DE102004051537A1

DE102004051537A1 - Dosiersystem für fluide Medien

Info

Publication number: DE102004051537A1
Application number: DE102004051537A
Authority: DE
Inventors: Martin Arnold; Guido Schmid
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: JP2006120149A; US7669734B2; DE102004051537B4; US20060089749A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem zur Dosierung einer vorgegebenen Menge eines fluiden Mediums, welches eine digitale Signalprozessorsteuerung mit einer Schnittstelle zur Ausgabe eines Startsignals und eine Stopsignals und einer Schnittstelle zur Erfassung eines Sensorsignals umfasst. Es ist ein Dispenser vorgesehen, der vom Startsignal und Stopsignal angesteuert wird und im Zeitraum zwischen den beiden Signalen eine bestimmte Menge an Fluid abgibt, sowie eine Sensoreinheit, die angesteuert durch das Startsignal die Durchflussrate des dem Dispenser zugeführten Fluids fortlaufend erfasst und in Abhängigkeit davon ein Sensorsignal ausgibt. Die digitale Signalporzessorsteuerung erfasst das Sensorsignal, bestimmt daraus die vom Dispenser abgegebene Menge an Fluid und übermittelt an den Dispenser ein Stopsignal, wenn die abgegebene Menge an Fluid der vorgegebenen Menge an Fluid entspricht. DOLLAR A Es ist ein Verfahren zur Dosierung einer vorgegebenen Menge eines fluiden Mediums beschrieben, bei dem während des Dosiervorgangs von der digitalen Signalprozessorsteuerung kontinuierlich die von einem Dispenser abgegebene Menge an Fluid mithilfe eines Durchflussratensensors gemessen wird, wobei der Dosiervorgang erst beendet wird, wenn die vorgegebene Menge an Fluid abgegeben wurde.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem für fluide Medien, insbesondere ein Mikrodosiersystem, nachfolgend auch bezeichnet als Mikrodispensersystem, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind verschiedene Arten von Dosiersystemen, insbesondere auch Mikrodosierer bzw. Mikrodispenser, bekannt. Mit diesen handelsüblichen Systemen können fluide Medien, also Flüssigkeiten und Gase, dosiert werden. Im Rahmen der Erfindung werden insbesondere sogenannte Freistrahl-Dispenser betrachtet, die auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien basieren.

Die sogenannten Tropfendispenser weisen eine Glaskapillare auf, die mit einem Fluid gefüllt ist und mittels eines oder mehrerer Piezoelemente zu Schwingungen angeregt wird, wodurch sie eine bestimmte Anzahl von Tropfen pro Zeiteinheit abgeben.

Eine andere Art von Freistrahl-Dispenser weist eine feine Nadel oder Kapillare auf, welche mit einem Vorratsbehälter verbunden ist. Der Vorratsbehälter ist mit einem Fluid gefüllt und steht unter Druck. Ein Ventil, etwa in Form eines Piezoelementes, öffnet und schließt die Zuleitung zwischen dem unter Druck stehenden Vorratsbehälter und der Nadel bzw. Kapillare und ermöglicht eine Tröpfchendosierung des Fluids.

Wieder andere Dosiersysteme arbeiten nach dem Volumenverdrängungsprinzip ("Spritzenprinzip"). Für die Befüllung mit geringsten Mengen eines Fluids weisen diese etwa eine dünne Silizium-Membran auf, die mit einer mit Fluid gefüllten Kammer verbunden ist und etwa mittels elektro-statischem oder piezoelektrischem Prinzip angeregt wird und somit eine definierte Menge eines Fluids aus der Kammer verdrängt und nach außen abgibt.

Bei den sogenannten Nadeldispensern wird ein mit Fluid gefüllter Vorratsbehälter temporär unter Druck gesetzt und somit eine gewisse Menge des Fluids durch eine dünne Nadelspitze hindurch abgegeben. Diese Methode ist nicht sehr genau und daher für kleine Fluidmengen weniger geeignet. Die abzugebende Flüssigkeitsmenge wird über den Druck und die Dosierungszeit gesteuert.

