Feuchtigkeitsmelder zur Überwachung des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen in einem Druckgasbehälter
Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitsmelder zur Überwachung des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen in einem Druckgasbehälter, insbesondere bei Druckgasschaltern, unter Verwendung eines Peltierelementes, dessen kalte Lötstelle mit einemTaupunktindikator in thermischer Verbindung steht und letzterer von dem zu überwachenden Gas umgeben ist.
Zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes eines Gases sind Taupunktmessgeräte unter Verwendung eines Peltierelementes bekannt geworden. Hierbei wird als Taupunktindikator eine Spiegelfläche benutzt, welche thermisch mit einer Verbindungsstelle, z. B. Lötstelle, zweier geeigneter Leitermaterialien gekoppelt ist. Die Spiegelfläche wird durch Regelung des Peltierstromes soweit abgekühlt, dass sie die Taupunkttemperatur annimmt und sich mit Tau beschlägt. Das Betauen wird durch eine strahlungsempfindliche Anordnung festgestellt, indem das Licht einer Lichtquelle durch den Spiegel auf eine Photozelleneinrichtung reflektiert wird, wobei im Falle des Beschlagens des Spiegels infolge geänderter Reflexionsbedingungen ein beträchtlicher Teil des Lichtes nicht mehr in die Photozelle gelangt.
Bei nicht zu hohen Genauigkeitsansprüchen kann auf die Messung der Spiegeltemperatur verzichtet werden, da bei gegebener Umgebungstemperatur eine feste Beziehung zwischen der Stärke des Peltierstromes und der Temperatur der kalten Lötstelle besteht, so dass die Stromstärke direkt zur Ermittlung der Taupunkttemperatur benutzt werden kann. Nach dem Betauen wird der Spiegel durch Umpolen des Peltierstromes wieder kurzfristig abgetaut. Auf diese Weise kann man durch periodisches Bei und Abtauen des Spiegels den Taupunkt laufend überwachen. Für die Überwachung des Feuchtigkeitsgehaltes des Gases z. B. in einem Druckgasschalter besitzen solche Taupunktmessgeräte jedoch gewisse Nachteile.
Bei relativ trockenem Gas sind infolge der dabei tiefliegenden Taupunkttemperatur zur Erzielung der erforderlichen Temperaturdifferenz zwischen kalter und warmer Lötstelle beträchtliche Peltierströme notwendig, wodurch das Stromversorgungsgerät teuer wird. Ferner enthält das Druckgas neben Wasserdampf oft auch ÖIdampf, oder sogar Öltröpfchen, sowie Staubund Schmutzteilchen. Es ist nicht zu umgehen, dass sich diese Teilchen am Spiegel niederschlagen und damit die eindeutige Indikation von Kondenswasser erschweren, oder sogar nach kürzerer Zeit verunmöglichen. Die Gefahr für das Niederschlagen solcher störenden Verunreinigungen ist umso grösser, je grösser das Temperaturgefälle zwischenDruckgas und Spiegel ist (Thermalpräzipitation). Dieser Zustand kann sehr häufig eintreten, z.
B. bei relativ trockenem Gas und etwa durch Sonneneinstrahlung stark erwärmter Behälterwand. Erfahrungsgemäss müssen die Spiegel solcher Temperaturmessgeräte öfters gereinigt werden, um eine einwandfreie Anzeige zu gewährleisten. Dabei hängt der Reinigungszyklus, abgesehen vom Reinheitsgrad des Gases, vorallem auch von der Anzahl der Bei und Abtauungen ab. Jeder einzelne Kondenswasserniederschlag begünstigt eine Agglomeration der auf der Spiegeloberfläche sitzenden Schmutzteilchen oder Öltröpfchen und erschwert dadurch die einwandfreie Taupunktsermittlung.
Bei druckgasgefüllten Geräten, insbesondere Druckgasschaltern, ist jedoch die laufende Kenntnis des Taupunktes nicht erforderlich. Es stellt sich hier viel mehr die Aufgabe, durch einen Feuchtigkeitsmelder zu überwachen, ob sich die kälteste Stelle des Apparates dem Taupunkt des Druckgases bis auf einen vorgegebenen Abstand genähert hat. Erfindungsgemäss wird deshalb vorgeschlagen, dass die warme Lötstelle des Peltierelementes in thermischer Verbindung mit einem Wandteil des Druckgasbehälters steht und dass ein vorgegebener annähernd konstanter Temperaturunterschied zwischen warmer und kalter Lötstelle dadurch eingehalten ist, dass das Peltierelement mit einem entsprechenden Strom beaufschlagt ist.
