DE69302765T2

DE69302765T2 - Elektronische Sensor-Einrichtung für eine mittels Fluid angetriebene Membranpumpe

Info

Publication number: DE69302765T2
Application number: DE69302765T
Authority: DE
Inventors: Steven M Reynolds
Original assignee: Warren Rupp Inc
Current assignee: Warren Rupp Inc
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2013-06-23
Also published as: EP0578999B1; DE69302765D1; US5257914A; EP0578999A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Sensor-Einrichtung für mittels Fluid angetriebene Membranpumpen und insbesondere auf eine Sensor-Einrichtung für Pumpen, die in der Lage ist, Informationen bezüglich der Position und Bewegungsgeschwindigkeit einer Pumpenmembran bereitzustellen.

Hintergrund der Erfindung

Membranpumpen werden insbesondere zum Pumpen von Flüssigkeiten, Lösungen, viskoser Stoffe, Schläinme, Suspensionen oder fließfähiger Feststoffe weithin eingesetzt. Solche Pumpen, insbesondere Doppelmembranpumpen der in den U.S.-Patenten 3,782,863 und 4,472,115 beschriebenen Art sind für ihre Nutzbarkeit beim Pumpen von viskosen oder feststoffbeladenen Flüssigkeiten wie auch zum Pumpen von reinem Wasser oder anderen Flüssigkeiten und von Lösungen mit hoher oder niedriger Viskosität auf der Basis derartiger Flüssigkeiten bekannt. Demgemäß haben derartige Doppelmembranpumpen beim Auspumpen von Gruben, Schächten und Sumpfbehältern weithin Verwendung gefunden, wobei eine große Vielfalt von Schlämmen und mit Abfallstoffen beladenen Flüssigkeiten anzusaugen ist. Mittels Fluid angetriebene Membranpumpen weisen bestimmte weitere Vorteile auf und sind zweckmäßig, effektiv, tragbar und zuverlässig. Doppelmembranpumpen sind robust und kompakt und werden häufig zur Erzielung einer maximalen Flexibilität von einer einzigen Einlaßleitung versorgt und geben Flüssigkeit über einen kurzen Verteiler an eine einzige Abgabeleitung ab.
Bei einer solchen Pumpenvorrichtung wird eine Membran, die eine bewegliche Wand einer Pumpkammer bildet, bei einem Saughub bewegt, um Flüssigkeit in die Pumpkammer zu ziehen. Die Membran wird dann durch unter Druck stehendes Antriebsfluid, welches unmittelbar auf die Membran einwirkt, in einem Pumphub in entgegengesetzter Richtung bewegt, um die Flüssigkeit aus der Pumpkammer herauszudrücken.
Bei Doppelmembranpumpen, bei denen zwei Membranen miteinander verbunden sind, weist jede Membran auf einer Seite eine Pumpkammer und auf der anderen Seite eine Antriebsfluidkammer auf. Luft oder ein anderes unter Druck stehendes Fluid wird abwechselnd in jede Antriebsfluidkammer eingeleitet und daraus abgezogen. Ein Steuerventil leitet das unter Druck stehende Fluid in eine Antriebsfluidkammer ein, wobei die zugeordnete Membran zu einer Bewegung in einem Pumphub veranlaßt wird, während der Verbindungsmechanismus die andere Membran in einen Saughub bewegt, wodurch Luft in deren zugeordneter Antriebsfluidkammer ausgestoßen wird. Anschließend wird unter Druck stehende Luft in die andere Antriebsfluidkammer eingeleitet, um deren Membran in einen Pumphub zu bewegen.
Bei Doppelmembranpumpen wurde herkömmlicherweise eine Verbindungsstange verwendet, die sich koaxial zwischen den beiden Membranen erstreckt. Bei solchen Anordnungen liegen die Antriebsfluidkammern eines jeden Pumpenteils benachbart zueinander, und die Pumpenteile weisen relativ zueinander einen Abstand nach außen auf.
Die unterschiedlichen Verwendungen, für die derartige Pumpen herangezogen werden, erfordern weithin variierende Pumpgeschwindigkeiten und Betriebseigenschaften. Weiterhin sind Fluideigenschaften wie etwa Viskosität oder Schlammkonzentration selbst bei einem einzelnen Anwendungsfall während des Betriebs der Pumpe Veränderungen unterworfen. Häufig muß die Arbeitsgeschwindigkeit oder andere Eigenschaften der Pumpe verändert werden, um solche Veränderungen der gepumpten Flüssigkeit zu berücksichtigen.
