DE2552299C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeu­ gung eines Flüssigkeitsstroms mit einem gelösten Gas geringer, genau definierter Konzentration für die Ei­ chung von Systemen zur Messung der Konzentration eines gelösten Gases in einer Flüssigkeit der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine solche Vorrichtung kann insbesondere für die Eichung von Systemen zur Messung der Konzentration eines gelösten Gases, insbesondere Sauerstoff, in Was­ ser eingesetzt werden, um auf diese Weise ein Eichmaß für das eigentliche Meßgerät zu gewinnen.

In der GB-PS 13 04 208 wird eine Mischvorrichtung für ein gasförmiges Material und eine Flüssigkeit be­ schrieben, insbesondere eine Vorrichtung zum Mischen und Absorbieren des (Verbrennungs-) Abgases von Heizöl in einer Industrieanlage mit einer alkalischen Abfallflüssigkeit, die dann miteinander reagieren und dadurch die schädlichen Bestandteile in dem Gas und der Flüssigkeit, die sonst an die Umgebung abgegeben werden würden, effektiv eliminieren.

Weiterhin geht aus der DE-OS 22 16 917 eine Vor­ richtung zum Einbringen eines Gases in eine Flüssigkeit, insbesondere von Sauerstoff in Wasser, hervor, bei der der Partialdruck des zu lösenden Gases auf die Flüssig­ keitsoberfläche gegenüber dem Partialdruck bei Nor­ malbedingungen erhöht wird; der erhöhte Partialdruck wird über einen längeren Zeitraum praktisch konstant gehalten, wodurch die Wirksamkeit, also die Effektivi­ tät, dieser Vorrichtung verbessert werden soll.

Weiterhin geht aus der DE-PS 3 37 253 eine Vorrich­ tung zum selbsttätigen Regeln des Mischungsverhält­ nisses von zwei getrennt zuströmenden Gasen oder Flüssigkeit hervor, bei der innerhalb einer mit einem Auslaß versehenen Mischkammer ein um einen Zapfen drehbar angeordneter, mit Zeiger und Skala verbun­ dener, zweiarmiger Waagebalken vorgesehen ist, an dem zwei Körper gleichen Durchmessers und Gewich­ tes hängen; diese Körper können sich in sich kegelför­ mig erweiternden Einlaßrohren frei bewegen. Solange die Gase oder Flüssigkeiten in gleichen Mengen einge­ lassen werden, befinden sich die beiden an dem Balken schwebenden Körper im Gleichgewicht. Ändert sich die Menge, so kippt der Balken nach oben, wodurch gleich­ zeitig die Verhältnismenge der beiden Gase bzw. Flüs­ sigkeiten durch den Zeiger auf der Skala angezeigt wird.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeit­ stroms mit einem gelösten Gas geringer, genau definier­ ter Konzentration für die Eichung von Systemen zur Messung der Konzentration eines gelösten Gases in ei­ ner Flüssigkeit der angegebenen Gattung geht schließ­ lich aus der GB-PS 7 90 746 hervor und weist einen Strömungsweg mit einem Einlaß und mit einem Auslaß sowie eine Anordnung zur Zuführung des Gases zu dem Strömungsweg auf. Die beschriebene Vorrichtung ist insbesondere für die Herstellung wäßriger Lösungen von bakteriziden Gasen mit genau eingestellter Gas­ konzentration geeignet.

Um die Konzentration des gelösten, bakteriziden Gases, insbesondere Chlor, in einem Strömungsab­ schnitt auf einen konstanten Pegel zu bringen, enthält die bekannte Vorrichtung ein Schwimmerventil, das beim Anstieg der Flüssigkeit, im allgemeinen Wasser, in einer Kammer eine größere Chlor-Menge einläßt.

Diese Vorrichtung ist jedoch nicht für die exakte Ein­ stellung geringer, genau definierter Gas-Konzentratio­ nen geeignet, wie sie für viele Eich-Zwecke erforderlich ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits­ stroms mit einem gelösten Gas geringer, genau definier­ ter Konzentration für die Eichung von Systemen zur Messung der Konzentration eines gelösten Gases in ei­ ner Flüssigkeit angegebenen Gattung zu schaffen, die auch über längere Zeiträume sehr exakt arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf der Ausnutzung der Eigenschaft einer Membran aus einem flüssigkeitsdichten, gasdurchlässigen Material, in einem Bypass eine gesättigte Lösung des Gases in der Flüssigkeit zu erzeugen. Vereinigt man die beiden Flüs­ sigkeits-Ströme wieder, so enthält der dann entstehende Gesamt-Strom eine genau definierte Konzentration an gelöstem Gas.

Die Drosselstelle wird bspw. durch ein Präzisions-Ka­ pillarrohr gebildet und gewährleistet, daß nur ein relativ kleiner Teil der Gesamtströmung den Bypass durch­ strömt, also die Strömung im Bypass sehr langsam und damit laminar verläuft, während die Strömung im Hauptzweig sehr rasch und damit turbulent erfolgt.

