DE2238182A1

DE2238182A1 - Durchfluss-steuersystem, sowie verfahren zu seiner eichung

Info

Publication number: DE2238182A1
Application number: DE2238182A
Authority: DE
Inventors: Harry Friedland; Jun Addison William Langill
Original assignee: Process Systems Inc
Current assignee: Process Systems Inc
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1972-08-03
Publication date: 1973-02-22
Also published as: CA968652A; JPS5627731B2; GB1394876A; US3785389A; JPS4828887A; DE2238182C2

Description

PROCESS SYSTEMS, INC., eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Nevada, 356 West Seventh South, Salt Lake City, Vereinigte Staaten von Amerika.

Durchfluß-Steuersystem, sowie Verfahren zu seiner Eichung,

Dia Erfindung befaßt sich mit der Steuerung des Durchflusses eines Strömungsmittel, insbesondere mit einer neuen Konfiguration für ein digital arbeitendes Ventil, das besonders für kleine Durchsatzraten geeignet ist. DLe Erfindung betrifft eine weitere Verbesserung des Fluid-steuersystems gemäß der deutschen Patentanmeldung P 22 23 115.8 (P 62).

In der deutschen Patentanmeldung P 22 04 219.9 (P 59) sind Ausführungsformen von Ventilen für ein. Durchfluß-Steuersystem beschrieben, das mit mehreren, einzeln betätigbaren, bi-stabilen Digitalventilen arbeitet. Für ein Durchfluß-Steuersystem für hohe und mittlere Durchsatzraten ist bei dem Gegenstand der zuletzt genannten Patentanmeldung die Durchsatzrate direkt proportional zur Summe

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der effektiven Auslaßflächen der offenen Digitalventile, unabhängig von anderen Variablen in dem System; weiterhin ist der bewegliche Teil der Ventilelemente von den Kräften freigestellt, die von dem Abstromdruck des Systems ausgeübt werden. Die Abmessungen der Digitalventilelemente sind genügend groß, so daß die Toleranzforderungen zur Erzielung einer hohen Genauigkeit bei der üblichen Massenfabrikation eingehalten werden können. Andererseits sind in solchen Systemen, die mit geringen Durchsatzraten arbeiten, die Abmessungen der Digitalventilelemente so gering, daß die Toleranzen wesentlich die Durchsatzrate durch die offenen Ventilelemente beeinflussen. Weiterhin werden bei geringen Durchsatzraten die Einschnürung des strömenden Mediums (Vena Contracta-Effekt) sowie eine Schwankung des Aufstrom— druckes in Durchsatzrichtung, die in den vorerwähnten Systemen von Einfluß sind, hier bedeutungslos. Aus diesen Gründen sind die Einrichtungen, wie sie in den eben erwähn·» ten Patentanmeldungen beschrieben sind, für geringe Durchsatzraten des Strömungsmittels verbesserungsbedürftig.

Dazu sind nach der Erfindung Digitalventil-Elemente mit einstellbaren, wirksamen Durchsatzflächen vorgesehen. Eine Eichung des Durchfluß-Steuersystems, bei. der zur Ausschaltung des Einflusses von ToLeranzschwankumjen auf die Durchsatzrate die einzelnen Ventilelemente eingestellt werden, ermöglicht somit die genaue Steuerung den Fluid-Durchsatzes bei geringen Durchsatzgeschwindigkeiten als Funktion der Zustandskombinationen der Ventilelemente.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine große, abdichtbare Öffnung und eine kleine Steueröffnung in jedem Ventilelement vorhanden sind. Die Netzfläche der kleinen Öffnung, die die Pluid-Durchsatzrate durch das Ventilelement bestimmt, ist einstellbar. Ein bi-stabiler Verschlußkörper (Zweistellungs-Verschlußkörper) verschließt die große Öffnung in einem Zustand und unter-

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bricht damit den Durchsatz durch das Ventilelement, und gibt im anderen Zustand die große Öffnung frei, wodurch der Durchsatz durch das Ventilelement mit der Geschwindigkeit erfolgt, die durch die wirksame Öffnungsfläche der kleinen Öffnung bestimmt ist. Da die Querschnittsfläche der kleinen Öffnung die Durchsatzrate durch das Ventilelement bestimmt, beeinflussen thermische Ausdehnungen und Abnutzung, die die Stellung des Verschlußkörpers und die Querschnittsfläche der großen Öffnung im Offen-Zustand beeinträchtigen, nicht die Durchsatzrate durch das Ventilelement.

Ein weiteres Merkmal des Gegenstandes der erstgenannten Patentanmeldung (P 22 23 115.8 - P 62) besteht in einer einstellbaren Steueröffnung in einem bi-stabilen Ventilelement, die den Durchsatz bestimmt, wobei ein abgeschrägter, axial beweglicher Passkörper innerhalb eines Kanals angeordnet ist. Die einstellbare Steueröffnung wird durch einen ringförmigen Raum zwischen dem Kanal und dem Passkörper bestimmt. Der Neigungswinkel des Passkörpers ist gering, so daß eine relativ große Axialbewegung des Passkörpers eine relativ kleine Größenveränderung des Ringraumes zur Folge hat. Somit kann eine genaue Steuerung der gesamten Querschnittsfläche der einstellbaren Steueröffnung erreicht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die in den beiden vorangegangenen Absätzen beschriebenen Merkmale kombiniert. Der Passkörper ist ein integraler Bestandteil einer Stellschraube, die vom Äußeren des Modul-Gehäuses des Digitalventilelementes her zugänglich ist. Der Verschlußkörper bewegt sich quer zur Achse des Passkörpers. Die einstellbare Steueröffnung befindet sich in der Nähe des Einiasses des Digitalventilelementes, d.h. auf der Aufstromseite der übrigen Komponenten, wie etwa die Verschlußkörperanordnung sowie sein Auslöser.

