JP2007192715A - 鏡面冷却式露点計 - Google Patents

Abstract

【課題】測定中に被測定気体の露点が急に高くなった場合、素早く鏡面温度を高くし、露点温度の計測までの待ち時間を大幅に短縮する。
【解決手段】受光量急上昇検出部１６Ａにおいて、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面１０−１からの散乱光の受光量の急上昇を検出し、熱電冷却素子２に逆電流を流す。これにより、熱電冷却素子２は、それまで低温側とされていた面２−１が高温側とされ、高温側とされていた面２−２が低温側とされ、鏡１０が積極的に加熱され、鏡面温度が素早く上昇する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、被測定気体に晒される鏡面をペルチェ素子などの熱電冷却素子を用いて冷却し、被測定気体に含まれる水蒸気の一部を鏡面上に結露させ、この結露の増減がなくなる平衡状態になったときの鏡面の温度を露点として検出する鏡面冷却式露点計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、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知られている。

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１１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１３参照）。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。熱電冷却素子２の周囲には断熱材９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、受光素子８で受光される反射光の光量に基づいて、鏡面４−１に生じる結露の増減がなくなる平衡状態になるように、すなわち受光素子８で受光される反射光の光量が変化しなくなる平衡状態になるように、熱電冷却素子２へ供給する電流、すなわち鏡４側の面２−１を低温側，放熱フィン５側の面２−２を高温側とする正方向への電流を制御し、この時の鏡面４−１の温度を温度検出素子６で測定することによって、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１２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、受光素子８で受光される反射光の光量に基づいて、鏡面４−１に生じる結露の増減がなくなる平衡状態になるように、すなわち受光素子８で受光される反射光の光量が変化しなくなる平衡状態になるように、熱電冷却素子２へ供給する電流、すなわち鏡４側の面２−１を低温側，放熱フィン５側の面２−２を高温側とする正方向への電流を制御し、この時の鏡面４−１の温度を温度検出素子６で測定することによって、被測定気体中の水分の露点を知ることができる。

この鏡面冷却式露点計では、上述した２つのタイプの何れも熱電冷却素子２によって鏡４を冷却するが、測定中に被測定気体の露点が急に高くなることがある。この場合、そのまま鏡４を冷却し続けると露点を計測することができないので、熱電冷却素子２への電流を遮断し、鏡面４−１の温度が自然上昇して露点温度付近となるのを待って、露点温度の計測を再開していた（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６１−７５２３５号公報 特公平７−１０４３０４号公報 特開平９−３０７０３０号公報

しかしながら、従来の鏡面冷却式露点計では、測定中に被測定気体の露点が急に高くなった場合、熱電冷却素子２への電流を遮断し、この熱電冷却素子２への電流の遮断による鏡面４−１の温度の自然上昇に依存していたので、露点温度の計測が可能になるまで長い待ち時間が発生していた。

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、測定中に被測定気体の露点が急に高くなった場合、素早く鏡面温度を高くし、露点温度の計測までの待ち時間を大幅に短縮することができる鏡面冷却式露点計を提供することにある。

〔散乱光検出方式〕
このような目的を達成するために、第１発明は、正方向への電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされる熱電冷却素子と、この熱電冷却素子の一方の面側に取り付けられその鏡面が被測定気体に晒される鏡と、鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の散乱光を受光する受光手段と、鏡面の温度を検出する温度検出手段と、受光手段が受光する散乱光の受光量に基づいて、鏡面に生じる結露の増減がなくなる平衡状態になるように、熱電冷却素子へ供給する正方向への電流を制御する制御手段とを備えた鏡面冷却式露点計において、被測定気体の露点の上昇を検出する露点上昇検出手段と、露点の上昇が検出された場合、熱電冷却素子へ強制的に、逆方向への電流を流す手段とを設けたものである。

この発明によれば、発光手段から鏡の鏡面に対して光が照射され、この照射された光の鏡面からの散乱光が受光手段で受光され、この受光手段が受光する散乱光の受光量に基づいて、鏡面に生じる結露が平衡状態になるように、熱電冷却素子へ供給する正方向への電流が制御される。この場合、鏡面に生じる結露が平衡状態となった時の鏡面の温度が露点温度であり、この露点温度が温度検手段によって検出される。この露点温度の測定中に、被測定気体の露点が高くなると、鏡面に生じる結露の量が多くなる。本発明では、このような露点の上昇を検出し、熱電冷却素子へ強制的に逆方向への電流を流す。これにより、熱電冷却素子は、それまで低温側とされていた面（一方の面）が高温側とされ、高温側とされていた面（他方の面）が低温側とされ、すなわち冷却面と加熱面とが入れ替わり、鏡が積極的に加熱され、鏡面温度が素早く上昇する。

