EP1301710B2 - Dosierpumpe mit einem elektromotor - Google Patents

Dosierpumpe mit einem elektromotor Download PDF

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EP1301710B2
EP1301710B2 EP01972410.3A EP01972410A EP1301710B2 EP 1301710 B2 EP1301710 B2 EP 1301710B2 EP 01972410 A EP01972410 A EP 01972410A EP 1301710 B2 EP1301710 B2 EP 1301710B2
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EP
European Patent Office
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pump
motor
metering
control
operating cycle
Prior art date
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EP01972410.3A
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EP1301710B1 (de
EP1301710A2 (de
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Bo Kragelund
Michael Christian Byskov
Hans Henrik Jochumsen
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Grundfos AS
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Grundfos AS
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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
    • F04B13/00—Pumps specially modified to deliver fixed or variable measured quantities
    • 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
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity

Definitions

  • the invention relates to a metering pump according to the features specified in the preamble of claim 1.
  • metering pumps of both designs regularly have an input for an external pulse signal.
  • each pulse of the external pulse generator which emits pulses corresponding to the flow rate of the main flow at intervals over time, associated with a previously set metering, that is, a specific volume to be conveyed by the metering pump. While in the above-mentioned metering pumps with electromagnetic drive this per pulse delivered flow rate is usually entered by the mechanical stroke adjustment, this is possible with electric motor driven metering exclusively by changing the stroke speed, so the speed of the drive motor.
  • Stepper or servo motors with the necessary controls and electric motors with controllable speed are relatively expensive.
  • Stepper or servo motors with the necessary controls and electric motors with controllable speed are relatively expensive.
  • Stepper or servo motors with the necessary controls and electric motors with controllable speed are relatively expensive.
  • For metering pumps with electric motor drive without speed variance so such metering pumps simple design, therefore dispensed with the possibility of an external pulse control.
  • the invention has the object, a generic metering pump ( DE 33 13 993 A1 ), which is operated with a non-variable speed drive and the displacement is not changeable, with simple means in such a way that an external control by means of pulse signal is possible, in particular to ensure that the promotion carried out by the metering pump or mixing by no means the exceeds given values by the external control (impulse control).
  • the basic idea of the present invention is that only when a predetermined flow rate is delivered by the pump when at least as many pulses have been registered by the controller, that the resulting dosing (desired flow) equal to or greater than the preselected minimum flow of the Pump is.
  • the pump calibrated.
  • the amount actually pumped by the pump in one work cycle or possibly also part cycle is determined and stored in the controller.
  • a predetermined and preferably control side predetermined dosage amount (target flow rate) is assigned.
  • target flow rate the incoming pulses and the respective metering quantities resulting therefrom are added until the sum of the metered quantities has reached a value which is equal to or greater than the delivery rate of the pump in one working cycle. Then the pump is promoted promotional. The control then takes into account the amount that has been delivered by the pump in this work cycle and subtracts it accordingly from the total dosing quantity. In this way, remaining remnants of the metered amount are not lost, but are taken into account quantitatively. Conversely, in the control is also taken into account when the flow rate of the pump remains due to the limited by the power frequency motor speed below the impulse dosing dose, then, when the time intervals of the pulses are larger again, this shortage still promote.
  • a predetermined part of a duty cycle can be selected, since then the amount funded by the pump in this part of the duty cycle is defined.
  • the motor is not only driven to pass through a part of the working cycle (as the smallest Einhelt the flow rate), but in each case at least to go through a full cycle. Then the flow rate is determined by the stroke volume of the pump.
  • a full pump stroke will be carried out regardless of the position of the motor / pump at the beginning of the cycle, at least approaching the amount that the pump delivers during a full stroke. If it is what is usual in such pumps, for example, is a diaphragm pump, which is in the unloaded center position when the controller starts the engine, then first half a working stroke then driven a full return stroke and then turn the other half of a power stroke , so that the total delivery of a whole working stroke is promoted.
