-
-
Ultraviolett-Spektralhygrometer zur Gasfeuchtigkeit sbe-
-
Stimmung 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.
-
Bekannte UV-Hygrometer bestehen aus einer UV-Strahlungsquelle, die
so angeordnet ist, daß die Strahlung eine Gasprobe durchdringt und einem photoelektrischen
Empfänger, der die Strahlung nachweist. Als Meßwellenlänge wird hierbei ausschließlich
die Byman-Alpha-Linie des atomaren Wasserstoffs von 121,568 nm benutzt (Messen,
Steuern, Regeln, Berlin (1975) 9, S. 207 und DD-WP 109076). 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.
-
Hierzu gehören z. B. Methan mit einem Absorptionskoeffidienten kLy-α
= 400 cm-1 und Äthylen mit kLy-α = 700 cm 1 Zum Vergleich hierzu sei als geeignetes
Gas Stickstoff genannt, das einen Absorptionskoeffizienten kLy-α<10-4 cm-1
besitzt0 Alle Zahlenangaben für die Absorptionskoeffizienten beziehen sich auf den
physikalischen Normzustand (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. Kohlendioxyd
erhöht sich bei Überdruck von 107 Pa die Absorption durch das trockene Gas so stark,
daß die Uberdruckzelle eine Meßstreckenlänge von höchstens 0>2 mm aufweisen müßte.
Die Anfertigung einer derartigen Überdruckzelle ist mit erheblichen uchwierigkeiten
verbunden.
-
Insbesondere treten Schwierigkeiten bei der Herstellung von überdruckbeständigen
Fenstern aus Lithiumfluorid (LiF) bzw. Magnesiumfluorid (Mgi; auf. LiF und XgF2
sind die einzigen festen Stoffe, die für Lyman-Alpha-Strahlen durchlässig sind.
Penster 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 Uberdruck
stehen mit Uv-Hygrometern nicht möglich.
-
In der Praxis treten z. 3. bei Normaldruck erhebliche Schwierigkeiten
bei der Trocknung keramischer Massen auS wenn kontinuierlich hohe absolute Feuchtigkeiten
in Gasen meßtechnisch erfaßt werden sollen. So treten Taupunkttemperaturen TD bis
333 K bei Temperaturen T bis 600 k auf.
-
Derartige Belastungen führen zur Zerstörung der bekannten technischen
Lösung.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein UV-Hygrometer hoher
Empfindlichkeit zur exakten, kontinuerlichen und nahezu trägheitslosen Messung der
absoluten Feuchtigkeit in Gasen, bei denen die absorptionsspektroskopische Methode
bei der Wellenlänge der Lyman-Alpha-Linie nicht anwendbar ist oder in Gasen, die
unter Überdruck stehen, zu entwickeln.
-
Dabei soll die Mensung der absoluten Feuchtigkeit auch bei sehr hohen
Feuchtigkeitsgehalten möglich sein.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem W-Hygrometer
ein Atom-Linienstrahler für das UV-Gebiet im Wellenlangenbereich von 140 ... 190
nm zur Anwendung kommt. Dieser Strahlungsquelle ist eine Meßzelle mit strahlungsdurchlässigen
Fenstern sowie ein spektralselektiver, im oben genannten Wellenlängenbereich empfindlicher
photoelektrischer Empfänger nachgeordnet. Ein zwischen dem Atomlinienstrahler und
der Meßzelle befindlicher Strahlenteiler zerlegt das vom-Atomlinienstrahler ausgehende
Strahlenbündel in ein Meßstrahlen- und ein Vergleichs strahlenbündel. Meßstrahlen-
und Vergleichsstrahlenbündel werden mittels einer rotierendenLochscheibe moduliert.
Während das modulierte Meßstrahlenbündel auf dem Wege zum photoelektrischen Empfänger
die in der Meßzelle befindliche Meßstrecke durchläuft, gelangt das modulierte Vergleichsstrahlenbündel
außerhalb der Meßzelle direkt zum Empfänger.
-
Bei sehr hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit des W-Hygrometers
werden die Strahlungswege, die außerhalb der Meßzelle verlaufen, absorptionsfrei
gehalten, indem die optischen Bauteile sich in einem hermetisch abgeschlossenen
Gehäuse befinden. Das Gehäuse ist mit einem trockenen Gas gefüllt, das die Meßstrahlung
nicht absorbiert.
-
Der W -Spektralbereich mit der Wellenlänge von 140 nm 190 nm ist für
die absolute Feuchtigkeitsmessung in Gasen, bei denen die absorptionsspektroskopische
Methode bei der Wellenlänge 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 Uberdruckmeßzellen technisch einfacher realisieren lassen.
