Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung von Dosierprofilen von Verdrängerpumpen. Verdrängerpumpen weisen im Allgemeinen ein bewegliches Verdrängerelement auf, das einen Dosierraum begrenzt, welcher über Ventile mit einer Saug- und einer Druckleitung verbunden ist. Dies hat zur Folge, dass durch eine oszillierende Bewegung des Verdrängerelementes alternierend Forderfluid über die Saugleitung in den Dosierraum gesaugt und über die Druckleitung aus dem Dosierraum gedrückt werden kann. Dem Verdrängerelement ist ein Antrieb zugeordnet, der für die oszillierende Bewegung des Verdrängerelementes sorgt.

Es gibt beispielsweise elektromagnetisch angetriebene Membranpumpen, bei denen das Verdrängerelement eine Membran ist, welche zwischen zwei Extrempositionen hin- und herbewegt werden kann, wobei in der ersten Extremposition das Volumen des Dosierraums minimal ist, während in der zweiten Extremposition das Volumen des Dosierraums maximal ist. Wird daher die Membran von ihrer ersten Position in die zweite bewegt, so wird der Druck im Dosierraum abfallen, so dass Forderfluid über die Saugleitung in den Dosierraum gesaugt wird. Bei der Rückbewegung, das heißt bei der Bewegung von der zweiten in die erste Position, wird die Verbindung zur Saugleitung geschlossen, der Druck des Förderfluids wird aufgrund des sich verringernden Volumens in dem Dosierraum ansteigen, so dass das Ventil zur Druckleitung geöffnet wird und das Forderfluid in die Druckleitung gefördert wird. Durch die oszillierende Bewegung der Membran wird abwechselnd Forderfluid aus der Saugleitung in den Dosierraum gesaugt, und Forderfluid aus dem Dosierraum in die Druckleitung gefördert. Der Förderfluidstrom in die Druckleitung wird auch als Dosierprofil bezeichnet. Dieses Dosierprofil wird wesentlich bestimmt durch das Bewegungsprofil des Verdrängerelementes.

Bei elektromagnetisch angetriebenen Membranpumpen ist die Membran mit einem Druckstück verbunden, das meist federnd vorgespannt zumindest teilweise innerhalb eines Elektromagneten gelagert ist. Solange der Elektromagnet nicht mit einem Strom durchflössen ist, so dass in seinem Inneren kein magnetischer Fluss aufgebaut wird, sorgt die federnde Vorspannung dafür, dass das Druckstück und damit die Membran in einer vorgegebenen Position, zum Beispiel der zweiten Position, das heißt der Position, in der die Dosierkammer das größte Volumen hat, verbleibt. Wird nun dem Elektromagneten ein Strom aufgeprägt, so bildet sich ein magnetischer Fluss aus, der das entsprechend ausgebildete Druckstück innerhalb des Elektromagneten aus seiner zweiten Position in die erste Position bringt, wodurch das im Dosierraum befindliche Förderfluid aus dem Dosierraum in die Druckleitung gefördert wird.

Mit der Aktivierung des Elektromagneten kommt es daher im Wesentlichen abrupt zu einem Hub des Dosierstückes und damit der Dosiermembran von der zweiten in die erste Position.

Typischerweise werden solche elektromagnetisch angetriebenen Membranpumpen verwendet, wenn das zu dosierende Fluidvolumen deutlich größer ist als das Dosierraumvolumen, so dass die Dosiergeschwindigkeit im Wesentlichen durch die Häufigkeit bzw. die Taktung des Stromflusses durch den Elektromagneten bestimmt wird. Soll beispielsweise die Dosiergeschwindigkeit verdoppelt werden, so wird der Elektromagnet in gleicher Zeit doppelt so häufig kurzzeitig mit einem Strom durchflössen, was wiederum zur Folge hat, dass sich der Bewegungszyklus der Membran verkürzt und doppelt so häufig stattfindet.

Eine solche Magnetdosierpumpe ist beispielsweise in der EP 1 757 809 beschrieben.

Die Verwendung solcher Magnetdosierpumpen stößt allerdings dann an ihre Grenzen, wenn nur geringe Dosiergeschwindigkeiten erforderlich sind, so dass die abrupte Dosierung eines ganzen Hubes nicht gewünscht ist.

In der genannten EP 1 757 809 B1 ist daher bereits vorgeschlagen worden, einen Positionssensor vorzusehen, mit dem die Position des Druckstückes bzw. der damit verbundenen Membran bestimmt werden kann. Durch einen Vergleich der Ist-Position des Druckstückes mit einer vorgegebenen Soll-Position des Druckstückes kann dann eine Regelung der Bewegung erfolgen.

Durch die Regelung der Bewegung des Druckstückes lassen sich Magnetdosierpumpen auch zur Förderung von deutlich geringeren Fluidmengen einsetzen, da die Hubbewegung nicht mehr abrupt, sondern geregelt stattfindet.

In der Praxis ist es jedoch schwierig, geeignete Regelparameter zu finden. Tatsächlich werden für verschiedene Druckstückpositionszustände jeweils unterschiedliche Regelparameter empirisch bestimmt und in einem Speicher abgelegt, so dass die Pumpe die entsprechenden Regelparameter in Abhängigkeit von der Position des Druckstückes abrufen und verwenden kann.

Die Bestimmung der Regelparameter ist jedoch sehr aufwändig. Zudem hängt sie stark von den Verhältnissen in der Dosierkammer, wie z.B. der Dichte und der Viskosität des Förderfluids, ab. Daher funktioniert die Regelung nur dann zufriedenstellend, wenn das System in etwa dem gewünschten Zustand entspricht. Insbesondere bei Druckschwankungen auf der Saug- und/oder Druckleitung, beim Auftreten von Kavitation, bei der Ansammlung von Luft im Dosierraum oder aber bei Viskositätsänderungen im Forderfluid sind die im Speicher abgelegten Regelparameter ungeeignet und die Regelgenauigkeit nimmt ab, so dass das tatsächliche Dosierprofil sich deutlich von dem gewünschten Dosierprofil unterscheidet. Dies ist jedoch insbesondere bei der kontinuierlichen Dosierung von Kleinstmengen, wie z.B. bei der Trinkwasserchlorierung, unerwünscht.

Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches eine Regelung der Druckstückbewegung ohne vorherige Tabellierung von Regelparametern auch dann erlaubt, wenn das System unerwarteten Störungen ausgesetzt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass für den Antrieb des Verdrängerelementes eine modellbasierte Regelung, insbesondere eine nichtlineare modellbasierte Regelung, verwendet wird.

Bei einer modellbasierten Regelung wird ein möglichst vollständiges Modell der Prozessdynamik entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells ist es dann vereinfacht gesprochen möglich, eine Vorhersage zu treffen, wohin sich die Systemgrößen im nächsten Moment bewegen werden.

Aus diesem Modell kann dann auch eine geeignete Stellgröße berechnet werden. Kennzeichen einer solchen modellbasierten Regelung ist daher die ständige Berechnung der notwendigen Stellgröße auf Basis von Messgrößen unter Verwendung der durch das Modell gegebenen Systemgrößen.

Im Grunde genommen wird durch die Modellbildung das zugrundeliegende physikalische System näherungsweise mathematisch beschrieben. Diese mathematische Beschreibung wird dann zur Berechnung der Stellgröße auf Basis der gewonnenen Messgrößen verwendet. Im Unterschied zu den bekannten Dosierprofiloptimierungsverfahren wird somit der Antrieb nicht mehr als„Black Box" angesehen. Stattdessen werden die bekannten physikalischen Zusammenhänge zur Bestimmung der Stellgröße verwendet.

Dadurch kann eine deutlich bessere Regelgüte erzielt werden.

Auch wenn das beschriebene Verfahren grundsätzlich bei der Verbesserung von Dosierprofilen jeglicher Verdrängerpumpen eingesetzt werden kann, wird es anhand der Verbesserung von Dosierprofilen von elektromagnetisch angetriebenen Membranpumpen beschrieben, da es hierfür entwickelt worden ist und dies die bevorzugte Ausführungsform darstellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Position des Verdrängerelementes und der Strom durch den elektromagnetischen Antrieb gemessen und für die modellbasierte Regelung ein Zu- standsraummodell verwendet, welche die Position des Verdrängerelementes und den Strom durch die Magnetspule des elektromagnetischen Antriebs als Messgrößen verwendet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Zustandsraummodell keine weiteren zu erfassenden Messgrößen auf, d. h. das Modell wird so entwickelt, dass es nur auf Basis der erfassten Druckstückposition und des erfassten Stromes durch die Magnetspule eine Vorhersage für die unmittelbar folgende Bewegung des Druckstückes macht.

Eine solche modellbasierte Regelung kann kostengünstig verwirklicht werden, da beispielsweise die in der eingangs erwähnten EP 1 757 809 beschriebene Magnetdosierpumpe bereits Messvorrichtungen zur Messung der Position des Verdrängerelementes und zur Messung des Stromes durch den Elektromagneten aufweist.

Unter einem Zustandsraummodell wird üblicherweise die physikalische Beschreibung eines momentanen Systemzustandes verstanden. Beispielsweise können die Zustandsgrößen den Energiegehalt der im System enthaltenen Energiespeicherelemente beschreiben.

Zum Beispiel kann als Modell für die modellbasierte Regelung eine Differentialgleichung für das Verdrängerelement aufgestellt werden. Beispielsweise kann die Differentialgleichung eine Bewegungsgleichung sein. Unter einer Bewegungsgleichung wird eine mathematische Gleichung verstanden, die die räumliche und zeitliche Bewegung des Verdrängerelement unter Einwirkung äußerer Einflüsse beschreibt. Dabei werden in einer bevorzugten Ausführungsform in der Bewegungsgleichung verdrängerpumpenspezifische Kräfte, die auf das Druckstück wirken, modelliert. So kann etwa die von einer Feder auf das Druckstück ausgeübte Kraft, bzw. deren Federkonstante k, und/oder die von dem magnetischen Antrieb auf das Druckstück ausgeübte magnetische Kraft modelliert werden. Die von dem Forderfluid auf das Druckstück ausgeübte Kraft kann dann als Störgröße behandelt werden.

Durch solch ein Zustandsraummodell kann, wenn die Messgrößen erfasst sind, eine Vorhersage für das unmittelbar folgende Systemverhalten getroffen werden.

Wenn das auf diese Art prognostizierte unmittelbar folgende Verhalten von dem gewünschten vorgegebenen Verhalten abweicht, wird korrigierend auf das System Einfluss genommen. Um zu berechnen, wie eine geeignete Einflussnahme aussieht, kann im gleichen Modell der Ein- fluss der verfügbaren Stellgrößen auf die Regelgröße simuliert werden. Mit Hilfe von bekannten Optimierungsverfahren kann dann adaptiv die momentan beste Regelstrategie ausgewählt werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, auf Basis des Modells einmalig eine Regelstrategie zu bestimmen und diese dann in Abhängigkeit von den erfassten Messgrößen anzuwenden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird daher als Zustandsraummodell ein nichtlineares Zu- standsraummodell gewählt und die nichtlineare Regelung erfolgt entweder über Control- Lyapunov-Funktionen, über flachheitsbasierte Regelungsmethoden mit flachheitsbasierter Vorsteuerung, über Integrator-Backstepping-Methoden, über Sliding-Mode-Methoden oder über prä- diktive Regelung. Dabei ist die nichtlineare Regelung über Control-Lyapunov-Funktionen bevorzugt.

Alle fünf Verfahren sind aus der Mathematik bekannt und werden daher hier nicht eingehender erläutert.

Control-Lyapunov-Funktionen sind beispielsweise eine verallgemeinerte Beschreibung von Lya- punov-Funktionen. Geeignet gewählte Control-Lyapunov-Funktionen führen zu einem stabilen Verhalten im Rahmen des Modells.