Wie aus diesen Ausführungen hervorgeht, besteht ein Bedarf nach einem System, bei dem die Informationen bezüglich der Pumpgeschwindigkeit und der Eigenschaften des gepumpten Fluids überwacht werden können und bei dem solche Informationen ihreseits zur Steuerung der Pumpe verwendet werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein relativ einfaches und zuverlässiges Mittel, mit dem die Pumpgeschwindigkeit überwacht werden kann. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Pumpensteuerinterface in einer Membranpumpe, die wenigstens eine Membran beinhaltet, welche dazu bestimmt ist, sich zwischen dem Saughub und einem Abgabehub beim Betrieb der Pumpe zu bewegen. Ein Membranfolgeteil ist zur Bewegung mit der Membran während des Betriebs der Pumpe angeschlossen. Ein Sensormechanismus erfaßt wenigstens die Position und den Betrag der Bewegung der Membran, in dem die Position und Bewegungsgeschwindigkeit des Membranfolgeteils erfaßt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Membranfolgeteil die Form einer Stange, die mit der Membran verbunden ist. Von Sensoren erfaßbare Anzeigemittel sind auf der Stange angeordnet. Die Anzeigemittel sind dazu bestimmt, durch den Sensormechanismus abgelesen zu werden. In einer bevorzugten Ausführungsform verbindet die Membranfolgestange 2 Membranen einer Doppelmembranpumpe zum synchronen Betrieb miteinander. Der Sensormechanismus erzeugt Signale, die von einer zentralen Steueranordnung aufgenommen werden können, und die in der Lage ist, die Information vom Sensor für die Steuerung der Betätigung der Pumpe auszunutzen.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 erläutert ein schematisches Diagramm gemäß den Grundzügen der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 erläutert eine Schnittansicht einer Doppelmembranpumpe, die mit einer Steuer- bzw. Sensor-Einrichtung gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer Steuer- bzw. Sensorstange gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt schematisch ein Pumpensystem 10, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert. Eine Pumpenanordnung 12 umaßt ein Membranpumpenelement 14, das zwischen einem Saughub und einem Abgabehub mittels einer Betätigung 16 bewegt wird, die beispielsweise ein magnetgesteuerter, mehrstufiger pneumatischer Zylinder oder ein anderer geeigneter Betätigungsmechanismus sein kann. Ein Membranfolgeteil 18 ist an der Membran zur Bewegung mit dieser während des Betriebs der Pumpenanordnung 12 angeschlossen. Ein Sensormechanismus 20 ist in der Nähe des Membranfolgeteils 18 angebracht. Der Sensor 20 erfaßt die Position und den Betrag bzw. die Größe der Bewegung der Membran 14, indem Position und Bewegungsgeschwindigkeit des Membranfolgeteils 18 erfaßt wird. Es besteht hierbei die Überlegung, daß der Sensor und das Membranfolgeteil aus unterschiedlichen interaktiven Elementen bestehen kann. Beispielsweise kann das Membranfolgeteil aus einer mit der Membran verbundenen Stange bestehen, wobei die Stange eine Anzahl von mittels eines Sensors erfaßbaren Anzeigemitteln aufweist, die von dem Sensor abgelesen werden können. Die Anzeigemittel können eine Anzahl leitender Elemente auf der Stange sein, und der Sensor könnte als Näherungsschalter ausgeführt sein, der dazu bestimmt ist, ein gepulstes Ausgangssignal zu liefern, wenn er sich in einer vorbestimmten Nähe zu den leitenden Elementen befindet. Alternativ könnten die Anzeigemittel aus einer Anzahl von optisch ablesbaren, auf der Stange angeordneten Elementen bestehen, und der Sensor könnte als optischer Scanner ausgeführt sein. Als weitere Alternative könnten die Anzeigemitte aus einer Anzahl strukturierter Zonen auf der Stange bestehen, und der Sensor könnte als Elektronenstrahlsensor ausgeführt sein. Als weitere Alternative könnten Folgeteil und Sensor als eine über Schallerfassung wirkende Anordnung ausgeführt sein.
