WO2005098404A1

WO2005098404A1 - 検出面上状態検出装置

Info

Publication number: WO2005098404A1
Application number: PCT/JP2005/004649
Authority: WO
Inventors: Yoshiyuki Kanai; Kazumasa Ibata; Masaki Takechi; Shingo Masumoto; Yasuhiro Kajio; Shigeki Shoji; Ryu Akimoto
Original assignee: Yamatake Corporation
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2005-10-20
Also published as: US7380980B2; JP2005283512A; US20070147466A1; JP4354860B2

Abstract

　三角プリズム（１９）の長辺面（第１面）（１９−１）を検出面とする。プリズム（１９）の一方の短辺面（第２面）（１９−２）に投受光同軸の光ファイバケーブル（１７）の先端部を接合する。プリズム（１９）の他方の短辺面（第３面）（１９−３）に熱電冷却素子２を取り付ける。熱電冷却素子（２）の冷却面（２−１）と短辺面（１９−３）との間に鏡（１０）を設ける。検出面（１９−１）に結露が生じると、発光側の光ファイバ（１７−１）から検出面（１９−１）の裏面（検出面裏面）（１９−４）に照射された光の一部がその結露を通してプリズム（１９）の外へ抜ける。このため、検出面裏面（１９−４）に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は鏡面（１０−１）によって検出面裏面（１９−４）に戻され、ここで再び正反射し、受光側の光ファイバ（１７−２）に入る。この光ファイバ（１７−２）を介して受光される光の強度変化によって検出面（１９−１）に生じる結露を検出する。

Description

明細書

検出面上状態検出装置

技術分野

[0001] この発明は、検出面上の状態を検出する検出面上状態検出装置に関するものである。

背景技術

[0002] 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、文献 1 (工業計測ハンドブック、昭和 51.9.30、朝倉書店、 P297)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。

[0003] 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、文献 2 (特開昭 61— 75235号公報）に示されているような正反射光を利用する正反射光検出方式、もう 1つは、文献 3 (特公平 7-104304号公報）に示されているような散乱光を利用する散乱光検出方式である。

[0004] 〔正反射光検出方式〕

図 15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の側部には卷線式測温抵抗体 (温度検出素子） 6が埋め込まれている（図 19参照)。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。

[0005] 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全量が正反射し、受光素子 8で受光される。したがつて、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。

[0006] 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。

[0007] 〔散乱光検出方式〕

図 16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ぐ散乱光を受光する位置に設けられている。

[0008] 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。

[0009] 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さる。

[0010] 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。

[0011] また、図 17や図 18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。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0012] し力しながら、上述した従来の鏡面冷却式露点計 101や 102、天気計 103や 104 では、結露や結霜を検出するための発光素子ゃ受光素子などの光学系を鏡面 (検出面）の上方に設けているので、鏡面の清掃時に邪魔になり、清掃し難力つた。また、鏡面にゴミなどが付着すると反射光の強度が弱まり、測定誤差が大きくなつてしまうという問題があった。

[0013] 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、検出面の清掃がし易ぐゴミの影響を受けづらい検出面上状態検出装置および水分検出装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0014] このような目的を達成するために本発明は、その第 1面が検出面として配置されたプリズムと、このプリズムの内部を通して検出面を照射する発光手段と、発光手段から検出面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、この受光手段が受光する反射光に基づいて検出面上の状態を検出する状態検出手段とを設けたものである。

この発明によれば、プリズムの第 1面、例えば三角プリズムの長辺の面 (長辺面）が検出面とされ、この検出面にプリズムの内部を通して光が照射され、この検出面に照射された光すなわち検出面の裏面に照射された光の反射光が受光され、この受光される反射光に基づいて検出面上の状態 (例えば、雨や雪の付着、結露や結霜)が検出される。

この発明において、プリズムの検出面に雨や雪などが付着すると、発光手段から検出面の裏面に照射された光の一部がその付着した雨や雪などを通してプリズムの外へ抜ける。このため、検出面の裏面に照射された光の正反射光が減少する。この検出面の裏面に照射された光の正反射光を受光手段によって直接受光させたり、ミラ一によつて検出面の裏面に戻し、ここで再び正反射させ、受光手段によって受光させたりすれば、この受光される光の強度変化によって検出面への雨や雪の付着を検出することが可能となる。特に、ミラーで光を全反射させると、光が検出面の裏面を 2回通過することになり、光の減衰度合いが増す。

