DE102010064017A1

DE102010064017A1 - Vorrichtung und Verfahren zur pneumatischen Regelung eines Volumenstroms einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102010064017A1
Application number: DE201010064017
Authority: DE
Inventors: Michael Hanko; Stefanie Hönncher
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Es ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System (1) auf einen Sollvolumenstrom beschrieben, mit der bzw. mit dem das Sollvolumen innerhalb möglichst kurzer Regelzeiten mit hoher Stabilität einstellbar ist, mit einer Vorrichtung (11,11') zur Erzeugung eines geregelten Gasdrucks (pG), und einer die Vorrichtung (11,11') zur Erzeugung des Gasdrucks (pG) mit dem System (1) verbindenden mit Gas gefüllten Leitung (5),über die die Flüssigkeit in dem System (1) mit dem Gasdruck (pG) beaufschlagt ist, bei der die Vorrichtung (11,11') zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks (pG) eine Messeinrichtung (23,23') umfasst, die den im System (1) durch den Gasdruck (pG) bewirkten Volumenstrom der Flüssigkeit indirekt anhand des durch die Vorrichtung (11,11') oder die Leitung (5) strömenden Gases erfasst, eine Regeleinrichtung (25) umfasst, die den Gasdruck (pG) anhand des indirekt gemessenen Volumenstroms auf einen Sollwert regelt, der eine Regelung des Volumenstroms durch das System (1) auf den Sollvolumenstrom bewirkt, und einem Hilfsdruckgeber (27) zur Erzeugung eines Hilfsdrucks (p2) einerüber die Regeleinrichtung einstellbaren Höhe umfasst,über den die Leitung (5) zwischen der Vorrichtung (11,11') zur Erzeugung des Gasdrucks (pG) und dem System (1) zur Nachführung des Gasdrucks (pG) kurzzeitig mit einem dem Sollwert entsprechenden Hilfsdruck (p2) beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur pneumatischen Regelung eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System auf einen Sollvolumenstrom, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines geregelten Gasdrucks, und einer, die Vorrichtung zur Erzeugung des Gasdrucks mit dem System verbindenden, mit Gas gefüllten Leitung, über die die Flüssigkeit in dem System mit dem Gasdruck beaufschlagt ist, bei dem die Vorrichtung zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks eine Messeinrichtung umfasst, die den im System durch den Gasdrucks bewirkten Volumenstrom der Flüssigkeit indirekt anhand des durch die Vorrichtung oder die Leitung fließenden Gases erfasst, und eine Regeleinrichtung umfasst, die den Gasdruck anhand des indirekt gemessenen Volumenstroms auf einen Sollwert regelt, der eine Regelung des Volumenstroms durch das System auf den Sollvolumenstrom bewirkt.
Die Erfindung ist in der industriellen Messtechnik, insb. im Bereich der Analyse von Flüssigkeiten, einsetzbar. Beispiele hierfür sind Analysesysteme zur Überwachung und Optimierung der Reinigungsleistung von Kläranlagen, zur Trinkwasserüberwachung oder zur Qualitätsüberwachung von industriell eingesetzten Flüssigkeiten oder Lebensmitteln. Gemessen und überwacht werden beispielsweise der Gehalt einer flüssigen Probe an speziellen Substanzen, z. B. von Ionen wie Ammonium, Phosphat oder Nitrat, an biologischen oder biochemischen Verbindungen, wie z. B. Hormonen, oder an Mikroorganismen, z. B. an Bakterien.
Hierzu werden Analyseeinheiten beispielsweise über mit Flüssigkeit befüllte Vorratsbehälter gespeist, und bei der Analyse verbrauchte Flüssigkeiten in Abfallbehälter abgeführt, die anschließend entleert werden. Dabei gilt es, neben der zu analysierenden Flüssigkeit auch zu deren Analyse gegebenenfalls zusätzliche erforderliche Flüssigkeiten, wie z. B. Reagenzien, in kontrollierter Form zu transportieren.
Um insb. im Bereich der Analyse ein möglichst hohes Maß an Automatisierung erzielen zu können, werden Vorrichtungen und Verfahren benötigt, über die die erforderlichen in der Regel sehr geringen Volumenströme, insb. Volumenströme von weniger als 1000 μL/min der Flüssigkeiten durch die einzelnen Systeme, z. B. Vorratsbehälter, Analyseeinheiten und Abfallbehälter, in Abhängigkeit von dem jeweils auszuführenden Prozess oder Verfahren vorgegeben werden können.
Der Flüssigkeitstransport durch das System kann hierzu pneumatisch durch Druckbeaufschlagung mit einem Gas, insb. mit Luft, bewirkt und mit Hilfe von entsprechend platzierten passiven Rückschlagventilen gelenkt werden. Da der Strömungswiderstand des Systems, insb. in Abhängigkeit von dessen Befüllungszustand, zeitlich variieren kann, ist eine Regelung des Volumenstroms durch das System erforderlich.
Hierzu kann der Volumenstrom, z. B. durch entsprechende in das System integrierte Durchflusssensoren, wie sie beispielsweise in der WO 2007/147786 A1 beschrieben sind, gemessen werden. Diese Sensoren sind jedoch teuer und stehen in unmittelbarem Kontakt mit der Flüssigkeit. Letzteres birgt die Gefahr einer Verschmutzung sowohl des Sensors als auch der Flüssigkeit.
Vorzugsweise werden daher indirekte Verfahren zur Messung des Volumenstroms durch das System eingesetzt. 1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Regelung des Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System 1 auf einen Sollvolumenstrom, die auf einer indirekten Messung des Volumenstroms basiert.
Sie umfasst einen Druckgeber 3 zur Erzeugung eines Drucks p1 einstellbarer Höhe, und eine eingangsseitig an den Druckgeber p1 und ausgangsseitig an das System 1 angeschlossene mit Gas gefüllte Leitung 5, über die die Flüssigkeit im System 1 mit einem ausgangsseitig in der Leitung 5 herrschenden Gasdruck p_G beaufschlagt ist. Der Gasdruck p_G ist größer als ein ausgangsseitig an dem System 1 anliegender Referenzdruck p_R, z. B. dem Atmosphärendruck, und bewirkt somit einen Volumenstrom der Flüssigkeit durch das System 1. Das nachströmende Gas bewirkt einen dem Volumenstrom entsprechenden Gasdurchfluss durch die Leitung 5. In die Leitung 5 ist ein Strömungswiderstand R eingesetzt. Der vom Volumenstrom abhängige Gasdurchfluss durch die Leitung 5 führt zu einem Druckabfall Δp über dem Strömungswiderstand R, der mit einer Vorrichtung 7 zur Messung des über den Strömungswiderstand R bestehenden Druckabfalls Δp, z. B. einem Differenzdrucksensor, gemessen wird. Auch das zu dem Strömungswiderstand R in Serie angeordnete System 1 bildet einen Strömungswiderstand. Dieser weist jedoch einen zeitlich veränderlichen Widerstandswert auf.
Der gemessene Druckabfall Δp ist proportional zum Volumenstrom. Die Regelung des Volumenstroms auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom erfolgt mittels einer Regeleinrichtung 9, die den vom Druckgeber 3 generierten Druck p1 auf einen Wert regelt, bei dem der gemessene Druckabfall Δp gleich einem dem Sollvolumenstrom zugeordneten Solldruckabfall ist. Der Solldruckabfall ist der Druckabfall Δp, der über den Strömungswiderstand R abfällt, wenn der durch das System 1 fließende Volumenstrom gleich dem Sollvolumenstrom ist.
Ein Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass zur Regelung von geringen Volumenströmen, insb. von Volumenströmen von weniger als 1000 μL/min, große Strömungswiderstände eingesetzt werden müssen, um bei den üblicher Weise verwendeten Drücken für den Druck p1 von 0,1 bar bis 2 bar gegenüber dem ausgangsseitig an dem System 1 anliegenden Referenzdruck _PR eine ausreichend hohe Auflösung der Differenzdruckmessung zu erzielen. Aufgrund des geringen Gasdurchflusses durch den Strömungswiderstand dauert es selbst dann, wenn der Strömungswiderstand des Systems konstant ist, verhältnismäßig lange, bis sich ein konstanter Gasdruck einstellt. Ursache hierfür ist große Gasvolumen der Leitung 5, dass sich zwischen dem Strömungswiderstand R und dem System 1 befindet. Das Gasvolumen wirkt aufgrund der Kompressibilität des Gases, ähnlich wie ein Kondensator, der erst aufgeladen werden muss. Entsprechend hoch ist die Regelzeit, die die Vorrichtung zur Einstellung des Sollvolumens benötigt, da der Regelkreis andernfalls eine Übersteuerung bewirken, und/oder Schwingungen oder andere instabile Zustände innerhalb der Vorrichtung auslösen würde. Erschwerend kommt hinzu, dass das Gasvolumen im Betrieb zeitlich nicht konstant ist, sondern sich entsprechend dem durch den Gasdruck p_G bewirkten Flüssigkeitstransport durch das System 1 verändert. So steigt das Gasvolumen in einem System 1, indem über den Gasdruck p_G beispielsweise Flüssigkeiten aus Vorratsbehältern über eine Analyseeinheit in Abfallbehälter transportiert werden, entsprechend dem insgesamt transportierten Flüssigkeitsvolumen an.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System anzugeben, mit der bzw. mit dem das Sollvolumen innerhalb möglichst kurzer Regelzeiten mit hoher Stabilität einstellbar ist.
Hierzu umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System auf einen Sollvolumenstrom, mit

