DE3431624A1 - Taupunktspiegel-hygrometer - Google Patents

Description

• TAUPUNKTSPIEGELHYGROMETER
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen der Gasfeuchte mittels eines in einer Meßkammer angeordneten Taupunktspiegelhygrometers, wie es näher im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.
• Es sind bereits mehrere Methoden und Einrichtungen zum Messen der Gasfeuchte mittels der Taupunkttemperaturbestimmung bekannt, deren Meßvorgänge automatisch ablaufen und deren Einrichtungen elektrisch betrieben werden. Hierfür wird bekanntlich ein dem zu messenden Gas ausgesetzter Metallspiegel mit Hilfe einer Peltierbatterie ständig am Taupunkt gehalten, auch dann wenn die Taupunkttemperatur variiert. Eine Lichtschranke tastet die Spiegelfläche kontinuierlich ab und signalisiert infolge des von einem Kondensatfilm ausgehenden Streulichteffektsder Regeleinrichtung eine stärkere oder schwächere Kühlung des Metallspiegels, so daß ein stetiges Nachführen der Taupunkttemperatur möglich ist.
• Bei einer bekannten Meßeinrichtung gemäß der US-PS 31 66 928 wird als Metallspiegel ein Silberblättchen mit eingebettetem Meßfühler verwendet. Für den Einsatz in schwefelhaltiger Luft ist ein solcher Metallspiegel wegen der Anlaufeigenschaft des Silbers unbeständig. Wenn zwar bei diesem Bekannten die Abwärme des Kühlelements über zwei Kupferplatten zunächst verteilt und dann an ein Aluminiumgehäuse abgeführt ist, ist zwischen dem Metallspiegel und dem Kühlelement eine Temoeraturverteilerplatte zwischengeschaltet und verursacht damit eine zusätzliche Temperatur übergangsstelle.
• Bei einem anderen bekannten Taupunktspiegelhygrometer nach der DE-OS 25 38 225 wird zwar Gold als Spiegelmaterial vorgeschlagen, ohne jedoch auf konstruktive Einzelheiten der Temperaturwege, insbes. hinsichtlich des Temperaturübergangs zwischen Taupunktspiegel und Peltierbatterie näher einzugehen.
• Für eine Messung der Taupunkttemperatur zur Ermittlung der Gasfeuchte mit hoher Genauigkeit und guter Reproduzierbarkeit spielen bei Meßsystemen dieser Art Temperaturwege mit geringen Widerständen keine unbedeutende Rolle, insbes. dann,wenn eine Lichtschranke von hoher Empfindlichkeit genutzt und schon kleinste Temperaturänderungen des Taupunktes signalisiert werden sollen.
• Um dieses Ziel zu erreichen, müssen neben anderen Bedingungen besonders die Temperaturwege zum Taupunktspiegel und von diesem zum Meßfühler für einen günstigen Kälte- und Wärmestrom optimal ausgelegt und so ungestört und kurz wie möglich sein, damit zur genauen Erfassung der Spiegeltemperatur das Meßsystem in der Lage ist' schon bei dünnstem Kondensatfilm anzusprechen.
• Dem Anmeldungsgegenstand liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Taupunktspiegelhygrometer zur möglichst genauen Messung der Gasfeuchte zu schaffen, dessen Spiegelfläche die Bildung eines möglichst dünnen Kondensatfilms erlaubt und das mit einem Meßsystem ausgestattet ist, das schon den kleinstmöglichen vom Kondensatfilm verursachten Streulichteffekt erfaßt, die Spiegeltemperatur möglichst genau mißt und das ihr verzögerungsfrei folgt, wenn die Taupunkttemperatur variiert.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1.
