DE60207609T2

DE60207609T2 - Verfahren zur Bestimmung einer Ventilöffnung für einen Massenflussregler

Info

Publication number: DE60207609T2
Application number: DE60207609T
Authority: DE
Inventors: John M. Claremont Lull; Chiun Cerritos Wang; William S. Irvine Valentine; Joseph A. Jr. Anaheim Hills Saggio
Original assignee: Celerity Group Inc
Current assignee: Celerity Inc
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: EP1384121A2; JP2010015580A; DE60207609D1; US20020198668A1; JP4864280B2; US6962164B2; WO2002086632A2; WO2002086632A3; KR20040024854A; US20070215206A1; JP5129793B2; JP2004533049A; US7114511B2; US7380564B2; US20050166968A1; ATE310986T1; US7231931B2; AU2002307547A1; US20050167627A1; CN1514960A

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität unter 35 U. S. C. § 119(e) der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 60/285,801, mit dem Titel "SYSTEM AND METHOD FOR A MASS FLOW CONTROLLER", eingereicht am 24. April 2001, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten ist.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und ein System zum Steuern der Durchflussrate eines Fluids und, genauer gesagt, eine Mengendurchflusssteuerung, die zur Verwendung mit beliebigen Prozessfluiden und/oder Prozessbetriebszuständen konfiguriert sein kann, die sich von denjenigen unterscheiden können, die während einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Viele industrielle Prozesse erfordern eine genaue Steuerung von verschiedenen Prozessfluiden. Beispielsweise werden in den pharmazeutischen Industrie und der Halbleiterindustrie Mengendurchflussteuerungen zum genauen Messen und Steuern der Menge eines Prozessfluids verwendet, das zu einer Prozesskammer eingeführt wird. Der Ausdruck Fluid wird hierin dazu verwendet, irgendeinen Typ von Sache in irgendeinem Zustand, der fließen kann, zu beschreiben. Es ist zu verstehen, dass der Ausdruck Fluid für Flüssigkeiten, Gase und pumpfähige Massen mit irgendeiner Kombination einer Sache oder Substanz gilt, für welche ein geregelter bzw. gesteuerter Durchfluss von Interesse sein kann.
Herkömmliche Mengendurchflusssteuerungen enthalten allgemein vier Hauptteile: ein Durchflussmessgerät, ein Steuerventil, ein Ventilstellglied und eine Steuerung. Das Durchflussmessgerät misst die Mengendurchflussrate eines Fluids in einem Durchflusspfad und liefert ein Signal, das diese Durchflussrate anzeigt. Das Durchflussmessgerät kann einen Mengendurchflusssensor und eine Umgehung enthalten. Der Mengendurchflusssensor misst die Mengendurchflussrate eines Fluids in einer Sensordurchführung, die fluidmäßig mit der Umgehung gekoppelt ist. Die Mengendurchflussrate eines Fluids in der Sensordurchführung ist ungefähr propor tional zu der Mengendurchflussrate eines Fluids, das in der Umgehung fließt, wobei die Summe aus den beiden die gesamte Durchflussrate durch den Durchflusspfad ist, der durch die Mengendurchflusssteuerung gesteuert wird. Jedoch sollte es erkannt werden, dass es sein kann, dass eine Mengendurchflusssteuerung keine Umgehung verwenden, so dass das gesamte Fluid durch die Sensordurchführung fließen kann.
Bei vielen Mengendurchflusssteuerungen wird ein thermischer Mengendurchflusssensor verwendet, der ein Paar von Widerständen enthält, die bei voneinander beabstandeten Positionen um die Sensordurchführung gewickelt sind, von welchen jeder einen Widerstandswert hat, der sich mit der Temperatur ändert. Wenn Fluid durch die Sensordurchführung fließt, wird Wärme vom stromaufwärtigen Widerstand in Richtung zum stromabwärtigen Widerstand geführt, wobei die Temperaturdifferenz proportional zur Mengendurchflussrate des Fluids ist, das durch die Sensordurchführung und die Umgehung fließt.
Ein Steuerventil ist im Hauptfluiddurchflusspfad (typischerweise stromab von der Umgehung und dem Mengendurchflusssensor) positioniert und kann gesteuert (z.B. geöffnet oder geschlossen) werden, um die Mengendurchflussrate von Fluid, das durch den Hauptfluiddurchflusspfad fließt und durch die Mengendurchflusssteuerung geliefert wird, zu verändern. Das Ventil wird typischerweise durch ein Ventilstellglied gesteuert, von welchem Beispiele Solenoid- bzw. Magnetstellglieder, piezoelektrische Stellglieder, Schritt- bzw. Stufen-Stellglieder, etc. enthalten.
Eine Steuerelektronik steuert die Position des Steuerventils basierend auf einem Einstellpunkt, der die Mengendurchflussrate des Fluids anzeigt, für die es erwünscht ist, dass sie durch die Mengendurchflusssteuerung geliefert wird, und einem Durchflusssignal von dem Mengendurchflusssensor, das die aktuelle Mengendurchflussrate des Fluids anzeigt, das in der Sensordurchführung fließt. Herkömmliche Rückkoppelverfahren, wie beispielsweise eine proportionale Regelung, eine integrale Regelung, eine proportionale, integrale (PI-)Regelung, eine differentielle Regelung, eine proportionale, differentielle (PD-)Regelung, eine integrale, differentielle (ID-)Regelung und eine proportionale, integrale, differentielle (PID-)Regelung, werden dann zum Steuern bzw. Regeln des Durchflusses des Fluids in der Mengendurchflusssteuerung verwendet. Bei jedem der vorgenannten Rückkoppelverfahren wird ein Steuersignal (z.B. ein Steuerventil-Antriebssignal) basierend auf einem Fehlersignal erzeugt, das die Differenz zwischen einem Einstellpunktsignal, das die erwünschte Mengendurchflussrate des Fluids anzeigt, und einem Rückkoppelsignal, das auf die aktuelle Mengendurchflussrate bezogen ist, die durch den Mengendurchflusssensor erfasst wird, ist.
Viele herkömmliche Mengendurchflusssteuerungen sind empfindlich gegenüber einem Komponentenverhalten, das von irgendeinem einer Anzahl von Betriebszuständen abhängen kann, die Fluidarten, eine Durchflussrate, einen Einlass- und/oder Auslassdruck, eine Temperatur, etc. enthalten. Zusätzlich können herkömmliche Mengendurchflusssteuerungen bestimmte Uneinheitlichkeiten zeigen, die einer Kombination von Komponenten eigen sind, die bei der Herstellung der Mengendurchflusssteuerung verwendet werden, was in einer nicht konsistenten und unerwünschten Leistungsfähigkeit der Mengendurchflusssteuerung resultieren kann.
Um mit einigen dieser Probleme fertig zu werden, kann eine Mengendurchflusssteuerung während einer Herstellung abgestimmt und/oder kalibriert werden. Eine Herstellung enthält allgemein ein Betreiben der Mengendurchflusssteuerung mit einem Testfluid unter einer Gruppe von Betriebszuständen und ein derartiges Abstimmen und/oder Kalibrieren der Mengendurchflusssteuerung, dass sie ein zufrieden stellendes Verhalten zeigt.
Wie es Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, ist das Abstimmen und/oder die Kalibrierung einer Mengendurchflusssteuerung eine teure, arbeitsintensive Prozedur, die oft einen oder mehrere erfahrene Bediener und eine spezielle Ausstattung erfordert. Beispielsweise kann der Mengendurchflusssensorteil der Mengendurchflusssteuerung durch Laufenlassen von bekannten Mengen eines bekannten Fluids durch den Sensorteil und durch Einstellen bestimmter Filter oder Komponenten, um eine geeignete Reaktion zu liefern, abgestimmt werden. Dann kann eine Umgehung an den Sensor angebracht werden und kann die Umgehung mit dem bekannten Fluid abgestimmt werden, um einen geeigneten Prozentsatz des Fluids, das im Hauptfluiddurchflusspfad fließt, bei verschiedenen bekannten Durchflussraten zu zeigen. Der Mengendurchflusssensorteil und die Umgehung können dann mit den Teilen des Steuerventils und der Steuerelektronik gepaart und dann wieder unter bekannten Zuständen abgestimmt werden.
Wenn der Fluidtyp, der durch den Endbenutzer verwendet wird, unterschiedlich von demjenigen ist, der beim Abstimmen und/oder bei der Kalibrierung verwendet wird, oder wenn die Betriebszustände, wie beispielsweise ein Einlass- und Auslassdruck, eine Temperatur, ein Bereich von Durchflussraten, etc., die durch den Endbenutzer verwendet werden, unterschiedlich von denjenigen sind, die bei einer Abstimmung und/oder einer Kalibrierung verwendet werden, kann erwartet werden, dass sich der Betrieb der Mengendurchflusssteuerung verschlechtert. Aus diesem Grund werden oft zusätzliche Fluide (die "Surrogat-Fluide" genannt werden) und/oder Betriebszustände mit irgendwelchen Änderungen, die dazu nötig sind, eine zufrieden stellende Reaktion zur Verfügung zu stellen, die in einer Nachschautabelle gespeichert wird, abgestimmt oder kalibriert.
Obwohl die Verwendung einer zusätzlichen Abstimmung und/oder Kalibrierung mit anderen Fluiden und bei anderen Betriebszuständen dazu verwendet werden kann, die Leistungsfähigkeit der Mengendurchflusssteuerung zu verbessern, ist dieser Typ von Surrogat-Abstimmung und/oder -Kalibrierung zeitaufwändig und teuer, da die Abstimmungs- und/oder Kalibrierungsprozeduren für wenigstens jedes Surrogat-Fluid wiederholt werden müssen und wahrscheinlich für eine Anzahl von unterschiedlichen Betriebszuständen mit jedem Surrogat-Fluid wiederholt werden müssen. Weiterhin kann sich deshalb, weil die Surrogat-Fluide das Verhalten der verschiedenen Typen von Fluiden nur annähern, die durch den Endbenutzer verwendet werden können, der tatsächliche Betrieb der Mengendurchflusssteuerung auf einer Endbenutzerseite wesentlich von demjenigen während einer Abstimmung und/oder Kalibrierung unterscheiden. Berücksichtigt man den weiten Bereich von Industrien und Anwendungen, die Mengendurchflusssteuerungen verwenden, sind das Prozessfluid und die Betriebszustände, die auf die Mengendurchflusssteuerung durch einen Endbenutzer angewendet werden, trotz eines Abstimmens und/oder Kalibrierens der Mengendurchflusssteuerung mit einer Anzahl von unterschiedlichen Surrogat-Fluiden und Betriebszuständen, wahrscheinlich anders als die Testfluide und die Betriebszustände, bei welchen eine Mengendurchflusssteuerung abgestimmt und/oder kalibriert wurde.
Zusätzlich zu den vorangehenden äußeren Faktoren (z.B. Fluidarten, Durchflussrate, Einlass- und/oder Auslassdruck, Temperatur, etc.), die die Leistungsfähigkeit und die Reaktion einer Mengendurchflusssteuerung beeinflussen können, können Faktoren, die zu dem physikalischen Betrieb einer Mengendurchflusssteuerung gehören, auch zu der Gesamtempfindlichkeit der Mengendurchflusssteuerung zu externen Faktoren und sich ändernden Zuständen beitragen. Beispielsweise sind viele Ventile, die zum Steuern eines Durchflusses in Mengendurchflusssteuerungen verwendet werden, solenoid- bzw. magnetbetätigte Vorrichtungen.
Obwohl eine Anzahl von Herstellern von Mengendurchflusssteuerungen piezoelektrische Stellglieder verwenden, sind Magnetstellglieder aufgrund ihrer Einfachheit, ihrer schnellen Reaktion und ihrer niedrigen Kosten allgemein bevorzugt. Nichtsdestoweniger haben magnetbetätigte Steuerventile bestimmte Nachteile, wobei einer der signifikanteren Nachteile von magnetbetätigten Steuerventilen (und magnetbetätigten Vorrichtungen im Allgemeinen) darin besteht, dass sie eine Hysterese zeigen. Eine Hysterese ist ein wohlbekanntes Phänomen, das vielen Vorrichtungen gemeinsam ist, bei welchen Magnete oder Elektromagnete oder magnetisches Material verwendet wird. Im Allgemeinen bezieht sich eine Hysterese auf ein Nacheilen oder eine Verzögerung bezüglich der Werte einer resultierenden Magnetisierung aufgrund einer sich ändernden Magnetisierungskraft. Bei vielen magnetbetätigten Vorrichtungen resultiert dies in einem Zustand, bei welchem der Betrieb der Vorrichtung nicht nur von einem gegenwärtigen Zustand der Vorrichtung abhängt, sondern auch von einem früheren Zustand.
Es wird allgemein verstanden, dass magnetbetätigte Steuerventile eine Hysterese zeigen. Es wird auch allgemein verstanden, dass diese Hysterese die Konsistenz eines Ventils in Bezug auf einen Übergang zwischen Zuständen von keinem Durchfluss und gesteuertem bzw. geregeltem Durchfluss in einer Mengendurchflusssteuerung nachteilig beeinflusst. Nichtsdestoweniger ist bei einer herkömmlichen Entwicklung einer Mengendurchflusssteuerung dieser Nachteil typischerweise als notwendiger Nachteil für ein Verwenden eines magnetbetätigten Steuerventils angenommen worden, welcher für viele Hersteller durch die Vorteile eines magnetbetätigten Steuerventils ausgeglichen wird, wie beispielsweise die Einfachheit, die Kosten und die Zuverlässigkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit Prozess-Betriebszuständen zur Verfügung gestellt, die sich wenigstens teilweise von Test-Betriebszuständen unterscheiden, die während einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung verwendet werden. Das Verfahren weist Handlungen zum Bilden einer Reaktion der Mengendurchflusssteuerung mit den Test- Betriebszuständen und zum Modifizieren von wenigstens einem Steuerparameter der Mengendurchflusssteuerung basierend auf den Prozess-Betriebszuständen auf, so dass sich die Reaktion der Mengendurchflusssteuerung, die mit den Prozess-Betriebszuständen arbeitet, nicht wesentlich ändert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält ein computerlesbares Medium, das mit einem Programm zur Ausführung auf einem Prozessor codiert ist, wobei das Programm dann, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird, ein Verfahren zum Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit einer Gruppe von Prozess-Betriebszuständen durchführt, die sich wenigstens teilweise von einer Gruppe von Test-Betriebszuständen unterscheiden, die zum Bilden einer Reaktion der Mengendurchflusssteuerung während einer Herstellung verwendet werden. Das Verfahren weist Handlungen zum Empfangen als eine Eingabe von wenigstens einer von Prozess-Fluidarteninformation und Prozess-Betriebszuständen und zum Modifizieren von wenigstens einem Steuerparameter der Mengendurchflusssteuerung basierend auf der Eingabe auf, so dass die Reaktion der Mengendurchflusssteuerung sich nicht wesentlich ändert, wenn sie mit den Prozess-Betriebszuständen betrieben wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung mit einer ersten Reaktion, wenn sie mit einer ersten Gruppe von Betriebszuständen verwendet wird, und mit einer zweiten Reaktion, die sich von der ersten Reaktion wesentlich unterscheidet, wenn sei mit einer zweiten Gruppe von Betriebszuständen vor einer Konfiguration verwendet wird, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist eine Handlung zum Betreiben der Mengendurchflusssteuerung mit der ersten Gruppe von Betriebszuständen zum Erhalten von Konfigurationsdaten von der Mengendurchflusssteuerung während der Handlung eines Betreibens zum Einstellen von wenigstens einem Steuerparameter der Mengendurchflusssteuerung basierend auf den Konfigurationsdaten, um die erste Reaktion mit der ersten Gruppe von Betriebszuständen zur Verfügung zu stellen, und zum Modifizieren von wenigstens einem Steuerparameter basierend wenigstens teilweise auf den Konfigurationsdaten, um die erste Reaktion mit der zweiten Gruppe von Betriebszuständen zu liefern, auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung zur Verfügung gestellt, die einen Regelkreis hat, der ein Durchflussmessgerät enthält, das einen aktuellen Fluidfluss überwacht, das durch die Mengendurchflusssteuerung geliefert wird, und ein konditioniertes Ausgangssignal liefert, wobei das Durchflussmessgerät einen ersten Verstärkungsausdruck bzw. -term hat, einen Steuerabschnitt, der ein zweites Eingangssignal empfängt, das einen erwünschten Fluss des durch die Mengendurchflusssteuerung zu liefernden Fluids anzeigt und der ein Steuersignal liefert, wobei der Steuerabschnitt einen zweiten Verstärkungsausdruck bzw. -term hat, der eine Funktion von wenigstens einem variablen Betriebszustand ist, ein Ventil, das einen Fluidfluss basierend auf der Verstellung von einem oder mehreren Elementen des Ventils zulässt, wobei das Ventil einen dritten Verstärkungsausdruck bzw. -term hat, und ein Ventilstellglied, das das Steuersignal empfängt und die Verstellung von einem oder mehreren Elementen im Ventil einstellt, wobei das Ventilstellglied einen vierten Verstärkungsausdruck bzw. -term hat, um eine im Wesentlichen konstante Regelkreis-Verstärkung zu haben. Das Verfahren weist Handlungen zum Bestimmen des ersten, des dritten und des vierten Verstärkungsausdrucks mit einem ersten Fluid unter Verwendung einer ersten Gruppe von Betriebszuständen auf, zum Vorhersagen, wie sich der erste, der dritte und der vierte Verstärkungsausdruck mit wenigstens einem eines zweiten Fluids und einer zweiten Gruppe von Betriebszuständen ändern wird, und zum Ändern des zweiten Verstärkungsausdrucks zu einem konstanten Vielfachen des Reziproken des Produkts des ersten, des dritten und des vierten Verstärkungsausdrucks, um die im Wesentlichen konstante Regelkreis-Verstärkung in Bezug auf wenigstens den wenigstens einen variablen Betriebszustand zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer Mengendurchflusssteuerung mit einer Vielzahl von Komponenten, die einen Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung definieren, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist Handlungen zum Bilden von wenigstens einem Regelkreis-Steuerparameter, der eine Funktion von wenigstens einem variablen Betriebszustand ist, und zum Beibehalten einer konstanten Kreisverstärkung des Regelkreises in Bezug auf wenigstens den wenigstens einen variablen Betriebszustand durch Anlegen des wenigstens einen Regelkreis-Steuerparameters an den Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Mengendurchflusssteuerung mit einem Durchflussmessgerät, das dazu geeignet ist, einen Fluidfluss in einem Durchflusspfad zu erfassen und ein Durchflusssignal zu liefern, das die Mengendurchflussrate im Durchflusspfad anzeigt, eine Steuerung, die mit dem Durchflussmessgerät gekoppelt ist, zum Liefern eines Treibersignals, das wenigstens teilweise auf dem Durchflusssignal basiert, ein Ventilstellglied zum Empfangen des Treibersignals von der Steuerung und ein Ventil, das durch das Ventilstellglied gesteuert und mit dem Fluidpfad gekoppelt ist. Die Mengendurchflusssteuerung weist weiterhin einen Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung mit einer konstanten Verstärkung für einen geschlossenen Kreis auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Mengendurchflusssteuerung mit einem Regelkreis, wobei die Mengendurchflusssteuerung ein Durchflussmessgerät aufweist, das dazu geeignet ist, einen Fluidfluss in einem Fluidflusspfad zu erfassen und ein Durchflusssignal zu liefern, das die Mengendurchflussrate im Durchflusspfad anzeigt, eine Steuerung, die mit dem Durchflussmessgerät gekoppelt ist und dazu geeignet ist, ein Treibersignal basierend wenigstens teilweise auf dem Durchflusssignal zu liefern, ein Ventilstellglied, das dazu geeignet ist, das Treibersignal von der Steuerung zu empfangen, ein Ventil, das dazu geeignet ist, durch das Ventilstellglied gesteuert zu werden, und das mit dem Fluidflusspfad gekoppelt ist, wobei der Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung das Durchflussmessgerät, die Steuerung, das Ventilstellglied und das Ventil enthält, und wobei der Regelkreis dazu geeignet ist, einen im Wesentlichen konstanten Regelkreis-Verstärkungsausdruck in Bezug auf wenigstens einen variablen Betriebszustand während eines Betriebs zu haben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Mengendurchflusssteuerung zur Verfügung gestellt. Die Mengendurchflusssteuerung weist ein Durchflussmessgerät auf, das einen ersten Verstärkungsausdruck hat, um eine Mengendurchflussrate eines Fluids in einem Durchflusspfad der Mengendurchflusssteuerung zu erfassen und ein Durchflusssignal zu liefern, das die Mengendurchflussrate des Fluids im Durchflusspfad anzeigt, ein Ventil, das einen zweiten Verstärkungsausdruck hat, um ein Steuersignal zu empfangen, das die Mengendurchflussrate des Fluids im Durchflusspfad steuert, ein Ventilstellglied, das einen dritten Verstärkungsausdruck hat, um ein Treibersignal zu empfangen und das Steuersignal zum Ventil zu liefern, und eine Steuerung. Die Steuerung hat einen ersten Eingang, um das Durchflusssignal zu empfangen, einen zweiten Eingang, um ein Einstellpunktsignal zu empfangen, das eine erwünschte Mengendurchflussrate des Fluids anzeigt, und einen Ausgang, der das Treibersignal zu dem Ventilstellglied liefert. Die Steuerung ist dazu geeignet, einen reziproken Verstärkungsausdruck zu liefern, der durch Nehmen eines Reziproken eines Produkts von wenigstens einem des ersten Verstärkungsausdrucks, des zweiten Verstärkungsausdrucks und des dritten Verstärkungsausdrucks gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Verstellung eines Ventils mit einem Ventileinlass zum Empfangen eines Fluidflusses bei einem Einlassdruck und einem Ventilauslass zum Liefern des Fluidflusses bei einem Auslassdruck zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist Handlungen zum Auswählen eines Zwischendrucks zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck, zum Bestimmen einer ersten Verstellung des Ventils basierend auf einem viskosen Druckabfall von dem Einlassdruck auf den Zwischendruck, zum Bestimmen einer zweiten Verstellung des Ventils basierend auf einem nicht viskosen Druckabfall vom Zwischendruck auf den Auslassdruck, zum Bestimmen, ob die erste Verstellung nahezu gleich der zweiten Verstellung ist, und zum Auswählen von einer der ersten Verstellung und der zweiten Verstellung als die Verstellung des Ventils, wenn die erste Verstellung nahezu gleich der zweiten Verstellung ist, auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Reduzieren der Effekte einer Hysterese in einer magnetbetätigten Vorrichtung zur Verfügung gestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren eine Handlung zum Anlegen eines vorbestimmten Nichtbetriebssignals an die magnetbetätigte Vorrichtung auf, um die Vorrichtung in einen vorbestimmten Zustand zu versetzen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren zum Betätigen der magnetbetätigten Vorrichtung folgende Handlungen auf: (a) Liefern einer ersten Menge von Energie zu der magnetbetätigten Vorrichtung, um die magnetbetätigte Vorrichtung von einer Position zu einer zweiten Position zu bewegen, (b) Liefern einer zweiten Menge von Energie zu der magnetbetätigten Vorrichtung, um die magnetbetätigte Vorrichtung zu der ersten Position zurückzubringen, und (c) Einstellen der magnetbetätigten Vorrichtung auf einen vorbestimmten Zustand nach der Handlung (b), wenn die erste Menge von Energie eine vorbestimmte Menge von Energie übersteigt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine magnetbetätigte Vorrichtung aufweist, und ein Magnetstellglied, das mit der magnetbetätigten Vorrichtung gekoppelt ist. Das Stellglied ist dazu geeignet, ein Nichtbetriebssignal zu der magnetbetätigten Vorrichtung zu liefern, um die Vorrichtung auf einen vorbestimmten Zustand einzustellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit einer Gruppe von Prozess-Betriebszuständen, die wenigstens teilweise von einer Gruppe von Test-Betriebszuständen unterschiedlich sind, die zum Bilden einer ersten Reaktion der Mengendurchflusssteuerung während einer Herstellung verwendet werden, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist folgende Handlungen auf: Charakterisieren der Mengendurchflusssteuerung mit der ersten Gruppe von Betriebszuständen, Erhalten von Konfigurationsdaten während der Handlung eines Charakterisierens und Modifizieren von wenigstens einem Steuerparameter basierend auf den Konfigurationsdaten und den Prozess-Betriebszuständen, so dass die Reaktion der Mengendurchflusssteuerung sich nicht wesentlich ändert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Spline, d.h. eine Kurvenvorgabe dazu verwendet werden, eine Linearisierungskurve zu bilden, die ein Ausgangssignal eines Mengendurchflussmessgeräts linearisiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine kubische Kurvenvorgabe dazu verwendet werden, eine Übertragungsfunktion des Mengendurchflussmessgeräts zu definieren. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine kubische Kurvenvorgabe an ein Inverses einer Übertragungsfunktion des Mengendurchflussmessgeräts angepasst werden.