– einer Vorrichtung zur Erzeugung eines geregelten Gasdrucks, und
– einer die Vorrichtung zur Erzeugung des Gasdrucks mit dem System verbindenden, mit Gas gefüllten Leitung, über die die Flüssigkeit in dem System mit dem Gasdruck beaufschlagt ist, bei der die Vorrichtung zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks
– eine Messeinrichtung umfasst,
– die den im System durch den Gasdruck bewirkten Volumenstrom der Flüssigkeit indirekt anhand des durch die Vorrichtung oder die Leitung strömenden Gases erfasst,
– eine Regeleinrichtung umfasst, die den Gasdruck anhand des indirekt gemessenen Volumenstroms auf einen Sollwert regelt, der eine Regelung des Volumenstroms durch das System auf den Sollvolumenstrom bewirkt, und
– einen Hilfsdruckgeber zur Erzeugung eines Hilfsdrucks einer über die Regeleinrichtung einstellbaren Höhe umfasst, über den die Leitung zwischen der Vorrichtung zur Erzeugung des Gasdrucks und dem System zur Nachführung des Gasdrucks zeitweise mit einem dem Sollwert entsprechenden Hilfsdruck beaufschlagbar ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der

– die Vorrichtung zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks einen Druckgeber zur Erzeugung eines Drucks einstellbarer Höhe und einen dem Druckgeber nachgeschalteten Strömungswiderstand umfasst,
– die Messeinrichtung eine Vorrichtung zur Messung eines über den Strömungswiderstand bestehenden, von einem durch den Volumenstrom verursachten Gasdurchfluss abhängigen Druckabfalls umfasst, und
– der dem Sollwert entsprechende Hilfsdruck der Hilfsdruck ist, bei dem eine Druckdifferenz zwischen dem vom Druckgeber erzeugten Druck und dem Hilfsdruck gleich einem bei Erreichung des Sollvolumenstroms vorliegenden Solldruckabfall über den Strömungswiderstand ist, und
– die Regeleinrichtung die Höhe des vom Druckgeber erzeugten Drucks anhand der im Anschluss an die Nachführungen des Gasdrucks gemessenen Druckabfälle auf einen Wert regelt, bei dem der gemessene Druckabfall gleich dem Solldruckabfall ist.

Gemäß einer alternativen Weiterbildung umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks einen Druckgeber zur Erzeugung eines Drucks einstellbarer Höhe und ein dem Druckgeber nachgeschaltetes Durchflussmessgerät zur Messung eines durch die Leitung fließenden Durchflusses.
Gemäß einer weiteren alternativen Weiterbildung umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks einen Druckgeber zur Erzeugung eines Drucks und einen dem Druckgeber nachgeschalteten Durchflussregler, der einen Durchfluss durch die Leitung auf einen vorgegebenen Solldurchfluss regelt.
Eine weitere alternative Weiterbildung der Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der

– die Vorrichtung zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks einen Druckgeber zur Erzeugung eines Drucks einstellbarer Höhe und einen dem Druckgeber nachgeschalteten Strömungswiderstand umfasst,
– das eingangsseitig mit dem Gasdruck beaufschlagte System ausgangsseitig mit einem Referenzdruck beaufschlagt ist, der niedriger als der Gasdruck ist,
– eine parallel zu dem Strömungswiderstand, der Leitung und dem daran angeschlossenen System verlaufende Druck übertragende Leitungsbrücke vorgesehen ist,
– an der eingangsseitig der vom Druckgeber erzeugte Druck anliegt,
– an der ausgangsseitig der Referenzdruck anliegt,
– in der zwei in Serie angeordnete zusätzliche Strömungswiderstände angeordnet sind, und
– die Messeinrichtung
– eine Vorrichtung zur Messung einer Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck und einem in der Leitungsbrücke zwischen den beiden zusätzlichen Strömungswiderständen herrschenden Bezugsdruck umfasst, und
– den anhand dieser Druckdifferenz, des vom Druckgeber erzeugten Drucks, des Referenzdrucks und der Widerstandswerte des Strömungswiderstands und der beiden zusätzlichen Strömungswiderstände den Volumenstrom durch das System bestimmt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der letztgenannten Weiterbildung

– weist der in der Leitungsbrücke parallel zu dem Strömungswiderstand angeordnete zusätzliche Strömungswiderstand einen Widerstandswert auf, der in seiner Größenordnung dem Widerstandswert des Strömungswiderstands entspricht, und
– weist der in der Leitungsbrücke parallel zu dem System angeordnete zusätzliche Strömungswiderstand einen Widerstandswert auf, der einem Referenzwert für den Strömungswiderstand des Systems entspricht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine an die Messeinrichtung angeschlossene elektronische Einheit vorgesehen, die anhand der über einen Zeitraum indirekt gemessenen Volumenströme durch Integration oder Summation der Volumenströme über die Zeit das insgesamt in diesem Zeitraum durch das System geflossene Flüssigkeitsvolumen bestimmt.
Gemäß einer Ausgestaltung der letztgenannten Weiterbildung unterbricht die elektronische Einheit die Druckbeaufschlagung des Systems mit dem Gasdruck, wenn das insgesamt durch das System geflossene Flüssigkeitsvolumen einen vorgegebenen Wert erreicht.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist das System einen oder mehrere parallel zueinander angeordnete Behälter, insb. Vorrats- oder Abfallbehälter, auf, die jeweils einen kanalförmigen Flüssigkeitsspeicher umfassen, der eingangsseitig mit dem Gasdruck beaufschlagt und ausgangsseitig mit dem Referenzdruck beaufschlagt ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das System mehrere parallel zueinander verlaufende Strömungspfade auf, und eine Zusammensetzung des insgesamt fließenden Flüssigkeitsstroms aus in den einzelnen Strömungspfaden fließenden Teilströmen ist über eingangs- und/oder ausgangsseitig in die einzelnen Strömungspfade eingesetzte steuerbare Ventile vorgebbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das System eine Analyseeinrichtung,