  • the dosing pump according to the invention can in principle be operated with electric motors of different design, for example with a DC motor or with an asynchronous motor.
  • a synchronous motor is used as the electric motor, since then an electronic switch is sufficient for the motor control to apply a predetermined alternating voltage, preferably the mains voltage, to the motor or to separate it from this. Since the synchronous motor runs at a constant speed at a given mains frequency, it is only necessary to turn it on for a predetermined time in order to achieve a constant speed to go through the full working stroke. Since the gear between electric motor and pump usually also includes a reduction, even in the pure time control, a relatively high accuracy of the metering is achieved, even if no position detection is provided.
  • the rotation of the motor is determined by the frequency of the supply voltage, it is particularly advantageous not to control this after a fixed time, but after a predetermined number of mains periods of the supply voltage This can ensure that even with frequency fluctuations in the network high dosing accuracy without position recognition.
  • the motor can be operated without any control-side changes with 50 Hz or 60 Hz mains frequency.
  • a metering pump whose basic structure, for example DE 196 23 537 A1 is known, is driven by a drive motor in the form of a synchronous motor.
  • the motor drives a reduction gear, which also converts the rotary motion into a lifting movement, which in turn drives a diaphragm pump.
  • the diaphragm pump delivers 1 ml during a full pump stroke.
  • a duty cycle of the pump consists of a return stroke in which the diaphragm pump draws liquid into the pump chamber and a working stroke in which the fluid in the pump chamber is discharged under pressure. Since the gearbox is a mechanically form-fitting, each motor rotation is assigned a defined partial stroke.
  • a duty cycle of the pump (return stroke and stroke) thus corresponds to one through the.
  • Mechanics predetermined number of motor rotations
  • the synchronous motor which can be operated with either 50, 60 or any other network frequency, has a control, which on the basis of the mains periods which have been supplied to the motor (ie in which the motor was line connected to the supply network) determines a duty cycle of the pump.
  • Each network period is associated with a defined rotation angle of the engine and thus, based on the engine data and the known mechanical gear ratio, it can be readily determined how many grid periods are required for the pump to go through a full duty cycle. So there is no position detection for the pump or the engine is required because when driving through the full cycle always a quantity of 1 ml is promoted. This amount is previously determined by calibration and entered in the controller.
  • this dosing pump to mix in a variable main flow, so a synchronization of the flow rates is required.
  • a pulse generator is usually provided in the external main flow, which emits a pulse whenever the external main flow has reached a predetermined amount, so that the metering pump promotes a corresponding Dosiermenge, d. H. this main flow admixed.
  • the dosage to be dispensed per pulse should be 0.3 ml.
  • the controller receives the first external impulse, first a dosing amount (target flow rate) of 0.3 ml is stored in the engine control. It is then checked if the contents of the reservoir are equal to or greater than the amount of 1 ml delivered by the pump in one cycle. If this is not the case, as in the above example, then the dosing quantity remains in the memory as the desired delivery rate.
  • target flow rate target flow rate
  • the metered amount in the reservoir is increased by 0.3 ml, after which it is again compared whether the resulting metered dose of 0.6 ml is greater than or equal to the amount of 1 ml delivered by the pump in one working cycle , This it is not the case that the dosing quantity remains in the memory. The same happens after receiving the third pulse.
