DE102010040936B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur von Gasen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur (T) von Gasen, umfassend ein kühlbares flächiges Element (2), eine Erfassungseinheit (4) zur Erfassung eines Niederschlages eines Kondensats an einer Oberfläche (O) des flächigen Elementes (2) und eine Temperaturerfassungseinheit (6) zur Erfassung der Temperatur (T1 bis T10) der Oberfläche (O), wobei das flächige Element (2) ein flacher Quader mit zwei Hauptflächen (F1, F2), zwei langen Seitenflächen (F3, F4) und zwei kurzen Seitenflächen (F5, F6) ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Kühlelemente (3.1 und 3.2) derart voneinander beabstandet an zumindest einer der Hauptflächen (F1, F2) an dem flächigen Element (2) angeordnet sind, dass in einem Bereich (B) zwischen den Kühlelementen (3.1 und 3.2) ein einstellbares Temperaturgefälle erzeugbar ist, so dass sich zumindest auf einer Oberfläche (O) einer der langen Seitenflächen (F3, F3) ein betauter Abschnitt (A1) und ein unbetauter Abschnitt (A2) ausbilden, und dass zumindest der Bereich (B) von einer Wärmeisolierung (8) umgeben ist, und dass ein Verlauf einer Grenzlinie (G) zwischen dem betauten Abschnitt (A1) und dem unbetauten Abschnitt (A2) mittels der Erfassungseinheit (4) zur Bestimmung der Taupunkttemperatur (T) erfassbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur von Gasen, umfassend ein kühlbares flächiges Element, eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Niederschlages eines Kondensats an einer Oberfläche des flächigen Elementes und eine Temperaturerfassungseinheit zur Erfassung der Temperatur der Oberfläche.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur von Gasen, wobei ein flächiges Element gekühlt wird, mittels einer Erfassungseinheit ein Niederschlag eines Kondensats an einer Oberfläche des flächigen Elementes erfasst wird und mittels einer Temperaturerfassungseinheit eine Temperatur der Oberfläche erfasst wird.
• Unter dem Taupunkt, welcher aus einem Wertepaar einer Taupunkttemperatur und eines Druckes gebildet ist, wird im Allgemeinen der Punkt bezeichnet, bei dem in einem Gemisch aus Gas und Dampf das Gas mit der vorhandenen Menge des Dampfes gerade gesättigt ist. Unter der Taupunkttemperatur eines ungesättigten Gas-Dampf-Gemisches – beispielsweise feuchte Luft – versteht man die Temperatur, auf die das Gas-Dampf-Gemisch isobar abgekühlt werden kann, bis es zu einer ersten Kondensation des Dampfes kommt.
• Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung eines Taupunktes von Gasen bzw. Gas-Dampf-Gemischen bekannt. Zu diesen zählen insbesondere so genannte Tauspiegelhygrometer und Taupunkthygrometer. Dabei wird eine Fläche mittels geeigneter Vorrichtungen, beispielsweise Peltier-Elementen, solange gekühlt, bis sich auf diesen ein Niederschlag aus kondensiertem Wasserdampf bildet. Die Bildung des Niederschlages wird insbesondere mittels optischer, kapazitiver, resistiver oder thermischer Methoden erfasst, wobei bei der Bildung des Niederschlages eine Temperatur an der Fläche gemessen wird, welche der Taupunkttemperatur entsprechen soll. Vorzugsweise wird, sobald der Niederschlag detektiert wird, die Temperatur konstant gehalten bzw. bei Änderungen der Temperatur im Messmedium nachgeregelt.
• Ein derartiges Tauspiegelhygrometer bzw. Taupunktspiegelhygrometer zum Messen einer Gasfeuchte ist aus der DE 34 31 624 A1 bekannt. Das Taupunktspiegelhygrometer ist in einer Messkammer angeordnet und umfasst zum Messen einer absoluten Gasfeuchte einen Metallblock, dessen obere Fläche eben und als Spiegelfläche für eine Kondensation von Wasser ausgebildet ist. Weiterhin ist ein Platin-Messwiderstand zum Messen einer Temperatur der Spiegelfläche vorgesehen. Zusätzlich umfasst Taupunktspiegelhygrometer eine Peltier-Element zur Kühlung der Spiegelfläche und einen Heizdrahtwiderstand zur Aufheizung der Messkammer und zur Erfassung eines kondensierten Niederschlages eine im Infrarotbereich arbeitende Lumineszenzdiode, deren Lichtbündel im Winkel auf die Spiegelfläche gerichtet ist und von einem Fototransistor empfangen wird, der senkrecht über dem Auftreffpunkt des Lichtstrahles angeordnet ist.
• Ferner ist in der DE 44 23 179 A1 ein Taupunkthygrometer mit optischen Nachweisprinzip beschrieben, bei dem ein auf einem optischen Element kondensierter Wasserdampf eine Intensität elektromagnetischer Strahlung beeinflusst. Das optische Element ist ein durchsichtiger Körper mit mindestens einer Funktionsfläche. An mindestens einer Fläche des Körpers ist eine Kühleinrichtung angebracht. Weiterhin ist das optische Element in einer optischen Strecke zwischen einer oder mehreren Strahlungsquellen mit Strahlformung und einem oder mehreren Strahlungsempfängern angeordnet und umfasst mindestens einen Temperaturfühler.