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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der kompakten Anordnung. Der Steuermodul für den Durchsatz eines einzigen Fluids weist einen Hauptblock mit einer Aufstromkaiwner, einer Abstromkammer und mehreren einzelnen Unterblöcken auf, von denen jeder ein Digitalventilelement enthält. Die einzelnen Unterblöcke sitzen abnehmbar an dem Hauptblock, so daß die Ventilelemente mit der Aufstromkammer und der Abstromkammer in dem Hauptblock kommunizieren. Ein Mischsystem für mehrere Strömungsmittelkomponenten wird aus einer gleichen Anzahl der erwähnten Moduln gebildet, die an einen Zentralblock angeschlossen sind, der die zum Vermischen benötigten Kammern und Leitungen enthält. Die Abs tromk a tntnern und/oder Aufstromkammern der einzelnen Moduln sind an den Zentralblock angeschlossen. Dadurch können sämtliche Verbindungen der Strömungsmittel-Leitungen und/oder der elektrischen Leitungen von dem Zentra!block aus geführt werden, so daß folglich diese Verbindungen nicht unterbrochen zu werden brauchen, wenn einer der Moduln ausgetauscht oder ersetzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Schematisches Blockdiagramm des Durchfluß-Steuersystems gemäß den Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den teilweise weggebrochenen digitalen Durchfluß-Steuermodul, der in Blöckform in Fig. 1 dargestellt ist}

Fig. 3 eine Seitenansicht des Moduls auö Fig*2j

Fig. 4 einen teilweisen Querschnitt des Moduls aus Fig. 2 entlang Seinen Ebenen aus Fig.2;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Verschluß-Durchlasses und des Verschlußkörpers aus Fig.4;

Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht der einstellbaren

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Steueröffnung aus Fig.4j

Fig. 7 ein schema tisches. Diagramm eines Mehrkompof nenten-Mischsystems, gebildet aus Moduln von der Art gemäß Fig.2;

Fig. 8 eine vereinfachte Vorderansicht des Mischs-ystems gemäß Fig. 7;

Fig. 9 bis 11 jeweils Vorderansicht, Draufsicht und Seitenansicht des Zentralblockes, des Mischsystems gemäß Fig. 8; und

Fig. 12 eine Vorderansicht des Durchsatz-TJmleit-Moduls aus Fig. 8.

In Fig. 1 ist eine digitaler Durchfluss-Steuermodul 10 in Blockform dargestellt. Die mit einem Strich dargestellten Pfeile repräsentieren elektrL sehe Verbindungen und die dick gezeichneten Pfeile stellen Fluid-Verbindungen dar. Der Durchfluss-Steuermodul 10 steuert die Durchflussrate aus einer Mediumquelle 11 zu einem Medium-Empfänger 12 von geringerem Druck als die Mediumquelle 11. Die Mediumquelle 11 und der Mediumempfänger 12 können Leitungen in einer Sfcrömungsmittel-Übertragung—Messeinrichtung oder in einem Strömungsmittel-Mischsyshem sein, die jeweils auf der Aufstrom und der Abstromseite des Durchflussteuermoduls 10 sind. Der Ausgang einesDigitalrechners 13 liefert mehrere Binärsigna le, dia zusammen in einem bewichteten Binärcode einen digitalen Befehl zur Öffnung des Durchsatzes durch den Durchflußsteuarmodul 10 repräsentieren. Die Art des Binärcodes Lst tür die Erfindung nicht wesentlich. Beispielsweise kann in eim»m reinen Binärcode (geometrische Reihe der Potenzen von 2), in einem modifizierten Binärcode oder mit gleichmäßiger Bewichtung sämtlicher Signale kodiert werden. Für die nachfolgende Beschreibung wird angenommen, daß der Binärcode ein reiner Binärcode mit acht Bits ist, d.h. daß die Binärsignale mit den Stellenwerten 1,2,4,8,16,32, 64 und 128 bewichtet sind. Wenn der Systemdrück nicht zu hoch ist, kann ein derartiger reiner geometrischer Binärcode Vorteile haben. Die binären Ausgangssignale aus dem Digital-

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rechner 13 gelangen auf den Durchflußsteuermodul IQ, indem sie eine jeweils gleiche Anzahl von einzeln einstellbaren, bi-stabilen Digitalventilelementen, die in Fig. 1 nicht
dargestellt sind, steuern. Die Durchflußrate durch den
Durchflußsteuermodul 10 hängt vqn den Zuständen, d.h. von
dem Offen-oder Geschlossen-Zustand, der einzelnen Digital— ventilelemente ab, die von den jeweiligen binären Ausgangs— Signalen des Digitalrechners 13 gesteuert werden. Wenn ein binäres AusgangesLgnal des Digitalrechners 13 einen Binärwert annimmt, ist das zugehörige Digitalventilelement geschlossen, und wenn das binäre Ausgangssignal den anderen
Binärwert annimmt, ist das entsprechende Digitalventi!element geöffnet. Die wirksamen Auslaßflächen der Digitalventilelemente in dem Offen-Zustand stehen untereinander
in Beziehung, und zwar Ln dem gleichen Verhältnis wie die
entsprechenden binären Ausgangssignale des Digitalrechners

13 hinsichtlich Ihrer Bewichtung. Demgemäß ist die Durchsatzrate durch den Durchflußsteuermodul 10 proportional
der Zahl, die von den binären Ausgangssignalen aus dem
Digitalrechner 13 repräsentiert wird.

Da Ln jedem DLqLtalventileLement tatsächlich eine Anzahl
von verschiedenen Öffnungen vorhanden sind, wird in dieser Beschreibung der Ausdruck "wirksame Auslaßfläche eines DigitalventiIeLements" dazu benutzt, die resultierende Auslaßfläche zu bezeichnen, die von dem Ventilelement gebildet
wird, wobei sie als eine einzige Öffnung von gleichförmiger Querschnittsfläche betrachtet wird, die die Aufstromkammer an die Abstromkammer anschließt.

