JP2005283512A - 検出面上状態検出装置および水分検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出面の清掃をし易くする。ゴミの影響を受けづらくする。
【解決手段】三角プリズム１９の長辺面１９−１を検出面とする。プリズム１９の短辺面１９−３に投受光同軸の光ファイバケーブル１７の先端部を接合する。プリズム１９の短辺面１９−２に熱電冷却素子２を取り付ける。熱電冷却素子２の冷却面２−１と短辺面１９−２との間に鏡１０を設ける。検出面１９−１に結露が生じると、発光側の光ファイバ１７−１から検出面１９−１の裏面（検出面裏面）１９−４に照射された光の一部がその結露を通してプリズム１９の外へ抜ける。このため、検出面裏面１９−４に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は鏡面１０−１によって検出面裏面１９−４に戻され、ここで再び正反射し、受光側の光ファイバ１７−２に入る。この光ファイバ１７−２を介して受光される光の強度変化によって検出面１９−１に生じる結露を検出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、検出面上の状態を検出する検出面上状態検出装置および検出面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する水分検出装置に関するものである。

従来より、湿度測定法として、被測定気体の温度を低下させ、その被測定気体に含まれる水蒸気の一部を結露させたときの温度を測定することにより露点を検出する露点検出法が知られている。例えば、非特許文献１には、寒剤、冷凍機、電子冷却器などを用いて鏡を冷却し、この冷却した鏡の鏡面上の反射光の強度の変化を検出し、この時の鏡面の温度を測定することによって、被測定気体中の水分の露点を検出する鏡面冷却式露点計について説明されている。

この鏡面冷却式露点計には、利用する反射光の種類によって、２つのタイプがある。１つは、正反射光を利用する正反射光検出方式（例えば、特許文献１参照）、もう１つは、散乱光を利用する散乱光検出方式（例えば、特許文献２参照）である。

〔正反射光検出方式〕
図１２に正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す。この鏡面冷却式露点計１０１は、被測定気体が流入されるチャンバ１と、このチャンバ１の内部に設けられた熱電冷却素子（ペルチェ素子）２を備えている。熱電冷却素子２の冷却面２−１には銅製ブロック３を介してボルト４が取り付けられており、熱電冷却素子２の加熱面２−２には放熱フィン５が取り付けられている。銅製ブロック３に取り付けられたボルト４の上面４−１は鏡面とされている。銅製ブロック３の側部には巻線式測温抵抗体（温度検出素子）６が埋め込まれている（図１６参照）。また、チャンバ１の上部には、ボルト４の上面（鏡面）４−１に対して斜めに光を照射する発光素子７と、この発光素子７から鏡面４−１に対して照射された光の正反射光を受光する受光素子８とが設けられている。

この鏡面冷却式露点計１０１において、チャンバ１内の鏡面４−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面４−１に結露が生じていなければ、発光素子７から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子８で受光される。したがって、鏡面４−１に結露が生じていない場合、受光素子８で受光される反射光の強度は大きい。

熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面４−１に結露し、その水の分子に発光素子７から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子８で受光される反射光（正反射光）の強度が減少する。この鏡面４−１における正反射光の変化を検出することにより、鏡面４−１上の状態の変化、すなわち鏡面４−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面４−１の温度を温度検出素子６で間接的に測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。

〔散乱光検出方式〕
図１３に散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す。この鏡面冷却式露点計１０２は、正反射光検出方式を採用した鏡面冷却式露点計１０１とほゞ同構成であるが、受光素子８の取り付け位置が異なっている。この鏡面冷却式露点計１０２において、受光素子８は、発光素子７から鏡面４−１に対して照射された光の正反射光を受光する位置ではなく、散乱光を受光する位置に設けられている。

この鏡面冷却式露点計１０２において、鏡面４−１は、チャンバ１内に流入される被測定気体に晒される。鏡面４−１に結露が生じていなければ、発光素子７から照射された光はそのほゞ全量が正反射し、受光素子８での受光量は極微量である。したがって、鏡面４−１に結露が生じていない場合、受光素子８で受光される反射光の強度は小さい。