  • the dosing amount in the reservoir has risen to 1.2 ml. Since this amount is greater than the amount of 1 ml delivered by the pump in one working cycle, the control now drives the electric motor for the number of mains periods corresponding to a full duty cycle of the pump. Then, the storage volume is reduced by the delivered amount of 1 ml, so that a dosage of 0.2 ml remains, which in turn is taken into account when receiving the following pulses.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dosierpumpe gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
  • Bei Dosierpumpen unterscheidet man im Wesentlichen zwei Bauarten, die elektromagnetisch und die elektromotorisch Angetriebenen. Bei ersterer Bauart erfolgt die Steuerung der Fördermenge über die Frequenz, mit der der Hubmagnet angetrieben wird, wobei zusätzlich noch das Hubvolumen in der Regel mittels einer mechanischen Stellschraube veränderbar ist, d. h. die Fördermenge pro Arbeitszyklus. Bei den elektromotorisch angetriebenen Dosierpumpen der gattungsbildenden Art hingegen ist eine solche mechanische Hubverstellung regelmäßig nicht vorgesehen, sie wäre technisch auch vergleichsweise aufwändig. Bei diesen Pumpen wird die oszillierende Bewegung der Pumpe durch ein Getriebe nach Art eines Kurbeltriebs oder einer entsprechenden Kulissenführung erzeugt, wobei die rotatorische Bewegung des Motors üblicherweise noch untersetzt, wird, um eine feinfühligere Steuerung der Pumpe zu ermöglichen. Die Fördermengensteuerung erfolgt durch Änderung der Motorgeschwindigkeit. Beim Einsatz von Schrittmotoren wird das Intervall zwischen den Motorschritten hierzu entsprechend variiert. Letztere Bauart ist jedoch motorbedingt vergleichsweise teuer und erfordert darüber hinaus eine aufwändige elektronische Steuerung.
  • Um den von der Dosierpumpe zu fördernden Strom zeitlich und mengenmäßig an einen anderen Förderstrom (Hauptförderstrom) anzupassen, um ein vorbestimmtes Mischungsverhältnis zwischen diesen Strömen sicherzustellen, ist es üblich, eine Impulssteuerung vorzusehen ( DE 33 13 993 A1 ). Hierfür weisen Doslerpumpen beider Bauarten regelmäßig einen Eingang für ein externes Impulssignal auf. Dabei ist jedem Impuls des externen Impulsgebers, der entsprechend der Durchflussmenge des Hauptförderstroms in zeitlichen Abständen Impulse abgibt, eine zuvor einzustellende Dosiermenge zugeordnet, d. h. ein bestimmtes, von der Dosierpumpe zu förderndes Volumen. Während bei den eingangs genannten Dosierpumpen mit elektromagnetischem Antrieb diese pro Impuls abzugebende Fördermenge üblicherweise durch die mechanischen Hubverstellung eingegeben wird, ist dies bei elektromotorisch angetriebenen Dosierpumpen ausschließlich durch Änderung der Hubgeschwindigkeit, also der Drehzahl des Antriebsmotors möglich.
  • Schritt- oder Servomotoren mit den hierzu erforderlichen Steuerungen sowie Elektromotoren mit steuerbarer Drehzahl sind vergleichsweise teuer. Bei Dosierpumpen mit elektromotorischem Antrieb ohne Drehzahlvarianz, also solchen Dosierpumpen einfacher Bauart, verzichtet man daher auf die Möglichkeit einer externen Impulssteuerung.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Dosierpumpe ( DE 33 13 993 A1 ), die mit einem nicht drehzahlregelbaren Antrieb betrieben wird und deren Hubvolumen nicht veränderbar ist, mit einfachen Mitteln so auszubilden, dass auch eine externe Steuerung mittels Impulssignal möglich ist, insbesondere soll sichergestellt werden, dass die durch die Dosierpumpe erfolgte Förderung bzw. Zumischung keinesfalls den durch die externe Steuerung (Impulssteuerung) vorgegebenen Werte überschreitet.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
  • Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, dass erst dann eine vorbestimmte Fördermenge von der Pumpe gefördert wird, wenn mindestens so viele Impulse von der Steuerung registriert worden sind, dass die sich daraus ergebende Dosiermenge (Soll-Fördermenge) gleich oder größer als die vorgewählte Mindestfördermenge der Pumpe ist.
