DE69722648T2

DE69722648T2 - System und verfahren zur pumpenkontrolle und fehlererkennung

Info

Publication number: DE69722648T2
Application number: DE69722648T
Authority: DE
Inventors: H. Etheridge; R. Frank; G. Imblum
Original assignee: MSA Safety Inc; Mine Safety Appliances Co
Current assignee: MSA Safety Inc
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: DE69722648D1; EP0934463A1; AU4822897A; WO1998019068A1; US6092992A; EP0934463B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Steuerung einer Pumpe, besonders auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Steuerung einer Pumpe, die in einer Vorrichtung zur Gasdetektion benutzt wird.
Gasdetektionsinstrumente verwenden häufig eine pneumatische Pumpe, um eine Gasprobe von einem entfernten Standort zum Instrument anzusaugen. Solche Pumpen werden zum Beispiel zum Abtasten der Umgebung eines begrenzten Raumes (Einstieg oder Frachtraum eines Schiffes) vor dem Eintreten in diesen Raum verwendet. Pneumatische Pumpen erlauben auch die Verwendung einer verlängerten Probensonde, um nach undichten Stellen entlang einer Gasleitung oder nach Gasansammlungen am Boden oder an der Decke zu suchen.
Die meisten tragbaren Gasdetektionsinstrumente funktionieren mit Batterien. Wenn der Pumpenmotor direkt von der Batterie angetrieben wird, wird die Pumpengeschwindigkeit (und die Durchflussrate) mit der Batterieladung abnehmen. Aus diesem Grund werden Motoren typischerweise so gewählt, dass sie bei einer niedrigeren Spannung als der niedrigsten erwarteten Batteriespannung funktionieren, und Schaltungen werden hinzugefügt, um diese Spannung konstant zu halten. Um die Batterielebensdauer zu maximieren, muss eine effiziente Methode angewendet werden, um den Motor bei der niedrigeren Spannung zu betreiben. Es ist auch wünschenswert, die Pumpe bei einer nahezu konstanten Durchflussrate zu betreiben, um Veränderungen in der Datenausgabe eines oder mehrerer Sensoren des Gasdetektionsinstrument zu minimieren, da die Datenausgabe der Sensoren mit der Durchflussrate variieren kann.
Um korrekten Betrieb sicherzustellen, benötigen Gasdetektionsinstrumente mit pneumatischen Pumpen eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Steuerung der Durchflussrate und zur Detektion einer Durchfluss-Unterbrechung oder inakzeptablem Abnehmen der Durchflussrate. In der im US- Patent Nr. 5,295,790 veröffentlichten Pumpenanordnung wird ein Durchflussmesser verwendet, um direkt die Volumendurchflussrate durch die Pumpe zu bestimmen und eine Rückmeldung an die Motor-Steuereinheit zu gewährleisten, so dass der Durchfluss ungeachtet von Veränderungen in der Pumpencharakteristik genau gesteuert wird. Obwohl die Rückmeldung der direkten Messung einer Volumendurchflussrate eine exzellente Methode der Pumpensteuerung und Fehlerkontrolle in einem Gasdetektionsinstrument darstellt, erfordert sie häufig eine deutliche Steigerung der Herstellungskosten.
Die Herstellungskosten können durch die Verwendung einfacher Volumendurchflussmesser wie Rotometer zur Detektion von Durchflussfehlern gesenkt werden, doch hängt die Leistung solcher Rotometer von ihrer Positionierung empfindlich ab. Desweiteren aktivieren Rotometer nicht automatisch ein elektronisches Alarmsystem und benötigen daher eine ständige Überwachung durch den Bediener.
Viele tragbare Gasdetektionsinstrumente mit pneumatischen Pumpen verwenden eine Form eines elektronischen Durchflusssteuerung/Fehlerkontroll-Mechanismus, der auf einer indirekten oder abgeleiteten Messung der Durchflussrate beruht. Eine Reihe solcher Instrumente verwenden zum Beispiel Heiß-Draht-Anemometer oder Massenfluss-Sensoren zur Messung der Durchflussrate. Jedoch leiden diese Instrumente unter den hohen Stromanforderungen, dem großen Format und den hohen Herstellungskosten.
Eine weitere gebräuchliche "indirekte" Methode zur Detektion einer Durchflussunterbrechung ist die Messung des Einlass-Drucks der Pumpe. Im allgemeinen wird ein Vakuumschalter zur Erzeugung eines elektrischen Signals bei Überschreitung eines voreingestellten Grenzwertes verwendet. Als Konzept zur Erkennung ist dies zwar zufriedenstellend, allerdings haben sich die für kleine, tragbare Gasdetektionsinstrumente zur Verfügung stehenden Vakuumschalter als teuer und bei längerer Verwendung anfällig für mechanische oder elektrische Fehler erwiesen.
Mit den oben dargestellten und anderen Nachteilen in Verbindung mit Strom-Anordnungen und Verfahren zur Durchflusskontrolle und Fehlererkennung ist es sehr wünschenswert, effiziente und kosteneffektive Systeme und Verfahren zur Steuerung und Fehlerkontrolle in Pumpensystemen zur Verwendung in Gasdetektionseinheiten zu entwickeln.
Die US-Patente Nr. 4,864,287 und Nr. 5,447,414 legen eine Anordnung zur Pumpensteuerung mit den vorcharakterisierenden Merkmalen a-e des Anspruches 1 offen.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zur Pumpensteuerung für die Benutzung in einer Gasdetektionseinheit dargestellt, die umfasst:
a. eine Energiequelle;
b. einen mit der Energiequelle in Wirkverbindung stehenden Schalter;