• Aus der EP 0 780 683 A2 ist eine Vorrichtung zur Taupunktbestimmung mit einem flächigen Element, welches ein flacher Quader mit zwei Hauptflächen, zwei langen Seitenflächen und zwei kurzen Seitenflächen ist, bekannt. Das flächige Element ist mittels zwei Kühlelementen kühlbar, welche an sich gegenüberliegenden kurzen Seitenflächen des flächigen Elements angeordnet sind. Ferner sind eine Lichtquelle und ein lichtempfindlicher Sensor vorgesehen, mittels welchen ein Niederschlag eines Kondensats in einem definierten Punkt auf einer Oberfläche des flächigen Elements erfassbar ist. Zur Ermittlung der Temperatur an dem Punkt des Niederschlags des Kondensats ist ein Temperatursensor vorgesehen.
• Derartige Vorrichtungen gestatten die Erfassung der Taupunkttemperatur prinzipbedingt mit einem minimalen Messfehler von 0,1 bis 0,2 K. Problematisch ist, dass ein deutlicher Unterschied einer physikalischen Eigenschaft der Oberfläche zwischen einem unbetauten und einem betauten Zustand beispielsweise anhand der Reflektivität, der optischen Transmission, des elektrischen Widerstandes, der Kapazität oder der Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche erfasst wird. Dies erfordert zum einen eine bestimmte Mindestmenge an kondensiertem Niederschlag auf der Oberfläche zur Erzeugung eines detektierbaren Signals, woraus der Messfehler zumindest teilweise resultiert. Zum anderen sind verschieden große Niederschlagsmengen auf der gekühlten Fläche kaum voneinander zu unterscheiden, so dass beispielsweise eine Unterkühlung unter die reale Taupunkttemperatur nicht erfassbar ist. Detektiert wird also ein qualitativer Umschlag zwischen dem unbetauten und dem betauten Zustand gemessen, aber nicht wie viel Kondensat sich auf der Oberfläche befindet, was zu einer weiteren Vergrößerung des Messfehlers führt.
• Der Erfindung liegt die daher die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur von Gasen anzugeben, anhand derer die Taupunkttemperatur sehr präzise, d. h. mit sehr kleinem Messfehler, ermittelbar ist. Weiterhin sollen dynamische Prozesse, insbesondere dynamische Taupunkttemperaturveränderungen besser und exakter erfassbar sein.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur von Gasen umfasst ein kühlbares flächiges Element, eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Niederschlages eines Kondensats an einer Oberfläche des flächigen Elementes und eine Temperaturerfassungseinheit zur Erfassung der Temperatur der Oberfläche. Dabei ist das flächige Element ein flacher Quader mit zwei Hauptflächen, zwei langen Seitenflächen und zwei kurzen Seitenflächen.
• Erfindungsgemäß sind zumindest zwei Kühlelemente derart voneinander beabstandet an zumindest einer der Hauptflächen an dem flächigen Element angeordnet, dass in einem Bereich zwischen den Kühlelementen ein einstellbares Temperaturgefälle erzeugbar ist, so dass sich zumindest auf einer Oberfläche einer der langen Seitenflächen ein betauter Abschnitt und ein unbetauter Abschnitt ausbilden. Weiterhin ist erfindungsgemäß zumindest der Bereich von einer Wärmeisolierung umgeben und ein Verlauf einer Grenzlinie zwischen dem betauten Abschnitt und dem unbetauten Abschnitt ist mittels der Erfassungseinheit zur Bestimmung der Taupunkttemperatur erfassbar.
• Unter einem flachen Quader wird dabei ein Quader verstanden, bei welchem eine Kante sehr viel kleiner als die beiden verbleibenden Kanten ist. Die Hauptflächen werden dabei von den beiden verbleibenden, das heißt den längeren Kanten aufgespannt, wobei die Seitenflächen an zwei Seiten von der sehr viel kleineren Kante begrenzt werden.
• Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung ist es zum einen aufgrund der Anordnung der Kühlelemente an den Hauptflächen möglich, dass die Kühlung über eine große Fläche erfolgt. Zum anderen wird ein Einfluss der Umgebung und somit eine Erwärmung der Vorrichtung durch die Umgebung minimiert, indem zumindest der Bereich zwischen den Kühlelementen mit einer Isolationsschicht versehen ist und lediglich eine Oberfläche einer der langen Seitenflächen zur Ermittlung der Taupunkttemperatur anhand der Grenzlinie verwendet wird. Daraus folgend wird die Fläche, über welche das flächige Element Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann, minimiert. Dies führt dazu, dass sich das Temperaturgefälle durch einen nahezu linearen Temperaturverlauf zwischen den beiden Kühlelementen auszeichnet, wobei es anhand der Vorrichtung in besonders vorteilhafter Weise möglich ist, dass sich auf der Oberfläche des flächigen Elementes eine Grenzlinie zwischen einem unbetauten Abschnitt und einem betauten Abschnitt ausbildet. Die an dieser Grenzlinie gemessene Temperatur entspricht dabei sehr genau der zu bestimmenden Taupunkttemperatur des Gases. Aufgrund des linearen Temperaturverlaufs ist die Temperatur besonders exakt ermittelbar.