なお、被測定気体の露点の上昇は、例えば、受光手段が受光する散乱光の受光量が予め定められた閾値を上回った場合として検出したり、受光手段が受光する散乱光の受光量の増加方向への変化量が予め定められた閾値を上回った場合として検出したりすることが可能である。

〔正反射光検出方式〕
また、第２発明は、正方向への電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされる熱電冷却素子と、この熱電冷却素子の一方の面側に取り付けられその鏡面が被測定気体に晒される鏡と、鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡面に対して照射された光の正反射光を受光する受光手段と、鏡面の温度を検出する温度検出手段と、受光手段が受光する正反射光の受光量に基づいて、鏡面に生じる結露の増減がなくなる平衡状態になるように、熱電冷却素子へ供給する正方向への電流を制御する制御手段とを備えた鏡面冷却式露点計において、被測定気体の露点の上昇を検出する露点上昇検出手段と、露点の上昇が検出された場合、熱電冷却素子へ強制的に、正方向とは反対の逆方向への電流を流す手段とを設けたものである。

この発明によれば、発光手段から鏡の鏡面に対して光が照射され、この照射された光の鏡面からの正反射光が受光手段で受光され、この受光手段が受光する正反射光の受光量に基づいて、鏡面に生じる結露が平衡状態になるように、熱電冷却素子へ供給する正方向への電流が制御される。この場合、鏡面に生じる結露が平衡状態となった時の鏡面の温度が露点温度であり、この露点温度が温度検手段によって検出される。この露点温度の測定中に、被測定気体の露点が急に高くなると、鏡面に生じる結露の量が多くなる。本発明では、このような露点の上昇を検出し、熱電冷却素子へ強制的に逆方向への電流を流す。これにより、熱電冷却素子は、それまで低温側とされていた面（一方の面）が高温側とされ、高温側とされていた面（他方の面）が低温側とされ、すなわち冷却面と加熱面とが入れ替わり、鏡が積極的に加熱され、鏡面温度が素早く上昇する。

なお、被測定気体の露点の上昇は、例えば、受光手段が受光する正反射光の受光量が予め定められた閾値を下回った場合として検出したり、受光手段が受光する正反射光の受光量の減少方向への変化量が予め定められた閾値を上回った場合として検出したりすることが可能である。

本発明によれば、露点温度の測定中に、被測定気体の露点が急に高くなると、熱電冷却素子へ強制的に逆方向への電流が流れ、それまで低温側とされていた面が高温側とされ、高温側とされていた面が低温側とされるので、鏡が積極的に加熱され、素早く鏡面温度を高くし、露点温度の計測までの待ち時間を大幅に短縮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：散乱光検出方式〕
図１はこの発明に係る鏡面冷却式露点計の一実施の形態を示す概略構成図である。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、熱電冷却素子（ペルチェ素子）２の冷却面２−１に鏡１０を取り付けている。鏡１０は、例えばシリコンチップとされ、その表面１０−１が鏡面とされている。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を取り付け、このヒートシンク１８に沿って、その上端部をＪ字型に湾曲させたステンレス製のチューブ１７を設けている。

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Ｐを使用することができる。図２（ａ）では、チューブＰ中に、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２とを並設している。チューブＰ中において、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２の周囲は、ポッテイング剤で満たされている。図２（ｂ）では、チューブＰ中に、発光側（あるいは受光側）の光ファイバＦ１と受光側（あるいは発光側）の光ファイバＦ２１〜Ｆ２４を並行に設けている。図２（ｃ）では、チューブＰ中の左半分を発光側の光ファイバＦ１、右半分を受光側の光ファイバＦ２としている。図２（ｄ）では、チューブＰ中に、発光側の光ファイバＦ１と受光側の光ファイバＦ２とを混在させている。図２（ｅ）では、チューブＰ中の中心部を発光側（あるいは受光側）の光ファイバＦ１、光ファイバＦ１の周囲を受光側（あるいは発光側）の光ファイバＦ２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Ｐ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とを収容している。発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２のＪ字型に湾曲された先端部（発光部、受光部）は、鏡１０の鏡面１０−１に向けられ、この鏡面１０−１に対して所定の傾斜角で傾けられている。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。

