JP3866730B2 - 水分検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、鏡面上に生じる被測定気体に含まれる水分を検出する水分検出装置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１０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１２参照）。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１１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。

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では、何れも鏡の表面（鏡面）を極力平滑にし、光の反射をよくしている。具体的には、例えば、銅にロジウムめっきを施した鏡を用いたり、プラチナを鏡として使用していた。他にも、表面にアルミニウムを蒸着し、その上に窒化アルミの薄膜をコーティングしたシリコンウェハを鏡として使用する例もある。

このように、従来においては、鏡の鏡面を平滑にしており、鏡面冷却式露点計の場合、結露や結霜のきっかけとなるようなものがないため、超低露点時の露点計測では結露や結霜が発生するまでに時間がかかり、応答性が悪いという問題があった。鏡面上を流れる被想定気体の流速の変化によって結露の平衡状態が崩れ、測定精度が悪くなるという問題があった。

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、応答性がよく、測定精度を向上させることができる鏡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。

このような目的を達成するために、鏡面が被測定気体に晒される鏡と、鏡を冷却する冷却手段と、鏡面に対して光を照射する発光手段と、発光手段から鏡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冷却手段によって冷却された鏡の鏡面上に生じる水分を検出する手段とを備えた水分検出装置において、鏡の鏡面にフォトレジストとエッチングによって微小な突部を形成したものである。
この発明によれば、発光手段から鏡の鏡面に対して光が照射され、この照射された光の鏡面からの反射光（正反射光検出方式の場合は正反射光、散乱光検出方式の場合は散乱光）が受光手段で受光され、この受光手段が受光する反射光に基づいて、冷却手段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）が検出される。この場合、鏡の鏡面には微小な突部が設けられているので、この突部が核となって結露や結霜が促進される。

本発明によれば、鏡の鏡面に微小な突部を設けるようにしたので、突部が核となって結露や結霜が促進され、応答性がよくなり、測定精度が向上する。

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（散乱光検出方式）〕
図１はこの発明に係る水分検出装置の一実施の形態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。

センサ部２０１Ａでは、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。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、このヒートシンク１８に沿ってその上端部をＪ字型に湾曲させたステンレス製のチューブ１７を設けている。

チューブ１７としては図２に示す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。図２（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２（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２（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２（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２（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。

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２（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とを収容している。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。

本実施の形態において、鏡１０の鏡面１０−１には、図３に示すように、円錐状の微小な突起（突部）１０−２が複数設けられている。この突起１０−２は、例えばフォトレジストとエッチングによって形成されており、発生させる結露の径のサイズによってその大きさ（高さや直径）や間隔などが異なる。例えば、直径を０．１〜１μｍ程度、高さを０．１〜１μｍ程度、間隔を１０〜５０μｍ程度とする。また、突起１０−２の形状は、円錐状に限られるものではなく、図４（ａ）に示すような円筒状、図４（ｂ）に示すような半球状、図４（ｃ）に示すような四角柱状などとしてもよく、さらに多くの面を有する多面体としてもよい。

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、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とともに、光ファイバ１７−２を介して受光される反射パルス光（散乱光）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。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、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、反射パルス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、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、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。

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に結露する。このとき、本実施の形態に係る露点計においては、鏡１０の鏡面１０−１に設けられた微小な突起１０−２が核となって結露が促進される。突起１０−２が核となって結露が促進される理由は次のようなものである、空気中の水蒸気が雲になる様子を例に説明すると、空気中の水蒸気が雲になるときは、空気中のエアロゾル（直径０．２μｍ以下、塵、凝結核ともいう）を中心に凝結することで発生し、エアロゾルがまったくない空気には雲はできない。同様に、鏡面１０−１上に設けた微小な突起１０−２がエアロゾルの役割を果たし、被測定気体に含まれる水蒸気が鏡面１０−１上に結露し易くなる。

