DE19521568A1 - Determination of gas composition between panes of double glazing - Google Patents

Determination of gas composition between panes of double glazing

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Abstract

The determn. uses a system having a pulse generator (1) to activate a sound transmitter (2) on the outside of one pane (a). A receiver (3) placed directly opposite on the outside of the other pane (b) takes the signal and sends it through an amplifier (4) to a discriminator (5) and calculator (6) which determines the time between transmission and reception. Variations in the width of the gap caused by pressure on one or both panes is measured by an interferometer using reflected light from a laser beam (7). The sound transmission time in relation to actual gap width can therefore be evaluated. Results can be compared with a table indicating the velocity of sound in the presence of different gases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung von Füllgasen in Zweischeiben-Isolierglas.The invention relates to a method for investigating the composition of Filling gases in double-pane insulating glass.

Zur Erniedrigung des Wärmedurchgangskoeffizienten von Zweischeiben-Isolierglas wer­ den Gase geringer Wärmeleitfähigkeit in den Scheibenzwischenraum gefüllt. Als Füllgase kommen im wesentlichen schwere Gase wie Argon, Krypton, Xenon und SF6 in Frage. Ein Problem besteht darin, daß der Randverbund der Scheiben nicht absolut diffusionsdicht ist. So kann im Lauf der Einsatzdauer, die in der Regel mindestens etwa zwanzig Jah­ re beträgt, ein Teil des Füllgases aus dem Zwischenraum herausdiffundieren und durch eindiffundierte Luft - hauptsächlich aus Stickstoff - ersetzt werden. Die tatsächliche Zu­ sammensetzung des Füllgases nach Herstellung der Isolierscheibe (zur Qualitätssicherung) oder nach längerer Einsatzdauer soll durch ein zerstörungsfreies, einfaches Verfahren er­ mittelt werden. Dabei ist von besonderem Interesse, daß der gasgefüllte Scheibenzwischen­ raum nicht zur Probenentnahme angebohrt werden muß bzw. das Fenstersystem nicht demontiert werden muß.To lower the heat transfer coefficient of two-pane insulating glass who filled the gases of low thermal conductivity in the space between the panes. As filling gases are essentially heavy gases such as argon, krypton, xenon and SF6 in question. On The problem is that the edge bond of the discs is not absolutely diffusion-tight is. Thus, in the course of the mission, which is usually at least about twenty years is re, diffuse a portion of the fill gas out of the gap and through diffused air - mainly nitrogen - to be replaced. The actual Zu composition of the filling gas after production of the insulating disk (for quality assurance) or after a long period of use he should by a nondestructive, simple method he be averaged. It is of particular interest that the gas-filled panes between room does not have to be drilled for sampling or the window system is not must be dismantled.

Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Gasmischungen von der Zusammensetzung dieser Gemische. Die Schallgeschwindigkeit c wird bestimmt, indem die Laufzeit t eines Schallsignals durch das Scheibensystem gemessen wird, und daraus mit Hilfe des Scheibenabstandes d die Schallgeschwindigkeit errechnet wird: c = d/t.The proposed method is based on the dependence of the speed of sound in gas mixtures of the composition of these mixtures. The speed of sound c is determined by the transit time t of a sound signal through the disk system is measured, and from this with the help of the disc distance d the speed of sound is calculated: c = d / t.

Der genaue Scheibenabstand ist in der Regel nicht bekannt und ohne Demontage des Fenstersystems nicht direkt zu messen. Er wird deshalb mit Hilfe eines optischen Interferometers bestimmt.The exact disc spacing is usually not known and without disassembly of the window system can not be measured directly. He is therefore using an optical Interferometer determined.