Auf diese Weise wird, da der Taupunkt des Druckgases bei Druckgasgeräten im allgemeinen recht niedrig liegt, hierbei nur in seltenen Fällen die Taupunkttemperatur vom Spiegel erreicht, sofern man als Temperaturunterschied einige wenige Grad vorsieht, so dass sich in vorteilhafter Weise eine rasche Verschmutzung des Spiegels vermeiden lässt und damit ein möglichst wartungsfreier Betrieb des Taupunktmelders erreicht wird.
Die Zeichnung gibt ein Ausführungsbeispiel wieder, anhand dessen der Erfindungsgedanke näher erläutert wird.
Fig. 1 zeigt den Einbau eines Feuchtigkeitsmelders in einem Druckgasbehälter.
Fig. 2 zeigt in vergrössertem Massstab einen Längsschnitt des Feuchtigkeitsmelders gem. Fig. 1 im Aufriss.
Fig. 3 zeigt in vergrössertem Massstab einen Grundriss gemäss der Schnittlinie I-I des Feuchtigkeitsmelders nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Druckgasbehälter angedeutet, an dessen Stirnwand sich die topfartige Kammer 2 befindet. 3 ist ein abnehmbarer Abschlussflansch, welcher als Grundplatte für die Bauteile des Feuchtigkeitsmelders dient.
Die Kammer 2 steht einerseits über die Zuführungsleitung 6 mit dem Druckgasbehälter und andererseits über die Abflussleitung 7 mit dem Freien in Verbindung. Im Zuge der Zuführungsleitung 7 befindet sich das Absperrventil 4, welches im Betrieb stets geöffnet ist und für den Fall eines Ausbaues des Feuchtigkeitsmelders geschlossen wird, sodass die Betriebsbereitschaft des Druckgasbehälters erhalten bleibt. Mit 5 ist eine Drosselstelle bezeichnet, welche im Zuge der Abflussleitung 7 angeordnet ist und zweckmässig in an sich bekannter Weise einstellbar ausgeführt ist. In Fig. 2 sind die der Fig. 1 entsprechenden Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Wie man ohne weiteres erkennt, ragt die Kammer 2 in den Druckgasbehälter 1 hinein. Sie ist durch den Abschlussflansch 3 vermittels der Dichtung 8 gasdicht abgeschlossen. Der Abschlussflansch 3 trägt das Peltierelement 9, dessen Schenkel durch einen Steg 10 aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material verbunden sind. Der Steg 10 weist an der Stelle 11 eine spiegelnde Fläche auf, welche z. B. aus einem polierten galvanischen Nickel- oder Chrom überzug besteht. Der Abschlussflansch 3 trägt ferner die Beleuchtungseinrichtung 12 und die Photodiode 13. Letztere ist so angeordnet, dass sie bei sauberer, spiegelnder Fläche 11 von den Lichtstrahlen der Beleuchtungseinrichtung 12 nicht getroffen wird. Die Befestigung des Peltierelementes 9 auf dem Abschlussflansch 3 zeigt Fig. 3 genauer.
Während der eine Schenkel 9' unter Zwischenlage einer Bleifolie 14 mittels der Schraube 16 mit dem Abschlussflansch 3 verbunden ist, liegt der andere Schenkel 9" über das eloxierte Aluminiumplättchen 15 auf, wodurch eine elektrische Isolierung bei gutem thermischen Kontakt erreicht wird. Die Schraube 17 ist von der Isolierhülle 18 umgeben und mit dem Gewindestück 19 verschraubt. An letzterem ist mittels der Mutter 20 die elektrische Leitung 21 angeschlossen. Andererseits ist der Abschlussflansch 3 mittels der Bolzen 22, wovon mehrere am Umfang verteilt angeordnet sind, und der Mutter 23 befestigt und mit der elektrischen Leitung 24 verbunden. Mit 25 ist eine Gleichstromquelle und mit 26 ein Arbeitswiderstand bezeichnet, welche über die Leitungen 27 bzw. 28 mit der Photodiode 13 verbunden sind.