熱電冷却素子２への電流を増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面４−１に結露し、その水の分子に発光素子７から照射した光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、受光素子８で受光される乱反射された光（散乱光）の強度が増大する。この鏡面４−１における散乱光の変化を検出することにより、鏡面４−１上の状態の変化、すなわち鏡面４−１上に水分（水滴）が付着したことを知ることができる。さらに、この時の鏡面４−１の温度を温度検出素子６で間接的に測定することにより、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。

なお、上述した露点計においては、鏡面４−１に生じる結露（水分）を検出する例で説明したが、同様の構成によって鏡面４−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。

また、図１４や図１５に示すように構成すれば、すなわち熱電冷却素子２や温度検出素子６などをなくし、チャンバ１内に鏡９のみを設け、チャンバ１上面に開口部を設けた構成とすれば、雨や雪などの降り始めに鏡面９−１に付着する水分を検出する鏡面上状態検出装置（天気計）として使用することも可能である。この天気計１０３や１０４では、雨や雪などがチャンバ１内に引き込まれ、鏡９の鏡面９−１に付着すると、その付着が受光素子８で受光される反射光の強度に基づいて検出される。

特開昭６１−７５２３５号公報 特公平７−１０４３０４号公報 工業計測ハンドブック、昭和51.9.30、朝倉書店、Ｐ297。

しかしながら、上述した従来の鏡面冷却式露点計１０１や１０２、天気計１０３や１０４では、結露や結霜を検出するための発光素子７や受光素子８などの光学系を鏡面（検出面）４−１の上方に設けているので、鏡面４−１の清掃時に邪魔になり、清掃し難かった。また、鏡面４−１にゴミなどが付着すると反射光の強度が弱まり、測定誤差が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、検出面の清掃がし易く、ゴミの影響を受けづらい検出面上状態検出装置および水分検出装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、第１発明（請求項１に係る発明）は、検出面上状態検出装置に係わり、その一方向面を検出面として配置されたプリズムと、このプリズムの内部を通して検出面を照射する発光手段と、発光手段から検出面に対して照射された光の正反射光を反射しプリズムの内部を通して検出面に戻すミラーと、このミラーによって戻された光の検出面からの正反射光を受光する受光手段と、この受光手段が受光する正反射光に基づいて検出面上の状態を検出する手段とを設けたものである。
この発明によれば、プリズムの一方向面、例えば三角プリズムの長辺の面（長辺面）が検出面とされ、この検出面にプリズムの内部を通して光が照射され、この検出面に照射された光すなわち検出面の裏面に照射された光の正反射光がミラーによってプリズムの内部を通して検出面の裏面に戻され、このミラーによって戻された光の検出面の裏面からの正反射光が受光され、この受光される正反射光に基づいて検出面上の状態（例えば、雨や雪の付着）が検出される。

この第１発明において、プリズムの検出面に雨や雪などが付着すると、発光手段から検出面の裏面に照射された光の一部がその付着した雨や雪などを通してプリズムの外へ抜ける。このため、検出面の裏面に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光はミラーによって検出面の裏面に戻され、ここで再び正反射し、受光手段によって受光される。この受光される光の強度変化によって検出面への雨や雪の付着を検出することができる。特に、この発明では、ミラーで光を全反射することにより、光が検出面の裏面を２回通過することになり、光の減衰度合いが増す。

第２発明（請求項２に係る発明）は、その一方向面を検出面として配置されたプリズムと、このプリズムの内部を通して検出面を照射する発光手段と、発光手段からの光のうち検出面における正反射光を受光する受光手段と、この受光手段が受光する正反射光に基づいて検出面上の状態を検出する手段とを設けたものである。
この発明によれば、プリズムの一方向面、例えば三角プリズムの長辺面が検出面とされ、この検出面にプリズムの内部を通して光が照射され、この検出面に照射された光すなわち検出面の裏面に照射された光の正反射光が受光され、この受光される正反射光に基づいて検出面上の状態（例えば、雨や雪の付着）が検出される。

