DE3227242C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontrollierten
Mischen zweier Gase mit einer Verteilereinrichtung, die einen
ersten Eingang zur Zuführung des einen Gases und einen zweiten
Eingang zur Zuführung des anderen Gases aufweist, wobei die
Eingänge jeweils an Speisequellen für die Gase angeschlossen
sind, mit einer Mehrzahl identisch ausgebildeter kapillarer
Rohre, wobei die Verteilereinrichtung den ersten Eingang mit
einer ausgewählten ersten Gruppe von Rohren und gleichzeitig
den zweiten Eingang mit der verbleibenden Gruppe von Rohren
verbindet und die Strömung der Gase in die Rohre ermöglicht,
mit einer den Rohren nachgeordneten Mischkammer zur
Aufnahme des Gases aus den Rohren und mit einer an die Mischkammer
angeschlossenen Auslaßleitung für das Gasgemisch, wobei
der Anteil eines Gases in dem Gasgemisch dem Anteil der von
dem betreffenden Gas durchströmten Rohre an der Gesamtzahl der
Rohre entspricht.
Eine Vorrichtung mit diesen Merkmalen ist durch die DE-OS
25 49 617 bekannt. Es handelt sich um ein Gasmischventil, das
vorzugsweise für medizinische Zwecke bestimmt ist und dessen
Aufgabe darin besteht, zwei mit gleichem Druck zugeführte Gase
in innerhalb gewisser Grenzen wählbaren Proportionen zu dosieren
und zu mischen. Ensprechend dem medizinischen Einsatzweck
muß gleichzeitig mit unbedingter Sicherheit verhindert
werden, daß das eine der beiden zugeführten Gase in den Einlaß
für das andere Gas eindringen kann. In bezug auf das
Mischungsverhältnis der beiden zugeführten Gase arbeitet
dieses bekannte Gasmischventil vergleichsweise wenig präzise
und eignet sich deshalb nicht zur Kalibrierung von Gasanalysatoren.
Zur Zubereitung von Gasmischungen zur Kalibrierung von Gasanalysatoren,
insbesondere für die Analyse der Abgase von
Brennkraftmaschinen, bedarf es einer Mischvorrichtung hoher
Präzision. Zur Gewinnung der Eichkurve des Gasanalysators
müssen seinem Eingang nämlich nacheinander Proben von Gasmischungen
bekannter Zusammensetzung zugeführt werden, die
durch Mischungen einen ersten, im folgenden als "Nullgas"
bezeichneten Gases und eines zweiten im folgenden als "Spanngas"
bezeichneten Gases gewonnen werden. Während sich der
Nullpunkt der Eichkurve des Gasanalysators dadurch bestimmen
läßt, daß man ihm nur das Nullgas zuführt, werden die Zwischenpunkte
und der Endpunkt der Eichskala durch die Einspeisung
von Mischungen bestimmt, in denen das Nullgas und das
Spanngas in bekannten und wachsenden Proportionen beteiligt
sind.
Durch die DE-OS 24 27 749 ist eine Einrichtung zur Bildung von
Gasgemischströmen bekannt, die im Gegensatz zu dem erwähnten
Gasmischventil zwar außerordentlich präzise arbeitet, jedoch
aufgrund seiner speziellen Ausbildung und seiner Wirkungsweise,
die die Anwendung von Tauchrohren mit Abperltauchungen und
definiert einzustellender Tauchtiefe zur Voraussetzung hat,
äußerst empfindlich ist, so daß sie sich allenfalls als Laborinstrument,
hingegen nicht für den relativ rauhen Einsatz in
industrieller Umgebung oder in Werkstätten eignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß sie einerseits hohe
Genauigkeit besitzt und sich deshalb zum Beispiel für die Kalibrierung
von Gasanalysatoren eignet, und andererseits hinreichend
robust ist, um auch unter vergleichsweise harten
Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten zu können. Außerdem
soll die Handhabung möglichst einfach sein.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jedem der Eingänge der
Verteilereinrichtung ein Druckregler zugeordnet ist, daß zwischen
jedem Druckregler und der jeweiligen Gruppe von Rohren
eine Entlüftungsleitung vorgesehen ist, die eine Drosselstelle
aufweist und durch die Gas der entsprechenden Speisequelle
nach außen ableitbar ist, und daß der Auslaßleitung ein Durchflußmesser
zugeordnet ist, durch den der Gasabfluß durch eine
der Entlüftungsleitungen regulierbar ist.
