ITRM20090537A1 - "dispositivo di controllo della corsa del pistone di una pompa dosatrice" - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: DISPOSITIVO DI CONTROLLO DELLA CORSA DEL PISTONE DI UNA POMPA DOSATRICE;

La presente invenzione riguarda il settore delle pompe dosatrici ad azionamento elettro-meccanico per il dosaggio di additivi vari, mediante la regolazione del volume di fluido pompato ad ogni ciclo, ed in particolare si riferisce ad un innovativo dispositivo di controllo della corsa dell’elettromagnete per l’azionamento dei meccanismi che consentono il dosaggio.

Più specificatamente, l’elettromagnete della pompa dosatrice è dotato di un pistone al quale è collegato un sensore capacitivo che al movimento del suddetto pistone fa corrispondere una variazione della capacità.

L’elettromagnete è predisposto per essere collegato ad una scheda elettronica di controllo. In questo modo è possibile conoscere in modo accurato lo spostamento del pistone, potendo anche intervenire, se necessario, sulla corsa dello stesso.

Già in passato l’elettromagnete è stato oggetto di studi mirati alla sua evoluzione, con il risultato che ne è stata ampliata la gamma, realizzando elettromagneti specifici per ottenere diverse prestazioni dalle pompe dosatrici prodotte.

Tuttavia, tali elettromagneti, se pur ritenuti soluzioni interessanti da un punto di vista commerciale, presentano una serie di inconvenienti:

- Attualmente per alimentare l’elettromagnete è necessario applicare una tensione (ddp) per un determinato periodo di tempo, qualunque sia la forza che l’elettromagnete deve erogare per vincere la contropressione dell’impianto. Di fatto si alimenta l’elettromagnete sempre con la stessa energia qualunque sia il lavoro che deve essere effettuato e nel caso di elevate contropressioni lo spreco di energia è chiaramente limitato. Nel caso, invece, di basse contropressioni, la forza necessaria alla pompa, per erogare l’additivo, è inferiore a quella necessaria a compiere il lavoro e quindi la dissipazione di energia diventa rilevante;

- L’eccessivo riscaldamento dell’apparato è una conseguenza di quanto sopra descritto: il mancato controllo della potenza nel tempo, provoca un elevato dispendio di energia che si traduce in un aumento della temperatura della pompa durante la fase operativa;

- Un’altra grave conseguenza dell’aumentare della temperatura d’esercizio della pompa è rappresentata dall’elevato scadimento delle prestazioni a medio lungo-termine: infatti, dopo circa 3 ore di funzionamento, alla temperatura ambiente di 25°C, è riscontrabile una diminuzione pari al 50% delle prestazioni;

- Il ciclo di vita del nuovo prodotto (pompa dosatrice) secondo il trovato, è destinato ad aumentare notevolmente grazie ai ridotti consumi energetici ed alle temperature operative notevolmente più basse delle attuali;

- Con la presente invenzione si elimina la necessità di avere mezzi meccanici di calibrazione per la corretta definizione della corsa del pistone, posizionati solitamente all’interno dell’elettromagnete;

- Di fatto, l’attuale tecnologia applicata dalle aziende presenti sul mercato a cui facciamo riferimento, mostra la sua vetustà essendo sostanzialmente immutata da circa venti anni: attualmente alcuni produttori di pompe dosatrici, controllano elettronicamente l’impulso, applicato all’elettromagnete, ma regolano la corsa meccanicamente, ciò significa che la tensione non viene tolta al termine dell’iniezione ma solo successivamente, causando, come abbiamo già precedentemente descritto un inutile spreco di energia.

Lo scopo principale della presente invenzione, quindi, è di superare i suddetti inconvenienti fornendo un innovativo elettromagnete per pompe dosatrici, completo di sensore capacitivo, avente un consumo energetico ridotto e prestazioni migliori rispetto ai tradizionali elettromagneti: si ottengono dosaggi di additivo con un elevato grado di precisione, costanti nel tempo e costi realizzativi estremamente contenuti. Secondo il trovato, infatti, si controlla istantaneamente la corsa del pistone e conseguentemente la corrente applicata, permettendo all’utente di regolare in maniera predeterminata il volume d’iniezione della pompa.

