(57)【要約】  本発明は、導光器と、導光器上に設けられ測定ガスの凝縮に応じて反射が異なる凝縮面と、導光器から凝縮面に光を放射するための光源と、導光器の凝縮面で反射された光の光強度を測定する光センサと、温度調節手段とを備え、凝縮面が半疎水性を有するように実施される測定ガスの露点温度測定装置に関する。
2008509381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光器（１０）と、
導光器（１０）上に設けられ、反射率が測定ガス（４）の凝縮に応じて異なる凝縮面（１２）と、
導光器（１０）から凝縮面（１２）に光を放射する光源（３１）と、
凝縮面（１２）で反射されて導光器（１０）に戻る光の光強度を測定する光センサ（３４）と、
凝縮面（１２）の温度調節手段（４２）と、
を有する測定ガスの露点温度測定装置であって、
前記凝縮面（１２）が半疎水性であることを特徴とする露点温度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
凝縮面（１２）は、全体が半疎水性であって、好ましくは凝縮面（１２）の、測定ガス（４）、特に水である凝縮相（６）に対する接触角（Θ）がほぼ一定であることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の装置であって、
測定ガス（４）の凝縮相（６）に対する半疎水性の凝縮面（１２）の接触角（Θ）が、３０°より大きい、好ましくは４０°、５０°または６０°より大きいことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置であって、
測定ガス（４）の凝縮相（６）に対する半疎水性の凝縮面（１２）の接触角（Θ）が、１１０°より小さい、好ましくは９０°より小さいことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置であって、
特に凝縮面（１２）の周囲の領域において、導光器（１０）がガラス、半導体材料、例えばシリコン、および／またはプラスチック材料、例えばポリカーボネートを有することを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置であって、
凝縮面（１２）の平均粗さが、１００ｎｍより小さい、特に１０ｎｍまたは２ｎｍより小さいことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置であって、
少なくとも凝縮面（１２）の近傍における、導光器（１０）の特定の熱伝導率が、１０Ｗ／（Ｋ・ｍ）より小さい、特に１Ｗ／（Ｋ・ｍ）より小さいことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置であって、
凝縮面（１２）が不活性層、特に炭化ケイ素（ＳｉＣ）である不活性層を有することを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であって、
光源（３１）および／または光センサ（３４）が導光器（１０）の、特に凝縮面（１２）から離れた背面（１９）に設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置であって、
少なくとも１つのダイヤフラムが導光器（１０）上、特に光源（３１）と導光器（１０）との間および／または導光器（１０）と光センサ（３４）との間に設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置であって、
光源（３１）が発光ダイオードを有し、および／または光センサ（３４）がフォトダイオードを有することを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置であって、
温度調節手段（４２）が、導光器（１０）の背面（１９）上に凝縮面（１２）から離れて設けられ、
導光器（１０）が凝縮面（１２）と温度調節手段（４２）の近傍にテーパ（２５）を有することを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置であって、
導光器（１０）と光源（３１）は、導光器（１０）内、特に凝縮面（１２）および／またはテーパ（２５）の近傍で光の多重内部反射を行うように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置であって、
導光器（１０）内で光源（３１）が光束または光線（１）を発生でき、凝縮面（１２）における光束または光線の入射角（α）が、導光器から測定ガスへの移行における臨界角（αＧ，ＬＭ）と導光器から凝縮相への移行における臨界角（αＧ，ＬＫ）との間であることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置であって、
温度依存導体（５２）を、導光器（１０）、特に凝縮面（１２）の近傍に設ける、特にスパッタすることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置であって、