Verschiedene Vorteile, neue Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich werden, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, die schematisch sind und für die nicht beabsichtigt ist, dass sie maßstabsmäßig gezeichnet sind. In den Figuren ist jede identische oder nahezu identische Komponente, die in verschiedenen Figuren dargestellt ist, durch ein einziges Bezugszeichen dargestellt. Der Klarheit halber ist nicht jede Komponente in jeder Figur bezeichnet, und ist auch nicht jede Komponente jedes Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt, wo eine Darstellung nicht notwendig ist, um zuzulassen, dass Fachleute auf dem Gebiet die Erfindung verstehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen gilt:
1 stellt ein schematisches Blockdiagramm einer Mengendurchflusssteuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, das mit einer Vielfalt von unterschiedlichen Fluiden und in einer Vielfalt von unterschiedlichen Betriebszuständen verwendet werden kann;
2 ist ein detaillierteres schematisches Blockdiagramm des in 1 gezeigten Mengendurchflussmessgeräts;
3 stellt verschiedene Ausgangssignale eines Mengendurchflusssensors in Reaktion auf eine Stufenänderung bezüglich eines Durchflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar;
4 ist ein detaillierteres schematisches Diagramm der Verstärkungs/Voreil/Nacheil-Steuerungsschaltung, die in 1 gezeigt ist;
5 ist ein detaillierteres schematisches Blockdiagramm des in 1 gezeigten Ventilstellglieds;
6 stellt Signalwellenformen einer Anzahl der in 4 gezeigten Signale dar;
7a–7fstellen ein Verfahren zum Konfigurieren eines Mengendurchflusssensors für einen Betrieb mit einem Prozess-Fluid und/oder Prozess-Betriebszuständen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar;
8 stellt das Prinzip einer Hysterese bei einem normalerweise geschlossenen magnetbetätigten Steuerventil einer Mengendurchflusssteuerung gemäß dem Stand der Technik dar;
9 stellt ein sinusförmiges Signal mit einer kleiner werdenden Amplitude dar, das zu einem magnetbetätigten Steuerventil geliefert werden kann, um die Effekte einer Hysterese gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung abzuschwächen;
10 stellt ein rechteckförmiges Signal mit kleiner werdender Amplitude dar, das zu einem magnetbetätigten Steuerventil geliefert werden kann, um die Effekte einer Hysterese gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung abzuschwächen;
11 stellt noch ein weiteres sinusförmiges Signal mit kleiner werdender Amplitude dar, das zu einem magnetbetätigten Steuerventil geliefert werden kann, um die Effekte einer Hysterese gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung abzuschwächen;
12 stellt ein sägezahnförmiges Signal mit konstanter Amplitude dar, das zu einem magnetbetätigten Steuerventil geliefert werden kann, um die Effekte einer Hysterese gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung abzuschwächen;
13 stellt ein Pulssignal dar, das zu einem magnetbetätigten Steuerventil geliefert werden kann, um die Effekte einer Hysterese gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung abzuschwächen.
14 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, das einen Computer und eine Mengendurchflusssteuerung enthält, wobei die Mengendurchflusssteuerung durch einen Computer automatisch konfiguriert werden kann;
15 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, das eine Mengendurchflusssteuerung zeigt, die nicht selbst konfigurierbar ist; und
16 stellt eine Querschnittsansicht eines Ventils dar.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mengendurchflusssteuerungen sind aufgrund von Faktoren im Bereich von Nichtlinearitäten in Bezug auf die verschiedenen Komponenten der Mengendurchflusssteuerung und/oder Abhängigkeiten von verschiedenen Betriebszuständen einer Mengendurchflusssteuerung oft anfällig für eine Instabilität. Der Ausdruck Betriebszustand bezieht sich allgemein auf irgendwelche von verschiedenen Zuständen, die gesteuert werden können und die den Betrieb einer Mengendurchflusssteuerung beeinflussen können. Insbesondere beziehen sich Betriebszustände auf verschiedene äußere Zustände, die unabhängig von einer bestimmten Mengendurchflusssteuerung gesteuert werden können. Beispielhafte Betriebszustände enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt, Fluidarten, Einstellpunkt oder Durchflussrate, Einlass- und/oder Auslassdruck, Temperatur, etc.
Es sollte jedoch erkannt werden, dass andere innere Zustände während des Betriebs einer Mengendurchflusssteuerung vorhanden sein können, wie beispielsweise Signalkennlinien bzw. -charakteristiken, ein Systemrauschen oder Störungen, die nicht unabhängig von einer bestimmten Mengendurchflusssteuerung gesteuert werden können. Insbesondere können verschiedene Signale, die durch die Mengendurchflusssteuerung verwendet werden, Frequenzkomponenten haben, die viele unterschiedliche Frequenzen enthalten. Jedoch ist die Frequenzzusammensetzung eines Signals dem Signal eigen und wird nicht als unabhängig von einer bestimmten Mengendurchflusssteuerung steuerbar angesehen. Demgemäß werden solche Zustände, solange es nicht spezifisch anders angegeben ist, nicht derart angesehen, dass sie in dieser Offenbarung in dem Ausdruck Betriebszuständen umfasst sind.
Der Ausdruck Mengendurchflussrate, Fluidfluss und Durchflussrate werden hierin austauschbar verwendet, um die Menge an Fluid zu beschreiben, die durch ein Einheitsvolumen eines Durchflusspfads (z.B. den Durchflusspfad 103 der 1) oder einen Teil des Durchflusspfads pro Einheitszeit (d.h. Fluidmengenfluss) fließt.
Der Ausdruck Arten bezieht sich allgemein auf die Eigenschaften eines spezifischen Falls eines Fluids. Eine Änderung bezüglich Arten kann eine Änderung bezüglich eines Fluidtyps (z.B. von Stickstoff zu Wasserstoff), eine Änderung bezüglich der Zusammensetzung eines Fluids (z.B. ob das Fluid eine Kombination aus Gasen oder Flüssigkeiten ist, etc.), und/oder eine Änderung bezüglich des Zustands des Fluids oder der Kombination von Fluiden enthalten. Insbesondere bezieht sich eine Änderung bezüglich Arten auf eine Änderung bezüglich wenigstens einer Eigenschaft eines Fluids, die sich ändern kann oder die Leistungsfähigkeit einer Mengendurchflusssteuerung beeinflussen kann. Der Ausdruck Arteninformation bezieht sich allgemein auf irgendeine Anzahl von Eigenschaften, die eine bestimmte Fluidart definieren. Beispielsweise kann Arteninformation einen Fluidtyp (z.B. Sauerstoff, Stickstoff, etc.), eine Fluidzusammensetzung (z.B. Sauerstoff und Stickstoff, ein Molekulargewicht, eine spezifische Wärme, einen Zustand (z.B. Flüssigkeit, Gas, etc.), Viskosität, etc. enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt.
Oft wird eine Mengendurchflusssteuerung mehrere unterschiedliche Komponenten (d.h. einen Durchflusssensor, eine Rückkopplung, ein Ventil, etc.) aufweisen, die in einem Regelkreis miteinander gekoppelt sind. Jede Komponente, die ein Teil des Regelkreises ist, kann eine zugehörige Verstärkung haben. Im Allgemeinen bezieht sich der Ausdruck Verstärkung auf die Beziehung zwischen einer Eingabe und einer Ausgabe einer bestimmten Komponente oder Gruppe von Komponenten. Beispielsweise kann eine Verstärkung ein Verhältnis einer Änderung bezüglich einer Ausgabe zu einer Änderung bezüglich einer Eingabe darstellen. Eine Verstärkung kann eine Funktion von einer oder mehreren Variablen sein, wie beispielsweise von einem oder mehreren Betriebszuständen und/oder Charakteristiken einer Mengendurchflusssteuerung (z.B. Durchflussrate, Einlass- und/oder Auslassdruck, Temperatur, Ventilverstellung, etc.). Im Allgemeinen wird eine solche Verstärkungsfunktion Verstärkungsausdruck genannt werden. Ein Verstärkungsausdruck und, genauer gesagt, die Darstellung eines Verstärkungsausdrucks, kann eine Kurve, eine Abtastung einer Funktion, diskrete Datenpunkte, Punktpaare, eine Konstante, etc. sein.
Jede der verschiedenen Komponenten oder der Gruppe von Komponenten einer Mengendurchflusssteuerung kann einen zugehörigen Verstärkungsausdruck haben (eine Komponente ohne erkennbaren Verstärkungsausdruck kann derart angesehen werden, dass er einen Verstärkungsausdruck von Eins hat). Die Beziehung zwischen Verstärkungsausdrücken, die zu den verschiedenen Komponenten einer Mengendurchflusssteuerung gehören, ist oft komplex. Beispielsweise können die unterschiedlichen Verstärkungsausdrücke Funktionen von verschiedenen Variablen (d.h. Betriebszuständen und/oder Charakteristiken der Komponenten) sein, können teilweise nichtlinear sein und können in Bezug zueinander nicht proportioniert sein.
Demgemäß werden die Beiträge von jedem Verstärkungsausdruck, der zu den Komponenten in einem Regelkreis einer Mengendurchflusssteuerung gehört, selbst ein Verstärkungsausdruck sein. Dieser zusammengesetzte Verstärkungsausdruck kann selbst eine Funktion von einer oder mehreren Variablen sein und kann wenigstens teilweise zur Empfindlichkeit der Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf eine Änderung bezüglich Betriebszuständen und/oder Charakteristiken der verschiedenen Komponenten der Mengendurchflusssteuerung beitragen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Mengendurchflusssteuerung zur Verfügung gestellt, die einen Regelkreis mit einer konstanten Kreisverstärkung hat. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die konstante Kreisverstärkung durch Bestimmen eines reziproken Verstärkungsausdrucks durch Bilden des Reziproken des Produkts der Verstärkungsausdrücke, die zu einer oder mehreren Komponenten in dem Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung und durch Anwenden des reziproken Verstärkungsausdrucks auf den Regelkreis zur Verfügung gestellt.
Eine konstante Kreisverstärkung beschreibt eine Verstärkung eines Regelkreises einer Mengendurchflusssteuerung, die in Bezug auf einen oder mehrere Betriebszustände der Mengendurchflusssteuerung im Wesentlichen konstant bleibt. Insbesondere ändert sich eine konstante Kreisverstärkung nicht als Funktion von spezifischen Betriebszuständen, die zu einer Mengendurchflusssteuerung gehören, oder als Funktion der einzelnen Verstärkungsausdrücke, die zum Regelkreis gehören. Es sollte erkannt werden, dass es sein kann, dass eine konstante Kreisverstärkung nicht genau konstant ist. Eine Ungenauigkeit bei Messungen, bei einer Berechnung und bei Berechnungen kann veranlassen, dass sich die konstante Kreisverstärkung ändert. Jedoch sollte eine solche Änderung derart angesehen werden, dass sie durch die Definition einer konstanten Kreisverstärkung umfasst ist, wie sie hierin verwendet wird.
Es sollte weiterhin erkannt werden, dass sich die Verstärkung von bestimmten Komponenten der Mengendurchflusssteuerung mit der Betriebsfrequenz ändern kann und dass Signale der Mengendurchflusssteuerung Frequenzkomponenten bei vielen unterschiedlichen Frequenzen haben kann. Jedoch wird die Frequenz nicht als Betriebszustand angesehen und wird als solches nicht als ein Zustand angesehen, über welchen eine konstante Kreisverstärkung konstant bleibt.
Nachfolgend gibt es detailliertere Beschreibungen von verschiedenen Konzepten in Bezug auf Verfahren und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Steuerung und eine Konfiguration einer Mengendurchflusssteuerung und von Ausführungsbeispiele davon. Es sollte erkannt werden, dass verschiedene Aspekte der Erfindung, wie sie oben diskutiert und weiter unten aufgezeigt sind, auf irgendwelche von zahlreichen Weisen implementiert sein können, da die Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Implementierung beschränkt ist. Beispiele für eine spezifische Implementierung sind nur zu illustrativen Zwecken zur Verfügung gestellt.
In dieser Beschreibung werden verschiedene Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Die verschiedenen Aspekte und Merkmale werden der Klarheit halber separat diskutiert. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die Merkmale in einer Mengendurchflusssteuerung in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung selektiv kombiniert werden können.
A. Steuerung bzw. Regelung einer Mengendurchflusssteuerung
1 stellt ein schematisches Blockdiagramm einer Mengendurchflusssteuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Die in 1 dargestellte Mengendurchflusssteuerung enthält ein Durchflussmessgerät 110, eine Verstärkung/Voreil/Nacheil-(GLL-)Steuerung 150, ein Ventilstellglied 160 und ein Ventil 170.
Das Durchflussmessgerät 110 ist mit einem Durchflusspfad 103 gekoppelt. Das Durchflussmessgerät 110 erfasst die Durchfassrate eines Fluids im Durchflusspfad oder einem Teil des Durchflusspfads und liefert ein Durchflusssignal FS2, das die erfasste Durchflussrate anzeigt. Das Durchflusssignal FS2 wird zu einem ersten Eingang der GLL-Steuerung 150 geliefert.
Zusätzlich enthält die GLL-Steuerung 150 einen zweiten Eingang, um ein Einstellpunktsignal SI2 zu empfangen. Ein Einstellpunkt bezieht sich auf eine Anzeige des erwünschten Fluidflusses, der durch die Mengendurchflusssteuerung 100 zu liefern ist. Wie es in 1 gezeigt ist, kann das Einstellpunktsignal SI2 zuerst durch einen Mengenratenbegrenzer oder ein Filter 130 geführt werden, bevor es zur GLL-Steuerung 150 geliefert wird. Das Filter 130 dient zum Begrenzen von momentanen Änderungen bezüglich des Einstellpunkts bei einem Signal SI1, das direkt zu der GLL-Steuerung 150 geliefert wird, so dass Änderungen bezüglich des Durch flusses über eine spezifizierte Zeitperiode stattfinden. Es sollte erkannt werden, dass die Verwendung eines Mengenratenbegrenzers oder eines Filters 130 nicht nötig ist, um die Erfindung auszuführen, und bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weggelassen werden kann, und dass irgendeines einer Vielfalt von Signalen, die eine Anzeige für den erwünschten Fluidfluss liefern können, als geeignetes Einstellpunktsignal angesehen wird. Der Ausdruck Einstellpunkt beschreibt ohne Bezugnahme auf ein bestimmtes Signal einen Wert, der einen erwünschten Fluidfluss darstellt.
Teilweise auf dem Durchflusssignal FS2 und dem Einstellpunktsignal SI2 basierend liefert die GLL-Steuerung 150 ein Treibersignal DS zum Ventilstellglied 160, das das Ventil 170 steuert. Das Ventil 170 ist typischerweise stromab vom Durchflussmessgerät 110 positioniert und lässt eine bestimmte Mengendurchflussrate zu, die wenigstens teilweise von der Verstellung eines gesteuerten bzw. geregelten Teils des Ventils abhängt. Der gesteuerte Teil des Ventils kann ein bewegbarer langer Kolben sein, der um einen Querschnitt des Durchflusspfads platziert ist, wie es detaillierter in Bezug auf 16 beschrieben wird. Das Ventil steuert die Durchflussrate im Fluidpfad durch Erhöhen oder Erniedrigen des Bereichs einer Öffnung im Querschnitt, wo zugelassen ist, dass ein Fluid fließt. Typischerweise wird eine Mengendurchflussrate durch mechanisches Verstellen des gesteuerten Teils des Ventils um ein erwünschtes Ausmaß gesteuert. Der Ausdruck Verstellung wird allgemein dazu verwendet, die Variable eines Ventils zu beschreiben, von welcher eine Mengendurchflussrate wenigstens teilweise abhängt.
Die Verstellung des Ventils wird oft durch ein Ventilstellglied gesteuert, wie beispielsweise ein Magnetstellglied, ein piezoelektrisches Stellglied, ein Stufen-Stellglied, etc. In 1 ist das Ventilstellglied 160 ein Stellglied vom Magnettyp, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, da andere alternative Typen von Ventilstellgliedern verwendet werden können. Das Ventilstellglied 160 empfängt das Treibersignal DS von der Steuerung und wandelt das Signal DS in eine mechanische Verstellung des gesteuerten Teils des Ventils um.
Wie es oben diskutiert ist, können die verschiedenen Komponenten der Mengendurchflusssteuerung einen Verstärkungsausdruck haben, der zu deren Betrieb gehört. Beispielsweise stellt die 1 Verstärkungsausdrücke A, B, C und D dar, die jeweils zu dem Durchflussmessgerät 110, der GLL-Steuerung 150, dem Ventilstellglied 160 und dem Ventil 170 gehören. Diese Komponenten und ihre zugehöri gen Eingangs- und Ausgangssignale, insbesondere ein Durchflusssignal FS, ein Treibersignal DS, ein Ventilsignal AD und das Fluid, das im Durchflusspfad 103 fließt, bilden einen Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung. Die Verstärkungen A, B, C und D gehören wiederum zu der Beziehung zwischen den Eingaben und Ausgaben. Es sollte erkannt werden, dass die Verstärkungsausdrücke in diesem Regelkreis zu einer zusammengesetzten Regelkreis-Verstärkung beitragen.
Typischerweise ist dieser Regelkreis-Verstärkungsausdruck das Produkt aus den Verstärkungsausdrücken um den Regelkreis (d.h. der Regelkreis-Verstärkungsausdruck ist gleich dem Produkt A·B·C·D). Wie er hierin verwendet wird, beschreibt ein zusammengesetzter Verstärkungsausdruck irgendeinen Verstärkungsausdruck mit den Beiträgen einer Vielzahl von einzelnen Verstärkungsausdrücken. Die Notation für einen zusammengesetzten Verstärkungsausdruck, wie sie hierin verwendet wird, wird als die Verkettung der Symbole erscheinen, die zum Darstellen der einzelnen Verstärkungsausdrücke verwendet werden, die zu dem zusammengesetzten Verstärkungsausdruck beitragen. Beispielsweise wird der oben beschriebene Regelkreis-Verstärkungsausdruck als Verstärkungsausdruck ABCD dargestellt werden. Solange es nicht anders angegeben ist, wird die oben beschriebene Notation für einen zusammengesetzten Verstärkungsausdruck als Produkt aus seinen Bestandteils-Verstärkungsausdrücken angenommen.
Die einzelnen Verstärkungsausdrücke, die zu einem Regelkreis einer Mengendurchflusssteuerung gehören, können sich unterscheidende Charakteristiken und Abhängigkeiten haben, die in einem zusammengesetzten Verstärkungsausdruck resultieren, der mehrere Abhängigkeiten haben kann. Diese Abhängigkeiten oder Variablen können einen Einstellpunkt oder eine Durchflussrate, eine Fluidart, eine Temperatur, einen Einlass- und/oder Auslassdruck, eine Ventilverstellung, etc. enthalten. Die Anmelder haben erkannt und eingeschätzt, dass eine Mengendurchflusssteuerung mit einem beliebigen Regelkreis-Verstärkungsausdruck anfällig für eine Instabilität sein kann und gegenüber Änderungen in Bezug auf einige oder alle der oben angegebenen Abhängigkeiten empfindlich sein kann. Nachfolgend erfolgt eine Beschreibung jedes der in 1 dargestellten beispielhaften Verstärkungsausdrücke.
Der Verstärkungsausdruck A gehört zum Durchflussmessgerät und stellt die Beziehung zwischen dem aktuellen Fluidfluss durch die Mengendurchflusssteuerung und dem angezeigten Durchfluss (z.B. FS2) des Durchflussmessgeräts dar (z.B. eine Änderung bezüglich eines angezeigten Durchflusses, geteilt durch eine Änderung bezüglich eines aktuellen Fluidflusses). Der Verstärkungsausdruck A ist derart kalibriert, dass er eine konstante Funktion von wenigstens einer Durchflussrate ist. Jedoch kann diese Konstante wenigstens von der Fluidart abhängen, mit welcher die Mengendurchflusssteuerung arbeitet.
Der Verstärkungsausdruck B gehört zur GLL-Steuerung und stellt die Beziehung zwischen dem angezeigten Durchflusssignal FS2, das von dem Durchflussmessgerät empfangen wird, und dem Treibersignal DS, das zu dem Ventilstellglied geliefert wird, dar. Der Verstärkungsausdruck B bezieht sich auf die verschiedenen Verstärkungen und Konstanten, die in der Rückkoppelsteuerung der GLL-Steuerung verwendet werden.
Der Verstärkungsausdruck C gehört zum Ventilstellglied und stellt die Beziehung zwischen einem Treibersignal und der Verstellung des Ventils dar. Die Verstärkung C kann die Kombination zweier getrennten Verstärkungen enthalten, einschließlich der Verstärkung, die zur Umwandlung eines Treibersignals in ein elektrisches Strom- oder Spannungs-Steuersignal gehört, und der Verstärkung, die zum Steuersignal und zur mechanischen Verstellung des gesteuerten Teils des Ventils gehört.
Der Verstärkungsausdruck D gehört zum Ventil und stellt die Beziehung zwischen einer Durchflussrate der Mengendurchflusssteuerung und einer Ventilverstellung dar (z.B. eine Änderung bezüglich einer Durchflussrate, geteilt durch eine Änderung bezüglich einer Ventilverstellung). Der Verstärkungsausdruck D kann von einer Vielfalt von Betriebszuständen abhängen, einschließlich einer Fluidart, eines Einlass- und Auslassdrucks, einer Temperatur, einer Ventilverstellung, etc. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, der nachfolgend detaillierter beschrieben wird, wird ein physikalisches Modell eines Ventils zur Verfügung gestellt, das die Bestimmung eines Verstärkungsausdrucks ermöglicht, der zu dem Ventil mit beliebigen Fluiden und Betriebszuständen gehört.