Die Entlüftungsleitungen mit ihren Drosselstellen sorgen dafür,
daß die den Eingängen zugeordneten Druckregler ständig in ihrem
dynamischen Betriebszustand gehalten werden und verhindern
damit, daß der Gasdurchsatz sich während des Betriebs ändert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen, auf die hiermit verwiesen
wird.
Im folgenden sei das der Vorrichtung gemäß der Erfindung
zugrundeliegende physikalische Prinzip kurz erläutert:
Zwei Gase, die nicht miteinander reagieren, z. B. ein Nullgas Z
in reinem Zustand, und ein Spanngas S, das mit einer Konzentration
C s in dem Nullgas Z enthalten ist, ergeben die
dynamische Konzentration C₀, wenn sie sich mit Durchsatzraten
Q z bzw. Q s miteinander vermischen:
C₀ = C s · Q s /(Q s + Q z ). (I)
Die Durchsatzrate q durch eine kapillare Röhre läßt sich durch
eine Funktion folgender Art ausdrücken:
q = f (P, L, S, µ), (II)
worin bedeuten:
Δ P= Druckabfall zwischen den Enden der RöhreL= Länge der RöhreS= Querschnitt der Röhre
µ= Viskosität des durch die Röhre strömenden
Gases, (µ = µ (T))
l= l (T)
T= Temperatur des Gases.
Für ein und dieselbe Kapillare hängen die Durchsatzraten
für unterschiedliche Gase, z. B. für das Nullgas Z und das
Spanngas S bei gleicher Druckdifferenz Δ P ausschließlich
von der Viskosität ab:
mit
q z = Durchsatz des Gases Z in der Kapillarenq s = Durchsatzrate des Gases S in der Kapillaren
µ z = Viskosität des Gases Z
µ s = Viskosität des Gases S
K= Proportionalitätskonstante.
Wenn bei dem Gerät gemäß der Erfindung n identische
kapillare Röhren vorgesehen sind und das Spanngas durch
x dieser kapillaren Röhren fließt, ist die Gasmischung,
die sich in der Mischkammer ausbildet, durch eine dynamische
Konzentration C₀ charakterisiert, die gemäß Gleichung
(I) in der Form ausgedrückt werden kann.
Bei Berücksichtigung der Gleichungen (III) und (IV) kann die
Gleichung (V) in folgender Form angeschrieben werden:
Das Spanngas S ist durch das Nullgas Z auf die Konzentration
C s verdünnt und hat eine Viskosität, die sich durch
folgende Formel ausdrücken läßt:
worin µ s ′ die Viskosität des Gases S in reinem Zustand bedeutet.
Durch Substituierung der Gleichung (VII) in Gleichung
(VI) und Vereinfachung erhält man
In dem Fall, daß
C s (µ s ′-µ z )/µ z = A « 1 (IX)
ist, wird aus Gleichung (VIII):
C₀ = C s · . (X)
Diese letzte Beziehung veranschaulicht, wie die Konzentration
C₀ an dem Ausgang von n-Kapillaren direkt proportional
ist der Anzahl x derjenigen Kapillaren, durch die das
Spanngas fließt, das von der betreffenden Quelle mit der
Konzentration C s in das Nullgas Z gegeben wird.
