DE3243320C2 - Dew point mirror hygrometer - Google Patents
Dew point mirror hygrometerInfo
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Abstract
Das Taupunktspiegelhygrometer hat in üblicher Weise einen Taupunktspiegel (1), einen Temperaturregelkreis mit einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung (7) und einen Temperaturfühler (5) zur Messung der Temperatur der Spiegeloberfläche. Eine Lichtquelle (10) erzeugt ein Meßlichtbündel (LM), das auf die Spiegeloberfläche gerichtet ist, und ein Photodetektor (22) empfängt das von der Spiegeloberfläche reflektierte Licht (LF) und liefert ein Ausgangssignal, das dem Regelkreis der Heiz- und/oder Kühleinrichtung (7) als Regelgröße zugeführt wird. Das Licht des Meßlichtbündels (LM) liegt in einem schmalen Wellenlängenbereich, dessen Mittenwellenlänge von Wasser im festen und/oder flüssigen Aggregatzustand eine Absorption erfährt. Vorzugsweise hat der Wellenlängenbereich eine Mittenwellenlänge von 3,0 μm und eine Halbwertsbreite von etwa 450 nm. Zusätzlich kann auf den Taupunktspiegel (1) zugleich oder abwechselnd mit dem Meßlichtbündel (LM) ein Referenzlichtbündel (LR) gerichtet werden, dessen Licht in einem anderen Wellenlängenbereich liegt, wobei dann im Regelkreis ein dem Quotient der reflektierten Lichtanteile entsprechendes Signal als Regelgröße gebildet wird.The chilled mirror hygrometer usually has a chilled mirror (1), a temperature control circuit with a heating and / or cooling device (7) and a temperature sensor (5) for measuring the temperature of the mirror surface. A light source (10) generates a measuring light beam (LM) which is directed onto the mirror surface, and a photodetector (22) receives the light (LF) reflected from the mirror surface and supplies an output signal which the control circuit of the heating and / or cooling device (7) is supplied as a controlled variable. The light of the measuring light bundle (LM) lies in a narrow wavelength range, the center wavelength of which is absorbed by water in the solid and / or liquid state of aggregation. The wavelength range preferably has a center wavelength of 3.0 μm and a half-width of about 450 nm. In addition, a reference light bundle (LR) whose light is in a different wavelength range can be directed onto the dew point mirror (1) at the same time or alternately with the measuring light bundle (LM) is, a signal corresponding to the quotient of the reflected light components is then formed as a control variable in the control loop.
Description
Die Erfindung betrifft ein Taupunktspiegelhygrometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a dew point mirror hygrometer according to the preamble of claim 1.
Taupunktspiegelhygrometer dieser Art basieren auf dem Prinzip der Abkühlung feuchter Luft und Bestimmung der Taupunkttemperatur durch Feststellung des sich auf der Spiegeloberfläche bildenden Kondensationsbeschlags, der bei Taupunkttemperaturen oberhalb des Gefrierpunktes durch Wasser im flüssigen Aggregatzustand und bei Taupunkttemperaturen untcrhalb des Gefrierpunktes durch Wasser im festen Aggregatzustand (Eis) gebildet ist. Die Feststellung des Kondensationsbeschlages erfolgt durch die Erfassung der an der Spiegeloberfläche reflektierten Lichtintensität mittels der Photodetektoranordnung. Wird die Spiegcl-Oberfläche von der Raumtemperatur aus abgekühlt, so beginnt bei Erreichen der Taupunkttemperatur die Ausbildung eines dünnen Kondensatfilms auf der Spiegeloberfläche, der eine Lichtstreuung zur Folge hat. Die Photodetektoranordnung empfängt dann eine geringere reflektierte Lichtintensität. Dadurch wird der Regelkreis veranlaßt, die Kühlung der Spiegeloberfläche /u verringern oder die Spiegeloberfläche sogar etwas aufzuheizen. Dadurch wird der Kondensatfilm auf konstante Dicke eingeregelt und damit die Spiegeloberfläche auf der Taupunkttemperatur gehalten, die von einem Temperaturfühler gemessen wird und beispielsweise mit Hilfe eines Anzeigegeräts angezeigt werden kann.Chilled mirror hygrometers of this type are based on the principle of cooling and determining moist air the dew point temperature by determining the condensation that forms on the mirror surface, that at dew point temperatures above freezing point due to water in the liquid state and at dew point temperatures below freezing point by water in the solid state (Ice) is formed. The determination of the condensation build-up is carried out by recording the on light intensity reflected from the mirror surface by means of the photodetector arrangement. Becomes the mirror surface cooled from room temperature, the formation begins when the dew point temperature is reached a thin film of condensate on the mirror surface, which causes light to be scattered. the The photodetector arrangement then receives a lower reflected light intensity. This creates the control loop caused to reduce the cooling of the mirror surface / u or even to heat the mirror surface somewhat. This regulates the condensate film and thus the mirror surface to a constant thickness kept at the dew point temperature, which is measured by a temperature sensor and for example can be displayed with the aid of a display device.
