DE102016109457A1

DE102016109457A1 - Dosiereinrichtung mit Drucksensor

Info

Publication number: DE102016109457A1
Application number: DE102016109457.9A
Authority: DE
Inventors: Josef Braun; Walter Hetzel
Original assignee: Prominent GmbH
Current assignee: Prominent GmbH
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung zum Fördern von Fluiden, welche einen Förderraum mit einem Saug- und einem Druckanschluss aufweist, wobei der Förderraum von einer Förderraumwand und einem Verdrängungselement begrenzt wird, wobei das Verdrängungselement zwischen zwei Positionen p1 und p2 hin- und herbewegbar ist, wobei in der Position p1 das Volumen des Förderraums kleiner ist, als in der Position p2. Um eine Dosiereinrichtung zur Verfügung zu stellen, die den Druck im Förderraum messen kann, ohne dass die oben beschriebenen Nachteile auftreten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Dosiereinrichtung einen Drucksensor zum Messen des Drucks im Förderraum aufweist und die Förderraumwand oder das Verdrängungselement einen beweglichen Abschnitt aufweist, der derart zwischen Drucksensor und Förderraum angeordnet ist, dass die Druckmessung des Drucksensors auf einer durch den Druck im Förderraum bedingten Auslenkung des beweglichen Abschnitts beruht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung zum Fördern von Fluiden, welche einen Förderraum mit einem Saug- und einem Druckanschluss aufweist, wobei der Förderraum von einer Förderraumwand und einem Verdrängungselement begrenzt wird, wobei das Verdrängungselement zwischen zwei Positionen p₁ und p₂ hin- und herbewegbar ist, wobei in der Position p₁ das Volumen des Förderraums kleiner ist, als in der Position p₂.
Zur Verwendung der Dosiereinrichtung wird diese in ein Dosiersystem integriert. Dieses Dosiersystem weist eine Saug- und eine Druckleitung auf, wobei die Saugleitung mit dem Sauganschluss verbunden wird und die Druckleitung mit dem Druckanschluss verbunden wird. Die Verbindung von Sauganschluss und Druckanschluss mit der Saug- bzw. Druckleitung erfolgt jeweils über ein Rückschlagventil.
In einigen Fällen weist die Dosiereinrichtung bereits selbst entsprechende Rückschlagventile auf, die mit dem Saug- bzw. Druckanschluss verbunden sind, sodass systemseitig keine Rückschlagventile mehr bereitgestellt werden müssen. In den anderen Fällen sind die Rückschlagventile Teil des Dosiersystems.
Im Bereich des Saug- bzw. des Druckanschlusses des Förderraums wird der Förderraum von den Rückschlagventilen begrenzt.
Des Weiteren wird der Förderraum von einer Förderraumwand und einem Verdrängungselement begrenzt. Das Verdrängungselement ist zwischen zwei Positionen p₁ und p₂ hin- und herbewegbar. Bei der Bewegung des Verdrängungselementes von der Position p₁ in die Position p₂ wird das Volumen des Förderraums vergrößert. Dadurch reduziert sich der Druck im Förderraum auf das zu fördernde Fluid. Unterschreitet der Druck im Förderraum den Druck in der Saugleitung, so öffnet das Rückschlagventil, über das die Saugleitung mit dem Sauganschluss des Förderraums verbunden ist, und zu förderndes Fluid strömt in den Förderraum. Bei der Bewegung des Verdrängungselementes von Position p₂ zu Position p₁, bei der sich das Volumen des Förderraums verkleinert, erhöht sich der Druck im Förderraum auf das zu fördernde Fluid. Überschreitet der Druck im Förderraum den Druck in der Druckleitung, so öffnet sich das Rückschlagventil, über das die Druckleitung mit dem Druckanschluss verbunden ist, und das zu fördernde Fluid strömt in die Druckleitung.
Das Bewegen des Verdrängungselementes von Position p₁ zu Position p₂ und zurück stellt einen Arbeitszyklus der Dosiereinrichtung dar. Nach einem solchen Arbeitszyklus ist eine definierte Menge von Fluid gefördert worden. Während eines Arbeitszyklus‘ verändert sich, wie oben bereits dargestellt, der Druck im Förderraum. Anders gesagt, verläuft der Druck im Förderraum während eines Arbeitszyklus‘ entlang einer Kurve in einem Druck-Zeit-Diagramm. Der Verlauf einer solchen Druckkurve hängt von einigen Parametern ab, wie zum Beispiel dem statischen Druck in der Saugleitung bzw. dem statischen Druck in der Druckleitung. Eine Veränderung der Parameter eines Dosiersystems, wie beispielsweise ein stetiger oder ein abrupter Druckabfall des statischen Drucks in der Saugleitung, äußert sich somit auch in einer Veränderung der Druckkurve.