発明の効果

[0015] 本発明によれば、プリズムの内部を通して検出面 (検出面の裏面）に光を照射し、この検出面の裏面に対して照射した光の反射光に基づいて検出面上の状態を検出するようにしたので、検出面の上面に光学系を配置しなくてもよくなり、検出面の清掃がし易くなる。また、検出面にゴミなどが付着しても、このゴミからプリズムの外へ抜ける光はないに等しぐゴミの影響を受けづらくすることができるようになる。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1]図 1は、本発明に係る検出面上状態検出装置の一実施例 (実施例 1)を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。

[図 2A]図 2Aは、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。

[図 2B]図 2Bは、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。 [図 2C]図 2Cは、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。

[図 2D]図 2Dは、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。

[図 2E]図 2Eは、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。

[図 3A]図 3Aは、鏡面に対して照射されるパルス光の波形図である。

[図 3B]図 3Bは、鏡面力受光される反射パルス光の波形図である。

[図 4]図 4は、実施例 1において検出面裏面に照射された光の一部が検出面に生じた結露を通してプリズムの外へ抜ける様子を示す図である。

[図 5]図 5は、本発明に係る検出面上状態検出装置の他の実施例 (実施例 2)を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。

[図 6]図 6は、実施例 2において検出面裏面に照射された光の一部が検出面に生じた結露を通してプリズムの外へ抜ける様子を示す図である。

[図 7]図 7は、コントロール部をコントロールボックスに収容した鏡面冷却式露点計の構成を示す図である。

[図 8]図 8は、熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの接合面にも温度検出素子を設けた実施例 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。

[図 9]図 9は、熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの接合面にも温度検出素子を設けた実施例 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。

[図 10]図 10は、本発明に係る検出面上状態検出装置の他の実施例 (実施例 3)を示す天気計の概略構成図である。

圆 11]図 11は、本発明に係る検出面上状態検出装置の他の実施例 (実施例 4)を示す天気計の概略構成図である。

[図 12]図 12は、本発明に係る検出面上状態検出装置の他の実施例 (実施例 5)を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。

[図 13]図 13は、実施例 5において検出面裏面に照射された光の一部が検出面に生じた結露を通してプリズムの外へ抜ける様子を示す図である。 [図 14]図 14は、熱電冷却素子の加熱面とヒートシンクとの接合面にも温度検出素子を設けた鏡面冷却式露点計のセンサ部の変形例を示す図である。

[図 15]図 15は、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。

[図 16]図 16は、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。

[図 17]図 17は、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

[図 18]図 18は、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。

[図 19]図 19は、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。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施例 1：鏡面冷却式露点計 (反射方式)〕

図 1はこの発明に係る検出面上状態検出装置の一実施例を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。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。

[0018] センサ部 201Aでは、三角プリズム（以下、単にプリズムと言う） 19を設け、このプリズム 19の長辺の面（第 1面） 19— 1を検出面としている。また、プリズム 19の検出面 1 9 1に接する一方の短辺面（第 2面） 19 2にステンレス製のチューブ (又はケーブル ) 17の先端面を接合している。また、プリズム 19の検出面 19-1に接する他方の短辺の面 (第 3面） 19— 3に鏡 10を介して熱電冷却素子 (ペルチエ素子） 2を取り付けている。鏡 10は、例えばミラーコーティングとされている。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を接合している。

[0019] この実施例において、チューブ 17としては図 2A—図 2Eに示すような光ファイバを収容した種々のチューブ 16を使用することができる。図 2A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 2B 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 2C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 2D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 2E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）の光ファィバ 16fとしている。

[0020] 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 2A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、る。発光側の光ファイバ 17— 1と受光側の光ファイバ 17 —2の先端部 (発光部、受光部）は、プリズム 19の第 2面 19— 2に接合され、プリズム 1 9の検出面 19— 1の裏面 (検出面裏面） 19 4に向けられている。この結果、光フアイバ 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。

[0021] この実施例において、プリズム 19の第 2面 19— 3と第 3面 19— 3とのなす角度は 90° 、検出面 (第 1面） 19-1と第 2面 19-2とのなす角度および検出面 (第 1面） 19-1と第 3面 19 3とのなす角度は 45°とされており、従って光ファイバ 17— 1および 17— 2の光軸の検出面裏面 19 4に対する傾斜角は 45°とされている。