光がＮＩＲ光、ＩＲ光、ＶＩＳ光および／またはＵＶ光であることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置であって、
光センサ（３４）に加えて、光源（３１）の光強度を測定するための参照光センサ（３７）を有することを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置であって、
銀メッキされた領域（３８）が、光源（３１）の光を参照光センサ（３７）に反射するために導光器（１０）上に設けられることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置であって、
光分離領域（６１）が導光器（１０）上に設けられ、この光分離領域（６１）により、光源（３１）から放射される光を、特にデータ送信のために、導光器（１０）から分離できることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導光器（光ガイド（light guide））と、導光器に設けられ測定ガスの凝縮に応じて反射率が変わる凝縮面と、導光器から凝縮面に光を放射する光源と、凝縮面が導光器に反射する光の光強度を測定する光センサと、凝縮面の温度を調節する手段とを備える、請求項１の前提部に記載の測定ガスの露点温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定ガスの露点温度を測定する露点センサや方法が知られているが、これらのセンサや方法は、ガスが、その温度の関数として、温度上昇に伴って量が増大する水蒸気の吸収だけを行うという原則に基づいている。
【０００３】
いわゆる露点温度を下回るまで水蒸気含有ガスを冷却すると、余剰の水蒸気が凝結して凝縮が発生する。この凝縮効果は計量学的に用いることができる。
【０００４】
したがって、例えば独国特許出願公開第１９９１５０９５号には、光源の光を反射し測定ガスと接触する露点鏡を有する、いわゆる鏡面露点湿度計（dew point mirror hygrometer）が開示されている。露点鏡で反射および／または散乱された光は、受光器で検出される。露点鏡の温度が変化して測定ガスの露点温度に達すると、鏡面上に凝縮物が発生する。このとき、露点鏡の反射率および／または拡散度が変化し、受光器が検出する光強度も変化する。
【０００５】
独国特許出願公開第１９９１５０９５号が開示する装置では、光が光源から露点鏡に進行し、測定ガスを経由して直接受光器に到達する。この場合、測定ガス中に生じた不純物や水滴、氷晶によって光が吸収および／または散乱され、受光器の測定信号が正しくなくなる恐れがある。また、測定ガス中の不純物が露点鏡面に堆積することによっても、測定信号が正しくなくなることがある。
【０００６】
露点温度を測定する別の装置が、独国実用新案第２００１２０６０号に記載されている。この装置では、光源から測定ガスとは異なる媒体を経由して光センサに至る光路が設けられている。これは、主に光が測定ガスを経由することで不要に吸収および／または散乱されたり、光路に不要な不純物が発生したりすることを防ぐ。独国実用新案第２００１２０６０号の開示によると、光は導光器を経由して、導光器表面にあり測定ガスと接触する凝縮領域に到達する。凝縮物が凝縮領域に発生すると、光の全反射の臨界角が変化する。これによって光の結合や分離が生じ、これらは光センサで光強度の変化として検出することができる。測定ガスの凝縮を凝縮領域に集中させるには、独国実用新案第２００１２０６０号によれば、凝縮領域に親水性表面を設けて他の領域を疎水性にする。
【０００７】
米国特許第３５２８２７８号には別の露点センサが開示されており、光が導光器を経由し、露点センサ表面で凝縮に依存する（condensation-dependent）形で導光器に反射される。
【０００８】
独国特許出願公開第１００５６７７１号では、露点湿度センサの感知面上に親水性表面を、疎水性領域に取り囲まれるように周期的に配置することが記載されている。親水性表面は、特に露点温度に達する前に凝縮処理を開始するために用いることができる。親水性領域が湿潤し、凝縮時間が増大すると、比較的急なぬれ角を有する水滴が形成される。このように構成されたセンサでは、ある特定の状況で凝縮時間が比較的長くなり、センサの反応が比較的遅くなる。
【０００９】
独国特許発明第３５４３１５５号には、光導波路を有する表面に粗面がある光学露点センサが開示されている。この粗面が湿潤していない場合、光導波路に結合または入射する光の大部分が粗面を通過する。しかし、露点温度を下回り、粗面のある領域が湿潤すると、粗面における光強度の損失が低下する。
【００１０】
別の光学露点湿度計が欧州特許出願公開第０８４３１７４号に知られている。この周知の露点湿度計は、冷却された湾曲光ファイバ上に形成される凝縮物の被覆を検出する。
【００１１】
米国特許第５３９６３２５号には、表面の反射率変化に基づいて測定面における水滴の形成を検出できる別の光学センサが開示されている。
【００１２】
