DE3227242A1 - Geraet zum mischen von gasen - Google Patents

Geraet zum mischen von gasen

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DE3227242A1 DE19823227242 DE3227242A DE3227242A1 DE 3227242 A1 DE3227242 A1 DE 3227242A1 DE 19823227242 DE19823227242 DE 19823227242 DE 3227242 A DE3227242 A DE 3227242A DE 3227242 A1 DE3227242 A1 DE 3227242A1
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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.· Phys; Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A.^Vetckmann; Dip-l.-G«em. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska
8000 MÜNCHEN 86
POSTFACH 860 820
MOHLS TRASSE 22 TELEFON (0 89)98 0352 TELF.X 5 22621 WAA TELHGRAMM I1ATI NTWKICKMANN MÜNCHEN
Gerät zum Mischen von Gasen
Die Erfindung betrifft ein Gerät zum kontrollierten Mischen zweier gasförmiger Substanzen, insbesondere zur Zubereitung von Gasmischungen zur Kalibrierung von Analysatoren für Abgase von Brennkraftmaschinen.
Zur Gewinnung der Eichkurve eines Analysators müssen seinem Eingang nacheinander Proben von Gasmischungen bekannter Zusammensetzung zugeführt werden. Diese Proben werden durch
Mischung eines ersten Gases, das im folgenden als "Nullgas" bezeichnet wird, und eines zweiten im folgenden als "Spanngas" bezeichneten Gases gewonnen.
Der Nullpunkt der Eichkurve kann dadurch bestimmt werden,
daß dem Analysator das Nullgas zugeführt wird, während
durch Einspeisung von Mischungen, an denen das Nullgas und das Spanngas in bekannten und wachsenden Verhältnissen beteiligt sind, Zwischenpunkte sowie der Skalenendpunkt der
Eichskala bestimmt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels dessen sich die für die Eichung von Analysatoren erforderlichen Gasmischungen
besonders einfach und zuverlässig herstellen lassen.
~5- ■ ■ -
Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein mit diesen Merkmalen ausgestattetes Gerät erlaubt die Herstellung von Mischungen, in welchen die beiden Gase in bekannten kontrollierten Konzentrationen vorhanden sind. Das Gerät gemäß der Erfindung erlaubt eine besonders rasche Eichung von Analysatoren, da es genügt, zwei Quellen vorzusehen, die das Nullgas bzw. das Spanngas mit einer Konzentration enthalten, welche dem Skalenendpunkt auf der Eichkurve entspricht; andere Quellen/ z.B. Druckflaschen , zur Lieferung von Mischungsproben für die Bestimmung von Zwischenpunkten auf der Eichkurve des Änalysators werden hingegen nicht mehr benötigt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.
Im folgenden sei das physikalische Prinzip, das dem Betrieb des Geräts gemäß der Erfindung zugrunde liegt, kurz erläutert:
Zwei Gase, die nicht miteinander reagieren, z.B. ein Nullgas Z in reinem Zustand, und ein Spanngas S, das mit einer Konzentration C in dem Nullgas Z enthalten ist, ergeben die dynamische Konzentration C , Wenn sie sich mit Durch
satzraten Q bzw. Q miteinander vermischen:
Z S-
Die Durchsatzrate q durch eine kapillare Röhre kann durch eine Funktion folgender Art ausgedrückt werden: 35
3Z27242
-ΑΙ (H) q=f ( ρ,ΐ,,ε,μ),
worin
Δ P = Druckabfall zwischen den Enden der Röhre L = Länge der Röhre S= Querschnitt der Röhre
μ = Viskosität des durch die Röhre strömenden Gases, (ju. -^u (T)) 1 " KT)
T = Temperatur des Gases
bedeuten.
Für ein und dieselbe Kapillare hängen die Durchsatzraten für unterschiedliche Gase, z.B. für das Nullgas Z und das Spanngas S bei gleicher Druckdifferenz Λ Ρ ausschließlich von der Viskosität ab:
worin
q = Durchsatz des Gases Z in der Kapillaren
q - Durchsatzrate des Gases S in der Kapillaren
3Q u β Viskosität des Gases Z
u s* Viskosität des Gases S
K = Proportionalitätskonstante
bedeuten. 35
Wenn bei dem Gerät gemäß der Erfindung η identische kapillare Röhren vorgesehen sind und das Spanngas durch χ dieser kapillaren Röhren fließt, ist die Gasmischung, die sich in der Mischkammer ausbildet, durch eine dyna* mische Konzentration C charakterisiert, die gemäß Gleichung (I) in der Form
xq
(V) C =C
ο s xqs+(n-x)qz
ausgedrückt werden kann.
