JPH04186190A

JPH04186190A - 湿度測定装置

Info

Publication number: JPH04186190A
Application number: JP31745390A
Authority: JP
Inventors: Homare Masuda; 誉増田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1990-11-21
Filing date: 1990-11-21
Publication date: 1992-07-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

この発明は絶対湿度、相対湿度等を測定する湿度測定装
置に関するものである。

【従来の技術】

従来の湿度センサとしては、セラミックや有機系のポリ
マーの吸着と脱離反応による抵抗や容量変化を使ったセ
ンシング方式が主であった。また、２つのホット・サー
ミスタの１つのドライ・エアーのケースに入れ、他の１
つを、測定対象雰囲気に置き、その２つのホット・サー
ミスタに電流を流すことで発熱□させ、２つのホット・
サーミスタの温度差を測定し、その温度差を絶対湿度と
する方法も用いられていた。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、上記センシング方式は、耐薬品性（メタ
ン、エタン、エチレン、アンモニア、アセトン、アルコ
ール、ホルマリンなど）や結露サイクル、高温高温での
長期安定性に劣り、信頼性が確保できなかった。また、
上記２つのホット・サーミスタを用いる方式は、信頼性
は高いが、０゜１〜０．０１°Ｃ程度に揃った特性のサ
ーミスタを必要とするという極めて困難な問題かあり、
これを選別などに頼っているため、低価格化が困難であ
る等の問題があった。この発明は」１記のような課題を解消するためになされ
たもので、高信頼性を有し、かつ低価格で製作すること
のできる湿度測定装置を得ることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

この発明に係る湿度測定装置は、対象雰囲気中に置かれ
たヒータと、上記ヒータの温度を検出する温度センサと
、上記対象雰囲気の温度を検出する雰囲気温度センサと
、上記対象雰囲気の圧力を検出する気圧センサと、上記
温度センサの検出値に応じて上記ヒータの温度を設定値
に制御する制御信号を作ると共に上記温度センサ、雰囲
気センサ及び気圧センサの各検出値に基づいて所定の演
算を行うことにより上記対象雰囲気の絶対湿度及び／又
は相対湿度を算出する演算装置とを設けたものである。

