DE1234411B - Verfahren zum Bestimmen der Kondensationstemperatur von Daempfen in Gasen - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT GOln

Deutsche Kl.: 42 i -19/05

Nummer: 1234 411

Aktenzeichen: S 92095 IX b/42 i

J 234 411 Anmeldetag: 17.Juli 1964

Auslegetag: 16. Februar 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Kondensationstemperatur von Dämpfen in Gasen, bei dem einem Meßkörper mit glatter Oberfläche (Kondensationsfläche) durch einen Kühlkörper, dessen Temperatur langsam erniedrigt wird, stetig Wärme entzogen und die Temperatur der Kondensationsfläche beim Einsetzen der Kondensation gemessen wird.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird der Taupunkt auf optischem Wege ermittelt. Es wird zu diesem Zweck die Oberfläche des Meßkörpers als Spiegel ausgebildet und damit ein Lichtstrahl zu einer Fotozelle reflektiert. Der sich beim Einsetzen der Kondensation bildende Beschlag auf dem Spiegel zerstreut den Lichtstrahl und verändert damit den Widerstand der Fotozelle. Die Widerstandsänderung wird in einem Steuerkreis als Auslösesignal für eine Temperaturmessung des Meßkörpers benutzt.

Das bekannte Verfahren ist nicht besonders genau, da die Streuung von der Dicke des Kondensats auf der Spiegeloberfläche abhängt und diese erst allmählich eine Größe erreicht, die oberhalb der Ansprechschwelle der Fotozelle liegt. Außerdem ist das Verfahren störanfällig, denn Staubschichten auf der Spiegeloberfläche können ebenfalls eine Streuung des Lichtstrahls herbeiführen und dann eine Fehlanzeige auslösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit und Betriebssicherheit des bekannten Verfahrens zu erhöhen.

Dies wird bei einem Verfahren der einleitend genannten Art dadurch erreicht, daß der Wärmeentzug über einen Wärmewiderstand erfolgt und die beim Einsetzen der Kondensation als Folge der Kondensationswärme am Wärmewiderstand oder einem Teil desselben zusätzlich auftretende Temperaturdifferenz als Kriterium für den Beginn der Kondensation benutzt wird.

Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß ein Meßkörper, der von einer Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur aus langsam abgekühlt wird, beim Kondensationsprozeß durch die Zustandsänderung zusätzliche Wärme zugeführt bekommt, so daß eine Unstetigkeit in der Temperaturkurve auftritt. Diese Unstetigkeit läßt sich sicher und einfach mit einer Differenzmeßmethode erfassen, wenn dem Meßkörper über einen Wärmewiderstand stetig Wärme entzogen wird und an diesem die Temperaturdifferenz gemessen wird. Während bei dem bekannten Verfahren die optische Auswirkung der Kondensationsbildung als Auslösekriterium für die Temperaturmessung benutzt wird, ist es bei dem Ver-Verfahren zum Bestimmen der
Kondensationstemperatur von Dämpfen
in Gasen

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. sc. nat. Walter Hänlein f, Erlangen;

Dr. rer. nat. Dipl.-Phys. Joachim Rupprecht,

Nürnberg

fahren nach der Erfindung die Temperaturunstetigkeit auf Grund der Zustandsänderung des Dampfes. Die Temperaturdifferenz wird vorzugsweise durch

so ein Differentialthermoelement erfaßt. Man kann hierbei das elektrische Verbindungsstück zwischen den beiden Meßstellen durch geeignete Auswahl des Materials zugleich als Wärmewiderstand verwenden. Dieses Verbindungsstück kann als ein gesonderter Körper vorgesehen sein. In diesem Fall wird man das Material auch nach thermoelektrischen Gesichtspunkten, also ein Material mit großer Thermokraft, auswählen. Eine konstruktiv einfache Lösung ergibt sich, wenn der Kühlkörper oder ein Teil desselben als elektrisches Verbindungsstück benutzt wird. Im erstgenannten Fall erhält man eine besonders vorteilhafte Lösung mit großer Empfindlichkeit, wenn man auf den Kühlkörper ein Thermoelement aus n- und p-leitendem Halbleitermaterial aufsetzt und auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Thermoelements dünne Schichten p- und η-leitenden Materials mit glatter Oberfläche aufgebracht werden, deren elektrische Anschlüsse zu einem Meßkreis ergänzt werden.

