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Verfahren und Vorrichtung sur Herstellung von G gemischen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung sur kontinuierlichen
Herstellung von Gasgemischen, die ohne vorhergehende Eichung eine in sehr engen
Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung aufweisen.
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Dieses Verfahren besteht gemäß der Erfindung darin, das
vor
dem Einleiten der einzelnen Gemischkomponenten in eine gemeinsame Leitung die Durchflußmenge
eines jeden einzelnen Gases durch ein Rohr mit konstantem Druckabfall bestimmt,
an dessen Anfang und Ende konatante Drücke aufrechterhalten werden.
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Das erfindungagemäße Verfahren weist vorteilhafterweise eines oder
mehrere der im folgenden aufgeführten Merkmale auf: 1. Jedes einzelne Gas wird durch
ein Rohr mit konstanten Druckabfall geleitet, wobei am Einlaß eines reden Rohres
und an den miteinander verbundenen Auslässen jeweils ein konstanter Druck aufrechterhalten
wird.
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20 Die einzelnen Komponenten des Gasgemisches werden nacheinander
während vorbestimmter Zeitapannen durch dasselbe Rohr mit konstantem Druckabfall
geleitet, wobei jeweils am Einlaß des Rohres derselbe Druck und am Auslaß des Rohres
ein konstanter Druck aufrechterhalten wird, und jedes einzelne Gas n einen Nischbehäiter
geleitet wird, dem das Gasgemisch entnommen wird.
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3. Das Rohr mi tkonstantem Druckabfall wird mit einem Mischbehälter
konstanten Druckes verbunden.
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Zur Durchftflirung des erfindungsgeiäßen Verfahrens dient eine Einrichtung
alt Behältern für die einzelnen, das Gasgemisch in bestimmter Zusam mensetzung bildenden
Gase, mindestens einem Rohr mit konstantem Druckabfall, am Einlaß des Rohres angeordneten
Organen, um den Druck eines jeden Gases auf einen konstanten Wert einzuregeln, weiteren
Regelorganen am Auslaß des Rohres zur Konstanthaltung des Druckes und Vorrichtungen,
um die einzelnen Gase miteinander zu vermischen.
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Vorzugsweise weist diese Einrichtung noch eines oder mehrere der folgenden
Merkmale auf: 1. Für jedes einzelen Gas ist ein besonderes Rohr mit konstantem Druckabfall
vorgeseben, die alle mit einem Sammelbehälter verbunden sind.
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2. Die Druckregelorgane jedes einzelnen Rohres werden von einem gemeinsamen,
vorzugsweise pneumatischem Organ gesteuert.
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3. Für eine Komponente des Gasgemisches sind mindestens zwei Robre
mit konstantem Druckabfall vorgesehen, die derart miteinander verbunden sind daß
sich mehrere Werte für den
Druckabfall und somit verschiedene Konzentrationen
des Gasgemisches ergeben.
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4. Die Einrichtung weist nnr ein einziges Rohr mit konstantem Druckabfall
auf. an dessen Einlaß automatisch wirkende Umschaltvorrichtungen vorgesehen sind,
um nacheinander in dieses Rohr die einzelnen Gase einzuleiten, die den Druckregelorganen
entnommen werden, sowie einen Mischbehälter, in den das Rohr mit konstantem Druckabfall
einilindet, wobei an dem Mischbehälter Organe vorgeseh en sind, um den Druck in
dem Behälter konstant zu halten.
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5. Das Rohr mit konstantem Druckabfall wird durch ein Kapillar-Rohr
gebildet.
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6. Das Rohr mit konstantem Druckabfall weist eine Füllung mit einem
den einselnen Gaskomponenten gegenüber inerten Granulat auf.
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7. Das Rohr mit konstantem Druokabfall weist eine Füllung mit gegenüber
den einzelnen Gasen inerten gefrittetem Material auf.
