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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung des Taupunktes
in einem Messgas mit einer für
die Wasserkondensation bzw. -sublimation geeigneten Spiegeloberfläche, einer
geregelten Kühleinrichtung,
einer Messeinrichtung für
die Spiegeloberflächen-Temperatur,
einer Lichtquelle, deren Licht auf die Spiegeloberfläche auftritt,
von dieser reflektiert und/oder gestreut wird, und einem Fotoempfänger, auf
den das reflektierte und/oder gestreute Licht auftritt.
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Die
Anordnung dient zur Messung der Tau- bzw. Frostpunkttemperatur,
der Betauung, der Vereisung und der Luftzusammensetzung.
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Die
Messung der Taupunkttemperatur, besonders der Frostpunkttemperatur
ist von zunehmender Bedeutung bei der Kontrolle technischer Prozesse.
Insbesondere die Messung von Restfeuchten im Bereich von minus 60
bis minus 100°C
(ppm/ppb-Bereich) und kleiner erfordert Messverfahren zur Ermittlung
des sehr niedrigen Wassergehaltes in nichtkondensierbaren Gasen.
Besonders wichtig ist die Frostpunktmessung bei der Verwendung von
Intertgasen, wie beispielsweise N2, H2 und Ar, wo 0,5 ppm einem Tau/Frostpunkt
von minus 80°C
entspricht.
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Für die Messung
der Taupunkttemperatur ist eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten bekannt. Bei den
auf dem Energiegleichgewicht von Sensor und Medium beruhenden Verfahren
gehören
Haar-, kapazitive und Leitfähigkeitshygrometer
zu den Anordnungen, bei denen dieses Gleichgewicht im statischen
Zustand die Messgröße liefert.
Die Absolutmessung der Feuchte erfolgt in der Regel mit der direkten
Taupunktmessung mit im stationären
Gleichgewicht arbeitenden Verfahren. Dabei ist ein Energieeintrag
zur Erreichung des Dampfdruckgleichgewichtes zwischen Verdunstung
und Kondensation entscheidend für
einen stabilen Arbeitspunkt auf der Dampfdruckkurve. Dieser Energieeintrag
erfolgt üblicherweise
bei den Tauspiegelhygrometern, dem CCC*-Taupunktsensor oder dem
LiCl-Taupunktsensor
mit Kühl
(Peltier-) oder Heizelementen.
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Während bei
den statisch arbeitenden Hygrometer die Taupunkttemperatur nur über die
Beziehung des Wasserdampfpartialdruck ewi in
Abhängigkeit
von der relativen Feuchte U und der Mediumtemperatur bestimmbar
ist,
haben diese darüber
hinaus auch die bekannten Nachteile einer geringen Langzeitstabilität im oberen Feuchtebereich
sowie bei sehr niedrigen Feuchten. Nachteilig ist bei den relativen
Feuchtesensoren, dass über
die Sorptionsisotherme die Arbeitspunkte nicht unwesentlich temperaturabhängig sind.
Andererseits weisen sie in Bereichen sehr hoher und sehr geringer
Feuchten die bekannten Nachteile bezüglich der Genauigkeit auf.
Auch hier sind die klassischen Taupunkthygometer von Vorteil, weil
bei ihnen keine materialabhängigen
Größen (z.B.
Polymer) verwendet werden. Der Messbereich der CCC*-Taupunkttemperatursensoren
liegt gegenwärtig
bei minus 10 bis plus 100°C,
der der LiCl-Taupunktsensoren zwischen minus 20 und plus 40°C. Tauspiegelhygrometer
liefern Messbereiche von minus 90 bis 100°C sowie Sondermessgeräte auch
bis minus 110°C.
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Während die
in
DE 41 16 322 A1 beschriebenen
CCC*-Taupunktsensoren und die LiCl-Taupunktsensoren industriell
schon eingesetzt werden, haben die Tauspiegelhygrometer zwei entscheidende
Nachteile für
eine breite Massenanwendung: Sie sind sehr kostenaufwendig und nur
begrenzt industrietauglich. Zur Verbesserung der Industrietauglichkeit
ist es bekannt, die Streuung des Lichtes an Kondensationspartikeln
sowie das Prinzip der Schlierenoptik nach August Toepler zu nutzen.
