DE69422098T2

DE69422098T2 - Hybridsystem zur Durchflussmengenänderung mittels Ventilen

Info

Publication number: DE69422098T2
Application number: DE69422098T
Authority: DE
Inventors: Daniel J. Gordon
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: EP0636959A3; JP3556276B2; AU692773B2; JPH0778032A; EP0636959B1; CA2126496C; AU6879594A; DE69422098D1; US5329965A; CA2126496A1; EP0636959A2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Ventilsystem zur Änderung der Fluiddurchflußmenge, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 beansprucht ist. Das System bezieht sich besonders darauf, die Fluiddurchflußmenge zu ändern, und insbesondere auf die Klasse einer binären und analogen Steuerung von Fluiddurchflußmengen.
Es gibt viele Anforderungen sowie Meßeinrichtungen, um Fluiddurchflußmengen beizubehalten und zu ändern. Beispielsweise ist es bei gewissen Anwendungen notwendig, einen voreingestellten Fluiddurchfluß während einer kurzen Zeitdauer ein oder auszuschalten. Eine andere Art Anwendung ist dort, wo bspw. eine Durchflußmenge mit Genauigkeit für ein Trägergas in Atomabsorptionsspektrometern oder bei der Gas- oder Flüssigkeitschromatographie eingestellt werden muß. Bei solchen Instrumenten mit elektronischer und computerisierter Steuerung sind die älteren herkömmlichen Verfahren, wie Motoren, die mit herkömmlichen Strömungsmessern zum Einstellen und Ändern von Durchflußmengen verbunden sind, mühsam geworden, und sind nicht ohne weiteres anpaßbar, insbesondere dort, wo eine Genauigkeit verlangt wird.
Die meisten herkömmlichen Durchflußmesser sind kontinuierlich über den Arbeitsbereich der Durchflußmengen einstellbar und mögen die verlangte Genauigkeit nicht aufweisen. Eine andere Klasse Flußmengensteuerungen verwendet eine Anordnung aus binären Flußmengensteuereinrichtungen. Bei diesen wird eine Mehrzahl Fluidleitungen parallel angeordnet, von denen jede ein Ein- und Aus-Ventil in Reihe mit einer festen Flußmengesteuerung aufweist, wie einer Präzisionsöffnung. die Öffnung weist in jeder Leitung oder zumindest in einigen Leitungen eine unterschiedliche Größe auf, so daß mit den Ventilen ausgewählte Kombinationen die Fluiddurchflußmenge in Schritten auswählt. Bei einer Art System läßt jede feste Durchflußleitung Fluid mit einer Menge hindurchgehen, die um einen Faktor zwei größer als bei einer vorhergehenden Leitung in einer Folge von Leitungen ist, wie es in den US Patenten Nr. 2,999,482, 3,726,296, 3,746,041 und 4,768,544 geoffenbart ist. Andere relative Öffnungsgrößen können kombiniert werden, wie es zum Beispiel in dem US Patent Nr. 4,030,523 geoffenbart ist, um Schrittzunahmen von 10% des maximalen Durchflusses zu erreichen, und in US Patent Nr. 4,628,961, das ein Schrittventil mit gleichen Durchflußmengen offenbart.
Eine jüngere Klasse von Einrichtungen zur Steuerung von Fluiddurchflußmengen ist als Miniatur-Festkörperhalbleiterchips und mit anderen Materialien gebildet, wobei Techniken verwendet werden, die jenen zur Herstellung integrierter elektronischer Schaltungen ähnlich sind. Solche Einrichtungen und Techniken sind ausführlich indem US Patent Nr. 4,821,997 beschrieben. Eine besondere Einrichtung ist ein Fluistor, wie er in einem Artikel "The Fluistor Microstructure is Poised for Commercialization" (ohne Autor), Sensor Business Digest, 1, Nr. 6, 9-11 (Februar 1992) beschrieben ist.
