JP5663565B2 - 検知システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサの分野に関し、より詳細には、混合ガスの飽和点等の物理特性を測定するように構成された光学分析機器に関する。

凝縮物の速度が蒸発と厳密に等しい結露面の温度は、露点温度または飽和点として定義されることが多い。一般に「鏡面冷却式」湿度計と呼ばれる光学式結露型露点湿度計は、ガスの露点または飽和点を検出するように構成され、分析機器の分野では周知である。これらの「鏡面冷却式」湿度計は、通常、結露面が分析ガスと蒸気圧平衡で維持されるように構成される。

図１を参照すると、既知の「鏡面冷却式」湿度計の特徴の１つは、これらの「鏡面冷却式」湿度計の光源４およびフォトディテクタ８が、ミラー２のサンプル６と同じ側にある、というものである。分析ガスと直接接触するミラー２の面は、結露面１と呼ばれる。言い換えれば、「鏡面冷却式」湿度計の光源４からの光は、分析ガス６を通り、ミラー２の結露面１から反射し、分析ガス６を通ってフォトディテクタ８まで移動する。ミラー２は、通常、金、ロジウムまたはプラチナ等の高反射金属の金属板である。既知の「鏡面反射式」湿度計では、分析ガス６は、ミラー２の結露面１、光源４およびフォトディテクタ８と直接接触する。

既知の「表面冷却式」湿度計では、ミラー２は、通常、熱電冷却器またはペルチェ冷却器１０により、露または霜がミラー２の結露面１で凝縮し始めるまで冷却される。ペルチェ冷却器１０がミラー２の温度を操作する間、「鏡面冷却式」湿度計がミラー２の結露面１を連続的に監視して結露を検出する。結露面１の温度は、通常、ミラー２に組み込まれている熱電対またはサーミスタ１２を用いて測定される。凝縮物が結露面１に発生し始めると、結露面１上の凝縮物は、光源４からの光を散乱させ、フォトディテクタ８によって検出される光の量を低減する。フォトディテクタ８がその表面に達する光の強度の変化を検出する時点で、「鏡面冷却式」湿度計はミラー２の温度を記録する。この記録された温度が、分析ガス６の露点である。

既知の「鏡面冷却式」湿度計の問題のうちの１つは、分析ガス６が腐食性である場合、既知の「鏡面冷却式」湿度計のミラー２および他の要素が、分析ガス６と接触することにより急速に劣化する、ということである。他の問題は、露点測定が必要な多くの用途では、試験環境において金属板ミラー２由来の金属が存在することが非常に望ましくない、ということである。

光源４およびフォトディテクタ８は、通常、Ｍｙｌａｒ（登録商標）フィルム等、エポキシ・シーラントまたは他の保護防湿材によって分析サンプルから遮断されている。しかしながら、分析ガスが、非常に腐食性が高い場合、湿度計のこれらの要素は急速に劣化する。また、金属板ミラー２は分析ガス６と直接接触し、それにより金属が試験環境内に漏出し、そうした接触は多くの用途において許容できない。

本発明は、既知の検知システムの問題に対処する。本発明の検知システムを、ガス・サンプルの物理パラメータを検出するように構成することができる。検知システムは、半導体製造、生物製剤製造、生化学的防御機構、健康管理、石油および原油産業、石油およびガス探査、化学工業、鉱業、食品業界等において有用である。

検知システムは、好ましくは、検知媒体、光源、光検出器、熱モジュール、温度センサおよび処理ユニットを備える。検知媒体は、好ましくは、２つの面、すなわちサンプルと直接接触する検知面と、サンプルから実質的に隔離される背面とを有する。光源および光検出器は、検知媒体の背面と同じ側にあるように配置され、すなわち、光源によって放出される光が検知面に達する前に検知媒体を通過するように配置される。１つの好ましい実施形態によれば、熱モジュールを用いて、検知媒体が徐々に冷却される。検知面の温度がサンプルの露点温度に達すると、検知面と直接接触しているガス・サンプルは検知面上で凝縮を開始する。光源は、検知面に向けられる光を放出する。検知媒体を通過する光を、部分的にまたは全体的に結露面から反射させ光検出器に向けることができる。検知面に凝縮物が発生すると、検知面から光検出器に反射される光の部分が変化する。検知システムは、光検出器に突き当たる光の量または分布の変化を検出し、この変化の時点において検知媒体の温度を登録する。最初に結露が検出された時点での検知面の温度に基づいて、検知システムは、サンプルの露点温度、乾球温度、湿球温度、絶対湿度、相対湿度、水蒸気圧および他の物理パラメータを含む、サンプルの種々の物理パラメータを計算することができる。

いくつかの実施形態では、センサ・システムは、屈折率を確定しそれにより液体の化学的濃度を確定するために光反射率を利用して、検知面に発生している凝縮液の濃度を測定することも可能である。光反射率を使用することによって濃度を測定する方法のうちのいくつかは、米国特許第７，３１９，５２３号明細書およびその子特許に記載されており、その方法を、本発明の検知システムのいくつかの実施形態で利用することができる。米国特許第７，３１９，５２３号明細書の開示内容はすべて、参照により本明細書に援用される。

