이슬점 검출 방법은 종래에 습도 측정 방법으로 알려져 있다. 이러한 검출 방법에서, 이러한 가스 내에 포함된 증기 부분이 응축되고, 이슬 응축 온도는 이슬점을 검출하기 위해 측정된다. 예를 들어, 다음의 종래의 냉각 거울 이슬점 습도계가 공지되어 있다. 거울은 냉동매개물, 냉동재, 전자 냉각기를 사용하여 냉각된다. 냉각된 거울의 표면에 의해 반사된 빛의 강도 변화가 검출되고, 거울 표면의 온도가 측정된다. 측정 대상 가스 내 수분의 이슬점이 검출된다.
그러한 냉각 거울 이슬점 습도계는 사용된 반사 빛 광선의 형태에 따라 두 종류로 분류된다. 하나는 일본 특허 공개번호 61-75235에 개시된 바와 같은 규칙적으로 반사된 빛을 사용하여 규칙적으로 반사된 빛 검출 구성이다. 다른 하나는 일본 특허 공개번호 63-309846에 개시된 바와 같은 산란된 빛을 사용하여 산란된 빛 검출 구성이다.
[규칙적으로 반사된 빛 검출 구성]
도 11은 규칙적으로 반사된 빛 검출 구성을 이용하는 종래의 냉각 거울 이슬점 습도계의 주요 부분을 도시한다. 냉각 거울 이슬점 습도계(101)는 측정 대상 가스가 안으로 흐르는 챔버(1) 및 챔버(1) 내에 배열된 열전기 냉각 요소(펠티에 요소; 2)를 포함한다. 볼트(4)가 구리 블록(3)을 통해 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)에 고정된다. 열흡수 핀(heat sink pin; 5)이 열전기 냉각 요소(2)의 가열 표면(2-2)에 부착된다. 구리 블록(3)에 고정된 볼트(4)의 상부 표면(4-1)은 거울 표면이다. 권선 온도 측정 저항기(winding temperature measurement resistor)(온도 검출 요소; 6)는 구리 블록(3)의 측면 부분 내에 묻혀 있다(도 13 참조). 발광 요소(light-emitting element; 7)와 수광 요소(light-receiving element; 8)는 챔버(1)의 상부에 배열된다. 발광 요소(7)는 볼트(4)의 상부 표면(거울 표면; 4-1)으로 비스듬히 빛을 제한한다. 수광 요소(8)는 발광 요소(7)로부터의 빛을 방출하면서 거울 표면(4-1)에 의해 규칙적으로 반사된 빛을 수신한다. 단열 부재(9)가 열전기 냉각 요소(2) 주위에 배치된다.
냉각 거울 이슬점 습도계(101)에서, 챔버(1) 내 거울 표면(4-1)은 챔버(1) 내로 흐르는 측정 대상 가스에 노출된다. 어떠한 이슬도 거울 표면(4-1) 상에 형성되지 않는다면, 발광 요소(7)로부터 방출된 거의 모든 빛은 규칙적으로 반사되고 수광 요소(8)에 의해 수신된다. 어떠한 이슬도 거울 표면(4-1) 상에 형성되지 않을 때, 수광 요소(8)에 의해 수신된 반사된 빛의 강도는 높다.
열전기 냉각 요소(2) 내에 흐르는 전류가 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도를 낮추도록 증가할 때, 측정 대상 가스 내에 포함된 증기는 거울 표면(4-1) 상에서 응축된다. 발광 요소(7)로부터 방출된 빛은 물분자에 의해 부분적으로 흡수되거나 불규칙적으로 반사된다. 이는 수광 요소(8)에 의해 수신된 반사된 빛(규칙적으로 반사된 빛)의 강도를 감소시킨다. 거울 표면(4-1)에 의해 규칙적으로 반사된 빛의 변화를 검출함으로써, 거울 표면(4-1) 상의 상태 변화, 즉 거울 표면(4-1) 상의 부착 수분(물방울)이 알려질 수 있다.
열전기 냉각 요소(2)에 공급된 전류, 즉 저온 측으로서의 거울(4) 측 상의 표면(2-) 및 고온 측으로서의 열흡수 핀(5) 측 상의 표면(2-2)을 가지는 정방향으로의 전류는 수광 요소(8)에 의해 수신된 반사된 빛의 양에 기초하여 제어되어서 거울 표면(4-1) 상의 이슬 응축 증가/감소가 없는 평형 상태, 즉 수광 요소(8)에 의해 수신된 반사된 빛의 양의 변화가 없는 평형 상태를 얻게 된다. 온도 검출 요소(6)는 이 대에 거울 표면(4-1)의 온도를 측정한다. 이는 측정 대상 가스 내 수분의 이슬점을 알 수 있게 한다.
