KONSTANTEN MASSENSTROMS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des

Massenstroms in einem geschlossenen Gaskreislauf umfassend einen Massendurchflussregler, einen Verdichter und mindestens einen pneumatischen Verbraucher, wobei der Massendurchflussregler den Massenstrom auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom regelt und wobei der Verdichter zur Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des Massendurchflussreglers

gesteuert wird, sowie ein Gassystem zur Versorgung eines

pneumatischen Verbrauchers mit einem kontinuierlichen

Massenstrom eines Gases, das Gassystem umfassend einen

Massendurchflussregler und einen Verdichter, wobei der

Massendurchflussregler zur Regelung des Massenstroms auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom eingerichtet ist und wobei der Verdichter von einer Verdichtersteuerung zur Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des

Massendurchflussreglers steuerbar ist.

Der oder die pneumatischen Verbraucher können beispielsweise eine Leitung, ein Ventil, eine Membran, ein Motor oder eine Turbine sein. Zweck der erfindungsgemäßen Verfahren und

Gassysteme ist es, einen im Wesentlichen kontinuierlichen

Massenstrom durch den Verbraucher zu erzielen. Der

Massendurchflussregler und der Verdichter können vorzugsweise mit dem Verbraucher in Serie geschaltet sein. Als „Verdichter" wird vorliegend allgemein ein druckaufbauendes Element

bezeichnet; es kann sich daher bei dem Verdichter (im hier verwendeten, weiteren Sinn) um einen Ventilator ein Gebläse oder einen Verdichter (im engeren Sinn) handeln. Insbesondere kann der Verdichter grundsätzlich ein pulsierender Verdichter oder ein kontinuierlicher Verdichter sein. Als Massendurchflussregler wird jede Anordnung verstanden, die einen Sensor, eine Steuerung und ein Ventil umfasst, und zur Regelung des durch das Ventil transportierten Massenstroms (d.h. Gasmasse pro Zeiteinheit) eingerichtet ist. Dabei kann der Massendurchflussregler einen beliebigen Sensor und ein beliebiges Ventil umfassen, welche zur Lösung dieser Aufgabe geeignet sind; z.B. ein Proportionalventil oder ein Magnetventil. Weiters ist es für die vorliegende

Erfindung nicht wesentlich, dass der Massendurchflussregler und der Verdichter durch separate (dezentrale) Steuerungen gesteuert bzw. geregelt werden. Die Erfindung betrifft daher auch solche Anordnungen, bei denen der Massenstrom und der Differenzdruck als Mehrgrößensystem durch eine einzelne (zentrale) Steuerung geregelt bzw. gesteuert werden. Weiters können der

Massendurchflussregler und der Verdichter in baulich getrennten Einheiten untergebracht und entsprechend durch eine Gasleitung verbunden sein, oder in einer Einheit (z.B. mit einem

gemeinsamen Gehäuse) baulich integriert und intern verbunden sein .

Die Erfindung betrifft insbesondere einen kompakten Gaskreislauf und dementsprechendes Regelprinzip, deren Zusammenwirken eine nötige Druckdifferenz bzw. Massenstrom durch eine oder mehrere angeschlossenen pneumatischen Einheiten liefert. Im Vergleich zu anderen bestehenden Gassystemen im ähnlichen medizinischen

Anwendungsbereich, die einen kontinuierlichen aber offenen

Gasstrom oder pulsierenden geschlossenen Gasstrom erstellen, kann der entwickelte Gaskreislauf einen kontinuierlichen und gleichzeitig geschlossenen Gasstrom bilden. Dies folgt zu einem wesentlich geringeren Gasverbrauch und deutlichen Einsparungen, wenn ein teures inertes Gas, wie z.B. Helium, verwendet wird.

Aus der CN 104555955 A ist ein geschlossener Gaskreislauf mit einem Massendurchflussregler, einem Verdichter und mehreren Verbrauchern bekannt. Der Kreislauf dient der konvektiven

Kühlung einer optischen Faser bei der Herstellung mittels

Helium.

Bekannte Gassysteme zur Verwendung in einem geschlossenen

Gaskreislauf mit einem kontinuierlichen Massenstrom sind laut und benötigen vergleichsweise viel Energie im Verhältnis zu dem aufrecht zu erhaltenden Massenstrom. Sie eignen sich daher kaum zur mobilen Verwendung.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung und ein Gassystem vorzuschlagen, welches sich besser als

bekannte Systeme zur mobilen Verwendung eignet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, dass der Verdichter aktiviert wird, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze sinkt, und deaktiviert wird, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze. D.h. der Verdichter bleibt so lange deaktiviert, bis der Differenzdruck von der Obergrenze bis zur Untergrenze gesunken ist. Aufgrund der nur temporären

Aktivierung des Verdichters wird der Energieverbrauch und die Lärmentwicklung des Verdichters reduziert.

