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Die Erfindung betrifft einen Gasmischer mit mindestens zwei Massendurchflussreglern, die den Gasmassendurchsatz einer dem entsprechenden Massendurchflussregler zugeordneten Gasleitung steuern können, und einer Steuerung, welche mit den Massendurchflussreglern verbunden ist, um den Gasmassendurchsatz durch jede der Gasleitungen zu regeln und damit eine gewünschte Gasmischung einzustellen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung eines Gasmischers, bei dem auf der Basis eines Sollwerts für das Mischungsverhältnis ein Sollwert für den Gasmassendurchfluss für mehrere Massendurchflussregler vorgegeben wird, die jeweils einer Gasleitung zugeordnet sind, durch die eine Komponente des zu erhaltenden Gasgemischs strömt.
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Mit einem solchen Gasmischer kann recht zuverlässig eine gewünschte Gasmischung erhalten werden, indem der Massendurchsatz für jede einzelne Komponente des Gasgemischs auf den nötigen Wert geregelt wird. Wenn der Gasmischer kontinuierlich betrieben wird, lässt sich damit das Gasgemisch mit einer recht hohen Genauigkeit erhalten, wobei diese Genauigkeit von der Regelgenauigkeit der Massendurchflussregler sowie eventuellen Messtoleranzen abhängt.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei dynamischen Prozessen, bei denen der Gasmischer nur vergleichsweise kleine Volumina des Gasgemischs bereitstellen muss und er daher nach einer kurzen Betriebsdauer wieder abgeschaltet wird, die Abweichungen in der Zusammensetzung des Gasgemischs größere Abweichungen vom Sollwert zeigen, als dies zu erwarten war.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gasmischer der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass ein vorgegebenes Mischungsverhältnis von zwei oder mehr Komponenten eines Gasgemischs möglichst präzise auch bei dynamischen Prozessen eingehalten wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist er erfindungsgemäß bei einem Gasmischer der eingangs genannten Art vorgesehen, dass jedem Massendurchflussregler ein Volumenzähler zugeordnet ist und der Steuerung ein Volumensignal für jede Gasleitung zur Verfügung gestellt wird. Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehen, dass bei der Bestimmung der Sollwerte für den Gasmassendurchfluss das Verhältnis der bisher durch den Massendurchflussregler geströmten Volumina der zu mischenden Gase berücksichtigt wird.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für die Abweichungen zwischen Soll- und Istwert der Zusammensetzung des zu erhaltenden Gasgemischs Unterschiede im Einschwingverhalten der Massendurchflussregler verantwortlich sind. Diese führen dazu, dass in einer Anfangsphase der Regelung eine mitunter merkliche Abweichung des tatsächlichen Massendurchflusses vom erwarteten Massendurchfluss auftritt. Über eine längere Betriebszeit fallen die daraus resultierenden Differenzen zwischen der theoretischen Menge einer Komponente des Gasgemischs und der tatsächlich vorhandenen nicht so stark ins Gewicht. Bei dynamischen Prozessen allerdings, bei denen die Einschwingzeit des Reglers einen signifikanten Teil der gesamten Betriebsphase des Reglers einnimmt, sind die Abweichungen jedoch unter Umständen durchaus bemerkbar. Dem wird erfindungsgemäß dadurch gegengesteuert, dass eine zweite Regelgröße eingeführt wird, nämlich der absolute Massendurchfluss (oder auch Volumendurchfluss) seit Beginn der entsprechenden Regelphase. Vereinfacht ausgedrückt wird auf diese Weise der Massendurchsatz durch den Massendurchflussregler während einer sich an die Einschwingphase des Reglers anschließenden Betriebsphase so korrigiert, dass Abweichungen während der Einschwingphase kompensiert werden.
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Bei der Messung von Gasmengen unterscheidet man zwischen deren Volumen und Masse. Da die Gasmenge in einem Volumen von Druck und Temperatur des Gases abhängt, hängt es von der Anwendung ab, welche Angabe entscheidend ist. Mengenangaben normiert man daher oft auf Standardbedingungen z. B. 0°C/1013 mbar und spricht bei Volumeneinheiten dann von Standard-Litern oder Norm-Litern. In diesem Sinne kann man auch die Masse des Gases in ein (Norm-)Volumen umrechnen. Daher wird im Folgenden der begriff ”Masse” und (Norm-)”Volumen” synonym verwendet.