In US-A-4,313,465 ist ein System beschrieben, um fließende Medien mittels einer Mehrzahl Ein/Ausventile zu dosieren, die parallel geschaltet sind. Indem die genannten Ventile digital gesteuert werden, wird ein tatsächlicher Durchfluß erreicht. Um die Differenz zwischen dem tatsächlichen Durchfluß und dem Solldurchfluß zu steuern, ist ein Zusatzventil parallel zu den anderen Ventilen vorgesehen und das genannte Ventil wird durch analoge Messung gesteuert.
Gemäß US-A-3,038,449 wurde eine Druckfluid-Durchflußmengensteuerung bekannt, gemäß der mehrere Ein-Aus-Ventile parallel geschaltet sind, um ein Hochdruckfluid zuzuführen. Des weiteren ist ein Proportionalventil parallel zu den genannten Ein-Aus- Ventilen verbunden, wobei das genannte Proportionalventil als ein Nonius über dem Bereich der Durchflußmengenschritte wirkt, die durch die Ein-Aus-Ventile bereitgestellt werden.
Entsprechend ist es eine Zielsetzung, eine neuartiges, sicheres System zur Änderung der Fluiddurchflußmenge mit Präzision zu schaffen. Eine andere Zielsetzung ist, ein solches System zu schaffen, das mittlere oder relativ große Fluiddurchflußmengen mit Präzision steuern kann. Die vorstehenden und weiteren Zielsetzungen werden durch ein Ventilsystem erreicht, wie es durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
In dem Ventilsystem ist eine Mehrzahl binärer Fluidsteuerleitungen parallel zwischen einem gemeinsamen Fluideinlaß und einem gemeinsamen Fluidauslaß verbunden. Die binären Leitungen weisen jeweils ein binäres Ventil und eine Meßeinrichtung auf, damit eine vorbestimmte Fluiddurchflußmenge zu dem gemeinsamen Auslaß hindurchgeht. Gemäß einem Gesichtspunkt besteht die Meßeinrichtung aus einem festen Teil mit einer Durchgangsöffnung. Die vorbestimmten Durchflußmengen werden zusammen so gewählt, daß sequentiell ausgewählte binäre Leitungen, getrennt oder in Kombination, sequentiell erhöhte Durchflußmengen des gesamten Fluiddurchflusses in Schritten einschließlich eines größten Schritts liefern.
Eine analoge Fluidsteuerleitung ist parallel zu den binären Leitungen zwischen dem gemeinsamen Fluideinlaß und dem gemeinsamen Fluidauslaß verbunden. In der analogen Leitung befindet sich ein kontinuierlich einstellbarer Durchflußmengenregler, um irgendeine ausgewählte Fluiddurchflußmenge bis zu einer maximalen Menge hindurchzulassen, die zumindest gleich der Durchflußmengenänderung beim höchsten Schritt ist. Vorzugsweise ist der Durchflußmengenregler als eine Miniatur-Festkörpereinrichtung gebildet. Das System umfaßt des weiteren eine Steuereinrichtung, um jedes binäre Ventil in einer ausgewählten offenen oder geschlossenen Position einzustellen, und um den Durchflußmengenregler auf eine ausgewählte Fluiddurchflußmenge durch die analoge Leitung einzustellen, so daß die zusammenwirkenden Einstellungen eine stetig veränderbare und auswählbare Gesamtfluiddurchflußmenge liefern.
