DE19521568A1

DE19521568A1 - Verfahren zur Bestimmung der Gaszusammensetzung in Zweischeiben-Isolierglas

Info

Publication number: DE19521568A1
Application number: DE1995121568
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Gros; Jochen Dr Fricke; Juergen Lukas; Guido Popp
Original assignee: FRICKE JOCHEN PROF DR 97074 WUERZBURG DE
Current assignee: FRICKE JOCHEN PROF DR 97074 WUERZBURG DE
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2015-06-28
Also published as: DE19521568C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung von Füllgasen in Zweischeiben-Isolierglas.

Zur Erniedrigung des Wärmedurchgangskoeffizienten von Zweischeiben-Isolierglas wer den Gase geringer Wärmeleitfähigkeit in den Scheibenzwischenraum gefüllt. Als Füllgase kommen im wesentlichen schwere Gase wie Argon, Krypton, Xenon und SF6 in Frage. Ein Problem besteht darin, daß der Randverbund der Scheiben nicht absolut diffusionsdicht ist. So kann im Lauf der Einsatzdauer, die in der Regel mindestens etwa zwanzig Jah re beträgt, ein Teil des Füllgases aus dem Zwischenraum herausdiffundieren und durch eindiffundierte Luft - hauptsächlich aus Stickstoff - ersetzt werden. Die tatsächliche Zu sammensetzung des Füllgases nach Herstellung der Isolierscheibe (zur Qualitätssicherung) oder nach längerer Einsatzdauer soll durch ein zerstörungsfreies, einfaches Verfahren er mittelt werden. Dabei ist von besonderem Interesse, daß der gasgefüllte Scheibenzwischen raum nicht zur Probenentnahme angebohrt werden muß bzw. das Fenstersystem nicht demontiert werden muß.

Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Gasmischungen von der Zusammensetzung dieser Gemische. Die Schallgeschwindigkeit c wird bestimmt, indem die Laufzeit t eines Schallsignals durch das Scheibensystem gemessen wird, und daraus mit Hilfe des Scheibenabstandes d die Schallgeschwindigkeit errechnet wird: c = d/t.

Der genaue Scheibenabstand ist in der Regel nicht bekannt und ohne Demontage des Fenstersystems nicht direkt zu messen. Er wird deshalb mit Hilfe eines optischen Interferometers bestimmt.

Aus den Patentanmeldungen DE 30 09 566 und EP 0533980 sind Verfahren bekannt, mit Hilfe von Ultraschallmessungen die Konzentration von CO₂ bzw. von Kraftstoffen in Luft festzustellen. Die Schallgeschwindigkeit wird bestimmt durch direkte Messung der Laufzeit, durch Bewertung des Phasenwinkels oder durch Ermittlung der Wellenlänge und der Frequenz. Die Gase werden dabei durch eine Meßstrecke geleitet, deren Länge bekannt ist.

Mit der Patentschrift DE 34 39 405 ist schon eine Vorrichtung bekannt, die Füllgase einer Isolierscheibe mit Hilfe von Ultraschallmessungen zu untersuchen. Mit einem Signalsender wird ein Frequenzintervall durchgestimmt, bis eine stehende Welle im Scheibenzwischenraum eingerichtet ist. Die Resonanzfrequenz und die Wellenlänge werden unter einigem technischen Aufwand ermittelt, daraus die Dicke des Scheibenzwi schenraums und damit die Schallgeschwindigkeit errechnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schallgeschwindigkeit durch direkte Messung der Laufzeit aus obiger Formel zu bestimmen. Damit muß die Information über den Scheibenabstand hinreichend genau bekannt sein.

Welche Genauigkeit für den Scheibenabstand hinreichend ist, bestimmt sich aus dem Unterschied der Schallgeschwindigkeit des Füllgases zu der Schallgeschwindigkeit in Luft; sowie aus der gewünschten Genauigkeit der zu bestimmenden Zusammensetzung. In folgender Tabelle sind einige Füllgase und die zugehörigen Schallgeschwindigkeiten aufgeführt:
(T = 300 K, p = 1013 mbar)

Luft\|348 m/s
Stickstoff	353 m/s
Argon	322 m/s
Krypton	222 m/s
Xenon	170 m/s
SF₆	139 m/s
CO₂	262 m/s

Es ist festzustellen, daß sich Krypton, Xenon und SF₆ in der Schallgeschwindigkeit stark von Luft unterscheiden. Die Schallgeschwindigkeit von Argon, das besonders häufig als Füllgas für Isolierglas Verwendung findet, ist jedoch nur etwa 8% kleiner als die von Luft. Soll in einer argongefüllten Scheibe die Konzentration des Argons auf 10% genau bestimmt werden, so ist die geforderte Genauigkeit der Schallgeschwindigkeit ca. ± 0,3%; der Scheibenabstand (etwa 10 mm) muß jedoch auf besser als ± 0.03 mm bestimmt werden!

Diese Genauigkeit ist mit herkömmlichen Methoden nicht zu erreichen. Erfindungs gemäß wird deshalb die Laufzeit des Schallsignals und der Scheibenabstand durch eine Differenzmessung bestimmt:

Man drückt einen oder beide Schallwandler (Ultraschallsender und -empfänger) von Hand oder dergleichen fest gegen die Scheibe, so daß sich der Scheibenabstand um etwa 0,5 mm bis 1 mm verkleinert. Dabei wird die Änderung der Laufzeit des Schallsignals Δt mit hoher Genauigkeit gemessen. Gleichzeitig wird die Veränderung des Scheibenab stands Δd, in unmittelbarer Nähe der Schallwandler, mit einem optischen Interferometer exakt bestimmt: Ein kohärenter Lichtstrahl bestimmter Wellenlänge (Laser) fällt senk recht auf das Zweischeiben-Isolierglas. Der Lichtstrahl wird zum Teil an den Oberflächen der Glasscheiben reflektiert, auch an der von der Lichtquelle abgewandten Scheibe. Die reflektierten Anteile der Lichtwellen - mit unterschiedlichem Gangunterschied - interferie ren in an sich bekannter Weise. Eine Veränderung des Scheibenabstands führt zu einer Veränderung bzw. Verschiebung der Interferenzmuster (Intensitätsminima und -maxima). Durch Messung dieser Verschiebung mit Hilfe eines geeigneten optischen Detektors läßt sich die Scheibenabstandsveränderung in einer Größenordnung von 10^-3mm genau be stimmen. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich letztendlich aus c = Δd/Δt.

