JPH10506716A - 気体の含水率を決定するための方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、気体の含水率を決定する方法及び装置に関する。本測定装置は、加熱素子及び温度センサに熱的に結合された容量性センサと、加熱素子に接続されたエネルギー源と、容量性センサに接続された第１の評価回路と、温度センサに接続された第２の評価回路と、からなる測定センサ構成を備える。加熱素子及び温度センサは、共通の温度依存性抵抗器によって形成される。温度依存性抵抗器及びエネルギー源とともに、第２の評価回路は、容量性センサの温度を一定に保つための制御回路を形成する。唯一の変数としての容量性センサの容量の関数として、第１の評価回路は、同一の一定温度で予め決定された較正値から、気体の相対湿度の実際値を、較正値の補間或いは補外によって決定する。

Description

【発明の詳細な説明】 気体の含水率を決定するための方法及び測定装置 本発明は、請求項１の前提部に記載のように気体の含水率を決定する計器、及 び請求項９の前提部に記載のように気体の含水率を決定する方法、の双方に関す る。 凝結点或いは気体濃度の測定法、及び氷の形成を予測する装置は、German 19 513 274 Alから公知である。また、この公知の方法及び装置によって、相対湿度 及び絶対湿度の決定が可能となる。 湿度センサは、加熱素子により最大感度点にまで加熱される容量性センサであ る。この最大感度点は、特定の実施態様においては、相対湿度が60から80％の間 である点である。その後、２つの変数、すなわち動作温度でセンサにより決定さ れる相対湿度、及び別の温度プローブによって決定されるセンサ自体の温度、を 処理することで、相対湿度が決定される。 本発明の目的は、ただ１つの変数から湿度を決定でき、且つ、より正確な動作 が可能となる、気体の含水率決定計器及び決定方法である。 この目的は、請求項１の前提部に記載された計器及び請求項９の前提部に記載 された方法において、本発明に従って、これらの各請求項の本文に記載のように 達成される。 改変例及び有利な実施の形態は、従属する請求項に記載されている。 本発明による計器は、加熱素子及び別の温度プローブの代わりに単一の温度依 存性抵抗器を用いている。よって、抵抗器の温度依存性は、加熱に伴う抵抗の変 化から実際の温度を検出するのに利用される。従って、温度は、直接的に、すな わち熱が１つの部品から他の部品に伝達される場合におこる遷移損失及び遅延を 生じさせずに、決定され得る。処理手順を単一の共通温度依存性抵抗器に制限す ることにより、計器全体の大幅なサイズの軽減が可能となり、その結果、低い熱 容量によって、あらゆる変化に対する高速応答を促進する。この反応により、一 定湿度を確保する高速応答調整器の構成部品として、この計器を用いることも可 能となる。 容量性センサを、一定温度にまで加熱されその温度に維持される抵抗器に熱的 に結合することで、センサも同じ一定温度に維持される。結果を解釈する際には 、あと１つの変数だけ、すなわち湿度の関数としての容量の変化を考慮に入れる 必要がある。解釈は同時に、同一温度での先の較正から決定された値の補間或い は補外に制限され得る。従って、容量と相対或いは絶対湿度との間の、一定温度 で再現可能な相互作用が、解釈に利用され得る。この再現可能な相互作用は、使 用されるセンサのタイプ及び特定の動作温度に依存して、線形或いは非線形の関 数で表され得る。この関数は、相対或いは絶対湿度の測定結果を表す。あらゆる ケースにおける他の湿度パラメータ、すなわち、相対湿度が先に決定される場合 の絶対湿度、或いは絶対湿度が先に決定される場合の相対湿度は、初めの結果及 び水蒸気の分圧から、公知の方法により得られ得る。 この計器は、好ましくは、容量性センサを一方の側面に備え、そして温度依存 性抵抗器をもう一方の側面に備えた、熱伝導性の高いセラミックの平坦なベース を含む。 この特徴はコンパクトな構造をもたらし、これによって、ベース自体が、容量 性センサの温度と抵抗器の温度とをしっかりと結合する広い熱伝導体を構成する 一方で、２つの構成部品の間の電気絶縁を提供する。 この計器は、容量性センサが取り付けられた側に、不連続で透湿性であるが熱 絶縁体として機能するラップを備えることも可能である。 この方法は、周囲への熱放射を低下し、それによって、温度依存性抵抗器を低 い熱出力で動作させることが可能になる。周囲から熱的に分離することにより、 抵抗器と容量性センサとの間の比較的に優れた結合が確実になる。 この計器のある実施態様における温度依存性抵抗器は、測定ブリッジ内に収納 されている。エネルギー源は、ブリッジに接続されたパルス発生器である。