DE4423179A1

DE4423179A1 - Taupunkthygrometer mit optischem Nachweisprinzip

Info

Publication number: DE4423179A1
Application number: DE19944423179
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr Heinze; Nils Dipl Ing Walther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-01
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 1996-01-04

Description

Fast alle bisher handelsüblichen optischen Tauspiegelhygrometer funktionieren nach dem direkten Prinzip, bei dem ein Lichtstrahl auf eine spiegelnde Oberfläche trifft, der auf der gesamten Fläche be- und abtaut und dadurch das Licht streut. (Heinze, D., Theoretische Grundlagen und Meßverfahren der Gasfeuchtemeßtechnik, Seite 166).

Eine Abwandlung wird dargestellt in der Patentanmeldung P 3243320. Es wird eine Wellenlänge des Lichtstrahls verwendet, die vom Wasser absorbiert wird. Nachteilig ist bei nahezu allen Geräten der komplizierte Aufbau unter Verwendung teurer Materialien (z. B. Spiegel aus Rhodium oder aus einem Gold-Platinblock bei Patentanmeldung P 3431624), die sehr empfindlich sind. Beispielsweise entstehen beim Reinigen leicht Kratzer, die das Reflexionsvermögen stören. Staubablagerungen haben die gleiche Wirkung.

Aufgabe des vorliegenden Geräts ist es, insbesondere solche Nachteile zu beseitigen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das optisches Element ein Glasprisma ist, auf welchem durch eine regelbare Kühlung die Taugrenze an einem Ort des optischen Elementes konstant gehalten wird.

Anhand eines Beispiels soll das Prinzip näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 den Grundaufbau, Fig. 2 das optische Element von oben und Fig. 3 das optische Element von der Seite.

Das optische Element 2 wird so montiert, daß dessen Unterseite 12 gekühlt wird. Die Strahlungsquelle 4, welche in diesem Beispiel ein Laser ist, mit Strahlformung 5 wird so angeordnet, daß der Strahl durch das untere Drittel des Prismas tritt und anschließend auf den Fototransistor trifft. Das zu untersuchende Meßmedium (beispielsweise feuchte Luft) umströmt das Prisma, welches sich in einer Meßkammer 1 befindet. Der Meßmediumseintritt 7 und -austritt 8 befinden sich an der Ober- bzw. Unterseite der Meßkammer 1. Ein Teil des sich im Meßmedium befindlichen Wasserdampfes schlägt sich auf dem unteren Teil des Prismas nieder, dort, wo die Taupunkttemperatur unterschritten ist. Wandert die Taugrenze 14 nach oben in den Laserstrahl, wird sofort ein großer Teil des Strahls gestreut. Der Fototransistor 6 registriert eine verminderte Intensität. Die elektronische Schaltung regelt das Peltierelement so, daß die Taugrenze 14 in einer konstanten Höhe bleibt. Die Höhe wird durch den Durchtrittspunkt des Laserstrahls bestimmt. Ein in dieser Höhe in geeigneter Weise angebrachter Pt 100 Meßwiderstand 9 mißt die Temperatur, die an dieser Stelle die Taupunkttemperatur des Meßmediums darstellt.

Vorteile dieser Anordnung sind ein einfacher Aufbau, eine verringerte Schmutzempfindlichkeit und damit die erhöhte Langzeitstabilität. Durch die Verwendung eines unbeschichteten Glaskörpers ist die Gefahr der Kratzerbildung beim Reinigen nicht mehr vorhanden. Weiterhin kann auch die Gasfeuchte in aggressiven Medien bestimmt werden. Der Laserstrahl sorgt mit seinem kleinen Durchmesser für eine hohe Präzision, da schon geringste Änderungen der Taugrenze eine starke Änderung der Intensität des Laserstrahls hervorrufen. Durch eine optimale Form des Prismas kann die Empfindlichkeit noch gesteigert werden; der Winkel der Seitenfläche 11 mit der Stirnfläche 10 wird so gewählt, daß der Strahl unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Seitenfläche 11 auftrifft. Bei Betauung wird dieser Winkel überschritten und ein Teil des Strahles ausgekoppelt. Damit werden auch die Seitenflächen zu Funktionsflächen.