Würde sich der Druck im Förderraum schlagartig verändern, weil es beispielsweise zu einem Bruch des Verdrängungselementes aufgrund von Materialermüdung kommt, so würde auch die Druckkurve diese schlagartige Druckänderung zeigen.
Im normalen Betriebszustand eines eingerichteten Dosiersystems, wird bei jedem Arbeitszyklus annähernd dieselbe Druckkurve durchlaufen, da sich die Parameter nur im Rahmen von systembedingten, geringfügigen Schwankungen ändern.
Protokolliert man viele Druckkurven von Arbeitszyklen unter normalen Betriebsbedingungen und bildet aus dieser Schar von Druckkurven eine mittlere Druckkurve, kann diese als Referenzdruckkurve verwendet werden. Zu dieser Referenzdruckkurve sind auch die normalen und damit zulässigen Abweichungen von der Referenzdruckkurve aus Vergleich mit der protokollierten Schar der Druckkurven ableitbar.
Das Messen des Drucks im Förderraum einer Dosiereinrichtung während des Betriebes, also das Messen des Drucks im Förderraum in „Echtzeit“, ermöglicht, den gemessenen Druck mit der Referenzdruckkurve zu vergleichen. D.h. man kann den gemessenen Druck mit dem Druckwert der Referenzdruckkurve des korrespondierenden Zeitpunkts des Arbeitszyklus vergleichen. Des Weiteren kann auch der gemessene Druck mit den zulässigen Abweichungen verglichen werden. Für solche Vergleiche stehen viele verschiedene mathematische Methoden mit unterschiedlicher Komplexität zur Verfügung.
Fällt durch den Vergleich eine unzulässige Abweichung des Drucks im Förderraum von der Referenzdruckkurve auf, so weicht der Betrieb der Dosiereinrichtung vom normalen Betrieb ab. In einem solchen Fall kann beispielsweise eine Alarmierung erfolgen und die Pumpe abgeschaltet werden. Es kann aber auch regelnd in den Betrieb der Dosiereinrichtung eingegriffen werden. Beides kann sowohl auf elektronischem Wege geschehen, als auch manuell von entsprechend geschultem Bedienpersonal.
Um die Zuverlässigkeit der Aussage über eine unzulässige Abweichung zu erhöhen, könnten bspw. auch mehrere Messwerte des Drucks gespeichert und der zeitliche Verlauf dieser gespeicherten Messwerte mit dem korrespondierenden zeitlichen Verlauf der Referenzdruckkurve verglichen werden und so eine evtl. Entwicklung der unzulässigen Abweichung des Drucks von der Referenzdruckkurve protokolliert werden. Daraus könnte beispielsweise abgeleitet werden, ob nur eine kurzfristige Abweichung aufgetreten ist, oder ob tatsächlich eine dauerhafte unzulässige Abweichung von der Referenzdruckkurve aufgetreten ist, die ein Eingreifen in den Betrieb der Dosiereinrichtung erforderlich macht.
Es ist daher eine Dosiereinrichtung von Vorteil, die derart ausgestaltet ist, dass sie den Druck im Förderraum messen kann. Vorteilhaft ist dabei auch, wenn dies während des Betriebs in Echtzeit möglich wäre.
Häufig werden jedoch mit einer solchen Dosiereinrichtung Fluide gefördert, welche bspw. eine stark korrosive Wirkung haben oder gar ätzend sind, sodass es nicht erwünscht ist, eine Vorrichtung für die Druckmessung innerhalb des Förderraums vorzusehen.
Des Weiteren kann eine innerhalb des Förderraums angeflanschte Vorrichtung zur Druckmessung auch die Strömung des Fluides negativ beeinträchtigen, so dass eine höhere Kraft zum Ansaugen und/oder Ausdrücken des zu fördernden Fluides benötigt werden würde. Dies ist unerwünscht, da ein stärkerer Antrieb benötigt würde, der teurer ist und mehr Strom verbraucht.