[0022] 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が検出するプリズム 19の温度が表示される。結露検知部 13は、光ファイバ 1 7— 1の先端部よりプリズム 19の検出面裏面 19 4に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、後述するようにして光ファイバ 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をペルチエ出力制御部 14へ送る。ペルチエ出力制御部 14は、結露検知部 13からの信号 S 1を受けて、反射パルス光の強度と予め定められて、る閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値を上回っている場合には、熱電冷却素子 2への電流を信号 SI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を下回っている場合には、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。

[0023] 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、プリズム 19の検出面裏面 19 4に対して所定の周期でパルス光を照射させる（図 3A参照)。検出面 19 1は被測定気体に晒されており、検出面 19—1に結露が生じていなければ、光ファイバ 17— 1の先端部力照射されたパルス光はその全量が検出面裏面 19 4で正反射 (全反射）し、プリズム 19の第 3面 19— 3に位置する鏡面 10— 1に達する。そして、この鏡面 1 0— 1で全反射し、検出面裏面 19 4に戻され、この検出面裏面 19 4で全反射してから、ほ 100%の光量で光ファイバ 17— 2に入る。したがって、検出面 19— 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大きい。

[0024] 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へ送る。この場合、反射パルス光の強度は大きぐ閾値を超えているので、ペルチヱ出力制御部 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

[0025] 熱電冷却素子 2の冷却面 2— 1の温度、すなわちプリズム 19の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気がプリズム 19の検出面 19— 1に結露し、光ファイバ 17 —1から検出面裏面 19 4に照射された光の一部がその結露を通してプリズム 19の外へ抜ける（図 4参照)。このため、検出面裏面 19 4での全反射がなくなり、検出面裏面 19 4に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は鏡面 10— 1によつて検出面裏面 19 4に戻され、ここで再び正反射し、光ファイバ 17— 2に入る。特に、この実施例では、鏡面 10— 1で光を全反射することにより、光が検出面裏面 19 4を 2 回通過することになり、光の減衰度合いが増す。これにより、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減少する。

[0026] 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、これを反射ノルス光の強度とする。すなわち、図 3B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 A Lを求め、この A L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 ΔΧ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、る。

[0027] 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を下回ると、ペルチ出力制御部 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大きくなり、閾値を上回ると、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とほ等しくなるように、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、すなわち検出面 19 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。

[0028] この鏡面冷却式露点計 201では、プリズム 19の内部を通して検出面裏面 19 4に光を照射し、この検出面裏面 19-4に対して照射した光の正反射光に基づ!/、て検出面 19— 1上に生じる結露を検出するようにしているので、検出面 19— 1の上面に光学系を配置しなくてもよくなり、検出面 19— 1の清掃がし易くなる。また、検出面 19 1にゴミなどが付着しても、このゴミからプリズム 19の外へ抜ける光はないに等しぐ検出面裏面 19 4での全反射が続けられ、ゴミの影響を受けづらくすることができる。

[0029] また、この鏡面冷却式露点計 201では、発光側の光ファイバ 17— 1と受光側の光フアイバ 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ぐ組立時の作業性がよくなる。

[0030] 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、チヤンバ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 20 1 A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、吸引ボンプゃ吸引用チューブ、排気用チューブ、流量計などを装着しなくてもよいので、測定雰囲気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ユーブ、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。

[0031] 図 7にコントロール部 201 Bをコントロールボックス 21に収容した鏡面冷却式露点計 201の構成を示す。コントロールボックス 21において、収容されたコントロール部 201 Bへの電源は電池とされており、コントロールボックス 21とセンサ部 201Aを 1組にして現場に赴き、センサ部 201Aを測定雰囲気中に設置することにより、すぐに測定を始めることができる。この例では、コントロールボックス 21とセンサ部 201Aとを別体としているが、センサ部 201Aをコントロールボックス 21に設け、一体化するようにしてもよい。

