(57)【要約】【課題】光ファイバを引き回す際の制約を小さくし、高い自由度で構成部材を配置することができる鏡面冷却式露点計の提供を目的とする。【解決手段】発光部であるＬＥＤ１２と、受光部であるＰＤ１３と、ミラー４との間に、ＬＥＤ１２から照射された光をミラー４に伝送し、かつミラーの表面４Ａに照射した光の反射光を受信してＰＤ１３に伝送する共通する１本の光ファイバ１４と、この共通する１本の光ファイバ１４を通じて供給されたミラーの表面４Ａでの反射光を分離してＰＤ１３に送るビームスプリッタ１０とを設けた。このような構成によって、従来のように発光側の光ファイバと、受光側の光ファイバという２本又はこれ以上の光ファイバを使用することなく、１本の光ファイバ１４によって、ミラー４に伝送する照射光とミラー４で反射した反射光とを共に伝送することができる。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定気体が供給される空間内に配置されるミラーと、該ミラーを冷却する冷却手段と、前記ミラーの表面に対して光を照射する発光部と、前記発光部から照射された光が前記ミラーの表面で反射した反射光を受光する受光部と、前記ミラーの表面温度を検出する温度検出手段とを有し、冷却手段にて冷却した前記ミラーの表面上に被測定気体に含まれる水蒸気を結露させることによって、前記受光部での反射光量の変化を基に、前記ミラーの表面上の温度を被測定気体の露点温度として検出する鏡面冷却式露点計において、
前記発光部から照射された光を前記ミラーの表面まで伝送する光ファイバと前記発光部からの照射光が前記ミラーの表面で反射する反射光を前記受光部側に伝送する光ファイバとを共通の光ファイバとし、
該共通の光ファイバを通じて伝送された前記ミラーの表面での反射光を分離して受光部側に送る光分離手段が設けられていることを特徴とする鏡面冷却式露点計。
【請求項２】
前記共通の光ファイバは１本の光ファイバから構成されることを特徴とする請求項１に記載の鏡面冷却式露点計。
【請求項３】
前記ミラーの表面に光を照射する前記共通の光ファイバの端面は、光ファイバの軸線に対して所定の微小角度以上傾斜されていることを特徴とする請求項１または２に記載の鏡面冷却式露点計。
【請求項４】
前記ミラーの表面は、前記共通の光ファイバの端面から照射される光の光軸に対して直角となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鏡面冷却式露点計。
【請求項５】
前記ミラーの表面は、前記共通の光ファイバの端面から照射される光の光軸に対して傾斜するように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鏡面冷却式露点計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミラーをペルチェ素子などの冷却手段を用いて冷却し、被測定気体に含まれる水蒸気をミラーの表面上に結露させることによって、該ミラーの表面の温度を被測定気体の露点温度として検出する鏡面冷却式露点計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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計が知られている。このような露点計では、ペルチェ効果による電子冷却器、冷凍機、ドライアイス、液体窒素などを使用し（JIS Z 8806）、結露面の温度を白金測温抵抗体などで測定する。また、結露したミラーの表面に、光ファイバで供給された光を照射し、そのときの結露面から反射光量または散乱光量を測定することで、ミラーの表面上の結露を検出する。
【０００３】
そして、この種の技術として、特許文献１あるいは特許文献２が知られている。特許文献１に示される鏡面上状態検出装置、及び特許文献２に示される鏡面冷却式センサは、いずれも発光側の光ファイバと受光側の光ファイバとを同一のチューブ内に収容する構成であって、発光側の光ファイバから鏡面上に照射された光の反射光を、受光側の光ファイバを通じて結露検知部に送り、この結露検知部にて光量を測定するようにしている。