Der Arbeitswiderstand 26 ist über die Leitungen 29, 30 an den Eingang des Verstärkers 31 angeschlossen. Im Ausgangskreis des Verstärkers 31 liegt das Relais 32 mit den Schaltgliedern 32a, 32b, 32c. Die Schaltglieder 32b, 32c bilden dabei einen zweipoligen Umschalter, über welchen das Gleichstromversorgungsgerät 33 mit den Leitungen 21, 24 verbunden ist.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:
Das zu überwachende Gas gelangt aus dem Druckgasbehälter 1 über die Zuführungsleitung 6 in die Kammer 2, wobei das Absperrventil 4 (Fig. 1) normalerweise stets geöffnet ist. Andererseits wird über die Abflussleitung 7 und die Drosselstelle 5 dauernd etwas Gas aus der Kammer 2 abgeführt. Auf die Weise wird in der Kammer 2 eine leichte Durchströmung aufrecht erhalten, durch die das Betauen der Spiegelfläche 11 bei Erreichen des Taupunktes wesentlich schneller erfolgt, als wenn sich die Spiegelfläche in ruhendem Gase befände.
Der vom Gleichstromversorgungsgerät 33 gelieferte Peltierstrom wird zweckmässig so eingestellt, dass an der kalten Lötstelle (Steg 10, Spiegelfläche 11) des Peltierelementes 9 eine um etwa 2 bis 5 Grad tiefere Temperatur auftritt, als an dem auf Umgebungstemperatur befindlichen Abschlussflansch 3, welcher der warmen Lötstelle des Peltierelementes entspricht. Um über einen grösseren Umgebungstemperaturbereich, z. B. von -50 bis +50 C, wie er etwa für einen in Freiluft aufgestellten Druckgasbehälter in Frage käme, eine annähernd konstante Temperaturdifferenz zu erhalten, kann die Einstellung des Peltierstromes mit ausreichender Genauigkeit in einfacher Weise mit Hilfe eines zugeschalteten temperaturabhängigen Widerstandes in an sich bekannter Art im Peltierkreis durchgeführt werden.
Solang der Taupunkt noch nicht erreicht ist, wird das von der Beleuchtungseinrichtung 12 ausgesandte parallele Lichtstrahlenbündel von der sauberen Spiegelfläche 11 an der Photodiode 13 vorbeireflektiert (Fig. 2). Tritt jedoch beim Erreichen des Taupunktes eine Trübung der Spiegelfläche 11 durch Tau oder Reif ein, so wird infolge der Streuung nunmehr ein Teil des Lichtes in die Photodiode 13 gelangen. Dadurch erzeugt der emsetzende Photostrom am Arbeitswiderstand 26 einen Spannungsabfall, welcher vom Verstärker 31 soweit verstärkt wird, dass das Relais 32 anspricht. Durch dus hierbei schliessende Schaltglied 32a kann eine Alarmeinrichtung bekannter Art ausgelöst werden, wobei gleichzeitig auch Abhilfemassnahmen zur Trocknung des Gases im Druckgasbehälter automatisch eingeleitet werden können. Letztere können z.
B. darin bestehen, dass eine intensive Erneuerung der Gasfüllung im Druckgasbehälter mit trockenem Gas dadurch eingeleitet wird, dass die Drosselstelle 5 (Fig. 1) stärker geöffnet wird. Zu diesem Zwecke kann die Drosselstelle mit einem geeigneten Betätigungsmagneten versehen sein, durch welchen beim Schliessen des Schaltgliedes 32a ein grösserer Öffnungsquerschnitt freigegeben wird. Die beim Ansprechen des Relais 32 mitbetätigten Schaltglieder 32b, 32c bewirken ein Umpolen des vom Gleichstromversorgungsgerät 33 gelieferten Peltierstromes, wodurch in bekannter Weise ein Abtauen der Spiegelfläche 11 erfolgt, da nunmehr kalte und warme Lötstelle ihre Rollen vertauschen. Nach beendetem Abtauen geht das Relais 32 in die gezeichnete Lage zurück, da die Photodiode 13 dann nicht mehr vom Licht getroffen wird und somit der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand 26 verschwindet.
Die angegebene gegenseitige Anordnung von Beleuchtungseinrichtung, Spie gelfläche und Photodiode hat den Vorteil, dass sie eine Entweder-Oder-Anordnung bildet, bei welcher Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle ohne Einfluss auf das Ansprechen bleiben.
Die neue Anordnung ist nicht auf das gezeigte Anwendungsbeispiel beschränkt. Sie kann beispielsweise mit Vorteil auch bei mehrstufigen Druckgaskompressoren mit Zwischenkühtung angewendet werden um eine unerwünschte Kondenswasserausscheidung in der Zwischenstufe zu vermeiden. In diesem Falle wird beim Ansprechen des Relais 32 die Zwischenkühlung automatisch verringert, sobald man sich bis auf einen vorgegebenen Sicherheitsabstand der Taupunkttemperatur genähert hat.