Mit Hilfe einer Eichkurve läßt sich aus der Schallgeschwindigkeit eindeutig die Zusam mensetzung des Gasgemisches bestimmen, wenn die Komponenten des Gemisches und die Temperatur des Gases bekannt sind. Die Verarbeitung der Daten erfolgt in einem Rechner.

Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß eine hohe Meßgenauigkeit bei geringem tech nischen Aufwand erreicht wird. Die beiden Schallwandler müssen bei direkter Laufzeit messung nur auf eine Frequenz abgestimmt sein. Diese Meßfrequenz sollte höher sein als die Frequenz, bei der die Wellenlänge gleich dem Scheibenzwischenraum ist (größer als etwa 35 kHz) und so niedrig, daß das Schallsignal im Gaszwischenraum nicht zu stark gedämpft und damit unmeßbar klein wird (kleiner als etwa 10 MHz).

Die Intensität der vom Sender erzeugten Schallwelle wird durch den Übergang Glas-Gasfüllung erheblich vermindert. Eine Impedanzanpassung der Schallwelle an die Glasscheibe ist deshalb wünschenswert. Eine besonders günstige Meßfrequenz ist die, bei der die an den Schallwandler anliegende Glasscheibe als λ/4-Schicht genutzt werden kann. (siehe: "Heinrich Kuttruff, Physik und Technik des Ultraschalls", S. Hirzel Verlag Stuttgart 1988, S. 111). Die Intensität der Schallwelle, die von der Glasscheibe in den Scheibenzwischenraum tritt, ist dann am höchsten, wenn ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge des Schallsignals in der Glasscheibe der Dicke der Glasscheibe entspricht: s = (2n + 1)λ/4 mit n = 0, 1, 2, . . . ; s ist die Dicke der Scheibe.

Für die Messung der Laufzeit wird normalerweise ein Ultraschallsender auf der einen Isolierglasseite, und gegenüberliegend ein Empfänger auf der anderen Seite angeordnet. Es ist aber auch möglich, ein und denselben Ultraschallwandler als Sender und Empfänger einzusetzen. Dabei wird die Reflexion des Schallsignals an der gegenüberliegenden Innenseite des Scheibeninnenraums ausgenutzt. Der Vorteil dieser einseitigen Messung ist, das auch Scheiben untersucht werden können, die nur von einer Seite zugänglich sind (z. B. in Hochhäusern).

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der beiliegenden, schematischen Zeichnung (Fig. 1) erläutert:

Ein Pulsgenerator (1) betreibt einen Schallsender (2), der an einer Scheibe des Zweischeiben-Isolierglases (a) anliegt. Das vom gegenüberliegenden Empfänger (3) aufge nommene Signal wird verstärkt (4) und ein vom Pulsgenerator getriggerter Diskriminator (5) ermittelt die Laufzeiten von Sende- und Empfängersignal bei unterschiedlichen Scheibenabständen. Diese Werte werden an den Rechner (6) weitergeleitet.

Der vom Laser (7) erzeugte Strahl wird mit einem halbdurchlässigen Spiegel (8) senk recht auf das Isolierglas gerichtet. Der Strahl reflektiert an den beiden Glasscheiben (a) und (b). Die reflektierten Strahlen interferieren und treffen hinter dem halbdurchlässi gen Spiegel auf einen optischen Detektor (9) mit einem Verstärker (10). Die mit einem geeigneten Diskriminator (11) aufbereitete, durch die Veränderung des Scheibenabstands gemessene Längendifferenz wird wiederum zum Rechner (6) weitergeleitet zur Bestim mung der Schallgeschwindigkeit und der Gaskonzentration.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Füllgases im Scheibenzwi schenraum eines gasgefüllten Zweischeiben-Isolierglases mit einem auf einer Außen seite des Zweischeiben-Isolierglases angebrachten Schallsender und einem auf der ge genüberliegenden Seite angebrachten Schallempfänger zur Messung der Laufzeit des Schallsignals, gekennzeichnet dadurch, daß die Dicke des Scheibenzwischenraums durch Druck auf eine oder beide Scheiben verändert wird, daß die Veränderung der Dicke des Scheibenzwischenraums mit einem Interferometer gemessen wird und daß die Schallgeschwindigkeit mit Hilfe eines Rechners aus der Laufzeitdifferenz des Schallsignals und aus der Dickendifferenz des Scheibenzwischenraums ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle für das Interferometer ein Laser (7) ist, dessen Strahl mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels (8) senkrecht auf das Zweischeiben-Isolierglas fällt, so daß das von den Scheibenoberflächen reflektierte Licht einen optischen Detektor trifft, der auf dieser Senkrechten hinter dem teildurchlässigen Spiegel liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schallsender und Schallempfänger ein und dasselbe Gerät sind und dieses an einer Seite des Isolier glases angebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Wel lenlänge des vom Sender erzeugten Schallsignals die Bedingung erfüllt, daß ein unge radzahliges Vielfaches eines Viertels der Schallsignalwellenlänge der Dicke der Glas scheiben entspricht.