用於電磁泵的控制系統的製作方法

2023-05-05 00:03:46 1

專利名稱：用於電磁泵的控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於操作電磁泵的控制系統。更明確地，本發明涉及依照權利要 求的控制系統和方法。
背景技術：
應用壓力或負壓的電磁泵已發現存在有大量各類的變化和尺寸，並應用在許 多不同的應用中，從大的工業泵到用於醫學目的非常小的泵。對於電磁泵例如 隔月媒的不同的應用領域，除了這些泵盼性能外，還存在很多需求。對於隔膜 泵購買者來說， 一個重要的問題是廠商提供的泵在很大禾，上被標準化為僅僅 幾種不同型號，這很大程度上是因為泵製造者在生產中追求規模經濟。這些泵 的有限的多樣性意歸存頓於更有效的控帝係統的需求。這使製造者能以一 種更好的方式滿足特殊的用戶需要，並能降低成本，同時改善包含泵的產品的 性能。目前缺少一種用於電磁泵的優質、簡單、標準、低維護和便宜的控制系
藉助於一個或多個電磁鐵而被驅動的隔B媒是相當普遍的。電磁鐵產生例如 使得隔膜產生^M動的來回的運動。電磁驅動隔膜泵的一個優點為它們更緊 密地結合至隔膜，這使其可能例如改變衝程的長度，而這不會腿過由帶有偏心 體的旋轉電動機掛共動力的隔S媒完成。此外，電麟由非常少的零件組成， 這使得它們的製造便宜。儘管如此，電磁泵仍然不大普及，這是由於幾個問題 導致了電磁鐵在為隔膜泵提供動力方面顯然不比旋轉電動機更好的事實。電磁 泵的一個重要問題為，很X隹在不引入伴隨更多零件和附加摩擦力的操作杆的情 況下增加至更高的壓力。而另一個問題為很難在不碰撞泵的底部的情況下，最
優化電磁泵使其精確地在結束位置轉變方向。碰a^部導致縮短工作壽命，而 早轉變方向導致較差的壓力性能。因此電磁泵經常事先調整至不能改變的確定 的壓力，這導致了明顯的局限性，也常常是個問題。電磁泵的又一問題為它們 比帶有旋轉電動機的泵的控制更加 ^，並通常僅育誕過電壓量而控制。 另外的存在的問題緣自泵的實際運行和使用。在擺動泵例如電磁泵和具有偏心裝置的旋轉電動機的泵的使用過程中，在壓力和流動中引起振動。這些在
許多情形下為有害的，並會例如幹擾測量IKit介質的測量傳感器。為了最小 化該幹擾性的振動，大容器或容積的所謂的空氣電容器經常IOT來使流動平穩。 然而由於它們佔用許多的空間，並且該皿介質有在該介質最終到達氣體傳感 器之前在這些容器內被混合的危險，因此，這不是一個好的解決方案。這減小 了例如測難置的靈驗和響應時間。泵的〗頓的另一個問題為，流量被系統 內的壓力高低所影響。通常需要流量和壓力為恆定的。泵的性能很大程度上取 決於周圍壓力是否由於某些原因而變化。這意 —個人必須以優良精度測量 壓力或者流量或者兩者都測量，並且在許多應用中為了控制泵這是必要的。這 增加了系統的成本和複雜性。另外一個問題是必須對多個皿行調整，以達到 共同的結果，例如氣體的混合。Sit成了具有數個流量計、壓力表和閥的非常 複雜的系統。還有一個問題是獲得一種完全不需要校準以及不被操作和老化影 響的控制系統。
由於上面提到的問題，包含泵的系統和產品經常引起由許多零件組成的非 常，的設計，其使得產品價格高昂。 現有技術
在瑞典專利申請SE7503408中，使用光傳感器，fflil用計數法讀出邏輯1 或邏輯0，以停止或啟動電磁鐵，從而確保泵不至U達其結束，，然而該解決方 案與這裡描述的解決方案有很大不同，因為他們的解決方案缺少在所有的剩餘 時間的過程中所發生的信息，其中所有的剩餘時間由該移動部件處於除了讀出 的僅僅兩個結束位置之外的所有其他位置的時間構成。其也不具有增量解散 (disbandment)， ^t於在i媒，的時間中的衝程，育g夠自由地改變增量衝程 是必要的。有人提議可將藉助於螺絲能夠移動的 L用於變化的增量。專利文獻 US6616413描述了一種基於傳繊的控制系統，其iWl感應自動地調節電M 的共振頻率。
