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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Taupunktmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur kontinuierlichen optischen Messung des Taupunkts eines Messmediums, insbesondere eines Messgases. Im Folgenden wird der Begriff Messgas synonym für jedes beliebige Messmedium verwendet.
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Aus
US 3,528,278 A ist eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung eines Taupunkts eines Gases bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein lichtdurchlässiges Substrat mit einer zum Messgas gerichteten Oberfläche und einer dem Messgas abgewandten Oberfläche. Dabei ist das Substrat trapezförmig ausgebildet, wobei Licht senkrecht zu einer der Seitenflächen eingestrahlt wird. An den beiden parallel zueinander verlaufenden Oberflächen des Substrats kommt es zu einer Totalreflexion. Das Substrat ist direkt mit einem Kühlkörper verbunden, und die Temperatur wird mittels eines Temperaturfühlers, der auf der dem Messgas zugewandten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, gemessen.
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Aus
DE 199 32 438 C2 ist eine weitere Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Taupunkttemperatur eines Messgases bekannt, wobei das eingestrahlte Licht durch einen Lichtleiter geführt wird. Am Ende des Lichtleiters wird das Licht derart reflektiert, dass es durch den Lichtleiter auch wieder austritt. An dem Ende des Lichtleiters sind zudem Kondensationsbereiche vorgesehen, die geheizt und gekühlt werden können. Die Reflexion des Lichts ist abhängig von der Kondensation des Messgases an den Kondensationsbereichen. Die Temperatur kann mittels eines im Messgas an der Oberfläche des Lichtleiters angeordneten Temperaturfühlers gemessen werden.
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Aus
US 2007/0147466 A1 ist ein Detektor zur Messung eines Taupunkts bekannt, welcher ein Prisma mit einer Detektionsfläche aufweist. Mittels einer Lichtquelle wird Licht durch das Prisma auf die Rückseite der Detektionsfläche eingestrahlt. Zusätzlich ist ein Lichtdetektor vorgesehen, mittels welchem von der Detektionsfläche reflektiertes Licht detektiert wird. Das Prisma kann gekühlt werden, so dass in Abhängigkeit der Reflektion der Niederschlag von Feuchtigkeit auf der Oberfläche detektiert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Taupunktmessung zur Verfügung zu stellen, die kompakt gestaltet ist und für die Taupunktmessung möglichst vieler unterschiedlicher Medien einsetzbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Taupunktmessung umfasst einen Grundkörper, insbesondere aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wobei der Grundkörper eine Vertiefung aufweist, in welche ein Glas-Spiegelelement mit einer zum Grundkörper orientierten Kontaktfläche und einer dem Grundkörper abgewandten Messfläche angeordnet ist. Die Kontaktfläche des Glas-Spiegelelements ist in wärmeleitender Verbindung zu dem Grundkörper angeordnet. Der Grundkörper ist in wärmeleitender Verbindung zu einem Temperierelement und zu einem Temperaturfühler angeordnet. Es ist mindestens ein Mittel zur Einleitung von elektromagnetischen Wellen in einen ersten, von der Messfläche beabstandeten Bereich des Glas-Spiegelelements derart in Richtung Messfläche vorgesehen, dass die eingeleiteten elektromagnetischen Wellen an der Messfläche mindestens teilweise totalreflektiert werden und in einem zweiten, von der Messfläche beabstandeten Bereich des Glas-Spiegelelements wieder aus dem Glas-Spiegelelement austreten.
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Insbesondere wird vorliegend unter einem Glas-Spiegelelement ein Element aus einem Material verstanden, welches durchlässig für zumindest einen Teil der eingestrahlten elektromagnetischen Wellen ist, und wobei je nach Einleitwinkel zumindest ein Teil der elektromagnetischen Wellen an Grenzflächen des Glas-Spiegelelements totalreflektiert wird. Vorzugsweise werden sämtliche - insbesondere für die Einleitung vorgesehenen - elektromagnetischen Wellen totalreflektiert.
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Der Grundkörper wird als aus einem wärmeleitenden Werkstoff bestehend angesehen, wenn er - zumindest in einem für den Einsatzzweck der Vorrichtung vorgesehenen Temperaturbereich - einen Wärmeleitwert von mindestens 1 W/(m K) aufweist. Bevorzugt beträgt der Wärmeleitwert mindestens 10 W/(m·K), und besonders bevorzugt mindestens 40 W/(m.K). Für viele Einsatzzwecke ist ein hoher Wärmeleitwert bei Temperaturen weit unter 0 °C gefragt. Für derartige Einsatzzwecke sind Werkstoffe mit Wärmeleitwerten bevorzugt, die mit abnehmender Temperatur ansteigen.
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Temperierelemente im Sinne der Erfindung sind jegliche Elemente, die es ermöglichen, die erfindungsgemäße Vorrichtung bedarfsweise zu erwärmen und/oder zu kühlen. Insbesondere können dazu ein Peltierelement, ein Stirlingkühler oder mehrere derartige Vorrichtungen eingesetzt werden, auch in Kombination. Derartige Temperierelemente können in kompakter und individuell angepasster Bauform hergestellt werden, so dass sich insgesamt eine in ihrer Geometrie flexible Vorrichtung, bedarfsweise mit kompakten Außenabmessungen herstellen lässt.
