JP6778476B2 - 比例バルブにより容器を充填物で充填する方法 - Google Patents

Description

本発明は、比例バルブにより容器を充填物で充填する方法、特に容器を飲料で充填する方法に関する。

飲料充填プラントにおいて容器を充填物で充填するために、充填用容器に流入する充填物の流量を特定するための様々な手法が知られている。当該特定は、充填プロセスの終了時あるいはスイッチオフ時点を特定するために行なわれる。

例えば、秤量セルによって容器の重量を測定すること、充填プロセス中に容器内に生ずる重量変化によって当該容器への流量を判断することが知られている。これにより、スイッチオフ時点が特定される。

また、流量計（誘導流量計など）によって容器に流入する充填物の流量を特定することが知られている。この流量計は、充填バルブの上方に配置されることが一般的であり、充填プロセス中に容器へ向かう充填物の量を測定する。これにより、所定の充填量に達すると充填プロセスが終了されうる。

よって、充填プロセスを終了させる既知の手法は、流量計や秤量セルのような測定エレメントが設けられ、これにより充填プロセスが制御される制御方法である。

充填バルブに加えて当該充填バルブを通過する充填物も、幾らかの慣性を本来的に有している。その結果、充填プロセスの終了時にバルブを閉じる命令が発行されても、充填物の流れは直ちに停止せず、ある程度の遅れが生ずる。指定された量の充填物で正確に容器を充填できるようにするために、この遅れを特定し、当該遅れに対応する時間だけバルブを閉じる命令の発行を早める必要がある。これにより、当該遅れを考慮した正しい容器への充填量が得られる。

そのため、秤量セルや流量センサなどの測定エレメントを用いて充填バルブがスイッチオフされた後の余剰充填量を測定し、これに基づいて充填プロセスのスイッチオフ時点を早めることが知られている。すなわち、この手法は、余剰充填量を判断するために測定エレメントが設けられ、充填バルブが閉じられるスイッチオフ時点が当該余剰充填量を考慮して補正される制御プロセスである。

容器に流入する充填物の量を無段階に制御できるようにするために、そして充填物に応じて最適化された流量曲線に追随できるようにするために、流量をほぼ無段階に制御可能にする比例バルブとして構成された充填バルブが知られている。このような比例バルブは、所望の開度へ確実かつ再現可能に到達できるように、ステップモータにより駆動されることが一般的である。しかしながら、比例バルブがステップモータにより駆動されることにより、充填プロセスを終了させるバルブ閉塞プロセスが、従来のスイッチングバルブの場合よりもかなり長くなる（約５倍にもなる）。したがって、命令が下されてから比例バルブが完全に閉じられるまでに当該比例バルブを通過する余剰充填物の量は、従来のスイッチングバルブの場合よりもかなり多くなる。

また、比例バルブを用いる場合に、流量センサや秤量セルなどによって充填プロセスごとに余剰充填量を判断し、制御プロセスによって最適なスイッチオフ時点を判断することが知られている。しかしながら、充填物の粘性と差圧すなわち供給ベセル内の充填物の嵩によっては、上記の遅れの間にも流量は変化する。結果として、制御プロセスは、充填プロセスごとに繰り返されることを要し、制御プロセスの速さ次第で充填プロセスの長さが変わる。

上記に鑑み、本発明は、より簡略な構成を有する比例バルブによって容器を充填物で充填する方法を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する方法により達成される。さらなる有利な構成は、従属請求項に記載の特徴により得られる。

すなわち、ここに提案される方法は、比例バルブにより容器を充填物で充填する方法であって、前記比例バルブの開度変化（Ｈ（ｔ））に対する流量の関数（ｑ（ｔ））を決定するステップと、前記流量の関数（ｑ（ｔ））に基づいて前記容器の充填を制御するステップと、を含んでいる。

比例バルブの開放過程における流量の関数を決定することにより、充填プロセスは、当該決定された流量に基づいて制御されうる。よって、従来から知られている複雑な制御プロセスは、もはや行なわれない。そして、対応する測定エレメント（流量センサや秤量セルなど）を不要にすることができる。

