WO2011117199A1 - Verfahren zum steuern und/oder regeln einer dosierpumpe - Google Patents

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Thomas Freudenberger
Yves Drexlmeier
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Prominent Dosiertechnik Gmbh
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    • F04B49/06—Control using electricity
    • F04B49/065—Control using electricity and making use of computers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S417/00—Pumps

Definitions

  • a metering pump generally has a drive motor with a shaft driven by the motor and a displacement element arranged in a metering head.
  • the rotational movement of the shaft is converted into an oscillating movement of the displacement member, so that the displacement member in cooperation with an outlet and inlet valve in an alternating sequence to a pumping stroke (pressure stroke) and a suction stroke (suction stroke) and thus leads to a promotion of a metering.
  • metering pumps operate on the volumetric principle, d. h.,
  • the dosing process is performed by displacing a sealed chamber volume by means of a displacement member.
  • the dosing volume per stroke is determined by the product of the stroke and the effective area of the displacer.
  • the generally continuous rotational movement of a drive motor is converted by a gear unit into an oscillating movement of the displacement element.
  • the drive of the displacement element can be forcibly guided or even on one side only in a form-fitting manner during pressure stroke. In the latter case, measures must be provided which move the displacer back again. This can be done for example by a corresponding return spring.
  • the usual dosing pumps are usually powerful and have sufficient dosing properties for most applications.
  • the drive motor for a continuous metering is switched on continuously or for carrying out individual metering strokes for a certain time.
  • the engine speed is determined by the electrical frequency of the mains voltage or the motor drive and therefore determines, together with the corresponding gear reduction and the transmission characteristic, which is sinusoidal, for example, in an eccentric gear, the duration of each stroke.
  • the duration per stroke is calculated from the effective engine speed in the load condition and the gear ratio. If the drive motor is switched on or off to perform single strokes or partial strokes, Considering start-up and braking times are considered, which extend the time per stroke accordingly.
  • the stroke length can be adjusted for example by adjusting the eccentricity of an eccentric or by using an adjustable stop, the stop, for example, limit the movement of the displacement member in the suction stroke before reaching the rear dead center of the eccentric.
  • the stop for example, limit the movement of the displacement member in the suction stroke before reaching the rear dead center of the eccentric.
  • the sequence of movement of the displacement element results from the interaction of the mechanical components, such. B. the transmission.
  • the drive operates against the force acting on the push rod by the displacer (and the optional return spring).
  • diaphragm metering pumps which use an at least partially flexible membrane as the displacement member.
  • This membrane may deform during the pressure and suction strokes. The amount of this deformation, which is built up in a first, unused for the dosage portion of the lifting movement is lost to the effectively executed lifting movement and causes the Dosiermenge decreases with increasing working pressure.
  • the pump can be reliably used only in a certain working pressure range. If the working pressure changes, it must be recalibrated. If the calibration is omitted, eg. B. because the working pressure fluctuation is not noticed, the result is a Dosierhou.
  • EP 1 754 891 For better adjustment of the dosing and to increase the dosing accuracy has already been proposed in EP 1 754 891 to connect the displacement member with a reference element, whose position is scanned by a position sensor, wherein the position sensor outputs an actual signal which corresponds to the position of the Reference element and thus of the displacement member is in a fixed relationship and with the help of which knowledge about the movement sequence of the displacement element is obtained, so that the electronic control of the metering pump can react to operating states of the dosing circuit and the pump.
  • this object is achieved by a method for controlling and / or regulating a metering pump with a drive motor with a shaft driven by the motor and arranged in a metering displacement body, in which the rotational movement of the shaft is converted into an oscillating movement of the displacement member, wherein the Verdrän - Regarding organ in cooperation with an outlet and inlet valve in an alternating sequence to a pumping stroke (pressure stroke) and a suction stroke (suction stroke) and thus leads to a promotion of a dosing, solved in the at least one motor operating variable, preferably a motor voltage U or a motor current I.
  • At least one controlled variable is calculated from the at least one measured engine operating variable and optionally further known engine characteristics, the at least one controlled variable is compared with a predetermined reference variable and a comparison dependent on the result of the comparison output signal is output, which can be used as a status, control and / or control signal.
  • a control variable the actual torque MIST and possibly the actual magnetic flux 0
  • a comparison signal can be output. This can be used for example as a status signal, ie, the signal indicates whether a certain condition is met or not.
  • the status signal can then z. B. serve as a warning or as a trigger for certain measures.
  • the comparison signal as a drive signal, i. with this signal a size, e.g. to control an engine operating variable.
  • the signal can also be used as a control signal.
  • motor operating variables such as As the motor voltage and the motor current, necessary, but more characteristic of the engine or the transmission characteristics such.
  • the actual engine speed preferably several times, particularly preferably at least five times during one engine revolution, measured or from the engine operating variables, preferably from the actual torque MIST and the actual magnetic flux ⁇
  • the actual engine speed is measured using a rotary encoder. But it is also possible to calculate the actual engine speed completely contactless from the engine operating variables. Depending on the transmission configuration, the engine load varies depending on the current eccentric position.
  • the engine must therefore be designed with its performance such that it can apply the desired speed even at the most unfavorable eccentric position. If the power of the motor is designed too small, this will mean that the desired speed is not reached in some eccentric positions, ie the stroke duration is extended.
  • the specified measure makes it possible to make better use of the power of the engine since the speed in the region of maximum eccentric deflection, in which the power transmission is the least favorable, is slightly reduced, while the resulting increase in the stroke time is compensated for by reducing the speed in one Range is increased with favorable power transmission.
  • the actual motor magnetization preferably several times, more preferably at least five times during one motor revolution, is calculated from the actual torque MIST and possibly further known engine characteristics as a controlled variable and a predetermined desired motor magnetization is selected as the reference variable and the difference between the controlled variable and the guide variable is output as a comparison signal and the comparison signal is used as a control signal to match motor current I and / or motor voltage U to equalize the actual motor magnetization to the desired motor magnetization.
  • the desired motor magnetization is preferably a periodic function with a period corresponding to the period of the displacement member.
  • a pressure element which presses the contact surface in the direction of the eccentric so that when rotating the shaft, the pressure element, the contact surface at least partially held in contact with the eccentric and a suction stroke can be performed.
  • the pressure element may for example be a spring.
  • the actual torque MIST and possibly the actual magnetic flux OIST of the motor is calculated as the controlled variable, and the actual torque MIST and, if appropriate, the actual magnetic flux OIST become substantially constant over at least one period continuously determined and the thus calculated time-dependent actual torque MIST and possibly the time-dependent magnetic actual flux OIST of the engine compared with at least one predetermined pattern function as a reference variable.
  • the comparison signal represents the degree of similarity between the controlled variable and the command variable and when the degree of similarity is a predetermined one Value exceeds, the comparison signal is used as a status signal. For example, in response to the status signal, an overload protection function, e.g. B. in the form of overpressure shutdown, are called.
  • a dosing pump shows signs of wear over time. This can be, for example, bearing damage, worn gears or a damaged eccentric. Such signs of wear ensure that the force to be applied by the motor changes. According to the invention, it is therefore provided to assign characteristic wear patterns or a pattern function to certain signs of wear. For example, if a tooth missing a tooth, so the missing tooth will be reflected in a periodic disturbance of the force curve. Calculating now the actual torque substantially continuously and compares the thus calculated signal with the pattern functions, for example by forming a corresponding cross-correlation function, it can be seen very early that the dosing pump shows signs of wear and possibly determined solely due to the force curve, which component Shows signs of wear and this can then be exchanged targeted.
