-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Regelung des Druckes und/oder des Flusses eines Gasstromes,
wobei die Vorrichtung ein Gehäuse
aufweist, das mit einer Druckregelungskammer versehen ist, wobei
zumindest ein Teil deren Wand eine Membran aufweist, wobei die Membran
auf der von der Druckregelungskammer entfernten Seite einer einstellbaren
Vorspannkraft unterworfen wird, wobei die Druckregelungskammer eine
Einlaßöffnung für ein Gas
und eine Auslaßöffnung für ein Gas
aufweist, wobei es möglich
ist, daß mindestens
eine der Öffnungen
mit Hilfe eines verschiebbaren Verschlußelements, das mit der Membran
in einer derartigen Weise verbunden ist, daß die Position des Verschlußelements
von der Verschiebung der Membran abhängt, vollständig oder teilweise vergesperrt
wird. Dies bedeutet, daß das
Ausmaß,
in dem die Membran gebogen wird, einerseits von dem momentanen Druck
in der Druckregelungskammer und andererseits von der Spannung abhängt, die
mit Hilfe der Vorspanneinrichtung an die Membran angelegt wird,
wobei die Membran aktiv mit einer Druckkammer für ein Gas verbunden wird, wobei
diese Druckkammer mit einer Einlaßöffnung für ein Gas und einer Auslaßöffnung für ein Gas
versehen ist, um den Druck in der Druckkammer mit dem Ziel einzustellen,
eine Vorspannkraft anzuwenden.
-
Eine
Vorrichtung der weiter oben erwähnten Art
ist nach bisherigem Stand der Technik bekannt. Die Vorrichtung kann
zum Beispiel verwendet werden, um einen Gasstrom, der sich unter
einem relativ hohen Druck befindet, in einen Gasstrom mit einem niedrigeren
Druck herunter zu regeln. Die Position des Verschlußelements
ist mit der Biegung der Membran verknüpft. Folglich wird der Druck
des Gasstromes, der die Druckregelungskammer über die Auslaßöffnung verläßt, in einer
Anfangsposition durch die Position der Membran bestimmt. Die bekannte
Vorrichtung kann verwendet werden, um den Druck eines Gasstromes
auf ein gewünschtes
Niveau zu verringern. Der Druck des Gasstromes, der die Druckregelungskammer
an der Auslaßöffnung verläßt, hängt von
der Größe der Einlaßöffnung ab,
welche von dem Verschlußelement
offen gelassen wird. Je weiter das Verschlußelement die Einlaßöffnung verschließt, desto
niedriger ist der aus der Auslaßöffnung der Druckregelungskammer
fließende
Druck.
-
Die
weiter oben erwähnte
Vorrichtung ist (u. a.) aus US-A-4 798 521 bekannt. Aus dieser Akte
ist eine Vorrichtung zur Regelung des Druckes in einem Behälter bekannt.
Neben den erwähnten
Elementen weist die bekannte Vorrichtung Einrichtungen zur Messung
möglicher
Druckdifferenzen in der Druckkammer und der Auslaßöffnung der
Vorrichtung auf, wobei diese Differenzen verwendet werden können, um
den Druck in der Druckkammer zu regeln.
-
Ein
wichtiger Nachteil, der mit Vorrichtungen, die nach bisherigem Stand
der Technik bekannt sind, verbunden ist, ist, daß es immer noch unmöglich ist, die
Position der Membran genau einzustellen. In der Praxis ist die Schaltzeit
der Ventile in der Einlaßöffnung und
der Auslaßöffnung nicht
infinitesimal. Es wird immer eine physikalische Grenze geben, welche die
Genauigkeit der Steuerung begrenzt.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der
in der Einleitung erwähnten Art
zur Verfügung
zu stellen, mit welcher es möglich ist,
die Position der Membran genau einzustellen. Es ist für sie auch
wünschenswert,
daß es
möglich
ist, die Position der Membran, wenn sie einmal eingestellt wurde,
auf relativ einfache Weise zu justieren.
-
Diese
Aufgaben werden in der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die Einlaßöffnung mit einer
Flußdrosselung
versehen ist. Damit ist es möglich,
daß die
Auslaßöffnung mit
einer Flußdrosselung versehen
wird.
-
Die
Verwendung einer Druckkammer, in der ein Gas unter Druck gehalten
wird, ermöglicht,
daß die
Position der Membran in der Anfangsposition und daher die Position
des Verschlußelements
in der Einlaßöffnung der
Druckregelungskammer mit Hilfe eines Gasdruckes eingestellt werden.
Durch Erhöhen oder
Verringern des Druckes in der Druckkammer kann die Position der
Membran nach Wunsch bestimmt werden.
-
Aufgrund
der sowohl an der Einlaßöffnung als
auch der Auslaßöffnung vorhandenen
Drosseln ist es möglich,
den Fluß zu
und aus der Druckkammer mit einer viel höheren Genauigkeit als bisher
zu steuern.
-
Gemäß der Erfindung
ist es ferner möglich, daß die von
der Druckregelungskammer entfernte Seite an die Druckkammer angrenzt.
Damit ist es möglich,
daß die
Einlaßöffnung und
die Auslaßöffnung der
Druckkammer mit einem fernsteuerbaren Absperrventil versehen werden.
-
Damit
kann die Position der Membran verändert werden, indem der Druck
in der Druckregelungskammer verändert
wird.
-
Diese
Maßnahmen
stellen auf sehr einfache Weise sicher, daß der Druck in der Druckkammer
erhöht
oder verringert werden kann. Die fernsteuerbaren Absperrventile
ermöglichen,
daß die
Einstellung des Druckes in der Druckregelungskammer zum Beispiel
mit Meßeinrichtungen
gekoppelt werden kann, die anderswo in der Vorrichtung untergebracht
sind.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
daß die
Vorrichtung mit Einrichtungen zum Messen des Druckes des Gasstromes
versehen wird, wobei diese Meßeinrichtungen
in der Nachbarschaft der Auslaßöffnung der
Druckregelungskammer angeordnet werden. Es ist auch möglich, daß die Vorrichtung
mit Einrichtungen zum Messen des Druckes des Gasstromes versehen
wird, wobei diese Meßeinrichtungen
in der Nachbarschaft der Einlaßöffnung der
Druckregelungskammer angeordnet werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft,
wenn die Vorrichtung mit Regelungseinrichtungen versehen wird, die
einerseits mit den Einrichtungen zum Messen des Gasdruckes und andererseits
mit den fernsteuerbaren Absperrventilen der Druckkammer aktiv verbunden
sind.
-
Diese
Maßnahmen
stellen sicher, daß der Druck
oder der Fluß des
Gasstromes, der die Druckregelungskammer verläßt oder in sie hinein fließt, überwacht
werden kann. Durch zusätzliches
Koppeln dieser Druckmessungen mit den fernsteuerbaren Absperrventilen
ist es möglich,
daß jegliche
Abweichungen des gemessenen Druckes des Gasstromes direkt in eine Änderung
der Position der Membran übersetzt
werden.
