Дозирующее устройство с питанием от батареек - RU2557829C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретения

Изобретение относится в основном к обладающим высокой точностью электрическим насосам с магнитным приводом. Более конкретно, оно относится к дозирующему устройству с питанием от батареек, включающему электромагнит для приведения насоса в действие, и способу работы такого устройства.

Уровень техники

В технике известны несколько типов дозирующих устройств для дозирования жидкости с высокой точностью. К первому типу, обычно используемому в лабораториях, относятся устройства с насосами, приводимыми в действие шаговыми двигателями. Дозирующие устройства второго типа содержат небольшие электрические насосы, так что перекачивающее действие каждого из этих насосов является результатом перемещения намагничиваемого внутреннего насосного элемента, такого как ферромагнитный поршень, позволяющего выдавать точно заданное количество жидкости. Дозирующие устройства второго типа могут быть реализованы в виде недорогих насосных модулей, встроенных в раздаточные контейнеры с жидкостями и выбрасываемых (утилизируемых) вместе с этими контейнерами. Каждый такой насосный модуль может быть приведен в действие посредством электромагнита, расположенного в (невыбрасываемой (неутилизируемой)) конструкции для закрепления контейнера. Такое дозирующее устройство, специально приспособленное для выдачи вязких жидкостей, известно из документа GB 2103296 A, где насосная камера ограничена гибкой или упругой цилиндрической стенкой камеры и обратными клапанами на входе и выходе. Насосное действие осуществляется путем последовательной деформации насосной камеры посредством перемещения намагничиваемого круглого элемента, расположенного наверху насосной камеры, в направлении вниз. Далее, в документе WO 2007/56097 A2 описан картридж с насосным устройством для концентрата, которое вставляют в раздаточное устройство. Это раздаточное устройство оснащено электромагнитом с обмоткой для воздействия на поршень, скользящий внутри раздаточной трубки в насосном устройстве, так что концентрат с усилием выдавливают из насосного устройства. Оба описанных устройства для дозирования, как и другие известные устройства для дозирования, получают питание от электрической сети.

Дозирующие устройства такого типа должны, по всей видимости, найти более широкое применение, если можно было бы питать их от портативного источника напряжения, такого как батарейки. Например, стало бы возможным увеличить срок годности подлежащих раздаче жидких пищевых продуктов путем хранения раздаточного устройства и работы с ним в холодильнике.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание портативного дозирующего устройства для выдачи точно заданного объема жидкости и способ работы такого устройства. Более конкретной задачей настоящего изобретения является создание дозирующего устройства такого типа с питанием от батареек.

Указанная задача решена путем создания устройств и способов, характеристики которых определены независимыми пунктами формулы изобретения. Варианты настоящего изобретения определены зависимыми пунктами этой формулы изобретения.

Первым объектом изобретения является способ выдачи заданного объема жидкости с помощью насоса, содержащего намагничиваемый насосный элемент, смещаемый под воздействием электромагнита, получающего энергию от портативного источника напряжения. Способ содержит следующие этапы:

(i) определение полного количества электрического заряда (Q_tot), соответствующего заданному объему жидкости;

(ii) возбуждение электромагнита путем соединения его с источником напряжения на время импульса;

(iii) выполнение по меньшей мере одного измерения тока (I_m,n) за время импульса и оценку на основе этого измерения количества электрического заряда (Q_m), полученного электромагнитом;

(iv) повторение этапов (ii) и (iii) до тех пор, пока электромагнит не получит полное количество электрического заряда.

Другим объектом настоящего изобретения является дозирующее устройство, выполненное с возможностью выдачи заданного объема жидкости. Это дозирующее устройство содержит электромагнит и выполнено с возможностью поддержания насоса (который может быть съемным или фиксированным), имеющего намагничиваемый насосный элемент, выполненный таким образом, что его возвратно-поступательное перемещение обеспечивает выталкивание жидкости из насоса, так что намагничиваемый насосный элемент перемещается под воздействием электромагнита, когда насос установлен в дозирующем устройстве. Дозирующее устройство содержит также портативный источник напряжения, приспособленный для возбуждения электромагнита посредством повторяющихся импульсов тока и для измерения силы тока по меньшей мере один раз за время импульса, чтобы оценить количество электрического заряда, поступающего в каждом импульсе, до тех пор пока не будет передано общее количество электрического заряда, соответствующего предписанному объему жидкости, подлежащему выдаче.

