DE2144240A1

DE2144240A1 - Durchflußregeleinrichtung

Info

Publication number: DE2144240A1
Application number: DE19712144240
Authority: DE
Inventors: Jack Mamaroneck; Kassel Aaron Tarrytown; N.Y.; Mernyk Edwin H. East Brunswick N.J.; Isreeli (V.StA.). P
Original assignee: Technicon Instruments Corp
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1970-09-14
Filing date: 1971-09-03
Publication date: 1972-03-23
Also published as: BE771324A; FR2112947A5; NL7112534A; AU3253271A; US3749113A; CA935063A

Description

2H4240

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm ßeichel
DipUng. Wolfgang hichel

6 Frankfurt a. M. 1
• Parksiraße43

6776

TECHNICON INSTRUMENTS CORPORATION, Tarrytown, N.Y. VStA

Durchflußregeleinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflußregeleinrichtung mit einer Steuerplattenanordnung und einem Steuerrohr, die einen solchen Abstand voneinander einnehmen, daß der Durchfluß des die Regeleinrichtung durchströmenden Fluids auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird.

In vielen Fällen ist es erforderlich, einer Einrichtung ein Fluid mit konstantem Durchfluß zuzuführen.Bei einem bekannten nach dem kontinuierlichen Strömungsprinzip arbeitenden Analysiergerät, wie es beispielsweise in den US-PS 2 797 149 und 3 241 432 beschrieben ist,werden eine Reihe von getrennten Flüssigkeitsproben aufeinanderfolgend in Form eines Stroms durch ein Leitungssystem gepumpt und den einzelnen Proben ein Reagenz zugesetzt, um während'des Weiterpumpens eine chemische Reaktion auszulösen, die es ermöglicht, die einzelnen Proben auf ihren Gehalt bezüglich einer besonderen Substanz zu analysieren. Diese Reaktion wird durch die richtige Bemessung des Volumendurchflusses bestimmt, mit dem das Reagenz in Abhängigkeit von dem Volumendurchfluß der zu reagierenden Proben in das Leitungssystem eingeführt wird. Dabei ist eine

209813/1053

richtige Proben- und Reagenzvolumenbemessimg äußerst wichtig, um sicherzustellen, daß die Konzentration der interessierenden Substanz genau bestimmt werden kann.

In Analysiergeräten, die mit kontinuierlichen Strömen arbeiten, wird im allgemeinen zum Fördern der Fluide durch das Leitungssystem eine Schlauchquetschpuispe benutzt, wie sie beispielsweise in der US-PS 2 935 028 beschrieben ist. Bei diesen Pumpen werden mehrere zusammenquetsclibare Pumpenschläuche von aufeinanderfolgenden Pumpenwalzen fortschreitend zusammengedrückt, um die Fluide durch die Schläuche zu pumpen. Die Bemessung der einzelnen Fluide hängt; dabei von dem Querschnitt, also der Kapazität der Pumpenschläuche ab.

Nun sind aber Schlauchquetschpumpen zum Weiterbefordern von Fluiden mit genau konstantem Durchfluß wenig geeignet, da · infolge der intermittierenden Arbeitsweise der Pumpe Pulsationen in den Fluidströmungen auftreten. Darüfoerhinaus sind keine Pumpenschläuche verfügbar, die gegenüber allen Chemikalien inert sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Pumpenschläuche im Laufe der Zeit infolge der ständigen Belastung ihren Querschnitt ändern. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Volumendurchflnß des Fluids sehr klein ist. Es sind zwar Pumpen bekannt, die keine Pulsatio- nen erzeugen, jedoch dafür zahlreiche andere Mängel haben. So sind Mehrkolbenpumpen bekannt, bei denen Jeder Kolben von einem eigenen Nocken angetrieben wird und die einzelnen Nocken derart angeordnet sind, daß die Pumpe ein Fluid mit konstantem Durchfluß fördert. Diese Mehrkolbenpumpen sind jedoch äußerst aufwendig und mechanisch kompliziert aufgebaut. Aus diesem Grunde treten oft Störungen auf. Aus der DT-OS 1 922 538 ist eine weitere Pumpe bekannt, die unter Verwendung eines hohen Drucks Fluide in eine kontinuierlich arbeitende Analysiereinrichtung mit konstantem Durchfluß einführt. Dazu muß man jedoch in einen geschlossenen Flüssigkeitsbehälter ein Gas mit einem hohen konstanten Druck

