DE1145815B

DE1145815B - Measurement arrangement for continuous digital measurement of gas quantities

Info

Publication number: DE1145815B
Application number: DEB61382A
Authority: DE
Inventors: Dr Chem Phys Thaddaeus Kraus
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1960-03-22
Filing date: 1961-02-22
Publication date: 1963-03-21
Also published as: AT215688B; CH384231A

Description

Meßanordnung zur fortlaufenden digitalen Messung von Gasmengen Zur Messung von Gasmengen, die bei Vorgängen, z. B. Desorptionsvorgängen, in einen Meßraum abgegeben werden, und von Vorgängen, z. B. Measuring arrangement for continuous digital measurement of gas quantities Zur Measurement of gas quantities that occur during operations, e.g. B. desorption processes in a measuring room are given, and of operations such. B.

Adsorptionsvorgängen, bei denen Gase aus einem Meßraum entfernt werden, gibt es bekannte Verfahren, die darauf beruhen, daß entweder die Änderung des Gasvolumens bei konstantem Druck oder die Änderung des Gasdrucks bei konstantem Volumen des Meßraums erfaßt wird. Beide Methoden haben ihre grundsätzlichen Nachteile; im ersteren Falle ist man im Meßbereich sehr beschränkt, weil Volumenänderungen meßtechnisch nicht in beliebig großem Umfange möglich sind, und im zweiten Falle ist mit den bekannten Vorrichtungen die Erfassung der Druckabhängigkeit der genannten Vorgänge nur auf dem Umweg über mehrere separate Meßreihen möglich. Die moderne Meßtechnik und die Automatisierung verlangen aber oft eine fortlaufende Messung und eventuelle Registrierung.Adsorption processes in which gases are removed from a measuring room, there are known methods which are based on either changing the gas volume at constant pressure or the change in gas pressure at constant volume of the Measurement space is detected. Both methods have their fundamental disadvantages; in the former The case is very limited in the measuring range because volume changes are metrological are not possible to any great extent, and in the second case it is with the known devices the detection of the pressure dependency of the processes mentioned only possible by way of a detour via several separate series of measurements. The modern measuring technology and automation often require continuous measurement and eventual Registration.

Die Messung in digitaler Form hat dabei den großen Vorteil, daß ohne Meßbereichumschaltungen beliebig große Änderungen der Meßgröße erfaßt werden können und daß das Resultat unmittelbar in Form von Zahlen anfällt, was die Auswertung der Meßergebnisse, vor allem auch, wenn diese durch automatische Rechenanlagen erfolgen soll, wesentlich erleichtert. Auch gestattet die digitale Form das Meßergebnis mit beliebig hoher Genauigkeit darzustellen, während Analogwerte anzeigende Meßinstrumente die Meßgröße im günstigsten Falle mit einer Genauigkeit von 1 0ioo wiedergeben können.The measurement in digital form has the great advantage that without Changes in the measuring range of any size can be detected in the measured variable and that the result is obtained immediately in the form of numbers, which is what the evaluation of the measurement results, especially if they are carried out by automatic computing systems should, much easier. The digital form also allows the measurement result to represent any degree of accuracy, while measuring instruments showing analog values in the best case can reproduce the measured variable with an accuracy of 1 0ioo.

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur fortlaufenden digitalen Messung von Gasmengen, die bei Vorgängen bei vorgewählten Drücken, z. B. bei Sorptionsvorgängen bei konstantem Druck, umgesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie gleichzeitig einen Meßrezipienten und wenigstens einen mit dem Meßrezipienten durch ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil verbundenen Hilfsrezipienten aufweist daß eine durch ein Druckmeßgerät gesteuerte elektrische Regeleinrichtung vorhanden ist, welche das Ventil periodisch beim Erreichen eines bestimmten Gasdrucks im Meßrezipienten automatisch sich öffnen und beim Erreichen eines bestimmten anderen Gasdrucks sich wieder schließen läßt, und daß ein auf Ventilbetätigung ansprechendes Zählwerk vorgesehen ist. The invention relates to a measuring arrangement for continuous digital Measurement of gas quantities that occur during processes at preselected pressures, e.g. B. in sorption processes at constant pressure. The inventive device is thereby characterized in that they have at the same time a measurement recipient and at least one auxiliary recipients connected to the measuring recipient by an electromagnetically controlled valve has that an electrical control device controlled by a pressure measuring device is present, which the valve periodically when a certain gas pressure is reached open automatically in the measurement recipient and when reaching a certain other Gas pressure can be closed again, and that a responsive to valve actuation Counter is provided.