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Durch die Anordnung des Glas-Spiegelelements in einer Vertiefung des Grundkörpers ist das Glas-Spiegelelement von mehreren Seiten von dem Grundkörper umgeben, wodurch ein gleichmäßiger, großflächiger und schneller Wärmeeintrag in das Glas-Spiegelelement erfolgt und woraus eine gleichmäßige und vorteilhafte Wärmeverteilung resultiert. Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem wärmeleitenden Grundkörper besteht darin, dass in und an dem Grundkörper in kompakter und geometrisch bedarfsgerechter Art und Weise weitere Elemente angeordnet werden können, wie z.B. ein Temperaturfühler oder ein Temperierelement.
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Das Konzept der erfindungsgemäßen Vorrichtung zielt darauf ab, dass sich eine mittels des Temperierelements vorgegebene Temperatur möglichst kurzfristig an der Messfläche einstellt, indem sich eine Soll-Temperatur des Temperierelements durch eine wärmeleitende Anordnung, insbesondere des Temperierelements, des Grundkörpers und des Glas-Spiegelelements, auf die Messfläche überträgt. Mittels des Temperaturfühlers kann die Soll-Temperatur - nach einer nur sehr kurzen Temperatur-Anpassungsphase - an jedem der genannten Elemente ermittelt werden.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Zur optischen Messung des Taupunkts wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Messfläche in Kontakt zu einem Messgas gebracht, dessen Taupunkt ermittelt werden soll. Elektromagnetische Wellen werden über einen von der Messfläche beabstandeten, ersten Bereich in das Glas-Spiegelelement eingebracht. Dies erfolgt derart, dass die sich in dem Glas-Spiegelelement weiter ausbreitenden elektromagnetischen Wellen innenseitig des Glas-Spiegelelements rückseitig der Messfläche in einem Winkel auftreffen, der größer ist als der Grenzwinkel, so dass an der Messfläche eine Totalreflexion stattfindet. Totalreflexion soll zumindest für einen Teil der elektromagnetischen Wellen stattfinden, bevorzugt für sämtliche elektromagnetische Wellen. Die Einleitung der elektromagnetischen Wellen in das Glas-Spiegelelement erfolgt vorzugsweise in einem 90°-Winkel, d.h. senkrecht zu der entsprechenden Außenfläche des Glas-Spiegelelements. Dies hat den Vorteil, dass nur sehr geringe Streuverluste auftreten. Die reflektierten elektromagnetischen Wellen treten in einem von der Messfläche beabstandeten, zweiten Bereich des Glas-Spiegelelements wieder aus. Die Intensität der totalreflektierten elektromagnetischen Wellen kann dann mittels eines Detektors gemessen werden, entweder direkt an der Austrittsstelle oder in einem von dem Glas-Spiegelelement beabstandeten Bereich, insbesondere durch Weiterleitung der elektromagnetischen Wellen mittels eines geeigneten Mittels, wie z.B. einem Lichtleitkabel.
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Als Detektor kann insbesondere eine Fotodiode dienen. Das Glas-Spiegelelement ist über den Grundkörper mit einem Temperierelement wärmeleitend verbunden, so dass die Temperatur des Glas-Spiegelelements einstellbar ist, insbesondere auch im Bereich der Messfläche, die mit dem Messgas in Kontakt steht. Die Temperatur des Glas-Spiegelelements bzw. der Messfläche kann derart eingestellt werden, dass sich auf der Messfläche ein Kondensat bildet. Das Kondensat weist einen im Vergleich zum Messgas (ohne Kondensat) veränderten Brechungsindex auf, wodurch sich der kritische Winkel bzw. der Grenzwinkel für die Totalreflexion verändert. Dies hat auch zur Folge, dass ein Teil der elektromagnetischen Wellen nicht totalreflektiert wird und der Detektor eine verringerte Intensität detektiert. Die zu diesem Zeitpunkt von dem Temperaturfühler bestimmte Temperatur entspricht dem Taupunkt des Messgases, wenn die Temperatur der Messfläche ausgehend von einer Temperatur oberhalb des Taupunkts (insbesondere in sehr kleinen Schritten oder kontinuierlich) abgesenkt wird, bis es zur Kondensation kommt. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit kann zusätzlich ein Referenzstrahl aus elektromagnetischen Wellen verwendet werden, der ohne Durchgang durch das Glas-Spiegelelement auf den gleichen Detektor oder einen anderen ReferenzDetektor trifft. So können etwaige Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle als Ursache für Intensitätsveränderungen ausgeschlossen werden.
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Mittels einer Steuerung kann die Temperatur an der Messfläche mit Hilfe des Temperierelement jeweils so vorgegeben (d.h. gesteuert) werden, dass ein Kondensat auf der Messfläche generiert wird und folglich eine verringerte Intensität am Detektor feststellbar ist. Durch Vorgabe eines Soll-Intensitätswertes, ggf. einschließlich eines geeigneten Regelbereichs, für die an der Messfläche totalreflektierten elektromagnetischen Wellen im Vergleich zu den tatsächlich emittierten elektromagnetischen Wellen kann eine permanente Überwachung und Nachverfolgung der Taupunkttemperatur erfolgen. Zur Einhaltung des Soll-Intensitätswertes bzw. um ein Verlassen eines Regelbereichs zu vermeiden, wird mittels des Temperierelements die Temperatur der Messfläche durch Beheizen bzw. Kühlen entsprechend eingestellt.
