CZ75893A3

CZ75893A3 - Automatic control system for diaphragm pumps

Info

Publication number: CZ75893A3
Application number: CZ93758A
Authority: CZ
Inventors: Russell Ing Schumack
Original assignee: Dorr Oliver Inc
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1993-11-17
Also published as: CN1079030A; CA2089352A1; US5252041A; NO931564D0; MA22874A1; EP0568176A1; KR930021947A; HUT69550A; ZA931443B; RU2086806C1; FI931921A0; NO931564L; JPH0642463A; BR9301683A; HU9300396D0; TNSN93050A1; FI931921A

Description

Oblast techniky

Vynález se týká řídícího systému a způsobu jeho provozování pro řízení a aplikaci tlaku membránového čerpadla- Systém automaticky a kontinuálně upravuje tlak pro ovládání membrány uvnitř membránového čerpadla a tak udržuje konstantní tok membránovým čerpadlem.

Dosavadní stav techniky

Dřívější konvenční systémy používané v průmyslu pro řízení membránových čerpadel vyžadují ruční nastavování regulátoru. V důsledku toho musí být regulátor po změně odtokových podmínek ručně nastaven obsluhou.

Je zřejmé, že selhání lidské obsluhy při ručním nastavování membránového čerpadla povede k jeho neefektivnímu provozu. Např.: pokud bude regulátor nastaven příliš nízko, vzhledem k odtokovým podmínkám, bude použit neúplný zdvih a tedy výsledkem bude nízký průtok. Naopak pokud bude nastaven regulátor příliš vysoko, pak může být čerpadlo při těchto odtokových podmínkách zničeno. Okamžitý řídící systém překonává tyto nedostatky automatickým a kontinuálním nastavováním tlaku, což vede ke vhodným provozním podmínkám a umožňuje vyloučení lidského operátora pro monitorování a manuální nastavování tlakového regulátoru. Řídící sestava a s ní pracující membránové čerpadlo nalézají zvláštní použití při plnění určitého objemu, kdy tlak stoupá s naplněním tohoto prostoru. Exemplárním příkladem může být požití čerpadla u deskových filtrů a u rámových kalolisů, přestože několik dalších aplikací je nasnadě.

US patenty č. 4,705,462 a 5,076,890 přiznané autorovi Balembois a přenesené na přihlašovatele tohoto vynálezu jsou ilustrací známých metod používaných při řízení čerpacích vlastností kapalinového membránového čerpadla. Balembois v US Pat. 4,705,462 používá snímací zařízení, které je určeno k řízení funkčních parametrů membránového čerpadla. Například řídí toto uspořádání počátek a trvání aplikace tlaku tekutiny, výstupní čas a celkovou dobu trvání cyklu. Balembois v US Pat. 5,076,890 předkládá zlepšení

-28902 svého předchozího patentu 4,705,462. Navíc k tomu, že snímá dobu cyklu membránového čerpadla, aparatura měří objemový průtok a upravuje dobu cyklu, aby se předešlo všem odchylkám od nastaveného objemového průtoku.

Použití řídícího systému v umělém krevním okruhu je popsáno autorem Bosio v US Pat. 4,212,589. Zařízení zahrnuje čerpadlo, u kterého kapalina procházejí tubulárním členem. Hnací tlak kapaliny je automaticky řízen podle otevírání a zavírání časovacího vypínače. Ten je ovládán snímačem, který sleduje deformaci tubulárního členu při působení tlaku kapaliny. Čidlo ovládá vypínač tak, aby se uzavřel obvod optického signálního zařízení dosáhne-li deformace tubulárnl membrány hodnoty předem nastavené.

Autor Henkel a ost. v US Pat. 4,966,528 popisuje zařízení pro řízení hydraulického okruhu pístového membránového čerpadla. Zařízení obsahuje čidlo pro měření délky zdvihu membrány a pro generování signálu odpovídajícímu délce zdvihu, který je pak přenášen do ovládacího zařízení. Ovládací zařízení potom srovnává tento signál délky zdvihu s předem určenou hodnotou zdvihu. Pokud signál délky zdvihu se odchyluje od předem nastavené hodnoty velikosti zdvihu, pak množství hydraulického media za jednotku času je příslušně upraveno.

Autor Forsythe a ost. v US patentu 4,856,969 popisuje membránové čerpadlo, které má časovač pro řízení doby cyklu membránového čerpadla a nastavitelný tlakový regulátor. Podobně Rupp (US Pat. 3,814,548) a Mandroian (US Pat. 4,265,600) popisují membránové čerpadlo s regulačními výbavami.