  • Um die Genauigkeit der Dosierung weiter zu erhöhend ist gemäß der Erfindung, die Pumpe kalibrierbar ausgestattet. Dabei wird die von der Pumpe in einem Arbeitszyklus oder ggf. auch Teilzyklus tatsächlich geförderte Menge ermittelt und in der Steuerung abgespeichert.
  • In der Steuerung ist jedem externen Impuls eine vorbestimmte und vorzugsweise steuerungsseitig vorgebbare Dosiermenge (Soll-Fördermenge) zugeordnet. Innerhalb der Steuerung werden die eingehenden Impulse und die daraus jeweils resultierenden Dosiermengen addiert, bis die Summe der Dosiermengen einen Wert erreicht hat, der gleich oder größer als die Fördermenge der Pumpe in einem Arbeitszyklus ist. Sodann wird die Pumpe fördernd angesteuert. In der Steuerung wird dann berücksichtigt, welche Menge von der Pumpe in diesem Arbeitszyklus gefördert worden ist und diese entsprechend von der gesamten Dosiermenge subtrahiert. Auf diese Weise gehen verbleibende Reste der Dosiermenge nicht verloren, sondern werden mengenmäßig berücksichtigt. Umgekehrt wird in der Steuerung auch berücksichtigt, wenn die Fördermenge der Pumpe aufgrund der durch die Netzfrequenz begrenzten Motordrehzahl unter der impulsgegebenen Dosiermenge bleibt, um dann, wenn die zeitlichen Abstände der Impulse wieder größer werden, diese Fehlmenge noch zu fördern.
  • Sofern die Dosierpumpe mit einer Positionserkennung ausgestattet ist, welche eine Zuordnung der Motorstellung zur Hubstellung der Pumpe erlaubt, kann ein vorgegebener Teil eines Arbeitszyklus gewählt werden, da dann die von der Pumpe in diesem Teil des Arbeitszyklus geförderte Menge definiert ist. Bevorzugt wird jedoch der Motor nicht nur zum Durchfahren eines Teils des Arbeitszyklus (als kleinste Einhelt der Fördermenge) angesteuert, sondern jeweils mindestens zum Durchfahren eines vollen Arbeitszyklus. Dann ist die Fördermenge durch das Hubvolumen der Pumpe bestimmt. Eine solche Steuerung hat den Vorteil, dass sie technisch mit wenig Aufwand realisierbar, ist, da bei geeigneter Wahl der eingesetzten Komponenten auf eine Positionsbestimmung von Motor und/oder Pumpe völlig verzichtet werden kann. Wenn der Arbeitszyklus einmal vollständig durchfahren ist, wird unabhängig von der Motor-/Pumpenstellung am Anfang des Zyklusin jedem Falle ein voller Pumpenhub durchgeführt und damit zumindest annähernd die Menge gefördert, welche die Pumpe bei einem vollständigen Arbeitshub abgibt. Wenn es sich, was bei derartigen Pumpen üblich ist, beispielsweise um eine Membranpumpe handelt, die in der unbelasteten Mittelstellung steht, wenn die Steuerung den Motor anfährt, so wird zunächst ein halber Arbeitshub gefahren dann ein voller Rückhub und dann wiederum die andere Hälfte eines Arbeitshubs, so dass insgesamt die Fördermenge eines ganzen Arbeitshubs gefördert wird.
  • Die Dosierpumpe gemäß der Erfindung kann grundsätzlich mit Elektromotoren unterschiedlicher Bauart, beispielsweise mit einem Gleichstrommotor oder mit einem Asynchronmotor, betrieben werden. Vorteilhaft wird als Elektromotor ein Synchronmotor eingesetzt, da dann für die Motorsteuerung ein elektronischer Schalter genügt, um eine vorbestimmte Wechselspannung, bevorzugt die Netzspannung, an den Motor anzulegen bzw. von dieser zu trennen. Da der Synchronmotor bei vorgegebener Netzfrequenz mit konstanter Geschwindigkeit läuft, ist dieser lediglich eine vorbestimmte Zeit lang einzuschalten, um einen vollen Arbeitshub zu durchfahren. Da das Getriebe zwischen Elektromotor und Pumpe üblicherweise auch noch eine Untersetzung beinhaltet, wird selbst bei der reinen Zeitsteuerung eine relativ hohe Genauigkeit des Dosiervorgangs erreicht, auch wenn keine Positionserkennung vorgesehen ist.
