DE102024108564A1

DE102024108564A1 - Dosiereinrichtung und Verfahren zur Dosierung

Info

Publication number: DE102024108564A1
Application number: DE102024108564.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Wittmer
Original assignee: Prominent GmbH
Current assignee: Prominent GmbH
Priority date: 2024-03-26
Filing date: 2024-03-26
Publication date: 2025-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung zur Dosierung eines Fördermediums mittels einer Pumpeinheit. Die Dosiereinrichtung ist kostengünstiger herstellbar und erlaubt außerdem eine genaue Dosierung des Fördermediums. Die Pumpeinheit weist ein Verdrängungselement (6) auf, das einen Förderraum (2) begrenzt, wobei zur Dosierung des Fördermediums das Verdrängungselement zwischen einer Druckposition und einer Saugposition hin- und herbewegbar ist, wobei ein Volumen des Förderraums in der Druckposition des Verdrängungselements kleiner ist als das Volumen in der Saugposition, wobei die Bewegung des Verdrängungselements durch einen durch ein Getriebe mit Exzenter (11) angetriebenen Kolben (3) bewirkbar ist und wobei das Getriebe mittels eines Antriebsmotors (4) antreibbar ist. Es ist ein Drehwinkel-Sensor (17) vorgesehen, welcher mindestens einen absoluten Winkelpositionswert einer Exzenterwelle (15) des Exzenters (11) ermittelt und den ermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert an eine Steuereinrichtung (12) der Dosiereinrichtung übermittelt, wobei die Steuereinrichtung (12) derart eingerichtet ist, dass zur Dosierung eines gewünschten Volumens des Fördermediums die Drehzahl des Antriebsmotors (4) basierend auf dem von dem Drehwinkel-Sensor (17) übermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert steuerbar oder regelbar ist. Es wird ferner eine Dosierbaugruppe mit einer derartigen Dosiereinrichtung sowie ein Verfahren zur Dosierung eines gewünschten Volumens eines Fördermediums mittels einer derartigen Dosierbaugruppe beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung zur Dosierung eines Fördermediums mittels einer Pumpeinheit sowie ein Verfahren zur Dosierung des Fördermediums mittels dieser Dosiereinrichtung.
Dosiereinrichtungen weisen Dosierpumpen (im Folgenden kurz Pumpeinheit) auf, die mittels eines Antriebsmotors angetrieben werden, um ein gewünschtes Volumen eines Fördermediums abzugeben, d.h. dieses zu dosieren. Hierfür wird heutzutage beispielsweise eine Pumpeinheit verwendet, welche als Verdrängerpumpe ausgebildet ist und mittels eines Antriebsmotors angetrieben wird.
Dosiereinrichtungen kommen auf den verschiedensten technischen Gebieten zum Einsatz. Sie werden beispielsweise zur Dosierung von Arzneimitteln oder Chemikalien in chemischen Prozessen, zur Dosierung von Kulturmedien in biotechnischen Prozessen, bei Beschichtungsverfahren, in der Lebensmittel-industrie oder in Kraftfahrzeugen beispielsweise als Einspritzpumpen eingesetzt. So vielfältig die Einsatzmöglichkeiten für Dosiereinrichtungen sind, so vielfältig sind auch die Anforderungen, die an die Dosiereinrichtungen in der Industrie für verschiedene Anwendungen gestellt werden. Je nach Einsatzzweck werden mit den Dosiereinrichtungen kleinste Flüssigkeitsmengen im Milliliter- oder Mikroliterbereich bis hin zu deutlich größeren Mengen gefördert.
Als Verdrängerpumpe (z.B. Membranpumpe) weist die Pumpeinheit häufig ein Verdrängungselement (z.B. eine Membran) auf, das einen Förderraum begrenzt, wobei das Verdrängungselement zur Dosierung des üblicherweise fluidischen Fördermediums zwischen einer Druckposition und einer Saugposition hin- und herbewegbar ist. Hierbei ist ein Volumen des Förderraums in der Druckposition des Verdrängungselements kleiner als das Volumen in der Saugposition. Die Bewegung des Verdrängungselements wird durch einen durch ein Getriebe mit Exzenter angetriebenen Kolben bewirkt. Das Getriebe wird mittels des Antriebsmotors angetrieben. Zur Abgabe eines während eines Dosierhubes über einen vorgegebenen Zeitraum gewünschten Dosiervolumens des Fördermediums kann der Antriebsmotor mit einer entsprechenden Drehzahl betrieben werden.
Das Dosiervolumen, welches mit der Pumpeinheit über einen bestimmten Zeitraum gefördert wird, kann auch während einer einzelnen Anwendung variieren oder variiert werden, beispielsweise je nachdem, welche Menge des Fördermediums in bestimmten Verfahrensschritten benötigt wird. Entsprechend ist es wünschenswert, das Dosiervolumen individuell und bedarfsgerecht sowie genau einzustellen. Weiter wird angestrebt, dass das Dosiervolumen der Pumpeinheit auch während des Betriebs der Pumpeinheit überwacht und abgestimmt werden kann. Die Einstellung des Dosiervolumens sollte dabei so einfach wie möglich und mit einer kostengünstigen Dosiereinrichtung erfolgen.