「Ｃｏｌｌｏｉｄｓ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ Ａ，１５４」（１９９９）の３３−５１ページに公開されたランスＤ．エスケ（Lance D. Eske）とデヴィッドＷ．ガリポー（David W. Galipeau）による記事「ＡＦＭ、接触角および新しい露点法を用いたＳｉＯ２の表面処理特性（Characterization of SiO2 surface treatments using AFM, contact angles and a novel dew point technique）」に、表面弾性波（ＳＡＷ）センサを用いた表面の結露検出が記載されている。
【００１３】
「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１４」（２００３）の２０７５−２０８０ページに公開されたシゲアキマツモト（Shigeaki Matsumoto）による記事「移相シフト干渉顕微鏡を用いた沈着の初段階および露点における微水滴の測定（The measurement of tiny dew droplets at the initial deposition stage and dew point using a phase-shift interference microscope）」には、別の鏡面露点湿度計が記載されている。
【００１４】
【特許文献１】独国実用新案第２００１２０６０号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開１００５６７７１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、特に高い測定精度で測定ガスの露点温度を測定する装置であって、経済的な大量生産が可能な装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明において、この目的は請求項１に記載の特徴を有する装置によって達成される。好適な実施形態は、従属する請求項に記載されている。
【００１７】
本発明の第１の態様において、凝縮面が半疎水性（semihydrophobic）構成である。
【００１８】
この第１の態様は、周知の親水性凝縮面上において露点温度を下回ると、厚さが限定されたほぼ平滑な水膜が形成され、その水膜の測定ガスへの移行部分における表面が凝縮面とほぼ平行であるという発見に基づく。しかし、導光器から放射された光はその平行な水膜表面に反射され、場合によっては全反射され、結合されて光センサの導光器に回帰する。この光の結合および導光器への回帰の結果、凝縮面の結露時における光の結合や分離の比率が減少し、これによって装置の精度、特にＳＮ比（シグナル‐ノイズ比）が低下する。
【００１９】
一方、本発明の半疎水性凝縮面の場合、通常は平滑な水膜が形成されずに多数の微水滴が生じ、それらの外形により光が偏向される。特に、結合されて凝縮面上の水滴に入射する光が、導光器および／または光センサに一切結合されて回帰しないため、本発明の装置における精度は従来技術に比べて向上する。
【００２０】
この創意的な装置は露点測定だけでなく、霜点測定にも使用することができる。霜点に達すると、氷晶が半疎水性凝縮面に形成されて光を偏向する。
【００２１】
半疎水性凝縮面を用いた実験では、露点を下回った後の初期段階において形成された肉眼では確認できない水滴でさえ、その外形によって確実に光を偏向することが分かった。こうして、光センサにおいては、結露時に測定信号の光強度減少が明確に現れる。約３０分の結露時間が経過して水滴が著しく増えた後に確認しても、水膜の形成は検出できなかった。代わりに、結露水滴が結露表面に一様に分布していた。
【００２２】
特に半疎水性面は、凝縮開始時に水滴が形成され始める表面として理解することができる。
【００２３】
半疎水性面は、例えば、測定ガスとしての空気中において、半疎水性面上における水との接触角を２５°、３０°、４０°、５０°、６０°または７０°より大きく、かつ１１０°または９０°より小さい角度として特徴付けることができる。したがって、半疎水性面は、疎水性面と親水性面との間の表面特性、特に表面エネルギーを有する。接触角が大きすぎないので、同じ体積の水滴に対して凝縮面との接触面が大きくなり、導光器に入射する光の結合が面積当たり広くなる。特に、接触角を５０°から９０°の間、好ましくは４０°±５°、４５°±１０°または８０°±５°とすることができる。
【００２４】
本発明においては、凝縮面全体が半疎水性であり、測定ガスの凝縮相に対する接触角がほぼ一定であると特に効果的である。特に凝縮相は、水または測定ガス気体とすることができる。本実施形態においては、凝縮面全体にわたって、少なくとも表面特性、特に表面エネルギーがほぼ同じである。このため、特に均一な結露水滴が生じ、特に正確な露点温度測定を行うことができる。
【００２５】
測定ガスの凝縮相に対する半疎水性凝縮面の接触角が３０°好ましくは４０°、５０°または６０°より大きいと効果的である。また、測定ガスの凝縮相に対する半疎水性凝縮面の接触角が１１０°好ましくは９０°より小さいと効果的である。
【００２６】
