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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet von Durchflusssteuerungen.
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Die
Steuerung des Durchflusses von einer oder mehrerer Flüssigkeiten
ist bei vielen Anwendungen wünschenswert.
Zum Beispiel, wobei dies nicht begrenzend zu verstehen ist, wenn
Flüssigkeiten
in bestimmten Verhältnissen
zu mischen sind oder wenn bestimmte Mengen von Flüssigkeiten
benötigt werden,
ist es oft wünschenswert,
die Durchflussraten zu steuern, um eine richtige Mischung oder Menge
sicherzustellen. Typischerweise wird als Teil einer solchen Steuerung
ein Sensor verwendet, um die Durchflussrate zu messen sowie eine
Steuervorrichtung wie z.B. ein Ventil, die in Abhängigkeit
von der gemessenen Durchflussrate so eingestellt wird, dass die
gewünschte
Durchflussrate erzielt wird.
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Eine
bestimmte Anwendung, bei der eine Durchflusssteuerung wünschenswert
ist, ist das Ausgeben von nachgemischten Getränken. Bei Nachmischgetränkesystemen
werden Sirupe und/oder Aromastoffe mit kohlesäurehaltigem Wasser oder Wasser
ohne Kohlensäure
gemischt, um fertige Getränke
zu erhalten. Bei solchen Systemen wird die Getränkequalität signifikant von der Genauigkeit
der Mischverhältnisse
der Flüssigkeiten
beeinflusst. Jedoch sind bedingt durch Variationen in den Systemen,
wie z.B. Druckunterschieden, Temperaturunterschieden, Drifts, Abnutzungseffekten
und dergleichen die Durchflussraten in solchen Systemen nicht konstant.
Deshalb ist es wünschenswert,
die Durchflussraten von einer oder mehrerer der Flüssigkeiten zu
steuern, um richtige Mischverhältnisse
zu gewährleisten.
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Obwohl
bereits Systeme zur Durchflusssteuerung eingesetzt wurden, besteht
ein fortwährender Bedarf,
deren Kosten, Effizienz und Genauigkeit zu verbessern.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtungen zur Durchflusssteuerung
zu schaffen, welche die Nachteile bisher bekannter Systeme eliminiert
oder zumindest wesentlich reduziert.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Durchflusssteuerungssystem gelöst, bei
dem ein erstes Fluid mit einer ersten Fluiddurchflussrate fließt. Weiterhin wird
ein Durchflusssteuerungsventil zur Verfügung gestellt, durch welches
ein zweites Fluid fließt,
wobei das Durchflusssteuerungsventil eine Spule und einen Schieber
aufweist, sodass ein elektrischer Strom, welcher durch die Spule
fließt,
eine elektromagnetische Kraft auf den Schieber bewirkt. Ein Sensor
kann so betrieben werden, dass er einen Parameter des zweiten Fluids
wie z.B. die Temperatur oder die Durchflussrate, messen kann und
ein Steuerungssystem ist mit dem Sensor und der Spule gekoppelt. Das
Steuerungssystem kann so betrieben werden, dass es eine gewünschte Durchflussrate
des zweiten Fluids basierend auf der Durchflussrate des ersten Fluids
bestimmt, und es kann ferner so betrieben werden, dass es die elektromagnetische
Kraft auf den Schieber entsprechend der gemessenen Parameter so
einstellt, dass die gewünschte
Durchflussrate erzielt wird. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung
kann die erste Fluiddurchflussrate gemessen, berechnet oder einfach
angenommen werden.
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Bei
einer Ausführungsform
speichert das Steuersystem einen Einstellwert des elektrischen Stroms
und wendet den gespeicherten Einstellwert an oder hält den gespeicherten
Einstellwert für
eine gewisse Zeit. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist
der gespeicherte Einstellwert der letzte Einstellwert, der während eines
vorgehenden Bedarfs des zweiten Fluids verwendet wurde.
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Bestimmte
Anwendungen der vorliegenden Erfindung umfassen die Ausgabe von
Getränken, wobei
das erste Fluid Wasser ist (mit oder ohne Kohlensäure) und
das zweite Fluid ein Getränkesirup.
In ähnlicher
Weise kann das erste Fluid ein Getränkesirup sein und das zweite
Fluid Wasser mit oder ohne Kohlensäure.
