EP0494291A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des taupunktes von komponenten eines gasgemisches - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des taupunktes von komponenten eines gasgemisches

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Publication number
EP0494291A1
EP0494291A1 EP19910913867 EP91913867A EP0494291A1 EP 0494291 A1 EP0494291 A1 EP 0494291A1 EP 19910913867 EP19910913867 EP 19910913867 EP 91913867 A EP91913867 A EP 91913867A EP 0494291 A1 EP0494291 A1 EP 0494291A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
condensate collector
temperature
dew point
condensate
moisture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19910913867
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Laumen
Werner Jasny
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kww Gesellschaft fur Thermotechnik Mbh
Original Assignee
Kww Gesellschaft fur Thermotechnik Mbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kww Gesellschaft fur Thermotechnik Mbh filed Critical Kww Gesellschaft fur Thermotechnik Mbh
Publication of EP0494291A1 publication Critical patent/EP0494291A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/56—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content
    • G01N25/66—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by investigating dew-point
    • G01N25/68—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by investigating dew-point by varying the temperature of a condensing surface

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the dew point of components of a gas mixture.
  • dew point hygrometers in which the air is cooled until the water vapor condenses.
  • the dew point temperature determined in this way corresponds to the saturation temperature of the air, from which the relative humidity can also be derived if the sensitive temperature of the air flow is known.
  • a) dew point mirrors that fog when cooled below the dew point b) cooled electrode arrangements, which change the electrical resistance or the capacitance in case of condensate failure
  • c) fog chambers in which fog can be observed when the temperature of the The measuring gas in the chamber drops below the dew point.
  • the measuring gas is compressed without falling below the dew point and then relaxed.
  • the moist air cools down considerably and almost homogeneously.
  • Fog formation can be observed in an illuminated "fog chamber” if the dew point of the sample gas fell below as a result of the temperature drop due to the relaxation.
  • the dew point temperature can be calculated from the wet gas temperature and the compression ratio.
  • the measuring gas is cooled down to the limit of the thawing out, in which an attempt is made to adjust the cooling by repeatedly leveling the cooling temperature, at which just the formation of dew is recognizable.
  • Devices are known in which a photocell arrangement always controls the cooling and / or heating of the dew point via a control amplifier in such a way that the dew limit is automatically - ie regulating - recorded.
  • the task of automatic dew point adjustment poses some difficulties because the speed of dew formation depends very much on the respective dew point temperature.
  • mirror dew point measuring devices are, in addition to the above-mentioned publication, also from DE-OS 19 57 322, DE-AS 12 99 437, DE-OS 26 4 * 0 663, DE-OS 29 45 445 and U.S. Patent 3,385,098 is known.
  • Another disadvantage of cooled electrode assemblies is that, due to the poor thermal conductivity properties of these materials, it is very difficult to determine their exact surface temperature, i. H. to determine the exact surface temperature of the condensation surface. As a result, the dot temperature cannot be determined exactly.
  • DE-OS 37 13 864 discloses an apparatus and a method for determining the dew point of components of a gas mixture, from which the invention is based in the preamble of claim 1.
  • the known device has a moisture sensor, which can be both a dew point mirror and a cooled electrode arrangement.
  • a condensate collector is provided which can be cooled or heated by means of a Peltier element.
  • a temperature sensor is arranged in thermal contact with the condensate collector, by means of which the temperature of the condensate collector or the condensation surface is measured.
  • Moisture sensor, condensate collector and temperature sensor are integrated in a single component. Therefore and since in this known system the precipitation of liquid is determined either by a dew point mirror or by cooled electrode arrangements, this arrangement also has the mentioned disadvantages of the respective measuring principles.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for determining the dew point of components of a gas mixture which, at a low price, approximately achieve the measuring accuracy of mirror dew point measuring devices.
  • the essential solution feature of the present invention is that the temperature-controlled condensate collector is arranged spatially separated from the moisture sensor. Liquid is separated in the cooled condensate collector when the dew point temperature is reached. This liquid is evaporated again while the condensate collector is on and leads into the vicinity of the condensate collector which the moisture sensor is arranged to an increased vapor content, which is clearly indicated by the moisture sensor.
  • An important advantage of the invention is that it is no longer necessary to measure the temperature and the occurrence of condensate at the same time. Rather, according to the present invention, it is indirectly concluded, due to the occurrence of a significant change in moisture during the heating of the condensate collector, that the dew point temperature sought was passed through during the preceding cooling phase.
  • the desired dew point temperature can thus be determined iteratively by changing the temperature differences traveled and thus by changing the final cooling temperature.
  • the starting temperatures at the beginning of the cooling phase can also be changed for this purpose.
  • At least the moisture sensor and the condensate collector in a measuring chamber.
  • a further increase in the significance can be achieved in that the flow of the measurement gas is stopped at least during the heating phase. At the same time, this also reduces the amount of sample gas required to determine the dew point.
  • a further possibility for increasing the significance of the display is to arrange the moisture sensor spatially directly above the condensate collector so that the condensate evaporating during the heating phase acts directly on the moisture sensor.
  • Both a mirror or an electrode arrangement can be used as the moisture sensor.
  • Other components that change greatly due to the increased vapor content in the electrical resistance can also be used.
  • the control effort or the process control is considerably simplified in contrast to the known mirror dew point measuring devices.
  • the technical control difficulty is to determine the temperature at the time of the first separation of condensate as precisely as possible. That is, the exact time of the formation of dew and the prevailing temperature at that time must be measured together.
  • the measurement of the moisture or the measurement of the occurrence of condensate and the temperature measurement are, so to speak, uncoupled in terms of measurement technology. It only has to be determined whether or not there is a strong change in humidity in a comparatively large temperature and time interval. The associated dew point temperature is measured by iteration.
  • the hygroscopicity of the material used for the condensate collector also advantageously plays only a subordinate role, since the amount of liquid present before hygroscopicity reaches the saturation temperature is so small that the resulting indication pulses differ significantly from those of a condensate Differentiate collection after falling below the dew point temperature or when the dew point temperature is reached.
  • Another advantage of the present invention is that the moisture sensor itself does not have to be heated or cooled and only insignificant amounts of condensate are deposited on it. This eliminates a major source of pollution and corrosion.
  • the corrosion can still be avoided by applying alternating current to the moisture sensor during the measurement, so that no galvanic changes are possible.
  • Another advantage of the present invention is that the temperature measurement on the surface of the condensate collector is comparatively simple, since metals which are good heat conductors and corrosion-resistant can preferably be used here.
  • a further advantage is that the contamination occurring due to the frequent condensation and subsequent re-evaporation of liquid in the condensate collector affects the function or the measuring accuracy of the present invention only insignificantly.
  • a particularly simple and compact construction results if a pelletizing element is used to cool and heat the condensate collector.
  • a compact construction also results if one side of a heat exchanger, in particular an evaporative heat exchanger, is designed as a condensate collector.
  • the condensate collector can be heated, for example, by means of a resistance heater or by means of microwave radiation.
  • the use of a sintered metal heat exchanger as a condensate collector is particularly useful in the event that the dew point of several components is to be determined in succession in a gas mixture. In this case, the component with the highest dew point must first be completely removed from the sample gas volume. Only when this has happened can the next lower dew point of a component be determined. That is, the condensate collector also works as a refrigeration dryer.
  • the dew point measuring device has a condensate collector 1 in the form of an aluminum plate. It is of course also possible to use differently shaped condensate collectors with other materials which are good heat conductors.
  • One side of the condensate collector 1 is connected in a highly heat-conducting manner to a device for regulating the temperature of the condensate collector 1 in the form of a Peltier element 2.
  • Condensate can separate out on the other side or an active surface 3.
  • On the active surface 3 of the condensate collector 1 is a Temperature sensor 4 is provided, with which the temperature of the condensate collector 1 or more precisely the temperature of the active surface 3 can be monitored and with which the sought dew point temperature is measured.
  • the Peltier element 2 has electrical connections 6 and 7.
  • a moisture sensor 8 in the form of an electrode arrangement is provided spatially above the condensate collector 1.
  • the moisture sensor 8 consists of an insulator 10 on which the two poles 11 and 12 of the electrode arrangement are arranged in the form of
  • Moisture sensor 8 and condensate collector 1 are arranged in a measuring chamber 14.
  • the measuring chamber 14 has a feed line 16 and a discharge line 17.
  • the discharge line 17 can be shut off by a valve 18.
  • a conveying device 20 is shown schematically, with which the measuring gas is conveyed into the measuring chamber 14. Any devices such as filters, heat exchangers, volume flow monitors, etc., which are not shown in the drawing, can be used between the conveying device 20 and the measuring chamber 14 or between the measuring chamber 14 and the valve 18.
  • the active surface 3 of the condensate collector 1 is at the initial temperature level T Q.
  • the arbitrary output temperature T Q is usually the ambient temperature or the entry temperature of the measuring gas into the measuring chamber 14.
  • the condensate collector 1 or its active surface 3 is cooled to a temperature T by the temperature difference dT.
  • the temperature T is an alarm threshold value defined temperature or around the desired dew point temperature of the respective monitored dryer.
  • the heating phase is initiated by reversing the polarity of the electrical connections 6 and 7 of the Peltier element 2.
  • the duration of the cooling phase or the duration of the heating phase and the holding time at the respective temperature level are based on the respective application. During the cooling phase it must be ensured that sufficient condensate can separate out and during the heating phase it must be ensured that the condensate formed is completely evaporated again. Does the moisture sensor 8 show an indication pulse, for example, until the freely selectable heating end temperature, which is oriented towards the area of use, is reached. B. in the form of a sharp drop in resistance, the cooling temperature reached during the preceding cooling phase is the sought-after dew point temperature or a temperature below the dew point temperature.
  • the resistance remains constant, for example, the dew point temperature was not reached.
  • a higher temperature for example +1 K
  • a lower temperature for example +1 K
  • the exact parameters of the control strategy for example the temperature steps, cooling and heating speed, will be based on the respective application. If a permanent display is desired, the present dew point temperature is defined, for example, in such a way that the last temperature at which there was an indication corresponds to the respective dew point temperature.
  • the permissible or suitable temporal length of the measuring interval will likewise depend on the respective application and can be influenced by the performance of the installed cooling device. Furthermore, the installation of several cooling surfaces on one sensor or the placement of several arrangements in a measuring chamber is possible, so that a quasi-continuous measurement is possible.
  • the display of the moisture sensor 8, the signal from the temperature sensor 4 and the activation of the Peltier element 2 are combined in a control device (not shown in more detail) .
  • the described dew point measuring device according to FIG. 1 can be used to achieve measuring accuracies of the mirror dew point measuring device.
  • a plate made of epoxy resin (15 ⁇ 15 mm), for example, as an insulator 10 with a width of 300 ⁇ m, a thickness of 35 ⁇ m and a distance of 150 ⁇ m is arranged as the moisture sensor 8 Copper conductor tracks are used as poles 11 and 12.
  • An aluminum plate with the dimensions 3 x 15 x 15 mm is used as the condensate collector.
  • the distance between the moisture sensor 8 and the condensate collector 1 is 2 mm.
  • the Peltier element 2 has a current consumption of 1.8 A at a maximum of 3 volts.
  • the measuring chamber 14 has a volume of 20 cm 3 .
  • optical sensors In addition to the conductor track sensor shown, optical sensors, ultrasound sensors and other components suitable for capacitive or resistance measurements can also be used.
  • the sample gas chamber can be designed for any high pressure.
  • the arrangement described as being preferred is very robust and, in contrast to the usual optical and capacitive ones, insensitive to contamination, calibration-free and including the peripheral devices from cheap industrial standard components, so that the realizable prices are of the order of 1 / 10 of the mirror dew point measuring devices are located.
  • the basic arrangement described permits many variants, for example the cascade connection of several Peltier elements to achieve particularly low cooling temperatures, or high recooling temperatures or the use of other cooling systems.
  • the senor also undergoes a temperature treatment in order, for example, to selectively determine the presence of several condensable vapors, or to place several sensors around one cooling surface or several cooling surfaces around one or more sensors.

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Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes von Komponenten eines Gasgemisches
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes von Komponenten eines Gasgemi¬ sches.
Die genaue Bestimmung des Dcunpfanteils in Gasströmen ist in vielen Bereichen der Prozeßtechnik von größter Wichtigkeit, um Korrosionsschäden zu vermeiden, unerwünschte Emissionen zu verhindern oder um den Gasström in Hinsicht einer optima¬ len Prozeßführung zu konditioniere .
Eine weit verbreitete .Anordnung, insbesondere zur Feststel¬ lung des Wasserdampfanteils in Luftströmen, sind Tau¬ punkthygrometer, bei denen die Luft soweit abgekühlt wird, bis der Wasserdampf kondensiert. Die so ermittelte Tau¬ punkttemperatur entspricht der Sättigungstemperatur der Luft, aus der sich in Kenntnis der sensiblen Temperatur des Luftstroms auch die relative Feuchte ableiten läßt.
Wie aus der Veröffentlichung DE-Buch, Winfried Lück, Feuch¬ tigkeits-Grundlagen, Messen, Regeln, R.' Oldenburg, München, Wien 1964, S. 74 bis 84 dargelegt ist, sind hierfür im we¬ sentlichen drei Verfahren bzw. Vorrichtungen bekannt:
a) Taupunktspiegel, die bei Abkühlung unter dem Taupunkt beschlagen, b) gekühlte Elektrodenanordnungen, die bei Ausfall von Kon¬ densat den elektrischen Widerstand oder die Kapazität andern, und c) Nebelkammern, in denen Nebel beobachtet werden kann, wenn die Temperatur des in der Kammer befindlichen Meß- gases unter den Taupunkt sinkt. Beim Nebelkammer-Hygrometer wird das Meßgas, ohne den Tau¬ punkt zu unterschreiten, komprimiert und anschließend ent¬ spannt. Durch die Entspannung kühlt sich die Feuchtluft er¬ heblich und nahezu homogen ab. In einer beleuchteten "Nebel- kammer" kann Nebelbildung beobachtet werden, falls infolge der Temperaturabsenkung durch die Entspannung der Taupunkt des Meßgases unterschritten wurde. Durch wiederholtes Kom¬ primieren und anschließendes Entspannen wird der Überdruck gesucht, bei dem gerade Nebelbildung verursacht wird, wenn das Gas (z. B. auf atmosphärischen Luftdruck) entspannt wird. Aus der Feuchtgastemperatur und dem Kompressionsver¬ hältnis kann die Taupunkttemperatur errechnet werden.
Bei einem Spiegel-Taupunktmeßgeräten mit Taupunkt-Spiegel kühlt man das Meßgas bis zur Grenze der Tauausscheidung ab, in dem man versucht, durch wiederholtes Einpegeln der Kühl¬ temperatur die Kühlung einzustellen, bei der gerade Taubil¬ dung erkennbar ist. Es sind Geräte bekannt, bei denen eine Fotozellenanordnung über einen Regelverstärker die Kühlung und/oder Heizung des Tauspiegels immer so steuert, daß die Taugrenze automatisch - d. h. regelnd - festgehalten wird. Regelungstechnisch bringt die Aufgabe eines automatischen Taupunktabgleichs einige Schwierigkeiten mit sich, weil die Taubildungsgeschwindigkeit sehr stark von der jeweiligen Taupunkttemperatur abhängt. Verschiedene Varianten von Spie¬ gel-Taupunktmeßgeräten sind neben der genannten Fach¬ buchveröffentlichung auch aus DE-OS 19 57 322, DE-AS 12 99 437, der DE-OS 26 4*0 663, der DE-OS 29 45 445 sowie der US- PS 3 385 098 bekannt.
Um bei Spiegel-Taupunktmeßgeräten die Schwierigkeiten im Zu¬ sammenhang mit# der fotoelektrischen Spiegelabtastung zu ver¬ meiden, wird gelegentlich von gekühlten Elektrodenanordnun¬ gen Gebrauch gemacht. Durch eine meanderförmige Anordnung einer Leiterbahn auf einem isolierenden Substrat können sehr niedrige Streckenwiderstände erzielt werden, die ohne großen Aufwand kräftige Steuergrößen liefern können. Anstelle der Messung des Widerstandes der gekühlten Elektrodenanordnung kann auch die Kapazitätsänderung benutzt werden, die sich einstellt, wenn sich durch Beschlagen des Sensors die Elek- trizitätskonstante ändert. Ein derartiger kapazitiver Tau¬ punkt-Detektor ist beispielsweise aus der DE-OS 32 31 534 bekannt.
Der wesentliche Nachteil von Geräten mit Taupunkt-Spiegeln und Nebelkammern besteht in dem hohen apparativen und regel¬ technischen Aufwand, was sich in entsprechend hohen Preisen für solche Geräte niederschlägt. Gekühlte Elektrodenanord¬ nungen hingegen haben den Nachteil, daß die Meßgenauigkeit vergleichsweise gering ist. Dies ist in erster Linie auf die Hygroskopizität aller üblichen Materialien für Leiterbahn¬ träger zurückzuführen, die schon weit vor der Sättigung und damit dem Abscheiden von Flüssigkeit zu einem Absinken der Oberflächenwiderstände führt. Die Verwendung von Leiterbahn¬ trägern mit geringerer Hygroskopizität, z. B. Paraffine oder Wachse, oder die Konditionierung herkömmlicher Leiterbahn¬ träger mit diesen Stoffen führt wegen der niedrigen Schmelz¬ temperatur und der geringen mechanischen Festigkeit eben¬ falls nicht zu befriedigenden Ergebnissen.
Ein weiterer Nachteil von gekühlten Elektrodenanordnungen besteht darin, daß es aufgrund der schlechten Wärmeleitungs- eigenschaften dieser Materialien sehr schwierig ist, deren genaue Oberflächentemperatur, d. h. die genaue Oberflächen¬ temperatur der Kondensationsfläche, zu bestimmen. Folglich kann auch die Tupunkttemperatur nicht genau bestimmt werden.
Auf die geschilderten Nachteile von den bekannten Meßgeräten bzw. Verfahren wird auch in dem Zeitschriftenartikel "Funk¬ tioniert mein Drucklufttrockner?" von E. Prü m in der Fach- Zeitschrift "Drucklufttechnik", 11-12/1989, S. 33 und 34 hingewiesen. Schließlich ist aus der DE-OS 37 13 864 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes von Komponenten eines Gasgemisches bekannt, von der die Erfindung im Oberbe- griff des Anspruchs 1 ausgeht. Die bekannte Vorrichtung weist einen Feuchtesensor auf, bei dem es sich sowohl um einen Taupunkt-Spiegel als auch um eine gekühlte Elektroden¬ anordnung handeln kann. Des weiteren ist ein Kondensat¬ sammler vorgesehen, der mittels einem Peltierelement gekühlt bzw. aufgeheizt werden kann. In thermischen Kontakt mit dem Kondensatsammler ist ein Temperatursensor angeordnet, durch den die Temperatur des Kondensatsammlers bzw. der Kondensa- tionsfläche gemessen wird. Feuchtesensor, Kondensatsammler und Temperatursensor sind in einem einzigen Bauteil inte- griert. Daher und da bei diesem bekannten System das Ausfal¬ len von Flüssigkeit entweder durch einen Taupunkt-Spiegel oder durch gekühlte Elektrodenanordnungen bestimmt wird, weist diese Anordnung auch die genannten Nachteile der je¬ weiligen Meßprinzipien auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes von Kompo¬ nenten eines Gasgemisches anzugeben, die bei einem niedrigen Preis die Meßgenauigkeit von Spiegel-Taupunktmeßgeräten in etwa erreichen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 bzw. 12.
Das wesentliche Lösungsmerkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der temperaturgeführte Kondensatsammler vom Feuchtesensor räumlich getrennt angeordnet wird. In dem gekühlten Kondensatsammler scheidet sich bei Erreichen der Taupunkttemperatur Flüssigkeit ab. Diese Flüssigkeit wird während des Auf eizens des Kondensatsammlers wieder ver¬ dampft und führt in der Umgebung des Kondensatsammlers in der der Feuchtesensor angeordnet ist zu einem erhöhten Dampfgehalt, der durch den Feuchtesensor deutlich angezeigt wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es nicht mehr nötig ist Temperatur und Auftreten von Kondensat im gleichen Zeitpunkt zu messen. Gemäß der vorliegenden Er¬ findung wird vielmehr indirekt aufgrund des Auftretens einer signifikanten Feuchteänderung während des Aufheizens des Kondensatsammlers darauf geschlossen, daß während der vor¬ ausgehenden Abkühlphase die gesuchte Taupunkttemperatur durchfahren worden ist. Durch Änderung der durchfahrenen Temperaturdifferenzen und damit durch Änderung der Abkühl¬ endtemperatur kann damit die gesuchte Taupunkttemperatur iterativ ermittelt werden. Auch die Ausgangstemperaturen zu Beginn der Abkühlphase können zu diese Zweck geändert wer¬ den.
Um die Änderung des Dampfgehalts signifikanter zu machen ist es vorteilhaft, zumindest den Feuchtesensor und den Konden¬ satsammler in einer Meßkammer anzuordnen. Eine weitere Erhö¬ hung der Signifikanz kann dadurch erreicht werden, daß die Strömung des Meßgases zumindest während der Aufheizphase un¬ terbunden wird. Gleichzeitig verringert sich dadurch auch die zur Bestimmung des Taupunkts notwendige Meßgasmenge.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Signifikanz der Anzeige besteht darin, den Feuchtesensor räumlich unmittel¬ bar über den Kondensatsammler anzuordnen, so daß das während der Aufheizphase verdampfende Kondensat den Feuchtesensor unmittelbar beaufschlagt.
Als Feuchtesensor kann sowohl ein Spiegel oder eine Elektro¬ denanordnung verwendet werden. Auch andere Bauelemente, die aufgrund des erhöhten Dampfgehaltes im elektrischen Wider¬ stand stark verändern, können eingesetzt werden. Die zur Er-
ERSATZBLATT fassung der signifikanten Änderung der Feuchte erforderliche Peripherie orientiert sich jeweils am verwendeten Feuchtesensor.
Bei der Verwendung eines Spiegels als Feuchtesensor, bei dem die signifikante Änderung der Feuchte aufgrund des Beschla- gens des Spiegels festgestellt wird, ist im Gegensatz zu den bekannten Spiegeltaupunktmeßgeräten der Regelungsaufwand bzw. die Verfahrensführung wesentlich vereinfacht. Bei den bekannten Spiegel-Taupunktmeßgeräten besteht die regelungs¬ technische Schwierigkeit darin, möglichst genau die Tempera¬ tur zum Zeitpunkt des ersten Abscheidens von Kondensat fest¬ zustellen. D. h. der genaue Zeitpunkt der Bildung von Tau und die zu diesem Zeitpunkt vorherrschende Temperatur müssen meßtechnisch miteinander erfaßt werden. Im Gegensatz hierzu ist bei der vorliegenden Erfindung die Messung der Feuchte bzw. die Messung des Auftretens von Kondensat und die Tempe¬ raturmessung meßtechnisch sozusagen entkoppelt. Es muß le¬ diglich festgestellt werden, ob die in einem vergleichsweise großem Temperatur- und Zeitintervall eine starke Feuchteän¬ derung auftritt oder nicht. Die Messung der zugehörigen Tau¬ punkttemperatur erfolgt durch Iteration.
Dies bewirkt auch bei Verwendung einer Εlektrodenanordnung als Feuchtesensor, daß die Hygroskopität des Leiterbahnträ¬ gers keine Rolle spielt, da die Änderung des Feuchtegehalts nur qualitativ erfaßt werden muß.
In vorteilhafter Weise spielt auch die Hygroskopität des für den Kondensatsammler verwendeten Materials lediglich eine untergeordnete Rolle, da die vor Erreichung der Sättigungs¬ temperatur durch Hygroskopizität vorliegende Flüssigkeits¬ menge so gering ist, daß die hieraus resultierenden Indika¬ tionsimpulse sich deutlich von denen einer Kondensatan- Sammlung nach Unterschreiten der Taupunkttemperatur bzw. bei Erreichen der Taupunkttemperatur unterscheiden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der Feuchtesensor selbst nicht aufgeheizt oder abgekühlt werden muß und sich auf ihm nur unwesentliche Mengen von Kondensat niederschlagen. Damit ist eine Hauptquelle der Verschmutzung und der Korrosion eliminiert.
Bei der Verwendung einer Elektrodenanordnung als Feuchtesen¬ sor kann die Korrosion noch dadurch vermieden werden, daß der Feuchtesensor während der Messung mit Wechselstrom be¬ aufschlagt wird, so daß keine galvanischen Veränderungen möglich sind.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Temperaturmessung auf der Oberfläche des Kon¬ densatsammlers vergleichsweise einfach ist, da hier vorzugs¬ weise gut wärmeleitende und korrosionsfeste Metalle einge¬ setzt werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die durch das häu¬ fige Kondensieren und anschließende Wiederverdampfen von Flüssigkeit im Kondensatsammler auftrende Verschmutzung die Funktion bzw. die Meßgenauigkeit der vorliegenden Erfindung nur unwesentlich beeinflußt.
Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau ergibt sich, wenn zum Kühlen und Aufheizen des Kondensatsammlers ein Pel- tierelement verwendet wird.
Ein kompakter Aufbau ergibt sich auch, wenn als Kondensat¬ sammler eine Seite eines Wärmetauschers, insbesondere eines Verdampfungswärmetauschers ausgebildet ist. Für den Fall, daß die Abkühlung des Kondensatsaramlers mittels eines Ver- da pfungs-Wärmetauschers erfolgt, kann die Aufheizung des Kondensatsammlers beispielsweise mittels einer Widerstands¬ heizung oder mittels Mikrowelleneinstrahlung erfolgen. Insbesondere für den Fall, daß in einem Gasgemisch nachein¬ ander der Taupunkt von mehreren Komponenten bestimmt werden soll, ist die Verwendung eines Sintermetall-Wärmetauschers als Kondensatsammler sinnvoll. Für diesen Fall muß zunächst die Komponente mit dem höchsten Taupunkt vollständig aus dem Meßgasvolumen entfernt werden. Erst wenn dies geschehen ist, kann der nächst tiefergelegene Taupunkt einer Komponente be¬ stimmt werden. D. h. der Kondensatsammler arbeitet gleich- zeitig als Kältetrockner.
In solchen Fällen ist es auch sinnvoll, mehrere Feuchtesen¬ soren und/oder mehrere zugeordnete Kondensatsammler vorzuse¬ hen. Beispielsweise kann bei gleichzeitigem Betrieb von meh- reren Feuchtesensoren mit zugeordneten Kondensatsammlern mit unterschiedlichen Ausgangstemperaturen und/oder Temperatur¬ differenzen während der Abkühlung die Zeitdauer, die zur Be¬ stimmung der gesuchten Taupunkttemperatur benötigt wird, minimiert werden.
Die Erfindung wird-im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles' näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegen¬ den Erfindung.
Das Taupunkt-Meßgerät nach Fig. 1 weist einen KondensatSamm¬ ler 1 in Form einer Aluminiumplatte Es lassen natürlich auch anders geformte Kondensatsammler mit aus anderen gut wärme¬ leitenden Materialien verwenden. Eine Seite des Kondensat¬ sammlers 1 ist gut wärmeleitend mit einer Einrichtung zur Regelung der Temperatur des Kondensatsammlers 1 in Form eines Peltierelements 2 verbunden. Auf der anderen Seite bzw. einer aktiven Fläche 3 kann sich Kondensat abscheiden. Auf der aktiven Fläche 3 des Kondensatsammlers 1 ist ein Temperatur-Sensor 4 vorgesehen, mit dem die Temperatur des Kondensatsammlers 1 oder genauer die Temperatur der aktiven Fläche 3 überwacht werden kann und mit dem die gesuchte Tau¬ punkttemperatur gemessen wird. Das Peltierelement 2 weist elektrische Anschlüsse 6 und 7 auf. Räumlich über dem Kondensatsammler 1 ist ein Feuchtesensor 8 in Form einer Elektrodenanordnung vorgesehen. Der Feuchtesensor 8 besteht aus einem Isolator 10 auf dem die zwei Pole 11 und 12 der Elektrodenanordnung in Form von kammartig ineinandergreifen- den Leiterbahnen angeordnet sind.
Feuchtesensor 8 und Kondensatsammler 1 sind in einer Me߬ kammer 14 angeordnet. Die Meßkammer 14 weist eine Zuleitung 16 und eine Ableitung 17 auf. Die Ableitung 17 ist durch ein Ventil 18 absperrbar. In der Zuleitung 16 ist schematisch eine Fördereinrichtung 20 dargestellt, mit der das Meßgas in die Meßkammer 14 befördert wird. Zwischen der Fördereinrich¬ tung 20 und der Meßkammer 14 bzw. zwischen der Meßkammer 14 und dem Ventil 18 können beliebige Einrichtungen wie Filter, Wärmetauscher, Volumenstromwächter etc. eingesetzt werden, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind.
Die Regelung und die Betriebsweise der beschriebenen Ausfüh¬ rungsform ist recht einfach. Zum Zeitpunkt der Inbetrieb- nähme des Meßgeräts bzw. zu Beginn eines Meßzyklus befindet sich die aktive Fläche 3 des Kondensatsammlers 1 auf dem Ausgangstemperaturniveau TQ. Die beliebige Ausgangstempera¬ tur TQ ist üblicherweise die Umgebungstemperatur oder die Eintrittstemperatur des Meßgases in die Meßkammer 14. Durch Kühlung des Kondensatsammlers 1 mittels des Peltierelements 2 wird der Kondensatsammler 1 bzw. dessen aktive Fläche 3 um die Temperaturdifferenz dT auf eine Temperatur T abgekühlt. Wird das erfindungsgemäße Taupunkt-Meßgerät beispielsweise in einem Druckluft-Versorgungssystem verwendet, handelt es sich bei der Temperatur T um eine als Alarm-Schwellenwert definierte Temperatur oder um die gewünschte Taupunkttempe¬ ratur des jeweiligen überwachten Trockners.
Ist die Temperatur ,- erreicht, wird durch Umpolung der elektrischen Anschlüsse 6 und 7 des Peltierelements 2 die Aufheizphase eingeleitet. Die Dauer der Abkühlphase bzw. die Dauer der Aufheizphase und die Haltezeit auf dem jeweiligen Teperaturniveau orientiert sich am jeweiligen Anwendungs- fall. Während der Abkühlphase muß sichergestellt werden, daß sich genügend Kondensat abscheiden kann und während der Auf- heizphase muß sichergestellt werden, daß gebildetes Konden¬ sat wieder vollständig verdampft wird. Zeigt der Feuchtesen¬ sor 8 bis zur Erreichung der frei wählbaren, am -Einsatzbe- reich orientierten, Heizendtemperatur einen Indikationsim- puls, z. B. in Form eines starken Widerstandabfalls, so ist die während der vorausgehenden Abkühlphase erreichte Abkühl¬ endtemperatur die gesuchte Taupunkttemperatur oder eine Tem¬ peratur unterhalb der Taupunkttemperatur.
Zeigt der Feuchtesensor 8 keinen Indikationsimpuls, bleibt der Widerstand also beispielsweise konstant, wurde die Tau¬ punkttemperatur nicht erreicht.
Im ersten Fall wird nun eine höhere Temperatur, beispiel- haft +1 K angefahren, im zweiten Fall eine niedrigere Tempe¬ ratur.
Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Meßreihe immer in Richtung der tatsächlich vorliegenden Taupunkttemperatur durchgeführt wird.
Die genauen Parameter der Regelstrategie, also z.B. die Tem¬ peraturschritte, Abkühl- und Heizgeschwindigkeit werden sich am jeweiligen Anwendungsfall orientieren. Sofern man eine permanente Anzeige wünscht, wird die vorlie¬ gende Taupunkttemperatur z.B. in der Weise definiert, daß die letzte Temperatur, bei der eine Indikation vorlag, der jeweiligen Taupunkttemperatur entspricht.
Die zulässige bzw. geeignete zeitliche Länge des Meßinter- vals wird sich ebenfalls nach der jeweiligen Anwendung rich¬ ten und ist durch die Leistung der installierten Kühlein¬ richtung beeinflußbar. Weiterhin ist auch die Installation mehrerer Kühlflächen an einem Sensor oder die Plazierung mehrerer Anordnungen in einer Meßkammer möglich, so daß eine quasi kontinuierliche Messung möglich ist.
Um die Regelung des erfindungsgemäßen Taupunkt-Meßgeräts bzw. die Bestimmung der Taupunkt-Temperatur zu automa¬ tisieren wird die Anzeige des Feuchtesensors 8, das Signal aus dem Temperatursensor 4 und die Ansteuerung des Peltier¬ elements 2 in einer nicht näher dargestellten Steuereinrich¬ tung zusammengeführt.
Wenn man die Dauer der Abkühlphasen optimiert, lassen sich mit dem beschriebenen Taupunkt-Meßgerät nach Fig. 1 Me߬ genauigkeiten von Spiegel-Taupunkt-Meßgerät erreichen, d. h. Meßgenauigkeiten von ± 0,2 °C.
In einer konkreten Ausgestaltung des Taupunkt-Meßgeräts nach Fig. 1 wird als Feuchtesensor 8 beispielsweise eine Platte aus Epoxidharz (15 x 15 mm) als Isolator 10 mit 300 μm brei¬ ten, 35 μm dicken und im Abstand von 150 μm zueinander ange- ordneten Leiterbahnen aus Kupfer als Pole 11 und 12 verwen¬ det. Als Kondensatsaammler wird eine Aluminiumplatte mit den Abmessungen 3 x 15 x 15 mm verwendet. Der Abstand zwischen dem Feuchtesensor 8 und dem Kondensatsammler 1 beträgt 2 mm. Das Peltier-Element 2 hat eine Stromaufnahme von 1,8 A bei maximal 3 Volt Spannung. Die Meßkammer 14 weist ein Volumen von 20 cm3 auf. Bei Messung in Druckluft von 8 bar bei Taupunkttemperaturen zwischen 1,5 und 2,5 °C und bei einer mittleren sensiblen Temperatur der Druckluft von 22 °C wur¬ den pro Stunde 12 Meßzyklen durchgeführt. Der Volumenstrom durch die Meßkammer 14 betrug 150 NLtr./h (Normalliter pro Stunde) . Dabei wurden während des Aufheizens des Kondensat¬ sammlers 1 folgende Widerstandsänderungen erzielt:
Anfangsbedingungen >50 * 106 Ohm
0,2 K über Taupunkttemperatur >50 * 106 Ohm 0,2 K unter Taupunkttemperatur <0,5* 106 Ohm
Damit liegt bei der genannten Meßgenauigkeit von 0,2 K ein signifikantes Widerstandsverhältnis von 1:100 vor. Signifi¬ kant wäre auch ein wesentlich kleineres Widerstandsverhält- nis, so daß sich die Meßgenauigkeit noch steigern ließe.
Neben dem dargestellten Leiterbahn-Sensor können auch opti¬ sche Sensoren, Ultraschall-Sensoren und andere für kapazi¬ tive oder Widerstandsmeßungen geeignete Bauelemente verwen- det werden.
Die Meßgaskammer kann im Prinzip für beliebig hohe Drücke ausgelegt werden.
Die als vorzugsweise beschriebene Anordnung ist sehr robust und im Gegensatz zu den üblich optischen und kapazitiven, gegen Verschmutzung unempfindlich, kalibrationsfrei und in¬ klusive der peripheren Einrichtungen aus billigen Industrie¬ standard-Komponenten zu erstellen, so daß die realisierbaren Preise in der Größenordnung 1/10 der Spiegel-Taupunkt-Meßge¬ räten liegen.
Die beschriebene Grundanordnung erlaubt viele Varianten, so beispielsweise die Kaskadenschaltung mehrerer Peltier-ele- mente zur Erzielung besonders niedriger Abkühltempe-raturen, bzw. hohe Rückkühltemperaturen oder den Einsatz anderer Kühlsysteme.
Weitere Varianten sind in der Weise denkbar, das auch der Sensor eine Temperaturbehandlung erfährt, um bespielsweise die Anwesenheit mehrerer kondensierbarer Dämpfe selektiv zu bestimmen oder mehrere Sensoren um eine Kühlfläche oder meh¬ rere Kühlflächen um einen oder mehrere Sensoren plaziert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung des Taupunkts von Kompo¬ nenten eines Gasgemisches mit einem Feuchtesensor (8), einem Kondensatsammler (1), einer mit dem Kondensatsammler (1) thermisch ge- koppelten Einrichtung (2) zur Regelung der Tem¬ peratur des Kondensatsammlers (1) , und einem Temperatursensor (4), der in thermischem Kontakt mit dem Kondensatsammler (1) steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Feuchtesensor (8) die Gasfeuchte mißt und räumlich getrennt von, aber benachbart zu dem Kon¬ densatsammler (1) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtesensor (8) räumlich unmittelbar über dem Kondensatsammler (1) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Feuchtesensor (8) und Kondensatsammler (1) in einer Meßkammer (14) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (14) eine Zuleitung (16) und eine Ableitung (17) aufweist, und daß zumindest die Ab¬ leitung (17) durch ein Ventil (18) absperrbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtesensor (8) einen Spiegel aufweist, der einen hohen Dampfgehalt durch Beschlag anzeigt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- durch gekennzeichnet, daß der Feuchtesensor (8) ein
Substrat (10) aus einem elektrischen Isolator auf¬ weist, auf dem räumlich getrennt voneinander wenig¬ stens zwei Leiterbahnen (11, 12) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Re¬ gelung der Temperatur des Kondensatsammlers (1) we¬ nigstens ein Peltier-Element (2) umfaßt, durch das der Kondensatsammler abkühlbar und aufheizbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2) zur Regelung der Temperatur des Kondensatsammlers (1) einen Wärmetauscher, insbesondere einen Ver- dampfungswärmetauseher umfaßt, von dem eine Seite den Kondensatsammler bildet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Sintermetall-Wärmetauscher ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden .Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Feuchtesensoren vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kondensatsammler vorgesehen sind.
12. Verfahren zu Bestimmung des Taupunkts von Komponen¬ ten eines Gasgemisches, insbesondere mit einer Vor-
BLATT richtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten:
a) Abkühlung eines in dem Gasgemisch angeordneten Kondensatsammlers von einer Ausgangstemperatur TQ um eine Temperatur-Differenz <ιT,
b) Aufheizen des Kondensatsammlers,
c) Messung der Änderung der Gasfeuchte mittels eines von dem Kondensatsammler getrennt angeord¬ neten Feuchtesensor,
d) Wiederholung der vorhergehenden Verfahrens- schritte mit geänderten Werten für die Ausgangs- temperatur TQ und/oder Temperaturdifferenz T bis wenigstens einmal eine Änderung der Feuchte wäh¬ rend des Aufheizens des Kondensatsammlers erfaßt wird, und
e) Festlegen derjenigen Endtemperatur während der Abkühlphase als Taupunkt-Temperatur, bei der in der darau folgenden Aufheizphase keine Änderung der Feuchte mehr erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest während der Au heizphase bzw. während dem Messen der Feuchte ein abgeschlossenes Meßvolu¬ men vorliegt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Kondensatsammler wäh¬ rend der Aufheizphase auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die über der Ausgangstemperatur TQ liegt.
15. Verfahren nach einem der arsprdche 12 bis 14, da¬ durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verfahrens¬ schritte mit unterschiedlichen Ausgangswerten für TQ und Δ1 gleichzeitig durchgeführt werden.
16 Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Feuchteänderung wäh¬ rend der Aufheizphase durch die Widerstandsänderung einer Ξlektrodenanordnung (11, 12) erfaßt wird, wo¬ bei die Elektrodenanordnung mit Wechselstrom beauf¬ schlagt wird.
ATT
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