Die dynamischen Bedingungen des Strömungsmittels in dem
Mediumempfänger 12 werden von einem Fühler 14 festgestellt, der ein oder mehrere elektrische Rückkopplungssignale
erzeugt, die diese dynamischen Bedingungen repräsentieren· Das elektrische Rückkopplungssignal gelangt von dem Fühler

14 auf einen Analog-Digital-Umsetzer 15, in dem es in eine

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Binärdarstellung mit acht Ziffern für den Digitalrechner 13 umgewandelt wird. Der Digitalrechner 13 stellt das Befehlssignal auf der Grundlage der Veränderungen der dynamischen Bedingungen, die von dem Fühler 14 festgestellt werden, kontinuierlich nach. Obgleich die Erfindung gemäß Fig. 1 in Verbindung mit einem Rückkopplungs-Steuersystem beschrieben wird, kann sie selbstverständlich auch in einem Steuersystem mit einer offenen Schleife oder in einem solchen Steuersystem Verwendung finden, die die dynamischen Bedingungen auf der AufStromseite des Durchfluß-Steuermoduls 10 feststellt.

Der Durchflußsteuermodul 10 ist im einzelnen in den Figuren 2-6 erläutert. Ein rechtwinkliger Hauptblock 19, der aus einem geeigneten massiven Metallblock gefertigt sein kann, weist eine Aufstromkammer 20, eine Abstromkammer 21 sowie eine Anschlußkammer 22 auf. Die Aufstromkammer 20 und die Abstromkammer 21 können durch Ausbohrungen paralleler Bohrungen teilweise durch den Block 19 mit Gewinden an den Bohrungseingängen zürn Anschluß von Eingangs- .unj&.Aüsgangsleitungen gebildet werden. Die Anschluß—oder Verbindungskammer 22 ist verlängert und erstreckt sich parallel zu der AufStromkammer 20 und. der Abstromkammer 21* Acht rechtwinklige Teilblöcke 23, von denen jeder ein digitales Venteilelement beherbergt, sind durch Befestigungselemente» beispielsweise in Form von Kopfschrauben 24, an den Haüptblocfc 19 angesetzt. Der Aufbau eines digitalen Ventilelementes in einem der Teilblöcke 23 ist in den Figuren dargestellt.

Die Teilblöcke 23 _v die aus einem massiven Block aus magnetischem Material _t beispielsweise aus B-I 113 kohlenstoffstahl, hergestellt sein können» werden auf folgende Weise gewonnen:

Ein großes Spulengehäuse 25 wird aus dem Teilbiock 23 ausgedreht. Line wesentlich kleinere Verbindungsleitung 26

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wird koaxial zu dem Spulengehäuse in den Boden des Spulengehäuses 25 ausgedreht. Eine Sprengring-Nut wird an der F. eripherie des Spulengehäuses 25 in der Nähe ihres oberen Endes gebildet. Ein querliegender Kanal 27 für die elektrische Leitung wird aus dem Teilblock 23 von der an dem Hauptblock 19 anliegenden Fläche ausgehend bis zum Spulengehäuse 25 in der Nähe ihres oberen Endes ausgedreht. Eine querliegende Abstrombohrung 28 wird durch den Teilblock 2 3 gebohrt, und zwar ausgehend von seiner an den Hauptblock 19 anliegenden Fläche bis zum Boden des Spulengehäuses 25. Eine querliegende Aufstrombohrung 31 ist von der gegen den Hauptblock 19 anliegenden Teilblockfläche längs einer Achse 32 (Fig.6) führt, die die Verbindungsleitung 26 schneidet. Die Bohrung 31 endet jedoch kurz vor dem Schnitt mit der Leitung 26. Eine Bohrung 33 ist längs der Achse 32, ausgehend von derjenigen Fläche des Teilblockes 23, die gegenüber dem Hauptblock 19 liegt, vorgesehen. Die Bohrung 33 ist vollständig durch die Leitung 26 hindurchgeführt und reicht um eine kurze Strecke darüber hinaus, so daß sich eine Schulter 34 bildet. Längs eines Abschnittes 35 am Anfang der Bohrung 33 ist ein Gewinde ausgebildet. Ein kleiner zylindrischer Kanal 36 ist längs der Achse 32 zwischen dem Abschnitt der Bohrung 33, der die Schulter 34 bildet und der Bohrung 31 ausgebohrt. Eine Ringnut 30 ist am Boden des Spulengehäuses 25 um die Leitung 26 herum gebildet, um eine Dichtungslippe zu bilden.

Eine in die Bohrung 33 eingeführte Stellschraube 40 ist mit einem Gewinde versehen, das in das Gewinde des Abschnittes 35 paßt. Ein abgeschrägter, gerader konischer Passkörper 41, der integraler Bestandteil der Stellschraube 40 ist, erstreckt sich von dem Ende der Stellschraube 40 in den Kanal 36. Die benachbarten Wandungen des Kanales 36 und des Paßkörpers 41 definieren eine ringförmige Steueröffnung, die die wirksame Öffnungsfläche des digitalen Ventilelementes definiert. Eine Ring-Nut, die um eine Seite

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der Stellschraube 40 herum ausgebildet ist, nimmt einen die htenden O-Ring 42 auf, der Fluid-Lackage aus der Leitung 26 durch die Bohrung 33 zu Atmosphäre verhindert. Wenn die Stellschraube 40 gedreht wird, bewegt sich der Passkörper 41 axial einwärts oder auswärts zu dem Kanal 36, wodurch der Innendurchmesser der ringförmigen Steueröffnung verändert wird. Wegen des kleinen Konuswinkels des Passkörpers 41 führt eine relativ große axiale Verschiebung des Passkörpers 41 zu einer relativ kleinen Veränderung der Querschnittsfläche der Steueröffnung. Daher kann eine sehr genaue Steuerung der gesamten wirksamen Öffnungsfläche des digitalen Ventilelementes erreicht, werden.

