DE102021211168B3

DE102021211168B3 - Mobiler Spurenfeuchtegenerator

Info

Publication number: DE102021211168B3
Application number: DE102021211168.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lorek; Stephen Garland; Roland Wernecke; Volker Schwanker
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2022-11-10
Anticipated expiration: 2041-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mobilen Spurenfeuchtegenerator (1) umfassend einen Strömungsgenerator (20), eine Kühlkammer (100) sowie eine Probenkammer (130), wobei der Strömungsgenerator (20), die Kühlkammer (100) und die Probenkammer (130) fluidtechnische in Reihe miteinander verbunden sind, so dass ein gasförmiges Arbeitsfluid in einem eingeschalteten Betriebszustand des Strömungsgengerators (20) zunächst die Kühlkammer (100) und anschließend die Probenkammer (130) durchströmt, wobei die Kühlkammer (100) mit einer regelbaren Kühlvorrichtung (50) verbunden ist und in dem Kühlbetriebszustand der regelbaren Kühlvorrichtung (50) auf eine Soll-Temperatur gekühlt wird, die unterhalb eines Gefrierpunktes von Wasser liegt, sodass das gasförmigen Arbeitsfluid beim Verlassen der Kühlkammer (100) einen Frostpunkt aufweist, der mit der Temperatur Kühlkammerwände korrespondiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen mobilen Spurenfeuchtegenerator zum Erzeugen eines gasförmigen Fluidstroms eines Arbeitsgases mit definierter Spurenfeuchte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Gasstroms mit definierter Spurenfeuchte in einer Probenkammer.
In vielen Bereichen der Technik ist es notwendig, den Wassergehalt in einem Arbeitsgas, insbesondere Luft, präzise zu kennen. Hierfür gibt es eine Reihe von Sensoren, die die absolute oder relative Feuchtigkeit in einem Gas messen. Um solche Sensoren kalibrieren zu können, ist es notwendig, in einer Probenkammer einen Strom von Arbeitsgas zur Verfügung stellen zu können, dessen Spurenfeuchte definiert festgelegt ist.
Sehr geringe Konzentrationen von Wasserdampf in Luft bezeichnet man als Spurenfeuchte. Eine absolute Feuchte, d.h. eine absolute Menge an Wasserdampf in einem Arbeitsgas, kann über verschiedene Größen angegeben werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Taupunkttemperatur bzw. die Frostpunkttemperatur anzugeben. Dieses ist die Temperatur, bei der für einen aktuellen Wasserdampfgehalt in dem Arbeitsgas eine Sättigung auftritt und bei der eine Kondensation von Wasser eintritt. Als Frostpunkttemperatur wird die Temperatur entsprechend bezeichnet, bei der eine Sättigung des Wasserdampfpartialdrucks eintritt und eine Frostbildung einsetzt.
Als verkürztes Synonym für den Begriff Frostpunkttemperatur wird manchmal auch der Begriff Frostpunkt verwendet. Entsprechendes gilt für die Begriffe Taupunkttemperatur und Taupunkt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen sich gezielt die Spurenfeuchte in einem Arbeitsgas einstellen lässt. Zum einen sind dies sogenannte Zwei-Temperatur-Zwei-Druck-Feuchtegeneratoren. Diese weisen den Nachteil auf, dass meist nur Frostpunkte bis etwa -40 °C erreichbar sind. Außerdem sind die Einstellzeiten häufig lang, bis der gewünschte Frostpunkt, d.h. die gewünschte Frostpunkttemperatur, im Arbeitsgas erreicht ist. Da diese Geräte zur Funktionsweise Druckluft benötigen, weisen diese einen Kompressor auf und sind daher nicht portabel.
Andere Vorrichtungen arbeiten als Mischgenerator nach einem sogenannten Adsorptionsprinzip. Der Nachteil bei diesen Geräten ist, dass die Erzeugung mit hohen Kosten verbunden ist und die Anlagen nur stationär im Labor ausgebildet werden können. Darüber hinaus ist das Verfahren mit einer hohen Fehleranfälligkeit behaftet, da Temperaturänderungen in den verwendeten Waschflaschen auftreten können, zum Teil unkalibrierte Massenflussregler verwendet werden und Änderungen an einer Wirksamkeit des Trockenmittels auftreten können.
Die KR 10 2021 0 108 599 A beschreibt ein Umweltprüfgerät zur Prüfung einer Probe in einer Temperatur- und Feuchtigkeitsumgebung. Zwei Fluidströme, deren Feuchtigkeiten jeweils einer Tau- oder Frostpunkttemperatur entsprechen, jedoch voneinander verschieden sind, werden gemischt.
Wieder andere Spurenfeuchtegeneratoren arbeiten als Mischgasgeneratoren mit einem Injektionsprinzip. Der Nachteil dieser Technik besteht darin, dass es schwierig ist, geringe Wassermengen präzise kontrolliert zu injizieren. Daher liegt der tiefste zu erreichende Frostpunkt nur bei ca. -30 °C.
Die JP 2000-337 747 A beschreibt Kühlschränke, mit denen tiefe Temperaturen von minus 30° Celsius realisiert werden können.
Wieder andere Feuchtegeneratoren arbeiten nach einem coulometrischen Prinzip. Nachteil dieser Feuchtegeneratoren ist eine sehr lange Einstellzeit, z.B. bis zu mehreren Tagen. Darüber hinaus sind diese Anlagen ebenfalls nicht portabel.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, einen Spurenfeuchtegenerator und ein Verfahren zum Erzeugen eines Gasstromes mit einer definierten Spurenfeuchte in einer kompakten, mobilen Vorrichtung in einem großen Spurenfeuchtigkeitsbereich, insbesondere auch für sehr geringe Spurenfeuchten unterhalb von -40 °C, zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, auszunutzen, dass in einem Gasstrom eine Sättigung des Wasserdampfpartialdrucks dann eintritt, wenn der Gasstrom eine Fläche überstreicht, an der überschüssiges Wasser aus dem Gasstrom ausgefroren wird. Bei der Erzeugung von einem Luftstrom mit einer geringen Spurenfeuchtigkeit mit einer Frostpunkttemperatur wird somit überschüssige Feuchtigkeit aus dem Arbeitsgas ausgefroren. Da selbst in trockenen Arbeitsumgebungen die in der Raumluft vorhandene Feuchtigkeit oberhalb der Feuchtigkeit liegt, die bei Frostpunkten mit Temperaturen unter 0 °C erreicht werden, liegt im Ausgangsarbeitsfluid, wenn dieses Umgebungsluft ist, immer ein Feuchtegehalt vor, der bei Frostpunkttemperaturen unterhalb 0 °C zu einem Sättigungsdampfdruck bei der eingestellten Frostpunkttemperatur führt.
