EP2881584B1 - Sensorless disturbance detection in metering pumps with stepping motor - Google Patents

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.The present invention relates to a method for sensorless detection of malfunctions of a positive displacement pump, wherein the positive displacement pump has a movable displacement element with an interface which limits a dosing, wherein the dosing chamber is connected via valves with a suction and discharge line, so that by an oscillating movement of Displacement element alternately conveying fluid can be sucked via the suction line into the dosing and pressed through the pressure line from the dosing, wherein a stepping motor is provided as a drive for oscillating movement of the displacer.

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.Positive displacement pumps are known in different embodiments. In one embodiment, a surface of a movable displacer element limits a metering space as an interface. The displacer and with it the interface of the metering chamber can be moved back and forth between two extreme positions. As a result, the volume of the dosing is increased or decreased. The respective position of the interface thus determines the current volume of the dosing. In the first extreme position of the interface, the volume of the metering chamber is minimal while in the second extreme position it is maximum. Thus, if the interface moves from its first extreme position to the second position, the volume of the dosing space is thereby increased or the pressure in the dosing space drops. The resulting negative pressure leads to a closing of the valve between the metering chamber and the pressure line and to an opening of the valve between the metering chamber and the suction line, so that the conveying fluid is sucked into the metering chamber via the suction line. During the return movement of the interface from the second extreme position to the first, the volume of the dosing chamber is reduced again or the pressure in the dosing chamber increases. This overpressure closes the valve between the dosing chamber and the suction line while the valve between the dosing chamber and the pressure line is opened. The overpressure in the metering chamber conveys the conveying fluid from the metering chamber into the pressure line. As a result of the oscillating movement of the displacer element and the boundary surface between the two extreme positions, conveying fluid is thus alternately sucked out of the suction line into the metering space and then conveyed out of the metering space into the pressure line.

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.The drive of such a positive displacement pump can be based on different physical drive principles. For example, hydraulically or electromagnetically driven pumps are known. Thus, in particular, a stepper motor as a drive for the oscillating movement serve a displacement element. Such a stepping motor generally has a rotor, ie a rotatable motor part with shaft. The rotor can be rotated by a controlled stepwise rotating electromagnetic field of a plurality of stator coils, ie, a plurality of coils arranged on a non-rotatable motor part, by a minimum angle or a step or a multiple thereof. This rotational movement is translated by means of a connecting rod or the like in a translational movement for alternately reciprocating the displacer element. In addition, stepper motors in the form of linear motors are known in which by means of electromagnetic force generation directly a stepwise translation movement of a movable motor part between two extreme positions is generated, which can be transmitted directly to a displacer. Thus, in this case, the two extreme positions of the displacer element generally correspond to the two extreme positions of the movable motor part.

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.Stepper motors are characterized in particular by a high degree of robustness and a long service life. Since stepper motors move in individual steps or multiples thereof, it is possible in principle for the motor or control electronics to count the steps and to determine an actual rotor position based thereon. However, a mechanical load of the motor leads to the formation of a so-called load angle, i. to a deviation between the rotation of the electromagnetic field of the stator and the mechanical rotation of the rotor. Here, a distinction can be made between static load angle and dynamic load angle. The static load angle is the angle that the rotor of a stepper motor is opposite to the electromagnetic detent position, i. the main direction of the electromagnetic field generated by the stator coil, is rotated under a statically acting torque. On the other hand, the dynamic load angle is the angle by which the rotating rotor is at a certain point in time away from the electromagnetic detent position given by the last pulse of the step clock. These definitions apply equally to linear stepper motors.

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.The movement of the rotor in the electromagnetic field of the stator coils causes in these coils a counter-induced voltage, the so-called back EMF. The back EMF is superimposed with the voltage applied to the coils, thereby producing a phase shift between the rotor and stator rotating field that corresponds to the magnitude of the back EMF. The rotor lags behind the electromagnetic rotating field of the stator, wherein the phase shift is proportional to the applied load. If the applied load torque exceeds a critical value, then the stepping motor falls out of step, ie it disengages. In the extreme case, it comes to a standstill of the engine.

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.Position detection therefore typically takes place in stepper motor drives by means of a reference signal, for example by means of a Hall sensor. Here, for example, a small permanent magnet is attached to the output shaft of the drive. A fixed Hall sensor generates a signal when passing the magnet in a certain angular position of the shaft. Thus, an absolute position per revolution is detected, which can be compared with a position assumed in the control. However, this can lead to problems with the dosing accuracy in partial strokes or cycles when using the stepper motor as a drive for a positive displacement pump. At a standstill of the stepping motor due to excessive loads, this leads to the fact that the conveying function fails despite activation of the drive unit.