Eine stationäre Spulenanordnung 43 und eine bewegliche Verschlußkörper-Anordnung 44 sitzen in dem Spulengehäuse 25, in dem sie von einem in der Nut 29 aufgenommenen Federring

45 gehalten werden. Die Spulenanordnung 43 positioniert die Verschlußkorperanordnung 44 ausschließlich in einer von zwei Stellungen. Die Spulenanordnung 43 weist eine Basis

46 aus magnetischem Material (beispielsweise B-1113 Kohlenstoffstahl) auf, sowie eine Hülse 47 aus nichtmagnetischem Material (beispielsweise 304 rostfreier Stahl), einen kleinen Spulenkörper 48 aus nicht magnetischem Material (beispielsweise Nylon), eine Spule 49,die um den Spulenkörper 48 gewickelt ist, sowie schließlich eine Kappe 50 aus magnetischem Material (beispielsweise aus B-1113 Kohlenstoffstahl). Die Verschlußkorperanordnung 44 weist einen Verschlußkörper 51 aus magnetischem Material (B-1113 Kohlenstoffstahl), einen Dichtungseinsatz 52 (beispielsweise aus elastomerem Gummi) sowie eine Druckfeder 53 auf.

Die Basis 46 und die Hülse 47, die dauerhaft zusammengelötet sind, werden zunächst in das Spulengehäuse 25 derart eingesetzt, daß das Ende der Basis 46 von dem Boden des Spulengehäuses 25 etwas Abstand hält, wie das beispielsweise in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Die Basis 46 ist so

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dimensioniert, daß sie genau in das Spulengehäuse 25 paßt und sich während des Betriebes nicht bewegt. Ein dichtender O-Ring 54, der in einer die Basis seitlich umgebenden Nut gehalten wird, verhindert Lackage von Strömungsmittel durch die Bohrung 28 in das Spulengehäuse 25 dann wird der Spulenkörper 48 um die Hülse 47 gebracht und der Verschlußkörper 51 wird in die Hülse 47 eingefügt, wobei der Einsatz 52 zum Kanal 26 weist. Danach wird die Feder 53 in eine dafür vorgesehene Ausnehmung am Ende des Verschlußkörpers 51 eingesetzt,und eine Kappe 50 wird passend über die Verschlußkörperanordnung 44 und den Spulenkörper 48 gesetzt. Ein dichtender O-Ring 55, der in einer Ring-Nut um die Kappe 50 aufgenommen wird, verhindert Lackage von Strömungsmittel aus dem Spulengehäuse 2 5 zwischen dem Verschlußkörper 51 und der Hülse 47. Wenn die Spule 49 nicht aktiviert ist, drückt die Feder 53 den Verschlußkörper 51 von der Kappe 50 weg, so daß der Einsatz 52 den Kanal 26 an der Dichtungslippe abdichtet, die durch eine Ring-Nut 30 gebildet wird, so

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daß der Strömungsmitteldurchsatz durch das Ventilelement unterbrochen ist. Das Ventilelement befindet sich demzufolge in seinem Geschlossen-Zustand. Wenn die Spule 49 von einem elektrischen Signal aktiviert wird, das einen von zwei Binärwerten eines der Binärsignale aus dem Rechner repräsentiert, ergibt sich ein magnetischer Fluß, dessen Weg durch die Kappe 50, den Teilblock 23, die Basis 46 und den Verschlußkörper 51 führt. Im Ergebnis wird der Verschluftkörper 51 gegen die Kappe 50 gezogen und gibt den Kanal 26 frei, so daß Strömungsmittel durch das digitale Ventilelement fließen kann. Das Ventilelement befindet sich demzufolge in seinem Offen-Zustand·

Die in den übrigen sieben Teilblöcken 23 beherbergten digitalen Ventilelemente sind mit dem vorstehend beschriebenen digitalen Ventilelement identisch mit der Ausnahme von DimentionsVeränderungen, die von den verschiedenen

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wirksamen Auslaßflächen herrühren. . ■

Wie in Fig. 4 im einzelnen dargestellt, sind alle Teilblöcke 23 sowohl elektrisch wie auch hinsichtlich des Strömungsmittels an den Hauptblock 1.9 angeschlossen. Im einzelnen verbindet eine querliegende AufStrombohrung

60 die Bohrung 31 mit einer AufStromkammer 20 und eine querliegende Abstrombohrung 61 verbindet die Bohrung 28 mit der Abstromkammer 21, während eine Querbohrung 62 die Leitung 27 an die Kammer 22 für die elektrische Leitung anschließt. Gegenbohrungen zur Aufnahme dichtender O-Ringe 63 und 64 sind an den Enden der Bohrungen 6Ö und -

61 vorgesehen. Die 0-Ring-Dichtungen verhindern Lackage des Fluids an der Nahtstelle zwischen dem Hauptblock 19 und dem Teilblock 23.

Sämtliche notwendigen Verbindungen zwischen dem digitalen Rechner 13 und den digitalen Ventilelementen werden durch einen Anschlußtisch 65 besorgt, der im Inneren der Kammer 22 befestigt ist. Die einzelnen Leitungen zur Aktivierung jeder Spule führen von dem Anschlußtisch 65 zu dem digitalen Ventilelement durch die Bohrung 62 und den Kanal 27. Die Leitungen von dem digitalen Rechner 13, was nicht dargestellt ist, sind in die Kammer 22 durch eine öffnung 66 geführt, an welcher Stelle ein Stecker auf Wunsch installiert werden kann. Ein Deckel 67 für die Kammer 22 ist oben auf dem Hauptblock 19 durch Befestigungsmittel, etwa in Form von Schrauben 68, befestigt.