  • Da die Drehung des Motors durch die Frequenz der Versorgungsspannung bestimmt ist, ist es besonders günstig, diesen nicht nach einer festen Zeitvorgabe, sondern nach einer vorbestimmten Anzahl von Netzperioden der Versorgungsspannung zu steuern Damit kann sichergestellt werden, dass auch bei Frequenzschwankungen im Netz eine hohe Dosiergenauigkeit ohne Positionserkennung erfolgt. Im Übrigen kann der Motor ohne steuerungsseitige Änderungen mit 50 Hz oder 60 Hz Netzfrequenz betrieben werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend zum besseren Verständnis beispielhaft beschrieben, Eine Dosierpumpe, deren grundsätzlicher Aufbau beispielsweise aus DE 196 23 537 A1 bekannt ist, wird mit einem Antriebsmotors in Form eines Synchronmotors angetrieben. Der Motor treibt ein Untersetzungsgetriebe an, das darüber hinaus die Drehbewegung in eine Hubbewegung umsetzt, die wiederum eine Membranpumpe antreibt. Die Membranpumpe fördert bei einem vollen Pumpenhub 1 ml. Ein Arbeitszyklus der Pumpe besteht aus einem Rückhub, bei dem die Membranpumpe Flüssigkeit in die Pumpenkammer einsaugt, und einem Arbeitshub, bei dem die in der Pumpenkammer befindliche Flüssigkeit unter Druck ausgetragen wird. Da das Getriebe ein mechanisch formschlüssiges ist, ist jeder Motordrehung ein definierter Teilhub zugeordnet. Ein Arbeitszyklus der Pumpe (Rückhub und Arbeitshub) entspricht somit einer durch die. Mechanik vorbestimmten Zahl von Motordrehungen Der Synchronmotor, der wahlweise mit 50, 60 oder auch einer anderen Netzfrequenz betrieben werden kann, weist eine Steuerung auf, welche anhand der Netzperioden, welche dem Motor zugeführt worden sind (d. h. in denen der Motor mit dem Versorgungsnetz leitungsverbunden war), einen Arbeitszyklus der Pumpe bestimmt. Jeden, Netzperiode ist ein definierter Drehwinkel des Motors zugeordnet und somit kann aufgrund der Motordaten und des bekannten mechanischen Übersetzungsverhältnisses ohne weiteres bestimmt werden, wie viele Netzperioden erforderlich sind, damit die Pumpe einen vollen Arbeitszyklus durchfährt. Es ist also keine Positionserkennung für die Pumpe oder den Motor erforderlich, da beim Durchfahren des vollen Arbeitszyklus stets eine Menge von 1 ml gefördert wird. Diese Menge wird vorher durch Kalibrieren ermittelt und in der Steuerung eingegeben.
  • Wenn nun diese Dosierpumpe in einen veränderlichen Hauptförderstrom zumischen soll, so ist eine Synchronisation der Fördermengen erforderlich. Hierzu wird üblicherweise in dem externen Hauptförderstrom ein Impulsgeber vorgesehen, der immer dann, wenn der externe Hauptförderstrom eine vorbestimmte Menge erreicht hat, einen Impuls abgibt, damit die Dosierpumpe eine entsprechende Dosiermenge fördert, d. h. diesem Hauptförderstrom zumischt. Im vorliegenden Beispiel soll die pro Impuls abzugebende Dosiermenge 0,3 ml betragen.
