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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine sich hin- und herbewegende Pumpe, die eine im wesentlichen pulsationsfreie Abgabe einer Flüssigkeit erreicht. Die Pumpe eignet sich insbesondere zur Versorgung mit Flüssigkeiten, die in Geräten der chromatographischen Analyse verwendet werden, wobei eine pulsationsfreie Strömung bei geringen Strömungsdurchsätzen erforderlich ist, um eine hohe Empfindlichkeit des Instruments zu erreichen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Reduzieren von Druckpulsationen einer Pumpe. Zu diesem Zweck wird ein Antriebsmotor beschleunigt oder ververlangsamt, in Abhängigkeit davon, wo sich die Pumpe in dem Pumpzyklus befindet. Als Ergebnis hiervon wird eine pulsationsfreie Abgabe erreicht.
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Pulsationsfreie, sich hin- und herbewegende Pumpen mit konstantem Volumen bzw. Verdrängungspumpen sind im allgemeinen bekannt und bspw. in den
US-Patentschriften US 3,861,029 A ,
US 4,028,018 A ,
US 4,687,426 A und
US 4,556,371 A beschrieben. Eine Kolbenpumpe, bei der ein Spulenventil zur Steuerung der Flüssigkeitsabgabe von den Kolben verwendet wird, ist in ähnlicher Weise in dem europäischen Patent
EP 0 172 780 A2 beschrieben.
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Die pulsationsfreie Abgabe einer Flüssigkeit ist im einzelnen in dem
US-Patent 4,359,312 A beschrieben, in dem eine sich hin- und herbewegende Kolbenpumpe beschrieben ist, wobei zwei Kolben auf der Abgabeseite parallel miteinander verbunden sind. Einer der beiden Kolben saugt Flüssigkeit ein, während der andere Flüssigkeit abgibt. Die Kolben werden durch einen Nockenkörper gesteuert, der seinerseits durch ein Computerprogramm betätigt wird, um die Kompressibilität der Flüssigkeit in der Pumpe auszugleichen. Die Drehzahl des Nockenkörpers wird variiert, um die Kompressibilität der Flüssigkeit in der Pumpe auszugleichen, so daß eine konstante Pumpabgabe erreicht wird.
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Das
US-Patent 2,020,377 A beschreibt eine Doppelkolbenpumpe, bei der eine nicht pulsierende Flüssigkeitsabgabe durch Überlappen der Leistungshübe eines jeden Kolbens in der Pumpe erreicht wird, wobei die volumetrische Verdrängung der Pumpe je Zyklus gesteuert wird. Die gemeinsame Abgabe der beiden Kolben je Zeiteinheit ist im Wesentlichen konstant bzw. nicht fluktuierend.
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Alle Pumpen, die in den vorstehend genannten Patentschriften beschrieben sind, sind relativ groß und eignen sich nicht gut zum Pumpen und Abgeben sehr kleiner Flüssigkeitsmengen, was zur Versorgung von Analysegeräten erforderlich ist. Die bekannten Pumpen sind insbesondere ungeeignet zur Anordnung in einer kompakten Pumpenbaugruppe. Manche der bekannten Pumpen weisen ferner den Nachteil auf, daß sie komplizierte Computerprogramme und automatisierte Steuermechanismen benötigen, um eine konstante Pumpenabgabe zu erreichen. Weiterhin weisen bekannte Kolbenpumpen häufig erhebliche Druckschwankungen auf.
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Es besteht daher eine Notwendigkeit nach einem verbesserten System und einer Vorrichtung zum pulsationsfreien Betreiben einer Kolbenpumpe.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung bereitzustellen, welche das pulsationsfreie Betreiben einer Kolbenpumpe verbessert.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modulieren der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl, um einen pulsationsfreien Betrieb einer Pumpe zu erreichen. Zu diesem Zweck umfaßt das Verfahren in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schritte: Bereitstellen einer Eingabe, um einen Abgabedurchsatz festzulegen; Bereitstellen einer Tabelle, um zu bestimmen, wieviel Zeit vergeht, bevor zum nächsten Abgabeschritt gegangen wird; Laden eines Zeitgebers auf der Grundlage von Daten aus der Tabelle; und Antreiben bzw. Bewegen eines Schrittmotors um einen Schritt bei Überlauf des Zeitgebers bzw. der Zähleinrichtung.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Motor während der Schritte, bei denen ein niedriger Strömungsdurchsatz von der Pumpe erwartet wird, schneller schrittweise bewegt wird, und während solcher Schritte, bei denen ein größerer Strömungsdurchsatz erwartet wird, der Motor langsamer schrittweise bewegt wird.