この第２発明において、プリズムの検出面に雨や雪などが付着すると、発光手段から検出面の裏面に照射された光の一部がその付着した雨や雪などを通してプリズムの外へ抜ける。このため、検出面の裏面に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は受光手段によって受光される。この受光される光の強度変化によって検出面への雨や雪の付着を検出することができる。

第３発明（請求項３に係る発明）は、その一方向面が検出面として被測定気体に晒されるプリズムと、プリズムを冷却する冷却手段と、プリズムの内部を通して検出面を照射する発光手段と、発光手段から検出面に対して照射された光の正反射光を反射しプリズムの内部を通して検出面に戻すミラーと、このミラーによって戻された光の検出面からの正反射光を受光する受光手段と、この受光手段が受光する正反射光に基づいて冷却手段によって冷却されたプリズムの検出面上に生じる水分を検出する手段とを設けたものである。
この発明によれば、被測定気体に晒されるプリズムの一方向面、例えば三角プリズムの長辺面が検出面とされ、この検出面にプリズムの内部を通して光が照射され、この検出面に照射された光すなわち検出面の裏面に照射された光の正反射光がミラーによって検出面の裏面に戻され、このミラーによって戻された光の検出面の裏面からの正反射光が受光され、この受光される正反射光に基づいて、冷却手段によって冷却されたプリズムの検出面上に生じる水分（例えば、結露や結霜）が検出される。

この第３発明において、プリズムの検出面に結露や結霜が生じると、発光手段から検出面の裏面に照射された光の一部がその結露や結霜を通してプリズムの外へ抜ける。このため、検出面の裏面に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光はミラーによって検出面の裏面に戻され、ここで再び正反射し、受光手段によって受光される。この受光される光の強度変化によって検出面に生じる結露や結霜を検出することができる。特に、この発明では、ミラーで光を全反射することにより、光が検出面の裏面を２回通過することになり、光の減衰度合いが増す。

第４発明（請求項４に係る発明）は、水分検出装置に係わり、その一方向面が検出面として被測定気体に晒されるプリズムと、プリズムを冷却する冷却手段と、プリズムの内部を通して検出面を照射する発光手段と、発光手段からの光のうち検出面における正反射光を受光する受光手段と、この受光手段が受光する正反射光に基づいて冷却手段によって冷却されたプリズムの検出面上に生じる水分を検出する手段とを設けたものである。
この発明によれば、被測定気体に晒されるプリズムの一方向面、例えば三角プリズムの長辺面が検出面とされ、この検出面にプリズムの内部を通して光が照射され、この検出面に照射された光すなわち検出面の裏面に照射された光の正反射光が受光され、この受光される正反射光に基づいて、冷却手段によって冷却されたプリズムの検出面上に生じる水分（例えば、結露や結霜）が検出される。

この第４発明において、プリズムの検出面に結露や結霜が生じると、発光手段から検出面の裏面に照射された光の一部がその結露や結霜を通してプリズムの外へ抜ける。このため、検出面の裏面に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は受光手段によって受光される。この受光される光の強度変化によって検出面に生じる結露や結霜を検出することができる。

本発明によれば、プリズムの内部を通して検出面（検出面の裏面）に光を照射し、この検出面の裏面に対して照射した光の正反射光に基づいて検出面上の状態を検出したり、検出面上に生じる水分を検出するようにしたので、検出面の上面に光学系を配置しなくてもよくなり、検出面の清掃がし易くなる。また、検出面にゴミなどが付着しても、このゴミからプリズムの外へ抜ける光はないに等しく、ゴミの影響を受けづらくすることができるようになる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態１：鏡面冷却式露点計（反射方式）〕
図１はこの発明に係る水分検出装置の一実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計２０１はセンサ部２０１Ａとコントロール部２０１Ｂとを有している。