Bei Berücksichtigung der Gleichungen (III) und (IV) kann die Gleichung (V) in folgender Form angeschrieben werden:
(VI) C =C *
o~ s x+(n-x)u /u *
Das Spanngas S ist durch das Nullgas Z auf die Konzentration C verdünnt und hat eine Vii
folgende Formel ausdrücken läßt:
tion C verdünnt und hat eine Viskosität, die sich durch
(vii)
worin u1 die Viskosität des Gases S in reinem Zustand bes
deutet.
25
Durch Substituierung der Gleichung (VII) in Gleichung (VI) und Vereinfachung erhält man
(VIII) C =C X
"-"' -o -s x+(n-x)+C (,u'-p Wp17
In dem Fall, daß
(IX) C (μ'-p. )/u =A <ic 1
ist, wird aus Gleichung (VIII):
<x)
Diese letzte Beziehung veranschaulicht, wie die Konzentration C an dem Ausgang von η-Kapillaren direkt proportional ist der Anzahl χ derjenigen Kapillaren, durch die das Spanngas fließt, das von der betreffenden Quelle mit der Konzentration C in das Nullgas Z gegeben wird.
C variiert daher von dem Wert Null, wenn x=o ist, d.h. nur Nullgas Z in den Kapillaren fließt bis zu dem Wert C , wenn x«m ist, d.h. nur Spanngas in den Kapillaren fließt, wobei für X= 1, 2, 3...n-1 eine Reihe von vorbestimmten Zwischenwerten erhalten werden.
IQ Die Gleichung (IX) wird unter allen normalen Gebrauchsbedingungen des Geräts gemäß der Erfindung zur Kalibrierung von Analysatoren vollerfüllt, da der Koeffizient A un-
-4 -2
ter diesen Bedingungen Werte zwischen 1o und 10 annimmt.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt eine Schemazeichnung zur Veranschaulichung der Komponenten eines Geräts gemäß der Erfindung und ihrer Verbindungen untereinander,
Fig, 2 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur eines der Elemente von Fig. 1,
Fig. 3 bis 6 zeigen einige mögliche Betriebszyklen des Geräts gemäß der Erfindung in Form von Diagrammen.
In Fig. 1 ist das Gehäuse eines Geräts gemäß der Erfindung mit 10 bezeichnet. Das Gerät ist über von seinem Gehäuse 10 getragene Anschlußstücke 11 und 12 mit einer ersten und einer zweiten Speisequelle T bzw. T verbunden, die ein
erstes Gas (z.B. ein Nullgas) bzw. ein zweites Gas (z.B. ein mit Nullgas
gas) enthalten.
ein mit Nullgas auf die Konzentration C verdünntes Spann
Mit dem Anschlußstück 11 ist über einen Druckregler 21, : dem ein Manometer 2 3 zugeordnet 1st, die Eingangsleitung '25 eines ersten Leitungsvielfachs 27 verbunden. Dieses Leitungsvielfach besitzt eine Vielzahl von Ausgangsleitungen 29, deren jede mit einem der Eingänge eines eiit-2Q sprechenden elektromagnetisch betätigbaren Ventils 31 verbunden ist.
Mit dem Anschlußstück 12 ist nach demselben Schema über einen Druckregler 22, dem ein Manometer 24 zugeordnet ist, ^5 ein zweites Leitungsvielfach 28 verbunden, das eine Eingangsleitung 26 und eine Vielzahl von Ausgangsleitungen 30 umfaßt.
Jede der Leitungen 30 ist mit einem zweiten Eingang eines entsprechenden Ventils 31 verbunden.
Die Ausgänge der Ventile 31 sind jeweils mit einem ersten Ende einer kapillaren Röhre 40 verbunden»
Das andere Ende jeder dieser kapillaren Rohren 40 mündet in den Innenraum einer Mischkammer 50.
