DE102013113576A1 - Sensorlose Störungserkennung bei Dosierpumpen mit Schrittmotor - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum sensorlosen Erkennen von Funktionsstörungen einer Verdrängerpumpe (1), wobei die Verdrängerpumpe (1) ein bewegliches Verdrängerelement (5) mit einer Grenzfläche (AG) aufweist, welche einen Dosierraum (3) begrenzt, wobei der Dosierraum (3) über Ventile (8, 9) mit einer Saug- und Druckleitung (6, 7) verbunden ist, so dass durch eine oszillierende Bewegung des Verdrängerelements (5) alternierend Förderfluid (F) über die Saugleitung (6) in den Dosierraum (3) gesaugt und über die Druckleitung (7) aus dem Dosierraum (3) gedrückt werden kann, und wobei ein Schrittmotor (13) als Antrieb zum oszillierenden Bewegen des Verdrängerelements (5) vorgesehen ist. Um ein Verfahren zum Erkennen von Funktionsstörungen einer Verdrängerpumpe bereitzustellen, ohne dass zusätzliche Sensoren benötigt werden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein vom Schrittmotor (13) bereitgestelltes Motormoment (MM) ermittelt wird und, wenn das ermittelte Motormoment (MM) ein erstes vorbestimmtes Kriterium erfüllt, ein Warnsignal ausgegeben wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum sensorlosen Erkennen von Funktionsstörungen einer Verdrängerpumpe, wobei die Verdrängerpumpe ein bewegliches Verdrängerelement mit einer Grenzfläche aufweist, welche einen Dosierraum begrenzt, wobei der Dosierraum über Ventile mit einer Saug- und Druckleitung verbunden ist, sodass durch eine oszillierende Bewegung des Verdrängerelements alternierend Förderfluid über die Saugleitung in den Dosierraum gesaugt und über die Druckleitung aus dem Dosierraum gedrückt werden kann, wobei ein Schrittmotor als Antrieb zum oszillierenden Bewegen des Verdrängerelements vorgesehen ist.
• Verdrängerpumpen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Bei einer Ausführungsform begrenzt eine Fläche eines beweglichen Verdrängerelements als Grenzfläche einen Dosierraum. Das Verdrängerelement und mit ihm die Grenzfläche der Dosierkammer können zwischen zwei Extrempositionen hin- und herbewegt werden. Hierdurch wird das Volumen des Dosierraums vergrößert bzw. verringert. Die jeweilige Position der Grenzfläche bestimmt somit das aktuelle Volumen des Dosierraums. In der ersten Extremposition der Grenzfläche ist das Volumen des Dosierraums minimal, während es in der zweiten Extremposition maximal ist. Wird also die Grenzfläche von ihrer ersten Extremposition in die zweite bewegt, so wird dadurch das Volumen des Dosierraums vergrößert bzw. der Druck im Dosierraum fällt ab. Der entstehende Unterdruck führt zu einem Schließen des Ventils zwischen Dosierraum und Druckleitung sowie zu einem Öffnen des Ventils zwischen Dosierraum und Saugleitung, sodass das Förderfluid über die Saugleitung in den Dosierraum gesaugt wird. Bei der Rückbewegung der Grenzfläche aus der zweiten Extremposition in die erste wird das Volumen des Dosierraums wieder verringert bzw. der Druck im Dosierraum steigt an. Durch diesen Überdruck wird das Ventil zwischen Dosierraum und Saugleitung geschlossen, während das Ventil zwischen Dosierraum und Druckleitung geöffnet wird. Der Überdruck im Dosierraum fördert das Förderfluid aus dem Dosierraum in die Druckleitung. Durch die oszillierende Bewegung des Verdrängerelements und der Grenzfläche zwischen den beiden Extrempositionen wird somit abwechselnd Förderfluid aus der Saugleitung in den Dosierraum gesaugt und anschließend aus dem Dosierraum in die Druckleitung gefördert.
• Der Antrieb einer solchen Verdrängerpumpe kann auf unterschiedlichen physikalischen Antriebsprinzipien basieren. Bekannt sind beispielsweise hydraulisch oder elektromagnetisch angetriebene Pumpen. So kann insbesondere ein Schrittmotor als Antrieb für die oszillierende Bewegung eines Verdrängerelements dienen. Ein solcher Schrittmotor weist im Allgemeinen einen Rotor, d. h. ein drehbares Motorteil mit Welle, auf. Der Rotor kann durch ein gesteuertes, schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld einer Mehrzahl von Statorspulen, d. h. mehrerer an einem nicht drehbaren Motorteil angeordneten Spulen, um einen minimalen Winkel bzw. einen Schritt oder ein Vielfaches desselben gedreht werden. Diese Rotationsbewegung wird mittels einer Schubstange bzw. Pleuel oder Ähnlichem in eine Translationsbewegung zum alternierenden Hin- und Herbewegen des Verdrängerelements übersetzt. Daneben sind auch Schrittmotoren in Form von Linearmotoren bekannt, bei denen mittels elektromagnetischer Krafterzeugung direkt eine stufenweise Translationsbewegung eines beweglichen Motorteils zwischen zwei Extrempositionen erzeugt wird, welche direkt auf ein Verdrängerelement übertragen werden kann. Somit entsprechen in diesem Fall die beiden Extrempositionen des Verdrängerelements im Allgemeinen den beiden Extrempositionen des beweglichen Motorteils.
• Schrittmotoren zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Robustheit und lange Lebensdauer aus. Da sich Schrittmotoren in einzelnen Schritten bzw. um Vielfache derselben bewegen, ist es prinzipiell möglich, dass die Motor- bzw. Ansteuerelektronik die Schritte mitzählt und basierend darauf eine aktuelle Rotorposition bestimmt. Eine mechanische Belastung des Motors führt allerdings zur Ausbildung eines sogenannten Lastwinkels, d. h. zu einer Abweichung zwischen der Drehung des elektromagnetischen Feldes des Stators und der mechanischen Drehung des Rotors. Hierbei kann zwischen statischem Lastwinkel und dynamischem Lastwinkel unterschieden werden. Der statische Lastwinkel ist der Winkel, um den der Rotor eines Schrittmotors gegenüber der elektromagnetischen Raststellung, d. h. der Hauptrichtung des von den Statorspulen erzeugten elektromagnetischen Feldes, unter einem statisch einwirkenden Drehmoment verdreht ist. Dem gegenüber ist der dynamische Lastwinkel der Winkel, um den der sich drehende Rotor in einem bestimmten Zeitpunkt von der elektromagnetischen Raststellung entfernt ist, die durch den letzten Impuls des Schritttakts vorgegeben ist. Diese Definitionen gelten in entsprechender Form auch für Linearschrittmotoren.
