EP1088166B1 - Membranpumpe und verfahren zur steuerung derselben - Google Patents

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EP1088166B1
EP1088166B1 EP99926372A EP99926372A EP1088166B1 EP 1088166 B1 EP1088166 B1 EP 1088166B1 EP 99926372 A EP99926372 A EP 99926372A EP 99926372 A EP99926372 A EP 99926372A EP 1088166 B1 EP1088166 B1 EP 1088166B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
displacer
membrane
space
evaluation unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99926372A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1088166A1 (de
Inventor
Norbert Siegel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BRAN and LUEBBE
SPX Flow Technology Germany GmbH
Original Assignee
BRAN and LUEBBE
Bran und Luebbe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BRAN and LUEBBE, Bran und Luebbe GmbH filed Critical BRAN and LUEBBE
Publication of EP1088166A1 publication Critical patent/EP1088166A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1088166B1 publication Critical patent/EP1088166B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F04B43/067—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/0009—Special features
    • F04B43/0081—Special features systems, control, safety measures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/09—Motor parameters of linear hydraulic motors
    • F04B2203/0903—Position of the driving piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/03—Pressure in the compression chamber

Definitions

  • the invention relates to a diaphragm pump with a Device for controlling the position of a conveyor and a displacement space separating membrane and with a reservoir for the hydraulic medium that over a refill unit, which can be actuated by an evaluation unit, with the displacement space in Connection is established.
  • the invention also relates to a method for Control of the position of a membrane, the conveying and separates the displacement space of a diaphragm pump and from an oscillating displacer via a hydraulic medium is driven, the displacement space via a Line is topped up with hydraulic medium if necessary.
  • Such pumps are, for example, as Piston diaphragm pump known from EP A1 0 085 725.
  • the Piston diaphragm pump has a displacement piston, the oscillating in a completely with hydraulic medium filled displacement room is moved back and forth. The between the pumping chamber and the displacement chamber arranged membrane thereby leads to the Piston stroke volume corresponding membrane stroke.
  • the inevitable occurring losses of hydraulic medium cause that the diaphragm position at the end of the suction stroke slowly moving towards the displacement space, reaches the Membrane the support plate or the membrane system scanning plunger.
  • the support plate or ram will from the diaphragm against the pressure of springs towards moved to the displacement workspace.
  • the pestle either directly the membrane system or the support plate scans, mechanically releases a refill valve, that is the result of the in the displacement workroom prevailing negative pressure opens and out of one Hydraulic fluid reservoir in the Can flow in displacement workspace. Move through it the membrane and the support plate under pressure Springs back towards the delivery chamber. While this movement sequence also slips the guard locking of the Refill valve back towards the delivery chamber and closes the refill valve.
  • vent valve is for example from the Company print "AREX" known to the applicant.
  • DE 43 09 380 A1 describes a method for Monitoring a pump system is known, in which the by amount pumped in relation to the Pump actuation path set and when exceeded a limit alarm is triggered.
  • the funded Quantity is determined indirectly via a kind of pressure sensor. There is no provision for regulating the position of the membrane.
  • DE A1 43 36 823 is a device for electronic membrane system control in Membrane process pumps are known, in which by means of a electromechanical or electronic encoder and Receiver position of the membrane is determined.
  • An electronic evaluation unit is used to exact regulation, by the break or premature Wear is prevented by overload, a signal generated that the inlet of the hydraulic medium in the Displacer controlled.
  • To detect the Membrane system is an electromechanical transducer proposed the via a spring-loaded plunger The position of the membrane is recorded directly. In this case too the diaphragm is additionally affected by the force of the plunger encumbered, which basically leads to a decreased Life expectancy of the membrane leads.
  • the object of the invention is to provide a diaphragm pump create the volume of the displacement space can be checked as easily as possible so that the Membrane is protected and the operational safety of the. Pump is increased overall.
  • This task is in the generic diaphragm pump solved in that a pressure sensor in the displacement space is arranged, which is connected to the evaluation unit which is used to generate a refill signal Decrease in the pressure measured by the pressure sensor or a derived value below one predetermined limit value is formed, which means an active connection actuating a refill unit on.
  • the pressure sensor located in the displacement chamber reports this Negative pressure occurs during the intake stroke the evaluation unit. There is this signal with a predetermined limit value compared. Once the falls below the specified limit value, generates the Evaluation unit a signal that the refill of the Displacement chamber with hydraulic fluid. On this will overload the membrane with Avoided security.
  • the limit can easily match the can be adapted to different operating conditions.
  • There the pressure sensor has no moving parts operational reliability compared to mechanical systems advantageously increased.
  • the membrane is covered by the Pressure sensor is not additionally loaded because it is not is in direct contact with the membrane, but only comes into contact with the hydraulic medium.
  • the invention is therefore based on the electronic Evaluation of the temporal pressure curve in the Displacement chamber of a hydraulically articulated Diaphragm pump.
  • the correct filling of the displacement space is ensured by an algorithm running on a computer unit and operated by an active connection Refill unit ensured. Leakages occurring or a lack of hydraulic medium in the displacement space are recognized and supplemented again.