Anders ausgedrückt wird eine Korrekturfunktion berechnet, die in dem zugrundeliegenden Modell zu einer stabilen Lösung des Modells führt.

Im Allgemeinen gibt es eine Vielzahl von Regelmöglichkeiten, die dazu führen, dass in dem zugrundeliegenden Modell die Differenz zwischen Ist-Profil und Soll-Profil kleiner wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Modell, welches der modellbasierten Regelung zugrunde liegt, zur Formulierung eines Optimierungsproblems verwendet, bei dem als Nebenbedingung der Optimierung die elektrische Spannung am Elektromotor und damit die der Dosierpumpe zugeführte Energie möglichst klein wird, zugleich aber eine möglichst schnelle und wenig überschwingende Annäherung des Ist-Profil an das Soll-Profil erreicht wird. Darüber hinaus, kann es von Vorteil sein, wenn die gemessenen Signale vor der Verarbeitung im zugrundeliegenden Modell tiefpassgefiltert werden, um den Einfluss von Rauschen zu reduzieren.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass während eines Saug-Druck-Zyklus die Differenz zwischen dem erfassten Ist-Positionsprofil des Verdrängerelementes und einem gewünschten Soll-Positionsprofil des Verdrängerelementes erfasst wird und für den nächsten Saug-Druck-Zyklus ein Soll-Positionsprofil verwendet wird, welches dem um die Differenz verminderten gewünschten Soll-Positionsprofil entspricht.

Im Grunde genommen wird hier ein selbstlernendes System verwirklicht. Zwar hat die erfindungsgemäße modellbasierte Regelung bereits zu einer deutlichen Verbesserung des Regelverhaltens geführt, dennoch kann es zu Abweichungen zwischen dem Soll-Profil und dem Ist-Profil kommen. Insbesondere bei der energieminimierenden Auswahl des Regeleingriffs ist dies nicht zu vermeiden. Um zumindest für folgende Zyklen diese Abweichung weiter zu reduzieren, wird die Abweichung während eines Zyklus erfasst und die erfasste Abweichung beim nächsten Zyklus von dem gewünschten Soll-Positionsprofil zumindest zum Teil abgezogen.

Anders ausgedrückt wird einem folgenden Druck-Saugzyklus absichtlich ein„falsches" Sollwert- Profil vorgegeben, wobei das„falsche" Sollwert-Profil aus der im vorherigen Zyklus gewonnen Erfahrung berechnet wird. Kommt es nämlich bei dem folgenden Saug-Druck-Zyklus zu exakt der gleichen Abweichung zwischen Ist- und Soll-Profil wie im vorherigen Zyklus, so führt das Verwenden des„falschen" Sollwert-Profils dazu, dass im Ergebnis das eigentlich gewünschte Sollwert-Profil erreicht wird.

Zwar ist es grundsätzlich möglich und aufgrund des periodischen Verhaltens des Systems in einigen Anwendungen auch ausreichend, die beschriebenen Selbstlernschritte nur einmal durchzuführen, das heißt beim ersten Zyklus die Differenz zu messen und ab dem zweiten und bei allen weiteren Zyklen das Sollwert-Profil entsprechend zu korrigieren. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Differenz zwischen Ist- und Soll-Profil in regelmäßigen Abständen, am Besten bei jedem Zyklus, bestimmt wird und im Folgezyklus entsprechend berücksichtigt wird.

Selbstverständlich ist es auch möglich, lediglich einen Bruchteil der erfassten Differenz als Profilkorrektur für den folgenden oder die folgenden Zyklen zu verwenden. Dies kann insbesondere in den Fällen, in denen die erfasste Differenz sehr groß ist, von Vorteil sein, um durch die plötzliche Sollwertveränderung keine Instabilität des Systems zu erzeugen.

Weiterhin ist es möglich, die Größe des Bruchteils der erfassten Differenz, welcher als Profilkorrektur verwendet wird, anhand der aktuellen Differenz zwischen Soll- und Istprofil zu bestimmen.

Auch ist es möglich, dass die Differenz zwischen Ist- und Sollprofil über mehrere Zyklen, z. B. 2, gemessen wird und daraus eine mittlere Differenz errechnet wird, die dann zumindest zum Teil von dem Sollprofil der folgenden Zyklen abgezogen wird. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann eine beliebige von der erfassten Differenz abhängige Funktion zur Korrektur des nächsten Soll-Positionsprofil verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Modellbildung kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, um eine physikalische Größe in der Verdrängerpumpe zu bestimmen. So kann beispielsweise der Fluiddruck im Dosierraum bestimmt werden.

Die Bewegungsgleichung des Verdrängerelementes berücksichtigt alle Kräfte, die auf das Verdrängerelement einwirken. Dies ist neben der von dem Antrieb auf das Verdrängerelement aufgebrachten Kraft auch die durch den Fluiddruck im Dosierraum auf die Membran und damit auf das Verdrängerelement aufgebrachte Gegenkraft.

Daher können, wenn die von dem Antrieb auf das Verdrängerelement aufgebrachte Kraft bekannt ist, aus der Position des Verdrängerelementes, bzw. aus der daraus ableitbaren Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Verdrängerelementes, Rückschlüsse auf den Fluiddruck im Dosierkopf gezogen werden.

