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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Dampf/FlüssigkeitsVerhältnisses von flüssigen Substanzen und Substanzgemischen, insbesondere Vergaserkraftstoffen, mit einer thermostatisierbaren Messbürette, in die eine Probe der Substanz einbringbar ist.
Für eine Vielzahl von flüssigen Substanzen und Substanzgemischen ist es wesentlich, das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis bei bestimmten Temperaturen und Drücken zu bestimmen. So ist insbesondere die Gasmenge, die ein Vergaserkraftstoff bei einer bestimmten Temperatur erzeugt, von entscheidendem Einfluss auf den störungsfreien Betrieb eines Motorfahrzeuges. Die Neigung eines Kraftstoffes zur Ausbildung von Dampfblasen und zur Erzeugung einer bestimmten Gasmenge kann durch das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis beschrieben werden.
Das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis einer flüssigen Substanz bzw. eines Substanzgemisches, insbesondere eines Kraftstoffes, ist das Verhältnis des Dampfvolumens zum Volumen des flüssigen Kraftstoffes. Bei einer bestimmten Temperatur und bei einem vorgegebenen Druck befinden sich Dampf- und Flüssigkeitsvolumen in einem Gleichgewichtszustand.
Messgeräte und Methoden zur Bestimmung des Dampf/Flüssigkeits-Verhältnisses sind schon seit langem bekannt. Eine Standard-Methode zur Ermittlung dieser Kenngrösse ist in ASTM-D2533-82 (Standard Test Method for Vapor Liquid Ratio of Gasoline) beschrieben. Das Dampf/FlüssigkeitsVerhältnis wird nach dieser Methode in einer thermostatisierbaren Messbürette, die mit Glycerin als Sperrflüssigkeit gefüllt ist, bestimmt. Eine Bestimmung des Dampf/Flüssigkeits-Verhältnisses von alkoholhältigen Kraftstoffen ist nach dieser Methode nicht durchführbar, weil sich die Alkoholkomponenten in der Sperrflüssigkeit lösen und das Messergebnis verfälschen.
Andere in der Literatur beschriebene Apparaturen verwenden Quecksilber als Sperrflüssigkeit. Diese Verfahren weisen den Nachteil auf, dass Arbeiten mit Quecksilber nicht ungefährlich sind, besonderer Vorsichtsmassnahmen bedürfen und damit einen hohen Zeitaufwand erfordern.
Ausserdem reagieren bestimmte Kraftstoffkomponenten mit Quecksilber, wodurch das Quecksilber verunreinigt und das Messergebnis verfälscht wird. Das Entfernen von nach jeder Messung im Quecksilber und in der Messapparatur verbliebenen Restmengen an Kraftstoff ist je nach Konstruktion der Apparatur nicht oder nur mit hohem Zeitaufwand durchführbar.
Mit diesen bekannten Apparaturen sind ausserdem Messungen nur in einem kleinen Druckbereich in der Umgebung des atmosphärischen Normaldruckes möglich und die Messung muss entsprechend dem jeweiligen Barometerstand korrigiert werden. Weiters ist der Messvorgang bei diesen bekannten Apparaturen sehr umständlich und nicht automatisierbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Dampf/Flüssigkeits-Verhältnisses zu schaffen, welche die Mängel der bisher verwendeten Apparaturen nicht aufweist, die Bestimmung bei beliebigen Drücken ermöglicht und weitgehend automatisierbar ist. Diese Aufgabe wird bei der eingangs näher bezeichneten Vorrichtung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Messbürette nach oben mit einem feststehenden, starren Verschluss, insbesondere Kolben, gasdicht verschlossen ist, welcher von einer zur Einfüllöffnung für die Substanz samt nachgeschaltetem Absperrhahn führenden Verbindungskanüle in gasdichter Weise durchsetzt ist, wobei der Innenraum der Verbindungskanüle mit einem Druckaufnehmer, vorzugsweise einem piezoelektrischen Druckaufnehmer, in Verbindung steht, dass die Messbürette nach unten durch einen beweglichen, starren Verschluss,
insbesondere beweglichen Kolben, gasdicht abgeschlossen ist, der in geregelter Weise gegen den feststehenden, starren Verschluss zur Erzeugung eines bestimmten Innendruckes in der Messbürette bewegbar ist, wobei der Weg des beweglichen Verschlusses bei einem bestimmten Innendruck als Mass für das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis der Substanzprobe bei diesem Innendruck auswertbar ist.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der bewegliche Verschluss auf einer längs einer Führung gleitend geführten Gewindestange angeordnet ist, die über einen geregelten Motorantrieb heb- und senkbar ist. Zweckmässigerweise kann dabei zur Auswertung des Weges des beweglichen Verschlusses die Gewindestange mit einer federbelasteten Servoschnur verbunden sein, mittels welcher ein Wandler des Weges in eine elektrische Spannung, insbesondere ein UntersetzungsPotentiometer, gekoppelt ist. Dadurch wird vor allem eine Automatisierung des Messvorganges ermöglicht.