-
Besonders günstig haben sich Meßstreckenlängen von 1 cm bis 30 cm
erwiesen. Hierbei ist die Tatsache berücksichtigt, daß im komprimierten Gas in der
Volumeneinheit wesentlich mehr Wasserdampf existieren kann, ohne zu kondensieren,
als bei der gleichen Temperatur im unkomprimierten Zustand.
-
Mit der Wahl des angegebenen UV-Spektralbereiches für die Feuchtigkeitsmessung
ist der Einsatz von Quarzglas, Eorung oder anderem geeignetem Material als Fenster
für die Meßzelle möglich. Quarzglas bzw. Korund sind besondensgut hierfür geeignet,
da diese Materialien im angegebenen Spektralbereich eine große Transmissivität besitzen,
nicht hygroskopisch sind uId sich in der notwendigen Größe und Stärke auch für die
Uberdruckmeßzelle relativ einfach herstellen lassen.
-
Durch eine weitere Meßstreckenverlängerung über den genannten Längenbereich
hinaus besteht die Möglichkeit die Empfindlichkeit des W-Hygrometers so zu erhöhen,
daß auch ein Spurennachweis von Wasserdampf durchgeführt werden kann.
-
Als Strahlungsquelle für das W-Hygrometer wird eine Hg-Niederdruckgasentladungslampe
mit Quarzglaskolben vorgeschlagen. Von dieser Quelle werden im 1w-Spektralgebiet
nur die starken Resonanzlinien mit den Wellenlängen 184,957 nm und 253,652 nm erzeugt.
-
Vom Wasserdampf wird aus dem Eg-Atomlinienspektrum Strahlung der Wellenlänge
184,957 nm absorbiert. Während Strahlung der Wellenlänge 253,652 nm und auch andere
längerwel lige Linien beim Durchgang durch die AIeßstrecke unbeeinfluBt bleiben.
Die Benutzung eines Quarzglaskolbens ist notwendig, damit die UV-Strahlung die Quelle
verlassen kann.
-
Als photoelektrischer Empfänger kommt eine Cäsiumåodid-bzw. Kupferjodid-Photokathode
mit Quarzfenster zur Anwendung. Aus dem Quecksilber-Atomlinienspektrum werden nur
Photonen mit einer Wellenlänge von 184,957 nm wirksam, da Cäsiumjodid und Kupferjodid
bei Bestrahlung mit Wellenlängen größer als 200 nm keine Fhotoele1ctronen emittieren.
-
Der vorgeschlagene W-Meßbereich erlaubt die Anwendung eines Strahlenteilers
und einer rotierenden Lochscheibe mit zwei unterschiedlichen Lochkränzen. Diese
Lochscheibe unterbricht das Meß- und Vergleichsstrahlenbündel mit unterschiedlicher
Frequenz, so daß aus dem Signal des phtoelektrischen Empfängers mit bekannten elektronischen
Mitteln der Quotient der Intensität beider Strahlenbündel gebildet werden kann.
Strahlungsteiler und rotierende Lochscheibe bilden die Voraussetzungen einer großen
zeitlichen Stabilität der Messungen sowie das Erreichen einer hohen Meßgenauigkeit.
Dabei haben Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle und Empfindlichkeitsverluste
des photoelektrischen Empfängers durch Alterung, die sich in der Praxis nicht ganz
vermeiden lassen, keinen Einfluß auf die Feuchtigkeitsmessung. Die sich aus der
erfindungsgemäßen Lösung ergebende Quotientenbildung wird durch Änderungen im Transmissionsverhalten
der verwendeten optischen Bauelemente nicht beeinflußt.
-
Als BUllgas für das hermetisch abgeschlossene Gehäuse eignet sich
z. B. Stickstoff, Helium oder ein anderes Edelgas.
-
Somit haben Schwankungen der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des
UV-Hygrometers keinen Einfluß auf das Meßergebnis.
-
Außerdem wird durch die Gasfüllung eine Bildung von Ozon verhindert.
Ozon würde durch seine absorbierenden Eigenschaften das Meßergebnis verfälschen.
-
Das UV-Hygrometer zeichnet sich durch kurze Meßwerteinstellzeiten
aus, die vom jeweiligen Gasdurchfluß in der Meßzelle bestimmt werden.
-
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden: Die in Figur 1 dargestellte IIg-Niederdruckgasentladungslampe
1 wird vom Stromversorgungsgerät 2 gespeist und erzeugt ein Hg-Atomlinienspektrum,
insbesondere mit den starken Linien bei einer Wellenlänge von 184,957 nm und 253,652
nm im UV-Spektralgebiet. Das von der Strahlungsquelle 1 ausgehende StrahlenbSindel
durchläuft eine Filterkombination 3 und wird von einem Strahlenteiler 4 in ein Meßstrahlenbündel
5 und ein Vergleichsstrahlenbündel 6 zerlegt. Das Meßstrahlenbündel 5 wird vom Spiegel
7 umgelenkt und von einer rotierenden Lochscheibe 8 mit zwei unterschiedlichen Lochkränzen
moduliert. Das Meßstrahlenbi'-idel 5 gelangt durch ein Strahlungseintrittsfenster
9 aus Quarzglas in das Innere einer Uberdruckmeßzelle 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 der Wellenlänge 253,652 nm und auch andere längerwellige Linien keinen
Einfluß auf die Messung haben. Das Meßstrahlenbündel 5 passiert das Strahlungsaustrittsfenster
aus Quarzglas 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 Wellen2änge
von 184,957 nm wirksam werden, da CsJ und OuJ bei Bestrahlung mit Wellenlängen größer
als 200,0 nm keine Photoelektronen emittieren. Die Photoströme werden mit HilSe
eines Photometerverstärkers 14 und einer Anzeigeeinrichtung 15 nachgewiesen.
-
Das Vergleichsstrahlenbündel 6 verläuft in einem ähnlichen Strahlengang
jedoch ohne Durchgang durch die Uberdruckmeßzelle 10 über die Spiegel 16 und 17
zum gleichen photoelektriscllen Empfänger 13.
-
Die rotierende Lochscheibe 8 mit zwei unterschiedlichen Lochkränzen
unterbricht das Meßstrahlenbi.-indel 5 und das Vergleichsstrahlenbündel 6 mit unterechiedlicher
Frequenz, so daß aus dem Signal des photoelektrischen Smpfungers 13 mit bekannten
elektronischen Mitteln der Quotient der beiden Lichtströme gebildet werden kann.
-
Die Anordnung wird in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 18
untergebracht, das mit trockenem Stickstoff oder Helium gefüllt ist, um die Strahlungswege
mit Ausnahme des Weges in der Uberdruckmeßzelle 10 absorptionsfrei zu halten. Die
Uberdruckmeßzelle 10 besitzt einen Gaseinlaßstutzen 19 und einen Gasauslaßstutzen
20. Vor dem Gaseinlaßstutzen 19 der Überdruckmeßzelle 10 befinden sich eine Öldampfsperre
21 und eine Vorrichtung 22, um mit bekannten technischen Mitteln Fremdgasanteile
auszufiltern, die ebenfalls Meßstrahlung absorbieren würden.
-
Die beschriebene Zweistrahlmeßanordnung mit rotierender Lochscheibe
8 besitzt eine hohe zeitliche Stabilität und ermöglicht eine große Meßgenauigkeit,
da Intensitätsschwfankungen der Strahlungsquelle 1 und Empfindlichkeitsverluste
des photoelektrischen Empfängers 13 (Alterungserscheinungen) keinen Einfluß auf
die Messung der absoluten Feuchtigkeit haben. Auf Grund der Quotientenbildung machen
sich auch Anderungen im Transmissionsverhalt en der verwendeten optischen Bauteile
bei der Messung nicht störend bemerkbar.
-
Wenn, wie im Beispiel erwähnt, ein selektiver photoelektrischer Empfänger
13 verwendet wird, kann auf die Verwendung der Filterkombination 3 verzichtet werden,
ohne daß sich die Genauigkeit der Messung der absoluten Feuchtigkeit verringert.
-
Ist der Strahlengang durch die rotierende Lochscheibe 8 unterbrochen,
ergibt sich am photoelektrischen Empfänger 13 ein Dunkelstrom, der die Basis für
die Bestimmung der eßwerte von Meß- und Vergleichsstrahlenbündel bildet.
-
Vorteile der Erfindung bestehen darin, Feucht igkeitsunt ersuchungen
nach dem UV-Strahlungsabsorptionsprinzip in industriellen Gasen durchführen zu können
- bei denen die absorptionsspektroskopische Methode bei der Wellenlänge der Byman-Alpha-Linie
nicht anwendbar ist, - die unter Überdruck gespeichert sind oder transportiert werden,
- oder die einen mittleren bis sehr hohen Feuchtigkeitsgehalt besitzen, - wobei
sowohl kurz- als aucn 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 Normzustand nicht zwangsläufig auf die Verhältnisse
bei Überdruck geschlossen werden kann.
-
Bezugszeiche uSstellun; 1 Hg-Niederdruckgasentladungslampe 2 Stromversorgungsgerät
3 Filterkombination 4 Strahlenteiler 5 Meßstrahlenbündel 6 Vergleichsstrahlenbündel
7 Spiegel 8 Lochscheibe 9 Strahlungseintrittsfenster 10 Uberdruckmeßzelle 11 Strahlungsaustrittsfenster
12 Spiegel 13 photoelektrischer Empfänger 14 Photometerverstärker t5 Anzeigeeinrichtung
16 Spiegel 17 Spiegel 18 Gehäuse 19 Gaseinlaßstutzen 20 Gasauslaßstutzen 21 Öldampfsperre
22 Vorrichtung
Leerseite