Beispielsweise kann, wenn der Ist-Fluiddruck einen vorgegebenen Maximalwert erreicht oder überschreitet, ein Warnsignal ausgegeben werden und das Warnsignal an eine Abschaltautomatik gesendet werden, welche in Antwort auf den Empfang des Warnsignals die Dosierpumpe abschaltet. Sollte daher aus irgendeinem Grunde ein Ventil nicht öffnen oder der Druck auf der Druckleitung stark ansteigen, kann dies durch das erfindungsgemäße Verfahren ohne Verwendung eines Drucksensors ermittelt werden und die Pumpe kann sicherheitshalber abgeschaltet werden. Im Grunde genommen übernimmt das Verdrängungselement mit dem dazugehörigen Antrieb zusätzlich die Funktion des Drucksensors.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind für einen Bewegungszyklus des Verdrängerelementes eine Soll-Fluiddruckkurve, eine Soll-Positionskurve des Verdrängerelementes und/oder der Soll-Stromverlauf durch den elektromagnetischen Antrieb hinterlegt. Dabei kann der Ist-Fluiddruck mit dem Soll-Fluiddruck, die Ist-Position des Verdrängerelementes mit der Soll-Position des Verdrängerelementes und/oder der Ist-Strom durch den elektromagnetischen Antrieb mit einem Soll-Strom durch den elektromagnetischen Antrieb verglichen werden und, wenn die Differenzen zwischen Ist- und Soll-Wert einen vorbestimmtes Kriterium erfüllen, ein Warnsignal ausgegeben werden.

Diesem Verfahrensschritt liegt der Gedanke zu Grunde, dass bestimmte Ereignisse, wie zum Beispiel Gasblasen im Hydrauliksystem oder Kavitation im Pumpenkopf eine erkennbare Verän- derung des zu erwartenden Fluiddruckes bewirken und daher aus der Bestimmung des Fluiddru- ckes Rückschlüsse auf die genannten Ereignisse gezogen werden können.

Das Warnsignal kann beispielsweise eine optische Anzeige oder eine akustische Anzeige aktivieren. Alternativ oder in Kombination dazu kann das Warnsignal jedoch auch direkt einer Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden, die entsprechende Maßnahmen in Antwort auf den Empfang des Warnsignals ergreift.

Im einfachsten Fall wird für ein oder mehrere der gemessenen bzw. bestimmten Größen die Differenz aus Ist- und Soll-Wert bestimmt und wenn eine der Differenzen einen vorbestimmten Wert überschreitet, ein Warnsignal ausgegeben.

Um jedoch die möglichen Fehlerereignisse, wie z.B. Gasblasen im Dosierraum oder Auftreten von Kavitation nicht nur zu detektieren, sondern auch noch untereinander zu unterscheiden ist es möglich, für jedes Fehlerereignis ein eigenes Kriterium zu definieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine gewichtete Summe der relativen Abweichungen vom Soll-Wert bestimmt werden und das Kriterium derart gewählt werden, das ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die gewichtete Summe einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Den unterschiedlichen Fehlerereignissen können unterschiedliche Wichtungskoeffizienten zugeordnet werden. Im Idealfall wird bei Auftreten eines Fehlereignisses genau ein Kriterium erfüllt, so dass das Fehlerereignis diagnostiziert werden kann.

Durch das beschriebene Verfahren ist daher ohne Rückgriff auf einen Drucksensor die Bestimmung des Druckes im Dosierkopf möglich und aus dem derart bestimmten Druck können Rückschlüsse auf bestimmte Zustände im Dosierkopf gezogen werden, die dann wiederum die Einleitung bestimmter Maßnahmen auslösen können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Druckänderungen sehr präzise bestimmen.

In einer weiteren Ausführungsform wird daher der zeitliche Gradient einer gemessenen oder bestimmten Größe ermittelt und, falls dieser einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, die Ventilöffnung oder die Ventilschließung diagnostiziert.

In einer alternativen Ausführungsform wird als physikalische Größe die Masse m des Verdrängerelementes, die Federkonstante k der das Verdrängerelement vorspannenden Feder, die Dämpfung d und/oder der elektrische Widerstand Reddes elektromagnetischen Antriebs bestimmt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden sogar alle der genannten Größen bestimmt. Dies kann beispielsweise durch eine Minimierungsrechnung erfolgen. Alle genannten Größen mit Ausnahme des Druckes in der Dosierkammer stellen Konstanten dar, die experimentell bestimmbar sind und sich in der Regel im Pumpbetrieb nicht ändern. Dennoch kann es zu Ermüdungserscheinungen der unterschiedlichen Elemente kommen, die den Wert der Konstanten verändern. Beispielsweise kann der gemessene Druck-Weg-Verlauf mit einem erwarteten Druck-Weg-Verlauf verglichen werden. Die über einen Zyklus integrierte Differenz aus beiden Verläufen kann durch Variation der konstanten Größen minimiert werden. Stellt man dabei z.B. fest, dass sich die Federkonstante verändert hat, kann eine defekte Feder diagnostiziert werden.

Eine solche Minimierung könnte auch im drucklosen Zustand, d.h. wenn kein Fluid in der Dosierkammer ist, durchgeführt werden.

Wie bereits eingangs ausgeführt wurde, wird die Regelung durch die Dichte und die Viskosität des Förderfluids deutlich beeinflusst. Die Regelgenauigkeit kann beispielsweise dadurch verbessert werden, dass die Dichte und/oder Viskosität des Förderfluids gemessen wird und das Messergebnis für die Dimensionierung der Regelparameter verwendet wird. Für eine solche Messung ist jedoch mindestens ein zusätzlicher Sensor notwendig, der den Verkaufspreis der Verdrängerpumpe erhöhen würde und zudem wartungs- und reparaturanfällig ist. Daher werden bislang Dichte- und Viskositätsänderungen bei der Regelung nicht berücksichtigt.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass auch für das hydraulische System ein physikalisches Modell mit hydraulischen Parametern aufgestellt wird und dass mit Hilfe einer Optimierungsrechnung zumindest ein hydraulischer Parameter errechnet wird.

Unter hydraulischen Parametern wird jeder Parameter des hydraulischen Systems - abgesehen von der Position des Verdrängerelementes - verstanden, der den Fluss des Förderfluids durch den Dosierraum beeinflusst.

Hydraulische Parameter sind daher z.B. die Dichte des Förderfluids im Dosierraum sowie die Viskosität des Fluids im Dosierraum. Weitere hydraulische Parameter sind beispielsweise Schlauch- bzw. Rohrlängen und -durchmesser von Schläuchen und Rohren, die mit dem Dosierraum zumindest zeitweilig verbunden sind.

