AT521524B1

AT521524B1 - Gas mixing device for calibrating gas analyzers

Info

Publication number: AT521524B1
Application number: ATA50619/2018A
Authority: AT
Inventors: Neubauer Karl; Schimpl Dr Heinz; Arar Dipl Ing Dr Mario; Damiean Arestide-Valentin
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2022-01-15
Also published as: AT521524A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Gasmischvorrichtungen zur Linearisierung bzw. Kalibrierung von Gasanalysatoren mit einer ersten Gaseinlassleitung (10) für ein erstes Gas, einer zweiten Gaseinlassleitung (12) für ein zweites Gas, einer Gasauslassleitung (48), mindestens einem 3/2-Wegeventil (26) mit zwei Eingängen (28, 30) und einem Ausgang (32), wobei der erste Eingang (28) mit der ersten Gaseinlassleitung (10), der zweite Eingang (30) mit der zweiten Gaseinlassleitung (12) und der Ausgang (32) mit der Gasauslassleitung (48) fluidisch verbunden sind, sowie Verfahren zur Linearisierung bzw. Kalibrierung von Gasanalysatoren mit derartigen Gasmischvorrichtungen. Erfindungsgemäß wird das 3/2-Wegeventil (26) als kontinuierlich bestromtes Elektromagnetventil ausgebildet, dessen Umschaltung durch Stromrichtungsumkehr beziehungsweise Spannungsumkehr erfolgt und das auch in seinen beiden Endlagen ständig bestromt wird und in seiner ersten Schaltstellung, in der der erste Eingang (28) und der Ausgang (32) verbunden sind und in seiner zweiten Schaltstellung, in der der zweite Eingang (30) und der Ausgang (32) verbunden sind, bestromt. Hierzu werden vor der Linearisierung bzw. Kalibrierung des Gasanalysators die 3/2-Wegeventile (26) bestromt bis sich ein thermisches Gleichgewicht an der Gasmischvorrichtung einstellt und anschließend durch Schaltung der 3/2-Wegeventile (26) verschiedene Gasmischungen zur Linearisierung bzw. Kalibrierung dem Gasanalysator (54) zugeführt.The invention relates to gas mixing devices for linearizing or calibrating gas analyzers, having a first gas inlet line (10) for a first gas, a second gas inlet line (12) for a second gas, a gas outlet line (48), at least one 3/2-way valve (26) with two inlets (28, 30) and an outlet (32), the first inlet (28) with the first gas inlet line (10), the second inlet (30) with the second gas inlet line (12) and the outlet (32) with are fluidically connected to the gas outlet line (48), as well as methods for the linearization or calibration of gas analyzers with such gas mixing devices. According to the invention, the 3/2-way valve (26) is designed as a continuously energized electromagnetic valve, which is switched over by reversing the direction of current or voltage and which is constantly energized even in its two end positions and in its first switching position, in which the first input (28) and the Output (32) are connected and energized in its second switching position, in which the second input (30) and the output (32) are connected. For this purpose, before the linearization or calibration of the gas analyzer, the 3/2-way valves (26) are energized until a thermal equilibrium is established at the gas mixing device and then by switching the 3/2-way valves (26) various gas mixtures for linearization or calibration Gas analyzer (54) supplied.

Description

description

GASMISCHVORRICHTUNG ZUR KALIBRIERUNG VON GASANALYSATOREN GAS MIXING DEVICE FOR CALIBRATION OF GAS ANALYZERS

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasmischvorrichtung zur Linearisierung bzw. Kalibrierung von Gasanalysatoren mit einer ersten Gaseinlassleitung für ein erstes Gas, einer zweiten Gaseinlassleitung für ein zweites Gas, einer Gasauslassleitung, mindestens einem 3/2-Wegeventil mit zwei Eingängen und einem Ausgang, wobei der erste Eingang mit der ersten Gaseinlassleitung für das erste Gas fluidisch verbunden ist, der zweite Eingang mit der zweiten Gaseinlassleitung für das zweite Gas fluidisch verbunden ist und der Ausgang mit der Gasauslassleitung fluidisch verbunden ist sowie ein Verfahren zur Linearisierung bzw. Kalibrierung von Gasanalysatoren mit einer derartigen Gasmischvorrichtung. The invention relates to a gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers with a first gas inlet line for a first gas, a second gas inlet line for a second gas, a gas outlet line, at least one 3/2-way valve with two inputs and one output, wherein the first input is fluidically connected to the first gas inlet line for the first gas, the second input is fluidically connected to the second gas inlet line for the second gas, and the outlet is fluidly connected to the gas outlet line, and a method for linearizing or calibrating gas analyzers with a such gas mixing device.

[0002] Solche Gasmischvorrichtungen, die auch als Gasteiler bezeichnet werden, sind hochpräzise Geräte, durch die exakt definierte Verdünnungen von Kalibriergasen erzeugt werden können, die dann einem Analysegerät zur Kalibrierung, Überprüfung oder Linearisierung zur Verfügung gestellt werden können. Derartige Vorrichtungen zeigen beispielsweise die Dokumente GB 2 103 498 A, JP 2006/272323 A oder DE 198 42 413 C1. Such gas mixing devices, which are also referred to as gas dividers, are high-precision devices that can be used to generate precisely defined dilutions of calibration gases, which can then be made available to an analysis device for calibration, checking or linearization. Such devices are shown, for example, in the documents GB 2 103 498 A, JP 2006/272323 A or DE 198 42 413 C1.

