SE529328C2 - Styrsystem samt metod för styrning av elektromagnetiskt drivna pumpar - Google Patents

Description

529 328 2.

Slår pumpen i botten resulterar detta i att pumpen får kortare livslängd. Vänder pumpen i ett för tidigt läge resulterar detta i sämre tryckprestanda. Elektromagnetiska pumpar är därför ofta för inställda på ett visst tryck som inte kan ändras, vilket i sin tur ofta är ett problem på så sätt att det medför en stor begränsning. Ett annat problem med elektromagnetiska pumpar är att de är mer komplicerade att styra än pumpar med roterande motor då de ofta går att styra endast med spänningens storlek.

Andra problem som finns härrör sig från själva implementeringen och användandet av pumpar. Vid användning av oscillerande pumpar så som elektromagnetiska pumpar samt pumpar med roterande motor med excenter skapas oscillationer i tryck och flöde. Dessa är i många fall oönskade och kan till exempel störa mätande sensorer vilka mäter på det pumpade mediet. Ofta används så kallade, ”Air capacitors”, en stor burk eller volym som utjämnar flödet för att minska den störande oscillationen. Detta är dock inte alltid en bra lösning då de tar mycket utrymme i anspråk samt att det pumpade mediet riskerar att blandas om i dessa burkar innan mediet slutligen når gassensorn. Detta försämrar exempelvis känslighet och responstid hos mätsystemet. Ett annat problem vid användandet av pumpar är att flödet påverkas av hur stort tryck det är i systemet. Man vill ofta ha ett konstant flöde eller tryck. V Pumpens prestanda påverkas mycket om det omgivande trycket av någon orsak förändras.

Detta gör att man med god precision måste mäta tryck eller flöde eller både och i många applikationer för att sj älv kunna styra pumpen. Detta ökar systemets kostnad och komplexitet.

Ytterligare ett problem är när flera pumpar skall samverka för att uppnå gemensamt resultat så som blandning av gaser. Detta skapar mycket komplexa system med flertalet flödesmätare, r tryckmätare och ventiler. Det är också ett problem att få ett styrsystem som är helt fritt från kalibrering och inte påverkas av drift och åldring.

På grund av ovanstående problematik blir ofta system och produkter innefattande pumpar väldigt komplicerade konstruktioner med många ingående detalj er vilket gör tillverkningen kostsam.

Känd teknik I den svenska patentansökan SE7 503408 har optiska givare använts för att säkerställa att pumpen ej skall nå ändlägena genom att digitalt avläsa en logisk etta eller logisk nolla för att stanna eller starta elektromagneten, denna lösning skiljer sig dock väsentligt från den hän' föreskrivna lösningen då denna lösning saknar information om vad som händer under all övrig 529 328 5 tid som utgörs av den tid den rörliga delen är på alla andra punkter än just vid de två ändlägena som läses av. Den har heller inte steglös upplösning vilket krävs om man fritt variera steglängden slag för slag under tiden pumpen pumpar. De har för variabel steglängd föreslagit att man kan ha ett hål som kan flyttas med hjälp av en gänga. I patentskrift US 6,616,4l3 beskrivs ett sensorbaserat styrsystem som genom induktion automatiskt anpassar resonansfrekvensen hos en elektromagnetiskt pump. Systemet skiljer sig väsentligt från det häri föreskrivna systemet då detta saknar den precision och noggrannhet som behövs för att lösa alla häri beskrivna problem och väsentligen inriktar sig på att optimera verkningsgrad.

Alla tidigare nämnda problem medför att det föreligger en stor potential till förbättring av styrsystemen för elektromagnetiska pumpar. Genom att utnyttja elektromagnetiska pumpars vida styrbarhet och mycket direkta koppling till drivningen kan man på ett bra sätt lösa samtliga ovanstående problem och avsevärt förbättra och utöka användningsområdet för elektromagnetiska pumpar jämfört med pumpar med roterade motor samt idag existerande elektromagnetiska pumpar vilka saknar det här beskrivna styrsystemet. 529 328 H Detaljerad beskrivning av uppfinningen Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas mera i detalj med hänvisning till bifogade schematiska ritningar som i exemplifierande syfte visar de för närvarande föredragna utförandefonnerna av uppfinningen.