Durch diese Maßnahme können hydraulische Parameter bestimmt werden, ohne dass ein zusätzlicher Sensor vorgesehen werden muss. Es ist eine inhärente Eigenschaft der Verdrängerpumpe, dass sich das hydraulische System immer dann deutlich ändert, wenn eines der Ventile, über die der Dosierraum mit der Saug- und Druckleitung verbunden ist, geöffnet wird oder geschlossen wird.

Am einfachsten zu modellieren ist das System für den Fall, dass das Ventil zur Saugleitung geöffnet ist und das Ventil zur Druckleitung geschlossen ist. Häufig ist nämlich an dem Ventil zur Saugleitung ein flexibler Schlauch montiert, welcher in einem unter Umgebungsdruck stehenden Vorratsbehälter endet.

Dieser Zustand ist während des sogenannten Saughubes, d.h. während sich das Verdrängerelement von der zweiten Position in die erste Position bewegt, gegeben. Dieses hydraulische System könnte beispielsweise mittels der nichtlinearen Navier-Stokes-Gleichung unter Berücksichtigung laminarer und turbulenter Strömungen beschrieben werden. Neben der Dichte und der Viskosität des Förderfluids sind dann noch der Durchmesser des Schlauches, der das Saugventil mit dem Vorratsbehälter verbindet, die Länge des Schlauches sowie der Höhenunterschied, den das Fluid im Schlauch überwinden muss, als hydraulische Parameter zu beachten.

Je nach verwendetem System können weitere sinnvolle Annahmen getroffen werden. Mit Hilfe einer Optimierungsrechnung, die beispielsweise über das bekannte Gradientenverfahren oder Levenberg-Marquardt-Algorithmen, erfolgen kann, ist es möglich, die im physikalischen Modell enthaltenen hydraulischen Parameter zu bestimmen, die den Druckverlauf im Dosierkopf und die Bewegung bzw. die daraus abgeleitete Geschwindigkeit und Beschleunigung des Druckstückes am besten beschreiben.

Grundsätzlich könnte das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren allein durch eine wiederholte Analyse des Saughubverhaltens erfolgen.

Alternativ dazu kann jedoch auch das physikalische Modell des hydraulischen Systems für den Fall betrachtet werden, dass das Ventil zur Saugleitung geschlossen und das Ventil zur Druckleitung geöffnet ist. Da jedoch für den Pumpenhersteller in der Regel zunächst nicht bekannt ist, in welcher Umgebung die Dosierpumpe eingesetzt wird und daher auch das an das Druckventil, welches die Druckleitung mit dem Dosierraum verbindet, angeschlossene Rohrsystem nicht bekannt ist, kann hier nur eine verallgemeinerte Annahme getroffen werden. Das aufgestellte physikalische Modell kann daher ohne Kenntnis des an das Druckventil angeschlossenen Rohrleitungssystems, nicht in der Genauigkeit aufgestellt werden, wie dies für das hydraulische System während des Saughubes in der Regel möglich ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden physikalische Modelle für beide beschriebenen Hydrauliksysteme verwendet und dann die Ventilöffnungszeitpunkte gemessen oder bestimmt und in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Bestimmung der Ventilöffnungszeitpunkt das jeweils zutreffende physikalische Modell ausgewählt. Im Grunde genommen wird dann das erfindungsgemäße Verfahren getrennt für den Saughub und den Druckhub durchgeführt. In beiden Fällen erhält man für die hydraulischen Parameter, wie z.B. die Dichte und die Viskosität des Förderfluids Werte, die in der Praxis nicht exakt übereinstimmen. Grundsätzlich wäre es daher möglich, die unterschiedlichen Werte zu mittein, wobei hier unter Umständen berücksichtigt werden muss, dass aufgrund der besseren Beschreibung der tatsächlichen Situation durch das physikalische Modell während des Saughubes, der während des Saughubes gewonnene Wert bei der Mittelung stärker gewichtet wird als der während des Druckhubes ermittelte Wert.

Nachdem in der erfindungsgemäßen Art die hydraulischen Parameter bestimmt worden sind, kann das aufgestellte physikalische Modell mit den derart bestimmten hydraulischen Parametern verwendet werden, um seinerseits den Druck im Dosierraum zu bestimmen. Diese Erkenntnis kann wiederum zur Verbesserung der Bewegungsregelung des Druckstückes verwendet werden, indem die von dem Fluid auf das Druckstück ausgeübte Kraft durch die derart bestimmten hydraulischen Parameter modelliert wird.

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

Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung eines idealen Bewegungsprofils,

Figur 2 eine schematische Darstellung der Selbstlernfunktion,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Druck-Weg-Diagramms und eines Weg-Zeit- Diagramms für den Normalzustand,

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Druck-Weg-Diagramms und eines Weg-Zeit- Diagramms für einen Zustand mit Gasblasen in der Dosierkammer,

Figur 5 eine schematische Darstellung der an die Verdrängerpumpe angeschlossenen

Saugleitung und

Figuren 6a-6e Beispiele hydraulischer Parameter und deren zeitabhängige Entwicklung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Zusammenhang mit einer Magnetdosierpumpe entwickelt worden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine solche Magnetdosierpumpe ein bewegliches Druckstück mit einer fest mit diesem verbundenen Schubstange auf. Das Druckstück ist in einem im Pumpengehäuse fest verankerten Magnetmantel in der Längsachse axial beweglich gelagert, so dass das Druckstück mit Schubstange bei der elektrischen Ansteuerung der Magnetspule im Magnetmantel gegen die Wirkung einer Druckfeder in eine Bohrung des Magnetmantels hineingezogen wird und das Druckstück nach Deaktivierung des Magneten durch die Druckfeder in die Ausgangslage zurückkehrt. Dies hat zur Folge, dass das Druckstück und ein durch diese betätigte Membran bei fortgesetzter Aktivierung und Deaktivierung der Magnetspule eine oszillierende Bewegung durchführt, die in dem in der Längsachse angeordneten Dosierkopf im Zusammenwirken mit einem Auslass- und Einlassventil zu einem Pumphub (Druckhub) und einem Ansaughub (Saughub) führt. Die Aktivierung der Magnetspule erfolgt durch Anlegen einer Spannung an die Magnetspule. Die Bewegung des Druckstückes kann somit durch den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Magnetspule festgelegt werden.

