Gasregeleinrichtung zur Regelung der Brenngas- und Oxidanszufuhr zu einem Brenner bei einem Atomabsorptions-Spektrometer

Die Erfindung betrifft eine Gasregeleinrichtung zur Regelung der Brenngas- und Oxidanszufuhr zu einem Brenner bei einem Atomabsorptions-Spektrometer, ent­haltend

• (a) je eine Drossel für Brenngas und Oxidans und
• (b) je einen der Drossel vorgeschalteten Druck­regler für Brenngas und Oxidans,

• (c) die Drosseln für Brenngas und Oxidans feste Durchflußquerschnitte haben,
• (d) die Sollwerte der Druckregler durch je einen Stellmotor reproduzierbar einstellbar sind und
• (e) eine Steuereinheit mit einer mikroprozessorge­steuerten Elektronik vorgesehen ist, durch welche die Stellmotore in reproduzierbarer Weise steuerbar sind.

Bei einem Atomabsorptions-Spektrometer sendet eine linienemittierende Lichtquelle ein Lichtbündel aus, das die Resonanzspektrallinien eines gesuchten Elements enthält. Dieses Lichtbündel durchsetzt eine auf einem Brenner brennende Flamme und fällt auf einen photoelektrischen Detektor. In die Flamme wird mittels eines Zerstäubers eine zu untersuchen­de flüssige Probe eingesprüht, so daß die Probe durch die Flamme atomisiert wird und die in der Probe enthaltenen Elemente in der Flamme in ato­marer Form vorliegen. Die dann auftretende Schwächung des Lichtbündels in der Flamme liefert ein Maß für den Anteil des gesuchten Elements in der Probe. Der Brenner wird dabei mit einem Brenn­gas, z.B. Azetylen, und Luft als Oxidans betrieben. Es ist auch bekannt, dem Brenner statt Luft Lachgas (N ₂ O) als Oxidans zuzuführen, um eine heißere Flamme zu erhalten. Lachgas hat einen höheren Sauerstoffanteil als Luft. Bei Verwendung von Lach­gas wird die Zufuhr von Brenngas erhöht, um das richtige stöchiometrische Verhältnis zwischen Brenngas und Oxidans einzuhalten.

Um reproduzierbare Verhältnisse zu erhalten, ist die eingangs erwähnte Gasregeleinrichtung vorge­sehen, welche die Einstellung der Gasströmungen zum Brenner und die Konstanthaltung dieser Gasströmun­gen gewährleistet. Bei dieser Gasregeleinrichtung ist eine fest eingestellte Drossel vorgesehen und zur Einstellung der Gasströmung wird der Druck verändert. Insbesondere kann so die Strömung des Brenngases bei der Umschaltung auf ein zweites Oxidans mit höherem Sauerstoffanteil, z.B. Lachgas, über den Stellmotor und den Sollwert des Druckreg­lers in definierter Weise erhöht werden.

Es hat sich gezeigt, daß eine solche Gasregelein­richtung zwar optimal steuerbar ist, aber eine bestimmte Einstellung bei einer Verstellung der Zerstäuberdüse oder einer Änderung des Vordrucks nicht leicht reproduziert werden kann.

Durch die DE-OS 28 33 553 ist eine Gasregelein­richtung zur Regelung der Brenngaszufuhr zu einem Brenner bei einem Atomabsorptions-Spektrometer bekannt, bei welcher ein von einem Steuergerät gelieferter Digitalwert von einem D/A-Wandler in eine elektrische Spannung umgesetzt wird. Diese Spannung wird auf einen Spannungs-Druck-Wandler gegeben und von diesem in einen proportionalen Druck umgesetzt. Der Spannungs-Druck-Wandler beaufschlagt wiederum einen nicht näher beschrie­benen "Volumenbooster", der in der Brenngasleitung stromab von einem fest eingestellten Druckregler angeordnet ist. Eine Strömungsmessung und Rückfüh­rung erfolgt dort nicht.

Die DE-OS 30 05 784 zeigt eine Gasregeleinrichtung zur Regelung der Brenngas- und Oxidanszufuhr zu einem Brenner bei einem Atomabsorptions-Spektro­meter, bei welcher der Druck des Oxidans durch einen fest eingestellten Druckregler geregelt wird und dem Druckregler ein Strömungsregler nachge­schaltet ist. Dieser Strömungsregler enthält eine feste Drossel und stromab von dieser ein Nadelven­til. Der Druckabfall an der festen Drossel wird mittels eines Differenzdruckwandlers in ein elektrisches Signal umgesetzt. In Abhängigkeit von diesem Signal ist das Nadelventil, ggf. automatisch über einen Stellmotor, verstellbar. Ein ent­sprechender Strömungsregler ist für das Brenngas vorgesehen.