Die Ausführungen zeigen an Hand der schematischen Zeichnungen den Aufbau und die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Meßanordnung an drei Beispielen, und zwar zeigt Fig. 1 die Zusammenschaltung der Einzelgeräte für den Fall, daß die Gasabgabe einer Probe unter vermindertem Druck gemessen werden soll, Fig. 2 einen Aufbau, wie er für die Zwecke der Messung der Gasaufnahme etwa eines Absorptionsmittels, verwendet werden kann, Fig. 3 eine Anordnung zur Messung eines durch den Meßrezipienten schrittweise hindurchgeführten Gasstromes. The explanations show on the basis of the schematic drawings Structure and mode of operation of the measuring arrangement according to the invention using three examples, namely Fig. 1 shows the interconnection of the individual devices in the event that the Gas release of a sample is to be measured under reduced pressure, Fig. 2 a Structure, as it is for the purpose of measuring the gas uptake of an absorbent, can be used, Fig. 3 shows an arrangement for measuring a through the measuring recipient gradually passed through gas stream.

In Fig. 1 bedeutet 1 den Meßrezipienten, in dem sich die zu untersuchende gasabgebende Probe 2 befindet. 3 ist das an den Meßrezipienten angeschlossene Druckmeßgerät, 4 ein Ventil, das über die Leitung 5 den Meßrezipienten 1 mit einem als Hilfsrezipienten dienenden Raum 6 verbinden kann, in welchen durch bekannte Mittel, z. B. durch Pumpen, ein Unterdruck gegenüber dem Meßrezipienten aufrechterhalten wird, da im vorliegenden Beispiel die Gasabgabe der Probe gemessen werden soll. Man kann die abgegebenen Gase über das Ventil 4 direkt einer Pumpe zuführen, deren Ansaugseite in diesem Falle den Hilfsrezipienten 6 im Sinne des Patentanspruchs darstellt. Weiter ist in Fig. 1 eine elektrische Regeleinrichtung 7 angedeutet, welche durch das Druckmeßgerät 3 gesteuert wird und die Aufgabe hat, das Ventil 4 beim Überschreiten eines einstellbaren Gasdrucks pl im Meßrezipienten automatisch mittels des Elektromagneten 9 zu öffnen und beim Unterschreiten eines bestimmten niedrigeren Gasdrucks p2 dieses wieder zu schließen. Weiter ist ein Zählwerk 8 vorgesehen, welches die Ventilbetäti- gungen zählt, wobei es meist genügt, daß nach Wahl nur die Ventilbetätigungen in einer Richtung, z. B. nur das Öffnen oder das Schließen des Ventils, erfaßt wird. Auch ist es zweckmäßig, wenn dieses Zählwerk nicht nur die Zahl, sondern auch die Zeitpunkte der Ventilbetätigungen festhält, also als l\leßwertdrucker oder als andersartiger Zeitnehmer ausgebildet ist. In Fig. 1, 1 means the measurement recipient in which the to be examined gas-emitting sample 2 is located. 3 is the pressure measuring device connected to the measuring recipient, 4 a valve, which via the line 5, the measuring recipient 1 with an auxiliary recipient serving space 6 can connect in which by known means, e.g. B. by pumping, a negative pressure is maintained in relation to the measuring recipient, since in the present Example the gas release of the sample is to be measured. You can give them Feed gases directly to a pump via valve 4, the suction side in this Case represents the auxiliary recipient 6 within the meaning of the claim. Next is in Fig. 1, an electrical control device 7 indicated, which by the pressure measuring device 3 is controlled and has the task of opening the valve 4 when an adjustable value is exceeded To open the gas pressure pl in the measuring receptacle automatically by means of the electromagnet 9 and when falling below a certain lower gas pressure p2 this again close. A counter 8 is also provided, which controls the valve actuation worked counts, whereby it is usually sufficient that only the valve actuations are selected in one Direction, e.g. B. only the opening or closing of the valve is detected. Even it is useful if this counter not only shows the number, but also the times the valve actuation, i.e. as a reading printer or as something of a different kind Timekeeper is trained.

