ITMI951559A1 - Pompa a due stantuffi con regolazione dinamica della sincronizzazione delle corse e metodo di regolazione - Google Patents

Abstract

Un metodo di regolazione della sincronizzazione di due unità a stantuffo (11, 12), con mandate interconnesse per individuare una comune uscita di pompaggio (24), comprende le fasi di muovere sostanzialmente in controfase gli stantuffi (13, 14) delle unità (11, 12) rilevare variazioni di pressione all'uscita nell'intorno dei punti di passaggio fra corsa di mandata e corsa di aspirazione di ogni stantuffo e variare dinamicamente il movimento degli stantuffi secondo una funzione delle dette variazioni di pressione per fare tendere le variazioni di pressione a zero. Secondo tale metodo, una pompa reciprocante comprende due unità a stantuffo (11, 12) con mandate interconnesse in una comune uscita di pompaggio (24). Ciascuna unità (11, 12) ha uno stantuffo (13, 14) mosso da propri mezzi motori (15, 16, 17, 18). Un circuito di elaborazione (26) rileva attraverso un sensore di pressione (25) le variazioni di pressione in uscita e il circuito di pilotaggio (29) per variare dinamicamente il movimento degli stantuffi così da rendere minime le variazioni di pressione.

Description

"Pompa a due stantuffi con regolazione dinamica della sincronizzazione delle corse e metodo di regolazione"

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la sincronizzazione di due unità a stantuffo con mandate in parallelo per realizzare un flusso in uscita sostanzialmente costante. L'invenzione si riferisce anche ad una pompa reciprocante formata da due unità a stantuffo comandate secondo il metodo, in particolare per il movimento di fluidi in apparecchiature di analisi quali i cromatografi HPLC e GPC. Nella tecnica delle pompe per apparecchiature di analisi è importante avere una pulsazione di pressione la più bassa possibile.

Le pompe normalmente impiegate, sono pompe reciprocanti, vale a dire pompe con due stantuffi mossi in sincrono, ma in opposizione di fase, per mezzo di un unico motore elettrico ruotante opportune camme di azionamento dei pistoni. In tale modo, mentre uno stantuffo esegue la corsa di mandata, l'altro esegue la corsa di aspirazione. Come noto, al passaggio fra aspirazione e mandata si ha però una prima parte di corsa dello stantuffo durante la quale non si ha effettiva mandata a causa degli inevitabili ritardi nella chiusura delle valvole di aspirazione e di apertura delle valvole di mandata. La mandata è quindi discontinua e si ha una accentuata pulsazione di pressione.

Per minimizzare l'effetto di fluttuazione di pressione vengono generalmente inpiegati dei dispositivi smorzatori detti Dampner, costituiti i pratica da lunghi condotti che introducono una inerzia nel sistema che attenua le rapide variazioni di pressione. Si ha però un indesiderato aumento dei volumi morti, cosa spesso svantaggiosa nelle macchine di analisi, ad esempio in quelle applicazioni che prevedono una variazione dinamica delle concentrazioni di due o più solventi in ingresso al sistema di pompaggio.

Nella tecnica è anche stato proposto di sovrapporre parzialmente le fasi di aspirazione e mandata dei due pistoni, così che l'iniziale mancanza di mandata di uno stantuffo che comincia la corsa di mandata è corpensata dall'altro stantuffo ancora nella sua corsa di mandata attiva. Lo sfasamento è ottenuto per mezzo di una regolazione della fase reciproca delle camme di movimentazione degli stantuffi. Lo sfasamento è quindi rigidamente prestabilito durante una taratura iniziale della pompa. La taratura è però efficace solo per il fluido usato come campione e non tiene conto delle molte variabili, quali ad esempio variazioni di comprimibilità del fluido da pompare , variazioni di temperatura, ecc., che durante il reale funzionamento della pompa possono variare i punti di effettivo inizio della mandata.

Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo un metodo di sincronizzazione e una pompa che permetta di avere in uscita sempre una pulsazione di pressione la più possibile ridotta. In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l’invenzione, un metodo di regolazione della sincronizzazione di due unità a stantuffo, con mandate interconnesse per individuare una comune uscita di pompaggio, ciascuna unità avendo uno stantuffo mobile lungo una corsa di mandata e una opposta corsa di aspirazione, comprendente le fasi di muovere uno stantuffo lungo una corsa di mandata di un fluido verso l’uscita mentre l’altro è sostanzialmente mosso lungo una corsa di aspirazione di fluido dall'ingresso, rilevare variazioni di pressione all'uscita nell'intorno dei punti di passaggio fra corsa di mandata e corsa di aspirazione di ogni stantuffo e variare dinamicamente il movimento degli stantuffi secondo una funzione delle dette variazioni di pressione per fare tendere le variazioni di pressione a zero.