Es versteht sich, dass Druckhub und Saughub nicht unbedingt gleichlang andauern müssen. Da während des Saughubes keine Dosierung erfolgt, sondern lediglich der Dosierraum wieder mit Förderfluid gefüllt wird, ist es im Gegenteil von Vorteil, den Saughub in jedem Fall so schnell wie möglich durchzuführen, wobei dennoch darauf zu achten ist, dass es zu keiner Kavitation in der Druckkammer kommt.

Der Druckhub hingegen kann, insbesondere in Anwendungsfällen, bei denen nur sehr geringe Fluidmengen dosiert werden sollen, sehr lange andauern. Dies hat zur Folge, dass das Druckstück sich nur allmählich in Richtung des Dosierraums bewegt. Um eine Bewegung des Druckstückes zu erreichen, wie es in idealisierter Weise in Figur 1 dargestellt ist, muss die Bewegung des Druckstückes geregelt werden. Dabei stehen üblicherweise als Messgröße lediglich die Position des Druckstückes und die Größe des Stroms durch die Magnetspule zur Verfügung.

Erfindungsgemäß wird daher ein (nichtlineares) Modell entwickelt, was den Zustand des magnetischen Systems beschreibt.

Für eine bevorzugte Ausführungsform ergibt sich das folgende Modell:

x

1

x (-dx - kx - F _^ + F + K^ ² )

m

Φ

1 (δ, Φ)

-Φ + u) wobei

m: Masse des Druckstücks Φ : magnetischer Fluss

Κ _Σ (δ)Φ ² : magnetische Kraft

Ν, : Windungszahl

u: Spannung

d: Dämpfung

k: Federkonstante

F : Kraft auf Druckstück durch Federvorspannung

Kraft auf Druckstück durch Fluiddruck im Förderraum

magnetischer Widerstand

Rcu ohmscher Widerstand der Spule

x: Position des Druckstückes

δ : Spaltgröße zwischen Anker und Magnet

Dies ist ein nichtlineares Differentialgleichungssystem, welches es erlaubt, ausgehend von einem Startpunkt, eine Vorhersage über das unmittelbar folgende Verhalten des Systems zugeben.

Mit Hilfe dieses Modells ist es daher möglich, zukünftige oder tatsächlich bereits bestehende Abweichungen zwischen der Soll-Kurve und der Ist-Kurve zu erkennen. Zudem kann das Modell verwendet werden, um den voraussichtlichen Einfluss eines Regelungseingriffes zu berechnen.

In Echtzeit wird daher aufgrund der Messung der Stromstärke und der Position des Druckstückes bestimmt, wie sich das System voraussichtlich entwickeln wird. Zudem kann berechnet werden, durch welchen Regelungseingriff, das heißt durch welche Spannungsänderung an der Magnetspule, das System wieder in die gewünschte Richtung bewegt werden kann.

Selbstverständlich gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, regelnd in das System einzugreifen. Es können also zu jedem Zeitpunkt stabile Lösungen des dynamischen Systems gesucht werden. Dieser Rechenschritt wird ständig, das heißt so häufig es die zur Verfügung stehende Rechenleistung erlaubt, wiederholt, um eine optimale Regelung zu erhalten.

Bei dem hier vorgeschlagenen Modell ist es im allgemeinen nicht notwendig, zu jedem Zeitpunkt neue stabile Lösungen des dynamischen Systems zu bestimmen. In der Regel ist es ausreichend, die geeignete Korrekturfunktion in Abhängigkeit von den Meßgrößen, d.h. in Abhängigkeit von Position des Druckstückes und der Spannung am Magnetantrieb, einmalig zu bestimmen und diese die Korrekturfunktion fortan für die Regelung zu verwenden. Trotz dieser Regelung wird es zwangsläufig zu Abweichungen zwischen Soll- und Istwert geben, da das gewählte Modell immer eine Idealisierung darstellt. Zudem sind die erfassten Messgrößen immer fehlerbehaftet (Rauschen).

Um die Differenz zwischen Ist- und Soll-Profil weiter zu reduzieren, wird diese Differenz während eines Druck-Saug-Zykluses gemessen und als Sollprofil für den folgenden Zyklus die Summe aus der gemessenen Differenz und dem gewünschten Sollprofil verwendet. Mit anderen Worten wird ausgenutzt, dass sich der Druck-Hub-Zyklus wiederholt. Es wird somit bei dem folgenden Zyklus ein Sollwert-Profil vorgegeben, dass gegenüber dem eigentlich gewollten Sollwert-Profil abweicht.

Zur Verdeutlichung ist dieses selbstregelnde Prinzip in Figur 2 schematisch dargestellt. Dargestellt ist die Position des Druckstückes auf der Y-Achse und die Zeit auf der X-Achse.

Im ersten Zyklus ist ein für die Regelung verwendetes Sollprofil mit gestrichelter Linie dargestellt. Dieses Sollprofil entspricht dem gewünschten Sollprofil, welches zum Vergleich im dritten Zyklus als Referenzprofil abgebildet ist. Trotz der erfindungsgemäßen modellbasierten Regelung wird das Ist-Profil vom Soll-Profil abweichen. Im ersten Zyklus der Figur 2 ist daher beispielhaft ein Ist- Profil mit durchgezogener Linie dargestellt. Dabei sind die Abweichungen zwischen Ist- und Sollprofil zur Verdeutlichung ausgeprägter dargestellt als sie in der Praxis auftreten.