Die Firmendruckschrift der Firma Carl Zeiss, Ober­kochen/Württ. "Flammenzusatz zum Spektralphotometer PMQ II und Registrierenden Spektralphotometer RPQ 20A" zeigt eine Gasregelvorrichtung mit Fein­druckreglern für Brenngas und Oxidans und einer auswechselbaren Drosseldüse in der Brenngasleitung.

Die DE-OS 25 52 890 zeigt einen Turbinenrad-Strö­mungsmesser mit einem Turbinenrad, das mindestens einen Magneten trägt, der bei jeder Umdrehung des Rotors eine Magnetfeldsonde zur Erzeugung von Aus­gangsimpulsen erregt. Die Magnetfeldsonde enthält einen Hall-Sensor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasregelvorrichtung der eingangs genannten Art mit einfachen und preisgüngstigen Mitteln so auszubilden, daß sich die Gasströmungen reproduzierbar einstellen lassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

• (f) jedem Druckregler ein Turbinenrad-Strömungs­messer nachgeschaltet ist,
• (g) an dem Turbinenrad-Strömungsmesser signaler­zeugende Mittel vorgesehen sind, die mit dem Turbinenrad zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen zusammenwirken, deren Frequenz der Drehzahl des Turbinenrades proportional ist,
• (h) die Ausgangsimpulse auf die Steuereinheit zur Bildung eines digitalen Strömungsgeschwindig­keitssignals aufgeschaltet sind und
• (i) die Sollwerte der Druckregler über die von der Steuereinheit ansteuerbaren Stellmotore im Sinne der Einhaltung vorgegebener Strömungs­geschwindigkeits-Sollwerte veränderbar sind.

Auf diese Weise erfolgt eine Rückmeldung über die tatächliche Gasströmung an die Steuereinheit. Der Druckregler wird jeweils auf einen solchen Druck eingestellt, daß durch die feste Drossel reprodu­zierbar die gewünschte Gasströmung fließt.

Damit wird die gewünschte Reproduzierbarkeit in der Einstellung der Gasströmungen für alle Betriebsbe­dingungen der Gasregeleinrichtung erreicht und zwar unabhängig von z.B. Neujustierungen des Zerstäubers und Änderungen des an dem Druckregler anliegenden Vordrucks.

Im Gegensatz zu der DE-OS 28 33 553 erfolgt bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine Strömungsmessung und eine Rückführung des Strömungsmeßwertes zu einem Steuergerät. Ebenfalls im Gegensatz zu der DE-OS 28 33 553 wird die Strömung

dadurch geregelt, daß der Sollwert eines vor einer festen Drossel angeordneten Druckreglers veränderbar ist. Diese Veränderung des Sollwertes des Druckreglers erfolgt in Abhängigkeit von dem rückgeführten Strömungsmeßwert. Aufwendige D/A-Wandler, Spannungs-Druck-Wandler und Volumen­booster sind entbehrlich.

Im Gegensatz zu der DE-OS 30 05 784 wird als Meßgeber für die Strömungsgeschwindigkeit ein Turbinenrad-Strömungsmesser benutzt, der unmittel­bar digitale Signale an die Steuereinheit gibt. Es wird nicht eine variable Drossel in Form eines - aufwendigen - Nadelventils verstellt sondern der Sollwert eines stromauf von einer festen Drossel angeordneten Druckreglers. Auch im Vergleich zu der DE-OS 30 05 784 werden sehr aufwendige elektro­nische Bauteile in Form des Differenzdruckwandlers und eines diesem nachgeschalteten A/D-Wandlers vermieden.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird somit eine im Vergleich zu vorbekannten Gasregelein­richtungen preisgünstiges Gerät geschaffen, das nichtsdestoweniger eine reproduzierbare Einstellung von vorgegebenen Strömungsmengen gestattet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt und wird nachfolgend anhand der Bezugszeichen im einzelnen erläutert und be­schrieben. Es zeigen

• Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsge­mäßen Gasregeleinrichtung.
• Fig. 2a,b einen Längsschnitt bzw. Querschnitt durch einen Strömungsmesser in der Gas­regeleinrichtung nach Fig. 1; und
• Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anord­nung der Strömungsmesser nach Fig. 2 in der Gasregeleinrichtung nach Fig. 1.

