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Vorrichtung zur genauen Steuerung oder Regelung der Permeation eines
Strömungsmediums Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur genauen Steuerung oder
Regelung der Permeation eines Strömungsmittels, und insbesondere temperaturgesteuerte
Vorrichtungen zur genauen Steuerung oder Regelung der Permeation eines ersten Strömungsmediums
in ein zweites flüssiges oder gasförmiges Trägermedium.
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Es ist bereits bekannt, das gesteuerte Mischen eines Strömungsmediums
mit einem anderen durch Verwenden verschiedener Arten von Verdünnungs- oder Durchdringungsverfahren
zu erreichen, (vgl. z.B. US-PS 3 521 865, 3 533 272, 3 618 911, 3 209 579, 3 669
637, 2 843 138 3 516 278, GB-PS 811 401 sowie "Review of Scientific Instruments"
März 1955, Band 26, No. 3. Seiten 305 bis 306).
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So wird z.B. nach einem zum Kalibrieren eines Schwefeldioxidanalysators
verwendeten Verfahren ein flüssiges Schwefeldioxid enthaltendes Permtationsrohr
in eine Wärmekammer oder -leitung gebracht, durch die die als Verdünnungs- oder
Trägergas dienende Luft hindurchgeleitet wird. Hierbei diffundiert das Schwefeldioxid
enthaltende Probeströmungsmedium durch die Permeationsrohrwand hindurch in den Luftstrom,
und zwar mit einer von der Temperatur abhängigen Geschwindigkeit. Somit wird die
Schwefeldioxidkonzentration des Gasgemischs genau geregelt und der Analysator dementsprechend
kalibriert.
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Die bisherigen Verfahren zur genauen Regelung von Strömungsmedien
in Gemischen oder Verdünnungen, wobei ein Strömungsmedium durch Permeation oder
Diffundierung mit einem anderen Strömungsmedium verdünnt oder gemischt werden soll,
wiesen mancherlei Nachteile auf. Dies ist begründet durch die Kompliziertheit und
kostenaufwendige Ausstattung der hierfür erforderlichen Geräte, der Schwierigkeit,
reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, den begrenzten Bereich,in dem die Verdünnung
spürbar ist,bzw.
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der Unmöglichkeit, Veränderungen der Strömungsmedientemperatur und
der Eliessgeschwindigkeit zu berücksichtigen. Es hat sich herausgestellt, dass der
Permeations-oder Diffusionsgrad eines Strömungsmediums durch eine durchlässige Trennwand
als Funktion der Temperatur anzusehen ist. Jedoch haben die bisherigen Behandlungsweisen
einer genauen Temperaturregelung des Permeationsvorgangs mancherlei Wünsche offen
gelassen, obgleich schon -manche
Leistungen im Hinblick auf die
Entwicklung der Heizkörper, der Wärmeaustauscher und im Bereich der Temperaturregelung
erbracht wurden,(vgl. z.B. US-PS 2 706 620, 2 446 367, 1 480 922, 3 368 546, 1 906
450, 1 389 166, 2 730 083, 1 519 395, 1 772 557 und 1 624 843.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung eine weiterentwickelte
temperaturgesteuerte Vorrichtung zu schaffen, und insbesondere eine derartige Vorrichtung
zur Steuerung der Permeation oder Diffisuion eines Strömungsmediums in ein anderes
vorzusehen, so dass die Nachteile der bekannten Vorrichtungen überwunden werden.
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Darüber hinaus soll die VOrrichtung nach der Erfindung einfach, nicht
kostenaufwendig, leicht in der Herstellung und im Gebrauch sowie raumsparend und
kompakt sein.
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Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, in der die Temperatur
des Trägergases und ein darin eingetauchten Permeationsrohr genau unter Kontrolle
gehalten werden, so dass die Diffusionsgeschwindigkeit eines Probeströmungsmediums
in das Trägergas genau regelbar oder steuerbar ist.
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Darüber hinaus ist die Vorrichtung nach der Erfindung befähigt, sich
den Schwankungen der Eingangstemperaturen des Trägergases anzupassen, wobei die
Vorrichtung von den Umgebungsbedingungen verhältnismässig unabhängig und weniger
empfindlich gegenüber der Fliessgeschwindigkeit des Trägergases ist.
