DE3340283A1

DE3340283A1 - Verfahren zur messung des feuchtigkeitsgehaltes, insbesondere des feuchtigkeitsgehaltes von gasen, und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3340283A1
Application number: DE19833340283
Authority: DE
Inventors: Andrew Peter Stansted Essex Harrison
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: ITT Inc
Priority date: 1982-11-17
Filing date: 1983-11-08
Publication date: 1984-05-17
Also published as: GB2130739A; GB2130739B; JPS5992332A

Description

A.P.Ha rri son-5

Verfahren zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen, und
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des
Feuchtigkeitsgehaltes, insbesondere zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Bestimmung der Konzentration von Bestandteilen in Flüssigkeiten, bei der man Hinweise auf deren Infrarot-

Absorptionseigenschaften erhält, ist eine gedämpfte innere Totalreflektions-Spektroskopie (ATR) als Untersuchungstechnik bekannt. Der Sensor der ATR-Technik besteht aus einem Kristall, der in die zu messende Flüssigkeit eingetaucht wird. ATR-Krista11e sind aber nicht

geeignet, den Feuchtigkeitsgehalt von Gasen zu messen, da die Messung nicht empfindlich genug ist, um Feuchtigkeit in Gasen nachzuweisen.

: Die vorliegende Erfindung hat deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen anzugeben und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens- zu schaffen, deren Empfindlichkeit wesentlich größer ist als dies bei bisher bekannten Vorrichtungen (Sensoren) für ähnliche Zwecke der Fall ist.

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A.P.Harrison-5 ,-

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren und die im Anspruch 4 genannte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen nach der Erfindung sind in den Unt eransprCich en enthalten.

In der folgenden Beschreibung ist die Entstehung der Erfindung und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel angegeben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Sensors des Standes der Technik, wie er in einem gedämpften

Tot a I refLektions-Spektrοskop (ATR) zur Messung der Trübung von Flüssigkeiten verwendet wird,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Feuchtigkeits-Meßvor-

richtung nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 einen Sensor, der in der Feucht i gk,ei ts-Meßv,orrichtung nach Fig. 2 verwendet wird, schematisch dargestellt, in Draufsicht, und

Fig. 4 einen Sensor nach Fig. 3, schematisch dargestellt, von der Seite her gesehen.

Eine gedämpfte innere Tot a IrefIektions-Spektroskopie (ATR) ist eine eingeführte Untersuchungstechnik zur Bestimmung d-e r Konzentration von Bestandteilen in Flüssig-, keiten, bei der man Hinweise auf deren Infrarot-Absorptions-Eigenschaften erhält. Der ATR-Sensor ist normaler-

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weise in der Form eines Kn'stalLes 11 (Fig. 1) ausgebildet, so daß ein in das eine Ende des Kristalles 11 eingeleiteter Infrarot-Lichtstrahl im Inneren einige Male total reflektiert wird, bevor er den Kristall 11 wieder

verläßt und an der AustrittssteLIe detektiert wird. Wenn der Kristall 11 in eine Flüssgkeit eingetaucht ist, die Bestandteile enthält, die die Fähigkeit eines Absorptions-Bandes bei der Wellenlänge des total im Inneren reflektierten Lichtes aufweisen, ist der Ref lektions-Ko-

effizient an jeder "totalen" innneren Reflektion nicht 1/1, sondern ein nach null gehender Wert, da das Strahlungsfeld nicht ausschließlich auf den Kristall 11 begrenzt ist, sondern sich über ein kurzes Stück in die umgebende Flüssigkeit erstreckt. Aus diesem Grund wird

der Strahl bei jeder Reflektion auf ein Maß gedämpft, das sich auf die Konzentration der absorbierenden Bestandteile und die Absorptionsfähigkeit der Teile bei der bestimmten Wellenlänge bezieht. Man verwendet, um eine Messung durchzuführen, zwei Wellenlängen, die am

Ausgang von der Infrarotquelle selektiert werden, von denen eine die interessierende Absorptions-Spitze der Bestandteile aufweist, und die andere benachbarte Wellenlänge, die nicht absorbiert wird, ein Wertsteigerungsmaß ergibt. Die sich bei ausgeglichenen Bestandtei-

len ergebende proportionale Signaldifferenz wird gemessen, verstärkt und in einen Bezug zur Konzentration umgeformt.