儘管現有的電磁驅動隔膜泵許多次達到目的，沒有一個結合來自旋轉電動 機驅動的隔膜泵和電磁鐵驅動的隔膜泵二者的優點而不帶有伴隨兩種類型泵的 任何缺點。因此本發明的目的是提供一種隔膜泵，其基本上包含來自各自類型 的隔膜泵的優點而不帶有任何缺點。該系統與這裡描述的系統有很大的不同， 因為他們的系統缺少解決所有在這裡描述的問題所需要的精度和準確度以及主要地旨在最優化效率。
所有開始提到的問題導致了存在很大的潛力用於改善電磁泵的控制系統。 通過利用廣泛的可控制性和非常直接的耦合至電磁泵的電源，與帶有旋轉電動 機的泵以及當前存在的缺少這裡所描述的控帝係統的電磁泵比較，有可能以有 說服力的方，決所有的，問題，並極大地改善和增加電 使用的範圍。 本發明的詳細描述
本發明將在下面的正文中參考示意性的附圖詳細地描述，該附圖以一示例 性的目的示出了本發明當前的，實施方式。


圖1表示根據本發明的第一實施形式的控制系統。 控制系統
參看圖1，示出了根據本發明的控制系統。該系統由樹，制電壓並為該系
統供電的電源驅動，M電壓讀出器5，用所需要的能量來驅動該系統。該系統 包括至少一個微處理器l，其採^^有的 ，存儲數據，計算數據並向前m 該數據。數據從至少一個位置傳 採集。，地，該控制系統還包括至少一 個^^傳自4、至少一個電流計9 (電錶)和至少一個電壓測量器8 (伏特計)。 在替代的實施方式中，可禾,這些傳感器的另外的變化。來自傳感器的採集的 數據由微處理器進行計算，並且其後控制信號! ^至電路7，電路7接下來控 制電磁鐵的能量供給。該電磁鐵接下來作用於移動部件，移動部件的位置和位 移MM少一個，傳自檢測，該tM傳^Mtei也包括至少一個光，器2， 該光鄉器2將光織至至少一個光接收器3 。該控制系艦包括允許控制幾個 泵和/或用於它們彼此配合的網絡界面6 o 隔月艱
該控制系統設計成控制幾個不同類型的電磁驅動泵。在圖1的示例性設計 中，該控制系統用來控制電磁驅動的隔S媒。該例子不應當視作對於根據本發 明的控制系統在專利保護上的限制，因為該控制系統本質上設計成適用於所有 的電磁驅動泵。該隔膜泵包括蓋板(gable) 22，該蓋板包括圓形軟,接頭。 蓋板22與法蘭20結合在一起。在蓋板22和法蘭20之間的空間存在一個瓣閥 (止逆閥，止回閥，單向閥或者其他的防止回流的裝置)21的示意圖，瓣閥21 可由為了該目的的適當類型的瓣閥構成。隔膜18被夾緊在法蘭20和附加法蘭 19之間。這形成了在隔膜和法蘭20之間的具有進口和出口的泵室。軸(移動部件)12連接(固定)至該隔膜。斑由懸浮在滑動軸承14內並被設計成能在軸向 移動。該軸具有在徑向向外延伸的加寬部分17。 i亥加寬部分17會,吸引圍繞該 軸的兩個圓形電磁鐵15或者16中的任一個。通過軸的加寬部分移動,電磁 鐵，電磁鐵吸弓腳的加寬部分17，這是由於電磁鐵形成的磁場的存在。通過交 替地激化電磁鐵15和16， 一往復的^t動可在軸向粒。可替代地，電磁鐵 中的一個可由彈簧替換。 控制系統的定位功能
由電磁鐵發出的磁場弓胞的移動部件的軸向移動達到不同的範圍，在該軸 (移動部件)上的位置13遮擋從光mt器2發送至光接收器3的光。該移動部 件在所有位置都會以某種禾號遮擋光接收器和光鄉器之間的光。該遮擋的光 導致的陰影的大小可被觀懂作為在該光接收器處的模擬電壓。該模擬電壓導致 該定位光傳,會具有極大的分辨力(resolution)。該光接收器測量其敏感的所 有波長範圍內的所有的光，這些光可以是來自其他方向和其他光源，並不僅是 來自光接收器的皿器。為了排除這些擾亂源，該光發送器被以非常高的頻率 密度打開和關閉，使該系統能經常控制實際上來自光鄉器的光的多少。適當 地，光鄉器和光接收m雌擇共同具有一個光寬(魏的或接收的光錐的寬 度)，該光寬由比泵衝程長度大的在10至11之間的距離構成。然而一更長衝程 的長度可以通過使圓錐端在軸(移動部件)上進行測量，但是這導致在軸的懸 浮上的更高精度要求，以便沒有徑向遊隙(radial play)產生，徑向遊隙可能被 該系統劍率為軸向移動。該系統具有^^傳感器4，用於補償在電磁鐵和光定位 傳感器內的可能的改變(,偏移)。 定位功能的自動校準