Die binären Leitungen umfassen allgemein eine Primärleitung und eine oder mehrere Sekundärleitungen, wobei die binären Leitungen vorzugsweise eine sequentielle Reihenfolge zunehmender vorbestimmter Durchflußmengen aufweisen. Bei einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Durchflußmenge einer jeden Sekundärleitung das Doppelte der vorbestimmten Durchflußmenge ihrer vorhergehenden binären Leitung in der sequentiellen Reihenfolge, und die Durchflußmenge für die Primärleitung ist die niedrigste der vorbestimmten Durchflußmengen. Bei einer anderen Ausführungsform ist die vorbestimmte Durchflußmenge für die Primärleitung am niedrigsten, und die Durchflußmenge für jede Sekundärleitung ist um einen Durchflußmengenzuwachs gleich dem Zweifachen der primären Durchflußmenge größer als die Durchflußmenge ihrer vorhergehenden binären Leitung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Fluiddurchflußventilsystems.
Fig. 2 ist das Diagramm der Fig. 1 mit einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Ein hybrides Ventilsystem 10 umfaßt zwei Abschnitte, nämlich einen binären Abschnitt 6 und einen analogen Abschnitt 8 für den Fluiddurchfluß. Ein solches System kann zur Flüssigkeits- oder Gasdurchflußsteuerung verwendet werden, wie zur Trägergassteuerung, um eine Probensubstanzin eine Flamme in einem Atomabsorptionsspektrometer einzubringen, oder für ein Trägergas bzw. einer Flüssigkeit in einem Gas- oder Flüssigkeitschromatograph.
In dem binären Abschnitt 6 wird eine Mehrzahl von Leitungen mit Ein-Aus-Ventilen und Meßeinrichtungen in einer Weise verwendet, die ähnlich derjenigen ist, die in irgendeinem der vorgenannten Patente beschrieben ist, die sich auf eine binäre Fluiddurchflußmenge beziehen. Bei dem vorliegenden Beispiel mit vier solchen Leitungen, sind eine erste Leitung 12, eine zweite Leitung 14, eine dritte Leitung 16 und eine vierte Leitung 18 gezeigt und parallel zwischen einer gemeinsamen Fluideinlaßleitung 20 und einer gemeinsamen Fluidauslaßleitung 22 angeordnet. Der Auslaß trägt das Gas an einem Verwendungspunkt aus (nicht gezeigt). Jede Leitung weist einen Gasdurchgang mit einem binären Gasventil auf, das geöffnet oder geschlossen ist; somit gibt es für die vier Steuerleitungen ein entsprechendes erstes Ventil 24, ein zweites Ventil 26, ein drittes Ventil 28 und ein viertes Ventil 30 in jedem der Durchgänge. Die Ventile werden elektrisch betätigt, wie Magnetventile. Beispiele möglicher zweckmäßiger Ventilanordnungen sind in den vorgenannten Patenten über binäre Ventile gelehrt.
Das binäre Ventilsystem 6 ist mit einer Druckgasquelle 32 über eine Einlaßleitung 20 verbunden, in der sich ein Hauptgasschaltventil 34 und ein Strömungsmesser 36 zur Messung der Gesamtdurchflußmenge befinden. Ein herkömmlicher Druckmesser 38 kann an der Eingangsleitung angebracht sein.
Jede Steuerleitung weist des weiteren eine Gasmeßeinschnürung 42, 44, 46 bzw. 48 auf, die bei irgendeinem gegebenen Gasdruck eine vorbestimmte Gasdurchtlußmenge durch den entsprechenden Durchgang herstellt, wenn das binäre Ventil offen ist. Als Abänderung können die Einschnürungen durch einstellbare Ventile, wie Nadelventile (nicht gezeigt), ausgebildet sein. Normalerweise jedoch werden diese Ventile, sobald sie eingestellt sind, in bestimmten Einstellungen in Ruhe gelassen. Alternativ sind die Einschnürungen vorteilhafter Weise Präzisionsöffnungen in einem festen Teil, bspw. einem Saphirelement mit Öffnungen, das von O'Keefe Controls Co., Trumbull, Connecticut vertrieben wird.