Die oben beschriebenen Tropfendispenser geben kleine Einzeltropfen eines Fluids mit einer bestimmten Frequenz aus. Zur Bestimmung der Gesamtmenge (Volumens) des abgegebenen Fluids, müssen Dosierversuche durchgeführt werden, um das durchschnittliche Volumen eines einzelnen Tropfens zu bestimmen. Aus der Anzahl der abgegeben Tropfen kann dann etwa die Gesamtmenge des abgegebenen Fluids bestimmt werden. Es wird also eine lineare Abhängigkeit zwischen Tropfenanzahl und abgegebener Gesamtmenge angenommen.

In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass nicht wie angenommen, eine feste lineare Beziehung zwischen der Tropfenanzahl und der dosierten Gesamtmenge besteht. Es wurden gewisse Abweichungen festgestellt, die insbesondere bei geringen zu dosierenden Gesamtmengen ins Gewicht fallen. Verschiedenste Effekte, wie unterschiedliche Umgebungs-, Flüssigkeits- oder Dosierkopftemperatur, die Dosierrate, der Druck, unter dem das Fluid steht, die Viskosität der Flüssigkeit usw. lassen die abgegebene Menge bei konstanter Tropfenanzahl in erheblichem Maße über Zeit variieren, so dass eine ständige Nachkontrolle der Gesamtmenge und damit einhergehend eine ständige Anpassung der Tropfenanzahl notwendig wird, um eine immer gleiche Gesamtmenge zu erhalten.

Insgesamt lässt sich diese Art der Tropfendosierung als ein gesteuertes Verfahren bezeichnen, das ohne ständige Rückkontrolle nicht garantiert die geforderte Dosiermenge abgibt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Dosiergenauigkeit von am Markt verfügbaren Dispensern der eingangs beschriebenen Art zu verbessern. Die Dosiergenauigkeit soll dabei im wesentlichen unabhängig von dem verwendeten Dispenser sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Dosiersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein mit diesem System durchführbares Dosierverfahren ist im Anspruch 9 angegeben.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie andere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird zu einer vorhandenen Mikrodosiervorrichtung ein hochgenauer Durchflussratensensor in den Fluidpfad eingefügt. Ebenfalls wird eine Mikroprozessorschaltung hinzugefügt, welche die Auswertung der Signale des Durchflussratensensors sowie die Ansteuerung des Mikrodosierkopfes übernimmt. Die vom Mikrodosierer abgegebene Menge an Fluid wird in Abhängigkeit eines gemessenen Durchflussvolumens geregelt. Es handelt sich also um ein geregeltes Dosierverfahren, bei dem während des Dosiervorgangs kontinuierlich die abgegebene Menge mit Hilfe eines Durchflussratensensors gemessen wird, wobei der Dosiervorgang erst beendet wird, wenn die vorgegebene Menge an Flüssigkeit abgegeben wurde.

Dabei wird der Dosiervorgang beendet, kurz bevor die gewünschte Gesamtmenge des Fluids detektiert wurde. Es zeigt sich, dass nach dem Abschalten des Mikrodosierers noch eine gewisse Nachlaufmenge vom Sensor detektiert wird, obwohl kein Fluid mehr den Dispenser verlässt. Diese Nachlaufmenge ist sowohl von dem Gesamtaufbau des Dispensersystems als auch insbesondere von der Dosierrate (Durchflussmenge) abhängig und muss zur exakten Dosierung einer vorgegebenen Menge berücksichtigt werden. Hierzu wird der Dosiervorgang erfindungsgemäß beendet, wenn die Gesamtmenge, also die vorgegebene Dosiermenge, abzüglich der entsprechend bestimmten Nachlaufmenge erreicht ist.

Da nun auf die tatsächlich abgegebene Flüssigkeitsmenge geregelt wird, beeinflussen die oben genannten Effekte die abgegebene Flüssigkeitsmenge nicht mehr. Obwohl die Anzahl der abgegebenen Tropfen variieren kann bleibt die Gesamtmenge der abgegebenen Flüssigkeit konstant.

