WO1999066204A1 - Membranpumpe und vorrichtung zur steuerung derselben - Google Patents

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WO1999066204A1
WO1999066204A1 PCT/EP1999/003541 EP9903541W WO9966204A1 WO 1999066204 A1 WO1999066204 A1 WO 1999066204A1 EP 9903541 W EP9903541 W EP 9903541W WO 9966204 A1 WO9966204 A1 WO 9966204A1
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WO
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pressure
evaluation unit
diaphragm pump
displacement
displacement space
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PCT/EP1999/003541
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French (fr)
Inventor
Norbert Siegel
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Bran + Luebbe Gmbh
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Priority to EP99926372A priority patent/EP1088166B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F04B43/067—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/0009—Special features
    • F04B43/0081—Special features systems, control, safety measures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/09—Motor parameters of linear hydraulic motors
    • F04B2203/0903—Position of the driving piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/03—Pressure in the compression chamber

Definitions

  • the invention relates to a diaphragm pump with a device for controlling the position of a diaphragm separating a delivery and a displacement space and with a reservoir for the hydraulic medium, which is connected to the displacement space via a refill unit.
  • the invention relates to a method for controlling the position of a membrane, which separates the delivery and displacement chamber of a membrane pump and is driven by an oscillating displacer via a hydraulic medium, the displacement chamber being replenished with hydraulic medium via a line if necessary.
  • Such pumps are, for example, as
  • Piston diaphragm pump known from EP AI 0 085 725.
  • the piston diaphragm pump has a displacement piston which is oscillated back and forth in a displacement chamber completely filled with hydraulic medium.
  • the membrane arranged between the delivery chamber and the displacement chamber thereby executes a membrane stroke corresponding to the piston stroke volume.
  • the liquid to be pumped flows into the delivery chamber via the suction valve and is expelled via the pressure valve during the pressure stroke.
  • a support plate which can be moved within a limited area and which protects the membrane against excessive deflection at the end of the suction stroke.
  • Membrane the support plate or a plunger scanning the membrane system.
  • the support plate or the plunger is moved by the membrane against the pressure of springs in the direction of the displacement work space.
  • the plunger which either directly scans the membrane system or the support plate, mechanically releases a refill valve which opens as a result of the negative pressure prevailing in the displacement work space and allows hydraulic medium to flow into the displacement work space from a reservoir.
  • the membrane and the support plate move back towards the delivery chamber under pressure from the springs.
  • the guard locking of the refill valve slides back towards the delivery chamber and closes the refill valve.
  • Vent valve provided, which allows escape of excess hydraulic or the freed air volume.
  • the venting valve also serves to discharge excess volume of hydraulic medium from the displacement chamber in order to ensure the function of the mechanical refill device.
  • vent valve is known, for example, from the applicant's "AREX” company publication.
  • the object of the invention is to provide a diaphragm pump in which the volume of the displacement space can be controlled as simply as possible, so that the diaphragm is protected and the overall operational reliability of the pump is increased.
  • Refill unit is actuated.
  • the pressure sensor located in the displacement chamber reports the generation of the negative pressure to the evaluation unit during the intake stroke. There, this signal is compared, for example, with a predetermined limit value. As soon as the specified limit value is exceeded, the evaluation unit generates a signal which causes the displacement space to be refilled with hydraulic fluid. In this way, overloading of the membrane is avoided with certainty.
  • the limit value can easily be adapted to the different operating conditions. Since the pressure sensor has no moving parts, operational safety is advantageously increased compared to mechanical systems.
  • the membrane is covered by the
  • Pressure sensor is not additionally loaded, since it is not in direct contact with the membrane, but only comes into contact with the hydraulic medium.
  • the invention is thus based on the electronic evaluation of the pressure profile over time in the displacement space of a hydraulically articulated diaphragm pump. It is also advantageous if this pressure profile is optionally assigned to the displacer position.
