-
Diese Erfindung bezieht sich auf Pumpsysteme und insbesondere
auf Pumpsysteme, die als Verdünner oder Verteiler verwendet werden.
-
Verdünner und Verteiler sind bekannt, bei denen Impulse
erzeugt werden, wenn der Pumpenmotor sich dreht, so daß elektrische
Impulse erzeugt werden, die die Anzahl der Umdrehungen des Motors
darstellen. Das Volumen, welches verdünnt werden soll, wird von
einer Anzahl von Impulsen dargestellt und mit den Impulsen
verglichen, die von dem Motor erzeugt werden. Der Motor wird nach
einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen oder Teilen von Umdrehungen
angehalten, so daß das programmierte Volumen abgegeben oder
angesaugt wird.
-
Bei dieser Art Verteiler oder Verdünner des bekannten Standes
der Technik ist die Pumpe eine peristaltische Pumpe und der Motor
treibt einen Rotor an, der den Schlauch für die Pumptätigkeit
zusammendrückt und freigibt. Die Geschwindigkeit des Drehmotors ist
proportional zu der Durchflußgeschwindigkeit und dem Volumen,
welches in einem festgelegten Zeitraum verteilt oder angesaugt
wird.
-
Die Verteiler oder Verdünner des bekannten Standes der
Technik, die Schlauchpumpen verwendeten, haben den Nachteil, daß sie
nicht von Dosis zu Dosis genauestens wiederholbar sind. Die
mangelhafte Wiederholbarkeit wird teilweise durch die mangelhafte
Zuverlässigkeit des Schlauches verursacht, der in peristaltischen Pumpen
verwendet wird, da der Umfang des Durchbiegens des Schlauches mit
den vom Motor angetriebenen Rollen von Zeit zu Zeit variieren kann,
da die Wände des Schlauchs bearbeitet und verändert werden.
-
Von Kolbenpumpen ist bekannt, daß sie eine hohe
Wiederholbarkeit haben. Jedoch haben die Kolbenpumpen (1) Rückhube, während
derer keine Pumptätigkeit in Einkammer-Pumpen auftritt; (2)
benötigen Kolbenpumpen einen Übertragungsmechanismus, um die Drehbewegung
in eine lineare Bewegung umzuwandeln, wenn die Hauptkraftquelle ein
Drehmotor ist; und (3) können sie eine komplizierte Ventilanordnung
erfordern, insbesondere bei Mehrkammerpumpen. Die Übertragung und
die Ventile sind Quellen für eine Nichtlinearität.
-
Wenn geringe Mengen von Flüssigkeiten von einer Kolbenpumpe
verteilt oder angesaugt werden sollen, wenn der Kolben von einer
Retraktion zu einer Extension oder umgekehrt wechselt, wird
darüberhinaus die Dosierung sehr stark beeinträchtigt. Wenn ein sehr
geringes Volumen verteilt werden soll und der Hub in der falschen
Richtung erfolgt, kann eventuell nichts verteilt werden oder, wenn
ein größeren Volumen verteilt werden soll, ist diese Menge
schwierig zu regeln, ohne eine genaue Kenntnis über den Anteil des
Kolbenhubs zu haben.
-
Es ist bekannt, die Geschwindigkeit von Pumpen dadurch zu
regeln, daß eine Scheibe mit dem Pumpenmotor gedreht wird und die
Impulse zum Vergleich mit einer Normalen gezählt werden. Zum
Beispiel wird in dem United States Patent 3,985,021 an Achener et al.,
welches am 12. Oktober 1976 erteilt wurde, eine Kolbenpumpe
offenbart, die für Hochleistungs-Chromatographie verwendet wird und eine
solche Scheibe benutzt. Die Geschwindigkeit wird mittels der
Impulse geregelt, die ungleichmäßig auf der Scheibe beabstandet sind, um
den Rückkehrzyklus zu beschleunigen und dadurch die Pulsationen der
Flüssigkeit zu reduzieren.
-
Diese Art Pumpe des bekannten Standes der Technik hat den
Nachteil, daß sie Volumenfehler erzeugt, wenn sie als Verteiler
verwendet wird und, während sie die Pumpgeschwindigkeit für die
Chromatographie verhältnismäßig gut regelt, sie die Menge der
Dosierung nicht genau regelt, da der Schwerpunkt auf einem
kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom bei einer kontinuierlichen
Durchflußgeschwindigkeit und nicht auf einem kontrollierten Volumen
liegt. Daher regeln die Anzeiger auf der Scheibe nicht die Länge
des Hubs sondern statt dessen die Geschwindigkeit der Bewegung des
Kolbens, so daß Anzeiger vorhanden sind wenn tatsächlich nur ein
Rückhub vorliegt. Bei einem Rückhub oder kammerfüllenden Hub sind
die Anzeiger in der Anzahl geringer als während eines Pumpenhubs,
um die Geschwindigkeit während des Rückhubs zu erhöhen, aber einige
werden abgetastet.
-
Ventillose Verdrängerpumpen werden in dem U.S. Patent
4,008,003 an Pinkerton für kontinuierliches Pumpen offenbart. Diese
Art Pumpe verändert die Hublänge in einer Übertragung, die
kontinuierliche Drehung empfängt und wandelt die kontinuierliche Drehung
in eine Hin- und Herbewegung um, deren Zeitverschiebungsverhältnis
eine Sinusfunktion ist.
-
Diese Pumpenart verursacht auch Volumenfehler und mangelnde
Genauigkeit als Verteiler, da sie für das kontinuierliche Pumpen
ausgelegt ist. Jeder Versuch, die Dosierung für Mengen zu regeln,
die weniger als ein Kolbenhub betragen, würde aufgrund des
ungleichen Verhältnisses zwischen Verdrängung und Rotation des
Antriebsmotors fehlschlagen. Das Verhältnis der Verdrängung zum
Rotationsgrad ist sinusförmig, was zu einer hohen Verdrängung für jeden
Rotationsgrad an einigen Teilen eines Zyklus bis zu geringen Mengen
bei anderen führt.
-
Dementsprechend ist es das Ziel der Erfindung, ein Pumpsystem
bereitzustellen, welches Genauigkeit bietet, wenn es als ein
Verteiler oder Verdünner verwendet wird, weil der Rotationspumpenmotor
von Vorrichtungen geregelt wird, die mindestens ein Signal für
jeden Schritt der linearen Bewegung des Kolbens proportional zu dem
Volumen erzeugen, das in einem Kolbenpumpenhub gepumpt wird. In
einer bevorzugten Ausführung sind die Schritte gleich zu nicht mehr
als einem Drittel der linearen Bewegung des Kolbens.
-
Erfindungsgemäß beinhaltet ein Pumpsystem, welches als ein
Verteiler oder Verdünner verwendet wird, eine Verdrängerpumpe mit
einem Kolben und einem Zylinderdrehmotor, der den Kolben über eine
Übertragung antreibt, und der ein nichtlineares Verhältnis zu dem
gepumpten Flüssigkeitsvolumen hat. Eine erste Scheibe hat Anzeiger
und einen Sensor zum Abtasten der Anzeiger. Die Geschwindigkeit des
Motors wird durch ein Rückkoppelsystem geregelt, welches die
Anzeiger auf der ersten Scheibe abfühlt. Das Pumpsystem wird durch erste
und zweite Scheiben gekennzeichnet, die jeweils Anzeiger und einen
Sensor für das Abtasten der Anzeiger haben, wobei die Anzeiger auf
der ersten Scheibe gleichmäßig beabstandet sind, um die
Geschwindigkeit während eines konstanten Pumpenbetriebes zu regeln und an
der zweiten Scheibe mit Zwischenräumen in einer Entfernung
angeordnet sind, welche in einem direkten Verhältnis zu dem Volumen steht,
welches von der Pumpe während eines Verteil- oder Ansaugbetriebs
verdrängt wird, so daß die Anzeiger in Verbindung mit einer
Zählvorrichtung, einem Drehzahlregelkreis und Vorrichtungen zum
Anhalten des Pumpens funktionieren, um zu verhindern, daß eine zu
große Menge während eines Verteil- oder Ansaugbetriebs verteilt
wird, während sie in einer anderen Betriebsart eine konstante
Durchflußgeschwindigkeit erlauben, wobei ohne Pulsation gepumpt
wird.
