技术领域
[0001] 本
发明主要涉及一种用于计量液体的机电驱动的
计量泵领域。
背景技术
[0002] 所述的计量泵被用来计量各种类型的添加剂，通过调节在每个周期泵入的液体体积。它们是在多个工业和民用领域内广泛使用的设备，例如：
[0004] ·公共或私有水池；
[0005] ·洗车设备；
[0006] ·洗衣店；
[0008] ·化学工业；
[0011] ·农产品工业；
[0012] ·等等
[0013] 论及普通计量泵的工作细节，应注意到：在所谓的泵体中的机械部件，被称为隔膜，其被活塞推动，而发生脉动，将待测液体注入到泵体中专
门提供的传递通道，由此实现计量。待测液体然后被导入待处理系统，克服出现在其被注入的管道中的反压
力。
[0014] 为了给待测液体与待处理液体有效混合所需的作用力，关键部件是活塞，其构成的部件被设计用来移动隔膜，隔膜以周期循环的方式在
泵壳中从吸水管吸入液体，并将其注入到输出管。
[0015] 所述活塞被电磁体驱动，它因此构成泵的
基础部件。电磁体由固定部分和移动部分组成，固定部分内设置电枢，移动部分被称为“板”，其相对于活塞固定。
[0016] 应注意该板实际上构成了电磁体的磁通量的闭合元件，所述磁通有召回所述板至电磁体剩余固定部分的作用，因此产生一位移。
[0017] 换句话说，电磁体因此使
电能转
化成机械能以获得做功并移动液体。
[0018] 计量泵的电学和机械特性因此依赖于所述的电磁体是如何设计、驱动和控制的。在泵中的
电子板卡专门用于给电磁体供电，并以最好的方式管理其向电磁体提供的电能。
[0019] 因此很明显控制执行的越好计量泵的效率就越高。这是一个非常重要的因素，一旦待执行的计量在待处理系统建立起来，就需要以连续的方式执行所述的计量并消耗最低的电能能耗。
[0020] 某些应用实际上需要计量泵每一次注入传递少量的液体，因此需要大量的注入次数以便能够计量用来执行处理的体积。所述的目标能通过调整活塞行程来达到，活塞行程给定相同的注入量，液体体积能借助上述行程的调整来被准确的计量。因而本发明应列入封闭环控制系统的领域，其输入变量，就本发明而言是供给电磁体的
电流，由本系统通过基于适当的物理量的反馈来控制，所述物理量承转为可控的变量：注入量。
[0021] 计量泵已经跟随电磁体的演进，以及对不同的驱动和控制系统的研究及时发展了。所述研究的目的是为了克服下述的缺点：
[0022] -
能源浪费，这是由于这样的事实，即过去施加在该电磁体上的是固定持续时间的
电压脉冲、而无论为克服该系统的反压力的所需的作用力怎样。实际上，能源浪费越大，处理液体的系统的压力越低，因此需克服所述反压力的推力的需求就越低。
[0023] -装置尤其是电磁体的过度加热，是由于以下事实：过去供给的
能量不是基于为克服根据上述观点描述的作用力来控制的，由于经中长期的时间电枢阻力的增加而使性能随之降低。
[0024] -由于电子部件和电磁体的中到高的
工作温度导致使用寿命降低；
[0025] -需要有校准活塞行程以取得所需的泵流量的机械装置，其导致需要在电磁体内部引入填隙
垫片。
[0026] -需要有机械系统来控制行程，机械系统只从机械上限制活塞行程并因此降低注入而不相应的减少对装置的电能供给：这个事实使得在给定相同的注入量下，能量消耗水平恒定，即使当产品的输送处于最小化时。这种装置的特点是效率不高。
[0027] 从美国
专利US20090206184已知一这样的系统：其用于向
燃烧室进行注入，通过使用
传感器检测移动活塞在辅助通道滑动的位移对
燃料注入器进行控制，其和针型
阀有明显区别。这个系统的目的是：在任何故障（阻塞在开或关的
位置）情况下，在注入器或者腔室的
喷嘴的几何形状的恶化情况下，在需要调整注入脉冲的情况下，监控和处理辅助活塞的位移
信号以便控制注入器的操作。在美国专利US20090206184中,活塞的位移受存在于活塞本身的两末端（上端和下端）的压力差的控制，上端受注入系统的上游产生的压力的影响，下端受预注入室的压力的影响，预注入室的容积取决于其具有的几何形状。上述压力差明显依赖于供给压力、供给