  • Refilling can be particularly advantageous realize if the refill unit as a valve is formed, preferably as an electrically operated Valve located in the refill line Connection between the displacement space and the Can produce reservoir for the hydraulic medium. It is also advantageous to use those in operation Simply retrofit diaphragm pumps so that the advantages the electronic control of the refill valve too are to be used with older pumps.
  • the fact that the evaluation unit has a ventilation signal is designed to generate a ventilation unit can be actuated at a time during a working cycle of the displacer in which the Pressure in the displacement space is greater than that Ambient pressure in the reservoir for the Hydraulic fluid, if necessary also released, Air originally dissolved in the hydraulic medium from the Displacement room are carried out.
  • Both Functions can be performed by the same valve, if the vent valve and the refill valve as Unit are formed.
  • the originally released in the hydraulic medium Air both through the refill valve itself as well by another, for example electromagnetic Controlled identical vent valve from the Displacement room are carried out.
  • the refill and that Vent valve can be constructed identically. The venting and the refilling process take place each as needed and not necessarily for everyone Duty cycle.
  • Position sensor Another way without using a Position sensor consists in the arrangement of a pressure sensor in the delivery chamber of the diaphragm pump with a Signal connection to the evaluation unit in addition to the Pressure sensor in the displacement space.
  • the evaluation unit can link the two sensor signals for example via a difference and the refill or vent signals are generated. This is also a safe peeling of the Refill and vent valve also among all Operating conditions guaranteed.
  • the pressure sensors can alternatively be used as sensors for Detection of the expansion of the housing components of the Conveying space and the displacement space to be executed. These deliver signals that match the pressure signals are proportional. With appropriate signal connections the evaluation can be used to generate the evaluation unit the refill or bleed signals occur.
  • the one with the Hydraulic medium flowable support plate for the Displacement chamber equipped with a membrane Refill unit in connection with the displacement room sees the solution of the task before that the pressure signal in the displacement space of one Sensor is detected and sent to an evaluation unit, those when the pressure measured by the pressure sensor drops or a value derived from it below one predetermined limit value, if necessary, refilling the Displacement chamber with hydraulic medium and if necessary Vent the displacer space from released originally dissolved in the hydraulic medium, Causes gas fractions.
  • measured actual pressure signal instead of measured actual pressure signal also a derivative after the Time or after the route can be processed as a signal.
  • the pressure in the displacement space is also advantageous detected by a sensor and an evaluation unit forwarded from it according to a certain algorithm venting the displacement space.
  • the reliability of the process is further enhanced by the Measure lifted that detects the position of the displacer for example by an angle encoder on the Drive shaft, and the evaluation unit is fed and the signal with the pressure in the displacement space from the Evaluation unit is linked.
  • FIG. 1 the structure of a hydraulically articulated Diaphragm pump head with an inventive represented electronic regulation.
  • this diaphragm pump head 12 occurs depending on the time typically a pressure curve according to FIG. 2 on.
  • the oscillating movement of the displacer 3 is here by the contained in the displacement room 2, under Alternating hydraulic fluid on the membrane 4 transfer. Occurs intentionally or unforeseen Leakage in displacement space 2 occurs there Lack of hydraulic fluid. Achieved as a result the membrane 4 at the end of the suction stroke Displacer arranged flowable, preferably Your displacer trained as a perforated plate 5 rear system before the displacer 3 its rear dead center. The movement of the membrane 4 and the displacer 3 thereby decouple.
  • the refill process can now be carried out through the refill valve 9 take place because of a pressure drop from the below Hydraulic fluid in the ambient air pressure Storage container 11 to the displacement space 2 exists.
  • the Detection of the pressure drop in the hydraulic room 2 to the end of the suction stroke takes place via the evaluation of the signal of the Pressure sensor 6 and if necessary additionally Link with the signal of the position sensor 7 in the Evaluation unit 8.
  • the evaluation unit is free programmable computer unit is formed.
  • the Position sensor 7 indicates the current position of the Displacer 3. Linking the signals from Position sensor 7 and pressure sensor 6 prevents for example, annoying pressure drops in the Displacement chamber 2 due to liquid vibrations or throttling due to narrowing of the cross section in the Lead the suction line to effect the refilling process.
  • the algorithm running on the evaluation unit 8 therefore makes a sensible decision about blocking and release the refilling process through the refill valve 9.
  • the algorithm on the computer unit 8 the vent valve 10 at a time other than release the refill valve 9 as soon as a pressure drop from displacement chamber 2 to the reservoir 11.
  • excess can Hydraulic medium for example as a result of one Stroke change on the pump engine and / or free which were originally dissolved in the hydraulic medium Gases are expelled from the displacement space 2.
  • the piston is in its membrane-side end position.
  • the pressure valve 16 closes.