Für die Regelung des Antriebsmotors zur Einstellung des Dosiervolumens ist es erforderlich, neben der aktuellen Drehzahl des Antriebsmotors auch die Position einer mit dem Kolben verbundenen Schubstange des Exzenters zu kennen. Insbesondere beim Einschalten der Pumpeinheit ist diese Position in der Regel nicht bekannt. Um dies zu ermöglichen, werden derzeit sowohl an dem Antriebsmotor als auch an der Schubstange Sensoren verwendet. Diese erhöhen die Kosten einer Dosiereinrichtung und haben zudem einen vergleichsweise hohen Platzbedarf. Alternativ kann eine sensorlose Vektorregelung für die Pumpeinheit verwendet werden, die jedoch insbesondere bei kleinen Drehzahlen ungenau arbeitet und deshalb für eine präzise Dosierung ungeeignet ist.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dosiereinrichtung zu schaffen, die kostengünstiger herstellbar ist und außerdem eine genaue Dosierung des Fördermediums erlaubt. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein einfaches Verfahren zur Dosierung eines Fördermediums mit einer derartigen Dosiereinrichtung anzugeben.
Die obige Aufgabe wird durch eine Dosiereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Dosierbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und ein Verfahren zur Dosierung eines Fördermediums mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Insbesondere wird die obige Aufgabe durch eine Dosiereinrichtung zur Dosierung eines Fördermediums mittels einer ein Verdrängungselement aufweisenden Pumpeinheit gelöst, wobei das Verdrängungselement einen Förderraum begrenzt, wobei zur Dosierung des Fördermediums das Verdrängungselement zwischen einer Druckposition und einer Saugposition hin- und herbewegbar ist, wobei ein Volumen des Förderraums in der Druckposition des Verdrängungselements kleiner ist als das Volumen in der Saugposition, wobei die Bewegung des Verdrängungselements durch einen durch ein Getriebe mit Exzenter angetriebenen Kolben bewirkbar ist, wobei das Getriebe mittels eines Antriebsmotors antreibbar ist, wobei ein Drehwinkel-Sensor vorgesehen ist, welcher mindestens einen absoluten Winkelpositionswert (d.h. ein Wert oder eine Vielzahl von Werten, die die absolute Winkellage der Exzenterwelle angeben) einer fest mit dem Exzenter verbundenen Exzenterwelle ermittelt und den ermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert an eine Steuereinrichtung der Dosiereinrichtung übermittelt, wobei die Steuereinrichtung derart eingerichtet ist, dass zur Dosierung eines gewünschten Volumens des Fördermediums die Drehzahl des Antriebsmotors basierend auf dem von dem Drehwinkel-Sensor übermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert steuerbar oder regelbar ist.
Die im vorstehenden Absatz beschriebene Dosiereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese einen Drehwinkel-Sensor (Absolutwert-Drehgeber, im Folgenden auch kurz Absolutgeber) aufweist, der mindestens einen absoluten Winkelpositionswert der Exenterwelle ermittelt. Die absolute Winkelposition beinhaltet hierbei den absoluten Drehwinkel und damit die absolute Winkellage der drehbaren Exzenterwelle. Sie steht sofort nach dem Einschalten der Pumpeneinheit bzw. der Dosiereinrichtung zur Verfügung. Der entsprechend ermittelte Wert der absoluten Winkelposition wird an die Steuereinrichtung der Dosiereinrichtung übermittelt und dient dort zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors im Hinblick auf das gewünschte Dosiervolumen. Da durch den Absolutgeber die absolute Winkelposition der Exzenterwelle und somit auch die absolute Winkelposition des fest mit der Exzenterwelle verbundenen Exzenters und der steifen Schubstange bekannt ist, wobei die Schubstange die Bewegung des Exzenters zu dem Kolben überträgt, ist die genaue Position aller Elemente der Dosiereinrichtung beim Einschalten der Dosiereinrichtung und innerhalb eines Dosierhubes bestimmbar. Der mindestens eine absolute Winkelpositionswert eines rotierenden Elements der Dosiereinrichtung wird ausschließlich an der Exzenterwelle bestimmt, insbesondere erfolgt diese Erfassung nicht an dem Antriebsmotor. Zudem kann die Steuereinrichtung basierend auf der absoluten Winkelposition auf den Pumpenhub bzw. den Zustand der Pumpeinheit beim Einschalten der Dosiereinrichtung und innerhalb des Hubzyklus' zurückschließen. Entsprechend kann in einem Ausführungsbeispiel, wenn für ein bestimmtes, gewünschtes Dosiervolumen eine bestimmte Anzahl von Hüben erforderlich ist, mittels der ermittelten absoluten Winkelposition sowie der Übersetzung des Antriebsmotors die erforderliche Anzahl von Motorzyklen und die erforderliche Drehzahl des Antriebsmotors ermittelt werden, indem die Übersetzung des zwischen Antriebsmotor und Exzenter angeordneten Getriebes berücksichtigt wird. Soll das gewünschte Dosiervolumen in einem bestimmten Zeitraum zur Verfügung stehen, kann die Motordrehzahl des Antriebsmotors entsprechend gesteuert oder geregelt werden. Zudem kann die Drehzahl des Antriebsmotors, die gegebenenfalls während eines Hubes oder Dosierzyklus' der Pumpeinheit schwankt, genau an die Position der Pumpeinheit in einem Hubzyklus angepasst werden. Auch während der Dosierung kann ständig überwacht werden, ob der Bewegungszustand der Exzenterwelle dem entsprechenden Zielzustand bezogen auf die absolute Winkelposition und die Drehzahl für die Realisierung des gewünschten Dosiervolumen entspricht. Die Steuereinrichtung erzeugt basierend hierauf die entsprechenden Steuersignale für den Antriebsmotor und übermittelt diese zum Antriebsmotor.