本発明においては、導光器が、特に凝縮面近傍において、ガラス、半導体材料、例えばシリコンなど、および／またはプラスチック材料、例えばポリカーボネートなど、を有するのが特に好ましい。また、導光器は基板と呼ぶこともできる。特にガラスは、石英ガラスやホウケイ酸フロートガラス（borosilicate float glass）、ホウ酸ガラス（borofloat glass）とすることができる。また導光器は、例えば水晶やサファイア、ダイヤモンドを有することもできる。凝縮面が導光器表面に直接形成されると効果的であるが、導光器表面にさらなる材料層を設け、その上に凝縮面を設けることもできる。好ましくは導光器全体を同じ材料で構成する。
【００２７】
凝縮面は、表面粗さを比較的大きくして構成することができる。このためには、独国特許発明第３５４３１５５号に記載されているように、凝縮面を意図的に粗くすることができる。しかし粗くした凝縮面では、状況によっては、汚染粒子が存在すると凝縮物のときと同じように凝縮面が平滑になり、結果として湿潤した場合と同じような状態が生じる。凝縮面が平滑であると、とりわけ汚染に反応しない装置になってしまう。したがって、凝縮面の平均粗さ（Ｒａ）としては１００ｎｍより小さく、特に１０ｎｍまたは２ｎｍより小さくするのが好ましい。粗さが約０．５ｎｍから０．７ｎｍであると効果的である。適切には、平均粗さを凝縮面全体にわたってほぼ同じにすると水滴の分布が特に均一になる。
【００２８】
導光器の凝縮面領域と他の部分との間の熱流を抑え、凝縮面温度調節手段のエネルギー要件を抑えるため、少なくとも凝縮面の周囲の領域において導光器の熱伝導率を比較的低くする、つまり導光器を比較的伝導性の低い熱導体とすると効果的である。これにより、装置の接続部、端子および／またはハウジングへの熱の散逸が制限される。温度調節される凝縮面の周囲の領域における導光器の熱伝導率が低いと温度勾配が急になるため、結露が凝縮面近傍にのみ発生し、周囲の表面には発生しない。導光器の熱伝導率を低くすることにより、本質的でない不要な（extraneous）熱の結合を大幅に抑えることができる。
【００２９】
しかし、温度勾配をできるだけ低く保ちながら凝縮面温度調節手段の熱エネルギーを凝縮面に伝えるために、凝縮面近傍では熱伝導率を高くすることが効果的である。ただし、凝縮領域をハウジングから熱的に遮断するために、凝縮面の周囲の領域は伝導性の低い熱導体とするのが好ましい。温度調節手段に対しては熱結合を良好にしながらハウジングに対しては熱結合が発生しないようにするために、特に一体的な導光器の構造において、凝縮領域を周囲の領域に比べて特に薄くすると効果的である。
【００３０】
熱伝導率を低くするために、導光器を特にガラスで構成することができる。特に好ましくは、少なくとも凝縮面の周囲の領域における導光器の熱伝導率を１０Ｗ／（Ｋ・ｍ）より小さく、特に１Ｗ／（Ｋ・ｍ）より小さくする。導光器の熱伝導率を低くして凝縮面の温度制御を良好に行うには、適切には導光器の凝縮面に対する温度調節手段の熱結合または熱接触を良好にする。これを行うには、例えばペルティエ素子方式などを用いたこの温度調節手段を導熱ペースト層（heat conducting paste layer）を用いて導光器に接続させると効果的である。
【００３１】
凝縮面近傍において疎水性表面の特性を実現するために、例えば導光器を化学的に機能させることができる。適切な化学的機能化により、凝縮面を特定物質の検出に特化して感知可能にできる。ただし、凝縮面を研磨仕上げした基板表面にするのが特に好ましい。これは、少なくとも凝縮面近傍にある導光器、すなわち基板、の表面を研磨かつ適宜洗浄した場合、それ以上の表面改質処理は行われていないおよび／または行う必要がないことを意味するものとして理解される。
【００３２】
また、少なくとも凝縮面近傍で、光導波路が炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮｘ）および／またはニッケルクロム（ＮｉＣｒ）を有し、特にそれらで被覆されるようにすることができる。
【００３３】
基本的に、光源および／または光センサを導光器から間隔を置いて配置することができる。また、光源と導光器の間および／または光センサと導光器の間に結合導光器（coupling light guide）を設けることもできる。汚染の影響を限定するためには、好ましくは光源から光センサに至る光路が基本的に測定ガスとは異なる媒体を通過するようにする。
【００３４】
しかしながら、本発明の別の態様においては、光源および／または光センサが導光器上、特に凝縮面から離れた背面に配置されている。そのために、光源および／または光センサを例えば導光器に接着および／または融着させることができる。光路を調節するため、光源および／または光センサを移動可能に導光器上に設けることもできる。光源と導光器の間や光センサと導光器の間にダイヤフラムを配置すると効果的である。このようなダイヤフラムを設ける場合、例えば蒸着、スパッタ、焼き付け、付着、被覆、または接着によってダイヤフラムを導光器に設け、また光源および／または光センサをダイヤフラムに接着させることができる。適切には、ダイヤフラムを導光器表面に配置する。
【００３５】
さらなる結合導光器を用いて、凝縮面を有する導光器に対して光を結合したり出入射させたりすることができる。この結合導光器は、凝縮面に対して特定の角度で配置することができる。光源および／または光センサを導光器に直接配置し、ダイヤフラムで区切ることにより、特に安価で小さな装置を製造することができる。
【００３６】
光源と導光器の間にダイヤフラムを設けることで、特に光源の空間的な光強度分布の一部を使用して凝縮面を照射することができる。好ましくは、光源を少なくともほぼランベルトエミッタ（Lambertian emitter）として構成する。凝縮面に対して所望の入射角αで導光器に入射しない光は、ダイヤフラムによって特に容易かつ効率的に遮断することができる。ダイヤフラムは、銀メッキを施すなどして光を反射するようにすると効果的である。導光器の背面に光源を配置し、さらなる結合導光器を設けずにダイヤフラムを介在させることで、本発明の装置の光学設計が特に簡易になる。
【００３７】
分離領域では、ダイヤフラムが、不要な光が光センサに侵入して光センサの負荷が増大しないよう防止できる。入射角から逸れる光、つまり入射角とは異なる角度の光は、ダイヤフラムで反射される。
【００３８】
本発明において特に好ましくは、光源が発光ダイオード（ＬＥＤ）を有し、および／または光センサがフォトダイオードを有する。このような発光ダイオードおよび／またはフォトダイオードを使用することで、特にコンパクトな露点温度測定装置を特に経済的に製造することができる。
【００３９】
本発明によれば、凝縮面と離れている導光器背面に温度調節手段が配置され、および／または凝縮面および温度調節手段の近傍でテーパが導光器に設けられたことにより、特にコンパクトな露点温度測定装置が得られる。温度調節手段がペルティエ素子方式であると効果的である。凝縮面に対向する導光器背面に温度調節手段を配置することで、コンパクトな構成でありながら温度調節手段と凝縮面との間で特に良好な熱結合を行うことができる。導光器内にテーパを設けることで熱結合がさらに向上する。このテーパは、導光器の厚さが薄くなる領域を指すと理解できる。特に温度調節手段は、テーパに配置することができる。テーパにおける導光器の厚さ、すなわち凝縮面と温度調節手段の間の幅が約１ｍｍ以下であると効果的である。
【００４０】
本発明において、ＳＮ比を上げるために、導光器内、特に凝縮面および／またはテーパの近傍で光の多重内部反射を行うように導光器と光源が構成される。多数の内部反射を行うために、テーパ近傍の導光器の厚さをできるだけ小さくすると効果的である。反射率を高めるために、凝縮面から間隔を置いて設けられた表面領域、特に凝縮面から離れた背面を銀メッキして導光器を被覆することができる。
【００４１】
光源が光導波路に光束または光線を発生でき、凝縮面におけるその入射角が、導光器から測定ガスへの移行における臨界角と導光器から凝縮相への移行における臨界角との間にあることで、特に信頼性の高い創意的な露点温度測定装置が得られる。ここで臨界角とは、面法線に対して測定された全反射の臨界角、すなわちそれ以上の角度では光が光学的により薄い媒体に移行できくなり、実質的に完全に反射される上限の入射角を意味するものとして理解される。導光器から測定ガスに移行する光は、光学的により厚い導光器と光学的により薄い測定ガスとの間の移行を指すものとして理解される。導光器から凝縮相に移行する光も同様に理解される。
【００４２】
本発明において入射角が上記２つの臨界角の間にあるため、結露が発生しない凝縮面では、凝縮面によって光が全反射される。凝縮面に水滴があると、光の少なくとも一部が分離され、導光器から水滴を経由して周囲の測定ガスに進行する。これにより、凝縮面で結露が発生した場合に光センサの光強度が減衰するので、このことが凝縮面で露点温度に達したことを示す指標になる。特に測定ガスを空気、凝縮相を水とすることができる。この場合、導光器から測定ガスへの移行における臨界角は例えば約４０°であり、導光器から凝縮相への移行における臨界角は例えば約６０°である。上記の臨界角は、特に導光器がガラスである場合に起こる。上記２つの臨界角の間の入射角で光を放射する場合、凝縮面が乾燥している場合の入射角は全反射に対する現在の臨界角より大きく、凝縮面が結露している場合の入射角は全反射の現在の臨界角より小さくなる。このため、凝縮面が乾燥している場合にのみ全反射が発生する。
【００４３】
本発明の装置は、特に上記の対応する臨界角が生じる水以外の物質や材料の検出にも利用でき、その物質や材料が凝縮相を形成する。疎水化を適切に行う、すなわち凝縮面の表面エネルギーを適切に選択することで、検出対象の物質が液滴を形成し、その液滴は実質的にすべての屈折率で光の放射を分離する。
【００４４】
本発明において、凝縮面温度を測定するために、温度依存導体を特に凝縮面近傍で導光器に設ける、特にスパッタすることができる。温度依存導体は、アルミニウム、白金および／またはニッケルを有することができる。適切には、温度依存導体を導光器表面の凝縮面の周囲に配置する。特に温度依存導体は金属被覆することができる。
【００４５】
