DE2408378A1

DE2408378A1 - Verfahren und vorrichtung zum fuellen eines hochdruck-speicherbehaelters mit genau bestimmbaren gasgemischen

Info

Publication number: DE2408378A1
Application number: DE19742408378
Authority: DE
Inventors: Daniel B Martin; Donny R Strain
Original assignee: Scott Research Laboratories Inc
Current assignee: Scott Research Laboratories Inc
Priority date: 1973-02-22
Filing date: 1974-02-21
Publication date: 1974-09-05
Also published as: US3948281A; NL7402477A; SE407276B; JPS5030589A; ATA135974A; DE2408378C3; BE811486A; AT350821B; IT1008274B; DE2408378B2; LU69469A1; DD110699A5; FR2219373B1; GB1449929A; JPS5419277B2; FR2219373A1

Description

•Verfahren und Vorrichtung zum Füllen eines Hochdruck-Speicherbehälters mit genau bestimmbaren Gasgemischen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Füllen eines Hochdruck-Speicherbehältss mit einem Gasgemisch bestimmter Zusammensetzung und bezieht sich insbesondere auf das Mischen genau einstellbarer Gasgemische zur Kalibrierunq und Eichunq von Gasanalyse-Vörrichtunqen und dergleichen.

Geeichte Gasgemische werden in letzter 2eit in großem Umfang zur genauen Eichung oder Kalibrierung von zur Analyse von Gasgemischen bestimmten Instrumenten verwendet. Die Nachfrage nach solchen geeichten Gasgemischen ist vor allem als Folge der Notwendigkeit qestieqen, sowohl die Abgasemission von Automobilen und anderen Verbrennungsmotoren als auch die Emission industrieller Quellen genau zu bestimmen, zu denen'beispielsweise industrielle Schlote und Essen,chemische Prozeßströme und sonstige die Atmosphäre belastender Verursacher, wie öfen und dergleichen zählen. Mit den zunehmenden staatlichen und sonstigen hoheitlichen Kontrollen zur überwachung der Emission an Kohlenmononyd, Kohlenwasserstoffen und anderen Abgaskomponenten wurden überwachungs- und Inspektionsverfahren entwickelt, um sichersugehen, daß insbes. Motorfahrzeuge den geforderten Emissionsnornien entsprechen. Es ist auch davon auszugehen, daß in aller nächster Zukunft alle hergestellten Automobile beim Verlassen des Fertigungsfließbands überprüft werden müssen,

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um sicherzustellen, daß die erwähnten Abgasanteile innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen gehalten werden. Es ist auch zu erwarten, daß die bereits in Gebrauch befindlichen Automobile von Zeit zu Zeit überprüft werden müssen, um festzustellen, ob sie noch richtig eingestellt sind, um der gleichen oder einer ähnlich hohen Normenforderung zu entsprechen.

Bei den gegenwärtig angewandten Verfahren zur Gasanalyse wird ein Instrument benötigt, bei dem ein sogenanntes Eichgas verwendet wird, dessen Zusammensetzung bekannt und genau geeicht ist und das zur Gewinnung einer InstrumentenaEeige gemessen wird, üblicherweise wird dies dadurch.erreicht, daß das Eichgas in eine Zelle eingebracht wird, durch die ein Strahl ultraroten Lichts hindurchgeschickt wird. Die durch die Absorbtion der Ultrarotenergie angegebene Anzeige des Instruments bei Anwesenheit des Eichgases wird beobachtet und aufgezeichnet. Daraufhin wird das unbekannte Gas durch die Zelle geschickt und in ähnlicher Weise untersucht. Die Konzentration des unbekannten Gases läßt sich dann durch Beobachtung der Instrumentenanzeige im Vergleich zu der bei Verwendung des Eichgases gewonnenen Anzeige ermitteln.

Mit dem zunehmenden Bedarf für diese und ähnliche Instrumente stieg auch der Bedarf an derartigen Eichgasen in den letzten Jahren stark an. Solche Eichgase werden dem Verbraucher typischerweise in zylindrischen 43,6 1-Gefäßen geliefert, die unter einem Druck von etwa 105 bis 141 kg/cm² stehen. Bei der Herstellung des Gasgemisches wird dasMischen durch Einleiten der einzelnen Komponenten des Gasgemisches in den Zylinder erreicht, der dann mittels des Trägergases etwa Stickstoff unter Hochdruck gesetzt wird. Die Komponenten des Gemisches verhalten sich bei Hochdruck jedoch anders als unter atmosphärischen Bedingungen. Sie mischen sich insbes. nicht gut und zeigen die Neigung zur Schichtbildung. Dies ergibt sich daraus, daß die mittlere freie Weglänge der verschiedenen Moleküle unter hohem Druck beträchtlich verkürzt ist, so daß die einzelnen Komponenten nicht leicht djfundieren. Das

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Mischen unter Hochdruck ist andererseits ein zeitraubender und teurer" Vorgang, der längeres Erwärmen und Bewegen oder Schütteln des Zylinders verlangt, um ein befriedigendes handeisfähiges Produkt zu erreichen. Die Mischzeiten, die bisher einkalkuliert werden müssen, betragen, um ein typisches Beispiel zu nennen, 2 Stunden oder mehr.

Ein Nachteil des erwähnten Stands der Technik entsteht auch aus den Schwierigkeiten, die sich bei der genauen Abstimmung des Gemis'chs in einem Zylinder Mt dem zu einem früheren Zeitpunkt innerhalb der von der Industrie benötigten Toleranzen hergestellten Gemisch ergeben. Da bei der Messung von Abgasemission oftmals rechnergesteuerte Vorrichtungen in Verbindung mit dem Analysierer verwendet werden, müssen die Instrumente und/oder die zugeordneten Rechnerprogramme, die durch das Instrument beeinflußt werden, jedesmal neu erstellt oder korrigiert werden, wenn ein neuer Gaszylinder verwendet wird. Dies erfordert ersichtlicherweise zusätzliche Zeit und Kosten auf Seiten des Benutzers und stellt gleichzeitig eine mögliche Fehlerquelle in dem Verfahren zur Gasanalyse dar.

