DE3736713A1 - Durchflussgeraet mit niveaugeber - Google Patents

Durchflussgeraet mit niveaugeber

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Regelung des Niveaus einer Flüssigkeit in einer Durchflußkammer.
Es ist oft erforderlich, das Niveau einer durch eine Kammer strömenden Flüssigkeit zu überwachen und zu regeln. Wenn z.B. das Niveau der Flüssigkeit in einer Entlüftungs­ oder Luftabscheidungskammer eines Dialysatzubereitungs­ gerätes unter den Auslaß absinkt, wird Luft, die aus der Flüssigkeit entfernt wurde, in unerwünschter Weise mit dem Wasser abgepumpt.
Durch die vorliegende Erfindung wird generell die Strömung durch eine Durchflußkammer unter Verwendung eines Niveaugebers oder -fühlers geregelt oder gesteuert, welcher ein Steuersignal liefert, dessen Größe in einer Beziehung zum Niveau der Flüssigkeit in der Kammer steht, indem das Signal zur Steuerung des Schaltverhältnisses eines Ventils verwendet wird, das alternierend öffnet und schließt, um die Strömung in die Kammer oder aus dieser heraus zu steuern. Die Dauer des Arbeitszyklus des Ventils hat vorzugsweise einen vorgegebenen Wert, der einstellbar sein kann.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist mit dem Auslaß der Kammer eine Pumpe verbunden und das Ventil ist mit dem Einlaß verbunden; die Kammer ist eine Entlüftungs- oder Gasabscheidungskammer; die Steuereinrichtung errechnet einen Schaltverhältnis-Sollwert mehrmals während jeder Periode des Schaltzyklus und vergleicht den Schaltverhältnis- Sollwert mit der anteiligen Zeitspanne, welche das Ventil während der Arbeitsperiode geöffnet war, und schließt das Ventil, wenn der Schaltverhältnis-Sollwert gleich oder kleiner als der genannte Anteil ist, und die Steuereinrichtung bestimmt das Schaltverhältnis durch Errechnen der Differenz zwischen dem Niveau-Istwert und einem geforderten Wert oder Sollwert, dem Integral der Differenz, und der Summe von Konstanten multipliziert mit diesen Werten; eine Heizvorrichtung wird abgestellt, wenn das Schaltverhältnis 100% beträgt, wenn die Flüssigkeit für länger als 20 Sekunden unter ein Mindestniveau absinkt und/oder wenn ein Strömungsschalter anzeigt, daß die Strömung für 10 Sekunden oder mehr ausgefallen ist.
Das vorliegende Gerät kann alle diese Merkmale aufweisen, braucht es jedoch nicht zu tun.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels und den Ansprüchen.
In der Zeichnung ist als bevorzugtes Ausführungs- und Anwendungsbeispiel der Erfindung ein Gasabscheidungsteil eines Dialysegerätes dargestellt.
In der Zeichnung ist vereinfacht ein Gerät (10) zum Entlüften von Wasser dargestellt, wie es in einer Dialysatzubereitungs- und Versorgungsmaschine des aus der US-PS 43 71 385 (Johnson) bekannten Typs verwendet werden kann. Das Gerät hat einen Einlaß (12) zur Zuführung von Leitungswasser und enthält einen Einlaßdruckregler (14) (der auf einen Auslaßdruck von 6 psi bzw. 41 kPa eingestellt ist, wenn sein Auslaß nicht mit einer weiteren Druckmindervorrichtung verbunden ist), ein zwei Stellungen (geöffnet-geschlossen) aufweisendes Magnetventil (16), einen Wärmetauscher (18), einen Strömungsschalter (19), eine Heiz/Entlüftungsvorrichtung (20), eine Entlüftungs­ pumpe (22), eine Vakuum/Abfallpumpe (24) und eine elektronische Steuereinrichtung (26), die Signale u.a. von einem Niveaugeber (40) erhält und das Ventil (16) sowie andere, nicht dargestellte Komponenten der Dialysatzubereitungsmaschine steuert. Bei den Pumpen (22) und (24) handelt es sich um Verdrängungspumpen, insbesondere Zahnradpumpen. Die Steuereinrichtung (26) ist programm­ gesteuert und enthält einen PID-Regler, der die Niveau­ geberinformation vom Niveaugeber (40) zur Steuerung des Schaltverhältnisses des Ventils (16) verwendet.