  • the compression curve i. the increase in force
  • the compression curve indicates ventilation of the dosing, for example, a corresponding message are created or it can be initiated countermeasures automatically, such.
  • the motor has a displacement member with an at least partially elastic membrane, wherein the metered amount of the actual torque M
  • the metering pump can be used over a wide range of different working pressures, without causing a significant metering error. If there is an unexpected change in working pressure, the invention allows Method according to the present invention via the calculation of the actual torque, a reliable detection and a correction of the dosing error due to the deflection of the diaphragm of the displacement member. Furthermore, it is provided in a preferred embodiment that the controlled variable is an actual stroke length of the displacement element from the actual torque M
  • the comparison signal can either be used as a status signal to optionally stop the pump or used as a control signal to adjust the motor current I and / or motor voltage U to match the actual stroke length to the desired stroke length.
  • the stroke length can be adapted to the current operation, if this is necessary for the application.
  • the present invention also relates to a metering pump with a control and / or regulating device for carrying out the method described.
  • the metering pump can also be used in Pendelhub compassion, ie that after at most one pump and one intake stroke, the motor rotation direction is inverted.
  • FIG. 1 shows a perspective longitudinal sectional view through a metering pump
  • FIG. 2 is a schematic view of the motor pump
  • FIG. 3 a shows a schematic representation of the torque of the motor and of the displacement movement during one revolution for a full stroke
  • FIG. 3b shows a schematic representation of the torque of the motor and of the displacement movement during one revolution for a partial stroke
  • FIG. 4 a shows a schematic representation of the torque of the motor and of the displacement movement during one revolution for a full stroke with incomplete suction stroke
  • FIG. 4b a schematic representation of the torque of the motor and of the displacement movement during one revolution for a partial stroke with incomplete suction stroke
  • Figure 5 is a schematic representation of the speed and the torque over time for known engines (solid line) and for a according to a preferred embodiment controlled motor (dashed line).
  • FIG. 1 shows the construction of a metering pump.
  • the metering pump consists essentially of three components, namely the drive motor 2 with gear unit, the eccentric drive in the eccentric housing 1 and the electronics housing 29 with the electronic control contained therein and the electronic assemblies and components used therein.
  • the electronics housing 29 has on the bottom of a bottom plate 4 with mounting holes, the eccentric housing 1, which is mounted on the electronics housing 29 and fixedly connected to this carries the drive motor 2 with gear unit, which is connected for example via screws with the eccentric housing.
  • the components of the eccentric drive are mounted in the upper part.
  • the components of the eccentric drive are mounted in an eccentric carrier 22, which ensures the positional alignment of the individual parts to one another and is fastened in the eccentric housing 1.
  • a three-phase asynchronous motor 2 is flanged together with a reduction gear 1 1, which is designed as an angle gear, as a unit from the outside of the eccentric housing 1 and connected with screws.
  • the output shaft of the geared motor forms a right angle to the shaft axis of the motor and either directly forms the drive shaft of the eccentric drive or, as in the exemplary embodiment shown, is connected coaxially thereto via a coupling.
  • the drive shaft of the eccentric drive, the eccentric shaft 17 is rotatably mounted in the eccentric carrier 22 and carries as an integral part with her an eccentric.
  • the eccentric shaft penetrates a corresponding cut-out push bar 20 with the eccentric.
  • the eccentric shaft 17 is rotated by the motor / gear unit via the shaft coupling when the motor 2 is actuated, and further drives the push bar 20 in an inner surface of its cutout, namely the contact surface. with the outer surface of the eccentric.
  • the push bar 20 drives a push rod 1 9 firmly connected to it, in the example injected.
  • the unit of push bar 20 and push rod 19 is mounted longitudinally displaceable in two slide bushes.
  • the axis of the eccentric shaft 17 and the longitudinal axis 18 of the push bar 20 and the push rod 19 are each in the horizontal plane and form a right angle to each other.
  • One of the two sliding bushes 26 for the push rod 19 is seated in a locating disk 24, which is fastened to the eccentric carrier 22 on the printhead side.
  • the housing further contains in its lower part in a closed space, the electronics housing 29, the electronic control.
  • a dosing head 12 is arranged coaxially to the longitudinal axis 18 of the push rod, in which a z. B. made of plastic membrane 13 operates, which is firmly clamped at its periphery.
  • the dosing head 12 also carries an inlet valve 14 and an outlet valve 15 in order to press the dosing medium sucked in between the diaphragm 13 and dosing head 12 in the dosing chamber 16 via the inlet valve 14 via the outlet valve 15 into the dosing line.
  • the metering pump works on the volumetric principle, i. a given volume should be sucked in each stroke on the one hand and on the other hand discharged via the exhaust valve 15.
  • the diaphragm 13 is set in an oscillating motion by means of the eccentric drive which reciprocates the push rod 19 in the longitudinal axis.
  • a compression spring 23 Between the push bar 20 and a collar of the bearing plate 24 is a compression spring 23, z. B. a spiral spring, arranged, which engages the push bar 20 at any time form-fitting manner on the eccentric.
  • the push bar In the leading phase of the eccentric movement, ie the movement of the push rod towards the dosing head, the push bar is moved with the push rod to the compression spring, at the same time the membrane 13 is pressed into the dosing chamber 16, with the result that in the dosing an overpressure arises Outlet valve 15 opens and the dosing medium is pressed into the dosing.
  • the push bar 20 by the compressed compression spring 23, the z. B. may be formed as a spiral spring, the eccentric movement moves in the opposite direction to the Hubverstellbolzen 8, which has the consequence that the diaphragm 13 connected to the push rod 19 entrains the membrane in their movement, whereby in the dosing 16, a negative pressure is created the inlet valve 14 opens, so that once more dosing can be sucked into the dosing.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the metering pump.
  • the motor current I and the motor voltage U and known motor characteristics, i. the known gear arrangement calculates the force exerted on the displacement member force.
  • FIG. 3a schematically shows the time profile of the torque (top) and the movement of the displacer element (bottom) over a stroke period.
  • the movement of the displacement element is essentially sinusoidal.
  • the displacer moves from the minimum deflection SMin to the maximum deflection S Ma.
  • the displacer is moved from the maximum deflection S Ma x back to the minimum deflection S M m.
  • the entire stroke period H is composed of the pressure stroke h D and the suction stroke h s . Looking at the torque shown in Figure 3a above, it can be seen that the torque moves between a base moment Mo and a peak moment Mi.
  • the course of the torque during the pressure stroke h D is here also essentially sinusoidal and depends on the transmission characteristics. At the beginning and at the end of the printing head h D , the force to be applied is very low due to the gear ratio. In between, it rises to the maximum value Mi.
  • the actual stroke length can be adapted to the set stroke length in a preferred embodiment by changing the motor current and / or the motor voltage. But even if such an adaptation to the desired stroke length is not desired or not possible, the actual stroke length can be determined by the procedure according to the invention, from this the dosing volume can be calculated and this can be calculated with the setpoint length. Dosage volume to be compared. If necessary, then the speed of the motor must be increased to compensate for the reduced metering volume per stroke.
  • a blockage detection is possible. While in the known embodiments, a position sensor had to detect the position of the displacement element, from which then a possibly present blockage could be derived, is provided in the embodiment according to the invention that the pump is turned off when the torque applied by the motor exceeds a predetermined limit. The blockage shutdown according to the invention may therefore possibly prevent damage to the engine.
  • the blockage detection can also be such that a blockade is exceeded if the predetermined limit value is exceeded at a specific time or over a period which is longer than a predetermined period of time. Furthermore, it is possible to derive the predetermined limit from the eccentric position, i. to design the predetermined limit temporally variable.