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Vorteilhaft ist, dass die elektromagnetischen Wellen ausschließlich einen von der Messfläche beabstandeten Bereich durchdringen und somit nicht unmittelbar mit dem Messgas und etwaigen in dem Messgas enthaltenen Verunreinigungen in Kontakt geraten. Dadurch kann auch dann noch eine zuverlässige Taupunktmessung erfolgen, wenn sich Verschmutzungen in Form von einzelnen Partikeln an der Messfläche ablagern sollten und/oder wenn die Taupunkttemperatur aggressiver Medien bestimmt werden soll. Die Ablagerung einzelner Partikel beeinflusst nicht oder nur unwesentlich die Totalreflexion. Die Verwendung eines Glas-Spiegelelements macht die Messfläche resistent auch gegenüber aggressiven Medien.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe für die Taupunktbestimmung bei niedrigen und sehr niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, insbesondere für Taupunkttemperaturen von weniger als -10 °C, weiter bevorzugt weniger als -50 °C und besonders bevorzugt weniger als -80 °C.
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In einer praktischen Ausführungsform ist die Vertiefung des Grundkörpers im Querschnitt bogenförmig ausgebildet, und die Kontaktfläche des Glas-Spiegelelements ist im Querschnitt komplementär zu der Vertiefung ausgebildet. Dadurch ergibt sich ein kantenfreier Kontaktbereich zwischen dem Grundkörper und dem Glas-Spiegelelement, was vorteilhaft für einen schnellen und effizienten Wärmeübergang ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Vertiefung des Grundkörpers und das Glas-Spiegelelement vollflächig kantenfrei aneinander anliegen, was beispielsweise durch eine kuppelartige, glockenförmige- oder halbkugelförmige Ausbildung gewährleistet werden kann. Wenn die Kontaktflächen aufeinander abgestimmt sind, können das Glas-Spiegelelement und der Grundkörper im Bereich der Vertiefung einfach und sicher vollflächig zur Anlage kommen. Um die wärmeleitende Verbindung und den Wärmeübergang von dem Grundkörper auf das Glas-Spiegelelement zu verbessern, kann das Glas-Spiegelelement an das Gehäuse angepresst sein und/oder so angeordnet sein, dass es während der Anwendung zusätzlich an die Kontaktfläche angepresst wird, beispielsweise aufgrund der Einwirkung eines Mediendrucks des Messgases gegen die Messfläche. Auch mit Hilfe der Schwerkraft oder mit etwaigen Anpresseinrichtungen kann der Anpressdruck des Glas-Spiegelelements gegen die Vertiefung des Grundkörpers erhöht werden, um den Wärmeübergang weiter zu verbessern.
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Die Einleitung von elektromagnetischen Wellen in den kuppelartig ausgebildeten Bereich eines - insbesondere halbkugelförmigen - Glas-Spiegelelements bzw. in einen kugelsegmentförmigen ersten Bereich ist mit dem weiteren Vorteil verbunden, dass der Einleitwinkel in Bezug auf die Messfläche bei einem weiterhin senkrechten Einleitwinkel relativ zur Kontaktfläche oder zu der Fläche in dem ersten Bereich je nach Messgas bzw. je nach Brechungsindex des Messgases in einfacher Weise variiert werden kann, indem ein Wellenleiter auf einer kreisförmigen Bahn um den Mittelpunkt der Halbkugelgrundkreisfläche bewegt wird. Aus diesem Grund kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem halbkugelförmigen Glas-Spiegelelement in vielen unterschiedlichen Messgasen eingesetzt werden, die jeweils an der Messfläche aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes einen anderen Grenzwinkel für die Totalreflexion bilden. Das Einsatzgebiet einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insoweit besonders flexibel.
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Um einen möglichst effizienten Wärmeübergang zwischen dem Glas-Spiegelelement und dem Grundkörper zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn die Außenflächen des Glas-Spiegelelements mit Ausnahme der Messfläche - und optional mit Ausnahme eines die Messfläche unmittelbar vollständig oder teilweise umschließenden Bereiches - vollständig innerhalb der Vertiefung des Grundkörpers aufgenommen und angeordnet sind. Mit einem die Messfläche unmittelbar umgebenden Bereich sind insbesondere Bereiche gemeint, welche in der Ebene der Messfläche liegen und diese außenseitig umschließen.