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.Based on a measured reference signal, the Hubperiodendauer, which is identical to the cycle time of the rotor can be determined. From this Hubperiodendauer can be concluded that a trouble-free flow of dosing. In the event of delays or even a blockage of the dosing stroke due to overpressure situations, the signal from the Hall sensor will remain off or be delayed. This failure or delay can be used as a basis for generating a fault message and for making further responses. However, this information is always only after the expiration of a monitoring interval, i. in general a circulation time of the rotor or a Pumpzylus ago. In order to avoid this time delay, an additional position sensor is used in the prior art, which determines the speed or position of the displacer in relation to the control of the motor at each time of Dosierhubs and can detect a blockage virtually instantaneously. However, such an additional position sensor complicates the construction of the pump system, making it more prone to failure and more expensive.

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.In the DE 10 2011 000 569 A1 An alternative method and a switching arrangement is described, with which a load angle of the motor can be detected sensorless in a stepping motor in order to determine therefrom the height of a mechanical load applied to the motor shaft.

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.If a stepper motor is used to drive a positive displacement pump, the load applied to the drive is essentially given by the back pressure of the delivery fluid in the metering space, which counteracts the displacement element. To monitor the pump operation, this backpressure is measured according to the prior art by means of additional sensors, for example by means of a pressure sensor arranged in the dosing head. However, such an additional sensor in turn complicates the structure of the pump system and due to its necessary arrangement in the dosing head leads in particular to additional sealing problems and additional costs.

Die DE 100 33 992 beschreibt eine Fördervorrichtung mit einem stromgesteuerten Motor, bei der der dem Motor zugeführte Strom entsprechend der zu erwartenden Motorbelastung in Abhängigkeit der Hubstellung der Arbeitsmaschine begrenzt wird.The DE 100 33 992 describes a conveying device with a current-controlled motor, in which the current supplied to the motor is limited according to the expected engine load depending on the stroke position of the working machine.

Die WO 2012/066090 beschreibt ein Verfahren und eine Regelvorrichtung zur drehzahlvariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregats.The WO 2012/066090 describes a method and a control device for variable-speed control of a positive displacement pump unit.

Die DE 10 2010 003 218 beschreibt ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Dosierpumpe.The DE 10 2010 003 218 describes a method for controlling and / or regulating a metering pump.

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.Based on the described prior art, it is therefore an object of the present invention to provide a method for detecting malfunctions of a positive displacement pump without the need for additional sensors.

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.According to the invention, this object is achieved in that an engine torque provided by the stepping motor is determined and, if the determined motor torque M _M fulfills a first predetermined criterion, a warning signal is output.

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.If the determined motor torque of the stepping motor rises above a specific motor-specific value as a result of the load applied to the positive-displacement pump, an overload condition can be deduced. As a result, it can be assumed that at least some steps of the stepper motor could be lost or even lost. In the extreme case, there may be a motor stall. Thus, the dosing accuracy of the positive displacement pump is no longer given. Thus, the engine torque satisfies a first predetermined criterion associated with a quantity characterizing the transition from the normal state of the engine to an overload condition, i. a corresponding engine-specific value, it can be detected on the basis of the issued warning signal such an overload condition. Based on this further follow-up action can be initiated.

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.The first predetermined criterion may be directly related to the engine torque provided, i. be a certain value for the engine torque, as well as an indirect criterion, i. From a determined value for the engine torque further quantities are derived, to which the criterion is to be referred.

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.A sensorless detection in the sense of the present invention means that neither within the dosing head of the positive displacement pump nor within the stepping motor, ie in the region of its moving components, a corresponding sensor is provided.

Erfindungsgemäß kann der Schrittmotor sowohl mit als auch ohne Getriebe ausgestaltet sein.According to the invention, the stepper motor can be designed both with and without a gear.

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.In one embodiment, the first predetermined criterion takes into account at least one of the following variables: the gross driving force F _b applied by the stepping motor on the displacement portion of the engine torque M _M which the displacement element on the conveying fluid as a net driving force F _s applied proportion of the gross driving force F _b and on the conveying fluid acting delivery pressure p _F according to the 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.From a determined engine torque, the gross drive force applied to the displacer element can be determined for a known positive displacement pump on the basis of a suitable model of the drive kinematics in normal operation. In general, the rotational movement of the stepping motor is translated by means of a push rod in a translational movement. Due to losses, this translational force or rod force applied to the displacer element is, in principle, smaller than the engine torque provided by the engine. This bar force represents the gross drive force for the displacer in the translation direction.

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.However, the net drive force F _n actually transmitted to the conveyance fluid by the translational movements of the displacer between a first and a second extreme position generally differs, in turn, from the gross drive force F _{b provided} . In most cases, the transmitted net drive force F _{n is} smaller. This is due to the additional power requirement for other components of the positive displacement pump, which are also involved in the mechanics. However, the influence of these components can usually be assumed to be known, so that the net drive power remaining for the conveying process can be determined taking these losses into account.