Dabei wandert der Brennpunkt des reflektierten Lichtstrahls bei
Vorhandensein von Wasserdampf, realisiert durch Aufheizen des Tauspiegels
und Verdunsten des kondensierten und evt. mit Verunreinigungen kontaminierten Taubeschlages.
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Die
Veränderung
der Beleuchtungsstärke
an Stellen der Photozelle durch die Abwanderung des Brennpunktes
ist gegenüber
der Lichtstreuung am Kondensat und Schmutzpartikeln wesentlich größer.
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Andere
Lösungen
zur Reduzierung der den Tauspiegelhygrometern innewohnende Verschmutzungsempfindlichkeit,
bestehen in systemintegrierten Reinigungsverfahren. Auch diese Alternativen
bedeuten aber erheblich höhere
Preise der Gerätesysteme.
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Bei
einem weiteren bekannten Verfahren wird die Spiegeloberfläche erheblich
unter die Taupunkttemperatur abgekühlt, so dass sich eine sehr große Kondensatmenge
auf dem Spiegel bildet. Anschließendes rasches Aufheizen führt zum
Verdampfen des Kondensats. Die gelösten bzw. ungelösten Substanzen
konzentrieren sich in den verbleibenden und schrumpfenden Tropfen
auf der Spiegeloberfläche.
Damit reduziert sich die Verteilung der Verunreinigungen auf der
Oberfläche
und soll damit einen geringen Einfluß auf das Reflexionssignal
im Messzyklus auswirken. Die optoelektronische Brücke wird dann
im Regelgerät
selbständig
abgeglichen.
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Ferner
ist ein so genannter ABC (automatischer Beschlagkompensations)-Betriebsmodus bekannt,
bei dem das Kondensat in regelmäßigen Abständen abgetrieben
und der optoelektronische Kreis neu abgeglichen wird. Zur Messung
der Spurenfeuchte, bei dem die Eisbildung auf der Spiegeloberfläche nur
sehr langsam vonstatten geht, besitzen einige Geräte eine
Doppeloptik, die es ermöglichen soll,
den Anstieg der Streulichtstärke
und den Abfall der von der Spiegeloberfläche reflektierten Lichtstärke bei
Eisbildung zu messen. Bekannt sind auch Geräte, die eine periodische Spiegelkontrolleinrichtung mit
Umkehrabtauung besitzen.
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In
der Patentschrift
PCT/JP92/00493 wird neben
der Auswertung des rückstreuenden
Lichtes in Abhängigkeit
von der Verunreinigung der Spiegeloberfläche der Tauspiegel mit CO
2-Gas bzw. mit CO
2-enthaltenden
Gasen beaufschlagt. Das dann zu verdunstende Kondensat enthält auch
Verunreinigungen und soll damit diese von der Oberfläche entfernen.
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US 36 23 356 beschreibt
eine Methode bei der der Tauspiegel periodisch um den Taupunkt gekühlt und
aufgeheizt wird. Damit sollen die Verunreinigungen verdampft werden.
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Es
sind ferner Anordnungen bekannt, bei denen ständig ein Vergleich mit einem
Referenzspiegel hergestellt wird. Dieser Referenzspiegel soll ständig auf
einer höheren
Temperatur gehalten werden. Nachteil dieser Methode ist der sehr
hohe Kalibrieraufwand und die nicht zu vernachlässigenden Alterungen der fotoelektrischen
Komponenten des Gesamtsystems. Weitere Nachteile sind die hohen
Montage- und Justagekosten, die nach gründlicher Reinigung beim Zusammenbau
der fotoelektrischen Teilkomponenten entsteht. Außerdem sind
bei der Reinigung des Spiegels die chemischen Einflüsse der
Reinigungsmittel und die mechanischen Einflüsse auf die fotoelektrischen
Komponenten nachteilig.
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Ferner
sind nach
US 4 826 327 ,
US 5 396 325 und
US 4 435 091 Anordnungen
zur Bestimmung des Taupunktes bekannt, die eine geregelte Kühleinrichtung,
eine Messeinrichtung für
die Spiegeloberflächen-Temperatur,
einer Lichtquelle, deren Licht auf die Spiegeloberfläche auftritt,
von dieser reflektiert oder gestreut wird und einem Fotoempfänger, auf den
das reflektierte und/oder gestreute Licht auftritt, enthalten
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Die
Messung der Betauung bzw. der Vereisung kann dann erfolgen, wenn
die Temperatur des Spiegels unter der der Tau/Frostpunkttemperatur
der umgehenden Luft liegt. Für
optische Systeme sind die üblichen
Anordnungen der Tauspiegelhygrometer mit separater Spiegel/Kühlelementen
wegen der zusätzlichen
Messfehler ungeeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Tauspiegelhygrometer anzugeben,
die die Vorteile des Tauspiegel-Prinzips aufweisen, aber kostengünstiger
herstellbar sind, und in industrietaugliche Gefäßsysteme einsetzbar sind.
