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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Glättung der von der Pumpe eines Fördersystems für Flüssigkeiten erzeugten Druckwellen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruch 1.
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Aus DE-OS 25 05 856 ist ein Pulsationsdämpfer zur Verwendung an Rohrleitungen von Verdrängerpumpen bekannt, der die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruch 1 umfaßt. I. w. besteht die vorbekannte Vorrichtung aus einer Druckkammer, die durch ein Membran in Form eines flexiblen Schlauchabschnittes gebildet wird und deren Volumen unter Verformung des flexiblen Schlauchabschnittes veränderbar ist. Weiterhin ist eine Druckübertragungskammer vorgesehen, die mit einer weiteren Flüssigkeit gefüllt ist, die Membran der Druckkammer umgibt und die durch eine zweite Membran begrenzt ist, die das Volumen der Druckausgleichskammer vom Innenraum eines sog. Windkessels abgrenzt, der mit unter Überdruck stehendem Gas gefüllt ist. An der zweiten Membran ist ein Schubstangenmechanismus mit einem kolbenbetätigten Zweiwegventilschieber angeordnet, wobei das Zweiwegventil in einer Mittelstellung geschlossen ist, in einer ersten Extremstellung ein Austreten des Gases aus dem Windkessel ermöglicht und in einer zweiten Extremstellung einen Gaseintritt in den Windkessel aus einem an einen Eigangsstutzen des Zweiwegventils angeschlossenen Gasvorratsbehälter zuläßt.
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Die bekannte Vorrichtung ist insofern nachteilig, als ihr mechanischer Aufbau relativ kompliziert ist, als druckauslösendes Element ein unter Überdruck stehender Gasbehälter vorhanden sein muß und aufgrund der relativ komplizierten pneumatischen Steuerung die Vorrichtung nur relativ träge und ungenau auf zu regelnde mittlere Druckschwankungen des Gesamtsystems reagiert. Nachdem bei der bekannten Vorrichtung ein Flüssigkeitsvolumen (Druckkammer) und ein Gasvolumen (Windkessel) zur Druckübertragung auf die eigentliche Flüssigkeit innerhalb des Schlauchstückes zusammenwirken, sind mehrere Trennwände zu bewegen, Flüssigkeit durch Bohrungen zu treiben, mechanisch wirkende Druckluftventile zu bewegen und Luft aus dem Windkessel abzulasen oder in diesen aus dem Druckreservoir einzupressen, so daß eine Vielzahl von Regelungskomponenten zusammenspielen, die ein gezielt einstellbares Regelungsverhalten der Gesamtvorrichtung äußerst erschweren. Schließlich ist das Bereithalten von Druckluft in einem gesonderten Behälter über längere Zeiträume umständlich, energieaufwendig und damit teuer. Weiterhin reagieren die in der bekannten Vorrichtung zum Druckausgleich verwendeten Medien (zwei Flüssigkeiten und ein Gas) auf Temperaturschwankungen unterschiedlich, so daß schon allein daher ein ungenaues Regelverhalten zu befürchten ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart zu verbessern, daß sie bei einfachem, leichtem und kompaktem Aufbau auf mittlere Druckänderungen im Flüssigkeitssystem schnell, präzise und unter reproduzierbaren Verhältnissen reagiert und höherfrequente periodische Druckschwankungen wirkungsvoll ausbleicht. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Im Gegensatz zur aus dem Stand der Technik bekannten, gattungsbildenden Vorrichtung ist das Druckglied zur Belastung des flexiblen Elementes bei der Erfindung eine Druckfeder. Druckfedern werden in Verbindung mit Kolben an einfachen, ungeregelten Glättungseinrichtungen verwendet, wie sie z. B. in Fig. 6 der Zeichnung gezeigt ist.
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Die Druckamplitude der Druckwellen in der Glättungeinrichtung und die Ansprechzeit der Glättungseinrichtung auf Veränderungen des mittleren Flüssigkeitsdrucks können durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;°KP°T°KRP°t¤=¤°KK°kɤ´¤@W:°Kk°k:°KS°k¥&udf54;&udf53;zl10&udf54;°=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;°KT°k¤=¤°KK°kʤ´¤@W:°KS°k¥:°Kk°k&udf54;&udf53;zl10&udf54;
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Dabei bedeuten:
- k die Federkonstante der Feder 14;
s die Größe des Kolbens 12; und
K&sub1; und K&sub2; Konstanten.