Erfindungsgemäß wird ein handelsüblicher hochgenauer Durchflussratensensor vorzugsweise nach dem kalorimetrischen Prinzip verwendet. Diese Sensoren nutzen Differenztemperaturmessungen zur Bestimmung der Durchflussmenge. Ein im Flüssigkeitsstrom angeordnetes Heizelement heizt das Fluid lokal auf. Stromabwärts und stromaufwärts angeordnete Temperatursensoren messen die Temperaturverteilung im Fluid, die abhängig ist von der Flussrate des Fluids, von dem Temperaturkoeffizienten des Fluids sowie von dem Durchflussquerschnitt. Insbesondere sind diese Sensoren in der Lage, die Flussrate in beiden Flussrichtungen zu detektieren.

Dies ist insofern wichtig als dass es insbesondere bei weiche Schläuche umfassenden Leitungssystemen sowie bei kompressiblen Fluiden zum Rückfluss des Fluids kommen kann, der ermittelt werden muss, um eine exakte Gesamtmenge des dosierten Fluids zu messen.

Prinzipiell sind im Rahmen der Erfindung auch Durchflussratensensoren nach dem Laufradprinzip oder Differenzdrucksensoren geeignet, jedoch nur für größere Durchflussvolumina.

Die digitale Signalprozessorsteuerung hat unter anderem folgende Aufgaben. Sie dient zur Erfassung und Integration der vom Durchflussratensensor z.B. als Analogspannung ausgegebenen Durchflussrate (Menge oder Volumen pro Zeit) zur kontinuierlichen Ermittlung der vom System abgegebenen Gesamtmenge und der davon abhängigen Ansteuerung des Mikrodosiersystems. Das beschriebene Mikrodosiersystem arbeitet somit unabhängig von der Toleranz des verwendeten Dosierkopfes. Die erreichbare Genauigkeit ist beispielsweise besser als 2% des dosierten Gesamtvolumens. Ferner erkennt die digitale Signalprozessorsteuerung eventuelle Fehlerfälle, wie z.B. die Überschreitung der zulässigen Dosierzeit, der zulässigen Dosiermenge (Tropfenanzahl), oder die Über- oder Unterschreitung sonstiger Vorgabewerte. Die Überwachung der Prozessstabilität zur Vorhersage oder Erkennung des Dosierkopfzustands ist eine weitere Aufgabe der Steuerung. Ebenfalls berücksichtigt die digitale Signalprozessorsteuerung während der kontinuierlichen Ermittlung der abgegebenen Fluidmenge eventuell auftretende Totzeit- oder Überschwingeffekte des flüssigkeitsführenden Systems, was die Menge des abgegebenen Fluids verfälschen kann. So wird ein durch diese Effekte verursachtes zu frühes oder zu spätes Abschalten des Dosiersystems vermieden. Insbesondere können auch Lufteinschlüsse im zu dosierenden Medium erkannt und berücksichtigt werden.

Das erfindungsgemäße System und Verfahren erlaubt die genaue Dosierung von Fluiden, insbesondere auch von Gasen. Dabei erlaubt die Regelung etwa auch die Dosierung von Fluiden in geschlossenen Systemen z.B. für die Dosierung von Bestandteilen für Medikamente etc., insbesondere auch in geschlossenen Kreisläufen.

Die möglichen Anwendungsbereiche der Erfindung sind vielfältig. Mikrodosierverfahren finden medizinische Anwendungen etwa zur Befüllung von Mikrotiterplatten und Mikroarrays zur medizinischen Analyse, insbesondere auch in der Krebsforschung und der DNA-Sequenzierung.

Weitere Anwendungen sind etwa die Mikrodosierung von Klebern, insbesondere auch die Mischung von 2-Komponenten-Klebern, wobei diese Mischung etwa in der Dosiernadel stattfinden kann oder erst auf dem Objekt, wozu im zweiten Fall zwei unabhängige Dispenser eingesetzt werden.