Dementsprechend wird die obige Aufgabe bei einem Gassystem der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, dass die

Verdichtersteuerung eingerichtet ist, den Verdichter zu

aktivieren, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze fällt, und zu deaktivieren, wenn der Differenzdruck eine

Obergrenze erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Untergrenze und/oder die Obergrenze aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen

pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom (d.h. dem Momentanwert der Führungsgröße des Massendurchflussregler ) ermittelt werden. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Verdichtersteuerung zur Ermittlung der Untergrenze und/oder der Obergrenze aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen

pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom

eingerichtet ist. Die statische Kennlinie gibt dabei den

Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckdifferenz an den betreffenden Elementen im statischen Grenzfall an. Sie setzt sich im Fall einer Reihenschaltung aus der Summe der einzelnen statischen Elementkennlinien zusammen. Diese Elementkennlinien können vorab gemessen werden und es kann die statische Kennlinie z.B. in einem Kennlinienspeicher gespeichert werden, sodass sie im Betrieb am Soll-Massenstrom ausgewertet werden kann. Die Ermittlung der jeweiligen Elementkennlinie erfolgt abhängig von der Art des pneumatischen Elements. Zur Berücksichtigung des Massendurchflussreglers kann die Kennlinie bei der maximalen Öffnung des Massendurchflussreglers verwendet werden, d.h. der maximal erzielbare Massendurchfluss abhängig von der

Druckdifferenz. Beim Verdichter hängt die Kennlinie von der Art des Verdichters und der eingestellten Leistung des Verdichters ab. Z.B. hat ein Kolbenverdichter eine zwischen zwei

Druckniveaus oszillierende Kennlinie, wobei die Höhe und der Verlauf der Druckniveaus von der Eingangsleistung abhängt.

Weitere Einzelheiten werden anhand der Ausführungsbeispiele weiter unten erläutert.

Die Untergrenze kann größer oder gleich einem minimalen

Differenzdruck sein, welcher zur Erreichung des Soll- Massenstroms erforderlich ist. Dementsprechend kann die

Verdichtersteuerung zur Ermittlung einer Untergrenze

eingerichtet sein, welche größer oder gleich einem minimalen Differenzdruck ist, welcher zur Erreichung des Soll-Massenstroms erforderlich ist. Der minimale Differenzdruck kann insbesondere aus der statischen Kennlinie ermittelt werden. Dabei handelt es sich um enen Differenzdruck, der den Druckverlust innerhalb des Gaskreislaufs bei dem Soll-Massenstrom gerade kompensiert. Der Verdichter wird spätestens dann aktiviert, wenn der aktuelle Differenzdruck einen minimalen Differenzdruck erreicht, welcher erforderlich ist, um den gewünschten Massendurchfluss zu

erreichen .

In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn die Untergrenze um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb des

minimalen Differenzdrucks ermittelt wird. In entsprechender Weise ist es günstig, wenn die Verdichtersteuerung zur

Ermittlung der Untergrenze um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks eingerichtet ist. Der Reservedruck gewährleistet einen Puffer für den Fall einer Änderung der Führungsgröße (d.h. bei einem plötzlich höheren Soll-Massenstrom) , und wirkt einem Einbruch des

Massenstroms entgegen. Dieser Puffer ist besonders dann

vorteilhaft, wenn der Massendurchflussregler den

Massendurchfluss rascher erhöht als der Verdichter die dafür nötige Druckdifferenz herstellen kann. Der Reservedruck kann z.B. 300 mbar sein.