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Zusätzlich erfaßt ein Sensor einen Magneten, der an einem an der Motorwelle befestigten Nocken angebracht ist. Der Sensor gibt bei jeder Umdrehung (400 Schritte je Umdrehung) ein Signal ab, um dem Mikroprozessor zu signalisieren, wo sich die Pumpe in ihrem Abgabezyklus befindet. Der Sensor ist nicht unbedingt erforderlich, ist aber nützlich, um fehlerhafte Zustände zu erfassen und um die Tabelle des Mikroprozessors mit dem Abgabezyklus der Pumpe zu synchronisieren.
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Demgemäß ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine unmittelbare Eingabe eines gewünschten Abgabedurchsatzes durch einen Benutzer möglich, und zwar unter Verwendung von Tasten bzw. Knöpfen und einer Flüssigkristallanzeige. Der Benutzer gibt den gewünschten Abgabedurchsatz ein und startet die Pumpe. Der Mikroprozessor berechnet eine Tabelle von Verzögerungszeiten auf der Grundlage einer trigonometrischen Formel und dem eingegebenen gewünschten Abgabedurchsatz. Der Benutzer muß dann die Pumpe in Betrieb setzen und anhalten. Die Pumpe kann allerdings auch durch andere Einrichtungen gestartet und angehalten werden, bspw. durch einen Zeitgeber oder ähnliches. Der Mikroprozessor lädt einen Zeitgeber vorab mit einem Wert aus der berechneten Tabelle. Wenn der Zeitgeber des Mikroprozessors einen Overflow aufweist bzw. das Ende seiner Zählung erreicht hat, bewegt der Mikroprozessor den Schrittmotor um einen Schritt vorwärts. Der nächste Wert in der Tabelle wird dann vorab in den Zeitgeber geladen.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform stellt somit eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, das bzw. die eine unmittelbare Schnittstelle zu einem menschlichen Benutzer ermöglicht, einen genaueren Abgabedurchsatz sowie ein relativ komplexes und flexibles System auf der Grundlage eines Mikroprozessors.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden externe Steuerungssignale dazu verwendet, eine Rechteckwelle zu erzeugen, die in den Mikroprozessor eingespeist wird. Entweder ein Signal von 4 bis 20 Milliampère oder ein Signal von 0 bis 5 Volt wird in einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) eingespeist. Das Ausgangssignal des VCO oder alternativ eine extern erzeugte Rechteckspannung wird dann in den Mikroprozessor eingespeist. Die Frequenz der Rechteckwelle bzw. -schwingung ist proportional zum Abgabedurchsatz der Pumpe. Der Mikroprozessor lädt einen Zähler vorab mit einem Wert aus einer permanent gültigen, sich nicht verändernden Tabelle. Der Zähler zählt die Anzahl von Zyklen der Rechteckschwingung, bis der Zähler einen Überlauf aufweist bzw. das Ende der Zählung erreicht hat. Nachdem der Zähler den Überlauf erreicht hat, bewegt der Mikroprozessor den Schrittmotor um einen Schritt vorwärts. Anschließend wird der nächste Wert der Tabelle vorab in den Zähler geladen. Anders als bei der ersten Ausführungsform, bei der ein Zeitgeber eingesetzt ist, existiert hierbei keine bestimmte Zeit, innerhalb der der Zähler einen Überlauf erreicht.
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Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird demgemäß in vorteilhafter Weise ein Zähler verwendet, der ermöglicht, daß die Tabelle permanent bzw. unverändert ist. Da keine Verbindung zu bestimmten Zeiten bzw. Zeitdauern besteht, kann der Abgabedurchsatz verändert werden, ohne die Pumpe anzuhalten. Die analoge Natur des Systems ermöglicht es, daß standardmäßige Industriesteuersignale an die Steuerung geschickt werden können. Das Steuerungsverfahren läuft auf einem sehr einfachen und kostengünstigen Mikrocontroller.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Eingabe ein analoger Eingangsstrom ist, der proportional zu einem gewünschten Ausgangs- bzw. Abgabedurchsatz ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist die Eingabe eine analoge Eingangsspannung, die proportional zu einem gewünschten Ausgangs- bzw. Abgabedurchsatz ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform enthält die Tabelle ein internes Zahlenfeld auf der Grundlage der Eingabedaten.