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.For the purposes of the present invention, the net drive force F _n transmitted to the conveying fluid comprises both a pressure force applied to the conveying fluid when generating an overpressure and a pulling force when generating a negative pressure.

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.On the basis of the net drive force F _n , the delivery pressure p _F acting on the delivery fluid can be determined in accordance with the relation p _F = F _n / A _G. In this case, the boundary surface A _{G represents} the active surface of the displacement element acting on the conveying medium. The size of the boundary surface A _G is known by design. It is understood that in the case of an elastically deformable displacement element, if appropriate, temporary changes in the interface A _G , ie an effective interface instead of the structurally given static boundary surface, must be taken into account. However, the need for such additional corrections depends significantly on the accuracy of the measurements to be met. If a supplied maximum or minimum value for the current delivery pressure is sufficient, it is advisable to use only the maximum or minimum value of the effective interface for A _G possible within a funding period, without taking into account the actual current value.

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.The above-mentioned quantities can be taken into account, for example, by the predetermined criterion in that the criterion is based on the gross drive force F _b , the net drive force F _n or the delivery pressure p _F and is calculated back from the respective value to a corresponding threshold for the engine torque. This calculated threshold for the engine torque can be used as a predetermined criterion. The criterion then applies is met if the calculated threshold value is reached or exceeded as the upper threshold value or is reached or undershot as the lower threshold value. Alternatively, from the determined engine torque M _M , in particular if one is interested in other sizes, a gross drive force F _b , a net drive force F _n or a delivery pressure p _F calculated for this engine torque and the first predetermined criterion as a threshold value for the calculated size are used. If the calculated quantity fulfills this criterion, ie if it exceeds or falls below or exceeds this threshold value, then a warning signal is output. This second alternative is particularly advantageous if one or more of these additional variables are to be used for a further analysis of the behavior of the positive displacement pump.

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.In one embodiment, in addition at least the gross drive force F _b , the net drive force F _n or according to the relation p _F = F _n / A _G, the delivery pressure p _F determined.

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.By determining these variables, the operating or functional state of the positive displacement pump can be more accurately characterized and monitored. Thus, in addition to possible malfunctions of the stepping motor and disorders of other components of the pump system can be detected. Conceivable, for example, malfunction sensitive components due to excessive pressure, which is not so high that it comes to malfunction of the stepping motor. If the delivery pressure is determined, it can be determined whether such problems threaten or even exist. Furthermore, it can be concluded from a drop in the delivery pressure, for example, a leak.

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.In one embodiment, a warning signal is issued when the gross drive force F _b , the net drive force F _n, or the delivery pressure p _F meets the first predetermined criterion.

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.As previously described, the provided motor torque can M _M also characterized satisfy a first predetermined criterion is that the gross driving force F _b, the net driving force F _n on the basis of the engine torque, or _F = F _n / A _G the feed pressure p _F is determined according to the relation p and a warning signal is issued when this gross drive force, net drive force, or delivery pressure meets the first predetermined criterion.

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.In one embodiment, the respective criterion is chosen such that a warning signal is output when the corresponding quantity of the group consisting of the engine torque M _M , the gross drive force F _b , the net drive force F _n and the delivery pressure p _{F reaches} a first predetermined threshold or exceeds or the corresponding size reaches or falls below a second predetermined threshold.

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.By specifying a first and a second threshold value, an interval for the variables to be monitored can be defined, which represents the desired working range of the positive displacement pump in normal operation. If this predetermined interval is left out, then it is possible to conclude that the system is malfunctioning, be it the stepper motor or the positive displacement pump. Exceeding the first threshold generally allows the conclusion to an overload situation, whereas falling below the second threshold, for example, suggests a pressure drop due to a leak or a malfunction in the stepper motor itself. In the latter case, sufficient torque is no longer provided by the engine, indicating a malfunction independent of the load situation.

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.In one embodiment, the first criterion is selected such that a warning signal is output if a weighted sum of the relative deviations of the engine torque M _M and at least one further variable from the group consisting of the gross drive force F _b , the net drive force F _n and the delivery pressure p _F reaches or exceeds a predetermined value from a respective threshold.

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 this case, the respective relative deviation from a threshold value is detected for at least two variables. These at least two deviations are summed up weighted. If the weighted sum reaches or exceeds a predetermined value, then the criterion is satisfied and a warning signal is output. Thus, in the detection of malfunctions of the positive displacement pump in particular non-linear relationships between the individual monitoring variables can be considered.

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.In one embodiment, the motor torque M _{M of} the stepping motor is detected by determining the phase shift of the motor voltage U _M relative to the motor current I _M , which is caused by a voltage U _ind counter-induced due to the load angle δ _{L of} the stepping motor.