-
Um gleiche Flüssigkeitsmengen für jeden Anzeigerschritt auf
der Scheibe während des Verteilens oder Verdünnes zu pumpen,
erzeugt der Sensor mindestens ein elektrisches Impulssignal für jedes
Drittel der linearen Bewegung des Kolbenhubs, während die
Flüssigkeit während des Verteilungsvorgangs ausgestoßen wird.
-
Die vorgenannten Merkmale und andere Merkmale der Erfindung
werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung besser
verstanden werden, wenn diese in Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen betrachtet werden, in denen:
-
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführung der
Erfindung ist;
-
Fig. 2 eine schematische Teilansicht eines Teil der Fig. 1
ist;
-
Fig. 3 eine vereinfachte, teilweise auseinandergezogene
Perspektivansicht einer Ausführung der Erfindung ist;
-
Fig. 4 ein Aufriß eines Teils der Ausführung der Fig. 1 ist;
-
Fig. 5 ein Aufriß eines anderen Teils der Ausführung der
Fig. 1 ist;
-
Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Teils der Ausführung der Fig.
1 ist;
-
Fig. 7 ein Prinzipschaltbild eines Teils der Fig. 6 ist;
-
Fig. 8 ein Prinzipschaltbild eines anderen Teils der Fig. 6
ist;
-
Fig. 9 ein Prinzipschaltbild eines wiederum anderen Teils der
Fig. 6 ist;
-
Fig. 10 ein Prinzipschaltbild eines wiederum anderen Teils
der Fig. 6 ist; und
-
Fig. 11 eine Prinzipskizze ist, in der eine andere Ausführung
der Erfindung dargestellt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
In Fig. 1 wird ein Pumpsystem 10 dargestellt, welches eine
Einlaßöffnung 12, eine Auslaßöffnung 14, einen Regelbereich 16 und
eine Pumpe hat, wobei ein Teil der Förderhöhe der Pumpe unter 20
gezeigt wird. Das Pumpsystem 10 kann verwendet werden: (1) als eine
Pumpe zum kontinuierlichen Pumpen von Flüssigkeit von einer Quelle,
wie zum Beispiel der unter 22 gezeigten, in eine andere Quelle; (2)
als ein Verteiler, um geregelte Mengen von Flüssigkeit von einer
Quelle wie 20 in Behälter oder einen anderen Ort zu verteilen, wie
unter 24 dargestellt, überwacht durch eine Bedienungsperson über
einen Verteiler-Bedienungsgriff 26; oder (3) als Verdünner, der
zwei oder mehr Volumen einer Flüssigkeit von einem oder mehreren
Behältern aus einer Vielzahl von Behältern, wie die, die unter 24
dargestellt sind, zu entnehmen und Flüssigkeit in einen Behälter zu
verteilen, in dem alle Flüssigkeiten in die Auslaßöffnung 14
gezogen und durch die gleiche Öffnung verteilt werden.
-
Die Pumpe selbst ist kein Teil der Erfindung, ausgenommen sie
wurde modifiziert und mit den anderen Elementen kombiniert, und
ist, in der bevorzugten Ausführung, eine Pumpe, die von FMI Lab
Pumps, Fluid Metering, Inc., 29 Orchard Street, Oyster Bay, New
York, 11771 unter der Modellbezeichnung RHB hergestellt und
verkauft wird. Diese Pumpe wird genauer beschrieben in: (1) Katalog
RP401-84, zu erhalten von Fluid Metering, Inc. und (2) in den U.S.
Patenten 3,168,972; 3,257,953; und 4,008,003. Die Offenbarung des
vorstehenden Katalogs und der Patente wird in diese Beschreibung
durch Bezugnahme eingeschlossen.
-
Das Regelungssystem 16 beinhaltet einen Motorantriebsbereich,
einen Sensorbereich, einen Motorantriebs-Regelungsbereich, einen
Eingabebereich und einen Signalverarbeitungssbereich, die alle
hiernach beschrieben werden. Obwohl das Pumpsystem als eine Pumpe
funktionieren kann und ihre Geschwindigkeit durch die Schaltungen
geregelt werden, die hier nachstehend beschrieben werden, gelten
die erfinderischen Merkmale hauptsächlich für die Verwendung des
Pumpsystems als ein Verteiler und als ein Verdünner und nicht als
eine Pumpe selbst. Die erfinderischen Merkmale beziehen sich auf
die sorgfältige Regelung des zu verteilenden Volumens mit
Genauigkeit und die Fähigkeit, mit Präzision als ein Verdünner zu
funktionieren.
-
In Fig. 2 wird schematisch die Pumpe 30 gezeigt, die in dem
Pumpsystem 10 (Fig. 1) verwendet wird, und die eine
Drehkraftquelle 32, eine Pumpenzylindereinheit 34, einen Übertragungsbereich 36
und eine Motorwelle 38 hat. Die Drehkraftquelle 32 bringt Kraft
auf, um die Pumpenzylindereinheit 34 durch die Übertragung 36
anzutreiben, die an der Pumpenzylindereinheit 34 und der
Drehkraftquelle 32 angebracht ist. Die Drehkraftquelle 32 ist an der
Übertragung 36 durch ihre rotierende Antriebswelle 38 angebracht, diese
Welle 38 erstreckt sich durch das entgegengesetzte Ende der
Drehkraftquelle 32 für die Anbringung an dem Sensorbereich, wie hier
nachstehend beschrieben.
-
Die Drehkraftquelle 32 kann von beliebiger Art sein, jedoch
ist sie in der bevorzugten Ausführung ein Gleichstrommotor. Es kann
der gleiche Gleichstrommotor sein, wie er in den vorgenannten drei
Patenten und dem Katalog von FMI beschrieben wird, oder aber jeder
andere Gleichstrommotor. Die Kolbenpumpe 30 hat, obwohl sie gewisse
Schwierigkeiten aufgrund ihrer Pendelbewegung hat, den Vorteil der
Wiederholbarkeit gegenüber einer peristaltischen Pumpe.
-
Um reproduzierbare Vorgänge zu erhalten, beinhaltet die
Pumpenzylindereinheit 34 in sich einen Hubkolben 40, der sich in dem
Zylinder 42 vor- und zurückbewegt und einen Schlitz 44 hat, der für
das Öffnen und Schließen der Einlaß- und des Ablaßköffnungen 16 und
22 sorgt. Diese Funktion wird in den vorgenannten Patenten und in
dem Katalog von FMI beschrieben.
-
Um die Drehbewegung der Welle 38 in die entsprechende
Pendelbewegung des Kolbens 40 umzuwandeln, beinhaltet die Übertragung 36
einen Bund 50, ein Universalkugelgelenk 52 und einen Arm 54, wie in
den vorgenannten Patenten und in dem Katalog von FMI beschrieben.
Der Bund 50 wird an der Welle 38 für die Rotation mit dieser
montiert, so daß das Universalkugelgelenk 52 gehalten und folglich der
Arm 43 gedreht wird, der an seinem distalen Ende von der Kugel 52
zu dem Kolben 40 angebracht ist.
