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Die Erfindung betrifft ein Gasregelmodul, mit Eingängen, Ausgängen und pneumati- schen Schaltelementen für die Gase, sowie ein Verfahren zur Durchflussregelung in einem derartigen Gasregelmodul.
Eine bevorzugte Anwendung derartiger Gasregelmodule sind Anlagen zur pneumati- sche Gasaufbereitung, vorzugsweise in Verbindung mit einer Analyseanlage zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine, aber auch in der Immissions- oder Medizintechnik.
Die Verbrennung von HC-Verbindungen (Brennstoffen) in der Brennkraftmaschine gemeinsam mit den Luftkomponenten führt einerseits zu Verbrennungsprodukten wie CO,
HcCw NOx und Russ als in den aktuell gültigen Gesetzen festgelegte, limitierte Komponenten für Motoren und Fahrzeuge und andererseits zu N2, H20, CO2 und O2 als nichtlimitierte Kom- ponenten. Dazu kommen noch Spurenelemente und Verunreinigungen des Kraftstoffes wie beispielsweise Schwefel usw. Die immer strengeren gesetzlichen Limitierungen der Abgas- grenzwerte erfordern immer präzisere Messtechnik.
Auch die Weiterentwicklung der Motor- und Antriebstechnik schreitet - u. a. getrieben durch die immer schärferen Abgaslimits - in Technologiebereiche vor, in denen Verbrennungseffekte auftreten, welche bisweilen in Fahr- zeugen vereinzelt nur im Forschungsbereich oder in extremen Applikationen vorgekommen sind. Durch z.B. Einschichtung des Kraftstoffes, spezielle Einspritztechniken, Abgasnachbe- handlungssysteme usw. kommt es zu einem komplexen Prozess im Brennraum - aber auch in den nachgeschalteten Elementen der Prozesskette - der Abgasnachbehandlung.
Ein grosses Problem ist die Einhaltung der Messgüte besonders im Bereich Entwick- lung und Optimierung von Motoren. Dynamische Effekte wie beispielsweise durch ständige Veränderung des Gashebelstellers oder plötzliche Änderungen mit grosser Amplitude - z.B.
"Dip-In-Vorgänge" - führen gemeinsam mit neuen Motorkonzepten wie Common-Rail- Technik oder Turboladern zu hochdynamischen Vorgängen in der Abgasdynamik. Druckpul- sationen mit 10 bar Spitzenwerten und darüber führen bei modernen Motortypen zur Fehlin- terpretationen und Fehlfunktionen innerhalb bestehender Analysekonzepte.
Stand der Technik zur Regelung des Durchflusses, beispielsweise in Abgasmessanla- gen, sind mechanische Durchflussregler. Für andere Applikationen sind auch elektrische und elektronische Regler im Einsatz. Diese Durchflussregler sind zu langsam, ungenau, wenig robust, nicht langzeitstabil und wartungsintensiv. Im Zusammenhang mit den erhöhten An- forderungen sind übliche Verfahren unbefriedigend.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte Regelmodule, bevorzugt für Messeinrichtun- gen zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Prüfstandes für
Motoren und Fahrzeuge, derart zu verbessern, dass die Leistung der Messanlage sowie die
Regelgüte der pneumatischen Arbeitspunkte drastisch verbessert werden und die dynami- schen Einflüsse auf die Messtechnik vermieden bzw. wesentlich verringert werden können.
Weiters sollen Massnahmen getroffen werden welche es erlauben, die Messqualität online zu überprüfen und mögliche Fehleinflüsse zu kompensieren oder aufzuzeigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass von einem ersten
Eingang eine Passage mit Absperrventil unmittelbar zu einem ersten Ausgang führt, während zwischen jedem weiteren Eingang und dem ersten Ausgang eine Durchflussregeleinrichtung vorgesehen ist. Damit kann für das zu analysierende Gas als erstes Gas, welches bei Abgas- analyseanlagen typischerweise von einem vorgeschalteten Druckregler gesteuert ist, die op- timale unmittelbare Zuführung zum Analysator durch den Ausgang des Moduls gewährleistet werden, während für weitere Gase, wie etwa Spül-, Null-, und Kalibriergase eine gemeinsa- me Durchflussregelung am Modul gegeben ist.