Wasser absorbiert deutlich in dem Wellenlängenband zwischen 2,7 und 2,9 μ, was der Resonanz des OH-Bereiches

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innerhalb dieses Bandes entspricht. Ein Verfahren zum Messen der Wasser-Antei Le in FLüssigkeiten, wie z.B. in öl, verwendet einen Silikon- oder Germanium-ATR-Krista 11 mit Anzeige der Änderung in der 2,9 ρ Signalgröße, ist

in Laboratorien zur Routine geworden und wird jetzt von der Industrie übernommen. Das Aussehen eines typischen Kristalls für diese Zwecke zeigt Fig. 1. Die Strahlung 10 tritt in den Kristall 11 durch die Facette 12 ein, wird entlang des Kristalles 11 mehrmals reflektiert, d a -

von einmal an dem von dem Eintritt entfernt liegenden Ende 13 des Kristalls 11 und dann folgen weitere Reflektionen im Kristall 11 nach oben, bevor der Strahl wieder aus der Facette 14 austritt. Diese Ausführung, in der die Strahlung in den Kristall 11 eintritt und den Kr i -

stall wieder am selben Ende verläßt, erleichtert die Anordnung eines Kristalles 11 in einem flüssigen Medium. Die Abmessungen eines typischen ATR-Kristalls 11 sind 50 mm Länge und annäherend 10 mm im Durchmesser.

Durch diese Technik kann aufgelöstes Wasser in Methanol,
Äther, Aceton, Glykolen (zweiwertigen Alkoholen) usw., entdeckt und gemessen werden, und zwar abwärts bis weniger als 1 Gewichtsprozent. In ölen können Wasseranteile von kleiner als 0,02 Gewichtsprozent bestimmt werden.

ATR-Kristalle sind aber nicht geeignet, die Anwesenheit
von Feuchtigkeit in Gasen wahrzunehmen und anzuzeigen, da Gas eine sehr viel niedrigere Mo Le.ku la rdi cht e aufweist als dies in einer Fluss iqkeit der Fall ist. So .entspricht die typische "Wasser in öl" Empfindlichkeit von 100 ppm Gewichtsprozent für einen üblichen ATR-Kri-

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staLL etwa 5 χ 1O~² g Wasser pro Liter öl, um aber 100 ppm Gewichtsprozent Feuchtigkeit in Luft nachweisen zu können, ist eine WahrnehmungsempfindLichkeit von annähernd 8 χ 10~⁵ g/L erforderLich.

Die vorliegende Erfindung erläutert, wie die Empfindlichkeit von .ATR durch das Ersetzen des Kristallsensors durch einen Lichtwellenleitersensor wesentlich verbessert werden kann. Dies ergibt einen bedeutenden Vorteil im Hinblick auf die Empfindlichkeit, hauptsächlich, wenn

ein langer, dünner Lichtwellenleiter verwendet wird mit einem sehr vergrößerten Langen/Durchmesser-VerhäItnis gegenüber einem typischen ATR-Kr istall (z.B. durch einen Faktor von 10⁴ bis 10⁶, was eine viel größere Anzahl von Reflektionen ergibt). Typischerweise wird dies einen

Wechsel von Germanium, das einen hohen Brechungsindex von etwa 4,1 μ aufweist, auf Glas bedingen, das einen Brechungsindex von etwa 1,5 p hat.

Um die Durchführung eines Überganges von einem Germanium/öl -Meßsystem zu einem GIas/Luft-Meßsystem zu schaf-

fen, wird darauf hingewiesen, daß die kritischen Winkel in den beiden Beispielen verschieden sind und auch die Eindringtiefe, das ist der Abstand von der Oberfläche, in dem ein verringertes oder abnehmendes Feld bis zu 1/e von seinem Wert an der Oberfläche besteht. Der erstere

Effekt führt dazu, die Empfindlichkeit herabzusetzen, da der kritische Winkel größer ist und daher nur wenige Reflekt ionen per Länge der Einheit erfolgen; der letztere Effekt führt .zur Vergrößerung" der Empfindlichkeit, da für einen austretenden Winkel größer als der kritische

Winkel bei einem spezifischen Betrag die Eindringtiefe größer ist. .

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Um die Absorption der Leistung von dem sich verringernden Feld außerhalb der Abmessungen des Lichtwe I lenLei ters zu erhalten, da es nicht vorkommen soll, daß die Leistungsabsorption innerhalb des Lichtwellenleiters erfolgt, ist es notwendig, ein Material mit relativ niedrigen Verlusten zu verwenden, aus dem der Lichtwellenleiter hergestellt wird.

