JP2001242145A

JP2001242145A - 湿度計

Info

Publication number: JP2001242145A
Application number: JP2001026440A
Authority: JP
Inventors: Haruo Matsushima; 治男松島
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は湿度計に関するもので、取り扱いや
すく、精度の高いものを提供することを目的とする。【解決手段】２つの中空体１１と、２つの音波発振素
子２１と、２つの音波受信素子２２とからなる湿度セン
サーと、発振器３１と、位相差検出器３４と、表示装置
３５とを有し、２つの音波発振素子２１に発振器３１の
出力を接続し、２つの音波受信素子２２の各々の出力を
位相差検出器３４の２つの入力に接続し、位相差検出器
３４の出力を表示装置３５に接続した。これにより、従
来の通風乾燥球湿度計に比して、（１）短時間で測定可
能、（２）水の補給が不要で取り扱いが簡便、（３）遠
隔測定ができ、かつ、自動記録が可能等の利点を有する
ことができると共に、発生する位相差を表示装置３５に
表示することにより、信頼できる湿度計とすることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は湿度センサーおよびに湿
度計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＪＩＳＺ８８０６湿度測定方法に記
載されている様に、湿度計は測定精度の良いものとして
はアスマン通風乾燥球湿度計および気象庁形通風乾湿球
湿度形があるが、これらはともにの水の補給が必要で
あり、連続記録ができない、遠隔測定ができない、
さらに自動制御に使用できないといった欠点があっ
た。これに対し抵抗湿度計式の湿度計は水の補給の問題
が未解決であるだけでなく、ＪＩＳ−Ｚ８８０６の解説
に記載のごとく校正しないと使用できず、従って湿度の
絶対測定はできない。

【０００３】また、筒便型としてはバイメタル式、種々
の材質が湿気を吸着した時の変化……伸び、電気抵抗、
静電容量、高周波に対する吸収などを測定する方法があ
るが、湿気の吸着現象は必然的に経時変化を伴うもので
あり、信頼できる湿度測定はできない。

【０００４】一方、湿度により音速が変化する事は古く
から知られており、理科年表にも水蒸気圧と音速の変化
の式が記載されているが、この信頼できる物理変化もそ
の変化量が非常に小さいため（例えば２０℃において湿
度が０％から１００％まで変化しても音速の変化はわず
か０.3７％程であるのに対し、温度が２℃変化すれば同
程度の音速変化が表われる。）にこれを湿度計に利用し
た例は見あたらない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術で述べ
た『信頼できる湿度計』の欠点である１．水の補給の問題を解決する２．連続記録、遠隔記録および自動制御を可能にする３．これらの欠点を解消するため従来利用できなかった
『小さな音速の変化』を利用するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】２つの中空体と、２つの
音波発振素子と、２つの音波受信素子とからなり、中空
体は薄いアルミ板等の小熱容量の熱伝導体からなり、各
々の中空体には音波発振素子と音波受信素子とを一定の
距離を隔てて対向せしめると共に内側壁に吸音材を設
け、一方の中空体には既知の湿度量を有する空気を封入
し、他方の中空体は通気用小孔をあけ、両方の中空体を
近接せしめた構成の湿度センサーと、発振器と、位相差
検出器と表示装置とを有し、２つの音波発振素子に、一
つの発振器の出力を接続し、２つの音波受信素子の各々
の出力を位相差検出器の２つの入力に接続し、出力を表
示装置に接続する構成としたものである。

【０００７】

【作用】本発明は上記構成により、以下の作用を有す
る。

【０００８】一つの発振器の出力を２つの音波発振素子
に接続するため、この２つの音波発振素子は基本的に同
一周波数同一位相の音波を発生する。２つの中空体の一
方には乾燥空気等の既知の湿度量を含む空気が封入さ
れ、他方には中空体に通気用小孔があけられているので
この中には外気が侵入し、発生した音波はこの空気中を
進む。一定の距離を進むと音波受信素子があり、電気信
号に変換される。この２つの中空体に充満している空気
の湿度量の差により到達時間にわずかの差が生じ、それ
が電気信号の位相の差となる。この位相差を有する２つ
の音波受信素子の出力が位相差検出器に入力され、位相
差に対応した出力が生じる。

【０００９】また、中空体の内側壁に薄い吸音体を設け
たので、側壁で反射する音波が吸収され、音波受信素子
に到達する音波は音波発振素子から発せられた直接波の
みとなり、不要な信号が混入することを防止する。

【００１０】２つの中空体はアルミ薄板などの小熱容量
熱伝導体で構成され、かつ近接して設けられているので
両者の内部の空気の温度は同一であり、温度差に基づく
位相差の誤差を除くことができる。