センサ部２０１Ａでは、三角プリズム（以下、単にプリズムと言う）１９を設け、このプリズム１９の長辺の面（長辺面）１９−１を検出面としている。また、プリズム１９の長辺面（検出面）１９−１に接する一方の短辺の面（短辺面）１９−２に熱電冷却素子（ペルチェ素子）２を取り付けている。プリズム１９の短辺面１９−２には鏡１０を取り付けている。鏡１０は、例えばミラーコーティングとされている。また、鏡１０と熱電冷却素子２の冷却面２−１との接合面に、例えば白金による薄膜測温抵抗体（温度検出素子）１１を形成している。また、熱電冷却素子２の加熱面２−２に円柱状のヒートシンク１８を接合している。

また、プリズム１９の検出面１９−１に接する他方の短辺面１９−３にステンレス製のチューブ（又はケーブル）１７の先端面を接合している。チューブ１７としては図２に示すような光ファイバを収容した種々のチューブ１６を使用することができる。図２（ａ）では、チューブ１６中に、発光側の光ファイバ１６−１と受光側の光ファイバ１６−２とを同軸に設けている。図２（ｂ）では、チューブ１６中に、発光側（あるいは受光側）の光ファイバ１６−１と受光側（あるいは発光側）の光ファイバ１６−２１〜１６−２４を同軸に設けている。図２（ｃ）では、チューブ１６中の左半分を発光側の光ファイバ１６ａ、右半分を受光側の光ファイバ１６ｂとしている。図２（ｄ）では、チューブ１６中に、発光側の光ファイバ１６ｃと受光側の光ファイバ１６ｄとを混在させている。図２（ｅ）では、チューブ１６中の中心部を発光側（あるいは受光側）の光ファイバ１６ｅ、光ファイバ１６ｅの周囲を受光側（あるいは発光側）の光ファイバ１６ｆとしている。

図１に示した鏡面冷却式露点計２０１では、チューブ１７として図２（ａ）に示されたタイプのチューブ１６を使用しており、その内部に発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを有している。発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２の先端部（発光部、受光部）は、プリズム１９の短辺面１９−３に接合され、プリズム１９の検出面１９−１の裏面（検出面裏面）１９−４に向けられている。この結果、光ファイバ１７−１からの光の照射方向（光軸）と光ファイバ１７−２での光の受光方向（光軸）とが平行とされ、また隣接して同一の傾斜角とされる。

この実施の形態において、プリズム１９の短辺面１９−２と１９−３とのなす角度は９０゜、長辺面１９−１と短辺面１９−２とのなす角度および長辺面１９−１と短辺面１９−３とのなす角度は４５゜とされており、従って光ファイバ１７−１および１７−２の光軸の検出面裏面１９−４に対する傾斜角は４５゜とされている。

コントロール部２０１Ｂには、露点温度表示部１２と、結露検知部１３と、ペルチェ出力制御部１４と、信号変換部１５とが設けられている。露点温度表示部１２には温度検出素子１１が検出するプリズム１９の温度が表示される。結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部よりプリズム１９の検出面裏面１９−４に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、後述するようにして光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。ペルチェ出力制御部１４は、結露検知部１３からの信号Ｓ１を受けて、反射パルス光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値を上回っている場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて増大させる制御信号Ｓ２を、反射パルス光の強度が閾値を下回っている場合には、熱電冷却素子２への電流を信号Ｓ１の値に応じて減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ出力する。信号変換部１５は、ペルチェ出力制御部１４からの制御信号Ｓ２で指示される電流Ｓ３を熱電冷却素子２へ供給する。

この鏡面冷却式露点計２０１において、センサ部２０１Ａは被測定気体中に置かれる。また、結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より、プリズム１９の検出面裏面１９−４に対して所定の周期でパルス光を照射させる（図３（ａ）参照）。検出面１９−１は被測定気体に晒されており、検出面１９−１に結露が生じていなければ、光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光はその全量が検出面裏面１９−４で正反射（全反射）し、プリズム１９の短辺面１９−２に位置する鏡面１０−１に達する。そして、この鏡面１０−１で全反射し、検出面裏面１９−４に戻され、この検出面裏面１９−４で全反射してから、ほゞ１００％の光量で光ファイバ１７−２に入る。したがって、検出面１９−１に結露が生じていない場合、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度は大きい。