Дозирующее устройство может иметь углубление, приспособленное для установки насоса и/или держателя для закрепления насоса. Держатель может представлять собой конструкцию с подогнанными по форме механическими элементами, подпружиненные зажимы, магнитные держатели, застежки-липучки типа Velcro и т.п.

Насосный элемент может быть выполнен в виде поршня, в виде сочетания клапана и поршня, в виде элемента для сжатия или растяжения мембраны или (частично) гибкой насосной камеры, в виде полой трубки, смещаемой относительно неподвижного внутреннего поршня, в виде (возможно подвешенного) сильфона или в виде какого-либо другого приспособления для преобразования линейного и/или вращательного перемещения в перемещение жидкости. Насосный элемент содержит по меньшей мере один намагничиваемый материал (такой как железо, кобальт, никель или другие ферромагнитные материалы, включая некоторые оксиды металлов) и вследствие этого способен взаимодействовать с внешним магнитным полем. В технике хорошо известно, что возможно бесконтактное механическое взаимодействие между активным электромагнитом и телом из намагничиваемого материала. Насосный элемент предпочтительно находится под воздействием механического смещения, например, посредством пружины с линейной характеристикой, торсионной пружины, прокладок, эластомерного вкладыша или другого упругого элемента. В результате этого насос имеет более простую структуру в той мере, в какой электромагнит является единственным средством для перемещения насосного элемента в одном направлении. Например, электромагнит может содержать катушку (соленоид), возможно, оснащенную ферромагнитным сердечником, и способен генерировать по существу однородное магнитное поле в области продольной оси при возбуждении постоянным током. Хорошо известно, что локальный магнитный поток в данной точке пропорционален току, генерирующему поле. Вследствие этого, в рассматриваемой модели магнитная сила, действующая на насосный элемент, пропорциональна току.

В целях настоящего описания, импульс является ограниченным промежутком времени, в течение которого электромагнит возбуждают током, так что магнитное поле возникает и приводит в действие насосный элемент. Предпочтительно, два импульса разделены интервалом, позволяющим насосному элементу вернуться в исходное положение. Более того, если использовать химический источник напряжения, этот интервал даст некоторое время для прохождения реакций, которые до некоторой степени восстановят исходные электрические характеристики источника напряжения.

Портативный источник напряжения может содержать химический источник напряжения, такой как батарейка или сборка из нескольких батареек, каждая из которых может быть перезаряжаемой (аккумулятор) или неперезаряжаемой. Портативный источник напряжения может быть также топливным элементом. По сравнению с идеальным источником напряжения, батарейки имеют два характерных свойства:

1. Выходное напряжение падает, когда от батарейки отбирают даже кратковременный ток; такое поведение обычно моделируют присутствием внутреннего сопротивления.

2. Выходное напряжение уменьшается со временем, когда к батарейке присоединена постоянная по величине нагрузка, особенно если это относительно большая нагрузка. Для свежей батарейки выходное напряжение может восстановиться до исходной величины за конечное время после отключения или уменьшения нагрузки. Батарейка будет восстанавливаться все медленнее и медленнее по мере старения.

Изобретатели понимали, что эти свойства создают затруднения при проектировании приводимого в действие магнитным полем устройства для дозирования с питанием от батареек, поскольку невозможно всегда обеспечивать или поддерживать необходимую величину тока через электромагнит в каждом цикле работы насоса. Точность гипотетического устройства для дозирования, в котором используемый в известном устройстве для дозирования сетевой источник питания просто и прямолинейно заменен батарейкой, будет, скорее всего, снижена. Действительно, зависимость характеристик батарейки от времени должна создать неопределенность в том смысле, завершил ли насосный элемент полный рабочий цикл и тем самым вытеснил ли проектный (или номинальный) объем жидкости. В случае поршневого насоса, например, будет неопределенность, совершил ли поршень полный ход назад и вперед и, соответственно, вытеснил ли проектный объем жидкости.