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Das
System kann weiterhin ein Abschaltventil umfassen, um den Durchfluss
des zweiten Fluids zu unterbrechen. Außerdem kann der Sensor zwischen
dem Durchflusssteuerungsventil und dem Abschaltventil angeordnet
sein. Bei einer Ausführungsform
können
das Durchflusssteuerungsventil, das Abschaltventil und der Sensor
integriert sein.
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Bei
dem Sensor kann es sich um fast jede An von Temperatur- und Fluiddurchflusssensor
handeln, und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist es ein einzelner Thermistor.
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Bei
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung steuert das Steuerungssystem ein pulsweitenmoduliertes
Signal, um die elektromagnetische Kraft auf den Schieber einzustellen.
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Es
wird weiterhin ein Getränkeausgabesystem
geschaffen, welches eine Mehrzahl von Durchflusssteuerungsventilen
aufweist, wobei jedes der Durchflusssteuerungsventile eine Spule
und einen Schieber beinhaltet, sodass ein elektrischer Strom, der
durch eine entsprechende Spule fließt, eine elektromagnetische
Kraft auf den entsprechenden Schieber bewirkt. Weiterhin wird eine
Mehrzahl von Sensoren zur Verfügung
gestellt, von denen jeder so betrieben werden kann, dass er einen
Parameter des jeweiligen Fluids, welches durch das jeweilige Durchflusssteuerungsventil
fließt,
messen kann, sowie ein Steuerungssystem, welches mit den Sensoren
und Spulen gekoppelt ist. Das Steuerungssystem ist betätigbar,
um die gewünschten
Durchflussraten durch die Durchflusssteuerungsventile zu bestimmen
und die elektromagnetische Kraft auf einen entsprechenden Schieber
basierend auf dem gemessenen Parameter einzustellen, wodurch das
entsprechende Durchflusssteuerungsventil die gewünschte Durchflussrate durch
das Durchflusssteuerungsventil erreicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Sensoren und Spulen direkt an das Steuerungssystem
angeschlossen. In einer anderen Ausführungsform sind die Durchflusssteuerungsventile
mit dem Steuerungssystem über
einen Kommunikationsbus verbunden.
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Beim
Betrieb eines erfindungsgemäßen Steuerungssystem
wird eine Fluiddurchflussrate eines ersten Fluids bestimmt, ein
Parameter (wie z.B. Durchflussrate oder Temperatur) eines zweiten
Fluids gemessen, eine gewünschte
Durchflussrate für das
zweite Fluid basierend auf der Fluiddurchflussrate des ersten Fluids
festgelegt, und die Durchflussrate des zweiten Fluids basierend
auf dem gemessenen Parameter des zweiten Fluids eingestellt, um
die gewünschte
Durchflussrate zu erzielen. Das Einstellen der Durchflussrate beinhaltet
das Einstellen der Position eines Schiebers, indem eine elektromagnetische
Kraft auf den Schieber entsprechend eingestellt wird. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung beinhaltet das Einstellen der elektromagnetischen
Kraft das Einstellen eines pulsweiten modulierten Signals, welches
durch eine Spule geschickt wird. In einigen Ausführungsformen kann die erste
Fluiddurchflussrate angenommen, berechnet, oder gemessen werden.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann der Schieber oder können die Schieber zum Zittern
gebracht werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine
Kontrolleinstellung gespeichert werden und das Einstellen der Durchflussrate
beinhaltet zumindest teilweise das Anlegen der gespeicherten Einstellungen
oder das Halten der eingestellten Kontrolleinstellungen für eine gewisse
Zeit. Bei einer Ausführungsform
ist die gespeicherte Kontrolleinstellung die letzte Kontrolleinstellung,
die während
eines vorhergehenden Bedarfs an zweitem Fluid benutzt wurde.
