DE3819890A1

DE3819890A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen eines sehr niedrigen wassergehaltes in gas

Info

Publication number: DE3819890A1
Application number: DE3819890A
Authority: DE
Inventors: Taichi Tagawa; Takahiko Kijima; Junichi Nishizawa
Original assignee: Osaka Oxygen Industries Ltd
Current assignee: Osaka Oxygen Industries Ltd
Priority date: 1987-06-11
Filing date: 1988-06-10
Publication date: 1989-01-12
Also published as: DE3880558T2; JPH07104304B2; EP0294906A3; GB2206697A; US5052818A; GB8813806D0; EP0294906A2; DE3880558D1; GB2206697B; EP0294906B1; JPS63309846A; CA1322867C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines sehr niedrigen Wassergehaltes in einem nicht-kondensierbaren Gas, das einen Taupunkt im Bereich von gewöhnlicher Temperatur (Raumtemperatur) bis -80°C oder weniger hat.

Im Zuge der raschen technischen Entwicklung hat die Ver wendung von Inertgasen, beispielsweise N₂, Ar, H₂ und He, die sehr niedrige Wassergehalte, d.h. 0,5 ppm oder weniger (Taupunkte von -80°C oder weniger) aufweisen, zugenommen. Insbesondere müssen Material- und Trägergase, die für epitaxiales Aufwachsen und chemische Abscheidung aus der Dampf- bzw. Gasphase (CVD) in der Halbleiterindustrie ver wendet werden, ultrahohe Reinheiten besitzen, und es be steht daher ein Bedarf zum Messen von Taupunkten von -80°C oder weniger mit einem hohen Grad an Genauigkeit.

Bisher gibt es zahlreiche Einrichtungen zum Messen des Wassergehaltes eines Gases. Beispielsweise ist als eine Einrichtung zum Messen eines Taupunktes eine Methode seit längerer Zeit üblich, bei der eine Änderung in der Lichtstärke, die auftritt, wenn in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchtigkeit auf einer gekühlten Spiegelfläche kondensiert ist, optisch erfaßt wird. Als eine Art einer optischen Erfassungsmethode ist beispielsweise im "Industrial Instrumentation Handbook" (Asakura Shoten, 1976), S. 297, eine Absolut-Messung beschrieben. Bei dieser Methode wird eine Änderung in der Stärke des von einer Spiegelfläche reflektierten Lichtes mittels eines Gefriermediums (Kälte mittels), einer Kältemaschine und eines thermoelektrischen Kühlelementes erfaßt und die Temperatur der Spiegel fläche wird zu der Zeit, wenn irgend eine Änderung in der Lichtstärke bemerkt wird, gemessen, um so einen Feuchtigkeitswert zu erhalten, der grundsätzlich vom Tau punkt abhängt. Die zur Durchführung dieser Methode ver wendete Vorrichtung hat eine gekühlte Fläche, auf die Licht von einer Leuchtdiode oder einer Weißlichtquelle geworfen wird, wobei das von der gekühlten Spiegelfläche reflektierte Licht durch einen Photodetektor empfangen wird. Im allgemeinen ist die Spiegelfläche durch ein Peltier-Element gekühlt, und wenn die Fläche gekühlt wird, so kondensiert oder gefriert in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchtigkeit auf der gekühlten Fläche, so daß das auf die absorbierten Wassermoleküle gewor fene Licht teilweise absorbiert oder gestreut wird, was zu einer Verminderung in der Stärke des reflektierten Lichtes führt. Die Änderung in der Stärke des reflektier ten Lichtes wird durch den Photodetektor erfaßt, und die Temperatur der gekühlten Spiegelfläche zu der Zeit, wenn die Stärkeänderung auftritt, wird gemessen, um so den Taupunkt des betreffenden Gases zu ermitteln. Es gibt eine beträchtlich große Anzahl von Studien über Taupunkt geräte, die den Wassergehalt eines Gases für industrielle Zwecke sogar noch genauer und kontinuierlich unter Aus nutzung von Änderungen in der Stärke des reflektierten Lichtes messen können (vgl. JP-Patentveröffentlichungen (Kokai) Nr. 56-44 259 (1981), 56-44 260 (1981), 56-2 11 924 (1981), 59-1 97 343 (1984) usw.).

