DE3814917A1 - Gasmischer zur erzeugung eines kontinuierlichen gasmischstromes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasmischer zur Erzeu­ gung eines kontinuierlichen Gasgemischstromes, der aus dem Hauptstrom eines Trägergases mit einer oder mehreren variabel zudosierten Gaskomponenten besteht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Erzeugung eines kontinuierlichen Gasgemischstromes definierter Zusammensetzung aus mehreren Einzelkomponenten mit möglichst hoher Genauigkeit bei sehr kurzen Einstellzeiten.

Es sind bereits Gasmischer bekannt, die mit Blenden arbeiten. Bei solchen kann jedoch die Zusammensetzung der Gase nur stu­ fenweise vorgenommen werden. Dabei werden auch große Mengen an Überschußgas erzeugt. Weiter sind Gasmischer mit thermischen Massenstromreglern bekannt. Diese thermischen Massentromregler werden jedoch durch die Umgebungstemperatur in ihrer Dosier­ genauigkeit beeinflußt. Durch Wandeffekte und vor allem durch vorhandene Totvolumina treten Verschleppungseffekte bei Kon­ zentrationsänderngen ein.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Gasmisch­ einrichtung zu schaffen, bei der die Zusammensetzung des Gases stufenlos vorgenommen werden kann, möglichst geringe Mengen von Überschußgas erzeugt werden und vor allem die in den Schaltelementen vorhandenen Totvolumina möglichst gering sein sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin­ dung die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführt sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gasmischers ergeben sich aus den Merkmalen, die in den Unteransprüchen angegeben sind.

Bei einer solchen Ausbildung des Gasmischers erfolgt nun die Zudosierung der Gaskomponenten in vorteilhafter Weise in den Abschaltventilen selbst auf kürzestem Weg dadurch, daß der Trägergasstrom ständig durch das Ventil durchströmt und dabei keine größeren Totvolumina gebildet werden. Der Trägergasstrom wird dabei in vorteilhafter Weise über ein Extraventil gesteu­ ert bzw. geschaltet. Auf diese Weise können feinste Zudosie­ rungen ohne größere Gaskomponentenverluste durchgeführt wer­ den, wobei die Zudosierung extrem fein erfolgen kann.

Weitere Vorteile bestehen darin, daß eine Vielzahl von Kompo­ nenten gemischt werden können, das Gerät stehts auf konstanter Temperatur gehalten werden kann und daß die Sammelleitung für das Gasgemisch separat beheizbar ist. Es können 3-Wegeventile verwendet werden, die so modifiziert sind, daß immer ein Durchgang vom Trägergas durchspült werden kann.

Auf diese Weise wird bei der Gasmischung eine sehr hohe Genau­ igkeit bei sehr geringen Antwortzeiten erzielt.

Der Gasmischer sowie seine Funktion werden im folgenden anhand der Figur näher erläutert:

Der Gasmischer gemäß der Figur dient zur Erzeugung eines kon­ tinuierlichen Gasgemischstromes, der aus einer Mehrzahl von Komponenten bestehen soll - in dem dargestellten Anwendungs­ fall acht Komponenten - und dessen Zusammensetzung variabel vorgegeben werden kann. Das Prinzip des Aufbaus ist in der Fi­ gur wiedergegeben. Die Mischvorrichtung ist als Gerät ausge­ führt, welches in einem Außengehäuse 17 untergebracht ist. Das Gehäuse 17 ist mit einer Wärmeisolierung 22 versehen. Durch die Wandung des Gehäuses 17 werden das Trägergas über die Lei­ tung 23 und sieben Gaskomponenten als Zumischgase über die Leitungen 24 bis 30 von außen zugeführt und das erzeugte Gas­ gemisch mittels der Leitung 31 abgeführt. Durch eine geregelte Heizung wird die Temperatur im Außengehäuse 17 mit einer Soll­ wertvorgabe zwischen 40°C und 75°C konstant gehalten.