Secondo tale metodo si è anche pensato di realizzare una pompa reciprocante comprendente due unità a stantuffo con mandate interconnesse per individuare una comune uscita di pompaggio, ciascuna unità avendo uno stantuffo mòbile lungo una corsa di mandata e una opposta corsa di aspirazione, caratterizzato dal fatto che ciascuna unità ha propri mezzi motori di movimento del rispettivo stantuffo; un circuito di pilotaggio per il comando del movimento dei mezzi motori; un sensore di pressione connesso all'uscita di pompaggio per rilevare variazioni di pressione nel flusso di mandata; un circuito di elaborazione che rileva attraverso il sensore di pressione variazioni di pressione nel flusso di mandata nell'intorno dei punti di passaggio fra corsa di mandata e corsa di aspirazione di ciascuno stantuffo, e comanda il circuito di pilotaggio dei mezzi motori per variare dinamicamente il movimento degli stantuffi secondo una funzione delle dette variazioni di pressione, nel senso di rendere minime dette variazioni.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, una possibile realizzazione esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta tuia vista schematica di una pompa secondo l'invenzione;

-figura 2 rappresenta un grafico di funzionamento di una generica pompa di tecnica nota;

-figura 3 rappresenta una vista di un grafico simile a figura 2 ma riferito alla innovativa pompa di figura 1;

-figura 4 rappresenta un possibile schema di principio di un circuito di controllo della pompa di figura 1.

Con riferimento alle figure, in figura 1 è schematicamente mostrata una possibile realizzazione di una pompa reciprocante, applicante i principi della presente invenzione. La pampa, indicata genericamente con 10, comprende due gruppi o unità a stantuffo 11, 12 con rispettivi stantuffi 13, 14 messi di moto alternato per mezzo di rispettivi mezzi motori 15 e 16. Ad esempio, il movimento alternato può essere ottenuto per mezzo di camme 17, 18 opportunamente configurate per avere un movimento lineare degli stantuffi con camme rotanti a velocità costante, come facilmente inmaginabile dal tecnico.

Le unità a stantuffo 11, 12 sono connesse con mandata in comune per individuare una uscita 24 della pampa. Anche le aspirazioni possono essere connesse ad un comune ingresso 23, oppure individuare separati ingressi per ad esempio, il pompaggio alternato da due differenti sorgenti di fluido. Le mandate e le aspirazioni delle unità comprendono valvole unidirezionali di ingresso, 19, 20 e di uscita 21, 22. All'uscita 24 è connesso un sensore di pressione 25.

1 motori di azionamento 15, 16 sono connessi ad un circuito di pilotaggio 29, il quale li pilota a velocità controllata. Un circuito di elaborazione 26 invia segnali di comando del movimento dei motori al circuito di pilotaggio 29 per variare dinamicamente le velocità dei motori in funzione del segnale ricevuto dal sensore di pressione 25.

Il circuito di elaborazione o controllo 26 può essere ad esempio un circuito a microprocessore opportunamente programmato, la cui struttura è sostanzialmente di tecnica nota. Anche il circuto di pilotaggio è sostanzialmente di tecnica nota realizzato in tecnologia digitale o analogica e adatto a pilotare il particolare tipo di motore scelto. Tali circuiti non saranno quindi qui ulteriormente descritti né mostrati, essendo facilmente immaginabili dal tecnico esperto, specialmente in base alla seguente descrizione di funzionamento.

Per i principi della presente invenzione, i motori 1516 devono potere essere controllabili dal circuito di controllo in velocità /posizione durante il funzionamento della pompa. Per ottenere ciò è stato trovato vantaggioso l'impiego di motori passo-passo. Naturalmente, altri motori regolabili in velocità/posizione possono essere impiegati. Ad esempio, possono essere impiegati motori C.C. con encoder di posizione.

Sensori di un punto di "zero" degli stantuffi sono fom iti per permettere l'inizializzazione del sistema all'accensione, vale a dire per mettere in grado il circuito di rilevare il raggiungimento da parte degli stantuffi di una posizione predefinita dalla quale calcolare la posizione istantanea dei pistoni durante il funzionamento. Ad esempio, possono essere fom iti sensori 27, 28 rilevanti il raggiungimento di una condizione di finecorsa dei pistoni. Tale condizione di finecorsa può essere quella di fine della corsa di aspirazione.