【特許文献１】特開２００５−２８３５１０号公報
【特許文献２】特開２００５−２９１８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１、２に記載された露点計では、発光側、受光側という複数の光ファイバにより光の伝送を行っているために、トータルとしての光ファイバ径が大きくなるとともに、それら光ファイバの引き回しの際の最小曲げ半径が大きくなり（例えば、３４ｍｍ〜３８ｍｍ程度）、このため光ファイバの配置のために大きなスペースが必要となり、構成部材を配置する際の自由度が小さくなるという制約が発生していた。
【０００５】
本発明は、従来の有していた問題を解決しようとするものであって、光ファイバを引き回す際の制約を小さくし、光ファイバ及び周辺の構成部材を配置する際の自由度を向上させることができる鏡面冷却式露点計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の鏡面冷却式露点計では、被測定気体が供給される空間内に配置されるミラーと、該ミラーを冷却する冷却手段と、前記ミラーの表面に対して光を照射する発光部と、前記発光部から照射された光が前記ミラーの表面で反射した反射光を受光する受光部と、前記ミラーの表面温度を検出する温度検出手段とを有し、冷却手段にて冷却した前記ミラーの表面上に被測定気体に含まれる水蒸気を結露させることによって、前記受光部での反射光量の変化を基に、前記ミラーの表面上の温度を被測定気体の露点温度として検出する鏡面冷却式露点計において、前記発光部から照射された光を前記ミラーの表面まで伝送する光ファイバと前記発光部からの照射光が前記ミラーの表面で反射する反射光を前記受光部側に伝送する光ファイバとを共通の光ファイバとし、該共通の光ファイバを通じて伝送された前記ミラーの表面での反射光を分離して受光部側に送る光分離手段が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の鏡面冷却式露点計によれば、発光部から照射された光が共通の光ファイバを通じてミラーまで伝送され、このミラーの表面で反射した光の反射光は、同じ共通の光ファイバに入って該共通の光ファイバ内を逆方向に伝送される。その際、該共通の光ファイバに連続して設けられた光分離手段が、逆行する反射光を分離して受光部へと導く。
すなわち、本発明の鏡面冷却式露点計によれば、従来のように発光部側の光ファイバと、受光部側の光ファイバとで別々の光ファイバを使用することなく、共通の光ファイバによって、表面に供給する光と、表面で反射した反射光とを双方向に伝送することができる。その結果、光ファイバの本数を減らすことによって、光ファイバの曲げ半径が大きくならず、光ファイバを引き回す際の制約が小さくなって、周辺の構成部材を配置する際の自由度も向上させることができる。
【０００８】
本発明の鏡面冷却式露点計は、前記共通の光ファイバが１本の光ファイバから構成されることが好ましい。
この場合、共通の光ファイバを必要最小限の１本の光ファイバにより構成したから、光ファイバを引き回す際の制約がより小さくなり、また、周辺の構成部材を配置する際の自由度をより一層向上させることができる。
【０００９】
本発明の鏡面冷却式露点計は、前記ミラーの表面に光を照射する前記共通の光ファイバの端面が、光ファイバの軸線に対して所定の微小角度以上傾斜されていることが好ましい。
この場合、この共通の光ファイバの端面の傾斜面で一部反射した発光部からの光が、光ファイバのコア軸線に直交する線に対して所定角度（臨界角）を越えることとなって該光ファイバ内を逆行することになり、この戻り光はコアとクラッドとの境界面での反射の都度減衰する。この結果、ＳＮ比を向上させることができる。
【００１０】
本発明の鏡面冷却式露点計は、前記ミラーの表面を、光ファイバの端面から照射される光の光軸に対して直角となるように配置するのが好ましい。
この場合、ミラーの表面が結露していないときは、該ミラーの表面での反射光は光ファイバ端に戻り、また、ミラーの表面に結露が生じたときには、該ミラーの表面での反射光は散乱光となり、光ファイバ端に戻る光量が減衰することになる。そして、この反射光の減衰量に基づき、ミラーの表面の結露を検出することが可能となる。