BAD ORiGINAL 209813/1053

einleiten, um die Flüssigkeit aus dem Behälter zu drängen. Bevor die Flüssigkeit in das Analysiergerät gelangt, wird sie durch eine temperaturkompensierte Schlange geleitet, die einen wesentlich höheren Strömungswiderstand hat als das gesamte Analysiergerät. Veränderungen und Schwankungen des Strömungswiderstands im Analysiergerät wirken sich daher auf den Volumendurchfluß der zugeführten Flüssigkeit kaum aus, da der Durchfluß in erster Linie von der Schlange mit dem hohen Strömungswiderstand bestimmt wird. Um jedoch einen äußerst genauen Volumendurchfluß zu erzielen, muß der Druckabfall an der Strömungswiderstandsschlange äußerst hoch sein. Dazu benötigt man eine sehr lange Widerstandsschlange mit einem großen Volumen. Das Inbetriebsetzen einer derartigen Anordnung nimmt daher eine geraume Zeit in Anspruch, und darüberhinaus ist die Selbstreinigung einer solchen Anordnung nicht optimal. Davon abgesehen besteht bei den beschriebenen Analysiergeräten nicht die Möglichkeit, irgendwelche Druckschwankungen oder Druckveränderungen zu kompensieren, um einen konstanten Volumendurchfluß zu erhalten, der für die Genauigkeit der Analysenergebnisse entscheidend ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Durchflußregeleinrichtung zu schaffen, die einen äußerst kleinen Volumendurchfluß eines Fluids, also einer Flüssigkeit oder eines Gases, höchst genau und schnell regeln kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene Durchflußregeleinrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerplattenanordnung und das Steuerrohr längs einer einzigen Achse relativ zueinander bewegbar sind, daß mindestens das eine dieser beiden Teile längs dieser Achse verschiebbar ist und eine langgestreckte Form aufweist und daß eine Halterungseinrichtung das verschiebbare Teil an mindestens zwei in seiner Längsrichtung versetzten Stellen zum Ausführen der Relativbewegung längs der Achse haltert.

209813/1053 ^BAD ORIGINAL

Abgesehen davon, daß die Regeleinrichtung nach der Erfindung über einen großen Störschwankungsbereich der Umgebung und des Systems äußerst genau arbeitet, bietet sie den weiteren¹ Vorteil eines wenig aufwendigen, einfachen Aufbaus.

Darüberhinaus ist der Druckabfall an der Regeleinrichtung äußerst gering und liegt in der Größenordnung von etwa

ο
0,035 kg/cm (0,5 psi) oder weniger.

Weiterhin zeichnet sich die Regeleinrichtung nach der Erfindung durch eine äußerst kurze Ansprechzeit aus.

Die Selbstreinigungseigenschaften zeigen gegenüber den bekannten Anordnungen eine beträchtliche Verbesserung.

Mit der nach der Erfindung ausgebildeten Durchflußregeleinrichtung kann man einen Volumendurchfluß von weniger als 0,1 ml/min mit einer Genauigkeit von ± V/o zuverlässig regeln.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe und die erzielten Vorteile werden durch eine reibungslos und schwebend gelagerte Ventilanordnung erreicht, die eine passende Bewegung zwischen dem Steuerrohr und dem Steuersitz sicherstellt. Nicht geeignete Bewegungen des Steuersitzes, beispielsweise mangelnde Lagestabilität, sind mit ein Grund dafür, daß die bekannten Durchflußregler Durchflüsse von weniger als 0,1 ml/min nur äußerst ungenau oder überhaupt nicht regeln können. Um diesen Mangel zu beheben, ist die den Steuersitz tragende Ventilanordnung nach de$<Erfindung lagestabil gehaltert und wird zwangsläufig derart geführt, daß eine genaue Bewegung zwischen dem Steuerrohr und dem Steuersitz sichergestellt ist. Zu diesem Zweck ist die Ventilanordnung langgestreckt ausgebildet und mindestens an zwei in ihrer Längsrichtung versetzten Stellen gehaltert, so daß sie sich nur längs einer einzigen Achse verschieben kann. Die langge-