[0003] Bekannt sind diese Geräte insbesondere aus dem Bereich der Abgasanalysetechnik von Kraftfahrzeugen. Hier ist die Zuführung von exakt definierten Verdünnungen unerlässlich, da ansonsten hohe prozentuale Fehler bei den Messungen aufgrund der teilweise sehr geringen Konzentrationen entstehen. These devices are known in particular from the field of exhaust gas analysis technology from motor vehicles. Here, the addition of precisely defined dilutions is essential, since otherwise there will be high percentage errors in the measurements due to the sometimes very low concentrations.

[0004] Um diese exakte Mischung zu erhalten, werden häufig an den einzelnen Mischstufen kritische Düsen verwendet, durch die ab einem bestimmten Eingangsdruck immer der gleiche Volumenstrom strömt, der lediglich vom kleinsten OÖffnungsquerschnitt der kritischen Düse abhängig ist. In order to obtain this exact mixture, critical nozzles are often used on the individual mixing stages, through which the same volume flow always flows from a certain inlet pressure, which is only dependent on the smallest OÖffnungs Cross Section of the critical nozzle.

[0005] Entsprechend wird in der EP 0 690 985 B1 eine Gasmischvorrichtung vorgeschlagen, bei der vier 3/2-Wegeventile parallel zueinander geschaltet sind, die jeweils zwei Einlässe und einen Auslass aufweisen, wobei am Auslass eine kritische Düse angeordnet ist. Der kleinste freie Querschnitt dieser Düsen wird im Verhältnis 2:1 zu der jeweils folgenden Düse ausgeführt. Somit können 16 verschiedene Mischungsverhältnisse von dem Kalibriergas und dem Nullgas mit hoher Genauigkeit erzeugt werden. [0005] Accordingly, a gas mixing device is proposed in EP 0 690 985 B1, in which four 3/2-way valves are connected in parallel to one another, each of which has two inlets and one outlet, with a critical nozzle being arranged at the outlet. The smallest free cross-section of these nozzles is designed in a ratio of 2:1 to the following nozzle. Thus, 16 different mixing ratios of the calibration gas and the zero gas can be generated with high accuracy.

[0006] Eine vergleichbare Lösung zeigt die WO 2011/132049 A1. A comparable solution is shown in WO 2011/132049 A1.

[0007] Problematisch ist es jedoch, dass der Massenstrom des Gases, der zur Bestimmung von Schadstoffmassen notwendig ist, auch bei Verwendung von kritisch betriebenen Düsen abhängig von der Temperatur ist. Somit ist es erforderlich, bei der Kalibrierung eine thermische Stabilität sicher zu stellen, um den Einfluss der Temperatur zu eliminieren, was nicht nur bei der Verwendung von kritischen Düsen erforderlich ist, sondern zur Eliminierung der Umwelteinflüsse auf das Messergebnis praktisch immer erforderlich ist. Aus diesem Grund wird in bekannten Gasmischvorrichtungen durch eine separate Kühlung oder Lüftung oder durch sehr massive Ausführung des Verteilerblocks versucht, ein Aufheizen des Verteilerblocks zu verhindern, indem im Verteilerblock entstehende Wärme möglichst zeitnah abgeführt wird und ein Einbringen von Wärme weitestgehend ausgeschlossen wird. It is problematic, however, that the mass flow of the gas, which is necessary for the determination of pollutant masses, is dependent on the temperature even when using critically operated nozzles. It is therefore necessary to ensure thermal stability during calibration in order to eliminate the influence of temperature, which is not only necessary when using critical nozzles, but is practically always necessary to eliminate environmental influences on the measurement result. For this reason, attempts are made in known gas mixing devices to prevent the distributor block from heating up by separate cooling or ventilation or by making the distributor block very solid by dissipating heat generated in the distributor block as promptly as possible and largely excluding the introduction of heat.

[0008] Es hat sich jedoch gezeigt, dass die so erzielten Messergebnisse nicht immer ausreichend genau sind und ein kurzfristiger Wärmeausgleich nur mit erhöhtem Aufwand erreichbar ist. However, it has been shown that the measurement results obtained in this way are not always sufficiently accurate and a short-term heat equalization can only be achieved with increased effort.

[0009] Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Gasmischvorrichtung zur Linearisierung bzw. Kalibrierung von Gasanalysatoren sowie ein Verfahren zur Linearisierung bzw. Kalibrierung von Gasanalysatoren mit einer derartigen Gasmischvorrichtung bereit zu stellen, mit denen eine hohe thermische Stabilität erreichbar ist, ohne dass ein erhöhter Regelungsaufwand erforderlich ist. It is therefore the task of providing a gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers and a method for the linearization or calibration of gas analyzers with such a gas mixing device, with which a high thermal stability can be achieved without an increased regulatory effort is required.

[0010] Diese Aufgabe wird durch eine Gasmischvorrichtung zur Linearisierung bzw. Kalibrierung von Gasanalysatoren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Linearisierung [0010] This object is achieved by a gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers having the features of claim 1 and a method for linearization

bzw. Kalibrierung von Gasanalysatoren mit einer derartigen Gasmischvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. or calibration of gas analyzers with such a gas mixing device with the features of claim 13.