Der Verstärkungsausdruck G ist ein reziproker Verstärkungsausdruck, der aus dem Reziproken des Produkts der Verstärkungsausdrücke A, C und D gebildet ist. Wie es aus der Diskussion hierin weiter erkannt werden wird, lässt der Verstärkungsausdruck G zu, dass die Mengendurchflusssteuerung ungeachtet von Betriebszu ständen auf konsistente Weise arbeitet, indem einem Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung eine konstante Kreisverstärkung zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Systemverstärkungsausdruck für eine bestimmte Mengendurchflusssteuerung durch Bestimmen des zusammengesetzten Verstärkungsausdrucks aus verschiedenen Komponenten im Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung bestimmt. Ein reziproker Verstärkungsausdruck wird durch Nehmen des Reziproken des Systemverstärkungsausdrucks gebildet. Dieser reziproke Verstärkungsausdruck wird dann auf den Regelkreis so angewendet, dass der Regelkreis mit einer konstanten Kreisverstärkung arbeitet. Somit kann, da sich die verschiedenen Verstärkungsausdrücke um den Regelkreis ändern, der reziproke Verstärkungsausdruck verändert werden, um eine konstante Kreisverstärkung beizubehalten.
Weil die Kreisverstärkung der Mengendurchflusssteuerung ungeachtet des Typs von Fluid, das bei der Mengendurchflusssteuerung verwendet wird, und ungeachtet der Betriebszustände, mit welchen die Mengendurchflusssteuerung betrieben wird, konstant gehalten wird, kann die Reaktion der Mengendurchflusssteuerung mit unterschiedlichen Fluiden und/oder Betriebszuständen stabil gemacht werden und veranlasst werden, dass sie dasselbe Verhalten wie dasjenige zeigt, das während einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung bei einem Testfluid und bei Test-Betriebszuständen beobachtet wird.
Solange nichts anderes angegeben ist, ist der Systemverstärkungsausdruck die Zusammensetzung aus Verstärkungsausdrücken um den Regelkreis, die zu verschiedenen Komponenten der Mengendurchflusssteuerung gehören, welche in sich selbst als Funktion von einem oder mehreren Betriebszuständen variieren. Beispielsweise ist der Systemverstärkungsausdruck in 1 der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck ACD.
In einem Block 140 der 1 ist ein reziproker Verstärkungsausdruck G durch Nehmen des Reziproken des Systemverstärkungsausdrucks ACD und durch Anwenden von ihm als eine der Eingaben zur GLL-Steuerung gebildet. Es sollte erkannt werden, dass der reziproke Verstärkungsausdruck das Reziproke von weniger als allen der Verstärkungsausdrücke sein kann, die zu den verschiedenen Komponenten im Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung gehören. Beispielsweise können Verbesserungen bezüglich einer Steuerung und einer Stabilität durch Bilden des Reziproken von zusammengesetzten Verstärkungsausdrücken AC, AD, CD, etc. erreicht werden. Jedoch ist bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Verstärkungsausdruck G so gebildet, dass die Kreisverstärkung eine Konstante bleibt (d.h. die Verstärkung G ist das Reziproke des Systemverstärkungsausdrucks).
2 stellt ein detaillierteres schematisches Blockdiagramm des Durchflussmessgeräts 110 dar. Ein Durchflussmessgerät bezieht sich allgemein auf irgendwelche von verschiedenen Komponenten die eine Durchflussrate durch einen Durchflusspfad oder einen Teil eines Durchflusspfads erfassen und ein Signal liefern, das die Durchflussrate anzeigt. Das Durchflussmessgerät 110 der 2 enthält eine Umgehung 210, einen Sensor und eine Sensorelektronik 230, eine Normalisierungsschaltung 240, um das Sensorsignal FS1 von dem Sensor und der Sensorelektronik 230 zu empfangen, eine Reaktionskompensationsschaltung 250, die mit der Normalisierungsschaltung 240 gekoppelt ist, und eine Linearisierungsschaltung 260, die mit der Reaktionskombinationsschaltung 250 gekoppelt ist. Die Ausgabe der Linearisierungsschaltung 260 ist das Durchflusssignal FS2, wie es bei der Mengendurchflusssteuerung der 1 dargestellt ist.
Obwohl es in 2 nicht gezeigt ist, kann das Sensorsignal FS1 bei einigen Ausführungsbeispielen mit der Verwendung eines Analog/Digital-(A/D-)Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt werden, so dass die gesamte weitere Signalverarbeitung der Mengendurchflusssteuerung 100 durch einen digitalen Computer oder einen Digitalsignalprozessor (DSP) durchgeführt werden kann. Obwohl bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die gesamte Signalverarbeitung, die durch die Mengendurchflusssteuerung 100 durchgeführt wird, digital durchgeführt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, da analoge Verarbeitungstechniken alternativ verwendet werden können.
In 2 lenkt eine Sensordurchführung 220 einen Teil des Fluids ab, das durch den Durchflusspfad fließt, wobei der Rest und der Hauptteil des Fluids durch die Umgehung fließt. Der Sensor und die Sensorelektronik 230 sind mit der Sensordurchführung gekoppelt und messen die Durchflussrate durch die Durchführung. Die Menge an Fluid, die durch die Durchführung fließt, ist proportional zu dem Fluid, das in der Umgehung fließt. Jedoch kann innerhalb des Bereichs von Durchflussraten, mit welchen eine Mengendurchflusssteuerung arbeiten soll, die Bezie hung zwischen der Durchflussrate in der Durchführung und der Durchflussrate in der Umgehung nichtlinear sein.
Zusätzlich messen thermische Sensoren eine Durchflussrate durch Erfassen von Temperaturänderungen über einem Intervall der Durchführung. Demgemäß können bei einigen Ausführungsbeispielen, insbesondere bei denjenigen, die thermische Sensoren implementieren, Temperaturabhängigkeiten existieren, und zwar insbesondere an den zwei Bereichsgrenzen von Durchflussraten, mit welchen die Mengendurchflusssteuerung arbeitet (was hierin jeweils als Durchfluss von Null und Durchfluss in vollem Ausmaß genannt wird).
Die Normalisierungsschaltung 240 empfängt das Sensorsignal FS1 und korrigiert eine potentielle Temperaturabhängigkeit bei einem Durchfluss von Null und bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß. Insbesondere dann, wenn kein Fluid durch die Durchführung und/oder die Umgehung fließt (d.h. Durchfluss von Null), kann der Sensor ein Nichtnull-Sensorsignal erzeugen. Weiterhin kann diese Störanzeige eines Durchflusses von der Temperatur abhängen. Gleichermaßen kann das Sensorsignal FS1 bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß eine Schwankung erfahren, die von der Temperatur abhängt. Eine Korrektur einer temperaturabhängigen Änderung bezüglich des Signals FS1 bei einem Durchfluss von Null kann durch Messen des Werts des Sensorsignals FS1 bei einem Durchfluss von Null bei einer Anzahl von unterschiedlichen Temperaturen und dann durch Anwenden eines Korrekturfaktors auf das Signal FS1 basierend auf der Temperatur des Sensors durchgeführt werden. Korrekturen einer temperaturabhängigen Änderung des Sensorssignals FS1 bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß kann auf ähnliche Weise basierend auf Messungen des Sensorsignals bei unterschiedlichen Temperaturwerten und durch Anwenden eines geeigneten Korrekturfaktors basierend auf der Temperatur durchgeführt werden.
Zusätzlich können Temperaturabhängigkeiten gleichermaßen für charakteristische Punkte entlang des gesamten Bereichs gemessen werden, bei welchen erwünscht ist, dass eine Mengendurchflusssteuerung arbeitet. Demgemäß kann eine Korrekturkurve, die eine Funktion der Durchflussrate und der Temperatur ist, an die Messungen angepasst werden, die bei einem Durchfluss von Null, bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß und bei irgendeiner Anzahl von charakteristischen Stellen dazwischen genommen werden. Diese Korrekturkurve kann eine Korrektur von Temperaturabhängigkeiten über dem Bereich einer Durchflussrate zur Verfü gung stellen, bei welchem beabsichtigt ist, dass die Mengendurchflusssteuerung arbeitet. Zusätzlich können eine Kenntnis über das Fluid, das verwendet wird, und bekannte Änderungen von Sensoreigenschaften mit der Temperatur dazu verwendet werden, die Korrekturfaktoren und/oder Korrekturkurven der Normalisierungsschaltung 240 zur Verfügung zu stellen oder zu verstärken.
Die Normalisierungsschaltung 240 kann auch eine feste Normalisierungsverstärkung zu dem Signal FS1 zur Verfügung stellen, so dass bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß durch die Sensordurchführung ein spezifischer Wert für das Normalisierungssignal FS' erhalten wird und bei einem Durchfluss von Null ein weiterer spezifischer Wert (z.B. Null) erhalten wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel stellt beispielsweise die Normalisierungsschaltung 240 sicher, dass bei einem Durchfluss von Null durch die Sensordurchführung das Normalisierungssignal FS1' einen Wert von 0,0 hat und bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß durch die Durchführung das Normalisierungssignal FS1' einen Wert von 1,0 hat. Es sollte erkannt werden, dass irgendein Wert für das Normalisierungssignal FS1' bei einem Durchfluss von Null und bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß ausgewählt werden kann, da hierin verwendete Werte nur beispielhaft sind.
Es sollte erkannt werden, dass das Normalisierungssignal FS1' schlechte dynamische Eigenschaften haben kann, so dass in Reaktion auf eine Stufenänderung bezüglich eines Fluidflusses das Signal FS1' bezüglich der Zeit verzögert und relativ zu dem aktuellen Durchfluss durch den Durchflusssensor geglättet wird. Dies erfolgt, weil thermische Durchflusssensoren typischerweise eine langsame Reaktionszeit haben, da die thermischen Änderungen über eine relativ lange Zeitperiode hinweg stattfinden.
3 ist eine Darstellung dieses Verhaltens, wobei eine Zeit auf der horizontalen oder X-Achse aufgetragen ist und ein Durchfluss auf der Vertikalen oder Y-Achse aufgetragen ist. Wie es in 3 gezeigt ist, wird in Reaktion auf eine Stufenänderung von Eins bezüglich eines aktuellen Durchflusses durch den thermischen Mengendurchflusssensor das durch den Sensor gelieferte Signal FS1 bezüglich der Zeit verzögert und geglättet.
Um diese Sensoreffekte zu korrigieren und ein besseres dynamisches Ansprechverhalten auf Änderungen bezüglich eines Fluidflusses zur Verfügung zu stellen, wird das Normalisierungssignal FS1' zu einer Antwortkompensationsschaltung 250 geliefert. Die Reaktionskompensationsschaltung 250 ist funktionell ein Filter, das nahezu ein Inverses der Übertragungsfunktion des Sensors und der Sensorelektronik 230 ist. Die Reaktionskompensationsschaltung 250 kann eingestellt oder abgestimmt werden, so dass das konditionierte Signal FS1'', das durch die Reaktionskompensationsschaltung 250 geliefert wird, eine vorbestimmte Anstiegszeit hat, einen vorbestimmten maximalen Pegel eines Überschießens und/oder eines Unterschießens hat, und Pegel innerhalb eines vorbestimmten Zeitrahmens und/oder auf andere Charakteristiken abgestimmt ist, die für eine bestimmte Implementierung einer Mengendurchflusssteuerung erwünscht sein können.
Wie es in der 3 gezeigt ist, hat das kompensierte Signal FS1'' ein Profil, das das Profil der Stufenänderung bezüglich eines Fluidflusses durch den Sensor stärker reflektiert, was in der Zeichnung dargestellt ist. Das Durchflussmessgerät der Mengendurchflusssteuerung kann während einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung eingestellt werden, um ein solches kompensiertes Signal zu liefern. Insbesondere kann die dynamische Reaktion bzw. dynamische Ansprechverhalten während einer Sensorabstimmstufe abgestimmt werden, die weiter unten detailliert diskutiert wird.
Wie es oben kurz diskutiert ist, kann der Anteil von Fluid, das durch die Sensordurchführung fließt, relativ zu dem Fluid, das durch die Umgehung fließt, von der Durchflussrate des Fluids abhängen. Zusätzlich machen Nichtlinearitäten im Sensor und in der Sensorelektronik die Beziehung zwischen einem aktuellen Fluidfluss und dem durch den Sensor gelieferten erfassten Durchflusssignal bei unterschiedlichen Durchflussraten komplizierter. Das Ergebnis davon ist, dass eine Kurve, die einen erfassten Durchfluss gegenüber einem Fluidfluss darstellt, nichtlinear sein kann.
Es sollte erkannt werden, dass sich viele dieser Nichtlinearitäten durch die Normalisierungsschaltung 240 und die Reaktionskompensationsschaltung 250 fortpflanzen bzw. durch diese geführt werden. Demgemäß gehört die nächste Diskussion zu irgendeinem der Sensorsignale FS1, FS1' und FS1''. Der Ausdruck Sensorausgabe wird hierin dazu verwendet werden, das Sensorsignal zu beschreiben, bevor es linearisiert worden ist (d.h. vor der Linearisierungsschaltung 260). Insbesondere, und solange es nicht anders angezeigt ist, beschreibt Sensorausgabe das durch den Sensor erzeugte Signal und dasjenige, das beispielsweise durch die Normalisierungsschaltung 240 bzw. die Reaktionskompensationsschaltung 250 normalisiert und kompensiert worden ist (z.B. FS1''), das aber nicht linearisiert worden ist. Es sollte auch erkannt werden, dass Normalisierungs- und Kompensationsschritte nicht die Reihenfolge respektieren müssen, in welchen sie in 2 angewendet werden, und tatsächlich austauschbar sind.
Die Linearisierungsschaltung 260 korrigiert die Nichtlinearitäten der Sensorausgabe (d.h. FS1''). Beispielsweise liefert die Linearisierungsschaltung 260 ein Durchflusssignal, das einen Wert von 0 bei einem Durchfluss von Null haben wird, von 0,25 bei 25% eines Durchflusses in vollem Ausmaß, 0,5 bei 50% eines Durchflusses in vollem Ausmaß, 1,0 bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß, etc. Die Linearisierungsschaltung 260 liefert das Durchflusssignal FS2, das zu einem Eingang der GLL-Steuerung 150 geliefert ist, wie es in 1 dargestellt ist. Der Ausdruck angezeigter Durchfluss wird hierin dazu verwendet, allgemein das Durchflusssignal zu beschreiben, das durch ein Durchflussmessgerät Beliefert wird, nachdem es linearisiert worden ist (z.B. das Durchflusssignal FS2).
Obwohl es eine Anzahl von Wegen zum Linearisieren der Sensorausgabe gibt, wie beispielsweise eine polynomische Linearisierung, eine stückweise lineare Annäherung bzw. Approximation etc., wird bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Kurve bzw. Spline dazu verwendet, dieses Signal zu linearisieren, und insbesondere eine kubische Kurve. Eine Diskussion von kubischen Kurven ist in Silverman B. W. mit dem Titel "Some Aspects of the Spline Smoothing Approach to Non-Parametric regression Curve Fitting", veröffentlicht im Journal of the Royal Statistics Society angegeben und ist hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit enthalten.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das aktuelle Ausgangssignal FS1 vom Sensor und von der Sensorelektronik 230 bei einer Anzahl von unterschiedlichen (und bekannten) Durchflussraten bei einem Testfluid oder -gas gemessen und wird die gemessene Durchflussrate gegenüber der bekannten Durchflussrate für alle Messpunkte aufgetragen. Dieses Auftragen der gemessenen Durchflussrate gegenüber der bekannten Durchflussrate definiert die Übertragungsfunktion des Sensors und der Sensorelektronik 230, und dann wird eine kubische Kurve an das Inverse der Übertragungsfunktion des Sensors und der Sensorelektronik 230 angepasst. Der gemessene Wert der Sensorausgabe wird dann als Eingabe zu der kubischen Kurve verwendet, um ein normalisiertes, kompensiertes und linearisiertes angezeigtes Durchflusssignal (z.B. FS2) zu liefern.
Wie es nachfolgend in weiterem Detail diskutiert werden wird, kann die Linearisierungsschaltung 260 eine Linearisierungstabelle (nicht gezeigt) enthalten, um eine Linearisierung der Sensorausgabe zu ermöglichen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine kubische Kurve eher als an ihr Inverses an die Übertragungsfunktion des Sensors und der Sensorelektronik 230 selbst angepasst.
Nach einem Kompensieren von Nichtlinearitäten in dem Sensor und der Sensorelektronik 230 und einem Ändern eines Bruchteils eines Fluidflusses, der durch die Sensordurchführung 220 verläuft, wird das konditionierte Durchflusssignal FS2 zu der GLL-Steuerung 150 geliefert und kann auch zu einem Filter 120 (1) zur Anzeige geliefert werden. Eine Darstellung des konditionierten Durchflusssignals FS2 wird "konditionierter erfasster Durchfluss (FS2)" genannt und ist in 3 gezeigt.
Wie es in 1 gezeigt ist, gehört ein Verstärkungsausdruck A zum Durchflussmessgerät 110. Dieser Verstärkungsausdruck stellt die Beziehung zwischen dem Fluid, das im Durchflusspfad 103 fließt, und dem angezeigten Durchfluss (d.h. dem Durchflusssignal FS2) dar. Insbesondere ist der Verstärkungsausdruck A das Verhältnis einer Änderung bezüglich eines angezeigten Durchflusses zu einer Änderung bezüglich eines aktuellen Fluidflusses. Es sollte aus der obigen Diskussion des Durchflussmessgeräts 110 erkannt werden, dass diese Beziehung (d.h. eine Kurve eines Fluidflusses gegenüber einem angezeigten Durchfluss) veranlasst worden ist, linear zu sein. Somit ist das Verhältnis einer Änderung bezüglich eines angezeigten Durchflusses zu einer Änderung bezüglich eines aktuellen Fluidflusses (d.h. die Ableitung der Kurve des Fluidflusses gegenüber einem angezeigten Durchfluss) eine konstante Funktion einer Durchflussrate. Somit ist der Verstärkungsausdruck A eine Konstante für eine bestimmte Fluidart.
Da die Verstärkung A eine Konstante ist und da ein angezeigter Durchfluss bei einem bestimmten Wert bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß definiert worden ist, kann die Verstärkung A für ein bestimmtes Fluid basierend auf dem Durchfluss in vollem Ausmaß, der zu dem Fluid gehört, das während einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung verwendet wird, bestimmt werden. Bei dem beispielhaften Durchflussmessgerät, bei welchem ein angezeigter Durchfluss derart eingestellt worden ist, dass er einen Wert von 1,0 bei einem Durchfluss in vollem Ausmaß hat, ist die Verstärkung A einfach das Reziproke des Durchflusses in vollem Ausmaß.
Es sollte erkannt werden, dass sich ein Durchfluss in vollem Ausmaß durch eine Mengendurchflusssteuerung als Ergebnis eines Betreibens der Mengendurchflusssteuerung mit einem anderen Fluid ändern kann. Somit wird die Mengendurchflusssteuerung einen Bereich für ein volles Ausmaß haben, der von einer Fluidart abhängt. Daher kann sich, obwohl die Verstärkung A eine konstante Funktion von wenigstens einer Durchflussrate ist, diese Konstante bei einem Betrieb der Mengendurchflusssteuerung mit einer anderen Fluidart ändern.
Jedoch haben die Anmelder bestimmt, wie sich die zu dem Durchflussmessgerät gehörende Verstärkung (z.B. der Verstärkungsausdruck A) mit einer Fluidart ändert. Wie es oben diskutiert ist, kann die Verstärkung des Durchflussmessgeräts direkt aus dem Bereich des vollen Ausmaßes (d.h. dem Durchfluss in vollem Ausmaß der Mengendurchflusssteuerung) berechnet werden. Somit lässt ein Bestimmen des Bereichs des vollen Ausmaßes für ein Prozessfluid eine direkte Bestimmung der Verstärkung des Durchflussmessgeräts zu. Der Bereich des vollen Ausmaßes eines Prozessfluids kann durch Anwenden eines Umwandlungsfaktors auf den zu einem Testfluid gehörenden Bereich vollen Ausmaßes bestimmt werden. Der Umwandlungsfaktor kann empirisch aus Messungen mit dem bestimmten Fluid abgeleitet werden, für welches der Bereich vollen Ausmaßes bestimmt wird.
4 stellt Details eines Ausführungsbeispiels der GLL-Steuerung 150 dar. Obwohl die Steuerung 150 hierin derart beschrieben ist, dass sie eine Verstärkung-Voreil/Nacheil-(GLL-)Steuerung ist, sollte es erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise können die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung bei anderen Typen von Rückkopplungen verwendet werden, wie beispielsweise bei Proportional-Integral-Differential-(PID-)Reglern, Proportional-Integral-(PI-)Reglern, Integral-Differential-(ID-)Reglern etc. Es sollte auch erkannt werden, dass zahlreiche mathematische Äquivalente zu der in 4 dargestellten GLL-Steuerung bzw. Regelung 150 alternativ verwendet werden können, da die vorliegende Erfindung nicht auf die darin dargestellte spezifische Steuerungsstruktur bzw. Reglerstruktur beschränkt ist.
Die GLL-Steuerung bzw. der GLL-Regler 150 empfängt drei Eingangssignale: das Durchflusssignal FS2 (das auch angezeigter Durchfluss genannt wird); das Einstellpunktsignal SI2; und den reziproken Verstärkungsausdruck G. Wie es oben angegeben ist, kann das Einstellpunktsignal SI2 zuerst durch einen Mengenratenbegrenzer oder ein Filter 130 geführt werden, um zu verhindern, dass momentane Änderungen bezüglich des Einstellpunktsignals zur GLL-Steuerung geliefert werden.
Wie es im Vorangehenden angegeben ist, ist die Verstärkung G 140 ein reziproker Verstärkungsausdruck, der durch Nehmen des Reziproken des Produkts der Verstärkungsausdrücke gebildet ist, die zu verschiedenen Komponenten in einem Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung gehören (d.h. des Reziproken des Systemverstärkungsausdrucks), wie es hierin detailliert erklärt ist. Die Verstärkung G kann irgendwo entlang dem Regelkreis angewendet werden, und ist nicht darauf beschränkt, auf den Eingang der Steuerung der Mengendurchflusssteuerung angewendet zu werden. Jedoch kann der reziproke Verstärkungsausdruck G angenehmerweise auf den Eingang der GLL-Steuerung angewendet werden, wie es in den 1 und 4 dargestellt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Verstärkungsausdruck G durch einen Mikroprozessor oder eine Digitalsignalprozessor bestimmt werden, der zu der Mengendurchflusssteuerung gehört. Der Prozessor kann in die Mengendurchflusssteuerung integriert sein oder kann extern sein, wie es nachfolgend diskutiert ist.
Wie es in 4 gezeigt ist, wird das Durchflusssignal FS2 zu einem Differenzierer oder einer D-Term-Schaltung 410 geliefert. Weil die Schaltung 410 nicht identisch zu einem Differenzierer ist, wird sie hierin "D-Term"-Schaltung genannt. Tatsächlich wird das Durchflusssignal FS2 innerhalb der D-Term-Schaltung 410 differenziert, tiefpassgefiltert und mit einer Konstanten multipliziert und dann mit dem konditionierten Durchflusssignal FS2 summiert. Es sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmte Implementierung der hierin beschriebenen D-Term-Schaltung 410 beschränkt ist, da andere Typen von Differenziererschaltungen verwendet werden können. Funktionell liefert die D-Term-Schaltung 410 ein modifiziertes Durchflusssignal FS3, das relativ zum konditionierten Signal FS2 "beschleunigt" ist, um dadurch das "Voreilen" in der GLL-Steuerung 150 zu bilden. Die D-Term-Schaltung 410 stellt auch ein Dämpfen zur Verfügung. Wie es durch Fachleute auf dem Gebiet erkannt werden sollte, liefert die D-Term-Schaltung 410 funktionell ein modifiziertes Durchflusssignal FS3, das anzeigt, wie und wie schnell sich das Durchflusssignal ändert.