A questo punto è chiaro che, a differenza delle pompe di tecnica nota, aventi un unico motore di azionamento, nella pompa sopra descritta il movimento relativo fra i due stantuffi non è rigidamente prestabilito mediante vincoli meccanici, ma può variare a comando del circuito 26 che controlla due motori indipendenti.

In figura 2 è mostrato schematicamente grafici rappresentanti la correlazione fra il moto alternato di due stantuffi in una generica pompa di tecnica nota e le variazioni di pressione deltaP all'uscita. Durante la corsa di mandata, un primo tratto della corsa degli stantuffi è senza effettiva mandata fino ad un punto Pe di inizio del tratto di vera corsa attiva. Si ha quindi che la pressione in uscita subisce una variazione negativa nell'intervallo di tarpo che va dalla fine della corsa di mandata di uno stantuffo (punti Pi del grafico) e l'inizio della corsa di mandata effettivamente attiva dell'altro stantuffo (punti Pe del grafico). Ovviamente se variano le caratteristiche del fluido pompato, ad esempio a causa di una variazione di temperatura, varia anche il punto di inizio della mandata effettiva. Ciò è mostrato nella parte destra del grafico, dove con Pe' è indicata una diversa posizione del punto di inizio della effettiva mandata. Come si vede ciò comporta una variazione nella durata delle variazioni di pressione,-comunque presenti.

In figura 3 è mostrato un grafico simile a quello di figura 1, ma mostrante il comportamento della pompa secondo l'invenzione. Per comodità il grafico è stato tracciato supponendo che la pompa inizi a funzionare con gli stantuffi in perfetta opposizione, come nel caso della pompa nota di figura 2.

Per migliore comprensione, in figura 3 è inserita a tratto e punto una parte del grafico di movimento degli stantuffi rappresentato in figura 2.

Come si vede dal grafico di figura 3, inizialmente uno stantuffo si trova nel primo tratto inattivo della corsa di mandata mentre l'altro pistone è nella corsa di aspirazione. Ciò provoca una variazione di pressione 29 in uscita dalla pompa 10. Secondo il metdodo di controllo qui descritto, il circuito di elaborazione 26 rileva la durata e segno della variazione e varia dinamicamente il movimento degli stantuffi secondo tona funzione delle dette variazioni di pressione per fare tendere le variazioni di pressione a zero. La variazione del movimento degli stantuffi è realizzata per portare, per ogni stantuffo, l'istante di passaggio fra corsa di mandata e corsa di aspirazione (punto Pi) in coincidenza con un frante di salita di una variazione di pressione per annullarla. Tale fronte di salita coincide in sostanza con il punto Pe di inizio della fase di mandata attiva.

Nel caso mostrato in figura 3, la variazione è negativa. Il sistema di elaborazione diminuisce perciò la durata delle fasi di aspirazione di un intervallo funzione della durata della variazione di pressione (ad esempio la diminuzione è pari alla durata della variazione), così da anticipare l'inizio della corsa di mandata di uno stantuffo rispetto all'inizio della corsa di aspirazione dell'altro. Il sistema di elaborazione varia in maniera uguale e contraria la durata delle corse di compressione per mantenere costante la sorcina delle durate delle due corse, così che il numero di cicli nell'unità di tempo rimanga costante. Dopo il transitorio di aggiustamento, i punti Pi di uno stantuffo coincidono con i punti Pe dell'altro e quindi le variazioni di pressione si annullano. La pompa funziona quindi senza "vuoti" di mandata nell'intorno dei punti di inversione della corsa degli stantuffi.

La metà di destra del grafico di figura 3 mostra l'effetto di una variazione dei punti di inizio dell'effettiva mandata, che passano alla posizione Pe'. In particolare , è mostrato l'effetto di un anticipo di tale inizio (anticipo causato, ad esempio, da un aumento di densità del fluido pompato). A causa dell'anticipo dell'inizio della mandata attiva si ha un intervallo nel quale entrambi gli stantuffi sono nella fase di mandata. In tale intervallo si ha quindi un variazione positiva della pressione (indicato con 31 in figura 3). Il sistema di elaborazione aumenta perciò la durata delle fasi di aspirazione di un intervallo funzione della durata della variazione di pressione (ad esempio, l'aumento è pari alla durata della variazione), così da ritardare l'inizio della corsa di mandata di uno stantuffo rispetto alla corsa di aspirazione dell'altro. Il sistema di elaborazione varia in maniera uguale e contraria la durata delle corse di compressione per mantenere costante la somma delle durate delle due corse. Dopo il transitorio di aggiustamento, i punti Pi di lino stantuffo tornano a coincidere con i punti Pe' dell'altro e quindi le variazioni di pressione si annullano. La pompa ritorna a funzionare quindi senza "vuoti" di mandata nell'intorno dei punti di inversione della corsa degli stantuffi.

