JPH0512661B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、被測定ガスに露出されたセンサ表面
と、該センサ表面上に配設された２つの電極構造
とを有し、前記センサ表面上には露点温度まで冷
却された際に水蒸気が凝縮され、前記電極構造
は、等間隔で相互に平行に配設された電極部分を
備え、該電極部分は湿気不感性の絶縁層により被
覆されており、前記２つの電極構造間のインピー
ダンスまたは容量の測定により、露点温度に達し
たことが検出される、ガス内の水蒸気露点を測定
するための露点温度測定装置用の露点センサに関
する。

従来技術 上述の形式の公知の露点センサにおいては、２
つの電極構造の電極部分間の間隔は最小200μｍ
である。この間隔は、露点温度に達した時に生ず
る最初の凝縮水滴の直径よりも相当に大きい。露
点温度の検出は、露層（水滴層）が形成される
と、水の大きな誘電率が原因で、２つの電極構造
間の容量が変化するという事実に依拠している。
露点センサの温度を調整することにより、一定の
容量、従つて一定の露層（水滴層）の厚さを維持
するように試みられている。このようにして設定
される温度が、露点温度として測定される。

このような公知の露点センサでは、露点温度に
達した時に生ずる凝縮の開始を検知することはで
きない。何故ならば、最初に形成される凝縮水滴
では、明確に識別することができない程小さい容
量変化しか生じないからである。更に、特にセン
サ面の汚染が測定結果に対し大きい影響を及ぼ
す。何故ならば、このような汚染で、水滴層の誘
電率が変化してしまうからである。

発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、結露温度に達した際に生ずる
凝縮を直ちに検知することができ、然もセンサ面
の汚染による影響を殆ど受けることがない冒頭に
述べた形式の露点センサを提供することにある。

課題を解決するための手段 本発明によれば上記課題は、２つの電極構造の
相互に平行に配設された電極部分の間隔は最大
で、露点温度に達した際に形成される凝縮水滴の
直径の大きさかまたはそれよりも小さく、前記絶
縁層の厚さは前記電極部分の間隔よりも小さく、
前記電極部分間には、前記凝縮水滴に対するギヤ
ツプが存在する構成して解決される。

作 用 本発明に従つて構成される露点センサにおいて
は、露点温度に達した際に凝縮水滴が最小時間内
で最小の大きさに形成されるという事実が応用さ
れている。即ち、発生した凝縮水滴は、隣接する
電極部分を覆つている薄肉の絶縁層間に橋絡部を
形成する。この凝縮水滴のオーム抵抗は小さいの
で、湿気により左右されない絶縁層の容量（この
絶縁層の容量は、絶縁層の厚さが小さいために電
極間の容量よりも大きい）は導電性の橋絡部によ
り接続される。その結果として、２つの電極構造
間で測定されるインピーダンスまたは容量は跳躍
的に変化する。これにより、凝縮水滴の最初の出
現を一義的に検出することができる。この現象
は、凝縮水滴における水の誘電率により影響を受
けることはない。従つて、本発明による露点セン
サは、水滴層の誘電率により惹起される容量変化
を露点検出に利用している露点センサと比較し
て、遥かに高い露点検出感度を有すると共に、汚
染に対して鈍感である。

本発明による露点センサの有利な実施態様及び
発展形態は請求項２以下に記載してある。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に示し
てある実施例を参照しての以下の説明から明らか
となるであろう。

実施例 第１図には平面図で、そして第２図には部分的
に断面図で示してある露点センサ１０は、担体１
２を備えており、この担体は、湿気に対して鈍感
である絶縁材料から形成されている。第２図から
明らかなように、この担体１２は、アルミニウム
製の分離板１４を介在して、ペルチエ素子１６上
に設けられており、このペルチエ素子により、担
体１２を露点温度にまで冷却することができる。
分離板１４に面しない側の担体１２の自由上側面
は、その水蒸気の露点を測定しようとするガス大
気に露出されており、それにより、冷却時には、
該担体１２の上側面には露点温度で凝縮により露
層が形成される。

