НАСОСНАЯ СИСТЕМА, ИМЕЮЩАЯ КАЛИБРОВОЧНУЮ КРИВУЮ Российский патент 2011 года по МПК F04B49/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к насосным системам и более конкретно к насосной системе прямого вытеснения, использующей калибровочные графики (калибровочные кривые) для насоса.

Уровень техники

Насос прямого вытеснения подает фиксированный объем жидкости в каждом цикле своей работы. Единственным фактором, влияющим на производительность идеального насоса прямого вытеснения, является его скорость. Характеристики системы, в составе которой функционирует такой насос, не должны влиять на общий расход жидкости в системе.

В реальности между теоретической и фактической производительностями имеются различия, обусловленные, в основном, влиянием коэффициента объемной эффективности насоса, изменением подачи при изменении давления в системе (часть жидкости попадает с выхода на вход насоса обходным путем) и вязкостью текучей среды. Каждый индивидуальный насос, с учетом перечисленных и других переменных, может иметь различные функциональные характеристики.

Раскрытие изобретения

Как следствие, существует потребность в насосе, позволяющем учитывать различные влияния, в том числе различные значения вязкости используемых текучих сред и объемной эффективности насоса. Другими словами, насосная система должна настраиваться с учетом различий в характеристиках текучих сред и вариаций в самой системе.

В связи с этим предлагается насосная система для насосной подачи текучей среды из группы текучих сред с различными значениями вязкости. Насосная система может содержать насос прямого вытеснения и контур управления данным насосом. Контур управления может содержать данные по компенсации вязкости, соотнесенные, по меньшей мере, с одной текучей средой из указанной группы, так что контур управления управляет работой насоса прямого вытеснения, основываясь на данных о вязкости данной текучей среды.

Насосная система может содержать также множество контейнеров для текучих сред, принадлежащих указанной группе текучих сред. Данные контейнеры могут быть снабжены установленными на них идентификаторами. Идентификатор может содержать метку радиочастотной идентификации (radio frequency identification, RFID). Насосная система в этом случае может содержать устройство идентификации источника текучей среды, способное считать идентификатор.

Данные по компенсации вязкости могут включать данные, относящиеся к производительности насоса при заданном потоке. Эти данные могут включать, в частности, множество графиков компенсации вязкости и/или данные о коэффициенте объемной эффективности насоса прямого вытеснения.

Предлагается также способ насосной подачи текучей среды из группы текучих сред с различными значениями вязкости при использовании насоса прямого вытеснения. Данный способ может включать определение степени изменения подачи насоса прямого вытеснения при изменении давления для каждой текучей среды из указанной группы при заданном расходе, определение параметра компенсации для каждой текучей среды из указанной группы, связывание насоса с одной текучей средой из указанной группы и осуществление насосной подачи указанной одной текучей среды с заданным расходом при использовании соответствующего параметра компенсации.

Указанная операция насосной подачи может включать варьирование количества или скорости повторения ходов или циклов или широтно-импульсную модуляцию насоса прямого вытеснения. Данная операция может включать также увеличение скорости насоса прямого вытеснения или увеличение длительности его функционирования. Операция определения параметра компенсации для каждой текучей среды из указанной группы может включать использование данных о коэффициенте объемной эффективности насоса прямого вытеснения.

Далее будет описан также аппарат для розлива напитков, который может содержать группу источников текучих сред, имеющих различные значения вязкости, разливочный клапан, насос прямого вытеснения для осуществления насосной подачи текучих сред от их источников к разливочному клапану и контур управления указанным насосом в соответствии с командами разливочного клапана. Этот контур может содержать данные по компенсации вязкости, соотнесенные с текучими средами указанной группы, так что насос прямого вытеснения обеспечивает при своем функционировании компенсацию вязкости текучих сред.

Данные по компенсации могут включать множество графиков компенсации вязкости. Кроме того, данные по компенсации вязкости могут включать данные об объемной эффективности насоса прямого вытеснения, благодаря чему данный насос обеспечивает компенсацию непостоянства данного параметра.

Источники текучих сред могут содержать группу контейнеров для текучих сред. Каждый такой контейнер может быть снабжен установленным на нем идентификатором, который может содержать метку радиочастотной идентификации. Аппарат для розлива напитков может содержать устройство идентификации источника текучей среды, способное считывать идентификатор.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен калибровочный график для насоса.

На фиг.2 представлен альтернативный калибровочный график для насоса.