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das flächige Element aus einem gut Wärme leitfähigen Material, insbesondere aus Metall, gebildet. Bei dem Metall handelt es sich beispielsweise um Aluminium. Aufgrund dieser guten Wärmeleitfähigkeit wird zum einen eine schnelle Kühlung des flächigen Elements mit geringer Leistung und gleichzeitig eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Erfassung der Taupunkttemperatur erreicht. Insbesondere ist es möglich, eine Änderung der Taupunkttemperatur durch Veränderung der Position der Grenzlinie auf der Oberfläche in Echtzeit zu erfassen. Somit sind dynamische Veränderungen besser erfassbar.
• Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit der Ermittlung der Taupunkttemperatur ist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Umgebung des flächigen Elements vorgesehen. Je geringer ein Temperaturunterschied zwischen der Umgebung des flächigen Elements und dem flächigen Element ist, desto ”linearer” ist der Temperaturverlauf zwischen den Kühlelementen, so dass die Taupunkttemperatur sehr genau durch Messung der Temperatur an der Grenzlinie ermittelbar ist. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Grenzlinie sich zwischen zwei benachbarten Temperatursensoren befindet. Deshalb wird die Umgebungstemperatur vorzugsweise derart eingestellt, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Taupunkt und der Umgebungstemperatur minimal ist, aber die Umgebungstemperatur größer als die Taupunkttemperatur ist. Beispielsweise wird ein Temperaturunterschied von 1 Kelvin eingestellt.
• In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Erfassungseinheit eine Kamera, so dass eine Erfassung der Grenzlinie in Echtzeit möglich ist. Auch ist es mittels der Kamera möglich, die Oberfläche vollständig oder zumindest in Teilabschnitten und nicht nur punktuell mit einer hohen Auflösung zu erfassen. Somit ist ein ”Wandern” der Grenzlinie in Echtzeit erfassbar. Weiterhin ist mittels der Kamera eine Erkennung von Verschmutzungen der Oberfläche möglich, wobei die Ergebnisse der Taupunkttemperatur in Anhängigkeit der erfassten Verschmutzung korrigiert werden können. Bei der Kamera handelt es sich insbesondere um eine Mikroskopkamera. Die von der Kamera erfassten Bilder werden weiterhin vorzugsweise einer Bildverarbeitung zugeführt, mittels welcher beispielsweise ein Entrauschen der Bilder erfolgt.
• Zur Erzeugung des Temperaturgefälles weisen die Kühlelemente in einer Weiterbildung der Erfindung eine unterschiedliche Kühlleistung auf, wodurch in einfacher Art und Weise das Temperaturgefälle erzeugbar ist.
• Weiterhin umfasst die Temperaturerfassungseinheit vorzugsweise mehrere Temperatursensoren, welche in vorgegebenen Abständen zueinander zwischen den Positionen der Kühlelemente angeordnet und zur abschnittsweisen Erfassung der Temperatur der Oberfläche vorgesehen sind. Durch die Anordnung mehrerer Temperatursensoren zwischen den Positionen der Kühlelemente kann die an der Grenzlinie vorliegende Temperatur sehr genau ermittelt werden.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein erster Temperatursensor an der Position des ersten Kühlelementes angeordnet und ein zweiter Temperatursensor ist an der Position des zweiten Kühlelementes angeordnet, wobei zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor zumindest ein weiterer Temperatursensor angeordnet ist. Mittels des ersten und des zweiten Temperatursensors sind die jeweiligen an dem ersten bzw. zweiten Kühlelement auftretenden Temperaturen erfassbar, so dass eine exakte Steuerung der Vorrichtung aufgrund einer sehr genauen Einstellung der Temperaturen an den Positionen der Kühlelemente ermöglicht wird.
• Bevorzugt sind die Temperatursensoren zwischen den Positionen der Kühlelemente linear, d. h. auf einer Linie, und/oder in gleichem Abstand zueinander zwischen den Kühlelementen angeordnet, so dass zwischen den Temperatursensoren auftretenden Temperaturen der Oberfläche in einfacher Art und Weise schätzbar bzw. ermittelbar sind.
• Um eine effiziente Kühlung des flächigen Elementes und eine gleichmäßige Temperaturverteilung an der Oberfläche des flächigen Elementes zwischen den Kühlelementen zu erzielen, sind die Kühlelemente vorzugsweise an sich gegenüberliegenden Enden, d. h. im Randbereich des flächigen Elementes angeordnet.