Auf dem Gebiet von LichtwelLenleitern mit niedrigen optischen Verlusten ist zwar schon viel erarbeitet worden,

außer in bezug auf Lichtweltenleiter, die aus Silica-Materialien bestehen. Wie auch immer, Si I ica-Materia L ist nicht ideal für diese Zwecke, teilweise deshalb, da sich übe rtragungsver Lust e ^:?ei Wellenlängen, die langer als 1,7 ^j sind, sehr schnell vergrößern, was darauf zurück -

zuführen ist, daß Phononenabsorption durch die Silica-Sauerstoff-Verbindung entsteht; teilweise durch Probleme, die durch restliche Hydroxy I-Verunreinigungen in dem Material- der Lichtwellenleiter entsteht. In diesem 2 u sammenhang muß man beachten, daß aufgrund der viel höhe-

ren Leistungsdichte innerhalb des Lichtwellenleiters als in dem sich verringerndem Feld, das den LichtweI ten leiter umgibt, eine gegebene Große der Hydroxy L-Verunreinigung in dem Lichtweltenleiter eine größere Dämpfung des sich ausbreitenden Signals entsteht, als dies durch die-

selbe Größe in der Atmosphäre, die den LichtwetlenIeiter umgibt, gegeben ist. Dadurch, daß Silica-Material eine größere Affinität für Wasserstoff aufweist, sind viele Forschungen in Verbindung mit de· Herstellung von Lichf-WeI le-nlei tern für die Nachrichtenübertragung durchge-

führt worden mit dem Ziel der Entfernung der Hydroxyt-Verunreinigung aus dem für diese Lichtwellenleiter verwendeten Material.

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Das potentielLe Problem der Hydroxyl-Verunreinigung wurde durch die Verwendung von Lichtwellenleitern reduziert, die aus einem der neuen Fluori dg läser für Nachric.htenübertragungsstrecken über lange Stecken im mittleren Infrarot-Bereich entwickelt worden sind. Eine solch typische Glaszusammensetzung entsteht aus 57 mol%

^HfF ₄, 36 molX BaF₂, 4 mol% AlF₃, 3 moLZ LaF₃. Die Probleme zur Beseitigung von Hydroxyl-Verunreinigungen in solchen Glaszusammensetzungen sind die gleichen
wie bei Silica-Glas, aber bei diesem kann ein höherer Restwert von Hydroxy l-Verunreinigung in den Lichtwellenleitern toleriert werden, da die durch das Hydroxyl in dem Glas verursachte Absorptionsspitze nicht mit der Absorptionsspitze in der umgebenden Luft übereinstimmt.

So ist es beispielsweise bei einem Fluorohafnatglas der Fall, daß die Absorptionsspitze der Hydroxyl-Verunreinigung bei 2,9 μ liegt, während die Absorptionsspitze von freiem Wasserdampf bei etwa 2,7 bis 2,75 μ liegt. Andere Gläser, einschließlich Chalkogenid-Gläser, können sich

ebenfalls als geeignet erweisen.

Fig. 2 zeigt die Grundkomponenten einer FeuchtigkeitsgehaIts-Meßvorrichtung unter Verwendung eines Lichtwellenleiters, die aus einem optischen Dämpfungs-Meßgerät 21, das eine Lichtquelle, eine damit verbundene Treiberschaltung zum Einleiten von im wesentlichen monochromatischer Strahlung in einen Li chtfwe I Len Ie i t e r eines Kabels 22 und einen Photodetektor und eine damit verbundene Schaltung zur Messung der Größe der Strahlung be-

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steht, die in einem anderen Lichtwe LlenLeiter des Kabels 22 herangeführt wird. Die anderen Enden von diesen zwei Lichtwe LL en Leitern sind mit den gegenüberliegenden Enden eines LichtwellenLeiter-Sensors verbunden, der in der
Kammer 23 untergebracht ist.

In den Fig. 3 und 4 ist die Kammer 23 in der der Lichtwellen Lei ter-Sensor untergebracht ist, dargestellt. Der LichtweILenLeiter-Sensor besteht aus einer großen Anzahl von Windungen 30 eines unummanteLt en Lichtwe L lenL eiters,

der in einzelnen offenen Lagen schneckenförmig auf einen Körper 31 gewickelt ist, der die Windungen 30 in einer bestimmten Lage mit einem Minimum von Kontaktabstand zwischen dem Körper 3 und dem LichtweLLenLeiter häLt. Die Kammer 23 ist zylindrisch oder toroidal in der Form

und ist mit je einem tangential ein- bzw. ausmündenden Ein- oder AusLaß 32 für das Gas versehen, dessen Feuchtigkeitsgehalt bestimmt werden soll. Da der Lichtwellenleiter ein unummantelter Li chtwelLenLeiter ist, ist .es notwendig, die TeiLe des Körpers 31, mit denen dieser

mit dem LichtweLLenLeiter in Kontakt kommt, aus einem Material auszubilden, das einen niedrigen Brechungsindex aufweist. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, daß die aufliegenden Flächen, an denen der Lichtwellenleiter an dem Körper 31 gehalten wird, aus einem PLastikmate-

rial hergestellt sind, das einen niedrigen Brechungsindex aufwe ist.