本発明のいくつかの実施形態は、添付図面に、より詳細に開示されている。

従来技術による湿度センサを示す。 センサ・ヘッドの実施形態のうちの１つの概略図を示す。 検知面の種々の状態のうちの１つの概略図を示す。 検知面の種々の状態のうちの１つの概略図を示す。 検知面の種々の状態のうちの１つの概略図を示す。 センサ・ヘッドの「蛇行経路」実施形態を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 センサ・ヘッドの他の実施形態の概略図を示す。 積層フィン・ヒート・シンクを備えたセンサ・ヘッドの種々の実施形態のうちの１つの概略図を示す。 積層フィン・ヒート・シンクを備えたセンサ・ヘッドの種々の実施形態のうちの１つの概略図を示す。 伸長可能なピストンの概略図を示す。 伸長可能なピストンの概略図を示す。 積層フィン・ヒート・シンクを備えたセンサ・ヘッドの種々の実施形態のうちの１つの概略図を示す。 検知システムのブロック図を示す。 電子回路モジュールのブロック図を示す。 検知システムの反射率曲線を示す。

好ましい実施形態では、検知システムは、図２に示すセンサ・ヘッド２０を備えている。センサ・ヘッド２０は、検知面２６および背面２７を有する検知媒体２４を備えている。検知面２６は、サンプル２８と直接接触し、背面２７は、実質的にサンプルから隔離されている。

好ましくは、センサ・ヘッド２０は、少なくとも１つの光源３０および少なくとも１つの光検出器３２を有し、光検出器３２は、その表面に突き当たる光の量を検出することができる。好ましい実施形態では、光源３０、検知媒体２４および光検出器３２は、サンプル２８がない場合に、光源３０によって放出される光線３４が検知媒体２４まで進み、検知媒体２４を通過して検知面２６まで進むように配置されている。光線３４は、検知面２６に達すると、検知面２６から少なくとも部分的に反射され、光検出器３２に向けられる。

図２ａは、サンプル２８がない時に光がどのようにセンサ・ヘッド２０内を移動するかを示す。光３４は、光源３０から検知媒体２４まで移動する。検知媒体２４の背面２７において、光３４は、部分的に反射されて、散乱光３５を形成する。光３４の主な部分は、検知媒体２４の背面２７を通過し、検知面２６に向かって進む。検知面では、光３４は、部分的に通過し（光線３７を参照）、部分的に反射されて検知媒体２４内に戻る。反射光３６は、検知媒体２４から出て光検出器３２まで進む。

図２ｂを参照すると、検知面２６に凝縮物２９が存在するが、凝縮物２９は検知面２６を一様に覆っていない場合、凝縮物２９が存在する検知面２６にぶつかる光線３４に対し、検知面２６において光検出器３２に戻るように反射されるこの光の部分は、検知面２６の凝縮物がない状態に比較して小さくなる。また、この反射光３６の方向も変化する可能性がある。しかしながら、凝縮物がない箇所において検知面２６にぶつかる光線３４は、先の場合と同様に光検出器３２に戻るように反射する。要約すると、凝縮物２９が検知面２６に存在する場合、光検出器３２にぶつかる光の強度および／または分布は、システムの凝縮物がない状態に比較して変化する。

図２ｃは、検知面２６が凝縮物２９によって実質的に覆われている状況を示す。ここでは、光３４の一部が凝縮物２９によって屈折しているため、検知面２６に凝縮物がない場合より検知面／凝縮物界面から反射される光３４の部分が小さくなる。

好ましくは、検知媒体２４は板または円盤の形態を有している。検知媒体２４は、光源３０によって放出される光の波長の少なくとも一部に対して透過性である光透過性材料から作製される。検知媒体２４の材料の屈折率が少なくともサンプル２８の屈折率と同程度に高いことも好ましい。

実施形態のうちの１つでは、検知媒体２４の材料はまた、サンプル２８との接触に耐えるように化学的に耐性がある。別の実施形態では、検知媒体２４の材料は、センサ・ヘッド２０の寿命を長くしかつ検知面２６の引掻き傷がつく可能性を最小限にするように、高い機械的強度および引掻き硬度を有している。

多くの用途では、検知媒体２４がサンプル８内にいかなる汚染物質も放出しないことが極めて重要である。したがって、好ましい実施形態では、検知媒体２４の材料は実質的に化学的に不活性である。

検知媒体に使用される既知の材料には、サファイア、ガラス、石英、ダイアモンド、シリコン、ＺｎＳｎ、臭化ヨウ化タリウム（thallium bromoiodide）結晶、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、ＡＭＴＩＲ材料等が挙げられるが、これらに限定されない。サファイアが、化学的侵食に耐える優れた能力、高い耐久性、耐引掻き性および光学的完全性のために目下好ましい。しかしながら、本発明は、サファイア製の検知媒体２４に限定されるものでは決してない。

サンプル２８は静止しているかまたは流れている可能性がある。好ましくは、サンプル２８は、名目速度で流れている。いくつかの実施形態では、サンプル２８の流れを確実にするために、センサ・ヘッド２０にサンプル・ポンプ（図示せず）が備えられている。サンプル・ポンプは、検知面２６上にサンプル２８の少なくとも最小限の流れを提供する。

実施形態のうちのいくつかでは、サンプル２８は、サンプル２８が配置されているチャンバのいくつかの部分におけるサンプルの状態を模倣するために「蛇行経路」を通って結露面２６まで移動する。高速に流れるパイプでは、「蛇行経路」の使用により、サンプルの移動の速度を低減することも可能であり、それにより、検知媒体２４への損傷の危険を低減し測定の精度を向上させることができる。図３は、サンプル２８を搬送しているパイプ５１０の「蛇行経路」Ｔ字型部品５００を備えたセンサ・ヘッド２０の使用を示す。