• Zum Zweck einer möglichst kleinbauenden Ausführung der Vorrichtung sind die Temperatursensoren in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung planar auf die Oberfläche des flächigen Elementes aufgebracht.
• Hierzu eignen sich insbesondere aus Platinwiderständen gebildete Temperatursensoren, da diese zum einen durch ihre geringe Baugröße und zum anderen durch einen nahezu linear ansteigenden Verlauf des elektrischen Widerstandes bei steigender Temperatur, so dass sehr genaue Messergebnisse möglich sind.
• Die Erfassungseinheit ist gemäß einer Ausgestaltung derart ausgebildet, dass der Verlauf der Grenzlinie zwischen dem unbetauten Abschnitt und dem betauten Abschnitt erfassbar ist.
• Zur Erfassung des Niederschlages umfasst die Erfassungseinheit einen oder mehrere optische Sensoren, Sensoren zur Messung einer Kapazität, Sensoren zur Messung eines Widerstandes und/oder thermische Sensoren, so dass eine Grenzlinie zwischen einem unbetauten Abschnitt und einem betauten Abschnitt der Oberfläche sehr genau erfassbar ist.
• Bei einem Verfahren zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur von Gasen wird ein flächiges Element gekühlt, mittels einer Erfassungseinheit wird ein Niederschlag eines Kondensats an einer Oberfläche des flächigen Elementes erfasst und mittels einer Temperaturerfassungseinheit wird eine Temperatur der Oberfläche erfasst.
• Erfindungsgemäß wird als flächiges Element ein flacher Quader mit zwei Hauptflächen, zwei langen Seitenflächen und zwei kurzen Seitenflächen mittels zumindest zwei an zumindest einer der Hauptflächen voneinander beabstandet angeordneten Kühlelementen derart gekühlt, dass in einem wärmeisolierten Bereich zwischen den Kühlelementen ein einstellbares Temperaturgefälle erzeugt wird, so dass sich zumindest auf einer Oberfläche einer der langen Seitenflächen ein betauter Abschnitt und ein unbetauter Abschnitt ausbilden. Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verlauf einer Grenzlinie zwischen dem betauten Abschnitt und dem unbetauten Abschnitt mittels der Erfassungseinheit erfasst, wobei aus einer Position und/oder einem Verlauf der Grenzlinie auf der Oberfläche die Taupunkttemperatur ermittelt wird. Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Erfassung der Taupunkttemperatur des Gases sehr exakt möglich ist.
• Ferner werden die Temperaturen der Oberfläche zwischen den Positionen mit mehreren Temperatursensoren abschnittsweise erfasst, wodurch eine geringe Abstufung zwischen den gemessenen Temperaturen der Oberfläche möglich ist.
• Die Taupunkttemperatur wird insbesondere aus der Temperatur ermittelt, die an der Grenzlinie zwischen einem unbetauten Abschnitt und einem betauten Abschnitt der Oberfläche erfasst wird, wobei die Grenzlinie vorzugsweise optisch, mittels Messung einer Kapazität, eines Widerstandes und/oder einer thermischen Messung erfasst wird.
• Verläuft die Grenzlinie zwischen zwei Temperatursensoren, wird die Taupunkttemperatur anhand eines Verhältnisses der Abstände der Grenzlinie zu den jeweiligen Taupunktsensoren aus den mittels der zwei Temperatursensoren erfassten Temperaturen gebildet, d. h. interpoliert, wobei aufgrund der Kenntnis des jeweiligen Abstandes und des jeweiligen Temperaturgefälles zwischen den Taupunktsensoren die Genauigkeit der Ermittlung der Taupunkttemperatur weiter verbessert wird.
• Weiterhin werden eine erste Temperatur an der ersten Position und eine zweite Temperatur an einer zweiten Position derart eingestellt, dass sich die Grenzlinie in einem vorgegebenen Abschnitt der Oberfläche, insbesondere an einer Position eines angeordneten Temperatursensors ausbildet. Dadurch wird einerseits eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Messung der Temperatur erreicht und anderseits eine Dynamik des Verfahrens erhöht, da die Grenzlinie schneller erfassbar ist.
• Zu einer weiteren Verbesserung der Dynamik des Verfahrens wird vor der Ermittlung der Taupunkttemperatur ein Temperaturbereich ermittelt wird, in welchem sich die Taupunkttemperatur befindet, so dass der Taupunkt schneller erreicht ist und somit die Bestimmung der Taupunkttemperatur schnell erfolgen kann.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
• Darin zeigt:
• 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Taupunkttemperatur von Gasen,
• 2 schematisch eine Detaildarstellung eines Ausschnitts der Vorrichtung gemäß 1.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur T eines Gases dargestellt, wobei im Folgenden anhand der 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemeinsam erläutert werden.
