Bekannt sind Vorrichtungen zum Öffnen und dichtem Verschließen einer Abflussöff- nung eines Fluidkanals, die unterschiedlichste Verschlusskörper nutzen, wobei die- se oft mit einem Anker oder andersartigen starren Gelenken verbunden sind. Me- chanische, magnetische oder elektromagnetische Stelleinheiten gewährleisten eine Hubbewegung des Ankers.

In der DE 692 05 191 T2 ist ein Durchflussventil zur Regulierung des Fluidflusses mit variabler Strömung offenbart, das aus einer hydraulischen Drosseleinrichtung und einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zur Steuerung der Drossel- einheit besteht. Hierbei wird ein bewegbarer Kern aus ferromagnetischem Material innerhalb eines axialen Hohlraumes durch das Magnetfeld einer Spule bewegt.

Gleichzeitig ist der Kern mit einer Federeinrichtung verbunden, deren elastische Eigenschaften in Abhängigkeit der Wirkung eines magnetischen Joches gewählt werden und in koaxialer Richtung angeordnet ist. Nachteilig ist hierbei, dass insbe- sondere die mechanische Wirkung der Federeinrichtung auf den Öffnungs-und Schließprozess des Kerns nur sehr schwer zu bestimmen ist, insbesondere unter Beachtung des Fluiddruckes oder der aktuellen Fluideigenschaften, so dass eine genaue Dosierung der Fluide und damit der Durchflussmenge nicht möglich ist.

Ähnliche Vorrichtungen existieren auch für kugelförmige Schaltkörper, wie z. B. in der DE 39 08 859.

Darüber hinaus bleibt bei diesen Erfindungen das tatsächliche Schließ-und Öff- nungsverhalten des Ventils verborgen, da die Bewegung des Kerns bzw. des Ventils innerhalb des Hohlraumes unbekannt bleibt.

Neben der Verwendung von Spulen zur Erzeugung elektromagnetischer Felder kann das äußere Magnetfeld im Inneren einer Dosierkammer auch durch Perma- nentmagnete erzeugt werden. In der DE 40 37 945 C2 ist ein magnetisierbarer Schieber innerhalb einer Kammer als Verschluss offenbart, der durch die Verschie- bung von um die Kammer angeordneten Permanentmagneten bewegt werden kann.

Die Permanentmagnete werden für die Flüssigkeitsentnahme von Hand längs der Kammerwand bewegt und verschieben hierbei den Schieber in die Öffnungspositi- on. Eine genaue Dosierung der abgeflossenen Fluide ist mit dieser manuellen Vor- richtung nicht möglich.

Aus der DE 36 33 851 C2 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern von Sicherheitsventilen bekannt, um in einem Hydrauliksteuerkreis ein Unter-oder Ü- berschreiten des Ansprechdruckes, insbesondere bei langsamen Druckänderungen, innerhalb bestimmter Grenzen zu verhindern. Die Auswertung von in bestimmten Takten gemessenen Drücken bzw. Druckänderungsgeschwindigkeiten wird hierbei mit gespeicherten Kennlinien für den Hub de Ventilverschlusskörpers verglichen und das Schließverhalten der Abflussventile gesteuert. Nachteilig ist hieran jedoch, dass hierbei nur der gemessene Druck innerhalb eines gesamten Systems ausgewertet wird und keine volumenbeeinflussenden Parameter wie, z. B. die tatsächliche Vis- kosität der Fluide, in die Auswertung mit einfließen, so dass insbesondere Kleinst- mengen von Fluiden nicht über separate Ventile dosiert werden können.

In der EP 0 086 442 A1 wird in Figur 1 mit Beschreibung ein elektromagnetisch schaltbares Mikrodosierventil mit einem in einer Dosierkammer angeordneten mag- netisierbaren Schaltkörper, zwei Permanentmagneten und einer Magnetspule offen- bart.

WO 86/03297 A1 beschreibt ein in ein Ventil integriertes Viskosimeter, das insbe- sondere einen in einer Ventilkammer beweglichen magnetisierbaren Körper sowie Sensorspulen aufweist.

Aus der Druckschrift DE 38 33 678 A1 ist ein Gerät zum Erkennen des Durchflusses eines viskosen Mediums durch eine Leitung bekannt. Dabei wird ein magnetisierba- rer Schaltkörper in einer Ventilkammer gegen eine Feder bewegt und die Auslen- kung des Körpers mittels Spulen ermittelt. Die Auslenkung dient als Maß für den integrierten Durchfluss.

