EP0000859A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Gasen in präzisem Verhältnis. - Google Patents

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EP0000859A1
EP0000859A1 EP78100011A EP78100011A EP0000859A1 EP 0000859 A1 EP0000859 A1 EP 0000859A1 EP 78100011 A EP78100011 A EP 78100011A EP 78100011 A EP78100011 A EP 78100011A EP 0000859 A1 EP0000859 A1 EP 0000859A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
pressure
chamber
line
admixture
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP78100011A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philémon G.J.M. Glaude
Endre Nagy
Hans Willi Kohnen
Adrianus J.J. Schipper
Cornelis Bobeldijk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
European Atomic Energy Community Euratom
Original Assignee
European Atomic Energy Community Euratom
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by European Atomic Energy Community Euratom filed Critical European Atomic Energy Community Euratom
Publication of EP0000859A1 publication Critical patent/EP0000859A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D11/00—Control of flow ratio
    • G05D11/02—Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material
    • G05D11/13—Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material characterised by the use of electric means
    • G05D11/131—Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material characterised by the use of electric means by measuring the values related to the quantity of the individual components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/10—Mixing gases with gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/10—Mixing gases with gases
    • B01F23/19—Mixing systems, i.e. flow charts or diagrams; Arrangements, e.g. comprising controlling means
    • B01F23/191—Mixing systems, i.e. flow charts or diagrams; Arrangements, e.g. comprising controlling means characterised by the construction of the controlling means

Definitions

  • the invention relates to a method for mixing gases in a precise ratio with a defined admixture of a first gas to a continuously flowing diluent gas and a device for carrying out the method.
  • a gas liquefied under pressure penetrates the wall of a Teflon tube into which it is enclosed at a certain rate.
  • the disadvantage of this method is that it is limited to easily liquefiable gases such as 50 2 , H 2 8, N0 2 etc.
  • a device for generating calibration mixtures of two fluids is described in LU-PS 57 552.
  • the gas to be admixed flows under pressure through a nozzle into a mixing chamber through which the carrier or diluent gas flows.
  • the quantities of the gases involved are controlled by a device which quantitatively analyzes the constituents of the resulting gas mixture and detects deviations from a predetermined target value.
  • This device has the disadvantage that very small gas admixtures are difficult to achieve. There is also the risk that control vibrations form when controlling the quantities of the gases involved.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for carrying out the method which make it possible to continuously mix gas fractions in a precise ratio, with the possibility of increasing the mixing ratio over a wide range vary.
  • the desired gas mixtures should also be able to be produced by a non-specialized force using a simple device without special preparations.
  • This object is achieved according to the invention by the periodic admixing of small volumes of the first gas with a constant flow of the diluent gas.
  • the invention is based on the finding that particularly precise metering of the gas admixture is possible over a wide range by periodically adding defined amounts of gas, and in a preferred development of the invention the quantitative ratios can be controlled in a simple manner via the selected pressure ratios.
  • the cycle frequency of the admixing of the defined volume is increased.
  • the change in pressure of the gas to be mixed allows a much finer metering than is possible with the known methods and devices.
  • the change in pressure of the gas components involved is a per se obvious means for changing the gas parts of a gas mixture, which is familiar to the user of simpler mixing devices.
  • the control of the pressure is converted into a highly precise control of volume volumes by evaluating a pressure difference.
  • a diluent gas is supplied in a line from the left in the drawing.
  • a primary to be added to the dilution gas gas passes via line parts 2 and 3 via a switching valve 4 into a gas metering device 5 and from there back via the switching valve 4 and a throttle 6 into line 1, where it is mixed with the diluent gas.
  • the pressure of the primary gas in line part 2 is controlled by a pressure regulator 7 through a differential pressure gauge 8 so that there is a predetermined pressure difference between line 1 and line part 2.
  • the gas metering device is additionally connected to the line part 2 via a line part 9, so that pressure equalization can take place here.
  • the switching valve 4 is controlled via electrical connections 10 and 11, wherein it alternately opens a line connection in the direction of arrows a and b.
  • the gas metering device has two chambers 12 and 13 which are separated by a membrane 14.
  • the chamber 12 is connected to the switching valve 4 and the chamber 13 to the line part 9.
  • the position of the membrane 14 is sensed by two detectors 15 and 16, a signal being emitted via an electrical connection 18 when the membrane is in a lower extreme position.
  • the differential manometer 8 is constructed similarly to the gas metering device 5, but has only one detector 19 with an electrical connection 20.