• Die Bewegung des Rotors in dem elektromagnetischen Feld der Statorspulen ruft in diesen Spulen eine gegeninduzierte Spannung, die sogenannte Gegen-EMK, hervor. Die Gegen-EMK überlagert sich mit der an die Spulen angelegten Spannung, wodurch eine der Höhe der Gegen-EMK entsprechende Phasenverschiebung zwischen Rotor und Statordrehfeld erzeugt wird. Der Rotor eilt dem elektromagnetischen Drehfeld des Stators nach, wobei die Phasenverschiebung proportional zur angelegten Last ist. Übersteigt das anliegende Lastmoment einen kritischen Wert, so fällt der Schrittmotor außer Tritt, d. h. er rastet aus. Im äußersten Fall kommt es zu einem Stillstand des Motors.
• Eine Positionserkennung findet bei Schrittmotorantrieben deshalb typischerweise mittels eines Referenzsignal statt, beispielsweise mittels eines Hall-Sensors. Hierbei ist beispielsweise ein kleiner Permanentmagnet an der Ausgangswelle des Antriebs befestigt. Ein feststehender Hall-Sensor erzeugt beim Passieren des Magneten in einer bestimmten Drehwinkelstellung der Welle ein Signal. Es wird also eine absolute Position pro Umdrehung erfasst, die mit einer in der Steuerung angenommenen Positionierung verglichen werden kann. Dies kann bei einer Verwendung des Schrittmotors als Antrieb für eine Verdrängerpumpe jedoch zu Problemen mit der Dosiergenauigkeit bei Teilhüben bzw. -zyklen führen. Bei einem Stillstand des Schrittmotors aufgrund zu hoher Lasten führt dies dazu, dass die Förderfunktion trotz Ansteuerung der Antriebseinheit ausfällt.
• Anhand eines gemessenen Referenzsignals kann die Hubperiodendauer, die mit der Umlaufdauer des Rotors identisch ist, bestimmt werden. Aus dieser Hubperiodendauer kann auf einen störungsfreien Ablauf des Dosiervorgangs geschlossen werden. Bei Verzögerungen oder gar einer Blockade des Dosierhubs aufgrund von Überdrucksituationen bleibt das Signal des Hall-Sensors aus bzw. verzögert sich. Dieses Ausbleiben bzw. Verzögern kann als Grundlage für die Erzeugung einer Störungsmeldung sowie zur Vornahme weiterer Reaktionen verwendet werden. Allerdings liegt diese Information stets erst nach Ablauf eines Überwachungsintervalls, d. h. im Allgemeinen einer Umlaufdauer des Rotors bzw. eines Pumpzylus, vor. Um diese Zeitverzögerung zu vermeiden, wird im Stand der Technik ein zusätzlicher Positionssensor verwendet, der zu jedem Zeitpunkt des Dosierhubs die Geschwindigkeit bzw. Position des Verdrängerelements in Relation zur Ansteuerung des Motors bestimmt und eine Blockade praktisch verzögerungsfrei erkennen kann. Allerdings verkompliziert ein solcher zusätzlicher Positionssensor den Aufbau des Pumpensystems, wodurch dieses störanfälliger und teurer wird.
• In der DE 10 2011 000 569 A1 wird ein alternatives Verfahren und eine Schaltanordnung beschrieben, mit dem/der bei einem Schrittmotor ein Lastwinkel des Motors sensorlos erfasst werden kann, um daraus die Höhe einer an die Motorwelle anliegenden mechanischen Last zu bestimmen.
• Wird ein Schrittmotor zum Antrieb einer Verdrängerpumpe verwendet, so ist die an dem Antrieb anliegende Last im Wesentlichen durch den Gegendruck des Förderfluids in dem Dosierraum gegeben, welcher dem Verdrängerelement entgegenwirkt. Zur Überwachung des Pumpenbetriebs wird dieser Gegendruck gemäß dem Stand der Technik mittels zusätzlicher Sensoren vermessen, beispielsweise mittels eines im Dosierkopf angeordneten Drucksensors. Ein solcher zusätzlicher Sensor verkompliziert allerdings wiederum den Aufbau des Pumpensystems und führt aufgrund seiner notwendigen Anordnung im Dosierkopf insbesondere zu zusätzlichen Dichtungsproblemen und Mehrkosten.
• Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen von Funktionsstörungen einer Verdrängerpumpe bereitzustellen, ohne dass zusätzliche Sensoren benötigt werden.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein vom Schrittmotor bereitgestelltes Motormoment ermittelt wird und, wenn das ermittelte Motormoment M_M ein erstes vorbestimmtes Kriterium erfüllt, ein Warnsignal ausgegeben wird.
• Steigt das ermittelte Motormoment des Schrittmotors infolge der an der Verdrängerpumpe anliegenden Last über einen bestimmten motorspezifischen Wert an, so kann auf einen Überlastzustand geschlossen werden. In Folge dessen kann davon ausgegangen werden, dass zumindest einige Schritte des Schrittmotors verloren gehen könnten oder sogar bereits verloren gegangen sind. Im äußersten Fall kann ein Motorstillstand vorliegen. Somit ist die Dosiergenauigkeit der Verdrängerpumpe nicht mehr gegeben. Erfüllt also das Motormoment ein erstes vorbestimmtes Kriterium, welches mit einer den Übergang vom Normalzustand des Motors zu einem Überlastzustand charakterisierenden Größe, d. h. einem entsprechenden motorspezifischen Wert, in Beziehung steht, so kann anhand des ausgegebenen Warnsignals ein solcher Überlastzustand erkannt werden. Basierend hierauf können weitere Folgemaßnahmen eingeleitet werden.
• Das erste vorbestimmte Kriterium kann sowohl direkt auf das bereitgestellte Motormoment bezogen sein, d. h. ein bestimmter Wert für das Motormoment sein, als auch ein indirektes Kriterium, d. h. aus einem ermittelten Wert für das Motormoment werden weitere Größen abgeleitet, auf die das Kriterium zu beziehen ist.
• Eine sensorlose Erkennung im Sinne der vorliegenden Erfindung meint, dass weder innerhalb des Dosierkopfs der Verdrängerpumpe noch innerhalb des Schrittmotors, d. h. im Bereich seiner bewegten Komponenten, ein entsprechender Sensor vorgesehen ist.
• Erfindungsgemäß kann der Schrittmotor sowohl mit als auch ohne Getriebe ausgestaltet sein.
• In einer Ausführungsform berücksichtigt das erste vorbestimmte Kriterium zumindest eine der folgenden Größen: Den vom Schrittmotor auf das Verdrängerelement als Bruttoantriebskraft F_b aufgebrachten Anteil des Motormoments M_M, den vom Verdrängerelement auf das Förderfluid als Nettoantriebskraft F_n aufgebrachten Anteil der Bruttoantriebskraft F_b und den auf das Förderfluid wirkenden Förderdruck p_F gemäß der Relation p_F = F_n/A_G.