センサ面１８上には、２つの電極構造２０及び
３０が形成されており、これらの電極構造は、第
１図では、図示を明瞭にするために非常に簡略に
示してある。電極構造２０は、多数の平行な歯２
２を有する櫛の形態を有しており、これら歯２２
は、一端部で、これら歯に対して垂直に延びるウ
エブ２４に結合されている。ウエブ２４の端部に
は、幅広の接触面２６が形成されており、この接
触面２６は接続導体との接触接続に用いられる。
電極構造２０は、この接続導体を介して、この露
点センサが使用される露点測定装置の電子回路
（図示せず）に接続される。一方、電極構造３０
も全く同様の形態で、但し鏡面像配列で、歯３
２、ウエブ３４及び接触面３６から構成されてい
る。２つの電極構造の歯２２及び３２は、実質的
に、測定プロセスに対して敏感であるセンサ領域
を形成している担体１２の小さい中央領域内に位
置する。歯２２及び３２は、交互に噛み合う形
（インタデジツト形態）で配列されている。即ち、
電極構造２０の歯２２は、電極構造３０の歯３２
間の介在空間内に位置し、逆に、電極構造３０の
歯３２は、電極構造２０の歯２２間の介在空間内
に位置する。従つて、それぞれ２つの平行に並置
された歯は、それぞれ別の電極構造に所属する電
極部分を構成する。各電極構造の歯間の介在空間
は、各介在空間において、他方の電極構造の歯
が、両側の隣接する歯から十分な間隔をおいて形
成することができるような幅を有している。この
ことは、特に第２図から明らかである。この第２
図には、第１図と比べて拡大尺で、２つの電極構
造２０及び３０の複数個の並置して配設されてい
る歯２２，３２の断面が示してある。

２つの電極構造２０，３０の各歯２２及び３２
は、湿気不感性の絶縁層４０で被覆されており、
絶縁層４０は、歯の総ての自由面を完全に覆つて
いる。即ち、歯２２及び３２は、一方では、担体
１２の絶縁材料により、そして他方では絶縁層４
０によつて、露点を測定しようとするガス大気か
ら完全に分離されている。第２図に示した実施態
様においては、それぞれ、２つの隣接する歯を覆
つている絶縁層間には、それぞれギヤツプ４２が
存在し、このギヤツプ４２は、担体１２の上面に
まで延びている。

電極構造２０及び３０並びに歯を覆う絶縁層４
０は、集積回路技術並びに導体板技術から公知で
ある慣用の方法に従つて担体１２上に形成するこ
とができる。例えば、電極構造２０，３０は、適
当な金属、例えばタンタルまたは白金のような金
属層から、ホトリトグラフイー法により形成する
ことができる。絶縁層４０は、化学的に安定で、
電気的に絶縁性を有し、湿気に対して完全に不感
性の材料から構成しなければならない。この絶縁
層４０としては、ガラス、ラツカ或いは他の適当
な金属酸化物を使用することができよう。絶縁層
を形成する材料は、種種な公知の方法のうちのい
ずれかの方法に従つて電極構造上に被覆すること
ができる。電極構造２０，３０に対して使用され
る金属の酸化物が所要の性質を有している場合に
は、絶縁層４０は、場合により、導体金属の表面
酸化により形成することが可能である。

次に第３図及び第４図を参照して、第１図及び
第２図に示した露点センサの動作態様について説
明する。第３図は、第２図の断面に類似した断面
図で更に簡略に且つ更に拡大して、２つの並置配
設されて、それぞれ絶縁層４０を有している歯２
２及び３２を示している。絶縁層４０の厚さＤ
は、第３図に誇張して大きい寸法で示されている
が、実際には、２つの隣接する歯２２及び３２間
の間隔Ａと比較して相当に小さい。従つて、ギヤ
ツプ４２の幅Ｂは、実際には、歯間の間隔Ａより
も極く僅かに小さいだけである。更に、第３図に
は、機能にとつて本質的な電気量を表す回路記号
が記入してある。他方、第４図は、２つの電極構
造２０及び３０のこれら電気量を定めるインピー
ダンスの電気的等価回路図を示す。