209813/1053

streckte Ventilanordnung wird in einem Gehäuse von zwei Membranen reibungslos gehalten. Die Membranen sind parallel zueinander angeordnet und unterteilen das Gehäuse in drei getrennte Kammern, und zwar eine Reagenzeinlaßkammer, eine Reagenzauslaßkammer und eine Zwischenkammer. Die Reagenzeinlaßkammer und Reagenzauslaßkammer sind über eine Strömur^widerstandsschlange miteinander verbunden, die zwischen diesen Kammern eine Druckdifferenz ΔΡ erzeugt, die sich in Abhängigkeit von dem Volumen-r durchfluß Q durch die Strömungswiderstandsschlange ändert. Die Durchflußregeleinrichtung ist vorzugsweise in einem temperaturgeregelten Bad angeordnet, um die Viskosität des Fluids konstant zu halten. In der Zwischenkammer ist eine Steuerfeder angebracht, die einen Bezugsdruck PR liefert, der den Steuersitz von dem Steuerrohr wegzuziehen sucht. Der Bezugsdruck wirkt also der Druckdifferenz Δ P entgegen. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen dem Steuerrohr und dem Steuersitz derart eingestellt, daß das Fluid mit einem vorgegebenen konstanten Volumendurchfluß die Regeleinrichtung durchströmt. In der Reagenzeinlaßkammer und in der Reagenzauslaßkammer sind keine Strömungshindernisse vorgesehen, so daß sich die Durchflußregeleinrichtung sehr gut selbst reinigt und auswäscht. Dies ist bei der Verwendung in Verbindung mit Analysiergeräten, die mit kontinuierlichen Fluidströmen arbeiten, ein äußerst wünschenswertes Merkmal. Tote Winkel und tote Ecken werden im Aufbau der Regeleinrichtung vorzugsweise vermieden. Die Zwischenkammer wird auf einen Druck gebracht, der mit dem Druck in der Reagenzeinlaßkammer praktisch übereinstimmt. Dadurch kann man sehr dünne; chemisch widerstandsfähige, äußerst flexible Membranen verwenden, deren Hysterese vernachlässigbar ist. Die Ventilanordnung befindet sich stets in einem schwebenden Zustand, so daß sie sehr schnell auf Änderungen in der Druckdifferenz Δ P an der Strömungswiderstandsschlange anspricht. Die Zwischenkammer ist vorzugsweise an eine Gasdruckquelle angeschlossen, die auch dazu benutzt wird, die Reagenzflüssigkeit aus einem verschlossenen Behälter über eine Leitung in die Durchflußregeleinrichtung zu drängen. Die an der Ströraungswiderstandsschlange abfallende Druckdifferenz Δ Ρ fällt somit Ie-

209813/1053

diglich an der die Reagenzauslaßkammer begrenzenden Membran ab, so daß Herstellungstoleranzen bei der Membranherstellung ausgeglichen werden.

Die Membran, die die Reagenzeinlaßkammer begrenzt, kann man auch durch ein speichenartiges Gebilde ersetzen, das mit der noch verbleibenden Membran zusammenarbeitet, die die Reagenz— auslaßkammer begrenzt, um die Ventilanordnung zwangsweise zu stabilisieren und zu führen. In diesem Fall wird das Fluid, dessen Volumendurchfluß geregelt werden soll, direkt über die Strömungswiderstandsschlange in die Reagenzauslaßkammer geleitet. Das Gehäuse ist also nur in zwei getrennte Kammern unterteilt. Die Kammer, in der sich das speichenanrtige Gebilde befindet, wird einem festen Druck ausgesetzt. Zu diesem Zweck ist diese Kammer mit der Druckgasquelle verbunden, die das Reagenz in die Regeleinrichtung treibt. Da hier unter Vermeidung von toten Ecken und toten Winkeln der Strömungsweg durch die eigentliche Regeleinrichtung noch kürzer ist, wird eine noch bessere Auswasch- und Reinigungswirkung der gesamten Anordnung erzielt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein nach dem kontinuierlichen Strömungsprinzip arbeitendes Analysiergerät mit einem im Schnitt dargestellten Durchflußregler, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung aufgebauten Durchflußreglers.

In der Fig. 1 ist die Verwendung eines nach der Erfindung aufgebauten Durchflußreglers in einem nach dem kontinuierlichen Strömungsprinzip arbeitenden Analysiergerät erläutert. Ein derartiges Gerät ist beispielsweise in der DT-OS 1 911 beschrieben und dient zum Analysieren von aufeinanderfolgenden

209813/1053

21U24Q

Blutproben auf eine besondere in den Blutproben enthaltene Substanz. Während das besondere Verfahren zum Ausführen der Analyse zur Erläuterung der Erfindung nicht wichtig ist, sei erwähnt, daß bei allen diesen Verfahren ein besonderes Reagenz mit einem vorgegebenen Volumendurchfluß in das Analysiergerät eingegeben wird, um in den aufeinanderfolgenden Blutproben eine Reaktion auszulösen.

Das auf dem kontinuierlichen Strömungsprinzip basierende Gerät enthält eine Blutprobenzufuhreinrichtung 1 mit einem Drehtisch 3,- auf dem eine kreisförmige Reihe von Probenbehältern angeordnet ist. Der Drehtisch 3 wird periodisch und schrittweise durch eine nicht dargestellte herkömmliche Antriebseinrichtung weitergeschaltet, um der Reihe nach die einzelnen Probenbehälter 5 in eine Entnahmestellung unter eine Ansaugeinrichtung 7 zu bringen. Die Ansaugeinrichtung 7 wird von einer Antriebseinrichtung 9 betätigt, um in jeden Probenbehälter 5 der Reihe nach einzutauchen und während der Still-, standszeit des Drehtisches 3 ein flüssiges Probenvolumens anzusaugen. Während des aufeinanderfolgenden Eintauchens in die aufeinanderfolgenden Probenbehälter 5 wird die Ansaugeinrichtung 7 von der Antriebseinrichtung 9 derart betätigt, daß sie, während der Drehtisch 3 um einen Schritt weiterbewegt wird, in einen Waschflüssigkeitsbehälter 10 eintaucht. Die Ansaugeinrichtung 7 ist über eine Leitung 11 mit einem Pumpenschlauch 13 einer Schlauchquetschpumpe 15 verbunden. Die Schlauchquetschpumpe 15 weist mindestens einen zweiten Pumpenschlauch 17 auf, dessen Einlaß zur Umgebungsluft hin offen ist. Die Schlauchquetschpumpe 15 enthält mehrere in der Figur symbolisch angedeutete Pumpenwalzen 19, die die Pumpenschläuche 13 und 17 längs einer Strecke fortschreitend mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit zusammenquetschen, um durch die Pumpenschläuche Fluide mit einem genau vorgegebenen Volumendurchfluß zu pumpen, der von der Kapazität der besonderen Pumpenschläuche abhängt. Der durch die Leitung 11 und den Pumpenschlauch 13 strömende Fluidstrom enthält aufeinanderfol-

