(57)【要約】【課題】本発明は、回転駆動モータおよび振動ピストンを備えた定量ポンプに関する。【解決手段】駆動モータの回転運動は、歯車配置によって連結棒の振動運動に変換され、起動された変位手段が、駆動モータの連続回転で振動直線運動を実行する。これによって、計量対象の媒体が出口弁と入口弁とを交互に協働する連結棒（１９）の縦軸に配置された計量ヘッド(１２)へ移動し、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が発生する。このような定量ポンプにおいて、基準素子(３５)は連結棒に関連付けられ、その位置は位置センサによって検知される。位置センサは、基準素子の位置ひいては変位手段の位置と固定の関係にある実信号（ｘ１）であって、変位手段によって実行される動作に関する情報を提供する実信号(ｘ１)を提供して、定量ポンプの電子制御システムが計量回路およびポンプの条件に反応できるようにした。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動モータおよび振動ピストンを備えた定量ポンプにおいて、
駆動モータ（２）の回転運動は、歯車配置によって連結棒（１９）の振動運動へ変換されて、起動された変位手段が前記駆動モータ(２)の連続回転で振動直線運動を実行し、これによって、出口弁と入口弁とを交互に協働する前記連結棒（１９)の縦軸に配置された計量ヘッド(１２)に計量対象の媒体が移動し、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発生させる定量ポンプであって、
基準素子(３５)が前記連結棒(１９)に関連付けられ、その位置が位置センサ（３６）によって検知され、
前記位置センサは、前記基準素子の位置ひいては前記変位手段の位置と固定の関係にある実信号（ｘ１）であって、前記変位手段によって実行される運動に関する情報を提供する実信号（ｘ１）を提供し、前記定量ポンプの電子制御システムは、計量回路およびポンプの動作条件に反応できる
ことを特徴とする前記定量ポンプ。
【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）の位置を検知することを特徴とする請求項１に記載の定量ポンプ。
【請求項３】
前記連結棒（１９）および前記位置センサ(３６)に関連付けられた前記基準素子（３５）は、前記計量ヘッドの外部に存することを特徴とする請求項１に記載の定量ポンプ。
【請求項４】
前記基準素子（３５）は、光源(３３)の経路に影響を及ぼし、それと協働しポンプ室または他の固定部に固定された前記位置センサ（３６）は、受光方式で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定量ポンプ。
【請求項５】
前記基準素子（３）は、影生成体または影生成輪郭であり、それと協働し前記ポンプ室または他の固定部に固定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定量ポンプ。
【請求項６】
前期位置センサ（３６）は、前記ポンプ室または他の固定部に固定されたそれ自体のセンサキャリア（３１）上に配置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定量ポンプ。
【請求項９】
前記光源（３３）は、前記位置センサ（３６）の前記受光部(３２)に対して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棒（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定量ポンプ。
【請求項１６】
前記ストロークの調節手段（７）が調節されなければならない前記値の決定は、計量中の測定によって前記位置センサ（３６）を用いて直接得ら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定量ポンプ。
【請求項１７】
前記電子制御システムは、前記位置センサ（３６）の信号を評価することによって、前記変位手段の閉塞または不完全に実行されたストロークを認識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定量ポンプ。
【請求項１８】
前記駆動モータ（２）は、例えば非同期モータが採用される場合、滑りを伴って動作し、前記電子制御システムは、前記駆動モータの公称回転速度および公知の歯車特性から前記変位手段の公称ストローク回数または公称ストローク期間を定義し、さらに、前記位置センサ信号（３６）を評価することによって前記変位手段の実ストローク回数または実ストローク期間を判定し、
前記実ストローク回数を前記公称ストローク回数と比較するか、または前記実ストローク期間を前記変位手段の前記公称ストローク期間と比較することによって、前記駆動モータの滑りを算出して、前記公称回転速度を変化させることができ、最終的に前記変位手段が所望のストローク回数で動くようにする
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定量ポンプ。
【請求項１９】
前記駆動モータ（２）は、例えば非同期モータが採用される場合、滑りを伴って動作し、前記電子制御システムは、前記駆動モータの公称回転速度および公知の歯車特性から前記変位手段の公称ストローク回数または公称ストローク期間を提供し、さらに、前期位置センサ信号（３６）を評価することによって前記変位手段の実ストローク回数または実ストローク期間を定義し、
前記実ストローク回数を前記公称ストローク回数と比較するか、または前記実ストローク期間を前記変位手段の前記公称ストローク期間と比較することによって、前記駆動モータの滑りを算出でき、さらに前記電子制御システムは、前記駆動モータの決定された滑りおよび公知の歯車特性から前記変位手段にかかる力を判定でき、これによって、前記計量媒体の動作圧力を低下させる
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定量ポンプ。
【請求項２０】
前記駆動モータ（２）は、例えば非同期モータが採用される場合、滑りを伴って動作し、前記電子制御システムは、前記計量手順ごとに、前記駆動モータの公称回転速度および公知の歯車特性から前記変位手段の公称速度を判定し、さらに、前記位置センサ信号(３６)を評価することによって前記変位手段の実速度を判定し、
実瞬間速度を前記変位手段の公称速度と比較することによって、前記駆動モータの瞬間滑りを算出でき、公知の歯車特性に再度関連して、そこから前記変位手段の瞬間力を推定できる
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定量ポンプ。
【請求項２１】
前記電子制御システムは、前記変位手段にかかる力を観測したプロファイルを用いて前記計量媒体の動作圧力を低下させることを特徴とする請求項２０に記載の定量ポンプ。
【請求項２２】
前記電子制御システムは、前記決定された計量媒体の動作圧力から特定の圧力範囲を超える動作を認識し、定量ポンプの仕様書に記載された最大許容圧力またはオペレータによって提供された最大許容圧力を上回ったとき、または所定の最小圧力に達しないときには、計量を調節することを特徴とする請求項１９または２１に記載の定量ポンプ。
【請求項２３】
前記変位手段は、部分的に弾性のあるダイヤフラム（１３）であって、
前記電子制御システムは、前記計量媒体の決定された動作圧力および計量性能の前記動作圧力への公知の依存性から予想される計量誤差を判定し、前記駆動モータ（２）の回転速度ひいては前記ストローク回数に影響を与えて、予想される計量誤差を起こさないように働く
ことを特徴とする請求項１９または２１に記載の定量ポンプ。
【請求項２４】
前記位置センサ（３６）から読取った前記連結棒（１９）の位置を表す信号（ｘ１）は、制御精度の関係で制御回路に送給され、前記駆動モータ（２）の回転速度および前記連結棒の直線運動ひいては前記変位手段の直線運動に影響を与え、それが所定の公称プロファイル（３８）に従うように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定量ポンプ。
【請求項２５】
前記制御装置は、前記駆動モータ（２）の回転速度を変化させることによって、前記変位手段の位置（以下、ｘ１で示す）、速度（以下、ｖ１で示す）または加速度に交互に影響を及ぼすことを特徴とする請求項２４に記載の定量ポンプ。
【請求項２６】
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、前期変位手段のｖ１を意図的に低下させて、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などに対処できるようにすることを特徴とする請求項２４に記載の定量ポンプ。
【請求項２７】
所望のストローク長が、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前記変位手段の運動を、実行される前記ストローク長に電子的に制限し、
前記制御装置は、前記所望のストローク長を実行後、前記駆動モータ（２）を停止し、それを逆回転に切り替えて前記プライミングストロークを実行し、前記モータは、停止するかまたは次の押圧ストロークを実行する
ことを特徴とする請求項２４に記載の定量ポンプ。
【請求項２８】
前記制御装置は、前記計量ストロークの反復率で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、押圧段階の間前記変位手段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、前記計量媒体ができるだけ均等に施されるようにすることを特徴とする請求項２４に記載の定量ポンプ。
【請求項２９】
前記変位手段は部分的に弾性ダイヤフラム（１３）の形態であって、前記電子制御システムは、前記ダイヤフラム（１３）にかかる瞬間力から出口弁(１５)の開口部を検知し、前記観測を用いて、前記ダイヤフラム（１３）の弾性変形に起因する不動領域を測定することを特徴とする請求項２０に記載の定量ポンプ。
【請求項３０】
前記実ストロークは、前記推定されたダイヤフラム変形とは関係なく影響を受け、
前記制御装置は、前記出口弁(１５)の開口部から前記所望のストローク長まで到達後、前記駆動モータ（２）を停止させて、それを逆回転に切替え、その後前記プライミングストロークを実行し、前記モータを停止させるか、または前記後続の押圧ストロークを実行して、（前記ストロークまたは計量体積に関して）前記ダイヤフラム変形によって引き起こされる誤差が解消され、計量された量の逆圧への依存性が実質的に減少するようにする
ことを特徴とする請求項２９に記載の定量ポンプ。
【請求項３１】
実ハブ回転数は、前記推定されたダイヤフラム変形とは関係なく影響を受け、
前記制御装置は、（前記ストロークまたは前記測定された体積に関して）前記ダイヤフラム変形によって引き起こされる誤差の修正値を判定し、前記修正を用いて、前記駆動モータ（２）の公称回転速度を変化させ、前記ダイヤフラム変形によって引き起こされる誤差を解消する
ことを特徴とする請求項２９に記載の定量ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の電動定量ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電動定量ポンプは、一般的に公知のものであり、アドオンによって必要条件に適合される。電動定量ポンプは定量分析で動作し、計量は、変位手段を介して閉体積を移送することによって実行される。そのため、１ストロークごとの計量体積は、変位手段の移動による体積の差に対応する。
【０００３】
一般的に、このような電動定量ポンプは、歯車ユニットを介して駆動モータの連続回転運動を変位手段の振動直線運動へ変換する。モータの回転速度およびトルクは、歯車ユニットで低減され、変位手段の速度および動力必要条件に適合される。歯車の取出軸は、ばね／はめ歯またはカム駆動装置などのような、回転運動を横偏向すなわち回転軸に対して垂直に変換する装置を駆動する。横偏向によって、その偏向方向へ軸受で摺動自在に誘導される連結棒が作動する。これによって、運動と動力とが変位手段へ移動し、連結棒の縦軸に配置された計量ヘッドにおいて、変位手段は、出口弁と入口弁とを交互に協働しながら、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発生させる。これによって、計量対象の媒体が移動する。
【０００４】
様々な実施例においては第一にモータの種類が異なる。通常は非同期モータや同期モータやステップモータであり、実際のポンプ室の外部または内部に搭載される。定量ポンプは、その種類によって歯車の種類が異なり、ウォーム歯車か平歯車かベルト駆動部である。偏向装置を介して連結棒を駆動する駆動部は、偏向装置の前方方向にのみ強制的に誘導されるか完全に係止される。連結棒は、偏向装置によって押圧ストロークに駆動されるが、後者のプライミングの場合には、回復ばねによって駆動され、連結棒は反転する偏向装置に接近する。回復ばねは、押圧ストロークで圧縮されてプライミング時に必要な力を提供できる寸法にされる。ポンプは、また、その種類によって、堅いリンク機構または油圧中間回路のいずれかを介して連結棒から変位手段としてのダイヤフラムまでを連結する動力が異なる。油圧液は、通常は油であるが、圧縮性はないので、油圧連結機構は堅い連結機構と同様に動作する。本明細書中に記載の計量ヘッドを備えるシステムのほかに、ポンプ構造物は、共通の駆動部によって駆動される計量ヘッドを２つ以上備えて動作することも知られている。１つの具体例によると、２つの対向する連結棒は、共通の縦軸のカムの一方の側に配置されて互いに反対方向に駆動され、連結棒はそれぞれが変位手段を備える計量ヘッドを有する。別の具体例によると、数個の共同で駆動されるカムを支持するカム軸を延伸させた、多数の計量ヘッドを備えて動作し、各カムは、カム軸に渡るように配置された連結棒および連結棒軸の方向に横たわる変位手段を備えた計量ヘッドにより形成されるユニットを駆動することも知られている。
【０００５】
最も簡単な例では、可動部品全部が、共通のポンプ室内の玉軸受または摩擦軸受に搭載される。別の例では、各機能集団が、油が充填されているものもある室または取付け台にさらに集められ、モジュールとして搭載される。本件の具体例としては、モータおよび取付けフランジとあらかじめ取付けられた取出軸とを備えた減速歯車によって形成される、ポンプ室の外部に搭載されるユニットが挙げられる。
【０００６】
最も簡単な例では、駆動モータは、連続計量のために連続的にオンになるか、または各計量ストロークのために特定期間だけオンになる。別の種類では、所定の時間プロファイルに従い、周波数変換器を介して駆動モータを制御する。これによって、モータの回転速度ひいては計量動力がより再生可能になり、本線電圧の周波数または実電圧レベルなどの電気的パラメータに依存しなくなる。
【０００７】
モータ回転速度は、モータ駆動部の電気周波数によってあらかじめ決定され、カム歯車での歯車減速および正弦曲線を示す歯車特性と相まって、各ストローク期間を決定する。連続的に駆動される場合、１ストローク期間は、負荷が課せられた状態での有効モータ回転速度および歯車減速で決まる。オン／オフ動作では、単一のストロークまたは複数のストロークが実行され、そのストロークとストロークとの間に、モータ自体が例えばプライミング死点などで停止する場合には、始動および減速の時間を考慮して、１ストロークの期間を適宜延長しなければならない。連続動作では、ストローク回数は１ストロークの期間で決まり、オン／オフ動作では、ストローク回数はモータ切替え反復率で決まるが、反復率は、１ストロークを実行するために必要な時間より早くなることは当然ない。
【０００８】
ストローク長は横偏向を制限することによって調節される。これは、例えば、反対方向に回転可能な２つの斜面上で動作するウォッブルシリンダを使用して偏心器を調節することによって実行してもよい。自発的偏向システムとともに使用可能な調節バッファを用いることも可能性として挙げられる。このバッファは、機械的に調節可能なスピンドルという形で調節されることで、プライミングのときに、連結棒が偏向装置の後部死点に到達する前に調節可能地点まで戻る逆進運動を制限する。バッファはストローク運動の始点を決め、終点は偏向動作の完了点になる。１つの可能な実施例によると、ストローク調節ピンはポンプ室内のねじ山にねじ込まれ、また、外部からアクセス可能な較正ノブを備えて、プライミングのときに連結棒のためのバッファを構成する。油圧システムの場合、ストローク調節は、例えば、オペレータがアクセス可能な較正ノブを用いることで位置調節できる摺動可能なスリーブが、ポンプ室内のねじ山にねじ込まれることによって実行される。このスリーブは連結棒の逃がし穴を覆い、一定の距離を移動した後に油回路の分路を開放し、連結棒からダイヤフラムまでを連結する動力を増大させる。