– die einen oder mehrere parallel zu einander angeordnete flüssigkeitsgefüllte Komponentenbehälter aufweist,
– an denen eingangsseitig jeweils über ein steuerbares Ventil der Gasdruck oder der Referenzdruck anliegt, und
– die ausgangsseitig in einer mit mindestens einem Sensor ausgestatteten Messkammer münden, und
– die einen oder mehrere parallel zueinander angeordnete Abfallbehälter aufweist,
– die eingangsseitig jeweils an einen Anschluss der Messkammer angeschlossen sind, und
– an denen ausgangsseitig jeweils über ein steuerbares Ventil der Gasdruck oder der Referenzdruck anliegt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Sollvolumenstrom weniger 1000 μL/min, insb. weniger als 150 μL/min.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System auf einen Sollvolumenstrom, bei dem

– die Flüssigkeit im System über eine daran angeschlossene, mit Gas gefüllte Leitung mit einem, den Volumenstrom bewirkenden, ausgangsseitig in der Leitung herrschenden Gasdruck beaufschlagt wird,
– die Leitung eingangsseitig mit einem Druck einstellbarer Höhe beaufschlagt wird,
– ein von einem durch den Volumenstrom verursachten Gasdurchfluss durch die Leitung abhängiger Druckabfall über einen in die Leitung eingesetzten Strömungswiderstand gemessen wird, und
– der Druckabfall durch eine Regelung des Drucks auf einen Solldruckabfall geregelt wird, der über den Strömungswiderstand abfällt, wenn der Volumenstrom durch das System gleich dem Sollvolumenstrom ist, indem Regelvorgänge ausgeführt werden, bei denen
– die Leitung zwischen dem Strömungswiderstand und dem System jeweils kurzzeitig mit einem Hilfsdruck beaufschlagt wird, der gleich dem um den Solldruckabfall reduzierten Druck ist,
– nach Beendigung dieser Druckbeaufschlagung der Druckabfall über den Strömungswiderstand gemessen wird, und
– der Druck erhöht wird, wenn der nach der Druckbeaufschlagung gemessene Druckabfall kleiner als der Solldruckabfall ist, und reduziert wird, wenn der nach der Druckbeaufschlagung gemessene Druckabfall größer als der Solldruckabfall ist.

Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird

– im Anschluss an jede Druckbeaufschlagung ein zeitlicher Verlauf des im Anschluss an die jeweilige Druckbeaufschlagung gemessenen Druckabfalls gemessen, und
– ein Betrag um den der erste Druck nachzuführen ist, anhand einer Steigung des zeitlichen Verlaufs bestimmt.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung dieses Verfahrens

– werden den gemessenen Druckabfällen die zugehörigen bei diesen Druckabfällen durch das System fließenden Volumenströme zugeordnet, und
– anhand der über einen Zeitraum gemessenen Druckabfälle durch Integration oder Summation dieser Druckabfälle oder durch Integration der zugehörigen Volumenströme über die Zeit das insgesamt in diesem Zeitraum durch das System geflossene Flüssigkeitsvolumen bestimmt.

Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung gibt die Vorrichtung ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen aus, indem die Druckbeaufschlagung des Systems mit dem Gasdruck unterbrochen wird, sobald das insgesamt durch das System geflossene Flüssigkeitsvolumen das vorgegebene Flüssigkeitsvolumen erreicht.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiel dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1: zeigt eine Prinzipskizze einer herkömmlichen Vorrichtung zur pneumatischen Regelung eines Volumenstroms durch ein fluidisches System;
2: zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur pneumatischen Regelung eines Volumenstroms durch ein fluidisches System;
3 zeigt: ein aus einem einzigen Vorrats- oder Abfallbehälter bestehendes System;
4 zeigt: eine Analyseeinrichtung; und
5 zeigt: eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur pneumatischen Regelung eines Volumenstroms durch ein fluidisches System, bei dem das fluidische System einen variablen Strömungswiderstand einer Widerstandsbrücke bildet.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung des Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System 1 auf einen Sollvolumenstrom.
Die Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung 11 zur Erzeugung eines geregelten Gasdrucks p_G, und eine die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des Gasdrucks p_G mit dem System 1 verbindende, mit Gas, insb. mit Luft, gefüllte Leitung 5, über die die Flüssigkeit in dem System 1 mit dem Gasdruck p_G beaufschlagt ist.
Das System 1 ist damit innerhalb der Vorrichtung eingangsseitig an die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des Gasdrucks p_G angeschlossen, die die Flüssigkeit im System 1 mit dem den Volumenstrom bewirkenden Gasdruck p_G beaufschlagt, und ist ausgangsseitig einem Referenzdruck p_R, insb. dem Atmosphärendruck, ausgesetzt, der niedriger als der Gasdruck p_G ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren wird anhand des Gasdrucks p_G der insgesamt durch das System 1 strömende Volumenstrom auf einen gewünschten Sollvolumenstrom geregelt.
Das System 1 kann vielfältige Ausgestaltungen aufweisen.
Ein Beispiel sind einzelne mit Flüssigkeit gefüllte Vorrats- oder Abfallbehälter. Ein Beispiel eines solchen Behälters B ist in 3 dargestellt. Er weist einen hier kanalförmigen Flüssigkeitsspeicher 13 auf, der an dessen an die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G anzuschließenden Seite durch eine vorzugsweise flüssigkeitsdichte aber gasdurchlässig Abtrennung 15, wie z. B. ein Diaphragma, eine Membran oder ein Filter, abgedeckt ist, die die Flüssigkeit vor eindringenden Verunreinigungen schützt und ein Austreten von Flüssigkeit in die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G unterbindet.
Alternativ kann die Flüssigkeit im Flüssigkeitsspeicher 13 auch in einem flexiblen gegenüber der Vorrichtung 11 gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Behältnis, z. B. einem Beutel aus einer dünnen Kunststofffolie, beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen, enthalten sein. Der Flüssigkeitsspeicher 13 mündet ausgangsseitig in einen Anschluss 17, über den die Flüssigkeit, an ein daran anschließbares – hier nicht dargestelltes – mit dem Referenzdruck p_R beaufschlagten Zielbehältnis ausgegeben wird.
Alternativ kann der Behälter auch als Spritze ausgebildet sein, in der der Flüssigkeitsspeicher durch einen die Gasphase und die flüssige Phase separierenden, über den daran anliegenden Gasdruck p_G bewegbaren, Stempel abgetrennt ist.
Um lange Betriebsdauern der Systeme 1 zu erzielen kann es notwendig sein, Flüssigkeitsspeicher 13 mit einem großen Volumen vorzusehen. Dabei ändert sich das Gasvolumen, das über die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G auf den Gasdruck p_G eingestellt werden muss, in Abhängigkeit vom Befüllungsgrad der Flüssigkeitsspeicher 13. Bei der eingangs beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung zur Volumenstromregelung führt dies zu besonders langen Regelzeiten, da die für die Einstellung eines gewünschten Gasdrucks p_G erforderliche Gasmenge dort – wie aus 1 ersichtlich – über den Strömungswiderstand R nachströmen muss.
Ein weiteres Beispiel sind Systeme 1 mit zwei oder mehr parallel zueinander angeordneten Strömungspfaden. Hierzu zählen insb. Vorrats- oder Abfallkartuschen, in denen mehrere mit Flüssigkeit gefüllte Vorrats- bzw. Abfallbehälter parallel zueinander angeordnet sind. Die Kartusche kann hierzu aus mehreren der in 3 dargestellten Behälter B aufgebaut sein. Diese Ausführungsform ist schematisch in 2 dargestellt, in der exemplarisch drei Behälter B1, B2, B3 parallel zueinander in einer Kartusche angeordnet sind. Die einzelnen Strömungspfade, in denen jeweils ein Behälter B vorgesehen ist, sind eingangsseitig über geeignete Abtrennungen zwischen den flüssigen Phasen in den Behältern und der Gasphase an die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G angeschlossen, durch die sie parallel zueinander mit dem Gasdruck p_G beaufschlagt werden, und münden ausgangsseitig in einen Auslass 19 über den die Flüssigkeit, an ein daran angeschlossenes mit dem Referenzdruck p_R beaufschlagtes Zielbehältnis 21 ausgegeben wird.
Bei dieser Variante kann neben dem insgesamt durch das System 1 fließenden Volumenstrom zusätzlich auch dessen Zusammensetzung aus den in den einzelnen Strömungspfaden fließenden Teilströmen über eingangs- und/oder ausgangsseitig in die einzelnen Strömungspfade eingesetzte steuerbare Ventile V, vorgegeben werden. Dies ist insb. dann relevant, wenn sich in den einzelnen Behältern B1, B2, B3 unterschiedliche Flüssigkeiten befinden, die zu unterschiedlichen Zeiten an ein und dasselbe Zielbehältnis 21 oder nacheinander an unterschiedliche zu aufeinander folgenden Zeiten an das System 1 angeschlossene Zielbehältnisse abgegeben werden sollen.
Es sind aber auch durchaus komplexere Systeme 1, wie z. B. Analyseeinrichtungen, realisierbar. Ein Beispiel hierzu ist in 4 dargestellt. Die dargestellte Analyseeinrichtung weist exemplarisch zwei parallel zueinander angeordnete, gegebenenfalls auch unterschiedliche Flüssigkeiten enthaltende, Komponentenbehälter K1, K2 auf, die eingangsseitig jeweils über ein steuerbares Ventil V1, V2 an die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G angeschlossen sind, und ausgangsseitig in einer mit mindestens einem Sensor S ausgestatteten Messkammer M münden. In dem dargestellten Beispiel sind die beiden Komponentenbehälter K1, K2 in der Messkammer M an eine Hauptleitung angeschlossen, die über einen über den Sensor S führenden Messpfad mit einem ersten Ausgang der Messkammer M und parallel dazu über einen Bypass an einen zweiten Ausgang der Messkammer M angeschlossen sind. Es sind hier exemplarisch zwei parallel zu einander angeordnete Abfallbehälter A1, A2 vorgesehen, die eingangsseitig jeweils an einen der Ausgänge der Messkammer M und ausgangsseitig jeweils über ein steuerbares Ventil V3, V4 an die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G angeschlossen sind.
Die steuerbaren Ventile V1, V2, V3, V4 sind vorzugsweise 3/2 Wege Ventile, über die wahlweise ein Anschluss an den Gasdruck p_G oder den Referenzdruck p_R erfolgt.
Über eine entsprechende Steuerung der Ventile V1, V2 können die Komponentenbehälter K1, K2 eingangsseitig jeweils wahlweise, durch das Öffnen des zugehörigen Ventils V1 bzw. V2 mit dem Gasdruck p_G oder durch Schließen des zugehörigen Ventils V1 bzw. V2 mit dem Referenzdruck p_R beaufschlagt werden.
Über eine entsprechende Steuerung der Ventile V3, V4 können die Abfallbehälter A1, A2 ausgangsseitig jeweils wahlweise, durch das Öffnen des zugehörigen Ventils V3 bzw. V4 mit dem Gasdruck p_G oder durch Schließen des zugehörigen Ventils V3 bzw. V4 mit dem Referenzdruck p_R beaufschlagt werden.
Komponentenbehälter K1, K2 und Abfallbehälter A1, A2 sind vorzugsweise mit passiven Rückschlagventilen ausgestattet, die ein Auslaufen von Flüssigkeit verhindern, wenn über den jeweiliger Behälter aufgrund der Ventileinstellung kein Differenzdruck abfällt. Alternativ können anstelle der passiven Rückschlagventile beispielsweise auch pneumatisch aktuierte, im druckfreien Zustand geschlossene, Schlauchquetschventile eingesetzt werden.
Der Strömungspfad, über den der Volumenstrom durch das System fließt, wird durch die Steuerung der Ventile V1, V2, V3, V4 vorgegeben und über die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G auf einen gewünschten Solldurchfluss geregelt.
Sind alle Ventile V1, V2, V3, V4 geschlossen, fließt kein Volumenstrom durch das System. Dabei wird ein Auslaufen von Flüssigkeit aus den Komponentenbehältern K1, K2 und aus den Abfallbehältern A1, A2 durch die passiven Rückschlagventile verhindert, da diese Ventile auch in Durchlassrichtung erst dann öffnen, wenn über sie ein vorgegebener Mindestdruckabfall anliegt. In gleicher Weise verhindern auch pneumatisch aktuierte, im Normalzustand geschlossene, Schlauchquetschventile ein Auslaufen von Flüssigkeit.
Sind die beiden Ventile V1 und V3 geöffnet, und die beiden Ventile V2 und V4 geschlossen, fließt Flüssigkeit von dem ersten Komponentenbehälter K1 über den Bypass in den daran angeschlossenen zweiten Abfallbehälter A2.
Sind die beiden Ventile V1 und V4 geöffnet, und die beiden Ventile V2 und V3 geschlossen, entsteht ein Volumenfluss von dem ersten Komponentenbehälter K1 über den Messpfad in den ersten Abfallbehälter A1.
Sind die beiden Ventile V2 und V3 geöffnet, und die beiden Ventile V1 und V4 geschlossen, fließt Flüssigkeit von dem zweiten Komponentenbehälter K2 über den Bypass in den ersten Abfallbehälter A1.
Sind die beiden Ventile V2 und V4 geöffnet, und die beiden Ventile V1 und V3 geschlossen, entsteht ein Volumenfluss von dem zweiten Komponentenbehälter K2 über den Messpfad in den ersten Abfallbehälter A1.
Zur Regelung des Volumenstroms durch das System 1 auf den vorgegebenen Sollvolumenstrom umfasst die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks P_G eine Messeinrichtung 23, die den im System 1 durch den Gasdrucks p_G bewirkten Volumenstrom der Flüssigkeit indirekt anhand des durch die Vorrichtung 11 oder die Leitung 5 fließenden Gases erfasst, und eine Regeleinrichtung 25, die den Gasdruck p_G anhand des indirekt gemessenen Volumenstroms auf einen Sollwert regelt, der eine Regelung des Volumenstroms durch das System 1 auf den Sollvolumenstrom bewirkt.
Genau wie bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik weist das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G hierzu einen Druckgeber 3 zur Erzeugung eines Drucks p1 einstellbarer Höhe, und einen dem Druckgeber 3 nachgeschalteten Strömungswiderstand R auf, der über die mit Gas gefüllte Leitung 5 an das System 1 angeschlossen ist.
Über die Leitung 5 ist die Flüssigkeit im System 1 mit einem ausgangsseitig in der Leitung 5 herrschenden Gasdruck p_G beaufschlagt. Der Gasdruck p_G ist gleich der Differenz zwischen dem vom Druckgeber 3 erzeugten Druck p1 und dem Druckabfall Δp über den Strömungswiderstand, d. h. p_G = p1 – Δp
Es ist größer als ein ausgangsseitig an dem System 1 anliegender Referenzdruck p_R, z. B. dem Atmosphärendruck, und bewirkt somit einen Volumenstrom der Flüssigkeit durch das System 1, sobald die Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck p_G und dem Referenzdruck p_R ausreichend groß ist, um den Strömungswiderstand der Flüssigkeitsleitung im System 1 zu überwinden. Das nachströmende Gas bewirkt einen dem Volumenstrom der Flüssigkeit im System 1 entsprechenden Gasdurchfluss durch den Strömungswiderstand R und die Leitung 5. Der vom Volumenstrom abhängige Gasdurchfluss führt zu einem Druckabfall Δp über dem Strömungswiderstand R, der ein indirektes Maß für den Volumenstrom ist. Für den Volumenstrom gilt näherungsweise: V = Δp / R wobei

V: den Volumenstrom durch das System 1,
Δp: den Druckabfall, und
R: den Strömungswiderstand bezeichnet.

