DE102008030544B4 - Modellbasiertes Verfahren zur Überwachung von mikromechanischen Pumpen - Google Patents

Abstract

Modellbasiertes Verfahren zur Überwachung von mikromechanischen Pumpen, bei dem – elektrische Signale als Eingangs- und Ausgangsgrößen einer realen Strecke gemessen werden, wobei die reale Strecke eine mikromechanische Pumpe mit aktiven Ventilen ist, – der realen Strecke ein physikalisch-mathematisches Modell parallel geschaltet wird und mit derselben Eingangsgröße belegt wird wie die reale Strecke, – die Ausgangsgröße der realen Strecke mit der des Modells verglichen wird, – das Vergleichsergebnis zur Anpassung von Modellparametern ausgewertet wird, und – durch die Anpassung der Modellparameter über eine Minimierung einer Zielgröße, wobei die Zielgröße die Differenz zwischen der Ausgangsgröße des Modells und der Ausgangsgröße der Messung ist, zusätzliche physikalische Parameter des Pumpsystems bestimmt werden und daraus eine Detektion von Lufteinschlüssen im Pumpsystem ausgeführt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft die Überwachung von mikromechanischen Pumpen, die insbesondere piezoelektrisch angetrieben sind. Die Pumpen enthalten aktive Ventile und werden durch elektronische Systeme überwacht. Insbesondere betrifft die Erfindung die Detektion von Lufteinschlüssen in einem derartigen Pumpsystem.
• Die US 6709240 B1 beschreibt bspw. einen Ansatz zur Detektion von geringen Flussraten und/oder dem Auftreten von Kavitation bei einer Zentrifugalpumpe. Dabei werden eine Eingangsspannung sowie ein Eingangsstrom der Pumpe gemessen. Diese Messgrößen werden zur Berechnung der Momentanleistung der Pumpe verwendet. Dieses Leistungssignal wird spektral zerlegt und das Spektrum wird mit einem Referenzsignal verglichen. Aus Abweichungen des Spektrums von dem Referenzsignal kann auf das Vorhandensein von Kavitation geschlossen werden.
• Die DE 10 2005 058 080 B4 zeigt eine exemplarische mikromechanische Pumpe mit einer Überwachungseinheit zur Fluiddosierung bzw. zur Dosierkontrolle. Die Überwachungseinheit umfasst ein Einlassventil und ein Auslassventil sowie ein Fluidreservoir, welches zwischen den Ventilen angeordnet ist und welches einen flexiblen Reservoirmembranbereich aufweist. Der Reservoirmembranbereich weist einen Sensor auf, der in Abhängigkeit von dem Volumen bzw. dem Druck im Reservoir ein Ausgangssignal liefert. Das Ausgangssignal wird verwendet, um Rückschlüsse auf das Volumen eines gepumpten Fluids oder auch auf andere Parameter zu ziehen.
• Im Stand der Technik ist bekannt, die Detektion physikalischer Ereignisse mit so genannten signalbasierten Verfahren zu realisieren. Dabei werden als Signale einer elektrischen Ansteuerung im Wesentlichen Strom und Spannung gemessen und verarbeitet. Die Verarbeitung geschieht durch Hilfsmittel wie Verstärkung, analoge Filterung etc. Die bei derartigen Messungen erhaltenen Signale weisen nicht nur Anteile von Seiten der elektrischen Ansteuerung, sondern auch Anteile auf, die beispielsweise von der mechanischen Seite eines angetriebenen Elementes rückgekoppelt werden. Die Gesamtsignale werden anschließend mathematisch weiterverarbeitet und ausgewertet.
• Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren besteht meist darin, dass zur Trennung von Nutz- und Störsignal eine Filterung durchgeführt werden muss. Als Nutzsignal ist in diesem Fall ein Rückkoppelungssignal zu verstehen. Dies muss in der Regel gefiltert werden, da wesentliche Störgrößen vorliegen. Die Filterung führt jedoch zu wesentlichen Phasenverschiebungen. Ändert sich aufgrund von Störgrößen, beispielsweise bei einer Temperaturschwankung bzw. bei einem Temperaturgradienten, das Systemverhalten, so müssen die verwendeten Filter angepasst werden, wodurch eine adaptive Filterung erforderlich ist.
• Wichtig ist, dass der Aufwand eines derartigen Verfahrens wesentlich über das Übliche hinausgeht. Zusätzlich können bei elektromechanisch wechselwirkenden Systemen überlagerte Systemschwingungen die Genauigkeit und die Robustheit der Detektion physikalischer Ereignisse negativ beeinflussen.