Obgleich es zum Vermischen von Gasen bei Atmosphärendruck bekannte Labortechniken gibt, ist deren Anwendung, soweit bekannt, begrenzt und das Problem sowie der Wunsch zur Herstellung von Gasgemischen in Hochdruckgefäßen ist noch nicht bekannt oder mindestens noch nicht befriedigend gelöst.

Ein anderes bekanntes Verfhren beinhaltet das Wiegen der einzelnen Komponenten unter Verwendung einer der Hebelwaage ähnlichen Vorrichtung, mittels derer das Mischgefäß gewogen wird. Obgleich nach diesem Verfahren genaue Gasmischungen erhalten werden, sind für den vorgesehenen Zweck geeignete Balkenwaagen außerordentlich teuer und es muß sehr sorgfältig/geachtet werden, daß das Ergebnis nicht durch äußere Faktoren, wie Schmutz, Erschütterungen oder dergl. verfälscht wird.

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Eine genauer Erläuterung der bekannten Verfahren zur Herstellung von Eichgasen sind in "NON-DISPERSIVE INFRA-RED GAS ANALYSIS", D.W. Hill undT. Powell, Plenum Press, New York, Ney York 1968, beschrieben.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde und sie verfolgt den Zweck, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe sich rasch und im industriellen großtechnischen Maßstab Gasgemische mit sehr hohem Durchmischungsgrad und spezifischer innerhalb sehr enger Toleranzen festlegbarer Komponenten-Konzentration herstellen lassen. Ein damit zusammenhängender Zweck der Erfindung ist es, einen genauen Vergleich einer nach Bezugsnormen hergestellten Gasmischung bei der Möglichkeit, den Mischvorgang zu verändern, vornehmen zu können, um für die Praxis geeignete StandarcLmischungen in großem Maßstab herstellen zu können. Ferner soll damit die Möglichkeit geschaffen werden, das genaue Mischen der Gase weitgehend zu automatisieren, so daß dem Benutzer jeweils gleiche Gasproben zur Verfügung stehen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich bei einem Verfahren zum Füllen eines Hochdruck-Speicherbehälters mit einem gut durchmischten Gasgemisch mit einer auf der Grundlage einer Bezugsprobe vor-bestimmten Zusammensetzung, die aus einer zuvor genau bestimmten Bezugsprobe oder insbes. aus dem Speicherbehälter gewonnen wurde,bei dem der Fülldruck einem Druck entspricht, bei dem die einzelnen Gasanteile des Gemischs sich nicht frei vermischen, erfindungsgemäß darin, daß die Zusammensetzung der Probe gemessen wird, daß die Komponenten des Gemischs getrennt einer Niederdruck-Mischzone zugeführt werden, in der der Druck auf einem Pegel gehalten wird, bei dem die Komponenten des Gemischs sich ungehindert durchmischen, daß sodann das Niederdruckgemisch auf Fülldruck komprimiert und die Zufuhr zur Niederdruck-Mischzone entsprechend den Abweichungen der tatsächlichen Zusammensetzung des komprimierten Gemischs von der vorbestimmten Zusammensetzung in der Richtung eingestellt wird, daß die Zusammensetzung des komprimierten Gemischs auf die vorbestimmte Zusammensetzung angepaßt wird.

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Eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung ist hinsichtlich ihrer erfindungsgemäßen Merkmale in Patentanspruch 3 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ErfLrüungsgedankens sind innerhalb von Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit diesem neuen Füll- und Mischverfahren und der dafür geeigneten Vorrichtung wird vor allem die genaue Mischung und reproduzierbare Herstellung von als Eichgase zu verwendenden Gasgemischen ermöglicht, die in an die einzelnen Verbraucher auszuliefernden Hochdruck-Speicherbehältern gehandelt werden. Durch die genaue re-prodzierbare Herstellung des Gasgemischs wird dem Verbraucher damit die Möglichkeit geboten, Eichgas gleicher Zusammensetzung kontinuierlich auch bei .einem Austausch des Speicherbehälters abziehen zu können.

Die Erfindung entstand auf der zunächst ermittelten Erkenntnis, das Gase in Mischungen und bei erhöhtem Druck von ihrem idealen Verhalten abweichen. Dann wird das vollständige Durchmischen immer schwieriger und zwar offensichtlich deshalb, weil die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle in einem umgekehrten Verhältnis zum Gasdruck schwankt, so daß sich als Folge zeigt, daß die Moleküle dez* einzelnen Komponenten sich bei hohem Druck bei weitem nicht so gut vermischen wie das bei Niederdruck der Fall ist. Die bei hohem Druck gemischten Gase liegen vielmehr in dem zur Lieferung ^an ^^en Endverbraucher bestimmten Zylinder in Schichtung vor und obgleich die Messung des Anteils der Komponenten des Gemischs zunächst sehr sorgfältig bestimmt wurde, erhält der Kunde aus dem Behälter gleichwohl nicht das gewünschte Gemisch, wenn nicht äußerste Sorgfalt beim Mischvorgang aufgewendet wurde und gleichseitig ein sorgfältiges Durchmischen der Komponenten sichergestellt werden kann.