Wenn ein Ventilelement sich in seinem geöffneten Zustand befindet, fließt ein Strömungsmittel von der Aufstromkammer 20 durch die Bohrung 60, die Bohrung 31, den Kanal 36, die Leitung 26, den ringförmigen Raum zwischen der Basis 46 und dem Boden des Spulengehäuses 25, die Bohrung 28, und Bohrung 61 zur Abstromkammer 21. Zusätzlich zur Steueröffnung, die von den gegenüberliegenden Wandungen des Kanals

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und des Passkörpers 41 gebildet wird, können eine Anzahl von anderen Öffnungen einschließlich des Kanals 26 in dem Durchsatzpfad des digitalen Ventilelementes vorgesehen sein. Diese sämtlichen Öffnungen sind wesentlich größer als die Steueröffnung. Im Ergebnis ist die Durchsatzrate durch das digitale Ventilelement bestimmt durch die Querschnittsfläche der Steueröffnung, d*h. für einen gegebenen Druckabfall ist die Durchsatzrate durch das digitale Ventilelement lediglich eine Funktion der Veränderung der Querschnittsfläche der Steueröffnung, die durch die Stellschraube 40 bewirkt werden kann. Veränderungen in der Dimensionierung der anderen Öffnungen oder der Verschlußkörperanordnung 44, wie sie beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder Abnutzung bewirkt werden können, beeinflussen die Durchsatzrate durch das Digitalventilelement nicht. In diesem Sinne ist der Verschlußkörper 51 im statischen Strömungsgebiet des Durchflusses durch die Steueröffnung, da Änderungen in der Stellung des Verschlußkörpers 51 in dem geöffneten Zustand des Ventilelementes die Durchsatzrate durch die Steueröffnung nicht beeinträchtigen.

Man bemerke, daß Verunreinigungen oder Störungen, die von den Komponenten des digitalen Ventilelementes, d.h. von der Spulenanordnung 43 und der Verschlußkörperanordnung 44, herrühren können, die Steueröffnung nicht öffnen können, da diese Verunreinigungen auf der Abstromseite der Steueröffnung in den Durchsatzweg gelangen. Es stellt somit ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, daß die Steueröffnung, die sehr klein ist und leicht durch Verunreinigungen blockiert werden könnte, in der Nähe des Einlasses des Ven*- tilelementes, wie dargestellt, angeordnet ist.

Man bemerke weiter, daß der Passkörper 41 sich in einer Richtung bewegt, die quer zur Bewegungsrichtung der Verschlußkörperanordnung 44 liegt. Dies stellt einen weiteren, wesentlichen Gesichtspunkt der Erfindung dar, da danach

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die Dimensionierung und Anordnung der Komponenten erleichtert wird, wonach die Einstellung der wirksamen Durchlaßflächen, d.h. der Stellschraube 40, vom Äußeren des Moduls her möglich ist. .

Die kompakte Bauweise des Moduls ermöglicht eine beträchtliche Anpassungsfähigkeit und erleichtert den Ersatz des Moduls oder seine Reparatur. So kann der Modul sehr leicht für eine Verwendung in dem System, das in der zuerst genannten Patentanmeldung beschrieben ist, abgeändert werden. Einer der Teilblöcke 23, der ein digitales Ventilelement beherbergt, kann leicht durch einen ähnlichen Teilblock ersetzt werden, der lediglich eine einstellbare Entlüftungsöffnung aufweist, wie das in der eben genannten Patentanmeldung beschrieben ist. Weiterhin ist die Abstromkammer 21 vollständig durch den Hauptblock 19 hindurchgeführt und ein Verschlußkörper mit der Entlüftungsöffnung wird am Ende der Abstromkammer 21 angefügt (vergl. die eben erwähnte Patentanmeldung). Moduln mit mehreren digitalen Ventilelementen können leicht dadurch hergestellt werden, daß die Länge des Hauptblockes 19 vergrößert und mehrere Teilblöcke 23 vorgesehen werden. Ein Ersatz oder eine Reparatur kann in einfacher Weise dadurch ausgeführt werden, daß das Befestigungsmittel des schadhaften Ventilelementes gelöst und es durch ein neues ersetzt wird. Somit braucht der Modul nicht von seiner Stellung "On Line" in einer Prozeß-Anlage entfernt zu werden.

Die Fig.7-12 erläutern die mit der kompakten Bauweise zusammenhängenden Merkmale der Erfindung, wonach der Durchflußsteuermodul 10 als Grundkörper für den Aufbau eines komplizierten Mehrkomponenten-Fluid-Mischsystems verwendet werden kann. Fig. 7 zeigt ein typisches Gasdurchsatzsteuersystem, das zwei Produkte, Pl und P2, liefert. Pl besteht aus genau gesteuerten Mengen von sechs Medien

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(F1,F2,F3,F7,F8 und F9), während P2 aus genau gesteuerten Mengen von sechs Medien (F4 bis F9) besteht. Da F7,F8 und F9 beiden Produkten gemeinsam sind, (obgleich nicht notwendigerweise mit der gleichen Durchsatzrate für beide Produkte), zeigt das System nach Fig.7, daß diese Medien beiden Produkten gemeinsam sind, wobei das Schalten auf die einzelnen Mischungen durch EIN-AUS-Ventlle (Vl und V2) bewirkt wird. Wenn das Produkt Pl demnach gewonnen werden soll, ist Vl im Zustand EIN und V2 ist im Zustand AUS, während für die Gewinnung des Produktes P2 das Ventil Vl im Zustand AUS und das Ventil V2 im Zustand EIN steht.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung, nach der das System ohne Rohranordnung auskommt, wobei die Durchflußsteuermoduln 10 an einen Zentralblock angeschlossen sind, der Mischkammern und Verbindungsleitungen aufweist. Die neun Medien (Flbis F9) werden dem Zentralblock CB zugeführt, wobei eine Ausgangsleitung (OUT) von dem Zentralblock wegführt und die gesamte davorliegende Installation im Inneren des Zentral— blockes ausgeführt ist.

Man bemerke, daß in Fig. 8 neun gleichartige Moduln (Cl bis C9) zusammen mit einem "speziellen" Durchsatzumleitmodul (V) vorgesehen sind, der die beiden EIN-AUS-Ventile (Vl und V2 aus Fig.7) verwirklicht.

