EP3899276A1 - Verfahren zur positionserfassung der membran einer elektromotorisch angetriebenen membranpumpe - Google Patents

Verfahren zur positionserfassung der membran einer elektromotorisch angetriebenen membranpumpe

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EP3899276A1
EP3899276A1 EP20725636.3A EP20725636A EP3899276A1 EP 3899276 A1 EP3899276 A1 EP 3899276A1 EP 20725636 A EP20725636 A EP 20725636A EP 3899276 A1 EP3899276 A1 EP 3899276A1
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membrane
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electric motor
movement
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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the position of the diaphragm or the drive piston of an electric motor-driven diaphragm pump, in particular the detection of the upper and lower reversal point in the movement sequence of the diaphragm of such a pump
  • Diaphragm pumps for pumping liquids or gases are generally known from the prior art.
  • Various designs of diaphragm pumps are available in the prior art. All diaphragm pump designs basically concern a machine for conveying liquids or gases, which is particularly insensitive to long-term stress and contamination in the conveyed material.
  • the functional principle of a diaphragm pump is a modification of the known piston pump, but the medium to be conveyed is separated from the drive by a diaphragm.
  • the advantage of this pump is that the separating diaphragm shields the drive from harmful influences from the pumped medium, such as sludge or contamination.
  • a diaphragm pump is low-wear and insensitive to continuous stress, which makes such machines well-suited for conveying tasks with long operating and idle times, such as those that occur in the industrial or motor vehicle environment.
  • a conventional diaphragm pump has a pumping chamber that is closed by a diaphragm and secured on the inlet and outlet side by valves. This is changed in volume when the membrane is operated by pushing or pulling, whereby a suction or compression process and therefore a delivery of a fluid takes place in accordance with the valve design.
  • the membrane is deflected either hydraulically, pneumatically, mechanically or electromagnetically.
  • the present invention is concerned with an electric motor is driven d. H. mechanically driven by an electric motor
  • Diaphragm pump Such electric motor driven diaphragm pumps are in most cases via a connecting rod d. H. a drive piston and an eccentric driven by an electric motor.
  • Diaphragm pumps of the generic type have, based on the movement of the tappet or connecting rod along the eccentric drive, a high torque flow tuation along a direction of rotation of the eccentric. From the publication DE 102016125578 A an electric motor via eccentric means be driven diaphragm pump is known which uses a special drive concept of a pendulum eccentric drive.
  • the task is to know the mechanical position of the diaphragm and therefore of the drive piston on the eccentric in order to be able to realize efficient pump operation via the electric motor drive. Furthermore, it is necessary for the valve position to detect the reversal points of the membrane from the suction phase with an increasing delivery volume to the pressure phase with a decreasing delivery volume, since valve actuation too early or too late results in inefficient operation. In addition, the position detection of the membrane layer and in particular also the time of the respective upper and lower dead centers of the membrane are required for basic pump control.
  • a position detection device for determining the position of the diaphragm or the drive piston of an electromotive driven diaphragm pump is provided, in particular the detection of the upper and lower reversal point in the movement sequence of the diaphragm of an electric motor operated via eccentric means
  • Diaphragm pump in which a diaphragm actuated by a drive connecting rod closes a delivery space provided with valve means on the inlet and outlet sides between a minimum and maximum volume in a variable volume by converting a rotary movement of an electric motor having a rotor into an actuation movement of the drive connecting rod through the action of the eccentric means, whereby the position detection device has detection means for detecting the load profile of the diaphragm pump during the movement of the membrane, as well as an evaluation device to determine from the load profile at least the position of the upper and lower reversal point of the membrane.
  • the detection means are designed to detect in particular the torque curve of the diaphragm pump during a complete up and down movement of the diaphragm, more preferably during the entire movement of the diaphragm pump, so that a continuous Position detection of the membrane is guaranteed at its reversal points.
  • measuring means are provided to detect the position of the rotor of the electric motor, the rotor position being advantageously detected by means of several position sensors and more preferably by means of an angle clock for detecting the current angle of rotation.
  • the position detection device has an evaluation device which is designed to cumulatively determine the position of the rotor from at least the load profile and the relative torque maxima and / or torque minima contained therein and the position of the rotor detected parallel thereto Memb ran, in particular to determine the upper and lower reversal point of the membrane.
  • Another aspect of the present invention relates to a diaphragm pump designed with a position detection device as described above.