  • the inventive method further allows a slip detection within the stroke and, where appropriate, the immediate compensation also within a stroke period. While usually the speed is determined by a measurement of the stroke and, if appropriate, the speed is adapted for the total stroke, in the preferred embodiment form provided that the torque is adjusted with increasing slip within a pressure and suction stroke.
  • FIG. 5 shows the rotational speed over time for known motors (continuous line) and for a motor controlled by the method according to the invention (dashed line). While the speed drops periodically due to the increased load in the known engines within a period, the speed remains constant in the inventive control. To achieve this, the engine torque must be varied at the appropriate time within a stroke.
  • the length of the pressure stroke is reduced and also set the length of the stroke period to its ideal value, while would extend by reducing the speed of the length of the pressure stroke and the stroke period.
  • the method of the invention also allows hydraulic pressure, i. the working pressure to derive from the torque.
  • hydraulic pressure i. the working pressure to derive from the torque.
  • the displacement diaphragm deflects, so that the dosing volume depends on the working pressure.
  • the metering error can be corrected as a function of the determined working pressure.
  • a further advantage of the method according to the invention is that in principle any desired movement curve of the displacement element can be adjusted. For example, metering and aspiration can be done at a constant, reduced rate by compensating for the speed variation due to the eccentric deflection angle, thereby providing uniform metering and reducing the necessary peak power of the engine.
  • an electronic priming aid when first filling the suction line and the dosing (commissioning) can be realized when, for example, the engine is operated in the pendulum stroke and the full stroke length is performed when sucking.
  • cavitation may occur which results in incomplete suction and increased material wear, e.g. B. leads in the valves.
  • the cavitation can be detected in the suction stroke and it can immediately countermeasures such. B. throttling the intake speed can be taken.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe mit einem Antriebsmotor mit einer vom Motor angetriebenen Welle und einem in einem Dosierkopf angeordneten Verdrängungsorgan, bei der die Drehbewegung der Welle in eine oszillierende Bewegung des Verdrängungsorgans umgesetzt wird, wobei das Verdrängungsorgan in Zusammenwirken mit einem Auslass- und Einlassventil in abwechselnder Folge zu einem Pumphub (Druckhub) und einem Ansaughub und damit zu einer Förderung eines Dosiermediums führt. Um ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe anzugeben, das prinzipiell ohne Positionssensor an der Schubstange auskommt und das Dosierverhalten der Pumpe mit hoher Präzision festlegen kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass wenigstens eine Motorbetriebsgröße, vorzugsweise eine Motorspannung U oder ein Motorstrom I, gemessen werden, zumindest eine Regelgröße aus den gemessenen Motorbetriebsgrößen und gegebenenfalls weiteren bekannten Motorcharakteristiken berechnet wird, die zumindest eine Regelgröße mit einer vorbestimmten Führungsgröße verglichen wird und ein von dem Ergebnis des Vergleichs abhängendes Vergleichssignal ausgegeben wird, welches als Status-, Ansteuer- und/oder Regelsignal verwendet werden kann.

Description

Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe. Eine Dosierpumpe weist im allgemeinen einen Antriebsmotor mit einer vom Motor angetriebenen Welle und ein in einem Dosierkopf angeordnetes Verdrängungsorgan auf. Dabei wird die Drehbewegung der Welle in eine oszillierende Bewegung des Verdrängungsorgans umgesetzt, so dass das Verdrängungsorgan in Zusammenwirken mit einem Auslass- und Einlaßventil in abwechselnder Folge zu einem Pumphub (Druckhub) und einem Ansaughub (Saughub) und damit zu einer Förderung eines Dosiermediums führt.
Diese Dosierpumpen arbeiten nach dem volumetrischen Prinzip, d. h., der Dosiervorgang wird durch Verdrängen eines abgeschlossenen Kammervolumens mit Hilfe eines Verdrängungsorgans durchgeführt. Das Dosiervolumen pro Hub wird durch das Produkt aus dem Hub und der wirksamen Fläche des Verdrängungsorgans bestimmt.
Bei einer solchen Dosierpumpe wird die im Allgemeinen kontinuierliche Drehbewegung eines Antriebsmotors durch eine Getriebeeinheit in eine oszillierende Bewegung des Verdrängungsorgans umgewandelt. Der Antrieb des Verdrängungsorgans kann zwangsgeführt oder auch einseitig formschlüssig nur bei Druckhub erfolgen. Im letzteren Fall müssen Maßnahmen vorgesehen sein, die das Verdrängungsorgan wieder zurückbewegen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Rückholfeder erfolgen.
Die üblichen Dosierpumpen sind in der Regel leistungsfähig und weisen für die meisten Anwendungen ausreichende Dosiereigenschaften auf.
Im einfachsten Fall wird der Antriebsmotor für eine fortlaufende Dosierung kontinuierlich oder zum Ausführen einzelner Dosierhübe für eine bestimmte Zeit eingeschaltet. Die Motordrehzahl wird durch die elektrische Frequenz der Netzspannung oder der Motoransteuerung vorgegeben und bestimmt daher zusammen mit der entsprechenden Getriebeuntersetzung und der Getriebecharakteristik, die beispielsweise bei einem Exzentergetriebe sinusförmig ist, die Zeitdauer eines jeden Hubs. Bei einem kontinuierlichen Betrieb errechnet sich die Zeitdauer pro Hub aus der ef- fektiven Motordrehzahl im Belastungszustand und der Getriebeuntersetzung. Wird der Antriebsmotor ein- oder ausgeschaltet, um Einzelhübe oder Teilhübe durchzuführen, müssen entspre- chende Anlauf- und Bremszeiten berücksichtigt werden, die die Zeitdauer pro Hub entsprechend verlängern. Die Hublänge kann beispielsweise durch Verstellen der Exzentrizität eines Exzentergetriebes oder durch Verwenden eines verstellbaren Anschlages, eingestellt werden, der Anschlag kann beispielsweise die Bewegung des Verdrängungsorgans im Saughub vor Erreichen des hinteren Totpunktes das Exzentergetriebes begrenzen. Dadurch wird der Startpunkt der Hubbewegung vorgegeben, während sich der Endpunkt aus der vollständig ausgeführten Auslenkbewegung des Verdrängungsorgans ergibt.
Der Bewegungsablauf des Verdrängungsorgans ergibt sich aus dem Zusammenspiel der me- chanischen Komponenten, wie z. B. dem Getriebe. Während der Vorwärtsbewegung (Druckhub) arbeitet der Antrieb gegen die durch das Verdrängungsorgan (und die gegebenenfalls vorhandene Rückholfeder) auf die Schubstange wirkende Kraft.
Es gibt Ausführungsformen, sogenannte Membrandosierpumpen, die als Verdrängungsorgan eine zumindest teilweise flexible Membran verwenden. Diese Membran kann sich während des Druck- und Saughubs verformen. Der Betrag dieser Verformung, die in einem ersten, für die Dosierung ungenutzten Teil der Hubbewegung aufgebaut wird, geht der effektiv ausgeführten Hubbewegung verloren und führt dazu, dass die Dosiermenge bei zunehmendem Arbeitsdruck abnimmt. Bei diesen Pumpen ist es daher notwendig, eine entsprechende Kalibriermessung durchzuführen. Nach erfolgter Kalibrierung kann die Pumpe jedoch nur in einem bestimmten Arbeitsdruckbereich zuverlässig verwendet werden. Sollte sich der Arbeitsdruck ändern, so muss neu kalibriert werden. Unterbleibt die Kalibrierung, z. B. weil die Arbeitsdruckschwankung nicht bemerkt wird, so ergibt sich ein Dosierfehler.
