DE3736714A1 - Durchflussgeraet mit heizvorrichtung - Google Patents

Durchflussgeraet mit heizvorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung oder Regelung einer elektrischen Heizvorrichtung in einer Durchflußkammer, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für ein Dialysatzubereitungsgerät.
Eine Flüssigkeit, die durch eine Strömungskammer fließt, kann durch eine elektrische Tauchheizvorrichtung erwärmt werden, die alternierend ein- und ausgeschaltet wird. Es ist bekannt, Heizvorrichtungen dieser Art in Dialysatzubereitungsgeräten zur Erwärmung von Wasser zu verwenden, das zur Herstellung von Dialysat dient; die Temperatur des Wassers wird durch einen stromabwärts vom Heizer angeordneten Temperaturgeber erfaßt und der dabei erhaltene Temperaturwert wird zum Steuern des Ein- und Ausschaltens des Heizers verwendet.
Es wurde gefunden, daß eine Heizvorrichtung für eine Flüssigkeit, die durch eine Kammer strömt, schnell und effizient in Abhängigkeit von Änderungen der Einlaßtemperatur so gesteuert werden kann, daß größere Schwankungen der Auslaßtemperatur vermieden werden, indem man die Einlaßtemperatur der Flüssigkeit abfühlt und den dabei erhaltenen Temperaturwert zur Steuerung eines Schaltzyklus oder Schaltverhältnisses der Heizvorrichtung verwendet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist außerdem noch ein Temperaturgeber vorhanden, der auf die Auslaßtemperatur anspricht; der Schaltzyklus wird dadurch bestimmt, daß man eine Heizerkonstante mit der Differenz zwischen einer geforderten oder Soll-Auslaßtemperatur und der Einlaßtemperatur multipliziert; die Heizerkonstante ist eine Funktion der Differenz zwischen der geforderten oder Soll-Auslaßtemperatur und der abgefühlten oder Ist-Auslaßtemperatur; und ein letztlicher Temperaturgeber, der stromabwärts von einer Mischkammer zum Mischen einer zweiten Flüssigkeit mit der erwärmten Flüssigkeit angeordnet ist, dient zum Kompensieren von Temperaturänderungen stromabwärts von der Heizvorrichtung. Bei dem vorliegenden Durchflußgerät sind vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, alle diese Merkmale vorhanden.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Darstellung eines Teiles einer Dialysat-Zubereitungsmaschine darstellt. Dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen.
In der Zeichnung ist schematisch eine Einrichtung (10) zum Entgasen bzw. Entlüften von Wasser dargestellt, welche in einer Dialysatzubereitungs- und Versorgungsmaschine verwendet werden kann, wie sie aus der US-PS 43 71 385 (Johnson) bekannt ist. Die Einrichtung enthält einen Einlaß (12) für Leitungswasser, einen Einlaßdruckregler (14), der auf einen Auslaßdruck von 6 psi oder etwa 41,35 kPa eingestellt wird, wenn auf seinen Auslaß nicht noch ein weiterer Druckminderer folgt, ein zweier Stellungen (offen-geschlossen) fähiges Magnetventil (16), einen Wärmetauscher (18) (der für einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt ist, so daß er etwa 80% der Wärme liefert, die unter Betriebsbedingungen zur Erwärmung des zugeführten Wassers erforderlich ist), einen Einlaßtemperaturgeber (19), eine Heiz/Entgasungsvorrichtung (20), eine Gasabsaugpumpe (22), eine Vakuum/Abfallpumpe (24) und eine elektronische Steuervorrichtung (26). Die Pumpen (22, 24) sind Verdrängungspumpen, insbesondere Zahnradpumpen.
Stromabwärts von der Entgasungspumpe (22) befinden sich Mischkammern (in denen Dialysat-Konzentrat mit Wasser gemischt wird), Leitfähigkeitsgeber (die zur Steuerung der Konzentratzufuhr dienen), und Bilanzkammern (zum Ausgleich der Strömung in den Dialysator und aus diesem heraus, um die Ultrafiltration zu steuern), alle diese Komponenten sind in der Zeichnung durch einen Block (29) versinnbildlicht, der also die Misch- und Bilanz-Einrichtungen darstellt. Stromabwärts von diesen Komponenten befindet sich ein End-Temperaturgeber (31), der die Temperatur der strömenden Mischung aus Wasser und Konzentrat kurz vor ihrem Eintritt in den Dialysator erfaßt. Einem Einlaß (27) des Wärmetauschers (18) wird verbrauchtes Dialysat von nicht eigens dargestellten Bilanzkammern stromabwärts vom Dialysator zugeführt.