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Erfindungsgemäß gelingt
die Lösung
der Aufgaben mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch
1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
zeichnet sich durch eine kompakte Anordnung von Lichtquellen und
Lichtempfänger
aus, die gegenüber
dem Messmedium mechanisch und chemisch abgetrennt sind.
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Die
fotoelektrischen Komponenten der Anordnungen sind mit geringem technologischen
Aufwand nach vorgegebenen Konstruktionsregeln montierbar und erfordern
keine Nachjustagen bei erforderlichen Reinigungsprozessen.
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Zur
verbesserten Verschmutzungskompensation ermöglicht die Anordnung die Möglichkeit
der breit- und schmalbandigen Lichterzeugung als auch der schmal-
und breitbandigen Auswertung des Lichtes als Informationsträger. Die
Anordnung gestattet es, auch ohne die Verwendung von Kühlelementen, eine
Betauung und/oder Vereisung von Oberflächen zu erkennen.
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Vorteilhaft
ist insbesondere, dass die Anordnung eine bessere Verschmutzungskompensation besitzt
sowie neben der Taupunkttemperaturmessung, der Messung der Frostpunkttemperatur
auch die Betauung sowie die Vereisung messen kann. Darüber hinaus
ist es mit dieser Anordnung möglich, durch
geringe konstruktive Änderungen
auch Messungen der Luftzusammensetzung über die Taupunkttemperatur
bzw. Änderung
des Brechungsindexes von verschiedenen Gaskomponenten zu ermitteln.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Gesamtanordnung,
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2 die
Anordnung der Lichtempfänger und
Lichtquelle auf dem Substrat,
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3 die
Draufsicht auf die in 2 dargestellte Anwendung,
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4 eine
Anordnung mit innerhalb der Fotoempfänger angeordneten Lichtquelle,
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5 eine
Ausführung
mit Hybridintegration der Lichtquelle,
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6 die
Anordnung des Fotodiodenarrays als Matrix,
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7 die
Anordnung des Fotodiodenarrays als Ringstruktur und
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8 eine
Ausführungsform,
bei der an der Grenzfläche
Glassubstratumgebendes Medium Totalreflexion auftritt.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, besteht die erfindungsgemäße Anordnung
aus der Lichtquelle 1 und den Lichtempfängern 2 und 3 neben
dem Tauspiegel 4 mit Temperaturmesseinrichtungen 5 in
der Spiegeloberfläche
sowie der Steuereinheit 6 und der Peltierkühlung. In
der Regel wird eine Referenzlichtstrecke von Lichtquelle 7 und
Empfängerdiode 8 mit eingebracht
oder eine solche elektronisch realisiert. Das von der Lichtquelle 1 ausgestrahlte
Licht wird an den kondensierten Wassertropfen auf der Spiegeloberfläche 4 bzw.
bei Verunreinigung gestreut. Die Temperaturanzeigeeinrichtung 9 mißt die Tau/Frostpunkttemperatur.
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Wie 2 zeigt,
sind die Lichtquellen und ein oder mehrere Lichtempfänger auf
einem gemeinsamen Glassubstrat montiert. Das Substrat wird gleichzeitig
als Träger
der Lichtstrahlenfokussierung (Blenden) genutzt. Als Substrat 10 wird
Glas mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit
verwendet, um das thermische Übersprechen
auf den gekühlten
Tauspiegel zu reduzieren. Dabei bestehen mehrere Möglichkeiten
der Montage. In 2 sind mit einer Flip-Chip-Technologie
eine oder mehrere Lichtquellen 1 separat auf das Substrat
gesetzt. Die Empfängerdioden 2 als
Einzelbauelement oder Einzel-Diodenarray
werden dabei nach festgesetzten optischen Konstruktionsregeln zu
den Lichtquellen positioniert, da man davon ausgehen kann, dass
die optische Strecke von und zum Tauspiegel bekannt und damit technologisch
reproduzierbar ist. Mit der Flip-Chip-Technologie, die auch in Kombination
mit einer Chip-on-Board-Technologie angewendet werden kann, sind
gute Positioniergenauigkeiten erreichbar. Ein weiteres Merkmal dieses
Systems ist, dass die fotoelektrische Einheit vollständig hermetisierbar ist.
