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Die Erfindung betrifft einen optischen Taupunktsensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art sowie ein mit diesem Sensor ausgestattetes Meßgerät.
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Zur Messung des Taupunktes mit optischen Mitteln sind Taupunktspiegelhygrometer bekannt. Diese weisen eine Metallplatte mit verspiegelter Oberfläche auf, welche von einer Lichtquelle bestrahlt wird. Das von der Oberfläche reflektierte Licht wird von einem dieser gegenüberliegenden, lichtempfindlichen Detektor empfangen. Bei Erreichen des Taupunktes schlägt sich die kondensierende Feuchtigkeit aus der Luft auf der verspiegelten Oberfläche nieder, wodurch die Intensität des reflektierten Lichtes vermindert wird. Damit stellt die vom Empfangsdetektor festgestellte Verminderung der Lichtintensität ein Kriterium für das Unterschreiten des Taupunktes dar. Die in diesem Zeitpunkt gemessene Oberflächentemperatur der Metallplatte, welche mit Hilfe eines Peltier-Elementes abgekühlt wird, entspricht darum der zu messenden Taupunkttemperatur.
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Bei dem mit der Erfindung vorgeschlagenen Sensor zur Erfassung des Taupunktes findet eine Lichtwellenleiteranordnung Anwendung, wie sie bei einem faseroptischen Meßgerät zur Bestimmung des Brechungsindex von Flüssigkeiten und Gasen aus der DE-OS 32 17 168 bekannt ist.
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Bei diesem faseroptischen Refraktometer ist als Sensor ein in das Medium eintauchender Lichtwellen-Leiter mit einer Inhomogenität vorgesehen. Die Inhomogenität verursacht einen von der Art des Mediums abhängigen Lichtintensitätsverlust, der zu Meßzwecken ausgenutzt wird. Bei dieser Meßanordnung wird Licht in Form von diskreten Moden in den durch das Medium, vorzugsweise die Flüssigkeit, hindurchgeführten Lichtwellenleiter eingeleitet. Die innerhalb des Mediums befindliche Inhomogenität des Lichtwellenleiters formt die diskreten Moden in ein breites Modenspektrum um. Die Intensität des ausgekoppelten Lichtes bzw. des am anderen Ende des Lichtwellenleiters austretenden Lichtes wird hierbei als Maß für den Brechungsindex des umgebenden Mediums ausgewertet. Diese Vorrichtung dient jedoch nicht der Erfassung bzw. Messung des Taupunktes.
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Aus der US-PS 35 28 278 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung von Dampf in Gas bekannt, welche auch der Bestimmung des Taupunktes dienen.
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Bei der Anordnung nach dieser Patentschrift dient als Sensor zur Feststellung des Taupunktes ein lichtdurchlässiges Element, z. B. ein aus Quarzglas bestehender Stab, der mit einem gut reflektierenden Material beschichtet ist. In diesem Stab wird über seine exakt beschliffene Stirnfläche Licht eingekoppelt, wobei der Neigungswinkel der Stirnfläche in bezug auf die Strahlrichtung und die Mantelflächen des Stabes so bemessen ist, daß im Stabinneren Totalreflexion des eingekoppelten Lichtes stattfindet, solange die Mantelflächen des Stabes nicht mit einer Flüssigkeit benetzt sind. Der kritische Winkel, bei welchem Totalreflexion eintritt, ist bei einer Glas-Flüssigkeit-Grenzschicht ein anderer als bei einer Glas-Luft-Grenzschicht. Diese Erscheinung wird bei dem Gerät nach der genannten US-Patentschrift zur Feststellung des Taupunktes ausgenutzt. Die sich auf der Oberfläche des Glasstabes niederschlagenden Kondensattropfen, also z. B. der Tau, bewirken bei geeigneter Dimensionierung des Stabes, daß ein wesentlicher Teil des eingekoppelten Lichtes gestreut wird, so daß die Intensität des am anderen Ende des Stabes austretenden Lichtes nach Erreichen des Taupunktes deutlich geringer ist als oberhalb dieses Punktes.