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Ein
technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist unter anderem
die Effizienz des einstellbaren Durchflusssteuerungsventils.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Ausführungsform
der Erfindung eines Fluidregelsystems mit geschlossenem Kreislauf
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2 ein
Schnittbild einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßes Ventils;
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3 ein
Blockdiagramm einer Ausführungsform
der Erfindung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung der Komponenten;
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4A und 4B Blockdiagramme
von bestimmten Ausführungsformen
der Steuerung gemäß der Erfindung;
und
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5 ein
Flussdiagramm, das den Betrieb eines erfindungsgemäßen Fluidsteuerungssystems veranschaulicht.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Durchflusssteuerungssystems 10. Wie
in 1 abgebildet, ist ein Durchflusssteuerungsventil 12 an
ein Steuerungssystem 14 angekoppelt. Das Steuerungssystem 14 ist
weiterhin mit einem Sensor 16 verbunden. In der Ausführungsform der 1 ist
der Sensor 16 stromabwärts
des Ventils 12 gezeigt. Der Sensor 16 kann sich
generell stromabwärts
oder auch stromaufwärts
befinden und es können
sich auch mehrere Sensoren stromaufwärts oder stromabwärts oder
sowohl stromauf- als auch stromabwärts befinden.
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2 zeigt
ein Schnittbild einer bestimmten Ausführungsform des Ventils 12.
Das Ventil 12 beinhaltet ein Durchflusssteuerungsmagnetventil 20 und ein
Abschaltventil 22. In der spezifischen Ausführungsform
wie in 2 gezeigt, fließt ein Fluid zunächst durch
das Ventil 20 und dann durch das Abschaltventil 22.
Es versteht sich jedoch, dass auch andere Anordnungen verwendet
werden können. Beispielsweise
kann ein Abschaltventil stromaufwärts des Durchflusssteuerungsventils
angeordnet sein. Das Abschaltventil kann aber auch entfallen. Obgleich
kein Abschaltventil benötigt
wird, ist es vorteilhaft, ein normalerweise geschlossenes Abschaltventil
zu benutzen, um sicherzustellen, dass im Falle einer Stromabschaltung
oder unter anderen Fehlbedingungen kein Durchfluss auftreten kann.
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Das
Ventil 20 beinhaltet eine Hülse 24 mit einem als
Fluiddurchflussregler darin verschiebbar gelagerten Schieber 26.
Ein Fluideinlassanschluss 27 überträgt Fluid durch einen Fluiddurchlass 28 des Schiebers 26.
Die Einlaßseite
des Schiebers 26 beinhaltet eine Drosselöffnung 30,
durch welche Fluid von der Einlaßöffnung 27 in den Fluiddurchlass 28 gelangt.
Bei vielen Anwendungen, so zum Beispiel bei der Getränkeausgabe
können
die gesteuerten Fluide als im wesentlichen inkompressibel angenommen
werden, weshalb die Menge an Fluid, welche die Öffnung 30 durchströmt, proportional
zum Druckunterschied über
die Öffnung 30 ist,
wie es durch das Gesetz von Bernoulli definiert wird.
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Die
Hülse 24 beinhaltet Öffnungen 34,
durch welche Fluid vom Durchlass 28 zu einem Auslassdurchlass 36 gelangen
kann. Eine Feder 32 übt
eine Ausgleichskraft auf den Schieber 26 aus, die der Kraft
entgegenwirkt, die durch den durch die Öffnung 27 einströmenden Fluidstrom
auf den Schieber 26 ausgeübt wird. Der Druckunterschied über den Schieber 26 ist
durch den Eintrittsdruck am Einlaß 27 minus dem Auslassdruck
im Auslassdurchlass 28 definiert. Wenn der Druckunterschied über den
Schieber 32 ansteigt, wird der Schieber 32 gegen
den Federdruck und die elektromagnetische Kraft gedrückt, wie
nachstehend näher
erläutert
wird. Wenn der Schieber 26 durch den ansteigenden Druckunterschied
des Fluids verdrängt
wird (abwärts
in der 2) beginnen sich die Öffnungen 34 zu schließen und
wird der Fluidstrom aus dem Ventil 20 heraus reduziert,
wodurch entsprechend der Fluss durch die Öffnung 30 verringert
wird. Durch diesen Vorgang wird das Kräftegleichgewicht an dem Schieber
wiederhergestellt, wodurch ein im Wesentlichen konstanter Durchfluss
durch die Öffnung 30 aufrechterhalten
wird, welcher im Wesentlichen unabhängig von Einlaß- oder
Auslassdrücken
ist. Umgekehrt bewegt sich, wenn der Druckunterschied verringert wird,
der Schieber 32 nach oben, wodurch die Öffnungen 34 weiter
geöffnet
werden und der Ausstrom aus dem Ventil 20 vergrößert wird,
wodurch der Fluss durch die Öffnung 30 erheblich
vergrößert wird,
und somit ein im Wesentlichen konstanter Durchfluss durch die Öffnung 30 aufrecht
erhalten wird, welcher im wesentlichen unabhängig von Einlass- oder Auslassdrücken ist.
