(57)【要約】      （修正有）【課題】計量工程の油圧性に関する公知の欠点を克服し、可変で、より大きい動作範囲を、その利点、すなわち容易で安価な製造、を損なうことなく磁気駆動定量ポンプに提供する。【解決手段】この磁気駆動定量ポンプにおいて、基準素子が、スラスト部材および連結ロッドとにより構成されるモジュールに関連付けられ、その基準素子の位置は位置センサが検出し、位置センサは、基準素子の位置に対し固定関係にある実信号を提供する。スラスト部材と連結ロッドとが形成するユニットの運動は、制御回路を通じ、制御精度の点で所定の名目プロファイルに従うよう影響を受ける。【選択図】図３
2007092750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気駆動定量ポンプにおいて、
連結ロッドに固定された可動スラスト部材は、ポンプハウジングに定着された磁石シュラウドの縦軸において軸方向に移動可能であり、連結ロッドと共に磁化コイルを電気的に駆動（起動）するときに、回復バネの力に抗して磁石シュラウドに引き込まれ、空隙を低減して前記磁石シュラウドの穴に引き込まれ、また前記磁石の起動停止後、前記スラスト部材は前記回復バネによって開始位置に戻り、前記スラスト部材および弾性変位部材が起動し、それによって前記磁化コイルの連続的な起動および起動停止の振動運動が実行され、ダイアフラムは出口弁および入口弁と交互に協働し、縦軸に配置された計量ヘッドにおいてポンプストローク（押圧ストローク）およびプライミングストロークを生成する磁気駆動定量ポンプであって、
基準素子（３５）は前記スラスト部材（２０）および前記連結ロッド（１９）で構成されるモジュールに関連付けられ、前記基準素子の位置は位置センサ（３６）によって検出され、前記位置センサは前記基準素子の位置と固定関係にある実信号（ＸＩ）を与え、かつ
前記スラスト部材および連結ロッドによって生成されるユニットの運動は、所定の名目プロファイル（３８）に従うように制御回路を介して制御精度に影響を与えられる
ことを特徴とする前記磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２】
前記位置センサ（３６）は、非接触原理に従って前記基準素子（３５）の位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項３】
前記連結ロッド（１９）に関連付けられる基準素子（３５）および前記位置センサ（３６）は、前記計測ヘッドの外部に存することを特徴とする請求項１に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項４】
前記基準素子（３５）は、光源（３３）の経路およびそれと協働する前記位置センサ（３６）に影響を与え、前記磁石シュラウドに固定され、受光方式において動作することを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項５】
前記基準素子（３５）は、影生成体または影生成輪郭であって、前記磁石シュラウド上に配置される前記位置センサ（３６）は、一連の受光電荷結合素子（ＣＣＤ）という形態の受光部（３２）から成ることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項６】
前記位置センサ（３６）は、それ自体のセンサキャリア上に配置され、前記磁石シュラウドに固定されることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項７】
前記光源（３３）、前記影生成体または前記影生成輪郭（３５）および前記受光部（３２）は、ライトボックス状の配置を構成し、測定値は連続的または断続的に電子制御システムへ送給されることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項８】
前記位置センサ（３６）の前記受光部（３２）は、直線的に配置された多数の受信部（ピクセル）、好適には、１２８個のピクセルから成ることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項９】
前記光源（３３）は、前記位置センサ（３６）の受光部（３２）の向かい側に配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、前記受信部に向けられたその光線は前記連結ロッド（１９）によって妨げられないことを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１０】
前記位置センサ（３６）の開始値は、影遷移領域における複数のピクセルの輝度を補間することによって生成されることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１１】
前記位置センサ（３６）の信号を処理するときは、フィルタリングを採用することを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１２】
前記位置センサ（３６）のゼロ位置誤差は、基準メモリによって解消されることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１３】
前記位置センサ（３６）のスケーリング誤差は、１つまたは複数の基準位置によって解消されることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１４】
前記位置センサ（３６）の照明変動は、得られたピクセル輝度値を用いて前記光源（３３）を制御または調整することによって補償されることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１５】
前記受光部（３２）の個々のピクセル間の輝度変動は、各ピクセルの感度ごとに基準メモリを用いることによって補償されることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１６】
前記位置センサ（３６）から読み取られた前記信号（ｘＩ）は、制御装置においてさらに処理され、名目値（３８）と比較され、
前記制御装置は、磁化コイル（２）に対する電流（ＩＭ）に影響を与え、ひいては前記運動に修正を加えることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１７】
前記制御装置は、前記スラスト部材（１９）または前記ダイアフラム（１３）の位置（以下ｘＩと表す）、速度（以下ｖＩと表す）または加速度に対し、制御装置を用いて前記コイル電流（以下ＩＭと表す）を変化させ、交互に影響を与えることを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１８】
前記制御装置は、プライミング段階および／または押圧段階の間、前記スラスト部材（２０）のｖＩを意図的に減少させて、流れに対する抵抗によって引き起こされる圧力急低下、例えば、キャビテーションの発生に対処できるようにすることを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項１９】
前記所望のストローク長は、オペレータによって前記制御装置へ伝達され、前記制御装置を用いて、実行される前記ストローク長に前記磁化コイル（２）を電子的に制御して、前記スラスト部材の運動を制限することを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２０】
前記ストロークを調節する前記値は、前記位置センサ（３６）を介して計量中の測定によって直接決定されることを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２１】
前記制御装置は、前記押圧段階の開始および／または終了時に、すなわち、前記ストローク運動の第１または最後の第３において、前記磁化コイル（２）を制御することにより前記スラスト部材（２０）のｖＩを制限して、計量媒体流の速度の急速な変化、または機械的バッファに対する強い衝突によって生じることがある圧力ピークを回避することを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２２】
前記制御装置は、前記磁化コイル（２）を制御することによって、前記押圧段階の終了時に前記スラスト部材（２０）のｖＩを制限して、低背圧での過度の歪みによる影響を回避することを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２３】
前記制御装置は、前記計量ストロークの反復率により決定される時間の間、前記駆動モータ（２）を駆動することによって、前記押圧段階の間の前記スラスト部材（２０）の前進運動を分散させて、非常に低速な計量ストローク、例えば数分間の計量ストロークの場合でさえも、前記計量媒体が均等に施されるようにすることを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２４】
前記制御装置は、ほとんど連続的な計量をして、すなわち、プライミングおよび次の計量ストロークとの間に本質的に休止せずに動作するときは、前記計量ストロークにおける前記ダイアフラム速度をほぼ保持しながら、ストローク長を低減し、かつストローク回数を増大させた動作にストローク運動を変換させて所望の計量性を生成し、および
前記プライミングは、前記スラスト部材（２０）が前記回復バネ（２３）により前方の機械的（休止）バッファ上、またはストローク調節ピン（８）上で完全に推される前に、前記磁化コイル（２）の制御によって終了され、前記スラスト部材の動きがストローク経路領域内のみで生じ、前記空隙ひいては前記磁流要求（ＩＭ）は小さい
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２５】
前記制御装置それ自体またはさらに別の制御ユニットのいずれかは、前記スラスト部材（２０）の制御された前進運動の開始段階の間に、前記磁流（ＩＭ）を観察し、そこからの力を推測して前記出口弁（１５）の開口部を決定し、また前記観察によってダイアフラム（１３）の弾性変形に起因するデッド領域を測定し、かつ前記決定されたダイアフラムの変形にしたがって前記ストローク運動を故意に終了することにより、前記実ストローク経路に影響を与えて、（前記ストロークまたは計量容積に関して）前記ダイアフラムの変形によって引き起こされる誤差を解消し、かつ計量された量の背圧への依存性を実質的に低減することを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２６】
前記制御装置は、ストロークモードを低減して動作するとき、前記ダイアフラム（１３）の弾性変形による前記測定されたデッド領域とは無関係に、前記スラスト部材（２０）の前進運動の間に実行される前記実ストローク経路に影響を与え、ダイアフラムの変形による前記誤差を解消し、計量された量の設定ストローク長比率への線形依存性を実質的に改善することを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２７】
前記制御装置は、前記スラスト部材（２０）の前進運動の間に、前記ダイアフラム（１３）の弾性変形に起因するデッド領域を測定し、前記測定されたデッド領域から動作圧力を見積もることが可能であり、所定の圧力最大値を超えるときは、計量を調節して圧力がさらに上昇するのを防ぐことを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２８】
前記磁石と電子部品（６、４４）とを含む前記磁気駆動定量ポンプのハウジング内部は、冷却されることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項２９】
前記内部およびその中に配置されるコンポーネントを冷却するため、前記磁気駆動定量ポンプの前記ハウジング（１）の内壁およびその他のコンポーネントだけでなく、前記磁石シュラウド（１７）および／またはコイル巻線（２９）の壁の周りに空気流が向かうファンを配置することを特徴とする請求項２８に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項３０】
前記位置センサ（３６）を冷却するため、前記空気流（４８）の一部を、その上に導くことを特徴とする請求項２８に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項３１】
誘導面および／または誘導チャネルは、ストロークカバー（２８）に関連付けられ、前記空気流（４８）の一部を前記位置センサ（３６）の上に導くことを特徴とする請求項３０に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項３２】
さらなる前記空気流（４８）の一部を、前記ハウジングカバー（５）内に組み込まれた前記電子部品（６）上に導くことを特徴とする請求項２９に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項３３】
前記磁石シュラウド（１７）は、前記ハウジング（１）内部に配置して、冷却目的のためにその周囲に向けられる空気流を有することができることを特徴とする請求項２８に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【請求項３４】
前記コイル巻線（２９）は、巻数が低減し、かつワイヤ断面が増大した巻線であることを特徴とする先行請求項のうち１つまたは複数に記載の磁気駆動定量ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文にしたがう磁気駆動定量ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
その型の磁気駆動定量ポンプは公知であり、追加物を用いて要求に合致させる。それらは、密閉容積をトランスポートすることで計量を実施する容量測定により動作する。従ってストローク当たりの計量容積は、ダイヤフラムの運動での容積における差に一致する。
【０００３】
このような磁気駆動定量ポンプにおいては、可動スラスト部材を静止磁石シュラウドの中に取付け、磁化コイルを駆動すると、これが磁石シュラウドの中に引き込まれて空隙が縮まり、電気駆動のスイッチを切った後、回復ばねによりスラスト部材は開始位置に引き戻される。連結ロッドはスラスト部材に固定して関連付けられ、運動および力を計量ダイヤフラムに送る。
【０００４】
最も単純な場合は、ストローク磁石のスイッチを特定の時間だけ入れて、計量ストロークを実行する。別の実施態様は、所定の時間プロファイルに従って制御電流を磁化コイルに供給する。この場合は、磁力従って計量性を再現しやすくなり、主電源の実電力のような電気的パラメータに依存しなくなる。
【０００５】
ストローク頻度は電気駆動パルスの反復頻度を用いて示される。ストローク長は、例えば、ストローク運動の開始点を設定する機械的に調節可能なスピンドルを用いて変えることが出来る。終点は、磁石が完全に動いたときに示される。１つの可能な実施態様においては、ストローク調節ピンがポンプハウジングのねじ山にねじ込まれ、外側から触れることの出来る較正ノブを有し、その背部は磁石シュラウドに固定され、またはその位置が磁石シュラウドに対して固定される。
【０００６】
ダイヤフラムの運動は、有効な力の組合せにより生じる。スイッチを入れた後、結果として磁流および作成される力が最初は上昇し、自己誘導により遅くなる。連結ロッド上にダイヤフラムおよび回復ばねが生成する力を克服すると、スラスト部材は動き始める。空隙が縮まると対応する磁力はさらに上昇する。スラスト部材は速やかに加速し、一般的に存在するＯリングにより抑制されるだけで、シュラウドに衝突する。運動全体は数ミリ秒以内で実行され、計量媒体のため極めて高い瞬間速度、および動作圧力の２倍を超える高圧ピークを結果として生じる。
【０００７】
ダイヤフラムは剛体ではなく、その上に計量媒体の圧力が動作するとき屈曲領域において特定の量だけ弾性的に変形する。変形の量は、有効ストローク運動に対して失われるので、その結果、動作圧力の増加に伴って計量の量が低減する。この低下性は、通常の使用において計量精度が許容するより遙かに顕著である。従って、磁気駆動定量ポンプは通常、広範囲の動作圧力にわたって所望の精度で使用することは出来ない。その上、較正により起こる誤差は、さらなる較正を含む場合、悪影響を及ぼす。前述の較正測定は、特に活性化学物質を使用するとき使用中に実動作条件下で、実施しなければならないが、それは極めて困難なステップである。
【０００８】
現在の磁気駆動は、数個の簡単な部品を有するだけなので製造は容易であるが、適用は比較的限られており、モータ駆動ポンプと比較して計量工程における油圧性に関して不利な点がある。例えば、ギヤまたはカムを用いて送られるモータ駆動は、より多くの適用を有し、多くの工程に対して計量性を有するが、作成するのは遙かに高価である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の特別な目的は、計量工程の油圧性に関する公知の欠点を克服し、可変で、より大きい動作範囲を、その利点、すなわち容易で安価な製造、を損なうことなく磁気駆動定量ポンプに提供することにある。さらに、スラスト部材および関連付けられた連結ロッドの運動は、計量工程自体が調節可能であるよう、製造により生じるあらゆる欠陥または弾性ダイヤフラムの不利な特性を考慮に入れ、かつ制御システムによって補償されることが出来るように、名目細目に合致させなければならない。位置インジケータは、アセンブリにおける変動および／または位置測定に関する作業中に起こる問題を搭載電子部品を用いて補償することが出来るように構築されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
問題は、スラスト部材および連結ロッドが構成するモジュールに関連付けられる基準素子によって解決する。その位置は、位置センサを用いて検出し、位置センサは基準素子の位置と固定関係にある実信号を提供する。スラスト部材および連結ロッドが形成するユニットの運動は、その制御精度の点で所定の名目プロファイルにしたがうよう、制御回路の影響を受ける。
【００１１】
制御システムおよび位置センサは、連結ロッドを伴うスラスト部材の運動を捕捉して、これを所定の運動プロファイルで移動させる。この関連で、名目条件から開始して、制御システムは、可能な最良の方法で計量を実施し、例えば、ダイヤフラムの特性のためなどで起こる不正確さを除去するために、設定すべき適切な運動を判定し、次いで位置センサから得られる運動測定を用いて運動を制御して磁化コイル電流に影響を与える。
【００１２】
位置センサが非接触原理に従って動作すると、センサの非摩耗動作が保証される。このことは、定量ポンプの使用寿命の間の膨大な数のストロークのため、好都合であり、かつ事実上必要である。
【００１３】
連結ロッドに関連付けられた位置素子が、計量ヘッドに面する終点で、かつ計量ヘッドの外部に存するときは、位置センサのためのスペースの点で、可撓性が増大する。
【００１４】
基準素子が、光源の光路に影響を与え、かつ磁石シュラウドに固定され、感光受信部として動作する位置センサがそれに協働すると、定量ポンプの使用寿命の間に実行される膨大な数のストロークのために重要な非摩耗動作が確保され、それらに触れることなく可動部が一掃される。このような配置のさらなる利点は、位置センサに関するこのような構造が、磁石近くでセンサを動作するとき避けることの出来ない浮遊磁界を原理的に感応しないことである。
【００１５】
基準素子が、影生成体または影画定体であり、協働して磁石シュラウド上に固定される位置センサが一連の受光電荷結合素子から構成されるとき、このような配置は位置センサによって満たされなければならない重要な受光性を有する。第１に、この配置は非摩耗受光機能原理に基づいて動作するので浮遊磁界に感応しない。第２に、このようなセンサは実用的に直線性の欠陥がない。
【００１６】
位置センサを、磁石シュラウドに固定される、それ自体のセンサキャリア上に配置するとき、このような配置は、モジュールとして予めアセンブリされて試験をすることが出来るので、アセンブリが容易になる。センサキャリアを絶縁でないプラスチック部品で形成するときは、これに加えて、磁石シュラウドからのセンサ素子の電気絶縁が簡単になる。
【００１７】
位置素子、影生成体または影画定輪郭、および位置センサが、ライトボックス状の配置を構成し、測定が連続的に、または段階的に電子制御システムへ送給されるとき、このような配置は、位置データを電子制御システムに適切な割合で提供する。
【００１８】
位置センサの受光部が、直線的に配置された１２８個のピクセルが好適な、多数の受信部（ピクセル）から成るとき、このような配置は、照射セルおよび非照射セルとの間にある影のエッジを判定することにより、位置を容易に判定することが出来るので、明らかに、受信部モジュールのセルの分割に等しい分解能を有する。
【００１９】
光源が、位置センサの向かい側に、受信部に向かうその光線が連結ロッドにより擾乱されないよう配置される発光ダイオード（ＬＥＤ）であるときは、廉価なＬＥＤが高度の光分解能に非常に重要な点光源に近く、ほとんど使用寿命が無限であるという利点を有する。これを位置センサの向かい側に連結ロッドを越えて配置することで、光源および受信部との間に大きい距離を作成するが、これは、関連する光線の射出角を素子の取付位置に対して比較的無関係にする。
【００２０】
位置センサ（３６）のための開始値を、影遷移領域にある複数のピクセルの輝度値を補うことにより生成するときは、位置センサのための開始信号についての分解能は、それがＣＣＤ受信部のセルの機械的ピッチにより判定されるときより、精細になる。
【００２１】
1位置センサからの信号を処理するとき、フィルタリング手段が採用されると、位置センサの干渉に対する抵抗が改善される。
【００２２】
アセンブリにおける変動および、例えば、加熱中またはベアリングの摩耗といった動作中の機械的変位、に関する位置センサの感度は、基準メモリを用いて位置センサのゼロ位置誤差を除去するか、または１つまたは複数の基準位置を含むことにより位置センサのスケーリング誤差を除去することで低減する。
【００２３】
位置センサの照射における変動は、ピクセルについて得られる輝度値を用いて光源を制御または調整することにより均等にすると、モジュールパラメータにおける変動に対する位置センサの感度が低減する。
【００２４】
受光部の個別ピクセルの間の輝度における変動を、各ピクセルの感度に関する基準メモリを組み込むことにより補償すると、受光部上の汚れの影響が低減する。
【００２５】
制御装置が磁化コイルに対する電流に影響を与えて運動を修正するとき、位置センサからの信号を、制御装置でさらに処理して名目値と比較すると、ダイヤフラム運動に関するこの故意の影響力を利用して、例えば、低速計量などのため、部分ストロークについての押圧補償および／または計量精度のため、有利な計量の油圧性を達成するかまたは改良することが出来る。
【００２６】
制御装置が、スラスト部材の位置、速度、または加速度に対し、制御装置を介してコイル電流を変化することにより、交互に影響を与えると、それが真の計量タスクの要求に合致するとき、適切な制御方法の利点を利用することが出来る。ダイヤフラム速度を制御することにより、計量媒体の実流速を直接制御することが出来る。これは、例えば、低速プライミングにおけるキャビテーションを避けるのに必要である。一方、ダイヤフラム位置を制御することは、ほぼ静止した状態を制御することが出来ることを意味する。この場合は、経路信号の微分により得られる速度に関する情報が、極めて小さくなるので、もはや制御装置により正しく処理することが出来ない。ダイヤフラム位置を制御することは、この問題を回避するので、例えば、電子ストローク長の制限または低速計量のためなどに好都合に使用される。ダイヤフラムの加速度を制御することは、移動質量の加速は磁力の直接反映であって磁流とは間接的であるから、調整が容易なので好都合である。
【００２７】
制御装置が、プライミング段階および／または押圧段階にスラスト部材の速度を故意に低減すると、流れに対する抵抗またはキャビテーションの作成により生じる圧力損失の影響が弱められる。例えば、レシチンなど、高粘性の媒体を計量するとき、流速が高過ぎると、弁の中のような、狭い場所に大きい圧力低下を生じる。これらの圧力低下は、駆動装置からの追加電力の形で克服しなければならないが、ダイヤフラム速度を制御することにより低く保つことが出来る。加えて、低減された流速における流れ騒音も効果的に低減できる。塩素系漂白剤のような、容易に気化する媒体を計量するとき、高過ぎる流速を使用するときは、計量媒体の蒸気圧以下に低下することにより、特にプライミングの間にキャビテーションが頻繁に生じ、その結果、機械的摩耗が増大する。プライミング段階および／または押圧段階においてダイヤフラム速度を制御することは、この現象を好都合に避ける。
【００２８】
操作者が所望のストローク長を制御装置に通信し、制御装置を使用して磁化コイルを電子的に制御することにより、スラスト部材の運動を実行するストローク長にまで制限するときは、機械的な調節素子を概して施すことが出来る。スラスト部材の運動を、最大ストローク長であっても、機械的バッファに達することなく、電子的に制限するときは、吸収Ｏリングもなしで施すことが出来る。
【００２９】
ストローク調節を設定する値は、計量中の測定を用い、位置センサを介して直接判定すると、付随する搭載素子を機械的に位置決めするための追加センサを施すことが出来る。
【００３０】
制御装置が、押圧段階の始まり、および／または終了のとき、例えば、ストローク運動の第１または最後の第３において、計量媒体流の速度における急速な変化によりまたは機械的バッファに対し激しく衝突することにより生じることのある圧力ピークを回避するよう磁化コイルを制御することにより、スラスト部材の速度を制限すると、さもなければ必要な脈動減速材のような追加付属品を施すことが出来ることを意味する。
【００３１】
制御装置が、押圧段階終了時のスラスト部材の速度を、磁化コイルを制御することにより、過度の歪みを避けるよう制限するときは、計量精度が、特に低い背圧において、実質的に改善される。
【００３２】
制御装置が、計量ストロークの反復率によって与えられた時間だけ磁化コイルを駆動することにより、計量媒体が出来るだけ滑らかな方法で、例えば、数分の持続時間の極めて遅い計量ストロークにおいてでさえも、分配されるよう、押圧段階中のスラスト部材の前進運動を分配するときは、計量媒体における濃度変動を実質的に避けることが出来る。
【００３３】
連続的な計量モードにおいて、すなわち、プライミングおよび次の計量ストロークとの間で実質的に中断がなく動作するとき、制御装置が、ストローク運動を、ストローク長が低減し、かつストローク頻度が増大したストローク運動に変化させ、計量ストロークにおけるダイヤフラム速度をほぼ同一に保って、所望の計量性を提供する。また、スラスト部材が回復ばねにより完全に前方機械的休止バッファ上に推進される前に、スラスト部材の運動が、空隙および磁流要求（ＩＭ）が小さいストローク運動領域内でのみ生じるように磁化コイルを制御することにより、プライミングを完了するとき、時間を基準にして、要求される電気的駆動および結果として発生する熱損失が低減する。
【００３４】