【０００９】
変位手段の運動は、歯車や他の機械的な部品の組合せによって生じる。前進運動の際には、駆動部は、変位手段を介して連結棒に作用する回復ばねの力に対抗して動作する。逆進運動の際には、強制変位システムの場合、連結棒は駆動部によって引き戻され、一方向動作の場合、回復ばねが連結棒を押戻して計量媒体のプライミングのための動力を発生させる。連結棒の運動は、このように偏向装置の特性に従うものであり、例えば、カムの場合、運動は正弦曲線で表され、全ストローク長に対するカムストロークの２つの死点間で行われる。ストローク長を短縮した場合、カムを調節する際の運動は、振幅を減少させた完全な正弦曲線のままで表され、逃がし穴のある調節バッファまたは油圧システムを備えた堅く連結されたシステムでは、偏向装置の本来の運動および振幅が維持されるが、もはや完全には実行されない。しかも、連結棒の運動は、調節済みストローク長および連結システム次第で、開始領域または終了領域（段階カットオフ）で交差する。押圧ストロークを実行するための前進運動は、モータの駆動部次第で、１秒未満（例えば２００ｍｓ）の間に実行される。プライミングストロークは、押圧ストロークの時間と同様の時間にわたって、偏向装置によって設定された通りに実行される。これによって、両ストローク段階において計量媒体に対して比較的高い瞬間速度が達成され、偏心駆動部の場合、最高速度は運動の途中くらいに達成される。
【００１０】
連結棒および数個のカムで動作する共通カム軸によって駆動される計量ヘッドとから成るユニット数個で構成される実施例では、カムは、位相を変位させた状態で軸上に配置してもよい。これによって、カム軸の完全な１回転の間に個々の計量ヘッドに対して必要なピーク動力を分配して、モータの利用可能な動力を最大限に活用する。
【００１１】
特定の実施例によれば、いわゆるダイヤフラム定量ポンプは、変位手段として部分的に可撓性のあるダイヤフラムを用いる。このダイヤフラムは堅くはなく、計量媒体の圧力が動作すると屈曲領域において特定の量だけ弾性変形する。変形量は、計量には利用されないストローク運動の第１の部分において発生するが、有効ストローク運動によって失われ、この結果、動作圧力が増大し、測定量は減少する。この減少特性は、計量精度で許容されるより、通常使用においてずっと顕著である。通常、所望の精度を維持した状態で、広範囲の動作圧力にわたって電動定量ポンプを調節することはできない。また、較正に起因する誤差は、計算を重ねるたびに悪化する。しかし、実際の動作条件の下での使用においては、前述の較正測定を実行しなければならず、特に、強い化学薬品を使用する場合は、前述の較正測定は非常に困難な段階となる。
【００１２】
現行の汎用電動定量ポンプは、有用であり、多くの工程に対して好ましい計量特性を示すが、理想的なものと比較すると計量工程の油圧特性に関して不具合がある。例えば、測定量が計量回路の動作圧力に比較的強く依存し、計量媒体の高い瞬間流速による流れの騒音や圧力低下などの不具合が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の特別の目的は、計量工程の油圧特性に関する公知の不具合を解決して、製造コストに悪影響を与えることなく電動定量ポンプの可変で広範囲の動作を提供することである。さらに、連結棒の動作および連結された変位手段を基準に適合させて、計量工程自体を調節可能にし、製造による欠陥やモジュールの不都合な特性（例えば、存在すれば弾性ダイヤフラムなど）が電子制御システムによって考慮されるようにする。これらの手段は、動作条件の欠陥を防止または検知して、搭載された電子機器を用いて製造上のおよび／または使用中の欠陥を修正することによって、計量工程における計量媒体の所定の体積を確実に正確に計量できなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
問題点は、位置センサによって位置が検知される連結棒に連結される基準素子によって解決される。ここで、位置センサは、基準素子の位置ひいては変位手段の位置と固定の関係があり、変位手段の運動に関する情報を提供する実信号（ｘ１）を提供する。これによって、定量ポンプの電子制御システムが計量回路およびポンプの動作条件に反応するようにする。
【００１５】
位置センサが連結棒の運動を捕らえ、電子制御システムがそれを評価する。この点については、制御システムは、条件を制限することからはじめ、特性を比較することによって運動を検査し、モータ駆動部に影響を与えることによって運動に反応する。こうして、計量を最良の状態で実行するようにし、例えば、ダイヤフラムの特性によって起こる精度不良を解消する。
【００１６】
位置センサが非接触原理に従って動作する場合、センサの非摩耗動作が保証されるが、定量ポンプの寿命期間中のストローク回数は多いので、これは都合が良く実際に必要である。
【００１７】
連結棒に関連付けられる位置素子が計量ヘッドの外部に設置される場合、前駆体用の空間に関しては可撓性が増大する。
【００１８】
基準素子が光源の光路に影響を与え、協働する位置センサが、ポンプ室または他の固定部に固定されて受光部として動作する場合、非摩耗動作が保証されるが、定量ポンプの寿命期間中のストローク回数は多いので、これは極めて重要であり、また、可動部品は接触することなく通過する。このような配置がさらに好都合なのは、このような位置センサの構造が、原則的に浮遊磁界に反応しない点である。
【００１９】
基準素子が影生成体または影画定エッジであり、ポンプ室または他の固定部に固定された協働位置センサが、一連の受光電荷結合素子（ＣＣＤ）で構成される場合、このような配置は、位置センサによって満足されなければならない重要な光学特性を有する。第一に、この配置は非摩耗光学機能原理に基づいて動作し、浮遊磁界に無反応である。第二に、このようなセンサは実質的に直線性の欠陥はない。
【００２０】
位置センサが、ポンプ室または他の固定部に固定されたそれ自体のセンサキャリア上に配置される場合、このような配置は、モジュールとしてあらかじめ組立てられ試験されるが、これは、組立てを容易にする。センサキャリアが非絶縁性プラスティック部として形成される場合、センサ素子を室の金属部品や歯車から電気的に絶縁することが簡単になる。
【００２１】
光源、影生成体または影画定輪郭、および受信部がライトボックス状の配置を構成し、測定値が電子制御システムに連続的に送給または段階的に供給される場合、このような配置によって、電子制御システムには適切な頻度で位置データが提供される。
【００２２】
位置センサの受光部が、直線的に配置された複数の受信器（ピクセル）、好適には１２８個のピクセルで構成される場合、このような配置は、照明されたセルと照明されていないセルとの間の影のエッジを確定することによって位置を用意に判定でき、また、受信器モジュールのセルの間隔に等しい解像度を明確に提供できる。
【００２３】
光源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、発光ダイオードが位置センサの受光部に対向して配置され、受光部に向けられた光線が連結棒によって妨げられることがない場合、安価なＬＥＤは、高い光学解像度を得るのに不可欠である略点光源を有し、寿命がほぼ無限なので好都合である。連結棒の向こう側に位置センサに対向してＬＥＤを配置することによって、光源と受光部との間の距離を長くとることができ、これによって、光線の射出角が素子の取付け位置に比較的依存しなくなる。
【００２４】
位置センサの開始値が、影遷移領域に存在する数個のピクセルの輝度値を補間することによって生成される場合、位置センサの開始信号の解像度は、ＣＣＤ受信部のセルの機械的ピッチ（間隔）によって決定される場合よりも精細になる。
【００２５】
位置センサからの信号を処理するのにフィルタリング手段が用いられる場合、位置センサの干渉に対する抵抗力が向上する。
【００２６】
位置センサのゼロ位置誤差が基準メモリによって解消され、位置センサのスケーリング誤差が１つまたは複数の基準位置を含むことによって解消される場合、動作中、例えば加熱中や軸受の摩耗時に、組立て変動や機械的変位に関しての位置センサの感度が低下する。
【００２７】
位置センサの照明変動を、ピクセルの求めた輝度値を用いて光源を制御あるいは調整することによって一定にする場合、位置センサのモジュールパラメータ変動に対する感度が低下する。
【００２８】
受光部の個々のピクセル間の輝度変動が、各ピクセルの感度ごとに基準メモリを備えることによって修正される場合、受光部上の汚れの影響が低減される。
【００２９】
ストローク調節ピンの設定値が、位置センサを介して直接計量中に測定することによって決定される場合、付随の搭載素子を機械的に位置づけるための追加センサが不要になる。
【００３０】
電子制御システムが、位置センサ信号を評価することによって変位手段内の閉塞または不完全なストロークを検知する場合、計量の信頼性を高められる。位置センサを備えていない先行技術による定量ポンプの場合、例えば、ストロークごとに基準マークを通過して検査信号を電子制御システムへ送信することによって、計量運動を監視するセンサが付加されることが多く、これによって、ストローク期間が測定され、計量工程が正しく実行されたかどうかを推定できる。このようなセンサとは対照的に、位置センサを上記のように使用すれば、基準マークを通過するときだけでなく、計量ストローク中のいかなる時点においても所望の情報を入手でき、追加のセンサなしで済ませやすく好都合である。
【００３１】
駆動モータが、例えば非同期モータが採用されて滑りを伴って動作する場合、そして、電子制御システムが、駆動モータの公称回転速度および公知の歯車特性から変位手段の公称ストローク回数または公称ストローク期間を判定し、実ストローク回数を公称ストローク回数と比較するか、または実ストローク期間を変位手段の公称ストローク期間と比較することによって、駆動モータの滑りを判定する位置センサ信号を評価することによって、変位手段の実ストローク回数または実ストローク期間を判定する場合、さらに、最終的には変位手段が所望のストローク回数で動作するように、駆動モータの公称回転速度を変化させる場合、駆動モータの滑りによって引き起こされるストローク回数の誤差を解消することによって、計量精度が向上する。位置センサを備えていない先行技術による定量ポンプは、例えば、ストロークごとに基準マークを通過して検査インパルスを電子制御システムへ送信することによって、計量運動を監視するセンサを採用することが多く、これによって、ストローク期間を測定および修正でき、位置センサを用いるときにはこのような追加のセンサなしで済ますことができる。
【００３２】
駆動モータが、例えば非同期モータが採用されて滑りを伴って動作する場合、そして、電子制御システムが、駆動モータの公称回転速度およびピストンの公知の歯車特性から変位手段の公称ストローク回数または公称ストローク期間を決定し、実ストローク回数を公称ストローク回数と比較するか、または実ストローク期間を変位手段の公称ストローク期間と比較することによって、駆動モータの滑りを判定する位置センサ信号を評価することによって、変位手段の実ストローク回数または実ストローク期間を判定する場合、さらに、電子制御システムが、観測された駆動モータの滑りおよび公知の歯車特性から変位手段にかかる力を判定し、計量媒体の動作圧力を低下させる場合、この情報は、計量の信頼性および精度を向上させる監視機能および補償機能を実行できることを意味する。電子制御システムが、計量工程の全ての瞬間における駆動モータの公称回転速度および公知の歯車特性から変位手段の公称速度を判定し、さらに、実瞬間速度を変位手段の公称速度と比較することによって、駆動モータの瞬間的滑りを算出し、これによって、公知の歯車特性に再度関連して、それを変位手段の瞬間的エネルギープロファイルに関連付ける変位手段の実速度を、位置センサ信号から評価することによって、変位手段の公称速度を判定する場合、計量工程のいずれの時点におけるエネルギーに関しても所望の情報を入手でき、所望の監視機能および補償機能を異なる時点で実行でき、ひいては、計量の信頼性および精度が向上する。
【００３３】
電子制御システムが、変位手段の観測された動力プロファイルから計量媒体の作用圧力を低下させる場合、計量工程に対する作用圧力の悪影響を相殺できる。
【００３４】
電子制御システムが、計量媒体の観測された作用圧力から特定の圧力範囲外での動作を検知し、定量ポンプまたはオペレータによって特定される所定の最大許容圧力を上回るとき、または所定の最小圧力を下回るときに電子制御システムが計量を調節する場合、過剰圧力状況または不良配管による圧力喪失などの問題のある動作状態を検知し、計量を調節するなどの安全対策をとることができ、これによって、軽量の信頼性を向上できる。定量ポンプが工程における唯一の圧力増大システムである限り、過剰圧力制限器などの他の動作手段を追加しないで済ますことができる。定量ポンプの特定の圧力範囲内の値に動作圧力を制御することが可能であれば、定量ポンプが閉塞したときにのみ動作し始める先行技術による定量ポンプの監視システムを使用できない状況でも、圧力の監視が可能になる。
【００３５】
変位手段が、部分的に弾性のあるダイヤフラムであり、ダイヤフラムの弾性変形によって引き起こされ、測定された計量媒体の動作圧力から判定される、起こり得る計量誤差および計量有効性の動作圧力への公知の依存性を電子制御システムに知らせる場合、また、変位手段が、駆動モータの回転速度ひいてはストローク回数に影響を与え、予測される計量誤差が補償される場合、計量精度が向上する。
【００３６】
駆動モータの回転速度が、制御の精度において制御回路を介して連結棒の位置を検知する位置センサによって読取られる信号（ｘ１）によって影響を受け、その結果、連結棒の直線運動および変位手段の直線運動に影響を与えて所与の公称プロファイルに従うようにする場合、変位手段の運動への意図された影響を利用して、好都合な計量の油圧特性、例えば低速計量などの特性、および／あるいは部分的なストロークに対する計量精度を達成または向上できる。
【００３７】
定量ポンプは、位置センサに加えて制御装置を備えていたり、また、駆動モータの回転速度を変化させたりすることによって、制御装置を介して変位手段の位置（以下、ｘ１で示す）、速度（以下、ｖ１で示す）または加速度に交互に影響を与えるなら好都合である。速度を制御することによって、例えば、低速でプライミングを行うときにキャビテーションが発生することを回避するために必要な計量媒体の実流速を、直接制御できる。一方、位置の制御によって、ほとんど行き詰りの状況を制御できるが、この状況は、速度に関する情報が変位信号の差異によって生成されるものの、非常に少なくなって制御装置によって効率的に処理できないというものである。位置の制御によってこの問題を回避でき、例えば、ストロークを電子的に制限したり計量速度を抑えたりすることで、位置の制御を有利に採用できる。移動対象の質量の加速度が高速処理用のモータの動力を直接に反映するため、加速度を制御することは、調整を用意に制御するのに都合がよい。
【００３８】
定量ポンプが位置センサに加えて制御装置を備えている場合、しかも、プライミング段階および／または押圧段階において変位手段のｖ１を低下させる場合、流れへの抵抗やキャビテーションの発生によって引き起こされる圧力喪失に対処できる。高粘性媒体、例えばレシチンを計量すると、流速が高過ぎれば、大きな圧力低下が弁の中などの狭い場所で起こる。こうした圧力低下は、駆動部からの追加の動力という形で克服しなければならず、また、変位手段のｖ１の制御によって、低く抑えることができる。さらに、流速を低下させた場合の流れの騒音も効果的に低減できる。塩素系漂白剤などのガスを発生しやすい媒体を計量すると、特に流速が高過ぎるプライミングの最中などにキャビテーションが頻繁に発生し、計量媒体の蒸気圧を下回るまで低下することで機械的摩滅がひどくなる。プライミング段階および／または押圧段階において変位手段のｖ１を制御することによって、この現象をうまく回避できる。
【００３９】
定量ポンプが位置センサに加えて制御装置を備えている場合、しかも、所望のストローク長が制御装置に伝達され、変位手段の運動が制御装置によって実行対象のストローク長へ電子的に制限される場合、制御装置は、所望のストローク長を実行した後に駆動モータを停止し、逆回転させ、プライミングストロークを実行し、モータを停止させるかまたは次の押圧ストロークを実行し、機械的な調節素子は大部分が不要になる。
【００４０】
定量ポンプが位置センサに加えて制御装置を備えている場合、しかも、制御装置が、計量ストロークの反復率で決まる期間の間モータを駆動することによって押圧段階中に変位手段の前進運動を分散させて、計量媒体が、例えば、数分間の低速計量ストロークの時でさえも可能な限り最も平滑に分配されるようにする場合、計量媒体の濃度変動を実質的に回避できる。