結露検知部１３では、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。この場合、反射パルス光の強度は大きく、閾値を超えているので、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、信号変換部１５からの熱電冷却素子２への電流Ｓ３が増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が下げられて行く。

熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度、すなわちプリズム１９の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気がプリズム１９の検出面１９−１に結露し、光ファイバ１７−１から検出面裏面１９−４に照射された光の一部がその結露を通してプリズム１９の外へ抜ける（図４参照）。このため、検出面裏面１９−４での全反射がなくなり、検出面裏面１９−４に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は鏡面１０−１によって検出面裏面１９−４に戻され、ここで再び正反射し、光ファイバ１７−２に入る。特に、この実施の形態では、鏡面１０−１で光を全反射することにより、光が検出面裏面１９−４を２回通過することになり、光の減衰度合いが増す。これにより、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が減少する。

結露検知部１３は、受光される反射パルス光の１パルス毎に、その１パルスの上限値と下限値との差を求め、これを反射パルス光の強度とする。すなわち、図３（ｂ）に示すように、反射パルス光の１パルスの上限値Ｌｍａｘと下限値Ｌｍｉｎとの差ΔＬを求め、このΔＬを反射パルス光の強度とする。この結露検知部１３での処理により、反射パルス光に含まれる外乱光ΔＸが除去され、外乱光による誤動作が防止される。この結露検知部１３でのパルス光を用いた外乱光による誤動作防止の処理方式をパルス変調方式と呼ぶ。この処理によって、この鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａからチャンバをなくすことができている。

ここで、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値を下回ると、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制により、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が小さくなり、閾値を上回ると、ペルチェ出力制御部１４から熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２が信号変換部１５へ送られる。この動作の繰り返しによって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値とほゞ等しくなるように、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が調整される。この調整された温度、すなわち検出面１９−１に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）が、露点温度として露点温度表示部１２に表示される。

この鏡面冷却式露点計２０１では、プリズム１９の内部を通して検出面裏面１９−４に光を照射し、この検出面裏面１９−４に対して照射した光の正反射光に基づいて検出面１９−１上に生じる結露を検出するようにしているので、検出面１９−１の上面に光学系を配置しなくてもよくなり、検出面１９−１の清掃がし易くなる。また、検出面１９−１にゴミなどが付着しても、このゴミからプリズム１９の外へ抜ける光はないに等しく、検出面裏面１９−４での全反射が続けられ、ゴミの影響を受けづらくすることができる。

また、この鏡面冷却式露点計２０１では、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２の取り付け部が１箇所にまとめられており、検出部２０１Ａの小型化に貢献している。また、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とがチューブ１７に収容されているので、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２との間での位置決めは必要なく、組立時の作業性がよくなる。

また、この鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａからチャンバをなくし、チャンバ内に被測定気体を引き込むための吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計など省略することができているので、部品点数が削減され、センサ部２０１Ａのさらなる小型化が図られ、組立性が向上し、コストもダウンする。また、吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などを装着しなくてもよいので、測定雰囲気中への設置も容易となる。また、センサ部２０１Ａには吸引ポンプや吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などの装着が伴わず、センサ部２０１Ａとコントロール部２０１Ｂとの２つの構成となるので、持ち運びが容易となる。

図７にコントロール部２０１Ｂをコントロールボックス２１に収容した鏡面冷却式露点計２０１の構成を示す。コントロールボックス２１において、収容されたコントロール部２０１Ｂへの電源は電池とされており、コントロールボックス２１とセンサ部２０１Ａを１組にして現場に赴き、センサ部２０１Ａを測定雰囲気中に設置することにより、すぐに測定を始めることができる。この例では、コントロールボックス２１とセンサ部２０１Ａとを別体としているが、センサ部２０１Ａをコントロールボックス２１に設け、一体化するようにしてもよい。