Podstata vynálezu

Metoda a zařízení podle tohoto vynálezu se týká řídícího systému, který automaticky a kontinuálně reguluje tlak tekutiny pro pohánění membránového čerpadla, aby řídil odtokový čas čerpadla. Řídící systém využívá programovatelný logický regulátor, který ovládá integrálně celý regulační systém. Doba cyklu a výtoku z membránového čerpadla jsou primární parametry, se kterými pracuje programovatelný logický regulátor řídící celý systém. Bezdotykové koncové spínače reagující na přiblížení spouštěcích prvků umístěné v určitých vzdálenostech měří doby cyklu a výtoku. Tyto spínače jsou spouštěny blízkostí spouštěcího prvku, který je připevněn k tyčce mechanicky spojené s membránou. Jimi získaná informace je

-38902 přenášena do programovatelného logického regulátoru, který srovnává skutečný výtokový čas s požadovaným výtokovým časem. Podle odchylky od požadovaného výtokového času nastavuje programovatelný logický regulátor tlakový regulátor, který řídí tlak poháněči tekutiny na membránu. Řídící systém soustavně sleduje membránové čerpadlo tak, aby bylo na membránu automaticky působeno potřebným tlakem a tím se zajistil nanejvýš účinný způsob práce čerpadla.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 schematicky znázorňuje řídící systém zkonstruovaný v souhlase s principy tohoto vynálezu, který ovládá práci membránového čerpadla.

Příklad provedení vynálezu

Obr. 1 ukazuje schematicky řídící systém 100 ve spojení s membránovým čerpadlem 10. Membránové čerpadlo je složeno z těla čerpadla 20 a pružné membrány 30, která odděluje těleso čerpadla od čerpací komory 22 a ovládací komory 24. Těleso čerpadla 20 je zkonstruováno se dvěma kryty, horním 26 a spodním 28.. V důsledku toho je čerpací komora 22 prostor mezi membránou 30 a vnitřní stěnou 29 spodního tělesa čerpadla 28., zatímco ovládací komora 24. je prostor mezi membránou 30 a vnitřní stěnou 27 horního krytu 26.

Čerpací komora 22 je spojena s kanálem 40 přepravujícím tekutinu, který má vstup 42 a výstup 44. Zpětný vstupní ventil 46. poblíž vstupního otvoru kanálu 42 a výstupní zpětný ventil 48. který je poblíž výstupního konce 44 kanálu 40, zajišťují správnou funkci membránového čerpadla.

Přivádění tlakového vzduchu do ovládací komory čerpadla způsobuje pohyb membrány 30. Tlak vzduchu způsobuje čerpání tekutiny, která procházejí kanálem 40. membránou 30. Vzduchový ventil 110, který je ovládán solenoidem 115, řídí tok tlakového vzduchu¹. Solenoid 115 je aktivován elektrickým signálem přenášeným kabelem 116 z programovatelného logického regulátoru 120.

Tlakový vzduch je s výhodou ošetřen průchodem vzduchovým filtrem 125. Z něho je filtrovaný vzduch přiváděn nepřímo řízeným

-48902 tlakovým regulátorem 130 do vzduchového ventilu 110 a nakonec do ovládací komory čerpadla 24.. Je nutné zmínit, že tlakový vzduch je přenášen, z filtru 125 do nepřímo řízeného tlakového regulátoru vedením 162. tlakový vzduch je dále přiváděn z tlakového regulátoru 130 do vzduchového ventilu 110 vedením 164 a z vzduchového ventilu 110 do ovládací komory 24 čerpadla vedením 166. Programovatelný logický regulátor 120 řídí tlak vzduchu, který prochází nepřímo řízeným regulátorem tlaku vzduchu 130. Je li třeba zvýšit tlak, regulátor 120 pošle kabelem 141 signál digitálně řízenému solenoidu 135. který otvírá dálkově řízený ventil 140. aby umožnil tok vzduchu ze vstupního ventilového členu 142 do výstupního členu 143. Toto zvyšuje tlakový signál nepřímo řízeného regulátoru 130. což zvyšuje tlak dodávaný do ovládací komory čerpadla 24. A naopak je li třeba nižší hodnota tlaku, regulátor 120 odešle signál kabelem 141a do digitálně řízeného solenoidu 135a. který aktivuje dálkově ovládaný ventil 140. aby umožnil průchod tlakového vzduchu z výstupního členu 143 do atmosférického členu 144. To snižuje tlakový signál pro nepřímo řízený regulátor 130 a snižuje tlak v ovládací komoře 24. Pokud signál odeslaný programovatelným logickým regulátorem 120 vyvolá nepřijatelně vysoký tlak, tlakový spínač 145 je aktivován signálem poslaným kabelem 146. Tento signál zabrání jakémukoliv dalšímu zvyšování tlaku.

