DE3740212C1 - Spektroskopisch arbeitendes Infrarot-Hygrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein spektroskopisch arbeitendes In­ frarot-Hygrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Geräte zur Messung des Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre mit Hilfe spektroskopischer Methoden sind seit längerer Zeit bekannt. Das Absorptionsspektrum von Wasserdampfmolekülen erstreckt sich über einen sehr weiten Spektralbereich. Es sind Geräte in Gebrauch, welche bei 1215,6 Å, d. h. bei der Wellenlänge der sogenannten Lymann-α-Linie arbeiten. (Diese Geräte werden im folgenden als L _α -Geräte bezeichnet). Ferner sind Geräte bekannt, bei welchen die Absorption des Wasserdampfes im infraroten Spektralbereich zur Bestimmung der Feuchtigkeit ausgenutzt wird. (Diese Geräte werden im folgenden als Infrarot-Geräte bezeichnet). Darüber hinaus sind Geräte bekannt, welche im Mikrowellenbereich arbeiten; doch soll diese Art Geräte hier nicht näher betrachtet werden.

Alle spektroskopischen Konzentrationsbestimmungen gehen von dem sogenannten Beer'schen Gesetz aus, welches für parallelen Strahlengang lautet:

I _λ = I _λ ^o · exp (-K _λ X) (1)

wobei für eine bestimmte Wellenlänge λ die Größe I _λ ^o die ein­ gestrahlte Intensität, die Größe I _λ die Intensität der Strahlung nach Passage der Absorptionsstrecke mit einer Länge X und die Größe K _λ den Absorptionskoeffizienten bedeuten.

Im infraroten Spektralgebiet besteht das Absorptionsspektrum des Wasserdampfes aus zahlreichen Einzellinien, sogenannten Banden, welche von den gebräuchlichen Infrarot-Hygrometern nicht mehr aufgelöst werden können. Wegen der für die einzelnen Linien gültigen, unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten K _λ gilt dann anstelle von Gl. (1) eine Summenformel, die mathematisch nur sehr unbequem zu handhaben ist, weshhalb häufig Näherungsformeln angewendet werden.

Die Zuordnung der Feuchtewerte zu den gemessenen Intensitäten erfolgt daher durch entsprechende Eichverfahren, wobei auch die Geräteeigenschaften, wie die Filterdurchlässigkeit, die Verstärkung, die Detektorempfindlichkeit, usw. sowie die Druckabhängigkeit berücksichtigt werden.

Die spektroskopisch arbeitenden Hygrometer können in verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Im Prinzip am einfachsten sind die sogenannten Einstrahl-Geräte (Single-Beam Hygrometer), wie sie beispielsweise auch von Hyson, Hicks in J. Appl. Met. 14, 1975 Stn 301 bis 307 beschrieben sind. Auch die gebräuchlichen L _α -Geräte arbeiten als Einstrahl-Geräte. Bei diesen Einstrahl-Geräten muß sorgfältig auf konstante Be­ triebsbedingungen geachtet werden, um auch tatsächlich vergleichbare Werte zu erhalten. Trotzdem sind öfters Kontrolleichungen nötig, um langzeitige Veränderungen zu erfassen.

Eine größere Genauigkeit läßt sich mit den sogenannten Zwei­ strahl-Geräten (Double-Beam Hygrometer) erzielen, wie sie von Bogomolova e. a. in Izv. Atm. and Oceanic Phys. Vol 10 1974, Stn. 933 bis 942 beschrieben sind. Bei diesen Zweistrahlgeräten wird eine Vergleichsmessung durchgeführt, und zwar im allgemeinen in einem Wellenlängenbereich, in welchem der Wasserdampf nicht oder nur sehr wenig absorbiert. Durch eine Quotientenbildung können so langsame Veränderungen der Apparatur dann weitgehend kompensiert werden.

Bei den spektroskopisch arbeitenden Hygrometern wird häufig ein Zerhacker, ein sogenannter Chopper, in den Strahlengang gebracht. Dadurch wird als Signalspannung eine Wechselspannung erhalten, wodurch eine Verstärkung und ein Ausfiltern erleichtert wird. Bei den Zweistrahl-Geräten können entweder zwei getrennte Detektoren verwendet werden, wobei diese aber mit genau gleichen, konstanten Bedingungen betrieben werden müssen. Es ist aber auch möglich, mit nur einem Detektor zu arbeiten, indem beispielsweise alternierend zwei Filter in den Strahlengang gebracht werden, oder indem die beiden Strahlen mit unterschiedlicher Frequenz moduliert (d. h. gechoppt) werden.

Bei L _α -Geräten ist es aus technisch physikalischen Gründen nicht möglich, mit zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge zu arbeiten. Es ist daher beispielsweise von Buck in Bull. Am. Met. Soc., Vol. 57, 1976, Seiten 1113 bis 1118 vorgeschlagen worden, die Absorptionsstrecke X zu ändern. Da L _α -Geräte im allgemeinen eine recht kurze Absorptionsstrecke besitzen, sind kleine Änderungen der Größe X (siehe Gl. (1) sehr wirksam. Hierbei ist allerdings eine hohe Einstellgenauigkeit erforderlich. Eine weitere Anordnung zum Messen von Wasserdampfdichte und eines Sättigungsverhältnisses ist aus der US-PS 43 94 575 bekannt.

Bei mit zwei Wellenlängen arbeitenden Hygrometern können trotz einer Quotientenbildung gewisse Einflüsse, die zu Meßfehlern führen, nicht eliminiert werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich die spektrale Intensitätsverteilung einer Strahlungsquelle oder die spektrale Empfindlichkeitsverteilung eines Detektors wellenlängenabhängig verändern. Aus diesen Gründen kann hier nur durch in gewissen Zeitabständen durchgeführte Eichkontrollen Abhilfe geschaffen werden.

Es können sich jedoch auch auf Fenster-, Linsen- oder Spie­ gel-Oberflächen eine Adsorptionsschicht oder gar ein Belag bilden, welcher eine meßwertverfälschende, weil wellenlän­ genabhängige Absorption aufweist. Unter speziellen Laborbe­ dingungen haben neuere Messungen ergeben, daß es bei Tau­ punkt-Temperaturen um -40°C einen auf die Adsorption zurück­ geführten, systematischen Fehler von nahezu 10°C bei der Taupunkt-Bestimmung geben kann. Zur Vermeidung eines Beschlags wurde schon vorgeschlagen, die Fenster, Linsen oder Spiegel zu beheizen, aber auch dadurch ist nicht sichergestellt, daß eine Adsorptionsschicht zuverlässig vermieden wird.

Ziel der Erfindung ist es daher, bei Infrarot-Hygrometern vorzugsweise durch Adsorptionseffekte auftretende Meßfehler von vorne herein auszuschließen. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem spektroskopisch arbeitenden Infrarot-Hygrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand eines Unteranspruchs.

Zur Eliminierung der durch die Adsorptionseffekte bedingten Meßfehler werden bei dem erfindungsgemäßen Infrarot-Hygrometer zwei unterschiedliche Absorptionsweglängen verwendet. Obwohl dieses Konzept bei L _α -Geräten bereits vorgeschlagen wurde, kann es nicht ohne weiteres auf Infrarot-Hygrometer übertragen werden. Da die Infrarot-Hygrometer im allgemeinen mit wesentlich größeren Absorptionsstrecken arbeiten als die L _α -Geräte; ist eine wirksame und in der Praxis leicht realisierbare Wegstreckenänderung erst bei dem erfindungsgemäßen Infrarot-Hygrometer erreicht.

Außerdem ist es bei dem erfindungsgemäßen Infrarot-Hygrometer möglich, daß die Absorptionsstreckenänderung sehr rasch erfolgt, so daß mit dem erfindungsgemäßen Hygrometer auch bei länger dauernden Messungen, beispielsweise bei Messungen vom Flugzeug aus, mit kleinen Zeitkonstanten die einzelnen Meßwerte für die beiden Absorptionsstrecken laufend in Beziehung gesetzt werden können. Hierin ist ein weiterer Vorteil gegenüber den L _α -Geräten zu sehen, da bei dem erfindungsgemäßen Infrarot-Hygrometer auch die bei den L _α -Geräten erforderliche, von Zeit zu Zeit durchzuführende Zwischeneichung entfällt, die nämlich den weiteren Nachteil mit sich bringt, daß erst nachträglich festgestellt werden kann, ob sich die Eichkurve verändert hat, wobei dann jedoch eine exakte Auswertung der durchgeführten Messungen nicht mehr möglich ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden bei einem spektroskopisch arbeitenden Infrarot-Hygrometer die von einer Strahlenquelle abgegebenen und durch die ihr vorgeschaltete Linsenanordnung gebildeten Strahlen über zwei rotierende Spiegelpaare, welche in zwei parallelen, in einem festen Abstand voneinander angeordneten Ebenen festgelegt sind, sowie über einen feststehenden, im Bereich der Strahlungsquelle und des Detektors angebrachten Spiegel zu der dem Detektor vorgeschalteten Linsenanordnung reflektiert und durch diese auf den Detektor ausgerichtet.

Hierbei sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die zwei rotierenden Spiegelpaare jeweils an den Enden von Trägern angebracht, wobei die Spiegel jeweils zu dem gemeinsamen feststehenden Spiegel hin ausgerichtet sind. Die die Spiegelpaare tragenden Träger sind in dem vorgegebenen Abstand in den zueinander parallelen Ebenen um 90° gegeneinander versetzt angeordnet. Ferner sind die beiden Träger jeweils in der Mitte zwischen dem jeweiligen Spiegelpaar an einer Welle eines gemeinsamen Antriebsmotors be­ festigt.

Durch die Erfindung ist somit ein einfacher Aufbau eines Infrarot-Hygrometers geschaffen, bei welchem durch die in rascher Folge wechselnden Einzelmessungen bei unterschiedlich langen Adsorptionsstrecken und die anschließende Quotientenbildung der Meßwerte eine laufende Nacheichung des Hygrometers erfolgt. Dies wiederum hat den Vorteil, daß an die Konstanz der Betriebswerte der Strahlungsquelle sowie des Detektors keine besonders hohen Anforderungen gestellt werden müssen. Da ferner bei dem erfindungsgemäßen Infrarot-Hygrometer nur mit einer Wellenlänge gearbeitet wird, spielen außerdem Änderungen der spektralen Intensitätsverteilung der Strahlungsquelle oder der spektralen Empfindlichkeitsverteilung des benutzten Detektors keine Rolle.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer schematischen Darstellung eines Infrarot-Hygrometers gemäß der Erfindung beschrieben.

Die Strahlung einer Strahlungsquelle ST wird durch eine Lin­ senanordnung L 1 parallel ausgerichtet und gelangt nach Re­ flexion an jeweils drei Spiegeln SP 2, SP 1 und SP 3 bzw. SP 4, SP 1 und SP 5 auf eine vor einem Detektor D angeordnete zweite Linsenanordnung L 2. Von den benutzten drei Spiegeln steht der Spiegel SP 1 fest, während die beiden Spiegelpaare SP 2 und SP 3 bzw. SP 4 und SP 5 alternierend in den Strahlengang gedreht werden, um dadurch unterschiedliche Absorptionsstrecken zu realisieren.

Hierzu sind die beiden Spiegelpaare SP 2, SP 3 und SP 4, SP 5 jeweils an den äußeren Enden eines mittig gehalterten Trägers T 1 bzw. T 2 angebracht. Die Träger T 1 und T 2 sind in einem Abstand d in parallelen Ebenen d. h. parallel zueinander, jedoch um 90° gegeneinander verdreht an einer von einem Motor M angetriebenen Welle A befestigt.

In der schematischen Darstellung ist die um 90° gegeneinander versetzte Anordnung der Träger T 1 und T 2 dadurch verdeut­ licht, daß der Träger T 2 gestrichelt wiedergegeben ist; durch diese Strichlierung soll angedeutet werden, daß der Träger T 2 um 90° bezüglich des Trägers T 1 gedreht ist, d. h. sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt.

Da sich die beiden Spiegelpaare SP 2, SP 3 und SP 4, SP 5 wegen der Rotation der Träger T 1 und T 2 jeweils nur kurze Zeit in einer justierten Position befinden, entstehen am Ausgang des Detektors D kurze Signalimpulse mit Zwischenpausen.

In diesen Pausen liefert der Detektor nur Rauschen. Zur Ver­ besserung des Signal/Rausch-Verhältnisses wird daher in den Pausen auf Null getastet. Außerdem werden die bei sehr schmalen Impulsen in ihrer Amplitude langsam abfallenden Oberwellen der Signal-Impulsfolge ebenfalls zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses ausgefiltert und ausgewertet, wie beispielsweise in der DE-PS 19 45 087 beschrieben ist.

Obwohl auch bei der erfindungsgemäßen Anordnung bei den einzelnen Messungen mit unterschiedlichen Absorptionsstrecke nicht ausschließlich die gleichen optischen Elemente verwendet sind, da zwei Spiegelpaare SP 2, SP 3 und SP 4 und SP 5 in den Strahlengang gebracht werden, wirkt sich dies nicht nachteilig aus. Es kann nämlich bei Spiegeln identischer Bauart und Ausführung jederzeit davon ausgegangen werden, daß auch die Adsorptions- und die Beschlagschichten gleich sind.

Claims (2)

1. Spektroskopisch arbeitendes Infrarot-Hygrometer, mit einer Strahlungsquelle (ST) und einem Detektor (D), vor denen zur Strahlenbündelung und -ausrichtung jeweils eine Linsen­ anordnung (L 1, L 2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlungsquelle (ST) abgegebenen und durch die ihr vorgeschaltete Linsenanordnung (L 1) gebildeten Strahlen über zwei rotierende Spiegelpaare (SP 2, SP 3 und SP 4, SP 5), die in zwei parallelen, in einem festen Abstand (d) voneinander angeordneten Ebenen festgelegt sind, sowie über einen feststehenden, im Bereich der Strahlungsquelle (ST) und des Detektors (D) angebrachten Spiegel (SP 1) zu der dem Detektor (D) vorgeschalteten Lin­ senanordnung (L 2) reflektiert und durch diese auf den Detektor (D) ausgerichtet sind, wodurch eine Folge kurzer Signalimpulse entsteht, bei welcher zur Verbesserung des Signal/ Rauschverhältnisses die Amplituden der Oberwelle mit ausgewertet werden und in den Pausen ausgetastet wird.

2. Infrarot-Hygrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei rotierenden Spiegelpaare (SP 2, SP 3 und SP 4, SP 5) jeweils an den Enden von Trägern (T 1, T 2), zu dem festen Spiegel (SP 1) hin ausgerichtet, angebracht sind, wobei die Träger (T 1, T 2) in dem vorgegebe­ nen Abstand (d) in den zueinander parallelen Ebenen, jedoch um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind, und daß die beiden Träger (T 1, T 2) jeweils in der Mitte zwischen den je­ weiligen Spiegelpaaren (SP 2, SP 3 und SP 4, SP 5) an einer Wel­ le (A) eines gemeinsamen Antriebsmotors (M) befestigt sind.