Aus den Patentanmeldungen DE 30 09 566 und EP 0533980 sind Verfahren bekannt, mit Hilfe von Ultraschallmessungen die Konzentration von CO₂ bzw. von Kraftstoffen in Luft festzustellen. Die Schallgeschwindigkeit wird bestimmt durch direkte Messung der Laufzeit, durch Bewertung des Phasenwinkels oder durch Ermittlung der Wellenlänge und der Frequenz. Die Gase werden dabei durch eine Meßstrecke geleitet, deren Länge bekannt ist.From the patent applications DE 30 09 566 and EP 0533980 methods are known with the help of ultrasonic measurements, the concentration of CO₂ or of fuels in To determine air. The speed of sound is determined by direct measurement of the Runtime, by evaluating the phase angle or by determining the wavelength and the frequency. The gases are passed through a measuring section whose length is known is.

Mit der Patentschrift DE 34 39 405 ist schon eine Vorrichtung bekannt, die Füllgase einer Isolierscheibe mit Hilfe von Ultraschallmessungen zu untersuchen. Mit einem Signalsender wird ein Frequenzintervall durchgestimmt, bis eine stehende Welle im Scheibenzwischenraum eingerichtet ist. Die Resonanzfrequenz und die Wellenlänge werden unter einigem technischen Aufwand ermittelt, daraus die Dicke des Scheibenzwi­ schenraums und damit die Schallgeschwindigkeit errechnet.With the patent DE 34 39 405 a device is already known, the filling gases an insulating disk to be examined by means of ultrasonic measurements. With a Signal transmitter, a frequency interval is tuned until a standing wave in the Disc space is set up. The resonance frequency and the wavelength are determined under some technical effort, from the thickness of Scheibenzwi and thus calculates the speed of sound.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schallgeschwindigkeit durch direkte Messung der Laufzeit aus obiger Formel zu bestimmen. Damit muß die Information über den Scheibenabstand hinreichend genau bekannt sein.The invention is based on the object, the speed of sound by direct To determine the measurement of the running time from the above formula. This must be the information about Be aware of the disc spacing sufficiently accurate.

Welche Genauigkeit für den Scheibenabstand hinreichend ist, bestimmt sich aus dem Unterschied der Schallgeschwindigkeit des Füllgases zu der Schallgeschwindigkeit in Luft; sowie aus der gewünschten Genauigkeit der zu bestimmenden Zusammensetzung. In folgender Tabelle sind einige Füllgase und die zugehörigen Schallgeschwindigkeiten aufgeführt:
(T = 300 K, p = 1013 mbar)The accuracy which is sufficient for the disc spacing is determined by the difference between the speed of sound of the filling gas and the speed of sound in air; and the desired accuracy of the composition to be determined. The following table shows some filler gases and the associated sound velocities:
(T = 300 K, p = 1013 mbar)

Luft|348 m/sAir | 348 m / s Stickstoffnitrogen 353 m/s353 m / s Argonargon 322 m/s322 m / s Kryptonkrypton 222 m/s222 m / s Xenonxenon 170 m/s170 m / s SF₆SF₆ 139 m/s139 m / s CO₂CO₂ 262 m/s262 m / s

Es ist festzustellen, daß sich Krypton, Xenon und SF₆ in der Schallgeschwindigkeit stark von Luft unterscheiden. Die Schallgeschwindigkeit von Argon, das besonders häufig als Füllgas für Isolierglas Verwendung findet, ist jedoch nur etwa 8% kleiner als die von Luft. Soll in einer argongefüllten Scheibe die Konzentration des Argons auf 10% genau bestimmt werden, so ist die geforderte Genauigkeit der Schallgeschwindigkeit ca. ± 0,3%; der Scheibenabstand (etwa 10 mm) muß jedoch auf besser als ± 0.03 mm bestimmt werden!It can be seen that krypton, xenon and SF₆ are in the speed of sound differ greatly from air. The speed of sound of argon, especially common is used as filling gas for insulating glass, but is only about 8% smaller than that of Air. In an argon filled disk, set the concentration of argon to 10% be determined, the required accuracy of the speed of sound is about ± 0.3%; however, the disc spacing (about 10 mm) must be better than ± 0.03 mm become!

Diese Genauigkeit ist mit herkömmlichen Methoden nicht zu erreichen. Erfindungs­ gemäß wird deshalb die Laufzeit des Schallsignals und der Scheibenabstand durch eine Differenzmessung bestimmt:This accuracy can not be achieved with conventional methods. Fiction Therefore, according to the running time of the sound signal and the disc spacing by a Difference measurement determines:

Man drückt einen oder beide Schallwandler (Ultraschallsender und -empfänger) von Hand oder dergleichen fest gegen die Scheibe, so daß sich der Scheibenabstand um etwa 0,5 mm bis 1 mm verkleinert. Dabei wird die Änderung der Laufzeit des Schallsignals Δt mit hoher Genauigkeit gemessen. Gleichzeitig wird die Veränderung des Scheibenab­ stands Δd, in unmittelbarer Nähe der Schallwandler, mit einem optischen Interferometer exakt bestimmt: Ein kohärenter Lichtstrahl bestimmter Wellenlänge (Laser) fällt senk­ recht auf das Zweischeiben-Isolierglas. Der Lichtstrahl wird zum Teil an den Oberflächen der Glasscheiben reflektiert, auch an der von der Lichtquelle abgewandten Scheibe. Die reflektierten Anteile der Lichtwellen - mit unterschiedlichem Gangunterschied - interferie­ ren in an sich bekannter Weise. Eine Veränderung des Scheibenabstands führt zu einer Veränderung bzw. Verschiebung der Interferenzmuster (Intensitätsminima und -maxima). Durch Messung dieser Verschiebung mit Hilfe eines geeigneten optischen Detektors läßt sich die Scheibenabstandsveränderung in einer Größenordnung von 10-3mm genau be­ stimmen. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich letztendlich aus c = Δd/Δt.It presses one or both transducers (ultrasonic transmitter and receiver) by hand or the like firmly against the disc, so that the disc spacing decreases by about 0.5 mm to 1 mm. In this case, the change in the transit time of the sound signal .DELTA.t is measured with high accuracy. At the same time, the change in the Scheibenab stand Δd, in the immediate vicinity of the transducer, with an optical interferometer exactly determined: A coherent light beam of certain wavelength (laser) drops perpen- dicular to the two-pane insulating glass. The light beam is reflected in part on the surfaces of the glass panes, also on the side facing away from the light source disk. The reflected portions of the light waves - with different path difference - interferie ren in a conventional manner. A change in the slice distance leads to a change or shift of the interference patterns (intensity minima and maxima). By measuring this shift with the aid of a suitable optical detector, the disc gap change in the order of 10 -3 mm can be accurately be true. The speed of sound ultimately results from c = Δd / Δt.

Mit Hilfe einer Eichkurve läßt sich aus der Schallgeschwindigkeit eindeutig die Zusam­ mensetzung des Gasgemisches bestimmen, wenn die Komponenten des Gemisches und die Temperatur des Gases bekannt sind. Die Verarbeitung der Daten erfolgt in einem Rechner.With the help of a calibration curve can be clearly from the speed of sound Zusam Determine the composition of the gas mixture, if the components of the mixture and the temperature of the gas are known. The processing of the data is done in one Calculator.

Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß eine hohe Meßgenauigkeit bei geringem tech­ nischen Aufwand erreicht wird. Die beiden Schallwandler müssen bei direkter Laufzeit­ messung nur auf eine Frequenz abgestimmt sein. Diese Meßfrequenz sollte höher sein als die Frequenz, bei der die Wellenlänge gleich dem Scheibenzwischenraum ist (größer als etwa 35 kHz) und so niedrig, daß das Schallsignal im Gaszwischenraum nicht zu stark gedämpft und damit unmeßbar klein wird (kleiner als etwa 10 MHz).The advantage of the method is that a high accuracy with low tech niche effort is achieved. The two transducers must be at direct transit time be tuned to one frequency only. This measuring frequency should be higher than the frequency at which the wavelength equals the interpane space (greater than  about 35 kHz) and so low that the sound signal in the gas gap is not too strong attenuated and thus becomes immeasurably small (less than about 10 MHz).