[0032] また、この鏡面冷却式露点計 201では、熱電冷却素子 2の冷却面 2— 1と鏡 10との接合面に温度検出素子 11を設けているので、熱抵抗が少なぐ精度よくかつ応答性よくプリズム 19の温度を測定することができる。これにより、露点温度の測定精度が高まり、応答性も向上する。また、鏡 10をプリズム 19の第 3面 19— 3で一体ィ匕して小型にすることができ、組立性の向上が実現でき、部品点数の削減、コストの低減も可能になる。また、鏡 10は熱電冷却素子 2の冷却面 2— 1に接合してもよぐこれにより熱電冷却素子 2と鏡 10とを一体形状として小型にすることができる。

[0033] 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、たが、発光側の光ファイバ 17— 1に代えて発光ダイオードを、受光側の光ファイバ 17— 2に代えてフォト力ブラを設けるようにしてもよい。また、投受光の光ファイバをレンズ等で集光し、平行光にするようにしてもよい。

[0034] 〔実施例 2：鏡面冷却式露点計 (透過方式)〕

図 5はこの発明に係る水分検出装置の他の実施例を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。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とを同軸ではなぐプリズム 19の第 2面 19— 2側と第 3面 19— 3 側とに個別に設けている。すなわち、プリズム 19の第 2面 19— 2に発光側の光フアイバ 17— 1の先端面 (発光部）を接合し、プリズム 19の第 3面 19— 3に受光側の光フアイバ 17— 2の先端面 (受光部）を接合している。また、熱電冷却素子 2の中央部に中空部 2-3を、ヒートシンク 18の中央部に中空部 18— 1を設け、この中空部 2— 3および 18 1を通して光ファイバ 17— 2を設けている。なお、この実施例では、図 1に示したような鏡 10は用いておらず、プリズム 19の第 3面 19— 3と熱電冷却素子 2の冷却面 2— 1との接合面に温度検出素子 11を位置させて、る。

[0035] 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、プリズム 19の検出面裏面 19 4に対して所定の周期でパルス光を照射させる。検出面 19—1は被測定気体に晒されており、検出面 19 1に結露が生じていなければ、光ファイバ 17— 1の先端部力も照射されたパルス光はその全量が検出面裏面 19 4で正反射 (全反射)し、プリズム 19の第 3面 19— 3に位置する光ファイバ 17— 2にほ 100%の光量で入る。したがって、検出面 19—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大き、。

[0036] 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へ送る。この場合、反射パルス光の強度は大きぐ閾値を超えているので、ペルチヱ出力制御部 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 [0037] 熱電冷却素子 2の冷却面 2— 1の温度、すなわちプリズム 19の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気がプリズム 19の検出面 19— 1に結露し、光ファイバ 17 —1から検出面裏面 19 4に照射された光の一部がその結露を通してプリズム 19の外へ抜ける（図 6参照)。このため、検出面裏面 19 4での全反射がなくなり、検出面裏面 19 4に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は光ファイバ 17— 2 に入る。これにより、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減少する。

[0038] 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を下回ると、ペルチ出力制御部 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とほ等しくなるように、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、すなわち検出面 19 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。

[0039] この鏡面冷却式露点計 202においても、プリズム 19の内部を通して検出面裏面 19

4に光を照射し、この検出面裏面 19-4に対して照射した光の正反射光に基づ!/、て検出面 19— 1上に生じる結露を検出するようにしているので、検出面 19— 1の上面に光学系を配置しなくてもよくなり、検出面 19— 1の清掃がし易くなる。また、検出面 19 —1にゴミなどが付着しても、このゴミからプリズム 19の外へ抜ける光はないに等しぐ検出面裏面 19 4での全反射が続けられ、ゴミの影響を受けづらくすることができる。

[0040] なお、上述した実施例 1や 2では、熱電冷却素子 2の冷却面 2— 1と鏡 10との接合面に温度検出素子 11を設けてプリズム 19の温度を検出するのみとした力図 8や図 9 に示すように、熱電冷却素子 2の加熱面 2 - 2とヒートシンク 18との接合面に温度検出素子 22を設ければ、ヒートシンク 18の温度を精度よくかつ応答性よく測定し、ヒートシンク 18の温度がある温度に達したら熱電冷却素子 2への電流を遮断したり制限するなどして、プリズム 19の冷却効率を上げるようにすることも可能である。