スラスト部材の制御前進運動の開始段階の間、制御装置それ自体またはさらなる制御装置のいずれかが、磁流を観察し、電力プロファイルを推測して出口弁の開放を瞬間的な電力プロファイルから検出し、この観察からダイヤフラムの弾性変形のため生じるデッド領域を測定し、次いでダイヤフラム変形の関数としてストローク運動を故意に停止することにより、ダイヤフラムの（ストロークまたは計量容積に関する）変形により寄与される誤差を除去し、背圧に対する計量された量の依存性を実質的に低減するよう、実ストローク経路に影響を与えるときは、計量精度が改善する。この改善は、動作圧力のためダイヤフラムの弾性変形により生じる誤差を、前述の変形が計量に寄与しないよう、除去することにより達成される。計量された数量の動作圧力に対する依存性の低減によって、さもないと、動作圧力のような動作パラメータを著しく変更するとき必要な再較正が施される。磁流を観察することによるダイヤフラム変形のための補償は従って、特に磁気駆動定量ポンプに対しては、利用可能な信号から推測することの出来る実電力要求をよく反映し、余分な測定は必要がないので、好都合である。
【００３５】
低減ストローク長を用いて動作するとき、ダイヤフラムの弾性変形によって測定されたデッド領域とは無関係にスラスト部材の前進運動の間に実行する実ストロークが、ダイヤフラムの変形による誤差を除去するように、および設定されたストローク長の比率に対する計量数量の線形依存性を実質的に改善するよう、故意にストローク運動を終了することによる制御装置の影響を受けると、このことが、この場合の計量精度を増大する。この改善は、動作圧力によるダイヤフラムの弾性変形を通じて起こる誤差を、前述の変形の量が計量に寄与しないので有効なストローク長は機械的に設定された長さに厳密には比例しないよう、除去することにより達成される。最後に、上でおこなった記述はここに関連する。
【００３６】
制御装置が、スラスト部材の前進運動の間に、ダイヤフラムの弾性変形を通じて起こるデッド領域を測定し、それを用いて動作圧力を見積もるとき、また、圧力の所定最大値を超過するときに、計量を調節して圧力がさらに増大するのを避けることが出来るときは、過剰圧力は計量工程の間に有利に検出して制限することが出来る。こうして、過剰圧力リミタなどのような現在まで必要であった追加付属品は、定量ポンプがこの工程で唯一の圧力を増大する装置であるならば、施すことが出来る。
【００３７】
磁気駆動定量ポンプの中で生成される熱は、磁石および電子部品を含むハウジングの内部を冷却すると、効率良く分散させることが出来る。これにより、例えば、低速のダイヤフラム運動における連続計量など、大量の熱を生成する動作を実施することが出来る。
【００３８】
内部とその中に配置されるコンポーネントとを冷却するため、磁石および／またはコイル巻線の壁と同時に磁気駆動定量ポンプのハウジングおよび他のコンポーネントの内壁の周りに空気流が向かうファンを配置すると、磁石または前述のコンポーネントによって生成される熱は、内部の空気、従ってハウジングに直接導かれる。向けられる空気流は、高熱の部品の熱伝達抵抗を改善するので、ハウジング内部の空気温度に関する温度上昇を低減する。ハウジングの全表面にわたる熱を均等に分散するため、直接冷却の無い場合より、表面のより大きい部分がヒートシンクとして作動する。ハウジング表面およびポンプの中のコンポーネントのピーク温度は、従って冷却の無い場合より低い。
【００３９】
空気流の一部を位置センサ上に導いてそれを冷却するときは、その温度が本質的にハウジング内部の空気温度に保たれる。位置センサは、磁石のかなり近くに取り付けられて測定での誤差を有利に避けるので、このような測定がなければ、磁石はこの装置の中では群を抜いて最大の熱消費源なので、ファンを用いる冷却がないと、ハウジング内部の一般的な空気温度より遙かに高温の磁石とほぼ同じ位の高温になる。
【００４０】
空気流の一部を位置センサ上に導く誘導面および／またはチャンネルをカバーの蓋に関連付けるときは、空気流がさらに容易に位置センサ上に向かう。
【００４１】
空気流の一部をさらに、ハウジングカバーに取り付けられる電子部品上に向けるときは、その温度が本質的にハウジング内部の空気温度に保たれる。ハウジングカバーの中に設けられた電子部品も磁石に比較的近く取付けられるので、この測定が無いと、それらは磁石により加熱されて、冷却しないときの温度はハウジング内の全体の空気温度より遙かに高くなる。
【００４２】
磁石シュラウドを、ハウジング内部で、空気流がその周辺をかすめることが出来るよう配置すると、ファンによる磁石の冷却がさらに容易になる。
【００４３】
コイル巻線が、増大するワイヤ断面のため低減された巻数を有すると、磁石スラスト部材の運動を制御するとき、必要に応じてコイル電流を急速に変化させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
ここで本発明の実施態様および若干の適用を詳細に記述する。
図１は、磁気駆動定量ポンプ（ＭＤ）を通じた縦断面を示す。磁石近く（上面）にリブ３が提供されて加熱面への接触を防ぐハウジング１は、その下面に床板４を有する。一般に公知のように、ハウジング１の上部領域は駆動磁石の磁石シュラウド１７を含む。ハウジングの１つの面は、ハウジング１上に設定され固定されたハウジングカバー５を用いて閉じる。ハウジングカバー５の中心には、実質的に回転対称の磁石の縦軸１８と同心で、手動で調節可能な調節部材７が、カバーと一体化しており、スラスト部材２０、および従ってダイヤフラムポンプのストロークの軸方向移動を制限するストローク調節ピン８を調節する。調節部材７およびその他の操作素子はフード９が保護する。フード９の下方には、制御ワイヤ１０または主ケーブル１１のための接続がある。フードの反対側には、計量ヘッド１２がありその中に、プラスチックなどから形成されるダイヤフラム１３が張り詰めてある。計量ヘッド１２はまた、入口弁１４および出口弁１５も有し、ダイヤフラム１３と計量ヘッド１２との間の計量チャンバ１６の中に入口弁１４を介して導入される計量媒体を、出口弁１５を通じて計量チャンネルの中に推す。磁気駆動定量ポンプは容量測定的に作動する。すなわち、所定の容積をストローク毎にプライミングして、出口弁１５を通じて推す。ダイヤフラム１３は、駆動装置を通じて振動運動で移動する。「磁気駆動定量ポンプ」の記述が示すように、ダイヤフラム１３のための駆動装置は、回転対称磁石シュラウド１７で形成される電磁石であり、その中には回転対称の磁化コイル２が一体化されている。磁化コイル２は、プラスチックから形成する回転対称コイルキャリア１５から形成され、これにエナメル導線から形成する複数のコイルから成る巻線２９を巻き付ける。磁化コイルは、例えば、約１ｍｍ径のワイヤを有するコイル８００巻などである。コイルキャリアおよび巻線は適切に配置し、ホイルのような、さらなる絶縁物質を用いて絶縁することが出来る。磁石シュラウド１７は、堅固な回転対称物体で、磁石シュラウド１７からスラスト部材２０までの磁気回路を閉じる磁石板２５と共に、スラスト部材２０を、そのスラスト部材の中心に配置される連結ロッド１９で囲む。この連結ロッドはスラスト部材２０と共に軸方向に変位可能である。ストローク調節ピン８の片側に対し、連結ロッド１９および調節部材７が、手動で調節可能なストローク調節装置として作動する。連結ロッド１９の反対側の端部は、弾性ダイヤフラム１３と協働する。連結ロッド１９のストローク調節ピン８に面する部分において、スラスト部材２０は連結ロッドに固定される。ダイヤフラム１３のコアは、連結ロッド１９の計量ヘッド１２に面する部分上で連結ロッドに固定される。連結ロッド１９およびスラスト部材２０は、磁石シュラウド１７の中心に位置するブッシング２６の中に、軸方向に変位可能に取付ける。スラスト部材２０に面する磁石シュラウドの面２４の中には、Ｏリング２１があり、これは、磁石シュラウドの反対側内面２４に対して衝突するスラスト部材の内面２２によって生じるあらゆる衝撃を吸収する。さらに、磁石シュラウドの面２４には、スラスト部材の面２２に面する穴の中に、例えば渦巻きばねなどの圧縮ばね２３がある。これは、磁石が制御されないとき、スラスト部材を磁石シュラウド２４の内面から、２つの面の間に空隙が形成されるように離しておく。磁石シュラウドは、ストローク調節ピン８に面する側に、磁石板２５を有する。これは、ネジまたは押込金具を用いて磁石シュラウドに固定してあり、磁石シュラウドからスラスト部材までの磁気回路を閉じる。回転対称のスラスト部材の外面は、さらなるブッシング２７の磁石板２５で、軸方向に変位可能である。磁石シュラウド上には調節装置の側にカバー２８が固定してあり、ストローク調節ピン８を取付ける。このカバーは、一方ではスラスト部材の運動を妨害しないよう磁石シュラウドおよびスラスト部材から充分に遠く、他方ではファン４３によって生成される空気流を位置センサ３６上に向けるよう形成される。調節装置、ストローク調節ピンおよび連結ロッドは、縦軸１８の中に同心に配置される。磁化コイル２に電流を供給すると、スラスト部材２０は、空隙を狭めながら圧縮ばねに向かって移動する。同時にダイヤフラムは計量チャンバ内に推され、計量チャンバ内に過剰圧力を生じ、例えばばね式ボール弁などの出口弁１５が開き、計量媒体が計量ラインに推される結果となる。このとき磁石が起動停止すると、スラスト部材は、例えば渦巻きばねとして形成することの出来る圧縮ばね２３により反対方向のストローク調節ピンまで移動し、その結果、ダイヤフラムに関連付けられる連結ロッド１９がダイヤフラムを移動し、計量チャンバ１６の中に圧力低下を生じ、これが、計量チャンバの中に計量媒体のさらなるバッチをプライミングすることが出来るよう、入口弁１４を開く。磁石駆動によるダイヤフラムの交互振動運動により、計量媒体が計量ラインに推される。
【００４５】
連結ロッド１９、スラスト部材２０，およびダイヤフラム１３が形成するユニットの位置は、位置センサ３６を用いて検出する。そこからの信号は、この位置に対し所定の関係にある。この関係は、例えば、厳密な比例関係などであろう。位置センサ３６からの信号は、従って、それを採用する可動ユニットの部分の位置に絶え間なく関係する。この固定点は、この場合は抽象的な、基準素子を用いて形成する。位置センサの要求に従って、組込む付加的な実素子として形成することもあるが、スラスト部材２０上などといった要求されるコンポーネントのうち１つのエッジまたは面など、単に独特の形状から成ることもある。
【００４６】
この実施態様においては、磁石シュラウド１７が、その上に固定するセンサキャリア３１（図６の説明図も参照）を有し、その片側に縦方向を向く受光ＣＣＤセル３２（荷電結合素子）を付け、向かい側に例えば発光ダイオードなどの光源３３を付ける。
【００４７】
磁石シュラウドに固定するセンサキャリア３１は、中を連結ロッド１９が通過する中央開口部３４を有する。連結ロッド１９がセンサキャリア３１を貫通する部分には、影画定体３５として、基準素子を固定する。連結ロッド１９が振動するにつれ、影画定体３５も移動し、受光セル３２上をそれに接触することなく通過する。軸方向の平面図を示す図５において特に示されるように、光源３３は、受光セル３２までの途上で、光線が連結ロッド１９により遮断されないように配置しなければならない。これは、例えば、光源３３を連結ロッド１９上または下に配置し、受光ＣＣＤセル３２の線を、連結ロッド１９の軸内に配置することを意味する。図７において特に示されるように、光源３３の影画定体は、受光セル３２上に影を投影し、これがセルを照射（ｈ）セルと非照射（ｄ）セルとに分割する。例えば、約８ｍｍの距離にわたる１２８個のピクセルの、長軸１８に平行な方向を向く受光セルの列は、部分的にのみ照射されるかまたは遷移領域における影の中に入るので、図８に示す遷移状態ＳＶを生じる。図８に示す矩形面の高さは、ピクセルの輝度をあらわす。図１０を参照して後述する特殊な工程は、影画定体の位置および従って連結ロッドおよび従ってダイヤフラムの位置を正確に判定するため遷移状態を活用する。連結ロッド側上の影画定体、および向かい側の光源を有するセンサキャリア側上の受光ＣＣＤセルから成るこの測定装置は、振動する連結ロッドの実位置または速度を測定し、この情報を活用して記述された機能を実施するのに役立つ。
【００４８】
ダイヤフラムを振動移動で移動するよう設定する連結ロッドは、機械的なストローク長に対応する距離をストローク毎に補う。アセンブリにおける変動を許容するためには、受光ＣＣＤセルの縦方向の広がりをある程度大きくしなければならない。これは、想定される別の位置センサ全部についても原理的に当てはまる。
【００４９】
図３および図４に詳しく説明されるように、センサと制御装置が形成する制御回路は、以下の機械的および電気的なコンポーネントを必要とする。二つのダイアグラムにおいて使用する略語は以下を意味する。
ｘｓ：スラスト部材の位置に関する名目値
ｘＩ：スラスト部材の位置に関する実値
ｘＳＩ：スラスト部材の位置に関する偏差
ｖｓ：スラスト部材の速度に関する名目値
ｖＩ：スラスト部材の速度に関する実値
ｖＳＩ：スラスト部材の速度に関する偏差
ＳＧ：コントローラ出力
ＫＳＧ：修正されたコントローラ出力
ＩＭ：磁流
【００５０】
磁気駆動の静止部分は、スラスト部材２０と連結ロッド１９が形成するユニットのための挿入されたベアリングブッシング２６または２７をそれぞれが有する磁化コイル２および磁石板２５を有する磁石シュラウド１７から成る。その運動を制御すべき磁気駆動の移動部分は、駆動素子としてのスラスト部材２０およびダイヤフラムコア３０が固定された連結ロッド１９から成る。回復ばね２３は、動作ストロークの後、スラスト部材を引き戻してプライミングを動作する。ダイヤフラム１３の外側リングは、計量ヘッド１２に固定して取付けられ、ダイヤフラムの中に差し挟まれるその金属製ダイヤフラムコア３０は、スラスト部材として計量ヘッドの中でダイヤフラムの中心面を移動する。入口弁１４は計量ヘッドのプライミング側で閉じ、出口弁１５は圧力側で閉じて、それぞれが外部配管との接続の可能性を提供する。基準素子は、例えば、計量ヘッドに面する端部で連結ロッド１９に接続し、その位置は、現在の場合、接触せずに動作する位置センサ３６を用いて検出する。示された実施態様では、板の形において基準素子は影画定体３５であり、位置センサは一連の受光セル３２と協働する上述の光源３３を含むライトボックス状の配置であって、これは板３５の位置をその影により接触せずに受光的に判定する。
【００５１】
位置センサ３６は、基準素子の位置に比例する実信号ｘＩを作成する。速度コントローラの場合、これはこの実施態様において、時間微分器３７（ｄｘＩ／ｄｔ）を通じて送給されるので、速度に比例する実信号ｖＩを追加して作成する。ダイヤフラム速度に比例する信号を生成することの出来る別の方法も、制御ステップに適しているのは明らかである。制御のタイプおよび計量要求次第で、位置ｘｓまたは速度ｖＳの名目値３８に関する時間依存プロファイルを生成する。分散比較３８は、変動を位置変動ｘＳＩ＝（ｘｓ−ｘＩ）または速度変動ｖＳＩ＝（ｖＳ−ｖＩ）として判定し、その結果はＰＩＤコントロール（比例、積分および微分コントロール）に与えられる。出力、すなわちコントローラ出力ＳＧ、は駆動の値に対応する。コントローラの安定性を改善するには、磁石が前進するにつれ所定の力に対して必要とする電流が次第に少なくなるとの事実を、さらなる処理に先行して位置修正４１が考慮する。位置修正４１は、開始信号４から位置比例分数を差し引いて起こる。ＰＩＤコントローラ４０が修正コントローラ出力ＫＳＧを生成する。増幅器４２が電力レベルを維持してコイルに必要な電流を供給する。位置依存電流修正の程度は、名目値の実電流への変換および必要なときは速度信号ｖＩの形成のための偏差定数を、３つの比例係数ｋ１、ｋ２、ｋ３によって設定される。位置依存修正のための係数ｋ１は、電流低減の程度が出来るだけ磁石の安定状態に近いように選択される。増幅器のためのｋ２または速度信号偏差のためのｋ３の２つの係数は、使用する寸法のため利用可能な最良範囲を用いる動作のような、実用的な考慮から選択することが出来る。
【００５２】
図３は、位置レギュレータのための制御回路を示し、図４は、速度コントローラを用いる時の制御回路を示す。記述される制御回路は、位置ｘＳまたは速度ｖＳについての名目値に関する所定の時間依存プロファイルを、その可能な制御調整との関連で明確に伝える。
【００５３】
位置、速度または加速度に関する実際のプロファイルの確立、およびこれらの動作モード間の切り替えは、後述のように、例えば、制御速度、達成可能な精度など、コントローラの機能制限を考慮に入れて生じる。
【００５４】
このような制御を用いて、ダイヤフラム１３の所望の速度を予め定め、従って計量媒体の有効な流速を制御するために、磁気駆動定量ポンプを使用することが出来る。
【００５５】
こうしてダイヤフラム位置を直接制御することが出来る。この機能により、選択する計量工程の段階、および必要であれば静止しているときにおける位置を取得することが出来る。
【００５６】
位置インジケータを用いて運動を制御することにより、制御されない動作と対照的に、時間とともに出現する変化、または環境的な配慮または変動、すなわち、連続生産における統計的偏差のため生じる動作パラメータにおける変化に対応することが出来るので、その損傷作用を最小にすることが出来る。引用することの出来る実施例は、ダイヤフラムの剛性または計量媒体の粘性である。両者とも、ダイヤフラム面に動作圧力を作成するための力に対し、追加しなければならない磁力を必要とする。それらの効果を判定し、続いて磁流を調整することにより、これらの損傷作用を補償することが出来る。プリセットされた磁流を有する調整しない磁気駆動定量ポンプは、制御して安定に保っていても、このような作用を被る。
【００５７】
さらに、位置インジケータを用いて移動を制御することは、調整のない動作における自発的な計量工程と対照的に、後述する内部および外部の作用に反応すること、および計量において特定の油圧条件を活用または回避することの出来る動作条件を確立できる。ある実施例は、後述の、プライミングにおけるキャビテーション保護である。
【００５８】
上述の型の磁気駆動定量ポンプに関する個別の実装例をここで記述する。このポンプは、磁化コイル電流を制御して調節することによりダイヤフラムの運動に影響を与えることの出来る位置センサを有する。
【００５９】
これらの適用の可能性を記述するため、図１４乃至１９は、適切な計量工程に関するオシログラムを示す。各ダイアグラムにおいて、上方の曲線Ｐｏｓは、ダイヤフラム運動を０．５ｍｍ／区画のスケーリングで示し、バッファ終点ＥＰｏｓが、図の上部のエッジである。Ｐｏｓ曲線の上昇部分は、計量ストロークに相当し、下降部分はプライミングに相当する。下方の曲線ＩＭは、１Ａ／区画のスケーリングで付随する磁流を示す。ゼロラインＩＭｏは、ダイアグラムの下部のエッジにある。図１４および図１５乃至１９における “Ｐｏｓ”、“ＥＰｏｓ”、“ＩＭ”および“ＩＭｏ”の記述は、格別に説明しないけれども、類似の意味を示す。
【００６０】
高粘性媒体における流量損失の回避
ダイヤフラム１３の速度を、特に高粘性媒体（例えば、レシチン）で調整すると、弁およびその他の狭い場所における流量損失を制限することが出来る。このような媒体における高流速は、流れ抵抗の結果としての追加圧力低下を通じて計量精度に負の影響を有する。加えて、ここでは、弁の開閉に多くの時間がかかると、速度が制限されるため好都合である。両方の効果が高粘性媒体における計量精度を改善する。
【００６１】
これを達成するには、計量工程全体の間、ダイヤフラム速度を選択可能な最大値に制限する。この最大速度は、とりわけ、計量しようとする実媒体の粘性によって決まり、例えば、操作者によって選択された適用次第で決まるか、または直接的に提供されるいくつかの所定の値としてである。
【００６２】
キャビテーション保護
容易に気化する媒体（例えば、塩素系漂白剤）を用いるときは、とりわけプライミングに際してだけではなく計量ストロークにおいても、流速が高過ぎると、蒸気圧の局所的な低下により限定された地点でキャビテーションを生じることがある。これは、とりわけ、計量媒体の化学組成およびその温度に依存し、摩耗を増大する結果となる。キャビテーションも、プライミング、すなわち、ダイヤフラムの戻りの間の速度を、実質的に臨界流速より下の速度の値に調整することで回避できる。磁石のための制御回路を用いて抑制力を設定し、回復ばね２３の力に対して作用させ、ダイヤフラム速度を媒体の速度に対応する速度、例えば、１ｍｍ／５０ｍｓ、に制限する。
【００６３】
図１４は、１つの実施例として、４００ｍｓのストローク周期、２ｍｍのストローク長および１０バールの名目動作圧力のための、プライミングに際し積極的なキャビテーション保護を有するこの計量工程のオシログラムを示す。
【００６４】
図１５は、同一条件で、自由なプライミングのための計量工程に関するオシログラムを示す。
【００６５】
図１４におけるプライミングの間、磁化コイルを駆動することにより、速度は約１ｍｍ／５０ｍｓの値まで、制限されている。すなわち、回復ばね２３が駆動するダイヤフラムが、設定速度より早く戻って駆動されるのを制御装置が防ぐ。ダイヤフラムは、これを確立するプライミング段階の間の磁流を示している。図１５においては、プライミング段階の間、磁石は駆動されず−この場合、この段階の間、磁流は流れていない。これは結果として、キャビテーションを生じることのある遙かに高い速度を生じる。
【００６６】
電子的なストローク長調節
本発明により、ストローク長を調整するための機械的装置（調節部材７およびストローク調節ピン８）を施すことが出来る。この目的で、制御装置は所望のストローク長を、例えば操作者の入力によって伝えられる。所望のストローク長が実行されると、ダイヤフラム１３が到達する位置が格納されて、プライミング段階に戻される。ダイヤフラムは、出口弁１５が閉じるのに十分な時間を与えるため、名目ストローク長が指示する位置で一寸停止するか、または名目ストローク長を実行した後すぐに戻る。
【００６７】
図１６は、１つの実施例として、４００ｍｓのストローク周期および１０バールの名目動作圧力のための０．９ｍｍの電子的に制限されるストローク長を有する計量工程のためのオシログラムを示す。図から分かるように、ダイヤフラムは、図の上方のエッジにある終点バッファまで完全には移動しないで、０．９ｍｍだけ移動した後停止し、続いてプライミング手順を実施する。
【００６８】
ストローク長に関する調節制御の位置検出
先行技術の定量ポンプは、変位チャンバ（ストローク長）で設定される容積から直接に計量ストロークを計量全容積に計算し、かつこれを例えば、容積流量などとしてｌ／ｈユニットで表示することにより動作することが多い。このような機能のためには、操作者が設定するストローク長に関する知識が必要となる。ストローク当たりに計量する容積がそれにより決まるからである。この理由のため、先行技術の定量ポンプでは、ストローク調節装置の位置は別個のセンサを用いて電気信号に変換して、制御システムが読取らなければならない。実用的な実施態様のための１つの実施例は、ストローク調節部材上のｒｐｍリーダを用いるものであろう。
【００６９】
定量ポンプが制御する運動は、搭載された位置センサを用いてストロークの間の実ダイヤフラム経路を検出することが出来るので、追加のセンサを必要としない。機械的バッファに到達した後に測定出来る終点位置における２つの位置の間の差を作成することにより、運動が停止するとすぐに、ストローク長を直接計算して、次の処理に適用することが出来る。
【００７０】
圧力ピークの回避
先行技術の磁気駆動定量ポンプにおいては、出口弁が開くときに、この出口弁が突然開くので、計量媒体はかなり急速に加速され、その結果圧力ピークを生じる。さらに、先行技術の磁気駆動定量ポンプにおけるダイヤフラムおよび従って計量媒体は、ストローク運動の最後の部分において特に、極めて急速に縮小する空隙を通じて移動する。このことは、スラスト部材がバッファに対して激しく衝突し、瞬間的に高い流速すなわち圧力ピークを生じることを意味する。
【００７１】
記述するような運動を制限する磁気駆動定量ポンプは、出口弁が開くまでのおよび終点バッファに到達する僅か前までの速度を故意に低減し、計量スラスト部材をバッファの僅か前の経路の最後の部分で抑制することにより、これらの負の効果を回避することが出来る。変動においても、バッファに衝突しない可能性があるが、ダイヤフラム運動をバッファに到達する僅か前に故意に停止する。従って、Ｏリング２１は省略するかまたは寸法を実質的に小さくすることが出来る。その上、作動音が大幅に低減する。
【００７２】
図１７は、１つの実施例として、４００ｍｓのストローク周期、２ｍｍのストローク長および１０バールの名目動作圧力を有し、終点バッファに対して衝突を抑制する計量工程に関するオシログラムを示す。ダイアグラムで示されるように、ダイヤフラムの速度は、ダイアグラムの上端の終点バッファに到達する前に、約０．６ｍｍ／５０ｍｓの値まで低減する。
【００７３】
過度の歪みの回避
先行技術の磁気駆動定量ポンプにおいては、極めて低い背圧では過度の歪みを生じる。これは、計量ストロークの最後の終点において、出口弁は即座には閉じないで、計量媒体はその慣性に関連付けられる高速に起因した一種のサイフォン効果によりさらに計量ヘッドを通じて流れ、早まって入口弁を開けて出口ラインに余剰な量の計量媒体が到着するようになるため生じる。過度の歪みのため、非制御のポンプは、例えば、２−３バールなどの、最小動作圧力以上でのみ使用することが出来る。これを保証するため、出口計量ラインに圧力保持弁を通常取付ける。
【００７４】
運動制御磁気駆動定量ポンプを用いると、終点バッファに到達する僅か前または計量ストローク全体の間のダイヤフラムの電子的制限が、過度の歪みに関わるサイフォン効果を実用的に完全に回避する。定量ポンプの動作範囲は、従って低い動作圧力まで拡大し、ほとんどの実用的な計量状態において圧力保持弁を省略することが出来る。
【００７５】
この運動は、それが特に低い動作圧力での状態に関するものは例外として、図１７に示すものに相当する。
【００７６】
濃度における変動を回避する低速計量
処理媒体流と良く混合することが必要とされる適用のためには、計量媒体の工程へ出来るだけ均等に施さなければならない。
【００７７】
運動制御磁気駆動定量ポンプを用いると、計量ストロークの反復頻度が示す利用可能な時間を、プライミングの後の残り時間を僅かな休止までであっても差し引くよう、分配することが出来るので、前進運動のため最大まで活用することが出来る。調整すべき速度は、従って、通過する経路（設定されたストローク長）と利用可能な時間から計算する。利用可能な時間の使用量は、計量要求および冷却設計の特性次第で決まる。冷却設計は、ほとんど妨害されない磁気駆動によって生成される熱の増大を受け入れなければならない。
【００７８】
図１８は、１つの実施例として、５００ｍｓのストローク周期、２ｍｍのストローク長および１０バールの名目動作圧力を用いる低速の計量モードにおいて、ここでは減速プライミングと組合せてキャビテーションから保護する計量工程のためのオシログラムを示す。ダイアグラムから分かるように、５００ｍｓの全体ストローク周期を、約２５０ｍｓ以上の押圧ストロークと約１８０ｍｓ以上のプライミングストロークに調節しており、これが一緒になって４３０ｍｓまたはストローク周期全体の８６％を占める。残りの７０ｍｓを利用して運動段階を分離する。
【００７９】
特殊な適用は、極めて少量を極めて長い周期にわたって出来るだけ均等に計量し、ほとんど連続的な計量を作成する可能性をも必要とする。これらの場合のため、先行技術においては、モータ駆動定量ポンプを採用する。これは、例えば、ステップモータとセルフロッキングギヤを有する。このような定量ポンプにおける完全なストロークは、低減回転速度を用いるかまたは中間休止時間をいくつかのステップに分配して実施し、完全ストロークの終点において完全な（迅速な）プライミング段階を実施し、その後、記述する方法で計量工程を継続する。
【００８０】