Bei einem aus der US-PS 40 83 249 bekannten Taupunktspiegelhygrometer dieser Art enthält die Photodetektoranord.nung zwei Photodetektoren. von denen der eine das an der Spiegeloberflächc reflektierte Licht der Lichtquelle als Meßlichtbündel empfängt, während der andere Photodetektor das Licht der Lichtquelle un-In a dew point mirror hygrometer known from US-PS 40 83 249 of this type, the photodetector arrangement contains two photodetectors. of which one of which receives the light from the light source reflected on the mirror surface as a measuring light beam, while the other photodetector the light from the light source and
mittelbar als Referenzlichtbündel empfängt. Die Ausgangssignale der beiden Photodetektoren werden einer Dividierschaltung zugeführt, die ein vom Quotient dieser beiden Signale abhängiges Signal liefert, das die Temperaturregelung der Spiegeloberfläche im Sinne einer Konstanthaltung des Quotientensignals veranlaßt. Auf diese Weise werden Schwankungen der Lichtquelle eliminiert, weil sich solche Schwankungen in gleicher Weise auf die Intensität des Meßlichtbündels und des Referenzlichtbündels auswirken und sich somit im Quotientensignal aufheben. Zur Ausschaltung unterschiedlicher Schwankungen der beiden Photodetektoren ist es auch bekannt (W. Lück: »Feuchtigkeit«, München/Wien 1964, S. 77, Bild 7.1102 d), das Meßlichtbündel und das Referenzlichtbündel gegenphasig zu zerhacken und auf den gleichen Photodetektor zu richten, dessen Ausgangssigirial einem phasenrichtigen Gleichrichter zugeführt wird.receives indirectly as a reference light beam. The output signals of the two photodetectors become one Dividing circuit supplied, which supplies a signal dependent on the quotient of these two signals, which the Temperature control of the mirror surface in the sense of keeping the quotient signal constant. In this way, fluctuations in the light source are eliminated because such fluctuations are the same Way affect the intensity of the measuring light beam and the reference light beam and thus in the quotient signal lift. It is used to eliminate different fluctuations in the two photodetectors also known (W. Lück: "Moisture", Munich / Vienna 1964, p. 77, Fig. 7.1102 d), the measuring light bundle and that To chop the reference light beam out of phase and direct it to the same photodetector, its output signal is fed to an in-phase rectifier.
Bei allen bekannten Taupunktspiegelhygrometern dieser Art, bei denen das Referenzlicfctbünde! unmittelbar auf die Photodetektoranordnung trifft, wird das Meßergebnis durch alle Einflüsse beeinträchtigt, die im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Photodetektoranordnung auftreten und sich unterschiedlich auf das Meßlichtbündel und auf das Referenzlichtbündel auswirken. Dies gilt insbesondere für alle Erscheinungen, die an der Spiegeloberfläche auftreten und sich auf die Intensität des reflektierten Lichtes auswirken, soweit es sich nicht um den Wasser- oder Eisfilm auf der Spiegeloberfläche handelt. Hierzu gehören Verschmutzungen der Spiegeloberfläche und vor allem Kondensatbiidungen von anderen Stoffen als Wasser, z. B. von Kohlenwasserstoff verbindungen. Auch ist bei den bekannten Taupunktspiegeihygrometern die Empfindlichkeit dadurch beeinträchtigt, daß der Taupunktspiegel eben ausgebildet ist und daher ein Photodetektor nur einen verhältnismäßig geringen Bruchteil des reflektierten Lichtes unmittelbar empfangen kann.With all known dew point mirror hygrometers of this type, in which the reference light bundles! right away encounters the photodetector arrangement, the measurement result is affected by all the influences in the Light path between the light source and the photodetector arrangement occur and differ on the Measuring light beam and affect the reference light beam. This is especially true for all phenomena which occur on the mirror surface and affect the intensity of the reflected light, as far as it is it is not the film of water or ice on the mirror surface. This includes soiling the mirror surface and especially condensate formation of substances other than water, e.g. B. of hydrocarbon compounds. Also is with the well-known Dew point level hygrometers increase the sensitivity affects the fact that the dew point mirror is flat and therefore a photodetector only one can receive a relatively small fraction of the reflected light directly.
Bei einem Absorptionsphotometer ist es bereits bekannt (W. Lück: »Feuchtigkeit«, München/Wien 1964, S. 143/144 und Bild 7.5103), den Meßstrahlenweg durch eine rotierende Filterscheibe mit zwei Interferenzfiltern gehen zu lassen, von denen das eine bei einer Wasserbande und das andere bei einer wasserunempfindlichen Bande durchläßt, so daß abwechselt ein Meßlichtbündel und ein Referenzlichtbündel gebildet werden, die beide durch das zu messende Gas hindurchgehen und auf einen gemeinsamen Photodetektor treffen. Ein an den Photodetektor abgeschlossener Wechselspannungsverstärker mit Phasendiskriminator erfaßt die Differenz der Lichtabsorption bei den beiden Wellenlängen und steuert einen Servomotor, der einen für die Wasserbande durchlässigen, aber für die wasserunempfindliche Bande sciiwächenden Filterkeil in den Strahlengang schiebt, so daß die Beleuchtungsstärke an dem Photodetektor für beide Wellenlängen immer gleich ist. Die Stellung des Filterkeils ist dann ein Maß für die Absorption bei der Wasserbande.It is already known for an absorption photometer (W. Lück: "Moisture", Munich / Vienna 1964, p. 143/144 and Fig. 7.5103), the measuring beam path through a rotating filter disk with two interference filters to let go, one of them with a water band and the other with a water-insensitive one Band lets through, so that alternately a measuring light beam and a reference light beam are formed, the both pass through the gas to be measured and meet a common photodetector. One on the photodetector closed AC voltage amplifier with phase discriminator detects the Difference in light absorption at the two wavelengths and controls a servo motor that does one for the Water band permeable, but for the water-insensitive band sciiwattening filter wedge into the beam path shifts so that the illuminance on the photodetector is always the same for both wavelengths. The position of the filter wedge is then a measure of the absorption at the water band.
Andererseits sind aus der DE-OS 30 24 243 und aus der DE-AS 19 34 919 Vorrichtungen zur berührungsloscn Messung der prozentualen Konzentration von Wasser oder anderen Substanzen in einem Meßgut bekannt, bei denen auf die Oberfläche des Meßguts ein Lichtbündel gerichtet wird, das abwechselnd aus Meßlicht und aus Referenzücht besteht, wobei das Meßlicht und das Referenzlicht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liegen, die so gewählt sind, daß das Referenzlicht von der zu messenden Substanz, z. B. Wasser, eine geringere Absorption erfährt als das Meßlicht. Ein Photodetektor iit so angeordnet, daß er nur diffusen Strar· lungsanteil und keinen regulären Strahlungsanteil des an der Meßgutoberfläche reflektierten Meßlichts und Referenzlichts empfängt. Die Empfindlichkeit dieser Meßvorrichtungen ist daher sehr gering, doch muß dieser Nachteil wegen der besonderen Bedingungen der Messung von Stoffkonzentrationen in Kauf genommen werden.On the other hand, from DE-OS 30 24 243 and from DE-AS 19 34 919 devices for berührungsloscn Measurement of the percentage concentration of water or other substances in a material to be measured is known, in which a light beam is directed onto the surface of the material to be measured, which alternates between measuring light and consists of reference light, the measuring light and the reference light in different wavelength ranges lie, which are chosen so that the reference light from the substance to be measured, z. B. water, a minor one Absorption experiences as the measuring light. A photodetector is arranged in such a way that it only produces diffuse stars. treatment component and no regular radiation component of the measuring light reflected on the surface of the material to be measured and Receives reference light. The sensitivity of these measuring devices is therefore very low, but this must Disadvantage due to the special conditions of the measurement of substance concentrations accepted will.