Die Intensität der vom Sender erzeugten Schallwelle wird durch den Übergang Glas-Gasfüllung erheblich vermindert. Eine Impedanzanpassung der Schallwelle an die Glasscheibe ist deshalb wünschenswert. Eine besonders günstige Meßfrequenz ist die, bei der die an den Schallwandler anliegende Glasscheibe als λ/4-Schicht genutzt werden kann. (siehe: "Heinrich Kuttruff, Physik und Technik des Ultraschalls", S. Hirzel Verlag Stuttgart 1988, S. 111). Die Intensität der Schallwelle, die von der Glasscheibe in den Scheibenzwischenraum tritt, ist dann am höchsten, wenn ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge des Schallsignals in der Glasscheibe der Dicke der Glasscheibe entspricht: s = (2n + 1)λ/4 mit n = 0, 1, 2, . . . ; s ist die Dicke der Scheibe.The intensity of the sound wave generated by the transmitter is determined by the transition Glass gas filling significantly reduced. An impedance adjustment of the sound wave the glass is therefore desirable. A particularly favorable measuring frequency those in which the glass plate adjacent to the transducer is used as a λ / 4 layer can be. (see: "Heinrich Kuttruff, Physics and Technique of Ultrasound", S. Hirzel Verlag Stuttgart 1988, p. 111). The intensity of the sound wave coming from the glass enters the disk space is then highest, if an odd Many times a quarter of the wavelength of the sound signal in the glass sheet of thickness the glass pane corresponds to: s = (2n + 1) λ / 4 with n = 0, 1, 2,. , , ; s is the thickness of the disc.

Für die Messung der Laufzeit wird normalerweise ein Ultraschallsender auf der einen Isolierglasseite, und gegenüberliegend ein Empfänger auf der anderen Seite angeordnet. Es ist aber auch möglich, ein und denselben Ultraschallwandler als Sender und Empfänger einzusetzen. Dabei wird die Reflexion des Schallsignals an der gegenüberliegenden Innenseite des Scheibeninnenraums ausgenutzt. Der Vorteil dieser einseitigen Messung ist, das auch Scheiben untersucht werden können, die nur von einer Seite zugänglich sind (z. B. in Hochhäusern).For the measurement of the transit time is usually an ultrasonic transmitter on the one Insulating glass side, and opposite a receiver arranged on the other side. It but is also possible, one and the same ultrasonic transducer as transmitter and receiver use. In this case, the reflection of the sound signal at the opposite Exploited inside of the disc interior. The advantage of this one-sided measurement is that also disks can be examined, which are accessible only from one side (eg in skyscrapers).

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der beiliegenden, schematischen Zeichnung (Fig. 1) erläutert:An exemplary embodiment will be explained with reference to the accompanying schematic drawing ( FIG. 1):

Ein Pulsgenerator (1) betreibt einen Schallsender (2), der an einer Scheibe des Zweischeiben-Isolierglases (a) anliegt. Das vom gegenüberliegenden Empfänger (3) aufge­ nommene Signal wird verstärkt (4) und ein vom Pulsgenerator getriggerter Diskriminator (5) ermittelt die Laufzeiten von Sende- und Empfängersignal bei unterschiedlichen Scheibenabständen. Diese Werte werden an den Rechner (6) weitergeleitet.A pulse generator ( 1 ) operates a sound transmitter ( 2 ) which abuts against a disc of the double-pane insulating glass (a). The signal picked up by the opposite receiver ( 3 ) is amplified ( 4 ) and a discriminator ( 5 ) triggered by the pulse generator determines the transit times of the transmitter and receiver signals at different wheel spacings. These values are forwarded to the computer ( 6 ).