Wenn dabei die Durchflussregeleinrichtung zwischen dem ersten Ausgang und jedem weiteren Ausgang eingesetzt ist, können durch das Modul geführt Gase dem oder den Ver- brauchern auch ungeregelt zugeleitet werden, wenn das gewünscht oder erforderlich ist. Ein derartiger Verbraucher könnte beispielsweise eine externe Konditionierungs- und/oder Ver- dünnungsapparatur sein, aus der das Gas anschliessend wieder in das Modul rückgeführt werden kann.
Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Durchflussregeleinrichtung durch ein Proportionalregelventil und einen Drucksensor gebildet ist. Damit ist eine stabile, schnelle und glatte Regelung auf konstanten Durchfluss für die wei- teren Gase mittels günstiger und bewährter Komponenten möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass alle weiteren Ein- gänge in einen gemeinsamen Kanal zum ersten Ausgang münden, von welchem vorzugswei- se auch jeder weitere Ausgang abzweigt, womit eine einfache und kompakte bauliche Aus- führung des Moduls ermöglicht ist.
Um geringe Totvolumina, kurze Ausspülzeiten und schnellste Ansprechzeiten des Ana- lysesystems zu ermöglichen, weist der Kanal auf der dem Ausgang entgegengesetzten Seite eine definierte Undichtheit auf. Dadurch ergeben sich für die weiteren Gase, beispielsweise
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Kalibriergase, selbst bei geringsten Kalibriergaskonzentrationen optimale Messverhältnisse.
Die Ansprechzeiten (T-90 Zeiten) liegen mit Hilfe dieser Technik unter 100 ms. Ausspülzei- ten, welche durch die T-99 Zeit bewertet wird, liegt unter 300 ms.
Wenn gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Grup- pe von Eingängen unmittelbar mit je einem zugehörigen Ausgang verbunden ist, kann in einfacher Weise aufgrund dieser modularen Anordnung eine Vielkanal-Regel-, Dosier- und
Umschalteinheit aus gleichartigen Modulen aufgebaut werden.
Die eingangs gestellt Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Durchflussre- gelung in einem Gasregelmodul, welches erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass der vom Gas durchströmbare Querschnitt derart verändert wird, dass der Druck stromabwärts der querschnittsveränderlichen Stelle konstant gehalten wird. Damit wird eine einfache, den- noch schnelle und glatte Regelung auf konstanten Durchfluss gewährleistet.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeich- nungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Fig. 1 einen schematischen pneumatischen Schaltplan eines erfin- dungsgemässen Gasregelmoduls und Fig 2 ist eine Schnittansicht einer konkreten Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemässen Gasregelmoduls.
Über einen Anschluss 1 wird dem Gasregelmodul ein Prüfgas zugeführt, beispielsweise das zu analysierende Abgas eines Verbrennungsmotors. Dieses Gas gelangt über die Passage 2 und ein darin angeordnetes Absperrventil 3, welches aber für die Durchflussregelung kei- nerlei Funktion ausübt, sowie eine Blende 4 mit festem Querschnitt zu jenem Ausgang 5, der zum Analysator 6 für das Abgas führt und vorteilhafterweise senkrecht zum Eingang 1 orien- tiert ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung in einer Analyseeinrichtung, vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftma- schine auf deren Inhaltsstoffe und Komponenten. Das erfindungsgemässe Gasregelmodul ist die zentrale Pneumatik-Schalt- und Regel-Einheit dieser Abgasmessanlage. Das Modul ersetzt und konzentriert alle lokal verwendeten Ventilgruppen.
Mit Hilfe dieser zentralen Pneumatik wird die gesamte pneumatische und elektrische Infrastruktur der Analyseanlage zentralisiert.
Diese Lösung erfüllt die Anforderung billigere Herstellung, einfachere Fertigung und wesent- lich verbesserte Zugänglichkeit und Wartbarkeit. Durch die Modulbauweise ist die Vorkonfek- tion der Baugruppen möglich. Grundsätzlich können mit einem erfindungsgemässen Modul aber auch Flüssigkeiten dosiert werden.