In DE 196 09 094 A1 wird bei einer Einrichtung zum Erkennen des Füllstandes der Kartusche einer Dosiereinrichtung aus dem Vergleich von kartuschenspezifischen Druck/Zeitfunktionen als Referenzkennlinien mit gemessenen Druck/Zeiffunktionen auf den jeweiligen Füllstand geschlossen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin- dung, ein Verfahren zur Dosierung von Fluiden für definierte Mengen, insbesondere Kleinstmengen, und eine korrespondierende Vorrichtung zur Durchführung des Ver- fahrens zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Durchführung des Verfahrens zum sequentiellen Dosieren von mit Über- druck beaufschlagten Fluiden mittels eines bistabilen, elektromagnetisch schalten- den Dosierventils mit integriertem Sensor zur Ermittlung rheologischer Fluideigen- schaften bereitgestellt. Durch Abschwächung und Verstärkung entgegengesetzt gepolter Permanentmagnetfelder in axialer Richtung, die zwei stabile Lagen inner- halb der Dosierkammer definieren, werden durch eine elektronisch angesteuerte stromdurchflossene Spule diskrete Schaltzustände für einen axial in einer Dosier- kammer beweglichen magnetisierbaren Schaltkörper, insbesondere für eine ferro- magnetische Kugel, erzeugt und bei der Bewegung des Schaltkörpers in eine stabile Lage eine Spannung in einem Magneffeldsensor, insbesondere einer Spule, indu- ziert. Der zeitliche Induktionsspannungsverlauf wird anschließend mit einer elektro- nischen Schaltung bzw. einem Rechner ausgewertet und auf der Basis von Span- nungsverläufen von Fluiden bekannter Viskosität die aktuelle Viskosität des Fluides in der Dosierkammer bestimmt. Durch die Messung dieser rheologischen Fluide- genschaften kann über die bekannten Schließ-und Öffnungszeiten der Ventile ein definiertes Fluidvolumen, insbesondere von Kleinstvolumina, dosiert werden.

Hierzu werden die zu dosierenden Fluide unter Druck der Dosierkammer zugeführt, wobei der magnetisierbare Schaltkörper durch einen Schaltungsimpuls derart ange- regt wird, dass er sich entweder in die stabile Verschluss-oder Öffnungsposition der Dosierkammer bewegt, und dass das Schaltverhalten des durch die Fluide um- strömten, sich bewegenden Schaltkörpers innerhalb der Dosierkammer gemessen wird. Das tatsächliche Schaltverhalten wird mit bekanntem Schaltverhalten des be- wegten Schaltkörpers verglichen und somit eine dosierte Abgabe von definierten Fluidmengen, insbesondere Kleinstmengen ermöglicht. Hierbei wird entweder die tatsächliche Viskosität eines Fluides unbekannter Viskosität aus dem Vergleich zwi- schen dem tatsächlichen Schaltverhalten des bewegten Schaltkörpers und dem vorher bestimmten Schaltverhalten des Schaltkörpers bei Fluiden bekannter Viskosität ermittelt oder einmalig das Schaltverhalten des zu dosierenden Fluides bekannter Viskosität gemessen und als Grundlage für das aktuelle Schaltverhalten des Schaltkörpers zur Dosierung genutzt.

Das Magnetfeld des auslassseitigen Permanentmagneten wird über einen sich ver- jüngenden Auslassadapter auf die Mitte der Dosierkammer gebündelt, wodurch eine zusätzliche magnetische Zentrierung des Schaltkörpers beim Erreichen der stabilen Verschlussposition erreicht wird. Das dünnwandige Ende des Auslassadapters ist von einer unmagnetischen Hülse umgeben, wobei beide eine kalottenartige Kontur zur Dosierkammer hin aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform ist anstatt der unmagnetischen Hülse eine Potentialtopfhülse auf das dünnwandige Ende der Aus- lassöffnung gepresst. Die Potentialtopfhülse hat zur Kammer ebenfalls eine kalotte- nartige Kontur mit einer zentrischen Bohrung. Das durch die Verjüngung des Aus- lassadapters auf die Mitte der Kammer konzentrierte Magnetfeld des Permanent- magneten bildet zusammen mit der Potentialtopfhülse einen sogenannten Potential- topf. Die magnetische Isolierung durch die Potentialtopfhülse bewirkt, dass der fer- romagnetische Schaltkörper nicht direkt auf dem ferromagnetischen Auslassadapter aufliegt und so die Haftkraft in definierter Weise eingestellt werden kann.

