DE69631669T2

DE69631669T2 - Dosierventil und steuerungseinrichtung dafür

Info

Publication number: DE69631669T2
Application number: DE69631669T
Authority: DE
Inventors: Brent Kornelson; Wallace Mccullogh
Original assignee: Fire-Trol Holdings Phoenix LLC; Fire-Trol Holdings LLC
Current assignee: Fire-Trol Holdings Phoenix LLC; Fire-Trol Holdings LLC
Priority date: 1996-07-16
Filing date: 1996-07-16
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2016-07-17
Also published as: ES2216054T3; EP0850438A1; CA2231881A1; PT850438E; DE69631669D1; EP0850438B1; WO1998002791A1; AU735969B2; AU6676896A; CA2231881C; EP0850438A4; US6129106A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Regelsysteme zum Steuern eines Proportionalventils zum Mischen einer ersten und einer zweiten Gas- oder Flüssigkeitseingabe zum Erzeugen einer gemischten Ausgabe.
Das Mischen verschiedener Gase oder Flüssigkeiten zum Erreichen eines gewünschten Verhältnisses ist eine zeitraubende und langweilige Arbeit. Oft wird diese Bemühung durch physikalisches Messen eines ersten Gases oder einer ersten Flüssigkeit und dann Zugeben dieses ersten Gases oder dieser ersten Flüssigkeit zu einer abgemessenen Menge eines zweiten Gases oder einer zweiten Flüssigkeit durchgeführt. Messungen können nach Volumen oder nach Gewicht vorgenommen werden. Das kombinierte Material muss dann gemischt werden, um eine gewünschte Konsistenz zu erreichen. Leider ist dies ein zeitraubender Prozess, der eine Mehrzahl von Mischbehältern und beträchtliche Arbeitsleistung erfordert. Beispielsweise umfassen auf dem Gebiet flüssiger Zusammensetzungen, die zum Bekämpfen von Waldbränden eingesetzt werden, die Zusammensetzungen oft ein Konzentrat und eine Wasserverdünnung, die in verschiedenen Anteilsverhältnissen von 4,5 : 1 bis 10 : 1 Teilen Wasser pro Teil Konzentrat gemischt werden müssen. In der Bemühung, diese Brandbekämpfungszusammensetzungen genau und effizient zu produzieren, wurden schon verschiedene Vorrichtungen und Verfahren einschließlich der oben beschriebenen manuellen Mess- und Mischverfahren angewendet.
Leider sind derzeitige Proportionalventile und die Steuervorrichtungen zum Steuern dieser Proportionalventile zur genauen und effizienten Produktion eines Ausflussgemischs ungeeignet. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4.561.629 ein Magnetventil zum Mischen von Gasen zum Erzeugen einer gewünschten Ausgabe. Leider wird die Ausgabe durch kontinuierliches zyklisches Schalten des Magnetventils mit einer Frequenz bis zu 20 Hz erzeugt. Ferner ist dieses Ventil besonders uneffizient, weil der erste und der zweite Einlass an keinem Zeitpunkt gleichzeitig frei sein können.
Ein zusätzliches Magnetventil wird in US-Patent Nr. 4.428.558 offenbart. Diese Referenz beschreibt eine Ventilvorrichtung mit einer einzelnen Einlassleitung, die ein Gas in eine Mischkammer lenkt. Das Gas wird dann zu einem ersten und einem zweiten Auslass umgeleitet. Leider wird die Vorrichtung nicht als für Gas- und für Flüssigkeitsstrom geeignet beschrieben. Darüber hinaus ist das Ventil nur mit einem einzelnen Einlass zum Trennen eines einzelnen Eingangsstroms in divergierende Leitungen konfiguriert. Im Gegensatz dazu wird zum Mischen einer Mehrzahl von Gasen oder Fluiden zum Erzeugen eines einzelnen Ausgangsgemischs ein Proportionalventil benötigt.