【００４１】
変位手段が部分的に弾性のあるダイヤフラムであり、電子制御システムが、瞬間的動力プロファイルから出口弁の開口を検知して、この観測値からダイヤフラムの弾性変形に起因する不動領域を測定し、ダイヤフラムの変形の関数としてのストローク運動を意図的に停止させることによって実ストローク経路に影響を与え、測定量の逆圧への依存性を実質的に低減させるようにする場合、計量精度が向上する。この向上は、動作圧力によるダイヤフラムの弾性変形に起因する誤差を解消して、前述の変形が計量に寄与することがないようにすることによって、達成される。測定量の動作圧力への依存性の低減によって、動作圧力などの動作パラメータを大きく変化させたときに本来なら必要とされる後続の較正が不要になる。動力プロファイルを観測することによってダイヤフラムの変形を補償することは、実際の動力必要条件をよく反映しているため、モータの滑りを評価するときには特に好都合である。従って、さらなる測定は必要ない。
【００４２】
定量ポンプが位置センサに加えて制御装置を備えている場合、そして、変位手段が部分的に弾性のあるダイヤフラムであり、実ストローク経路がダイヤフラムの変形によって影響を受ける場合、制御装置は、出口弁を開放し所望のストローク長を実行した後に駆動モータを停止し、駆動モータを逆回転させ、プライミングストロークを実行し、モータを停止するかまたは次の押圧ストロークを実行して、ダイヤフラムの変形に起因する（ストローク経路または計量体積に関する）誤差が解消され、この変形量が計量に寄与しなくなるようにし、計量精度が向上する。測定量の作用圧力への依存性が低減されるということは、動作圧力などの動作パラメータを変化させるときに本来なら必要な後続の較正が不要になり、また、ストローク長の設定値と計量媒体の実際の測定量との間の関係の直線性が向上することを意味する。動力プロファイルの観測からダイヤフラムの変形の偏向を判定することは、実際の動力必要条件を反映しているため、モータの滑りを評価するときには特に好都合である。従って、さらなる測定は必要ない。
【００４３】
変位手段が部分的に弾性のあるダイヤフラムであり、定量ポンプが位置センサに加えて制御装置を備えていて、実ストローク回数がダイヤフラムの変形によって影響を受ける場合、制御装置は、ダイヤフラムの変形に起因する（ストローク経路または測定体積に関する）誤差の修正値を決定し、駆動モータの定格回転速度が、前述の修正によって大きく変化するため、ダイヤフラムの変形に起因する誤差が解消されて、測定量の動作圧力への依存性が低下する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
カム駆動部を備えた電動ダイヤフラム定量ポンプの本発明の実施例および様々な使用法について詳細に述べる。図面は以下の通りである。
【００４５】
図１は、電動定量ポンプ（一部内部が見える）の構造を示す。一般的に公知のように、電動定量ポンプは、基本的に３つの部品群、すなわち、歯車ユニットを備えた駆動モータ２、カム室１内のカム駆動部、および電子制御システムを内蔵し、電子モジュールなどが搭載された電子機器ハウジング２８から成る。電子機器ハウジング２８の下側には固定穴が形成された足板４が配置され、電子機器ハウジング上に設置および固定されたカム室１は、例えば、カム室にねじで固定された歯車ユニットを備える駆動モータ２を支持する。
【００４６】
カム室１および電子機器ハウジング２８とから形成されるハウジングは、その上部すなわちカム室１にカム駆動部の構成部品が搭載される。カム駆動部の構成部品はカム受け２２に収納され、カム受け２２は、個々の部品が正しく位置づけられ、カム室１内に固定されるようにする。三相非同期モータ２は、角歯車として形成され、ねじで固定される減速歯車１１とともにカム室１上のモジュールとして外側からフランジがつけられる。モータの取出軸は、モータの軸中心線に対して直角を成し、カム駆動部の駆動軸を直接形成するか、または、本実施例のように、結合器を介して同軸に固定される。カム駆動部の駆動軸すなわちカム軸１７は、カム受け２２に回転可能に搭載されてそこに固定されたカムを支持する。カム軸はカムと共に、適切に切抜かれたプッシュアーム２０を通過する。カム軸１７は、駆動モータ２用の軸結合器を介してモータ／歯車ユニットによって回転させられ、プッシュアーム２０をカムの外面と共にその切抜き部の内面すなわち停止面へと駆動する。プッシュアーム２０は、本具体例では差込まれて固定される連結棒１９を駆動する。プッシュアーム２０および連結棒１９によって形成されるユニットは、２つのガイドブッシュに縦方向に変位可能である。カム軸１７の軸、プッシュアーム２０の縦軸１８および連結棒１９は、同一水平面上にあり、互いに直角を成す。連結棒１９用の２つのガイドブッシュ２６の一方は、押圧ヘッド側でカム受け２２に固定される軸受板２４に位置する。計量ヘッド側の方へ向けられたプッシュアーム２０の差込み部をふさぐさらなるガイドブッシュ２７は、ストローク調節ピン８に位置する。連結棒１９の縦軸１８に同軸なのは、手動で作動可能な調節手段７であり、これは、プッシュアーム２０の軸方向運動がプライミング時に制限され、ひいては定量ポンプのストロークが制限されるように、カム受け２２のねじ山にねじ込まれたストローク調節ピン８を調節する。
【００４７】
ハウジングの密閉室の下部には、電子機器ハウジング２８すなわち電子制御システムも存在する。定量ポンプは、化学的に強い媒体に連結して使用されることが多いため、ハウジングはしぶきを防ぐために密閉され、カム駆動部および電子制御システムを水分や腐食から保護する。電子制御システムは、モータ制御部２９用の制御器を備えた水平制御電子素子３４であり、集積周波数変換器として形成される水平制御電子素子３４、および定量ポンプを動作させるのに必要な入力素子と表示素子とを支持するハウジングカバー５に配置された電子機器６で構成される。制御素子はカバー９によって保護される。カバー９の下には、制御ワイヤ１０または電源用の連結部が存在する。
【００４８】
制御ワイヤ１０または電源の連結部の脇には、連結棒の縦軸１８と同軸に計量ヘッド１２があり、計量ヘッド１２では、例えばプラスティックから製造されたダイヤフラムが、その円周に固定された変位手段として機能する。計量ヘッド１２はまた、入口弁１４および出口弁１５を支持し、ダイヤフラムと計量ヘッド１２との間にある入口弁１４を通って計量室１６へ、そして出口弁１５を通って計量管へと計量媒体をプライミングさせる。電動定量ポンプは定量分析で動作するが、すなわち、所定の体積をプライミングさせ、ストロークごとに出口弁１５を通して押出すということである。縦軸方向に連結棒１９を往復するように動かすカム駆動部によって、ダイヤフラム１３を振動運動で動かす。ストローク調節ピン８の側では、プッシュアーム２０および連結棒１９によって形成されるユニットが、調節手段７と共に手動で調節可能なストローク調節装置として動作する。反対側の端部では、連結棒１９の計量ヘッド１２に対向する部分がダイヤフラム１３の芯部３０に固定され、それを振動運動で動かす。
【００４９】
プッシュアーム２０と軸受スリーブ２４の継ぎ環２５との間には、プッシュアーム２０がカムに絶えず耐えられるようにしている圧縮ばね２３、例えば渦巻きばねが存在する。カム動作の前進段階においては、すなわち、連結棒が計量ヘッドの方へ移動する段階においては、プッシュアームが連結棒と共に圧縮ばねの方へ移動し、同時に、ダイヤフラム１３が計量室１６へと押し進められるが、これは、過剰圧力が計量室で発生することを意味し、出口弁１５、例えばばねを搭載したボール弁が開き、計量媒体が計量管へと押しやられる。カム運動の逆進運動段階においては、すなわち、連結棒が計量ヘッドから離れる方向へ移動する段階においては、プッシュアーム２０が、カム運動の後に、例えば渦巻きばねとして形成される圧縮ばね２３によってストローク調節ピン８の方へ反対方向に移動するが、これは、連結棒１９がダイヤフラム１３を移動させ、過小圧力が計量室１６で発生し、入口弁１４が開いて、計量媒体がさらに１回分プライミングのために計量室に送られる。ダイヤフラム１３のカム駆動部による交互振動運動によって、計量管へと計量媒体が駆動される。カム駆動部は、計量ストロークの間、プッシュアーム２０、連結棒１９、およびダイヤフラム１３から形成されるユニットの正弦曲線運動を発生させる。ストローク調節ピン８を用いて、短縮されたストローク長が設定される場合、ストローク調節ピン８の調節可能バッファが死点に到達する前に、プライミング段階の運動は時期尚早で制動され、これによって、運動の正弦曲線を描く経路が交差し、ストローク運動の段階が変わる。
【００５０】
プッシュアーム２０、連結棒１９、およびダイヤフラム１３によって形成されるユニットの位置は、位置センサ３６によって検知され、位置センサからの信号は、ユニットの位置に対して所定の関係、例えば厳密に比例の関係などにある。位置センサ３６の信号は、それが採用される場所である可動ユニットの一部の位置に絶えず関連がある。この固定点は、基準素子によって形成され、本例においては抽象的なものである。位置センサの必要条件次第で、実際に内蔵される追加素子として形成される場合もあるが、必要な構成部品の１つ、例えばプッシュアーム２０のエッジまたは表面などの特徴的な形状で構成されるだけの場合もある。
【００５１】
本実施例においては、カム受け２２はそこに固定されたセンサキャリア３１（図６に示す）を備え、センサキャリアの一方の側で縦方向の受光ＣＣＤセル３２（電荷結合素子）を支持し、他方の側で光源３３、例えば発光ダイオードを支持する。
【００５２】
カム受けに固定されたセンサキャリア３１およびそれに固定された構成部品は、ライトボックスを形成し、ライトボックスからの光線はプッシュアームによって部分的に遮られる。基準素子は、ライトボックス配置の領域においてプッシュアーム２０の影画定エッジ３５によって形成される。連結棒１９が振動するとき、影画定エッジ３５は、接触することなく受光セル３２を通過する。軸方向の上面図である図５から特に分かるように、光源３３は、受光セル３２の方へ向かう途中に光線が連結棒１９によって遮られないように配置されなければならない。すなわち、これは、例えば光源３３および受光ＣＣＤセル３２の行列は連結棒１９の上方もしくは下に配置されるという意味である。特に図７から分かるように、光源３３の影画定エッジによって受光セル３２上に影がかかり、これによって、セルは照明セル（ｈ）と非照明セル（ｄ）とに分けられる。長軸１８に平行に向けられた受光セル列、例えば１２８個のピクセルは、およそ８ｍｍの距離に渡っているが、遷移領域においては部分的に照明されるだけか、または、陰っているので、図８に示す遷移状況ＳＶが発生する。図８に示す直角を成す面の高さはピクセルの輝度を表す。図１０を参照して以下に述べる特別な工程は、この遷移状況を活用して影画定エッジの位置ひいては連結棒またはダイヤフラムの位置を正確に判定するものである。この測定装置は、プッシュアーム側の影画定エッジおよび反対の光源を備えたセンサキャリア側の受光ＣＣＤセルから成り、振動する連結棒の実際の位置または速度を測定する働きをし、この情報を活用して上記の機能を果たす。
【００５３】
ダイヤフラムに振動動作を行わせる連結棒は、機械的ストローク長に一致する各ストロークの距離に及ぶ。組立て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幾分大きくしなければならない。考えうる他の全ての位置センサでも同様である。
【００５４】
ダイヤフラム、より一般的には、変位運動が、特に図３および図４で説明したように、位置センサ信号を用いて制御されるとき、次の機械的構成部品および電子的構成部品が必要である。２つの図面に用いられている省略記号の意味は、次の通りである。
ｘｓ  変位手段の位置を表す公称値
ｘ１  変位手段の位置を表す実際値
ｘｓ１  変位手段の位置の偏差
ｖｓ  変位手段の速度を表す公称値
ｖ１  変位手段の速度を表す実際値
ｖｓ１  変位手段の速度の偏差
ＳＧ  制御部出力
ＫＳＧ  修正制御部出力
ＭＡ（Ｕ,ｆ）  電動駆動部（電圧または周波数）
【００５５】
駆動部の可動部分は、その動きが制御されるが、連結棒１９を伴うプッシュアーム２０で構成され、スッシュアーム２０にはダイヤフラム芯部３０が固定されている。回復ばね２３が作業ストローク後にプッシュアームを元に戻すことで、プライミングが動作する。ダイヤフラム１３の外輪は計量ヘッド１２に搭載され固定されるが、ダイヤフラムに差込まれる金属製のダイヤフラム芯部３０は、変位手段としての計量ヘッドにおけるダイヤフラムの中心面を動かす。入口弁１４はプライミング側で閉じ、出口弁１５は計量ヘッドの押圧側で閉じるが、これによって、外部配管用の連結部が完成する。基準素子は、例えば、連結棒１９またはモジュールが連結された状態で計量ヘッドに対向する端部に連結されるが、この場合、プッシュアーム２０の位置は、例えば、接触せずに動作する位置センサ３６によって検知される。図示の本実施例においては、基準素子はプッシュアーム２０の影画定エッジ３５であり、位置センサは、上記のように一連の受光セル３２と協働する光源３３で構成されるライトボックスのような構成であり、接触することなく影形成に基づいて光学的に影画定エッジ３５の位置を判定する。連結棒１９は実際にダイヤフラム１３への連結部兼動力結合器であり、本実施例においては、プッシュアームおよび連結棒は互いに固定されているので、以下の説明は連結棒１９の運動に関するものであるが、実際には、測定されるのは、プッシュアーム２０の影画定エッジ３５の運動である。
【００５６】
位置センサ３６は、基準素子３５の位置に比例する実信号ｘ１を生成する。速度制御部の場合、本実施例では実信号は時間微分器３７（ｄｘ１/ｄｔ）を通して送給され、速度に比例する実信号ｖ１をさらに生成する。制御段階に適する方法は他にもあり、ダイヤフラム速度に比例する信号を生成することが可能である。制御の種類および計量必要条件によって、位置ｘｓまたは速度ｖｓの公称値３８を表す時間依存プロファイルが作成される。分散比較３９では、分散を位置分散ｘｓ１=(ｘｓ-ｘ１)または速度分散ｖｓ１=(ｖｓ-ｖ１)として判定し、その結果をＰＩＤ制御部（比例、積分および微分制御部）に与える。出力すなわち制御部出力ＳＧは駆動部への値に一致する。制御部の安定性を向上させるために、制御部出力ＳＧは位置補正４１を用いて処理する。位置修正では、モータの回転速度がカム駆動部の正弦曲線特性に従ってカムの回転角（連結棒位置からの偏向）に依存するという事実を考慮に入れて、モータの回転速度を連結棒の速度へ変換する。その後、位置修正４１では、ＰＩＤ制御部４０用の開始信号をカム駆動部の逆特性に従って修正制御部出力ＫＳＧへ変換するが、修正制御部出力は、所望の制御部出力ＳＧに一致するカム駆動部からの出力で連結棒１９の運動を求めるのに必要である。増幅器４２は、周波数変換器として形成されるが、動力レベルを保持してその電圧および周波数を用いて所望の回転速度でモータを駆動する。位置依存修正量、修正制御器出力ＫＳＧの周波数変換器の実回転速度への変換、および、必要に応じて、全体速度信号ｖ１の生成のための偏向定数が、３つの比例係数ｋ１、ｋ２、ｋ３によって設定される。位置依存修正係数ｋ１はカム駆動部の特性に従って選択される。増幅部用の係数ｋ２と速度信号偏差に関する係数ｋ３の２つの係数は、最良使用寸法範囲での動作などの実状を考慮して選択される。
【００５７】
図３は位置調整部の制御回路を示し、図４は速度制御部を使用する場合の制御回路を示す。制御回路は、可能な制御調整との関連で、位置の公称値ｘｓまたは速度の公称値ｖｓの所定の時間依存プロファイルを伝達する。
【００５８】
位置、速度、または加速度の実プロファイルを作成してこれらの動作モード間で切替えることは、下記に述べるように行われるが、例えば、制御速度や達成可能な精度などの制御部の機能的限界を考慮に入れて行われる。
【００５９】
このような制御によって、電動定量ポンプを用いてダイヤフラム１３、一般的には変位手段の所望の速度をあらかじめ決定し、計量媒体の有効流速を制御することができる。
【００６０】
ダイヤフラム位置はこのように直接制御される。この機能によって、計量処置の選ばれた段階で、また、必要ならば静止時にも位置を求めることができる。
【００６１】
位置表示部によって動作を制御することによって、無制御動作とは対照的に、動作パラメータの変化に対応できるが、この変化は、時間の経過とともに突発したり、環境要因または環境変動すなわち製造工程における統計的偏差によって発生したりし、悪影響を低減できる。引用する具体例は、ダイヤフラムの剛性または計量媒体の粘度である。どちらも、ダイヤフラムの表面に動作圧力をかけるための力に追加される駆動力を要する。この効果を判定してモータ駆動部をその後調整することによって、悪影響を補償できる。モータ速度があらかじめ設定された調整されていない定量ポンプは、制御して安定に保ったとしても、悪影響を受け続ける。しかも、カム駆動部の正弦曲線特性によって、連結棒位置すなわちカムの角度を知らずに変位手段の瞬間速度を正確に予測するのは不可能である。
