Flammenphotometer mit Konstantflussregelung

Abstract

 Ein Flammenphotometer mit Konstantflußregelung we­nigstens einer der Brenngaskomponenten weist vor einer Drossel einen Pufferbehälter mit vorgeschal­tetem Schaltventil auf, wobei das digital betriebe­ne Schaltventil in Zusammenarbeit mit dem Volumen des Pufferbehälters eine sowohl langzeitig als auch kurzzeitig konstante Versorgung des Brenners ermög­licht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Flammenphotometer der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

[0002] Flammenphotometer mit Konstantflußregelung wenig­stens einer der Brenngaskomponenten ermöglichen die Einstellung einer mit zeitlich konstanter Hellig­keit brennenden Flamme, die eine zeitlich konstante Meßauswertung der von in die Flamme eingebrachten Testsubstanzen erzeugten Spektrallinien gestattet. Auf diese Weise werden genaue und reproduzierbare Messungen ermöglicht. Dabei ist zu beachten, daß sowohl Langzeitkonstanz als auch Kurzzeitkonstanz gegeben sein muß, um auswertbare Meßwerte zu er­möglichen.

[0003] Derartige Flammenphotometer der eingangs genannten Art sind seit längerem bekannt, beispielsweise aus der Literaturstelle
R. Herrmann - C.Th.J. Alkemade: Flammenphotometrie.

[0004] Hieraus ist es bekannt, als Steuerventil der ein­gangs genannten Art, Reduzierventile zu verwenden, die mit einer differenzdruckgesteuerten Membran ein Ventil steuern. Die Membran wird einerseits von der Atmosphäre beaufschlagt, die zumeist im wesentli­chen dem Druck hinter der Drossel entspricht und andererseits über die Ausgangsleitung des Ventiles vom Druck im Pufferbehälter. Bei gleichmäßig arbei­tendem Brenner, also im wesentlichen gleichmäßigem Gasfluß, regelt die Membran das eigentliche Ventil des Reduzierventiles auf eine mittlere Stellung mit konstantem Fluß ein, woraus sich ein gleichmäßiger Gasfluß ergibt. Störendes Flattern eines solchen Reduzierventiles soll nach Möglichkeit vermieden werden.

[0005] Auch in jüngerer Zeit werden für die eingangs ge­nannten Zwecke noch derartige Reduzierventile ver­wendet, wie die DE-OS 34 07 552 zeigt. Das membran­gesteuerte Reduzierventil ist bei dieser Konstruk­tion dahingehend verbessert, daß es mit einer mo­torisch arbeitenden Einstelleinrichtung ausgerüstet ist.

[0006] Die bekannten Reduzierventile arbeiten in der Regel befriedigend, lassen sich aber nicht mit heutzutage erforderlicher sehr hoher Präzision regeln und wei­sen den Nachteil einer komplizierten Konstruktion mit entsprechender Anfälligkeit und hohen Kosten sowie den Nachteil aufwendiger Ansteuertechnik auf.

[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht da­her darin, ein Flammenphotometer der eingangs ge­nannten Art zu schaffen, daß hinsichtlich der Kon­stantflußregelung wesentlich kostengünstiger, prä­ziser und zuverlässiger ausbildbar ist.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merk­malen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 ge­löst.

[0009] Erfindungsgemäß wird als Steuerventil ein Schalt­ventil vorgesehen, daß nicht wie die bisher ver­wendeten Reduzierventile kontinuierlich arbeitet, sondern digital mit nur zwei Schaltstellungen AUF und ZU. Ein solches Schaltventil kann also in heute üblicher Technik digital angesteuert werden und er­laubt in einfacher Anpassung die Verwendung digita­ler Steuer- und Regeleinrichtungen, die in einfa­cher Weise an Computersteuerungen angeschlossen werden können. Das erfindungsgemäße Schaltventil zeichnet sich durch erhebliche Kostenvorteile aus sowie aufgrund seiner einfachen Bauform durch we­sentlich verringerte Störanfälligkeit. Durch den dem Schaltventil nachgeschalteten Pufferbehälter werden die aus der diskontinuierlichen Arbeitsweise des Schaltventiles sich ergebenden Druck- bzw. Flußschwankungen vergleichmäßigt. In unterschied­licher Ansteuerungstechnik des Schaltventiles, worauf im folgenden noch eingegangen wird (z. B. Zweipunktregelung, Pulsbreitenregelung oder Puls­frequenzregelung) kann in engen Toleranzgrenzen ein hochkonstanter Differenzdruck an der Drossel und somit ein hochkonstanter Fluß erzielt werden. Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, daß ein bisher für die vorliegenden Zwecke nicht für verwendbar gehaltenes Schaltventil für Flammenfoto­meter einsetzbar ist, und zwar in Funktionseinheit mit einem Pufferbehälter, wobei durch Zusammenwir­ken von Schaltventil und Pufferbehälter eine gleichmäßige konstante Gasversorgung ermöglicht wird.