-
Mit dieser Anordnung, wie in den vorgenannten Patenten und dem
Katalog beschrieben, kommt es zu keinem Pumpenhub, wenn der Kolben
40 der Pumpe mit der Welle 38 des Motors 32 ausgerichtet ist, da
der Winkel zwischen den beiden den Hubanstieg erhöht. Wie
beobachtet werden kann, kann die Genauigkeit der Pumpe Schwierigkeiten
verursachen: (1) weil der Kolbenhub keine lineare Beziehung zu der
Winkelbewegung der Motorwelle während seines Vorwärtshubs hat und
(2) wenn in einem Zyklus ein Rückhubteil vorhanden ist, gibt es
einen Teil der Bewegung des Kolbens, der keine Flüssigkeit
verdrängt, so daß während des gleichen Zeitraums zwischen
verschiedenen Hüben, unterschiedliche Volumen in Übereinstimmung mit der
Zeitmenge verteilt werden, die von dem Rückhub verglichen mit dem
Vorwärtshub belegt wird. Ein ähnliches Problem kann während des
Verdünnungsvorgangs zwischen dem Rückhub des Kolbens, wenn er
Flüssigkeit entnimmt, und dem Vorwärtshub eintreten, wenn er
Flüssigkeit verteilt.
-
Diese Quellen für Ungenauigkeiten werden von dem
Regelungssystem, welches hier nachstehend beschrieben wird, reduziert, das
genau die exakten Volumen an Flüssigkeit regelt, die in
Übereinstimmung mit den Eingangssignalen verdrängt werden, die an den
Eingangsbereich des Regelungssystems von dem Bediener der Pumpe in
der Verteilungs-Betriebsart und der Verdünnungs-Betriebsart der
Pumpe abgegeben werden.
-
In Fig. 3 wird eine bruchstückartige, teilweise
auseinandergezogene Perspektivansicht des Pumpsystems 10 gezeigt, mit einer
Pumpe 30, angepaßt zum Einsetzen in einen Schrankteil 60 und
abgedeckt durch einen zweiten Schrankteil 62 für die Anbringung an die
Signalverarbeitungs-, Motorantriebs- und Sensorbereiche. Der
Pumpenmotor 32 beinhaltet den Pumpenkopf 64 und die Unterlegscheibe,
Dichtungen und Öffnungen 66 für den Betrieb wie im wesentlichen in
Verbindung mit Fig. 2 dargestellt.
-
Die Pumpe 30 ist nicht an sich ein Merkmal der Erfindung, aber
die Teile des Regelungssystems, einschließlich des Sensorbereiches
70, des Eingabebereiches 72 und des Motorantriebs, der
Signalverarbeitungs- und Motorantriebs-Regelungsbereiche, die im allgemeinen
unter 74 dargestellt werden, wirken zusammen, um die genaue
Verteilung von Volumen in einer reproduzierbaren Art und Weise und
somit den präzisen Betrieb der Pumpe als ein Verdünner zu
ermöglichen. Mit dieser Anordnung, kann ein Bediener Volumen auf der
Tastatur 72 angeben und die Pumpe so regeln, daß sie als ein
Verteiler zum Verteilen der genauen Volumen funktioniert oder daß sie
als ein Verdünner funktioniert, um in genauester Weise zugemessene
Mengen von Proben und Verdünnern zu entnehmen und auszustoßen.
-
Wie am Besten in Fig. 3 dargestellt, beinhaltet der
Sensorbereich 70: (1) eine Drehzahl-Kodiererscheibe 80; (2) eine Volumen-
Kodiererscheibe 82; (3) erste und zweite Drehzahlgeber-Einheiten 84
und 86, und (4) eine Volumen-Sensoreinheit 88. Die Kodiererscheiben
80 und 82 werden an der Motorwelle 38 zur Rotation mit dieser
angebracht, um die Position des Kolbens 40 (Fig. 2) darzustellen.
-
Die Drehzahlregelungs-Kodiererscheibe 80 geht, wenn sie sich
dreht, durch die erste und zweite Drehzahlgeber-Einheit 84 und 86
hindurch und die Volumen-Kodiererscheibe geht durch die Volumen-
Sensoreinheit 88 hindurch. Diese Sensor-Einheiten sind
photoelektrisch und beinhalten auf einer Seite eine LED-Diode und, auf der
anderen Seite, einen Phototransistor. Mit dieser Anordnung sind die
Sensoreinheiten in der Lage, lichtundurchlässige und
lichtübertragende Teile der Kodiererscheiben abzutasten und somit Signale zu
erzeugen, die in kodierter Form angeben: (1) Bewegung der
Abtriebswelle 38 (Fig. 2) des Pumpenmotors 32 und (2) die Position und die
Bewegung des Kolbens 40 innerhalb der Pumpe 30 (Fig. 2).
-
In Fig. 4 wird ein Aufriß der
Drehzahlregelungs-Kodiererscheibe 80 dargestellt, die aus Plastik hergestellt ist und deren
Haupteigenschaft umfangsmäßig abwechselnde lichtundurchlässige und
lichtdurchlässige Abschnitte sind, die, in der bevorzugten
Ausführung, sich radial erstreckende Linien sind, wie zum Beispiel die
lichtundurchlässige Linie 90 und die angrenzende lichtdurchlässige
Linie 92.
-
Die lichtundurchlässigen Linien erstrecken sich radial und
sind umfangsmäßig mit gleichem Abstand voneinander beabstandet, so
daß die Lichtsensoren periodische, gleichmäßig-beabstandete
Lichtimpulse erhalten. Die Lichtimpulse von der
Drehzahlregelungs-Kodiererscheibe 80 werden abgefühlt und erzeugen auf eine Art und Weise
elektrische Impulse, wie dies in der Technik bekannt ist. Die
elektrischen Impulse werden differenziert, um einen Impuls an der
Anstiegsflanke des lichtundurchlässigen Bereiches zu bilden, wo das
Licht unterbrochen wird und somit einen kurzen Impuls zu liefern,
der relativ klein ist im Hinblick auf den Abstand zwischen
Impulsen.
-
Die Sensoren sind so beabstandet, daß die nachgewiesenen
Flanken, die von jedem Sensor ausgelöst werden, zeitlich eng zu den
Flanken der Impulse sind, die von den anderen ausgelöst werden,
verglichen mit der Zeit zwischen Impulsflanken von einem der
Sensoren
und somit wird die Drehrichtung der Drehzahlscheibe 80 durch
die relative zeitliche Plazierung der Impulsflanken von den zwei
Sensoren in Bezug auf die Zeit zwischen den Impulsflanken von einem
Sensor angegeben. Eine Impulsflanke von einem ersten Sensor,
schnell gefolgt von einer Impulsflanke von dem zweiten Sensor gibt
eine Drehung im Uhrzeigersinn an und die Impulsflanke von dem
zweiten Sensor, schnell gefolgt von einer Impulsflanke von dem
ersten Sensor gibt eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn an.
-
In der bevorzugten Ausführung hat die Scheibe 80 ein mittleres
Befestigungsloch von 14,68 mm und einen lichundurchlässigen
mittleren Bereich mit Radiallinien, die sich nach außen zu dem
Außendurchmesser von 13,37 mm erstrecken, wo 57 gleichmäßig beabstandete
lichtundurchlässige Linien sind, die eine Dicke haben, die gleich
der Dicke der abwechselnden lichtdurchlässigen Bereiche ist.
-
In Fig. 5 wird ein Aufriß der Volumen-Kodiererscheibe 82
dargestellt, die die gleiche allgemeine Größe wie die
Drehzahlregelungs-Kodiererscheibe 80 (Fig. 4) jedoch eine unterschiedliche
Anordnung für die lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen
Bereiche hat.