【００１１】
本発明の鏡面冷却式露点計は、前記ミラーの表面を、光ファイバの端面から照射される光の光軸に対して傾斜するように配置するのが好ましい。
この場合、ミラーの表面が結露していないときは、該ミラーの表面での反射光は光ファイバ端に戻らず、また、ミラーの表面に結露が生じたときには、該ミラーの表面での反射光は散乱光となりその一部が光ファイバ端に戻ることになる。そして、光ファイバ端に戻った反射光に基づき、ミラーの表面の結露を検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の鏡面冷却式露点計によれば、光ファイバの本数を減らすことによって、光ファイバの曲げ半径が大きくならず、光ファイバを引き回す際の制約が小さくなって、周辺の構成部材を配置する際の自由度も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は本発明に係わる鏡面冷却式露点計１の構成図であって、全体として検出手段１Ａ、発光・受光手段１Ｂ、制御手段１Ｃによって構成される。
【００１４】
検出手段１Ａは、測定気体の吸入口２Ａ及び排出口２Ｂが形成されたケーシング２と、ケーシング２の下部に設けられた冷却手段であるペルチェ素子３と、ペルチェ素子３の上面に水平に配置されたミラー４と、ペルチェ素子３の下部に設置されかつケーシング２の下部開口を塞ぐように固定されて該ペルチェ素子３の下面で発生する熱を外部に放出する放熱器５と、ミラー４上の表面４Ａに設置された温度センサ６と、から構成されるものであって、ペルチェ素子３は、制御手段１Ｃ（後述する）によって冷却駆動される。また、温度センサ６の検出信号は制御手段１Ｃに供給され、この制御手段１Ｃにて被測定気体が露点に達した際の温度を検出できるようになっている。
【００１５】
発光・受光手段１Ｂは、ビームスプリッタ１０を内部に配置した光カプラ１１と、この光カプラ１１の入力部１１Ａに配置された光源となる発光部のＬＥＤ１２と、光カプラ１１の出力部１１Ｂに配置された受光部となるＰＤ１３と、光カプラ１１の入出力部１１Ｃに配置された１本の光ファイバ１４と、ＬＥＤ１２を駆動するＬＥＤ駆動部１５とを主な構成要素とする。光カプラ１１内のビームスプリッタ１０は、ＬＥＤ１２から発光された光を透過させて入出力部１１Ｃに接続された光ファイバ１４に至らせる。また、光ファイバ１４を通じて伝送されたミラー４の反射光（後述する）は、ビームスプリッタ１０の反射面１０Ａで反射してＰＤ１３に送られる。
【００１６】
光ファイバ１４は、一端側が光カプラ１１の入出力部１１Ｃに接続され、他端側が検出手段１Ａ内のミラー４の上方に配置されたものであって、他端側の端面は、ミラー４の表面４Ａと対向する位置に取り付けられている。そして、このような構成により、ＬＥＤ１２で発光された光はカプラ１１内のビームスプリッタ１０を透過した後、光ファイバ１４を通じて検出手段１Ａに伝送され、検出手段１Ａ内のミラー１４に照射される。ミラー１４に照射された先の光は、該ミラー１４で反射して反射光となる。この反射光は、光ファイバ１４の他端側の端面で受光された後、該光ファイバ１４を先と逆方向に伝送されて、再度、光カプラ１１内のビームスプリッタ１０に案内される。ここでビームスプリッタ１０の反射面１０Ａは、この伝送光を反射してＰＤ１３に至らせる。
【００１７】
なお、他端部に位置する光ファイバ１４から照射された光の光軸（符号Ｍで示す）は、図２に示すようにミラーの表面４Ａと直交する位置関係になるように調整する。そして、このような配置によって、ミラーの表面４Ａが結露していない場合に、該ミラー表面４Ａでの反射光は、光ファイバ１４にそのまま戻り、また、ミラー表面４Ａに結露が生じた場合に、該ミラー表面４Ａでの反射光は散乱光となり光ファイバ１４端に戻る光量が減衰することになる。そして、この反射光の減衰量に基づき、制御手段１Ｃ（後述する）にてミラー表面４Ａの結露を検出する。
【００１８】