Bevorzugte Ausführungsformen
Insbesondere wird ein mobiler Spurenfeuchtegenerator vorgeschlagen, umfassend einen Strömungsgenerator, eine Kühlkammer sowie eine Probenkammer, wobei der Strömungsgenerator, die Kühlkammer und die Probenkammer fluidtechnisch in Reihe miteinander verbunden sind, so dass ein gasförmiges Arbeitsfluid in einem eingeschalteten Betriebszustand des Strömungsgengerators zunächst die Kühlkammer und anschließend die Probenkammer durchströmt, wobei die Kühlkammer mit einer regelbaren Kühlvorrichtung verbunden ist und in einem Kühlbetriebszustand der regelbaren Kühlvorrichtung auf eine Soll-Temperatur gekühlt wird, bei der Wasser aus dem Arbeitsfluid kondensiert bzw. ausfriert, sodass das gasförmigen Arbeitsfluid beim Verlassen der Kühlkammer einen Taupunkt bzw. Frostpunkt aufweist, der mit der Temperatur der inneren Kühlkammerwände korrespondiert.
Ferner wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Fluidstroms eines gasförmigen Arbeitsfluids mit definierter Spurenfeuchte geschaffen, bei dem mittels des Strömungsgenerators der Fluidstrom erzeugt wird, der für ein Strömen des gasförmigen Arbeitsfluids durch die Kühlkammer und anschließend die Probenkammer sorgt, wobei mit der Kühlvorrichtung die Kühlkammer auf eine Soll-Temperatur geregelt gekühlt wird, bei der Wasser aus dem Arbeitsfluid kondensiert bzw. ausfriert ,sodass das gasförmige Arbeitsfluid beim Verlassen der Kühlkammer einen Taupunkt bzw. Frostpunkt aufweist, der mit der Temperatur der inneren Kühlkammerwände korrespondiert.
Der Vorteil besteht darin, dass über die Kontrolle nur einer physikalischen Größe die Spurenfeuchte präzise auch für sehr niedrige Frostpunkttemperaturen eingestellt werden kann. Darüber hinaus ist ein Aufbau des Spurenfeuchtegenerators in kompakter Weise möglich, sodass dieser mobil und tragbar ist.
Mit der Temperatur der Kühlkammerwände ist eine Temperatur der Wände eines Fluidkanals in der Kühlkammer gemeint, die vor dem Verlassen der Kühlkammer vom Arbeitsfluid überstrichen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung mindestens zweistufig mit einer ersten Kühlstufe und mindestens einer zweiten Kühlstufe ausgebildet ist. Hierdurch wird es möglich, dass eine große Temperaturdifferenz mit einer ersten Kühlstufe realisiert werden kann, deren Präzision hinsichtlich der Regelbarkeit jedoch eingeschränkt sein kann. Die präzise Temperaturregelung wird dann mit der mindestens einen zweiten Kühlstufe herbeigeführt, welche vorzugsweise eine präzisere Temperaturregelung aufweist.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung zum Ausbilden der ersten Kühlstufe der Kühlvorrichtung ist ein sogenannter Freikolben-Stirlingkühler. Mit einem Freikolben-Stirlingkühler ist es möglich, Temperaturen von bis hinunter zu etwa -100 °C mit einer Temperaturgenauigkeit im günstigsten Fall von +/- 0,1 °C zu erreichen. Bevorzugte Ausführungsformen sehen somit vor, dass die erste Kühlstufe der Kühlvorrichtung ein Freikolben-Stirlingkühler ist.
Während Freikolben-Stirlingkühler nur eine begrenzte Temperaturpräzision erreichen und hinsichtlich der Regelungszeit eine gewisse Trägheit aufweisen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine der mindestens einen zweiten Kühlstufe ein Peltierelement ist. Peltierelemente zeichnen sich dadurch aus, dass mit ihnen schnell und präzise die Temperatur mit einer Präzision von besser als +/-0,01 °C geregelt werden kann. Ohne größere Schwierigkeiten lassen sich Temperaturdifferenzen von mehr als 20 °C durch ein Peltierelement zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite des Peltierelements erreichen.
Eine sehr gute und stabile Regelung der Spurenfeuchte lässt sich mit einem mobilen Spurenfeuchtegenerator erreichen, bei dem der Strömungsgenerator, die Kühlkammer und die Probenkammer in einem fluidtechnisch geschlossenen Fluidkreislauf in Reihe miteinander verbunden sind. Hierdurch wird erreicht, dass der Fluidkreislauf hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Das in dem geschlossenen Fluidkreislauf geführte gasförmige Arbeitsfluid kann so mehrfach durch die Kühlkammer geführt werden, sodass sichergestellt ist, dass in der Kühlkammer der Sättigungspartialdruck für den Wasserdampf dem Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur der Kühlkammer entspricht. Ferner kann die benötigte Kühlleistung gegenüber offenen Systemen reduziert werden. Auch eine mögliche Betriebsdauer und Langzeitstabilität der Spurenfeuchte werden gesteigert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird eine Temperatur der Kühlkammer zunächst für eine Vorkühlzeitspanne auf eine Temperatur, die um einen Vorkühltemperaturdifferenz unterhalb der Soll-Temperatur liegt, abgekühlt, um durch Ausgasvorgänge von Probenkammerbauteilen und in der Fluidverbindung zwischen der Kühlkammer und der Probenkammer verursachte Spurenfeuchteeinflüsse zu minimieren, und anschließend die Temperatur der Kühlkammer auf die Soll-Temperatur anzuheben. Während der Vorkühlzeitspanne werden mindestens die Probenkammer und die Fluidleitung zwischen Kühlkammer und Probenkammer stärker, auf eine Restfeuchte unterhalb des angestrebten Feuchtigkeitsmaßes getrocknet.
Befinden sich Kühlkammer und Probenkammer in einem geschlossenen Fluidkreislauf, so wird in dem gesamten Fluidkreislauf somit überschüssige Feuchte dem gasförmigen Arbeitsfluid entzogen und in der Kühlkammer ausgefroren. Beim anschließenden geregelten Erwärmen auf die Solltemperatur wird die Spurenfeuchte in dem gasförmigen Arbeitsfluid langsam angehoben.
Um beispielsweise eine Frostpunkttemperatur von unterhalb -65 °C zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, eine Vorkühltemperaturdifferenz von etwa 10 °C zu verwenden, sodass eine Temperatur, die um die Vorkühltemperaturdifferenz geringer als die Soll-Temperatur ist, also um 10 °C unterhalb der Soll-Temperatur für die Frostpunkttemperatur liegt, in der Kühlkammer zu erzeugen. Die Zeitspanne, innerhalb derer diese Vorkühltemperaturdifferenz aufrechterhalten wird, wird als Vorkühlzeitspanne bezeichnet und beträgt beispielsweise 15 Minuten. Hierdurch wird das gasförmige Arbeitsfluid stärker getrocknet, als dies für eine spätere Messung in der Probenkammer vorgesehen ist. Hierdurch wird ein Ausgasen von Wasser aus der Fluidleitung zwischen der Kühlkammer und der Probenkammer und in der Probenkammer selbst beschleunigt. Beim anschließenden langsamen Anheben der Temperatur in der Kühlkammer auf die Soll-Temperatur steigt in dem gasförmigen Arbeitsfluid die Frostpunkttemperatur und somit der Wassergehalt im gasförmigen Arbeitsfluid, jedoch ist die Anlagerung von Wasser in der Fluidleitung und innerhalb der Probenkammer schneller als die Ausgasprozesse. Somit wird erreicht, dass beim Erreichen der Soll-Temperatur das gasförmige Arbeitsfluid die korrekte Frostpunkttemperatur aufweist und der Wassergehalt in der Fluidverbindung zwischen der Kühlkammer und der Probenkammer und in der Probenkammer selbst durch Ausgasprozesse nahezu gar nicht oder nur sehr gering nachteilig beeinflusst wird. Dieser Effekt tritt sowohl bei Ausführungsformen ein, bei denen kontinuierlich frisches Arbeitsfluid zugeführt wird, als auch bei Ausführungsformen, bei denen der Fluidkreislauf geschlossen ist. Insbesondere bei letzteren Ausführungsformen hat sich gezeigt, dass der Wassergehalt bzw. die Frostpunkttemperatur über Zeitspannen, die deutlich größer als die Vorkühlzeitspanne sind, konstant gehalten werden können.
Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, die Fluidleitung zwischen Kühlkammer und Probenkammer möglichst kurz auszubilden.
In der Regel ist es wünschenswert, dass das gasförmige Arbeitsfluid in der Probenkammer keine zu niedrige Temperatur aufweist, um ein Abkühlen der Probenkammer selbst und/oder darin angeordneter Prüfobjekte zu vermeiden. Daher ist bei einigen Ausführungsformen vorgesehen, dass in oder an der Probenkammer Heizeinrichtungen ausgebildet sind, um die Probenkammer zu temperieren. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Abschnitt der Fluidleitung zwischen der Kühlkammer und der Probenkammer geheizt sein, um die Temperatur des Arbeitsfluids auf eine gewünschte Temperatur vor dem Eintritt in die Probenkammer zu erwärmen.
Um die Menge an Feuchtigkeit, die in der Kühlkammer aus dem gasförmigen Arbeitsfluid ausgefroren werden muss, gering zu halten und sicherzustellen, dass das Arbeitsfluid in der Kühlkammer schnell die Solltemperatur erreicht, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das gasförmige Arbeitsfluid vor dem Einströmen in die Kühlkammer beim Durchströmen einer Vorkühlkammer vorabgekühlt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines mobilen Spurenfeuchtegenerators sieht daher vor, dass in der fluidtechnischen Verbindung zwischen dem Strömungsgenerator und der Kühlkammer eine Vorkühlkammer angeordnet ist, die thermisch mit der ersten Kühlstufe verbunden ist, um die Vorkühlkammer mittels der ersten Kühlstufe zu kühlen, um das die Vorkühlkammer durchströmende gasförmige Arbeitsgas (vor einem Eintritt in die Kühlkammer) vorabzukühlen. Die durch die zweite Kühlstufe zu bewerkstelligende Temperaturdifferenz wird hierdurch deutlich reduziert.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Vorkühlkammer einen Kühlfinger der ersten Kühlstufe umlaufend umschließt. Das gasförmige Arbeitsfluid wird hierbei besonders bevorzugt schraubenförmig von der wärmeren Seite zu der kältesten Seite des Kühlfingers umlaufend um den Kühlfinger in der Vorkühlkammer geführt.
Hierdurch kann eine deutliche Abkühlung des Arbeitsfluids vor dem Einströmen dieses Arbeitsfluids in die Kühlkammer erreicht werden.
Die Vorkühlkammer kann in einigen Ausführungsformen durch einen Leitungsabschnitt der Fluidleitung ausgebildet sein, der um den Kühlfinger der Kühleinrichtung der ersten Kühlstufen gewunden ist.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die Vorkühlkammer zusätzlich als thermischer Adapter für die mindestens eine zweite Kühlstufe ausgebildet. Die Vorkühlkammer ist somit ausgebildet, einen Teil der von der mindestens einen zweiten Kühlstufe abgegebenen Wärmeenergie aufzunehmen und an den Kühlfinger der ersten Kühlstufe weiterzuleiten. Hierdurch kann eine verbesserte Kühlleistung der mindestens einen zweiten Kühlstufe erreicht werden.
Bei einigen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass ein weiterer thermischer Adapter zwischen der mindestens einen zweiten Kühlstufe und dem Kühlfinger und der Vorkühlkammer angeordnet ist, um in der mindestens einen zweiten Kühlstufe erzeugte Wärme abzuleiten. Bei einer solchen Konstruktion kann erreicht werden, dass eine optimale thermische Übertragung der Wärme zwischen den verschiedenen Kühlstufen der Kühlvorrichtung erreicht wird.
Um eine schnelle und zuverlässige Abkühlung des gasförmigen Arbeitsfluids in der Kühlkammer zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kühlkammer als Kühlblock mit einem im Innern gewundenen Fluidkanal ausgebildet ist. Hierdurch überstreicht das gasförmige Arbeitsgas große Wandflächen der als Kühlblock ausgebildeten Kühlkammer, sodass eine schnelle Temperierung stattfindet und andererseits die Fläche, über der der Sättigungsdampfdruck eingestellt wird, groß ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kühlblock mit einer flachen Kühlseite ausgebildet ist, die in einem thermischen Kontakt mit der Kühlvorrichtung angeordnet ist, wobei der gewundenen Fluidkanal bezogen auf die flache Kühlseite sich von einem Rand der flachen Kühlseite zu einem Mittelpunkt der flachen Kühlseite erstreckt. Bei einigen Ausführungsformen ist die flache Kühlseite des Kühlblocks mittels eines Kühlblockdeckels ausgebildet, der Bestandteil des Kühlblocks ist. Der Kühlblockdeckel schleißt den gewundenen Fluidkanal im Inneren des Kühlblocks zu einer Außenseite des Kühlblocks ab. Hierbei wird der Fluidkanal im Innern des Kühlblocks fluiddicht abdichtet. Die kälteste Temperatur lässt sich bei einem solchen Kühlblock, der an der flachen Kühlseite mit einem Peltierelement thermisch gekoppelt ist, im Zentrum der Kühlkammer bzw. des Kühlblocks bezogen auf die gekühlte flache Kühlseite des Kühlblocks erreichen. Daher ist es vorteilhaft, wenn das temperierte Arbeitsfluid aus dem Kühlblock nahe dem Mittelpunkt aus diesem ausströmt. Somit wird sichergestellt, dass die gewünschte Trockenheit, d.h. der gewünschte Frostpunkt bzw. Taupunkt, beim Verlassen der Kühlkammer eingestellt ist.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der als Kühlkanal dienende Fluidkanal spiralförmig von einer Eintrittsöffnung an einem Rand zu einer Austrittsöffnung in dem Mittepunkt des Kühlblock verläuft.
Um in der Kühlkammer gegen die Umgebung möglichst gut zu isolieren und auf einfache Weise einen guten thermischen Kontakt zwischen der Kühlkammer und der zweiten Kühlstufe und gegebenenfalls zusätzlich zwischen den Kühlstufen zu erreichen, ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass über der Kühlkammer und diese umschließend ein thermisch isolierendes Gehäuse angeordnet ist, welches die Kühlkammer gegen die zweite Kühlstufe presst und gegebenenfalls zusätzlich die zweite Kühlstufe gegen die erste Kühlstufe presst. Ein isolierendes Gehäuse ist in diesem Zusammenhang ein Gehäuse aus einem thermisch isolierenden Material. Beispielsweis ist das Gehäuse mit dem Kühlfinger der ersten Kühlstufe oder einem hieran befestigten Adapter verschraubt.
