DE2123961C3

DE2123961C3 - Gasmischeinrichtung

Info

Publication number: DE2123961C3
Application number: DE2123961A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. Graz Harnoncourt (Oesterreich)
Original assignee: Avl AG
Current assignee: Avl AG
Priority date: 1970-05-22
Filing date: 1971-05-14
Publication date: 1974-07-18
Also published as: DE2123961B2; DE2123961A1; AT300423B; FR2093653A5; CA942740A; JPS5040037B1; GB1322488A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasmischeinrichtung zur Erzeugung konstanter Mischgasströme mit vorbestimmtem Mischungsverhältnis, insbesondere von Eichgasen für Blutgasanalysiergeräte.

Es sind bereits Gasmischapparate bekannt, deren Arbeitsprinzip auf dem Hagen-Poiseullcschen Durchflußgesetz basiert. Danach ist die Durchflußgeschwindigkeit bei laminarer Strömung eines Gases durch ein Rohr direkt proportional dem Druckgefälle in diesem Rohr und umgekehrt proportional der Viskosität sowie der wirksamen Länge des Rohres. Zur Konstanthaltung eines Gasstromes muß daher laminare Strömung herrschen, müssen weiter der Eingangs- sowie der Ausgangsdruck konstant gehalten werden und dürfen schließlich keine Temperaturänderungen zugelassen werden, da die Viskosität sehr stark temperaturabhängig ist. Naturgemäß bereitet es nicht unerhebliche Schwierigkeiten, diesen hohen Anforderungen an die Mischanlage voll zu entsprechen. Die Konstanz der resultierenden Mischgasströme ist aber bei deren Anwendung bei Blutgasanalysiergeräten, wie dies bei der bekannten Gasmischeinrichtung der Fall ist. Grundvoraussetzung für die Brauchbarkeit der Untersuchungscrgcbnissc, da diese schon durch geringe Schwankungen des Entnahmedruckes und der Zusammensetzung der Eichgase maßgeblich beeinflußt werden.

Bekannt ist weiter ein Gasanalysiergerät zur quantitativen Bestimmung des Überschusses brennbarer Gase und des Überschusses von Sauerstoff in Gasen unterschiedlicher Zusammensetzungen. Das Gerät weist zwei Durchflußsysteme auf, von denen das eine mit der Gasprobe und das andere mit Luft bzw. Sauerstoff beaufschlagt ist. Jedem Durchflußsystem ist eine Pumpe, eine Druckleitung mit beigeschaltetcm Druckausgleichsgefäß und eine in die Druckleitung eingesetzte Blende zugeordnet und die Blenden beider Systeme sind ausgangsseitig miteinander zu einer

ίο Mischgasleitung verbunden. In einer nachgcschalteten, einen Katalysator enthaltenden Brennkammer erfolgt die Verbrennung des Gasgemisches und in einem nachgeschalteten Analysiergerät die Bestimmung und Anzeige des Sauerstoffgchaltes der Abgase.

Selbstverständlich ist es nicht möglich, mit einer solchen Anlage einen Verbraucher mit konstanten Mischgasströmen vorbestimmter Zusammensetzung zu versorgen.

Anderseits ist in der Gas-Chromatographie ein Durchflußkonstanthalter für Trägergas bekannt, welcher mit Hilfe je einer verstellbaren Drossel und einer dieser nachgeschalteten, aus vier wahlweise zuschaltbaren Lochblenden bestehenden Blendenanordnung konstante Durchflüsse für ein bestimmtes Gas zu erzielen gestattet. Die Wirkungsweise der bekannten Anlage beruht auf dem Prinzip, daß sich Änderungen des Aus^angsdruckes bei einer mit Schallgeschwindigkeit durchströmten Blende nicht auswirken können, da sich Störungen selbst nur höchstens mit Schatlgeschwindigkeit fortpflanzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasmischeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Geräte vermeidet und die zumindest zwei Mischgasströme unterschiedlichen Mischungsverhältnisses und höchstmöglicher Konstanz liefert, und zwar mit möglichst geringem anlagemäßigen Aufwand.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß je Gaskomponente ein an sich bekanntes, eine Blendenanordnung mit vorgeschaltetem Druckfeinregler aufweisendes, mit der Gaskomponente beaufschlagbares Durchflußsystem vorgesehen ist, daß die Blendenanordnung jedes Durchflußsystems aus zwei eiiigangsseitig parallelgeschalteten Lochblenden be-