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、受光量急上昇検出部１６Ａと、電源供給部１９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が検出する鏡１０の温度が表示される。結露検知部１３は、光ファイバ１７−１の先端部より鏡１０の鏡面１０−１に対して斜めに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（散乱光）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に応じた信号Ｓ１をペルチェ出力制御部１４および受光量急上昇検出部１６Ａへ送る。

受光量急上昇検出部１６Ａは、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１を受けて、反射パルス光の強度の急上昇、すなわち光ファイバ１７−１の先端部から鏡面１０−１に対して照射された光の散乱光の受光量の急上昇を検出し、ペルチェ出力制御部１４へ逆電流を流す旨の指示Ｓ４を与える。

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ｔｈ１とを比較し、反射パルス光の強度が閾値ｔｈ１に達していない場合には、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ｔｈ１を超えている場合には、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。

また、ペルチェ出力制御部１４は、受光量急上昇検出部１６Ａからの逆電流を流す旨の指示Ｓ４を受けた場合、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１に従う制御を中断し、熱電冷却素子２への電流をそれまでの正方向から逆方向への電流値に強制的に切り替える信号Ｓ２’を信号変換部１５へ送る。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，Ｓ２’で指示される電流Ｓ３，Ｓ３’を電源供給部１９を介して熱電冷却素子２へ供給する。

〔露点温度の測定〕
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、鏡１０の鏡面１０−１に対して斜めに所定の周期でパルス光を照射させる（図３（ａ）参照）。鏡面１０−１は被測定気体に晒されており、鏡面１０−１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ほゞ全量が正反射し、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面１０−１からの反射パルス光（散乱光）の量は極微量である。したがって、鏡面１０−１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小さい。

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および受光量急上昇検出部１６Ａへ送る。この場合、反射パルス光の強度はほゞ零であり、閾値ｔｈ１に達していないので、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、熱電冷却素子２へ供給される電流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、すなわち鏡１０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１０の鏡面１０−１に結露し、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面１０−１からの反射パルス光（散乱光）の強度が増大する。

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ｔｈ１を超えると、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ｔｈ１を下回ると、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ｔｈ１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、すなわち鏡面１０−１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、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、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、測定エリア（被測定気体中）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。

〔測定中に被測定気体の露点が急に高くなった場合〕
上述した露点温度の測定中に、被測定気体の露点が急に高くなると、鏡面１０−１に生じる結露の量が急に多くなる。このため、光ファイバ１７−１の先端部から鏡面１０−１に対して照射された光の散乱光が急に多くなり、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面１０−１からの散乱光の受光量が急上昇する。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を受光量急上昇検出部１６Ａへ送る。受光量急上昇検出部１６Ａは、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１を受けて、反射パルス光の強度の急上昇（露点の急上昇）を検出し、ペルチェ出力制御部１４へ逆電流を流す旨の指示Ｓ４を与える。この実施の形態１では、受光量急上昇検出部１６Ａが本発明でいう露点上昇検出手段に相当する。

図４に受光量急上昇検出部１６Ａにおける反射パルス光の強度の急上昇の検出処理の一例を示す。受光量急上昇検出部１６Ａは、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１より散乱光の受光量を求め、この散乱光の受光量と予め定められている閾値α１とを比較する（ステップ４０１）。

散乱光の受光量が閾値α１以上であった場合（ステップ４０１のＹＥＳ）、受光量急上昇検出部１６Ａは、散乱光の受光量の急上昇と判断し、ペルチェ出力制御部１４へ逆電流を流す旨の指示Ｓ４を出力する（ステップ４０２）。この逆電流を流す旨の指示Ｓ４は、散乱光の受光量が予め定められている閾値α２（α２＜α１）以下となるまで（ステップ４０３のＹＥＳ）、ペルチェ出力制御部１４へ出力され続ける。

なお、この例において、閾値α１は、ペルチェ出力制御部１４からの信号Ｓ２に基づく通常の制御では散乱光の受光量がとり得ることのない十分大きな値として設定しておく。また、閾値α２は、露点温度付近での散乱光の受光量に近い値として設定しておく。