• Aus einem ermittelten Motormoment kann für eine bekannte Verdrängerpumpe auf Basis eines geeigneten Modells der Antriebskinematik im Normalbetrieb die auf das Verdrängerelement aufgebrachte Bruttoantriebskraft bestimmt werden. Im Allgemeinen wird die Rotationsbewegung des Schrittmotors mittels einer Schubstange in eine Translationsbewegung übersetzt. Diese auf das Verdrängerelement aufgebrachte Translationskraft bzw. Stangenkraft ist aufgrund von Verlusten prinzipiell kleiner als das vom Motor bereitgestellte Motormoment. Diese Stangenkraft stellt die Bruttoantriebskraft für das Verdrängerelement in Translationsrichtung dar.
• Die durch die Translationsbewegungen des Verdrängerelements zwischen einer ersten und einer zweiten Extremposition tatsächlich auf das Förderfluid übertragene Nettoantriebskraft F_n unterscheidet sich allerdings im Allgemeinen wiederum der bereitgestellte Bruttoantriebskraft F_b. Zumeist ist die übertragene Nettoantriebskraft F_n kleiner. Grund hierfür ist der zusätzliche Kraftbedarf für weitere Komponenten der Verdrängerpumpe, welche ebenfalls an der Mechanik beteiligt sind. Der Einfluss dieser Komponenten kann üblicherweise aber als bekannt vorausgesetzt werden, sodass sich die für den Förderprozess verbleibende Nettoantriebskraft unter Berücksichtigung dieser Verluste ermitteln lässt.
• Die auf das Förderfluid übertragene Nettoantriebskraft F_n im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst sowohl eine auf das Förderfluid aufgebrachte Druckkraft beim Erzeugen eines Überdrucks in als auch eine Zugkraft beim Erzeugen eines Unterdrucks.
• Auf Grundlage der Nettoantriebskraft F_n lässt sich gemäß der Relation p_F = F_n/A_G der auf das Förderfluid wirkende Förderdruck p_F bestimmen. Hierbei stellt die Grenzfläche A_G die auf das Fördermedium wirkende Wirkfläche des Verdrängerelements dar. Die Größe der Grenzfläche A_G ist konstruktionsbedingt bekannt. Es versteht sich, dass im Falle eines elastisch verformbaren Verdrängerelements gegebenenfalls temporäre Änderungen der Grenzfläche A_G, d. h. eine effektive Grenzfläche anstatt der konstruktiv vorgegebenen statischen Grenzfläche, zu berücksichtigen sind. Allerdings hängt die Notwendigkeit solcher zusätzlichen Korrekturen maßgeblich von der zu erfüllenden Genauigkeit der Messungen ab. Sofern ein genährter maximaler bzw. minimaler Wert für den aktuellen Förderdruck ausreichend ist, empfiehlt es sich, nur den innerhalb einer Förderperiode möglichen maximalen bzw. minimalen Wert der effektive Grenzfläche für A_G zu verwenden, ohne Berücksichtigung des tatsächlichen aktuellen Werts.
• Die zuvor angeführten Größen können beispielsweise insofern durch das vorbestimmte Kriterium berücksichtigt werden, als dass das Kriterium auf der Bruttoantriebskraft F_b, der Nettoantriebskraft F_n oder dem Förderdruck p_F basiert und aus dem jeweiligen Wert auf einen entsprechenden Schwellenwert für das Motormoment zurückgerechnet wird. Dieser errechnete Schwellenwert für das Motormoment kann als vorbestimmtes Kriterium verwendet werden. Das Kriterium gilt dann als erfüllt, wenn der errechnete Schwellenwert als oberer Schwellenwert erreicht bzw. überschritten wird oder aber als unterer Schwellenwert erreicht bzw. unterschritten wird. Alternativ dazu kann aus dem ermittelten Motormoment M_M, insbesondere wenn man an weiteren Größen interessiert ist, eine Bruttoantriebskraft F_b, eine Nettoantriebskraft F_n oder ein Förderdruck p_F für dieses Motormoment berechnet werden und als erstes vorbestimmtes Kriterium ein bestimmter Wert als Schwellenwert für die errechnete Größe herangezogen werden. Erfüllt die berechnete Größe dieses Kriterium, d. h. erreicht oder über- bzw. unterschreitet sie diesen Schwellenwert, so wird ein Warnsignal ausgegeben. Diese zweite Alternative ist insbesondere dann von Vorteil, wenn für eine weitere Analyse des Verhaltens der Verdrängerpumpe auch eine oder mehrere dieser zusätzlichen Größen herangezogen werden sollen.
• In einer Ausführungsform wird zusätzlich zumindest die Bruttoantriebskraft F_b, die Nettoantriebskraft F_n oder gemäß der Relation p_F = F_n/A_G der Förderdruck p_F bestimmt.
• Durch Bestimmung dieser Größen, kann der Betriebs- bzw. Funktionszustand der Verdrängerpumpe genauer charakterisiert und überwacht werden. So können neben möglichen Funktionsstörungen des Schrittmotors auch Störungen weiterer Komponenten des Pumpensystems erfasst werden. Denkbar sind beispielsweise Funktionsstörungen empfindlicher Bauteile aufgrund eines zu hohen Drucks, der allerdings noch nicht derart hoch ist, dass es zu Funktionsstörungen des Schrittmotors kommt. Wird der Förderdruck bestimmt, kann festgestellt werden, ob derartige Probleme drohen oder sogar bereits vorliegen. Des Weiteren kann aus einem Abfall des Förderdrucks beispielsweise auf ein Leck geschlossen werden.
• In einer Ausführungsform wird ein Warnsignal ausgegeben, wenn die Bruttoantriebskraft F_b, die Nettoantriebskraft F_n oder der Förderdruck p_F das erste vorbestimmte Kriterium erfüllt.
• Wie bereits zuvor beschrieben, kann das bereitgestellte Motormoment M_M ein erstes vorbestimmtes Kriterium auch dadurch erfüllen, dass auf Basis des Motormoments die Bruttoantriebskraft F_b, die Nettoantriebskraft F_n oder gemäß der Relation p_F = F_n/A_G der Förderdruck p_F bestimmt wird und ein Warnsignal dann ausgegeben wird, wenn diese Bruttoantriebskraft, diese Nettoantriebskraft oder dieser Förderdruck das erste vorbestimmte Kriterium erfüllt.
• In einer Ausführungsform wird das jeweilige Kriterium derart gewählt, dass ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die entsprechende Größe aus der Gruppe bestehend aus dem Motormoment M_M, der Bruttoantriebskraft F_b, der Nettoantriebskraft F_n und dem Förderdruck p_F einen ersten vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet oder die entsprechende Größe einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.
• Durch die Vorgabe eines ersten und eines zweiten Schwellenwerts kann ein Intervall für die zu überwachenden Größen definiert werden, welches den gewünschten Arbeitsbereich der Verdrängerpumpe im Normalbetrieb darstellt. Wird dieses vorgegebene Intervall verlassen, so lässt sich daraus auf Fehlfunktionen des Systems, sei es des Schrittmotors oder der Verdrängerpumpe, schließen. Ein Überschreiten des ersten Schwellenwerts lässt im Allgemeinen den Schluss auf eine Überlastsituation zu, wohingegen ein Unterschreiten des zweiten Schwellenwerts beispielsweise auf einen Druckabfall infolge eines Lecks oder eine Funktionsstörung im Schrittmotor selbst schließen lässt. Im letztgenannten Fall wird vom Motor kein ausreichendes Drehmoment mehr bereitgestellt, was auf eine von der Lastsituation unabhängige Funktionsstörung hinweist.