Fig. 8, 9 und 10 zeigen das Innere des Zentralblockes. Drei Kammern sind in den Zentralblock gebohrt, die als C1,2,3 Kammer, C4,5,6 Kammer und C7,8,9 Kammer bzeichnet sind. Die Kammer Cl,2,3 und die Kammer C4,5,6 sind an ihren offenen Enden verschlossen, wie das in Fig. 9 dargestellt ist. Vier Löcher sind in jede Kammer gebohrt, aus den von der Vorderseite des Zentralblockes (Fig.8). Die Löcher Cl-1, C2-1, C3-1 und Vl sind von der Vorderseite des Zentralblockes in die Cl,2,3 Kammer, die Löcher C7-1, C8-1, C9-1 und N sind in die Kammer C7,8,9 und die Löcher C4-1,C5-1,

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C6-1 und V2 sind in die Kammer C4,5,6 gebohrt.-^ . "

Verbindungsrohre, mit dichtenden O-Ringen ausgerüstet, sind in die Vorderseite des Zentralblockes eingelötet, , und zwar konzentrisch mit den Löchern, wie das Pig. IO zeigt. Diese Rohre sind mit den Abstuomkammern des jeweiligen Moduls(Cl bis C9) verbunden.

Die jeweiligen AufStromkammern der Moduln sind mit den Löchern C1-2, C2-2...C9-2 verbunden, die durch den Zentralblock von vorne nach hinten durchgebohrt sind. Wie Fig„ 10 und 11 belegen, werden die neun Medien(Fl bis F9) jeweils den Löchern Cl-2,C2-2--...C9-2 an der Rückseite des Zentralblockes zugeführt. Diese Medien sind über den Zentralblock direkt mit den Moduln verbunden. Wenn ein typischer Modul, beispielsweise Modul C7 mit dem Zentralblock verbunden ist, ist seine Aufstromkammer direkt mit dem Einlaßmedium F7 über das Loch C7-2 des Zentralblockes verbunden, während die Äbstromkammer über das Loch C7-1 des Zentralblockes mit der Kammer C7,C8,C9 verbunden ist. Der V-Modul ist so ausgelegt, daß er die EIN-AUS-Ventile Vl und V2 aus Fig.7 verwirklicht; er ist an die drei Löcher Vl,N und V2 aus Fig. 9 angeschlossen.

Fig. 12 zeigt eine mögliche Anordnung des V-Moduls. Die Mischung der gemeinsamen Komponenten F7,F8 und F9 wird mit den übrigen Komponenten, die zur Bildung der Produkte Pl und P2 benötigt werden, durch die Umleitwirkung des V^- Moduls kombiniert. Jeder der beiden Steuerblöcke(Vl und V2), der an dem V-Modul sitzt, ist ein einfaches EIN-AUS-Ventil, das zur Erzielung maximaler Durchsatzkapazität keine innere Durchsatzsteuerung, aufweist.

Wenn das Produkt Pl hergestellt werden soll, werden die in der Kammer Cl, 2", 3 vermischten Komponenten F1,F2,F3 dem V-Modul über das Loch Vl zugeführt.* Der Steuerblock Vl ist

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in seinem EIN-Zustand, während der Steuerblock V2 in dem AUS-Zustand steht. Der Durchsatz der Eingangsmischunq gelangt demnach durch das Verbindungsloch Vl, durch den offenen Steuerblock 1, durch das Verbindungsloch N in die Kammer C7,8,9. Dort wird die₍ Eingangsmischung mit den bestimmten Mengen der Komponenten F7,F8,F9 kombiniert, so daß sich das Produkt Pl ergibt, das von der Kammer C7, 8,9 abgenommen wird.

Wenn das ProduJ t P2 hergestellt werden soll, befindet sich der Steuerblock V2 mit seinem EIN-Zustand, während der Steuerblock Vl in seinem AUS-Zustand steht. Der Durchsatz der Komponenten F4,F5 und F6 gelangt demzufolge von der Kammer C4,5,6 durch das Verbindungsrohr V2, das Steuerelement V2 und das Rohr N in die Kammer C7,8,9. Die Mischung der Komponenten F4 bis F9 erzeugt dort das Produkt P2. Vom Standpunkt des Systems her gesehen, werden der V-Modul sowie die Moduln Cl bis C9 durch einen Überwachungsrechner gesteuert. Um eine richtige Mischung der Einzelkomponente sicherzustellen, können Durchflußmesser in den neun Einlaßleitungen angeordnet sein. Bei der Herstellung von Plwerden die sechs Komponenten-Durchflußraten auf den Rechner zurückqekoppelt, der daraufhin den EIN-AUS-Zustand der sechs zugehörigen Moduln (C1,C2,C3,C7,C8,C9) nachstellt, um die richtige Durchsatzrate zu erzeugen. In einigen Fällen kann der Zentralblock aus mehreren Abschnitten bestehen, die zu einer vollständigen Einheit zusammengeschraubt sind, wobei O-Dichtringe zur Verhinderung von Lackage an den Verbindungsstellen der einzelnen Abschnitte vorgesehen sein können. Die elektrischen Verbindungen von dem Rechner können weiterhin durch die nicht dargestellten Verdrahtungskanal in dem Zentralblock zu den einzelnen Moduln V und C1-C9 geführt sein. Alternativ können die elektrischen Verbindungen und die einzelnen Medium-Komponenten an dem Zentralblock vorbeigeführt sein und direkt den Moduln C1-C9 zugeführt werden.

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Insgesamt dienen die Löcher Cl-I,C2-1,...C9-1, die Löcher Cl-2,C2-2."..C9-2, sowie die Löcher Vl, N and V2 als Verbindungskanäle und die Kammer Cl,2,3 die Kammer C4,5,6 und die Kammer C7,8,9 dienen als Mischkammerh innerhalb des Zentralblocks.