209813/1053

i 2U-4240

gende Blutproben, die voneinander durch eine feste Folge von Fluidschüben getrennt sind, die aus einem Luftschub, einem Waschflüssigkeitsschub und einem weiteren Luftschub bestehen., Die Luftschübe werden dabei angesaugt, wenn die Ansaugeinrichtung 7 von einem Probenbehälter 5 zu dem Waschflüssigkeitsbehälter 10 schwenkt und umgekehrt. Die Eintauchzeit der Ansaugeinrichtung 7 in einen Probenbehälter 5 und in den Waschflüssigkeit sbehälter 10 sowie die Zeitdauer, während der die Ansaugeinrichtung 7 der Umgebungsluft ausgesetzt ist, werden genau gesteuert, um die Volumen jedes Blutprobenschubs, Waschflüssigkeitsschubs und Luftschubs in der Leitung 11 genau k zu bestimmen.

Der unterteilte Fluidstrom wird über den Pumpenschlauch 13 in eine Leitung 21 gepumpt, die zu dem einen Einlaß eines Verzweigungsstücks 23 führt. Der andere Einlaß des Verzweigungsstücks 23 ist über eine Leitung 24 an den anderen Pumpenschlauch 27 angeschlossen. Der Zusammenfluß des unterteilten Fluidstroms längs der Leitung 21 und des Luftstroms längs der Leitung 25 hat eine weitere Luftunterteilung jedes Blutpro- -' benschubs und jedes Waschflüssigkeitsschubs zur Folge. Diese weitere Unterteilung der Blutprobenschübe fördert die spätere Durchmischung der Blutprobe mit dem Reagenz» Darüberhinaus kommt den zusätzlichen Luftschüben eine zusätzliche Reinigungsfunktion zu, um zu verhindern, daß nachfolgende Probei^von den vorangegangenen verseucht werden. Die Luft·» und Waschflüssigkeitsschübe in dem Fluidstrom stellen ein fortwährendes Auswaschen und Reinigen der Innenoberflächen der- Leitungen sicher, um Rückstände des vorangegangenen Pr-obeasoiuf&a sw sntferaen.

Bei nach dem kontinuierlichen 3 crü-mmgsprjjäEip si%eitenö,©s. Analysiergeräten ist es viohtl.v_: do; ά-ιε in das G©?ät führte Reagens in bezug wxl äi·» ,s^vto'^bi? ;ln 'sizus, r^ Verhältnis steht, um bei&pisi.im·".<-? v\ns Cv-iaiSJ 5 ,/as? tion "auszulesen; mit avr&n FVSq >:■'.::,. -?' ι ν-., .-,ι;- χ.;-: tion der besonderen zu asaX-^r/^s-^ i-;;b£v\:^; ·:ΐ:;:?·|Θ Diese riciitiee

209813

3/1Si

i3

i ■ ' 2U424Ü .

Volumendurchflusses, mit dem das Reagenz in das Gerät eingegeben, wird. Pulsationen im Volumendurchfluß des Blutprobenstroms oder des Reagenzstroms würden das Bemessungsverhältnis stören. Da gemäß der heutigen Verfahrenstechnik die flüssigen Proben mit Schlauchquetschpumpen angesaugt und gefördert werden, erreicht man eine optimale Proben- und Reagenzbemessung, wenn das Reagenz mit einem konstanten Volumendurchfluß in das Gerät eingeführt wird. Dabei soll der Volumendurchfluß über einen großen Bereich von Umgebungs- und sonstigen Systemveränderungen unabhängig sein. Das Reagenz wird über eine Leitung 27, die an den einen Einlaß eines Verzweigungsstücks 29 angeschlossen ist, in das Analysiergerät eingeführt. Eine vom Auslaß des VerzweigungsStücks 23 kommende Leitung 31 ist mit dem anderen Einlaß des Verzweigungsstücks 29 verbunden, um das Reagenz mit dem unterteilten Pluidstrom zu durchmischen. Der Auslaß des Verzweigungsstücks 29 führt über eine Leitung 33 zu einer Mischschlange 35, die derart aufgebaut sein kann, wie es in der US-PS 2933 293 beschrieben ist. In der Mischschlange wird das Reagenz mit der Probenflüssigkeit vollkommen durchmischt, bevor der Fluidstrom zu einer Analysiereinrichtung 37 gelangt. In der Analysiereinrichtung 37 wird das Reagenz-Proben-Gemisch unter Zuhilfenahme von besonderen Maßnahmen, beispielsweise durch Erhitzen, zur Reaktion gebracht. Danach wird das reagierte Gemisch auf die besondere Substanz hin untersucht. Das Analysenergebnis wird von einem Schreiber 39 dauerhaft festgehalten.