Jede über die Zuleitungen 24 bis 30 zugeführte und zu zumi­ schende Gaskomponente durchströmt zunächst einen thermischen Massentromregler 1 bis 8. Hinter jeden der Massenstromregler 1 bis 8 ist ein Magnetventil 9 bis 16 geschaltet, welches über seinen Eingang p 1 an den jeweiligen Massentromregler ange­ schlossen ist. Für das Zumischen werden die 3-Wegemagnet­ ventile 9 bis 15 mit je zwei Eingängen p 1 und p 2 sowie einem Ausgang a verwendet. Das 2-Wegeventil 16 für das Trägergas be­ sitzt nur einen Eingang p 1 und den Ausgang a.

Alle Magnetventile 9 bis 16 weisen zwei Schaltstellungen auf. Während das Ventil 16 ein reines Zweiwegeauf -zuventil ist, arbeiten die Ventile 9 bis 15 als 3-Wegeventile. Durch eine spezielle Modifikation wird dabei erreicht, daß der Eingang p 2 ständig mit dem Ausgang a verbunden bleibt, während der Ein­ gang p 1 wahlweise zugeschaltet werden kann. Damit arbeiten die Ventile 9 bis 15 als reine Zumischventile. D.h. nur die Ein­ gänge p 1 sind bezogen auf die Ausgänge a absperrbar bzw. schaltbar, wogegen immer Durchgang von p 2 nach a aufrechter­ halten wird.

Hinter dem 2-Wegeventil 16 wird der Trägergasstrom an der Ver­ zweigungsstelle 32 in zwei Teilströme 33 und 34 aufgeteilt. Der eine Teilstrom 33 führt über die Verteilerleitung 19 zu den Eingängen p 2 der Zumischventile 9 bis 15. Der andere Teil­ strom 34 führt in das Mischrohr oder den Sammler 20, in dem das fertige Gasgemisch entsteht. Der rohrförmige Sammler 20 ist dabei von einer Wärmeisolierung 18 umgeben und kann mit einer geregelten eigenen Heizung auf einer höheren Temperatur als die innerhalb des Außengehäuses gehalten werden. Aus dem Sammelrohr 20 führt eine weitere Leitung 21 für das fertige Gasgemisch und mündet durch die Gehäusewand als Gasgemischab­ leitung nach außen. Je nach Anzahl der gewünschten Zumischgase kann das Gerät auch mit entsprechend weniger Massenflußreglern und Ventilen ausgerüstet.

Die Funktionsweise der Gasgemischanlage ist nun wie folgt:

In der Ruhestellung stehen alle Magnetventile 1 bis 16 in der Stellung, in der die Verbindung von p 1 nach a unterbrochen ist, so daß nirgends Gas strömen kann. Wird der Mischvorgang gestartet, öffnet das Ventil 16, worauf für jede zuzumi­ schende Gaskomponente am entsprechenden Zumischventil 9 bis 15 p 1 mit a durch Öffnen des entsprechenden Weges verbunden wird. Mit den Massenstromreglern 1 bis 8 werden die einzelnen Gas­ ströme konstant gehalten, so daß in der Verteilerleitung 20 ein Gasgemischstrom mit konstanter Zusammensetzung und kon­ stantem Massenfluß erzeugt wird.

Die Magnetventile 9 bis 16 und die Massenflußregler 1 bis 8 werden von einer separaten elektrischen Steuereinheit elek­ trisch angesteuert und überwacht. Durch die Thermostatisierung des Innenraumes vom Gehäuse 17 werden Temperatureinflüsse auf die Elektronik der Massenstromregler und auf die Gaseigen­ schaften ausgeschaltet, wodurch die Dosiergenauigkeit erheb­ lich gesteigert wird. Um die Nichtlinearität zu eliminieren wird für jeden Massenstromregler 1 bis 8 eine zuvor ermittelte Korrekturfunktion in der Steuereinheit eingespeichert, die dort dann zur Bildung des erforderlichen Sollwertsignals auto­ matisch miteinbezogen wird. Dadurch wird ein Optimum an Genau­ igkeit erreicht.