好ましくは、光源３０および光検出器３２は、ハウジング２２内に封入され、検知媒体２４および／またはハウジング２２によってサンプル２８から隔離されている。

図４ａ〜図４ｅは、ハウジング２２および検知媒体２４の種々の構成を示す。図４ｅに示す実施形態では、ハウジング２２は開口部を有しており、検知媒体２４は、検知媒体２４の背面２７がハウジング２２の開口部を閉鎖し、ハウジング２２の内部空間４０をサンプル２８から封止するように、ハウジング２２に結合されている。ハウジング２２の内部空間４０は、光源３０および光検出器３２を保持している。好ましくは、背面２６とハウジング２２との間の封止により、サンプル２８の侵入と、ガス、固体微粒子、煙および他の汚染物質がサンプル２８からハウジング２２の内部空間４０へ、およびハウジング２２の内部空間４０からサンプル２８へ侵入することが防止され、それにより、サンプル２８が、ハウジング２２の内側に位置する検知システムの構成要素から隔離される。

図４ｂに示す別の実施形態では、ハウジング２２は内部空間４０を形成し、そこでは、内部空間４０は、ハウジング２２によって完全に密閉され、光源３０および光検出器３２を保持している。この実施形態では、検知媒体２４は、検知媒体２４の背面２７がハウジング２２の外面に面しており、検知媒体２４の検知面２６がサンプル２８と直接接触するように、ハウジング２２の外面のうちの１つに取り付けられている。

図４ｃに示す別の実施形態では、検知媒体２４はハウジング２２の壁の１つに組み込まれている。好ましくは、検知媒体２４の検知面２６はサンプル２８に直接接触しており、検知媒体２４の背面２７はハウジング２２の内部空間４０に面している。ハウジング２２の内部空間４０は光源３０および光検出器３２を保持している。

図４ｄに示す別の実施形態では、ハウジング２２は、光学透明材料のモノリスから形成された光学ハウジングであり、そこでは、光源３０および光検出器３２等、センサ・ヘッド２０の構成要素のうちのいくつかはハウジング２２内に埋め込まれている。この実施形態では、検知媒体２４は光学ハウジング２２の外面のうちの１つに取り付けられており、そこでは、検知媒体２４の背面２７はハウジング２２に面しており、検知媒体２４の検知面２６はサンプル２８と直接接触している。

図４ｅに示す別の実施形態では、検知媒体２４は、サンプル２８とセンサ・ヘッド２０の他の構成要素との間のバリア内に組み込まれている。この実施形態では、検知媒体２４の検知面２６がサンプルと直接接触していると同時に、検知媒体２４の背面２７が光源３０および光検出器３２に面している。

別の実施形態（図示せず）では、検知媒体２４は、このようなバリア２２のサンプル側に取り付けられている。好ましくは、検知媒体２４の検知面２６はサンプル２８と直接接触しており、検知媒体２４の背面はバリア２２に面している。光源３０および光検出器３２は、バリアのサンプル２８および検知媒体２４とは反対側にある。

図４ｆに示す別の実施形態では、光源３０および光検出器３２が、検知媒体２４の背面２７に近接して位置していると同時に、検知媒体２４の検知面２６がサンプル２８と直接接触している。

好ましい実施形態では、検知媒体２４はハウジング２２に取り付けられている。好ましくは、検知媒体２４は、光学透明接着剤によってハウジング２２に機械的に取り付けられている。他の実施形態では、検知媒体２４は、他の材料によってハウジング２２に取り付けられている。実施形態のうちの１つでは、検知媒体２４はハウジング２２上に直接形成されている。たとえば、実施形態のうちの１つでは、検知媒体２４は、既知の堆積方法のうちの１つにより、ハウジング２２上に直接堆積される。

実施形態のうちのいくつかでは、センサ・ヘッド２０は、光源３０からの光を光検出器３２に向ける少なくとも１つのミラーを備えている。図５ａ〜図５ｃは、センサ・ヘッド２０の構成のいくつかの例を示す。実施形態のうちの１つでは、光源３０によって放出される光３４は、検知媒体２４に達する前に第１ミラー３８から反射される（図５ａ参照）。別の実施形態では、反射光３６は、第２ミラー５０に向けられ、その後、光検出器３２に再び向けられる（図５ｂ参照）。別の実施形態では、センサ・ヘッド２０は、２つのミラー、すなわち第１ミラー２８および第２ミラー３０を有しており（図５ｃ参照）、光源３０から発生している光３４は、第１ミラー３８に、次いで検知媒体２４に進み、反射光３６はまず第２ミラー５０に、次いで光検出器３２に進む。

しかしながら、本発明は、本明細書で具体的に列挙したミラーの構成に限定されない。

図２に戻ると、光源３０を、たとえば可視光、着色光、赤外光を生成する光源および光スペクトルの他の部分の光を生成する他のタイプの光源等、種々のタイプの光源によって実装することができる。

実施形態のうちの１つでは、センサ・ヘッド２０は２つ以上の光源３０を有する。好ましくは、種々の光源が種々のスペクトルの光を生成する。別の方法として、いくつかの実施形態では、複数の光源３０が同じタイプの光を生成する。いくつかの実施形態では、複数の光源３０がハウジング内に散在し、それにより、より広い屈折率範囲をカバーする。他の実施形態では、光源３０は、互いに近接して配置される。

いくつかの実施形態では、光検出器３２は、フォトディテクタによって実装される。他の実施形態では、光検出器３２は電荷結合素子（ＣＣＤ）である。光検出器３２を、たとえば単一光検出素子、検出素子の１次元アレイまたは２次元アレイによって実装することができる。