-
Die Volumen-Kodiererscheibe 82 beinhaltet abwechselnde, sich
radial erstreckende, umfangsmäßig beabstandete lichtundurchlässige
Teile, wie die, die unter 94 dargestellt werden, und
lichtdurchlässige Teile, wie die, die unter 96 gezeigt werden. In ähnlicher
Weise werden die Sensoren und der Motor der Volumen-Kodiererscheibe
so angeordnet, daß: (1) die Scheibe sich mit der Motorwelle 38
dreht (Fig. 2); (2) die lichtundruchlässigen und
lichtdurchlässigen Teile von LED-Dioden- und Phototransistor-Koinbinationen erkannt
werden, und (3) die Anstiegsflanke einer Lichtunterbrechung erkannt
wird. Jedoch stellt die Entfernung zwischen den Signalen die
Volumenmenge dar, die gepumpt wird und die Beabstandung zwischen den
lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Teilen wird so
angeordnet, daß eine solche Darstellung entsteht.
-
Die Zeit zwischen Impulsen stellt einen Schritt des
Hubvolumens des Zylinder dar und die Anzahl der Impulse stellt die
Gesamtmenge des Hubvolumens des Zylinders dar. Wenn andererseits
eine Pumpe 30 (Fig. 2) in der bevorzugten Ausführung dieser
Erfindung enthalten ist, ist der Zeitabstand des Kolbenhubs sinusförmig
und nicht direkt linear verbunden mit der Anzahl der Drehwinkel der
Scheibe 80. In diesem Fall, wo ein Umlaufals vollständiger Hub
eines Kolbens betrachtet wird, der von einem Punkt zu einem anderen
hin- und herbewegt und dann zurück zu dem Ursprungspunkt bewegt
wird, und dieser Zyklus einer Umdrehung der Volumen-Kodiererscheibe
82 entspricht, ist die Hälfte der Scheibe lichtundurchlässig und
die andere Hälfte hat gemischte lichtundurchlässige und
lichtdurchlässige Teile.
-
Die Hälfte der Volumen-Kodiererscheibe ist ununterbrochen
lichtundurchlässig oder lichtdurchlässig, weil mindestens die
Hälfte eines Umlaufs ein Rückhub ist, in dem kein Pumpvorgang in
einer Einkammer-Pumpe auftritt. In einer Doppelkammer-Pumpe, wo
eine vollständige Drehung der Scheibe einem Umlauf entspricht, kann
die Scheibe vollständig aus Anzeigern bestehen, die aus
umfangsmäßig beabstandeten lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen
Teilen gebildet werden oder zwei Scheiben können enthalten sein,
wobei eine jedem Halbzyklus entspricht. In ähnlicher Weise können,
in anderen Ausführungen, die lichtundurchlässigen und
lichtdurchlässigen Teile umgekehrt werden und lichtdurchlässige Teile können
das Signal anstelle der lichtundurchlässigen Teile erzeugen.
-
Obwohl in der bevorzugten Ausführung eine Umdrehung der
Scheibe einem Pumpenzyklus entspricht, kann ein Teil der Scheibe für
einen Tyklus verwendet werden, abhängig von dem
Übertragungsverhältnis zwischen dem Drehmotor und der Hubkolbenpumpe. Daher kann
die Übertragung so eingestellt werden, daß für alle 180º Drehungen
der Scheibe, die Pumpe einen vollen Umlauf beendet oder für jede
90º Drehung der Scheibe, die Pumpe einen vollen Umlauf beendet
beziehungsweise für jeden anderen Bruchteil der Drehung der Scheibe
ein voller Umlauf beendet wird.
-
In der bevorzugten Ausführung ist der Hub im wesentlichen
sinusförmig, aufgrund der Verbindung des Kolbens 40 (Fig. 2) mit
dem Universalkugelgelenk 53 (Fig. 2) in dem Drehbund 50 (Fig. 2)
der Übertragung 36. Jedoch können andere Übertragungen in anderen
Pumpen verwendet werden und eine unterschiedliche Art der Bewegung,
also keine sinusförmige Bewegung, des Kolbens kann bei der Drehung
der Scheibe auftreten.
-
Um die unterschiedlichen nicht linearen Beziehungen zwischen
dem Kolben und dem Drehen der Scheibe anzupassen, werden die
abgefühlten Teile, die, in der bevorzugten Ausführung, die
lichtundurchlässigen Teile 94 sind, radial voneinander in einer Entfernung
beabstandet, die dem Hub des Kolbens während eines Pumpenhubs der
Pumpe entspricht. Der Motor und/oder die Übertragung werden durch
die Impulse geregelt, die erzeugt werden und daher hängt die
Genauigkeit der Verteilung oder der Ansaugung und Ausstoßung der
Flüssigkeiten von der Enge der Beabstandung im Hinblick auf den Bereich
ab, der von dem Kolben innerhalb des Pumpenzylinders gefördert
wird.
-
In der bevorzugten Ausführung der Pumpe in der Verteilungs-
Betriebsart, beträgt die Genauigkeit plus oder minus fünf
Mikroliter, wenn die Pumpe zwischen 0,1 bis 1 Milliliter pumpt und eine
Genauigkeit von plus oder minus 0,5 Prozent des verteilten Volumens
über 1 Milliliter hinaus. In der Verdünnungs-Betriebsart beträgt
die Genauigkeit 0,5 Prozent der angesaugten Probe, 0,5 Prozent des
verteilten Verdünners und 0,5 Prozent des Verhältnisses der Probe
zu dem Verdünner.
-
Für einen zufriedenstellenden Betrieb als ein Verteiler oder
als ein Verdünner, muß die Bewegung des Kolbens während der Zeit
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen, wobei diese Bewegung
eine Flüssigkeitsstufe pumpt und zu dem Zeitpunkt auftritt, wenn
die Volumen-Kodiererscheibe sich durch den Raum zwischen
angrenzenden Anzeigen auf dieser dreht, nicht größer sein als: (1) ein
Drittel des Hubs des Kolbens in einer Richtung und (2) nicht länger
in einer Richtung als ein Drittel multipliziert fit der Gesamtlänge
des Hubs des Kolbens und mit der Querschnittsfläche des Zylinders
der Pumpe oder der Außenfläche des Kolbens. Somit darf die
Entfernung eines Hubs des Kolbens zwischen jeweils zwei ermittelten
Anzeigen auf den Volumen-Kodiererscheiben während ihrer Drehung
nicht größer als ein Drittel eines Produkts sein, wobei das Produkt
mit dem quadrierten Durchmesser der Außenfläche des Kolbens und mit
der Länge mit Pi multipliziert wird oder, in anderen Worten, mit
dem Produkt des mit Pi multiplizierten mit dem Zwischendurchmesser
des quadrierten Pumpenzylinders multipliziert wird.
-
In Fig. 6 wird ein Blockdiagramm des Regelungssystems 16
dargestellt, welches einen Motorantriebsbereich 100, den
Sensorbereich
70, den Eingabebereich 72 und den Signalverarbeitungsbereich
102 hat. Der Motorantriebsbereich 100 treibt den Motor 32 an, mit
dem er verbunden ist und der Motor 32 erzeugt Signale innerhalb des
Sensorbereichs 70, die das Volumen, die Geschwindigkeit und die
Richtung angeben, wobei diese Signale an den
Signalverarbeitungsbereich 102 übertragen werden.
-
Um die Pumpe zu programmieren, wird durch die Bedienungsperson
auf die Pumpe eingewirkt, um das gewünschte Volumen und die
Betriebsart in die Pumpe einzuprogrammieren. Diese Informationen
werden kodiert und gelten für den Signalverarbeitungsbereich 102
und den Motorantriebsbereich 100, an den der Eingabebereich 72
angeschlossen ist. Der Signalverarbeitungsbereich 102 schaltet
Signale auf den Motorantriebsbereich 100, wodurch die Bedingungen
des Motorbetriebs angegeben werden und der Motorantriebsbereich 100
regelt dementsprechend den Motor 32, indem Spannung an diesen
angelegt wird, um den Betrieb der Pumpe zu regeln.