露点センサの電気的特性に対しては、２つの電
極構造２０，３０の各２つの隣接する歯２２，３
２間における区間の電気量が重要である。この区
間は、直列に接続されているインピーダンスを有
する３つの部分区間から構成されている。即ち、 −抵抗Ｒ４０及び容量Ｃ４０からなる並列接続に
より表すことができる電気的インピーダンスを
有する歯２２上の絶縁層４０、 −抵抗Ｒ４２及び容量Ｃ４２からなる並列接続に
より表すことができる電気的インピーダンスを
有するギヤツプ４２、 −抵抗Ｒ４０及び容量Ｃ４０からなる並列接続に
より表すことができる電気的インピーダンスを
有する歯３２上の絶縁層４０である。

これら２つの電極構造の歯間の総ての成分イン
ピーダンスの並列接続で、第４図の等価回路によ
つて表される２つの電極構造の総合インピーダン
スが得られる。第４図において、抵抗Ｒ１は、ギ
ヤツプ抵抗Ｒ４２の並列接続に対応し、容量Ｃ１
は、総てのギヤツプ容量Ｃ４２の並列接続に対応
する。尚、図示を簡略にするために、２つの直列
に接続されている層抵抗Ｒ４０の並列接続は１つ
の抵抗Ｒ２で表してあり、２つの直列に接続して
いる層容量Ｃ４０の並列接続は唯一の容量Ｃ２で
表してある。抵抗Ｒ３は、導体構造２０及び３０
の金属層の抵抗を記号的に表す。

露点検出は、露点温度に達した際に現れる総合
インピーダンスの変化の検出に基づいて行われ
る。この総合インピーダンスの変化は、センサ面
１８上に凝縮水滴が形成し始めることにより惹起
される。即ち、総合インピーダンスの変化は、第
４図の等価回路要素の値に対する凝縮水滴の影響
により決定される。

絶縁層４０の材料は、湿気に対して不感性であ
るので、抵抗Ｒ２及び容量Ｃ２の値は、凝縮によ
り変化することはない。同様に、電極構造の抵抗
Ｒ３も凝縮に依存しない。

露点凝縮により影響を受ける値を有する回路構
成要素は、歯間の抵抗Ｒ１及び容量Ｃ１だけであ
る。これら電気量に対しては、下記のような認識
が妥当する。

−露点センサの乾燥状態、即ち露点温度より高い
温度においては、抵抗Ｒ１及び容量Ｃ１の値
は、ギヤツプ４２内に存在するガスによつて決
定される。従つて、抵抗Ｒ１は、絶縁抵抗Ｒ２
と同程度の大きさの非常に高い値を有する。容
量Ｃ１は、絶縁層４０の容量Ｃ２と比較して小
さい。何故ならば、絶縁層４０の厚さＤはギヤ
ツプ４２の幅Ｂより非常に小さいからである。
尚、第３図においては、図示を明瞭にするため
に、絶縁層４０の厚さＤは誇張して大きく示し
てある点に留意され度い。

−露点温度にまで冷却されると、短時間内に、最
小の大きさの結露水滴が全センサ表面１８上
に、従つてまた各ギヤツプ４２に形成される。
更に続けて露点温度よりも低い温度に冷却する
と、これら水滴は大きくなり、最終的には、こ
れら水滴は結合し合つて１つの合体した露層と
なる。露点温度の可能な限り正確な検出にとつ
ては、結露水滴の最初の凝縮を検知することが
本質的に重要である。これは、ギヤツプ４２の
幅Ｂの特殊な寸法設計により達成される。即
ち、この幅Ｂは、凝縮により最小時間内に形成
される結露水滴の最小直径に対応するように選
択されており、従つて、露点温度に達した際の
凝縮で最初に形成される結露水滴はその時点で
既にギヤツプ４２の全幅を包絡する。結露水滴
の抵抗は、ガスの抵抗よりも一桁小さいので、
凝縮が生ずると抵抗Ｒ１は何倍か小さい値に急
激に減少する。同時に、容量Ｃ１は、水の大き
な誘電率に対応して若干増加するが、この増加
は、同時に生ずる抵抗Ｒ１の減少と比較して取
るに足りない率である。