频率和注入器的状态。喷嘴的三种状态可能实际上是不同的，即为关闭（“off”）、中间(“阻塞（blocking）”)和开(“ON”)，其分别确定下述状态：关：喷嘴被针阀关闭，预注入室和供给连通，可滑动活塞的两末端受制于同一个压力；阻塞：喷嘴仍然关闭，供给管路几何上关闭，使预注入室与供给分离；开通：连接到喷嘴的路径开通，预注入室不与供给连通，活动活塞随产生于喷嘴的开口的
负压而向下位移。
[0028] 与在美国专利US20090206184中描述的注入系统比较，本发明呈现出一系列的显著区别，其中，不考虑喷嘴的类型或者外部控制，供给泵完全与注入器分离。实际上，在本发明泵取动作和注入动作通过同一个装置完成，该装置包括可控的通电磁体、活塞和隔膜。后者将液体压入管道，该管道的开/关由专门用于液体动力效应的特定阀确保。
[0029] 而且，文献US20090206184描述一
控制器通过辅助活塞取得，在注入条件变化时产生位移。其位移被一特定的传感器检测。该位移数据被处理，以调整上游供给条件并且恢复预注入室中的压力和容量。
[0030] 根据本发明，相反，当泵活塞变化位置时，通过测量磁体在
电路本身产生的阻抗变化，可以确定活塞本身的位置，并由此来控制涉及的能量以保证预设液体流量。换句话说，通过测量其电特性来执行对装置的位移的控制是可能的，而无需对其他移动元件进行间接地测量。
[0031] 最后，在文献US20090206184中辅助活塞的位置，在某种结构中，能通过一附加的
驱动器校正。通过传感器检测的位移数据在这种情况下也被处理，以恢复预注入室中的体积和压力。在该发明中，相反，通过该电磁体的电路阻抗的测量的处理，可改变泵活塞的位置并因此保证液体预设流量。因此，不在预注入室采取额外的驱动器，而通过直接对输送活塞作用来执行该装置的位移控制。
[0032] 综上所述，试图寻找在两种系统之间的相似点我们可以得到：美国专利US20090206184的注入系统具有不同元件：泵装置、注入器、辅助活塞、运动传感器和辅助活塞上的驱动器，并且在通过相对于泵部件的附加装置（传感器+驱动器）检测的信号基础上实施控制。在本发明描述的创新系统只是通过电磁体的测量和电控制来管理泵设备，即，泵组件同时是传感器和驱动器，无其他附加的元件。
[0033] 通过文献WO2007/007365我们也知道这样一种计量泵，其根据电感变化，在电流曲线上产生一个相应的变化，并通过由
电子电路执行的分析来确认电磁体的板和磁芯之间的
接触点。以这种方式，该装置确认活塞的行程终点且能因此中断电磁体的激励，防止无用的能量消耗和因此防止危害产品性能的热量。
[0034] 本发明也想到了电流的测量，其用来计算阻抗，但是不像在WO2007/007365中指示的那样，不只限于截取板的到达点即行程的终点，而是设置将电感与由活塞在其行程中所假定的位置联系起来，并在由使用者输入的设置的基础上确定阻止活塞行程的位置。通过本发明以百分位的准确度来控制活塞行程并因此控制每一次注入泵的添加剂的量是可能的。
[0035] 文献DE202005013089U涉及一个电子计量泵，其对活塞行程执行控制以便确定必要的能量并由此使装置恰当地工作。从所述文献的分析可得出结论：通过机械系统来控制活塞行程，以及在光传感器的帮助下检测由使用者设定的行程，以及传递数据给通过
控制信号驱动电磁体的电子电路，其具有不得已与泵做功相当的内能。
[0036] 不像文献DE202005013089U那样，本发明并不限于，为了防止无用的能量消耗，控制电磁体上的电流，让机械系统控制活塞行程，而是用准确数量的电流来驱动电磁线圈，通过计算阻抗来提前控制该行程，并由此在通过电子电路的刻度设定的确
定位置来决定阻止行程。换句话说，在本发明没有泵流量的机械控制，而是一切都可赋予电子系统以驱动电磁体，控制活塞的行程终点，并因此以百分之一的准确性确定泵流量。
[0037] 文献WO03/023226描述了用于在人体注入药物的电磁计量泵，其中该装置通过一
电池供电，且不连接输电线路：因为这个原因，该文献中的发明涉及一种系统，其使用最少的电能确保一准确的计量，具有延长电池寿命的好处。