Um sicherzustellen, daß auch bei diesen Bedingungen das Strömungsverhältnis konstant bleibt, kann der Strö­ mungsquerschnitt des Hauptzweiges variiert werden.

Diese Vorrichtung bietet weiterhin die Möglichkeit, die temperaturabhängige Lösung von Sauerstoff in Wasser über den gesamten Bereich der in Frage kom­ menden Arbeitstemperaturen selbsttätig zu kompensie­ ren. Nimmt man nämlich die im Hauptzweig auftreten­ de, turbulente Strömung in erster Näherung als tempe­ raturunabhängig an, so baut sich zwischen dem Haupt­ zweig einerseits und dem dazu parallelen Bypass ande­ rerseits ein konstantes Druckgefälle auf. Eine Erhöhung der Wassertemperatur und daraus resultierend eine Ab­ nahme der Viskosität des Wassers führt dann zu einer erhöhten Strömung im Bypass. Diese Strömung enthält wieder eine niedrigere Sauerstoffkonzentration und zwar wegen der verringerten Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser bei erhöhten Temperaturen. Man kann unter Berücksichtigung dieser beiden Faktoren also eine Kompensation in der Weise erreichen, daß die Sauer­ stoffkonzentration in dem abfließenden Wasser von der Wassertemperatur abhängt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegen­ den, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Er­ zeugung eines Flüssigkeitsstroms mit einem gelösten Gas geringer, genau definierter Konzentration,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Vorrichtung,

Fig. 3 eine im Vergleich mit Fig. 2 um etwa 90° ge­ drehte Teil-Schnittansicht der Vorrichtung,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie A-A von Fig. 3,

Fig. 5 eine teilweise bestimmt gezeigte Stirnansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, und

Fig. 6 eine Teil-Schnittansicht nach Fig. 3.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstroms mit einem gelösten Gas geringer, genau definierter Konzentration für die Eichung von Systemen zur Messung der Konzentration eines gelösten Gases in einer Flüssigkeit weist einen Strömungszweig 2 mit einem Einlaß 8 und einem Auslaß 10 auf, wobei die Strömungsrichtung durch die Pfeile angedeutet ist. Dieser Strömungszweig 2 teilt sich zwi­ schen dem Einlaß 8 und dem Auslaß 10 in einen Haupt­ zweig 4 und einen dazu parallelen Bypass 6 auf. In dem Bypass 6 befindet sich die schematisch durch das Be­ zugszeichen 12 angedeutete Gaszuführung 12 sowie ei­ ne Drosselstelle 14. Der Hauptzweig 4 weist einen va­ riablen Strömungsquerschnitt 16 zur Konstanthaltung des Mengenverhältnisses der Strömungen in dem Hauptzweig 4 und dem Bypass 6 unabhängig von der Gesamtströmungsmenge auf.

Die Drosselstelle 14 wird bspw. durch ein Präzisions-Ka­ pillarrohr gebildet und soll gewährleisten, daß nur ein kleiner Anteil des Gesamtstroms den Bypass 6 durchströmt, also die Strömung in dem Bypass 6 sehr langsam und damit laminar ist.

Die in dem Bypass 6 angeordnete Gaszuführung 12 wird durch eine Membran 133 (siehe Fig. 4) aus einem flüssigkeitsdichten, gasdurchlässigen Material gebildet, so daß in dem Bypass 6 eine gesättigte Lösung des Gas­ es in der Flüssigkeit entsteht. Diese Membran ist so angeordnet, daß sie die den Bypass 6 durchströmende Flüssigkeit von einem Gasvorrat trennt.

Im Hinblick auf die die Gaszuführung 12 durchströ­ mende Flüssigkeitsmenge, die wiederum durch die Drosselstelle 14 bestimmt wird, muß die Membran 133 groß und durchlässig genug sein, um die Sättigung der Flüssigkeit mit dem Gas beim Durchströmen der Gaszuführung 12 zu gewährleisten.

Die über den Einlaß 8 zuströmende Flüssigkeit wird auf die beiden parallelen Zweige des Strömungsweges 2 aufgeteilt, nämlich auf den Hauptzweig 4 und den dazu parallellen Bypass 6. Der den Bypass durchströmenden Flüssigkeit wird Gas zugeführt, bis in dem Bypass 6 eine gesättigte Lösung des Gases in der Flüssigkeit entsteht; anschließend werden die beiden Strömungen wieder zu­ sammengeführt, so daß der den Hauptzweig 4 passie­ rende Flüssigkeitsstrom mit der gesättigten Lösung des Gases in der Flüssigkeit versetzt wird und dann zum Auslaß 10 strömt. Ist dabei das Verhältnis der den Hauptzweig 4 und dem Bypass 6 durchfließenden Strö­ mungsmengen unabhängig von der Größe des Gesamt­ stroms, so bleibt die Konzentration der Substanz in der am Auslaß abfließenden Flüssigkeit unabhängig von Änderungen der Gesamtströmungsmenge im wesentli­ chen konstant.