-
Gemäß der Erfindung
ist es auch möglich, daß die Membran über ein
Kopplungselement mit einer zweiten Membran verbunden wird, wobei
diese zweite Membran an die Druckkammer angrenzt, und daß die von
der Druckregelungskammer entfernte Seite der Membran an eine zweite
Druckkammer angrenzt, wobei die Druckregelungskammer über eine Drossel
mit einer Zuleitung für
ein Gas verbunden ist und die zweite Druckregelungskammer in offener Verbindung
mit dieser Zuleitung steht.
-
Diese
Maßnahme
ermöglicht,
daß die
vorliegende Erfindung zum Einstellen einer Membran verwendet wird,
wobei ihre beiden Seiten an eine Zuleitung für einen Gasstrom angrenzen.
Die erste Seite der Membran grenzt an einen geschlossenen Raum, der
eine Auslaßöffnung enthält und über eine
Drossel mit der Zuleitung verbunden ist. Die andere Seite der Membran
grenzt an einen geschlossenen Raum, der in freier Verbindung mit
der Zuleitung ist. Wenn ein Fluß von
der Zuleitung über
die Drossel zu der Auslaßöffnung des
geschlossenen Raums auf der ersten Seite der Membran stattfindet,
bewirkt das Vorhandensein der Drossel, daß eine Druckdifferenz an der Membran
ist. Diese Druckdifferenz bestimmt die Position der Membran und
folglich das Ausmaß,
in dem die Auslaßöffnung versperrt
wird. Die Gleichgewichtsposition, um die sich die Membran bewegt, kann
mit Hilfe der weiter oben beschriebenen Maßnahmen mit Hilfe der genannten
Druckkammer eingestellt werden, wobei es möglich ist, den Druck in der
Druckkammer zu ändern.
Mindestens eine Wand der Druckkammer wird durch eine zweite Membran gebildet,
die über
ein Kopp lungselement mit der Membran verbunden ist, welche auf beiden
Seiten mit der Zuleitung verbunden ist.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft auch einen Gaschromatographen, der
mit der weiter oben erwähnten
Vorrichtung versehen ist.
-
Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist besonders darauf zugeschnitten, in einem Gaschromatographen
verwendet zu werden. Erstens wird, da auf beiden Seiten der Membran
Gas vorhanden ist, die Diffusion durch das Material der Membran auf
ein Minimum begrenzt. Ferner ist es möglich, sowohl die Einlaßöffnung der
Druckregelungskammer als auch die Einlaßöffnung der Druckkammer mit
ein und derselben Zuleitung zu verbinden. Dies bedeutet, daß auf beiden
Seiten der Membran das gleiche Gas vorhanden ist. In dem Gaschromatographen
ist es möglich,
dem Gasfluß eine
zu untersuchende Substanz zuzusetzen, wenn der Druck des Gasflusses
von einem relativ hohen Druck auf einen relativ niedrigen Druck
herbgesetzt wurde, d. h. stromabwärts von der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Ergebnis davon ist, daß ein
möglicher Verlust
von zu untersuchendem Material verhindert wird.
-
Nach
einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Regelung des Druckes oder eines Flusses eines Gasstromes, wobei
der zu regelnde Gasstrom von einer Einlaßkammer über eine Einlaßöffnung in
eine Druckregelungskammer zugeführt
wird, wobei zumindest ein Teil deren Wand durch eine Membran gebildet
wird, wobei der Druck in der Druckregelungskammer durch Einstellen
der Größe der Einlaßöffnung der
Druckregelungskammer mit Hilfe eines Verschlußelements geregelt wird, welches
aktiv in einer derartigen Weise mit der Membran verbunden ist, daß eine Änderung des
Verschiebungsniveaus der Membran eine Änderung des Ausmaßes bewirkt,
in dem das Verschlußelement
die Einlaßöffnung versperrt,
wobei die Membran einer Vorspannkraft unterworfen wird, mit deren Hilfe
der Membran eine bestimmte Positionierung auferlegt wird.
-
Das
Verfahren gemäß dieser
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorspannkraft
durch ein unter Druck stehendes Gas in der Druckkammer angewendet
wird, wobei die Anfangsposition der Membran durch Einstellen des
Druckes des Gases in der Druckkammer eingestellt wird.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
daß der
Gasstrom aus einer Auslaßöffnung der
Druckregelungskammer entlassen wird. In diesem Fall ist es vorteilhaft,
wenn der Druck des Gasstromes mindestens regelmäßig in der Nachbarschaft der
Auslaßöffnung der
Druckregelungskammer gemessen wird und daß der gemessene Wert mit einem
gewünschten
Wert, der von der Anfangsposition der Membran abhängt, verglichen
wird und daß der
Druck in der Druckkammer auf der Grundlage dieses Vergleichs durch
Zuführen
oder Ablassen von Gas in oder aus der Druckkammer erhöht oder verringert
wird.
-
Diese
Maßnahme
ermöglicht,
den Druck in dem Gasstrom, der die Druckregelungskammer verläßt, so nahe
wie möglich
an dem gewünschten
Wert zu halten. Im Prinzip ist die Vorrichtung in einer derartigen
Weise konstruiert, daß jegliche
Abweichungen von dem gewünschten
Druck in dem aus der Druckregelungskammer austretenden Gasstrom, welche
durch Schwankungen in der Position der Membran verursacht werden,
durch die Vorrichtung selbst beseitigt werden können. Jegliche unerwünschte Restschwankungen
können
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
wirksam eliminiert werden.
-
Außerdem ist
es gemäß der Erfindung
möglich,
daß ein
Gasvolumen in die Druckkammer zugeführt wird, wobei während oder
nach diesem Vorgang ein anderes Gasvolumen aus der Druckkammer entlassen
wird.
-
Die
Folge dieser Maßnahme
ist, daß während der
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kein Problem mit sogenannten Toträumen besteht. Wenn ein nicht
ausreichendes Volumen von Gas in die Druckkammer zugeführt werden
sollte, könnte
die Membran auf diese Gaszugabe in einer nichtlinearen Weise reagieren.
Durch Sicherstellen, daß das
Volumen des zugeführten
Gases immer größer als
ein spezifischer Schwellwert ist und daß ein gewisses Gasvolumen während oder sofort,
nachdem dieses Gasvolumen zugeführt
wurde, entlassen wird, wird sichergestellt, daß per Saldo kleine Gasvolumen
in die Druckkammer zugeführt
werden können,
mit anderen Worten, daß der
Druck in der Druckkammer sehr genau eingestellt werden kann, ohne daß Probleme
mit Toträumen
bestünden.
-
Gemäß der Erfindung
ist es vorteilhaft, wenn dem Druck in der Druckkammer ermöglicht wird,
allmählich
zuzunehmen oder abzunehmen.
-
Für gewisse
Anwendungen kann es vorteilhaft sein, zu ermöglichen, daß der Druck des Gasstromes,
der die Druckregelungskammer verläßt, allmählich zu- oder abnimmt. Zum
Beispiel im Fall eines Gaschromatographen kann es sein, daß im Fall
von Druckschwankungen verschiedene Elemente aus dem Gasstrom in
einer Säule
getrennt werden, die in einer Leitung positioniert sein kann, welche
mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung verbunden ist. Wenn der Druck in der Druckkammer nun allmählich verändert wird, ändert sich
der Druck des Gasstromes, der die Druckregelungskammer verläßt, ebenfalls.