E' da notare che la durata della corsa di aspirazione è sempre minore della durata della corsa di mandata. Inoltre, la corsa di aspirazione è sempre centrata rispetto alla corsa di mandata. Si ottiene così un funzionamento simmetrico dei due stantuffi.

A questo punto è chiaro come si sono raggiunti gli scopi prefissati, fornendo una pompa e un metodo di sincronizzazione in tempo reale, vale a dire durante il funzionamento della pompa, per annullare le variazioni di pressione dovute ai ritardi negli inizi della effettiva mandata rispetto all'inizio delle corse di mandata e che quindi rende minima la fluttuazione di pressione anche al variare delle caratteristiche del fluido pompato.

Nella pratica realizzazione, si è trovato vantaggioso l'utilizo di motori passo-passo, calcolando la durata delle variazioni di pressione direttamente in numero di passi.

In figura 4 è mostrato una possibile realizzazione del circuito di controllo della pompa di figura 1, vale a dire dei blocchi 26, 29 di figura 1.

Il circuito di controllo conprende un microprocessore 30 il quale esegue le operazioni per il funzionamento della pompa in base ad un programma contenuto in una memoria 31. Tale programma non è qui descritto nel dettaglio essendo facilmente immaginabile dal tecnico, specialmente alla luce della seguente descrizione di funzionamento .

Il microprocessore 30 riceve dati di pressione dal sensore 25 per mezzo di un convertitore analogico/digitale 32. Esso riceve inoltre dati di posizione dei pistoni dagli encoder di posizione 27, 28.

I motori 15, 16 sono motori passo-passo le cui frequenze di azionamento sono ricavate, mediante divisori programmabili 33, 34, da un generatore di impulsi di clock 35.

II rapporto di divisione dei divisori programmabili è controllato dal microprocessore.

Al microprocessore sono connessi anche un visualizzatore 36 e una tastiera di impostazione 37.

Verrà di seguito brevemente descritta una possibile sequenza di funzionamento della pompa con il circuito di controllo di figura 4.

All'accensione della pompa i motori sono inizialmente fermi. Attraverso la tastiera 37 vengono impostati valori di flusso e pressione desiderati ed è avviata la pompa. Il microprocessore 30 rileva attraverso gli encoder 27 e 28 la posizione degli stantuffi e comanda i motori 15 e 16 per muovere gli stantuffi in modo aspirazione fino a portarli e fermarli nella posizione di inizio compressione. A questo punto il microprocessore carica nei divisori programmabili il rapporto di divisione necessario per avere le costanti di tempo di compressione corrispondenti ai valori di flusso e pressione impostati e avvia uno dei due motori nella sua corsa di compressione. Dopo un tempo calcolato per ottenere una sovrapposizione "standard" di partenza per le fasi di compressione, il microprocessore avvia anche il secondo motore nella sua corsa di conpressione. A questo punto il microprocessore continua a comandare i due motori con le costanti di tempo di compressione ed aspirazione, in sincorno con i segnali in arrivo dagli encoder, fino ad arrivare alle condizioni di regime della pompa.

Dopo di ciò, ad ogni inizio della corsa di compressione di un pistone il microprocessore memorizza le variazioni di pressione rilevate dal sensore 25 e convertite in digitale dal convertitore 32.

Come già precedentemente descritto, la completa assenza di variazioni positive o negative nella lettura della pressione rappresenta la condizione teorica di coincidenza fra 11inversione del senso di moto dei pistoni e l'apertura delle valvole di uscita della pompa. Al contrario, la rilevazione di una variazione della pressione, con segno e durata, permette di calcolare i nuovi rapporti di divisione che devono essere caricati dal microprocessore nei divisori 33 e 34 ad ogni ciclo di aspirazione-compressione per portare all'annullamento delle variazioni di pressione, come mostrato nei diagramni di figura 3.

Secondo l'invenzione, si è così ottenuta una pompa che ha un "flusso lineare" uguale al flusso nominale impostato anziché un "flusso medio" equivalente al flusso nominale impostato, come invece accade in tecnica nota.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato.

Ad esempio, sebbene si siano descritti mezzi motori formati da motori separati connessi ai rispettivi stantuffi per mezzo di una trasmissione a canina, altri tipi di mezzi motori e trasmissioni possono essere inpiegati, ferma restando la necessità di potere variare la fase reciproca delle corse di aspirazione e mandata dei due stantuffi.