• In einer Ausführungsform ist das erste Kriterium derart gewählt, dass ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn eine gewichtete Summe aus den relativen Abweichungen des Motormoments M_M und mindestens einer weiteren Größe aus der Gruppe bestehend aus der Bruttoantriebskraft F_b, der Nettoantriebskraft F_n und dem Förderdruck p_F von einem jeweiligen Schwellenwert einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
• Erfasst wird in diesem Fall für mindestens zwei Größen die jeweilige relative Abweichung von einem Schwellenwert. Diese zumindest zwei Abweichungen werden gewichtet aufsummiert. Erreicht oder überschreitet die gewichtete Summe einen vorbestimmten Wert, so gilt das Kriterium als erfüllt und ein Warnsignal wird ausgegeben. Somit können bei der Erkennung von Funktionsstörungen der Verdrängerpumpe insbesondere nicht lineare Zusammenhänge zwischen den einzelnen Überwachungsgrößen berücksichtigt werden.
• In einer Ausführungsform wird das Motormoment M_M des Schrittmotors durch Ermitteln der Phasenverschiebung der Motorspannung U_M gegenüber dem Motorstrom I_M erfasst, welche durch eine aufgrund des Lastwinkels δ_L des Schrittmotors gegeninduzierten Spannung U_ind hervorgerufen wird.
• Die Drehung des Rotors in dem vom Stator erzeugten elektromagnetischen Feld führt zu einer gegeninduzierten Spannung, d. h. Gegen-EMK, in den Statorspulen. Die Gegen-EMK ruft eine Phasenverschiebung der effektiven Motorspannung gegenüber dem Motor- bzw. Spulenstrom hervor. Die entsprechenden Ströme eilen den Spannungen dabei um einen bestimmten Phasenwinkel nach. Bei einer Veränderung der Belastung des Motors ändert sich der Lastwinkel, genauer gesagt der dynamische Lastwinkel, und infolge dessen die Gegen-EMK. Das heißt, es ändert sich auch der Phasenwinkel zwischen Motorstrom und Motorspannung, wobei die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung mit zunehmender Last im Allgemeinen geringer wird. Die Phasenverschiebung zwischen Motorspannung und Motorstrom ist also mit dem Lastwinkel korreliert und erlaubt es, diesen zu bestimmen. Durch ein Abgreifen von Motorstrom und Motorspannung bzw. das Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Größen kann auf einfache Art und Weise das bereitgestellte Motormoment M_M bestimmt werden. Dies lässt sich ohne aufwendige konstruktive Änderungen an dem Schrittmotor, insbesondere ohne zusätzliche, aufwendige Sensorenanordnungen, mittels der bereits vorhandenen bzw. einer leicht angepassten Elektronik des Schrittmotors verwirklichen. Auf Basis des ermittelten Drehmoments lassen sich weitere für den Betrieb der Verdrängerpumpe charakteristische Größen, wie Bruttoantriebskraft F_b, Nettoantriebskraft F_n oder Förderdruck p_F bestimmen.
• Ein solches Abgreifen von Motorstrom und Motorspannung mittels der Motorelektronik, welche somit zusätzlich als eine entsprechende Ermittlungseinrichtung dient, stellt eine sensorlose Erkennung im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
• In einer Ausführungsform wird die vom Schrittmotor auf das Verdrängerelement aufgebrachte Bruttoantriebskraft F_b auf Basis eines Modells der Antriebskinematik von Schrittmotor und Verdrängerelement bestimmt.
• Zur Bestimmung der Bruttoantriebskraft bietet sich bei bekanntem Aufbau des Pumpensystems bestehend aus Schrittmotor und Verdrängerelement die Verwendung eines entsprechenden Modells der Antriebskinematik an. Ein solches Modell beschreibt insbesondere die Umwandlung der Rotationsbewegung des Schrittmotors in die auf das Verdrängerelement übertragene Translationsbewegung. Im Falle eines als Linearmotor ausgestalteten Schrittmotors vereinfacht sich dieses Modell naturgemäß zu einer einfachen direkten Beziehung, die im Wesentlichen von möglichen Reibungsverlusten abhängt.
• In einer Ausführungsform ist die Verdrängerpumpe eine Dosierpumpe, vorzugsweise eine Membranpumpe mit einem Verdrängerelement in Form einer Dosiermembran.
• Eine Dosierpumpe ist eine Verdrängerpumpe, die unabhängig von den Druckverhältnissen am Eingang und Ausgang der Dosierpumpe definierte Volumina pro Hub oder pro Zeit liefert. Eine als Membranpumpe ausgestaltete Dosierpumpe zeichnet sich insbesondere durch ihre Unempfindlichkeit gegenüber Dauerbeanspruchung und Verunreinigungen im Förderfluid aus. Durch das in Form einer Membran ausgestaltete Verdrängerelement wird der Antrieb vor Verunreinigungen im Förderfluid abgeschirmt und somit einer der wesentlichen Nachteile herkömmlicher Kolbenpumpen, nämlich das Problem der Abdichtung des Kolbens, gelöst. Somit bietet sich das hier beschriebene Verfahren zur sensorlosen Erkennung von Funktionsstörungen insbesondere im Fall einer Membranpumpe an. Wie bereits eingangs diskutiert, führen zusätzliche Sensoren im Allgemeinen zu Problemen mit der Abdichtung. Demnach besteht beim Einsatz entsprechender Sensoren bei einer Membranpumpe die Gefahr, dass der gewünschte Dichtigkeitsvorteil der Membranpumpe durch den Einsatz der Sensoren wieder negiert wird.
• Gerade bei Dosierpumpen, mit denen möglichst genau abgemessene Volumina gefördert werden sollen, ist ein Erkennen von Funktionsstörungen essentiell. Nur so kann sichergestellt werden, dass eine bestimmte notwendige Dosiergenauigkeit eingehalten werden kann. Werden solche auf Funktionsstörungen des Schrittmotors oder des weiteren Pumpensystems beruhende Fehler der Dosiergenauigkeit nicht erkannt, besteht die Gefahr, dass es zu entsprechenden Folgefehlern bei der weiteren Verwendung des Förderfluids kommt.
• In einer Ausführungsform wird die auf das Förderfluid aufgebrachte Nettoantriebskraft F_n aus der Bruttoantriebskraft F_b durch Subtraktion von nicht unmittelbar auf das Förderfluid aufgebrachten Kraftkomponenten bestimmt, insbesondere durch Subtraktion der zum Verformen der Dosiermembran notwendigen Verformungskraft F_V und/oder einer zum Spannen eines Federelements notwendigen Kraft F_F, mittels welcher die Dosiermembran in Richtung Druckposition oder in Gegenrichtung vorgespannt werden kann.