Figur l visar ett styrsystem i enlighet med en första utföringsforrn av den föreliggande uppfinningen.

Styrsystemet Med hänvisning till figur 1 visas ett styrsystem enligt den föreliggande uppfinningen.

Systemet, drivs av en elektrisk energikälla vilken ger styrspärming samt försörjer systemet, via en spänningsavläsare 5, med den energi som krävs för att driva systemet. Systemet består av minst en mikroprocessor l som samlar in alla data, lagrar data, behandlar data och skickar ut data. Data samlas in från minst en lägesavkännande sensor. Företrädesvis innefattar styrsystemet även minst en temperatursensor 4, minst en strömmätare 9 (amperemeter) och minst en spänningsmätare 8 (voltrneter). I alternativa utförandefonner kan ytterligare varianter av sensorer bli aktuella. Den insamlade datamängden från sensorema, bearbetas av mikroprocessorn varefter styrsignaler skickas till en elektrisk krets 7 som i sin tur styr elektromagnetemas energitillförsel. Elektromagnetema påverkar i sin tur en rörlig del vars läge och rörelse avkärms av minst en lägesavkännande sensor som företrädesvis utgörs av minst en optisk sändare 2 som sänder ut ljus till minst en optiskt mottagare 3. Styrsystemet innefattar även ett nätverksinterface 6 som möjliggör att flera pumpar kan styras och/eller samverka med varandra.

Membranpumpen Styrsystemet är avsett att kurma styra ett flertal olika elektromagnetiskt drivna pumpar. I den exemplifierande utföringsforrnen i figur 1 används styrsystemet till att styra en elektromagnetiskt driven membranpump. Exemplet får inte ses som begränsande för skyddsomfånget för ett styrsystem i enlighet med föreliggande uppfmning utan styrsystemet är avsett att väsentligen kurma användas för samliga elektromagnetiskt drivna pumpar.

Membranpumpen består av en gavel 22 som även innefattar runda slanganslutningar. Gaveln 22 är sammanfogad med en fläns 20. I utrymmet mellan gaveln 22 och flänsen 20 fmns en' schematisk bild av en backventil 21 som kan utgöras av någon, för ändamålet lämplig, typ av backventil. Ett membran 18 är fastklämd mellan flänsen 20 och ytterligare en fläns 19. Detta 529 528 5 gör att det bildas en pumpkarnrnare mellan membranet och fläns 20 med ett tillopp och ett utlopp. En axel (den rörliga delen) 12 är ansluten (infäst) med membranet. Axeln är upphängd i glidlager 14 och är anordnad att kunna röra sig i axiell riktning. Axeln har en bredare del 17 som sträcker sig ut i radiell riktning. Den bredare delen 17 kan attraheras av endera av de två cirkulära elektromagnetema 15 och 161 som omsluter axeln. Elektromagneten attraherar axelns bredare del 17 genom att axelns bredare del, förflyttar sig närmare elektromagneten av det magnetiska fält som bildats av elektromagneten. Genom att växelvis aktivera elektromagneternal5 och 16 kan en oscillerande pumpande rörelse åstadkommas i axiell - riktning. Alternativt kan en av elektromagnetema ersättas med en fjäder.

Styrsystemets lägesavkänningsfunktion Den rörliga delens axiella rörelse, som skapas av elektromagneternas avgivna magnetfält, kommer i olika utsträckning vid position 13 på axe1n(den rörliga delen) att skymma det ljus som sänds från den optiska sändaren 2 till den optiska mottagaren 3. Den rörliga delen kommer i alla lägespositioner alltid att till någon del skuggar ljuset mellan den optiska mottagaren och den optiska sändaren. Det skymda ljuset resulterar i en skugga var storlek kan avläsas som en analog spänning hos mottagaren. Den analoga spänningen medför att den lägesavkännande optiska sensorn blir steglös. Den optiska mottagaren läser av allt ljus inom alla de våglängder den är känslig för, således kan ljus komma från andra riktningar och andra källor än från sändaren till den optiska mottagaren. För att undanröja sådana källor till störningar, tänds och släcks den optiska sändaren med en mycket hög frekvens så att systemet ofta kan kontrollera hur mycket ljus som egentligen kommer från den optiska sändaren.