【００６２】
さらに、位置表示部によって動作を制御することによって、無調整動作に対する自発的計量工程とは対照的に、後述の内的影響および外的影響に反応し、計量時の特定の油圧状態を活用または回避できる動作状態を確立することは可能である。具体例は、以下に述べるプライミング時のキャビテーション保護機能である。
【００６３】
上記の種類の電動定量ポンプの個々の実施形態について述べる。ポンプは位置センサを備えており、また、位置信号を評価することによって、計量回路の動作条件を低下させたり、モータ駆動部を制御および調節することによって、ダイヤフラムの動作に影響を及ぼしたりする。
【００６４】
ストローク長に関する調節制御部の位置の検知
先行技術による定量ポンプは、計量ストロークが実行されて、ピストン室の分配される体積（ストローク長）が計量された全体積へと変換されるように動作することが多く、体積は、例えば、リットル毎時単位の体積流速で示される。このような機能のために、オペレータによって設定されるストロークについて知る必要があるが、これは、ストロークごとに計量される体積はその設定値に依存するからである。このため、先行技術による定量ポンプにおけるストローク調節装置の位置を、別のセンサによって電気信号に変換して制御システムへ読み出さなければならない。具体的な実施例は、ストローク調節手段７上のリニアポテンショメータであり、これは、針を介して調節値を検出する。
【００６５】
集積位置センサ３６を用いてストローク中に実際のダイヤフラムの経路を検知できる定量ポンプは、追加センサを必要としない。端位置における２つの位置値の差異は、動作が停止するとすぐに機械的バッファに到達した後に測定されるが、ストローク長を直接算出するのに使用され、さらなる処理に使用可能である。
【００６６】
閉塞あるいは不完全ストロークの検知
位置センサを備えていない先行技術による定量ポンプの場合、電子制御システムにインパルスを提供してストロークごとに計量動作を監視するセンサを採用することが多い。公知の態様では、例えば、歯車の出力軸に固定され、軸の外側でカム軸１７上に固定されて出力軸と共に回転する小さい永久磁石が、静止ホールセンサに連結され、静止ホールセンサがカム軸の特定の角度で磁石を通過する際に信号が生成される。電子制御システムは、カム軸速度と同じストローク期間をこの信号から測定し、計量工程が正確に実行されているかどうかを推定する。過剰圧力状況、例えば計量管において非意図的に閉鎖される閉塞手段によって計量ストロークの実行中に閉塞が発生した場合、ホールセンサ信号はオフになり、監視期間が経過すると、警報が出され、さらなる動作例えば定量ポンプの停止などが実施される。このような先行技術によるシステムの場合、監視期間が経過しないと所望の情報を入手できない。
【００６７】
位置センサ３６を使用することは、すなわち、モータ２の駆動に係わる連結棒１９の速度を計量ストローク中の任意の時点において設定でき、閉塞も基本的に任意の時点において判定できるということである。
【００６８】
滑り補償
駆動モータ２が同期モータの場合、例えば、負荷のかかったモータ取出軸の有効機械的回転速度は、電子制御システムの周波数で決まる場合より常にやや低い。２つの回転速度の差異、いわゆる滑りは、モータのパラメータに依存し、負荷が妥当な範囲内にあれば、負荷がかかった状態でのトルクにほぼ比例する。滑りは、以下に述べる様々な方法で測定される。滑りに基づいて、周波数変換器によって振動数の増加分として前述のモータ回転速度に組込まれる修正値を算出でき、従って、滑りを補償できる。
【００６９】
滑りは、例えば、測定されたストローク期間を電子制御システムによって与えられるものと比較することによって判定される。この方法はまた、２つのホールセンサインパルス間の時間差を測定することによって、先行技術による定量ポンプに適用される。位置センサを備えた定量ポンプの場合、ストローク経路の特徴的な地点、例えば中間地点が期間を測定するために定義され、一連の計量処理のために、この地点を通過する時刻が記録される。すなわち、このような２つの時刻の差異が所望の期間となる。
【００７０】
位置センサ３６を備えた電動定量ポンプでは、直接法を用いて連結棒１９の瞬間速度を観測することによって滑りを判定する。電子制御システムから求めたモータ回転速度から、理想的な連結棒速度が公知の歯車特性およびカム特性を用いて算出される。理想を測定された速度と比較することによって、カムサイクル中の任意の時点の滑りを生成して、モータ駆動部の振動数を再調節することによって滑りを修正できる。
【００７１】
圧力の判断
非同期モータが用いられる場合、上記の方法の１つによって測定された滑りを用いて変位手段にかかる力を判定し、計量媒体の動作圧力を低下させる。しかし、カムは連結棒１９に動作する力を正弦曲線的に変え、この場合、動作する力は、歯車１１を介してモータ２に対する瞬間角に依存する。２つの死点すなわちストローク運動の転換点において、モータは連結棒の力から切離され、言い換えると、負荷から解放され、まさにそれらの間の２つの地点で、カムは最高負荷モーメントをモータに伝達する。このように、連結棒の力が一定であると仮定すると、モータ取出軸上のトルクは同一のパターンを示し、滑りもほぼ正弦曲線を描くように変動する。従って、変動は連結棒の力を反映する。
【００７２】
上記のようにストローク期間の理想値からの偏差が判定される場合、それは、カムの正弦曲線パターンを介して伝達される滑りを表し、平均ストローク力すなわち動作圧力の測定値でもある。滑りが、電子制御システムから与えられるモータ回転速度と連結棒速度との比較から連続的に判定される場合、公知のカム特性および連結棒位置からのカムの瞬間角についての知識に基づいて、連結棒１９の力プロファイルが算出できる。連結棒の力プロファイルは、動作圧力を推定するためにも使用される。
偏向機構がカム以外のものによって提供される場合、この特性は適宜適用可能である。
【００７３】
圧力制限、圧力低下の認識
動作圧力が上記の方法に従って判定される場合、それは、特定の限度内にあるように監視され、監視システムの問合せで警報を発生させ、定量ポンプの停止などの動作を行わせる。限度超過を監視することによって、ポンプおよびその他の構成部品を保護することができ、場合によっては、定量ポンプの最大圧力の１３０％を動作限度として設定して監視することができる。しかし、監視限度は、例えば傷つきやすい部品を保護する場合、定量ポンプの特定の動作限度内に設定されることもあるが、この場合は、オペレータが設定することができる。あらかじめ設定した動作必要条件が遵守されているかどうかを監視することも可能であり、この場合、例えば、基準として設定された動作圧力が１パーセントポイントだけ上昇あるいは低下した場合、警報が出される。最小圧力１バールという条件が遵守されているかどうかを調べるために動作圧力を監視する場合、配管の損傷によって引き起こされる漏れを検知することが可能である。
【００７４】
圧力補償
電動定量ポンプの適用量は、採用された実施例によって異なるやり方で動作圧力の影響を受ける。一方、駆動モータ２には、それが非同期モータである場合、動作圧力の増加で滑りが増加するという問題があるが、これは、回転速度の低下を生じさせ、それに伴いストローク回数の低下を生じさせる。他方、変位手段１３として用いられるダイヤフラムは、動作圧力の影響下で弾性変形を経験する。計量ストロークの開始時、出口弁１５が閉鎖していれば、計量室１６の内部圧力は連続的に上昇し、ダイヤフラム芯部３０は、圧力の増加に伴い連結棒１９によって計量室へと移動する。ダイヤフラム１３の弾性変形領域は、ダイヤフラム芯部３０の動作に対抗する圧力に屈する。ダイヤフラム１３は変形するが、概して、実際には体積変化は起こらないが、これは、計量媒体は実際には圧縮されず、この時点で弁は両方とも閉じているからである。この変形段階の最後に、室圧力は外部動作圧力と一致する。連結棒１９の実行経路はダイヤフラム変形と一致し、計量開始時の不動領域と一致する。そして、実質的に計量には何等寄与しない。変形または不動領域は、典型的に、ダイヤフラムの大きさや動作圧力など次第でおよそ０．１〜０．５ｍｍの範囲にある。圧力平衡点で動作側出口弁１５が開く。ダイヤフラム１３上の圧力は、このとき、外部動作圧力と同じになり、ダイヤフラム変形と同様に、計量ストロークの残りの期間中ほぼ一定である。動作側出口弁が開く圧力平衡点は、計量の実際の開始のしるしとなり、ダイヤフラム変形は計量ストロークに影響されないが、これは、すなわち、有効ストローク長が、ダイヤフラム変形のより少ない機械的な長さから判定されるということである。ダイヤフラム変形はそれ自体が動作圧力に実質的に比例するので、計量曲線は典型的に、動作圧力の増加とともに落ち込む。従って、ストローク長が短い割にはマイナス偏差が顕著である。
【００７５】
先行技術による電動定量ポンプの場合、計量は、圧力に依存するばかりでなく、部分的ストローク条件下においては、機械的ストローク長に厳密には比例しない。さらに、有効計量は、出口弁１５の開放でダイヤフラム変形が最大になる時点から初期不動領域後だけのストロークで開始する。定常状態特性が機械的ストローク長の関数として計量プロファイルで表される場合、線形上昇曲線が作成されるが、線形上昇曲線は、ｘＴ１、ｘＴ２、ｘＴ３…ｘＴｎ（図１２参照）の不動領域に対応する最小ストローク長分のストローク後の実際の適用量を示すだけである。この最小ストローク長は、ダイヤフラム変形に対応するので、動作圧力ｐ１、ｐ２、ｐ３…ｐｎに依存する。
【００７６】
この先行技術における定常状態特性のずれｘＴ１、ｘＴ２、ｘＴ３…ｘＴｎは、現在のストローク長が実質的に変更される限り、実際の作業条件下で再較正が必要であることを意味するが、現在のストローク長および新しいストローク長から両者を比例させて計算することによって、新たな計量性能を十分な正確さで判定することはできない。
【００７７】
動作圧力が上記の方法の１つで判定される場合、装置の種類ごとにあらかじめ定量的に判定できる上記の依存性を用いて、動作圧力の計量性能への誤差を生じるような影響を事前に判定し補償することができる。このため、判定された動作圧力および採用されたストローク長は、上記のように位置センサで測定されるが、これは、採用されたストローク回数に付加される公知の誤差依存性から算出される修正値を計算するために使用される。実用的および経済的な理由から、影響の組織的な部分のみが解消される。圧力依存計量性能誤差は、材質特性および採用される構成部品に実施される測定によって主に判定されが、それらは、改造によってある程度変化したり、または製造変動によって引き起こされたりする。これら変動は、本明細書で述べる方法では考慮され、それらの方法では、あらかじめ定義されたモジュールパラメータまたは一連の測定値を用いてダイヤフラム変形に起因する誤差を修正する。さらに、本具体例においては、所定の間隔でまたはストロークの度に新たに実際の関係を定義しなければならない。
【００７８】
ダイヤフラム変形の誤差を生じる影響が上記のように補償される場合、動作圧力は、上記の方法の１つを用いて判定され、また、ストローク回数は修正値によって変更され、部分ストローク動作モードにおける比例誤差も解消される。そのため、定量ポンプは、２０％〜１００％の有用ストローク長範囲内で動作するので、特定の計量精度を維持するために、１０％より長くストローク長を調節する必要のある先行技術による定量ポンプにおいては、現在でも必要な再較正を実行しなくて済む。
【００７９】
高粘性媒体における流れ損の回避
特に高粘性媒体（例えばレシチン）を使用する場合に変位手段たとえばダイヤフラム１３の速度を調整することによって、弁およびその他の窮屈な地点における流れ損を制限できる。そ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的圧力低下によって計量精度にマイナスの影響を与える。さらに、これは、速度が制限されるために、弁の開閉に時間がかかる場合には好都合である。両方の効果によって高粘性媒体の計量精度は向上する。これを達成するために、全計量処理中に、ダイヤフラム速度を選択可能な最大値に限定する。この最大速度は、測定対象の実際の媒体の粘性にとりわけ依存し、例えば、オペレータによって選択されるかまたは直接提供されるアプリケーションによって、幾つかの所定の値として提供される。位置センサおよび変位手段の速度の調整を使用して、ダイヤフラム速度の所望の制限を確実に保持できる。
【００８０】
キャビテーション保護
ガスを発生しやすい媒体（例えば塩素系漂白剤など）の場合、特にプライミング時や計量ストローク時に流速が高過ぎると、計量媒体の化学組成およびその温度にとりわけ依存する蒸気圧の局所的低下によって制限地点においてキャビテーションが発生し、摩耗を増大させる。調整によって速度を制限したり、実質的に危機流速を下回る値に回転速度を設定したりすることによって、押圧ストローク時およびプライミング時すなわちダイヤフラム１３の戻り時の両方のときに、キャビテーションを回避できる。制御回路の速度必要条件、または最も単純な場合には、モータ回転速度は、例えば、対応ダイヤフラム速度を１ｍｍ／５０ｍｓに制限するように設定される。
【００８１】
プライミング手順については特に、静止圧力がとりわけ低く、蒸気圧を下回るまでに低下することに対する安全マージンが非常に小さいので、キャビテーションが発生しやすい。方法に改良を加えるには、プライミング時のダイヤフラム速度を押圧ストロークの際に使用される値より小さい値に制限するとよい。合理的な値の具体例は、押圧ストロークには１ｍｍ／５０ｍｓ、プライミングには１ｍｍ／１００ｍｓであるが、その他の値も明らかに可能である。計量段階の個々の処置の基本となるのは、位置センサは任意の時点においてダイヤフラムの正確な位置を判定できるという事実であり、従って、（特に重要な）プライミング段階の開始を確実に判定できる。
【００８２】
電子ストローク長調節
本発明によれば、ストローク長を調整するための機械的な装置（調節手段７およびストローク調節ピン８）は不要である。このため、電子的に、例えば、オペレータの入力によって、所望のストローク長を制御装置に知らせる。所望のストローク長分のストロークが実行される場合、モータ２を制動することによって、ダイヤフラム１３を到達した位置で停止させ、プライミング段階でモータを逆転させる。反対方向へプライミング用死点を通過するように（逆進運動での押圧段階、通常動作でのプライミング）、または先のストローク時と同じ順序でモータを回転させて、次のストロークを行うことができる。第一の場合の例では、ストロークとストロークとの間のモータの制動および始動手順で、時間およびエネルギーを節約する。方向が絶えず変化するということは、モータ軸に固定されている送風機がもはや十分に機能していないことを意味するので注意しなければならない。従って、この場合、冷却が必要な場合は外部駆動送風機の使用がモータにとって極めて重要である。
【００８３】
濃度変動を回避するための低速計量
処理媒体流とよく混ぜ合わせることが必要な用途においては、計量媒体の分配をできるだけ均等にしなければならない。特定の用途では、非常に少量を非常に長い期間にわたってできるだけ均等に計量することが、ほぼ連続的な計量のために必要である。この場合、先行技術においては、例えば、ステップモータおよび自己係止歯車を備えた電動定量ポンプが採用される。このような定量ポンプでは、回転速度を低下させるか、または、中間に停止期間を介在させた幾つかの段階に分散させて、完全なストロークを一回実行し、このストロークの最後に、完全な（高速）プライミング段階を実行して、その後、計量工程を上記のやり方で続ける。
【００８４】
動作調整モータ定量ポンプの場合、短い停止段階まで前進運動のためにプライミング後の残り部分を最大限に活用できるように、計量ストロークの反復回数で決まる利用可能時間を分散できる。移動経路（ストローク長の設定値）および利用可能時間から調整速度を算出する。先行技術によるモータ定量ポンプとは対照的に、位置センサ３６および調整装置を使用して、常に知りえる連結棒１９の位置から、モータ回転速度に組込まれるカム駆動部の瞬間角を求めることができ、カムを使用する場合は正弦曲線で示される偏向装置の特性が補償され、また、計量ストロークは、計量媒体を一定に分配させる正確な直線運動になる。速度は、例えば、１ｍｍ／分〜１ｍｍ／秒の非常に広範囲に該当する。
【００８５】
位置提供部と制御手段の一部との上記の用途から分かるように、全ストロークおよびプライミング手順の間に連結棒上の位置センサを使用することで、変位手段の正確な位置を明らかにし、監視できる。上記の好都合な特徴につながるような状況に左右されるパラメータを制御する位置づけおよび監視手段は、実際の値を測定することによって正確に構成可能である。