  • a membrane 21 separates two chambers 22 and 23 here, chamber 22 being connected to line part 2 and chamber 23 being connected to line 1.
  • the detector 19 emits an electrical signal to the connection 20 when a predetermined deflection of the membrane 21 is reached, ie the overpressure in the line part 2 in comparison to line 1 reaches a certain value.
  • FIG. 2 the control of the switching valve 4 as a function of the detectors 15 and 16 in the gas metering device 5 is shown schematically.
  • the electrical connections 17 and 18 of the gas metering device in FIG. 1 are connected to the input of an amplifier and power supply device 24.
  • the latter controls a relay 25, the output of which leads to electrical connections 10 and 11 of the switching valve 4 in FIG. 1.
  • the relay 25 shows the switching positions of the relay 25 and the resulting positions of the switching valve 4 as a function of the position of the membrane 14 between the detectors 15 and 16: the membrane takes its lower end position in the vicinity of the detector 16, the relay 25 is actuated and the connecting path b of the switching valve 4 is opened. In contrast, if the membrane 14 assumes its upper end position in the vicinity of the detector 15, the relay 25 switches over again and the connecting path a of the switching valve 4 is opened. In the right block of the illustration, the membrane 14 again assumes its lower end position and the switching operation corresponds to that shown in the outer left block. The connecting path b in the switching valve 4 is thus opened again.
  • FIG. 3 shows a design embodiment of the gas metering device 5 according to FIG. 1.
  • the gas metering device is shown in FIG. 3 in a partially disassembled state. It consists of an upper and a lower part 26 and 27 as well as cover parts 28 and 29 which can be connected to one another by means of screws.
  • the membrane 14 is clamped between the upper and lower part 26 and 27 and separates the chambers 12 and 13 from each other.
  • the chambers 12 and 13 are connected via connecting paths 30 and 31 or 32 and 33 to cavities 34 and 35, into which in turn line connections 36 and 37 open.
  • the line connection 36 leads to the switching valve 4 and the line connection 37 is connected to the line part 9.
  • the detectors 15 and 16 are screwed into the upper and lower parts 26 and 27, respectively. They are provided with electrical supply lines 17 '/ 17 "and 18' / 18", which are led out of the housing of the gas metering device 5 through lead-through parts 42 and 43 and form the electrical connections 17 and 18 (FIG. 1) thereof .
  • the detectors 15 and 16 can be designed as electrical proximity switches of various types, such as contact, capacitive or inductive switches.
  • the differential manometer 8 shown in FIG. 1 advantageously corresponds in its construction to that of the gas metering device 5. Only the upper part 26 is omitted during assembly, so that the cover part 28 is connected directly to the membrane and the lower part.
  • the differential manometer 8 and the gas metering device 5 can be spatially connected to one another in such a way that the differential manometer in the form of a further lower part including a cover part and one additional membrane are connected to the lower part 27 of the gas metering device, the cavity 35 then having to be provided with an additional connecting piece connected to the line part 9.
  • This construction takes advantage of the fact that the same pressure prevails below the membrane 14 of the gas metering device 5 and above the membrane 21 of the differential manometer 8.
  • the method according to the invention for the continuous mixing of gases now proceeds as follows in the device shown:
  • the primary gas passing the pressure regulator 7 is a pure gas or a mixture of known ones
  • the switching valve 4 can be formed, for example, by a solenoid valve which opens the path a in the non-activated state, while it opens the connection path b when current flows through its solenoid coil and it is thus activated.
  • the dilution gas flows through the line 1 at a predetermined constant flow rate, which can be checked by means of a flow meter 44 (FIG. 1).
  • a certain overpressure AP of the primary gas with respect to the secondary gas is set, which can be controlled by means of the differential pressure gauge 8.
  • An arrangement can also be used in which the pressure regulator 7 automatically maintains the pressure in the line part 2, controlled via the electrical connection 20 of the differential pressure gauge 8, at a predetermined excess pressure ⁇ P.
  • the membrane 14 assumes its position approximated to the detector 16 (corresponding to the two outer representations in the overview according to FIG. 2).
  • the solenoid coil in the switching valve 4 is then activated and the connecting path b is opened.
  • a small amount of the primary gas to be mixed flows through the throttle 6 into the line 1 and expands into the diluent gas.
  • the pressure in the chamber 13 thus becomes greater than that in the chamber 12 of the gas metering device 5.
  • the membrane 14 is deflected in the direction of the detector 15.
  • This process is repeated continuously in such a way that defined amounts of gas are mixed into the diluent gas at a certain repetition rate per unit of time.