На фиг.3 представлена блок-схема насосной системы по изобретению.

Сходные элементы на различных фигурах имеют аналогичные обозначения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлен калибровочный график для предлагаемого насоса 100 прямого вытеснения (см. фиг.3). Как уже упоминалось, идеальный насос обеспечил бы постоянную подачу независимо от параметров системы. Однако на практике подача может варьировать в пределах диапазона производительности в зависимости от переменных параметров системы. Одна из причин таких вариаций связана с вязкостью текучей среды. Например, на фиг.1 представлен калибровочный график для жидкости со средней вязкостью (соответствующей сиропу), тогда как на фиг.2 представлен аналогичный график для менее вязкой жидкости, близкой по этому параметру к воде. Как можно видеть, работа с этой вязкостью дает более значительные вариации. Известные насосы могут быть прокалиброваны с целью учета подобной вариации, однако такая калибровка обычно является точной только для данной жидкости в данных условиях. При этом многие известные насосы имеют погрешности изготовления порядка 3%.

На фиг.3 приведена блок-схема насосной системы 110. В данном примере насосная система 110 может соответствовать аппарату 115 для розлива напитков, хотя она может быть использована и в любом другом приложении, связанном с прокачкой текучей среды. Аппарат 115 для розлива напитков может работать с текучими средами различных типов, имеющими различные уровни вязкости. Например, данный аппарат может обеспечивать розлив безалкогольных газированных напитков, спортивных напитков, соков, вод, кофейных напитков, чаев, вкусо-ароматических и других добавок или жидкостей любого другого типа, причем каждая из названных жидкостей имеет вязкость, отличную от других. В качестве насоса 100 можно применить насос прямого вытеснения любого типа. Так, насос 100 может представлять собой, например, соленоидный насос, шестереночный насос, кольцевой насос, перистальтический насос, шприцевой насос, пьезонасос или любое иное устройство прямого вытеснения, обеспечивающее фиксированное перемещение в каждом рабочем цикле. Насос 100 может быть выполнен с любым подходящим приводом, в частности с электрическим или гидравлическим. Например, насос 100 может содержать двигатель постоянного тока, который приводится в действие с использованием широтно-импульсной модуляции, так что при подаче более длинных импульсов двигатель (и, следовательно, насос 100) работает с большей скоростью. Может быть использован также, как вариант, шаговый двигатель, на который подается заданное количество импульсов. Источником давления для насоса 100 может служить система подачи воды или сжатый газ. Для приведения насоса в действие могут быть применены любые подходящие для этого средства.

Аппарат 115 для розлива напитков может содержать группу источников 120 текучей среды, сообщающихся с насосом 100. Эти источники могут представлять собой обычные пакеты типа Bag-in-Box, обычные подключения к водопроводной системе или любые другие средства для хранения или подачи текучей среды. Насос 100 и источники 120 текучей среды могут быть взаимно связаны обычным образом, с использованием низкого положительного или отрицательного давления или при его отсутствии. Аппарат 115 для розлива напитков может быть снабжен селекторным устройством для выбора желаемого источника текучей среды.

Аппарат 115 для розлива напитков может также содержать сообщающийся с насосом 100 разливочный клапан 130, который может иметь обычную конструкцию. Данный клапан может обеспечивать розлив заданной текучей среды или смешивание текучих сред, например, для выдачи безалкогольного газированного напитка с использованием сиропа или концентрата и воды. Насос 100 и разливочный клапан 130 могут быть связаны любым подходящим для этого образом.

Аппарат 115 для розлива напитков может дополнительно содержать устройство 140 управления, которое может представлять собой обычный микропроцессор или любой другой, в том числе известный, вариант системы управления. С устройством 140 управления может быть ассоциирована обычная память 150 или запоминающее устройство какого-либо иного типа. Альтернативно, память 150, ассоциированная с насосом 100, может представлять собой флэш-память или аналогичный компонент. Устройство 140 управления может обеспечивать управление только насосом 100 или аппаратом 115 для розлива напитков в целом. В частности, устройство 140 управления может быть связано с насосом 100 и с разливочным клапаном 130. Устройство 140 управления может находиться на удалении от насоса и/или осуществлять дистанционный прием команд для управления насосом 100. Такие команды могут подаваться с помощью радиосвязи и/или оптической связи. Устройство 140 управления может быть периодически или постоянно связано с сетью передачи данных для обмена информацией и ее обновления.

