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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dosierten Abgabe eines Fluids und ein Gerät mit einer solchen Vorrichtung.
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Für die Schmierung von Werkzeugen oder von Lagerungen von relativ zueinander beweglich gelagerten Teilen mechanischer Geräte ist es bekannt, den Werkzeugen bzw. Lagerungen fortwährend geringe Mengen von Schmiermittel zuzuführen, insbesondere bei der Öl-Luft-Schmierung. Zur Schmiermittelförderung können z. B. Mikro-Verdrängerpumpen eingesetzt werden. Hierbei ist eine genaue Dosierung und eine kontinuierliche Schmiermittelzuführung und eine Kontrolle des Schmiermittelflusses von besonderer Bedeutung. Eine Kontrolle des Schmiermittelflusses durch herkömmliche Strömungsmesser, wie Flügelrad oder Wellenreflexion, ist bei den geringen Zuführungsraten von z. B. weniger als 250 μl je Stunde nicht mehr hinreichend zuverlässig. Bekannt ist bei Öl-Luft-Schmierungen der Einsatz von Mikro-Verdrängungspumpen. Das von diesen geförderte Öl wird in eine Luft führende Leitung eingespeist. Für die Zuführung des Schmiermittels zu der zu schmierenden Stelle kann das Schmiermittel fein vernebelt werden.
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Mikro-Verdrängungspumpen sind z. B. aus der
DE 102 38 600 A1 , der
DE 36 18 106 A1 oder der
DE 195 46 570 C1 mit aktiven piezoelektrischen Pumpelementen in der Fluidkammer bekannt. Ein- und Auslassöffnungen können durch eine flexible Membran verschließbar sein, welche durch das aktive Pumpelement oder durch zusätzliche Piezowandler betätigbar ist. In der
EP 1 369 587 A2 ist eine Mikro-Verdrängungspumpe mit einem piezoelektrischen Pumpelement beschrieben, bei welchem der Einlass durch ein Klappen-Rückschlagventil verschließbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine präzis und zuverlässig arbeitende Vorrichtung zur dosierten Abgabe eines Fluids und ein Gerät mit einer solchen Vorrichtung anzugeben.
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Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und hohe Zuverlässigkeit aus. Eine Störung in einer vom Ausgangsventil weiterführenden Fluidleitung, beispielsweise einer Fluiddüse für ein Schmiermittel und einer Verbindungsleitung zwischen Ausgangsventil und einer solchen Fluiddüse sind schnell und zuverlässig erkennbar, so das eine Fehlermeldung an einen Benutzer oder eine Steuerung eines Geräts gegeben werden und ein größerer Schaden wegen unzureichender Schmierung einer Lagerstelle oder eines Werkzeugs vermieden werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aus Standardkomponenten kostengünstig aufbaubar und flexibel einstellbar.
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Durch die zeitversetzte und zeitlich nicht überlappende Öffnung des Einlassventils und des Auslassventils kann die in einem Arbeitszyklus durch die Dosiervorrichtung geförderte Menge an Fluid sehr klein gewählt werden. Ein Arbeitszyklus umfaßt während einer Einlassphase bei geöffnetem Einlassventil das Zuführen von Fluid aus einer Fluidquelle mit einem ersten hohen Druck in die Fluidkammer, das Schließen des Einlassventils und in einer nachfolgenden Auslassphase bei geöffnetem Auslassventil die Abgabe von Fluid über das Auslassventil, z. B. in eine Verbindungsleitung zu einer Fluiddüse unter Entspannung des Fluid auf einen zweiten niedrigen Druck und Schließen des Auslassventils. Vorteilhafterweise steuert eine Steuereinrichtung das Einlassventil und das Auslassventil periodisch in mit einer Taktfrequenz fT bzw. einer Taktperiodendauer tr aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen, so dass sich der mittlere Massestrom des Fluids durch die Vorrichtung als Produkt aus der je Arbeitszyklus geförderter Masse mT und der Taktfrequenz fT ergibt und über beide Größen beeinflussbar ist. Durch die zeitliche Trennung von Einlassphase und Auslassphase können am Ende beider Phasen die Zustände der Fluidkammer mit dem Fluid jeweils als statisch betrachtet und dynamische Effekte der Ein- bzw. Ausströmung von Fluid außer Acht gelassen werden.
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Die Fluidkammer enthält selbst keine aktiven Pumpelemente und ist daher besonders einfach herstellbar. Die Förderung von Fluid durch die Fluidkammer beruht darauf, dass die in der Fluidkammer befindliche Menge oder Masse an Fluid bei dem in der Einlassphase erreichten und nach Schließen des Einlassventils in der Fluidkammer gehaltenen ersten, hohen Druck größer ist als bei dem in der Auslassphase erreichten und nach Schließen des Auslassventils gehaltenen zweiten, niedrigen Druck. Der niedrigere Druck kann auch geringer sein als der Umgebungsdruck.