  • the piston relaxes the delivery medium enclosed between the closed pressure valve 16 and the suction valve 15, including the hydraulic medium contained in the displacement chamber, until the media reach the mean pressure in the suction line p sm at time t1 and the suction valve 15 opens ,
  • the piston continues to move and now sucks in the medium from the delivery line until the time t 2, the membrane 4 abuts the perforated plate 5 and the pressure in the displacement chamber 2 drops below the average pressure of the suction line p sm .
  • the refill valve 9 opens briefly.
  • the piston thus exceeds its reversing position and allows the suction valve 15 to close at time t 4 .
  • the medium enclosed in the delivery chamber is then compressed down to the mean pressure and the pressure line p dm .
  • the pressure valve opens at time t 5 .
  • the delivery volume is expelled from the delivery chamber 1 through the pressure valve 16 until the piston reaches its other reverse position and the pressure valve is closed at time t 6 .
  • a new work cycle begins.
  • the diagram is an idealized representation. Deviations are common in practice. For example, the diagram may change due to impacts in the suction and pressure lines as well as ventilation processes.
  • the Effecting the refill logs and the Frequency can also determine the functions of the Seals are checked. Depending on the leakage behavior maintenance can be carried out if necessary. Eventually the assembly of the pump is also more convenient because it can be adjusted the mechanical refill device is omitted. The necessary adjustments can be made directly on the Evaluation unit made during operation become.
  • the evaluation device therefore advantageously has one non-volatile data storage that the corresponding data for a number of strokes in the case of a Interruption of operation for later diagnosis saves and then makes it readable.
  • evaluation unit 8 additionally with a Interface to a communication network equipped is, it is possible to operate the pump from the To check remotely and, if necessary, to identify errors.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Lage einer einen Förderund einen Verdrängerraum trennenden Membran und mit einem Vorratsbehälter für das Hydraulikmedium, der über eine durch eine Auswerteeinheit betätigbare Nachfülleinheit mit dem Verdrängerraum in Verbindung steht.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Lage einer Membran, die den Förder- und den Verdrängerraum einer Membranpumpe trennt und von einem oszillierenden Verdränger über ein Hydraulikmedium angetrieben ist, wobei der Verdrängerraum über eine Leitung mit Hydraulikmedium bei Bedarf nachgefüllt wird.
Derartige Pumpen sind beispielsweise als Kolbenmembranpumpe aus EP A1 0 085 725 bekannt. Die Kolbenmembranpumpe besitzt einen Verdrängerkolben, der oszillierend in einem vollständig mit Hydraulikmedium ausgefüllten Verdrängerraum hin- und herbewegt wird. Die zwischen dem Förderraum und dem Verdrängerraum angeordnete Membran führt dadurch einen dem Kolbenhubvolumen entsprechenden Membranhub aus.
Beim Saughub strömt über das Ansaugventil die zu fördernde Flüssigkeit in den Förderraum und wird beim Druckhub über das Druckventil ausgestoßen.
Im Verdrängerraum ist meist eine in einem begrenzten Bereich verschiebbare Stützplatte vorhanden, welche die Membran zum Ende des Saughubs gegen eine zu große Auslenkung schützt.
Wenn nach einer gewissen Betriebsdauer die unvermeidlich auftretenden Verluste an Hydraulikmedium dazu führen, daß sich die Membranstellung zum Ende des Saughubes langsam zum Verdrängerraum hin verschiebt, erreicht die Membran die Stützplatte oder einen die Membranlage abtastenden Stößel. Die Stützplatte oder der Stößel wird von der Membran gegen den Druck von Federn in Richtung auf den Verdrängerarbeitsraum verschoben. Der Stößel, der entweder direkt die Membranlage oder die Stützplatte abtastet, gibt dabei mechanisch ein Nachfüllventil frei, das sich in Folge des im Verdrängerarbeitsraum herrschenden Unterdrucks öffnet und aus einem Vorratsbehälter Hydraulikmedium in den Verdrängerarbeitsraum einströmen läßt. Hierdurch bewegen sich die Membran und die Stützplatte unter Druck der Federn wieder in Richtung auf den Förderraum. Während dieses Bewegungsablaufes gleitet auch die Zuhaltung des Nachfüllventils wieder in Richtung Förderraum und schließt das Nachfüllventil.
In Folge des Austreibens ursprünglich gelöster Luft aus dem Hydraulikmedium kann es zu einer Beeinträchtigung des Förderverhaltens der Membranpumpe kommen. In solchen Fällen muß Volumen aus dem Verdrängerraum entweichen können. Zu diesem Zweck ist ein sogenanntes Entlüftungsventil vorgesehen, das ein Entweichen überschüssigen Hydraulik- oder des freigewordenen Luftvolumens ermöglicht. Bei Erstinbetriebnahme einer Membranpumpe oder bei der Änderung der eingestellten Hublänge an dem angeschlossenen Pumpentriebwerk dient das Entlüftungsventil gleichzeitig dazu, überschüssiges Volumen an Hydraulikmedium aus dem Verdrängerraum auszutragen, um die Funktion der mechanischen Nachfülleinrichtung sicherzustellen.
Ein solches Entlüftungsventil ist beispielsweise aus der Firmendruckschrift "AREX" der Anmelderin bekannt.