[0011] Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch die Bestromung der üblicherweise verwendeten Elektromagnetventile ein Energieeintrag in die Gasmischvorrichtung erfolgt, der zu einer Erhöhung der Temperatur führt. Diese Ventile wurden in ihrer einen Stellung bestromt und in ihrer anderen Stellung durch eine Federkraft gehalten, was dazu führte, dass sowohl zeitlich als auch räumlich unterschiedliche Energiemengen in die Gasmischvorrichtung eingebracht wurden. Dadurch, dass das 3/2- Wegeventil als kontinuierlich bestromtes Elektromagnetventil ausgebildet ist, dessen Umschaltung durch Stromrichtungsumkehr beziehungsweise Spannungsumkehr erfolgt und das auch in seinen beiden Endlagen ständig bestromt wird, und das 3/2-Wegeventil in seiner ersten Schaltstellung, in der eine Verbindung zwischen dem ersten Eingang und dem Ausgang hergestellt ist und in seiner zweiten Schaltstellung, in der eine Verbindung zwischen dem zweiten Eingang und dem Ausgang hergestellt ist, bestromt ist, liegt im Vergleich zu bislang verwendeten Ventilen ein konstanter Energieeintrag vor, der zur Folge hat, dass sich nach einer gewissen Einschwingzeit über die gesamte Gasmischvorrichtung ein thermisch stabiler Zustand einstellt, bei dem die durch Konvektion ausgetragene Wärmemenge der durch die Bestromung der Ventile eingebrachten Wärmemenge entspricht , so dass sich eine über die gesamte Vorrichtung im Wesentlichen konstante Temperaturverteilung einstellt. The inventors have found that by energizing the commonly used solenoid valves, energy is introduced into the gas mixing device, which leads to an increase in temperature. These valves were energized in one position and held in their other position by a spring force, with the result that both temporally and spatially different amounts of energy were introduced into the gas mixing device. Due to the fact that the 3/2-way valve is designed as a continuously energized solenoid valve, which is switched over by reversing the direction of current or voltage and which is also constantly energized in its two end positions, and the 3/2-way valve in its first switching position, in which a connection is established between the first input and the output and is energized in its second switch position, in which a connection is established between the second input and the output, there is a constant energy input compared to the valves used up to now, with the result that after a certain settling time, a thermally stable state is established over the entire gas mixing device, in which the amount of heat discharged by convection corresponds to the amount of heat introduced by energizing the valves, so that an essentially constant temperature distribution is established over the entire device.

[0012] Entsprechend werden beim erfindungsgemäßen Verfahren vor der Linearisierung bzw. Kalibrierung des Gasanalysators die 3/2-Wegeventile bestromt bis sich ein thermisches Gleichgewicht an der Gasmischvorrichtung einstellt und anschließend werden durch Schaltung der 3/2Wegeventile verschiedene Gasmischungen zur Linearisierung oder Kalibrierung dem Gasanalysator zugeführt, wobei alle 3/2-Wegeventile während der gesamten Linearisierungs- oder Kalibrierdauer bestromt werden und somit der thermische Stabilitätszustand auch während der Linearisierung bzw. der Kalibrierung aufrecht erhalten wird. Correspondingly, in the method according to the invention, before the linearization or calibration of the gas analyzer, the 3/2-way valves are energized until thermal equilibrium is established at the gas mixing device and then various gas mixtures for linearization or calibration are fed to the gas analyzer by switching the 3/2-way valves , whereby all 3/2-way valves are energized during the entire linearization or calibration period and thus the thermal stability state is maintained even during the linearization or calibration.

[0013] Vorzugsweise ist in einem Ausgangskanal zwischen dem Ausgang des 3/2- Wegeventils und der Gasauslassleitung eine kritisch betriebene Düse angeordnet, wodurch mit hoher Präzision konstante Volumenströme eingestellt werden können. A critically operated nozzle is preferably arranged in an outlet channel between the outlet of the 3/2-way valve and the gas outlet line, as a result of which constant volume flows can be set with great precision.

[0014] In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die erste Gaseinlassleitung und die zweite Gaseinlassleitung jeweils mit mehreren parallel geschalteten 3/2-Wegeventilen verbindbar, stromabwärts derer jeweils eine kritisch betriebene Düse in einem Ausgangskanal angeordnet ist, wobei die Ausgangskanäle in einen Mischkanal münden, der in die Gasauslassleitung mündet. Auf diese Weise können viele verschiedene präzise Verdünnungen zur Linearisierung oder Kalibrierung hergestellt werden. In an advantageous embodiment of the invention, the first gas inlet line and the second gas inlet line can each be connected to a plurality of 3/2-way valves connected in parallel, downstream of which a critically operated nozzle is arranged in an outlet channel, with the outlet channels opening into a mixing channel, which opens into the gas outlet line. In this way, many different precise dilutions can be made for linearization or calibration.

[0015] In einer weiterführenden Ausführungsform sind die kritischen Düsen stromabwärts der 3/2-Wegeventile mit unterschiedlichen engsten Querschnitten ausgebildet, wobei der engste Querschnitt jeder vorherigen Düse dem doppelten Querschnitt der folgenden Düse entspricht. Durch diesen Aufbau kann eine hohe Anzahl unterschiedlicher Mischungsverhältnisse hergestellt werden, wodurch eine hohe Anzahl an Stützstellen zur Linearisierung zur Verfügung steht, was zu sehr genauen Messergebnissen im späteren Betrieb des Gasanalysators führt. In a further embodiment, the critical nozzles are formed downstream of the 3/2-way valves with different narrowest cross-sections, the narrowest cross-section of each previous nozzle corresponds to twice the cross-section of the following nozzle. With this structure, a large number of different mixing ratios can be produced, which means that a large number of support points are available for linearization, which leads to very precise measurement results when the gas analyzer is later operated.

[0016] In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die Gasmischvorrichtung einen Strömungsblock auf, in dem die beiden Gaseinlassleitungen und der Mischkanal ausgebildet sind, wobei beidseits des Strömungsblocks mehrere 3/2-Wegeventile mit nachgeschalteten Düsen am Strömungsblock befestigt sind. Durch die blockförmige Ausbildung und die beidseitig angeordneten Magnetventile stellt sich im gesamten Block nach einer Aufwärmzeit eine gleichbleibende Temperatur und somit ein thermisch stabiler Zustand im gesamten durchströmten Bereich ein. In a preferred embodiment of the invention, the gas mixing device has a flow block in which the two gas inlet lines and the mixing channel are formed, with several 3/2-way valves with downstream nozzles being attached to the flow block on both sides of the flow block. Due to the block-shaped design and the solenoid valves arranged on both sides, the temperature in the entire block remains the same after a warm-up time and thus a thermally stable condition in the entire area through which the flow occurs.