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Es ist weiters zweckmässig, wenn oberhalb des unteren Punktes der Bewegungsumkehr des beweglichen Verschlusses ein Probenauslass aus der Messbürette vorgesehen ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Absperrhahn am Eingang der Verbindungskanüle als Dreiweg-Kugelhahn ausgebildet ist, wobei in einer Stellung dieses Hahns der Innenraum der Verbindungskanüle und damit der Raum in der Messbürette zwischen dem feststehenden Verschluss und dem beweglichen Verschluss mit einem Anschluss für eine Vakuumquelle verbindbar ist. Dadurch kann das Probengefäss evakuiert und eine Probe unter Vakuum eingebracht werden. In weiterer Ausgestaltung kann etwa im mittleren Bereich der Messbürette ein Temperaturfühler angeordnet sein.
Zweckmässigerweise ist die Messbürette Teil eines Glas-Doppelmantelgefässes, dessen Innenmantel die Probe aufnimmt und dessen Aussenmantel mit Anschlüssen zum Zu- und Abführen einer Thermostatflüssigkeit versehen ist.
Es wird somit bei der erfindungsgemässen Vorrichtung die zu untersuchende Probe über einen Hahn in ein druckfestes Doppelmantelgefäss eingebracht, dessen Innenteil von Kolben gasdicht abgeschlossen ist. Durch Nachführung eines der Kolben wird der gewünschte und mittels Druckaufnehmer erfasste Druck eingestellt und das bei einer bestimmten Temperatur ausgebildete Dampfvolumen erfasst. Da in der erfindungsgemässen Vorrichtung keine Sperrflüssigkeit verwendet wird, können auch alkoholhältige Kraftstoffe geprüft werden. Ein wesenlicher Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht somit darin, dass diese auf einfache Weise nicht nur Messungen bei Normaldruck, sondern auch bei Unterdruck und Überdruck ermöglicht.
Ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung - neben ihrer vollständigen Automatisierbarkeit ist darin zu sehen, dass durch die Auswertung des Weges des beweglichen Verschlusses als Mass für das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis das Messgefäss nicht mehr notwendigerweise aus durchsichtigem Material bestehen muss, so dass insbesondere für Messungen bei hohen Drücken auch ein undurchsichtiges Metallgefäss, insbesondere ein Metallrohr, herangezogen werden kann, dessen oberes Ende einfach mit einer Metallplatte, die den oberen feststehenden Verschluss darstellt, zugeschweisst ist, in welche Metallplatte die Verbindungskanüle eingeschweisst ist.
Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. lA den Oberteil und Fig. lB den dazugehörigen Unterteil der erfindungsgemässen Vorrichtung in schematischer Aufriss-Darstellung, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die die Vorrichtung halternde Stativstange weggelassen worden ist, Fig. 2A den Oberteil und Fig. 28 den dazugehörigen Unterteil derselben Vorrichtung in schematischer Seitenriss-Darstellung, wobei zur besseren Veranschaulichung der Ein- und Ausgangsanschlüsse für die Thermostatflüssigkeit das Doppelmantelgefäss gegenüber den Fig. lA und 1B um 900 verdreht dargestellt ist, Fig. 3 einen Ausschnitt des Doppelmantelgefässes etwa im Mittelbereich desselben und Fig. 4 eine schematische Blockdarstellung der elektronischen Mess-, Regel- und Steuer-Einheit für die erfindungsgemässe Vorrichtung.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht gemäss den jeweils zusammengehörigen Fig. lA und 1B bzw. 2A und 2B aus einer Einrichtung (mit Halterung) zur Probeneinbringung und Druckmessung--1. 0-- und einem Doppelmantelgefäss--2. 0--, dessen Innenteil als Messbürette ausgelegt ist und zur Aufnahme des Flüssigkeits- und Dampfvolumens dient und dessen Aussenmantel mit Thermostatflüssigkeit durchströmt wird. Zur Einstellung des Druckes wird ein Kolbenantrieb (mit Halterung)--3. 0-- verwendet, der von einem Gleichstromgetriebemotor angetrieben und mittels Führungsstangen - - 4. 0 -- exakt bewegt wird.
Die Kolbenbewegung wird durch die Einrichtungen der elektronischen Mess-, Regel-und Steuer-Einheit--5. 0-- (Fig. 4) so umgesetzt, dass daraus das Dampfvolumen bzw. das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis ermittelt werden kann.
Die Einrichtung zur Probeneinbringung und Druckmessung ist mit einem Dreiweg- Kugelhahn versehen, der einen Konus--1. 2- für die Einbringung der Probe mittels Injektionsspritze besitzt. Weiters weist der Kugelhahn--1. 1- eine gasdichte Verschrau- bung--1. 3- mit Nippel auf, um das System evakuieren oder einen Druckausgleich vornehmen zu können.
Die Einrichtung mit Halterung --1. 0 -- enthält ausserdem einen piezoresistiven Druck- aufnehmer-1. 4- zur Messung des Druckes in der Messbürette--2. 1--. (Unter piezoresistiver Druckaufnehmer wird im vorliegenden Fall ein piezoelektrischer Druckaufnehmer mit nachgeschalteter Widerstands-Messbrücke verstanden ; es kann aber auch jeder andere Druckaufnehmer, der
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den Druck in eine elektrische Spannung umsetzt, Verwendung finden.) Zur Abdichtung bzw. zum Verschliessen der Messbürette --2. 1-- nach einer Seite, in diesem Fall nach oben, dient ein Kolben-1. 6- mit kraftstoffbeständigen Dichtungen (O-Ringen), welcher über eine Verbindungs-
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in Verbindung.
Die Verbindungskanüle --1.5-- (z.B. mit einem Innendurchmesser von 0, 6 mm) erlaubt es, den das Messergebnis verfälschenden Luftanteil möglichst klein zu halten. Dadurch,
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--1. 4--tue-2. 1.-.
Das Doppelmantelgefäss --2.0-- besteht aus einer 50 ml-Glasbürette --2.1-- mit 0,1 ml Teilung, welche nach einer Seite durch den Kolben --1. 6-- abgeschlossen und nach der andern Seite, in diesem Fall nach unten, durch einen mittels Kolbenantrieb einstellbaren Teflonkol- ben-3. 1- abgedichtet wird. Die Burette-2. 1- wird aussen von einer Thermostatflüssigkeit umströmt, welche über entsprechende Anschlüsse durch den Aussenmantel des Doppelmantel- gefässes 0-zu-und abgeführt wird (vgl. die Pfeile Fe und Fa). Zum Ablassen der Probe
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Je nach Ausführungsform, Verwendungszweck und geforderter Messgenauigkeit kann die Messbürette --2.1-- der erfindungsgemässen Vorrichtung ein Volumen von 10 bis 1000 ml und einen Durchmesser von 1 bis 100 mm aufweisen. Die Messbürette --2.1-- kann aus unterschiedlichstem Material gefertigt sein. Das Material muss kraftstoffbeständig sein und Unter- sowie Überdrücken standhalten können. Die Thermostatisierung kann-wie dargestellt-mittels Thermostatflüssigkeit oder thermoelektrisch erfolgen. Bei Einsatz der letzteren Thermostatisierung ist kein Doppelmantelgefäss erforderlich. Das durch Flüssigkeit und Dampf eingenommene Volumen in der Messbürette --2.1-- kann optisch abgelesen oder aus der Bewegung des unteren Kolbens-3. 1-, d. h. aus der Länge des von diesem zurückgelegten Weges, ermittelt werden.