Allgemein ist ein weiterer Anwendungsfall die Bereitstellung von hochgenauen Mischungsverhältnissen von mindestens zwei Komponenten insbesondere geringer Fluidmengen etwa von Zwei- oder Mehr-Komponentenklebern, Lacken oder die Mischung von Enzymen mit anderen medizinischen Substanzen etc.

Weitere Anwendungen sind z.B. die Befüllung von Maschinen oder Fluidlagern mit geringen Mengen von Schmiermittel oder die gezielte Aufbringung von Ölstopplack auf Lagerteile zur Verringerung des Kriecheffektes des Öls durch Verringerung der Oberflächenspannung des Öls auf der Lackoberfläche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfigur näher beschrieben:
1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Dosiersystems;
2 zeigt ein gegenüber 1 detaillierteres Blockschaltbild des Aufbaus des erfindungsgemäßen Dosiersystems;
3 ist eine Darstellung eines typischen Ausgangssignals des Durchflussratensensors;
4 ist eine Darstellung eines typischen Ausgangssignals des Durchflussratensensors bei einer auftretenden Störung (Lufteinschluss im Fluid);
5 ist eine beispielhafte Darstellung einer Kennlinie eines typischen Durchflussratensensors.
6 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Nachlaufmengenkennlinie eines beispielhaften Dosiersystems.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße Integration eines Dispensers, insbesondere auch eines einfachen, kostengünstigen Dispensers, sowie eines Durchflussratensensors in einen Regelkreis wird ein hochgenaues Dosiersystem geschaffen. Damit eine größtmögliche Genauigkeit des Systems erzielt wird, ist es notwendig, dass jeder Durchflussratensensor separat sowie das Dosiersystem als Gesamtheit kalibriert werden.
Die 1 zeigt den Grundaufbau des Dosiersystemsystems. Herzstück ist eine Steuerung, die eine digitale Signalprozessorsteuerung (DSP) oder eine Mikroprozessorsteuerung 10 beinhalten kann, die den Dosiervorgang regelt. Der Dosiervorgang kann z.B. durch ein externes Startsignal 12 ausgelöst werden. Die digitale Signalprozessorsteuerung 10 kann als eigenständige diskrete Einheit oder z.B. durch einen Personal Computer und eine geeignete Software realisiert sein.
Ein Vorgabewert 14 für die Menge des zu dosierenden Fluids kann der digitalen Signalprozessorsteuerung 10 von außen zugeführt oder intern gespeichert sein. Die digitale Signalprozessorsteuerung 10 steuert über eine Signalleitung 16 den Betrieb des eigentlichen Dispensers 30, der in der Regel eine Dosiereinheit und eine elektronische Steuereinheit umfasst. Das zu dosierende Fluid wird von einem Vorratsbehälter 32 über ein Leitungssystem 34, z.B. Schlauchleitungen, zum Dispenser 30 geleitet. In das Leitungssystem 34 ist ein Durchflussratensensor 42 als Teil einer Sensoreinheit 40 geschaltet, der in Abhängigkeit der aktuellen Durchflussrate ein elektrisches Signal 44 an die digitale Signalprozessorsteuerung 10 abgibt. Die digitale Signalprozessorsteuerung 10 wertet das Signal 44 des Sensors 40 aus, bestimmt daraus die aktuelle Durchflussmenge und regelt den Betrieb des Dispensers 30 in Abhängigkeit von der Durchflussmenge. Bei Erreichen der vorgegebenen Menge an Fluid wird der Dispenser 30 abgeschaltet.
Die digitale Signalprozessorsteuerung 10 ist vorzugsweise derart konzipiert dass sie einen oder mehrere Sensor- Dispenserregelkreise gleichzeitig und unabhängig voneinander regeln kann.