Lämpligen väljs en optisk sändare och en optisk mottagare som tillsammans får en ljusvidd, (det utsända eller mottagna ljuskäglans bredd), utgörande av sträckan 10 till 11, som är större än pumpens slaglängd. Längre slaglängd kan dock mätas genom att göra en konisk ände på axeln (den rörliga delen), men detta ökar dock precisionskraven på axelns upphängning så att inget radiellt glapp finns vilket systemet då kan misstolka som en axiell rörelse. Systemet har en temperatursensor 4 för att kompensera för eventuella förändringar (temperaturdrift) hos elektromagneten och den optiska lägesgivaren.

Automatisk kalibrering av Iägesavkänningsfunktion Systemet innefattar även en funktion för automatisk kalibrering av mätvärden för att eventuella felkällor i den optiska avläsningen av den rörliga delens läge kompenseras. 529 328 b Orsaken till felkällor i den optiska avläsningen kan vara förorsakat av exempelvis av åldring och slitage vid driften av pumpen. Den automatiska kalibreringen sker genom en mekaniskt väldefinierad nollposition eller genom att elektromagneterna mekaniskt försätter pumpen i ändlägena och därefter optiskt läser av och uppdaterar informationen om var ändlägena är uttryckt med det optiska systemets lägesangivelse. Systemet är på så sätt säkrat mot exempelvis åldring, drift eller smuts som med tiden kan skapa skillnader på de analoga värden som avläses på den optiska mottagaren. På så sätt kalibreras hela kedjan från drivningen av den optiska sändaren samt mottagning av den optiska mottagaren.

Spänningsstyrning Styrsystemet för pumpen får sin strömförsörjning via en spänningsavläsare 5. Genom att läsa av drivspärmingen som systemet strömförsörjas av kan drivspänningens storlek även fungera som styrinfonnation för pumpen, den blir på detta sätt kompatibel med pumpar som drivs av vanliga elektriska likströmsmotorer, vilka är den vanligaste förekommande typen av pumpar på marknaden. Detta är en stor fördel att kunna ersätta olika typer av pumpar med den styrda pumpen enligt den föreliggande uppfinningen om man vill kunna ersätta andra pumpar i befintliga konstruktioner. En beskrivning på hur detta fungerar beskrivs nedan.

Pumpen (styrsystemet) i funktion Pumpen (styrsystemet) får en extern inspänning på 6 volt ansluten till spänningsavläsaren 5.

Parallellt är samma spänning ansluten till mikroprocessorn 1 varvid denna startar upp.

Mikroprocessom börjar med att läsa av temperaturen hos systemet för att kunna använda temperaturen för att kompensera för eventuella mätfel som härrör från temperatur. Detta sker löpande i mjukvaran och nämns ej mer i denna beskrivning. Mikroprocessorn påverkar den optiska sändaren att blinka med en frekvens av företrädesvis 10 kHz. Mikroprocessorn aktiverar därefter elektromagnet 15 med hjälp drivningen av elektromagneter 7.