Weiters hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn aus einer dynamischen Kennlinie der im Betrieb mit dem

Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen

pneumatischen Elemente ein vom Massenstrom abhängiger

Reservedruck ermittelt wird und die Untergrenze um einen vom Soll-Massenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der minimalen Druckdifferenz ermittelt wird. Dementsprechend kann die Verdichtersteuerung zur Ermittlung eines vom Massenstrom abhängigen Reservedrucks aus einer dynamischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente und zur Ermittlung der

Untergrenze um einen vom Soll-Massenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der minimalen Druckdifferenz eingerichtet sein. Die dynamische Kennlinie wird für eine rechnerische bzw. empirische Bestimmung einer Druckdifferenz bei einem

vorgegebenen Massenstrom genutzt. Die angegebene Druckdifferenz entspricht dem Reservedruck, der erforderlich ist, um den

Massenstrom um einen vorgegebenen Wert zu ändern. Die dynamische Kennlinie setzt sich aus den dynamischen Elementkennlinien der einzelnen pneumatischen Elemente zusammen. Im Fall einer

Serienschaltung können die dynamischen Elementkennlinien addiert werden, um die dynamische Kennlinie zu erhalten. Die dynamischen Elementkennlinien können empirisch ermittelt werden, wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen noch genauer erläutert wird. Die dynamische Kennlinie wird insbesondere durch das dynamische Verhalten des Massendurchflussreglers und des

Verdichters definiert. Durch Auswertung der dynamischen

Kennlinie bei einem vorgegebenen Soll-Massenstrom kann der minimale Reservedruck ermittelt werden, welcher zur

Aufrechterhaltung des Massenstroms bei Änderungen des Soll- Massenstroms innerhalb der der dynamischen Kennlinie zugrunde liegenden Grenzen erforderlich ist. D.h. die Einhaltung des so ermittelten Reservedrucks oberhalb des minimalen Differenzdrucks gewährleistet, dass Änderungen des Soll-Massenstroms (innerhalb dieser Grenzen) ohne Einbrüche des Massenstroms (d.h. des Ist- Massenstroms) ausgeführt werden können.

Die Obergrenze kann vorzugsweise abhängig von der Untergrenze, insbesondere in einem (im Sonderfall) konstanten Abstand

oberhalb der Untergrenze, ermittelt werden. Dementsprechend kann die Verdichtersteuerung vorzugsweise zur Ermittlung der Obergrenze abhängig von der Untergrenze, insbesondere in einem (im Sonderfall) konstanten Abstand oberhalb der Untergrenze, eingerichtet sein. Dadurch wird eine vom Soll-Massenstrom abhängige Obergrenze definiert und es muss nicht ein für den gesamten Arbeitsbereich des Soll-Massenstroms gültiger

konstanter Wert verwendet wird. D.h. die Obergrenze kann im Allgemeinen niedriger sein als bei einer konstanten Obergrenze. Dadurch wird der Energieverbrauch und die Lautstärke des

Verdichters weiter gesenkt. Im einfachsten Fall wird die

Obergrenze in einem konstanten Abstand (entsprechend einer

Druckdifferenz) oberhalb der Untergrenze ermittelt. Alternativ kann der Abstand zwischen Untergrenze und Obergrenze abhängig vom Soll-Massenstrom, z.B. durch Auswertung der dynamischen Kennlinie, ermittelt werden. Dadurch kann der Abstand zwischen Obergrenze und Untergrenze abhängig vom Soll-Massenstrom so festgelegt werden, dass die Aktivitätsintervalle des Verdichters über einen breiteren Massenstrom-Bereich hinweg im Wesentlichen gleichbleiben, was die Wahrnehmung eines mobilen Verdichters verbessern kann (d.h. er wird weniger stark und als weniger störend wahrgenommen) .

In einem bevorzugten Anwendungsfall ist das in dem Gaskreislauf beförderte Gas Helium. Dementsprechend kann das vorliegende Gassystem vorzugsweise Helium enthalten. Helium hat den Vorteil einer geringen Viskosität und einer hohen Wärmekapazität. Es eignet sich daher besonders für Anwendungen, bei denen ein möglichst geringer Leitungsquerschnitt verwendet werden soll (z.B. intrakorporale Anwendungen) . Alternativ kann das

verwendete Gas Luft, C02, 02 oder eine inerte Mischung

verschiedener Gase sein.

Außerdem ist es günstig, wenn der Einlass des Verdichters mit einem Druckbehälter (Gasquelle) verbunden ist, wobei ein Ventil des Druckbehälters zur Aufrechterhaltung eines konstanten absoluten Drucks am Einlass des Verdichters gesteuert wird.

Dadurch kann bewirkt werden, dass der Verdichter in einem stabilen Arbeitsbereich bleibt. Außerhalb des stabilen

Arbeitsbereichs sind die Kennlinien des Verdichters, d.h. der Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckdifferenz, nicht monoton . Weiters ist es günstig, wenn das Gassystem mit einem

Unterdruckbehälter zur Evakuierung des Gassystems verbunden ist. Die Verbindung kann im Betrieb durch ein Magnetventil

geschlossen sein. Dadurch kann im Fehlerfall eine rasche

Evakuierung des Gassystems ohne aktive Elemente (z.B.