よって、決定された関数から、あらゆる開度について比例バルブを通過する充填物の量を計算することができる。計算された流量変化により、容器に流入する充填物の実際の流量が与えられ、これにより充填プロセスを制御（特にスイッチオフ時点を決定）できる。

また、ここに提案される方法は、比例バルブにより容器を充填物で充填する方法であって、前記比例バルブの開度変化Ｈ（ｔ）に対する流量の関数ｑ（ｔ）を決定するステップと、前記流量の関数ｑ（ｔ）に基づいて、前記比例バルブの実際の開度Ｈ_actualに対する実際の流量ｑ_{actual-calculated}を計算するステップと、基準変数としての目標流量変化ｑ_req（ｔ）と制御変数としての計算された前記実際の流量ｑ_{actual-calculated}を用いて前記容器の充填を制御するステップと、を含んでいる。

この手法により、実際の流量を計算により得ることが測定エレメントの機能を代替する。測定エレメントは、実際の流量を測定し、その結果を目標流量により特定される基準変数との比較に供させる。したがって、このような測定エレメントを制御プロセスから不要にできる。これにより、技術的に簡潔で信頼性の高い設計が提供されうる。

好ましくは、前記流量の関数ｑ（ｔ）を決定するために、前記比例バルブの各開度Ｈについて流量因子Ｋｖの関数Ｋｖ（Ｈ）が決定され、定常状態における流量ｑ_∞（Ｈ）が次式により決定される。

ここで、Δｐは差圧であり、δは、前記比例バルブを通過する充填物の密度である。

より好ましくは、前記流量因子Ｋｖの関数Ｋｖ（Ｈ）は、複数の離散的な開度Ｈにおいて先に測定された前記流量因子Ｋｖにより決定され、好ましくは、複数の離散的な値から平滑化関数を決定することにより決定される。さらに好ましくは、前記流量因子Ｋｖの関数Ｋｖ（Ｈ）は、回帰分析、最小二乗法、近似アルゴリズム、または多項式、好ましくは六次多項式により、前記複数の離散的な値に近似するものとして決定される。

好ましくは、ある開度Ｈにおける前記流量ｑの前記流量因子Ｋｖは、前記差圧Δｐおよび前記密度δに基づいて、次式により決定される。

上記の方法において、前記差圧Δｐは、供給べセルの基部に圧力センサを設けてバルブ出口の静位を上げること、供給べセルに充填位センサを設けてバルブ出口の静位を上げること、充填エレメントの出口に圧力センサを直接設けること、の少なくとも一つにより特定されることが好ましい。

比例バルブの特定の開放過程について流量を計算する際に、開度がいつ変更されたかを動的に考慮することも考慮される。すなわち、比例バルブの開放、閉塞、あるいは流量の調節が行なわれる場合、各場合について比例バルブを通過する充填物の量は、比例バルブの開度が一定になってから得られる充填物の量と正確に対応しない。むしろ、比例バルブの特定の開放過程について流量を計算することによって特定されうる動的な流れが存在する。

前記流量の関数ｑ（ｔ）は、機械的なメッシュ関数を解くことにより決定され、好ましくは、小さくなる開度Ｈ（ｔ）について式（Ａ）を解くことにより、大きくなる開度Ｈ（ｔ）について式（Ｂ）を解くことにより決定されることが好ましい。

ここで、τ＝Ｋｖ（Ｈ）・ｍであり、ｑ_∞は次式により与えられ、

ｑ_０は、鎮静過程の開始時における流量であり、ｍは定数である。

ここで、τ＝Ｋｖ（Ｈ）・ｍであり、ｑ_∞は次式により与えられ、

ｑ_０は、鎮静過程の開始時における流量であり、ｍは定数である。

よって、容器に流入する現在の流量変化は、開度が静的な場合についてだけでなく、比例バルブの開度が動的に変化する場合についても特定されうる。結果として、当該流量変化が、充填プロセスを制御するために利用されうる。