• Als Alternative zu den signalbasierten Verfahren können auch modellbasierte Verfahren zur Parameterbestimmung eingesetzt werden. Ein derartiges Verfahren wird bspw. im Kapitel 9.5.6.1 des ”Taschenbuch der Regelungstechnik” (Verlag Harry Deutsch, ISBN 3-8171-1705-1, 5. Auflage) erwähnt. Das dort beschriebene Verfahren vergleicht einen Ausgangswert eines realen Systems mit einem anhand eines Modells des realen Systems simulierten Ausgangswert und stellt die Struktur und Parameter des Modells anschließend so ein, dass das Verhalten des Modells und das des realen Systems möglichst gut übereinstimmen. In dieser Weise lassen sich die Parameter des Modells und damit der Systemzustand in gewisser Näherung schätzen.
• Bspw. wird in US 2006/0276999 A1 ein Kontrollsystem für eine Zentrifugalpumpe offenbart, bei dem anhand eines modellbasierten Verfahrens Zustandsgrößen des Pumpsystems geschätzt werden. Hierzu werden zunächst verschiedene physikalische Messgrößen ermittelt. Diese werden als Eingangsgrößen für die Modelle von verschiedenen Komponenten des Pumpsystems verwendet, um schließlich modellbasiert diverse Betriebsparameter des Pumpsystems zu schätzen, um die Pumpe bspw. gegen Kavitationseffekte zu schützen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein modellbasiertes Verfahren zur Überwachung von mikromechanischen Pumpen anzugeben, welches zudem zulässt, Lufteinschlüsse im Pumpsystem zu detektieren, und damit eine höhere Betriebssicherheit erzielt.
• Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination entsprechend Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Gegensatz zu den oben beschriebenen signalbasierten Verfahren ein modellbasiertes Verfahren eingesetzt wird.
• Im Gegensatz zu den signalbasierten Verfahren, bei denen im Wesentlichen die elektrischen Ansteuersignale abgegriffen werden und aus diesen mechanisch-elektrische Rückkoppelungssignale extrahiert werden, wird bei einem modellbasierten Verfahren lediglich mit einer ausgewählten realen Strecke, beispielsweise einer Pumpstrecke mit elektrischen Eingangs- und Ausgangsgrößen, insbesondere einer mikromechanischen Pumpe mit aktiven Ventilen, gearbeitet. An dieser wird gemessen und die verschiedenen Daten werden einer Auswertung unterzogen. Der ausgewählten und damit vorgegebenen realen Strecke wird ein physikalisch-mathematisches Modell parallel geschaltet. Dieses Modell wird mit derselben Eingangsgröße belegt wie die reale Strecke, was im vorliegenden, näher beschriebenen Fall die Eingangs-Stromstärke ist. Die Ausgangsgröße der realen Strecke ist gleich der Ausgangsgröße des Modells, beispielsweise der Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung. Für die reale Strecke bedeutet dies einen/e gemessene/n Strom/Spannung und für das Modell bedeutet dies eine/n simulierte/n Strom/Spannung. Beide Ströme oder Spannungen werden verglichen, wobei die Beurteilung im Wesentlichen auf die Abschätzung der Modellparameter, deren Richtigkeit und Zuverlässigkeit abgestellt ist.
• Es ist vorteilhaft, über den Vergleich der realen und der simulierten Ausgangsgröße, Ausgangsstrom, Ausgangsspannung, bzw. des Signalniveaus, welches in einer Vergleichseinheit erhalten wird, weitere Prozessparameter im Modell zu berechnen. Diese sind insbesondere Parameter, die an anderer Stelle nicht verfügbar sind.
• Korrespondiert die reale Strecke mit einer mikromechanischen Pumpstrecke, so ist es besonders vorteilhaft, als Modellparameter die Kompressibilität und/oder die Viskosität des gepumpten Fluids zu betrachten.
• Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich daraus, dass Lufteinschlüsse im System erfasst werden können. Dies geschieht ebenso über einen Vergleich der Ausgangsgröße, einmal an der realen Strecke und andererseits an der Ausgangsseite des Modells.
• Das dem Vergleichselement zu entnehmende Signal dient als Zielgröße einer mathematischen Minimierung, bei welcher eine Variation der freien Systemparameter durchgeführt wird. Das Ergebnis dieser Minimierung liefert die physikalischen Parameter der realen Strecke. Dem angepassten Streckenmodell können virtuelle Zustandsgrößen entnommen werden, welche im realen System nicht messbar sind, und zum Zwecke der Überwachung bzw. Regelung weiterverarbeitet werden.
• Im Folgenden wird anhand einer schematischen Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
