专利名称：用于电磁泵的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于操作电磁泵的控制系统。更明确地，本发明涉及依照权利要 求的控制系统和方法。
背景技术：
应用压力或负压的电磁泵已发现存在有大量各类的变化和尺寸，并应用在许 多不同的应用中，从大的工业泵到用于医学目的非常小的泵。对于电磁泵例如 隔月媒的不同的应用领域，除了这些泵盼性能外，还存在很多需求。对于隔膜 泵购买者来说， 一个重要的问题是厂商提供的泵在很大禾，上被标准化为仅仅 几种不同型号，这很大程度上是因为泵制造者在生产中追求规模经济。这些泵 的有限的多样性意歸存顿于更有效的控帝係统的需求。这使制造者能以一 种更好的方式满足特殊的用户需要，并能降低成本，同时改善包含泵的产品的 性能。目前缺少一种用于电磁泵的优质、简单、标准、低维护和便宜的控制系
借助于一个或多个电磁铁而被驱动的隔B媒是相当普遍的。电磁铁产生例如 使得隔膜产生^M动的来回的运动。电磁驱动隔膜泵的一个优点为它们更紧 密地结合至隔膜，这使其可能例如改变冲程的长度，而这不會腿过由带有偏心 體的旋转电动机掛共动力的隔S媒完成。此外，电麟由非常少的零件组成， 这使得它们的制造便宜。尽管如此，电磁泵仍然不大普及，这是由于几个问题 导致了电磁铁在为隔膜泵提供动力方面显然不比旋转电动机更好的事实。电磁 泵的一个重要问题为，很X隹在不引入伴随更多零件和附加摩擦力的操作杆的情 况下增加至更高的压力。而另一个问题为很难在不碰撞泵的底部的情况下，最
优化电磁泵使其精确地在结束位置转变方向。碰a^部导致縮短工作寿命，而 早转变方向导致较差的压力性能。因此电磁泵经常事先调整至不能改变的确定 的压力，这导致了明显的局限性，也常常是个问题。电磁泵的又一问题为它们 比带有旋转电动机的泵的控制更加 ^，并通常仅育誕过电压量而控制。 另外的存在的问题缘自泵的实际运行和使用。在摆动泵例如电磁泵和具有偏心装置的旋转电动机的泵的使用过程中，在压力和流动中引起振动。这些在
许多情形下为有害的，并会例如干扰测量IKit介质的测量传感器。为了最小 化该干扰性的振动，大容器或容积的所谓的空气电容器经常IOT来使流动平稳。 然而由于它们占用许多的空间，并且该皿介质有在该介质最终到达气体传感 器之前在这些容器内被混合的危险，因此，这不是一个好的解决方案。这减小 了例如测難置的灵驗和响应时间。泵的〗顿的另一个问题为，流量被系统 内的压力高低所影响。通常需要流量和压力为恒定的。泵的性能很大程度上取 决于周围压力是否由于某些原因而变化。这意 —个人必须以优良精度测量 压力或者流量或者两者都测量，并且在许多应用中为了控制泵这是必要的。这 增加了系统的成本和复杂性。另外一个问题是必须对多个皿行调整，以达到 共同的结果，例如气体的混合。Sit成了具有数个流量计、压力表和阀的非常 复杂的系统。还有一个问题是获得一种完全不需要校准以及不被操作和老化影 响的控制系统。
由于上面提到的问题，包含泵的系统和产品经常引起由许多零件组成的非 常，的设计，其使得产品价格高昂。 现有技术
在瑞典专利申请SE7503408中，使用光传感器，fflil用计数法读出逻辑1 或逻辑0，以停止或启动电磁铁，从而确保泵不至U达其结束，，然而该解决方 案与这里描述的解决方案有很大不同，因为他们的解决方案缺少在所有的剩余 时间的过程中所发生的信息，其中所有的剩余时间由该移动部件处于除了读出 的仅仅两个结束位置之外的所有其他位置的时间构成。其也不具有增量解散 (disbandment)， ^t于在i媒，的时间中的冲程，育g够自由地改变增量冲程 是必要的。有人提议可将借助于螺丝能够移动的 L用于变化的增量。专利文献 US6616413描述了一种基于传繊的控制系统，其iWl感应自动地调节电M 的共振频率。
