DE3744840C2 - - Google Patents

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DE3744840C2
DE3744840C2 DE3744840A DE3744840A DE3744840C2 DE 3744840 C2 DE3744840 C2 DE 3744840C2 DE 3744840 A DE3744840 A DE 3744840A DE 3744840 A DE3744840 A DE 3744840A DE 3744840 C2 DE3744840 C2 DE 3744840C2
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David Robert Lakewood Col. Us Shouldice
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Description

Die Erfindung geht aus von einem Gerät zum Erwärmen einer Flüssigkeit, die mit einer anderen Flüssigkeit gemischt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der US 35 08 656 bekannt ist, und eignet sich besonders für ein Dialysatzubereitungsgerät.
Es ist bekannt, bei Dialysatzubereitungsgeräten elektrische Heizvorrichtungen zur Erwärmung von Wasser zu verwenden, das zur Herstellung von Dialysat dient. Aus der US-PS 35 08 656 ist eine derartige Anordnung bekannt, bei der die Temperatur des Wassers durch einen stromabwärts vom Heizer angeordneten Tempera­ turgeber erfaßt und der dabei erhaltene Temperaturwert zur Ansteuerung des Heizers verwendet wird.
Oftmals und gerade bei Dialysatzubereitungsgeräten bestehen erhöhte Anforderungen an die Temperaturstabilität der gemischten Substanz, in diesem Falle des Dialysats. Diesen Anforderungen können jedoch die genannten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht gerecht werden, da die Temperaturen an der Aus­ gangsseite des Mischers starken Änderungen unterworfen sein können. Diese Änderungen können z. B. durch Schwankungen in der Einlaßtemperatur des Wassers oder durch das Zumischen von Konzentrat in dem Mischer verursacht werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, mit dem die Stabilität der Ausgangs­ temperatur der gemischten Flüssigkeit verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Es wurde gefunden, daß eine Heizvorrichtung für eine Flüssig­ keit, die durch eine Kammer strömt, schnell und effizient in Abhängigkeit von Änderungen der Einlaßtemperatur so gesteuert werden kann, daß größere Schwankungen der Auslaß­ temperatur vermieden werden, indem man die Einlaßtemperatur der Flüssigkeit abfühlt und den dabei erhaltenen Temperatur­ wert zur Steuerung eines Schaltzyklus oder Schaltverhältnisses der Heizvorrichtung verwendet. Außerdem ist ein Temperaturgeber vorhanden, der auf die Auslaßtemperatur anspricht; der Schalt­ zyklus wird dadurch bestimmt, daß man eine Heizerkonstante mit der Differenz zwischen einer geforderten oder Soll-Auslaß­ temperatur und der Einlaßtemperatur multipliziert; die Heizer­ konstante ist eine Funktion der Differenz zwischen der geforder­ ten oder Soll-Auslaßtemperatur und der abgefühlten oder Ist- Auslaßtemperatur; und ein Endtemperaturgeber, 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.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, das Schaltverhältnis für die jeweils benötigte Wärme sehr schnell nachzustellen und die vorgewärmte Flüssigkeit (Wasser) auf die gewünschte Auslaßtemperatur und die gemischte Substanz auf die gewünschte Endtemperatur zu bringen, ohne daß ein Überschwingen und weitere Schwingungen um die Sollwerte auftreten, wie es bei alleiniger Verwendung der Auslaßtemperatur der Fall wäre.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Darstellung eines Teils einer Dialysat-Zubereitungsmaschine darstellt.
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 Heizvorrich­ tung (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 Niveau­ gebers (40) befindet. Am oberen Ende der Entgasungs­ kammer (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 Temperatur­ gebern (19, 31) und (37) werden einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung (36) zugeführt, die diese Signale zur Steuerung des Schaltzyklus oder Schaltverhältnisses der Heizvorrichtung (30) benutzt. Der Einrichtung (36) wird ferner ein Signal vom Niveau­ geber (40) zugeführt, um das Magnetventil (16) zu steuern. Sie steuert außerdem weitere, nicht darge­ stellte Komponenten der Dialysatzubereitungsmaschine.
Die beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen: Das durch den Einlaß (12) eintretende Wasser durch­ strömt den Druckregler (14), der gegen größere Lei­ tungsdruckschwankungen 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 Vakuum­ pumpe (24) einem negativen Druck (Unterdruck) ausgesetzt.
Die Heizvorrichtung (30) wird während jeder Periode aus 256 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=KH(Tc-To)
hierin bedeuten:
Tc die geforderte oder Soll-Temperatur,
To die vom Geber (19) abgefühlte Einlaßtempera­ tur
KH die Heizerkonstante, welche durch die folgen­ de Gleichung gegeben ist:
hierin bedeuten:
Tl die durch den Geber (37) abgefühlte Auslaß- Temperatur,
Kp, Ki und Kd 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. Kp und Ki werden empirisch ermittelt und Kd wird bei der bevorzugten Ausführungsform gleich null gesetzt;
LV die Netzspannung für die Heizvorrichtung (30) und
Q die 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 (bei 60 Hz Netzfrequenz).
Die Einschaltdauer wird auf die 4,27-Sekunden-Periode verteilt, d. h. daß die Heizvorrichtung bei einem Schaltver­ hältnis 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 zusätz­ lichen 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 langzei­ tige Mittel, während der Proportionalteil sich auf den augenblicklichen Temperaturfehler bezieht. Durch den Inte­ gralteil lassen sich Phasennacheilungsschwingungen vermei­ den, die sonst bei alleiniger Verwendung des Proportional­ teiles der Gleichung auftreten können. Die Terme LV und Q gehen in die Heizerkonstante KH ein und ändern diese in Abhängigkeit von der Netzspannung bzw. dem Flüssigkeits­ durchsatz. 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 Tempera­ turerhöhung 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 Flüssigkeitsspie­ gels ansammelnde Gas strömt durch das Ventil (42), die Leitung (44) und die Pumpe (24), wobei das mittlere Flüssig­ keitsniveau durch den Niveaugeber (40) konstant gehalten wird.
Das entgaste Wasser, das durch die Pumpe (22) zum übrigen Teil des Flüssigkeitskreises der Dialysatzubereitungsma­ schine gefördert wird, wird mit Dialysat-Konzentrat ge­ mischt und der Dialysat-Seite des Dialysegerätes zugeführt. Während einer Dialyse wird die letztliche Temperatur, die durch den Temperaturgeber (31) abgefühlt wird, perio­ disch dazu verwendet, die geforderte oder Soll-Temperatur Tc, falls nötig, nachzustellen, um stromabwärtigen Tempera­ turänderungen 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 To 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.