【００８６】
位置センサ
既に説明したとおり、上記の実施例における位置表示部用の基準素子は、位置を検知するためのプッシュアーム２０の影画定エッジ３５であり、この影はＣＣＤセル３２（電荷結合素子）の行列にかかる。具体例においてより詳細に述べる能動センサ素子は、位置を検知するものであるが、計量ヘッドに向けられたプッシュアーム２０の脇に位置する。光源３３はＬＥＤであり、受光部はＣＣＤセル３２を備えた電子モジュールすなわちセンサキャリア３１であり、この例では、中間部分に搭載される。位置センサ３６をセンサキャリア３１に搭載することによって、製造工程では独立モジュールとして扱われ、例えば、最終の構築現場から離れた場所で別個にあらかじめ組立てられ試験される。さらに、ライトボックス状の配置は、非接触ひいては非摩耗センサで構成される。
【００８７】
基本的機能に関しては、プッシュアーム２０および連結棒１９によって形成される可動ユニットのところに、センサを位置づけることは重要ではない。その位置は、空間や組立て順序などの構造的観点に基づいて判定できる。さらに、本明細書で固定して搭載されると説明される部品（光源３３と受信部３２）および連結棒（影画定エッジ３５）と共に移動する部品は、機能を交換できる。
【００８８】
本具体例では、ＣＣＤモジュール３２は、マイクロプロセッサを含み、必要な制御信号を生成する評価部によって制御される。マイクロプロセッサの代わりに、ＤＳＰ（デジタル信号処理部）または別個の技術を用いて、評価部を製造することもできる。
【００８９】
十分に狭い光スポットを生成できさえすれば、任意の素子を光源３３用に使用可能である。図７に示す幾何学的配置とこの幅とで、影領域ＳＶ（図８も参照）が決まる。
【００９０】
光源３３は、素子数個または行列源によって構成することもでき、影領域ＳＶは、特定の必要条件を満たすように作成される。一具体例は、運動の方向の鮮明さに影響を与えないように高輝度を達成することである。
【００９１】
ＣＣＤ行列３２は、数マイクロメータのピッチＲで規則正しく配置されたＭ受光部（以下、ピクセルで示す）の線形配置である。一具体例としては、およそ８ｍｍの全長にわたって６４μｍ間隔、すなわち、Ｍ=１２８でＲ=６４μｍで１２８個のピクセルが配置される。
【００９２】
評価部によって生成される制御信号で、ＣＣＤモジュール内の増幅部の入射光をＣＣＤ行列３２の個々のピクセルが集めるための照明時間が設定され、後の処理のために格納される。集光は、照明期間ばかりでなく各ピクセルの受光表面上でも行われる。照明の後、ピクセルの輝度値が、さらに制御信号によってＣＣＤモジュールからのアナログ値として順次読取られ、評価部に取込まれる。
【００９３】
照明と輝度値の読取りとは、最も単純な例では交互に行われる。市販のＣＣＤ行列構造物の中にも、両方の手順を同時に実行する可能性を有するものがあり、集められた照明の測定値を格納して、次の測定のために積分部を直ちに解放する。後続の手順のために照明段階の間に測定結果を同時に出力することによって、測定速度を上げることができる。
【００９４】
図８の図は、具体例における影響を受けたピクセルの領域にかかる実際の影の積分輝度値Ｈを示す。影領域ＳＶは、本例では、ピクセル６０番から６３番へと広がっている。
【００９５】
簡単な評価手順としては、判断閾値Ｈｖ（図８では破線で示す）を最大輝度の半分の値に設定し、影遷移領域において輝度値Ｈが最初に閾値Ｈｖを下回るピクセルを検索する。本例では、ピクセル６２番になる。
【００９６】
別の実施例によると、非照明ＣＣＤセルから照明ＣＣＤセルへとピクセル番号が増加するにつれて輝度は反対になるが、これは、光源３３、ＣＣＤモジュール３２、および影生成体３５要素の配置によって異なり、ＣＣＤモジュール３２の内部組織によって異なる。この場合、輝度が最初に閾値を上回るピクセルが、求めるピクセルである。
【００９７】
照明段階、読取り段階、および処理段階という３つの段階の後、位置値が生成される。３つの段階に必要な全時間によって、位置値が求められる回数が決まる。測定解像度は、個々の構成部品間の搭載間隔によって決まる幾何学的関係で修正される、ＣＣＤセルのピクセルピッチＲである。
比率Ａ（図９参照）について
Ａ=  ｓ′/ｓ=ｘ３/ｘ２
ここで、
ｓ=  影画定エッジの実動作
ｓ′=  ＣＣＤの平面における影画定エッジの投影動作
ｘ２=  光学的影画定エッジと光源との距離
ｘ３=  ＣＣＤ平面と光源との距離
【００９８】
本手順で、ピクセルの個数を計数することによって位置が決まるので、これはデジタル手順である。モジュール感度などの線形パラメータの偏差およびずれは、アナログ手順と比較すると結果には実際何等影響を及ぼさない。比率Ａが実際値で判定される場合、組立て変動の影響も小さい。具体的実施例においては、Ｘ３=２１ｍｍでＸ２=２０ｍｍのとき、比率Ａの公称値１．０５が得られる。これは、言い換えれば、影画定エッジ３５の特定の距離の移動で、ＣＣＤセル３２の平面における影領域ＳＶのずれは１．０５倍高くなるということである。Ｘ３の組立て変動係数、すなわちＣＣＤセル３２の光源３３からの距離の変動が±０．３ｍｍとすると、Ｘ３=２１．３ｍｍでＸ２=２０ｍｍのとき許容範囲の上端になり、この場合、比率Ａは１．０６５である。本例における比率は、１．０６５/１．０５=１．０１４または＋１．４％だけ変化する。この偏差は、例えば製造時の１回の較正で解消される。直線性は、チップの幾何学的配置におけるピクセルピッチの正確さによってほぼ排他的に決まり、偏差はゼロになるくらい小さい。
【００９９】
影画定エッジ３５の位置ひいてはダイヤフラム１３の位置を判定するための上記の方法は、非常に正確に線形の位置値をもたらすが、補間を行えば一層正確な位置解像度が得られる。拡大解釈された形態においては、ピクセル輝度Ｈの評価によって、例えば、ピクセル６１と６２（図１０参照）の間の位置解像度であってピクセルピッチＲよりも精細な位置解像度が得られ、判定閾値の領域でピクセルの輝度値が補間される。この目的は、輝度プロファイルが判定閾値Ｈｖと交差する位置を判定し、この交差に仮想位置目盛上の値を割当てることであり、仮想位置目盛のｘ値は、ピクセル中のピクセル番号に正確に対応する。
【０１００】
このため、判定閾値Ｈｖの左側と右側の２つのピクセルを検索して、輝度値の閾値からの距離？Ｈを判定する。図１０または図１１に示すように、
？Ｈ１=Ｈ１-Ｈｖ
？Ｈｒ=Ｈｒ-Ｈｖ
【０１０１】
２つの近傍ピクセル、本例においては、ピクセル６１番および６２番それぞれの中心軸から交点までのピクセル幅の倍数で算出される距離？ｘと、交点の左側のピクセル６１番（左側近傍ピクセル）に対する輝度距離？Ｈとの関係は、次のように表される。すなわち、
？ｘ１/(？ｘ１+？ｘｒ)=？Ｈ１/(？Ｈ１+？Ｈｒ)
(？ｘ１+？ｘｒ)=１(１ピクセル幅)であれば、
？ｘ１=？Ｈ１/(？Ｈ１+？Ｈｒ)
【０１０２】
検索された交点の右側のピクセル６２番（右側近傍ピクセル）については、次の関係が成立する。
？ｘｒ/(？ｘ１+？ｘｒ)=？Ｈｒ/(？Ｈ１+？Ｈｒ)
(？ｘ１+？ｘｒ)=１(１ピクセル幅)であれば、
？ｘｒ=？Ｈｒ/(？Ｈ１+？Ｈｒ)
【０１０３】
本例においては、交点は６１．７の値のところである。補間領域における輝度が理想的な直線をたどる場合、上記の両方の計算手順で同一の結果が得られ、従って、原則的には、２つの計算の一方を実行すればよい。しかし、両方の計算を実行して結果を平均化すれば、着目遷移領域の正確に直線ではない輝度プロファイルまたは測定値の不正確さから発生する誤差を低減できる。
【０１０４】
別の実施例においては、非照明ＣＣＤセルおよび照明ＣＣＤセルに関しては交点のどちら側かという条件を入れ替えることができるが、この場合、左表示部および右表示部は適宜機能を交換し、補間方程式を同時に変更しなければならない。
【０１０５】
さらに、別の実施例が可能であり、ここでは、３つ以上のピクセルからの輝度値が用いられる。位置は、冗長な多数の計算および幾つかの結果の平均化によって判定される。別の可能な形態では、本明細書で説明した以外の線形補間または直接近傍ピクセル以外からのデータを用いた補間を採用できる。
【０１０６】
モジュール感度などの線形パラメータの偏差およびずれは、補間領域内の結果に影響を及ぼす。ＣＣＤ平面にかかる影画定エッジの影の鮮明さに起因する影遷移領域における輝度プロファイルの傾きは、概して補間に影響を与えないため、あまり重要ではないが、輝度プロファイルの直線性だけは、補間の正確さを知るために重要である。
【０１０７】
上記の補間方法とは無関係に、センサ特性を向上させるためのさらなる手順を用いることができ、これによって次に述べる基本原理が構築される。以下にこれらの手順を説明する。
【０１０８】
？？  フィルタリングによる干渉に対する抵抗力の向上
センサの干渉に対する抵抗力はフィルタによって向上する。フィルタリングは、ピクセルの輝度値および位置判定結果の両方に適用される。第一の場合、手順は、幾つかのピクセルまたは幾つかのパスについて平均化された輝度値で動作し、第二の場合、幾つかの最初に判定された位置結果を集めて位置値を推定し、位置値はさらなる処理に使われる。
【０１０９】
？？  組立て変動の補償
定義された段階において、例えば、実際の計量ストローク前の停止段階において、その段階用の位置値が判定され基準メモリに格納される。能動運動段階では、以前に判定された基準値に関する位置値が処理される。製造中に発生した停止位置の組立て変動および動作中に発生した偏差、例えば熱膨張などは、自動的に補償され、これによって、精度が向上する。
【０１１０】
？？  スケーリング誤差の補償
さらなる代替案では、基準位置と称される２つ以上の公知の位置を用いて位置センサを調整する。これは、製造中や試験手順中に一度、または動作中に繰返し実行される。
【０１１１】
第一の場合、基準位置は、外部装置例えばピッチ位置や外部測定装置によって与えられる。こうした基準位置で測定された位置値および基準位置の実際の位置についての知識とから、位置センサの調整用の修正値が決まり、さらなる処理のために格納される。
【０１１２】
繰返し調整判定の第二の例では、公知の位置、例えば機械的バッファまたはさらに別の利用可能な装置からの基準信号が、位置決めのために必要である。ダイヤフラムが動作中に公知の位置に設置される場合、その位置から測定される位置値から位置センサの調整用の修正値が求められ、さらなる処理のために格納される。
【０１１３】
？？  光学的感度パラメータの補償
さらなる実施例では、完全に照明されたピクセルの輝度値を使用して照明強度を表す値を求める。このため、例えば、適宜のピクセル群を使用して平均輝度を求める。照明強度を用いて、利用可能な範囲が最適に活用されるように照明を制御する。一例としては、完全に照明されたピクセルの照明強度がＣＣＤモジュールの焼損限界を幾分下回るように、輝度または光源のオン時間を制御する。測定ごとに、照明パラメータの変動、例えば経年変化が平滑化されるように、先に求めた比率を使って照明強度を修正する。
【０１１４】
？？  汚れおよびピクセル偏差の補償
さらなる実施例では、定義された段階、例えば実際の計量ストロークを実行する前の停止段階において、完全な動作ピクセル範囲またはその範囲の大部分が照明されるように、センサの機械構造が構築される。可能な実施例では、例えば、評価用のダイヤフラムに対向する影画定エッジ３５を用いる。これによって、ストローク運動中に影画定エッジはセンサをさっと通過し、先の停止位置で照明されたＣＣＤセル領域を暗くする。この段階で、全ての関連ピクセルの輝度が判定され、基準メモリに個々に格納される。個々のピクセルの測定値の理想値からの偏差は、例えば、修正値という形で補償される。能動運動段階では、最初に各ピクセルの輝度が修正され、次に測定の度に既に求められた基準値を使ってさらに処理される。この手順によって、製造工程およびある程度の汚れに起因する個々のピクセルの感度の偏差を補償することが可能であり、従って、精度または動作の信頼性を向上させることが可能である。
【０１１５】
当然、ＣＣＤ受信部セルを２列以上に配置して、例えば汚損などによるドロップアウトに対する冗長性によって安全性を高めたり、平均化によって測定値の精度を高めたりしてもよい。特に大きなストローク長に対しては、２つ以上のＣＣＤ行列を組合せて、単一の行列の機能的限界を超えて個々の行列の測定領域を広げることができる。
【０１１６】
具体例で詳細に述べたモータ定量ポンプは、モータ、歯車、カム駆動部および他の構造的ディテールといった構成部品のディテールや配置において変更可能である。しかし、駆動部によって発生する振動運動が位置センサによって検知されることは不可欠であり、位置センサは、基準素子の位置および変位手段に対して固定の関係にある実信号を提供するため、その値を用いて変位手段の動作に関する情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】位置センサを備えた電動定量ポンプの断面図である。
【図２】位置センサの分解図である（図１の断面ｘの拡大図）
【図３】位置制御回路の構成を示す。
【図４】速度制御回路の構成を示す。
【図５】位置センサの軸方向の上面図である。
【図６】位置センサの軸に垂直な方向の側面図である。
【図７】位置センサの影領域を示す。
【図８】実際の影に入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の寸法を示す。
【図１０】位置解像度の補間を示す。
【図１１】位置解像度の補間の元になる計算を示す。
【図１２】機械的ストローク長および動作圧力の関数としての計量性能を示す。
【符号の説明】
【０１１８】
１  カム室
２  モータ（非同期モータ）
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機器
７  調節手段
８  ストローク調節ピン
９  カバー
１０  制御ワイヤ
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  計量室
１７  カム軸
１８  縦軸
１９  連結棒
２０  プッシュアーム
２１  カムの迎え面
２２  カム受け
２３  圧縮ばね（回復ばね）
２４  軸受板
２５  圧縮ばね用継ぎ環
２６  軸受板上のブッシュ
２７  ストローク調節ピン上のブッシュ
２８  電子機器ハウジング
２９  モータ駆動部用電源設定
３０  ダイヤフラム芯部
３１  センサキャリア
３２  受信部、ＣＣＤモジュール
３３  光源
３４  駆動電子機器
３５  基準素子としての影画定エッジ
３６  位置センサ
３７  微分器
３８  公称値設定
３９  公称-実値比較
４０  ＰＩＤ調整
４１  位置修正
４２  増幅部
ＳＶ  影プロファイル
ｈ  照明領域
ｄ  暗領域
＃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 
Ｈ１  ＶＳの交点の左側のピクセルの輝度（左手側近傍ピクセル）
？Ｈ１  左手側近傍ピクセルと比較閾値の輝度値との輝度差
Ｈｒ  ＶＳの交点の右側のピクセルの輝度（右手側近傍ピクセル）
？Ｈｒ  右手側近傍ピクセルと比較閾値の輝度値との輝度差
？ｘ１  ＶＳの交点の左手側近傍ピクセルの二等分線による位置的分離
？ｘｒ  ＶＳの交点の右手側近傍ピクセルの二等分線による位置的分離
ｘ１  影画定エッジとＣＣＤ平面との距離
ｘ２  影画定エッジと光源との距離
ｘ３  ＣＣＤ平面と光源との距離
ｐ１  作用圧力ｐ１
ｐ２  作用圧力ｐ２
ｐ３  作用圧力ｐ３
ｐ４  作用圧力ｐ４
ｘＴ１  作用圧力ｐ１に対する不動領域
ｘＴ２  作用圧力ｐ２に対する不動領域
ｘＴ３  作用圧力ｐ３に対する不動領域
ｘＴ４  作用圧力ｐ４に対する不動領域
ｓ  影画定エッジの実動作
ｓ’  影画定エッジの投影動作
Ｄ  計量性能
ＨＬ  機械的ストローク長
ＳＧ  制御部出力
ＫＳＧ  修正制御部出力
ＭＡ(Ｕ,ｆ)  モータ駆動部（電圧、周波数）
ｋ１  位置依存位置修正係数
ｋ２  性能増幅部係数
ｋ３  速度信号の偏差に対する係数
ｘｓ  変位手段の位置の公称値
ｘ  変位手段の位置の実際値
ｘｓ１  変位手段の位置の制御偏差
ｖｓ  変位手段の速度の公称値
ｖ１  変位手段の速度の実際値
ｖｓ１  変位手段の速度の制御偏差
【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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【外国語明細書】
MOTOR-DRIVEN METERING PUMP
The invention relates to a motor-driven metering pump according to the preamble of claim 1.
