-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidstromsteuerungssystem und
insbesondere ein Fluidstromsteuerungssystem für eine elektromagnetische Pumpe,
die irgendeine gewünschte
variable Fluidströmungsrate
erzeugen kann.
-
In
herkömmlicher
Weise werden elektromagnetische Pumpen mit Netzstrom betrieben und
die Kompressoren innerhalb der elektromagnetischen Pumpen werden
direkt durch diesen Ein-Phasen-Netzstrom betrieben, der die elektrische
Antriebseingangsspannung und Frequenz des Kompressors erzeugt. Daher
arbeiten diese Kompressoren mit einem konstanten Fluidstrom und
jegliche Fluidstromsteuerung hängt
lediglich von der Ein-/Ausschaltsteuerung oder von den Fluidladebedingungen
ab. Die notwendigen Fluidströmungsgeschwindigkeiten
werden durch die Steuerung und die Gestaltung des Fluidweiterleitsystems
erzielt.
-
Solche
Kompressoren haben Betätigungselemente,
die linear oder bogenförmig
hin und her bewegt werden, welche durch eine elektromagnetische Antriebseinrichtung
angetrieben werden, die durch die Netzspannung und Frequenz gespeist
wird. Die elektromagnetische Antriebseinrichtung treibt die Betätigungselemente
in der hin und her gehenden mechanischen Bewegung, die durch Diaphragmen
und Ventile in einen Fluidstrom umgesetzt wird, von einem oder mehreren
Kompressoreingängen
bis zu einem oder mehreren Kompressorausgängen.
-
Diese
Lösung
hat eine Anzahl von Problemen einschließlich der Gestaltung des Kompressors, die
mit dem Wert der Netzspannung und Frequenz variieren muss, was die Herstellung
kompliziert und die Kosten hochtreibt. Weiterhin gefährdet die
Strömungssteuerung
nur durch die Luftweiterleitung die Lebensdauer des Kompressors,
die Kompressoren müssen
kontinuierlich mit der maximalen Kapazität betrieben werden, mit der
Folge von maximalem Geräusch
und maximaler Vibration während
des Betriebs.
-
Weiterhin
ist die Leistung der Kompressoren stark von den mechanischen Charakteristika
ihrer Bauteile abhängig,
beispielsweise der Steifheit des Diaphragmas, der bewegten Masse
und auch der Steifheit der komprimierten Luft innerhalb der Pumpe.
-
Jede Änderung
entweder zwischen den Einheiten des Herstellers oder innerhalb der
Umweltbetriebsbedingungen oder durch die Verwendung wird eine zusätzliche
Leistungsänderung
verursachen.
-
Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fluidstromsteuerungssystem
für eine
elektromagnetische Pumpe zu schaffen, das nicht von der Spannung
und der Frequenz der Netzenergieversorgung abhängig ist und den gewünschten
Fluidstrom mit der optimalen Leistung des Kompressors erzeugt.
-
Demgemäß schafft
die vorliegende Erfindung ein Fluidstromsteuerungssystem, wie im
Anspruch 1 beansprucht.
-
Vorzugsweise
hat das impulsbreitenmodulierte Antriebssignal eine im Wesentlichen
konstante Amplitude. Die impulsbreitenmodulierte Steuerung von einer
Gleichstromenergiequelle stellt sicher, dass der Kompressor immer
für jede
Anwendung mit der optimalen Effizienz arbeitet, die Kompressorleistung
ist von der Art der Netzenergie oder Änderungen unabhängig und
ermöglicht
die Verwendung von Batterien, um die Pumpen zu betreiben. Daher
werden die Probleme, die bei bestehenden durch Netzspannung mit
feststehender Frequenz angetriebenen Kompressoren und Pumpen auftreten,
vermieden.
-
Vorzugsweise
hat die elektromagnetische Antriebseinrichtung einen oder mehrere
Statoren aus magnetischem Material, eine oder mehrere Erregungsspulen
zum magnetischen Erregen des oder der Statoren und ein bewegbares
magnetisches Element, das mit dem Betätigungselement des Kompressors
verbunden ist. Eine Durchbiegung des Betätigungselementes führt zu einer
entsprechenden Durchbiegung des oder der daran befestigten Diaphragmas
und zu einem Strom von jeglichem Fluid, das mit dem oder den Diaphragmas
in Verbindung steht.