Der Absolutgeber bestimmt, wie oben dargestellt, zu vorgegebenen Zeitpunkten den absoluten Drehwinkel γ_Exzenter des Exzenters. Hieraus kann in einem Ausführungsbeispiel die Drehzahl ω_Exzenter des Exzenters berechnet werden, indem die Winkeländerung pro Zeiteinheit ermittelt wird, also die Winkelgeschwindigkeit ω_Exzenter beziehungsweise der Drehwinkel γ_Exzenter zeitlich abgeleitet wird, wobei sich die Winkelgeschwindigkeit am Exzenter wie folgt ergibt: $ω_{E x z e n t e r} = \frac{d γ_{E x z e n t e r}}{d t}$
Hieraus wird in einem Ausführungsbeispiel die Winkelgeschwindigkeit ω_Motor am Antriebsmotor durch Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses ü (ü kann eine Über- oder Untersetzung darstellen) des zwischen dem Exzenter und dem Antriebsmotor liegenden Getriebes ermittelt: $ω_{M o t o r} = \ddot{u} \cdot ω_{E x z e n t e r}$
Die Drehzahl n_Motor in Umdrehungen pro Minute ergibt sich dann zu: $n_{M o t o r} = \frac{ω_{M o t o r}}{2 π} \cdot 60$
Die Position bzw. der Winkel am Rotor des Antriebsmotors ergibt sich unter Einbeziehung des Übersetzungsverhältnisses ü des zwischen dem Exzenter und dem Antriebsmotor liegenden Getriebes: $γ_{M o t o r} = \ddot{u} \cdot γ_{E x z e n t e r}$
In einem Ausführungsbeispiel werden hierfür während der Dosierung kontinuierlich, beispielsweise in einem gleichbleibenden Abstand (z.B. alle 0,2 Millisekunden bis 10 Millisekunden (ms), vorzugsweise alle 0,5 ms bis 5 ms) zu vorgegebenen Zeitpunkten die absoluten Winkelpositionswerte der Exzenterwelle mittels des Absolutgebers bestimmt. Alternativ oder zusätzlich können die absoluten Winkelpositionswerte der Exzenterwelle abhängig von mindestens einem vorgegebenen Ereignis, beispielsweise direkt nach dem Einschalten der Dosiereinrichtung bzw. der Pumpeinheit oder des Motors oder nach dem Erhalt eines Anforderungssignals, beispielsweise einem entsprechenden Signal der Steuereinrichtung, bestimmt werden.
Der Exzenter wandelt die Rotationsbewegung der Exzenterwelle, die von dem Getriebe auf die Exzenterwelle übertragen wurde, in eine translatorische Bewegung um. Der Exzenter ist beispielsweise als eine auf der Exzenterwelle angebrachte Steuerungsscheibe ausgebildet, deren Mittelpunkt außerhalb der Achse der Exzenterwelle liegt. Der Antriebsmotor ist beispielsweise als Elektromotor gestaltet und elektrisch mit der Steuereinrichtung verbunden. Der Absolutgeber weist ebenfalls eine elektrische Verbindung mit der Steuereinrichtung auf. Die elektrischen Verbindungen dienen der Übertragung von Daten und/oder Steuersignalen.
Die Verwendung eines einzigen, an der Exzenterwelle angeordneten Drehwinkel-Sensors führt insgesamt gesehen zur Einsparung eines Sensors und sorgt damit dafür, dass die Gesamtkosten für die Dosiereinrichtung geringer werden. Zudem wird der Platz für den zweiten Sensor nicht benötigt, sodass die Dosiereinrichtung insgesamt kleiner gestaltet werden kann und ein geringeres Gewicht aufweist. Weiter verringern sich aufgrund der Reduktion der Sensorzahl auch bei der Herstellung der Dosiereinrichtung die Kosten, da die Montage vereinfacht wird. Es ist weiter von Vorteil, dass durch die Verwendung lediglich eines einzigen Sensors die Fehleranfälligkeit der gesamten Dosiereinrichtung und die EMV-Anforderungen reduziert werden.