[0038] 从WO03/023226的分析中可看出：在泵通电的瞬间，通过
开关和控制信号的驱动，起蓄电作用的电容器就在给定的时期内充电，且维持在所述的状态直到控制电路通过控制信号34和一开关激励一电磁线圈，其决定通过泵传递的注入的驱动。原理可能看起来很平常，但实际上以”聪明”的方式控制电容器的充电和放电，并且在驱动的时间释放对于适当操作泵不可缺少的最小的电能，节省了大量的能量。
[0039] 综上所述，在WO03/023226描述的系统控制电压和电流的变化，以确定施加到电磁线圈的能量的恰当大小。
[0040] 不像WO03/023226，本发明基于对行程的控制，以瞬时改变泵的注入流量。就该点的情况下，本发明并不限于确定是否达到了行程末端，而是对磁
铁发生的情况实时作出控制，计算阻抗，确定活塞行程停止的确切点。根据本发明的专有特性，电磁线圈不仅执行驱动器的功能而且还有系统传感器的功能。
发明内容
[0041] 本发明的主要目的是通过提供一个新的、最新一代的、具有低能耗和高性能的计量泵来克服上述列出的所有缺点。
[0042] 上述目的是如此实现的，根据本发明，提供了创新的行程调节（注入流量的动态变化），其基于电磁体的阻抗值的控制，所述阻抗值是对外部因素诸如工作温度、机械磨损和
电源电压具有低敏感度的一个有利的数值。
[0043] 上述种类的计量泵被设计用来替代目前的装置，其通过改善电流性能和减少能耗水平至最低，同时基于活塞行程的控制，不使用会遭受磨损的机械装置，而是通过专门依赖于电磁体的几何形状的物理量的测量，来保证准确的计量。
附图说明
[0044] 通过接下来的详细描述和参考附图将会对本发明有更好的理解，附图仅是通过非限制性的例子图示本发明优选的
实施例。
[0045] 图1A是形成本发明主体的计量泵的轴向剖面图，在其上安装有电磁体，放大的细节图显示了空气间隙。
[0046] 图1B显示了图1A中的放大细节，显示了电磁体。
[0047] 图2、3、4、5分别显示，当电势差施加到线圈上的瞬间时，在板朝向磁芯位移期间的多个位置；所述的位移能被定义为“活塞行程”。当活塞行程变化，电磁体的电感变化。
具体实施方式
[0048] 根据本发明的计量泵基本上由三个基本零件组成：电子卡板、电磁体和泵壳。
[0049] 系统的核心是电磁体，其被电子卡板适当地控制并且由
弹簧回位，并且在优选地每分钟0-360的脉动的范围内以脉冲方式来驱动活塞。
[0050] 本发明潜在的发明思路包括用小的电压增量逐步地驱动
磁铁，同时所述的电子系统，测量穿过电磁线圈的电流以获得其相应的阻抗值，其直接关联着活塞在设想的最大行程之内的位置。借助能由操作者直接通过电子卡板界面来直接设置的电位计或数字式调节，可用百分之一的
精度来选择确切的活塞的停止点即其最大行程。因此，所描述的计量泵能用极高的精度来改变电磁体每次单一驱动所对应的添加剂的注入量，而不借助于特别的昂贵的机械控制或进一步的传感器和电子反馈。
[0051] 所描述的计量泵的操作设想电磁体1的移动部分（以下称为板2）将会移动直到其闭合出现在电磁体的核心的磁通量，因此导致相对于板2固定的活塞3的位移。所述的位移就像已描述的那样被定义为“行程”。
[0052] 从电气的观点来看，所述的电磁体只不过是由封装在铁磁材料上的线圈组成，其有界定的几何形状，其上设有空隙，空隙趋向于随板2的位移而关闭。
[0053] 所述的空隙是电磁体固定端和移动端之间的距离(L1、L2、L3、L4)，其与行程一致，同
时移动部分（相对于活塞固定的板）的位移，导致由于电感器本身的机械性能的变化和尤其是在文献中被称为“磁阻”的物理参数的变化而引起电感的变化。
[0054] 按照上面已经描述的，可以肯定地确定板2的位移量（由此确定活塞3的位移量）与作为所述位移的函数的电感的变化量之间的确定关系。其原因在于：涉及的量可结转为电感器的那些典型参数，即线圈的圈数、铁芯的横截面、空隙的长度等，并因此能以数学计算。
[0055] 本发明因此是基于将电磁体1的电感（也就是只依赖于体积几何形状的物理参数以及不受任意类型偏离影响的结构参数）的测量与活塞3的位移相联系的可能性。