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Die genannte Mengendifferenz kann insbesondere auf einen bei höherem Druck größeren Kammervolumen der Fluidkammer und/oder auf der Kompressibilität des Fluids beruhen.
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Die Vergrößerung des Kammervolumens mit steigendem Fluiddruck entgegen einer Rückstellkraft kann insbesondere durch eine elastische Verformbarkeit wenigstens eines Teils der die Fluidkammer begrenzenden Kammerwand gegeben sein. Dies kann beispielsweise durch eine elastische Aufweitung von Leitungsabschnitten der Fluidkammer, durch eine elastisch verformbare oder verschiebbare Membran, durch Teile des Drucksensors etc. gegeben sein. Das Maß der Vergrößerung des Kammervolumens kann in vorteilhafter Weiterbildung einstellbar sein.
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In erster vorteilhafter Ausführung ist die Mengendifferenz des Fluids in der Fluidkammer zwischen maximalem und minimalem Druck zumindest überwiegend durch die Vergrößerung des Kammervolumens bei steigendem Fluiddruck bestimmt. In anderer vorteilhafter Ausführung kann die Mengendifferenz überwiegend durch die Kompressibilität des Fluids gegeben sein. Dabei kann in einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Kammervolumen veränderlich einstellbar ist. Dadurch kann die durch die Kompressibilität und den Druckunterschied als Teil des Kammervolumens bestimmte Fördermenge je Arbeitszyklus im gleichen Maße veränderlich einstellbar sein. Die Differenz der Menge des Fluids in der Fluidkammer bei einem maximalen Fluiddruck gegenüber der Fluidmenge in der Fluidkammer bei einem minimalen Fluiddruck entspricht vorteilhafterweise wenigstens 0,01 μl, insbesondere wenigstens 0,02 μl vorzugsweise wenigstens 0,05 μl und/oder vorteilhafterweise höchstens 5 μl, insbesondere höchstens 2,5 μl, vorzugsweise höchstens 1 μl, bezogen auf den Zustand des Fluids bei Umgebungsdruck.
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Die den Fluiddruck in der Fluidkammer überwachende Drucksensoranordnung ermöglicht auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Funktionsüberwachung und eine flexible Steuerung der Vorrichtung. Insbesondere vorteilhaft ist die Auswertung eines Zeitverlaufs der Sensoranordnung des Sensorsignals in der Steuereinrichtung.
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Von besonderem Vorteil ist die Auswertung des Zeitverlaufs des Sensorsignals in der Weise, dass in der Auslassphase, d. h. nach Öffnen des Auslassventils das Unterschreiten eines unteren Schwellwerts für den Fluiddruck bzw. eines entsprechenden Schwellwerts für das Sensorsignal ausgewertet wird. Das Auftreten einer solchen Schwellwertunterschreitung kann als Funktionsnachweis interpretiert bzw. ein Ausbleiben einer Schwellwertunterschreitung als Funktionsstörung gewertet werden. Eine solche Funktionsstörung kann bei einer Schmiermittelzuführung über eine Fluiddüse erfahrungsgemäß insbesondere im Bereich der Fluiddüse auftreten.
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Die Unterschreitung eines unteren Schwellwerts für den Fluiddruck kann in einfacher Ausführung durch das Erfassen eines unter dem Schwellwert liegenden Druckwerts bzw. des entsprechenden Sensorsignals festgestellt werden. In einer Weiterbildung kann der Wechsel von einem oberhalb des Schwellwerts liegenden Druck zu einem unterhalb des Schwellwerts liegenden Druck als Vorgang des Unterschreitens detektiert werden. Für beide Ausführungsformen kann vorteilhafterweise in der Drucksensoranordnung ein einfacher und kostengünstiger Druckschalter mit einem zweiwertigen Sensorsignal, insbesondere Druckschalter geschlossen oder Druckschalter offen, vorgesehen sein, welcher eine auf den Druck-Schwellwert eingestellte Schaltschwelle aufweist. Der untere Schwellwert für den Fluiddruck liegt vorteilhafterweise niedriger als 40%, insbesondere niedriger als 30% des maximalen Drucks in der Fluidkammer. Der maximale Fluiddruck kann insbesondere durch den Druck der Fluidquelle gegeben sein.
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Das Ausbleiben einer Schwellwertunterschreitung in einer Auslassphase kann vorteilhafterweise in der Steuereinrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignals führen. Um Fehlalarme zu verringern, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung eine Fehlermeldung an einen Benutzer oder ein Gerät erst dann abgibt, wenn innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters eine Mindestzahl solcher Fehlersignale auftreten. Eine Fehlermeldung an einen Benutzer kann insbesondere ein optisches und/oder akustisches Warnsignal auslösen. Eine Fehlermeldung an ein Gerät, welchem z. B. Schmiermittel zugeführt werden soll, kann durch ein Signal zur Stilllegung des Geräts zur Vermeidung größeren Schadens oder durch ein Signal an eine eigene Steuereinrichtung des Geräts gebildet sein.