• Die Vorrichtung 1 umfasst ein flächiges Element 2, welches anhand eines ersten Kühlelementes 3.1 und eines zweiten Kühlelementes 3.2 gekühlt wird. Das flächige Element 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel massiv ausgebildet und weist eine ebene Oberfläche O auf. Das flächige Element 2 kann dabei aus Metall gebildet sein, wobei die Oberfläche O derart poliert ausgebildet ist, dass ein Spiegel. Das flächige Element 2 kann alternativ auch aus weiteren kühlbaren Spiegelelementen, beispielsweise einem Glasspiegel, gebildet sein.
• Im Folgenden wird die Ermittlung der Taupunkttemperatur T am Beispiel des Gasgemisches ”Luft” beschrieben, wobei der Taupunkt der Luft das Wertepaar aus Taupunkttemperatur T und Druck darstellt, bei welchem Wasser aus der Luft kondensiert. Mittels der Vorrichtung 1 ist es jedoch auch möglich, die Taupunkttemperatur T weiterer Gase, wie beispielsweise von Kohlenwasserstoffverbindungen oder anderen Prozessgasen, zu ermitteln.
• Zur Bestimmung der Taupunkttemperatur T wird das flächige Element 2 mittels der Kühlelemente 3.1 und 3.2 derart gekühlt, dass das in der Luft dampfförmig vorliegende Wasser an dem flächigen Element 2 kondensiert. Die Temperatur T₁ bis T₁₀ an der Oberfläche O des flächigen Elementes 2, bei welcher sich die ”ersten Wassertropfen” bilden, d. h. das Wasser beginnt zu kondensieren, stellt die Taupunkttemperatur T dar.
• Zur Erfassung dieser Kondensation umfasst die Vorrichtung 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel als Erfassungseinheit 4 einen optischen Sensor, beispielsweise eine Kamera oder einen CCD-Sensor, mittels welchem die Oberfläche O des flächigen Elementes 2 erfassbar ist.
• Die Erfassungseinheit 4 ist mit einer Auswerteeinheit 5 gekoppelt, anhand welcher aus den mittels der Erfassungseinheit 4 erfassten Bilddaten eine durch die Bildung des Kondensats hervorgerufene Veränderung einer Reflektivität des Spiegels, d. h. der Oberfläche O des flächigen Elementes 2, ermittelt wird.
• Alternativ zu der Ausbildung des flächigen Elementes 2 als Spiegel, kann dies auch transparent ausgebildet, beispielsweise aus Glas gebildet sein. Zur Erfassung der Kondensation wird das flächige dann von einer Seite mittels einer nicht näher dargestellten Lichtquelle durchleuchtet und mittels den von der Erfassungseinheit 4 erfassten Bilddaten wird mittels der Auswerteeinheit 5 die Kondensation aufgrund einer Änderung der Durchleuchtung ermittelt.
• Zur Erfassung der Temperatur T₁ bis T₁₀ der Oberfläche O des flächigen Elementes 2 umfasst die Vorrichtung 1 eine Temperaturerfassungseinheit 6, welche aus mehreren, im dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aus zehn linear und äquidistant angeordneten Temperatursensoren 6.1 bis 6.10 gebildet ist. Bei den Temperatursensoren 6.1 bis 6.10 handelt es sich insbesondere um planar auf die Oberfläche O aufgebrachte Platinwiderstände, deren Widerstandswerte sich bei steigenden Temperaturen nahezu linear erhöhen, so dass mittels der Auswerteeinheit 5 aufgrund der Widerstandswerte der Temperatursensoren 6.1 bis 6.10 die Temperaturen T₁ bis T₁₀ ermittelt werden.
• Anhand der dargestellten Vorrichtung 1 ist es möglich, die Taupunkttemperatur T sehr präzise zu ermitteln. Dazu wird das flächige Element 2 mittels der Kühlelemente 3.1 und 12 derart erwärmt, dass zwischen den Positionen der Kühlelemente 3.2 und 3.1 ein Temperaturgefälle an der Oberfläche O des flächigen Elementes 2 entsteht.
• Die Kühlelemente 3.1 und 3.2 weisen dabei eine unterschiedliche Kühlleistung auf oder sind alternativ für unterschiedliche Zeitdauern oder gepulst betreibbar, wodurch in einfacher Art und Weise das Temperaturgefälle erzeugbar ist.
• Zu Steuerung der Kühlelemente 3.1 und 3.2 ist eine Steuereinheit 7 vorgesehen, mittels welchem Kühlleistungen der Kühlelemente 3.1 und 3.2 steuerbar sind. Dabei wird anhand des ersten Kühlelementes 3.1 eine Temperatur T₁ an der Oberfläche O des flächigen Elementes 2 erzeugt, welche geringer als die die Temperatur T₁₀ ist, die anhand des zweiten Kühleelementes 3.2 erzeugt wird.
• Aufgrund des somit erzeugten Temperaturgefälles zwischen den Positionen der Kühlelemente 3.2 und 3.1 bilden sich auf der Oberfläche O des flächigen Elementes 2 zwei durch eine Grenzlinie G getrennte Abschnitte A1 und A2, wobei sich auf dem unbetauten Abschnitt A2 aufgrund der dort vorherrschenden zu hohen Temperatur kein Kondensat befindet und auf dem betauten Abschnitt A1 aufgrund der dort vorherrschenden geringen Temperatur das Wasser aus der Luft kondensiert und sich auf der Oberfläche O des flächigen Elementes 2 niederschlägt.
