DE10138468B4

DE10138468B4 - Schaltventilanordnung, Gaschromatograph und Verfahren zum Dosieren und Spülen eines Sammelkanals eines Gaschromatographen

Info

Publication number: DE10138468B4
Application number: DE2001138468
Authority: DE
Inventors: Christopher Garthe
Original assignee: Pierburg Instruments GmbH
Current assignee: AVL Emission Test Systems GmbH
Priority date: 2001-08-04
Filing date: 2001-08-04
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2021-08-05
Also published as: FR2828546A1; FR2828546B1; DE10138468A1

Abstract

Schaltventilanordnung mit einem Schaltventil (1) mit einem Ventilgehäuse (2), einem Ventiltrieb (5), an dessen beweglichem Teil ein Ventilstößel (6) mit einem Dichtelement (7) befestigt ist, das einen zugehörigen Ventilsitz (8) öffnet oder schließt, wobei der Ventilsitz (8) außerhalb des Ventilgehäuses (2) durch das Dichtelement (7) geöffnet oder geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (8) an einem zu einer Leitung (11) weisenden Ende eines in einer Bohrung der Leitung (11) angeordneten Ventilgehäuseteils (2.1) ausgebildet ist, durch welches der Ventilstößel (6) ragt, wobei das Dichtelement (7) im geöffneten Zustand in der Leitung (11) angeordnet ist und im geschlossenen Zustand die Leitung (11) begrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltventilanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Gaschromatographen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren zum Dosieren und Spülen eines Sammelkanals eines derartigen Gaschromatographen nach Anspruch 8.
Ventile werden als steuerbares Absperrorgan bzw. Drosselvorrichtung in Rohrleitungen u. ä. Einrichtungen verwendet.
Der Aufbau eines gattungsgemäßen Ventils ist in DE 29 82 1236 U1 offenbart. Das Ventil wird über einen elektromagnetischen Antrieb bzw. Betätiger geschaltet, wobei ein Dichtkörper den Ventilsitz und somit die Zuleitungen freigibt oder verschließt. Der Dichtkörper als auch der Ventilsitz sowie die Ventilwege befindet sich innerhalb des Ventilkörpers.
Nachteilig bei den bekannten Schaltventilen ist, dass deren Zuleitungen bzw. die Ventilwege im geschlossenen Zustand nicht durchströmt werden und Verschmutzungen bzw. Gasreste in den Zuleitungen verbleiben.
Es werden 2/2-Wegeventile angeboten, bei denen der Ventilsitz und der Ventilstößel offenliegen und nicht mehr im Ventilblock sitzen. Der Ventilsitz wird dann in den Block eingebracht, der eine Leitung enthält. Dadurch wird zwar das eigentliche Ventil konstruktiv näher an die Sammelleitung herangebracht, das grundsätzliche Problem der Verschmutzung jedoch nicht gelöst. Ein solches Ventil wird beispielsweise von der Firma Staiger mit Sitz in Erligheim, Deutschland, unter der Bezeichnung EA 303 als einfaches Schaltventil angeboten.
Insbesondere bei Gaschromatographen tragen Toträume in Ventilen ganz erheblich zu Messfehlern bei. Die üblicherweise eingesetzten Mehrfachschieberventile sind sehr groß und sehr teuer und wegen der möglichen Leckage nicht unproblematisch.
Bekanntlich wird für die Analyse im Gaschromatographen eine Gasprobe entnommen, um im Gas vorhandene Substanzen zu ermitteln. Dazu müssen aus einem fließenden Gasstrom die Gasprobe aus einem Leitungsabschnitt in das Analysenteil des Chromatographen weitergeleitet werden. Die im Gas vorhandenen Substanzen werden dann in einer Trennsäule voneinander getrennt. Um die Trennsäule für eine weitere Messung vorzubereiten, muss diese durchspült werden, was in der Regel durch eine Rückwärtsdurchspülung erfolgt. Bekanntlich weisen derartige Gaschromatographen eine Vielzahl von Leitungen auf, die mittels eines Mehrfachschieberventils paarweise verbunden werden. Dabei wird durch die Stellung der Verschiebeplatten bestimmt, welche der Leitungen zugeschaltet werden. Bei der Funktion Rückspülen wird die Trennsäule dann rückwärts durchströmt.