信号 処理回路の入力端子は、ブリッジの対角線に接続され、出力端子は、パルス発生 器のパルス対ポーズ比を調整する調整器に接続される。 測定ブリッジは、温度依存性抵抗器に供給された電圧の絶対値の効果を低下さ せる。同様のことが、重畳された干渉電圧にも当てはまる。この方法は、有効感 度を上昇させる。 温度依存性抵抗器の有効熱出力は、絶対値或いは振幅の測定及び制御によるよ りも、供給電圧のパルス対ポーズ比を、調整の限定範囲に渡って回路に対する比 較可能な消費で変化させることで、より正確に制御される。 この計器の他の実施態様においても、温度依存性抵抗器は、測定ブリッジ内に 含まれる。しかしながら、エネルギー源は、ブリッジに接続された直流電圧源或 いは直流電流源である。パルス発生器は、一定振幅の信号をエネルギー源からの 直流電圧或いは直流電流の上に重畳させる。第２の信号処理回路は、パルス発生 器からの信号を復調する。第２の信号処理回路の入力端子は、ブリッジの対角線 に接続され、出力端子は、エネルギー源からの直流電圧或いは直流電流を制御す る調整器に接続される。この実施態様は、副電圧を利用しており、その副電圧は 、エネルギー源の直流電圧或いは直流電流から分離され得て、従って、調整状態 に支配される電圧或いは電流のどのような変化とも無関係に処理され得る。従っ て、処理はコンタミネートされず、その結果、より正確である。 第１の信号処理回路は、容量性センサがタイミングステージを構成するパルス 発生器を含んでいることが好ましい。その結果、パルス周波数或いはパルス対ポ ーズ比のいずれかが測定される。このアプローチにより、本方法が、コンタミネ ートする電圧には反応しないことが確実となる。 ある改変例における、さらに別の信号処理回路は、調整器の性能或いは熱出力 における偏差を検出し、先に得られた較正値と比較して、その結果、気体がどの 程度速く流れているかを決定する。 従って、気体の速度は、間接的に熱対流によって測定される。この測定は、必 要な一定温度を維持するために熱を上昇させることによって、補償されなければ ならない。この実施態様においては、ラップにより提供される絶縁は、十分に規 定された対流を可能にするために、それほど強力である必要はない。対流は、気 体がどれほど湿っているかにもある程度は依存するので、他の改変例においては 、相対湿度を考慮に入れることで測定が改善され得る。 以下、添付の図面を用いて、本発明を具体的に説明する。 図１は、気体の含水率決定計器の側面図である。 図２は、ある実施態様における、温度依存性抵抗器に接続された周辺機器のブ ロック図である。 図３は、別の実施態様における、温度依存性抵抗器に接続された周辺機器のブ ロック図である。 図４は、図３に示された回路において経時的に発生する電圧のグラフである。 図５は、容量性センサから得られる信号を処理する回路のブロック図である。 図１に示された計器は、一方の側に白金の温度依存性抵抗器12を備え、他の側 に容量性センサ14を備えた、熱伝導性の高いセラミックの平坦なベース10を有す る。電極16は容量性センサ14を通って延び、ベース10に直接に固定される。容量 性センサ14は、湿度とともに変化する比誘電率を持つ誘電体18も含有する。多孔 性で透湿性の他の電極20は、容量性センサ14の上に取り付けられる。この計器は 、第二の電極20を除いてラップ22で包まれている。ラップ22は熱絶縁体として機 能し、周囲への熱損失を低下させる。 図２は、温度依存性抵抗器に接続された周辺機器の第１の実施態様を示したブ ロック図である。これらの周辺機器は、エネルギー源24、信号処理回路26、及び 調整器28を含む。温度依存性抵抗器12は、測定ブリッジ30内に収納される。ブリ ッジの橋渡しブランチは、エネルギー源24から電流を供給される入力端子に接続 される。ブリッジの対角線は、信号処理回路26の入力端子に接続される。ブリッ ジの電圧は、温度依存性抵抗器12の抵抗の変動に従って変化する。信号処理回路 26は、容量性センサ14への熱結合によりセンサ14の温度によく一致する抵抗器12 の実際の温度を、ブリッジの電圧から決定する。 信号処理回路26の出力端子は、調整器28の入力端子に接続される。調整器28の 出力端子は、エネルギー源24を制御する。この特定の実施態様におけるエネルギ ー源24は、オン及びオフに切り換えられ、スイッチングされた定電圧のパルス対 ポーズ比により、熱出力を調整する。また、このエネルギー源は、制御ステージ によって制御されるパルス対ポーズ比を持つパルス発生器であることも可能であ る。 図３に示された周辺機器もまた、温度依存性抵抗器に接続される。これらは、 エネルギー源24が定電圧源であり、また一定振幅信号をエネルギー源24からの一 定電圧上に重畳するパルス発生器40を含む点で、図２に示された周辺機器とは異 なる。