尽管现有的电磁驱动隔膜泵许多次达到目的，没有一个结合来自旋转电动 机驱动的隔膜泵和电磁铁驱动的隔膜泵二者的优点而不带有伴随两种类型泵的 任何缺点。因此本发明的目的是提供一种隔膜泵，其基本上包含来自各自类型 的隔膜泵的优点而不带有任何缺点。该系统与这里描述的系统有很大的不同， 因为他们的系统缺少解决所有在这里描述的问题所需要的精度和准确度以及主要地旨在最优化效率。
所有开始提到的问题导致了存在很大的潜力用于改善电磁泵的控制系统。 通过利用广泛的可控制性和非常直接的耦合至电磁泵的电源，与带有旋转电动 机的泵以及当前存在的缺少这里所描述的控帝係统的电磁泵比较，有可能以有 说服力的方，决所有的，问题，并极大地改善和增加电 使用的范围。 本发明的详细描述
本发明将在下面的正文中参考示意性的附图详细地描述，该附图以一示例 性的目的示出了本发明当前的，实施方式。
图1表示根据本发明的第一实施形式的控制系统。 控制系统
参看图1，示出了根据本发明的控制系统。该系统由樹，制电压并为该系
统供电的电源驱动，M电压读出器5，用所需要的能量来驱动该系统。该系统 包括至少一个微处理器l，其采^^有的 ，存储数据，计算数据并向前m 该数据。数据从至少一个位置传 采集。，地，该控制系统还包括至少一 个^^传自4、至少一个电流计9 (电表)和至少一个电压测量器8 (伏特计)。 在替代的实施方式中，可禾,这些传感器的另外的变化。来自传感器的采集的 数据由微处理器进行计算，并且其后控制信号! ^至电路7，电路7接下来控 制电磁铁的能量供给。该电磁铁接下来作用于移动部件，移动部件的位置和位 移MM少一个，传自检测，该tM传^Mtei也包括至少一个光，器2， 该光鄉器2将光織至至少一个光接收器3 。该控制系舰包括允许控制几个 泵和/或用于它们彼此配合的网络界面6 o 隔月艱
该控制系统设计成控制几个不同类型的电磁驱动泵。在图1的示例性设计 中，该控制系统用来控制电磁驱动的隔S媒。该例子不应当视作对于根据本发 明的控制系统在专利保护上的限制，因为该控制系统本质上设计成适用于所有 的电磁驱动泵。该隔膜泵包括盖板(gable) 22，该盖板包括圆形软,接头。 盖板22与法兰20结合在一起。在盖板22和法兰20之间的空间存在一个瓣阀 (止逆阀，止回阀，单向阀或者其他的防止回流的装置)21的示意图，瓣阀21 可由为了该目的的适当类型的瓣阀构成。隔膜18被夹紧在法兰20和附加法兰 19之间。这形成了在隔膜和法兰20之间的具有进口和出口的泵室。轴(移动部件)12连接(固定)至该隔膜。斑由悬浮在滑动轴承14内并被设计成能在轴向 移动。该轴具有在径向向外延伸的加宽部分17。 i亥加宽部分17會,吸引围绕该 轴的两个圆形电磁铁15或者16中的任一个。通过轴的加宽部分移动,电磁 铁，电磁铁吸弓脚的加宽部分17，这是由于电磁铁形成的磁场的存在。通过交 替地激化电磁铁15和16， 一往复的^t动可在轴向粒。可替代地，电磁铁 中的一个可由弹簧替换。 控制系统的定位功能
由电磁铁发出的磁场弓胞的移动部件的轴向移动达到不同的范围，在该轴 (移动部件)上的位置13遮挡从光mt器2发送至光接收器3的光。该移动部 件在所有位置都会以某种禾號遮挡光接收器和光鄉器之间的光。该遮挡的光 导致的阴影的大小可被观懂作为在该光接收器处的模拟电压。该模拟电压导致 该定位光传,会具有极大的分辨力(resolution)。该光接收器测量其敏感的所 有波长范围内的所有的光，这些光可以是来自其他方向和其他光源，并不仅是 来自光接收器的皿器。为了排除这些扰乱源，该光发送器被以非常高的频率 密度打开和关闭，使该系统能经常控制实际上来自光鄉器的光的多少。适当 地，光鄉器和光接收m雌择共同具有一个光宽(魏的或接收的光锥的宽 度)，该光宽由比泵冲程长度大的在10至11之间的距离构成。然而一更长冲程 的长度可以通过使圆锥端在轴(移动部件)上进行测量，但是这导致在轴的悬 浮上的更高精度要求，以便没有径向游隙(radial play)产生，径向游隙可能被 该系统劍率为轴向移动。该系统具有^^传感器4，用于补偿在电磁铁和光定位 传感器内的可能的改变(,偏移)。 定位功能的自动校准