Claims (7)

1. Gerät zum Erwärmen einer Flüssigkeit, die mit einer anderen Flüssigkeit gemischt wird, insbesondere ein Dialysat­ zubereitungsgerät, mit
  • - einem Gehäuse, welches eine Heizkammer (28) bildet und einen Einlaß sowie einen Auslaß zum Einleiten von Flüssig­ keit in die Heizkammer (28) bzw. zum Ableiten von Flüssigkeit aus der Heizkammer (28) aufweist,
  • - einer in der Heizkammer (28) angeordneten, mit elektrischer Leistung gespeisten Heizvorrichtung (30),
  • - einem Auslaßtemperaturgeber (37), der die Temperatur der Flüssigkeit nach dem Verlassen der Heizkammer (28) abfühlt und ein Auslaßtemperatursignal liefert, das die Auslaß­ temperatur darstellt und einer Steuer- und Regeleinrichtung (26) zugeführt ist, die eine Heizerkonstante als Funktion der Differenz zwischen einer Soll-Auslaßtemperatur und der Ist-Auslaßtemperatur errechnet, und
  • - einer mit dem Auslaß der Heizkammer (28) verbundenen Misch­ kammer (29) zum Mischen der vom Auslaß zugeführten Flüssig­ keit mit der anderen Flüssigkeit,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Einlaßtemperaturgeber (19) zum Abfühlen der Temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit und zum Erzeugen eines Einlaß­ temperatursignales vorhanden ist, das zur Steuerung der Heiz­ vorrichtung (30) verwendet wird,
daß das Einlaßtemperatursignal einer Steuer- und Regeleinrich­ tung (26) zugeführt ist, die das Schaltverhältnis (Ein/Aus) der Heizvorrichtung (30) in vorgegebenen Arbeitszyklusperioden, welche jeweils mehrere Netzspannungsperioden enthalten, in Abhängigkeit von dem Einlaßtemperatursignal so steuert, daß die Heizvorrichtung (30) für eine ganze Anzahl von Netzspannungs­ perioden ein- bzw. ausgeschaltet wird,
und daß stromabwärts von der Mischkammer (29) ein Endtemperatur­ geber (31) angeordnet ist, der ein Endtemperatursignal an die Steuer- und Regeleinrichtung (26) liefert, die in Abhängigkeit von dem Endtemperatursignal den Auslaßtemperatursollwert nachstellt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (26) für ein mehrmaliges Ein- und Ausschalten der Heizvorrichtung (30) während jeder Arbeitszyklusperiode ausgebildet ist, und daß die Ein- und Aus­ schaltzeiten über die ganze Periode verteilt sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (26) das Schaltverhältnis während jeder Periode des Schaltzyklus mehrmals ermittelt.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (26) bei der Einstellung des Schaltverhältnisses das Zeit-Integral der genannten Differenz berechnet.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (26) eine Anordnung zum Errechnen der Summe einer Konstanten mal der genannten Differenz und einer Konstanten mal dem Zeit-Integral enthält.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (26) das Schaltverhältnis durch Multiplizieren einer Heizerkonstante mit der Differenz zwischen einer geforderten Soll-Auslaßtemperatur und der Einlaßtemperatur bestimmt.
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