[0041] 〔実施例 3 :天気計 (反射方式)〕

図 10はこの発明に係る検出面上状態検出装置の他の実施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、る。センサ部 203Aは、プリズム 19のみを設けた構成とし、実施例 1と同様にして、チューブ 17の先端部をプリズム 19の第 2面 19— 2に接合している。なお、この実施例では、プリズム 19の第 3面 19 3【こミラーコート 20を施して!/、る。

[0042] この天気計 203において、雨検知部 203Bは、光ファイバ 17— 1の先端部よりプリズム 19の検出面裏面 19 4に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、光フアイバ 17— 2を介して受光される反射ノ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、る閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値を下回ると雨が降り始めた (検出面 19 1に雨が付着した)と判断する。

[0043] 〔実施例 4 :天気計 (透過光方式)〕

図 11はこの発明に係る検出面上状態検出装置の他の実施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、る。センサ部 204Aは、プリズム 19のみを設けた構成とし、実施例 2と同様にして、光フアイバ 17— 1の先端部をプリズム 19の第 2面 19—2に接合し、受光側の光ファイバ 17 —2をプリズム 19の第 3面 19-3に接合して!/、る。

[0044] この天気計 204において、雨検知部 204Bは、光ファイバ 17— 1の先端部よりプリズム 19の検出面裏面 19 4に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、光フアイバ 17— 2を介して受光される反射ノ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、る閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値を下回ると雨が降り始めた (検出面 19 1に雨が付着した)と判断する。

〔実施例 5：鏡面冷却式露点計〕

図 12はこの発明に係る検出面上状態検出装置の他の実施例を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図である。この鏡面冷却式露点計 205はセンサ部 205Aとコント口一ノレ咅 205Bとを有して!/ヽる。

[0045] センサ部 205Aでは、三角プリズム 19を設け、このプリズム 19の長辺の面（第 1面） 19— 1を検出面としている。また、プリズム 19の検出面 19— 1に接する一方の短辺の面 (第 2面） 19— 2に熱電冷却素子 (ペルチェ素子） 2を設けている。また、プリズム 19 の検出面 19— 1に接する他方の短辺の面 (第 3面） 19— 3にミラーコーティングによつて鏡 10を形成している。

[0046] また、熱電冷却素子 2は、その冷却面 2— 1をプリズム 19の第 2面 19— 2側として設けられており、熱電冷却素子 2の冷却面 2— 1とプリズム 19の第 2面 19— 2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 (放熱部材） 18を取り付けている。

[0047] また、熱電冷却素子 2の中央部に中空部 2— 3を、ヒートシンク 18の中央部に中空部 18— 1を設け、この中空部 2— 3および 18— 1を通してステンレス製のチューブ 17を配置し、このチューブ 17の先端面をプリズム 19の第 2面 19— 2に接合している。なお、温度検出素子 11は、チューブ 17の先端面がプリズム 19の第 2面 19— 2に接するように、その対応する部分をよけた形でパターン化されて、る。

[0048] この実施例では、チューブ 17として図 2A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の先端部 (発光部、受光部）は、プリズム 19の第 2面 19— 2に接合され、プリズム 19の検出面 19— 1の裏面 (検出面裏面） 19 4に向けられている。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。

[0049] この実施例において、プリズム 19の第 2面 19— 2と第 3面 19— 3とのなす角度は 90° 、検出面 (第 1面） 19-1と第 2面 19-2とのなす角度および検出面 (第 1面） 19-1と第 3面 19 3とのなす角度は 45°とされており、従って光ファイバ 17— 1および 17— 2の光軸の検出面裏面 19 4に対する傾斜角は 45°とされている。

[0050] コントロール部 205B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が検出するプリズム 19の温度が表示される。結露検知部 13は、光ファイバ 1 7— 1の先端部よりプリズム 19の検出面裏面 19 4に対して所定の周期でパルス光を照射させるとともに、後述するようにして光ファイバ 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をペルチエ出力制御部 14へ送る。ペルチエ出力制御部 14は、結露検知部 13からの信号 S 1を受けて、反射パルス光の強度と予め定められて、る閾値とを比較し、反射パルス光の強度が閾値を上回っている場合には、熱電冷却素子 2への電流を信号 S1の値に応じて増大させる制御信号 S2を、反射パルス光の強度が閾値を下回っている場合には、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。