Bei einer Ausführungsform sind die binären Durchflußmengen in einer geometrischen Reihe mit dem Faktor zwei. Die Einschnürung 42 für die erste, d. h. die primäre Steuerleitung 12 wird ausgewählt (wobei das Primärventil 24 geöffnet ist), um die niedrigste Durchflußmenge aller Steuerdurchgänge zu bewirken. Diese niedrigste Durchflußmenge definiert eine "Einheitsmenge". Jede der anderen Steuerleitungen, nämlich hier die zweite, dritte und vierte Leitung, die "Sekundärleitungen" genannt sind, weisen eine sequentielle Reihenfolge zunehmender Durchflußmengen in bezug auf die Einschnürungen auf. Die zweite Einschnürung 44 bewirkt in der Leitung 14 die doppelte Durchflußmenge ihrer sequentiell vorhergehenden Steuerleitung 12. Die dritte Einstellung 46 bewirkt in der Leitung 16 die doppelte Durchflußmenge ihrer sequentiell vorhergehenden Steuerleitung 14. Die vierte Einschnürung 48 bewirkt in der Leitung 18 die doppelte Durchflußmenge ihrer sequentiell vorhergehenden Steuerleitung 16. Zusätzliche Steuerleitungen (nicht gezeigt) hätten die gleichen Beziehungen. Wenn die erste Steuerleitung 12 eine Einheitsdurchflußmenge von "eins" liefert, liefert somit die zweite Leitung 14 eine Durchflußmenge "zwei", liefert die dritte Leitung 16 eine Durchflußmenge von "vier" und liefert die vierte Leitung 18 eine Durchflußmenge von "acht".
Der binäre Abschnitt wird mit den verschiedenen ein- oder ausgeschalteten binären Ventilen in ausgewählten Kombinationen betrieben. Wenn nur das erste (primäre) Ventil 24 ein ist, gibt es ein Einheitsdurchflußmenge; wenn nur das zweite (erste sekundäre) Ventil 26 ein ist, ist die Durchflußmenge zweifach (doppelte Einheitsdurchflußmenge); wenn nur die Ventile eins und zwei ein sind, ist die Durchflußmenge dreifach; wenn nur das dritte Ventil 28 ein ist, ist die Durchflußmenge vierfach; wenn nur die Ventile eins und drei ein sind, ist die Durchflußmenge fünffach; usw. bis zu einer maximalen Durch flußmenge von fünfzehn, wenn alle Ventile (einschließlich des Ventils 30) offen sind. Somit wird ein Durchflußmengenbereich in Einheitsschritten bereitgestellt, d. h. dem Wert der primären Durchflußmenge. Die Anzahl der Durchflußschritte (einschließlich eines Durchflusses von Null, wenn alle Ventile aus sind) ist 2n, worin n die Anzahl der Ventile ist; bei dem vorliegenden Beispiel ist n = 4, so daß die Anzahl der binären Schritte 16 ist. Man erkennt, daß die tatsächlichen Durchflußmengen von dem Fluiddruck an dem gemeinsamen Einlaß abhängen. Ein solcher Druck wird für die vorliegenden Zwecke konstant gehalten.
In der Praxis können die Meßeinrichtungen im allgemeinen nicht mit genauen Vielfachen ausgewählt werden. Auch können, wie es ausführlicher hier beschrieben ist, andere binäre Reihen mit unterschiedlichen Durchflußmengenzunahmen zwischen sequentiell zunehmenden Durchflußmengenschritten verwendet werden. Jedenfalls sollte eine größte Zunahme gekennzeichnet werden. In dem Fall vollständig gleicher Zunahmen bedeutet der Ausdruck "größte Zunahme hier" den Wert von diesen.
Der analoge Abschnitt 8 des Systems 10 umfaßt eine analoge Fluiddurchflußmengensteuerleitung 50, die parallel zu dem binären Abschnitt 6 zwischen dem gemeinsamen Fluideinlaß 20 und dem gemeinsamen Fluidauslaß 22 verbunden ist. Die analoge Leitung weist hier einen kontinuierlich einstellbaren Durchflußmengenregler 52 auf, um eine bekannte Fluiddurchflußmenge von Null bis zu einer maximalen Menge hindurchzulassen, die zumindest gleich der größten Zunahme der Durchflußmenge des binären Abschnitts ist. Der analoge Abschnitt bringt somit eine kontinuierliche Einstellung über den primären Bereich der Durchflußmenge ein.