Je nach Einsatzbereich der Dosiervorrichtung kann eine Reinigung des Förderraums der Dosiervorrichtung von Zeit zu Zeit notwendig sein. So müssen bspw. bei der Förderung von Milch im Förderraum verbliebene Rückstände der Milch mit Hilfe von Reinigungsfluid in regelmäßigen Abständen ausgespült werden. D.h. es wird von Zeit zu Zeit Reinigungsfluid von der Dosiervorrichtung gefördert statt Milch. Dadurch werden Rückstände der Milch im Förderraum ausgespült, bevor sie sauer werden und evtl. die abgefüllte Milch ungenießbar machen.
Auch hier macht eine innerhalb des Förderraums angeflanschte Vorrichtung zur Druckmessung Schwierigkeiten. Je komplizierter die innere Struktur des Förderraums ist, desto länger braucht die Reinigung bis jeglicher Rückstand aus dem Förderraum ausgespült ist. Alternativ können aggressivere Reinigungsmittel verwendet werden. Beides ist nachteilig und unerwünscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Dosiereinrichtung zur Verfügung zu stellen, die den Druck im Förderraum messen kann, ohne dass die oben beschriebenen Nachteile auftreten.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine eingangs beschriebene Dosiereinrichtung einen Drucksensor zum Messen des Drucks im Förderraum aufweist und die Förderraumwand einen beweglichen Abschnitt aufweist, der zwischen Drucksensor und Förderraum angeordnet ist, wobei die Druckmessung des Drucksensors auf einer durch den Druck im Förderraum bedingten Auslenkung des beweglichen Abschnitts beruht.
Somit ist der Drucksensor erfindungsgemäß nicht innerhalb des Förderraums angeordnet. Er tritt auch nicht direkt mit dem im Förderraum befindlichen Fluid in Kontakt. Der Drucksensor misst den Druck im Förderraum indirekt über die Auslenkung des beweglichen Abschnitts.
Änderungen des Drucks innerhalb des Förderraums führen zu einer Auslenkung des beweglichen Abschnittes der Förderraumwand. Die Auslenkung des beweglichen Abschnittes führt dazu, dass auf den Drucksensor selbst eine Kraft ausgeübt wird, die dann gemessen werden kann. Mit anderen Worten erfolgt die Druckmessung des Drucks auf das zu fördernde Fluid im Förderraum indirekt über die Auslenkung des beweglichen Abschnitts und die dadurch auf den Drucksensor ausgeübte Kraft.
Des Weiteren ist von Vorteil, dass der Drucksensor nicht im Förderraum angeflanscht werden muss. Er beeinträchtigt darüber hinaus die Fluidströmung während des Pumpvorgangs nicht negativ. Das Einströmen und das Ausströmen des Fluids in bzw. aus dem Förderraum wird nicht behindert durch einen im Förderraum angeflanschten Drucksensor. Der Förderraum lässt sich einfach reinigen und der Drucksensor ist gegen Beschädigungen, beispielsweise durch aggressives Reinigungsfluid, geschützt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drucksensor ein piezoelektrischer Sensor ist. Das heißt, dass der Drucksensor den Druck basierend auf dem piezoelektrischen Effekt misst.
Ein piezoelektrischer Sensor weist ein piezokeramisches Bauteil auf. Dieses Bauteil wiederum weist in der Regel zwei zueinander parallele, plane Oberflächenabschnitte auf. Diese beiden zueinander parallelen Flächen sind an ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Werden nun auf diese beiden zueinander parallelen Flächen jeweils entgegengesetzt wirkende Kräfte aufgebracht, in Folge derer eine Stauchung des piezokeramischen Elements erfolgt, so tritt eine elektrische Spannung zwischen den beiden Oberflächen auf, die mit dem Spannungsmessgerät gemessen wird. Schon bei sehr geringen Stauchungen entsteht eine messbare Spannung. Die Spannung ist proportional zur Stauchung. Dieser wiederum ist proportional zur Kraft und somit zum Druck. Über die Messung der Spannung wird somit der Druck gemessen.
Die Verwendung eines piezoelektrischen Sensors ist von Vorteil, da dann eine geringe Auslenkung des beweglichen Abschnitts für die Druckmessung ausreicht. Eine geringe Auslenkung des beweglichen Abschnitts bewirkt zwar nur eine geringe Stauchung des nachgelagerten piezoelektrischen Sensors, diese kann jedoch mit dem piezoelektrischen Sensor einfach detektiert werden.