【作　用】

ヒータ、温度センサ、気圧センサに特に高精度のものを
用いることなく、高信頼性及び高精度を持つ湿度測定装
置が低価格で得られる。

【実施例】

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１図において、１はヒータで、ホット・サーミスタ、
熱線式ヒータ、セラミック・ヒータなどの電流や電圧に
より発熱量がコントロールできる発熱体が用いられる。２はヒータ１の発熱による温度を測定する温度センサで
、サーミスタ、ザーモカソプル、測温抵抗体、半導体温
度センサ、水晶式温度センサなどの６０℃〜３００℃程
度の温度を再現性良く測定できる温度センサが用いられ
る。３はセンサ・パッケージで、ヒータ１と、温度セン
サ２とをできる限り近傍に配置し、一つのパッケージ内
に、−２０℃〜３００℃程度の温度に耐え、また、メタ
ン、エタン、エチレン、アンモニア、アセトン、アルコ
ール、ホルマリンなどの薬品に侵されず、製造工程で簡
華にモールドできる材料、例えば低融点ガラスなどに納
めてなる。このセンサ・パッケージ３は周囲の風の影響を受けない
ようにフィルタで十分に遮断される。このフィルタによりセンサ・デバイスとフィルタの間の
ガス部は、自然対流が形成されるように形成されている
。４はヒータ１に通電する定電流回路で、オペアンプ５
及び抵抗Ｒ＋で構成されている。６はヒータ１の発熱に
よる温度上昇の影響が十分率さい位置に取り付けられ雰
囲気温度（Ｔ）を測定する雰囲気温度センサで、センサ
には、サーミスタ、ザーモカップル、測温抵抗体、半導
体温度センサ、水晶式温度などのセンサが用いられる。７は発振器で、コンデンサＣＩ＋　３３．４個のインバ
ータ８．スイッチＳＷＩ、ＳＷ２．ＳＷ３及び抵抗Ｒ６
等で構成される。スイッチＳ　Ｗ　３は温度センサ２．
雰囲気温度センサ６及び抵抗Ｒ６を選択的に切替える。また、コンデンサＳ３は容量式圧力センサを用いた気圧
センサの一部を構成するものとする。９は発振器７の発
振周波数を分周するプリスケーラ、１０はプリスケーラ
９の出力に基いてヒータ１を設定温度に制御すると共に
、相対湿度、絶対湿度等を算出するマイクロコンピュー
タ等から成る演算装置であり、パルスインターパルタイ
マ１１．ＰＷＭ（パルス幅変調）信号出力ポート１２及
びメモリ　（図示せず）を有している。１３は制御信号
としてのＰＷＭ信号を所定のＤＣ定電圧信号に畳重する
ＤＣ電圧回路であり、ＭＯ３ＦＥＴ１４．抵抗Ｒ２〜Ｒ
ｓ、　Ｒ７，ツェナーダイオード１５及びオペアンプ１
６等で構成される。第２図（Ａ）、　　（Ｂ）は上記センサ・パッケージ部
３の構造を示すもので、上記ヒータ１及び温度センサ２
は薄膜のサーミスタで形成されている。ヒータ１及び温度センサ２はＳＳ基板１７とに設けられ
たＳｉＯ□層１日上に設けられている。また、ヒータ１
及び温度センサ２はそれぞれ両端を、ＳｉＯ□層１８上
に設けられた２対の電極１９゜２０に接続され、各電極
１９．２０からはリード線２１．２２が外部に導出され
ている。このセンサ・パッケージ部３はその全体が低融
点ガラス２３で被覆されている。次に動作について説明する。第１図の回路は、下記の■〜Ｏまでのループで動作され
る。なお、実際は、処理効率向上のため割り込め処理で
、センサの信号入力処理と演算処理は並列処理している
が、ここでは理解を促すため、割り込み処理を含ます記
載している。 ■、スイッチＳＷＩをオン、スイッチＳＷ２をオフ、ス
イッチＳＷ３を抵抗Ｒ６側にセットすると、発振器７は
コンデンサＣ１とＲ６とにより発振する。この時の発振
周波数（ＦＯ）は（式２）となる。Ｔｌ＝Ｃ１＊Ｓ２＊　（α＋β）　・・・（式１）ＦＯ
＝１／Ｔｏ　　　　　　　　・・・（式２）α＝１ｎ　
（（Ｖｄ−Ｖｌ）／（Ｖｄ−Ｆ２））　　・＝　（式３
）β−１ｎ　（（Ｆ２−Ｖｇ）／（Ｖｌ−Ｖｇ））　　
・・・（式４）ｖｄ：インバータのＨ１出力電圧Ｆ２：インバータのＨＩレベルしきい値入力電圧ｖ１：
インバー夕のＬ　Ｏレベルしきい値入力電圧ｖｇ：イン
バー夕のＬＯ出力電圧 ■、スイッチＳＷＩをオン、スイッチＳＷ２をオフ、ス
イッチＳＷ３を雰囲気温度センサ６側にセソ１−すると
、ＣＩと雰囲気温度センサ６の抵抗Ｓ２とにより発振す
る。この時の発振周波数（Ｆｌ）は（弐６）となる。Ｔｌ＝Ｃ１＊Ｓ２＊　（α＋β）　・・・（式５）％式
％（６） ■、スイッチＳＷＩをオン、スイッチＳＷ２をオフ、ス
イッチＳＷ３をヒータ１側にセットすると、Ｃ１とヒー
タ１の抵抗Ｓ１とにより発振する。この時の発振周波数
（Ｆ２）は（弐８）となる。Ｔｌ＝Ｃ１＊Ｓ２＊　（α＋β）　・・・（式７）Ｆ２
＝１／Ｔ２　　　　　　　　　・・・（式８）■、スイ
ッチＳＷ１をオフ、スイッチＳＷ２をオン、スイッチＳ
Ｗ３をＲ６側にセットすると、発振器７は上記気圧セン
サのコンデンサＳ３とＲ６とにより発振する。この時の
発振周波数（Ｆ３）は（式１０）となる。Ｔ３＝３３＊Ｒ６＊（α＋β）　・・・（式９）Ｆ３＝
１／Ｔ３　　　　　　　　　・・・（式１０）■、■〜
■の発振周波数Ｆｌ、Ｆ２．Ｆ３をプリスケーラ９で任
意の値まで分周し、その分周した矩形波信号の１サイク
ルの時間をマイコン内部のパルスインターバルタイマ１
１が外部タイマで測定する。 ■、■〜■の発振周波数を測定した値を使い、演算装置
１０においてレシオメトリック変換する。この変換で、インバータ８に関する全ての誤差がキャン
セルされる。そして、雰囲気温度センサ６の検出値Ｃｔ
と温度センサ１の検出値ｃｈと、気圧センサの検出値Ｃ
