JP4005580B2 - 鏡面冷却式露点計 - Google Patents

Description

この発明は、鏡の鏡面を冷却し、鏡の鏡面上に水分が生じたときの鏡の温度を測定することにより露点を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、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９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４０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１０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１１や図１２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によると、発光素子７と受光素子８とを所定の位置関係を保つように傾斜角を変えて別々に設置しているため、チャンバ１の大型化が避けられず、小型化を促進することができなかった。また、発光素子７と受光素子８とを離して別角度で配置しているため、組立時の発光素子７と受光素子８との位置決めが難しく、作業性が悪かった。

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、小型化を促進することができ、かつ組立時の作業性をよく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。

このような目的を達成するために、本発明の鏡面冷却式露点計は、鏡面が被測定気体に晒される鏡と、前記鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられる熱電冷却素子と、前記鏡面に対して斜めに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、この受光手段が受光する散乱光に基づいて前記熱電冷却素子によって冷却された前記鏡の鏡面上に生じる水分を検出する手段と、前記鏡の温度を検出する温度検出素子とを備えた鏡面冷却式露点計において、前記受光手段の光軸を前記発光手段の光軸とほゞ平行とし、また隣接してほゞ同一の傾斜角としたものである。
この発明によれば、発光手段から鏡の鏡面に対して斜めに光が照射され、この照射された光の鏡面からの散乱光が発光手段からの照射光とほゞ同一の位置で受光され、この受光される散乱光に基づいて、熱電冷却素子によって冷却された鏡の鏡面上に生じる水分（例えば、結露や結霜）が生じたときの鏡の温度を測定することで、被測定気体中の水分の露点が検出される。

なお、本発明において、受光手段の光軸を発光手段の光軸とほゞ平行にかつほゞ同一の傾斜角で隣接するという構成には、発光素子と受光素子とを並置する構成だけではなく、１つのケーブル（又はパイプ）中に発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを同軸に設ける構成なども含まれる。

本発明によれば、受光手段の光軸を発光手段の光軸とほゞ平行にかつほゞ同一の傾斜角で隣接するようにしたので、発光手段と受光手段の取り付け部を１箇所にまとめることができ、小型化を促進することができる。また、発光手段の光軸と受光手段の光軸とを隣接してほゞ同一の傾斜角でほゞ平行に配置するため、位置決めが容易になり、組立時の作業性がよくなる。

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(チャンバ有り)〕
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、図２に示すように、チャンバ１に発光素子７と受光素子８とを平行にかつ同一の傾斜角θで隣接して配置している。すなわち、発光素子７の照射方向（光軸）と受光素子８の受光方向（光軸）とを平行とし、また隣接して同一の傾斜角とし、これにより、発光素子７と受光素子８の取り付け部を１箇所にまとめている。また、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。

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が検出する鏡１０の温度が表示される。結露検知部１３は、発光素子７を常時点灯させるとともに、反射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、受光素子８で受光される反射光の強度と予め定められている閾値とを比較し、受光素子８で受光される反射光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射光の強度が閾値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、反射光の強度が閾値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。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、チャンバ１内の鏡面１０−１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１０−１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。

結露検知部１３では、受光素子８で受光される反射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、反射光の強度はほゞ零であり、閾値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、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（散乱光）の強度が増大する。結露検知部１３では、反射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。

ここで、ペルチェ出力制御部１４は、受光素子８で受光される反射光の強度と予め定められている閾値とを比較し、受光素子８で受光される反射光の強度が閾値を超えると、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、受光素子８で受光される反射光の強度が小さくなり、閾値を下回ると、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、受光素子８で受光される反射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、発光素子７と受光素子８の取り付け部が上述したように１箇所にまとめられているので、図９や図１０に示した従来の鏡面冷却式露点計１０１や１０２に比べ、チャンバ１が小さくなり、検出部２０１Ａの小型化が図られている。また、発光素子７と受光素子８とを隣接してほゞ同一の傾斜角で平行に配置するため、位置決めが容易となり、組立時の作業性がよくなる。

なお、この鏡面冷却式露点計２０１において、発光素子７として発光ダイオード（ＬＥＤ）を、受光素子８としてフォトカプラを用いてもよいが、光ファイバなどの使用も可能である。すなわち、発光素子７として発光側の光ファイバを用い、受光素子８として受光側の光ファイバを用いてもよい。また、光ファイバを用いる場合、１つのケーブルやパイプ中に発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを同軸に設ける構成としてもよい。図３に発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを１つのパイプ（ステンレスチューブ）中に同軸に設ける構成を例示する。

図３（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３（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３（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３（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３（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。

〔実施の形態２：鏡面冷却式露点計（チャンバ無し）〕
図１に示した鏡面冷却式露点計２０１において、センサ部２０１Ａは、チャンバ１を設けた構成とされている。このチャンバ１は外乱光による誤動作防止（遮光）のために必要である。この鏡面冷却式露点計２０１では、チャンバ１を設けているために、チャンバ１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，流量計などを必要とする。このため、部品点数が多く、センサ部が大型化し、組立性が悪いという問題を含んでいる。