Die Verformung bzw. Auslenkung des beweglichen Abschnitts führt jedoch zu einer Variation des Volumens des Förderraums. Sie ist derart gerichtet, dass sie der abwechselnden Verkleinerung und Vergrößerung des Förderraums durch die Hubbewegung des Verdrängungselements entgegen wirkt. Bspw. bewegt sich der bewegliche Abschnitt in den Förderraum hinein, wenn dieser durch den Hub des Verdrängungselements größer wird, so dass die Vergrößerung des Förderraums letztlich geringer ausfällt, als es bei einem Förderraum ohne beweglichen Abschnitt der Fall wäre. Daher ist eine möglichst geringe Auslenkung des beweglichen Abschnitts erwünscht, um den Einfluss des beweglichen Abschnitts auf die Volumenänderung des Förderraums möglichst gering zu halten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der bewegliche Abschnitt und die Förderraumwand oder der bewegliche Abschnitt und das Verdrängungselement einteilig sind, d.h., dass der Förderraum und der bewegliche Abschnitt oder das Verdrängungselement und der bewegliche Abschnitt aus einem Stück gefertigt sind.
Viele Dosiereinrichtungen weisen einen Dosierkopf auf. Der Dosierkopf ist dann das Bauteil der Dosiereinrichtung, der im zusammengesetzten Zustand der Dosiereinrichtung in Kontakt mit dem Verdrängungselement tritt. Dosierkopf und Verdrängungselement zusammen bilden dann den Förderraum. Der Saug- und Druckanschluss kann auch am Dosierkopf vorgesehen sein oder zumindest eine Aufnahme für den Saug- und Druckanschluss aufweisen.
Ein Dosierkopf kann ein spritzgegossenes Bauteil sein. Übliche Werkstoffe für spritzgegossene Dosierköpfe sind bspw. Polypropylen (PP) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF). Solche Materialien weisen eine gewisse Elastizität auf, sind also nicht steif. Bei spritzgegossenen Dosierköpfen ist es nun möglich, den Drucksensor in den Dosierkopf mit einzuspritzen oder den Drucksensor mit dem Spritzgussmaterial, wie PP oder PVDF zumindest teilweise zu umspritzen. Der Drucksensor wird dabei innerhalb des Dosierkopfes an einer Stelle platziert, die nahe an der Förderraumwand liegt.
Der Abschnitt des Dosierkopfes zwischen Drucksensor und Förderraumwand bildet dann den beweglichen Abschnitt. Je nachdem, wie nah der Drucksensor an der Oberfläche der Förderraumwand positioniert wird, reduziert sich natürlich die Dicke des beweglichen Abschnitts. Je schmaler der bewegliche Abschnitt ist, desto beweglicher wird er, jedoch geht diese Erhöhung der Beweglichkeit zu Lasten der Bruchfestigkeit. Hier muss ein ausgeglichenes Verhältnis gefunden werden.
Der Dosierkopf kann auch aus Metall gefertigt sein. Dazu wird ein Abschnitt des Dosierkopfes sehr dünn ausgeführt, so dass dieser Abschnitt eine gewisse Beweglichkeit aufweist und damit ausgelenkt werden kann. Dieser Abschnitt ist Teil der Förderraumwand und bildet damit den beweglichen Abschnitt. Beweglicher Abschnitt und Förderraumwand sind einteilig miteinander verbunden. Bei solchen beweglichen Abschnitten sind natürlich nur geringe Auslenkungen des beweglichen Abschnittes möglich, da es bei einer stärkeren Auslenkung zu einer plastischen Verformung oder sogar zum Bruch kommen kann. Daher ist bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung die Verwendung eines piezoelektrischen Drucksensors besonders von Vorteil, weil dieser auch bei geringen Auslenkungen, wie oben bereits erwähnt, eine ausreichende Messung des Drucks ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der bewegliche Abschnitt aus einem elastischen Material besteht.
Beispielsweise kann der Drucksensor in eine Vertiefung in der Förderraumwand eingesetzt werden, wobei der verbleibende Hohlraum der Vertiefung mit einem elastischen Material verfüllt wird. Das elastische Material bildet dann den beweglichen Abschnitt der Förderraumwand. Der Drucksensor ist zwischen dem Boden der Vertiefung und dem beweglichen Abschnitt „eingeklemmt“, so dass eine Auslenkung des beweglichen Abschnitts in Richtung des Bodens der Vertiefung eine Kraft auf den Drucksensor ausübt, so dass dieser die Kraft und damit den Druck messen kann.