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Bei einer Ausführungsform enthält die Tabelle Zahlen, die die Länge einer Zeit zwischen Zustandsveränderungen eines Frequenzausgangs festlegen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Motor um einen Schritt je Zustandsänderung bewegt wird.
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Bei einer Ausführungsform ändert sich der gewünschte Durchsatz während des Betriebs der Pumpe.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein Cursor bzw. Zeiger der Tabelle um einen Schritt weiterbewegt wird, wenn eine Veränderung des Zustands des Ausgangs erfaßt wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Modulieren einer Geschwindigkeit bereitgestellt, um einen pulsationsfreien Betrieb einer von einem Motor angetriebenen Pumpe zu erreichen. Die Vorrichtung umfaßt ein Eingabegerät, um eine Eingabe einzugeben, die mit einem gewünschten Durchsatz zum Abgeben einer Flüssigkeit zusammenhängt. Ein Prozessor weist eine darin gespeicherte Tabelle auf, die in der Lage ist, Veränderungen im Zustand des Ausgangs zu erfassen. Ein Zeitgeber wird mit Daten aus der Tabelle geladen. Ein Antriebsmittel ist vorgesehen, um den Motor auf der Grundlage von erfaßten Änderungen im Zustand des Ausgangs anzutreiben.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Antriebseinrichtung den Motor um einen Schritt je Zustandsänderung weiterschaltet bzw. antreibt.
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Bei einer Ausführungsform ist die Eingabe ein von einem Benutzer eingegebener Abgabedurchsatz.
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In einer Ausführungsform ist das Eingabegerät ein Benutzerinterface.
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Bei einer Ausführungsform enthält die Tabelle des Prozessors ein internes Zahlenfeld auf der Grundlage der Eingabe.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß jede der Zahlen des internen Felds die Länge der Zeit zwischen Veränderungen des Zustands des Ausgangs festlegt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, daß eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, um eine Geschwindigkeit zu modulieren, so daß ein pulsationsfreier Betrieb einer Pumpe erreicht wird.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt wird, mit der bzw. mit dem der Rechenaufwand in dem Prozessor reduziert wird.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, die einen Benutzer in die Lage versetzen, den Abgabedurchsatz während der Drehung einer eine Pumpe antreibenden Motorwelle zu verändern.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Vorrichtung und ein Verfahren zum pulsationsfreien Betrieb bereitgestellt werden, wobei vorhandene, handelsübliche Hardware verwendet wird, ohne Modifikationen daran vorzunehmen.
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Weiterhin besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß eine Vorrichtung und ein Verfahren zum pulsationsfreien Betrieb bereitgestellt werden, wobei eine Schnittstelle zu einem menschlichen Benutzer ermöglicht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen, wobei auf eine Zeichnung Bezug genommen ist, in der
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1 ein Ablaufschema einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Erzeugung eines pulsationsfreien Betriebs einer Pumpe erläutert,
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2 ein Ablaufschema einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zur Erzeugung eines pulsationsfreien Betriebs einer Pumpe erläutert, und
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3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung einer pulsationsfreien Modulation eines Systems erläutert.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System bzw. eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen pulsationsfreien Betrieb einer Kolbenpumpe. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmodulation für einen pulsationsfreien Betrieb einer Kolbenpumpe.
