DE2915983A1 - Verfahren und vorrichtung zum mischen von gasen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum mischen von gasen

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Description

Klöckner Ionon GmbH, Mainzer Str. 71, 5 Köln 1
Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Gasen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von Gasen, insbesondere für Anlagen zum Behandeln von Werkstücken mit Hilfe von Plasmaentladungen wie Glimmentladungen, wobei die Gase in entsprechenden Mengen über Dosierventile bei Unterschreiten eines vorgegebenen Drucks in einer Mischkammer in die Mischkammer eingeführt werden, aus der das Gasgemisch einem Verbraucher zugeführt wird.
Gasmischanlagen für kleine Gasmengen, wie sie für Anlagen zum Behandeln von Werkstücken mittels Glimmentladungen notwendig sind, lassen sich leicht mit Hilfe von Durchflußmessern und Nadelventilen oder Durchflußreglern aufbauen. Problematisch ist hierbei jedoch die erreichbare Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Mischungsverhältnisses, die gering sind. Bei unterschiedlicher Gasentnahme bleibt das Mischungsverhältnis nicht konstant. Außerdem muß jede Gemischänderung vorher bei betriebsmäßigem Durchfluß von Hand nach der Anzeige des jeweiligen Durchflußmessers eingestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine Gasmischung mit möglichst genauer und reproduzierbarer Zusammensetzung herzustellen, wobei ohne weiteres eine Änderung der Gaszusammensetzung im Laufe der Behandlung oder von einer Behandlung zur anderen vorgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Dosierventile, die auf die jeweilige Gasart fest eingestellt sind, zeitlich symmetrisch und taktweise geöffnet bzw. geschlossen werden und die Öffnungszeiten der einzelnen Dosierventile entsprechend dem prozentualen Volumenverhältnis gewählt werden, wobei mindestens ein Takt ausgeführt wird.
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Hierdurch läßt sich eine stufenlose Einstellung der Gaszusammensetzung und gegebenenfalls eine Programmierung erzielen, wobei durch das zeitlich symmetrische und taktweise öffnen und Schließen eine sehr große Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bezüglich der Gaszusammensetzung erhalten wird, die viel besser ist, als es durch aufeinanderfolgendes öffnen der Dosierventile erreichbar ist. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Mischkammer so groß ist, daß der Druckanstieg in dieser proportional zur eingelassenen Gasmenge ist.
Zweckmäßigerweise wird eine Dreiecksspannung erzeugt, die bei Erreichen eines einstellbaren Spannungssollwertes für jedes einzelne Gas die Ansteuerung der Dosierventile zum öffnen bzw. zum Schließen auslöst. Die Dreiecksspannung kann hierbei auch digital in Form von kleinen Stufen vorgegeben werden.
Zweckmäßigerweise werden die Dosierventile geeicht, indem die Zeit zum Erreichen einer vorbestimmten Druckdifferenz durch Einfüllen eines Gases in die Mischkammer für alle Dosierventile bestimmt, mit einer vorgegebenen Zeit verglichen und bei Abweichen außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches die Dosierventile selbst nachgestellt werden, während die Feineinstellung durch Veränderung eines Korrekturgliedes der elektronischen Ansteuerung für die Dosierventile vorgenommen wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Gasmischanlage.
Fig. 2 zeigt das Prinzip der Gasdosierung in Form eines Diagramms, wobei im oberen Teil des Diagramms die Dreiecksspannung zum öffnen der Ventile gegenüber der Zeit und im unteren Teil die Gasdurchflußmenge und die Öffnungszeiten der einzelnen Ventile entsprechend der Dreiecksspannung aufgetragen sind,
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Klöckner Ionon GmbH Akts 1885
Fig. 3 zeigt schematisch das Schaltbild der elektronischen Ansteuerung für die Dosierventile.
Bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Gasmischanlage werden die zu mischenden Gase, die beispielsweise Gasflaschen entnommen werden, zweckmäßigerweise jeweils durch ein Kupferrohr geführt, wobei die Kupferrohre miteinander verlötet sind. Hierdurch ergibt sich ein guterTemperaturausgleich zwischen den Gasen. Dahintergeschaltete Druckminderer 1 bringen das jeweilige Gas auf einen konstanten Überdruck, z.B. 2 bar. Da die Konstanz dieses Druckes für die einwandfreie Funktion der Gasmischanlage von großer Bedeutung ist, wird dieser Druckwert für jedes Gas zweckmäßigerweise an einem nicht dargestellten Manometer angezeigt. Nachfolgend können Druckschalter in jeder Zuleitung 2 vorgesehen sein, die zur Überwachung des Vordruckes dienen und bei leerer Gasflasche die Gasmischanlage abschalten und eine Störmeldung auslösen..