図６に鏡面１０−１上に突起１０−２を設けた微小突起付き鏡面の場合と突起１０−２を設けない平坦な鏡面の場合との露点温度と結露発生量との関係を示す。同図に示す特性Ｉが微小突起付き鏡面の場合であり、特性IIが平坦な鏡面の場合である。この特性ＩとIIとを比較して分かるように、微小突起付き鏡面とすることにより、平坦な鏡面の場合と比べて、低露点でも結露が発生し易くなることが分かる。これにより、低露点時の応答性がよくなる。

図７に鏡面１０−１上に突起１０−２を設けた微小突起付き鏡面の場合と突起１０−２を設けない平坦な鏡面の場合との被測定気体の流速（測定ガス流速）と結露発生量との関係を示す。同図に示す特性III が微小突起付き鏡面の場合であり、特性IVが平坦な鏡面の場合である。この特性III とIVとを比較して分かるように、微小突起付き鏡面とすることにより、平坦な鏡面の場合と比べて、測定ガス流速の変化に対して結露発生量が安定していることが分かる。これにより、被測定気体の流速の変化に対し、結露のサイズが変化し難くなり、結露の平衡状態が崩れ難くなって、測定精度が向上する。

被測定気体に含まれる水蒸気が鏡１０の鏡面１０−１に結露すると、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端部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いる。

なお、厳密に言うと、結露が生じていない場合でも鏡面１０−１に設けられた突起１０−２によって乱反射が生じ、これによる散乱光が光ファイバ１７−２を介して受光される。この受光量は常に一定であるので、これを初期値として１パルスの上限値Ｌｍａｘと下限値Ｌｍｉｎとの差ΔＬから差し引けば、結露による散乱光の増加分だけが求められ、より精度を高めることができる。

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超えると、ペルチェ出力制御部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、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。

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を用いたが、図８に示すセンサ部２０１Ａ’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。

〔実施の形態２：鏡面冷却式露点計（正反射光検出方式）〕
図９はこの発明に係る水分検出装置の他の実施の形態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とを同軸ではなく、鏡１０を挾んでその左右に対称に設けている。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は、鏡面１０−１に向けられ、この鏡面１０−１に対して左右対称に所定の傾斜角で傾けられている。鏡面１０−１には、実施の形態１と同様に、微小な突起１０−２が形成されている。

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。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。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大きい。

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、この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、ペルチェ出力制御部１４は、反射パルス光の強度は大きく、閾値を超えているので、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、その水の分子に光ファイバ１７−１の先端部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（正反射光）の強度が減少する。

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、ペルチェ出力制御部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。

この実施の形態２においても、鏡１０の鏡面１０−１に微小な突起１０−２が形成されているので、この突起１０−２が核となって結露が促進され、低露点時の応答性がよくなる。また、被測定気体の流速の変化に対し、結露のサイズが変化し難くなり、結露の平衡状態が崩れ難くなり、測定精度が向上する。

なお、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。
また、上述した実施の形態１や２では、鏡１０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。

本発明に係る水分検出装置の一実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図（実施の形態１）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。 鏡の鏡面に形成された微小な突起を示す図である。 微小な突起の変形例を示す図である。 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を示す図である。 微小突起付き鏡面の場合と平坦な鏡面の場合との露点温度と結露発生量との関係を示す図である。 微小突起付き鏡面の場合と平坦な鏡面の場合との被測定気体の流速（測定ガス流速）と結露発生量との関係を示す図である。 実施の形態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。 本発明に係る水分検出装置の他の実施の形態を示す鏡面冷却式露点計の概略構成図（実施の形態２）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。 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

２…熱電冷却素子（ペルチェ素子）、２−１…冷却面、２−２…加熱面、１０…鏡、１０−１…鏡面、１０−２…突起、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。

Claims (1)

1. 鏡面が被測定気体に晒される鏡と、
   前記鏡の鏡面に形成された微小な突部と、
   前記鏡を冷却する冷却手段と、
   前記鏡面に対して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冷却手段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を備えた水分検出装置において、
   前記突部は、フォトレジストとエッチングによって形成されていることを特徴とする水分検出装置。

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