Wie man in 2 erkennt, erhält die digitale Signalprozessorsteuerung 10 ihre Vorgabewerte und Daten entweder von einer externen, übergeordneten Steuerung 26, z.B. einem Personal Computer, oder beispielsweise per direkter Dateneingabe über ein Tasteneingabefeld 18. Weiterhin ist es möglich, dass die Steuerung 10 über eine analoge oder digitale Schnittstelle 20 bzw. Datenleitung auch Messwerte an die übergeordnete Steuerung 26 abgibt. Zur Visualisierung der Ein- und Ausgabedaten ist vorzugsweise ein Display 22 mit der digitalen Signalprozessorsteuerung 10 oder der übergeordneten Steuerung 26 verbunden. Die digitale Signalprozessorsteuerung 10 startet und stoppt den Betrieb des Dispensers 30, indem sie entsprechende Steuersignale 16 an die Steuereinheit des Dispensers übermittelt. Sie kann der elektronischen Steuereinheit des Dispensers auch weitere benötigte Parameter und Werte, wie z.B. Temperatur, Dispens-/Tropfen-Rate oder Befehle, z.B. An/Aus, über eine analoge oder digitale Schnittstelle 36 oder Datenleitungen zur Verfügung stellen.
Die Sensoreinheit 40 besteht aus dem Durchflussratensensor 42, einem Vorverstärker 46 zur Verstärkung der analogen Ausgangssignale des Sensors 42 und vorzugsweise einer Speichereinheit 48 (z.B. (E)EPROM), in welcher die Kalibrierkennlinie 52 des Sensors 42 entweder als Wertetabelle oder in Form einer mathematischen Funktion abgelegt ist.
Das in der Regel analoge Ausgangssignal 44 des Durchflussratensensors 42 wird vorzugsweise vorverstärkt und der digitalen Signalprozessorsteuerung 10 über eine analoge Schnittstelle zugeführt. Die digitale Signalprozessorsteuerung 10 umfasst vorzugsweise einen DSP 24 (Digitaler Signal Prozessor). Aus dem Signal 44 des Durchflussratensensors 42 wird vom DSP 24 die Durchflussrate, gegeben durch das Gewicht bzw. das Volumen pro Zeiteinheit, anhand der im Speicher 48 gespeicherten Sensorkennlinie 52 ermittelt. Beim Start des Systems werden die in der Speichereinheit 48 abgelegten Daten über eine vorzugsweise bidirektionale digitale Schnittstelle 50 durch den DSP 24 ausgelesen. Bei der erstmaligen Kalibrierung des Sensors 42 wird diese Speichereinheit 48 durch den DSP 24 beschrieben. Hierbei können auch weitere Daten, wie etwa die Typnummer, das Herstellungsdatum etc. gespeichert werden.
Die Bestimmung der aktuellen Durchflussrate durch die digitale Signalprozessorsteuerung 10 erfolgt in möglichst kurzen Zeitabständen entsprechend einer bestimmten Abtastrate. Anschließend wird unter Berücksichtigung der Abtastrate durch Integration der einzelnen Messwerte der Durchflussrate das Gesamtdurchflussvolumen des Fluids ermittelt.
Weiterhin verfügt die digitale Signalprozessorsteuerung 10 über eine Speichereinheit 28, in welcher unter anderem eine Nachlaufkennlinie des Dosiersystems abgelegt ist, welche beim Start des Systems vom DSP 24 ausgelesen wird. Die Nachlaufkennlinie wird weiter unten näher beschrieben.
Die Kalibrierungskurve oder Sensorkennlinie 52 in 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der Flussrate und dem Ausgangssignal 44 des Sensors 42 sowie eine Approximation durch ein Polynom dritten Grades. Die Koeffizienten dieses Polynoms sind abhängig vom jeweiligen Durchflussratensensor. Die Sensorkennlinie 52 zur Kalibrierung der Sensoreinheit 40, also der Verlauf der Ausgangsspannung des Sensors 42 in Abhängigkeit von der Durchflussrate, wird durch eine möglichst genaue Referenzmessung der abgegebenen Fluidmenge bestimmt. Die Sensorkennlinie 52 hängt dabei insbesondere vom verwendeten Sensor 42 sowie vom verwendeten fluiden Medium ab. Die Referenzmessung kann dabei etwa durch Wiegen der abgegebenen Flüssigkeitsmenge, durch Differenzvolumenbestimmung oder durch einen bereits abgeglichenen Sensor durchgeführt werden. Anschließend wird diese Sensorkennlinie 52 als Wertetabelle bzw. deren Approximation in Form einer mathematischen Gleichung in der Speichereinheit 48 der Sensoreinheit 40 oder der digitalen Signalprozessorsteuerung (Speicher 28) abgelegt. Dabei zeigte sich, dass für Durchflussratensensoren nach dem Differenztemperatur-Prinzip die Sensorkennlinie 52 bevorzugt durch ein Polynom dritter Ordnung bzw. durch eine Summe zweier Exponentialfunktionen approximiert werden kann.
Der DSP 24 nimmt darüber hinaus eine Offset-Korrektur der Sensorkennlinie 52 vor. Hierzu wird nach jedem Start des Systems oder vor jedem Dosiervorgang bei ausgeschaltetem Dispenser 30 die Offset-Spannung U_off (Null-Linie) des Sensorsignals 44 ermittelt (siehe auch 3).
In der 3 ist ein typischer Verlauf des Ausgangssignals 44 des Sensors 42 dargestellt: Vor dem Einschaltzeitpunkt t₁ des Dispensers 30 weist die Sensor-Ausgangsspannung eine bestimmte Offset-Spannung U_Off auf. Diese wird von der digitalen Signalprozessorsteuerung 10 kompensiert und bei der Bestimmung der tatsächlichen Flussrate berücksichtigt.
Nachdem der Dispenser 30 zum Zeitpunkt t₁ eingeschaltet wurde, steigt die Signalspannung bis auf eine Spannung U₁ an, welche zum Zeitpunkt t₂ erreicht wird und während einer kontinuierlichen Durchflussrate in etwa konstant bleibt. Zum Zeitpunkt t₃ wird der Dispenser 30 abgeschaltet. Auch wenn kein Fluid den Dispenser 30 mehr verlässt, hört der Fluidstrom im System nicht abrupt auf, sondern eine geringe Fluidmenge passiert noch den Sensor 42 und wird von ihm bis zum Zeitpunkt t₄ detektiert. t₄ ist der Zeitpunkt, an dem der Sensor wieder die anfangs bestimmte Offsetspannung Uoff erreicht hat. Diese Nachlaufmenge ist von der Art des Fluids, dem Gesamtaufbau des Systems und insbesondere von der Flussrate abhängig. Die Flussrate wiederum ist insbesondere von der Ansteuerfrequenz eines Piezodispensers sowie oder vom Druck auf das Fluid abhängig. Diese Nachlaufmenge ist ein Teil der Gesamtmenge des abgegebenen Fluids und muss daher berücksichtigt werden.
Die oben bereits erwähnte Nachlaufkennlinie bestimmt, wie groß nach dem Abschalten des Dispensers 30 die nachlaufende und noch vom Sensor 42 erfasste Menge des Fluids ist. Die nachlaufende Menge wird durch Integration nach Abschalten des Dispensers bestimmt. Die Integration startet zum Zeitpunkt t₃ und endet bei t₄. Die Nachlaufkennlinie ist sowohl von den flüssigkeitsführenden Komponenten des Dispensersystems (Schläuche, Dispenser etc), von der Kompressibilität des Fluids als auch insbesondere von der Flussrate abhängig. Diese wiederum hängt insbesondere von der Frequenz ab, mit welcher ein Piezo-Dispenser betrieben wird oder von dem Druck, unter welchem ein druckbeaufschlagter Dispenser arbeitet.
Die Nachlaufkennlinie 54 wird durch mehrere (ca. 10) Einzeldosierversuche bei unterschiedlichen Durchflussraten aus der jeweils ermittelten Nachlaufmenge bestimmt. Zur Approximation der Nachlaufkennlinie 54 wird vorzugsweise ein Polynom 3. Grades oder eine Summe von zwei e-Funktionen verwendet.
Um keine zu große Menge an Fluid abzugeben, wird zur Bestimmung des Abschaltzeitpunktes des Dispensers 30 neben der fortlaufend ermittelten Gesamtmenge des abgegebenen Fluids die Nachlaufkennlinie in Anhängigkeit von der Abgabefrequenz und/oder Flussrate berücksichtigt. Wird der Dispenser 30 beispielsweise bei einer konstanten Flussrate und einer gemessenen Gesamt-Fluidmenge von 10,0 mg ausgeschaltet, dann wird eine gewisse Fluidmenge nach Abschalten des Dispensers 30 noch vom Sensor 42 detektiert, angenommen etwa 0,04 mg. Diese nachträglich detektierte Menge wird in einer Tabelle hinterlegt, so dass bei einer konstanten Flussrate bei einer gemessenen Menge von 9,96 mg der Dispens-Vorgang beendet wird, um eine Gesamtmenge von 10,0 mg zu erhalten. D.h. vor Erreichen der gewünschten Gesamtmenge des Fluids wird der Dispens-Vorgang in Abhängigkeit von der bereits erreichten Gesamtmenge sowie von der Dispensrate zeitgerecht abgeschaltet.
Anhand einer Änderung der Flussrate außerhalb vorbestimmter Regelgrenzen ist es für die digitale Signalprozessorsteuerung 10 außerdem möglich, einen Fehlerzustand zu erkennen, etwa den Einschluss von Luft in der Zuführungsleitung des Fluids, wie es in 4 dargestellt ist. Ein solcher Lufteinschluss macht sich in einem kurzzeitigen Einbruch des Ausgangssignals 44 des Sensors bemerkbar. Die digitale Signalprozessorsteuerung kann eine solche Situation erfassen und kompensieren bzw. eine entsprechende Fehlermeldung generieren.