Der Drucksensor kann aber auch auf eine Oberfläche aufgesetzt werden und anschließend wird der Drucksensor mit einer Lage aus elastischem Material überzogen. Dieser Überzug erstreckt sich dabei soweit über die Oberfläche, dass zumindest der Drucksensor vollständig abgedeckt bzw. umhüllt ist und somit vor Einwirkungen des zu fördernden Fluides geschützt ist. Der Überzug bildet den beweglichen Abschnitt der Förderraumwand. Der Drucksensor ist zwischen der Oberfläche und dem Überzug eingeschlossen und wird bei einer Auslenkung des Überzugs in Richtung der Oberfläche gestaucht und somit kann der Druck gemessen werden.
Beispielsweise kann aber auch die Stirnseite eines Kolbens, die dem Förderraum zugewandt ist, eine Ausnehmung aufweisen, in die der Drucksensor eingesetzt ist. Diese Ausnehmung mit dem eingesetzten Drucksensor wird anschließend mit einem elastischen Material verfüllt, so dass ein elastischer Abschnitt des Verdrängungselementes zwischen Drucksensor und Förderraum verbleibt. Dieser elastische Abschnitt bildet dann den beweglichen Abschnitt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement zumindest zweiteilig ausgebildet ist, wobei der Drucksensor zwischen zwei Teilen des Verdrängungselements angeordnet ist.
Bei dieser Ausführungsform kann der Drucksensor sehr einfach in das Verdrängungselement eingebracht werden. Sollte der Drucksensor beschädigt sein, kann er auch einfach getauscht werden, indem die beiden Teile des Verdrängungselementes auseinandergenommen werden, der Drucksensor entnommen wird, ein anderer Drucksensor eingesetzt wird und die beiden Teile des Verdrängungselementes anschließend wieder zusammengesetzt werden.
Das dem Förderraum zugewandte Teil des Verdrängungselements kann zumindest abschnittsweise aus einem elastischen Material hergestellt sein, so dass dieser elastische Abschnitt den beweglichen Abschnitt bildet und die Druckmessung aufgrund einer Auslenkung des beweglichen Abschnittes erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement eine Membran aufweist.
Bspw. gibt es Membranpumpen bei denen ein Abschnitt der Membran den beweglichen Abschnitt der Förderraumwand bildet. Der andere Abschnitt der Membran wird üblicherweise für die Befestigung der Membran in der Dosiervorrichtung genutzt.
Der Vorteil einer Membran ist, dass diese ein leckfreies Verdrängungselement ist, dass nicht von zu förderndem Fluid umflossen werden kann. Würde nämlich ein Kolben als Verdrängungselement genutzt, der in einem Zylinder geführt ist, so wird es, selbst bei geringsten Fertigungstoleranzen, dazu kommen, dass geringe Mengen von zu förderndem Fluid zwischen der Zylinderinnenwand und dem Kolben selbst hindurchtreten. Ein Kolben ist somit kein leckfreies Verdrängungselement.
Ein leckfreies Verdrängungselement ist aber gerade bei dem Fördern von korrosiven oder sogar ätzenden Stoffen erforderlich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungselement aus einer Membran und einem Membraneinsatz besteht, wobei der Drucksensor zwischen der Membran und dem Membraneinsatz angeordnet ist.
Der Membraneinsatz ist ein Bauteil einer Dosiervorrichtung. Auf der dem Förderraum abgewandten Seite der Membran liegt der Membraneinsatz an der Membran an. Mit Hilfe des Membraneinsatzes wird die vom Antrieb kommende Kraft gleichmäßig auf die Membran übertragen um diese anzutreiben.
Der Abschnitt der Membran, der zwischen dem Drucksensor und dem Förderraum liegt, bildet den beweglichen Abschnitt.