ｐとを（式１１−）　。（式１２）、（式１３）により算出する。ｃ　ｔ　＝ＦＯ／Ｆ　１　＝Ｓ　２／Ｒ６・・・（式１
１）Ｃｈ＝ＦＯ／Ｆ２＝Ｓ１／Ｒ６・・・（式１２）ｃ
ｐ　＝ＦＯ／Ｆ　３　＝Ｓ　３／ＣＩ　　・・・（式１
３）■、（式１２）の値（Ｃｈ）とある温度に相当する
設定値（Ｃｓ）との差（Ｃｈ−ｃｓ）とパルスインター
バルタイマ１１の時間データからＰＩＤ制御演算を行う
。 ■、■の演算により得られた制御量（Ｍ）を演算装置１
０のＰＷＭ信号出力ボート１２から出力し、その制御信
号としてのＰＷＭ信号出力を低オン抵抗、高オフ抵抗特
性を持つＭＯ３ＦＥＴ１４で受け、ＰＷＭ信号出力波高
値を所定の電圧に変換する。 ■、■で得られたＰＷＭ出力をＤＣ電圧重畳回路１３で
ＤＣ定電圧信号に重畳させ、ＰＷＭ出力がデユーティ５
０％でほぼマイコン内部に格納されている固定の設定値
（Ｃｓ）に制御されるようにＤＣ定電圧信号値を調整す
る。また、十分な湿度測定におけるダイナミック・レン
ジが取れるように環境変化（絶対湿度変化、環境温度変
化、大気圧変動、ガス成分変動）内でヒータの温度制御
が可能な範囲でＰＷＭ信号出力波高値をできる限り狭＜
　　（ＰＷＭ出力のハイ出力電圧を低く）設定する。［相］、■のＰＷＭ出力をＤＣ定電圧信号に重畳させた
信号でヒータ駆動用の定電流回路４をパルス駆動する。 ■、ヒータ１の熱容量とヒータ駆動電力との関係から、
ヒータ１は、ある定められた時定数値の時間遅れ（ロー
パス・フィルタ）の効果を持つ。この効果を利用して直接■のパルス信号をヒータｌに印
加する。＠、■によりヒータ１の発熱による温度を測定する温度
センサ２の信号出力が変化し、■〜＠までの動作が繰り
返され、マイコン内部に格納されている固定の設定値（
Ｃｓ）に制御されるように（式１２）の値（Ｃｈ）との
差＜ｃ　ｈ　−ｃＳ）が精度範囲内でゼロ近傍に収束し
た時の制御量（Ｍ）を、マイコン内部のメモリ　（ＲＡ
Ｍ）に格納する。０、気圧センサの出力（Ｃｐ）と雰囲気温度センサ６の
出力（Ｃｔ）と真の大気圧（Ｐ）との３つのパラメータ
から、工場調整時に予め作られた関数（Ｆ）を使って演
算し、真の大気圧（Ｐ）を求める。Ｐ＝Ｆ　（ＣｐＸＣｔ）　　　・・・　（式１４）■、
雰囲気温度センサ６の出力（Ｃｔ）と真の雰囲気温度（
Ｔ）との２つのパラメータから、工場調整時に予め作ら
れた関数（Ｇ）を使って演算し、真の雰囲気温度（Ｔ）
を求める。Ｔ＝Ｇ　ＣＣｔ）　　　　　　・・・　（式１５）［相
］、＠でマイコン内部のメモリ　（ＲＡＭ）に格納され
た制御量（Ｍ）と［相］の大気圧（Ｐ）と■の雰囲気温
度（Ｔ）と真の絶対湿度（Ｈａ）との４つのパラメータ
から、工場調整時に予め作られた関数（Ｑ）を使って演
算し、絶対湿度（Ｈａ）を求める。Ｈａ＝Ｑ　（Ｍ、Ｐ、Ｔ）　　”　　（式１６）［相］
、雰囲気温度（Ｔ）と飽和水蒸気圧（Ｅｓ）との既知の
関係を関数化（Ｕ）し、それを演算装置１０のメモリ　
（マスクＲＯＭ）に記憶させておく。その関数を測定時
の雰囲気温度（Ｔ）から、その温度における飽和水蒸気
圧（Ｅｓ）を求める。この飽和水蒸気圧（Ｅｓ）と［相
］で得られた絶対湿度（Ｈａ）と相対湿度（Ｈｒ）の既
知の関係を関数化（■）し、それを演算装置１０のメモ
リ　（マスクＲＯＭ）に記憶させておく。その関数を演算し、相対湿度（Ｈｒ）を求める。Ｅｓ＝Ｕ（Ｔ）　　　　　　・・・　（式１７）Ｈｒ＝
Ｖ　（Ｅｓ、Ｈａ）　　−（式１８）＠、露点温度演算
について、［相］で得られた絶対湿度（Ｈａ）と■の雰囲気温度（
Ｔ）から、既知の関数にある測定気体中の水蒸気圧が、
水の飽和水蒸気圧である温度（露　　・点温度：Ｔｓ）
を求める関数（Ｗ）を創り、それを演算装置１０のメモ
リ　（マスクＲＯＭ’）に記憶させておく。その関数を
演算し露点（Ｔｓ）を求める。Ｔｓ　＝Ｗ　（Ｈａ、Ｔ）　　　−（式１９）次に、調
整処理アルゴリズムについて説明する。（１）、工場調整工程（キャラクタライズ）は下記の■
〜■により行われる。 ■、第１図及び第２図のように構成された製品を温度、
湿度、気圧を高精度に発生もしくは測定できる槽に入れ
る。この槽の温度、湿度、気圧を製品の使用範囲内で各
パラメータ毎に最小値と最大値の２点もしくはその間を
多点に分割し発生させる。 ■、気圧センサの圧力（Ｃｐ）と雰囲気温度センサ６の
出力（Ｃｔ）と発生させた真の大気圧（Ｐ）とから、関
数（Ｆ）を各製品毎に作成する。 ■雰囲気温度センサ６の出力（Ｃｔ）と発生させた真の
雰囲気温度（Ｔ）とから、関数（Ｇ）を各製品毎に作成
する。 ■、発生させた真の雰゛囲気温度（Ｔ）と発生させた真
の大気圧（Ｐ）と発生させた真の絶対湿度（Ｈａ）とフ
ィード・バック制御でヒータ１の温度が一定に保たれた
時の制御量（Ｍ）とから（Ｑ）の各製品毎に作成する。 ■、相対湿度（Ｈｒ）と露点温度（Ｔｓ）との関係は既
知であるため、関数を各製品毎に作成するのではなく、
全製品共通の関数となるため、調整工程では関数を作ら
ずマスクＲＯＭ化される。（２）、フィールドでの調整（ガス成分の変動による影
響の補正）は次のように行われる。 ■、フィールドで装置に取り付けられた場合、工場調整
工程でのガス成分と異なる場合が考えられる。この方式
は、ガス成分の変動に対して湿度変化より大きな感度を
有するごとがある。しかし、フィールドでガス成分が変
動せず、このガスが湿度０１２０）と相互作用を持たず
独立に存在する場合、装置の立ち上げ時に１回、測定ガ
スを脱湿剤（Ｐ２Ｏ３など）で精度範囲内でドライにし
、製品の感湿部に送る。その時の絶対湿度の表示値もしくは出力値をゼロに調整
し補正する。