Indem dieser Regler in Zusammenwirkung mit den binären Durchflußmengeneinstellungen eingestellt wird, wird eine stetig veränderbare und auswählbare Gesamtfluiddurchflußmenge geschaffen. In dem Fall von vier binären Leitungen mit den sequentiell verdoppelten Durchflußmengen des vorliegenden Beispiels ist die Gesamtfluiddurchflußmenge sechzehn (oder etwas höher), wobei die analoge Leitung eingeschlossen ist. Die maximale Durchflußmenge der analogen Leitung sollte vorteilhafterweise nur nominal größer (z. B. bis zu 50%) als die Zunahmemenge sein, um vollständig die Zunahmen zu füllen, während eine nahezu maximale Empfindlichkeit des analogen Durchflußreglers beibehalten wird.
Der analoge Regler 52 kann irgendeine erwünschte oder herkömmliche Durchflußmengensteuerung sein, wie ein kallibriertes Nadelventil, das von einem Motorantrieb eingestellt wird. Vorzugsweise jedoch ist das analoge Ventil als eine Miniatur-Festkörpereinrichtung gebildet, die als ein Halbleiterchip ausgebildet ist, wobei Techniken und hinzugefügte Werkstoffe verwendet werden, die ähnlich jenen zur Bildung integrierter elektronischer Schaltungen sind, wie es in dem vorgenannten US Patent Nr. 4,821,997 beschrieben ist. Beispielsweise ist eine geeignete Art Einrichtung als ein Fluistor® für eine Einrichtung der Redwood Microsystems, Inc., Menlo Park, Kalifornien in dem obengenannten Artikel beschrieben. Eine ähnliche Einrichtung ist ein Gasmikroventil Modell 4425, das von IC Sensors, Milpitas, Kalifornien, vertrieben wird. Wie er hier und in den Ansprüchen verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Festkörpereinrichtung" auf eine solche Art Miniaturventil, das als ein Chip gebildet ist.
Der obenerwähnte Redwood Fluistor weist einen Siliciumchipkörper mit einem eingeschlossenen Hohlraum auf, der von einer Einkristall-Siliciummembran begrenzt ist, die durch eine ausdehnbare Flüssigkeit gebogen wird, die in dem Hohlraum abgedichtet ist. Eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung erwärmt die Flüssigkeit, um sie auszudehnen. Ein Pyrexwafer wird durch die Membran bewegt, damit die Fluiddurchflußmenge (die auf den Heizstrom durch den Widerstand hindurch reagiert) in einem Durchgang durch den Körper moduliert wird. Sensoren und elektronische Komponenten sind vorteilhafterweise in dem Siliciumchip enthalten und zusammenwirkend mit der Heizeinrichtung verbunden, um eine Regeldurchflußsteuerung zu liefern.
Eine Steuereinrichtung 58 ist in dem System 10 enthalten, um über elektrische Leitungen 60 jedes Binärventil 24, 26, 28, 30 in dem Abschnitt 6 in einer ausgewählten offenen oder geschlossenen Position einzustellen, und um den Durchflußmengenregler 52 über die elektrische Leitung 61 auf eine ausgewählte Fluiddurchflußmenge durch die analoge Leitung 50 einzustellen, so daß die zusammenwirkenden Einstellungen eine stetig veränderbare und auswählbare Gesamtfluiddurchflußmenge über den gesamten Bereich bereitstellen. Die Steuereinrichtung kann einfach eine Gruppe von Handknöpfen sein; jedoch ist das System besonders für computerisierte Steuerungen geeignet. Solche Steuerungen können bei der Computerprogrammierung in Verbindung mit dem Verwendungsort für das Gasdurchflußsystem enthalten sein, wie einem vorhergehend erwähnten Instrument.