steht, daß in an sich bekannter Weise jeweils eiin« Lochblende eines Durchflußsystems mit einer Lochblende eines anderen Durchflußsystems ausgangsseiti|; zu einer Mischgasleitung verbunden ist und daß die Mischgasleitungen die zu den Verbrauchern führenden Entnahmelcitungen bilden.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist das in der Gas-Chromatographie zur Konstanthaltung des Durchflusses für Trägergas benutzte, vorerwähnte Prinzip dahingehend abgewandelt, daß der Gasstrom jedes Durchflußsystems in zwei Teilströme je über eine Blende geleitet wird, worauf je ein Teilstrom aus den vorhandenen Systemen zu einem Mischgasstrom vereinigt werden. Somit stehen an den zu den Verbrauchern führenden Entnahmelcitungen zugleich mindestens zwei verschiedene Mischgasströme mit definiertem Mischungsverhältnis zur Verfugung, deren Konstanz allein durch c'ic Einhaltung eines konstanten Blendenvordruckes mit Hilfe der Druckfcinregler gesichert ist. Die Gasmischeinrichtung nach der Erfindung eignet sich demnach speziell als Zusatzeinrichtung für Blutgasanalysiergeräte, bei denen stets zwei Gasströme verfügbar sein müssen, welche sich aus den Komponenten Kohlendioxyd und Luft oder

Kohlendioxyd und Sauerstolf oder aus zwei anderen Gaskomponenten in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zusammensetzen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Gusmischeinrichtung sind die Blenden sämtlicher Durcht'ußsystcme an einem thermostatisierten Metallblock angeordnet. Auf diese WVise werden Raumtemperaturschwankungen, welche eine Änderung der konstanten Gasströme verursachen könnten, ausgeschaltet. Wenn das Gerät als Zusatzeinrichtung für ein Blutgasanalysiergerät verwendet wird, kann vorteilhafterweisc zur Einhaltung einer konstanten Temperatur des Metallblockes die an der Anlage vorhandene Thermostatisiereinrichtung hierzu herangezogen werden.

Vorteilhafterweise ist weiter jeder Blende ein Sinterfilter vorgeschaltet, dessen Porengroße von derselben Größenordnung wie die Lochdurchmesser der Blenden ist. Durch diese Maßnahme werden die außerordentlich empfindlichen Blenden, deren Lochdurchmcsser nur einige tausendstel Millimeter beträgt und die deshalb mit Laserstrahltcchnik gebohrt werden, wirksam vor Verunreinigungen geschützt.

Schließlich erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das Mischungsverhältnis der Gaskomponenten mittels der Druckfeinregler fein einstellbar ist. Auf diese Weise können Abweichungen der Gaszusammensetzung vom vorbestimmten Mischungsverhältnis, die durch die unvermeidbaren Maßtoleranzen der Lochblenden entstehen können, in einfacher Weise ausgeglichen werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das schematische Grundprinzip einer bekannten Gasmischeinrichtung,

Fig. 2 das der Erfindung zugrunde liegende Strömungsprinzip, gleichfalls schematisch, und

F i g. 3 eine schematische Darstellung der gesamten Gasmischeinrichtung nach der Erfindung.

F i g. 1 veranschaulicht den Längsschnitt eines Kapillarrohres 1, in dem eine laminare Gasströmung in Richtung des Pfeiles 2 herrscht. Die Rohrlänge ist mit 1 bezeichnet. Der Eintrittsdruck des Gases beträgt p., und der Austrittsdruck ρ,. N-.ich dem Hagen-Poiseufleschen Gesetz ergibt sich für den Durchfluß die Beziehung:

worin ν den Durchfluß und η die Viskosität des Gases bedeutet.

Sol! nun der Durchfluß ν durch das Kapillarrohr 1 konstant gehalten werden, so bedeutet das, daß sowohl der Eintrittsdruck p., als auch der Austrittsdruck ρ, sowie die Viskosität I₁ des Gases konstant gehalten werden müssen. Diese Forderungen sind aber nur sehr schwer zu verwirklichen. Das bekannte Gasmischgerät verfügt über zwei Paare solcher Kapillarrohre, wobei jeweils ein Rohr jedes Paares mit reinem Sauerstoff und das andere Rohr mit reinem Kohlendioxyd beaufschlagt ist. Am Ausgang de? Gerätes stehen dann zwei Mischgasströme verschiedener Zusammensetzung zur Verfugung, welche jedoch den erwähnten Temperatur- sowie Druckschwankungen unterworfen sind.

Die erfindungsgemäße Gasmischeinrichtung benutzt hingegen zur Erzielung einer konstanten Gasströmung das aus Fig. 2 ersichtliche Prinzip. Mit Γ ist eine Rohrleitung bezeichnet, in der sich eine Lochblende 3 befindet. Wird diese Lochblende 3 mit Schallgeschwindigkeit durchströmt, so verschwindet jeglicher Einfluß des Blcndenausgaugsdruckes P₁ auf die Gasströmung. Damit das Gas in der Blende Schallgeschwindigkeit besitzt, muß lediglich die Bedingung

, P>

Px - -

erfüllt sein. Für die Durchflußgeschwindigkeit ν ergibt sich dann die einfache Beziehung:

v-p_ä-F

wobei F den Lochquerschnitt der Blende bedeutet.