-
Das
Steuerungssystem hat vorzugsweise einen Befehlsgenerator, der ein
Befehlssignal entsprechend einer vorherbestimmten gewünschten
Luftströmungsrate
erzeugt, einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen des Systemstatus
und Erzeugen von einem oder mehreren Rückkopplungssignalen, wobei
das Befehlssignal und das oder die Rückkopplungssignale durch einen
Befehlsprozessor verarbeitet werden, der Befehlsprozessor ein Antriebssignal ausgibt,
wobei das Antriebssignal durch das Arbeits-Ruhe-Verhältnis,
die Wiederholungsrate und die Amplitude definiert ist und die Spannung
steuert, welche an die Kompressorwicklungen anzulegen ist.
-
Zusätzlich erzeugen
der oder die Sensoren eine Rückführung des
momentanen Spulenstroms oder der Durchbiegung des Betätigungselementes oder
des Blasensystemdruckes oder des Luftstroms in das/aus dem Blasensystem.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun im Einzelnen lediglich als
Beispiel unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in welchen zeigt:
-
1 ein
Blockschaltbild des Fluidstromsteuerungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2a das
bipolare Spannungsantriebssignal;
-
2b das
unipolare Antriebssignal von dem Generator für das Arbeits-Ruhe-Verhältnis/die Wiederholungsrate;
-
2c den
Strom des Betätigungselementes;
-
3 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines Steuerungssystems der 1, das Fluid zu
einer Blase leitet;
-
4 ein
Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Steuerungssystems
der 1, das Fluid zu einer Blase leitet;
-
5 ein
Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Steuerungssystems
der 1, das Fluid zu einer Blase leitet; und
-
6 ein
Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Steuerungssystems
der 1, das Fluid zu einer Blase leitet.
-
Bezugnehmend
auf das Blockschaltbild der 1 ist ein
Fluidstromsteuerungssystem gezeigt mit einem Steuerungssystem, einer
Fluidweiterleitung, einem Blasensystem (7) und einem Kompressor,
der ein oder mehrere Diaphragmas (12) hat, die an einem
elektromagnetischen Betätigungselement (11)
befestigt sind.
-
Das
Steuerungssystem errichtet zu jedem Moment in der oder den Spulen
(10) des Kompressors (6) einen erforderlichen
Strom. Der Spulenstrom steuert die Position des Betätigungselementes
(11), welches das oder die Diaphragmas (12) durchbiegt, um
dadurch einen geeigneten Strom jeglichen Fluids zu erzeugen, das
mit dem oder den Diaphragmas (12) in Berührung steht.
Das Steuern des Stromes in der oder den Spulen (10) steuert
den Fluidstrom vom Kompressor (6).
-
Ein
Befehlssignal, welches den erforderlichen Fluidstrom repräsentiert,
wird in dem Befehlsgenerator (1) erzeugt und an den Befehlsprozessor (2)
in Verbindung mit jeglichen Rückkopplungssignalen
(13), die von dem Spulenstromsensor, dem Betätigungselement-Positionssensor,
dem Blasenstromsensor und dem Blasendrucksensor herrühren, angelegt.
Sie erzeugen Signale, welche den momentanen Spulenstrom, den Betätigungselement-Durchbiegungsstrom
in das oder aus dem Blasensystem (7) und den Druck des
Blasensystems (7), repräsentieren.
-
Der
Ausgang des Befehlsgenerators (1) und die Rückkopplungssignale
(13) werden in dem Befehlsprozessor (2) unter
Verwendung eines Steuerungsalgorithmus verarbeitet, der für die pneumatischen,
mechanischen und elektrischen Charakteristika des anzutreibenden
Kompressors repräsentativ ist.
Aus dem Steuerungsalgorithmus wird ein geeignetes Antriebssignal
berechnet, welches durch das Arbeits-Ruhe-Verhältnis, die Wiederholungsrate
und die Amplitudenparameter definiert ist.