特にこの手法によれば、比例バルブのスイッチオフ時点を決定することができる。そのため、スイッチオフプロセスについて比例バルブの閉塞過程Ｈ（ｔ）がまず特定される。この閉塞過程においては、ステップモータの動作に係る三つの区間が現れることが一般的である。まず、特定の一定速度まで特定の比率で加速し、定速時においてバルブが閉じられ、次いで、バルブが完全に閉じられると、速度ゼロまで一定の比率で減速する。この動作パターンは、比例バルブが開かれるときや、開度が変更される度に、ステップモータにより遂行される。いずれの場合においても、バルブの静止位置から特定の一定速度に達するまで加速が行なわれ、次いでバルブが再び所定の開度において静止するまで減速される。このプロセスにより、対応する開放過程Ｈ（ｔ）が得られる。

このようにして決定された開放過程Ｈ（ｔ）と閉塞過程Ｈ（ｔ）が、余剰充填量を計算するために使用される。例えば積分によって決定された閉塞過程について充填量が計算され、閉塞過程が終了される間にも容器に流入し続ける余剰充填量が計算される。このようにして決定された閉塞時点において閉塞過程を終了させる命令がなされるように、充填プロセスが制御されうる。これにより、最初の充填プロセスにおいて所望の充填量が得られ、付加的な制御ステップを必要としない。

また、特定の比例バルブの開度変化について流量変化ｑ（ｔ）を特定することで、当該比例バルブによって充填用容器に導入される充填物の総充填量を特定できる。この場合、特定の開放過程にわたって積分あるいは加算が行なわれることにより、スイッチオフ時点（特に閉塞過程が終了される時点）を正確に決定できる。

したがって、流量の関数ｑ（ｔ）が特定された後に行なわれる全ての充填プロセスは、この関数により制御されることが好ましい。あるいは、あらたな充填プロセスごとに、流量因子の関数Ｋｖ（Ｈ）に基づいて、流量の関数ｑ（ｔ）が改めて計算される。

好ましくは、充填プロセスを終了させるために、特定の開度変化Ｈ（ｔ）について流量の関数ｑ（ｔ）が計算され、前記流量について積分が行なわれることにより余剰充填量が計算され、閉塞過程が終了される時点が決定される際に当該余剰充填量が考慮される。

よって、推定された充填終了時の直前に、各充填プロセスについて前記余剰充填量が計算されることが好ましい。これにより、現在の環境条件（特に流量、差圧、密度）を可及的正確に決定できる。

より好ましくは、前記充填物の総充填量は、前記流量の関数ｑ（ｔ）を充填プロセス全体にわたって積分することにより特定され、充填終了時は当該総充填量に基づいて決定される。

本発明のさらなる好適な実施形態と態様は、以下に列挙する図面と以降の記載を通じてより詳細に説明される。

実測された流量変化ｑ（ｔ）を模式的に示す図である。 比例バルブの開度Ｈに対する流量因子Ｋｖの変化を模式的に示す図である。 電気的に等価な回路を模式的に示す図である。 流量変化ｑ（ｔ）の測定結果と計算結果の比較を模式的に示す図である。 比例バルブの閉塞過程における流量変化ｑ（ｔ）の測定結果を模式的に示す図である。 比例バルブの閉塞過程における流量変化ｑ（ｔ）の測定結果と計算結果を模式的に示す図である。 別実施形態における流量変化ｑ（ｔ）の測定結果を模式的に示す図である。 目標流量変化に基づいて比例バルブの制御を行なう制御システムを模式的に示す図である。

図面の補助を得つつ、好適な実施形態の例が以下に記載される。各図においては、同一または同様の要素、あるいは同一の効果を奏する要素は、同一の参照符号により指示される。これらの要素について繰り返しとなる説明の一部は、冗長性を避けるために省略される。

図１は、充填プロセス中に時間ｔにわたって測定された流量の変化ｑ（ｔ）を示している。流量ｑは、単位時間あたりに比例バルブを通過する流体の体積である。その単位は、ｍＬ／秒である。