Zur Eichung des Durchflußsteuermoduls 10 wird ein Eichmedium, beispielsweise Luft, der AufStromkammer 20 so zugeführt, daß der Druck in der AufStromkammer 20 konstant und so hoch ist, daß das Druckverhältnis des Druckes in der Aufstromkammer 20 zum Druck in der Abstromkammer 21 größer ist als das kritische Druckverhältnis für sämtliche Zustandskombinationen der digitalen Ventilelemente. Somit findet der Mediumdurchsatz durch die geöffneten digitalen Ventilelemente mit Schallgeschwindigkeit statt, unabhängig von dem Druckabfall zwischen der Aufstromkammer 20 und der Abstromkammer 21. Bei Luft würde der konstante Druck in der Aufstromkammer 20 mindestens das Doppelte des Druckes in der Abstromkammer 21 sein. Ein Massendurchsatzmesser wird in Reihe mit der Abstromkammer 21 angeschlossen« Jedes Ventilelement wird nacheinander geöffnet und seine Stellschraube justiert, bis die von dem Durchsatzmesser angezeigte Durchsatzrate bei einem Wert liegt, der den bewichteten Wert des Binärsignals, daß das Ventilelement betätigt, repräsentiert. Nachdem jedes Ventilelement auf diese Weise geeicht bzw. justiert ist, wird Seine Stellschraube gegenüber Drehung gesicher-t, indem seine Bohrung mit einem Kleber oder durch andere Mittel ausgefüllt wird. Vorzugsweise ist jedes Ventilelement geöffnet, während es justiert wird, und wird dann während der Justierung der anderen Ventilelemente geschlossen, so daß jeweils nur ein Ventilelement geöffnet ist.

Dem Fachmann sind mancherlei Änderungen an der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung möglich_f ohne daß dadurch vgn de^i B^fiftfiungsgedanken abgewichen wird.

Insgesamt wurde eine Einrichtung beschrieben, bei der mehrere einzeln einstellbare, bi-stabile digitale Ventiielemente eine Aufstromkammer mijb einer Abstromkammer verbinden. Jedes Ventilelement besitzt eine erste Öffnung mit einer justierbaren oder einstellbaren Querschnittsfläche, sowie eine zweite Öffnung von fester Querschnittsfläche, die wesentlich größer als diejenige der ersten Öffnung ist. Ein bi-stabiler Verschlußkörper verschließt die zweite Öffnung in einem Zustand und gibt die zweite Öffnung zum Mediumdurchsatz im anderen Zustand frei. Die Durchsatzrate durch das Ventilelement wird durch die Fläche der ersten Öffnung bestimmt, die einen zylindrischen Kanal und einen axial beweglichen, konischen Passkörper innerhalb des Kanals aufweist. Der Passkörpar ist integral an eine nach außen reichende Stellschraube angesetzt, mit der die erste Öffnungsfläche eingestellt werden kann. Die Achse des Passkörpers und der Si 211schraube liegen quer zu dem Verschlußkörper. Die erste Öffnung liegt in der Nähe des Einlasses des Ventilelementes. Die einzelnen Ventilelemente sitzen abnehmbar an einem Hauptblock, der die Aufstromkammer und die Abstromkammer beherbergt und einen Modul bildet. Ein Mehrkomponenten-Mischsystem wird, dadurch gewonnen, daß die Abstrom-Kammern und/oder AufStromkammern verschiedener Moduln an einen Zentral-Mischblock angeschlossen werden, in dem die Verbindungskanäle und die Kammern ausgebildet sind.

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Claims

Ansprüche

( 1 Jüigital-Ventilelement mit einer wahlweise betätigbaren Verschlußeinrichtung für einen Durchflußweg eines Mediums durch das Ventil, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Durchflußweg (31,26,28) eine Steueröffnung ( bei 30) mit einstellbarer Durchlaßfläche befindet, deren Größe die Durchsatzrate des Mediums durch das Ventil bestimmt; und daß die Verschlußeinrichtung (44,51) ausschließlich zwei Einstellungen besitzt, wobei die Verschlußeinrichtung in der ersten Einstellung den Durchflußweg vollständig abschließt und in der zweiten Stellung soweit freigibt, daß die Durchsatzrate nur durch die Größe der Durchlaßfläche der Steueröffnung bestimmt ist. - .

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Verschlußeinrichtung verschließbare Durchsatzöffnung vorgesehen ist, deren Querschnittsfläche wesentlich größer 1st als die Durchlaßfläche der Steueröffnung.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußeinrichtung ein Verschlußkörper (51) ist, der in der ersten Stellung die Durchsatzöffnung vollständig abschließt und in der zweiten Stellung vollständig freigibt.

4. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung von einem Kanal in dem Durchflußweg und einem axial beweglichen, abgeschrägten und in den Kanal reichenden Passkörper (30) gebildet wird, dessen Außenfläche mit der Kanalwandung eine ringförmige Durchlaßfläche bildet.

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5. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Block, der den Durchflußweg, den Verschlußkörper und den Passkörper beherbergt; sowie durch eine Stellschraube, an die der Passkörper integral angeformt ist und die vom Äußeren des Blockes her zugänglich ist.

6 Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung der Verschlußeinrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Passkörpers liegt.

7. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper und der Block aus magnetischem Material gefertigt ist; daß der Verschlußkörper durch Aktivierung einer Spule steuerbar ist.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aktivierung der Spule der Verschlußkörper in eine Stellung bewegt wird, und daß eine Rückholfeder vorgesehen ist, die den Verschlußkörper in seine andere Stellung bewegt, wenn die Spule nicht aktiviert ist

9. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußweg mindestens teilweise ein zylindrischer Kanal ist und daß der Passkörper einen geraden Konus aufweist, der koaxial zu dem zylindrischen Kanal liegt.

10. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellschraube koaxial zum Konus des Passkörpers in dem Block angeordnet ist.

11. Durchfluß-Steuersystem mit einer Mediumquelle und einem Mediumempfänger, in dem der Mediumdruck niedriger als in der Mediumquelle ist, gekennzeichnet, durch mehrere einzeln

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betätigbare, binäre Digital-Ventilelemente, die die Mediumquelle mit dem Mediumempfänger verbinden, wobei jedes Ventilelement eine Steueröffnung mit einstellbarer Durchlaßfläche sowie eine Durchsatzöffnung von fester Querschnittsfläche, die wesentlich größer als die Durchlaßfläche ist, sowie einen Durchflußweg von der Mediumquelle durch die Steueröffnung und die Durchsa-tzöff nung zu dem Mediumempfänger derart aufweist, daß die Steueröffnung auf der Aufstromseite der Durchsatzöffnung in dem Durchflußweg ist und die Steueröffnung die Durchsatzrate durch den Durchflußweg bestimmt, wobei ferner in jedem Ventilelement ein bi-stabiler Verschlußkörper ausschließlich in einer ersten Einstellung und einer zweiten Einstellung positionierbar ist, in der ersten Einstellung die Durchsatzöffnung vollständig verschließt und in der zweiten Einstellung die Durchsatzöffnung soweit freigibt, daß die Durchsatzrate des Mediums durch die Durchlaßfläche der Steueröffnung bestimmt ist.

