DE2831856B2

DE2831856B2 - Anordnung zum elektrisch gesteuerten Dosieren und Mischen von Gasen

Info

Publication number: DE2831856B2
Application number: DE2831856A
Authority: DE
Inventors: Scato 2407 Bad Schwartau Albarda; Ulrich Dr. 2067 Reinfeld Heim
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1978-07-20
Filing date: 1978-07-20
Publication date: 1981-07-02
Also published as: US4262686A; DK182679A; GB2026729B; SE7906222L; FR2431725B1; GB2026729A; DE2831856A1; CH639214A5; FR2431725A1; NL7903116A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum elektrischen Dosseren und Mischen von Gasen entsprechend dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Die Anordnung soll in der Industrie und auch in der j-> Medizin als Gasdosierer und -mischer überall dort eingesetzt werden, wo elektrische Steuersignale vorliegen. Die gewählte Verwendung von schnellen Ventilen ermöglicht zusammen mit der elektrischen Steuerung eine hohe: Bandbreite sowohl in bezug auf die Dosiermengen als auch auf die Mischungsverhältnisse.

In einer bekannten Vorrichtung zum selbsttätig gesteuerten Dosieren von zwei oder mehr Gasen in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis werden die zu mischenden Gase über getrennte Leitungen züge- γ, führt. Die Leitungen enthalten vor einer druckgesteuerten Ventilanordnung jeweils eine Drossel, durch die der Gasdurchsatz bestimmt wird. Die Mischungsverhältnisse können durch Austausch dieser Drosseln geändert werden. -,0

Die Ventilanordnungen werden über den Druck in einem den einzelnen Ventilanordnungen nachgeschaltetcn gemeinsamen Mischraum gesteuert. Die Drucksteuerung erfolgt über eine druckempfindliche Membran, die, gehalten in Dauermagneten, jeweils bei -,5 einem Druckminimum und Druckmaximum umsteuert.

Die Dosierungsmenge und auch das Mischungsverhältnis sind durch Auswechseln der Drosseln veränderbar. Dies kann also nur in Betriebspausen geschehen (DE-AS 22 24 588). ω

Eine bekannte Vorrichtung zur feinstufigen Sollwerteinstellung der Mischkomponenten bei einer digitalen Mischungsregelung besitzt zur Zählung der Taktgeberimpulse einen mehrstelligen Ringzähler mit einstellbaren, parallelliegenden Abgabegängen, die den Reglern (,<-, der Komponentenflüsse zugeordnet sind. Mit der voreingestellten Zahl eines Abgabeausganges ist der z. B. prozentuale Anteil der zugeordneten Komponente an dem Gesamtfluß festlegbar. Es wird also nur ein Ringzähler für beliebig viele Komponenten, deren Verhältnisse zueinander eingestellt werden, verwendet. Nach dem Ende des Zählzyklusses wird wieder von vorn begonnen.

Angenommen, es werde eine Mischung der Komponenten A, B und C gewünscht, deren Anteile 860%o, 21%o und 116%o betragen sollen. Dann werden die Wähhchaltgruppe zu A auf 860, zu B auf 21 und zu C auf 116 eingestellt Der Taktgeber liefert über den Ringzähler die Impulse für die Regelung der Komponentenflüsse.

Angenommen, der Taktgeber lieferte Impulse mit einer Folgefrequenz von 1000 kHz, dann werden nach dem Erreichen des 860. Impulses für die Regelung die restlichen zu vollen 1000 fehlenden Impulse unterdrückt; auf die gleiche Art arbeiten die Wählschaltgruppen zu B und C Die erneute Zulieferung von Impulsen an den Ringzähler für einen neuen Zählzyklus wird solange gesperrt, bis die Übertragung zu A, die die längste Zeit dazu beansprucht, beendet ist.