また、光ファイバ１４の他端側の端面は、図２に示されるように、光ファイバ１４の軸線に対し所定の微小角度θa（例えば４°〜５°）以上に設定された傾斜面１６とされている。この光ファイバ１４の端面を傾斜面１６としたのは、この傾斜１６においてファイバ伝送光の一部が反射した反射光と、ミラー表面４Ａでの反射光とを区別するためである。すなわち、光ファイバ１４の傾斜面１６で一部反射したＬＥＤ１２からの光は、光ファイバ１４のコア軸線１４Ａに対して斜めとなって該光ファイバ１４内を逆行することになり（符号Ｎで示す）、その結果、ミラー表面４Ａで反射してかつ該光ファイバ１４のコア軸線１４Ａに沿う本来の反射光とは、異なる角度で、該光ファイバ１４内を進行する。
【００１９】
このとき、前記傾斜面１６の傾斜角度θａを所定の微小角度以上に設定することで、前記光ファイバ１４のコア軸線に沿って伝送される反射光が、光ファイバ１４におけるコア１４ａとクラッド１４ｂとの境界部分に入射する際、光ファイバのコア軸線に直交する線に対して所定角度θｔ（臨界角）を越える角度をもって入射させることが可能となる。
この条件を求めてみると、
Ｓｉｎθｔ＝ｎ2／ｎ1
ｎ1；コアの屈折率
ｎ2；クラッドの屈折率
θｔ＝Ｓｉｎ-1（１．４６／１．４７）＝８３．３１°
【００２０】
ここで、光ファイバの端面の傾斜角度θａと所定角度θｔの関係は、下記の式の通りである。
２θａ＝９０°―θｔ
したがって、
θａ＝（９０°―θｔ）／２
θａ＝（９０°―８３．３１°）／２＝３．３５°
つまり、光ファイバ１４の端面の傾斜角度θａを３．３５°を越える値に設定すると、光ファイバ１４のコア軸線に沿って伝送される反射光が、光ファイバ１４におけるコア１４ａとクラッド１４ｂとの境界部分に入射する際、全反射しない状況となる。
【００２１】
制御手段１Ｃは、増幅器２０、基準データ記憶部２１、比較器２２、温度調節部２３、演算部２４を主な構成要素とするものである。増幅器２０は、ＰＤ１３で受光した光の検出信号を増幅する。基準データ記憶部２１は、ＰＤ１３で検出された光量が、ミラー４上で結露が生じたことを示す値となった否かの判断基準となる基準光量データが予め記憶されている。比較器２２では、増幅器２０から供給された光の光量を示す検出データと、基準データ記憶部２１の基準光量データとを比較し、ミラー表面４Ａに結露が生じるように、温度調節部２４に対してペルチェ素子３に供給する電流を調整する。演算部２４は、比較器２２での判定結果に基づき、結露が生じ始めたときの温度センサ６の検出温度を計算し、図示しない出力部から出力する。
【００２２】
そして、以上のような鏡面冷却式露点計では、以下のような作用が奏される。
まず、ＬＥＤ１２で発光された光はカプラ１１内のビームスプリッタ１０を透過した後、光ファイバ１４を通じて検出手段１Ａに供給され、検出手段１Ａ内のミラー１４に照射される（図２参照）。ミラー１４に照射された先の光は、該ミラー１４で反射して反射光となる。この反射光は、光ファイバ１４の他端側の端面で受光された後、該光ファイバ１４を逆行して、再度、光カプラ１１内のビームスプリッタ１０に案内され、ここでビームスプリッタ１０の反射面１０Ａは、この光を反射してＰＤ１３に至らせる。
【００２３】
ＰＤ１３で検出された光の光量を示す検出信号は、増幅器２０で増幅された後、比較器２２に供給される。比較器２２では、ＰＤ１３で検出された光量を、基準データ記憶部２１に記憶されている基準光量データと比較し、例えば検出光量が基準光量データを下回っているか否かにより、ミラー表面４Ａで結露が生じているか否かを判定する。すなわち、比較器２２では、ミラー表面４Ａ上で散乱光が発生して受光量が基準光量データを下回って減少した場合に、ミラー表面４Ａに結露が生じていると判定する。そして、この判定結果を常時取り込むことで、ミラー表面４Ａに結露が生じるように、温度調整部２３に対してペルチェ素子３への供給電流を調整させる。また、比較器２２の判定結果は演算部２４にも供給され、この演算部２４において、結露が生じ始めたときの温度センサ６の検出温度を計算した後、図示しない表示部に出力する。
【００２４】