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Dabei kann auch in zumindest einem kühlen Messzweig stromaufwärts der Analysen- einheit und/oder zwischen unterschiedlichen Komponenten der Analyseneinheit und/oder ausgangsseitig zumindest einer Analyseneinheit eines der Messzweige eine Filtereinrichtung vorgesehen sein, welche ein für gasförmige Kohlenwasserstoffe selektives Filtermaterial, vorzugsweise ein Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate, enthält.
Von der Passage 2 kann auch eine Abzweigung zu einem weiteren Ausgang 7 zu ei- nem zweiten Analysator oder einem weiteren, vorzugsweise gleichartig aufgebauten Gasre- gelmodul vorgesehen sein.
In einen zentralen Kanal 8 des Gasregelmoduls, in welchen Kanal 8 auch die Passage
2 hinter dem Absperrventil 3 einmünden kann und welcher dann auch zur Blende 4 und dem ersten Ausgang 5 führt, führen weiteren Passagen 9 bzw. 10, weiche mit weiteren Ausgän- gen 11,11' und einem Anschluss 12 für beispielsweise ein Null-Gas verbunden sind. Auch in diesen Passagen 9 bzw. 10 sind Absperrventile 13 vorgesehen. Vorteilhafterweise kann auch beispielsweise die Passage 10 mit einem weiteren Ausgang 14 zu etwa anderen Gasregelmo- dulen versehen sein, wobei alle weiteren Ausgänge vorzugsweise parallel zum Ausgang 2 für das erste Gas sind. Dieser Basisabschnitt des Gasregelmoduls realisiert die Regelung, die Sensorik und Schaltung des zu analysierenden Gases, sowie auch des Null- und jedes Kali- briergases.
Durch Konditionierung des Moduls kann das System pneumatisch und elektrisch stabilisiert werden, sodass besonders die Applikation von Ultra-Low-Emission Anwendungen verbessert wird.
Zum zentralen Kanal 8 führen darüber hinaus noch weitere, von Anschlüssen 15 für Kalibriergase verschiedener Konzentrationen ausgehende Passagen mit jeweils einem Ab- sperrventil 13 vor der Einmündung in den Kanal 8. Dieser Zusatzabschnitt des Moduls er- möglicht die Aufschaltung weiterer Gase. Bei Bedarf können die Module durch kaskadieren noch erweitert werden. Dabei können über die Passage 9 und deren Ausgänge 11, 11' das dem erfindungsgemässen Modul zugeführte Nullgas und auch die Kalibriergase entweder an- dern kaskadierten Modulen zugeführt oder auch externen Apparaturen wie beispielsweise externen Konditionier- und/oder Verdünnungseinrichtungen (nicht dargestellt) zugeführt werden. Von letzteren Einrichtungen werden die Gase vorzugweise wieder über auch den Eingang 1 in das Modul rückgeführt und weiter dem Analysator 6 aufgegeben.
Durch die Speisung der Kalibriergase unmittelbar auf dem erfindungsgemässen Gasre- gelmodul ergeben sich selbst für geringste Kalibriergaskonzentrationen optimale Messver- hältnisse, welche zu Ansprechzeiten (T-90 Zeiten) unter 100 ms und Ausspülzeiten, welche
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durch die T-99 Zeit bewertet wird, unter 300 ms führt. Diese Zeiten können durch elektroni- sche Durchflusssteuerung mit Hilfe der Softwaresteuerung noch verbessert werden. Durch kleine Durchmesser der Kanäle und Passagen im Gasregelmodul ist die Vermischung der
Gaskomponenten geringer, was die Ansprechgeschwindigkeit wesentlich erhöht und damit die Messgüte drastisch verbessert.
Die Geometrie ist vorteilhafterweise durch Ergebnisse von
Simulationsverfahren optimiert, räumlich konzentriert und konditioniert gestaltet und es kommen kleinere Komponenten in optimierter Geometrie und optimierter Anordnung der
Komponenten zum Einsatz. Dazu trägt es auch bei, wenn vorteilhafterweise die Anschlüsse
15 für die Kalibriergase über längliche Elemente erfolgt, die seitlich und parallel neben den
Ventilen 3,13 hochragend angeordnet sind. Durch die enge Baudichte der Ventile 3,13 er- geben sich T10- und T99-Zeiten von 300 ms, was gegenüber herkömmlichen Modulen eine
Halbierung bedeutet.
