JPH0342786B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光フアイバに係り、更に詳細には光
フアイバを利用したプローブに係る。

発明の背景 光フアイバは通信及びセンサを含む多数の用途
に於て従来より使用されている。種々の用途に於
て従来より使用されている光フアイバの一つの特
性は、内部全反射の性質であり、この性質により
光が光フアイバに沿つて案内される。内部全反射
は透明の媒体中の光が十分に小さい角度にて低屈
折率の材料との界面に衝突し、高屈折率の材料中
に完全に反射される場合に発生する。さもなくば
光は境界を通過してしまう。フアイバの表面に接
触する材料の屈折率を制御し、また反射面を与え
る目的で、クラツドが従来より使用されている。
フアイバの直径は非常に小さいので、フアイバ内
を通過し得るよう適正な角度にてフアイバに進入
する光は非常に細い光線であり、実質的にコヒー
レントであると考えられてよい。従つて光はクラ
ツドが無いことに起因する大きい損失を伴うこと
なくクラツドを有しないフアイバの直線部内を通
過する。フアイバの湾曲部及びループが主要な光
の損失源である。

かくしてフアイバが空気の如き低屈折率の媒体
により囲繞されている限り、フアイバは光を反射
する、フアイバに高屈折率の液体が接触すると、
内部全反射に必要な条件が破壊され、光の漏洩が
生じる。かかる光漏洩の条件はフアイバの湾曲部
又はループに於て最も大きい。かかる光漏洩の一
つの従来の用途は液位検出であり、液位がフアイ
バまで上昇し又はフアイバの下方へ下降し、これ
によりフアイバ内に於ける光の伝達が変化され
る。他の一つの用途は屈折率の測定であり、モニ
タ用プローブに加えて基準プローブが使用され、
それらの出力が比較されることにより屈折率が求
められる。液体冷媒の如き或る種の材料の屈折率
は温度依存性を有し、更には液体冷媒は揮発性を
有している。

発明の概要 実質的に円筒形を成し1.3cm又はそれ以下の直
径を有するプローブの形態にて光フアイバセンサ
が形成される。プローブは二つのＵ形、即ちヘア
ピン形のフアイバを含み、一方の光フアイバの全
体が基準流体を貯容する密閉室内に配置され、他
方のフアイバは密閉室を貫通してシールドされた
領域へ延在し、該領域に於て試験されるべき環境
に露呈される。光源はLEDであり、検出は光電
子倍増管であり、これらはそれらの全てが試験さ
れるべき環境内に配置され、従つて同一の温度状
態になるよう、プローブ内に配置される。基準流
体が露呈により汚染されることがあり、また液体
冷媒の場合には揮発性を有しているので、基準流
体は密封されなければならない。

プローブの製造に際しては、約1.3cmの外径を
有するグラスフアイバ製のチユーブがハウジング
として使用される。電子構成要素及び光フアイバ
は、電子構成要素が環境よりシールされ、基準フ
アイバが室内にシールされ、モニタ用フアイバが
環境への露呈を可能にするがセンサに対し損傷が
及ぶ虞れのある機械的外乱に対するシールドを与
えるチユーブの一部まで密閉室を貫通して延在す
るよう、ハウジング内に配置される。次いで密閉
室に通ずる小さい孔がハウジングに形成され、或
るいは予め形成され、皮下注射器を使用して冷却
された基準流体が密閉室内に注入され、基準流体
が低温状態の間に孔がエポキシ樹脂にてシールさ
れる。基準流体はその流体の蒸気圧が１気圧以下
となるよう冷却される。次いでプローブがキヤリ
ブレーシヨンされる。

本発明の一つの目的は、液位、濃度、相変化を
検出するに適したプローブを提供することであ
る。

本発明の他の一つの目的は、全ての構成要素が
同一の温度に維持されるよう構成されたプローブ
及びその製造方法を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、温度の補正及
びハードウエアの変動の補正が行われるプローブ
を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、液体の濃度の
モニタに関しプローブの設置位置による感度の変
動のないプローブを提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、或る物質の濃
度又は圧力を測定し、その物質の濃度又は圧力を
制御する出力信号を発生するに適したプローブを
提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、濃度を±0.25
％以内の精度にて測定するに適したセンサを提供
することである。