例えば、特定の開度変化を行なうように比例バルブが制御され、次いで充填プロセス中に当該比例バルブの開度あるいはそのランプ関数が変更されると、このような実測流量の変化１が得られる。図１に示される実測流量の変化１は、特定の比例バルブについて流量計によって得られたものである。当該比例バルブに係る開度の変化Ｈ（ｔ）の結果として、実測流量の変化ｑ（Ｈ（ｔ））が得られる。

図示の例においては、開放プロセス１０が、短い定常状態区間１２を経て開放勾配１４に至ることが判る。次いで、高流量の定常状態区間１６において、メイン充填がなされる。その後、閉塞プロセス１８が終了される。図示された流量の変化は一例に過ぎないが、飲料が充填される場合における流量の一般的な挙動である。発泡を抑制し、所望の充填量を正確に得るために、充填プロセスをできるだけ穏やかに行なうことを狙いにしている。

実測流量の変化１から判るように、開放プロセス１０において突発的な流量の増加は存在せず、閉塞プロセス１８の終了時において突発的な流量の低下も存在しない。代わりに、実測流量の変化１は、有限の勾配と複雑な形状を有している。その理由は以下の通りである。第一に、比例バルブは開放と閉塞に有限の時間を必要とする。第二に、バルブを通過する流体はある程度の慣性を有している。当該慣性は、比例バルブの動作への迅速な応答を阻害する。

比例バルブが特定の開度変化をするように実測流量の変化１を定めることにより、後述するように、流量の実測を伴うことなく流量の変化１を定めることが可能になる。代わりに、後述するＫｖモデルによって、流量の変化１は計算あるいはシミュレートされうる。したがって、通常の充填動作において、上述した流量計や秤量セルのような測定エレメントを不要にできる。結果として、制御される充填装置の構成が簡略化されうる。また、低コストで信頼性の高い構成が得られる。

比例バルブの開度変化Ｈ（ｔ）から流量変化ｑ（Ｈ（ｔ））を決定できるようにし、それにより実際の充填プロセスにおいて制御システム（特に測定エレメント）の使用を不要にするために、以下の方法が提案される。

まず、比例バルブの各開度Ｈについて当該比例バルブの流量因子Ｋｖ（Ｈ）の関数が定められる。流量因子Ｋｖは、流量係数としても知られている。比例バルブを通過する流体あるいは気体がとりうる流量の尺度である。その単位は、ｍＬ／秒であり、有効断面積としても解釈されうる。Ｋｖの各値は、比例バルブの対応する開度にのみ適用される。

流量因子Ｋｖを決定するために、初期較正プロセスにおいては、比例バルブが特定の開度Ｈ_ｉをとるように制御される。比例バルブからの充填物の流量ｑ（Ｈ）は、当該開度Ｈ_ｉにおいて測定される。例えば秤量セルのような測定セルを用いた測定により、定常状態における流量因子Ｋｖが決定される。このプロセスは、比例バルブにおける複数の離散的な開度Ｈｉについてなされる。

Ｋｖ値と流量ｑ_∞（定常状態における流量）について以下の関係式が得られる。

ここで、Δｐは、バルブの出口と充填物の静位の間の差圧である。δは、充填物の密度である。

よって、流量因子Ｋｖを正確に決定するためには、上述した特定の開度における流量の測定に加え、差圧Δｐと比例バルブを通過する流体の密度δも特定する必要がある。

上記の差圧Δｐは、例えば供給べセルに収容されうる充填物の静位とともに変化する。飲料充填プラントにおいては、差圧を特定するに際して以下のような選択肢がある。
・供給べセルの基部に圧力センサを設け、バルブ出口の静位を上げることにより、総差圧の特定が可能になる。
・供給べセルに充填位センサを設け、バルブ出口の静位を上げることにより、バルブ出口に保持されている全流体量の特定が可能になる。これにより、総差圧が特定されうる。しかしながら、この総差圧の特定法は、例えばべセル内の充填物に生じる波や流量変化に起因する遠心効果を最適に考慮できない場合があるという欠点がある。
・充填エレメントの出口に直接圧力センサを配置することにより、差圧が正確に特定されうる。しかしながら、当該圧力センサは、充填バルブの出口における充填物の流れ挙動、ひいては充填プロセスそのものに影響を及ぼしうる。