Настоящее изобретение добивается конкретной цели - позволить выдать точно дозированный объем жидкости путем измерений тока, отдаваемого во время каждого рабочего импульса электромагнита. Измеренные значения тока используют для оценки величины электрического заряда, поступившей в электромагнит в каждом рабочем импульсе. Было установлено, что для перекачки данного объема жидкости необходимо передать вычисляемое количество электрического заряда в электромагнит. Таким образом, продолжая вычислять и контролировать аккумулированное количество электрического заряда, осуществляют импульсную накачку до тех пор, пока не будет получено заданное полное количество электрического заряда. Это полное количество заряда вычисляют в функции заданного объема жидкости, который нужно выдать, что позволяет адекватно управлять работой дозирующего устройства. Следовательно, настоящее изобретение также достигает цели создания портативного дозирующего устройства, поскольку нет необходимости в питании от электросети, а все остальные части устройства могут быть реализованы так, что они образуют легко транспортируемый модуль.

Если выразить в виде формул, способ согласно настоящему изобретению первоначально вычисляет общее количество Q_tot электрического заряда в функции полного объема V_tot, подлежащего выдаче, Q_tot=Q_tot(V_tot). В каждом импульсе измеряют по меньшей мере одно значение тока. В m-м импульсе записывают n значений тока I_m,1, I_m,2, …, I_m,n и используют в качестве базиса для оценки количества Q_m электрического заряда, поступившего в электромагнит во время m-го импульса. Например, можно оценить количество электрического заряда путем умножения средней величины тока на длительность T_m импульса, а именно:

Накопленное количество электрического заряда после k импульсов равно:

а работа насоса прекращается, как только станет Q≥Q_tot.

В одном из вариантов каждый импульс имеет заданную максимальную длительность T_max. Это учитывает второе свойство батареек, отмеченное выше, а именно, что батарейка работает лучше, когда ее нагрузка представляет собой относительно короткие импульсы. Такой режим работы также предпочтительнее с точки зрения долговременной усталости батарейки. Подходящую величину заданной максимальной длительности импульсов можно определить путем обычных экспериментов с батарейками соответствующего типа.

В одном из вариантов импульс прерывают, если измеренное мгновенное значение тока оказалось ниже заданного минимального тока I_min. Эту минимальную величину тока можно определить путем обычных экспериментов. Такой подход сберегает срок службы батарейки, поскольку слабый выходной ток является признаком усталости. Свежая или незначительно израсходованная батарейка восстанавливает нормальные электрические характеристики до начала следующего рабочего импульса. С другой стороны, повторяющиеся прерывания по этому критерию указывают, что батарейка серьезно разряжена или дефектна и должна быть заменена. В частности, можно сочетать эти два критерия - максимальной длительности T_max и минимального мгновенного тока I_min, вследствие чего последний критерий может прерывать импульс преждевременно, так что T_mmax.

В одном из вариантов импульс прерывают, если уже передано заданное максимальное количество Q_max электрического заряда для одного импульса. Для конкретного сочетания электромагнита и имеющего механическое смещение насосного элемента завершение (первой половины) насосного цикла совпадает с моментом, когда уже передано некоторое определенное количество электрического заряда. В конкретном случае прямолинейно перемещающегося насосного элемента, такого как поршень, завершение насосного цикла соответствует полному ходу. После этого насосный элемент начинает двигаться назад, в исходное положение, за счет действия механического смещения. Поскольку после этого момента нет необходимости сохранять приводное усилие, что привело бы к расходованию энергии без достижения какого-либо дополнительного перемещения насосного элемента, прерывание импульса в этот момент позволяет сэкономить энергию и сохранить срок службы батарейки. Вследствие использования этого критерия управления объем жидкости, соответствующий полному количеству Q_tot>Q_max электрического заряда, необходимо выдавать более чем за один импульс. Следует отметить, что этот критерий управления может быть легко соединен с критерием максимальной длительности T_max импульса и/или критерием минимального мгновенного тока I_min.

В одном из вариантов соблюдают минимальный промежуток между последовательными импульсами. Разрешив батарейке интервал величиной по меньшей мере D_min единиц времени для восстановления после предыдущего импульса нагрузки, можно продлить срок полезной службы этой батарейке. Такая батарейка будет также лучше работать во время следующего импульса. И снова, этот критерий управления может быть соединен с преимуществами любого из перечисленных выше критериев.

В одном из вариантов накопленный электрический заряд Q вычисляют после каждого рабочего импульса, но не во время этих рабочих импульсов. Это означает, что решение о прерывании процесса накачки принимают после завершения рабочего импульса.

В других вариантах накопленный электрический заряд подсчитывают непрерывно путем последовательного добавления приращений, оцениваемых на основе величин тока, уже полученных в импульсе. Это позволяет более точно дозировать выдаваемую жидкость, поскольку накачка может быть прервана внутри импульса.

В одном из вариантов полное количество Q_tot электрического заряда подсчитывают с использованием линейного числового соотношения, так что Q_tot=Q_tot(V_tot)=K×V_tot, где K - константа, зависящая от геометрии насоса, характеристик электромагнита, вязкости перекачиваемой жидкости и других связанных с этим факторов. Однако предполагается, что эта константа К по существу не зависит от характеристик источника напряжения и, в частности, от реальной степени усталости батарейки, входящей в состав этого источника. Вполне приемлемо работать с устройством для дозирования, обладающим описанными выше характеристиками, на основе указанного линейного соотношения между количеством заряда и объемом выданной жидкости. Действительно, если предположить, что перекачиваемая жидкость несжимаема, и пренебречь кинетической инерцией насосного элемента, перемещение насосного элемента будет происходить против усилия, по существу пропорционального скорости этого перемещения. Это противодействующее усилие является результатом внутреннего трения, сил вязкости, особенно в узких каналах, перемещения жидкости в направлении действия силы тяжести или против упругих сил и т.п. Из этих допущений следует, что мгновенный поток жидкости, выталкиваемой из насоса, пропорционален силе, создаваемой электромагнитом, а эта сила, в свою очередь, в предположении, что магнитное поле локально однородно вдоль пути перемещения магнитного элемента, пропорциональна мгновенному току, иными словами:

где i(t) - мгновенный ток в катушке электромагнита. Вследствие такого соотношения объем, выданный за время импульса, пропорционален количеству электрического заряда, поступившего во время этого импульса. Интегрируя это соотношение по всему интервалу времени, необходимому для выдачи полного объема, получаем Q_tot=K×V_tot. Константу К должным образом определяют в процессе калибровки, когда насос работает во время импульсов известной длительности и с известной силой тока, и при этом измеряют результирующие перекачанные объемы. Необходимо заметить, что приведенный выше вывод, ведущий к линейному соотношению между количеством электрического заряда и объемом выданной жидкости, был сделан эвристическим путем и при упрощающих допущениях; тем не менее, его полезность в качестве основы для управления устройством для дозирования является эмпирически установленным фактом, независимо от того, что в результате более глубокого и комплексного анализа могут быть получены более точные соотношения.

В одном из вариантов измерения тока выполняют в последовательности равно или неравно отстоящих моментов времени в более поздней части каждого цикла. Измеренные значения позволяют оценить выходной ток в функции времени. Например, источник напряжения может быть соединен с электромагнитом на заданный интервал T_lat времени латентности раньше, чем будет инициирована последовательность измерений тока. Это является экономичным способом работы дозирующего устройства, поскольку измерения тока в начале импульса в значительной мере не зависят от реальной степени усталости батарейки и могут быть аппроксимированы первоначальной величиной тока свежей батарейки. Реальный характер функционирования батарейки обычно становится ясен только по истечении указанного интервала T_lat времени латентности. Понятно, что этот интервал времени латентности обычно в несколько раз длиннее и может быть даже в десятки раз длиннее, чем типовой интервал между двумя последовательными измерениями тока в последовательности таких измерений.