[0010] Vorteilhaft sind dabei die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Hierbei wird eine gewisse Druckhyste­rese zugelassen, damit beim Arbeiten des Schaltven­tiles der Differenzdruck zwischen zwei vorgegebenen Werten pendelt. Die Druckhysterese kann jedoch sehr klein gewählt werden. Der Schaltungsaufwand kann bei einer solchen Betriebsart sehr klein gehalten werden. Die Schaltfrequenz des Schaltventiles ist bei dieser Betriebsart vom Volumen des Pufferbehäl­ters abhängig. Bei sehr großem Volumen schaltet das Ventil sehr langsam. Schaltventil und Regelung kön­nen entsprechend einfach und kostengünstig ausgelegt werden.

[0011] Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspru­ches 3 vorgesehen. Bei diesen Betriebsarten des Schaltventiles, die an sich aus der Regelungstech­nik bekannt sind, kann eine hochgenaue Differenz­druckregelung erreicht werden, wobei wiederum der Regelungsaufwand kleingehalten und ein mechanisch sehr einfaches Schaltventil verwendet werden kann.

[0012] Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspru­ches 4 vorgesehen. Hierdurch wird der Regelungs- und Installationsaufwand verringert. Wenn der Strömungswiderstand der der Drossel nachgeschal­ teten Gasstrecke, die im wesentlichen nur aus dem Brenner besteht, ausreichend konstant ist, was in der Regel der Fall ist, so ergibt sich auch mit einer solchen einfachen Konstruktion eine ausrei­chend genaue Regelung.

[0013] Dabei sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 5 vorgesehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß Änderungen des Strömungswiderstandes der der Dros­sel nachgeschalteten Gasstrecke gegenüber dem sehr großen Strömungswiderstand der Drossel vernachläs­sigt werden können, also Flußschwankungen ergeben, die unterhalb der Toleranzgrenze bleiben und den Betrieb des Brenners nicht stören. Dies ist insbe­sondere von Vorteil, wenn Brenner mit schwankendem Strömungswiderstand verwendet werden oder Brenner unterschiedlichen Strömungswiderstandes ausgewech­selt werden sollen.

[0014] Schließlich sind vorteilhaft die Merkmale des An­spruches 6 vorgesehen. Auf diese Weise kann sehr einfach durch Verstellung an der Regeleinrichtung der gewünschte Sollfluß eingestellt werden.

[0015] In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt.

[0016] Die in der Figur dargestellte Gasflußregelung ist in einem Flammenphotometer vorgesehen, dessen son­stige Teile der Einfachheit halber weggelassen sind.

[0017] Von einer ebenfalls nicht dargestellten Gasversor­gung, beispielsweise einer Gasflasche, wird über eine Gasleitung 1 in Pfeilrichtung Gas dem Brenner 2 zugeführt.

[0018] Bei dem über die Gasleitung 1 geführten Gas kann es sich um eine brennfähige Gasmischung oder um eine der zur Verbrennung benötigten Gaskomponenten (Brenngas, Oxydans) handeln. Das durchströmende Gas ist mit der dargestellten Regelung im Fluß konstant zu halten, damit der Brenner 2 zeitkonstant arbei­tet.

[0019] In der Gasleitung 1 ist ein Schaltventil 3 zwi­schengeschaltet, das, wie mit entsprechenden Schaltsymbolen angedeutet, die beiden Schaltstel­lungen AUF und ZU aufweist. Es wird elektrisch be­trieben und über eine Steuerleitung 4 taktweise angesteuert.

[0020] Dem Schaltventil 3 ist in der Gasleitung 1 ein Puf­ferbehälter 5 nachgeschaltet. Über eine Leitung 6 wird der Gasdruck im Behälter 5 einem Druck-/Span­nungswandler 7 zugeführt, der über eine Leitung 8 an einen Eingang einer Steuereinrichtung 9 ange­schlossen ist. Diese vergleicht den Druckwert im Behälter 5 mit einem vorgegebenen Sollwert und re­gelt entsprechend über die Steuerleitung 4 das Taktverhältnis AUF/ZU des Schaltventiles 3 derart nach, daß der Druck im Behälter 5 im wesentlichen konstant gehalten wird.

[0021] Dem Behälter 5 ist eine Drossel 10 nachgeschaltet, durch die das Gas über die Gasleitung 1 dem Brenner 2 zufließt.