Durch Messung der Schaltzeit zwischen dem Schaltungsimpuls und dem Stoppen des Schaltkörpers in einer stabilen Verschluss-oder Öffnungsposition wird hiermit ein eindeutiges Schaltverhalten des Schaltkörpers in Abhängigkeit vom umgeben- den Fluid definiert. Bei der Ausführungsform mit auslassseitigem Potentialtopf, ist das Einnehmen der Verschlussposition auch von der Potentialtopfhülse abhängig,

da durch die Materialstärke zur Dosierkammer hin, die Haftkraft des Schaltkörpers an der Auslassseite variiert werden kann. Verschmutzungen in der Dosierkammer können durch Änderungen eines bekannten Schaltverhaltens, insbesondere einer Verringerung der Schaltzeiten des Schaltkörpers in Abhängigkeit des umgebenden Fluides detektiert werden.

Ebenfalls kann das Dosierventil aus mehreren separaten Dosierkammern bestehen, deren Zu-und Abführungen durch definiert elastische oder unelastische Kopplung- elemente verbunden sind, wobei die Schaltzeiten für jede Dosierkammer einzeln bestimmt werden. Hierbei werden die Dosierkammern phasenversetzt in Abhängig- keit von den elastischen Eigenschaften der Kopplungselemente durch eine Kontroll- einheit (nicht dargestellt) angesteuert. Bei der Einventiltechnik folgt auf einen Ein- schaltimpuls nach definierter Zeit ein Ausschaltimpuls. Durch Hintereinanderreihung der Dosierkammern, verbunden mit einem definierten elastischen Kopplungsele- ment, z. B. einem elastischen Schlauch definierter Länge und definierter viskoelasti- scher Eigenschaften, erreicht man durch sequentielles Öffnen und Schließen jeweils nur einer Dosierkammer die Dosierung von Kleinstmengen. Hierbei wird nur noch eine Dosiermenge entsprechend des elastisch verformten Schlauchvolumens auf- grund des Überdrucks auf der Eingangseite für die Dosierung freigegeben, da im- mer nur ein Ventil offen ist. Eine weitere Möglichkeit ist die Kopplung von mehreren Dosierkammern mit unelastischen Kopplungselementen. Zur Dosierung von Mikro- mengen werden die Dosierkammern mit einem Phasenversatz angesteuert. Dabei wird zuerst die Dosierkammer auf der Einlassseite geöffnet und anschließend die Dosierkammer auf der Auslassseite. Während die Dosierkammer auf der Auslassseite geöffnet ist, wird durch die Dosierkammer auf der Einlassseite der Fluidstrom unterbrochen.

Der magnetisierbare Schaltkörper besitzt nur zwei stabile Lagen, nämlich nur die Verschluss-oder Öffnungsposition in der Dosierkammer, die auch durch äußere mechanische Einflüsse auf das Dosierventil, wie z. B. durch Stöße oder durch gravi- tative Kräfte, nicht verändert werden, wobei diese durch mindestens zwei perma- nente Magnetfelder mit gleichem magnetischem Fluss und gleicher Ausrichtung der Pole in Richtung des Schaltkörpers gewährleistet werden.

Um die Dosierkammer ist eine Spule angeordnet, die ein elektromagnetisches Feld innerhalb der Dosierkammer erzeugt, wobei, in Abhängigkeit von der Stromrichtung in der Spule, der Verlauf des elektromagnetischen Feldes einen Teil der permanen- ten Magnetfelder abschwächt bzw. verstärkt. Die Stromstärke bzw. Spannung in- nerhalb der Spule wird so hoch gewählt, dass die durch das elektromagnetische Feld hervorgerufene Abschwächung bzw. Verstärkung des permanenten Magnetfel- des so groß ist, dass der magnetisierbare Schaltkörper entweder nur noch in der Verschlussposition oder in der Öffnungsposition der Dosierkammer eine stabile La- ge einnimmt. Weiterhin ist um die Dosierkammer ein Magnetfeldsensor, hier eine Messspule, angeordnet, in der in Abhängigkeit von der Bewegung des magnetisier- ten Schaltkörpers in eine stabile Lage innerhalb der Dosierkammer eine Spannung induziert wird.

Innerhalb der Messspule wird nur ein sehr kurzzeitiger Strom-bzw. Spannungsstoß induziert und über eine Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) anschließend die Charakteristik des Induktionsspannungsverlaufes in dem Magnetfeldsensor ausge- wertet. Die Dauer-Magnetfelder werden durch Permanentmagnete, insbesondere Ringmagnete, erzeugt, wobei die Permanentmagnete um die Dosierkammer ange- ordnet sind.