Als Ersatz der mechanischen Erfassung des momentanen Membranortes ist in der EP B1 0 607 308 die direkte Erkennung der Membrangrenzlagen mittels eines elektronischen Sensors vorgeschlagen worden. Das elektronische Signal des Lagesensors wird in einer Steuereinheit mit einem vorgegebenen Maximalwert verglichen. Bei Überschreiten des Maximalwertes wird ein Signal zur Öffnung eines Nachfüllventils erzeugt, das die Überlastung der Membran verhindert. Nachteilig an dieser vorbekannten Lösung ist, daß zur Erfassung der Membranlage an der Membran ein massebehafteter Magnet befestigt werden muß, dessen Magnetfeld zur Erfassung des Membranortes von dem elektronischen Sensor benötigt wird. Die dadurch bedingte unstetige Massebelegung der Membran kann zu einer örtlich stärkeren Belastung führen, die die Lebenserwartung der Membran nachteilig verringert. Aufgrund des Verzichts auf eine verdrängerraumseitige Membrananlage bzw. Stützplatte ist bei einem Betrieb mit einem Vordruckniveau in der Saugleitung, das über dem Umgebungsluftdruck liegt ein Nachfüllen des Hydraulikraums nur möglich, wenn die nachzufullende Menge an Hydraulikflüssigkeit mittels eines zusätzlichen Druckerzeugers unter einen noch etwas größeren Druck als der Vordruck in der Saugleitung gebracht wird. Zusätzlich kann das Fehlen der Mambrananlage bei bestimmten Betriebszuständen zu einer Überlastung der Membran führen.
Aus der US 5,056,036 ist eine Membranpumpe mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Lage einer den Förderraum von einem Verdrängerraum trennende Membran bekannt, bei der ein Vorratsbehälter für das Hydraulikmedium über eine Nachfülleinheit mit dem Verdrängerraum in Verbindung steht. Die bekannte Vorrichtung ist mit zwei Näherungssensoren ausgestattet, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind. Ziel der Regelung ist die Abmessung eines genau vorbestimmten Fördervolumens, welches durch den Förderraum hindurch während einer Hinund Herbewegung des Kolbens fließt. Für diesen Zweck wird der Kolben über einen mittels des Positionssensors abzumessenden Betätigungswegs verschoben, wobei der hydraulische Druck über die Membran auf den Förderraum übertragen und aus diesem die gewünschte Fördermenge verdrängt wird. Danach wird das Ventil geöffnet, so daß bei einer weiteren Bewegung des Kolbens die Hilfsflüssigkeit aus dem Verdrängerraum in einen Zwischenbehälter abfließen kann. Dadurch wird erreicht, daß während der weiteren Kolbenbewegung keine weitere Förderung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Förderraum erfolgt. Das Volumen der Hilfsflüssigkeit im Verdrängerraum verändert sich dabei drastisch. Die bekannte Vorrichtung regelt also das Fördervolumen, welches während eines Kolbenhubes durch den Förderraum fließt.
Aus der DE 43 09 380 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Pumpensystems bekannt, bei dem die von der Pumpe geförderte Menge ins Verhältnis zum Betätigungsweg der Pumpe gesetzt und bei Überschreiten eines Grenzwertes Alarm ausgelöst wird. Die geförderte Menge wird indirekt über eine Art Drucksensor bestimmt. Eine Regelung der Lage der Membran ist nicht vorgesehen.
Schließlich ist aus der DE A1 43 36 823 eine Vorrichtung zur elektronischen Membranlagenkontrolle in Membranprozeßpumpen bekannt, bei der mittels eines elektromechanischen oder elektronischen Gebers und Empfängers die Position der Membran bestimmt wird. Mittels einer elektronischen Auswerteeinheit wird zur exakten Regelung, durch die Bruch oder vorzeitiger Verschleiß durch Überlastung verhindert wird, ein Signal erzeugt, das den Zulauf des Hydraulikmediums in den Verdrängerraum kontrolliert. Zur Erkennung der Membranlage ist ein elektromechanischer Aufnehmer vorgeschlagen, der über einen federbelasteten Stößel die Lage der Membran direkt erfaßt. Auch in diesem Fall wird also die Membran durch die Kraft des Stößels zusätzlich belastet, was grundsätzlich zu einer verringerten Lebenserwartung der Membran führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Membranpumpe zu schaffen, bei der das Volumen des Verdrängerraumes möglichst einfach kontrolliert werden kann, so daß die Membran geschont wird und die Betriebssicherheit der. Pumpe insgesamt erhöht wird.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Membranpumpe dadurch gelöst, daß im Verdrängerraum ein Drucksensor angeordnet ist, der mit der Auswerteeinheit verbunden ist, die zur Erzeugung eines Nachfüllsignals bei Absinken des vom Drucksensor gemessenen Druckes oder eines daraus abgeleiteten Wertes unter einen vorgegebenen Grenzwert ausgebildet ist, das mittels einer Wirkverbindung eine Nachfülleinheit betätigend schaltet.