Gemäß der Erfindung wird der Volumendurchfluß des Reangenzes durch die Leitung 27, also der Reagenzvolumenzufluß zur Analysiereinrichtung 37, von einem Durchflußregler 41 genau gesteuert. Das Reagenz wird von einem verschlossenen Behälter 43 zugeführt. Ein inertes Gas wird von einer Gasquelle 45 über einen Druckregler 47 und ein Gaseinlaßrohr 49 in den Behälter 43 geleitet. Das über das Einlaßrohr 49 eingeleitete, unter Druck stehende Gas treibt das Reagenz von dem Behälter in ein Auslaßrohr 51 und eine daran angeschlossene Leitung 53, die zu dem Durchflußregler 41 führt.

209813/1053

- ίο -

Der Durchflußregler 41 enthält ein druckfestes Gehäuse 55 mit einer oberen Abschlußkappe 57 und einer unteren Abschlußkappe 59. Zwei Membranen 61 und 63, beispielsweise aus Polyäthylen, unterteilen in der gezeigten Weise zwischen den Kappen 57 und 59 das Gehäuse 55 und bilden druckdichte Verschlüsse. Die Membranen 61 und 63 sind starr miteinander verbunden, beispielsweise durch einen länglichen Verbindungskörper 65. Auf diese Weise führen die beiden Membranen die gleiche Bewegung aus. Der Verbindungskörper 65 ist mit Hilfe von kreisförmigen Platten 67a und 67b an beiden Oberflächenseiten der Membranen befestigt. An der unteren Platte 67b ist eine Steuersitzfläche 87 angebracht.

Die Membranen 61 und 63 unterteilen das Gehäuse in drei getrennte Kammern, und zwar eine Reagenzeinlaßkammer 71, eine Reagenzauslaßkammer 73 und eine Zwischenkammer 75. Die Einlaßkammer 71 und die Auslaßkammer 73 sind über eine Strömungswiderstandsschlange 77 miteinander verbunden. Das von dem Behälter 43 kommende Reagenz strömt über die Leitung 53 und eine Vorwärmschlange 79 zu einem Einlaß 81, durch diesen Einlaß in die Kammer 71, durch einen Auslaß 83 aus der Kammer 71 zu der Strömungswiderstandsschlange 77, von dort zu einem Einlaß 85 in die Auslaßkammer 73 und an der Steuersitzfläche 87 vorbei durch ein Steuerrohr 89 zu der Leitung 27. Die Strömungsbahn durch den Durchflußregler 41 ist praktisch unbehindert, das bedeutet, daß das strömende Reagenz praktisch keine toten Ecken vorfindet, so daß das Reagenz schnell und leicht durch die Kammern strömt. Der Volumendurchfluß wird durch den Abstand zwischen der Steuersitzfläche 87 und dem Steuerrohr 89 sowie von der Zeitdauer, die nach dem Gebrauch des Geräts zur Reinigung benötigt wird, gesteuert.

Der Durchfluß des Durchflußreglers 41 in der Leitung 27 wird von dem Abstand der Steuersitzfläche 87 von der Steueröffnung des Steuerrohrs 89 gesteuert. Die Steuersitzfläche 87 und die gegenüberliegende Oberfläche des Steuerrohrs 89 sind parallel zueinander angeordnet und optisch plangearbeitet. In der Zwi-

209813/1053

schenkamraer 75 ist eine Steuerfeder 91 angeordnet, die eine Bezugsvorspannung PR liefert, die versucht, die schwebende Ventilanordnung von dem Steuerrohr 89 nach oben zu drücken. Wie gezeigt, ist die Steuerfeder 91 mit ihrem einen Ende am . Fuß des Verbindungskörpers 65 und mit ihrem anderen Ende an einem horizontalen Arm.93 befestigt, der an der Innenseite des Gehäuses 55 starr angebracht ist. Der auf die schwebende Ventilanordnung einwirkende Differenzdruck Δp, d.h. der zwischen der Einlaßkammer 71 und der Auslaßkammer 73 infolge des Druckabfalls an der Strömungswiderstandsschlange 77 herrschende Druck, arbeitet gegen die Bezugsvorspannung PR, um die schwenbende Ventilanordnung in eine solche Lage zu bringen, daß sich ein vorgegebener Durchfluß einstellt. Es verändert sich somit der Abstand zwischen der Steuersitzfläche 87 und dem oberen Ende des Steuerrohrs 89, so daß hier ein variabler Strömungswiderstand auftritt. Ein stabiler Zustand stellt sich ein, wenn die Druckdifferenz Δ ρ einen hinreichenden Wert hat, um die Steuersitzfläche 87 in bezug auf das obere Ende des Steuerrohrs 89 in eine solche Lage zu bringen, daß sich ein vorgegebener Volumendurchfluß Q einstellt. Da der Durchfluß Q eine Funktion der Viskosität des Reagenzes ist, wird das Rea-