Die Heiz/Entgasungs-Vorrichtung (20) enthält einen rohrförmigen Strömungskanal (28), der eine Heizvorrichtung (30) (eine Art von elektrischem Tauchsieder mit einer Leistung von 800 Watt) umgibt und über einen Überlauf mit einem Kanal (32) auf der linken Seite einer Trennplatte (34) in Verbindung steht, die sich zwischen der Heizzone im Kanal (28) und einer Entgasungskammer (36) befindet. Unten im Kanal (32) befindet sich ein Auslaßtemperaturgeber (37). Die Entgasungskammer (36) enthält Polypropylenteilchen (Kugeln und Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 3,2 mm), welche zwischen Netzen (38) eingeschlossen sind, von denen sich das obere unterhalb eines Niveaugebers (40) befindet. Am oberen Ende der Entgasungskammer (36) befindet sich ein Ablaßventil (42), das das Austreten von Flüssigkeit durch einen Gasauslaß (44) verhindert, der mit der Vakuum/Abfallpumpe (24) verbunden ist.
Die Temperatur anzeigenden Signale von den Temperaturgebern (19, 31) und (37) werden einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung (36) zugeführt, die diese Signale zur Steuerung des Schaltzyklus oder Schaltverhältnisse der Heizvorrichtung (30) benutzt. Der Einrichtung (36) wird ferner ein Signal vom Niveaugeber (40) zugeführt, um das Magnetventil (16) zu steuern. Sie steuert außerdem weitere, nicht dargestellte Komponenten der Dialysatzubereitungsmaschine.
Die beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen: Das durch den Einlaß (12) eintretende Wasser durchströmt den Druckregler (14), der gegen größere Leitungsdruckschwankungen schützt, und das Magnetventil (16), welches alternierend geöffnet und geschlossen wird und mit einer Periode von 6 Sekunden arbeitet. Das Schaltverhältnis des Ventils (16) wird durch die Steuer- und Regeleinrichtung (26) so gesteuert, daß der Teil der Schaltperiode von 6 Sekunden, während dessen das Ventil offen ist, vom Flüssigkeitsniveau abhängt, das durch die Ausgangsspannung des Niveaugebers (40) dargestellt wird.
Das Wasser strömt dann durch den Wärmetauscher (18), wo es Wärme vom verbrauchten Dialysat aufnimmt und tritt dann in den Heizkanal (28) ein, fließt in diesem nach oben, läuft über in den Kanal (32) und strömt dann unter der Trennplatte (34) hindurch in die Entgasungskammer (36). In der Heiz/Entgasungsvorrichtung (20) wird die Flüssigkeit durch die Entgasungspumpe (22) und die Vakuumpumpe (24) einem negativen Druck (Unterdruck) ausgesetzt.
Die Heizvorrichtung (30) wird während jeder Periode aus 356 Netzzyklen, d. h. bei 60-Hz-Wechselstrom alle 4,27 Sekunden, eine Anzahl von Malen ein- und ausgeschaltet. Das Schaltverhältnis D oder die relative Einschaltdauer wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
D = K H (T c - T₀)
hierin bedeuten:
T c die geforderte oder Soll-Temperatur,
T₀ die vom Geber (19) abgefühlte Einlaßtemperatur
K H die Heizerkonstante, welche durch die folgende Gleichung gegeben ist:
hierin bedeuten:
T₁die durch den Geber (37) abgefühlte Auslaß-Temperatur, K p ,K i und K d Verstärkungsgradwerte für den Proportional-, Integral- bzw. Differential-Term eines PID-Regelalgorithmus für die Ausregelung des Fehlers der Ist-Auslaß-Temperatur gemäß einem bekannten Verfahren, wie es z. B. in dem Buch von Kuo, "Digital Control Systems", Holt, Rinehart & Winston, Inc., 1980, S. 509-514 beschrieben ist. K p und K i werden empirisch ermittelt und K d wird bei der bevorzugten Ausführungsform gleich null gesetzt; LVdie Netzspannung für die Heizvorrichtung (30) und Qdie Strömungsrate oder der Durchsatz des Wassers durch den Strömungskanal (28). Der Durchsatz kann von der Bedienungsperson auf verschiedene Werte eingestellt werden.
Die obige Rechnung wird nach jeder Meßwertabtastung durchgeführt und der Wert des Schaltverhältnisses ist gleich einer bestimmten Anzahl der 256 Netzzyklen in jeder Periode geteilt durch 256. Unter der Periode des Schaltzyklus soll hier die Periode von 4,27 Sekunden verstanden werden.
Die Einschaltdauer wird auf die 4,27-Sekunden-Periode verteilt, d. h. daß die Heizvorrichtung bei einem Schaltverhältnis von 50% jeden zweiten Zyklus der 256 Netzzyklen der Periode eingeschaltet wird; bei einem Schaltverhältnis von 25% wird die Heizvorrichtung jeden vierten Netzzyklus eingeschaltet und bei einem Schaltverhältnis zwischen diesen beiden Werten wird die Heizvorrichtung außer jeden vierten Netzzyklus noch eine geeignete Anzahl von zusätzlichen Netzzyklen eingeschaltet, die über die 4,27-Sekunden-Periode verteilt sind. Änderungen des Schaltverhältnisses werden bei der Regelung der Heizvorrichtung sofort in die Tat umgesetzt.
Der Integral-Teil der Regelgleichung betrifft das langzeitige Mittel, während der Proportionalteil sich auf den augenblicklichen Temperaturfehler bezieht. Durch den Integralteil lassen sich Phasennacheilungsschwingungen vermeiden, die sonst bei alleiniger Verwendung des Proportionalteiles der Gleichung auftreten können. Die Terme LV und Q gehen in die Heizerkonstante K H ein und ändern diese in Abhängigkeit von der Netzspannung bzw. dem Flüssigkeitsdurchsatz. Beim Einschalten der Dialysat-Einrichtung wird der Integralterm des PID-Algorithmus so voreingestellt, daß sich die erwartete Heizerkonstante ergibt.
Die Pumpe (22) wird mit einer festen Spannung betrieben, so daß sie mit konstanter Rate oder konstantem Durchsatz (der von der Bedienungsperson eingestellt werden kann) arbeitet und die Pumpe (24) wird so betrieben, daß sie die Luft aus der Kammer (36) absaugt und das Vakuum in der Kammer (36) so hoch wie möglich hält, ohne daß die Pumpe (22) überlastet wird. Der Unterdruck und die Temperaturerhöhung bewirken die Freisetzung von gelöstem Gas aus der Flüssigkeit. Die Kunststoffteilchen zwischen den Sieben (38) stellen Keimbildungsstellen dar, an denen sich Luftblasen bilden. Das sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ansammelnde Gas strömt durch das Ventil (42), die Leitung (44) und die Pumpe (24), wobei das mittlere Flüssigkeitsniveau durch den Niveaugeber (40) konstant gehalten wird.
Das entgaste Wasser, das durch die Pumpe (22) zum übrigen Teil des Flüssigkeitskreises der Dialysatzubereitungsmaschine gefördert wird, wird mit Dialysat-Konzentrat gemischt und der Dialysat-Seite des Dialysegerätes zugeführt. Während einer Dialyse wird die letztliche Temperatur, die durch den Temperaturgeber (31) abgefühlt wird, periodisch dazu verwendet, die geforderte oder Soll-Temperatur T c , falls nötig, nachzustellen, um stromabwärtigen Temperaturänderungen Rechnung zu tragen, die beispielsweise durch das Hinzufügen von Konzentrat verursacht werden.
Das verbrauchte Dialysat strömt vom Dialysator zurück zum Einlaß (27) des Wärmetauschers (18) und wird dann durch die Vakuum/Abfallpumpe (24) entfernt. Da der Wärmetauscher (18) unter normalen Betriebsbedingungen etwa 80% der Wärme liefert, die für die Erwärmung des zugeführten Wassers erforderlich sind, tritt ein sehr erheblicher Anstieg der Einlaßtemperatur T₀ auf, wenn das erwärmte verbrauchte Dialysat, nachdem es durch den Rest des Systems geströmt ist, durch die entsprechende Seite des Wärmetauschers (18) zu strömen beginnt. Diese beträchtliche Änderung der Vorwärmung verringert die von der Heizvorrichtung (30) zu liefernde Wärme ganz erheblich. Die abgefühlte Einlaß-Temperatur ermöglicht es der Regeleinrichtung (26), das Schaltverhältnis für die erforderliche zusätzliche Wärme sehr schnell nachzustellen und das vorgewärmte Wasser auf die gewünschte Soll-Temperatur zu bringen, ohne daß ein Überschwingen (und weitere Schwingungen um den Sollwert) auftreten, wie es bei alleiniger Verwendung der Auslaß-Temperatur der Fall wäre.