[산란된 빛 검출 구성]
도 12는 산란된 빛 검출 구성을 이용하는 종래의 냉각 거울 이슬점 습도계의 주요 부분을 도시한다. 냉각 거울 이슬점 습도계(102)는 수광 요소(8)의 장착 위치를 제외하고 규칙적으로 반사된 빛 검출 구성을 이용하여 냉각 거울 이슬점 습도계(101)와 거의 동일한 배열을 가진다. 냉각 거울 이슬점 습도계(102)에서, 수광 요소(8)는 발광 요소(7)로부터의 빛을 방출하면서 거울 표면(407)에 의해 규칙적으 로 수신된 빛이 수신되지 않는 위치에 배열되지 않지만, 산란된 빛이 수신되는 위치에 배열된다.
냉각 거울 이슬점 습도계(102)에서, 거울 표면(4-1)은 챔버(1) 내로 흐르는 측정 대상 가스에 노출된다. 어떠한 이슬도 거울 표면(401) 상에 형성되지 않을 때, 발광 요소(7)로부터 방출된 거의 모든 빛은 규칙적으로 반사되고, 수광 요소(8)에 의해 수신된 빛 대부분은 매우 작다. 즉, 어떠한 이슬도 거울 표면(4-1) 상에 형성되지 않을 때, 수광 요소(8)에 의해 수신된 반사된 빛의 강도는 낮다.
열전기 냉각 요소(2) 내에서 흐르는 전류가 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도를 낮추기 위해 증가할 때, 측정 대상 가스 내에 포함된 증기는 거울 표면(4-1) 상에서 응축된다. 발광 요소(7)로부터 방출된 빛이 물분자에 의해 부분적으로 흡수되거나 불규칙적으로 반사된다. 이는 수광 요소(8)에 의해 수신된 불규칙적으로 반사된 빛(산란된 빛)의 강도를 증가시킨다. 거울 표면(4-1)에 의해 산란된 빛의 변화를 검출함으로써, 거울 표면(4-1) 상의 상태 변화, 즉 거울 표면(4-1) 상의 수분(물방울) 부착을 알 수 있다.
열전기 냉각 요소(2)에 공급된 전류, 즉 저온으로서의 거울(4) 측 상의 표면(2-1) 및 고온 측으로서의 열흡수 핀(5) 측 상의 표면(2-2)을 가지는 정방향으로의 전류가 수광 요소(8)에 의해 수신된 반사된 빛의 양에 기초하여 제어되어서 거울 표면(4-1) 상의 이슬 응축 증가/감소가 없는 평형 상태, 즉 수광 요소(8)에 의해 수신된 반사된 빛의 양 변화가 없는 평형 상태를 얻는다. 온도 검출 요소(6)는 이 때에 거울 표면(4-1)의 온도를 측정한다. 이는 측정 대상 가스 내 수분의 이슬 점을 알 수 있게 한다.
상기 냉각 거울 이슬점 습도계들 중 하나에서, 거울은 열전기 냉각 요소(2)에 의해 냉각되지만, 측정 대상 가스의 이슬점은 측정 동안 급격히 증가한다. 이 경우, 거울(4)이 냉각되는 때에, 이슬점은 측정될 수 없다. 일본 특허 공개번호 9-307030에서 볼 수 있는 바와 같이, 열전기 냉각 요소(2)로의 전류는 차단되고, 측정은 거울 표면(4-1)의 온도가 자연스럽게 이슬점 온도 주위로 올라갈 때까지 멈추게된다. 이슬점 온도의 측정은 이어서 재시작된다.
종래의 냉각 거울 이슬점 습도계에서, 측정 대상 가스의 이슬점이 측정 동안 급격히 증가할 때, 열전기 냉각 요소(2)로의 전류는 차단되고, 측정의 재시작은 열전기 냉각 요소(2)의 온도의 자연스러운 상승에 따라 달라지게 된다. 그러므로, 이슬점 온도의 측정까지는 긴 시간이 걸린다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
[제1 실시예: 산란된 빛 검출 구성]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 거울 이슬점 습도계의 도식적인 배열을 도시한다. 냉각 거울 이슬점 습도계(201)는 센서 유니트(201A)와 제어 유니트(201B)를 포함한다.
거울(10)은 열전기 냉각 요소(펠티에 요소)(2)의 냉각 표면(2-1) 상에 장착된다. 거울(10)은 실리콘 칩의 거울-마감 표면(10-1)에 의해 얻어진다. 백금 얇은-필름 온도 측정 저항기(온도 검출 요소)(11)가 거울(10)과 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1) 사이의 접착 표면에서 형성된다. 원주 열흡수기(18)가 열전기 냉각 요소(2)의 가열 표면(2-2)에 부착된다. J-형상 상부 단부를 가지는 스테인리스 강 튜브(17)가 열흡수기(18)를 따라 배치된다.
도 2a 내지 2e에 도시된 광섬유를 수신하는 다양한 형태의 튜브들(P)이 튜브(17)로서 사용될 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 튜브(P)에서, 발광 측상의 광섬유(F1) 및 수광 측 상의 광섬유(F2)는 평행하게 설정된다. 튜브(P)의 내부 벽 표면 및 발광과 수광 측들 상의 광섬유들(F1 및 F2) 사이의 공간은 포팅 재료(potting material)로 채워진다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 튜브(P)에서, 발광(또는 수광) 측 상의 광섬유(F1)는 수광(또는 발광) 측 상의 광섬유들(F21 내지 F24)에 평행하다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 튜브(P) 내 좌측은 발광 측 상의 광 섬유(F1)인 반면에, 튜브(P) 내 우측은 수광 측 상의 광섬유(F2)이다. 도 2d에 도시된 바와 같이, 튜브(P)에서, 발광 측 상의 광섬유(F1) 및 수광 측 상의 광섬유(F2)가 혼합된다. 도 2e에 도시된 바와 같이, 튜브(P) 내 중심부는 수광(또는 발광) 측 상의 광섬유(F1)로 이루어지는 반면에, 튜브(P) 내 주변부는 발광(또는 수광) 측 상의 광섬유들(F2)로 이루어진다.
도 1에 도시된 냉각 거울 이슬점 습도계(201)는 튜브(17)로서 도 2a에 도시된 형태의 튜브(P)를 이용한다. 튜브(17)는 발광 측 상의 광섬유(17-1) 및 수광 측 상의 광섬유(17-2)를 수신한다. 발광 측 상의 광섬유(17-1) 및 수광 측 상의 광섬유(17-2)는 J-형상의 곡선진 부분을 가진다. 발광 및 수광 측들 상의 광섬유들(17-1 및 17-2)의 말단부들(101 및 102)은 발광 및 수광부들로서 기능한다. 말단부들(101 및 102)은 거울의 거울 표면(10-1)을 향하고 거울 표면(10-1)에 대해 소정의 각도로 기울어져 있다. 결과적으로, 광섬유(17-1)로부터의 빛의 조사(irradiation) 방향(광축)은 광섬유(17-2)로의 빛의 빛-수신 방향(광축)에 평행하게 설정된다. 이러한 광섬유들은 서로 인접하고 동일한 경사각으로 경사져 있다.
제어 유니트(201B)는 이슬점 온도 표시 유니트(12), 응축 센서(13), 펠티에 출력 제어기(14), 신호 변환기(15), 빛 수신 량 증가 검출기(16A), 및 전력 공급 유니트(19)를 포함한다. 이슬점 온도 표시 유니트(12)는 온도 검출 요소(11)에 의해 검출된 거울(10)의 온도를 표시한다. 응축 센서(13)는 소정 주기로 펄스 빛을 광섬유(17-1)의 말단부(101)로부터 거울(10)의 거울 표면(10-1)으로 비스듬히 가한다. 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도로서 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사 된 펄스 빛(산란된 빛)의 상부 및 하부 한계값 사이의 차이를 얻는다. 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)를 펠티에 출력 제어기(14) 및 빛 수신 양의 급격한 증가 검출기(16A)로 보낸다.
수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛에 상응하는 신호(S1)를 수신하고 광섬유(17-1)의 말단부(101)로부터 거울 표면(10-1)으로 조사를 하면서 산란된 빛의 빛 수신 양의 급격한 증가를 검출한다. 검출기(16A)는 펠티에 출력 제어기(14)로 역 전류 흐름 명령(S4)을 공급한다.
응축 센서(13)로부터 신호(S1)를 수신하면서, 펠티에 출력 제어기(14)는 반사된 펄스 빛의 강도와 소정의 임계값(th1)을 비교한다. 펠티에 출력 제어기(14)는 신호 변환기(15)에 제어 신호(S2)를 출력하여서 반사된 펄스 빛이 임계값(th1)에 도달하지 않을 때 신호(S1) 값에 따라 열전기 냉각 요소(2)로 전류를 증가시키거나, 제어 신호(S2)를 출력하여서 반사된 펄스 빛의 강도가 임계값(th1)을 초과할 때 신호(S1) 값에 따라 열전기 냉각 요소(2)로 전류를 감소시킨다.