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In zur Auswertung des Sensorsignals in der Auslassphase analoger Vorgehensweise kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung in der Einlassphase das Überschreiten eines zweiten oberen Schwellwerts für den Fluiddruck über das Sensorsignal des Drucksensors überwacht. Der zweite obere Schwellwert für den Fluiddruck liegt vorteilhafterweise bei wenigstens 60%, insbesondere wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 80% des maximalen Fluiddrucks in der Fluidkammer. Die Auswertung des Überschreitens des oberen Schwellwerts erfolgt vorteilhafterweise zusätzlich zu der Auswertung des Unterschreitens des unteren Schwellwerts.
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Für die Auswertung des Überschreitens des oberen Schwellwerts kann ein eigener Druckschalter mit auf den oberen Schwellwert eingestellter Schaltschwelle vorgesehen sein. Bei Auswertung sowohl einer Unterschreitung des oberen Schwellwerts kann vorteilhafterweise ein Druckschalter mit deutlicher Hysterese und Schaltschwellen bei dem oberen und dem unteren Schwellwert zum Einsatz kommen.
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Während die Verwendung von Druckschaltern als Drucksensoren mit zweiwertigen Sensorsignal eine besonders einfache und kostengünstige Variante darstellt, ist in bevorzugter Ausführung die Verwendung einer Drucksensoranordnung mit feinerer Unterscheidbarkeit von Druckwerten des Fluids der Schwellwertvergleich in der Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung enthält vorzugsweise eine programmierbare Einrichtung, insbesondere z. B. in Form eines Mikroprozessors, eines Mikrocontrollers oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Hierdurch ergibt sich eine besonders große Flexibilität der Vorrichtung bei einfachem, zuverlässigem und kostengünstigem Aufbau der Ventile und der Fluidkammer. In der Drucksensoranordnung kann vorteilhafterweise ein Sensor mit analogem Ausgangssignal, beispielsweise ein Sensor mit einem Piezoelement zum Einsatz kommen. Das Sensorsignal kann auch bereits im Sensor einer Analog-Digital-Wandlung unterworfen werden.
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In besonders vorteilhafter Ausführungsform kann ein Piezoelement sowohl ein Ventil als auch zugleich ein Drucksensorelement bilden. Insbesondere kann das Piezoelement in einem nichtaktivierten Zustand einen Fluidweg durch ein Ventil freigeben und dabei als Piezo-Drucksensor dienen, der ein Sensorsignal liefert. Das Sensorsignal ist ein Maß für den Fluiddruck in der Fluidkammer, da das geöffnete Ventil mit der Fluidkammer in fluidleitender Verbindung steht. Zum Sperren des Ventils wird das Piezoelement mit einem Steuersignal von der Steuereinrichtung beaufschlagt, welches eine Längenänderung des Piezoelements und dadurch ein Verschließen einer Ventilöffnung bewirkt. Bei mit dem Steuersignal beaufschlagten Piezoelement, was als aktivierter Zustand bezeichnet sei, kann das Piezoelement selbst nicht als Sensor dienen. In bevorzugter Ausführung sind sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil durch Piezoelemente der vorstehend beschriebenen Art realisiert. Solange beide Ventile geschlossen sind, steht von beiden Piezoelementen kein Sensorsignal zur Verfügung. Da während des Zustands mit geschlossenem Eingangsventil und gleichzeitig geschlossenem Ausgangsventil eine Information über den Fluiddruck in der Fluidkammer nicht zwingend vorliegen muss, ist ein zusätzlicher Drucksensor neben den beiden Piezoelementen entbehrlich.
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Die Ventilanordnung kann auch ein gemeinsames bewegtes Sperrelement enthalten, welches abwechselnd das Einströmen bzw. Ausströmen von Fluid in bzw. aus der Fluidkammer steuert. Die Fluidkammer kann auch nur eine Öffnung aufweisen, welche abwechselnd mit der zuführenden oder wegführenden Leitung verbunden wird.
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Die Flexibilität der Vorrichtung mit programmierbarer Steuereinrichtung kann beispielsweise die vereinfachte Anpassung einer konstruktiv einheitlichen Vorrichtung an unterschiedliche Einsatzbedingungen im Einzelfall ermöglichen und z. B. die veränderliche Einstellung von Druckschwellen, die veränderliche Vorgabe einer Fluid-Förderrate, die Definition von Fehlerprüfkriterien usw. erlauben.