基本的には光−電子式の光案内検出システムが
管状のハウジング内に配置される。全ての構成要
素はモニタ用のフアイバの湾曲部を除き周囲環境
より保護される。基準フアイバが基準流体に露呈
されるよう、基準流体がプローブ内に密封され
る。全ての構成要素が同一の温度状態になるよ
う、一つのLED及び二つの光電子倍増管がプロ
ーブ内に配置される。二つの光電子倍増管の出力
が比較され、これにより濃度が決定され、その結
果得られる出力は濃度の測定値として使用されて
よく、また濃度を調節するための制御信号として
使用されてよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

好ましい実施例の説明 第１図及び第２図に於て、符号１０はプローブ
を全体的に示している。プローブ１０はグラスフ
アイバ製の管状のハウジング１２を含んでおり、
該ハウジングは複数個の孔１３を有し、また表面
にエポキシ樹脂パツチ１４を有している。ハウジ
ング１２内にはＵ形、即ちヘアピン形の光フアイ
バ１６及び１７が配置されており、フアイバ１６
はフアイバ１７よりも短く、基準として作用する
ようになつている。これらのフアイバは直径が２
mmであり、湾曲部の曲率半径が３〜４mmである水
晶製のフアイバであることが好ましい。ハウジン
グ１２内にはLED２０が配置されており、それ
がフアイバ１６及び１７の脚部１６ａ及び１７ａ
の端部へ光を供給し得るようフアイバ１６及び１
７に接合されている。LEDはエポキシ樹脂ボン
ド１８によりフアイバに固定されており、該エポ
キシ樹脂ボンドは光の損失を回避すべくフアイバ
１６及び１７の屈折率に等しいかまたはこれより
も大きい屈折率を有している。脚部１６ｂ及び１
７ｂの端部にはそれぞれ光電子倍増管２２及び２
３が配置されている。これらの光電子倍増管はボ
ンド１８と同一の光学的性質を有するエポキシ樹
脂ボンド１９により脚部１６ｂ及び１７ｂの端部
に接合されており、それぞれフアイバ１６及び１
７を経て伝達される光を検出するようになつてい
る。ハウジング１２内にはエポキシ樹脂シール２
６及びエポキシ樹脂にて所定の位置にシールされ
たグラスフアイバ製のデイスク２７及び２８が配
置されており、これらはハウジング１２内の所定
の位置に種々の構成要素を保持しており、またそ
れらの構成要素が試験媒体に接触することがない
ようシールしている。シール２６及びシールデイ
スク２７，２８に使用されるエポキシ樹脂は大抵
のハロカーボン冷媒に対する耐性を有するエポ・
テク（Epo−Tek）320又はこれと等価なエポキ
シ樹脂である。かくしてエポキシ樹脂シール２６
及びデイスク２７はハウジング１２と共働して
LED２０及び光電子倍増管２２，２３を周囲環
境よりシールしている。同様にエポキシ樹脂シー
ル２７及び２８はハウジング１２と共働して基準
流体３４を貯容する密閉室３２を郭定している。
基準流体は54％LiBr溶液の如き混合液、Ｒ１１
の如き冷媒、エチレングリコール塩溶液、又は他
の任意の好適な基準流体であつてよい。

第２図に於て、ハウジング１２にはプローブ１
０の組立て前又はその組立て後に孔１２ａが形成
される。第３図に最もよく示されている如く、サ
ブ組立体１１が互いに組付けられ、ハウジング１
２内に配置されることが好ましい。特にフアイバ
１６の脚部１６ａ及び１６ｂはデイスク２７の孔
２７ｂ及び２７ａに挿通される。またフアイバ１
７の脚部１７ａ及び１７ｂはデイスク２８の孔２
８ａ及び２８ｂに挿通され、デイスク２８が適当
な距離だけ脚部１７ａ及び１７ｂに沿つて摺動さ
れる。次いで脚部１７ａ及び１７ｂがデイスク２
７のそれぞれ孔２７ｃ及び２７ｄに挿通される。
次いで孔２８ａ，２８ｂ，２７ａ〜２７ｄがそれ
らを経て流体が漏洩することを阻止すべくエポキ
シ樹脂にてシールされる。次いで脚部１６ａ及び
１７ａの端部へ光を供給し得るようLED２０が
エポキシ樹脂ボンド１８によりデイスク２７上の
所定の位置に固定される。次いで脚部１６ｂ及び
１７ｂより光を受け得るよう、光電子倍増管２２
及び２３がエポキシ樹脂ボンド１９によりデイス
ク２７上の所定の位置に固定される。次いでサブ
組立体１１がハウジング１２内に配置される。し
かる後デイスク２７及び２８がエポキシ樹脂によ
りハウジング１２にシールされる。更に被覆され
た導線２０ａ，２０ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３
ａ，２３ｂの端部及びそれらの端部に固定された
LED２０、光電子倍増管２２及び２３がハウジ
ング１２内にてエポキシ樹脂シール２６により周
囲環境よりシールされる。