Mit der vorliegenden Erfindung wird nun eine praktisch augenblickliche vollständige Durchmischung des Gasgemischs in gewünschter Konzentration dadurch erreicht, daß der Druck, bei dem die Gase gemischt werden, erheblich reduziert ist, und zwar praktisch auf

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Niederdruck, d.h. vorzugsweise auf etwa 2 at und nicht mehr als 3,50 kg/cm².

Zur Komprimierung des Gasgemischs auf Fülldruck, unter dem das Gemisch gespeichert wird, ist eine Pumpe vorgesehen. Gaszufuhr-, Steuer- und Regeleinrichtungen regulieren die Anteilsund Mengenverhältnisse der zum Mischpunkt gelieferten Gase. Die Steuereinrichtung für die Zufluß-Steuer- und Regeleinrichtung weist Mittel zur Erfassung der Anteilsverhältnisse des Gasgemischs auf d,er Stromabseite der Pumpe und zur Regulierung der Zufluß-, Regel- und Steuereinrichtung auf, um die Durch-Mischung eines vorbestimmten Gemischs einzustellen und aufrechtzuerhalten.

Die Steuervorrichtung für die Zufluß-, Regel- und Steuereinrichtung Isnn Null-Abgleichelemente zur Ermittlung der Abweichungen des Gasgemischs stromab der Pumpe von einem Probengemisch und zur Regulierung der Zufluß-, Regel- und Steuereinrichtung aufweisen, um ein Gemisch einzustellen, daß mit der Probe übereinstimmt.

Die Abtastvorrichtung legt die Anteilsverhältnisse der zu der Mischkammer gelieferten Mischungskomponenten durch Abtastung der Zusammensetzung der zuvor bereitgestellten Probe fest. Zur Bestimmung eines bereits in einem zu füllenden Speicherbehälter befindlichen Gemischs sind ebenfalls Abtastvorrichtungen vorgesehen, um die zum Speicherbehälter zu lieferenden Komponenten des Gemischs festzulegen. Als Probe kommt beispielsweise eine Standardbezugsmischung in Frage, wie sie etwa von dem U.S. National Bureau of Standards oder bei anderen geeigneten Quellen bezogen werden kann.

Die Abtasteinrichtung umfaßt ein Analyseinstrument, das den Hochdruckausgang der Pumpe kontinuierlich überwacht, so daß laufend gemessen wird, was dem Kunden tatsächlich geliefert wird. Auf durch das Änalyseinstrument erfaßte Änderungen ansprechende Steuereinrichtungen stellen die Mengenanteile der Gaskomponenten des Gemischs kontinuierlich ein, um ein genau der Probe entsprechendes Gemisch zu erhalten.Um die Anpassung an mehrere Eichgase zu er-

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möglichen, beispielsweise incfer Fabrikanlage des Benutzers, sind mehrere Anschlüsse vorgesehen. Die Einrichtung kann leicht zur Herstellung unterschiedlicher Gase vorbereitet werden, und zwar dadurch, daß die Vorichtung evakuiert und durchgeblasen wird, um sicherzustellen, daß das neu herzustellende Gasgemisch keine Verunreinigungen enthält.

Das vorteilhafte Prinzip der Erfindung besteht also kurz gesagt darin, daß das Vermischen der Gasanteile bei niedrigem Druck erfolgt und daß das gleiche Gasgemisch nach dem Komprimieren überwacht wird, um gegebenenfalls die zur Niederdruckmischzone zuzuführenden Gasanteile nachzuregulieren.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Abtasteinrichtung ein Doppelhebelanalyseinstrument mit Null-Abgleich. Das Bezugsgemisch wird einer Zelle des Doppelhebelinstruments zugeführt, während das zu mischende Gas in die andere Zelle geleitet wird. Wenn das herzustellende Gasgemisch mit der Bezugsprobe übereinstimmt, befindet sich das Instrument im Gleichgewicht, da gleiche Energieanteile in den beiden Zellen absorbiert werden. Abweichungen von der Null- oder Gleichgewichtsstellung erzeugen ein Ausgangssingal, das zur Erregung eines Rückkopplungssystems dient, über das die Anteile der Gaskomponenten des Gemischs nachgestellt werden, bis eine genaue Anpassung auf die Bezugsprobe vorliegt. Es sind mehrere Anschlüsse vorgesehen, so daß die Anpassung auf zahlreiche Eichgase erfolgen kann und zwar insbes. auch in der Fabrikanlage eines Kunden. Die Vorbereitung der Vorrichtung zur Umstellung und Herstellung einer anderen Gassorte läßt sich leicht dadurch erreichen, daß die Vorrichtung lediglich durchgeblasen und evakuiert wird, so daß Sicherheit dafür besteht, daß keine unerwünschte Verunreinigungen in dem neuen Gasgemisch enthalten sind.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Gasmischungsanlage mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 2 die Prinzipdarstellung einer anderen Ausführungsform einer Gasmischungsanlage bei der Merkmale nach der Erfindung verwirklicht and, und

,Fig. 3 das Prinzip eines Doppelhebe-Infrarotanalyseinstruments , das besonders vorteilhaft in Verbindung mit der anhand von Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung einsetzbar ist.

Bei den int folgenden unter Bezug auf Fig. 1 gegebenen Erläuterungen wird die Herstellung und Mischung eines Zweikomponenten-Gasgemischs erläutert. Das zu beschreibende System weist zwei Speisequellen für die Komponenten eines Gasgemischs auf, die eine Mehrzahl ,von unter Druck stehenden Speichergefäßen 10 umfassen, die mit Vorräten an verschiedenem Gas, wie Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Stickstoffoxyden und verschiedenen Kohlenwasserstoffen gefüllt sind, wobei vier derartige Gefäße ii)Üer Zeichnung dargestellt sind. Die Gasgemische enthalten typischerweise wenigstens eines der eben erwähnten Gase, das dann mit einem Inertgas, etwa stickstoff- oder kohlenwasserstoff-freier Luft gemischt wird, um das gewünschte Verhältnis zu erhalten. Obgleich die Erfindung unter Bezug auf ein binäres Gasgemisch erläutert ist,, können selbstverständlich auch ternäre oder andere Vielkomponenten-Gemische hergestellt werden.