Der im Verdrängerraum angeordnete Drucksensor meldet das Entstehen des Unterdruckes während des Ansaughubes an die Auswerteeinheit. Dort wird dieses Signal mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Sobald der vorgegebene Grenzwert unterschritten wird, erzeugt die Auswerteeinheit ein Signal, das die Nachfüllung des Verdrängerraumes mit Hydraulikflüssigkeit bewirkt. Auf diese Weise wird ein Überlasten der Membran mit Sicherheit vermieden. Der Grenzwert kann leicht an die verschiedenen Betriebsbedingungen angepaßt werden. Da der Drucksensor keine beweglichen Teile aufweist, wird die Betriebssicherheit gegenüber mechanischen Systemen vorteilhaft erhöht. Die Membran wird durch den Drucksensor nicht zusätzlich belastet, da dieser nicht im direkten Kontakt mit der Membran steht, sondern nur mit dem Hydraulikmedium in Berührung kommt.
Die Erfindung beruht somit auf der elektronischen Auswertung des zeitlichen Druckverlaufs im Verdrängerraum einer hydraulisch angelenkten Membranpumpe. Mit Vorteil erfolgt wahlweise auch eine Zuordnung dieses Druckverlaufs zur Verdrängerposition. Die richtige Befüllung des Verdrängerraums wird durch einen auf einer Rechnereinheit ablaufenden Algorithmus und von einer über eine Wirkverbindung betätigte Nachfülleinheit sichergestellt. Auftretende Leckagen oder ein Mangel an Hydraulikmedium im Verdrängerraum werden erkannt und wieder ergänzt.
Wenn eine Stützplatte für die Membran im Verdrängerraum angeordnet ist, wird im Verdrängerraum ein zusätzlicher stärker ausgeprägter Unterdruckimpuls erzeugt, sobald sich die Membran beim Saughub an die Stützplatte anlegt. Dieser Unterdruckimpuls läßt sich von der Auswerteeinheit noch präziser auswerten und daraus ein Signal zum Nachfüllen erzeugen, was die Betriebssicherheit der Pumpe vorteilhaft erhöht. Zur Einleitung des Nachfüllvorgangs können dann beispielsweise zwei Kriterien gleichzeitig als erfüllt von Auswerteeinheit.überprüft werden, d. h. die Membran erreicht ihre rückwärtige Anlage und der Druck im Hydraulikraum liegt geringfügig unter dem Umgebungsdruck im Vorratsbehälter.
Besonders vorteilhaft läßt sich das Nachfüllen verwirklichen, wenn die Nachfülleinheit als Ventil ausgebildet ist, vorzugsweise als elektrisch betätigtes Ventil, das in der Nachfüllleitung angeordnet ist Eine Verbindung zwischen dem Verdrängerraum und dem Vorratsbehälter für das Hydraulikmedium herstellen kann. Mit Vorteil lassen sich auch im Betrieb befindliche Membranpumpen einfach nachrüsten, so daß die Vorteile der elektronischen Ansteuerung des Nachfüllventils auch bei älteren Pumpen zu nutzen sind.
Dadurch, daß die Auswerteeinheit ein Entlüftungssignal erzeugend ausgebildet ist, das eine Entlüftungseinheit betätigend geschaltet ist, kann zu einem Zeitpunkt während eines Arbeitszyklus des Verdrängers, in dem der Druck im Verdrängerraum größer ist als der Umgebungsdruck im Vorratsbehälter für die Hydraulikflüssigkeit, bei Bedarf auch freigewordene, ursprünglich in dem Hydraulikmedium gelöste Luft aus dem Verdrängerraum ausgetragen werden.
Da das Entlüften und das Nachfüllen des Verdrängerraums zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt, kann mit Vorteil auf separate Ventile verzichtet werden. Beide Funktionen können von demselben Ventil erfüllt werden, wenn das Entlüftungsventil und das Nachfüllventil als Baueinheit ausgebildet sind. Alternativ kann die freigewordene ursprünglich im Hydraulikmedium gelöste Luft sowohl durch das Nachfüllventil selbst als auch durch ein weiteres, beispielsweise elektromagnetisch angesteuertes baugleiches Entlüftungsventil aus dem Verdrängerraum ausgetragen werden. Das nachfüll- und das Entlüftungsventil können baugleich ausgeführt werden. Der Entlüftungs- und der Nachfüllvorgang erfolgen je nach Bedarf und nicht notwendigerweise bei jedem Arbeitszyklus.
Eine weitere Möglichkeit, ohne die Verwendung eines Lagesensors besteht in der Anordnung eines Drucksensors in den Förderraum der Membranpumpe mit einer Signalverbindung zur Auswerteeinheit zusätzlich zu dem Drucksensor im Verdrängerraum. In der Auswerteeinheit kann eine Verknüpfung der beiden Sensorsignale beispielsweise über eine Differenzbildung erfolgen und die Nachfüll- bzw. Entlüftungssignale erzeugt werden. Hierdurch ist ebenfalls ein sicheres Schälten des Nachfüll- und des Entlüftungsventils auch unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet.