Inoltre, può essere prevista la possibilità di introdurre un piccolo sfasamento fra il centro delle fasi di aspirazione di un pistone e il centro delle fasi di conpressione dell'altro pistone così da bilanciare piccole differenze nelle meccaniche dei due sistemi pompanti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di regolazione della sincronizzazione di due unità a stantuffo, con mandate interconnesse per individuare una comune uscita di pompaggio, ciascuna unità avendo uno stantuffo mobile lungo una corsa di mandata e una opposta corsa di aspirazione, comprendente le fasi di muovere uno stantuffo lungo una corsa di mandata di un fluido verso l'uscita mentre l'altro è sostanzialmente mosso lungo una corsa di aspirazione di fluido dall'ingresso, rilevare variazioni di pressione all'uscita nell'intorno dei punti di passaggio fra corsa di mandata e corsa di aspirazione di ogni stantuffo e variare dinamicamente il movimento degli stantuffi secondo una funzione delle dette variazioni di pressione per fare tendere le variazioni di pressione a zero.
2. 2. Metodo secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la variazione del movimento degli stantuffi è realizzata per portare, per ogni stantuffo, l'istante di passaggio fra corsa di mandata e corsa di aspirazione in coincidenza con un punto della corsa dell'altro stantuffo corrispondente al fronte di salita di una variazione di pressione precedentemente rilevata.
3. 3. Metodo secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la variazione censiste nel diminuire la durata delle fasi di aspirazione di un intervallo corrispondente alla durata della variazione di pressione se essa è negativa o aumentare la durata della corsa di aspirazione di un intervallo corrispondente alla durata della variazione di pressione se essa è positiva.
4. 4. Metodo secondo rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che ad una variazione della durata della corsa di aspirazione corrisponde una variazione uguale e contraria della durata della corsa di compressione per mantenere costante la somma delle durate delle due corse.
5. 5. Pompa reciprocante comprendente due unità a stantuffo (11, 12) con mandate interconnesse per individuare una comune uscita di pompaggio (24), ciascuna unità (11, 12) avendo uno stantuffo (13, 14) mobile lungo una corsa di mandata e una opposta corsa di aspirazione, caratterizzato dal fatto che ciascuna unità (11, 12) ha propri mezzi motori (15, 16, 17, 18) di movimento del rispettivo stantuffo; un circuito di pilotaggio (29) per il comando del movimento dei mezzi motori; un sensore di pressione (25) connesso all'uscita di pompaggio (24) per rilevare variazioni di pressione nel flusso di mandata; un circuito di elaborazione (26) che rileva attraverso il sensore di pressione (25) variazioni di pressione nel flusso di mandata nell'intorno dei punti di passaggio fra corsa di mandata e corsa di aspirazione di ciascuno stantuffo, e comanda il circuito di pilotaggio dei mezzi motori per variare dinamicamente il movimento degli stantuffi secondo una funzione delle dette variazioni di pressione, nel senso di rendere minime dette variazioni.
6. 6. Pompa reciprocante secondo rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che il circuito di elaborazione (26) invia comandi al circuito di pilotaggio (29) per portare l'istante di passaggio fra corsa di mandata e corsa di aspirazione in coincidenza con un punto della corsa dell'altro stantuffo corrispondente al fronte di salita di una variazione di pressicele precedentemente rilevata.
7. 7. Pompa reciprocante secondo rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che il circuito di elaborazione (26) misura durata e segno della detta variazione di pressione rilevata dal sensore (25) e comanda il circuito di pilotaggio dei mezzi motori per diminuire la durata delle fasi di aspirazione di un intervallo corrispondente se la variazione di pressione è negativa o per aumentare la durata della corsa di aspirazione di un intervallo corrispondente se la variazione di pressione è positiva.
8. 8. Pompa reciprocante secondo rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che il circuito di elaborazione (26) comanda il circuito di pilotaggio dei mezzi motori per variare la durata della corsa di compressione in modo uguale e contrario alla variazione della durata della corsa di aspirazione, nel senso di mantenere costante la somma delle durate delle due corse per ciascuno stantuffo.
9. 9. Pompa reciprocante secondo rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che i mezzi motori conprendono motori passo-passo e il circuito di elaborazione ha divisori programmabili per variare le frequenze di comando dei motori nel senso di ottenere la detta variazione dinamica del movimento degli stantuffi .
10. 10 . Pompa reciprocante secondo rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che il circuito di elaborazione è realizzato con un dispositivo a microprocessore.