導光器にシリコンなどの半導体物質を使用する場合は、本発明の装置を集積回路の一部として構成し、例えば導光器に少なくとも１つのＰＮ接合を設けることができる。特に、伝送ＬＥＤおよび／または検出器、すなわち光センサを集積することもでき、これによって製造コストをさらに抑えることができる。
【００４６】
適切には凝縮面が矩形、特に正方形であるが、円形であってもよい。好ましくは、凝縮面の外周は温度調節手段の形状と同じである。特に凝縮面は温度分布が均一になるように作成される。凝縮面の外寸は５ｍｍ未満であると効果的であり、特に２×２ｍｍにすることができる。温度依存導体は温度センサとも呼ばれ、被覆高さが１００から２００ｎｍ、被覆幅が１００μｍであると効果的である。
【００４７】
特に測定ガスおよび／または凝縮相に対する温度依存導体の電気的絶縁のために、適切には絶縁不活性層が導体上に設けられる。この不活性層は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）および／またはＳｉＣを有し、層厚をほぼ１μｍとすることができる。ＳｉＣ、つまり炭化ケイ素を使用することにより、特に濃度の高いおよび／または非多孔の不活性層が得られる。不活性層を凝縮面上に延ばすこともできる。
【００４８】
本発明において、光はＮＩＲ光、ＩＲ光、ＶＩＳ光および／またはＵＶ光とすることができ、好ましくはＮＩＲ光とする。
【００４９】
適切には本発明の装置は、光源、光センサ、温度依存導体、凝縮面の温度調節手段に対して信号接続、特にライン接続をする制御および評価装置を備える。この制御および評価装置を用いることで、温度調節手段によって凝縮面温度を制御することができる。制御および評価装置は、光センサの光強度変化を評価することができる。光源の光出力を一定にした場合、このような光強度変化は凝縮面における結露状態の変化を表すので、このことから露点温度に達したことが分かる。凝縮面温度は温度依存導体を用いて測定することができる。
【００５０】
特に光源の劣化現象が原因となる光源の光強度変動を補正するため、本発明によれば、光センサのほかに、光源の光強度を測定する参照光センサを設けると効果的である。また、光源から参照光センサに至る光が導光器を通過すると効果的である。特に、参照光センサを導光器上に配置することができる。参照光センサで信頼性の高い参照信号を得るために、光源から参照光センサに至る光が凝縮面から離れていると効果的である。
【００５１】
光源に比べて特にコンパクトである参照光センサの構造によって、コンパクトな装置は光源の光を参照光センサに反射するための銀メッキされた領域を導光器上に設けることで得られる。光源および／または参照光センサを凝縮面から離れた導光器背面に配置し、銀メッキされた領域を凝縮面が配置されている導光器前面に配置すると効果的である。
【００５２】
本発明において、光源から放射される光を導光器から分離して特にデータ送信に使用できる分離領域を導光器に設けることができる。適切には、光源は伝送信号を生成し、この信号は光分離領域を経由して光学システムへ分離することができる。伝送信号には、露点温度および／または装置の状態に関する情報を含めることができる。特に光分離領域は、散乱格子または粗面として導光器表面上に構成することができる。散乱格子は断面が三角形の凸部および／または凹部にすることができる。光分離領域で特に信頼性の高い光の分離を行うには、光分離領域が凝縮面から熱的に遮断されていると効果的である。特に光分離領域は導光器の前面上に配置することができる。光分離領域とは別に、導光器は光結合領域、特に結合格子を有することもでき、これにより情報伝送目的で光伝送信号を導光器に対して結合することができる。伝送信号はＩＲ伝送信号であると効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下に、好適な実施形態や図面を参照しながら本発明を詳しく説明する。
【００５４】
すべての図において、機能が同じ要素には同じ番号を付す。
【００５５】
本発明の装置の第１の実施形態を図１に示す。装置は、ガラス基板として構成され透明体とも呼ばれる導光器１０を有する。導光器１０の背面１９には、発光ダイオード（ＬＥＤ）である光源３１が配置されている。
【００５６】
この光源３１は、近赤外領域（ＮＩＲ）の光を発光する発光チップ３２を有する。このスペクトル領域では、特にガラスまたはプラスチックで構成されている導光器１０は透過性を有する。ＬＥＤで構成される光源３１と導光器１０との間には、接着を促す透過性のある浸漬コーティング７１と光反射層７３とを設ける。反射層７３は導光器１０上に蒸着される。導光器１０には凹部７４があり、これがダイヤフラムを形成し、光源３１が放射する光は光束または光線１の形でこのダイヤフラムを経由して導光器１０内に進行する。凹部７４は、例えば細長形状、円形、楕円形、長方形または正方形にすることができる。
【００５７】
導光器１０の前面１８中央の領域に凝縮面１２が設けられており、本発明の装置を用いて凝縮面での結露を検出することができる。導光器１０の背面１９には、凝縮面１２の温度調節手段４２がペルティエ素子の形で設けられる。温度調節手段４２に対する凝縮面１２の熱結合を特に良好にするため、温度調節手段４２は、導熱ペーストなどの導熱層４４を用いて導光器１０上に配置されている。温度調節手段４２は、加熱冷却素子とも呼ばれる。