Diese Änderungen
können
das Trennungsvermögen
der Säule
begünstigen.
-
Die
vorliegende Erfindung, wie durch die unabhängigen Ansprüche 1 und
11 definiert, wird unter Bezug auf die Figuren beschrieben, wobei:
-
1 eine Vorrichtung zur Regelung
des Druckes oder des Flusses des Gasstromes nach bisherigem Stand
der Technik zeigt;
-
2 eine Vorrichtung zur Regelung
des Druckes in einem Gasstrom gemäß einer bevorzugten Konstruktion
zeigt;
-
3 einen schematischen Überblick über einen
Gaschromatographen zeigt, in dem die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung angeordnet ist;
-
5 die Zuführung eines
Gasstromes in die Druckkammer schematisch zeigt;
-
6 eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer miniaturisierten Form zeigt;
-
7 die vorliegende Erfindung
in der Form eines „Gegendruck"-Reglers schematisch
zeigt; und
-
10 eine mögliche Konstruktionsvariante der
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
-
1 zeigt eine Vorrichtung 1,
mit deren Hilfe es möglich
ist, den Druck eines Gasstromes zu regeln. Die Vorrichtung gemäß 1 ist nach bisherigem Stand
der Technik bekannt.
-
Die
Vorrichtung gemäß 1 weist eine Gaseinlaßkammer 2 auf,
die über
eine Einlaßöffnung 3 mit
einer Druckregelungskammer 4 verbunden ist. Neben der Einlaßöffnung 3 weist
diese Druckregelungskammer auch eine Auslaßöffnung 5 auf. Die Einlaßkammer 2 bildet
einen Kanal, der mit Einrichtungen 6 versehen ist, um zum
Beispiel eine Gasleitung anzuschließen. Die Einrichtungen 6 können zum
Beispiel eine Schraubenmutter aufweisen. Die Auslaßöffnung 5 der
Druckregelungskammer 4 ist mit einem Kanal 7 verbunden,
der zum Beispiel mit Einrichtungen 8 zum Verbinden mit
einer Gasleitung versehen ist.
-
Auf
der Oberseite wird die Druckregelungskammer 4 in der in
der Figur gezeigten Position mit Hilfe eines flexiblen Elements
oder einer Membran 10 versperrt. Auf ihrer Oberseite ist
die Membran 10 mit einer Feder 11 verbunden. Die
Feder 11 kann verwendet werden, um eine Spannkraft an die
Membran 10 anzulegen. Das Maß der durch die Feder 11 auf die
Membran 10 ausgeübten
Spannkraft hängt
von der Einstellung der Stellschraube 12 ab, welche (in der
in der Figur gezeigten Position) aktiv mit der Oberseite der Feder 11 verbunden
ist.
-
Auf
der Unterseite ist die Membran 10 mit einem Verschlußelement 15 verbunden.
Das Verschlußelement 15 ist
mit der Membran 10 in einer derartigen Weise verbunden,
daß die
Position des Verschlußelements 15 von
der Biegung der Membran 10 abhängt.
-
Es
ist in 1 zu sehen, daß das Verschlußelement 15 auf
der Unterseite mit einer Feder 17 verbunden ist. Diese
Feder 17 stellt sicher, daß das Verschlußelement 15 durch
die Wechselwirkung zwischen der Membran 10 und der Feder 17 richtig
in der Auslaßöffnung 3 der
Druckregelungskammer positioniert ist.
-
Die
Vorrichtung 1 nach dem bisherigen Stand der Technik arbeitet
wie folgt:
-
Die
Stellschraube 12 und die Feder 11 werden verwendet,
um einen spezifischen Federdruck auf die Membran 10 einzustellen.
Der auf die Membran 10 wirkende Federdruck stellt die Position
des Verschlußelements 15 in
der Zuleitungsöffnung 3 ein. Dann
wird die Einlaßkammer 2 mit
einer Leitung mit relativ hohem Druck verbunden. Über den
Kanal 7 kann die Auslaßöffnung 5 mit
einer Leitung verbunden werden, in der ein Gasstrom mit einem konstanten
Druck erwünscht
ist. Der Gasstrom von der Einlaßkammer 2 zu
der Druckregelungskammer 4 übt einen Druck auf die Unterseite
der Membran 10 aus. Der in der Druckregelungskammer 4 aufgebaute Druck
einerseits und der durch die Feder 11 ausgeübte Druck
andererseits bestimmen zusammen die Position der Membran 10.
In diesem Fall wird der Abstand zwischen der Membran 10 und
der Einlaßöffnung 3 der
Druckregelungskammer 4 umso größer, je höher der Druck in der Druckregelungskammer 4 wird.
Als eine Folge wird das Verschlußelement 15 nach oben
gezogen, so daß die
Einlaßöffnung 3 weiter
verschlossen wird. Da der Kanal weiter geschlossen wird, nimmt der
Gasstrom von der Einlaßkammer 2 zu
der Druckregelungskammer 4 ab. Als eine Folge fällt der
Druck in der Druckregelungskammer 4 mit dem Ergebnis ab,
daß sich
die Membran 10 ein wenig nach unten bewegt. Als ein Ergebnis
nimmt die Größe der in
der Zuleitungsöffnung 3 gebildeten Öffnung wieder
zu, so daß der
Druck in Druckregelungskammer 4 wieder zunehmen kann. Es
wird deutlich, daß das
Verbinden der Membran 10 mit dem Verschlußelement 15 in
der Druckregelungskammer 4 zu einem automatisch hergestellten
Gleichgewicht führt.
Das Niveau dieses Gleichgewichtsdruckes in der Druckregelungskammer 4 und
folglich das Niveau des Flusses aus der Kammer 4, können mit
Hilfe der Stellschraube und der Feder 11 eingestellt werden.
Der in der Druckregelungskammer 4 vorherrschende Gleichgewichts druck
stellt einen Gasfluß durch
die Auslaßöffnung 5 und
den angrenzenden Kanal 7 sicher, der ein im wesentlichen
konstanter Druck ist.
-
Die
Vorrichtung 1 zur Regelung des Druckes eines Gasstromes
gemäß des bisherigen
Stands der Technik kann in einem Gaschromatographen verwendet werden.
Damit ein Chromatograph dieser Art richtig arbeitet, ist es wichtig,
daß es
für den
zu analysierenden Gasstrom möglich
ist, daß er
zum Beispiel bei einem Druck, der leicht einzustellen und konstant
ist, durch eine Säule
gezwungen wird. Die Vorrichtung 1 gemäß des bisherigen Stands der Technik
wird daher in der Zuleitung einer Säule dieser Art installiert.
-
Ein
erheblicher Nachteil der Vorrichtung 1 nach bisherigem
Stand der Technik ist, daß es
notwendig ist, daß mit
Hilfe der Feder 11 dauernd ein Druck auf die Membran 10 ausgeübt wird.