図５に受光量急上昇検出部１６Ａにおける反射パルス光の強度の急上昇の検出処理の別の例を示す。受光量急上昇検出部１６Ａは、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１より散乱光の受光量を求め、この散乱光の受光量と所定時間前に求められた散乱光の受光量との差を受光量変化量として求める（ステップ５０１）。そして、この受光量変化量が増加方向への受光量変化量であるのか減少方向への受光量変化量であるのかをチェックし（ステップ５０２）、増加方向への受光量変化量であれば（ステップ５０２のＹＥＳ）、予め定められている閾値β１と比較する（ステップ５０３）。

増加方向への受光量変化量が閾値β１以上であった場合（ステップ５０３のＹＥＳ）、受光量急上昇検出部１６Ａは、散乱光の受光量の急上昇と判断し、ペルチェ出力制御部１４へ逆電流を流す旨の指示Ｓ４を出力する（ステップ５０４）。この逆電流を流す旨の指示Ｓ４は、増加方向への受光量変化量が予め定められている閾値β２（β２＜β１）以下となるまで（ステップ５０５のＹＥＳ）、ペルチェ出力制御部１４へ出力され続ける。

なお、この例において、閾値β１は、ペルチェ出力制御部１４からの信号Ｓ２に基づく通常の制御では増加方向への受光量変化量がとり得ることのない十分な大きな値として設定しておく。また、閾値β２は、零に近い値として設定しておく。

ペルチェ出力制御部１４は、受光量急上昇検出部１６Ａからの逆電流を流す旨の指示Ｓ４を受けると、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１に従う制御を中断し、熱電冷却素子２への電流をそれまでの正方向から逆方向への電流値に強制的に切り替える信号Ｓ２’を信号変換部１５へ送る。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（逆電流）Ｓ３’を電源供給部１９を介して熱電冷却素子２へ供給する。

これにより、熱電冷却素子２は、それまで低温側とされていた面２−１が高温側とされ、高温側とされていた面２−２が低温側とされ、すなわち冷却面と加熱面とが入れ替わり、鏡１０が積極的に加熱され、鏡面温度が素早く上昇する。そして、鏡面１０−１の温度が露点温度付近となれば、ペルチェ出力制御部１４からの制御信号Ｓ２’がＳ２へ切り替えられ、通常の制御に戻される。これにより、従来の熱電冷却素子２への電流を遮断する場合と比較して、露点温度計測までの待ち時間が大幅に短縮される。

図６に測定中に被測定気体の露点が急に高くなった場合の鏡面温度のグラフを示す。同図において、特性Ｉは被測定気体の露点温度の変化を示し、特性IIは被測定気体の露点の急上昇時に熱電冷却素子への電流を遮断した場合の露点温度の変化（従来）を示し、特性III は被測定気体の露点の急上昇時に熱電冷却素子へ逆電流を流した場合の露点温度の変化（本願）を示す。このグラフからも、被測定気体の露点の急上昇時には逆電流を流した場合の方が応答性が速いことが分かる。

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、図７に示すセンサ部２０１Ａ’のように、発光側の光ファイバ１７−１に代えて発光ダイオード１９を、受光側の光ファイバ１７−２に代えてフォトカプラ２０を設けるようにしてもよい。

〔実施の形態２：正反射光検出方式〕
図８はこの発明に係る鏡面冷却式露点計の他の実施の形態を示す概略構成図である。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とを同方向ではなく、鏡１０を挾んでその左右に対称に設けている。発光側の光ファイバ１７−１と受光側の光ファイバ１７−２のＪ字型に湾曲された先端部は、鏡１０の鏡面１０−１に向けられ、この鏡面１０−１に対して左右対称に所定の傾斜角で傾けられている。

〔露点温度の測定〕
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、鏡１０の鏡面１０−１に対して斜めに所定の周期でパルス光を照射させる。鏡面１０−１は被測定気体に晒されており、鏡面１０−１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ほゞ全量が正反射し、光ファイバ１７−２を介して受光される。したがって、鏡面１０−１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（正反射光）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、この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および受光量急降下検出部１６Ｂへ送る。この場合、反射パルス光の強度は大きく、閾値ｔｈ２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、熱電冷却素子２へ供給される電流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、すなわち鏡１０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１０の鏡面１０−１に結露し、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端部から照射されたパルス光の一部が吸収されたり、乱反射したりする。これにより、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面１０−１からの反射パルス光（正反射光）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ｔｈ２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ｔｈ２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ｔｈ２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、すなわち鏡面１０−１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。