Eine sich anbahnende Rissbildung der Membran kann dazu führen, dass sich die Membran beim Saug- bzw. Druckhub leicht anders verformt, als dies im Regelbetrieb der Fall ist. Daher ändert sich auch die Auslenkung des beweglichen Abschnitts im Vergleich zum Regelbetrieb. Diese Veränderung der Auslenkung kann genutzt werden, um durch Vergleich mit der Referenzdruckkurve eine Abweichung vom Regelbetrieb festzustellen und kann somit genutzt werden, um eine Ermüdung der Membran zu detektieren. Es kann dann ein Alarm ausgegeben werden, so dass die ermüdete Membran getauscht werden kann bevor sich ein Riss bildet. Ein Austritt des zu fördernden Fluides durch einen Riss in der Membran kann somit verhindert werden. Dies erspart eine aufwendige Reinigung der Dosiereinrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran aus zwei Schichten aufgebaut ist, wobei der Drucksensor zwischen den zwei Schichten angeordnet ist.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass ein solches Verdrängungselement einfach herzustellen ist. Die beiden Schichten werden miteinander verbunden, bspw. können sie verklebt werden. Dabei wird der Drucksensor vor dem Zusammenfügen zwischen die Schichten eingesetzt. Er ist somit zwischen den beiden Schichten „eingeklemmt“ und eine Auslenkung der Membranschicht, die dem Förderraum zugewandt ist, verursacht eine Kraft auf den Drucksensor, so dass dieser den Druck messen kann. Die dem Förderraum zugewandte Membranschicht ist somit der bewegliche Abschnitt.
Ein weiterer Vorteil bei dieser Ausführungsform ist, dass bei einer Ermüdung einer solchen Membran sich in der Regel zuerst ein Riss in der Schicht der Membran bildet, die dem Förderraum zugewandt ist. Es bildet sich also ein Riss im beweglichen Abschnitt. Aufgrund eines solchen Risses kann zu förderndes Fluid zwischen die beiden Schichten der Membran einströmen. Dies führt zu einem Druckausgleich zwischen dem Druck im Förderraum und dem Druck, der zwischen den beiden Schichten der Membran herrscht. Somit ist keine Druckdifferenz zur Auslenkung des beweglichen Abschnittes mehr vorhanden. Bei dieser Ausführungsform kann ein sich abzeichnender Membranbruch festgestellt werden und somit auch ein Alarm ausgegeben werden. Es kann dann die ermüdete Membran rechtzeitig ausgetauscht werden, bevor es zum Membranbruch kommt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Antrieb zur Bewegung des Verdrängungselementes und eine Kraftübertragungsvorrichtung zur Übertragung der Kraft des Antriebs auf das Verdrängungselement vorgesehen sind.
Bspw. kann als Antrieb ein Elektromotor vorgesehen sein, der eine drehbar gelagerte Welle hat. Die Kraftübertragungsvorrichtung umfasst alle Bauteile der Dosiereinrichtung, die vorgesehen sind, um die Drehbewegung in eine Hubbewegung zu wandeln und diese schließlich auf das Verdrängungselement zu übertragen.
Des Weiteren kann auch bspw. ein elektromagnetischer Linearantrieb vorgesehen sein. Die Linearbewegung wird von der Kraftübertragungsvorrichtung auf das Verdrängungselement übertragen. Im einfachsten Fall kann die Kraftübertragungsvorrichtung eine Druckstange sein. Bei einer Membranpumpe ist eine solche Stange mit einem Ende am Membraneinsatz befestigt und mit dem anderen Ende mit dem Linearantrieb verbunden.
Statt dem elektromagnetischen Linearantrieb kann auch ein piezokeramischer Aktor als Antrieb für das Verdrängungselement verwendet werden. Bei einem piezokeramischen Aktor wird der piezoelektrische Effekt genutzt, um eine Linearbewegung zu erzeugen.
Bspw. ist die an Ihrem einen Ende mit dem Membraneinsatz verbundene Druckstange an dem anderen Ende mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden. Dieser erzeugt die Linearbewegung, die dann über die Druckstange auf den Membraneinsatz und die Membran übertragen wird und so eine Hubbewegung der Membran erzeugt werden kann.
Ein solcher Antrieb mittels eines piezoelektrischen Aktors hat den Vorteil, dass er sehr kompakt ausfällt. Es werden keine gewickelten Spulen und/oder Permanentmagnete mit einem Metallkern benötigt, die im Vergleich zu einem Piezoelement relativ groß ausfallen und schwer sind und somit die Pumpe als Ganzes unhandlich machen.
Ein weiterer Vorteil eines piezoelektrischen Aktors als Antrieb ist, dass er gleichzeitig auch als piezoelektrischer Drucksensor genutzt werden kann. Bspw. kann der Strom und/oder die Spannung am piezoelektrischen Aktor gemessen werden. Aus Vergleich dieser Messung mit Referenzkurven kann auf den Druck im Förderraum geschlossen werden. Somit kann der Aktor indirekt als Drucksensor genutzt werden.
Letztlich können auch zwei piezoelektrische Elemente in der Dosiereinrichtung vorgesehen sein, wovon ein piezoelektrisches Element als Aktor verwendet wird und eines als piezoelektrischer Drucksensor.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drucksensor zwischen Antrieb und Kraftübertragungsvorrichtung derart angeordnet ist, dass die Kraftübertragung zumindest teilweise über den Drucksensor erfolgt.
Bspw. ist der Drucksensor einer Membranpumpe zwischen der Druckstange und dem Linearantrieb angeordnet. Die Kraft der Linearbewegung des Antriebs wird über den Drucksensor auf die Druckstange übertragen. Ein im Förderraum herrschender Druck übt eine Kraft auf die Membran aus und diese Kraft wird über die Membran, den Membraneinsatz auf die Druckstange übertragen. Da der Drucksensor zwischen Druckstange und Linearantrieb eingeklemmt ist, wirkt die Kraft auf den Drucksensor und kann über diesen gemessen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drucksensor zwischen Kraftübertragungsvorrichtung und Verdrängungselement derart angeordnet ist, dass die Kraftübertragung zumindest teilweise über den Drucksensor erfolgt.
Bspw. ist der Drucksensor einer Membranpumpe zwischen der Druckstange und dem Membraneinsatz angeordnet. Ein im Förderraum herrschender Druck übt eine Kraft auf die Membran aus und diese Kraft wird über die Membran auf den Membraneinsatz und auf den Drucksensor, der zwischen Druckstange und Membraneinsatz eingeklemmt ist, übertragen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung von bevorzugten Dosiereinrichtungen und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
1 Schnittzeichnung einer Dosiereinrichtung
2 Schnittzeichnung einer Dosiereinrichtung
3 Schnittzeichnung einer Dosiereinrichtung mit Antrieb
1 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung, der vom Antrieb getrennt ist.
Die Dosiereinrichtung 9 weist einen Dosierkopf 6 und ein Verbindungsteil 14 auf. Zwischen Dosierkopf 6 und Verbindungsteil 14 ist die Membran 7 eingeklemmt und auf diese Weise befestigt. An der Membran 7 ist der Einsatz 8 angesetzt.
Zwischen einem Teil des Dosierkopfs 6 und der Membran 7 ist der Förderraum 1 vorgesehen. Zum Förderraum 1 gehört der Sauganschluss 3 und der Druckanschluss 2. Sauganschluss 3 und Druckanschluss 2 werden jeweils von Rückschlagventilen 4 begrenzt.
Die Förderraumwand wird vollständig von der dafür vorgesehenen Oberfläche des Dosierkopfes 6 gebildet. An dem Verbindungsteil 14 ist eine Anlagefläche 12 vorgesehen, an der die Anlagefläche eines Antriebsgehäuses (nicht gezeigt) im zusammengesetzten Zustand der Dosiereinrichtung anliegt. In dem Antriebsgehäuse ist ein elektrischer Antrieb vorgesehen, der mit dem Einsatz 8 verbunden wird, und der die Membran hin und her bewegen kann.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Dosierkopf 6 ein spritzgegossenes Bauteil der Dosiereinrichtung. Übliche Werkstoffe dieser gespritzten Dosierköpfe sind PP und PVDF. Beide Werkstoffe sind Polymere, die gewisse elastische Eigenschaften aufweisen. In den Dosierkopf 6 ist der Drucksensor 5 eingespritzt. Dieser Drucksensor ist ein Piezoelement, wobei die Anschlüsse, um die Spannung im Piezoelement zu messen in der vorliegenden 1 nicht gezeigt sind.
Das Material des Dosierkopfs 6 bildet zugleich den beweglichen Abschnitt 13, der zwischen Förderraum 1 und Drucksensor 5 liegt. Der Drucksensor 5 hat keine Verbindung zum Förderraum 1, so dass er vor dem zu fördernden Fluid geschützt ist.
Je nachdem, welcher Druck im Förderraum 1 auf dem zu fördernden Fluid liegt, ist der bewegliche Abschnitt 13 unterschiedlich weit in Richtung des Dosierkopfes 6 ausgelenkt. Aufgrund dieser Auslenkung wird der piezokeramische Drucksensor 5 gestaucht, was bekanntermaßen zu einer Änderung der Spannung im Piezoelement des Drucksensors führt und die gemessene Spannung dann die Druckmessung im Förderraum 1 ermöglicht.