-
Die
Antriebssignalamplitude wird über
die Amplitudensteuerung (5) erzielt, die die Energieversorgungsschnittstelle
(14) innerhalb des Leistungsverstärkers (4) geeignet ändert, um
die Gleichstromversorgungsspannung des "H"-Brückentreibers
(15) zu ändern.
Das Antriebssignal, das Arbeits-Ruhe-Verhältnis und die Wiederholungsrate
werden durch den Generator für
das Arbeits-Ruhe-Verhältnis und
die Wiederholungsrate erzielt, der mit geeigneten Parameterwerten
arbeitet. Der Generator stellt für
den "H"-Brückentreiber
(15) ein unipolares Antriebssignal bereit, welcher dann
für die
Kompressorspule(n) (10) eine bipolare Antriebssignalspannung bereitstellt.
-
Diese
bipolare Antriebssignalspannung (2a) an
den Kompressorspulen kann durch die Wiederholungsrate 1/A, das Arbeits-Ruhe-Verhältnis B/A
und das Amplitudenschalten zwischen +V und –V repräsentiert sein. V ist eine Spannung,
die sich eng an die Versorgungsspannung des "H"-Brückentreibers 15 annähert. Typischerweise
kann V ungefähr
12 Volt mit einer Wiederholungsrate von mehreren Kilohertz sein
und das Arbeits-Ruhe-Verhältnis variiert
von unter 1% bis über
99%.
-
Wenn
für die
Zwecke zum Erzielen eines geeigneten Kompressorfluidstroms ein Betätigungsstrom
der Periode x erforderlich ist (2c), dann wird
der Generator 3 über
eine Zeitperiode von x Arbeits-Ruhe-Verhältniswerte annähernd von
zwei halben Sinuskurven erzeugen (2b), jeweils über eine
Periode von x/2 und mit gleichmäßiger Wiederholungsrate.
Dieses Antriebssignal, kombiniert mit der Schaltwirkung des "H"-Brückentreibers
(2a), wird einen kompletten bipolaren, nahezu sinusförmigen Betätigungsspulenstrom
mit einer Periode von x, wie erforderlich, erzeugen. Typischerweise
wird x um das 10- bis 100-fache größer als A sein, was eine Antriebssignalwiederholungsrate
gleich sehr viel höher als
1/x erfordert.
-
Der
bipolare Strom in der oder den Kompressorspule(n) ermöglicht,
dass das Betätigungselement
sowohl positiv als auch negativ mit Bezug auf die nicht gespeiste
Position verstellt wird. Die Betätigungselementverstellung
führt dazu,
dass das oder die Fluidpump-Diaphragmas (12) auf das gewünschte Maß durchgebogen
werden, um eine erforderliche Strömungsrate des Fluids zu erzeugen.
Der Leistungsverstärker
(14) wird von der Netzenergie über eine geregelte oder ungeregelte
Gleichstromversorgung oder von einer Gleichstrombatterie gespeist.
-
Es
ist für
den Fachmann aus der Praxis klar zu ersehen, dass für die Erfindung
mit Ausnahme dort, wo es anders angegeben ist, der Befehlsgenerator,
der Generator für
das Arbeits-Ruhe-Verhältnis und
die Wiederholungsrate, der Befehlsprozessor, die Gleichstromversorgung,
der Leistungsverstärker und
die Amplitudensteuerung in irgendeiner Kombination aus analogem
Schaltkreis, digitalem Schaltkreis oder Zustandsmaschinen einschließlich Mikroprozessorsystemen
implementiert sein können.
-
Es
ist für
den Fachmann der Praxis auch klar zu ersehen, dass anstatt des oder
der Diaphragmas andere Luftverstellvorrichtungen, wie beispielsweise Kolben,
Flügel,
Spiralen, verwendet werden können und
dass der Fluidstrom sowohl aus dem als auch in das Blasensystem
gesteuert werden kann.
-
3 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Charakteristika des Kompressorausgangsfluidstroms
bekannt sind, um die Lasten, Temperaturen und Drucke zu variieren.