-
Der Sensorbereich 70 beinhaltet: 1) die ersten und zweiten
Drehzahl-Geber 84 und 86; (2) den Volumensensor 88; (3) die
Drehzahlregelungs-Kodiererscheibe 80 (Fig. 3); und (4) die Volumen-
Kodiererscheibe 82; (3) und (4) einer Volumen-Kodiererscheibe 82
(Fig. 3). Diese Scheiben bewirken, daß die Drehzahl-Geber 84 und
86 und der Volumensensor 88 eine Anzahl von Impulsen erzeugen.
-
Die Drehzahlgeber 84 und 86 und der Volumen-Sensor 88 werden
von der Welle 38 (Fig. 2) des Motors 32 (Fig. 2) wie vorstehend
beschrieben angetrieben, wobei die Welle die Position des Rotors
des Motors und somit die Position des Kolbens darstellt. Die
Ausgabe der Scheiben liefert daher Informationen über den Wechsel der
Position des Kolbens; (2) die Pumpenleistung und (3) das gepumpte
Volumen. Die Impulse von den Drehzahlgebern 84 und 86 werden dem
Signalverarbeitungsbereich 102 zugeführt, um ein Rückführsignal zur
Regelung der Drehzahl des Motors 32 durch den Motorantriebsbereich
100 zu erhalten.
-
Um den Motor 32 anzutreiben, beinhaltet der
Motorantriebsbereich 100 einen Impulsbreiten-Modulator 110 und einen
Motortreiber 112. Der Motortreiber 112 erhält ein Signal von der logischen
Schaltung und, als Reaktion darauf, treibt den Motor in die eine
oder andere Richtung an, indem die Polarität der Kraft umgekehrt
wird, die auf diesen in Übereinstimmung mit diesem Signal angelegt
wird. Die Kraft zum Antrieb des Motors mit einer ausgewählten
Drehzahl wird von dem Impulsbreiten-Modulator 110 angelegt.
-
Der Impulsbreiten-Modulator erhält ein Signal von dem
Signalverarbeitungsbereich 102, der dieses auf den Motortreiber 112
anlegt, um Leistungsregelung bereitzustellen und der Eingabebereich
72 wählt eine Dämpfung in dem Mastertreiber 112 für das Signal aus,
welches an den Motor 32 angelegt wird, um: (1) auf eine höhere
Leistungsaufnahme des Motors 32 und somit eine höhere Motordrehzahl
bei relativ großen verteilten oder angesaugten Volumen hochzulaufen
und vor dem Anhalten herunterzulaufen, um einen Nachlauf zu
verhindern und (2) um bei einer geringeren Leistungsaufnahme des Motors
zu arbeiten und somit die Drehzahl bei kleinen Volumen zu senken.
Seine Ausgangsleistung ist elektrisch mit den Motortreibern
verbunden, um das Potential der Motortreiber für den Motor 32 zu
modulieren. Der Aufnahmebereich 72 regelt auch die Polarität der
Spannung, die von dem Motortreiber 112 an den Motor 32 abgegeben wird.
-
Die Drehzahlregelung kann von jedem beliebigen Typ sein und
die spezielle Art der Drehzahlregelung des Motors ist nicht Teil
der Erfindung. Drehzahlregelungs-Vorrichtungen sind aus dem Stand
der Technik bekannt und dieser Drehzahlregler ist kein Teil der
Erfindung, ausgenommen, wenn er mit dem Verteiler und Verdünner
zusammenwirkt, um genaue Volumen zu verteilen und anzusaugen.
-
Um der Bedienungsperson zu ermöglichen, die Flüssigkeitsmenge,
die verteilt werden soll oder die Daten der Verdünnung
einzustellen, beinhaltet der Eingabebereich 72 eine Volumeneinstell- und
Betriebsartentastatur 114, eine Werte-Logikschaltung 118. Die
Volumeneinstell- und Betriebsartentastatur 114 beinhaltet eine Vielzahl
von Tasten für das Festsetzen des Volumens und das Auswählen der
Betriebsart, daß heißt ob in der Pump-, Verteiler- oder Verdünner-
Betriebsart gearbeitet wird. Sie beinhaltet andere Tasten, die kein
Teil der Erfindung sind.
-
In der Ausführung der Fig. 6 ist einer der Ausgänge der
Volumeneinstellung und der Betriebsartentastatur 114 für das
Programmieren des Volumens mit dem Zähler 116 und der andere mit der
Werte-Logikschaltung verbunden, um die Betriebsart auszuwählen. Der
Zähler 116 erhält eine Signal von dem Volumen-Sensor 88 und
schaltet
Ausgangssignale auf die Werte-Logikschaltung 118, die dann
ihrerseits die Drehzahl festsetzt und die Umdrehungsrichtung des
Motors 32 und die Richtung des Kolbens 40 (Fig. 2) über den
Motortreiber 112 festlegt.
-
Der Signalverarbeitungsbereich 102 beinhaltet einen
Signalspeicher 120, einen Motordrehzahlspeicher 122, einen Speicher 124,
einen Summierer 126, einen Digital-Analog-Konverter 128 und einen
Drehzahleinstell-Signalspeicher 130. Diese Einheiten wirken
zusammen, um die Operationen des Eingangsbereichs 72, des
Motorantriebsbereichs 100 und des Sensorbereichs zu koordinieren.
-
In dieser Beziehung erhält der Drehzahleinstell-Signalspeicher
130 ein Signal von der Werte-Logikschaltung 118, wobei festgestellt
wird, ob eine Erhöhung der Drehzahl erforderlich ist und liefert
ein Signal an den Digital-Analag-Konverter 128, der ein Analog-
Signal an den Summierer 126 abgibt, um die Geschwindigkeit des
Motors 32 zu regeln. Der Signalspeicher 120 und der Speicher 124
erhalten Signale von den Drehzahlgebern und liefern ein
Rückführsignal an den Motordrehzahlspeicher 122, der Analogsignale an den
Summierer 126 gibt, wobei die Drehzahl angegeben wird, die für den
Verteiler-Betrieb oder für den Verdünner-Betrieb erforderlich ist.
-
Der Summierer 126 empfängt die Eingaben, addiert sie zusammen
und führt diese dem Impulsbreiten-Modulator 110 zu, der ein Signal
an den Motortreiber 112 anlegt. Die Signale von dem Impulsbreiten-
Modulator 110 werden so hervorgerufen, daß sie eine Dauer haben,
die der Verteilungszeit und Geschwindigkeit von dem Ausgang von
dem Summierer 126 entsprechen. Der Impulsbreiten-Modulator wählt
eine gewisse Dämpfung für Spannungen innerhalb des Motorantriebs
112 aus, um ein Ansteigen und Abfallen der Drehzahl als Reaktion
auf die Werte-Logikschaltung 118 zu bewirken.
-
In Fig. 7 wird ein Prinzipschaltbild des Sensorbereichs 70
gezeigt, in dem der erste und zweite Drehzahlgeber 84 und 86 und
der Volumensensor 88 dargestellt werden. Wie in diesen Zeichnungen
dargestellt, beinhaltet jeder der Sensoren eine entsprechende LED-
Diode 84A, 86A und 88A und einen entsprechenden Phototransistor der
Phototransistoren 84B, 86B und 88B.
-
Die Drehzahlregelungs-Kodiererscheibe 80 dreht sich zwischen
den Phototransistoren 84b und 86B und den LED-Dioden 84A und 86A.
-
Das Licht von den LED-Dioden reduziert den Widerstand zwischen den
Quellen der Fünf-Volt Spannung an 84C und 86C und den
Ausgangsklemmen 84D beziehungsweise 86D, um ein Ausgangssignal an den
Klemmen 84D und 86D zu liefern. Die Unterbrechung dieses Signals
durch einen lichtundurchlässigen Teil der Scheibe, welches den
Widerstand erhöht, wird differenziert, um die gemessenen Impulse zu
liefern.