Die kapillaren Röhren 40, die untereinander gleich sind, sind mit einer Wärmeisolierung, z.B. in Form von ümmantelungen 41 aus wärmeisolierendem Material versehen, die dafür sorgt, daß alle kapillaren Röhren 40 auf gleicher Temperatur gehalten werden.
Aus der Mischkammer 50 tritt eine Leitung 60 aus, über wel ehe die in der Mischkammer 50 gebildete Mischung ausgegeben wird.
Die Leitung 60 ist an ihrem Ende mit einem Anschlußstück 61 versehen, welche an dem Gehäuse 10 angebracht ist und an das z.B. der Eingang eines Analysators für das Abgas einer Brennkraftmaschine angeschlossen werden kann.
Dem ersten Leitungsvielfach 27 und dem zweiten Leitungsvielfach 28 sind jeweils Entlüftungsleitungen 70 bzw. 71 zugeordnet, die das aus dem kapillaren Röhren 40 und der Mischkammer 50 bestehende Mischnetzwerk umgehen und über welche die zu mischenden gasförmigen Substanzen in den Außenraum abgelassen werden können.
Die Funktion der Entlüftungsleitungen 71 und 72, die Drosselstellen 73 bzw. 74 besitzen, deren Durchsatz wesentlich kleiner ist als derjenige der kapillaren Röhren 40, besteht darin, die Druckregler 21 und 22 ständig in ihrem dynamischen Betriebsbereich zu halten und damit zu verhindern, daß der Gasdurchsatz durch die beiden Leitungsvielfache 27 und 28 sich während des Betriebs des Geräts ändert.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Leitung 60, über welche die in der Mischkammer 50 gebildete Mischung nach außen geführt wird, ein Durchflußmesser 75 zugeordnet, der den Gasabfluß durch die Entlüftungsleitung 71 reguliert.
Dem Gerät ist eine in ihrer Gesamtheit mit 80 bezeichnete Steuereinheit zugeordnet, deren Struktur durch das in Fig· 2 dargestellte Blockschema verdeutlicht wird.
In Pig. 2 sind eine Steuerschaltung 81 für die Ventile 31 sowie eine elektrische Schaltung 82 zur Beeinflussung der Steuerschaltung 81 dargestellt.
Die elektrische Schaltung 82 besitzt ein Tastenfeld 82a
sowie Wählschalter 82b und 82c.
Im folgenden sei die Funktion des Geräts anhand von Fig. 3 bis 6 näher erläutert, wobei die Bezugnahme auf die . p- Verwendung zur Kalibrierung von Abgasanalysatoren keine Beschränkung auf solche beinhalten soll*
Bei der Betriebsart entsprechend den in Fig. 3 dargestellten Diagramm gibt das Gerät nach dem Anschließen der n beiden Quellen T und T nur das Nullgas Z an den Ver-
JL U ZS
braucher (Analysator) ab.
Dieser Betriebsbedingung, die in den Diagrammen dem mit C bezeichneten Nullpunkt der Ordinatenachse entspricht, -P- wird durch Betätigung einer ersten Taste des Tastenfeldes 82a eingestellt, wodurch die Ventile 31 über die Steuerschaltung 81 derart gesteuert werden, daß alle kapilallen Röhren 4 0 mit den Ausgängen 29 des ersten Leitungsvielfachs 27 verbunden sind.
Durch die anschließende Betätigung einer anderen Taste des Tastenfeldes 82a, vorzugsweise einer solchen, die der zuvor betätigten benachbart ist, kann eines der Ventile 81 in eine Stellung gebracht werden, in der die betreffende kapillare Röhre 40 mit dem zweiten Speiseleitungsvielfach 2 8 in Verbindung steht. Auf diese Weise strömt Spanngas aus der Quelle T durch eine der kapillaren Röhren 40, während die verbleibenden kapillaren Röhren, deren Zahl in der dargestellten Ausführungsform fünf beträgt,
3Q von dem aus der Quelle T stammenden Nullgas durchströmt werden.
In der Mischkammer 50 bildet sich daher eine Mischung aus, die Spanngas S in einer Konzentration C enthält. Gemäß Gleichung (X) beträgt diese Konzentration 1/6 der Konzentration C , mit welcher das Spanngas S von der Quelle
ι Τ abgegeben wird.
