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.
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.
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