Alternativ zu dieser Ausführung kinn der Lichtwellenleiter-Sensor so ausgebildet sein, daß der LichtweLLenLeiter mit einer UmmanteLung versehen ist, die, nachdem der

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LichtweLLenLeiter in Windungen 30 über dem Korper 31 gewickelt worden ist, an ausgewählten Stellen, z.B. durch Ätzen, entfernt wird, so daß die Ummantelung an den Stellen auf dem Lichtwellenleiter verbleibt, an denen
der Lichtwellenleiter über jede Halterung an dem Korper 31 geführt ist und in im wesentlichen an den ganzen dazwischen liegenden Bereichen der Kern des Lichtwellenleiters von der Ummantelung befreit ist.

Der Lichtwellenleiter-Sensor weist einen Durchmesser von
etwa 100 JJ (Kerndurchmesser bei einem ummantelten Lichtwellenleiter) auf und ist annähernd 40 m-lang. Die Halteflächen an dem Körper 31 können ausgekehlt sein, um einen gleichmäßigen Abstand von der nächstliegenden Windung zu erreichen, und die Lichtwellenleiter können an
dieser Stelle durch Verwendung von einer Perle 34 befestigt sein, die aus einem Kitt mit niedrigem Index besteht, der an jeder Be f est i gungs s te I I e über die Länge der Befestigung den Lichtwellenleiter flüssig umgibt. Dies hat den Vorteil, daß es dadurch ermöglicht wird,
eine völlig nasse Verbindung zwischen dem Lichtwellenleiter und dessen Halterung zu schaffen, die besser ist als eine trockene Verbindung.

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Claims

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GMBH
Freiburg

A.P.Ha rri son-5

Pat ent anspruche

M./Verfahren zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Messung von einem Maß der optischen Dämpfung bei einer
Wellenlänge, in der Infrarotstrahlung durch Wasserdampf ■'- absorbiert wird, ausgeht, und daß Infrarotlicht über die Länge eines Lichtwellenleiters geleitet wird, dessen optischer Kern über einen wesentlichen Teil seiner Länge der Umgebung ausgesetzt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter aus einem Material besteht, dessen sich bei der Messung aus der Hydroxy L-Verunreinigung ergebende Absorptionsspitze einen bedeutenden Abstand von der sich bei Wasserdampf ergebenden Absorp-

t ionsspitze aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch eine Kammer (23) geleitet wird, in der der Lichtwe 11 en Ieiter untergebracht ist.

ZT/Pi-Kre/V,04.11.1983 -2-

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4. Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zur Dämpfung von infrarotem Licht aufweist, das bei einer

Wellenlänge von Wasserdampf absorbiert wird und in ein Stuck LichtweIlenLeiter eingeleitet wird, dessen Kern über einen wesentlichen Teil des Stückes der Umgebung ausgesetzt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtwellenleiter eine unummanteLte Glasfaser ist, die in voneinander getrennten, schraubenförmig gewundenen Windungen (30) auf einen Körper (31) aufgebracht ist, dessen Oberfläche an den Kontaktpunkten (34) mit dem LichtwelLenLeiter einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der Brechungsindex des LichtwelLenleiters.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kontaktpunkten (34) mit. dem Körper (31) der Lichtwe IlenLeiter in ein Kunstharz

eingebettet ist, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist aLs der Brechungsindex des Lichtwe I lenLeiters.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter in voneinander getrennten, schraubenförmigen Windungen (30) auf einen Körper (31)

gewickelt ist und der LichtweLLenLeiter optisch ummantelt ist, von dem die Ummantelung an den Stellen entfernt ist, die sich zwischen' den Halterungen an dem Körper (31 ) 'befinden.

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der LichtweLLenLeiter und der Körper (31) in einer im wesentlichen toroidaLen Kammer (23) untergebracht sind.

'
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Materials für den LichtweIlenLei ter eine Hydroxyl-Verunreinigung aufweist, deren bei der Messung entstehende Absorptionsspitze einen bedeutenden Abstand von

der Absorptionsspitze, die sich aus Wasserdampf ergibt, aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter aus FluoridgLas besteht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, 9 und
10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter und der Körper (31) in einer im wesentlichen zylindrischen Kammer (23) untergebracht ist.

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