充填物の密度δは、既知であるか、既知の測定法により特定されうることが一般的である。水の場合、密度は約１０００ｋｇ／ｍ^３とされうる。よって、計算に与える影響はない。

したがって、特定の開度Ｈ_ｉについて測定された流量ｑ、特定の差圧Δｐ、および特定の密度δに基づいて、当該開度におけるＫｖ値は、次式により決定されうる。

複数の開度Ｈ_ｉに対して流量因子の関数Ｋｖ（Ｈ）を決定するために、特定の開度Ｈ_ｉについて流量因子Ｋｖ（Ｈ_ｉ）を決定した後、各流量因子Ｋｖ（Ｈ_ｉ）に最もよく近似する曲線を決定することにより、比例バルブの複数の開度に対して流量因子の関数が決定される。最適近似曲線は、線形回帰、最小二乗法、近似アルゴリズムなどの既知の手法により決定されうる。上記の計算と決定は、離散的な複数の開度について行なわれる。

最適近似曲線としては、例えば六次多項式が使用されうる。例えば図２に示されるように、流量因子は、比例バルブの複数の開度についてプロットされる。図２においては、最適近似曲線を決定するために、開度の値が０から２ｍｍの第一範囲、および開度の値が２ｍｍから６ｍｍの第二範囲が用いられた。具体的には、第一範囲における複数の離散的な値２０と、第二範囲における複数の離散的な値２２に基づいて、六次多項式を用いて最適近似曲線を形成することにより、比例バルブの開度に対するＫｖ値曲線２が得られた。

比例バルブの特定の開度Ｈについて得られる流量因子Ｋｖの最適近似曲線は、例えば次式で表される。

Ｋｖ（Ｈ）＝ｃ_６Ｈ^６＋ｃ_５Ｈ^５＋ｃ_４Ｈ^４＋ｃ_３Ｈ^３＋ｃ_２Ｈ^２＋ｃ_１Ｈ＋ｃ_７ （３）

ここでｃ_１からｃ_７は測定値について関数を調節するための係数である。

最適近似曲線を決定することにより、上記複数の開度同士の間に位置する全ての値が充填プロセスにおいて考慮されうる。あらゆる開度について、定常状態における流量は次式により算出されうる。

しかしながら、この流量因子の関数Ｋｖ（Ｈ）は、定常状態、すなわち比例バルブの開度が一定になってからの期間についてのものであることを考慮しなければならない。比例バルブが開かれるとき、閉じられるとき、開度から別の開度への移行時においては、別の動的な影響が重要になる。

動的な影響を考慮するにあたり、電気工学分野からの類推がまず用いられる。下表は、電気分野と機械分野の対応を幾つかの項目について記したものである。

図３は、比例バルブについての電気モデルの等価回路を模式的に示している。抵抗Ｒｐ１−ｎは、予め選択可能な抵抗を表している。当該抵抗は、流量因子Ｋｖに対応し、比例バルブの特性に応じて変更されうる。変更は、並列接続された複数の抵抗のスイッチを開閉することにより行なわれる。