Zur besseren Einstellung des Dosiervorgangs und zur Erhöhung der Dosiergenauigkeit ist in der EP 1 754 891 bereits vorgeschlagen worden, das Verdrängungsorgan mit einem Bezugselement zu verbinden, dessen Position von einem Positionssensor abgetastet wird, wobei der Positionssensor ein Ist-Signal abgibt, welches zur Position des Bezugselementes und damit des Verdrängungsorgans in einer festen Beziehung steht und mit dessen Hilfe Kenntnis über den Bewegungsablauf des Verdrängungsorgans gewonnen wird, so dass die elektronische Steuerung der Dosierpumpe auf Betriebszustände des Dosierkreises und der Pumpe reagieren kann.
Vor dem Hintergrund des beschriebenen Standes der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe anzugeben, das prinzipiell ohne Positionssensor an der Schubstange auskommt und das Dosierverhalten der Pumpe mit hoher Präzision festlegen kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe mit einem Antriebsmotor mit einer vom Motor angetriebenen Welle und einem in einem Dosierkopf angeordneten Verdrängungsorgan, bei der die Drehbewegung der Welle in eine oszillierende Bewegung des Verdrängungsorgans umgesetzt wird, wobei das Verdrän- gungsorgan in Zusammenwirken mit einem Auslass- und Einlaßventil in abwechselnder Folge zu einem Pumphub (Druckhub) und einem Ansaughub (Saughub) und damit zu einer Förderung eines Dosiermediums führt, gelöst, bei dem wenigstens eine Motorbetriebsgröße, vorzugsweise eine Motorspannung U oder ein Motorstrom I, gemessen werden, zumindest eine Regelgröße aus der zumindest einen gemessenen Motorbetriebsgröße und gegebenenfalls weiteren bekann- ten Motorcharakteristiken berechnet wird, die zumindest eine Regelgröße mit einer vorbestimmten Führungsgröße verglichen wird und ein von dem Ergebnis des Vergleichs abhängendes Vergleichssignal ausgegeben wird, welches als Status-, Ansteuer- und/oder Regelsignal verwendet werden kann. Es ist beispielsweise möglich, als Regelgröße das Ist-Drehmoment MIST und gegebenenfalls den magnetischen Ist-Fluss 0|ST des Motors, vorzugsweise eines Asynchronmotors, zu berechnen und mit einer vorbestimmten Soll-Führungsgröße, d. h. dem Soll-Drehmoment und dem Soll- Fluss des Motors zu vergleichen. In Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleiches kann ein Vergleichssignal ausgegeben werden. Dieses kann beispielsweise als Statussignal verwendet werden, d. h., das Signal zeigt an, ob eine bestimmte Bedingung erfüllt ist oder nicht. Das Statussignal kann dann z. B. als Warnsignal oder als Auslöser für bestimmte Maßnahmen dienen.
Des weiteren ist es möglich, das Vergleichssignal als Ansteuersignal zu verwenden, d.h. mit diesem Signal eine Größe, z.B. eine Motorbetriebsgröße zu steuern. Alternativ dazu kann das Signal auch als Regelsignal verwendet werden.
Je nach Regelgröße sind zur Berechnung nicht nur Motorbetriebsgrößen, wie z. B. die Motorspannung und der Motorstrom, notwendig, sondern weitere für den Motor bzw. das Getriebe charakteristische Eigenschaften, wie z. B. das Übersetzungs- oder Untersetzungsverhältnis.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Regelgröße die Ist- Motordrehzahl, vorzugsweise mehrmals, besonders bevorzugt mindestens fünfmal während einer Motorumdrehung, gemessen oder aus den Motorbetriebsgrößen, vorzugsweise aus dem Ist- Drehmoment MIST und dem magnetischen Ist-Fluss Φ|δτ des Motors, berechnet wird und die Dif- ferenz zwischen der Ist-Motordrehzahl und einer vorbestimmten Soll-Motordrehzahl als Vergleichssignal ausgegeben wird und das Vergleichssignal als Regelsignal zur Anpassung von Motorstrom I und/oder Motorspannung U verwendet wird, um die Ist-Motordrehzahl an die Soll- Motordrehzahl anzugleichen. Im einfachsten Fall erfolgt die Messung der Ist-Motordrehzahl mit Hilfe eines Drehwinkelgebers. Es ist aber auch möglich, die Ist-Motordrehzahl völlig berührungslos aus den Motorbetriebsgrößen zu berechnen. Abhängig von der Getriebekonfiguration variiert die Motorlast in Abhängigkeit von der aktuellen Exzenterstellung. Der Motor muss daher mit seiner Leistung derart ausgelegt sein, dass er die gewünschte Drehzahl auch bei der ungünstigsten Exzenterstellung aufbringen kann. Ist die Leistung des Motors zu gering ausgelegt, so führt dies dazu, dass die gewünschte Drehzahl in manchen Exzenterstellungen nicht erreicht wird, d. h. die Hubdauer verlängert wird. Durch die ange- gebene Maßnahme kann die Leistung des Motors besser ausgenutzt werden, da die Drehzahl im Bereich maximaler Exzenterauslenkung, in dem die Kraftübertragung am ungünstigsten ist, leicht verringert wird, während die daraus resultierende Verlängerung der Hubdauer kompensiert wird, indem die Drehzahl in einem Bereich mit günstiger Kraftübertragung erhöht wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Regelgröße die Ist- Motormagnetisierung, vorzugsweise mehrmals, besonders bevorzugt mindestens fünfmal während einer Motorumdrehung, aus dem Ist-Drehmoment MIST und gegebenenfalls weiteren bekannten Motorcharakteristiken berechnet wird und als Führungsgröße eine vorbestimmte Soll- Motormagnetisierung gewählt wird und die Differenz zwischen der Regelgröße und der Füh- rungsgroße als Vergleichssignal ausgegeben wird und das Vergleichssignal als Regelsignal zur Anpassung von Motorstrom I und/oder Motorspannung U verwendet wird , um die Ist- Motormagnetisierung an die Soll-Motormagnetisierung anzugleichen. Dabei ist vorzugsweise die Soll-Motormagnetisierung eine periodische Funktion mit einer Periodendauer, die der Periodendauer des Verdrängungsorgans entspricht.