Bei dieser Ausführungsform wird das inerte Trägergas, etwa

mit

Stickstoff, von einem'Bezugszeichen 11 gekennzeichneten Speichergefäß für flüssigen Stickstoff geliefert. Ein Verdampfer 12 sorgt da-für, daß der Stickstoff gasförmig zugeführt wird. Die Gaszuführvorrichtung weist außerdem vorzugsweise eine Einrichtung auf, um wahlweise Luft aus der Atmosphäre zuführen zu können und umfaßt einen Fühler oder Meßkopf 13 sowie einen Luftreiniger und eine

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Pumpe 14. Die Pumpe sollte vorzugsweise frei von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien sein. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindinq wird eine Pumpe mit einer Förderkapazität von ca. 465 m³ pro Stunde und einem Förderausqangsdruck von 3,50 atü (kg/cm² über Atmosphärendruck) verwendet. Zur wahlweisen Zufuhr von Luft oder Stickstoff zur nachfolgend erläuterten Mischkammer ist ein Umschaltventil 15 vorgesehen.

Jeder der Gasspeicherbehälter ist mit einem Druckreduzierventil 16 versehen, so daß der Druck der gev/ählten Komponente auf den gewünschten Mischdruck reduziert werden kann,, der als Druck definiert werden kann, bei dem die Gase sich ohne besondere mechanische Mischlingshilfsmittel oder Erwärmung weitgehend augenblicklich sorgfältig durchmischen. Obgleich der Mischdruck bis zu 7,00 atü betragen kann, kommen als bevorzugte MiscMrücke solche von etwa 2 at infrage und der Mischdruck sollte im allgemeinen nicht etwa über 3,50 atü liegen.

Zur Auswahl der miteinander zu vermischenden Komponenten weist die Gaszuführeinrichtung Umschaltventile 17a bis d auf, die in Leitungsverzweigungen 18a bis d liegen.

Eine Leitung 19 führt von der Verbindungsleitung der Leitungsverzweigungen 18a - d ab und ist laii^instellbaren Zuführsteuermitteln versehen, die ein Strömungsüberwachungsventil 20 versehen, das den Zustrom der hinsichtlich seiner Komponenten durch die Einstellung der Umschaltventile 17a - d vorgegebenen Gasströme reguliert. Die Einrichtungen zur Betätigung des Strömungsüberwachungsventils werden weiter unten erläutert.

Stromab des Sfcrömungsüberwachungsventils 20 ist die Leitung mit einer Leitung 21 vom Umschaltventil 15 und damit von der Quelle für Stickstoff oder Luft verbunden. Stromab der Verbindungsstelle der Leitungen IS und 21 erfolgt das Vermischen der gewählten Komponenten in einem Mischungsdurchlaß 22, der eine Kammer 23 aufweisen kann, in der die Komponenten bei relativ niedrigen Drücken sorgfältig durchmischt werden. Die auf relativ niedrigem Druck

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stehende Mischzone ist mit einem Druckmanometer 24 versehen, das, wie die Zeichnung zeigt, zvischen der Mischkammer 23 und einer Gaspumpe bzw. einem Kompressor 25 angeordnet ist.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird als Kompressor 25 eiiE mehrstufige Verdrängerpumpe zum Komprimieren des Gasgemischs verwendet. Das Gas wird um einen typischen Wert zu nennen, beispielsweise auf 142 kg/cm² absolut komprimiert. Der Ausgang des Kompressors 25 ist an eine Füll-Leitung 26 angeschlossen, die zu einem Verbindungsstück führt, über das ein bestimmter Speicherbehälter angeschlossen werden kann. Vier solcher Behälter sind in der Zeichnung mit Bezugszeichen 27a bis 27d dargestellt und jeder Behälter mit einem Ventil 28a bis 28d versehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Speicherbehälter 27a bis d relativ große Gefäße, beispielsweise mit einem Rauminhalt von etwa 1,4 m³. Diese Behältnisse können in der Fertigungsanlage des Kunden aufgestellt sein, so daß das Gas zur Benutzung in den Instrumenten des Kunden über geeignete Leitungsführungen zur Verfügung steht oder sie können auch in der Gasmischanlage verbleiben, in welch letzterem Fall die Umfüllung auf kleinere Zylinder zum Transport zu den Kunden angebracht sein wird. In jedem Fall weist jedes dieser Behältnisse eine Auslaßleitung 20a bis 29d auf, die jeweils mit einem Druckbegrenzer und mit geeigneten Steuerventilen sowie mit nicht gezeigten Anschlüssen versehen sind.

Es ist wichtig, daß der Kompressor 25 vollkommen ölfrei ist und daß alle mit dem Gasstrom in Berührung kommenden Teile inert gegen Kohlenwasserstoffe cder andere Konstituenten des zu mischenden Gases sind. Für die Verdrängerpumpe kommen verschiedene auf dem Markt erhältliche Modelle infrage. Ergänzend zu den oben gegebenen Erläuterungen sei noch darauf hingewiesen, daß die Niederdruckmischzone vollständig von der Hochdruckzone getrennt sein muß, so daß keine rückwirkenden Druckeffekte den Druck beeinflussen, bei dem die Durchiuischung erfolgt.

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Gemäß der Erfindung sind weiterhin Einrichtungen vorgesehen, um das Gasgemisch auf der Hochdruckseite der Pumpe abzutasten und zu analysieren. Obgleich auch andere Analysiervorrichtungen verwendet werden können, wird im Zusammenhang mit der Erfindung vorzugsweise ein herkömmlicher streuungsfreier Infrarotanalysierer herkömmlicher Bauart verwendet, der in der Zeichnung durch Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist. Der Analysierer 30 weist eine Mehrzahl von Zellen auf, jeweils eine für eines der als Mischung herzustellenden Gase.

Der Analysierer 30 ist an die stromabliegende Hochdruckseite des Kompressors über eine Leitung 31 angeschlossen, die zu einem Umschaltventil '32 führt. Über einen Druckregulator 33 wird der Druck etwa auf den bei der Herstellung des Gemischs angewendeten Druck erniedrigt. Stromab des Druckregulators 33 ist zur Strömungsregulierung ein Strömungsmesser mit eingebautem Ventil 34 vorgesehen.

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Das Umschaltventil 32 ist üblicherweise ein manuell betätigbares Ventil mit vier öffnungen und drei Positionen, wobei die gemeinsame öffnung mit dem Druckregulator 33 in Verbindung steht. Eine öffnung des Ventils 32 ist über die Leitung 31 mit der Füllleitung 26 verbunden. Eine Probenleitung 35 ist an einen anderen Einlaß des ümschaltventils 32 angeschlossen und dient zur Zufuhr einer bekannten Gasprobe über ein weiteres Umschaltventil 36, dessen Einlaßöffnungen mit verschiedenen geeichten Probenmischungen verbunden sind. Eine Leitung 35a dient zur Zufuhr von Stickstoff oder Sauerstoff zu einer anderen öffnung des Umschaltventils 32 und dient zum Ausspulen und zur Einstellung des Instruments auf Null-Abgleich.

In der Füllleitung stromab der Verbindungsstelle mit der Leitung 31 ist ein 180°-Dreiweghahn 38 angeordnet. Dieser Dreiweghahn 38 läßt sich von einer Sperrstellung in-der ein Durchfluß durch die Leitung 26 unterbrochen ist in eine Stellung, in der ein Fluß durch die Leitung möglich ist oder in eine Belüftungsstellung bewegen, in der die von der Pumpe ausgehende Strömung über die Belüftungsleitung 39 zur Außenathmosphäre führt. In der Belüftungsleitung 39 liegt ein Druckregulator 39a, der so einstellbar ist, daß während des Anlaufs der Pumpendruck auf das jeweils zu füllende spezielle Behältnis 27a -27d begrenzt werden kann.

Zusätzlich zu der Möglichkeit^ dem Instrument über die Leitungen 35 und 35a Eichgase zuzuführen, kann eine Probe auch direkt von einem ausgewählten teilweise gefüllten Speicher^behältnis 27a - 27d oder aus den von Kunden erst teilweise verwendeten Zylindern entnommen werden.

An die Leitung 26 ist außerdem eine weitere Belüftungsleitung 40 angeschlossen, die mit einem Entlüftungsventil 41 versehen ist. Dieses Ventil wird so eingestellt, daß es bei einem bestimmten oberen Grenzdruck etwa bei 177kg/cm² absolut öffnet.

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Die Leitung 26 ist stromab vom Ventil 38 mit einer Leitung 42 verbunden, in der ein manuell betätigbares 90°-Kugelventil 43, ein Druckmanometer 44 und ein 180°-Umschaltventil 45 liegt, um das Gas wahlweise einer Leitung 46 oder einer Belüftungsleitung über eine Leitung 47 zuzuführen. Die erwähnte Belüftungsleitung 39 weist ein einstellbares Rückschlagventil 39a auf. Die Leitung 46 führt auf der stromauf liegenden Seite des Ventils 38 zur Füllleitung 26 und bildet so einen Rückströmweg zum Analyse-Instrument, wenn das Ventil 38 geschlossen ist.

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Eine Leitung 48 verbindet die Füllleitung 26 mit einer Vakuumpumpe 49, die eingeschaltet wird, wenn das System von einem bestimmten zuvor als Mischung hergestellten Gas gereinigt werden soll.

Wie erwähnt umfaßt die Einrichtung zur Gasanalyse, die in der Zeichnung allgemein mit Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist, für eine typische Ausführungsform der Erfindung mehrere lichtstreuende Infrarot-Analysierer, von denen jeder mit einer Probenzelle zur Messung und zum Vergleichen der Konzentration einer der Komponenten des zu mischenden Gases ausgerüstet ist. Bei der dargestellten Äusführungsform sind vier derartige Analysierer vorgesehen und jeder dient zur Messung der Konzentration von einer der vier Gaskomponenten im Speicherbehälter 10.

Die einzelnen Analysierer werden auswahlweise mittels einer geeigneten, in der Zeichnung schematisch dargestellten und mit Bezugszeichen 51a - 51d bezeichneten Schalteinrichtung mit einer Überwachungseinrichtung 50 verbunden. Diese überwachungseinrichtung 50 ist Teil einer Servo-Vorrichtung, die unter anderem ein Stellglied 52 und einen Stellmotor 53 aufweist, der die relativen Konzentrationen der zu mischenden Komponenten in Abhängigkeit von durch den Analysierer ermittelten Schwankungen reguliert, so daß eine genaue Anpassung auf eine vorbestimmte Mischung erfolgt und aufrechterhalten wird.

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Über Schalter 55a bis 55d kann eine geeignete Aufzeichnungsvorrichtung, beispielsweise ein Blattschreiber 54 angeschlossen sein.