• Um die auf das Förderfluid aufgebrachte Nettoantriebskraft F_n zumindest in einer geeigneten Näherung zu bestimmen, ist der Kraftbedarf für solche Komponenten der Pumpe zu berücksichtigen, die an der Mechanik zur Kraftübertragung auf das Förderfluid beteiligt sind. Im Falle einer Membranpumpe mit Dosiermembran ist dies insbesondere die für die Verformung der Membran notwendige Verformungskraft F_V, welche nicht auf das Förderfluid übertragen wird. Ist zusätzlich ein Federelement, d. h. beispielsweise eine Rückstellfeder oder eine Hubunterstützung, zum Spannen des Verdrängerelements bzw. der Dosiermembran vorgesehen, so ist auch die hierfür notwendige Kraft F_F beim Spannen des Federelements bzw. bei einem bereits vorgespannten Federelement die zusätzlich unterstützende Spannkraft zu berücksichtigen.
• Das Federelement kann allgemein sowohl als Rückstellfeder wie auch als Hubunterstützung ausgestaltet sein. Im Falle einer Ausgestaltung als Rückstellfeder, wird das Federelement mitgespannt, wenn von dem Schrittmotor eine Druckkraft auf das Förderfluid aufgebracht wird. Ein Teil der vom Schrittmotor bereitgestellten Bruttoantriebskraft F_b wird dabei zum Vorspannen der Rückstellfeder und damit der Dosiermembran in Richtung Druckposition verwendet. Wird anschließend die Bewegungsrichtung des Verdrängerelements bzw. der Dosiermembran umgekehrt, so dass das Volumen des Dosierraums wieder vergrößert wird, entspannt sich die vorgespannte Rückstellfeder. Dabei wird die auf das Förderfluid aufgebrachte Zugkraft durch Abgabe der gespeicherten Spannenergie erhöht. Im Falle einer Ausgestaltung als Hubunterstützung, wird die Hubunterstützung mitgespannt, wenn der Schrittmotor eine Zugkraft auf das Förderfluid aufbringt. Dabei wird ein Teil der vom Schrittmotor bereitgestellten Bruttoantriebskraft F_b zum Vorspannen der Hubunterstützung verwendet. Verglichen mit einer Rückstellfeder erfolgt das Vorspannen somit in der Gegenrichtung. Wird anschließend die Bewegungsrichtung des Verdrängerelements umgekehrt, so dass das Volumen des Dosierraums verkleinert wird, entspannt sich die vorgespannte Hubunterstützung. Dabei erhöht die von der Hubunterstützung nun übertragene Spannenergie die auf das Förderfluid aufgebrachte Druckkraft. Somit wird die gespeicherte Spannenergie bei einer Rückstellfeder als zusätzliche Zugkraft, bei einer Hubunterstützung als zusätzliche Druckkraft abgegeben.
• Bei der Subtraktion der zum Spannen eines Federelements notwendigen Kraft F_F ist im Allgemeinen folgendes zu beachten: Soll die auf das Förderfluid aufgebrachte Nettoantriebskraft F_n lediglich als eine über einen vollen Pumpzyklus gemittelte Durchschnittskraft ermittelt werde, so sind bei der Subtraktion im Wesentlichen nur die Energieverluste durch Reibung zu berücksichtigen, da die in einem Halbzyklus von dem Federelement aufgenommene Energie im nächsten Halbzyklus bis auf entsprechende Reibungsverluste wieder abgegeben wird. Ein Pumpzyklus meint dabei die Zeitdauer, die das Verdrängerelement benötigt um ausgehend von einer Extremposition wieder in dieselbe zurück zu gelangen. Eine erste Extremposition des Verdrängerelements ist dabei eine Position, in welcher das Volumen des Dosierraums minimal ist, während eine zweite Extremposition eine solche ist, in der das Volumen maximal ist.
• Soll eine punktuelle auf das Förderfluid aufgebrachte Nettoantriebskraft F_n ermittelt werden, so sind abhängig von der Ausgestaltung des Federelements und vom Bewegungsstadium der Pumpe zwei Fälle zu unterscheiden: Wird ein Teil der von dem Schrittmotor aktuell bereitgestellten Bruttoantriebskraft F_B gerade zum Spannen des Federelements verwendet, so ist dieser Kraftanteil zur Ermittlung der aktuellen Nettoantriebskraft F_n von der Bruttoantriebskraft F_B zu subtrahieren. Wird jedoch von dem Federelement gerade ein Teil der darin gespeicherten Spannenergie zur Unterstützung der Bruttoantriebskraft F_B abgegeben, so ist diese zusätzliche Kraftkomponente zur Ermittlung der aktuellen Nettoantriebskraft F_n zu der Bruttoantriebskraft F_B hinzuzuaddieren.
• In einer Ausführungsform sind mehrere Kriterien vorbestimmt und, wenn ein Kriterium erfüllt wird, wird ein für das jeweilige Kriterium charakteristisches Warnsignal ausgegeben.
• Mehrere Kriterien ermöglichen es zum einen, dass für die verschiedenen Größen, d. h. das Motormoment M_M, die Bruttoantriebskraft F_b, die Nettoantriebskraft F_n und den Förderdruck p_F, jeweils eigene Kriterien aufgestellt werden können. Dies kann beispielsweise durch die Vorgabe entsprechender individueller Schwellenwerte für die einzelnen Größen erfolgen. Zum anderen können für eine und dieselbe Größe mehrere Kriterien vorgesehen sein. So kann beispielsweise ein erstes Kriterium lediglich als ein Indikator für einen bestimmten Betriebszustand der Verdrängerpumpe dienen, ohne dass dadurch bereits eine Funktionsstörung impliziert wird. Wird ein weiteres Kriterium erfüllt, so kann dies eine Verschiebung des Betriebszustands beispielsweise vom Normalbetrieb hin zum Überlastbereich anzeigen. Ein drittes Kriterium kann auf einen Betrieb außerhalb des Normalzustands und somit mögliche Funktionsstörungen hinweisen. Schließlich kann ein viertes Kriterium eine schwerwiegende Funktionsstörung charakterisieren, die ein unmittelbares Handeln erfordert.
• In einer Ausführungsform ist jedem Kriterium ein Fehlerereignis zugeordnet und, wenn ein Kriterium erfüllt wird, wird ein zugeordnetes Fehlerereignis diagnostiziert, insbesondere eine Überlast und/oder ein Stillstand des Motors.
• Wie bereits oben dargelegt, können die Kriterien für unterschiedliche Betriebszustände bzw. Betriebsstörungen mit abgestufter Schwere stehen und diese identifizieren, wobei eine Überlast oder gar ein Stillstand des Schrittmotors im Allgemeinen die schwerwiegendsten Störungen darstellen. Ebenso kann aber auch ein Unterschreiten eines oder mehrerer Schwellenwerte eine Funktionsstörung des Schrittmotors selbst oder beispielsweise einen Druckabfall aufgrund eines Lecks anzeigen.