該系統還包括用於測量的自動校準功能，以補償移動部件位置的光測量的 可能的，源。在光狽糧中的，源可能由例如在該泵的操作過程中的老化和 磨損所引起。該自動校準通過機械地限定的割立置，或者依靠電磁鐵機械地將
該泵設定在其轉向位置，並且其後在這些轉向位置由光學系統的位置指^a行
表示的地方，光學地測量並更新信息而達到。該系統以這種方式防止例如隨著 時間形成的老化、操作或汙物造成在光接收器上測量的，莫擬f直的差異。以這種 方式從光對寸器的操作到光接收器的接收的^過程(chain)被校準。 控制電壓用於該泵的控制系雜聖由微寺計5接收電力。il^則量該系統被Mf共動力 的操作電壓，該操作電壓的電平同樣運行作為該泵的控制信息，並且以這種方 式其育嫩與由恆定電力(regular electrical)直流(DC)電動機帶動的泵兼容， 而這種泵是目前市場上最普遍存在的類型。如果需要替換現存的設備中的其他 泵，採用根據本發明的控制泵來替換不同類型的泵是非常有利的。下面描述如 何實現這一點。 運行中的泵(控制系統)
當連接至伏特計5時，泵(控制系統)接粉卜部輸入的6伏電壓。同樣的 電壓並，微處理器l，這時期每打開。該微處理器開始測量系統的溫度，以使 用該^^來補償源自於溫度的可能的測4^差。該過程在軟體內連續iikit行， 本說明書中不再提及。該微處理器致使光魁寸器im地以10kHz的頻率閃光。 其後微處理器藉助於自來電磁鐵7的操作激活電磁鐵15。
電磁鐵在軸向朝著電磁鐵15牽引泵的軸(移動部件)，直到該移動部件到 達其與電磁鐵機械ifeii接的轉向位置。然後微處理器測量在光接收器3處的電 壓。該電壓在光鄉器打開和關閉時均被測量。微處理器計算電壓差異並將其 存儲在存儲器中，作為用於凝的定義的轉向位置。M首先使電磁鐵15不起
作用並且改為激活電磁鐵16，同樣的程mi在另一個轉向位置執行。微處理器
辨別出泵的兩個端部位置，並因此能夠避免碰撞轉向位置。微處理器將連續地 測量陰影的大小，以連續精確地控制該軸在轉向位置之間所處的位置。儘管陰 影的大小與電壓差異之間並不完全是線性關係，但藉助於所謂的線性表，該電 壓差異冑,轉變為特定的位置。然後微處理激則量顯示6伏的伏特計5。該微處 理器例如早已被編程為6伏的輸入電ra"應全衝程長度和6Hz的衝程頻率。在 該實施例中，微處理:^皮編程為以輸入電壓的伏數^衝程頻率。然後微處理 器通過交替地激活電磁鐵弓胞軸來回地往復移動。其^頓光定位傳繊來及時 改變方向，從而該泵能夠避免會弓胞磨損和破裂的泵的端部點的撞擊。其會調 節泵的鵬從而達到6Hz的頻率。該速度的調整可以例如艦向電磁,加更 高的電壓實現。在該 的解決方案中採用的方法是，通過4OT大體上比泵的 速度高的頻率，藉助於控制供給至電磁鐵的電力的電路7，中斷、關閉和打開作 為電壓控制的輸入電壓，在該方案中採用的是六伏電壓。因此，該設計中部件 的數量可以實現最小化，並避免電壓的調整，並且從而同樣可以避免在控制電子設備7中的電壓降形式的能量損失。
如果該方案中的控制系統的控制電壓升高至7伏，系統的控制禾ii^維持 全衝程長度不變，但相應地升高該衝程頻率至7Hz。以這種方式可以模仿 (imitate) —直流(DC)電動機，並從而具有替換市場上現有的直流(DC)驅 動泵的可能性。改魏作電壓當然能夠控制除頻率之外的其他東西。頻率能夠 保持疸定，並且衝程長度能夠M操作電壓控制。此外操作電壓能夠控制實際 流量或壓力，這將在後面描述。因而，可以實現線'瞎的功能。 網絡界面
操作電壓同樣能夠保持恆定，並且該泵可替代iM過泵所具有的具有現有 通信/網絡協議的網絡界面6控制。該網絡界面設計成使得幾個控制系統旨,一