Durch die spezielle Modifikation der Zumischventile 9 bis 15 mit einem freien Durchgang von p 2 nach a wird erreicht, daß ständig Trägergas über die Leitung 19 von p 2 nach a gelangt. Dadurch werden diese Ventile ständig gespült und über p 1 zuge­ führte Gase werden sofort in den Sammler 20 getragen, auch wenn diese Ströme sehr klein sind. Dadurch werden die Ein­ stellzeiten nach vorgegebenen Änderungen in der Gaszusammen­ setzung so klein wie möglich gehalten und es werden Verschlep­ pungseffekte ausgeschaltet, die dadurch entstehen, daß Rest­ mengen von Gaskomponenten in den Ventilkammern und in den Zu­ leitungen zum Sammler 20 zurückbleiben. Durch Beheizung das Sammlers 20 wird die Adsorption von Gasen auf seiner Innenflä­ che verhindert. Dadurch wird ein Minimum an Antwortzeit bei Änderungen der Gaszusammensetzung erreicht.

Außer der Ruhestellung und dem Mischvorgang ist auch noch ein Spülvorgang vorgesehen, hierbei sind alle Zumischgasanschlüsse p 1 gesperrt und es strömt nur Trägergas sowohl über die Ventileingänge p 2 als auch direkt in den Sammler 20, wodurch die Ventile und alle Leitungen dahinter sauber gespült werden. Auch hier führt die Beheizung des Sammlers 20 zu kürzeren Spülzeiten.

Bezugszeichenliste

 1 bis  8 Massenstromregler
 9 bis 15 Dreiwegemagnetventile
16 Zweiwegemagnetventil
17 Außengehäuse
18 Wärmeisolierung
19 Verteilerleitung
20 Sammler
21 Leitung
22 Wärmeisolierung
23 Trägergaszuleitung
24 bis 30 Zumischgasleitung
31 Gasmischableitung
32 Verzweigungsstelle
33 erster Teilstrom
34 zweiter Teilstrom
p 1 Ventileingangzumischgas
p 2 Ventileingangträgergas
a Ventilausgang

Claims (3)

1. Gasmischer zur Erzeugung eines kontinuierlichen Gasgemisch­ stromes, der aus dem Hauptstrom eines Trägergases mit einem oder mehreren variabel zudosierten Gaskomponenten besteht, mit einem Sammelrohr für das Gasgemisch, an das Sammelrohr angeschlossenen, getrennten Dosierleitungen für jede Kompo­ nente, in welche jeweils ein Massenstromregler und ein Ab­ sperrorgan eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrorgane für die zu zu dosierenden Gaskomponenten aus 3-Wegeventilen (9-15) bestehen, von denen jeweils zwei Eingänge (p 1 und p 2) auf den Ausgang (a) geschaltet sind, wobei von den Eingängen der eine (p 1) sperrbar ist, der an­ dere (p 2) jedoch immer Durchgang zum Ausgang (a) aufweist und daß die zu zu dosierende Gaskomponente auf den einen, den sperrbaren Eingang (p 1) jedes Ventils geschaltet, das Trägergas jedoch auf den ständig im Durchgang stehenden an­ deren Eingang (p 2) geschaltet ist.

2. Gasmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Sperrventil (16) für das Trägergas ein Abzweig (33) aus der Leitung in den Sammler (20) vorgesehen ist, der mittels einer Verteilerleitung (19) auf die in ständi­ gem Durchgang stehenden Eingänge (p 2) jedes der Ventile (9- 15) geschaltet ist.

3. Gasmischer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit einem Ge­ häuse, in welchem Sammelrohr, Massenstromregler, Ventile und Verbindungsleitungen untergebracht sind und in welches die Gaskomponenten eingeleitet sowie der Gasgemischstrom wieder herausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler (20) und das Gehäuse (17) jeweils eine eigene Wär­ meisolierung (18 und 22) und eine Heizung aufweisen, wobei die Temperaturen innerhalb der Isolierung (18) des Sammlers (20) auf einem höheren Temperaturniveau, als innerhalb der Isolierung (22) des Außengehäuses (17) einstellbar ist.