Die Drucksensoren können alternativ als Sensoren zur Erfassung der Dehnung der Gehäusebauteile des Förderraums und des Verdrängerraums ausgeführt sein. Diese liefern Signale, die den Drucksignalen proportional sind. Mit entsprechenden Signalverbindungen zur Auswerteeinheit kann die Auswertung zur Erzeugung der Nachfüll- bzw. Entlüftungssignale erfolgen.
Mit Vorteil erfolgt zusätzlich zur Erfassung des Drucks im Verdrängerraum die Bestimmung der Verdrängerposition, indem ein Lagesensor zur Signalisierung der Verdrängerlage vorgesehen ist und eine Signalverbindung vom Lagesensor zur Auswerteeinheit vorgesehen ist. Diese zusätzliche Information der Lage des Kolbens und die Verknüpfung der Kolbenlage mit dem Drucksignal ermöglicht zusätzliche Verriegelungen, die das Schalten der Entlüftungs- bzw. Belüftungsventile zum falschen Zeitpunkt sicher verhindern.
Darüber hinaus ist die Anordnung von je einem Drucksensor im Förderraum, einem Drucksensor im Verdrängerraum und eines Lagersensors zur Erfassung der Verdrängerposition mit ihren jeweiligen Signalverbindungen zur Auswerteeinheit und die kombinierte Auswertung aller drei Sensorsignale möglich.
Bei einem Verfahren zur Steuerung der Lage einer Membran, die den Förder- und den Verdrängerraum einer Membranpumpe trennt, wobei der mit einer von dem Hydraulikmedium durchströmbaren Stützplatte für die Membran ausgestattete Verdrängerraum über eine Nachfülleinheit mit dem Verdrängerraum in Verbindung steht, sieht die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, daß das Drucksignal im Verdrängerraum von einem Sensor erfaßt und einer Auswerteeinheit zugeleitet wird, die bei Absinken des vom Drucksensor gemessenen Druckes oder eines daraus abgeleiteten Wertes unter einen vorgegebenen Grenzwert bei Bedarf das Nachfüllen des Verdrängerraums mit Hydraulikmedium und bei Bedarf das Entlüften des Verdrängerraums von freiwerdenden ursprünglich in dem Hydraulikmedium gelösten, Gasanteilen bewirkt.
Unter bestimmten Voraussetzungen kann statt des gemessenen Istdrucksignals auch eine Ableitung nach der Zeit oder nach dem Weg als Signal verarbeitet werden.
Mit Vorteil wird zusätzlich der Druck im Verdrängerraum von einem Sensor erfaßt und einer Auswerteeinheit zugeleitet, die daraus nach einem bestimmten Algorithmus das Entlüften des Verdrängerraumes bewirkt.
Die Zuverlässigkeit des Verfahrens wird weiter durch die Maßnahme gehoben, daß die Lage des Verdrängers erfaßt, beispielsweise durch einen Winkelgeber an der Antriebswelle, und der Auswerteeinheit zugeleitet wird und das Signal mit dem Druck im Verdrängerraum von der Auswerteeinheit verknüpft wird.
Alternativ oder ergänzend kann auch zur Bewirkung des Nachfüllens und/oder Entlüftens des Verdrängerraumes der Druck im Förderraum erfaßt und der Auswerteeinheit zugeleitet werden und mit dem Druck im Verdrängerraum von der Auswerteeinheit verknüpft werden.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:
Figur 1:
Skizze eines hydraulisch angelenkten Membranpumpenkopfes mit elektronischer Regelung der Befüllung des Verdrängerraums,
Figur 2:
Diagramm des Druckverlaufes im Förderraum einer hydraulisch angelenkten Membranpumpe ohne Nachfüllvorgang, und
Figur 3:
Diagramm des Druckverlaufes im Verdrängerraum einer hydraulisch angelenkten Membranpumpe
In Figur 1 ist der Aufbau eines hydraulisch angelenkten Membranpumpenkopfes mit einer erfindungsgemäßen elektronischen Regelung dargestellt. Im Förderraum 1 dieses Membranpumpenkopfes 12 tritt in Abhängigkeit von der Zeit typischerweise ein Druckverlauf gemäß Figur 2 auf. Die oszillierende Bewegung des Verdrängers 3 wird hierbei durch die im Verdrängerraum 2 enthaltene, unter Wechseldruck stehende Hydraulikmedium auf die Membran 4 übertragen. Tritt beabsichtigte oder unvorhergesehene Leckage im Verdrängerraum 2 auf, so stellt sich dort ein Mangel an Hydraulikflüssigkeit ein. Als Folge erreicht die Membran 4 zum Ende des Saughubes die im Verdrängerraum angeordnete durchströmbare, vorzugsweise Ihre Verdränger als Lochplatte 5 ausgebildete rückwärtige Anlage, bevor der Verdränger 3 seine hintere Totlage erreicht hat. Die Bewegung der Membran 4 und des Verdrängers 3 entkoppeln sich dadurch. Der Druck im Förderraum 1, der von einem Drucksensor 19 erfaßt wird, verbleibt daraufhin auf dem Druckniveau in der Saugleitung 13. Der Druck im Verdrängerraum 2 fällt unter das Niveau im Förderraum 1 bis hin zum Dampfdruck der Hydraulikflüssigkeit ab. Der typischer Weise im Verdrängerraum 2 des hydraulisch angelenkten Membranpumpenkopfes nach Figur 1 sich einstellende und mit dem Drucksensor 6 erfaßbare zeitliche Druckverlauf ist in Figur 3 dargestellt. Deutlich ist im Vergleich zu Figur 2 die Absenkung des Drucks zum Ende des Saughubs erkennbar, der sich bei Anlage der Membran 4 an die Lochplatte 5 einstellt.