수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)로부터 역 전류 흐름 명령(S4)을 수신하면서, 펠티에 출력 제어기(14)는 반사된 펄스의 강도에 상응하는 신호(S1)에 기초하고 응축 센서(13)로부터 수신된 제어를 차단한다. 펠티에 출력 제어기(14)는 신호 변환기(15)로 열전기 냉각 요소(2)로의 순 전류(forward current)를 역방향 전류 값으로 강제적으로 전환하기 위한 신호(S2')를 보낸다. 신호 변환기(15)는 열전기 냉각 요소(2)로 전력 공급 유니트(19)를 거쳐 펠티에 출력 제어기(14)로부터의 제어 신호(S2 또는 S2')에 의해 명령된 전류(S3 또는 S3')를 공급한다.
[이슬점 온도의 측정]
냉각 거울 이슬점 습도계(201)에서, 센서 유니트(201A)는 측정 대상 가스 내에 놓여 있다.
응축 센서(13)는 광섬유(17-1)의 말단부로부터 거울(10)의 거울 표면(10-1)으로 소정 주기의 펄스 빛(도 3a)을 비스듬히 가한다. 거울 표면(10-1)은 측정 대상 가스에 노출되어 있다. 어떠한 이슬도 거울 표면(10-1)에 형성되지 않는다면, 공섬유(17-1)의 말단부로부터 방출된 거의 모든 펄스 빛은 규칙적으로 반사된다. 거울 표면(10-1)으로부터 반사되고 광섬유(17-2)를 통해 수신된 펄스 빛(산란된 빛)의 양은 작다. 어떠한 이슬도 거울 표면(10-1) 상에 형성되지 않을 때, 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 강도는 낮다.
응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도로서 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 상부 및 하부 한계값들 사이의 차이를 얻는다. 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)를 펠티에 출력 제어기(14) 및 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)로 보낸다. 이러한 경우, 반사된 펄스 빛의 강도는 대부분 0이고 임계값(th)에 도달하지 않는다. 펠티에 출력 제어기(14)는 열전기 냉각 요소(2)로의 전류를 증가시키기 위해 제어 신호(S2)를 신호 변환기(15)로 보낸다. 열전기 냉각 요소(2)로 공급될 전류(S3)는 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도를 하강시키도록 증가한다.
열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도, 즉 거울(10)의 온도가 감소할 때, 측정 대상 가스 내에 포함된 증기는 거울(10)의 거울 표면(10-1) 상에서 응 축된다. 물분자들은 광섬유(17-1)의 말단부(101)로부터 펄스 빛을 부분적으로 흡수하거나 불규칙적으로 반사한다. 이는 광섬유(17-2)를 통해 거울 표면(10-1)으로부터의 빛의 반사된 펄스 빛(산란된 빛)의 강도를 증가시킬 수 있다.
응축 센서(13)는 수신된 반사된 펄스 빛의 각각의 펄스의 상부 및 하부 한계값들 사이의 차이를 얻는다. 더 구체적으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 반사된 펄스 빛의 각각의 펄스의 상부 한계값(Lmax)과 하부 한계값(Lmin) 사이의 차이(△L)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 계산된다. 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도로서 △L을 정의한다. 응축 센서(13) 내 처리과정은 교란 빛에 의해 야기된 작동 오류를 방지하기 위해 반사된 펄스 빛으로부터 교란 빛(△X)을 제거한다. 교란 빛에 의해 야기된 작동 오류를 방지하기 위한 응축 센서(13) 내 펄스 빛을 사용하는 처리과정 구성은 펄스 조절 구성(pulse modulation scheme)이라고 불린다. 이러한 처리과정은 냉각 거울 이슬점 습도계(201) 내 센서 유니트(201A)로부터 챔버를 제거할 수 있게 한다.
광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 강도가 임계값(th1)을 초과할 때, 펠티에 출력 제어기(14)는 열전기 냉각 요소(2)로 전류를 감소시키기 위해 제어 신호를 신호 변환기(15)로 보낸다. 이는 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도 감소를 방지하여서 이슬 응축을 방지하게 한다. 이슬 응축의 억제는 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 강도를 감소시킨다. 반사된 펄스 빛의 강도가 임계값(th1) 이하가 될 때, 열전기 냉각 요소(2)로의 전류를 증가시키는 제어 신호(S1)는 펠티에 출력 제어기(14)로부터 신호 변환기(15)로 보내진다. 이러한 작동을 반복함으로써, 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도가 조정되어서 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 강도는 임계값(th1)과 거의 같아진다. 조정된 온도, 즉 거울(10-1) 상의 이슬 응축이 평형 상태가 되는 온도가 이슬점 온도 표시 유니트(12) 상의 이슬점 온도로서 표시된다.