Die Computerprogrammierung übersetzt einen ausgewählten Durchflußwert in Signale - auf den Leitungen 60, 61, wobei das Durchflußventil durch eine Bedienpersoneingabe über eine Tastatur 62 oder als ein vorhergehend eingegebener, gesicherter Wert oder von einem durch ein Hauptprogramm für das Instrument bestimmt wird, das mit dessen Betrieb verbunden ist. Die Durchflußmenge sowie Instrumentdaten und andere Informationen können auf einem Bildschirm 64 angezeigt werden. Die Programmiermittel zum Einstellen der Ventile werden herkömmlicherweise und ohne weiteres durch eine herkömmliche Computersprache, wie z. B. "C", erreicht, die der Verkäufer des Betriebssystems, das mit dem Computersystem verwendet wird, zur Verfügung stellt. Das Gesamtprogramm kann bspw. auf einem Computer Modell 316+ der Digital Equipment Corporation kompiliert werden, der mit dem Instrument verbunden werden kann. Die Art des elektrischen Signals (z. B. digital oder analog) zu der Festkörpereinrichtung sollte gemäß den Angaben des Herstellers für die Einrichtung vorgesehen sein.
Die vorgenannte Beschreibung ist unter Bezugnahme auf vier binäre Leitungen in geometrischer Reihe angegeben, die mit dem analogen Abschnitt eine Gesamtdurchflußmenge des sechzehnfachen (oder nominal höher) auf der Grundlage der primären Durchflußmenge liefert. Andere Anzahlen binärer Leitungen können in Verbindung mit dem analogen Abschnitt gewählt werden, um einen erwünschten Gesamtdurchflußmengenbereich und eine Empfindlichkeit zu schaffen, wobei ein verfügbarer analoger Durchflußmengenregler mit einer geeigneten maximal Durchflußmenge verwendet wird, die an die Durchflußmengenzunahmen des binären Abschnitts angepaßt ist.
Auch bezieht sich das Vorstehende auf eine Ausführungsform mit binären Durchflußmengen in geometrischer Reihe mit dem Faktor zwei, die eine minimale Anzahl binärer Leitungen wirksam verwendet, insbesondere bei mehr als vier Leitungen. Jedoch können bspw. andere Ausgestaltungen verwendet werden, wie sie in dem vorgenannten US Patent Nr. 4,030,523 geoffenbart sind. Das letztere sieht vier entsprechende binäre Leitungsdurchflüsse von eins, zwei, zwei und fünf vor, um 10% Zunahmen in zehn Schritten zu erreichen. Gleiche binäre Durchflüsse können sogar verwendet werden, wie es in dem vorgenannten US Patent Nr. 4,628,961 gelehrt ist.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die vorbestimmte Durchflußmenge für die Primärleitung an niedrigsten und die Durchflußmenge für jede Sekundärleitung ist um eine Durchflußmengenzunahme gleich dem Zweifachen der primären Durchflußmenge größer als ihre vorhergehende binäre Leitung. Bei vier Leitungen sind die Durchflüsse eins (Einheit), drei, fünf und sieben. Dies liefert vier Durchflußzunahmen von eins (z. B. zwischen den Gesamtdurchflüssen von 3 und 4) oder von zwei (z. B. zwischen den Gesamtdurchflüssen von 1 und 3). Somit ist die höchste Zunahmemengenänderung für den binären Abschnitt zwei, so daß die analoge Leitung ausgewählt wird, von null bis zwei zu liefern. Diese Kombination ergibt einen maximalen Durchfluß von 18.