Ciò è stato ottenuto, secondo l’invenzione, prevedendo che l’elettromagnete comprenda un sensore capacitivo formato da un condensatore avente un’armatura fissa ed un’armatura mobile vincolata meccanicamente al pistone della pompa dosatrice, in modo tale che ad ogni spostamento di detto pistone corrisponda una diversa distanza tra dette armature e quindi un diverso valore della capacità. In questo modo, una volta scelta la corsa del pistone in base al lavoro che la pompa deve compiere è nota la portata della pompa dosatrice, in quanto la corsa del pistone è proporzionale alla portata della stessa.

Inoltre, detto sensore capacitivo collegato alla scheda elettronica di controllo permette di rilevare la posizione del pistone dalle variazioni del valore della capacità del sensore stesso e, se è necessario, intervenire sullo spostamento del pistone in base alle impostazioni fatte dall’utente, per garantire il preciso dosaggio della pompa.

Pertanto, una volta stabilite le variazioni capacitive del sensore in funzione dello spostamento del pistone, diventa elementare, per il sistema di controllo elettronico, individuare la posizione del pistone.

Una migliore comprensione dell’invenzione si avrà con la seguente descrizione dettagliata e con riferimento alle figure allegate che illustrano, a solo titolo esemplificativo e non già limitativo, una preferita forma realizzativa del trovato.

Nei disegni:

la figura 1 è una vista prospettica parzialmente sezionata di una preferita forma realizzativa dell’invenzione;

la figura 2 mostra una sezione assiale di una pompa dosatrice dotata del dispositivo di fig. 1.

Con riferimento alle figure 1 e 2, nella preferita forma di realizzazione che si descrive, si prevede un elettromagnete 1 da applicare su una pompa dosatrice comprendente un sensore capacitivo 2 formato da un condensatore avente una armatura fissa 2A ed una armatura mobile 2B solidale al pistone 3 della pompa dosatrice stessa, il quale pistone 3 a sua volta è atto a spostare il diaframma 4 nel corpo pompa 5.

Secondo una caratteristica peculiare dell’invenzione, detto sensore capacitivo 2 è collegato ad una scheda elettronica a microcontrollore (non mostrata nelle figure) che è atto a rilevare in tempo reale la posizione del pistone 3 in funzione delle variazioni dei valori della capacità ed a regolare, secondo le esigenze, la corsa di detto pistone e di conseguenza la quantità di liquido che viene iniettata istantaneamente dalla pompa. Maggiore è la corsa che il pistone 3 compie, maggiore è la portata della pompa dosatrice.

Secondo l’invenzione, il pistone 3 durante la sua corsa fa variare la distanza tra le armature 2A e 2B del sensore capacitivo 2 e quindi il valore della capacità del condensatore 2, essendo tale valore inversamente proporzionale alla distanza tra le armature stesse. In altre parole, l’armatura mobile 2B essendo solidale al pistone 3 viene mossa dal pistone 3 stesso e di conseguenza il valore della capacità del sensore cambia in base allo spostamento di detto pistone che fa variare la distanza tra le armature.

Nell’esempio realizzativo che si descrive, il circuito elettronico, eroga un primo impulso che fa compiere l’intera corsa al pistone, ne controlla i valori estremi (minima e massima) memorizzandoli nella suddetta scheda elettronica e, nel caso in cui la corsa misurata rientri nei limiti di tolleranza predefiniti, il sistema è pronto per iniziare ad operare nelle modalità impostate dall’operatore.

Al fine di programmare il microcontrollore in modo che a ciascuna variazione della capacità del sensore sia associata una portata della pompa dosatrice (figura 2), ai capi dell’elettromagnete 1 viene applicato un treno di impulsi che genera un campo magnetico intermittente che attrae e rilascia il piattello 6, il quale, essendo solidale al pistone 3 che a sua volta è fissato al diaframma 4, sposta quest’ultimo all’interno del corpo pompa 5 e di conseguenza l’agente liquido viene pompato nella soluzione acquosa.