フアイバ１６，１７及び基準流体３４は基準流
体の屈折率がフアイバの屈折率よりも小さいよう
選定されるが、これらの屈折率が近似していれば
いるほどより線形的な応答が得られるので好まし
い。冷媒Ｒ１１の如き揮発性の液体が密閉室３２
内に配置される場合には、該液体は室温以下に冷
却され、皮下注射器４０がその冷却された液体に
て充填される。皮下注射器４０の針４１が孔１２
ａに挿入され、密閉室３２が液体にて充填される
まで密閉室内へ液体が注入される。次いで孔１２
ａがエポキシ樹脂パツチ１４にてシールされる。
かくして密閉室３２はLED２０及び光電子増倍
管２２，２３と同様周囲の媒体より隔離される。
通常の製造公差の範囲内にてプローブ毎に変動が
生じるので、各プローブ毎にキヤリブレーシヨン
曲線が発生される必要がある。揮発性有機材料の
非水溶性溶液については、ランバート−ベールの
マトリツクス反転がプログラムされたコンピユー
タにて作動されるデータステーシヨンに接続され
た赤外線フローセル内へプローブを挿入すること
によりキヤリブレーシヨンが行われる。

第４図に、組立方法の点でプローブ１０と異な
る修正されたプローブ１００が図示されている。
グラスフアイバ製のハウジング１１２は三つのセ
クシヨン１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄにて形成
されている。LED１２０はエポキシ樹脂ボンド
１１８によりフアイバ１１６及び１１７の脚部１
１６ａ及び１１７ａに接合されており、光電子倍
増管１２２及び１２３はエポキシ樹脂ボンド１１
９により脚部１１６ｂ及び１１７ｂに接合されて
いる。エポキシ樹脂ボンド１１８及び１１９は光
の損失を回避すべくフアイバ１１６及び１１７の
屈折率と等しいか又はそれよりも大きい屈折率を
有している。LED１２０、光電子倍増管１２２
及び１２３、フアイバ１１６及び１１７はエポキ
シ樹脂シール１２６によりセクシヨン１１２ｂ内
の所定の位置に固定されている。フアイバ１１６
及び１１７はハウジングのセクシヨン１１２ｃを
セクシヨン１１２ｂに接合する作用をもなすエポ
キシ樹脂シール１２７によりハウジングのセクシ
ヨン１１２ｂに対しシールされている。フアイバ
１１７はエポキシ樹脂シール１２８によりセクシ
ヨン１１２ｃにシールされており、エポキシ樹脂
シール１２８は密閉室１３２の一部を郭定すると
共に、セクシヨン１１２ｄをセクシヨン１１２ｃ
にシールしている。密閉室１３２は孔１１２ａを
経て基準流体１３４にて充填され、孔１１２ａは
流体の充填後にエポキシ樹脂パツチ１１４により
シールされる。