  • the pressure drop in the chamber 12 is SP in each case.
  • the frequency of the "injection” of the primary gas into the diluent gas can be finely adjusted over a wide range by changing the differential pressure between line parts 2, 3 and 9 compared to line 1, as can be seen from the following derivations and diagrams.
  • the throttle 6 "smoothes" the pulsed admixture of the primary gas into the diluent gas.
  • the cross section of the throttle 6 can be chosen to be narrower the greater the pressure difference & P is set in the intended working range, the smoothing effect increasing accordingly.
  • V is the volume in the chamber 12 including the volume of the switching valve 4 in the event that the passage path b is open. V thus represents an unchangeable variable.
  • the value of ⁇ P is also fixed for a given choke 6, so that the operating frequency f of the gas metering device forms a function of ⁇ P:
  • the diagram depicted in FIG. 6 shows the dependence of the frequency f on the concentration c. Since all of these relationships are proportional, an exact setting of the desired mixing ratio is possible in individual cases.
  • the quantities V, 6P and v are constant.
  • the dependence can be determined and displayed graphically for the primary gas used.
  • the change in concentration c in the secondary gas can then be achieved by changing ⁇ P or Q alone.
  • the fineness of the setting of the mixing ratio ie the change in the concentration per change in the pressure difference, can also be set by varying the slopes of the straight line.
  • the proportion of the admixed gas can be changed in the range from ppm to percent.
  • several of the devices shown can be connected in series so that the corresponding gas admixtures are made one after the other.
  • the mathematical relationships shown and the sizes specific to the respective gases can be stored in a microprocessor, which also controls and monitors the gas flow and pressure during the mixing process. It is thus possible to construct a gas mixing device which, after presetting the desired mixing ratio and the gases involved on a control panel, makes it possible to directly obtain a predetermined amount of a desired gas mixture without complicated considerations and settings.

Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren zum Mischen von Gasen in präzisem Verhältnis unter definierter Beimischung eines ersten Gases zu einem kontinuierlich strömenden Verdünnungsgas sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung geht davon aus, dass eine besonders genaue Dosierung der Gasbeimischung in einem weiten Bereich durch eine periodische Zugabe von definierten Gasmengen möglich ist, wobei bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Mengenverhältnisse in einfacher Weise über die gewählten Druckverhältnisse steuerbar sind. Durch eine Heraufsetzung des Druckes des beizumischenden Gases wird die Taktfrequenz der Beimischung des definierten Volumens erhöht. Dabei ist durch die Druckveränderung des beizumischenden Gases eine viel feinere Mengendosierung möglich, als es bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen der Fall ist. Die Druckveränderung der beteiligten Gaskomponenten stellt ein an sich sinnfälliges Mittel zur Veränderung der Gasteile einer Gasmischung dar, das dem Benutzer von Mischvorrichtungen einfacherer Art geläufig ist.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird jedoch die Steuerung des Druckes unter Auswertung einer Druckdifferenz in eine hochgenaue Steuerung von Mengenvolumina umgesetzt. Die periodische Beimischung kleiner Volumina des ersten Gases bei zeitlich konstanter Strömung des Verdünnungsgases erfolgt in einer Gas-Dosier- vorrichtung (5), die eine Kammer (12) aufweist, die mit einer Leitung (1) für das Verdünnungsgas mindestens zeitweise und mit einer Zufuhrleitung (Leitungsteil) (2) für das erste Gas periodisch verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von Gasen in präzisem Verhältnis unter definierter Beimischung eines ersten Gases zu einem kontinuierlich strömenden Verdünnungsgas sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • In industriellen und Forschungs-Chemielaboratorien sind für verschiedene Anwendungen Standard- oder Eich-Gasmischungen notwendig. Da derartige Gasmischungen in vorgefertigter Form in der Regel umständlich zu beschaffen sind, eine lange Lieferzeit haben und darüber hinaus auch relativ kostspielig sind, ist der Laborchemiker bestrebt, sich derartige Gasmischungen selbst herzustellen, wenn er sie benötigt. Da dabei die Mischungsverhältnisse eine große Genauigkeit aufweisen müssen, ist aber auch die Eigenherstellung in der Regel mit Schwierigkeiten verbunden.