  • Another inventive aspect of the present invention relates to a method for determining the position of the diaphragm or the drive piston of an electric motor-driven diaphragm pump, in particular the
  • Diaphragm pump in which a diaphragm actuated by a drive connecting rod closes off a delivery space provided on the inlet and outlet side with valve means between a minimum and maximum volume in a variable volume by converting a rotary movement of an electric motor having a rotor into an actuating movement of the drive connecting rod through the action of the eccentric means, wherein the position is determined at least from the detection of the load profile and the relative torque maxima and / or torque minima contained therein.
  • the method is carried out with a position detection device as described above. It is also advantageous if the position of the membrane, preferably the upper and lower reversal point of the membrane, are determined cumulatively from the data record of the load profile together with the position of the rotor by means of an evaluation device.
  • the load profile is determined indirectly from a base current measurement of the motor, the measurement of the total current being measured at the base or feed point of a converter bridge of the converter.
  • Fig. 1 is a flow chart showing the steps for determining the
  • FIG. 1 there is a flow chart with two processes running in parallel. During the entire process of determining the extreme points, the speed of the motor that drives the diaphragm pump is regulated. The right part of the flow diagram shows how the recording of the upper and lower turning point (extreme points) is carried out. Since the position of the reversal points of the membrane is determined from the rotor position with position sensors and an angle clock and the motor current (load curve), the limit value of the corresponding motor current is also required, which therefore changes cyclically per revolution up to a maximum value.
  • the stored values for the angle sum and a value counter are first set to zero and a new mechanical revolution can begin or a check is made to see whether a new mechanical revolution has started. If this is the case, the evaluation device checks whether the current currently detected is greater than the limit value. If this is the case, the angle sum is determined by adding the currently determined angle to the stored value of the angle sum and the value counter increments by 1.
  • the limit value against which the comparison is made is preferably the heavily filtered motor current. The motor current is then compared against this limit value and as soon as the motor current is less than or equal to the limit value, the extreme point is reached.
  • the angle clock is a memory that is increased at every time interval (e.g. 100ps) by the amount that the rotor has traveled due to its current speed.
  • angle pieces are always added up here, these angle pieces are in the unit "degrees”.
  • the process is carried out until the iterative query detects that the mechanical rotation has ended. Then the extreme point can be determined from the angle sum and the value counter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positionserfassungsvorrichtung zur Positionsbestimmung der Membran oder des Antriebskolbens einer elektromotorisch angetriebenen Membranpumpe, insbesondere der Erfassung des oberen und unteren Umkehrpunktes (Po, Pu) im Bewegungsablauf der Membran einer elektromotorisch über Exzenterm ittel betriebene Membranpumpe, bei welcher eine von einem Antriebspleuel betätigte Membran einen einlass- und auslassseitig mit Ventilmitteln versehenen Förderraum zwischen einem minimalen und maximalen Volumen volumenveränderlich abschließt, indem durch die Wirkung der Exzentermittel eine Drehbewegung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors in eine Betätigungsbewegung des Antriebspleuels umgesetzt wird, wobei die Positionserfassungsvorrichtung Erfassungsmittel zum Erfassen des Lastverlaufs der Membranpumpe während der Bewegung der Membran aufweist, sowie eine Auswerteeinrichtung, um aus dem Lastverlauf zu mindestens die Lage des oberen und unteren Umkehrpunktes der Membran zu ermitteln.

Description

Verfahren zur Positionserfassung der Membran einer elektromotorisch angetriebenen Membranpumpe
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung der Membran oder des Antriebskolbens einer elektromotorisch angetriebenen Membranpumpe, insbesondere der Erfassung des oberen und unteren Um- kehrpunktes im Bewegungsablauf der Membran einer solchen
Membranpumpe.