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Eine Kolbenpumpe ist im Allgemeinen bekannt. Obwohl unterschiedliche Ausführungsformen von Kolbenpumpen bekannt sind, können selbstverständlich verschiedene andere Pumpen in der Vorrichtung und in dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um einen pulsationsfreien Betrieb über eine Geschwindigkeitsmodulation zu erreichen, wie es in dem Verfahren und der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
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Die Vorrichtung und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben. Zunächst sei auf 1 und 2 Bezug genommen, wobei zwei Ablaufdiagramme dargestellt sind, demgemäß die Modulation der Geschwindigkeit ausgeführt und eine pulsationsfreie Betriebsweise jeglicher Bauart einer Kolbenpumpe erreicht wird. Selbstverständlich kann das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung auf zahlreiche andere Pumpen und Pumpvorrichtungen in gleicher Weise angewendet werden, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Pumpenbauart beschränkt.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform und ein Verfahren, bei dem eine Geschwindigkeitsmodulation für einen pulsationsfreien Betrieb einer Kolbenpumpe verwendet wird. 1 und 2 sind im Zusammenhang mit einem in 3 dargestellten System bzw. einer Vorrichtung 500 zu betrachten. Wie 3 zeigt, ist ein Benutzerinterface bzw. eine Benutzerschnittstelle 502 zum Eingeben von Daten in das System 500 vorhanden, wie z. B. einen Abgabedurchsatz für die Kolbenpumpe. Die Informationen, die an der Benutzerschittstelle 502 eingegeben werden, werden an einen Mikroprozessor 504 weitergeleitet, der den Betrieb eines Schrittmotors 506 steuert, der zum Antrieb einer Pumpe 512 mit dieser in Wirkverbindung steht.
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Nachdem der Abgabedurchsatz durch einen Benutzer an der Benutzerschnittstelle 502 eingegeben worden ist, stellt bzw. füllt der Mikroprozessor 504 auf der Grundlage der Eingabedaten ein internes Zahlenfeld auf. Jede Zahl in diesem Feld legt eine Zeitdauer zwischen Zustandsveränderungen eines Frequenzausgangsanschlusses fest. Als Ergebnis hiervon wird ein zeitmoduliertes Rechtweckwellensignal erzeugt und an den Schrittmotortreiber 508 gegeben. Der Schrittmotortreiber 508 bewegt bzw. steuert den Motor 506 um einen Schritt je Zustandsänderung weiter. Die resultierende Winkelgeschwindigkeit des Schrittmotors 506 beträgt daher näherungsweise den Kehrwert einer gleichgerichteten Sinuswelle. Die Wellenform der Winkelgeschwindigkeit ist der Kehrwert der Wellenform des momentanen Abgabedurchsatzes der Pumpe gegenüber dem Motorwinkel. Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Motor schneller anzutreiben, wenn die Pumpe weniger Fluid abgibt, und den Motor langsamer anzutreiben, wenn die Pumpe mehr Fluid abgibt. Weiterhin sind der resultierende Druck und der Durchsatz nahezu konstant. Eine Schwankung bzw. ein Einbruch des Drucks tritt nur dann auf, wenn die Sinusfunktion näherungsweise gleich Null ist, da der Kehrwert von Null ein unendlich großer Wert ist. In diesem Zustand kann sich der Schrittmotor 506 nicht schnell genug bewegen.
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Wie in 1 dargestellt ist, gibt ein Benutzer beim Schritt 501 Durchsatzdaten ein, wie vorstehend mit Bezug auf das System 500 in 3 unter Verwendung der Benutzerschnittstelle 502 beschrieben worden ist. Eine Tabelle (look-up table) wird durch den Mikroprozessor 504 bei Schritt 503 berechnet und gespeichert. Nach der Berechnung kann der Abgabevorgang beginnen, wie in Schritt 505 dargestellt. An diesem Punkt, wie in Schritt 507 dargestellt, wird ein Zeitgeber 514 aus der Tabelle vorab geladen, und anschließend kann der Zeitgeber 504 gestartet werden (Schritt 509). Der Mikroprozessor 504 erfaßt einen Punkt, an dem der Zeitgeber 514 einen Overflow aufweist, wie in Schritt 511 dargestellt. Anschließend werden bei Schritt 513 der Motor 506 und der Cursor der Tabelle um einen Schritt weiterbewegt, und der Zeitgeber wird erneut aus der Tabelle vorab geladen, wie bei 507 dargestellt, und der Vorgang geht weiter oder wiederholt sich.
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2 erläutert ein Verfahren gemäß einer alternativen Ausführungsform für einen pulsationsfreien Betrieb einer Pumpe, bspw. einer Kolbenpumpe, über Geschwindigkeitsmodulation. Zur Steuerung kann der Benutzer eine von drei Optionen auswählen: einen analogen Eingangsstrom, der proportional zu einem gewünschten Ausgangsdurchsatz ist; eine analoge Spannung, die proportional zu einem gewünschten Ausgangsdurchsatz ist; oder eine Rechteckwelle mit einer Frequenz, die proportional zu einem gewünschten Ausgangsdurchsatz ist. Wenn ein analoger Eingangsstrom gewählt wird, wird das Stromsignal durch einen Strom/Spannungswandler geschickt, der nicht dargestellt ist. Dann wird das Eingangsspannungssignal oder das umgewandelte Stromsignal in einen spannungsgesteuerten Oszillator eingespeist. An diesem Punkt werden die konvertierten analogen oder die eingegebenen Frequenzsignale in den Mikroprozessor 504 eingegeben.