• Die an der Grenzlinie G zwischen diesen Abschnitten A1 und A2 gemessene Temperatur T5 stellt dabei die Taupunkttemperatur T dar, bei welcher das Wasser aus der Luft an der Oberfläche O des flächigen Elementes 2 beginnt zu kondensieren.
• Zur Ermittlung der Taupunkttemperatur T werden die Bilddaten der Oberfläche O an die Auswerteeinheit 5 gesendet, wobei anhand der Auswerteeinheit 5 aus den Bilddaten die Grenzlinie G bzw. deren Position auf der Oberfläche O ermittelt wird. Die aus den Bilddaten ermittelte Position der Grenzlinie G wird mit den Positionen der einzelnen Temperatursensoren 6.1 bis 6.10 verglichen, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Grenzlinie G an der Position des fünften Temperatursensors 6.5 verläuft. Daraus wird abgleitet, dass die mittels des fünften Temperatursensors 6.5 ermittelte Temperatur T5 der Oberfläche O des flächigen Elementes 2 der Taupunkttemperatur T entspricht.
• Befindet sich die Grenzlinie G in nicht näher dargestellter Weise nicht direkt an der Position eines der Temperatursensoren 6.1 bis 6.10, kann aufgrund eines linear verlaufenden Temperaturgefälles von der Temperatur T₁₀ zur Temperatur T₁ der Oberfläche O die entsprechende Temperatur der Oberfläche O an dieser Position anhand eines Verhältnisses der Abstände der Grenzlinie G zu den jeweiligen Taupunktsensoren 6.1 bis 6.10 aus den mittels der zwei Temperatursensoren 6.1 bis 6.10 erfassten Temperaturen T₁ bis T₁₀ gebildet wird.
• Befindet sich die Grenzlinie G beispielsweise an einer Position zwischen dem vierten Temperatursensor 6.4 und dem fünften Temperatursensor 6.5, welche vom vierten Temperatursensor 6.4 aus gesehen ein Drittel des Gesamtabstandes zwischen den beiden Temperatursensoren 6.4, 6.5 entspricht, so ergibt sich die Taupunkttemperatur T aus der Summe der Temperatur T₄ an der Position des vierten Temperatursensors 6.4 und einem Drittel der Differenz zwischen der Temperatur T₅ und der Temperatur T₄.
• Um eine sehr hohe Präzision der Vorrichtung 1 zu erzielen, werden die Temperaturen T₁ und T₁₀ mittels der Kühlelemente 3.1 und 3.2 derart eingestellt, dass sich die Grenzlinie G an einer bestimmten vorgebbaren Position auf der Oberfläche O ausbildet. Zu diesem Zweck wird die erste Temperatur T₁ derart eingestellt, dass diese geringfügig geringer als die Taupunkttemperatur T ist und die zweite Temperatur T₁₀ wird derart eingestellt, dass sie geringfügig höher als die Taupunkttemperatur T ist.
• Die Erhöhung der Präzision resultiert dabei daraus, dass eine Auflösung der als optischer Sensor ausgebildeten Erfassungseinheit 4 im Bereich der Position der Grenzlinie G erhöht werden kann, wodurch eine sehr präzise Erfassung der Grenzlinie G und somit auch sehr genaue Ermittlung der Temperatur der Oberfläche O möglich ist. Weiterhin wird durch ein geringes Temperaturgefälle zwischen den Kühlelementen 3.1 und 3.2 eine verringerte Abstufung der Temperaturen T₁ bis T₁₀ ermöglicht, woraus eine sehr genaue Messung der Taupunkttemperatur T resultiert.
• Die erste Temperatur T₁, die zweite Temperatur T₁₀ sowie das daraus resultierende Temperaturgefälle, d. h. ein Temperaturbereich, in welchem sich die Taupunkttemperatur T befindet, werden iterativ oder mittels eines separaten Verfahrens zunächst grob ermittelt, so dass die erste Temperatur T₁ und die zweite Temperatur T₁₀ möglichst nah an der Taupunkttemperatur T liegen, so dass das Temperaturgefälle möglichst gering ist. Weiterhin wird dadurch die Dynamik des Verfahrens und der Vorrichtung 1 erhöht, da die Temperaturen T₁ bis T₁₀ mittels der Kühlelemente 3.1 und 3.2 derart eingestellt werden können, dass die Taupunkttemperatur T sehr schnell erreicht ist.
• Die Genauigkeit der gemessenen Taupunkttemperatur T hängt neben der Auflösung der Erfassungseinheit 4 auch von der Anzahl der Temperatursensoren 6.1 bis 6.10 und dem jeweiligen Abstand zwischen diesen ab. Das heißt, je mehr Temperatursensoren 6.1 bis 6.10 verwendet werden, desto genauer ist die Taupunkttemperatur T ermittelbar. So ist beispielsweise bei einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T₁ und der Temperatur T₁₀ von 0,2 K, einem Abstand zwischen den Temperatursensoren 6.2 und 6.9 vom 50 mm und einer Auflösung der optischen Erfassungseinheit 4 von 1 mm eine mögliche Auflösung bzw. Abstufung der Taupunkttemperatur T von 0.004 K.