〔測定中に被測定気体の露点が急に高くなった場合〕
上述した露点温度の測定中に、被測定気体の露点が急に高くなると、鏡面１０−１に生じる結露の量が急に多くなる。このため、光ファイバ１７−１の先端部から鏡面１０−１に対して照射された光の正反射光が急に少なくなり、光ファイバ１７−２を介して受光される鏡面１０−１からの正反射光の受光量が急降下する。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を受光量急降下検出部１６Ｂへ送る。受光量急降下検出部１６Ｂは、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１を受けて、反射パルス光の強度の急降下（露点の急上昇）を検出し、ペルチェ出力制御部１４へ逆電流を流す旨の指示Ｓ４を与える。この実施の形態２では、受光量急降下検出部１６Ｂが本発明でいう露点上昇検出手段に相当する。

図９に受光量急降下検出部１６Ｂにおける反射パルス光の強度の急降下の検出処理の一例を示す。受光量急降下検出部１６Ｂは、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１より正反射光の受光量を求め、この正反射光の受光量と予め定められている閾値γ１とを比較する（ステップ６０１）。

正反射光の受光量が閾値γ１以下であった場合（ステップ６０１のＹＥＳ）、受光量急降下検出部１６Ｂは、正反射光の受光量の急降下と判断し、ペルチェ出力制御部１４へ逆電流を流す旨の指示Ｓ４を出力する（ステップ６０２）。この逆電流を流す旨の指示Ｓ４は、正反射光の受光量が予め定められている閾値γ２（γ２＞γ１）以上となるまで（ステップ６０３のＹＥＳ）、ペルチェ出力制御部１４へ出力され続ける。

なお、この例において、閾値γ１は、ペルチェ出力制御部１４からの信号Ｓ２に基づく通常の制御では正反射光の受光量がとり得ることのない十分小さな値として設定しておく。また、閾値γ２は、露点温度付近での正反射光の受光量に近い値として設定しておく。

図１０に受光量急降下検出部１６Ｂにおける反射パルス光の強度の急降下の検出処理の別の例を示す。受光量急降下検出部１６Ｂは、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１より正反射光の受光量を求め、この正反射光の受光量と所定時間前に求められた正反射光の受光量との差を受光量変化量として求める（ステップ７０１）。そして、この受光量変化量が増加方向への受光量変化量がであるのか減少方向への受光量変化量であるのかをチェックし（ステップ７０２）、減少方向への受光量変化量であれば（ステップ７０２のＹＥＳ）、予め定められている閾値δ１と比較する（ステップ７０３）。

受光量急降下検出部１６Ｂは、減少方向への受光量変化量が閾値δ１以上であれば（ステップ７０３のＹＥＳ）、正反射光の受光量の急降下と判断し、ペルチェ出力制御部１４へ逆電流を流す旨の指示Ｓ４を出力する（ステップ７０４）。この逆電流を流す旨の指示Ｓ４は、減少方向への受光量変化量が予め定められている閾値δ２（δ２＜δ１）以下となるまで（ステップ７０５のＹＥＳ）、ペルチェ出力制御部１４へ出力され続ける。

なお、この例において、閾値δ１は、ペルチェ出力制御部１４からの信号Ｓ２に基づく通常の制御では減少方向への受光量変化量がとり得ることのない十分な大きな値として設定しておく。また、閾値δ２は、零に近い値として設定しておく。

ペルチェ出力制御部１４は、受光量急降下検出部１６Ｂからの逆電流を流す旨の指示Ｓ４を受けると、結露検知部１３からの反射パルス光の強度に応じた信号Ｓ１に従う制御を中断し、熱電冷却素子２への電流をそれまでの正方向から逆方向への電流値に強制的に切り替える信号Ｓ２’を信号変換部１５へ送る。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（逆電流）Ｓ３’を電源供給部１９を介して熱電冷却素子２へ供給する。

これにより、熱電冷却素子２は、それまで低温側とされていた面２−１が高温側とされ、高温側とされていた面２−２が低温側とされ、すなわち冷却面と加熱面とが入れ替わり、鏡１０が積極的に加熱され、鏡面温度が素早く降下する。そして、鏡面１０−１の温度が露点温度付近となれば、ペルチェ出力制御部１４からの制御信号Ｓ２’がＳ２へ切り替えられ、通常の制御に戻される。これにより、従来の熱電冷却素子２への電流を遮断する場合と比較して、露点温度計測までの待ち時間が大幅に短縮される。

