CN112638515B - 用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置 - Google Patents

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Abstract

已知一种用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，其具有用于第一气体的第一进气管路(10)、用于第二气体的第二进气管路(12)、带有至少两个在流动方向上前后相续地布置的进入开口(72、74、76、78、80)的混合通道(46)、带有至少一个入口(28；30)和出口(32)的至少两个阀(26)，通过所述至少两个阀能开通或切断进气管路(10、12)的至少一个与混合通道(46)之间的经由进入开口(72、74、76、78、80)的流体连接。为了减少冲洗时间和校准持续时间，混合通道(46)在上游的第一进入开口(72；74；76；78)处的流动横截面小于在下游的第二进入开口(74；76；78；80)处的流动横截面，由此与已知的实施方案相比，可以提高在混合通道的起始处的流速。

Description

用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置
本发明涉及一种用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，其具有用于第一气体的第一进气管路、用于第二气体的第二进气管路、带有至少两个在流动方向上前后相续地布置的进入开口的混合通道、带有至少一个入口和出口的至少两个阀，通过所述阀能开通和切断进气管路的至少一个与混合通道之间的经由进入开口的流体连接。
这种也称为气体分配器的气体混合装置是高精度的装置，通过该装置可以产生校准气体(或者说校正用气体)的精确定义的稀释，然后可以将稀释过的校准气体提供给分析装置用于校准、检查或线性化。
这些气体混合装置尤其从机动车的废气分析技术领域中已知。在这里必须提供精确定义的稀释，因为否则会由于部分非常低的浓度而在测量时出现高百分比的误差。
例如从DE 30 00 949 A中已知这种气体混合装置，其中描述了一种用于产生标准气体混合物的装置，该装置公开了一种混合块，其具有两个气体进入通道，该气体进入通道在两侧布置成柱形的混合通道。标准气体流经第一通道，零气或载气流经另一通道。进入通道之一和混合通道之间的连接分别可以通过阀门中断或打开。通过这种布置不能实现测量废气成分所必需的足够精确的混合。
为了实现这些精确的混合，通常在各个混合阶段使用临界喷嘴，从一定的入口压力起，总是有相同的体积流(或者说体积流量)流过这些临界喷嘴，该体积流只取决于临界喷嘴的最小开口横截面和温度。
相应地，在EP 0 690 985 B1中建议了一种气体混合装置，其中，四个二位三通换向阀(或者说3/2换向阀)彼此并联连接，它们分别具有两个入口和一个出口，其中，在该出口处布置有临界喷嘴。这些喷嘴的最小自由横截面与相应的随后的喷嘴的最小自由横截面的比例为2：1。因此可以高精度地产生校准气体和零气的十六种不同的混合比。
然而，已知的气体混合装置的问题在于，在用定义的稀释(程度)的校准气体进行测量之后的冲洗时间非常长，因为必须将混合通道的横截面设置为最大可能的体积流，因为否则在相应的体积流中，混合通道中的压降会太大。混合管路横截面与部分流量的适配就已经导致不允许地高的压力损失。
然而这导致在混合管的起始处只存在较低的流速，在所述起始处尚不存在全部体积流，而只存在部分流，因此尤其对上游区域的完全冲洗要花很长时间。虽然混合通道横截面与部分流量的相应适配将减少冲洗时间，但会在下游区域中导致不允许地高的压力损失。
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，利用该气体混合装置可以明显缩短冲洗时间，同时保持低的压力损失，从而可以减少整个校准时长。
该技术问题通过一种具有权利要求1的特征的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置解决。
由于混合通道在上游的第一进入开口处的流动横截面小于在下游的第二进入开口处的流动横截面，因此该横截面与存在于该处的体积流适配。由于体积流也较小的上游区域中的横截面较小，因此在混合通道中实现了更高的速度，这导致冲洗时间明显被缩短。
在一种有利的实施方式中，混合通道的流动横截面连续地沿流动方向在进入开口之间扩宽，由此可靠地避免了由于横截面突变而产生的压力损失。
限定混合通道(或者说形成混合通道的边界)的壁优选设计为连续延伸的，从而在被流过的整个长度上减小了压力损失，并且实现了均匀地流过混合通道。