Eine Messung mit der beschriebenen Vorrichtung geht folgendermaßen vor sich: Zuerst wird die Pumpe des Hilfsrezipienten 6 und hierauf die Regeleinrichtung 7 eingeschaltet. Dadurch wird der Meßrezipient evakuiert, bis der Druck pi, welcher z. B. auf 0,10 Torr eingestellt ist, erreicht wird. Dann schließt sich das Ventil 4 automatisch, wodurch infolge der Gasabgabe der Probe der Druck im Meßrezipienten wieder ansteigt. Beim Erreichen des Druckes pl, z. B. 0,11 Torr, öffnet sich das Ventil wieder, wodurch der Druck im Meßrezipienten wiederum auf 0,10 Torr abfällt, worauf das Ventil 4 wieder schließt, usw.; dieser Vorgang wiederholt sich so lange, als die Probe eine meßbare Gasmenge abgibt bzw. die Messung abgebrochen wird. A measurement with the device described is carried out as follows in front of you: First the pump of the auxiliary recipient 6 and then the control device 7 switched on. As a result, the measuring recipient is evacuated until the pressure pi, which z. B. is set to 0.10 Torr is achieved. Then the valve closes 4 automatically, whereby the pressure in the measuring recipient as a result of the gas being released from the sample increases again. When reaching the pressure pl, z. B. 0.11 Torr, this opens Valve again, whereby the pressure in the measuring chamber drops again to 0.10 Torr, whereupon the valve 4 closes again, etc .; this process repeats itself so long when the sample emits a measurable amount of gas or the measurement is aborted.

Die bei jedem Öffnen des Ventils 4 vom Meßrezipienten an den Hilfsrezipienten abgeführte Gasmenge beträgt n -- 3pV Mol, RT wenn V das Volumen des Meßrezipienten Ap die eingestellte Druckdifferenz zwischen pl und p2, R die allgemeine Gaskonstante und T die absolute Temperatur bedeutet. Bei z-maliger Wiederholung dieses Vorganges beträgt die abgeführte Gasmenge N=z-n Mol. Each time the valve 4 is opened from the measuring recipient to the auxiliary recipient The amount of gas discharged is n - 3 pV mol, RT if V is the volume of the measuring recipient Ap is the set pressure difference between pl and p2, R the general gas constant and T is the absolute temperature. If this process is repeated z times the amount of gas discharged is N = z-n mol.

Diese abgeführte Gasmenge entspricht, wenn andere Gasquellen (Lecks, Gasabgabe der Wände des Meßrezipienten) fehlen - was bei fachmännischem Aufbau vorausgesetzt werden darf -, der Gasabgabe der Probe. Die Zahl z ist bei einmal fest eingestelltem beliebigem #p das digitale Maß für die abgegebene Gasmenge N. z ist um so größer, je kleiner zIp gewählt ist. Die Verwendung eines empfindlichen Vakuummeßgerätes 3 gestattet ein sehr kleines zip und damit eine entsprechend genaue Messung der Gasabgabe. This amount of gas discharged corresponds to when other gas sources (leaks, Gas release from the walls of the measuring receptacle) is missing - which is a prerequisite for a professional assembly may be -, the gas release of the sample. The number z is fixed once any #p the digital measure for the released gas amount N. z is the greater, the smaller zIp is chosen. The use of a sensitive vacuum gauge 3 allows a very small zip and thus a correspondingly precise measurement of the Gas delivery.

Beträgt die für die Druckerhöhung LIp im Meßrezipienten infolge der Gasabgabe der Probe benötigte Zeit . lt (die im Rahmen der erzielbaren Meßgenauigkeit gleich ist der Zeit zwischen je zwei gleichsinnigen Ventilbestätigungen), so ergibt sich daraus unmittelbar die mittlere Geschwindigkeit der Gasabgabe der vorliegenden Probe zu a J nt RT' wobei der Ausdruck A p sich dem Differentialquotienten um so mehr nähert, je kleiner gewählt wird. Is the value for the pressure increase LIp in the measurement recipient due to the Time required to release gas from the sample. lt (within the achievable measurement accuracy is the same as the time between two valve confirmations in the same direction) from this the mean speed of the gas release of the present Sample to a J nt RT 'where the term A p is the differential quotient so closer, the smaller is chosen.