Die japanische Patentveröffentlichung (Kokai) No. 56-2 11 925 (1981) zeigt ebenfalls eine Methode zum Messen eines Tau punktes, bei der anstelle einer Änderung in der Stärke des reflektierten Lichtes eine Änderung in der Stärke des Lichtes erfaßt wird, das unter einem vom Reflexionswinkel verschiedenen Winkel gestreut ist. Das heißt, wenn Feuchtig keit auf einer Spiegelfläche kondensiert oder gefriert, so tritt eine plötzliche Änderung in der Stärke des durch das Kondensat (oder Eis) gestreuten Lichtes auf. Daher wird die Temperatur der gekühlten Spiegelfläche zu der Zeit, wenn eine derartige Stärkeänderung auftritt, ge messen, um so den Taupunkt des betreffenden Gases zu er mitteln. Das Prinzip dieser Methode ist seit längerer Zeit bekannt und in "Humidity and Moisture" (Vol. 1), S. 165, Reinhold Publ. Co., New York, 1965, beschrieben. Jedoch liegt der Meßbereich dieser Methode zwischen -73°C und 49°C. Es ist daher unmöglich, mit dieser bestehenden Methode eine Messung von Taupunkten mit niedriger Tempera tur zu verwirklichen, was aber gerade durch die Erfindung erzielt wird. Zusätzlich zu der Methode, bei der die Wassermenge in einem Gas mit einem sehr niedrigen Wasser gehalt gemessen wird, indem eine optische Änderung er faßt wird, die auftritt, wenn in dem Gas enthaltene Feuchtigkeit auf einer gekühlten Spiegelfläche gefriert, wurden andere Methoden in die Praxis umgesetzt, bei denen die Menge an Wasser in einem Gas mit einem sehr niedrigen Wassergehalt gemessen wird, indem eine Änderung in der Frequenz eines Kristalloszillators oder eine Änderung in der elektrostatischen Kapazität infolge Adsorption von Wasser erfaßt werden. Jedoch kann keine dieser herkömm lichen Methoden einen Taupunkt von -80°C oder weniger mit hoher Genauigkeit messen.

Die oben beschriebene Methode, bei der der Taupunkt eines Gases gemessen wird, indem eine verminderte bzw. de krementale Änderung in der Stärke des reflektierten Lichtes zu der Zeit erfaßt wird, zu der in dem Gas enthaltene Feuchtigkeit auf einer gekühlten Spiegelfläche zu konden sieren oder gefrieren beginnt, hat den Nachteil, daß, wenn der Wassergehalt in dem Gas niedriger wird, d.h., wenn der Taupunkt niedriger wird, die Menge an Kondensat (oder Eis) in einem extremen Ausmaß abnimmt, so daß es schwierig ist, den Taupunkt mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu messen. Weiterhin zeigt der Stand der Technik den Nach teil, daß, wenn ein Gas langsam auf eine gekühlte Spiegel oberfläche in der herkömmlichen Vorrichtung strömt, eine Kondensation (oder ein Gefrieren) einer extrem kleinen Menge an Feuchtigkeit sehr langsam stattfindet und daher keine bestimmte Änderung in dem reflektierten Licht auf tritt, was insbesondere dann gilt, wenn der zu messende Taupunkt -80°C oder weniger beträgt. In dem Fall eines sehr niedrigen Wassergehaltes, d.h. 10 (ppb) oder weniger, werden Wassermoleküle auf der Spiegeloberfläche sehr graduell adsorbiert, so daß es bisher schwierig ist, irgendeine plötzliche Änderung in der Stärke des reflek tierten Lichtes festzustellen oder zu bemerken. Es ist daher wirksam, das zu messende Gas gegen eine gekühlte Spiegeloberfläche von einem düsenförmigen (oder rohrför migen) Teil zu blasen. Jedoch ist es bei einem Gas mit einem Taupunkt von -80°C, das bisher als mit im wesent lichen gutem Grad an Genauigkeit meßbar angesehen wurde, notwendig, genau die Temperatur der gekühlten Spiegelober fläche zu der Zeit abzulesen, wenn die in dem Gas in einer extrem niedrigen Menge enthaltene Feuchtigkeit, d.h. un gefähr 1 ppm, auf der Spiegeloberfläche zu gefrieren be ginnt; für einen Taupunkt von -110°C ist diese Menge etwa 1/1000 von 1 ppm, und für einen Taupunkt von -136°C be trägt diese Menge 1/1000 von 1/1000 von 1 ppm, d.h. 1 ppt. Es besteht daher ein Bedarf für eine Technik zum genauen Messen eines derartigen Gefrierpunktes.