Di volta in volta durante la mappatura, viene applicata una differenza di potenziale diversa, maggiore rispetto alla precedente, per generare valori di corrente diversi, sempre crescenti, ed il microcontrollore, che rileva la corsa effettuata dal pistone 3 misurando il valore della capacità del sensore capacitivo 2, memorizza tale valore associato all’effettivo spostamento del pistone.

Ciò si ripete fino al fine corsa del pistone 3 così da permettere al microcontrollore di mappare le possibili corse del pistone 3 all’interno del corpo pompa 5, memorizzando per ciascuna corsa del pistone 3 il valore della capacità del sensore 2 dell’elettromagnete 1.

È evidente che a ciascuna corsa del pistone 3 corrisponde una certa quantità di liquido che viene iniettata dalla pompa. In questo modo, se l’esigenza richiede che la pompa inietti una determinata quantità di liquido, è sufficiente preimpostare la pompa dosatrice, affinché la corsa del pistone 3 sia tale da generare proprio tale portata. Di conseguenza, la corsa del pistone 3 sarà regolata di volta in volta in base alle esigenze.

In altre parole, una volta che la pompa è stata preimpostata affinché la portata sia tale da soddisfare l’esigenza richiesta, il circuito elettronico gestisce la corrente in funzione di tale richiesta entro gli ammissibili livelli di temperatura ambiente (0-40°C) previsti per il corretto funzionamento delle pompe dosatrici.

In questo modo, vantaggiosamente, si evita di consumare più energia di quella necessaria per il lavoro richiesto alla pompa dosatrice e le prestazioni rimangono inalterate per lungo tempo a beneficio del dosaggio e della durata dell’apparecchiatura.

Secondo una ulteriore caratteristica peculiare dell’invenzione, qualora per qualche anomalia la corsa del pistone 3 si discosti dal suo andamento ideale, ovvero lo spostamento del pistone non corrisponda esattamente a quello programmato per una determinata tensione, il microcontrollore rileva tale anomalia e interviene riconfigurando in tempo reale i parametri preimpostati a garanzia della reale portata (istantanea) della pompa dosatrice.

Pertanto, il microcontrollore consente un’autocalibrazione per recuperare tutte le piccole variazioni alla corsa del pistone che si verificano durante l’intero ciclo di vita della pompa.

Al fine di controllare costantemente la portata della pompa, all’inizio del dosaggio è previsto l’invio di un impulso per la verifica di inizio e fine corsa (prassi che sarà ripetuta ogni mille iniezioni o altro intervallo di tempo da stabilire) allo scopo di controllare la posizione iniziale e finale del pistone 3. Tale consente di valutare il corretto funzionamento della struttura meccanica/idraulica della pompa e determinare i parametri di funzionamento della scheda elettronica (tensione e corrente) necessari per attuare la modulazione dell’impulso in funzione della corsa (portata pompa) impostata dall’utente.

La regolazione della corsa del pistone 3 da parte del circuito elettronico avviene modulando gli impulsi di corrente, a frequenza fissa, sull’elettromagnete 1 e rendendola costante negli intervalli di funzionamento della pompa dosatrice.

Il circuito è di natura induttiva, ciò significa che nell’istante in cui si alimenta un’induttanza la corrente, che è dapprima sostanzialmente pari a zero, inizia ad aumentare gradatamente con il passare del tempo. In questo modo, l’architettura del circuito è semplice ed efficace e non genera pericolosi disturbi sulla rete elettrica alla quale è connessa la pompa.

Attraverso la regolazione della corrente, che avviene tramite il controllo del tempo di applicazione della tensione posta ai capi dell’elettromagnete, è possibile mappare il funzionamento dell’elettromagnete 1 al fine di migliorare il rendimento dell’idraulica della pompa dosatrice e cioè di membrana, valvole, corpo pompa, ecc. Infatti tutti gli elettromagneti hanno lo stesso comportamento in relazione alla corrente applicata nell’unità di tempo e per questo motivo il circuito elettronico, in relazione al tipo di elettromagnete montato sull’apparato, si attende una velocità di spostamento, a parità di corsa, costante e ripetitiva nel tempo.