Demgegenüber ist die Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Taupunktspiegelhygrometers großer Empfindlichkeit, bei dem alle äußeren Einflüsse unschädlich gemacht werden, die sich auf die Intensität des an der Spiegeloberfläche reflektierten Lichtes auswirken. soweit diese nicht durch den Wasser- oder Eisfilm auf der Spiegeloberfläche verursacht werden.In contrast, the object of the invention is to create a large dew point mirror hygrometer Sensitivity, in which all external influences that affect the intensity of the the effect of light reflected on the mirror surface. as long as they are not caused by the water or ice film on the mirror surface.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei dem iiach der Erfindung ausgebildeten Taupunkt-Spiegelhygrometer spricht der Ter.peraturregelkreis auf alle äußeren Einflüsse nicht an, welch.j die Intensität des Meßlichtes und des Referenzlichtes in gleicher Weise beeinflussen; hierzu gehören außer Schwankungen der Versorgungsspannung und der Helligkeit der Lichtquelle, /Jterungserscheinungen der Lichtquelle und der Photodetektoren, sowie Verschmutzungen im Strahlengang insbesondere auch die Verschmutzungen sowie Kondensatbildungen von anderen Stoffen als Wasser, soweit die Welleniängenbereiche so gewählt sind, daß die Absorption des Meßlichtes und des Referenzlichtes durch diese anderen Stoffe etwa gleich ist. Da bei allen diesen Erscheinungen die Intensität des reflektierten Meßlichtes und die Intensität des reflektierten Referenzlichtes im gleichen Verhältnis verändert werden, bleibt der Quotient dieser beiden Größen unverändert, so daß der Regelkreis dadurch nicht beeinflußt wird. Wenn sich dagegen auf der Spiegeloberfläche ein Wasser- oder Eisfilm bildet, absorbiert dieser einen Toil des Meßlichtes, so daß die Intensität des reflektierten Meßlich'es abgeschwächt wird, während die Intensität des reflektierten Referenzlichtes unverändert bleibt oder weniger geschwächt wird. Dadurch ändert sich der Quotient der diesen beiden Lichtanteilen entspi echenden Photodetektor-Ausgangssignale, und der Temperaturregelkreis stellt die Temperatur der Spiegeloberfläche auf einen neuen Wert ein, bei welcher das Quotientensignal wieder den Sollwert hat, der einer vorgegebenen Dicke des Kondensatfilms entspricht. Schließlich hat das Taupunktspiegelhygrometer eine optimale Empfindlichkeit, da der im Brennpunkt des vom Taupunktspiegel gebildeten Hohlspiegels angeordnete Photodetector praktisch das gesamte reflektierte Licht sowohl des iVießlichibündels als auch des Referenzlichtbündels empfängt.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1. In the dew point mirror hygrometer designed according to the invention If the temperature control loop does not respond to all external influences, whatever the intensity affect the measuring light and the reference light in the same way; this includes except for fluctuations the supply voltage and the brightness of the light source, / aging phenomena of the light source and the Photo detectors, as well as contamination in the beam path, in particular the contamination as well Formation of condensation from substances other than water, provided that the wavelength ranges are selected so that the absorption of the measuring light and the reference light by these other substances is roughly the same. As with all these phenomena the intensity of the reflected measuring light and the intensity of the reflected reference light are changed in the same ratio, the quotient of these two quantities remains unchanged, so that the control loop is not affected. If, on the other hand, there is a waterfall on the mirror surface or ice film forms, this absorbs a toilet of the measuring light, so that the intensity of the reflected measurable is attenuated, while the intensity of the reflected reference light remains unchanged or is less weakened. This changes the quotient of the two corresponding light components Photodetector output signals, and the temperature control loop adjusts the temperature of the mirror surface to a new value at which the quotient signal again has the target value, that of a predetermined one Thickness of the condensate film corresponds. After all, the dew point mirror hygrometer has an optimal sensitivity, because the photodetector arranged in the focal point of the concave mirror formed by the dew point mirror practically all of the reflected light from both the light bundle and the reference light bundle receives.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Advantageous configurations and developments of the invention are characterized in the subclaims.
Ein Ausführungrbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 eine sehematisehe Darstellung eines Taupunktspiegelhygrometers nach der Erfindung undAn embodiment of the invention is based on the drawing explained. In the drawing, F i g. 1 shows a schematic representation of a dew point mirror hygrometer according to the invention and
Fig.2 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise desTaupunktspiegelhygrometers von Fig. 1. Das in der Zeichnung dargestellte Taupunktspiegel-Fig. 2 diagrams to explain the mode of operation of the dew point mirror hygrometer of Fig. 1. The chilled mirror shown in the drawing
■^5 hygrometer weist einen Taupunktspiegel 1 auf, der durch die reflektierende Kondensationsoberfläche eines Materialblocks 2 gebildet ist. Der Taupunktspiegel 1 liegt in einer Meßkammer 3, die an der Oberseite mit■ ^ 5 hygrometer has a dew point mirror 1, the is formed by the reflective condensation surface of a block of material 2. The chilled mirror 1 lies in a measuring chamber 3, which is at the top with
einer Lichteintrittsöffnung 4 versehen ist und die Atmosphäre enthält, deren Taupunkt gemessen werden soll. Der Taupunktspiegel 1 ist konkav ausgebildet, so daß er einen Hohlspiegel bildet, dessen optische Achse A durch die Mitte der Öffnung 4 geht.a light inlet opening 4 is provided and contains the atmosphere whose dew point is to be measured. The dew point mirror 1 is concave so that it forms a concave mirror, the optical axis A of which passes through the center of the opening 4.