Allgemein ist für die Wahl des Druckunterschiedes 3p zwischen pl und p zu beachten, daß die Messung einerseits um so genauer wird, in je kleineren Einzelmengen die innerhalb der vorgesehenen Meßzeit durch die Gasabgabe der Probe frei werdende Gasmenge aus dem Meßrezipienten abgeführt wird, weil um so kleiner der Fehler ist, mit dem die an sich kontinuierliche Meßgröße durch die Angabe der Zahl der Ventilbetätigungen erfaßt werden kann. In general, for the choice of the pressure difference 3p between pl and p it should be noted that on the one hand the measurement becomes more precise, the smaller it is Individual quantities within the specified measuring time due to the gas being released from the sample released amount of gas is discharged from the measuring recipient, because the smaller the error is with which the per se continuous measured variable by specifying the Number of valve actuations can be detected.

Andererseits ist aber zu beachten, daß der relative Fehler, der der Einstellung der Druckdifferenz Jp unvermeidlich anhaftet, um so größer ist, je kleiner dp ist. Als Regel gilt daher, Ap so groß zu wählen, daß die erforderliche Meßgenauigkeit gerade noch erreicht wird.On the other hand, it should be noted that the relative Mistake the the Adjustment of the pressure difference Jp inevitably adheres, the larger, the smaller dp is. The rule is therefore to choose Ap so large that the required measurement accuracy is just reached.

In Fig. 2 sind analoge Aufbauteile gleich wie in Fig. 1 bezeichnet. Lip erhält aber jetzt umgekehrtes Vorzeichen, d. h., der Druck pl, bei dem das Ventil öffnet, ist jetzt kleiner als der Druck p2, bei dem es schließt. Im Hilfsrezipienten 6 befindet sich unter einem hinreichenden Überdruck das Gas, dessen Absorption (oder Adsorption) durch die Probe 2 gemessen werden soll. Bei geöffnetem Ventil 4 strömt Gas aus 6 über die Leitung 5 in den Meßrezipienten 1 ein, bis der Druck darin auf p angestiegen ist. Dann schließt das Ventil 4, und zwar so lange, bis durch die Absorption der Probe der Druck im Meßrezipienten wieder auf pl abgefallen ist; darauf öffnet das Ventil, neues Gas aus 6 strömt in den Meßrezipienten ein usw. Die Zahl der Ventilbetätigungen ist wiederum ein digitales Maß für die Menge des absorbierten Gases. Nach jeder Öffnung des Ventils strömt die Gasmenge # = #p . V Mol RT ein, bei z-facher Wiederholung also N=z-n Mol. In FIG. 2, structural parts analogous to those in FIG. 1 are identified. Lip now has the opposite sign, i.e. that is, the pressure pl at which the valve opens, is now lower than the pressure p2 at which it closes. In the auxiliary recipient 6, the gas whose absorption (or Adsorption) is to be measured by sample 2. When valve 4 is open, there is a flow Gas from 6 via line 5 into the measuring recipient 1 until the pressure in it p has increased. Then the valve 4 closes, until through the Absorption of the sample, the pressure in the measuring recipient has fallen back to p1; thereon opens the valve, new gas from 6 flows into the measuring recipient, etc. The number the valve actuation is in turn a digital measure of the amount of the absorbed Gas. After each opening of the valve, the gas flow # = #p. V mole RT a, with z-fold repetition so N = z-n mol.

In Fig. 2 ist weiter eine Leitung 11 mit Ventil 12 gezeigt. Diese dienen lediglich dazu, den Meßrezipienten vor Beginn der eigentlichen Messung zu desorbieren; während der Messung bleibt das Ventil 12 geschlossen. In Fig. 2, a line 11 with valve 12 is also shown. These serve only to supply the measuring recipients before the actual measurement begins desorb; valve 12 remains closed during the measurement.