Außerdem kann
die Membran 10 mit Hilfe der Feder 11 und der Stellschraube 12 nicht
genau eingestellt werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Membran 10 bewirken kann,
daß eine
Diffusion stattfindet. In der Druckregelungskammer 4 ist
unter Druck stehendes Gas vorhanden. Abhängig vom Material der Membran 10,
ist es möglich,
daß gewisse
Bestandteile des Gases in der Druckregelungskammer 4 durch
die Membran 10 diffundieren können. Dies bedeutet, daß diese
Bestandteile aus dem Gasstrom verschwinden und die Druckregelungskammer
nicht über
die Auslaßöffnung 5 verlassen.
Wenn die Vorrichtung 1 nach bisherigem Stand der Technik
verwendet wird, kann das Auftreten einer Diffusion für einen
Gaschromatographen bedeuten, daß die
genommenen Messungen unzuverlässig
sind.
-
2 zeigt eine beispielhafte
Ausführungsform
der Vorrichtung 20 zur Regelung des Druckes eines Gasstromes
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Vorrichtung 20 weist ein Gehäuse 9 auf,
in dem eine Einlaßkammer 2 enthalten
ist. Über
eine Einlaßöffnung 3 ist
diese Einlaßkammer 2 mit
der Druckregelungskammer 4 verbunden. Auf ihrer Oberseite
wird die Druckregelungskammer 4 (in der in der Figur gezeigten
Position) mit Hilfe eines flexiblen Elements 10 versperrt.
-
Die
Druckregelungskammer 4 ist über eine Auslaßöffnung 5 mit
einem Kanal 7 verbunden. Die Einlaßkammer 2 kann zum
Beispiel mit Hilfe von Verbindungseinrichtungen 6 mit einer
Verbindungsleitung für
ein Gas verbunden werden. Mit Hilfe von Verbindungseinrichtungen 8 kann
der Kanal 7 zum Beispiel mit einer Ablaßleitung für Gas verbunden werden. Auf
der Oberseite der Membran 10 weist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Druckkammer 21 auf. Diese Druckkammer 21 weist eine
Einlaßöffnung 22 und
eine Auslaßöffnung 23 auf.
Die Einlaßöffnung 22 und
die Auslaßöffnung 23 können jeweils
mit einer Zuleitung 24 für Gas und einer Auslaßleitung 25 für ein Gas
verbunden werden. Fernsteuerbare Verschlußelemente 26 und 27 können jeweils
in den Leitungen 24 und 25 angeordnet werden.
In der Vorrichtung 20 sind Meßeinrichtungen 30,
die verwendet werden können,
um den Druck des Gases in der Nachbarschaft der Auslaßöffnung 5 zu messen,
in der Nachbarschaft der Auslaßöffnung 5 angeordnet.
Diese Druckmeßeinrichtungen 30 sind aktiv
mit einer Steuerungseinheit 31 verbunden. Diese Steuerungseinheit
kann zum Beispiel Merkmale enthalten, welche die von den Einrichtungen 30 gemessenen
Werte mit gewünschten
oder Sollwerten vergleichen. Die Steuerungseinheit 31 ist
ihrerseits aktiv mit den fernsteuerbaren Absperrventilen 26 und 27 verbunden.
-
Die
Vorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung
funktioniert wie folgt:
-
Mit
Hilfe der Befestigungseinrichtung 6 kann eine Gasleitung,
die ein Gas enthält,
das einen relativ hohen Druck hat, mit der Einlaßkammer 2 verbunden werden.
Unter Verwendung jeder der Befestigungseinrichtungen 6, 8 kann
eine Auslaßleitung
zum Ablassen eines Gases an dem Kanal 7 befestigt werden.
In dieser Leitung ist es möglich,
einen Gasstrom mit einem relativ konstanten Druck zu erzeugen. Das Gas
fließt über die
Einlaßkammer 2 und
die Einlaßöffnung 3 in
Richtung der Druckregelungskammer 4. Der Gasstrom verläßt dann
die Druckregelungskammer 4 über die Auslaßöffnung 5 in
dem Kanal 7. Genau wie in der Vorrichtung nach bisherigem
Stand der Technik kann die Einlaßöffnung 3 mit Hilfe
eines aktiv mit der Membran 10 verbundenen Verschlußelements 15 versperrt
werden. In diesem Fall wird der freie Flußkanal für das Gas von der Einlaßkammer 2 über die
Einlaßöffnung 3 in
Richtung der Druckregelungskammer 4 umso kleiner, je höher der
Druck in der Druckregelungskammer 4 wird und je weiter
die Membran 10 verschoben wird. Genau wie beim bisherigen
Stand der Technik wird in der Druckregelungskammer 4 automatisch
ein Gleichgewichtsdruck und daher ein Gleichgewichtsfluß aufgebaut. Dies
bedeutet, daß ein
Gasstrom, der einen im wesentlichen konstanten Druck hat, die Druckregelungskammer 4 über die
Auslaßöffnung 5 verläßt. In der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 ist
das Gleichgewichtsniveau des Druckes, der in der Druckregelungskammer 4 eingestellt
wird, nicht von einem Federdruck abhängig, sondern vielmehr von
einem Druck, der in einer Druckkammer 21 auf der entgegengesetzten
Seite der Membran 10 aufgebaut wird. Dies bedeutet, daß der Druck
der Membran 10 einerseits im wesentlichen durch den Druck
in der Druckregelungskammer 4 und andererseits durch den Druck
in der Druckkammer 21 bestimmt wird. Wie die Druckregelungskammer 4 ist
die Druckkammer 21 mit einer Einlaßöffnung 22 und einer
Auslaßöffnung 23 versehen.
Wie dargelegt wurde, kann die Einlaßöffnung 22 ebenso mit
einer Gasleitung 24 verbunden werden. Ein Verschlußelement 26 kann
in dieser Gasleitung 24 angeordnet werden. Eine ähnliche
Anordnung findet in der Auslaßöffnung 23,
an die eine Gasleitung 25 angeschlossen werden kann, Anwendung.
In dieser Gasleitung 25 kann ein Verschlußelement 27 angeordnet
werden.
-
Wenn
es gewünscht
wird, den Druck in der Druckkammer 21 einzustellen, können die
Absperrventile 26 und 27 nach Wunsch geöffnet und
geschlossen werden, und Gas kann mit Hilfe der Leitungen 24 und 25 in
die Druckkammer 21 zugeführt oder aus ihr abgelassen
werden.
-
In
der Verwendung wird der Druck des Gases, der in dem Auslaßkanal 7 vorherrscht,
mit Hilfe der Meßeinrichtungen 30 regelmäßig oder
fortlaufend gemessen. Diese Meßinformationen
werden an die Steuerungseinheit 31 übertragen. Die Steuerungseinheit 31 ist
aktiv mit den Absperrventilen 26 und 27 in den
Leitungen 24 und 25 verbunden. Wenn zum Beispiel
von den Meßeinrichtungen 30 ermittelt wird,
daß der
Druck des aus der Druckregelungskammer 4 fließenden Gases
zu hoch ist, kann der Druck in der Druckkammer 21 verringert
werden, indem das Absperrventil 27 in der Leitung 25 für eine gewisse Zeit
geöffnet
wird. Als ein Ergebnis ist Gas in der Lage, aus der Druckkammer 21 zu
entweichen, mit der Folge, daß in
der Druckregelungskammer 4 ein neuer Gleichgewichtsdruck
hergestellt werden kann.