電圧Ｕ（すなわち差圧）を供給する電源は、対応する圧力を流体に与える。電流Ｉは流体の流れに対応し、インダクタンスＬは加速された質量に対応する。

この電気回路の動的な挙動は、非同次な一階微分方程式であるメッシュ方程式により以下のように表されうる。

この非同次な一階微分方程式は、増加する抵抗値（すなわち、連続的にオンされるＲｐ１−ｎ）に係る以下の解により満足される。

ここで、τ＝Ｌ／Ｒｐ、ｉ_∞＝Ｕ／Ｒｐ、ｉ_０は、鎮静プロセスの開始時における電流である。

しかしながら、この鎮静過程は、連続的に変化するＲｐによって連続的に中断され、新たな鎮静プロセスに置き換えられる。

減少する抵抗値（すなわち、連続的にオフされるＲｐ１−ｎ）についても同様に、メッシュ方程式の解が得られる。

ここで、τ＝Ｌ／Ｒｐ、ｉ_∞＝Ｕ／Ｒｐ、ｉ_０は、鎮静プロセスの開始時における電流である。

しかしながら、この鎮静過程も、連続的に変化するＲｐによって連続的に中断され、新たな鎮静プロセスに置き換えられる。

電気的な描写が機械的な等価物に置き換えられることにより、小さくなる開度Ｈ（抵抗値の増加に対応）について以下の関係式が得られる。

ここでτ＝Ｋｖ（Ｈ）・ｍであり、ｑ_∞は式（３）により与えられ、ｑ_０は、鎮静過程の開始時における流量であり、ｍは定数である。

大きくなる開度Ｈ（抵抗値の減少に対応）については、以下の関係式が得られる。

ここでτ＝Ｋｖ（Ｈ）・ｍであり、ｑ_∞は式（３）により与えられ、ｑ_０は、鎮静過程の開始時における流量であり、ｍは定数である。

これらの式は、所定の開度の漸進的変化の各場合について成立する。鎮静過程中に開度が再び変化すると、当該鎮静過程は、新たなパラメータを伴う新たな鎮静過程により置き換えられる。

図１に示された流量変化１の全体は、図４に示されるシミュレーションされた流量変化３により表される。当該シミュレーションは、上記の式より表される比例バルブの開度変化を用い、測定された流量因子に基づいている。

測定された流量変化１は、シミュレーションされた流量変化３とほぼ同一である。したがって、差圧、充填物の密度、および流量因子が既知であれば、シミュレーションされた流量変化３は、充填動作中の流量変化１の連続的測定にとって代わりうる。

よって、提案の方法が用いられれば、測定された流量に基づいて充填プロセスを制御する測定エレメントを不要にできる。代わりに、シミュレーションされた流量変化３の計算が済めば、比例バルブは特定の開度変化をとるように直接かつ簡潔に制御されうる。そして、所望の充填量が得られうる。よって、バルブコントローラが制御システムの代わりに使用されうる。

充填用容器に導入される充填量を決定するために、シミュレーションされた流量変化３が積分される。

ここで、充填プロセスの終了時における特殊な状況も考慮される。上述のように、比例バルブは、閉塞プロセスが５００ミリ秒継続できるように、比較的緩やかに閉塞される。充填物の流れがゆっくりと遮断されるため、充填物の流れの相対慣性と相俟って、充填総量の計算に余剰充填量を考慮する必要が生ずる。

図５は、特定の閉塞過程４０における比例バルブの開度の時間ｔに対する変化４を示している。本例においては、比例バルブがステップモータにより駆動されるため、開度変化４において開度Ｈｉがとる値は、離散的である。

図５は、比例バルブの閉塞時に測定された流量変化１も示している。

特定の開度変化についてシミュレーションされた流量変化を決定するための上記の方法に基づき、特定の閉度過程４０（すなわち、比例バルブが閉塞されるときの開度Ｈ（ｔ）の変化）に対する流量も、同様の手法で計算されうる。当該流量を閉塞過程全体にわたって積分することにより、総余剰充填量も計算されうる。

図６においては、上述の方法でシミュレーションされた流量変化３が再び示されている。この場合においても、閉塞時における遅れの流量変化３のシミュレーション結果は、実測された流量変化１と一致している。したがって、遅れ流量の先の計算結果によって、正確なスイッチオフ時点あるいはスイッチオフ過程を開始する時点が正確に決定されうる。これにより、秤量セルや流量計のような充填プロセスを制御するための測定エレメントを不要にできる。この場合、制御システムを不要にでき、代わりにバルブコントローラを使用する。