また、この鏡面冷却式露点計２０１では、熱電冷却素子２の冷却面２−１と鏡１０との接合面に温度検出素子１１を設けているので、熱抵抗が少なく、精度よくかつ応答性よくプリズム１９の温度を測定することができる。これにより、露点温度の測定精度が高まり、応答性も向上する。また、鏡１０をプリズム１９の短辺面１９−２で一体化して小型にすることができ、組立性の向上が実現でき、部品点数の削減、コストの低減も可能になる。また、鏡１０は熱電冷却素子２の冷却面２−１に接合してもよく、これにより熱電冷却素子２と鏡１０とを一体形状として小型にすることができる。

なお、図１に示した鏡面冷却式露点計２０１では、センサ部２０１Ａにおいて発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを収容したチューブ１７を用いたが、発光側の光ファイバ１７−１に代えて発光ダイオードを、受光側の光ファイバ１７−２に代えてフォトカプラを設けるようにしてもよい。また、投受光の光ファイバをレンズ等で集光し、平行光にするようにしてもよい。

〔実施の形態２：鏡面冷却式露点計（透過方式）〕
図５はこの発明に係る水分検出装置の他の実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計２０２では、発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２とを同軸ではなく、プリズム１９の短辺面１９−２側と１９−３側とに個別に設けている。すなわち、プリズム１９の短辺面１９−３に発光側の光ファイバ１７−１の先端面（発光部）を接合し、プリズム１９の短辺面１９−２に受光側の光ファイバ１７−２の先端面（受光部）を接合している。また、熱電冷却素子２の中央部に中空部２−３を、ヒートシンク１８の中央部に中空部１８−１を設け、この中空部２−３および１８−１を通して光ファイバ１７−２を設けている。なお、この実施の形態では、図１に示したような鏡１０は用いておらず、プリズム１９の短辺面１９−２と熱電冷却素子２の冷却面２−１との接合面に温度検出素子１１を位置させている。

この鏡面冷却式露点計２０２において、センサ部２０２Ａは被測定気体中に置かれる。また、結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より、プリズム１９の検出面裏面１９−４に対して所定の周期でパルス光を照射させる。検出面１９−１は被測定気体に晒されており、検出面１９−１に結露が生じていなければ、光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光はその全量が検出面裏面１９−４で正反射（全反射）し、プリズム１９の短辺面１９−２に位置する光ファイバ１７−２にほゞ１００％の光量で入る。したがって、検出面１９−１に結露が生じていない場合、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度は大きい。

結露検知部１３では、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４へ送る。この場合、反射パルス光の強度は大きく、閾値を超えているので、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、信号変換部１５からの熱電冷却素子２への電流Ｓ３が増大し、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が下げられて行く。

熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度、すなわちプリズム１９の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気がプリズム１９の検出面１９−１に結露し、光ファイバ１７−１から検出面裏面１９−４に照射された光の一部がその結露を通してプリズム１９の外へ抜ける（図６参照）。このため、検出面裏面１９−４での全反射がなくなり、検出面裏面１９−４に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は光ファイバ１７−２に入る。これにより、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が減少する。

ここで、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値を下回ると、ペルチェ出力制御部１４は、熱電冷却素子２への電流を減少させる制御信号Ｓ２を信号変換部１５へ送る。これにより、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度の低下が抑えられ、結露の発生が抑制される。この結露の抑制によって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が大きくなり、閾値を上回ると、ペルチェ出力制御部１４から熱電冷却素子２への電流を増大させる制御信号Ｓ２が信号変換部１５へ送られる。この動作の繰り返しによって、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の強度が閾値とほゞ等しくなるように、熱電冷却素子２の冷却面２−１の温度が調整される。この調整された温度、すなわち検出面１９−１に生じた結露が平衡状態に達した温度（露点温度）が、露点温度として露点温度表示部１２に表示される。