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Die erfindungsgemäße Betriebsweise des erfindungsgemäßen Gasmischers kann anhand eines vereinfachten Beispiels verdeutlicht werden: Es sei angenommen, dass ein Gasgemisch aus zwei Komponenten bereitgestellt werden soll, wobei die beiden Komponenten denselben Anteil haben. Nach Start des Gasmischers versuchen die beiden Massendurchflussregler, einen ihnen vorgegebenen Sollwert möglichst schnell zu erreichen. In diesem einfachen Beispiel sind die beiden Sollwerte für die beiden Massendurchflussregler identisch. Erfindungsgemäß wird parallel der Gesamtmassenstrom durch jede der Gasleitungen aufsummiert. Wenn die Steuerung feststellt, dass der Massenfluss durch eine der Gasleitungen vom Gesamtmassenfluss durch die andere Gasleitung abweicht, wird der Sollwert für den Massenfluss entweder bei einem der Massendurchflussregler oder gleichzeitig bei beiden so korrigiert, dass die Unterschiede ausgeglichen werden. So kann beispielsweise der Massenfluss durch die Gasleitung, durch die ein geringeres Volumen geströmt ist, zeitweilig erhöht werden, oder der Massenfluss durch die andere Gasleitung kann gedrosselt werden. Es ist auch möglich, beide Maßnahmen gleichzeitig zu ergreifen, um die unterschiedlichen Massenströme schneller auszugleichen und dadurch schneller das gewünschte Gasgemisch einzustellen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Volumenzähler in den Massendurchflussregler integriert. Auf diese Weise kann der Massendurchflussregler der Steuerung neben einem Signal über den aktuellen Durchfluss auch ein Signal über das ab einem gewissen Zeitpunkt durchgeströmte Volumen liefern.
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Alternativ kann der Volumenzähler in die Steuerung integriert sein. Dies ermöglicht, unverändert Massendurchflussregler zu verwenden, die lediglich ein Signal über den Massendurchfluss bzw. Volumenstrom liefern. Auf der Basis dieses Signals kann dann der Gesamtdurchsatz aufintegriert werden.
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Gemäß einer Variante ist vorgesehen, dass die Sollwerte im Anschluss an eine Einschwingphase modifiziert werden. Bei dieser Ausgestaltung wird, wenn die Massendurchflussregler sich in einem eingeschwungenen Zustand befinden, überprüft, welche Unterschiede zwischen Soll- und Istwert des Gesamtmassenstroms der einzelnen Komponenten des Gasgemischs sich während der Einschwingphase eingestellt haben. Diese Unterschiede werden dann durch die geeignete Korrektur der Sollwerte für die jeweiligen Komponenten anschließend ausgeglichen.
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Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, die Sollwerte in einer Ausschaltphase zu modifizieren. Bei dieser Ausgestaltung werden die Massenströme, die ab einer Entscheidung zum Ausschalten des Gasmischers von den einzelnen Massendurchflussreglern noch „durchgelassen” werden, so bemessen, dass schließlich die einzelnen Komponenten des Gasgemischs in möglichst exakt der Menge durch den Gasmischers geströmt sind, dass das gewünschte Mischungsverhältnis erreicht wird. Diese Ausgestaltung setzt voraus, dass sich bis zum Beginn der Kompensation nur Volumenunterschiede eingestellt haben, die während der Ausschaltphase des Gasmischers auch sinnvoll ausgeglichen werden können.
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In jedem Fall findet eine Korrektur automatisch und kontinuierlich statt, da beim Betrieb des Reglers der Volumenzähler grundsätzlich läuft und ebenso die Korrektur der Sollwerte. Der Korrektur-Effekt ist jedoch ausgeprägter erkennbar nach jeder Änderung von Sollwerten und Gesamtdurchflüssen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
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1 schematisch einen erfindungsgemäßen Gasmischers;
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2 schematisch einen beim Gasmischer von 1 verwendeten Massendurchflussregler;
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3 schematisch die beim Massendurchflussregler von 1 verwendete Steuerung;
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4 schematisch ein erstes Diagramm, das schematisch den Betrieb eines Gasmischers nach dem Stand der Technik im typischen statischen Betrieb mit konstantem Sollwert zeigt;
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5 ein zweites Diagramm, das schematisch den Betrieb eines Gasmischers aus dem Stand der Technik im typischen Intervallbetrieb zeigt; und
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6 ein drittes Diagramm, das schematisch den Betrieb eines erfindungsgemäßen Gasmischers zeigt.