Solange die Durchströmung des ersten und des zwei­ ten Zweiges (Hauptzweig bzw. Bypass) in gleicher Wei­ se von dem gemeinsamen Druckabfall über die beiden Zweige abhängig sind, ist die vorstehend genannte Be­ dingung erfüllt, da jede Zunahme des Gesamtstroms eine Zunahme des Druckabfalls bewirkt, so daß die bei­ den parallelen Teilströme unter Bewahrung ihrer ge­ genseitigen Verhältnisse zunehmen. Dies ist etwa der Fall, wenn beide Teilströme laminar sind. Aus im folgen­ den erläuterten Gründen ist es jedoch zuweilen vorteil­ haft, wenn der eine Teilstrom turbulent und der andere laminar ist. Die vom Druckabfall abhängigen Änderun­ gen der Durchströmung eines einfachen Rohrs sind je­ doch für laminare und turbulente Strömungen etwas verschieden, weshalb es zur Erfüllung der vorstehend angegebenen Bedingung notwendig ist, eine Steuerein­ richtung etwa in Form eines Durchlasses mit veränderli­ chem Querschnitt einzusetzen.

Der querschnittsveränderliche Durchlaß ist so einge­ richtet, daß sich der Durchlaßquerschnitt mit zuneh­ mender Strömung vergrößert, so daß unabhängig von der Turbulenz eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Strömung und dem Druck erhalten bleibt. Diese lineare Beziehung ist charakteristisch für eine la­ minare Strömung. Wird daher der querschnittsverän­ derliche Durchlaß in den von der turbulenten Strömung durchsetzten Zweig eingebaut, so sind dann beide Teil­ ströme wiederum von dem gemeinsamen Druckabfall abhängig und genügen damit der vorstehend genannten Bedingung. In der Anordnung nach Fig. 1 kann somit die Strömung im ersten Zweig turbulent sein, ohne daß das Verhältnis der beiden Teilströme zueinander von der Gesamtströmung abhängig ist.

Die vorstehenden Überlegungen sind jedoch offen­ sichtlich nur dann ganz zutreffend, wenn die Tempera­ tur der Flüssigkeit konstant bleibt, da sich die Löslich­ keit der Substanz und damit die Konzentration der ge­ sättigten Lösung in Abhängigkeit von der Temperatur ändern können. Im Falle einer Substanz, deren Löslich­ keit in einer bestimmten Flüssigkeit sich bei steigender Temperatur verringert, nimmt die Konzentration der Substanz unter sonst gleichbleibenden Bedingungen in der am Auslaß abfließenden Flüssigkeit bei steigender Temperatur derselben ab. In bestimmten Fällen ist die Änderung der Löslichkeit in bezug auf Temperaturän­ derungen beträchtlich groß, was im Hinblick auf die Erzielung einer vorbestimmten Konzentration nachtei­ lig ist.

In einer Ausführungsform bewältigt die erfindungs­ gemäße Vorrichtung diese Schwierigkeit in besonders vorteilhafter Weise. In der Anordnung nach Fig. 1 kann die Strömung im Hauptzweig des Strömungswegs etwa durch entsprechende Wahl des Durchströmungsquer­ schnitts turbulent gestaltet werden, während die Strö­ mung im Bypass laminar gehalten wird, indem ihre Ge­ schwindigkeit in diesem Zweig sehr niedrig gehalten wird.

Turbulente und laminare Strömungen sind bekannt­ lich in sehr verschiedener Weise von der Viskosität der Flüssigkeit abhängig. Während die Größe einer lamina­ ren Strömung umgekehrt proportional der Viskosität ist, ist diese Beziehung für turbulente Strömungen kom­ plizierter und ändert sich mit der Stärke der Turbulenz. Eine Änderung der Temperatur und damit der Viskosi­ tät der Flüssigkeit bewirkt somit eine disproportionale Zunahme der Strömung in einem der Zweige.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Erscheinung ausgenützt, um in einem Wasserstrom eine Sauerstoffkonzentration einzustellen, welche nicht nur weitgehend unabhängig von der Strömungsmenge son­ dern auch innerhalb eines anwendbaren Bereichs von der Wassertemperatur ist. Mit zunehmender Tempera­ tur verringern sich die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser sowie auch die Viskosität des Wassers. Diese beiden Parameter sind einander entsprechende Funk­ tionen der Temperatur in einem Bereich zwischen etwa 10 und 40°C. Um diese Tatsache zu nutzen, wird das Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten Teil­ strömung mittels des verengten Durchlasses im zweiten Zweig des Strömungswegs auf einem sehr großen Wert von beispielsweise 600: 1 gehalten. Wird in erster Nä­ herung ein von der Temperatur unabhängiges Verhal­ ten der turbulenten Strömung angenommen, so ergibt sich daraus ein konstanter Druckabfall über die beiden parallelen Zweige des Strömungswegs. Ein Ansteigen der Wassertemperatur bewirkt daher eine der Verrin­ gerung der Viskosität proportionale Zunahme der Durchströmung des zweiten Zweigs. Aufgrund der ver­ ringerten Löslichkeit des Sauerstoffs wird die größere Strömungsmenge nun jedoch auf eine niedrigere Sauer­ stoffkonzentration gebracht. Soweit also die Abhängig­ keiten der Viskosität und der Löslichkeit des Sauerstoffs von der Temperatur einander gleich sind, wird der eine Faktor durch den anderen kompensiert, so daß die Sau­ erstoffkonzentration des am Auslaß abfließenden Ge­ samtstroms konstant bleibt.

Nun sind jedoch die Abhängigkeiten der Viskosität und der Löslichkeit des Sauerstoffs von der Wassertem­ peratur einander nicht völlig gleich, so daß ein restlicher Temperaturkoeffizient verbleibt, wenn auch die kom­ pensierende Wirkung beträchtlich ist. Der restliche Temperaturkoeffizient beträgt etwa 0,45%/°C. Die An­ nahme jedoch, daß der gemeinsame Druckabfall über die beiden Zweige des Strömungswegs unabhängig von Temperaturen konstant bleibt, ist insofern nicht völlig zutreffend, als die Größe einer turbulenten Strömung in einem gewissen Maße temperaturabhängig ist, wenn auch beträchtlich weniger ausgeprägt als die einer lami­ naren Strömung. Außerdem ist die Temperaturabhän­ gigkeit von der Stärke der Turbulenz bestimmt und bei einer nahezu laminaren Strömung stärker als bei einer vollkommen turbulenten. Dementsprechend ist eine ge­ wisse Steuerung möglich. Durch geeignete Wahl ver­ schiedener Parameter wie der Strömungsgeschwindig­ keit und des Leitungsdurchmessers für den ersten Zweig des Strömungswegs läßt sich der Temperaturkoeffizient des gemeinsamen Druckabfalls so einstellen, daß der vorstehend erwähnte restliche Temperaturkoeffizient wenigstens teilweise kompensiert wird. So läßt sich der Gesamt-Temperaturkoeffizient effektiv auf 0,3%/°C verringern. Bei bestimmten anderen Gasen läßt sich ei­ ne ähnliche Kompensation der Temperatur erzielen. Dabei ist der wesentliche Faktor die Beziehung zwi­ schen der Löslichkeit des Gases in Wasser, bezogen auf die Wassertemperatur, und der temperaturabhängigen Viskosität des Wassers. Stickstoff beispielsweise verhält sich in dieser Hinsicht sehr ähnlich wie Sauerstoff, so daß die Erfindung auch zum Einstellen einer von der Temperatur im wesentlichen unabhängigen Konzentra­ tion von Stickstoff in Wasser anwendbar ist. In dieser Ausführungsform ist die Erfindung also für irgendein Gas anwendbar, dessen Löslichkeit in Wasser mit stei­ gender Temperatur abnimmt, da die schwächere Kon­ zentration einer gesättigten Lösung mehr oder weniger durch die Abnahme der Viskosität des Wassers kom­ pensiert wird. Das Ausmaß dieser Kompensation ist je­ doch verschieden und kommt insbesondere bei Gasen zur Wirkung, welche sich in dieser Hinsicht ähnlich wie Sauerstoff verhalten. Im Falle von Chlorgas läßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Verringerung des Temperaturkoeffizienten auf ca. 0,7%/°C erwarten, und bei Kohlendioxid eine solche auf ca. 1,0%/°C. Durch Beeinflussung der Turbulenz in der den ersten Zweig durchsetzenden Strömung kann es möglich sein, den Temperaturkoeffizienten noch niedriger zu halten.

In Fig. 2 bis 6 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Einstellen einer gewünschten Sauerstoffkonzentration in einem Wasserstrom darge­ stellt. Die Vorrichtung ist im wesentlichen zylindrisch und hat einen Einlaßkopf 1, einen Auslaßkopf 3, einen inneren zylindrischen Mantel 7 und einen äußeren zylin­ drischen Mantel 5.

Der Einlaßkopf 1 enthält einen kreisförmigen Deckel 9 mit einem hervorstehenden Rand 11 und einer Um­ fangsnut 13. Der Deckel 9 ist so in den äußeren Mantel 5 eingesetzt, daß dessen Ende auf dem Rand aufsetzt, und ist mit einer in der Nut 13 angeordneten O-Ringdich­ tung 15 abgedichtet. Eine auf das Ende des äußeren Mantels 5 aufgeschraubte Überwurfmutter 18 greift mit einem radial einwärts hervorstehenden Rand 20 am Rand 11 des Deckels 9 an und hält diesen damit am äußeren Mantel fest. Ein mit dem Deckel 9 einstückiger und koaxialer Zapfen 17 ragt einwärts in den äußeren Mantel und hat an seinem dem Deckel abgewandten Ende ein mit einer Stufe 22 abgesetztes verjüngtes Teil 19, welches von einer Nut 21 umgeben ist. Das verjüngte Teil 19 ragt in den inneren Mantel 7 hinein, so daß dieses mit dem Ende an der Stufe 22 aufsetzt. Eine in der Nut 21 liegende O-Ringdichtung 23 schafft eine wasserun­ durchlässige Abdichtung zwischen dem Einlaßkopf 1 und dem inneren Mantel 7. Zwischen dem Deckel 9 und der Stufe 22 ist der Zapfen 17 von einer Querbohrung 25 durchsetzt, welche innerhalb des Einlaßkopfs mit einem etwa axial daraus hervorstehenden Einlaßrohr 27 strö­ mungsverbunden ist.

Der Auslaßkopf 3 hat einen Durchlaßkörper 29 mit einer einwärts der Vorrichtung ausgerichteten Stirnflä­ che 31. Ein mit dem Durchlaßkörper 29 einstückiger zylindrischer Zapfen 33 ragt in den äußeren Mantel 5 hinein. Der Zapfen 33 ist von einer in der Stirnfläche 31 gebildeten, auswärts durch eine Stufe 37 begrenzten Nut 35 umgeben. Der Zapfen 33 hat eine Stufe 39, ein daran anschließendes verjüngtes Teil 41 und eine Um­ fangsnut 43 mit einer darin liegenden O-Ringdichtung 45. Das andere Ende des inneren Mantels 7 setzt unter Abdichtung durch den Dichtring 45 an der Stufe 39 auf.

Das entsprechende Ende des äußeren Mantels 5 hat einen Rand 47 mit verringerter Wandstärke, welcher nahe der Stufe 37 in der Ringnut 35 sitzt. Der äußere Mantel 5 hat ein Gewinde 51 für die Aufnahme eines Gewinderings 49, welcher mittels Schrauben 53 am Durchlaßkörper 29 befestigt ist.

Der Durchlaßkörper 29 ist von einer entlang der Ach­ se der Vorrichtung verlaufenden Bohrung 55 durchsetzt, welche eine Halterung 57 für ein Kapillarrohr aufnimmt. Diese hat eine Querbohrung 59, welche die Bohnrung 55 lotrecht schneidet und mit einer den Durchlaßkörper 29 durchsetzenden Radialbohrung 61 fluchtet. Am inne­ ren Ende hat die Halterung 57 eine Fassung 63 für die Aufnahme des einen Endes eines Präzisions-Kapillar­ rohrs 65. Die Bohrung des Kapillarrohs 65 ist über einen engen Durchlaß 67 mit der Querbohrung 59 der Halte­ rung 57 strömungsverbunden.

In das eine Ende der den Durchlaßkörper durchset­ zenden Querbohrung 61 ist ein Auslaßrohr 69 einge­ setzt. Am anderen Ende mündet die Bohrung 61 in einer Reglerkammer 71. Diese ist im wesentlichen zylindrisch mit einer ringförmigen Stufe 73 nahe dem oberen Ende und enthält einen Reglerkörper 75, welcher von einem mittels Schrauben an der Unterseite des Durchlaßkör­ pers 29 befestigten Deckel 77 festgehalten ist. Der Reg­ lerkörper 75 hat eine der Kammer 71 komplementäre Außenform mit einem vom Deckel 77 zur ringförmigen Stufe 73 verlaufenden, segmentförmigen Ausschnitt, welcher zwischen dem Reglerkörper 75 und einem Wandungsteil 81 der Kammer 71 einen Durchlaß 79 bildet (Fig. 5). Der Reglerkörper 75 hat eine sich ab­ wärts verjüngende axiale Bohrung 83 (Durchlaß), wel­ che am unteren Ende vom Deckel 77 verschlossen ist und am oberen Ende in die den Durchlaßkörper 29 durchsetzende Radialbohrung 61 mündet. Im Bereich des Durchlasses 79 hat der Reglerkörper 75 in seiner Wandung 91 einen Ausschnitt 89, welche den Durchlaß 79 mit der verjüngten Bohrung 83 verbindet. Eine in der Bohrung 83 liegende, mit hoher Präzision geschliffene Glaskugel 93 ist durch einen am Deckel 77 aufwärts hervorstehenden Zapfen 95 am Herausfallen durch den Ausschnitt 89 gehindert. Die Glaskugel 93 bildet zusam­ men mit der sich verjüngenden Bohrung 83 einen Reg­ lerdurchlaß mit veränderlichem Querschnitt. Bei zuneh­ mender Durchströmung steigt die Kugel in der Bohrung empor bis in eine Stellung, in welcher der Strömungswi­ derstand die Schwerkraft aufhebt. Je stärker die Strö­ mung ist, um so höher steigt die Kugel und um so größer ist dementsprechend der durch den Spalt zwischen ihr und der Wand der Bohrung gebildete Durchlaß. Eine Vergrößerung des Durchlaßquerschnitts führt zu einer Verringerung des Druckabfalls über den Regler, so daß also die Druckänderungen in bezug auf die Durchströ­ mung eher linear verlaufen als quadratisch, wie dies bei festen Durchlässen und turbulenter Strömung im we­ sentlichen der Fall ist.