Der vom Laser (7) erzeugte Strahl wird mit einem halbdurchlässigen Spiegel (8) senk­ recht auf das Isolierglas gerichtet. Der Strahl reflektiert an den beiden Glasscheiben (a) und (b). Die reflektierten Strahlen interferieren und treffen hinter dem halbdurchlässi­ gen Spiegel auf einen optischen Detektor (9) mit einem Verstärker (10). Die mit einem geeigneten Diskriminator (11) aufbereitete, durch die Veränderung des Scheibenabstands gemessene Längendifferenz wird wiederum zum Rechner (6) weitergeleitet zur Bestim­ mung der Schallgeschwindigkeit und der Gaskonzentration.The beam generated by the laser ( 7 ) is directed with a semi-transparent mirror ( 8 ) perpen- dicular to the insulating glass. The beam reflects on the two glass panes (a) and (b). The reflected rays interfere and strike behind the semi-transmissive level mirror on an optical detector ( 9 ) with an amplifier ( 10 ). The processed with a suitable discriminator ( 11 ), measured by the change in the disc spacing difference in length is in turn forwarded to the computer ( 6 ) for determina tion of the speed of sound and the gas concentration.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung des Füllgases im Scheibenzwi­ schenraum eines gasgefüllten Zweischeiben-Isolierglases mit einem auf einer Außen­ seite des Zweischeiben-Isolierglases angebrachten Schallsender und einem auf der ge­ genüberliegenden Seite angebrachten Schallempfänger zur Messung der Laufzeit des Schallsignals, gekennzeichnet dadurch, daß die Dicke des Scheibenzwischenraums durch Druck auf eine oder beide Scheiben verändert wird, daß die Veränderung der Dicke des Scheibenzwischenraums mit einem Interferometer gemessen wird und daß die Schallgeschwindigkeit mit Hilfe eines Rechners aus der Laufzeitdifferenz des Schallsignals und aus der Dickendifferenz des Scheibenzwischenraums ermittelt wird.1. A method for determining the composition of the filling gas in Scheibenzwi's space of a gas-filled double-pane insulating glass with a mounted on an outer side of the double-pane insulating sound transmitter and a ge on the opposite side mounted sound receiver for measuring the transit time of the sound signal, characterized in that the Thickness of the disc space is changed by pressure on one or both discs, that the change in the thickness of the disc space is measured with an interferometer and that the speed of sound is determined by means of a computer from the transit time difference of the sound signal and from the thickness difference of the disc space. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle für das Interferometer ein Laser (7) ist, dessen Strahl mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels (8) senkrecht auf das Zweischeiben-Isolierglas fällt, so daß das von den Scheibenoberflächen reflektierte Licht einen optischen Detektor trifft, der auf dieser Senkrechten hinter dem teildurchlässigen Spiegel liegt.2. The method according to claim 1, characterized in that the radiation source for the interferometer is a laser ( 7 ) whose beam with the aid of a partially transparent mirror ( 8 ) perpendicular to the double-pane insulating glass, so that the light reflected from the disc surfaces a light optical detector which lies on this perpendicular behind the partially transparent mirror. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schallsender und Schallempfänger ein und dasselbe Gerät sind und dieses an einer Seite des Isolier­ glases angebracht wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the sound transmitter and Sound receivers are one and the same device and this on one side of the insulating glass is attached. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Wel­ lenlänge des vom Sender erzeugten Schallsignals die Bedingung erfüllt, daß ein unge­ radzahliges Vielfaches eines Viertels der Schallsignalwellenlänge der Dicke der Glas­ scheiben entspricht.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that Wel lenlänge of the sound signal generated by the transmitter meets the condition that an unge Radial multiple of a quarter of the sound signal wavelength of the thickness of the glass corresponds to discs.
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