別の実施形態では、光検出器３２は単一セルのフォトディテクタである。他の一実施形態では、光検出器３２は、表面に突き当たる光の量が所定値を超えるか否かを判断することができる光検出器であり、すなわち、この実施形態では光検出器３２は２値出力を有する。また、種々のタイプおよび形状の光検出器の組合せを、本発明のシステムで使用することができる。

本発明のシステムで使用することができるフォトディテクタには、たとえばＴＳＬ １４０１ＣＳ−ＬＦ、ＴＳＬ２１３、ＴＳＬ４０１およびＴＳＬ１４０１（Texas州DallasのTexas Instruments Inc.製）が挙げられる。本発明で使用することができるＣＣＤには、たとえばＣＣＤ １１１およびＣＣＤ ３０４１（California州MilpitasのFairchild Imaging製）が挙げられる。

好ましくは、光検出器３２は、２次元ＣＣＤアレイである。しかしながら、本発明は、上述した光検出器の所定のタイプおよび構成に限定されない。

好ましい実施形態では、ハウジング２２の少なくとも一部は、可視光および／または、いくつかの実施形態では、他のタイプの放射線に対して不透過性である。好ましくは、ハウジング２２は、検知媒体２４に直接接触しているハウジング２２の領域の少なくとも一部を除き、ハウジング２２の外側からのすべての光が内部空間４０に入るのを遮断する。センサ・ヘッド２０のこの特徴により、外部放射線による光検出器３２の読取の妨害が低減する。

センサ・ヘッド２０は、また、検知媒体２４に近接して配置されかつ検知媒体２４の検知面２６の温度を検出することができる、少なくとも１つの温度センサ６０を有している。好ましい実施形態では、温度センサ６０は、検知媒体２４と直接接触している。好ましくは、センサ・ヘッド２０は、検知面２６の温度をより正確に評価するように２つ以上の温度センサ６０を有している。いくつかの実施形態では、温度センサ２６のうちの少なくとも１つは、サンプル２８の温度を測定することができる。いくつかの実施形態では、同じ温度センサ２６を用いて、検知面２６の温度およびサンプル２８の温度が連続してまたは同時に測定される。

センサ・ヘッド２０はまた、検知媒体２４に近接して配置される少なくとも１つの熱モジュール（ＴＭ）７０を有している。熱モジュールは、温度勾配に対してデバイスの一方の側から他方の側に熱を移動させるデバイスである。好ましくは、ＴＭ７０は、検知媒体２４を所定速度で所定温度まで加熱および冷却することができる。好ましい実施形態では、ＴＭ７０は、熱電モジュールまたはペルチェ・モジュールもしくはヒート・ポンプである。いくつかの実施形態では、センサ２０は、検知システムの用途範囲を広げるために２段階または３段階ＴＭを備えている。

実施形態のうちの１つでは、センサ・ヘッド２０は、検知媒体２４のより高速、かつ、より正確な加熱／冷却を達成するために２つ以上のＴＭ７０を有している。別の実施形態では、ＴＭ７０（または複数のＴＭ）は、検知媒体２４の背面２７を実質的に覆う。

センサ・ヘッド２０は、ＴＭ７０と検知媒体２４の背面２７との間に配置された少なくとも１つのスラグ８０も有することができる。実施形態のうちの１つでは、スラグ８０は、アルミニウムまたは銅等、熱伝導率が高い材料からなる板である。スラグ８０は、ＴＭ７０から検知媒体２４への熱のより均一な分布に役立つ。

好ましい実施形態では、センサ・ヘッド２０は、また、たとえばヒート・シンク、強制空冷装置、対流空冷装置または液体冷却装置等、少なくとも１つの熱管理装置を備えている。好ましくは、センサ・ヘッド２０の熱管理は、少なくとも１つのヒート・シンク９０によって行われる。ヒート・シンク９０は、ＴＭ７０からの熱を吸収し放散する。図６〜図９は、本検知システムで使用することができるヒート・シンク９０の種々の実施形態を示す。しかしながら、本検知システムでは、ヒート・シンクの他の構成を使用することができる。また、この検知システムでは他の熱管理装置を使用することができる。いくつかの実施形態では、ヒート・シンクおよび液体冷却装置等、種々の熱管理装置の組合せを使用することができる。

図６は、積層フィン・ヒート・シンク９０を備えたセンサ・ヘッド２０の断面図を示す。ヒート・シンク９０は、ＴＭ側および裏側を有し、ＴＭ側はＴＭ７０に近接して配置され、裏側はＴＭ７０から離れる方向に向いている。この実施形態では、ヒート・シンク９０は、互いに噛み合って積層フィン・アレイを形成する複数のフィン１００を備えている。好ましくは、フィン１００は、中心部１５０に取り付けられたリング状物体である。中心部１５０は、好ましくは円筒状である。好ましい実施形態では、フィン１００および中心部１５０は、アルミニウムまたは銅等、熱伝導率の高い材料からなる。好ましくは、中心部１５０は、ＴＭ７０に近接して配置されている。

好ましい実施形態では、ヒート・シンク９０の中心部１５０はまた円筒状空洞１２０も備え、それは、中心部１５０のコア１１０を、フィン１００および中心部１５０の外側部分を含むヒート・シンク９０の外側部分から分離する間隙を形成する。この空洞１２０は、ヒート・シンク９０のＴＭ側で開始し、フィン・アレイのＴＭ側において少なくとも第１フィン１３０の上方に伸びている。好ましくは、ヒート・シンク９０のコア部分は、ＴＭ７０と直接接触している。