• In einer Ausführungsform wird ein ausgegebenes Warnsignal an eine Abschaltautomatik gesendet, welche in Antwort auf den Empfang des Warnsignals die Pumpe abschaltet.
• Eine solche automatische Abschaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Warnsignal aufgrund eines Kriteriums ausgegeben wird, welches für eine schwerwiegende Funktionsstörung der Pumpe, beispielsweise eine Überlast oder ein Stillstand des Schrittmotors, steht. Das Kriterium kann ein vorbestimmter Förderdruck sein, wobei die Pumpe abgeschaltet wird, wenn dieser Schwellenwert von dem ermittelten Förderdruck überschritten wird. Ein solcher Überlastungsschutz in Form einer Überwachung von Schwellenwertüberschreitungen dient dem Schutz der Verdrängerpumpe ebenso wie weiterer Komponenten der Anlagen, in denen solche Verdrängerpumpen üblicherweise zum Einsatz kommen. Der Schwellenwert kann dabei der für die Verdrängerpumpe konstruktiv zulässiger Maximaldruck oder ein Wert knapp oberhalb des Maximaldrucks sein, d. h. beispielsweise 10% bis 20% oberhalb. Der Maximaldruck ist dabei der maximale Druck bei dem der Schrittmotor betrieben werden kann, ohne das die Gefahr von Schrittverlusten besteht. Ebenso kann der Schwellenwert aber auch innerhalb des zulässigen Arbeitsbereichs der Verdrängerpumpe liegen, um beispielsweise andere druckempfindlichere Anlagenteile zu schützen, die bereits bei niedrigeren Drücken als dem für den Schrittmotor zulässigen Maximaldruck gefährdet sind. Eine Abschaltung kann aber auch aufgrund eines erheblichen Druckabfalls infolge eines Lecks ausgeführt werden.
• In einer Ausführungsform wird schließlich ein ausgegebenes Warnsignal an eine Ausgabeeinrichtung gesendet, welche in Antwort auf den Empfang des Warnsignals einen für das Warnsignal charakteristischen akustischen und/oder visuellen Warnhinweis ausgibt.
• Ein solcher Warnhinweis kann zum einen allgemein der Anzeige des aktuellen Betriebszustands nach außen dienen. Zum anderen kann er als akuter Warnhinweis die Aufmerksamkeit einer für den Betrieb der Anlage und insbesondere der Pumpe zuständigen Person auf eine akute Funktionsstörung lenken und die Veranlassung weiterer Maßnahmen herbeiführen. Solche Hinweise können beispielsweise im Bereich der Pumpe angeordnete Signalleuchten sein, die bei einer Überprüfung vor Ort den Betriebszustand bzw. die Störung der Pumpe anzeigen. Die Leuchten können, wenn für verschiedene Betriebszustände verschiedene Leuchten vorgesehen sind, vorteilhafterweise in unterschiedlichen Farben gehalten sein. So können ein normaler Betriebszustand, ein vom normalen Betriebszustand abweichender Zustand und ein gestörter bzw. kritischer Betriebszustand mittels unterschiedlicher Farben, beispielsweise Grün, Orange und Rot, anzeigen werden. Die Anzeige kann bei komplexeren Anlagen aber auch über eine zentrale Anzeigeneinheit, beispielsweise einen Monitor, erfolgen. Insbesondere bei schwerwiegenden Funktionsstörungen, die ein sofortiges oder unmittelbares Handeln ohne großen Zeitverlust erfordern, ist ein akustischer Warnhinweis von Vorteil. Dieser ist nicht von der Blickrichtung der Zielperson abhängt, deren Aufmerksamkeit erregt werden soll.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figur. Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer Dosierpumpe mit Dosiermembran, deren Funktionszustand mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht wird.
• Zu sehen ist eine Verdrängerpumpe 1 in Form einer als Membranpumpe ausgestalteten Dosierpumpe mit einem Dosierkopf 2. In dem Dosierkopf 2 ist ein Dosierraum 3 angeordnet. Dieser Dosierraum 3 wird von inneren Seitenwänden 4 des Dosierkopfs 2 sowie einer Grenzfläche A_G des als Dosiermembran ausgestalteten Verdrängerelements 5 begrenzt. Der Dosierraum 3 ist über Ventile 8, 9 mit einer Saug- sowie einer Druckleitung 6 bzw. 7 verbunden. Die Dosiermembran 3 ist über ein Verbindungselement 10 beweglich mit einer Schubstange (nicht gezeigt) verbunden. Die Schubstange sitzt am Rotor (nicht gezeigt) eines Schrittmotors 13, mit oder ohne Getriebe, an. Diese Schubstange wandelt die Rotationsbewegung des Rotors in eine Translationsbewegung des Verbindungselements 10 sowie der Membran 5 zwischen zwei Extrempositionen E₁, E₂ um. Zwischen Dosierkopf 2 und Schubstange ist um das Verbindungselement 10 herum ein Federelement 12, genauer gesagt eine Rückstellfeder oder Hubunterstützung, angeordnet.
• Wird die Dosiermembran 5 aus einer ersten, rechten Extremposition E₁ (als gestrichelte Linie angedeutet) in eine zweite, linke E₂ (mit durchgehenden Linien gezeigt) bewegt, so vergrößert sich der Dosierraum 3, wodurch ein Unterdruck entsteht. In Folge dieses Unterdrucks schließt sich das Ventil 9 der Druckleitung 7 und das Ventil 8 der Saugleitung 6 öffnet sich. Dadurch wird das Förderfluid F aus der Saugleitung 6 in den Dosierraum 3 gesaugt und zugleich durch die Bewegung des Verbindungselements 10 das Federelement 12 im Falle einer Ausgestaltung als Hubunterstützung vorgespannt. Wird die Membran 5 sodann aus der zweiten Extremposition E₂ wieder in die erste E₁ zurückbewegt, so wird diese Bewegung durch Abgabe der in der Hubunterstützung 12 gespeicherte Spannenergie unterstützt. Ebenso kann das Federelement 12 als eine Rückstellfeder ausgebildet sein, wobei die Rückstellfeder 12 bei einer Bewegung des Verbindungselements 10 von der zweiten E2 in die erste Extremposition E1 vorgespannt wird. Dabei unterstützt die Rückstellfeder 12 mit der in ihr in Form von Spannenergie gespeicherten Federkraft F_F eine Rückbewegung aus der ersten E₁ in die zweite Extremposition E₂. Eine Bewegung der Membran 5 in die erste Extremposition E₁ führt zu einer Verringerung des Volumens des Dosierraums 3, wodurch ein Überdruck erzeugt wird. In Folge dieses Überdrucks schließt das Ventil 8 der Saugleitung 6 und das Ventil 9 der Druckleitung 7 öffnet sich. Dadurch wird das in dem Dosierraum 3 vorhandene Förderfluid F in die Druckleitung 7 gepresst.