[0051] この鏡面冷却式露点計 205において、センサ部 205A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、プリズム 19の検出面裏面 19 4に対して所定の周期でパルス光を照射させる（図 3A参照)。検出面 19 1は被測定気体に晒されており、検出面 19—1に結露が生じていなければ、光ファイバ 17— 1の先端部力照射されたパルス光はその全量が検出面裏面 19 4で正反射 (全反射）し、プリズム 19の第 3面 19— 3に位置する鏡 10の鏡面 10— 1に達する。そして、この鏡面 10— 1で全反射し、検出面裏面 19 4に戻され、この検出面裏面 19 4で全反射してから、ほ 100%の光量で光ファイバ 17— 2に入る。したがって、検出面 19— 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大きい。

[0052] 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へ送る。この場合、反射パルス光の強度は大きぐ閾値を超えているので、ペルチヱ出力制御部 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

[0053] 熱電冷却素子 2の冷却面 2— 1の温度、すなわちプリズム 19の温度を下げて行くと、被測定気体に含まれる水蒸気がプリズム 19の検出面 19— 1に結露し、光ファイバ 17 —1から検出面裏面 19 4に照射された光の一部がその結露を通してプリズム 19の外へ抜ける（図 13参照)。このため、検出面裏面 19 4での全反射がなくなり、検出面裏面 19 4に照射された光の正反射光が減少する。この正反射光は鏡面 10— 1によつて検出面裏面 19 4に戻され、ここで再び正反射し、光ファイバ 17— 2に入る。特に、この実施例では、鏡面 10— 1で光を全反射することにより、光が検出面裏面 19 4を 2 回通過することになり、光の減衰度合いが増す。これにより、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減少する。

[0054] 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、これを反射ノルス光の強度とする。すなわち、図 3B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 A Lを求め、この A L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 ΔΧ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 205では、センサ部 205Aからチャンバをなくすことができて、る。

[0055] 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を下回ると、ペルチ出力制御部 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大きくなり、閾値を上回ると、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とほ等しくなるように、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、すなわち検出面 19 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。

[0056] この鏡面冷却式露点計 205では、プリズム 19の内部を通して検出面裏面 19 4に光を照射し、この検出面裏面 19-4に対して照射した光の正反射光に基づ!/、て検出面 19— 1上に生じる結露を検出するようにしているので、検出面 19— 1の上面に光学系を配置しなくてもよくなり、小型コンパクトィ匕が図られると共に、検出面 19-1の清掃力 Sし易くなる。また、検出面 19— 1にゴミなどが付着しても、このゴミからプリズム 19の外へ抜ける光はないに等しぐ検出面裏面 19 4での全反射が続けられ、ゴミの影響を受けづらくすることができる。

[0057] また、この鏡面冷却式露点計 205では、熱電冷却素子 2が光ファイバ 17— 1からの光の入射面および光ファイバ 17— 2への光の出射面とされるプリズム 19の第 2面 19— 2に設けられて!/、るので、すなわち光ファイバ 17—1や 17— 2が位置するプリズム 19の第 2面 19—2に熱電冷却素子 2が設けられているので、プリズム 19の第 3面 19— 3に熱電冷却素子 2を設ける場合 (実施例 1の構成（図 1) )よりも、さらに小型コンパ外ィ匕を図ることができる。

[0058] 実施例 1の構成では、プリズム 19の第 3面 19— 3に鏡 10を介して熱電冷却素子 2およびヒートシンク 18を設けて!/、るので、プリズム 19の短辺側の 2面にそれぞれ部品が設けられるものとなり、結果として大型となってしまう。これに対し、実施例 5の構成では、熱電冷却素子 2、ヒートシンク 18、光ファイバ 17— 1および 17— 2をプリズム 19の第 2面 19— 2側に位置させているので、プリズム 19の第 3面 19— 3側力も部品がなくなり、小型となる。し力も、実施例 5の構成では、発光側の光ファイバ 17— 1と受光側の光ファイバ 17— 2を熱電冷却素子 2およびヒートシンク 18の中空部に位置させているので、さらなる小型コンパクトィ匕が図られている。

[0059] なお、この実施例 5においても、図 14に示すように、熱電冷却素子 2の加熱面 2— 2 とヒートシンク 18との接合面に温度検出素子 22を設ければ、ヒートシンク 18の温度を精度よくかつ応答性よく測定し、ヒートシンク 18の温度がある温度に達したら熱電冷却素子 2への電流を遮断したり制限するなどして、プリズム 19の冷却効率を上げるようにすることが可能である。