この空洞１２０により、ヒート・シンク９０の中心部１５０の外側部分を通るＴＭ７０への熱の逆流を防止することによって、ＴＭ７０からフィン１００への熱の除去が促進される。言い換えれば、ヒート・シンク９０のコア１１０は、第１のフィン１３０の上方でのみヒート・シンク構造の残りの部分と連結しており、このように、コア１１０からの熱はフィン１００に向けられ、その後放散され、この熱がＴＭ７０に戻って漏れる可能性はない。

図７に示す別の実施形態では、ヒート・シンク９０は、２モジュール装置、すなわち円筒状中心部１５０およびフィン１００を備えるフィン・モジュール１０５、ならびにフィン・モジュール１０５の中心に挿入することができるピストン１４０として実装される。好ましくは、フィン・モジュール１０５およびピストン１４０は、熱伝導率の高い材料で作製される。ピストン１４０を、フィン・モジュール１０５と同じ材料からまたは異なる材料から作製することができる。好ましくは、ピストン１４０がフィン・モジュール１０５の中心に挿入されると、ピストン１４０の上部がフィン・モジュール１０５と接触する。同時に、ピストン１４０の下部とフィン・モジュール１０５との間に、円筒状空洞１２０を形成する間隙がある。好ましくは、空洞１２０は、ヒート・シンク９０のＴＭ側から開始し、フィン・モジュール１０５のＴＭ側において第１フィン１３０の上方に伸びる。

好ましい実施形態では、ピストン１４０は、ピストン１４０のフィン・モジュール１０５との十分な熱接触を確実にするように伸長可能である。図８ａおよび図８ｂは、伸長可能なピストン１４０の実施形態のうちの１つを示す。ピストン１４０は、垂直スリット１４５を有している。ピストン１４０が円筒状空洞１２０内に挿入された後、楔またはねじ等の仕切り要素がスリット１４５に挿入され、それによりピストン１４０が伸長する。伸長するピストン１４０により、フィン・モジュール１０５とのより優れた金属間接触がもたらされる。

ピストン１４０およびフィン・モジュール１０５が空洞１２０の少なくともいくつかの部分において直接接触しない、いくつかの実施形態では、ピストン１４０の上部とフィン・モジュールとの間に、それらの熱接触を向上させるために熱伝導性グリースを配置することが好ましい。２モジュール式ヒート・シンクの利点の１つは、空洞１２０を機械加工しなければならない一体型ヒート・シンク９０より製造が容易であるということである。

図９は、ヒート・シンク９０の別の実施形態を示す。この実施形態では、ヒート・シンク９０は、ヒート・シンク９０のＴＭ側からヒート・シンク９０の裏側に伸びる中空中心および少なくとも１つのヒート・パイプ１６０を有している。ヒート・パイプ１６０は、ＴＭ７０と接触しているヒート・シンク９０のＴＭ側から、ヒート・シンク９０の裏側に熱を伝達する。ヒート・シンク９０のこの構成により、熱がＴＭ７０に戻って漏れることが低減する。

図２に戻ると、いくつかの実施形態では、温度センサ６０およびＴＭ７０は、サンプル２８を搬送するパイプの壁またはサンプル２８を収容するチャンバの壁等のバリアによって、サンプル２８から隔離される。他の実施形態では、ハウジング２２の外側に位置する、温度センサ６０、ＴＭ７０およびセンサ・ヘッド２０の他の要素は、既存のバリアによってサンプル２８から分離されない。これらの構成では、システムのこれらの要素がサンプル２８からさらに隔離されることが好ましい場合もある。これらの要素のサンプル２８からの隔離を、種々のタイプのバリア・フィルムおよびエポキシ・シーラントによって実施することができる。たとえば、Ｍｙｌａｒ（登録商標）フィルムおよびＭｅｌｉｎｅｘ（登録商標）フィルム等ｂｏＰＥＴフィルムを使用することができる。

好ましくは、検知システム４００は処理ユニットも備えている。好ましい実施形態では、処理ユニットは、電子回路モジュール２００（図１０参照）として実装される。電子回路モジュール２００は、ソフトウェア・コンポーネント、ハードウェア・コンポーネントおよび／またはファームウェア・コンポーネントを含むことができる。センサ・ヘッド２０は、電子回路モジュール２００にデータを通信し、電子回路モジュール２００からデータを受信することができる。好ましくは、センサ・ヘッド２０と電子回路モジュール２００との間の通信はデジタル信号である。センサ・ヘッドと電子回路モジュール２００との間の通信は、無線通信ならびに／もしくは電線および／またはファイバによる通信である。いくつかの実施形態では、電子回路モジュール２００は、センサ・ヘッド２０と同じ場所にある。他の実施形態では、電子回路モジュール２００は、センサ・ヘッド２０とは異なる場所にある。いくつかの実施形態では、電子回路モジュール２００は、２つ以上のセンサ・ヘッド２０と通信する。

好ましくは、電子回路モジュール２００は、システム・ユーザにデータを通信することができ、ユーザから命令およびデータを受け取ることができる。ユーザ・インタフェースを、別個のモジュールとすることができ、または電子回路モジュール２００に組み込むことができる。ユーザ・インタフェースを、センサ・ヘッド２０に物理的に直接配置することができ、またはユーザ・インタフェースは、遠隔地にあって無線で、または電線によりシステムの他の部分と通信することができる。