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Wie aus Gleichungen hervorgeht, kann die Druckamplitude P RP der Druckwellen dadurch verringert werden, daß die Federkonstante k möglichst klein und die Größe des Kolbens S möglichst groß gewählt wird.
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Andererseits sollte jedoch die Ansprechzeit T möglichst klein sein, damit ein konstanter Förderdurchsatz gewährleistet ist. Beispielsweise kann sich die Viskosität der Flüssigkeit aufgrund einer Veränderung der Umgebungstemperatur ändern. Dies hat zur Folge, daß der mittlere Druck in dem Flüssigkeits-Fördersystem in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur veränderlich ist. Die Glättungseinrichtung sollte sich daher möglichst schnell einer derartigen Veränderung des mittleren Druckes anpassen, damit ein konstanter Förderdurchsatz gewährleistet ist. Die Ansprechzeit T stellt die Zeit dar, in der sich die Größe einer Druckkammer der Glättungseinrichtung einer Veränderung des mittleren Druckes der in die Glättungseinrichtung eintretenden Flüssigkeit anpaßt. Diese Ansprechzeit T ist um so größer, je kleiner die Federkonstante k und je größer die Abmessungen des Kolbens sind.
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Bei der herkömmlichen Glättungseinrichtung sind daher die Zielsetzungen einerseits die Druckamplitude P RP der Druckwellen zu verringern und andererseits eine kurze Ansprechzeit auf Veränderungen des mittleren Druckes zu gewährleisten, nicht miteinander vereinbar.
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Die Erfindung ermöglicht es durch die besondere Art der Erfassung und Kompensation mittlerer Druckschwankungen über die elektomechanische Stellvorrichtung mit selbsthemmenden Spindeltrieb auch für ein geregeltes Glättungssystem eine herkömmliche Druckfeder als Druckglied zu verwenden und für die Federkonstante k einen kleinen Wert zu wählen, der eine weitgehende Verringerung der Druckamplituden P PP der Druckwellen gewährleistet. Zugleich wird durch die Regeleinrichtung eine kurze Ansprechzeit bei einer Veränderung des mittleren Flüssigkeitsdruckes sichergestellt. Da die Vorrichtung im Gegensatz zum Stand der Technik nur relativ temperaturunempfindliche druckauslösende und druckregelnde Elemente verwendet, arbeitet die Regelung sehr genau.
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Besonders vorteilhaft wirkt sich auf den Regelungsvorgang die elektronische Schaltung der Meßeinrichtung aus, die eine Einstellung eines Soll-Druckwertes über die Bezugsspannung ermöglicht und insbesondere kurzwellige auszuregelnde Druckschwankungen durch den Tiefpaß ausmittelt.
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Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Flüssigkeits- Fördersystems mit einer erfindungsgemäßen Glättungseinrichtung;
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Glättungseinrichtung gemäß der Erfindung;
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Fig. 3 ist eine Vorderansicht eines Druckfühlers der Glättungseinrichtung aus Fig. 2;
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Fig. 4 ist eine Schaltskizze einer zu dem Glättungssystem aus Fig. 2 gehörenden Drucksteuereinheiten;
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Fig. 5 veranschaulicht die Zeitabhängigkeit von Signalen, die in der in Fig. 4 gezeigten Drucksteuereinheit auftreten; und
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Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine herkömmliche Glättungseinrichtung.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Fördersystem für Flüssigkeiten mit einer Glättungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Plungerpumpe 20 ist über ein Einlaßventil 24 und eine Leitung 26 mit einem Flüssigkeitsbehälter 22 verbunden. Die Flüssigkeit aus dem Behälter 22 wird entsprechend der Bewegung eines Kolbens 28 durch das Einlaßventil 24 in die Plungerpumpe 20 eingesogen und durch ein Auslaßventil 30 und eine Leitung 32 ausgestoßen. Der Plunger einer Spule 34 zum Antrieb der Pumpe ist durch eine Feder 36 in die in Fig. 1 durch einen Pfeil 38 angegebene Richtung vorgespannt.
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Wenn die Spule 34 erregt wird, wird der Kolben 28 in Richtung eines Pfeiles 40 bewegt, so daß er die Flüssigkeit durch das Auslaßventil 30 und die Leitung 32 ausstößt. In der auf diese Weise geförderten Flüssigkeit werden duch die Bewegung des Kolbens 28 Druckwellen erzeugt. Stromabwärts vom Auslaßventil 30 ist die erfindungsgemäße Glättungseinrichtung 50 zur Unterdrückung der durch die Bewegung des Kolbens 28 erzeugten Druckwellen angeordnet.