Die oben beschriebene Dosiereinrichtung kann beispielsweise für fluide Fördermedien wie Wasser, Abwasser, Brauchwasser, flüssige Chemikalien oder Chemikalien-Lösungen, z.B. in der chemischen Produktion, in der Wasser- und Abwasseraufbereitung, im Bergbau oder bei der Rauchgasreinigung, für Desinfektionsmittel, Schmiermittel oder für die Lebensmittel-Industrie (z.B. Aroma- und Duftstoffe, Farbstoffe, Enzyme, Zuckerlösungen, Stabilisatoren, flüssige Hefen) verwendet werden.
Als Pumpeinheit kann beispielsweise eine Membranpumpe oder eine Kolbenpumpe verwendet werden, bei der das Verdrängungselement als Membran beziehungsweise Kolben gestaltet ist, das zwischen der Druckposition und der Saugposition hin- und herbewegt werden kann. Die Membran ist hierbei zwischen dem Förderraum und einem Arbeitsraum angeordnet, in dem sich der Kolben hin- und herbewegt, wobei die Bewegung durch den Zylinder bewirkt wird, der wiederum durch den Antriebsmotor und das Getriebe mit Exzenter angetrieben wird. Das Dosiervolumen wird durch eine Steuerung oder Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors erzeugt, wobei das Fördermittel mittels der Membranbewegung in dem Förderraum von einem Sauganschluss zu einem Druckanschluss gefördert wird.
Als Absolutgeber an der Exzenterwelle kann beispielsweise ein Absolutgeber verwendet werden, der mittels Schleifkontakten oder mittels einer optischen, magnetischen, kapazitiven oder induktiven Erfassung die absolute Winkellage der Exzenterwelle bestimmt. Der Absolutgeber übermittelt der Steuereinrichtung der Dosiereinrichtung in einem Ausführungsbeispiel einen binären Code, der die absolute Winkellage der Exzenterwelle beinhaltet. Der binäre Code kann beispielsweise als Gray-Code realisiert sein. In einem Ausführungsbeispiel kann der Drehwinkel-Sensor als Singleturn-Drehgeber oder als Multiturn-Drehgeber ausgestaltet sein.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Drehwinkel-Sensor im Bereich einer Gehäusewand der Dosiereinrichtung angeordnet sein. Beispielsweise ist der Drehwinkel-Sensor an der Gehäusewand, und zwar innerhalb oder außen an der Gehäusewand angebracht. In dem Fall, dass der Drehwinkel-Sensor außen an der Gehäusewand angeordnet ist, wird die Exzenterwelle durch die Gehäusewand hindurch zu dem Drehwinkel-Sensor geführt. Die Anbringung des Drehwinkel-Sensors ist somit vereinfacht an der Gehäusewand möglich, wobei der Drehwinkel-Sensor bei einem innen liegenden Einbau durch das Gehäuse geschützt wird, während bei einem außen liegenden Einbau ein einfacher Anschluss an entsprechende, die absoluten Winkelpositionswerte zu der Steuereinrichtung übertragenden Leitungen möglich ist.
In einem Ausführungsbeispiel steuert oder regelt die Steuereinrichtung den Antriebsmotor derart, dass dieser über einen Dosierhub (Dosierzyklus) ein vorgegebenes Drehgeschwindigkeits-Profil realisiert. Die Verwendung eines Drehgeschwindigkeits-Profils ist deshalb von Vorteil, weil hierdurch die Abgabe eines gewünschten Dosiervolumens des Fördermediums sehr gleichmäßig gestaltet werden kann, auch wenn hierfür mehrere Pumpenhübe erforderlich sind. Beispielsweise kann ein Drehgeschwindigkeits-Profil verwendet werden, bei dem die Ansaugphase so gestaltet ist, dass sie das verwendete Fördermedium optimal ansaugt. Ein optimales Ansaugen bedeutet dabei beispielsweise, dass das Ausgasen des Fördermediums verhindert oder die Ansauggeschwindigkeit an die Viskosität des Fördermediums angepasst wird. Für die Dosierphase kann mittels einer optimalen Gestaltung der Drehgeschwindigkeit ein möglichst gleichmäßiger Volumenstrom für eine möglichst homogene Vermischung oder eine kurze Ansauglücke (Zeit bis zum Öffnen des Ventils) erzeugt werden.