Das modifizierte Durchflusssignal FS3 wird dann zusammen mit dem Einstellpunktsignal SI2 zu einer Subtraktionsschaltung 420 geliefert, die das modifizierte Durchflusssignal FS3 und das Einstellpunktsignal SI2 nimmt und ein Fehlersignal E basierend auf ihrer Differenz erzeugt. Das Fehlersignal E wird dann bei einer Verstärkung/Nacheil/Voreil-GLL-Steuerung mit dem Verstärkungsausdruck G (daher kommt das Wort "Verstärkung") multipliziert und zu einem proportionalen Verstärkungsausdruck 440 und einem integralen Verstärkungsausdruck 450 geliefert.
Der proportionale Verstärkungsausdruck multipliziert das Signal EG mit einer festen Konstanten K_P und liefert dann das Ausgangssignal EGK_P zu einer Summierschaltung 470. Der proportionale Verstärkungsausdruck 440 wird dazu verwendet, eine Komponente des Treibersignals funktionell zu liefern, um das Steuerventil 170 basierend auf dem Signal EG um ein bestimmtes festes Ausmaß zu bewegen, um dadurch zuzulassen, dass das Steuerventil 170 auf eine Änderung bezüglich des Fehlersignals E hin schnell zur (richtigen) Stelle gelangt.
Der proportionale Verstärkungsausdruck 440 stellt auch ein Dämpfen zur Verfügung, was dabei hilft, ein Überschwingen im Treibersignal DS und im resultierenden Durchfluss zu verhindern. Beispielsweise wird dann, wenn das Fehlersignal E kleiner wird, und das Ausgangssignal vom Integrierer 460 größer wird, der Wert des mit K_P multiplizierten Fehlersignals E kleiner, da die Konstante K_P vorzugsweise kleiner als Eins ist, um dadurch das Ausmaß eines Überschießens zu verringern, das auftritt.
Der integrale Verstärkungsausdruck 450 multipliziert das Signal EG mit einer weiteren festen Konstanten K_i und liefert dann das Ausgangssignal EGK_i zu einem Eingang des Integrierers 460. Der Integrierer 460 integriert das Signal EGK_i und liefert die integrierte Ausgabe zu einem zweiten Eingang der Summierschaltung 470. Funktionell liefert der Ausgang des Integrierers 460 ein Signal, das das Fehlersignal E über der Zeit anzeigt und darstellt, wie sich das Fehlersignal in der Vergangenheit geändert hat (daher das Wort "Nacheilen" in einer Verstär kung/Voreil/Nacheil-GLL-Steuerung). Bei einem gegebenen Fehlersignal E beginnt der Integrierer 460 bei einer spezifischen Neigung bzw. Steigung, und da der angezeigte Durchfluss (z.B. FS2) größer wird (unter der Annahme, dass ein neuer und höherer Einstellpunkt eingegeben worden ist), wird das Fehlersignal E kleiner, so dass der Integrierer 460 ein Integrieren stoppt (d.h. sich demgemäß verlangsamt, wie schnell es sich ändert) und die Komponente des vom Integrierer 460 ausgegebenen Treibersignals ein Größerwerden stoppt. Das integrierte Ausgangssignal EGK_i wird dann mit der Ausgabe des proportionalen Verstärkungsausdrucks EGK_P in der Summierschaltung 470 summiert und das summierte Ausgangssignal DS wird als Treibersignal zum Ventilstellglied 160 geliefert.
Zusätzlich kann ein Sockel (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um den Integrierer 460 auf einen bestimmten Wert voreinzustellen, wenn die Steuerung von einem Durchfluss von Null zu einem geregelten Durchflusszustand übergeht. Der Sockel beschreibt einen Wert, der dann, wenn er zu dem Integrierer hinzugefügt wird, einen Treiberpegel DS liefern wird, der genau unter dem Treiberpegel liegt, der zum Öffnen des Ventils und zum Zulassen eines Flusses nötig ist. Auf diese Weise kann die Zeit, die dafür nötig gewesen wäre, dass der Integrierer stufenweise zu dem Sockelwert gelangt, eliminiert werden, und wird die Steuerung eine erhöhte Reaktionszeit auf Übergänge zwischen einem Durchfluss von Null und einem geregelten Durchfluss haben.
Wie es in 5 gezeigt ist, wird die Ausgabe der Summierschaltung zu dem Ventilstellglied 160 geliefert, das allgemein eine Ventilantriebselektronikschaltung 510 enthält, die mit einem elektromechanischen Stellglied 520 gekoppelt ist. Irgendeine geeignete Ventilantriebselektronikschaltung 510 kann zum Empfangen des Treibersignals DS und zum Umwandeln des Treibersignals DS in eine Spannung, einen Strom oder ein anderes Signal, das das Ventil 170 zu einer erwünschten Position bewegen kann, verwendet werden, um eine erwünschte Durchflussrate zu ergeben. Weiterhin kann die Ventilantriebsschaltung 510 irgendeine geeignete Ventilantriebs-Aktivierungsschaltung enthalten, die im Stand der Technik zum Antreiben von magnetbetätigten Steuerventilen, piezoelektrisch betätigten Steuerventilen, etc. bekannt sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das ein magnetbetätigtes Steuerventil verwendet, kann die Ventilantriebselektronikschaltung 510 eine Schaltung enthalten, die den Einfluss einer Hysterese bei dem magnetbetätigten Steuerventil reduziert, wie es nachfolgend in weiterem Detail beschrieben ist.
6 ist eine Darstellung einer Anzahl der Signale, die oben in Bezug auf 4 beschrieben sind, wobei die horizontale oder X-Achse die Zeit darstellt und die vertikale oder Y-Achse den identifizierten Signalpegel darstellt. Wie es in 6A gezeigt ist, wird zu einer Zeit T₀ eine Stufenänderung (zum Pegel F₀) in Bezug auf das Einstellpunktsignal SI2 zur Verfügung gestellt. Zu dieser Zeit steigt das Fehlersignal E auf den Pegel F₀ an, da das Fehlersignal E gleich der Differenz zwischen dem konditionierten Durchflusssignal FS2 (das noch auf seinem früheren Zustand ist) und dem Wert des Einstellpunkteingangssignals SI2, welches nun auf einem Wert von F₀ ist. Das Fehlersignal in zeitlicher Abstimmung mit dem Verstärkungsausdruck G (d.h. das Signal EG) geht somit in Stufen zu einem hohen Wert und wird dann mit der Zeit auf die Weise, die in 6B gezeigt ist, kleiner. Da die Ausgabe des proportionalen Verstärkungsausdrucks 440 das Signal EG multipliziert mit der Konstanten K_P (die kleiner als Eins ist) ist, hat das Signal EGK_P eine gleiche Form, obwohl es bezüglich der Amplitude etwas reduziert ist, wie es in 6C gezeigt ist. Wie es in 6D gezeigt ist, ist das integrierte Ausgangssignal EGK_i zur Zeit T₀ Null, beginnt aber aufgrund der Größe des Fehlersignals E schnell ein stufenförmiges Ansteigen. Die Ausgabe der Summierschaltung 470, die die Summe des Ausgangssignals EGK_P und des integrierten Ausgangssignals EGK_i darstellt, ist mit DS bezeichnet und ist in 6E gezeigt. Basierend auf dem Treibersignal DS, das zu dem Ventilantrieb und der Ventilantriebselektronikschaltung 160 geliefert wird, wird das Steuerventil 170 um ein vergrößertes Ausmaß geöffnet, und das angezeigte Durchflusssignal (z.B. das Durchflusssignal FS2) beginnt ein Erhöhen zu dem neuen Pegel des Einstellpunkteingangssignals SI2. Mit dem Fortschreiten an Zeit wird das Fehlersignal E kleiner, wird das Ausgangssignal EGK_P des proportionalen Verstärkungsausdrucks 440 kleiner, wie es für das integrierte Ausgangssignal EGK_i gilt, und wird die Durchflussrate bei dem Pegel des neuen Einstellpunkts gebildet.
Idealerweise ist es erwünscht, eine Stufenreaktion bei dem wirklichen Durchfluss in Reaktion auf eine an den Einstellpunkteingang der Mengendurchflusssteuerung angelegte Stufeneingabe zu bekommen. Obwohl dies praktisch nicht möglich ist, können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, eine konsistente Reaktion in Reaktion auf eine Stufeneingabe bei dem Einstellpunkt zur Verfügung zu stellen, und zwar ungeachtet dessen, ob die Stufeneingabe eine Stufe von 2% oder eine Stufe von 100% relativ zu einem Durchfluss in vollem Ausmaß darstellt, ungeachtet dessen, welches Fluid verwendet wird, und unge achtet des Einlass- oder Auslassdrucks, etc. Um diese Konsistenz zu erhalten, stellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Mengendurchflusssteuerung mit einer konstanten Kreisverstärkung zur Verfügung.
Es sollte aus dem Vorangehenden erkannt werden, dass, während verschiedene Verstärkungen, die zu den Komponenten entlang einem Regelkreis einer Mengendurchflusssteuerung gehören, als Funktionen von verschiedenen Variablen variieren können und von einer Vielfalt von unterschiedlichen Betriebszuständen abhängen können, ein konsistenter und stabiler Betrieb einer Mengendurchflusssteuerung für eine Gruppe von Betriebszuständen erreicht werden kann, indem der Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung mit einer konstanten Kreisverstärkung versehen wird.
Es sollte erkannt werden, dass verschiedene Aspekte der Steuerung einer Mengendurchflusssteuerung unter Verwendung eines Mikroprozessors implementiert werden können. Beispielsweise kann die GLL-Steuerung 150 als Mikroprozessor, als Digitalsignalprozessor, etc. implementiert werden. Gleichermaßen kann die Bestimmung von verschiedenen Steuerparametern, wie beispielsweise des reziproken Verstärkungsausdrucks (z.B. des Verstärkungsausdrucks G), durch einen Mikroprozessor zur Verfügung gestellt werden. Verschiedene Aspekte der Steuerung einer Mengendurchflusssteuerung können unter Verwendung von Techniken, die im Stand der Technik wohlbekannt sind, in Software, Firmware oder Hardware Implementiert sein.
B. Mengendurchflusssteuerungskonfiguration
Es sollte erkannt werden, dass, damit eine Mengendurchflusssteuerung konsistent und auf eine stabile Weise arbeitet, die Mengendurchflusssteuerung während einer Herstellung abgestimmt und/oder kalibriert werden muss. Eine manuelle Abstimmung und/oder Kalibrierung ist oft ein zeitaufwändiger, arbeitsintensiver und teurer Prozess. Zusätzlich wird dann, wenn ein Prozess erfordert, dass die Mengendurchflusssteuerung konfiguriert wird, um mit einer anderen Fluidart und/oder anderen Betriebszuständen als denjenigen zu arbeiten, die während einer Herstellung verwendet werden, die Leistungsfähigkeit einer Mengendurchflusssteuerung selten dasselbe Verhalten zeigen, das während einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung beobachtet wird, selbst wenn die Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf eine Anzahl von Prozessfluiden abgestimmt oder kalibriert wurde. Anders ausgedrückt kann die Mengendurchflusssteuerung eine andere Reaktion haben, wenn sie mit einem Fluid und/oder Betriebszuständen arbeitet, die andere als diejenigen sind, mit welchen die Mengendurchflusssteuerung abgestimmt und/oder kalibriert wurde.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung zur Verfügung gestellt, das zulässt, dass die Reaktion des Mengendurchflusses bei einem Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszuständen im Wesentlichen zu derselben gemacht wird, wie die Reaktion, für welche die Mengendurchflusssteuerung mit einem Testfluid und Test-Betriebszuständen abgestimmt und/oder kalibriert wurde.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden während einer Abstimmung und/oder einer Kalibrierung einer Mengendurchflusssteuerung mit einem einzigen Testfluid einer Gruppe von Test-Betriebszuständen Konfigurationsdaten erhalten. Diese Konfigurationsdaten können dazu verwendet werden, die Mengendurchflusssteuerung zu konfigurieren, um mit einem beliebigen Prozessfluid und/oder beliebigen Betriebszuständen zu arbeiten, um dadurch eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit aufgrund eines Betriebs mit einem Fluid und/oder Betriebszuständen, die andere als diejenigen sind, die während einer Herstellung verwendet werden, abzumildern und um eine teure und zeitaufwändige Abstimmung und/oder Kalibrierung der Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf mehrere Surrogat-Fluide zu vermeiden.
Ein Bereitstellen einer Mengendurchflusssteuerung, die mit beliebigen Fluiden und Betriebszuständen arbeiten kann und eine zufrieden stellende Reaktion zeigt, enthält oft Schritte, die eine anfängliche Herstellung der Mengendurchflusssteuerung und eine darauf folgende Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung enthalten. 7a stellt Herstellungs- und Konfigurationsschritte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
Der Ausdruck Herstellung, wie er hierin verwendet wird und wenn er auf eine Mengendurchflusssteuerung angewendet wird, beschreibt allgemein die verschiedenen Aufgaben, die beim Vorbereiten einer Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb in Bezug auf eine spezifische Fluidart und eine bestimmte Gruppe von Betriebszuständen enthalten sind. Eine Herstellung kann ein Bilden der Mengendurchflusssteuerung aus verschiedenen Komponenten, ein Betreiben der Mengen durchflusssteuerung in Bezug auf ein Testfluid unter Test-Betriebszuständen und ein Abstimmen und/oder Kalibrieren zu verschiedenen Komponenten und/oder Steuerparametern der Mengendurchflusssteuerung, so dass die Mengendurchflusssteuerung ein zufrieden stellendes Verhalten und eine zufrieden stellende Leistungsfähigkeit bei dem Testfluid und den Test-Betriebszuständen zeigt (d.h. eine zufrieden stellende Reaktion hat), enthalten.
Der Ausdruck Konfiguration oder Konfigurieren, wie er hierin verwendet wird und wenn er auf eine Mengendurchflusssteuerung angewendet wird, beschreibt allgemein die verschiedenen Schritte, die beim Anpassen einer Mengendurchflusssteuerung an einen Betrieb mit einem beliebigen Fluid unter beliebigen Betriebszuständen enthalten sind. Insbesondere beschreibt Konfiguration Schritte, die beim Anpassen einer Mengendurchflusssteuerung an einen Betrieb mit einem Fluid, das ein anderes als das Fluid ist, mit welchem die Mengendurchflusssteuerung die Herstellung durchmachte (was hierin "Prozessfluid" bzw. "Testfluid" genannt wird), und unter Bedingungen bzw. Zuständen, die anders als die Gruppe von Betriebszuständen sein können, die während einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung verwendet werden (welche hierin "Prozess-Betriebszustände" bzw. "Test-Betriebszustände" genannt werden), enthalten sind, so dass die Reaktion der Mengendurchflusssteuerung im Wesentlichen dieselbe wie diejenige ist, die während einer Herstellung beobachtet wird. Es sollte erkannt werden, dass eine Konfiguration einer Mengendurchflusssteuerung zu irgendeiner Zeit nach einer Herstellung durchgeführt werden kann und an irgendeinem Ort, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, am Herstellungsort (z.B. um die Mengendurchflusssteuerung für eine bestimmte bekannte Anwendung zu konfigurieren), oder am Einsatzort (z.B. bei einer Betriebsstelle eines Endbenutzers).
Allgemein bezieht sich der Ausdruck zufrieden stellende Reaktion auf eine Reaktion einer Mengendurchflusssteuerung, die innerhalb einer Gruppe von gegebenen Toleranzen eines bestimmten Prozesses oder einer bestimmten Aufgabe der Mengendurchflusssteuerung durchführt. Insbesondere führt die dynamische und statische Reaktion der Mengendurchflusssteuerung innerhalb eines Bereichs von Toleranzen durch, für welchen beabsichtigt war, dass die Mengendurchflusssteuerung arbeitet.
Eine Mengendurchflusssteuerung kann während einer Herstellung abgestimmt und/oder kalibriert werden, um eine zufrieden stellende Reaktion für eine beliebige Gruppe von Toleranzen zu haben. Somit sollte die Reaktion einer Mengendurchflusssteuerung nach einer Abstimmung und/oder Kalibrierung in Bezug auf ein Testfluid und eine Gruppe von Test-Betriebszuständen, solange nichts anderes angegeben ist, derart angesehen werden, dass sie eine zufrieden stellende Reaktion für dieses Testfluid und diese Test-Betriebszustände hat. Jedoch kann sich die Reaktion wesentlich ändern, wenn die Mengendurchflusssteuerung mit einem anderen Fluid und/oder anderen Betriebszuständen betrieben wird, so dass die Reaktion nicht mehr zufrieden stellend ist.
Im Allgemeinen wird eine Mengendurchflusssteuerung derart angesehen, dass sie dieselbe Reaktion in Bezug auf ein Testfluid und Test-Betriebszustände hat, wenn beide Reaktionen zufrieden stellend sind (d.h. beide Reaktionen innerhalb der Toleranzen durchführen, für welche beabsichtigt wurde, dass die Mengendurchflusssteuerung arbeitet).
Wie es in 7a dargestellt ist, wird die Mengendurchflusssteuerung während einer Herstellung 710 mit einem Testfluid unter einer Gruppe von Test-Betriebszuständen betrieben. Charakteristiken des Betriebs der Mengendurchflusssteuerung werden als Konfigurationsdaten 712 erhalten und gespeichert. Die Konfigurationsdaten 712 können während verschiedener Abstimmungs- und/oder Kalibrierungsschritte der Herstellung 710 erhalten werden, wie es in Bezug auf die 7b–7f in weiterem Detail beschrieben ist.
Der Ausdruck Abstimmung beschreibt Schritte, die ein Bereitstellen einer zufrieden stellenden dynamischen Reaktion und eines Verhaltens auf einen Fluidfluss und eine Änderung in Bezug auf einen Fluidfluss und/oder eine Änderung in Bezug auf einen erwünschten Fluidfluss (d.h. eine Änderung bezüglich eines Einstellpunkts) enthalten. Der Ausdruck Kalibrierung bezieht sich allgemein auf Schritte, die ein Bereitstellen einer zufrieden stellenden Reaktion im Ruhezustand oder einer zufrieden stellenden statischen Reaktion einer Mengendurchflusssteuerung enthalten.
Der Ausdruck Konfigurationsdaten bezieht sich allgemein auf Information, die während einer Abstimmung und/oder Kalibrierung einer Mengendurchflusssteuerung erhalten werden. Insbesondere beschreiben Konfigurationsdaten Charakteristiken der Mengendurchflusssteuerung und/oder Messungen, die von einer Mengendurchflusssteuerung vorgenommen werden, während eines Betriebs mit einem Testfluid und unter Test-Betriebszuständen. Konfigurationsdaten, die während einer Herstellung einer Mengendurchflusssteuerung erhalten werden, können dann dazu verwendet werden, die Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände zu konfigurieren.
Wie es oben kurz diskutiert ist, werden die Ausdrücke Testfluid und Test-Betriebszustände dazu verwendet, ein Fluid und Betriebszustände zu beschreiben, die während einer Herstellung einer Mengendurchflusssteuerung verwendet wurden. Die Ausdrücke Prozessfluid und Prozess-Betriebszustände beschreiben Fluide und Betriebszustände, die typischerweise durch einen Endbenutzer für eine bestimmte Anwendung der Mengendurchflusssteuerung erwünscht sind.
Es sollte erkannt werden, dass derselbe Typ oder dieselben Typen von Fluiden und Betriebszuständen sowohl für Test- als auch für Prozesszwecke verwendet werden kann oder können. Weil jedoch eine Mengendurchflusssteuerung nicht in Bezug auf jedes Fluid und/oder unter allen Betriebszuständen abgestimmt werden kann, enthalten bestimmte Aspekte der Erfindung eine Mengendurchflusssteuerung, die in Bezug auf ein bestimmtes Testfluid und unter einer bestimmten Gruppe von Test-Betriebszuständen während einer Herstellung abgestimmt und/oder kalibriert wird, so dass die Mengendurchflusssteuerung konfiguriert werden kann, um darauf folgend bei einem anderen Fluid und/oder anderen Betriebszuständen zu arbeiten. Demgemäß sollte es verstanden werden, dass der Ausdruck "Prozessfluid" nicht dazu verwendet wird, unterschiedliche Typen von Fluiden zu beschreiben, sondern eher dazu, um zu zeigen, dass das Fluid unterschiedlich von dem Fluid sein kann, mit welchem die Mengendurchflusssteuerung abgestimmt und/oder kalibriert wurde. Gleichermaßen beschreibt der Ausdruck "Prozess-Betriebszustände" eine Gruppe von Betriebszuständen, die nicht dieselben wie die Test-Betriebszustände sein können, mit welchen die Mengendurchflusssteuerung abgestimmt und/oder kalibriert wurde. Einer, einige oder alle einer Gruppe von Prozess-Betriebszuständen können unterschiedlich von den Test-Betriebszuständen sein.
Im Konfigurationsschritt 720 können die während einer Herstellung erhaltenen Konfigurationsdaten 712 dazu verwendet werden, eine Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf ein Prozess-Fluid und/oder Prozess-Betriebszustände zu ermöglichen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden Konfigurationsdaten 712 während der Konfiguration 720 verwendet, um zu der Mengendurchflusssteuerung gehörende Steuerparameter zu bestimmen, die einen Betrieb der Mengendurchflusssteuerung mit einem Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszuständen zu ermöglichen. Insbesondere werden die während eines Herstellungsschritts 710 erhaltenen Konfigurationsdaten 712 dazu verwendet, Steuerparameter zu bestimmen, die die Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung mit einem Prozessfluid und Prozess-Betriebszuständen ermöglichen, so dass die Mengendurchflusssteuerung eine zufrieden stellende Reaktion zeigt (d.h. die Mengendurchflusssteuerung wird derart konfiguriert, dass sie im Wesentlichen dieselbe Reaktion mit dem Prozessfluid und/oder den Prozess-Betriebszuständen wie diejenige hat, die während einer Herstellung unter Verwendung des Testfluids und von Test-Betriebszuständen beobachtet wird).
Der Ausdruck Steuerparameter, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich allgemein auf zu der Mengendurchflusssteuerung gehörende Parameter, die den Betrieb der Mengendurchflusssteuerung ermöglichen bzw. erleichtern. Steuerparameter können Filterkoeffizienten, Verstärkungsausdrücke, Steuerkonstanten, Linearisierungskurven, etc. enthaften, sind aber nicht darauf beschränkt. Insbesondere beziehen sich Steuerparameter auf Parameter, die eine Änderung, eine Modifikation oder ein Hinzufügen benötigen können, wenn eine Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit einem beliebigen Prozessfluid und/oder beliebigen Prozess-Betriebszuständen konfiguriert wird (d.h. konfiguriert wird, um eine zufrieden stellende Reaktion zu zeigen).