  • In der Vergangenheit sind verschiedene Versuche unternommen worden, Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, die es gestatten, Gasmischungen nach den jeweiligen Erfordernissen am Orte oder Verwendung kurzfristig herzustellen. So wurden beispielsweise Gasmischungen mittels Meßzylindern unter kombinierter Auswertung von Partialdruck- und Gewichtsmessungen hergestellt. Dieses Verfahren ist jedoch zeitraubend, kostenaufwendig und erfordert eine gewisse Menge Spezialkenntnisse und Erfahrung. Die Genauigkeit dieses Verfahrens wird durch Absorptionseffekte eingeschränkt. Für Konzentrationen von Gasbeimischungen, die geringer sind als 1 ppm, ist das Verfahren in der Praxis nicht mehr anwendbar.
  • Bei einem anderen Verfahren durchdringt ein unter Druck verflüssigtes Gas mit einer bestimmten Rate die Wandung eines Teflonrohrs, in das es eingeschlossen ist. Ein Verdünnungsgas, dem das verflüssigte Gas beigemischt werden soll, umströmt das Permeationsrohr von außen. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es auf leicht verflüssigbare Gase wie 50 2, H 2 8, N0 2 etc. beschränkt ist.
  • Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eichmischungen zweier Fluide ist in der LU-PS 57 552 beschrieben. Dabei strömt das beizumischende Gas unter Druck durch eine Düse in eine Mischkammer ein, welche von dem Träger- oder Verdünnungsgas durchströmt wird. Die Mengen der beteiligten Gase werden von einer Vorrichtung gesteuert, welche die Bestandteile des resultierenden Gasgemisches quantitativ analysiert und Abweichungen von einem vorgegebenen Sollwert feststellt. Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß sehr kleine Gasbeimengungen nur schwer zu bewerkstelligen sind. Außerdem besteht die Gefahr, daß sich bei der Steuerung der Mengen der beteiligten Gase Regelschwingungen ausbilden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die es ermöglichen, Gasanteile in einem präzisen Verhältnis kontinuierlich zu mischen, wobei die Möglichkeit bestehen soll, das Mischungsverhältnis in einem breiten Bereich zu variieren. Die gewünschten Gasmischungen sollen ohne besondere Vorbereitungen auch von nicht spezialisierten Kräften mit einer einfachen Vorrichtung herstellbar sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die periodische Beimischung kleiner Volumina des ersten Gases bei zeitlich konstanter Strömung des Verdünnungsgases gelöst.
  • Besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Tatsache, daß die Menge des dem Verdünnungsgas beizumischenden ersten Gases in einfacher Weise über die herrschenden Druckverhältnisse zu steuern ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine besonders genaue Dosierung der Gasbeimischung in einem weiten Bereich durch eine periodische Zugabe von definierten Gasmengen möglich ist, wobei bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Mengenverhältnisse in einfacher Weise über die gewählten Druckverhältnisse steuerbar sind. Durch eine Heraufsetzung des Druckes des beizumischenden Gases wird die Taktfrequenz der Beimischung des definierten Volumens erhöht. Dabei ist durch die Druckveränderung des beizumischenden Gases eine viel feinere Mengendosierung möglich, als es bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen der Fall ist. Die Druckveränderung der beteiligten Gaskomponenten stellt ein an sich sinnfälliges Mittel zur Veränderung der Gasteile einer Gasmischung dar, das dem Benutzer von Mischvorrichtungen einfacherer Art geläufig ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch die Steuerung des Druckes unter Auswertung einer Druckdifferenz in eine hochgenaue Steuerung von Mengenvolumina umgesetzt.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Mischung von Gasen;
    • Fig. 2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung zur Ansteuerung des in Fig. 1 dargestellten Steuerventils in Abhängigkeit von der ebenfalls in Fig. 1 dargestellten Gas-Dosiervorrichtung;
    • Fig. 3 eine Schnittdarstellung der Dosier-Vorrichtung gemäß Fig. 1;
    • Fig. 4 die Abhängigkeit der Arbeitsfrequenz der Gas-Dosiervorrichtung von der Druckdifferenz zwischen der Primär- und Sekundär-Gasleitung in einer Diagrammdarstellung;
    • Fig. 5 die Abhängigkeit des Verhältnisses der Gaskonzentrationen in der Primär- und der Sekundär-Gasleitung in Abhängigkeit vom reziproken Wert der Arbeitsfrequenz der Gas-Dosiervorrichtung, ebenfalls im Diagramm dargestellt, und
    • Fig. 6 die Abhängigkeit der Arbeitsfrequenz der Gas-Dosiervorrichtung von der Gaskonzentration in der Sekundär-Gasleitung.