Der Nachfüllvorgang kann nun durch das Nachfüllventil 9 stattfinden, da ein Druckgefälle von der unter Umgebungsluftdruck stehenden Hydraulikflüssigkeit im Vorratsbehälter 11 hin zum Verdrängerraum 2 besteht. Die Erkennung der Druckabsenkung im Hydraulikraum 2 zum Ende des Saughubs erfolgt über die Auswertung des Signals des Drucksensors 6 und bei Bedarf zusätzlich durch Verknüpfung mit dem Signal des Positionssensors 7 in der Auswerteeinheit 8. Die Auswerteeinheit ist als frei programmierbare Rechnereinheit ausgebildet ist. Der Positionssensor 7 gibt die momentane Lage des Verdrängers 3 an. Die Verknüpfung der Signale von Positionssensor 7 und Drucksensor 6 verhindert, daß beispielsweise störende Druckabsenkungen im Verdrängerraum 2 infolge von Flüssigkeitsschwingungen oder Androsselungen durch Querschnittsverengungen in der Saugleitung zur Bewirkung des Nachfüllvorgangs führen. Der auf der Auswerteeinheit 8 ablaufende Algorithmus entscheidet somit sinnvoll über Sperrung und Freigabe des Nachfüllvorgangs durch das Nachfüllventil 9.
Zusätzlich kann der Algorithmus auf der Rechnereinheit 8 das Entlüftungsventil 10 zu einem anderen Zeitpunkt als das Nachfüllventil 9 freigeben, sobald ein Druckgefälle von Verdrängerraum 2 hin zum Vorratsbehälter 11 besteht. Auf diese Art und Weise kann überschüssiges Hydraulikmedium zum Beispiel in Folge einer Hubveränderung am Pumpentriebwerk und/oder frei gewordene, ursprünglich in der Hydraulikmedium gelöste Gase aus dem Verdrängerraum 2 ausgestoßen werden. Durch die zeitliche Trennung des Nachfüll- und des Entlüftungsvorganges ist es möglich, beide Funktionen der ansonst baugleichen Ventile 9 und 10 mit nur einem Bauteil zu verwirklichen.
Zum Zeitpunkt t0 befindet sich der Kolben in seiner membranseitigen Endlage. Zu diesem Zeitpunkt schließt das Druckventil 16. Der Kolben entspannt anschließend das zwischen dem geschlossenen Druckventil 16 und Ansaugventil 15 eingeschlossene Fördermedium einschließlich des im Verdrängerraum enthaltenen Hydraulikmediums, bis die Medien zum Zeitpunkt t1 den mittleren Druck in der Saugleitung psm erreichen und das Ansaugventil 15 öffnet. Der Kolben bewegt sich weiter und saugt nun aus der Förderleitung Fördermedium an, bis zum Zeitpunkt t2 die Membran 4 an der Lochplatte 5 anliegt und der Druck im Verdrängerraum 2 unter den mittleren Druck der Ansaugleitung psm absinkt. Zum Zeitpunkt t3 öffnet das Nachfüllventil 9 kurzzeitig. Der Kolben überschreitet damit seine Umkehrposition und läßt zum Zeitpunkt t4 das Ansaugventil 15 schließen. Das im Förderraum eingeschlossene Medium wird anschließend bis auf den mittleren Druck und der Druckleitung pdm verdichtet. Sobald dieser erreicht ist, öffnet zum Zeitpunkt t5 das Druckventil. Während der weiteren Bewegung des Kolbens wird das Fördervolumen aus dem Förderraum 1 durch das Druckventil 16 ausgestoßen, bis der Kolben seine andere Umkehrpsition erreicht und das Druckventil zum Zeitpunkt t6 geschlossen wird. Anschließend beginnt ein neues Arbeitsspiel. Das Diagramm ist eine idealisierte Darstellung. In der Praxis sind Abweichungen üblich. Beispielsweise können durch Stöße in der Saug- und Druckleitung sowie Entlüftungsvorgänge das Diagramm verändern.
Durch einen Zähler in der Auswerteeinheit 8, der das Bewirken des Nachfüllvorgangs protokolliert und die Häufigkeit ermittelt, kann auch die Funktionen der Dichtungen überprüft werden. Je nach Leckageverhalten kann eine Wartung bei Bedarf erfolgen. Schließlich wird auch die Montage der Pumpe bequemer, da ein Justieren der mechanischen Nachfülleinrichtung entfällt. Die notwendigen Einstellvorgänge können direkt an der Auswerteeinheit während des Betriebes vorgenommen werden.