Die Gasregeleinrichtung enthält nach dem Blockschalt­bild von Fig. 1 einen ersten Anschluß 10, an welchen ein erstes Oxidans in Form von Druckluft anschließbar ist, einen zweiten Anschluß 12, der mit einer Quelle von Lachgas als zweitem Oxidans verbindbar ist. Ein dritter Anschluß 14 ist mit einer Quelle von Brenn­gas, vorzugsweise von Acetylen, verbindbar. An jeden der drei Anschlüsse 10, 12 und 14 ist ein Drucksensor 16, 18 bzw. 20 angeschlossen. Die Drucksensoren 16, 18, 20 signalisieren, ob Gasdruck an dem betreffenden Anschluß ansteht. Diese Signale sind über Signallei­tungen 22, 24 bzw. 26 auf eine Steuereinheit 28 ge­schaltet. Die Steuereinheit 28 ist eine mikroprozessor­gesteuerte Elektronik entsprechend dem Hauptpatent ..... (Patentanmeldung P 34 07 552.6).

Dem ersten Anschluß 10 ist ein als Magnetventil ausge­bildetes Absperrventil 30 nachgeschaltet, das über eine Steuerleitung 32 von der Steuereinheit 28 gesteuert und im stromlosen Zustand abgesperrt ist.

Ein 3/2-Wegeventil 34 ist als Magnetventil ausgebildet und über eine Steuerleitung 36 ebenfalls von der Steuer­einheit 28 gesteuert. Das 2/3-Wegeventil 34 verbindet in seiner ersten Schaltstellung den ersten Anschluß 10 und das diesem nachgeschaltete Absperrventil 30 mit einer Leitung 38, während der zweite Anschluß 12 abge­sperrt ist. In seiner zweiten Schaltstellung verbindet das 3/2-Wegeventil 34 den zweiten Anschluß 12 mit der Leitung 38, während die Verbindung zu dem Absperrventil 30 und dem ersten Anschluß 10 abgesperrt ist. Im strom­losen Zustand befindet sich das 3/2-Wegeventil in seiner ersten Schaltstellung, die in Fig. 1 dargestellt ist.

Von.der Leitung 38 führt eine Zweigleitung 39 über einen Druckregler 37 zu einem Zerstäuber. Zwischen dem Absperrventil 30 und dem 3/2-Wegeventil 34 ist ein Speichervolumen 41 angeschlossen.

Die Leitung 38 führt zu einem Druckregler 40. Der Aus­gang des Druckreglers 40 ist über eine fest Drossel 44 mit einem Oxidansanschluß des Brenners verbunden. Der Druckregler 40 ist ein übliches Druckmindererventil, dessen Sollwert über eine Stellspindel veränderbar ist. Die Stellspindel ist durch einen Stellmotor 46 verstell­bar. Der Stellmotor 46 oder geeignete Abgriffmittel geben Stellungssignale an die Steuereinheit 28. Der Stellmotor 46 wird dementsprechend von der Steuer­einheit 28 gesteuert. Das ist durch eine Leitung 48 dargestellt.

Dem dritten Anschluß 14 ist ein als Magnetventil ausge­bildetes Absperrventil 50 nachgeschaltet. Das Absperr­ventil wird über eine Leitung 52 von der Steuereinheit 28 gesteuert. Über das Absperrventil 50 ist der dritte Anschluß 14 mit einem Druckregler 54 verbunden. Der Druckregler 54 ist ebenfalls ein übliches Druckminderer­ventil wie der Druckregler 40. Eine Stellspindel des Druckreglers 54 zur Verstellung des Sollwerts ist durch einen Stellmotor 56 verstellbar. Der Stellmotor 56 oder geeignete Abgriffmittel geben Stellungssignale an die Steuereinheit 28. Der Stellmotor 56 wird dementsprechend von der Steuereinheit 28 gesteuert. Der Ausgang des Druckreglers 54 ist über eine feste Drossel 58 mit einem Brenngasanschluß des Brenners verbunden.

Dem Druckregler 37 in der Zweigleitung 39 ist über eine Drossel 37 ein Strömungsmesser 43 nachgeschaltet, dessen Signal­leitung 43' an die Steuereinheit 28 angeschlossen ist. Dem Druckregler 40 ist über die Drossel 44 ein Strömungsmesser 45 nachgeschaltet, dessen Signalleitung 45' an die Steuereinheit 28 angeschlossen ist. Dem Druckregler 54 ist über Drossel 58 ein Strömungsmesser 59 nachgeschaltet, dessen Signalleitung 59' an die Steuereinheit 28 angeschlossen ist.

Jeder Strömungsmesser 43,45,59 ist in der in Fig. 2a,b dargestellten Weise aufgebaut. In einem allseitig ge­schlossenen Gehäuse 47 ist ein Turbinenrad 49 mit Flügeln 51 drehbar in Lagern 53 gelagert. Ein Gasein­tritt 55 ist düsenartig ausgebildet und tangential zu den Flügeln 51 des Turbinenrades 49 ausgerichtet. Ein Gasaustritt 57 des Gehäuses 47 ist an die zu dem Zerstäuber, dem Oxidansanschluß oder dem Brenngas­anschluß des Brenners führende Leitung angeschlossen.