Der Kolbenantrieb-3. 0- besteht aus einem Teflonkolben--3. 1- mit kraftstoffbeständigen Dichtungen (0-Ringe), welcher an einer Gewindestange-3. 2- befestigt ist, die vom Gleichstromgetriebemotor-3. 7- angetrieben wird. Der Antrieb erfolgt mittels Antriebsriemen-3. 5- von einer motorseitigen Riemenscheibe --3. 6-- auf eine mit einer zentrischen Gewindebohrung versehene, mit der Gewindestange-3. 2-- in Eingriff stehende Riemenscheibe-3. 3-, die auf zwei Kugellagern --3. 4-- gelagert ist. Zum Nachspannen des Antriebsriemens --3. 5-- dient die verstellbare und mit der Halterung verbundene Exzenteraufhängung --3.8--. Der Antrieb kann auch über Zahnräder erfolgen. An Stelle der Gewindestange lässt sich eine Zahnstange verwenden.
Zur exakten Führung der Gewindestange-3. 2- mit dem Kolben-3. 1- werden zwei Führungsstangen --4. 0-- und eine Gewindestangenführungsplatte --4.1--, die durch Kontramuttern mit der Gewindestange-3. 2- fix verbunden ist, verwendet. Die beiden Führungsstangen --4.0--
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gesteuerte Auf- und Abwärtsbewegung des unteren Kolbens --3.1-- ermöglicht). Auf den Führungsstangen --4. 0-- sind ein oberer und unterer Motor-Endschalter --4. 2 bzw. 4. 3-- in entsprechenden Positionen fixierbar und dienen zur automatischen Abschaltung des Gleichstromgetriebe- motors-3. 7- beim Erreichen der Max.-bzw. Min.-Stellung des unteren Kolbens-3. 1- in Verbindung mit der Steuereinheit (Fig. 4).
Dadurch schaltet sich der Gleichstromgetriebemotor-3. 7- automatisch ab, wenn die Oberkante des unteren Kolbens-3. 1- die Unterkante
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des oberen Kolbens --1. 6-- erreicht oder wenn sich die Oberkante des unteren Kolbens-3. 1-unter dem Probenauslass --2.2-- befindet.
Zur Ermittlung des Flüssigkeits- und Dampfvolumens dient die in Fig. 4 schematisch dargestellte Messeinheit --5. 0--. Durch diese Einheit wird der Weg des unteren Kolbens-3. 1und somit auch die entsprechende Volumenänderung in eine Drehbewegung an einem Zehngangpotentiometer --5.1-- (d.h. ein Potentiometer mit 360 Drehwinkel und Antriebsseilscheibe --5.2-mit Untersetzung, wobei zehn Umdrehungen der Seilscheibe-5. 2-- einer Potentiometerumdrehung entsprechen) umgesetzt.
Die Übertragung der Kolbenbewegung auf das Untersetzungs-Potentio-
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(flüssiger Anteil + gasförmiger Anteil) entspricht und sich der flüssige Anteil in der Messbürette --2.1-- gegenüber der eingebrachten Menge an Probenflüssigkeit praktisch nicht ändert, berechnet sich das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis nach der Formel Gesamtvolumen minus eingebrachter Menge, dividiert durch die eingebrachte Menge.
Mit dem Bezugszeichen --4. 4-- ist eine untere Halterung für die beiden Führungs- stangen-4. 0-- und das federbelastete Gegenlager --5. 4-- bezeichnet.
Die nur in Fig. 2A und 2B dargestellte Stativstange-6. 0- dient zur Befestigung der einzelnen Halterungen und zur Montage derselben an einer Gestängewand. Das Doppelmantelgefäss --2.0-- wird mit passenden Klemmen (nicht dargestellt) an der Stativstange --6. 0-- befestigt.