図７に示される変形例においては、各比例バルブ自身が流量計や秤量セルなどの測定エレメントを備えているシステムに、本方法が適用されている。これにより、測定された流量ｑの定常レベル１６において、比例バルブの正確な流量因子Ｋｖが決定されうる。この結果から、閉塞過程１８の終了時が決定されうる。よって、スイッチオフ時点、すなわちスイッチオフ過程を終了する時点が、正確に決定されうる。

計算は、予想されるスイッチオフ時点のできるだけ近くで行なわれる。実際に余剰充填量が発生するときとできるだけ近い条件で余剰充填量の計算を行なうためである。例えば、供給べセル内の流体量、これに対応するべセル内の圧力、あるいは流体の温度は、充填物の粘度に影響を与える。

余剰充填量を計算するために、以下に列挙する一連のステップが遂行される。計算は、比例バルブが最大流量に到達した後の時点、かつ充填プロセスの終了までに十分な時間が残っている時点で行なわれることが好ましい。

１．閉塞時の開度変化Ｈ（ｔ）を特定するために、モータの加速度および最大速度から動作継続時間を特定する。
２．Ｋｖ（Ｈ）および現在の流量ｑから、定常期間１６における静的レベルを特定する。静的レベルは、ｑ_∞の連続的な計算のために必要とされる。
３．時間ｔの関数としての動き変化に応じて、開度Ｈの漸進的な低下をシミュレーション（計算）する。
４．新たな開度においてＫｖ（Ｈ）を計算する。
５．ｑ_∞とτを計算する。
６．ｑ（ｔ）を計算する。
７．ステップ３に戻る。動作継続時間ｔが満了したら計算を終了する。

余剰充填量の計算により、べセル内の充填物のレベルが上下する場合、べセル内の圧力が上下する場合、温度が上下する場合において非常に高い正確性が得られる。よって、容器の最適な充填を当初より遂行でき、測定エレメントを用いての余剰充填量制御を不要にできる。

図８は、計算された流量ｑ（ｔ）を用いる制御システムを示している。流量ｑ（ｔ）は、ある比例バルブの開度ＨについてのＫｖモデルにより特定される。本例においても、Ｋｖモデルは測定エレメントに取って代わる。

基準変数としての目標流量５０が、例えばＰＩＤコントローラとして実現される制御システムに供給される。目標流量５０は、充填用容器へ流入すべく時間変化する目標流量ｑ_req（ｔ）でありうる。

したがって、ＰＩＤコントローラによって目標開度Ｈ_reqが決定され、目標開度５２として比例バルブのアクチュエータへ伝達される。この制御コマンドに基づいて比例バルブが開き、実際の開度Ｈ_actualが実際の開度５４としてＫｖ計算モデルへ伝達される。比例バルブの慣性に起因して、実際の開度５４と目標開度５２は相違しうる。

実際の開度Ｈ_actualに基づいて、Ｋｖモデルは、実際の流量ｑ_{actual-calculated}を計算する。計算された実際の流量５６は、制御変数として再び制御システムに供給され、目標流量ｑ_reqの基準変数と比較される。すなわち、制御変数ｑ_{actual-calculated}は、実際の開度Ｈ_actualに基づいて計算され、目標開度Ｈ_reqを制御するために使用される。従来の制御とは異なり、制御変数（すなわち実際の流量）を決定するための測定エレメントを不要にできる。測定エレメントは、Ｋｖモデルにより代替される。

以上説明したように、特定の開度に対する実際の流量は、Ｋｖモデルによって良好な正確性とともに特定されうる。計算された実際の流量ｑ_{actual-calculated}は、比例バルブを実際に通過する実際の流量ｑ_actual（５８）とほぼ対応する。

発明の範囲から逸脱することなく可能の範囲内において、各実施形態例について記載された各特徴は、組合せと交換の少なくとも一方が可能である。

１：測定された流量、１０：開放過程、１２：定常状態、１４：開放ランプ、１６：高流量における定常状態、１８：閉塞時の変化、２：流量因子Ｋｖ、２０：第一の数値範囲、２２：第二の数値範囲、３：シミュレーションされた流量、４：開度、４０：閉塞時の変化、５０：目標流量、５２：目標開度、５４：実際の開度、５６：計算された実際の流量、５８：実際の流量、ｔ：時間、Ｈ：開度、ｑ：流量

