DE3222239C2

DE3222239C2 -

Info

Publication number: DE3222239C2
Application number: DE19823222239
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl.-Phys. Dr. Ddr 1140 Berlin Dd Martini; Bernd Dipl.-Phys. Dr. Ddr 1185 Berlin Dd Stark
Original assignee: Berlin Brandenburg Academy of Sciences and Humanities
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1982-06-12
Filing date: 1982-06-12
Publication date: 1990-11-29
Also published as: DE3222239A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraviolett-Spektralhygrome ter (im folgenden UV-Hygrometer genannt) zur Gasfeuchtig keitsbestimmung. 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 Feuch tigkeitsgehalt.

Bekannte UV-Hygrometer bestehen aus einer UV-Strahlungs quelle, die so angeordnet ist, daß die Strahlung eine Gasprobe durchdringt und einem photoelektrischen Empfän ger, 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.

Hierzu gehören z. B. Methan mit einem Absortionskoef fizienten

k _Ly - _α = 400 cm^-1 und Äthylen mit k_Ly - _a = 700 cm^-1;

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

k _Ly- _α < 10^-4 cm^-1

besitzt.

Alle Zahlenangaben für die Absorptionskoeffizienten bezie hen sich auf den physikalischen Normalzustand (273,15 K, 760 Torr = 101 325 Pa).

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

Auch bei Gasen mit mittelgroßen Absorptionskoeffizienten z. B. Kohlendioxid erhöht sich bei Überdruck von 10⁷ Pa die Absorption durch das trockende Gas so stark, daß die Überdruckzelle eine Meßstreckenlänge von höchstens 0,2 mm aufweisen müßte. Die Anfertigung einer derartigen Über druckzelle ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere treten Schwierigkeiten bei der Herstellung von überdruckbeständigen Fenstern aus Lithiumfluorid (LiF) bzw. Magnesiumfluorid (MgF₂) auf. LiF und MgF₂ sind die einzigen festen Stoffe, die für Lyman-Alpha-Strahlung durchlässig sind. Fenster aus diesen Stoffen sind hygros kopisch und im allgemeinen nicht überdruckbeständig, so daß ihr Einsatz bei der Messung der absoluten Feuchtig keit in Gasen, die unter Überdruck stehen, nur mit erheb lichem technischem Aufwand erfolgen kann. Daher war bis her eine Messung der absoluten Feuchtigkeit in Gasen, die unter hohem Überdruck stehen, mit UV-Hygrometern nicht möglich.

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

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

- bei denen die absorptionsspektroskopische Methode bei der Wellenlänge der Lyman-Alpha-Linie nicht anwendbar ist,
- die unter Überdruck gespeichert sind oder transpor tiert werden,
- oder die einen mittleren bis sehr hohen Feuchtigkeits gehalt 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 physikali schem Normzustand nicht zwangsläufig auf die Verhältnisse bei Überdruck geschlossen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein UV-Hygro meter hoher Empfindlichkeit zur exakten, kontinuierlichen und nahezu trägheitslosen Messung der absoluten Feuchtig keit in Gasen, bei denen die absorptionsspektroskopische Methode bei 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 Meß strahlenbündels, einer Filterkombination, zweier Spiegel zur Umlenkung des Meßstrahlenbündels sowie eines Strom versorgungsgerätes dadurch gelöst, daß bei dem UV-Hygro meter ein Atom-Linienstrahler für das UV-Gebiet im Wel lenlängenbereich von 140 nm . . . 190 nm zur Anwendung kommt.

Dieser Strahlungsquelle ist ein bekannter, im obenge nannten Wellenlängenbereich empfindlicher photoelektri scher Empfänger nachgeordnet.

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 Überdruckmeßzellen tech nisch einfacher realisieren lassen.

Als besonders günstig haben sich Meßstreckenlängen von 1 cm . . . 30 cm erwiesen. Hierbei ist die Tatsache berück sichtigt, daß komprimiertes Gas in der Volumeneinheit we sentlich mehr Wasserdampf aufnehmen kann, ohne zu konden sieren, als bei der gleichen Temperatur im unkomprimierten Zustand.

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 ge nannten 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-Niederdruckgasentladungslampe mit Quarzglaskolben vor geschlagen. 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 not wendig, damit die UV-Strahlung die Quelle verlassen kann.

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

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbei spiel näher erläutert werden.

Die in der Figur dargestellte Hg-Niederdruckgasentladungs lampe 1 wird vom Stromversorgungsgerät 2 gespeist und er zeugt ein Hg-Atomlinienspektrum, insbesondere mit den starken Linien von 184,957 nm und 253,652 nm im UV-Spek tralgebiet. Das von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlenbündel durchläuft eine Filterkombination 3 und wird von einem verspiegelten Prisma 4 in ein Meßstrahlen bündel 5 und ein Vergleichsstrahlenbündel 6 zerlegt. Das Meßstrahlenbündel 5 wird vom Spiegel 7 umgelenkt und von einer rotierenden Lochscheibe 8 moduliert. Das Meßstrah lenbündel 5 gelangt durch ein Strahlungseintrittsfenster 9 aus Quarzglas in das Innere einer Überdruckmeßzelle 10, in der sich das Meßgas, dessen absolute Feuchtigkeit be stimmt werden soll, befindet. Wasserdampf absorbiert aus dem Hg-Atomlinienspektrum nur Strahlung der Wellenlänge 184,957 nm, während Strahlung bei 253,652 nm und auch an dere längerwellige Linien keinen Einfluß auf die Messung haben. Das Meßstrahlenbündel 5 passiert das Strahlungsaus trittsfenster 11 und wird von einem weiteren Spiegel 12 umgelenkt, bevor es auf einen photoelektrischen Empfän ger 13 fällt. Handelt es sich bei dem photoelektrischen Empfänger 13 um eine Photozelle mit Quarzglaskolben und CsJ- oder CuJ-Photokathode, können in diesem photoelektri schen 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 Photo meterverstärkers 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

1. Ultraviolett-Spektralhygrometer zur Gasfeuchtigkeits bestimmung mit dem sowohl kurz- als auch langzeitige Än derungen der absoluten Feuchtigkeit erfaßt werden unter Verwendung einer Überdruckmeßzelle, eines Prismas zur Strahlenteilung, einer rotierenden Lochscheibe zur Modu lierung des Meßstrahlenbündels, einer Filterkombination, zweier Spiegel zur Umlenkung des Meßstrahlenbündels sowie eines Stromversorgungsgerätes, dadurch gekennzeichnet, 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. Ultraviolett-Spektralhygrometer nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß es als Strahlungsquelle vor zugsweise eine Hg-Niederdruckgasentladungslampe mit Quarzglaskolben besitzt, welche die Meßwellenlänge λ = 184,957 nm ausstrahlt.

3. Ultaviolett-Spektralhygrometer nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß als photoelektrischer Empfänger eine Cäsiumjodid- bzw. Kupferjodid-Photokathode mit Quarzfenster zur Anwendung kommt.