Entsprechend umfasst die Messeinrichtung 23 in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung 7 zur Messung des über den Strömungswiderstand R bestehenden Druckabfalls Δp, z. B. einem Differenzdrucksensor.
Der gemessene Druckabfall Δp ist proportional zum Volumenstrom. Die Regelung des Volumenstroms auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom erfolgt mittels der Regeleinrichtung 23, die die Höhe des Drucks p1 auf einen Wert regelt, bei dem der gemessene Druckabfall Δp gleich einem dem Sollvolumenstrom zugeordneten Solldruckabfall ist. Der Solldruckabfall ist der Druckabfall, der über den Strömungswiderstand R abfällt, wenn der durch das System 1 fließende Volumenstrom gleich dem Sollvolumenstrom ist. Der Solldruckabfall ist näherungsweise gleich dem Produkt der Sollvolumenstroms und des Strömungswiderstands R und kann beispielsweise in einem vorgeschalteten Kalibrationsverfahren als Funktion des Sollvolumenstroms ermittelt und in Form einer Tabelle, einer Formel oder einer Kennlinie in der Vorrichtung abgelegt werden.
Zur Erzielung möglichst kurzer Regelzeiten umfasst die Vorrichtung 11 zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G einen Hilfsdruckgeber 27 zur Erzeugung eines Hilfsdrucks p2 einer über die Regeleinrichtung 25 einstellbaren Höhe, über den die Leitung 5 zur Nachführung des Gasdrucks p_G zeitweise zwischen dem Strömungswiderstand R und dem System 1 mit einem dem Sollwert entsprechenden Hilfsdruck p2 beaufschlagbar ist. Der Sollwert ist gleich der Differenz zwischen dem jeweils anliegenden Druck p1 und dem Solldruckabfall. Somit gilt für den Sollwert im Rahmen der oben genannten Näherung: p2 = p1 – Δp_soll = p1 – V_sollR wobei

Δp_soll: den Solldruckabfall und
V_soll: den Sollvolumenstrom bezeichnen.