Zur Durchflussregelung für die weiteren Gase, also das Null- und jedes Kalibriergas, ist ein Proportionalventil 16 im zentralen Kanal 8 eingesetzt, zwischen der Einmündung der
Passage 9 und der Einmündung der Passage 2 für das zu analysierende Abgas. Dieses Pro- portionalventil 16 wird über einen Drucksensor 17, vorzugsweise einem Druck-Spannungs- Wandler gesteuert, der den Druck im zentralen Kanal zwischen dem Proportionalventil 16 und der Einmündung der Passage 2 bzw. der Blende 4 ermittelt. Vorteilhafterweise werden
Präzisionsdrucktransmitter in kleinster Bauweise und geringstem Totvolumen eingesetzt, um schnelle und langzeitstabile Regelgüte zu gewährleisten. Als Steuerelement werden Mikro- prozessoren eingesetzt, die bei Fahrzeugen auch für die zeitkritische Funktion von ABS- Systems eingesetzt werden.
Diese Familie der Mikroprozessoren, vorzugsweise mit prädikti- ver Regelung, ermöglicht eine entsprechende Performance, um das Regelsystem präzise und stabil zu realisieren. Stabilisierungszeiten (T10-90) von 7 ms können so erzielt werden, was gegenüber den herkömmlichen Systemen ein Halbierung bedeutet. Dazu tragen auch kleine und massearme Ventile bei. So können auch rasche Gasimpulse, die zu Fehlern in der Mes- sung führen würden, bestmöglich ausgeregelt werden. Durch diese Vorteile kann das Modul auch für die schnelle und ultraschnelle Messtechnik eingesetzt werden, worunter eine Mess- dynamik mit Anstiegszeiten von maximal 1 ms verstanden wird.
Am dem Proportionalventil 16 gegenüberliegenden Ende des zentralen Kanals 8 ist hinter der letzten Einmündung eines Anschlusses 15 für eines der verwendeten Gase eine in den Abluftkanal bzw. direkt in die Atmosphäre führende Öffnung 18 mit einer Blende 19 vor- gesehen, durch welche eine definierte Undichtheit des Gasregelmoduls hervorgerufen ist. Im dargestellten Beispiel ist die definierte Undichtheit über die Öffnung 18, welche durch Ver-
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meidung von den Gasaustausch erschwerenden Sackbohrungen zu einer Konstruktion mit geringen Totvolumina, kurze Ausspülzeiten und schnellsten Ansprechzeiten des Analysesy- stems führt, nur beim Kalibrieren und Spülen des Gasregelmoduls wirksam.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemässes Gasregelmodul im
Längsschnitt, wobei der zentrale Bauteil 20 und die daran angebaute Bauteilgruppe aus
Drucksensor 17 und Proportionalventil 16 zu erkennen sind. Der Drucksensor 17 kann wie im dargestellten Beispiel auch zwischen Blende 4 und Passage 2 angeordnet sein.
Im zentralen Bauteil 20, in welchem auch der zentrale Kanal 8 und die Passagen 2,9,
10 usw. ausgebildet sind, ist der zentrale Kanal 8 über den Abschnitt 8a durch das Propor- tionalventil 16 umgeleitet. Mit empirischen Verfahren und rechnerischer Unterstützung wer- den die optimale Wandbeschaffenheit und optimalen geometrische Verhältnisse ermittelt, die für die verwendeten Gaskomponenten bestimmter Konzentration in einem definierten Trä- gergas mit gegebener Kohäsion und Zähigkeit die Flussdynamik in bestimmten Werkstoffen (z. B.: Edelstahl) optimiert.