起控制，並且彼itb^間以及與其他的外部傳感器和系統協作。這使得泵能被一
起控制以彼此協作，還能與其他的外部傳，和系統協作。M在幾個控制系 統之間的協作，較大的泵能夠艦幾個或較大的電磁鐵而被操作。通過〗頓該 網絡界面，幾個泵可並聯工作，目的是一起產生大的流量。串聯連接在改善壓 力性能方面能達到令人滿意的效果。並聯的泵可通過延遲的控制系統網絡界面 工作時間，通過當第二個泵泵入時使第一個泵泵出，以補償流動波動。多於兩 個泵更能使波動平穩。網絡功能性的另一個作用為同一個總線能夠用較少的電 子裝置和連接元fHS制幾1^。該網絡界面還可為無線的。 壓力計算
該控帝係統同樣能計算從泵產生的壓力。稍微簡化的用於測量壓力的方法 依照以下所說描述。在電磁鐵吸引移動部件的方向上加速度的大小，為電磁鐵 產生的拉動隔膜的力和緣自泵室內形成的正壓或負壓在相反方向拉動隔膜的相 反力之間的力的差異的量度。
藉助於位置傳感器，可以知道在任意給定時刻的移動部件的位置、移動的 快慢以及加速度。電磁鐵在離軸的每個距離處產生的力通過測量(校準)已經 知道。如果觀懂了該加速度並與已知的力比較，可!柳公式A二F1-F2來計算由 泵內壓力產生的未知力。此後，當已得知由壓力產生的力，可用公式IMVA來 計算壓力大小。
當然還有其他的影響因素，例如軸承內的摩擦力、隔膜的彈力、其他的彈 力、空氣阻力和溫度。然而，這些參數的重要性取決於每個泵是如何構造的，而這就是為什麼該簡化的描述不考慮它們的原因。
除了先鵬到的應用領嫩卜，該控制系統同樣可用於經由在運行過程中測 量不同壓力的流量性會^/衝程並存儲在泵中來測量泵的流量。從而藉助於以下公 式來計算流量流*=衝程頻率*在特定壓力的流量性能。 配絲該控制系統的泵的應用實例
該控制系統用於控制與定量器連接的泵。由於帝隨過程中的校準在每W寺 定的壓力處的流量性齢衝程為已知的，所以泵育辦定量。魏的容積=衝禾徵 量*在特定壓力的流量性會^/衝程。
該控制系統還可用於控制在混合不同介質過程中的泵。藉助於該控制系統， 泵的流量領糧功能加之網絡功能可用於形成能以高精度混合不同介質的非常簡 單和實用的系統。
該控制系統還能用於增加泵出壓力。該泵可以在全衝程長度菊送，並且隨
後當需要時，可以減小衝程長度並在運行的電磁鐵附近擺動。這^i到一相當
大的力，用以操作隔膜，泵出壓力在這裡增大。
即使在這裡詳細地描述了控帝孫統的雌的實施方式和用於控制該控制系 統的方法，本領域技術人員應該知曉在本發明範圍內的變動和較小的改變，並 且所有的這些瞎形將被認為落入下面的權利要求的範圍之內。
權利要求
1、用於控制電磁驅動泵例如電磁驅動隔膜泵的控制系統，包括至少一個微處理器(1)和至少一個傳感器，其中該微處理器控制供給至至少一個電磁鐵(15，16)的能量，其中發出的磁場的變化引起至少一個移動部件(12)執行往復移動以達到泵送作用，以及其中設置至少一個位置傳感器以感測該移動部件(12)在電磁驅動泵中的位置，其特徵在於該位置傳感器包括至少一個光發射器(2)和至少一個光接收器(3)，泵的移動部件(12)遮擋該發射器和該接收器之間的光至一定程度為其大小取決於該移動部件的位置，該微處理器(1)被設定為，由與光接收器(3)處的電壓相對應的陰影的大小，連續地計算與該遮擋的區域的大小相關的該移動部件的位置。
2、 根據權利要求1的控制系統，其特徵在於該移動部件在所有的位置都 遮擋at器和接收器之間的光。
3、 根據權利要求1的控制系統，其特徵在於為了位置傳繊功能的自動校準，該微處理器(1)設計成隨著電磁鐵(15， 16)將移動部件吸引至至少一 個已知^S而記錄來自光接收器(3)的電壓。
4、 根據權利要求1或2的控制系統，其特徵在於該光鄉器(2)設計 成以至少比泵的衝程頻率高20倍的頻率閃光。
5、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於設置傳感器，以通 過測量移動部件(12)頓的衝程期間的加速度來測量i録的泵出壓力。