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Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine
t emperaturgeregelt e Einfassung, im wesentlichen isothermischer Art, geschaffen,
in der ein Permeationsrohr oder dgl. untergebracht ist, das ein in ein flüssiges
oder gasförmiges Trägermedium zu diffundierendes Strömungsmittel bereithält. Die
Einfassung bietet einen dünnen Durchgang mit grossem Oberflächenbereich, durch den
das Trägermedium hindurchströmt und von dem das Trägermedium auf eine genau geregelte
Temperatur erwärmt wird. Genauer gesagt, besteht die Einfassung aus einem Zylindergehäuse
mit zylinderförmigen Kern, dessen Seitenwände von den Seitenwänden des Gehäuses
in einem Abstand hexen, so dass ein zylinderförmiger Durchgang von geringem kreisförmigen
Querschnitt gegeben ist. Das z.B. aus Luft bestehende Trägermedium wird an einem
Ende dieses Durchgangs durchgelassen, wobei an dem anderen Ende des Durchgangs eine
Öffnung vorgesehen ist, durch das das Trägermedium in den hohlen Innenraum des Kerns
eintreten kann, in dem sich das Permeationsrohr befindet. Das Trägermedium durchläuft
die Lange des hohlen Innenraums des Kerns und tritt dann durch eine Austrittsöffnung
aus dem Gehäuse aus. Die Aussenfläche des Gehäuses ist mit Heizwicklungen oder -fäden
versehen, wobei die abgegebene Leistung als Reaktion auf den Temperatur~ messfühler
im Kern geregelt wird, so dass eine Wärmeleistung für die genaue Temperaturregelung
des Trägermediums bei dessen Eintritt in den hohlen Innenraum des Kerns gewährleistet
ist. Das gesamte Gehäuse ist gegenüber den aussen herrschenden Bedingungen durch
eine äussere Isolierung abgeschirmt. Das Permeationsrohr kann sich quer oder längs
zum Kern erstrecken, wobei der Zugang zum Rohr entweder an einer Seite des Gehäuses
oder an einem seiner Enden liegen kann.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen mit einigen bevorzugten
und als Beispiel angeführten Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen
z. T. freigelegten Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 2 eine z.T. freigelegte Stirnnnsicht in Richtung der Pfeile 2-2 der Fig. 1,
Fig. 3 eine z.T. freigelegte Stirnansicht in Richtung der Pfeile 3-3 der Fig. 1,
Fig. 4 ein Blockschema einer Schaltung zum Regeln der Temperatur, Fig. 5 ein z.T.
freigelegter Längsschnitt einer veränderten Ausführungsform der Erfindung, Fig.
6 eine z.T. freigelegte StirnHnsicht in Richtung der Pfeile 6-6 der Fig. 5 und Fig.
7 eine z.T. freigelegteStirniansicht in Richtung der Pfeile 7-7 der Fig. 5.
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Wie die Fig. 1 zeigt, weist die Vorrichtung nach der Erfindung eine
temperaturgeregelte Einfassung 10 auf, die aus einem röhrenförmigen Gehäse 12 und
einem in diesem Gehäuse enthaltenen Hohlkern 14 besteht. Das Gehäuse ist vorzugsweise
ein kreisförmiger Zylinder, z.B. aus Aluminium, und weist eine Seitenwand 16 sowie
die Endverschlüsse 18 und 20 auf, die z.B. mittels Schrauben 22 (Figuren 2 und 3)
am Gehäuse befestigt werden können.
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Auch der Kern ist vorzugsweise ein kreisfrmiger Zylinder mit hohlem
Innenraum. Der Kern 14 kann z.B. vollständig
aus Teflon gefertigt
sein. Die Innenflächen des Gehäuses, die mit dem in der Einfassung strömenden Gas
in Berührung kommen, sollten vorzugsweise auch mit Teflon überzogen sein.
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Die Länge des Kerns ist annähernd die gleiche wie die Innenlänge des
Gehäuses, wobei der Kern auf seiner Peripherie in der Nähe seiner beiden Enden mit
Flanschen 24 und 26 versehen ist, so dass die Aussenfläche der Seitenwand 28 des
Kerns von der Innenfläche der Seitenwand 16 des Gehäuses in Abstand gehalten wird,
um dazwischen den zylinderförmigen Durchgang 30 mit kleinem ringförmigen Querschnitt
zu bilden. Die OoRing-Dichtungen 32 und 34 umgeben den Kern über die Flansche 24
bzw. 26 hinaus, so dass die Seitenwand des Kerns und die Seitenwand des Gehäuses
an den gegenüberliegenden Enden des Durchgangs 30 voneinander abgedichtet sind.
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Eine Öffnung 36 erstreckt sich durch die Seitenwand 16 des Gehäuses
in der Nähe eines ihrer Enden (Fig. 1 und 2), um Zugang zum Durchgang 30 zu haben,
so dass das Strömungsmedium an einem dieser Enden eintreten kann.