Nachteilig an dieser Vorrichtung zur Mischung ist die zwangsweise verschieden lange Pause in der Dosierung der Komponenten mit den geringeren Anteilen. Es wird damit für feinstufige Dosierungen ein Mischbehälter notwendig, der die Vorrichtung vergrößert und komplizierter macht (DE-AS 11 48 389).

Aufgabe der Erfindung ist ein Gasmischgerät, mit dem durch elektrische Ansteuerungen schnelle zeitliche Änderungen des Mischungsverhältnisses erreichbar sind. Das Gasmischgerät soll sich je nach Betriebsweise entweder dem gewünschten Gasverbrauch oder dem gewünschten Mischgasdruck gesteuert anpassen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den Kennzeichen der Ansprüche. Dazu wird eine spezielle Pulsmodulationstechnik für Gasimpulse angewandt Ausgangspunkte sind elektrisch ansteuerbare, schnelle Gasschaltventile, die zwischen den beiden definierten Stellungen »offen« und »geschlossen« arbeiten. In der Stellung »offen« strömt pro Zeiteinheit eine Gasmenge durch das Ventil, die im allgemeinsten Falle von dem absoluten Gasdruck vor und hinter dem Ventil abhängt und proportional zur engsten Querschnittsöffnung des Ventils ist. Bei Ansteuerung des Ventils mit einem hierzu rechteckförmigen Stromimpuls wird eine Gasmenge abgegeben, die der Dauer dieses Steuerimpulses proportional ist.

Zum Zwecke der Gasmischung ist eme der gewünschten Zahl der Gaskomponenten entsprechende Anzahl von derartigen Schaltventilen parallel angeordnet und wird simultan und/oder alternierend elektrisch angesteuert. Die erforderlichen Steuersignale werden vorzugsweise von einer Recheneinheit, z. B. von einem Mikroprozessor, geliefert. Jedes Ventil dosiert dabei eine der Gaskomponenten mittels einer Pulsmodulationstechnik, wobei die Zahl und Dauer der pro Zeiteinheit abgegebenen Gaspulse die Gasströmung durch jedes Ventil bestimmt.

Zur Erzielung definierter Strömungsmengen ist es dabei erforderlich, daß der Recheneinheit im allgemeinsten Falle die jeweils hinter und vor dem Ventil über Druckwandler gemessenen Gasdrücke eingegeben werden, damit die im Zustand »offen« strömenden Gasflüsse und damit die Höhe der Gaspulse berechnet werden können.

In der Praxis wird häufig der einfachere Fall vorliegen, daß das Verhältnis der beiden Drucke unter einem kritischen Wert liegt (z. B. 0,53 bei zweiatomigen

Gasen), so daß die Gasströmung durch das Ventil nur noch von dem Druck vor dem Ventil in linearer Weise abhängt Es genügt dann, die Verbindung der Recheneinheit mit den Druckwandlern vor den einzelnen Ventilen herzustellen, um die Pulsmodulation der -, verschiedenen Ventile so aufeinander abstimmen zu können, daß ein Gemisch bekannter konzentration und Strömungsstärke abgegeben wird. Falls vor jedem Ventil genaue Druckkonstanthaltevorrichtungen angeordnet sind, können die Druckwandler vor den ι ο Ventilen ganz entfallen.

Hinsichtlich der Pulsmodulation bestehen die grundsätzlichen Möglichkeiten, entweder die Breite der einzelnen Gaspulse oder die Zahl der Pulse pro Zeiteinheit zu variieren. Die Zahl der Pulse pro r> Zeiteinheit kann im Prinzip durch Variation einer periodischen Pulsfolgefrequenz beeinflußt werden. Nach der vorliegenden Erfindung wird in vorteilhafter Weise die Zahl der pro Zeiteinheit abgegebenen Pulse nicht durch Variation einer periodischen Pulsfolgefrequenz verändert, sondern durch Fortlassen einzelner Pulse aus einem fest vorgegebenen, allen Ventilen gemeinsamen Zeitraster, wobei diese Vorgehensweise noch kombiniert wird mit einer Pulsbreitenmodulation.