  • the correct filling of the displacement space is ensured by an algorithm running on a computer unit and by a refill unit operated via an active connection. Leakages that occur or a lack of hydraulic medium in the displacement chamber are recognized and supplemented again.
  • a support plate for the membrane is arranged in the displacement space, an additional, more pronounced vacuum pulse is generated in the displacement space as soon as the membrane contacts the support plate during the suction stroke.
  • This vacuum pulse can be evaluated even more precisely by the evaluation unit and a signal for refilling can be generated therefrom, which advantageously increases the operational reliability of the pump.
  • two criteria can then be checked simultaneously by the evaluation unit, for example. H. the membrane reaches its rear system and the pressure in the hydraulic chamber is slightly below the ambient pressure in the reservoir.
  • Refilling can be realized particularly advantageously if the refill unit is designed as a valve, preferably as an electrically operated valve which is arranged in the refill line
  • Displacement chamber and the reservoir for the hydraulic medium can produce.
  • diaphragm pumps in operation can also be easily retrofitted, so that the advantages of the electronic ones Activation of the refill valve can also be used with older pumps.
  • the evaluation unit is designed to generate a ventilation signal, which actuates a ventilation unit, at a point in time during a working cycle of the displacer in which the pressure in the displacer space is greater than the ambient pressure in the reservoir for the hydraulic fluid, if necessary, Air originally dissolved in the hydraulic medium is discharged from the displacement space.
  • the displacement chamber is vented and refilled at different times, it is advantageous to dispense with separate valves. Both functions can be performed by the same valve if the vent valve and the refill valve are designed as one unit. Alternatively, the air originally released in the hydraulic medium can be discharged from the displacement chamber both through the refill valve itself and through a further, for example electromagnetically controlled, identical vent valve.
  • the refill and the vent valve can be constructed identically. The venting and refilling processes are carried out as required and not necessarily with every work cycle.
  • Another possibility, without the use of a position sensor, is to arrange a pressure sensor in the delivery chamber of the diaphragm pump with a signal connection to the evaluation unit in addition to the pressure sensor in the displacement space.
  • the two sensor signals can be linked in the evaluation unit, for example by forming a difference, and the refill or vent signals can be generated. This also ensures safe switching of the refill and vent valve even under all operating conditions.
  • the pressure sensors can alternatively be used as sensors for detecting the expansion of the housing components
  • the displacement position is advantageously determined by providing a position sensor for signaling the displacement position and providing a signal connection from the position sensor to the evaluation unit. This additional information about the position of the piston and the combination of the piston position with the pressure signal enables additional interlocks that reliably prevent the venting or ventilation valves from switching at the wrong time.
  • the pressure signal in the displacement space is detected by a sensor and fed to an evaluation unit, which, according to a specific algorithm, replenishes the displacement space with hydraulic medium as required and, if necessary, venting the displacement space from gas portions that were originally released in the hydraulic medium.
  • a derivative based on time or on the way can be processed as a signal.
  • the pressure in the displacement space is advantageously detected by a sensor and fed to an evaluation unit, which uses it to vent the displacement space according to a specific algorithm.
  • the reliability of the method is further increased by the measure that the position of the displacer is detected, for example by an angle sensor on the drive shaft, and is fed to the evaluation unit and the signal is linked to the pressure in the displacement space by the evaluation unit.
  • the pressure in the delivery chamber and the pressure can also be detected in order to effect the refilling and / or venting of the displacement chamber
  • Evaluation unit are supplied and linked to the pressure in the displacement space by the evaluation unit.
  • Figure 1 Sketch of a hydraulically articulated
  • Figure 2 Diagram of the pressure curve in the delivery chamber of a hydraulically articulated diaphragm pump without refilling
  • Figure 3 Diagram of the pressure curve in the displacement space of a hydraulically articulated diaphragm pump
  • FIG. 1 the structure of a hydraulically articulated diaphragm pump head is shown with an electronic control according to the invention.
  • a pressure curve according to FIG. 2 typically occurs in the delivery chamber 1 of this diaphragm pump head 12 as a function of time.