[0017] In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Gaseinlassleitungen parallel zueinander beidseits des Mischkanals im Strömungsblock angeordnet und sind die Ausgangskanäle mit den Düsen parallel zueinander im Strömungsblock angeordnet. Dies führt zu einer weiteren Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung und einem sehr geringen benötigten Bauraum. In a further advantageous embodiment of the invention, the gas inlet lines are arranged parallel to one another on both sides of the mixing channel in the flow block and the outlet channels with the nozzles are arranged parallel to one another in the flow block. This leads to a further equalization of the temperature distribution and a very small installation space required.

[0018] Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die 3/2-Wegeventile in Axialrichtung des Mischkanals betrachtet abwechselnd an den beiden Seiten des Strömungsblocks befestigt sind, da auf diese Weise von beiden Seiten Wärme eingebracht wird und durch die abwechselnde Anordnung auch ein Einbringen der Wärme über die gesamte Länge gleichmäßig erfolgt. In particular, it is advantageous if the 3/2-way valves viewed in the axial direction of the mixing channel are attached alternately to the two sides of the flow block, since in this way heat is introduced from both sides and the alternating arrangement also introduces the heat evenly over the entire length.

[0019] In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung nimmt der kleinste Düsenquerschnitt der kritisch betriebenen Düsen in Strömungsrichtung des Mischkanals betrachtet ab, so dass der größte Gasstrom einen längeren Verbleib im Mischkanal aufweist, wodurch eine Wärmeübertragung auf die gesamte Strömungsmenge weitestgehend sichergestellt wird. In a further preferred embodiment, the smallest nozzle cross-section of the critically operated nozzle decreases viewed in the direction of flow of the mixing channel, so that the largest gas stream stays longer in the mixing channel, whereby heat transfer to the entire flow rate is largely ensured.

[0020] Vorzugsweise nimmt der Abstand der 3/2-Wegeventile zueinander in Strömungsrichtung des Mischkanals betrachtet ab. Dies bedeutet, dass im stromabwärtigen Bereich des Strömungsblocks mehr Wärme über die Ventile eingebracht wird, da ein höherer Temperaturgradient zur Umgebung vorliegt, der sonst zu einer Abkühlung führen würde. Preferably, the distance between the 3/2-way valves decreases from one another viewed in the direction of flow of the mixing channel. This means that in the downstream area of the flow block, more heat is introduced via the valves, since there is a higher temperature gradient to the environment which would otherwise lead to cooling.

[0021] Vorzugsweise sind in den Gaseinlassleitungen Regelventile angeordnet, über die ein Trägergas und ein Kalibriergas den 3/2-Wegeventilen zuführbar sind. So wird eine bauraumoptimierte Gasmischvorrichtung geschaffen, in die zuverlässig genau regelbare Gasmengen zur Linearisierung bzw. Kalibrierung geleitet werden können. Control valves are preferably arranged in the gas inlet lines, via which a carrier gas and a calibration gas can be fed to the 3/2-way valves. In this way, a space-optimized gas mixing device is created into which gas quantities that can be reliably and precisely regulated can be fed for linearization or calibration.

[0022] Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn stromaufwärts der 3/2-Wegeventile in den Gaseinlassleitungen jeweils ein Drucksensor angeordnet ist, so dass bei der Gasmischung Fehler durch Druckschwankungen vermieden oder herausgerechnet beziehungsweise die Gase auf einen konstanten Druck mittels der Regelventile geregelt werden können, um Fehler zu vermeiden und den Düsen einen ausreichenden Druck zur Herstellung eines konstanten Volumenstroms zur Verfügung zu stellen. It is particularly advantageous if a pressure sensor is arranged in each case upstream of the 3/2-way valves in the gas inlet lines, so that errors due to pressure fluctuations can be avoided or eliminated during the gas mixture, or the gases can be regulated to a constant pressure by means of the control valves, to avoid errors and to provide the nozzles with sufficient pressure to produce a constant volumetric flow.

[0023] Entsprechend ist es auch sinnvoll, wenn in der Gasauslassleitung stromabwärts des Mischkanals ein Regelventil und ein Drucksensor angeordnet sind, um den Gasanalysatoren immer ein Mischgas mit einer konstanten Temperatur und einem konstanten Druck zuführen zu können, wodurch eine sehr genaue Überprüfung bzw. Linearisierung ermöglicht wird. Accordingly, it is also useful if a control valve and a pressure sensor are arranged in the gas outlet line downstream of the mixing channel, in order to always be able to supply a mixed gas with a constant temperature and a constant pressure to the gas analyzers, which enables a very precise check or linearization is made possible.

[0024] In einer zum erfindungsgemäßen Verfahren weiterführenden Ausführung erfolgt das Schalten der 3/2-Wegeventile zwischen den beiden Stellungen durch Spannungsumkehr und das Halten der 3/2-Wegeventile in ihrer jeweiligen Stellung durch fortwährende Bestromung. Dies bedeutet, dass ein stetiger Stromfluss im Elektromagneten vorhanden ist und lediglich die Polung des Elektromagneten zur Positionierung geändert wird, wodurch stetig Wärme eingebracht wird und sich so ein thermisches Gleichgewicht einstellt. In a further embodiment of the method according to the invention, the 3/2-way valves are switched between the two positions by voltage reversal and the 3/2-way valves are held in their respective position by continuous energization. This means that there is a constant flow of current in the electromagnet and only the polarity of the electromagnet is changed for positioning, which means that heat is constantly introduced and thermal equilibrium is established.