该系统还包括用于测量的自动校准功能，以补偿移动部件位置的光测量的 可能的，源。在光狈糧中的，源可能由例如在该泵的操作过程中的老化和 磨损所引起。该自动校准通过机械地限定的割立置，或者依靠电磁铁机械地将
该泵设定在其转向位置，并且其后在这些转向位置由光学系统的位置指^a行
表示的地方，光学地测量并更新信息而达到。该系统以这种方式防止例如随着 时间形成的老化、操作或污物造成在光接收器上测量的，莫拟f直的差异。以这种 方式从光對寸器的操作到光接收器的接收的^过程(chain)被校准。 控制电压用于该泵的控制系雜圣由微寺计5接收电力。il^则量该系统被Mf共动力 的操作电压，该操作电压的电平同样运行作为该泵的控制信息，并且以这种方 式其育嫩与由恒定电力(regular electrical)直流(DC)电动机带动的泵兼容， 而这种泵是目前市场上最普遍存在的类型。如果需要替换现存的设备中的其他 泵，采用根据本发明的控制泵来替换不同类型的泵是非常有利的。下面描述如 何实现这一点。 运行中的泵(控制系统)
当连接至伏特计5时，泵(控制系统)接粉卜部输入的6伏电压。同样的 电压并，微处理器l，这时期每打开。该微处理器开始测量系统的温度，以使 用该^^来补偿源自于温度的可能的测4^差。该过程在软件内连续iikit行， 本说明书中不再提及。该微处理器致使光魁寸器im地以10kHz的频率闪光。 其后微处理器借助于自来电磁铁7的操作激活电磁铁15。
电磁铁在轴向朝着电磁铁15牵引泵的轴(移动部件)，直到该移动部件到 达其与电磁铁机械ifeii接的转向位置。然后微处理器测量在光接收器3处的电 压。该电压在光鄉器打开和关闭时均被测量。微处理器计算电压差异并将其 存储在存储器中，作为用于凝的定义的转向位置。M首先使电磁铁15不起
作用并且改为激活电磁铁16，同样的程mi在另一个转向位置执行。微处理器
辨别出泵的两个端部位置，并因此能够避免碰撞转向位置。微处理器将连续地 测量阴影的大小，以连续精确地控制该轴在转向位置之间所处的位置。尽管阴 影的大小与电压差异之间并不完全是线性关系，但借助于所谓的线性表，该电 压差异冑,转变为特定的位置。然后微处理激则量显示6伏的伏特计5。该微处 理器例如早已被编程为6伏的输入电ra"应全冲程长度和6Hz的冲程频率。在 该实施例中，微处理:^皮编程为以输入电压的伏数^冲程频率。然后微处理 器通过交替地激活电磁铁弓胞轴来回地往复移动。其^顿光定位传繊来及时 改变方向，从而该泵能够避免会弓胞磨损和破裂的泵的端部点的撞击。其会调 节泵的鹏从而达到6Hz的频率。该速度的调整可以例如舰向电磁,加更 高的电压实现。在该 的解决方案中采用的方法是，通过4OT大体上比泵的 速度高的频率，借助于控制供给至电磁铁的电力的电路7，中断、关闭和打开作 为电压控制的输入电压，在该方案中采用的是六伏电压。因此，该设计中部件 的数量可以实现最小化，并避免电压的调整，并且从而同样可以避免在控制电子设备7中的电压降形式的能量损失。
如果该方案中的控制系统的控制电压升高至7伏，系统的控制禾ii^维持 全冲程长度不变，但相应地升高该冲程频率至7Hz。以这种方式可以模仿 (imitate) —直流(DC)电动机，并从而具有替换市场上现有的直流(DC)驱 动泵的可能性。改魏作电压当然能够控制除频率之外的其他东西。频率能够 保持疸定，并且冲程长度能够M操作电压控制。此外操作电压能够控制实际 流量或压力，这将在后面描述。因而，可以实现线'瞎的功能。 网络界面
操作电压同样能够保持恒定，并且该泵可替代iM过泵所具有的具有现有 通信/网络协议的网络界面6控制。该网络界面设计成使得几个控制系统旨,一
起控制，并且彼itb^间以及与其他的外部传感器和系统协作。这使得泵能被一