Um insgesamt ein Ausfrieren von Feuchtigkeit an den gekühlten Bestandteilen der Kühlvorrichtung zu vermeiden oder zumindest zu minimieren, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass zumindest die Kühlkammer und die gegenüber einer Umgebungstemperatur abgekühlten Komponenten der Kühlvorrichtung von einer Hauptkammer umschlossen und hierdurch thermisch gegenüber der Probenkammer isoliert sind. Hierdurch können insbesondere Schäden vermieden werden, die ansonsten bei einem längeren Betrieb durch an der Kühlvorrichtung ausgefrorenes und nach dem Betrieb tauendes Wasser verursacht würden.
Werden in der Probenkammer coulometrische Sensoren getestet, so erzeugen diese Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle. Um jedoch in dem Arbeitsfluid, insbesondere bei Ausführungsformen mit geschlossenem Fluidkreislauf, eine konstante Spurenfeuchte zu erhalten, ist bei einigen Ausführungsformen vorgesehen, dass in dem aus der Probenkammer austretenden gasförmigen Fluidstrom enthaltene Wasserstoff-Moleküle und Sauerstoff-Moleküle zu Wasser rekombiniert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des mobilen Spurenfeuchtegenerators sieht daher vor, dass mit der Probenkammer fluidtechnisch in Reihe eine Rekombinationskammer für eine Herbeiführen einer Rekombination von Wasserstoff-Molekülen mit Sauerstoff-Molekülen zu Wasserstoff-Molekülen verbunden ist, sodass im Betriebszustand des Strömungsgenerators das die Probenkammer verlassende gasförmige Arbeitsfluid die Rekombinationskammer durchströmt.
Eine Rekombinationskammer umfasst im Innern Strukturen mit Oberflächen, die vorzugsweise aus Platin oder platinhaltigen Legierungen oder Verbindungen bestehen. Bei einigen Ausführungsformen werden die Oberflächen der Strukturen, die als Katalysator wirken, auch geheizt, um eine schnelle und vollständige Rekombination sicherzustellen.
Für viele Kalibrationsmessungen ist es notwendig, auch den Massestrom, häufig angegeben in Normlitern, angeben und/oder einstellen zu können, der durch die Probenkammer strömt. Daher ist bei einigen Ausführungsformen vorgesehen, dass mittels einer Massenflussmesseinrichtung ein Massefluss des gasförmigen Arbeitsfluids gemessen wird und der Strömungsgenerator gesteuert wird, dass der Fluidstrom eine Sollmassenstrom aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen eines mobilen Spurenfeuchtegenerators sehen daher vor, dass vorzugsweise zwischen dem Strömungsgenerator und der Probenkammer in der Fluidverbindung eine Massenflussmesseinrichtung angeordnet ist, um einen Massenfluss des die Probenkammer im Betreib des Strömungsgenerators durchströmenden gasförmigen Arbeitsfluids zu messen. Die Messgröße kann dann verwendet werden, um den Strömungsgenerator zu steuern und/oder zu regeln.
Als Strömungsgenerator eignen sich beispielsweise Mikropumpen, die einen Gasdurchfluss zwischen 20 und 100 Normlitern pro Stunde ermöglichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in der Kühlkammer mindestens ein Temperaturmesssensor angeordnet ist, der mit einer Regelvorrichtung verbunden ist, die ausgebildet ist, anhand eines Temperaturmesssignals des Temperatursensors die Kühlvorrichtung zu regeln. Hierdurch kann die Regelung der Soll-Temperatur anhand der tatsächlich in der Kühlkammer herrschenden Temperatur vorgenommen werden.
Um überprüfen zu können, ob die Frostpunkttemperatur tatsächlich mit der Soll-Temperatur der Kühlkammer übereinstimmt, ist bei einigen Ausführungsformen vorgesehen, dass, vorzugsweise unmittelbar hinter der Kühlkammer, bei einigen Ausführungsformen jedoch außerhalb der Hauptkammer, in der fluidtechnischen Verbindung zwischen der Kühlkammer und der Probenkammer ein Taupunktspiegelhygrometer angeordnet ist. Allgemein gilt somit, dass bei einigen Ausführungsformen fluidtechnisch in Reihe mit der Probenkammer ein Taupunktspiegelhygrometer angeordnet ist. Mit einem Taupunktspiegelhygrometer kann der Taupunkt bzw. Taupunkttemperatur oder Frostpunkttemperatur bei Bedarf als Referenz präzise ermittelt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines mobilen Spurenfeuchtegenerators;
2 eine schematische Explosionszeichnung der Kühlvorrichtung und der Kühlkammer;
3 eine schematische Schnittansicht einer Kühlkammer;
4 ein Diagramm, in dem die Temperatur der als Peltierelement ausgebildeten zweiten Kühlstufe sowie die Frostpunkttemperatur, die mit einem Taupunktspiegelhygrometer gemessen ist, gegen die Zeit aufgetragen sind.

In 1 ist ein mobiler Spurenfeuchtegenerator 1 schematisch dargestellt. Mobil bedeutet im Zusammenhang mit einem Spurenfeuchtegenerator 1, dass dieser durch eine Person tragbar ist. Der Spurenfeuchtegenerator 1 umfasst ein Transportgehäuse 10. An diesem können beispielsweise ein Tragegriff oder Ähnliches ausgebildet sein. Der Spurenfeuchtegenerator 1 umfasst einen Strömungsgenerator 20, der beispielsweise als Mikropumpe ausgebildet ist. Der Strömungsgenerator 20 erzeugt eine Fluidströmung eines gasförmigen Arbeitsfluids in Fluidleitungen 30. Über diese sind in Reihe mit dem Strömungsgenerator 20 eine Kühlkammer 100 sowie eine Probenkammer 130 verbunden. Die Kühlkammer 100 ist mit einer Kühlvorrichtung 50 gekoppelt und gemeinsam, zumindest mit den gegenüber einer Umgebungstemperatur abgekühlten Bestandteilen der Kühlvorrichtung 50 in einer hermetisch gegenüber einer Umgebung fluiddicht abgedichteten Hauptkammer 200 angeordnet. Die Hauptkammer 200 weist eine Eintrittsdurchführung 202 und eine Austrittsdurchführung 204 für die Fluidleitungen 33, 34 auf, die das gasförmige Arbeitsfluid der von dem Strömungsgenerator 20 erzeugten Fluidströmung zu der Kühlkammer 100 führen bzw. von der Kühlkammer 100 zu der Probenkammer 130 leiten. Die Kühlkammer 100 wird auf eine Soll-Temperatur mittels der Kühlvorrichtung 50 abgekühlt, sodass das die Kühlkammer 100 durchströmende gasförmige Arbeitsfluid auf die Temperatur der Kühlkammer 100 abgekühlt wird, welches die Soll-Temperatur ist. Hierdurch wird in der Kühlkammer 100 Wasser ausgefroren, sodass sich über dem sich an den Wänden der Kühlkammer 100 bildende Frost der zu der Soll-Temperatur der Kühlkammer 100 korrespondierende Sättigungspartialdruck für Wasserdampf in dem gasförmigen Arbeitsfluid einstellt. Beim Verlassen der Kühlkammer 100 korrespondiert die Frostpunkttemperatur, die den Wassergehalt des gasförmigen Arbeitsfluids kennzeichnet, mit der Temperatur der Kühlkammer 100.