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Eine
Drahtspule 40 ist um die Hülse 24 angebracht.
Weiterhin sind eine Scheibe 42 und ein Bügel 44 vorgesehen.
Der Bügel 44 ist
um die Hülse 24 herum
angebracht und umgreift die Spule 40 und die Scheibe 42.
Die Scheibe 42 und der Bügel 44 sind aus einer
magnetischen Metalllegierung hergestellt, so dass ein Magnetkreis
geschlossen wird. Der Schieber 26 ist vorzugsweise aus
einem Material von magnetischer Güte hergestellt, wie z.B. rostfreiem Stahl 430,
obwohl auch andere Materialien genauso benutzt werden können. Die
Hülse 24 ist
vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt wie
z.B. einer Keramik, wobei auch hier andere Materialien eingesetzt
werden können.
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Im
Betrieb wird ein elektrischer Strom an die Spule 40 angelegt,
welcher durch das Steuerungssystem 14 gesteuert wird, und
der Schieber 26 wird einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt.
Die aus diesem Feld resultierende Kraft, drängt den Schieber 26 gegen
den Druckunterschied des eintretenden Fluids. Bei der in 2 gezeigten
Ausrichtung wird der Schieber 26 durch das elektromagnetische
Feld nach oben gedrängt.
Daher wird durch eine Erhöhung
des Stroms die Kraft, die auf den Schieber wirkt, erhöht und die Öffnungen 34 werden
weiter geöffnet,
so dass ein größerer Durchfluss
durch das Ventil 20 gelangen kann, wodurch der Druckunterschied über die Öffnung 30 vergrößert wird.
Wenn der Strom reduziert wird, wird die Kraft auf den Schieber ebenfalls
reduziert, die Öffnungen 34 werden weiter
geschlossen, wodurch der Fluss durch das Ventil 20 und
somit auch der Druckunterschied über die Öffnung 30 reduziert
wird. Das Gesetz von Bernoulli definiert das Verhältnis zwischen
dem Druckunterschied und dem Fluss durch die Öffnung 30. Der Ausdruck „Schieber", wie er hier benutzt
wird, beinhaltet dabei ein jegliches Element beliebiger Form, das
bewegt werden kann, um die Größe eines
Durchflussweges für
ein Fluid zu variieren.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Strom, der an eine Spule 40 angelegt
wird, ein gepulstes, elektrisches Signal, und in einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
ein pulsweitenmoduliertes elektrisches Signal, ein sog. PWM-Signal.
Bei einer Ausführungsform
können
die Pulse mit Frequenzen von ungefähr 40 Hz betrieben werden,
jedoch ist versteht sich, dass auch andere Frequenzen benutzt werden
können,
und dass die Frequenz als Teil einer Steuerungsmethode variiert werden
kann. Bei der Pulsweitenmodulation ist der Durchfluss durch das
Ventil umso größer, je
größer der
Arbeitszyklus des PWM Signals ist. Auf diese Weise kann der Durchfluss
durch das Ventil in Abhängigkeit
von gemessenen Durchflüssen
gesteuert werden. Obwohl bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
eine Pulsweitenmodulation eingesetzt wird, sind auch andere Steuerungsmethoden wie
z.B. die Steuerung der Amplitude eines kontinuierlichen (ungepulsten)
Stromes möglich.
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Indem
ein Wechselstrom (wie z.B. ein gepulstes Signal oder ein alternierendes
Signal) benutzt wird, wird ein spezieller Vorteil der vorliegenden Erfindung
erzielt. Dieser Vorteil ist das Zittern des Schiebers 26.
Mit der Zitterbewegung wird die Reibung zwischen dem Schieber 26 und
der Hülse 24 reduziert
(da der Koeffizient der Gleitreibung niedriger ist als der Koeffizient
der Haftreibung). Es versteht sich jedoch, dass eine solche Zitterbewegung
nicht erforderlich ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsgsform
der Erfindung beinhaltet das Ventil 20 die vorstehend erläuterte Feder 32.