Aus dem Stand der Technik sind Membranpumpen zur Förderung von Flüs sigkeiten oder Gasen allgemein bekannt. Im Stand der Technik sind diverse Bauformen von Membran-Pumpen ver fügbar. Alle Bauformen von Membranpumpen betreffen grundsätzlich eine Maschine zur Förderung von Flüssigkeiten bzw. Gasen, die besonders un empfindlich gegen Dauerbeanspruchung und Verunreinigungen im Fördergut ist. Das Funktionsprinzip einer Membranpumpe ist eine Abwandlung der be kannten Kolbenpumpe, wobei jedoch das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt ist. Der Vorteil dieser Pumpe ist, dass durch die Trennmembran der Antrieb von schädlichen Einflüssen des Fördermedi ums, beispielsweise Schlämme oder Verunreinigungen abgeschirmt wird. Dies bedingt insbesondere die Verschleißarmut und die Unempfindlichkeit einer Membranpumpe bei Dauerbeanspruchung, was derartige Maschinen gut geeignet für Förderaufgaben bei langer Betriebs- und Standzeit, wie sie etwa im industriellen bzw. Kraftfahrzeug-Umfeld auftreten macht. Eine herkömmliche Membranpumpe besitzt ein von einer Membran ver schlossener und eingangs- sowie ausgangsseitig durch Ventile gesicherter Förderraum. Dieser wird bei Druck- bzw. Zugbetätigung der Membran im Vo lumen verändert, wodurch ein Saug- bzw. Kompressionsvorgang und mithin eine Förderung eines Fluids entsprechend der Ventilausgestaltung stattfin- det. Die Auslenkung der Membran geschieht entweder hydraulisch, pneuma tisch, mechanisch oder elektromagnetisch.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einer elektromotorisch ange triebenen d. h. mechanisch von einem Elektromotor angetriebenen
Membranpumpe. Solche elektromotorisch angetriebenen Membranpumpen werden in den meisten Fällen über eine Pleuelstange d. h. einen Antriebs kolben und einen Exzenter von einem Elektromotor angetrieben.
Gattungsgemäße Membranpumpen besitzen, bezogen auf die Stößel- bzw. Pleuelbewegung entlang des Exzenterantriebs, eine hohe Drehmomentfluk- tuation entlang einer Umdrehungsrichtung des Exzenters. Aus der Druck schrift DE 102016125578 A ist eine elektromotorisch über Exzentermittel be triebene Membranpumpe bekannt, die ein besonderes Antriebskonzept eines pendelnden Exzenterantrieb nutzt.
Bei Membranpumpen stellt sich die Aufgabe die mechanische Position der Membran und demnach des Antriebskolbens am Exzenter zu kennen, um einen effizienten Pumpenbetrieb über den elektromotorischen Antrieb realisieren zu können. Ferner ist es erforderlich zur Ventilstellung die Umkehr- punkte der Membran von der Ansaugphase mit einem sich vergrößernden Fördervolumen zur Druckphase mit einem kleiner werdenden Fördervolumen zu erfassen, da eine zu frühe oder zu späte Ventilbetätigung einen ineffizien ten Betrieb mit sich bringt. Darüber hinaus werden die Lageerfassung der Membranlage und insbesondere auch der Zeitpunkt der jeweiligen oberen und unteren Totpunkte der Membran zur grundsätzlichen Pumpensteuerung benötigt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfah ren vorzuschlagen, welche auf einfache und kostengünstige Weise eine zu- verlässige Erfassung der Lageposition einer Membran einer elektromotorisch angetriebenen Membranpumpe ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 ge löst.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Positionserfassungsvorrichtung zur Positi- onsbestimmung der Membran oder des Antriebskolbens einer elektromoto risch angetriebenen Membranpumpe vorgesehen, insbesondere der Erfas sung des oberen und unteren Umkehrpunktes im Bewegungsablauf der Membran einer elektromotorisch über Exzentermittel betriebene Membranpumpe, bei welcher eine von einem Antriebspleuel betätigte Membran einen einlass- und auslassseitig mit Ventilmitteln versehenen Förderraum zwischen einem minimalen und maximalen Volumen volumenveränderlich abschließt, indem durch die Wirkung der Exzentermittel eine Drehbewegung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors in eine Betätigungsbewegung des Antriebspleuels umgesetzt wird, wobei die Positionserfassungsvorrich tung Erfassungsmittel zum Erfassen des Lastverlaufs der Membranpumpe während der Bewegung der Membran aufweist, sowie eine Auswerteeinrichtung, um aus dem Lastverlauf zu mindestens die Lage des oberen und unteren Umkehrpunktes der Membran zu ermitteln.
Unter dem oberen und unteren Umkehrpunkt im Sinne der vorliegenden Er findung sind diejenigen Positionen der Membran zu verstehen, an denen sich die jeweilige Bewegungsrichtung der Membran bei dessen Auf- und Ab bewegung in die jeweils entgegengesetzte Richtung ändert, sich somit alternierend das Fördervolumen jeweils an diesen Punkte wieder verkleinert bzw. vergrößert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erfassungsmittel ausgebildet sind, insbesondere die Drehmoment verlaufskurve der Membranpumpe während einer vollständigen Auf- und Ab- Bewegung der Membran zu erfassen, weiter vorzugsweise während der ge samten Bewegung der Membranpumpe, so dass eine kontinuierliche Positi onserfassung der Membran an ihren Umkehrpunkten gewährleistet ist.
Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass Messmittel vorgesehen sind, um die Lage des Rotors des Elektromotors zu erfassen, wobei in vorteilhafter Weise die Erfassung der Rotorlage mittels mehrere Lagesensoren und weiter vorzugsweise mittels einer Winkeluhr zur Erfassung des aktuellen Drehwin kels erfolgt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Positionserfassungsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um kumulativ aus wenigstens dem Lastverlaufs und der darin enthaltenen relativen Drehmomentmaxima und/oder Drehmomentmi- nima und der parallel dazu erfassten Lage des Rotors die Lage der Memb ran, insbesondere den oberen und unteren Umkehrpunkt der Membran zu bestimmen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Membranpumpe ausgebildet mit einer wie zuvor beschriebenen Positionserfassungsvorrichtung.
Ein ebenfalls erfinderischer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung der Membran oder des Antriebskolbens einer elektromotorisch angetriebenen Membranpumpe, insbesondere der
Erfassung des oberen und unteren Umkehrpunktes im Bewegungsablauf der Membran einer elektromotorisch über Exzentermittel betriebene
Membranpumpe, bei welcher eine von einem Antriebspleuel betätigte Memb ran einen einlass- und auslassseitig mit Ventilmitteln versehenen Förderraum zwischen einem minimalen und maximalen Volumen volumenveränderlich abschließt, indem durch die Wirkung der Exzentermittel eine Drehbewegung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors in eine Betätigungsbewegung des Antriebspleuels umgesetzt wird, wobei die Positionsbestimmung wenigs tens aus der Erfassung des Lastverlaufs und der darin enthaltenen relativen Drehmomentmaxima und/oder Drehmomentminima erfolgt.
Mit Vorteil ist dabei vorgesehen, dass das Verfahren mit einer wie zuvor beschriebenen Positionserfassungsvorrichtung durchgeführt wird. Weiter vorteilhaft ist es, wenn kumulativ aus dem Datensatz des Lastverlaufs zusammen mit der Lageposition des Rotors mittels einer Auswerteeinrich tung die Lage der Membran, vorzugsweise der obere und unterer Umkehrpunkt der Membran bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bei der der Antriebsmotor ein Umrichter gespeister DC-Motor ist wird der Lastverlauf mittelbar aus einer Fußpunkt strommessung des Motors ermittelt, wobei die Messung des Summenstroms am Fußpunkt oder Einspeisepunkt einer Umrichterbrücke des Umrichters gemessen wird.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Flussdiagramm, welches die Schritte zur Bestimmung der
Extrempunkte der Erfindung zeigt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines beispielhaften Ausführungs- beispiels mit Bezug auf die Figur 1 näher beschrieben.
In der Figur 1 findet sich ein Ablaufdiagramm mit zwei parallel laufenden Prozessen. Während dem gesamten Prozess der Ermittlung der Extrem punkte erfolgt eine Drehzahlregelung des Motors der die Membranpumpe antreibt. Im rechten Teil des Flussdiagramms wird dargestellt, wie die Erfas- sung des oberen und unteren Umkehrpunktes (Extrempunkte) durchgeführt wird. Da die Positionserfassung der Umkehrpunkte der Membran aus der Rotor position mit Positionssensoren und einer Winkeluhr und dem Motorstrom (Lastverlauf) erfolgt, wird auch der Grenzwert des entsprechenden Motor stromes benötigt, der sich somit zyklisch je Umdrehung bis zu einem maxi- malen Wert verändert.
Nach der Bestimmung des Grenzwertes über den gemessenen Strom wer den zunächst die Speicherwerte für die Winkelsumme und einen Wertezähler auf Null gesetzt und eine neue mechanische Umdrehung kann beginnen bzw. wird geprüft, ob eine neue mechanische Umdrehung begonnen hat. Wenn dies der Fall ist, prüft die Auswerteeinrichtung ob der gerade aktuell erfasste Strom größer ist als der Grenzwert. Wenn dies der Fall ist wird die Winkelsumme ermittelt, indem zum gespeicherten Wert der Winkelsumme der jeweils aktuell ermittelte Winkel addiert wird und der Wertezähler jeweils um 1 hochzählt. Der Grenzwert gegen den verglichen wird, ist vorzugsweise der stark gefilterte Motorstrom. Der Motorstrom wird dann gegen diesen Grenzwert verglichen und sobald der Motorstrom kleiner oder gleich dem Grenzwert ist, ist der Extrempunkt erreicht. Die Winkeluhr ist im Prinzip ein Speicher, der bei jedem Zeitintervall (z.B. 100ps) um den Betrag erhöht wird, den der Rotor aufgrund seiner aktuellen Geschwindigkeit zurückgelegt hat.