Unabhängig vom speziell eingesetzten Mechanismus ist es wesentlich, daß der Sensor wenigstens zur Erfassung der Position und des Betrags der Bewegung der Membran in der Lage ist, indem die Position und der Betrag der Bewegung des Membranfolgeteils erfaßt wird. Der Sensor 20 ist zur Erzeugung von Signalen, die der Bewegung des Membranfolgeteils 18 entsprechen, in der Lage. Signale vom Sensor 20 werden zu einer zentralen Steuereinheit 22 weitergeleitet, beispielsweise an einen Mikroprozessor. Die Steuereinheit 22 ist dafür bestimmt, Steuersignale zur Steuerung des Betriebs der Betätigung 16 zu erzeugen. Die Steuereinheit 22 kann weitere Eingangssignale von den Sensoren 23 aufnehmen. Die Sensoren 23 können als innerhalb einer Leitung angeordnete Sensoren für Strömungsbedingungen ausgeführt sein, wie etw ls Strömungsmengensensoren, Konzentrationssensoren oder Str ungsvolumensensoren oder auch als Sensoren für Pumpbedingungen, wie etwa als Sensoren für die Verlagerung der Betätigung. Beispiele solcher Sensoren sind in der U.S.-Anmeldung mit der Seriennummer 07/871191 (eingereicht am 20. April 1992) des Anmelders der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei deren Beschreibung unter Bezugnahme einen Teil dieser Beschreibung bildet.
Da die Position und der Betrag der Bewegung der Membran durch die Eigenschaften des gepumpten Fluids beeinflußt wird, ermöglicht es die Fähigkeit der zentralen Steuereinheit 22 zur Überwachung der Membranbewegung mittels des Folgeteils 18 und des Sensors 20 der Steuereinheit 20, wenn erforderlich, die Pumpgeschwindigkeit oder die Ausführung des Zyklus der Pumpenanordnung 12 ansprechend auf Veränderungen der Eigenschaften des gepumpten Fluids zu verändern. In ähnlicher Weise könnte die Steuereinheit 22 dazu verwendet werden, den Strömungsdurchsatz der Pumpe auf der Basis eines Pumpenverdrängungsfaktors und des Ausgangssignals der Impulsrate von Folgeteil 18 und Sensor 20 zu überwachen. Weiterhin könnte die Impulsrate bei Normalbetrieb aufgenommen bzw. gesampled und für spätere Vergleiche in der Steuereinheit 22 gespeichert werden. Dadurch würde die Möglichkeit geschaffen, Betriebsprobleme oder Veränderungen in den Eigenschaften des gepumpten Fluids leicht zu identifizieren und mittels der Steuereinheit 22 zu korrigieren.
Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die beste Ausführungsform darstellt, die dem Erfinder gegenwärtig zur Ausführung der Erfindung bekannt ist. Fig. 2 zeigt eine Pumpenanordnung 24. Die Pumpenanordnung 24 ist mit Ausnahme der speziellen Konstruktion, auf die sich die Erfindung bezieht, ähnlich einer Standard-Doppelmembranpumpe, die vom Anmelder der vorliegenden Erfindung unter der Bezeichnung "SANDPIPER Model PB3/4-A Typ 3"-Pumpe vertrieben wird. Die Pumpenanordnung 24 arbeitet in Übereinstimmung mit den Merkmalen, die zum Hintergrund der Erfindung angegeben sind.
Die Pumpenanordnung 24 beinhaltet eine erste Membran 26, die zur Hin- und Herbewegung innerhalb einer ersten Hälfte der Pumpenanordnung 24 angebracht ist, und eine zweite Membran 28, die innerhalb einer zweiten Hälfte 29 der Pumpenanordnung 24 angebracht ist. Die Membran 26 ist zur synchronen Bewegung mit der Membran 26 mittels einer Membranstange 30 verbunden. Die Membranstange 30 ist über ihre Länge mit einer Anzahl leitender Elemente 32a versehen&sub1; wie im einzelnen noch beschrieben wird. Die Stange 30 ist zur Hin- und Herbewegung in einer Bohrung 34 in einem zentralen Gehäuseabschnitt 36 der Pumpenanordnung 24 angeordnet. Eine Anzahl von Stangenabdichtungen 38 dient zur Abdichtung der Stange 30 und Bohrung 34 gegen Verschmutzung.
Die Stange 30 ist mit einer Anzahl leitender Anzeigemittel oder Zielmarken 40 an beabstandeten Intervallen entlang ihrer Längserstreckung versehen. Die Anzeigemittel bzw. Zielmarken 40 haben die Form von ringförmigen Bändern, deren Durchmesser gleich dem Durchmesser der Stange ist, so daß die Hin- und Herbewegung der Stange 30 durch die Bohrung 34 nicht behindert wird und die Abdichtungswirkung der Stangenabdichtungen 38 aufrechterhalten wird.
Weiterhin befindet sich ein Näherungsschalter 42 innerhalb des zentralen Abschnitts 36 der Pumpenanordnung 24. Der Näherungsschalter 42 befindet sich innerhalb einer abgedichteten Kammer 43 und kann beispielsweise als dreiadriger, in sich abgeschlossener DC-Näherungsschalter des Typs "E" ausgeführt sein, wie er von "Pepperl+Fuchs, Inc." hergestellt wird. Eine Anzahl von Drähten 44 laufen gemäß der allgemeinen Beschreibung zu Fig. 1 vom Näherungsschalter 42 zu einer Steuerung. Obwohl die dargestellte Ausführungsform zeigt, daß der Näherungsschalter 42 in der abgedichteten Kammer 43 gegenüber den Anzeigemitteln 40 unmittelbar freiliegt, besteht auch die Überlegung, daß eine weitere Umschließungswand oder Abdichtung zwischen dem Anzeigemittel und dem Sensor vorhanden sein könnte. Eine solche Abdichtung müßte bezüglich der Interaktion zwischen dem Anzeigemittel und dem Sensor "transparent" sein, so daß die Anzeigemittel für den Sensor weiterhin frei detektierbar sind. Beispielsweise müßte bei Verwendung eines leitenden Elements und eines Näherungsschalters, wie erläutert, eine zusätzliche Dichtung aus nicht leitendem Material bestehen. Auf ähnliche Weise müßte bei einer optischen Erfassungsanordnung die zusätzliche Dichtung einen Lichtdurchgang ermöglichen.
Fig. 3 zeigt eine detailliertere Ansicht der Stange 30. Die Stange 30 weist eine Anzahl leitender Zielmarken 40 auf, die durch nicht leitende Abschnitte 46 festgelegt sind. Die Stange 30 kann durch Herstellen einer Reihe von Ausschnitten entlang der Länge einer gewöhnlichen Membranstange aus rostfreiem Stahl gefertigt werden. Die Ausschnitte werden anschließend mit einem nicht leitenden Material gefüllt, beispielsweise Keramik, um der Stange wieder ihren vollen Außendurchmesser zu geben. Die Stange wird dann oberflächenbehandelt, um eine glatte ununterbrochene Fläche zu schaffen, so daß die Stange ungehindert durch die Abschlußlager und Wellendichtungen hindurchgehen kann. Das nicht leitende Material ist für den Näherungsschalter transparent, der nur die ursprünglichen Materialstufen bzw. Zielmarken erfaßt, die mit einem Abstand zwischen dem Füllmaterial angeordnet sind.
Beim Betrieb der Pumpe geht die Stange 30 in der Bohrung 34 hin und her und veranlaßt die Zielmarken 40 dazu, am Näherungsschalter 42 vorbeizugehen. Jedes Mal wenn eine Zielmarke am Näherungsschalter vorbeigeht, erzeugt dieser ein gepulstes Ausgangssignal, das über die Leitungen 44 eine zentrale Steuerung erreicht. Die zentralsteuerung enthält einen Zeitgebermechanismus herkömmlichen Ausbaus und kann auf diese Weise die Zeit bestimmen, die zwischen impulssignalen vergangen ist und auf diese Weise die Geschwindigkeit der Bewegung der Stange 30 und damit die der Membran 2 und 28 bestimmen. Es besteht auch die Überlegung, daß die Steuereinheit in der Lage ist, Veränderungen in der Bewegungsgeschwindigkeit der Membranen dazu zu verwenden, die Beschleunigung und weitere geschwindigkeitsabhängige Merkmale zu berechnen. Weiterhin könnte auch die Richtung der Bewegung der Membranfolgestange 30 erfaßt werden, indem beispielsweise die Zielmarken 40 in vorbestimmten, unterschiedlichen Breiten ausgeführt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann klar, daß Veränderungen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder in den beigefügten zeichnungen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination zur Ausführung der Erfindung in unterschiedlichen Formen wesentlich sein.