10: digitale Signalprozessorsteuerung
12: Eingangssignal (Startsignal)
14: Eingangssignal (Vorgabe Dosiermenge)
16: Ausgangssignal (Dispensersteuerung)
18: Tasteneingabefeld
20: Schnittstelle
22: Display
24: DSP (Digitaler Signal Prozessor)
26: übergeordnete Steuerung
28: Speichereinheit
30: Dispenser
32: Vorratsbehälter
34: Leitungssystem
36: Schnittstelle
40: Sensoreinheit
42: Durchflussratensensor
44: Ausgangssignal (Sensor)
46: Vorverstärker
48: Speichereinheit ((E)EPROM)
50: Schnittstelle
52: Sensorkennlinie
54: Nachlaufkennlinie

Claims

Dosiersystem zur Dosierung einer vorgegeben Menge eines fluiden Mediums, welches umfasst, eine Steuerung (10) mit einer Schnittstelle (16; 50) zur Ausgabe von Steuersignalen und einer Schnittstelle zur Erfassung mindestens eines Sensorsignals, einen Dispenser (30) für das Fluid, der angesteuert von über die Schnittstelle (16) übertragenen Steuersignalen eine bestimmte Menge an Fluid abgibt, eine Sensoreinheit (40), die angesteuert von über die Schnittstelle (50) übertragenen Steuersignalen die Durchflussrate des dem Dispenser (30) zugeführten Fluids fortlaufend erfasst und in Abhängigkeit davon ein Sensorsignal (44) ausgibt; wobei die Steuerung (10) das Sensorsignal (44) erfasst, daraus die Menge des durchgeflossenen Fluids bestimmt und in Abhängigkeit davon die vom Dispenser (30) abzugebene Menge an Fluid derart regelt, dass sie der vorgegebenen Menge an Fluid entspricht.
Dosiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) durch eine digitale Signalprozessorsteuerung oder eine Mikroprozessorsteuerung gegeben ist.
Dosiersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu dosierende Fluid von einem Vorratsbehälter (32) über ein Leitungssystem (34) zum Dispenser (30) geleitet wird, wobei in das Leitungssystem (34) ein Durchflussratensensor (42) als Teil einer Sensoreinheit (40) geschaltet ist.
Dosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussratensensor (42) nach dem Differenztemperatur Prinzip oder anderen hochgenauen und schnellen Durchflussratensensor Prinzipien arbeitet.
Dosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (40) den Durchflussratensensor (42), einen Vorverstärker (46) zur Verstärkung der analogen Ausgangssignale des Sensors (42) und eine Speichereinheit (48) umfasst, in welcher die Kalibrierkennlinie des Sensors (42) entweder als Wertetabelle oder in Form einer mathematischen Funktion abgelegt ist.
Dosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) über eine analoge oder digitale Schnittstelle (20) zur Übermittlung von Messwerten an eine übergeordnete Steuerung (26) verfügt.
Dosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Display (22) zur Visualisierung der Ein- und Ausgabedaten mit der Steuerung (10) oder der übergeordneten Steuerung (26) verbunden ist.
Dosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) einen DSP 24 umfasst.