Die Durchflußöffnungsgrößen und die entsprechenden Durchflußmengen müssen nicht in genauen Proportionen verfügbar sein oder ausgewählt werden. Somit liefern allgemein gemäß der Erfindung die binären Durchflüsse erhöhte Durchflußmengen des gesamten Fluiddurchflusses in vorbestimmten Zunahmeschritten (die nicht die gleichen sein müssen) einschließlich einer Zunahme mit einem höchsten Zunahmeänderungsschritt vor. Die analoge Leitung weist eine einstellbare Durchflußmenge auf, um eine Fluiddurchflußmenge bis zu einer maximalen Menge durchzulassen, die zumindest gleich der größten Zunahmeänderung ist. Auch weist allgemein die primäre Leitung in dem binären Abschnitt eine vorbestimmte primäre Durchflußmenge auf, die vorzugsweise kleiner als oder zumindest nicht größer als irgendeine der vorbestimmten Mengen für die sekundären Leitungen ist.
Ein Beispiel einer Einstellung von sieben Öffnungen in dem binären Abschnitt ist hier in der Tabelle gegeben, die Nominalzunahmen von 0,1 Standard Liter/Minute (SLPM) an Luftdurchfluß bei 2,1 kg/cm² (30 psig) Druckeingabe liefert. Diese binären Leitungen sind parallel zu einem Festkörper-Durchflußmengenregler von dem oben angegebenen Fluistortyp angeordnet und haben eine maximale Durchflußmenge von ungefähr 0,15 SLPM, die nominal höher als die höchste Zunahmemenge in dem binären Abschnitt ist. Tabelle
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt, die alle Bauteile der Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen aufweist; die Beschreibung dieser Bauteile wird hier nicht wiederholt. Jedoch weisen bei dem System 100 der Fig. 2 der binäre Abschnitt 6 und der analoge Abschnitt 8 parallel eine zusätzliche Fluidleitung 102 auf, die einen zusätzlichen Durchfluß liefert. Es kann für den zusätzlichen Durchfluß besonders vorteilhaft sein, wenn er eine wesentlich höhere Durchflußmenge als irgendeine der einzelnen Leitungen in dem binären und analogen Abschnitt aufweist, bspw. 100 mal der maximale Durchfluß der letztgenannten Abschnitte.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die zusätzliche Leitung eine Präzisionsöffnung 104 oder eine andere Meßeinrichtung, um eine vorbestimmte zusätzliche Durchflußmenge einzustellen. Diese Leitung ist normalerweise offen und muß kein Ein-Aus-Ventil enthalten, obgleich eines enthalten sein kann. Diese Ausführungsform liefert einen vorbestimmten minimalen Durchfluß für das System und ist zweckmäßig, wo eine Ausgangsdurchflußforderung normalerweise recht groß ist, aber innerhalb eines kleineren Bereiches eingestellt werden muß, der durch den binären und analogen Abschnitt geschaffen wird. Wenn das Hauptventil 34 geöffnet ist, erreicht der Durchfluß schnell einen vollständigen Durchfluß, der durch die zusätzliche Öffnung und die voreingestellten binären und analogen Leitungen bestimmt ist, oder letztgenannte Leitungen mögen erst geöffnet werden, nachdem mit der Zusatzleitung ein Anfangsdurchfluß erreicht ist.
Miniatur-Festkörpereinrichtungen, wie sie hier beschrieben sind, sind in Kombination mit binären Leitungen gemäß der vorliegenden Erfindung besonders wegen der hohen Genauigkeit geeignet, die über den weiten Bereich von Durchflußmengen erreichbar ist, der bei binären Systemen zur Verfügung steht. Die Festkörpereinrichtungen können ei ne hohe Genauigkeit aufweisen, liefern aber keinen weiten Bereich. Binäre Leitungen mit Präzisionsöffnungen oder Nadelventilen oder Ähnliches fügen dem Bereich hinzu, während die Genauigkeit beibehalten wird. Die binären Leitungen in geometrischer Reihe gestatten einen geeignet weiten Bereich mit einer minimalen Anzahl binärer Leitungen, wenn es mehr als vier gibt.