-
Es
sollte bemerkt werden, daß die
Ablaßleitung 25 im
allgemeinen fähig
ist, frei in die Umwelt auszulaufen.
-
Der
Vorteil der Vorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, daß die
Position der Membran 10 mit einem relativ hohen Genauigkeitsgrad
justiert werden kann. Falls gewünscht,
kann die Gaszuleitung über
die Einlaßöffnung 22 der
Druckkammer 21 verwendet werden, um Gas zuzuführen, bis
der richtige Druck in der Druckregelungskammer 4 erreicht
ist. In diesem Fall kann die regelmäßige Messung des Druckes in
dem Auslaßkanal 7 als
ein Eingangssignal zum Einstellen des Druckes in der Druckkammer 21 verwendet
werden.
-
Ein
weiterer Vorteil ist, daß der
Druck in der Druckkammer 21 zum Beispiel periodisch oder
allmählich
geändert
werden kann. Anwendungen, zum Beispiel im Fall von Gaschromatographen,
bei denen es vorteilhaft ist, wenn der Druck des einem Gaschromatographen
zugeführten
Gasstromes zum Beispiel zu- oder abnimmt, sind bekannt. Im Fall
eines schwankenden Druckes ist es möglich, verschiedene Bestandteile
mit Hilfe der Detektionseinrichtungen, die im allgemeinen mit der
Säule verbunden
sind, welche in einem (nicht gezeigten) Chromatographen verwendet
wird, zu trennen. Durch regelmäßiges Ändern dieses
Druckes des in den Chromatographen zugeführten Gases ist es möglich, zahlreiche
feinere Messungen durchzuführen.
-
3 stellt die Verwendung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die in einem Gaschromatographen verwendet wird, schematisch dar.
Von einer (nicht gezeigten) Quelle wird ein Gasstrom in Richtung
der Einlaßkammer 2 zugeführt. Wie
in 2 erklärt, kann
die Einlaßkammer 2 mit
Hilfe des Verschlußelements 15 von
der Druckregelungskammer 4 abgeriegelt werden. Der in der
Druckregelungskammer 4 auf der Unterseite der Membran 10 aufgebaute
Druck und der in der Druckkammer 21 auf der Oberseite der
Membran 10 aufgebaute Druck bestimmen zusammen die Position
der Membran 10 und folglich die Position des Verschlußelements 15 in der
Einlaßöffnung 3 zwischen
der Einlaßkammer 2 und
der Druckregelungskammer 4. Durch die Auslaßöffnung 5 fließt ein Gasstrom,
der einen im wesentlichen konstanten Druck hat, durch den Kanal 7. Da
ein konstanter Druck sichergestellt ist, ist das Volumen des Flusses
ebenfalls konstant. Dieser Strom, der einen im wesentlichen konstanten
Druck hat, wird von dem Kanal 7 in Richtung einer Düse 32 zugeführt. Mit
Hilfe dieser Düse
wird der Gasstrom zum Beispiel einem Säulenchromatographen zugeführt, der
im Diagramm mit 33 bezeichnet ist. Dieser Säulenchromatograph
kann zum Beispiel ein Trompetenglasrohr aufweisen, in dem ein Trennmedium
angeordnet ist. Der aus der Säule
hervorgehende Gasstrom wird dann Detektionseinrichtungen zugeführt, die
im Diagramm mit 34 bezeichnet sind. Die Detektionseinrichtungen
können
mit einer Verarbeitungseinheit, wie etwa einem PC35, verbunden sein.
Dieser PC kann zum Beispiel auch dazu dienen, die Temperaturregelung
des Chromatographen zu steuern. Dies ist zeichnerisch durch die
Linie T angedeutet. Der PC35 kann auch verwendet werden, um die Steuerungseinheit 31 zu
steuern, welche verwendet wird, um den Druck in der Druckkammer 21 zu
regeln. Der Druck in der Druckregelungskammer 20 wird wie
unter Bezug auf 2 beschrieben
geregelt.
-
3 zeigt ferner, daß die Druckregelungskammer 4 mit
einem Ventil zum Abbau des Druckes oder einem „Druckentlastungsventil" versehen ist. Der
Weg an der Endseite der Druckregelungskammer zeigt manchmal eine
hohe (Fluß-)Drosselung. Der
Grund dafür
liegt in dem Vorhandensein einer langen Säule mit einem kleinen Innendurchmesser. Aufgrund
dieser hohen (Fluß-)Drosselung
ist die Geschwindigkeit für
die Regelung von einem relativ hohen Druck auf einen relativ niedrigen
Druck begrenzt. Aufgrund des Vorhandenseins des „Druckentlastungsventils" ist es möglich, einen
Teil des überflüssigen Gasflusses
mit Hilfe einer anderen Drossel steuerbar abfließen zu lassen.
-
Das
Druckentlastungsventil wird auch als ein Drucksicherheitsventil
verwendet. Wenn der Druck in der Druckregelungskammer 4 aufgrund
einer Störung
oder eines Lecks zu hoch ist, reagiert die Steuerung durch Öffnen des
Druckentlastungsventils. Daher können
mögliche
Schäden
an dem System verhindert werden.
-
Außerdem zeigt 3, daß der Einlaß, der mit der Einlaßkammer 2 verbunden
ist, der gleiche wie der Einlaß ist,
der mit dem Ventil 26 verbunden ist. Das bedeutet, daß das zum
Regeln der Drücke sowohl
in der Kammer 4 als auch 21 verwendete Gas aus
der gleichen Quelle kommt. Wenn er als ein Gaschromatograph verwendet
wird, wird normalerweise ein stabiler Gasfluß hergestellt, bevor das zu
untersuchende Medium dem Gasfluß stromaufwärts von
der Säule
zugesetzt wird.
-
Außerdem zeigt 3, daß zwischen dem jeweiligen Ventil 26 und 27 und
der Druckkammer 21 Flußdrosseln 41, 42 vorhanden
sind. Diese Ventile haben mindestens eine gewisse minimale Schaltzeit, daher
ist es möglich,
daß, wenn
die Ventile geöffnet werden,
eine Gasmenge durch das Ventil transportiert wird, die mit Bezug
auf das Volumen der Druckkammer zu groß ist, um die bevorzugten Steuerungseigenschaften
zu erzielen. Durch Hinzufügen
der Drosselungen sowohl an der Einlaß- als auch der Auslaßöffnung der
Druckkammer 21 kann eine genaue Steuerung eingerichtet
werden.
-
Alternativ
kann eine sogenannte (nicht gezeigte) „Polsterung" verwendet werden.
Diese Polsterung kann in der Öffnung
des Ventils positioniert werden, das mit der Einlaßöffnung oder
der Auslaßöffnung der
Druckkammer verbunden ist. Aufgrund des Vorhandenseins der Polsterung
kann das Volumen zwischen der Ventildichtung und der Drossel teilweise
gefüllt
werden. Daher wird sogar eine noch kleinere Menge an Gas mit einem
relativ hohen Druck durch das Ventil transpor tiert, wodurch die
Genauigkeit der Drucksteuerung erhöht wird.