Dicht unter der den Taupunktspiegel 1 bildenden Oberfläche isi in den Materialblock 2 ein Temperatursensor 5 eingebettet, an den ein Anzeigeinstrument 6 angeschlossen ist. Der Materialblock 2 enthält außerdem eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung 7, mit der die Temperatur des Materialblocks 2 und damit des Taupunktspiepels 1 auf einen bestimmten Wert eingestellt werden kann.A temperature sensor is located in the material block 2 just below the surface forming the dew point mirror 1 5 embedded, to which a display instrument 6 is connected. The material block 2 also contains a heating and / or cooling device 7, with which the temperature of the material block 2 and thus of the dew point mirror 1 can be set to a specific value.
Eine Lichtquelle 10. die ein breites Lichtspektrum erzeugt, sendet Licht zu zwei im rechten Winkel zueinander angeordneten Lichtleit- und Kollimatorvorrichtungen 11 und 12. An der Austrittsseite der Lichtleit- und Kollimatorvorrichtung Il ist im Winkel von 45' ein Spiegel 13 so angeordnet, daß er das aus der Lichtleit- und Kollimatorvorrichtung 11 austretende parallele Lichtbündel um 90: zu einem halbdurchlässigen Spiegel 15 hin umlenkt. In gleicher Weise ist an der Austrittsseite der Lichtleit- und Kollimatorvorrichtung 12 ein Spiegel 14 im Winkel von 45* so angeordnet, daß er das aus der Lichtleit- und Kollimatorvorrichtung 12 austretende Lichtbündel gleichfalls um 905 zu dem halbdurchlässigen Spiegel 15 hin umlenkt.A light source 10, which generates a wide light spectrum, sends light to two light guide and collimator devices 11 and 12 arranged at right angles to one another. On the exit side of the light guide and collimator device II, a mirror 13 is arranged at an angle of 45 'so that it deflects the parallel light bundle emerging from the light guide and collimator device 11 by 90 : to a semitransparent mirror 15. In the same way, on the exit side of the light guide and collimator device 12, a mirror 14 is arranged at an angle of 45 ° so that it also deflects the light bundle emerging from the light guide and collimator device 12 by 90 5 to the semitransparent mirror 15.
Im Weg des vom Spiegel 13 umgelenkten Lichtbündels ist ein Lichtzerhacker 16 angeordnet, und im Weg des vom Spiegel 14 umgelenkten Lichtbündels ist ein Lichtzerhacker 17 angeordnet, jeder Lichtzerhacker 16, 17 wird so gesteuert, daß er das hindurchgehende Licht abw. echselnd tür gleiche Zeitintervalle sperrt und durchlaßt, also dem Licht eine Rechteckimpulsmodulation mit dem Tastverhältnis 1 :2 erteilt. Die Steuerung der beider, Lichtzerhacker 16. 17 erfolgt gegenphasig. so daß der Lichtzerhacker 16 das vom Spiegel 13 kommende Lichtbündel durchläßt, wenn der Lichtzerhacker 17 das '.on Spiegel 14 kommende Lichtbündel sperrt, und umgekehrt. Die Lichtzerhacker 16 und 17 können von irgendeiner an sich bekannten Bauart sein, beispielsweise mechanische Lichtzerhacker mit rotierenden Blenden oder elektrisch gesteuerte statische Lichtzerhacker, wie Kerr-Zellen oder Feldeffekt-Flüssigkristall-Lichtzerhacker. Bei dem dargestellten Beispiel ist angenommen. daß es sich um Feldeffekt-Flüssigkristall-Lichtzerhacker handelt, die durch eine angelegte Steuerspannung in den Sperr/ustand gebracht werden. Die Steuerelektroden der beider, Lichtzerhacker 16. 17 sind mit den beiden Aussangen einer Steuerschaltung 18 verbunden, die symbolisch durch einen Umschalter dargestellt ist. der eine Steuerspannung Uc abwechselnd an die Steuerelektroden der Lichtzerhacker 16 und 17 anlegt. Die Betätigung des Umschalters der Steuerschaltung 18 wird durch einen Taktgenerator 19 gesteuert, der ein Rechtecksignai mit der gewünschten Zerhackerfrequenz an den Steueranschluß der Steuerschaltung 18 anlegt.A light chopper 16 is arranged in the path of the light beam deflected by the mirror 13, and a light chopper 17 is arranged in the path of the light beam deflected by the mirror 14, each light chopper 16, 17 is controlled so that it deflects the light passing through. Echselnd for the same time intervals blocks and lets through, so gives the light a square pulse modulation with a duty cycle of 1: 2. The control of both, light chopper 16. 17 takes place in phase opposition. so that the light chopper 16 lets through the light beam coming from the mirror 13 when the light chopper 17 blocks the light beam coming from the mirror 14, and vice versa. The light choppers 16 and 17 can be of any type known per se, for example mechanical light choppers with rotating shutters or electrically controlled static light choppers such as Kerr cells or field effect liquid crystal light choppers. In the example shown, it is assumed. that it is field effect liquid crystal light chopper, which are brought into the blocking state by an applied control voltage. The control electrodes of the two, light chopper 16. 17 are connected to the two outputs of a control circuit 18, which is symbolically represented by a switch. which alternately applies a control voltage Uc to the control electrodes of the light chopper 16 and 17. The actuation of the changeover switch of the control circuit 18 is controlled by a clock generator 19 which applies a square-wave signal with the desired chopper frequency to the control connection of the control circuit 18.
Im Lichiweg des aus dem Lichtzerhacker 16 austregrometer (zur Messung von Taupunktteriperaturen unterhalb des Gefrierpunktes) ist dies der feste Aggregatzustand. Vorzugsweise wird das Filter 20 so gewählt, daß die Mittenwellenlänge des durchgelasscnen Lichtbandes in einer Bande liegt, die von Wasser im flüssigen Aggregatzustand und im festen Aggregatzustand gleichermaßen absorbiert wird. Dies wird mit einem Filter erreicht, das ein Lichtband durchläßt, dessen Mittenwdlenlänge im Infrarotbereich bei 3,0 μιη liegt und das eine Halbwertsbreite von 450 nm hat.In the Lichiweg of the austregrometer from the light chopper 16 (for measuring dew point temperatures below freezing point) this is the solid state of aggregation. The filter 20 is preferably selected so that the center wavelength of the light band that is passed through lies in a band that of water in the liquid state of aggregation and in the solid state of aggregation equally is absorbed. This is achieved with a filter that lets through a band of light, the length of which is central in the infrared range is at 3.0 μm and one Has a half width of 450 nm.