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.The rotation of the rotor in the electromagnetic field generated by the stator results in a counter-induced voltage, ie back EMF, in the stator coils. The back EMF causes a phase shift of the effective motor voltage relative to the motor or coil current. The corresponding currents rush the voltages by a certain phase angle. As the load on the motor changes, the load angle, more specifically the dynamic load angle, changes and, as a result, the back EMF. That is, the phase angle between motor current and motor voltage also changes, with the phase shift between current and voltage generally decreasing with increasing load. The phase shift between motor voltage and motor current is thus correlated with the load angle and allows it to be determined. By tapping off motor current and Motor voltage or determining the phase shift between these two variables can be determined in a simple manner, the engine torque provided M _M. This can be realized without costly design changes to the stepper motor, in particular without additional, complex sensor arrangements, by means of the already existing or a slightly adapted electronics of the stepper motor. On the basis of the determined torque, further variables characteristic of the operation of the positive displacement pump, such as gross drive force F _b , net drive force F _n or discharge pressure p _F, can be determined.

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.Such a picking up of motor current and motor voltage by means of the engine electronics, which thus additionally serves as a corresponding detection device, represents a sensorless detection in the sense of the present invention.

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.In one embodiment, the gross drive force F _b applied by the stepper motor to the displacer element is determined based on a model of the drive kinematics of the stepper motor and the displacer element.

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 order to determine the gross drive force, the known structure of the pump system consisting of a stepping motor and displacer element makes it possible to use a corresponding model of the drive kinematics. Such a model describes, in particular, the conversion of the rotational movement of the stepping motor into the translatory movement transmitted to the displacer element. In the case of a stepper motor designed as a linear motor, this model naturally simplifies to a simple direct relationship, which essentially depends on possible friction losses.

In einer Ausführungsform ist die Verdrängerpumpe eine Dosierpumpe, vorzugsweise eine Membranpumpe mit einem Verdrängerelement in Form einer Dosiermembran.In one embodiment, the positive displacement pump is a metering pump, preferably a diaphragm pump with a displacement element in the form of a metering diaphragm.

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.A metering pump is a positive displacement pump that delivers defined volumes per stroke or per time independent of the pressure ratios at the inlet and outlet of the metering pump. A dosing pump designed as a diaphragm pump is characterized in particular by its insensitivity to continuous stress and impurities in the conveying fluid. By designed in the form of a membrane displacer, the drive is shielded from contamination in the conveying fluid and thus one of the major disadvantages of conventional piston pumps, namely the problem of sealing the piston solved. Thus, the method described here for sensorless detection of malfunction offers, in particular in the case of a diaphragm pump. As discussed earlier, additional sensors generally cause sealing problems. Accordingly, when using appropriate Sensors in a diaphragm pump the risk that the desired leak-tightness advantage of the diaphragm pump is negated by the use of the sensors again.

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.Especially with dosing pumps, with which as accurately measured volumes are to be promoted, a detection of malfunctions is essential. Only then can it be ensured that a certain necessary dosing accuracy can be maintained. If such errors of the dosing accuracy, which are based on malfunctions of the stepping motor or of the further pump system, are not recognized, there is the danger that corresponding subsequent errors will occur during the further use of the delivery fluid.

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.In one embodiment, the net driving force F _n applied to the conveying fluid is determined from the gross driving force F _b by subtracting force components not directly applied to the conveying fluid, in particular by subtracting the deformation force F _v necessary to deform the dosing diaphragm and / or a force necessary to tension a spring element Force F _F , by means of which the Dosiermembran can be biased in the direction of printing position or in the opposite direction.
In order to determine, at least in a suitable approximation, the net driving force F _n applied to the conveying fluid, account must be taken of the power requirement for those components of the pump involved in the mechanism for transmitting power to the conveying fluid. In the case of a membrane pump with metering membrane, this is in particular the deformation force F _v required for the deformation of the membrane, which is not transmitted to the delivery fluid. If, in addition, a spring element, ie, for example, a return spring or a lifting support, is provided for tensioning the displacement element or the dosing membrane, then the force F _F required for tensioning the spring element or, for an already prestressed spring element, the additional supporting tension force must also be considered.

