计量泵，其特征在于，电子控制系统利用观测到的位移装置上的作用力图形来降低计量介质的操作压力。

22. 如权利要求19或21所述的计量泵，其特征在于，电子控制系统通过所确定的计量介质操作压力来认识到操作超出特定的压力范围，并且在超出计量泵的说明书所指出的或操作人员所设定的最大允许压力时、或者在没有达到预定的最小压力时调节计量。

23. 如权利要求19或21所述的计量泵，其特征在于，位移装置是部分弹性的隔膜(13)，其中，电子控制系统通过所确定的计量介质操作压力和已知的计量性能与操作压力的关系来确定预期的计量误差，并影响驱动电动机(2)的旋转速度，进而影响行程频率，以对抗预期的计量误差。

24. 如以上一项或多项权利要求所述的计量泵，其特征在于，将从位置传感器(36)读取的关于连接杆(19)位置的信号(x₁)在控制回路的控制精度范围内传送给控制回路并影响驱动电动机(2)的旋转速度，从而影响连接杆以及位移装置的线性运动，从而符合预定的名义图形(38)。

25. 如权利要求24所述的计量泵，其特征在于，控制装置通过改变驱动电动机(2)的旋转速度来交替地影响位移装置的位置(以下用x₁表示)、速度(以下用v₁表示)或加速度。

26. 如权利要求24所述的计量泵，其特征在于，控制装置可有意地在灌装相位和/或在压力相位中降低位移装置的v₁，从而抵消由流动阻力所引起的压降，例如气穴现象的产生。

27. 如权利要求24所述的计量泵，其特征在于，由操作人员将所需的行程长度传送给控制装置，控制装置用来以电子方式将位移装置的运动限制在所要执行的行程长度内，其中，控制装置在完成了所需的行程长度之后将驱动电动机(2)停止，将它切换成反转，随后进行灌装行程，然后电动机停止或进行下一个压力行程。

28. 如权利要求24所述的计量泵，其特征在于，在压力相位过程中，控制装置通过驱动驱动电动机(2)一段时间来分配位移装置的向前运动，这段时间是由计量行程的循环率所决定的，从而即使在计量行程很慢的情况下、例如几分钟也能尽可能均匀地配送计量介质。

29. 如权利要求20所述的计量泵，其特征在于，位移装置部分地为弹性隔膜(13)的形式，电子控制系统通过作用在隔膜(13)上的瞬时的力来检测出口阀(15)的开启，并且在所述观测的帮助下测量由于隔膜(13)的弹性变形而引起的静止区域。

30. 如权利要求29所述的计量泵，其特征在于，实际行程不受所推导出的隔膜变形的影响，其中，在达到所需的行程长度之后，控制装置通过出口阀(15)的开启而停止驱动电动机(2)，将电动机切换成反转，然后进行灌装行程，再后停止电动机或进行下一个压力行程，从而消除由隔膜变形(相对于行程或所计量的体积)所引起的误差，并且大大减小计量的量对背压的依赖性。

31. 如权利要求29所述的计量泵，其特征在于，实际中心频率不受所推导出的隔膜变形的影响，其中，控制装置确定对由隔膜变形(相对于行程或所计量的体积)所引起的误差的校正，并在所述校正的帮助下改变驱动电动机(2)的名义旋转速度，从而消除隔膜变形所引起的误差。

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