Verdichter) erzielt werden. D.h. es kann rasch ein Unterdruck im Gassystem erzeugt werden, sodass die Gefahr eines Austritts von Gas auch im Fall von Lecks reduziert wird. Eine solche

Einrichtung ist insbesondere bei medizinischen Anwendungen, wenn ein Teil das Gassystems intrakorporal , z.B. in Blutgefäßen, installiert ist, vorteilhaft.

Darüber hinaus ist es - ebenfalls vor allem im Hinblick auf medizinische Anwendungen - vorteilhaft, wenn das Gas vor der Zuführung zu dem Verbraucher zur Regelung der Temperatur des Verbrauchers erwärmt oder gekühlt wird. Dementsprechend kann das Gassystem eine Kühlvorrichtung und/oder eine Heizvorrichtung umfassen, welche mit dem Verdichter und dem

Massendurchflussregler verbunden sind/ist, insbesondere in Serie mit den übrigen Elementen des Gaskreislaufs geschaltet sind.

Das vorliegende Verfahren und das vorliegende Gassystem eignet sich besonders zur Anwendung mit einer pneumatisch angetriebenen intrakorporalen Blutpumpe und zur Gasversorgung einer

intrakorporalen Membran.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 schematisch eine Darstellung eines einfachen

erfindungsgemäßen Gassystems;

Fig. 2 schematisch eine Darstellung eines umfassenderen erfindungsgemäßen Gassystems;

Fig. 3 schematisch eine statische Elementkennlinie eines Massendurchflussregiers ;

Fig. 4 schematisch ein zeitliches Druckverhalten am

Verdichterausgang beim konstanten Massenstrom und bei einer vorgegebenen Eingangsleistung des Verdichters;

Fig. 5 schematisch ein Ensemble statischer Elementkennlinien eines Verdichters bei verschiedenen vorgegebenen

Eingangsleistungen des Verdichters;

Fig. 6 schematisch eine statische Kennlinie einer

Gasleitung;

Fig. 7 schematisch eine statische Kennlinie einer Membran als Verbraucher;

Fig. 8 schematisch eine statische Kennlinie einer Turbine als Verbraucher;

Fig. 9 schematisch eine dynamische Kennlinie eines

Gassystems ;

Fig. 10 schematisch den Verlauf einer Obergrenze und

Untergrenze bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem

erfindungsgemäßen Gassystem; und

Fig. 11 schematisch einen Arbeitsbereich des Verdichters nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei dem

erfindungsgemäßen Gassystem;

Fig. 1 zeigt schematisch ein Gassystem 1 zur Versorgung eines pneumatischen Verbrauchers 2 mit einem kontinuierlichen

Massenstrom eines Gases, z.B. Helium. Der Verbraucher 2 kann z.B. eine Membran für einen Stoffaustausch mit einem

benachbarten Fluid sein. Das Gassystem 1 umfasst einen

Massendurchflussregler 3 und einen Verdichter 4, welche zusammen ein Aktuator-System bilden. Das Aktuator-System umfasst demnach ein druckaufbauendes sowie ein durchflussregulierendes Element, die in einer Reihenschaltung zu einander verbunden sind. Die Gasleitungen 5 des Gassystems sind schematisch als pneumatisches Element eingezeichnet. Der Massendurchflussregler 3 und der Verdichter 4 sind mit den Gasleitungen 5 und dem Verbraucher 2 in Reihe geschaltet und bilden zusammen einen Gaskreislauf 6. Das Gassystem 1 umfasst weiters einen Druckbehälter 7, welcher über ein Ventil 8 mit dem Einlass des Verdichters 4 verbunden ist. Das Ventil 8 wird zur Aufrechterhaltung eines konstanten absoluten Drucks am Einlass 9 des Verdichters 4 gesteuert.