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.The spring element can generally be designed both as a return spring and as a lifting support. In the case of an embodiment as a return spring, the spring element is clamped when a pressure force is applied to the conveying fluid from the stepping motor. A portion of the gross drive force F _b provided by the stepper motor is used for biasing the return spring and thus the dosing diaphragm in the direction of printing position. If the direction of movement of the displacer element or of the metering membrane is subsequently reversed, so that the volume of the metering space is increased again, the prestressed restoring spring relaxes. In this case, the tensile force applied to the conveying fluid is increased by delivery of the stored clamping energy. In the case of a design as Hubunterstützung, the Hubunterstützung is clamped when the stepper motor applies a tensile force on the delivery fluid. In this case, part of the stepping motor provided gross drive force F _{b is used} for biasing the Hubunterstützung. Compared to a return spring, pretensioning takes place thus in the opposite direction. If the direction of movement of the displacer element is subsequently reversed, so that the volume of the metering space is reduced, the preloaded lifting assistance is relaxed. The clamping energy now transmitted by the lifting assistance increases the pressure force applied to the conveying fluid. Thus, the stored tension energy is delivered at a return spring as additional traction, at a Hubunterstützung as additional pressure.

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.When subtracting the force F _F necessary for tensioning a spring element, the following generally applies: If the net driving force F _n applied to the conveying fluid is to be determined merely as an average force averaged over a full pumping cycle, essentially only the energy losses are subtracted due to friction, since the energy absorbed by the spring element in a half-cycle is released again in the next half cycle except for corresponding friction losses. A pumping cycle means the time required for the displacer element to return to it from an extreme position. A first extreme position of the displacement element is a position in which the volume of the dosing space is minimal, while a second extreme position is one in which the volume is maximum.

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.If a selective to the production fluid applied net driving force F _n are determined, then two cases are possible depending on the design of the spring element and the stage of movement of the pump: When a part of the current provided by the stepper motor gross driving force F _B being used for tensioning the spring element, Thus, this force component to determine the current net drive force F _n of the gross drive force F _B to subtract. If, however, part of the tension energy stored therein is delivered by the spring element in support of the gross drive force F _B , then this additional force component for determining the current net drive force F _n must be added to the gross drive force F _B.

In einer Ausführungsform sind mehrere Kriterien vorbestimmt und, wenn ein Kriterium erfüllt wird, wird ein für das jeweilige Kriterium charakteristisches Warnsignal ausgegeben.In one embodiment, a plurality of criteria are predetermined and, if a criterion is met, a warning signal characteristic of the respective criterion is output.

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.Several criteria make it possible, on the one hand, for the various variables, ie the engine torque M _M , the gross drive force F _b , the net drive force F _n and the delivery pressure p _F , to be set up according to their own criteria. This can be done, for example, by specifying corresponding individual threshold values for the individual variables. On the other hand, several criteria can be provided for one and the same size. Thus, for example, a first criterion can only serve as an indicator for a specific operating state of the positive displacement pump without this already implying a malfunction. If another criterion is met, this can be a shift in the operating state, for example from normal operation to overload range. A third criterion may indicate an operation outside the normal state and thus possible malfunctions. Finally, a fourth criterion can characterize a serious malfunction requiring immediate action.

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.In one embodiment, each criterion is associated with an error event and, if a criterion is met, an associated error event is diagnosed, in particular an overload and / or a stall of the engine.

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.As stated above, the criteria for different severity levels may be and identify, with overload or even stoppage of the stepper motor generally presenting the most severe disturbances. However, an undershooting of one or more threshold values may also indicate a malfunction of the stepping motor itself or, for example, a pressure drop due to a leak.

In einer Ausführungsform wird ein ausgegebenes Warnsignal an eine Abschaltautomatik gesendet, welche in Antwort auf den Empfang des Warnsignals die Pumpe abschaltet.In one embodiment, an output warning signal is sent to an automatic shutdown, which turns off the pump in response to receiving the warning signal.

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.Such an automatic shutdown is particularly advantageous if the warning signal is output on the basis of a criterion which represents a serious malfunction of the pump, for example an overload or a stoppage of the stepping motor. The criterion may be a predetermined delivery pressure, wherein the pump is switched off when this threshold is exceeded by the determined delivery pressure. Such overload protection in the form of monitoring of threshold crossings serves to protect the positive displacement pump as well as other components of the systems in which such positive displacement pumps are usually used. The threshold value may be the constructively permissible maximum pressure for the positive displacement pump or a value just above the maximum pressure, ie, for example, 10% to 20% above. The maximum pressure is the maximum pressure at which the stepper motor can be operated without the risk of step losses. Likewise, however, the threshold value can also be within the permissible working range of the displacement pump in order to protect, for example, other pressure-sensitive system parts which are already at lower pressures than the maximum pressure permissible for the stepper motor. A shutdown can also be carried out due to a significant pressure drop due to a leak.

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.Finally, in one embodiment, an output warning signal is sent to an output device which, in response to receipt of the warning signal, outputs an audible and / or visual warning indicative of the warning signal.