Im zweiten Zyklus wird dann die Differenz zwischen Ist-Profil des ersten Zyklus und Referenzprofil von dem für den ersten Zyklus verwendeten Sollprofil abgezogen und die Differenz als Sollprofil für die Regelung während des zweiten Zyklus verwendet. Das so erhaltende Sollprofil ist im zweiten Zyklus gestrichelt dargestellt.

Im Idealfall weicht im zweiten Zyklus das Ist-Profil in gleichem Maße vom verwendeten Soll-Profil ab, wie dies im ersten Zyklus beobachtet wurde. Dadurch ergibt sich ein Ist-Profil (mit durchgezogener Linie im zweiten Zyklus eingezeichnet), das dem Referenzprofil entspricht.

Durch die Messung der Position des Druckstückes und des Stromes durch den Magnetantrieb ist F _p , d.h. die Kraft auf das Druckstück durch den Fluiddruck im Förderraum, die einzige unbekannte Größe. Daher kann unter Verwendung dieses Modells die Kraft auf das Druckstück durch den Fluiddruck im Förderraum bestimmt werden. Da die Fläche des Druckstückes, welche mit dem Fluiddruck beaufschlagt ist, bekannt ist, kann aus der Kraft der Fluiddruck errechnet werden.

Durch den beschriebenen Entwurf einer nicht linearen Systembeschreibung des elektromagnetischen Dosierpumpensystems ist es möglich, modellbasierte Diagnosemethoden zu verwenden. Hierzu werden die Zustandsgrößen der Systemmodelle ausgewertet und der Druck im Pumpenkopf der elektromagnetischen Dosierpumpe bestimmt. Die notwendigen Strom- und Positionssensoren sind hierbei bereits im Pumpensystem zu regelungstechnischen Zwecken verbaut, sodass die Informationen bereits zur Verfügung stehen, ohne dass der Aufbau der Dosierpumpe ergänzt werden muss. Anhand der zeitlichen Veränderung der Zustandsgrößen und des Drucks im Dosierkopf der Pumpe können anschließend die Diagnosealgorithmen ausgeführt werden.

So kann beispielsweise die modellbasierte Diagnose von prozessseitigem Überdruck sowie die automatisierte Pumpenabschaltung verwirklicht werden.

Die Erkennung der Ventilöffnungs- und Ventilschließzeitpunkte kann beispielsweise über die Bestimmung und Auswertung zeitlicher Gradienten verkoppelter Zustandsgrößen des Systemmodells erfolgen. Ein Über- bzw. Unterschreiten der Zustandsgradienten kann mittels vorgegebener Schranken detektiert werden, was zur Erkennung der Ventilöffnungs- und Ventilschließzeitpunkte führt.

Alternativ dazu, kann auch der Druck in Abhängigkeit von der Position des Druckstückes bestimmt werden und die Ventilöffnungs- und Ventilschließzeitpunkte aus einer Auswertung abgeleitet werden. Ein entsprechendes Druck-Weg-Diagramm ist in Figur 3 links dargestellt. In Figur 3 rechts ist das zugehörige Weg-Zeit-Diagramm dargestellt. Das Weg-Zeit-Diagramm zeigt die zeitabhängige Bewegung des Druckstückes. Man erkennt, dass sich das Druckstück zunächst von einer Ausgangsposition 1 (x=0 mm) nach vorne bewegt und das Volumen der Dosierkammer verkleinert (Druckphase). Das Druckstück durchläuft im Zeitpunkt 3 ein Maximum und bewegt sich dann wieder in Ausgangsposition zurück (Saugphase).

In der Figur 3 links ist das zugehörige Druck-Weg-Diagramm gezeigt. Es wird im Uhrzeigersinn durchlaufen, beginnend im Koordinatenursprung, in der sich das Druckstück in der Position 1 befindet. Während der Druckphase wird der Druck in der Dosierkammer zunächst stark ansteigen bis der Druck in der Lage ist, dass Ventil zur Druckleitung zu Öffnen. Sobald das Druckventil geöffnet ist, bleibt der Druck in der Dosierkammer im Wesentlichen konstant. Der Öffnungspunkt ist mit der Ziffer 2 gekennzeichnet. Ab diesem Zeitpunkt, der auch in Figur 3 rechts eingetragen ist, kommt es zu einer Dosierung. Mit jeder weiteren Bewegung des Druckstückes wird Dosierfluid in die Druckleitung gepumpt. Sobald das Druckstück die Maximalposition (Zeitpunkt 3) erreicht hat, dreht sich die Bewegung des Druckstückes um, das Druckventil schließt sofort und der Druck in der Dosierkammer sinkt wieder ab. Sobald ein Minimaldruck erreicht ist (Zeitpunkt 4) öffnet das Saugventil, welches die Dosierkammer mit der Saugleitung verbindet, und Dosierfluid wird in die Dosierkammer gesaugt, bis wieder die Ausgangsposition erreicht ist. Die Ventilschließzeitpunkte lassen sich aus dem Weg-Zeit-Diagramm bestimmen, da sie auf den Wegmaxima des Druckstückes liegen. Die Zeitpunkte 2 und 4, d.h die Ventilöffnungszeitpunkte, sind nicht so einfach zu bestimmen, zumal in der Praxis das Druck-Weg-Diagramm abgerundete „Ecken" aufweist. Daher kann beispielsweise ausgehend von Position 1 im Druck-Weg-Diagramm bei Erreichen von 90% des Druckmaximums (bekannt aus Position 3) der Weg abgelesen werden und die Steigung des Druck-Weg-Diagramms zwischen den Punkten 1 und 2 bestimmt werden. Die 90%-Kurve ist punktiert eingezeichnet. Die daraus resultierende Gerade schneidet die Kurve p=pmax am Ventilöffnungszeitpunkt. In gleicher weise kann auch der Zeitpunkt 4 bestimmt werden. Diese Bestimmung kann in jedem Zyklus erfolgen und das Ergebnis für einen späteren Zyklus verwendet werden. Dadurch werden auch Veränderungen der Öffnungszeitpunkte detek- tiert.

