DE2915983C2 - Verfahren zum Erzeugen eines Gasgemisches - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Gasgemisches, insbesondere für Anlagen zum Behandeln von Werkstücken mit Hilfe von Plasmaentladungen wie Glimmentladungen, wobei die einzelnen Gase in entsprechenden Mengen über taktweise betätigte Dosierventile bei Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes in einer Mischkammer in die Mischkammer eingeführt werden, aus der das Gasgemisch einem Verbraucher zugeführt wird, wobei die Öffnungszeiten der einzelnen Dosierventile entsprechend dem prozentualen Volumenverhältnis gewählt werden, sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.

Dieses aus dem spanischen Gebrauchsmuster 2 31 608 bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung arbeiten mit einer taktweisen Betätigung der Dosierventile, wobei allerdings die Summe der Öffnungszeiten gleich der Periode einer Oszillatorschwingung ist und die einzelnen Öffnungszeiten für die einzelnen Dosierventile individuell veränderbar sind. Demnach werden aller Voraussicht nach die einzelnen Ventile zeitlich nacheinander während einer Schwingungsperiode des Oszillators geöffnet, also es wird ein Ventil erst dann geöffnet, wenn ein anderes geschlossen wird und die übrigen, gegebenenfalls noch vorhandenen Ventile geschlossen bleiben.

öffnei man aber die Dosierventile jeweils nacheinander und schließt sie entsprechend, so ergeben sich relativ große Schwankungen in der Zusammensetzung des Gasgemisches, das von dem Mischbehälter entnommen wird Nun lassen sich diese Schwankungen zwar durch eine entsprechende Verkürzung der Schwingungsdauer des Oszillators verringern, dies führt jedoch zu wesentlich höheren Anforderungen an die Dosierventile und eignet sich auch nur dann, wenn die einzelnen Komponenten des Gasgemisches im wesentlichen im gleichen Prozentsatz vorliegen sollen. Wenn aber Mischungen hergestellt werden müssen, die beispielsweise eine Gasart nur in einer Menge in der Größenordnung von 1% enthalten, so sind die Fehler bezüglich dieser einen Gasart bei sehr kurzen Schwingungsdauern eines Oszillators sehr groß und werden zudem noch durch das aufeinanderfolgende Schalten der Dosierventile vergrößert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das bekannte Verfahren der eingangs genannten Art und die nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß unabhängig von der prozentualen Zusammensetzung der Gasmischung und auch bei schwankendem Verbrauch die Zusammensetzung des Gasgemisches konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 4.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Gasmischanlage.

F i g. 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.

F i g. 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 guter Temperaturausgleich 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 V₁, V₂ oder V₃ und ein Dosierventil 4, die jeweils in Reihe geschaltet sind, zu einer Mischkammer 5, wobei die Ventile Vund 4 die eingelassene Gasmenge steuern. Die Dosierventile 4 werden nur einmal bei Jer Eichung der Gasmischanlage auf die entsprechende Gasart eingestellt. Die Erzeugung unterschiedlicher Gemische wird dann ausschließlich durch zeitlich richtige Ansteuerung der Magnetventils 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 po in der Mischkammer unterschritten wird, d. h. ρ < pn, wird durch die Steuerschaltung 6 eine langsam ansteigende Spannung 10 erzeugt. Bei Überschreiten des jsweiligen für ein bestimmtes Gas vorgesehenen Sollwertes Si, S₂, Si durch die Spannung 10 öffnen die Magnetventile V nacheinander und lassen das entsprechende Gas in die Mischkammer 5 einströmen. Nach Erreichen eines Scheitelwertes U sinkt die Spannung 10 wieder mit der gleichen Geschwindigkeit wie diejenige des Anstiegs, wobei dann bei Überschreiten der jeweiligen Sollwerte •Si, Sj, S3 die Magnetventile Vwieder schließen.