• Durch den zur Lösung der Aufgabe angegebenen Platinanteil in der Legierung des Metallblocks wird die Beständigkeit der glatt polierten Spiegelfläche gegen Einflüsse von gelegentlich vorzunehmenden Reinigungsvorgängen widerstandsfähiger gemacht. Um dem Kühlfluß von der Peltierbatterie zur Spiegelfläche einen günstigen Temperaturweg zu ermöglichen, ist der Spiegel für die Taupunktermittlung auf einem Metallblock mit guter Wärmeleitfähigkeit angebracht, der nicht nur wegen der Zweckmäßigkeit auch die Temperaturmeßwiderstände aufzunehmen, hierfür bestimmte Abmessungen aufweist. Zu demselben Zweck ist die Kaltseite der Peltierbatterie mit der gesamten Unterseite des Metallblocks und die Warmseite der Peltierbatterie mit einem Kupferableitblock ganzflächig verlötet, der wiederum auf einer Meßkammerzwischenwand sitzt, die die Abwärme der Peltierbatterie an die Außenwände und die Wärme des an ihrer unteren Seite gehalterten Heizdrahtwiderstandes an die Meßraumwände weiterleitet.
• Gemäß der Erfindung wird ferner die Lumineszenzdiode mit gepulstem Gleichstrom betrieben. Ihre Signale lassen sich dann über Wechselspannungsverstärker ohne Verstimmung auswerten.
• Gemäß einer der bevorzugten Weiterbildungen der Erfindungen ist der Vorverstärkungsteil der Lichtschranke und der Meßumformerteil für die Spiegeltemperaturmessung nicht im Anzeige-, Steuer-und Regelgerät untergebracht sondern in der Nähe des Meßpunktes, jedoch vom Meßraum getrennt in einem Nebenraum der Meßkammer.
• Für die aus dem Meßraum kommenden Signale bedeutet dies kurze Leitungswege und keine Signalverstimmungen an Kabelverbindungen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figurenbeschreibung im einzelnen erläutert.
• Die Zeichnung zeigt: Fig. 1 Eine Querschnittsdarstellung der Meßkammer nach der Erfindung, Fig. 2 die Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse des Metallblocks Fig. 3 die Spiegelfläche des Metallblocks Gemäß Fig. 1 ist lediglich die Meßkammer nach der Erfindung dargestellt. Das dazugehörige Anzeige-, Steuer- und Regelgerät mit Verbindungskabel sind nicht gezeigt. Funktionsmäßig geht der Aufbau des Taupunktspiegelhygrometers von einem Metallblock 1 aus, der aus einer gewalzten Gold-Platinlegierung besteht.
• Im Inneren des Metallblocks sind beabstandet von seiner Mittelachse und parallel zur Längsachse zwei Durchgangsbohrungen 2 für die Aufnahme von zwei PT-100 Meßwiderständen 3 vorgesehen.
• Die Oberfläche des Metallblocks 1 ist glatt poliert und bildet die Spiegelfläche 4. Die Querschnittsfläche 5 senkrecht zur Längsachse des Metallblocks 1 ist so bemessen, daß trotz der vorgenommenen Durchgangsbohrungen 2 der von der Peltierbatterie 6 kommende Kältefluß eine günstige Beeinflussungsmöglichkeit der Spiegelfläche 4 und die - zwar sehr geringe aber vorhandene -am Lichtfleck 7 sich bildende Wärmeentwicklung eine günstige Abfließmöglichkeit vorfindet.
• Die Peltierbatterie 6 ist mit ihrer Kaltfläche ganzflächig mit der gesamten Unterseite des Metallblocks 1 und mit ihrer Warmseite mit einem Kupferblock 8 verlötet. Der Kupferblock 8 ist wiederum mit gutem Wärmekontakt mit einer die Wärme weiterleitenden Meßkammerzwischenwand 9 verbunden, an deren unteren Seite außerdem ein Heizdrahtwiderstand 10 gehaltert ist, der Wärme liefer wenn die relative Luftfeuchtigkeit im Meßraum 18 einen bestimmten Wert überschreitet. Dabei sinkt der Peltierstrom, der als Regelgröße entsprechend seiner Abnahme die Spannung des Heizdrahtwiderstandes kontinuierlich hochregelt. Damit wird bei bestimmten Temperaturverhältnissen zwischen äußerer und innerer Luft eine Kondensation der Luftfeuchtigkeit in der Meßkammer und somit eine Verfälschung des im Inneren bereits befindlichen zu messenden Gases vermieden. Die Meßkammerzwischenwand 9 erfüllt somit eine Doppelaufgabe, nämlich die von der Peltierbatterie 6 erzeugte Wärme an die Gehäusewände abzuführen und die vom Heizdrahtwiderstand 10 kommende Wärme den Gehäusewänden zuzuführen.