Im Weg des aus dem Lichtzerhacker 17 austretenden zerhackten Lichtbündels liegt gleichfalls ein optisches Bandfilter 21, das aus dem kontinuierlichen Lichtspektrum der Lichtquelle 10 ein schmales Wellenlängenband ausfiltert, das jedoch nicht mit dem vom Filter 20 ausgefilterten Wellenlängenband übereinstimmt, sondern so gewählt ist, daß das in diesem Wellenlängenband liegende Licht von Wasser im festen und flüssigen Aggregatzustand nicht oder nur in gleichem Maße wie von Kondensaten anderer chemischer Zusammensetzungen absorbiert wird. Bei der zuvor angegebenen bevorzugten Ausführungsform, bei der das Filter 20 ein schmalbandiges Lichtband durchläßt, dessen Mittenwellenlänge im Absorptionsband von Wasser und Eis im Spektralbereich von 3,0 μιτι liegt, wird das Filter 21 beispielsweise so gewählt, daß es ein Lichtband mit einer Mittenwellenlänge von 2,6 μιη durchläßt.In the path of the chopped light bundle emerging from the light chopper 17 there is also an optical one Band filter 21, which from the continuous light spectrum of the light source 10, a narrow wavelength band which does not, however, match the wavelength band filtered out by the filter 20, but rather like this it is selected that the light from water lying in this wavelength band is in the solid and liquid state of aggregation not absorbed or absorbed only to the same extent as by condensates of other chemical compositions will. In the preferred embodiment specified above, in which the filter 20 is a narrow-band Light band lets through, whose center wavelength is in the absorption band of water and ice in the spectral range of 3.0 μιτι is, the filter 21 is for example chosen so that it transmits a light band with a center wavelength of 2.6 μm.
Das aus dem Filter 20 austretende zerhackte und gefilterte Lichtbündel bildet das Meßlichtbündel Lm. und das aus dem Filter 21 austretende zerhackte und gefilterte Lichtbündel bildet das Referenzlichtbündel Lk. The chopped and filtered light bundle emerging from the filter 20 forms the measuring light bundle Lm. And the chopped and filtered light bundle emerging from the filter 21 forms the reference light bundle Lk.
Der Spiegel 13 ist so angeordnet, daß das Meßlichtbündel Lm entlang der optischen Achse A des vom Taupunktspiegel 1 gebildeten Hohlspiegels verläuft, so daß der vom halbdurchlässigen Spiegel 15 durchgelassene Anteil des Meßlichtbündels Lm unmittelbar durch die öffnung 4 der rvießkamnier 3 auf den Taupunktspicgc! ■ trifft. Der halbdurchlässige Spiegel 15 ist so angeordnet, daß er einen Teil des aus dem Filter 21 austretenden Referenzlichtbündels Lr in die Richtung der optischen Achse des Taupunktspiegels 1 umlenkt, so daß dieser reflektierte Anteil entlang dem gleichen optischen Weg wie das Meßlichtbündel Lm geht und gleichfalls durch die öffnung 4 der Meßkammer 3 auf den Taupunktspicgel 1 trifft. Das vom halbdurchlässigen Spiegel 15 zum Taupunktspiegel 1 gehende Gesamtlichtbündel Lc ist somit im wesentlichen zeitlich kontinuierlich, besteht aber abwechselnd aus schmalbandigen Lichtimpulsen unterschiedlicher Wellenlänge.The mirror 13 is arranged in such a way that the measuring light bundle Lm runs along the optical axis A of the concave mirror formed by the dew point mirror 1, so that the portion of the measuring light bundle Lm let through by the semitransparent mirror 15 directly through the opening 4 of the rvießkamnier 3 onto the dew point mirror! ■ hits. The semitransparent mirror 15 is arranged so that it deflects part of the reference light bundle Lr emerging from the filter 21 in the direction of the optical axis of the dew point mirror 1, so that this reflected portion goes along the same optical path as the measuring light bundle Lm and also through the Opening 4 of the measuring chamber 3 hits the dew point mirror 1. The total light bundle Lc going from the semitransparent mirror 15 to the dew point mirror 1 is thus essentially continuous over time, but consists alternately of narrow-band light pulses of different wavelengths.