Es werden hier im Prinzip immer Winkelstücke aufaddiert, diese Winkelstü cke sind in der Einheit„Grad“.
Der Vorgang wird solange durchgeführt, bis die iterative Abfrage erkennt, dass die mechanische Umdrehung beendet ist. Dann kann der Extrempunkt aus der Winkelsumme und dem Wertezähler ermittelt werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Ansprüche
1. Positionserfassungsvorrichtung zur Positionsbestimmung der Membran oder des Antriebskolbens einer elektromotorisch angetriebenen Membranpumpe, insbesondere der Erfassung des oberen und unteren
Umkehrpunktes im Bewegungsablauf der Membran einer elektromoto risch über Exzentermittel betriebene Membranpumpe, bei welcher ei ne von einem Antriebspleuel betätigte Membran einen einlass- und auslassseitig mit Ventilmitteln versehenen Förderraum zwischen ei- nem minimalen und maximalen Volumen volumenveränderlich abschließt, indem durch die Wirkung der Exzentermittel eine Drehbewe gung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors in eine Betäti gungsbewegung des Antriebspleuels umgesetzt wird, wobei die Posi tionserfassungsvorrichtung Erfassungsmittel zum Erfassen des Last- Verlaufs der Membranpumpe während der Bewegung der Membran aufweist, sowie eine Auswerteeinrichtung, um aus dem Lastverlauf zu mindestens die Lage des oberen und unteren Umkehrpunktes der Membran zu ermitteln.
2. Positionserfassungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel ausgebildet sind, insbesondere die Drehmomentverlaufskurve der Membranpumpe während einer vollständigen Auf- und Ab-Bewegung der Membran zu erfassen.
3. Positionserfassungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ferner Messmittel vorgesehen sind, um die Lage des Rotors des Elektromotors zu erfassen.
4. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel zur Erfassung der Rotorlage mittels mehrere Lagesensoren, insbesondere mittels Hall-Sensoren erfolgt und weiter vorzugsweise eine Winkeluhr zur Erfassung des aktuellen Drehwinkels.
5. Positionserfassungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, dass diese eine Auswerteeinrichtung aufweist, die aus gebildet ist, um kumulativ aus wenigstens dem Lastverlaufs und der darin enthaltenen relativen Drehmomentmaxima und/oder Drehmo- mentminima und der Lage des Rotors die Lage der Membran, insbe- sondere den oberen und unteren Umkehrpunkt der Membran zu be stimmen.
6. Membranpumpe ausgebildet mit einer Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5.
7. Verfahren zur Positionsbestimmung der Membran oder des Antriebs kolbens einer elektromotorisch angetriebenen Membranpumpe, insbe sondere der Erfassung des oberen und unteren Umkehrpunktes im Bewegungsablauf der Membran einer elektromotorisch über Exzen- termittel betriebene Membranpumpe, bei welcher eine von einem An triebspleuel betätigte Membran einen einlass- und auslassseitig mit Ventilmitteln versehenen Förderraum zwischen einem minimalen und maximalen Volumen volumenveränderlich abschließt, indem durch die Wirkung der Exzentermittel eine Drehbewegung eines einen Rotor aufweisenden Elektromotors in eine Betätigungsbewegung des An triebspleuels umgesetzt wird, wobei die Positionsbestimmung wenigs tens aus der Erfassung des Lastverlaufs und der darin enthaltenen relativen Drehmomentmaxima und/oder Drehmomentminima erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7 ausgeführt mit einer Positionserfassungs vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass kumulativ aus dem Datensatz des Lastverlaufs zusammen mit der La geposition des Rotors mittels einer Auswerteeinrichtung die Lage der Membran, vorzugsweise der obere und unterer Umkehrpunkt der Membran bestimmt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeich net, dass der Antriebsmotor ein Umrichter-gespeister DC-Motor ist und der Lastverlauf mittelbar aus einer Fußpunktstrommessung des Motors ermittelt wird, wobei die Messung des Summenstroms vor zugsweise am Fußpunkt oder Einspeisepunkt einer Umrichterbrücke des Umrichters gemessen wird.
EP20725636.3A 2019-07-01 2020-04-29 Verfahren zur positionserfassung der membran einer elektromotorisch angetriebenen membranpumpe Withdrawn EP3899276A1 (de)

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PCT/EP2020/061870 WO2021001083A1 (de) 2019-07-01 2020-04-29 Verfahren zur positionserfassung der membran einer elektromotorisch angetriebenen membranpumpe

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