Zusätzlich kann ein evakuierter Druckbehälter 45 zur Evakuierung des Gassystems 1 eingerichtet sein (vgl. auch

Gasevakuierungseinrichtung 42 in Fig. 2) : Aufgrund eines

ständigen Überdrucks im Gassystem 1 sowie im angeschlossenen Verbraucher 2 (Miniaturturbine, Membran, etc.) besteht eine Gefahr der Schlauchruptur oder Ausfall an irgendeinem pneumatischen Element. Das Regelprinzip kann daher eine Funktion haben, die nach der Erkennung eines ungewöhnlichen Umstandes (z.B. rasch sinkender Druck) innerhalb des Gaskreislaufs 6 eine Evakuierungsprozedur des bestehenden Gases startet. Mithilfe eines Ventil-Systems 44 wird der angeschlossene Verbraucher 2 getrennt (vgl. genauer in Fig. 2), wobei gleichzeitig ein

Unterdruck im Gassystem 1 durch Sammeln des Gases im evakuierten Druckbehälter 45 entwickelt wird. Damit wird die Leckrichtung umgekehrt und der weitere Eintritt des Gases in die Umgebung, bzw. Blutkreislauf eines Patienten unterbunden.

Der Massendurchflussregler 3 ist zur Regelung des Massenstroms auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom eingerichtet. Der

Verdichter 4 wird von einer Verdichtersteuerung 10 zur

Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des Massendurchflussreglers 3 gesteuert (vgl. Fig. 2) . Der Differenzdruck wird aus den Messergebnissen entsprechend angeordneter Drucksensoren 11, 12 (vgl. Fig. 2) ermittelt. Dabei ist die Verdichtersteuerung 10 eingerichtet, den Verdichter 4 zu aktivieren, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze 13 fällt, und zu deaktivieren, wenn der Differenzdruck eine

Obergrenze 14 erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze 14 einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze 13 (vgl. Fig. 10) . Stabilität und Genauigkeit der aktiven Steuerung ist durch die Kenntnis der statischen und dynamischen

Charakteristiken (Kennlinien) aller pneumatischen Elemente im geschlossenen Gaskreislauf 6 gesichert. Dementsprechend ist die Verdichtersteuerung 10 zur Ermittlung der Untergrenze 13

und/oder der Obergrenze 14 aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler 3 und dem Verdichter 4 verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll- Massenstrom eingerichtet. Der Soll-Massenstrom definiert dabei den gewünschten Massenstrom durch den Verbraucher 2.

Fig. 2 zeigt schematisch ein umfassenderes Gassystem 15.

Zusätzlich zu einem Massendurchflussregler 3 und einem

Verdichter 4 sind eine Reinigungseinrichtung 16, eine

Stabilisierungseinrichtung 17, eine Gasevakuierungseinrichtung 42 und eine Wärmetauscheinrichtung 18 im Gaskreislauf 6 des Gassystems 15 vorgesehen. Die Reinigungseinrichtung 16 umfasst einen Gasanalysator 19, ein Auslassventil 20 und eine Gaszufuhr 21 mit einem Druckbehälter 22 und einem Ventil 23. Zur Reinigung des Gassystems 15, z.B. zur Entfernung unerwünschter Gasanteile, wird das Auslassventil 20 so umgestellt, dass der Gaskreislauf 6 vor dem Einlass 9 des Verdichters 4 geöffnet ist. Der

Gasanalysator 19 ist im Abschnitt stromaufwärts des

Auslassventils 20 angeordnet und analysiert das aus dem

Gassystem 15 austretende Gas auf Verunreinigungen. Während der Reinigung ist der Einlass des Verdichters 4 mit dem

Druckbehälter 22 verbunden, sodass reines Gas aus dem

Druckbehälter 22 in das Gassystem gefördert wird. Der Druck am Einlass 9 des Verdichters 4 wird mit einem Drucksensor 24 überwacht und auf einen vorgegebenen Wert (z.B. 1 bar) geregelt. Zur Auslösung der Reinigung kann mithilfe des Gasanalysators 19 die Qualität des strömenden Gases regelmäßig überprüft werden. Falls die gemessene Qualität einen vordefinierten Wert

unterschreitet wird die Reinigung, eine so genannte „Gas

Purging"-Methode wie oben beschrieben, gestartet.

Die Stabilisierungseinrichtung 17 umfasst einen Druckbehälter 25, welcher als Puffer für den Druck am Einlass 26 des

Massenstromreglers 3 fungiert. Je nach Arbeitsbereich des

Verdichters 4 kann der Druckbehälter 25 der

Stabilisierungseinrichtung 17 vom Gaskreislauf 6 getrennt werden oder in dem Gaskreislauf 6 aufgenommen werden.