本発明は、簡単で従って高価でない磁気駆動定量ポンプの構造により、これらの要求を満たすことが出来る。ダイヤフラム１３は、制御される方法により極めて低速でストローク経路に沿って動作させ、ストロークの終点において、すべてのプライミング段階を名目速度で実施し、全部のストローク周期のほとんど全部が押圧ストロークに使用されるようにしなければならない。この速度は、例えば、Ｉｍｍ／ｍｉｎから１ｍｍ／ｓおよびそれ以上など、極めて広い範囲に入れることが出来る。
【００８１】
１つの実施態様においては、部分的な運動の間に、ダイヤフラム１３を定常位置に保つ短い休止を挿入することが出来る。これは、大きい緊張を出力弁１５に作成し、極めて遅く、静止に近い運動では利用することが出来ないと明白に定義される条件を有する出口弁１５が提供される。このような変形における熱負荷は、直線的移動バージョンと実用的に同等である。両方の場合に、動作圧力は有効な準静止磁石を使用するからである。
【００８２】
さらなる実施態様は、前の場合のようなストローク運動を小さい部分移動に分割し、その間の静止段階において、出口弁１５を明白に閉じてそれにより同時に静止段階の間の磁力要求を低減するため、ダイヤフラム１３も小さい脱負荷経路だけ逆行させて、熱負荷を低減できる。部分的なストロークは次いで、この脱負荷経路の量まで完了するので、全体では不変のストローク経路を実行するようになる。脱負荷経路は、ダイヤフラムの（圧力依存）変位経路をより短くして、逆行、またはそれによる精度の低減で、部分的なストローク間に部分的なプライミングが実施されるのを防がなければならない。これらの実施態様は、以下に記述する押圧補償との関連で有利に動作する。これは、ダイヤフラムの変形を測定し、従って脱負荷経路を実際条件により良く合致させることが出来るからである。
【００８３】
押圧補償
制御運動を用いると、制御システムは、外部（時間依存）の力がカバーする任意の点において、磁流と平衡状態（すなわち、静止状態）にある。
【００８４】
この磁流要求は、瞬間電力からおよびスラスト部材２２の内面と磁石シュラウド２４の内面との間に残る空隙の結果として生じる。図１９に詳しく示すように、計量ストロークの間に、性電流ＩＭを生じる。示されるオシログラムは、例えば、ストローク長２ｍｍに分割され名目動作圧力１０バールの約２．０ｓにわたるストロークに伴う電流を示す。ストロークの終点において、より遅いプライミングを実施し、下に記述する観察に関する結果では生じていないキャビテーションに対し保護する。図に関する時間スケーリングはより遅いストロークを反映する。
【００８５】
下方の曲線ＩＭは、初めは、ダイヤフラム１３が移動を開始するまで電流の比較的急激な上昇を示す。少しのオーバースイングの後、最大電流に達するまで連続運動に伴って電流は上昇する。この点から、電流は残りの経路全体にわたって、終点バッファＥＰｏｓに達するまで実質的に直線的な方法で低減する。プライミング段階においては、ダイヤフラムが早過ぎて戻るのを追加の電流が保護して、キャビテーションから保護する。この特性工程から以下の結論を引き出すことが出来る。
【００８６】
？？  電流の初期急速上昇（ダイアグラムでは時間０から８０ｍｓまで）は、ゼロ時に
は電流の変化を受けることの出来ない磁化コイル２の誘導的行動、および初めは
要求された運動に調節しなければならない制御装置の速度により生じる。増大す
る電流は、外部の力を克服するまで磁力を増大するのでスラスト部材２０はダイ
ヤフラム１３と共に移動を開始する。この段階で、磁界は徐々に増加する。
【００８７】
？？  初期の制御調節の後、実際の最大電流までのほぼ直線的な上昇（ダイアグラムで
は４０ｍｓから４００ｍｓまで）は、定常力および低減する空隙のため磁流が低
減しなければならないので、電力要求を増大する。この段階で、出口弁１５が未
だ閉じている計量チャンバ１６においては、内圧が連続的に上昇し、ダイヤフラ
ム１３は次第に増大する力を行使して弾性的に変形する。この工程において、ダ
イヤフラムのコア３０は、計量チャンバ１６内を移動して、圧力を増大し、ダイ
ヤフラムの弾性的な屈曲領域は、ダイヤフラムコアの運動に対し同一程度だけ圧
力を掛ける。計量媒体は実用的に圧縮不能でこの時点では両方の弁が閉じている
ので、ダイヤフラム１３はそれ自体で変形し、全体では事実上変形は起こらな          い。この段階の終わりにおいて、チャンバ圧力は外部の動作圧力に相当する。こ        れまでにトラバースした経路は、ダイヤフラム変形、すなわち計量開始時のデッ        ド領域に相当し、実際には計量に寄与しない。実位置は格納されて、次の計量工        程において計量変形として考慮される（例において、デッド領域は０．３ｍｍで        ある）。
【００８８】
？？  平衡点において、圧力側出口弁１５が開く。ここで、ダイヤフラム１３での圧力
は事実上外部の動作圧力と同等でそれ以上は上昇しないので、その結果磁流は、
残りの空隙が低減し、かつ連続する運動が続く（ダイアグラムでは４００ｍｓか
ら）ために定常の力が生成される。記述する工程を使用するときの計量媒体の流
速は無視出来るほど小さいので、圧力変動は生じないで、電流プロファイルはこ
こでも磁力を反映する（図１９参照）。
【００８９】
？？  平衡に達し出口弁１５が開いた後の磁流は、もはやここに記述したダイヤフラム
変形の測定には関係がない。ダイヤフラム変形を測定するとき、１つの実施例と
して、電流最大値の測定に最適化されている速度に関する名目値を用いて、初め
に直線的な前進運動を制御することが出来る。その上で、捕捉して格納した直後
に、ダイヤフラム変形を、記述した機能のうち１つの要求に合致する変位運動経
路に、切替えることが出来る。１つの実施例として、ストロークの初めに、ダイ
ヤフラムの変形に対して比較的短い時間周期が測定され、残りの利用可能な時間
に実計量ストロークが低速計量として実施されることが出来る。
【００９０】
磁流を観察することにより測定するダイヤフラムの変形は、ここで機械装置ストローク長ＨＬを修正することが出来、実行すべきダイヤフラム経路に計算することが出来る。この目的で、電流が最大である点を計量のための実際の開始点として確立する。この点から所望のストローク長を実行し、次いでストロークは、スラスト部材２０が磁石シュラウド２４の内面に衝突することにより、機械的終点バッファの前で終了する。名目圧力下での動作圧力のために、ダイヤフラムの変形はより小さく、スラスト部材のため可能な機械的経路の最後の部分は使用しない、すなわち、空隙は完全には閉じない。
【００９１】
ダイヤフラム変形は、とりわけ、材料性に依存するので、経年によりまたは製造における変動により変化する。ダイヤフラム変形における修正は、モジュールパラメータから導出される所定の値を使用するのではなく、ストローク毎に新たに実際条件を捕捉するので、これら２つの側面が考慮に入る。
【００９２】
磁流を捕捉することは出来るが、実際は必要ではない。増幅器４２が、修正コントローラ出力ＫＳＧを磁流として、係数ｋ２を用い磁石コイル電流ＩＭに変換するので、修正コントローラ出力ＫＳＧを磁流の反映として直接的に使用することが出来る。また、これは、制御システムからの信号からさらに測定をすることなく、次の処理のため使用することが出来る。
【００９３】
部分ストローク動作のための計量精度の改善
磁流の観測により弾性を基礎にするダイヤフラムの変形を決定する上述の工程は、部分ストローク動作の間の精度を改善することも出来る。
【００９４】
先行技術の磁気駆動定量ポンプについては、計量は、圧力に依存するだけでなく、部分ストローク条件の下では機械的ストローク長に厳密には比例しない。さらに、有効な計量は、初期デッド領域の後のみのストロークにおいて、ダイヤフラム変形が最大である点から始まる。計量プロファイルを機械的ストローク長に応じて示す安定状態特性が生成されると、デッド領域ｘＴ１、ｘＴ２、ｘＴ３、．．．ｘＴｎに相当する最小ストローク長の後の本当のドーズ量を示すのみの直線的な上昇曲線が生成される（図１２を参照）。この最小ストローク長は、ダイヤフラム変形に相当するので、動作圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、．．．Ｐｎ次第で決まる。
【００９５】
静止状態性におけるこのシフトｘＴ１、ｘＴ２、ｘＴ３、．．．ｘＴｎは、本当の作業条件下での先行技術の再較正を意味する。現在のストローク長が実質的に変化する限り、新しい計量性は、現在のおよび新しいストローク長からの比例計算による十分な精度で判定することは出来ない。
【００９６】
上述のダイヤフラム変形を補償と、部分ストローク動作モードにおける比例誤差も除去することが出来るので、定量ポンプは、例えば、２０％から１００％までの実用的に有用なストローク長の範囲にわたって、指定された計量精度を確実にするためには、例えば、１０％以上までストローク長の調整を必要とする先行技術において今まで必要であった再較正を実施することなく、動作させることが出来る。
【００９７】
電気的寸法を用いる動作圧力の見積り；電子的圧力制限；過剰圧力の検出
ダイヤフラムの材料性に関する値を規定することにより、上述のダイヤフラム変形の測定は、以下に述べる追加の機能を実施するため、動作圧力に関して充分に正確な結論を引き出すことが出来る。
【００９８】
非調整の先行技術の磁気駆動定量ポンプは、ストローク運動の間に駆動磁石が発達させる力が、空隙の低減によって急激に増大するという、基本的性質を有する。磁流は、開始点の力、すなわち、大きい空隙を有する力が名目動作圧力に充分であるよう測定される。ストローク終点においては、この力の倍数が適用される。これは、例えば偶然に閉鎖された閉塞部材など、欠陥のある配管に対し、ポンプは、部分ストロークに対して低減したストローク長で動作しているとき、最大動作圧力より遙かに上の圧力に発達するとの結果を有する。
【００９９】
位置センサを用いてダイヤフラム運動を制御しダイヤフラム運動を調整する磁気駆動定量ポンプにおいては、しかしながら、スラスト部材の位置、従って残りの空隙の長さは、常時知られている。駆動磁石の既知の現在の力の経路静止状態性と共に、発達する最大の力を全経路にわたってほぼ一定の値に制限するよう、計量ストロークの間制御回路が磁石を駆動することの出来る最大電流を、実際のダイヤフラム位置に動的に合致させることが可能である。従って、発達する最大圧力はいっそう精密で設定された部分ストローク長とは無関係なので、多くの場合に条件を制限された追加の圧力使用を施すことが出来る。
【０１００】
本発明の適用は、定量ポンプ用制御システムのため、測定を通じて、過剰圧力に関する知識を確保して、外部条件に関する知識がなくとも、警報の生成および／またはポンプの停止など、この条件に対し反応できるようにすることを可能にする。
【０１０１】
前述の機能の精度は、ダイヤフラム全体の上での、基本的材料性の再現性次第で決まる。この精度は、作成段階または実際の適用における一回限りの較正により増大することが出来る。この較正においては、既知圧力で定量ポンプを駆動して、この既知圧力とダイヤフラム変形との間の関係がさらなる計算の基礎を形成する。
【０１０２】
制御システムと共に、位置インジケータに関する上述された可能性は、例えば、連結ロッドまたはスラスト部材上で、位置センサを使用することにより、全体のストロークおよびプライミング工程の間、ダイヤフラムの実位置を判定してモニタリング出来ることを示す。位置を確立してモニタリングすることは、実値を測定する方法により工程を精密に制御することが出来るという事実に導き、記述された利点を結果として生じる。
【０１０３】
磁石および追加のコンポーネントの冷却
先行技術の磁気駆動定量ポンプと対照的に、連続した電流作動のための実質的に長い時間に対しての磁化コイル２の遅い計量のような、規定された作動モードにおいては、遙かに高い熱損失を結果として生じる。特にプラスチック製ハウジングの中に取り付けられたとき、熱伝導の問題を生じる。磁気駆動定量ポンプは、典型的な使用において、活性化学物質に対し感知しにくくするため、散水保護プラスチック製ハウジングの中に取り付けられることが多い。これらの場合、制御磁気駆動定量ポンプには、空気を交換することなくハウジング壁を通じて熱を導くことによる冷却を保証しなければならない。
【０１０４】
先行技術の磁気駆動定量ポンプを用いると、磁石シュラウド１０がハウジング１と熱伝導接触するその上面を出来るだけ多く有するよう、磁石はハウジング１の中に設けられる。この接触は、例えば、ハウジングの製造においてハウジングを磁石の周りに注入することにより改善することが出来る。この面によって、磁石シュラウド１７からハウジング１の内壁へ部分的に熱放散が生じる。別のコンポーネントからの熱と共に磁石からの熱の他の部分は、ハウジング内部でハウジング内の空隙に分散され、これを温める。熱は、対流によりハウジングの内壁に伝えられ、そこから磁石からの熱が直接結合される部分と共に、ハウジング１の壁を通じて導かれ、最後に、このハウジングの外壁から対流により外気に分散される。専ら対流による複数の遷移、および磁石シュラウド１７のハウジング１との、例えば、不良に形成されるプラスチック製ハウジングのエッジといった噛み合いによる、通常は熱接触が良くないために、先行技術の非制御動作においては磁石が非常に熱くなり、温度は１００℃を超えることがある。ハウジングの外壁は、磁石の上部の領域において特に高温であるが、ここは通常、とりわけ、接触に対する保護として作用するリブを有する。この場合、全表面の小さい部分、すなわち、リブの背の上部のみ接触することが出来る。接触に際してハウジングのリブ３は、平滑面が接触するときに比べ、遙かに少ない熱しか表皮に伝達しないので、ハウジングの温度は遙かに低いと思われる。リブはまた、比較的小さい空気チャンネルを形成して対流を妨害し、それによりハウジングの熱放散に悪影響を与え、これが表面および内部の温度を増大する。
【０１０５】
本発明の磁気駆動定量ポンプでは、上に概説した問題のため、今まで使用された構造は、熱の除去に関しては遅いストロークを用いても不十分である。遙かに効率の良い熱放散が必要で、これはファンを用いて内部空気を導くことにより達成される。図１３は、冷却構想をより詳細に示す。ハウジング１の上部において、磁石を数個の、この場合は３個の、連結金具５０を用いて、その周辺の出来るだけ多くを覆って、磁石シュラウド１７およびその面がハウジング１から、例えば、少なくとも５−１０ｍｍの小さい隙間を有するよう中心に集める。ハウジングの下部には、電子制御システム４４およびファン４２があるので、ファンは、磁石シュラウド１７およびコード化された搭載電子モジュール４５の周りを移動する空気の循環流４７を生成する。ファン４３は、後述のように、電子制御システム４４のためのモジュール、またはハウジング１の中の独立モジュールであることが出来る。当然ながら、ファンは別の場所に位置付けされることも出来るが、重要なことは、熱がハウジングの内壁に対し出来るだけ均等な方法で運ばれ、次いで熱の放散のため使用されるので、熱が送り出されることを空気運動が保証することである。ファンはハウジングの外側にあってそれに密封してあることも注意しなければならない。
【０１０６】
連結金具５０および磁石シュラウド１７とハウジング１との間の空間は、磁石の全表面を覆って出来るだけ効率良く空気流４７を向けて、空気をハウジング１の内壁の全部分に向ける１つまたは複数の空気流チャネルを形成する。磁石からの熱は、この実施態様において、純粋の対流より遙かに効率よく内部空気に分散され、強力な乱気流もそれをハウジング１の壁に導く。ここで重要なのは、先行技術の構造と対照的に、加熱された磁石に接触するハウジングの領域だけでなく、本発明の適用は、ハウジングの全表面が均等に温められるので、熱を周囲の空気に分散するのに役立つことを意味することである。ハウジング表面の極めて高温の領域、特に先行技術のポンプでの磁石の上方は、こうして回避されるので、例えば、ハウジングリブ３は、触れることができる接触面を最小にするために施すことが出来る。これは、ハウジングリブ３に関連付けられる対流問題も消滅するので、ハウジングからの熱放散をさらに改善する。
【０１０７】
ここに記述する詳細な実施態様においては、カバー２８を作成して、これが空気流４７の一部を位置センサ３６に導き、この空気流の一部をさらに１つまたは複数の出口開口部１６にまで導くようにする。位置センサは（高温の）磁石近くに取付けるので、位置センサは特に高温にさらされる。受動的な先行技術型の冷却では、熱放散が悪いため磁石は非常に加熱されるので、位置センサ３６は、磁石の表面温度に近いと想定される。有向空気流を用いる本発明の冷却を用いると、位置センサ３６の温度が、内部空気温度近くに保たれることを意味するので、特に連結ロッド３１を構築するときは、これがセンサ素子（ＣＣＤ受信部３２および光源３３）を磁石の金属部分から、熱的に充分に隔離することに注意しなければならない。これは勿論、ハウジングカバー５の中に設けるあらゆる電子部品（６）にも当てはまる。これも、その上に空気流４９の一部を向けて冷却する。
【０１０８】
位置センサ
既に論じたように、記述した実施態様における位置インジケータのための基準素子は、位置を検出するための延長した連結ロッド２０の上にある影画定体３５であって、その影をＣＣＤセル３２（電荷結合素子）のラインの上に投影する。実施例においてさらに詳細に記述した、位置を検出する能動位置センサは、計量ヘッドに向けられたスラスト部材の側面の上にある。光源３３はＬＥＤで、受光部はＣＣＤセル３２を有する電子モジュールで、これはこの場合、中間部分、すなわち、センサキャリア３１上に取付ける。センサキャリア３１上に位置センサ３６を取付けることにより、作成工程において独立モジュールとして扱うことが出来るので、例えば、予め別個に組み立てられ、最終構築場所から離れて試験をすることが出来る。さらに、記述したライトボックス状の配置は、非接触で従って非摩耗のセンサを構成する。
【０１０９】
基本的機能にとって、センサの場所は重要でない。場所は、空間、アセンブリ順序などのような、構造的配慮により判定することが出来る。さらに、ここで固定して取付けると記述される部品（光源３３、受信部３２）および連結ロッドと共に移動すると記述される部品（影画定体３５）とは、機能を交換することが出来る。
【０１１０】
この実施例において、ＣＣＤモジュール３２は、マイクロプロセッサを含み、かつ要求される制御信号を生成する評価ユニットを用いて制御される。マイクロプロセッサの代わりに、評価ユニットはＤＳＰ（デジタル信号処理装置）または別個の技術から生成されることも出来る。
【０１１１】
光源３３には、充分に狭い光点を作成する限り、任意の素子を使用することが出来る。図７に示す幾何学的形状と共に、この幅が影領域ＳＶを判定する（図８も参照）。
【０１１２】
光源３３はまた、数個の素子または線光源によって構成され、影ＳＶは、特定の要求を満たすように生成される。１つの実施例は、運動方向において鮮明度に影響しない高輝度の生成である。
【０１１３】
ＣＣＤライン３２は、Ｍ個の受光部（以下ピクセルと表示する）の直線的な配置で、これらを数μｍのピッチＲで規則的な配列で配置する。１つの実施例として、６４μｍ離して約８ｍｍの全長となる１２８個のピクセル、すなわち、Ｍ＝１２８およびＲ＝６４μｍがある。
【０１１４】
評価ユニットが作成する制御信号が、ＣＣＤライン３２の個々のピクセルが入射光をＣＣＤモジュール内の増幅器で積分して後の処理のため格納する間に、照射時間を設定する。積分は、照射周期全体にわたってだけではなく、ピクセル毎の受光面全体にわたっても生じる。照射後、ピクセルに対する輝度値を、次の制御信号がアナログ値としてＣＣＤモジュールから順に読取って、評価ユニットが捕捉する。
【０１１５】
照射と輝度値の読取は、最も簡単な場合には交互に生じる。市販のＣＣＤライン構築によっては、両方の手順を同時に実施する可能性を有するものもある。この場合、これらは積分された照射測定を格納して、直ちに次の測定のため積分器を開放する。次の手順のための、照射段階の間の測定結果の同時出力は、測定速度を増大することが出来る。
【０１１６】
図８のダイアグラムは、具体的な実施例において影響を受けたピクセルの領域における実際の影を積分した輝度値Ｈを示す。影領域ＳＶは、この実施例において、ピクセル＃６０から＃６３まで拡張する。
【０１１７】
簡単な評価手順として、判断閾値Ｈｖ（図８では破線で示される）を、例えば、最大輝度の半分に設定し、影遷移領域における輝度値Ｈが最初に閾値Ｈｖを下回るピクセルを求める。実施例では、これはピクセル＃６２である。
【０１１８】
別の実施態様においては、ピクセル数を非照射ＣＣＤセルから照射ＣＣＤセルへ増大させ、輝度を逆方向にすることが出来る。これは、光源３３，ＣＣＤモジュール３２，および影生成体３５素子の配置により、および採用されるＣＣＤモジュール３２の内部組織によって決まる。この場合は、最初に閾値を超える輝度を有するピクセルが、求められるピクセルである。
【０１１９】
照射、読取および処理の３つの段階の後、位置の値が作成される。３つの段階の総使用時間が、位置の値を取得する頻度を判定する。測定分解能は、個別のコンポーネント間の取付け距離により与えられる幾何学的関係Ａにより修正されるＣＣＤセルのピクセルピッチＲである。
幾何学的関係Ａについては（図９を参照）
ｓ＝影画定体の実運動
ｓ’＝影画定体のＣＣＤ平面に投影される運動
ｘ２＝受光影画定体および光源との間の距離
ｘ３＝ＣＣＤ面および光源との間の距離
とするとき、
Ａ＝ｓ’／ｓ＝ｘ３／ｘ２
である。
【０１２０】
この手順はピクセルを計数することにより位置を判定するので、デジタルな手順である。モジュール感度などの直線的パラメータにおける偏差またはシフトは、アナログ手順に比較した結果に対して実用的に影響がない。幾何学的関係Ａを実用的な値について判定すると、アセンブリにおける変動も小さな影響しかない。ｘ３＝２１ｍｍでｘ２＝２０ｍｍの実用的な実施態様においては、比Ａについて１．０５の名目値が得られる。すなわち、影画定体３５素子の特定距離だけの移動は、ＣＣＤセル３２の平面において１．０５倍高い影領域ＳＶのシフトを生成する。係数ｘ３についてのアセンブリ変動、すなわち、ＣＣＤセル３２の光源３３からの距離の可能な変動を、±０．３ｍｍと想定し、許容範囲の上限におけるｘ３＝２１．３ｍｍでｘ２＝２０ｍｍを有するアセンブリを仮定すると、この場合は幾何学的関係Ａは１．０６５となる。この実施例における幾何学的関係は、１．０６５／１．０５＝１．０１４すなわち＋１．４％だけ変化する。この偏差は、例えば、生成に際しての、単一較正により容易に除去することが出来る。直線性はほとんど専ら、チップ幾何学的形状におけるピクセルピッチの精度によって判定されるので、偏差は０に近いほどに小さい。
【０１２１】
影画定体３５の位置および従ってダイヤフラム１３の位置を判定する上述の方法は、既に極めて正確で直線的位置の値を示すけれども、補間によりさらに精密な位置分解能を生成することが出来る。この拡張された実装例において、ピクセル輝度Ｈの評価は、ピクセルの輝度値を決定閾値の領域において補間して、例えば、ピクセル６１および６２との間などで、ピクセルピッチＲより細かい位置分解能を生成する。この目的は、輝度プロファイルが決定閾値Ｈｖと交わる位置を判定して、この交点に対し位置尺度の上で、ピクセルの中間で正確にピクセル数に対応するｘの値を与えることである。
【０１２２】
この目的で、決定閾値Ｈｖの左と右の２つのピクセルが求められ、この閾値からの輝度値の距離？Ｈが判定される。図１０または図１１に示すように、
？Ｈｌ＝Ｈｌ−Ｈｖ
？Ｈｒ＝Ｈｒ−Ｈｖ
である。
【０１２３】
隣接する２つのピクセル、この実施例では＃６１と＃６２、それぞれの中心軸からピクセル幅の倍数で交点まで計算される距離？ｘが、交点の左にあるピクセル＃６１（左隣接ピクセル）に関する輝度？Ｈと次の関係を形成する。
？ｘｌ／（？ｘｌ＋？ｘｒ）＝？Ｈｌ／（？Ｈｌ＋？Ｈｒ）
（？ｘｌ＋？ｘｒ）＝１（１ピクセル幅）であるときは、
？ｘｌ＝？Ｈｌ／（？Ｈｌ＋？Ｈｒ）
【０１２４】
求められる交点の右にあるピクセル＃６２（右隣接ピクセル）に関しては、次の関係が保たれる。
？ｘｒ／（？ｘｌ＋？ｘｒ）＝？Ｈｒ／（？Ｈｌ＋？Ｈｒ）
（？ｘｌ＋？ｘｒ）＝１（１ピクセル幅）であるときは、
？ｘｒ＝？Ｈｒ／（？Ｈｌ＋？Ｈｒ）
【０１２５】
この実施例において、交点は６１．７の値にある。補間領域における輝度が理想的直線にしたがうときは、両方の計算は同一結果を生成するので、原理的には、２つの計算のうち１つが実施されれば良い。しかし、両方の計算を実施して結果を平均すると、その結果は、考慮している遷移領域における正確には直線でない輝度プロファイルを通じて、または不正確な測定を通じて起こる、予期しなければならない誤差を最小にすることが出来る。
【０１２６】
別の実施態様においては、非照射および照射ＣＣＤセルに関する交点のどちらか一方の条件を交換することが出来る。この場合は、左および右のインジケータがその機能を適切に交換するので、補間の方程式は付随して変えなければならない。
【０１２７】
さらに、２つより多いピクセルからの輝度値を用いる、別の実施態様も可能である。このときは、重複する複数の計算により幾つかの結果を平均して、位置を判定する。別の可能な実装例においては、ここで説明した以外の直線的な補間または直接隣接以外のピクセルからのデータを用いる補間を使用することが出来る。
【０１２８】
モジュール感度のような直線的パラメータにおける偏差およびシフトは、補間領域内の結果に影響を有するのみである。ＣＣＤ平面上にある影画定体の投影の鮮明度から結果として生じる影遷移領域における輝度プロファイルの傾斜は、それにより補間が広く影響を受けることはないので、余り重要でない。補間の精度のためには、輝度プロファイルの直線性のみが重要である。
【０１２９】
上述の補間方法とは無関係に、記述された基本原理に基づく、別の手順をセンサ性の改善のため使用することが出来る。これらの手順を以下に記述する。
【０１３０】
？？  フィルタリングによる干渉に対する抵抗の改善
センサの干渉に対する抵抗は、フィルタリングにより改善することが出来る。フィルタリングは、ピクセルに対する輝度値、および位置判定の結果自体に対して、適用することが出来る。最初の場合、手順は、幾つかのピクセルまたは幾つかの経路にわたって平均された輝度を用いて、動作する。また第２の場合は、最初に判定される幾つかの位置結果を、推測された位置の値に集積し、次いでこれを次の処理に使用する。
【０１３１】
？？  アセンブリにおける変動についての補償
例えば、実計量ストロークの前の休止段階など、定義された段階において、この段階に対する位置の値を判定して基準メモリに格納する。能動運動段階の間、前に判定された基準値に関する位置の値を処理される。この手順により、生成中に生じる休止位置のアセンブリの変動および動作中の偏差、例えば熱膨張、を自動的に補償して精度を改善することが出来る。
【０１３２】
？？  スケーリング誤差についての補償
さらなる代替案において、基準位置と称される２つまたはそれ以上の既知の位置を、位置センサのスケーリングに使用することが出来る。これは生成中または試験手順中に一度だけ若しくは動作中に反復生じることがある。
【０１３３】
最初の場合は、例えば、ピッチ位置または外部の測定器具など、外部に存する器具を用いて基準位置を提供する。これらの基準位置から測定する位置の値から、基準位置の実位置に関する知識と共に、位置センサのスケーリングに関する補正値を判定して次の処理のために格納することが出来る。
【０１３４】
反復スケーリング判定の第２の場合は、例えば、機械的バッファなど、既知の位置または追加の利用可能な器具からの基準信号が位置の判定に必要である。ダイヤフラムが動作中に、このような既知の位置にあるとき、この場所から測定する位置の値は、位置センサのスケーリングのための補正値を生成することが出来るので、次の処理のため格納することが出来る。
【０１３５】
？？  受光パラメータについての補償