냉각 거울 이슬점 습도계(201)에서, 발광 측 상의 광섬유(17-1) 및 수광 측 상의 광섬유(17-2)의 장착부들은 하나의 부분으로 일체로 되어서, 검출 유니트(201A)의 간결함에 기여한다. 발광 측 상의 광섬유(17-1) 및 수광 측 상의 광섬유(17-2)가 튜브(17) 내에 수용되기 때문에, 발광 측 상의 광섬유(17-1)와 수광 측 상의 광섬유(17-2) 사이의 어떠한 정렬도 필요하지 않아서, 조립시 작동성을 향상시킨다.
냉각 거울 이슬점 습도계(201)에서, 챔버는 센서 유니트(201A)로부터 제거될 수 있고, 흡입 펌프, 흡입 튜브, 배기 튜브, 및 유량계가 제거될 수 있다. 구성요소들의 수가 줄어들 수 있어서, 센서 유니트(201A)의 크기를 더욱 줄어들게 한다. 이는 조립시 작동성을 향상시키고 비용을 줄일 수 있게 한다. 흡입 펌프, 흡입 튜브, 배기 튜브, 및 유량계가 장착될 필요가 없기 때문에, 습도계는 측정 영역(측정 대상 가스) 내에 쉽게 설치될 수 있다. 흡입 펌프, 흡입 튜브, 배기 튜브, 및 유량계가 센서 유니트(201A) 내에 장착될 필요가 없기 때문에, 결과적으로 생기는 습도계는 두 개의 구성요소들, 즉 센서 유니트(201A) 및 제어 유니트(201B)를 가지고, 따라서 휴대가 간편해진다.
[측정시 측정 대상 가스의 이슬점의 급격한 증가]
측정 대상 가스의 이슬점이 상술한 이슬점 온도 측정시 증가할 때, 거울 표면(10-1) 상의 응축 양은 급격히 증가한다. 광섬유(17-1)의 말단부(101)로부터 조사하면서 거울 표면(10-1)으로부터 산란된 빛의 양은 급격히 증가한다. 거울 표면(10-1)으로부터 광섬유(17-2)로 산란된 빛의 양은 급격히 증가한다. 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도로서 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 상부 및 하부 한계값들 사이의 차이를 얻는다. 이어서 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)를 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)로 보낸다. 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)를 수신하면서, 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 반사된 펄스 빛의 강도의 급격한 증가(이슬점의 급격한 증가)를 검출하고 역 전류 흐름 명령(S4)을 펠티에 출력 제어기(14)로 보낸다. 제1 실시예에서, 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 본 발명의 이슬점 증가 검출 수단에 상응한다.
도 4는 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)에서 반사된 펄스 빛의 강도의 급격한 증가를 검출하기 위한 처리과정을 도시한다. 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)에 따라 수신된 산란된 빛의 양을 얻는다. 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 수신된 산란된 빛의 양과 소정의 임계값(α1)(S401 단계)을 비교한다.
수신된 산란된 빛의 양이 임계값(α1)과 같거나 이상일 때(S401 단계에서 YES), 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 수신된 산란된 빛의 양의 급격한 증가를 결정한다. 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 역 전류 흐름 명령(S4)을 펠티 에 출력 제어기(14)로 출력한다(S402 단계). 역 전류 흐름 명령(S4)은 수신된 산란된 빛의 양이 소정의 임계값(α2)(α2〈α1)와 같거나 작게 될 때까지 펠티에 출력 제어기(14)로 공급된다(S403 단계에서 YES).
이러한 실시예에서, 임계값(α1)은 펠티에 출력 제어기(14)로부터 신로(S2)에 기초한 일반적인 제어에서 수신된 산란된 빛의 양에 의해 취해질 수 없는 큰 값으로 설정된다. 임계값(α2)은 이슬점 온도 주위에서 수신된 산란된 빛의 양에 가까운 값으로 설정된다.
도 5는 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)에서 반사된 펄스 빛의 강도의 급격한 증가를 검출하기 위한 다른 처리과정을 도시한다. 수광 양의 급격한 검출기(16A)는 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)로부터 수신된 산란된 빛의 양을 얻는다. 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 수광 양 변화로서 수신된 산란된 빛의 전류 양과 전류 양 전에 소정의 시간에 얻어진 전류 양 사이의 차이를 얻는다(S501 단계). 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 수광 양 변화가 증가 또는 감소를 지시할를 결정한다(S502 단계). 수광 양 변화가 증가를 지시하면(S502 단계에서 YES), 수광 양의 변화는 소정의 임계값(β1)과 비교된다(S503 단계).