Jeder Strömungsmesser 43,45,49 enthält mit dem Turbinenrad 49 zusammenwirkende Mittel zur Erzeugung von Signalen zur Anzeige der Gasströmung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Turbinenrad 49 mit zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Magneten 61 versehen, die z.B. in den Kunststoff eingebettet sein können, aus dem das Tur­binenrad 49 besteht. In dem Gehäuse 47 ist im Wirkungs­bereich der Magnete 61 ein Hall-Sensor 63 angeordnet, der mit der jeweiligen Signalleitung 43',45' oder 59' verbunden ist.

Bei Drehung des Turbinenrades 49 wird am Hall-Sensor 63 ein Ausgangssignal erzeugt, wenn einer der an dem Turbinenrad 49 angeordneten Magnete 61 an dem Hall-­Sensor 63 vorbeiläuft. Die Frequenz dieser Ausgangs­signale ist abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Turbinenrades 49 und damit von der Strömungsgeschwindig­keit des Gases, daß durch den Gaseintritt 55 auf das Turbinenrad 49 trifft. Das Auftreten dieser Ausgangs­signale kann in verschiedener Weise zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases genutzt werden. So kann z.B. die Zeit zwischen dem Auftreten zweier aufeinanderfolgender Ausgangssignale bestimmt werden. Bei einer solchen Anordnung ist die Strömungsgeschwin­digkeit S, die z.B. in l/min angegeben werden kann, durch die Zahl N der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen des Hall-Sensors 63 gezählten Impulse eines Zählers nach folgender Beziehung bestimmt:

S = K · N ^-m .

Darin sind K und m Parameter, die empirisch für die verschiedenen Anordnungen bestimmt werden. Diese Parameter sind in ihrem Wert z.B. von der Struktur des Gaseintritts 55 in dem Gehäuse 47, vom Aufbau des Gehäuses 47 und von der Form des Turbinen­rades 49 abhängig. Diese Parameter, vor allem K, sind auch von der Art und Zusammensetzung des Gases ab­hängig, das durch das Gehäuse 47 fließt und das Turbinenrad 49 antreibt. Jedoch lassen sich die Para­meter mit hoher Genauigkeit für jede Anordnung und jedes Gas bestimmen, so daß mit dem Strömungsmesser der angegebenen Art die Gasströmungen mit großer Genauigkeit gemessen und über die Steuereinheit 28 und die Druckregler 37,40,54 reproduzierbar einge­stellt werden können.

Anstelle der Magnete 61 und des Hall-Sensors 63, die besonders einfache und leicht zu verwirklichende signalerzeugende Mittel darstellen, können auch andere, bevorzugt berührungslos arbeitende signal­erzeugende Mittel verwendet werden, die eine Be­stimmung der Drehgeschwindigkeit des Turbinenrades 47 ermöglichen.

Die in die Steuereinheit 28 eingegebenen Ausgangs­signale der Hall-Sensoren 63 werden in der Steuer­einheit 28 verarbeitet, das heißt mit für bestimmte Gegebenheiten, z.B. Luft oder Lachgas als Oxidans, gespeicherten oder vorgegebenen Sollwerten verglichen. Bei Abweichungen von Sollwerten werden die jeweiligen Regler 37,40,54 über die zugehörigen Stellmotoren 37', 46 und 56 verstellt. Die dazu notwendigen Programm­schritte können ohne weiteres in die Programmierung der Steureinheit 28 eingearbeitet werden und bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.

Eine vorteilhafte Anordnung der Strömungsmesser ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Die Gehäuse 47 der drei Strömungsmesser 43,45 und 59 sind dabei gemeinsam zu einem Block 69 angeordnet, der unmittelbar mit den Druckreglern 37,40,und 54 verbunden ist. In diesem Fall werden die Gaseintritte 55 der einzelnen Gehäuse 47 in dem Block 69 von Strömungsdrosseln nach Art der Strömungsdrosseln 44 und 58 gebildet. An dem Block 69 sind die Gasaustritte 57 angeordnet, an die sich un­mittelbar die Leitungen zum Zerstäuber, dem Oxidans­anschluß und zum Brenngasanschluß des Brenners an­schließen.

Das Gehäuse 47 als ganzes oder seine Teile im Bereich des Turbinenrades 49 können aus einem unmagnetischen Metall bestehen. Dadurch wird das Turbinenrad 49 durch Wirbelströme gebremst, die durch die Drehung des Tur­binenrades hervorgerufen werden. Das hat den Vorteil, daß die Lebensdauer der Einrichtung erhöht und die Frequenz der vom Hall-Sensor 63 erzeugten Signale niedrig gehalten wird, wodurch sich die Meßgenauigkeit erhöht.