-
In ähnlicher Weise geht die Volumen-Kodiererscheibe 82 (Fig.
3) zwischen der LED-Diode 88A und dem Phototransistor 88B hindurch,
um den Widerstand des Phototransistors während der
lichtdurchlässigen Abschnitte zu senken und den Widerstand während der
lichtundurchlässigen Abschnitte zu erhöhen um an der Klemme 88D ein Signal
von der fünf Volt Spannungsquelle an der Klemme 88C vorzusehen.
-
Das Photodetektorsystem und die Kodiererscheiben sind an sich
keine Neuheit, außer wenn sie mit anderen Elementen der Erfindung
zusammenwirken. Es ist Personen, die in der Technik erfahren sind,
bekannt, wie Signale in Bezug auf die Umdrehung einer Welle
abgeleitet werden. Jede geeignete Technik kann verwendet werden.
-
In Fig. 8 wird ein Prinzipschaltbild des Motortreibers 112
mit einem Leistungsbereich 140 und einem Ansteuerungsbereich 142
dargestellt. Der Ansteuerungsbereich 142 empfängt Signale von der
Wert-Logikschaltung 118 (Fig. 6) und von dem
Impulsbreiten-Modulator 110 (Fig. 6) und liefert Signale an den Leistungsbereich 140,
um die Richtung und die Menge der Leistung zu regeln, die dem Motor
von dem Leistungsbereich 140 zugeführt wird. Der Leistungsbereich
140 ist elektrisch mit dem Gleichstrommotor über Klemmen 144 und
146 verbunden, wobei die Richtung des Stromflusses zu und von den
Klemmen in Übereinstimmung mit Signalen von der
Ansteuerungsschaltung 142 geregelt wird.
-
Um den Einsatz der Leistung an den Klemmen 144 und 146 zu
regeln, beinhaltet der Leistungskreis erste und zweite Paare von
pnp-Transistoren 150 und 152, wobei die Paare über den Emitter des
ersten Transistors und den Kollektor des zweiten elektrisch
nacheinander geschaltet sind über 24 Volt Quellen 154 und 156, so daß
das ausgewählte Paar der Transistorpaare 150 und 152 bewirkt, daß
Strom in die entsprechende Klemme der Klemmen 144 und 146 und durch
den Gleichstrommotor zu der anderen Klemme fließt, wobei die
Rückführung
an Erde durch das nichtgewählte Paar Transistoren erfolgt.
Geeignete Sperrdioden werden auf herkömmliche Art und Weise
verwendet, um die Spannung zu unterdrücken. Die Basis der Transistoren
ist geregelt, um die Menge des Stromflusses und damit die
Geschwindigkeit des Motors zu modulieren.
-
Um die Richtung des Stromflusses zu dem Motor 32 (Fig. 6) und
die Menge der Leistung auszuwählen, die am Motor angelegt wird,
beinhaltet die Ansteuerungsschaltung 142 Inverter 160, 162, 164 und
166, die entsprechend die Transistoren 150 und 152 regeln, wobei
der Inverter 160 elektrisch an die Basis des pnp-Transistors 170
und der Inverter 166 elektrisch an die Basis des pnp-Transistors
172 angeschlossen ist, wobei die vorgenannten Transistoren
elektrisch mit den Kollektoren des zweiten der Transistorpaare 150
beziehungsweise 152 verbunden sind und an ihren Emittern eine
mitlaufende 24 Voltquelle angeschlossen ist, um die Basis der
Transistorpaare 150 und 152 vorzubelasten.
-
Eine Ansteuerungsschaltung, wie im allgemeinen unter 180
dargestellt, wählt die Inverter über eine Verknüpfungsschaltung
aus, um Drehzahl- und Richtungsregelung über sie bereitzustellen,
in Übereinstimmung mit den Impulsen, die von dem Impulsbreiten-
Modulator 110 (Fig. 6) und der Werte-Logikschaltung 118 (Fig. 6)
erhalten werden. Der Impulsbreiten-Modulator 110 (Fig. 6) ist der
National Halbleiter, der den Impulsbreiten-Modulator LM3524
reguliert, der angeschlossen ist, um geregelte Impulse an die Treiber
zu liefern. Obwohl diese spezielle Spannungsquelle verwendet wird,
können auch andere auf die in der Technik bekannte Art und Weise
verwendet werden.
-
In Fig. 9 wird ein Prinzipschaltbild des Summierers 126
(Fig. 6) dargestellt, der ein Signaleinstellungs-Netzwerk 161,
einen Summationsknotenpunkt 163, eine
Drehzahlrückkopplungs-Eingangsklemme 165 und ein Drehzahlrückkopplungs-Netzwerk 167 hat. Der
Signalverarbeitungs-Kreislauf 161 ist eine herkömmliche Schaltung
zur Entfernung von Rauschen und Bereitstellung einer Pufferung für
das Drehzahlsignal von dem Summationsknotenpunkt 162, um ein Signal
an Klemme 169 an den Impulsbreiten-Modulator 110 (Fig. 6) für die
stabile Regelung der Motordrehzahl zu liefern.
-
Zu diesem Zweck beinhaltet das Signalverarbeitungs-Netzwerk
161 einen Operationsverstärker 171, dessen Umkehrklemme elektrisch
mit dem Summationsknotenpunkt 163 verbunden ist. Rückkopplung von
seinem Ausgang zu der Unkehrklemme beinhaltet kapazitive Filter,
Dioden und einen Resistor zur Bereitstellung von Stabilität. Die
Klemme 169 ist elektrisch mit dem Verstärker 171 verbunden.
-
Die Eingangsklemme 165 ist elektrisch mit dem Ausgang des
Digital-Analog-Konverters 128 (Fig. 6) verbunden, welcher ein
Analogsignal aus dem digitalen Signal erzeugt, welches er von dem
Drehzahleinstell-Signalspeicher 130 (Fig. 6) erhält, welcher das
Eingangssignal in digitaler Form von der Werte-Logikschaltung 118
(Fig. 6) erhält. Der Digital-Analog-Konverter 128 wandelt dieses
Signal in ein analoges Signal um, wobei ein konventioneller
Schaltungsaufbau verwendet wird, für die Anwendung an dem
Summationsknotenpunkt 163. Zusätzlich wird ein Signal an den
Summationsknotenpunkt 163 von drei anderen Eingängen der Rückkopplungsschaltung
167 vorgesehen, wobei diese Signale in der
Drehzahl-Rückkopplungsschleife erzeugt werden, welche den Drehzahlgeber 86 (Fig. 6) und
den Signalspeicher 120 beinhaltet, und die Drehzahl wird angegeben.
-
Zu diesem Zweck beinhalten zwei der drei Eingänge
pnp-Transistoren 175 und 177, welche jeweils eine positive fünf Voltquelle
179 oder 181 haben, die an dem Emitter des Transistors
angeschlossen ist, wobei seine Basis elektrisch angeschlossen ist, um Signale
von dem Drehzahlgeber 86 (Fig. 6) durch die
Drehzahl-Rückkopplungsschleife zu erhalten und somit eine positive Spannung dem
Knotenpunkt 163 hinzugefügt wird, um einen Drehzahlanstieg zu
bewirken. Der andere Eingang beinhaltet einen ähnlichen
pnp-Transistor 182 mit einer positiven Spannung an seinem Emitter, wobei sein
Kollektor über einen pnp-Inverter 185 mit dem Summationsknotenpunkt
163 verbunden ist, um eine negative Spannung für die Substraktion
zu liefern. Die Ausgänge von den Transistoren 175, 177 und 186
werden von ihren Kollektoren direkt an den Knotenpunkt 163
angelegt, so daß die Transistoren 175 und 177 das Potential an dem
Knotenpunkt 163 erhöhen und der Transistor 186 es senkt, bevor der
Motor angehalten wird, um die Drehzahl des Motors 32 (Fig. 6) vor
einem Stopp zu erhöhen oder zu senken.