Elektromagneten drar pumpens axel (rörliga del) i axiell riktning mot elektromagneten 15 till den rörliga delen når sitt ändläge där den mekaniskt angör elektromagneten. Mikroprocessorn läser därefter av spänningen vid den optiska mottagaren 3. Spänningen läses av både när den optiska sändaren lyser och inte lyser. Mikroprocessorn räknar ut skillnaden i spänning sparar den i minnet som ett definierat ändläge för pumpen. Samma procedur utförs för det andra ändläget med hjälp av att först av aktivera elektromagnet 15 och istället aktivera elektromagnet 16. Mikroprocessorn kärmer nu till pumpens båda ändlägen och kan därför undvika att slå emot ändlägena. Mikroprocessom kommer nu löpande fortsätta att läsa av skuggans storlek för att kontinuerlig ha kontroll på exakt var emellan ändlägena axeln 529 328 7 befinner sig. Med hjälp av en så kallad linjärlseringstabell kan spänningsskillnaden översättas ' till ett specifikt läge trots att skuggans storlek inte är helt linjär i förhållande till spärmingsskillnaclen. Mikroprocessom läser sedan av spänningsmätaren 5 vilken visar 6 volt.

Mikroprocessom är exempelvis sedan tidigare programmerad att inspänningen 6 volt skall ge full slaglängd och en slagfrekvens på 6Hz. Mikroprocessom har i detta exempel alltså förprogrammerats att inspänningen i volt skall ange slagfiekvensen. Mikroprocessorn styr då axeln att oscillera med hjälp av att växelvis aktivera elektromagnetema fram och tillbaka. Den använder den optiska läges givaren för att vända riktning i tid så att pumpen ej slår i ändläge.

Den anpassar hastigheten på pumpen så att 60Hz frekvens erhålls. Anpassningen av I hastigheten kan exempelvis regleras med högre spänning till elektromagneten. Metoden som används i denna föreskrivna lösning är att man genom en väsentligt högre frekvens än pumpens hastighet, hackar, slår av och på, den spänning som kommer in som styrspärming, 6 volt i detta fall, med hjälp av den elektriska kretsen 7 som styr energitillförsel till elektromagneten. Man kan därmed minska antalet komponenter i konstruktionen och slipper reglera spärming och därmed slipper man också energiförlust i form av spänningsfall på styrelektroniken 7.

Höjer man i detta fall drivspänningen till styrsystemet till 7 volt kommer systemet styrprogrammet således att bibehålla full slaglängd men höja slagfrekvensen till 7 Hz. Man _ kan på detta sätt härma en likströmsmotor och därmed ha möjlighet att ersätta befintliga likströmsdrivna pumpar på marknaden. Förändringar i drivspänning kan givetvis styra annat än frekvens. Frekvensen kan hållas konstant och man kan styra slaglängden med drivspänningen. Drivspänningen kan dessutom låtas styra det faktiska flödet eller trycket vilket kommer att beskrivas senare. Man erhåller då en linjäriserad pumpfunktion.

Nätverksinterfacet Drivspänningen kan också hållas konstant och man kan istället styra pumpen genom nätverksinterfacet 6 med det befintliga kommunikations/nätverksprotokoll som pumpen har.

Nätverksinterfacet är utformat så att flera styrsystem kan styras tillsammans och samverka med varandra och med andra externa sensorer och system. Detta gör att pumpar kan styras tillsammans att samverka med varandra, även med andra externa sensorer och system. Genom samverkan av flera styrsystem kan större pumpar drivas genom flera eller större elektromagneter. Flera pumpar kan genom nätverksinterfacet arbeta parallellt i syfte att tillsammans ge ett större flöde. Även seriekoppling ger god effekt när man vill förbättra tryckprestanda. Parallellkopplade pumpar kan genom styrsystemets nätverksinterface arbeta 529 S28 8 tidsförskj utet för att utjämna flödespulsationer genom att låta den ena pumpen pumpa ut när den andra pumpen pumpar in. Fler än två pumpar utj ämnar pulsationema ytterligare.

Ytterligare en effekt av nätverksfunktionaliteten är att man på en gemensamma buss kan styra flera pumpar med mindre elektronik och anslutningar. Nätverksinterfacet kan även vara trådlöst.