Die Wärmetauscheinrichtung 18 ist stromabwärts des

Massendurchflussreglers 3 und vor dem Verbraucher 2 bzw. der damit verbundenen Gasleitung 5 angeordnet. Die

Wärmetauscheinrichtung 18 umfasst einen Tauscherfluidkreislauf 27 mit einer Pumpe 28 und einem Wärmetauscher 29, welcher einen Austausch von Wärme zwischen dem Gas im Gaskreislauf 6 und einem Tauscherfluid im Tauscherfluidkreislauf 27 eingerichtet ist. Das Tauscherfluid kann mit einem Heiz- oder Kühlelement 30 erwärmt oder gekühlt werden (z.B. elektrisch) . Zur Steuerung der

Gastemperatur kann der Massenstrom des Tauscherfluids und/oder die Temperatur des Tauscherfluids geregelt werden.

Die Gasevakuierungseinrichtung 42 wird in Serie zum Verbraucher 2 stromabwärts des Verbrauchers 2 angeschlossen und umfasst einen pneumatischen Schalter 43, ein Ventil 44 und einen

evakuierten Behälter 45. Bei passenden Umständen, zum Beispiel bei Erkennung einer Leckage im Gaskreislauf, wird die weitere Strömung des Gases zum Verdichter am pneumatischen Schalter 43 unterbrochen, das Ventil 44 geöffnet und ein ausreichendes

Gasvolumen (d.h. im Wesentlichen der Großteil des im

Gaskreislauf enthaltenen Gasvolumens) in der Flasche 45

gesammelt .

Die Steuerung des Massenstroms in dem geschlossenen Gaskreislauf 6 erfolgt durch Regelung des Massenstroms durch den

Massendurchflussregler 3 (in an sich bekannter Weise) und durch Steuerung des Verdichter 4 zur Aufrechterhaltung eines

Differenzdrucks zwischen Einlass 26 und Auslass 31 des

Massendurchflussreglers 3. Im Einzelnen wird der Verdichter 4 bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aktiviert, wenn der

Differenzdruck unter eine Untergrenze sinkt, und deaktiviert, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze erreicht oder

übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze. Die Untergrenze und die

Obergrenze können aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom

ermittelt werden. Diese statische Kennlinie kann aufgrund der Reihenschaltung (vgl. Fig. 1 oder 2) aus der Summe einzelner statischer Elementkennlinien ermittelt werden.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte statische Elementkennlinie 32 eines Massendurchflussreglers 3. Die Druckdifferenz zwischen Einlass 26 und Auslass 31 des Massendurchflussreglers 3 ist als Funktion des Massenstroms durch den Massendurchflussreglers 3 aufgetragen. Die Elementkennlinie 32 wird empirisch am

Massendurchflussregler 3 bei vollständig geöffnetem Durchlass ermittelt. Aus der Elementkennlinie 32 ist somit ablesbar, welche Druckdifferenz über den Massendurchflussregler 3 bei einem gewünschten Massenstrom mindestens hergestellt werden muss. Bei einer höheren Druckdifferenz kann der

Massendurchflussregler 3 den Massenstrom durch Steuerung des integrierten Ventils reduzieren. Fig. 4 zeigt eine beispielhaftes zeitliches Verhalten 33 eines Verdichters 4 bei einer vorgegebenen Eingangsleistung. Der

Signalverlauf 33 beschreibt den Zusammenhang zwischen einer Druckdifferenz zwischen Einlass 9 und Auslass 34 des Verdichters 4 im Laufe der Zeit. Dieser Zusammenhang hängt naturgemäß von der Eingangsleistung des Verdichters 4 und dem aktuellen vom Massendurchflussregler 3 geregelten Massendurchfluss ab. Im dargestellten Beispiel ist die Elementkennlinie 33 eines

Kolbenverdichters gezeigt. Bei diesem Verdichtertyp ist die Elementkennlinie 33 nicht monoton, sondern schwankt periodisch zwischen zwei Grenzwerten 35, 36 der Druckdifferenz. Die

Grenzwerte 35, 36 stellen eine einhüllende Funktion des

oszillierenden Signalverlaufes 33 dar. Sie sind abhängig von der Eingangsleistung des Verdichters 4 und müssen daher für jede Eingangsleistung separat explizit ermittelt werden.

Fig. 5 zeigt die Grenzwerte 35, 36 bei verschiedenen

Eingangsleistungen und Drehzahlen des Verdichters 4. Bei

geringen Massenströmen wird auch der Verlauf der Grenzwerte 35, 36 nicht monoton. Oberhalb dieser Grenze 37 spricht man von einem stabilen Arbeitsbereich des Verdichters 4. Die Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs ist in Fig. 5 durch eine

gestrichelte Linie eingezeichnet. Bei Massenströmen unterhalb dieser Grenze 37 kann das Verhalten des Verdichters 4 durch einen Stabilisierungseinrichtung 17 wie oben beschrieben

stabilisiert werden, welche große Druckschwankungen ausgleicht.