Wie sie hierin verwendet wird, soll die Phrase "für einen Betrieb konfiguriert" ein Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung auf eine derartige Weise beschreiben, dass dann, wenn sie betrieben wird, die Mengendurchflusssteuerung eine zufrieden stellende Reaktion zeigt (d.h. Mengendurchflusssteuerungen mit nicht zufrieden stellenden Reaktionen werden nicht allgemein als betriebsfähig angesehen).
Es sollte erkannt werden, dass die Herstellung 710 im Allgemein nur einmal und mit einem einzigen Testfluid und einer Gruppe von Test-Betriebszuständen durchgeführt werden muss. Jedoch kann eine Konfiguration 720 während der Lebensdauer einer Mengendurchflusssteuerung für irgendeine Anzahl von Malen wiederholt werden. Insbesondere kann es, wann immer es erwünscht ist, die Mengendurchflusssteuerung mit einem anderen Prozessfluid und/oder anderen Betriebszuständen zu betreiben, wünschenswert sein, eine Konfiguration 720 mit dem neuen Prozessfluid und/oder den neuen Prozess-Betriebszuständen wiederholen, so dass die Mengendurchflusssteuerung eine zufrieden stellende Reaktion mit dem neuen Prozessfluid und/oder den neuen Prozess-Betriebszuständen zeigt.
Es sollte weiterhin erkannt werden, dass eine Herstellung und eine Konfiguration von unterschiedlichen Typen von Mengendurchflusssteuerungen und anderen Mengendurchflusssteuerungsimplementierungen unterschiedliche Schritte erfordern können. Jedoch sollte eine Herstellung derartige Schritte enthalten, dass die Mengendurchflusssteuerung richtig charakterisiert worden ist und eine zufrieden stellende Reaktion hat, die für einen Betrieb mit einer Gruppe von Test-Betriebszuständen gebildet ist, und dass ausreichende Konfigurationsdaten erhalten worden sind, um eine darauf folgende Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung zu ermöglichen. Gleichermaßen sollte eine Konfiguration im Allgemeinen Schritte enthalten, die zum Bilden von im Wesentlichen derselben Reaktion nötig sind, wenn mit einer Gruppe von Prozess-Betriebszuständen wie denjenigen gearbeitet wird, die während einer Herstellung beobachtet werden.
7b stellt ein Blockdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel dar, das verschiedene Schritte enthält, die während der Herstellung und der Konfiguration (z.B. Schritte 710 und 720 in 7a) einer Mengendurchflusssteuerung durchgeführt werden können. Die Herstellung 710 kann einen Sensorabstimmschritt 10, einen Ventilcharakterisierungsschritt 20, einen Rückkoppelabstimmschritt 30 und einen Kalibrierungsschritt 40 enthalten. Es sollte erkannt werden, dass die Herstellung 710 andere Schritt enthalten kann, die bei der Herstellung 710 nicht gezeigt sind, wie beispielsweise Schritte, die beim Aufbauen der Mengendurchflusssteuerung enthalten sind, wie beispielsweise eine Anpassung der Umgehung, etc., die im Stand der Technik bekannt sind.
Bei den verschiedenen beispielhaften Schritten 10–40 der Herstellung 710 wird die Mengendurchflusssteuerung charakterisiert und wird eine zufrieden stellende Reaktion gebildet, und zwar bei einer Gruppe von Test-Betriebszuständen. Konfigurationsdaten werden während einer Herstellung erhalten, die eine Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit einer Gruppe von Prozess-Betriebszuständen ermöglichen, wie es nachfolgend in weiterem Detail beschrieben ist.
Beim Sensorabstimmschritt 10 wird das Durchflussmessgerät einer Mengendurchflusssteuerung so abgestimmt, dass es eine zufrieden stellende dynamische Reaktion zeigt. Insbesondere werden die verschiedenen Komponenten des Durchflussmessgeräts so abgestimmt, dass die Sensorausgabe (z.B. FS1'') zufrieden stellend auf Änderungen bezüglich eines Durchflusses durch den Sensor reagiert. Beispielsweise kann, wie es in Verbindung mit 2 diskutiert ist, eine Sensorabstimmung ein Liefern von Normalisierungs- und Reaktionskompensationsfilterkoeffizienten, Korrekturkurven und/oder Verstärkungen enthalten, so dass das Durchflussmessgerät auf Fluidschritte mit einer Sensorausgabe mit einer Stufenform reagiert, die den Stufenänderungen bezüglich eines Fluidflusses im Durchflusspfad äußerst ähnlich ist. Während des Abstimmschritts 10 erhaltene Information, wie beispielsweise Filterkoeffizienten, Korrekturkurven und/oder Verstärkungsausdrücke, kann als Konfigurationsdaten 712 gespeichert werden.
Beim Ventilcharakterisierungsschritt 20 wird die Mengendurchflusssteuerung ausreichend charakterisiert, so dass sie konfiguriert werden kann, um auf eine konsistente und stabile Weise in Reaktion auf Änderungen in Bezug auf verschiedene Betriebszustände und/oder Charakteristiken zu arbeiten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Systemverstärkungsausdruck eines Regelkreises der Mengendurchflusssteuerung bestimmt werden und ein reziprokes des Systemverstärkungsausdrucks bestimmt und an den Regelkreis angelegt werden, um eine konstante Kreisverstärkung zu liefern. Zusätzlich können während der Bestimmung des Systemverstärkungsausdrucks durchgeführte Messungen als Konfigurationsdaten gespeichert und später während der Konfiguration verwendet werden, wie es nachfolgend in Bezug auf 7c in weiterem Detail diskutiert ist.
Im Rückkoppelabstimmschritt 30 werden die Steuerung und die Steuerelektronik, die zur Rückkopplung gehören, so abgestimmt, dass die Mengendurchflusssteuerung eine zufrieden stellende dynamische Reaktion auf Änderungen bezüglich eines Einstellpunkts zeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die verschiedenen PID-Parameter, die in Verbindung mit 4 diskutiert sind, so eingestellt werden, dass die GLL-Steuerung erwünschte dynamische Charakteristiken zeigt, wie beispielsweise eine Einstellzeit, ein maximales Überschießen und Unterschießen, etc.
Im Kalibrierungsschritt 40 wird die Mengendurchflusssteuerung so kalibriert, dass sie eine zufrieden stellende Reaktion im eingeschwungenen Zustand zeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Mengendurchflusssteuerung kalibriert, um eine lineare Beziehung zwischen dem aktuellen Fluidfluss durch die Mengendurchflusssteuerung und dem durch das Durchflussmessgerät angezeigten Fluss (z.B. dem Durchflusssignal FS2, das auch angezeigter Durchfluss genannt wird) über dem Bereich von Durchflussraten zur Verfügung zu stellen, bei welchem beabsichtigt war, dass die Mengendurchflusssteuerung arbeitet.
Bei den beispielhaften Schritten 50 und 60, die in der Konfiguration 720 dargestellt sind, werden die während der Herstellung 710 erhaltenen Konfigurationsdaten und Information über die Prozess-Betriebszustände, mit welchen die Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb zu konfigurieren ist, zum Modifizieren von Steuerparametern der Mengendurchflusssteuerung verwendet, so dass die während der Herstellung eingerichtete Reaktion sich beim Betreiben der Mengendurchflusssteuerung bei den Prozess-Betriebszuständen nicht wesentlich ändert.
Wie es in 7b dargestellt ist, kann die Konfiguration 720 der Mengendurchflusssteuerung einen Systemverstärkungs-Zerlegungsschritt 50 und einen Systemkonfigurationsschritt 60 enthalten. Im Systemverstärkungs-Zerlegungsschritt 50 wird ein Systemverstärkungsausdruck erhalten und dann wenigstens teilweise auf den während der Herstellung 710 der Mengendurchflusssteuerung erhaltenen Konfigurationsdaten basierend in seine Bestandteils-Verstärkungsausdrücke zerlegt.
Jedoch kann es sein, dass der Systemverstärkungs-Zerlegungsschritt 50 bei einigen Implementierungen einer Mengendurchflusssteuerung nicht nötig ist und er stellt nur ein Verfahren dar, durch welches ein Modell eines Stellgliedverhaltens zu dem Systemkonfigurationsschritt 60 geliefert werden kann.
Demgemäß sollte es erkannt werden, dass bei den hierin diskutierten Beispielen Schritte, die eine Messung und eine darauf folgende Zerlegung eines Systemverstärkungsausdrucks enthalten, unter Umständen unnötig sein können, bei welchen zu verschiedenen Komponenten einer Mengendurchflusssteuerung gehörende Verstärkungsausdrücke direkt erhalten werden können. Beispielsweise kann bei einigen Mengendurchflusssteuerungen ein Stufenstellglied verwendet werden, von welchem der zugehörige Verstärkungsausdruck direkt aus dem mechanischen Entwurf des Stellglieds erhalten werden kann. In einem solchen Fall können eine Messung einer Systemverstärkung während der Herstellung (z.B. Aufzeichnen von CDA' während des Ventifcharakterisierungsschritts 20 in 2c) und eine Zerle gung des Systemverstärkungsausdrucks während der Konfiguration (z.B. Schritt 50) weggelassen werden, da die durch ein Zerlegen des Systemverstärkungsausdrucks (z.B. Verstärkungsausdruck C) gelieferte Information direkt von dem Stellglied selbst erhalten werden kann.
Das Verfahren zum Erhalten von Systemverstärkungsausdrucksinformation während der Herstellung und zum Zerlegen des Systemverstärkungsausdrucks während der Konfiguration stellt jedoch ein Verfahren zum Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung zur Verfügung, das im Allgemeinen auf irgendeine Implementierung einer Mengendurchflusssteuerung angewendet werden kann, um beispielsweise ein Modell des Stellglieds zur Verfügung zu stellen, wo nichts anderes verfügbar sein kann oder eine solche Information nicht direkt erhalten werden kann. Als solches sind Details dieses Verfahrens in die Herstellungs- und Konfigurationsschritte eingebaut worden, die bei den Ausführungsbeispielen beschrieben sind, die in den 7c–7f dargestellt sind. Jedoch sind Aspekte der Erfindung nicht auf ein Verwenden dieses Verfahrens beschränkt, noch sind sie auf Mengendurchflusssteuerungen beschränkt, bei welchen dieses Verfahren nötig sein kann.
Im Systemkonfigurationsschritt 60 werden Steuerparameter für ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände bestimmt, für welche die Mengendurchflusssteuerung konfiguriert wird, so dass die Mengendurchflusssteuerung eine zufrieden stellende Reaktion zeigt, wenn sie mit dem Prozessfluid und/oder den Prozess-Betriebszuständen betrieben wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein reziproker Verstärkungsausdruck aus dem Reziproken des Produkts der zu verschiedenen Komponenten der Mengendurchflusssteuerung, die mit den Prozess-Betriebszuständen arbeiten, gehörenden individuellen Verstärkungsausdrücke gebildet werden. Die Verstärkungsausdrücke können aus einem physikalischen Modell des Ventil und des Ventilstellglieds bestimmt werden. Der reziproke Verstärkungsausdruck kann an einen Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung angelegt bzw. auf diese angewendet werden, um eine konstante Kreisverstärkung zur Verfügung zu stellen.
Weitere Details von beispielhaften Herstellungsschritten und Konfigurationsschritten werden nun in Verbindung mit den 7c–7f beschrieben.
Die 7c und 7d stellen eine beispielhafte Prozedur zum Erhalten von Konfigurationsdaten während einer Abstimmung und/oder Kalibrierung einer Mengendurchflusssteuerung während einer Herstellung dar.
Die 7e und 7f stellen eine weitere beispielhafte Prozedur zum Konfigurieren der Mengendurchflusssteuerung dar, um bei einem Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszuständen zu arbeiten, die unterschiedlich von denjenigen sind, mit welchen die Mengendurchflusssteuerung abgestimmt und/oder kalibriert wurde.
Die Prozeduren zur Herstellung und Konfiguration, die in den 7c–7f dargestellt sind, können auf eine Mengendurchflusssteuerung angewendet werden, die gleich derjenigen ist, die in 1 dargestellt ist. Es sollte jedoch erkannt werden, dass diese Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt sind, und auf eine Vielfalt von Mengendurchflusssteuerungen angewendet werden können, die eine Vielfalt von unterschiedlichen Komponenten und Betriebscharakteristiken haben.
In den 7c–7f ist beispielhafte Information, die während der Herstellung einer Mengendurchflusssteuerung als Konfigurationsdaten gespeichert werden kann, unter der Überschrift "Konfigurationsdaten" dargestellt und innerhalb von Blöcken angeordnet, die mit 712 bezeichnet sind. Es sollte erkannt werden, dass die in den Zeichnungen dargestellte Information nicht beschränkend ist und auch nicht als Erfordernis angesehen werden sollte. Jede Implementierung einer Mengendurchflusssteuerung kann eine andere Gruppe von Konfigurationsdaten haben, die die Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit einem Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszuständen ermöglichen.
7c stellt weitere Details eines Sensorabstimmschritts 10 und eines Ventilcharakterisierungsschritts 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Im Sensorabstimmschritt 10 wird das durch Durchflussmessgerät einer Mengendurchflusssteuerung so abgestimmt, dass es eine zufrieden stellende dynamische Reaktion zeigt, wie beispielsweise eine Fluidstufe. Eine Fluidstufe bezieht sich auf eine Änderung bezüglich eines Fluidflusses mit den Charakteristiken einer Stufenfunktion, einschließlich sowohl positiver als auch negativer Stufen im Fluidfluss.
In einem Schritt 12 werden Fluidstufen an den Durchflusssensor angelegt. Der Durchflusssensor wird dann in einem Schritt 14 abgestimmt, so dass in Reaktion auf eine Fluidstufe ein stufenförmiges Durchflusssignal geliefert wird. Erwünschte Charakteristiken dieses stufenförmigen Durchflusssignals können eine Anstiegszeit, eine Einstellzeit, ein maximales Überschießen und Unterschießen, etc. enthalten. Beispielsweise kann, nimmt man wieder Bezug auf die in Bezug auf die 1 und 2 beschriebene Mengendurchflusssteuerung der Schritt zum Abstimmen des Durchflusssensors ein Abstimmen des Sensors und der Sensorelektronik 230, der Normalisierungsschaltung 240 und der Reaktionskompensationsschaltung 250 enthalten. Beispielsweise können die Filterkoeffizienten des Reaktionskompensationsfilters 250 abgestimmt werden, um das Signal neu zu formen, wie es in 3 gezeigt ist. Es sollte erkannt werden, dass im Allgemeinen jede Implementierung einer Mengendurchflusssteuerung eine andere Gruppe von Parametern haben kann, die abgestimmt werden können. Jedoch besteht die Absicht des Sensorabstimmprozesses 10 im Sicherstellen, dass der Durchflusssensor zufrieden stellende dynamische Charakteristiken zeigt. Wie es in 7c gezeigt ist, kann die zu einem Liefern einer Sensorausgabe von 1,0 für einen Durchfluss in vollem Ausmaß durch die Sensordurchführung gehörende Normalisierungsverstärkung als Konfigurationsdaten aufgezeichnet werden.
Beim Ventilcharakterisierungsschritt 20 wird ein Testfluid bei unterschiedlichen Einstellpunkten einer Gruppe von ausgewählten Einstellpunkten bei einem bekannten Einlass- und Auslassdruck zur Mengendurchflusssteuerung geliefert. Bei jedem Einstellpunkt wird der resultierende Antriebspegel aufgezeichnet. Der Ausdruck Antriebspegel beschreibt den Wert des zu dem Ventilstellglied gelieferten Treibersignals. Beispielsweise kann der Antriebspegel der gemessene Wert eines elektrischen Stroms oder eines Spannungspotentials sein. Der Antriebspegel kann auch der Wert eines digitalen Steuersignals sein, das in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann, um die mechanische Verstellung des Ventils zu steuern. Ein Signal DS in 1 ist ein Beispiel eines Treibersignals, von welchem der Wert der Antriebspegel ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird während dieses Schritts eine GLL-Steuerung, die nicht abgestimmt worden ist, von der aber bekannt ist, dass sie konvergiert, verwendet. Demgemäß wird jeder Einstellpunkt in der Gruppe von ausgewählten Einstellpunkten zur Sensorausgabe konvergieren. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die Sensorausgabe und die während dieses Schritts aufgezeichnete Antriebspegelinformation zum Berechnen eines zusammengesetzten Verstärkungsausdrucks der Mengendurchflusssteuerung verwendet. Beispielsweise wird beim Ventilcharakterisierungsschritt 20 der 7c ein zusammengesetzter Verstärkungsausdruck CDA' entsprechend dem Produkt der Verstärkungsausdrücke, die zu dem Ventilstellglied 160, dem Ventil 170 und dem Durchflussmessgerät 110 gehören, aus Information berechnet, die während der Charakterisierung des Ventils erhalten wird.
In einem Schritt 21 wird eine Reihe von Einstellpunkten aus einer ausgewählten Gruppe von Einstellpunkten zur Mengendurchflusssteuerung geliefert. Die Gruppe von ausgewählten Einstellpunkten kann auf irgendeine geeignete Weise ausgewählt werden. Beispielsweise sind bei einem Ausführungsbeispiel die Gruppe von ausgewählten Einstellpunkten verschiedene Bruchteile eines Durchflusses in vollem Ausmaß, die sich bis zu einem gewissen Ausmaß auf den Bereich beziehen, mit welchem die Mengendurchflusssteuerung arbeiten soll. Die ausgewählten Einstellpunkte müssen über den Bereich von Werten nicht gleichmäßig beabstandet sein. Zusätzlich kann irgendeine Anzahl von Einstellpunkten ausgewählt werden. Im Allgemeinen sollte die Anzahl von ausgewählten Einstellpunkten ausreichend sein, um das Ventilstellglied über den Bereich richtig zu charakterisieren, mit welchem die Mengendurchflusssteuerung arbeiten sollte.
Jede der verschiedenen ausgewählten Gruppen von Einstellpunkten, die in den 7c–7f dargestellt sind, müssen nicht identisch zueinander sein. Um darzustellen, dass die Einstellpunkte nicht dieselben in jeder Gruppe sein müssen, sind beispielsweise die Tiefstellungen vt, cb und cf verwendet worden, um Einstellpunkte anzuzeigen die jeweils für die Ventilcharakterisierungs-, Kalibrierungs- und Konfigurationsschritte ausgewählt sind. Jedoch sollte es erkannt werden, dass diese Gruppen teilweise oder gänzlich dieselben sein können.
Im Schritt 21 wird ein erster Einstellpunkt _vtS₀ aus einer ausgewählten Gruppe von Einstellpunkten {_vtS₀, _vtS₁, _vtS₂, ...} ausgewählt. Eine geringe Abweichung n wird als Offset für die Einstellpunkte _vtS_i ausgewählt. Dann wird _vtS₀ + n auf die Steuerung angewendet und wird zugelassen, dass die Steuerung konvergiert. Wenn die Steuerung konvergiert, wird die Sensorausgabe gleich dem angelegten Einstellpunkt werden. In einem Schritt 22 wird der resultierende Antriebspegel für den Einstellpunkt_vtS_i aufgezeichnet.
In einem Schritt 23 wird _vtS₀ – n auf die Steuerung angewendet, und es wird zugelassen, dass sie konvergiert. Der resultierende Antriebspegel wird wieder aufgezeichnet, wie es in einem Schritt 24 gezeigt ist. In einem Schritt 25 wird ein zusammengesetzter Verstärkungsausdruck CDA' bestimmt. Beispielsweise kann der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck durch Nehmen einer Änderung in Bezug auf die zwei Einstellpunkte (d.h. 2n) und durch Teilen der Änderung durch die Änderung in Bezug auf die in den Schritten 22 und 24 aufgezeichneten Antriebspegel bestimmt werden. Dieses Verhältnis stellt den zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CDA' für den Einstellpunkt _vtS₀ dar. Die Verstärkungsausdrücke C und D, wie sie im Vorangehenden beschrieben sind, gehören jeweils zu dem Ventilstellglied und dem Ventil. Der Verstärkungsausdruck A' gehört zum Durchflussmessgerät und stellt die Verstärkung des Durchflussmessgeräts ohne den Beitrag der Linearisierungsschaltung 260 dar (d.h. die zur Sensorausgabe gehörende Verstärkung). Der Sensorausgabewert, zu dem die Mengendurchflusssteuerung für jeden Einstellpunkt _vtS₁ konvergierte, und der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck CDA', der bei diesem Einstellpunkt bestimmt wird, können als Konfigurationsdaten gespeichert werden.
Die Schritte 21–25 werden für jeden der Einstellpunkte _vtS_i in der Gruppe von ausgewählten Einstellpunkten wiederholt. Das Ergebnis ist eine Gruppe von Punktpaaren {Sensorausgabe, CDA'}_i. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Gruppe von Punktpaaren {Sensorausgabe, CDA'}_i als Konfigurationsdaten für das manuelle Abstimmen der Mengendurchflusssteuerung aufgezeichnet. Zusätzlich kann für jedes im Schritt 20 aufgezeichnete CDA' ein reziproker Verstärkungsausdruck G = 1/CDA' gebildet werden. Der reziproke Verstärkungsausdruck G kann im nachfolgenden Steuerungsabstimmschritt zur Steuerung geliefert werden, um der Steuerung eine Stabilität zu liefern.
Im Rückkoppelabstimmschritt 30 werden die verschiedenen Parameter, die zu der Rückkopplung der Mengendurchflusssteuerung gehören, abgestimmt, um eine zufrieden stellende dynamische Reaktion auf eine Reihe von Fluidstufen zur Verfügung zu stellen, die zur Mengendurchflusssteuerung geliefert werden. Es sollte erkannt werden, dass jede Implementierung einer Mengendurchflusssteuerung ein anderes Verfahren einer Steuerung bzw. Regelung haben kann (z.B. GLL, PID, ID, etc.). Eine beispielhafte Prozedur zum Abstimmen einer Rückkopplung einer Mengendurchflusssteuerung wird nun in Bezug auf die in 4 gezeigte GLL-Steuerung beschrieben.
In einem Schritt 32 wird der reziproke Verstärkungsausdruck G, der aus den Messungen gebildet ist, die im Schritt 20 durchgeführt werden, an die GLL-Steuerung angelegt. In einem Schritt 34 werden Fluidstufen zu der Mengendurchflusssteuerung durch Durchschreiten des Einstellpunkts geliefert. Beispielsweise wird SI₂ in 1 durch eine Gruppe von unterschiedlichen Änderungen bezüglich der Einstellpunkte ΔS_i modifiziert. Das andere ΔS_i kann so ausgewählt werden, dass die Steuerung für große Stufenänderungen (z.B. ein ΔS_i von 100% eines Durchflusses in vollem Ausmaß) und kleine Stufenänderungen (z.B. ein ΔS_i von 5% des Durchflusses in vollem Ausmaß) richtig abgestimmt wird. Die Anzahl und die Größe von verschiedenen ΔS_i können für jede Implementierung und gemäß den sich unterscheidenden Betriebserfordernissen einer bestimmten Mengendurchflusssteuerungsimplementierung unterschiedlich sein.
In einem Schritt 36 werden die verschiedenen Parameter der GLL-Steuerung so eingestellt, dass die GLL-Steuerung zufrieden stellend auf die unterschiedlichen Änderungen bezüglich eines Einstellpunkts reagiert, wie es durch die verschiedenen ΔS_i definiert ist. Beispielsweise können Parameter, die die PID-Konstanten K_P, K_i, etc. enthalten, abgestimmt werden, um eine erwünschte Reaktion auf Änderungen bezüglich eines Einstellpunktes zur Verfügung zu stellen. Verschiedene Charakteristiken der Steuerung, die abgestimmt werden können, enthalten eine Anstiegszeit, ein maximales Überschießen/Unterschießen, eine Einstellzeit etc., sind aber nicht darauf beschränkt.