-
In Fig. 10 wird ein Prinzipschaltbild einer Ausführung der
Werte-Logikschaltung 118 dargestellt, welche direkt über eine
Standardtastatur
114 bedient wird. Die Werte-Logikschaltung 118
beinhaltet eine Schaltungsgruppe 190, die eine Vielzahl von einpoligen
Einwegeumschaltern und einem einpoligen Zweiwegeumschalter 204
beinhaltet. Die einpoligen Einwegeumschalter beinhalten jeweils:
(1) einen unterschiedlichen Kontakt aus einer Vielzahl von
Kontaken, die elektrisch mit einer der Klemmen 200A-200F verbunden
sind und (2) eine entsprechende Vielzahl von Ankerkontakten
190A-190F, die gegen ihren entsprechenden Kontakt geöffnet und
geschlossen werden können und die elektrisch mit der entsprechenden Klemme
der Klemmen 202A-202F verbunden sind. Der Ankerkontakt des
einpoligen Zweiwegeumschalters 204 ist elektrisch mit einer
Kraftquelle 206 über einen Resistor 208 verbunden und dessen Kontakte sind
elektrisch mit unterschiedlichen Klemmen der Klemmen 210 und 212
verbunden.
-
Bei dieser Anordnung kann der Schalter 204 auf den einen oder
anderen Kontakt seiner feststehenden Kontakte geschaltet werden, um
ein unterschiedliches Polaritätssignal an den Motortreiber 112
(Fig. 6) zu liefern und somit die Richtung des Motors zu regeln,
und bestimmte Kontakte der Kontakte 190 können geschlossen und
andere Kontakte können geöffnet werden, wobei die Ausgänge
elektrisch mit dem Drehzahleinstell-Signalspeicher 130 verbunden sind
und andere angepaßt sind, um andere Kontakte zu verriegeln, um die
Drehzahl zu regeln, indem ein digitales Signal an den Digital-
Analog-Konverter 128 angelegt wird und somit die Spannung geregelt
wird, die an den Summierer 126 angelegt wird.
-
Obwohl ein Pumpsystem 10 hardwaremäßig beschrieben worden ist,
sind gewisse Elemente der Elemente der bevorzugten Ausführung
Software, die die Funktion der Hardware als eine Alternative
durchführen. Diese Elemente sind der Signalspeicher 120, der
Motordrehzahl-Speicher 122, der Speicher 124, der Zähler 116, die Werte-
Logikschaltung 118 und der Drehzahleinstell-Signalspeicher 130, bei
denen es sich bei allen um Softwareentsprechungen der gerade
beschriebenen Hardware handelt. Die Rechenfunktion wird von einem
Intel 8749H HMOS Einkomponenten 8-Bit Mikrocoinputer durchgeführt.
Das Programm für den Computer wird mit dieser Patentanmeldung
eingereicht und bildet hiermit einen Teil der Offenbarung. Der
Intel 8749H HMOS Einkomponenten 8-Bit Mikrocomputer und die Art und
Weise, diesen zu benutzten, wird in "MCS-48 Family of Single Chip
Microcomputers User's Manual" beschrieben, welches von Intel
Corporation, 3065 Bowers Avenue, Santa Clara, California 95051,
Copyright 1981 veröffentlicht wurde und dort erhältlich ist, und dessen
Offenbarung hiermit zum Bestandteil der Patentanmeldung erklärt
wird.
-
In Fig. 11 wird eine Prinzipskizze eines Pumpsystems 10A
dargestellt, in dem das beigefügte Programm und der Intel 8749H
HMOS Einkomponenten 8-Bit Mikrocomputer verwendet werden. In dieser
Figur erhalten Teile, die identisch mit denen der Ausführung des
Pumpsystems 10 sind, die gleichen Bezugszeichen.
-
Wie in Fig. 11 dargestellt, wird das Pumpsystem 10A teilweise
von zwei Rückkopplungsschleifen geregelt, und zwar: (1) einer
Drehzahlregelungsschleife 230 und (2) einer
Volumenregelungsschleife 232.
-
In Zusammenarbeit mit diesen Schleifen: (1) erhält die
Volumeneinstell- und Betriebsartentastatur 114 von der Bedienungsperson
Betriebsarten-Informationen, Drehzahl-Informationen für die
Drehzahl-Betriebsarten- und Volumen-Informationen und bringt diese auf
die allgemeine Steuerlogik und den Speicher 234 auf und (2) die
allgemeine Steuerlogik und der Speicher 234 übertragen das Soll-
Volumen an den Zähler 116, die Pumpendrehzahl in der
Pumpenbetriebsart an einem Solldrehzahl-Regler 236, die
Motorrichtung an einen Überlast- und Backup-Detektor 238 und ein
Drehzahlregel-Übersteuerungssignal, ein Motorfreigabesignal und
Motorrichtungssignal an den Motorantriebsverstärker 112, um den Pumpenmotor
32 anzutreiben.
-
Zur Regelung der Drehzahl überträgt der Solldrehzahl-Regler
236 ein Signal an den Summierregelverstärker, welches die
Solldrehzahl innerhalb eines Bereiches und ein Signal an eine
Zeitbasisschaltung 240 angibt. Die Zeitbasisschaltung 240 liefert ein
Bezugssignal für Durchflußgeschwindigkeiten außerhalb einer
voreingestellten Durchflußgeschwindigkeit und der
Summierregelverstärker liefert einen Bezug für die Solldurchflußgeschwindigkeit an
die Drehzahlregelungsschleife 230.
-
In dieser Schleife erhält ein Drehzahlgeber-Rechteckverstärker
242 Signale von den Drehzahl-Detektoren 84 und 86 und führt dem
Überlast- und Backup-Detektor 238 Rechteckimpulse zum Vergleich zu.
Der Überlast- und Backup-Detektor 238 bringt Drehzahlsignale,
Backup-Signale und/oder Überlastsignale auf den
Summierregelverstärker 126 auf, zur Rückkopplungsregelung des Pumpenmotors 32 in
der Drehzahlregelungsschleife 230.
-
Um das Volumen zu regeln, legt der
Volumen-Sensor-Rechteckverstärker 250 das erfaßte Volumensignal an den Eingang des
Restvolumenzählers 116, um das Signal, welches von der allgemeinen
Steuerlogik und dem Speicher 234 erhalten wurde und das Sollvolumen
angibt, rückwärtszuzählen. Ein Drehzahl vs.
Restvolumen-Algorithmus, der unter 252 angegeben ist, jedoch von dem Mikroprozessor in
einer Art und Weise geregelt wird, die in der Technik bekannt ist,
sowie geregelt von dem beigefügte Programm, legt Signale an
Solldrehzahl-Konverter 236 an, um die Drehzahl zu regeln und
Überschwingungen, wie vorstehend beschrieben, zu vermeiden. Diese
Schleife ermöglicht das Anhalten des Motors 32 in einer Art und
Weise, wie dies im Zusammenhang mit der Hardware-Ausführung 10
unter der Steuerung des beigefügten Programmes erklärt worden ist.