Im Hinblick auf die oben aufgezeigten Probleme des Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Tau punktes im Bereich von -80°C bis zur Temperatur von flüssigem Stickstoff mit einem befriedigenden hohen Grad an Genauigkeit zu schaffen, um so die Menge an Wasser in einem Gas mit einem sehr niedrigen Wassergehalt messen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbe griff des Patentanspruches 1 bzw. bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10 erfindungs gemäß durch die in den jeweiligen kennzeichnenden Teilen enthaltenen Merkmale gelöst.

Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung eine in dustrielle Messung des Wassergehaltes von Gasen, bei spielsweise Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Helium usw., die Tau-(Frost-)Punkte von -80°C oder weniger haben, durch genaues Messen der Kondensations-(Gefrier-)Tempera tur mit einer Kombination einer Kühleinrichtung, wie bei spielsweise einer Helium-Kältemaschine, und einer Heiz einrichtung, obwohl es eine intermittierende Messung auf grund von Anstiegen und Abnahmen in der Temperatur ist. Die japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 56-1 42 794 (1981) beschreibt bereits eine Methode zum genauen Messen eines Taupunktes mit verminderter Fehlerwahrscheinlich keit mittels einer Vorrichtung, die mit einem Vorkühlab schnitt zum vorausgehenden Kühlen eines zu messenden Gases, bevor dieses gegen eine gekühlte Spiegelfläche geblasen wird, und einer Düse zum Blasen des im Vorkühlabschnitt gekühlten Gases gegen die Spiegelfläche versehen ist. Es ist auch ein kritischer Faktor in einer genauen Messung eines Taupunktes, die Temperatur innerhalb der Meßkammer so nahe als möglich bei der Temperatur des Kühlabschnittes zu halten, während irgend eine Messung bei niedrigen Temperaturen ausgeführt wird.

Wenn bei einer Methode, bei der ein zu messendes Gas lang sam auf eine gekühlte Spiegeloberfläche strömt, der Tau- (Frost-)Punkt, der zu messen ist, sehr niedrig ist, d.h., -80°C oder weniger beträgt, ist es nicht einfach, das Gas herab bis zu der Temperatur der gekühlten Spiegelober fläche zu kühlen, wenn nicht das Gas zuvor herab bis auf eine Temperatur so nahe als möglich bei dem Tau-(Frost-)- Punkt des Gases gekühlt wurde. Falls keine Vorkühlung aus geführt wird, kann die Temperatur der gekühlten Spiegel fläche, die gemessen wird, wenn die in dem Gas enthaltene Feuchtigkeit auf der Spiegeloberfläche kondensiert oder gefriert, beträchtlich niedriger sein als der tatsäch liche Tau-(Frost-)Punkt des Gases, was zu einem großen Fehler führt. Um zusätzlich genau die Temperatur abzu lesen, bei welcher eine extrem kleine Menge an in einem Gas enthaltener Feuchtigkeit zu gefrieren beginnt, ist es erforderlich, zuvor das Gas herab bis auf eine Temperatur nahe bei dem Tau-(Frost-)Punkt hiervon zu kühlen, das Gas gegen die Spiegeloberfläche von einem düsenförmigen Teil zu blasen und einen begrenzten Teil der Spiegeloberfläche mit entweder einem so weit als möglich gesammelten Licht strahl oder einem Laserstrahl zu bestrahlen. Auf diese Weise wird eine plötzliche Steigerung in der Stärke des gestreuten Lichtes, die hervorgerufen wird, wenn der Lichtstrahl oder Laserstrahl von der Spiegeloberfläche reflektiert wird, gemessen, um so eine Messung des Tau- (Frost-)Punktes des Gases mit einem sehr niedrigen Wasser gehalt zu ermöglichen.