なお、制御信号Ｓ２’で指示される電流（逆電流）Ｓ３’の電流値は予め定められる任意の値としてもよいし、制御信号Ｓ２’が指示される直前に流れていたＳ３と同じ値（但し、流れ方向は逆）としてもよく、任意に決めてよい。

本発明に係る鏡面冷却式露点計の一実施の形態（実施の形態１）を示す概略構成図である。 発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを１つのチューブ中に並行して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。 受光量急上昇検出部における反射パルス光の強度の急上昇の検出処理の一例を示すフローチャートである。 受光量急上昇検出部における反射パルス光の強度の急上昇の検出処理の別の例を示すフローチャートである。 測定中に被測定気体の露点が急に高くなった場合の鏡面温度の変化を示すグラフである。 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。 本発明に係る鏡面冷却式露点計の他の実施の形態（実施の形態２）を示す概略構成図である。 受光量急降下検出部における反射パルス光の強度の急降下の検出処理の一例を示すフローチャートである。 受光量急降下検出部における反射パルス光の強度の急降下の検出処理の別の例を示すフローチャートである。 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。 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、１０…鏡、１０−１…鏡面、１１…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、１６Ａ…受光量急上昇検出部、１６Ｂ…受光量急降下検出部、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、１９…電源供給部、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。

Claims (6)

1. 正方向への電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされる熱電冷却素子と、
   この熱電冷却素子の前記一方の面側に取り付けられその鏡面が被測定気体に晒される鏡と、
   前記鏡面に対して光を照射する発光手段と、
   前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の散乱光を受光する受光手段と、
   前記鏡面の温度を検出する温度検出手段と、
   前記受光手段が受光する散乱光の受光量に基づいて、前記鏡面に生じる結露の増減がなくなる平衡状態になるように、前記熱電冷却素子へ供給する正方向への電流を制御する制御手段とを備えた鏡面冷却式露点計において、
   前記被測定気体の露点の上昇を検出する露点上昇検出手段と、
   前記露点の上昇が検出された場合、前記熱電冷却素子へ強制的に、前記正方向とは反対の逆方向への電流を流す手段と
   を備えたことを特徴とする鏡面冷却式露点計。
2. 請求項１に記載された鏡面冷却式露点計において、
   前記露点上昇検出手段は、前記受光手段が受光する散乱光の受光量が予め定められた閾値を上回った場合を前記露点の上昇として検出する
   ことを特徴とする鏡面冷却式露点計。
3. 請求項１に記載された鏡面冷却式露点計において、
   前記露点上昇検出手段は、前記受光手段が受光する散乱光の受光量の増加方向への変化量が予め定められた閾値を上回った場合を前記露点の上昇として検出する
   ことを特徴とする鏡面冷却式露点計。
4. 正方向への電流の供給を受けて、一方の面が低温側、他方の面が高温側とされる熱電冷却素子と、
   この熱電冷却素子の前記一方の面側に取り付けられその鏡面が被測定気体に晒される鏡と、
   前記鏡面に対して光を照射する発光手段と、
   前記発光手段から前記鏡面に対して照射された光の正反射光を受光する受光手段と、
   前記鏡面の温度を検出する温度検出手段と、
   前記受光手段が受光する正反射光の受光量に基づいて、前記鏡面に生じる結露の増減がなくなる平衡状態になるように、前記熱電冷却素子へ供給する正方向への電流を制御する制御手段とを備えた鏡面冷却式露点計において、
   前記被測定気体の露点の上昇を検出する露点上昇検出手段と、
   前記露点の上昇が検出された場合、前記熱電冷却素子へ強制的に、前記正方向とは反対の逆方向への電流を流す手段と
   を備えたことを特徴とする鏡面冷却式露点計。
5. 請求項４に記載された鏡面冷却式露点計において、
   前記露点上昇検出手段は、前記受光手段が受光する正反射光の受光量が予め定められた閾値を下回った場合を前記露点の上昇として検出する
   ことを特徴とする鏡面冷却式露点計。
6. 請求項４に記載された鏡面冷却式露点計において、
   前記露点上昇検出手段は、前記受光手段が受光する正反射光の受光量の減少方向への変化量が予め定められた閾値を上回った場合を前記露点の上昇として検出する
   ことを特徴とする鏡面冷却式露点計。

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