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Das Element 510 erläutert diesen Eingabevorgang in 3 allgemein. Wie in 2 dargestellt ist, wird der Mikroprozessor 504 eingerichtet, wie in Schritt 601 dargestellt, und ein Zähler 514 wird aus einer vorab berechneten Tabelle bei Schritt 603 vorab geladen. Der aus der Tabelle vorab geladene Wert legt fest, wie viele Eingangsimpulse zwischen den Schritten des Motors gezählt werden. An diesem Punkt werden Eingangsimpulse bei Schritt 605 durch den Mikroprozessor 504 gezählt. An dem Punkt, an dem ein Overflow des Zählers erfaßt wird, wie bei Schritt 607 in 2 dargestellt, wird der Schrittmotor 506 um einen Schritt nach vorn bewegt bzw. geschaltet, und der Cursor der Tabelle wird um einen Schritt weiterbewegt, wie bei Schritt 609 dargestellt ist. Das Verfahren kehrt dann zum Schritt 603 zurück, in dem der Zähler 514 aus der vorab berechneten Tabelle vorab geladen wird. Als Ergebnis des unter Bezug auf 1 und 2 beschriebenen Verfahrens wird eine pulsationsfreie Abgabe mit einem genauen, kontinuierlichen Durchsatz erzeugt.
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Das Verfahren, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt worden ist, bringt weniger Rechenaufwand in dem Mikroprozessor mit sich, und der Benutzer ist in der Lage, den Abgabedurchsatz während einer Umdrehung der Motorwelle zu verändern. Außerdem kann die Pumpe automatisch mit standardmäßigen Industriesteuersignalen kontrolliert werden, ohne daß weitere Veränderungen notwendig sind. Das Verfahren, das unter Bezug auf 1 beschrieben und dargestellt worden ist, bietet in vorteilhafter Weise eine Schnittstelle zu einem menschlichen Benutzer sowie die Möglichkeit einer Kommunikation über RS-232 mit einem Host-Computer. Das Verfahren bietet ferner eine genauere Steuerung des Abgabedurchsatzes als die andere Ausführungsform.
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Die vorliegende Erfindung verwendet daher eine Vorausberechnung des Strömungsdurchsatzes je Einheitsveränderung in der Kolbenposition pro Schritt, wobei bspw. ein Schrittmotor verwendet wird. Dies kann mit einem konstanten Angriffswinkel auf den Nocken ausgeführt werden, oder alternativ mit einem variierten Ablaufwinkel auf den Nocken. In jedem Falle besteht das gewünschte Endergebnis darin, eine konstante Kolbenbewegung je Einheitszeit zu erreichen. Somit wird ein konstantes Fluidvolumen je Zeiteinheit abgegeben. Der Angriffswinkel des Nockens kann ein beliebiger gewünschter Angriffswinkel sein, die Anzahl der Kolben kann anders als zwei sein, und andere Teile der Pumpenauslegung können ebenfalls veränderlich sein. Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Vorausberechnung des Volumens an Fluid, das durch die Pumpe bei jedem Schritt der Drehung des Motors abgegeben wird. Dieses Konzept kann auch bei einem breiteren Bereich von Pumpen umgesetzt werden, als für die vorliegende Erfindung beschrieben ist.
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Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen kann die Tabelle nach der vorliegenden Erfindung für jede einzelne Pumpenauslegung variieren, für jeden Angriffswinkel und/oder für die Anzahl von Kolben je Pumpe. Nichtsdestoweniger ist das durch die vorliegende Erfindung vorgestellte und gelehrte Konzept anwendbar auf alle solche Variationen, da jede Tabelle berechnet werden kann, sobald eine Entscheidung bezüglich der Geometrie der unterschiedlichen Teile der Pumpe getroffen worden ist. Als Ergebnis davon wird die Drehzahl des Motors verändert, um einen konstanten Durchsatz von der Pumpe zu erhalten.