Die Zuleitungen 2 führen jeweils über ein Magnetventil V., V oder V- und ein Dosierventil 4, diejgweils in Reihe geschaltet sind, zu einer Mischkammer 5, wobei die Ventile V und 4 die eingelassene Gasmenge steuern. Die Dosierventile 4 werden nur einmal bei der Eichung der Gasmischanlage auf die entsprechende Gasart eingestellt. Die Erzeugung unterschiedlicher Gemische wird dann ausschließlich durch zeitlich richtige Ansteuerung der Magnetventile V über eine elektronische Steuerschaltung 6 vorgenommen, die von einem Druckwächter 7, der mit der Mischkammer 5 verbunden ist, angesteuert wird.
Sobald ein vorbestimmter Druck ρ in der Mischkammer unterschritten wird, d.h. ρς ρ , wird durch die Steuerschaltung B eine langsam ansteigende Spannung 10 erzeugt. Bei Überschreiten des jeweiligen für ein bestimmtes Gas vorgesehenen Sollwertes S^, S2, S„ durch die Spannung 10 öffnen die Magnetventile V nacheinander und lassen das entsprechende Gas in die Mischkammer 5 einströmen. Nach Erreichen eines Scheitelwertes 11 sinkt die Spannung 10 wieder mit der gleichen Geschwindigkeit wie diejenige des Anstiegs, wobei dann bei Überschreiten der ^e/llee^i ioi/iv eri-e S^ s t s die Magnetven-
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tile V wieder schließen.
Wenn nach dem Schließen des letzten Magnetventils V1 der Druck ρ in der Mischkammer 5 infolge hoher Gasentnahme kleiner als p0 bleiben sollte, beginnt ein neuer Takt bei Erreichen des untersten Sollwertes S,., so daß das hierzu gehörige Magnetventil V1 geöffnet bleibt. Andernfalls sinkt die Spannung 10 auf ihren Ausgangspegel.
Gemäß Fig. 2 lassen die Magnetventile V1 und V2 die gleiche Gasmenge Q pro Zeiteinheit, das Magnetventil Vg jedoch eine geringere Gasmenge pro Zeiteinheit hindurchströmen. Dies ist jedoch nicht zwingend, es ist lediglich zweckmäßig, wenn die Zeitdauer des öffnens eines Magnetventiles V für ein bestimmtes Gas, von dem relativ kleine Mengen in Vergleich zu einem anderen Gas in der Gasmischung benötigt werden, noch genügend groß bleibt, um die gewünschte Genaugikeit in der Einstellung des Gasgemisches zu erhalten. Aus diesem Grunde kann zur Verlängerung der Zeitdauer des öffnens die Durchflußmenge pro Zeiteinheit durch das Magnetventil V ver-
ringert werden, wie es gemäß Fig. 2 vorgesehen ist.
Durch die zeitlich symmetrische Taktsteuerung wird praktisch unabhängig vom ansteigenden Druck in der Mischkammer 5 ein minimaler Mischungsfehler erreicht.
Die Einstellung der Sollwerte S1., S9, S- ist vorzugsweise digital in % etwa mit einer Auflösung von 0,1% oder 0,01% je nach Gasart vornehmbar, während die Zeiträume des öffnens der Magnetventile V. in der Größenordnung von see liegen kann.
Die Gasmischung der Mischkammer 5 kann dieser über eine Abführleitung 8, die ein Ventil 9 aufweist, entnommen werden.
Die Mischkammer 5 muß so groß sein, daß eine Pufferwirkung eintritt, damit praktisch immer das zeitliche Mittel wesentlich ist.
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Klockner Ionon GmbH
Die in Fig. 3 dargestellte Steuerschaltung 6 besitzt einen Integrierer 20, der die Dreieckspannung 10 von Fig. 2 liefert. Sein Eingang ist mit dem Ausgang eines Schmitt-Triggers 21 verbunden, während sein Ausgang mit jeweils einem Eingang von Komparatoren 22 bis 26, etwa Operationsverstärker, verbunden ist. Der jeweils weitere Eingang der Komparatoren 22 bis 24, deren jeweilige Ausgänge zur Steuerung der Magnetventile V. bis V3 dienen, ist mit Sollwert-Potentiometern 27 bis 29 zur Einstellung des gewünschten Volumenanteils der jeweiligen Gase verbunden, denen ihrerseits Steller 30 bis als Korrekturglieder für die Feinkorrektur bei der Eichung vorgeschlatet sind. Der weitere Eingang des Komparators 25 ist geerdet und sein Ausgang über den Druckschalter 33 des Druckwächters 7 mit seinem ersten Eingang a des Schmitt-Triggers 21 verbunden, dessen zweiter Eingang b mit dem Ausgang des Komparators 26 verbunden ist, dessen zweiter Eingang über einen Widerstand 34 mit der Spannung U positiv vorgespannt ist..