In diesem Fall wird ein Befehlssignal, welches den erforderlichen
Fluidstrom repräsentiert,
in dem Befehlsgenerator (1) erzeugt und an den Befehlsprozessor (2)
angelegt. Der Befehlsprozessor (2) bestimmt die Wiederholungsrate
und das Arbeits-Ruhe-Verhältnis, welches
vom Generator (3) für
das Arbeits-Ruhe-Verhältnis und
die Wiederholungsrate gefordert ist. Dies führt zu einer variablen Wiederholungsrate und
einer zeitvariierenden Arbeits-Ruhe-Verhältnis-Signalform, die für den Strom
repräsentativ
ist, welcher in der oder den Spulen des Kompressors (6) erforderlich
ist. Die Signalform wird an den Leistungsverstärker (4) angelegt,
wo sie bezüglich
ihrer Amplitude durch die Amplitudensteuerung (5) gesteuert wird,
wobei die Amplitude durch den Befehlsprozessor (2) bestimmt
ist. Der Ausgang des Leistungsverstärkers (4) stellt eine
Spannung mit der durch den Befehlsprozessor gesteuerten Amplitudenwiederholungsrate
und Arbeits-Ruhe-Verhältnis
bereit. Diese Spannung wird an die Spule(n) des Kompressors (6) angelegt,
was zu einem bekannten Strom führt
und daher zu einer bekannten Durchbiegung der Kompressorsbalgen
und somit zu einer bekannten Größe des Fluidstrom
zum Blasensystem (7) mittels des Fluidweiterleitungssystems
(8). Es wird eine Gleichstrom-Energieversorgung (9)
verwendet.
-
4 zeigt
die Steuerung des Fluidstromsystems, wie in der 3 beschrieben,
jedoch bei der Steuerung der Betätigungselementposition
innerhalb des Kompressors durch die Rückkopplung der Betätigungselementposition
angewandt. Diese Steuerungslösung
entfernt die Auswirkung von unbekannten Änderungen innerhalb der elektromagnetischen
Antriebseinrichtung zwischen Antriebssignal und resultierender Betätigungselementdurchbiegung.
-
Ein
Befehlssignal, welches den erforderlichen Fluidstrom repräsentiert,
wird im Befehlsgenerator (1) erzeugt und wird im Befehlsprozessor
(2) zum Signal des Betätigungselement-Positionssensors
(10) addiert, um so ein Fehlersignal bereitzustellen, um
sicherzustellen, dass die Betätigungselementposition
erzielt ist. Dieses Fehlersignal vom Befehlsprozessor (2)
bestimmt die Wiederholungsrate und das Arbeit-Ruhe-Verhältnis, die
vom Generator (3) für
das Arbeits-Ruhe-Verhältnis
und die Wiederholungsrate gefordert sind. Dies führt zu einer variablen Wiederholungsrate
und einer zeitvariierenden Arbeits-Ruhe-Verhältnis-Signalform, die für den Strom repräsentativ
ist, der in der oder den Spulen des Kompressors (6) erforderlich
ist. Diese Signalform wird an den Leistungsverstärker (4) angelegt,
wo sie bezüglich
der Amplitude durch die Amplitudensteuerung (5) gesteuert
wird, die Amplitude wird durch den Befehlsprozessor (2)
bestimmt. Der Ausgang des Leistungsverstärkers (4) stellt eine
Spannung bereit, deren Amplitudenwiederholungsrate und Arbeits-Ruhe-Verhältnis durch
den Befehlsprozessor (2) und den Betätigungselement-Positionssensor
(10) gesteuert ist. Diese Spannung wird an die Spule(n)
des Kompressors (6) angelegt, woraus eine bekannte Durchbiegung
der Kompressorbalgen und damit eine bekannte Menge des Fluidstroms
zum Blasensystem (7) über
das Fluidweiterleitungssystem (8) resultiert. Es kann auch
eine Gleichstrom-Energieversorgung (9) verwendet werden.
-
5 zeigt
die Strömungssteuerung
basierend auf dem Prinzip, dass der tatsächliche Fluidstrom in eine
Blase überwacht
wird, um den erforderlichen Fluidstrom aufrecht zu erhalten.