[0056] 众所周知，电磁体的阻抗基于以下特性：
电阻因素，代表性的为组成线圈的
铜；由
匝数引起的电感因素；以及磁铁自身的几何形状。
[0057] 装置的运作特点是，测量电磁体的阻抗，Z=V/I，其中电压恒定（V=常数），以及在给定的最大时间（比如100ms）内测量每毫秒的瞬时电流I，该给定的最大时间等于施加到电磁体的典型脉冲的持续时间；获得比如一个毫米的行程：因此获得相应于位移的瞬间阻抗的一百个值，随后提供了其百分之一的测量。
[0058] 对于所述的，在之前观点提及的描述阻抗电流变化的公式（其可表示等效的电磁电路）是：
[0059] i(t)=(V/R)*[l–e-(R/L)t]
[0060] 其中，
[0061] R是电枢的纯阻抗，
[0062] L是电磁体的电感（其随着板的位移及时变动）；
[0063] V是施加的恒电压；
[0064] e是纳皮尔（Napier）常数，等于2.7182。
[0065] 阻抗R实际上是恒定的，只是作为温度的函数有较小变化，这种变化在任何情况下都可被纠正。如果需要极精准的调整行程，插入温度传感器足够更准确的矫正电磁体1的阻抗R值和测量阻抗。
[0066] 可以认识到电感L的变化改变电流的发生且其数学上关联到电磁体的构造几何，如此，通过对每一电磁体在恒压上进行一个简单的电流取样并且在第一次接通时对阻抗仅仅测量一次，就可以描述其特征，取样值在所有电磁体的工作条件下将重复出现，由于上述提到的原因，指示活塞3和相对于其固定的板2的位移。
[0067] 根据本发明，对阻抗的测量不受连接到该装置的系统的压力的影响，也不受所述的压力变化的影响，这是因为施加到电磁体1的力不依赖系统反压力，但依赖于决定注入液体量的活塞执行的行程。
[0068] 通过及时测量阻抗，可以在其行程的特定点阻止板，否则维持长的位移脉冲以便促进待被泵出的液体的流出，增加了液压效率，特别是在粘性
流体被处理的情况下。
[0069] 因此，每一个电磁体的特征可由其自己的一表格表示，在该表格中阻抗值将与行程关联并由
微控制器控制。
[0070] 根据本发明的特有特点，电磁体1连接到电子微控制器卡板，电子微控制器卡板被设计用来实时检测活塞3的位置（作为电磁体1的阻抗值变化的函数）并且因此根据要求调整活塞3的行程和同时由泵注入的液体量。活塞3执行的行程越大，计量泵的容量越高。
[0071] 在相对于板2固定的活塞3的行程期间，电磁体1的阻抗改变，因为对应于行程变化电磁体的磁力回路的磁
阻变化和因此其自身的电感变化。从此可推断，根据本发明，通过阻抗来控制行程，就像上面所说的那样。
[0072] 在纯粹是通过例子描述的实施例中，在工厂，在测试阶段初次启动该装置时，电子电路提供第一个脉冲，其导致活塞3完成其整个行程，通过对电磁体1中的电流和电压的测量，以一毫秒的间隔执行，将对应的电感的值和活塞的行程的实际值一起存储在内部
存储器中。
[0073] 考虑到电感是一仅随一些物理和机械特性的量的变化而变化的量，该物理和机械特性的量可决定行程的微小变化，很明显泵在其生命周期内需要更多的要执行的校准。
[0074] 然后微控制器将接收需要的活塞行程位置作为外部输入，并与计量泵的准确流量相联系，并以下述方式控制连接在电磁体上的电源电路，以便施加脉冲序列产生间歇的电
磁场来吸引和释放板2，板2相对于活塞3而固定，活塞3然后固定在隔膜4上，在泵壳5中位移后者并因此将液体剂泵送入到水溶液中。
[0075] 在活塞并由此板的每次位移期间，电磁体的阻抗将逐点地变化，并因此通过该阻抗的检测决定了所要执行的行程；这将使装置的微控制器可以识别活塞自身的停止点。
[0076] 一旦该泵被重置，为了使泵流量符合需求，电子卡板将按照
请求在可容许的
环境温度水平内管理电流，其中可容许的环境温度被视为计量泵的工作温度。
[0077] 以这种方式，有效的避免了比计量泵工作需要的必须量更多的能量消耗，性能级别维持很长时间不改变，这对计量和对装置的使用寿命都有益处。
[0078] 装备有所述控制装置的计量泵同样可以通过串行端口连接到远程计算机上，以使得能够对泵自身的操作进行干预。