Beräkning av tryck Styrsystemet kan även beräkna av det tryck som pumpen genererar. Något förenklat beskrivs tillvägagångssättet för mätning av tryck enligt i det följande. Accelerationens storlek, i den riktning som elektromagneten drar den rörliga delen, är ett mått på kraftskillnaden mellan den kraft som elektromagneten alstrar för att dra i membranet och den motkraft som drar i membranet i motsatt riktning som härrör från det övertryck eller undertryck som är i pumpkammaren.

Med hjälp av lägesgivaren har vi kärmedom om var den rörliga delen befinner sig, hur fort den rör sig samt accelerationen i varje ögonblick. Kraften som elektromagneten ger vid varje avstånd till axeln är sedan tidigare känd genom uppmätning (kalibrering). När vi läser av accelerationen och jämför den med den kända kraften kan vi med formeln A=Fl-F2 beräkna den okända kraften som alstras av trycket i pumpen. När sedan kraften som alstras av trycket r är känd kan vi beräkna tryckets storlek med formeln P=F/A.

Naturligtvis finns andra faktorer som inverkar så som exempelvis friktion i lager, fjäderkraft i membranet, ytterligare fjädrar, lufimotstånd och temperatur. Dock beror dessa parametrars betydelse på hur varje pump är konstruerad varför de lärnnas utanför i denna förenklade beskrivning.

Förutom tidigare angivna användningsområden kan styrsystemet även användas för att mäta pumpens flöde genom att flödesprestanda/slag vid olika tryck är uppmätt och lagrat i pumpen vid produktion. Flödet kan således beräknas med hjälp av formeln Flöde=Slagfrekvens*Flödesprestanda vid det specifika trycket.

Exempel på användningsområden för pump utrustad med styrsystemet Styrsystemet används för att styra pumpen i samband med dosering. Pumpen kan dosera genom att flödesprestanda/slag vid varje specifikt tryck är känt från kalibreringen vid produktionen. Den pumpade volymen=antal slag*Flödesprestanda/slag vid det specifika trycket. 529 328 “i Styrsystemet kan användas för styra pumpen vid blandning av olika medier. Med hjälp av styrsystemet kan purnpens flödesmätningsfunktion tillsammans med nätverksfiirildionen användas för att skapa ett mycket enkelt och funktionellt system för att med hög precision blanda olika medier.

Styrsystemet kan användas för att växla upp pumpen. Pumpen kan arbeta på full slaglängd för att sedan, när det behövs, minska på slaglängden och oscillera nära den drivande elektromagneten. Detta uppbringar då en betydligt större kraft att driva membranet varvid det avgivna trycket kan växlas upp. Även om den fördragna utföringsforrnen av styrsystemet och metoden för styrning med styrsystemet har beskrivits i detalj kan variationer och mindre förändringar inom ramen för uppfinningen komma att framgå för fackrnannen och samtliga sådana anses falla inom ramen för efterföljande patentkrav.

Claims (21)

529 328 I O Patentkrav

1. l. Styrsystem för styrning av elektromagnetiskt drivna pumpar såsom exempelvis elektromagnetiskt drivna membranpumpar, innefattande minst en mikroprocessor (1) och minst en sensor, vilken mikroprocessor styr energitillförseln till minst en elektromagnet (1 5,16), varvid förändringar i avgivet magnetfält påverkar minst en rörlig del (12) att utföra en oscillerande rörelse för att åstadkomma en pumpande effekt och varvid minst en lägesavkärmande sensor är anordnad att känna av läget på den rörliga delen (12) i den elektromagnetiskt drivna pumpen, kännetecknat av att den lägesavkännande sensorn innefattar minst en optisk sändare (2) och minst en optisk mottagare (3), att den rörliga delen (12) hos pumpen skuggar ljuset mellan sändare och mottagare till en del vars storlek beror av den rörliga delens läge, samt att mikroprocessorn (1) är anordnad att fortlöpande avläsa en , mot storleken av den skuggade delen svarande spänning vid den optiska mottagaren (3) för att kontinuerligt beräkna den rörliga delens läge ur skuggans storlek.