c. einen mit dem Schalter in Wirkverbindung stehenden Pumpenmotor, derart, dass der Pumpenmotor von der Energiequelle mit Energie versorgt wird, wenn sich der Schalter in einem ersten Zustand befindet, und der Pumpenmotor keine Energie von der Energiequelle erhält, wenn der Schalter in einem zweiten Zustand ist;
d. eine mit dem Schalter in Wirkverbindung stehende Verarbeitungseinheit, die zur Modulation des Schalters zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand ausgebildet ist; und
e. eine Übertragungsschaltung, die zum Senden eines Motorsignals zu der Verarbeitungseinheit ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
f. die Anordnung ein Mittel zum Abzweigen eines Motorsignals einschließt, das proportional zur Drehzahl des Pumpenmotors ist;
g. die Verarbeitungseinheit des Weiteren zur Steuerung der Modulation des Schalters als Antwort auf das Motorsignal ausgebildet ist; und
h. die Verarbeitungseinheit des Weiteren zum Vergleichen des Motorsignals mit einem vorbestimmten Bereich zulässiger Werte ausgebildet ist, um das Vorhandensein eines Störungszustands zu bestimmen.
Die Verarbeitungseinheit kann ein Mikrocontroller sein.
Die Anordnung kann weiterhin eine mit dem Pumpenmotor in Wirkverbindung stehende Regenerierungsschaltung umfassen, die, während der Schalter sich in dem zweiten Zustand befindet, zur Umlenkung der vom Moment des Pumpenmotors erzeugten Energie zurück zum Pumpenmotor ausgebildet ist.
Das Motorsignal kann etwa die am Pumpenmotor zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während des zweiten Zustands des Schalters anliegende Spannung sein.
Das Motorsignal kann etwa die durchschnittliche Spannung am Pumpenmotor während des zweiten Zustands des Schalters sein. Alternativ kann das Motorsignal etwa die durchschnittliche Spannung an der Motorpumpe während des ersten Zustands und des zweiten Zustands des Schalters sein. In diesem Fall kann die Übertragungsschaltung ein Tiefpassfilter umfassen, das etwa an die Durchschnittsspannung an der Motorpumpe angepasst ist.
Die Verarbeitungseinheit kann des Weiteren ausgebildet sein, um periodisch zu veranlassen, dass sich der Schalter über einen ausreichend langen Zeitraum in dem zweiten Zustand befindet, so dass ein Anhalten (Verzögern) des Pumpenmotors bewirkt wird, wobei die Verarbeitungseinheit ferner zum erneuten Starten der Modulation des Schalters nach dem Zeitraum bei einem vorbestimmten Betriebszyklus ausgebildet ist, und das Motorsignal nach dem erneuten Starten des Pumpenmotors eine Anzeige dahingehend liefert, ob ein Störungszustand vorhanden ist.
Die Verarbeitungseinheit kann zur Messung des Änderungsgrades der Modulation, die zur Steuerung der Motorpumpe erforderlich ist, und zum Vergleichen der gemessenen Größe der Änderung mit einem vorbestimmten Wert ausgebildet sein, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.
Die Verarbeitungseinheit kann zum Vergleichen eines für die Steuerung der Motorpumpe erforderlichen Betriebszyklus der Modulation mit mindestens einem vorbestimmten maximalen Betriebszyklus und einem vorbestimmten minimalen Betriebszyklus ausgebildet sein, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Pumpenmotors für die Verwendung in einer Gasdetektionseinheit zur Verfügung gestellt, welche einen Pumpenmotor, eine Energiequelle und einen Schalter zwischen Energiequelle und Pumpenmotor umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Zuführen von Energie von einer Energiequelle zum Pumpenmotor;
b) Modulieren des Schalters zwischen einem ersten Zustand, in dem der Pumpenmotor mit Energie von der Energiequelle gespeist wird, und einem zweiten Zustand, in dem der Pumpenmotor nicht mit Energie von der Energiequelle versorgt wird;
c) Messen eines Motorsignals proportional zur Drehzahl des Pumpenmotors;
d) Steuern der Modulation des Schalters als Antwort auf das Motorsignal, um den Pumpenmotor zu steuern; und
e) Vergleichen des Motorsignals mit einem vorbestimmten Bereich von zulässigen Werten, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen:
f) periodisches Veranlassen, dass sich der Schalter über einen ausreichend langen Zeitraum in dem zweiten Zustand befindet, um ein Anhalten des Pumpenmotors zu bewirken;
g) Neustarten des Schalters nach dem Zeitraum bei einem vorbestimmten Betriebszyklus; und
h) Messen des Motorsignals zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Neustarten der Modulation des Schalters, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen:
i) Messen des Änderungsgrades der Modulation, der zur Steuerung des Pumpenmotors erforderlich ist;
j) Vergleichen des gemessenen Änderungsgrades mit einem vorbestimmten Wert, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen:
k) Vergleichen eines Betriebszyklus der Modulation, der zur Steuerung des Pumpenmotors erforderlich ist, mit mindestens einem von einem vorbestimmten maximalen Betriebszyklus und einem vorbestimmten minimalen Betriebszyklus, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Motorsignal etwa die an der Motorpumpe anliegende Spannung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während des zweiten Zustands des Schalters sein.