6、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於該微處理器(1)連接至至少一個傳繊(9)，該傳麟(9)設計成記Mil電磁鐵(15， 16) 的電流。
7、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於該微處理器(1) 連接至至少一個^傳感器(4)，以採用測得的，數據用於該控制系統的溫 度補償。
8、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於設置傳繊，以借 助於不同壓力下W^衝程的已知流量性能來測量流量。
9、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於該微處理器(1) 設計成由被伏特計(5)測量的輸入電壓電平進行控制。
10、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於該控制系統具有 以下功能該泵以恆定頻率被驅動並且流量隨著該移動部件(12)的衝程長度 變化。
11、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於當對於周圍系統 或傳感器最有利時，該控制系糹級時與外部系統或傳感器同步來控制該泵執行
12、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於該控制系統具有 控審揼以產生變化長度的單個衝程的功能。
13、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於該微處理器(1)包括能夠將幾^^控制系統結合在一起的網絡功能(6)。
14、 根據權利要求12的控制系統，其特徵在於該控制系統設計成使用流量測量和網絡功能以在氣體混^:程中控制 。
15、 根據權利要求12的控制系統，其特徵在於該控制系統設計成利用該網絡功能與幾個控制系統合作，Mi^頓幾個或更大的電磁棘驅動較大的泵。
16、 根據權利要求12的控制系統，其特徵在於該控制系統設計成使用其網絡功育g在幾個連接的^t間延時泵衝程以平衡流量波動。
17、 根據權利要求12的控制系統，其特徵在於該控制系統設計成4頓其網絡功魁空制幾個並聯的泵，以增加流量性能。
18、 根據權利要求12的控制系統，^f寺徵在於該控制系統設計成使用其網絡功倉鵬制串聯結合的泵，以增加壓力性能。
19、 根據前述任一項權利要求的控制系統，其特徵在於該控制系統設計 鵬與輸入電壓成比例的流量的線性函數，4頓流量測量來控制凝。
20、 根據權利要求1-17中任一項的控制系統，其特徵在於該控制系統設計成用與輸入電壓成比例的壓力的線性函數，使用壓力測量^S制i，。
21、 用於控制電磁驅動泵例如電磁驅動隔膜泵的方法，具有根據前述任一 項權利要求的控制系統，其特徵在於微處理器(1)測量來自至少一個位置傳感器的測量值，其遞增地測量該移動部件的位置和位移，其中該微處理器計算該觀嶋的測量值，並根據該泵所需的性能調節供給至該電磁鐵(15， 16)的能量的控制。
全文摘要
本發明涉及一種用於控制電磁驅動泵例如電磁驅動隔膜泵的控制系統和方法。該控制系統包括至少一個微處理器和至少一個傳感器，其微處理器控制至少一個電磁鐵的電源，電源在發射磁場的改變引起至少一個移動部件，直接地或間接地執行擺動泵送運動。本發明特徵在於該控制系統包括至少一個定位傳感器，其感測該移動部件在該電磁驅動泵中的位置。通過採用該定位傳感器的測量，該泵可以進行精確控制。
文檔編號H02K33/12GK101310109SQ200680042580
公開日2008年11月19日 申請日期2006年11月12日 優先權日2005年11月15日
發明者約翰·斯坦伯格 申請人:約翰·斯坦伯格