수광 양의 증가가 임계값(β1)과 동일하거나 커지면(S503 단계에서 YES), 수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)는 수신된 산란된 빛의 양의 급격한 증가를 결정하고 역 전류 흐름 명령(S4)을 펠티에 출력 제어기(14)로 출력한다(S504 단계). 역 전류 흐름 명령(S4)은 수광 양의 증가가 소정의 임계값(β2)(β2〈β1)과 같거나 더 작게 될 때까지 펠티에 출력 제어기(14)로 공급된다(S505 단계에서 YES).
이러한 실시예에서, 임계값(β1)은 펠티에 출력 제어기(14)로부터의 신호(S2)에 기초한 일반적인 제어의 수광 양의 증가에 의해 취해질 수 있다. 임계값(β2)은 0에 가까운 값으로 설정된다.
수광 양의 급격한 증가 검출기(16A)로부터 역 전류 흐름 명령(S4)을 수신하면서, 펠티에 출력 제어기(14)는 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)에 기초한 제어를 차단한다. 펠티에 출력 제어기(14)는 신호 변환기(15)에 열전기 냉각 요소(2)로의 순 전류를 역 방향 전류 값으로 강제적으로 전환하기 위한 신호(S2')를 보낸다. 신호 변환기(15)는 열전기 냉각 요소(2)로 전력 공급 유니트(19)를 거쳐 펠티에 출력 제어기(14)로부터 제어 신호(S2')에 의해 나타난 전류(역 전류)(S3')를 공급한다.
열전기 냉각 요소(2)에서, 저온 측으로 기능하는 표면(2-1)은 고온 측으로 전환되는 반면에, 고온 측으로 기능하는 표면(2-2)은 저온 측으로 전환된다. 즉, 냉가 표면과 가열 표면은 전환된다. 거울(10)은 거울 표면 온도를 급속히 상승시키도록 분명히 가열된다. 거울 표면(10-1)의 온도가 이슬점 온도에 거의 도달할 때, 펠티에 출력 제어기(14)로부터의 제어 신호(S2')는 S2로 전환되어서, 일반적인 제어를 회복한다. 열전기 냉각 요소(2)로의 전류가 끊어지는 종래의 경우와 비교해서, 이슬점 온도 측정까지의 대기 시간은 크게 줄어들 수 있다.
도 6은 측정 대상 가스의 이슬점이 측정시 크게 증가할 때 거울 표면 온도를 도시한다. 도 6을 참조하면, 특징부(I)는 측정 대상 가스의 이슬점 온도의 변화를 나타내고, 특징부(II)는 열전기 냉각 요소로의 전류가 측정 대상 가스의 이슬점의 급격한 증가 동안 끊어질 때 이슬점 온도의 변화(종래 기술)를 나타내며, 특징부(III)는 역 전류가 측정 대상 가스의 이슬점의 급격한 증가 동안 열전기 냉각 요소 내에서 흐를 때 이슬점 온도의 변화(본 발명)를 나타낸다. 상기 그래프로부터 명백한 바와 같이, 측정 대상 가스의 이슬점의 급격한 증가 동안 역 전류를 흘리는 응답 시간은 전류가 끊어지는 경우의 시간보다 짧다.
도 1에 도시된 냉각 거울 이슬점 습도계(201)에서, 발광 측 상의 광섬유(17-1) 및 수광 측 상의 광섬유(17-2)를 수용하는 튜브(17)가 사용된다. 그러나, 도 7에 도시된 센서 유니트(201A')에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(19)가 발광 측 상의 광섬유(17-1)의 위치 내에 배열될 수 있고, 광접합소자(photocoupler; 20)가 수광 측 상의 광섬유(17-2)의 위치 내에 배열될 수 있다.
[제2 실시예: 규칙적으로 반사된 빛 검출 구성]
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각 거울 이슬점 습도계의 도식적인 배열을 도시한다. 냉각 거울 이슬점 습도계(202)에서, 발광 측 상의 광섬유(17-1) 및 수광 측 상의 광섬유(17-2)는 동일 방향이 아니게 배열되지만, 섬유들(17-1 및 17-2) 사이에 거울(10)을 대칭되게 개재시킨다. 발광 측 상의 광섬유(17-1) 및 수광 측 상의 광섬유(17-2)는 J-모양 곡선 부분들을 가진다. 곡선 부분들의 말단부들(101 및 102)은 거울(10)의 거울 표면(10-1)을 향하고 거울 표면(10-1)에 대해 소정의 경사 각도로 대칭되게 기울어져 있다.
[이슬점 온도의 측정]
냉각 거울 이슬점 습도계(202)에서, 센서 유니트(202A)는 측정 대상 가스 내에 위치한다.