[0079] 使用到此为止所描述的装置，第一个优点表现为调整活塞行程3的可能性，其作为计量泵必须有效执行的工作（因此调整必须注入的液体量）。这不仅节约了能量，使其限定在有效完成所述工作所需的水平，从经济上对使用者来说也节约了，这是因为长期不变的精确计量事实上避免了无用的添加剂消耗。
[0080] 第二个优点在于通过电子控制卡可以知道在活塞3行程期间活塞3的位置，准确性大约为百分之几毫米。
[0081] 第三个优点表现为下述事实：在微控制器的编程中设定活塞3的行程是可能的。这因此产生了进一步的双重优点：去除了为适当定义活塞行程必须的机械校准以及经济上节省了由于所述校准的成本。利用相同的产品构造，可生产具有不同技术性能的计量泵。
[0082] 并且本发明的进一步的优点是，包括到此为止所描述的电磁体的计量泵，工作在低于传统计量泵的工作温度下，因此防止过度加热，这是由于下述事实，即活塞行程的限制不用机械方式（其不减少输出到电磁体的能量，只是限制所述的能量）。
[0083] 计量泵的进一步的优点来自于新系统实现的如下的两个功能：
[0084] 1.“欠载”：在装置的正常工作中检测到在泵体里面缺乏液体或者添加剂；
[0085] 2.“过载”：在装置的正常工作中检测到可能的障碍物或者泵的导出管过压。
[0086] 所述的状态（欠载或者过载）能被检测到归功于这种可能性，即在电子装置的部分评定活塞的位置和其位移速率。
[0087] 在过载情况下，在泵壳内部液体或添加剂的缺少导致活塞位移的大幅增加，微控制器，通过实时控制电感的变化，检测所述的状态，并且基于在程序步骤中输入的设置参数、立即或在给定数量的脉冲之后发出这种状态的警报。在欠载情况下，系统能设想一个再装填（re-priming）程序，其在确定的且已编程的时期内启动提供给定量的注入。
[0088] 过载功能使电子装置的微控制器能够检测计量的不足，而不考虑适当的已知类型的外部装置（流量传感器）的存在：泵的导出管的阻塞，无论部分还是整体，都降低活塞位移速率，所述的降低是阻塞程度的函数；泵的电子电路获得所述的数据，一旦一定时期过去，将其设定为警报状态，指示过载状态。
[0089] 应指出在意大利专利No.1343207中描述的、以本发明
申请人的名字申请的题目为"POMEA DOSATRICE DOTATA DI MEZZI DI AUTOREGOLAZIONE DELLA POTENZA ASSORBITA"（“具有吸收动力自调节的装置的计量泵”）是这样一个计量泵，其通过开关控制活塞行程并在靠近行程终点附近停止向线圈供电因而消除无用的能量消耗。
[0090] 而且，在专利申请No.RM2009A000537中由本申请人用意大利语描述的题目为"DISPOSITIVO DI CONTROLLO DELIA CORSA DEL PISTONE DI UNA POMPA DOSATRICE"（“控制计量泵活塞行程的装置”）是一个计量泵，其设置有连接在电磁体的容量传感器，其不仅简单地控制活塞的行程末端，而且基于在容量器的板之间的距离立刻判定活塞位置，并且通过电子卡板执行的控制来确定和安排要计量的添加剂的准确数量。
[0091] 不像刚才提及的
现有技术，本发明基于电磁体1的电感的测量来控制活塞3的位置。这样，行程末端开关和容量传感器被去除。
[0092] 换句话说，电磁体1除了执行泵的驱动器的功能外，还作为电感传感器的功能，通过它活塞3的位置和因此泵的容量被检测和控制。
[0093] 最后，众所周知电子计量泵的其他生产者已经通过控制穿过电磁体的电流达到同样的目标，但是取得的结果还没有被证实为是适当的且胜任泵的工作。
[0094] 本发明已经通过优选的实施例描述和阐明，但是很明显本领域技术人员可以做出
修改和/或变化而不脱离本发明的专利权保护范围，比如以下设想是可能的：适合电磁体尺寸的线圈，具有几何形状的磁芯，使磁场离散最小化且对效率和减少
热损失有益的解决方法。
[0095] 在图中使用的标号清单：
[0096] 1 电磁体
[0097] 2 板
[0098] 3 活塞
[0099] 4 隔膜
[0100] 5 泵壳
