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Optischer Taupunktsensor
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Die Erfindung betrifft einen optischen Taupunktsensor der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art sowie ein mit diesem Sensor ausgestattetes Meßgerät.
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Zur Messung des Taupunktes mit optischen Mitteln sind Taupunktspiegelhygrometer
bekannt. Diese weisen eine Metallplatte mit verspiegelter Oberfläche auf, welche
von einer Lichtquelle bestrahlt wird. Das von der Oberfläche reflektierte Licht
wird von einem dieser gegenüberliegenden lichtempfindlichen Detektor empfangen.
Bei Erreichen des Taupunktes schlägt sich die kondensierende Feuchtigkeit aus der
Luft auf der verspiegelten Oberfläche nieder, wodurch die Intensität des reflektierten
Lichtes vermindert wird. Damit stellt die vom Empfangsdetektor festgestellte Verminderung
der Lichtintensität ein Kriterium für das Unterschreiten des Taupunktes dar. Die
in diesem Zeitpunkt gemessene Oberflächentemperatur der Metallplatte, welche mit
Hilfe eines Peltier-Elementes abgekühlt
wird, entspricht darum der
zu messenden Taupunkttemperatur.
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Bei dem mit der Erfindung vorgeschlagenen Sensor zur Erfassung des
Taupunktes findet eine Lichtwellenleiteranordnung Anwendung, wie sie bei einem faseroptischen
Meßgerät zur Bestimmung des Brechungsindex von Flüssigkeiten und Gasen aus der DE-OS
21 17 168 bekannt ist.
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Bei diesem faseroptischen Refraktometer ist als Sensor ein in das
Medium eintauchender Lichtwellen-Leiter mit einer Inhomogenität vorgesehen. Die
Inhomogenität verursacht einen von der Art des Mediums abhängigen Lichtintensitätsverlust,
der zu Meßzwecken ausgenutzt wird. Bei dieser Meßanordnung wird Licht in Form von
diskreten Moden in den durch das Medium, vorzusgweise die Flüssigkeit, hindurchgeführten
Lichtwellenleiter eingeleitet. Die innerhalb des Medium befindliche Inhomogenität
des Lichtwellenleiters formt die diskreten Moden in ein breites Modenspektrum um.
Die Intensität des ausgekoppelten Lichtes bzw. des am anderen Ende des Lichtwellenleiters
austretenden Lichtes wird hierbei als Maß für den Brechungsindex des umgebenden
Mediums ausgewertet. Diese Vorrichtung dient jedoch nicht der Erfassung bzw. Messung
des Taupunktes.
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Aus der US-PS 35 28 278 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Feststellung von Dampf in Gas bekannt, welche auch der Bestimmung des Taupunktes
dienen.
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Bei der Anordnung nach dieser Patentschrift dient als
Sensor
zur Feststellung des Taupunktes ein lichtdurchlässiges Element, z.B. ein aus Quarzglas
bestehender Stab, der mit einem gut reflektierenden Material beschichtet ist. In
diesem Stab wird über seine exakt beschliffene Stirnfläche Licht eingekoppelt, wobei
der Neigungswinkel der Stirnfläche in bezug auf die Strahlrichtung und die Mantelflächen
des Stabes so bemessen ist, daß im Stabinneren Totalreflexion des eingekoppelten
Lichtes stattfindet, solange die Mantelflächen des Stabes nicht mit einer Flüssigkeit
benetzt ist. Der kritische Winkel, bei welchem Totalreflexion eintritt, ist bei
einer Glas- Flüssigkeit-Grenzschicht ein anderer als bei einer Glas-Luft-Grenzschicht.
Diese Erscheinung wird bei dem Gerät nach der genannten US-Patentschrift zur Feststellung
des Taupunktes ausgenutzt. Die sich auf der Oberfläche des Glasstabes niederschlagenden
Kondensattropfen, also z.B. der Tau, bewirken bei geeigneter Dimensionierung des
Stabes, daß ein wesentlicher Teil des eingekoppelten Lichtes gestreut wird, so daß
die Intensität des am anderen Ende des Stabes austretenden Lichtes nach Erreichen
des Taupunktes deutlich geringer ist als oberhalb dieses Punktes.
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Da es bei diesem Gerät auf die Einhaltung der kritischen Winkel ankommt,
muß der das Licht leitende Glaskörper exakt beschliffen und in bezug auf die Lichtquelle
exakt angeordnet sein, wodurch die Anordnung kostspielig und störempfindlich wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Sensor zur Erfassung des Taupunktes
geschaffen werden, der den
gleichen Zweck erfüllt wie der Glaskörper
nach der oben erwähnten US-PS 3 528 278,jedoch preisgünstiger und unempfindlicher
ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe werden die Erkenntnisse über spezielle
Eigenschaften der Lichtwellenleiter genutzt, wie diese veröffentlicht sind in "Conference
Proceedings OFS 84", herausgegeben von VDE-Verlag GmbH, Berlin-Offenbach, anläßlich
der 2.