Wenn nach dem Schließen des letzien Magnetventils V₁ der Druck ρ in der Mischkammer 5 infolge hoher Gasentnahme kleiner als po bleiben sollte, beginnt ein neuer Takt bei Erreichen des untersten Sollwertes Si, so daß das hierzu gehörige Magnetventil Vi geöffnet bleibt. Andernfalls sinkt die Spannung 10 auf iiren Ausgangspegel.

Gemäß F i g. 2 lassen die Magnetventile Vi und V₂ die gleiche Gasmenge Q pro Zeiteinheit, das Magnetventil V3 jedoch eine geringere Gasmengij pro Zeiteinheit hindurchströmen. Dies ist jedoch nicht zwingend, es ist lediglich zweckmäßig, wenn die Zeitdauer des öffnens eines Magnetventils Vfür ein bestimmtes Gas, von dem relativ kleine Mengen im Vergleich ;:u einem anderen Gas in der Gasmischung benötigt werden, noch genügend groß bleibt, um die gewünschte Genauigkeit in der Einstellung des Gasgemisches zu erhalten. Aus diesem Grunde kann zur Verlangen ng der Zeitdauer des öffnens die Durchflußnienge pro Zeiteinheit durch das Magnetventil V_c verringert werden, wie es gemäß F i g. 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 Si, S2, -S₃ 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

Die in F i g. 3 dargestellte Steuerschaltung 6 besitzt einen Integrierer 20, der die Dreieckspannung 10 von F i g. 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 Vi bis K₃ dienen, ist mit Sollwert-Potentiometern 27 bis 29 zur Einstellung des gewünschten Volumenanteils der jeweiligen Gase verbunden, denen ihrerseits Steller 30 bis 32 als Korrekturglieder für die Feinkorrektur bei der Eichung vorgeschaltet sind. Der weitere Eingang des Komparator 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 Komperators 26 verbunden ist, dessen zweiter Eingang über einen Widerstand 34 mit der Spannung Uo 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 ρ < po 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 S₁, S₂, S3 der Komparatoren 22 bis 24 öffnen die einzelnen Ventile Vi, V₂, V₃. Wenn die Spannung des Integrierers LJ > U₀ wird, wird der Ausgang des Komparators 26 positiv und der Ausgang des Schmitt-Triggers 21 springt auf positives Potential. Dies bewirkt ein langsames Herunterlaufen des Integrierers 20. Die Komparatoren 22 bis 26 schalten zurück, so daß die Ventile V₁, V₂, V₃ schließen. Wenn U=O wird, und ρ weiterhin kleiner als po ist, beginnt 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 F i g. 2 dargestellte Charakteristik des Öffnens 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 N₂, H₂ gegebenenfalls mit geringem Zusatz an CH4 benötigt wird. Die Einstellbereiche können dann für N₂ und H₂ zwischen 0 und 100% und für CH4 zwischen 0 und 10% variieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen eines Gasgemisches, insbesondere für Anlagen zum Behandeln von Werkstücken mit Hilfe von Plasmaentladungen wie Glimmentladungen, wobei die einzelnen Gase in entsprechenden Mengen über taktweise betätigte Dosierventile bei Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes in einer Mischkammer in die Mischkammer eingeführt werden, aus der das Gasgemisch einem Verbraucher zugeführt wird, wobei die Öffnungszeiten der einzelnen Dosierventile entsprechend dem prozentualen Volumenverhältnis gewählt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierventile, die auf die jeweilige Gasart fest eingestellt sind, zeitlich symmetrisch während jedes Taktes zur Wirkung gebracht werden.

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. 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. 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 nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Dosierventile jeweils durch den Ausgang eines !Comparators steuerbar sind, wobei ein Eingang jedes !Comparators mit einer einstellbaren Vergleichsspannung und der andere Eingang mit einer von einem Dreiecksspannungsgenerator erzeugten Dreiecksspannung beaufschlagbar sind.

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. 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.