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Weiter bevorzugt ist es, wenn die Kontaktfläche des Glas-Spiegelelements zu dem Grundkörper im Vergleich zur Differenzfläche (welche die Messfläche umfasst) groß ist. Die Kontaktfläche erstreckt sich bevorzugt über mindestens 50 Prozent der Gesamtoberfläche des Glas-Spiegelelements, weiter bevorzugt über mehr als 60 Prozent. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis der Kontaktfläche zur Differenzfläche 2:1. So kann der Wärmeübergang weiter verbessert und eine schnelle homogene Temperaturverteilung in dem Glas-Spiegelelement bewirkt werden. Da der Grundkörper ebenfalls in wärmeleitender Verbindung zu dem Temperierelement und dem Temperaturfühler steht, wird damit gleichzeitig die wärmeleitende Verbindung des Glas-Spiegelelements zu dem Temperierelement und dem Temperaturfühler verbessert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Glas-Spiegelelement aus Saphirglas hergestellt. Saphirglas ist ein für die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeigneter Werkstoff. Es weist schon bei Temperaturen zwischen 0 °C und 20 °C eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die bei sinkenden Temperaturen weiter ansteigt. Zudem ist Saphirglas besonders hart, weist eine hohe Beständigkeit gegenüber abrasivem Verschleiß und Zerkratzen auf und ist beständig gegen viele aggressive Medien, insbesondere gegenüber Säuren und Basen. Dadurch ist die Messfläche nicht nur beständig und unempfindlich gegenüber Schmutzpartikeln in einem Messgas, die sich auf der Messfläche ablagern. Selbst mit der Messfläche in Kontakt tretende aggressive Medien oder übliche mechanische Beanspruchungen der Messfläche bei Reinigungstätigkeiten führen in der Regel nicht zu späteren Messfehlern. Hinsichtlich der Medienbeständigkeit wird explizit darauf hingewiesen, dass eine Vorrichtung mit einem Glas-Spiegelelement aus Saphirglas für den Einsatz in Messgasen geeignet ist, die Flusssäure, Phosphorsäure, Schwefelsäure und/oder Salpetersäure enthalten. Eine zusätzliche und mit weiteren Kosten verbundene Beschichtung der Messfläche selbst ist in diesem Fall nicht erforderlich, da das Saphirglas selbst bereits eine ausreichende Beständigkeit aufweist. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Glas-Spiegelelement aus Saphirglas ist über einen langen Zeitraum mit geringem Wartungs- und Reparaturaufwand verbunden und insoweit - über eine längere Nutzungsdauer betrachtet - vergleichsweise kostengünstig. Ein Austausch oder eine Reparatur des Glas-Spiegelelements während der gesamten Lebensdauer dürfte in der Regel nicht erforderlich sein.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist der Temperaturfühler in dem Grundkörper beabstandet zu einer durch die Messfläche gebildeten Messebene angeordnet. Mittels einer derartigen Beabstandung des Temperaturfühlers von der Messebene tritt dieser nicht in Kontakt zu dem Messgas sowie etwaigen darin enthaltenden Verschmutzungen und aggressiven Stoffen. Die Langlebigkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in diesem Fall weiter erhöht, und es erfolgt eine von einer Beeinflussung des Messgases durch Verschmutzungen, Strömungen etc. unbeeinflusste und somit stabile Temperaturmessung über die gesamte Nutzungsdauer der Vorrichtung. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Taupunktmessung ist damit besonders zuverlässig.
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Ein wie vorstehend beschriebener, von der Messfläche beabstandeter Temperaturfühler kann vorzugsweise auf der der Messfläche abgewandten Seite des Glas-Spiegelelements innerhalb des Grundkörpers angeordnet sein. Dadurch wird eine kompakte Bauweise des Grundkörpers erzielt. Wenn der Temperaturfühler auf der gegenüberliegenden Seite der Messfläche in dem Grundkörper angeordnet ist, kann der Grundkörper eine besonders geringe Breite aufweisen und sich insbesondere in der Breite nur in etwa so weit nach außen erstrecken wie das Glas-Spiegelelement. Für eine vollständige außenseitige Einbettung des Glas-Spiegelelements ist es bevorzugt, wenn der Grundkörper eine etwas größere Breitenerstreckung aufweist als das Glas-Spiegelelement und das Glas-Spiegelelement - mit Ausnahme der Seite mit der Messfläche - umschließend angeordnet ist.
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Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem Temperaturfühler und dem Grundkörper und/oder zwischen weiteren aneinander angrenzenden Elementen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Wärmeleitpaste verwendet werden, die zwischen dem Temperaturfühler und dem Grundkörper eingebracht wird.
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Eine Taupunktmessung kann besonders zeitnah und somit schnell erfolgen, wenn der Grundkörper aus einem Werkstoff mit einem Wärmeleitwert von mehr als 150 W/(m·K) hergestellt ist. Ein Wärmeleitwert von mehr als 150 W/(m·K) ermöglicht einen besonders guten Wärmeübergang zwischen dem Glas-Spiegelelement und dem Grundkörper sowie zwischen dem Temperierelement und dem Grundkörper. Als Werkstoffe eignen sich insbesondere Kupfer, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Wolfram oder Magnesium. Vorstehend genannte Werkstoffe sind als Standardwerkstoffe verfügbar und insbesondere gut verarbeitbar, was die Herstellung eines entsprechenden Grundkörpers erleichtert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in dem Grundkörper Ausnehmungen zur Anordnung von Mitteln zur Einleitung von elektromagnetischen Wellen bzw. zur Weiterleitung von ausgeleiteten elektromagnetischen Wellen ausgebildet. Als Mittel zur Einleitung bzw. zur Weiterleitung von elektromagnetischen Wellen sind insbesondere Lichtleitkabel geeignet, insbesondere Lichtleitkabel aus einem flexiblen und für den geplanten Einsatzzweck temperaturbeständigen Material. Diesbezüglich wird insbesondere auf Lichtleitkabel aus Bündeln von Glasfasern, vorzugsweise aus Quarzglas, sowie auf Fasern aus geeigneten Kunststoffen oder Bündel von Kunststofffasern, beispielsweise Kevlar, verwiesen.