Innerhalb der Ringnut 35 hat die Stirnfläche 31 des Durchlaßkörpers 29 einen in der Ringkammer 99 zwi­ schen dem inneren und dem äußeren Mantel münden­ den Durchlaß 97. Ferner enthält der Durchlaßkörper 29 eine Bohrung 101, welche in einer waagerechten Ebene geneigt zur Achse 56 der Vorrichtung verläuft und den Durchlaß 97 mit einer weiteren, senkrechten Bohrung 103 im Durchlaßkörper 29 verbindet. Die Bohrung 103 verläuft im wesentlichen parallel zur Radialbohrung 61 und verläuft abwärts durch eine Ventilkammer 105 hin­ durch zum Durchlaß 79 in der Reglerkammer 71 (Fig. 6).

Vom inneren Ende der Ventilkammer 105 führt ein enger Durchlaß 107 zu einer in den Innenraum des inne­ ren Mantels 7 mündenden Öffnung 109 in der Stirnflä­ che 111 des Zapfens 33. Ein Absperrglied 113 bildet zusammen mit einem Sitz 115 ein Ventil 117 zum Ab­ sperren des Durchlasses 107 gegenüber der Ventilkam­ mer 105. Zum Öffnen des Durchlasses 107 läßt sich das Absperrglied 113 durch Verdrehen eines Rändelknopfs 119 zurückziehen. Der mit dem Absperrglied 113 fest verbundene Rändelknopf 119 ist in einen am Durchlaß­ körper 29 angeschraubten Ventildeckel 121 einge­ schraubt.

Ein die Vorrichtung durchsetzender Hauptströ­ mungsweg (Hauptzweig) verläuft somit vom Einlaßrohr 27 über die Querbohrung 25 des Einlaßkopfs 1, die Ring­ kammer 99 zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel, den Durchlaß 97 in der Ringnut 37 des Auslaß­ kopfs 3, die Bohrung 101, die senkrechte Bohrung 103 mit der Ventilkammer 105, den Durchlaß 79 in der Reg­ lerkammer 71, den Ausschnitt 89 in der Wandung 91 des Reglerkörpers 75, dessen sich verjüngende Bohrung 83 und die den Auslaßkopf durchsetzende Radialbohrung 61 mit der Querbohrung 59 der Halterung 57 zum Aus­ laßrohr 69. Ein bei geöffnetem Ventil 117 parallel zur Reglerbohrung 83 verlaufender sekundärer Strömungs­ weg (Bypass) setzt sich zusammen aus dem Durchlaß 107, dem Innenraum des inneren Mantels 7 und der Bohrung des sich im wesentlichen über die gesamte Länge des inneren Mantels erstreckenden Kapillarrohrs 65. Der Durchlaß 79 der Reglerkammer 71 und die Reg­ lerbohrung 83 einerseits und der vorstehend erläuterte sekundäre Strömungsweg andererseits bilden somit ei­ nen ersten bzw. zweiten Zweig des Gesamt-Strömungs­ wegs. Die koaxiale Anordnung des durch die Ringkam­ mer zwischen innerem und äußerem Mantel führenden Teils des Strömungswegs und des zweiten Zweigs des­ selben im inneren Mantel ist besonders vorteilhaft, da dadurch in der gesamten Vorrichtung die gleiche Was­ sertemperatur herrscht.

Der Innenraum des Innenmantels 7 dient als Sättiger. An seinem dem Auslaßkopf zugewandten Ende enthält er ein ringförmiges Filter 123, welches sich in abdichten­ der Anlage am Kapillarrohr 65 sowie an der Innenflä­ chen des inneren Mantels befindet und das Eindringen von Fremdkörpern in den Sättiger verhindert. Der übri­ ge Teil des lnnenraums des Mantels ist im wesentlichen von einem Belüfter 125 ausgefüllt. Dieser hat zwei End­ scheiben 127, zwischen denen eine Vielzahl von paralle­ len, zu einem inneren und einem damit koaxialen äuße­ ren Zylinder 131 bzw. 133 geordneten Stäben 129 fest­ gehalten ist. Die Endscheiben 127 sind jeweils mit einer Mittelöffnung 135 im Paßsitz auf das Kapillarrohr 65 aufgeschoben. Beginnend am Einlaßkopf 1, ist auf die Stäbe ein sauerstoffdurchlässiger Schlauch 137 aufge­ wickelt. Der Schlauch verläuft entlang einer Schrauben­ linie um den von den Stäben 129 gebildeten äußeren Zylinder 133, ist an der dem Auslaßkopf zunächst lie­ genden Endscheibe 127 zurückgeführt und wiederum entlang einer Schraubenlinie auf den inneren Zylinder 131 aufgewickelt. Der Schlauch ist sehr fest aufgewik­ kelt, so daß aufeinander folgende Windungen aneinan­ derliegen. Die beiden Enden 139 des Schlauchs sind durch den Einlaßkopf hindurch ins Freie geführt. In der Belüfteranordnung 125 angeordnete Leitbleche 141 die­ nen dazu, die den inneren Mantel durchsetzende Strö­ mung entlang einer Schraubenlinienbahn zu leiten, um die Verweilzeit der Flüssigkeit in Berührung mit dem Belüfter zu verlängern. Ein geeignetes Material für den Schlauch ist Silikongummi.