Das Motorsignal kann etwa die an der Motorpumpe anliegende Durchschnittsspannung während des zweiten Zustands des Schalters sein. Alternativ kann das Motorsignal etwa die am Pumpenmotor anliegende Durchschnittsspannung während des ersten Zustands und des zweiten Zustands des Schalters sein.
Ein Verfahren entsprechend der Erfindung kann ferner einen Schritt zum Umleiten von Energie, die durch die Rotation des Pumpenmotors erzeugt wird, wenn sich der Schalter im zweiten Zustand befindet, zurück zum Pumpenmotor umfassen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung eines Ausführungsbeispiels des Steuerungssystems der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Schaltbild eines Steuerungssystems der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Pumpen-Steuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Pumpen-Kontroll-Prozesses ist.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst die Anordnung (5) vorzugsweise einen Pumpenmotor (10), der eine Pumpe (nicht dargestellt) antreibt. Der Motor (10) wird vorzugsweise mit Energie von einer Batterie (20) über einen Schaltmechanismus eines Transistors mittels Pulsweitenmodulation (PWM) versorgt. Bei der Pulsweitenmodulation wird die Batteriespannung im allgemeinen mehrere hundert Mal pro Sekunde an- und abgeschaltet. Die Zeitdauer oder der Betriebszyklus eines jeden Pulses wird zur Steuerung des Motors (10) variiert. Während der Transistorschalter (30) an ist, liefert die Batterie (20) Energie an den Motor (10), was die Wicklungen des Motors (10) anregt und den Motor (10) zum Laufen veranlasst. Während der Transistorschalter (30) aus ist, fährt der Motor (10) aufgrund seines Momentes fort, sich zu drehen und funktioniert wie ein Generator zur Produktion von gegenelektromotorischer Kraft (Gegen-EMK). Die Energie (das heisst, die Gegen- EMK) kann zum Motor (10) unter Verwendung der Regenerierungsschaltung (40), welche zum Beispiel eine oder mehrere Dioden, die mit dem Motor (10) verbunden sind, umfasst, zurückgeleitet werden. Diese Technik ist bekannt als Regenerierung. Die Gegen-EMK kann auch dazu verwendet werden, Rückmeldung zur Steuerung des Motors (10) zu geben.
Vorzugsweise wird ein Motorsignal proportional zur Spannung an den Wicklungen vom Motor (10), während der Schalter (30) im Aus-Zustand ist, gemessen und zur Steuerung von Motor (10) verwendet. Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie das Motorsignal proportional zur Spannung an den Wicklungen während der Aus-Phase des PWM-Zyklus gemessen werden kann. Beispielsweise kann die Durchschnittsspannung zu jedem definierten Augenblick während der Aus- Phase in jedem Zyklus gemessen werden. Desweiteren kann die ungefähre Durchschnittsspannung am Motor (10) während der Aus-Phase gemessen werden. Vorzugsweise wird die Durchschnittsspannung am Motor (10) während der Aus- und der An-Phase des PWM-Zyklus gemessen.
Jede der obigen Messungen ist proportional zur während der Regenerierungsphase des Zyklus zur Verfügung stehenden Spannung. Die während der Regenerierungsphase zur Verfügung stehende Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit von Motor (10). Unter Leichtlast- Bedingungen läuft der Motor (10) mit relativ hoher Geschwindigkeit und erzeugt eine hohe Spannung. Wenn die Last am Motor (10) zunimmt, läuft der Motor (10) mit geringerer Geschwindigkeit (unter der Voraussetzung, dass der energieübertragende Pulse sich nicht geändert hat) und die Spannung nimmt ab. Vorzugsweise misst ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller (50) die Spannungsabnahme und erhöht dann proportional die Pulsweite (oder den Betriebszyklus), um die Last zu kompensieren bis die Motorspannung wieder auf ihrem normalen Betriebswert oder in ihrem normalen Betriebsbereich ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde beispielsweise ein Motorola Mikrocontroller Model Nr. 68HC11K1 zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit verwendet. Wenn die Last entfernt wird, wird der Motor (10) sofort schneller und die Spannung steigern. Der Mikrocontroller (50) passt den Betriebszyklus an bis die Spannung wieder ihren normalen Wert oder Bereich erreicht hat.
Ein Schaltbild des Steuerungssystems (5) ist in Fig. 2 dargestellt. Im allgemeinen wird das System (5) von der Batterie (20) versorgt und ist aufgebaut aus Transistoren, Kapazitäten, Widerständen und Dioden, von denen die Funktionen dem Fachmann bekannt sind. Der Einfachheit halber betont die folgende Beschreibung der Steuerungsanordnung (5) die Wechselbeziehungen der hauptsächlicher Teilschaltkreise, die in Fig. 1 dargestellt sind und in Fig. 2 durch gestrichelte Linien umrandet sind.
Vorzugsweise wird die Energie für die Steuerungsanordnung (5) über einen Energie-Schalter zur Verfügung gestellt, wenn das Gasdetektionsinstrument angeschalten wird. Im Fall eines Fehlers ist die Pumpenanordnung durch eine Sicherung (65) wie beispielsweise eine 250 mA-Sicherung, geschützt. Während jedes An-Aus-Zyklus wird der Transistor (30) angeschaltet, wenn die Pumpensteuerungsleitung (Pumpen-PWM) durch den Mikrocontroller (50) abgesenkt wird und den Transistor (30) mit einer Basis-Ansteuerung versorgt. Das positive Ende des Pumpenmotors (10) ist entweder mit J4 Pin 1 auf der Hauptplatine oder durch einen Verbindungs-Pin an der Batteriepackung verbunden. Das negative Ende von Motor (10) ist mit Masse an J4 Pin 2 oder mit Masse an der Batterieeinheit verbunden. Während der Transistor-Schalter (30) an ist, versorgt er vorzugsweise den Motor (10) mit der vollen Batteriespannung. Während der Aus-Phase des Zyklus wird keine Energie der Batterie (20) an den Motor (10) geliefert. Ein Widerstand (35) wird vorzugsweise benutzt, um am Anfang der Aus-Phase des Zyklus den Transistor-Schalter (30) auszuschalten. Während der Aus-Phase des Zyklus dreht sich der Motor (10) aufgrund seines Moments wie vorne beschrieben weiter. Die resultierende Gegen-EMK von Motor (10) wird vorzugsweise zurückgeleitet zum Motor (10) unter Verwendung einer Regenerierungsschaltung (40), welche beispielsweise zwei Begrenzungsdioden 42 und 44 umfasst. Die Spannung über den Motor- Wicklungen wird vorzugsweise durch einen Tiefpassfilter (60) gemittelt. Ein zu dieser mittleren Spannung proportionales Signal wird vorzugsweise zu einem Analog-Digital-Wandler (A/D)(70) im Mikrocontroller (50) geleitet (über Leitung PUMPE V) und dort gemessen. Ein Widerstand (80) wird vorzugsweise benutzt, um dem Tiefpassfilter (60) einen kleinen Vorstrom zur Bestimmung, ob eine Pumpe an das Instrument angeschlossen ist, zu liefern.
Durch Steuerung der Motorspannung wird die Geschwindigkeit von Motor (10) und dadurch die Durchflussrate der Pumpe in einem relativ engen Betriebsbereich gehalten. Effiziente Motorsteuerung maximiert die Lebensdauer der Batterie (20). Normale Betriebsbedingungen von Motor (10) unter kleiner und großer Last werden vorzugsweise charakterisiert zur Bestimmung des maximalen und minimalen Betriebszyklus, der für Motor (10) unter den beim Betrieb erfahrungsgemäß auftretenden Batteriespannungs- und Betriebstemperaturänderungen benötigt wird. Diese maximalen und minimalen Werte werden vorzugsweise zur Bestimmung der normalen Betriebsgrenzen von Motor (10) und zur Detektion von Problemen im Fluss-System wie z. B. Messleitungs- oder Motorfehler benutzt. Eine verstopfte Messleitung oder ein verzögerter Motorzustand wird beispielsweise über eine niedrige Motorspannung detektiert. Eine durchgebrannte Motorwicklung oder eine offene Kollektorschaltung wird durch die Abwesenheit der Regenerierungsspannung detektiert.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch eine Anordnung und ein Verfahren zur Detektion von kleineren Störungszuständen, die beispielsweise durch plötzliche Änderungen der pneumatischen Lasten verursacht werden. Solche plötzlichen Veränderungen können beispielsweise auftreten, wenn eine Flüssigkeit unbeabsichtigt in das freie Ende der Messleitung gelangt oder die Messleitung an einer Stelle durch eine drückende Kraft verengt wird. In einer Ausführungsform misst das Steuerungssystem (5) die Änderungsrate des Wertes der PWM, der zur Konstanthaltung der Motorspannung benötigt wird. Wird ein vorbestimmter Mittel- oder Steuerwert der mittleren Motorspannung erreicht, passt der Mikrocontroller (50) demnach kontinuierlich die PWM an, um die Spannung konstant zu halten und zeichnet die Änderungsrate der PWM auf. Die aufgezeichnete Änderungsrate wird kontinuierlich mit einem empirisch bestimmten normalen, annehmbaren Wert der Änderungsrate verglichen, und jede Abweichung in der aufgezeichneten Rate, die größer ist als diese annehmbare Rate, wird von Mikrocontroller (50) als Durchfluss-System- Fehler oder Störungszustand interpretiert.
In einer anderen Ausführungsform löst der Mikrocontroller (50) eine vorübergehende Stillegung des PWM-Versorgungssignals auf einer periodischen Basis aus und verifiziert nachfolgend die Bildung einer annehmbaren mittleren Motorspannung innerhalb eines Zeitintervalls nach der Wiederaufnahme des PWM-Versorgungssignals. Dieses Vorgehen wird in Fig. 3 als Pulsüberprüfungsverfahren gekennzeichnet. Die periodische Stillegung erfolgt vorzugsweise etwa alle 15 Sekunden. Diese Periode ist ausreichend oft, um die Leistungsfähigkeit der Pumpen- und Messanordnung zu überwachen, aber nicht zu oft, als dass dadurch die Proben-Durchflussrate vermindert wird. Die PWM Stillegungsperiode in dieser Ausführungsform ist vorzugsweise ungefähr 0,2 Sekunden. Diese Stillegungsperiode ist ausreichend lang, um den Motor (10) zu verzögern (d. h. zu verlangsamen oder anzuhalten) und die Überprüfung der Beschleunigung des Motors (10) bei Wiederaufnahme der PWM nach einem vorbestimmten Zeitintervall zuzulassen. In dieser Ausführungsform ist das für die Beschleunigung von Motor (10) auf eine definierte mittlere Spannung gewählte Intervall ungefähr 1,5 Sekunden nach Wiederaufnahme des PWM-Versorgungssignals. Während 1,5 Sekunden bei Raumtemperatur ein angemessener Wert ist, wird bei tieferen Temperaturen vorzugsweise mehr Zeit aufgrund der langsameren Beschleunigung von Motor (10) zugelassen, die aus der Steifheit der mechanischen Komponenten der Pumpe bei solch niedrigen Temperaturen hervorgeht. Ohne Marginalfehler wird der Motor erfolgreich neustarten (also wird Motor (10) innerhalb des definierten Zeitintervalls nach Wiederaufnahme der PWM wieder eine annehmbare mittlere Spannung generieren). Ein Fehler beim erfolgreichen Neustart zeigt einen Störungszustand an. Beispielsweise wird eine Marginalfehlerbedingung, die einen übermässigen Bedarf an Motordrehmoment während des Neustarts auslöst, als im Vergleich zur normalen mittleren Spannung niedrigere Spannung am Ende des Zeitintervalls detektiert und vom Mikrocontroller (50) als Fluss-System-Fehler interpretiert. Die Erfinder haben bemerkt, dass das Testen des von der Pumpe benötigten Motordrehmoments bei einer vorbestimmten PWM eine verlässliche Überprüfung für eine Menge von Fehlerbedingungen ist.
Eine Ausführungsform eines Steuerungs- und Fehlerkontrollablaufs eines Gasdetektionsinstruments, welches im Diffusions-Modus (d. h. basierend auf Diffusion werden Umgebungsgase zu einem oder mehreren Sensoren des Instruments transportiert) oder im Erzwungenen-Fluss-Modus (d. h. unter Verwendung einer Pumpe wird das Umgebungsgas zu einem oder mehreren Sensoren des Instruments gesaugt) betrieben wird, ist in Fig. 3 und 4 und im Pseudocode des zugehörigen Anhangs dargestellt. In diesem Ablauf wird eine Pumpen-Initialisierung durchgeführt, wenn der Versorgungsschalter des Gasdetektionsinstruments angeschaltet wird. Der Mikrocontroller (50) überprüft vorzugsweise zunächst, ob der Motor (10) mit dem Instrument verbunden ist, indem gemessen wird, ob ein Motorsignal (Gegen-EMK) generiert wird. Wird kein Motorsignal detektiert, wird die Pumpeninitialisierung verlassen und das Gasdetektionsinstrument im Diffusionsmodus betrieben.
Wenn der Motor (10) erkannt wird, wird der Betriebszyklus für etwa 0,5 Sekunden auf 100% (Prozent an) eingestellt. Der Mikrocontroller (50) misst die von der Batterie (20) zur Verfügung stehende Energie und setzt anschließend den Betriebszyklus auf den zuvor für diese gemessene Batteriespannung festgelegten maximalen Betriebszyklus. Maximaler und minimaler Betriebszyklus für gegebene Batteriespannungsbereiche werden vorzugsweise für eine gegebene Kombination aus Pumpe und Motor experimentell festgelegt, um eine akzeptable Durchflussrate zu gewährleisten. Beispielsweise wurde für die durch den Pseudocode des Anhangs gesteuerte Kombination aus Pumpe und Motor ein maximaler Betriebszyklus von 80% und ein minimaler Betriebszyklus von 5% experimentell festgelegt, um eine akzeptable Durchflussrate bei einer Batteriespannung größer als etwa 3,6 Volt zu gewährleisten. Bei einer Batteriespannung gleich oder zwischen etwa 3,6 und 3,3 Volt wurden der maximale und minimale Betriebszyklus auf 90% und 5% experimentell bestimmt. Bei einer Batteriespannung unter etwa 3,3 Volt wurden der maximale und minimale Betriebszyklus auf 100% und 5% experimentell bestimmt.
Ein Pumpenüberprüfungsablauf (dargestellt in Fig. 4) wird initiiert, nachdem der Betriebszyklus auf den maximalen Betriebszyklus für die gemessene Batteriespannung gesetzt wurde. Der Pumpenüberprüfungsablauf bestimmt zunächst, ob seit dem Anschalten des Gasdetektionsinstruments eine Pumpe hinzugefügt wurde. Wurde eine Pumpe neu hinzugefügt, so wird vorzugsweise ein Fehler angezeigt und der Benutzer muss ein Rücksetzen durchführen, um die Initialisierung der neuen Pumpe zu starten. Ebenfalls wird das Entfernen einer Pumpe vorzugsweise in einer Fehler- Anzeige resultieren, so dass der Benutzer den Rücksetzknopf benutzen muss, um das Instrument im Diffusionsmodus zu betreiben.
Der Pumpenüberprüfungsablauf wird verlassen, wenn eine Fehlerbedingung detektiert wurde und ein Fehlersignal ausgegeben wurde. Während der Initialisierung nach dem Einschalten des Instruments werden Fehleranzeigen vorzugsweise zur Zentrierung bis zu 15 Sekunden verzögert. Wurde keine Fehlerbedingung detektiert, bestimmt der Pumpenüberprüfungsablauf, ob ein Pulsüberprüfungsablauf stattfindet. Während der Initialisierung ist jedoch das Pulsüberprüfungsverfahren für eine Zeit von 30 Sekunden vorzugsweise unterdrückt. Findet kein Pulsüberprüfungsverfahren statt, so versucht der Mikrocontroller (50) vorzugsweise, den Betriebszyklus in einer Art einzustellen, dass ein Motorsignal (Gegen-EMK) erreicht wird, welches zwischen einer maximalen akzeptablen mittleren Spannung und einer minimalen akzeptablen mittleren Spannung zentriert ist, welche experimentell bestimmt wurden, um eine akzeptable Durchflussrate zu gewährleisten. Beispielsweise wurden für die Kombination Pumpe-Motor im Pseudocode die maximalen und minimalen Motorsignale auf etwa 1,95 bzw. 1,85 Volt festgelegt. Der Mikrocontroller (50) versucht somit, den Betriebszyklus so einzustellen, dass ein Motorsignal von etwa 1,9 Volt erreicht wird. Ein Motorsignal im Bereich von 1,85 bis 1,95 Volt wird jedoch vorzugsweise als zentriert betrachtet. Wenn der Pumpenmotor nach 15 Sekunden nicht zentriert ist, wird vorzugsweise ein Pumpenfehler durch ein elektronisches Alarmsystem (90) wie z. B. ein Alarmlicht und/oder einen Alarmton angezeigt.
Wenn der Motor (10) zentriert ist, überprüft der Pumpenprüfablauf, ob ein Pulsüberprüfungsablauf stattfinden soll. Falls ja, wird der Pulsüberprüfungsablauf wie oben beschrieben initiiert. Falls nein, überprüft der Mikrocontroller (50) auf Fehler. Wie bereits oben dargestellt, wird die mittlere Gegen-EMK während des Betriebs des Gasdetektionsinstruments vorzugsweise zwischen 1,95 und 1,85 Volt zentriert, um eine passende Durchflussrate aufrechtzuerhalten. Fehleranzeigen sind nur möglich, wenn das Motorsignal in diesem Bereich gehalten wird. Wird der Betriebszyklus auf minimalen oder maximalen Betrieb für eine Sekunde oder mehr gesetzt, wird ein Fehler angezeigt. Ferner wird ein Fehler angezeigt, wenn das Motorsignal geringer als etwa 1,4 Volt für eine Sekunde oder länger ist. Weiterhin wird ein Fehler angezeigt, wenn die Änderungsrate des Betriebszyklus größer als 5% während eines 5-Sekunden-Intervalls ist. Wie maximaler und minimaler Betriebszyklus sowie Motorsignal-Zielbereich sind der 1,4 Volt Minimum-Motor-Signal-Schwellwert und die 5%/5 Sekunden-Änderungsrate-Fehlerbedingung bereits experimentell für die benutzte Pumpen-Motor-Kombination bestimmt. Wird keine Fehlerbedingung identifiziert, so wird der Pumpenüberprüfungsablauf verlassen. Nach Initialisierung wird der Pumpenüberprüfungsablauf oder die -funktion vorzugsweise periodisch aufgerufen oder ausgeführt (beispielsweise 10 mal pro Sekunde).
Jedes Mal bei einer Fehleridentifizierung wird der Betriebszyklus auf seinen minimalen Betriebszyklus bei der Batteriespannung bestimmt. Vorzugsweise überprüft der Pumpenprüfablauf die Batteriespannung periodisch (beispielsweise einmal pro Minute), um die passenden maximalen und minimalen Betriebszyklen zu setzen.
In dem im Pseudocode dargelegten Pulsüberprüfungsablauf bestimmt der Mikrocontroller (50), ob die mittlere Spannung an Motor (10) geringer als 1,4 Volt ist, nach einer Anlaufzeit von 1,5 Sekunden wenn die Temperatur größer oder gleich 5ºC beträgt. Ist die Temperatur geringer als 5ºC, wird die Bestimmung nach einer Periode von etwa 2 Sekunden gemacht. Ist das Motorsignal nach der Anlaufphase kleiner als 1,4 Volt, wird ein Fehler angezeigt. Der Anlaufphasen-Spannungsschwellwert von 1,4 Volt wurde für eine bestimmte Motor-Pumpen-Kombination experimentell bestimmt.
Der Zielbereich des Motorsignals, der maximale und minimale Betriebszyklus und die Parameter für Störungszustände wurden experimentell für jede mögliche Kombination zweier kommerziell erhältlicher Motoren mit drei kommerziell erhältlichen Pumpen bestimmt. Die Motoren sind Motor Model Nr. 1624T006S erhältlich bei Micromo Electronics, Inc. of Clearwater, Florida und Motor Modell Nr. 2316.936-00.141 erhältlich bei Maxon Precision Motors, Inc. of Burlingame, California. Die Pumpen sind Pumpenmodell Nr. 03.08.005 erhältlich bei T-Square Manufacturing Corp. of Nutley, New Jersey, Pumpenmodell Nr. 5D2-4-HE erhältlich bei Gast Manufacturing Corp of Benton Harbor, Michigan, und Pumpenmodell Nr. 3003 erhältlich bei ASF Thomas of Norcross, Georgia.
Die Pumpen-Motor-Kombinationen wurden über eine Reihe von Lastbedingungen, Temperaturbedingungen und Batteriespannungen getestet. Die normale (unblockierte) Lastbedingung wurde von einem Minimum mit 5 m langer Messleitung bis zu einem Maximum von 75 m langer Messleitung variiert. Die Temperatur wurde in einem Bereich von etwa -20ºC bis 50ºC variiert. Drei 1,2 Volt-Batterien wurden als Energiequelle in Reihe verbunden. Eine Durchflussrate von etwa 200 bis 300 ml/min wurde vorzugsweise aufrechterhalten. Eine mittlere Motorspannung (über An- und Aus-Phase des PWM- Zyklus) im Bereich von etwa 1,85 bis 1,95 V wurde zur Sicherstellung der Durchflussrate im bevorzugten Bereich unter den variierten Last- und Temperaturbedingungen und Batteriespannungen herausgefunden.
Die bevorzugten Fehlerparameter oder -schwellen wurden durch Simulation verschiedener Fehlerbedingungen festgelegt. Beispielsweise wurde der Durchfluss teilweise oder vollständig unterbrochen und die Antwort des Motorsignals untersucht. Der dynamische Test des Pulsüberprüfungsablaufs und die Messung der Änderungsrate der Modulation des Schalters wurden einer schnelleren Anzeige einer teilweise oder vollständig unterbrochenen Durchflussfehlerbedingung befunden als die Messung des prozentualen Betriebszyklus. Darüberhinaus können Pulsüberprüfungsverfahren und Modulationsänderungsratenbestimmung gültige Fehleranzeigen sogar im Fall eines oder mehrerer undichter Pumpenventile ergeben. Zusätzlich zur Bereitstellung von Anzeigen über Durchflussunterbrechungen kann die Messung des prozentualen Betriebszyklus eine Anzeige über Motorfehlerbedingungen wie z. B. einen offenen Kollektor oder eine gebrochene Welle liefern.
Wie dem Fachmann klar sein wird, können die hier beschriebenen vielen Fehlerkontrollanordnungen und - verfahren sowohl zusammen (wie im Pseudocode im Anhang gezeigt) oder auch einzeln zur Pumpenfehlerbedingungen in Gasdetektionsinstrumenten verwendet werden. Vorzugsweise simuliert der Benutzer periodisch eine Unterbrechung, um den kontinuierlichen Betrieb solcher Anordnungen und Verfahren zu überprüfen.