Die erstere, zur Erzielung der Schallgeschwindigkeit nötige Beziehung wird zumindest in jenen Fällen,

so bei denen die austretenden Gasströme nur den Atmosphärendruck zu überwinden haben, immer erfü'.'t sein. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Gasmischeinrichtung zur Lieferung von Eichgasen für Blutgasanalysiergeräte benutzt wird.

Die in F i g. 3 ersichtliche Gasmischeinrichtung nach der Erfindung benutzt das Strömungsprinzip nach Fig. 2. Die Anlage umfaßt zwei Durchflußsysteme 4 und 4', von denen das erstere, 4, mit Preßluft aus einer Gasflasche 5 und das andere, 4\ mit Kohlendioxyd aus einer Gasflasche 5' beaufschlagt ist. An jeder Gasflasche ist in an sich bekannter Weise ein Druckminderventil 6 bzw. 6' vorgesehen, dem ein Filter 7 bzw. 7' nachgeschaltet ist. Der Entnahmedruck aus beiden Flaschen 5, 5' wird durch d:e Druckminderventile 6, 6' je auf etwa 6 atü reduziert. Anschließend erfolgt eine Vorreinigung der Gase in den Filtern 7, 7', welche als Sinterfilter mit einer Silicageleinlage ausgeführt sind, welch letztere zur Gastrocknung dient, um Korrosionen im anschließende den Leitungssystem zu vermeiden. In je einem nachgeschalteten Sinterfilter 8, 8' werden mitgerissene Silicagelspurcn zurückgehalten. Die so gereinigten und reduzierten Gase gelangen direkt zu zwei Druckfcinrcglern 9 bzw. 9'.

Die mit dem gleichen Eingangsdruck von 6 atü beaufschlagten, als Proportionalregler ausgebildeten Druckfeinregler 9, 9' halten den Blendenvordruck p., beider Durchflußsysteme 4, 4' konstant, und zwar jeweils auf den bei der Eichung eingestellten Wert. Der Einfluß der Umgebungstemperatur beträgt nur etwa 0,3% Druckabweichung pro 10 Grad und kann daher vernachlässigt werden.

Dem Druckregler 9 sind zwei Lochblenden 10, 11 und dem Druckregler 9' zwei Lochblenden 12, 13

parallel nachgeschaltet. Die Lochquerschnitte dieser Blenden 10 bis 13 verhalten sich wie 17:17:2:1, so daß sich bei den vorhandenen gleichen Blendenvordrücken in denselben Verhältnissen stehende Durchflüsse ergeben. Die Blenden 10 bis 13 sind

dünne Metallblättchen, in die mit Laserstrahltechnik Löcher von der Größenordnung 0,001 mm gebohrt sind. Die Blenden sind gemeinsam an einem thermostatisierten Metallblock 14 angeordnet, um Schwankungen der Umgebungstemperatur auszugleichen.

Die Ausgänge jeweils einer Lochblende von beiden Durchflußsystenien 4, 4' sind paarweise zu je einer Entnahmeleitung verbunden. Die Ausgänge der Blenden 11 und 12 sind zur Entnahmeleitung 15 und die

Ausgänge der Blenden 10 und 13 zur Entnahmeleitung 16 zusammengefaßt. An den Entnahmeleitungen 15 und 16 steht daher je ein Zweikomponenten-Gasstrom vorbestimmter Zusammensetzung zur Verfügung. Bei dem oben angegebenen Verhältnis der

Lochquerschnitte der Blenden 10 bis 13 ergibt sich beispielsweise an der Entnahnieleitung 16 ein Eichgas mit 5,55% Kohlendioxydgehalt und an der Entnahmeleilung.15 ein zweites Eichgas mit 10,53 "/<> Kohlendioxydgehalt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasmischeinrichtung zur Erzeugung konstanter Mischgasströme mit vorbestimmten! Mischungsverhältnis, insbesondere von Eichgasen für Blutgasanalysiergeräte, dadurch gekennzeichnet, daß je Gaskumponente ein an sich bekanntes, eine Blendenanordnung mit vorgeschaltetem Druckfeinregler aufweisendes, mit der Gaskomponente beaufschlagbares Durchflußsystem vorgesehen ist, daß die Blcndenancrdnung des Durchflußsystems aus zwei cingangsseitig parallelgeschaltcten Lochblende besteht, daß in an sich bekannter Weise jeweils eine Lochblende eines Durchfiußsystems mit einer Lochblende eines anderen Burchf.ußsystems ausgangsseitig zu einer Michgasleitung verbunden ist und daß die Mischgasleitungen die zu den Verbrauchern führenden Entnahmeleitungcn bilden.

2. Gasmischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden sämtlicher Durchflußsysteme an einem thermostatisierten Metallblock angeordnet sind.

3. Gasmischeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Blende ein Sinterfilter vorgeschaltet ist, dessen Porengröße von derselben Größenordnung wie die Lochdurchmesser der Blenden ist.

4. Gasmischeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis der Gaskomponenten mittels der Druckfeinregler (9, 9') feineinstellbar ist.