これらの現象から、露点センサの総合インピ
ーダンスには次のような作用が生ずる。

−乾燥状態（露点温度よりも高い状態）において
は、測定周波数が十分に高い場合には、測定さ
れるインピーダンスは実質的に、２つの容量Ｃ
１及びＣ２からなる直列接続により決定され
る。該容量に対して並列に位置する高い抵抗Ｒ
１及びＲ２は無視することができ、そして低い
直列抵抗Ｒ３も観察の対象外に留どまることが
できる。更に、容量Ｃ２は容量Ｃ１と比較して
大きいので、総合インピーダンスはまず第１
に、容量Ｃ１の容量リアクタンスによつて決定
される。

−露点温度に達すると、抵抗Ｒ１は急激に非常に
小さい値となり、容量Ｃ２と直列接続された状
態になる。この場合、総合インピーダンスはま
ず第１に、容量Ｃ２の容量リアクタンスによつ
て決定される。従つて、最初に水滴が形成され
る際には、乾燥状態において第１に測定される
容量Ｃ１の容量リアクタンスと比較して、明確
なインピーダンス眺躍が生じ、このインピーダ
ンス眺躍は露点温度に達したことを一義的に表
す。更に温度が露点温度以下に降下すると、抵
抗Ｒ１も更に減少するが、最初に測定インピー
ダンスを決定する容量Ｃ２は不変のままに留ど
まり、従つて、測定インピーダンスはそれ以上
顕著に変化することはない。

上に述べたメカニズムを非常に簡略に表現する
と、露点凝縮による水滴形成によつて、２つの容
量Ｃ４０間に「短絡」が形成されると言うことが
できる。この作用に対して重要なのは、総てのギ
ヤツプ４２の幅Ｂを、最小時間内に形成される水
滴直径に対応するように正しく設計することであ
る。実験の示すところによれば、上述の作用は、
幅Ｂが約50μｍよりも小さい場合にのみ生ずる。
更に好ましくは、この幅Ｂは約20μｍ台とすべき
である。更に、絶縁層４０の厚さは、このように
選択されたギヤツプ４２の幅Ｂよりも小さくする
ことが重要である。

第５図は本発明のセンサ表面上に、露点凝縮に
より水滴が形成されて、この水滴が容量Ｃ４０感
の短絡を形成している様子を示す。ここで、凝縮
水滴Ａは電極部分間のギヤツプ４２内に形成され
て、この電極部分を被覆する絶縁層間の中間空間
を橋絡し、ギヤツプ４２の抵抗および容量に対す
る短絡を形成する。そのため、電極部分間のイン
ピーダンスは急激に、２つの薄い絶縁層を直列に
接続するようなインピーダンスにまで減少する。
これに対して、電極部分の上側を被覆する絶縁層
に形成された凝縮水滴Ｂは急激なインピーダンス
変化には実質的に寄与しない。ギヤツプ４２内の
凝縮水滴Ａなしには、凝縮水滴Ｂは絶縁層の上側
で緩慢なインピーダンス変化しか惹起せず、この
緩慢なインピーダンス変化は水滴が大きくなると
共に、露点以下にさらに冷却されるとさらに大き
くなる。しかしこの水滴Ｂによつては正確な露点
温度の検出は困難である。従来公知の露点センサ
は、この水滴Ｂによるインピーダンス変化を検出
するものである。これに対して本発明は、電極部
分間の間隔を凝縮水滴の直径以下とし、また絶縁
層の厚さを電極部分の間隔よりも小さくすること
により、電極部分間に凝縮水滴に対するギヤツプ
が形成されるようにし、このギヤツプ４２に凝縮
された水滴Ａによる急激なインピーダンス変化を
検出して、露点温度に達した時点を正確に求める
ものである。