この問題を解決するために、実施の形態２の鏡面冷却式露点計２０２（図４）では、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するようにし、受光される鏡面１０−１からの反射パルス光（散乱光）の１パルスの上限値と下限値との差に基づいて、鏡面１０−１上に生じる結露を検出するようにしている。これにより、実施の形態１の鏡面冷却式露点計２０１で必要としていたチャンバ１をなくし、吸引ポンプや吸引用チューブ，排気用チューブ，流量計などを省略することができる。

なお、この鏡面冷却式露点計２０２では、実施の形態１の鏡面冷却式露点計２０１の発光素子７と受光素子８に代えて、その上端部をＪ字型に湾曲させたチューブ１７を設けている。チューブ１７としては図３で説明したような種々の形で光ファイバを収容したチューブ１６を使用することができる。この実施の形態では、チューブ１７として図３（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。また、この鏡面冷却式露点計２０２では、実施の形態１の鏡面冷却式露点計２０１の放熱フィン５に代えて、円柱状のヒートシンク１８を熱電冷却素子２の加熱面２−２に接合している。チューブ１７はこのヒートシンク１８に沿って設けられている。

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、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５（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。

これに対して、鏡面１０−１に結露が生じると、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端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５（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を防止することができるようになる。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２０２では、センサ部２０２Ａからチャンバをなくすことができている。

この鏡面冷却式露点計２０２においても、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２０２Ａ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１つのチューブ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２０２では、センサ部２０２Ａ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，流量計などを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２０２Ａ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、測定雰囲気中への設置も容易となる。

なお、この鏡面冷却式露点計２０２では、センサ部２０２Ａ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６に示すセンサ部２０２Ａ’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。

また、上述した実施の形態１や２では、鏡面１０−１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鏡面１０−１に生じる結霜（水分）を検出することも可能である。

〔参考例１：天気計(チャンバ有り)〕
図７はこの発明に係る鏡面冷却式露点計の一参考例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、チャンバ１内に鏡１０のみを設けた構成とし、実施の形態１と同様にして、チャンバ１に発光素子７と受光素子８とを平行にかつ同一の傾斜角θで隣接して配置している。

この天気計２０３において、雨検知部２０３Ｂは、発光素子７を常時点灯させるとともに、受光素子８で受光される反射光の強度と予め定められている閾値とを比較し、反射光の強度が閾値を超えると雨が降り始めた（鏡面１０−１に雨が付着した）と判断する。

〔参考例２：天気計(チャンバ無し)〕
図８はこの発明に係る鏡面冷却式露点計の他の参考例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、鏡１０のみを設けた構成とし、実施の形態２と同様にして、上端部をＪ字型に湾曲させたチューブ１７を設けている。

この天気計２０４において、雨検知部２０４Ｂは、発光側の光ファイバ１７−１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、受光側の光ファイバ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超えると雨が降り始めた（鏡面１０−１に雨が付着した）と判断する。

なお、上述した参考例１や２では、鏡面１０−１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鏡面１０−１上に付着する雪を検出することも可能である。また、同様の構成によって、雨や雪だけではなく、塵なども検出することが可能である。

本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（実施の形態１）である。 この鏡面冷却式露点計における発光素子と受光素子の配置状況を示す図である。 発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを１つのチューブ中に同軸に設ける構成を例示する図である。 本発明に係る鏡面冷却式露点計の他の実施の形態を示す概略構成図（実施の形態２）である。 この鏡面冷却式露点計の鏡面に対して照射されるパルス光および鏡面から受光される反射パルス光（散乱光）を示す図である。 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。 本発明に係る鏡面冷却式露点計の一参考例を示す天気計の概略構成図（実施の形態３）である。 本発明に係る鏡面冷却式露点計の他の参考例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

１…チャンバ、２…熱電冷却素子（ペルチェ素子）、２−１…冷却面、２−２…加熱面、７…発光素子、８…受光素子、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、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…発光ダイオード、２０…フォトカプラ、４０…断熱材、２０１，２０２…鏡面冷却式露点計、２０１Ａ，２０２Ａ，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 (1)

1. 鏡面が被測定気体に晒される鏡と、
   前記鏡の鏡面とは反対側の面に低温側の面が取り付けられる熱電冷却素子と、
   前記鏡面に対して斜めに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、
   この受光手段が受光する散乱光に基づいて前記熱電冷却素子によって冷却された前記鏡の鏡面上に生じる水分を検出する手段と、
   前記鏡の温度を検出する温度検出素子と
   を備えた鏡面冷却式露点計において、
   前記受光手段の光軸は前記発光手段の光軸とほゞ平行とされ、また隣接してほゞ同一の傾斜角とされたことを特徴とする鏡面冷却式露点計。

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