  • Wenn also zu Beginn der Förderung die Steuerung den ersten externen Impuls erhält, wird zunächst eine Dosiermenge (Soll-Fördermenge) von 0.3 ml in der Motorsteuerung gespeichert. Es wird dann geprüft, ob der Speicherinhalt mit der von der Pumpe in einem Arbeitszyklus geförderten Menge von 1 ml übereinstimmt oder größer ist. Ist dies, wie im vorstehenden Beispiel, nicht der Fall, so verbleibt die Dosiermenge als Soll-Fördermenge im Speicher.
  • Bei Erhalt des nächsten Impuls wird zunächst die Dosiermenge im Speicher um 0,3 ml erhöht, wonach wiederum verglichen wird, ob die sich dann ergebende Dosiermenge von 0,6 ml größer oder gleich der in einem Arbeitszyklus von der Pumpe geförderten Menge von 1 ml ist. Dies ist nicht der Fall so, dass die Dosiermenge im Speicher verbleibt. Entsprechendes erfolgt nach Empfang des dritten Impulses.
  • Wenn der vierte Impuls empfangen wird, ist die Dosiermenge im Speicher auf 1,2 ml angestiegen. Da diese Menge größer als die von der Pumpe in einem Arbeitszyklus geförderte Menge von 1 ml ist, wird nun von der Steuerung der Elektromotor für die Zahl von Netzperioden angesteuert, die einem vollen Arbeitszyklus der Pumpe entsprechen. Dann wird der Speicherinhalt um die geförderte Menge von 1 ml reduziert, so dass eine Dosiermenge von 0,2 ml verbleibt, die dann wiederum beim Empfang der folgenden Impulse mitberücksichtigt wird.
  • Auf diese Weise kann auch bei einer einfach aufgebauten Dosierpumpe (mit Synchronmotor und wenig aufwändiger Motorsteuerung) eine vergleichsweise genaue Dosierung, insbesondere Anpassung an einen externen Förderstrom erfolgen.

Claims (4)

  1. Dosierpumpe mit einem Elektromotor, mit einem diesem nachgeschalteten Getriebe zum Umsetzen der rotatorischen Rotorbewegung in eine translatorische Hubbewegung, mit einer davon angetriebenen oszillierenden Pumpe und mit einer elektronischen Steuerung, die den Motor in Abhängigkeit eines externen Impulsgebers ansteuert, wobei jedem Impuls eine vorgegebene Dosiermenge zugeordnet ist und die Steuerung den Motor so ansteuert, dass der Motor zum Durchfahren eines vorgegebenen Teils eines Arbeitszyklus der Pumpe erst dann angesteuert wird, wenn die Steuerung eine Anzahl von Impulsen erhalten hat, denen eine Dosiermenge entspricht, die gleich oder größer als die Fördermenge ist, welche die Pumpe in dem vorgegebenen Teil des Arbeitszyklus fördert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung entsprechend der empfangenen Impulse eine Dosiermenge ermittelt und von dieser die bereits geförderte Menge subtrahiert, um die noch zu fördernde Menge zu ermitteln und den Motor gegebenenfalls fördernd anzusteuern und die Fördermenge der Pumpe kalibrierbar ist, in dem die pro Arbeitszyklus oder Teilzyklus von der Pumpe geförderte Menge ermittelt und in der Steuerung abgespeichert wird.
  2. Dosierpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung den Motor zum Durchfahren eines vollstandigen Arbeitszyklus der Pumpe ansteuert, wenn sie eine Anzahl von Impulsen erhalten hat, denen eine Dosiermenge entspricht, die gleich oder größer als die von der Pumpe in einem Arbeitszyklus geförderte Menge ist.
  3. Dosierpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Synchronmotor ist.
  4. Dosierpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitszyklus anhand der Netzperioden der Versorgungsspannung des Motors bestimmt wird.
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