• Solange der Schrittmotor 13 mit einem Rotor und einem Stator (nicht gezeigt) einwandfrei funktioniert und insbesondere nicht überlastet wird, durchläuft der Rotor, dem elektromagnetischen Statordrehfeld folgend, schrittweise mit konstanter Geschwindigkeit eine Mehrzahl vorgesehener diskreter Rastpositionen. Dementsprechend wird die Dosiermembran 5 schrittweise zwischen den beiden Extrempositionen E₁, E₂ alternierend hin- und herbewegt, was zu einer konstanten Förderung des Förderfluids F mit vorgegebener Dosiergenauigkeit führt. Anhand des vom Schrittmotor 13 bereitgestellten Drehmoments M_M kann sowohl die auf das Verdrängerelement 5 aufgebrachte Bruttoantriebskraft F_b als auch die auf das Förderfluid F aufgebrachte Nettoantriebskraft F_n sowie der Förderdruck p_F ermittelt werden. Die Ermittlung dieser Fördergrößen, insbesondere die Ermittlung des Motormoments M_M, erfolgt mittels einer Ermittlungseinrichtung 14 als einem Bestandteil der Motorelektronik.
• Gerät der Schrittmotor 13 mit seinem bereitgestellten Motormoment M_M an seine Leistungsgrenze, so besteht die Gefahr von Funktionsstörungen bis hin zum Stillstand des Schrittmotors 13. Hierdurch wird insbesondere die Dosiergenauigkeit der Pumpe 1 gefährdet. Allerdings können bereits hohe Drehmomente M_M, welche noch innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs des Schrittmotors 13 liegen, zu Förderdrücken p_F führen, die unter Umständen für weitere Komponenten der Anlage, in der in die Pumpe 1 angeordnet ist, problematisch sind. Um eine Beschädigung oder Funktionsstörungen solcher Komponenten zu verhindern, kann als Kriterium sinnvollerweise auch ein Förderdruck p_F vorgesehen werden, bei welchem der Schrittmotor 13 noch störungsfrei arbeitet. Zu diesem Zweck wird vorteilhafter Weise ein Sollwert S für das Motormoment M_M vorgegeben. Die Motorelektronik 14 steuert den Schrittmotor 13 so an, dass das tatsächlich erzeugte Motormoment M_M dem Vorgegebenen entspricht. Hierbei kann das erzeugte Motormoment M_M mittels der Ermittlungseinrichtung 14 ermittelt werden und mit dem Sollwert S verglichen werden. Dieser Abgleich zwischen Sollwert S und ermitteltem Motormoment M_M kann Grundlage für die Erkennung und Meldung einer Funktionsstörung nach Maßgabe eines vorgegebenen Kriteriums dienen. Ebenso ist es allgemein denkbar, dass ein solcher Abgleich dazu verwendet wird, das Motormoments M_M mittels der Motorelektronik 14 so zu regeln, dass es dem Sollwert S entspricht oder innerhalb eines vorbestimmten Intervalls um den Sollwert S liegt.
• Wird nun ein vorgegebenes Kriterium erfüllt und ein Warnsignal ausgegeben, so kann auf Basis dieses Warnsignals beispielsweise ein visueller Warnhinweis ausgegeben werden, der den mit diesem Kriterium charakterisierten Betriebszustand der Dosierpumpe 1 nach außen erkennbar wiedergibt. Der anzuzeigende Betriebszustand kann beispielsweise der Normalbetrieb der Pumpe 1 sein, wenn das Kriterium das für die Pumpe 1 als Sollwert S vorgesehene Drehmoment im Normalbetrieb ist. Er kann aber auch ein Betrieb im erhöhten Lastbereich sein, wenn das Kriterium beispielsweise ein Schwellenwert in Form eines Drehmoments ist, welches am oberen Ende des für die Pumpe zulässigen Bereichs liegt. Schließlich kann es auch ein kritischer Zustand sein, wenn das Kriterium ein Drehmomentwert oberhalb des für den Schrittmotor 13 zulässigen Maximalwerts ist. Daneben können das Kriterium sowie der mit ihm verbundene Betriebszustand auch von weiteren Komponenten der Pumpe 1 bzw. der Anlage, in der die Pumpe 1 angeordnet ist, abhängig sein. Wird auf solche weiteren Komponenten abgestellt, so empfiehlt sich insbesondere ein Kriterium, welches den durch das bereitgestellte Motormoment M_M erzeugten Förderdruck p_F berücksichtigt. Hierbei kann beispielweise für das Motormoment M_M ein strengeres Kriterium als der Maximalwert vorgesehen werden. Ebenso ist es denkbar, dass an das Motormoment M_M wie auch an den Förderdruck p_F unabhängig voneinander jeweils ein eigenständiges Kriterium angelegt wird. Schließlich kann aber auch eine gewichtete Summe aus der Abweichung beider Werte, d. h. des Motormoments M_M und des Förderdrucks p_F, von einem jeweiligen Schwellenwert gebildet werden. Vorteilhafterweise schaltet eine Abschaltautomatik auf den Empfang eines entsprechenden Warnhinweises hin die Pumpe 1 ab, um Beschädigungen an der Anlage sowie Folgeprobleme aufgrund fehlerhafter Dosierungen zu vermeiden.
• Die Bestimmung des bereitgestellten Motormoments M_M erfolgt mittels einer Ermittlungseinrichtung 14 der Motorelektronik auf Basis einer Gegen-EMK-Messung am Schrittmotor 13, bei der die Phasenverschiebung δ_UI zwischen Motorspannung U_M und Motorstrom I_M ausgewertet wird. Eine solche Auswertung auf Basis elektrischer Messgrößen der Motorelektronik 14 des Schrittmotor 13 bietet den Vorteil, dass keine zusätzlichen Sensoren notwendig sind. Insbesondere bei einer Bestimmung des Förderdrucks p_F besteht dadurch keine Gefahr einer Beeinträchtigung der Dichtigkeit der Pumpe 1. Darüber hinaus erfolgt die Messung vorteilhafterweise in Intervallschritten, die der Schrittgröße des Schrittmotors 13 entsprechen, wodurch eine präzise Überwachung der Dosiergenauigkeit auch bei Teilhüben bzw. -zyklen möglich ist. Bei einem solchen Rückgriff auf die Motorelektronik 14 sind insbesondere keine weiteren mechanischen Teile notwendig, die zu zusätzlichem Wartungs- und Reparaturaufwand führen. Schließlich ist das vorgesehene Verfahren, da es sich auf eine Messung elektrischer Kenngrößen des Schrittmotors 13 beschränkt, von der konkreten Ausgestaltung der Verdrängerpumpe 1 unabhängig. Es kann somit in einfacher Weise in eine große Vielzahl verschiedener Verdrängerpumpen 1 implementiert werden. Hierbei sind lediglich Kenntnisse über den Aufbau der Pumpe 1 notwendig, die im Allgemeinen aber bereits im Zuge der Konstruktion erstellt werden und somit ohne Weiteres zur Verfügung stehen.
• Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebiger Zusammenstellung mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die zusammenfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen und die Betonung der Unabhängigkeit der einzelnen Merkmale voneinander wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
• Bezugszeichenliste