Der Ausgang des Integrierers 20 ist normalerweise negativ bei etwa 2 bis 3 V begrenzt. Die Komparatoren 22 bis 26 haben dann am Ausgang negatives Potential. Sobald p<. pQ ist, ist der Druckschalter 33 geschlossen und an dem Eingang a des Schmitt-Triggers 21 liegt eine negative Spannung. Der Schmitt-Trigger 21 springt deshalb auf negative Ausgangsspannung, die dann am Eingang des Integrierers 20 anliegt, dessen Ausgangsspannung langsam in positiver Richtung steigt. Bei überschreiten der Sollwerte S., S2» Sg der Komparatoren 22 bis 24 öffnen die einzelnen Ventile V^, V-, V3. Wenn die Spannung des Integrierers LJ > U wird, wird der Ausgang des Komparators 26 positiv und der Ausgang des Schmitt-Triggers springt auf positives Potential. Dies bewirkt ein langsames Herunterlaufen des Integrierers 20. Die Komparatoren 22 bis schalten zurück, so daß die Ventile V,, V~> V3 schließen. Wenn U=O wird, und ρ weiterhin kleiner alsp ist, beginnt
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sofort ein neuer Takt. Ist der Druckschalter 33 aber geöffnet, wird der Schmitt-Trigger 21 nicht umgesetzt und der Integrierer 20 läuft in die negative Begrenzung.
Die in Fig. 2 dargestellte Charakteristik des öffnen und des Durchflusses der Dosierventile ist insbesondere für Anlagen zum Nitrierhärten von Werkstücken durch Gas- und insbesondere anomale Glimmentladungen geeignet, da dort ein Gemisch von Nj* H-? gegebenenfalls mit geringem Zusatz an CH« benötigt wird, Die Einstellbereiche können dann für N^ und H-, zwischen 0 und 100% und für CH, zwischen 0 und 10% variieren.
Ansprüche
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Claims (6)

  1. Klöokner Ionon GmbH Akte 1885
    Ansprüche
    I). Verfahren zum Mischen von Gasen, insbesondere für Anlagen zum Behandeln von Werkstücken mit Hilfe von Plasmaentladungen wie Glimmentladungen, wobei die Gase in entsprechenden Mengen über Dosierventile bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks in einer Mischkammer in die Mischkammer eingeführt werden, aus der das Gasgemisch einem Verbraucher zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierventile, die auf die jeweilige Gasart fest eingestellt sind, zeitlich symmetrisch und taktweise geöffnet bzw. geschlossen werden und die Öffnungszeiten der einzelnen Dosierventile entsprechend dem prozentualen Volumenverhältnis·gewählt werden, wobei mindestens ein Takt ausgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dreiecksspannung erzeugt wird, die bei Erreichen eines einstellbaren Spannungssollwertes für jedes einzelne Gas die Ansteuerung der Dosierventile zum öffnen bzw. zum Schließen auslöst.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierventile geeicht werden, indem die Zeit zum Erreichen einer vorbestimmten Druckdifferenz durch Einfüllen eines Gases in die Mischkammer für alle Dosierventile bestimmt, mit einer vorgegebenen Zeit verglichen und bei Abweichen außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches die Dosierventile selbst nachgestellt werden, während die Feineinstellung durch Veränderung eines Korrekturgliedes der elektronischen Ansteuerung für die Dosierventile vorgenommen wird.
  4. 4. Vorrichtung zum Mischen von Gasen, wobei die Gase in entsprechenden Mengen über Dosierventile bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks in einer Mischkammer in die Mischkammer einführbar sind, aus der das Gasgemisch einem Verbraucher zuführbar ist, zur Durchführung des Verfahrens
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    ORIGINAL INSPECTED
    Klöckner Ionon GmbH Akte 1885
    nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Dosierventile jeweils durch den Ausgang eines Komparators steuerbar sind, wobei ein Eingang jedes Komparators mit einer, einstellbaren Vergleichsspannung und der andere Eingang mit einer von einem Dreiecksspannungsgenerator erzeugten Dreiecksspannung beaufschlagbar sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreiecksspannungsgenerator ein Integrierer ist, dessen Eingang mit dem Ausgang eines Schmitt-Triggers verbunden ist, dessen Eingänge durch Betätigung eines Druckschalters für die Mischkammer und durch das Erreichen einer vorgesehenen Maximalspannung für die Dreiecksspannung beaufschlagbar sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Steller als Korrekturglieder für die Feinkorrektur für die Einstellung der Steuerspannung für die Komparatoren, die den Dosierventilen vorgeschaltet sind, vorgesehen sind.
    030GU/0291
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