プローブ１０又は１００は、それがキヤリブレ
ーシヨンされると、吸収機械５０を示す第６図に
示された回路の如き回路内に組込まれ得るように
なる。密閉室３２内の流体である流体３４は、例
えば例示の如き54％LiBr溶液、Ｒ１１の如き冷
媒、エチレングリコール塩溶液の如き混合液、又
は他の任意の好適な基準流体であつてよい。試験
されるべき流体３６は図示の如き吸収機械のアブ
ソーバ又はエバポレータ用のLiBr溶液、熱貯蔵
システムのエチレングリコール塩溶液、又は他の
好適な流体であつてよい。プローブの位置がシス
テム全体を代表する場合には、濃度及び相変化を
測定するためには一つのプローブが使用されれば
よい。プローブ１０及び１００は細い管状をなし
ているので、特に冷凍システムに組込むのに適し
ており、また濃度の検出に関しそれが組込まれる
位置によつて感度が変化するものではない。しか
し液位の測定に於ては通常多数のプローブが使用
される。何故ならば、個々のプローブによつては
液位がプローブよりどれほど上下に離れているか
の情報が得られるないからである。許容し得る液
位範囲の限界に存在するプローブにより、液位検
出に使用されるプローブの最少数が決定される。
試験されるべき流体３６内にあり、従つて該流体
と同一の温度状態にあるプローブ構造体の全てが
プローブ１０内に配置される。

第５図は下記の表１に示された測定された
LiBr濃度と出力電圧との関係を示すグラフであ
る。液体３６が吸収機械６０のアブソーバ内の
LiBr溶液を表しており、ソレノイド弁５０が
LiBrの濃度を制御すべくアブソーバに通ずる水
導管５２の連通を制御するものと仮定すれば、本
発明によればより正確な制御が得られる。従来の
場合には、二組の液面フロート制御装置がエバポ
レータ内に於ける高冷媒液位及び低冷媒液位を検
出することによりLiBr濃度を求めるようになつ
ている。高溶液濃度に対応する高冷媒液位に於て
は、磁石を有するフロートがリードスイツチを超
えて移動することによりその接点が閉成されてソ
レノイド弁が励磁され、これにより冷媒がLiBr
溶液へ戻されて該溶液が希釈される。間接的な検
出であるため、LiBrの結晶化マージンに対し大
きい安全係数が組込まれている。このシステムに
よりLiBrに454ｇの不要な水が添加され、その水
を除去するために1050000ジユールのエネルギが
消費されるので、マージンはより小さいことが望
ましい。