Die Steuereinrichtung, die auch als Steuerung, Recheneinheit oder Steuereinheit bezeichnet wird, kann eine Verarbeitungseinheit und einen Speicher (auch als Speichereinheit bezeichnet) enthalten, in dem computerausführbare Befehle zur Durchführung der hier beschriebenen Verfahren gespeichert sind. Die Verarbeitungseinheit oder andere beschriebene Einheiten können alle geeigneten Vorrichtungen umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie die Durchführung einer Reihe von Schritten veranlassen, um das Verfahren so zu implementieren, dass Anweisungen, wenn sie von der Verarbeitungseinheit oder einem anderen programmierbaren Gerät ausgeführt werden, die Ausführung der in den hier beschriebenen Verfahren angegebenen Funktionen/Aktionen/Schritte veranlassen können. Die Verarbeitungseinheit oder andere Einheiten können beispielsweise jede Art von Allzweck-Mikroprozessor oder Mikrocontroller, einen digitalen Signalverarbeitungsprozessor (DSP), eine Zentraleinheit (CPU), eine integrierte Schaltung, ein Field Programmable Gate Array (FPGA), einen rekonfigurierbaren Prozessor, andere geeignet programmierte oder programmierbare Logikschaltungen oder eine beliebige Kombination davon umfassen. Bei dem Speicher kann es sich um jedes geeignete bekannte oder andere maschinenlesbare Speichermedium handeln. Bei dem Speicher (Datenträger) kann es sich um ein nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium handeln, wie z. B. ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, oder eine geeignete Kombination der vorgenannten. Der Speicher kann eine geeignete Kombination aller Arten von Computerspeichern umfassen, die sich entweder innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung oder Recheneinheit befinden, wie z. B. Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), Compact-Disc-Festwertspeicher (CDROM), elektrooptischer Speicher, magneto-optischer Speicher, löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM) und elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM), ferroelektrischer RAM (FRAM) oder ähnliches. Der Speicher kann jedes Speichermittel (z. B. Geräte) umfassen, das für die abrufbare Speicherung des von der Verarbeitungseinheit ausführbaren Computerprogramms geeignet ist. Die hier beschriebenen Verfahren können in einer prozeduralen oder objektorientierten Hochsprache oder einer Skriptsprache oder einer Kombination davon implementiert werden, um mit dem Steuergerät oder der Rechnereinheit zu kommunizieren oder deren Betrieb zu unterstützen. Alternativ können die hier beschriebenen Verfahren auch in Assembler oder Maschinensprache implementiert werden. Bei der Sprache kann es sich um eine kompilierte oder interpretierte Sprache handeln. Der Programmcode zum Implementieren der hier beschriebenen Verfahren kann auf dem Speichermedium oder in der Vorrichtung gespeichert werden, beispielsweise auf einem ROM, einer Magnetplatte, einer optischen Platte, einem Flash-Laufwerk oder einem anderen geeigneten Speichermedium. Der Programmcode kann von einer allgemeinen oder speziellen programmierbaren Recheneinheit gelesen werden, um die Steuereinrichtung zu konfigurieren und zu betreiben, wenn das Speichermedium oder die Steuereinheit von der Recheneinheit gelesen wird, um die hier beschriebenen Verfahren durchzuführen. Computerausführbare Anweisungen (Computerprogramm) können in vielen Formen vorliegen, einschließlich Programmmodulen, die von einer oder mehreren Steuereinrichtungen oder anderen Geräten ausgeführt werden. Zu den Programmmodulen gehören im Allgemeinen Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen usw., die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Typischerweise kann die Funktionalität der Programmmodule in verschiedenen Ausführungsformen beliebig kombiniert oder verteilt werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Getriebe, das zwischen Antriebsmotor und Exzenter angeordnet ist, ein Untersetzungsgetriebe, mit dem kleine Dosiermengen genau eingestellt werden können. Das Getriebe bewirkt eine Übertragung der von dem Antriebsmotor erzeugten Rotation auf die Exzenterwelle.
Die oben stehende Aufgabe wird entsprechend durch eine Dosierbaugruppe mit der oben beschriebenen Dosiereinrichtung und einen Antriebsmotor gelöst, wobei der Antriebsmotor das Getriebe antreibt und dessen Drehzahl mittels der Steuereinrichtung basierend auf dem von dem Drehwinkel-Sensor übermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert gesteuert oder geregelt wird. Hierfür ist der Antriebsmotor mit dem Getriebe der Dosiereinrichtung mechanisch verbunden. Eine elektrische Verbindung existiert zudem zu der Steuereinrichtung, welche Steuer- oder Regelsignale an den Antriebsmotor übermittelt. Auf die oben angegebene Arbeitsweise des Systems und die Vorteile wird verwiesen.
Die obige Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Dosierung eines gewünschten Volumens eines Fördermediums mittels einer oben beschriebenen Dosiereinrichtung gelöst, bei dem mindestens ein absoluter Winkelpositionswert der Exzenterwelle von dem Drehwinkel-Sensor ermittelt und an die Steuereinrichtung übermittelt wird, wobei die Steuereinrichtung die Dosierung des gewünschten Volumens des Fördermediums durch eine Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors basierend auf dem mindestens einen übermittelten absoluten Winkelpositionswert bewirkt.
Das Dosierverfahren kann in einem Ausführungsbeispiel auf der Grundlage der Daten des Drehwinkel-Sensors (Absolutgeber) als ein computerimplementiertes Verfahren realisiert werden, das mit der als Datenverarbeitungseinrichtung (Computer) gestalteten Steuereinrichtung durchgeführt wird. Die Steuereinrichtung erhält den ermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert durch Übertragung von dem Drehwinkel-Sensor und berechnet auf dieser Grundlage die entsprechenden Steuersignale für den Antriebsmotor, um das gewünschte Dosiervolumen des Fördermediums zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel ermittelt die Steuereinrichtung die Steuersignale für den Antriebsmotor derart, dass das gewünschte Dosiervolumen basierend auf der entsprechenden Steuerung oder Regelung in einem vorgegebenen Zeitraum zur Verfügung gestellt wird.