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Die programmierbare Steuereinrichtung ermöglicht insbesondere auch eine komplexere Auswertung des Zeitverlaufs des Sensorsignals durch Bestimmung von Kenngrößen des Zeitverlaufs wie beispielsweise Steigungen von Abschnitten von grafischen Darstellungen des Zeitverlaufs des Sensorsignals, gemittelte Werte von Steigungen, Krümmungen etc. Neben der Auswertung von Schwellwertunterschreitungen und/oder Schwellwertüberschreitungen können auch Schwellwertauswertungen in der Weise vorgenommen werden, dass Einlassventil und/oder Auslassventil bei Erreichen vorgebbarer Werte des Sensorsignals geschlossen werden.
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In anderer Ausführung kann die Steuereinrichtung die Sensorsignale zu maximalem und minimalem Fluiddruck ermitteln, woraus nach einer Rechenvorschrift oder einer gespeicherten Tabelle ein Wert für die je Arbeitszyklus geförderte Menge an Fluid ableitbar ist, und die Taktfrequenz nach Maßgabe der ermittelten Werte zur Erreichung einer vorgegebenen Förderrate erforderlichenfalls nachführen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
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1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung,
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2 einen schematischen Zeit-Druck-Verlauf,
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3 einen schematischen Aufbau einer Fluidkammer,
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4 einen weiteren schematischen Aufbau einer Fluidkammer,
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5 eine bevorzugte Ausführung einer Dosiervorrichtung.
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Bei dem schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung DV nach 1 ist diese zur fein dosierten Förderung von z. B. Schmiermittel als Fluid aus einer Fluidquelle FQ zu einer Fluiddüse als Fluidsenke FS zwischen Fluidquelle FQ und Fluidsenke FS in eine fluidleitende Verbindung eingefügt. Über ein Einlassventil EV wird das in der Fluidquelle FQ unter einem ersten hohen Druck von z. B. 5–10 bar stehende Fluid einer Fluidkammer FK zugeführt. Über ein Auslassventil AV ist Fluid aus der Fluidkammer FK in eine Düsenzuleitung DZ ableitbar und über eine Fluiddüse direkt oder über ein zusätzliches Trägermittel, insbesondere einen Luftstrom einer Öl-Luft-Schmierung, einer zu schmierenden Lageranordnung oder einem zu schmierenden Werkzeug zuführbar. Die Richtung der Förderung des Fluids ist mit Pfeilen angedeutet.
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Mit der Fluidkammer FK verbunden ist eine Drucksensoranordnung DS, welche ein vom Druck in der Fluidkammer FK abhängiges Sensorsignal SS an eine Steuereinrichtung ST abgibt. Die Steuereinrichtung ST wertet das Sensorsignal SS in einer der beschriebenen Arten aus. Die Steuereinrichtung ST überwacht insbesondere das Auftreten einer Unterschreitung eines unteren Schwellwerts für den Fluiddruck innerhalb einer Auslassphase, in welcher das Auslassventil AV geöffnet ist. Die Steuereinrichtung ST gibt bei Erkennen einer Funktionsstörung eine Fehlermeldung FM zur Auslösung eines optischen oder akustischen Warnsignals oder zur Auslösung einer Aktion eines Geräts aus. Die Steuereinrichtung ST ist vorzugsweise programmierbar und kann hierfür beispielsweise als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgeführt sein und/oder einen programmierbaren Mikroprozessor oder Mikrocontroller enthalten.
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Die Steuereinrichtung ST steuert mit einem ersten Steuersignal SE das Öffnen und Schließen des Einlassventils EV und mit einem zweiten Steuersignal SA das Öffnen und Schließen des Auslassventils AV. Die Steuerung der Ventile erfolgt periodisch in aufeinander folgenden Taktintervallen. Von Seiten des Benutzers können z. B. über eine Eingabeeinrichtung EE, welche Bedienelemente, Anzeigeelemente, Schnittstellen zu anderen Steuergeräten etc. enthalten kann, verschiedene Parameter, wie z. B. Taktfrequenz, Druckschwellen, Fördermenge je Stunde, Art des Fluids usw. vorgegeben werden, welche in dem Steuerverhalten der Steuereinrichtung ST mit berücksichtigt werden können.
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In 2 ist ein schematischer Verlauf des Fluiddrucks P in der Fluidkammer FK über der Zeit t skizziert. Anstelle des Fluiddrucks P kann auch das Sensorsignal SS für einen solchen Zeitverlauf angenommen werden. Das Sensorsignal SS ist nicht notwendigerweise linear proportional zu dem Fluiddruck P, ist aber in eindeutiger Weise von diesem abhängig. Im folgenden sei daher nur der Fluiddruck P selbst quantitativ besprochen.