1

Verdrängerpumpe

2

Dosierkopf

3

Dosierraum

4

Seitenwände des Dosierraums

5

Verdrängerelement/Dosiermembran

6

Saugleitung

7

Druckleitung

8

Ventil der Saugleitung

9

Ventil der Druckleitung

10

Verbindungselement

12

Federelement (Rückstellfeder oder Hubunterstützung)

13

Schrittmotor (mit/ohne Getriebe)

14

Motorelektronik/Ermittlungseinrichtung

E₁

erste Extremposition

E₂

zweite Extremposition

F

Förderfluid

A_G

Grenzfläche

M_M

Motormoment

F_b

Bruttoantriebskraft

F_n

Nettoantriebskraft

p_F

Förderdruck

U_M

Motorspannung

I_M

Motorstrom

U_ind

gegeninduzierte Spannung

δ_L

Lastwinkel

δ_UI

Phasenverschiebung zwischen U_M und I_M

F_V

Verformungskraft

F_F

Federkraft des Federelements

S

Sollwert

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102011000569 A1 [0008]

Claims (14)

1. Verfahren zum sensorlosen Erkennen von Funktionsstörungen einer Verdrängerpumpe (1), wobei die Verdrängerpumpe (1) ein bewegliches Verdrängerelement (5) mit einer Grenzfläche (A_G) aufweist, welche einen Dosierraum (3) begrenzt, wobei der Dosierraum (3) über Ventile (8, 9) mit einer Saug- und Druckleitung (6, 7) verbunden ist, so dass durch eine oszillierende Bewegung des Verdrängerelements (5) alternierend Förderfluid (F) über die Saugleitung (6) in den Dosierraum (3) gesaugt und über die Druckleitung (7) aus dem Dosierraum (3) gedrückt werden kann, und wobei ein Schrittmotor (13) als Antrieb zum oszillierenden Bewegen des Verdrängerelements (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Schrittmotor (13) bereitgestelltes Motormoment (M_M) ermittelt wird und, wenn das ermittelte Motormoment (M_M) ein erstes vorbestimmtes Kriterium erfüllt, ein Warnsignal ausgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste vorbestimmte Kriterium zumindest eine der folgenden Größen berücksichtigt: Den vom Schrittmotor (13) auf das Verdrängerelement (5) als Bruttoantriebskraft (F_b) aufgebrachten Anteil des Motormoments (M_M), den vom Verdrängerelement (5) auf das Förderfluid (F) als Nettoantriebskraft (F_n) aufgebrachten Anteil der Bruttoantriebskraft (F_b) und den auf das Förderfluid (F) wirkenden Förderdruck (p_F) gemäß der Relation p_F = F_n/A_G.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest die Bruttoantriebskraft (F_b), die Nettoantriebskraft (F_n) oder gemäß der Relation p_F = F_n/A_G der Förderdrucks (p_F) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die Bruttoantriebskraft (F_b), die Nettoantriebskraft (F_n) oder der Förderdrucks (p_F) das erste vorbestimmte Kriterium erfüllt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Kriterium derart gewählt ist, dass ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die entsprechende Größe aus der Gruppe bestehend aus dem Motormoment (M_M), der Bruttoantriebskraft (F_b), der Nettoantriebskraft (F_n) und dem Förderdruck (p_F) einen ersten vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet oder die entsprechende Größe einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kriterium derart gewählt ist, dass ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn eine gewichtete Summe aus den relativen Abweichungen des Motormoment (M_M) und mindestens einer weiteren Größe aus der Gruppe bestehend aus der Bruttoantriebskraft (F_b), der Nettoantriebskraft (F_n) und dem Förderdruck (p_F) von einem jeweiligen Schwellenwert einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Motormoment (M_M) des Schrittmotors (13) durch Ermitteln der Phasenverschiebung (δ_UI) der Motorspannung (U_M) gegenüber dem Motorstrom (I_M) erfasst wird, welche durch eine aufgrund des Lastwinkels (δ_L) des Schrittmotors (13) gegeninduzierte Spannung (U_ind) hervorgerufen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Schrittmotor (13) auf das Verdrängerelement (5) aufgebrachte Bruttoantriebskraft (F_b) auf Basis eines Modells der Antriebskinematik von Schrittmotor (13) und Verdrängerelement (5) bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe (1) eine Dosierpumpe, vorzugsweise eine Membranpumpe mit einem Verdrängerelement (5) in Form einer Dosiermembran ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Förderfluid (F) aufgebrachte Nettoantriebskraft (F_n) aus der Bruttoantriebskraft (F_b) durch Subtraktion von nicht unmittelbar auf das Förderfluid (F) aufgebrachten Kraftkomponenten bestimmt wird, insbesondere durch Subtraktion der zum Verformen der Dosiermembran (5) notwendigen Verformungskraft (F_V) und/oder der zum Spannen eines Federelements (12) notwendigen Kraft (F_F), mittels welchem die Dosiermembran (5) in Richtung Druckposition oder in Gegenrichtung gespannt werden kann.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kriterien vorbestimmt sind und, wenn ein Kriterium erfüllt wird, ein für das jeweilige Kriterium charakteristisches Warnsignal ausgegeben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kriterium ein Fehlerereignis zugeordnet ist und, wenn ein Kriterium erfüllt wird, ein zugeordnetes Fehlerereignis diagnostiziert wird, insbesondere eine Überlast und/oder ein Stillstand des Schrittmotors (13).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgegebenes Warnsignal an eine Abschaltautomatik gesendet wird, welche in Antwort auf den Empfang des Warnsignals die Pumpe (1) abschaltet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgegebenes Warnsignal an eine Ausgabeeinrichtung gesendet wird, welche in Antwort auf den Empfang des Warnsignals einen für das Warnsignal charakteristischen akustischen und/oder visuellen Warnhinweis ausgibt.

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