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In 1 ist schematisch ein Gasmischer gezeigt, der einen ersten Massendurchflussregler 1, einen zweiten Massendurchflussregler 2 und eine Steuerung 3 aufweist. Der ersten Massendurchflussregler 1 ist einer ersten Gasleitung 4 zugeordnet, und der zweite Massendurchflussregler 2 ist einer Gasleitung 5 zugeordnet. Durch die beiden Gasleitungen 4, 5 strömen unterschiedliche Gase, die zusammen ein Gasgemisch 6 ergeben. Die Zusammensetzung des Gasgemischs hängt dabei von den Massenanteilen der beiden Komponenten ab, die durch die Gasleitungen 4, 5 strömen.
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Jeder der Massendurchflussregler 1, 2 weist einen Durchflussregler 10 auf, der Signale eines Durchflusssensors 12 empfängt und auf ein Regelventil 14 einwirkt. Das Signal des Durchflusssensors 12 wird auch zu einem Volumenzähler 16 übertragen.
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Obwohl an dieser Stelle etwas unscharf von einem „Volumenzähler” gesprochen wird, ist klar, dass letztendlich Gasmassenströme miteinander verglichen werden. Unter der Annahme, dass die beiden zu mischenden Gase denselben Druck und dieselbe Temperatur haben, können auch Volumina gemischt bzw. ins Verhältnis gesetzt werden. Bei Messung eines normierten Volumens ist eine korrekte Mischung unabhängig von Druck und Temperatur.
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Der Massendurchflussregler stellt der Steuerung 3 ein Volumensignal V sowie ein Istsignal I für den gemessenen Durchfluss. Von der Steuerung empfängt er einen Sollwert S für den Durchfluss.
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Die Steuerung 3 (siehe 3) empfängt von den Massendurchflussreglern 1, 2 die Signale V und I und sendet an den Durchflussregler 10 den entsprechenden Sollwert. Die Istwerte des Massendurchflusses werden von einer Baugruppe 20 zur Berechnung des durchflussbezogenen Mischungsverhältnisses zur Verfügung gestellt. Die Werte des Volumenzählers werden einer Baugruppe 22 zur Berechnung des volumenbezogenen Mischungsverhältnisses zur Verfügung gestellt. Dieser steht mit einer Baugruppe 24 zur Berechnung eines Korrekturwertes in Verbindung, die zusätzlich den Sollwert S für das Mischungsverhältnis empfängt. Die Baugruppe 24 berechnet einen Korrekturwert, der einer Baugruppe 26 für die Berechnung des Sollwertes für den Durchfluss des Massendurchflussreglers 1 zur Verfügung gestellt wird, und einen Korrekturwert, der einer Baugruppe 28 für die Berechnung des Sollwertes für den Durchfluss des Massendurchflussreglers 2 zur Verfügung gestellt wird. Diesen wird dann der entsprechende Sollwert S1 bzw. S2 übermittelt.
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In 4 ist der Verlauf eines Sollwerts des Mischungsverhältnisses sowie der tatsächliche Massenstrom oder Durchfluss, normiert auf 100%, aufgetragen. Es ist zu sehe, dass nach einer gewissen Einschwingzeit der Sollwert für die beiden Komponenten recht zuverlässig eingehalten wird.
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In 5 sind die Gasdurchsätze für einen dynamischen Betrieb eines Gasmischers gezeigt, also für Betriebsphasen, die relativ kurz sind und bei denen der Einschwingvorgang der Massendurchflussregler einen erheblichen Teil der Gesamtbetriebsdauer ausmacht. Es ist hier zu ersehen, dass der Durchsatz in der Gasleitung 4, welcher der Massendurchflussregler 1 zugeordnet ist, sehr viel schneller dem Sollwert zustrebt, als dies für den Massendurchflussregler 2 der Gasleitung 5 der Fall ist. Hieraus ergibt sich eine Differenz im Gesamtmassendurchsatz der Komponenten des Gasgemischs, gemessen vom Start der jeweiligen Betriebsphase (hier Zeitpunkt T0 und einem Zeitpunkt, zu dem auch der zweite Massendurchsatz den Sollwert erreicht (hier Zeitpunkt T1). Das ergebende Differenzvolumen ΔV ist schraffiert eingezeichnet.