この状態は、図４の時間経過に伴う電圧のグラフから明らかである。可変 の定電圧成分及び一定の交流電圧成分からなる電圧は、測定ブリッジ30に供給さ れる。 信号処理回路26の入力端子は、測定ブリッジ30の対角線に接続される。信号処 理回路26は、パルス発生器40からの信号を復調する。復調された信号は温度依存 性抵抗器12の温度の測定値であり、エネルギー源24からの一定電圧の実際レベル からは独立している。温度依存性信号は、調整器28を用いて、エネルギー源24か らの一定電圧レベルを基準レベルに従って調整することができる。 信号処理回路26は、本実施態様において、ハイパスフィルタ42、下流整流器44 、及びローパスフィルタ46を有する。ハイパスフィルタ42は、一定電圧から交流 信号を分離する。ローパスフィルタ46から流れる交流電流に何が起こるかは、図 ４の中央のプロットから明らかである。整流器44からの信号は、図４の下側のプ ロットのパルスで表される。ローパスフィルタ46は、整流器44からのパルスを、 時間経過に伴う電圧を示す図４の下側のグラフにも示されるような、非常に一定 した定電圧に整形する。 ハイパスフィルタ42の代わりにバンドパスフィルタを用い、且つ整流器44の代 わりに同期復調器を用いることで、高周波干渉が防がれ得る。この同期復調器は 、パルス発生器40によって同期させられ得る。信号処理回路26はまた、耐干渉性 をより向上させる目的で、適切に小型化された構成部品と共に計器全体に組み込 まれることも可能である。エネルギー源から与えられて抵抗測定の向上に用いら れる基礎加熱は、測定に用いられる方形交流電流の振幅を減らすことにより、低 下させられ得る。 図５は、容量性センサ14の回路32のブロック図を示す。回路32は、非安定性フ リップ・フロップステージ34、単安定性フリップ・フロップステージ36、及び検 出器38を有する。容量性センサ14は、時刻決定コンポーネントとして、単安定性 フリップ・プロップステージ36に組み込まれる。フリップ・フロップステージ34 は、一定間隔で単安定性フリップ・フロップステージ36をトリガする。単安定性 フリップ・フロップステージ36は、容量性センサ14によって指示される間隔で安 定状態へと戻り、可変のパルス対ポーズ比を持つパルスが生じる。検出器38は、 パルス対ポーズ比からアナログ値を決定するローパスフィルタ、或いはデジタル タイマにさえなり得る。 高精度を得るためには、二点較正が完全に十分である。この目的のために、計 器は動作温度にまで加熱され、低湿度或いは高湿度に対する値が得られる。低い 方の点は乾燥空気で代表され得て、高い方の点は飽和塩水で代表され得る。 必要であればさらなる測定で確認され得るような、各較正点に典型的な湿度に 依存して、低い方の点と関連する結果が相対湿度約０％にされ、そして高い方の 点と関連する結果が相対湿度約90％とされ得る。その後、中間の値が、二点間の 直線補間によって確立され得る。非線形依存性の場合には、さらなる較正点を確 立し、テストで確認されなければならない。動作温度は、常に、テストされてい る特定の気体の凝結点より高くなければならない。 異なる気体或いは混合気体がテストされる場合、その較正は、気体に特異的で あり得る。そうでなければ、ある特定の気体に対して行われる較正は、気体に特 異的な補正値で修正され得る。 絶対湿度は、水蒸気の分圧を考慮に入れることにより、相対湿度から決定可能 である。これは、表又は計算によって行われ得て、それによって、相対湿度と絶 対湿度との間の関係が四次多項式で分圧からほぼシミュレートされ得る。 この計算は、処理回路に接続されたコンピュータで行うのが実用的である。同 じコンピュータが、気体が計器をどの程度速く通過しているかを決定するために 温度依存性抵抗器の熱出力を処理することに使用され得る。この値は、同時に決 定された湿度によって修正され得る。 本発明が適用される１つの実用分野は、医療である。例えば、患者の呼吸が機 械的に仲介されている場合、呼吸管が上側の気道まで延びて、鼻が通常の気候調 整作用を行うことを防ぐ。病院で中央供給源或いは吸収缶から得られた気体は、 水を実質的に含んでいないので、適切な加湿対策が取られなければならない。 呼吸用の気体が熱湿気交換器「人工鼻」を用いて加湿される場合、吸入気体と 排出気体との区別基準として、湿度の経験的な相違が利用され得る。 動作しているエアコンディショニング装置は、あるドーズの水を、リザーバか ら注入された空気に加える。このような装置が用いられる場合、本計器は、適切 な湿度レベルを調整するシステムに含まれ得る。この計器はまた、手動で調整さ れた湿度の監視に用いられ得る。 