Ein Regelsystem zum Regeln des Mischens einer ersten Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur mit einer zweiten Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur wird in US-Patent Nr. 3.721.386 offenbart. Das Regelsystem schließt das Messen der Temperatur des Ausgangsfluids zum Steuern des Betriebs eines Ventils zum Zumessen des Gemischs des ersten Fluids zum zweiten Fluid. Leider eignet sich das Regelsystem nicht zum Mischen von Gasen oder Flüssigkeiten, wo die Eingaben die gleichen oder im Wesentlichen gleiche Temperaturen haben.
US-A-2713788 offenbart ein System zum Regeln eines Fluidengemischs mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. US-A-1856380 offenbart ein Mischventil.
Es wäre vorteilhaft, ein Proportionalventil zu haben, das erste und zweite gasförmige oder flüssige Eingaben genau und präzise zu gewünschten Anteilen mischt, um ein erwünschtes Gas- oder Flüssigkeitsgemischs zu produzieren. Ferner wäre es vorteilhaft, ein Regelsystem zum Steuern eines Proportionalventils zum genauen und präzisen Mischen erster und zweiter gasförmiger oder flüssiger Eingaben zum Erzeugen eines erwünschten gasförmigen oder flüssigen Gemischs zu haben.
Ein geschlossenes Regelsystem zum Regeln des Gemischs eines ersten Gases oder einer ersten Flüssigkeit mit einem zweiten Gas oder einer zweiten Flüssigkeit, um ein gasförmiges oder flüssiges Gemisch zu produzieren, das erfindungsgemäß das gewünschte Verhältnis des ersten Gases oder der ersten Flüssigkeit zu dem zweiten Gas oder der zweiten Flüssigkeit hat, wird in Anspruch 1 dargelegt.
Merkmale der bevorzugten Ausgestaltung werden in den anhängigen Ansprüchen dargelegt.
Das geschlossene Regelsystem der vorliegenden Erfindung behandelt die oben erwähnten Nachteile.
Im Betrieb sind der erste und der zweite Einlass über rohrförmige Leitungen mit einem ersten bzw. zweiten Vorratsbehälter verbunden. Im ersten und zweiten Vorratsbehälter enthaltene gasförmige oder flüssige Materialien dürfen werden durch Druck, Schwerkraft oder dergleichen durch die betreffenden Leitungen und durch den ersten und zweiten Einlass strömen gelassen, um sich in der Ventilkammer des Proportionalventils zu verbinden und zu vermischen. Die Betätigung der Ventilsteuervorrichtung bewirkt die Drehung des Drehverschlusses, um den ersten und zweiten Einlass zum Regeln der Anteile des ersten und zweiten Gases oder der ersten und zweiten Flüssigkeit selektiv zu verdecken, um ein gewünschtes Ausgangsgemisch zu produzieren.
Es wurde auch festgestellt, dass, wenn die Dichte der ersten und der zweiten Gase oder Flüssigkeiten verschieden sind oder wenn das Mischen der ersten und der zweiten Gase oder Flüssigkeiten eine andere Dichte erzeugt, die an der Ausgabe ausgegeben wird, wie z. B. durch eine chemische Reaktion zwischen Gasen und Flüssigkeiten, liefert die gemessene Dichte des Ausgangsgemischs eine genaue und präzise Determinante zum Steuern des Proportionalventils.
Die Fachperson erkennt andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung durch Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Proportionalventils eines geschlossenen Regelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht des Proportionalventils von 1, das die Ventilkammer und den Drehverschluss zeigt; und
3 ein Blockdiagramm, das das geschlossene Regelsystem für ein Proportionalventil gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Während die vorliegende Erfindung zur Ausgestaltung in verschiedenen Formen empfänglich ist, wird in den Zeichnungen eine gegenwärtig bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gezeigt und im Folgenden beschrieben, wobei zu beachten ist, dass die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Erfindung zu betrachten ist und nicht zur Begrenzung der Erfindung auf die spezifische illustrierte Ausgestaltung vorgesehen ist.