Hierzu ist der Hilfsdruckgeber 27 an eine zwischen dem Strömungswiderstand R und dem System 1 in der Leitung 5 mündende Anschlussleitung 29 angeschlossen. Die Anschlussleitung 29 ist mit einem hier durch die Regeleinrichtung 25 gesteuerten steuerbaren Ventil 31 ausgestattet, das zur Nachführung des Gasdrucks p_G kurzzeitig geöffnet werden kann.
Die Höhe des Drucks p1 und des Hilfsdrucks p2 werden über die Regeleinrichtung 25 vorgegeben. Dabei werden die beiden Drücke p1 und p2 erfindungsgemäß immer derart vorgegeben, dass eine Druckdifferenz p1 – p2 zwischen dem Druck p1 und dem Hilfsdruck p2 gleich dem bei Erreichung des Sollvolumenstroms vorliegenden Solldruckabfall über dem Strömungswiderstand R ist.
Ein kurzzeitiges Öffnen des Ventils 31 bewirkt, dass in der Leitung 5 zwischen dem Strömungswiderstand R und dem System 1 kurzzeitig der Hilfsdruck p2 herrscht. Aufgrund der oben genannten fest vorgegebenen Beziehung zwischen dem Druck p1 und dem Hilfsdruck p2 wird hierdurch über dem Strömungswiderstand R kurzzeitig ein Druckabfall vorgegeben, der gleich dem Solldruckabfall ist. Da der Hilfsdruck p2 von außen über die Leitung 29, die einen im Vergleich zum Strömungswiderstand R sehr niedrigen Strömungswiderstand aufweist, zugeführt wird, stellt sich der Solldruckabfall über den Strömungswiderstand R praktisch unmittelbar ein.
In dem eingangs beschriebenen Ersatzschaltbild, in dem das kompressible Gasvolumen wie ein Kondensator wirkt, entspricht diese Nachführung des Gasdrucks p_G durch das kurzzeitige Öffnen des Ventils 31 der Aufladung des Kondensators durch eine Überbrückung des Ladewiderstands. Im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Stand der Technik, bei dem die Ladung des Kondensators aufgrund des dort zur Ladung erforderlichen Gasstroms über den Strömungswiderstand R nur sehr langsam erfolgt, erfolgt die Ladung hier über den von außen zugeführten Hilfsdruck p2 schnell.
Die Regelung des Volumenstroms erfolgt erfindungsgemäß, indem die Leitung 5 zwischen dem Strömungswiderstand R und dem System 1 jeweils kurzzeitig mit dem Hilfsdruck p2 beaufschlagt wird, der gleich dem um den Solldruckabfall reduzierten Druck p1 ist, und nach Beendigung dieser Druckbeaufschlagung der Druckabfall Δp über den Strömungswiderstand R gemessen wird.
Entspricht der tatsächlich durch das System 1 fließende Volumenstrom dem Sollvolumenstrom, so bleibt der gemessene Druckabfall Δp unverändert gleich dem zuvor durch die Druckbeaufschlagung eingestellten Solldruckabfall.
Ist der tatsächlich durch das System 1 fließende Volumenstrom geringer als der Sollvolumenstrom, so nimmt der gemessene Druckabfall Δp im Anschluss an die Druckbeaufschlagung ab.
Ist der tatsächlich durch das System 1 fließende Volumenstrom größer als der Sollvolumenstrom, so steigt der gemessene Druckabfall Δp im Anschluss an die Druckbeaufschlagung an.
Entsprechend erhöht die Regeleinrichtung 25 den Druck p1, wenn der nach der Druckbeaufschlagung gemessene Druckabfall Δp kleiner als der Solldruckabfall ist, und reduziert den Druck p1, wenn der nach der Druckbeaufschlagung gemessene Druckabfall Δp größer als der Solldruckabfall ist.
Diese Regelung kann beispielsweise anhand des nach Ablauf einer durch die Beendigung der Druckbeaufschlagung gestarteten vorgegebenen Wartezeit gemessenen Druckabfalls Δp erfolgen. Weicht dieser Druckabfall Δp vom Solldruckabfall ab, werden Betrag und Richtung der zur Volumenstromregelung erforderlichen Nachführung des Drucks p1 anhand der Abweichung dieses gemessenen Druckabfalls Δp vom Solldruckabfall bestimmt und über die Regeleinrichtung 25 umgesetzt, und der gesamte Vorgang beginnend mit der Druckbeaufschlagung mit dem an den geänderten Druck p1 angepassten Hilfsdruck p2 erneut durchgeführt. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis der Volumenstrom den Sollvolumenstrom erreicht und der gemessene Druckabfall Δp auch nach der Druckbeaufschlagung im Rahmen der gewünschten Genauigkeit auf dem Solldruckabfall verbleibt.
Ist der Sollvolumenstrom einmal erreicht, wird der Volumenstrom anhand des gemessenen Druckabfalls Δp überwacht, und das Regelverfahren erneut ausgeführt, sobald der Druckabfall Δp um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert von dem Solldruckabfall abweicht.
Vorzugsweise wird zusätzlich oder anstelle des nach Ablauf der Wartezeit gemessenen Druckabfalls ein zeitlicher Verlauf des im Anschluss an die jeweilige Druckbeaufschlagung gemessenen Druckabfalls Δp gemessen, und Betrag und Richtung der erforderlichen Nachführung des Drucks p1, anhand einer Steigung bzw. einer Regressionsanalyse des zeitlichen Verlaufs bestimmt, und auch der Hilfsdruck p2 an den geänderten Druck p1 angepasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugehörige Verfahren bieten den Vorteil, dass der für die Einhaltung des Sollvolumenstroms erforderliche Druck p1 schnell ermittelt und eingestellt werden kann. Damit können auftretende Veränderungen des Strömungswiderstands des Systems 1 schnell durch die zeitnahe Nachführung des Druck p1 kompensiert werden, so dass eine äußerst genaue Regelung des Volumenstroms auf den Sollvolumenstrom vorliegt.
Die Erfindung ist völlig analog auch in Verbindung mit anderen Ausgestaltungen der Gasdruckerzeugung und der indirekten Messung des durch das System 1 fließenden Volumenstroms einsetzbar.
Eine alternative Ausführungsform besteht beispielsweise darin, anstelle des in 2 dargestellten Strömungswiderstands R ein Durchflussmessgerät in den Strömungspfad einzusetzen, mit dem der durch die Leitung 5 fließende Gasdurchfluss gemessen wird. Der Durchfluss kann unmittelbar als ein dem Volumenstrom der Flüssigkeit durch das System 1 entsprechender Gasvolumendurchfluss gemessen werden. Alternativ kann ein Gasmassendurchfluss gemessen werden, aus dem anhand des über dem Messgerät anliegenden z. B. mit der Vorrichtung 7 gemessenen Druckabfalls über das Messgerät der zugehörige Gasvolumendurchfluss berechenbar ist.
Die Regelung des Volumenstroms durch das System 1 auf den Sollvolumenstrom erfolgt analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, indem der Gasdruck p_G am Ausgang der Vorrichtung 11 über eine entsprechende Regelung der Höhe des vom Druckgeber 3 generierten Drucks p1 in Abhängigkeit von dem mittels des Durchflussmessgeräts indirekt gemessenen Volumenstroms auf den entsprechenden Sollwert geregelt wird, bei dem sich der Sollvolumenstrom durch das System 1 einstellt. Dabei wird die Leitung 5 auch hier zur Erzielung kurzer Regelzeiten erfindungsgemäß zur raschen Nachführung des Gasdrucks p_G kurzzeitig mit dem dem jeweiligen Sollwert entsprechenden Hilfsdruck p2 beaufschlagt. Der entsprechende Hilfsdruck p2 wird auch hier durch die Regeleinrichtung 25 vorgegeben. Er kann analog zu dem vorherigen Beispiel als Differenz aus dem jeweiligen vom Druckgeber 3 generierten Druck p1 und einem Solldruckabfall, der über dem Messgerät abfällt, wenn durch das System 1 der Sollvolumenstrom fließt, berechnet werden. Der Solldruckabfall ist hierzu vorzugsweise als Funktion des Sollvolumenstroms in Form einer messgerätspezifischen Tabelle, Formel oder Kennlinie in der Vorrichtung abgelegt.
Eine weitere Alternative besteht darin, anstelle des in 2 dargestellten Strömungswiderstands R einen Durchflussregler in den Strömungspfad einzusetzen, der den durch die Leitung 5 fließenden Gasdurchfluss auf einen Solldurchfluss regelt. Hierzu kann beispielsweise ein thermischer Massendurchflussregler eingesetzt werden. Auch hier kann der Gasmassendurchfluss anhand des über dem Massendurchflussregler anliegenden z. B. mit der Vorrichtung 7 gemessenen Druckabfalls über den Massendurchflussregler in den zugehörigen Gasvolumendurchfluss umgerechnet werden. Bei dieser Variante kann der Druckgeber 3 einen konstanten Druck p1 bereit stellen.