Das feste Zeitraster ist gegeben durch die maximal r> vorgesehene Pulsfolgefrequenz. Wenn weniger Pulse benötigt werden als dieser Maximalfrequenz entsprechen, werden einzelne oder mehrere Pulse ausgelassen, so daß in dem periodischen Pulsfolgemuster Lücken entstehen. Die Pulse einer zuzumischenden Gaskompo- j< > nente werden dann bevorzugt so ausgelöst, daß sie diese pulsfreien Lücken des Zeitrasters füllen.

Die Pulsbreiten der einzelnen Gaspulse können ausgehend von einer geringsten vorgegebenen Pulsbreite kontinuierlich oder in Vielfachen der Grundbreite r> gesteigert werden, bis die Periodendauer der maximal vorgesehenen Folgefrequenz erreicht ist. Bei dieser Pulsbreite und bei Belegung aller Rasterabschnitte mit einem Gaspuls wäre ein entsprechend angesteuertes Ventil praktisch permanent offen.

Die geeignete Kombination von Pulsbreiten- und Pulszahlmodulation gemäß den Ausführungsbeispielen erlaubt die Darstellung eines weiten dynamischen Bereiches variabler Gaskonzentrationen und Gasströmungen. Dabei ergibt sich gegenüber der reinen v> Frequenzmodulation einer periodischen Folge von Pulsen fester Breite der Vorteil, daß die maximale Pulszahl pro Zeiteinheit bei hohen Gasströmungen viel geringer gehalten werden kann, wobei die gewählte Zeitrasterfrequenz nie überschritten wird. Gegenüber '>» der reinen Pulsbreitenvariation bei fester Folgefrequenz ergibt sich andererseits der Vorteil eines größeren dynamischen Mischbereiches, der sonst einer starken Limitierung durch die kleinsttnögliche realisierbare Pulsbreite unterliegt. Die Wahl der festen Zei'.rasterein- r> stellung schließlich kommt der Struktur der Rechner mit internem Zeitnormal entgegen und erlaubt in einfacher Weise die Synchronisierung der Pulse der verschiedenen parallelgeschalteten Ventile dergestalt, daß die Gesamtmenge aller Pulse sich möglichst gleichmäßig m> über die Zeit verteilt und nicht Phasen starker Häufung mit Phasen geringer Pulszahl abwechseln, was beim Verbraucher zu störenden Fluktuationen führen könnte.

Bei der Konzipierung eines Pulsmodulationsmischers gehen als bestimmte Größen die kleinste Pulsbreite und t,^r> die maximale Pulsfolgefrequenz bzw. das Zeitraster ein. Die kleinste Pulsbreite ist nach unten durch die technischen Möglichkeiten des Ventils und nach oben durch die Forderung begrenzt, daß die pro Puls abgegebene Gasmenge klein gegen das charakteristische Volumen des Verbrauchers sein muß. Als solch ein charakteristisches Volumen des Verbrauchers könnte z. B. beim Einsatz des Mischers für Beatmungszwecke das Atemhubvolumen angesehen werden. Die technischen Möglichkeiten des Ventils sind durch seine Schaltzeiten begrenzt. Falls die An- und Abschaltzeiten identisch sind, der Puls also symmetrisch ist, kann als effektive Gaspulsbreite die Breite des rechteckigen elektrischen Steuerpulses angesehen werden. In der Praxis ist anzustreben, daß die kleinste Pulsbreite immer noch mehrere Schaltzeiten beträgt

Die Wahl des Zeitrasters und damit der maximalen Pulswiederholrate wird von folgenden Überlegungen bestimmt: Die maximale Frequenz sollte zum einen möglichst niedrig gewählt werden, um den Ventilverschleiß zu minimalisieren und der Recheneinheit Zeit zur Berechnung der nächsten Pulskonstellation zu geben. Zum anderen muß die Folgefrequenz mindestens dem Dreifachen der von dem Mischer erwarteten Bandbreite entsprechen.