Tests haben gezeigt, dass im Arbeitspunkt von 1 I/min zwischen 200 und 700 mbar mit Gasregelmodulen wie oben beschrieben eine Reproduzierbarkeit des Durchflusses von 1% absolut, im Zeitraum von einer Woche von 1,5% absolut, bei absoluten Druckabwei- chungen von 0,2% relativ, erzielt werden können. Damit können auch hohe Abtastraten im Bereich von 10 bis 30 MHz gefahren werden. Die gesamte Messzeit kann weiters auch noch durch Überladung, d. h. anfänglich sehr hohen Durchfluss, der nachgeschalteten Analyseein- heit verkürzt werden, in dem die gesamte Einschwingzeit verkürzt wird.
Die Ansteuerelektronik des Gasregelmoduls ist feldbuskompatibel und kann so von einem zentralen PC oder einer PLC angesteuert, fernbedient und ferngewartet werden.
Durch die Ausführung entsprechender Zusatzfunktionen an Sensoren (Temperatur, Druck, Feuchte, usw. ) und Softwarefunktion sind die Module in ein modernes Selbstdiagnosekon- zept integriert. Probleme am Modul werden während eines Selbsttestes analysiert. Dieser Test wird beim Einschalten aber auch online durchgeführt. Instabile Zustände können so selbst korrigiert werden, oder im Bedarfsfalle an einen Operator weitergeleitet werden.
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The invention relates to a gas control module with inputs, outputs and pneumatic switching elements for the gases, and a method for flow control in such a gas control module.
A preferred application of such gas control modules is systems for pneumatic gas processing, preferably in connection with an analysis system for analyzing exhaust gases from an internal combustion engine, but also in immission or medical technology.
The combustion of HC compounds (fuels) in the internal combustion engine together with the air components leads on the one hand to combustion products such as CO,
HcCw NOx and Russ as limited components for engines and vehicles defined in the currently valid laws and on the other hand for N2, H20, CO2 and O2 as non-limited components. Added to this are trace elements and contaminants in the fuel, such as sulfur, etc. The ever stricter legal limits on exhaust gas limits require ever more precise measurement technology.
The further development of engine and drive technology is also progressing - u. a. driven by the ever stricter exhaust limits - in technology areas in which combustion effects occur, which occasionally only occurred in vehicles in research or in extreme applications. By e.g. Stratification of the fuel, special injection techniques, exhaust gas aftertreatment systems etc. leads to a complex process in the combustion chamber - but also in the downstream elements of the process chain - the exhaust gas aftertreatment.
A big problem is compliance with the measurement quality, especially in the area of engine development and optimization. Dynamic effects such as constant changes in the throttle control or sudden changes with a large amplitude - e.g.
"Dip-in processes" - together with new engine concepts such as common rail technology or turbochargers, lead to highly dynamic processes in exhaust gas dynamics. Pressure pulsations with 10 bar peak values and above lead to misinterpretations and malfunctions within existing analysis concepts in modern engine types.
Mechanical flow controllers are state of the art for controlling the flow, for example in exhaust gas measuring systems. Electrical and electronic controllers are also used for other applications. These flow controllers are too slow, imprecise, not very robust, not long-term stable and maintenance-intensive. Common procedures are unsatisfactory in connection with the increased requirements.
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The object of the invention is to provide known control modules, preferably for measuring devices for analyzing exhaust gases from an internal combustion engine, preferably for a test bench for
Engines and vehicles to improve such that the performance of the measuring system as well as the
Control quality of the pneumatic operating points can be drastically improved and the dynamic influences on the measuring technology can be avoided or significantly reduced.
Furthermore, measures are to be taken which allow the measurement quality to be checked online and to compensate for or point out possible incorrect influences.
To achieve this object, the invention provides that a first
Input a passage with shut-off valve leads directly to a first output, while a flow control device is provided between each further input and the first output. The gas to be analyzed can thus be the first gas, which is typically controlled by an upstream pressure regulator in exhaust gas analysis systems, to ensure the optimal direct supply to the analyzer through the output of the module, while for other gases, such as purging, Zero and calibration gases have a common flow control on the module.
If the flow control device is inserted between the first output and each further output, gases can be passed through the module to the consumer or consumers in an uncontrolled manner if this is desired or necessary. Such a consumer could be, for example, an external conditioning and / or dilution apparatus, from which the gas can then be returned to the module.