В одном из вариантов изобретение предлагает дозаторную систему для дозирования жидкости из нескольких контейнеров (пакетов). Такая дозаторная система содержит источник напряжения и по меньшей мере один раздаточный модуль. Каждый раздаточный модуль содержит электромагнит и держатель для приема контейнера с жидкостью, имеющего насос, расположенный на выходе этого контейнера. Насос имеет конструкцию, соответствующую одному из описанных выше вариантов, и приводится в действие таким же образом. Источник напряжения приспособлен для возбуждения выбранного одного из электромагнитов, чтобы выдать жидкость из соответствующего контейнера. Один источник напряжения может обслуживать один или несколько электромагнитов. Если предусмотрены несколько источников напряжения, предпочтительно приспособить по меньшей мере часть, где находятся одна или несколько батареек, для совместного использования, что к ней был доступ у более чем одного источника напряжения.

Признаки двух или более вариантов, описанных выше, могут быть соединены, если только они не являются очевидно комплементарными, в других вариантах. Тот факт, что два признака упоминаются в разных пунктах формулы изобретения, не является препятствием к тому, чтобы их можно было с успехом соединить. Аналогично, новые варианты могут быть созданы путем исключения определенных признаков, которые не являются обязательными или несущественны для поставленной цели.

Краткое описание чертежей

Далее варианты настоящего изобретения будут описаны со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показано дозирующее устройство согласно трем вариантам настоящего изобретения;

на фиг.2 - дозаторная система согласно другому варианту настоящего изобретения;

на фиг.3 - сила тока через электромагнит в функции времени в различных фазах работы устройства, а также способ измерения тока согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1a схематично показано дозирующее устройство 100, предназначенное для выдачи точно дозированного объема жидкости из контейнера 114. Дозирующее устройство содержит намагничиваемый поршень 110, который может скользить в цилиндре 112 и подогнан в цилиндре так, чтобы не пропускать жидкость. Электромагнит 111 создает магнитное поле в центральной области цилиндра 112, иными словами, во всех точках пространства, где может находиться поршень 110. Когда поршень 110 движется вправо, жидкость всасывается через входной обратный клапан 115, находящийся в левой части цилиндра 112. Когда поршень 110 движется влево, жидкость выталкивается из цилиндра 112 через выходной обратный клапан 116. Во время каждого движения поршень 110 обменивается механической энергией с пружиной 117, имеющей линейную характеристику и прикрепленной к поршню 110. Другой конец пружины 117 предпочтительно прикреплен к элементу, неподвижному относительно цилиндра 112. Принимает ли пружина энергию при движении поршня влево и отдает при движении поршня вправо, или наоборот, зависит от относительного расположения пружины. Пружина 117 может быть предварительно нагружена посредством упора или ограничителя (не показан), ограничивающего ослабление пружины, что позволяет реализовать относительно более постоянное усилие пружины.

Электромагнит 111 в этом варианте содержит катушку (не показана), в центре которой создается по существу однородное магнитное поле, когда через эту катушку течет электрический ток. Магнитный поток в этой области изменяется линейно в функции силы тока, при этом точное соотношение определяется геометрией катушки и характеристиками магнитного сердечника, если таковой имеется. Электромагнит 111 питают током от источника 113 напряжения, который предпочтительно выполнен в виде портативного модуля и может содержать химический источник напряжения, такой как перезаряжаемая (аккумулятор) или неперезаряжаемая батарейка. Как хорошо известно, несколько химических источников напряжения могут быть соединены последовательно для получения более высокого выходного напряжения, так что электромагнит 111 будет генерировать магнитное поле подходящей напряженности. В этом варианте источник 113 напряжения соединяют с катушкой электромагнита и отсоединяют от нее посредством ключа. Ток через катушку может изменяться во времени в результате кратковременной и долговременной усталости источника 113 напряжения, как уже обсуждалось выше применительно к батарейкам.