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Die Öffnung kann (nach der Darstellung) in ihrem Innern mit einem
Gewinde versehen sein, so dass ein (nicht dargestelltes Rohr )angeschlossen werden
kann. Die Seitenwand 28 des Kerns ist mit einer durch sie hindurchgehenden Öffnung
38 in der Nähe des Gehäuseendes versehen, das dem Ende gegenüberliegt, an dem die
Öffnung 36 liegt, so dass eine Verbindung zwischen einem Ende des Durchgangs 30
und dem hohlen Innenraum 40 des Kerns besteht. Eine Öffnung 42 geht durch die Stirnwand
18 des Gehäuses (neben der
Öffnung 36) hindurch. Durch diese Öffnung
kann aus aus dem hohlen Innenraum 40 austreten. Die Öffnung 42 kann (gemäss der
Darstellung) ebenfalls mit einem Gewinde versehen sein, so-dass auch hier ein (nicht
dargestelltes) Rohr angeschlossen werden kann.
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Die Öffnung 42 kann zum Verdrängen eines Trägermediums, z.B. reiner
Luft, über die temperaturgeregelte Einfassung an eine (nicht dargestellte)Vakuumpumpe
angeschlossen sein (oder die Öffnung 36 kann an einer Quelle positiven Drucks liegen).
Das Trägermedium tritt durch die Öffnung 36 und ein Ende des Durchgangs 30 ein,
wie dies durch den Pfeil 43 angedeutet ist. Das Strömungsmittel bewegt sich entlang
der Peripherie um den Kern 14 herum und läuft den Durchgang 30 in Längsrichtung
entlang'wie dies durch die Pfeile 44 und 46 angezeigt ist. Am gegenüberliegenden
Ende des Durchgangs bewegt sich das Trägermedium auf der Peripherie um den Kern
in Richtung der Pfeile 48 und tritt in die Öffnung 38 ein. Daraufhin bewegt sich
das Strömungsmittel in Längsrichtung durch eEn weiteren, durch den hohlen Innenraum
40 des Kerns gebildeten Strömungsdurchgang in Richtung der Pfeile 50 und verlässt
die Einfassung durch die Öffnung 42 in der durch Pfeil' 52 angegebenen Richtung.
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Innerhalb der Einfassung befindet sich eine durchlässige Trennwand,
deren eine Seite dem Trägermedium im hohlen Innenraum 40 des Kerns ausgesetzt ist,
wogegen die andere Seite dem Strömungsmedium ausgesetzt ist, das zur vorzunehmenden
Diffusion in das Trägermedium bereitgehalten wird.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Wand aus der
Seitenwand eines Permeationsrohrs 54 bekannter Ausführung. Hierbei kann das Permeationsrohr
ein Teflonrohr sein, das z.B. einenVorrat an flüssigem Schwefeldioxid enthält, das
durch die Wand des Permeatiansrohr in den Strom des Trägergases im Hohlkern hineindiffundiert.
Am Innern der Seitenwand 28 des Kerns ist eine Ausnehmung 56 angebracht.
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Auch befinden sich in der Seitenwand 28 des Kerns und in der Seitenwand
16 des Gehäuses ausgerichtete Öffnungen, durch die das Permeationsrohr 54 in den
Kern eingeführt werden kann.
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Eine Fassung 62 weist eine Schale 64 auf, von der das eine Ende des
Permeationsrohrs aufgenommen wird, während das andere Ende in die Ausnehmung 56
einrückt. Ein Vorsprung 66 verläuft von der Seitenwand 16 des Gehäuses nach aussen
und ist im Innern mit einem Gewinde versehen, das zum äusseren Gewinde 68 der Fassung
62 passt. Das äussere Ende des Vorsprungs 66 kann mit einem Schraubenkopf 70 versehen
sein.
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Die Öffnung 58 in der Seitenwand 28 des Kerns kann bei 72 zur Aufnahme
eines O-Rings 74 unterschnitten sein, um zu verhindern, daß für das Strömungsmittel
eine Verbindung zwischen dem Durchgang 30 und dem hohlen Innenraum 40 des Kerns
durch die Öffnung 58 besteht.
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Die Geschwindigkeit, mit der das Fluid im Permeationsrohr in das Trägergas
hineindiffundiert, ist eine Funktion der Temperatur des Permeationsrohrs und indirekt
eine Funktion der innerhalb der Einfassung 10 herrschenden Temperatur.
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Um zu gewährleisten, daß das Mischen der flüssigen und gasförmigen
Medien genau gesteuert wird, ist es erforderlich, die Temperatur
des
Trägergases und des Permeationsrohrs zu regeln. 76 Zu diesem Zwecke ist eine Heizspirale/,
z.B. eine isoelektrische IiertefEeizschlange, schraubenförmig um die Aussenfläche
der Seitenwand 16 des Gehäuses gewunden, wobei das gesamte Gehäuse von einer Wärmeisolation
78 umgeben ist, die z.B. aus auf das Gehäuse stapelförmig aufgesetzten Schaumringen
bestehen kann. Die Temperatur innerhalb des hohlen Kerns kann durch einen Thermistor
80 abgetastet werden, der auf der Endwand 20 des Gehäuses an den Klemmen82 liegt.