According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the flow control device is formed by a proportional control valve and a pressure sensor. This enables stable, fast and smooth control of a constant flow for the other gases using inexpensive and proven components.
A further advantageous embodiment of the invention provides that all further inputs lead to a common channel to the first output, from which each further output also branches, which enables a simple and compact construction of the module.
In order to enable low dead volumes, short rinsing times and the fastest response times of the analysis system, the channel has a defined leak on the side opposite the outlet. This results for the other gases, for example
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Calibration gases, optimal measuring conditions even with the lowest calibration gas concentrations.
The response times (T-90 times) using this technology are less than 100 ms. Rinse times, which are evaluated by the T-99 time, are less than 300 ms.
If, according to a further advantageous embodiment of the invention, a group of inputs is connected directly to an associated output, a multi-channel control, dosing and
Switching unit can be built from similar modules.
The object stated at the outset is also achieved by a method for flow control in a gas control module, which is characterized in accordance with the invention in that the cross section through which the gas can flow is changed such that the pressure downstream of the cross-section-changing point is kept constant. This ensures a simple, yet fast and smooth control for constant flow.
The invention is to be explained in more detail in the following description with the aid of the attached drawings of preferred exemplary embodiments.
1 shows a schematic pneumatic circuit diagram of a gas control module according to the invention, and FIG. 2 is a sectional view of a specific embodiment of a gas control module according to the invention.
A test gas, for example the exhaust gas to be analyzed from an internal combustion engine, is fed to the gas control module via a connection 1. This gas passes through the passage 2 and a shut-off valve 3 arranged therein, which, however, does not perform any function for the flow control, and an orifice 4 with a fixed cross section to that outlet 5 which leads to the analyzer 6 for the exhaust gas and advantageously perpendicular to the inlet 1 is oriented. Use in an analysis device, preferably a test bench for engines and vehicles, for analyzing exhaust gases of an internal combustion engine for its contents and components is particularly advantageous. The gas control module according to the invention is the central pneumatic switching and control unit of this exhaust gas measuring system. The module replaces and concentrates all locally used valve groups.
With the help of this central pneumatics, the entire pneumatic and electrical infrastructure of the analysis system is centralized.
This solution fulfills the requirements of cheaper production, easier production and significantly improved accessibility and maintainability. Thanks to the modular design, the assemblies can be pre-assembled. In principle, liquids can also be metered with a module according to the invention.
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A filter device can also be provided in at least one cool measuring branch upstream of the analysis unit and / or between different components of the analysis unit and / or on the output side of at least one analysis unit of one of the measuring branches, which filter device is a filter material selective for gaseous hydrocarbons, preferably a filter material from the group the zeolites and / or the silicates.
A branch from passage 2 to a further outlet 7 to a second analyzer or a further, preferably identically constructed gas control module can also be provided.
In a central channel 8 of the gas control module, in which channel 8 also the passage
2 can open behind the shut-off valve 3 and which then also leads to the orifice 4 and the first outlet 5, further passages 9 and 10 lead, which are connected to further outlets 11, 11 'and a connection 12 for, for example, a zero gas are. Shut-off valves 13 are also provided in these passages 9 and 10. Advantageously, the passage 10 can also be provided, for example, with a further outlet 14 to, for example, other gas control modules, with all further outlets preferably being parallel to the outlet 2 for the first gas. This basic section of the gas control module implements the control, the sensors and the switching of the gas to be analyzed, as well as the zero and each calibration gas.
The system can be pneumatically and electrically stabilized by conditioning the module, so that the application of ultra-low-emission applications in particular is improved.
In addition, further passages leading from connections 15 for calibration gases of different concentrations lead to the central channel 8, each with a shut-off valve 13 before the junction into the channel 8. This additional section of the module enables the connection of further gases. If necessary, the modules can be expanded by cascading. In this case, the zero gas supplied to the module according to the invention and also the calibration gases can either be supplied to other cascaded modules via the passage 9 and their outputs 11, 11 ', or external devices such as external conditioning and / or dilution devices (not shown) can also be supplied. From the latter devices, the gases are preferably returned to the module via input 1 and passed on to analyzer 6.