На фиг.1b показано еще одно дозирующее устройство 120, предназначенное для выдачи заданного объема жидкости из контейнера 136. Устройство содержит насосную камеру 132, имеющую гибкий участок 139 стенки. На последний можно воздействовать намагничиваемым насосным элементом 130, который может перемещаться под воздействием магнитного поля, создаваемого посредством электромагнита 131. Жидкость из контейнера 136 всасывается в насосную камеру 132 через первый обратный клапан 137 и выбрасывается, при нажатии на гибкую стенку 139, через второй обратный клапан 138. Электромагнит 131 возбуждают посредством источника 133 напряжения, содержащего пять батареек 135, соединенных последовательно, а также соединенные вместе модуль управления и вольтодобавочное устройство 134. Эти соединенные вместе модуль управления и вольтодобавочное устройство 134 приспособлены, с одной стороны, для создания импульсного электрического соединения между батарейками 135 и электромагнитом 131, как описано выше, и, с другой стороны, для увеличения выходного напряжения батареек. Вольтодобавочные устройства, общей целью которых является передача на выход высокого напряжения на основе низкого входного напряжения, хорошо известны в технике и могут, например, содержать индуктивный компонент, возбуждаемый высокочастотным осциллирующим током, получаемым на основе низкого входного напряжения. Осциллирующий ток высокого напряжения затем сглаживают для получения постоянного тока высокого напряжения. Соединенные вместе модуль управления и вольтодобавочное устройство 134 в этом варианте содержат необходимые схемы для работы в качестве вольтодобавочного устройства (умножителя напряжения) в дополнение к переключающим схемам.

На фиг.1c показано третье дозирующее устройство 140 согласно другому варианту настоящего изобретения. Насосное действие такого дозирующего устройства 140 дополнено силой тяжести, если устройство работает в вертикальном положении, при этом направление вверх на чертеже приблизительно соответствует направлению вверх в поле тяготения. Дозирующее устройство 140 содержит намагничиваемый поршень 150, над которым располагается жидкость, подлежащая выдаче. Поршень 150 взаимодействует с внутренней стенкой насосного цилиндра 152, но может перемещаться вдоль этой стенки и подвергается механическому смещению пружиной в направлении вверх. Положение покоя для поршня 150 задано уплотнительной головкой 157, которая упирается в расположенное по центру седло клапана в цилиндре 152, ограничивая тем самым подвижность поршня 150 в направлении вверх. Аналогично предыдущим вариантам, поршень 150 может быть приведен в действие магнитным полем, создаваемым электромагнитом 151, расположенным в области поршня 150 и жестко прикрепленным к цилиндру 152. Предпочтительно действие магнитного поля создает направленную вниз силу, сжимающую пружину. Электромагнит получает ток от группы соединенных последовательно источников 155 напряжения, соединяемых с электромагнитом 151 посредством ключа 154. Эти ключ 154 и батарейки 155 вместе составляют модуль 153 источника напряжения. Для предотвращения зависания и для того, чтобы пружина смещения выталкивала поршень 150 вверх сразу же после того, как он достигнет дна цилиндра 152, в котором образовано седло клапана, при этом сквозь поршень 150 проходит узкий канал 156. Этот канал 156 позволяет жидкости стекать в пространство под поршнем 150 во время движения этого поршня вверх. После того как поршень 150 отойдет от дна цилиндра 152, жидкость сможет также протекать между поршнем 150 и вертикальной стенкой цилиндра.

Эти три описанных выше насоса включают насосный элемент, на который действует усилие механического смещения. Наличие такого механического смещения не является, однако, существенным признаком настоящего изобретения. В некоторых вариантах может быть применен насосный элемент без механического смещения, такой как свободно перемещаемый поршень, не соединенный с упругим элементом. В этом случае электромагнит отвечает и за выталкивание поршня вперед, и за оттягивание этого поршня назад. Такое решение, очевидно, энергетически нейтрально по сравнению с использованием насосного элемента с механическим смещением, но с другой стороны, это решение требует, чтобы магнитное поле, генерируемое электромагнитом, обладало несколько большей пространственной протяженностью, что может внести свой вклад в усложнение конструкции дозирующего устройства в этих вариантах.