【００５８】
凝縮面１２と温度調節手段４２との熱結合を促進するため、導光器の凝縮面１２と温度調節手段４２との間の領域にテーパ２５を形成し、テーパ２５近傍では導光器１０の厚さを約１ｍｍまで薄くする。テーパ２５を形成するため、温度調節手段４２と導光器１０の外部領域２６との間に、導光器１０の前面１８に対して傾斜した境界面２７を導光器１０の背面１９上に設ける。ところで、図示した実施形態では導光器１０の前面１８全体が平坦であるが、円蓋状にすることもできる。
【００５９】
凝縮面１２における結露の均一性が温度調節手段４２と導光器１０との間の伝熱抵抗に依存することや、これら２つの要素間の熱結合を良好かつ均一にすることでその均一性を向上できることが試験から分かっている。
【００６０】
凝縮面１２の温度を測定するため、凝縮面近傍に、温度依存導体５２を温度に依存する層として導光器１０に直接設ける。凝縮面１２の温度は、平面図では実質的に凝縮面全体を取り囲む温度依存導体５２を用いて、小さい熱伝導係数で測定することができる。特に、導光器１０が熱伝導率と熱容量が共に低い材料で構成されている場合は、使用される温度依存導体５２が凝縮面１２から最小の熱エネルギーを抽出すると効果的である。
【００６１】
反射層７３の凹部７４は、光源３１から放射された光束１が導光器１０に進行し、導光器から測定ガスへの移行における臨界角αＧ，ＬＭと導光器から凝縮相への移行における臨界角αＧ，ＬＫとの間の入射角αで導光器１０の凝縮面１２を照射するように配置されている。詳細については、図５を参照しながら説明する。
【００６２】
入射角αを選択することにより、凝縮面１２が乾燥していると光束１は凝縮面１２で全反射される。反射された光束１は、光反射を向上させるために少なくとも温度調節手段４２の近傍に反射層４６が設けられた、導光器１０の背面１９に衝突する。そして、光束１は導光器１０の背面１９でも反射され、入射角αで再び凝縮面１２に衝突して反射される。こうしてテーパ２５の近傍で光束１が多重反射されるが、テーパ２５の材料厚さが小さくなるにつれて反射回数は増える。反射回数が増えると、本発明の装置における測定効果も高まる。
【００６３】
凝縮面１２での最後の反射の後、光束１は別の反射層７８にある別のダイヤフラム成形凹部７９を通過し、浸漬層（immersion layer）７６を通過して、導光器１０の背面１９上にある光センサ３４の感知層３５に到達する。
【００６４】
図５ないし７を参照して詳細を説明するが、凝縮面１２の温度が低下して凝縮面に結露が発生すると、光束１は凝縮面１２で全反射されず、少なくとも一部が分離して周囲の測定ガス４に進行する。この不完全な反射により、光センサ３４での光強度が低下する。そのため、光センサ３４での光強度低下を、凝縮面１２における結露発生を示す指標として用いることができる。本発明において、導光器１０の凝縮面１２は光源３１および光センサ３４と対向している。
【００６５】
反射層４６を有する境界面２７は、光束１とほぼ平行になるよう、すなわち前面１８の法線に対する入射角αで設けられている。このため、入射角αとは異なる望ましくない角度で照射される迷光は、境界面２７で反射されて光センサ３４には到達しないことが保証される。
【００６６】
測定ガス４に対して温度依存導体５２を電気的に絶縁するため、ＳｉＣまたはＳｉＯ２の不活性層５４をこの導体５２に設ける。
【００６７】
図１に示す装置は、導光器１０、光源３１、光センサ３４、凝縮面１２の温度調節手段４２を格納するハウジング２０を備える。凝縮面１２の近傍では、ハウジング２０に開口部２１が設けられており、測定ガス４と凝縮面１２が相互作用できる。通常はハウジング２０と凝縮面１２との間で生じる熱接触が最小になるよう、適切なサイズの開口部２１が選択される。凝縮面１２とハウジング２０の間隔を広げると、凝縮面１２の近傍の温度分布を十分均一にすることができる。導光器１０の熱伝導率を小さくすることで、温度分布をより均一にすることができる。
【００６８】
ハウジング２０と凝縮面１２との間の領域には、迷光の影響を抑えるために導光器１０の前面１８に反射層２９も設けられている。適切には、反射層４６、７３、７８および／または２９が互いに結合されている。
【００６９】
ハウジング２０の背面には底部２２が設けられており、底部２２は、導熱層４５好ましくは導熱ペーストを用いて凝縮面１２の温度調節手段４２と結合されている。底部２２および／または温度調節手段４２には、図１には図示されていない熱損失アダプタ（heat dissipation adaptor）を固定するためのねじピン４９が設けられる。
【００７０】
ハウジング２０の底部２２には、光源３１、光センサ３４、温度調節手段４２、温度依存導体５２と接触する電気接触ピン４８が設けられる。
【００７１】
本発明の装置における別の実施形態を図２に示す。この実施形態は、凝縮面１２の近傍にテーパ２５を設けない点で図１と実質的に異なる。代わりに導光器１０の材料厚さが導光器全体でほぼ一定である。結果的に、図２に示す装置では傾斜した境界面２７が存在しない。