genz in einer Vorwärmschlange 79 vorerwärmt, wozu der Durchflußregler 41 zusammen mit der Vorwärmschlange 79 in ein Temperaturregelbad 95 eingetaucht wird, das durch einen unterbrochenen Linienzug angedeutet ist.

Während des Betriebs erzeugt das vom Behälter 43 durch den Durchflußregler 41 strömende Reagenz einen Druckabfall Δ Ρ an der Strömungswiderstandsschlange 77. Dieser Druckabfall wirkt auf die Membranen 61 und 63 ein, um die Steuersitzfläche 87 in einem solchen Abstand von der Steueröffnung des Steuerrohrs 89 zu halten, daß sich ein gewünschter Durchfluß Q einstellt. Dabei wird in der Zwischenkaminer 75 praktisch der gleicht Druck aufrechterhalten, wie in der Binlaßkammer 71, und zwar dadurch, daß der Einlaß 99 der Kammer 75 Über eine Leitung 97 an das Auslaßende des Gasdruckreglers 47 angeschlossen ist. Dadurch daß die Zwischenkammer 75 unter Druck steht,

209813/1053

kann man sehr dünne, chemisch beständige, flexible Membranen 61 und 63 verwenden, so daß während der Bewegung der Ventilanordnung Hystereseerscheinungen so klein wie möglich sindi und gleichzeitig Durchbiegungen oder Veränderungen in den Wirkflächen der Membranen vermieden werden. Da darüberhinaus der · Differenzdruck Δ P auf die Membran 61 reflektiert wird, ist die Regelung des Durchflusses unabhängig von irgendwelchen infolge von Herstellungstoleranzen hervorgerufenen Unterschieden zwischen den Wirkflächen der Membranen 61 und 63. Irgendwelche Stoßvorgänge, die an irgendeiner Stelle in dem Gerät auftreten und eine Änderung des Durchflusses Q und der Druckdifferenz ΔΡ an der Strömungswiderstandsschlange 77 zur Folge haben, bringt die Kräfte aus dem Gleichgewicht, die gegen die Steuerfeder 91, d.h. gegen die Bezugsvorspannung PR, wirken. Wenn¹ beispielsweise der Druck P^ im Reagenzbehälter 43 ansteigt oder in der Leitung 27 bzw. dahinter der Strömungswiderstand abfällt, nimmt der Druckabfall Δ ρ an der Strömungswiderstandsschlange 77 zu, so daß eine gegen die Bezugsvorspannung PR wirkende Züsatzkraft auftritt, die die Steuersitzfläche 87 in eine neue Gleichgewichtslage bringt, wobei der Abstand zwischen der Steuersitzfläche 87 und dem oberen Ende des Steuerrohrs 89 verringert wird. Dadurch steigt der Strömungswiderstand im Durchflußregler 41 hinreichend an, um den Druckabfall δ'P zu dem geplanten Wert zurückzuführen und das gesamte System zu normalisieren. Wenn beispielsweise der Druck P₁ abfällt oder der Strömungswiderstand 27 in oder hinter der Leitung 27 ansteigt, nimmt der Differenzdruck Δ ρ an der Strömungswiderstandsschlange 77 ab. Gleichermaßen nehmen die Kräfte ab, die gegen die Bezugsvorspannung PR wirken. In diesem Fall nimmt daher der Abstand zwischen der Steuersitzfläche 87 und der Steueröffnung des Steuerrohrs 89 zu, um wieder den gewünschten Voluas., adurchfluß Q und damit den Druckabfall Δ P herzustellen. Im Arbeitsbereich der Ventilanordnung verläuft die Kennlinie der Steuerfeder 91 praktisch , waagrecht, so daß die kleinen Bewegungen der Steuersitzflä- ■ ehe 87 die Bezugsvorspannung PR nicht beeinträchtigen. Die Größe des Drucks P^ und der Flüssigkeitsstand in dem Behälter 43 sind daher nicht entscheidend, da der Abstand zwi-