[0025] Es wird somit eine Gasmischvorrichtung zur Linearisierung bzw. Kalibrierung von GasanaIysatoren geschaffen, mit der dem mit Gas zu versorgenden Gasanalysator immer ein Kalibriergas mit sehr genauen Mischungsverhältnissen und unter beinahe konstanten Bedingungen bezüglich des Drucks und der Temperatur zur Verfügung gestellt werden kann, indem in der Gasmischvorrichtung ein möglichst stationärer Zustand bezüglich dieser physikalischen Größen hergestellt wird. A gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers is thus created, with which the gas analyzer to be supplied with gas can always be provided with a calibration gas with very precise mixing ratios and under almost constant conditions with regard to pressure and temperature a state that is as stationary as possible with regard to these physical quantities is produced in the gas mixing device.

[0026] Nicht einschränkende Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Gasmischvorrichtung sowie des entsprechenden Verfahrens zur Linearisierung bzw. Kalibrierung eines GasanaIysators mit einer derartigen Gasmischvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Non-limiting exemplary embodiments of a gas mixing device according to the invention and the corresponding method for linearizing or calibrating a gas analyzer with such a gas mixing device is shown in the figures and will be described below with reference to the figures.

[0027] Die Figur 1 zeigt ein Fließschema einer erfindungsgemäßen Gasmischvorrichtung zur Linearisierung bzw. Kalibrierung eines Gasanalysators. FIG. 1 shows a flow diagram of a gas mixing device according to the invention for the linearization or calibration of a gas analyzer.

[0028] Die Figur 2 zeigt in dreidimensionaler perspektivischer Ansicht eine alternative erfindungsgemäße Gasmischvorrichtung. FIG. 2 shows an alternative gas mixing device according to the invention in a three-dimensional perspective view.

[0029] Die Figur 3 zeigt in dreidimensionaler perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Gasmischvorrichtung aus Figur 2. FIG. 3 shows a section of the gas mixing device according to the invention from FIG. 2 in a three-dimensional perspective view.

[0030] Die Figur 4 zeigt in dreidimensionaler perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Gasmischvorrichtung aus Figur 2 mit einem Schnitt durch den durchströmten Teil eines 3/2-Wegeventils der Gasmischvorrichtung. FIG. 4 shows a three-dimensional perspective view of a section of the gas mixing device according to the invention from FIG. 2 with a section through the part of a 3/2-way valve of the gas mixing device through which flow occurs.

[0031] Die in der Figur 1 dargestellte Gasmischvorrichtung besteht aus einer ersten Gaseinlassleitung 10, die als Kalibriergaszuleitung dient und einer zweiten Gaseinlassleitung 12, die als Trägergas- oder Nullgaszuleitung dient. In den Gaseinlassleitungen 10, 12 ist jeweils ein Regelventil 14, 16 angeordnet, um einen definierten Gasstrom in den Gaseinlassleitungen 10, 12 zu regeln. Hierfür ist jeweils stromabwärts der Regelventile 14, 16 ein Drucksensor 18, 20 in den Gaseinlassleitungen 10, 12 angeordnet, über den der Druck in den Gaseinlassleitungen 10, 12 gemessen und einer Steuereinheit zur Verfügung gestellt wird, über die eine Rückkopplung zu den Regelventilen 14, 16 erfolgt, so dass der Druck in den Gaseinlassleitungen 10, 12 auf einen definierten Wert geregelt werden kann. The gas mixing device shown in FIG. 1 consists of a first gas inlet line 10, which serves as a calibration gas supply line, and a second gas inlet line 12, which serves as a carrier gas or zero gas supply line. A control valve 14 , 16 is arranged in each of the gas inlet lines 10 , 12 in order to regulate a defined gas flow in the gas inlet lines 10 , 12 . For this purpose, a pressure sensor 18, 20 is arranged in the gas inlet lines 10, 12 downstream of the control valves 14, 16, via which the pressure in the gas inlet lines 10, 12 is measured and made available to a control unit, via which feedback to the control valves 14, 16 takes place, so that the pressure in the gas inlet lines 10, 12 can be regulated to a defined value.

[0032] Von der Gaseinlassleitung 10 und der Gaseinlassleitung 12 zweigen jeweils vier Gaszuleitungen 22, 24 ab, die zu einem 3/2-Wegeventil 26 führen, wobei jedes der vier 3/2-Wegeventile 26 zwei Eingänge 28, 30 aufweist, wovon jeweils der erste Eingang 28 mit der ersten Gaseinlassleitung 10 über eine der Gaszuleitungen 22 fluidisch verbunden ist und jeweils der zweite Eingang 30 mit der zweiten Gaseinlassleitung 12 über eine der Gaszuleitungen 24 verbunden ist. Jedes dieser 3/2-Wegeventile 26 weist einen Ausgang 32 auf, durch welchen je nach Stellung eines Regelkörpers 34 des jeweiligen 3/2-Wegeventils 26 entweder ein Trägergasstrom oder ein Kalibriergasstrom vom jeweiligen Eingang 28, 30 in Richtung einer kritisch betriebenen Düse 36, 38, 40, 42 strömt. From the gas inlet line 10 and the gas inlet line 12 four gas supply lines 22, 24 branch off, which lead to a 3/2-way valve 26, each of the four 3/2-way valves 26 having two inputs 28, 30, of which each the first inlet 28 is fluidically connected to the first gas inlet line 10 via one of the gas feed lines 22 and the second inlet 30 is connected to the second gas inlet line 12 via one of the gas feed lines 24 in each case. Each of these 3/2-way valves 26 has an outlet 32 through which, depending on the position of a control body 34 of the respective 3/2-way valve 26, either a carrier gas flow or a calibration gas flow from the respective input 28, 30 in the direction of a critically operated nozzle 36, 38, 40, 42 flows.