-
Wenn
es gewünscht
wird, den Druck in der Druckregelungskammer 4 und daher
den Druck des Gasstromes, der aus dem Kanal 7 der Vorrichtung 20 herausgeführt wird,
einzustellen, muß mit
Hilfe der Absperrventile 26 und 27 Gas aus der
Druckkammer 21 abgelassen oder in sie zugeführt werden.
Wenn es gewünscht
wird, den Druck in der Druckkammer 21 genau einzustellen,
wird bevorzugt, kleine Gasvolumen zu verwenden, die der Druckkammer 21 zugeführt oder
aus ihr abgelassen werden. Wegen des Volumens der Druckkammer 21 selbst
wird es unausweichlich immer ein gewisses Volumen an Totraum geben.
Dies bedeutet, daß das
Zuführen
oder Ablassen eines kleinen Gasvolumens aus der Druckkammer 21 keine
Auswirkung auf die Position der Membran 10 und folglich
den letztendlichen Druck in der Druckregelungskammer 4 hat.
Die in 4 dargestellte
Regelungsanordnung kann verwendet werden, um zu vermeiden, daß dieser „Totraum" gebildet wird. Wenn
der Druck in der Druckkammer 21 erhöht werden soll, wird über das
Absperrventil 26 ein relativ großes Gasvolumen in die Druckkammer
zugeführt. Dies
ist durch die Linie EIN angezeigt. Gleichzeitig wird über das
Absperrventil 27 ein ein wenig kleineres Gasvolumen aus
der Druckkammer 21 freigesetzt. Dies ist durch die Linie
AUS angezeigt. Das Nettoergebnis ist, daß ein relativ kleines Gasvolumen in
die Druckkammer 21 zugeführt wird. Dies ist durch die
Linie EIN (Ergebnis) angezeigt.
-
Natürlich ist
es auch möglich,
zuerst über das
Absperrventil 26 ein Gasvolumen einzuführen und über das Absperrventil 27 ein
Gasvolumen nicht gleichzeitig, sondern vielmehr darauffolgend, zu
entfernen. Auf diese Weise ist es möglich, die gleiche Wirkung
zu erzielen wie mit dem in 5 dargestellten
Kreislauf.
-
In
der Praxis ist es beim Einstellen des Druckes in der Druckkammer 21 zum
Beispiel möglich, sich
zuerst für
die Zuführung
von Gas über
das Absperrventil 26 in einigen großen Schritten zu entscheiden.
Wenn die Nähe
des gewünschten Sollwerts
erreicht ist, kann die Einstellung des Druckes unter Verwendung
des in 5 dargestellten
Verfahrens verfeinert werden.
-
Es
ist in 3 zu erkennen,
daß eine
Drosselung 41 zwischen dem Absperrventil 26 und
der Einlaßöffnung der
Druckkammer 21 angeordnet ist. Eine ähnliche Drosselung 42 ist
auch zwischen der Auslaßöffnung der
Druckkammer 21 und dem Absperrventil 27 angeordnet.
Diese Drosselungen 41 und 42 sind als „Verzögerungseinrichtungen" für den Gasstrom
zu betrachten. Um in der Lage zu sein, den in die Druckkammer 21 zugeführten Gasstrom
und den aus der Druckkammer 21 abgelassenen Gasstrom richtig
und genau zu regeln, ist es vorteilhaft, ein filterartiges Rückhaltelement
in der Leitung von dem Absperrventil 26 und in der Leitung
zu dem Absperrventil 27 zu positionieren. Dieses Rückhaltelement
kann mit einem Widerstand in einer elektrischen Leitung verglichen
werden. Die Drosselungen 41 und 42 können zum
Beispiel aus gesintertem Material gebildet werden. Der Gasstrom
wird durch eine poröse,
schwammige Struktur aus dem gesinterten Material durchgelassen,
aber verzögert.
-
In 4 ist dargestellt, welche
Parameter in den in 3 gezeigten „Druckregelungscomputer" eingespeist werden.
Die ankommenden Signale können
u. a. für
Flußeinstellung,
die Gasviskosität,
den Auswärtsdruck,
den Umgebungsdruck, den Durchmesser und die Länge der mit der Druckregelungskammer 4 verbundenen
Säule und/oder
die eingestellte Ofentemperatur verwendet werden. Alle diese Parameter
können
an den „Drucksteuerungscomputer", der Signale an
die Steuerventile sendet, um den erforderlichen Druck (Psoll) herzustellen,
weitergeleitet werden.
-
Die
Vorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist insbesondere für
sehr kleine Anwendungen geeignet. Die Konstruktion der Vorrichtung 20 bedeutet,
daß sie
relativ leicht miniaturisiert werden kann. Eine beispielhafte Ausführungsform
ist eine zum Beispiel unter Verwendung von Ätzverfahren aus Silizium hergestellte
Vorrichtung 20.
-
In 6 ist die Einlaßkammer 2 auf
der Oberseite der Membran 10 untergebracht. Die in der Figur
dargestellten Leitungen haben in der Praxis eine Dicke von einigen μμm. Die Druckkammer 21 ist auf
der Unterseite der Membran 10 in der Vorrichtung 20 untergebracht.
Die Absperrventile 26 und 27 werden jeweils durch
flexible Verschlußlippen
gebildet, die links und rechts in der Figur gezeigt sind.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft immer die Verwendung der Vorrichtung 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung für
die Bildung eines Gasstromes mit einem im wesentlichen konstanten
Druck aus einem Zuführungsgasstrom
mit einem relativ hohen Druck. Die Struktur, die unter Bezug auf
die weiter oben erwähnten
Figuren bereits diskutiert wurde, kann jedoch mit einer geringfügigen Anpassung
auch als ein „Gegendruck"-Regler verwendet werden. Dies bedeutet,
daß in
diesem Fall der Einlaß durch
den Kanal 7 gebildet wird, welcher als der Zuführungskanal
dient. Von dem Kanal 7 fließt der Gasstrom in die Druckregelungskammer 4.
In diesem Fall wird die Position der Membran 10 ebenfalls
durch den Druck bestimmt, der sowohl in der Druckregelungskammer 4 als
auch in der Druckkammer 21 vorherrscht. Die Beschreibung
der weiter oben erwähnten
Figuren bezieht sich immer auf die Öffnung zwischen dem Kanal 2 und
der Druckregelungskammer 4, deren Größe abnimmt, wenn der Druck
in der Druckregelungskammer 4 erhöht wird. Es ist in 6 zu erkennen, daß die Größe der Auslaßöffnung 29 zwischen
der Druckregelungskammer 4 und dem Kanal 2 in
der Vorrichtung 60, die einen „Gegendruck-„Regler
regeln soll, zunimmt, wenn der Druck in der Druckregelungskammer 4 zunimmt.