• Um die Genauigkeit für jede Messung sicherzustellen, umfasst die Vorrichtung 1 ferner nicht näher dargestellte Zusatzeinrichtungen zur Reinigung des flächigen Elementes 2 von Verschmutzungen, wie sie zahlreich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Weiterhin umfasst die Auswerteeinheit 5 Mittel zu einer Kompensation eines systematischen Fehlers bzw. einer Abweichung einer Zustandsgröße oder eines Messwertes, welche auch als Offsetkompensation bekannt ist. Die Mittel sind beispielsweise als softwaretechnische Lösungen ausgebildet.
• Eine weitere Erhöhung der Präzision der Vorrichtung 1 wird dadurch erreicht, dass das flächige Element 2, die Erfassungseinheit 4 und die Kühlelemente 3.1 und 12 in nicht näher dargestellter Weise als eine gekapselte Einheit ausgeführt, in welcher eine Temperatur vorgebbar ist, so dass stets konstante Messbedingungen und daraus folgend gleich bleibend konstante und miteinander vergleichbare Messwerte vorliegen.
• 2 zeigt einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur T eines Gases, wobei das flächige Element 2 gemäß 1 in einer Detailansicht dargestellt ist.
• Das flächige Element 2 ist als flacher Quader mit zwei Hauptflächen F1, F2, zwei langen Seitenflächen F3, F4 und zwei kurzen Seitenflächen F5, F6 ausgebildet.
• Am Ende der Hauptflächen F1, F2 ist jeweils das flächige Kühlelement 3.1, 12 angeordnet, wobei das flächige Element 2 anhand eines ersten Kühlelementes 3.1 und eines zweiten Kühlelementes 3.2 gekühlt wird. Das flächige Element 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel massiv ausgebildet und weist eine ebene Oberfläche O auf Das flächige Element 2 ist dabei aus einem gut Wärme leitfähigen Material, insbesondere aus Metall gebildet. Die Oberfläche O ist derart poliert, dass ein Spiegel entsteht.
• Um einen linearen Verlauf der Oberflächentemperatur zwischen dem Kühlelementen 3.1, 3.2 zu erzeugen, ist zwischen den Kühlelementen 3.1, 3.2 eine Wärmeisolierung 8 angeordnet, so dass eine Wärmeeintrag aus der Umgebung der Vorrichtung 1 minimiert wird. Hierzu wird die Umgebung mittels einer nicht näher dargestellten Kühlvorrichtung gekühlt. Insbesondere ist die gesamte Vorrichtung 1 in der Kühlvorrichtung angeordnet. Dabei wird die Umgebungstemperatur derart eingestellt, dass ein Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und der Vorrichtung, insbesondere der Oberfläche O, minimal ist, beispielsweise 1 Kelvin.
• In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen umgibt die Wärmeisolierung 8 das flächige Element 2 und die Kühlelemente 3.1, 3.2 vollständig, wobei die Oberfläche O ausgespart ist. Somit ist eine aktive Kühlelemente 3.1, 3.2 Fläche zum Wärmeaustausch minimiert.
• Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das flächige Element 2 beispielsweise eine Dicke von 1 mm, und eine Höhe von 20 mm auf. Die Kühlelemente 3.1, 3.2 weisen vorzugsweise die gleiche Höhe auf und sind quadratisch ausgebildet, so dass diese eine Fläche von 20 mm × 20 mm aufweisen. Somit entsteht eine große Berührungsfläche zwischen dem flächigen Element und den Kühlelementen 3.1, 3.2, so dass es möglich ist, eine große Kühlleistung in das flächige Element 2 zu übertragen.
• Zur Erfassung der Temperatur der Oberfläche O des flächigen Elementes 2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel drei linear und äquidistant angeordnete Temperatursensoren 6.1, 6.5 und 6.10 vorgesehen.
• Die Ermittlung der Taupunkttemperatur T erfolgt, wie unter 1 beschrieben, wobei die Erfassungseinheit 4 vorzugsweise eine Kamera, insbesondere eine Mikroskopkamera, ist mittels welcher die Oberfläche O vollständig oder zumindest in wenigen Teilbereichen erfassbar ist. Dadurch sind Änderungen und Verschiebungen der Grenzlinie G auf der Oberfläche O in Echtzeit ermittelbar.
• Um die Taupunkttemperatur T besonders genau zu ermitteln, muss eine Temperaturdifferenz zwischen den Kühlelementen 3.1, 3.2, das heißt in einem Bereich B gering gehalten werden. Beispielsweise beträgt die Temperaturdifferenz 0,2 Kelvin. Bei einer Auflösung der Erfassungseinheit 4 von 1 mm auf eine Länge des Bereichs B von 50 mm ergibt sich eine Auflösung der Taupunkttemperaturermittlung von 4 Millikelvin.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Temperatur an den Kühlelementen 3.1, 3.2 derart eingestellt, dass die Grenzlinie G genau an dem mittleren Temperatursensor 6.5 entsteht. Somit ist die Taupunkttemperatur T sehr genau ermittelbar, da diese der Temperatur T5 am Temperatursensor 6.5 entspricht.
• Um dynamische Prozesse genauer zu ermitteln, wird die Temperaturdifferenz größer eingestellt. Das heißt, bei Prozessen mit einer höheren Dynamik der Änderungen der Taupunkttemperatur T wird die Temperaturdifferenz zwischen den Kühlelementen 3.1, 3.2 größer gewählt, so dass die Dynamik erfassbar ist.
• Bezugszeichenliste