Neben dem kontinuierlichen Meßverfahren, wie oben beschrieben, ist mit derselben Anordnung eine periodische Messung möglich. Dabei wird die Kühlung periodisch immer dann unterbrochen, wenn die Taugrenze in den Strahl gewandert ist. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt die Taupunkttemperaturmessung. Ist das Kondensat im unteren Bereich des Prismas verdunstet, so beginnt der nächste Vorgang. Dieses Verfahren bietet gegenüber der kontinuierlichen Messung den Vorteil, das Wasser- bzw. Eisansammlungen vermieden werden.

Um den seitlichen Wärmeeintrag durch den Temperatursensor als Fehlerquelle zu minimieren, werden zwei Temperatursensoren in unterschiedlicher Höhe derart angebracht, daß sich die Taugrenze zwischen beiden bildet (Anspruch 6). Die Taupunkttemperatur ergibt sich dabei rechnerisch aus den beiden gemessenen Temperaturen.

Wird sowohl an Grund 12 - als auch an der Deckfläche 13 eine Kühlvorrichtung angebracht, so kann die Temperaturdifferenz zwischen Grund 12 - und Deckfläche 13 verringert werden. Dadurch ist die Messung auch sehr niedriger Taupunkttemperaturen möglich.

Bezugszeichenliste

1 Meßkammer
2 optisches Element
3 Kühleinrichtung
4 Strahlungsquelle
5 Strahlformung
6 Strahlungsempfänger
7 Mediumseintritt
8 Mediumsaustritt
9 Temperatursensor
10 Stirnfläche
11 Seitenfläche
12 Grundfläche
13 Deckfläche
14 Betauungsgrenze

Claims

1. Taupunkthygrometer mit optischen Nachweisprinzip, bei dem der auf einem optischen Element kondensierte Wasserdampf die Intensität elektromagnetischer Strahlung beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) ein durchsichtiger Körper ist mit mindestens einer Funktionsfläche und an mindestens einer Fläche eine Kühleinrichtung angebracht ist und in einer optischen Strecke zwischen einer oder mehrerer Strahlungsquellen mit Strahlformung und einem oder mehreren Strahlungsempfängern angeordnet ist, wobei das optische Element mindestens einen Temperaturfühler enthält.

2. Taupunkthygrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) ein prismatischer Körper oder ein Körper mit rundem Querschnitt ist.

3. Taupunkthygrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stirnfläche (10) und/oder Seitenfläche(n) Funktionsflächen sind.

4. Taupunkthygrometer nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (10) des optischen Elementes (2) in Abhängigkeit von seiner Brechzahl einen definierten Winkel mit den Seitenflächen (11) bilden.

5. Taupunkthygrometer nach einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (9) an der Betauungsgrenze (14) des optischen Elements (2) angebracht ist.

6. Taupunkthygrometer nach einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Temperatursensoren (9) über die Länge des optischen Elements (2) auf oder zwischen Grund- (12) und Deckfläche (13) angebracht sind.

7. Taupunkthygrometer nach einer der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlquerschnitt an mindestens einer Funktionsfläche des optischen Elements (2) vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 1 mm Durchmesser liegt.

8. Taupunkthygrometer nach einer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle vorzugsweise ein Laser ist.

9. Taupunkthygrometer nach einer der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das optische Element (2) mit Kühleinrichtung (3) und Temperaturfühler (9) in einer Meßkammer (1) mit Mediumseintritt (7) und -austritt (8) angeordnet ist.

10. Taupunkthygrometer nach einer der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung an Grund (12)- oder an Grund (12)- und Deckfläche (13) oder an einer oder mehreren Seitenflächen angeordnet ist.

11. Taupunkthygrometer nach einer der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element mit Strahlungsquelle mit Strahlformung, Strahlungs empfänger und Kühleinrichtung zu einem einheitlichen Körper verbunden sind.

12. Taupunkthygrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element hohl ist und in seinem Inneren Teile von Baugruppen der Strahlungsquelle und/oder Strahlungsempfänger und/oder Signalverarbeitung enthält.