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Der Fluiddruck P in der Fluidkammer FK sei in einem im Betrieb zu beachtenden Druckbereich bis zu einem maximalen Druck PH veränderlich. Der maximale Fluiddruck PH kann in erster Näherung gleich dem Fluiddruck P in der Fluidquelle FQ angenommen werden.
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Ausgehend von einem niedrigen Fluiddruck (minimaler Druck PL) wird von der Steuereinrichtung ST über das Steuersignal SE zum Zeitpunkt t1 das Einlassventil EV geöffnet und Fluid strömt durch das Einlassventil EV aus der unter dem höheren Fluiddruck PH stehenden Fluidquelle FQ in die Fluidkammer FK nach, wobei sich der Druck in der Fluidkammer FK schnell erhöht und gegen den maximalen Wert PH strebt. Dabei überschreitet der Fluiddruck P im Verlauf der Einlassphase insbesondere auch einen oberen Schwellwert SO. Eine solche Schwellwertüberschreitung kann aus dem Sensorsignal SS in der Steuereinrichtung ST erkannt und ausgewertet werden.
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Zu einem späteren Zeitpunkt t2 wird das Einlassventil EV von der Steuereinrichtung ST über das Steuersignal SE wieder geschlossen und damit von der Fluidquelle FQ getrennt. Die Zeitspanne von t1 bis t2 sei als Einlassphase bezeichnet.
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Zu einem späteren Zeitpunkt t3, bis zu welchem der Fluiddruck in der Fluidkammer FK auf PH erhalten bleibt, wird über das Steuersignal SA von der Steuereinrichtung ST das Auslassventil AV, welches während der Einlassphase geschlossen ist, geöffnet und aus der unter dem hohen Druck stehenden Fluidkammer FK strömt Fluid unter schneller Verringerung des Fluiddrucks P in die unter geringem Druck stehende Düsenzuleitung DZ zu der Fluiddüse. Der Fluiddruck P sinkt dabei im skizzierten Beispiel nicht vollständig auf Null ab, sondern strebt gegen einen minimalen Druck PL, welcher beispielsweise von der Öffnungsweite der Fluiddüse, der Viskosität des Fluids und dem Druck in dem Raum, in welchen die Fluiddüse mündet, abhängen kann. Der minimale Fluiddruck PL kann über das Sensorsignal SS von der Steuereinrichtung ST bestimmt und ausgewertet werden.
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Zu einem späteren Zeitpunkt t4 wird das Auslassventil AV über das Steuersignal SA von der Steuereinrichtung ST wieder gesperrt. In der Auslassphase von t3 bis t4 tritt eine Unterschreitung eines unteren Schwellwerts SU für den Fluiddruck P auf. Der untere Schwellwert SU liegt höher als der minimale Fluiddruck PL. Die Unterschreitung des unteren Schwellwerts SU kann aus dem Sensorsignal SS in der Steuereinrichtung ST erkannt und ausgewertet werden. Nach der Auslassphase bleibt in der Fluidkammer FK der minimale Druck PL bis zum Beginn eines neuen Arbeitszyklus zum Zeitpunkt t5 erhalten. Vorteilhafterweise folgen die Arbeitszyklen regelmäßig im Zeitabstand einer Taktperiode T (= t5 – t1) bzw. mit einer Taktfrequenz fT = 1/T aufeinander.
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Die in der Auslassphase aus der Fluidkammer FK über das Auslassventil AV in die Düsenzuleitung DZ abgegebene Menge MT an Fluid ist abhängig von der Massendifferenz des Fluids in der Fluidkammer FK zwischen t2 und t4. Diese Massendifferenz kann insbesondere maßgeblich bestimmt sein durch ein druckabhängiges Volumen der Fluidkammer FK und/oder durch eine druckabhängige Dichte des Fluids. Eine Druckabhängigkeit des Volumens der Fluidkammer FK kann insbesondere dadurch gegeben sein, dass zumindest ein Teil der das Kammervolumen begrenzenden Wandflächen unter dem zeitveränderlichen Fluiddruck P elastisch verformbar ist. Eine Druckabhängigkeit der Dichte des Fluids ergibt sich aus der Kompressibilität des Fluids. Die je Arbeitszyklus abgegebene Menge an Fluid ist damit wesentlich bestimmt durch das Volumen der Fluidkammer FK und durch die Differenz des Fluiddrucks P zwischen Zeitpunkten t2 und t4, d. h. zwischen PH und PL. Die in der Auslassphase in die Düsenzuleitung DZ abgegebene Fluidmenge wird in der nachfolgenden Einlassphase aus der Fluidquelle FQ über das Einlassventil EV wieder in die Fluidkammer FK eingeleitet. Die je Zeiteinheit abgegebene Fluidmenge ergibt sich als Produkt aus der in einem Arbeitszyklus abgegebenen Menge an Fluid und der Anzahl der Arbeitszyklen je Zeiteinheit, also der Taktfrequenz.