上に述べた形式の露点センサの試作した構造に
おいて、電極構造２０，３０はタンタルから形成
し、酸化アルミニウムからなる担体１２上に被着
した。各電極構造は幅が21μｍで長さが２mmの50
本の歯からなる櫛とした。２つの電極構造のイン
タデジタルに配設された歯間の間隔は19μｍであ
つた。２つの互いに噛み合うようにして配設され
た櫛構造により形成される本来のセンサ領域は従
つて、２×４mmの面積しか占めない。絶縁層４０
は、非常に濃縮された湿気不感性のタンタル酸化
物から形成し、このタンタル酸化物は、電極構造
を形成するタンタルの表面酸化により厚さ160n
ｍに形成した。

測定周波数を適当に選択することにより、露点
温度の到達時にインピーダンス跳躍が特に顕著に
なるように、異なつた状態で測定したインピーダ
ンス間の最適な比を求めることができる。約
100kHzの測定周波数が適当であることが判明し
た。

インピーダンス測定の代わりに純容量測定を行
うことも可能であることは言うまでもない。この
場合には、乾燥状態においては実質的に容量Ｃ１
が測定され、そして露点温度に達すると、測定さ
れる容量値は急激に容量Ｃ２の値に移行する。し
かしながら、この容量跳躍は、物理的容量の変化
に基づくのではなく、物理的抵抗Ｒ１の急激な変
化に起因する短絡に基づくものである点に留意さ
れ度い。

櫛パターンの代わりに、上に述べた間隔で互い
に平行に配設された電極部分を有する別の電極構
造もしくはパターンを使用することも可能であ
り、例えば蛇行状パターン或いは格子状パターン
を使用することができよう。また、電極部分は湾
曲することも可能であり、例えば螺旋形状或いは
同心円弧形態にすることができる。

発明の効果 本発明により、結露温度に達した際に生ずる凝
縮を直ちに検出することができ、然もセンサ面の
汚染による影響を殆ど受けることがない露点セン
サが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従つて構成された露点セン
サの上面図、第２図は第１図の露点センサの一部
分を拡大尺で示す断面図、第３図は、露点センサ
の一部分を更に大きな拡大尺で略示する図、第４
図は第１図の露点センサの電気的等価回路図、第
５図は本発明の露点センサに水滴が形成された様
子を示す模式図である。 １０……露点センサ、１２……担体、１４……
分離板、１６……ペルチエ素子、１８……センサ
表面、２０，３０……電極構造、２２，３２……
電極歯、２４，３４……ウエブ、２６，３６……
接触面、４０……絶縁層、４２……ギヤツプ、Ｂ
……幅、Ｄ……厚さ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定ガスに露出されたセンサ表面１８と、 該センサ表面上に配設された２つの電極構造２
   ０，３０とを有し、 前記センサ表面上には露点温度まで冷却された
   際に水蒸気が凝縮され、 前記電極構造は、等間隔で相互に平行に配設さ
   れた電極部分２２，３２を備え、 該電極部分は湿気不感性の絶縁層４０により被
   覆されており、 前記２つの電極構造間のインピーダンスまたは
   容量の測定により、露点温度に達したことが検出
   される、ガス内の水蒸気露点を測定するための露
   点温度測定装置用の露点センサにおいて、 前記２つの電極構造の相互に平行に配設された
   電極部分の間隔は最大で、露点温度に達した際に
   形成される凝縮水滴の直径の大きさかまたはそれ
   よりも小さく、 前記絶縁層の厚さは前記電極部分の間隔よりも
   小さく、 前記電極部分間には、前記凝縮水滴に対するギ
   ヤツプ４２が存在することを特徴とする露点セン
   サ。 ２ 電極部分間の間隔が50μｍよりも小さい請求
   項１記載の露点センサ。 ３ 電極部分間の間隔が約20μｍである請求項２
   記載の露点センサ。 ４ 絶縁層の厚さが1μｍよりも小さい請求項１
   から３までのいずれか１項記載の露点センサ。 ５ 電極構造が交互に噛み合う歯を備えている櫛
   パターンである請求項１から４までのいずれか１
   項記載の露点センサ。