[0033] Die kritisch betriebenen Düsen 36, 38, 40, 42 sind jeweils in einem Ausgangskanal 44 angeordnet und weisen unterschiedliche engste Querschnitte auf, die jeweils im Verhältnis 1:2 also bei den vier vorhandenen Düsen im Verhältnis 1:2:4:8 abgestuft sind. Da durch diese Düsen 36, 38, 40, 42 ab einem bestimmten Eingangsdruck, der durch die Regelventile 14, 16 mit den Drucksensoren 18, 20 sichergestellt werden kann, immer der gleiche Volumenstrom strömt, der lediglich vom kleinsten OÖffnungsquerschnitt der jeweiligen kritischen Düse 36, 38, 40, 42 abhängig ist, werden so eindeutig definierte Volumenströme des Trägergases und des Kalibriergases ebenfalls im Verhältnis 1:2 an den unterschiedlichen Ausgangskanälen stromabwärts der Düsen 36, 38, 40, 42 erzeugt. Entsprechend ist es auf diese Weise möglich 14 verschiedene definierte Mischungsverhältnisse zwischen den beiden Reingasströmen zu erzeugen, indem die Stellungen der 3/2-Wegevetnile entsprechend geändert werden. The critically operated nozzles 36, 38, 40, 42 are each arranged in an outlet channel 44 and have different narrowest cross-sections, each in a ratio of 1:2, that is, with the four existing nozzles in a ratio of 1:2:4:8 are graded. Since the same volume flow always flows through these nozzles 36, 38, 40, 42 from a certain inlet pressure, which can be ensured by the control valves 14, 16 with the pressure sensors 18, 20, which flow only depends on the smallest Oopening cross section of the respective critical nozzle 36, 38, 40, 42, clearly defined volume flows of the carrier gas and the calibration gas are also generated in a ratio of 1:2 at the different outlet channels downstream of the nozzles 36, 38, 40, 42. Accordingly, it is possible in this way to generate 14 different defined mixing ratios between the two clean gas flows by changing the positions of the 3/2-way valves accordingly.

[0034] Hierzu münden die vier Ausgangskanäle 44 hintereinander in einen Mischkanal 46, der wiederum stromabwärts der vier Mündungen in eine Gasauslassleitung 48 mündet, in der ebenfalls ein Drucksensor 50 und ein Regelventil 52 angeordnet sind. Die Gasauslassleitung 48 ist über das Regelventil 52 mit einem Gasanalysator 54 fluidisch verbindbar, dem auf diese Weise unterschiedliche Mischungsverhältnisse zur Linearisierung zur Verfügung gestellt werden können, deren Auswerteergebnisse als Stützstellen für eine spätere Abgasanalyse des Gasanalysators 54 dienen. For this purpose, the four outlet channels 44 open one after the other in a mixing channel 46, which in turn opens downstream of the four orifices in a gas outlet line 48, in which a pressure sensor 50 and a control valve 52 are also arranged. The gas outlet line 48 can be fluidically connected via the control valve 52 to a gas analyzer 54, which in this way can be provided with different mixing ratios for linearization, the evaluation results of which serve as support points for a later exhaust gas analysis of the gas analyzer 54.

[0035] Da die Düsen 36, 38, 40, 42 lediglich definierte Volumenströme sicherstellen, ist es erforderlich die Temperatur in der Gasmischvorrichtung für reproduzierbare Ergebnisse konstant zu halten. Aus diesem Grund werden die 3/2-Wegeventile 26 als kontinuierlich bestromte Elektromagnetventile ausgebildet, deren Umschaltung durch Stromrichtungsumkehr beziehungsweise Spannungsumkehr erfolgt und die auch in ihren beiden Endlagen ständig bestromt werden. Durch diese Ausbildung der 3/2-Wegeventile 26 wird in das System durch die Bestromung ein kontinuierlicher Energie- und damit Wärmestrom eingebracht. Nach einer gewissen Aufheizzeit entsteht eine Temperaturdifferenz zur Umgebung, die dazu führt, dass ein stationärer Zustand der Gasmischvorrichtung erreicht wird, so dass der durch die Bestromung zugeführte Wärmemenge der durch Konvektion und Strahlung eingebrachten Energiemenge entspricht. Somit wird den Düsen 36, 38, 40, 42 immer ein Gasstrom mit einer gleichen Temperatur zugeführt, so dass eine sehr genaue Gasmischung ermöglicht wird, ohne dass Temperaturdifferenzen bei der Konzentrationsbestimmung berücksichtigt werden müssen. Since the nozzles 36, 38, 40, 42 only ensure defined volume flows, it is necessary to keep the temperature in the gas mixing device constant for reproducible results. For this reason, the 3/2-way valves 26 are designed as continuously energized electromagnetic valves, which are switched over by reversing the current direction or reversing the voltage and which are also constantly energized in their two end positions. Due to this design of the 3/2-way valves 26, a continuous flow of energy and thus heat is introduced into the system by the current flow. After a certain heating time, there is a temperature difference to the environment, which leads to the gas mixing device reaching a steady state, so that the amount of heat supplied by the energization corresponds to the amount of energy introduced by convection and radiation. Thus, the nozzles 36, 38, 40, 42 are always supplied with a gas flow at the same temperature, so that a very precise gas mixture is made possible without temperature differences having to be taken into account when determining the concentration.