In der Praxis bedeutet dies, daß, wenn
ein Gasstrom über
den Kanal 7 und die Auslaßöffnung 28 zugeführt wird,
dieser Gasstrom mit einem im wesentlichen konstanten Druck und mit
einem im wesentlichen konstanten Fluß in die Druckregelungskammer 4 zugeführt werden
kann. Wie die weiter oben diskutierte Vorrichtung 20 ist
die Vorrichtung 60 mit Meßeinrichtungen 30 ausgestattet,
die verwendet werden können,
um den Druck des Gasstromes in dem Kanal 7 zu messen.
-
Diese
Meßeinrichtungen 30 sind
aktiv mit der Steuerungseinrichtung 31 verbunden, mit deren
Hilfe die Absperrventile 26, 27 betrieben werden
können.
-
In 8 ist der Überblick über den
Drucksteuerungscomputer schematisch gezeigt, welcher in der Vorrichtung
und dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann. Der Drucksteuerungscomputer ist
mit Elektronik, wie etwa einem Einchip-Mikrocontroller und einem
hochauflösenden
A-D-Wandler versehen. Der Mikrocontroller kann mit Hilfe einer seriellen
Schnittstelle mit jedem anderen Gerät kommunizieren. Mit Hilfe
dieser Schnittstelle können
Parameter für
die Drucksteuerung eingestellt werden, und der tatsächliche
Wert des Druckes kann ermittelt werden. Jeder Drucksteuerungscomputer
kann völlig
unabhängig
mehrere Drucksteuerungen überwachen.
Außerdem
hat jeder Drucksteuerungscomputer eine bekannte Adresse; daher können mit
Hilfe der gleichen Schnittstelle mehrere Module parallel überwacht
werden.
-
Während der
Eichung der Vorrichtung können
die Werte für
die Eichung der Drucksensoren an den Drucksteuerungscomputer weitergeleitet
werden, und die Wertabweichungen werden automatisch bestimmt. Diese
Eichung kann unter Bezug auf jeden Referenzdruck durchgeführt werden.
In der Software können
diese Werte verwendet werden, um die Abweichung automatisch zu korrigieren
und die richtigen Druckwerte zu berechnen.
-
Die
in dem Drucksteuerungscomputer vorhandene Software weist einen Steuerungsalgorithmus
auf, der auf der Verwendung von Fuzzy-Logik basiert. Als Eingabe
für die
Fuzzy-Drucksteuerung (FPC)
können
sowohl die absolute Schwankung des momentanen Druckes relativ zu
dem genannten Punkt als auch die Geschwindigkeit der Druckänderung
verwendet werden. Auch andere Eingaben, wie etwa die Umgebungstemperatur
und der Umgebungsdruck, können
als eine Eingabe verwendet werden. Die Ausgabe der Fuzzy-Drucksteuerung
bestimmt, wie das Ventil gesteuert werden sollte.
-
Der
Vorteil der Fuzzy-Drucksteuerung ist, daß es nicht notwendig ist, ein
mathematisches Modell des Verhaltens der Vorrichtung und des Einflusses
der Ventile in dem gesamten Druckbereich zu machen. Das Erstellen
eines derartigen mathematischen Modells ist in der Praxis sehr schwierig,
weil das Modell stark von den Umgebungsbedingungen, dem tatsächlichen
Arbeitsdruck und den veränderbaren
Drosselungen in dem System abhängt.
Die Fuzzy-Drucksteuerung basiert auf der Tatsache, daß sowohl
die gemessenen Werte als auch die Sollwerte durch Intervalle geteilt
werden, die überlappen.
Mit Hilfe einer Fuzzy-Regelbasis werden die gemessenen Werte untersucht,
und der richtige Wert für
die Korrektur wird erzeugt, wobei die Fuzzy-Drucksteuerung vollständig adaptiv
arbeitet. Das bedeutet, daß die
Umgebungsbedingungen, das nichtlineare Verhalten der Vorrichtung
und der Ventile in der Fuzzy-Prozeßsteuerung automatisch kompensiert werden,
wobei daher eine einfache Art und Weise eingeführt wird, um die erforderliche
Leistung in dem gesamten Druckbereich zu erzielen. Dies ist schematisch
in 9 gezeigt. In der
Mitte von 9 ist die mit
einer Fuzzy-Regelbasis verbundene Fuzzy-Drucksteuerung gezeigt.
Als Eingangssignale der Fuzzy-Drucksteuerung werden der tatsächliche Druck
und die Drucksollwerte verwendet. Überdies ist eine andere Eingabe
ebenfalls möglich.
Als Ausgabe der Fuzzy-Drucksteuerung wird eine Korrekturausgabe
an eine Ventilsteuerung gesendet. Von dieser werden Ventilsignale
weitergeleitet, um die Ventile richtig zu steuern.
-
In
der Praxis zeigt sich, daß die
Schaltzeit der Ventile nicht infinitesimal ist. Es wird immer eine physikalische
Grenze geben, durch die die Genauigkeit der Steuerung begrenzt wird.
Dies kann durch die kombinierte Steuerung der Ventile minimiert
werden. Das wurde bereits unter Bezug auf 5 verdeutlicht.
-
Die
Fuzzy-Prozeßsteuerung
verwendet neben dem Eingangs- und Ausgangsventil auch ein sogenanntes
Lüftungsventil
oder Druckentlastungsventil. Dieses Lüftungsventil ist eine zusätzliche
Auslaßöffnung und
kann verwendet werden, um den Druck schnell zu verringern. Das Lüftungsventil
wird durch die Fuzzy-Drucksteuerung gesteuert, wenn die Differenz
der eingestellten Werte, dem Sollwert und dem tatsächlichen
Druck einen bestimmten Wert überschreitet.
Außerdem
weist die Fuzzy-Prozeßsteuerung
eine innere Sicherung auf, die verhindert, daß der Druck einen bestimmten
kritischen Wert überschreitet.
Sobald ein tatsächlicher
Druck über
dem maximal akzeptablen Druck detektiert wird, werden die Aulaßöffnung und
das Lüftungsventil
geöffnet,
um den Druck schnell zu verringern. Dies ist notwendig, um das stromabwärts gelegene
System zu schützen.
-
Das
Drucksteuerungsmodul kann unabhängig
arbeiten und für
eine programmierte und konstante Flußregelung sorgen. Die mehreren
Parameter für die
Druckregelung können
aus einem bekannten Speicher gelesen werden oder können mit
Hilfe einer seriellen Schnittstelle eingebracht werden. Das erforderliche
Druckprofil kann automatisch oder mit Hilfe einer externen Schnittstelle
gestartet werden. Dies bedeutet, daß in Verbindung mit der Druckregelungsvorrichtung,
wie weiter oben beschrieben, eine „unabhängige" Einheit erzeugt werden kann, die einen universell
verwendbaren Druckflußregler
bildet.
-
10 zeigt eine Vorrichtung 100,
die verwendet werden kann, um den Fluß eines Gasstromes zu regeln.
-
Entsprechend 10 sind zwei Membranen 110, 111 in
der Vorrichtung 100 angeordnet. Die erste Membran 110 ist
zwischen einer zweiten Druckkammer 112 und einer Druckregelungskammer
oder Flußkammer 104 positioniert.