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Unter "Druckabfall" soll der Strömungswiderstand verstanden
werden,
den das Rohr für den Durohfluß der einzelnen Gase bei vorgegebenen Temperatur- und
Druck-Bedingungen aufweist.
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Man: kann dieses Rohr mit einem elektrischen Widerstand vergleichen,
an dessen Enden eine konstante Spannungsdifferenz aufrechterhalten und dessen Temperatur
auf einem konstanten Wert gehalten wird. Ein solcher Widerstand wird von einem konstanten
elektrischen Strom durchflossen, wie das Rohr von einer konstanten Gasmenge druchströmt
wird. Es muß jedoch noch eine zusätzliche Bedingung eingehalten werden, da es nicht
genügt, die Druckdifferenz am Anfang und am Ende des Rohres konstant su halten;
es muß vielmehr noch dafür Sorge getragen werden, daß die Absolut-Drücke konstant
gehalten werden.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, bestimmte Einzelmengen
verschiedener Gase miteinander zu mischen, die unter sich in einem bestimmten konstanten
Mengenverhältnis zueinander stehen0 Zu diesen Zweck werden jeweils bestimmte Mengen
der einzelnen Gase, die unter sich in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen,
den einzelnen Vorratsflaschen entnommen. Dabei ist ea nicht notwendig, daß man die
einzelnen Mengen der Gaskomponenten genau kennt; es ist vielsehr nur notwendig,
daß die Mengenverhältnisse konstant gehalten werden.
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Die Herstellung eines strömenden Gasgemisches kann gemäß der Erfindung
auf zweifache Weise erfolgen. Im einen Fall wird fiir Jedes einzelne Gas ein besonderes
Rohr mit konstantem Druck vorgesehen, durch das das jeweilige Gas dauernd hindurchströmt,
worauf die Gase miteinander gemischt werden.
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Man erhält auf diese Weise einen Gasstrom, dessen Zusammensetzung
durch den Strömungswiderstand der einzelenen Rohre konstanten Druckabfalles bestimmt
wird0 Tauscht man einzelne Rohre aus oder fügt man zu einem vorhandenen Rohr ein
weiteres in Serien- oder Parallel-Schaltung hinzu, so erhält man unterschiedliche
Zusammensetzungen des Gasgemisches. Bei dem zweiten Pall strömen die einzelnen Gase
nacheinander durch dasselbe Rohr mit konstantem Druckabfall, wobei die Durchströmungszeiten
featgelegt werden. Hierbei erfolgt die Mi-Eichung erst in einem Sammelbehälter,
der dem Rohr mit konstantem Druckabfall nachgeschaltet ist und in welchem ein absoluter
konstanter Druck aufrechterhalten wird. In diesem Fall wird die Zusammensetzung
des Gasgemlxches durch das Verhältnis der einzelnen Durchströmungszeiten bestimmt.
Hierbei ist selbstverständlich notwendig, daß der Sammelbehälter ein ausreichend
großes Volumen aufweist, damit die Zusammensetzung des Gemisches sich nicht während
eines Zyklus des Einströmens der einselnen Gaskomponenten in den Sanelbehälter Wert.
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Als Rohre mit konstantem Druckabfall verwendet man vorsugeweise tapillarrohre
oder mit einem bestimmten, gegenüber den einzelnen Gaskomponenten inerten Stoff
granulierter oder gefritteter Form gefUllte Säulen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird in erster Linie dazu verwendet,
um bestinite Standard-Gasgemieche für die Eichung oder Nachprüfung von Gas analysatoren
oder auch für die Druchführung von Analysen herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren
hat hierbei den Vorteil, daß ein Standard-Gasgemisch nicht einer Vorratsflasche
entnommen werden muß, sondern daß ein bestimmtes Gasgemisch laufend unter Verwendung
von Vorratsflaschen für die einzelnen reinen Gase hergestellt werden kann, das sich
nicht ändert, wenn die eine oder andere der Vorratstlaschen gewechselt wird. Auch
gibt das erfindungegemäße Verfahren die Möglichkeit, die einzelnen Gasgemische nach
Maßgabe der nachzuprüfenden bzw. zu eichenden Analysenvorrichtungen zu andern und
so diesen Vorrichtungen anzupassen. Desweiteren wird auf diese Weise eine Entmischung
eines Gasgemisches vermieden, die häufig infolge der sehr verschiedenen spezifischen
Gewichte der einzelnen Gaskomponenten sich einstellt. DarUberhinaus dient die Vorrichtung
auch dazu, geeichte, mit einem Gasgemisch gefüllte Normflaschen auch unter erhöhtem
Druck, beispielsweise 100 bis 1 50 bar zu füllen.