209813/1053

2U4240;

sehen der Steuersitzfläche 87 und dem Steuerrohr 89 ledigl±h eine Funktion des Druckabfalls δ Ρ ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig.2 dargestellt. Dabei sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 ist die obere Membran durch einen speichenartigen Körper ersetzt, der mit der Membran 61 zusammenarbeitet, um die Bewegung der Steuersitzfläche 87 zu stabilisieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 55 lediglich in zwei Kammern unterteilt, nämlich in die Reagenzauslaßkammer 73 und eine Druckkammer 103, die über die an den Auslaß des Gasreglers 47 angeschlossene Leitung 97 unter Druck gesetzt·' wird. Der speichenartige Körper 101 ist mit dem länglichen Verbindungskörper 65 verbunden, um mit diesem zusammenzuarbeiten und eine axiale Bewegung der Steuersitzfläche 87 bezüglich der Öffnung des Steuerrohrs 89 sicherzustellen, also eine seitliche Bewegung zu verhindern. Auch das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 enthält die Feder 91» die eine feste Bezugsvorspannung PR bereitstellt. Das unter der Wirkung des Drucks P^ aus dem Behälter 43 getriebene Reagenz strömt durch die Vorwärmschlange 79 direkt zu der Strömungswiderstandsschlange 77 und von dort in die Auslaßkammer 73. Der Volumendurchfluß Q in der Leitung 27 wird von dem Abstand zwischen der Steuersitzfläche 87 und der Öffnung des Steuerrohrs 89 bestimmt. Der Abstand der Steuersitzfläche 87 hängt wiederum von der Druckdifferenz δ P an der Membran 61 ab. Da die Kammer 103 über die Leitung 97 auf dem Druck P₁ gehalten wird, werden Änderungen des Druckabfalls Δρ an der Strömungswiderstandsschlange 77 zur Membran 61 reflektiert, die dann eine entsprechende Verstellung der Steuersitzfläche 87 vornimmt, um wieder in der Leitung 27 den gewünschten Volumendurchfluß herzustellen.

Da die Kammer 103 mit dem Auslaß des Druckreglers 47 verbunden ist, hängt der Druck in dieser Kammer vom Flüssigkeitsstand im Behälter 43 ab. Der Behälter 43 ist daher, wie es

209813/V&S3

^: 2U4240

aus der Fig. 2 hervorgeht als Marriott»sches Gefäß ausgebildet, um von dem Flüssigkeitsstand unabhängig zu werden. Bekanntlich erstrecken sich bei einem Marriott'sehen Gefäß das Gaseinlaßrohr 49 und das Flüssigkeitsauslaßrohr 51 bis zu demselben Niveau.

Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1· als auch bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 ist die Bewegung der Steuersitzfläche 87 zum Wiederherstellen des durch die Bezugsvorspannung PR vorbestimmten Volumendurchflusses Q sehr klein. Dadurch ist es möglich, eine Störung des Volumendurchflusses Q in dem System sehr schnell zu korrigieren. Die Kammern des Durchflußreglers sind bei beiden Ausführungsbeispielen derart ausgebildet, daß die Reagenzströmung nicht , behindert wird, so daß sich sehr schnell eine kontinuierliche Strömung einstellt und anfangs eingefangene Luft oder Flüssigkeiten mitgerissen werden, so daß der Durchflußregler sehr schnell in Betrieb genommen werden kann, sobald das Reagenz durch die Vorwärmschlange 79 und das Temperaturregelbad 95 auf eine solche Temperatur gebracht ist, daß eine konstante Viskosität aufrechterhalten wird. Darüberhinaus kann man alle Teile der Strömungsstrecke des Durchflußreglers 41 aus korrosionsbeständigen Stoffen herstellen, so daß der Durchflußregler auch für äußerst korrodierende Chemikalien verwendet werden kann.

209813/1053

Claims

- 15 Patentansprüche

1 Λ Durchflußregeleinrichtung mit einer Steuerplattenanordnung und einem Steuerrohr, die einen solchen Abstand voneinander einnehmen, daß der Durchfluß des die Regeleinrichtung durchströmenden Fluids auf einen vorgegebenen Y/ert eingestellt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerplattenanordnung (87, 65) und das Steuerrohr (89) längs einer einzigen Achse relativ zueinander bewegbar sind, daß mindestens das eine dieser beiden Teile längs dieser Achse verschiebbar ist und eine langgestreckte Form aufweist und daß eine Halterungseinrichtung (61, 63» 61, 101) das verschiebbare Teil an mindestens zwei in seiner Längsrichtung versetzten Stellen zum Ausführen der Relativbewegung längs der Achse haltert.
2. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerplattenanordnung (87» 65) die langgestreckte Form aufweist und von der Halterungseinrichtung an den beiden in seiner Längsrichtung versetzten Stellen gehaltert ist.
3. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die"Halterungseinrichtung einen speichenartigen Körper (101) aufweist, der fluiddurchlässig ist.
4. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung eine Membran (61) aufweist.
5. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung zwei praktisch parallel zueinander verlaufende Membranen (61, 63) aufweist, von denen die eine mit der einen und die andere mit der anderen der in Längsrichtung versetzten Stellen verbunden ist.