2. Styrsystem i enlighet med patentkrav 1, kännetecknat av att den rörliga delen i alla lägen skuggar ljuset mellan sändare och mottagare.

3. Styrsystem i enlighet med patentkrav 1, kännetecknat av att för automatisk kalibrering av lägesavläsningsfunktionen- är mikroprocessorn (1) anordnad att avläsa spänningen från den optiska mottagaren (3) med den rörliga delen dragen av elektromagneten (l5,l6) till minst en känd position.

4. Styrsystem i enlighet med patentkraven 1 eller 2, kännetecknat av att den optiska sändaren (2) är anordnad att blinka med minst 20 gånger högre frekvens än purnpens slagfrekvens.

5. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att organ är inrättade att mäta pumpens avgivna tryck genom mätning av den rörliga delens (12) acceleration under pumpslaget.

6. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att mikroprocessorn (1) är kopplad till minst en sensor (9) vilken är anordnad att avläsa den ström, som passerar genom elektromagnetema (l5,l6).

7. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att mikroprocessorn (1) är kopplad till minst en temperatursensor (4) för att använda avlästa temperaturvärden för temperaturkompensering av styrsystemet. 529 328 H

8. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att organ är inrättade att mäta flödet med hjälp av kända flödesprestanda för varje pumpslag vid olika tryck.

9. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att mikroprocessom (1) är anordnad att styras av inspärmingens storlek som läses av en spänningsavläsare (5).

10. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av styrsystemet innefattar en funktion där pumpen drivs med konstant frekvens och flödet varieras med den rörliga delens (12) slaglängd _

11. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att styrsystemet är synkroniserbart i tiden med externa system eller sensorer för att styra pumpen att utföra den pumpande rörelsen när den är som mest fördelaktigt för de omgivande systemen eller sensorerna.

12. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att styrsystemet innefattar en fimktion för styming av pumpen att slå enkelslag av variabel längd.

13. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att mikroprocessom innefattar en nätverksfiinlction (6) som möjliggör sammankoppling av flera styrsystem.

14. Styrsystem i enlighet med patentkrav 12, kännetecknat av styrsystemet är anordnat att genom flödesmätning och nätverksfunktionen styra pumpen vid blandning av gaser.

15. Styrsystem i enlighet med patentkrav 12, kännetecknat av att styrsystemet är anordnat att genom nätverksfunldionen samverka med flera styrsystem för att driva större pumpar genom flera eller större elektromagneter.

16. Styrsystem i enlighet med patentkrav 12, kännetecknat av att styrsystemet är anordnat att genom sin nätverksfunktion tidsförskjuta pumpslaget mellan flera sammankopplade pumpar för att utjämna flödespulsationer.

17. Styrsystem i enlighet med patentkrav 12, kännetecknat av att styrsystemet är anordnat att genom sin nätverksfuriktion styra flera parallellkopplade pumpar för att ge högre flödesprestanda.

18. Styrsystem i enlighet med patentkrav 12, kännetecknat av att styrsystemet är anordnat att genom sin nätverksfiinktion styra seriekoppling av pumpar för att uppnå högre tryckprestanda. 529 328 ll

19. Styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av att styrsystemet är anordnat att genom flödesmätning styra pumpen med en linjär funktion för flöde proportionellt mot inspänning.

20. Styrsystem i enlighet med något av patentkraven 1 ~ 17, kännetecknat av att styrsystemet är anordnat att genom tryckmätning styra pumpen med en linjär fimktion för tryck proportionellt mot inspänning.

21. Metod för styrning av elektromagnetiskt drivna pumpar, såsom exempelvis elektromagnetiskt drivna membranpumpar, med ett styrsystem i enlighet med något av föregående patentkrav, kännetecknat av mikroprocessom (1) avläser mätvärden från minst en lägesavkännande sensor, vilken steglöst läser av den rörliga delens läge och rörelse, varvid mikroprocessom behandlar avlästa mätvärden och anpassar styrningen av energitilltörseln till elektromagneten (15, 16) eñer önskad prestanda på pumpen.