2 zeigt eine ähnliche Ausführungsform der Dosiereinrichtung 9 zu der Dosiereinrichtung aus 1. Bei dieser Ausführungsform ist der Drucksensor im Membraneinsatz 8 untergebracht. Der Membraneinsatz 8 liegt auf der dem Förderraum abgewandten Seite der Membran 7 an. Der Abschnitt der Membran 7 und der Abschnitt des Membraneinsatzes 8, die zwischen Drucksensor 5 und Förderraum 1 liegen, bilden zusammen den beweglichen Abschnitt 13. Über dessen Auslenkung wird der Drucksensor 5 gestaucht und durch die Stauchung der Druck im Förderraum 1 gemessen.
Die 3 zeigt eine Schnittansicht durch das Antriebsgehäuse der Dosiereinrichtung 9. Die Anlagefläche 11 ist die Anlagefläche des Antriebsgehäuses, die mit der Anlagefläche 12 des Verbindungsteils 14 aus den 1 und 2 im zusammengesetzten Zustand der Dosiereinrichtung 9 in Kontakt tritt. Die Druckstange 10 wird mit dem Einsatz 8 verbunden, so dass der Antrieb, der an der Druckstange 10 befestigt ist (nicht gezeigt) die Membran über die Druckstange 10 hin und her bewegen kann.
Die Druckstange gehört somit zur Kraftübertragungsvorrichtung der Dosiereinrichtung. In der Kraftübertragungsvorrichtung ist auch ein Drucksensor 5 vorgesehen, der mit der Druckstange 10 verbunden ist. Die Auslenkung des beweglichen Abschnitts der Membran führt zu einer Kraft auf die Druckstange 10, die auf den Drucksensor 5 übertragen wird. Diese Kraft wird gemessen und somit kann der Druck im Förderraum gemessen werden.
Bezugszeichenliste

1: Förderraum
2: Druckanschluss
3: Sauganschluss
4: Rückschlagventil
5: Drucksensor
6: Dosierkopf
7: Membran
8: Membraneinsatz
9: Dosiereinrichtung
10: Druckstange
11: Anlagefläche des Antriebsgehäuses
12: Anlagefläche
13: beweglicher Abschnitt
14: Verbindungsteil

Claims

Dosiereinrichtung zum Fördern von Fluiden, welche einen Förderraum mit einem Saug- und einem Druckanschluss aufweist, wobei der Förderraum von einer Förderraumwand und einem Verdrängungselement begrenzt wird, wobei das Verdrängungselement zwischen zwei Positionen p₁ und p₂ hin- und herbewegbar ist, wobei in der Position p₁ das Volumen des Förderraums kleiner ist, als in der Position p₂, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung einen Drucksensor zum Messen des Drucks im Förderraum aufweist und die Förderraumwand oder das Verdrängungselement einen beweglichen Abschnitt aufweist, der derart zwischen Drucksensor und Förderraum angeordnet ist, dass die Druckmessung des Drucksensors auf einer durch den Druck im Förderraum bedingten Auslenkung des beweglichen Abschnitts beruht.
Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor ein piezoelektrischer Sensor ist.
Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Abschnitt und die Förderraumwand oder der bewegliche Abschnitt und das Verdrängungselement einteilig sind.
Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Abschnitt aus einem elastischen Material besteht.
Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement zumindest zweiteilig ausgebildet ist, wobei der Drucksensor zwischen den zwei Teilen des Verdrängungselements angeordnet ist.
Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement eine Membran aufweist.
Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement aus einer Membran und einem Membraneinsatz besteht, wobei der Drucksensor zwischen der Membran und dem Membraneinsatz angeordnet ist.
Dosiereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus zwei Schichten aufgebaut ist, wobei der Drucksensor zwischen den zwei Schichten angeordnet ist.
Dosiereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb zur Bewegung des Verdrängungselements und eine Kraftübertragungsvorrichtung zur Übertragung der Kraft des Antriebs auf das Verdrängungselement vorgesehen sind.
Dosiereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor zwischen Antrieb und Kraftübertragungsvorrichtung derart angeordnet ist, dass die Kraftübertragung zumindest teilweise über den Drucksensor erfolgt.
Dosiereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor zwischen Kraftübertragungsvorrichtung und Verdrängungselement derart angeordnet ist, dass die Kraftübertragung zumindest teilweise über den Drucksensor erfolgt.