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Die Verwendung von Lichtleitkabeln ermöglicht die Verwendung beliebiger, auch von der Vorrichtung beabstandet angeordneter Quellen von elektromagnetischen Wellen, wie z.B. eines separaten Lasers oder einer Leuchtdiode. Bevorzugt ist es, wenn mindestens ein Lichtleiter zur Einleitung von elektromagnetischen Wellen und mindestens ein Lichtleiter zur Ausleitung elektromagnetischen Wellen vorgesehen ist. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Lichtleiter fest mit dem Glas-Spiegelelement verbunden oder verbindbar sind, insbesondere mittels einer Verklebung, Verschraubung oder mittels einer sonstigen geeigneten Kopplung.
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Um zuverlässige und über die gesamte Lebensdauer der Vorrichtung qualitativ stabile Einleitung und Ausleitung elektromagnetischer Wellen zu erreichen, ist es bevorzugt, wenn Lichtleitkabel oder sonstige Mittel zur Einleitung bzw. Ausleitung/Weiterleitung durch die Ausnehmungen im Grundkörper unmittelbar bis an das Glas-Spiegelelement geführt sind. Die Befestigung der Enden der Lichtleitkabel am Glas-Spiegelelement erfolgt vorzugsweise durch Verkleben. Als besonders geeignet hat sich dazu ein Epoxidharzkleber mit einer Temperaturbeständigkeit bis mindestens -180 °C erwiesen, so dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Messung sehr tiefer Taupunkttemperaturen eingesetzt werden kann.
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Zur Erzielung einer hohen Intensität von elektromagnetischen Wellen werden bevorzugt Bündel von Lichtkabeln verwendet, welche - insbesondere endseitig - innerhalb einer Hülse angeordnet sind, insbesondere innerhalb einer Edelstahlhülse. Bei der Hülse handelt es sich vorzugsweise um ein hohlzylindrisches Element, an dessen Innen-Umfangswand die Bündel von Lichtleitkabeln fixiert sind, insbesondere durch Verkleben. Weiter bevorzugt sind auch die Lichtleitkabel miteinander als Bündel fixiert, insbesondere verklebt, so dass die Lichtleitkabel miteinander und mit der Hülse fest zu einer Einheit verbunden sind. Ein Bündel umfasst dabei in einer bevorzugten Variante zwischen 50 und 150 Lichtleitkabeln, insbesondere zwischen 60 und 120 Lichtkabeln oder zwischen 80 und 120 Lichtleitkabeln, vorzugsweise 80 oder 90 Lichtleitkabel. Der starre, durch die Hülse gebildete Zylindermantel eignet sich besonders zur Befestigung eines Bündels von Lichtleitkabeln an dem Glas-Spiegelelement, beispielsweise durch Einpressen in eine entsprechend ausgebildete Einpressöffnung, insbesondere in einem Grundkörper, in welchem auch das Glas-Spiegelelement aufgenommen ist. Die Hülse kann zusätzlich oder alternativ in einer Öffnung mittels Kleben fixiert sein.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann unmittelbar (inline) in oder außenseitig einer Messgasleitung angeordnet werden, um die Taupunkttemperatur des vorbeiströmenden Messgases zu bestimmen. Dabei ist insbesondere ein planarer oder an die Innenkontur der Messgasleitung gegepasster Aufbau der Vorrichtung im Bereich der Messfläche vorteilhaft, damit die an oder in einer Messgasleitung montierte Vorrichtung nicht oder nur geringfügig in die Messgasleitung hineinragt und so keine unnötigen Verwirbelungen im Messgas erzeugt.
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Die Erfindung betrifft auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher die Messfläche zumindest außenseitig von dem Gehäuse umschlossen ist und ein sich seitlich an die Messfläche anschließender Bereich des Gehäuses auf der dem Messgas zugewandten Seite mittels einer separaten Abdeckplatte vollständig abgedeckt ist. So kann einerseits ein vorteilhafter Wärmeübergang zwischen Gehäuse und Glas-Spiegelelement erzielt werden und andererseits auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein direkter Kontakt zwischen einem (etwaig aggressiven) Messgas und dem Gehäuse vermieden werden. Dazu muss der von dem Messgas durchströmte Bereich gegenüber dem Gehäuse ausreichend abgedichtet sein, insbesondere indem entsprechende Dichtelemente eingesetzt werden.
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Unabhängig von der Verwendung einer Abdeckplatte kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Messkammer umfassen, welche einen von der Strömung des Messgases separierten - und vorzugsweise strömungsentkoppelten - Messraum von einer Messleitung abtrennt. Eine solche Messkammer kann insbesondere auch optional vorgesehen sein, indem ein Messkammer-Aufsatz als optionaler Deckelabschnitt vorgesehen ist. Ein solcher Deckelabschnitt ist vorzugsweise bedarfsweise mit einem Gehäuse verbindbar, insbesondere mittels einer Schraubverbindung, Steckverbindung oder mittels einer sonstigen geeigneten lösbaren Verbindung.
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Ein Deckelabschnitt kann integral eine Abdeckplatte umfassen oder mit einer separaten Abdeckplatte kombiniert werden.