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Da es bei diesem Gerät auf die Einhaltung der kritischen Winkel ankommt, muß der das Licht leitende Glaskörper exakt beschliffen und in bezug auf die Lichtquelle exakt angeordnet sein, wodurch die Anordnung kostspielig und störempfindlich wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Sensor zur Erfassung des Taupunktes geschaffen werden, der den gleichen Zweck erfüllt wie der Glaskörper nach der obenerwähnten US-PS 35 28 278, jedoch preisgünstiger und unempfindlicher ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe werden die Erkenntnisse über spezielle Eigenschaften der Lichtwellenleiter genutzt, wie diese veröffentlicht sind in "Conference Proceedings OFS 84", S. 215-218, herausgegeben von VDE-Verlag GmbH, Berlin-Offenbach, anläßlich der 2. Internationalen Konferenz über optische Faser-Sensoren, welche in der Zeit vom 05. bis 07. September 1984 in Stuttgart stattfand.
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Nach dieser Veröffentlichung wurde bereits als Sensor ein Lichtwellenleiter vorgeschlagen, dessen Oberfläche über einen bestimmten Längenbereich mit einem definierten Raster versehen ist. Dieser Raster besteht aus einem definierten optischen Strichgitter, welches bei Befeuchtung einen Teil des in dem Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtes auskoppelt. Aus der Abnahme der Lichtintensität kann auf die Art der Feuchtigkeitsmoleküle rückgeschlossen werden.
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Voraussetzung für dieses Meßverfahren ist ein sehr exakt aufgebrachtes Strichgitter.
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Mit vorliegender Erfindung wird ausgehend von diesem Stand der Technik ein sehr einfacher Sensor zur Erfassung des Taupunktes von Gasen vorgeschlagen, bei welchem der Lichtwellenleiter lediglich an seiner Oberfläche eine Stelle mit durch Beschädigung hergestellten, lichtstreuenden Unebenheiten, z. B. eine Aufrauhung der Oberfläche, aufweist. Diese außerordentlich einfach herzustellende Inhomogenität bewirkt, daß bei Erreichen des Taupunktes die Lichtintensität des am anderen Ende des Lichtwellenleiters austretenden Lichtes anders als bei den bekannten Sensoren überraschenderweise zunimmt, was ein sehr markantes, für Meß- oder Alarmzwecke nutzbares Indiz für das Vorhandensein von Niederschlag ist. Die physikalischen Ursachen hierfür sind anhand der Zeichnungen erläutert.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Licht streuende Inhomogenität auch durch einen Faserbruch hergestellt werden.
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Mit dem Sensor nach der vorliegenden Erfindung läßt sich ein sehr empfindliches Gerät realisieren, welches bei Vorhandensein von Niederschlag lediglich ein Signal erzeugt.
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Weitere konstruktive Merkmale des erfindungsgemäßen Sensors sind mit den Ansprüchen 3 und 4 gekennzeichnet.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist der Sensor jedoch auch für ein Meßgerät geeignet, mit welchem der Taupunkt von Gasen gemessen werden kann. In diesem Fall sind im Bereich der oberflächlichen Beschädigung eine mit einer Steuereinrichtung verbundene Kühleinrichtung und ein mit einer Temperaturmeßeinrichtung verbundener Temperaturfühler vorgesehen. Gem. Anspruch 6 kann hierbei die Kühleinrichtung, wie an sich bekannt, aus einem Peltier-Element bestehen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die schematisch in der Zeichnung dargestellt sind, im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt
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Fig. 1 - Meßanordnung mit Lichtwellenleiter, Sendediode und Empfangsdetektor,
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Fig. 1a - Schnitt längs der Linie A-B in Fig. 1,
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Fig. 2 - schematischer Strahlenverlauf bei Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen Lichtwellenleiter und Wasser bzw. Luft bei unbeschädigter Lichtwellenleiteroberfläche,
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Fig. 3 - Strahlenverlauf im Bereich der Lichtwellenleiteroberfläche, nämlich
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Fig. 3a - mit unbeschädigter, unbetauter Oberfläche bzw.
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Fig. 3b - mit beschädigter, unbetauter Oberfläche,
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Fig. 3c - mit beschädigter und betauter Oberfläche,
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Fig. 4 - Meßanordnung mit erfindungsgemäßem Sensor nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 5 - Meßanordnung mit erfindungsgemäßem Sensor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 5a - schematischer Strahlenverlauf bei Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen Lichtwellenleiter und Wasser bei durch Faserbruch beschädigter Lichtwellenleiteroberfläche,
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Fig. 6 - Meßanordnung zur Messung des Taupunktes von Gasen nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 7 - Meßanordnung zur Messung des Taupunktes von Gasen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel und
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Fig. 8 - elektrische Schaltung für die Meßanordnungen gem. Fig. 6 und 7 in Form eines schematischen Blockschaltbildes.