Bei der Anordnung der Fig. 3 werden durch das Druckmeßgerät 3 bzw. die Regeleinrichtung 7 zwei Ventile 4, 4' gesteuert, wobei sowohl die Anschl1 leitung 10 an das Ventil 4 als auch die Anschlußleitung 10' an das Ventil 4' bzw. die mit diesen An schlußleitungen verbundenen weiteren Räume als Hilfsrezipienten angesehen werden können. Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung erlaubt die Messung es durch den Meßrezipienten 1 schrittweise hinduShgeführten Gasstromes auf folgende Weise: Von die zu messenden Gas, das bei 10 einströmt, wird durch das Ventil 4 und die Leitung 5 in den Meßrezipietten jeweils so viel eingelassen, bis es diesen mit einem Druck p2 erfüllt; während dieser Zeit ist Ventil 4' geschlossen. Nach Erreichen des Drucks Pa it Meßrezipienten 1 schließt sich das Ventil 4, tHid es öffftdt sich gleichzeitig oder kurz darauf das Ventil 4'. Nün wird das Gas durch die Leitung B) er das Ventil + aus dem Meßrezipienten abgeführt, z. B. durch elfte bei 4' angeschlossene Pumpe abgepumt, bis in dein Meßrezipienten ein Druck pl herrscht. Bei Erreichen dieses Druckes schließt sich das Ventil 4', ütid zugleich oder kurz darauf öffnet sich das Ventil 4 wieder, neues Gas strömt in den Meßrezipienten ein, Ventil 4 schließt sich wieder, und so Weiter in ständiger Wiederholung. Die durchströmende Gasmelige ist wiederum gleich N z.mMV Mol; RT sie kann also durch die Zählung von z mittels des Zählwerks 8 bestimmt werden. Die Ventilbetätigutig in der richtigen Reihenfolge wird durch die entsprechend ausgestaltete Steuervorrichtung 7 bewirkt. In the arrangement of FIG. 3, the pressure measuring device 3 or the control device 7 two valves 4, 4 'controlled, both the connection line 10 to the valve 4 as well as the connection line 10 'to the valve 4' or the with These connecting lines connected to other rooms viewed as auxiliary recipients can be. The arrangement shown in Fig. 3 allows the measurement by the Measuring recipients 1 step-by-step Hindu gas flow in the following way: From the gas to be measured, which flows in at 10, is passed through the valve 4 and the line 5 so much is embedded in the measuring receptacle that it is pressed p2 met; during this time valve 4 'is closed. After reaching the pressure When the measuring recipient 1 closes the valve 4, it opens at the same time or shortly afterwards the valve 4 '. Now the gas through line B) becomes the valve + discharged from the measuring recipient, z. B. by eleventh pump connected at 4 ' pumped out until there is a pressure pl in your measuring recipient. Upon reaching this Pressure closes the valve 4 ', at the same time or shortly afterwards it opens valve 4 again, new gas flows into the measuring recipient, valve 4 closes itself again, and so on in constant repetition. The flowing through Gasmelige is again equal to N to mMV moles; RT you can thus by counting z by means of of the counter 8 can be determined. The valves operate in the correct order is brought about by the correspondingly configured control device 7.

Will man in besonderen Fällen bestimmte Komponenten einer Gasmischung von der Messung ausschließen, kann dies dadurch geschehen, daß im Meßrezipienten Absorptionsmittel angeordnet werden, welche diese Komponenten selektiv absorbieren, oder dadurch, daß Druckmeßgeräte 3 verwendet werden, die nur auf den Partialdruck bestimmter zu erfassender Gaskomponenten ansprechen. Zum Beispiel empfiehlt es sich, Phosphorpentoxyd als Absorbens für Wasserdampf in den Meßrezipienten einzubringen, wenn die bei einem Vorgang umgesetzte Menge eines anderen Gases - also ohne Berücksichtigung des Wasserdampfgehaltes erfaßt werden soll. In special cases you want certain components of a gas mixture exclude from the measurement, this can be done in that in the measurement recipient Absorbents are arranged which selectively absorb these components, or in that pressure gauges 3 are used which only focus on the partial pressure address certain gas components to be detected. For example, it is recommended To introduce phosphorus pentoxide as an absorbent for water vapor into the measuring recipient, if the amount of another gas converted during a process - i.e. without taking into account the water vapor content is to be recorded.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Measuring arrangement for continuous digital measurement of gas quantities that are used in operations at preselected pressures, e.g. B. in sorption processes, are implemented, characterized in that they have a measurement recipient and at least one with the measuring recipient through electromagnetically controlled valve connected Auxiliary recipient has that an electrical controlled by a pressure gauge Control device is available, which the valve periodically when reaching a certain gas pressure in the measuring recipient and automatically open upon reaching a certain other gas pressure can be closed again, and that a valve actuation appealing counter is provided.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a device is provided for the continuous registration of the times of valve actuation.

3. Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that that a selectively acting absorbent is arranged in the measuring recipient.

4. Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that that a pressure gauge selectively responsive to the partial pressure of a given gas is provided.