Etwa im Brennpunkt des vom Taupunktspiegel I gebildeten Hohlspiegels ist ein Photodetektor 22 angeordnet, der das vom Taupunktspiegel 1 reflektierte Licht in Form eines konvergierenden Lichtbündels L/ empfängt und ein von der empfangenen Lichtintensität abhängiges elektrisches Ausgangssignal Sp liefert. Der Ausgang des Photodetektors 22 ist über einen Verstärker 23 mit dem Eingang einer Trennschaltung 24 verbunden, die symbolisch in gleicher Weise wie die Steuerschaltung 18 als Umschalter dargestellt ist, der den Ausgang des Ver-Arranged approximately at the focal point of the concave mirror formed by the dew point mirror I is a photodetector 22 which receives the light reflected by the dew point mirror 1 in the form of a converging light beam L / and delivers an electrical output signal Sp dependent on the received light intensity. The output of the photodetector 22 is connected via an amplifier 23 to the input of an isolating circuit 24, which is shown symbolically in the same way as the control circuit 18 as a changeover switch that controls the output of the
tenden zerhackten Lichtbündels ist ein optisches Band- 60 stärkers 23 entweder mit einer Ausgangsleitung 25 oder filter 20 angeordnet, das aus dem kontinuierlichen Licht- mit einer Ausgangsieitung 26 verbindet. Der Steuereinspektrum der Lichtquelle i0 ein schmales Wellenlän- gang der Trennschaltung 24 ist ebenfalls an den Ausgenbsnd ausfiltert, dessen Mittenwellenlänge in einer gang des Taktgenerators 19 angeschlossen, so daß die Bande iiegt. die von Wasser in dem zu prüfenden Aggre- beiden Umschalter der Steuerschaltung ^18 und^ der gatzustand absorbiert wird, dagegen von Kondensaten 65 Trennschaltung 24 synchron betätigt werden. Au. ucr anderer chemischer Zusammensetzungen nicht absor- Ausgangsleitung 25 erscheint somit ein impulsförmiges biert wird. Bei einem Taupunkthygrometer ist dies der Meßsignal S,w, das der Intensität des vom Taupunktspieflüssige Aggregatzustand, und bei einem Frostpunkthy- gel 1 reflektierten Lichtes des Meßlichtbündels LM pro-In the direction of the chopped light bundle, an optical band amplifier 23 is arranged either with an output line 25 or filter 20, which connects the continuous light with an output line 26. The control spectrum of the light source 10, a narrow wavelength of the separating circuit 24, is also filtered out at the output, the center wavelength of which is connected to a passage of the clock generator 19 so that the band lies. which is absorbed by water in the unit to be tested, the two changeover switches of the control circuit ^ 18 and ^ the gas state, but are operated synchronously by condensate 65 separating circuit 24. Au. With other chemical compositions not absorbed output line 25 thus appears a pulsed beer is. In the case of a dew point hygrometer this is the measurement signal S, w , which corresponds to the intensity of the state of aggregation liquid from the dew point mirror, and in the case of a frost point hypoglycemic 1 reflected light from the measurement light beam L M pro-
portional ist, während auf der Ausgangsleitung 26 ein impulsförmiges Referenzsignal 5« erscheint, das der Intensität des vom Taupunktspiegel 1 reflektierten Lich-Ies des Referenzlichtbündels Lr proportional ist.is proportional, while a pulse-shaped reference signal 5 "appears on the output line 26, which is proportional to the intensity of the Lich-Ies of the reference light bundle Lr reflected by the dew point mirror 1.
Die beiden AusgangslciUingen 25 und 26 sind mit den beiden Eingängen einer Dividierschaltung 27 verbunden, ά'"\ den Quotient Sm/Sh der ihr zugeführten Eingangssignalc Sm und Sr bildet und ein diesem Quotient entsprechendes kontinuierliches elektrisches Ausgangssignal S(,i liefert. Der Ausgang der Dividierschaltung 27 ist mit dem einen Eingang eines Differenzverstärkers 28 verbunden, der am anderen Eingang ein Sollwertsignal Sw empfängt, das die Führungsgröße des Regelkreises darstellt. Der Differenzverstärker 28 bildet die Differenz seiner beiden Eingangssignale und liefert somit am Ausgang ein Signal, das die Regelabweichung darstellt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 28 ist mit dem Eingang eines Leistungsverstärkers 29 verbunden, dessen Ausgangssignal die Heiz- und/oder Kühleinrichtung 7 steuert. Die Bestandteile 22, 23, 24, 27, 28, 29 bilden somit in Verbindung mit der Heiz- und/oder Kühleinrichtung 7, dem Taupunktspiegel 1 und dem reflektierten Lichtbündel L/ einen geschlossenen Regelkreis.The two AusgangslciUingen 25 and 26 are connected to the two inputs of a divider 27, ά '"\ the ratio Sm / Sh forms supplied thereto Eingangssignalc Sm and Sr and this quotient corresponding continuous electrical output signal S (i supplies. The output of the Divider circuit 27 is connected to one input of a differential amplifier 28, which receives a setpoint signal Sw , which represents the reference variable of the control loop, at the other input. The output of the differential amplifier 28 is connected to the input of a power amplifier 29, the output signal of which controls the heating and / or cooling device 7. The components 22, 23, 24, 27, 28, 29 thus form in connection with the heating and / or Cooling device 7, the dew point mirror 1 and the reflected light beam L / a closed n control loop.
Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Taupunktspiegelhygrometers wird anhand der Zeitdiagramme von F i g. 2 erläutert.The mode of operation of the dew point mirror hygrometer shown in FIG. 1 is based on the timing diagrams of FIG. 2 explained.
Fi g. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf des Meßlichtbündels Lm und des Referenzlichtbündels Lr, welche die Form von gegenphasigen Rechteckkurven haben, deren Impu'sdauer gleich der Impulspause ist. Durch die Schraffierung der Impulse des Referenzlichtbündels Lr ist angedeutet, daß diese Lichtimpulse eine andere Wellenlänge als die Lichtimpulse des Meßlichtbündels Lm haben.Fi g. 1 shows the course over time of the measuring light bundle Lm and the reference light bundle Lr, which have the form of antiphase rectangular curves, the pulse duration of which is equal to the pulse pause. The hatching of the pulses of the reference light bundle Lr indicates that these light pulses have a different wavelength than the light pulses of the measuring light bundle Lm .
Ferner ist im Diagramm von F i g. 2 das Gesamtlichtbündel L(. dargestellt, das durch die Vereinigung des rvießiichibündeis und des Referenziichtbündels mittels des halbdurchlässigen Spiegels 15 erhalten wird. Das Gesamtlichtbündel Lg ist ein im wesentlichen kontinuierliches Lichtbündel gleichbleibender Intensität, das aber aus abwechselnden Abschnitten unterschiedlicher Wellenlänge zusammengesetzt ist. Dieses Gesamtlichtbündel L(, trifft auf den Taupunktspiegel 1 auf. Wenn der Taupunktspiegel blank ist, wird das gesamte Licht des Lichtbündels Lc zum Photodetektor 22 reflektiert, wie in Fig. 2 durch das Diagramm LFS dargestellt ist. Demzufolge liefert der Photodetektor 22 ein kontinuierliches elektrisches Ausgangssignal Sp\ gleichbleibender Intensität, das durch die Trennschaltung 24 in gegenphasige Rechtecksignale Su, und Sr , zerlegt wird, deren Impulse gleiche Dauer und gleiche Amplitude haben. Die Dividierschaltung 27 liefert demzufolge ein Ausgangssignal Sq ι des Wertes 1.Furthermore, in the diagram of FIG. 2, the total light beam L (FIG., Which is obtained by the union of the rvießiichibündeis and Referenziichtbündels by means of the semi-transparent mirror 15. The total light beam Lg is a substantially continuous light beam constant intensity, but which is composed of alternate sections of different wavelength. This total light beam L (, hits the dew point mirror 1. When the dew point mirror is blank, all of the light from the light beam Lc is reflected to the photodetector 22, as shown in Fig. 2 by the diagram L FS . As a result, the photodetector 22 provides a continuous electrical output signal Sp \ constant intensity, which is broken down into antiphase square-wave signals Su and Sr , the pulses of which have the same duration and the same amplitude, by the separating circuit 24. The dividing circuit 27 consequently supplies an output signal Sq ι of the value 1.