응축 센서(13)는 소정 주기의 펄스 빛을 광섬유(17-1)의 말단부(101)로부터 거울(10)의 거울 표면(10-1)으로 비스듬히 가한다. 거울 표면(10-1)은 측정 대상 가스에 노출된다. 어떠한 이슬도 거울 표면(10-1) 상에 형성되지 않는다면, 광섬유(17-1)의 말단부(101)로부터 방출된 거의 모든 펄스 빛은 규칙적으로 바사되고 광섬유(17-2)를 통해 수신된다. 어떠한 이슬도 거울 표면(10-1) 상에서 형성되지 않을 때, 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛(규칙적으로 반사된 빛)의 강도는 높다.
응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도로서 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 상부 및 하부 한계값들 사이의 차이를 얻는다. 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)를 펠티에 출력 제어기(14) 및 수광 양의 급속한 감소 검출기(16B)로 보낸다. 이러한 경우, 반사된 펄스 빛의 강도는 높고 임계값(th2)을 초과한다. 펠티에 출력 제어기(14)는 신호 변환기(15)로 열전기 냉각 요소(2)로의 전류를 증가시키기 위해 제어 신호(S2)를보낸다. 열전기 냉각 요소(2)로 공급될 전류(S3)는 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도를 하강시키도록 증가한다.
열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도, 즉 거울(10)의 온도가 감소할 때, 측정 대상 가스 내에 포함된 증기는 거울(10)의 거울 표면(10-1) 상에서 응축된다. 물분자들은 광섬유(17-1)의 말단부(101)로부터 펄스 빛을 부분적으로 흡수 하거나 불규칙하게 반사한다. 이는 광섬유(17-2)를 통해 거울 표면(10-1)으로부터의 빛의 반사된 펄스 빛(불규칙하게 반사된 빛)의 강도를 감소시킬 수 있다.
광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 강도가 임계값(th2) 아래로 감소할 때, 펠티에 출력 제어기(14)는 신호 변환기(15)로 열전기 냉각 요소(2)로의 전류를 감소시키기 위해 제어 신호(S2)를 보낸다. 이는 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도 감소를 방지하여서 이슬 응축을 방지하게 한다. 이슬 응축의 억제는 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 강도를 증가시킨다. 반사된 펄스 빛의 강도가 임계값(th2)을 초과할 때, 열전기 냉각 요소(2)로의 전류를 증가시키는 제어 신호(S2)는 펠티에 출력 제어기(14)로부터 신호 변환기(15)로 보내진다. 이러한 작동을 반복함으로써, 열전기 냉각 요소(2)의 냉각 표면(2-1)의 온도가 조정되어서 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 강도는 임계값(th2)과 거의 동일해진다. 조정된 온도, 즉 거울(10-1) 상의 응축이 평형 상태에서 설정되는 온도가 이슬점 온도 표시 유니트(12) 상의 이슬점 온도로서 표시된다.
[측정시 측정 대상 가스의 이슬점의 급격한 증가]
측정 대상 가스의 이슬점이 상술한 이슬점 온도 측정 동안 증가할 때, 거울 표면(10-1) 상의 응축 양은 급격히 증가한다. 광섬유(17-1)의 말단부(101)로부터 조사를 하면서 거울 표면(10-1)으로부터 규칙적으로 반사된 빛의 양은 급격히 감소한다. 거울 표면(10-1)으로부터 광섬유(17-2)로 규칙적으로 반사된 빛의 양은 급격히 감소한다. 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도로서 광섬유(17-2)를 통해 수신된 반사된 펄스 빛의 상부 및 하부 한계값들 사이의 처리를 얻는다. 이어서 응축 센서(13)는 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)를 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)로 보낸다. 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)를 수신하면서, 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 반사된 펄스 빛의 강도의 급격한 감소(급격한 이슬점의 증가)를 검출하고 역 전류 흐름 명령(S4)을 펠티에 출력 제어기(14)로 보낸다. 제2 실시예에서, 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 본 발명의 이슬점 증가 검출기에 상응한다.
도 9는 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)에서 반사된 펄스 빛의 강도의 급격한 감소를 검출하기 위한 처리과정을 도시한다. 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)에 따라 수신된 규칙적으로 반사된 빛의 양을 얻는다. 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 수신된 규칙적으로 반사된 빛의 양과 소정의 임계값(γ1)을 비교한다(S601 단계).
수신된 규칙적으로 반사된 빛의 양이 임계값(γ1)과 동일하거나 더 많을 때(S601 단계에서 YES), 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 수신된 규칙적으로 반사된 빛의 양의 급격한 감소를 결정한다. 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 역 전류 흐름 명령(S4)을 펠티에 출력 제어기(14)로 출력한다(S602 단계). 역 전류 흐름 명령(S4)은 수신된 규칙적으로 반사된 빛이 소정의 임계값(γ2)(γ2〈γ1)과 동일하거나 더 크게 될 때까지 펠티에 출력 제어기(14)로 공급된다(S603 단계에서 YES).