12. Durchflußsteuermodul, insbesondere nach Anspruch 11, ^! gekennzeichnet durch einen Hauptblock mit einer Aufstromkammer und einer Abstromkammer, durch mehrere Teilblöcke_f die abnehmbar an dem Hauptblock befestigt sind und von denen jeder ein einzeln betätigbares, binäres Digitalventilelement beherbergt, das zwischen die Aufstrom- und die Abstromkammer eingeschaltet ist, sowie durch.eine von außen zugängliche Einstelleinrichtung an jedem Teilblock zur Steuerung der wirksamen Durchlaßfläche de* zugehörigen Ventilelementes.

13. Durchfluflsteuermodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilblock eine« Durchfiuflweg bildet, durch den das Medium aus der Aufstromkammer durch das Ventilelement zur Abstromkammer fließt, wobei eine kleine Öffnung in dem Durchflußweg vorgesehen ist; und daß die

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von auße η zugängliche Einstelleinrichtung eine Stellschraube aufweist, die in den Teilblock eingeschraubt ist und als integralen Bestandteil einen abgeschrägten Passkörper aufweist, der sich in die kleine Öffnung erstreckt und in dieser einen ringförmigen Raum freibeläßt, dessen Querschnittsfläche sich verändert, wenn die Stellschraube gedreht wird.

14. Durchflußsteuermodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilblock eine Abdichtbare Durchsatz -öffnung von wesentlich größerer Querschnittsfläche als der ringförmige Raum sowie einen beweglichen Verschlußkörper aufweist; daß eine Einrichtung zur Positionierung des Verschlußkörpers ausschließlich in eine von zwei Stellungen vorgesehen ist, in der der Verschlußkörper die Durchsatz-Öffnung vollständig verschließt und den Mediumfluß, unterbricht, wobei der Verschlußkörper in der anderen Stellung die Durchsatzöffnung freigibt..

15. Durchflußsteuermodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstromkammer und die Abstromkammer parallele verlängerte Kanäle sind und daß die Teilblöcke in einer Reihe parallel zu den Kammern an dem Hauptblock befestigt sind.

16· Durchflußsteuermodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptblock eine verlängerte Verdrahtungekammer, die sich im wesentlichen parallel zu den Kammern erstreckt, aufweist und einen elektrischen Anschlußtisch beherbergt; daß mehrere erste Verdrahtungsleitungen entsprechend den jeweiligen digitalen Ventilelementen sich zwischen der Verdrahtungskammer und dem entsprechenden Teilblock erstrecken; daß mehrere zweite, den jeweiligen Ventilelementen entsprechende Mediumleitungen sich zwischen der Aufstrorokammer und dem jeweiligen Teilblock erstrecken; daß mehrere dritte, den jeweiligen Ventilelemen-

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ten entsprechende Mediumleitungen sich zwischen der Abstromkammer und dem jeweiligen Teilblock erstrecken, wobei die ersten, zweiten und dritten Leitungen parallel zueinander und quer zu den Kammern angeordnet sind; und daß die Positioniereinrichtung für jeden Verschlußkörper über die Verdrahtung elektrisch betätigbar sind, wobei sich die Verdrahtung zu dem entsprechenden Teilblock aus der Verdrahtungskammer durch die entsprechende Verdrahtungsleitung erstreckt.

17. Mehrkomponenten-Medium-Mischsystem, gekennzeichnet durch einen Zentralblock mit einer oder mehreren Mischkammern und mehreren Verbindungsleitungen; durch mehrere Quellen von zu vermischenden Mediumskomponenten, die an die Leitungen in dem Zentralblock angeschlossen sind; durch mehrere digitale Durchflußsteuermoduln, deren Zahl gleich der Anzahl der Quellen ist, und von denen jeder eine mit einer der Leitungen in dem Zentralblock verbundene Aufstromkammer, eine mit einer der Mischkammern in dem Zentralblock verbundene Abstromkammer und mehrere einzeln-einstellbare bi-stabile digitale Ventilelemente aufweist, die die Aufstromkammer und die Abstromkammer verbinden; und durch einen Empfänger des vermischten Mediums, der an eine oder mehrere Mischkammern des Zentralblocte angeschlossen ist.

18· Verfahren zur Eichung eines digitalen Durchflußsteiisrmoduls mit mehreren binären digitalen Ventilelementen, die eine erste Kammer und eine zweite Kammer verbinden sowie mit einer Justiereinrichtung für die wirksamen Durchlaßflächen der₍Ventilelemente, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer an ein unter hinreichendem Druck stehendes Medium derart angeschlossen wird, daß für sämtliche Zustandskombinationen der Ventilelemente das Verhältnis des Druckes in der ersten Kammer zu dem Druck in der zweiten Kammer das kritische Druckverhältnis für das Mediu» überschreitet; daß die Durchsatzrate dee Mediums aus der ereten Kaamer indie

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zweite Kanuner gemessen wird; und daß die Ventilelemente nacheinander geöffnet und ihre jeweilige wirksame Durchlaßfläche justiert wird, während das zugehörige Ventilelement geöffnet ist, bis die gemessene Durchsatzrate einen gewünschten Wert erreicht, der der Bewichtung entspricht, die dem betreffenden Ventilelement zugeordnet ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilelemente einzeln geöffnet und geeicht werden und jedes Ventilelement nach der Justierung seiner wirksamen Durchlaßfläche geschlossen wird.

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