[0036] In den Figuren 2 bis 4 ist eine besonders günstige Form der Realisierung dieses Gasmischkonzeptes dargestellt. Hierbei sind die erste Gaseinlassleitung 10, die zweite Gaseinlassleitung 12 zumindest teilweise, die Gaszuleitungen 22, 24, die Ausgangskanäle 44, die kritisch betriebenen Düsen 36, 38, 40, 42 und der Mischkanal 46 in einem Strömungsblock 56 ausgebildet, an dem beidseitig die 3/2-Wegeventile 26 mittels Schrauben 58 befestigt sind. In Figur 3 ist ersichtlich, dass die 3/2-Wegeventile 26 in axialer Richtung des Mischkanals 46 betrachtet abwechselnd an den beiden Seiten des Strömungsblocks 56 befestigt sind, wobei der Abstand der insgesamt elf 3/2-Wegeventile zueinander mit wachsender Entfernung von den Gaseinlässen 60, 62 sinkt. In the figures 2 to 4 a particularly favorable form of the realization of this gas mixing concept is shown. The first gas inlet line 10, the second gas inlet line 12 at least partially, the gas supply lines 22, 24, the outlet channels 44, the critically operated nozzles 36, 38, 40, 42 and the mixing channel 46 are formed in a flow block 56 on which the 3rd / 2-way valves 26 are fixed by means of screws 58. In Figure 3 it can be seen that the 3/2-way valves 26 viewed in the axial direction of the mixing channel 46 are fastened alternately to the two sides of the flow block 56, the distance between the eleven 3/2-way valves in total increasing with the distance from the gas inlets 60, 62 drops.

[0037] In Figur 4 ist zu erkennen, dass im Strömungsblock 56 der Mischkanal 46 zwischen den beiden Gaseinlassleitungen 10, 12 und parallel zu diesen ausgerichtet angeordnet ist. Die Gaszuleitungen 22, 24 sowie der Ausgangskanal 44 zweigen im 90°-Winkel von den Gaseinlassleitungen 10, 12 und dem Mischkanal 46 ab und sind ebenfalls parallel zueinander ausgerichtet. Sie werden in einer Ventilplatte 64 verlängert, die gegen einen Ventilsitzkörper 66 anliegt, der zwei Ventilsitze 69, 70 aufweist, die die Gaszuleitungen 22, 24 begrenzen und auf die der wippenförmige Regelkörper 34 absenkbar ist, der je nach Stellung entweder auf dem ersten Ventilsitz 68 oder auf dem zweiten Ventilsitz 70 aufliegt und somit entweder den Kalibriergasstrom oder den Trägergasstrom im 3/2-Wegeventil 26 absperrt beziehungsweise den jeweils anderen zum Ausgangskanal 44 freigibt. Am Ventilsitzkörper 66 ist ein elektromagnetischer Aktor 68 angeflanscht, an dessen Ende der Regelkörper 34 in Form einer Dichtmembrane befestigt ist. Der Ventilsitzkörper 66 ist zur Ventilplatte 64 über drei die Gaszuleitungen 22, 24 umgebende ORinge 71 nach außen abgedichtet. Die Schrauben 58 zur Befestigung durchdringen entsprechend die Ventilplatte 64, den Ventilsitzkörper 66 und einen Flanschabschnitt des elektromagnetischen Aktors 68 und sind im Strömungsblock 56 verschraubt. It can be seen in FIG. 4 that in the flow block 56 the mixing channel 46 is arranged between the two gas inlet lines 10, 12 and aligned parallel to them. The gas supply lines 22, 24 and the outlet channel 44 branch off at a 90° angle from the gas inlet lines 10, 12 and the mixing channel 46 and are also aligned parallel to one another. They are extended in a valve plate 64, which rests against a valve seat body 66, which has two valve seats 69, 70, which delimit the gas supply lines 22, 24 and onto which the rocker-shaped control body 34 can be lowered, which, depending on the position, is either on the first valve seat 68 or rests on the second valve seat 70 and thus shuts off either the calibration gas flow or the carrier gas flow in the 3/2-way valve 26 or releases the respective other one to the outlet channel 44 . An electromagnetic actuator 68 is flanged to the valve seat body 66, at the end of which the control body 34 is fastened in the form of a sealing membrane. The valve seat body 66 is sealed to the valve plate 64 by three O-rings 71 surrounding the gas supply lines 22, 24 to the outside. The screws 58 for fastening penetrate through the valve plate 64, the valve seat body 66 and a flange portion of the electromagnetic actuator 68 and are screwed in the flow block 56, respectively.

[0038] Zur Linearisierung bzw. Kalibrierung wird zunächst eine Aufwärmphase eingeleitet, in der mit oder ohne die Gaseinlassleitungen zu öffnen die 3/2- Wegeventile 26 beliebig bestromt werden, bis ein thermisches Gleichgewicht entsteht. Dieses bleibt während der Linearisierung bzw. Kalibrierung bestehen, da eine konstante Energiemenge in das System eingebracht wird und durch Konvektion und Wärmestrahlung auch eine konstante Energiemenge von der Gasmischvorrichtung abgeführt wird. Dies führt während der Gasmischung zu konstanten Temperaturverteilungen im Strömungsblock 56 und konstanten Temperaturen des Mischgases in den Düsen 36, 38, 40, 42 vor der Gasauslassleitung 48, von wo der jeweilige Mischgasstrom mit definiertem Mischungsverhältnis dem Gasanalysator 54 zugeführt wird. Externe Kühlvorrichtungen zum Erhalten einer konstanten Temperatur, die einer genauen Regelung unterworfen werden müssen, sind entsprechend nicht mehr erforderlich. For linearization or calibration, a warm-up phase is first initiated, in which the 3/2-way valves 26 are energized as desired, with or without opening the gas inlet lines, until thermal equilibrium is reached. This persists during the linearization or calibration, since a constant amount of energy is introduced into the system and a constant amount of energy is also dissipated from the gas mixing device by convection and thermal radiation. During the gas mixing, this leads to constant temperature distributions in the flow block 56 and constant temperatures of the mixed gas in the nozzles 36, 38, 40, 42 upstream of the gas outlet line 48, from where the respective mixed gas stream with a defined mixing ratio is fed to the gas analyzer 54. Accordingly, external cooling devices for maintaining a constant temperature, which must be subjected to precise control, are no longer required.

[0039] Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere können andere Vorrichtungen zum Erhalt eines konstanten Volumenstroms vorgesehen werden oder die Kanäle in anderer Form als im Strömungsblock verwirklicht werden. Ebenso sind andere bzw. auch eine andere Anzahl elektrischer Ventile als Mischventile verwendbar, welche lediglich als dauerbestromte Ventile ausgeführt werden müssen. It should be clear that the scope of protection of the present main claim is not limited to the described embodiments. In particular, other devices for maintaining a constant volume flow can be provided or the channels can be implemented in a form other than in the flow block. Likewise, other or a different number of electric valves can be used as mixing valves, which only have to be designed as permanently energized valves.

Claims

patent claims

1. Gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers with a first gas inlet line (10) for a first gas, a second gas inlet line (12) for a second gas, a gas outlet line (48), at least one 3/2-way valve (26). two inlets (28, 30) and one outlet (32), the first inlet (28) being fluidically connected to the first gas inlet line (10) for the first gas, the second inlet (30) to the second gas inlet line (12) for the second gas is fluidically connected and the outlet (32) is fluidically connected to the gas outlet line (48), characterized in that the 3/2-way valve (26) is designed as a continuously energized electromagnetic valve, which is switched over by reversing the current direction or voltage and which is constantly energized in its two end positions and the 3/2-way valve (26) in its first switching position in which a connection between the first input (28) and de m output (32) is made and is energized in its second switching position, in which a connection between the second input (30) and the output (32) is made.

2, gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers according to claim 1, characterized in that in an outlet channel (44) between the outlet (32) of the 3/2-way valve (26) and the gas outlet line (48) a critically operated nozzle ( 36, 38, 40, 42).

3. Gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers according to one of the preceding claims, characterized in that the first gas inlet line (10) and the second gas inlet line (12) can each be connected to a plurality of 3/2-way valves (26) connected in parallel, downstream each of which has a critically operated nozzle (36, 38, 40, 42) arranged in an outlet channel (44), the outlet channels (44) opening into a mixing channel (46) which opens into the gas outlet line (48).

4. Gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers according to claim 3, characterized in that the critically operated nozzles (36, 38, 40, 42) downstream of the 3/2-way valves (26) are formed with different narrowest cross sections, the narrowest cross-section of each previous nozzle (36, 38, 40) corresponds to twice the cross-section of the following nozzle (38, 40, 42).

5. Gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers according to Claim 3 or 4, characterized in that the gas mixing device has a flow block (56) in which the two gas inlet lines (10, 12) and the mixing channel (46) are formed, with both sides of the flow block (56) several 3/2-way valves (26) with downstream nozzles (36, 38, 40, 42) are attached to the flow block (56).

6. Gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers according to claim 5, characterized in that the gas inlet lines (10, 12) are arranged parallel to one another on both sides of the mixing channel (46) in the flow block (56) and the outlet channels (44) with the nozzles ( 36, 38, 40, 42) are arranged parallel to each other in the flow block (56).

7. Gas mixing device for linearization or calibration of gas analyzers according to claim 5 or 6, characterized in that the 3/2-way valves (26) viewed in the axial direction of the mixing channel (46) are attached alternately to the two sides of the flow block (56).

8. Gas mixing device for linearizing or calibrating gas analyzers according to claims 5 to 7, characterized in that the smallest nozzle cross section of the critically operated nozzles (36, 38, 40, 42) decreases viewed in the direction of flow of the mixing channel (46).

9. Gas mixing device for the linearization or calibration of gas analyzers according to claims 5 to 8, characterized in that the distance between the 3/2-way valves (26) decreases as viewed in the direction of flow of the mixing channel (46).

10. Gas mixing device for linearization or calibration of gas analyzers according to one of the preceding claims, characterized in that in the gas inlet lines (10, 12) control valves (14, 16) are arranged, via which a carrier gas and a calibration gas the 3/2-way valves (26) can be supplied.

11. Gas mixing device for linearizing or calibrating gas analyzers according to claim 10, characterized in that a pressure sensor (18, 20) is arranged upstream of the 3/2-way valves (26) in the gas inlet lines (10, 12).

12. Gas mixing device for linearizing or calibrating gas analyzers according to one of the preceding claims, characterized in that a control valve (52) and a pressure sensor (50) are arranged in the gas outlet line (48) downstream of the mixing channel (46).

13. A method for the linearization or calibration of gas analyzers with a gas mixing device according to one of the preceding claims, characterized in that before the linearization or calibration of the gas analyzer (54) the 3/2-way valves (26) are energized until thermal equilibrium on the gas mixing device and then various gas mixtures are fed to the gas analyzer (54) for calibration by switching the 3/2-way valves (26), all 3/2-way valves (26) being energized during the entire linearization period.

14. A method for the linearization or calibration of gas analyzers according to claim 13, characterized in that the switching of the 3/2-way valves (26) between the two positions by voltage reversal and holding the 3/2-way valves (26) in their respective position by continuous energization.

4 sheets of drawings