-
Ein
Befehlssignal, welches den erforderlichen Fluidstrom repräsentiert,
wird im Befehlsgenerator (1) erzeugt und der Information
vom Stromsensor (10) im Befehlsprozessor (2) addiert,
um so ein Fehlersignal zu erzeugen, um irgendeinen Fehler in dem
erforderlichen Strom zu korrigieren. Dieses Fehlersignal vom Befehlsprozessor
(2) bestimmt die Wiederholungsrate und das Arbeits-Ruhe-Verhältnis, die vom
Generator (3) für
das Arbeits-Ruhe-Verhältnis und
die Wiederholungsrate gefordert sind. Dies führt zu einer variablen Wiederholungsrate
und einer zeitvariierenden Signalform des Arbeits-Ruhe-Verhältnisses,
die für
den Strom repräsentativ
ist, welcher in der oder den Spule(n) des Kompressors (6)
erforderlich ist. Diese Signalform wird an den Leistungsverstärker (4)
angelegt, wo sie bezüglich
ihrer Amplitude durch die Amplitudensteuerung (5) gesteuert
wird, die Amplitude wird durch den Befehlsprozessor (2) bestimmt.
Der Ausgang des Leistungsverstärkers
(4) stellt eine Spannung bereit, deren Amplitudenwiederholungsrate
und Arbeits-Ruhe-Verhältnis
durch den Befehlsprozessor (2) und den Strömungssensor
(10) gesteuert ist. Diese Spannung wird an die Spule(n) des
Kompressors (6) angelegt, woraus eine Durchbiegung der
Kompressorbalgen und damit eine Größe des Fluidstroms zum Blasensystem
(7) mittels des Fluidweiterleitungssystems (8)
resultiert. Jegliche Fehler in dem Strom, die durch den Strömungssensor
(10) detektiert werden, werden als Korrektursignal im Befehlsprozessor
(2) verwendet. Es wird eine Gleichstrom-Energieversorgung
(9) verwendet.
-
Anstatt
der Überwachung
der Strömung kann,
wie in der 6 gezeigt, alternativ der tatsächliche
Druck in der Blase überwacht
werden.
-
Bezugnehmend
auf 6 wird in dem Befehlsgenerator (1) ein
Befehlssignal, welches den erforderlichen Blasendruck repräsentiert,
erzeugt und der Information vom Drucksensor (10) im Befehlsprozessor
(2) addiert, um so ein Fehlersignal zu erzeugen, das dazu
verwendet werden kann, irgendeinen Fehler in dem erforderlichen
Druck des Blasensystems (7) zu korrigieren. Dieses Fehlersignal
vom Befehlsprozessor (2) bestimmt die Wiederholungsrate und
das Arbeits-Ruhe-Verhältnis,
das vom Generator (3) für
das Arbeits-Ruhe-Verhältnis
und die Wiederholungsrate gefordert ist. Dies führt zu einer variablen Wiederholungsrate
und einer zeitvariierenden Signalform für das Arbeits-Ruhe-Verhältnis, die
für den Strom
repräsentativ
ist, welcher in der oder den Spule(n) des Kompressors (6)
erforderlich ist. Diese Signalform wird an den Leistungsverstärker (4)
angelegt, wo sie bezüglich
der Amplitude durch die Amplitudensteuerung (5) gesteuert
wird, wobei die Amplitude durch den Befehlsprozessor (2)
bestimmt wird. Der Ausgang des Leistungsverstärkers (4) erzeugt eine
Spannung mit der Amplitudenwiederholungsrate und dem Arbeits-Ruhe-Verhältnis, die
durch den Befehlsprozessor (2) und den Drucksensor (10)
gesteuert sind. Diese Spannung wird an die Spule(n) des Kompressors
(6) angelegt, woraus eine Durchbiegung der Kompressorsbalgen
und damit eine Größe des Fluidstroms
zum Blasensystem (7) mittels des Fluidweiterleitungssystems
(9) resultiert. Jegliche Fehler in dem Druck, die vom Drucksensor
(10) detektiert worden sind, werden dann als Korrektursignal im
Befehlsprozessor (2) verwendet. Es wird eine Gleichstrom-Energieversorgung
(9) verwendet.