Zu den durch die beschriebenen Pulsmodulationen gegebenen Möglichkeiten der Gasmischung läßt sich bei elektrisch ansteuerbarer Auslegung von den Schaltventilen vorgeschalteten Druckminderern eine weitere Möglichkeit der Mischungsbeeinflussung und Mengenbeeinflussung über variable Gasimpulshöhen hinzufügen. Durch eine solche Erweiterung des Systems lassen sich auch extremste Anforderungen an den dynamischen Bereich des Mischers erfüllen.

Die beschriebene Anordnung zur Mischung von Gasen besitzt neben den bereits genannten Vorteilen ihrer speziellen Pulsmodulationstechnik und generellen Ansteuerbarkeit den Vorteil, aus einfachen Komponenten aufgebaut zu sein. Schnelle Gasschaltventile können z. B. bekannte Kugelventile sein.

Die Anordnung führt zu einem Gasmischverfahren, das sehr schnelle Konzentrationsänderungen erlaubt, da zu spülende Mischbehälter vermieden werden. Die Anordnung nach der Erfindung kann bei entsprechender Ansteuerung durch die Recheneinheit entweder als gas-dosierendes Steuerelement eingesetzt werden, oder aber auch nur passiv die vom Verbraucher abgeforderten Mischgasmengen liefern. In letzterer Betriebsmode würde ein Druckwandler in der Ausgangsleitung des Mischers die Recheneinheit zum Nachschieben von Mischgas veranlassen, sobald der Druck in der Leitung unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Anordnung als Gasmischer für zwei Gase in schematischer Darstellung,

F i g. 2 die Regelungskennlinien bei der Gasmischung für ein Beatmungsgerät.

In F i g. 1 werden durch Leitung 1 ein erstes Gas und durch Leitung 2 ein zweites Gas unter Überdruck zugeführt. Die Gasvordrücke werden mit Druckwandlern 6 und 7 gemessen. Die Gase gelangen über die als Kugelventile ausgebildeten Schaltventile 3 und 4 zu der gemeinsamen Mischgasleitung 5, die zum Verbraucher führt. Der Gasdruck in der Mischgasleitung 5 wird mit dem Druckwandler 8 gemessen. Die Druckwandler 6,7, 8 liefern elektrische Signale an einem Regler 9. Dieser Regler 9 enthält das Rechenteil 10 und das Antriebsteil 11 zur Betätigung der Schaltventile 3, 4 über die Verbindungen 14,15. Weil die Ventile 3,4 nur zwischen

den Stellungen »Offen« und »Geschlossen« geschalte! werden und im offenen Zustande eire Gasströmung

(I)

durchfließen lassen, ist der initiiere Ströiruingsweri ν =- ι, · /| ■ / (P]) -I <; ■ ;.-. · id'?> 12)

wobei Γι, Γ2 das Verhältnis von Öffnungszeit zu Gesamtzeit darstellt. Im Rechenteil 10 des Reglers 9 ι werden die Öffnungsverhältnisse r ι und Γ2 der Ventile 3, 4 errechnet, um eine vorgegebene Strömung v, und ein vorgegebenes Mischungsverhältnis Ar zu erreichen.

i\ -= Ρ, -I- h (3)

(4)

Wenn die Ventile 3. 4 identisch justiert sind, so ist

C] = Q = C. (5)

Damit wird aus Gleichung (2)

F = cli] ■ ld>]> + /j ■ ./' und aus Gleichungen (4) und ((>)

'2 = Ί

.1'(P]) I -A l'(p-i) A

(6)

(7)

/Ί.

S 0.53

(lilleien/ beitlerseils lies Ventils gumüU

i'i cV λρ] ('//Ι,-/'s
ist. sobald <ILiι zweiatomige (iase)

^- ■ (I 5.1

Der Regler 9 braucht stets pro Ventil ein Eingabesignai, d. h. im vorliegenden Fall mit den Ventilen 3,4 gibt es die beiden Eingabesignale 12, 13. Als Eingabesignale 12,13 können V₅ und A, gewählt werden. Es können statt dessen auch vu und V2.<, oder pg_s und Jt₅. oder p«j und vi., gewählt werden. Auch kann man einen oder auch beide Werte fest im Rechenteil 10 einspeichern.