Um Einflüsse von Ausgasungen aus der Fluidleitung 34 zwischen der Kühlkammer 100 und der Probenkammer 130 gering zu halten, ist eine Leitungslänge möglichst kurz zu halten. In der Probenkammer, welche eine hermetisch abdichtbare Öffnung 132 aufweist, wird somit ein Fluidstrom mit definierter Frostpunkttemperatur, d.h. mit vorgegebener Spurenfeuchte, bereitgestellt. In die Probenkammer 130 können somit Messobjekte, wie beispielsweise zu kalibrierende Sensoren, eingebracht werden, während der Spurenfeuchtegenerator 1 nicht in Betrieb ist. Die Probenkammer 130 weist darüber hinaus zusätzlich vorzugsweise elektrische Durchführungen 134 auf, um in der Probenkammer 130 angeordnete Sensoren elektrisch kontaktieren zu können.
Die Probekammer 130 ist vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt. Die abdichtbare Öffnung 132 ist bevorzugt gemäß einer Vakuum-Dichtungsnorm ausgebildet, da diese für geringe Leckraten bekannt sind. Beispielsweise wird die abdichtbare Öffnung mit einem QCF-Profil bzw. einer QCF-Dichtung ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Fluidleitungen 30 einen geschlossenen Fluidkreislauf 40 aus. Bei anderen Ausführungsformen kann jeweils neues Arbeitsfluid in den Strömungsgenerator 20 einströmen und nach dem Verlassen der Probenkammer 130 in die Umgebung ausströmen. Über die gestrichelte Linie 11 ist angedeutet, dass die Rückführleitung 39 der Fluidleitungen 30, wie auch die Rekombinationskammer 160 nicht Bestandteil des Spurenfeuchtegenerators 1 sein muss. D.h., es kann einen geschlossenen Fluidkreislauf 40 ohne eine Rekombinationskammer 160 geben. Es kann aber auch bei einigen Ausführungsformen weder einen geschlossenen Kühlkreislauf 40 noch eine Rekombinationskammer 160 geben. Grundsätzlich sind auch Ausführungsformen mit einer Rekombinationskammer 160, jedoch ohne geschlossenen Kühlkreislauf 40 möglich.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist in den Fluidleitungen 30 zwischen dem Strömungsgenerator 20 und der Kühlkammer 100 eine Massenflussmesseinrichtung 180 angeordnet. Diese kann den Massenfluss des strömenden gasförmigen Arbeitsfluids vorzugsweise nach einem anemometrischen Messprinzip absolut bestimmen. Das Massenflusssignal der Massenflussmesseinrichtung 180 kann dazu genutzt werden, den Strömungsgenerator 20 so zu steuern, dass sich ein bestimmter Massenfluss des gasförmigen Arbeitsfluids in den Fluidleitungen 30 einstellt bzw. kann an Stelle der Massenflussmesseinrichtung 180 ein Massenflussregler eingesetzt werden. Die Massenflussmesseinrichtung 180 kann auch an anderer Stelle in den Fluidleitungen 30 bzw. im Fluidkreislauf 40 angeordnet sein.
Die hermetische Abdichtung der Hauptkammer 200, welche die Kühlkammer 100 sowie zumindest die gegenüber der Umgebung abgekühlten Bestandteile der Kühlvorrichtung 50 umfasst und hermetisch fluiddicht gegenüber der Umgebung abdichtet, sorgt dafür, dass auf einer Außenseite der Kühlkammer 100 und Bestandteilen der Kühlvorrichtung 50 keinen nennenswerten Mengen Wasser ausgefroren werden, die bei einer Außerbetriebsetzung ansonsten zu Wasserschäden an dem Spurenfeuchtegenerator 1 führen könnten. Mit anderen Worten wird vermieden, dass kontinuierlich Feuchte aus der Umgebungsluft an der Kühlvorrichtung 50 und/oder der Kühlkammer 100 ausgefroren wird. Das Material der Hauptkammer weist vorzugsweise eine schlechte Wärmeleitungseigenschaft auf. Hierdurch wirkt es als thermischer Isolator, sodass auch bei längerem Betrieb eine Außenseite der Hauptkammer nicht soweit abgekühlt wird, dass es an dieser zu einer Kondensation von Wasser oder einem Ausfrieren von Wasser aus der Umgebungsluft kommt. Gegebenenfalls kann Abwärme der Kühlvorrichtung genutzt werden, um eine Kondensation von Wasser an der Außenseite der Hauptkammer zu vermeiden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die verschiedenen Fluidleitungen 30 außerhalb der Hauptkammer 200 vorzugsweise als Edelstahlrohre mit einem inneren Durchmesser zwischen 3 und 6 mm ausgebildet. Die einzelnen Fluidleitungen 30 sind hierbei vorzugsweise an den verschiedenen Komponenten mittels Schraubschneid- und/oder Schraubquetschverbindungen, beispielsweise der Firma Swagelok, oder Klemmschneid- oder Klemmquetschverbindungen fluiddicht verbunden. Es sind jedoch auch andere lösbare und nicht lösbare fluiddichte Verbindungen, wie Löt- oder Schweißverbindungen, möglich. Die Verbindungen sollen eine möglichst geringe Leckrate, insbesondere für Wasserdampf, aufweisen. Die Leitungen im Innern der Hauptkammer sind zumindest teilweise als Kupferrohre ausgebildet, um eine gute Wärmeleitung zu gewährleisten.
Um überprüfen zu können, dass die Frostpunkttemperatur des gasförmigen Arbeitsfluids tatsächlich mit der Soll-Temperatur der Kühlkammer 100 übereinstimmt, ist bei der dargestellten Ausführungsform eingefügt in die Fluidleitung 35 des Fluidkreislauf 40 hinter der Hauptkammer 200 und vor der Probenkammer 130 ein Taupunktspiegelhygrometer 170 angeordnet ist. Dieses Taupunktspiegelhygrometer 170 ist optional über die Fluidleitungen 36, 37 in die Fluidleitung 35 eingefügt (Dieses ist über die gestrichelte Darstellung angedeutet). Das Taupunktspiegelhygrometer kann auch in anderen Leitungsabschnitten z.B. hinter der Probenkammer 130 oder der Rekombinationseinheit 160 angeordnet sein. Die Rekombinationskammer 160 ist dafür vorgesehen, Wasserstoffmoleküle und Sauerstoffmoleküle zu Wassermolekülen zu rekombinieren, wenn in der Probenkammer 130 ein coulometrischer Sensor eingesetzt wird, der zur Messung des Wassergehalts in dem gasförmigen Arbeitsfluid Wasser elektrolytisch in Wasserstoffmoleküle und Sauerstoffmoleküle aufspaltet. In der Regel enthält die Rekombinationskammer beispielsweise mit Platin beschichtete Oberflächen, an denen die Rekombination bevorzugt stattfindet. Auch wenn bei der dargestellten Ausführungsform die Fluidleitungen 36, 37 aus dem Transportgehäuse 10 herausführen und das Taupunktspiegelhygrometer 170 außerhalb des Transportgehäuses 10 dargestellt ist, können diese Fluidleitungen 36, 37 und das Taupunktspiegelhygrometer 170 auch in dem Transportgehäuse 10 angeordnet sein.