Damit ist dieses System sehr robust und kann erhöhtem Sicherheitsanforderungen
genügen.
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Gemäß 3,
die eine Draufsicht der 2 darstellt, kann der Glasträger 10 auch
Teile der Schaltung 11 für die Steuerung des gesamten
thermodynamischen Systems mit aufnehmen. Dabei kommen die gleichen
Technologien, wie Flip-Chip bzw. COB zur Anwendung.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform, bei
der die Lichtquelle 1 innerhalb der Fotoempfänger 2 platziert
ist.
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5 erläutert eine
Ausführung
mit Hybridintegration der Lichtquelle 1 innerhalb des Fotodiodenarrays 3.
Die Lichtquelle wird hier in abgesenkte Bereiche innerhalb des Fotodiodenarrays
positioniert. Hier ist die Positioniergenauigkeit für das optische System
auf dem Substratträger 10 weitaus
höher.
Die Empfänger
können
aus einzelnen Fotodioden bestehen bzw. aus einem Array von mehreren
Fotodioden, wobei vorzugsweise diese Fotodio den in Silizium 12 integriert
werden. Das Fotodiodenarray kann sowohl aus einer Matrix von Fotodioden
(6) als auch aus Ringstrukturen bzw. segmentierten
Ringstrukturen (7) bestehen.
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Zur
Justierung des Lichtstrahles der Lichtemitterdiode zum Spiegel und
zu den Empfängerdioden
sind gemäß 5 der
Substratträger 10 aus Glas
neben den für
die Kontaktierung und elektrischen Verbindungen notwendigen Metallbahnen
und auch entsprechenden optischen Blenden bereits mit enthalten.
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Eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ausführung entsteht
dadurch, dass auf die üblicherweise
zusätzliche
Referenzsende- und empfängerstrecke
verzichtet wird. Dabei wird die Lichtquelle sowohl für die Detektion
von Tau/Frost auf dem Spiegel genutzt als auch durch eine direkte
Reflexion auf der Innenseite des Glasträgers. Damit ist eine Alterung
des optischen Systems feststellbar.
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Eine
weitere in 8 dargestellte Ausführungsform
besteht darin, dass die Reflexion des von der Lichtquelle ausgehenden
Lichtes durch Totalreflexion an der Grenzfläche glassubstratumgebendes Medium
erfolgt. Abhängig
von der Änderung
des Brechungsindex des umgebenden Mediums ändert sich der Grenzwinkel
und damit die fotoelektrisch zu detektierenden Signale durch die
Fotoempfänger.
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Eine
weitere Ausführungsform
besteht darin, das Grundmodul der fotoelektrischen Einheit, bestehend
aus dem Glasträger
einschließlich
Leit- und Kontaktbahnen sowie Blenden, der Lichtquellen und Empfängerdioden
für die
Betauungsdetektion sowie die Signalisierung einer Vereisung einzusetzen.
Wird gemäß 8 der
Glaskörper 10 so
in das System eingebaut, dass er die Temperatur des zu detektierenden
Materials 13 annehmen kann, so führt eine Betauung bzw. Vereisung
auf der Oberfläche
des Glaskörpers
zu sich verändernden
Reflexions/Streulichtverhalten, wenn sich die Oberfläche des
Glaskörpers
unterhalb der Tau/Frostpunkttemperatur des umgebenden Mediums befindet.
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Eine
Multisensoranordnung von mehreren Lichtquellen und Fotodioden in
entsprechenden Spektralbereichen erlaubt auch die Taupunkttemperaturmessung
weiterer Gasbestandteile.
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- 1
- Lichtquelle
- 2,3
- Lichtempfänger
- 4
- Tauspiegel
- 5
- Temperaturmesseinrichtung
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Referenzlichtquelle
- 8
- Referenzlichtempfänger
- 9
- Temperaturanzeigeeinrichtung
- 10
- Glassubstrat
- 11
- Schaltung
- 12
- Siliziumschicht
- 13
- zu
detektierendes Material