Motor-driven 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 through a displacement means.  The metering volume per stroke thus corresponds to the difference in volume on movement of the displacement means.
In general, such motor-driven metering pumps convert the continuous rotary motion of a drive motor via a gear unit into an oscillating linear motion of the displacement means.  The rotary speed and torque of the motor is reduced in a gear unit and matched to the speed and power requirements of the displacement means.  The take-off shaft of the gear drives a device for converting the rotary motion into a lateral deflection, i.e. at right angles to the rotary axis, such as a spring/cog or cam drive.  The lateral deflection actuates a connecting rod which is slidably guided in bearings in the direction of the deflection.  This transfers the motion and power to the displacement means which, in a metering head arranged in the longitudinal axis of the connecting rod, cooperating alternately with an outlet and inlet valve, produces a pump stroke (pressure stroke) and priming stroke and thus results in movement of the medium to be metered.
The various embodiments differ firstly in the type of motor; they are usually asynchronous motors, synchronous motors and step motors, which are mounted outside or inside the actual pump housing.  The individual metering pump types also differ in the type of gear; it may be a worm gear, a spur gear or a belt drive.  The drive for the connecting rod via the deflection device can be force-guided or with positive locking only on forward motion of the deflection device.  The connecting rod is driven in the pressure stroke by the deflection device, but in the latter case on priming it is driven by a recuperating spring, which places it close to the reversing deflection device.  The recuperating spring is compressed on the pressure stroke and is dimensioned to provide the required force required upon priming.  The various types of pump also differ in the power coupling from the connecting rod to a diaphragmas the displacement means either via a rigid linkage or a hydraulic intermediate circuit.  Since the hydraulic fluid, usually oil, is not compressible, a hydraulic coupling operates like a rigid coupling.  In addition to the system described here with a metering head, pump constructions are also known which operate with two or more metering heads driven by a common drive.  In one example, two opposing connecting rods may be arranged either side of a cam in a common longitudinal axis which are driven in opposite directions and each has a metering head with its own displacement means.  In another example, it is also known to operate with multiple metering heads with an extended cam shaft which carries several jointly driven cams which each drive a unit formed by a connecting rod arranged across the cam axis and a metering head with a displacement means lying in the direction of the connecting rod axis.
In the simplest case, all moving parts are mounted in ball bearings or friction bearings in a common pump housing; in other cases, the individual functional groups are collected in further housings or mountings some of which may be filled with oil and are mounted as modules.  An example of this case would be a unit mounted outside the pump housing formed by the motor and reduction gear with a mounting flange and a ready mounted take-off shaft.
In the simplest case, the drive motor is on continuously for continuous metering or for a particular period for individual metering strokes.  Other types control the drive motor via a frequency converter in accordance with a predetermined time profile, whereby the motor rotary speed and thus the metering power is more reproducible and independent of electrical parameters such as the frequency or actual level of the mains.
The motor rotary speed is predetermined by the electrical frequency of the motor drive and, together with the gear reduction and the gear characteristics which is sinusoidal with a cam gear, determines the period of each stroke.  When continuously driven, the period per stroke is given by the effective motor rotary speed under load and the gear reduction.  When in on/off operation, where single strokes or sets of strokes are carried out, between which the motor itself is stopped, for example at the priming dead centre, is stopped, startup and slowdown times must be considered and the period per stroke is correspondingly extended.  In continuous operation, the stroke frequencyis provided by the period per stroke and in on/off operation it is determined by the repetition rate for motor switching, which naturally cannot be faster than the time necessaryfor carrying out a stroke.
The stroke length can be adjusted by limiting the lateral deflection.  This may be carried out by adjusting an eccentric, for example using wobble cylinders, which operate on the basis of two inclined planes which are rotatable in opposite directions.  A further possibility is an adjustable buffer which can be used with unforced deflectionsystems.  This buffer, in the form of a mechanically adjustable spindle, when adjusted limits the reverse motion of the connecting rod on priming to an adjustable position before reaching the rear dead centre of the deflection device.  The buffer provides the start point for the stroke motion; the end position is the completed deflection movement.  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, which constitutes the buffer for the connecting rod on priming.  With hydraulic systems, stroke adjustment is, for example, carried out by means of a slidable sleeve the position of which can be adjusted by means of a calibrated knob accessible by the operator, which is screwed into a thread in the pump housing.  The sleeve covers a by pass bore in the connecting rod which, after moving a certain distance, opens a shunt in the oil circuit and increases the power coupling from the connecting rod to the diaphragm.
The motion of the displacement means occurs by a combination of the gear and other mechanical components.  During the forward motion, the drive operates against the recuperating spring force operating on the connecting rod via the displacement means.  During the reverse motion, with forced displacement systems, the connecting rod is drawn back by the drive, and with one sided actuation, the recuperating spring pushes the connecting rod back and thus produces the power for priming the medium for metering.  The motion of the connecting rod thus follows the characteristic of the deflection device; with a cam, for example, this is sinusoidal, lying between the two dead centres of the cam stroke for a full stroke length.  In operation with a reduced stroke length, the motion on adjusting a cam is still purely sinusoidal with a reduced amplitude, with rigidly coupled systems with an adjustable buffer or hydraulic systems with a bypass bore, the original motion and the amplitude of the deflection device are maintained, but no longer carried out completely; moreover, the connecting rod motion is intersecting, depending on the adjusted stroke length and the coupling system, at the start or end regions (phase cut-off).  The forward motion to carry out the pressure stroke is carried out during a time period which is rather less than one second (for example about 200 ms) depending on the drive of the motor.  The priming stroke is carried out as set by the deflection device over a period which is similar to that for the pressure stroke. This results in relatively high instantaneous speeds for the metering medium in both stroke phases; for an eccentric drive, the maximum is about half way through the motion.
With embodiments constituted by several units consisting of connecting rod and metering head driven by a common cam shaft operating with several cams, then those cams may be arranged on the shaft in a phase displaced manner in order to distribute the peak power requirement for the individual metering heads around a full rotation of the cam shaft and thus to optimize the use of the available power of the motor.
Particular embodiments, so-called diaphragm metering pumps, use a partially flexible diaphragm as the displacement means.  This 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 deformation, which is incurred in a first part of the stroke motion which is not used for metering, 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, motor-driven metering pumps normally cannot be adjusted over a wide range of operating pressures with the desired accuracy; moreover, the errors which arise by a 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 motor-driven metering pumps in general use are efficient and for many processes have good metering properties, but suffer from disadvantages as regards the hydraulic properties of the metering process compared with the ideal position.  Examples which may be mentioned are the relatively strong dependency of the metered amounts on the operating pressure of the metering circuit and disadvantages such as noisy flow or pressure drops due to the high instantaneous flow speeds of the metering medium.
The particular aim of the invention is to overcome the known disadvantages as regards hydraulic properties of the metering process and to provide a variable, larger operational range for the motor-driven metering pump without negatively affecting manufacturing costs.  Further, the motion of the connecting rod and the connected displacement means should be matched to the reference details so that the metering process itself is adjustable, and any defects caused by manufacture or disadvantageous properties of modules (for example the elastic diaphragm, if present) can be taken into account by the electronic control system.  These measures should ensure accurate metering of a predetermined volume of a metering medium in a metering process by preventing or detecting defective operating conditions and compensating for manufacturing and/or in-service deficiencies using the on-board electronics.
The problem is solved by dint of a reference element which is linked with the connecting rod, the position of which is detected by a positional sensor, wherein the positional sensor provides an actual signal (xI) which is in a fixed relationship to the position of the reference element and thus to that of the displacement means and which provides information regarding the motion of the displacement means, so that the electronic control system of the metering pump can react to the operating conditions of the metering circuit and pump.
The positional sensor captures the motion of the connecting rod and the electronic control system evaluates it.  In this regard, starting from the limiting conditions, the control system examines the motion by comparing characteristic features and reacts thereto by influencing the motor drive 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 outside the metering head, then flexibility as regards space for the precursoris increased.
If the reference element influences the light path of a light source and if the positional sensor cooperating therewith, which is fixed in the pump housing or on another stationary part, operates as a light-sensitive receiver, then wear free operation is ensured, which is vital because of the large number of strokes 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.
If the reference element is a shadow-producing body or a shadow-providing edge and the cooperating positional sensor which is fixed in the pump housing or to another stationary part is constituted by a series of light-sensitive charge coupled devices (CCD), 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 pump housing or another stationary part, 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 metallic parts of the housing or gears is simplified.
If the light source, the shadow-producing body or the shadow providing contour and the receiver 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 optical receiver of 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 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 (spacing) 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 value to which the stroke adjustment pin 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 electronic control system detects a blockage in the displacement means or an incomplete stroke by evaluating the positional sensor signal, then the reliability of metering is increased.  With prior art metering pumps without a positional sensor, sensors are often added which monitor the metering motion, for example by passing a reference mark per stroke and sending a check signal to the electronic control system, whereby the stroke period is measured and allows a deduction to be made that the correct metering process has been executed.  In contrast to such sensors, the described use of a positional sensor has the advantage that the desired information is available at any point in the metering stroke and not simply when passing the reference mark, so that such additional sensors can readily be dispensed with.
If the drive motor operates with slippage in which, for example, an asynchronous motor is employed, and if the electronic control system determines a nominal stroke frequency or a nominal stroke period for the displacement means from the nominal rotary speed of the drive motor and the known gear characteristics and also determines the actual stroke frequency or the actual stroke period of the displacement means by evaluating the positional sensor signal, wherein the slippage in the drive motor is determined by comparing the actual stroke frequency with the nominal stroke frequency or the actual stroke period with the nominal stroke period of the displacement means, and further, if the nominal rotary speed of the drive motor is changed so that finally, the displacement means moves at the desired stroke frequency, this improves the accuracy of metering by eliminating errors in the stroke frequency which would be caused by slippage in the drive motor.  Prior art metering pumps without positional sensors often employ sensors which monitor the metering motion, for example by passing a reference mark per stroke and sending a check impulse to the electronic control system, whereby the stroke period can be measured and corrected; such additional sensors can be dispensed with when using a positional sensor.
If the drive motor operates with slippage in which, for example, an asynchronous motor is employed, and if the electronic control system determines a nominal stroke frequency or a nominal stroke period for the displacement means from the nominal rotary speed of the drive motor and the known gear characteristics for the piston and also determines the actual stroke frequency or the actual stroke period of the displacement means by evaluating the positional sensor signal, wherein slippage in the drive motor is determined by comparing the actual stroke frequency with the nominal stroke frequency or the actual stroke period with the nominal stroke period of the displacement means and further, if the electronic control system determines the force on the displacement means from the observed slippage in the drive motor and the known gear characteristic and reduces the operating pressure of the metering medium, this information means that monitoring functions and compensatory functions can be executed which improve reliability and accuracy of metering.  If the electronic control system determines a nominal speed for the displacement means from the nominal rotary speed of the drive motor and the known gear characteristic for every instant of the metering process and in addition, determines it by evaluating from the positional sensor signal the actual speed of the displacement means, wherein it calculates the instantaneous slippage in the drive motor by comparing the actual instantaneous speed with the nominal speed of the displacement means and thereby, again in connection with the known gear characteristic, associates it with the instantaneous energy profile in the displacement means, then the desired information regarding the energy at any point in the metering process is available and the desired monitoring and compensation functions can be executed at different times, improving reliability and accuracy of the metering.
If the electronic control system reduces the operating pressure of the metering medium from the observed power profile in the displacement means, this compensates for the damaging effects of the operating pressure on the metering process.
If the electronic control system detects operation outside the specified pressure range from the observed operating pressure of the metering medium and if it adjusts metering on exceeding a predeterminedmaximum allowable pressure specified for the metering pump or by the operator, or on going below a predetermined minimum pressure, then problematic operating conditions such as excess pressure situations or pressure loss due to defective pipework are detected and safety measures can be taken, such as adjusting the metering, which improves the reliability of metering.  The otherwise necessary additional operational means such as an excess pressure limiter can thus be dispensed with, as long as the metering pump is the only pressure increasing system in the process.  The possibility of controlling the operating pressure to values within the specified pressure range of the metering pump broadens the possibilities for pressure monitoring to situations where the monitoring system of prior art metering pumps, which only come into play when the metering pump becomes blocked, cannot be used.
If the displacement means is a partially elastic diaphragmand informs the electronic control system of a possible metering error which is caused by the elastic deformation of the diaphragm and determined from the measured operating pressure of the metering medium and the known dependency of the metering efficacy on the operating pressure, and if it influences the rotary speed of the drive motor and thus the stroke frequency so that the expected metering error is compensated for, this improves the accuracy of metering.
If the rotary speed of the drive motor is influenced by the signal (xI) read by the positional sensor for the position of the connecting rod via a control circuit in the context of its accuracy of control and as a result influences the linear motion of the connecting rod and thus of the displacement means so that it follows a given nominal profile, this intended influence on the motion of the displacement means can be exploited to achieve or improve advantageous hydraulic properties of metering, for example on slow metering, and/or the metering accuracy for a partial stroke.
Advantageously, in addition to the positional sensor, the metering pump has a control device and it alternately influences the position (hereinafter denoted xI), speed (hereinafter denoted vI) or the acceleration of the displacement means via a control device by changing the rotary speed of the drive motor.  Controlling the speed allows direct control of the actual flow rate of the metering medium which, for example, is necessary to avoid cavitations when priming slowly.  Controlling the position, on the other hand, allows situations near to standstill to be controlled, wherein the information regarding speed, which is produced by differences in the displacement signal, become very small and cannot be processed effectively by the control device.  Controlling the position gets around this problem and is advantageously employed, for example, with electronicstroke limiting or slow metering.  Controlling the acceleration is advantageous for easy control of the regulation, as the acceleration of the masses to be moved constitutes a direct picture of the motor power for fast processes.
If in addition to the positional sensor the metering pump has a control device and if it reduces the vI of displacement means in the priming phase and/or in the pressure phase, pressure losses caused by resistance to flow or the creation of cavitations 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, by employing the control of the vI of the displacement means, can be kept low.  In addition, flow noises on reduced flow speeds can be effectively reduced.  When metering media which readily evolve gas, such as chlorine bleach, cavitations 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 vI in the displacement means in the priming phase and/or in the pressure phase advantageously avoids this phenomenon.
If in addition to the positional sensor the metering pump has a control device and if the desired stroke length is communicated to the control device and the motion of the displacement means is electronically limited by the control device to the stroke length to be executed, wherein the control device stops the drive motor after executing the desired stroke length, switches it into reverse and then executes a priming stroke and then stops the motor or executes the next pressure stroke, then the mechanical adjustment elements can largely be dispensed with.
If in addition to the positional sensor the metering pump has a control device and if the control device distributes the forward motion of the displacement means during the pressure phase by driving the motor 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.
The metering accuracy is improved if the displacement means is a partially elastic diaphragm and the electronic control system 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 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, subsequent 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 power profile is particularly advantageous when evaluating motor slippage as this is a good reflection of the actual power requirement and thus no additional measurements are required.
The metering accuracy is improved if the metering pump, in addition to the positional sensor, has a control device, the displacement means is a partially elastic diaphragm and the actual stroke path is influenced by the diaphragm deformation, wherein the control device stops the drive motor after executing the desired stroke length after opening the outlet valve, switches it into reverse and then executes a priming stroke, stops the motor or carries out the next pressure stroke so that the error contributed by the diaphragm deformation (with respect to the stroke path or the metered volume) is eliminated and the amount of this deformation does not contribute to metering.  The reduced dependency of the metered quantity on the operating pressure means that subsequent calibrations which are otherwise necessary on changing the operating parameters such as the operating pressure can be dispensed with, and the linearity of the relationship between the set stroke length and the actual metered amount of the metering medium are improved.  Determining the deflection of the diaphragm deformation from an observation of the power profile is particularly advantageous when evaluating the motor slippage as this is a good picture of the actual power requirement and thus does not necessitate additional measurements.