この鏡面冷却式露点計２０２においても、プリズム１９の内部を通して検出面裏面１９−４に光を照射し、この検出面裏面１９−４に対して照射した光の正反射光に基づいて検出面１９−１上に生じる結露を検出するようにしているので、検出面１９−１の上面に光学系を配置しなくてもよくなり、検出面１９−１の清掃がし易くなる。また、検出面１９−１にゴミなどが付着しても、このゴミからプリズム１９の外へ抜ける光はないに等しく、検出面裏面１９−４での全反射が続けられ、ゴミの影響を受けづらくすることができる。

なお、上述した実施の形態１や２では、熱電冷却素子２の冷却面２−１と鏡１０との接合面に温度検出素子１１を設けてプリズム１９の温度を検出するのみとしたが、図８や図９に示すように、熱電冷却素子２の加熱面２−２とヒートシンク１８との接合面に温度検出素子２２を設ければ、ヒートシンク１８の温度を精度よくかつ応答性よく測定し、ヒートシンク１８の温度がある温度に達したら熱電冷却素子２への電流を遮断したり制限するなどして、プリズム１９の冷却効率を上げるようにすることも可能である。

また、上述した実施の形態１や２では、検出面１９−１に生じる結露（水分）を検出するものとしたが、同様の構成によって検出面１９−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。
また、上述した実施の形態１や２では、プリズム１９を冷却する冷却手段として熱電冷却素子（ペルチェ素子）２を用いたが、ヘリウム冷凍機などを用いてもよい。
また、上述した実施の形態１や２では、熱電冷却素子２をプリズム１９の短辺面１９−２に設けるようにしたが、必ずしも短辺面１９−２に設けなくてよく、検出面１９−１以外であればどの位置に熱電冷却素子２を設けてもよい。

〔実施の形態３：天気計（反射方式）〕
図１０はこの発明に係る鏡面上状態検出装置の一実施の形態を示す天気計の概略構成図である。この天気計２０３はセンサ部２０３Ａと雨検知部２０３Ｂとを有している。センサ部２０３Ａは、プリズム１９のみを設けた構成とし、実施の形態１と同様にして、チューブ１７の先端部をプリズム１９の短辺面１９−３に接合している。なお、この実施の形態では、プリズム１９の短辺面１９−２にミラーコート２０を施している。

この天気計２０３において、雨検知部２０３Ｂは、光ファイバ１７−１の先端部よりプリズム１９の検出面裏面１９−４に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、この反射パルス光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値を下回ると雨が降り始めた（検出面１９−１に雨が付着した）と判断する。

〔実施の形態４：天気計（透過光方式）〕
図１１はこの発明に係る鏡面上状態検出装置の他の実施の形態を示す天気計の概略構成図である。この天気計２０４はセンサ部２０４Ａと雨検知部２０４Ｂとを有している。センサ部２０４Ａは、プリズム１９のみを設けた構成とし、実施の形態２と同様にして、光ファイバ１７−１の先端部をプリズム１９の短辺面１９−３に接合し、受光側の光ファイバ１７−２をプリズム１９の短辺面１９−２に接合している。

この天気計２０４において、雨検知部２０４Ｂは、光ファイバ１７−１の先端部よりプリズム１９の検出面裏面１９−４に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光の上限値と下限値との差を反射パルス光の強度として求め、この反射パルス光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値を下回ると雨が降り始めた（検出面１９−１に雨が付着した）と判断する。

なお、上述した実施の形態３や４では、検出面１９−１上に付着する雨を検出するようにしたが、同様の構成によって検出面１９−１上に付着する雪を検出することも可能である。
また、上述した実施の形態１〜４では、プリズム１９として三角プリズムを用いたが、三角プリズムの底面をカットした台形状のプリズムを用いるなどしてもよく、他にも色々な形状のプリズムの利用が考えられる。