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Der grundsätzliche Aufbau eines für den erfindungsgemäßen Sensor geeigneten Meßsystems ist in Fig. 1 dargestellt. Hiernach wird mittels einer Sendediode 1 Licht erzeugt, das über einen Lichtwellenleiter 3 einem Empfangsdetektor 2 zugeführt wird. Zu Meßzwecken ist der zwischen den Kupplungsstücken 3 a und 3 b glegene Lichtwellenleiter 3 ganz oder teilweise dem zu überprüfenden Medium auszusetzen. Wie der vergrößerte Querschnitt in Fig. 1a zeigt, weist der aus Glasfasermaterial bestehende Lichtwellenleiter 3 einen inneren Kern 3 c und einen diesen umgebenden, gleichfalls aus Glasfasermaterial bestehenden Mantel 3 d auf und ist außen von einem elastischen Schutzschlauch 3 e aus Gummi oder Kunststoff umhüllt.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Meßanordnung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, ist der Lichtwellenleiter 3 mit einer oberflächlichen Beschädigung versehen, welche in Fig. 4 mit 3 f übertrieben dargestellt ist.
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Bei einer oberflächlich nicht beschädigten Faser wird das eingekoppelte Licht durch Totalreflexion weitgehend verlustlos innerhalb des Lichtwellenleiters von der Sendediode bis zum Empfangsdetektor geleitet, wo die Lichtintensität gemessen werden kann. Hierbei tritt Totalreflexion unabhängig davon ein, ob der Lichtwellenleiter mit einer Flüssigkeit benetzt ist oder vom Gas umgeben ist.
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Diese Verhältnisse sind anhand des Strahlenverlaufs gem. Fig. 2 veranschaulicht. Der Einfachheit halber ist in Fig. 2 nur der Strahlenverlauf innerhalb des Faserkerns (Brechungsindex n c ) ohne Berücksichtigung des Fasermantels und der den Lichtwellenleiter bedeckenden Wasserschicht (Index n w ) dargestellt. An Grenzflächen zwischen der den Lichtwellenleiter ummantelnden Wasserschicht und der umgebenden Luft tritt Totalreflexion ein, während die den Lichtwellenleiter umgebende Wasserschicht nur eine Brechung des austretenden Lichtstrahles zur Folge hat.
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Für den Grenzwinkel der Totalreflexion gilt allgemein
- α = arc sin n/n c
n = Brechungsindex
n c = Brechungsindex des Lichtwellenleiters
n L = Brechungsindex von Luft
n W = Brechungsindex von Wasser.
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Die dünne, den Kern des Lichtwellenleiters umgebende Wasserschicht bedingt zwei zueinander parallel verlaufende Grenzflächen, nämlich einerseits die Grenzfläche zwischen Lichtwellenleiter und Wasser und andererseits die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Durch zweifache Anwendung des klassischen Brechungsgesetzes erhält man wiederum das Brechungsgesetz, angewandt auf eine einfache Grenzfläche zwischen Lichtwellenleiter und Luft. Das bedeutet aber, daß die Wasserschicht optisch keinen Einfluß auf die Totalreflexion hat. Der Grund für die optische Unwirksamkeit der Wasserschicht ist die Tatsache, daß beide Grenzflächen parallel zueinander verlaufen.
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Die genauen Verhältnisse sind in Fig. 3a dargestellt. Vom Lichtwellenleiter 3 ist der innere Kern 3 c und auf der einen Seite der Mantel 3 d vorhanden. Oberflächlich sei der Kern 3 c unbeschädigt. Hierbei ergibt sich ähnlich wie nach der Darstellung in Fig. 2 infolge Totalreflexion der eingezeichnete Strahlenverlauf.
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Ein derartiger Lichtwellenleiter ist also als Sensor zur Feststellung des Taupunktes ungeeignet.
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Andere Verhältnisse ergeben sich, wenn wie mit der Erfindung vorgeschlagen wird, der Lichtwellenleiter oberflächlich in geeigneter Weise beschädigt, also z. B. aufgerauht, ist, wie dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 bis 7 der Fall ist.
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Die vergrößerten Darstellungen gemäß Fig. 3b und 3c dienen der Erläuterung des Strahlenverlaufs im Bereich der oberflächlichen Beschädigung des Lichtwellenleiters. Die in den Fig. 3b und 3c mit einer unregelmäßigen Wellenlinie veranschaulichte oberflächliche Beschädigung, z. B. eine Aufrauhung, des Lichtwellenleiters stellt eine Vielzahl der verschieden orientierten Flächen dar, durch welche das einfallende Licht diffus gebrochen und teilweise auch reflektiert wird.