C₀ variiert daher von dem Wert Null, wenn x=0 ist, d. h.
nur Nullgas Z in den Kapillaren fließt bis zu dem Wert C s ,
wenn x=n ist, d. h. nur Spanngas in den Kapillaren fließt,
wobei für x=1, 2, 3 . . . n-1 eine Reihe von vorbestimmten
Zwischenwerten erhalten werden.
Die Gleichung (IX) wird unter allen normalen Gebrauchsbedingungen
des Geräts gemäß der Erfindung zur Kalibrierung
von Analysatoren voll erfüllt, da der Koeffizient A unter
diesen Bedingungen Werte zwischen 10-4 und 10-2 annimmt.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert:
Fig. 1 zeigt eine Schemazeichnung zur Veranschaulichung
der Komponenten eines Geräts gemäß der Erfindung
und ihrer Verbindungen untereinander,
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur
eines der Elemente von Fig. 1,
Fig. 3 bis 6 zeigen einige mögliche Betriebszyklen des
Geräts gemäß der Erfindung in Form von Diagrammen.
In Fig. 1 ist das Gehäuse eines Geräts gemäß der Erfindung
mit 10 bezeichnet. Das Gerät ist über von seinem Gehäuse
10 getragene Anschlußstücke 11 und 12 mit einer ersten und
einer zweiten Speisequelle T z bzw. T s verbunden, die ein
erstes Gas (z. B. ein Nullgas) ein zweites Gas (z. B.
ein mit Nullgas auf die Konzentration C s verdünntes Spanngas)
enthalten.
Mit dem Anschlußstück 11 ist über einen Druckregler 21,
dem ein Manometer 23 zugeordnet ist, die Eingangsleitung
25 eines ersten Leitungsvielfachs 27 verbunden. Dieses
Leitungsvielfach besitzt eine Vielzahl von Ausgangsleitungen
29, deren jede mit einem der Eingänge eines entsprechenden
elektromagnetisch betätigbaren Ventils 31
verbunden ist.
Mit dem Anschlußstück 12 ist nach demselben Schema über
einen Druckregler 22, dem ein Manometer 24 zugeordnet ist,
ein zweites Leitungsvielfach 28 verbunden, das eine Eingangsleitung
26 und eine Vielzahl von Ausgangsleitungen
30 umfaßt.
Jede der Leitungen 30 ist mit einem zweiten Eingang eines
entsprechenden Ventils 31 verbunden.
Die Ausgänge der Ventile 31 sind jeweils mit einem ersten
Ende einer kapillaren Röhre 40 verbunden.
Das andere Ende jeder dieser kapillaren Röhren 40 mündet
in den Innenraum einer Mischkammer 50.
Die kapillaren Röhren 40, die untereinander gleich sind,
sind mit einer Wärmeisolierung, z. B. in Form von Ummantelungen
41 aus wärmeisolierendem Material versehen, die
dafür sorgt, daß alle kapillaren Röhren 40 auf gleicher
Temperatur gehalten werden.
Aus der Mischkammer 50 tritt eine Leitung 60 aus, über welche
die in der Mischkammer 50 gebildete Mischung ausgegeben
wird.
Die Leitung 60 ist an ihrem Ende mit einem Anschlußstück
61 versehen, welche an dem Gehäuse 10 angebracht ist und
an das z. B. der Eingang eines Analysators für das Abgas
einer Brennkraftmaschine angeschlossen werden kann.
Dem ersten Leitungsvielfach 27 und dem zweiten Leitungsvielfach
28 sind jeweils Entlüftungsleitungen 70 bzw. 71
zugeordnet, die das aus den kapillaren Röhren 40 und der
Mischkammer 50 bestehende Mischnetzwerk umgehen und über
welche die zu mischenden gasförmigen Substanzen in den
Außenraum abgelassen werden können.