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Internationalen Konferenz über optische Faser-Sensoren, welche in
der Zeit vom 05. bis 07. September 1984 in Stuttgart stattfand.
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Nach dieser Veröffentlichung wurde bereits als Sensor ein Lichtwellenleiter
vorgeschlagen, dessen Oberfläche über einen bestimmten Längenbereich mit einem definierten
Raster versehen ist. Dieser Raster besteht aus einem definierten optischen Strichgitter,
welches bei Befeuchtung einen Teil des in dem Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtes
auskoppelt. Aus der Abnahme der Lichtintensität kann auf die Art der Feuchtigkeitsmoleküle
rückgeschlossen werden.
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Voraussetzung für dieses Meßverfahren ist ein sehr exakt aufgebrachtes
Strichgitter.
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Mit vorliegender Erfindung wird ausgehend von diesem Stand der Technik
ein sehr einfacher Sensor zur Erfassung des Taupunktes von Gasen vorgeschlagen,
bei welchem der Lichtwellenleiter lediglich an seiner Oberfläche eine Stelle mit
durch Beschädigung
hergestellten, lichtstreuenden Unebenheiten,
z.B. eine Aufrauhung der Oberfläche, aufweist. Diese außerordent lich einfach herzustellende
Inhomogenität bewirkt, daß bei Erreichen des Taupunktes die Lichtintensität des
am anderen Ende des Lichtwellenleiters austretenden Lichtes anders als bei den bekannten
Sensoren überraschenderweise zunimmt, was ein sehr markantes, für Meß- oder Alarmzwecke
nutzbares Indiz für das Vorhandensein von Niederschlag ist. Die physikalischen Ursachen
hierfür sind anhand der Zeichnungen erläutert.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Licht streuende
Inhomogenität auch durch einen Faserbruch hergestellt werden.
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Mit dem Sensor nach der vorliegenden Erfindung läßt sich ein sehr
empfindliches Gerät realisieren, welches bei Vorhandensein von Niederschlag lediglich
ein Signal erzeugt.
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Weitere konstruktive Merkmale des erfindungsgemäßen Sensors sind mit
den Ansprüchen 3 und 4 gekennzeichnet.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist der
Sensor jedoch auch für ein Meßgerät geeignet, mit welchem der Taupunkt von Gasen
gemessen werden kann. In diesem Fall sind im Bereich der oberflächlichen Beschädigung
eine mit einer Steuereinrichtung verbundene Kühleinrichtung und ein mit einer Temperaturmeßeinrichtung
verbundenen Temperaturfühler vorgesehen. Gem. Anspruch 6 kann hierbei die Kühleinrichtung,
wie an sich bekannt, aus einem Peltier-Element bestehen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen,
die schematisch in der Zeichnung dargestellt sind, im einzelnen erläutert. In der
Zeichnung zeigen: Figur 1 - Meßanordnung mit Lichtwellenleiter, Sendediode und Empfangsdetektor,
Figur 1 a Schnitt längs der Linie A-B in Fig. 1, Figur 2 - schematischer Strahlenverlauf
bei Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen Lichtwellenleiter und Wasser bzw.
Luft bei unbeschädigter Lichtwellenleiteroberfläche, Figur 3 - Strahlenverlauf im
Bereich der Lichtwellenleiteroberfläche, nämlich Figur 3 a - mit unbeschädigter,
unbetauter Oberfläche bzw.
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Figur 3 b - mit beschädigter, unbetauter Oberfläche, Figur 3 c mit
beschädtiger und betauter Oberfläche, Figur 4 - Meßanordnung mit erfindungsgemäßem
Sensor nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 5 - Meßanordnung
mit erfindungsgemäßem Sensor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, Figur 5 a schematischer
Strahlenverlauf bei Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen Lichtwellenleiter
und Wasser bei durch Faserbruch beschädigter Lichtwellenleiteroberfläche, Figur
6 - Meßanordnung zur Messung des Taupunktes von Gasen nach einem ersten Ausführungsbeispiel1
Figur 7 - Meßanordnung zur Messung des Taupunktes von Gasen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
und Fig. 8 elektrische Schaltung für die Meßordnungen gem. Fig. 6 und 7 in Form
eines schematischen Blockschaltbildes.