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Durch Beschichtung einer separaten Abdeckplatte, eines Deckelabschnitts und/oder eines Deckelabschnitts mit integrierter Abdeckplatte in den mit dem Messgas in Kontakt tretenden Bereichen
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Es ist besonders bevorzugt, eine separate Abdeckplatte und/oder einen Deckelabschnitt entweder vollständig aus einem Werkstoff wie Teflon oder PVDF herzustellen oder die dem Messgas ausgesetzten Flächen mit Beschichtungen aus einem solchen Werkstoff zu versehen.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Taupunktmessung in einem Längsschnitt,
- 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus 1 mit einer mittels eines Deckelabschnitts gebildeten Messkammer in einem Längsschnitt,
- 3 die Vorrichtung gemäß 2 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie III-III in 2 und
- 4 die Vorrichtung aus den 2 und 3 ohne Deckelabschnitt in einer Draufsicht.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur optischen Taupunktmessung in einem Längsschnitt dargestellt.
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Die Vorrichtung 10 zur optischen Taupunktmessung umfasst einen Grundkörper 12 mit einer Vertiefung 14 zur Aufnahme eines halbkugelförmig ausgebildeten Glas-Spiegelelements 16. Die gewölbe Außenfläche des Glas-Spiegelelements 16 dient als Kontaktfläche 18 zu der korrespondierend ausgebildeten Vertiefung 14 des Grundkörpers 12. Die eben ausgebildete Oberfläche des Glas-Spiegelelements 16 dient als Messfläche 20, welche dem Messgas zugewandt ist, dessen Taupunkttemperatur bestimmt bzw. überwacht werden soll. Wie erkennbar ist, ist die Messfläche 20 auf der dem Grundkörper 12 abgewandten Seite angeordnet.
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In 1 ist ebenfalls erkennbar, dass das Glas-Spiegelelement 16 - bis auf die Messfläche 20 - vollständig von dem Grundkörpers 12 umschlossen und somit eingefasst ist.
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Das in 1 dargestellte Glas-Spiegelelement 16 ist aus Saphirglas hergestellt. Der Grundkörper 12 ist in der gezeigten Ausführungsform aus Kupfer hergestellt.
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Auf der dem Glas-Spiegelelement 16 gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers 12 ist ein Temperierelement 22 in wärmeleitender Verbindung zu dem Grundkörper 12 angeordnet. Bei dem Temperierelement 22 handelt es sich vorliegend um eine Peltierelement.
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Die Temperaturmessung erfolgt mittels eines Temperaturfühlers (nicht dargestellt), der in einer Ausnehmung 24 innerhalb des Grundkörpers 12 beabstandet von der Messfläche 20 angeordnet ist. Der Temperaturfühler steht ebenfalls in wärmeleitender Verbindung zu dem Grundkörper 12. Insbesondere wird die thermische Anbindung des Temperaturfühlers an den Grundkörper 12 mittels einer Wärmeleitpaste realisiert.
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Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers 12 aus Kupfer und des Glas-Spiegelelements 16 aus Saphirglas stellt sich die mit dem Peltierelement vorgegebene Temperatur kurzfristig sowohl am Gehäuse, insbesondere im Bereich des Temperaturfühlers, als auch an dem Glas-Spiegelelement 16, insbesondere im Bereich der Messfläche 20, ein. Es ergeben sich - nach einer zeitlich sehr kurzen Angleichungsphase der Temperatur - keine für die Taupunkttemperaturmessung relevante Temperaturunterschiede zwischen der Messfläche 20, dem Grundkörper 12, dem Temperierelement 22 und dem Temperaturfühler.
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Ein erstes Lichtleitkabel 28 dient als Mittel zur Leitung 26 (hier: Einleitung) von elektromagnetischen Wellen in das Glas-Spiegelelement 16 in einen ersten Bereich 32. Ein zweites Lichtleitkabel 30 dient als Mittel zur Leitung 26 (hier: Weiterleitung) von ausgeleiteten elektromagnetischen Wellen, die in einem zweiten Bereich 34 aus dem Glas-Spiegelelement 16 austreten. Die Einleitung bzw. die Ausleitung der elektromagnetischen Wellen erfolgt beabstandet von der Messfläche 20, in der gezeigten Ausführungsform auf der der Messfläche 20 gegenüberliegenden Seite des Glas-Spiegelelements 16.
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Zur direkten Kontaktierung des ersten Lichtleitkabels 28 und des zweiten Lichtleitkabels 30 mit dem Glas-Spiegelelement 16 sind Ausnehmungen 36 in dem Grundkörper 12 vorgesehen. Die Lichtleitkabel 28, 30 sind durch diese Ausnehmung 36 bis unmittelbar an das Glas-Spiegelelement 16 herangeführt und an diesem befestigt, hier durch Verkleben.
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Die Einleitung und Ausleitung der elektromagnetischen Wellen erfolgt jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Glas-Spiegelelements 16, d.h. in einem Winkel von 90°. Diesbezüglich wird angemerkt, dass ggf. eine Toleranz für den Einleitungswinkel, beispielsweise von maximal 0,5°, 1° oder 2°, abhängig vom Krümmungsradius des Glas-Spiegelelements 16 und der Ausdehnung der Einleitfläche in Umfangsrichtung zulässig sein kann, wenn die elektromagnetischen Wellen in den gekrümmten Bereich eines halbkugelförmigen Glas-Spiegelelements 16 eingeleitet werden. Wenn ein exakter Eintrittswinkel von 90° über die gesamte Einleitfläche eingehalten werden soll, kann das Glas-Spiegelelement 16 im Bereich der Einleitfläche (und auch einer etwaigen Ausleitfläche) eben, d.h. planar, ausgebildet sein.