図１１を参照すると、好ましくは、電子回路モジュール２００は、光検出器出力処理モジュール２１０、物理特性計算モジュール２０２およびセンサ・ヘッド制御モジュール２０８を備えている。好ましい実施形態では、電子回路モジュール２００はデータ記憶モジュール２２０も有している。

光検出器出力処理モジュール２１０は、光検出器３２の出力信号を分析する。このモジュールは、センサ・ヘッド２０から光検出器３２の出力を受け取り、それは好ましくは、光検出器３２の画素等、検知領域の少なくともいくつかによって生成された信号を含む。これらの信号は、光検出器３２の対応する領域に突き当たる放射線の強度に比例している。好ましい実施形態では、光検出器３２によって生成される信号はデジタル信号である。他の実施形態では、信号はアナログ信号であり、電子回路モジュール２００によってデジタル化される。光検出器３２と電子回路モジュール２００との間の通信は、無線でかつ／または電線および／またはファイバによって実施される。好ましくは、光検出器出力処理モジュール２１０はまた、信号を生成する検知領域の位置に関する対応するデータも受け取る。別法として、電子回路モジュール２００は、検知領域の位置に関する事前に組み立てられた情報を含むことができる。

光検出器出力処理モジュール２１０は、光検出器３２から受け取られる情報を用いて、光検出器３２に突き当たる放射線の強度の変化を検出する。

一実施形態では、光検出器出力処理モジュール２１０は、光検出器３２から受け取られる信号を合計することにより、光検出器３２に突き当たる光の変化を認識する。この実施形態では、まず、光検出器出力処理モジュール２１０は、時刻ｔ１において光検出器３２のセグメントから電子回路モジュール２００によって受け取られた個々の信号を加算することにより、時刻ｔ１において生成された光検出器３２からの全信号Ｓ１を計算する。そして、光検出器出力処理モジュール２１０は、データ記憶モジュール２２０にＳ１およびｔ１を格納する。次に、所定時間Δｔが経過した後、光検出器出力処理モジュール２１０は、時刻ｔ２（ｔ２＝ｔ１＋Δｔ）において全信号Ｓ２を計算し、データ記憶モジュール２２０からＳ１を検索し、Ｓ１およびＳ２を比較する。Ｓ１がＳ２を所定値ΔＳ以上超える場合、光検出器出力処理モジュール２１０は光強度の変化を登録する。Ｓ１とＳ２との差がΔＳを下回る場合、時間Δｔが経過した後、光検出器出力処理モジュール２１０は、光検出器３２から次の信号のセットを取り込み、その対応する全信号を計算し、それを初期全信号Ｓ１と比較する。

いくつかの実施形態では、光検出器出力処理モジュール２１０は、また、対応する時刻における全信号および／または全信号の絶対値の差をデータ記憶モジュール２２０に格納する。

いくつかの実施形態では、光検出器出力処理モジュール２１０は、光検出器３２のセグメントから受け取られるすべてよりも少ない信号に基づいて、光検出器３２から全信号を計算する。いくつかの実施形態では、光検出器出力処理モジュール２１０は、代表的な画素のセットを事前に選択し、これらの画素からの出力のみを用いて全信号を計算する。好ましい実施形態では、これらの事前に選択される画素は、光検出器３２の面のうちの１つにおける画素群である。

いくつかの実施形態では、光検出器３２のいくつかの領域は、他の領域より放射線信号の変化に影響を受けにくいことが分かった。光検出器３２のこれらの領域が全信号Ｓの計算から除去される場合、この除去により、本発明の検知システム４００の分解能を向上させることができる。

いくつかの実施形態では、Ｓを計算するために用いられるように選択される光検出器３２の領域は、システム４００によって分析されているサンプル２８の特性に基づいて選択される。好ましくは、検知システム４００のユーザは、全信号Ｓを生成するために用いられる光検出器３２の領域を選択することができる。

他の実施形態では、光検出器出力処理モジュール２１０はまた、光検出器１２に突き当たる放射線の分布を分析する。この場合、光検出器出力処理モジュール２１０は、各個々の画素、または互いに隣接して位置する画素群に対して全信号を計算し、各画素または画素群に対する信号の変化を登録する。

物理特性計算モジュール２０２は、温度センサ６０から温度データを受け取り、それをデータ記憶モジュール２２０に記録する。光検出器出力処理モジュール２１０は、時刻ｔにおいて光強度の変化を登録すると、この事象を物理特性計算モジュール２０２に通信し、それにより物理特性計算モジュール２０２は、温度センサ２４によって登録される時刻ｔにおける検知媒体２４の温度を、時刻ｔにおけるサンプル２８の生露点温度としてマークする。センサ・ヘッド２０が２つ以上の温度センサ２４を備えている場合、物理特性計算モジュール２０２は、これらのセンサによって読み取られた温度の平均、温度測定値のうちの１つまたは他の構成を用いることができる。他の実施形態では、温度センサ２４の少なくとも１つはサンプル２８の温度を測定する。物理特性計算モジュール２０２は、検知面２６の温度と、いくつかの実施形態では、温度センサ２４のうちの１つまたは複数によって登録されたサンプル２８の温度とを用いて、露点温度、乾球温度、湿球温度、絶対湿度、相対湿度、水蒸気圧および／または他のもの等、サンプル２８の物理的特性のうちの少なくともいくつかを計算する。好ましくは、電子回路モジュール２００は、これらの計算した物理特性をシステム４００の他の部分にかつ／またはユーザに伝送することができる。