さらなる実施態様においては、完全に照射されたピクセルの輝度値を利用して、照射強度のための代表値を作成する。この目的で、例えば、ピクセルの適切なグループを使用して平均輝度を提供することが出来る。照射強度を使用して、利用可能な範囲を最適に活用するよう、照射を制御することが出来る。１つの実施例として、光源の輝度またはオンタイムを、完全に照射されるピクセルの照射強度がＣＣＤモジュールのための焼付限界のわずかに下になるよう、制御することが出来る。光源のオンタイムは、オン／オフ比を変えることにより制御する。測定毎に、前に取得した比を用いて、例えば経年変化による、照射パラメータの変動がいずれも除かれるよう、照射強度を修正する。
【０１３６】
？？  汚れおよびピクセル偏差についての補償
さらなる実施態様において、センサの機械的構造を、例えば、実計量ストロークを実行する前の休止段階など、明確な段階において、動作可能なピクセル範囲の全体またはその大部分を照射するよう、構築することが出来る。可能な実施態様は、例えば、影生成体の磁石に面する影画定エッジを鑑定のため使用することで、これにより、影画定体はストローク運動の間にセンサの上を掃引して、前の休止位置で照射されていたＣＣＤセルの領域を暗くする。この段階で、関係するピクセルの輝度を判定して個別に基準メモリ内に格納することが出来る。例えば、理想的な値からの個別のピクセルについての測定値からの偏差などを、修正の形で補償することが出来る。能動運動段階の間、各ピクセルの輝度を先ず修正し、その次にのみ、測定毎に前に得られる基準値を用いてさらに処理する。この手順によって、製造工程により持ち込まれる個別ピクセルの感度における偏差を補償し、精度または動作の信頼性を改善することが可能である。
【０１３７】
当然ながら、ＣＣＤ受信部セルも２列以上に配置して、重複により、例えば、汚れによるなどの低下に対する安全性を増大するか、または、平均により測定の精度を増大することがある。特別に大きいストローク長のためには、個別ラインの測定範囲を、単一ラインの機能的限度を超えて広げるため、２つ以上のＣＣＤラインを組み合わせることが出来る。
【０１３８】
磁石出力および熱出力の合致
運動制御磁気駆動定量ポンプの利点を、特に低速運動乃至休止運動において、活用するため、とりわけ磁石出力、および既に上述したハウジング内側の内部ファンを用いる能動冷却を考察しなければならない（「磁石およびその他のコンポーネントの冷却」の項を参照）。
【０１３９】
磁気駆動定量ポンプにおいて通常生じる基準にしたがう磁石出力は、運動制御作動の下で変更を加えることなく動作するときは、狭い範囲においてのみ適切である、もっと広い範囲にわたって制御を可能にするためには、磁石電流が極めて迅速に変動する最悪の場合においてさえも、機械的なコンポーネントの自然な移動に対し反応することが出来ることが重要である。
【０１４０】
しかし、先行技術の構造においては、磁化コイル２の高誘導性がこれに抵し、それにより、約２０−５０ｍｓの時間の後、磁流ＩＭによる名目値に達するのみである。この正常出力は、巻線２９（オーム抵抗、誘導性）の電圧およびインピーダンスとの協働が、ほぼ所望の電流を与えるように、選択される。単純な場合には、この電流は機械のための供給電圧により、おそらくは許容誤差をこれから差し引いて、与えられる。電流が制御された実施態様では、最小に予想された供給電圧のためにも電流の流れが保証されるよう、寸法を選択するので、高い電圧については前もって設定する値に制御回路が制限する。
【０１４１】
磁石が運動の制御に適しているときは、遙かに少ない数の巻線が選択され、磁流が最短時間で影響を受けるようにしなければならない。巻線空間を均等に使用するときは、巻線数（Ｎ）の低減係数は抵抗および誘導性に２乗の効果を有し、これが不変電圧のためＮ２の比で電流上昇率を上昇させる。このような磁力についての電力要求は、全体で動作電流に達する時間はＮの係数だけ低減するよう、Ｎの比で上昇する。
【０１４２】
以下の実施例において、これはさらに詳細に説明される。簡単にするため、磁化コイル２のほぼ直線的な電流上昇、すなわち、純粋に誘導的な行動を想定する。先行技術の磁化コイルは、そのインピーダンスのため、磁流を０．１Ａ／ｍｓだけ上昇させることが出来る。必要な動作電流の２Ａには、従って電圧印加後２０ｍｓで達する。半分の時間（１０ｍｓ）で動作電流に達すると、巻線数は半分になるのでワイヤの断面積は２倍にできる、すなわち、線径をルート２の係数だけ増大することができる。誘導性および巻線抵抗は４の係数だけ低下するので、電流上昇時間は不変電圧に関して０．４Ａ／ｍｓまで上昇する。動作電流は４Ａまで２倍になり、元の時間（１０ｍｓ）の半分で達する。
【０１４３】
制御能力は、自然運動を遅くすることに特に活用することが出来る。このことが磁流の流れＩＭを、ほとんど連続作動に拡張するので、ストローク当たりのエネルギ損失は増大する。記述する機能の何れを実施するかにより、これは、放散すべき熱を実質的に増大することがある。この増大の程度次第で、熱放散を可能にする機械的構造の変化を伴う、拡張基準を用いる熱設計が必要となる。この増大して長く続く磁石の動作電流ＩＭは、制御電子部品４４でより大きいモジュールを使用することにより、考慮に入れなければならない。
【０１４４】
位置センサを、ダイヤフラム運動の制御に関連して使用し、油圧性を改良し磁気駆動定量ポンプの適用分野を広くすることは、経済的理由のため、磁気駆動定量ポンプの個別モジュール全部の再設計のニーズに至ってはならない。既知のモジュールを大幅に再使用することが出来ることに注意しなければならない。これは搭載モジュールについても当てはまり、その構造は、非制御の磁気駆動定量ポンプに既に使用している部品は制御磁気駆動定量ポンプにおいても使用出来ることを保証しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】制御された磁石を有する磁気駆動定量ポンプの断面図を示す。
【図２】位置センサの分解図を示す（図１における区画Ｘの拡大図）。
【図３】位置制御回路のコンポーネントを示す。
【図４】速度制御回路のコンポーネントを示す。
【図５】位置センサの軸方向の上面図を示す。
【図６】軸に対し右の確度から見た位置センサの側面図を示す。
【図７】位置センサの影領域の説明図を示す。
【図８】実影遷移領域におけるピクセルの輝度値を示す。
【図９】幾何学的配置に基づく位置センサ測定の説明図を示す。
【図１０】位置分解能の補間を示す。
【図１１】位置分解能の補間のための算出基礎の説明図を示す。
【図１２】機械的なストローク長、および動作圧力として計量性の説明図を示す。
【図１３】冷却概念の説明図を示す。
【図１４】プライミングでキャビテーション保護のある計量工程のオシログラムを示す。
【図１５】キャビテーション保護のない計量工程のオシログラムを示す。
【図１６】ストローク長を電子的に０．９ｍｍに制限した計量工程のオシログラムを示す。
【図１７】終点のバッファ衝突が抑制された計量工程のオシログラムを示す。
【図１８】低速計量を用いる計量工程のオシログラムを示す。
【図１９】プライミング上でキャビテーション保護のある低速計量における計量運動および付随する磁流要求の説明図を示す。
【符号の説明】
【０１４６】
１  ハウジング
２  磁化コイル
３  ハウジングリブ
４  床板
５  ハウジングカバー
６  ハウジングカバー内の電子部品
７  調節部材
８  ストローク調節ピン
９  カバー
１０  制御ライン
１１  歯車（減速歯車）
１２  計量ヘッド
１３  ダイヤフラム
１４  入口弁
１５  出口弁
１６  計量チャンバ
１７  磁石シュラウド
１８  縦軸
１９  連結ロッド
２０  スラスト部材
２１  Ｏリング
２２  スラスト部材の内面
２３  圧縮ばね（回復ばね）
２４  磁石シュラウドの内面
２５  磁石板
２６  押圧ヘッド側ブッシュ
２７  スラスト部材側ブッシュ
２８  カバー
２９  コイル巻線
３０  ダイヤフラムコア
３１  センサキャリア
３２  受信部、ＣＣＤモジュール
３３  光源
３４  開口部
３５  基準素子としての影画定体
３６  位置センサ
３７  微分器
３８  名目値設定
３９  名目−実際の比較
４０  ＰＩＤ調整
４１  位置修正
４２  増幅器
４３  ファン
４４  制御電子部品
４５  電力モジュール
４６  空気流出口開口部
４７  ファンの空気流
４８  位置センサ用部分空気流
４９  ハウジングカバー内電子部品用部分空気流
５０  連結金具
５１  コイルキャリア
ＳＶ  影プロファイル
ｈ  明るい領域
ｄ  暗い領域
＃５８．．．．＃６５  ＣＣＤのセル（ピクセル）
Ｈ  ピクセルの輝度
Ｈｖ  比較閾値（ＶＳ）の輝度
Ｈｌ  ＶＳとの交点の左にあるピクセル（左側隣接ピクセル）の輝度
？Ｈｌ  左側隣接ピクセルと比較閾値の輝度値との間の輝度の相違
Ｈｒ  ＶＳとの交点の右にあるピクセル（右側隣接ピクセル）の輝度
？Ｈｒ  右側隣接ピクセルと比較閾値の輝度値との間の輝度の相違
？ｘｌ  左側隣接ピクセルの中間線の、ＶＳとの交点に対する位置分離
？ｘｒ  右側隣接ピクセルの中間線の、ＶＳとの交点に対する位置分離
ｘ１  影画定体とＣＣＤ面との間の距離
ｘ２  影画定体と光源の間の距離
ｘ３  ＣＣＤ面と光源との間の距離
Ｐ１  動作圧力Ｐ１
Ｐ２  動作圧力Ｐ２
Ｐ３  動作圧力Ｐ３
Ｐ４  動作圧力Ｐ４
ｘＴ１  動作圧力Ｐ１に関するデッド領域
ｘＴ２  動作圧力Ｐ２に関するデッド領域
ｘＴ３  動作圧力Ｐ３に関するデッド領域
ｘＴ４  動作圧力Ｐ４に関するデッド領域
Ｓ  実際の影画定体の運動
Ｓ’  投影された影画定体の運動
Ｄ  計量性
ＨＬ  機械的ストローク長
ＳＧ  コントローラ出力
ＫＳＧ  修正コントローラ出力
ｋ１  位置依存位置電流修正のための係数
ｋ２  性能増幅器のための係数
ｋ３  速度信号の偏差のための係数
ｘｓ  スラスト部材の位置に関する名目値
ｘＩ  スラスト部材の位置に関する実値
ｘＳＩ  スラスト部材の位置に関する制御偏差
Ｖｓ  スラスト部材の速度に関する名目値
ＶＩ  スラスト部材の速度に関する実値
ＶＳＩ  スラスト部材の速度に関する制御偏差
ＰＯＳ  ダイヤフラムにおける制御信号
ＥＰＯＳ  ダイヤフラムにおける制御信号のための終点緩衝装置
ＩＭ  磁流
ＩＭｏ  ダイヤフラムにおける磁流のゼロ位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【外国語明細書】
MAGNETIC DRIVE METERING PUMP (MD)
The invention relates to a magnetic drive metering pump according to the preamble of claim 1.
Magnetic drive metering pumps of that type are generally known and are matched to requirements by add-ons.  They operate volumetrically, wherein metering is carried out by transporting a closed volume.  The metered volume per stroke thus corresponds to the difference in volume on movement of the diaphragm.
In such magnetic drive metering pumps, a movable thrust member is mounted in a stationary magnet shroud so that when the magnetic coil is driven, it is drawn into the magnet shroud, the airgap shrinks and after switching off the electric drive, the thrust member is impelled back into its starting position by a recuperating spring.  A connecting rod is fixedly associated with the thrust member and transfers the motion and force to the metering diaphragm.
In the simplest case, the stroke magnet is switched on for a particular period to execute a metering stroke.  Other embodiments supply the magnetizing coil with a controlled current in accordance with a predetermined time profile, wherein the magnetic force and thus the metering performance is more reproducible and independent of electrical parameters such as the actual power of the mains. 
The stroke frequency is given by the repetition frequency of the electrical drive pulse.  The stroke length can, for example, be altered by means of a mechanically adjustable spindle which sets the start point of the stroke motion; the end point is given when the magnet has moved in completely.  In one possible embodiment, a stroke adjustment pin is screwed into a thread in the pump housing and has a calibrated knob accessible from the outside, the back of which is fixed to the magnet shroud or its position is fixed with respect to the magnet shroud.
The motion of the diaphragm occurs by a combination of the effective forces.  After switching on, the magnetic current and therefore the force produced initially rises, slowed by self-induction; when the force on the connecting rod generated by the diaphragm and the recuperating spring is overcome, the thrust member begins to move.  The airgap shrinks and the corresponding magnetic force rises further.  The thrust member accelerates quickly and impinges against the shroud, curbed only by an O-ring which is generally present.  The entire movement is executed in a few milliseconds, resulting in very high instantaneous speeds for the metering medium and high pressure peaks, up to twice the operating pressure and beyond.
The diaphragm is not rigid, but deforms elastically by a particular amount in the flexing region when the pressure of the metering medium operates thereon.  The amount of the deformation is lost to the effective stroke motion and the result is that with increasing operational pressure, the metered amount reduces.  This drop-off characteristic is much more prominent in normal use than allowed by the metering accuracy.  Thus, magnetic drive metering pumps normally cannot be used over a wide range of operating pressures with the desired accuracy; moreover, the errors which arise by calibration are exacerbated as they are included in further calculations.  However, said calibration measurement must be carried out in use under actual operating conditions and particularly when using aggressive chemicals, is a step which is extremely difficult.
Current magnetic drives have just a few simple parts and thus are easy to manufacture, but are relatively limited in application and suffer from disadvantages as regards the hydraulic properties of the metering process compared with a motor-driven pump.  The motor drive, which is transferred, for example by means of a gear or cam, has more applications and for many processes it has better metering properties, but is much more expensive to produce.
The particular aim of the invention is to overcome the known disadvantages as regards the hydraulic properties of the metering process and to provide a variable, larger operational range for magnetic drive metering pumps without negatively affecting its advantages, namely easy and cheap manufacture.  Further, the motion of the thrust member and the associated connecting rod should be matched to the nominal details so that the metering process itself is adjustable, and any defects caused by manufacture or disadvantageous properties of the elastic diaphragm can be taken into account and compensated for by the control system.  The positional indicator should be structured so that variations in assembly and/or problems which arise during service regarding the positional measurement can be compensated for by the on-board electronics.
The problem is solved by dint of a reference element which is associated with the module constituted by the thrust member and connecting rod, the position of which is detected by a positional sensor, wherein the positional sensor provides an actual signal which is in a fixed relationship to the position of the reference element, and the motion of the unit formed by the thrust member and connecting rod is influenced by a control circuit as regards its control accuracy so that it follows a predetermined nominal profile.
The control system and positional sensor capture the motion of the thrust member with the connecting rod and move it in a predetermined motional profile.  In this regard, starting from the nominalconditions, the control system determines the appropriate motion to be set and then controls it using the motional measurements obtained from the positional sensor and influencing the magnetizing coil current so that metering is carried out in the best possible manner and inaccuracies which arise, for example due to the properties of the diaphragm, are eliminated.
If the positional sensor operates in accordance with a touch-free principle, then wear-free operation of the sensor is guaranteed, which because of the large number of strokes during the service life of a metering pump is advantageous and in fact necessary.
If the positional element associated with the connecting rod is located at the end facing the metering head and outside the metering head, then flexibility as regards space for the positional sensor is increased.
If the reference element influencing the light path of a light source and if the positional sensor cooperating therewith, which is fixed in the magnet shroud, operates as a light-sensitive receiver, then wear-free operation is ensured, which is vital because of the large number of strokes executed during the service life of a metering pump, and the moving parts are swept over without touching them.  A further advantage of such an arrangement is that such a structure for a positional sensor is in principle insensitive to stray magnetic fields which are unavoidable when operating the sensor near to magnets.
If the reference element is a shadow-producing body or a shadow-providing body and the cooperating positional sensor which is fixed in the magnet shroud is constituted by a series of light-sensitive charge coupled devices, such an arrangement has important optical properties which must be satisfied by the positional sensor.  Firstly, the arrangement operates on a wear-free optical functional principle and is insensitive to stray magnetic fields, and secondly, such a sensor has practically no linearity defects.
If the positional sensor is arranged on its own sensor carrier, which is fixed to the magnet shroud, such an arrangement can be pre-assembled as a module and tested, thus facilitating assembly.  If the sensor carrier is formed as a non insulating plastic part, then in addition, electrical insulation of the sensor elements from the magnet shroud is simplified.