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Wie die Fig. 4 zeigt, wird die Anwärmvorrichtung 76 von der Stromquelle
84 über eine Temperatursteuereinheit 86 gespeist, die auf den Temperaturmessfühler
80 anspricht.
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Die Temperatursteuerung oder -regelung kann eine herkömmliche Festkörperyorrichtung
oder derart beschaffen sein, dass sie ansprechend auf den Temperaturmessfühler 80
die der Anwärmvorrichtung zugeührte Strommenge regelt und nach Wahl auf eine gewünschte
Temperatur eingestellt werden kann. Derartige Temperatursteuereinheiten sind der
Fachwelt bekannt.
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Es ist zu bemerken, dass das Trägermedium sich als dünne Schicht von
grosser Oberfläche den Durchgang 30 entlang fortbewegt und einen innigen Kontakt
eingeht mit der Seitenwand des Gehäuses, auf dem die Heizwicklung 76 oder der Wärmeaustauscher
angeordnet ist. Es ist für das Trägermedium eine lange, breitflächige Fliessbahn
vorgesehen, so dass der Träger auf eine vorher bestimmte Temperatur erwärmt und
genau bei dieser Temperatur geregelt und gehalten wird.
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Von den aussen herrschenden Umweltbedingungen ist die Einfassung 10
durch die Isolierung 78 abgeschirmt, so dass auch hierdurch eine Temperaturkontrolle
und Stromersparnis erzielt wird. Nach der Erfindung ist es möglich, eine Temperaturregelung
des Trägermediums innerhalb von z.B. plus oder minus 0,01 OC für einen breiten Bleich
von Eingangstemperaturen und Fliessgeschwindigkeiten des Trägermediums zu erreichen.
Gleichgewichts zustände werden sehr schnell erreicht. Da die Wände der Einfassung
im Vergleich zur Dicke des Durchgangs 30 sehr dick sind, werden Schwankungen der
Temperatur beim zugeführten Trägermedium durch die grosse thermische Masse schnell
ausgeglichen.
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Die Kompaktheit und Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung wird durch
den umgekehrten Trägergasfluss durch die Einfassung hierdurch noch erhöht bzw. gefördert,
da die durchlässige Wand jenseits des zylinderförmigen Durchgangs 30 von dünnen
ringförmigen Querschnitt liegt, sich jedoch noch innerhalb der Grenzen des Durchgangs
befindet. Es wird kein Vorwärmer benötigt. Die Anwärmvorrichtung 76 ist nur auf
der Aussenseite des Gehäuses 12 (nicht auf dem Kern oder der Innenseite des Gehäuses)
erforderlich, wodurch der Aufbau weitgehend vereinfacht wird.
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Ein abgeändertes Ausführungsbeispiel zeigen die Figuren 5 bis 7. Hierbei
gleicht diese Ausführungsform der bereits beschriebenen in den wesentlichen Zügen
(die Aussenisolierung wurde in der Zeichnung weggelassen), ausgenommen, dass ein
Permeationsrohr 54'im bhlen Innern des Kerns 14' in Längsanstatt in Querrichtung
eingesetzt ist. Die Seitenwand 16' des Gehäuses und die Seitenwand 28' des Kerns
weisen keine
Löcher noch die in Fig. 1 zum Einführen und Tragen
des Permeationsrohrs dargestellte Ausnehmung auf. Anstatt Stirn ^ dessen besitzt
die wand 1d' des Gehäuses eine Gewindeausnehmung 88, in die ein. gebogener Stab
90 eingeschraubt ist, während das andere Ende des Stabes in einen Permeationsrohrhalter62'
eingeschraubt ist.
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Als praktische Bemessung hat sich erfindungsgemäss für das Gehäuse
12 eine Länge von 18,26 cm mit einem Aussendurchmesser von 6,35 cm und einem Innendurchmesser
von 5,08 cm ergeben. Der Kern 14 ist 17,45 cm lang mit einem Aussendurchmesser (ohne
Berücksichtigung der Flansche) von Q cm und einem Innendurchmesser von 3,18 cm,
wobei die Flansche einen Aussendurchmesser haben, der zum Innendurchmesser des Gehäuses
passt.
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Slebstverständlich können auch andere durchlässige Wände, als die
erwåhnten, für die. Diffusion der durch derartige Wände diffundierbaren flüssigen
oder gasförmigen Medien verwendet werden.
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Patentansprüche: