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Verfahren und Einrichtung Zur Bildung von Gasgemischströmen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bildung von Gasgemischströmen aus
Reingasen, deren Zusammensetzung ohne Unterbrechung des Gemischstromes schnell geändert
werden kann und die sehr genaue Einhaltung vorgegebener Konzentrationen verburgen.
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Es ist bekannt, daß derartige Einrichtungen bevorzugt beim Justieren
von gasanalytischen Meßgeräten benötigt werden, insbesondere von solchen, bei denen
die Konzentration einer bestimmten Gasart in einem Gemisch erfaßt und genau angezeigt
oder registriert werden soll. Da an derartigen Geräten wegen der meist nicht linearen
Abhängigkeiten bis zu zehn über den Meßbereich gleichmäßig verteilte Anzeigewerte
fixiert werden müssen, müssen bei der Justierung auch schnell hintereinander entsprechend
viel Gemische verschiedener Konzenration erzeugt und durch den Prüfling geschickt
werden. Von der genauen Einhaltung der vorgegebenen Konzentrationswerte hängt ausschlaggebend
die Meßgenauigkeit des zu justierenden Gerätes ab.
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Andererseits genügen hierzu weitgehend binäre Mischuagen, meist von
Stickstoff mit einem weiteren Reingas -Wie z. 3. CO, C02, 0114, S02 NH3, O2 und
andere -wobei die Konzentration des letzteren, d. h. sein prozentualer Anteil im
Gemisch, den Meßwert darstellt.
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Zur Bildung derartiger Gemischströme benutzt man z. Zt.
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fast ausschließlich Dosierpumpen. Diese arbeiten im wesentlichen nach
dem Prinzip, durch dicht in Zylindern bewegte Kolben entweder mit unterschiedlich.
einstellbarem
Hubzahlverhältnis, parallel arbeitender Pumpen oder
durch unterschiedliche Verdrängungsvolumina oder durch Kombination von beiden, mit
den Reingasen zunächst unterschiedliche Volumenströme im gewünschten Verhältnis
zueinander zu erzeugen, diese dann zu nischen und durch den zu justierenden Analysator
zu schicken. Das sctmelle wechseln der Konzentration kann hier aber günstigstenfalls
nur durch Wechseln von Zahnrädern im mechanischen Antrieb oder ein zusätzliches
Wechselradgetriebe erfolgen.
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Meistens, insbesondere bei niedrigeren Konzentrationen, müssen aber
noch ein bis zwei weitere Pumpen in Reihe zugeschaltet werden, weil die Hubzahl
fur die kleinere Komponente mi L Rücksicht auf Pulsationen und Homogenität des Gemisches
nicht zu klein werden darf.
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Trotzdem bleibt eine stark pulsierende Strömung bestehen, die nicht
allen Analysatoren zuträglich ist.
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Als nachteilig hat sich weiter herausgestellt, daß ein ausreichendes
Dichten der Kolben im Zylinder und Vermeidung von schnellem Verschleiß nur mit einem
ständig zu ergänzenden oC1chmierölfilm zu erreichen ist, wodurch aber das geförderte
Gas mit Öldunst geschwängert wird. Trotz der notwendigen nachgeschalte ten Abscheideei@richtungen
lassen sich aber Verfälschungen der Analysenwerte' insbesondere dann nicht vermeiden,
wenn intensiv lösliche Gase - z. B. SO2 und SH3 - sowohl sich in Öl lösen als auch
beim Wechsel der Gasart wieder längere eit ausgeschieden werden.
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Auch können solche Pumpen für Gase, die Schmieröl zersetzen, nicht
verwendet werden.
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Nicht zu unterschätzen sind auch die Fehler, die durch unterschiedliche
Drosselwirkung bei Einströmen in die Zylinder und Wiederausströmen -hauptsächlich
in den sehr engen Steuerquerschnitten -entstehen. Bei den meist starken Hubzahl-
und Dichteunterschieden können sie über 3 % ansteigen, sofern nicht nach theoretischen
Diagrammen relativ umständlich zu ermittelnde Korrekturwerte statt der Soll-Werte
eingesetzt werden, womit dennoch die Streuu-en durch Fertigungsungenauigkeiten nicht
erfaßt werden können.
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Zur Vermeidun dieser Nachteile sind andersartige Dosierungen, insbesondere
solche über IEpillare mit weitgehend laminarem Durchflußverhalten, denkbar und auch
sin geringem Umfang angewendet worden. Das Arbeiten mit entsprechenden, bisher bekannt
gewordenen Einrichtungen ist jedoch mit andersartigen Nachteilen behaftet, die sich
besonders für ein serienmäßiges, zugiges Justieren von Analysatoren als untragbar
herausgestellt haben.
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Einmal erfordert die Durchflußeinstellung durch Lapillare eine sehr
genaue Differenzdruckregelung mit feinfühliger Verstellmöglic'hkeit und vor allem
die Einstellung nach einem Differenzdruckmanometer von hoher Genauigkeit.
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Dies kann aber nur mit sehr flach ansteigenden Schrägrohrmanometern
erreicht werden, welche jedoch bei noch tragbarem Platzaufwand nur einen relativ
kleinen Verstellbereich zulassen und zum Übergang auf einen anderen Meßwert trotz
dünnflüssiger Sperrflüssigkeit
eine lange Übergangszeit von meist
mehr als 10 min.
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bis zu 30 min. brauchen, bis die Flüssigkeit endgültig eingelaufen
ist. Auch kann Gas in die Sperrflüssigkeit in Lösung gehen oder ausgeschieden werden
und mindestens vorübergehend und im ppm-Bereich die Konzentrationen verfälschen.
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Auch Druckregelungen mittels Abperltauchungen sind insofern unzulänglich,
als - abgesehen von änderungen der Perlfolge.- sowohl Änderungen des Flüssigkeitspegels
und da der Tauchtiefe, als auch der Flüssigkeitsdichte und auch durch Temperatureinfluß,
als auch des Rückstaus in der Abgasleitung den Perldruck und damit den Differenzdruck
untragbar verändern können. Außerdem erfordern sie ein Beobachten der Perlfolgen
und relativ häufiges korrigieren. Auch hier können neue Soll-Werte des Durchflusses
mit Hilfe von Differenzdruckänderungen nur mit Hilfe eines eingeschalteten Schrägrohres
mit den bekannten Nachteilen erhalten werden.
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Deshalb ist mit derartigen Einrichttii;en keine sehr universale Anwendung,
insbesondere aber keine Verwendung für die eingangs erwähnten Justieraufgaben vorteilhaft
möglich.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die erwähnten Nachteile
der bisherigen Methoden, insbesondere mit Hinblick auf ihre Verwendung als Justiernormale
für gasanalytische Meßgeräte, zu verkleiden und ein Verf ahren zu finden, welches
mit wesentlich geringerem Herstellungsaufwand trotzdem eine genauer arbeitende,
beständigere und vorteilhafter zu handhabende Einrichtung zu schaffen ermöglicht,
die universal alle praktisch vorkommenden Konzentrationen einzustellen gestattet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, weiches
die an sich bekannten Dosierungen über IEpillaren verwendet, jedoch rein laminare
Durchflußcharaktteristik vorschreibt und weiterhin als besondere Merkmale enthält,
daß mehrere einschaltbare Meßgaskapillare an einem gemeinsamen, die Trägergaskapillaren
jedoch an einem davon getrennten Eingangs raum augeschlossen werden und von diesen
Eingangsräumen getrennt angeordnete Abperltauchungen mit getrennt einstellbaren
Tauchtiefen abzweigen. Dagegen sind alle Kapillaren an einen gemeinsamen Ausgangsraum
angeschlossen, aus dem das Prüfgasgemisch über eine Einstelldrossel weitergeleitet
und eine definierte Überschußmenge über eine gemeinsame Abperltauchung mit ebenfalls
definiert eingestellter Tauchtiefe abgeleitet wird. Weiterhin wird vorgeschrieben,
daß alle Tauchungen in einer gemeinsamen Sperrflüssigkeit eines gemeinsamen, abgesclossenen
Gefäßes münden, aus welchem alle über schußmengen durch eine gemeinsame Abgasleitung
abgeleitet werden. Eine hierzu vorteilhaft ausgeführte Einrichtung weist erfindungsgemäß
als kennzeichnende Merkmale weiterhin auf, daß die ein@tellbaren Abperltauchungen
aus Tauchrohren bestehen, die abgedichtet in das gemeinsame Gefäß geführt werden
und über nachgiebige Schläuche mit den Eingangsräumen zu den Kapillaren verbunden
sind, und außerhalb des Gefäßes klotzförmige Anschläge aufweisen, deren Abstand
zu Gegenanschlägen, die am Gefäß fixiert; sind, ::Iit Hilfe von einschiebbaren Anschlaglehren
eingestellt wird und daß die Tauchtiefe der gemeinsamen Ausgangstauchung und die
Gegenanschläge so fixiert werden, daß sich die Differenzen der Tauchtiefen zwischen
de@ Eingangstauchungen und der Ausgangstauchung genau so Groß wie die Abstände zwischen
den Anschlägen ergeben.
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Die Merkmale soilen an Hand des Wirkschemas zu einem Ausführungsbeispiel
weiter erläutert werden, welches wie folgt beschrieben wird: Die Ausgänge sowohl
von walweise einschaltbaren Meßgaskapillaren 1 bis 3 als auch derjenige der Trägergaskapillare
4 münden irekt in einem gemeinsamen Mischraum 5, aus welchem außer dem über eine
Vestelldrossel 6 fü@@renden Ausgang 7 noch ein Nebenaofluß 8 über eine fe@@@@@chung
9 vorgesehen ist. Die Eingänge in die Kapillaren dagegen orfolgen aus getrennten
Räumen 10 und 11, aus denen eoenfalls Hebenabflüsse über getrendte, aber in der
Tife definiert einstellbare Tauchungen vorgeseben sind.
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Die Zuleicung des Meßgases 28, d. h. desjenigen Gasanteils, dessen
gen@ue Konzentration eingesellt werden soll, zum Raum 10 orfolgtt vordruckgeregelt
24 über die Einstelldrossel 2F, diejenige des konstant str@menden Trägergases 29
ebenfalls vordrukgeregelt 26 über die Einstelldrossel 27 zum Raum 11.
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Alle Tauhungen münden in dem gemeinsamen Gefäß 14 in der gleichen
Flüsslgleit. Alle abperlenden Mengen werden aus dem @aum @ber der Flüssigkeit durch
eine @emeinsame Abgasle@tung 15 abgeführt. Diese Abgasleitung sowie diejenige der
Vordr@@@@erlungen kann nach über eine Zusa@ztauhung 1@ @@fübrt @erden, wodurch sich
@@railel sowohl alle TTing@ngsdräcke erhöhen, als auch ein nöherer Ausgangsdruck,
der ja den Eingangsdruck für die Prüflinge darstellt, zur Verf@gung steht. Hingegen
bleiben alle Druongetäl@@, @zw. @@fferenzdrücke, @leich.
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Das ist auch dann der Fall, wenn der Pegelstand sich ändert. @ndert
sich dagegen - etwa durch Temperatureinfluß oder chemische Einflüsse - die Dichte
der Flüssigkeit, so ändern sich alle Perldrücke und Differenzdrücke im gleichen
Verhältnis. Das Verhältnis der Differenzdrücke, die die Durchflüsse der beiden Gase
bestimmen, bleibt somit gleich und damit bleibt auch das Verhältnis der Durchflässe
selbst zueinander gleich.
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Da Temperaturänderungen der Umgebung sich auch auf die Gase Gleichmäßig
übertragen und die damit ver-@undene Zähigkeitsänderung für alle prantisch verwendeten
Gase in den vorkommenden Bereichen mit befriedignender Annäherung das gleiche Verhältnis
ergibt, wird auch hierdurc das Verhältnis der Durchflüsse prakisch nicht verfälscht.
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Besonders vorteilhaft und unanfechtba ist die vorgesehene Einstellung
der Differenzdrücke, sowie die schnelle Veränderung von Einstellwerten.
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Die mit besonderen, an sich bekannen Verdrängungsmessungen an den
einzelnen Kapillaren ermittelten Differenzdrckverläufe in Abhängigkeit vom Volumendurchfluß
dieneii zur Ermittlung der Tauchtiefen, die sich bei den zu den bestimmten Soll-Durchflüssen
gehörenden Differenzdrücken zwischen den Einangsräumen 10 bzw.
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11 und dem auch als Mischraum dienenden Ausgangsraum 5 mit Abperlungen
ergeben müssen. Als Einstellmaße für die Tauchtiefen können hierzu vorteilhaft die
Abstandmaße 17 und 18 zwischen den mit den Taucbrohren fest verbundenen Klötzen
19 und den Anschlägen 20 der n1it dem Gehäuse verbundenen Spindeln 21 dienen, auf
denen die Klötze gleiten und durch Rändel@@nr@uben fe tgeklemmt werden können.
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Die mit Rundringabdichtungen ausgeführten Durchführungen der Tauchrohre
ermöglichen bei leichter Verstellbar-eit trotzdem Ausbildung eines Überdruckes iln
Gefäß 14. Das Einstellen neuer Abstandsmaße 17 und 18 wird sehr vorteilhaft erleichtert,
wenn für Standardeinstellungen Distanzlehren 22 zwischen den Klötzen 19 und den
Anschlägen 20 verwendet werden.
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Eine Erweiterung der Universalität der Anwendung bei gleichzeitiger
Vereinfachung der Handhabung wird insbesondere auch durch besondere Regeln zur Durchführung
der Einsüellungen erreicht. Unter Ausnutzung der bei laminarer Durchströmung sich
ergebenden direkten Proportionalität zwischen Druckgefälle und Durchfluß, sowie
der umgekehrten Proportionalität zwischen dynamischer Zähigkeit und Durchfluß wird
für eine Ausgangsgasart als "Heßgas - dessen Konzentrationen, also die Meßwerte
darstellen - zunächst beispielsweise der maximale Mengenfluß durch Einschalten der
geeignetsten der Kapillaren 1 bis 3 (= Meßgaskapillaren) oder mehrerer v.a ihnen
mit Hilfe der zugehörigen Aosperrhähne 23 und Einstellen des zugehörigen maximalen
Differenzdruckes mittels des maximalen Abstandes 17 eingestellt.
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Der zugehörige Durchfluß des Trägergases - meist otickstoff - durch
die geeignet ausgewäßlte Kapillare 4 ergibt sich lediglich über den Differnzdruck
zu 4, bzw.
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die Tauchtiefe von 13 und den Abstand 18.
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Wird die Meßgasart nicht geändort, sondern lediglich ihre Konzentration
vom Maximalwert auf Teilwerte verringert, so wird der Durchfluß des Trägergases
und damit der Abstand 18 nicht verändert. Wohl aber werden die Abstände 17 den neuen
Konzentrationen und zugehörigen Meßgasdurchflüssen und Differenzdrücken entsprechend
verändert und gegenüber dem Maximalwert kleiner, wobei
standardisierte
Stufen mit Hilfe von Distanzlehren 22 eingestellt werden können. Vorteilhaft erg
sich hierbei - sofern die Spindellänge so abgestimmt wird, daß beim Differenzdruck
0 auch das Maß 17 = 0 wird -direkte Proportionalität zwischen dem Maß 17 und dem
Meßgasdurchfluß. Somit können, sofern für nur einen Durchflußwert bzw. eine Konzentration
das Maß 17 ermittelt wurde, alle anderen Durchflüsse lediglich durch proportionale
Umrechnung von 17 erhalten werden, bzw.
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hiernach die fürr bestimmte Konzentrationen und Meßgasdurchflüsse
einer Justierreihe erforderlichen Distanzlehren vermaßt werden.
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Die erfindung ermöglicht und schreibt vor, daß alle Maße von 17 für
gleiche Konzentrationen auch dann erhalten bleiben, wenn bei gleichbleibendem Trägergas
- z.B.
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N2 - die Meßgasart sich ändert, also beispielsweise statt CO (mit
der dyn. Zähigkeit 1,77) CH4 (mit nur 1,08) eingesetzt wird.
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Da damit alle Differenzdrücke für die Meßgasdurchflüsse gleich bleiben,
vergrößern sich diese Jedoch alle im umgekehrten Verhältnis der Zähigkeiten, also
im gewählten Beispiel auf das B = 1,64fache.
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Das wird lediglich durch einen im gleichen Verhaltnis gesteigerten
Durchfluß des Trägergases so ausgeglichen, daß alle vorher mit den Maßen von 17
einstellbaren tonzentrationen auch mit dem ander Meßgas wieder erhalten werden.
Es wird nur das Maß 18 dem gesteigerten Trägergasdurchfluß und gröl3eren Differenzdruck
entsprechend vergrößert. Zu jeder Gasart bzw. ihrer Zähigkeit gehört also ein bestinuntes
l;aß 18 bzw. auch hiersu eine bestimmte Distanzlehre.
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Die Einstellung der Differonzdrücke nach den Maßen 17 und 18 bzw.
mit Hilife der als Anshlaglehren benutzbaren Distanzlehren 22 verbürgt bei einfachster
Handhabung eine bisher nicht erreichte Genauidkeit Und Reproduzierbarkeit der Differenzdruck
- und Durchflußeinstellung sowie Anpassung an die Gasarten.
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Um noch verbleibende Unsicherheiten durch Streuungen der Perldrücke
zu vermeiden, bzw. auf ein nicht Liehr ins Gewicht fallendes Minimum zu beschränken,
wird einmal unter Ausnatzung der Beobachtungen, daß es einen Bereich von Perlfolgen
in der Zeiteinbeit gibt, innerhalb dessen keine Druckanderung feststellbar ist,
bzw.
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diese unter 0,1 kp/m2 bleibt, vorgeschrieben, daß dieser Bereich einzuhalten
ist - was ratisch beim vorliegenden Beispiel bedeutet, daß eine Perlfolge zwisc@en
3 pro Sekunde und "noch Zähloar" eingestellt worden muß, was als durchaus zumutb@re
Forderung angesehen werden kann.
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Zur Erleichterung dienen hierzu in erster Linie die Vordruckregelungen
24 und 26 in Verbindun mit den Einstelldrosseln 25 unil 27, die die eingestellten
Porlfolgen auch dann garantieren, wem in den Zuleitungen Zuflußschwankungen auftreten.
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In gleichem Sinne vermeidet eine besondere Vorschrift zur Ermittlung
der Toucheiefen und zugehörigen Abstandsmaße 17 und 13 Fehler durch Justiereinrichtungen
Und Übertragangsfehler.
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Vorteilhaft werden hiernach die gleichen Differenzdrücke, wis sie
in erster Sture mit ber@@ömmlichen Einrichtungen in Achängigkeit von definierten
Durchflässen, am fertigen Gerät und jeweils eingeschalteter Kapillare mit verschlossenen
- oder auf als Impulsleitungen zum Differenzlruckme@gerä dienenden - Ab@erlieitungen
ermittel
wurden, in zweiter Stufe mit dem gloichen Differenzdruckmeßgerät jedoch wieder eingeschalteten
Prlungen durch instellen enttsprechender auchtiefen wieder genau gleich eingestellt,
so daß die Abhängigkeit der Maße 17 und 18 direkt vom urchfluß ohne Zusatzfehler
erhalben wird.
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Als großer Vorteil der erfindungsgemäßen Auordnungen muß auch angesehen
werden, daß die trockenen Reingase auf ihrem Wege zum Prüfling vor und nach ihrer
Vermischung an @einer Stelle mit Flüssigkeit in Berührung kommen und dadurch aus
ihr Dampf oder Abscileidungen aufndhmen oder selbst Meßvolunenanteile in Lösung
geben können.
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Lediglich die abperlenden Überschußmengen durchdringen die Flüssigkeiten,
werden ader anschließend als Abgas abgefährt, ohne mit dem Prüfgasgemisch in Berührun
zu kommen. Auch wenn aggressive Gase die Flüssigkeit verändern, hat dieses keine
Rückwirkung, solange die Viskositätsänderung in tragbaren Grenzen bleibt und noch
genügend schnelles Steigen der Gasperlen zuläßt.
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Endlich ist der Fortfall der bei den Fumpendosierungen unvermeidlichen
Pulsationen der Gemischströmung von Vorteil bei Analysatoren, an denen durch sie
unerwünschte Zusatzeffekte hervorgerufen werden können.