Claims

1. In einer Membranpumpe mit wenigstens einer Membran, die zur Bewegung durch einen Saughub und einen Abgabehub beim Betrieb der Pumpe bestimmt ist, ein Pumpensteuerinterface mit:

einer Membranfolgestange, die für eine entsprechende Bewegung beim Betrieb der Pumpe mit der Membran verbunden ist;

einer Anzahl von mittels eines Sensors erfaßbaren Anzeigemitteln, die auf der Stange mit gegenseitigem Abstand längs der Richtung angeordnet sind, die der Bewegung der Membran beim Betrieb der Pumpe entspricht; und

einem Näherungsschalter, der dazu bestimmt ist, gepulste Ausgangssignale abzugeben, wenn er sich in einer vorbestimmten Nähe zu den Anzeigemitteln befindet,

wobei die Position und die Geschwindigkeit der Bewegung der Membran während des Ablaufs eines Saug- und eines Abgabehubs, nicht nur am Ende dieser Hübe, durch den Näherungsschalter erfaßt werden.

2. Pumpensteuerinterface nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel aus einer Anzahl leitender Zielmarken bestehen, die auf der Stange angeordnet sind.

3. Pumpensteuerinterface nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange einen vorbestimmten, konstanten Durchmesser hat, wobei die leitenden Zielmarken aus einer Anzahl ringförmiger Streifen bestehen deren Durchmesser gleich dem Durchmesser der Stange ist.

4. Pumpensteuerinterf ace nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel aus einer Anzahl von optisch ablesbaren Zielmarken bestehen, die auf der Stange angeordnet sind.

5. Pumpensteuerinterface nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel aus einer Anzahl strukturierter Zonen bestehen, die auf der Stange angeordnet sind.

6. Pumpensteuerinterface nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte wenigstens eine Membran ein Paar von Membranen beinhaltet.

7. Pumpensteuerinterface nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen zum synchronen Betrieb miteinander verbunden sind.

8. Pumpensteuerinterface nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranfolgestange die Membranen miteinander verbindet.

9. Membranpumpe, umfassend:

einen zentralen Gehäuseabschnitt;

eine Bohrung, die innerhalb des zentralen Gehäuseabschnitts ausgebildet ist;

eine abgeschlossene Sensorkammer, die innerhalb des zentralen Gehäuseabschnitts angeordnet ist;

eine erste und eine zweite Pumpenhälfte, die auf gegenüberliegenden Seiten des zentralen Gehäuseabschnitts angeordnet sind;

eine erste Membran, die in der ersten Pumpenhälfte angeordnet ist und zur Bewegung durch einen Saughub und einen Abgabehub bestimmt ist;

eine zweite Membran, die in der zweiten Pumpenhälfte angeordnet ist und zur Bewegung durch einen Saughub und einen Abgabehub bestimmt ist;

eine Stange, die zur Hin- und Herbewegung innerhalb der Bohrung des zentralen Gehäuseabschnitts angeordnet ist, wobei die Stange einen ersten Endabschnitt aufweist, der mit der ersten Membran verbunden ist, und einen zweiten Endabschnitt, der mit der zweiten Membran verbunden ist, und wobei die Stange eine Anzahl von durch einen Sensor erfaßbaren Anzeigemitteln längs einer vorbestimmten Länge der Stange aufweist;

Sensormittel, die benachbart zu der Stange in der abgeschlossenen Sensorkammer des zentralen Gehäuseabschnitts in einer solchen Position angebracht sind, daß die Sensormittel gegenüber den Anzeigemitteln auf der Stange zur Erfassung freiliegen, um in Anwesenheit der Anzeigemittel Signale zu erzeugen; und

Steuermittel, die mit den Sensormitteln verbunden sind, um die Signale von den Sensormitteln aufzunehmen und die Position und Bewegungsgeschwindigkeit der Stange im Verlauf eines jeden Saug- und Abgabehubs der Membran, nicht nur am Ende dieser Hübe, zu bestimmen.

10. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel aus einer Anzahl leitender Zielmarken bestehen, die auf der Stange angeordnet sind.

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange einen vorbestimmten, konstanten Durchmesser hat und die leitenden Zielmarken aus einer Anzahl ringförmiger Streifen bestehen, deren Durchmesser gleich dem Durchmesser der Stange ist.

12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel aus wenigstens einem Näherungsschalter bestehen, der dazu bestimmt ist, gepulste Ausgangssignale zu erzeugen, wenn er sich in einer vorbestimmten Nähe zu den Anzeigemitteln befindet.

13. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel aus einer Anzahl optisch ablesbarer Zielmarken bestehen, die auf der Stange angeordnet sind, wobei die Sensormittel aus einem optischen Scanner bestehen, der dazu bestimmt ist, gepulste Ausgangssignale zu erzeugen, wenn er sich in einer vorbestimmten Nähe zu den Anzeigemitteln befindet.

14. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel aus einer Anzahl strukturierter Zonen bestehen, die auf der Stange angeordnet sind, wobei die Sensormittel aus einem Elektronenstrahlsensor bestehen, der dazu bestimmt ist, gepulste Ausgangssignale zu erzeugen, wenn er sich in einer vorbestimmten Nähe zu den strukturierten Zonen befindet.

15. Pumpe nach Anspruch 9, weiter gekennzeichnet durch zusätzliche Sensormittel, die mit der Steuereinrichtung verbunden sind, um die Steuereinrichtung mit Signalen zu versorgen, die charakteristischen Merkmalen des Pumpensystens entsprechen.