• Über den Metallblock 1 sind an einem Halterungssteg 11 die Lumineszenzdiode 12 in einer Winkelstellung von ca. 30 bis 45 zur Spiegelfläche 4 und der Fototransistor 13 senkrecht über dem vom Lichtbündel der Lumineszenzdiode 12 auf der Spiegelfläche 4 hervorgerufenen Lichtfleck gehaltert. Die Lumineszenzdiode 12 und der Fototransistor 13 sind je mit einer Linse ausgestattet und bilden für die vom Spiegel 4 kommende Streustrahlung eine Lichtschranke.
• Gespeist wird die Lumineszenzdiode 12 mit gepulstem Gleichstrom, dessen Frequenz etwa 2 KHz beträgt. Wie Fig. 3 zeigt, trifft das Lichtbündel der Lumineszenzdiode 12 die Spiegelfläche 4 so, daß sich in der Mitte der Spiegelfläche 4 ein Lichtfleck 7 mit ellipsenförmiger Fläche bildet. Die Bemessung des Metallblocks 1 erlaubt der durch das Lichtbündel auf der Spiegelfläche 4 erzeugten geringfügigen Wärme ein unbehindertes Abfließen zwischen den Durchgangsbohrungen 2 in das Innere des Metallblocks 1.
• Mit der senkrechten Anordnung des Fototransistors 13 über dem Lichtfleck 7 wird erreicht, daß der Fototransistor 13 nicht von der im Ausfallswinkel verlaufenden Mischstrahlung getroffen wird, sondern ausschließlich von der Streustrahlung eines Kondensatfilms. Durch den Einsatz einer Linse vor dem Fototransistor wird die Empfindlichkeit der Lichtschranke erhöht. Durch diese Maßnahme wird also nicht die Intensitätsänderung des Ausfallstrahls gemessen' sondern nur die Streustrahlung schon bei Bildung des kleinsten Kondensats.
• Zur Reinigung des zu messenden Gases ist der Meßraum 18 mit einem etwa rohrförmigen Sintermetallfilter 14 abgeschirmt. Damit wird gleichzeitig ein Aufströmen des zu messenden Gases auf die Spiegelfläche 4 verhindert und in diesem Raum eine beruhigte Atmosphäre geschaffen. Um zu verhindern, daß sich am Sintermetallfilter 14 selbst Kondenswasser bildet, ist dieser mittels eines Flansches breitflächig auf die wärmeabgebende Meßkammerzwischenwand 9 angedrückt.
• Die gesamte Meßkammer ist durch die Gehäuseteile 15, 16, 17 sowie durch die bereits erwähnte Meßkammerzwischenwand 9 gebildet und besteht aus einer gut wärmeleitenden Aluminiumlegierung.
• Die Meßkammer besteht im einzelnen aus einem Haubenteil 15, das auf einem Nebenkammerteil 16 aufgesetzt und mit diesem durch Verschlußmittel verklemmt ist. Dadurch sind ein Meßraum 18 und ein Nebenraum 19 gebildet. Letzterer ist über einen Bodendeckel 17 zugänglich bzw. verschlossen. Das Haubenteil 15 ist so ausgebildet, daß es das Sintermetallfilter 14 für einen guten Wärmekontakt an die Me-ßkammerzwischenwand 9 drückt und daß zwischen Sintermetallfilter 14 und seiner Innenwandung ein Gasausgleichsraum 20 gebildet ist. In den Wänden des Haubenteils 15 sind ein Gaseinlaßstutzen 21 und ein Gasauslaßstutzen 22 vorgesehen. Die Innenwandung des Haubenteils 15 ist für eine wirksame Wasserabweisung mit einer Nickelschicht überzogen.