Die Heiz/Entlüftungsvorrichtung (20) enthält einen rohrförmigen Strömungskanal (28), der einen Heizer (30) umgibt und über einen Überlauf mit einem Kanal (32) auf der linken Seite einer Trennplatte zwischen der Heizzone im Kanal (28) und einer Gasabscheidungskammer (36) in Verbindung steht. Die Gasabscheidungskammer (36) enthält Polypropylenkörper (Kugeln und Zylinder mit einem Durch­ messer von etwa 2,3 mm), die zwischen Gittern (38) gehalten werden, von denen sich das obere unterhalb eines Niveau­ gebers (40) befindet, der einen magnetischen Hall-Effekt- Positionsgeber enthalten kann, der in einem festen vertikalen Führungsstab angeordnet ist und auf die Position von Magneten anspricht, die sich in einem Schwimmer befinden, der am Führungsstab vertikal verschiebbar angeordnet ist. Die Gasabscheidungskammer (36) weist oben ein Ablaßventil (42) auf, das das Abfließen von Flüssigkeit durch einen Gasauslaß (44) verhindert, der mit der Vakuum/Abfallpumpe (24) verbunden ist.
Das beschriebene Gerät arbeitet wie folgt: Das durch den Einlaß (12) eintretende Wasser durchströmt den Druckregler (14), der zum Schutz gegen stärkere Leitungs­ druckschwankungen dient, und das Magnetventil (16), das alternierend geöffnet und geschlossen wird und mit einer Periode von 6 Sekunden arbeitet. Das Schaltver­ hältnis, also die Relation von Öffnungszeit und Schließzeit des Ventils (16) während einer Periode, wird durch die Steuereinrichtung (26) so gesteuert, daß die Zeitspanne, in der das Ventil während der 6 Sekunden dauernden Schaltperiode geöffnet ist, vom Flüssigkeitsniveau abhängt, welches durch die Ausgangsspannung des Niveaugebers (40) dargestellt wird, wie noch näher erläutert werden soll.
Das Wasser fließt dann durch den Wärmetauscher (18), wo es Wärme aus verbrauchtem Dialysat aufnimmt, und tritt dann in den Heizkanal (28) ein, in dem es nach oben strömt; dann läuft das Wasser in den Kanal (32) über sowie unter der Trennplatte (34) hindurch in die Gas­ abscheidungskammer (36). Die Flüssigkeit in der Heiz/ Entlüftungsvorrichtung (20) wird durch die Entlüftungs­ pumpe (22) und die Saug- oder Vakuumpumpe (24) unter Unterdruck gehalten. Die Pumpe (22) wird mit fester Spannung betrieben, so daß sie mit konstantem Durchsatz fördert, der von der Bedienungsperson eingestellt werden kann, während die Pumpe (34) die Luft aus der Kammer (36) absaugt, um das Vakuum in der Kammer (36) so hoch wie möglich zu halten, ohne die Pumpe (22) übermäßig zu beanspruchen. Der Unterdruck und die Erhöhung der Temperatur bewirken ein Ausdampfen gelöster Gase aus der Flüssigkeit. Die Kunststoffkörper zwischen den Gittern (38) bilden Keimbildungsstellen, an denen sich Luft- und Gasblasen bilden. Das sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ansammelnde Gas strömt durch das Ventil (42), die Leitung (44) und die Pumpe (24) während das Flüssigkeitsniveau durch den Niveaugeber (40) und die Steuereinrichtung (26) im Mittel konstant gehalten wird.
Die Steuereinrichtung (26) greift die Spannung des Gebers (40), die den Istwert des Flüssigkeitsniveaus in der Kammer (36) darstellt, mehrmals in der Minute ab und steuert das Schaltverhältnis mittels des PID-Reglers, der mit Proportional-, Integral- und Differential-Rechenfunktionen arbeitet, wie es z.B. aus dem Buch von Kuo, Digital Control Systems, Verlag Holt, Rinehart & Winston, 1980, S. 509-514 bekannt ist.
Jedesmal wenn ein Abtastwert abgegriffen wird, bestimmt die Steuereinrichtung (26) die Differenz zwischen dem Istwert AL und einem Sollwert CL, der am einfachsten als ein gewünschter mittlerer Pegel, den die Steuereinrichtung anstrebt, angesehen werden kann. Das Schaltverhältnis D zum Zeitpunkt i wird dann mittels der folgenden Formel errechnet:
wobei K p und K i die empirisch ermittelten Verstärkungs­ faktoren für den Proportional- bzw. Integral-Term sind und K d der Verstärkungsfaktor für den Differential-Term ist, der bei der bevorzugten Ausführungsform der vor­ liegenden Einrichtung gleich Null gesetzt wird.
Diese Rechenoperation wird nach jeder Probe durchgeführt. Wenn irgendwann während des Offen-Teiles der 6-Sekunden- Periode der Anteil der Zeit in der 6-Sekunden-Periode gleich oder größer als das errechnete Schaltverhältnis D ist, wird das Ventil (16) geschlossen. Der Integralteil der Gleichung bezieht sich auf das langzeitige Mittel während der Proportionalteil das momentane Niveau betrifft. Durch den Integralteil werden Phasenverzögerungsschwingungen vermieden, die bei alleiniger Verwendung des Proportional­ teiles der Gleichung auftreten können.