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Der Aufbau der Glättungseinrichtung 50 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Glättungseinrichtung 50 umfaßt eine Druckkammer 500, die über eine Leitung 32 mit dem oben erwähnten Auslaßventil 30 der Plungerpumpe 20 verbunden ist. Die in der Druckkammer 500 enthaltene Flüssigkeit wird über eine Leitung 52 zu einem Verbraucher, wie beispielsweise einem Tinten-Tropfengeber gefördert. Die Druckkammer 500 weist an ihrem oberen Ende eine Öffnung auf. Diese Öffnung ist durch einen Flansch 502 einer Balgmembran 504 abgedeckt. An der Balgmembran 504 ist eine Klappe 506 befestigt.
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An der Klappe 506 ist eine Blende 508 angebracht. Ein optischer Sensor 510 zur Abtastung der Position der Blende 508 ist an der Blende 508 angebracht. Der optische Sensor 510 umfaßt eine Leuchtdiode 512 und einen Phototransistor 514. Die Blende 508 befindet sich zwischen der Leuchtdiode 512 und dem Phototransistor 514, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Blende 508 und der optische Sensor 510 bilden zusammen eine Fühleinrichtung zur Abtastung des Gleichgewichtsdruckes in der Druckkammer 500. Im einzelnen wird die Blende 508 synchron mit den Verschiebungen der Balgmembran 504 aufwärts und abwärts bewegt. Folglich variiert die auf den Phototransistor 514 durchgelassene Lichtmenge entsprechend den Verschiebungsbewegungen der Balgmembran 504.
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Die Glättungseinrichtung 50 umfaßt ferner ein gleitend an einem Gehäuse 518 angebrachtes Gleitstück 516. Das Gleitstück 516 ist mit dem Gehäuse 518 durch eine Führungszunge 520 verbunden, die in eine in dem Gehäuse 518 ausgebildete Führungsnut 522 eingreift. Zwischen dem Gleitstück 516 und der Kappe 506 ist eine Feder 524 vorgesehen, durch die die Balgmembran 504 mit einem vorgegebenen Druck niedergedrückt wird. Das Gleitstück 516 ist mit einer Gewindebohrung versehen, in die ein Gewindebolzen 526 eingeschraubt ist. Ein Ende des Gewindebolzens 526 ist mit einer Antriebswelle eines Motors 528 verbunden, der an dem Gehäuse des Flüssigkeits-Fördersystems montiert ist.
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Wenn die Antriebswelle des Motors 528 in die durch einen Pfeil 530 angegebene Richtung gedreht wird, bewegt sich das Gleitstück 516 nach unten, so daß sich der über die Feder 524 und die Balgmembran 504 auf die Druckkammer 500 übertragene Druck erhöht. Wenn die Antriebswelle des Motors 528 dagegen in der durch einen Pfeil 532 angegebenen Richtung gedreht wird, bewegt sich das Gleitstück 516 nach oben und der auf die Druckkammer 500 ausgeübte Druck wird verringert.
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Wenn die die Druckwellen aufweisende Flüssigkeit durch die Leitung 200 in die Druckkammer 500 gelangt, bewegt sich die Balgmembran 504 entsprechend der Amplitude aufwärts und abwärts. Auf diese Weise werden die Druckwellen durch die Feder 524 absobiert oder geglättet. Da die Federkonstante k der Feder 524 verhältnismäßig klein gewählt ist, können die Druckamplituden P RP der Druckwellen auf einen gewünschten Wert verringert werden. Andererseits führt jedoch die geringe Federkonstante k dazu, daß sich die Ansprechzeit T bei Veränderungen des Gleichgewichtsdrucks verlängert, wie bereits oben ausgeführt wurde. Die verhältnismäßig lange Ansprechzeit ist bedingt durch die Veränderung der Gleichgewichtsstellung der Balgmembran 504 entsprechend einer Änderung des Gleichgewichtsdrucks. Daher ist erfindungsgemäß die Glättungseinrichtung derart ausgelegt, daß die Balgmembran 504 den vergleichsweise höherfrequenten Druckwellen (1 bis 5 Hz) folgt, verhältnismäßig langperiodischen Druckänderungen (unterhalb 1 Hz) jedoch nicht folgt.