If the positional element, the shadow-producing body or the shadow providing contour and the positional sensor constitute a lightbox- like arrangement and if the measurements are fed continuously or supplied stepwise to the electronic control system, such an arrangement provides the electronic control system with positional data at a suitable rate.
If the optical receiver of the positional sensor consists of a plurality of linearly arranged receivers (pixels), preferably 128 pixels, such an arrangement can readily determine the position by determining the edge of the shadow between illuminated and non-illuminated cells and thus clearly has a resolution equal to the separation of the cells of the receiver module.
If the light source is a light emitting diode (LED), which is arranged opposite the positional sensor so that its light beam directed at the receiver is not perturbed by the connecting rod, then this has the advantage that the cheap LED has a near point light source which is vital to high optical resolution, and has an almost limitless service life.  Arranging it opposite the positional sensor beyond the connecting rod produces a large distance between the light source and the receiver, which makes the projection angle of the relevant light beams relatively independent of the mounting position of the elements.
If the starting value for the positional sensor (36) is produced by interpolating the brightness values for several pixels lying in the shadow transitional region, then the resolution for the starting signal for the positional sensor is finer than when it is determined by the mechanical pitch of the cells of the CCD receiver.
If filtering means are employed when processing the signals from the positional sensor, the resistance to interference of the positional sensor is improved.
The sensitivity of the positional sensor as regards variations in assembly and mechanical displacements during operation, for example during heating up or on wear of the bearings, is reduced if zero position errors of the positional sensor are eliminated by means of a reference memory or scaling errors of the positional sensor are eliminated by including one or more reference positions.
If variations in illumination of the positional sensors are evened out by controlling or regulating the light source using the brightness values obtained for the pixels, the sensitivity of the positional sensor to variations in module parameters is reduced.
If brightness variations between individual pixels of the optical receiver are compensated for by incorporating a reference memory for the sensitivity of each pixel, the effects of dirt on the optical receiver are reduced.
If the signal from the positional sensor is further processed in a control device and compared with a nominalvalue, wherein the control device influences the current to the magnetizing coil to correct the motion, this intentional influencing of the diaphragmmotion can be exploited to achieve or improve advantageous hydraulic properties of the metering, for example for slow metering, for pressure compensation and/or metering accuracy for partial strokes.
If the control device alternately influences the position, speed or acceleration of the thrust member via a control device by changing the coil current, the advantages of the appropriatecontrol method can be exploited if they match the demands of a real metering task.  Controlling the diaphragmspeed enables the actual flow speed of the metering medium to be controlled directly - this, for example, is necessary to avoid cavitation on slow priming.  Controlling the diaphragmposition, on the other hand, means that near stationary situations can be controlled, where information regarding speed, obtained by differentiation of the path signal, becomes very small and can no longer be properly processed by the control device.  Controlling the diaphragm position gets around this problem and is, for example, used advantageously for electronic stroke length limiting or slow metering.  Controlling the acceleration of the diaphragmis advantageous because it is easy to regulate, as the acceleration of moving masses is a direct reflection of magnetic power and thus indirectly of the magnet current.
If the control device intentionally reduces the speed of the thrust member in the priming phase and/or in the pressure phase, pressure losses caused by resistance to flow or the creation of cavitation are counteracted.  When metering highly viscous media, for example lecithin, large pressure drops occur in narrow places, such as in the valves, when the flow rate is too high.  These pressure drops must be overcome in the form of additional power from the drive and can be kept low by controlling the diaphragm speed.  In addition, flow noises on reduced flow speeds can be effectively reduced.  When metering media which readily evolve gas, such as chlorine bleach, cavitation frequently occurs particularly during priming, when too high a flow speed is used, by dropping below the vapour pressure of the metering medium, resulting in increased mechanical wear.  Controlling the diaphragm speed in the priming phase and/or in the pressure phase advantageously avoids this phenomenon.
If the desired stroke length is communicated by the operator to the control device and the motion of the thrust member is electronically limited by the control device to the stroke length to be executed by controlling the magnetizing coil electronically, then the mechanical adjustment elements can largely be dispensed with.  If the motion of the thrust member is limited electronically even for maximum stroke lengths, without reaching the mechanical buffer, then the absorbing O-ring can also be dispensed with.
If the value to which the stroke adjustment is set is determined by measurement during metering directly via the positional sensor, an additional sensor for mechanically positioning the accompanying on-board elements can be dispensed with.
If the control device limits the speed of the thrust member at the beginning and/or end of the pressure phase, for example in the first or last third of the stroke, controlling the magnetizing coil so that pressure peaks which could occur due to rapid changes in speed of the metering medium stream or by impinging hard against the mechanical buffer are prevented means that otherwise necessaryadditional accessories such as pulsation moderators can be dispensed with.
If the control device limits the speed of the thrust member at the end of the pressure phase by controlling the magnetizing coil so that overstraining is avoided, then the metering accuracy is substantially improved, particularly at low back pressures.
If the control device distributes the forward motion of the thrust member during the pressure phase by driving the magnetizing coil for the period given by the repetition rate of the metering stroke, so that the metering medium is dispensed in the smoothest manner possible, even with very slow metering strokes of several minutes duration, for example, then concentration variations in the metering medium can be substantially avoided.
If, when operating in continuous metering mode, i.e. essentially without a pause between priming and the next metering stroke, the control device changes the stroke motion to a stroke motion with a reduced stroke length and an increased stroke frequency and keeps the diaphragm speed in the metering stroke almost the same to provide the desired metering performance, and if it finishes priming by controlling the magnetizing coil before the thrust member is impelled by the recuperating spring completely onto the front mechanical (rest) buffer, so that the motion of the thrust member occurs only in the stroke motion domain, wherein the airgap and thus the magnet current requirement are small, then on a time basis, the required electrical drive and the resulting heat loss are reduced.
The metering accuracy is improved if during the start phase of the controlled forward motion of the thrust member either the control device itself or a further control unit observes the magnet current, deduces the power profile and thus detects opening of the outlet valve from the instantaneous power profile and thus from this observation measures the dead region which is caused by the elastic deformation of the diaphragm, and then influences the actual stroke path by intentionally stopping the stroke motion as a function of the diaphragm deformation so that the error contributed by the diaphragm deformation (with respect to the stroke or the metered volume) is eliminated and the dependency of the metered amount on back pressure is substantially reduced.  This improvement is achieved by eliminating errors which are caused by the elastic deformation of the diaphragm due to the operating pressure so that said deformation does not contribute to the metering.  By dint of the reduced dependency of the metered quantity on the operating pressure, re-calibrations which otherwise are required when operational parameters such as operating pressure are significantly changed, are dispensed with.  Compensating for the diaphragm deformation by observing the magnet current is thus advantageous as, in particular with magnetic drive metering pumps, this is a good reflection of the actual power requirement which can be deduced from the available signals and thus no additional measurements are required.
If, when operating wit a reduced stroke length, the actual stroke which is executed during the forward motion of the thrust member independently of the measured dead region due to the elastic deformation of the diaphragm is influenced by the control device by intentionally ending the stroke motion so that the error caused by the diaphragm deformation is eliminated and so that the linear dependency of the metering quantity on the percentage of the set stroke length is substantially improved, this increases the metering accuracy in this case.  This improvement is achieved by eliminating errors which arise through the elastic deformation of the diaphragm due to the operating pressure, so that the amount of said deformation does not contribute to metering and thus the effective stroke length is not strictly proportional to the mechanically set length.  Finally, the statements made above are of relevance here.
Excess pressure can advantageously be detected during the metering process and limited if the control device during the forward motion of the thrust member measures the dead region which arises through elastic deformation of the diaphragm and uses it to estimate the operating pressure, and if a predetermined maximum value for the pressure is exceeded, adjusts metering to avoid further pressure increases.  Thus, additional accessories which have been necessary up to now, for example excess pressure limiters, can be dispensed with if the metering pump is the only pressure increasing device in the process.
The heat generated within the magnetic drive metering pump is efficiently dissipated if the housing interior, including the magnet and the electronics, is cooled.  This enables operations which generate a lot of heat, for example continuous metering at low diaphragm movement speeds, to be carried out.
If a fan is disposed in the interior to cool components therein, the air stream of which is directed over the walls of the magnet and/or the windings of the coil and the inner wall of the magnetic drive metering pump housing and other components, the heat generated by the magnet or said components is guided directly into the interior air and thus onto the housing.  The directed air stream improves the heat transfer resistance of the hot components and thus reduces the temperature rise with respect to the air temperature in the interior of the housing.  Because of the more even distribution of the heat over the whole surface of the housing, a larger part of the surface acts as a heat sink than without directed cooling.  The peak temperature of the housing surface and the components in the pump is thus lower than it would be without cooling.
If part of the air stream is guided over the positional sensor to cool it, then its temperature is essentially kept to the air temperature inside the housing.  Since the positional sensor is advantageously mounted fairly close to the magnet to avoid errors in measurements, without such a measure it would be almost as hot as the magnet which, with no cooling by a fan, would be much higher than the general air temperature inside the housing as the magnet is by far the biggest source of waste heat in the apparatus.
If guide surfaces and/or channels are associated with the cover lid, which guide part of the air stream to the positional sensor, then the air stream is more easily directed onto the positional sensor.
If a further part of the air stream is directed onto the electronics installed in the housing cover, the temperature thereof is kept essentially to that of the air temperature inside the housing.  Since the electronics built into the housing cover are also mounted relatively close to the magnet, without this measure they would be heated up by the magnet, the temperature of which without cooling would be much higher than the overall air temperature in the housing.
If the magnet shroud inside the housing is arranged so that its circumference can be licked by an air stream, then cooling of the magnet by a fan is rendered easier.
If the coil winding has a reduced number of turns for an increased wire cross section, the coil current can be changed rapidly as required when controlling the motion of the magnet thrust member.
We shall now describe in more detail an embodiment of the invention and some applications.  The drawings show:
Fig 1:     cross section through a magnetic drive metering pump with controlled magnet;
Fig 2:     exploded view of the positional sensor (enlargement of section X in Figure 1);
Fig 3:     components of positional control circuit;
Fig 4:     components of speed control circuit;
Fig 5:     top view of positional sensor in axial direction;
Fig 6:     side view of positional sensor at right angles to axis;
Fig 7:     illustration of shadow region of positional sensor;
Fig 8:     brightness values for pixels in actual shadow transitional region;
Fig 9:     illustration of positional sensor measurements on the basis of geometrical arrangement;
Fig 10:    interpolation of positional resolution;
Fig 11:    illustration of calculation basis for interpolation of positional resolution;
Fig 12:    illustration of metering performance as a function of mechanical stroke length and operating pressure;
Fig 13:    illustration of cooling concept;
Fig 14:    oscillogram of metering process with cavitation protection on priming;
Fig 15:    oscillogram of metering process without cavitation protection;
Fig 16:    oscillogram of metering process with stroke length electronically limited to 0.9 mm;
Fig 17:    oscillogram of metering process with curbed end buffer impingement;
Fig 18:    oscillogram of metering process with slow metering;
Fig 19:    illustration of metering motion and accompanying magnet current requirement on slow metering with cavitation protection on priming.
Figure 1 shows a longitudinalsection through a magnetic drive metering pump (MD).  A housing 1, which is provided with ribs 3 close to the magnet (top side) to prevent the hot surface from being touched, has a floor plate 4 on its underside.  As is generally known, the upper region of the housing 1 contains the magnet shroud 17 of the drive magnet.  One face of the housing is closed by a housing cover 5 which is set on the housing 1 and is fixed thereto.  In the centre of the housing cover 5 and coaxially with the longitudinal axis 18 of the substantially rotationally symmetrical magnet, a manually adjustable adjustment member 7 is integrated into the cover to adjust the stroke adjustment pin 8 which limits the axial movement of the thrust member 20 and thus of the stroke of the diaphragmpump.  The adjustment member 7 and other operational elements are protected by a hood 9.  Beneath the hood 9 are connections for control wires 10 or for the mains cable 11.  On the side opposite the hood is a metering head 12 in which the diaphragm 13 formed, for example, from plastic, is stretched.  The metering head 12 also has an inlet valve 14 and an outlet valve 15, to thrust the metering medium brought into the metering chamber 16 between the diaphragm 13 and metering head 12 via the inlet valve 14 through the outlet valve 15 into the metering channel.  The magnetic drive metering pump operates volumetrically, i.e. a predetermined volume is primed on every stroke and then thrust out through the outlet valve 15.  The diaphragm 13 is moved via the drive in an oscillating motion.  As the description “magnetic drive metering pump” indicates, the drive for the diaphragm 13 is an electromagnet formed by a rotationally symmetrical magnet shroud 17, into which a rotationally symmetrical magnetizing coil 2 is integrated.  The magnetizing coil 2 is formed from a rotationally symmetrical coil carrier 15 formed from plastic which is wound with a winding 29 consisting of a plurality of coils formed from lacquered copper wire.  The magnetizing coil has, for example, 800 coils with a wire diameter of about 1 mm.  The coil carrier and winding are suitably arranged and can be insulated by further insulating materials, such as foil.  The magnet shroud 17, a solid rotationally symmetrical body, together with the magnet plate 25 which closes the magnetic circuit from the magnet shroud 17 to the thrust member 20, surrounds the thrust member 20 with its connecting rod 19 arranged in the centre of the thrust member, which is axially displaceable together with the thrust member 20.  To one side of the stroke adjustment pin 8, the connecting rod 19 and the adjustment member 7 act as a manually adjustable stroke adjustment device.  The opposite end of the connecting rod 19 cooperates with the elastic diaphragm 13.  On the part of the connecting rod 19 facing the stroke adjustment pin 8, the thrust member 20 is fixed to the connecting rod.  The core of the diaphragm 13 is fixed to the connecting rod on the part of the connecting rod 19 facing the metering head 12.  The connecting rod 19 and thrust member 20 are axially displaceably mounted in a bushing 26 located in the centre of the magnet shroud 17.  In the face 24 of the magnet shroud facing the thrust member 20 is an O-ring 21 which absorbs any shocks caused by the inner face 22 of the thrust member impinging against the opposite inner face 24 of the magnet shroud.  Further, within the face 24 of the magnet shroud is a compression spring 23, for example a spiral spring, in a hole facing the face 22 of the thrust member which, with uncontrolled magnets, keeps the thrust member from the inner face of the magnet shroud 24 so that an airgap is formed between the two faces.  The magnet shroud has a magnet plate 25 on the side facing the stroke adjustment pin 8, which is fixed to the magnet shroud by screws or push fitting and closes the magnetic circuit from magnet shroud to thrust member.  The outer surface of the rotationally symmetrical thrust member is axially displaceable in the magnet plate 25 in a further bushing 27.  A cover 28 is fixed on the magnet shroud on the side of the adjustment device to mount the stroke adjustment pin 8, the cover being formed so that on the one hand is sufficiently far from the magnet shroud and thrust member so that the motion of the thrust member is not hindered and on the other hand, directs the air stream produced by the fan 43 onto the positional sensor 36.  The adjustment device, stroke adjustment pin and connecting rod are coaxially arranged in the longitudinal axis 18.  If the magnetizing coil 2 is supplied with current, the thrust member 20 moves towards the compression spring, narrowing the airgap, and simultaneously the diaphragm is thrust into the metering chamber, with the result that an excess pressure arises in the metering chamber, the outlet valve 15, for example a spring loaded ball valve, opens and the metering medium is thrust into the metering line.  If the magnet is then deactivated, the thrust member is moved in the opposite direction to the stroke adjustment pin 8 by the compressed spring 23 which, for example, can be formed as a spiral spring, with the result that the connecting rod 19 associated with the diaphragm moves the diaphragm, and an under pressure arises in the metering chamber 16 which opens the inlet valve 14 so that a further batch of metering medium can be primed into the metering chamber.  The alternating oscillating motion of the diaphragm by means of the magnet drive causes the metering medium to be thrust into the metering line.
The position of the unit formed by the connecting rod 19, thrust member 20 and diaphragm 13 is detected by the positional sensor 36, the signal from which is in a predetermined relationship to this position; this relationship may, for example, be a strictly proportional relationship.  The signal from the positional sensor 36 thus constantly relates to the position of the part of the movable unit where it is employed.  This fixing point is formed by the reference element, which is abstract in this case.  Depending on the requirements of the positional sensor, it may be formed as a real additional element to be built in, but it may solely consist of a characteristic shape, for example an edge or face on one of the required components, for example on the thrust member 20.
In this embodiment, the magnet shroud 17 has a sensor carrier 31 (see also the illustration in Figure 6) fixed thereto, which on one side carries longitudinally orientated light-sensitive CCD cells 32 (charged coupled device) and on the opposite side carries a light source 33, for example a light emitting diode.
The sensor carrier 31 fixed to the magnet shroud has a central opening 34 through which the connecting rod 19 passes. On the part of the connecting rod passing through the sensor carrier 31 is fixed a reference element as a shadow-providing body 35.  As the connecting rod 19 oscillates, the shadow-producing body 35 moves too and passes over the light-sensitive cells 32 without touching them.  As can in particular be seen in Figure 5, which Figure shows a top view in the axial direction, the light source 33 must be arranged so that on its way to the light-sensitive cells 32, the light beam is not interrupted by the connecting rod 19; this means, for example, that the light source 33 is arranged over or under the connecting rod 19 and the line of light-sensitive CCD cells 32 is arranged in the axis of the connecting rod 19.  As can in particular be seen in Figure 7, a shadow is cast by the shadow-providing body of the light source 33 onto the light-sensitive cells 32, which divides the cells into illuminated (h) and non illuminated (d) cells.  Since the row of light-sensitive cells orientated parallel to the long axis 18, for example 128 pixels, which covers a distance of about 8 mm, is only partially illuminated or in shadow in the transitional region, the transitional situation SV shown in Figure 8 occurs.  The height of the rectangular surfaces shown in Figure 8 represents the brightness of the pixels.  A special process, which will be described below with reference to Figure 10, exploits this transitional situation in order to accurately determine the position of the shadow-providing body and thus the position of the connecting rod and thus the diaphragm.  This measuring device, consisting of the shadow-providing body on the connecting rod side and the light-sensitive CCD cells on the sensor carrier side with the opposite light source, serves to measure the actual position or speed of the oscillating connecting rod and to exploit this information to carry out the functions described.
The connecting rod, which sets the diaphragm moving in an oscillatory movement, covers a distance on each stroke which corresponds to the mechanical stroke length.  In order to allow for variations in assembly, the longitudinal extent of the light-sensitive CCD cells must be somewhat greater.  This is principally the case with all other positional sensors which may be envisaged.
As explained in Figure 3 and Figure 4 in particular, the control circuit formed by the sensor and the control device require the following mechanical and electronic components.  The abbreviations used in the two diagrams mean the following:
xs:  nominal value for position of thrust member;
xI:  actual value for position of thrust member;
xSI: deviation for position of thrust member;
vs:  nominal value for speed of thrust member;
vI:  actual value for speed of thrust member;
vSI: deviation for speed of thrust member;
SG:  controller output;
KSG: corrected controller output;
IM:  magnet current.
The stationary part of the magnet drive consists of the magnet shroud 17 with the magnetizing coil 2 and the magnet plate 25 each with inserted bearing bushings 26 or 27 for the unit formed by thrust member 20 and connecting rod 19.  The moving parts of the magnet drive, the motion of which is to be controlled, consist of the connecting rod 19 with which the thrust member 20 as the drive element and the diaphragmcore 30 are fixed.  The recuperating spring 23 returns the thrust member after a working stroke and thus operates priming.  The outer ring of the diaphragm13 is fixedly mounted in the metering head 12, which metallic diaphragmcore 30 injected into the diaphragm moves the central surface of the diaphragm in the metering head as the thrust member.  The inlet valve 14 closes on the priming side, the outlet valve 15 on the pressure side of the metering head and each one offers a connection possibility for the external pipework.  A reference element is, for example, connected at the end facing the metering head with the connecting rod 19, the position of which in the present case is detected by a positional sensor 36 which operates without touching.  In the embodiment shown, the reference element is a shadow-providing body 35 in the form of a plate and the positional sensor is a lightbox- like arrangement consisting of the light source 33 described above cooperating with a series of light-sensitive cells 32, which determine the position of the plate 35 optically, and thus without touching, by its shadow.  
The positional sensor 36 produces an actual signal xI which is proportional to the position of the reference element.  In the case of a speed controller, in this embodiment it is fed through a time differentiator 37 (dxI/dt) and thus additionally produces an actual signal vI which is proportional to the speed.  Other methods clearly would be suitable for the control step, which could produce a signal proportional to the diaphragm speed.  Depending on the type of control and the metering requirements, a time dependent profile for the nominal value 38 of position xS or the speed vSis produced. A variance comparison 39 determines the variation as a positional variation xSI = (xS - xI) or a speed variation vSI = (vS- vI) and the result is given on a PID control (proportional, integral and differential control).  The output, namely the controller output SG, corresponds to the value for the drive.  To improve the stability of the controller, prior to further processing, a positional correction 41 takes into account the fact that as the magnet advances it requires less and less current for a given force.  The positional correction 41 arises by subtracting a positional proportional fraction from the start signal 4.  the PID controller 40 produces a corrected controller output, KSG.  An amplifier 42 holds the power levels and supplies the coil 2 with the required current.  The degree of position dependent current correction, transformation of the nominalvalues into a real magnet current and if necessary the deflection constant for the formation of the speed signal vI are set by the three proportionality factors k1, k2, k3.  The factor for the position-dependent correction, k1, is selected so that the degree of current reduction is as close as possible to the magnet steady state characteristic; the two factors k2 for the amplifier or k3 for the speed signal deviation, can be selected from practical considerations, such as operation with the best available ranges for the dimensions used.
Figure 3 shows the control circuit for a positional regulator, and Figure 4 shows the control circuit when using a speed controller.  The control circuit described transfers the predeterminedtime dependent profile for the nominal value for the position xS or the speed vS, clearly in the context of its possible control regulation.
Establishing the real profile for the position, speed or acceleration and switching between these operational modes occurs as described below, for example, taking into account the functional limitations of the controller such as control speed, achievable accuracy, etc.
With such a control, a magnetic drive metering pump can be used to predetermine the desired speed of the diaphragm 13, and thus to control the effective flow speed of the metering medium.
The diaphragm position can thus be directly controlled.  This function allows the positions to be obtained in selected phases of the metering process and if necessary also when stationary.
By controlling the motion by means of a positional indicator, in contrast to uncontrolled operation, changes in the operational parameters can be responded to, which changes crop up over time or occur because of environmental considerations or variations, i.e. statistical deviations in the production series, and can minimize their damaging influence. Examples which can be cited are the diaphragm rigidity or the viscosity of the metering medium.  Both require magnetic force which must be added to the force for creating the operational pressure on the diaphragm surface.  By determining their effect and subsequently regulating the magnetic current, these damaging influences can be compensated for.  An unregulated magnetic metering pump with a preset magnet current, even if this is controlled to keep it stable, still suffers from such influences.  
Further, controlling the movement by means of a positional indicator makes it possible, in contrast to the spontaneous metering process on unregulated operation, to react to internal and external influences which will be described below, and to establish operational conditions which can exploit or avoid particular hydraulicconditions on metering.  An example is the function of the cavitation protection on priming which is described below.
Individual implementations for a magnetic drive metering pump of the type described above will now be described, which pump has a positional sensor which can influence the motion of the diaphragm by controlling and adjusting the magnetizing coil current.
To describe these possibilities of application, Figures 14 to 19 show oscillograms for the appropriate metering processes.  In each diagram, the upper curve, Pos, shows the diaphragmmotion on a scale of 0.5 mm/division; the end buffer point EPos is at the upper edge of the diagram.  The rising part of the Pos curve corresponds to the metering stroke; the falling part to priming.  The lower curve IMshows the accompanying magnet current with a scale of 1A/division; the zero line IMo lies at the lower edge of the diagram.  The descriptions “Pos”, “EPos”, “IM” and “IMo” are shown in Figure 14 and Figures 15 to 19 show similar means, although they are not specifically mentioned.
Avoidance of loss of flow in highly viscous media
Regulating the speed of the diaphragm13, in particular with highly viscous media (for example lecithin), can limit flow losses in the valves and other tight spots.  High flow speeds in such media have a negative influence on the metering accuracy through additional pressure drops as a result of flow resistance.  In addition, it is advantageous here if the valves have more time to open and close because of the limited speed.  Both effects improve the metering accuracy in highly viscous media.  
To achieve this, during the entire metering process, the diaphragm speed is limited to a selectable maximum value.  This maximum speed depends, inter alia, on the viscosity of the actual medium to be metered and is, for example, in the form of several predetermined values which depend on the application selected by the operator or are provided directly. 
Cavitation protection
With media which readily evolve gas (for example chlorine bleach), particularly on priming, but also in the metering stroke, too high a flow speed can cause cavitation at restricted spots by a local drop in the vapour pressure which is dependent, inter alia, on the chemical composition of the metering medium and on its temperature, resulting in increased wear.  Cavitation can be avoided by limiting the speed during priming too, i.e. return of the diaphragm, by regulation to a value which is substantially below a critical flow speed.  A curbing force is set by the control circuit for the magnet to act against the force of the recuperating spring 23 to limit the diaphragm speed to correspond to that of the medium, for example to 1 mm/50 ms.
Figure 14 shows, as an example, an oscillogram of this metering process for a stroke period of 400 ms, a stroke length of 2 mm and a nominal operating pressure of 10 bars with active cavitation protection on priming.
Figure 15 shows, for the same conditions, the oscillogram for a metering process for free priming.
During priming in Figure 14, the speed is limited, by driving the magnetizing coil, to a value of about 1 mm/50 ms, i.e. the control device prevents the diaphragm driven by the recuperating spring 23 from being driven faster back than at the set speed; the diagram shows the magnet current during the priming phase, which establishes this.  In Figure 15, the magnet is not driven during the priming phase - in this case there is no magnet current flow during that phase.  This results in a much higher speed, which can results in cavitation.
Electronic stroke length adjustment
The invention allows the mechanical device for regulating the stroke length (adjustment member 7 and stroke adjustment pin 8) to be dispensed with.  To this end, the control device is told the desired stroke length electronically, for example input by an operator.  If the desired stroke length is executed, the position reached by the diaphragm 13 is stored and returned to the priming phase.  The diaphragmcan still stop briefly in the position dictated by the nominalstroke length in order to allow the outlet valve 15 sufficient time to close, or it can immediately return after executing the nominalstroke length.
Figure 16 shows, as an example, the oscillogram for a metering process for a stroke period of 400 ms and a nominaloperatingpressure of 10 bars with an electronically limited stroke length of 0.9 mm.  As can be seen from the diagram, the diaphragmdoes not travel completely to the end buffer at the upper edge of the diagram, but is stopped after traveling 0.9 mm and then carries out the priming procedure.
Detection of position of adjustment control for the stroke length
Prior art metering pumps often operate by calculating the metering stroke directly from the volume set in the displacement chamber(stroke length) into a metered total volume and displaying this, for example, as the volume flow in the l/h unit.  For such functions, knowledge regarding the stroke length set by the operator is required as the volume metered per stroke depends thereon.  For this reason with prior art metering pumps the position of the stroke adjustment device must be transformed by a separate sensor into an electrical signal and read into the control system.  One example for a practical embodiment would by a rpm reader on the stroke adjustment member.
A motion controlled metering pump does not require an additional sensor as it can detect the actual diaphragm path during the stroke using the on board positional sensor.  By producing the difference between the two positions in the end positions, which can be measured after reaching the mechanical buffer, as soon as the motion stops, the stroke length can be calculated directly and is available for further processing.
Avoiding pressure peaks
In prior art magnetic drive metering pumps, the metering medium is accelerated fairly quickly when the outlet valve opens because this latter is relatively abrupt, resulting in a pressure peak.  Further, the diaphragm and thus the metering medium in a prior art magnetic drive metering pump moves through the decreasing airgap very quickly particularly in the last part of the stroke motion, which means that the thrust member impinges hard against the buffers and high instantaneous flow speeds or pressure peaks occur.
A motion controlled magnetic drive metering pump as described can avoid these negative effects whereby the speed until the outlet valve is opened and shortly before reaching the end buffers is intentionally reduced and the metering thrust member is curbed in the final part of its path shortly before the buffer.  In a variation, there is also the possibility that the buffer is not impinged against, but the diaphragmmotion is intentionally stopped shortly before reaching the buffer.  Thus, the O-ring 21 can be dispensed with or be substantially smaller in dimension.  Furthermore, operational noise is substantially reduced.
Figure 17 shows, as an example, the oscillogram for a metering process with a stroke period of 400 ms, a stroke length of 2 mm and a nominal operating pressure of 10 bars with curbed impingement against the end buffer.  As can be seen in the diagram, the speed of the diaphragm is reduced before it reaches the end buffer at the upper end of the diagram to a value of about 0.6 mm/50 ms.
Avoiding overstraining
In prior art magnetic drive metering pumps, overstraining occurs with a very low back pressure.  It arises because at the end of the metering stroke, the outlet valve does not close immediately but the metering medium flows further through the metering head by a sort of siphon effect due to its high speed in association with its momentum, and opens the inlet valve prematurely so that an excess amount of metering medium arrives in the outlet line.  Because of overstraining, uncontrolled pumps can only be used above a minimum operating pressure of 2-3 bars, for example; in order to ensure this, a pressure retaining valve is usually installed in the outlet metering line.
With a motion controlled magnetic drive metering pump, electroniclimiting of the diaphragm speed shortly before reaching the end buffer or during the entire metering stroke can practically completely avoid the siphon effect responsible for overstraining.  The operatingrange of the metering pump is thus extended to low operating pressures, and a pressure retaining valve can be dispensed with for most practical metering situations.
The motion corresponds to that shown in Figure 17, with the exception that it concerns a situation with a particularly low operating pressure.
Slow metering to avoid variations in concentration
For applications in which good mixing with the process medium stream is required, dispensing of the metering medium into the process must be as even as possible. 
With a motion controlled magnetic drive metering pump, the time available, which is given by the repetition frequency of the metering stroke, can be distributed so that the remaining time after priming is subtracted, even up to a brief rest, and can be exploited to the maximum for the forward motion.  The speed to be regulated is thus calculated from the path covered (set stroke length) and the available time.  The amount of use of the time available depends on the metering requirements and also on the properties of the cooling design, which has to accommodate the increased heat produced because of the almost uninterrupted magnetic drive.
Figure 18 shows, as an example, an oscillogram for a metering process with a stroke period of 500 ms, a stroke length of 2 mm and a nominal operating pressure of 10 bar in slow metering mode, combined here with slowed priming to protect against cavitation.  As can be seen in the diagram, the total stroke period of 500 ms is adjusted to a pressure stroke of more than about 250 ms and a priming stroke of more than about 180 ms, which taken together gives 430 ms or 86% of the total stroke period; the remaining 70 ms are exploited to separate the motion phases.
Particular applications also require the possibility of metering very small amounts over very long periods as evenly as possible, to produce an almost continuous metering.  For these cases, in the prior art motor-driven metering pumps are employed which, for example, have a step motor and a self locking gear.  A complete stroke is carried out in such metering pumps with a reduced rotary speed or distributed over several steps with intermediate rest periods, and at the end of the complete stroke a complete (fast) priming phase is carried out, and thereafter the metering process continues in the manner described.
The invention can satisfy these requirements by a simple and thus inexpensive construction of a magnetic drive metering pump.  The diaphragm 13 must be operated in a controlled manner with a very low speed along the stroke path and at the end of the stroke, a full priming phase is carried out at the normal speed so that the total stroke period can be almost entirely used for the pressure stroke.  The speed can lie in a very wide range from, for example, 1 mm/min to 1 mm/s and beyond.
In one embodiment, small rests can be inserted between partial motions wherein the diaphragm 13 is held in a constant position.  This provides the outlet valve 15 with clearly defined conditions which are not available with extremely slow near stationary motion, which produce large strains on the outlet valve 15.  The thermal load is practically identical in such variations to the linear movement version as in both cases the operating pressure uses a quasi static magnet in force.
A further embodiment can reduce the thermal load, wherein the stroke motion as in the previous case is divided into small part movements and in the stationary phases therebetween the diaphragm 13 is also reversed over a small deloading path in order to reduce pressure by cleanly closing the outlet volume 15 and thus simultaneously to reduce the magnetic power requirement during the stationary phase.  The partial strokes are then completed by the amount of this deloading path so that in total an unchanged stroke path is executed.  The deloading path must be shorter than the (pressure dependent) displacement path of the diaphragm to prevent partial priming from being carried out between the partial strokes on reversing and thereby reducing accuracy.  These embodiments advantageously operate in connection with the pressure compensation described below as this measures the deformation of the diaphragm and thus the deloading path can be better matched to the actual conditions.
Pressure compensation
With controlled motion, the control system is in equilibrium (i.e. in a steady state) at any point with a magnet current, which the external (time dependent) forces cover.
This magnet current requirement results from the instantaneous power and from the airgap remaining between the inner face of the thrust member 22 and the inner face of the magnet shroud 24.  A characteristic current IM is produced during the metering stroke, as shown in particular in Figure 19.  The oscillogram shown shows, for example, the current with an over about 2.0 s stroke divided into a stroke length of 2 mm and a nominaloperatingpressure of 10 bars.  At the end of the stroke, slower priming is carried out to protect against cavitation, which is of no consequence for the observations described below.  The time scale for the diagram reflects the slower stroke.
The lower curve IM initially exhibits a relatively steep rise in current until the diaphragm 13 starts to move.  After a brief over swing, the current rises with continued motion until a current maximum is reached.  From this point, the current falls off over the remaining path in a substantially linear manner until the end buffer EPos is reached.  In the priming phase, a further current prevents the diaphragmfrom reversing too quickly to protect it from cavitation.  The following conclusions can be drawn from this characteristics process:
？？  The initial fast rise in current (in the diagram from time 0 to 80 ms) is caused by the inductive behaviour of the magnetizing coil 2, which cannot experience a change in current in zero time, and the speed of the control device, which must initially adjust to the required motion.  The increasing current increases the magnet force until the external forces are overcome and the thrust member 20 together with the diaphragm 13 starts to move.  In this phase, the magnetic field is built up.
？？  The almost linear rise in current after the initial control adjustment to the actual maximum current (from 80 ms to 400 ms in the diagram) increases the power requirement as the magnet current must reduce for constant force and reducing airgap.  In this phase, in the metering chamber 16 with the outlet valve 15 still closed, the internal pressure rises continuously, wherein the diaphragm13 exercises increased force and deforms elastically.  In this process, the diaphragm core 30 moves into the metering chamber 16, increases pressure, and the elastic flexible region of the diaphragm gives by the same extent under pressure against the motion of the diaphragm core.  The diaphragm 13 deforms into itself, and in total practically no deformation takes place, because the metering medium is practically incompressible and at this time both valves are closed.  At the end of this phase, the chamber pressure corresponds to the external operatingpressure.  The path that has been traversed corresponds to the diaphragm deformation, i.e. the dead region at the start of metering, and does not in practice contribute to metering.  The actual position is stored and taken into consideration as the measured deformation in the further metering process (in the example, the dead region is 0.3 mm).
？？  At the equilibrium point, the pressure side outlet valve 15 opens.  The pressure on the diaphragm 13 is now practically identical with the external operatingpressure and does not rise further, and as a result the magnet current produces a constant force with a decreasing  remaining airgap and on continued motion becomes continuous (from 400 ms in the diagram).  Since the flow speed of the metering medium when using the described process remains negligibly small, no pressure variations occur, so the current profile again reflects the magnetic force (see Figure 19).
？？  The magnet current after reaching equilibrium and opening the outlet valve 15 is no longer relevant to the measurement of the diaphragm deformation described here.  When measuring the diaphragm deformation, as an example, a linear forward motion can be controlled initially with a nominal value for speed which is optimized for measuring the current maximum, and immediatelyafter capturing and storing the diaphragm deformation  can be switched to a deviated motion path, which is matched to the requirements of one of the described functions.  As an example, at the beginning of the stroke, a relatively short time period for the diaphragm deformation can be measured and the actual metering stroke can be carried out over the remaining available time as a slow metering.
The diaphragm deformation measured by observing the magnet current can now be used as the basis for correcting the mechanism stroke length HL and can be calculated into the diaphragm path to be executed.  To this end, the point at which the current is a maximum is established as the actual start point for metering, from which the desired stroke length is executed and the stroke is then ended before the mechanical end buffer by the thrust member 20 impinging against the inner face of the magnet shroud 24.  For operating pressures below the nominal pressure, the diaphragm deformation is smaller and the last part of the possible mechanical path for the thrust member is not used, i.e. the airgap is not completely closed.
Diaphragmdeformation is, inter alia, dependent on the material properties and can thus change on ageing or by variations in manufacture.  These two aspects are taken into account because the correction in the diaphragmdeformation does not use predefined values derived from the module parameters but captures the actual conditions afresh on each stroke.
The magnet current can be captured, but it is not actually necessary.  Since the amplifier 42 transforms the corrected controller output KSG as a magnet current into a magnet coil current IM using factor k2, the corrected controller output KSG can be used directly as a reflection of the magnet current, and this can be used for further processing without making further measurements from signals from the control system.
Improvement to metering accuracy for partial stroke operation
The process described above to determine the deformation of the diaphragm on the basis of its elasticity by observing the magnet current also allows the accuracy during partial stroke operation to be improved.
For a prior art magnetic drive metering pump, metering is not only dependent on pressure but also under partial stroke conditions is not strictly proportional to the mechanical stroke length.  Further, effective metering begins at the stroke only after the initial dead region from the point at which diaphragmdeformation is maximal.  If a steady state characteristic is produced which shows the metering profile as a function of the mechanical stroke length, a linear rising curve is produced which only shows a real dose after a minimum stroke length corresponding to the dead region of xT1, xT2, xT3,…xTn(see Figure 12).  Since this minimum stroke length corresponds to the diaphragm deformation, it is thus dependent on the operating pressure p1, p2, p3, … pn.
This shift xT1, xT2, xT3,…xTnin the steady state characteristic means in the prior art re-calibration under real working conditions, insofar as the current stroke length is substantially changed, as the new metering performance cannot be determined with sufficient accuracy by a proportional calculation from the current and new stroke lengths.
If the diaphragm deformation as described above is compensated for, the proportional errors in partial stroke operational mode are also eliminated, and so the metering pump can be operated over practically the entire useful range of stroke lengths from 20% to 100%, for example, without having to carry out the re-calibrations necessary until now in a prior art metering pump which require an adjustment of the stroke length by more than 10%, for example, in order to ensure the specified metering accuracy.
Estimating operatingpressure using electrical dimensions; electronic pressure limitation; detecting over pressure
By laying down values for the material properties of the diaphragm, measurement of the diaphragm deformation described above allows sufficiently accurate conclusions to be drawn regarding the operating pressure in order to carry out additional functions which will be described below.
Unregulated prior art magnetic drive metering pumps have a fundamental property that the force developed by the drive magnet during the stroke motion increases steeply by dint of the decreasing airgap.  The magnet current is measured so that the force in the start point, i.e. with a large airgap is sufficient for the nominaloperatingpressure.  At the stroke end, a multiple of this force is applied.  This has the result that with defective pipework, for example accidentally closed blockage members, the pump can develop a pressure which is greatly above the maximum operating pressure if it is operated with a reduced stroke length for a partial stroke.
In magnetic drive metering pumps which control the diaphragm motion by means of a positional sensor and regulating the diaphragm motion, however, the position of the thrust member and thus the length of the remaining airgap is known at all times.  Together with the known current force path steady state characteristic of the drive magnet it is possible to match the maximum current by which the control device can drive the magnet during the metering stroke to the actual diaphragmposition dynamically so that the developed maximum force is limited to a near constant value over the whole path.  Thus the maximum pressure developed is much more precise and independent of the set part stroke length, so that the use of additional pressure limited conditions can be dispensed with in many cases.
The application of the invention also makes it possible for the control system for the metering pump, through the measurements, to secure knowledge regarding the excess pressure so that a reaction to this condition is possible, such as the production of an alarm and/or stopping the pump, without knowledge of external conditions.
The accuracy of said functions depends on the reproducibility of the basic materialproperties, above all of the diaphragm.  This accuracy can be increased by one-off calibration in the production phase or in actual application, in which the metering pump at a known pressure is driven and then, the relationship between this known pressure and the diaphragmdeformation forms the basis for further calculation.
The possibilities described above of the positional indicator together with the control system show that by using a positional sensor, for example on the connecting rod or the thrust member, the actual position of the diaphragm can be determined and monitored during the whole stroke and priming process.  Establishing the position and monitoring leads to the fact that the process can be precisely controlled by means of measuring the actual values, resulting in the described advantages.
Cooling the magnet and further components
In contrast to magnetic drive metering pump of the prior art, in specific operational modes such as slow metering of the magnetizing coil 2 for a substantially longer time to continuous current operation, result in a much higher heat losses.  Particularly when installed in a plastic housing, the problem of conducting heat away arises.  Magnetic drive metering pumps are frequently installed in spray water protected plastic housings in order, in typical use, to be insensitive to aggressive chemicals.  In these cases, with controlled magnetic drive metering pumps, cooling by guiding the heat through the housing wall without exchanging air must be ensured.
With prior art magnetic drive metering pumps, the magnet is built into the housing 1 so that the magnet shroud 17 has as much of its upper surface in heat conducting contact with the housing 1 as possible; this contact can, for example, be improved by injecting around the magnet on manufacturing the housing.  Heat dissipation occurs partially by dint of this surface from the magnet shroud 17 to the inner wall of the housing 1.  The other part of the heat from the magnet together with the heat from other components is dissipated into the interior of the housing into the gap inside the housing, which warms up.  This heat is transferred by convection to the inner wall of the housing from which it is guided, together with the directly coupled part of the heat from the magnet, through the wall of the housing 1 and finally, dissipated by convection from the outer wall of this housing to the surrounding air.  Because of the multiple transitions exclusively by convection and the usually poor thermal contact of the magnet shroud 17 with the housing 1, for example due to fit, to badly formed edges of the plastic housing etc, the magnet gets very hot in prior art uncontrolled operation; the temperature can be over 100°C.  The outer wall of the housing in particular is very hot in the region above the magnet, which usually has ribs which, inter alia, act to protect against touching, wherein only a small section of the total surface, namely the upper part of the rib spine, can be touched.  Since on touching the housing ribs 3 transfer much less heat to the skin than if a smooth surface is touched, the temperature of the housing appears much lower.  The ribs also form relatively small air channels and hinder convection, thereby deleteriously affecting the heat dissipation of the housing, which increases the surface and the internal temperature.
With a magnetic drive metering pump of the invention, the structure used until now to remove heat is not sufficient because of the problems outlined above, even with slow strokes.  Much more effective heat dissipation is required which is achieved by guiding the internal air using a fan.  Figure 13 shows the cooling concept in more detail.  In the upper part of the housing 1, the magnet is centred by several, in this case three links 50 so that over as much of its circumference as possible the magnet shroud 17 and its faces have a small clearance of at least 5-10 mm from the housing 1, for example.  In the lower part of the housing is the electroniccontrol system 44 and a fan 43 so that the fan produces a circulating stream 47 of air which moves around the magnet shroud 17 and the on board electronic modules 45 which are to be coded.  The fan 43 can, as described below, be a module for the electroniccontrol system 44 or a module standing alone in the housing 1.  Naturally, the fan can be located at other places; what is important is that the air movement ensures that heat is fed away because the heat is brought to the inner wall of the housing in as even a manner as possible and is then used to dissipate the heat.  It should also be noted that the fan is outside the housing and sealed thereto.
The arrangement of the links 50 and the space between the magnet shroud 17 and the housing 1 forms one or more flow channels which directs the air stream 47 as effectively as possible over the whole surface of the magnet and directs air to all parts of the inner wall of the housing 1.  The heat from the magnet is in this embodiment is dissipated much more effectively than by pure convection to the internal air and the intensive turbulence also conducts it to the walls of the housing 1.  What is important here is that, in contrast to prior art constructions, not only the region of the housing which is in contact with the magnet is heated up, but also application of the invention means that the whole surface of the housing is warmed evenly and thus contributes to dissipating heat to the surrounding air.  The very hot regions of the housing surface, in particular over the magnets with prior art pumps, are thus avoided so that, for example, the housing ribs 3 to minimize touchable contact surfaces can be dispensed with.  This improves heat dissipation from the housing even more, as the convection problems associated with the housing ribs 3 also disappear.
In the detailed embodiment described here, the cover 28 is produced so that it guides part of the air stream 47 to the positional sensor 36 and this part of the air stream is further guided over one or more outlet openings 46.  Because the positional sensor 36 is mounted close to the (hot) magnet, the positional sensor is subjected to particularly high temperatures.  On passive prior art type cooling, the magnet would be heated to a great extent because of the poor heat dissipation and the positional sensor 36 would assume the approximate surface temperature of the magnet.  Using the cooling of the invention with a directed air stream means that the temperature of the positional sensor 36 is kept close to that of the internal air temperature, so that in particular when constructing the connecting rod 31, care should be taken that this sufficiently thermally isolates the sensor elements (CCD receiver 32 and light source 33) from the metallic parts of the magnet.  This is of course the case for any electronics (6) built into the housing cover 5.  This is also cooled by directing part of the air stream 49 over it.
Positional sensor
As already discussed, the reference element for the positional indicator in the embodiment described is the shadow-providing body 35 on the extended connecting rod 20 to detect the position, the shadow of which is cast onto the line of CCD cells 32 (charge coupled devices).  The active sensor elements described in more detail in the example, which detect the position, are on the side of the thrust memberdirected towards the metering head.  The light source 33 is an LED, the optical receiver is an electronic module with a CCD cell 32, which in this case is mounted on an intermediatepart, namely the sensor carrier 31.  Mounting the positional sensor 36 on the sensor carrier 31 enables it to be treated in the production process as a stand-alone module and it can, for example, be separately pre-assembled and tested away from final construction location.  Furthermore, the lightbox-like arrangement described constitutes a touch-free and thus wear-free sensor.
For the basic function, the location of the sensor is not significant; the location can be determined by structural considerations such as space, order of assembly etc.  Further, the parts described here as being fixedly mounted (light source 33, receiver 32) and those which move with the connecting rod (shadow-providing body 35) can exchange functions.
In this example, the CCD module 32 is controlled by an evaluation unit which contains a micro processor and produces the required control signals.  Instead of a microprocessor, the evaluation unit can also be produced from a DSP (digital signal processor) or discrete technology.
Any element can be used for the light source 33, as long as it produces a sufficiently narrow light spot.  Together with the geometry shown in Figure 7, this width determines the shadow region SV (see also Figure 8).
The light source 33 can also be constituted by several elements or a line source and the shadow SV can thus be produced to satisfy particular requirements.  An example is the production of high brightness without influencing sharpness in the direction of motion.
The CCD line 32 is a linear arrangement of M optical receivers (hereinafter denoted pixels) which are arranged in a regular array with a pitch R of several μm.  As an example, there are 128 pixels 64 μm apart over a total length of about 8 mm, i.e. M = 128 and R = 64 μm.
The control signals which are produced by the evaluation unit sets the illumination time during which the individual pixels of the CCD line 32 integrate the incident light in an amplifier in the CCD module and stores it for later processing.  This integration occurs not only over the illumination period, but also over the light-sensitive surface of each pixel.  After illumination, the brightness values for the pixels are successively read by further control signals as analogue values from the CCD module and captured by the evaluation unit.
Illumination and reading of the brightness values occur alternately in the simplest case.  Some commercial CCD line constructions also have the possibility of simultaneously carrying out both procedures, wherein they store the integrated illumination measurements and free the integrator immediatelyfor the next measurement.  Simultaneousoutputting of the results of a measurement during the illumination phase for the subsequent procedure can increase the measurement speed.
The diagram of Figure 8 shows the integrated brightness values H of the actual shadow in the region of the affected pixels in the concrete example.  The shadow region SV extends in this example from pixel ＃60 to ＃63.
As a simple evaluation procedure, a decision threshold Hv (shown in Figure 8 as a dashed line) is set at half the maximum brightness, for example, and the pixel is sought for which the brightness value H in the shadow transition area is the first to dip below the threshold Hv; in the example, this would be pixel ＃62.
In other embodiments, the brightness can be in the opposite direction, with an increasing pixel number from the non illuminated to the illuminated CCD cells; this is dependent on the arrangement of the light source 33, CCD module 32 and shadow-producing body 35 elements and also on the internal organization of the CCD module 32 employed.  In this case, the pixel with a brightness which is the first to exceed the threshold is the one which is sought out.
After the three phases of illumination, reading and processing, a positional value is produced.  The total time for the three phases determines the frequency with which positional values are obtained.  The measurement resolution is the pixel pitch R of the CCD cells corrected by the geometrical relationship A which is given by the mounting distance between the individual components.
For the geometrical relationship A (see Figure 9):
A =  s’/s = x3/x2
where:
s =  actual motion of shadow-providing body;
s’ =      projected motion of shadow-providing body in plane of CCDs;
x2 = distance between optical shadow-providing body and light source;
x3 = distance between CCD plane and light source.
This procedure determines the position by counting pixels, and is thus a digital procedure.  Deviations and shifts in linear parameters such as module sensitivities have practically no effect on the result compared with analogue procedures. If the geometrical relationship A is determined for practical values, then variations in assembly also only have a small influence.  In a practical embodiment in which x3 = 21 mm and x2 = 20 mm, a nominal value for the ratio A of 1.05 is obtained; i.e. a movement of the shadow-providing body 35 by a particular distance produces a 1.05 times higher shift in the shadow region SV in the plane of the CCD cells 32.  Assuming an assembly variation factor for x3, i.e. a possible variation in the distance of the CCD cells 32 from the light source 33, of ± 0.3 mm, and assembly on the upper end of the tolerance range with x3 = 21.3 mm and x2= 20 mm, then in this case the geometrical relationship A is 1.065.  The geometrical relationship in this example changes by 1.065/1.05 = 1.014, or by +1.4%.  This deviation can readily be eliminated by a single calibration, for example on production.  The linearity is almost exclusively determined by the accuracy of the pixel pitch in the chip geometry and deviations are thus vanishingly small.
Although the methods described above for determining the position of the shadow-providing body 35 and thus the position of the diaphragm 13 already gives very exact and linear positional values, interpolation can produce an even more precise positional resolution.  In this broadened implementation, evaluation of the pixel brightness H produces a positional resolution, for example between pixels 61 and 62 (see Figure 10), which is finer than the pixel pitch R, in which the brightness values of the pixels is interpolated in the region of the decision threshold.  The aim is to determine the location at which the brightness profile intersects with the decision threshold Hv and to give this intersection a value on a virtual positional scale the x values of which correspond in the middle of the pixels to exactly the pixel number.
To this end, the two pixels to the left and right of the decision threshold Hv are sought and the distance ？H of the brightness value from this threshold is determined.  As shown in Figure 10 or in Figure 11:
？Hl  =     Hl- Hv
？Hr  =     Hr- Hv
The distances ？x, calculated from the central axis of each of the two neighbouring pixels, in this example pixels #61 and #62, in multiples of the pixel width to the intersection point, form the following relationship with the brightness distances ？H with respect to pixel #61 to the left of the intersecting point (left neighbouring pixel):
？xl/(？xl + ？xr) = ？Hl/(？Hl + ？Hr)
when (？xl+ ？xr) = 1 (1 pixel width), then:
？xl= ？Hl/(？Hl + ？Hr)
With respect to pixel ＃62 to the right of the sought intersecting point (right neighbouring pixel), the following relationship holds:
？xr/(？xl + ？xr) = ？Hr/(？Hl + ？Hr)
when (？xl+ ？xr) = 1 (1 pixel width), then:
？xr= ？Hr/(？Hl + ？Hr)
In this example, the intersecting point is at a value of 61.7.  If the brightness in the interpolation region follows an ideal straight line, both calculations produce the same result, and so in principle, one of the two calculations can be carried out.  However, carrying out both calculations and averaging the results can minimize errors arising through a not exactly straight brightness profile in the transitional region under consideration or through inaccuracies in measurements, which have to be expected.
In other embodiments, the conditions either side of the intersecting point as regards non illuminated and illuminated CCD cells can be exchanged; in this case, the left and right indicators exchange their function as appropriate and the interpolation equations must be altered concomitantly.
Furthermore, other embodiments are possible, wherein brightness values from more than two pixels are used.  The position can then be determined by redundant multiple calculations and averaging over several results.  In another possible implementation, a linear interpolation other than that discussed here or an interpolation with data from other than directly neighbouring pixels can be used.
Deviations and shifts in linear parameters such as module sensitivities only have an effect on the result within the interpolation region.  The slope of the brightness profile in the shadow transitional region resulting from the sharpness of the cast of the shadow-providing body on the CCD plane is of minor significance as the interpolation is broadly unaffected by it; only the linearity of the brightness profile is important for the accuracy of the interpolation.
Independently of the interpolation method described above, further procedures for improving sensor properties can be used, building on the basic principle described.  These procedures are described below:
？？  Improved resistance to interference by filtering
The resistance to interference of the sensor can be improved by filtering.  Filtering can be applied both to the brightness values for the pixels and to the result of the positional determination itself.  In the first case, the procedure operates with brightness values which are averaged over several pixels or several passes, and in the second case several initially determined positional results are collected together into a deduced positional value which is then used for further processing.
？？  Compensation for variations in assembly
In a defined phase, for example the rest phase before the actual metering stroke, the positional value for this phase can be determined and stored in a reference memory.  During the active motion phase, the positional values relative to the previously determined reference value are processed.  The procedure allows variations in assembly in the rest position arising during production and deviations during operation, for example heat expansion, to be automatically compensated for, thus improving accuracy.
？？  Compensation for scaling errors
In a further alternative, two or more known positions termed reference positions can be used to scale the positional sensor.  This can occur once during the production or test procedure or repeatedly in operation.
In the first case, the reference position is provided by external apparatus, for example pitch positions or external measurement apparatus.  From the positional values measured in these reference positions together with knowledge of the actual position of the reference positions, a corrected value for scaling of the positional sensor can be determined and stored for further processing.
In the second case of repeated scaling determination, known positions, for example mechanical buffers or reference signals from further available apparatus are necessary to determine the position.  If the diaphragm is at such a known position during operation, the positional value measured from this location can produce a correctional value for the scaling of the positional sensor and it can be stored for further processing.
？？  Compensation for optical sensitivity parameters
In a further embodiment, the brightness values of the fully illuminated pixels are used to provide a representative value for the illumination strength.  To this end, for example, a suitable group of pixels can be used to provide an average brightness.  The illumination strength can be used to control the illumination so that the available range is optimally exploited; as an example, the brightness or on-time of the light source can be controlled so that the illumination strength of the fully illuminated pixels lies slightly below the burn-out limit for the CCD module.  The on-time of the light source is controlled by altering the on/off ratio.  For each measurement, the illumination strength is corrected using the ratio obtained previously so that any variations in the illumination parameters, for example on ageing, are smoothed out.
？？  Compensation for dirt and pixel deviations
In a further embodiment, the mechanical construction of the sensor can be structured so that in a defined phase, for example in the rest phase before executing the actual metering stroke, the complete operative pixel range or a large part thereof can be illuminated.  A possible embodiment is, for example, to use the shadow-providing edge of the shadow-producing body facing the magnet for the evaluation, whereby the shadow-providing body during the stroke motion sweeps over the sensor and darkens a region of the CCD cells which were illuminated in the previous rest position.  In this phase, the brightness of all relevant pixels can be determined and stored individually in a reference memory.  Deviations from the measured values for individual pixels from the ideal value can, for example, be compensated for in the form of corrections.  During the active motion phase, the brightness of each pixel is first corrected and only then processed further using the reference values previously obtained for each measurement.  By dint of this procedure, it is possible to compensate for deviations in the sensitivity of individual pixels brought about by the manufacturing process and also to a certain extent for dirt, and thus to improve accuracy or operational reliability.
Naturally, the CCD receiver cells may also be arranged in two or more rows to increase safety against dropouts by redundancy, for example because of soiling, or to increase the accuracy of measurements by averaging.  For particularly large stroke lengths, two or more CCD lines can be combined in order to broaden the measurement region of an individual line beyond the functional limits of a single line.
Matching magnet output and thermal output
In order to exploit the advantages of a motion controlled magnetic drive metering pump, in particular with slow to stationary motion, the magnet output in particular and active cooling by means of an internal fan inside the housing which were already described above must be considered (see section “cooling of magnet and other components”).
The magnet output according to the criteria which normally occur in magnetic drive metering pump is only suitable in a narrow range when operating without modifications under motion controlled operation.  In order to make control possible over a wider range, it is vital to be able to react to the natural movements of the mechanical components, even in the worst case where the magnet current changes very rapidly.
However, in prior art constructions, the too high inductivity of the magnetizing coil 2 stands against it, whereby it only reaches its nominal value due to the magnet current IMafter a time of about 20-50 ms.  This normal output is selected so that cooperation with the voltage and impedance of the winding 29 (ohmic resistance, inductivity) provides approximately the desired current.  In the simple case, this current is given by the supply voltage for the machine, possibly minus a tolerance; with current-controlled embodiments, the dimensions are selected so that the current flow is still guaranteed for the smallest expected supply voltage and for higher voltages it is limited by the control circuit to the preset value.
If the magnet is suitable for controlling the motion, then a much smaller number of windings must be selected, so that the magnet current can be influenced in the shortest time.  When using the winding space evenly, the reduction factor of the winding number (N) has a squared effect on the resistance and inductivity, which raises the current rise rate for an unchanged voltage by a ratio of N2.  The power requirement for such a magnet power rises in a ratio of N, so that in total the time to reach the operating current is reduced by a factor of N.
In the following example this is explained in more detail.  For simplicity, we assume an approximately linear current rise, i.e. purely inductive behaviour of the magnetizing coil 2.  A magnetizing coil of the prior art can raise the magnet current by 0.1 A/ms due to its impedance.  A necessary operating current of 2A is thus reached within 20 ms after applying the voltage.  If the operating current is reached in half the time (10 ms), the winding number is halved and the cross section of the wire can double, i.e. the wire diameter is increased by a factor of root 2; inductivity and winding resistance drop by a factor of 4, and thus the current rise time rises for an unchanged voltage to 0.4 A/ms.  The operating current doubles to 4 A and is reached in half the original time (10 ms).
The control ability can in particular be exploited to slow the natural motion.  This extends the magnet current flow IM almost to continuous operation and thus increases the energy loss per stroke.  Depending on which of the described functions is carried out, this can substantially increase the heat to be dissipated.  Depending on the extent of this increase, a thermal design using broadened criteria is necessary, with changes in the mechanical construction which make increased heat dissipation possible.  The increased and longer lasting operating current IM of the magnet must be taken into consideration by using the larger modules in the control electronics 44.
Using a positional sensor in connection with controlling the diaphragm motion to improve the hydraulic properties and to broaden the application field of the magnetic drive metering pump must for economic reasons not lead to a need to redesign all of the individual modules of the magnetic drive metering pump.  Care should be taken that the known modules can be largely re-used.  This is also the case for the on board modules, the construction of which should ensure that parts already used in uncontrolled magnetic drive metering pumps can also be used with controlled magnetic drive metering pumps.
LIST OF REFERENCE NUMERALS
１  housing
２  magnetizing coil
３  housing ribs
４  floor plate
５  housing cover
６  electronics in housing cover
７  adjustment member
８  stroke adjustment pin
９  cover
１０  control wires
１１  gear (reduction gear)
１２  metering head
１３  diaphragm
１４  inlet valve
１５  outlet valve
１６  metering chamber
１７  magnet shroud
１８  longitudinal axis
１９  connecting rod
２０  thrust member
２１  O-ring
２２  inner face of thrust member
２３  compression spring (recuperating spring)
２４  inner face of magnet shroud
２５  magnet plate
２６  pressure head side bush
２７  thrust member side bush
２８  cover
２９  coil winding
３０  diaphragm core
３１  sensor carrier
３２  receiver, CCD module
３３  light source
３４  opening
３５  shadow-providing body as reference element
３６  positional sensor
３７  differentiator
３８  nominal value setting
３９  nominal-actual comparison
４０  PID regulation
４１  positional correction
４２  amplifier
４３  fan
４４  control electronics
４５  electronic power modules
４６  air flow outlet opening
４７  air flow of fan
４８  partial air flow for positional sensor
４９  partial air flow for electronics in housing cover
５０  links
５１  coil carrier
SV   shadow profile
h    lit region
d    dark region
＃58…＃65   cells (pixels) of CCD
H    brightness of pixels
Hv   brightness of comparison threshold (VS)
Hl   brightness of pixels to the left of intersecting point with VS (left hand side neighbouring pixel)
？Hl  brightness difference between left hand side neighbouring pixel and brightness value of comparison threshold
Hr   brightness of pixels to the right of intersecting point with VS (right hand side neighbouring pixel)
？Hr  brightness difference between right hand side neighbouring pixel and brightness value of comparison threshold
？xl  positional separation of middle line of left hand side neighbouring pixel to intersecting point with VS
？xr  positional separation of middle line of right hand side neighbouring pixel to intersecting point with VS
x1   distance between shadow-providing body and CCD plane
x2   distance between shadow-providing body and light source
x3   distance between CCD plane and light source
p1   operating pressure p1
p2   operating pressure p2
p3   operating pressure p3
p4   operating pressure p4
xT1  dead region for operating pressure p1
xT2  dead region for operating pressure p2
xT3  dead region for operating pressure p3
xT4  dead region for operating pressure p4
s    actual motion of shadow-providing body
s’  projected motion of shadow-providing body
D    metering performance
HL   mechanical stroke length
SG   controller output
KSG  corrected controller output
k1   factor for positional dependent positional current correction
k2   factor for performance amplifier
k3   factor for deviation of speed signal
xs   nominal value for position of thrust member
xI   actual value for position of thrust member
xSI  controlled deviation for position of thrust member
vs   nominal value for speed of thrust member
vI   actual value for speed of thrust member
VSI  controlled deviation for speed of thrust member
POS  positional signal in diagrams
EPos end buffer for positional signal in diagrams
IM   magnet current
IMo  zero position of magnet current signal in diagrams
１．  A magnetic drive metering pump in which a movable thrust member fixed to a connecting rod is axially movable in a longitudinal axis in a magnet shroud anchored in a pump housing so that the thrust member with the connecting rod, on electrically driving (actuating) the magnetizing coil, is drawn into the magnet shroud against the force of a recuperating spring, reducing the airgap, into a bore in the magnet shroud and after deactivating the magnet the thrust member is returned to the starting position by the recuperating spring so that the thrust member and an elastic displacement member actuated thereby carries out an oscillating motion on continued activation and deactivation of the magnetizing coil, which diaphragm cooperates alternately with an outlet and an inlet valve to produce a pump stroke (pressure stroke) and a priming stroke in a metering head arranged in the longitudinal axis, characterized in that a reference element (35) is associated with the module constituted by the thrust member (20) and connecting rod (19), the position of which reference element is detected by a positional sensor (36), wherein the positional sensor provides an actual signal (XI) which is in a fixed relationship to the position of the reference element, and in that the motion of the unit formed by the thrust member and the connecting rod is influenced as regards control accuracy via a control circuit so that it follows a predetermined nominal profile (38).
２．  A magnetic drive metering pump according to claim 1, characterized in that the positional sensor (36) detects the position of the reference element (35) in accordance with a touch-free principle.
３．  A magnetic drive metering pump according to claim 1, characterized in that the reference element (35) associated with the connecting rod (19) and the positional sensor(36) are outside the metering head.
４．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the reference element (35) influences the path of a light source (33) and the positional sensor cooperating therewith (36), which is fixed in the magnet shroud, operates in a light-sensitive manner.
５．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the reference element (35) is a shadow-producing body or a shadow producing contour and the positional sensor (36) arranged on the magnetshroud consists of an optical receiver (32) in the form of a series of light sensitive charged coupled devices (CCD).
６．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the positional sensor (36) is arranged on its own sensor carrier whichis fixed to the magnet shroud.
７．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the light source (33), the shadow-producing body or shadow-producing contour (35) and the receiver (32) constitute a light box-like arrangement and the measured values are continuously or intermittently fed to the electronic control system.
８．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the optical receiver (32) of the positional sensor (36) consists of a number of linearly arranged receivers (pixels), preferably 128 pixels.
９．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the light source (33) is a light emitting diode (LED) whichis arranged opposite the optical receiver (32) of the positional sensor (36) so that its light beam directed at the receiver is not interrupted by the connecting rod (19).
１０．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the start value for the positional sensor (36) is produced by interpolating the brightness of a plurality of pixels in the shadow transition region.
１１．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that when processing the signals for the positional sensors (36), filtering is employed.
１２．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that zero position errors of the positional sensor (36) are eliminated by means of a reference memory.
１３．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that scaling errors of the positional sensor (36) are eliminated by using one or more reference positions.
１４．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that variations in the illumination of the positional sensor (36) are compensated for by controlling or regulating the light source (33) using the pixel brightness values obtained.
１５．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that variations in brightness between individual pixels of the optical receiver (32) are compensated for by using a reference memory for the sensitivity of each pixel.
１６．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the signal (xI) read from the positional sensor (36) is processed further in a control device and compared with a nominal value (38), wherein the control device influences the current (IM) to the magnetcoil (2) and thus introduces a correction to the motion.
１７．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that the control device alternately influences the position (hereinafter denoted xI), speed (hereinafter denoted vI) or the acceleration of the thrust member (19) or diaphragm (13) by means of a control deviceby changing the coil current (hereinafter IM denoted).
１８．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that the control device can deliberately decrease vIfor the thrust member (20) during the priming phase and/or in the pressure phase, in order to counteract pressure drops which are caused by resistance to flow, for example the onset of cavitation.
１９．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that the desired stroke length is communicated to the control device by an operator and the control device is used to limit the motion of the thrust member (20) by controlling the magnetizing coil (2) electronically to the strokelength to be executed.
２０．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that the value to which the stroke is adjusted is determined by measurement during metering directly via the positional sensor (36).
２１．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that the control device limits vI of the thrust member (20) at the start and/or end of the pressure phase, i.e. in the first or last third of stroke motion, by controlling the magnetizing coil (2) so that pressure peaks which could arise by rapid changes in the speed of the metering medium flow or by impinging strongly against the mechanical buffer are avoided.
２２．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that the control device limits vI of the thrust member (20) at the end of the pressure phase by controlling the magnetizing coil (2) so that the effect of overstraining at low back pressure is avoided.
２３．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that the control device distributes the forward motion of the thrust member (20) during the pressure phase by driving the drive motor (2) for the time determined by the repetition rate of the metering stroke so that the metering medium is dispensed as evenly as possible, even in the case of metering strokes which are very slow, for example of several minutes.
２４．  A magnetic drive metering pump according to claim 23, characterized in that when operating with almost continuous metering, i.e. essentially without a rest between priming and the next metering stroke, the control device transforms the stroke motion to an operation with a reduced stroke length and an increased stroke frequency, nearly maintaining the diaphragm speed in the metering stroke, which produces the desired metering performance, and that priming is ended by controlling the magnetizing coil (2) before the thrust member (20) is thrust by the recuperating spring (23) completely onto the front mechanical (rest) buffer or onto the strokeadjustment pin (8), so that movement of the thrust member occurs only in the stroke path region, in whichthe airgap and thus the magnet current requirement (IM) is small.
２５．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that during the start phase of the controlled forward motion of the thrust member (20), either the control device itself or a further control unit observes the magnet current (IM), deduces the force therefrom and determines opening of the outlet valve (15), and with the aid of this observation measures the dead region whicharises because of the elastic deformation of the diaphragm (13) and influences the actual stroke path by intentionally ending the stroke motion in accordance with the determined diaphragm deformation so that so that the error caused by the diaphragm deformation (with respect to the stroke or the metered volume) is eliminated and the dependency of the metered quantity on back pressure is substantially reduced.
２６．  A magnetic drive metering pump according to claim 16, characterized in that when operating in reduced stroke mode, the control device influences the actual stroke path executed during the forward motion of the thrust member (20) independently of the measured dead region due to the elastic deformation of the diaphragm (13) by intentionally ending the strokemotion so that the error due to diaphragm deformation is eliminated and the linear dependency of the metering quantity on the percentage of the set stroke length is substantially improved.
２７．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control device during the forward motion of the thrust member (20) measures the dead region whicharises due to the elastic deformation of the diaphragm (13) and the operating pressure can be estimated from said measured dead region and on exceeding a given maximum value of the pressure, adjusts metering to prevent further pressure rises.
２８．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the inside of the housing of the magnetic drive metering pump including the magnet and the electronics (6, 44) are cooled.
２９．  A magnetic drive metering pump according to claim 28, characterized in that to cool the interior and the components arranged therein, a fan is arranged the air stream of which is directed to flow around the wall of the magnet shroud(17) and/or the coil winding (29) as well as the inner wall of the housing (1) of the magnetic drive metering pump and other components.
３０．  A magnetic drive metering pump according to claim 28, characterized in that to cool the positional sensor (36), part of the air stream (48) is guided thereover.
３１．  A magnetic drive metering pump according to claim 30, characterized in that conducting surfaces and/or channels are associated with the strokecover (28) which guide part of the air stream (48) onto the positional sensor (36).
３２．  A magnetic drive metering pump according to claim 29, characterized in that a further part of the air stream (49) is guided onto the electronics (6) built into the housing cover (5).
３３．  A magnetic drive metering pump according to claim 28, characterized in that the magnet shroud (17) is arranged inside the housing (1) so that its circumference can have an air stream directed around it for cooling purposes.
３４．  A magnetic drive metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the coil winding (29) has a reduced number of windings and an increased wire cross section.
１．Ａｂｓｔｒａｃｔ
The invention concerns a magnetic drive metering pump in which a movable thrust member fixed to a connecting rod is axially movable in a longitudinalaxis in a magnet shroud anchored in a pump housing so that the thrust member with the connecting rod, on electrically driving (actuating) the magnetizing coil, is drawn into the magnet shroud against the force of a recuperating spring, reducing the airgap, into a bore in the magnet shroud and after deactivating the magnet the thrust member is returned to the starting position by the recuperating spring so that the thrust member and an elastic displacement memberactuated thereby on carries out an oscillating motion continued activation and deactivation of the magnetizing coil, which diaphragm cooperates alternately with an outlet and an inlet valve to produce a pump stroke (pressure stroke) and a priming stroke in a metering head arranged in the longitudinal axis.  In such a magnetic drive metering pump, a reference element is associated with the module constituted by the thrust member and connecting rod, the position of which reference element is detected by a positional sensor, wherein the positional sensor provides an actual signal which is in a fixed relationship to the position of the reference element, and in that the motion of the unit formed by the thrust member and the connecting rod is influenced as regards control accuracy via a control circuit so that it follows a predeterminednominal profile.
２．Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ  Ｄｒａｗｉｎｇ
Ｎｏｎｅ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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