【００７２】
本発明の装置の別の実施形態を図３および４に示す。この装置では、導光器１０内に参照経路が設けられ、光源３１の劣化やそれに伴う光強度低下を検出することができる。このために、導光器１０に銀メッキされた領域３８が設けられ、この領域を通して光源３１の光強度の一部が参照光センサ３７に送られる。光センサ３４の信号を評価する際は、参照光センサ３７の信号を考慮して光源３１の光強度低下を補正することができる。
【００７３】
図３の実施形態では、光源３１の光強度の一部を意図的に結露とは無関係に分離するための光分離領域６１を設ける。光分離領域６１によって、光源３１の光強度を変調した、装置の状態に関する情報を分離することができる。図４に示すように、光分離領域６１は導光器１０表面上で、三角形および／または錐体状の凹部および凸部を有する格子によって形成される。この領域を粗面で形成することもできる。
【００７４】
本発明における凝縮面１２が乾燥している場合と結露している場合における、凝縮面上での光束１の経路を光線として図５に示す。本発明においては、光束１は導光器から測定ガスへの移行における全反射の臨界角αＧ，ＬＭと導光器から凝縮相への移行における全反射の臨界角αＧ，ＬＫとの間の入射角αで凝縮面１２に進行する。
【００７５】
このように、凝縮面１２が乾燥している、つまり測定ガス４が導光器１０に隣接している場合は、光束１の入射角αはこの場合の臨界角αＧ，ＬＭより大きくなる。したがって、光束２が示すように、光束１は凝縮面で全反射される。
【００７６】
しかし、凝縮面１２が結露している場合、つまり凝縮相６が導光器１０に隣接している場合は、入射角αはこの場合の臨界角αＧ，ＬＫより小さくなる。したがって、凝縮面１２では部分反射のみが発生し、光束１の光強度の一部が光束３に結合されて導光器１０から凝縮相６に進行する。
【００７７】
結露した親水性凝縮面１２上の光路を図６に示す。凝縮面１２が親水特性を有するため、水で構成される凝縮相６は導光器１０上の広範囲にわたって水膜を形成する。水膜と測定ガス４との境界には、凝縮面１２とほぼ平行な界面８が形成される。導光器１０から分離された光束１は、この界面８上で反射され、導光器１０に戻って結合される。この再結合により、結露が発生した場合に光が導光器１０から分離される比率が小さくなり、結露発生時の光センサ３４の光強度変化が減少する。
【００７８】
本発明の半疎水性凝縮面１２を有する導光器１０を図７に示す。凝縮面１２が半疎水特性を有するため、凝縮相６が、広範囲にわたる水膜ではなく、９０°の接触角Θを有する個別の水滴として凝縮面１２上に形成される。したがって、凝縮相６と測定ガス４の間の界面８は、親水性面の場合は凝縮面１２と平行になるが、この場合は水滴の頂部を除いて凝縮面１２と平行にならない。界面８が平行ではないので、導光器１０から分離されて凝縮相６へ進行する光の一部は、結合されて凝縮相から直接周囲の測定ガス４に進行するが、導光器１０に戻って結合されない。残りの光は分離されて凝縮相６に進行して再び導光器１０に戻って結合されるが、界面８と凝縮面１２が平行でないために異なる入射角で結合されるので、そのほとんどが光センサ３４では検出されない。したがって、導光器１０から分離されて凝縮相６に進行する光の光強度は、光センサ３４での光強度にほとんど影響を与えない。
【００７９】
疎水性凝縮面１２における水滴を図８に示す。図８から分かるように、接触角Θが大きいため、凝縮相６のわずかな部分しか凝縮面１２の湿潤、ひいては光の分離に関与しない。このため、疎水性凝縮面１２を用いると、結露が発生した場合の光センサでの光強度変化は比較的制限される。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の実施形態における本発明の露点温度測定装置の断面図である。
【図２】第２の実施形態における本発明の装置の断面図である。
【図３】別の実施形態における本発明の装置の平面図である。
【図４】図３の光分離領域の詳細な断面図である。
【図５】凝縮面上の光路である。
【図６】親水特性を有する凝縮面で結露が発生した場合の光路である。
【図７】半疎水特性を有する凝縮面で結露が発生した場合の光路である。
【図８】疎水性凝縮面上で凝縮した液滴の断面図である。
【図１】
2008509381.tif 000003
【図２】
2008509381.tif 000004
【図３】
2008509381.tif 000005
【図４】
2008509381.tif 000006
【図５】
2008509381.tif 000007
【図６】
2008509381.tif 000008
【図７】
2008509381.tif 000009
【図８】
2008509381.tif 000010
【国際調査報告】
2008509381.tif 000011
2008509381.tif 000012
2008509381.tif 000013
2008509381.tif 000014
2008509381.tif 000015
2008509381.tif 000016