Die Regelung des Volumenstroms durch das System 1 auf den Sollvolumenstrom erfolgt hier, indem der Gasdruck p_G am Ausgang der Vorrichtung 11 über eine die Höhe des vom Druckgeber 3 generierten Drucks p1 berücksichtigende Regelung des Durchflusses auf den entsprechenden Sollwert geregelt wird, bei dem sich der Sollvolumenstrom durch das System 1 einstellt. Dabei wird die Leitung 5 auch hier zur Erzielung kurzer Regelzeiten erfindungsgemäß zur raschen Nachführung des Gasdrucks p_G kurzzeitig mit dem dem jeweiligen Sollwert entsprechenden Hilfsdruck p2 beaufschlagt. Der entsprechende Hilfsdruck p2 wird auch hier durch die Regeleinrichtung 25 vorgegeben. Er kann analog zu dem vorherigen Beispiel als Summe aus dem jeweiligen vom Druckgeber 3 generierten Druck p1 und einem Solldruckabfall, der über dem Durchflussregler abfällt, wenn durch das System 1 der Sollvolumenstrom fließt, berechnet werden. Der Solldruckabfall ist hierzu vorzugsweise als Funktion des Sollvolumenstroms in Form einer durchflussregler-spezifischen Tabelle, Formel oder Kennlinie in der Vorrichtung abgelegt.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen. Vorrichtung. Auch hier ist eine Vorrichtung 11' zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks p_G vorgesehen, die die Flüssigkeit in dem daran angeschlossenen System 1 über die mit Gas gefüllte Leitung 5 mit dem Gasdruck p_G beaufschlagt. Die Vorrichtung 11' umfasst auch hier den Druckgeber 3 zur Erzeugung des Drucks p1 einstellbarer Höhe und den dem Druckgeber 3 nachgeschalteten Strömungswiderstand R, an den die Leitung 5 angeschlossen ist. Das System 1 ist auch hier eingangsseitig mit dem Gasdruck p_G und ausgangsseitig mit dem Referenzdruck p_R beaufschlagt, der niedriger als der Gasdruck p_G ist. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Variante ist in der Vorrichtung 11' eine zusätzliche, parallel zu dem Strömungswiderstand R, der Leitung 5 und dem daran angeschlossenen System 1 verlaufende, Druck übertragende Leitungsbrücke 33 vorgesehen, an der eingangsseitig der vom Druckgeber 3 generierte Druck p1 und ausgangsseitig der Referenzdruck p_R anliegt. In der Leitungsbrücke 33 sind zwei in Serie angeordnete zusätzliche Strömungswiderstände R_R, R_S angeordnet. Die Leitungsbrücke 33 kann über ihre gesamte Länge als reine Gasleitung ausgebildet sein.
Der in der Leitungsbrücke 33 parallel zu dem Strömungswiderstand R angeordnete zusätzliche Strömungswiderstand R_R weist einen Widerstandswert auf, der vorzugsweise dem Widerstandswert des Strömungswiderstands R entspricht. Der in der Leitungsbrücke 33 parallel zu dem System 1 angeordnete zusätzliche Strömungswiderstand R_S weist einen Widerstandswert auf, der einem Referenzwert für den Strömungswiderstand des Systems 1 entspricht. Als Referenzwert eignet sich beispielsweise ein Mittelwert für den Strömungswiderstands des Systems 1.
Auch hier ist eine Messeinrichtung 23' vorgesehen, die den im System 1 durch den Gasdrucks p_G bewirkten Volumenstrom der Flüssigkeit indirekt anhand des durch die Vorrichtung 11' bzw. die Leitung 5 strömenden Gases erfasst. Die Messeinrichtung 23' weist hierzu eine Vorrichtung 35 zur Messung einer Druckdifferenz Δp' zwischen dem Gasdruck p_G und einem in der Leitungsbrücke 33 zwischen den beiden zusätzlichen Strömungswiderständen R_R, R_S herrschenden Bezugsdruck p2' auf. Hierzu eignet sich z. B. ein Differenzdruckmessgerät. Der Strömungswiderstand R, die beiden zusätzlichen Strömungswiderstände R_R, R_S und der unbekannte und darüber hinaus zeitlich veränderliche Strömungswiderstand des Systems 1 bilden eine Widerstandsbrücke. Entsprechend kann anhand der durch die gemessene Druckdifferenz Δp' gemessenen Verstimmung der Widerstandsbrücke, bei bekannten Widerstandswerten der Strömungswiderstände R, R_S und R_R, bekanntem Druck p1 und bekanntem Referenzdruck p_R der unbekannte Strömungswiderstand des Systems 1 und damit auch der Volumenstrom durch das System 1 berechnet werden. Diese Berechnung wird beispielsweise von der Messeinrichtung 23' ausgeführt und deren Ergebnis der Regeleinrichtung 25 zugeführt. Letztere stellt dann, wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, den Gasdruck p_G über eine entsprechende Regelung des vom Druckgeber 3 generierten Drucks p1 auf den Sollwert ein, der eine Regelung des Volumenstroms durch das System 1 auf den Sollvolumenstrom bewirkt, und gibt dem Hilfsdruckgeber 27 den Sollwert vor mit dem dieser die Leitung 5, wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, zur beschleunigten Nachführung des Gasdrucks p_G kurzzeitig beaufschlagt. Damit sich aus der Regelung des Gasdrucks p_G ergebende Änderungen des über den Druckgeber 3 generierten Drucks p1 möglichst schnell auf den Bezugsdruck p2' auswirken, weist die Leitungsbrücke 33 vorzugsweise ein geringes Leitungsvolumen auf.
Diese Variante bietet gegenüber der in 2 dargestellten Ausführungsform den Vorteil, dass die zu messende Druckdifferenz Δp' in der Regel wesentlich kleiner ist, als der Druckabfall über den Strömungswiderstand R. Entsprechend können hier Differenzdruckmessgeräte mit einem deutlich geringeren Messbereich eingesetzt werden, die mit einer deutlich höheren Auflösung erhältlich sind. Über die höhere Auflösung ergibt sich eine höhere Messgenauigkeit und damit eine entsprechend höhere Regelgenauigkeit für den Sollvolumenstrom.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Schwankungen des vom Druckgeber 3 generierten Drucks p1 sich in ähnlicher Weise auf den Gasdruck p_G wie auch auf den Bezugsdruck p2' auswirken, und sich damit bei der Messung des Differenzdrucks Δp' gegenseitig aufheben.
Demgegenüber führen Schwankungen des vom Druckgeber 3 generierten Drucks p1 bei der in 2 dargestellten Variante zu einem entsprechend größeren Messfehler der Messung des Druckabfalls Δp über den Strömungswiderstand R, der nicht ohne weiteres kompensierbar ist.
Neben der eigentlichen Regelung des Volumenstroms können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zusätzlich auch dazu eingesetzt werden, ein insgesamt oder in einem vorgegebenen Zeitraum vom System 1 ausgegebenes Flüssigkeitsvolumen zu erfassen, bzw. die Ausgabe eines vorgegebenen Flüssigkeitsvolumens zu bewirken. Hierzu wird beispielsweise in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine an die Vorrichtung 7 zur Messung des Druckabfalls Δp angeschlossene elektronische Einheit 37 vorgesehen. Der gemessene momentane Druckabfall Δp ist proportional zu dem momentan durch das System 1 fließenden Volumenstrom. Entsprechend bestimmt die Einheit 37 anhand des gemessenen Druckabfalls Δp den zugehörigen Volumenstrom.
Analog kann eine entsprechende elektronische Einheit 37 in dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel an die Vorrichtung 35 zur Messung der Druckdifferenz Δp' angeschlossen werden, und anhand der gemessenen Druckdifferenz Δp', des Strömungswiderstands R, der beiden zusätzlichen Strömungswiderständen R_R, R_S _, des vom Druckgeber 3 generierten Drucks p1 und des Referenzdrucks p_R wie oben beschrieben den Volumenstrom durch das System 1 berechnen.
Es wird anhand der über die jeweiligen Messeinrichtung 23, 23' indirekt erfassten Volumenströme über eine einfache Integration oder Summation der Volumenströme über die Zeit über einen wählbaren Zeitraum, das in diesem Zeitraum insgesamt ausgetretene Flüssigkeitsvolumen berechnet. Bei der in 2 dargestellten Variante kann natürlich auch umgekehrt eine Integration oder Summation des Druckabfalls Δp über die Zeit vorgenommen werden, und das Integral in das entsprechende Flüssigkeitsvolumen umgerechnet werden.
Zur Ausgabe eines vorgegebenen Flüssigkeitsvolumens wird die Einheit 37 zusätzlich an die Regeleinrichtung 25 angeschlossen, die nun ausgelöst durch die Einheit 37 die Ausgabe von Flüssigkeit beendet, sobald das vorgegebene Flüssigkeitsvolumen erreicht wird. Dies geschieht vorzugsweise in dem Regeleinrichtung 25 die Druckbeaufschlagung des Systems 1 mit dem Gasdruck p_G unterbricht. Hierzu kann der Druck p1 auf den Referenzdruck p_R reduziert werden, oder die Leitung 5 ausgangsseitig über ein hier nicht dargestelltes durch die Regeleinrichtung 25 steuerbares Ventil verschlossen werden. Bei dem in 4 dargestellten System 1 kann die Ausgabe von Flüssigkeit nach dem Erreichen des vorgegebenen Flüssigkeitsvolumens auch über ein entsprechende Steuerung der 3/2 Wege Ventile V1, V2, V3, V4 bewirkt werden.
Bezugszeichenliste