Fig. 6 zeigt eine statische Elementkennlinie 38 einer Gasleitung 5. Die Gasleitung 5 umfasst Verbindungsrohre und Kupplungen. Die statischen Elementkennlinien dieser Elemente sind im

Wesentlichen durch deren Querschnitt bestimmt und weitgehend unabhängig von äußeren Einflussfaktoren.

Fig. 7 zeigt die statische Elementkennlinie 39 einer Membran ohne bewegliche Teile. Die Membran kann z.B. mit dem

erfindungsgemäßen Gassystem 1 versorgt werden. Der Verlauf dieser Elementkennlinie 39 ist im Wesentlichen linear.

Fig. 8 zeigt schematisch eine statische Elementkennlinie einer Turbine als Verbraucher 2. In diesem Fall wird der Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Massenstrom durch den Arbeitspunkt der Turbine mitbestimmt. D.h. der Zusammenhang hängt davon ab, welche Last die Turbine aufnehmen muss bzw. welche Arbeit sie verrichten muss. Dementsprechend wird zur empirischen Ermittlung der statischen Elementkennlinie das Verhalten bei verschiedenen Lasten innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs der Turbine untersucht. Aus diesen Untersuchungen ergibt sich eine

dreidimensionale Fläche 40, welche den Zusammenhang zwischen Massenstrom, Druckdifferenz und Last angibt. Um die gesuchte statische Elementkennlinie zu erhalten, wird das Maximum der Druckdifferenz bei vorgegebenem Massenstrom unter Variation der Last ermittelt.

Fig. 9 zeigt schematisch eine dynamische Kennlinie 41 eines Gassystems 15. Um die dynamische Kennlinie 41 zu erhalten, wird empirisch das dynamische Verhalten des Gassystems 15 (bzw. aller Elemente) bei plötzlichen Variationen des Massenstroms, der Druckdifferenz und der Last ermittelt. Im Einzelnen wird

untersucht, welche Druckdifferenz erforderlich ist, um Einbrüche der jeweils anderen Parameter bei plötzlichen Änderungen zu vermeiden. Z.B. wird ermittelt, welche Druckdifferenz

erforderlich ist, um bei einer plötzlichen Änderung des

Massenstroms einen Einbruch der Druckdifferenz zu vermeiden. Ein Einbruch liegt dann vor, wenn es zu einer plötzlichen

vorübergehenden Änderung des Arbeitspunkts der aktiven Elemente (z.B. Verdichter, Turbine) kommt. Motivation und Grundlage für diese Untersuchungen und Messungen ist die Erkenntnis, dass der Verdichter 4 des Gassystems 15 auf plötzliche Änderungen

wesentlich langsamer reagieren kann als der

Massendurchflussregler 3. D.h. der Verdichter 4 kann bei einem plötzlichen Anstieg des Soll-Massenstroms und einer

entsprechenden Reaktion des Massendurchflussreglers 3 den zur Aufrechterhaltung des Massenstroms nötigen Druck nicht rasch genug herstellen. Das führt unweigerlich zu einem Einbruch des Massenstroms .

Die dynamische Kennlinie 41 gibt an, welcher zusätzliche

Differenzdruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks

erforderlich ist, um einen solchen Einbruch zu vermeiden.

Dadurch kann ein unnötig hoher Differenzdruck vermieden werden, welcher die Gefahr von Beschädigungen des Gassystems erhöhen würde .

Fig. 10 zeigt den Verlauf einer Obergrenze 14 und einer

Untergrenze 13 des Differenzdrucks als Funktion des Soll- Massenstroms. Der Verlauf der Untergrenze 13 entspricht im

Wesentlichen der Summe des minimalen Differenzdrucks und der dynamischen Kennlinie 41 gemäß Fig. 9. Die Obergrenze 14

verläuft in einem konstanten Abstand oberhalb der Untergrenze 13. Der konstante Abstand ist z.B. 300 mbar.