Der Ausstoßwinkel des zu messenden Gases auf dem Spiegel kann im Bereich von 30° bis 60° zur Spiegeloberfläche liegen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 jeweils schematische Vorrichtungen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens vorteilhaft sind,

Fig. 3 eine Kurve mit der Bezeihung zwischen der Temperatur einer Spiegeloberfläche und dem Ausgangssignal eines Photodetektors,

Fig. 4 eine Kurve mit der Beziehung zwischen dem Ein fallswinkel bezüglich einer Linie senkrecht zur Spiegeloberfläche und dem Ausgangssignal des Photodetektors,

Fig. 5 eine Kurve mit der Beziehung zwischen der Ober flächengenauigkeit der Kondensationsfläche und dem Ausgangssignal des Photodetektors, wenn keine Kondensation auftritt,

Fig. 6 bis 9 Kurven mit der Beziehung zwischen der Temperatur der Spiegeloberfläche und dem Aus gangssignal des Photodetektors und

Fig. 10 eine Kurve mit der Beziehung zwischen dem Aus gangssignal eines herkömmlichen elektro statischen Kondensator-Hygrometers und dem Ausgangssignal des Photodetektors der Wassergehalt-Meßvorrichtung nach der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht notwendigerweise auf die in Fig. 1 gezeigte Anordnung beschränkt ist.

Licht, das von einer Lichtquelle 1 emittiert ist, wird in die Form von Parallelstrahlen durch einen Parabolspiegel 19 konvergiert und dann auf eine Spiegelfläche 4 über ein Eintrittsfenster 3 geworfen, nachdem es eine Kondensor linse 2 durchsetzt hat, so daß die Parallelstrahlen so weit als möglich auf die Spiegeloberfläche 4 kondensiert bzw. gesammelt sind. Die Spiegeloberfläche 4 ist auf der kalten Oberfläche einer Helium-Kältemaschine 5 mit thermisch ausreichendem Kontakt dazwischen gehalten. Die Anordnung ist derart getroffen, daß die Temperatur der Spiegeloberfläche 4 bei Bedarf durch eine Kombination einer Heizeinrichtung 6 und eines Temperatursteuergliedes 7 angehoben oder abgesenkt werden kann. Das einfallende Licht wird durch die Spiegeloberfläche 4 reflektiert, und das Licht, das an der Spiegeloberfläche 4 gestreut ist, wird durch einen Photodetektor 8 gemessen, der auf einem Strahlengang mit einem Winkel angebracht ist, wel cher von dem Winkel des Strahlenganges des von der Spie geloberfläche 4 reflektierten Lichtes verschieden ist. Die Temperatur der Spiegeloberfläche 4 wird durch ein Thermoelement 9 gemessen.

Ein Gas, das zu messen ist, wird, wie durch das Bezugs zeichen 13 angedeutet, über ein Filter 20 eingeführt, das aus einem hydrophoben Material besteht, welches bis zu einer Temperatur von 200°C aufgewärmt werden kann, so daß jegliche Fremdpartikel alleine entfernt werden können. Nachdem das zu messende Gas zuvor in einem Vorkühler 14 auf eine Temperatur gekühlt wurde, die etwas höher ist als die Temperatur der Spiegeloberfläche 4, wird das Gas gegen die Spiegeloberfläche 4 von der Öffnung einer Düse 10 geblasen und dann aus dem System entladen, wie dies durch das Bezugszeichen 15 angedeutet ist. Da alle obigen Bauteile auf niedrige Temperaturen herabgekühlt sind, muß die Meßkammer eine geeignete Wärmeisoliereinrichtung (einschließlich eines Vakuums) haben.