起控制以彼此协作，还能与其他的外部传，和系统协作。M在几个控制系 统之间的协作，较大的泵能够舰几个或较大的电磁铁而被操作。通过〗顿该 网络界面，几个泵可并联工作，目的是一起产生大的流量。串联连接在改善压 力性能方面能达到令人满意的效果。并联的泵可通过延迟的控制系统网络界面 工作时间，通过当第二个泵泵入时使第一个泵泵出，以补偿流动波动。多于两 个泵更能使波动平稳。网络功能性的另一个作用为同一个总线能够用较少的电 子装置和连接元fHS制几1^。该网络界面还可为无线的。 压力计算
该控帝係统同样能计算从泵产生的压力。稍微简化的用于测量压力的方法 依照以下所说描述。在电磁铁吸引移动部件的方向上加速度的大小，为电磁铁 产生的拉动隔膜的力和缘自泵室内形成的正压或负压在相反方向拉动隔膜的相 反力之间的力的差异的量度。
借助于位置传感器，可以知道在任意给定时刻的移动部件的位置、移动的 快慢以及加速度。电磁铁在离轴的每个距离处产生的力通过测量(校准)已经 知道。如果观懂了该加速度并与已知的力比较，可!柳公式A二F1-F2来计算由 泵内压力产生的未知力。此后，当已得知由压力产生的力，可用公式IMVA来 计算压力大小。
当然还有其他的影响因素，例如轴承内的摩擦力、隔膜的弹力、其他的弹 力、空气阻力和温度。然而，这些参数的重要性取决于每个泵是如何构造的，而这就是为什么该简化的描述不考虑它们的原因。
除了先鹏到的应用领嫩卜，该控制系统同样可用于经由在运行过程中测 量不同压力的流量性會^/冲程并存储在泵中来测量泵的流量。从而借助于以下公 式来计算流量流*=冲程频率*在特定压力的流量性能。 配絲该控制系统的泵的应用实例
该控制系统用于控制与定量器连接的泵。由于帝隨过程中的校准在每W寺 定的压力处的流量性齢冲程为已知的，所以泵育辦定量。魏的容积=冲禾徵 量*在特定压力的流量性會^/冲程。
该控制系统还可用于控制在混合不同介质过程中的泵。借助于该控制系统， 泵的流量领糧功能加之网络功能可用于形成能以高精度混合不同介质的非常简 单和实用的系统。
该控制系统还能用于增加泵出压力。该泵可以在全冲程长度菊送，并且随
后当需要时，可以减小冲程长度并在运行的电磁铁附近摆动。这^i到一相当
大的力，用以操作隔膜，泵出压力在这里增大。
即使在这里详细地描述了控帝孫统的雌的实施方式和用于控制该控制系 统的方法，本领域技术人员应该知晓在本发明范围内的变动和较小的改变，并 且所有的这些瞎形将被认为落入下面的权利要求的范围之内。
权利要求
1、用于控制电磁驱动泵例如电磁驱动隔膜泵的控制系统，包括至少一个微处理器(1)和至少一个传感器，其中该微处理器控制供给至至少一个电磁铁(15，16)的能量，其中发出的磁场的变化引起至少一个移动部件(12)执行往复移动以达到泵送作用，以及其中设置至少一个位置传感器以感测该移动部件(12)在电磁驱动泵中的位置，其特征在于该位置传感器包括至少一个光发射器(2)和至少一个光接收器(3)，泵的移动部件(12)遮挡该发射器和该接收器之间的光至一定程度为其大小取决于该移动部件的位置，该微处理器(1)被设定为，由与光接收器(3)处的电压相对应的阴影的大小，连续地计算与该遮挡的区域的大小相关的该移动部件的位置。
2、 根据权利要求1的控制系统，其特征在于该移动部件在所有的位置都 遮挡at器和接收器之间的光。
3、 根据权利要求1的控制系统，其特征在于为了位置传繊功能的自动校准，该微处理器(1)设计成随着电磁铁(15， 16)将移动部件吸引至至少一 个已知^S而记录来自光接收器(3)的电压。
4、 根据权利要求1或2的控制系统，其特征在于该光鄉器(2)设计 成以至少比泵的冲程频率高20倍的频率闪光。
5、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于设置传感器，以通 过测量移动部件(12)顿的冲程期间的加速度来测量i録的泵出压力。
6、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于该微处理器(1)连接至至少一个传繊(9)，该传麟(9)设计成记Mil电磁铁(15， 16) 的电流。
7、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于该微处理器(1) 连接至至少一个^传感器(4)，以采用测得的，数据用于该控制系统的温 度补偿。
8、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于设置传繊，以借 助于不同压力下W^冲程的已知流量性能来测量流量。
9、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于该微处理器(1) 设计成由被伏特计(5)测量的输入电压电平进行控制。
10、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于该控制系统具有 以下功能该泵以恒定频率被驱动并且流量随着该移动部件(12)的冲程长度 变化。
11、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于当对于周围系统 或传感器最有利时，该控制系纟級时与外部系统或传感器同步来控制该泵执行
12、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于该控制系统具有 控审揼以产生变化长度的单个冲程的功能。
13、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于该微处理器(1)包括能够将几^^控制系统结合在一起的网络功能(6)。
14、 根据权利要求12的控制系统，其特征在于该控制系统设计成使用流量测量和网络功能以在气体混^:程中控制 。
15、 根据权利要求12的控制系统，其特征在于该控制系统设计成利用该网络功能与几个控制系统合作，Mi^顿几个或更大的电磁棘驱动较大的泵。
16、 根据权利要求12的控制系统，其特征在于该控制系统设计成使用其网络功育g在几个连接的^t间延时泵冲程以平衡流量波动。
17、 根据权利要求12的控制系统，其特征在于该控制系统设计成4顿其网络功魁空制几个并联的泵，以增加流量性能。
18、 根据权利要求12的控制系统，^f寺征在于该控制系统设计成使用其网络功倉鹏制串联结合的泵，以增加压力性能。
19、 根据前述任一项权利要求的控制系统，其特征在于该控制系统设计 鹏与输入电压成比例的流量的线性函数，4顿流量测量来控制凝。
20、 根据权利要求1-17中任一项的控制系统，其特征在于该控制系统设计成用与输入电压成比例的压力的线性函数，使用压力测量^S制i，。
21、 用于控制电磁驱动泵例如电磁驱动隔膜泵的方法，具有根据前述任一 项权利要求的控制系统，其特征在于微处理器(1)测量来自至少一个位置传感器的测量值，其递增地测量该移动部件的位置和位移，其中该微处理器计算该观嶋的测量值，并根据该泵所需的性能调节供给至该电磁铁(15， 16)的能量的控制。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制电磁驱动泵例如电磁驱动隔膜泵的控制系统和方法。该控制系统包括至少一个微处理器和至少一个传感器，其微处理器控制至少一个电磁铁的电源，电源在发射磁场的改变引起至少一个移动部件，直接地或间接地执行摆动泵送运动。本发明特征在于该控制系统包括至少一个定位传感器，其感测该移动部件在该电磁驱动泵中的位置。通过采用该定位传感器的测量，该泵可以进行精确控制。
文档编号H02K33/12GK101310109SQ200680042580
公开日2008年11月19日 申请日期2006年11月12日 优先权日2005年11月15日
发明者约翰·斯坦伯格 申请人:约翰·斯坦伯格