[0022] Der in der Figur mit dem entsprechenden Symbol an­gedeutete Strömungswiderstand des Brenners 2 ist bei Flammenphotometern in der Regel sehr klein und gleichmäßig. In der Gasleitung 1 herrscht an der Stelle zwischen der Drossel 10 und dem Brenner 2 daher in der Regel konstanter, im wesentlichen dem Atmosphärendruck entsprechender Druck. Die Druck­differenz zwischen Eingang und Ausgang an der Dros­sel 10 wird somit durch die Druckregelung im Behäl­ter 5 konstant gehalten. Daher ist der Durchfluß durch die Drossel 10 und somit der Gesamtgasfluß im gewünschten Sinne konstant.

[0023] Sind Schwankungen des Strömungswiderstandes im Brenner 2 zu befürchten oder soll von der Konstruk­tion her zugelassen werden, daß der Brenner 2 gegen einen anderen Brenner anderen Strömungswiderstandes gewechselt werden kann, so ist eine Drossel 10 zu verwenden, die einen gegenüber dem Strömungswider­stand des Brenners 2 (einschließlich des Gaslei­tungssystems zwischen der Drossel 10 und dem Bren­ner 2) erheblich größeren Strömungwiderstand auf­weist. Der gesamte Druckabfall zwischen dem Behäl­ter 5 und dem Ausgang 11 des Brenners in die At­mosphäre wird dann durch den Strömungswiderstand der Drossel 10 bestimmt, gegen den der Strömungs­widerstand des Brenners 2 vernachlässigt werden kann. Änderungen des Widerstandes am Brenner 2 er­geben dann nur vernachlässigbar kleine Durchfluß­änderungen.

[0024] In der beschriebenen Ausführungsform erfaßt die Re­geleinrichtung 9 über den Druck-/Spannungwandler 7 nur den Druck im Behälter 5, also den Vordruck der Drossel 10. Als Druck hinter der Drossel 10 wird bei dieser Ausführungsform der Atmosphärendruck be­rücksichtigt. Der Druck-/Spannungswandler 7 kann in üblicher Weise so ausgelegt sein, daß er den Druck auf der Leitung 6 mit dem Atmosphärendruck ver­gleicht und den Differenzdruck wandelt und an den Regler 9 weitergibt.

[0025] Zur exakten Erfassung der Druckdifferenz an der Drossel 10 kann eine alternative Konstruktion wie folgt vorgesehen sein.

[0026] Am Ausgang der Drossel 10 ist ein zweiter Druck-/­Spannungswandler 12 über eine Leitung 13 ange­schlossen, der über eine Leitung 14 parallel zur Leitung 8 des Wandlers 7 an die Steuereinrichtung 9 angeschlossen ist, die in diesem Falle als Diffe­renzschaltung arbeitet und das Taktverhältnis des Schaltventiles 3 derart nachregelt, daß die Druck­differenz zwischen den Gasdrucken in den Leitungen 6 und 13, also am Eingang und Ausgang der Drossel 10, konstant bleibt.

[0027] Bei dieser Differenzdruckregelung kann der Strö­mungswiderstand im Brenner 2 und dessen Leitungs­system beliebige Werte annehmen, ohne die Konstant­haltung des Gasflusses zu stören.

[0028] Da in der Regel der ohnehin stets vorhandene Druck/­Spannungswandler 7 ein Differenzdruckaufnehmer ist, dessen einer Druckeingang an den Behälter 5 und dessen anderer Druckeingang an die Atmosphäre an­geschlossen ist, kann dieser Wandler 7 in verein­fachter Ausführungsform auch zur Bestimmung des Differenzdruckes über der Drossel 10 verwendet werden. Dazu wird sein einer Druckeingang an die Leitung 6 und sein anderer Druckeingang an die Lei­tung 13 angeschlossen. Der ermittelte Differenz­ druck wird in Spannung gewandelt und der Steuerein­richtung 9 als Eingangsgröße zugeführt. Auf diese Weise kann bei Ermittlung des Differenzdruckes der zweite Wandler 12 eingespart werden.

[0029] Dem Schaltventil 3 kann in üblicher Weise ein Druckminderer, z. B. in Form einer weiteren Dros­sel, vorgeschaltet sein, um den hohen Speisedruck, beispielsweise einer Gasflasche, auf ein vom Schaltventil 3 verarbeitbares Druckniveau zu redu­zieren.