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Die Lichtleitkabel 28, 30 sind in den Figuren nur vereinfacht dargestellt. Üblicherweise werden als Mittel zur Leitung (Einleitung bzw. Weiterleitung) von elektromagnetischen Wellen 26 Bündel von Lichtleitkabeln 28, 30 verwendet, die abschnittsweise von einer nicht dargestellten endseitigen Hülse umgeben sind, insbesondere von einer Hülse aus Edelstahl. Diese nicht dargestellte Hülse ist mit einem tieftemperaturstabilen Epoxidharzkleber unmittelbar an dem Glas-Spiegelelement 16 befestigt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Spiegelhalter 38, mittels welchem das Glas-Spiegelelement 16 in der Vertiefung des Grundkörpers 12 gehalten wird. Ein derartiger Spiegelhalter ist als separates Element nicht zwingend erforderlich. Stattdessen könnte das Glas-Spiegelelement 16 auch auf andere geeignete Art und Weise gegenüber dem Gehäuse 12 festgelegt sein, beispielsweise durch verkleben. Ein Spiegelhalter 38, wie in den 1-3 erkennbar, hat jedoch den Vorteil, dass er sich einfach montieren und demontieren lässt, insbesondere um das Glas-Spiegelelement 16 für etwaige Reinigungs-, Wartungs- und/oder Reparaturhandlungen - sofern erforderlich - zugänglich zu machen.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Spiegelhalter 38 so gestaltet, dass er sich an die Messfläche 20 außenseitig ringförmig anlegt und das Gehäuse 12 ausgehend von der Messfläche 20 über einen Teil der Höhe rohrförmig umschließt.
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Der Spiegelhalter 38 weist im Bereich der Messfläche 20 eine Öffnung 40 auf, so dass die Messfläche 20 über diese Öffnung 40 für ein Messgas unmittelbar zugänglich bleibt.
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Zwischen dem Spiegelhalter 38 und der Messfläche 20 ist eine die Öffnung 40 umgebende Dichtung 42 angeordnet, um eine dichtende Verbindung zwischen dem Spiegelhalter 38 und dem Grundkörper 12 zu schaffen.
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Wie in 1 gut zu erkennen ist, weist der Spiegelhalter 38 eine im Querschnitt T-förmige Außenkontur mit einem in radialer Richtung hervorragenden Kragen 44 auf.
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In den 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur optischen Taupunktmessung zusammen mit einem beispielhaften Gehäuse 46 und einer beispielhaften, optionalen Messkammer 48 dargestellt, welche mittels eines Deckelelements 66 gebildet ist. Im Folgenden werden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit 1.
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Das Gehäuse 46 umgibt die Vorrichtung 10 in Umfangsrichtung. Innerhalb des Gehäuses 46 ist ein Kühlkörper 50 angeordnet, der von unten in Kontakt mit dem Temperierelement 22 steht und als thermische Masse überwiegend zur Abfuhr von Wärme dient. Der Kühlkörper 50 ist vorliegend ebenfalls aus Kupfer ausgebildet und weist somit eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
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Das Gehäuse 46 weist ein unteres Gehäuseteil 52 und ein oberes Gehäuseteil 54 auf. In dem oberen Gehäuseteil 54 ist eine Öffnung 56 zur Aufnahme des Spiegelhalters 38 ausgebildet.
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Das untere Gehäuseteil 52 weist eine Öffnung 60 für den Kühlkörper 50 auf. Der Kühlkörper 50 weist einen Absatz 62 auf, der beim Einsetzen des Kühlkörpers 50 in die Öffnung 60 als Anschlag dient. Zur Verschraubung der Gehäuseteile 52, 54 sind über den Umfang verteilt Schraublöcher 64 vorgesehen, von welchen in 4 zwei zu erkennen sind.
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Wie in den 2 und 3 erkennbar, kann im Bereich der Messfläche 20 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 durch Anordnung eines Deckelabschnitts 66 eine Messkammer 48 gebildet werden.
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Zum Schutz des Gehäuses 46 vor Kontakt mit dem Messgas ist in der gezeigten Ausführungsform unmittelbar auf dem Gehäuseoberteil 54 aufliegend eine separate Abdeckplatte 68 angeordnet. Die Abdeckplatte 68 weist im mittleren Bereich eine Öffnung 70 auf, durch welche der Spiegelhalter 38 hindurchgeführt ist, so dass der Spiegelhalter 38 mit dem Kragen 44 auf der Abdeckplatte 68 anliegt.
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Der Deckelabschnitt 66 ist mittels Schrauben gegenüber dem oberen Gehäuseteil 54 fixiert. Dazu sind über den Umfang verteilt entsprechende Schraublöcher 72 vorgesehen, von welchen insbesondere in 2 zwei erkennbar sind.
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Wenn das Messgas aggressive Medien enthält, kann die als Begrenzungswand der Messkammer 48 dienende Seite des Deckelabschnitts 66 mit einer Beschichtung aus einem geeigneten Werkstoff ausgekleidet sein, insbesondere aus Teflon und/oder aus PVDF. Das gleiche gilt für die Abdeckplatte 68. Der Deckelabschnitt 66 und/oder die Abdeckplatte 68 können auch vollständig aus einem der genannten Werkstoffe hergestellt sein.