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Hierzu verwendet man für die einzelnen Gaskomponenten Druck flaschen
mit einem Druck von beispielsweise 400 bar und läßt die einzelnen Gase durch die
Rohre mit konstantem Druckabfall in einen Sammelbehälter strömen, in welchem ein
konetanter Druck von beispielsweise 150 bis 200 bar aufrechterhalten wird.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungogesäßen Vorrichtung
in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung, mit welcher
die Rohre mit konstantem Druckabfall geeicht werden; Fig 2 eine mit der in Fig,
1 dargestellten Vorrichtung erhaltene Eichkurve; Fig. 3 eine Anordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 4 eine Anordnung, mittels der Gasgemische
verschiedener Zusammensetzung hergestellt werden können; Fig. 5 eine weitere Anordntrng
zur Durchfürhung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Eine beispielsweise
Wasserstoff enthaltende Druckflasche 1 mit einem Entepannungemanome ter 2 ist über
eine Leitung 3 an einen Druckregler 4 angeschlossen. Dieser an sich bekannte, eine
pneumatisch betätigte Membran aufweisende Druckregler 4 wird mittels Druckluft gesteuert.
Er regelt den absoluten Gasdruck am Einlaß eines aus Kupfer bestehenden Bapillarrohres
5, das einen inneren Durchmesser von ö, 6 mm aufweist und mittels eines nichtdargestellten
Thermostaten auf konstanter Temperatur gehalten wird. Ein zweiter, in seinem Aufbau
dem Regler 4 entsprechender Druckregler 6 regelt den Gasdruck am Auslaß des Kapillarrohres
5. Die beiden Druckregler 4 und 6 werden von demselben Druckluft-Organ gesteuert,
damit sich etwaige Schwankungen des Steuerdruckes in gleicher Weise am Einlaß und
Auslaß des Kapillarrohres auswirken. Der Druck am Auslaß des Rohres wird auf einem
konstanten Wert gehalten, der etwas oberhalb des atmosphärischen Druckes liegt und
etwa 800 mm Hg beträgt. Da das Volumen des Kapillarrohres 5 nur sehr klein ist,
schließt man die Regler 4 und 6 derart an, daß ihre Meßkammern unmittelbar mit der
Kapillare verbunden sind, so daß an den beiden Enden der Kapillare ein bestimmtes
Reserve-Gasvolumen aufrechterhalten wird. Auf diese Weise wird die Druckregulierung
erleichtert und ein gleichmäßiger Durchfluß erzielt. Wenn die verwendeten
Regler
selbst kein genügend großes Volumen aufweisenh, um eine stabile Strömung zu erzielen,
so können zwischen den Enden der Kapillare und den Reglern zusätzliche Kammern mit
genügend großem Volumen angeordnet werden. Hierfür reichen Kammern mit einem Volumen
von engen Kubikzentimetern aus.
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Mittels eines Dreiwegehahnes 7 kann man das vom Regler 6 kommende
Gas entweder in die freie Atmosphäre oder in einen thermostatisch gesteuerten Behälter
8 einleiten, in welchem mittels einer Pumpe 9 Vakuum aufrechterhalten wird. Der
in dem Behälter 8 herrschende Druck wird mittels eines Quecksilber-Manometers 10
angezeigt. Mittels eine. Ventiles 11 kann die von dem Behälter 8 sur Pumpe 9 führende
Leitung abgesperrt werden. Alle Druckanzeigen erfolgen in absoluten Druck-Einheiten
gegenüber Vakuum gemessen. Für Messungen von kurzer Dauer kann man auch mit Relativ-Drucken,
ausgehend von Atmosphären-Druck, arbeitens Es ist dann dafür Sorge su tragen, daß
dieser Druck sich während einer Messung nicht merklich verändert.