Für den praktischen Gebrauch empfehlen sich zwei Verfahrensweisen. Liegt bereits eine Mischung in einem zu füllenden Speicherbehälter vor, etwa in einem der Behältnisse 27a - 27d, so wird der bestimmte Speicherbehälter an die Füllleitung 26 angeschlossen, wobei alle Ventile des Systems geschlossen sind. Dann wird das dem gewählten Speicherbehälter zugeordnete Ventil 28a - 28d sowie das 90°- Kugelventil 43 geöffnet und es wird der Behälterdruck am Druckmanumeter 44 abgelesen. Sodann wird das 180°-Umschaltventil 45 in die Stellung umgelegt, in der etwas von dem ursprünglich in dem Speicherbehältnis befindlichen Gas über die Leitung 47 und die Leitung 39 ins Freie gelangt, so daß diese Leistungen gereinigt sind. Anschließend wird das 18(^-Umschaltventil 45 in die entgegengesetzte Richtung umgeschaltet, so daß Gas von dem Behälter durch die Leitungen 26, 42, 46, das Umschaltventil 32 und den Druckbegrenzer 33 sowie den Strömungsregler 34 fließt. Damit strömt das Gas durch den Analysierer und die Anzeige des Instruments wird festgestellt. Anschließend wird das Ventil geschlossen.

Nun wird der Dreiweghahn 38 in eine Stellung gebracht, in der der Kompressor-Ausgang über den Druckregler 39a-ins Freie geleitet wird. Der Kompressor wird dann angelassen und der Druckregulator wird auf den im Speicherbehälter herrschenden Druck eingestellt. Sodann wird der Dreiweghahn 38 in eine Stellung gedreht, in der das Gemisch in den Speicherbehälter gepumpt wird, wobei selbstverständlich das Behälterventil 28b offensteht. Während des Füllens des Behälters wird der Ausgang des Kompressors durch den Analysierer 30 kontinuierlich überwacht und die Überwachungseinrichtung 50 stellt das Ventil 20 stets so ein, daß im Behälter eine Mischung mit genau der ursprünglichen Konzentration eingefüllt wird.

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Bei einer zweiten möglichen Betriebsweise wird eine Eichprobe dem Instrument über das Umschaltventil 36, die Probenleitung 35 und das Umschaltventil 32 zugeführt. Dabei wird die Instrumentenanzeige tiberwacht und die überwachungseinrichtung so eingestellt, daß die gewünschte Konzentration erzeugt wird. Sodann wird die Probenzelle gereinigt und die Mischvorrichtung zur Füllung des Speicherbehälters vorbereitet, wie zuvor beschrieben. Das Umschaltventil 32 wird dann in eine Stellung gebracht, in der die Füllleitung 26 mit dem Analysierer verbunden ist, so daß das vom Kompressor gelieferte Gas kontinuierlich überwacht wird.

Bei der anhand der Fig. 2 und 3 erläuterten Ausführungsform der Erfindung weist der Analysierer 30 eine Mehrzahl einzelner Doppelhebel- oder Doppelbalkeninstrumente auf, die jeweils zur Messung eines der Gase die als Mischung hergestellt werden sollen, abgestimmt ist. Eine für diesen Zweck geeignete Doppelhebel-Analysiervorrichtung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Instrument mit einer einzigen Infrarotlichtquelle 30a versehen. Die von der Quelle 30a abgestrahlte Infrarot-Energie tritt durch Zellen 30b und 30c nach Umlenkung durch Spiegel 3Od hindurch. Ein drehender Zerhacker oder Unterbrecher 3Oe bewirkt eine periodische Änderung der auf einen Detektor 3Of auftreffenden Energie. Gemäß der Erfindung wird eine Probe oder ein Bezugsgas in die Zelle 30b über ein noch zu erwähnendes Leitungssystem eingeleitet. Die Zelle 30c ist mit der stromabliegeiiden Hochdruckseite der Pumpe verbunden, so daß ihr das in der Mischzone 23 vermischte Gas zugeführt wird, nachdem dieses die Pumpe 25 passiert hat. Die durch die Zellen 30b und 30c hindurchgehende Infrarotstrahlung wird durch die Gasmoleküle in den Zellen absorbiert. Ist die Absorptionscharakteristik in jeder der Zellen identisch, d. h. stimmt das hergestellte Gasgemisch genau mit der Probe oder dem Bezugsgas überein, so tritt kein Ausgangssignal auf. Weicht jedoch das erzeugte Gasgemisch von der Bezugsprobe ab, so erscheint ein Ausgangssignal, das den Servo-Schaltkreis steuert, ^v um die Anteile der Komponenten des Gasgemischs so lange zu verändern, bis die Gase in den beiden Zellen übereinstimmen. Mit

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dem erfindungsgemäßen System läßt sich eine hohe Empfindlichkeit gegen Abweichungen des hergestellten Gasgemischs von der Bezugsmischung erreichen, da geringe Abweichungen von einem Null-Abgleich oder der Null-Bedingung wesentlich leichter feststellbar sind als wenn ein Instrument mit Absolutanzeige vorgesehen und als Antriebseinheit für den Servo-Mechanismus verwendet wird. Es sei erwähnt, daß die Erfindung keineswegs auf die Verwendung von Infrarot-Analysierern begrenzt ist, vielmehr lassen sich auch andere Analyse-Instrumente einsetzen, die zur Messung von Konzentrationen eines Bezugsgases und eines herzustellenden Gasgemischs in der Lage sind und mit dem Prinzip des Null-Abgleichs arbeiten.

In den Fig. 2 und 3 sind die anhand der Fig. 1 bereits erläuterten entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Abschnitte werden daher bei der Beschreibung der Fig. 2 und 3 lediglich im Zusammenhang mit solchen Teilen erwähnt, die nicht identisch sind.

Die,Zelle 30c jedes Instruments im Analysierer 30 ist mit der stromabliegenden Hochdruckseite des Kompressors Über eine Leitung 31 ο verbunden, die zum Ventil 32o führt. Ein Druckregler 33o erniedrigt den Druck auf etwa den bei der Herstellung der Mischung herrschenden Druck. Ein Strömungsmesser mit eingebautem Ventil 34 ist stromab des Druckreglers angeordnet, um die Strömung auf einen gewünschten Wert einzustellen.

Wie beim Ventil 32, entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 1, wird das Umschaltventil 32o üblicherweise manuell betätigt und weist eine gemeinsame öffnung auf, die mit dem Druckregler verbunden ist. Eine öffnung des Ventils 32o ist mit der Füllleitung 26 über die Leitung 31ο verbunden.

Die Probenleitung 35o ist an eine Einlaßöffnung eines Umschaltventils 60 angeschlossen und dient zur Zuführung einer bekannten Probe oder eines Bezugsgases etwa einer NBS-Standard-Bezugsmischung vom Umschaltventil 36 aus, dessen Einlaßöffnungen mit

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der Bezugsmischung in Verbindung stehen. Weiterhin führt eine Leitung 61 von der Leitung 26 zum Umschaltventil 60, so daß eine aus dem Kundenbehälter stammende Probe der Zelle 30b zugeführt werden kann. Stromab vom Umschaltventil 60 befindet sich ein Druckregler 62, der dafür sorgt, daß der Druck in der Zelle 30b auf gleichem Pegel wie in der Leitung 35a und dem Strömungsregler 63 gehalten wird. Um das Bezugsgas gewünschtenfalls in der entsprechenden Zelle 30b zu halten, ist ein Ventil 64 vorgesehen. Eine Leitung 35a führt zu einer anderen öffnung der Umschaltventile 32o und 60, um die Zufuhr von Stickstoff oder Luft zur Reinigung und zum Null-Abgleich des Instruments zuführen zu können.

Die Betriebsweise der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnelt der anhand der Fig. 1 erläuterten Funktionsweise. Nachdem die Leitungen in der beschriebenen Weise gereinigt sind, wird die Mischung auf die eingestellt werden soll, vom Kunden-Speicherbehälter oder von einem Behälter für ein Standardgas über das Umschaltventil 60 dem

und

Druckbegrenzer 62/dem Strömungsregler 63 in den Analysierer geleitet. Die Ventile 64 und 60 sind geschlossen und die Anzeige des Instruments wird festgestellt.

Anschließend wird bei geschlossenem Ventil 43 der Dreiweghahn 38 in eine Stellung gedreht, in der der Kompressor-Ausgang über den Druckregulator 39a mit der Außenathmosphäre verbunden ist. Dann wird der Kompressor angelassen und der Druckregler wird so eingestellt, daß der im Speicherbehälter herrschende Druck erhalten wird. Sodann wird der Dreiweghahn 38 in die Stellung gedreht, in der das Gemisch in den Speicherbehälter gepumpt wird, wobei das Behälterventil 28b offensteht. Beim Füllen des Behälters wird der Ausgang des Kompressors über das Umschaltventil 32o im Analysierer 30 kontinuierlich überwacht. Die Absorptionscharakteristiken der in den Zellen 30b und 30c enthaltenen Gase werden verglichen und die Überwachungseinrichtung 50 stellt das Ventil 20 so ein, daß das Gemisch genau auf der Konzentration des Gemischs im Behälter

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gehalten wird.

Gemäß der anderen möglichen Betriebsweise wird eine Eichprobe in die Zelle 30b über das Umschaltventil 36, die Probenleitung 35o und das Umschaltventil 60 eingeleitet. Die überwachungseinrichtung wird so eingestellt, daß Gase mit aufeinander abgestimmter Konzentration geliefert werden. Sodann wird das Umschaltventil 32o in die Stellung gebracht, in der die Füllleitung 26 mit dem Analysierer verbunden ist, so daß das durch den Kompressor gelieferte Gas kontinuierlich überwacht wird. Bei eingeschalteter Pumpe durchströmt das zu erzeugende Gasgemisch die Zelle 30c. Wie bereits oben e*rwähnt, erzeugen Unterschiede in den Absorptionscharakteristiken des Probengemischs und des herzustellenden Gemischs ein Ausgangssignal, das der Überwachungseinrichtung zugeführt wird, die das Ventil 20 nachstellt, bis das erzeugte Gemisch genau mit dem Bezugsgas übereinstimmt.

Da das Durchmischen auf einem Druck erfolgt, bei dem keine Neigung der Einzelkomponenten zur Schichtbildung vorliegt, erfolgt die Durchmischung sorgfältig und im wesentlichen augenblicklich. Die gesamte Durchmischvorrichtung läßt sich in sehr kompakter Bauweise herstellen und der Benutzer erhält die Gewissheit, eine Gaskonzentration zu erhalten, die annähernd ein genaues Duplikat der zuvor eingesetzten Gaskonzentration darstellt. Das bisher erforderliche aufwendige mechanische Bewegen und Schütteln sowie das Erwärmen entfällt. Soweit die Mischung in den Hochdruckbehältnissen kontinuierlich gemessen wird, ergibt sich daraus ein Regel- oder Steuerparameter für die Niederdruckmischung.