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Fig. 4 zeigt eine Steuereinheit, die das oben beschriebene Verhalten der erfindungsgemäßen Glättungseinrichtung steuert.
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Der Kollektorstrom des Phototransistors 514 ist entsprechend der Position der Blende 508 veränderlich. Dieser Kollektorstrom fließt durch einen Widerstand 540 und erzeugt an diesem einen Spannungsabfall, der als Spannungssignal an einen Eingang eines Komparators 542 abgegeben wird. Eine Bezugsspannung gelangt von einer Batterie 544 über einen Widerstand 546 zum anderen Eingang des Komparators 542. Ein Ausgangssignal VS des Komperators 542 stellt die Höhe des durch den Kollektorstrom des Phototransistors 514 erzeugten Spannungssignals dar. Wenn das durch den Kollektorstrom des Phototransistors 514 erzeugte Spannungssignal größer als das Bezugssignal ist, d. h. wenn die Blende 508 angehoben ist und mehr Licht auf den Phototransistor 514 fallen läßt, nimmt das Ausgangssignal VS einen positiven Wert an. Wenn andererseits das durch den Kollektorstrom des Phototransistors 514 erzeugte Spannungssignal kleiner als die Bezugsspannung ist, d. h. wenn die Blende 508 abgesenkt ist und nur wenig Licht auf den Phototransistor 514 fallen läßt, hat das Ausgangssignal VS ein negatives Vorzeichen.
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Das Ausgangssignal VS des Komparators 542 wird über einen durch einen Widerstand 550 und einen Kondensator 552 gebildeten Tiefpaß an einen Leistungsverstärker 548 weitergeleitet. Ein Ausgangssignal VM des Leistungsverstärkers 548 steuert den Motor 528.
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Fig. 5 zeigt das Ausgangssignal VS des Komparators 542 und das Ausgangssignal VM des Leistungsverstärkers 548. Wenn sich das Fördersystem in einem gewünschten Betriebszustand befindet, hat das Ausgangssignal VS des Komparators 542 den in Abschnitt I von Fig. 5 gezeigten Verlauf. Durch den durch den Widerstand 550 und den Kondensator 552 gebildeten Tiefpaß werden die positiven und negativen Halbwellen des Ausgangssignals VS ausgeglichen. Das Ausgangssignal VM des Leistungsverstärkers 548 befindet sich daher auf Nullniveau, so daß der Motor 528 nicht angetrieben wird. Wenn sich die Viskosität der Flüssigkeit aufgrund einer Veränderung der Umgebungsbedingungen erhöht, erhöht sich der Mittelwert des durch den Phototransistor 514 fließenden Kollektorstrom. Dadurch verschiebt sich das Ausgangssignal VS des Komparators 542 zu positiven Werten, wie in Abschnitt II der Fig. gezeigt ist. Infolgedessen nimmt das Ausgangssignal VM des Leistungsverstärkers 548 einen positiven Wert an, und der Motor 528 wird in der in Fig. 2 durch den Pfeil 530 angegebenen Drehrichtung angetrieben. Ein Anstieg der Viskosität der Flüssigkeit hat somit zur Folge, daß sich die Mittelstellung der Blende 508 nach oben verschiebt und der Motor 528 in der durch den Pfeil 530 angegebenen Drehrichtung rotiert, so daß das Gleitstück 516 nach unten bewegt wird und die Balgmembran 504 wieder in die gewünschte Position bringt. Die Drehung des Motors 528 wird beendet, wenn das Ausgangssignal VS des Komparators 542 wieder die in Abschnitt I der Fig. 5 gezeigte Wellenform aufweist, bei der der gewünschte konstante Durchsatz des Fördersystems erreicht ist. Wenn andererseits die Viskosität der Flüssigkeit abnimmt, verschiebt sich die Mittelstellung der Blende 508 nach unten. In diesem Fall verschiebt sich das Ausgangssignal VS des Komparators 542 zu negativen Werten, und das Ausgangssignal VM des Leistungsverstärkers 548 nimmt einen negativen Wert an. Der Motor 528 wird daher in der durch den Pfeil 532 in Fig. 2 angegebenen Drehrichtung angetrieben, so daß sich das Volumen der Druckkammer 500 vergrößert und dadurch wieder auf den gewünschten Wert eingestellt wird.