Mit Vorteil weist deshalb die Auswerteeinrichtung einen nicht flüchtigen Datenspeicher auf, der die entsprechenden Daten für eine Anzahl Hübe im Falle einer Betriebsunterbrechung zur späteren Diagnose speichert und anschließend auslesbar zur Verfügung stellt.
Wenn die Auswerteeinheit 8 zusätzlich mit einer Schnittstelle zu einem Kommunikationsnetz ausgerüstet ist, ist es möglich, die Arbeitsweise der Pumpe aus der Ferne zu prüfen und gegebenenfalls Fehler zu ermitteln.
Auf diese Weise ist eine Membranpumpe geschaffen worden, die es ermöglicht, die Pumpe in ein Netzwerk einzugliedern, das weitere nützliche Informationen über den Produktionsprozeß liefert.
Bezugszeichenliste
1
Förderraum
2
Verdrängerraum
3
Kolben (Verdränger)
4
Membran
5
Lochplatte (Stützplatte)
6
Drucksensor
7
Positionssensor
8
Auswerteeinheit
9
Nachfüllventil
10
Entlüftungsventil
11
Vorratsbehälter für Hydraulikflüssigkeit
12
Membranpumpenkopf
13
Saugleitung
14
Druckleitung
15
Ansaugventil
16
Druckventil
17
Steuerleitung
18
Signalleitung
19
Drucksensor

Claims (12)

  1. Membranpumpe mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Lage einer einen Förder- (1) und einen Verdrängerraum (2) trennenden Membran (4) und mit einem Vorratsbehälter (11) für das Hydraulikmedium, der über eine durch eine Auswerteeinheit betätigbare Nachfülleinheit mit dem Verdrängerraum (2) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdrängerraum (2) ein Drucksensor (6) angeordnet ist, der mit der Auswerteeinheit (8) verbunden ist, die zur Erzeugung eines Nachfüllsignals bei Absinken des vom Drucksensor (6) gemessenen Drucks oder eines daraus abgeleiteten Wertes unter einen vorgegebenen Grenzwert ausgebildet ist, das mittels einer Wirkverbindung (17) die Nachfülleinheit betätigend schaltet.
  2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdrängerraum (2) eine Stützplatte (5) für die Membran (4) angeordnet ist.
  3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachfülleinheit als Ventil (9) ausgebildet ist, vorzugsweise als elektrisch betätigtes Ventil, das in der Nachfüllleitung angeordnet ist.
  4. Membranpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (8) ein Entlüftungssignal erzeugend ausgebildet ist, das ein Entlüftungsventil (10) betätigend geschaltet ist.
  5. Membranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Entlüftungsventil (10) und das Nachfüllventil (9) als Baueinheit ausgebildet sind.
  6. Membranpumpe nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Drucksensor (19) im Förderraum (1) angeordnet ist, der eine Signalverbindung (18) zur Auswerteeinheit (8) aufweist.
  7. Membranpumpe nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (6, 19) als Dehnungssensor ausgebildet ist, der die Dehnung des Gehäuses erfaßt.
  8. Membranpumpe nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionssensor (7) zur Signalisierung der Verdrängerlage (3) vorgesehen ist und eine Signalverbindung (18) vom Positionssensor (7) zur Auswerteeinheit (8) vorgesehen ist.
  9. Verfahren zur Steuerung der Lage einer Membran (4), die den Förder- (1) und den Verdrängerraum (2) einer Membranpumpe trennt und von einem oszillierenden Verdränger (3) über ein Hydraulikmedium angetrieben ist, wobei der Verdrängerraum (2) über eine Leitung mit Hydraulikmedium bei Bedarf nachgefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Verdrängerraum (2) von einem Sensor (6) erfaßt und einer Auswerteeinheit (8) zugeleitet wird, die bei Absinken des vom Drucksensor (6) gemessenen Druckes oder eines daraus abgeleiteten Wertes unter einen vorgegebenen Grenzwert das Nachfüllen des Verdrängerraumes (2) mit Hydraulikmedium bewirkt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Verdrängerraum (2) von einem Sensor (6) erfaßt und einer Auswerteeinheit (8) zugeleitet wird, die daraus nach einem bestimmten Algorithmus das Entlüften des Verdrängerraumes (2) bewirkt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewirkung des Nachfüllens und/oder Entlüftens des Verdrängerraumes (2) die Lage des Verdrängers (3) erfaßt und der Auswerteeinheit (8) zugeleitet wird und mit dem Druck im Verdrängerraum (2) von der Auswerteeinheit (8) verknüpft wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewirkung des Nachfüllens und/oder Entlüftens des Verdrängerraumes (2) der Druck im Förderraum (1) erfaßt und der Auswerteeinheit (8) zugeleitet wird und mit dem Druck im Verdrängerraum (2) von der Auswerteeinheit (8) verknüpft wird.
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