Hierzu werden das gasförmige Arbeitsfluid oder die beschichteten Oberflächen zum Teil erhitzt. Nach dem Verlassen der Rekombinationskammer muss das Arbeitsfluid dann beispielsweise durch Umgebungsluft in der Rückführleitung 39 wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Hierfür kann eine weitere extra Kühleinrichtung beispielsweise in Form von Ventilatoren vorgesehen sein, die eine Umgebungsluftströmung um die Rückführleitung 39 zum Kühlen des darin befindlichen gasförmigen Arbeitsfluids erzeugen.
Um die Soll-Temperatur der Kühlkammer 100 präzise steuern zu können, sind an oder in dieser vorzugsweise ein oder mehrere Temperatursensoren 119 angeordnet, die eine Temperatur der Wände der Kühlkammer 100 präzise messen. Das hierbei erzeugte Temperatursignal kann von einer Regelvorrichtung 58 genutzt werden, um die Kühlvorrichtung 50 zu steuern und zu regeln. Als Temperatursensor eignen sich Sensoren auf Basis von Widerständen, z.B. von Platinwiederständen.
In 2 ist die Kühlvorrichtung 50 zum Kühlen der Kühlkammer 100 schematisch dargestellt. Die Kühlvorrichtung 50 ist als zweistufige Kühlvorrichtung ausgebildet. Eine erste Kühlstufe 60 ist mit Hilfe eines Freikolben-Stirlingkühlers 61 ausgebildet. Mit dessen Kühlfinger 62 ist über zwei Adapter, welche als Stirlingadapter 96 und Peltieradapter 86 ausgebildet sind, als zweite Kühlstufe 80 ein Peltierelement 81 verbunden. Mit seiner kalten Seitenfläche 82 kühlt das Peltierelement 81 die Kühlkammer 100.
Die erste Kühlstufe 60, die als Freikolben-Stirlingkühler 61 ausgebildet ist, ist in der Lage, Temperaturen von bis unter -100 °C mit einer Genauigkeit von bis zu +/-0,1 °C zu erzeugen. Die als Peltierelement 81 ausgebildete zweite Kühlstufe 80 ist hingegen in der Lage, die Temperatur mit einer Genauigkeit von besser als 0,01 °C zu regeln. Hierbei können Temperaturdifferenzen zwischen der warmen Seitenfläche 83 und der kalten Seitenfläche 82 von über 20 °C erreicht werden.
Der Stirlingadapter 96 vergrößert eine Endfläche 63 eines Kühlfingers 62 des Freikolben-Stirlingkühlers 61, um eine ausreichende Kühlfläche für das Peltierelement 81 der zweiten Kühlstufe 80 bereitzustellen. Um darüber hinaus einen gleichmäßigen Wärmeübergang von der warmen Seitenfläche 83 des Peltierelements 81 in den Kühlfinger 62 zu gewährleisten, ist zwischen dem Peltierelement 81 und dem Stirlingadapter 96 sowie der Endfläche 63 vorzugsweise der Peltieradapter 86 angeordnet. Gemeinsam mit der an der kalten Seitenfläche 82 des Peltierelements 81 anliegenden Kühlkammer 100 sind diese miteinander für einen thermischen Kontakt mittels Schrauben verpresst. Die Schrauben verbinden das thermisch isolierende Gehäuse 120, die Kühlkammer 100 und das Peltierelement 81 mit dem Peltieradapter 86.
Um das gasförmige Arbeitsfluid vor dem Eintritt in die Kühlkammer 100, welche mit der Kühlvorrichtung 60 auf die Soll-Temperatur abgekühlt wird, möglichst gut vorabzukühlen, ist ein Abschnitt der Fluidleitung 33, mit der das gasförmige Arbeitsfluid der Kühlkammer 100 zugeführt wird, auch um den Kühlfinger 62 als Vorkühlkammer herumgewickelt, um eine Vorkühlwirkung zu erzielen. Alternativ kann auch der Stirlingadapter 96 als Vorkühlkammer ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführungsform umschließt die Vorkühlkammer den Kühlfinger 62 hierzu ringförmig. An einem unteren Ende befindet sich eine Eintrittsöffnung. Im Innern der Vorkühlkammer verläuft ein umlaufender Kühlkanal, dessen Austrittsöffnung an einem oberen Ende der Vorkühlkammer angeordnet ist.
Die Fluidleitung 33 endet in der Eintrittsöffnung 102 der vorzugsweise als flacher Kühlblock 101 ausgebildeten Kühlkammer 100. Die Kühlkammer 100 oder der Kühlblock 101 sind in der dargestellten Ausführungsform mit einer flachen Kühlseite 110, die der Zeichnungsebene zugewandt ist, im thermischen Kontakt mit der kalten Seitenfläche 82 des Peltierelements 81. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Kühlblock 101 als einen Bestandteil einen Kühlblockdeckel 105 auf, der den Kühlblocks 101 nach unten abschließt. Bei der dargestellten Ausführungsform steht somit die flache Unterseite des Kühlblockdeckels 105 des Kühlblocks 101 im thermischen Kontakt mit der kalten Seitenfläche 82 des Peltierelements 81. In der Mitte des Kühlblocks 101 befindet sich die Austrittsöffnung 104, an die die Fluidleitung 34 anschließt. Über der Kühlkammer 100 befindet sich ein Gehäuse 120, das die Kühlkammer 100 isoliert, damit die geforderte Soll-Temperatur möglichst in der ganzen Kühlkammer 100 erreicht wird und es nur geringe Temperaturgradienten zu einer Außenwand 112 gibt.
In 3 ist eine schematische Zeichnung durch einen solchen flachen Kühlblock 101 ohne dessen Kühlblockdeckel 105 (vergleiche 2) dargestellt. Ein Fluidkanal 106, den das gasförmige Arbeitsfluid durchströmt, führt von einer Eintrittsöffnung 102 von einem Rand 112 gewunden, vorzugweise in Form einer Spirale, zum Mittelpunkt 114. Dort befindet sich die Austrittsöffnung 104 (vergleiche 2). Von der Austrittsöffnung 104 führt die Fluidleitung 34 zur Austrittsdurchführung 204 der Hauptkammer 200 und von dort zur Probenkammer 130.
Durch die gewundene, vorzugsweise spiralförmige Ausgestaltung des Fluidkanals 106 wird ein langer Weg des Arbeitsfluids durch die Kühlkammer 100 realisiert. Ferner ist die Oberfläche der Kühlkammer 100, die von dem gasförmigen Arbeitsfluid überströmt wird, deutlich vergrößert. Hierdurch wird zum einen gewährleistet, dass das Arbeitsfluid schnell auf die Soll-Temperatur der Kühlkammer 100 abgekühlt wird, und dass zum andern die mit Frost versehene Fläche, die von dem gasförmigen Arbeitsfluid überstrichen wird, ausreichend groß ist, sodass sich in dem auf der Soll-Temperatur befindenden gasförmigen Arbeitsfluid der Sättigungsdampfdruck von Wasser einstellt.