Programovatelný logický regulátor 120 určuje nutnost zvýšení nebo případného snížení tlaku v ovládací komoře membránového čerpadla na základě měření výtokového času membránového čerpadla a srovnáním této hodnoty s hodnotou předem nastavenou. Tyčka 35. která je upevněna na membráně čerpadla, prochází centrálním otvorem 36 ve vlku čerpadla 26 a tedy prochází také ovládací komorou membránového Čerpadla 24. Musí být řečeno, že pouze malá část tyčky je uzavřena uvnitř tělesa čerpadla, a že větší část vystupuje z tělesa 20. Tyčka 35 je připojena k membráně 30. takže při pohybu membrány při čerpání tekutiny dopravním kanálem 40 se pohybuje nahoru a dolů podle pohybu membrány 30. Přiblížení spouštěcího prvku bezdotykového spínače 152 na této tyčce k bezdotykovému snímači polohy 154 a následně ke snímači 156 umožňuje měření výtokového času membránového čerpadla 10; Spínače posílají tuto informaci programovatelnému logickému regulátoru 120. Signál způsobený horním bezdotykovým snímačem 154 je přenášen do regulátoru 120 kabelem 155, zatímco spodní snímač posílá signál

-58902 kabelem 157. Při provozu indikuje signál z horního bezdotykového snímače 154 okamžik dosažení počáteční polohy a signál z dolního bezdotykového snímače této tyčky zachytí okamžik dosažení konečné polohy. Tato informace je poslána do programovatelného logického regulátoru 120 , který spočte výtokový čas a pošle příslušný signál solenoidu vzduchového ventilu 115 a nepřímo řízenému tlakovému regulátoru 130. Musí být řečeno, že ačkoliv bezdotykové snímače popsané výše jsou součástí preferované realizace, mohou být nahrazeny fotoelektrickými snímači nebo jakýmkoliv vhodným sensorem. Navíc spouštěcí element 152 tohoto bezdotykového spínače může být píst vzduchového válce, kroužek upevněný na této tyčce nebo jakékoliv podobné zařízení.

Pracovní postup

Před spuštěním čerpadla 10 je zavedena požadovaná doba cyklu a výtokový čas do programovatelného logického regulátoru 120. Doba cyklu je doba potřebná pro úplný cyklus čerpadla a je sledována při provozu čerpadla cyklovacím časovačem² uvnitř regulátoru. Výtokový čas je doba potřebná k tomu, aby membrána 30 se dostala ze své počáteční (horní) polohy do požadované konečné (dolní) polohy³.

Cyklus čerpadla se skládá z výtokové a plnící fáze. Výtoková doba začíná, když je membrána ve své počáteční horní poloze neboli téměř u krytu 26 čerpadla. V tomto okamžiku je tekutina, která má být čerpána, umístěna v komoře čerpadla 22 a vzduch, který má okolní, atmosférický, tlak, je v ovládací komoře 24.. Výtlak začíná, když vzduchový ventil 110 se otevře a tlakový vzduch může proudit do ovládací komory 24.. Vzduch stlačuje membránu 30 dolů, čímž vytlačuje tekutinu z čerpací komory 22 do kanálu 40. Protože vstupní zpětný ventil 46 je orientován tak, že nedovolí tekutině, aby procházela vstupem 42 je tekutina vytlačena výstupním zpětným ventilem 48 tak orientovaným. Pokud je výtlak ukončen, pak vzduchový ventil 110 se uzavře, aby umožnil uniknout stlačenému vzduchu v komoře 24., a tak snížil tlak na atmosférický. Musí být řečeno, že vzduchový ventil 110 je otevřen do atmosféry. V klidovém stavu je tento ventil uzavřený⁴. V otevřeném stavu může proudit vzduch z vedení 164 do vedení 166. V jeho klidové uzavřeném stavu může proudit vzduch z vedení 166 do atmosféry. Plnící doba membránového čerpadla 10 začíná tím, že membrána 30 se vrací do své