  • the oscillating movement of the displacer 3 is transmitted to the membrane 4 by the hydraulic medium contained in the displacer 2 and under alternating pressure. If intentional or unforeseen leakage occurs in displacement space 2, there is a lack of hydraulic fluid.
  • the membrane 4 reaches the rear system which can be flowed through and which is preferably designed as a perforated plate 5, before the displacer 3 has reached its rear dead position. The movement of the membrane 4 and the displacer 3 are thus decoupled.
  • the pressure in the displacement chamber 2 drops below the level in the delivery chamber 1 up to the vapor pressure of the hydraulic fluid.
  • FIG. 3 shows the temporal pressure curve that can be detected with the pressure sensor 6.
  • the lowering of the pressure at the end of the suction stroke can be seen, which occurs when the membrane 4 abuts the perforated plate 5.
  • the refilling process can now take place through the refill valve 9, since there is a pressure drop from the hydraulic fluid under ambient air pressure in the reservoir 11 to the displacement space 2.
  • the pressure drop in the hydraulic chamber 2 at the end of the suction stroke is identified by evaluating the signal from the pressure sensor 6 and, if necessary, additionally by linking it to the signal from the position sensor 7 in the evaluation unit 8.
  • the evaluation unit is designed as a freely programmable computer unit.
  • the position sensor 7 indicates the current position of the displacer 3.
  • the combination of the signals from the position sensor 7 and the pressure sensor 6 prevents, for example, disturbing pressure drops in the displacement space 2 as a result of liquid vibrations or throttling as a result of cross-sectional constrictions in the suction line leading to the effect of the refilling process.
  • the algorithm running on the evaluation unit 8 therefore makes a sensible decision about blocking and releasing the refilling process by the refill valve 9.
  • the algorithm on the computer unit 8 can release the vent valve 10 at a different time than the refill valve 9 as soon as there is a pressure drop from the displacement chamber 2 to the reservoir 11. In this way, excess hydraulic medium can be expelled from the displacement chamber 2, for example as a result of a change in the stroke of the pump engine and / or gases which have been released and originally dissolved in the hydraulic medium. Due to the temporal separation of the refill and the 11
  • the piston is in its membrane-side end position.
  • the pressure valve 16 closes.
  • the piston relaxes the delivery medium enclosed between the closed pressure valve 16 and the suction valve 15, including the hydraulic medium contained in the displacement chamber, until the media reach the mean pressure in the suction line p sm at the time t 1 and the suction valve 15 opens .
  • the piston continues to move and now sucks in the medium from the delivery line until the time t 2, the membrane 4 abuts the perforated plate 5 and the pressure in the displacement chamber 2 drops below the average pressure of the suction line p sm .
  • the refill valve 9 opens briefly.
  • the piston thus exceeds its reversing position and allows the intake valve 15 to close at time t.
  • the medium enclosed in the delivery chamber is then compressed down to the mean pressure and the pressure line Pm.
  • the pressure valve opens at time t 5 .
  • the delivery volume is expelled from the delivery chamber 1 through the pressure valve 16 until the piston reaches its other reverse position and the pressure valve is closed at time t 6 .
  • a new work cycle begins.
  • the diagram is an idealized representation. Deviations are common in practice. For example, the diagram may change due to impacts in the suction and pressure lines as well as ventilation processes.
  • Seals are checked. Depending on the leakage behavior, maintenance can be carried out if necessary. Finally, the assembly of the pump is also more convenient since there is no need to adjust the mechanical refill device. The necessary setting processes can be carried out directly on the evaluation unit during operation.
  • the evaluation device therefore advantageously has a non-volatile data memory, which stores the corresponding data for a number of strokes in the event of an interruption in operation for later diagnosis and then makes it readable.
  • evaluation unit 8 is additionally equipped with an interface to a communication network, it is possible to check the operation of the pump remotely and, if necessary, to determine errors.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Lage einer den Förder und Verdrängerraum trennende Membran (4). Als Ersatz der mechanischen Steuerung des Nachfüllvorganges ist im Verdrängerraum ein Drucksensor (6) angeordnet, der mit einer Auswerteeinheit (8) verbunden ist, die zur Erzeugung eines Nachfüllsignals ausgebildet ist, das mittels einer Wirkverbindung (17) ein Nachfüllventil (9) betätigend geschaltet ist. Mit Vorteil ist ein weiterer Sensor zum Erfassen des Kolbenweges vorgesehen (7), dessen Signal mit dem Signal des Drucksensors verknüpft wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Lage einer Membran.

Description

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

Claims

14Patentansprüche
1. Membranpumpe mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Lage einer einen Förder- und einen Verdrängerraum trennenden Membran und mit einem Vorratsbehälter für das Hydraulikmedium, der über eine Nachfülleinheit mit dem Verdrängerraum in Verbindung steht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Verdrängerraum (2) ein Drucksensor (6) angeordnet ist, der mit einer Auswerteeinheit (8) verbunden ist, die zur
Erzeugung eines Nachfüllsignals ausgebildet ist, das mittels einer Wirkverbindung (17) die Nachfülleinheit betätigend geschaltet ist.
2. Membranpumpe nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im
Verdrängerraum (2) eine Stützplatte (5) für die Membran (4) angeordnet ist.
3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Nachfülleinheit als Ventil (9) ausgebildet ist, vorzugsweise als elektrisch betätigtes Ventil, das in der Nachfüllleitung angeordnet ist.
4. Membranpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auswerteeinheit (8) ein Entlüftungssignal erzeugend ausgebildet ist, das ein Entlüftungsventil betätigend geschaltet ist. 15
5. Membranpumpe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Entlüftungsventil (10) und das Nachfüllventil (9) als Baueinheit ausgebildet sind.
6. Membranpumpe nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein zweiter Drucksensor (22) im Förderraum (1) angeordnet ist, der eine Signalverbindung (18) zur Auswerteeinheit (8) aufweist.
7. Membranpumpe nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Drucksensor (21) als Dehnungssensor ausgebildet ist, der die Dehnung des Gehäuses erfaßt.
8. Membranpumpe nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Lagesensor (7) zur Signalisierung der Verdrängerlage (3) vorgesehen ist und eine Signalverbindung (18) vom Lagesensor (7) zur Auswerteeinheit (8) vorgesehen ist.
9. Verfahren zur Steuerung der Lage einer Membran, die den Förder- und den Verdrängerraum einer
Membranpumpe trennt und von einem oszillierenden Verdränger über ein Hydraulikmedium angetrieben ist, wobei der Verdrängerraum über eine Leitung mit Hydraulikmedium bei Bedarf nachgefüllt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Druck im Verdrängerraum von einem Sensor erfaßt und einer Auswerteeinheit zugeleitet wird, die daraus nach einem 16
bestimmten Algorithmus das Nachfüllen des Verdrängerraumes mit Hydraulikmedium bewirkt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Druck im Verdrängerraum von einem Sensor erfaßt und einer Auswerteeinheit zugeleitet wird, die daraus nach einem bestimmten Algorithmus das Entlüften des Verdrängerraumes bewirkt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Bewirkung des Nachfüllens und/oder Entlüftens des Verdrängerraumes die Lage des Verdrängers erfaßt und der Auswerteeinheit zugeleitet wird und mit dem Druck im Verdrängerraum von der Auswerteeinheit verknüpft wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Bewirkung des Nachfüllens und/oder Entlüftens des Verdrängerraumes der Druck im Förderraum erfaßt und der Auswerteeinheit zugeleitet wird und mit dem Druck im Verdrängerraum von der Auswerteeinheit verknüpft wird.
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