In Fig. 4 ist die mit der erfindungsgemässen Vorrichtung elektrisch verbundene Mess-, Regel-
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angelegt, dessen Analogausgang (z. B. 1000 mbar = 1 V) an einen 3-Punkt-Schrittleger --SR-mit digitaler Druckanzeige --DAP-- und digitaler Sollwerteingabe --SW-- (mittels Drucktasten) geschaltet ist. An diesen 3-Punkt-Schrittregler --SR-- ist auch noch ein stufenlos regelbares Gleichspannungsnetzgerät --NG-- zur Stromversorgung des Gleichstromgetriebemotors-3. 7-für beide Drehrichtungen angeschlossen. Damit ist die Möglichkeit für eine stufenlose Drehzahlregelung in beiden Drehrichtungen des Gleichstromgetriebemotors --3.7-- geschaffen.
Die Ausgänge des 3-Punkt-Schrittreglers --SR-- werden über die beiden Motor-Endschalter-4. 2 und 4.3-sowie diesen parallelgeschaltete Dioden --D-- an die beiden Drehrichtungseingänge des Gleich- stromgetriebemotors-3. 7-- angelegt. Der Motor verstellt den unteren Kolben-3. 1- über den in Fig. 4 angedeuteten Kolbenantrieb-3. 0- so lange, bis der als Sollwert am 3-Punkt-Schrittregler --SR-- vorgegebene Druck in der Burette-2. 1- im Raum zwischen dem oberen Kol-
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6--ist.
Das vom Wegaufnehmer zur Feststellung des Weges des unteren Kolbens-3. 1- und des daraus resultierenden Volumens, d. h. vom Untersetzungs-Potentiometer --5.1-- abgegebene elektrische Signal, wird in einem Messverstärker --MV-- mit Analogausgang (z. B. 50 ml = 5 V) an einen Digitalanzeiger --DAV-- für das Volumen in ml und gegebenenfalls auch noch an einen 3-Kanal-Linienschreiber --LS-- zur Aufzeichnung von Druck (Ausgang --RMV--), Volumen
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(Analog-Ausgang --MV--) und Temperatur (Temperaturfühler --2. 4--) angelegt.
Damit ist eine vollständige Automatisierung des Mess- bzw. Bestimmungsvorganges samt Aufzeichnung des Ergebnisses möglich.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt grundsätzlich zwei Betriebsweisen :
1. Wenn der Druck eingestellt und konstant gehalten wird (mittels des 3-Punkt-Schrittreglers-SR--) und nach dem Einbringen der Probe über den Weg des unteren Kolbens--3. 1die Volumensänderung abgelesen wird, erhält man das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis der Probe bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck.
2. Wenn das Volumen eingestellt und konstant wird (durch Feststellen des unteren Kol- bens und eine vorgegebene Menge an Probenflüssigkeit eingebracht bzw. eingespritzt wird, erfolgt durch Ablesen des Druckes (bei der Anzeige-DAP-vom Schrittregler-SR-) eine Dampfdruckmessung der Probe (bei einer bestimmten, wählbaren Temperatur).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Bestimmung des Dampf/Flüssigkeits-Verhältnisses von flüssigen Substanzen und Substanzgemischen, insbesondere Vergaserkraftstoffen, mit einer thermostatisierbaren Messbürette, in die eine Probe der Substanz einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbürette (2. 1) nach oben, mit einem feststehenden, starren Verschluss (1. 6), insbesondere Kolben, gasdicht verschlossen ist, welcher von einer zur Einfüllöffnung (1. 2) für die Substanz samt nachgeschaltetem Absperrhahn (1. 1) führenden Verbindungskanüle (1. 5) in gasdichter Weise durchsetzt ist, wobei der Innenraum der Verbindungskanüle (1. 5) mit einem Druckaufnehmer (1. 4), vorzugsweise einem piezoelektrischen Druckaufnehmer, in Verbindung steht, dass die Messbürette (2.
1) nach unten durch einen beweglichen, starren Verschluss (3. 1), insbesondere beweglichen Kolben, gasdicht abgeschlossen ist, der in geregelter Weise gegen den feststehenden, starren Verschluss (1. 6) zur Erzeugung eines bestimmten Innendruckes in der Messbürette (2. 1) bewegbar ist, wobei der Weg des beweglichen Verschlusses (3. 1) bei einem bestimmten Innendruck als Mass für das Dampf/Flüssigkeits-Verhältnis der Substanzprobe bei diesem Innendruck auswertbar ist.