Claims (11)

1. 比例バルブにより容器を充填物で充填する方法であって、
   前記比例バルブの開度変化（Ｈ（ｔ））に対する流量の時間変化（ｑ（ｔ））を決定するステップと、
   前記流量の時間変化（ｑ（ｔ））に基づいて前記容器の充填を制御するステップと、
   を含んでいる、
   方法。
2. 比例バルブにより容器を充填物で充填する方法であって、
   前記比例バルブの開度変化（Ｈ（ｔ））に対する流量の時間変化（ｑ（ｔ））を決定するステップと、
   前記流量の時間変化（ｑ（ｔ））に基づいて、前記比例バルブの実際の開度（Ｈ_actual）に対する実際の流量（ｑ_{actual-calculated}）を計算するステップと、
   基準変数としての目標流量変化（ｑ_req（ｔ））と制御変数としての計算された前記実際の流量（ｑ_{actual-calculated}）を用いて前記容器の充填を制御するステップと、
   を含んでいる、
   方法。
3. 前記流量の時間変化（ｑ（ｔ））を決定するために、前記比例バルブの各開度（Ｈ）について流量因子（Ｋｖ）の関数（Ｋｖ（Ｈ））が決定され、定常状態における流量（ｑ_∞（Ｈ））が次式により決定される、
   請求項１または２に記載の方法。
   

   

   ここで、Δｐは差圧であり、δは、前記比例バルブを通過する充填物の密度である。
4. 前記流量因子（Ｋｖ）の関数（Ｋｖ（Ｈ））は、複数の離散的な開度（Ｈ）において先に測定された前記流量因子（Ｋｖ）により決定され、好ましくは、複数の離散的な値から平滑化関数を決定することにより決定される、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記流量因子（Ｋｖ）の関数（Ｋｖ（Ｈ））は、回帰分析、最小二乗法、近似アルゴリズム、または多項式、好ましくは六次多項式により、前記複数の離散的な値に近似するものとして決定される、
   請求項４に記載の方法。
6. ある開度（Ｈ）における前記流量因子（Ｋｖ）は、前記流量（ｑ）、前記差圧（Δｐ）および前記密度（δ）に基づいて、次式により決定される、
   請求項４または５に記載の方法。
   

   
7. 前記流量の時間変化（ｑ（ｔ））は、小さくなる開度（Ｈ（ｔ））について式（Ａ）を解くことにより、大きくなる開度（Ｈ（ｔ））について式（Ｂ）を解くことにより決定される、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
   

   

   ここで、τ＝Ｋｖ（Ｈ）・ｍであり、ｑ_∞は次式により与えられ、
   

   

   ｑ_０は、鎮静過程の開始時における流量であり、ｍは定数である。
   

   

   ここで、τ＝Ｋｖ（Ｈ）・ｍであり、ｑ_∞は次式により与えられ、
   

   

   ｑ_０は、鎮静過程の開始時における流量であり、ｍは定数である。
8. 前記流量の時間変化（ｑ（ｔ））を決定した後に、当該関数により後続する全ての充填プロセスが制御され、あるいは、新たな充填プロセスについて前記流量の時間変化（ｑ（ｔ））が前記流量因子の関数（Ｋｖ（Ｈ））に基づいて新たに計算される、
   請求項３に記載の方法。
9. 充填プロセスを終了させるために、特定の開度変化（Ｈ（ｔ））について前記流量の時間変化（ｑ（ｔ））が計算され、前記流量について積分が行なわれることにより余剰充填量が計算され、閉塞過程が終了される時点が決定される際に当該余剰充填量が考慮される、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記充填プロセスについて推定された充填終了時の前に、前記余剰充填量が計算される、請求項９に記載の方法。
11. 前記充填物の総充填量は、前記流量の時間変化（ｑ（ｔ））を充填プロセス全体にわたって積分することにより特定され、充填終了時は当該総充填量に基づいて決定される、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。

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