Устройство 140 управления может быть также связано с устройством 160 идентификации источника 120 текучей среды, расположенным в непосредственной близости от этого источника. Например, каждый источник 120 текучей среды может иметь закрепленную на нем метку 170 RFID или иной подобный элемент. При этом может быть использован любой протокол беспроводной связи. Кроме того, могут использоваться штрих-код, двумерная этикетка или другие варианты визуальных идентификаторов. Альтернативные идентификаторы могут быть основаны на определении плотности/удельного веса, pH и т.д. (термин "метка" в данном контексте охватывает все подобные идентификаторы). Метка 170 идентифицирует свойства соответствующей ей текучей среды. Устройство 160 идентификации источника текучей среды способно считывать данные с метки 170 и информировать устройство 140 управления о свойствах текучей среды. Альтернативно, устройство 140 управления может содержать иные средства ввода данных для определения свойств текучей среды. Насос 100 и/или устройство 140 управления могут быть снабжены соответствующими переключателями, выводами или иными электронными или оптическими идентификаторами.

В памяти 150 может храниться комплект калибровочных графиков для данного насоса 100. Калибровочные графики учитывают изменение подачи при изменении давления и другие факторы, свойственные индивидуальному насосу 100 для конкретной текучей среды при заданном расходе. Насос 100 может быть прокалиброван применительно к группе различных текучих сред, имеющих различные вязкости.

В процессе работы разливочный клапан 130, будучи активированным, выдает насосу 100 команду на осуществление насосной подачи текучей среды от источника 120 текучей среды при заданном расходе. Если насос 100 рассчитан на прием аналогового сигнала, устройство 140 управления осуществит интерпретацию сигнала от указанного клапана, скоррелирует его с расходом текучей среды, соотнесет этот расход с калибровочным графиком для данной жидкости и выдаст насосу 100 соответствующую команду. Аналогично, если разливочный клапан 130 формирует команды в формате пакета данных, устройство 140 управления осуществит интерпретацию соответствующего пакета, скоррелирует заданный расход с калибровочными графиками и выдаст насосу 100 соответствующую команду.

Например, если разливочный клапан 130 производит розлив напитка с заданным расходом, устройство 140 управления рассмотрит калибровочный график для соответствующей текучей среды и выдаст насосу 100 команду, например, увеличить скорость двигателя или изменить другие переменные так, чтобы осуществить дополнительные циклы срабатывания насоса. Альтернативно, насосу 100 будет выдана команда функционировать в течение дополнительного времени. В частности, применительно к соленоидному насосу с фиксированным объемом подачи можно варьировать длительность цикла включен/выключен; применительно к шаговому двигателю - общее количество или скорость выполнения шагов; применительно к пьезонасосу - профиль цикла, применительно к насосу с двигателем постоянного тока - его скорость. Можно варьировать и другие параметры. В любом случае обеспечивается возможность выдачи требуемого объема текучей среды.

Как показано на фиг.1, отклонение от теоретического значения для текучей среды средней вязкости (такой как сироп) возрастает в интервале обратных значений К-фактора (калибровочного коэффициента), составляющем примерно 0,0301-0,0302 см³ на 1 импульс или на 1 цикл при увеличении расхода от около 0,4 до около 0,6 см³/с, а затем, при превышении расходом значения 0,8 см³/с, возвращается к значению 0,0300 см³/импульс. В противоположность этому, для текучей среды с малой вязкостью (см. фиг.2) рассматриваемое отклонение стабильно увеличивается с ростом расхода. Более конкретно, отклонение обратного значения К-фактора возрастает от около 0,0297 см³/импульс при расходе около 0,45 см³/с до более 0,0304 см³/импульс при расходе 0,80 см³/с (К-фактор в данном контексте является показателем подаваемого объема). Фиг.1 приведена только в качестве примера: различные насосы и различные текучие среды будут давать иные калибровочные кривые.

После определения параметров калибровки их можно использовать для целей управления. Например, если желательный расход конкретной текучей среды, подаваемой соленоидным насосом, составляет 10 см³/с, а калибровочный коэффициент (независимый от расхода) равен 0,1 см³ на один ход насоса, требуемое количество ходов в секунду будет равно 100 (т.е. частному от деления 10 см³/с на 0,1 см³/ход). Вместо количества ходов можно использовать количество циклов, шагов или значений напряжения.