[0030] Die Steuereinrichtung 9 ist vorzugsweise als elek­tronische Steuereinrichtung ausgebildet, die die über die Leitung 8 ankommende Steuergröße bzw. die Differenz der über die Leitung 8 und 14 ankommenden Steuergrößen mit einem elektrisch vorgegebenen Sollwert vergleicht und bei Abweichungen über die Steuerleitung 4 das Taktverhältnis des Schaltven­tiles entsprechend nachregelt. Dabei kann vorzugs­weise eine Verstelleinrichtung, beispielsweise in Form eines Stellpotentiometers 15 vorgesehen sein, mit der die elektrische Sollwertvorgabe verstellt werden kann. Auf diese Weise kann der Druck im Be­hälter 5 bzw. der Differenzdruck an der Drossel 10 und damit der Sollwert des konstant zu haltenden Gasflusses auf den gewünschten Wert eingestellt werden, um beispielsweise im Brenner 2 die ge­wünschte Flammengröße zu erhalten.

[0031] Die erwähnte Verstelleinrichtung für die Steuer­einrichtung 9 kann beispielsweise auch als Vor­wahlsteuerung ausgebildet sein, mit der beispiels­weise über Tastendruck bestimmte voreingestellte Flüsse wählbar sind. Es kann auch eine Ansteuerung aus einem Computer erfolgen, z. B. nach einem be­stimmten Programm. Auf diese Weise ist es möglich, je nach Anforderung bestimmte Flüsse zu wählen, beispielsweise je nach dem im Flammenphotometer zur Zeit verwendeten Meßverfahren, wenn also beispiels­weise für unterschiedliche fotometrische Verfahren unterschiedliche Flammenintensitäten erforderlich sind.

[0032] Die Regeleinrichtung 9 kann das Schaltventil 3 in Abhängigkeit vom Differenzdruck an der Drossel 10 in unterschiedlichen Betriebsarten steuern.

[0033] Eine schaltungstechnisch sehr einfach realisierbare Konstruktion, die sich in Versuchen bewährt hat, besteht darin, das Schaltventil 3 bei Unterschrei­ten eines ersten tieferliegenden Druckes auf­zuschalten und bei Überschreiten eines vorgegebenen höheren Druckes zuzuschalten. Hierbei ergibt sich also im Behälter 5 ein zwischen den beiden vorge­gebenen Druckwerten schwankender Druck, wobei diese Hysterese aber sehr klein gehalten werden kann. Wenn der Behälter in seinem Volumen entsprechend groß ist, arbeitet das Schaltventil 3 sehr langsam. Die Regelung und das Schaltventil können folglich sehr einfach konstruiert werden.

[0034] In anderen Betriebsarten kann beispielsweise das Schaltventil bei konstanter Schaltfrequenz mit unterschiedlichen Pulsbreiten angesteuert werden, also beispielsweise mit unterschiedlichen Längen der Auf-Zeit. Es kann auch bei konstanter Länge der Auf-Zeit die Folgefrequenz verändert werden.

Ansprüche

1. Flammenphotometer mit Konstantflußregelung wenigstens einer der Brenngaskomponenten mittels eines Steuerventiles, das den Gaszufluß zu einem Pufferbehälter steuert, welchem über eine Drossel der Brenner nachgeschaltet ist, wobei das Steuer­ventil in Abhängigkeit vom Differenzdruck über der Drossel den Druck im Pufferbehälter derart regelt, daß der Differenzdruck konstant bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil als AUF/ZU-­Schaltventil (3) ausgebildet ist, das von einer in Abhängigkeit vom Differenzdruck regelnden Regelein­richtung (9) gesteuert wird.

2. Flammenphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (9) das Schaltventil (3) bei Unterschreiten eines vorge­gebenen Differenzdruckes Auf-schaltet und bei über­schreiten eines vorgegebenen zweiten höheren Diffe­renzdruckes Zu-schaltet.

3. Flammenphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (9) das Schaltventil (3) in Abhängigkeit von einem vorge­wählten Differenzdruck in Pulsbreitenregelung bzw. Pulsfrequenzregelung steuert.

4. Flammenphotometer nach einem der vorherge­henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (9) in Abhängigkeit vom Vordruck (6) der Drossel (10) regelt, wobei als Ausgangs­druck der Drossel (10) der Atmosphärendruck be­rücksichtigt wird.

5. Flammenphotometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand der Drossel (10) um so viel größer ist als der der nachgeschalteten Gasstrecke (2), daß bei Änderung des Restwiderstandes sich ergebende Gasflußfehler unterhalb einer vorgegebenen, zulässigen Fehler­grenze bleiben.

6. Flammenphotometer nach einem der vorherge­henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (9) eine Verstellvorrichtung zur Einstellung des gewünschten Differenzdruckes auf­weist.

Zeichnung