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Der Gebrauch der Einrichtung ist folgender: Mittels des Ents pannungsventiles
2 wird das der Flasche 1 entnommene Gas auf einen Druck reduziert, der wenig oberhalb
des mittels des Druckreglers 4 eingestellten Druckes liegt Am Ausgang der Kapillare
5 weise das Gas einen durch den Regler 6 einem
stellten Druck von
beispielsweise 800 mm Hg auf. Im Behälter 8 wird mittels der Pumpe 9 ein Druck von
130 mm Hg auirechterhalten. Daraufhin wird die Pumpe 9 mittels des Ventiles 11 von
dem Behälter 8 abgeschaltet. Mittels des Dreiwegehahnes 7 wird das von dem Regler
6 ankommende Gas zuerst in die freie Atmosphäre geleitet, um de Leitungen von Verunreinigungen
freizuspülen. Hierauf wird die Zeit bestimmt, die notwendig ist, um den Druck in
dem Behälter 8 auf 630 mm Hg ansteigen zu lassen. Nunmehr enthält der Behälter 8
ein bestimmtes Gasvolumen V. Die entsprechende durch die Kapillare geflossene Gasmenge
ist: Q = V/t Dieser Vorgang wird mit mehreren Gasen wiederholt, wobei sich unterschiedliche
Zeiten t, t', t'' usw. ergeben. Die entsprechenden Gasmengen sind Q' = V/t, bzw.
Q'' = V/t'' usw.
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Läßt man diese Gasmengen nacheinander in einen Behälter ein strömen,
so erhält man ein Gasgemisch, dessen Zusammensetzung bekannt ist. Für ein aus H2
und C02 bestehendes Gasgemiseh,
bei dem die Gasmenge von H2 mit
Q und diejenige von 002 mit Q' bezeichnet wird, ergibt sich der Prozentgehalt von
H2 zu V 100 Q 100 @/t 100 t' = = Q+Q' V/t + V/t, t + t' 100 Q' 100 t und CO2 zu
= Q + Q' t + t' Ganz allgemein ergibt sich der Prozentgehalt eines Gases i bei insgesamt
n Einzelgasen zu % (i) = Diese Methode erlaubt es, auf einfache Weise Gasgemische
mit einer im voraus bestimmten Zusammensetzung herzustellen. Zu diesem Zweck ändert
man den Druck am Einlaß der Kapillare 5 mittels des Reglers 4 und zeichnet für jedes
einzelne Gas in Abhängigkeit von dem am Einlaß der Kapillare herrschenden Druck
die Zeiten auf, die notwndig sind, um den Behälter 8 von 130 mm Hg auf 630 mm Hg
zu füllen. Zwei solcher Kurven sind in Fig. 2 dargestellt. Innerhalb geringer Druckbereiche
können die ao erhaltenen Kurven als geradlinig aufgefaßt werden, wenn auch ihr Verlauf
im ganzen gekrümmt ist. Die Kurve
A könnte Stickstoff und die Kurve
B Kohlensäureanhydrid entsprechen. Man sieht hieraue, daß es möglich ißt, Gasgemische
beliebiger Zusammensetzung zu erhalten, wenn man den Druck am Regler 4 ändert und
die übrigen Parameter konstant läßt. Dieses Verfahren läßt sich leicht den verschiedensten
Bedingungen anpassen und erlaubt eine Vielsahl von Kombinationen mit einer beliebigen
Zahl von Gaskomponenten.