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.On the one hand, such a warning can generally serve to display the current operating state to the outside. On the other hand, as an acute warning, he can direct the attention of a person responsible for the operation of the system, and in particular the pump, to an acute malfunction and bring about the initiation of further measures. Such indications can be, for example, signal lights arranged in the region of the pump, which indicate the operating state or the malfunction of the pump during an on-site inspection. The lights can, if different lights are provided for different operating conditions, advantageously be kept in different colors. Thus, a normal operating state, a state deviating from the normal operating state and a malfunctioning or critical operating state may be indicated by means of different colors, for example green, orange and red. The display can be done in more complex systems but also via a central display unit, such as a monitor. In particular, in the case of severe functional disorders which require immediate or immediate action without great loss of time, an acoustic warning is advantageous. This is not dependent on the gaze of the target person whose attention is to be drawn.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figur. Es zeigt:

Figur 1

eine schematische Darstellung einer Dosierpumpe mit Dosiermembran, deren Funktionszustand mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht wird.

Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and the accompanying figure. It shows:

FIG. 1

a schematic representation of a metering pump with dosing, the functional state is monitored by means of the method according to the invention.

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.To see is a positive displacement pump 1 in the form of a designed as a diaphragm pump metering pump with a dosing 2. In the dosing 2 a dosing 3 is arranged. This metering chamber 3 is bounded by inner side walls 4 of the metering head 2 and an interface A _{G of} the displacement element 5 designed as a metering diaphragm. The metering chamber 3 is connected via valves 8, 9 with a suction and a pressure line 6 and 7 respectively. The metering diaphragm 3 is movably connected via a connecting element 10 to a push rod (not shown). The push rod is seated on the rotor (not shown) of a stepper motor 13, with or without gears. This push rod converts the rotational movement of the rotor in a translational movement of the connecting element 10 and the membrane 5 between two extreme positions E ₁ , E ₂ . Between dosing 2 and push rod is around the connecting element 10 around a spring element 12, more precisely a return spring or lifting support arranged.

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.If the dosing membrane 5 is moved from a first, extreme right position E ₁ (indicated by dashed lines) into a second, left E ₂ (shown by solid lines), the dosing space 3 increases, as a result of which a negative pressure is created. As a result of this negative pressure, the valve 9 closes the pressure line 7 and the valve 8 of the suction line 6 opens. As a result, the conveying fluid F is sucked out of the suction line 6 into the dosing chamber 3 and at the same time, as a result of the movement of the connecting element 10, the spring element 12 is prestressed as a lifting assistance in the case of an embodiment. If the membrane 5 is then moved back into the first E ₁ from the second extreme position E ₂ , this movement is assisted by delivery of the tension energy stored in the lifting support 12. Likewise, the spring element 12 may be formed as a return spring, wherein the return spring 12 is biased in a movement of the connecting element 10 of the second E2 in the first extreme position E1. In this case, the return spring 12 supports with the spring force F _F stored in it in the form of tension energy a return movement from the first E ₁ to the second extreme position E ₂ . A movement of the diaphragm 5 in the first extreme position E ₁ leads to a reduction of the volume of the metering chamber 3, whereby an overpressure is generated. As a result of this overpressure, the valve 8 closes the suction line 6 and the valve 9 of the pressure line 7 opens. As a result, the delivery fluid F present in the metering chamber 3 is pressed into the pressure line 7.

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.As long as the stepping motor 13 with a rotor and a stator (not shown) functions properly and is not overloaded in particular, the rotor, following the electromagnetic stator rotating field, progressively passes through a plurality of discrete detent positions at a constant speed. Accordingly, the dosing diaphragm 5 is alternately alternately reciprocated between the two extreme positions E ₁ , E ₂ , which leads to a constant delivery of the delivery fluid F with predetermined dosing accuracy. Based on the torque M _M provided by the stepping motor 13, both the gross driving force F _b applied to the displacing element 5 and the net driving force F _n applied to the conveying fluid F and the delivery pressure p _F can be determined. The determination of these delivery quantities, in particular the determination of the engine torque M _M , takes place by means of a determination device 14 as a component of the engine electronics.

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.Device of the stepper motor 13 with its provided motor torque M _M to its power limit, so there is a risk of malfunction up to the standstill of the stepping motor 13. This particular endangering the dosing accuracy of the pump 1. However, even high torques M _M , which are still within the permissible operating range of the stepping motor 13, lead to delivery pressures p _F , which may be for other components the system in which is arranged in the pump 1, are problematic. In order to prevent damage or malfunction of such components, a delivery pressure p _F , in which the stepping motor 13 still operates without interference, may usefully be provided as the criterion. For this purpose, a desired value S for the engine torque M _M is advantageously specified. The engine electronics 14 controls the stepper motor 13 so that the actually generated engine torque M _M corresponds to the specified. In this case, the generated engine torque M _M can be determined by means of the determination device 14 and compared with the desired value S. This comparison between the desired value S and the determined engine torque M _M can serve as the basis for the detection and reporting of a malfunction in accordance with a predetermined criterion. Likewise, it is generally conceivable that such an adjustment is used to control the engine torque M _M by means of the engine electronics 14 so that it corresponds to the desired value S or within a predetermined interval to the setpoint S.