209813/1053

2U424Q
6. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung eine Membran (61) und einen speichenartigen Körper (101) aufweist, wobei die Membran mit der einen und der speichenartige Körper mit der anderen der beiden in Längsrichtung versetzten Stellen verbunden ist,
7. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung das Fluid durch den Zwischenraum zwischen der Steuerplattenanordnung (87, 65) und dem Steuerrohr (89) leitet und daß eine Fühleinrichtung auf Durchflußveränderungen des durch den Zwischenraum geleiteten Fluids anspricht, um den Abstand zwischen der Steuerplattenanordnung und dem Steuerrohr zu verändern.
8. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung eine Strömungswiderstandsschlange (77) enthält, die strömungsmechanisch mit dem Steuerrohr verbunden ist.
9. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß eXne Heizeinrichtung (79, 95) die Viskosität des Fluids mindestens in dem Zwischenraum zwischen der Steuerplattenanordnung und dem Steuerrohr konstant hält.
10. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorspannungseinrichtung (91) einen Bezugsdruck (PR) vorgegebener Größe liefert, um die Steuerplattenanordnung von dem Steuerrohr wegzuziehen, und daß die Fühleinrichtung eine Druckabfalleinrichtung (77) enthält, die einen gegen den Bezugsdruck wirkenden Druck erzeugt, um die Steuerplattenanordnung in Richtung auf das Steuerrohr zu verschieben.

209813/1053
11 . Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem Gehäuse (55, 57, 59) gehalterte Steuerplattenanordnung einen langgestreckten Körper (65) und eine Steuerplatte (87) enthält, daß die Halterungseinrichtung mindestens eine Membran (61, 63) aufweist, die das Gehäuse in mindestens zwei getrennte Kammern (73, 103; 71, 73, 75) unterteilt, daß die Steuerplatte (87) in der einen Kammer (73) gegenüber dem Steuerrohr (89) angeordnet ist, daß der langgestreckte Körper (65) in der anderen Kammer (75; 103) angeordnet ist und daß eine Einrichtung das Fluid durch den Zwischenraum zwischen der Steuerplatte (87) und dem Steuerrohr (89) in der einen Kammer (73) leitet.
12. Durchflußregelexnrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der anderen Kammer (75; 103) angeordnete Vorspannungseinrichtung (91) die Steuerplatte von dem Steuerrohr wegzieht und daß eine Druckzufuhreinrichtung (97) die. andere Kammer (75; 103) unabhängig unter Druck setzt.
13. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 12, dadurch, gekennzeichnet, daß das durch die eine Kammer (73) strömende Fluid eine Flüssigkeit ist und daß die Druckzufuhreinrichtung (97) ein Gas.in die andere Kammer (75;103) einführt.
14. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung zwei Membranen (61, 63) aufweist, die den langgestreckten Körper (65) an den beiden versetzten Stellen haltern und das Gehäuse in drei getrennte Kammern (71, 73, 75) unterteilen.

209813/1053
15. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten nur von einer Membran (61) begrenzten Kammer (73) die Steuerplatte (87) und das Steuerrohr (89) angeordnet sind, daß in der zweiten von beiden Membranen (61, 63) begrenzten Kammer (75) der langgestreckte Körper (65) angeordnet und mit den Membranen verbunden ist, daß das Fluid zunächst in die dritte nur von einer Membran (63) begrenzte Kammer (71) strömt und von dort über eine Druckabfalleinrichtung (77) in die erste Kammer (73) gelangt, die es über das Steuerrohr (89) verläßt, und daß eine Druckzufuhr einrichtung (97) in der zweiten Kammer (75) einen Druck aufbaut,' der dem Druck in der dritten Kammer (71) praktisch gleich ist.
16. Durchflußregeleihrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Flüssigkeit ist und daß die Druckzufuhreinrichtung (97) der zweiten Kammer (75) zum Druckaufbau ein Gas zuführt.
17. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der zweiten Kammer (75) an dem langgestreckten Körper (65) befestigte Feder (91) einen konstanten Druck (PR) erzeugt, der der durch die Druckabfalleinrichtung (77) zwischen der ersten und dritten Kammer (73 und 71) erzeugten Druckdifferenz das Gleichgewicht hält.
18. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine unter einem ersten Druck (P^) stehende Fluidzufuhreinrichtung (43) das Fluid über eine Druckabfalleinrichtung (77) in die eine Kammer (73) einleitet, die es über das 'Steuerrohr (89) verläßt, und daß eine Druckzufuhr einrichtung (97) in der anderen Kammer (103) einen Druck erzeugt, der dem ersten Druck (P^) praktisch gleich ist.

209813/1053

21U240
19. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Flüssigkeit und die Fluidzufuhreinrichtung ein Marriott'sches Gefäß ist.
20. Durchflußregeleinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der anderen Kammer (103) ein Gas zugeführt wird,-

209813/1053

ΪΟ

Leerseite