Die Funktion der Entlüftungsleitungen 71 und 72, die
Drosselstellen 73 bzw. 74 besitzen, deren Durchsatz wesentlich
kleiner ist als derjenige der kapillaren Röhren
40, besteht darin, die Druckregler 21 und 22 ständig
in ihrem dynamischen Betriebsbereich zu halten und damit
zu verhindern, daß der Gasdurchsatz durch die beiden Leitungsvielfache
27 und 28 sich während des Betriebs des
Geräts ändert.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Leitung 60,
über welche die in der Mischkammer 50 gebildete Mischung
nach außen geführt wird, ein Durchflußmesser 75 zugeordnet,
der den Gasabfluß durch die Entlüftungsleitung
71 reguliert.
Dem Gerät ist eine in ihrer Gesamtheit mit 80 bezeichnete
Steuereinheit zugeordnet, deren Struktur durch das in
Fig. 2 dargestellte Blockschema verdeutlicht wird.
In Fig. 2 sind eine Steuerschaltung 81 für die Ventile 31
sowie eine elektrische Schaltung 82 zur Beeinflussung der
Steuerschaltung 81 dargestellt.
Die elektrische Schaltung 82 besitzt ein Tastenfeld 82 a
sowie Wählschalter 82 b und 82 c.
Im folgenden sei die Funktion des Geräts anhand von Fig.
3 bis 6 näher erläutert, wobei die Bezugnahme auf die
Verwendung zur Kalibrierung von Abgasanalysatoren keine
Beschränkung auf solche beinhalten soll.
Bei der Betriebsart entsprechend den in Fig. 3 dargestellten
Diagrammen gibt das Gerät nach dem Anschließen der
beiden Quellen T z und T s nur das Nullgas Z an den Verbraucher
(Analysator) ab.
Dieser Betriebsbedingung, die in den Diagrammen mit
C z bezeichneten Nullpunkt der Ordinatenachse entspricht,
wird durch die Betätigung einer ersten Taste des Tastenfeldes
82 a eingestellt, wodurch die Ventile 31 über die Steuerschaltung
81 derart gesteuert werden, daß alle kapillaren
Röhren 40 mit den Ausgängen 29 des ersten Leitungsvielfachs
27 verbunden sind.
Durch die anzuschließende Betätigung einer anderen Taste
des Tastenfeldes 82 a, vorzugsweise einer solchen, die der
zuvor betätigten benachbart ist, kann eines der Ventile
81 in eine Stellung gebracht werden, in der die betreffende
kapillare Röhre 40 mit dem zweiten Speiseleitungsvielfach
28 in Verbindung steht. Auf diese Weise strömt Spanngas
aus der Quelle T s durch eine der kapillaren Röhren
40, während die verbleibenden kapillaren Röhren, deren
Zahl in der dargestellten Ausführungsform fünf beträgt,
von dem aus der Quelle T z stammenden Nullgas durchströmt
werden.
In der Mischkammer 50 bildet sich daher eine Mischung aus,
die Spanngas S in einer Konzentration C₁ enthält. Gemäß
Gleichung (X) beträgt diese Konzentration ¹/₆ der Konzentration
C s , mit welcher das Spanngas S von der Quelle
T s abgegeben wird.
Das Betätigen einer anderen, vorzugsweise der den bereits
betätigten Tasten nachgeordneten Taste werden zwei der
Elektromagnete 31 in die Schaltstellung gesteuert, in welcher
die betreffenden kapillaren Röhren 40 mit dem zweiten
Speiseleitungsvielfach 28 in Verbindung stehen.
In diesem Fall bildet sich in der Mischkammer 50 eine
Gasmischung aus, in welcher das Spanngas S in einer
Konzentration C₂ vorliegt, die ²/₆ der Konzentration
C s entspricht.