Beispielsweise könnte für die Steuerung des Antriebsmotors eine Vektorregelung eingesetzt werden, die mit Hilfe eines PI- oder PID-Reglers die Drehzahl-Sollwerte des Antriebsmotors in Strom-Sollwerte umwandelt. Diese wiederum können durch unterlagerte Pl-Regler separat geregelt werden (Kaskadenregelung). Ein anderes Regelverfahren für den Antriebsmotor, das mittels der Steuereinrichtung realisiert werden kann, ist die U/f-Steuerung, welche die Spannung passend zur vorgegebenen Frequenz vorgibt. Hierbei wird ein Drehfeld einer bestimmten Frequenz an den Motorwicklungen vorgegeben, dem der Rotor des Antriebsmotors bis auf den zu dem jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Schlupf folgt. Um diesen zu kompensieren, kann ein Drehzahlregler zu höheren Frequenzen des Drehfeldes führen. Die Spannung muss über eine Kennlinie zu der umgesetzten Frequenz des Drehfeldes „passen“. Höhere Drehfrequenzen erfordern höhere Spannungen, da im Rotor selbst eine Gegen-Spannung induziert wird, mit der in Richtung höhere Spannung „mitgegangen“ werden muss. Zu den genannten Steuerungen/Regelungen bildet der von dem Drehwinkel-Sensor ermittelte mindestens eine absolute Winkelpositionswert eine Eingangsgröße.
Dieses Verfahren weist die bereits zu der Dosiereinrichtung erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen auf. Es wird somit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt die Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors basierend auf einem vorgegebenen Drehgeschwindigkeits-Profil. Beispiele hierfür sind oben angegeben. Hierfür wird auch während der Dosierung eines gewünschten Dosiervolumens mindestens ein absoluter Winkelpositionswert der Exzenterwelle von dem Drehwinkel-Sensor der Exzenterwelle laufend ermittelt, d. h. kontinuierlich zu vorgegebenen Zeitpunkten und/oder abhängig von vorgegebenen Ereignissen, und an die Steuereinrichtung übermittelt.
In einem Ausführungsbeispiel führt die Steuereinrichtung die Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors wie oben beschrieben unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses ü des zwischen dem Antriebsmotor und dem Exzenter angeordneten Getriebes durch.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform sowie der dazugehörigen Figuren deutlich.
Es zeigen schematisch

1 ein Ausführungsbeispiel einer Dosiereinrichtung in einem Querschnitt,
2 die Dosiereinrichtung gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht von der Seite,
3 ein Ausführungsbeispiel einer Dosierbaugruppe mit Dosiereinrichtung gemäß 1 in einem Schnitt durch die Exzenterwelle und Antriebsmotor und
4 einen Abschnitt der Dosierbaugruppe gemäß 3 als Prinzipskizze.

In den 1 bis 4 ist eine Ausführungsform einer Dosiereinrichtung (1 bis 2) bzw. einer Dosiereinrichtung mit Antriebsmotor 4 (3 und 4) dargestellt, die auch als Dosierbaugruppe 1 bezeichnet wird. Die Dosiereinrichtung weist eine Membranpumpe mit einem Dosierkopf und einem Zylinder 3 auf. In dem Dosierkopf ist der Förderraum 2 für das Fördermedium angeordnet, das dosiert werden soll. Der Förderraum 2 wird durch ein Verdrängungselement in Form einer Membran 6 begrenzt. Die Membran 6 wird zwischen einer Druckposition und einer Saugposition hin und her bewegt, um ein vorgegebenes Volumen des Fördermediums zu fördern. Hierfür besitzt der Förderraum 2 einen Sauganschluss (nicht gezeigt) und einen Druckanschluss 5. Die Membran führt eine periodische Bewegung aus, die durch die Bewegung des Zylinders 3 erzeugt wird. Diese periodische Bewegung, welche auch als Pumpenhub bezeichnet wird, beginnt beispielsweise, wenn der Kolben 3 in einer Richtung bewegt wird (in 1 beispielsweise nach links), durch die die Membran eine Druckreduktion in dem Förderraum 2 bewirkt. Hierdurch wird durch den Sauganschluss Fördermedium in den Förderraum eingesaugt. In der zweiten Hälfte des Pumpenhubs bewegt der Zylinder 3 die Membran derart, dass der Druck im Förderraum steigt (in 1 beispielsweise nach rechts). Hierdurch wird Fördermedium aus dem Druckanschluss 5 ausgestoßen. Der Dosierkopf kann beispielsweise aus einem Kunststoff wie PVDF, PVC, Plexiglas oder aus einem Metall wie Edelstahl bestehen. An dem Sauganschluss und an dem Druckanschluss 5 sind jeweils Ventile angeordnet, die typischerweise in den Dosierkopf eingeschraubt sind. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass die in diesem Absatz erfolgte Erläuterung des Prinzips der Arbeit einer Membranpumpe in der Dosiereinrichtung als für die Dosiereinrichtung geeignete Pumpeinheit viele bekannte Bauteile und Eigenschaften einer Membranpumpe unerwähnt lässt. Es ging bei diesen Erläuterungen lediglich darum, das Zusammenwirken des Zylinders 3 mit der Membran des Dosierkopfs darzustellen.