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Für die Steuereinrichtung ST kann über das Sensorsignal SS der gesamte Zeitverlauf des Fluiddrucks P zur Auswertung bereit stehen. Für die Auswertung können aber auch ein oder mehrere Ausschnitte aus dem Zeitverlauf ausreichen.
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Von besonderem Vorteil ist, auch bei Vorrichtungen mit einem Druckschalter als Drucksensor, die Überprüfung und Auswertung des Auftretens der Unterschreitung des unteren Schwellwerts SU für den Fluiddruck P während der Auslassphase. Aus einem Ausbleiben einer solchen Unterschreitung kann abgeleitet werden, dass kein oder zu wenig Fluid in die Düsenzuleitung DZ ausgegeben wurde und dass daher die Gefahr einer Unterversorgung der Lagerstelle mit Schmiermittel besteht. Bei Ausbleiben einer solchen Unterschreitung des Schwellwerts SU während der Auslassphase generiert daher die Steuereinrichtung ST ein Fehlersignal. Ein solches Fehlersignal kann bereits bei einmaligem Auftreten zu einer Alarmmeldung der Steuereinrichtung ST führen. Vorzugsweise wird jedoch zur Verringerung von Falschalarmen überprüft, ob ein Fehlersignal innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums und oder in einem bestimmten Muster wiederholt auftritt und nur dann ein Alarmsignal auslöst. Der Zeitraum kann typischerweise einige Taktperioden umfassen und zugleich so kurz gewählt sein, dass eine Reaktion auf den zu erwartenden Schmiermittelmangel an der Lagerstelle rechtzeitig vor Auftreten eines Lagerschadens erfolgen kann. Eine solche Reaktion kann beispielsweise das Zuschalten einer Hilfsschmierung oder das Stilllegen der Lageranordnung bis zur Behebung der festgestellten Störung sein. Ein Alarmsignal kann beispielsweise in Form eines akustischen und/oder optischen Signals an einen Benutzer gegeben werden oder auch unmittelbar eine der vorgenannten Reaktionen automatisch auslösen.
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Das Unterschreiten des Schwellwerts SU kann in einer ersten einfachen Ausführung durch Vergleich des Fluiddrucks P mit dem Schwellwert SU oder durch Auswertung der Schalterstellung eines Druckschalters zum Zeitpunkt t4 überprüft werden. In anderer vorteilhafter Ausführung kann ein Wechsel des Fluiddrucks P von einem über dem Schwellwert SU liegenden Wert zu einem unter SU liegenden Wert überprüft werden, z. B. durch Verfolgung des Zeitverlaufs des Fluiddrucks P oder durch Detektion eines Signalwechsels, z. B. eines Druckschalters. Es kann auch eine Auswertung des Sensorsignals SS auf einen Zeitpunkt während der Auslassphase vor dem Schließen des Auslassventils AV bei t4 beschränkt sein.
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In zur Überprüfung und Auswertung einer Unterschreitung des unteren Schwellwerts SU für den Fluiddruck P in der Auslassphase analoger Weise kann auch eine Überprüfung und Auswertung einer Überschreitung eines oberen Schwellwerts SO für den Fluiddruck P in der Einlassphase erfolgen. Eine Überprüfung und Auswertung der Unterschreitung des unteren Schwellwerts ist bevorzugt, da auf der Niederdruckseite das Auftreten einer Störung, z. B. durch Verringerung des Querschnitts der Fluiddüse oder der Düsenzuleitung DZ mit höherer Wahrscheinlichkeit zu erwarten ist als auf der Hochdruckseite von der Fluidquelle her. Es können auch die Unterschreitung des unteren Schwellwerts SU in der Auslassphase und die Überschreitung des oberen Schwellwerts SO in der Einlassphase überprüft und ausgewertet werden. Bei Verwendung eines Druckschalters als Drucksensor kann hierfür ein einziger Druckschalter mit einer großen Hysterese (SO – SU) eingesetzt werden.
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Der obere Schwellwert SO und/oder insbesondere der untere Schwellwert SU können vorteilhafterweise durch den Benutzer in die Steuereinrichtung ST eingegeben werden. In anderer Ausführung kann der untere und/oder der obere Schwellwert SU, SO auch von der Steuereinrichtung ST aus dem maximalen Druckwert PH über eine vorgegebene Druckdifferenz DO = PH – SO oder über einen Quotienten DQ = SO/PH adaptiv eingestellt werden, wobei vorteilhafterweise für den maximalen Druckwert PH ein über eine größere Anzahl von Taktperioden statistisch ermittelter Wert herangezogen wird.