If the displacement means is a partially elastic diaphragm and the metering pump has a control device in addition to the positional sensor, and the actual stroke frequency is influenced by the determined diaphragm deformation, wherein the control device determines a correction for the error caused by the diaphragm deformation (with respect to the stroke path or the metered volume) and the nominal rotary speed of the drive motor is so changed by said correction that errors caused by the diaphragm deformation are eliminated, the dependency of the metered quantity on the operating pressure is reduced.
We shall now describe in more detail an embodiment of the invention of a motor-driven diaphragm metering pump with a cam drive and its various uses.  The drawings show:
Fig 1:     cross section through a motor-driven metering pump with positional sensor;
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 a real shadow;
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.
Figure     1 shows the structure of a motor-driven metering pump (partially cut away).  As is generally known, the motor-driven metering pump consists essentially of three groups of components, namely the drive motor 2 with a gear unit, the cam drive in the cam housing 1 and the electronics housing 28 with the electronic control system contained therein and the on-board electronicmodules and groups installed therein.  The underside of the electronics housing 28 has  a foot plate 4 with fixing holes; the cam housing 1, which is set on the electronics housing and fixed thereto, carries the drive motor 2 with the gear unit, which is fixed to the cam housing using screws, for example.
The housing, which is formed from the cam housing 1 and the electronics housing 28, has in its upper part, namely the cam housing 1, the components of the cam drive.  The components of the cam drive are housed in a cam carrier 22 which ensures that the individual components are positioned correctly and is fixed in the cam housing 1.  A three phase asynchronous motor 2 is flanged from outside as a module on the cam housing 1 together with a reduction gear 11 which is formed as an angular gear and fixed with screws.  The take-off shaft of the motor forms a right angle to the shaft axis of the motor and either directly forms the drive shaft for the cam drive or, as in the present embodiment, is fixed coaxially thereto via a coupling.  The drive shaft of the cam drive, the cam shaft 17, is rotatably mounted in the cam carrier 22 and carries a cam fixed thereto.  The cam shaft along with the cam pass through a suitably cut out push arm 20.  The cam shaft 17 is rotated by the motor/gear unit via the shaft coupling for a driven motor 2 and drives the push arm 20 onto an inner surface of its cutout, namely the stop surface, with the outer surface of the cam.  The push arm 20 drives a connecting rod 19, which in this example is injected, which is fixed thereto.  The unit formed by the push arm 20 and the connecting rod 19 is longitudinally displaceable in two guide bushes.  The axis of the cam shaft 17 and the longitudinal axis 18 of the push arm 20 and the connecting rod 19 are in the horizontal plane and form a right angle to each other.  One of the two guide bushes 26 for the connecting rod 19 sits in a bearing plate 24 which is fixed to the cam carrier 22 on the pressure head side; a further guide bush 27, which takes up the spigot of the push arm 20 turned towards the metering head side, sits in the stroke adjustment pin 8.  Coaxially with the longitudinal axis 18 of the connecting rod 19 is a manually actuatable adjustment means 7 to adjust the stroke adjustment pin 8 screwed into a thread of the cam carrier 22, so that the axial motion of the push arm 20 is thus limited on priming and thus the stroke of the metering pump is limited.
In its lower part in a sealed chamber, the housing also contains the electronicshousing 28, i.e. the electronic control system.  The housing is sealed against spray and protects the cam drive as well as the electronic control system from moisture or corrosion, as metering pumps are often used in connection with chemically aggressive media.  The electronic control system consists of a horizontal control electronic element 34 with the control for the motor control 29, which is formed as an integrated frequency converter, and electronics 6 arranged in a housing cover 5 which carries the input and display elements required to operate the metering pump.  The control elements are protected by a cover 9.  Under the cover 9 are connections for the control wires 10 or for the power supply.
On the side to the control wires 10 or the power supply connections, coaxially with the longitudinal axis 18 of the connecting rod is a metering head 12 in which a diaphragm produced, for example, from plastic acts as the displacement means, which is fixed at its circumference.  The metering head 12 also carries an inlet valve 14 and an outlet valve 15 to impel the metering medium primed into the metering chamber 16 through the inlet valve 14 between the diaphragm and metering head 12 through the outlet valve 15 into the metering tube.  The motor-driven metering pump operates volumetrically, i.e. a predetermined volume is primed in and then forced out through the outlet valve 15 on each stroke.  The diaphragm 13 is moved in an oscillating motion by means of the cam drive which moves the connecting rod 19 to and from in the longitudinal axis.  On the stroke adjustment pin 8 side, the unit formed by push arm 20 and connecting rod 19 operates with the adjustment means 7 as a manually adjustable stroke adjustment device.  At the opposite end, the part of the connecting rod 19 facing the metering head 12 is fixed to the core 30 of the diaphragm 13 and moves it in an oscillatory motion.
Between the push arm 20 and a collar 25 of the bearing sleeve 24 is a compression spring 23, for example a spiral spring, which constantly causes the push arm 20 to bear against the cam.  In the forward phase of the cam motion, i.e. the movement of the connecting rod towards the metering head, the push arm is moved with the connecting rod towards the compression spring, and simultaneously the diaphragm 13 is impelled into the metering chamber 16, which means that an excess pressure occurs in the metering chamber, the outlet valve 15, for example a spring loaded ball valve, opens and the metering medium is forced into the metering tube.  In the reverse phase of the cam motion, i.e. movement of the connecting rod away from the metering head, the push arm 20 is moved in the opposite direction towards the stroke adjustment pin 8 by the compressed spring 23 which may, for example, be formed as a spiral spring, following the cam motion, which means that the connecting rod 19 moves the diaphragm 13, and an under pressure occurs 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 13 by means of the cam drive drives the metering medium into the metering tube.  The cam drive produces a sinusoidal motion of the unit formed form the push arm 20, connecting rod 19 and diaphragm 13 during a metering stroke.  If a reduced stroke length is set using the stroke adjustment pin 8, the motion in the priming phase prematurely brakes before the dead centre is reached by means of the adjustable buffer of the stroke adjustment pin 8, whereby the sinusoidal path of the motion is intersecting and the phase of the stroke motion is altered.
The position of the unit formed by the push arm 20, connecting rod 19 and diaphragm 13 is detected by the positional sensor 36, the signal from which is in a predeterminedrelationship to this position; this relationship may, for example, be a strictly proportional relationship.  The signal of 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 push arm 20.
In this embodiment, the cam carrier 22 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 other side carries a light source 33, for example a light emitting diode.
The sensor carrier 31 fixed to the cam carrier and the components fixed thereto form a lightbox, the beam from which is partially interrupted by the push arm.  The reference element is formed by a shadow-providing edge 35 of the push arm 20 in the region of the lightbox arrangement.  When the connecting rod 19 oscillates, the shadow-providing edge 35 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 and the lines of light-sensitive CCD cells 32 are arranged over or under the connecting rod 19.  As can in particular be seen in Figure 7, a shadow is cast by the shadow-providing edge 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 right angled 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 edge and thus the position of the connecting rod or the diaphragm.  This measuring device, consisting of the shadow-providing edge on the push arm 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 assembly variations, 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.
When the diaphragm or, more generally, the displacement motion is to be controlled using the positional sensor signal, as explained in Figure 3 and Figure 4 in particular, the following mechanical and electronic components are required.  The abbreviations used in the two Figures mean the following:
xs:  nominal value for position of displacement means;
xI:  actual value for position of displacement means;
xSI: deviation for position of displacement means;
vs:  nominal value for speed of displacement means;
vI:  actual value for speed of displacement means;
vSI: deviation for speed of displacement means;
SG:  controller output;
KSG: corrected controller output;
MA(U, f)   motor-driven drive (voltage or frequency).
The moving parts of the drive, the motion of which is to be controlled, consists of the push arm 20 with the connecting rod 19, to which the diaphragm core 30 is fixed.  The recuperating spring 23 returns the push arm after a working stroke and thus operates priming.  The outer ring of the diaphragm 13 is fixedly mounted in the metering head 12, which metallic diaphragm core 30 injected into the diaphragm moves the central surface of the diaphragm in the metering head as the displacement means.  The inlet valve 14 closes on the priming side, the outlet valve 15 on the pressure side of the metering head and thus 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 or with a module connected thereto, in this case the push arm 20, for example, 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 edge 35 of the push arm 20 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 shadow-providing edge 35 optically, and thus without touching by its shadow formation.  Since the connecting rod 19 is the actual connection and power coupling to the diaphragm13 and push arm and connecting rod are fixed together in the present example, the description below constantly refers to the motion of the connecting rod 19, although it is really that of the shadow-providing edge 35 of the push arm 20 which is measured.
The positional sensor 36 produces an actual signal xI which is proportional to the position of the reference element 35.  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, the controller output SG, corresponds to the value for the drive.  To improve the stability of the controller, the controller output SG is processed further using a positional correction 41.  The positional correction takes into account the fact that the rotary speed of the motor depends on the rotary angle of the cam (deflection from the connecting rod position) according to the sinusoidal characteristic of the cam drive is transformed into the speed at the connecting rod.  The positional correction 41 then transforms the start signal for the PID controller 40 over the reverse characteristic of the cam drive into a corrected controller output, KSG, which represents the required motor drive with respect to the input to the reduction gear 11, which is required in order to obtain a motion of the connecting rod 19 at the output from the cam drive which corresponds to the desired controller output SG.  An amplifier 42, which is formed as a frequency converter, holds the power levels and drives the motor at the required rotary speed with the accompanying voltage and frequency.  The degree of position dependent correction, the transformation of the corrected controller output KSG into a real rotary speed for the frequency converter and if necessary the deflection constant for the formation of the whole speed signal vI are set by the three proportionality factors k1, k2, k3.  The factor for the position-dependent correction, k1, is selected according to the characteristic of the cam drive; 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 motor-driven metering pump can be used to predetermine the desired speed of the diaphragm 13, in general the displacement means, 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 drive 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 motor drive, these damaging influences can be compensated for.  An unregulated metering pump with a preset motor speed, even if this is controlled to keep it stable, still suffers from such influences.  Moreover, because of the sinusoidal characteristic of the cam drive, it is not possible to accurately predict the instantaneous speed of the displacement means without knowing the connecting rod position, i.e. the angle of the cam.
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 cavitations protection on priming which is described below.
Individual implementations for a motor-driven metering pump of the type described above will now be described, which pump has a positional sensor and, by evaluating the positional signal, reduces the operational conditions of the metering circuit or influences the motion of the diaphragm by controlling and adjusting the motor drive.
Detection of position of adjustment controller for stroke length
Prior art metering pumps are often operated so that the metering stroke which is executed is converted directly from the dispensed volume of the piston chamber (stroke length) into a metered total volume and this is shown as the volume flow rate in the l/h unit, for example.  For such functions, knowledge of the stroke set by the operator is necessary, as the volume metered per stroke is dependent thereon.  The position of the stroke adjustment device in prior art metering pumps must for this reason be transformed by a separate sensor into an electrical signal and be read into the control system.  An example of a practical embodiment is a linear potentiometer on the stroke adjustment means 7, which detects the adjustment via a needle.
A metering pump which can detect the actual diaphragmpath using the integrated positional sensor 36 during the stroke does not need an additional sensor.  The difference between the two positional values in the end positions, which can be measured after reaching the mechanical buffer as soon as the motion stops, can be used to calculate the stroke length directly and is available for further processing.
Detection of a blockage or incomplete stroke
Prior art metering pumps without a positional sensor often employ sensors which provide an impulse to the electronic control system to monitor the metering motion per stroke.  A known implementation is, for example, a small permanent magnet, which is fixed to the output shaft of the gear and thus on the cam shat 17 outwardly of the axis and turns with it, in connection with a stationary Hall sensor, which produces a signal on passing the magnet at a particular angle of the cam shaft.  The electronic control system measures the stroke period from this signal, which is identical to the cam shaft speed, and deduces therefrom that the metering process is being executed correctly.  When a blockage occurs in the execution of the metering stroke by an excess pressure situation, for example an unintentionally closed blocking means in the metering tube, the Hall sensor signal is off and after a monitoring period elapses, an alarm is given and further actions, for example stopping the metering pump, are implemented.  With such a prior system, the desired information is available only after the monitoring period has elapsed.
Using a positional sensor 36 means that the speed of the connecting rod 19 in relation to the drive of the motor 2 can be set at any time during the metering stroke and a blockage can essentially be determined at any time.
Slippage compensation
If the drive motor 2 is a synchronous motor, for example, the effective mechanical rotary speed at the motor take-off shaft under load is always slightly smaller than given by the frequency of the electronic control system.  The difference in the two rotary speeds, the so-called slippage, depends on the parameters of the motor and within a reasonable load range is almost proportional to the torque under load.  The slippage can be measured using various methods which are described below.  It can be used to calculate a correction which can be incorporated into said motor rotary speed in the form of an increase in the frequency using a frequency converter and thus can be compensated for.
Slippage can, for example, be determined by comparing the measured stroke period with that given by the electronic control system.  This method is also applied to metering pumps of the prior art by measuring the time difference between two Hall sensor impulses.  In the case of a metering pump with a positional sensor, a characteristic point in the stroke path, for example the half way point, is defined to measure the period and for consecutive metering processes the time at which this point is passed is recorded; the difference between two such times is the desired period.
In motor-driven metering pumps with positional sensor 36, a direct method can be used to determine the slippage by observing the instantaneous speed of the connecting rod 19.  From the motor rotary speed obtained from the electronic control system, an ideal connecting rod speed can be calculated using the known gear and cam characteristics.  Comparing the ideal with the measured speed produces the slippage at any time during the cam cycle and it can be corrected by readjusting the frequency of the motor drive.
Determination of pressure
If an asynchronous motor is used, the slippage measured by means of one of the methods described above can be used to determine the force on the displacement means and thus the operating pressure of the metering medium can be reduced.  However, it should be noted that the cam transfers the force operating on the connecting rod 19 in a sinusoidal manner which depends on the instantaneous angle via the gear 11 to the motor 2.  At the two dead centres, i.e. the turning points for the stroke motion, the motor is decoupled from the connecting rod force, i.e. has no load, and at the two points exactly therebetween  the cam transfers the maximum load moment to the motor.  Thus for an assumed constant connecting rod force, the torque on the motor take-off shaft has the same pattern and thus the slippage also varies almost sinusoidally.  The variation is thus a reflection of the connecting rod force.
If as described above the deviation in the stroke period from the ideal value is determined, this represents the slippage transferred via the sinusoidal pattern of the cam, which is also a measureof the mean stroke force, i.e. the operating pressure.  If the slippage is continuously determined by comparison of the motor rotary speed given by the electronic control system with the connecting rod speed, then using the known cam characteristic and a knowledge of the instantaneous angle of the cam which follows from the connecting rod position, the force profile at the connecting rod 19 can be calculated.  The force profile on the connecting rod can also be used to deduce the operating pressure.
If the deflection mechanism is provided by something other than a cam, then this characteristic can be appropriately applied thereto.
Pressure limitation, recognition of pressure drop
If the operating pressure is determined according to the methods discussed above, it can be monitored so that it is within specific limits, and inquiries of the monitoring system can generate alarms and other actions such as stopping the metering pump.  Monitoring the overstepping of limits can protect the pump or other components; in certain cases, an operational limit of 130% of the maximum pressure of the metering pump can be set and monitored, but the monitored limit can also be within the specified operational limits of the metering pump if, for example, sensitive components have to be protected, and in this case can be set by the operator.  It is also possible to monitor compliance with preset operational conditions; in this case, an alarm can be given if, for example, an operating pressure set as a reference rises or falls by a percentage point.  If the operating pressure is monitored for compliance with a minimum pressure of 1 bar, for example, it is possible to detect a leak caused by damage to the pipework.