Die soweit beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind leicht zu bedienen und zu warten und es kommt als wesentlicher wichtiger Aspekt hinzu, daß das gesamte System auf einem Fahrzeug montiert werdenkann, so daß es auf einfache Weise etwa zu den Produktions- oder Meßstellen eines Kunden gefahren werden kann, also dorthin, wo die Gasspeicherbehäiter des Kunden angeordnet sind. Die Mischvorrichtung wird dann mit dem jeweiligen Speicher-

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behälter verbunden, das im Behälter enthaltene Gemisch wird analysiert und beim Wiederauffüllen kontinuierlich überwacht und· jeweils angepaßt. Auf diese Weise hat der Kunde die Gewähr dafür, daß er stets ein Gasgemisch unveränderter Konzentration erhält, wobei selbst während des Mischvorgangs kontinuierlich Gas abgezogen werden kann.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1.y Verfahren zum Füllen eines Hochdruck-Speicherbehälters mit einem gut durchmischten Gasgemisch mit einer auf der Grundlage einer Bezugsprobe vorbestimmten Zusammensetzung, die aus einer zuvor genau geeichten Bezugsprobe oder insbesondere auch aus dem Speicherbehälter selbst gewonnen wurde, bei dem der Fülldruck einem Druck entspricht, bei dem die einzelnen Gasanteile des Gemische sich nicht frei vermischen, dadurch gekennzeichnet , daß die Zusammensetzung der Probe gemessen wird, daß'die Komponenten des Gemischs einzeln einer Niederdruck-Mischzone zugeführt werden, in der der Druck auf einem Pegel gehalten wird/ bei dem die Komponenten des Gemischs sich ungehindert durchmischen, daß sodann das Niederdruckgemisch auf Fülldruck komprimiert und die Zufuhr zur Niederdruck-Mischzone entsprechend den Abweichungen der tatsächlichen Zusammensetzung des komprimierten Gemischs von der vorbestimmten Zusammensetzung in der Richtung eingestellt wird, daß die Zusammensetzung des komprimierten Gemischs auf die vorbestimmte Zusammensetzung angepaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die vorbestimmte Zusammensetzung mit der Zusammensetzung der Bezugsprobe identisch ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich,-net, daß die Zusammensetzung der Probe durch eine Zelle eines Gasanalysators und die Zusammensetzung der komprimierten Mischung durch eine zweite Zelle dieses Gasanalysators bestimmt werden.

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4. Vorrichtung zum Füllen von Hochdruck-Speicherbehältern mit einem gut durchmischten Gasgemisch, mit einer auf der Grundlage einer Bezugsprobe vorbestimmten Zusammensetzung, bei der der Fülldruck einem Druck entspricht, bei dem die einzelnen Gaskomponenten des Gemischs sich nicht frei vermischen, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspeisung der Gaskomponenten des Gemischs über eine Gaszuführeinrichtung (10, 16, 17, 18, 19, 20, 29) mit einer steuerbaren Ventileinrichtung (17, 20) erfolgt, die die Einstellung der Einspeisungsmengen für wenigstens eine der Komponenten in Bezug auf die Einspeisungsmengen der anderen Komponenten ermöglicht, daß die Bildung des Gemischs in einer Mischleitung (22) erfolgt, die mit einer Druckbegrenzervorrichtung versehen ist, mittels derer der Druck in der Mischleitung auf einen Druck einstellbar ist, bei dem sich das Durchmischen der Sinzelkomponenten praktisch augenblicklich vollzieht, daß ein eingangsseitig mit der Mischleitung (22) verbundener Hochdruck-Gaskompressor (25) vorgesehen ist, der das Gasgemisch auf Fülldruck bringt, daß das komprimierte Gas über eine mit dem Gaskompressor-Ausgang verbundene Füllleitung (26) zu einem nachzufüllenden Speicherbehälter (27) gelangt·, daß eine Gasanalyse-Vorrichtung (30) vorhanden ist, die über eine weitere Ventileinrichtung (32) wahlweise mit dem Speicherbehälter oder mit der Bezugsprobe zuvor bestimmter Zusammensetzung verbindbar ist, wobei die weitere Ventileinrichtung die kontinuierliche Überwachung des durch den Gaskompressor (25) gelieferten Gasgemischs gewährleistet, und daß die zur Einspeisung der Gaskomponenten bestimmte Ventileinrichtung (20) so einstellbar ist, daß die Anpassung der Zusammensetzung des komprimierten Gemischs auf die Zusammensetzung der Bezugsprobe erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Kompressor (25) eine mehrstufige Verdrängerpumpe ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zei'chnet, daß die Gasanalyse-Vorrichtung (30) und die zur Einspeisung der Gaskomponenten bestimmte Ventileinrichtung (20) über eine Überwachungseinrichtung (50) verbunden sind, die auf Veränderungen in der Zusammensetzung des komprimierten Gemischs anspricht und den Zustrom mindestens einer Komponente im Verhältnis zum Anteil der anderen Komponenten in einer Richtung anpaßt, daß ein Abgleich der Zusammensetzung des komprimierten Gemischs auf die des vorbestimmten Gemischs erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Gasgemisch-Analysevorrichtung (30) eine erste zur Analyse einer Probe des anzugleichenden Gasgemischs bestimmte Analyse-Vorrichtung und eine zweite Analyse-Vorrichtung aufweist, die an die Füllleitung (26) angeschlossen ist und das an diese Füllleitung (26) gelieferte komprimierte Gas untersucht, und daß eine Regeleinrichtung die Abweichungen in der Zusammensetzung des komprimierten Gases von der der Probe erfaßt und die die Einspeisungsmengen bestimmende Ventileinrichtung (20) so steuert, daß die Zusammensetzung des an die Füllleitung (26) gelieferten Gases mit der Probenzusammensetzung übereinstimmt .

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die wahlweise Verbindung der ersten Analysevorrichtung mit der Füllleitung mittels einer Ventilvorrichtung ermöglicht ist, um der ersten Analysevorrichtung eine aus einem Speicherbehälter (27) entnehmbare Gasprobe als Bezugsprobe zuführen zu können.

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