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Auch beim Abschalten ergibt sich ein Differenzvolumen ΔV, da der Massendurchflussregler 2 ”langsamer” ist als der Massendurchflussregler 1 und daher der Massendurchsatz langsamer dem Sollwert zustrebt. Dadurch kann der Massendurchflussregler 2 einen Teil des Differenzvolumens ΔV, das er beim Einschalten ”verloren” hat, wieder aufholen. Dies ist jedoch ein zufälliger und nicht kontrollierter Vorgang.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der Basis der in der Steuerung 3 festgestellten Differenz der absoluten Durchsätze (sei es massenbezogen oder volumenbezogen) der Korrekturwert bestimmt wird, mit dem im weiteren Betrieb des Gasmischers diese Differenz ausgeglichen wird, um insgesamt möglichst präzise das vorgegebene Gasgemisch zu erhalten.
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Würde der Gasmischer über eine längere Zeit konstant betrieben, könnte der Korrekturwert so umgesetzt werden, dass der Massendurchflussregler für die Gaskomponente 2 über einen bestimmten Zeitraum einen größeren Durchsatz zulässt, sodass letztendlich dieselbe Gasmenge für das Gasgemisch beigesteuert wird.
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In 6 ist ein Diagramm gezeigt, welches den Betrieb des erfindungsgemäßen Massendurchflussreglers zeigt. Auf der Basis der Signale der Volumenzähler erkennt die Steuerung 3, dass der Volumendurchsatz des Massendurchflussreglers 2 geringer ist als der derjenige des Massendurchflussreglers 1. Daher wird ein Korrekturwert errechnet, so dass der Sollwert für den Massendurchflussregler 2 angehoben und derjenige für den Massendurchflussregler 1 abgesenkt wird (siehe den Zeitraum ab t = 10 sec.). Dadurch werden die Differenzvolumina ΔV ausgeglichen.
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Dasselbe passiert beim Abschalten. Auf der Basis der Signale der Volumenzähler greift die Steuerung ab einem bestimmten Punkt ein und erzwingt ein ”Nachlaufen” des Massendurchflussreglers 1 (sieh den Knick in der Kurve bei t = 23 sec.), so dass auch hier die Differenzvolumina ΔV ausgeglichen werden.
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Obwohl als Ausführungsbeispiel ein Gasmischer mit zwei Massendurchflussreglern beschrieben ist, der ein Gasgemisch aus zwei Bestandteilen mischt, ist offensichtlich, dass auch mehr als zwei Massendurchflussregler verwendet werden können, um ein Gasgemisch aus mehr als zwei Komponenten herzustellen.
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Die hier beschriebene Steuerung 3 ist in der Regel in die Steuerung einer Maschine eingebunden und enthält ihre Sollwerte von dieser. Diese Vorgabe erfolgt über digitale Signale via Feldbus, beispielsweise CAN-Bus oder Feldbus. Alternativ können analoge Eingangssignale verwendet werden. Es ist auch möglich, die Vorgaben direkt an der Steuerung einzustellen, beispielsweise über eine Bedienschnittstelle wie eine Tastatur oder ein Touch-Display.
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Die Kommunikation zwischen der Steuerung 3 und den Massendurchflussreglern 1, 2 erfolgt über digitale Signale (beispielsweise RS232 oder RS485 oder auch CAN-Bus). Die Steuerung 3 beinhaltet dabei mehrere Funktionen: zum einen die Signalumsetzung auf Sollwerte für die einzelnen Massendurchflussregler. Diese werden dann von den Massendurchflussreglern autark geregelt. Weiterhin erfolgt eine kontinuierliche Überwachung der Durchflüsse und Volumina, die durch die Massendurchflussregler fließen, sowie ein Vergleich mit den gewünschten Sollwerten. Bei Abweichungen der Volumina werden schließlich die internen Sollwerte an die Massendurchflussregler korrigiert, um die gewünschten Mischungsverhältnisse zu erhalten.
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Der beschriebene Gasmischer ist besonders geeignet für alle Anwendungen, bei denen eine korrekte Volumenbilanzierung wichtig ist. Besondere Vorteile hat er jedoch bei Prozessen, die sehr hohe Anforderungen stellen, beispielsweise wenn stoßweise ein Gasgemisch benötigt wird. Beispiele hierfür sind Schutzgasverpackungen von Lebensmitteln, die innerhalb kurzer Zeit mit einem Gasgemisch gefüllt werden. Bei diesen Anwendungen muss auch ein auf das Gasvolumen bezogenes Mischungsverhältnis geregelt werden.