4· S1
Das Betätigen einer anderen, vorzugsweise der den bereits betätigten Tasten nachgeordneten Taste werden zwei der c Elektromagnete 31 in die Schaltstellung gesteuert, in wel-
eher die betreffenden kapillaren Röhren 40 mit dem zweiten. Speiseleitungsvielfach 28 in Verbindung stehen.
In diesem Fall bildet sich in der Mischkammer 50 eine Gasmischung aus, in welcher das Spanngas S in einer Konzentration C» vorliegt, die 2/6 der Konzentration C entspricht.
Durch anschließende Betätigung der betreffenden Tasten des Tastenfeldes 82a können eine wachsende Anzahl von
.
kapillaren Röhren 40 mit dem zweiten Speiseleitungsvielfach 28 verbunden und somit in der Mischkammer 50 Mischungen erzeugt werden, in denen das Spanngas S den wachsenden Konzentrationen C3 C., Cr vorliegt, die 3/6, 4/6
on bzw. 5/6 der Konzentration C entsprechen, bis schließlieh die Situation erreicht ist, in welcher alle kapillaren Röhren 40 mit dem zweiten Speiseleitungsvielfach verbunden sind und die von dem Gerät über die Leitung 60 nach außen abgegebene Mischung das Spanngas S in der
Konzentration C enthält, in der es von der Quelle T Zo s s
abgegeben wird.
Die Mischungen mit der Konzentration C , C1...C , die
Z ' S
während des beschriebenen Arbeitszyklus abgegeben werden, ao und die auch eine von der aufsteigenden Reihenfolge abweichende Reihenfolge haben können, eignen sich für die Gewinnung der Eichkurve eines Analysators.
Abweichende Funktionszyklen entsprechend den in Fig. 4 bis „e 6 dargestellten Zeitdiagrammen lassen sich ebenfalls ausführen.
Gemäß dem Diagramm von Fig. 4 liefert das Gerät zunächst Mischungen, die - in Analogie zu dem Zyklus gemäß Pig. 3 das Spanngas S in wachsenden Konzentrationen C , CV...
Z I
C enthalten, und anschließend Mischungen, in denen das Spanngas S in abnehmender Konzentration vorhanden ist.
'Bei dem Funktionszyklus gemäß Fig. 5, der im wesentlichen zu dem Eichzyklus von Fig. 4 analog ist, wechselt die Abgabe von Mischungen mit wachsender und abnehmender Spann— Q gaskonzentration periodisch mit dem Abgas Von Spanngas Z allein mit der Konzentration C ab.
ζ .
Mit dem in Fig. 5 dargestellten Zyklus läßt sich überprüfen, ob die Positionen der Zwischenpunkte der Eichkurve des _5 Analysators nicht durch die in Position des Nullpunkts der Kurve beeinflußt werden*
Bei dem Zyklus gemäß Fig. 6 liefert das Gerät abwechselnd nur Nullgas aus der Quelle T und Spanngas S aus der Quelle T , so daß sich prüfen läßt, ob der Analysator an den Endpunkten der Eichkurve Trifterscheinungen aufweist.
Die in Fig. 3 bis 6 dargestellten Operationszyklen können entweder manuell über das Tastenfeld 82a oder automatisch über eine elektrische Prozessorschaltung (z.B. mit einem Mikroprozessor), die ein Element der elektrischen Schaltung 82 ist, ausgeführt werden.
Die Wahl der automatischen anstelle der manuellen Betriebsart erfolgt durch Betätigung des Wahlschalters 82b, mittels dessen der Operationszyklus des Geräts einstellbar ist, sowie durch Betätigung des Wahlschalters 82c, mittels dessen einerseits die Zeit, während derer die beiden Gase in die kapillaren Röhren 40 eingespeist werden und im FaI-Ie des Operationszyklus gemäß Fig. 6 die Anzahl der Wechsel in der Zuführung von Nullgas und Spanngas wählbar sind.
Es ist auch die Möglichkeit vorgesehen, das Gerät mit Hilfe eines Prozessors fernzusteuern.
Die Wahl der Betriebsartfernsteuerung erfolgt durch Betätigung des Wahlschalters 82b.
Die in Fig. 3 bis 6 dargestellten Funktionszyklen stellen lediglich Beispiele für den Betrieb des Geräts dar und können durch entsprechende Ausgestaltung oder Bedienung der Steuereinheit 80 beliebig variiert werden.