Vorzugsweise ist ein Druckelement vorgesehen, welches die Kontaktfläche in Richtung des Exzenters drückt, so dass beim Drehen der Welle das Druckelement die Kontaktfläche zumindest abschnittsweise in Kontakt mit dem Exzenter gehalten und ein Ansaughub durchgeführt werden kann. Das Druckelement kann beispielsweise eine Feder sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Regelgröße das Ist-Drehmoment MIST und gegebenenfalls der magnetische Ist-Fluss OIST des Motors, vorzugsweise eines Asynchronmotors berechnet, und das Ist-Drehmoment MIST und gegebenenfalls der magnetische Ist-Fluss OIST wird über mindestens eine Periodendauer im Wesentlichen kontinuierlich bestimmt und das so berechnete zeitabhängige Ist-Drehmoment MIST und gegebenenfalls der zeitabhängige magnetische Ist-Fluss OIST des Motors mit mindestens einer vorbestimmten Musterfunktion als Führungsgröße verglichen. Das Vergleichssignal repräsentiert den Grad der Ähnlichkeit zwischen der Regelgröße und der Führungsgröße und wenn der Grad der Ähnlichkeit einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird das Vergleichssignal als Statussignal verwendet. Beispielsweise kann in Reaktion auf das Statussignal eine Überlastungs-Schutzfunktion, z. B. in Form einer Überdruckabschaltung, aufgerufen werden. Üblicherweise zeigt eine Dosierpumpe im Laufe der Zeit Verschleißerscheinungen. Dies können beispielsweise Lagerschäden, ausgeschlagene Zahnräder oder ein beschädigter Exzenter sein. Solche Verschleißerscheinungen sorgen dafür, dass die durch den Motor aufzubringende Kraft sich ändert. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, bestimmten Verschleißerscheinungen charakteristische Störungsmuster bzw. eine Musterfunktion zuzuordnen. Fehlt beispielsweise einem Zahnrad ein Zahn, so wird sich der fehlende Zahn in einer periodischen Störung des Kraftverlaufes niederschlagen. Berechnet man nun das Ist-Drehmoment im Wesentlichen kontinuierlich und vergleicht das so berechnete Signal mit den Musterfunktionen, beispielsweise durch Bildung einer entsprechenden Kreuzkorrelationsfunktion, so kann sehr früh erkannt werden, dass die Dosierpumpe Verschleißerscheinungen zeigt und gegebenenfalls allein aufgrund des Kraftverlaufes bestimmt werden, welches Bauteil Verschleißerscheinungen zeigt und dieses dann gezielt ausgetauscht werden kann.
Weiterhin kann es passieren, dass Luft in den Dosierkopf gelangt, was die gesamte Dosierung zum Erliegen bringen kann, obgleich die mechanische Bewegung des Verdrängerorgans noch ausgeführt wird. Auch hier kann durch Auswerten des Ist-Drehmoments der Kompressionsverlauf, d.h. der Kraftanstieg, ausgewertet werden und, falls der Kompressionsverlauf auf eine Belüftung des Dosierkopfes hinweist, beispielsweise eine entsprechende Meldung erstellt werden oder es können automatisch Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, wie z. B. eine automatisierte Entlüftung des Dosierkopfes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Motor ein Verdrängungsorgan mit einer zumindest teilweise elastischen Membran aufweist, wobei als Regelgröße die Dosiermenge aus dem Ist-Drehmoment M|ST und gegebenenfalls dem magnetischen Ist-Fluss OIST des Motors unter Berücksichtigung weiterer Motorcharakteristiken berechnet wird, wobei der aufgrund der Durchbiegung der elastischen Membran zu erwartende Einfluss auf die Dosiermenge berücksichtigt wird und die Differenz zwischen der Ist-Dosiermenge und einer vorbestimmten Soll-Dosiermenge als Vergleichssignal ausgegeben wird und als Regelsignal zu Anpassung von Motorstrom I und/oder Motorspannung U verwendet wird, um die Ist-Dosiermenge an die Soll- Dosiermenge anzugleichen.
Durch diese Maßnahme kann die Dosierpumpe über einen großen Bereich von unterschiedlichen Arbeitsdrücken verwendet werden, ohne dass es zu einem nennenswerten Dosierfehler kommt. Kommt es nämlich zu einer unerwarteten Änderung des Arbeitsdruckes, so erlaubt das erfin- dungsgemäße Verfahren über die Berechnung des Ist-Drehmomentes eine zuverlässige Erkennung und eine Korrektur des Dosierfehlers aufgrund der Durchbiegung der Membran des Verdrängungsorgans. Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass als Regelgröße eine Ist- Hublänge des Verdrängungsorgans aus dem Ist-Drehmoment M|ST und gegebenenfalls dem magnetischen Ist-Fluss OIST des Motors berechnet wird und die Differenz zwischen der Ist-Hublänge und einer vorbestimmten Soll-Hublänge als Vergleichssignal ausgegeben wird. Das Vergleichssignal kann entweder als Statussignal verwendet werden, um gegebenenfalls die Pumpe zu stoppen oder als Regelsignal zur Anpassung von Motorstrom I und/oder Motorspannung U verwendet werden, um die Ist-Hublänge an die Soll-Hublänge anzugleichen. Durch diese Maßnahme kann die Hublänge dem laufenden Betrieb angepasst werden, sofern dies für den Einsatzbereich notwendig ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Dosierpumpe mit einer Steuer- und/oder Regelvorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Durch das beschriebene Verfahren kann die Dosierpumpe auch im Pendelhubbetrieb verwendet werden, d.h. dass nach höchstens einem Pump- und einem Ansaughub die Motordrehrichtung invertiert wird. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Längsschnittansicht durch eine Dosierpumpe,
Figur 2 eine schematische Ansicht der Motorpumpe,
Figur 3a eine schematische Darstellung des Drehmomentes des Motors und der Verdrängerbewegung während eines Umlaufs für einen vollen Hub,
Figur 3b eine schematische Darstellung des Drehmomentes des Motors und der Verdrängerbewegung während eines Umlaufs für einen Teilhub,
Figur 4a eine schematische Darstellung des Drehmomentes des Motors und der Verdrängerbe- wegung während eines Umlaufs für einen vollen Hub mit unvollständigem Saughub,
Figur 4b eine schematische Darstellung des Drehmomentes des Motors und der Verdrängerbewegung während eines Umlaufs für einen Teilhub mit unvollständigem Saughub, Figur 5 eine schematische Darstellung der Drehzahl und des Drehmomentes über der Zeit für bekannte Motoren (durchgezogene Linie) und für einen entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform geregelten Motor (gestrichelte Line).
Figur 1 zeigt den Aufbau einer Dosierpumpe. Die Dosierpumpe besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten, nämlich dem Antriebsmotor 2 mit Getriebeeinheit, dem Exzenterantrieb im Exzentergehäuse 1 und dem Elektronikgehäuse 29 mit der darin enthaltenen elektronischen Steuerung und den dort eingesetzten elektronischen Baugruppen und Bauteilen. Das Elektronikgehäuse 29 weist auf der Unterseite eine Bodenplatte 4 mit Befestigungsbohrungen auf, das Exzentergehäuse 1 , das auf das Elektronikgehäuse 29 aufgesetzt und mit diesem fest verbunden ist, trägt den Antriebsmotor 2 mit Getriebeeinheit, der beispielsweise über Schrauben mit dem Exzentergehäuse verbunden ist. An dem vom Exzentergehäuse 1 und Elektronikgehäuse 29 gebildeten Gehäuse sind im oberen Teil die Komponenten des Exzenterantriebs befestigt. Die Komponenten des Exzenterantriebs sind in einem Exzenterträger 22 gelagert, der die Lageabstimmung der Einzelteile zueinander sicherstellt und im Exzentergehäuse 1 befestigt ist. Ein Dreiphasen-Asynchronmotor 2 ist zusammen mit einem Untersetzungsgetriebe 1 1 , welches als Winkelgetriebe ausgeführt ist, als Baueinheit von Aussen an das Exzentergehäuse 1 angeflanscht und mit Schrauben verbunden. Die Abtriebswelle des Getriebemotors bildet einen rechten Winkel zur Wellenachse des Motors und bildet entweder direkt die Antriebswelle des Exzenterantriebes oder ist wie im gezeigten Ausführungsbeispiel mit dieser über eine Kopplung achsgleich verbunden. Die Antriebswelle des Exzenterantriebs, die Exzenterwelle 17, ist im Exzenterträger 22 drehbar gelagert und trägt als fest mit ihr verbundenen Teil einen Exzenter. Die Exzenterwelle durchdringt mit dem Exzenter einen entsprechende ausgeschnittenen Schubbügel 20. Die Exzenterwelle 17 wird durch die Mo- tor-/Getriebeeinheit über die Wellenkupplung bei angesteuertem Motor 2 in Drehung versetzt und treibt weiter den Schubbügel 20 in einer Innenfläche seines Ausschnitts, nämlich der Anlauffläche, mit der Außenfläche des Exzenters an. Der Schubbügel 20 treibt eine fest mit ihm verbun- dene, im Beispiel eingespritzte Schubstange 1 9 an. Die Einheit aus Schubbügel 20 und Schubstange 19 ist längs verschiebbar in zwei Gleitbuchsen gelagert. Die Achse der Exzenterwelle 17 sowie die Längsachse 18 des Schubbügels 20 sowie der Schubstange 19 liegen jeweils in der horizontalen Ebene und bilden einen rechten Winkel zueinander. Eine der beiden Gleitbuchsen 26 für die Schubstange 19 sitzt in einer Lagescheibe 24, die druckkopfseitig am Exzen- terträger 22 befestigt ist. Eine weitere Gleitbuchse 27, die den von der Dosierkopfseite abgewendeten Zapfen des Schubbügels 20 aufnimmt, sitzt im Hubverstellbolzen 8. Achsgleich zur Längsachse 18 der Schubstange 19 ist ein per Hand zu betätigendes Verstellorgan 7 für die Verstellung des Hubverstellbolzens 8 in ein Gewinde des Exzenterträgers 22 eingeschraubt, das die Axialbewegung des Schubbügels 20 beim Ansaugen und damit dem Hub der Dosierpumpe begrenzt.
Das Gehäuse enthält weiter in seinem unteren Teil in einem abgeschlossenen Raum, dem Elekt- ronikgehäuse 29, die elektronische Steuerung.
Auf der den Steuerleitungen 10 gegenüberliegenden Seite ist achsgleich zur Längsachse 18 der Schubstange ein Dosierkopf 12 angeordnet, in dem als Verdrängungsorgan eine z. B. aus Kunststoff gefertigte Membran 13 arbeitet, die an ihrem Umfang fest eingespannt ist. Der Dosierkopf 12 trägt weiterhin ein Einlaßventil 14 und ein Auslaßventil 15, um das zwischen Membran 13 und Dosierkopf 12 in dem Dosierraum 16 über das Einlaßventil 14 angesaugte Dosiermedium über das Auslaßventil 15 in die Dosierleitung zu drücken. Die Dosierpumpe arbeitet nach dem volu- metrischen Prinzip, d.h. ein vorgegebenes Volumen soll bei jedem Hub einerseits angesaugt und andererseits über das Auslaßventil 15 ausgestoßen werden. Die Membran 13 wird mittels des Exzenterantriebs, der die Schubstange 19 in der Längsachse hin- und herbewegt, in eine oszillierende Bewegung versetzt. Zwischen dem Schubbügel 20 und einem Bund der Lagescheibe 24 ist eine Druckfeder 23, z. B. eine Spiralfeder, angeordnet, die den Schubbügel 20 zu jedem Zeitpunkt formschlüssig am Exzenter anlegt. In der vorlaufenden Phase der Exzenterbewegung, also der Bewegung der Schubstange zum Dosierkopf hin, wird der Schubbügel mit der Schubstange zur Druckfeder hinbewegt, gleichzeitig wird die Membran 13 in den Dosierraum 16 gedrückt, was zur Folge hat, dass im Dosierraum ein Überdruck entsteht, das Auslaßventil 15 sich öffnet und das Dosiermedium in die Dosierleitung gedrückt wird. In der zurücklaufenden Phase der Exzenterbewegung, also der Bewegung der Schubstange weg vom Dosierkopf, wird der Schubbügel 20 durch die zusammengedrückte Druckfeder 23, die z. B. als Spiralfeder ausgebildet sein kann, der Exzenterbewegung folgend in die entgegengesetzte Richtung zum Hubverstellbolzen 8 bewegt, was zur Folge hat, dass die mit der Membran 13 verbundene Schubstange 19 die Membran in ihrer Bewegung mitnimmt, wodurch im Dosierraum 16 ein Unterdruck entsteht, der das Einlaßventil 14 öffnet, so daß ein weiteres Mal Dosiermedium in den Dosierraum eingesaugt werden kann.
In Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Dosierpumpe gezeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform wird aus dem Motorstrom I und der Motorspannung U und den bekannten Motorcharakteristiken, d.h. der bekannten Getriebeanordnung die auf das Verdrängungsorgan ausgeübte Kraft berechnet.
In Figur 3a ist schematisch der zeitliche Verlauf des Drehmomentes (oben) und der Bewegung des Verdrängerelementes (unten) über eine Hubperiode gezeigt. Die Bewegung des Verdrängerelementes erfolgt im Wesentlichen sinusförmig. Während eines Druckhubes hD bewegt sich der Verdränger von der minimalen Auslenkung SMin bis zur maximalen Auslenkung SMax- Während des sich daran anschließenden Saughubes wird der Verdränger von der maximalen Auslenkung SMax zurück bis zur minimalen Auslenkung SMm bewegt. Die ge- samte Hubperiode H setzt sich aus dem Druckhub hD und dem Saughub hs zusammen. Betrachtet man das in Figur 3a oben dargestellte Drehmoment, so erkennt man, dass das Drehmoment sich zwischen einem Grundmoment Mo und einem Spitzenmoment Mi bewegt. Nur während des Druckhubes hD weicht das Drehmoment vom Grundmoment M0 ab. Außerhalb des Druckhubes muss der Motor keine Kraft auf das zu fördernde Medium aufbringen, so dass im Wesentlichen nur das Grundmoment M0 aufgrund von Reibungsverlusten erforderlich ist. Der Verdränger wird durch ein Federelement zurück in seine Ausgangsposition bewegt.
Der Verlauf des Drehmomentes während des Druckhubes hD ist hier ebenfalls im wesentlichen sinusförmig und hängt von der Getriebecharakteristik ab. Zu Beginn und am Ende des Druckhu- bes hD ist die aufzubringende Kraft aufgrund der Getriebeübersetzung sehr gering. Dazwischen steigt sie bis zu dem Maximalwert M-i an.
In Figur 3b ist schematisch der zeitliche Verlauf des Drehmomentes (oben) und der Bewegung des Verdrängerelementes (unten) über eine Hubperiode gezeigt, wobei hier der Fall gezeigt ist, in dem nur ein Teilhub durchgeführt wird.
Kann das Verdrängungselement nicht mehr bis zur minimalen Auslenkung
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zurückbewegt werden, sei es, weil ein einstellbarer Anschlag die Hublänge begrenzt oder weil die Hublänge aus anderen nicht vorhersehbaren Gründen begrenzt ist, so wird nur ein Teilhub durchgeführt. In der in Figur 3b unten gezeigten schematischen Darstellung der Verdrängerbewegung erkennt man, dass sich die Auslenkung nun zwischen einer Auslenkung SA und der Maximalauslenkung SM3X bewegt. Folglich ist der Druckhub hD und der Saughub hs im Vergleich zu den Druck- und Saughüben von Figur 3a deutlich reduziert. Man erkennt weiterhin in Figur 3b oben, dass sich der zeitliche Verlauf des Drehmomentes deutlich von dem in Figur 3a gezeigten Verlauf unterscheidet. Folglich kann man aus dem Momentverlauf Rückschlüsse auf die tatsächlich ausgeführte Hublänge ziehen und diese mit einer vorgegebenen Soll-Hublänge vergleichen. Sollte die tatsächliche Hublänge mit der Soll-Hublänge nicht übereinstimmen, so kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch Änderung des Motorstro- mes und/oder der Motorspannung die tatsächliche Hublänge an die Soll-Hublänge angepasst werden. Doch auch dann, wenn eine solche Anpassung an die Soll-Hublänge nicht gewünscht oder nicht möglich ist, so kann durch das erfindungsgemäße Vorgehen die tatsächliche Hublänge bestimmt werden, daraus das Dosiervolumen errechnet werden und dieses mit dem Soll- Dosiervolumen verglichen werden. Gegebenenfalls muss dann die Drehzahl des Motors erhöht werden, um das reduzierte Dosiervolumen pro Hub zu kompensieren.
Weiterhin ist eine Blockadeerkennung möglich. Während bei den bekannten Ausführungsformen ein Positionssensor die Position des Verdrängungsorgans erfassen mußte, woraus dann eine unter Umständen vorliegende Blockade abgeleitet werden konnte, ist bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, dass die Pumpe abgeschaltet wird, wenn das von dem Motor aufzubringende Drehmoment einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Die erfindungsgemäße Blockadeabschaltung kann daher unter Umständen die Beschädigung des Motors verhindern.
Es versteht sich, dass die Blockadeerkennung auch derart erfolgen kann, dass eine Blockade bei Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über einen Zeitraum, der länger als ein vorbestimmter Zeitraum ist, angenommen wird. Weiterhin ist es möglich, den vorbestimmten Grenzwert aus der Exzenterstellung abzuleiten, d.h. den vorbestimmten Grenzwert zeitlich veränderlich auszugestalten.
In gleicher Weise kann ein unvollständiger Saughub bestimmt werden. In Figur 4a ist schematisch der zeitliche Verlauf des Drehmomentes (oben) und der Verdrängerbewegung (unten) dargestellt. Die durchgezogene Linie entspricht dem in Figur 3a gezeigten Verlauf. Kann nun aus irgendwelchen Gründen beim Saughub nicht genügend Fördermedium in den Förderraum nachströmen, so wird das Verdrängungsorgan dem Exzenter nicht folgen können, sondern von diesem abheben. Diese Situation ist in Figur 4a mit gestrichelter Linie dargestellt. Anstatt der Exzenterbewegung zu folgen, füllt sich die Dosierkammer nur allmählich, so dass der Exzenter sich bereits wieder in Richtung seiner maximalen Auslenkung bewegt, bevor die Dosierkammer gefüllt ist. Dies hat zur Folge, dass sich der Druckhub hD verkürzt, wie in Figur 4a gezeigt ist. Folglich ändert sich auch der Drehmomentverlauf, wie ebenfalls mit gestrichelter Linie dargestellt ist.
In Figur 4b ist die gleiche Situation im Falle eines Teilhubes gezeigt. Aus der zeitlichen Verschiebung tv kann abgeleitet werden, dass ein unvollständiger Saughub stattgefunden hat, und es können gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, um die Dosierleistung dennoch aufrecht zu erhalten oder es kann ein entsprechendes Fehlersignal ausgegeben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht des weiteren eine Schlupferfassung innerhalb des Hubweges und gegebenenfalls die sofortige Ausregelung ebenfalls innerhalb einer Hubperiode. Während üblicherweise die Drehzahl über eine Messung des Hubes bestimmt wird und gegebenenfalls die Drehzahl für den Gesamthub angepasst wird, ist bei der bevorzugten Ausführungs- form vorgesehen, dass das Drehmoment bei zunehmendem Schlupf innerhalb eines Druck- und Saughubes angepasst wird.
Zur Verdeutlichung ist in Figur 5 die Drehzahl über der Zeit für bekannte Motoren (durchgezoge- ne Linie) und für einen mit im erfindungsgemäßen Verfahren geregelten Motor (gestrichelte Line) gezeigt. Während die Drehzahl aufgrund der erhöhten Last bei den bekannten Motoren innerhalb einer Periodendauer periodisch abfällt, bleibt bei der erfindungsgemäßen Regelung die Drehzahl konstant. Um dies zu erreichen, muss das Motordrehmoment zum geeigneten Zeitpunkt innerhalb eines Hubes variiert werden.
Durch diese Maßnahme wird die Länge des Druckhubes reduziert und auch die Länge der Hubperiode auf ihren idealen Wert eingestellt, während sich durch die Verringerung der Drehzahl die Länge des Druckhubes und die Hubperiode verlängern würden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es daher möglich, selbst bei hoher Last, die sonst zu einer Verringerung der Drehzahl führen würde, die Dosierleistung konstant zu halten.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ebenso den hydraulischen Druck, d.h. den Arbeitsdruck, aus dem Drehmoment abzuleiten. So ist es beispielsweise möglich, das vom Motor er- zeugte Drehmoment zu bestimmen und mit einem Soll-Drehmoment zu vergleichen und bei einer Abweichung zwischen Ist-Drehmoment und Soll-Drehmoment von z. B. mehr als 30 % die Pumpe anzuhalten, um eine Überlast zu verhindern und damit den Antrieb vor Selbstzerstörung zu schützen. Wie bereits ausgeführt, kommt es beim Druck- und Saughub zu einer Verbiegung der Verdrängungsmembran, so dass das Dosiervolumen vom Arbeitsdruck abhängt.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung des Arbeitsdruckes aus dem Motorkerngrößen erlaubt, kann der Dosierfehler in Abhängigkeit von dem ermittelten Arbeitsdruck kor- rigiert werden. Ein weitere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass prinzipielle jede beliebige Bewegungskurve des Verdrängungsorgans eingestellt werden kann. So kann beispielsweise das Dosieren und Ansaugen mit einer konstanten, herabgesetzten Geschwindigkeit erfolgen, indem die Geschwindigkeitsvariation aufgrund des Auslenkwinkels des Exzenters kompensiert wird, wodurch eine gleichförmige Dosierung erfolgt und die notwendige Spitzenleistung des Motors reduziert wird. Zudem kann eine elektronische Ansaughilfe bei erstmaliger Befüllung der Ansaugleitung und des Dosierkopfes (Inbetriebnahme) verwirklicht werden, wenn beispielsweise der Motor im Pendelhub betrieben wird und beim Ansaugen die volle Hublänge ausgeführt wird. Weiterhin ist es möglich durch vorausschauende Anpassung der Motoransteuergrößen entlang des Hubwegs den Motor zu jedem Zeitpunkt bedarfsorientiert anzusteuern, da der Drehmomentanstieg aufgrund des Exzenters bekannt ist. Dadurch kann der Motor energiesparender betrie- ben werden.
Es ist bekannt, dass Kavitation auftreten kann, die zu einem unvollständigen Ansaugen und einem erhöhten Materialverschleiß, z. B. in den Ventilen führt. Durch die beschriebene Auswertung des Kraftverlaufs und/oder des Bewegungsverlaufs kann die Kavitation im Saughub erkannt wer- den und es können sofort Gegenmaßnahmen, wie z. B. das Drosseln der Ansauggeschwindigkeit ergriffen werden.
Bezugszeichenliste
1 Exzentergehäuse
2 Antriebsmotor
4 Bodenplatte
7 Verstellorgan
8 Hubverstellbolzen
10 Steuerleitungen
11 Untersetzungsgetriebe
12 Dosierkopf
13 Membran
14 Einlaßventil
15 Auslaßventil
16 Dosierraum
17 Exzenterwelle
18 Längsachse
19 Schubstange
20 Schubbügel
22 Exzenterträger
23 Druckfeder
24 Lagescheibe
27 Gleitbuchse
29 Elektronikgehäuse

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe mit einem Antriebsmotor mit einer vom Motor angetriebenen Welle und einem in einem Dosierkopf angeordneten Verdrängungsorgan, bei der die Drehbewegung der Welle in eine oszillierende Bewegung des Verdrängungsorgans umgesetzt wird, wobei das Verdrängungsorgan in Zusammenwirken mit einem Auslass- und Einlassventil in abwechselnder Folge zu einem Pumphub (Druckhub) und einem Ansaughub und damit zu einer Förderung eines Dosiermediums führt,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Motorbetriebsgröße, vorzugsweise eine Motorspannung U oder ein Motorstrom I, gemessen werden,
zumindest eine Regelgröße aus den gemessenen Motorbetriebsgrößen und gegebenenfalls weiteren bekannten Motorcharakteristiken berechnet wird,
die zumindest eine Regelgröße mit einer vorbestimmten Führungsgröße verglichen wird und
ein von dem Ergebnis des Vergleichs abhängendes Vergleichssignal ausgegeben wird, welches als Status-, Ansteuer- und/oder Regelsignal verwendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße das Ist- Drehmoment M|St und gegebenenfalls der magnetische Ist-Fluss 0|St des Motors, vorzugsweise eines Asynchronmotors, berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Führungsgröße ein Soll¬
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drehmoment MLim verwendet wird und ein Status- und/oder Ansteuersignal ausgegeben wird, wenn die Regelgröße mehr als eine vorbestimmte Drehmomentsdifferenz von der Führungsgröße abweicht, wobei vorzugsweise die Führungsgröße zeitlich variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße die Ist-Motordrehzahl, vorzugsweise mehrmals, besonders bevorzugt mindestens fünf mal während einer Motorumdrehung gemessen oder aus den Motorbetriebsgrößen, vorzugsweise aus dem Ist-Drehmoment M|St und dem magnetischen Ist-Fluss 0|St des Motors, berechnet wird und die Differenz zwischen der Ist-Motordrehzahl und einer vorbestimmten Soll-Motordrehzahl als Vergleichssignal ausgegeben wird und das Vergleichssignal als Regelsignal zur Anpassung von Motorstrom I und/oder Motorspannung U verwendet wird, um die Ist-Motordrehzahl an die Soll-Motordrehzahl anzugleichen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosierpumpe gesteuert und/oder geregelt wird, die ein Getriebe zum Umsetzen einer rotatorischen Bewegung in eine translatorische Bewegung aufweist, welches die angetriebene Welle des Motors mit dem Verdrängungsorgan verbindet, wobei das Getriebe vorzugsweise einen Exzenter aufweist, welcher auf einem mit dem Verdrängungsorgan verbundenen Kontaktelement abläuft, so dass durch Drehen der Welle der Exzenter das Verdrängungsorgan in Richtung des Dosierkopfes bewegt und dadurch einen Pumphub durchgeführt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Führungsgröße eine vorbestimmte Soll-Motordrehzahl verwendet wird, wobei die Soll- Motordrehzahl eine periodische Funktion mit einer Periodendauer, die der Periodendauer des Verdrängungsorgans entspricht, ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Motordrehzahl unter Berücksichtigung der Getriebecharakteristik derart festgelegt wird, dass die translatorische Bewegung im wesentlichen mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße die Ist- Motormagnetisierung, vorzugsweise mehrmals, besonders bevorzugt mindestens fünf mal während einer Motorumdrehung, aus dem Ist-Drehmoment M|St und gegebenenfalls aus weiteren Motorbetriebsgrößen und/oder bekannten Motorcharakteristiken berechnet wird und als Führungsgröße eine vorbestimmte Soll-Motormagnetisierung gewählt wird und die Differenz zwischen der Regelgröße und der Führungsgröße als Vergleichssignal ausgegeben wird und das Vergleichssignal als Regelsignal zur Anpassung von Motorstrom I und/oder Motorspannung U verwendet wird, um die Ist- Motormagnetisierung an die Soll-Motormagnetisierung anzugleichen, wobei vorzugsweise die Soll- Motormagnetisierung eine periodische Funktion mit einer Periodendauer, die der Periodendauer des Verdrängungsorgans entspricht, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße das Ist-Drehmoment M|St und gegebenenfalls der magnetische Ist-Fluss 0|St des Motors, vorzugsweise eines Asynchronmotors berechnet wird, und dass das Ist- Drehmoment M|St und gegebenenfalls der magnetische Ist-Fluss 0|Sl des Motors über mindestens eine Periodendauer im wesentlichen kontinuierlich bestimmt wird und das so berechnete zeitabhängige Ist-Drehmoment M|St und gegebenenfalls der zeitabhängige magnetische Ist-Fluss 0|St des Motors mit mindestens einer vorbestimmten Musterfunktion als Führungsgröße verglichen wird, und das Vergleichssignal den Grad der Ähnlichkeit zwischen der Regelgröße und der Führungsgröße repräsentiert und wenn der Grad der Ähnlichkeit einen vorbestimmten Wertebereich annimmt, das Vergleichssignal als Statussignal verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe ein Verdrängungsorgan mit einer zumindest teilweise elastischen Membran aufweist, dass als Regelgröße die Dosiermenge aus dem zeitlichen Verlauf des Ist- Drehmomentes M|St und gegebenenfalls dem magnetischen Ist-Fluss 0|St des Motors unter Berücksichtigung weiterer Motorcharakteristiken berechnet wird, wobei der aufgrund der Durchbiegung der elastischen Membran zu erwartende Einfluss auf die Dosiermenge berücksichtigt wird und die Differenz zwischen der Ist-Dosiermenge und einer vorbestimmte Soll-Dosiermenge als Vergleichssignal ausgegeben wird und als Regelsignal zur Anpassung von Motorstrom I und/oder Motorspannung U verwendet wird, um die Ist- Dosiermenge an die Soll- Dosiermenge anzugleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße eine Ist-Hublänge des Verdrängungsorgans aus dem Ist-Drehmoment M|St und gegebenenfalls dem magnetischen Ist-Fluss 0|St des Motors berechnet wird und die Differenz zwischen der Ist-Hublänge und einer vorbestimmten Soll-Hublänge als Vergleichssignal ausgegeben wird, wobei vorzugsweise das Vergleichssignal als Regelsignal zur Anpassung von Motorstrom I und/oder Motorspannung U verwendet wird, um die Ist- Hublänge an die Soll-Hublänge anzugleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße die Schubstangenposition aus den gemessenen Motorbetriebsgrößen und gegebenenfalls weiteren bekannten Motorcharakteristiken berechnet wird.
Dosierpumpe mit einem Antriebsmotor mit einer vom Motor angetriebenen Welle und einem in einem Dosierkopf angeordneten Verdrängungsorgan, bei der mittels eines Getriebes die Drehbewegung der Welle in eine oszillierende Bewegung des Verdrängungsorgans umgesetzt wird, wobei das Verdrängungsorgan in Zusammenwirken mit einem Aus- lass- und Einlassventil in abwechselnder Folge zu einem Pumphub (Druckhub) und einem Ansaughub und damit zu einer Förderung eines Dosiermediums führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierpumpe eine Steuer- und/oder Regelvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
14. Dosierpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe derart eingerichtet ist, dass sie im Pendelhubbetrieb arbeiten kann, d. h. die Motordrehrichtung zur Beendigung eines Ansaughubes oder Pumphubes invertieren kann.
PCT/EP2011/054264 2010-03-24 2011-03-21 Verfahren zum steuern und/oder regeln einer dosierpumpe WO2011117199A1 (de)

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