Durch anschließende Betätigung der betreffenden Tasten
des Tastenfeldes 82 a können eine wachsende Anzahl von
kapillaren Röhren 40 mit dem zweiten Speiseleitungsvielfach
28 verbunden werden und somit in der Mischkammer 50 Mischungen
erzeugt werden, in denen das Spanngas S den wachsenden
Konzentrationen C₃, C₄, C₅ vorliegt, die ³/₆, ⁴/₆
bzw. ⁵/₆ der Konzentration C s entsprechen, bis schließlich
die Situation erreicht ist, in welcher alle kapillaren
Röhren 40 mit dem zweiten Speiseleitungsvielfach 28
verbunden sind und die von dem Gerät über die Leitung
60 nach außen abgegebene Mischung das Spanngas S in der
Konzentration C s enthält, in der es von der Quelle T s
abgegeben wird.
Die Mischungen mit der Konzentration C z , C₁ . . . C s , die
während des beschriebenen Arbeitszyklus abgegeben werden,
und die auch eine von der aufsteigenden Reihenfolge abweichende
Reihenfolge haben können, eignen sich für die
Gewinnung der Eichkurve eines Analysators.
Abweichende Funktionszyklen entsprechend den in Fig. 4 bis
6 dargestellten Zeitdiagrammen lassen sich ebenfalls ausführen.
Gemäß dem Diagramm von Fig. 4 liefert das Gerät zunächst
Mischungen, die - in Analogie zu dem Zyklus gemäß Fig. 3 -
das Spanngas S in wachsenden Konzentrationen C z , C₁ . . .
C s enthalten, und anschließend Mischungen, in denen das
Spanngas S in abnehmender Konzentration vorhanden ist.
Bei dem Funktionszyklus gemäß Fig. 5, der im wesentlichen
zu dem Eichzyklus von Fig. 4 analog ist, wechselt die Abgabe
von Mischungen mit wachsender und abnehmender Spanngaskonzentration
periodisch mit dem Abgas von Spanngas
Z allein mit der Konzentration C z ab.
Mit dem in Fig. 5 dargestellten Zyklus läßt sich überprüfen,
ob die Positionen der Zwischenpunkte der Eichkurve des
Analysators nicht durch die Position des Nullpunkts
der Kurve beeinflußt werden.
Bei dem Zyklus gemäß Fig. 6 liefert das Gerät abwechselnd
nur Nullgas aus der Quelle T z und Spanngas S aus der Quelle
T s , so daß sich prüfen läßt, ob der Analysator an den Endpunkten
der Eichkurve Trifterscheinungen aufweist.
Die in Fig. 3 bis 6 dargestellten Operationszyklen können
entweder manuell über das Tastenfeld 82 a oder automatisch
über eine elektrische Prozessorschaltung (z. B. mit einem
Mikroprozessor), die ein Element der elektrischen Schaltung
82 ist, ausgeführt werden.
Die Wahl der automatischen anstelle der manuellen Betriebsart
erfolgt durch Betätigung des Wahlschalters 82 b, mittels
dessen der Operationszyklus des Geräts einstellbar ist,
sowie durch Betätigung des Wahlschalters 82 c, mittels dessen
einerseits die Zeit, während derer die beiden Gase
in die kapillaren Röhren 40 eingespeist werden und im Falle
des Operationszyklus gemäß Fig. 6 die Anzahl der Wechsel
in der Zuführung von Nullgas und Spanngas wählbar sind.
Es ist auch die Möglichkeit vorgesehen, das Gerät mit Hilfe
eines Prozessors fernzusteuern.
Die Wahl der Betriebsartfernsteuerung erfolgt durch Betätigung
des Wahlschalters 82 b.
Die in Fig. 3 bis 6 dargestellten Funktionszyklen stellen
lediglich Beispiele für den Betrieb des Geräts dar und
können durch entsprechende Ausgestaltung oder Bedienung
der Steuereinheit 80 beliebig variiert werden.