Die Nutzung eines Schaltventils in einem Gaschromatographen wird in der DE 68 92 6002 T2 offenbart. Hierbei wirkt das Schaltventil jedoch nur auf einen Trenner nach der Trennsäule ein. Bei einer Druckänderung mit negativer Differenz wird das Ventil über eine Recheneinheit geschaltet, wodurch die Trennsäule an den Trenner angeschlossen wird, um das gesamte Lösungsmittel, das möglicher Weise noch in der Trennsäule vorhanden ist, durch den Trenner auszuscheiden. Das Ventil befindet sich nicht im Analysesystem und ist deshalb bezüglich eines vorhandene Totraumes unkritisch.
Des Weiteren ist aus der US 3,176,516 A ein Mehrwegeventil für einen Gaschromatographen bekannt, welches über einen Elektromagneten betätigt wird. Je nach Stellung des Ventils besteht eine Verbindung eines Einlasses zu einem der Auslässe des Ventils. Dabei muss das Gas jeweils durch Leitungen im Ventil oder am Ventilkörper ausgebildete Räume strömen.
Hieraus ergeben sich mehrere Teilaufgaben, die einmal darin besteht, ein Schaltventil der gattungsgemäßen Art aufzuzeigen, das konstruktiv einfach gestaltet ist und welches zum anderen insbesondere in einem Gaschromatographen eingesetzt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Schaltventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Gaschromatographen mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Dadurch, dass der Ventilsitz an einem zu einer Leitung weisenden Ende eines in einer Bohrung der Leitung angeordneten Ventilgehäuseteils ausgebildet ist, durch welches der Ventilstößel ragt, wobei das Dichtelement im geöffneten Zustand in der Leitung angeordnet ist und im geschlossenen Zustand die Leitung begrenzt, wird eine Schaltventilanordnung geschaffen, welche einen geringen Totraum für die Strömung in der Leitung aufweist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein Schaltventil derart auszuführen, dass ein Dichtelement einen außerhalb des Ventilkörpers angeformten Ventilsitz und damit die im Ventilgehäuse eingebrachten Ventilwege öffnet oder verschließt. Der Ventilkörper besitzt ein rohrförmiges Ende, das vorzugsweise als flaschenhalsartiges Gehäuseteil ausgeführt ist, welches im funktionalen Gebrauch des Ventils in eine Leitung ragt. Das Dichtelement wird über einen Ventilstößel, der von einem Ventilantrieb bewegt wird, an den Ventilsitz gezogen oder von diesem weggedrückt. Dadurch wird ein kompaktes, einfach aufgebautes Schaltventil zur Verfügung gestellt, dessen Ventilsitz als auch der Ventilstößel im Gegensatz zu bekannten Schaltventilen nunmehr Bestandteil des Ventils sind, so dass die Fertigung dieser Teile durch die Ventilhersteller selbst erfolgen kann. Außerdem besteht die Möglichkeit, das Ventil vor der Montage einzustellen und zu prüfen.
In einer weiteren Überlegung wird zudem vorgeschlagen, nicht die Seitenkanäle in einem System zu schalten, d. h., diese gar nicht selbst, sondern durch Zuschaltung der Seitenkanäle (Zuleitungen) den Druck im System dahingehend zu ändern, dass sich die Strömungsrichtung der die Haupt- bzw. Sammelleitungen durchströmenden Medien ändert. Entsprechend weist der Gaschromatograph einen Sammelkanal auf, in dem wenigstens drei Schaltventile integriert sind, die drei Seitenkanäle durch das jeweilige Schaltventil in den Sammelkanal zu- bzw. abschalten, wobei das erste Schaltventil vor dem Dosiervolumen, das zweite Schaltventil nach dem Dosiervolumen und vor der Trennsäule und das dritte Schaftventil nach der Trennsäule jedoch vor dem Detektor installiert sind, durch die die Steuerung der Zu- oder Abschaltung der drei Seitenkanäle in den einen Sammelkanal erfolgt.
Dieser Gaschromatograph wird so betrieben, dass zunächst eine Messgasprobe über einen Messgaseingang in den Sammelkanal eingeleitet wird. Dabei ist eine Verbindung des Seitenkanals stromabwärts eines Dosiervolumens zum Sammelkanal durch Öffnen eines Schaltventils geöffnet, so dass ein Messgas vom Messgaseingang über das Dosiervolumen zum Seitenkanal strömt. Auch ist ein Seitenkanal zum Sammelkanal durch Öffnen eines Schaltventils geöffnet, so dass ein Spülgas vom Seitenkanal über eine Trennsäule in den Seitenkanal strömt. Daraufhin werden diese beiden Schaltventile geschlossen und das dritte Schaltventils geöffnet, so dass vom dritten Seitenkanal Nullgas in den Sammelkanal strömt und das Messgas aus dem Dosiervolumen in Richtung der Trennsäule und zu einem Detektor gedrückt wird. Das so dosierte Messgas wird anschließend analysiert und daraufhin das Schaltventil wieder geschlossen.
Dadurch kann insbesondere ein Gaschromatograph einfacher ausgeführt werden, da dieser nur noch eine durchgehend feste Leitung anstelle der vorher 6 Leitungen aufweist. Die Steuerung innerhalb der einen Leitungen erfolgt mit Schaltventilen.
Das neuartige Ventil kann dann mit dem rohrförmigen flaschenhalsähnlichen Ventilgehäuseteil direkt in die Hauptleitung, beispielsweise in den Sammelkanal des Gaschromatographen für die Analyse eines Gases, eingepasst werden.
Das neuartige Schaltventil findet überall dort Anwendung, wo Ventile mit einem geringen Totraum wichtig sind.
Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt
1 eine skizzenhafte Darstellung eines Schaltventils,
2 eine skizzenhafte Darstellung eines Gaschromatographen unter Verwendung von wenigstens einem Schaltventil aus 1.
In 1 ist ein Schaltventil 1, hier ein 2/2 Wege-Ventil, skizzenhaft dargestellt. Das Ventil 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 2 mit zwei eingebrachten Ventil-Wegen 3, 4. Im Gehäuse 2 befindet sich ein nur angedeuteter Ventilantrieb 5. Am durch den Ventilantrieb 5 beweglichen bzw. bewegten Teil 5.1 befindet sich ein Ventilstößel 6, der am vorderen Ende 6.1 ein Dichtelement 7 aufweist. Das Dichtelement 7 besteht vorzugsweise aus eines Platte 7.1, an deren Innenseite eine gummiartige Dichtung 7.2 angebracht ist.
Der länglich ausgeführte Ventilstößel 6 wird im flaschenhalsartigen Ventilgehäuseteil 2.1, der den Weg 4 bildet, geführt und schließt mit dem Dichtelement 7 einen zugehörigen Ventilsitz 8 in Ruhelage des Ventils 1 ab. Der Ventilsitz 8 wird dabei durch die Form am Ende des Ventilgehäuseteils 2.1 gebildet.
Weiterhin ist in 1 der Einbau des Ventils 1 in einer Leitung 11 eines nicht näher bezeichneten Leitungssystems 11 dargestellt.
Ist der Ventilsitz 8 offen, kann beispielsweise ein Gaseintritt durch den Weg 3 über den Weg 4 in die Leitung 11 oder umgekehrt erfolgen. Wird das Ventil 1 in seine Ruhelage geschaltet, d. h. der Ventilsitz 8 geschlossen, werden der Weg 4 und damit der Weg 3 funktional aus der Leitung 11 genommen.
Für den Einbau des Ventils 1 in die Leitung 11 wird lediglich eine Bohrung 13 benötigt, die genau bis in die Leitung 11 führt, wobei die Bohrung 13 relativ eng toleriert wird, um ein Totvolumina klein zu halten. Gegenüber dieser Bohrung 13 ist an der Wand der Leitung 11 beispielsweise eine kleinere Vertiefung vorgesehen, damit das Dichtelement 7 im funktionalen Gebrauch des Ventils 1 abgestützt werden kann.
In 2 ist ein praktischer Anwendungsfall von wenigstens einem Ventil 1 aufgezeigt.
Das hierbei aufgezeigte Messsystem 20 ist ein Gaschromatograph. Dieser weist neben nur einer Leitung 21, einem sogenannten Sammelkanal, einen Messeingang 22, drei in der Leitung 21 eingebundene Ventile 23, 24, 25 sowie ein Dosiervolumen (Dosiometer) 26 und eine Trennsäule 27 auf. Am Ende des Sammelkanals 21 ist ein Detektor 28 angeschlossen.
Die Ventile 23–25 schalten jeweils einen Seitenkanal 30, 31, 32 in den Sammelkanal 21. Das Dosiervolumen 26 befindet sich zwischen dem ersten Seitenkanal 30 und dem zweiten Seitenkanal 31 zur Einstellung eines genau definierten Volumens einer Messgasprobe 29.
Auf den Sammelkanal 21 wird in bekannter Art und Weise die Messgasprobe 29 über den Messeingang 22 gegeben. Das Ventil 24 ist geöffnet, d. h. der Seitenkanal 31 ist offen. Das zu messende Gas 29 strömt durch das Dosiervolumen 26 und das Ventil 24 in den Seitenkanal 31, entweder in die Atmosphäre oder eine Absaugung. In diesem Schritt füllt sich das Dosiervolumen 26 mit frischen Messgas 29. Das dritte Ventil 25 ist gleichfalls geöffnet, über das ein Trägergas 39, beispielsweise Stickstoff, in den Sammelkanal 21 einströmt. Damit wird die Trennsäule 27 rückwärts durchströmt, also gespült, wobei das Spülgas 39 gleichfalls aus dem Ventil 24 austritt. Es laufen somit zwei unterschiedliche Gasströme 23, 39 aufeinander zu und aus dem mittleren Ventil 24 heraus.
Danach werden beide Ventile 24, 25 geschlossen und anschließend das erste Ventil 23 geöffnet. An dieser Stelle wird jetzt Nullgas 38 mit einem genau geregeltem Druck (P2 > PI) aufgeschaltet. Die Gasmenge im Dosiervolumen 26 wird in Richtung Trennsäule 27 gedrückt und das getrennte Messgas 29' in bekannter Art und Weise im Detektor 28 analysiert. Dabei gelangt das getrennte Messgas 29' an den Ausgang des Sammelkanals 21. Nach Abschluss der Analyse werden das erste Ventil 23 geschlossen und anschließend die beiden Ventile 24, 25 zur Spülung des Sammelkanals 21 und Aufnahme eines neuen Messgases geöffnet. Danach kann ein neuer Messgang erfolgen.
Als Detektor 28 kann zur Analyse von Kohlenwasserstoffen in Autoabgasen ein Flammen Ionisations-Detektor (FID) verwendet werden. Es kann aber auch jeder beliebige GC-Detektor eingesetzt werden.
Neben den beschriebenen Einsatz können derartige Ventile 1 dort verwendet werden, wo mehrere Medien in eine gemeinsame Leitung strömen und diese sich minimal vermischen sollen, z. B. Druckerfarben etc. Den ”toten Ast” am Ende der gemeinsamen Leitung umgeht man beispielsweise durch eine Abströmung nach rechts und nach links, wozu die Enden vorzugsweise zu einer Ringleitung verbunden werden.

Claims

Schaltventilanordnung mit einem Schaltventil (1) mit einem Ventilgehäuse (2), einem Ventiltrieb (5), an dessen beweglichem Teil ein Ventilstößel (6) mit einem Dichtelement (7) befestigt ist, das einen zugehörigen Ventilsitz (8) öffnet oder schließt, wobei der Ventilsitz (8) außerhalb des Ventilgehäuses (2) durch das Dichtelement (7) geöffnet oder geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (8) an einem zu einer Leitung (11) weisenden Ende eines in einer Bohrung der Leitung (11) angeordneten Ventilgehäuseteils (2.1) ausgebildet ist, durch welches der Ventilstößel (6) ragt, wobei das Dichtelement (7) im geöffneten Zustand in der Leitung (11) angeordnet ist und im geschlossenen Zustand die Leitung (11) begrenzt.
Schaltventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) aus einer Platte (7.1) gebildet wird, an deren Innenseite eine gummiartige Dichtung (7.2) angebracht ist.
Schaltventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein rohrförmiges Ventilgehäuseteil (2.1) den eingebrachten Weg (4) bildet.
Schaltventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Ventilgehäuseteil (2.1) flaschenhalsartig ausgeführt ist.
Schaltventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstößel (6) innerhalb des im Ventilgehäuse (2) eingebrachten Weges (4) geführt wird.
Gaschromatograph (20) mit einem Dosiervolumen (26), einer Trennsäule (27) und einem Detektor (28), dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Sammelkanal (21) aufweist, in dem wenigstens drei Schaltventilanordnungen mit einem Schaltventil (23, 24, 25) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 integriert sind, die drei Seitenkanäle (30, 31, 32) durch das jeweilige Schaltventil (23, 24, 25) in den Sammelkanal (21) zu- bzw. abschalten, wobei das erste Schaltventil (23) vor dem Dosiervolumen (26), das zweite Schaltventil (24) nach dem Dosiervolumen (26) und vor der Trennsäule (27) und das dritte Schaftventil (25) nach der Trennsäule (27) jedoch vor dem Detektor (28) installiert sind, durch die die Steuerung der Zu- oder Abschaltung der drei Seitenkanäle (30, 31, 32) in den einen Sammelkanal (21) erfolgt.
Gaschromatograph nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gasströme (29, 39) in unterschiedlicher Strömungsrichtung durch den Sammelkanal (21) und aus dem Seitenkanal (31) über das mittlere Ventil (24) strömen.
Verfahren zum Dosieren und Spülen eines Sammelkanals eines Gaschromatographen gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 mit folgenden Schritten: – Einleiten einer Messgasprobe (29) über einen Messgaseingang (22) in den Sammelkanal (21) sowie Öffnen einer Verbindung des Seitenkanals (31) stromabwärts eines Dosiervolumens (26) zum Sammelkanal (21) durch Öffnen eines Schaltventils (24), so dass ein Messgas (29) vom Messgaseingang (22) über das Dosiervolumen zum Seitenkanal (31) strömt und Öffnen eines Seitenkanals (32) zum Sammelkanal (21) durch Öffnen eines Schaltventils (25), so dass ein Spülgas (39) vom Seitenkanal (32) über eine Trennsäule (27) in den Seitenkanal (31) strömt – Schließen der Schaltventile (24, 25) – Öffnen des Schaltventils (23), so dass vom Seitenkanal (30) Nullgas (38) in den Sammelkanal (21) strömt und das Messgas (29) aus dem Dosiervolumen (26) in Richtung der Trennsäule (27) und zu einem Detektor (28) drückt – Analysieren des Messgases (29) – Schließen des Schaltventils (23).