Verfahren zur Dosierung einer vorgegebenen Menge eines fluiden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass während des Dosiervorgangs von einer Steuerung (10) kontinuierlich die von einem Dispenser (30) abzugebene Menge an Fluid mit Hilfe eines Durchflussratensensors (42) gemessen wird, und in Abhängigkeit davon die vom Dispenser (30) abzugebende Menge derart geregelt wird, dass sie der vorgegebenen Menge an Fluid entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Dispenser (30) abzugebene Menge an Fluid in Abhängigkeit des gemessenen Durchflussvolumens geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem vom Durchflussratensensor (42) abgegebenen Sensorsignal (44) von der Steuerung (10) die Durchflussrate, gegeben durch das Gewicht bzw. das Volumen pro Zeiteinheit, anhand einer in einem Speicher (48) gespeicherten Sensorkennlinie (52) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der aktuellen Durchflussrate durch die Steuerung (10) in bestimmten Zeitabständen entsprechend einer bestimmten Abtastrate des Sensorsignals (44) erfolgt, wobei unter Berücksichtigung der Abtastrate durch Integration der einzelnen Messwerte der Durchflussrate das Gesamtdurchflussvolumen des Fluids ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosiervorgang durch ein externes Startsignal (12) ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorgabewert (14) für die Menge des zu dosierenden Fluids der Steuerung (10) von außen zugeführt oder direkt über eine Schnittstelle eingegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) der elektronischen Steuereinheit des Dispensers (30) weitere Parameter und Werte, wie z.B. Temperatur, Dispens-/Tropfen-Rate oder Befehle, z.B. An/Aus, über eine analoge, digitale Schnittstelle (36) oder Datenleitungen zur Verfügung stellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (44) des Durchflussratensensors (42) vorverstärkt und der Steuerung (10) über eine analoge Schnittstelle zugeführt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) während der kontinuierlichen Ermittlung der abgegebenen Fluidmenge auftretende Totzeit- oder Überschwingeffekte des flüssigkeitsführenden Systems erfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speichereinheit (28) der Steuerung eine Nachlaufkennlinie (54) des Dosiersystems abgelegt ist, welche beim Start des Systems von der Steuerung (10) ausgelesen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachlaufkennlinie (54) bestimmt, wie groß nach dem Abschalten des Dispensers (30) die nachlaufende noch vom Sensor (42) erfasste Durchflussrate des Fluids ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachlaufkennlinie (54) während des Dispensvorganges kontinuierlich berücksichtigt und der Dispensvorgang rechtzeitig gestoppt wird, wenn die vorgegebenen Menge an abzugebendem Fluid erreicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachlaufkennlinie (54) in Abhängigkeit von der Flussrate ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Abschaltzeitpunktes des Dispensers (30) neben der fortlaufend ermittelten Gesamtmenge des abgegebenen Fluids die durch die Nachlaufkennlinie (54) bestimmte Nachlaufmenge in Abhängigkeit von der Flussrate berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosiervorgang beendet wird zu einem Zeitpunkt t₃, bei welchem die ermittelte Gesamtmenge des abgegebenen Fluids der gewünschten Gesamtmenge abzüglich der Nachlaufmenge beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration der Durchflussrate zur Ermittlung der Gesamtmenge bis zum Zeitpunkt t₄ durchgeführt wird.