在本发明的有利的实施方式中，混合通道中的两个依次相续(或者说连续)的进入开口之间的压力损失等于两个在下游依次相续的进入开口之间的压力损失。这意味着在整个混合通道上在每个区段中都存在恒定的压力损失，因此存在恒定的测量条件，并且混合通道在其整个长度上被均匀冲洗。
在另一种优选的实施方式中，混合通道的流动横截面这样扩宽，使得混合通道中紧邻进入开口之一下游的流速(或者说流动速度)等于紧邻在流动方向上的下一个进入开口下游的流速。因此，混合通道的横截面设计成，使得例如在紧邻进入开口的前方或后方存在恒定的流速。随着体积流的增加，混合通道的横截面也以相同的比例相应地增大。
气体混合装置优选具有多个并联连接的3/2换向阀，它们在流动方向上前后相续地布置，并且其中多个3/2换向阀中的每个都具有两个入口和一个出口，其中，在3/2换向阀的第一开关位置中，在第一进气管路和混合通道之间建立流体连接，并且在3/2换向阀的第二开关位置中，在第二进气管路和混合通道之间建立流体连接。因此，两条进气管路由相同的阀控制，因此总是有两种气体之一经由进入开口流入混合通道。这些气体通常是零气或载气和已知浓度的校准气体。每个进入开口都相应地由这种阀控制，该阀优选制造为被连续通电的阀，由此通过要求保护的横截面设计方案，除了恒定的压力条件之外，还可以建立热平衡。
此外有利的是，在每个阀的出口与进入混合通道的进入开口之间的连接通道中设有临界运行的喷嘴，由此能够以高精度调节形成恒定的体积流，因为从一定的入口压力起，总是相同的体积流通过喷嘴进入混合通道，该体积流始终只取决于喷嘴的最小横截面和温度。
相应地，在进一步的实施方式中，临界运行的喷嘴在阀的下游设计具有不同的最窄横截面，其中，基于每个上游喷嘴的最窄横截面而最大可实现的体积流相当于基于随后的下游喷嘴的最窄横截面而最大可实现的体积流的两倍，因此每个上游喷嘴的最窄横截面大致相当于随后的下游喷嘴的横截面的两倍。通过这种结构可以产生大量不同的、明确定义的混合比，由此有大量的控制点可供用于线性化或校准，这在气体分析器的后续运行中实现了非常精确的测量结果。由此也附加地简化了用于在混合通道中产生恒定流速的横截面的设计。
气体混合装置优选具有流动块，在该流动块中构造有所述两个进气管路和所述混合通道，其中，在流动块的两侧，多个阀与连接在之后(或者说下游)的喷嘴固定在该流动块上。通过块状的设计和两侧布置的阀提高了块的热稳定性并且省去了许多组装步骤。当使用在两个端部位置中都通电的3/2磁换向阀时，甚至可以在预热时间之后在整个块中实现保持不变的温度并且因此实现热稳定状态。
进气管路有利地在混合通道的两侧彼此平行地布置在流动块中，并且具有喷嘴的连接通道彼此平行地布置在流动块中。这实现了非常紧凑且易于组装和易于制造的单元。
依次相续的进入开口优选关于混合通道的中轴线彼此对置地布置在混合通道上，由此实现了两种气体在混合通道中更好且更快速的混合。额外地，阀由此可以彼此之间以更短的轴向距离布置，这也导致所需的安装空间的减小和混合通道的缩短。
由此获得了用于线性化或校准气体分析器的气体混合装置，利用该气体混合装置可以缩短冲洗时间并且因此也缩短总的校准时长。气体混合装置还易于组装和制造并且需要很小的安装空间。此外，建立了恒定的压力条件，由此改善了线性化或校准时的测量结果。
在附图中示出了根据本发明的气体混合装置的非限制性的实施例，并且在下面参照附图进行描述。在附图中：
图1示出根据本发明的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置的流程图；
图2以三维立体图示出根据本发明的备选的气体混合装置；
图3以三维立体图示出图2中的根据本发明的气体混合装置的局部；
图4以三维立体图示出图2中的根据本发明的气体混合装置的局部，其具有剖切气体混合装置的3/2换向阀的被流过的部分得到的剖面；并且
图5示出剖切根据图2和3的根据本发明的气体混合装置的流动块得到的纵剖面。
在图1中所示的气体混合装置由用作校准气体输入管路的第一进气管路10和用作零气输入管路的第二进气管路12组成。在进气管路10、12中分别布置有调节阀14、16，以便调节进气管路10、12中的定义的气流。为此，分别在调节阀14、16的下游在进气管路10、12中布置有压力传感器18、20，通过该压力传感器测量进气管路10、12中的压力并且将其提供给控制单元，通过该控制单元实现到调节阀14、16的反馈，从而可以将进气管路10、12中的压力调节到定义的值。
从进气管路10和进气管路12分别分支出四个气体输入管路22、24，它们分别通向设计成3/2换向阀的阀26，其中，四个3/2换向阀26的每个都具有两个入口28、30，其中，第一入口28分别与第一进气管路10经由气体输入管路22之一流体连接，并且第二入口30分别与第二进气管路12经由气体输入管路24之一流体连接。这些3/2换向阀26的每个都具有出口32，根据相应的3/2换向阀26的密封膜34的位置，零气流或者校准气流从相应的入口28、30通过所述出口32经由临界运行的喷嘴36、38、40、42流入连接通道44。