Die Feder 32 kann so dimensioniert sein, dass sie den Schieber 26 vorspannt
und in Kombination mit der elektromagnetischen Steuerung die Durchflussregelung
unterstützt.
Jedoch kann die Feder 32 auch vollkommen weggelassen werden,
wobei in diesem Fall die elektromagnetische Steuerung alleine dazu
dienen würde,
der Kraft entgegen zu wirken, die durch den Druckunterschied erzeugt
wird, welcher durch den Fluiddurchfluss verursacht wird. Ebenso
kann die Feder 32 einfach dazu benutzt werden, das Dämpfungsverhältnis des
mechanischen Systems zu verändern,
um das Einschwingverhalten auf sich verändernde Einlass- oder Auslassdruckstörungen zu
verbessern und das dynamische Verhalten bezüglich elektrischer Eingangssignale
zu verbessern.
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In 2 ist
weiterhin ein Sensor 50 gezeigt, welcher dazu dient, ein
oder mehrere Parameter des Fluids, welches durch das Ventil 12 strömt, zu messen.
In dieser spezifischen Ausführungsform
ebenso wie im Blockdiagramm der 3 wird eine
solche Messung zwischen dem Ventil 20 und dem Abschaltventil 22 durchgeführt. Diese
Konfiguration ist nur beispielhaft gewählt, und die Messung kann auch stromaufwärts von
Ventil 12, stromabwärts
von Ventil 12, oder durch jede Kombination von stromaufwärts, stromabwärts oder
dazwischen gelagerten Messungen durchgeführt werden.
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Ein
spezieller Sensor, der als Sensor 50 genutzt werden kann,
ist ein Einzelthermistormassendurchflusssensor. Die U.S.-Patentanmeldung 2004/0139799
A1 beschreibt die Betriebsweise einer speziellen Ausführungsform
eines Einzelthermistormassendruchflusssensors. Jedoch können auch
andere Massendurchflusssensoren wie z.B. Thermistorsensoren eingesetzt
werden, die mehr als einen Thermistor beinhalten, Schaufelraddurchflussmessgeräte, Differenzdruckdurchflussgeber
oder jede andere Art von Durchflusssensoren. Wie nachstehend erläutert wird,
kann es sich bei dem Sensor 50 ferner um einen Temperatursensor
oder einen mit Massendurchflusssensor kombinierten oder als ein
solcher benutzter Temperatursensor sein. Im Allgemeinen wandelt
das Steuersystem ein Signal von einem physikalischen Sensor in weiterverwertbare
Daten um. Die Konzepte des Sensors oder der Messung sind hierbei
so zu verstehen, dass ein physikalischer Sensor allein oder in Kombination
mit irgendeiner anderen Komponente beinhaltet sein kann, die dazu
dient, das Sensorsignal in benutzbare Daten oder Signale umzusetzen.
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Der
Sensor, der weiter oben in Zusammenhang mit der 1 besprochen
wurde, steht in Verbindung mit dem Steuersystem 14, welches
seinerseits das elektromagnetische Feld des Ventils 20 steuert
und dadurch den Durchfluss auf die gewünschte Rate steuert. Das Steuersystem 14 kann auch
eine Eingabe von anderen Durchflusssensoren erhalten oder andere
Daten oder Eingaben nutzen, um die gewünschte Durchflussrate festzulegen.
Insbesondere legt das Steuersystem 14 (basierend auf beispielsweise
anderen Sensoren oder internen Daten oder anderen Eingaben) die
gewünschte
Durchflussrate durch das Ventil 12 fest. Das Steuersystem 14 mißt den aktuellen
Durchfluss durch das Ventil 12 oder einige andere Parameter
des Fluids, welches durch das Ventil 12 fließt und stellt
die Position des Schiebers ein, bis die gewünschte Durchflussrate erreicht
ist.