Um eine gute Ableitung von überschüssiger Wärme und gleichmäßige Temperatur der Seitenwände des Fluidkanals 106 zu erreichen, ragen in diesen vorzugsweise Kühlrippen 108 hinein, die eine größere Materialstärke aufweisen als die Wände zwischen den einzelnen Windungen des Fluidkanals 106. Hierdurch ist eine optimale Wärmeleitung und Kühlung der Wände, insbesondere der ersten Windung des Fluidkanals 106, gewährleistet, in dem eine Abkühlung des gasförmigen Arbeitsfluids auf die Temperatur der Kühlkammer 100, d.h. bei Soll-Temperatur, zu erreichen ist.
Vorzugsweise ist die Kühlkammer 100 aus Kupfer oder einem anderen sehr gut wärmeleitenden Material ausgebildet. Zur Unterseite (in dieser Figur die dem Betrachter zugewandte Seite) ist die Kühlkammer 100 verschlossen, beispielsweise mit einem auf den dargestellten Rest des Kühlblocks 101 aufgelöteten Kühlblockdeckel 105 (vergleiche 2). Zusätzlich zu der Eintrittsöffnung 102 sind an der Kühlkammer 100 bzw. dem Kühlblock 101 Sensoröffnungen 117, 118 ausgebildet, in die Temperatursensoren eingeführt werden, die die Temperatur des Kühlblocks messen und deren Temperatursignal oder Temperatursignale für die Regelung der Kühlvorrichtung 50 benutzt werden.
Um ein Abkühlen der Probenkammer 130 zu vermeiden, ist bei einzelnen Ausführungsformen vorgesehen, dass die Probenkammer eine Heizeinrichtung 150 umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizeinrichtung 150 auch einen Teil der Fluidleitung 30 erhitzen, über die das gasförmige Arbeitsfluid von der Kühlkammer 100 zu der Probenkammer 130 geführt wird.
Zusätzlich zu den dargestellten Komponenten können Anzeige- und Bedienelemente in oder an dem Transportgehäuse 10 ausgebildet sein, die notwendig sind, um die Soll-Temperatur vorzuwählen, die erreichte Temperatur anzuzeigen und/oder andere Parameter einzustellen und/oder anzuzeigen. Außer einer Spannungsversorgung benötigt der mobile Spurenfeuchtegenerator 1 keine weiteren Ressourcen, um betrieben zu werden. Ohne Schwierigkeiten können in einem Massenstrom zwischen 20 und 100 Normliter pro Stunde Spurenfeuchten mit Frostpunkttemperaturen herunter bis zu -80 °C und geringer innerhalb kurzer Zeit in der Probenkammer 130 hergestellt werden.
In 4 ist grafisch die Temperatur 301 des Peltierelements 81 und die mit dem Taupunktspiegelhygrometer 170 gemessene Frostpunkttemperatur 302 jeweils gegen die Zeit 303 aufgetragen. Um sicherzustellen, dass Ausgangseffekte der Probenkammer 130 oder der Fluidleitung 35 zwischen der Kühlkammer 100 und der Probenkammer die Spurenfeuchte nicht nachteilig beeinflussen, wird die Soll-Temperatur für eine Vorkühlzeitspanne jeweils um eine Vorkühltemperaturdifferenz unterhalb der für die Messung gewünschten Soll-Temperatur, welche die Frostpunkttemperatur festlegt, geführt. Dieses ist in 4 zu erkennen. Die Temperatur wurde schrittweise zunächst um 20 °C auf -20 °C und anschließend schrittweise jeweils um 10 °C auf -30 °C, -40 °C, -50°C, -60 °C und anschließend in 5 °C-Schritten auf -65 °C, -70 °C, -75 °C und schließlich -80 °C abgesenkt, wobei dies nicht die niedrigste erreichbare Frostpunkttemperatur darstellt.
Gut zu erkennen ist, dass zumindest nach dem geregelten erneuten Anheben der Peltierelementtemperatur auf die Soll-Temperatur diese konstant mit der hinter der Probenkammer gemessenen Frostpunkttemperatur, die mit dem Taupunktspiegelhygrometer 170 ermittelt wurde, übereinstimmt. Sehr gut ist zu erkennen, dass die Frostpunkttemperaturen sehr schnell eingestellt werden können und über lange Zeiträume konstant gehalten werden können.
Für einen solchen mobilen Spurenfeuchtegenerator 1 gibt es verschiedene technische Anwendungen. Beispielsweise kann dieser genutzt werden, um Spurenfeuchtesensoren, einschließlich coulometrischen Sensoren, zu kalibrieren, die ihrerseits in technischen Prozessen bei der Verarbeitung von technischen und korrosiven Gasen beispielsweise in der Halbleiterindustrie oder im Medizinbereich eingesetzt werden. Hierüber hinaus kann ein solcher Spurenfeuchtegenerator 1 genutzt werden, um Wasserspeichereigenschaften von ingenieurwissenschaftlichen Materialen, z.B. Stecker, Kabel usw., bei atmosphärischem Druck zu untersuchen. Dieses ist u.a. wichtig, um die Genauigkeit von Feuchtesensoren und wassersensiblen Anlagen zu beurteilen. Hierfür kann beispielsweise der Spurenfeuchtegenerator nach einem vorgegebenen Zeitprofil die Soll-Temperatur variieren und mit dem der Probenkammer 130 nachgeordneten Taupunktspiegelhygrometer die Frostpunkttemperatur ermittelt werden. Aus einem Vergleich einer solchen Messreihe bei leerer Probenkammer mit einer Messreihe, bei der beispielsweise ein bestimmter Stecker in der Probenkammer angeordnet ist, kann dessen Ausgasverhalten bei Normaltemperatur und atmosphärischem Druck untersucht werden.