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.If a predefined criterion is met and a warning signal is output, then, for example, a visual warning message can be output on the basis of this warning signal which reproduces the operating state of the metering pump 1, which is characterized by this criterion, outwardly. The operating state to be displayed may, for example, be the normal operation of the pump 1 if the criterion is the torque provided for the pump 1 as the desired value S in normal operation. However, it may also be an operation in the increased load range if the criterion is, for example, a threshold value in the form of a torque which is at the upper end of the range permissible for the pump. Finally, it may also be a critical condition if the criterion is a torque value above the maximum value allowed for the stepper motor 13. In addition, the criterion as well as the operating state associated with it can also be dependent on other components of the pump 1 or the system in which the pump 1 is arranged. Is directed to such other components, so is particularly recommended a criterion which takes into account the signals generated by the provided motor torque M _M conveying pressure p _F. Here, for example, a stricter criterion than the maximum value can be provided for the engine torque M _M. It is likewise conceivable for an independent criterion to be applied to the engine torque M _M as well as to the delivery pressure p _F independently of one another. Finally, however, a weighted sum of the deviation between the two values, ie the engine torque M _M and the delivery pressure p _F , can also be formed from a respective threshold value. Advantageously, an automatic switch-off switches off the pump 1 upon receipt of a corresponding warning, in order to avoid damage to the system as well as consequential problems due to erroneous dosages.

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.The determination of the provided motor torque M _M is carried out by a detection means 14 of the motor electronics _UI is evaluated between the motor voltage U _M and Motor current I _M based on a counter electromotive force measuring on the stepping motor 13, in which the phase shift δ. A Such evaluation based on electrical measurements of the engine electronics 14 of the stepper motor 13 has the advantage that no additional sensors are necessary. In particular, in a determination of the delivery pressure p _{F there} is no risk of impairment of the tightness of the pump 1. In addition, the measurement advantageously takes place in interval steps corresponding to the step size of the stepping motor 13, whereby a precise monitoring of the dosing accuracy even in partial strokes or cycles is possible. In such a recourse to the engine electronics 14 in particular no further mechanical parts are necessary, which lead to additional maintenance and repair. Finally, the proposed method, since it is limited to a measurement of electrical characteristics of the stepping motor 13, independent of the specific configuration of the positive displacement pump 1. It can thus be implemented in a simple manner in a large number of different positive displacement pumps 1. In this case, only knowledge of the structure of the pump 1 are necessary, which are generally already created in the course of construction and thus are readily available.

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.For purposes of the original disclosure, it is to be understood that all such features as will become apparent to those skilled in the art from the present description, drawings and dependent claims, even though they have been specifically described only in connection with certain further features, both individually and may be combined in any combination with other features or feature groups disclosed herein, unless this has been expressly excluded or technical conditions make such combinations impossible or pointless. On the summary, explicit representation of all conceivable combinations of features and the emphasis on the independence of the individual characteristics of each other is omitted here only for the sake of brevity and readability of the description.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Verdrängerpumpedisplacement

22

Dosierkopfdosing

33

Dosierraummetering

44

Seitenwände des DosierraumsSide walls of the dosing chamber

55

Verdrängerelement/DosiermembranDisplacement / metering diaphragm

66

Saugleitungsuction

77

Druckleitungpressure line

88th

Ventil der SaugleitungValve of the suction line

99

Ventil der DruckleitungValve of the pressure line

1010

Verbindungselementconnecting member

1212

Federelement (Rückstellfeder oder Hubunterstützung)Spring element (return spring or lifting support)

1313

Schrittmotor (mit/ohne Getriebe)Stepper motor (with / without gearbox)

1414

Motorelektronik/ErmittlungseinrichtungEngine electronics / detection device

E₁ E ₁

erste Extrempositionfirst extreme position

E₂ E ₂

zweite Extrempositionsecond extreme position

FF

Förderfluidconveying fluid

A_G A _G

Grenzflächeinterface

M_M M _M

Motormomentengine torque

F_b F _b

BruttoantriebskraftGross driving force

F_n F _n

NettoantriebskraftNet driving force

p_F p _F

Förderdruckdelivery pressure

U_M U _M

Motorspannungmotor voltage

I_M I _M

Motorstrommotor current

U_ind U _ind

gegeninduzierte Spannungcounter-induced voltage

δ_L δ _L

Lastwinkelload angle

δ_UI δ _UI

Phasenverschiebung zwischen U_M und I_M Phase shift between U _M and I _M

F_V F _V

Verformungskraftdeforming force

F_F F _F

Federkraft des FederelementsSpring force of the spring element

SS

Sollwertsetpoint

Claims (14)