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Überraschenderweise ist der Lichtintensitätsverlust eines oberflächlich beschädigten, nicht betauten Lichtwellenleiters größer als bei einem betauten. Die Ursache hierfür erläutern die Strahlenverläufe, wie sie für die beiden Fälle in Fig. 3b und 3c veranschaulicht sind.
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Die oberflächliche Beschädigung des Lichtwellenleiters, also z. B. die Aufrauhung, führt zu einer Vielzahl unterschiedlich geneigter Teilflächen. Im Gegensatz zu einer mikroskopisch glatten Oberfläche variiert bei einer derartigen Oberfläche zwangsläufig der jeweilige Einfallswinkel der auf die Grenzflächen auftretenden Lichtstrahlen. Es ist also vom Zufall abhängig, ob ein einfallender Lichtstrahl in den Lichtwellenleiter reflektiert wird oder aus diesem als Streulicht austritt. Die mikroskopisch aufgerauhte und trockene Fläche des Lichtwellenleiters weist derartig viele unterschiedlich geneigte Flächen auf, daß insgesamt ein großer Teil der Moden den Grenzwinkel für Totalreflexion überschreitet, nämlich alle Moden mit einem Winkel α < 43°, und aus dem Lichtwellenleiter als Streulicht austritt, was zu einer Abnahme der Lichtintensität am anderen Ende des Lichtwellenleiters führt.
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Betaut man dagegen die Oberfläche des Lichtwellenleiters, wie dies schematisch mit Fig. 3c veranschaulicht ist, so ergeben sich ähnliche Verhältnisse, wie diese anhand von Fig. 3a für einen oberflächlich glatten Lichtwellenleiter erläutert sind. Infolge der Oberflächenspannung des Wassers spannt sich nämlich ein Wasserfilm über die Senken und Spitzen des aufgerauhten bzw. beschädigten Flächenbereiches in der Weise, daß der Wasserfilm zwar nicht mehr parallel zu den einzelnen Flächen der Beschädigung, wohl aber etwa achsparallel zum Lichtwellenleiter verläuft.
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Die beiden statistisch gesehen unebenen Flächen des aufgerauhten Lichtwellenleiters einerseits und des in diesem Bereich sich bildenden Wasserfilms andererseits bewirken infolge des größeren Grenzwinkels für Totalreflexion für die Grenzfläche Lichtwellenleiter/Wasser, daß ein großer Teil der Moden, nämlich alle Moden mit a< 63°, in den Wasserfilm gestreut wird. Den Wasserfilm wiederum verläßt nur ein Teil der Moden durch die Grenzfläche Wasserfilm/Luft. Diejenigen Moden, die an der Grenzfläche Wasser/Luft totalreflektiert werden, gelangen wieder in den Lichtwellenleiter, sofern der Lichtwellenleiter einen geringeren Brechungsindex als die benetzende Flüssigkeit hat, was z. B. für das System Glasfaser/Wasser gilt. Insgesamt wird bei einem flüssigkeitsbenetzten Lichtwellenleiter der erfindungsgemäßen Art eine größere Anzahl von Moden im Lichtwellenleiter verbleiben als bei einem nicht benetzten Lichtwellenleiter. Das bedeutet aber, daß die mit dem Detektor festzustellende Intensität des noch austretenden Lichtstromes deutlich höher ist als bei einem nicht benetzten Lichtwellenleiter.
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Mögliche Ausführungsformen von Indikatoren zur Feststellung flüssiger Phasen, also des Taupunktes, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensors sind schematisch mit den Fig. 4 und 5 dargestellt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 wird z. B. mit einer Leuchtdiode 1 Licht in den Lichtwellenleiter 3 eingekoppelt, der an einer beliebigen Stelle 3 f aufgerauht ist, und an dessen Austrittsende als Detektor eine Fotodiode 2 vorgesehen ist, welche die Intensität des empfangenen Lichtes mißt. Ist die Aufrauhung unbenetzt, liegt also keine kondensierte Phase vor, tritt ein erheblicher Anteil des eingekoppelten Lichtes durch die Aufrauhung 3 f aus, so daß die Fotodiode 2 nur einen verschwindend kleinen Strom abgibt. Ist dagegen die aufgerauhte Stelle 3 f, z. B. wegen Unterschreitens des Taupunktes, benetzt, so steigt der Fotostrom der Fotodiode 2 stark an. Die Änderung des Fotostromes kann als Signal zur qualitativen Anzeige eines Flüssigkeitsniederschlages ausgenutzt werden. Dieselbe Anordnung kann auch zur Überwachung eines Flüssigkeitsspiegels in einem Behälter verwendet werden.