Der größte Spannungswert in der Messspule wird erzeugt, wenn der Schaltkörper auf die Adapterflächen auftrifft. Nach einer Verstärkung und Differentiation des indu- zierten Signals erkennt man das Aufschlagen des Schaltkörpers an einem hohen Spannungsmaximum. Die Zeit vom Beginn des Stromimpulses bis zum ersten Spannungsmaximum entspricht der Öffnungs-bzw. Schließzeit des Ventils. Bei konstantem Druck an der Einlassseite ist die Durchflussmenge nur von der Viskosi- tät des Fluids abhängig. Durch Auswertung der Schaltzeiten lassen sich von einem bekannten Fluid unbekannter Viskosität rheologische Eigenschaften bestimmen, mit deren Kenntnis die aktuelle Viskosität ermittelt werden kann, wenn die Öffnung- bzw. Schließzeiten in Abhängigkeit von der Viskosität des verwendeten Fluides vor- her bekannt sind. Anschließend kann unter Zuhilfenahme der bekannten strömungs- technischen Gesetzmäßigkeiten die Durchflussmenge errechnet werden. Änderun- gen der Viskosität eines Fluides, zum Beispiel durch Temperaturänderungen, kön- nen somit erfasst werden und die Öffnungszeit des Ventils kann, zur Sicherstellung eines konstanten Volumen-oder Massenstromes, entsprechend verstellt werden.

Das Verfahren eignet sich sowohl für reine Fluide, als auch für pigmentierte Fluide.

Außerdem kann das Ventil auch zum Mischen mehrerer, durch unterschiedliche Kanäle zugeführter Fluide verwendet werden, wenn der Schaltkörper ständig von einer Endlage in die andere bewegt wird.

Weiterhin kann die Größe der beim Auftreffen des Schaltkörpers auf die Adapter entstehenden induzierten Spannungsmaxima ausgewertet werden. Bei sehr reinen, unpigmentierten Fluiden trifft der Schaltkörper ungedämpft auf die Adapter und es entsteht infolge der sehr großen Geschwindigkeitsänderung des Schaltkörpers ein sehr hohes Spannungsmaximum. Sind die Fluide stark pigmentiert, könnte es zu Ablagerungen im Ventil kommen, die eine starke Dämpfung der Bewegung des Schaltkörpers und damit ein kleineres Spannungsmaximum bewirken. Eine begin- nende Verstopfung des Ventils kann so frühzeitig erkannt und geeignete Gegen- maßnahmen, z. B. Spülen des Ventils mit einer Reinigungsflüssigkeit, können einge- leitet werden. Wird gar kein Spannungsmaximum festgestellt, kann man davon aus- gehen, dass der Schaltkörper sich nicht bewegt und mit großer Sicherheit eine Stö- rung im System vorliegt.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben ; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden Figu- ren näher beschrieben ; es zeigt : Fig. 1 Längsschnitt des Dosierventils mit zentrischen Zu-und Ableitungen ; Fig. 2 Vergrößerter Längsschnitt der Dosierkammer mit zentrischen Zu-und Ableitungen, wobei der ver- jüngte, dünnwandige Auslassadapter von einer un- magnetischen Hülse umgeben ist Fig. 3 Vergrößerter Längsschnitt der Dosierkammer mit zentrischen Zu-und Ableitungen in der Ausfüh- rungsform mit einem auslassseitigen Potentialtopf

Fig. 4 Längsschnitt des Dosierventils mit axial ver- setzten Zu-und Ableitungen ; Fig. 5 Längsschnitt des Dosierventils mit zwei hinter- einander geschalteten Dosierkammern mit zentri- schen Zu-und Ableitungen.

Fig. 6 Öffnungs-und Schließzeit des Ventils ermittelt aus der differenzierten Induktionsspannung in Ab- hängigkeit von der Zeit Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dosierventil 10 mit einer die Dosierkammer 18 umschließenden Spule 13 und einer Durchgangsbohrung 20, in der ein Einlass- adapter 14 und ein Auslassadapter 15 eingesetzt sind. Auf die außenliegenden Stirnflächen des Ein-14 bzw. Auslassadapters 15 werden die Permanentmagnete 12a, 12b, hier Ringpermanentmagnete, in jeweils gleicher Orientierung in Richtung der Dosierkammer 18 aufgesetzt. Der Auslassadapter 15 besitzt einen Auslasskanal 21 der hier als Durchgangsbohrung dargestellt ist. Die Ein-14 bzw. Auslassadapter 15 verfügen über einen Schlauchanschluss 23. Innerhalb der Dosierkammer 18 be- findet sich der magnetisierbare Schaltkörper 11, der in Verschlussstellung in einer kalottenartigen Kontur 19 die Abführung 21 dicht verschließt. Um die Dosierkammer ist ein Magnetfeldsensor 16 angeordnet. Der Einlassadapter 14 besitzt eine zentrale Bohrung im Eingangsbereich, die sich in ein oder mehrere in die Kammer tangential mündende einseitigen Zuführungskanäle 20a, 20b aufspaltet.