Fig. 11 illustriert den Arbeitsbereich des Gassystems 15 für die Steuerung des Verdichters 4. Das Diagramm kombiniert den Verlauf der Obergrenze 14 und der Untergrenze 13 aus Fig. 10 addiert mit einzelnen Elementkennlinien aus Fig. 3, 4, 6 und 7 bzw. 8, und die Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs aus Fig. 5. Abhängig von einem vorgegebenen Soll-Massenstrom, mit dem der Verbraucher versorgt werden soll, und von einem gemessenen Differenzdruck zwischen Einlass 26 und Auslass 31 des Massendurchflussreglers 3 kann an dem Diagramm in Fig. 11 abgelesen werden, ob der

Verdichter 4 aktiviert werden soll oder deaktiviert werden soll und ob der Druckbehälter 25 der Stabilisierungseinrichtung 17 Teil des Gaskreislaufs 15 ist oder nicht: Wenn der aktuelle Arbeitspunkt (aus gemessenem Differenzdruck und Soll- Massenstrom) oberhalb der Obergrenze 14 liegt, wird der

Verdichter 4 deaktiviert; wenn der aktuelle Arbeitspunkt

unterhalb der Untergrenze 13 liegt, wird der Verdichter 4 aktiviert; wenn der aktuelle Arbeitspunkt zwischen Untergrenze 13 und Obergrenze 14 liegt, wird der Zustand des Verdichters 4 (aktiv/inaktiv) nicht geändert. Wenn der Arbeitspunkt links der Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs liegt, wird der

Druckbehälter 25 zugeschaltet; andernfalls wird er vom

Gaskreislauf 15 getrennt.

Wenn der Verdichter 4 ein kontinuierlicher Verdichter ist, kann der Druckbehälter 25 der Stabilisierungseinrichtung 17 als

Puffer arbeiten. Der Verdichter 4 erzeugt dann einen Überdruck im Druckbehälter 25, sodass die Druckdifferenz am

Massendurchflussregler 3 deutlich größer ist (z.B. 2000 mbar) als am Verbraucher 2 und der damit verbundenen Gasleitung 5 (z.B. 50 mbar) . Sobald ein gewünschter Überdruck erreicht ist, kann der Verdichter 4 deaktiviert werden. Der

Massendurchflussregler 3 kann dann den Massenstrom durch den Verbraucher 2 vorübergehend unabhängig vom Massenstrom durch den Verdichter 4 regeln. Wenn bei deaktiviertem Verdichter 4 kein Massenstrom durch den Verdichter 4 möglich ist, steigt der Druck vor dem Verdichter 4 (d.h. letztlich auch im Verbraucher und vor dem Massendurchflussregler 3) während dieser Zeit an. Wenn dieser Druck sich dem Druck vor dem Massendurchflussregler 3 bzw. im Druckbehälter 25 annähert, wird der Verdichter 4 wieder aktiviert und der Massendurchflussregler 3 wird sich

währenddessen an die wieder steigende Druckdifferenz anpassen.

Falls der Verdichter 4 - abhängig vom Verdichtertyp - in solchen Konstellationen und wenn er deaktiviert ist, einen

Massendurchfluss gegen die eigentliche Strömungsrichtung, d.h. zurück zum Verbraucher 2, zulassen würde, kann ein Entweichen des im Druckbehälter 25 erzeugten Überdrucks durch ein

Rückschlagventil mit zugelassener Fließrichtung vom Verdichter 4 zum Massenstromregler 3 zwischen Verdichter 4 und

Massenstromregler 3, insbesondere zwischen Verdichter 4 und Druckbehälter 25, im Gassystem 15 verhindert werden.

Weiters kann zur Druckregelung des Drucks vor dem Verdichter 4 bei einer Variante des Gassystems 15 gemäß Fig. 2 an der Stelle beim Auslassventil 20 ein zusätzlicher Druckspeicherbehälter vorgesehen und angeschlossen sein. Dadurch kann ein Überdruck vor dem Verdichter 4 gespeichert und kontrolliert werden.

Insbesondere kann das Speichervolumen des zusätzlichen

Druckspeicherbehälters mithilfe eines elektromechanischen

Zylinders und beispielsweise eines daran angeschlossenen

pneumatischen Zylinders geändert werden. Der zusätzliche

Druckspeicherbehälter ist optional und keine Notwendigkeit.

Alternativ und mit einem ähnlichen Effekt für das Gassystem 15 kann das vom Verbraucher 2 kommende, unreine Gas in periodischen Intervallen am Auslassventil 20 zumindest teilweise ausgelassen werden. Gleichzeitig kann durch Einlass von frischem Gas aus der Gasflasche 22 ein neuer Sollwert des Drucks am Einlass 9 des Verdichters 4 erreicht werden.