Befindet sich dagegen auf der Oberfläche des Taupunktspiegels 1 ein Wasser- oder Eisfilm, so wird ein Teil des Lichtes des Meßlichtbündels Lm im Wasser bzw. Eis absorbiert Der vom Meßlichtbündel stammende Anteil des reflektierten Lichtbündels Leerfahrt dadurch eine Schwächung seiner Intensität, während das vom Taupunktspiegel 1 reflektierte Licht des Referenzlichtbündels Lr, das nicht in dem vom Wasser absorbierten Wellenlängenbereich liegt, keine Schwächung der Intensität erfährt. Man erhält somit den in F i g. 2 bei Lf2 dargestellten zeitlichen Verlauf des reflektierten Lichtbündeis und demzufolge ein Ausgangssignai Spj des Photodetektors 22 von sich abwechselnd ändernder Größe. Die durch Zerlegung dieses Ausgangssignals Spi in der Trennschaltung 24 erhaltenen Impulse Sm 2 und Sr 2 haben demzufolge nicht mehr die gleiche Amplitude, und das den Quotient dieser Impulse darstellende Ausgangssignal Sn; nimmt daher einen niedrigeren Wert an.If, on the other hand, there is a film of water or ice on the surface of the dew point mirror 1, part of the light from the measuring light bundle Lm is absorbed in the water or ice reflected light of the reference light bundle Lr, which is not in the wavelength range absorbed by the water, does not experience a weakening of the intensity. One thus obtains the in FIG. 2 at Lf2 shown time course of the reflected light bundle and consequently an output signal Spj of the photodetector 22 of alternately changing size. The pulses Sm 2 and Sr 2 obtained by splitting this output signal Spi in the separating circuit 24 consequently no longer have the same amplitude, and the output signal S n which represents the quotient of these pulses; therefore assumes a lower value.
r> Das die Führungsgröße im Tcmperaiurrcgelkrcis darstellende Sollwcrtsignal S» ist so eingestellt, daß die Temperatur des Maierialblocks 2 auf einem Wert gehalten wird, bei welchem der Wasser- oder Eisfilm auf dem Taupunktspiegel 1 eine bestimmte Dicke hat, die einer vorgegebenen Absorption des Lichtes des Meßlichtbündels Lm entspricht, so daß der Quotient Sm/Sh einen vorbestimmten Wert hat. der kleiner als 1 ist. Diese Temperatur wird vom Instrument 6 angezeigt, dessen Anzeige somit ein Maß für die Luftfeuchtigkeit ist. r> The lead size in Tcmperaiurrcgelkrcis performing Sollwcrtsignal S »is adjusted so that the temperature of the Maierialblocks 2 is maintained at a value at which the water or ice film on the chilled mirror 1 has a certain thickness that a predetermined level of light absorption of Measuring light beam Lm corresponds, so that the quotient Sm / Sh has a predetermined value. which is less than 1. This temperature is displayed by the instrument 6, the display of which is therefore a measure of the air humidity.
Wenn sich die Luftfeuchtigkeit und damit die Taupunkttemperatur erhöht, nimmt zunächst die Dicke des Kondensatfilms auf dem Taupunktspiegel 1 zu, was eine Verringerung des reflektierten Anteils des Meßlichtbündels und demzufolge eine Verringerung des QuotientensignalsSyzur Folge hat. Die dadurch verursachte Regelabweichung bewirkt eine zusätzliche Heizung (oder Verringerung der Kühlung) des Materialblocks 2, bis der Kondensatfilm wieder die vorgeschriebene Dikke hat. Das Instrument 6 zeigt dann die neue Taupunkttemperatur an. Der umgekehrte Vorgang findet statt, wenn bei einer Verringerung der Luftfeuchtigkeit und damit der Taupunkttemperatur die Dicke des Kondensatfilms geringer wird und demzufolge weniger Licht des Meßlichtbündels Lm absorbiert wird.When the air humidity and thus the dew point temperature increases, the thickness of the condensate film on the dew point mirror 1 first increases, which results in a reduction in the reflected portion of the measuring light beam and consequently in a reduction in the quotient signal Sy. The control deviation caused by this causes additional heating (or reduction in cooling) of the material block 2 until the condensate film has the prescribed thickness again. The instrument 6 then displays the new dew point temperature. The reverse process takes place when, with a decrease in air humidity and thus the dew point temperature, the thickness of the condensate film becomes smaller and consequently less light from the measuring light beam Lm is absorbed.
jo Bei irgendwelchen Einflüssen, die sich in gleicher Weise auf das Meßlichtbündel Lm und Lr auswirken, wie Schwankungen der Lichtintensität der Lichtquelle 1, Verschmutzung des Taupunktspiegels 14, Veränderungen des optischen Strahlengangs vom halbdurchlässigen Spiegel 15 über den Taupunktspiegel 1 zum Photodetektor 22, Alterung des Photodetektors 22 usw. ändert sich zwar die intensität des reflekiierien Lichtbündels Lh und damit des Ausgangssignals des Photodetektors 22, aber nicht das Verhältnis der Signale Sm und Sr. jo In the event of any influences that affect the measuring light bundle Lm and Lr in the same way, such as fluctuations in the light intensity of the light source 1, soiling of the dew point mirror 14, changes in the optical beam path from the semi-transparent mirror 15 via the dew point mirror 1 to the photodetector 22, aging of the photodetector 22 etc. the intensity of the reflected light beam Lh and thus the output signal of the photodetector 22 changes, but not the ratio of the signals Sm and Sr.