表 １LiBr濃度wt％ 出力信号電圧Ｖ ０ 8.5 41.8 2.25 46.2 1.60 50.2 0.80 55.3 0.40 61.2 0.25 LED２０の出力はフアイバ１６及び１７の脚
部１６ａ及び１７ａの端部に進入する。それぞれ
フアイバ１６及び１７の屈折率に対する液体３４
及び３６屈折率に応じて、光がフアイバ１６及び
１７を通過する際にある程度の光の損失が生じ
る。フアイバ１６及び１７内を通過する光は、パ
ルス光衝突式の光電子倍増管２２及び２３にそれ
ぞれ衝突する。これらの光電子倍増管２２及び２
３はそれぞれ電気的出力Vr及びVmを発生し、そ
れらの出力はプロセツサ５４へ出力される。プロ
セツサ５４は信号VmとVrとの間の電圧の差を求
め、ソレノイド弁５０を制御するための制御信号
を出力する。第５図に示されている如く、LiBr
については濃度と出力電圧との関係が実質的に線
形であるので、LiBr濃度をより一層正確に制御
してシステムの効率を向上させることができる。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々
の実施例が可能であることは当業者にとつて明ら
かであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はプローブを示す斜視図である。第２図
は密閉室内に流体を充填する態様を示すプローブ
の長手方向に沿う断面図である。第３図はプロー
ブの一部を示す分解斜視図である。第４図はプロ
ーブの他の一つの実施例を示す断面図である。第
５図はLiBr濃度と出力電圧との関係を示すグラ
フである。第６図は本発明がLiBr濃度を測定し
制御することに使用された態様を示す解図であ
る。 １０……プローブ、１２……ハウジング、１３
……孔、１４……エポキシ樹脂パツチ、１６，１
７……光フアイバ、１８，１９……エポキシ樹脂
ボンド、２０……LED、２２，２３……光電子
倍増管、２６……エポキシ樹脂シール、２７，２
８……デイスク、３２……密閉室、３４……基準
流体（液体）、３６……試験されるべき流体（液
体）、４０……皮下注射器、４１……針、５０…
…ソレノイド弁、５２……水導管、５４……プロ
セツサ、６０……吸収機械、１００……プロー
ブ、１１２……ハウジング、１１６，１１７……
フアイバ、１１８，１１９……エポキシ樹脂ボン
ド、１２０……LED、１２２，１２３……光電
子倍増管、１２６〜１２８……エポキシ樹脂シー
ル、１３２……密閉室、１３４……基準流体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体に浸してその流体の状態を現場にて検出
   する光フアイバプローブにして、 管状のハウジングと、 前記ハウジング内の第一の室内に密封された基
   準流体と、 前記第一の室内に配置され検出すべき流体より
   隔離された第一のＵ形光フアイバと、 前記第一の室内を貫通して延在し検出すべき流
   体に接触するべく配置された第二のＵ形光フアイ
   バと、 前記第一のＵ形光フアイバと前記第二のＵ形光
   フアイバ内へ光を導くために前記ハウジング内に
   配置された光源装置と、 前記第一のＵ形光フアイバを通過する光を検出
   するため前記ハウジング内に配置された第一の検
   出装置と、 前記第二のＵ形光フアイバを通過する光を検出
   するため前記ハウジング内に配置された第二の検
   出装置と、 を含む光フアイバプローブ。 ２ 流体の状態を現場で検出する光フアイバプロ
   ーブの製造方法にして、 第一のＵ形光フアイバの両端を第一のデイスク
   に挿通することと、 第二のＵ形光フアイバの両端を第二のデイスク
   に挿通し更に前記第一のデイスクに挿通して前記
   第一のＵ形光フアイバを前記第一のデイスクと前
   記第二のデイスクの間に配置することと、 前記第一のＵ形光フアイバ及び第二のＵ形光フ
   アイバの第一の端部に光を供給する光源装置を前
   記第一のＵ形光フアイバと前記第二のＵ形光フア
   イバに整合して配置することと、 前記第一のＵ形光フアイバを通る光を検出する
   ために第一の検出装置を前記第一のＵ形光フアイ
   バに整合して配置することと、 前記第二のＵ形光フアイバを通る光を検出する
   ために第二の検出装置を前記第二のＵ形光フアイ
   バに整合し配置することと、 前記第一のデイスク及び第二のデイスクと、前
   記第一のＵ形光フアイバ及び第二のＵ形光フアイ
   バと、前記光源装置と、前記第一の検出装置及び
   第二の検出装置とを管状ハウジング内に配置する
   ことと、 前記第一のデイスク及び第二のデイスクを前記
   管状ハウジングに対してシールし前記管状ハウジ
   ング内に形成することと、 前記室内に基準流体を封入して密封すること
   と、 を含む製造方法。 ３ 流体の状態を現場で検出する光フアイバプロ
   ーブの製造方法にして、 二つのＵ形光フアイバの一端に光源装置をエポ
   キシ樹脂で接着することと、 前記二つのＵ形光フアイバの他端の各々に光電
   子増倍管をエポキシ樹脂で接着することと、 前記光源装置、前記光電子増倍管及び前記Ｕ形
   光フアイバをハウジングの第一の部分内の所定の
   位置にエポキシ樹脂で接着して仕切壁を形成し、
   前記二つのＵ形光フアイバの湾曲部を前記第一の
   部分を越えて延在させることと、 前記ハウジングの第二の部分を前記ハウジング
   の第一の部分に取付け前記二つのＵ形光フアイバ
   のうち第一の光フアイバの湾曲部を前記第二の部
   分内に配置させることと、 前記二つのＵ形光フアイバのうち第二の光フア
   イバを前記ハウジングの第二の部分にエポキシ樹
   脂で接着して仕切壁を形成し前記ハウジングの第
   二の部分内に上記二つの仕切壁により限られた室
   を形成することと、 前記ハウジングの第三の部分を前記ハウジング
   の第二の部分に取付け前記第二の光フアイバの湾
   曲部を前記ハウジングの第三の部分内に配置させ
   るが該第三の部分の内部はハウジング外に開放さ
   れた状態とすることと、 前記ハウジングの第二の部分に形成された前記
   室内に基準流体を充填することと、 前記室内の基準流体を密封することと、 を含む製造方法。