  • In der in Fig. 1 wiedergegebenen schematischen Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird ein Verdünnungsgas in einer Leitung von in der Zeichnung links her zugeführt. Ein dem Verdünnungsgas beizumischendes Primär gas gelangt über Leitungsteile 2 und 3 über ein Schaltventil 4 in eine Gas-Dosiervorrichtung 5 und von dort zurück über das Schaltventil 4 und eine Drossel 6 in die Leitung 1, wo es dem Verdünnungsgas beigemischt wird. Der Druck des Primärgases in dem Leitungsteil 2 wird durch einen Druckregler 7 durch ein Differential-Manometer 8 so gesteuert, daß zwischen der Leitung 1 und dem Leitungsteil 2 eine vorgegebene Druckdifferenz besteht. Die Gas-Dosier- vorrichtung ist über einen Leitungsteil 9 zusätzlich mit dem Leitungsteil 2 verbunden, so daß hier ein Druckausgleich stattfinden kann. Das Schaltventil 4 wird über elektrische Anschlüsse 10 und 11 gesteuert, wobei es abwechselnd in Richtung der Pfeile a und b eine Leitungsverbindung öffnet.
  • Die Gas-Dosiervorrichtung weist zwei Kammern 12 und 13 auf, die durch eine Membran 14 getrennt sind. Die Kammer 12 ist mit dem Schaltventil 4 und die Kammer 13 mit dem Leitungsteil 9 verbunden. Die Stellung der Membran 14 wird von zwei Detektoren 15 und 16 abgefühlt, wobei über einen elektrischen Anschluß 18 ein Signal abgegeben wird, wenn sich die Membran in einer unteren Extremstellung befindet. Das Differential-Manometer 8 ist ähnlich aufgebaut wie die Gas-Dosiervorrichtung 5, weist jedoch nur einen Detektor 19 mit einem elektrischen Anschluß 20 auf. Eine Membran 21 trennt hier zwei Kammern 22 und 23, wobei die Kammer 22 mit dem Leitungsteil 2 und die Kammer 23 mit der Leitung 1 in Verbindung steht. Der Detektor 19 gibt ein elektrisches Signal zum Anschluß 20 ab, wenn eine vorgegebene Auslenkung der Membran 21 erreicht ist, der Überdruck im Leitungsteil 2 im Vergleich zur Leitung 1 also einen bestimmten Wert erreicht.
  • In Fig. 2 ist die Ansteuerung des Schaltventils 4 in Abhängigkeit von den Detektoren 15 und 16 in der Gas-Dosier- vorrichtung 5 schematisch dargestellt. Die elektrischen Anschlüsse 17 und 18 der Gas-Dosiervorrichtung in Fig. 1 sind mit dem Eingang einer Verstärker- und Stromversorgungseinrichtung 24 verbunden. Letztere steuert ein Relais 25 an, dessen Ausgang zu elektrischen Anschlüssen 10 und 11 des Schaltventils 4 in Fig. 1 führt.
  • In einer in Fig. 2 oberhalb des Relais 25 wiedergegebenen Übersicht sind die Schaltstellungen des Relais 25 und die resultierenden Stellungen des Schaltventils 4 in Abhängigkeit von der Position der Membran 14 zwischen den Detektoren 15 und 16 dargestellt: Nimmt die Membran ihre untere Endlage in der Nähe des Detektors 16 ein, so wird das Relais 25 betätigt und es wird der Verbindungsweg b des Schaltventils 4 geöffnet. Nimmt dagegen die Membran 14 ihre obere Endlage in der Nähe des Detektors 15 ein, so schaltet das Relais 25 wieder um und es wird der Verbindungsweg a des Schaltventils 4 geöffnet. In dem rechten Block der Darstellung nimmt die Membran 14 wieder ihre untere Endlage ein und der Schaltvorgang entspricht dem im äußeren linken Block dargestellten. Es wird damit wieder der Verbindungsweg b im Schaltventil 4 geöffnet.