Wie in den Zeichnungen gezeigt wird, in denen gleiche Nummern gleiche Elemente darstellen, ist die Erfindung in einer Proportionalventilvorrichtung und einem Regelsystem zum genauen und präzisen Mischen von Gasen oder Fluiden ausgestaltet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, Bezug nehmend auf die 1 und 2, hat die Proportionalventilvorrichtung 1 ein im Wesentlichen zylindrisches Ventilgehäuse 3, das mit einer integrierten Ventilkammer 27 ausgeführt ist. Die Proportionalventilvorrichtung hat ferner einen ersten Einlass und einen zweiten Einlass, 5 bzw. 7, zum Aufnehmen ausgewählter Gase oder Flüssigkeit in die Ventilkammer. In einer bevorzugten Ausgestaltung hat jeder der betreffenden Einlässe ein Rückschlagventil (nicht gezeigt), das einen Einwegstrom der ausgewählten Gase oder Flüssigkeiten in die Kammer erlaubt. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hat ferner Vorratsbehälter 35 und 37, die eine Quelle für die ausgewählten Fluide oder Gase bereitstellen, die in der Ventilkammer 27 gemischt werden. Die ausgewählten Fluide oder Gase werden mithilfe einer ersten und einer zweiten Eingabeleitung 11 bzw. 13 aus den Vorratsbehältern in den ersten und den zweiten Einlass des Proportionalventils geleitet. Das Proportionalventil hat ferner einen Auslasskanal 9 zum Ausstoßen des Gemischs von Gasen oder Flüssigkeiten aus der Ventilkammer.
Das zylindrische Ventilgehäuse 3 hat eine sich axial erstreckende konzentrische Bohrung. Eine Drehwelle 19 erstreckt sich teleskopartig durch die Bohrung und in die Ventilkammer 27. Ein Drehverschluss 17 ist mit dem Ende der Drehwelle verbunden und in der Ventilkammer angeordnet. Der Drehverschluss 17 ist mit einem Sperrelement 21 und einem tangential an der Drehwelle befestigten Tragarm 18 versehen. Der Tragarm 18 erstreckt sich tangential von der Drehwelle über das Innere der Ventilkammer, um das Drehsperrenelement 21 in Eingriff zu nehmen. Das Drehsperrenelement ist konfiguriert, um den ersten und den zweiten Einlass selektiv zu blockieren, sodass beim Drehen des Drehverschlusses mithilfe der Drehwelle in einer ersten Richtung das Sperrenelement 21 den ersten Einlass 5 freimacht, während es gleichzeitig den zweiten Einlass 7 schließt. Somit nimmt beim Drehen des Drehverschlusses 17 in der ersten Richtung das durch den ersten Einlass geleitete Fluid oder Gas zu, während durch den zweiten Einlass geleitetes Fluid oder Gas verringert wird. Desgleichen wird, wenn der Drehverschluss 17 von der Drehwelle 19 in einer zweiten Richtung gedreht wird, der erste Einlass geschlossen, während der zweite Einlass gleichzeitig geöffnet wird. Auf diese Weise funktioniert die Drehung des Drehverschlusses 17 in der zweiten Richtung zum Verringern des Stroms eines Fluids oder eines Gases durch den ersten Einlass, während der Strom von Fluid oder Gasen durch den zweiten Einlass in die Ventilkammer 27 vergrößert wird.