Настоящее изобретение может быть реализовано с применением насосов других типов, чем те, которые показаны в дозирующих устройствах, представленных на фиг.1a, 1b и 1c. Например, насосы, описанные в уже упомянутых документах GB 2103296 A и WO 2007/56097 A2, могут работать так, как это описано в настоящем изобретении.

Возможные приложения настоящего изобретения включают домашние системы смешивания напитков, таких как воды с вкусовыми добавками, изготавливаемые путем разбавления сиропов. Такие сиропы могут содержать вкусовые добавки, красители и консерванты, а также питательные добавки, такие как витамины и минеральные питательные вещества, которые следует дозировать в точно регулируемых количествах. Преимущества настоящего изобретения особенно заметны при использовании высококонцентрированных сиропов, которые следует разбавлять сильнее чем 1:10 по объему, например 1:100, или 1:250, или 1:1000 по объему. Объем такого сиропа, необходимый на один стеклянный бокал или кувшинчик, может обычно составлять 1,00 мл. Обычно относительная погрешность 10% ведет к заметному изменению вкуса или содержания питательных веществ, так что максимально допустимая абсолютная погрешность здесь составляет меньше 0,10 мл. При использовании для выдачи объема такого порядка дозирующее устройство согласно настоящему изобретению обладает тем преимуществом, что оно обеспечивает достаточную абсолютную точность для выполнения этих требований. Более того, поскольку выдаваемый объем сравнительно невелик, портативный источник напряжения при питании такого устройства не будет испытывать сколько-нибудь заметную усталость.

На фиг.2 показан вариант настоящего изобретения в виде дозаторной системы 200, содержащей держатели 202 для нескольких сменных контейнеров 203 с жидкостями, в которых установлены насосы, работающие бесконтактным образом с использованием магнитного поля. Когда контейнер 203 закреплен в держателе 202, его насос 204 находится в зоне действия электромагнита 201, связанного с этим держателем. Насос 204 содержит намагничиваемый поршень 205, как описано выше. Каждым электромагнитом 201 управляет модуль 206 управления, подающий электроэнергию этому электромагниту 201 в виде импульсов. Этот модуль управления 206 может также иметь функцию вольтодобавки, как описано выше.

Предпочтительно, как показано на фиг.2, все компоненты дозаторной системы 200, включая съемные контейнеры 203 с жидкостями, расположены с одной стороны от барьера 208, имеющего отверстия, через которые выступают насосы 204 или вытекает жидкость, выталкиваемая насосами 204. Эти контейнеры 203 можно поддерживать в охлажденном состоянии достаточно экономичным способом, если барьер 208 является теплоизоляционным. Однако благодаря портативности системы и отсутствию ее соединения с электрической сетью, пользователь может с равным успехом предпочесть хранить всю систему 200 в охлаждаемом пространстве.

На фиг.3a показана типовая зависимость силы тока через электромагнит, соединенный с батарейкой, от времени. Метками t1, t3 и t5 обозначены моменты времени, когда происходит соединение батарейки с электромагнитом, а метками t2, t4, t6 обозначены моменты отсоединения батарейки от электромагнита. Импульсы имеют постоянную длительность. Как показано на чертеже, последняя часть каждого импульса тока включает участок спада, обусловленного усталостью батарейки. Таким образом, количество электрического заряда, передаваемого в импульсе, оказывается меньше произведения длительности импульса на силу тока в начале импульса. При использовании простейшей модели, игнорирующей эффекты, зависящие от времени, силу тока в начале импульса получают по закону Ома в предположении, что электромагнит имеет чисто активное сопротивление, а батарейка отдает напряжение холостого хода.

На фиг.3b показана последовательность из четырех импульсов тока, полученных при применении конкретного режима управления согласно одному из вариантов настоящего изобретения. Режим управления характеризуется следующими условиями:

(i) Если импульс продолжается в течение времени T_max, его прерывают.

(ii) Если сила тока становится ниже минимального порогового тока I_min, импульс прерывают.

(iii) Если электромагнит уже получил полное количество Q_tot электрического заряда, импульс прерывают.