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Es soll beispielsweise die Aufgabe gestellt sein, ein Gasgemisch herzustellen,
das 38,2 Volumenprozent N2 und 61,8 Volumenprozent C02 enthält. Man wählt für eines
der beiden Gase, beispielsweise CO2, eine Füllzeit von beispielsweise t'=400 Sekunden,
was einem Druck am Einlaß der Kapillare von 1 462 mm Hg entspricht. (Fig. 2, Kurve
B). Wendet man hierauf die obige Formel an 100 t % @2 % CO2 = oder = t'/t t+t' %
CO2 so erhält man t = 647 Sekunden.
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Diesem Wert entspricht nach der Kurve A der Fig. 2 für Stickstoff
ein Wert für den Druck am Einlaß der Kapillare
Verwendet man mehrere
Kapillaren, so erhält man für jede Kapillare und das betreffende Gas Kurven, wie
sie den Kurven A und B entsprechen. Die einzige Größe, die bei allen diesen Eichungen
konstant bleiben muß, ist das Volumen des Behälters 8 und der Druckanstieg in diesem
Behälter, wie beispielsweise im vorhergehenden Beispiel von 130 auf 630 mm Hg.
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Die Fig. 2 zeigt lediglich Ausschnitte solcher Kurven für bestimmte
Zeit@Bereiche.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur kontinuierlichen
Herstellung eines Gasgemisches mit zwei Komponenten. An zwei Druckflaschen ia und
1b sind Entspannungsventile 2a und 2b vorgesehen, an die Druckregler 4a und 4b angeschlossen
sind, an die sich zwei Kupferkapillaren 5a und 5b anschließen, an deren Enden Druckregler
6a und 6b vorgesehen sind. Diese Organe entsprechen denjenigen in Fig.
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1. Die den Kapillaren 5a und 5b entströmenden Gase werden mittels
Leitungen 12 und 13 in eine gemeinsame Leitung 14 eingeleitet. Die Zusammensetzung
des Gasgemisches in der
Leitung 14 kann beliebig eingestellt werden,
indem nach einer vorhergehenden Eichung der Kapillaren Sa und Sb die entsprechenden
Drücke an den Reglern 4a und 4b eingeatellt wurden, wie es im Vorstehenden ausgeführt
wurde. Die Einrichtung als Ganzes wird in einem Raum konstanter Temperatur untergebracht,
sofern eine große Genauigkeit bzw. eine große Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung
des Gasgemisches gefordert wird.
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Bei einer Abwandlung dieser Einrichtung kann man einen der beiden
Ausgangsregler, beispielsweise den Regler 6b, weglassen. Die beiden Kapillaren 5a
und 5b münden hierbei direkt in einen kleinen Zwischenbehälter, in welchem ein konstanter
Druck von beispielsweise 800 mm Hg mittels des Reglers 6a aufrechterhalten wird.
der hinter diesem Zwischenbehälter angeordnet wird. Diese Abwandlung ergibt eine
bessere Durchmischung des Gasgemisches.
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Eine Einrichtung dieser Art ist in einem Ausführungsbeispiel in Fig.
4 dargestellt. Mittels dieser Einrichtung können 2-Komponenten-Gasgemische in verschiedenen
Zusammensetzungen hergestellt werden. In einer der beiden Leitungen sind drei zusätzliche
Kapillaren 16a, 16b und 6c angeordnet,
die mittels der Ventile
17 und 18 in die Leitung eingeschaltet werden können. Weisen die drei Kapillaren
16a, 16b und 16c umterschiedliche Druckverluste auf, so kann man, indem man sie
einseln oder in Kombination in die Leitung einschaltet, insgesamt sieben verschiedene
Gaszusammensetzungen erhalten. Di*-ee Zahl kann beliebig erhöht werden, wenn man
beispielsweise auch in der Leitung des anderen Gases zusätzliche Kapillaren vorsieht.
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Die beiden Hauptkapillaren 5a und 5b itinden direkt in einen Zwischenbehälter
15 mit konstantem Druck, der eine gleichmäßige Durchmischung als Gasgemisches begünstigt.