Anhang

1. Pumpeninitialisierung

Wenn Pumpe
Betrieb an = 100%
Warte 0,5 Sek
Betrieb an = Max für Batteriespannung Fehler verzögern für 15 Sek oder bis Pumpe zentriert
Pulsüberprüfung verzögert für 30 Sek Pumpenprüfung bis Pumpenfehler oder Pumpe zentriert

2. Pumpenprüfung

Wenn Fehler oder keine. Pumpe keine Aktion
Wenn Pumpe zum ersten Mal hinzugefügt Pumpenfehler

2.1 Pumpen Pulsüberprüfung

Wenn Pulsüberprüfungszeit (einmal alle 15 Sek)
Betrieb an = 0
Warte 0,2 Sek
Betrieb an = vorheriger Betrieb an verhindere Fehler für 2 Sek
verhindere Pumpensteuerung für X Sek
Wenn Temp ≥ 50ºCelsius, X = 1,5 Sek

2.2 Pumpendurchflusskontrolle

Wenn Pumpen EMK > 1,95 Volt, vermindere Betrieb an
Wenn Pumpen EMK < 1,85 Volt, erhöhe Be trieb an
Wenn 1,85 ≤ Pumpen EMK ≤ 1,95 Volt ermögliche Fehler

2.3 Pumpenfehlerüberprüfung

Wenn Fehler möglich
Wenn Betrieb an < Min Betrieb für 1 Sek, Fehler
Wenn Betrieb an > Max Betrieb für 1 Sek, Fehler
Wenn EMK < 1,4 für 1 Sek, Fehler
Wenn Betriebsänderungsrate > 5% in 5 Sek, Fehler
Wenn Fehler, Betrieb an = Min Betrieb

3. Pumpe rücksetzen

Wenn Pumpenfehler durch Pumpenhinzufügen, Pumpeninitialisierung
Wenn Pumpe entfernt, deaktiviere Pumpe Sonst entferne Pumpenfehler
deaktiviere Pumpenfehler für 7,5 Sek
verzögere Pulsüberprüfung für 15 Sek
Betrieb = Ma Betrieb an für Batteriespannung

4. Pumpenenergie

Wenn Batt Volt ≥ 3,6 Max Betrieb an = 80%, min Betrieb an = 5%
Wenn 3,6 ≥ Batt Volt 3,3 Max Betrieb an = 90%, Min Betrieb an = 5%
Wenn Batt volt ≤ 3,3 Max Betrieb an = 100%, Min Betrieb an = 5%