Es versteht sich für den Fachmann, dass lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Spurenfeuchtegenerator
10: Transportgehäuse
11: gestrichelte Linie (deutet alternatives Transportgehäuse an)
20: Strömungsgenerator
30: Fluidleitungen
31 bis 39: einzelne Fluidleitungen
40: Fluidkreislauf
50: Kühlvorrichtung
58: Regelvorrichtung
60: erste Kühlstufe
61: Freikolben-Stirlingkühler
62: Kühlfinger
63: Endfläche
80: zweite Kühlstufe
81: Peltierelement
82: kalte Seitenfläche
83: warme Seitenfläche
86: Peltieradapter
96: Stirlingkühleradapter
100: Kühlkammer
101: Kühlblock
102: Eintrittsöffnung
104: Austrittsöffnung
105: Kühlblockdeckel
106: Fluidkanal
108: Kühlrippen
110: flache Kühlseite
112: Rand
114: Mittelpunkt
117: Sensoröffnung
118: Sensoröffnung
119: Temperatursensor
120: Gehäuse
130: Probenkammer
132: abdichtbare Öffnung
134: elektrische Druckführungen
150: Heizeinrichtung
160: Rekombinationskammer
170: Taupunktspiegelhygrometer
180: Massenflussmesseinrichtung
200: Hauptkammer
202: Eintrittsdurchführung
204: Austrittsdurchführung
300: Temperatur
301: Temperatur des Peltierelements
302: Frostpunkttemperatur
303: Zeit

Claims

Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) umfassend einen Strömungsgenerator (20), eine Kühlkammer (100) sowie eine Probenkammer (130), wobei der Strömungsgenerator (20), die Kühlkammer (100) und die Probenkammer (130) fluidtechnisch in Reihe miteinander verbunden sind, so dass ein gasförmiges Arbeitsfluid in einem (eingeschalteten) Betriebszustand des Strömungsgenerators (20) zunächst die Kühlkammer (100) und anschließend die Probenkammer (130) durchströmt, wobei die Kühlkammer (100) mit einer regelbaren Kühlvorrichtung (50) verbunden ist und in dem einem Kühlbetriebszustand der regelbaren Kühlvorrichtung (50) auf eine Soll-Temperatur gekühlt wird, bei der Wasser aus dem Arbeitsfluid kondensiert bzw. ausfriert, sodass das gasförmigen Arbeitsfluid beim Verlassen der Kühlkammer (100) einen Taupunkt bzw. Frostpunkt aufweist, der mit der Temperatur der inneren Kühlkammerwände korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (50) mindestens zweistufig mit einer ersten Kühlstufe (60) und mindestens einer zweiten Kühlstufe (80) ausgebildet ist, wobei die erste Kühlstufe (60) der Kühlvorrichtung (50) ein Freikolben-Stirlingkühler ist und wobei eine der mindestens einen zweiten Kühlstufe (80) ein Peltierelement (81) ist.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der fluidtechnischen Verbindung zwischen dem Strömungsgenerator (20) und der Kühlkammer (100) eine Vorkühlkammer angeordnet ist, die thermisch mit der ersten Kühlstufe (60) verbunden ist, um die Vorkühlkammer mittels der ersten Kühlstufe (60) zu kühlen, um hierüber das die Vorkühlkammer durchströmende gasförmige Arbeitsfluid vor einem Eintritt in die Kühlkammer (100) vorabzukühlen.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgenerator (20), die Kühlkammer (100) und die Probenkammer (130) in einem fluidtechnischen geschlossenen Fluidkreislauf (40) in Reihe miteinander verbunden sind.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Probenkammer (130) fluidtechnisch in Reihe eine Rekombinationskammer (160) für ein Herbeiführen einer Rekombination von Wasserstoff-Molekülen mit Sauerstoff-Molekülen zu Wasser-Molekülen verbunden ist, sodass im Betriebszustand des Strömungsgenerator (20) das die Probenkammer (130) verlassende gasförmige Arbeitsfluid die Rekombinationskammer (160) durchströmt.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkammer (100) als Kühlblock (101) mit einem im Innern gewundenen Fluidkanal (106) ausgebildet ist.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlblock (101) mit einer flachen Kühlseite (110) ausgebildet ist, die in einem thermischen Kontakt mit der Kühlvorrichtung (50) angeordnet ist, wobei der gewundene Fluidkanal (106) bezogen auf die flache Kühlseite (110) sich von einem Rand der flachen Kühlseite (110) zum Mittelpunkt der flachen Kühlseite (110) erstreckt.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (106) spiralförmig von einer Eintrittsöffnung (102) an einem Rand des Kühlblocks (101) zu einer Austrittsöffnung (104) in einem Mittepunkt (114) des Kühlblocks (101) verläuft.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühlkammer einen Kühlfinger (62) der ersten Kühlstufe (60) umlaufend umschließt.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühlkammer zusätzlich als thermischer Adapter für die mindestens ein zweite Kühlstufe (80) ausgebildet ist.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer thermischer Adapter zwischen der mindestens einen zweiten Kühlstufe (80) und dem Kühlfinger (62) und der Vorkühlkammer angeordnet ist, um in der mindestens einen zweiten Kühlstufe (80) erzeugte Wärme abzuleiten.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über der Kühlkammer (100) und diese umschließend ein thermisch isolierendes Gehäuse (120) angeordnet ist, welches die Kühlkammer gegen die zweite Kühlstufe (80) presst und gegebenenfalls zusätzlich die zweite Kühlstufe (80) gegen die erste Kühlstufe (60) presst.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strömungsgenerator (20) und der Probenkammer (130) in der Fluidverbindung eine Massenflussmesseinrichtung (180) angeordnet ist, um einen Massenfluss des die Probenkammer (130) im Betrieb des Strömungsgenerators (20) durchströmenden gasförmigen Arbeitsfluids zu messen.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlkammer (100) mindestens ein Temperaturmesssensor angeordnet ist, der mit einer Regelvorrichtung (58) verbunden ist, die ausgebildet ist, anhand eines Temperaturmesssignals des Temperaturmesssensors die Kühlvorrichtung (50) zu regeln.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Kühlkammer (100) und die gegenüber einer Umgebungstemperatur abgekühlten Komponenten der Kühlvorrichtung (50) von einer Hauptkammer (200) umschlossen und hierdurch fluidtechnisch gegenüber der Probenkammer (130) abgedichtet sind.
Mobiler Spurenfeuchtegenerator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass fluidtechnisch in Reihe mit der Probenkammer (130) ein Taupunktspiegelhygrometer (170) angeordnet ist
Verfahren zum Erzeugen eines Fluidstroms eines gasförmigen Arbeitsfluids mit definierter Spurenfeuchte mittels des mobilen Spurenfeuchtegenerators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei mittels des Strömungsgenerators (20) der Fluidstrom erzeugt wird, der für ein Strömen des gasförmigen Arbeitsfluids durch die Kühlkammer (100) und anschließend die Probenkammer (130) sorgt, wobei mit der Kühlvorrichtung (50) die Kühlkammer (100) auf eine Solltemperatur geregelt wird, bei der Wasser aus dem Arbeitsfluid kondensiert bzw. ausfriert, sodass das gasförmigen Arbeitsfluid beim Verlassen der Kühlkammer (100) einen Taupunkt bzw. Frostpunkt aufweist, der mit der Temperatur der inneren Kühlkammerwände korrespondiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mit der Kühlvorrichtung (50) mindestens zweistufig mit einer ersten Kühlstufe (60) und mindestens einer zweiten Kühlstufe (80) ausgeführt wird, wobei die Kühlung der ersten Kühlstufe (60) der Kühlvorrichtung (50) mittels eines Freikolben-Stirlingkühlers ausgeführt wird und wobei die Kühlung der mindestens einen zweiten Kühlstufe (80) mittels eines Peltierelement (81) ausgeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Arbeitsfluid vor dem Einströmen in die Kühlkammer (100) beim Durchströmen einer Vorkühlkammer vorabgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur der Kühlkammer (100) zunächst für eine Vorkühlzeitspanne auf eine Temperatur, die um einen Vorkühltemperaturdifferenz unterhalb der Soll-Temperatur liegt, abgekühlt wird, um durch Ausgasvorgänge von Probenkammerbauteilen (130) und in der Fluidverbindung zwischen der Kühlkammer (100) und der Probenkammer (130) verursachte Spurenfeuchteeinflüsse zu minimieren, und anschließend die Temperatur der Kühlkammer (100) auf die Soll-Temperatur angehoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Massenflussmesseinrichtung (180) ein Massenfluss des gasförmigen Arbeitsfluids gemessen wird und der Strömungsgenerator (20) gesteuert wird, dass der Fluidstrom eine Sollmassenstrom aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem aus der Probenkammer (130) austretenden gasförmigen Fluidstrom enthaltene Wasserstoff-Moleküle mit Sauerstoff-Molekülen in einer Rekombinationseinheit (160) zu Wasser rekombiniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Arbeitsfluid in einem hermetisch geschlossenen Fluidkreislauf (40) geführt wird.