Die Bewegung des Zylinders 3 wird, wie insbesondere 4 entnommen werden kann, mittels eines Getriebes mit einer Motorabtriebswelle 10 und einem Exzenter 11 erzeugt, welches wiederum durch den Antriebsmotor 4 angetrieben wird. Der Exzenter 11 sitzt auf einer Exzenterwelle 15. Das Getriebe kann beispielsweise einen Schneckengetriebeteil 10a aufweisen. Der Antriebsmotor 4 ist beispielsweise ein Elektromotor. Ferner weist die Dosiereinrichtung eine Steuereinrichtung 12 auf, die elektrisch mit dem Antriebsmotor 4 verbunden ist (siehe gepunktete Linie 13). Die Steuereinrichtung 12 steuert oder regelt den Antriebsmotor 4 derart, dass beispielsweise ein gewünschtes Volumen des Fördermediums an dem Druckanschluss 5 dosiert wird.
Die Dosiereinrichtung besitzt ferner auf der Exzenterwelle 15 des Getriebes einen Absolutgeber 17 (z.B. einen Singleturn-Drehgeber), der direkt nach dem Einschalten und danach laufend alle 2 ms die absolute Winkelposition (Winkellage) der Exzenterwelle 15 bestimmt. Der Absolutgeber 17 ist ebenfalls elektrisch mit der Steuereinrichtung 12 verbunden (siehe gepunktete Linie 18) und übermittelt dieser die bestimmten Werte der absoluten Winkelposition der Exzenterwelle 15 und gegebenenfalls der Drehzahl der Exzenterwelle 15. Der Exzenter 11 erzeugt aus der Rotationsbewegung der Exzenterwelle 15 eine Translationsbewegung, die mittels einer Schubstange 16 auf den Zylinder 3 übertragen wird.
In dem in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Dosiereinrichtung ist der Absolutgeber 17 außen am Gehäuse 1 a der Dosiereinrichtung angeordnet (siehe 2). Die Exzenterwelle 15 ist hierfür, wie aus den 1 bis 3 entnommen werden kann, durch das Gehäuse 1a nach außen geführt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ermittelt der Absolutgeber 17 die absolute Winkelposition beispielsweise mit magnetischen Mitteln (Induktion), weil diese einfach montierbar sind und wenig Kosten verursachen. Alternativ können kapazitive oder optische Mittel verwendet werden.
Die Steuereinrichtung 12 empfängt die von dem Absolutgeber 17 ermittelten Werte der absoluten Winkelposition der Exzenterwelle 15. Diese Werte werden in der Steuereinrichtung 12 zur Steuerung oder Regelung des Antriebsmotor 4 für und während des Dosierens des Fördermediums verarbeitet. Hierfür weist die Steuereinrichtung 12 eine Verarbeitungseinheit und einen Speicher auf, der die entsprechenden, in der Verarbeitungseinheit ausführbaren Befehle beinhaltet. Die Messwerte werden ebenfalls in dem Speicher der Steuereinrichtung 12 gespeichert.
Das Dosierverfahren wird beispielsweise durchgeführt, wenn die Steuereinrichtung 12 eine Anforderung zur Dosierung eines gewünschten Volumens des Fördermediums in einem gewünschten Zeitraum erhält. Aufgrund einer anschließenden Bestimmung der absoluten Winkelposition/Winkelpositionen der Exzenterwelle 15 mittels des Absolutgebers 17 und entsprechende Übermittlung an die Steuereinrichtung 12 über die elektrische Verbindung 18 kann die Steuereinrichtung 12 auf dieser Basis zusammen mit dem Wert des gewünschten Volumens, den Eigenschaften der Membranpumpe und der bekannten Übersetzung des Getriebes ein Drehzahlprofil für den Antriebsmotor 4 berechnen, das die Grundlage für die Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors 4 durch die Steuereinrichtung 12 bildet. Hieraus berechnet die Steuereinrichtung 12 wie oben beschrieben entsprechende Steuer- oder Regel-Signale für den Antriebsmotor 4, welche über die elektrische (Daten-) Verbindung 13 an den Antriebsmotor 4 übermittelt werden. Wenn die Steuereinrichtung 12 eine Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors 4 durchführt, können auch Werte der absoluten Winkelposition und gegebenenfalls der Drehzahl der Exzenterwelle 15 während des Dosiervorgangs an die Steuereinrichtung 12 über die elektrische Verbindung 18 übermittelt und dort als Eingangsgrößen für die Regelung verarbeitet werden. Alternativ kann die Steuereinrichtung mit einer elektronischen Frequenzumrichter-Baugruppe zur Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors 4 verbunden sein, wobei die Frequenzumrichter-Baugruppe mit dem Antriebsmotor 4 verbunden ist und die Spannungsversorgung des Antriebsmotors 4 basierend auf den übermittelten Steuer- oder Regel-Signalen der Steuereinrichtung 12 bewirkt.
Bei der Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors 4 fließen beispielsweise folgende Überlegungen ein, welche die Verwendung des bekannten Übersetzungsverhältnisses (eigentlich Untersetzungsverhältnis, da das Getriebe häufig ein Untersetzungsgetriebe ist) demonstrieren.