Claims (5)
1.Vorrichtung zum kontrollierten Mischen zweier Gase mit
einer Verteilereinrichtung, die einen ersten Eingang (11) zur
Zuführung des einen Gases und einen zweiten Eingang (12) zur
Zuführung des anderen Gases aufweist, wobei die Eingänge
jeweils an Speisequellen (T z , T s ) für die Gase
angeschlossen sind, mit einer Mehrzahl identisch ausgebildeter
kapillarer Rohre (40), wobei die Verteilereinrichtung den
ersten Eingang (11) mit einer ausgewählten ersten Gruppe von
Rohren und gleichzeitig den zweiten Eingang (12) mit der
verbleibenden Gruppe von Rohren verbindet und die Strömung der
Gase in die Rohre ermöglicht, mit einer den Rohren
nachgeordneten Mischkammer (50) zur Aufnahme des Gases aus den
Rohren und mit einer an die Mischkammer angeschlossenen
Auslaßleitung für das Gasgemisch, wobei der Anteil eines Gases
in dem Gasgemisch dem Anteil der von dem betreffenden Gas
durchströmten Rohre an der Gesamtzahl der Rohre entspricht,
dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Eingänge (11, 12) der
Verteilereinrichtung ein Druckregler (21 bzw. 22) zugeordnet
ist, daß zwischen jedem Druckregler und der jeweiligen Gruppe
von Rohren (40) eine Entlüftungsleitung (71 bzw. 72) vorgesehen
ist, die eine Drosselstelle (73 bzw. 74) aufweist und
durch die Gas der entsprechenden Speisequelle (T z , T s )
nach außen ableitbar ist, und daß der Auslaßleitung (60) ein
Durchflußmesser (75) zugeordnet ist, durch den der Gasabfluß
durch eine der Entlüftungsleitungen (71 oder 72) regulierbar
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die kapillaren Rohre (40) mit einer Wärmeisolierung (41)
versehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verteilereinrichtung folgende Teile umfaßt:
ein erstes und ein zweites Eingangsleitungsvielfach (27, 28), die jeweils über eine Einlaßleitung (25 bzw. 26) mit dem zugeordneten Eingang (11, 12) verbunden sind und eine der Zahl der Rohre (40) entsprechende Zahl von Ausgangsleitungen (29 bzw. 30) besitzen,
sowie eine der Zahl der Rohre entsprechende Zahl von Ventilen (31), von denen jedes mit jeweils einer Ausgangsleitung (29) des ersten Eingangsleitungsvielfachs, einer Ausgangsleitung (30) des zweiten Eingangsleitungsvielfachs (28) und einem ersten Ende eines der Rohre (40) verbunden ist und die (31) unabhängig voneinander derart betätigbar sind, daß die jeweiligen Rohre (40) wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Eingangsleitungsvielfach (27 bzw. 28) verbunden sind.
ein erstes und ein zweites Eingangsleitungsvielfach (27, 28), die jeweils über eine Einlaßleitung (25 bzw. 26) mit dem zugeordneten Eingang (11, 12) verbunden sind und eine der Zahl der Rohre (40) entsprechende Zahl von Ausgangsleitungen (29 bzw. 30) besitzen,
sowie eine der Zahl der Rohre entsprechende Zahl von Ventilen (31), von denen jedes mit jeweils einer Ausgangsleitung (29) des ersten Eingangsleitungsvielfachs, einer Ausgangsleitung (30) des zweiten Eingangsleitungsvielfachs (28) und einem ersten Ende eines der Rohre (40) verbunden ist und die (31) unabhängig voneinander derart betätigbar sind, daß die jeweiligen Rohre (40) wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Eingangsleitungsvielfach (27 bzw. 28) verbunden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ventile (31) elektromagnetisch betätigbar sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet
durch eine Steuereinheit (80) mit einer Schaltung (81) zur
Betätigung der Ventile (31) und einer elektrischen Steuereinrichtung
(82) für die Ansteuerung dieser Schaltung (81) in der
Weise, daß in der Mischkammer (50) aufeinanderfolgend die
beiden Gase in unterschiedlichen Verhältnissen enthaltende
Gasmischungen gebildet werden und diese Gasmischungen an den Auslaß (61)
der Vorrichtung abgegeben werden.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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