Prümm Feuchtemesstechnik & Prümm Unternehmensberatung

Funktionsweise eines Taupunktspiegels

Taupunktspiegel-Hygrometer messen die Tau­- oder Frostpunkttemperatur. Dies geschieht, indem auf einer
reflektierenden Oberfläche (Spiegel) bei Gleichgewicht zwischen Tau-/Frostbildung und Verdampfung die Temperatur dieser Oberfläche kontrolliert gehalten und gemessen wird. Das Gleichgewicht wird mit Hilfe einer optischen Brücke festgestellt.

Taupunktspiegel bestehen aus einem kleinen, polierten Spiegel, der mit Hilfe eines thermoelektrischen Kühlmoduls (TEC, Peltierelement) temperiert wird. Je nach Polung des elektrischen Stromes wird der TEC abgekühlt oder aufgeheizt. Bei der Abkühlung erfolgt bei Unterschreitung der Taupunkttemperatur die Kondensierung des im Messgas enthaltenen gasförmigen Wassers. Eine optische Baugruppe erkennt diese Kondensation und gibt ein Signal an die TEC Steuerung.

Diese optische Baugruppe ist wie folgt aufgebaut: Der Spiegel wird von einer Fotodiode beleuchtet. Das Licht, das von dem Spiegel reflektiert wird, wird von einem Foto­detektor erfasst. Wenn Wasserdampf als flüssiges Wasser oder Frost (Eiskristalle) auf dem Spiegel kondensiert, wird das Licht an diesen flüssigen oder festen Partikeln gestreut. Dem Fotodetektor wird durch Reflexion weniger Licht zugeführt.

Ein zweiter Lichtstrahl, der nicht durch das Messgas geführt wird, wird ebenfalls von einem Fotodetektor erfasst. Solange kein Kondensat auf dem Spiegel vorhanden ist, sind beide Fotoströme gleich groß. Fällt Kondensat am Spiegel aus, so sind die Fotoströme nicht mehr gleich. Der optische Verstärker wandelt diese Ungleichheit der Signale zu einer Information an den Controller des TEC-Systems. Das thermoelektrische Kühlmodul verringert seine Leistung oder polt die Spannungsversorgung des TEC kurzfristig um, wodurch sich der Spiegel leicht erwärmt. Durch das Zusammenspiel vom TEC-Modul mit dem optischen System gelingt es, an der Spiegeloberfläche ein Gleichgewicht zwischen Kondensierung und Verdampfung zu erzielen. Die Oberflächentemperatur des Spiegels ist in diesem Gleichgewicht die Tau-/Frostpunkttemperatur. Diese wird mittels eines Temperatursensors, der im Spiegel nahe der Oberfläche angebracht ist, ermittelt.

Die Messungen der Tau-/Frostpunkttemperatur, der Trockentemperatur und des Druckes, sowie die Eingabe
des Molekulargewichtes werden verwendet, um andere Feuchteparameter wie relative Feuchte, Trockentemperatur, ppmv, ppmw, absolute Feuchte und Wasserdampfdruck mit Hilfe psychometrischer Gleichungen zu berechnen. Der Temperatursensor, der im Taupunktspiegel integriert ist, kommt nicht mit dem Prozessgas oder der Testumgebung in Berührung. Die Medium berührenden Teile sind das Sensorgehäuse (eloxiertes Aluminium oder Edelstahl) und der Spiegel (vernickeltes oder rhodiertes Kupfer, Edelstahl, Platin). Eine Dampfsperre (Mylar® oder Edelstahl) schließt den Raum zum TEC hin ab. Durch diesen Aufbau ist eine driftfreie Feuchtemessung möglich. Für Taupunktmessungen ist ein Messgasstrom über dem Spiegel erforderlich, um Informationen von veränderlichen Feuchtezuständen im Messgas zu erhalten. Daher sollte der Taupunkt- spiegelsensor entweder in einer Leitung mit strömendem Messgas montiert oder über eine Probenentnahmepumpe mit Messgas versorgt werden. Der optimale Messgasstrom beträgt 0,25 l/min bis 2,5 l/min, wobei bei tiefen und hohen Taupunkttemperaturen der kleinere Wert anzustreben ist. Liegen die Taupunkttemperaturen im mittleren Leistungsbereich des Sensors, so können größere Volumenströme zugelassen werden.

Kontaminationskontrolle und „selbstreinigende“ Spiegel In Umgebungen, in denen Verunreinigungen wie Staub, Öl Tröpfchen oder andere feste oder flüssige Bestandteile vorkommen können, wird die Verwendung eines Entnahmesystems mit einem Filtermedium empfohlen. Das Filtermedium muss wasserabweisend sein, damit der Wassergehalt des Messgases durch den Filtrierprozess nicht verändert wird. Im Laufe der Zeit kann der Spiegel durch Fremdpartikel in seinem Reflexionsverhalten verändert werden. Deshalb sind die meisten Taupunktspiegel mit einem Verfahren ausgerüstet, welches die Fremdstoffbelegung beeinflusst, d.h. der Spiegel wird nicht gereinigt (Belegung entfernt), sondern die Belegung wird umgeschichtet. Ist der Spiegel vor dem Einsetzen des „Reinigungsverfahrens“ relativ gleichmäßig mit Fremdstoffen belegt, so schichtet das Verfahren die Konzentration der Fremdstoffbelegung um. Die Fremdstoffe werden an wenigen Stellen, jedoch mit erhöhter Dichte an Fremdstoffen abgelegt. Dadurch wird der andere Teil der Spiegeloberfläche sauberer. Die Verschmutzungen sind somit nicht entfernt, sondern an wenigen Stellen, jedoch mit einer höheren Dichte, vorhanden. Das begünstigt das Reflexionsverhalten positiv.
Dieses Verfahren wird unter den Bezeichnungen PACER (Program Automatic Error Reduction), ABC Cyclus (Automatic-Balance-Control), DCC (Dynamic Contamination Correction) oder Mirror Check gefasst und läuft nach folgendem Prozess ab:

Der Spiegel wird auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes abgekühlt, bis sich auf dem Spiegel
eine dicke Tauschicht bildet. Fremdstoffe „schwimmen“ auf dieser Tauschicht, aufgrund der Kohäsionskräfte in wenigen, jedoch dicht gepackten Verbänden. Der Spiegel wird dann rasch erwärmt und das Wasser verdampft. Die Verunreinigungen, die auf dem Spiegel zurückbleiben, bilden „Trockeninseln“ oder „Flecken”. Durch diesen Prozess werden rund 85% der Spiegelfläche gesäubert. Das vom Fotodetektor empfangene Lichtsignal wird mit dem Lichtsignal der Bezugs-LED und dessen zugehörigen Fotodetektor verglichen. Beide Signale werden elektronisch zueinander „abge¬glichen“, so dass ein euer „Reflexionsnullpunkt“ gegeben ist. Dadurch wird der Einfluss der auf dem Spiegel zurückgebliebenen Verunreinigungen, verringert.

Dieses Verfahren funktioniert sehr gut, jedoch ist eine gelegentliche, manuelle Reinigung dennoch notwendig. Zum Reinigen sollte der Spiegel nur mit einem Wattestäbchen abgewischt werden, das mit einer Reinigungslösung (Isopropanol) oder destilliertem Wasser angefeuchtet wurde.