1: System
3: erster Druckgeber
5: Leitung
7: Vorrichtung zur Messung des Druckabfalls
9: Regeleinrichtung
11: pneumatische Einheit
13: Flüssigkeitsspeicher
15: Abtrennung
17: Anschluss
19: Auslass
21: Zielbehältnis
23: Messeinrichtung
25: Regeleinrichtung
27: Hilfsdruckgeber
29: Anschlussleitung
31: steuerbares Ventil
33: Leitungsbrücke
35: Vorrichtung zur Messung der Druckdifferenz
37: elektronische Einheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/147786 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Regelung eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System (1) auf einen Sollvolumenstrom, mit – einer Vorrichtung (11, 11') zur Erzeugung eines geregelten Gasdrucks (p_G), und – einer die Vorrichtung (11, 11') zur Erzeugung des Gasdrucks (p_G) mit dem System (1) verbindenden, mit Gas gefüllten Leitung (5), über die die Flüssigkeit in dem System (1) mit dem Gasdruck (p_G) beaufschlagt ist, bei der die Vorrichtung (11, 11') zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks (p_G) – eine Messeinrichtung (23, 23') umfasst, – die den im System (1) durch den Gasdruck (p_G) bewirkten Volumenstrom der Flüssigkeit indirekt anhand des durch die Vorrichtung (11, 11') oder die Leitung (5) strömenden Gases erfasst, – eine Regeleinrichtung (25) umfasst, die den Gasdruck (p_G) anhand des indirekt gemessenen Volumenstroms auf einen Sollwert regelt, der eine Regelung des Volumenstroms durch das System (1) auf den Sollvolumenstrom bewirkt, und – einem Hilfsdruckgeber (27) zur Erzeugung eines Hilfsdrucks (p2) einer über die Regeleinrichtung (25) einstellbaren Höhe umfasst, über den die Leitung (5) zwischen der Vorrichtung (11, 11') zur Erzeugung des Gasdrucks (p_G) und dem System (1) zur Nachführung des Gasdrucks (p_G) zeitweise mit einem dem Sollwert entsprechenden Hilfsdruck (p2) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – die Vorrichtung (11) zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks (p_G) einen Druckgeber (3) zur Erzeugung eines Drucks (p1) einstellbarer Höhe und einen dem Druckgeber nachgeschalteten Strömungswiderstand (R) umfasst, – die Messeinrichtung (23) eine Vorrichtung (7) zur Messung eines über den Strömungswiderstand (R) bestehenden, von einem durch den Volumenstrom verursachten Gasdurchfluss abhängigen Druckabfalls (Δp) umfasst, und – der dem Sollwert entsprechende Hilfsdruck (p2) der Hilfsdruck (p2) ist, bei dem eine Druckdifferenz zwischen dem vom Druckgeber (3) erzeugten Druck (p1) und dem Hilfsdruck (p2) gleich einem bei Erreichung des Sollvolumenstroms vorliegenden Solldruckabfall über den Strömungswiderstand (R) ist, und – die Regeleinrichtung (25) die Höhe des vom Druckgeber (3) erzeugten Drucks (p1) anhand der im Anschluss an die Nachführungen des Gasdrucks (p_G) gemessenen Druckabfälle (Δp) auf einen Wert regelt, bei dem der gemessene Druckabfall (Δp) gleich dem Solldruckabfall ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung (11) zur zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks (p_G) einen Druckgeber (3) zur Erzeugung eines Drucks (p1) einstellbarer Höhe und ein dem Druckgeber (3) nachgeschaltetes Durchflussmessgerät zur Messung eines durch die Leitung (5) fließenden Durchflusses umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung (11) zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks (p_G) einen Druckgeber (3) zur Erzeugung eines Drucks (p1) und einen dem Druckgeber (3) nachgeschalteten Durchflussregler umfasst, der einen Durchfluss durch die Leitung (5) auf einen vorgegebenen Solldurchfluss regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – die Vorrichtung (11') zur Erzeugung des geregelten Gasdrucks (p_G) einen Druckgeber (3) zur Erzeugung eines Drucks (p1) einstellbarer Höhe und einen dem Druckgeber nachgeschalteten Strömungswiderstand (R) umfasst, – das eingangsseitig mit dem Gasdruck (p_G) beaufschlagte System (1) ausgangsseitig mit einem Referenzdruck (p_R) beaufschlagt ist, der niedriger als der Gasdruck (p_G) ist, – eine parallel zu dem Strömungswiderstand (R), der Leitung (5) und dem daran angeschlossenen System (1) verlaufende, Druck übertragende Leitungsbrücke (33) vorgesehen ist, – an der eingangsseitig der vom Druckgeber (3) erzeugte Druck (p1) anliegt, – an der ausgangsseitig der Referenzdruck (p_R) anliegt, – in der zwei in Serie angeordnete zusätzliche Strömungswiderstände (R_R, R_S) angeordnet sind, und – die Messeinrichtung (23') – eine Vorrichtung (35) zur Messung einer Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck (p_G) und einem in der Leitungsbrücke (33) zwischen den beiden zusätzlichen Strömungswiderständen (R_R, R_S) herrschenden Bezugsdruck (p2') umfasst, und – den anhand dieser Druckdifferenz (Δp'), des vom Druckgeber (3) erzeugten Drucks (p1), des Referenzdrucks (P_R) und der Widerstandswerte des Strömungswiderstands (R) und der beiden zusätzlichen Strömungswiderstände (R_R, R_S) den Volumenstrom durch das System (1) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei dem – der in der Leitungsbrücke (33) parallel zu dem Strömungswiderstand (R) angeordnete zusätzliche Strömungswiderstand (R_R) einen Widerstandswert aufweist, der in seiner Größenordnung dem Widerstandswert des Strömungswiderstands (R) entspricht, und – der in der Leitungsbrücke (33) parallel zu dem System (1) angeordnete zusätzliche Strömungswiderstand (R_S) einen Widerstandswert aufweist, der einem Referenzwert für den Strömungswiderstand des Systems (1) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem eine an die Messeinrichtung (23, 23') angeschlossene elektronische Einheit (37) vorgesehen ist, die anhand der über einen Zeitraum indirekt gemessenen Volumenströme durch Integration oder Summation der Volumenströme über die Zeit das insgesamt in diesem Zeitraum durch das System (1) geflossene Flüssigkeitsvolumen bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei dem die elektronische Einheit (37) die Druckbeaufschlagung des Systems (1) mit dem Gasdruck (p_G) unterbricht, wenn das insgesamt durch das System (1) geflossene Flüssigkeitsvolumen einen vorgegebenen Wert erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das System (1) einen oder mehrere parallel zueinander angeordnete Behälter (B), insb. Vorrats oder Abfallbehälter, aufweist, die jeweils einen kanalförmigen Flüssigkeitsspeicher (13) umfassen, der eingangsseitig mit dem Gasdruck (p_G) beaufschlagt und ausgangsseitig mit dem Referenzdruck (p_R) beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das System (1) mehrere parallel zueinander verlaufende Strömungspfade aufweist, und eine Zusammensetzung des insgesamt fließenden Flüssigkeitsstroms aus in den einzelnen Strömungspfaden fließenden Teilströmen über eingangs- und/oder ausgangsseitig in die einzelnen Strömungspfade eingesetzte steuerbare Ventile (V, V1, V2, V3, V4) vorgebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das System (1) eine Analyseeinrichtung ist, – die einen oder mehrere parallel zu einander angeordnete flüssigkeitsgefüllte Komponentenbehälter (K1, K2) aufweist, – an denen eingangsseitig jeweils über ein steuerbares Ventil (V1, V2) der Gasdruck (p_G) oder der Referenzdruck (P_R) anliegt, und – die ausgangsseitig in einer mit mindestens einem Sensor (S) ausgestatteten Messkammer (M) münden, und – die einen oder mehrere parallel zueinander angeordnete Abfallbehälter (A1, A2) aufweist, – die eingangsseitig jeweils an einen Anschluss der Messkammer (M) angeschlossen sind, und – an denen ausgangsseitig jeweils über ein steuerbares Ventil (V3, V4) der Gasdruck (p_G) oder der Referenzdruck (p_R) anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Sollvolumenstrom weniger 1000 μL/min, insb. weniger als 150 μL/min beträgt.
Verfahren zur Regelung eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch ein die Flüssigkeit enthaltendes System (1) auf einen Sollvolumenstrom, bei dem – die Flüssigkeit im System (1) über eine daran angeschlossene, mit Gas gefüllte Leitung (5) mit einem, den Volumenstrom bewirkenden, ausgangsseitig in der Leitung (5) herrschenden Gasdruck (p_G) beaufschlagt wird, – die Leitung (5) eingangsseitig mit einem Druck (p1) einstellbarer Höhe beaufschlagt wird, – ein von einem durch den Volumenstrom verursachten Gasdurchfluss durch die Leitung (5) abhängiger Druckabfall (Δp) über einen in die Leitung (5) eingesetzten Strömungswiderstand (R) gemessen wird, und – der Druckabfall (Δp) durch eine Regelung des Drucks (p1) auf einen Solldruckabfall geregelt wird, der über den Strömungswiderstand (R) abfällt, wenn der Volumenstrom durch das System (1) gleich dem Sollvolumenstrom ist, indem Regelvorgänge ausgeführt werden, bei denen – die Leitung (5) zwischen dem Strömungswiderstand (R) und dem System (1) jeweils kurzzeitig mit einem Hilfsdruck (p2) beaufschlagt wird, der gleich dem um den Solldruckabfall reduzierten ersten Druck (p1) ist, – nach Beendigung dieser Druckbeaufschlagung der Druckabfall (Δp) über den Strömungswiderstand (R) gemessen wird, und – der Druck (p1) erhöht wird, wenn der nach der Druckbeaufschlagung gemessene Druckabfall (Δp) kleiner als der Solldruckabfall ist, und reduziert wird, wenn der nach der Druckbeaufschlagung gemessene Druckabfall (Δp) größer als der Solldruckabfall ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem – im Anschluss an jede Druckbeaufschlagung ein zeitlicher Verlauf des im Anschluss an die jeweilige Druckbeaufschlagung gemessenen Druckabfalls (Δp) gemessen wird, und – ein Betrag um den der erste Druck (p1) nachzuführen ist, anhand einer Steigung des zeitlichen Verlaufs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem – den gemessenen Druckabfällen (Δp) die zugehörigen bei diesen Druckabfällen (Δp) durch das System (1) fließenden Volumenströme zugeordnet werden, und – anhand der über einen Zeitraum gemessenen Druckabfälle (Δp) durch Integration oder Summation dieser Druckabfälle (Δp) oder durch Integration der zugehörigen Volumenströme über die Zeit das insgesamt in diesem Zeitraum durch das System (1) geflossene Flüssigkeitsvolumen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Vorrichtung (11) ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen ausgibt, indem die Druckbeaufschlagung des Systems (1) mit dem Gasdruck (p_G) unterbrochen wird, sobald das insgesamt durch das System (1) geflossene Flüssigkeitsvolumen das vorgegebene Flüssigkeitsvolumen erreicht.