Pressure compensation
The exact dosage in motor-driven metering pumps is influenced by the operating pressure in different ways depending on the embodiment employed.  On the one hand, the drive motor 2, when it is an asynchronous motor, suffers increasing slippage on increasing the operating pressure, which has the effect of a drop in rotary speed and an accompanying reduced stroke frequency.  On the other hand, a diaphragm used as the displacement means 13 undergoes elastic deformation under the influence of the operating pressure.  At the start of the metering stroke, the interior pressure rises continuously in the metering chamber 16 when the outlet valve 15 is closed, wherein the diaphragm core 30 is moved by the connecting rod 19 into the metering chamber with an increase in pressure and the elastic deformation region of the diaphragm13 gives under the pressure against the motion of the diaphragm core 30.  The diaphragm 13 deforms into itself and overall, practically no volume change occurs, which is because the metering medium is practically incompressible and at this point both valves are closed.  At the end of this deformation phase, the chamber pressure corresponds to the external operating pressure.  The executed path of the connecting rod 19 corresponds to the diaphragm deformation, and so to the dead region at the start of metering, and substantially does not contribute to metering.  The deformation or dead region is typicallyin the range from about 0.1 to 0.5 mm depending on the size of the diaphragm, operating pressure etc.  At the pressure equilibrium point, the operating side outlet valve 15 opens.  The pressure on the diaphragm13 is now practically identical to the outer operating pressure and, like the diaphragm deformation, remains almost constant for the remainder of the metering stroke.  The pressure equalization point at which the operating side outlet valve opens marks the actual start of metering, so the diaphragm deformation is lost to the metering stroke, i.e. the effective stroke length is determined from the mechanical length less the diaphragm deformation.  Since the diaphragm deformation is itself substantially proportional to the operating pressure, the metering curve typically falls off with increasing operating pressure.  The negative deviation is thus more noticeable for shorter stroke lengths.
For a prior art motor-driven 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 with the opening of the outlet valve 15.  If a steady state characteristic is made 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 in the prior art means 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 operating pressure is determined using one of the methods described above, it is possible, using the described dependencies which can be quantitatively determined in advance for a type of apparatus, to determine in advance and compensate for the error-producing influence of the operating pressure on the metering performance.  To this end, the determined operating pressure and the employed stroke length which, as described above, can also be measured using the positional sensor, is used to calculate a correctional value calculated from the known error dependency which is added to the stroke frequency employed.  Care should be taken that for practical and economic reasons, only the systematic part of the influence can be eliminated. The pressure dependent metering performance error is mainly determined by the material properties and measurements made on the components employed, which can be changed to a certain extent by alteration or caused by production variations.  These variations are not taken into account by the methods described here, which correct errors caused by diaphragm deformation using predefined module parameters or series of measurements; further, the actual relationships must be defined afresh at regular intervals or at every stroke in the present example.
If the error-producing influence of the diaphragm deformation as described above is compensated for, wherein the operating pressure is determined using one of the methods described above and the stroke frequency used is altered by a correctional value, 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.
Avoidance of loss of flow in highly viscous media
Regulating the speed of the displacement means, in this instance diaphragm 13, 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.  The positional sensor and the regulation of the speed of the displacement means described above can be used to ensure the desired limitation of the diaphragm speed.
Cavitations 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 cavitations 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.  Cavitations can be avoided both in the pressure stroke and during priming, i.e. return of the diaphragm 13, by limiting the speed by regulation or simply by setting the rotary speed to a value which is substantially below a critical flow speed.  The speed requirement for the control circuit or in the simplest case the motor rotary speed is thus set to limit the corresponding diaphragm speed to 1mm/50 ms, for example.
Particularly for the priming procedure, cavitations is likely as here the static pressure is particularly low and thus the safety margin for dropping below the vapour pressure is very small.  To refine the method, then, it is sensible to limit the diaphragm speed on priming to values smaller than those used in the pressure stroke.  Examples of reasonable values are 1 mm/50 ms in the pressure stroke or 1 mm/100 ms during priming, however other values are clearly possible.  Essential to an individual treatment of the metering phases is the fact that the positional sensor can determine the exact position of the diaphragm at any time, and so the start of the (particularly critical) priming phase can be determined reliably.
Electronic stroke length adjustment
The invention allows the mechanical device for regulating the stroke length (adjustment means 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 stopped by braking the motor 2 and then the motor is reversed for the priming phase.  The next stroke can occur by turning the motor through the priming dead centre in the opposite direction (pressure phase in reverse, priming in normal operation) or in the same sequence as the previous stroke; in the first case, the motor brake and start procedures between the strokes save time and energy.  Care should be taken that the constant changes in direction mean that a fan fixed to the motor shaft can no longer function sufficiently, so in this case the use of an externally driven fan is vital for the motor in case cooling is necessary.
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.  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.
With a motion regulated motor metering pump, the time available, which is given by the repetition frequency of the metering stroke, can distributed so that the remaining portion following priming can be exploited to the maximum for the forward motion even up to a short rest phase.  The speed to be regulated is thus calculated from the path covered (set stroke length) and the available time.  In contrast to prior art motor metering pumps, using a positional sensor 36 and a regulation device means that the position of the connecting rod 19 which is known at all times can give the instantaneous angle of the cam drive which can be incorporated into the motor rotary speed so that the characteristic of the deflection device, which is sinusoidal when using a cam, is compensated for and the metering stroke is a precisely linear movement with correspondingly constant dispensing of the metering medium.  The speed can be in a very wide range, from 1 mm/min to 1 mm/s and beyond, for example.
The applications described above for the positional provider together in part with control means show that using a positional sensor on the connecting rod, for example, during the entire stroke and priming procedure reveals the exact position of the displacement means and means that it can be monitored.  Positioning and monitoring mean that control parameters which are dependent on the situation which lead to the described advantages can be complied with exactly by measuring the actual values.
Positional sensor
As already discussed, the reference element for the positional indicator in the embodiment described is the shadow-providing edge 35 on the push arm 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 push arm 20 directed 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, locating the sensor in the area of the moving unit formed by push arm 20 and connecting rod 19 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 edge 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 fist 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 ratio A (see Figure 9):
A =  s’/s = x3/x2
where:
s =  actual motion of shadow-providing edge;
s’ =      projected motion of shadow-providing edge in plane of CCDs;
x2 = distance between optical shadow-providing edge 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 ratio A is determined for practical values, then assembly variations 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 edge 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 ratio A is 1.065.  The ratio 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 edge 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 edge 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 filter.  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 assembly variations
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 assembly variations 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.  For each measurement, the illumination strength is corrected using the ratio obtained previously so that any variations in the illumination parameters are smoothed out, for example on ageing.
？？  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 a shadow-providing edge 35 facing the diaphragm for the evaluation, whereby the shadow-providing edge 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 produce increased safety by redundancy against dropouts, 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.
The motor metering pump described in detail in the example may vary in the details and arrangements of components such as the motor, gear, cam drive and other constructional details.  However, it is essential that the oscillating motion which is produced by the drive can be 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 thus also to the displacement means, so that using this value, information regarding the motion of the displacement means can be obtained.
LIST OF REFERENCE NUMERALS
１  cam housing
２  motor (asynchronousmotor)
３  housing ribs
４  floor plate
５  housing cover
６  electronics in housing cover
７  adjustment means
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  cam shaft
１８  longitudinal axis
１９  connecting rod
２０  push arm
２１  attack surfacefor cam
２２  cam carrier
２３  compression spring (recuperating spring)
２４  bearing plate
２５  collar for compression spring
２６  bush in bearing plate
２７  bush in strokeadjustment pin
２８  electronics housing
２９  power settings for motor drive
３０  diaphragm core
３１  sensor carrier
３２  receiver, CCD module
３３  light source
３４  drive electronics
３５  shadow-providing edge as reference element
３６  positional sensor
３７  differentiator
３８  nominal value setting
３９  nominal-actual comparison
４０  PID regulation
４１  positional correction
４２  amplifier
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 edge and CCD plane
x2   distance between shadow-providing edge 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 edge
s’  projected motion of shadow-providing edge
D    metering performance
HL   mechanical stroke length
SG   controller output
KSG  corrected controller output
MA (U, f)  motor drive (voltage, frequency)
k1   factor for positional dependent positional correction
k2   factor for performance amplifier
k3   factor for deviation of speed signal
xs   nominal value for position of displacement means
x    actual value for position of displacement means
xSI  controlled deviation for position of displacement means
vs   nominal value for speed of displacement means
vI   actual value for speed of displacement means
VSI  controlled deviation for speed of displacement means
１．  A metering pump with a rotary drive motor and an oscillating piston, wherein the rotary motion of a drive motor (2) is transformed into an oscillatory motion of a connecting rod (19) by means of a gear arrangement, so that a displacement means actuated thereby executes an oscillating linear motion on continuous rotation of the drive motor (2), which results in transfer of a medium to be metered in a metering head (12) arranged in the longitudinal axis of the connecting rod (19) cooperating alternately with an outlet and an inlet valve to produce a pump stroke (pressure stroke) and a priming stroke, characterized in that a reference element (35) is associated with the connecting rod (19), the position of which 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 thus to that of the displacement means and which provides information regarding the motion executed by the displacement means, so that the electronic control system of the metering pump can react to the operating conditions of the metering circuit and pump.
２．  A 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 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 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 pump housing or another stationary part, operates in a light-sensitive manner.
５．  A metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the reference element (3) is a shadow-producing body or a shadow producing contour and the positional sensor (36) cooperating therewith which is fixed in the pump housing or another stationary part, consists of an optical receiver (32) in the form of a series of light sensitive charged coupled devices (CCD).
６．  A 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 (31) whichis fixed to the pump housing or another stationary part.
７．  A 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 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 numberof linearly arranged receivers (pixels), preferably 128 pixels.
９．  A metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the light source (33) is a light emitting diode (LED) which is arranged with respect to 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 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 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 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 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 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 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 metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that determination of the value to which the stroke adjustment means (7) should be adjusted is obtained directly by means of the positional sensor (36) by measurement during metering.
１７．  A metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electronic control system recognizes a blockage in the displacement means or an incompletely executed stroke by evaluating the signal for the positional sensor (36).
１８．  A metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the drive motor (2) operates with slippage, in which an asynchronous motor is employed, for example, and the electronic control system defines a nominal stroke frequency or a nominal stroke period for the displacement means from the nominal rotary speed of the drive motor and the known gear characteristics and additionally determines the actual stroke frequency or the actual stroke period of the displacement means by evaluating the positional sensor signal (36), wherein by comparing the actual stroke frequency with the nominal stroke frequency or the actual stroke period with the nominal stroke period of the displacement means, the slippage of the drive motor can be calculated and the nominal rotary speed can be changed so that finally, the displacement means moves at the desired stroke frequency.
１９．  A metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the drive motor (2) operates with slippage, in which an asynchronous motor is employed, for example, and the electronic control system provides a nominal stroke frequency or a nominal stroke period for the displacement means from the nominal rotary speed of the drive motor and the known gear characteristic and additionally defines the actual stroke frequency or the actual stroke period of the displacement means by evaluating the positional sensor signal (36), wherein by comparing the actual stroke frequency with the nominal stroke frequency or the actual stroke period with the nominal stroke period of the displacement means, the slippage of the drive motor can be calculated and further, the electronic control system can determine the force on the displacement means from the determined slippage of the drive motor and the known gear characteristic and thus reduce the operating pressure of the metering medium.
２０．  A metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the drive motor (2) operates with slippage, in which an asynchronous motor is employed, for example, and the electronic control system determines a nominal speed for the displacement means from the nominal rotary speed of the drive motor and the known gear characteristic for every instant of the metering procedure and additionally, determines the actual speed of the displacement means by evaluating the positional sensor signal (36), wherein by comparing the actual instantaneous speed with the nominal speed of the displacement means, the instantaneous slippage of the drive motor can be calculated and, again in connection with the known gear characteristics, the instantaneous force in the displacement means can be deduced therefrom.
２１．  A metering pump according to claim 20, characterized in that the electronic control system reduces the operating pressure of the metering medium using the observed force profile on the displacement means.
２２．  A metering pump according to claim 19 or claim 21, characterized in that the electronic control system recognizes operation beyond the specified pressure range from the determined metering medium operating pressure and adjusts metering when a maximum permissible pressure as dictated by the specification for the metering pump or as provided by the operator is exceeded, or when a predetermined minimum pressure is not reached.
２３．  A metering pump according to claim 19 or claim 21, characterized in that the displacementmeans is a partially elastic diaphragm (13), wherein the electronic control system determines an expected metering error from the determined operating pressure of the metering medium and the known dependency of the metering performance on the operating pressure and influences the rotary speed of the drive motor (2) and thus the stroke frequency to work against the expected metering error.
２４．  A metering pump according to one or more of the preceding claims, characterized in that the signal (xI) for the position of the connecting rod (19) read from the positional sensor (36) is fed to a control circuit in the context of its control accuracy and influences the rotary speed of the drive motor (2) and thus the linear motion of the connecting rod and thus of the displacement means so that it follows a predetermined nominal profile (38).
２５．  A metering pump according to claim 24, characterized in that the control device alternately influences the position (hereinafter denoted xI), speed (hereinafter denoted vI) or the acceleration of the displacement means by changing the rotary speed of the drive motor (2).
２６．  A metering pump according to claim 24, characterized in that the control device can deliberately be decrease vIfor the displacement means 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 cavitations.
２７．  A metering pump according to claim 24, characterized in that the desired stroke length is communicated to the control device by an operator and the control device is used to electronically limit the motion of the displacement means to the stroke length to be executed, wherein the control device stops the drive motor (2) after executing the desired stroke length, switches it into reverse and then carries out the priming stroke and the motor then stops or carries out the next pressure stroke.
２８．  A metering pump according to claim 24, characterized in that the control device distributes the forward motion of the displacement means 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.
２９．  A metering pump according to claim 20, characterized in that the displacement means is partially in the form of an elastic diaphragm (13) and the electronic control system detects the opening of the outlet valve (15) from the instantaneous force on the diaphragm (13) and with the aid of said observation measures the dead region which arises because of the elastic deformation of the diaphragm (13).
３０．  A metering pump according to claim 29, characterized in that the actual stroke is influenced independently of the deduced diaphragm deformation, wherein the control device stops the drive motor (2) after reaching the desired stroke length from opening of the outlet valve (15), switches it into reverse and then executes the priming stroke and then stops the motor or executes the subsequent pressure stroke, 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.
３１．  A metering pump according to claim 29, characterized in that the actual hub frequency is influenced independently of the deduced diaphragm deformation, wherein the control device determines a correction for the error caused by the diaphragm deformation (with respect to the stroke or the metered volume) and changes the nominal rotary speed of the drive motor (2) with the aid of said correction so that the error caused by the diaphragm deformation is eliminated.
１．Ａｂｓｔｒａｃｔ
The invention concerns a metering pump with a rotary drive motor and an oscillating piston, wherein the rotary motion of a drive motor is transformed into an oscillatory motion of a connecting rod by means of a gear arrangement, so that a displacement means activated thereby executes an oscillating linear motion on continuous rotation of the drive motor, which results in transfer of a medium to be metered in a metering head (12) arranged in the longitudinal axis of the connecting rod (19) cooperating alternately with an outlet and inlet valve to produce a pump stroke (pressure stroke) and a priming stroke.  In such a metering pump, a reference element (35) is associated with the connecting rod, the position of which is detected by a positional sensor, wherein the positional sensor provides an actual signal (xI) whichis in a fixed relationship to the position of the reference element and thus to that of the displacement means and which provides information regarding the motion executed by the displacement means, so that the electronic control system of the metering pump can react to the conditions of the metering circuit and pump.
２．Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ  Ｄｒａｗｉｎｇ
Ｎｏｎｅ
【図１】
2007051645.tif 000014
【図２】
2007051645.tif 000015
【図３】
2007051645.tif 000016
【図４】
2007051645.tif 000017
【図５】
2007051645.tif 000018
【図６】
2007051645.tif 000019
【図７】
2007051645.tif 000020
【図８】
2007051645.tif 000021
【図９】
2007051645.tif 000022
【図１０】
2007051645.tif 000023
【図１１】
2007051645.tif 000024
【図１２】
2007051645.tif 000025