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Der untere Schwellwert SU liegt vorteilhafterweise bei weniger als 40%, insbesondere weniger als 30% des maximalen Fluiddrucks PH in der Fluidkammer. Der obere Schwellwert SO liegt vorteilhafterweise bei wenigstens 60%, insbesondere wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 80% des maximalen Fluiddrucks PH. Die relativen Werte für die Schwellwerte können auch auf die Druckdifferenz PH – PL anstelle auf PH bezogen sein.
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In anderer Ausführung können alternativ oder vorzugsweise zusätzlich zu der Überprüfung und Auswertung der Unterschreitung des unteren Schwellwerts SU auch andere absolute oder relative Größen des zeitlich veränderlichen Verlaufs des Fluiddrucks P bestimmt und ausgewertet werden.
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Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, die Druckdifferenz PH – PL zu ermitteln und über diese die je Arbeitszyklus in die Düsenzuleitung DZ ausgegebene Menge MT an Fluid zu überwachen. In einer Weiterbildung dieser Auswertung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ST die Taktfrequenz fT bzw. die Periodendauer T für die Steuersignale und/oder die Länge der Einlass- und/oder Auslassphase Veränderungen in der Fluidmenge MT bzw. der ermittelten Druckwerte PH, PL so nachführt, dass möglichst eine über mehrere Arbeitszyklen gemittelte Förderleistung an Fluid konstant gehalten oder in bestimmter Weise geführt wird, MT = Funktion (PH, PL, T).
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Die Veränderung der Taktfrequenz für die Steuersignale kann allgemein zur Einstellung bzw. Veränderung der Förderleistung, d. h. der je Zeiteinheit geförderten Fluidmenge dienen, wobei zu beachten ist, dass bei einer wesentlichen Verkürzung der Taktperiode T auch die Einlass- bzw. Auslassphase so weit zu verkürzen ist, dass sich diese beiden Phasen zeitlich nicht überlappen.
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In wieder anderer Ausführung kann die Steuereinrichtung ST den Zeitverlauf des Fluiddrucks P während der Einlassphase und/oder der Auslassphase überwachen und beim Erreichen von Schwellwerten, welche mit den bereits erläuterten Schwellwerten SO bzw. SU übereinstimmen können, aber nicht müssen, das jeweilige Ventil EV bzw. AV schließen.
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3 zeigt schematisch eine Ausführung einer Fluidkammer FK, bei welcher eine Wandung WE einer Fluidleitung druckabhängig elastisch verformbar ist und eine Druckabhängigkeit des Kammervolumens KV bewirkt. Durch Variation der Leitungslänge oder der elastischen Eigenschaften der Wandung WE kann eine bestimmte Abhängigkeit des gesamten Kammervolumens KV vom Fluiddruck P vorgegeben werden.
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In 4 ist eine Vorrichtung skizziert, bei welcher ein Teil des Kammervolumens KV einer Fluidkammer FK mit im wesentlichen nicht elastischen Kammerwänden durch ein gezielt variierbares Teilvolumen vorteilhafterweise gegeben ist, welches z. B. durch Eindrehen oder Ausdrehen eines Einsatzes in einem Gewinde variiert werden kann. Bei einer primär durch die Kompressibilität des Fluids bestimmten Menge MT von je Arbeitszyklus abgegebenem Fluid kann diese Menge durch Veränderung des Teilvolumens und damit des dieses umfassenden Kammervolumens KV vorteilhafterweise veränderlich eingestellt werden. Wenn eine Einstellbarkeit des Kammervolumens KV nicht benötigt wird kann auf einen verstellbaren Einsatz verzichtet und die Anordnung besonders einfach ausgeführt werden.
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In 5 ist ein besonders vorteilhafter Aufbau einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung skizziert, bei welcher das Einlassventil EV ein erstes Piezoelement P1 und das Auslassventil AV ein zweites Piezoelement P2 enthält. Die Piezoelemente P1, P2 sind durch die Steuereinrichtung ST so verschaltet, dass sie sowohl als Drucksensor wie in 5(A) das erste Piezoelement P1 als auch zur Absperrung einer Leitung, wie in 5(A) das zweite Piezoelement P2 eingesetzt werden können. In 5(A) ist die Wechselmöglichkeit zwischen diesen beiden Funktionen für jedes Piezoelement P1, P2 durch ein Schaltelement SC1 bzw. SC2 in der Steuereinrichtung ST symbolisch angedeutet.
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Die Fluidkammer FK ist durch eine einfache Verbindungsleitung VL zwischen Einlassventil EV und Auslassventil AV gebildet. Die Piezoelemente P1, P2 sind in Aussparungen eines Gehäuses GE eingesetzt und weisen mit Schließflächen SF1, SF2 den Öffnungen der Verbindungsleitung VL und/oder einer von der Fluidquelle FQ zuführenden Leitung FL bzw. einer zu einer Fluiddüse weg führenden Leitung (Düsenzuleitung) DZ zu. Die Schließflächen SF1, SF2 und/oder die Öffnungen der abzusperrenden Leitungen können mit elastischem Dichtmaterial versehen sein. Die Aussparungen im Gehäuse GE sind gegen das Austreten von Fluid abgedichtet. zwischen den Piezoelementen P1, P2 und den abzudichtenden Leitungsöffnungen können auch Membranen eingefügt sein.