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Weiterhin
ist ein Abschaltventil 22 vorgesehen, das bei dieser speziellen
Ausführungsform
als ein Magnetabschaltventil dargestellt ist. Das Abschaltventil 22 ist
normalerweise geschlossen, wodurch sichergestellt ist, dass kein
Durchfluss im Falle eines Stromausfalls oder eines anderen Fehlers
auftritt. Wenn ein Durchfluss gewünscht wird, wird die Magnetspule 52 angeregt,
um den Spulenkern 54 in eine Öffnungsposition zu bewegen,
wodurch ein Fluiddurchfluss vom Durchlass 36 durch den
Auslass 56 freigegeben wird. Obwohl in dieser speziellen
Ausführungsform
der Erfindung ein normalerweise geschlossenes Magnetventil gezeigt
ist, kann auch jedes andere Abschaltventil benutzt werden. Das Abschaltventil
kann ebenso auch weggelassen werden.
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Obwohl
das Ventil 12 mit integriertem Durchflusssteuerungsventil 20,
Abschaltventil 22 und Durchflusssensor 50 gezeigt
ist, ist eine solche Integration nicht unbedingt notwendig. So können im Rahmen
der Erfindung auch eine oder mehrere dieser Komponenten weggelassen
oder als separate Einheiten ausgeführt sein. Wenn in der Beschreibung der
Erfindung einer der Ausdrücke „Durchflusssteuerungsventil" oder „Ventil" benutzt wird, so
ist dies nicht in einer beschränkenden
Weise gemeint, und bezieht sich auf entweder ein integriertes Ventil 12, wie
z.B. in der 2 gezeigt, oder nur ein Durchflusssteuerungsventil 20 oder
beide oder auf irgendeine Kombination von Steuerungsventil, Abschaltventil
und Sensor.
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Es
folgen nun Beispiele zum Betrieb des Systems 10 in Verbindung
mit einer Getränkeausgabeanwendung.
Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch in
anderen Bereichen eingesetzt werden kann und auch bei der Getränkeausgabe
andere Methoden genauso genutzt werden können. In dem ersten Beispiel
wird das Steuerungssystem 14 benutzt, um den Durchfluss
von Wasser (mit oder ohne Kohlensäure) beispielsweise durch die Kommunikation
mit einem Wasserdurchflusssensor zu messen. Das Wasser kann dabei
durch ein Durchflusssteuerungsventil wie oben beschrieben fließen, oder
durch ein anderes Durchflusssteuerungsventil, oder einfach durch
ein Abschaltventil. Basierend auf der Wasserdurchflussmessung bestimmt
das Steuersystem 14 eine passende Durchflussrate für einen Getränkesirup,
der mit dem Wasser gemischt werden soll und zwar entsprechend dem
gewünschten
Mischungsverhältnis
von dem Wasser und diesem Sirup. Der Getränkesirup fließt durch
ein Durchflusssteuerungsventil, wie es oben beschrieben wurde, und
das Steuerungssystem 14 misst (mittels des Sensors 50)
den aktuellen Durchfluss des Getränkesirups. Das Steuerungssystem 14 vergleicht
die aktuelle Durchflussrate des Sirups mit der gewünschten Durchflussrate
und stellt das Steuerungsventil für den Sirup so ein, dass die
gewünschte
Durchflussrate für
den Sirup erreicht wird. In diesem Beispiel wird der Durchfluss
des Sirups basierend auf dem Wasserdurchfluss gesteuert. Natürlich kann
auch der Wasserdurchfluss in Abhängigkeit
von dem Durchfluss des Sirups gesteuert werden. Weiterhin kann das
Steuerungssystem so ausgeführt
sein, dass die Durchflussrate für
ein erstes Fluid angenommen oder berechnet wird (d.h. die Durchflussrate
des ersten Fluids wird nicht gemessen) und dann ein anderes Fluid
basierend auf der Durchflussrate des ersten Fluids gesteuert wird.