2

Vorrichtung

3.1

Element

3.2

Kühlelement

4

Kühlelement

5

Erfassungseinheit

6

Auswerteeinheit

6.1

Temperaturerfassungseinheit

7 bis 6.10

Temperatursensoren

8

Steuerelement

A1

Wärmeisolierung

A2

Abschnitt

B

Abschnitt

F

Bereich

F1, F2

Hauptfläche

F3, F4

lange Seitenfläche

F4, F5

kurze Seitenfläche

G

Grenzlinie

O

Oberfläche

T

Taupunkttemperatur

T₁ bis T₁₀

Temperatur

Claims (10)

1. Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur (T) von Gasen, umfassend ein kühlbares flächiges Element (2), eine Erfassungseinheit (4) zur Erfassung eines Niederschlages eines Kondensats an einer Oberfläche (O) des flächigen Elementes (2) und eine Temperaturerfassungseinheit (6) zur Erfassung der Temperatur (T₁ bis T₁₀) der Oberfläche (O), wobei das flächige Element (2) ein flacher Quader mit zwei Hauptflächen (F1, F2), zwei langen Seitenflächen (F3, F4) und zwei kurzen Seitenflächen (F5, F6) ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Kühlelemente (3.1 und 3.2) derart voneinander beabstandet an zumindest einer der Hauptflächen (F1, F2) an dem flächigen Element (2) angeordnet sind, dass in einem Bereich (B) zwischen den Kühlelementen (3.1 und 3.2) ein einstellbares Temperaturgefälle erzeugbar ist, so dass sich zumindest auf einer Oberfläche (O) einer der langen Seitenflächen (F3, F3) ein betauter Abschnitt (A1) und ein unbetauter Abschnitt (A2) ausbilden, und dass zumindest der Bereich (B) von einer Wärmeisolierung (8) umgeben ist, und dass ein Verlauf einer Grenzlinie (G) zwischen dem betauten Abschnitt (A1) und dem unbetauten Abschnitt (A2) mittels der Erfassungseinheit (4) zur Bestimmung der Taupunkttemperatur (T) erfassbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Element (2) aus einem gut Wärme leitfähigen Material, insbesondere aus Metall, gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Umgebung des flächigen Elements (2).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (4) eine Kamera ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinheit (6) mehrere Temperatursensoren (6.1 bis 6.10) umfasst, welche in vorgegebenen Abständen zueinander zwischen den Positionen der Kühlelemente (3.1, 3.2) angeordnet und zur abschnittsweisen Erfassung der Temperatur (T₁ bis T₁₀) der Oberfläche (O) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Temperatursensor (6.1) an der Position des ersten Kühlelementes (3.1) angeordnet ist und ein zweiter Temperatursensor (6.10) an der Position des zweiten Kühlelementes (3.2) angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Temperatursensor (6.1) und dem zweiten Temperatursensor (6.10) zumindest ein weiterer Temperatursensor (6.2 bis 6.9) angeordnet ist.
7. Verfahren zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur (T) von Gasen, wobei ein flächiges Element (2) gekühlt wird, mittels einer Erfassungseinheit (4) ein Niederschlag eines Kondensats an einer Oberfläche (O) des flächigen Elementes (2) erfasst wird und mittels einer Temperaturerfassungseinheit (6) eine Temperatur (T₁ bis T₁₀) der Oberfläche (O) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass als flächiges Element (2) ein flacher Quader mit zwei Hauptflächen (F1, F2), zwei langen Seitenflächen (F3, F4) und zwei kurzen Seitenflächen (F5, F6) mittels zumindest zwei an zumindest einer der Hauptflächen (F1, F2) voneinander beabstandet angeordneten Kühlelementen (3.1 und 3.2) derart gekühlt wird, dass in einem wärmeisolierten Bereich (B) zwischen den Kühlelementen (3.1 und 3.2) ein einstellbares Temperaturgefälle erzeugt wird, so dass sich zumindest auf einer Oberfläche (O) einer der langen Seitenflächen (F3, F4) ein betauter Abschnitt (A1) und ein unbetauter Abschnitt (A2) ausbilden, und dass ein Verlauf einer Grenzlinie (G) zwischen dem betauten Abschnitt (A1) und dem unbetauten Abschnitt (A2) mittels der Erfassungseinheit (4) erfasst wird, wobei aus einer Position und/oder einem Verlauf der Grenzlinie (G) auf der Oberfläche (O) die Taupunkttemperatur (T) ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen (T₁ bis T₁₀) der Oberfläche (O) zwischen den Positionen mit mehreren Temperatursensoren (6.1 bis 6.10) abschnittsweise erfasst werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Taupunkttemperatur (T) aus der Temperatur (T₁ bis T₁₀) ermittelt wird, die an der Grenzlinie (G) erfasst wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Temperatur (T₁) an einer ersten Position und eine zweite Temperatur (T₁₀) an einer zweiten Position derart eingestellt werden, dass sich die Grenzlinie (G) in einem vorgegebenen Abschnitt der Oberfläche (O), insbesondere an einer Position eines angeordneten Temperatursensors (6.1 bis 6.10) ausbildet.

Images