Claims

1. Ein Ventilsystem (100) zur Änderung der Fluiddurchflußmenge, das umfaßt:

einen gemeinsamen Fluideinlaß (20), der einen Fluideingang erhält, und einen gemeinsamen Fluidauslaß (22) zum Austragen eines Gesamtdurchflusses;

eine Mehrzahl binärer Fluidsteuerleitungen (12, 14, 16, 18), die vorbestimmte Durchflußmengen aufweisen und parallel zwischen dem gemeinsamen Fluideinlaß und dem gemeinsamen Fluidauslaß verbunden sind, wobei in den binären Leitungen jeweils ein binäres Ventil (24, 26, 28, 30) und eine Meßeinrichtung (42, 44, 46, 48) vorhanden sind, damit eine vorbestimmte Fluiddurchflußmenge zu dem gemeinsamen Auslaß hindurchgeht, wobei die vorbestimmten Mengen zusammenwirkend so gewählt sind, daß sequentiell ausgewählte binäre Leitungen getrennt oder in Kombination sequentiell erhöhte Mengen des Gesamtfluiddurchflusses in Zunahmeschritten, die einen größten Zunahmeschritt umfassen, bereitstellen;

eine analoge Fluidsteuerleitung (50), die parallel zu den binären Leitungen zwischen dem gemeinsamen Fluideinlaß und dem gemeinsamen Fluidauslaß verbunden ist, wobei in der Analogleitung ein kontinuierlich einstellbarer Durchflußmengenregler (52) ist, um irgendeine ausgewählte Fluiddurchflußmenge bis zu einer maximalen Menge hindurchzulassen, die zumindest gleich dem größten Zunahmeschritt ist; und

eine Steuereinrichtung (58), um jedes binäre Ventil in einer ausgewählten offenen oder geschlossenen Position einzustellen, und um den Durchflußmengenregler auf eine ausgewählte Fluiddurchflußmenge durch die Analogleitung hindurch einzustellen, so daß die zusammenwirkenden Einstellungen eine stetig veränderbare und auswählbare Gesamtfluiddurchflußmenge liefern, gekennzeichnet durch,

eine zusätzliche Fluidleitung (102), die parallel zu den binären Leitungen (12, 14, 16, 18) und der Analogleitung (50) zwischen dem gemeinsamen Fluideinlaß (20) und dem gemeinsamen Fluidauslaß (22) verbunden ist, wobei sich in der zusätzlichen Leitung eine zusätzliche Meßeinrichtung (104) befindet, um eine zusätzliche vorbestimmte Fluiddurchflußmenge zu dem gemeinsamen Auslaß hindurchzulassen, und die zusätzliche Leitung normalerweise offen ist, damit ein minimaler Durchfluß zu dem gemeinsamen Fluidauslaß bei der zusätzlichen vorbestimmten Menge hindurchgeht.

2. Das System des Anspruchs 1, wobei die binären Leitungen eine Primärleitung und eine oder mehrere Sekundärleitungen umfassen, und die Primärleitung eine primäre Durchflußmenge aufweist, die nicht größer als irgendeine der vorbestimmten Mengen für die Sekundärleitungen ist.

3. Das System des Anspruchs 2, wobei die binären Leitungen eine sequentielle Reihenfolge zunehmender bestimmter Durchflußmengen aufweisen, und die vorbestimmte Durchflußmenge für jede Sekundärleitung das Zweifache der vorbestimmten Durchflußmenge ihrer vorhergehenden binären Leitung in der sequentiellen Reihenfolge ist und die primäre Menge die niedrigste der vorbestimmten Mengen ist.

4. Das System des Anspruchs 1, wobei die binären Leitungen eine Primärleitung und eine oder mehrere Sekundärleitungen umfassen, die binären Leitungen eine sequentielle Reihenfolge zunehmender vorbestimmter Durchflußmengen aufweisen, die Primärleitung eine primäre Durchflußmenge aufweist, und die vorbestimmte Menge einer jeden Sekundärleitung größer als die vorbestimmte Menge ihrer vorhergehenden binären Leitung mit einem Durchflußzunahmeschritt gleich dem Zweifachen der primären Menge ist.

5. Das System des Anspruchs 1, wobei der Durchflußmengenregler als eine Festkörpereinrichtung ausgebildet ist.

6. Das System des Anspruchs 5, wobei die Meßeinrichtung aus einem festen Körper mit einer Durchgangsöffnung besteht.