Верхняя штриховая горизонтальная линия обозначает первоначальный ток, поступающий от батарейки к электромагниту. Нижняя штриховая горизонтальная линия обозначает минимальный пороговый ток I_min. При применении перечисленных выше условий первый импульс, продолжающийся между моментами t7 и t8, имеет полную длительность T_max. Второй импульс, между моментами t9 и 10, прерывают в соответствии с условием (ii), поскольку сила тока падает ниже минимального порогового тока. Третий импульс, между моментами t11 и t12, также прерывают на основе этого условия, только несколько раньше, как следствие усталости батарейки. Прерывание четвертого импульса, между моментами t13 и t14, происходит в соответствии с условием (iii), а именно, потому, что уже было передано полное количество электрического заряда и, следовательно, выдано заданное количество жидкости. Если батарейка подверглась более существенному старению, дозирующее устройство будет вынуждено прерывать каждый импульс несколько раньше в соответствии с условием (ii), так что заданный объем жидкости будет выдан за большее число импульсов. После того как усталость зашла достаточно далеко, устройство станет неработоспособным в соответствии с условием (iii) до тех пор, пока батарейка или батарейки не будут заменены или перезаряжены.

Точное число импульсов, передаваемое для выдачи заданного объема, зависит от размеров насоса. Желательно, дозирующее устройство должно иметь такие размеры, чтобы поддерживать число импульсов небольшим, с целью избежать преждевременной усталости батарейки. Понятно, что размер насоса, напряжение батареек (комплекта батареек) и емкость батареек являются проектными параметрами, которые необходимо рассматривать совместно.

Установлено, что импульсы тока не обязательно должны быть равноотстоящими во времени, как показано, например, на фиг.3b.

На фиг.3c показан способ оценки количества электрического заряда согласно одному из вариантов настоящего изобретения, в соответствии с которым измерения (отсчеты) силы мгновенного тока начинаются после истечения начального интервала T_lat времени латентности. Такой способ является предпочтительным, поскольку начальные отрезки импульсов тока не сильно различаются от импульса к импульсу. На начальном участке импульса сила тока может быть постоянной во времени и равна первоначальной силе I₀ тока. Эта сила тока может также уменьшаться по линейному закону или может быть аппроксимирована с хорошей точностью посредством линейно убывающей функции. В примере, показанном на фиг.3c, количество электрического заряда может быть аппроксимировано следующим образом:

где Δt - интервал между отсчетами тока. Эффект систематической погрешности в этой аппроксимации может быть ослаблен путем калибровки константы К пропорциональности в соотношении объема с зарядом Q=K×V, обсуждавшемся выше. В более точной аппроксимации слагаемое, представляющее количество электрического заряда, поступившее в течение интервала времени латентности, может быть заменено величиной

которая учитывает уменьшение силы тока, происходящее в этом интервале времени латентности.

Даже притом что настоящее описание и чертежи описывают варианты и примеры, включая выбор компонентов, материалов, диапазонов объема, диапазона токов и т.п., настоящее изобретение этими конкретными примерами не ограничивается. Многочисленные модификации и изменения могут быть сделаны, не отклоняясь от объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к дозирующему устройству (100) для выдачи заданного объема жидкости, содержащему электромагнит (111) и выполненному с возможностью поддержания насоса (112) с намагничиваемым насосным элементом (110), перемещаемым под воздействием электромагнита, когда насос поддерживается в дозирующем устройстве. Дозирующее устройство дополнительно содержит портативный источник напряжения (113), выполненный с возможностью возбуждения электромагнита повторяющимися импульсами тока и измерения силы тока по меньшей мере один раз в каждом импульсе, оценивая тем самым количество электрического заряда, передаваемое в каждом импульсе, пока не будет передано полное количество электрического заряда, соответствующее заданному объему жидкости, подлежащему выдаче. Другим объектом изобретения является способ, включающий импульсное возбуждение электромагнита, приводящего в действие насос, имеющий намагничиваемый насосный элемент. Увеличивается срок годности жидких продуктов путем возможности хранения и работы раздаточного устройства в холодильнике. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула