DD160377A3 - Ultraviolett-spektralhygrometer zur gasfeuchtigkeitsbestimmung - Google Patents

Abstract

Das UV-Hygrometer eignet sich besonders zur Messung der absoluten Feuchtigkeit in Gasen,die unter Ueberdruck gespeichert oder transportiert werden, sowie in Gasen mit einem mittleren bis sehr hohen Feuchtigkeitsgehalt. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein UV-Hygrometer hoher Empfindlichkeit zur exakten, kontinuierlichen und nahezu traegheitslosen Messung der absoluten Feuchtigkeit in Gasen mit einer grossen Anwendungsbreite zu schaffen. Dies wird dadurch geloest, dass ein Atom-Linienstrahler im Wellenlaengenbereich von 140nm...190nm innerhalb einer Absorptionsbande von Wasserdampf zur Anwendung kommt.

Description

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Ultraviolett-Spektralhygrometer zur Gasfeuchtigkeitsbestimmung

Anwendungsgebiet der Erfindung ·

Die Erfindung betrifft ein Ultraviolett-Spektralhygrometer (im folgenden UV-Hygrometer genannt) zur Gasfeuchtigkeitsbestimmung· Das UV-Hygrometer eignet sich besonders zur Messung der absoluten Feuchtigkeit in Gasen, die unter Überdruck gespeichert oder transportiert werden sowie in Gasen mit einem mittleren bis sehr hohen Feuchtigkeitsgehalt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte UV-Hygrometer bestehen aus einer UV-Strahlungsquelle, die so angeordnet ist, daß die Strahlung eine Gasprobe durchdringt und einem photοelektrischen Empfänger, der die Strahlung nachweist. Als Meßwellenlänge wird hierbei ausschließlich die Lyman-Alpha-Linie des .atomaren Wasserstoffs von 121,568 nm benutzt* Voraussetzung bei der Anwendung des UV-Hygrometers ist, daß das Gas, in dem die absolute Feuchtigkeit bestimmt werden soll, im Bereich der Lyman-Alpha-Linie eine fehlende oder nur sehr geringe Eigenabsorption besitzen muß· Bei einer Reihe von Gasen, die in der Technik eine wichtige Rolle spielen, ist diese Voraussetzung besonders dann, wenn diese. Gase unter Überdruck stehen, nicht erfüllt«

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Hierzu gehören ζ« B. Methan mit einem Absorptionskoeffizienten

^Lv-OC ⁼ 4°° ^cm~' ^und Äthylen mit k-^ _A =700 cm""¹

zum Vergleich hierzu sei als geeignetes Gas Stickstoff genannt, das einen Absorptionskoeffizienten

besitzt·

Alle Zahlenangaben für die Absorptionskoeffizienten beziehen sich auf den physikalischen DTormzustand (273,15 K, 760 Torr = 101325 Pa). . '

Bei den beiden erstgenannten Gasen ist es nicht möglich, Feuchtigkeitsmessungen nach der absorptionsspektroskopischen Methode bei der Wellenlänge der Lyman-Alpha -Linie durchzuführen·

Auch bei Gasen mit mittelgroßem Absorptionskoeffizienten z« B» Kohlendioxid- erhöht sich bei Überdruck von 10 Pa die Absorption durch das trockene Gas so stark, daß die Überdruckzelle eine MeßStreckenlänge von höchstens 0,2 mm aufweisen müßte. Die Anfertigung einer derartigen Überdruckzelle ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden· Insbesondere treten Schwierigkeiten bei der Herstellung von überdruckbeständigen Penstern aus Lithiumfluorid (LiI¹) bzw. Magnesiumfluorid (MgP₂) auf» LiP und MgP₂ sind die einzigen festen Stoffe, die für Lyman-Alpha-Strahlung durchlässig sind. Fenster aus diesen Stoffen sind hygroskopisch und im allgemeinen nicht überdruckbeständig, so daß ihr Einsatz bei der Messung der absoluten Feuchtigkeit in Gasen, die unter Überdruck stehen, nur mit erheblichem technischem Aufwand erfolgen kann. Daher war bisher eine Messung der absoluten Feuchtigkeit in Gasen, die unter hohem Überdruck stehen mit UY-Hygrometern nicht möglich.

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In der Praxis treten zum Beispiel bei Normaldruck erhebliche Schwierigkeiten bei der Trocknung keramischer Massen auf, wenn kontinuierlich hohe absolute Feuchtigkeiten in Gasen meßtechnisch erfaßt werden sollen· So treten Taupunkttemperaturen T^ bis 333 K bei Temperaturen T bis 600 K auf· Derartige Belastungen führen zur Zerstörung der bekannten technischen Lösung·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, Feuchtigkeitsuntersuchungen nach dem UV-Strahlungsabsorptionsprinzip in industriellen Gasen,

- bei denen die absorptionsspektroskopische Methode bei der Wellenlänge der Lyman-Alpha-Linie nicht anwendbar ist,

- die unter Überdruck gespeichert sind oder transportiert werden,

- oder die einen mittleren bis sehr hohen Feuchtigkeitsgehalt besitzen

zu. ermöglichen»

Dabei sollen sowohl kurz- als auch langzeitige Änderungen der absoluten Feuchtigkeit erfaßt und kontrolliert werden»

Die Notwendigkeit der Messung der absoluten Feuchtigkeit in Gasen unter vorliegenden Druckbedingungen ergibt sich aus der Tatsache, daß aus einer Messung unter physikalischem Hormzustand nicht zwangsläufig auf die Verhältnisse bei Überdruck geschlossen werden kann«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein UV-Hygrometer hoher Empfindlichkeit zur exakten, kontinuierlichen und nahezu trägheitslosen Messung der absoluten Feuchtigkeit in Gasen, bei denen die absorptionsspektroskopische Methode, bei

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der Lyman-Alpha-Linie nicht anwendbar ist oder in Gasen, die unter Überdruck stehen» zu entwickeln. Dabei soll die Messung der absoluten Feuchtigkeit auch bei sehr hohen Feuchtigkeitsgehalten möglich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe unter Verwendung einer Überdruckmeßzelle, eines Prismas zur Strahlenteilung, einer rotierenden Lochscheibe zur Modulierung des Meßstrahl enbiindels, einer PiIterkombination, zweier Spiegel zur Umlenkung des·Meßstrahlenbündels sowie eines Stromversorgungsgerätes dadurch gelöst, daß bei dem UV-Hygrometer ein Atom-Linienstrahler für das UV-Gebiet im Wellenlängenbereich von 140nm ··<, 190 mn zur Anwendung kommt» Dieser Strahlungsquelle ist ein bekannter, im oben genannten Wellenlängenbereich empfindlicher photoelektrischer Empfänger nachgeordnetο

Der UV-Spektralbereich von 140 nm .», 190 nm ist für die absolute Feuchtigkeitsmessung in Gasen, bei denen die ab— sorptionsspektroskopische Methode bei der Lyman-Alpha-Linie nicht anwendbar ist, bei Gasen, die unter Überdruck stehen und bei Gasen, die einen mittleren bis sehr hohen Feuchtigkeitsgehalt besitzen, besonders prädestiniert* Das trifft deshalb zu, weil die Strahlung in einer für die Messung günstigen Weise absorbiert wird und sich die Abmessungen der erforderlichen Überdruckmeßζeilen technisch einfacher realisieren lassen·

Als besonders günstig haben sich Meßstreckenlängen von 1 cm »·» 30 cm erwiesen· Hierbei ist die Tatsache berücksichtigt, daß komprimiertes Gas in der Volumeneinheit wesentlich mehr Wasserdampf aufnehmen kann, ohne zu kondensieren, als bei der gleichen Temperatur im unkomprimierten Zustand*

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Mit der Wahl des angegebenen UV-Spektralbereiches für die Feuchtigkeitsmessung ist der Einsatz von Quarzglas und Korund als Fenstermaterial für die Meßzelle möglich» Diese Materialien besitzen im angegebenen Spektralbereich eine große Transmissivität, sind nicht hygroskopisch und lassen sich in der notwendigen Größe und Stärke auch für die Überdruckmeßzelle relativ einfach herstellen«

Durch eine weitere MeßStreckenverlängerung über den genannten Längenbereich hinaus besteht die .Möglichkeit,, die Empfindlichkeit des UV-Hygrometers so zu erhöhen, daß auch ein Spurennachweis von Wasserdampf durchgeführt werden kann·

Als Strahlungsquelle für das UV-Hygrometer wird eine Hg— Nieder.druckgasentladungslampe mit Quarzglaskolben vorgeschlagen» Von dieser Quelle werden im UV-Spektralgebiet nur die starken Resonanzlinien mit den Wellenlängen 184,957 nm und 253,652 nm erzeugt«

Wasserdampf absorbiert aus dem Hg-Atomlinienspektrum nur Strahlung der Wellenlänge 184,957 nm, während Strahlung der Wellenlänge 253,652 nm und auch andere längerwellige Linien beim Durchgang durch die Meßstrecke unbeeinflußt bleiben· Die Benutzung eines Quarzglaskolbens ist notwendig, damit die UV-Strahlung die Quelle verlassen kann·

Als photoelektrischer Empfänger kommt eine Cäsiumjodid- bzw. Kupferjodid-Photodathode mit Quarzfenster zur Anwendung» Aus dem Quecksilber-Atomlinienspektrum wird nur die Strahlung bei 184,957 nm wirksam, da Cäsiumjodid und Kupferiodid bei Bestrahlung mit Wellenlängen größer als 200 nm keine Photoelektronen emittieren»

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung seil nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:

Die in der Figur dargestellte Hg-Uiederdruckgasentladungslampe 1 wird "vom Stromversorgungsgerät 2 gespeist und erzeugt ein Hg-Atomlinienspektrum, insbesondere mit den starken Linien von 184,957 nm und 253,652 mn im UV-Spektralgebiet. Das von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlenbündel durchläuft eine Filterkombination 3 und wird von einem verspiegelten Prisma 4 in ein Meßstrahlenbündel 5 und ein "Vergleichsstrahlenbündel 6 zerlegt. Das Meßstrahlenbündel 5 wird vom Spiegel 7 umgelenkt und von einer rotierenden Lochscheibe 8 moduliert. Das Meßstrahlenbündel 5 gelangt durch ein Strahlungseintrittsfenster 9 aus Quarzglas in das Innere einer Überdruckmeßzelle 10, in der sich das Meßgas, dessen absolute Feuchtigkeit bestimmt werden soll, befindet· Wasserdampf absorbiert aus dem Hg-Atomlinienspektrum nur Strahlung der Wellenlänge 184,957 nm, während Strahlung bei 253,652 nm und auch andere längerwellige Linien keinen Einfluß auf die Messung haben. Das Meßstrahlenbündel 5 passiert das Strahlungsaustrittsfenster 11 und wird von einem weiteren Spiegel 12 umgelenkt, bevor es auf einen photoelektrischen Empfänger 13 fällt. Handelt es sich bei dem photoelektrischen Empfänger 13 um eine Photozelle mit Quarzglaskolben und CsJ- oder CuJ-Photokathode, können in diesem photoelektrischen Empfänger 13 nur Photonen mit einer Wellenlänge von 184,957 nm wirksam werden, da CsJ und CuJ bei Bestrahlung.mit Wellenlängen größer als 200,0 nm keine Photoelektronen emittieren· Die Photoströme werden mit Hilfe eines Photometerverstärkers 14 und einer Anzeigeeinrichtung 15 nachgewiesen·

Das Vergleichsstrahlenbündel 6 verläuft ohne Durchgang durch die Überdruckmeßzelle 10 über die Spiegel 16 und 17 zum gleichen photoelektrischen Empfänger 13·

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch

   * Ultraviolett-Spektralhygrometer zur Gasfeuchtigkeitsbe~ stimmung mit dem sowohl kurz- als auch langzeitige Änderungen der absoluten Feuchtigkeit erfaßt werden unter Verwendung einer Überdruckmeßζeile, eines Prismas zur Strahlenteilung, einer rotierenden Lochscheibe zur Modulierung des Meßstrahlenbündels, einer Filterkombination, zweier Spiegel -zur Umlenkung des Meßstrahlenbündels sowie eines Stromversorgungsgerätes, gekennzeichnet dadurch, daß das UV-Hygrometer einen Atomlinienstrahler für das Ultraviolett-Gebiet im Wellenlängenbereich von 140 nm »·· 190 nm innerhalb einer Absorptionsbande von Wasserdampf besitzt, dem ein bekannter im genannten Spektralbereich empfindlicher, photoelektrischer Empfänger nachgeordnet ist»
2. 2· Ultraviolett-Spektralhygrometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß es als Strahlungsquelle vorzugsweise eine Hg-Hiederdruckgasentladungslampe mit Quarzglaskolben besitzt, welche die Meßwellenlänge λ= 184,957 nm ausstrahlt,
3. 3« Ultraviölett-Spektralhygrometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als photoelektrischer Empfänger eine Cäsiumjodid- bzw· Kupferjodid-Photokathode mit Quarzfenster zur Anwendung kommt.

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