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In
einem anderen Betriebsmodus kann der Sensor 50 (oder ein
anderer Sensor) dazu benutzt werden, die Temperatur des Fluids,
welches durch das Steuerungsventil fließt, zu messen. Basierend auf
dieser Temperaturmessung stellt das Steuerungssystem 14 das
Ventil, indem beispielsweise eine Wertetabelle oder Berechnung benutz
wird, auf einen Einstellwert, welcher die für diese Temperatur benötigte Durchflussrate
liefert. Wie an anderer Stelle besprochen, kann die gewünschte Durchflussrate bestimmt
werden, indem beispielsweise die Durchflussrate eines anderen Fluids,
welches mit dem Fluid, welches durch das Steuerungsventil fließt, gemischt
werden soll, gemessen, berechnet oder angenommen wird. Um die Wertetabelle
oder den Algorithmus zur Korrelation einer Temperatur mit einer Einstellung
des Durchflusses zu erstellen, werden Daten von Charakterisierungstests
des Ventils gesammelt. Bei diesem temperaturbasierenden Beispiel
kann die Messung des aktuellen Durchflusses auch dazu benutzt werden,
zu bestätigen,
dass die erwarteten Durchflussraten den aktuellen Durchflussraten
entsprechen. Wenn das nicht der Fall ist, kann das Steuerungssystem 14 einen
Skalierungsfaktor auf die Wertetabelle oder den Algorithmus anwenden,
um diese an die aktuell gemessenen Durchflussraten anzupassen. Ein
solcher Skalierungsfaktor kann dann wünschenswert werden, wenn beispielsweise
im Lauf der Zeit das Ventil oder andere Teile des Systems abgenutzt
werden oder von ihren ursprünglichen
Bedingungen wegdriften. Mit diesem temperaturbasierenden Ansatz
dieses Beispiels müssen
keine aktuellen Massendurchflussmessungen durchgeführt werden
bzw. wenn sie benutzt werden, können
sie mit einem kostengünstigeren,
langsamer reagierenden Sensor durchgeführt sein, da sie hier nur dazu
dienen, im Langzeitverhalten die Genauigkeit des Ventils sicherzustellen,
und sie nicht zur direkten Steuerung benötigt werden. Diese Bestätigungsmessungen
können
während
relativ langen Durchflusszyklen durchgeführt werden. Weiterhin können der
Durchflusssensor und der Temperatursensor der gleiche Sensor sein
(wie beispielsweise ein oder mehrere Thermistoren).
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Das
Steuerungssystem 14 kann entfernt vom Ventil angeordnet
oder zum Ventil benachbart sein, wie z.B. auf einer gedruckten Leiterplatte
als Teil der Ventilbaugruppe. Weiterhin kann das Steuerungssystem 14 verteilt
sein wie z.B. in Form einer zentralen Steuerung, welche mit einer
dezentralen Steuereinheit kommuniziert, wobei die dezentrale Steuereinheit
bei dem Ventil angeordnet ist. Weiterhin kann das Steuerungssystem 14 mit
anderen Sensoren, Geräten
und Daten verbunden sein, um die Steuerung durchzuführen. Wie
in den 4A und 4B gezeigt,
kann das Steuerungssystem 14 mit einer Serie von Geräten (wie
z.B. Durchflusssteuerungsventilen und/oder anderen Geräten) mittels
eines Kommunikationsbusses verbunden sein, welcher wiederum mit
jedem Gerät
verbunden ist (manchmal als „Daisy-Chain" bezeichnet), oder
direkt mit jedem Gerät
(z.B. durch dedizierte Leitungen oder einen Kommunikationsbus).
Die Verwendung eines Kommunikationsbusses ist in einem System wie
z.B. einem Getränkeausgabesystem
vorteilhaft, wo mehrere Ventile und Sensoren in geringem Abstand
zueinander sein können,
da hierdurch die Verdrahtungslängen
und Verdrahtungsprobleme minimiert werden können. Das Steuerungssystem 14 kann
ein mikrokontroller- oder mikroprozessorbasiertes Steuerungssystem
beinhalten. Weiterhin kann das Steuersystem ein System umfassen,
wie es in der am 30. Mai 2003 eingereichten U.S.-Provisionalanmeldung
60/474,588 „Distributed
Architecture for Food and Beverage Dispensers" beschrieben ist.
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5 zeigt
ein Flussdiagramm eines Verfahrens, mit dem das Ventil 12 betrieben
werden kann. Wie in der 5 im Block 60 gezeigt,
wird das Ventil in Abhängigkeit
von Durchfluss- oder
Temperaturmessungen gesteuert, wie es weiter oben bereits beschrieben
wurde. Es versteht sich, dass die Steuerung des Ventils 12 dabei
dann stattfindet, wenn ein Bedarf an Durchfluss auftritt. Im Falle
einer Anwendung wie z.B. einer Getränkeausgabe, wird der Durchfluss
dann gesteuert, wenn ein Getränk
ausgegeben werden soll. Im Allgemeinen wird der Bedarf für ein Getränk signalisiert,
wenn ein Kunde oder Bediener einen Knopf drückt oder einen Hebel betätigt. Nachdem
der Bedarf an Fluid endet (dargestellt in Block 64, wie
weiter unten besprochen), wird das Abschaltventil geschlossen und
es gibt entsprechend keinen Durchfluss mehr, der zu steuern wäre. Block 62 stellt
das Zittern des Ventils 12 dar, wie es beispielsweise als
Teil einer PWM-Steuerung des Ventils auftreten kann, um die Reibung
zwischen dem Schieber 26 und der Hülse 24 zu reduzieren.