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Wie in 3 zu erkennen ist, weist der Deckelabschnitt 66 in der gezeigten Ausführungsform eine Einströmleitung 74 auf, durch welche das Messgas in die Messkammer 48 einströmen kann, und eine Ausströmleitung 76, über welche das Messgas wieder aus der Messkammer 48 ausströmen kann. Um einen Kontakt zwischen Messgas und Gehäuse 46 zu vermeiden, ist in der gezeigten Ausführungsform eine (hier ringförmige) Dichtung 78 im radial äußeren Bereich zwischen der Abdeckplatte 68 und dem Deckelabschnitt 66 und eine (hier ringförmige) Dichtung 80 im radial inneren Bereich zwischen der Abdeckplatte 68 und dem Kragen 44 des Spiegelhalters 38 angeordnet.
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Zur visuellen Kontrolle der Messkammer 48 ist im Deckelabschnitt 66 optional ein optisches Element 58 angeordnet, die es einem Betrachter erlaubt, die Messfläche 20 des Glas-Spiegelelements 16 zu beobachten. Wenn als optisches Element 58 eine vergrößernde Linse eingesetzt ist, kann die Messfläche 20 unmittelbar in vergrößerter Ansicht beobachtet werden, beispielsweise um Verschmutzungen oder eine Eisschicht erkennen und ggf. analysieren zu können.
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Wie gut in 4 zu erkennen ist, weist die sichtbare Messfläche 20 des Glas-Spiegelelements 16 eine kreisrunde Geometrie auf. Auch der die Messfläche umfassende Spiegelhalter 38 mit dem Kragen 44 weist eine kreisrunde Innen- und Außengeometrie auf. Das gleiche gilt für die Abdeckplatte 68. Auch das obere Gehäuseteil 54 weist eine kreisförmige Außengeometrie auf.
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In 4 ist auch erkennbar, dass in der gezeigten Ausführungsform sechs Schraublöcher 72 vorgesehen sind, um das obere Gehäuseteil 54 mit dem in 4 nicht erkennbaren unteren Gehäuseteil 52 zu verschrauben. (vgl. 2).
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Insbesondere kann die Vorrichtung 10 mitsamt dem Gehäuse 46 eine von einer Kreisform abweichende Geometrie aufweisen. Die Vorrichtung 10 kann unter anderem eine quadratische oder andersartig ausgebildete Querschnittsform aufweisen. Ferner kann eine Vorrichtung 10 auch ohne Deckelabschnitt 66 und Messkammer 48 in eine Messleitung integriert werden, insbesondere indem die Messfläche 20 im Bereich einer Umfangswand einer Messleitung angeordnet wird.
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Wenn die Vorrichtung ohne Deckelelement verwendet wird, sollte eine vorstehend beschriebene Dichtung 80 als dichtendes Element zwischen dem Spiegelhalter 44 und dem oberen Gehäuseteil 54 eingesetzt werden, um einem Eindringen von Messgas in das Gehäuse 46 zu verhindern. Alternative Dichtmaßnahmen sind - sowohl bei Verwendung der Vorrichtung 10 mit als auch ohne Messkammer 48 - möglich.
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Wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ohne Messkammer 48 verwendet wird, kann anstelle der beschriebenen Auflageplatte 68 auch eine Auflageplatte (nicht dargestellt) verwendet werden, die sich vollständig über den Bereich des Gehäuses 46 erstreckt, welcher mit dem Messgas in Kontakt tritt, und auf geeignete Weise gegenüber dem Gehäuse 46 festgelegt ist. Diesbezüglich wird insbesondere auf die Möglichkeit verwiesen, eine wie in 2 gezeigte Auflageplatte 68 radial nach außen so weit zu verlängern und Öffnungen darin auszubilden, um diese mit dem oberen Gehäuseteil 54 verschrauben zu können. Eine Dichtung (nicht dargestellt) kann in diesem Fall - sofern erforderlich - radial außen zwischen der Abdeckplatte und dem Gehäuse 46 angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zur optischen Taupunktmessung
- 12
- Grundkörper
- 14
- Vertiefung
- 16
- Glas-Spiegelelement
- 18
- Kontaktfläche
- 20
- Messfläche
- 22
- Temperierelement
- 24
- Ausnehmung für Temperaturfühler
- 26
- Mittel zur Leitung von elektromagnetischen Wellen (Einleitung/Weiterleitung)
- 28
- erstes Lichtleitkabel
- 30
- zweites Lichtleitkabel
- 32
- erster Bereich
- 34
- zweiter Bereich
- 36
- Ausnehmung
- 38
- Spiegelhalter
- 40
- Öffnung
- 42
- Dichtung
- 44
- Kragen
- 46
- Gehäuse
- 48
- Messkammer
- 50
- Kühlkörper
- 52
- unteres Gehäuseteil
- 54
- oberes Gehäuseteil
- 56
- Öffnung
- 58
- optisches Element
- 60
- Öffnung
- 62
- Absatz
- 64
- Schraubdom
- 66
- Deckelabschnitt
- 68
- Abdeckplatte
- 70
- Öffnung
- 72
- Schraubloch
- 74
- Einströmleitung
- 76
- Ausströmleitung
- 78
- Dichtung
- 80
- Dichtung