Das oben beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Claims (12)

1. Durchflußgerät mit
  • - einem Gehäuse, welches eine Kammer (28) bildet und einen Einlaß sowie einen Auslaß zum Einleiten von Flüssigkeit in die Kammer bzw. zum Ableiten von Flüssigkeit aus der Kammer aufweist,
  • - einer in der Kammer (28) angeordneten, mit elektrischer Leistung gespeisten Heizvorrichtung (30),
  • - einem ersten Temperaturgeber (19) zur Abfühlung der Temperatur der Flüssigkeit vor deren Eintreten in die Kammer (28) und der Erzeugung eines Einlaßtemperatursignales, das die Einlaßtemperatur darstellt, und
  • - einer Steuer- und Regeleinrichtung (26), der das Einlaßtemperatursignal vom ersten Temperaturgeber (19) zugeführt ist und die das Schaltverhältnis (EIN/AUS) der Heizvorrichtung (30) in Abhängigkeit von dem Einlaßtemperatursignal steuert.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Temperaturgeber (37), der die Temperatur der Flüssigkeit nach dem Verlassen der Kammer (28) abfühlt und ein Auslaßtemperatursignal liefert, das die Auslaßtemperatur darstellt und der Steuer- und Regeleinrichtung (26) zugeführt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (26) das Schaltverhältnis durch Multiplizieren einer Heizerkonstante mit der Differenz zwischen einer geforderten Soll-Auslaß-Temperatur und der Einlaß-Temperatur bestimmt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (26) das Schaltverhältnis während jeder Periode des Schaltzyklus mehrmals ermittelt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung während jeder Periode mehrmals ein- und ausgeschaltet wird und daß die Ein- und Ausschaltzeiten über die ganze Periode verteilt sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizerkonstante eine Funktion der Differenz zwischen der Soll-Auslaßtemperatur und der Ist-Auslaßtemperatur ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung das Integral der genannten Differenz bei der Einstellung des Schaltverhältnisses berücksichtigt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung eine Anordnung zum Errechnen der Summe einer Konstanten mal der genannten Differenz und einer Konstanten mal dem Integral enthält.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen letztlichen Temperaturgeber (31), der stromabwärts von einer Mischkammer, in der eine zweite Flüssigkeit mit der Flüssigkeit vom Auslaß gemischt wird, angeordnet ist und daß die Steuer- und Regeleinrichtung ein Endtemperatursignal von diesem Temperaturgeber (31) enthält und die Soll-Temperatur auf der Basis dieses Endtemperatursignals nachstellt.
10. Dialysatzubereitungseinrichtung mit
  • - einem Gehäuse, das eine Kammer (28) mit einem Einlaß zum Einleiten von Flüssigkeit in die Kammer und einem Auslaß zum Ableiten von Flüssigkeit aus der Kammer bildet,
  • - einer in der Kammer (28) angeordneten, mit elektrischer Leistung gespeisten Heizvorrichtung (30),
  • - einem ersten Temperaturgeber (19), der für ein Abfühlen der Temperatur der Flüssigkeit vor ihrem Eintreten in die Kammer (28) angeordnet ist und ein Einlaßtemperatursignal, das die Einlaßtemperatur darstellt, liefert und
  • - einer Kontrolleinrichtung (26), die mit dem Einlaßtemperaturgeber (19) elektrisch verbunden ist und das Schaltverhältnis der Heizvorrichtung (30) in Abhängigkeit vom Einlaßtemperatursignal steuert.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Endtemperaturgeber (31), der stromabwärts einer Mischkammer (29) zum Mischen einer zweiten Flüssigkeit mit der Flüssigkeit vom Auslaß angeordnet ist und ein Endtemperatursignal an die Kontrolleinrichtung (26) liefert, welche eine Soll-Temperatur auf der Basis dieses Endtemperatursignals nachstellt.
12. Verfahren zur Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 oder 10.
DE19873736714 1986-10-30 1987-10-29 Durchflussgeraet mit heizvorrichtung Ceased DE3736714A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

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DE3736714A1 true DE3736714A1 (de) 1988-05-11

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