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Ein Arbeitszyklus kann vorteilhafterweise entsprechend 2 in vier Abschnitte aufgeteilt sein, welche in ihrer Aufeinanderfolge in 5(A) bis 5(D) dargestellt sind.
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In einer in 5(A) dargestellten Einlassphase ist das erste Piezoelement P1 als Drucksensor geschaltet, dessen Sensorsignal SS1 in der Steuereinrichtung ST auswertbar ist. Das erste Piezoelement P1 befindet sich in einem Zustand kurzer Baulänge mit von den Öffnungen der Leitungen FL bzw. VL abgehobener Schließfläche SF1, so dass das Einlassventil EV geöffnet ist und Fluid von der Fluidquelle FQ in die Verbindungsleitung VL als Fluidkammer FK strömen kann. Spätestens gegen Ende der Einlassphase kann von einem statischen Fluidzustand am Einlassventil EV ausgegangen werden, so dass dann das Sensorsignal SS1 zuverlässig ein Maß für den Fluiddruck P in der Verbindungsleitung VL ist.
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Das zweite Piezoelement P2 ist in der in 5(A) dargestellten Einlassphase mit einem Steuersignal SV beaufschlagt, welches das Piezoelement P2 in einen Zustand vergrößerter Baulänge versetzt, in welchem die Schließfläche SF2 die Öffnung wenigstens einer der beiden Leitungen VL und DZ verschließt und damit das Auslassventil AV absperrt. Das zweite Piezoelement P2 dient in diesem Zustand nicht als Drucksensor.
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Nach Abschluss der Einlassphase entsprechend dem Zeitpunkt t2 der 2 wird das Einlassventil EV geschlossen, indem das erste Piezoelement P1 mit einem Steuersignal SV beaufschlagt wird, welches eine Verlängerung des Piezoelements P1 bis zum Verschließen der Öffnung wenigstens einer der beiden Leitungen VL und FL durch die Schließfläche SF1 bewirkt. In diesem zweiten Abschnitt des Arbeitszyklus sind Einlassventil EV und Auslassventil AV geschlossen und von den Piezoelementen P1, P2 stehen beide Sensorsignale SV zur Verfügung (vgl. 5(B)).
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Zur Einleitung der Auslassphase als drittem Abschnitt des Arbeitszyklus wird entsprechend dem Zeitpunkt t3 nach 2 das aktivierende Steuersignal SV am zweiten Piezoelement P2 abgeschaltet, so dass das zweite Piezoelement P2 in den deaktivierten Zustand mit kürzerer Baulänge zurückfällt und durch Abheben der Schließfläche SF2 von der oder den zuvor verschlossenen Leitungsöffnungen das Auslassventil AV öffnet wie in 5(C) dargestellt. Eine kleine Menge an Fluid strömt aus der Verbindungsleitung VL in die Düsenzuleitung DZ. Nach kurzer Zeit, spätestens gegen Ende der Auslassphase kann der Druck des Fluids am Auslassventil AV als statisch angesehen werden, so dass das Sensorsignal SS2 des in diesem Zustand als Drucksensor dienenden Piezoelements P2 als Maß für den Fluiddruck P in der Verbindungsleitung VL und der Düsenzuleitung DZ ausgewertet werden kann.
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Nach Abschluss der Auslassphase entsprechend t4 in 2 wird auch das Auslassventil AV für einen vierten Abschnitt wie in 5(B) wieder geschlossen, wodurch der Zustand nach 5(D) mit geschlossenem Einlassventil EV und geschlossenem Auslassventil AV eingenommen wird, bevor für einen neuen Arbeitszyklus wieder eine Einlassphase nach 5(A) gestartet wird.
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Selbstverständlich kann auch bei Verwendung von Piezoelementen in der Ventilanordnung eine gesonderte Sensoranordnung zur Bestimmung des Fluiddrucks in der Fluidkammer vorgesehen sein.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere kann die Ventilanordnung mit Einlassventil und Auslassventil auf unterschiedliche an sich bekannte Arten realisiert sein. Der Druck in der vom Auslassventil weg führenden Leitung kann auch geringer sein als der Umgebungsdruck. Für die Sensoranordnung könne an sich beliebige Sensorelemente, neben der Ausführung als Piezoelemente insbesondere auch Sensorelemente mit Dehnungsmessstreifen eingesetzt sein.