【発明の効果】

この発明によれば、対象雰囲気中にヒータを設け、その
温度を検出する温度センサの検出値に応じて上記ヒータ
の温度を設定値に制御すると共に、上記温度センサ、雰
囲気温度センサ及び気圧センサの各検出値に基づいて所
定の演算を行うことにより上記対象雰囲気の絶対湿度及
び／又は相対湿度を算出するように構成したので、次の
効果が得られる。 ■、従来からある、温度センサ、ヒータ、気圧センサに
より構成でき、また、個々のセンサの絶対精度を他の方
法と比較して高精度にする必要かないため個々のセンサ
が低価格となる。なぜなら、ヒータ１の温度は、ある温度付近に設定され
ていればよく、重要なのは、温度が精度良く一定に保た
れていることである。そのため、ヒータ１の温度を測定
する温度センサ２は、高精度である必要性がない。また、気圧センサは、熱伝導率が大気圧に影響される効
果を補正するためのセンサであり、元々、影響量が小さ
いために、気圧センサの精度は大きく影響しない。 ■、従来の湿度センサと比較して高信頼性が確保できる
。なぜなら、センシング方式として吸着、脱離反応を伴わ
ず、ガスが接する部分（ヒータ・パッケージ３）を而」
薬品性のある材料（表面が滑らかなガラスやセラミック
）を使い、ガスが接する部分をヒータ１で加熱するため
結露が起こらない。このため、高信頼性が確保できる。 ■、複合化センサの考えを使うため多機能化が可能とな
る。なぜなら、３つのセンサを使うことで、この出力の組み
合わせから絶対湿度、相対湿度、露点、温度、大気圧の
５つの測定が可能となる。 ■、■の高信頼性が確保できることから高精度化が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による湿度測定装置を示す
構成図、第２図は同装置のヒータ・パッケージを示す平
面図及び断面側面図である。１はヒータ、２は温度センサ、６は雰囲気温度センサ、
１０は演算装置。なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。特　許　出　願　人　　山武ハネウェル株式会社代理人
　　　弁理士　　１）　澤　　　博　　昭（外２名）

Claims

【特許請求の範囲】

　対象雰囲気中に置かれたヒータ１と、上記ヒータの温
度を検出する温度センサ２と、上記対象雰囲気の温度を
検出する雰囲気温度センサ６と、上記対象雰囲気の圧力
を検出する気圧センサＳ＿３と、上記温度センサの検出
値に応じて上記ヒータの温度を設定値に制御する制御信
号を作ると共に上記温度センサ、雰囲気温度センサ及び
気圧センサの各検出値に基づいて所定の演算を行うこと
により上記対象雰囲気の絶対湿度及び／又は相対湿度を
算出する演算装置１０とを備えた湿度測定装置。