Leerseite

Claims (7)

-7 T ? 9 7 9 A 9 Patentanwälte Dipl.-Ing. H. W'eicxma^nn, Pipl.-Phys:. Dr. K. Fincke DlPL.-lNG. F. A^WETC-KM'AiiN^ DIP-L-."-£«EM. B. HUBER Dr.-Ing. H. Liska 8000 MÜNCHEN 86 2^· Ü U 11 1982 POSTFACH 860 820 MOHLSTRASSE 22 TELEFON (089)"98 03 52 ATJTO S T) /* TELEX 522621 JIUJ.U u.M.-'.. TELEGRAMM 1"ATUNtWt-ICKMANN MÖNCHEN Corso Giovanni Agnelli 200 .... Turin / Italian Gerät zum Mischen von Gasen Patentansprüche
1. Gerät zum kontrollierten Mischen zweier Von zwei separaten Speisequellen gelieferten Gasen gekennzeichnet durch .
- eine Mehrzahl von identisch ausgebildeten kapillaren Röhren (40) ,
- eine mit zwei an jeweils eine der Speisequellen (T , T) anschließbaren Eingängen (11, 12) versehene
Verteilereinrichtung zur wahlweisen Verbindung jedes Eingangs (11 bzw. 12) mit jeweils an der anderen ausgewählten Gruppe von kapillaren Röhren (40) und zur Abgabe des betreffenden Gases an diese,
- eine mit den kapillaren Röhren (40) in Verbindung stehende Mischkammer (50) zur Aufnahme von Gas aus diesen Röhren (40)
- sowie eine Leitung (60) zur Zuführung einer in der Mischkammer (50) gebildeten Gasmischung an den Auslaß (61) des Geräts, wobei der proportionale Anteil der beiden Gase in der Gasmischung der Zahl der von den betreffenden Gasen durchströmten kapillaren Röhren (40) entspricht.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillaren Röhren (40) mit einer Wärmeisolierung (41) versehen sind.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verteilervorrichtung nur folgende Teile um- - faßt:
- Ein erstes und ein zweites Eingangsleitungsvielfach (27, 28), deren jedes über eine entsprechende Einlaßleitung (25 bzw. 26) mit einem der beiden Eingänge (11, 12) in Verbindung steht und eine Mehrzahl von Anaqanqsl ei tunken (20 h?,vi. 10) haalt-yt,
- sowie eine Mehrzahl von Ventilen (31), deren jedes mit einer Ausgangsleitung (29) des ersten Eingangsleitungsvielfachs, einer Ausgangsleitung (30) des zweiten Eingangsleitungsvielfachs (28) und einem ersten Ende einer der kapillaren Röhren (40) verbunden ist und die (31) unabhängig voneinander betätigbar sind, derart, daß die jeweiligen kapillaren Röhren (40) wahlweise mit dem ersten Eingangsleitungsvielfach (27) oder dem zweiten Eingangsleitungsvielfach (28) in Verbindung stehen.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (31) elektromagnetisch betätigbar sind.
5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Eingangsleitungsvielfach (27 , 28) ein Druckregler (21 bzw, 22) und eine Entlüftungsleitung (71 bzw. 72) zugeordnet sind, mittels derer Gas der entsprechenden Speisequelle aus dem Gerät in den Außenraum ableitbar ist.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitung (60) zur Zuführung der in der Mischkammer (50)
1 gebildeten Gasmischung an den Auslaß (61) des Geräts ein Durchflußmesser (75) zugeordnet 1st, mittels derer die Gasströmung durch eine der Entluftüngsleitungen (71, 72) regulierbar ist.
7. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6 gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (80) !
- mit einer Schaltung (81) zur Betätigung der Ventile . (31)
10 - sowie mit einer elektrischen Steuerschaltung (82) zur Ansteuerung der Schaltung (81) derart, daß in der Mischkammer (50) aufeinanderfolgend Gasmischurigen gebildet werden, welche die beiden Gase in unter schiedlichen Verhältnissen enthalten, und zur Abgabe 15 dieser Gasmischungen an den Auslaß (61).
DE19823227242 1981-07-22 1982-07-21 Geraet zum mischen von gasen Granted DE3227242A1 (de)

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