-68902 horní úvrati (nahoře). V této době membrána nasává tekutinu vstupním zpětným ventilem 46 do pracovní komory 22 čerpadla. Když membrána 30 dosáhne horní úvrati u horního nebo téměř u horního víka 26 je pracovní komora 22 čerpadla naplněna, plnící doba je ukončena a membránové čerpadlo 10 je schopno začít nový cyklus. Avšak příští výtlak kapaliny nezačne, pokud programovatelný logický regulátor nezjistí, že předem nastavená doba cyklu byla již dosažena. Mělo by se také poznamenat, že návrat membrány 30 do její horní polohy může být umožněn buď stlačenou pružinou nebo vzduchovým válcem. V některých aplikacích však není nutné žádné další přídavné zařízení.

Na začátku cyklu čerpadla spouští operaci cyklovací časovač a výtok začíná, když solenoid 115 je aktivován programovatelným logickým regulátorem 120 a ventil 110 je otevřen. Cyklovací časovač spouští operaci, když horní bezdotykový spínač 154 sejme blízkost spouštěcího prvku 152 v jeho horní počáteční poloze. Mělo by být poznamenáno, že pohyb spouštěcího prvku 152 bezdotykového snímače je indikací pohybu membrány 30 směrem dolů, protože spouštěcí prvek a membrána jsou spojeny tyčí 35.

Otevření vzduchového ventilu 110 dovoluje natlakované tekutině⁵ naplnit ovládací komoru 24 čerpadla as vyvolat výtokový pohyb membrány 30. Vzduchový ventil 110 zůstává otevřený pokud membrána nedosáhne své dolní úvrati, kde spouštěcí element bezdotykového spínače 152 aktivuje bezdotykový spínač 156 a ten pošle signál programovatelnému logickému regulátoru 120. aby deaktivoval solenoid 115 a tak uzavřel vzduchový ventil 110. Pokud membrána 30 nedosáhne dolní úvrati po určitém čase, deaktivuje programovatelný regulátor 120 solenoid 115, který uzavře vzduchový ventil 110.

V tomto bodě programovatelný logický regulátor 120 určí čas, který potřeboval spouštěcí element 152 bezdotykových spínačů k cestě mezi horním bezdotykovým spínačem 154 a dolním bezdotykovým spínačem 156. Tento čas je skutečným časem výtoku pro membránové čerpadlo a programovatelný logický regulátor 120 jej srovná s požadovaným výstupním Časem, který byl předem vložen do programovaného logického regulátoru 120.

Pokud je skutečný výtokový čas větší než požadovaný výtokový čas, potom musí být zvýšen nastavený tlak na nepřímo řízeném regulátoru 130 a programovatelný logický regulátor 120 odešle

-Ί8902 signál digitálně řízenému solenoidu 135. aby zvýšil nastavenou hodnotu tlaku na nepřímo řízeném regulátoru 130. A naopak pokud je skutečný výtokový čas kratší než požadovaný výtokový čas, potom programovatelný logický regulátor 120 odešle signál digitálně řízenému solenoidu 135a. aby snížil nastavenou hodnotu tlaku na nepřímo řízeném regulátoru 130.

Potom co vzduchový ventil 110 se uzavře, začíná plnící doba. Když je plnící doba skončena, zůstane membrána 30 ve své výchozí poloze dokud cyklovací časovač nezjistí, že uplynula předem nastavená požadovaná doba cyklu. Když je dosaženo požadované doby cyklu, opakuje se čerpadlový cyklus. Mělo by být poznamenáno, že vnějším signálem může regulátor ukončit čerpání kdykoliv. Pokud tlak dosahuje příliš vysoké hodnoty, může být použit k ukončení čerpání tlakový spínač 145.

re 8902 ro

Ό' co co

-8PATENTOVÉ

Claims

PATENTOVÉ

1. Řídící systém pro tekutinou které je složeno z:

• membránového čerpadla včetně jeho skříně a membrány, která rozděluje tuto skříň na čerpací a ovládací komoru;

• zdroj tlakové tekutiny, který je propojen s ovládací komorou čerpadla, aby bylo možné zavést tlakovou tekutinu do ovládací komory čerpadla a tak tlačit membránu z její počáteční polohy do konečné;

• dávkovači ventil pro řízení vstupu tlakové tekutiny do ovládací komory čerpadla;