Die Temperaturdifferenzmessung liefert nur den Zeitpunkt des Einsatzes der Kondensation. Zum Erfassen des dann am Meßkörper vorhandenen Temperaturpotentials wird man ein weiteres Thermoelement vorsehen. Dessen Fühler braucht nicht unmittelbar im Meßkörper zu sitzen. Er kann auch im Wärmewiderstand angeordnet sein. Der Widerstandswert eines Wärmewiderstandes von für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneter Größe ist nämlich so klein, daß bei der langsamen Abkühlung Meß- und Kühlkörper etwa das gleiche Temperaturpotential besitzen. Selbst die beim Einsetzen der Kondensatbildung zwischen Meß- und Kühlkörper auf-

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Claims (2)

tretende Temperaturdifferenz ist in der Regel so gering, daß sie das absolute Meßergebnis prozentual nur geringfügig verfälscht. Dafür hat die Anordnung im Wärmewiderstand den Vorzug, daß der Meßkörper nicht zusätzlich mit einer weiteren Wärmekapazität belastet wird, die die temperaturmäßige Auswirkung der Kondensatbildung schwächen würde. Die Erfindung v/ird durch vier Ausführungsbeispiele an Hand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei elektrisch gegensinnig geschalteten Thermoelementen, wobei ein Teil des Kühlkörpers als Wärmewiderstand ausgebildet ist, F i g. 2 eine Ausführung, bei der ein Teil des Kühlkörpers zugleich als elektrisches Verbindungsstück eines Differentialthermoelementes dient, F i g. 3 eine Ausbildung, bei der das elektrische Verbindungsstück des Diffsrentialthermoelementes als gesonderter Wärmewiderstand auf dem Kühlkörper aufsitzt, F i g. 4 eine Weiterbildung der Ausführungsform nach F i g. 3, bei der zwei in Reihe geschaltete Differentialthermoelemente vorgesehen sind. Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Meßkörper 1 wärmeleitend mit der kalten Verbindungsbrücke 2 eines als Kühlkörper wirkenden Peltierelements 3 verbunden. Der Meßkörper ist als flache Kupferscheibe mit glatter Oberfläche ausgebildet. Die Verbindungsbrücke des Peltierelements besteht aus Konstantan. Dieses Material ist schlecht wärmeleitend, so daß zwischen den Meßfühlern 4 und 5 zweier Thermoelemente ein Wärmewiderstand wirksam ist. Über diesen Widerstand wird beim Abkühlen des Meßkörpers mittels des Kühlkörpers Wärme entzogen. Die Thermoelemente sind elektrisch gegensinnig in Reihe geschaltet, so daß ein Differentialthermoelement entsteht, an dessen Klemmen 6 und 7 der am Wärmewiderstand wirksame Temperaturunterschied abgreifbar ist. In der Verbindungsbrücke des Peltierelements befindet sich, und zwar möglichst nahe am Temperaturfühler 5, ein weiterer Temperaturfühler 8 eines Thermoelements, der zur Anzeige des absoluten Temperaturmeßwertes der Verbindungsbrücke durch das Instrument 9 dient. Diese Temperatur entspricht bei langsamer Abkühlung praktisch der Temperatur des Meßkörpers. Die Vorrichtung wird in folgender Weise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benützt. Zunächst wird die Temperatur des Peltierelements und damit des Meßkörpers auf einen Wert gebracht, der sich oberhalb der Kondensationstemperatur befindet. Alsdann wird dem Meßkörper durch langsames Abkühlen des Peltierelements stetig Wärme entzogen. Ist die Kondensationstemperatur erreicht, dann bildet sich auf der Oberfläche des Meßkörpers Kondensat und bewirkt an dieser Stelle eine Wärmezufuhr. Der Temperaturverlauf des Meßkörpers, der über den Wärmewiderstand von dem Kühlkörper temperaturmäßig entkoppelt ist, wird hierdurch gestört. Es bildet sich eine Temperaturdifferenz gegenüber dem sich weiter stetig abkühlenden Kühlkörper. Diese Differenz führt zu einem Signal am Ausgang des Differentialthermoelements, welches als Auslöse- kriterium für die Anzeige des absoluten Temperaturmeßwertes durch das Instrument 9 benutzt wird. Die Messung wird am genauesten, wenn die Abkühlung so langsam betrieben wird, daß sich gerade eine über der Ansprechschwelle des Differentialthermoelements liegende Temperaturdifferenz ausbildet. Wird schneller abgekühlt, dann ergibt sich zwar eine größere Temperaturdifferenz. Diese geht jedoch wegen der Lage des Temperaturfühlers 8 als Fehler in die Anzeige des absoluten Temperaturmeßwertes ein. Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 ist kein gesonderter Wärmewiderstand vorgesehen, sondern die schlechte spezifische Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Kühlkörpers ausgenutzt. F i g. 2 zeigt nun eine weitere Zusammenfassung von für verschiedene Unteraufgaben vorgesehenen Elementen. Es wird hier die Verbindungsbrücke des Peltierelements nicht nur als Wärmewiderstand, sondern zugleich als elektrisches Verbindungsglied zwischen den beiden Meßstellen 4 und 5 des Differentialthermoelements benutzt. Dieses in F i g. 1 mit der Zahl 10 bezeichnete Verbindungsglied besteht hier aus dem zwischen den Punkten 4 und 5 elektrisch wirksamen Teil der Verbindungsbrücke 2. Voraussetzung ist, daß die Verbindungsbrücke 2 und die Zuleitungen 11 und 12 aus verschiedenen Materialien bestehen, damit sich an den Übergangsstellen 4 und 5 Thermospannungen ausbilden können. Die Zuleitungen 11 und 12 müssen beispielsweise aus Kupfer bestehen, wenn, wie bei der Vorrichtung der F i g. 1 vorausgesetzt, die Verbindungsbrücke 2 aus Konstantan besteht. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Differentialthermoelements und damit der Genauigkeit der Taupunktbestimmung ist es oftmals wünschenswert, für das Thermoelement ein Material mit großer Thermokraft verwenden zu können. In diesem Fall möchte man nicht, wie bei dem Beispiel nach F i g. 2, an das durch die Verbindungsbrücke des Peltierelements vorgegebene Material gebunden sein. Man wird deshalb, wie es in F i g. 3 angedeutet ist, als elektrisches Verbindungsglied zwischen den beiden Meßstellen des Differentialthermoelements einen gesonderten Körper 13 vorsehen, dessen Material geeignet gewählt ist und die elektrische Entkopplung vom Kühlkörper durch eine gut wärmeleitende Folie 14 durchführen. F i g. 4 zeigt eine Weiterbildung der Vorrichtung nach Fig. 3, die sehr empfindlich ist. Auf dem Kühlkörper sitzt ein Thermoelement 15 aus n- und p-leitendem Halbleitermaterial, das beidseitig dünne Schichten 16 und 17 aus p- und η-leitendem Material trägt, die nicht ganz bis zum Kühlkörper reichen. Die beiden Schichten besitzen glatte, als Kondensationsflächen wirkende Oberflächen. Die Anordnung wirkt, da das Thermoelement 15 in der Mitte praktisch die Temperatur des Kühlkörpers besitzt, wie eine Reihenschaltung zweier Halbleiter-Thermoelemente, so daß an den Ausgangsklemmen 6 und 7 eine besonders große Spannungsdifferenz meßbar ist. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen der Kondensationstemperatur von Dämpfen in Gasen, bei dem einem Meßkörper mit glatter Oberfläche (Kondensationsfläche) durch einen Kühlkörper, dessen Temperatur langsam erniedrigt wird, stetig Wärme entzogen und die Temperatur der Kondensationsfläche beim Einsetzen der Kondensation gemessen

wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeentzug über einen Wärmewiderstand erfolgt und die beim Einsetzen der Kondensation als Folge der Kondensationswärme am Wärmewiderstand oder einem Teil desselben zusätzlich auftretende Temperaturdifferenz als Kriterium für den Beginn der Kondensation benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Kühlkörpers (3) als Wärmewiderstand ausgebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlkörper ein Peltierelement (3) und die »kalte« Verbindungsbrücke (2) des Peltierelements als Wärmewiderstand dient.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Temperaturdifferenz mittels zweier, elektrisch gegensinnig geschalteter Thermowiderstände erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Temperaturdifferenz mittels zweier elektrisch gegensinnig geschalteter Thermoelemente (4, 5) erfolgt (Differentialthermoelement) (F i g. 1).

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Verbindungsstück (10) zwischen den beiden Meßstellen des Differentialthermoelements als Wärmewiderstand verwendet wird (F i g. 2).

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Verbindungsstück zwischen den beiden Meßstellen des Differentialthermoelements aus einem Material großer Thermokraft besteht (F i g. 3).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrisch und thermisch getrennte Kondensationsflächen (16, 17) vorgesehen sind und der Wärmeentzug über zwei Wärmewiderstände erfolgt und die an den Wärmewiderständen gemessenen Temperaturdifferenzen durch geeignete Schaltung zweier Differentialthermoelemente angezeigt werden.

9. Vorrichtung zum Messen der Temperaturdifferenz für das Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kühlkörper ein Thermoelement (15) aus n- und p-leitendem Halbleitermaterial aufsitzt und auf zwei gegenüberliegende Seitenflächen des Thermoschenkels dünne Schichten (16,17) p- und η-leitenden Materials mit glatter Oberfläche aufgebracht sind, deren elektrische Anschlüsse zu einem Meßkreis ergänzt sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Kondensationsfläche beim Einsetzen der Kondensation durch einen Temperaturfühler (8) im Wärmewiderstand gemessen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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