Im Kalibrierungsschritt 40 unterzieht sich die Mengendurchflusssteuerung, bei welcher der Sensor und die Steuerung für eine erwünschte dynamische Reaktion abgestimmt ist und bei welcher die zusammengesetzte Verstärkung CDA' für verschiedene Einstellpunkte erhalten ist, einem Kalibrierungsschritt, um sicherzustellen, dass die Mengendurchflusssteuerung eine zufrieden stellende Reaktion im eingeschwungenen Zustand hat. Die Mengendurchflusssteuerung wird teilweise so kalibriert, dass die Beziehung zwischen einem aktuellen Fluidfluss und einem angezeigten Durchfluss linear ist. Zusätzlich können Konfigurationsdaten erhalten werden, die die Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände ermöglichen, wie es im Kalibrierungsschritt 40 der 7b beschrieben ist.
In einem Schritt 41 des Kalibrierungsschritts 40 wird ein Bereich für ein volles Ausmaß für die Mengendurchflusssteuerung definiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der aktuelle Fluidfluss entsprechend einer Sensorausgabe von 1,0 gemessen. Eine angenäherte Linearisierungskurve wird so zur Verfügung gestellt, das ein angezeigter Durchfluss bei dem definierten Durchfluss in vollem Ausmaß einen Wert bei oder nahe 1,0 haben wird. Die Näherungs-Linearisierungskurve wird dann auf das Durchflussmessgerät 110 angewendet. Es sollte erkannt werden, dass die Werte von 1,0 für eine maximale Sensorausgabe und einen angezeigten Durchfluss beispielhaft sind und durch irgendeine erwünschte Zahl ersetzt werden können.
In einem Schritt 43 wird ein erster Einstellpunkt _cbS₀ aus einer Gruppe von ausgewählten Einstellpunkten {_cbS₀, _cbS₁, _cbS₂, ...} ausgewählt und an die Mengendurchflusssteuerung angelegt. Der aktuelle Fluidfluss im Durchflusspfad (z.B. im Durchflusspfad 103), der aus dem Einstellpunkt resultiert, wird dann gemessen. Entsprechend jedem Einstellpunkt werden die Sensorausgabe und der aktuelle Fluidfluss aufgezeichnet. Es sollte erkannt werden, dass ein Bruchteil des Flusses (d.h. der aktuelle Fluidfluss geteilt durch den Bereich für ein volles Ausmaß, der zum Testfluid gehört) anstelle des aktuellen Fluidflusses aufgezeichnet werden kann, wenn es angenehmer ist, und dass die relevante Information in beiden Darstellungen vorhanden ist. Die Schritte 41 und 43 werden dann für jeden der Einstellpunkte _cbS_i in der Gruppe von ausgewählten Einstellpunkten wiederholt, was in einer Gruppe von Punktpaaren {Sensorausgabe, aktueller Fluidfluss}_i resultiert, die als Konfigurationsdaten gespeichert werden können, wie es in Schritten 44 und 45 dargestellt ist.
Die Beziehung zwischen den Punktpaaren {Sensorausgabe, aktueller Fluidfluss}_i beschreibt die Nichtlinearitäten, die zu dem Sensor gehören und die zwischen dem Anteil des Fluids, das durch die Sensordurchführung und durch die Mengendurchflusssteuerung fließt, bei unterschiedlichen Durchflussraten. Demgemäß kann eine Linearisierungskurve aus diesen Punktpaaren bestimmt werden, um sicherzustellen, dass die Beziehung zwischen dem Fluidfluss und dem angezeigten Fluss linear ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Gruppe von Punkten, die die Nichtlinearitäten korrigiert, die zu den Punktpaaren {Sensorausgabe, aktueller Fluidfluss}_i gehören, bestimmt. Eine kubische Kurve wird an die Gruppe von Punkten so angepasst, dass eine Linearisierungskurve, die kontinuierlich ist und durch den Punkt (0,0) (d.h. Fluidfluss = 0 und Sensorausgabe = 0) verläuft, zur Verfügung gestellt wird. In einem Schritt 46 wird die Linearisierungskurve auf die Mengendurchflusssteuerung angewendet. Es sollte erkannt werden, dass eine Anzahl von anderen Kurvenanpassverfahren alternativ verwendet werden kann, einschließlich einer stückweisen linearen Approximation, einer polynommäßigen Approximation, etc. aber nicht darauf beschränkt.
Während der Schritte 10–40 sind Konfigurationsdaten aus den verschiedenen Herstellungsschritten der Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf ein Testfluid und Test-Betriebszustände aufgezeichnet worden. Die Konfigurationsdaten enthalten Information, die eine Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit einem Prozessgas und/oder Prozess-Betriebszuständen ermöglicht. Es sollte erkannt werden, dass die Gruppe von während einer manuellen Abstimmung einer Mengendurchflusssteuerung aufgezeichneten Konfigurationsdaten in Abhängigkeit von der bestimmten Implementierung der Mengendurchflusssteuerung unterschiedlich sein kann, und von derjenigen unterschiedlich sein kann, die in den 7c und 7d dargestellt ist. Demgemäß beschreiben Konfigurationsdaten für irgendeine bestimmte Implementierung einer Mengendurchflusssteuerung lediglich während einer Herstellung einer Mengendurchflusssteuerung erhaltene Daten, die die Konfiguration der Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit einem Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszuständen ermöglichen.
Beispielsweise enthalten bei dem in den 7c und 7d dargestellten Ausführungsbeispiel die während der Schritte 10–40 aufgezeichneten Konfigurationsdaten Sensorabstimmparameter, die einzelne Verstärkung aus dem Sensorabstimmschritt, Abstimmzustände bzw. Abstimmbedingungen, Kalibrierungszustände bzw. Kalibrierungsbedingungen, eine Gruppe von Punktpaaren {Sensorausgabe, CDA'}_i eine Gruppe von Punktpaaren {Sensorausgabe, aktueller Fluidfluss}_i und einen Bereich für ein vollständiges Ausmaß für das Testfluid.
Beim Ventilcharakterisierungsschritt 20 wurden die Punktpaare {Sensorausgabe, CDA}_i aufgezeichnet. Wie es oben diskutiert ist, ist der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck CDA' das Produkt aus den Verstärkungsausdrücken, die jeweils zu dem Ventilstellglied, dem Ventil und dem Durchflussmessgerät gehören. Jedoch sind die einzelnen Beiträge der Verstärkungsausdrücke C, D und A' zu dem zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CDA' unbekannt. Ebenso ist es bemerkenswert, dass A' nur ein Teil des gesamten Verstärkungsausdrucks A ist, der zum Durchflussmessgerät gehört.
Bei der Systemverstärkungszerlegung 50 werden die einzelnen Verstärkungsausdrücke, die zu dem zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CDA' beitragen, vom zusammengesetzten Verstärkungsausdruck isoliert, damit sie für ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände im darauf folgenden Systemkonfigurationsschritt 60 bestimmt werden können. Es sollte jedoch erkannt werden, dass Schritte 51–56 für bestimmte Implementierungen einer Mengendurchflusssteuerung nicht nötig sein können, bei welcher beispielsweise ein genaues Modell eines Ventilstellglieds verfügbar ist oder die zu dem Stellglied gehörende Verstärkung für eine Gruppe von Prozess-Betriebszuständen direkt erhalten werden kann. wie es oben diskutiert ist, stellt die Systemverstärkungszerlegung 50 ein allgemeineres Verfahren zum Modellieren des Verhaltens des Ventilstellglieds zur Verfügung (z.B. ein Verfahren zum Erhalten des Verstärkungsausdrucks C für eine Gruppe von Prozess-Betriebszuständen).
In einem Schritt 51 wird der Verstärkungsausdruck A bestimmt. Beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Durchflussmessgerät so abgestimmt und/oder kalibriert worden, dass 25% des Durchflusses in vollem Ausmaß in einem angezeigten Durchfluss von 0,25 resultiert, 50% des Flusses in vollem Ausmaß in einem angezeigten Fluss von 0,5 resultiert, 75% des Flusses in vollem Ausmaß in einem angezeigten Fluss von 0,75 resultiert, etc. Die Beziehung zwischen dem Fluidfluss im Durchflusspfad und dem angezeigten Fluss ist linear, und somit ist die zu dem Durchflussmessgerät gehörende Verstärkung (d.h. die Verstärkung A) konstant.
Demgemäß kann die Verstärkung A im Schritt 51 durch Teilen des angezeigten Flusses durch den Fluidfluss bei irgendeinem erwünschten Punkt direkt bestimmt werden, wobei der einfachste der Fluss in vollem Ausmaß und der zugehörige angezeigte Fluss von 1, der durch die Linearisierungskurve sichergestellt ist, ist. Somit ist bei Ausführungsbeispielen, bei welchen der maximale angezeigte Fluss 1 ist, die Verstärkung A gleich dem Reziproken des Bereichs für ein volles Ausmaß (d.h. der Wert des Flusses in vollem Ausmaß durch die Mengendurchflusssteuerung für eine bestimmte Fluidart). Im Allgemeinen ist die Verstärkung A gleich dem maximalen angezeigten Flusswert geteilt durch den zu einer bestimmten Fluidart gehörenden Bereich für ein volles Ausmaß.
In einem Schritt 52 wird der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck CDA gebildet. Der Verstärkungsausdruck A' ist die Verstärkung, die zu dem Durchflussmessgerät gehört, ohne den Beitrag der Linearisierungskurve, während der Verstärkungsausdruck A eine Verstärkung ist, die zu dem Durchflussmessgerät gehört, einschließlich der Linearisierungskurve. Daher ist die Beziehung zwischen A' und A per Definition die Linearisierungskurve. Somit kann der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck CDA durch Addieren in Bezug auf den Beitrag der Linearisierungskurve, was bedeutet, durch Multiplizieren von CDA' mit dem zu der Linearisierungskurve gehörenden Verstärkungsausdruck (z.B. Multiplizieren von CDA' mit der Ableitung der Linearisierungskurve) direkt bestimmt werden. In jeder Iteration des Schritts 52 wird der Verstärkungsausdruck CDA_i bei einem Einstellpunkt _dS_i gebildet und zum Schritt 53 geliefert.
Im Schritt 53 wird der Beitrag des Verstärkungsausdrucks A entfernt. Da sowohl der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck CDA als auch der einzelne Verstärkungsausdruck A (das Reziproke des Bereichs für das volle Ausmaß) nicht bekannt sind, kann der Beitrag des Verstärkungsausdrucks A aus dem zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CDA herausgeteilt werden, was den zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CDA lässt, der zu dem Ventilstellglied und dem Ventil gehört. Wie es im Schritt 53 dargestellt ist, wird der Verstärkungsausdruck CD_i bei einem Einstellpunkt _dS_i gebildet und zu einem Schritt 54 geliefert.
Wie es im Vorangehenden diskutiert ist, ist die Verstärkung C die Änderung bezüglich einer Ventilverstellung geteilt durch die entsprechende Änderung bezüglich des Treibersignals (z.B. DS, welches durch die GLL-Steuerung geliefert wird). Die Verstärkung D ist die Änderung bezüglich eines Fluidflusses, geteilt durch die entsprechende Änderung bezüglich einer Ventilverstellung.
Im Schritt 54 wird bei einer ausgewählten Gruppe von Einstellpunkten der Verstärkungsausdruck D bestimmt und wird die Ventilverstellung berechnet. Um den zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CD weiter zu differenzieren, wird ein physikalisches Modell des Ventils dazu verwendet, die Ventilverstellung zu bestimmen, die dazu nötig ist, einen bestimmten Fluidfluss unter einer bestimmten Gruppe von Betriebszuständen zu erreichen (d.h. um die Verstärkung D zu bestimmen). Ein physikalisches Modell des Ventils, das zum Durchführen dieser Bestimmung verwendet werden kann, ist im nachfolgenden Abschnitt D. mit dem Titel "Physikalisches Ventilmodell" dargestellt und beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass andere Ventile und Ventiltypen andere physikalische Modelle haben können. Weiterhin kann es mehr als ein physikalisches Modell geben, das zum Modellieren der Charakteristiken von irgendeinem bestimmten Ventil verwendet werden kann. Demgemäß ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgendein bestimmtes Ventilmodell beschränkt.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Verstärkung D durch Berechnen der Ventilverstellung bestimmt, die dazu nötig ist, jeden Fluidfluss zu erreichen, der durch eine Gruppe von ausgewählten Einstellpunkten {_dS₀, _dS₁, _dS₂, ...} dargestellt ist. Eine Abweichung n kann ausgewählt werden und der Verstärkungsausdruck D kann durch Berechnen der Ventilverstellung bei _dS_i – n und _dS_i + n und durch Bilden des Verhältnisses einer Änderung bezüglich eines Einstellpunktes zu einer Änderung bezüglich einer Ventilverstellung (z.B. 2n/Δ-Verstellung) bestimmt werden. Zusätzlich kann die Verstellung bei _dS_i bestimmt werden oder kann ein Durchschnitt über die Werte einer Verstellung bei _dS_i – n und _dS_i + n gebildet werden, um eine Verstellung_i bei _dS_i zu bestimmen. Wie es dargestellt ist, werden in jeder Iteration des Schritts 54 der Verstärkungsausdruck D_i und die Verstellung_i des Ventils bei dem Einstellpunkt _dS_i bestimmt.
In einem Schritt 55 wird der Verstärkungsausdruck D aus dem zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CD herausgetrennt, um dadurch den Verstärkungsausdruck C zu isolieren. Zusätzlich wird eine Gruppe von Punktpaaren {C, Versatz}_i erzeugt, um ein Modell des Verhaltens des Stellglieds bei der Gruppe von Test-Betriebszuständen zur Verfügung zu stellen, die während einer Herstellung 710 verwendet werden. Es ist bekannt, dass der Verstärkungsausdruck C (die zu dem Ventilstellglied gehörende Verstärkung) normalerweise nicht direkt von einem Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszuständen abhängt, obwohl er eine Funktion einer Ventilverstellung sein kann. In jeder Iteration des Schritts 55 wird der Verstärkungsausdruck C_i durch Entfernen des Beitrags des Verstärkungsausdrucks D_i für die Verstellung_i gebildet, der bei dem Einstellpunkt _dS_i berechnet ist, und in der Gruppe {C, Verstellung}_i gespeichert.
Die Schritte 52–55 werden für jeden der ausgewählten Einstellpunkte dS_i wiederholt, so dass eine Gruppe von Punktpaaren {C, Verstellung}_i erzeugt wird, die Information über das Verhalten des Ventilstellglieds unter der Gruppe von Test-Betriebszuständen zu dem darauf folgenden Konfigurationsschritt liefert.
Im Systemkonfigurationsschritt 60 werden Steuerparameter für ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände bestimmt. Das physikalische Modell berücksichtigt eine Fluidart, einen Einlass- und Auslassdruck, eine Temperatur, etc. Demgemäß kann die Verstärkung D für ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände durch Liefern der Fluidartinformation und der Prozess-Betriebszustände zu dem physikalischen Modell und durch Berechnen der Verstellungen, die zum Erreichen der verschiedenen repräsentativen Fluidflusswerte nötig sind, berechnet werden. Aus den Verstellungen, die aus dem physikalischen Modell des Ventils und dem Modell des Verhaltens des Ventilstellglieds bestimmt sind, kann der Verstärkungsausdruck C für das Prozessfluid und/oder die Prozess-Betriebszustände berechnet werden. bei einem Ausführungsbeispiel besteht das Modell des Verhaltens des Stellglieds in den Punktpaaren {C, Verstellung}_i, die im Systemverstärkungs-Zerlegungsschritt 50 erzeugt sind. Jedoch kann bei Ausführungsbeispielen, bei welchen das Verhalten des Ventils bekannt ist oder direkt gemessen werden kann, die Verstärkung C direkt aus dem Ventil bestimmt werden. Somit kann dann, wenn man beide Verstärkungsausdrücke C und D erhalten hat, der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck CD gebildet werden. Darauf folgend kann die Verstärkung A durch Bestimmen eines Bereichs eines vollständigen Ausmaßes für das Prozessfluid berechnet werden. Demgemäß kann der Systemverstärkungsausdruck CDA für das Prozessfluid und/oder die Prozess-Betriebszustände bestimmt werden.
Das Reziproke des Systemverstärkungsausdrucks kann gebildet und an einen Regelkreis einer GLL-Steuerung angelegt werden (z.B. der Verstärkungsausdruck G). Es sollte erkannt werden, dass G eine Funktion von einem oder mehreren Betriebszuständen der Mengendurchflusssteuerung sein kann, wie beispielsweise eines Einstellpunkts, eines Einlass- und/oder Auslassdrucks, einer Temperatur, etc. Der reziproke Verstärkungsausdruck G kann an die GLL-Steuerung angelegt werden, so dass der Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung eine konstante Kreisverstärkung in Bezug auf wenigstens den einen oder die mehreren Betriebszustände hat, von welchen G eine Funktion ist. Somit ist die Mengendurchflusssteuerung konfiguriert worden, um in Bezug auf ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände zu arbeiten, wie es nachfolgend in weiterem Detail diskutiert wird.
In einem Schritt 61 wird ein Bereich für ein volles Ausmaß, der zu einem Prozessfluid gehört, mit welchem die Mengendurchflusssteuerung zu konfigurieren ist, bestimmt. Ein Verfahren zum Bestimmen eines Bereichs für ein volles Ausmaß besteht im Berechnen eines Umwandlungsfaktors basierend auf den spezifischen Heizverhältnissen des Prozessfluids und des Testfluids mal dem Bereich für ein volles Ausmaß, der zu dem Testfluid gehört. Es sollte erkannt werden, dass andere Verfahren zum Berechnen eines Bereichs für ein volles Ausmaß geeignet sein können, der zu einem bestimmten Prozessfluid gehört. Beispielsweise kann der Bereich für ein volles Ausmaß, der zu einem bestimmten Prozessfluid gehört, direkt gemessen werden, wenn es geeignet ist.
In einem Schritt 62 wird der Verstärkungsausdruck D für ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände aus einem physikalischen Modell des Ventils durch Anwenden von Prozessfluidarteninformation und/oder Prozess-Betriebszuständen auf das physikalische Modell und durch Berechnen der zum Erreichen einer Gruppe von repräsentativen Flusswerten {_cfS₀, _cfS₁, _cfS₂, ...} nötigen Verstellung bestimmt. Wie es oben diskutiert ist, kann die Verstärkung D durch Auswählen einer Abweichung n und durch Berechnen der Ventilverstellung bei _cfS_i – n und _cfS₀ + n und durch Bilden des Verhältnisses einer Änderung bezüglich eines Einstellpunkts zu einer Änderung bezüglich einer Ventilverstellung (z.B. 2n/Δ-Verstellung) bestimmt werden. Zusätzlich kann die Verstellung bei _cfS_i bestimmt werden oder kann ein Durchschnitt für die Werte der Verstellung bei _cfS_i – n und _cfS_i + n gebildet werden, um eine Verstellung_i bei _cfS_i zu bestimmen. Demgemäß werden bei jeder Iteration des Schritts 62 der Verstärkungsausdruck D_i und die Verstellung_i des Ventils bei dem Einstellpunkt _cfS_i für das Prozessfluid und/oder die Prozess-Betriebszustände bestimmt.
In einem Schritt 63 wird der Verstärkungsausdruck C für ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände bestimmt. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Verstärkung C direkt aus dem Stellglied selbst gemessen werden. Alternativ dazu kann der Verstärkungsausdruck C aus der Information bestimmt werden, die in den Punktpaaren {C, Verstellung}_i gespeichert ist, die im Systemverstärkungs-Zerlegungsschritt 60 erzeugt sind. In jedem Fall wird bei jeder Iteration des Schritts 63 C_i bei einer Verstellung_i entsprechend dem Einstellpunkt _cfS_i für das Prozessfluid und/oder die Betriebszustände bestimmt.
In einem Schritt 64 wird der Verstärkungsausdruck D mit dem Verstärkungsausdruck C multipliziert um einen zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CD zu erzeugen. Wie es dargestellt ist, wird bei jeder Iteration des Schritts 64 das Produkt aus dem Verstärkungsausdruck C_i vom Schritt 53 und dem Verstärkungsausdruck D_i vom Schritt 52 genommen, um den zusammengesetzten Verstärkungsausdruck CD_i bei dem Einstellpunkt _cfS_i zu bilden.
In einem Schritt 65 wird der Beitrag des Verstärkungsausdrucks A entfernt. Da der Verstärkungsausdruck A einfach das Reziproke des Bereichs für ein volles Ausmaß ist, kann der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck CD durch den Prozessbereich für ein volles Ausmaß, der zu dem Prozessfluid gehört, geteilt werden, um den Systemverstärkungsausdruck CDA zu bilden. Wie es dargestellt ist, wird bei jeder Iteration des Schritts 65 der zusammengesetzte Verstärkungsausdruck CD_i durch den Bereich für ein volles Ausmaß geteilt, um den Systemverstärkungsausdruck CDA_i bei dem Einstellpunkt _cfS_i zu bilden.
In einem Schritt 66 wird das Reziproke des Systemverstärkungsausdrucks CDA berechnet, um den reziproken Verstärkungsausdruck G zu bilden. Wie es dargestellt ist, wird bei jeder Iteration des Schritts 66 das Reziproke CDA_i gebildet und wird das resultierende G_i beim Einstellpunkt _cfS_i zu einem Block 67 geliefert, um den reziproken Verstärkungsausdruck G zu bilden. Es sollte erkannt werden, dass der Verstärkungsausdruck G durch irgendeine Anzahl von Techniken dargestellt werden kann. Beispielsweise kann eine Kurve an die Punkte G_i angepasst werden, können die Punkte G_i in einer Nachschautabelle gespeichert werden oder kann der Verstärkungsausdruck G auf irgendeine Weise dargestellt werden, die oben in Zusammenhang mit der Definition eines Verstärkungsausdrucks diskutiert ist, oder auf andere Weise. Zusätzlich kann der Verstärkungsausdruck G eine Funktion von einem oder mehreren Betriebszuständen sein. Bei dem in 7f dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verstärkungsausdruck G eine Funktion des Einstellpunkts. Jedoch kann die Verstärkung G zusätzlich eine Funktion von mehr als einem Betriebszustand sein und zwar in Abhängigkeit von den Notwendigkeiten einer bestimmten Implementierung einer Mengendurchflusssteuerung.
Die Schritte 62–66 werden für jeden der ausgewählten Einstellpunkte {_cfS₀, _cfS₁, _cfS₂, ...} wiederholt, um den reziproken Verstärkungsausdruck G für das Prozessfluid und/oder die Prozess-Betriebszustände zu bestimmen, mit welchen die Mengendurchflusssteuerung konfiguriert wird, um zu arbeiten.
In einem Schritt 68 wird der reziproke Verstärkungsausdruck G an einen Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung angelegt, um eine konstante Kreisverstärkung in Bezug auf wenigstens einen Einstellpunkt zur Verfügung zu stellen. Im Allgemeinen wird der Verstärkungsausdruck G eine konstante Kreisverstärkung in Bezug auf wenigstens die Betriebszustände zur Verfügung stellen, für welche er eine Funktion ist.
Es sollte erkannt werden, dass durch Bestimmen der Systemverstärkung der Mengendurchflusssteuerung basierend auf Information für das Prozessfluid und/oder die Prozess-Betriebszustände und durch Anlegen eines reziproken Verstärkungsausdrucks der Systemverstärkung an einen Regelkreis der Mengendurchflusssteuerung die Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit dem Prozessfluid und/oder den Prozess-Betriebszuständen konfiguriert worden ist. Anders ausgedrückt wird die Mengendurchflusssteuerung dieselbe Reaktion zeigen, die nach einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung mit einem Testfluid und Test-Betriebszuständen beobachtet wird, wenn sie mit dem Prozessfluid und/oder den Prozess-Betriebszuständen arbeitet, was bedeutet, dass die Mengendurchflusssteuerung dann, wenn sie mit dem Prozessfluid und/oder den Prozess-Betriebszuständen arbeitet, eine zufrieden stellende Reaktion zeigen wird.
Es sollte erkannt werden, dass der Prozess zum Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung durch die Verwendung eines Computers automatisiert werden kann. Beispielsweise können die Schritte 50 und 60 gänzlich durch ein Programm gesteuert werden, das in einem Speicher gespeichert und auf einem Prozessor eines Computers, wie beispielsweise eines Personalcomputers, ausgeführt wird. Somit kann eine Mengendurchflusssteuerung automatisch für einen Betrieb mit beliebigen Prozessfluiden und/oder Prozess-Betriebszuständen konfiguriert werden.
Der Ausdruck automatisch, wie er hierin verwendet wird, gilt allgemein für einen Zustand, der primär durch die oder unter der Steuerung eines Computers oder eines Prozessors inszeniert wird. Insbesondere erfordern automatische Aufgaben, Schritte, Prozesse und/oder Prozeduren keine extensive Bedienerbeteiligung oder -überwachung. Demgemäß beschreibt eine automatische Konfiguration einer Mengendurchflusssteuerung eine Konfiguration einer Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb mit einem Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszuständen, die keine manuelle Beteiligung erfordern. Eine Konfiguration einer Mengendurchflusssteuerung unter der Steuerung eines Computerprogramms ist als automatische Konfiguration anzusehen.
Es sollte erkannt werden, dass Routineaufgaben, wie beispielsweise ein Anschließen einer Mengendurchflusssteuerung an einen Computer oder einen Prozessor, ein Initiieren der Ausführung eines Programms, etc. im Allgemeinen manuell durchgeführt werden. Jedoch werden solche Aufgaben als Routine angesehen und können ein Teil einer automatischen Konfiguration einer Mengendurchflusssteuerung sein.
14 stellt ein System dar, das eine automatische Konfiguration einer Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf beliebige Prozessfluide und/oder Prozess-Betriebszustände ermöglicht. Das System enthält eine Mengendurchflusssteuerung 1000 und einen Computer 800.
Die Mengendurchflusssteuerung 1000 enthält einen Speicher 1002, einen Prozessor 1004 und die verschiedenen Komponenten der Mengendurchflusssteuerung 1006, die in Bezug auf 1 dargestellt und beschrieben sind. Der Prozessor ist mit dem Speicher gekoppelt und kann an wenigstens einige der Komponenten der Mengendurchflusssteuerung angeschlossen sein. Wie es oben beschrieben ist, kann ein Betrieb einer Mengendurchflusssteuerung unter der Steuerung eines Prozessors implementiert werden, so dass die GLL-Steuerung 150 durch den Prozessor 1004 implementiert wird. Die Mengendurchflusssteuerung 1000 enthält weiterhin Konfigurationsdaten 1012, die während einer Herstellung der Mengendurchflusssteuerung erhalten und im Speicher 1002 gespeichert werden.
Der Computer 800 enthält einen Speicher 802, einen Prozessor 804, eine Eingabevorrichtung und ein im Speicher 802 gespeichertes Programm 810. Das Programm 810 enthält Anweisungen, die dann, wenn sie auf dem Prozessor 804 ausgeführt werden, verschiedene Schritte ausführen, die beim Konfigurieren einer Mengendurchflusssteuerung für einen Betrieb in Bezug auf ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände enthalten sind (z.B. den Schritt 712 in 7a, die Schritte 60 und 70 in den 7b, 7e und 7f, etc.), ausführen.
Es sollte erkannt werden, dass der Computer 800 irgendeiner einer Anzahl von Rechenvorrichtungen sein kann, die im Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann der Computer 800 ein Personalcomputer, ein Laptop, eine in der Hand gehaltene Vorrichtung oder irgendeine andere Rechenvorrichtung, die ein Programm ausführen kann, sein. Weiterhin kann der Computer 800 an die Mengendurchflusssteuerung auf irgendeine Anzahl von Arten, die im Stand der Technik bekannt sind, angeschlossen sein und mit dieser kommunizieren. Beispielsweise kann der Computer 800 über ein Kabel unter Verwendung von irgendeiner Anzahl von standardmäßigen Kommunikationsverfahren angeschlossen sein, die eine standardmäßige Parallelport-Kommunikation, eine serielle Port-Kommunikation, einen universellen seriellen Bus (USB), etc. enthalten, aber nicht darauf beschränkt sind. Alternativ dazu kann der Computer 800 eine drahtlose Verbindung zu der Mengendurchflusssteuerung haben. Demgemäß sollte es erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ von Rechenvorrichtung, Eingabevorrichtung, Verbindungstyp oder Kommunikationsverfahren beschränkt ist, da eine Vielfalt von Typen von Rechenvorrichtungen, Verbindungstypen und Kommunikationsverfahren geeignet verwendet werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Computer 800 mit der Mengendurchflusssteuerung verbunden werden, um die Mengendurchflusssteuerung in Bezug auf ein Prozessfluid und/oder Prozess-Betriebszustände zu konfigurieren. Das Programm 810 kann dann auf dem Prozessor 804 ausgeführt werden. Eine eingegebene Konfiguration kann zu der Eingabevorrichtung 808 geliefert werden. Die eingegebene Konfiguration kann Prozessfluidarteninformation, Prozess-Betriebszustände und/oder andere Eingabevorrichtung, die für das Konfigurieren der Mengendurchflusssteuerung relevant ist, enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Eingabevorrichtung kann irgendeine einer Anzahl von Vorrichtungen sein, die Information empfangen können, einschließlich einer Tastatur oder eines Tastenfelds, einer Schnittstellensoftware zum Empfangen einer Eingabe von einer Maus, einen Zeiger, etc., aber nicht darauf beschränkt.
Das Programm 810 kann dann im Speicher 1002 gespeicherte Konfigurationsdaten 1012 der Mengendurchflusssteuerung erhalten. Aus den Konfigurationsdaten und der Konfigurationseingabe bestimmt das Programm 810 Steuerparameter für die Mengendurchflusssteuerung, die einen Betrieb der Mengendurchflusssteuerung mit dem Prozessfluid und/oder den Prozess-Betriebszuständen ermöglichen. Das Programm 810 kann dann die Steuerparameter an die Mengendurchflusssteuerung durch entweder ein Modifizieren von existierenden Steuerparametern auf entsprechende Weise oder durch Hinzufügen von zusätzlichen Steuerparametern zu der Mengendurchflusssteuerung anwenden. Auf diese Weise kann die Mengendurchflusssteuerung automatisch für einen Betrieb mit dem Prozessfluid und/oder den Prozess-Betriebszuständen konfiguriert werden.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in 15 dargestellt ist, kann das Programm 810 im Speicher 1002 der Mengendurchflusssteuerung gespeichert sein und kann auf einem Prozessor 1004 ausgeführt werden, der auch zum Implementieren der GLL-Steuerung 150 verwendet werden kann. Eine Eingabevorrichtung 1008 kann zu der Mengendurchflusssteuerung hinzugefügt sein, um zu ermöglichen, dass die Mengendurchflusssteuerung eine Konfigurationseingabe empfängt. Demgemäß ist die Mengendurchflusssteuerung 1000, die in 15 dargestellt ist, selbst konfigurierbar.
C. Hysteresereduktion
Es ist oft der Fall, dass Mengendurchflusssteuerungen eine Instabilität erfahren, die zum Betrieb ihrer einzelnen Komponenten gehört. Beispielsweise sind Mengendurchflusssteuerungen, die magnetbetätigte Ventile verwenden, anfällig für eine Ungenauigkeit aufgrund von Hystereseeffekten, die zu dem Magneten des Solenoids gehören.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Reduzieren einer Hysterese bei einer Solenoidvorrichtung bzw. Magnetvorrichtung durch Anlegen eines Nichtbetriebssignals an eine magnet- bzw. solenoidbetätigte Vorrichtung zur Verfügung.
Der Ausdruck Nichtbetriebssignal beschreibt dann, wenn er auf solenoidbetätigte Vorrichtungen angewendet wird, ein an die Vorrichtung angelegtes Signal, das die Vorrichtung nicht aktivieren kann. Beispielsweise kann sich bei einem solenoidbetätigten Ventil ein Nichtbetriebssignal auf ein Signal mit einer unzureichenden Größe zum Verstellen des gesteuerten Teils des Ventils (d.h. des Plungerkolbens) beziehen. Es sollte erkannt werden, dass das Nichtbetriebssignal dasselbe Signal wie das Steuer- oder Treibersignal der Vorrichtung sein kann, das nur reduziert ist, so dass es unzureichend ist, um die Vorrichtung zu aktivieren.
8 stellt das Prinzip einer Hysterese bei einem solenoidbetätigten Steuerventil einer Mengendurchflusssteuerung graphisch dar, das normalerweise in einer geschlossenen Position ist (d.h. die Vorgabeposition des Ventils ist geschlossen, was hierin normalerweise geschlossenes Ventil genannt wird). In 8 ist ein Steuerventil-Treiberstrom entlang der horizontalen Achse aufgetragen und ist ein Fluidfluss durch das Steuerventil entlang der vertikalen Achse aufgetragen. Obwohl die 8 spezifisch auf ein solenoidbetätigtes Steuerventil in einer Mengendurchflusssteuerung ausgerichtet ist, wird es erkannt werden, dass sie repräsentativ für solenoidbetätigte Vorrichtungen im Allgemeinen ist, da die horizontale Achse allgemein der Menge an Energie entspricht, die zu der solenoidbetätigten Vorrichtung geliefert wird, und die vertikale Achse allgemein einer Positionsverstellung der solenoidbetätigten bzw. solenoidaktivierten Vorrichtung entspricht.
Wie es in 8 gezeigt ist, beginnt, wenn ein Ventil-Treiberstrom erhöht wird, der aktuelle Durchfluss von Fluid durch das Steuerventil nicht damit, sich zu erhöhen, bis nach einem Ausmaß an Treiberstrom, das zum Überwinden einer Federkraft einer Feder ausreicht, die das Steuerventil in einer geschlossenen Position vorspannt, geliefert wird. Das Ausmaß an Treiberstrom, das zum Überwinden dieser Federkraft nötig ist, ist in 8 durch den Punkt X₁ bezeichnet. Unter normalen Betriebszuständen beginnt ein aktueller Fluidfluss durch das Steuerventil damit, sich bei irgendeinem Punkt nach dem Punkt X₂ zu erhöhen. Wie es durch eine mit C₁ bezeichnete Kurve gezeigt ist, erhöht sich dann, wenn der Ventilstrom über den Punkt X₂ hinausgehend erhöht wird, der aktuelle Fluss durch das Steuerventil in einer proportionalen aber nicht linearen Weise bei dem Teil der Kurve C₁, der mit R₁ bezeichnet ist, was den typischen Betriebsbereich eines normalerweise geschlossenen Steuerventils in einer Mengendurchfusssteuerung darstellt.
Obwohl 8 nicht genau im Maßstab gezeichnet ist, stellt der Betriebsbereich eines normalerweise geschlossenen Steuerventils einer Mengendurchflusssteuerung typischerweise eine Verstellung des Steuerventils aus seiner geschlossenen Position von etwa einigen Mikrometern für Mengendurchflusssteuerungen mit geringem Durchfluss bis zu einigen hundert Mikrometern für Mengendurchflusssteuerungen mit einem starken Durchfluss dar. Es sollte erkannt werden, dass der Betriebsbereich von den Durchflusserfordernissen einer bestimmten Mengendurchflusssteuerung abhängen wird.
Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel stellen Ventil-Treiberströme oberhalb des Punkts X₃ einen Betrieb der Mengendurchflusssteuerung außerhalb ihres Betriebsbereichs dar (z.B. des Bereichs von Mengendurchflussraten, über welche die Mengendurchflusssteuerung entwickelt und/oder kalibriert ist, um zu arbeiten), wobei die vollständig offene Position des Steuerventils (d.h. oberhalb des Punkts X₅) einen Säuberungsmode bzw. Reinigungsmode bzw. Löschmode der Mengendurchflusssteuerung darstellt, in welchem die Verstellung des Steuerventils (aus seiner geschlossenen Position) in der Größenordnung von etwa 205 Mikrometer zum Erniedrigen zu Mengendurchflusssteuerungen mit einem moderaten Durchfluss ist. Es sollte erkannt werden, dass, während die vollständig offene Position des Steuerventils eine Position ist, bei welcher die Mengendurchflusssteuerung arbeiten soll, sie keine Position ist, bei welcher die Mengendurchflussrate des Fluids, das dort hindurch fließt, genau gesteuert und/oder überwacht werden kann. Demgemäß ist, wie er hierin verwendet wird, dann, wenn er in Verbindung mit einer Mengendurchflusssteuerung verwendet wird, der Ausdruck Arbeitsbereich derart definiert, dass er den Bereich einer positionsmäßigen Verstellung bedeutet, über welchen die Mengendurchflussrate eines Fluids, das durch das Steuerventil fließt, genau gesteuert und überwacht werden kann.
Wie es in 8 gesehen werden kann, folgt dann, wenn das Steuerventil zu seiner vollständig offenen Position gebracht wird und dann der Ventil-Treiberstrom erniedrigt wird, der aktuelle Fluss eines Fluids durch das Steuerventil gegenüber einem Treiberstrom nicht länger einer Kurve C₁, sondern neigt statt dessen dazu, einer anderen Kurve C₂ zu folgen. Somit beginnt, wenn der Ventilstrom ab dem Punkt X₅ erniedrigt wird, der aktuelle Fluidfluss durch das Steuerventil nicht damit, sich zu erniedrigen, bis etwa zu dem Punkt X₆, woraufhin sich der aktuelle Fluss von Fluid gegenüber einem Ventil-Treiberstrom dann in einer Proportion erniedrigt (aber wiederum auf eine nicht lineare Weise), die der Kurve C₂ folgt.
Wenn nach einem Betätigen des Steuerventils auf diese Weise (d.h. Betätigen des Steuerventils zuerst entlang der Kurve C₁ und dann Zurückbringen des Steuerventils zu seiner Aus-Position entlang der Kurve C₂) es dann erwünscht ist, einen normalen Betrieb wieder aufzunehmen, folgt der aktuelle Fluss eines Fluids durch das Steuerventil wieder nicht der Kurve C₁, sondern wird statt dessen einer noch anderen Kurve C₃ folgen, die irgendwo zwischen der Kurve C₁ und der Kurve C₂ positioniert ist. Tatsächlich wird dort, wo die Kurve C₁ einen Verlauf eines Treiberstroms gegenüber einem aktuellen Fluss für ein zuvor nicht magnetisiertes Solenoid-Steuerventil darstellt und eine Kurve C₂ einen Verlauf eines Treiberstroms gegenüber einem aktuellen Fluss für ein stark magnetisiertes Solenoid-Steuerventil darstellt (z.B. nach einem Zurückbringen des Steuerventils zu seiner Aus-Position entlang der Kurve C₂), die Kurve C₃ näher zu der Kurve C₂ positioniert sein, wie es gezeigt ist. Somit wird, anstatt dessen, dass der aktuelle Fluidfluss bei dem Punkt X₂ beginnt, der Fluidfluss stattdessen etwa bei dem Punkt X₇ beginnen. Wenn das Steuerventil innerhalb seines normalen Betriebsbereichs entlang der Kurve C₃ betätigt wird und zu einer geschlossenen Position zurückgebracht wird, wird das nächste Mal, wenn das Ventil geöffnet wird, der aktuelle Fluss von Fluid durch das Steuerventil gegenüber einem Ventil-Treiberstrom einer noch anderen Kurve (z.B. der Kurve Ca) folgen, welche eine einer Familie der Kurven zwischen der Kurve C₁ und der Kurve C₂ ist. Ob die Kurve C₄ näher zur Kurve C₁ oder zur Kurve C₂ positioniert ist, wird von der Betriebsvorgeschichte des Ventils einschließlich des höchsten Punkts auf der Kurve C₃, bei welchem das Steuerventil während dieses Betriebszyklus betätigt wird, abhängen. Die oben beschriebene Operation des Steuerventils, bei welcher der gegenwärtige Betriebszustand von seinem früheren Betriebszustand abhängt, wird Hysterese genannt. Folglich beeinflusst eine Hysterese die Fähigkeit zum genauen Vorhersagen des Antriebspegels, bei welchem das Ventil zuerst einen Fluss nach einem jeweiligen Betriebszyklus zulassen wird, nachteilig, da sie von der Betriebsvorgeschichte des Ventils während des Betriebszyklus abhängt. Wie es oben beschrieben ist, wird ein Sockel auf genau unterhalb des Treiberpegels eingestellt, bei welchem das Ventil damit beginnen wird, einen Fluss zuzulassen. Jedoch beeinflusst die durch eine Hysterese in Bezug auf diesen Antriebspegel verursachte Unsicherheit die Genauigkeit nachteilig, mit welcher der Sockel eingestellt werden kann. Ein Einstellen des Sockels auf zu hoch kann in einem unerwünschten Überschießen resultieren. Ein Einstellen des Sockels auf zu niedrig kann in einer langsamen Reaktionszeit resultieren, wenn ein Übergang von einem Fluss von Null zu einem gesteuerten Fluss erfolgt.
Die 9–13 stellen eine Anzahl von unterschiedlichen Wellenformen graphisch dar, die als Nichtbetriebssignale verwendet werden können, um den Effekt einer Hysterese in einer solenoidaktivierten Vorrichtung zu reduzieren. Jedes dieser Nichtbetriebssignale kann als Treibersignal zu der solenoidbetätigten Vorrichtung geliefert werden. Beispielsweise können bei der Mengendurchflusssteuerung der 1 solche Nichtbetriebssignale durch die GLL-Steuerung 150 zu dem Ventilstellglied 160 geliefert werden, um eine Hysterese zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf 9 kann ein sich zeitlich änderndes sinusförmiges Signal zu einem solenoidbetätigten Ventil oder einer anderen Vorrichtung geliefert werden, um die Effekte einer Hysterese abzuschwächen. Wie es in 9 gezeigt ist, kann eine sinusförmige Wellenform zur Verfügung gestellt werden, die bezüglich der Amplitude über eine Zeitperiode T₁ verringert ist. Wo die solenoidbetätigte Vorrichtung ein Steuerventil einer Mengendurchflusssteuerung ist, sollte die Amplitude des sinusförmigen Signals kleiner als das Ausmaß an Strom sein, das zum Öffnen des solenoidbetätigten Ventils benötigt wird. Beispielsweise sollte bei einer Mengendurchflusssteuerung, die ein solenoidbetätigtes Ventil mit einer normalerweise geschlossenen Position verwendet, der maximale Wert des Nichtbetriebssignals kleiner als das minimale Ausmaß an Strom sein, das zum Überwinden der Federkraft und zum Öffnen des Ventils benötigt wird. Somit wäre, nimmt man wieder Bezug auf 8, der maximale Wert des Signals kleiner als X₁, um sicherzustellen, dass kein Fluid durch das Ventil während des Lieferns der Wellenform durchlaufen kann.
Wie es in 9 dargestellt ist, verringert sich die zeitlich variierende Wellenform bezüglich der Amplitude über eine Zeitperiode T₁. Empirische Ergebnisse haben gezeigt, dass eine Wellenform von etwa 10 bis 20 Zyklen ausreichend ist, um ein typisches solenoidbetätigtes Ventil zu einem vorbestimmten Zustand im Voraus zu konditionieren, und zwar ungeachtet seines früheren Betriebszustands (d.h. gleichgültig, ob es innerhalb seines normalen Betriebsbereichs oder außerhalb des normalen Betriebsbereichs, wie beispielsweise in einem Löschmode, betrieben wurde). Wo das solenoidbetätigte Steuerventil ein Ventil ist, das normalerweise in einer offenen Position ist, sollte die Wellenform so sein, dass das Ventil in einer geschlossenen Position während der gesamten Prozedur ist, um den Fluss von Fluid durch das Ventil zu verhindern.
Im Allgemeinen kann die für eine bestimmte Wellenform ausgewählte Frequenz von verschiedenen Beschränkungen einer Implementierung abhängen. Beispielsweise kann die Frequenz, die zu der solenoidbetätigten Vorrichtung geliefert werden kann, durch Leistungsbeschränkungen beschränkt sein. Zusätzlich kann eine untere Grenze der Frequenz durch die Zeit auferlegt sein, für die die solenoidbetätigte Vorrichtung geschlossen bleiben kann. Jedoch ist im Allgemeinen irgendeine Frequenz innerhalb der Beschränkung einer bestimmten Implementierung geeignet, die eine erwünschte Anzahl von Zyklen zur Verfügung stellt. Beispielsweise ist ein im Bereich zwischen 10–20 Zyklen geliefertes Signal gezeigt worden, um eine Reduktion bezüglich der Effekte einer Hysterese, die hierin beschrieben sind, zu erzeugen, jedoch ist der Bereich nicht beschränkend.
Obwohl es geglaubt wird, dass die in 9 dargestellte sich zeitlich variierende Wellenform am besten zum Reduzieren der Effekte einer Hysterese in einer solenoidbetätigten Vorrichtung geeignet ist, haben empirische Ergebnisse bestimmt, dass eine Vielfalt von anderen Wellenformen dazu verwendet werden kann, die solenoidbetätigte Vorrichtung auf einen vorbestimmten Zustand einzustellen. Allgemein liefert jede dieser Wellenformen ein sich zeitlich variierendes Signal zu der solenoidbetätigten Vorrichtung, das sich bezüglich der Amplitude während der Zeit verringert. Jedoch haben empirische Ergebnisse auch gezeigt, dass es nicht nötig ist, eine sich zeitlich variierende Wellenform zu verwenden, die sich bezüglich der Amplitude verringert, da ein sich zeitlich veränderndes Signal mit konstanter Amplitude auch verwendet werden kann.
10 stellt eine weitere sich zeitlich ändernde Stromwellenform dar, die zum Reduzieren oder Eliminieren einer magnetisch induzierten Hysterese bei einem solenoidbetätigten Steuerventil oder einer anderen solenoidbetätigten Vorrichtung verwendet werden kann. Wie in 9 verringert sich die sich zeitlich ändernde Wellenform bezüglich der Amplitude über eine Zeitperiode T₁ und hat eine maximale Amplitude, die kleiner als die Größe des Steuersignals ist, die dazu nötig ist, zuzulassen, dass ein Fluid durch das Ventil läuft. Wie bei der sich zeitlich ändernden Wellenform der 9 kann die Zeitperiode T₁ in der Größenordnung von etwa 1 Sekunde sein, um ein Interferieren mit einem normalen Betrieb zu vermeiden. Jedoch wird eher als eine sinusförmige Wellenform eine rechteckförmige Wellenform zur Verfügung gestellt. Basierend auf einem empirischen Testen wird es geglaubt, dass andere sich zeitlich ändernde Wellenformen zur Verfügung gestellt werden können, wie beispielsweise sägezahnförmige Wellenformen, etc. Es sollte beachtet werden, dass jede der in den 9 und 10 dargestellten Wellenformen positive und negative Werte zu der solenoidbetätigten Vorrichtung liefern kann. Im Allgemeinen wird eine solche Wellenform zum Einstellen der solenoidbetätigten Vorrichtung auf einen vorbestimmten Zustand bevorzugt, die sowohl positive als auch negative Werte enthält, da sie den Restmagnetismus des Magnetkerns der solenoidbetätigten Vorrichtung effektiv entlädt, der während einer Betriebs auferlegt wird.