Die Flußkammer 104 und
die zweite Druckkammer 112 sind beide mit einer Zuleitung 107 für einen
Gasstrom verbunden. Die zweite Druckkammer 112 ist in offener
Verbindung mit dieser Zuleitung 107. Über eine Drossel 108 ist die
Flußöffnung der
Flußkammer 104 mit
der Zuleitung 107 verbunden. Die Flußkammer 104 hat eine Auslaßöffnung 109,
die mit Hilfe eines Elements 115 versperrt werden kann,
und eine Einlaßöffnung 128. Wenn
Gas aus der Auslaßöffnung 109 heraus
fließt, herrscht
in der zweiten Druckkammer 112 ein höherer Druck vor als in der Flußkammer 104.
Der Grund dafür
liegt darin, daß der
Gasstrom in der Drossel 108 verzögert wird. Die Drücke, die
jeweils in der zweiten Druckkammer 112 und der Flußkammer 104 vorherrschen,
bestimmen zusammen die Position der Membran 110 und folglich
die Position des Verschlußelements 115 relativ
zu der Auslaßöffnung 102.
In der gleichen Weise, wie weiter oben unter Bezug auf 1 bis 6 diskutiert, schwankt die Position des
Elements 115 um eine Gleichgewichtsposition.
-
Die
Gleichgewichtsposition des Elements 115, das über ein
Kopplungsstück 116 mit
der Membran 110 verbunden ist, kann mit Hilfe einer zweiten Membran 111 eingestellt
werden. Diese zweite Membran ist mit Hilfe einer Feder 118 mit
der Außenwand der
zweiten Druckkammer 112 verbunden. Die zweite Membran 111 bildet
eine Wand einer Druckkammer 121. Der Druck in dieser Druckkammer 121 kann geregelt
werden, indem es Gas selektiv ermöglicht wird, über das
Absperrventil 126 und die Einlaßöffnung 122 in die
Druckkammer 121 zu fließen, oder indem es Gas ermöglicht wird, über die
Auslaßöffnung 123 und
das Absperrventil 127 aus der Druckkammer 121 zu
entweichen. Die Gleichgewichtsposition des an der Membran 110 befestigten
Elements 115 wird als eine Funktion des Druckes in der
Druckkammer 121 bestimmt.
-
Die
in 10 abgebildete Position
ermöglicht,
daß die
Position des Elements 115 relativ zu der Auslaßöffnung 102 und
folglich der Fluß durch
diese Auslaßöffnung 102 sofort
geregelt werden. Zu diesem Zweck ist in der Zuleitung 107 ein
Druckmeßgerät 130 angeordnet.
Dieses Druckmeßgerät 130 ist aktiv
mit einer Steuerungseinheit 131 verbunden. Diese Steuerungseinheit 131 steuert
ihrerseits die Absperrventile 126 und 127.
-
Die
weiter oben diskutierten Vorrichtungen 20, 60, 100 sind
insbesondere für
tragbare Chromatographen geeignet. Der Grund dafür liegt darin, daß die Vorrichtungen
nicht viel Energie erfordern. Energie wird lediglich benötigt, um
den Sollwert der Vorrichtungen zu ändern, wobei in diesem Fall
Energie benötigt
wird, um in der Lage zu sein, Gas dazu zu bringen, in die Druckkammer 21 zu
fließen
oder daraus abgelassen zu werden. Daher besteht kein Bedarf an einem
konstanten Strom, um die Membran 10 in ihrer Position zu
halten.
-
Außerdem kann
für viele
Anwendungen das gleiche Gas zum Füllen der Druckkammer 21 verwendet
werden wie das, welches in dem Chromatographen analysiert werden
soll. Dies bedeutet, daß es
keine Notwendigkeit gibt, daß zusätzliche
Gaszuführungseinrichtungen
vorhanden sind.
-
Ein
weiterer Vorteil der weiter oben erwähnten Vorrichtung ist, daß die Ventile
grundsätzlich
geschlossen sind. Nur, wenn eine Regelung notwendig ist, d. h. wenn
der Druck in der Druckkammer berichtigt werden muß, wird
Energie benötigt,
um die Ventile zu betätigen.
Dies bedeutet, daß das
System in der Lage ist, mit einem niedrigen Energieverbrauch zu
arbeiten.
-
Die
Vorrichtung 20, 60, 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist für
Gasströme
von 0,1 ml bis 100 ml pro Minute geeignet. Das Volumen des verwendeten
eingeblasenen Gases kann 20 Mikroliter pro Minute sein.
-
Es
wird aus der obigen Beschreibung deutlich, daß die Vorrichtungen 20, 60, 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung über
eine Stufenanordnung arbeiten. Der Mechanismus, über den das Absperrventil 15 mechanisch
mit der Membran 10 verbunden ist, bedeutet, daß die Justierung
der Öffnung
zwischen dem Einlaßkanal 2 und
der Druckwirbelkammer 4 zu einer Analogregelung führt, die
sich selbst automatisch um einen Gleichgewichtswert justiert. Dieser
Gleichgewichtswert selbst kann mit Hilfe der Meßeinrichtungen 31,
die fähig
sind, die Absperrventile 26 und 27 zu steuern,
eingestellt werden.
-
Normalerweise
ist die Genauigkeit einer Druckregelung gleich der des Drucksensors
selbst. Aufgrund der analogen Regelung des Druckes in der Druckregelungskammer 4 ist
die Vorrichtung 20, 60, 100 sehr viel
genauer. Die Auflösung,
die nach bisherigem Stand der Technik üblich ist, ist ±1 kPa.
-
Die
Vorrichtung 20, 60, 100 ermöglicht,
eine Auflösung
von 1/100 kPa zu erreichen. In der Vorrichtung 20, 60, 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein Sollwert mit einem ähnlichen Genauigkeitsgrad eingestellt
werden. Aufgrund der analogen Steuerung der Vorrichtung selbst wird
die Vorrichtung automatisch mit einer Genauigkeit um einen Sollwert geregelt,
die ein Niveau von 1/100 kPa erreichen kann.
-
Dies
stellt, insbesondere für
die Verwendung in Gaschromatographen, einen wichtigen Vorteil dar. In
der Verwendung ist es natürlich
wichtig, daß der gewünschte Gasfluß durch
den Gaschromatographen genau eingestellt werden kann. Jedoch ist
das Konstanthalten eines Gasflusses, wenn er einmal eingestellt
wurde, sogar noch wichtiger, damit der Gaschromatograph erfolgreich
arbeitet. Wie weiter oben erklärt
wurde, kann dieses hohe Genauigkeitsniveau unter Verwendung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, 60, 100 erzielt
werden.
-
Einer
der zusätzlichen
Vorteile der Vorrichtung 20, 60 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, daß das
Aufrechterhalten eines Gasdruckes auf beiden Seiten der Membran
ermöglicht,
die Diffusion von Gas durch die Membran auf ein Minimum zu begrenzen.
Wenn das gleiche unter Druck stehende Gas auf beiden Seiten der
Membran gehalten wird, gibt es keine Diffusion. Abhängig von
der Anwendung kann ein geeignetes Material für die Membran zum Beispiel
ein Silikonkautschuk sein.
-
Damit
die flexiblen Eigenschaften der Membran geeignet wirken, kann die
Membran eine leicht konkave Konstruktion haben.