  • In Fig. 3 ist ein konstruktives Ausführungsbeispiel der Gas-Dosiervorrichtung 5 gemäß Fig. 1 dargestellt. Um die Übersichtlichkeit der Zeichnung zu verbessern, ist die Gas-Dosiervorrichtung in Fig. 3 in teilweise zerlegtem Zustand wiedergegeben. Sie besteht aus einem Ober- und einem Unterteil 26 bzw. 27 sowie Deckelteilen 28 und 29, die mittels Schrauben miteinander verbindbar sind. Die Membran 14 wird zwischen Ober- und Unterteil 26 bzw. 27 eingespannt und trennt die Kammern 12 und 13 voneinander. Die Kammern 12 und 13 stehen über Verbindungswege 30 und 31 bzw. 32 und 33 mit Hohlräumen 34 und 35 in Verbindung, in die ihrerseits Leitungsanschlüsse 36 und 37 münden. Der Leitungsanschluß 36 führt zum Schaltventil 4 und der Leitungsanschluß 37 steht mit dem Leitungsteil 9 in Verbindung. Dichtungsringe 38 bis 41 schließen das Innere der Gas-Dosiervorrichtung 5 nach außen hin hermetisch ab, wenn sie zusammengesetzt ist. Die Detektoren 15 und 16 sind in das Ober- bzw. Unterteil 26 bzw. 27 eingeschraubt. Sie sind mit elektrischen Zuleitungen 17'/17" bzw. 18'/18" versehen, welche durch Durchführungsteile 42 und 43 hindurch aus dem Gehäuse der Gas-Dosiervorrichtung 5 herausgeführt sind und die elektrischen Anschlüsse 17 und 18 (Fig. 1) derselben bilden. Die Detektoren 15 und 16 können dabei als elektrische Annäherungsschalter verschiedener Art, wie beispielsweise Kontakt-, kapazitive oder induktive Schalter, ausgebildet sein.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Differential-Manometer 8 entspricht vorteilhafterweise in seinem konstruktiven Aufbau demjenigen der Gas-Dosiervorrichtung 5. Es entfällt bei der Montage lediglich das Oberteil 26, so daß das Deckelteil 28 direkt mit der Membran und dem Unterteil verbunden ist. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die eine besonders kompakte Bauform zuläßt, können das Differential-Manometer 8 und die Gas-Dosiervorrichtung 5 direkt in der Weise räumlich miteinander verbunden sein, daß das Differential-Manometer in Form eines weiteren Unterteils einschließlich eines Deckelteils und einer zusätzlichen Membran an das Unterteil 27 der Gas-Dosiervorrichtung angeschlossen sind, wobei dann der Hohlraum 35 mit einem zusätzlichen mit dem Leitungsteil 9 in Verbindung stehenden Leitungsstutzen versehen sein muß. Diese Konstruktion macht sich die Tatsache zunutze, daß unterhalb der Membran 14 der Gas-Dosiervorrichtung 5 und oberhalb der Membran 21 des Differential-Manometers 8 der selbe Druck herrscht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Mischung von Gasen läuft bei der dargestellten Vorrichtung nun folgendermaßen ab: Das den Druckregler 7 passierende Primärgas stellt ein reines Gas oder eine Mischung bekannter Zusammensetzung dar. Unter der Annahme, daß das Schaltventil zunächst in Richtung a geöffnet sei, füllen sich die beiden Kammern 12 und 13 der Gas-Dosiervorrichtung 5 mit dem Primärgas gleichmäßig auf. Das Schaltventil 4 kann beispielsweise durch ein Magnetventil gebildet werden, welches in nicht aktiviertem Zustand den Weg a öffnet, während es den Verbindungsweg b öffnet, wenn seine Magnetspule von Strom durchflossen und es damit aktiviert ist. Das Verdünnungsgas durchströmt die Leitung 1 mit einer vorbestimmten konstanten Strömungsgeschwindigkeit, welche mittels eines Durchflußmessers 44 (Fig. 1) kontrolliert werden kann. Mittels des Druckreglers 7 wird ein bestimmter Überdruck ÄP des primären Gases in Bezug auf das Sekundärgas eingestellt, welcher mittels des Differential-Manometers 8 kontrolliert werden kann. Es ist dabei auch eine Anordnung anwendbar, bei der der Druckregler 7 den Druck im Leitungsteil 2, gesteuert über den elektrischen Anschluß 20 des Differential-Manometers 8, selbsttätig bei einem vorgegebenen Überdruck ΔP hält.