Die von den Druckwandlern 6, 7, 8 gelieferten elektrischen Signale beeinflussen den Regler 9. Dabei berücksichtigt das Rechenteil 10 die Tatsache, daß die Strömung überkritisch und also nur von pb abhängig ist. solange (für zweiatomige Gase)

ist: und d:iU die Strömung abhängig von der Druckn ist.

Im Falle einer künstlichen Beatmung benötigt der Patient sehr oft neben der künstlichen Beatmung zusätzlich noch einen erhöhten Sauerstoffgehall im Atemgas. Hierzu wird über Leitung 1 Luft zugeleitet und über Leitung 2 Sauerstoff. In Fig. 2 ist mit Kurvenzug 16 die vorgegebene Gesamtströmung v, und mit Kurvenzug 17 der Sauerstoffanteil Aro2., angegeben. Die Regeiparameter sind mit folgenden Gegebenheiten festgelegt: Kugelventile für Beatmungszwecke ermöglichen, ein Betätigungsspiel in einer Millisekunde ablaufen und dabei 1 bis 2 ml Gas durchfließen zu lassen. Diese Gasmenge ist so gering, daß ihre schlagartige Zuführung den Patienten nicht belästigt. Bei der Beatmung ist es ausreichend, wenn eine Soll-Strömungskurve 16 mit einer Regelbandbreite von 20 Hz verwirklicht werden kann. Dafür muß eine Pulswiederholungsfrequenz von 3x20Hz = 60Hz gewählt werden. Mit Minimalimpulsen von 1,5 ml bedeutet dies eine Strömung von 5,4 l/min Strömungen größer als 5,4 l/min werden erreicht, in dem man die Pulsbreite vergrößert. In diesem Bereich kann also eine Bandbreite von 20 Hz tatsächlich verwirklicht werden. Strömungen unterhalb 5,4 l/min können nur erreicht werden, in dem man die Zahl der Minimalimpulse heruntersetzt. Im allgemeinen wird hierzu im Rechenteil 10 bestimmt, ob in irgendeine 60-Hz-Periode ein Gasimpuls gegeben werden soll oder nicht. Die Bandbreite von 20 Hz kann jetzt nicht mehr eingehalten werden, was aber bei diesen kleinen Strömungen nicht als nachteilig angesehen werden kann.

In Fig. 2 ist in den beiden oberen Kurvenzügen ersichtlich, wie sich das in einem ganz bestimmten Fall auf die Pulsbreiten- bzw. Pulsfrequenzmodulation der beiden Ventile auswirkt. Es ist zu beachten, daß in den oberen Kurvenzügen die Zeitskala ca. 12 χ vergrößert dargestellt ist, also nur Ausschnitte gezeichnet worden sind.

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Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum gesteuerten Dosieren von zwei oder mehr Gasen, die über getrennte Leitungen mit Quellen für die in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis zu mischenden Gase verbunden sind, wobei sich in jeder dieser Leitungen eine den Gasdurchsatz durch diese Leitung beeinflussende steuerbare Ventilanordnung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß schnelle, alektrisch gesteuerte Schaltventile (3, 4) in den getrennten Leitungen (1, 2) in einem eingestellten Zeitraster getaktet werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- π zeichnet, daß je Zeitraster ein Impuls gegeben wird, der in seiner Länge nach unten durch die minimale Schaltzeit des Schaltventils und nach oben durch die Teilung des Zeitrasters bestimmt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 2» zeichnet, daß für Gasmengen, die kleiner sind als diejenigen, die dem Minimalpuls χ Rasterfreqiienz entsprechen, nur an bestimmten Rasterstellen Impulse gegeben werden.