이러한 실시예에서, 임계값(γ1)은 펠티에 출력 제어기(14)로부터의 신 호(S2)에 기초한 일반적인 제어에서 수신된 규칙적으로 반사된 빛의 양에 의해 취해질 수 없는 작은 값으로 설정된다. 임계값(γ2)은 이슬점 온도 주위에서 수신된 규칙적으로 반사된 빛의 양에 가까운 값으로 설정된다.
도 10은 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)에서 반사된 펄스 빛의 강도의 급격한 감소를 검출하기 위한 다른 처리 과정을 도시한다. 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)로부터 수신된 규칙적으로 반사된 빛의 양을 얻는다. 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 수광 양의 변화로서 수신된 규칙적으로 반사된 빛의 전류 양과 전류 양 전에 소정 시간에서 얻어진 전류 양과의 사이의 차이를 얻는다(S701 단계). 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 수광 양의 변화가 증가 또는 감소를 지시하는지를 결정한다(S702 단계). 수광 양의 변화가 감소를 지시한다면(S702 단계에서 YES), 수광 양의 변화는 소정 임계값(δ1)과 비교된다(S703 단계).
수광 양의 감소는 임계값(δ1)과 같거나 더 크다면(S703 단계에서 YES), 수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)는 수신된 규칙적으로 반사된 빛의 양의 급격한 감소를 결정하고 펠티에 출력 제어기(14)로 역 전류 흐름 명령(S4)을 출력한다(S704 단계). 역 전류 흐름 명령(S4)은 수광 양의 감소가 소정의 임계값(δ2)(δ2〈δ1)과 같거나 더 작을 때까지 펠티에 출력 제어기(14)로 공급된다(S705 단계에서 YES).
이러한 실시예에서, 임계값(δ1)은 펠티에 출력 제어기(14)로부터의 신호(S2)에 기초한 일반적인 제어에서 수광 양의 감소에 의해 취해질 수 없는 큰 값 으로 설정된다. 임계값(δ2)은 0에 가까운 값으로 설정된다.
수광 양의 급격한 감소 검출기(16B)로부터 역 전류 흐름 명령(S4)의 수신하자마자, 펠티에 출력 제어기(14)는 응축 센서(13)로부터 반사된 펄스 빛의 강도에 상응하는 신호(S1)에 기초한 제어를 차단한다. 펠티에 출력 제어기(14)는 신호 변환기(15)에 열전기 냉각 요소(2)로의 순 전류를 역 방향 전류 값으로 강제적으로 전환하기 위한 신호(S2')를 보낸다. 신호 변환기(15)는 열전기 냉각 요소(2)에 전력 공급 유니트(19)를 거쳐 펠티에 출력 제어기(14)로부터의 제어 신호(S2')에 의해 나타난 전류(역전류)(S3')를 공급한다.
열전기 냉각 요소(2)에서, 저온 측으로서 기능하는 표면(2-1)은 고온 측으로 전환되는 반면에, 고온 측으로 기능하는 표면(2-2)은 저온 측으로 전환된다. 즉, 냉각 표면과 가열 표면은 전환된다. 거울(10)은 거울 표면의 온도 아래로 빠르게 유리하게 가열된다. 거울 표면(10-1)의 온도가 이슬점 온도에 거의 도달할 때, 펠티에 출력 제어기(14)로부터의 제어 신호(S2')는 S2로 전환되어서, 일반적인 제어를 회복한다. 열전기 냉각 요소(2)로의 전류가 차단되는 종래의 경우와 비교해서, 이슬점 온도 측정까지의 대기 시간은 크게 줄어들 수 있다.
제어 신호(S2')에 의해 나타난 전류(역전류)(S3')의 전류 값이 소정의 임계값 또는 제어 신호(S2')에 의해 표시되기 바로 전에 흐르는 전류(S3)와 동일한 값(그러나 역전류 방향)일 수 있음에 주의해야 한다.
본 발명에 따르면, 이슬점 온도 측정 동안 측정 대상 가스의 이슬점이 급격히 증가할 때, 전류는 역방향으로 열전기 냉각 요소로 강제적으로 흐른다. 저온 측 으로 기능하는 표면이 고온 측으로 전환되는 반면에, 고온 측으로 기능하는 표면은 저온 측으로 전환된다. 거울은 거울 온도를 빠르게 유리하게 가열하여서, 이슬점 측정까지의 대기 시간을 크게 감소시킨다.