  • Wenn die beiden Kammern 12 und 13 der Gas-Dosiervorrichtung 5 gleichmäßig mit Gas gefüllt sind, nimmt die Membran 14 ihre dem Detektor 16 angenäherte Position ein (entsprechend den beiden äußeren Darstellungen in der Übersicht gemäß t'ig. 2). Daraufhin wird die Magnetspule im Schaltventil 4 aktiviert und der Verbindungsweg b geöffnet. Jetzt strömt eine geringe Menge des beizumischenden Primärgases über die Drossel 6 in die Leitung 1 und expandiert in das Verdünnungsgas. Damit wird der Druck in der Kammer 13 größer als derjenige in der Kammer 12 der Gas-Dosiervorrichtung 5. Die Membran 14 wird in Richtung auf den Detektor 15 ausgelenkt. Daraufhin wird der Stromfluß durch die Magnetspule des Schaltventils 4 wieder unterbrochen und es stellt sich der Verbindungsweg a ein, wodurch die Kammer 12 der Gas-Dosier- vorrichtung erneut mit Primärgas gefüllt wird, dessen Druck gleich demjenigen im unteren Systembereich ist, der vom Druckregler 7 gehalten wird. Über den Verbindungsweg b und die Drossel 6 entspannt sich die in der Kammer 12 befindliche Gasmenge anschließend wieder in das Verdünnungsgas auf der Leitung 1.
  • Dieser Ablauf wiederholt sich fortlaufend in der Weise, daß mit einer bestimmten Wiederholungsrate pro Zeiteinheit definierte Gasmengen dem Verdünnungsgas beigemischt werden. Der Druckabfall in der Kammer 12 beträgt jeweils SP. Die Frequenz der "Injektion" des Primärgases in das Verdünnungsgas ist über die Veränderung des Differenzdruckes zwischen den Leitungsteilen 2, 3 und 9 gegenüber der Leitung 1 in einem weiten Bereich fein einstellbar, wie aus den folgenden Ableitungen und Diagrammen ersichtlich ist. Durch die Drossel 6 wird die an sich impulsförmige Beimischung des Primärgases in das Verdünnungsgas "geglättet". Der Querschnitt der Drossel 6 kann dabei um so enger gewählt werden, je größer die Druckdifferenz &P im vorgesehenen Arbeitsbereich eingestellt wird, wobei die Glättungswirkung entsprechend zunimmt. Dadurch ist es möglich, das Mischverfahren in weiten Grenzen dem vorgesehenen Einsatzbereich anzupassen. Ist zum Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit des Verdünnungsgases in der Leitung 1 gering, wird man bestrebt sein, eine Gasbeimischung zu erreichen, die möglichst kleinen Schwankungen unterliegt, wobei geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise eine große Druckdifferenz ΔP, getroffen werden können, um auch die Nachfüllzeit für die Kammer 12 klein zu halten.
  • Die während eines jeden "Injektionsvorgang" dem Verdünnungsgas beigemischte Volumenmenge Primärgas ergibt sich nach der Formel
    Figure imgb0001
  • Dabei ist V das Volumen in der Kammer 12 einschließlich des Volumens des Schaltventils 4 für den Fall, daß der Durchlaßweg b geöffnet ist. V stellt damit eine unveränderliche Größe dar. Bei fest angebrachten Detektoren 15 und 16 ist auch für eine gegebene Drossel 6 der Wert von δP festgelegt, so daß die Arbeitsfrequenz f der Gas-Dosiervorrichtung eine Funktion von ΔP bildet:
    Figure imgb0002
  • Dieser Zusammenhang ist in Fig. 4 dargestellt. Die Konstante k, welche die Steigung der Geraden bestimmt, hängt von der Art des Primärgases ab. Das Verhältnis der Konzentration C des Primärgases zu derjenigen des Primärgases im Verdünnungsgas ergibt sich nach der Formel:
    Figure imgb0003
  • Die Abhängigkeit des Konzentrationsverhältnisses von der reziproken Arbeitsfrequenz der Gas-Dosiervorrichtung ist in dem Diagramm gemäß Fig. 5 wiedergegeben, Q ist dabei die von dem Durchflußmesser 44 gemessene Menge des Sekundärgases pro Zeiteinheit.
  • In dem in Fig. 6 wiedergegebenen Diagramm ist die Abhängigkeit der Frequenz f von der Konzentration c dargestellt. Da alle diese Zusammenhänge proportional sind, ist im Einzelfall eine genaue Einstellung des gewünschten Mischungsverhältnisses möglich. Bei einer vorgegebenen Einrichtung sind die Größen V, 6P und v konstant. Die Abhängigkeit
    Figure imgb0004
    kann für das jeweils verwendete Primärgas ermittelt und graphisch dargestellt werden. Die Veränderung der Konzentration c im Sekundärgas kann dann jeweils durch das alleinige Verändern von ΔP oder Q erreicht werden. Durch eine geeignete Wahl der übrigen Parameter ist es möglich, daß der gewünschte Konzentrationsänderungsbereich in einen ausgewählten Bereich einstellbarer Druckänderungen fällt. Über eine Variierung der Steigungen der Geraden läßt sich auch die Feinheit der Einstellung des Mischungsverhältnisses, d.h. die Veränderung der Konzentration pro Änderung der Druckdifferenz einstellen. Der Anteil des zugemischten Gases läßt sich im Bereich von ppm bis Prozent verändern. Um Mischungen von mehr als zwei Gasanteilen zu erhalten, lassen sich mehrere der dargestellten Vorrichtungen hintereinanderschalten, so daß die entsprechenden Gasbeimischungen nacheinander erfolgen.
  • Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die dargestellten mathematischen Zusammenhänge und die für die jeweiligen Gase spezifiachen Größen in einem Mikroprozessor abgespeichert werden, welcher während des Mischungsvorgangs auch die Steuerung und Überwachung von Gasdurchfluß und -druck übernimmt. Damit ist es möglich, eine Gasmischungsvorrichtung aufzubauen, welche nach Voreinstellung des gewünschten Mischungsverhältnisses und der beteiligten Gase an einem Bedienungspult es ermöglicht, eine vorgegebene Menge einer gewünschten Gasmischung ohne komplizierte Überlegungen und Einstellungen direkt hergestellt zu erhalten.

Claims (13)

1. Verfahren zum Mischen von Gasen in präzisem Verhältnis unter definierter Beimischung eines ersten Gases zu einem kontinuierlich strömenden Verdünnungsgas, gekennzeichnet durch die periodische Beimischung kleiner Volumina des ersten Gases bei zeitlich konstanter Strömung des Verdünnungsgases.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischung des ersten Gases aus einem Speichervolumen (Kammer 12) heraus erfolgt, das jeweils mit diesem Gas bis zu einem Überdruck (ΔP) gegenüber dem Druck des Verdünnungsgases gefüllt wird, wenn der Druck um einen Differenzdruck (δP) kleiner als der Fülldruck ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischung des ersten Gases und das Füllen des Speichervolumens (Kammer 12) abwechselnd erfolgen,
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischung des ersten Gases über eine Drossel (6) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck (ΔP) des ersten Gases in Bezug auf den Druck des Verdünnungsgases konstant gehalten wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gas-Dosier- vorrichtung (5) vorgesehen ist, welche eine Kammer (12)aufweist, die mit einer Leitung (1) für das Verdünnungsgas mindestens zeitweise und mit einer Zufuhrleitung (Leitungsteil 2) für das erste Gas periodisch verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) von der Zufuhrleitung (Leitungsteil 2) getrennt wird, wenn der Druck in der Kammer (12) einen Überdruck (ΔP) gegenüber dem Druck des Verdünnungsgases aufweist und die Kammer (12) mit der Zufuhrleitung (Leitungsteil 2) verbunden ist, wenn der Druck um einen vorgegebenen Differenzdruck (5P) unter dem Druck in der Kammer (12) beim Trennen liegt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Dosiervorrichtung (5) mit einer in Abhängigkeit von dem Druck in der Kammer (12) auslenkbaren Membran (14) versehen ist, welche über Detektoren (15,16) die Verbindung der Kammer (12) zu der Zufuhrleitung (Leitungsteil 2) bei den genannten Drücken herstellt bzw. unterbricht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zeit des Auffüllens der Kammer (12) die Verbindung zu der das Verdünnungsgas führenden Leitung (1) gesperrt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Dosiervorrichtung (5) eine weitere Kammer (13) aufweist, welche durch die Membran (14) von der Kammer (12) getrennt und mit der Zufuhrleitung (Leitungsteil 2) für das erste Gas verbunden ist, wobei der die Unterbrechung der Verbindung zwischen der Kammer (12) und der Zufuhrleitung (Leitungsteil 2) bewirkende Detektor (16) anspricht, wenn der Druck zwischen der Kammer (12) und der weiteren Kammer (13) ausgeglichen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruck zwischen der das Verdünnungsgas führenden Leitung (1) und der Zufuhrleitung (Leitungsteil 2) durch einen in die letztere eingeschalteten Druckregler (7) auf einem konstanten Wert gehalten wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (7) durch ein zwischen der das Verdünnungsgas führenden Leitung (1) und der Zufuhrleitung (Leitungsteil 2) vorgesehenes Differential-Manometer (8) gesteuert wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beimischung mehrerer Gase zu dem Verdünnungsgas für jedes beizumischende Gas eine Gas-Dosiervorrichtung (5) mit den entsprechenden Steuerungsmitteln vorgesehen ist.
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