Die 11 und 12 zeigen alternative Wellenformen, die dazu verwendet werden können, eine Hysterese bei einem solenoidbetätigten Steuerventil zu reduzieren oder zu eliminieren. Die in 11 dargestellte Wellenform hat wiederum eine kleiner werdende Amplitude über eine Zeitperiode T₁. Jedoch enthält gegensätzlich zu der in den 9 und 10 dargestellten Wellenform die in 11 gezeigte sich zeitlich ändernde Wellenform nur positive Werte. In Abhängigkeit von der bestimmten Schaltung, in welcher das solenoidbetätigte Steuerventil verwendet wird, kann man nicht die Fähigkeit haben, ein Signal zu liefern, das sowohl positive als auch negative Werte annimmt.
12 stellt eine zeitvariante bzw. sich zeitlich ändernde Wellenform dar, die auch zum Reduzieren oder Eliminieren einer Hysterese bei einem solenoidbetätigten Steuerventil verwendet werden kann. Obwohl eine dreieckförmige Wellenform dargestellt ist, sollte es erkannt werden, dass eine sinusförmige Wellenform, eine rechteckförmige Wellenform oder eine Anzahl von alternativ geformten Wellenformen verwendet werden können.
Es sollte erkannt werden, dass in jeder der 9-12 die maximale Amplitude der sich zeitlich ändernden Wellenform so ist, dass sie unfähig zum Betätigen des solenoidbetätigten Steuerventils ist, da die maximale Amplitude kleiner als die Größe des Steuer- oder Treibersignals ist, die zum Überwinden der Federkraft und zum Öffnen des Ventils erforderlich ist. Die Anmelder haben herausgefunden, dass eine zeitvariante Stromwellenform, die in 12 dargestellt ist, auf einfache Weise mit existierenden Komponenten geliefert wird, die in einer Mengendurchflusssteuerung verwendet werden, und keine zusätzliche Schaltung erfordert. Darüber hinaus können auch andere sich zeitlich ändernde Wellenformen zur Verfügung gestellt werden, wie beispielsweise eine quadratförmige Welle, eine dreieckförmige oder eine sägezahnförmige Wellenform.
Wie es oben diskutiert ist, sollte es erkannt werden, dass die Frequenz und die Dauer, mit welcher eine Wellenform zu der solenoidbetätigten Vorrichtung geliefert wird, nicht auf Werte beschränkt ist, die hierin als Beispiele zum Darstellen von einigen Werten verwendet werden, die sowohl eine geeignete Anzahl von Zyklen liefern als auch nicht mit einem normalen Betrieb der solenoidbetätigten Vorrichtung interferieren. Andere Werte sind geeignet und werden derart angesehen, dass sie innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung sind.
13 stellt eine alternative Wellenform dar, die zum Einstellen einer solenoidbetätigten Vorrichtung auf einen bestimmten vorbestimmten Zustand nach jedem Betriebszyklus verwendet werden kann. Wie es in 13 gezeigt ist, wird ein Puls mit negativem Wert an die Spule des solenoidbetätigten Ventils angelegt. Wenn es in Zusammenhang mit einer Mengendurchflusssteuerung verwendet wird, sollte das Vorzeichen des Pulses normalerweise entgegengesetzt zu demjenigen sein, welches normalerweise zum Öffnen oder zum Löschen des solenoidbetätigten Steuerventils verwendet wird, und von einer Größe, die unfähig zum Aktivieren des Ventils ist. Beispielsweise würde dies bei einem normalerweise geschlossenen solenoidbetätigten Steuerventil dem zum negativen gehenden Puls entsprechen. Es sollte erkannt werden, dass der Puls eines Stroms, der angelegt wird, so sein sollte, dass er bezüglich der Polarität entgegengesetzt zu derjenigen ist, die zum Löschen der Mengendurchflusssteuerung erforderlich ist. Im Fall einer solenoidbetätigten Vorrichtung im Allgemeinen sollte der Puls von einer Polarität sein, die unfähig zum Aktivieren der solenoidbetätigten Vorrichtung ist und vorzugsweise eine, die entgegengesetzt zu der Polarität des normalen Treibersignals ist.
Es sollte erkannt werden, dass das Nichtbetriebssignal ein Strom, eine Spannung oder anderes sein kann. Demgemäß werden die in den 9-13 dargestellten und hierin beschriebenen Wellenformen derart angesehen, dass sie sich zeitlich ändernde Wellenformen der besonderen Form sind, die bei irgendeiner bestimmten Implementierung verwendet wird (z.B. eine sich zeitlich ändernde Stromwellenform, eine sich zeitlich ändernde Spannungswellenform, etc.).
Jede der oben beschriebenen Treibersignalwellenformen kann eine solenoidbetätigte Vorrichtung, wie beispielsweise ein Steuerventil auf einen vorbestimmten Zustand einstellen. Demgemäß ist es, nimmt man wieder Bezug auf 8, bekannt, auf welcher Kurve C die betätigte Vorrichtung arbeiten wird. Somit wird eine Ungenauigkeit aufgrund des Betriebs der Vorrichtung auf irgendeiner einer Familie von Kurven C_i reduziert oder eliminiert.
Es sollte erkannt werden, dass, während es sein kann, dass es nicht nötig ist, die solenoidbetätigte Vorrichtung nach jedem Betriebszyklus auf den vorbestimmten Zustand einzustellen, es bevorzugt ist, dies zu tun. Beispielsweise kann selbst dann, wenn die solenoidbetätigte Vorrichtung nicht außerhalb ihres normalen Betriebsbereichs betätigt worden ist, die solenoidbetätigte Vorrichtung noch durch eine Hysterese aufgrund der Betriebsvorgeschichte der Vorrichtung innerhalb ihres normalen Betriebsbereichs beeinflusst bzw. beeinträchtigt werden. Zusätzlich ist es deshalb, weil ein Erfassen dann, wenn die solenoidbetätigte Vorrichtung außerhalb ihres normalen Betriebsbereichs betätigt wird, einen zusätzlichen Code und/oder eine zusätzliche Erfassungsschaltung erfordern kann, allgemein bevorzugt, die solenoidbetätigte Vorrichtung nach jedem Betriebszyklus ungeachtet dessen auf denselben vorbestimmten Zustand einzustellen, ob der vorherige Zyklus innerhalb oder außerhalb des normalen Betriebsbereichs war. Auf diese Weise wird die solenoidbetätigte Vorrichtung ungeachtet ihres früheren Betriebszustands konditioniert werden, einer bestimmten Kurve während eines Betriebs zu folgen.
Es sollte erkannt werden, dass Nichtbetriebssignale auf eine Anzahl von Arten geliefert werden können und die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Implementierung beschränkt ist. Beispielsweise können verschiedene Wellenformen (z.B. die in den 9–13 dargestellten Wellenformen) durch die Steuerung und die Steuerelektronik einer Mengendurchflusssteuerung (z.B. der GLL-Steuerung 150) erzeugt und in ein Nichtbetriebssignal durch das Ventilstellglied umgewandelt und zu dem Ventil geliefert werden, um eine Hysterese zu reduzieren. Alternativ dazu kann ein Funktionsgenerator mit dem Ventil oder dem Ventilstellglied gekoppelt werden, um ein Nichtbetriebssignal zum Reduzieren einer Hysterese zu liefern. Durch irgendeine geeignete Einrichtung erzeugte Wellenformen können in digitaler oder analoger Form sein und können gemäß den Notwendigkeiten einer bestimmten Implementierung geeignet umgewandelt werden. Tatsächlich sind viele Techniken zum Erzeugen von geeigneten Signalen im Stand der Technik bekannt und werden als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung angesehen.
D. Physikalisches Ventilmodell
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung haben die Anmelder den Fluss von Fluid bei unterschiedlichen Einlass- und Auslassdrücken modelliert, wie sie vorherrschend aus zwei Komponenten bestehen: dem viskosen Druckabfall und dem nicht viskosen (dynamischen) Druckabfall. Durch Summieren der Beiträge von jeder dieser Komponenten, wo die effektive Verstellung des Ventils für jede Komponente gleich ist, kann die effektive Verstellung des Ventils empirisch unter Verwendung der folgenden Methode bestimmt werden. Wie es oben angegeben ist, ermöglicht die Bestimmung der effektiven Verstellung des Ventils bei einer bestimmten Fluidflussrate in Bezug auf ein bestimmtes Fluid, dass der zu dem Ventil gehörende Verstärkungsausdruck (z.B. der Verstärkungsausdruck D) bestimmt wird, und somit die Bestimmung des zu dem Ventilstellglied gehörenden Verstärkungsausdrucks (z.B. des Verstärkungsausdrucks C).
Nimmt man Bezug auf 16, und lässt man zu, dass der Aufwärts- oder Einlassdruck durch P₁ dargestellt wird und der Abwärts- oder Auslassdruck durch P₂ dargestellt wird, wird dann bei einer durch Q dargestellten Mengendurchflussrate der Ventilhub durch H dargestellt, und der viskose Effekt allein reduziert den Druck von P₁ bis zu irgendeinem Zwischendruck P_x. Der nicht viskose komprimierbare Fluss reduziert den Druck weiter von einem Zwischendruck P_x auf P₂. Unter einem Modellieren des viskosen Druckabfalls über dem Ventil 170 basierend auf einem physikalischen Modell eines viskosen Flusses von Fluid zwischen zwei parallelen Platten (z.B. zwischen dem Ventilsitz und der Strahloberfläche) wird der Abstand H zwischen den zwei parallelen Platten (z.B. die Verstellung des Ventils 170) durch die folgende Gleichung zur Verfügung gestellt:
wobei:

P₁, P_x:: Druck stromauf und stromab von der viskosen Oberfläche (psi);
Q:: Mengendurchflussrate (sccm);
L:: Länge des Flusspfads (ft);
H:: Abstand zwischen den zwei parallelen Oberflächen (ft);
w:: Breite des Flusspfads, wobei w gleich π·Ø ist, und Ø der mittlere Durchmesser des Plateaus 1650 ist, Ø gleich 0,040'' basierend auf dem getesteten Ventil ist;
u:: dynamische Viskosität des Gases (Centi-Poise);
T:: absolute Temperatur (deg. Rankine);
R ^:: universelle bzw. allgemeine Gaskonstante, 1545,33 (ft-lbf/lb-mol-deg. R); und
R:: Gaskonstante (ft-lbf/lbm-deg. R).

Ein Modellieren des nicht viskosen Druckabfalls über dem Ventil 170 basierend auf einem physikalische Modell eines nicht viskosen Flusses von Fluid durch eine Öffnung oder einen Strahl liefert folgendes:
für einen gedrosselten Fluss; und
für einen nicht gedrosselten Fluss; wobei der Fluss gedrosselt wird, wenn folgendes gilt:
und sonst nicht gedrosselt wird, und wobei:

Q: = Fluss durch das Ventil (sccm);
A: = π·Ø·H = effektiver Bereich des Ventils (Quadratinch);
Ø: = Durchmesser der Öffnung 1640;
M: _w = Molekulargewicht des Gases (gm/mol);
P_x,0: = stromaufwärtiger Gesamtdruck (Torr);
P: ₂ = stromabwärtiger statischer Druck (Torr);
T: _1,0 = Gastemperatur (K);
γ: = Verhältnis von spezifischen Wärmen.

Aus den obigen viskosen und nicht viskosen Gleichungen kann die effektive Verstellung (d.h. H) des Ventils 170 schnell bestimmt werden. Obwohl einige der Einheiten, die für die obigen nicht viskosen Gleichungen verwendet werden, derart erscheinen, dass sie von denjenigen unterschiedlich sind, die bei der viskosen Berechnung verwendet werden, gibt es keinen allgemeinen Unterschied zwischen den Gleichungen und den Einheitenumwandlungsfaktoren, wo sie bereits in die numerischen Konstanten in jeder Gleichung eingebaut sind.
Um die effektive Verstellung des Ventils zu bestimmen, kann unter Annahme der gemessenen Mengendurchflussrate als Q und des gemessenen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Drucks als jeweils P₁ und P₂ und unter Vernachlässigung des Beitrags der Geschwindigkeit vor dem Gesamtdruck ein Verfahren zum Berechnen der effektiven Verstellung des Ventils 170 durchgeführt werden. Ein beispielhaftes Verfahren zum Berechnen der effektiven Verstellung besteht im Schätzen des Zwischendrucks P_x durch Trial-and-Error bzw. durch Lernen durch Erfolg, wo man die Werte von A aus sowohl der viskosen Flusstheorie (Hv, Gl. 1) als auch der nicht viskosen Theorie (Hi, Gl. 2 oder 3) in Abhängigkeit davon berechnet, ob der Fluss gedrosselt ist oder nicht (Gl. 4). Somit kann dann, wenn der Zwischendruck nahezu das Zweifache des Auslassdrucks ist, ein gedrosselter Fluss angenommen werden und die Gleichung 2 wird für die nicht viskose Komponente der Berechnung verwendet, wogegen dann, wenn der Einlassdruck kleiner als nahezu das Zweifache des Auslassdrucks ist, die Gleichung 3 für die nicht viskose Komponente der Berechnung verwendet wird. Für gegebenes Q, P1 und P2 wird das richtige Px erhalten, wenn Hv und Hi gleich zueinander werden. Somit enthält das Berechnungsschema eine aufeinander folgende Iteration zum Erhalten von P_x. Die Berechnung beginnt durch Auswählen von P_x derart, dass es in der Mitte zwischen P₁ und P₂ liegt. Dann werden der viskose Ventilhub (Hv) und der nicht viskose Ventilhub (Hi) berechnet. Wenn bestimmt wird, dass Hv größer als Hi ist, was bedeutet, dass es keinen ausreichenden differentiellen Druck für den viskosen Fluss zum Liefern des erforderlichen Flusses als für den nicht viskosen Fluss gibt, dann wird während der nächsten Iteration ein etwas niedrigerer Druck P_x' ausgewählt werden, d.h. zwischen dem stromabwärtigen Druck P₂ und dem vorherigen Druck P_x. Die Iteration fährt fort, bis die zwei berechneten Ventilhübe Hv und Ni innerhalb von 0,1% voneinander gelangen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann dieser iterative Prozess in Software durchgeführt werden. Die Software zum Durchführen dieser iterativen Berechnung kann ohne weiteres durch einen Fachmann auf dem Gebiet durchgeführt und auf einem Computer implementiert werden. Demgemäß kann basierend auf dem obigen Verfahren die effektive Verstellung des Ventils 170 für jede einer Anzahl von unterschiedlichen Flussraten bestimmt werden.
Wie es zuvor diskutiert ist, haben die Anmelder basierend auf einem empirischen Testen mit einer Vielfalt von unterschiedlichen Fluiden oder Gasen bestimmt, wie der Bruchteilbeitrag der Verstärkung A des Mengendurchflussmessgeräts sich von einem Gas zu einem anderen ändert, wie es primär durch die spezifische Wärme des Fluids oder Gases, das verwendet wird, dominiert wird. Demgemäß ist es dann, wenn die Mengendurchflusssteuerung 100 einmal mit einem bekannten Fluid oder Gas kalibriert worden ist, bekannt, wie sich diese Verstärkung für andere Typen von Gasen ändert. Weiterhin ist der Bruchteilbeitrag der Verstärkung B der GLL-Steuerung 150 der Mengendurchflussteuerung 100 bekannt, da die verschiedenen Konstanten, die diese Verstärkung bestimmen, in einem Speicher der Mengendurchflussteuerung 100 gespeichert werden können, und der Bruchteilbeitrag der Verstärkung C des Ventilstellglieds 160 ist effektiv konstant oder bekannt. Demgemäß ist das, was übrig bleibt, eine Art zum Bestimmen dessen, wie sich der Bruchteilbeitrag der Verstärkung D des Ventils 170 und des Gaspfades für verschiedene Gase und für verschiedene Betriebszustände ändert und wie Änderun gen im Bereich der Mengendurchflussteuerung 100 für ein anderes Fluid oder Gas als demjenigen, mit welchem die Mengendurchflussteuerung 100 anfänglich kalibriert wurde, zu kompensieren sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Konfigurieren einer Mengendurchflussteuerung, die unter bekannten Zuständen und mit einem bekannten Fluid oder Gas abgestimmt worden ist, zur Verfügung gestellt, das zum Abstimmen der Mengendurchflussteuerung verwendet werden kann, um eine nahezu identische Reaktion auf ein anderes Fluid oder Gas zu haben, oder mit einem anderen Betriebsbereich als demjenigen, mit welchem sie abgestimmt wurde. Wie es oben diskutiert ist, wird die Mengendurchflussteuerung 100 anfangs auf ein bekanntes Gas (beispielsweise Stickstoff) mit einem bekannten Einlassdruck und einem bekannten Auslassdruck abgestimmt. Der Einfachheit halber wählt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den bekannten Einlassdruck derart aus, dass er größer als zwei Atmosphären ist, und den Auslassdruck bei einem Umgebungsdruck. Diese Auswahl eines Einlass- und eines Auslassdrucks ist aus zwei Gründen vorteilhaft. Zuerst ermöglicht eine Verwendung von Einlass- und Auslassdrücken in Bezug auf einen gedrosselten Fluss die physikalische Modellierung des Ventils und des Ventil-Gaspfads, da nur gedrosselte Flusszustände für die nicht viskosen Druckabfallgleichungen verwendet werden können. Als Zweites ist dieser Betriebstyp (d.h. ein Druckabfall von nahezu zwei Atmosphären) typisch für den Typ von Betrieb, der durch Endbenutzer verwendet wird. Unter diesen Umständen kann die Verstärkung des Gaspfads definiert werden als:
Um dieselbe Mengendurchflussteuerung in Bezug auf ein Gas "x" mit einem neuen Bereich eines Durchflusses in vollem Ausmaß zu betreiben, kann erwartet werden, dass sich die Verstärkung des geschlossenen Kreises der Mengendurchflussteuerung 100 wie folgt ändert:
wobei:

Cfc_x: = Umwandlungsfaktor "C" für das Gas x
Mw: = Molekulargewicht von Gas

Die obige Gleichung ist eine Approximation, da es einen zusätzlichen Ausdruck gibt, der eine Funktion eines Einlassdrucks, einer Temperatur und des Verhältnisses von spezifischen Wärmen ist. Jedoch ist der Effekt dieses zusätzlichen Ausdrucks zur Potenz von 0,4 und kann normalerweise vernachlässigt werden. Beispielsweise reicht unter der Annahme, dass die Kalibrierung der Mengendurchflussteuerung 100 anfangs mit Stickstoff als das bekannte Fluid oder Gas durchgeführt wurde, der Wert dieses zusätzlichen Ausdrucks von 0,684 für Stickstoff und andere diatomische Gase bis zu 0,726 für monoatomische Gase und bis hinunter zu 0,628 für polyatomische Gase, und dann erhöht bis zur Potenz von 0,4. Somit ist der Unterschied zu Stickstoff höchstens etwa 3,5% und kann normalerweise vernachlässigt werden. Um die obige Änderung bezüglich einer Verstärkung bei einem anderen Gas und/oder bei anderen Betriebszuständen als denjenigen zu kompensieren, die bei einer Kalibrierung verwendet werden, kann der Verstärkungsausdruck G durch das Inverse des obigen Verhältnisses geändert werden, um eine konstante Verstärkung eines geschlossenen Kreises für die Mengendurchflussteuerung zur Verfügung zu stellen, ungeachtet eines Einstellpunkts, ungeachtet von Betriebszuständen und ungeachtet von dem Typ von Fluid oder Gas, das verwendet wird. Das bedeutet, dass dann, wenn die Verstärkung des geschlossenen Kreises der Mengendurchflussteuerung A·B·C·D ist, der Verstärkungsausdruck G auf eine konstante Zeit 1/(A·C·D) eingestellt wird, um eine konstante Verstärkung des geschlossenen Kreises zu Verfügung zu stellen, die dieselbe wie diejenige ist, die während einer Kalibrierung verwendet wird.
Nachdem einige Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, werden verschiedene Modifikationen und Verbesserungen Fachleuten auf dem Gebiet ohne weiteres einfallen. Solche Modifikationen und Verbesserungen sollen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung sein.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Verstellung eines Ventils mit einem Ventileinlass zum Empfangen eines Fluidflusses bei einem Einlassdruck und einem Ventilauslass zum Liefern des Fluidflusses bei einem Auslassdruck, wobei das Verfahren folgende Handlungen aufweist: a) Auswählen eines Zwischendrucks zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck; b) Bestimmen einer ersten Verstellung des Ventils basierend auf einem viskosen Druckabfall vom Einlassdruck zum Zwischendruck; c) Bestimmen einer zweiten Verstellung des Ventils basierend auf einem nicht viskosen Druckabfall vom Zwischendruck zum Auslassdruck; d) Bestimmen, ob die erste Verstellung nahezu gleich der zweiten Verstellung ist; und e) Auswählen der ersten Verstellung oder der zweiten Verstellung als die Verstellung des Ventils, wenn die erste Verstellung nahezu gleich der zweiten Verstellung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin eine Handlung zum Auswählen eines neuen Zwischendrucks aufweist, wenn in der Handlung (d) bestimmt wird, dass die erste Verstellung nicht nahezu gleich der zweiten Verstellung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, das weiterhin eine Handlung zum Wiederholen der Handlungen (b)–(d) aufweist, bis in der Handlung (d) bestimmt wird, dass die erste Verstellung nahezu gleich der zweiten Verstellung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Handlung (c) Handlungen zum Anwenden einer ersten Berechnung, die auf dem nicht viskosen Druckabfall vom Zwischendruck zum Auslassdruck unter gedrosselten Fließbedingungen basiert, um die zweite Verstellung zu bestimmen, wenn der Zwischendruck nahezu zweimal größer als der Auslassdruck ist, und zum Anwenden einer zweiten Berechnung, die auf dem nicht viskosen Druckabfall vom Zwischendruck zum Auslassdruck unter nicht gedrosselten Fließbedingungen, um die zweite Verstellung zu bestimmen, wenn der Zwischendruck kleiner als etwa zweimal größer als der Auslassdruck ist, enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste und die zweite Berechnung auf einem physikalischen Modell eines nicht viskosen Flusses durch eine Öffnung basieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Handlung (c) eine Handlung zum Anwenden einer ersten Berechnung enthält, die auf einem physikalischen Modell eines nicht viskosen Flusses durch eine Öffnung basiert, um die zweite Verstellung zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Handlung (b) eine Handlung zum Anwenden einer ersten Berechnung enthält, die auf einem physikalischen Modell eines viskosen Flusses zwischen zwei parallelen Platten basiert, um die erste Verstellung des Ventils zu bestimmen.