Durch Vergleich der Soll- und Ist-Trajektorien der einzelnen Zustandsgrößen der Systemmodelle können Gasblasen im Hydrauliksystem, Kavitation im Pumpenkopf der Dosiereinheit und/oder Ventilöffnungs- und Ventilschließzeitpunkte der Dosiereinheiten diagnostiziert werden. Insbesondere dann, wenn zwischen den Soll- und Ist-Trajektorien eine vorbestimmte Fehlerschranke überschritten wird, kann dies ein Warnsignal und entsprechende Maßnahmen auslösen.

Ein Beispiel ist in Figur 4 gezeigt. Auch hier ist wieder links das Druck-Weg-Diagramm und rechts das Weg-Zeit-Diagramm dargestellt. Die rechte Figur ist identisch zum entsprechenden Diagramm von Figur 3. Falls sich Gasblasen im Hydrauliksystem befinden, welche kompressibel sind, wird das dazu führen, dass das Druckventil erst zu dem Zeitpunkt 2' öffnet und das Saugventil erst zu dem Zeitpunkt 4' öffnet. Eine deutliche Verschiebung der Ventilöffnungszeitpunkte kann somit zur Diagnostizierung des Zustandes„Luft in der Dosierkammer" verwendet werden. Im Falle von Kavitation verschiebt sich lediglich der Ventilöffnungszeitpunkt 4' nicht jedoch der Ventilöffnungszeitpunkt 2, so dass solch ein Verhalten zur Diagnostizierung des Zustandes„Kavitation" verwendet werden kann.

Die vorgestellte modellbasierte Methodik ermöglicht durch die Analyse der einzelnen verkoppelten Systemzustandsgrößen eine wesentlich umfangreichere und hochwertigere Diagnose als dies bislang verwirklicht worden ist.

Darüber hinaus kann dies mit geringen Sensorikkosten und hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit verwirklicht werden. Durch die höhere Diagnosequalität kann der Einsatzbereich von elektromagnetischen Dosierpumpensystemen unter Umständen erweitert werden, da nun die Dosiergenauigkeit extrem verbessert werden kann. Durch den Entwurf eines physikalischen Modells, insbesondere einer nichtlinearen Systembeschreibung des hydraulischen Prozesses im Dosierraum bzw. in der mit dem Dosierraum verbundenen Leitung eines elektromagnetischen Dosierpumpensystemes ist es möglich, modellbasierte Identifikationsmethoden in Echtzeit zu verwenden. Hierzu werden die hydraulischen Parameter, d.h. die Zustandsgrößen der Hydraulikmodelle ausgewertet und die Systemdynamik sowie die Parameter des hydraulischen Prozesses bestimmt.

Als Messgrößen bzw. zu bestimmenden externen Größen dienen die Position des Verdrängerelementes bzw. die daraus ableitbare Geschwindigkeit und Beschleunigung des Verdrängerelementes, und der Druck im Dosierraum, welcher über die durch die Membran auf das Förderfluid ausgeübte Kraft bestimmt werden kann.

Da in der Regel bei den genannten Verdrängerpumpen die Saugleitung aus einem Schlauch besteht, welcher das Saugventil mit einem Vorratsbehälter verbindet, kann für den Saughub, d.h. während das Druckventil geschlossen und das Saugventil geöffnet ist, das hydraulische System vereinfacht beschrieben werden, wie in Figur 5 dargestellt ist. Die Saugleitung besteht aus einem Schlauch mit dem Durchmesser Ds und der Schlauchlänge L. Der Schlauch überbrückt einen Höhenunterschied Z.

Die nichtlinearen Navier-Stokes-Gleichungen lassen sich vereinfachen, wenn man annimmt, dass die Saugleitung einen konstanten Durchmesser hat und nicht dehnbar ist und dass ein inkom- pressibles Fluid verwendet wird.

Mit Hilfe von bekannten Optimierungsmethoden wie z.B. dem Gradientenverfahren oder den Levenberg-Marquardt-Algorithmen, werden nun die hydraulischen Parameter bestimmt, die unter Zugrundelegung des aufgestellten Modells die gemessene bzw. bestimmte Position des Druckstückes sowie den gemessenen oder bestimmte Druck im Dosierraum am besten beschreiben können.

In den Figuren 6a bis 6e sind hier am Beispiel von Glycerin als Förderfluid jeweils ein hydraulischer Parameter (punktierte Linie) sowie die sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergebenden Werte (durchgezogene Linie) über der Zeit dargestellt.

So zeigt beispielsweise Figur 6a die Dichte des Förderfluids. Diese beträgt etwa 1260 kg/m ³ (punktierte Linie). Man erkennt, dass das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage ist, innerhalb von etwa 100 Sekunden die Dichte zu bestimmen. Zwar liegt zum Zeitpunkt t = 0 Sekunden der bestimmte Wert noch deutlich unter dem tatsächlichen Wert. Durch die fortwährende Optimierung nähert sich der durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmte Wert für die Dichte jedoch sehr schnell dem wahren Wert an (durchgezogene Linie).

Gleiches gilt für die Schlauchlänge L (siehe Figur 6b), die Höhendifferenz Z (siehe Figur 6c), den Schlauchdurchmesser (siehe Figur 6d) und die Viskosität (siehe Figur 6e).

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmten Parameter können dann wiederum zusammen mit dem aufgestellten physikalischen Modell dazu verwendet werden, die von dem hydraulischen System auf das Druckstück ausgeübte Kraft zu bestimmen.

Diese Information kann für die erfindungsgemäße Regelung verwendet werden. So kann das entwickelte hydraulische Modell den Einfluss des hydraulischen Systems physikalisch abbilden und dies in Form einer Störgrößenaufschaltung berücksichtigen.

Dies verbessert den Pumpbetrieb von elektromagnetischen Dosierpumpensystemen noch einmal deutlich.