本発明に係る水分検出装置の一実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図（実施の形態１）である。 発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを１つのチューブ中に同軸に設ける構成を例示する図である。 検出面裏面に対して照射されるパルス光および検出面裏面から受光される反射パルス光を示す図である。 実施の形態１において検出面裏面に照射された光の一部が検出面に生じた結露を通してプリズムの外へ抜ける様子を示す図である。 本発明に係る水分検出装置の他の実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図（実施の形態２）である。 実施の形態２において検出面裏面に照射された光の一部が検出面に生じた結露を通してプリズムの外へ抜ける様子を示す図である。 コントロール部をコントロールボックスに収容した鏡面冷却式露点計の構成を示す図である。 熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの接合面にも温度検出素子を設けた実施の形態１の鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。 熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの接合面にも温度検出素子を設けた実施の形態２の鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。 本発明に係る鏡面上状態検出装置の一実施の形態を示す天気計の概略構成図（実施の形態３）である。 本発明に係る鏡面上状態検出装置の他の実施の形態を示す天気計の概略構成図（実施の形態４）である。 正反射光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す図である。 散乱光検出方式を採用した従来の鏡面冷却式露点計の要部を示す図である。 正反射光検出方式を採用した従来の天気計の要部を示す図である。 散乱光検出方式を採用した従来の天気計の要部を示す図である。 従来の鏡面冷却式露点計における鏡や温度検出素子の取り付け構造を示す斜視図である。

符号の説明

２…熱電冷却素子（ペルチェ素子）、２−１…冷却面、２−２…加熱面、２−３…中空部、１０…鏡、１０−１…鏡面、１１，２２…温度検出素子（薄膜測温抵抗体）、１２…露点温度表示部、１３…結露検知部、１４…ペルチェ出力制御部、１５…信号変換部、１７…チューブ、１７−１…発光側の光ファイバ、１７−２…受光側の光ファイバ、１８…ヒートシンク、１８−１…中空部、１９…三角プリズム、１９−１…長辺面（検出面）、１９−２，１９−３…短辺面、１９−４…検出面裏面、２０…ミラーコート、２１…コントロールボックス、２０１，２０２…鏡面冷却式露点計、２０１Ａ，２０２Ａ…センサ部、２０１Ｂ，２０２Ｂ…コントロール部、２０３，２０４…天気計、２０３Ａ，２０４Ａ…センサ部、２０３Ｂ，２０４Ｂ…雨検知部。

Claims (4)

1. その一方向面を検出面として配置されたプリズムと、
   このプリズムの内部を通して前記検出面を照射する発光手段と、
   前記発光手段から前記検出面に対して照射された光の正反射光を反射し前記プリズムの内部を通して前記検出面に戻すミラーと、
   このミラーによって戻された光の前記検出面からの正反射光を受光する受光手段と、
   この受光手段が受光する正反射光に基づいて前記検出面上の状態を検出する手段と
   を備えたことを特徴とする検出面上状態検出装置。
2. その一方向面を検出面として配置されたプリズムと、
   このプリズムの内部を通して前記検出面を照射する発光手段と、
   前記発光手段からの光のうち前記検出面における正反射光を受光する受光手段と、
   この受光手段が受光する正反射光に基づいて前記検出面上の状態を検出する手段と
   を備えたことを特徴とする検出面上状態検出装置。
3. その一方向面が検出面として被測定気体に晒されるプリズムと、
   前記プリズムを冷却する冷却手段と、
   前記プリズムの内部を通して前記検出面を照射する発光手段と、
   前記発光手段から前記検出面に対して照射された光の正反射光を反射し前記プリズムの内部を通して前記検出面に戻すミラーと、
   このミラーによって戻された光の前記検出面からの正反射光を受光する受光手段と、
   この受光手段が受光する正反射光に基づいて前記冷却手段によって冷却された前記プリズムの検出面上に生じる水分を検出する手段と
   を備えたことを特徴とする水分検出装置。
4. その一方向面が検出面として被測定気体に晒されるプリズムと、
   前記プリズムを冷却する冷却手段と、
   前記プリズムの内部を通して前記検出面を照射する発光手段と、
   前記発光手段からの光のうち前記検出面における正反射光を受光する受光手段と、
   この受光手段が受光する正反射光に基づいて前記冷却手段によって冷却された前記プリズムの検出面上に生じる水分を検出する手段と
   を備えたことを特徴とする水分検出装置。
   

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