Аналогичен и подход для случая, когда калибровочный коэффициент зависит от расхода. Пусть, например, желательный расход для жидкости с малой вязкостью (такой как вода) снова равен 10 см³/с, тогда как ее подача составляет 0,1 см³/ход - 0,001 с/ход×расход (в см³/с). Требуемое количество ходов в данном случае может составить 111,1. Действительно:

10 см³/c:(0,1 см³/ход - 0,001 с/ход×10 см³/с)=10 см³/с:(0,09 см³/ход).

Если текучая среда имеет большую вязкость (примерно 25-50 мПа·с), калибровочный коэффициент может составить 0,1 см³/ход - 0,005 с/ход×расход (см³/с). При этом требуемое количество ходов в секунду будет равно 200:

10 см³/c:(0,1 см³/ход - 0,005 с/ход×10 см³/с)=10 см³/с:(0,050 см³/ход).

Данные примеры приведены только в качестве иллюстраций. Может быть учтено любое количество других переменных. Например, графики могут учитывать использование источников с небольшим положительным или отрицательным давлением или с его отсутствием или наличие множества источников, связанных с одним насосом 100. Графики можно построить также по результатам визуальных наблюдений количества материала, поданного из известного резервуара при его перемещении.

Аппарат 115 для розлива напитков, насос 100 и устройство 140 управления могут также учитывать температуру, наличие утечек, давление, обнаружение загрязнений, наличие взвешивающих устройств, датчиков уровня, часов или других датчиков времени, сроки хранения и другие оперативные параметры. Например, если вязкость текучей среды находится вне диапазона калибровки, аппарат 115 может осуществлять нагрев или охлаждение. Насос 100 может подавать также ингредиенты, не являющиеся жидкостями.

Насосная система предназначена для насосной подачи одной текучей среды из группы текучих сред с различными значениями вязкости. Насосная система может содержать насос прямого вытеснения и контур управления данным насосом. Указанный контур может содержать данные по компенсации вязкости, относящиеся, по меньшей мере, к одной текучей среде. При этом команды управления, подаваемые от контура управления на насос прямого вытеснения, учитывают вязкость текучей среды и объемную эффективность насоса прямого действия. Система позволяет настраиваться с учетом различий в характеристиках текучих сред и вариаций в самой системе. 2 н. и 11 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Насосная система для насосной подачи текучей среды из группы текучих сред с различными значениями вязкости, содержащая:
насос прямого вытеснения и контур управления указанным насосом по разомкнутому циклу, содержащий данные по компенсации вязкости, при этом данные по компенсации вязкости соотнесены, по меньшей мере, с одной текучей средой из указанной группы, а контур управления управляет работой насоса прямого вытеснения, основываясь на данных о вязкости одной текучей среды из указанной группы и объемной эффективности насоса прямого вытеснения.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит множество контейнеров для текучих сред из указанной группы.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что контейнеры из указанного множества контейнеров снабжены установленными на них идентификаторами.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что идентификатор содержит метку радиочастотной идентификации.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство идентификации источника текучей среды, способное считать идентификатор.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что данные по компенсации вязкости содержат данные, относящиеся к производительности насоса при заданном потоке.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что данные по компенсации вязкости включают множество графиков компенсации вязкости.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что данные по компенсации вязкости содержат данные о коэффициенте объемной эффективности насоса прямого вытеснения.

9. Способ насосной подачи текучей среды из группы текучих сред с различными значениями вязкости, включающий: определение изменения подачи насоса прямого вытеснения при изменении давления для каждой текучей среды из указанной группы при заданном расходе; определение параметра компенсации для каждой текучей среды из указанной группы;
хранение параметров компенсации для каждой текучей среды из указанной группы в контуре управления по разомкнутому циклу;
связывание насоса с одной текучей средой из указанной группы и осуществление насосной подачи указанной одной текучей среды с заданным расходом при использовании соответствующего параметра компенсации и объемной эффективности насоса прямого вытеснения.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанная операция насосной подачи одной текучей среды с заданным расходом включает варьирование количества или скорости повторения ходов или циклов или широтно-импульсную модуляцию насоса прямого вытеснения.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанная операция насосной подачи включает увеличение скорости насоса прямого вытеснения.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что включает увеличение длительности функционирования насоса прямого вытеснения.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что операция определения параметра компенсации для каждой текучей среды из указанной группы включает использование данных о коэффициенте объемной эффективности насоса прямого вытеснения.