Hinter diesem Zwischenbehälter ist der Druckregler 6 angeordnet.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein einziges Rohr 5 mit konstantem
Druckabfall verwendet, an dessen Einlcrß abwechsder beiden lungsweise die eine oder
andere von zwei Druckflaschen ausgehenden Leitungen angeschlossen wird . In diesen
Leitungen wird der Druck mittels der Regler 4a -und 4b eingestollt, die beide von
dem Organ 19 gesteuert werden. Ein elektrisch mittels des Steuergerätes 21 zu betätigendes
Dreiwege-Ventil verbindet wechselweise den Einlaß der Kapillare 5 mit den von den
Reglern 4a und 4b ausgehenden Leitungen und zwar in
nerbalb regelbarer
Zeiten. Mit einer entsprechendenabgewandelten Einrichtung können auch Gasgemische
mit mehr ale zwei Komponenten hergestellt werden. Um den Bereich der prozentualen
Zusammensetzung des Gasgemisches noch zu vergrößern, können für die einzelnen Gaskomponenten
unter schiedliche Bingangsdrucke eingestellt werden.
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Der Druekregler 6 befindet sich wiederum hinter der lapillare 5. Die
einzelnen Gase durchströmen die Kapillare 5 während festgelegter Zeiten und strömen
in den Zwischenbehälter 22, dessen Volumen groß genug ist, um zu verhindern, daß
sich die Zusanmensetzung des Gasgemisches während eines Zyklus wesentlich verändert.
Die Lage des Reglers 6 und des Behälters 22 kann auch vertauscht werden.
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Geht man nun von den einzelnen, für die Jeweiligen Gase bestimmten
Eichkurven aus und wZblt man für jedes Gas eine bestimmte Strömungszeit, so kann
man Gasgemische in bellebiger Zusammensetzung erhalten. Man geht beispielsweise
davon aus, daß abwechslungsweise Stickstoff während einer Zeitdauer von 5 Sekunden
und Kohlensäureanhydrid während einer Zeit von 3 Sekunden durch die Kapillare strömt
und daß die Eichkurven unter den betrachteten Bedingungen des Druckes und der Temperatur
zeigen,daß
t' (CO2) t (N2) = 1,15 woraus sich ein Verhältnis der
Strömungsmengen ergibt zu Q1 (N2) = 1.15 Q2 (CO2) Werden die Strömungszeiten von
N2 und C02 während eines vollständigen Zyklus mit T1 bzw. T2 bezeichnet, so ergeben
sich für die Durchflußmengen für N2 und C02 die Werte T1 x Q1 und T2 x Q2. Hieraus
errechnen sich die Anteile T1Q1 T2 % H2 = 100 = 100 T1Q1+T2Q2 1,15 T1 + T2 T2Q2
T2 % CO2 = 100 = 100 T1Q1+T2Q2 1,15 T, + T2 Unter Zugrundelgung der Werte von 5
und 5 Sekunden ergibt sich somit 1,15 x 5 %N2 = 100 = 65,71 % (1,15 x 5) + 3 3 %CO2
= 100 =34,29 % (1,15 x 5) + 3
Man sieht hieraus, daß es möglich
ist, jedes beliebige Verhältnis der beiden Gaskomponenten einzustellen, indem man
die Strömungszeiten oder die Eingangsdrucke entsprechend festlegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise nur
Herstellung von Standard-Gasgemischen unter Verwendung von einzelnen Druckflaschen
entnommenen reiner Gagen, für die Eichung und periodische Nachprüfung von Gasanalyse-Geräten,
wie sie in der Industrie Verwendung finden. Man erspart sich hierdurch die Verwendung
spezieller Behälter mit Gasgemischen der verschiedensten Gase und der verschiedensten
prozentualen Zusammensetzung, die außerdem bei unterschiedlichen Lieferungen auch
noch unter sich abweichen können.