Obwohl bei bevorzugten Ausführungsformen
das Zittern verwendet wird, ist es für die vorliegende Erfindung
nicht zwingend notwendig.
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Ein
weitere Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in Block 64 illustriert,
wo ein Bedarfszyklus beendet ist und sich das Steuerungssystem die
letzte Einstellung (oder näherungsweise
die letzte Einstellung) des Ventils am Ende des Bedarfszyklus merkt (z.B.
abspeichert). So können
beispielsweise bei einem PWM-Steuerungsverfahren die Frequenz- und Arbeitszykluseinstellungen,
wie sie am Ende eines Bedarfszyklus verwendet wurden, abgespeichert werden.
Für den
nächsten
Bedarfszyklus wird wie in Block 66 gezeigt das Ventil entsprechend
den abgelegten Einstellungen eingestellt. Nach dieser anfänglichen
Einstellung des Ventils wird es wiederum wie in Block 60 dargestellt
gesteuert.
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Das
Merkmal der Speicherung, wie in Verbindung mit Block 64 und 66 diskutiert,
ist, obwohl es bei der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise eingesetzt
wird, in vielen Fällen
nützlich,
um exakte Durchflussraten zu erzielen. Beispielsweise liefert es, insbesondere
dann, wenn die Zeit zwischen den Bedarfszyklen relativ kurz ist,
und die Parameter normalerweise nicht sehr stark schwanken, eine
sehr genaue anfängliche
Durchflussrate für
jeden neuen Bedarfszyklus. Es löst
weiterhin das Problem, wenn bei kurzen Bedarfszeiten für ein Fluid
eine genaue Durchflussrate erzielt werden soll. So füllen beispielsweise
bei Getränkeausgabeanwendungen
Verbraucher oder Ausgabebetreiber eine Tasse nach der anfänglichen
Füllung
oft noch zusätzlich
mit zusätzlichem
Fluid auf. Dies geschieht oft wenn sich Schaum gesetzt hat und in
der Tasse mehr Raum für
zusätzliche
Flüssigkeit
ist. Diese kurzen Füllvorgänge bieten oft
nicht genügend
Zeit für
Durchfluss- oder Temperaturmessungen und Einstellungen der Durchflussrate.
Durch das Ablegen der letzten Einstellungen kann somit eine sehr
genauer Durchflussrate und damit ein sehr genaues Mischungsverhältnis erzielt
werden, da solche „Auffüllsituationen" normalerweise kurz
nach einem längeren
Durchflussbetrieb auftreten und somit Temperaturen, Viskositäten und
andere Parameter keine Zeit hatten, sich gegenüber dem letzten Betriebszustand
wesentlich zu verändern,
und die abgelegten Einstellungen daher vermutlich sehr nahe bei
den gewünschten
Einstellungen liegen.
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Wenn
der Bedarf aufhört,
oder kurze Zeit später,
kann der Ventilschieber in eine Ruheposition bewegt werden (z.B.
indem der Strom durch die Spule abgeschaltet wird), und wenn dann
der Bedarf wieder ansteigt, wieder basierend auf dem abgelegten elektrischen
Signalen in die Ausgangsposition gebracht werden. Alternativ kann
der Ventilschieber bis der nächste
Bedarf an Fluid entsteht oder für
eine gewisse Zeitspanne an seiner letzten, gesteuerten Position
zum Zittern gebracht oder an dieser gehalten werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden signifikante Vorteile gegenüber bisher
bekannten Systemen erzielt. So können
beispielsweise entsprechende Durchflussraten auch dann erreicht
werden, wenn Änderungen
der Temperatur, der Viskosität,
der Einlass- und Gegendrücke,
der Dichte, oder anderer Parameter eintreten oder ein Teil verschleißen.