Im Gebrauch ist die Vorrichtung beispielsweise mit der Zufuhrleitung eines Kontrollinstruments für die Be­ stimmung eines im Wasser gelösten Mindest-Sauer­ stoffgehalts verbunden. Unter normalen Umständen bleibt dabei das Ventil 117 geschlossen, so daß die Vor­ richtung entlang dem vorstehend beschriebenen Haupt­ strömungsweg durchströmt wird. Zum Eichen des Kon­ trollinstruments wird das Ventil dann geöffnet, um die Durchströmung des sekundären Strömungswegs freizu­ geben.

Bei der Berührung des entlang dem sekundären Strö­ mungsweg fließenden Wassers mit dem Belüfter 125 diffundiert Sauerstoff durch die Wandung des Schlauchs, bis der Sauerstoffteildruck im Wasser gleich dem in der freien Atmosphäre vorhandenen ist. Da­ durch ist die Lösung unter dem jeweiligen Druck gesät­ tigt. Die zwei konzentrischen Wicklungen des Schlauchs sind notwendig, um die radiale Dicke der Wasserschich­ ten im Belüfter möglichst klein zu halten, da die Diffu­ sionsgeschwindigkeit von Sauerstoff in Wasser sehr niedrig ist. Beim Durchfluß des Wassers durch den Be­ lüfter steigt die Konzentration des darin gelösten Sauer­ stoffs, bis die Lösung an einem vorzugsweise bei etwa zwei Dritteln des Strömungswegs liegenden Punkt ge­ sättigt ist. Die Strömung verläuft dann weiter bis zum Ende des Belüfters und tritt dann durch das Kapillarrohr 65 hindurch über den Durchlaß 67 der Halterung 57 zu dem die Querbohrung 59 der Halterung durchsetzenden Hauptstrom.

Der Belüfter ist nur von einem sehr kleinen Teil des Gesamtstroms durchströmt. Das Verhältnis der Strö­ mungen im ersten und zweiten Zweig des Strömungs­ wegs beträgt etwa 600 : 1. Die feine Bohrung des Kapil­ larrohrs 65 gewährleistet eine sehr langsame und damit laminare Durchströmung des sekundären Strömungs­ wegs. Im Gegensatz dazu verläuft die Strömung im Hauptströmungsweg schnell und turbulent. Durch ge­ eignete Wahl verschiedener Parameter wie der Weite der sich verjüngenden Bohrung 83 im Reglerkörper 75, des Verjüngungswinkels der Bohrung und des Gewichts der Glaskugel 93 läßt sich die Stärke der Turbulenz innerhalb gewisser Grenzen beeinflussen. Bei der in Fig. 2 bis 6 gezeigten Vorrichtung wurden die Werte für diese Parameter empirisch ermittelt.

Wie vorstehend anhand von Fig. 1 erläutert, ist die Sauerstoffkonzentration der aus der Vorrichtung aus­ tretenden Strömung unbeeinflußt von der Strömungs­ menge. ln der beschriebenen praktischen Ausführung der Vorrichtung betrugen die Schwankungen der Sau­ erstoffkonzentration in einem Durchströmungsbereich von 260 bis 330 ml/min weniger als ±2%. Wie vorste­ hend erwähnt, kann der Temperaturkoeffizient der Sau­ erstoffkonzentration im Bereich zwischen 10 und 40°C weniger als ±0,3%/°C betragen.

Zum Eichen des Kontrollinstruments für die Bestim­ mung des Gehalts an gelöstem Sauerstoff wird die Sau­ erstoffkonzentration des aus der Vorrichtung ausflie­ ßenden Wassers gemessen, nachdem das Ventil über einen zur Erzielung des Gleichgewichs ausreichenden Zeitraum geöffnet ist. Der Unterschied zwischen dieser Messung und einer Messung des strömenden Wassers bei geschlossenem Ventil ist der bekannten, mittels der Vorrichtung eingestellten Sauerstoffkonzentration gleichzusetzen. Bei der beschriebenen Vorrichtung be­ trägt diese Konzentration 14,1 µg/l ±0,25 µg/l. Im all­ gemeinen kann diese Konzentration ein für allemal be­ rechnet werden, indem das Verhältnis der Strömungen im ersten und zweiten Zweig des Strömungswegs und die Konzentration einer gesättigten Lösung bei einer bestimmten Temperatur zugrundegelegt werden. Diese Art der "Addier"-Eichung erfordert, daß der Grundsau­ erstoffgehalt des Wassers gleichmäßig und im Vergleich zu der von der Vorrichtung dazuaddierten Konzentra­ tion nicht groß ist. Als Alternative kann die Vorrichtung mit entgastem Wasser gespeist werden, so daß sich dann eine absolute Eichung ergibt. Unter gewissen Umstän­ den, insbesondere wenn die Vorrichtung über längere Zeit kontinuierlich in Gebrauch ist, kann es vorteilhaft sein, einen Luftstrom durch den Schlauch des Belüfters zu leiten, anstatt nur dessen beide Enden ins Freie mün­ den zu lassen. Der Grund hierfür liegt darin, daß sonst eine übermäßige Stickstoffkonzentration aufgrund der unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten von Sauerstoff und Stickstoff entstehen könnte. In einem einfachen Verfahren zum Erzeugen eines solchen Luft­ stroms verwendet man eine an einem Ende des Schlauchs angeschlossene einfache Strahlpumpe, welche unter gleichbleibendem Druck mit Überlaufwasser aus der Anlage gespeist ist.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung zum Ei­ chen von Kontrollinstrumenten od. dergl. beschränkt.