Tramite l’applicazione del trovato sarà possibile diminuire il valore di corrente (la corrente può variare preferibilmente da 150mA a 3 A) e allungare l’impulso per rallentarne la velocità durante la corsa del diaframma, ovvero del pistone ad esso fissato.

La pompa dosatrice comprendente tale elettromagnete può prevedere una porta seriale per permettere ad un computer o altro dispositivo elettronico simile, come ad esempio un controllore logico programmabile (PLC), di essere connesso a detta pompa dosatrice per rilevare le informazioni raccolte dal microcontrollore, oppure per intervenire sul funzionamento della pompa stessa.

Con tale porta seriale è possibile intervenire sulla pompa dosatrice da remoto, svolgendo una molteplicità di funzioni, come ad esempio attivare/disattivare la pompa, gestire l’iniezione, controllare la qualità e l’efficacia del lavoro svolto dalla pompa, monitorare lo storico del dosaggio, valutare lo stato qualitativo della pompa rispetto alla configurazione stabilita in fabbrica, emettere un segnale luminoso e/o acustico per la sostituzione della pompa, o per la mancanza di additivo da dosare.

Un primo vantaggio, come già accennato, è dato dalla possibilità di regolazione della corsa del pistone 3 in funzione del lavoro che la pompa dosatrice deve effettivamente compiere, e quindi della quantità di liquido che deve iniettare. Ciò comporta non solo un risparmio in termini di energia, limitata a quella effettivamente necessaria a tale lavoro, ma anche un risparmio in termini economici per l’utilizzatore, dovuto al fatto che un dosaggio preciso e costante nel tempo evita che vadano sprecate inutilmente quantità di additivo/additivi.

Un secondo vantaggio consiste nella possibilità di conoscere, con una precisione nell’ordine dei centesimi di millimetro, la posizione del pistone 3 durante la sua corsa tramite la scheda elettronica di controllo che è collegata al sensore capacitivo 2.

Un terzo vantaggio è dato dal fatto che è possibile configurare la corsa del pistone 3 in fase di programmazione del microcontrollore. Ciò comporta di conseguenza un ulteriore duplice vantaggio: l’eliminazione di mezzi meccanici di calibrazione necessari per la corretta definizione della corsa del pistone e un risparmio economico dovuto a tale eliminazione. Con la stessa configurazione dell’apparato avremo la possibilità di realizzare pompe dosatrici con diverse caratteristiche tecniche.

Ancora un vantaggio del trovato è che la pompa dosatrice comprendente l’elettromagnete sin qui descritto lavora a temperature inferiori rispetto a quelle a cui lavora una pompa dosatrice tradizionale, evitando così un riscaldamento eccessivo.

Un ulteriore vantaggio per la pompa dosatrice, dovuto alla presenza di tale elettromagnete, risiede nel fatto che è possibile implementare due funzioni cosiddette “UNDER LOAD” e “OVER LOAD” a seconda se si verifica rispettivamente un’assenza di additivo nella pompa dosatrice o una ostruzione della linea di mandata della pompa. Ciò è dovuto alla possibilità di valutare sia la posizione del pistone che la sua velocità di spostamento.

In caso di UNDERLOAD, un’assenza di additivo all’interno del corpo pompa 5 fa variare la velocità di spostamento del pistone. Ciò significa che il sensore capacitivo 2 cambia il valore della propria capacità in un tempo inferiore rispetto allo stato di normale funzionamento. Il microcontrollore rileva tale situazione e, in base alle impostazioni prestabilite, segnala la situazione di allarme immediatamente o dopo un certo numero di impulsi.

Una ulteriore possibilità consiste nel tentare un riadescamento, erogando un determinato numero di impulsi per un periodo di tempo definito e programmato.

La funzionalità UNDER LOAD consente al microcontrollore di rilevare il mancato dosaggio in maniera indipendente dalla presenza di appositi dispositivi esterni di tipo noto come il sensore di flusso.

In caso di OVERLOAD una ostruzione della linea di mandata della pompa, sia essa parziale o totale, rallenta la velocità di spostamento del pistone. Tale rallentamento è in funzione dell’entità di tale ostruzione. Il circuito elettronico della pompa acquisisce tale dato e una volta che è trascorso un certo periodo di tempo si pone in uno stato di allarme.

La presente invenzione è stata descritta ed illustrata in una preferita forma realizzativa, ma è evidente che qualunque tecnico esperto del ramo potrà apportarvi modifiche e/o varianti senza per questo esulare dall’ambito di tutela della presente privativa industriale. Ad esempio, è possibile prevedere per l’elettromagnete degli avvolgimenti opportunamente dimensionati, nuclei aventi geometrie ed accorgimenti che minimizzino le dispersioni del campo magnetico a beneficio del rendimento e della riduzione delle perdite di calore, oppure, è anche possibile utilizzare sensori che, sfruttando altri principi tecnici, riescano a rilevare la velocità e lo spostamento del pistone.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il controllo della corsa di un pistone (3) di una pompa dosatrice comprendente un elettromagnete (1) caratterizzato dal fatto che detto elettromagnete (1) è dotato di un sensore capacitivo (2) formato da un condensatore avente una armatura fissa (2A) ed una armatura mobile (2B) solidale a detto pistone (3) in modo tale che ad ogni spostamento del pistone corrisponda una diversa distanza tra dette armature e quindi un diverso valore della capacità del sensore capacitivo (2) stesso.
2. 2. Dispositivo di controllo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sensore capacitivo (2) è atto a essere collegato ad una scheda elettronica di controllo, dotata di microcontrollore, atta a rilevare in tempo reale la posizione del pistone (3) dalle variazioni dei valori della capacità del sensore (2) stesso.
3. 3. Dispositivo di controllo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che, al fine di programmare il microcontrollore in modo che a ciascuna variazione della capacità del sensore (2) sia associata una portata della pompa dosatrice, ai capi dell’elettromagnete (1) viene applicato un treno d’impulsi che genera un campo magnetico intermittente che attrae e rilascia un piattello (6), il quale, essendo solidale al pistone (3) che è a sua volta fissato al diaframma (4), sposta quest’ultimo all’interno del corpo pompa (5) e di conseguenza l’agente liquido viene pompato nella soluzione acquosa; ottenendosi così che a ciascuna corsa del pistone corrisponda un valore di corrente ed un valore di capacità del sensore capacitivo (2) che vengono rilevati dal microcontrollore, nonché memorizzati da esso.
4. 4. Dispositivo di controllo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che al fine di mantenere la portata della pompa dosatrice costante, la scheda elettronica è atta ad inviare un impulso per la verifica dell’inizio e fine corsa preferibilmente ogni mille iniezioni, per controllare la posizione iniziale e finale del pistone (3).
5. 5. Dispositivo di controllo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il microcontrollore è atto a regolare la corsa del pistone (3) modulando la corrente impulsiva a frequenza fissa sull’elettromagnete e rendendola costante negli intervalli di funzionamento della pompa dosatrice.
6. 6. Dispositivo di controllo secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto microcontrollore è atto a regolare la corsa del pistone (3) modulando la tensione in funzione della corrente che occorre all’elettromagnete al fine di spostare il pistone.
7. 7. Dispositivo di controllo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto microcontrollore è atto a rilevare eventuali anomalie della corsa del pistone (3) ed a intervenire sulla corsa del pistone, riconfigurando in tempo reale i parametri preimpostati a garanzia della reale portata della pompa dosatrice.
8. 8. Una pompa dosatrice comprendente un dispositivo di controllo della corsa del pistone (3) secondo una delle precedenti rivendicazioni.
9. 9. Pompa dosatrice secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto di prevedere una porta seriale per il collegamento ad un computer o altro dispositivo elettronico simile per acquisire da remoto rilevare le informazioni raccolte dal microcontrollore e/o intervenire sul funzionamento della pompa stessa.