• regulátor tlaku pro omezení tlaku tekutiny;

• sledovače zdvihu pro sledování pohybu membrány mezi výchozí a konečnou polohou;

• ústřední řídící zařízení pro koordinaci činnosti zmíněného ventilu a zmíněného tlakového regulátoru v závislosti na signálech obdržených od zmíněných sledovačů zdvihu, přičemž toto ústřední řídící zařízení upravuje nastavení⁶ tlakového regulátoru v závislosti na změnách výtokového času čerpadla.
2. Řídící systém podle bodu 1. vyznačující se tím, že sledovače zdvihu se skládají z:

• spouštěcí tyčky, která prochází otvorem ovládací komory čerpadla a je spojena s membránou;

• spouštěcího prvku bezdotykového spínače upevněného na této tyčce;

• horního bezdotykového spínače, který je ve spojení s ústředním řídícím zařízením, přičemž zmíněný horní bezdotykový spínač je aktivován spouštěcím prvkem, když membrána je ve své počáteční poloze;

• dolního bezdotykového spínače, který je ve spojení s ústředním řídícím zařízením, přičemž zmíněný dolní bezdotykový spínač je aktivován spouštěcím prvkem, když membrána je ve své konečné poloze;

přičemž výtokový čas čerpadla je měřen zmíněným ústředním řídícím zařízením, když spouštěcí prvek bezdotykových spínačů se přesune ze své výchozí do své konečné polohy.

N;A R 7ΘΑΚ Y t ! -τ o !

i í

M M” *'· — poháněné membránové čerpadlo,

-98902
3. Řídící systém podle bodu 1. vyznačující se tím, že centrální řídící zařízení uchovává požadovaný výtokový čas a pokud výtokový čas je delší než požadovaný, zvyšuje ústřední řídicí zařízení nastavení tlaku pro regulátor tlaku.⁷
4. Řídící systém podle bodu 1. vyznačující se tím, že centrální řídící zařízení uchovává požadovaný výtokový čas a pokud výtokový čas je kratší než požadovaný, snižuje ústřední řídící zařízení nastavení tlaku pro regulátor tlaku.⁸
5. Řídící systém podle bodu 1. vyznačující se tím, že centrální řídící zařízení obsahuje cyklovací časovač, který zahajuje cyklus čerpadla tak, že centrální kontrolní zařízení otevírá dávkovači ventil, který dovoluje natlakované tekutině, aby plnila ovládací komoru čerpadla.
6. Řídící systém podle bodu 2, vyznačující se tím, že dávkovači ventil je uzavřen, když spodní bezdotykový spínač zareaguje na spouštěcí prvek.
7. Metoda pro řízení tekutinou poháněného membránového čerpadla, jehož čerpací cyklus zahrnuje doby výtlaku a plnění skládající se z těchto kroků:

a) nastavení požadované doby výtoku a počátečního tlaku tekutiny pro membránové čerpadlo

b) počátek výtokové fáze membránového čerpadla

c) měření skutečného výtlaku

d) srovnání skutečné doby výtlaku s požadovanou dobou výtlaku; a

e) nastavení tlaku tekutiny tak, aby čas potřebný pro výtlak v následující době byl roven požadované době výtlaku.
8. Postup podle bodu 7. dále obsahující kroky nastavení požadované doby cykly a opakovaní kroků a) až e) v každém cyklu.
9. Řídící systém uzpůsobený pro použití s tekutinou poháněným čerpadlem, zahrnující membránové čerpadlo včetně jeho skříně, membránu rozdělující skříň na dvě komory, pracovní a ovládací, vyznačující se tím, že systém obsahuje:

-108902 tlakovaný zdroj tekutiny přizpůsobený pro napájení ovládací komory čerpadla tak, aby stlačoval membránu z její výchozí polohy do konečné;

dávkovači ventil uzpůsobený pro řízení vtoku tlakové tekutiny do ovládací komory čerpadla regulátor tlaku pro omezení tlaku tekutiny; zařízení pro sledovaní zdvihu ke sledování polohy membrány mezi počáteční a konečnou polohou; ústřední řídicí zařízení pro koordinaci práce zmíněného ventilu a zmíněného regulátoru tlaku v závislosti na signálech obdržených od zmíněného zařízení na sledováni zdvihu vyznačující se tím, že ústřední řídící zařízení nastavuje regulátor tlaku v závislosti na odchylkách výtokové doby čerpadla.