Ein anderes Beispiel ist die Verwendung der Vorrich­ tung und des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Zu­ setzen von genau dosierten Mengen etwa eines sterili­ sierenden Mittels zu einem Wasserstrom. In gleicher Weise sind auch andere Verwendungszwecke vorstell­ bar.

Die vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels zum Einstellen einer gewünschten Sauerstoffkonzentra­ tion in einem Wasserstrom beschriebene Erfindung ist also im weitesten Sinn zum Einstellen von bestimmten Konzentrationen löslicher Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase in Flüssigkeitsströmen anwendbar.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeit­ stroms mit einem gelösten Gas geringer, genau de­ finierter Konzentration für die Eichung von Syste­ men zur Messung der Konzentration eines gelösten Gases in einer Flüssigkeit,

• a) mit einem Strömungsweg mit einem Einlaß und mit einem Auslaß, und
• b) mit einer Anordnung zur Zuführung des Gases zu dem Strömungsweg, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
• c) der Strömungsweg (2) teilt sich zwischen Einlaß (8) und Auslaß (10) in einen Hauptzweig (4) und einen dazu parallelen Bypass (6);
• d) die Gaszuführung (12) ist in dem Bypass (6) angeordnet und als Membran (133) aus einem flüssigkeitsdichten, gasdurchlässigen Material ausgebildet, wobei in dem Bypass (6) eine ge­ sättigte Lösung des Gases in der Flüssigkeit entsteht;
• e) der Bypass (6) enthält eine Drosselstelle (14); und
• f) der Hauptzweig (4) weist einen variablen Strömungsquerschnitt (16) zur Konstanthal­ tung des Mengenverhältnisses der Ströme in dem Hauptzweig (4) und dem Bypass (6) unab­ hängig von der Gesamtströmungsmenge auf.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• g) die Membran durch einen Schlauch (137) gebildet ist, der mit einem Ende an den Vor­ ratsbehälter für das Gas angeschlossen ist und sich in dem Bypass (6) befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• h) der Schlauch (137) wendelförmig verläuft und damit eine im wesentlichen zylindrischen Membranfläche bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• i) der Schlauch (137) wendelförmig entlang zweier koaxialer Zylinderflächen (131, 133) mit unterschiedlichem Durchmesser verläuft.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• j) die Strömung in dem Bypass (6) laminar ist,
• k) während die Strömung im Hauptzweig (4) turbulent ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1) als Gas Sauerstoff und als Flüssigkeit Wasser verwendet werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• m) der variable Strömungsquerschnitt (16) in dem Hauptzweig (4) einen sich in Durchström­ richtung konisch erweiternden Durchlaß (83) aufweist, in dem eine bewegliche, an den In­ nenwänden des Durchlasses (83) anliegende Kugel (93) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• n) der Druchlaß (83) lotrecht angeordnet und von der Flüssigkeit von unten nach oben durchströmt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch

• o) einen inneren, zylindrischen Mantel (7) und einen zu diesem koaxialen, äußeren zylindri­ schen Mantel (5) zwischen einem Einlaßkopf (1) und einem Auslaßkopf (3),
• p) wobei die ringförmige Kammer (9) zwi­ schen den beiden Mänteln (5, 7) den Strö­ mungsweg stromaufwärts vom Bypass ( 6) bil­ det, und durch
• q) ein sich vom Auslaßkopf (3) längs der Achse (56) der bieden Mäntel (5, 7) in Richtung auf den Einlaßkopf (1) erstreckendes Präzisions- Kapillarrohr (65), das als Drosselstelle (14) dient und zusammen mit dem Innenraum des inneren Mantels (7) den Bypass (6) bildet,
• r) während sich der Hauptzweig (4) von der ringförmigen Kammer (99) über eine Bohrung (97, 101, 103, 105, 79, 89) sowie den sich ko­ nisch erweiternden Durchlaß (83) in dem Aus­ laßkopf (3) zum Auslaß (10, 69) erstreckt.