临界运行的喷嘴36、38、40、42分别布置在连接通道44中并且具有不同的最窄横截面，该最窄横截面分别以大约1:2的比例阶变，即在四个现有喷嘴中以大约1:2:4:8的比例阶变。下一个较大的喷嘴36；38；40分别位于随后的较小的喷嘴38；40；42的上游。由于从一定的、可以通过带有压力传感器18、20的调节阀14、16确保的入口压力起，总是相同的体积流流过这些喷嘴36、38、40、42，该体积流只取决于相应临界喷嘴36、38、40、42的最小开口横截面和现有的温度，因此，在喷嘴36、38、40、42下游的不同连接通道44处以精确的1:2的比例产生了载气和校准气体的这样明确定义的体积流。相应地以此方式可以通过相应地改变3/2换向阀的位置在两个洁净气体流之间产生十四种不同的定义的混合比。
为此，四个连接通道44前后相续地通入混合通道46，该混合通道46又在四个通入口的下游通入出气管路48，在该出气管路中也布置有压力传感器50和调节阀52。出气管路48能够通过调节阀52与气体分析器54流体连接，以这种方式可以给气体分析器提供不同的混合比以进行线性化或校准，其分析结果用作针对气体分析器54的之后的废气分析的控制点。
在图2至4中示出用于实现该气体混合方案的优选实施方式。在此，第一进气管路10、第二进气管路12至少部分地、气体输入管路22、24、连接通道44和混合通道46构造在流动块56中，3/2换向阀26借助螺钉58在两侧固定在流动块56上。在此，3/2换向阀26沿混合通道46的轴向方向观察交替地固定在流动块56的两侧上。
在图4和5中可以看出，在流动块56中，混合通道46在两个进气管路10、12之间并且与之平行定向地布置。气体输入管路22、24以及连接通道44以90°角从进气管路10、12和混合通道46分支出并且也相互平行地定向。它们在贴靠于薄板65上的扁平密封装置64中延长，在该薄板65中构造临界运行的喷嘴36、38、40、42并且该薄板65又以其相反侧贴靠在阀座体66上，该阀座体具有两个阀座69、70，这两个阀座在该区域内包围气体输入管路22、24并且摇杆状密封膜34可下降到这两个阀座上，该摇杆状密封膜34视位置而定地平放在第一阀座69上或者平放在第二阀座70上并且因此切断3/2换向阀26中的校准气流或者载气或零气气流，或者放行相应的另外那种气流以通向连接通道44。在阀座体66上固定有电磁执行器68，用于操作密封膜34。该阀座体66朝向扁平密封装置64通过三个围绕气体输入管路22、24的O形环70向外密封，该O形环70通过接片相互连接。螺钉58为了固定而相应地穿过扁平密封装置64、阀座体66和电磁执行器68的凸缘段并且螺纹连接在流动块56中。
在图5中可看到两个进气通道10、12的每隔一个(或者说每两个)气体输入管路22、24以及进入中央混合通道46的进入开口72、74、76、78、80，连接通道44通过这些进入开口72、74、76、78、80通入混合通道46中。混合通道46的流动横截面或直径根据本发明从其第一喷嘴36或最大的第一进入开口72向下游的第二进入开口74增大。流动横截面在流动方向上的扩宽设计在所有进入开口72、74、76、78、80之间。
这种扩宽是连续进行的，因此限定混合通道46的壁82也连续延伸地构造。混合通道46的这种扩宽设计通过力求使分别在两个依次相续的进入开口之间的压力损失保持不变而实现。这实现的方式是，混合通道46的流动横截面这样扩宽，使得混合通道46中的流速分别在紧邻进入开口72、74、76、78、80的下游或上游是相同的，即该横截面与分别经由喷嘴36、38、40、42流入的体积流适配。相应地，混合通道46的横截面沿流动方向增长得越来越少，因为分别输入的体积流相应于在混合通道46的流动方向上减小的喷嘴横截面而减半。但选择连续的扩宽，以避免横截面突变和与之相关的将导致压力损失增加的湍流。
还应当指出，在根据图5的剖面中只有每隔一个进入开口72、74、76、78、80是可见的，但需要相应地设计混合通道46从每个单独的可见的进入开口72、74、76、78、80到下一个在图5中不可见的进入开口、即关于混合通道46的中轴线径向对置的进入开口的扩宽，以获得所选的流速。
通过混合通道的这种设计可以明显减小在校准测量之间的冲洗时间，因为在混合通道的起始处的流速相比已知的设计由于横截面的减小而显著提高并且因此先前存在于混合通道中的校准气体比在已知的设计中更快地到达出气管路，在该已知的设计中，混合通道的横截面针对混合通道的末端处的体积流而设计，以避免在运行中过高的压力损失。通过减少冲洗时间，也缩短了校准气体的停留时间并且因此缩短了在线性化或校准期间的测量时间，以及由此缩短总校准时长。额外地，在线性化或校准时形成基本恒定的压力比，通过该压力比改善线性化或校准时的测量结果。本发明的气体混合装置也是非常紧凑、坚固的并且易于组装。
应该清楚的是，本独立权利要求的保护范围不限于所描述的实施例。尤其可以根据设计不选择混合通道的均匀扩宽，而是取而代之在进入开口的区域内设置连续但更快速增长的通道扩宽部。也可以使用其它的阀或可以安装各个单独的通道来代替流动块。也可以考虑在所述保护范围内的其它修改。

Claims (9)

1.一种用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，具有
用于第一气体的第一进气管路(10)，
用于第二气体的第二进气管路(12)，
混合通道(46)，所述混合通道带有至少两个在流动方向上前后相续地布置的进入开口(72、74、76、78、80)，
至少两个阀(26)，所述至少两个阀分别带有至少一个入口(28；30)和出口(32)，通过所述至少两个阀(26)能够开通或切断在进气管路(10、12)的至少一个与混合通道(46)之间的经由进入开口(72、74、76、78、80)的流体连接，
其特征在于，
混合通道(46)在上游的第一进入开口(72；74；76；78)处的流动横截面小于在下游的第二进入开口(74；76；78；80)处的流动横截面，其中，两个依次相续的进入开口(72、74、76、78、80)之间的压力损失等于两个在下游依次相续的进入开口(72、74、76、78、80)之间的压力损失，其中，所述混合通道(46)的流动横截面这样扩宽，使得所述混合通道中的紧邻进入开口(72，74、76、78)之一下游的流速等于紧邻在流动方向上随后的那个进入开口(74、76、78、80)下游的流速。
2.根据权利要求1所述的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，
其特征在于，
所述混合通道(46)的流动横截面在流动方向上连续地在进入开口(72、74、76、78、80)之间扩宽。
3.根据权利要求1所述的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，
其特征在于，
限定所述混合通道(46)的壁(82)连续延伸地设计。
4.根据权利要求1至3之一所述的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，
其特征在于，
所述气体混合装置具有并联连接的设计成二位三通换向阀的多个阀(26)，所述阀(26)在流动方向上前后相续地布置并且其中每个阀(26)具有两个入口(28、30)和一个出口(32)，其中，在阀(26)的第一开关位置中在第一进气管路(10)与混合通道(46)之间建立流体连接，并且在阀(26)的第二开关位置中在第二进气管路(12)和混合通道(46)之间建立流体连接。
5.根据权利要求1所述的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，
其特征在于，
在每个阀(26)的出口(32)与进入混合通道(46)的进入开口(72、74、76、78、80)之间的连接通道(44)中布置有临界运行的喷嘴(36、38、40、42)。
6.根据权利要求5所述的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，
其特征在于，
所述临界运行的喷嘴(36、38、40、42)在阀(26)的下游设计具有不同的最窄横截面，其中，基于每个上游的喷嘴(36、38、40)的最窄横截面而最大能实现的体积流相当于基于随后的下游的喷嘴(38、40、42)的最窄横截面而最大能实现的体积流的两倍。
7.根据权利要求4所述的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，
其特征在于，
所述气体混合装置具有流动块(56)，在所述流动块(56)中设计有所述第一进气管路(10)和所述第二进气管路(12)和所述混合通道(46)，其中，在所述流动块(56)的两侧，多个阀(26)与连接在之后的喷嘴(36、38、40、42)固定在所述流动块(56)上。
8.根据权利要求7所述的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，
其特征在于，
所述第一进气管路(10)和所述第二进气管路(12)相互平行地在混合通道(46)的两侧布置在所述流动块(56)中，并且具有喷嘴(36、38、40、42)的连接通道(44)相互平行地布置在流动块(56)中。
9.根据权利要求1所述的用于气体分析器的线性化或校准的气体混合装置，
其特征在于，
依次相续的进入开口(72、74、76、78、80)关于混合通道(46)的中轴线对置地布置在混合通道(46)上。
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