Das Proportionalventil der vorliegenden Erfindung hat ferner, ebenfalls mit Bezug auf 3, eine Ventilsteuervorrichtung 47. Die Ventilsteuervorrichtung hat typischerweise die Form eines Servomotors, Solenoidmotors, Schrittmotors oder einer anderen Art ähnlicher Steuervorrichtung, die von Fachpersonen gut verstanden wird. Die Ventilsteuervorrichtung 47 steht mit dem Ende der außerhalb der Ventilkammer angeordneten Drehwelle 19 in Eingriff. Die Aktivierung der Ventilsteuervorrichtung bewirkt die Drehung der Drehwelle und dementsprechend die Drehung des Drehverschlusses. So steuert die Steuervorrichtung selektiv die Drehung des Drehverschlusses, sodass die Drehung des Drehverschlusses in einer ersten Richtung die Aufgabe hat, den ersten Einlass 5 zu blockieren, während er gleichzeitig den zweiten Einlass 7 öffnet. Desgleichen hat die Aktivierung der Steuervorrichtung zum Drehen der Drehwelle und des Drehverschlusses in einer zweiten Richtung die Aufgabe, den ersten Einlass zu öffnen, während er gleichzeitig den zweiten Einlass blockiert. Dementsprechend stellt die Proportionalventilvorrichtung der vorliegenden Erfindung ein effizientes und effektives Mischventil bereit zum Erzeugen eines Ausgangsgemischs eines genauen Verhältnisses eines ersten Gases oder einer ersten Flüssigkeit zu einem zweiten Gas oder einer zweiten Flüssigkeit.
Die vorliegende Erfindung schließt ferner, Bezug nehmend auf 3, ein Steuersystem zum Bereitstellen genauer und präziser Steuerung der Proportionalventilvorrichtung zum Ausgeben eines Ausgangsgemischs mit einem erwünschten Verhältnis des ersten Fluids oder Gases zum zweiten Fluid oder Gas ein. Die Steuervorrichtung hat ein geschlossenes Regelsystem mit einer Dichtemessvorrichtung 43, einen Signalprozessor 45 und eine mit der Drehwelle 19 verbundene Ventilsteuervorrichtung 47. Der Auslass 9 ist mit einer Ausgangsleitung zum Ausstoßen des gewünschten Gemischs verbunden. An der Ausgangsleitung ist ein Seitenkanal 41 befestigt, der kontinuierlich eine kleine Messprobe des Ausgangsgemischs erhält und die Messprobe danach wieder zur Leitung 15 zurückführt. Der Seitenkanal 41 ist mit der Dichtemessvorrichtung 43 gekoppelt, die die Dichte des Ausgangsgemischs misst. Die Dichtemessvorrichtung misst die Dichte des Ausgangsgemischs kontinuierlich oder periodisch und erzeugt anhand dieser Messungen für die Dichte des Ausgangsgemischs repräsentative Signale. Ein Signalprozessor 45 verbindet den Dichtemesser mit der Ventilsteuervorrichtung. Der Signalprozessor, der ein Mikroprozessor, Mikrocontroller oder eine andere Art von Fachpersonen gut bekannter analoger oder digitaler Maschine oder Schaltung sein kann, empfängt die vom Dichtemesser erzeugten Signale, die für die Dichte des Ausgangsgemischs repräsentativ sind, und sendet in Reaktion darauf Befehle an die Ventilsteuervorrichtung zum selektiven Drehen der Drehwelle, um für ein gewünschtes Ausgangsgemisch zu sorgen.
Im Betrieb strömt das Ausgangsgemisch aus Gas oder Flüssigkeit aus der Ventilkammer 27 durch Auslass 9 und Auslasskanal 15. Das Ausgangsgemisch wird dann teilweise in den Seitenkanal 41 umgeleitet. Der Dichtemesser 43 misst die Dichte des Ausgangsgemischs und erzeugt ein für die Dichte davon repräsentatives Signal, das zum Prozessor 45 gesendet wird. In den Prozessor 45 ist ein Bereich der gewünschten Dichte des Ausgangsgemischs einprogrammiert. Wenn der Dichtemesser ein Signal zum Prozessor überträgt, das anzeigt, dass das Ausgangsgemisch einen im Verhältnis zum zweiten Eingabegas oder zur zweiten Eingabeflüssigkeit geringen Anteil des ersten Eingabegases oder der ersten Eingabeflüssigkeit hat, sendet der Prozessor 45 ein Signal zur Ventilsteuerung 47, das die Aufgabe hat, die Drehwelle 19 und den Drehverschluss 17 in einer erste Richtung zu drehen, um den ersten Einlass 5 zu öffnen und gleichzeitig den zweiten Einlass 7 zu schließen. Desgleichen, wenn der Prozessor 45 ein Signal vom Dichtemesser empfängt, das anzeigt, dass im Verhältnis zum zweiten Eingabegas oder der zweiten Eingabeflüssigkeit ein hoher Anteil des ersten Eingabegases oder der ersten Eingabeflüssigkeit vorliegt, dann sendet der Prozessor ein Signal zur Ventilsteuerung 47, das die Aufgabe hat, die Drehwelle und den Drehverschluss zu drehen, sodass der erste Einlass geschlossen wird, während der zweite Einlass gleichzeitig geöffnet wird. Schließlich hält der Prozessor die Drehwelle und den Drehverschluss in einer festen Position, wenn der Dichtemesser ein Signal zum Prozessor überträgt, das anzeigt, dass das Ausgangsgemisch innerhalb des erwünschten Bereiches liegt.