Die Spiegeloberfläche 4 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die so hoch als möglich ist, wie beispielsweise aus Kupfer, Messing, Aluminium oder Silizium-Kristall. Die Spiegeloberfläche 4 sollte so glatt als möglich geschliffen sein, und die Oberflächengenauigkeit ist vorzugsweise so bestimmt, daß sie 1/4 oder weniger der Wellenlänge λ der Lichtquelle entspricht. Dies sind Anforderungen, die erfüllt sein müssen, um das an der Spiegeloberfläche 4 gestreute Licht möglichst klein zu machen und eine genaue Erfassung eines jeglichen Anstieges in der Stärke des gestreuten Lichtes infolge Gefrierens einer sehr kleinen Menge an Feuchtig keit bei dem Gefrierpunkt zu erlauben. Weiterhin ist es wichtig, daß das einfallende Licht auf die Spiegelober fläche 4 so genau als möglich fokussiert wird. Die Er finder haben experimentell ermittelt, daß eine Verwendung eines Lichtstrahles, der selbst kondensiert ist, wie bei spielsweise von Helium-Neon-Laserlicht tatsächlich eines der Mittel ist, die eingesetzt werden können, um wirksam die Empfindlichkeit zu verbessern.

Zusätzlich ist eine Steigerung des Reflexionsvermögens der Spiegeloberfläche 4 durch Abscheidung von Gold oder Aluminium tatsächlich eines der wirksamen Mittel zur Steigerung der Empfindlichkeit. Es ist auch eine Tatsache, daß ein Verbessern der Härte der Spiegeloberfläche 4 durch Belegen mit einem dünnen Film aus Titannitrid, Aluminium nitrid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid o.dgl. eines der wirk samen Mittel ist, um den glatten Oberflächenzustand der Spiegeloberfläche 4 für eine lange Zeitdauer aufrechtzuer halten. Da eine Siliziumscheibe ein Helium-Neon-Laser licht gut absorbierendes Material ist, ist dessen Ober fläche nicht eine gut reflektierende Oberfläche. Jedoch ist die Oberflächenglätte einer Siliziumscheibe beträcht lich hoch; gemäß einem durch die Erfinder ausgeführten Experiment war es möglich, einen Taupunkt nahe bei -120°C zu messen. Unter diesem Gesichtspunkt ist ein hohes Reflexionsvermögen nicht eine absolut notwendige Be dingung. Um wirksam einen sehr niedrigen Wassergehalt so gar in einem Gas mit einem Taupunkt von -80°C oder weniger aufgrund des Frost-Punktes zu messen, ist es absolut not wendig, kondensiertes Licht auf die Position der Spiegel oberfläche 4 zur Einwirkung zu bringen, wo das zu messende Gas von der Düse 10 ausgeblasen ist. Die Erfinder haben den Einfallswinkel des Lichtes unter verschiedenen Be dingungen gemessen und als Ergebnis festgestellt, daß, wenn der Einfallswinkel näher an 0° bezüglich einer Linie senkrecht zur Spiegeloberfläche 4 herankommt, der Empfind lichkeitsgrad höher wird, mit welchem eine plötzliche Änderung in der Stärke des gestreuten Lichtes abgelesen werden kann. Wenn eine Leuchtdiode für die Lichtquelle 1 verwendet wird, dann wird die Empfindlichkeit höher, wenn der Einfallswinkel enger zu 0° bezüglich der Linie senk recht zu der Spiegeloberfläche 4 wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Die Ergebnisse der Messung zeigen, daß mit dichter bei 0° bezüglich der Senkrechten liegendem Ein fallswinkel mehr kondensiertes bzw. gesammeltes Licht auf die Spiegeloberfläche 4 einwirkt. Es hat sich gezeigt, daß der Einfallswinkel vorzugsweise auf 60° oder weniger und insbesondere auf 10° oder weniger eingestellt wird.

Um eine Messung eines sehr niedrigen Wassergehaltes zu ermöglichen, ist es wesentlich, die Probenrohre mittels einer Heizeinrichtung zu erwärmen. Im Hinblick auf ein genaues Messen eines sehr niedrigen Wassergehaltes durch die Tau-(Frost-)Punktmethode ist es insbesondere von Be deutung, das Gas auf eine Temperatur nahe bei 200°C zu sammen mit einem Filter aufzuwärmen, der zusammen mit dem Gas strömende Fremdpartikel entfernen kann, und da durch die Probenrohre und dgl. in dem System in einem Zustand zu halten, in dem die Menge an adsorbiertem Wasser vermindert ist.

Weiterhin sind in Fig. 1 ein Kompressor 11 für die Kälte maschine, eine Heizeinrichtung 16 für den Vorkühler, ein Temperatur-Steuerglied 17 für den Vorkühler, ein Thermo element 18 für den Vorkühler und eine Heizeinrichtung 21 für das Heizfilter gezeigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. Jedoch ist die Erfindung auf diese Bei spiele nicht beschränkt.

Beispiel 1

Mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird ein aus flüssigem Stickstoff durch Verdampfung erzeugtes Gas als das zu messende Gas zu der Spiegeloberfläche 4 von der Düse 10 gespeist; Licht von der Leuchtdiode 1, das soweit als möglich durch den Parabolspiegel 19 und die Kondensor linse 2 kondensiert wurde, wird dann auf den Spiegel 4 geworfen; das an der Spiegeloberfläche 4 gestreute Licht wird durch den Photodetektor 8 empfangen. Wenn die Spiegel oberfläche 4 graduell mittels einer Helium-Kältemaschine 4 mit kleinen Abmessungen gekühlt wird, gefriert in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchtigkeit auf der Spiegel oberfläche 4, was zu einer Steigerung der Stärke des durch den Photodetektor 8 empfangenen gestreuten Lichtes führt. Die Temperatur der Spiegeloberfläche 4 zu dieser Zeit wird mittels des Thermoelementes 9 gemessen. Die Tempera tur beträgt -118°C, und somit wird der Taupunkt dieses Gases zu -118°C festgestellt. Auf diese Weise ist es möglich, einen Taupunkt so niedrig zu messen, wie dies bisher unmöglich war. Die Beziehung zwischen der Tempera tur der Spiegeloberfläche 4 und dem Ausgangssignal des Photodetektors 8 ist durch eine Linie a in Fig. 3 ange deutet. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß eine in der Halbleiterindustrie eingesetzte Siliziumscheibe bei diesem Beispiel als Spiegeloberfläche herangezogen wurde und daß das Licht von der Leuchtdiode, das so weit als möglich kondensiert wurde, auf die Spiegeloberfläche unter einem Winkel von 5° bezüglich der Senkrechten zum Ein fallen gebracht wird.

Beispiel 2

Ein Experiment wird mit der gleichen Anordnung wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme durchgeführt, daß die Leucht diode 1 und der Parabolspiegel 2 innerhalb der Meßkammer 12 untergebracht sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Da sich in einem derartigen Fall die Temperatur innerhalb der Meßkammer ändert, ändert sich die Leuchtdichte der Leuchtdiode 1, und dies kann eine genaue Messung des gestreuten Lichtes mittels des Photodetektors 8 behindern. Die Kältemaschine 5 mit kleinen Abmessungen und die Leucht diode 1 werden daher in thermischen Kontakt miteinander mittels eines geeigneten Kupferdrahtes 22 gebracht, und die Temperatur der Leuchtdiode 1 wird bei einer konstanten Temperatur, d.h. -20°C, durch eine mittels einer Heizein richtung 23 bewirkten Temperatursteuerung gehalten, um so jegliche Änderung in der Leuchtdichte der Leuchtdiode 1 aufgrund Temperaturänderungen oder -schwankungen zu verhindern. Mit dieser Anordnung wird ein Experiment ähnlich zu dem Versuch in Beispiel 1 ausgeführt. Als Er gebnis ist es möglich, eine Messung mit einer höheren Empfindlichkeit als im Fall des Beispiels 1 auszuführen. Eine Linie b in Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur der Spiegeloberfläche 4 und dem Ausgangssignal des Photodetektors 8. Somit wird bestätigt, daß die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ebenfalls eine genaue Messung eines niedrigen Taupunktes, d.h. eines Taupunktes von -80°C oder weniger, erlaubt.

Vergleichsbeispiel 1

Bei der Anordnung des Beispieles 1 wird eine Kupferober fläche geschliffen, so daß die Oberflächengenauigkeit der Meßwellenlänge λ (λ = 10,6 µm) entspricht, und Licht von der Leuchtdiode 1, das soweit als möglich kondensiert ist, wird auf die Spiegeloberfläche 4 in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 geworfen. Selbst wenn die in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchtigkeit noch nicht ge froren ist, wird als Ergebnis die Stärke des gestreuten Lichtes höher als diejenige, die gemessen wird, wenn die Feuchtigkeit in Beispiel 1 zu gefrieren beginnt. Selbst wenn weiterhin die Feuchtigkeit zu gefrieren beginnt, liegt keine Änderung im Ausgangssignal des Photodetektors vor. Ähnliche Versuche wurden durchgeführt, wobei die Oberflächengenauigkeit der Kupferoberfläche, die als eine gekühlte Spiegeloberfläche diente, in veränderlichen Graden geändert wurde. Die Ergebnisse zeigen, daß es un möglich ist, den Taupunkt (beispielsweise -120°C) von einem Gas zu messen, das eine extrem kleine Menge an Feuchtigkeit enthält, wenn die Oberflächengenauigkeit 1/4 oder mehr der Meß-Wellenlänge λ (λ = 10,6 µm) ent spricht. Fig. 5 zeigt Änderungen im Ausgangssignal des Photodetektors 8, die auftreten, wenn die Oberflächen genauigkeit von λ (λ = 10,6 µm) auf λ/4 verändert wurde.

Vergleichsbeispiel 2

Versuche ähnlich zu Beispiel 1 werden mit der gleichen Anordnung wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme durchge führt, daß der Parabolspiegel 19 und die Kondensorlinse 2 von der in Fig. 1 gezeigten Anordnung entfernt sind.

Wenn das Licht von der Leuchtdiode 1 nicht auf die Spiegel oberfläche 4 fokussiert ist, ist es möglich, einen Tau punkt von etwa -78°C zu messen; jedoch ist es unmöglich, eine Steigerung in der Stärke des gestreuten Lichtes in dem Fall von Feuchtigkeit enthaltenden Gasen mit jeweiligen Taupunkten niedriger als -78°C zu erfassen. Die Fig. 6 und 7 zeigen Ergebnisse, die in dem Fall erhalten werden, wenn die Taupunkte der untersuchten Gase -120°C bzw. -78°C be tragen. Um einen niedrigen Taupunkt, d.h., -80°C oder weniger zu messen, muß das Licht, das auf die Spiegelober fläche 4 geworfen ist, soweit als möglich kondensiert werden, was sofort aus diesen Figuren zu ersehen ist.

Vergleichsbeispiel 3

Versuche ähnlich zu Beispiel 1 werden mit der gleichen Anordnung wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme durchge führt, daß der Photodetektor 8 im Strahlengang des reflek tierten Strahles eingebaut ist. Helium-Neon-Laserlicht und Licht von einer Leuchtdiode, das soweit als möglich kondensiert ist, werden als das auf die Spiegelober fläche 4 geworfene Licht verwendet. In diesem Fall ist die Abnahme in der Stärke des reflektierten Lichtes sehr klein, unabhängig von der Art der Lichtquelle. Die Er gebnisse dieser Versuche sind in den Fig. 8 und 9 ge zeigt. Es ist aus diesen Ergebnissen zu ersehen, daß es in dem Fall, in welchem ein Tau-(Frost-)Punkt durch Er fassen einer Abnahme in der Stärke des reflektierten Lichtes gemessen wird, unmöglich ist, einen Tau-(Frost-)- Punkt von -75°C oder weniger zu messen.

Vergleichsbeispiel 4

Eine Methode, die nicht die Technik der Messung der Menge an in einem Gas enthaltener Feuchtigkeit durch Nieder schlagenlassen des Gases an einer Spiegeloberfläche mit tels Kondensation oder Gefrierens für die Ermöglichung einer optischen Erfassung des anhaftenden Kondensates oder Eises verwendet, ist die Methode, bei der der Wasser gehalt eines Gases aufgrund von Änderungen in der elektro statischen Kapazität eines Sensors mit einem dünnen Film aus Aluminiumoxid, der mit Gold durch Abscheidung oder Ablagerung belegt ist, gemessen wird. Diese bekannte Methode ist in JIS-K0226 als eine Methode zum Messen eines Wassergehaltes von 2 (ppm) oder mehr beschrieben. Mit dieser Methode werden Stickstoffgase mit jeweiligen Taupunkten von 0°C bis -90°C gemessen. Die Ergebnisse zeigen, daß keine Änderung in der elektrostatischen Kapazität im Fall von Stickstoffgasen mit Taupunkten von -80°C oder weniger beobachtet werden.

Fig. 10 zeigt einen Vergleich zwischen dem Ausgangssignal des elektrostatischen Kondensator-Hygrometer und dem Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Wasserge halt-Meßvorrichtung.

Wie oben erläutert wurde, hat die erfindungsgemäße Vor richtung einen Vorkühlabschnitt zum Vorkühlen eines zu messenden Gases, bevor dieses gegen eine Spiegelober fläche geblasen wird, und eine Düse zum Blasen des vor gekühlten Gases gegen die Spiegeloberfläche. Weiterhin wird ein Lichtstrahl, der soweit als möglich kondensiert ist, als auf die Spiegeloberfläche zu projizierende Lichtquelle verwendet, und der Zustand der auf der Spiegeloberfläche kondensierten oder gefrorenen Feuchtig keit wird durch das an der Spiegeloberfläche gestreute Licht erfaßt. Somit ist es möglich, elektrisch und genau den Wassergehalt eines Gases mit einem Taupunkt im Be reich von gewöhnlicher oder Raumtemperatur bis -80°C oder weniger zu messen.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Menge an Wasser in einem Gas mit einem sehr niedrigen Wassergehalt unter Verwendung eines Taupunktmessers oder eines Frostpunktmessers mit: Einem Reflexionsspiegel (4), dessen Temperatur in dem Bereich von Raumtemperatur bis zu der Tempera tur von flüssigem Stickstoff veränderlich ist, einer Gasausstoßdüse (10), die dem Reflexionsspiegel (4) gegenüberliegt, einer Einrichtung (1-3), die ent weder einen kondensierten Lichtstrahl oder einen Laserstrahl auf den Teil projiziert, an dem Tau und/oder Frost gebildet ist, und einer Einrichtung (8) zum Er fassen einer plötzlichen Zunahme in der Stärke des ge streuten Lichtes, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
Kühlen eines zu messenden Gases, so daß dessen Tempera tur nahe zu derjenigen des Spiegels (4) wird,
Ausstoßen des Gases aus der Düse (10), so daß es auf den Reflexionsspiegel (4) auftrifft,
Projizieren entweder eines kondensierten Lichtstrahles oder eines Laserstrahles auf denjenigen Teil der Spiegeloberfläche, gegen den das zu messende Gas ausgestoßen oder geblasen ist, und
Erfassen einer plötzlichen Änderung in der Stärke des gestreuten Lichtes, um so einen niedrigen Tau punkt und/oder Frostpunkt in dem Bereich von -80°C bis zu der Temperatur von flüssigem Stickstoff zu messen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlquelle ein bei niedriger Temperatur ver flüssigtes Gas verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlquelle durch eine Kombination von flüssigem Stickstoff und einer thermoelektrischen Kältemaschine gebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlquelle eine Helium-Kältemaschine mit kleinen Abmessungen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zum Projizieren des Lichtes auf die Spiegeloberfläche eine Leuchtdiode ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des auf die Spiegeloberfläche projizierten Lichtes innerhalb 60° bezüglich einer Linie senkrecht zu der Spiegeloberfläche liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein wärmebeständiges hydrophobes Filter am Einlaß für das zu messende Gas vorgesehen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeloberfläche mit einem dünnen Film aus Titannitrid oder einem anderen harten Material be schichtet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausstoßwinkel des zu messenden Gases auf die Spiegeloberfläche im Bereich von 30°-60° bezüglich der Spiegeloberfläche liegt.

10. Vorrichtung zum Messen eines Taupunktes und/oder eines Frostpunktes, gekennzeichnet durch einen Reflexions spiegel, dessen Temperatur in dem Bereich von Raum temperatur bis zu der Temperatur von flüssigem Stick stoff veränderlich ist, eine Gasausstoßdüse (10), die so angeordnet ist, daß sie dem Reflexionsspiegel (4) gegenüberliegt, eine Einrichtung (1-3) zum Proji zieren entweder eines kondensierten Lichtstrahles oder eines Laserstrahles auf den Teil der Spiegelober fläche, gegen den das zu messende Gas ausgestoßen ist, und
eine Einrichtung zum Erfassen einer plötzlichen Ände rung in der Stärke des gestreuten Lichtes.