最後に、この適用ケースにおいては、気体の速度が、吸入と排出との区別基準 として、従って、吸入された空気と吐気された空気との間の湿度の差を明らかに する基準として、利用され得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュールツェ， トーマス ドイツ国 デー−37191 カトレンブルグ, サックシュトラーセ 13 (72)発明者 カーレ， ゲリット ドイツ国 デー−37081 ゲッティンゲン, ブラムヴァルドシュトラーセ ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 加熱素子及び温度プローブに熱的に結合された容量性センサ(14)と、該加 熱素子に接続されたエネルギー源(24)と、該容量性センサ(14)に接続された信号 処理回路(32)と、該温度プローブに接続された別の信号処理回路(26)と、からな る、気体の含水率を決定する計器であって、 該加熱素子及び該温度プローブが単一の温度依存性抵抗器(12)を備え、 該第２の信号処理回路(26)と該温度依存性抵抗器(12)と該エネルギー源(24)と が、該容量性センサ(14)の温度を一定に維持する調整回路を備え、 該第１の信号処理回路(32)は、同じ一定温度で予め決定された較正値から得ら れた気体の相対或いは絶対湿度の実際の値としての単一の変数を、該容量性セン サ(14)の容量に応じて補間或いは補外し、及び／或いは、水蒸気の分圧と共に、 該気体の絶対湿度をその相対湿度から決定するか或いはその相対湿度をその絶対 湿度から決定することを特徴とする、気体の含水率決定計器。 ２． 一方の面に前記容量性センサ(14)を有し、他の側に前記温度依存性抵抗 器(12)を有する、高熱伝導性のセラミックの平坦なベース(10)を含む、請求項１ に記載の計器。 ３． 前記容量性センサ(14)が取り付けられている前記側に、不連続で透湿性 であるが熱絶縁体として機能するラップ(22)を含む、請求項１または２に記載の 計器。 ４． 前記温度依存性抵抗器(12)が測定ブリッジ(30)内に収納され、 前記エネルギー源(24)が該ブリッジ(30)に接続されたパルス発生器であり、 前記第２の信号処理回路(26)の入力端子が該ブリッジの対角線に接続され、出 力端子が該パルス発生器のパルス対ポーズ比を調整する調整器(28)に接続されて いることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の計器。 ５． 前記温度依存性抵抗器(12)が測定ブリッジ(30)中に含まれ、 前記エネルギー源(24)が直流電圧源或いは直流電流源であり、 パルス発生器(40)が該測定ブリッジ(30)に接続され、一定振幅信号を該エネル ギー源(24)からの直流電圧或いは直流電流の上に重畳し、 前記第２の信号処理回路(26)が該パルス発生器(40)からの信号を復調し、それ によって、該第２の信号処理回路の入力端子が該ブリッジの対角線に接続され、 且つ出力端子が該エネルギー源(24)からの直流電圧或いは直流電流を制限する調 整器(28)に接続されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載 の計器。 ６． 前記第１の信号処理回路(32)がパルス発生器を有し、 前記容量性センサ(14)がタイミングステージを構成し、パルス周波数或いはパ ルス対ポーズ比のいずれかが測定されることを特徴とする、請求項１から５のい ずれかに記載の計器。 ７． 前記調整器(28)の性能或いは熱出力における変動を検出し、それらを予 め得られた較正値と比較し、それによって前記気体がどれだけ速く流れているか を決定する、第３の信号処理回路を特徴とする、請求項１から６のいずれかに記 載の計器。 ８． 前記第３の信号処理回路が前記第１の信号処理回路(32)に結合され、 前記気体がどれだけ速く流れているかを決定する際に、該第１の信号処理回路 (32)の値を修正することを特徴とする、請求項７に記載の計器。 ９． 加熱素子及び温度プローブに熱的に結合された容量性センサ(14)からな る計器によって気体の含水率を決定する方法であって、 該容量性センサ(14)が凝結点より高い一定温度で維持され、 相対或いは絶対湿度の値が、含水率に依存する該容量性センサ(14)の容量から 決定され、且つ同じ温度で予め決定された較正値の補間或いは補外によって構成 され、及び／又は、水蒸気の分圧と共に、該気体の該絶対或いは相対湿度が該気 体の相対或いは絶対湿度から決定されることを特徴とする、気体の含水率の決定 方法。 10． 前記気体の流速が前記加熱素子の熱出力を決定することによって決定さ れることを特徴とする、請求項９に記載の方法。 11． 前記気体の流速を表す値が、湿度についての経験的な値を考慮に入れる ことで修正されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。