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Eine Abwandlung der Anordnung gemäß Fig. 4 ist mit Fig.5 veranschaulicht.
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Auch hier wird wiederum mit einer Sendediode 1 Licht eingekoppelt und über einen Lichtwellenleiterschenkel 3 g, einen Lichtteiler in Form eines Y-Splitters 4 dem Lichtwellenleiter 3 zugeführt. Der Lichtwellenleiter 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel anstelle einer Aufrauhung mit einem Bruch 3 f&min; versehen, welcher, wie noch anhand von Fig. 5a erläutert, einen ähnlichen Effekt wie eine Aufrauhung hat. Das Ende des Lichtwellenleiters 3 ist mit einer Verspiegelung 5 versehen, welche das ankommende Licht reflektiert, so daß dieses nochmals den Bruch 3 f des Lichtwellenleiters 3 passieren muß und schließlich über den Y-Splitter 4 und den Lichtwellenleiterschenkel 3 h der Empfangsdiode 2 zugeführt wird. Grundsätzlich ist die Funktionsweise dieser Anordnung gemäß Fig. 5 die gleiche wie bei der gemäß Fig. 4. Allerdings ist erstere wegen der doppelten Auskopplung des Lichtes im Bereich des Bruches weit empfindlicher als letztere. Auch diese Anordnung dient nicht der Messung, sondern lediglich der qualitativen Anzeige eines Feuchtigkeitsniederschlags.
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Der vergrößerte Strahlenverlauf in Fig. 5a zeigt, daß das Licht zunächst innerhalb des Kernes 3 c durch Totalreflexion verlustlos weitergeleitet wird. Im Bereich eines willkürlich hergestellten Bruches 3 f&min; ist der Schutzschlauch 3 e beseitigt. Soweit diese Bruchstelle nicht mittels eines Wasserfilmes überbrückt ist, tritt das Licht hier in gleicher Weise wie bei einer Aufrauhung, wie dies anhand von Fig. 3b dargestellt ist, aus. Ist dagegen, wie in Fig. 5a angedeutet, die Bruchstelle 3 f&min; mit einem Wasserfilm 8 überdeckt, so tritt hier wiederum ähnlich wie bei der Darstellung gem. Fig. 3c eine Totalreflexion ein.
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Soll der Taupunkt, also die Temperatur, gemessen werden, bei der in einem Gas-Dampf-Gemisch das Gas mit der vorhandenen Menge des Dampfes gerade gesättigt ist und unterhalb welcher Kondensation des Dampfes infolge Übersättigung eintritt, ist eine Anordnung notwendig, wie sie schematisch den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung befindet sich die beschädigte Oberfläche des Lichtwellenleiters direkt auf einem Kühlelement, das in an sich bekannter Weise z. B. in Form eines Peltier-Elementes 7 ausgebildet ist. In die Oberfläche des Kühlelementes 7 ist ein Temperatursensor 6 integriert, mit welchem bei Überschreiten des Taupunktes die diesem zugehörige Temperatur ermittelt wird.
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Im übrigen erfolgt die quantitative Messung des Taupunktes in an sich bekannter Weise, wie dies z. B. im einzelnen in der US-PS 35 28 278 erläutert ist.
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Die Schaltung für die erfindungsgemäße Meßanordnung ist mit dem Blockschaltbild gem. Fig. 8 veranschaulicht. Sie besteht im wesentlichen aus zwei verschachtelten Regelkreisen, welche mit dem optischen Taupunktsensor 3 zusammenwirken.
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Mittels des Taureglers 12 wird willkürlich mittels der vom Empfänger des Sensors 3 festgestellten Lichtintensität der Sollwert festgelegt, bei welchem Betauung eintritt. Dieser Sollwert wird bei 13 mit dem von der Temperaturmeßeinrichtung 6 im Bereich der oberflächlichen Beschädigung festgestellten Temperatur verglichen. Hierbei wird die Kühlung bzw. Heizung 7 mittels des Temperaturreglers 10 derart eingestellt, daß Soll- und Istwert übereinstimmen. Bei Übereinstimmung von Soll- und Istwert ist die Taupunkttemperatur erreicht, welche bei 11 angezeigt bzw. festgehalten wird.