• Im Nebenraum 19 sind neben dem Heizdrahtwiderstand 10 an einem Abstandhalter 23 zwei gedruckte Schaltungsplatten 24 und 25 für die Aufnahme der Bauelemente für den Vorverstärkungsteil und den Meßumformerteil gehaltert. Die elektrische Verbindung der Schaltungsplatten 24 und 25 mit dem Anzeige-, Steuer- und Regelgerät erfolgt über ein mehrpoliges Kabel, dessen Ende in einer in der Seitenwand des Nebenraumteils 16 befindlichen Steckvorrichtung 26 kontaktiert ist.
• Im Halterungssteg 11 für die Lichtschranke 12, 13 sind in einer Nut 27 die elektrischen Leitungen der Lichtschranke verlegt, die dann durch die Hohlräume der Abstandshalter 28 in den Nebenraum 19 zu den Schaltungsplatten 24 und 25 gelangen. Die Meßleitungen der PT-100 Meßwiderstände 3 sowie die Versorgungsleitungen der Peltierbatterie 6 sind in den Nebenraum 19 durch die Meßkammerzwischenwand 9 über geeignete gasdichte Leitungsdurchführungen 29 geführt.
• Der auf der Meßkammerzwischenwand 9 befindliche Kupferblock 8 und die Enden der gasdichten Leitungsdurchführungen 29 sind von einem Metallring 30 zur Einfassung der Vergußmasse umgeben, die den Kupferblock 8 und die Verbindungsstellen der Leitungsdurchführungen 29 vor Korosion schützt. Desgleichen sind die Nut 27 mit den elektrischen Leitungen und die Durchgangsbohrungen 2 mit den PT-100 Meßwiderständen 3 mit Vergußmasse ausgefüllt.
• Das von außen noch sichtbare Lotmaterial an den Flächen der Peltierbatterie 6 sind durch Korosionsschutzmittel abgedeckt.
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Claims (12)

1. Patentansprüche 1. In einer Meßkammer angeordneter Taupunktspiegelhygrometer zum Messen der absoluten Gasfeuchte bestehend aus einem Metallblock, dessen obere Fläche eben und als Spiegelfläche für die Kondensation von Wasser ausgebildet ist und der zum Messen der Spiegeltemperatur aus einem PT-Meßwiderstand besteht, der in einer Durchgangsbohrung des Metallblocks angeordnet ist und an deren unteren Seite ferner eine Peltier-Batterie angelötet ist und zur Aufheizung der Meßkammer ein Heizdrahtwiderstand dient, und einer im Infrarotbereich arbeitenden Lumineszenzdiode, dessen Lichtbündel im Winkel auf die Spiegelfläche gerichtet und von einem Fototransistor empfangen wird, der senkrecht über dem Auftreffpunkt des Lichtstrahles angeordnet ist und lediglich das Streulicht empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß der quaderförmige Metallblock(l)aus einer gewalzten Gold-Platinlegierung besteht, daß die Querschnittsfläche (5) des Metallblocks (1) senkrecht zu seiner Längsachse so bemessen ist, daß die Abstände zwischen zwei Durchgangsbohrungen (2) und den Seitenwänden des Metallblocks (1) und außerdem der Abstand zwischen den Durchgangsbohrungen (2) selbst jeweils gleich und 80 bis 110 % der Bohrungsdurchmesser und die Abstände zwischen der Ober- und Unterseite des Metallblocks (1) und den Durchgangsbohrungen 2 gleich und 60 bis 75 % der Bohrungsdurchmesser sind, daß die Lumineszenzdiode 12 mit einem 2 KHz gepulsten Gleichstrom gespeist ist, daß der ellipsenförmige Lichtfleck (7) der Lumineszenzdiode 12 hauptsächlich in der Mitte des Metallspiegels (4) oberhalb des Zwischenraumes der beiden Meßwiderstände (3) auftrifft, daß der auf der Meßkammerzwischenwand (9) angeordnete Sensorteil mit Lichtschranke 12, 13, Metallblock (1), Peltierbatterie (6) und Kupferblock (8) von einem Filter (14) aus Sintermetall abgedeckt ist, der wiederum wärmeleitend mit der Meßkammerzwischenwand (9) verbunden ist.
2. 2. Taupunktspiegelhygrometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gold-Platinlegierung des Metallblocks (1) 90:10 beträgt.
3. 3. Taupunktspiegelhygrometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Metallblocks (1) senkrecht zu seiner Längsachse so bemessen ist, daß die Abstände zwischen den Durchgangsbohrungen (2) und den Seitenwänden des Metallblocks (1) und außerdem zwischen den Durchgangsbohrungen (2) selbst jeweils gleich und 85 % der Bohrungsdurchmesser und die Abstände zwischen den Ober- und Unterseiten des Metallblocks (1) und den Durchgangsbohrungen (2) 60 % der Bohrungsdurchmesser sind.
4. 4. Taupunktspiegelhygrometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Sensorteils der Vorverstärkungsteil der Lichtschranke (12, 13) und der Meßumformerteil für die Spiegeltemperaturmessung in Form je einer gedruckten Schaltungsplatte (24, 25) untergebracht sind.
5. 5. Taupunktspiegelhygrometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorteil (11, 12, 13, 1, 6) in einem Meßraum (18) und die gedruckten Schaltungsplatten (24, 25) mit dem Heizdrahtwiderstand (10) in einem durch eine Meßkammerzwischenwand (9) abgeschirmten Nebenraum (19) untergebracht sind, und daß der Meßraum (18) bei Ansteigen seiner relativen Feuchtigkeit auf einen bestimmten Wert durch den Heizdrahtwiderstand (10) umgekehrt proportional zum Peltierstrom erwärmt ist.
6. 6. Taupunktspiegelhygrometer nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Meßraum (18) durch eine Haube 15 abgedeckt ist, die so ausgebildet ist, daß zwischen ihrer Innenwand und dem Sintermetallfilter (14) ein um den Sintermetallfilter (14) gebildeter Gasausgleichsraum (20) mit einer Gaseinlaßöffnung (21) und einer Gasauslaßöffnung (22) geschaffen ist.
7. 7. Taupunktspiegelhygrometer nach den Ansprüchen 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Haube (15) gasdicht auf der Meßkammerzwischenwand (9) mit dem Nebenraumteil (19) der Meßkammer (9, 15, 16, 17) durch Haltemittel verbunden ist.
8. Taupunktspiegelhygrometer nach den Ansprüchen 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände der Haube (15) mit einer Nickelschicht überzogen sind.
9. 9. Taupunktspiegelhygrometer nach den Ansprüchen 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die auf einem Abstandshalter (23) beabstandet gehalterten gedruckten Schaltungsplatten (24 und 25) über einen Deckelverschluß (17) zugänglich und an eine in der Seitenwand 16 des Nebenraumes 19 angeordnete Steckvorrichtung (26) elektrisch angeschlossen sind und daß die Steckvorrichtung (26) über ein mehrpoliges Kabel mit dem Anzeige,- Steuer- und Regelgerät elektrisch verbindbar ist.
10. 10. Taupunktspiegelhygrometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschranke (12, 13)auf einem Halterungssteg (11) angebracht ist.
11. 11. Taupunktspiegel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leitungen der Lichtschranke (12, 13) in einer Nut (27) des Halterungssteges (11) und durch Hohlräume von Abstandshaltern (28) des Halterungssteges (11) in den Nebenraum (19) geführt und im Bereich der Nut 27 durch Vergußmasse geschützt sind.
12. 12. Taupunktspiegelhygrometer nach den Ansprüchen 1 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer- und Regelkreis der Lichtschranke (12, 13) zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Lichtschranke (12, 13) mit einer Kalibriereinrichtung ausgestattet ist, deren Schaltkreis u.a. ein Analoganzeigegerät mit 50 t10 Skalenteile und zum Abgleichen größerer Abweichungen ein Abgleichpotentiometer enthält.