In Fig. 2 ist erkennbar, dass sich auf dem Auslassadapter 15 ein dünnwandiger Be- festigungsabsatz befindet, durch den das permanente Magnetfeld derart gebündelt wird, dass die Zentrierung des Schaltkörpers 11 in die kalottenartige Kontur 19 be- wirkt wird. Auf den dünnwandigen Befestigungsabsatz des Auslassadapters 15 ist eine unmagnetische Hülse 17 aufgepresst.

Fig. 3 zeigt eine zu der in Figur 2 veränderte Ausführungsform des Auslassadapters.

Eine Potentialtopfhülse 25 ist auf das dünnwandige Ende der Auslassöffnung ge- presst. Die Potentialtopfhülse hat zur Kammer eine kalottenartige Kontur mit einer zentrischen Bohrung. Durch die Verjüngung des Auslassadapters auf die Mitte der

Kammer wird das Magnetfeld des Permanentmagneten zusammen mit der Potenti- altopfhülse konzentriert und bildet einen sogenannten Potentialtopf. Die magneti- sche Isolierung durch die Potentialtopfhülse bewirkt zudem, dass der ferromagneti- sche Schaltkörper nicht direkt auf dem ferromagnetischen Auslassadapter aufliegt und so die Haftkraft in definierter Weise eingestellt werden kann, in Abhängigkeit von der Materialstärke der Potentialtopfhülse zur Dosierkammer.

In Fig. 4 ist ein Dosierventil 10 mit seitlicher Fluidzu-20a und-abführung 21 darge- stellt. Im Einlassadapter 14 sind keine Zuflusskanäle mehr vorhanden. Die einseitige Zuführung 20a wird in einem Rohrspalt realisiert. Statt Ringpermanentmagneten können zylindrische Permanentmagneten 12a, 12b als permanente Magnetfelder- zeuger verwendet werden.

In der Fig. 5 ist ein Dosierventil 10 mit mehreren Dosierkammern 18 dargestellt, wobei die Abführung 21 der rechtsseitigen Dosierkammer 18 mit der Zuführung 20 der linksseitigen Dosierkammer 18 über ein definiert elastisches oder unelastisches Kopplungselement 24 verbunden ist. Hierbei werden die einlassseitigen und aus- lassseitigen Permanentmagnete 12a, 12b jeweils bezüglich ihrer magnetischen Po- lung gleich zu einer Dosierkammer 18 ausgerichtet, wobei die Polung für die einzel- nen aufeinanderfolgenden Dosierkammern 18 alternierend wechselt. Die Anordnung dient im Besonderen der Realisierung von Mikrodosiermengen, die aufgrund der Schaltzeit innerhalb einer Dosierkammer 18 nur schwer zu realisieren sind. Hierfür wird eine zeitlich versetzte Ansteuerung der beiden Dosierkammern 18 genutzt.

Figur 6 zeigt die differenzierte Induktionsspannung U [Volt] in Abhängigkeit von der Zeit t [s] im Magnetfeldsensor und der daraus ermittelten Öffnungs- (to)-und Schließzeiten (tc) in einem in Figur 1 dargestellten Ventil. Das Auftreffen des Schalt- körpers 11 ist an einem hohen Spannungspeak im differenzierten Sensorspulensig- nal deutlich erkennbar. Der Spannungspeak kann mittels eines Triggers in einen digitalen Impuls umgewandelt werden, welcher das Ende der Zeitmessung angibt.

Bezugszeichenliste 10 Dosierventil 11 Schaltkörper 12a einlassseitige Permanentmagnete 12b auslassseitige Permanentmagnete 13 Spule 14 Einlassadapter 15 Auslassadapter 16 Magnetfeldsensor 17 unmagnetische Hülse 18 Dosierkammer 19 kalottenartige Kontur 20 Zuführung 20a einseitiger Zuführungskanal 20a einseitiger Zuführungskanal 21 Abführung 22 Durchgangsbohrung 23 Schlauchanschluss 24 Kopplungselement 25 Potentialtopfhülse