-
Als eine alternative Ausführung zu dem beigefügten Programm
unter Verwendung von Volumensignalen ist es möglich, nur eine
Scheibe, die Drehzahlscheibe, und eine Tabelle oder andere
gespeicherte Kurve oder analoge Funktion zu verwenden, die das Volumen an
verschiedenen Punkten in einem Kreislauf als einen Ersatz für
Signale darstellen, die an einem Volumenschritt direkt von der
Volumenscheibe erzeugt werden. Zum Beispiel können die Impulse, die
gleiche Inkremente der Umdrehung des Motors angeben, von einer
kalibrierten oder angegebenen Startposition gezählt werden und der
Zähler verwendet werden, um einen Code für die Anlegung an den
Digital-Analog-Konverter 128 und den Motordrehzahl-Speicher 122
(Fig. 6) zu erzeugen. Außerdem könnte eine zweite Scheibe oder die
gleiche Scheibe derart verwendet werden, daß das Volumen durch
einen Code auf der Scheibe angegeben wird, die abgetastet wird und
von dem Computer verwendet wird, um Steuersignale zu erzeugen
anstelle diese zu zählen.
-
In der Betriebsart des Pumpsystems 10 als ein Verdünner oder
ein Verteiler, wird das zu verteilende oder anzusaugende Volumen
über die Tastatur eingestellt, die Betriebsart wird ausgewählt und
die Pumpe wird gestartet. Wenn der Motor der Pumpe sich dreht, um
die Kolbenpumpe anzutreiben, werden Inkremente des verteilten oder
angesaugten Volumens direkt von einer Scheibe gemessen, die sich
mit der Pumpe dreht und Anzeiger aufweist, die im Verhältnis zu der
linearen Bewegung der Pumpe beabstandet sind, wenn diese in einem
Zyklus ihres Hauptbetriebs arbeitet, um Flüssigkeit in der
Verteilungs-Betriebsart herauszudrücken oder Flüssigkeit in der Ansaug-
Betriebsart herauszuziehen. Wenn das programmierte Volumen erreicht
ist, hält die Pumpe an.
-
Das zu verteilende oder anzusaugende Soll-Volumen wird über
die Tastatur 114 des Eingabebereichs 72 des Steuersystems 16
eingegeben. Die Betriebsart wird auch über die Tastatur eingegeben und
der "Ein"-Druckknopf wird entweder an der Tastatur oder von einem
Griff gedrückt, der einen äquivalenten Umgehungsschalter für die
Verdünnungs-Betriebsart hat. In der Hardware-Ausführung, die das
Eingabesystem 72 anstelle der Mikrocomputersteuerung hat, sind die
Schalter in der Werte-Logikschaltung 118 eingestellt um die
Drehzahlschritte zu regeln, wenn der Zähler 116 von seinem Volumen
rückwärtsgezählt wird, welches über die Tastatur in dem Zähler
eingestellt wird.
-
In der Mikroprozessor-Version, welche die bevorzugte
Ausführung ist, speichert der Mikroprozessor das erforderliche Volumen in
einem Software-Register und das Register wird dekrementiert, wenn
das Volumen von den Scheiben gezählt wird. Eine Entscheidungsstufe
wird während des Abwärtszählens des Software-Registers für die
Drehzahlregelung vorgenommen.
-
Wenn ein großes Volumen in diesem Zähler eingestellt wird,
gibt eine Entscheidungsstufe das Hochfahren auf eine höhere
Drehzahl an, und, wenn diese Drehzahl erreicht ist, wird die Drehzahl
unter der Steuerung des Mikroprozessors während der
Entscheidungsstufen bei der schrittweisen Verringerung des Zählers gehalten.
Wenn der Zähler auf einen festgelegten Punkt dekrementiert ist,
beginnt eine Entscheidungsstufe, den Motor zu verlangsamen, so daß
der Motor zu dem korrekten Wert anhält, wenn das Software-Register
vollständig dekrementiert ist.
-
Während der Pumptätigkeit dreht sich der Motor 32 (Fig. 2)
und dreht die Welle 38, die an einem Ende den Wellenbund 50
innerhalb der Übertragung 36 dreht, um den Arm 54 des Kolbens 40 um
das Kugelgelenk 52 zu drehen. Wenn sich der Kolbenarm dreht, bewegt
der Bund den Kolben 40 linear innerhalb des Zylinders, um eine
Pump- oder Fülltätigkeit durchzuführen.
-
Wenn sich der Motor dreht, drehen sich die Volumenscheibe 82
und die Drehzahlscheibe 80 beide und Impulse werden von den Sensor-
Vorrichtungen abgetastet. Die Volumenscheibe 82 hat Anzeigen, die
umfangsmäßig voneinander auf der Scheibe durch Winkel beabstandet
sind, die direkt proportional zu der Flüssigkeitsmenge sind, die
gepumpt oder angesaugt wird. Daher gibt es bei einem Rückhub keine
Anzeigen für die Hälfte der Scheibe, wo die Scheibe sich einmal für
jede Umdrehung des Motors dreht. Die Beabstandung zwischen den
Anzeigern ist gleich dem linearen Hub der Pumpe, wenn sie während
eines Verteiler- oder Verdünnerzyklus verteilt oder bei ihrer
Ansaugtätigkeit während eines Verdünnungszyklus.
-
Jeder Schritt des Mechanismus für die Erzeugung von Impulsen
ist gleich nicht mehr als einem Drittel multipliziert mit einem
Faktor, welcher Faktor die Querschnittsfläche eines Zylinders
multipliziert mit der Gesamtlänge des Hubs eines Kolbens in einer
Richtung während eines Pumpenzyklus oder ein Drittel geteilt durch
einen Faktor ist, wobei dieser Faktor mit dem Quadrat des
Innendurchmessers des Pumpenzylinders und mit der Länge des Hubs mit Pi
multipliziert wird.
-
Um die Pumpenleistung zu regeln, hat die
Drehzahl-Kodiererscheibe 84 Inkremente, die gleichmäßig in Bezug auf die Umdrehung
des Pumpenschachts voneinander beabstandet sind,' so daß Impulse von
dem Drehzahlgeber 84 direkt proportional zu der Drehzahl des Motors
erzeugt werden, wenn die Anzeiger die Sensoren passieren.
-
In der Hardware-Version des Pumpsystems werden diese Impulse
an den Signalspeicher 120 angelegt, welcher ein Hardware-Register
ist, der die Erzeugungsrate der Impulse angibt, indem diese über
taktgesteuerte Intervalle registriert und das Register periodisch
zurückgesetzt wird. Diese Werte werden mit den in dem
Drehzahlspeicher 122 aufgezeichneten Daten summiert und ein Fehlersignal
wird erzeugt, welches zu Signalen führt, die an den Summierer 126
angelegt werden, um die Spannung zu erhöhen oder zu senken, die an
den Impulsbreiten-Modulator 110 angelegt wird und somit den
Motorantrieb
112 regeln. Somit gibt es eine Rückkopplungsschleife zum
Regeln der Drehzahl.
-
In der Software-Version erhält der Zähler 116 die Impulse und
die Zählung wird in eine Drehzahl von dem Drehzahl vs. Restvolumen-
Algorithmus 252 umgewandelt. Wenn der Volumenzähler 116 angibt, daß
das Volumen, welches verteilt oder angesaugt werden soll, kurz vor
dem Ende ist, wird der Wert in dem Soll-Drehzahl-Konverter auf
einen niedrigeren Drehzahlwert abgeändert, was zu einem reduzierten
Potential an dem Gleichstrommotor und zu einer Verlangsamung des
Motors führt. Wenn das Volumen schließlich dekrementiert ist, wird
die Leistung zu dem Motor abgeschaltet und der Verteilungsbetrieb
ist beendet.
-
Aus der vorgenannten Beschreibung wird deutlich, daß der
Verteiler oder der Verdünner dieser Erfindung mehrere Vorteile hat,
wie zum Beispiel: (1) er kann genaue Flüssigkeitsmengen verteilen,
aufgrund des sorgfältigen Volumenzählsystems und (2) er ist
wiederholbar im Betrieb, aufgrund der Verwendung einer Kolbenpumpe,
und (3) er kompensiert in wirtschaftlicher Weise den Mangel an
Proportionalität zwischen der Drehzahl des Motors und dem Volumen,
welches verteilt wird.