[0060] また、上述した実施例 1, 2および 5では、検出面 19 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検出面 19 1に生じる結霜 (水分)を検出することも可能である。

また、上述した実施例 1, 2および 5では、プリズム 19を冷却する冷却手段として熱電冷却素子 (ペルチェ素子） 2を用いたが、ヘリウム冷凍機などを用いてもよい。

[0061] また、実施例 1, 2および 5では、熱電冷却素子 2の加熱面 2—2にヒートシンク 18を接合するようにした力ヒートシンク 18は必ずしも設けなくてもよい。

また、上述した実施例 1一 5では、プリズム 19として三角プリズムを用いた力三角プリズムの底面をカットした台形状のプリズムを用いるなどしてもよぐ他にも色々な形状のプリズムの利用が考えられる。

また、上述した実施例 3および 4では、検出面 19 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検出面 19 1上に付着する雪を検出することも可能である。

産業上の利用可能性

[0062] 本発明の検出面上状態検出装置は、検出面に生じる結露を検出する結露計として、また検出面に生じる結霜を検出する結霜計として、検出面に付着する雨を検出する天気計として、検出面に付着する雪を検出する天気計として利用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] その第 1面が検出面として配置されたプリズムと、

このプリズムの内部を通して前記検出面を照射する発光手段と、

前記発光手段から前記検出面に対して照射された光の反射光を受光する受光手段と、

この受光手段が受光する反射光に基づいて前記検出面上の状態を検出する状態検出手段と

を備えたことを特徴とする検出面上状態検出装置。

[2] 請求項 1に記載された検出面上状態検出装置において、

さらに、

前記発光手段から前記検出面に対して照射された光の正反射光を反射し前記プリズムの内部を通して前記検出面に戻すミラーを備え、

前記受光手段は、前記ミラーによって戻された光の前記検出面からの正反射光を前記反射光として受光する

ことを特徴とする検出面上状態検出装置。

[3] 請求項 1に記載された検出面上状態検出装置において、

さらに、

前記プリズムを冷却する冷却手段と、

前記発光手段から前記検出面に対して照射された光の正反射光を反射し前記プリズムの内部を通して前記検出面に戻すミラーとを備え、

前記受光手段は、前記ミラーによって戻された光の前記検出面からの正反射光を前記反射光として受光し、

前記状態検出手段は、前記受光手段が受光する正反射光に基づいて前記冷却手段によって冷却された前記プリズムの検出面上に生じる水分を検出する

ことを特徴とする検出面上状態検出装置。

[4] 請求項 1に記載された検出面上状態検出装置において、

前記受光手段は、前記発光手段からの光のうち前記検出面における正反射光を前記反射光として受光することを特徴とする検出面上状態検出装置。

[5] 請求項 1に記載された検出面上状態検出装置において、

さらに、

前記プリズムを冷却する冷却手段を備え、

前記受光手段は、前記発光手段からの光のうち前記検出面における正反射光を前記反射光として受光し、

ことを特徴とする検出面上状態検出装置。

[6] 請求項 1に記載された検出面上状態検出装置において、

さらに、

前記発光手段から前記検出面に対して照射された光の正反射光を反射し前記プリズムの内部を通して前記検出面に戻すミラーと、

前記発光手段からの光の入射面および前記受光手段への光の出射面とされる前記プリズムの第 2面に設けられ当該プリズムを冷却する冷却手段とを備え、

ことを特徴とする検出面上状態検出装置。

[7] 請求項 1に記載された検出面上状態検出装置において、

さらに、

前記受光手段は、前記ミラーによって戻された光の前記検出面からの正反射光を前記反射光として受光し、前記状態検出手段は、前記受光手段が受光する正反射光に基づいて前記冷却手段によって冷却された前記プリズムの検出面上に生じる水分を検出し、

前記冷却手段は、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され、

前記熱電冷却素子は、その低温側の面を前記プリズムの第 2面側として配置され、前記熱電冷却素子の高温側の面には放熱部材が取り付けられ、

前記熱電冷却素子および前記放熱部材を貫通して前記発光手段と前記受光手段が設けられている

ことを特徴とする検出面上状態検出装置。