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Der grundsätzliche Aufbau eines für den erfindungsgemäßen Sensor geeigneten
Meßsystems ist in Figur 1 dargestellt. Hiernach wird mittels einer Sendediode 1
Licht erzeugt, das über einen Lichtwellenleiter 3 einem Empfangsdetektor 2 zugeführt
wird. Zu Meßzwecken ist der zwischen den Kupplungsstücken 3a und 3b gelegene Lichtwellenleiter
3 ganz oder teilweise dem zu überprüfenden Medium auszusetzen. Wie der vergrößerte
Querschnitt in Fig. la zeigt, weist der aus Glasfasermaterial bestehende Lichtwellenleiter
3 einen inneren
Kern 3c und einen diesen umgebenden, gleichfalls
aus Glasfasermaterial bestehenden Mantel 3d auf und ist außen von einem elastischen
Schutzschlauch 3e aus Gummi oder Kunststoff umhüllt.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Meßanordnung, wie sie in Fig.
4 dargestellt ist, ist der Lichtwellenleiter 3 mit einer oberflächlichen Beschädigung
versehen, welche in Fig. 4 mit 3f übertrieben dargestellt ist.
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Bei einer oberflächlich nicht beschädigten Faser wird das eingekoppelte
Licht durch Totalreflexion weitgehend verlustlos innerhalb des Lichtwellenleiters
von der Sendediode bis zum Empfangsdetektor geleitet, wo die Lichtintensität gemessen
werden kann. Hierbei tritt Totalreflexion unabhängig davon ein, ob der Lichtwellenleiter
mit einer Flüssigkeit benetzt ist oder vom Gas umgeben ist.
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Diese Verhältnisse sind anhand des Strahlenverlaufs gem. Fig. 2 voranschaulicht.
Der Einfachheit halber ist in Fig. 2 nur der Strahlenverlauf innerhalb des Faserkerns
(Brechungsindex n¢) ohne Berücksichtigung des Fasermantels und der den Lichtwellenleiter
Dedeckenden Wasserschicht (Index n<) dargestellt. An Grenzflächen zwischen der
den Lichtwellenleiter ummantelnden Wasserschicht und der umgebenden Luft tritt Totalreflexion
ein, während die den Lichtwellenleiter umgebende Wasserschicht nur eine Brechung
des austretenden Lichtstrahles zur Folge hat.
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Für den Grenzwinkel der Totalreflexion gilt allgemein
"
= arc sin n/nc n = Brechungsindex = = Brechungsindex des Lichtwellenleiters = =
Brechungsindex von Luft = = Brechungsindex von Wasser.
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Die dünne, den Kern des Lichtwellenleiters umgebende Wasserschicht
bedingt zwei zueinander parallel ver3aufende Grenzflächen, nämlich einerseits die
Grenzfläche zwischen Lichtwellenleiter und Wasser und andererseits die Grenzfläche
zwischen Wasser und Luft. Durch zweifache Anwendung des klassischen Brechungsgesetzes
erhält man wiederum das Brechungsgesetz, angewandt auf eine einfache Grenzfläche
zwischen Lichtwellenleiter und Luft. Das bedeutet aber, daß die Wasserschicht optisch
keinen Einfluß auf die Totalreflexion hat. Der Grund für die optische Unwirksamkeit
der Wasserschicht ist die Tatsache, daß beide Grenzflächen parallel zueinander verlaufen.
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Die genauen Verhältnisse sind in Fig. 3a dargestellt.
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Vom Lichtwellenleiter 3 ist der innere Kern 3c und auf der einen Seite
der Mantel 3d vorhanden. Oberflächlich sei der Kern 3c unbeschädigt. Hierbei ergibt
sich ähnlich wie nach der Darstellung in Fig. 2 infolge Totalreflexion der eingezeichnete
Strahlenverlauf.
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Ein derartiger Lichtwellenleiter ist also als Sensor zur Feststellung
des Taupunktes ungeeignet.
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Andere Verhältnisse ergeben sich, wenn wie mit der Erfindung vorgeschlagen
wird, der Lichtwellenleiter oberflächlich in geeigneter Weise beschädigt, also z.B.
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aufgerauht, ist, wie dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig.
4 bis 7 der Fall ist.
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Die vergrößerten Darstellungen gemäß Fig. 3b und 3c dienen der Erläuterung
des Strahlenverlaufs im Bereich der oberflächlichen Beschädigung des Lichtwellenleiters.
Die in den Figuren 3b und 3c mit einer unregelmäßigen Wellenlinie veranschaulichte
oberflächliche Beschädigung, z.B.eine auf Aufrauhung, des Lichtwellenleiters stellt
eine Vielzahl der verschieden orientierten Flächen dar, durch welche das einfallende
Licht diffus gebrochen und teilweise auch reflektiert wird.
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Uberraschenderweise ist der Lichtintensitätsverlust eines oberflächlich
beschädigten, nicht betauten Lichtwellenleiters größer als bei einem betauten. Die
Ursache hierfür erläutern die Strahlenverläufe, wie sie für die beiden Fälle in
Fig. 3b und Fig. 3c veranschaulicht sind.
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Die oberflächliche Beschädigung des Lichtwellenleiters, also z.B.
die Aufrauhung, führt zu einer Vielzahl unterschiedlich geneigter Teilflächen. Im
Gegensatz zu einer mikroskopisch glatten Oberfläche variiert bei einer derartigen
Oberfläche zwangsläufig der jeweilige Einfallswinkel der auf die Grenzflächen auftretenden
Lichtstrahlen.Es ist also vom Zufall abhängig, ob ein einfallender Lichtstrahl in
den Lichtwellenleiter reflektiert wird oder aus diesem als Streulicht austritt.
Die mikroskopisch aufgerauhte und trockene Fläche des Lichtwellenleiters weist derartig
viele
unterschiedlich geneigte Flächen auf, daß insgesamt ein großer
Teil der Moden den Grenzwinkel für Totalreflexion überschreitet, nämlich alle Moden
mit einem Winkel t C 430, und aus dem Lichtwellenleiter als Streulicht austritt,
was zu einer Abnahme der Lichtintensität am anderen Ende des Lichtwellenleiters
führt.
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Betaut man dagegen die Oberfläche des Lichtwellenleiters, wie dies
schematisch mit Fig. 3c veranschaulicht ist, so ergeben sich ähnliche Verhältnisse,
wie diese anhand von Fig. 3a für einen oberflächlich glatten Lichtwellenleiter erläutert
sind. Infolge der Oberflächenspannung des Wassers spannt sich nämlich ein Wasserfilm
über die Senken und Spitzen des aufgerauhten bzw. beschädigten Flächenbereiches
in der Weise, daß der Wasserfilm zwar nicht mehr parallel zu den einzelnen Flächen
der Beschädigung, wohl aber etwa achsparallel zum Lichtwellenleiter verläuft.
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Die beiden statistisch gesehen unebenen Flächen des aufgerauhten Lichtwellenleiters
einerseits und des in diesem Bereich sich bildenden Wasserfilms andererseits bewirken
infolge des größeren Grenzwinkels für Totalreflexion für die Grenzfläche Lichtwellenleiter/Wasser,
daß ein großer Teil der Moden, nämlich alle Moden mit dz 630, in den Wasserfilm
gestreut wird. Den Wasserfilm wiederum verläßt nur ein Teil der Moden durch die
Grenzfläche Wasserfilm/Luft. Diejenigen Moden, die an der Grenzfläche Wasser/Luft
totalreflektiert werden, gelangen wieder in den Lichtwellenleiter, sofern der Lichtwellenleiter
einen geringeren Brechungsindex als
die benetzende Flüssigkeit
hat, was z.B. für das System Glasfaser/Wasser gilt. Insgesamt wird bei einem flüssigkeitsbenetzten
Lichtwellenleiter der erfindungsgemäßen Art eine größere Anzahl von Moden im Lichtwellenleiter
verbleiben als bei einem nicht benetzem Lichtwellenleiter. Das bedeutet aber, daß
die mit dem Detektor festzustellende Intensität des noch austretenden Lichtstromes
deutlich höher ist als bei einem nicht benetzten Lichtwellenleiter.
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Mögliche Ausführungsformen von Indikatoren zur Feststellung flüssiger
Phasen, also des Taupunktes, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensors sind schematisch
mit den Figuren 4 und 5 dargestellt. Bei der Anordnung gemäß Figur 4 wird z.B. mit
einer Leuchtdiode 1 Licht in den Lichtwellenleiter 3 eingekoppelt, der an einer
beliebigen Stelle 3f aufgerauht ist und an dessen Austrittsende als Detektor eine
Fotodiode 2 vorgesehen ist, welche die Intensität des empfangenen Lichtes mißt.
Ist die Aufrauhung unbenetzt, liegt also keine kondensierte Phase vor, tritt ein
erheblicher Anteil des eingekoppelten Lichtes durch die Aufrauhung 3f aus, so daß
die Fotodiode 2 nur einen verschwindend kleinen Strom abgibt. Ist dagegen die aufgerauhte
Stelle 3f, z.B. wegen Unterschreitens des Taupunktes, benetzt, so steigt der Fotostrom
der Fotodiode 2 stark an. Die Änderung des Fotostromes kann als Signal zur qualitativen
Anzeige eines Flüssigkeitsniederschlages ausgenutzt werden. Dieselbe Anordnung kann
auch zur Uberwachung eines Flüssigkeitsspiegels in einem Behälter verwendet werden.
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Eine Abwandlung der Anordnung gemäß Fig. 4 ist mit Fig.
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5 veranschaulicht.
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Auch hier wird wiederum mit einer Sendediode 1 Licht eingekoppelt
und über einen Lichtwellenleiterschenkel 3 g, einen Lichtteiler in Form eines Y-Splitters
4 dem Lichtwellenleiter 3 zugeführt. Der Lichtwellenleiter 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
anstelle einer Aufrauhung mit einem Bruch 3f' versehen, welcher, wie noch anhand
von Fig. 5a erläutert, einen ähnlichen Effekt wie eine Aufrauhung hat. Das Ende
des Lichtwellenleiters 3 ist mit einer Verspiegelung 5 versehen, welche das ankommende
Licht reflektiert, so daß dieses nochmals den Bruch 3f des Lichtwellenleiters 3
passieren muß und schließlich über den Y-Splitter 4 und den Lichtwellenleiterschenkel
3h der Empfangsdiode 2 zugeführt wird. Grundsätzlich ist die Funktionsweise dieser
Anordnung gemäß Fig. 5 die gleiche wie bei der gemäß Fig. 4. Allerdings ist erstere
wegen der doppelten Auskopplung des Lichtes im Bereich des Bruches weit empfindlicher
als letztere. Auch diese Anordnung dient nicht der Messung, sondern lediglich der
qualitativen Anzeige eines Feuchtigkeitsniederschlags.
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Der vergrößerte Strahlenverlauf in Fig. 5a zeigt, daß das Licht zunächst
innerhalb des Kernes 3c durch Totalreflexion verlustlos weitergeleitet wird. Im
Bereich eines willkürlich hergestellten Bruches 3f' ist der Schutzschlauch 3e beseitigt.
Soweit diese Bruchstelle nicht mittels eines Wasserfilmes überbrückt ist, tritt
das Licht hier in gleicher Weise wie bei einer Aufrauhung, wie dies anhand von Fig.
3b dargestellt ist, aus.
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Ist dagegen, wie in Fig. 5a angedeutet, die Bruchstelle
3f'
mit einem Wasserfilm 8 überdeckt, so tritt hier wiederum ähnlich wie bei der Darstellung
gem. Fig. 3c eine Totalreflexion ein.
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Soll der Taupunkt, also die Temperatur,gemessen worden, bei der in
einem Gas-Dampf-Gemisch das Gas mit der vorhandenen Menge des Dampfes gerade gesättigt
ist und unterhalb welcher Kondensation des Dampfes infolge Ubersättigung eintritt,
ist eine Anordnung notwendig, wie sie schematisch den Figuren 6 und 7 dargestellt
ist. Bei dieser Anordnung befindet sich die beschädigte Oberfläche des Lichtwellenleiters
direkt auf einem Kühlelement, das in an sich bekannter Weise z.B. in Form eines
Peltier-Elementes 7 ausgebildet ist. In die Oberfläche des Kühlelementes 7 ist ein
Temperatursensor 6 integriert, mit welchem bei Uberschreiten des Taupunktes die
diesem zugehörige Temperatur ermittelt wird.
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Im übrigen erfolgt die quantitative Messung des Taupunktes in an sich
bekannter Weise, wie dies z.B. im einzelnen in der US-PS 3 528 278 erläutert ist.
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Die Schaltung für die erfindungsgemäße Meßanordnung ist mit dem Blockschaltbild
gem. Fig. 8 veranschaulicht.
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Sie besteht im wesentlich aus zwei verschachtelten Regelkreisen, welche
mit dem optischen Taupunktsensor 3 zusammenwirken.
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Mittels des Taureglers 12 wird willkürlich mittels der
vom
Empfänger des Sensors 3 festgestellten Lichtintensität der Sollwert festgelegt,
bei welchem Betauung eintritt. Dieser Sollwert wird bei 13 mit dem von der Temperaturmeßeinrichtung
6 im Bereich der oberflächlichen Beschädigung festgestellten Temperatur verglichen.
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Hierbei wird die Kühlung bzw. Heizung 7 mittels des Temperaturreglers
10 derart eingestellt, daß Soll- und Istwert übereinstimmen. Bei Übereinstimmung
von Soll-und Istwert ist die Taupunkttemperatur erreicht, welche bei 11 angezeigt
bzw. festgehalten wird.
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