以上詳細に説明したように本実施形態に示される鏡面冷却式露点計では、発光素子であるＬＥＤ１２と、受光素子であるＰＤ１３と、ミラー４との間に、ＬＥＤ１２から照射された光をミラー４に伝送し、かつ該表面４Ａに照射した光の反射光を受信してＰＤ１３に伝送する一本の光ファイバ１４と、この光ファイバ１４を通じて供給されたミラー表面４Ａでの反射光を分離してＰＤ１３に送るビームスプリッタ１０とを設けた。このような構成によって、従来のように発光側の光ファイバと、受光側の光ファイバというような２本又はこれ以上の光ファイバを使用することなく、１本の光ファイバ１４によって、ミラー４を照射する光と、ミラー４で反射した反射光とを双方向に伝送することができ、その結果、光ファイバ１４の曲げ半径が大きくならず、光ファイバ１４を引き回す際の制約が小さくなって、高い自由度で構成部材を配置することができる。例えば、光ファイバ１４を引き回す際の制約を小さくすることができるために、図３に示すように光カプラ１１を検出手段１Ａの側部に配置するといった周辺の構成部材の自由なレイアウトが可能となる。また、図１に符号１４Ｂで示すように光ファイバ１４の余分な部分を丸めて束ねることもでき、光ファイバ１４の自由な引き回しが可能となる。このように光ファイバ１４の引き回しが自由となり、しかも、発光部と受光部を近接して配置できるので、装置全体の小型化を図ることができる。
【００２５】
また、本実施形態で示される鏡面冷却式露点計では、表面４Ａに光を照射する光ファイバ１４の端面を傾斜面１６に形成したので、この傾斜面１６で一部反射したＬＥＤ１２からの光が、光ファイバ１４のコア軸線１４Ａに対して斜めとなって該光ファイバ１４内を逆行することになり、その結果、ミラー表面４Ａで反射してかつ該光ファイバ１４のコア軸線１４Ａに沿う反射光とは、異なる角度で、該光ファイバ１４内を進行する。この戻り光が光ファイバ内を逆行する際に、コア１４aとクラッド１４ｂとの境界面での反射の都度、減衰することとなり、結果的にＳＮ比を向上させることができる。
また、光ファイバ１４の端面を傾斜面１６に形成するのとは別個単独に、あるいはそれと併用して、光ファイバ１４の端面に反射防止コート処理を施すことにより、ＳＮ比をより向上させることができる。
【００２６】
なお、光ファイバ１４から照射される光の光軸は、ミラー表面４Ａに対して直角では無く、図４で示されるようにミラー表面４Ａに対して所定の微小角度（例えば、２°〜３°）傾斜するように配置しても良い。そして、このようなミラー４の配置によって、ミラー表面４Ａが結露していないときは、該ミラー表面４Ａでの反射光は、実線矢印で示すように光ファイバ１４の端面に戻らず、また、ミラー表面４Ａに結露が生じたときには、該ミラー表面４Ａでの反射光は散乱光となりその一部（点線矢印で示す）が光ファイバ１４の端面に戻ることになる。そして、光ファイバ１４に戻った反射光に基づき、制御手段１Ｃにてミラー表面４Ａの結露を検出することが可能となる。
【００２７】
また、上記実施形態では、発光部から照射された光をミラーの表面まで伝送する光ファイバと発光部からの照射光が前記ミラーの表面で反射する反射光を受光部側に伝送する光ファイバとを共通する１本の光ファイバで構成したが、これに限られることなく、共通する複数本の光ファイバにより構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係わる鏡面冷却式露点計の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】光ファイバの端面を示す拡大図である。
【図３】本発明に係わる鏡面冷却式露点計の一実施形態の光ファイバの引き回し自由度を説明するための説明図である。
【図４】他の実施形態である光ファイバとミラーとの位置関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１Ａ  検出手段
１Ｂ  発光・受光手段
１Ｃ  制御手段
３  ペルチェ素子（冷却手段）
４  ミラー
４Ａ  表面
１０  ビームスプリッタ（光分離手段）
１２  ＬＥＤ（発光部）
１３  ＰＤ（受光部）
１４  光ファイバ
【図１】
2009186440.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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