Wenn der Istwert des Niveaus für länger als 20 Sekunden unter einen vorgegebenen Mindestwert fällt und/oder wenn das Schaltverhältnis 100% beträgt und/oder wenn der Strömungsschalter anzeigt, daß die Strömung für 10 Sekunden ausgefallen ist, wird der Heizer (30) abgeschaltet, um seine Beschädigung zu verhindern. Das entgaste Wasser, welches durch die Pumpe (22) zum Rest des Flüssigkeits­ kreises der Dialysatzubereitungsmaschine gefördert wird, wird mit Dialysatkonzentrat gemischt und zur Dialysat­ seite eines Dialysators geliefert. Das verbrauchte Dialysat strömt vom Dialysator zurück zu einem Einlaß (27) des Wärmetauschers (18) und wird über die Vakuum/Abfallpumpe (24) abgefördert.
Das oben beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel läßt sich in der verschiedensten Weise abwandeln und die angegebenen speziellen Werte, Materialien und Abmessungen stellen nur Beispiele dar.

Claims (15)

1. Durchflußgerät mit
  • - einem Gehäuse, das eine Kammer (36) bildet, die einen Einlaß und einen Auslaß zum Hindurchleiten von Flüssigkeit durch die Kammer aufweist,
  • - einem Niveaugeber (40), der ein Steuersignal liefert, dessen Größe vom Flüssigkeitsniveau in der Kammer abhängt,
  • - einem hydraulisch angeschlossenen Ventil (16) zur Steuerung der in den Einlaß eintretenden oder aus dem Auslaß austretenden Flüssigkeitsströmung und
  • - einer Steuereinrichtung (26), die das Ventil mit einem von der Größe des Steuersignals abhängigen Schaltverhältnis alternierend öffnet und schließt.
2. Durchflußgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Auslaß eine Pumpe (22) verbunden ist und daß das Ventil (16) mit dem Einlaß verbunden ist.
3. Durchflußgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine Gasabscheidungskammer ist und daß das Gehäuse oben einen Gasauslaß zum Entfernen von Gas, das sich aus der Flüssigkeit verflüchtigt hat, aufweist.
4. Durchflußgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung während jeder Schaltperiode mehrmals einen Schaltverhältnis-Sollwert errechnet.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (26) den Schaltverhältnis-Sollwert mit dem Teil der Zeit, die das Ventil (16) während der Schaltperiode geöffnet war, vergleicht und das Ventil schließt, wenn der Schaltverhältnis-Sollwert gleich oder kleiner als der genannte Teil ist.
6. Durchflußgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltverhältnis-Sollwert von der Steuerein­ richtung durch Errechnen der Differenz zwischen dem Istwert des Niveaus in der Kammer und einem Niveau- Sollwert ermittelt wird.
7. Durchflußgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zur Einstellung des Schalt­ verhältnisses das Integral der genannten Differenz errechnet.
8. Durchflußgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (26) die Summe einer Konstanten multipliziert mit der genannten Differenz und einer Konstanten multipliziert mit dem Integral errechnet.
9. Durchflußgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in Strömungsrichtung vor der Kammer (36) angeordnete Heizvorrichtung (30), die von der Steuereinrichtung (26) bei einem bestimmten Strömungszustand abschaltbar ist.
10. Durchflußgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Strömungszustand durch ein Schalt­ verhältnis von 100% angezeigt ist.
11. Durchflußgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Strömungszustand im Absinken des Niveaus unter einen unteren Grenzwert für eine Zeitspanne, die länger als eine vorgegebene Zeitspanne ist, entspricht.
12. Durchflußgerät nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Strömungsschalter (19), der das Vorliegen einer Strömung durch die Kammer (36) anzeigt, wobei der besondere Strömungszustand dem Fehlen der Strömung entspricht.
13. Dialysatzubereitungsgerät mit
  • - einem Gehäuse, das eine Kammer (36) bildet, die einen Einlaß und einen Auslaß zum Hindurchleiten von Flüssigkeit durch die Kammer aufweist,
  • - einem Niveaugeber (40), der ein Steuersignal liefert, dessen Größe vom Flüssigkeitsniveau in der Kammer abhängt,
  • - einem hydraulisch angeschlossenen Ventil (16) zur Steuerung durch in den Einlaß eintretenden oder aus dem Auslaß austretenden Flüssigkeitsströmung und
  • - einer Steuereinrichtung (26), die das Ventil mit einem von der Größe des Steuersignals abhängigen Schaltverhältnis alternierend öffnet und schließt.
14. Verwendung des Gerätes nach Anspruch 1 zur Überwachung einer Flüssigkeitsströmung.
15. Verwendung des Dialysatzubereitungsgerätes nach Anspruch 13 zur Behandlung von Dialysat.
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