Wie Fachpersonen verständlich ist, haben die Proportionalventilvorrichtung und das geschlossene Regelsystem mit einer Dichtemessvorrichtung einen weit verbreiteten Anwendungsbereich. Es wurde festgestellt, dass die vorliegende Erfindung besonders nützlich für die Produktion von Flüssigkeitsgemischen ist, die zum Bekämpfen von Waldbränden nützlich sind. Diese Flüssigkeitsgemische, die oft aus einem Flugzeug und auf einen Waldbrand abgeworfen werden, umfassen ein flüssiges Konzentrat und eine Wasserverdünnung. Das Konzentrat muss mit Wasser in verschiedenen Verhältnissen von 4,5 : 1 bis 10 : 1 Teilen Wasser pro Teil Konzentrat verdünnt werden. Es wurde festgestellt, dass durch Einführen des Konzentrats in den ersten Einlass und durch Einführen des Wassers in den zweiten Einlass diese zwei Flüssigkeiten in der Ventilkammer gemischt werden können, um einen Ausfluss zu produzieren, der das gewünschte Verhältnis des Konzentrats zum Wasser hat.

Claims

Geschlossenes Regelsystem zum Regeln des Gemischs eines ersten Gases oder einer ersten Flüssigkeit mit einem zweiten Gas oder einer zweiten Flüssigkeit, um ein gasförmiges oder flüssiges Gemisch zu produzieren, das ein gewünschtes Verhältnis von dem ersten Gas oder der ersten Flüssigkeit zu dem zweiten Gas oder der zweiten Flüssigkeit hat, wobei das geschlossene Regelsystem Folgendes umfasst: ein erstes Zuleitungsmittel (35) zum Zuleiten eines ersten Gases oder einer ersten Flüssigkeit; ein zweites Zuleitungsmittel (37) zum Zuleiten eines zweiten Gases oder einer zweiten Flüssigkeit; ein Proportionalventil (1) mit einem Ventilgehäuse (3), einem ersten Einlass (5) zum Aufnehmen des genannten ersten Gases oder der genannten ersten Flüssigkeit, einen zweiten Einlass (7) zum Aufnehmen des genannten zweiten Gases oder der genannten zweiten Flüssigkeit und einen Auslass (9) zum Ausstoßen eines Ausgangsstroms eines dritten Gases oder einer dritten Flüssigkeit, das/die aus einem Gemisch aus dem genannten ersten Gas oder der genannten ersten Flüssigkeit und dem genannten zweiten Gas oder der genannten zweiten Flüssigkeit besteht; eine erste Leitung (11) zum Übertragen des genannten ersten Gases oder der genannten ersten Flüssigkeit zwischen dem genannten ersten Zuleitungsmittel (35) und dem genannten ersten Einlass (5); eine zweite Leitung (13) zum Übertragen des genannten zweiten Gases oder der genannten zweiten Flüssigkeit zwischen dem genannten zweiten Zuleitungsmittel (37) und dem genannten zweiten Einlass (7); Ventilsteuervorrichtung (47) zum Regeln des Durchflusses des genannten ersten Gases oder der genannten ersten Flüssigkeit durch den genannten ersten Einlass (5) und zum Regeln des Durchflusses des genannten zweiten Gases oder der genannten zweiten Flüssigkeit durch den genannten zweiten Einlass (7); eine Dichtemessvorrichtung (43) zum Messen der Dichte des genannten gasförmigen oder flüssigen Ausgangsstroms und zum Erzeugen von Signalen, die für die Dichte des genannten Ausgangsstroms repräsentativ sind; und eine Verarbeitungseinrichtung (45), die mit der genannten Dichtemessvorrichtung und der