By supplying the calibration gases directly to the gas control module according to the invention, optimum measurement ratios result, even for the lowest calibration gas concentrations, which are at response times (T-90 times) below 100 ms and rinsing times
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evaluated by the T-99 time leads to less than 300 ms. These times can be further improved by electronic flow control with the help of software control. Due to the small diameter of the channels and passages in the gas control module, the mixing of the
Gas components lower, which significantly increases the response speed and thus drastically improves the measurement quality.
The geometry is advantageously determined by results from
Simulation processes optimized, spatially concentrated and conditioned and there are smaller components in optimized geometry and arrangement of the
Components for use. It also helps if the connections are advantageous
15 for the calibration gases via elongated elements, which are to the side and parallel next to the
Valves 3.13 are arranged soaring. The tight structural density of the valves 3.13 results in T10 and T99 times of 300 ms, which is one compared to conventional modules
Halving means.
A proportional valve 16 is used in the central channel 8 for the flow control for the further gases, that is to say the zero gas and each calibration gas, between the confluence of the
Passage 9 and the confluence of passage 2 for the exhaust gas to be analyzed. This proportional valve 16 is controlled by a pressure sensor 17, preferably a pressure-voltage converter, which determines the pressure in the central channel between the proportional valve 16 and the mouth of the passage 2 or the orifice 4. Advantageously
Precision pressure transmitters in the smallest design and lowest dead volume are used to ensure fast and long-term stable control quality. Microprocessors are used as the control element, which are also used in vehicles for the time-critical function of ABS systems.
This family of microprocessors, preferably with predictive control, enables a corresponding performance to implement the control system precisely and stably. Stabilization times (T10-90) of 7 ms can be achieved, which means a halving compared to conventional systems. Small and low-mass valves also contribute to this. In this way, even rapid gas pulses that would lead to errors in the measurement can be corrected as best as possible. Thanks to these advantages, the module can also be used for fast and ultra-fast measurement technology, which means measurement dynamics with rise times of a maximum of 1 ms.
At the end of the central channel 8 opposite the proportional valve 16, behind the last opening of a connection 15 for one of the gases used, there is an opening 18 leading into the exhaust air channel or directly into the atmosphere with an orifice 19 through which a defined leakage of the Gas control module is caused. In the example shown, the defined leakage is via the opening 18, which
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Avoidance of blind holes that complicate gas exchange leads to a design with small dead volumes, short flushing times and fastest response times of the analysis system, only effective when calibrating and flushing the gas control module.
Fig. 2 shows an embodiment for a gas control module according to the invention in
Longitudinal section, the central component 20 and the component group attached to it
Pressure sensor 17 and proportional valve 16 can be seen. As in the example shown, the pressure sensor 17 can also be arranged between the aperture 4 and the passage 2.
In the central component 20, in which the central channel 8 and the passages 2,9,
10 etc. are formed, the central channel 8 is diverted through the proportional valve 16 via the section 8a. With empirical methods and computational support, the optimal wall quality and optimal geometric conditions are determined, which optimizes the flow dynamics in certain materials (e.g. stainless steel) for the gas components of a certain concentration in a defined carrier gas with a given cohesion and toughness ,
Tests have shown that at a working point of 1 l / min between 200 and 700 mbar with gas control modules as described above, the reproducibility of the flow rate is 1% absolute, in a period of one week 1.5% absolute, with absolute pressure deviations of 0 , 2% relative, can be achieved. This means that high sampling rates in the range of 10 to 30 MHz can also be achieved. The entire measuring time can also be caused by overloading, i. H. initially very high flow, the downstream analysis unit can be shortened by reducing the overall settling time.
The control electronics of the gas control module are fieldbus compatible and can thus be controlled, remotely operated and maintained from a central PC or PLC.
The modules are integrated into a modern self-diagnosis concept through the implementation of corresponding additional functions on sensors (temperature, pressure, humidity, etc.) and software function. Problems with the module are analyzed during a self-test. This test is also carried out online when switched on. Unstable conditions can be corrected yourself or forwarded to an operator if necessary.