Wenn der Hub einer Pumpeinheit als ein Exzenterumlauf um 360° angenommen wird und die Pumpeinheit beispielsweise mit einem 1:10-Untersetzungsgetriebe ausgestaltet ist, können folgende Rechnungen durchgeführt werden. Befindet sich die Pumpeinheit zu Beginn der Dosierung nahe ihres Hubbeginns, beispielsweise bei 10°, so kann der Motorwinkel (also die Position am Rotor des Antriebsmotors 4) berechnet werden zu 10° * Getriebeuntersetzung = 10° * 10 = 100° . Bei der Hälfte des Hubes der Pumpeinheit (also bei einem absoluten Winkel der Exzenterwelle 15 von 180°) hätte der Antriebsmotor 4 einen Winkel von 10 * 180° = 1800°, was 5 * 360° entspricht. Bei der Hälfte des Hubes der Pumpeinheit steht der Antriebsmotor 4 daher exakt an der Position von 5 ganzen Umdrehungen. Auch die Drehzahl des Antriebsmotors 4 kann aus der an der Exzenterwelle 15 durch den Absolutgeber 17 bestimmten Drehzahl ermittelt werden. Bewegt sich die Exzenterwelle 15 mit einer Drehzahl von 60 Umdrehungen pro Minute (entspricht 60 Hübe pro Minute) so würde der Antriebsmotor 4 mit 60 U/min * Getriebeuntersetzung = 60 U/min * 10 = 600 U/min laufen.
Aus den obigen Ausführungen wird deutlich, dass durch die Verwendung eines einzigen Absolutgebers 17, der den absoluten Winkelpositionswert der Exzenterwelle 15 bestimmt, eine genaue Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors 4 für die Dosierung des Fördermediums erfolgen kann. Hierdurch kann die Dosiereinrichtung bzw. die Dosierbaugruppe 1 kostengünstig gestaltet und produziert werden.

Claims

Dosiereinrichtung zur Dosierung eines Fördermediums mittels einer Pumpeinheit, wobei die Pumpeinheit ein Verdrängungselement (6) aufweist, das einen Förderraum (2) begrenzt, wobei zur Dosierung des Fördermediums das Verdrängungselement zwischen einer Druckposition und einer Saugposition hin- und herbewegbar ist, wobei ein Volumen des Förderraums in der Druckposition des Verdrängungselements kleiner ist als das Volumen in der Saugposition, wobei die Bewegung des Verdrängungselements durch einen durch ein Getriebe mit Exzenter (11) angetriebenen Kolben (3) bewirkbar ist, wobei das Getriebe mittels eines Antriebsmotors (4) antreibbar ist, wobei ein Drehwinkel-Sensor (17) vorgesehen ist, welcher mindestens einen absoluten Winkelpositionswert einer Exzenterwelle (15) des Exzenters (11) ermittelt und den ermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert an eine Steuereinrichtung (12) der Dosiereinrichtung übermittelt, wobei die Steuereinrichtung (12) derart eingerichtet ist, dass zur Dosierung eines gewünschten Volumens des Fördermediums die Drehzahl des Antriebsmotors (4) basierend auf dem von dem Drehwinkel-Sensor (17) übermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert steuerbar oder regelbar ist.
Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel-Sensor (17) als ein Singleturn-Drehgeber oder ein Multiturn-Drehgeber ausgebildet ist.
Dosiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel-Sensor im Bereich einer Gehäusewand der Dosiereinrichtung angeordnet ist.
Dosiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Untersetzungsgetriebe ist.
Dosiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) den Antriebsmotor (4) derart steuert oder regelt, dass dieser ein vorgegebenes Drehgeschwindigkeits-Profil über einen Dosierhub realisiert.
Dosierbaugruppe mit einer Dosiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Antriebsmotor (4), welcher das Getriebe antreibt und dessen Drehzahl mittels der Steuereinrichtung (12) basierend auf dem von dem Drehwinkel-Sensor (17) übermittelten mindestens einen absoluten Winkelpositionswert gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren zur Dosierung eines gewünschten Volumens eines Fördermediums mittels einer Dosierbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein absoluter Winkelpositionswert der Exzenterwelle (15) von dem Drehwinkel-Sensor (17) ermittelt und an die Steuereinrichtung übermittelt wird, wobei durch die Steuereinrichtung die Dosierung des gewünschten Volumens des Fördermediums durch eine Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors (4) basierend auf dem mindestens einen übermittelten absoluten Winkelpositionswert bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors (4) basierend auf einem vorgegebenen Drehgeschwindigkeits-Profil erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine absolute Winkelpositionswert der Exzenterwelle mittels des Drehwinkel-Sensors (17) kontinuierlich zu vorgegebenen Zeitpunkten und/oder abhängig von mindestens einem vorgegebenen Ereignis bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) die Steuerung oder Regelung des Antriebsmotors (4) unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses (ü) des zwischen dem Antriebsmotor (4) und dem Exzenter (11) angeordneten Getriebes durchführt.