Solche Einflüsse verursachen daher kein Eingreifen des Regelkreises und keine Änderung der angezeigten Taupunkttemperatur. Such influences therefore do not cause the control loop to intervene and the dew point temperature displayed does not change.
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Taupunktspiegelhygrometers besteht darin, daß es nicht auf Kondensatfilme anspricht, die nicht von Wasser stammen, sondern von anderen chemischen Zusammensetzungen, welche das Licht der beiden Lichtbündel Lm und Lr nicht oder in gleicher Weise absorbieren, beispielsweise von Kohlenwasserstoffverbindungen.Another advantage of the dew point mirror hygrometer described is that it does not respond to condensate films that do not come from water, but from other chemical compositions which do not absorb the light from the two light bundles Lm and Lr, or do so in the same way, for example from hydrocarbon compounds.
Wenn sich ein Kondensatfilm einer solchen chemischen Verbindung auf dem Taupunktspiegel 1 bildet, hat er keinen Einfluß auf die Temperaturregelung; vielmehr verändert der Temperaturregelkreis die Temperatur des Materialblocks 2 solange, bis ein Wasserfilm der vorgeschriebenen Dicke erzielt ist, und er hält dann die Dicke dieses Wasserfilms konstant. Die vom Instrument 6 angezeigte Taupunkttemperatur entspricht dann ausschließlich dem Taupunkt des Wassergehalts der untersuchten Atmosphäre.If a condensate film of such a chemical compound forms on the dew point mirror 1, has it does not affect the temperature control; rather, the temperature control circuit changes the temperature of the material block 2 until a water film of the prescribed thickness is achieved, and he then holds the The thickness of this water film is constant. The dew point temperature displayed by the instrument 6 then corresponds exclusively the dew point of the water content of the examined atmosphere.
Wie bereits erwähnt, ist die Dicke des Wasser- oder Eisfilms, die durch den Temperaturregelkreis konstant gehalten wird, durch die Einstellung des Sollwertsignals Sw bestimmt. Dadurch ist es möglich, weitere Störeinnüsse unschädlich zu machen. Bei Verschmutzung des Taupunktspiegeis 1 mit hygroskopischen Substanzen ist nämlich auch oberhalb der Taupunkttemperatur bereits eine gewisse Wassermenge adsorbiert, die eine gewisse Absorption des Lichtes des Meßlichtbündels verursacht.As already mentioned, the thickness of the water or ice film, which is kept constant by the temperature control loop, is determined by the setting of the setpoint signal Sw . This makes it possible to render other sturgeon nuts harmless. If the dew point mirror 1 is contaminated with hygroscopic substances, a certain amount of water is already adsorbed above the dew point temperature, which causes a certain absorption of the light from the measuring light beam.
Das Sollwertsignal Sw wird dann so eingestellt, daß der Temperaturregelkreis auf eine Dicke des Kondensatfilms einregelt, die größer ist als die Dicke des dauernd vorhandenen Störfilms und sich erst beim Erreichen der Taupunkttemperatur einstellt.The setpoint signal Sw is then set in such a way that the temperature control circuit regulates to a thickness of the condensate film which is greater than the thickness of the permanently present interfering film and is only set when the dew point temperature is reached.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel legen das Meßlichtbündel Z.wunddas Referenzlichtbündel Lr nach ihrer Vereinigung in Form des Gesamtlichtbündels La und des reflektierten Lichtbündels Li den gleichen Lichtweg zurück, so daß sie unter gleichen Bedingungen auf die gleiche Stelle des Taupunktspiegels 1 auftreffen, und sie werden unter gleichen Bedingungen von dem gleichen Photodetektor 22 empfangen. Diese Maßnahme wird dadurch ermöglicht, daß die beiden Lichtbündel nach einem Zeitmultiplexverfahren zeitlich ver- is schachtelt werden, so daß die entsprechenden elektrischen Signale mit Hilfe der Trennschaltung 24 wieder voneinander getrennt werden können. Diese Ausführutigsform ist besonders vorteilhaft, weil sich ein großer Teil aller Störeinflüsse auf beide Lichtbündel in gleicher Weise auswirkt und daher durch die Quotientenbildung eliminiert wird.In the embodiment described, the measuring light bundle Z. w and the reference light bundle Lr, after they have been combined in the form of the total light bundle La and the reflected light bundle Li, cover the same light path, so that they strike the same point of the dew point mirror 1 under the same conditions, and they are below received by the same photodetector 22 under the same conditions. This measure is made possible by the fact that the two light bundles are interleaved in time using a time division multiplexing method, so that the corresponding electrical signals can be separated from one another again with the aid of the separating circuit 24. This embodiment is particularly advantageous because a large part of all interference affects both light bundles in the same way and is therefore eliminated by the formation of the quotient.
Um grobe Verschmutzungen der Spiegeloberfläche zu beseitigen, kann zusätzlich die Maßnahme getroffen werden, den Taupunktspiegel 1 auf einem Ultraschallschwinger, beispielsweise einem Piezo-Schwinger oder einem magnetostriktiven Schwinger, zu montieren. Beim Anlegen einer Steuerwechselspannung an den Ultraschallschwinger kann dadurch der Taupunktspiegel in mechanische Ultraschallschwingungen versetzt werden, wodurch auf dem Spiegel haftende Schmutzpartikel abgeworfen werden.In order to remove coarse soiling of the mirror surface, the measure can also be taken be, the dew point mirror 1 on an ultrasonic transducer, for example a piezo transducer or a magnetostrictive transducer. When applying an alternating control voltage to the ultrasonic transducer this can set the dew point mirror in mechanical ultrasonic vibrations, whereby dirt particles adhering to the mirror are thrown off.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
3535
4040
4545
5050
5555
6060
Claims (10)
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| DE19823243320 DE3243320C2 (en) | 1982-11-23 | 1982-11-23 | Dew point mirror hygrometer |
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Cited By (1)
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- 1982-11-23 DE DE19823243320 patent/DE3243320C2/en not_active Expired
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