genannten Ventilsteuervorrichtung verbunden ist, um die genannten Signale zu empfangen, und die darauf reagieren kann zum Regeln des Durchflusses des genannten ersten Gases oder der genannten ersten Flüssigkeit durch den genannten ersten Einlass und zum Regeln des Durchflusses des genannten zweiten Gases oder der genannten zweiten Flüssigkeit durch den genannten zweiten Einlass, um das genannte Ausgangsgemisch mit einem gewünschten Verhältnis von dem genannten ersten Gas oder der genannten ersten Flüssigkeit zu dem genannten zweiten Gas oder der genannten zweiten Flüssigkeit zu produzieren, dadurch gekennzeichnet, dass: die Proportionalventilvorrichtung ferner Folgendes aufweist: eine Ventilkammer (27), die in der Mitte des Ventilgehäuses (3) gebildet ist, wobei die Ventilkammer zum Vereinigen und Mischen der aus dem ersten Einlass (5) und dem zweiten Einlass (7) erhaltenen Gase oder Flüssigkeiten in Fluidkommunikation mit dem ersten Einlass (5), dem zweiten Einlass (7) und dem Auslass (9) steht; eine Rotationswelle (19), die drehfähig von dem genannten Ventilgehäuse (3) gehalten wird, und eine Drehventilsperre (21), die in dem genannten Ventilgehäuse (3) angeordnet ist und an der genannten Rotationswelle (19) befestigt ist, wobei die genannte Drehventilsperre (21) zum selektiven Schließen des genannten ersten und zweiten Einlasses (5 und 7) gestaltet ist, wobei die Drehung der genannten Drehventilsperre in einer ersten Richtung die Aufgabe hat, den genannten ersten Einlass bei gleichzeitigem Öffnen des genannten zweiten Einlasses zu schließen, wobei die Drehung der genannten Drehventilsperre in einer zweiten Richtung die Aufgabe hat, den genannten ersten Einlass bei gleichzeitigem Schließen des genannten zweiten Einlasses zu öffnen; einen mit der Rotationswelle verbundenen Drehverschluss (17), der in der Ventilkammer (27) angeordnet ist, wobei der Drehverschluss einen Tragarm (18) hat, der an der Rotationswelle und dem Drehsperrenelement (21) befestigt ist, wobei sich der Tragarm von der zentral angeordneten Rotationswelle über das Innere der Ventilkammer erstreckt, um das Drehsperrenelement in Eingriff zu nehmen und zu halten, wobei das Drehsperrenelement an den ersten und den zweiten Einlass angrenzend positioniert wird, damit während des Proportionierens der erste und der zweite Einlass den Strom der Gase oder Flüssigkeiten durch den ersten und zweiten Einlass und in die Ventilkammer entsprechend selektiv behindern.
System nach Anspruch 1, bei dem das Ventilgehäuse (3) zylindrisch ist.
System nach Anspruch 2, bei dem die Rotationswelle (19) teleskopartig durch eine konzentrisch im Ventilgehäuse (3) angeordnete Bohrung verläuft.
System nach Anspruch 1, bei dem die Ventilsteuervorrichtung (47) zum Steuern der Drehung des Drehverschlusses (17) am Äußeren des zylindrischen Ventilgehäuses befestigt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ventilsteuervorrichtung (47) ein Servomotor, Schrittmotor, Solenoidmotor oder dergleichen ist, der mit der teleskopartig durch das Ventilgehäuse (3) verlaufenden Rotationswelle (19) in Eingriff steht.