1. A method of sensorless detection of functional disturbances of a positive displacement pump (1), wherein the positive displacement pump (1) has a moveable positive displacement element (5) having a boundary surface (A_G) which delimits a metering chamber (3), wherein the metering chamber (3) is connected to a suction and a pressure line (6, 7) by way of valves (8, 9) so that fluid (F) to be conveyed can alternately be sucked into the metering chamber (3) by way of the suction line (6) and pressed out of the metering chamber (3) by way of the pressure line (7) by an oscillating movement of the positive displacement element (5) and wherein there is provided a stepping motor (13) as a drive for the oscillating movement of the positive displacement element (5), characterised in that a motor moment (M_M) provided by the stepping motor (13) is ascertained and a warning signal is delivered when the ascertained motor moment (M_M) fulfils a first predetermined criterion.
2. A method as set forth in claim 1 characterised in that the first predetermined criterion takes account of at least one of the following parameters:

   the proportion of the motor moment (M_M) applied by the stepping motor (13) to the positive displacement element (5) as the gross drive force (F_b),

   the proportion of the gross drive force (F_b) applied to the fluid (F) to be conveyed by the positive displacement element (5) as the net drive force (F_n), and

   the conveyor pressure (p_F) acting on the fluid (F) to be conveyed in accordance with the relation p_F=F_n/A_G.
3. A method as set forth in one of claims 1 or 2 characterised in that in addition at least the gross drive force (F_b), the net drive force (F_n) or in accordance with the relation p_F=F_n/A_G the conveyor pressure (p_F) is determined.
4. A method as set forth in claim 3 characterised in that a warning signal is delivered when the gross drive force (F_b), the net drive force (F_n) or the conveyor pressure (p_F) fulfils the first predetermined criterion.
5. A method as set forth in one of claims 1 through 4 characterised in that the respective criterion is so selected that a warning signal is delivered when the corresponding parameter from the group consisting of the motor moment (M_M), the gross drive force (F_b), the net drive force (F_n) and the conveyor pressure (p_F) reaches or exceeds a first predetermined threshold value or the corresponding parameter reaches or falls below a second predetermined threshold value.
6. A method as set forth in one of claims 1 through 5 characterised in that the first criterion is so selected that the warning signal is delivered when a weighted sum of the relative deviations of the motor moment (M_M) and at least one further parameter from the group consisting of the gross drive force (F_b), the net drive force (F_n) and the conveyor pressure (p_F) from a respective threshold value reaches or exceeds a predetermined value.
7. A method as set forth in one of claims 1 through 6 characterised in that the motor moment (M_M) of the stepping motor (13) is detected by ascertaining the phase shift (δ_UI) of the motor voltage (U_M) relative to the motor current (I_M), which is caused by a voltage (U_ind) counter-induced by virtue of the load angle (δ_L) of the stepping motor (13).
8. A method as set forth in one of claims 2 through 7 characterised in that the gross drive force (F_b) applied to the positive displacement element (5) by the stepping motor (13) is determined on the basis of a model of the drive kinematics of the stepping motor (13) and the positive displacement element (5).
9. A method as set forth in one of claims 1 through 8 characterised in that the positive displacement pump (1) is a metering pump, preferably a diaphragm pump, having a positive displacement element (5) in the form of a metering diaphragm.
10. A method as set forth in claim 9 characterised in that the net drive force (F_n) applied to the fluid (F) to be conveyed is determined from the gross drive force (F_b) by subtraction of force components not applied directly to the fluid (F) to be conveyed, in particular by subtraction of the deformation force (Fv) necessary for deformation of the metering diaphragm (5) and/or the force (F_F) necessary for stressing a spring element (12), by means of which the metering diaphragm (5) can be stressed in the direction of the pressure position or in the opposite direction.
11. A method as set forth in one of claims 1 through 10 characterised in that a plurality of criteria are predetermined and when a criterion is fulfilled a warning signal characteristic of the respective criterion is delivered.
12. A method as set forth in claim 11 characterised in that a fault event is associated with each criterion and when a criterion is fulfilled an associated fault event is diagnosed, in particular an overload and/or a stoppage of the stepping motor (13).
13. A method as set forth in one of claims 1 through 12 characterised in that a delivered warning signal is sent to an automatic shut-down means which shuts down the pump (1) in response to the receipt of the warning signal.
14. A method as set forth in one of claims 1 through 13 characterised in that a delivered warning signal is sent to an output device which outputs an acoustic and/or visual warning indication characteristic of the warning signal in response to the receipt of the warning signal.

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