いくつかの実施形態では、物理特性計算モジュール２０２は、検知面２６の温度および／またはサンプル２８の温度を含む、温度センサ２４からのデータと、光検出器出力処理モジュール２１０からのデータとを用いて、検知面２６に蓄積している液体サンプル２８の濃度を計算するように構成される。濃度を計算する方法のうちのいくつかは、米国特許第７，３１９，５２３号明細書およびその子特許に記載されており、その方法を、本発明の検知システムのいくつかの実施形態と利用することができる。好ましい実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、センサ・ヘッド２０、ならびに／もしくは光源３０、光検出器３２、温度センサ６０および／またはＴＭ７０等のセンサ・ヘッド２０の構成要素に対する信号を生成することができる。これらの信号は、無線でおよび／または電線またはファイバによりセンサ・ヘッド２０および／またはその構成要素に伝送される。好ましい実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、少なくとも部分的にユーザ入力に基づいてこうした信号を生成するように構成される。いくつかの実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、所定の動作方式に基づいてこれらの信号を生成する。他の実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、システム２０の他の構成要素からのセンサ・ヘッド・モジュール入力に基づいてこれらの信号を生成する。

好ましい実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、ＬＤ出力処理モジュール２１０、物理特性計算モジュール２０２、データ記憶装置２２０および／またはシステム・ユーザからの信号を入力として受け取る。いくつかの実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、センサ・ヘッド２０またはその構成要素から入力を受け取る。

たとえば、いくつかの実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、光源３０に対する信号を生成するように構成され、光源３０は、センサ・ヘッド制御モジュール２０８から受け取られる信号に基づいて生成信号の強度を変化させる。いくつかの実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、ユーザからの信号に応じて光源３０に対するこうした信号を生成する。他の実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、光検出器出力処理モジュール２１０からの信号に基づいていくつかの信号を生成する。

好ましい実施形態では、光検出器出力処理モジュール２１０はまた、光検出器出力信号の変化を検出すると、センサ・ヘッド制御モジュール２０８に信号を送信する。センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、センサ・ヘッド２０への制御信号を生成するように構成されている。

実施形態のうちの１つでは、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、ユーザから予測される露点温度を受け取り、温度センサ２４から現温度データを受け取る。このデータを用いて、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、好ましくは、ＴＭ７０の温度を予測される露点温度より事前定義された値Ｔだけ上回るように設定するように、ＴＭ７０に対するリセット制御信号を生成する。その結果、検知媒体２４の温度もまた、予測される露点よりＴだけ上昇する。そして、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、所定速度ＶでＴＭ温度を徐々に低下させるようにＴＭ７０に対する制御信号を生成する（「下り傾斜信号」）。したがって、検知媒体２４の温度は徐々に低下する。センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、光検出器出力処理モジュール２１０から、光検出器３２の出力の変化が検出されたという信号を受け取ると、この場合もまた、ＴＭおよび検知媒体２４の温度を上昇させるようにリセット制御信号を生成し、その後、そのサイクルを繰り返すように下り傾斜信号を受け取る。

いくつかの実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、所定の時点でリセット制御信号、次いで「下り傾斜信号」を生成する。他の実施形態では、センサ・ヘッド制御モジュール２０８は、所定間隔でこのサイクルを定期的に繰り返す。いくつかの実施形態では、システムは、ユーザがリセット−下り勾配サイクルを開始することができるように構成される。図１２は、全内部反射曲線を示す。この曲線では、個々の画素の光強度が、検知媒体２４の画素位置および温度の関数としてプロットされている。これらの曲線において分かるように、左の画素（画素位置１１３以下）は温度変化により反応しやすい。好ましい実施形態では、センサ・システム４００は、光検出器３２の種々のセグメントの反応度を分析し、光検出器アレイのいずれの部分が凝縮物の出現により反応しやすいか、したがって光検出器３２によって生成される信号のいずれの部分が、光検出器出力処理モジュール２１０によって全信号Ｓを生成するために使用されるべきかを確定するように構成される。

Claims (21)

1. サンプルと直接接触することができる検知面と前記サンプルから隔離され、前記検知面に平行な背面の少なくとも２つの面、を備える検知媒体と、
   前記検知面の温度を確定するために用いられる温度情報を収集するように配置された少なくとも１つのセンサと、
   前記検知面の前記温度を変更するように構成された少なくとも１つの熱モジュールと、
   前記検知媒体を通して前記検知面まで光を放出し、その際、前記検知面が前記サンプルに直接接触していない場合、前記光の少なくとも一部が前記検知面から少なくとも１つの光検出器に反射するように構成された少なくとも１つの光源であって、
   前記少なくとも１つの光検出器が出力を有し、前記光検出器出力が、前記光検出器によって検出される光の測度を示す光検出器信号を含む、光源と、
   前記光検出器信号および前記温度信号を入力として有し、かつ処理ユニット出力を有する処理ユニットであって、前記処理ユニット出力が、前記サンプルの少なくとも１つの物理特性を確定することができる出力情報を含む、処理ユニットと、
   前記熱モジュールのうちの少なくとも１つから熱を少なくとも部分的に除去するように配置されるヒート・シンクであって、フィン・モジュール内の空洞に移動可能に配置され、前記フィン・モジュールと熱接触し、かつ、前記フィン・モジュールとの熱接触を確実にするために拡張可能な中心ピストンを有する２モジュール式ヒート・シンクを備え、前記少なくとも１つの熱モジュールと前記少なくとも１つの光源と前記少なくとも１つの光検出器が、前記中心ピストン内に配置される、ヒート・シンクと、
   を具備し、
   前記出力情報が、前記光検出器信号および前記温度情報に基づき、また、
   前記光源および前記光検出器が、前記検知媒体によって前記サンプルから隔離され、
   センサ・ヘッドが、前記検知媒体と、前記検知媒体の背面に結合する前記温度センサと、前記熱モジュールと、前記検知媒体の背面に結合するハウジングとを備え、かつ、前記光源および前記光検出器が、前記ハウジング内に隔離され、前記処理ユニットが、２つ以上の前記センサ・ヘッドと通信する、
   システム。
2. 前記出力情報を用いて前記サンプルの露点を確定することができる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記出力情報を用いて前記検知面上に蓄積している液体サンプル内の濃度を確定することができる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記出力情報を用いて前記サンプルの露点および前記検知面上に蓄積している液体サンプル内の濃度を確定することができる、請求項１に記載のシステム。
5. 前記検知媒体が、誘電体材料からなる、請求項１に記載のシステム。
6. 前記検知媒体が、サファイアからなる、請求項１に記載のシステム。
7. 前記検知媒体が、石英からなる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記検知媒体が、ガラスからなる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記検知媒体と前記熱モジュールのうちの少なくとも１つとの間に配置された少なくとも１つのスラグをさらに具備する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記光検出器が光検出器アレイを備え、前記処理ユニットが光検出器出力処理モジュールを備えるシステムであって、前記処理ユニットが凝縮物の出現に対する前記光検出器アレイの種々のセグメントの反応度を分析し、光検出信号のどの部分が前記光検出器出力処理モジュールによって使用されるべきかを確定するように構成される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記処理ユニットが、物理特性計算モジュールを備える、請求項１に記載のシステム。
12. 前記処理ユニットが、熱モジュール制御モジュールを備える、請求項１に記載のシステム。
13. 前記処理ユニットが前記２つ以上のセンサ・ヘッドと通信する、請求項１に記載のシステム。
14. サンプルと直接接触することができる検知面と前記サンプルから隔離され、前記検知面に平行な背面からなる少なくとも２つの面、を備える検知媒体と、
    前記検知面の温度を確定するために用いられる温度情報を収集するように配置された少なくとも１つのセンサと、
    前記検知面の前記温度を変更するように構成された少なくとも１つの熱モジュールと、
    前記検知媒体を通して前記検知面まで光を放出し、その際、前記検知面が前記サンプルに直接接触していない場合、前記光の少なくとも一部が前記検知面から少なくとも１つの光検出器に反射するように構成された少なくとも１つの光源であって、
    前記少なくとも１つの光検出器が出力を有し、前記光検出器出力が、前記光検出器によって検出される光の測度を示す光検出器信号を含む、光源と、
    前記光検出器信号および前記温度信号を入力として有し、かつ処理ユニット出力を有する処理ユニットであって、前記処理ユニット出力が、前記サンプルの少なくとも１つの物理特性を確定することができる出力情報を含む、処理ユニットと、
    前記熱モジュールのうちの少なくとも１つから熱を少なくとも部分的に除去するように配置されるヒート・シンクであって、フィン・モジュール内の空洞に移動可能に配置され、前記フィン・モジュールと熱接触し、かつ、前記フィン・モジュールとの熱接触を確実にするために拡張可能な中心ピストンを有する２モジュール式ヒート・シンクを備え、前記少なくとも１つの熱モジュールと前記少なくとも１つの光源と前記少なくとも１つの光検出器が、前記中心ピストン内に配置される、ヒート・シンクと、
    を備えるセンサを有し、
    センサ・ヘッドが、前記検知媒体と、前記検知媒体の背面に結合する前記温度センサと、前記熱モジュールと、前記検知媒体の背面に結合するハウジングとを備え、かつ、前記光源および前記光検出器が、前記ハウジング内に隔離され、前記処理ユニットが、２つ以上の前記センサ・ヘッドと通信する、
    検知方法であって、
    前記検知媒体の前記検知面の温度を、所定レベルを上回るように上昇させるステップであって、前記検知媒体の前記検知面がサンプルと直接接触する、ステップと、
    前記検知面の前記温度を徐々に低下させるステップと、
    光源によって前記検知媒体を通して前記検知媒体の前記検知面まで放出される光を検出するステップと、
    前記検出された光に基づいて検出光信号を生成するステップと、
    前記検知面の温度を検出するステップと、
    前記検出された温度に基づいて検出温度信号を生成するステップと、
    前記サンプルの少なくとも１つの物理特性を確定することができるサンプル情報を出力するステップと、
    を含み、
    前記サンプル情報が、前記検出光信号および前記検出温度信号に少なくとも部分的に基づく、検知方法。
15. 前記サンプル情報を用いて前記サンプルの露点を確定することができる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記サンプル情報を用いて前記検知面上に蓄積している液体サンプル内の濃度を確定することができる、請求項１４に記載の方法。
17. 前記サンプル情報を用いて前記検知面上に蓄積している液体サンプル内の露点および濃度を確定することができる、請求項１４に記載の方法。
18. 前記検知媒体が、誘電体材料からなる、請求項１４に記載の方法。
19. 前記検知媒体が、サファイアからなる、請求項１４に記載の方法。
20. 前記検知媒体が、石英からなる、請求項１４に記載の方法。
21. 前記検知媒体が、ガラスからなる、請求項１４に記載の方法。
    

Images