• Die Figur zeigt die prinzipielle Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Der realen Strecke, beispielsweise einer mikromechanischen Pumpe mit aktiven Ventilen, ist ein physikalisch-mathematisches Modell parallel geschaltet. Sowohl die reale Strecke als auch das physikalisch-mathematische Modell werden mit dergleichen Eingangsgröße belegt, was in diesem Fall der Eingangsstrom IE bzw. der Vektor der Ansteuerströme I ist. Die Ausgangsgrößen der beiden Prozessstrecken, der realen Strecke und der des Modells, weisen auch die gleiche Ausgangsgröße auf, in diesem Fall die Ausgangsspannung. Diese ist im Fall der realen Strecke eine gemessene Spannung U_mess, hier der Vektor der Spannungen U, und im Fall des Modells die simulierte Spannung U_sim. Je nach Methode, die im Vergleichselement angewandt wird, kann auch die Höhe eines Pegels dieser Auswerteeinheit ermittelt und entnommen werden.
• Allgemein wird die Beurteilung bzgl. der Richtigkeit der Modellparameter vorgenommen. Weiterhin können Parameter des physikalisch-mathematischen Modells, beispielsweise die Kompressibilität und/oder die Viskosität des gepumpten Fluides beobachtet oder überwacht werden.
• Mithilfe eines physikalisch-mathematischen Modells, welches natürlich an die Gegebenheiten der realen Strecke angepasst ist, werden als Eingangs- und als Ausgangsgrößen dieselben Größen verwendet. Als Eingangsgröße beispielsweise der Eingangsstrom und als Ausgangsgröße beispielsweise jeweils eine Spannung.
• Entsprechend seiner dynamischen Ordnung wird das reale Verhalten ausreichend genau abgebildet, so dass virtuelle physikalische Zustandsgrößen des Systems bzw. des Modells berechnet werden können, die in der Realität nicht als Messgrößen vorliegen. So können beispielsweise Drücke und Massenströme im System rekonstruiert werden.
• Virtuelle Größen werden beispielsweise als Eingangsgrößen für Regler oder Diagnoseeinheiten verwendet. Durch die Anpassung der Parameter über die Minimierung der Zielgröße, Ausgangsgröße/Modell-Ausgangsgröße/Messung können zusätzliche physikalische Parameter des Systems wie etwa Kompressibilitäten oder Viskositäten bestimmt werden. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Diagnosemöglichkeiten wie etwa die Detektion von Lufteinschlüssen im System.
• Im Vergleich zu den beschriebenen signalbasierten Verfahren müssen die Messgrößen bei der Erfindung nicht gefiltert werden. Damit ist als wesentlicher Faktor ausgeschlossen, dass Eigenfrequenzen des vorliegenden Systems die Genauigkeit, beispielsweise von Messungen, beeinflussen. Dies beruht darauf, dass das physikalische Modell abgebildet wird oder darauf, dass die Integration des Ausgangssignals vernachlässigt werden kann. Genauso werden Einflüsse durch Störgrößen wie Alterung oder Temperaturschwankungen durch die Adaption der Modellparameter kompensiert. Weiterhin können als Überwachungsgrößen virtuelle physikalische Zustandsgrößen, die real nicht messbar, jedoch aus dem Modell ableitbar sind, herangezogen werden.

Claims (4)

1. Modellbasiertes Verfahren zur Überwachung von mikromechanischen Pumpen, bei dem – elektrische Signale als Eingangs- und Ausgangsgrößen einer realen Strecke gemessen werden, wobei die reale Strecke eine mikromechanische Pumpe mit aktiven Ventilen ist, – der realen Strecke ein physikalisch-mathematisches Modell parallel geschaltet wird und mit derselben Eingangsgröße belegt wird wie die reale Strecke, – die Ausgangsgröße der realen Strecke mit der des Modells verglichen wird, – das Vergleichsergebnis zur Anpassung von Modellparametern ausgewertet wird, und – durch die Anpassung der Modellparameter über eine Minimierung einer Zielgröße, wobei die Zielgröße die Differenz zwischen der Ausgangsgröße des Modells und der Ausgangsgröße der Messung ist, zusätzliche physikalische Parameter des Pumpsystems bestimmt werden und daraus eine Detektion von Lufteinschlüssen im Pumpsystem ausgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Piezoaktor als Antriebselement in der Pumpe vorhanden ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, bei dem als Modellparameter die Kompressibilität und/oder die Viskosität des gepumpten Fluids gesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem mithilfe des Modells virtuelle physikalische Zustandsgrößen berechnet werden.

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