Claims

1. Anordnung zur Pumpensteuerung bei einem Gasdetektionsgerät, die umfasst:

a) eine Energiequelle (20);

b) einen mit der Energiequelle (20) in Wirkverbindung stehenden Schalter (30)

c) einen mit dem Schalter (30) in Wirkverbindung stehenden Pumpenmotor (10), derart, dass der Pumpenmotor von der Energiequelle (20) mit Energie versorgt wird, wenn sich der Schalter (30) in einem ersten Zustand befindet, und der Pumpenmotor keine Energie von der Energiequelle erhält, wenn der Schalter (30) in einem zweiten Zustand ist;

d) eine mit dem Schalter (30) in Wirkverbindung stehende Verarbeitungseinheit (50), die zur Modulation des Schalters (30) zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand ausgebildet ist; und

e) eine Übertragungsschaltung (60), die zum Senden eines Motorsignals zu der Verarbeitungseinheit (50) ausgebildet ist;

dadurch gekennzeichnet, dass

f) die Anordnung ein Mittel (40) zum Abzweigen eines Motorsignals einschließt, das proportional zur Drehzahl des Pumpenmotors (10) ist;

g) die Verarbeitungseinheit (50) des Weiteren zur Steuerung der Modulation des Schalters als Antwort auf das Motorsignal ausgebildet ist; und

h) die Verarbeitungseinheit (50) des Weiteren zum Vergleichen des Motorsignals mit einem vorbestimmten Bereich zulässiger Werte ausgebildet ist, um das Vorhandensein eines Störungszustands zu bestimmen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (50) ein Microcontroller ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Pumpenmotor (10) in Wirkverbindung stehende Regenerierungsschaltung (40) vorgesehen ist, die, während der Schalter (30) sich in dem zweiten Zustand befindet, zur Umlenkung der vom Moment des Pumpenmotors (10) erzeugten Energie zurück zum Pumpenmotor ausgebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsignal etwa die am Pumpenmotor (10) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während des zweiten Zustands des Schalters (30) anliegende Spannung ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsignal etwa die durchschnittliche Spannung am Pumpenmotor (10) während des zweiten Zustands des Schalters (30) ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsignal etwa die durchschnittliche Spannung an der Motorpumpe (10) während des ersten Zustands und des zweiten Zustands des Schalters (30) ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsschaltung ein Tiefpassfilter (60) umfasst, das etwa an die Durchschnittsspannung an der Motorpumpe (10) angepasst ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit des Weiteren ausgebildet ist, um zu veranlassen, dass sich der Schalter über einen ausreichend langen Zeitraum in dem zweiten Zustand befindet, so dass ein Anhalten (Verzögern) des Pumpenmotors (10) bewirkt wird, wobei die Verarbeitungseinheit ferner zum erneuten Starten der Modulation des Schalters (30) nach dem Zeitraum bei einem vorbestimmten Betriebszyklus ausgebildet ist, und das Motorsignal nach dem erneuten Starten des Pumpenmotors (10) eine Anzeige dahingehend liefert, ob ein Störungszustand vorhanden ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit zur Messung des Änderungsgrades der Modulation, die zur Steuerung der Motorpumpe (10) erforderlich ist, und zum Vergleichen der gemessenen Größe der Änderung mit einem vorbestimmten Wert ausgebildet ist, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit zum Vergleichen eines für die Steuerung der Motorpumpe (10) erforderlichen Betriebszyklus der Modulation mit mindestens einem vorbestimmten maximalen Betriebszyklus und einem vorbestimmten minimalen Betriebszyklus ausgebildet ist, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.

11. Verfahren zur Steuerung eines Pumpenmotors für ein Gasdetektionsgerät, das einen Pumpenmotor (10), eine Energiequelle (20) und einen mit der Energiequelle und dem Pumpenmotor verbundenen Schalter (30) aufweist und das folgende Schritte umfasst:

a) Zuführen von Energie von einer Energiequelle zum Pumpenmotor;

b) Modulieren des Schalters zwischen einem ersten Zustand, in dem der Pumpenmotor mit Energie von der Energiequelle gespeist wird, und einem zweiten Zustand, in dem der Pumpenmotor nicht mit Energie von der Energiequelle versorgt wird;

c) Messen eines Motorsignals proportional zur Drehzahl des Pumpenmotors;

d) Steuern der Modulation des Schalters als Antwort auf das Motorsignal, um den Pumpenmotor zu steuern; und

e) Vergleichen des Motorsignals mit einem vorbestimmten Bereich von zulässigen Werten, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner die folgenden Schritte umfasst:

f) periodisches Veranlassen, das sich der Schalter über einen ausreichend langen Zeitraum in dem zweiten Zustand befindet, um ein Anhalten des Pumpenmotors zu bewirken;

g) Neustarten des Schalters nach dem Zeitraum bei einem vorbestimmten Betriebszyklus; und

h) Messen des Motorsignals zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach dem Neustarten der Modulation des Schalters, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, das ferner die folgenden Schritte umfasst:

i) Messen des Änderungsgrades der Modulation, der zur Steuerung des Pumpenmotors erforderlich ist;

j) Vergleichen des gemessenen Änderungsgrades mit einem vorbestimmten Wert, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.

14. Verfahren nach einem der Anspruche 11 bis 13, das ferner den folgenden Schritt umfasst:

k) Vergleichen eines Betriebszyklus der Modulation, der zur Steuerung des Pumpenmotors erforderlich ist, mit mindestens einem von einem vorbestimmten maximalen Betriebszyklus und einem vorbestimmten minimalen Betriebszyklus, um zu bestimmen, ob ein Störungszustand vorliegt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsignal etwa die an der Motorpumpe anliegende Spannung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während des zweiten Zustands des Schalters ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsignal etwa die an der Motorpumpe anliegende Durchschnittsspannung während des zweiten Zustands des Schalters ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsignal etwa die am Pumpenmotor anliegende Durchschnittsspannung während des ersten Zustands und des zweitens Zustands des Schalters ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Schritt zum Umleiten von Energie, die durch die Rotation des Pumpenmotors erzeugt wird, wenn sich der Schalter im zweiten Zustand befindet, zurück zum Pumpenmotor umfasst.