【００１１】そして上記に記述した原理により、発生す
る位相差を表示装置に表示することにより、湿度計とす
ることができる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の湿度センサーの一実施例の斜
視図およびそのＡ−Ａ′断面図である。

【００１３】中空体１１は薄いアルミ製のパイプであ
り、同一寸法のものを２個用いる。但し、一方のみに小
孔１２をあけておく。パイプの両端は転造によりネジを
形成する。一端は右ネジ１３、他端は左ネジ１４とす
る。この右ネジ１３に嵌合する外形形状を有するプラス
チック製のホルダー１６は、一方に円筒の凹所、他方に
は俗に言うＤカット１７を施す。但しＤカットを円対称
の位置にも施し、ＤではなくＯに近い形状となる。この
Ｏカット部分には２つの細長い丸穴１８を前記凹所に貫
通させる。円形凹所には超音波発振素子２１を挿入し、
超音波発振素子の２本のリード線は前述の丸穴１８に挿
入する。図１においてはこのリード線の先端には何も接
続されていないがこれは煩雑になる事をさけ、理解を容
易にするためであり、実際には電線が接続される。電線
を接続した後に丸穴１８はエポキシ樹脂等の接着剤で封
止される。

【００１４】ホルダー１９は外形形状が左ネジである事
を除いてホルダー１６と同一である。円形の凹所には超
音波受信素子２２を挿入固定する。

【００１５】中空体１１の中（内側）には発泡ポリウレ
タン製の吸音体２３を入れる。吸音体は厚さ１／２ｍｍ
程の長方形の板を丸めて中空体内に挿入する。

【００１６】各々の超音波発振素子２１と超音波受信素
子２２とを固定した状態のホルダー１６およびホルダー
１９は中空体１１の両端より回転させながら挿入する
が、この操作はマイナス５０〜６０℃の低温下で行う。
つまりパイプの両端に形成したネジ（メネジ）１３およ
び１４と、これに嵌合するホルダー１６および１９に形
成されたネジ（オネジ）の寸法はこの程度の低温にて支
障なく回転可能な程度に接近した値としておく。またこ
の程度の低温においては空気中に含まれる水蒸気量は非
常に小さく、乾燥空気とみなせる。低温下にて回転挿入
した後、ゆるやかに温度を上昇させ、常温にもどす。良
く知られる様に、一般にプラスチックの熱膨張率は金属
のそれより大きいので、常温にもどった時、プラスチッ
ク製のホルダーは熱膨張して中空体を内側から圧迫し、
中空体とホルダーとの機械的固定および密封の役目をは
たす。しかし密封の良否は湿度測定の精度を左右するの
で、これだけにたよる事なく、接着剤塗布等の二重対策
を施しておく。

【００１７】常温、乾燥空気中で回転挿入を行っても良
いが、この場合はネジの寸法は常温でスムーズに回転す
る程度にすると共に、固定および密封をより厳重に行う
必要がある。

【００１８】金属製のバンド２４および小ネジ２５を２
組用い、中空体１１を２つ、小孔１２がないものとある
ものを固定する。

【００１９】図２は本発明の湿度計の回路図および各部
の電圧波形である。

【００２０】発振器３１は４０ＫＨｚの正弦波を発生さ
せ、この出力は２つの音波発振素子２１を並列接続した
ものに加えられる。小孔１２のあいた中空体１１および
あかない中空体１１を介して対向して設けられた２つの
音波受信素子２２の受信出力はコンパレーター３２に加
えられる。コンパレーター３２の出力は排他的理論和素
子３３に加えられる。これらコンパレーター（ゼロクロ
スディテクター）３２と排他的論理和素子（エクスクル
ーシグオアゲート）３３とで位相差検出器３４を構成す
る。つまり超音波受信素子２２の出力は位相差検出器３
４の２つの入力に接続される。

【００２１】位相差検出器３４の出力は表示装置３５に
接続される。表示装置３５は抵抗３６とコンデンサ３７
の積分回路、増幅器３８およびメーター３９とからな
る。

【００２２】図３は本発明一実施例の湿度計の斜視図お
よびそのＢ−Ｂ′断面図である。

【００２３】薄い板金製の箱４１の正面にはメータ３９
が設けられ、内部には図１に示した湿度センサー５１
（湿度センサー全体……図１で表わした範囲……５１番
とする。）が設けられ、この湿度センサーの下側、箱４
１の底面にはファン４２が設けられる。図２で示した電
子回路は図３では省略する。またファン４２の電気接続
および電源コード等も図２、図３には示さない。

【００２４】図２にもどり、各部の電圧波形に基づいて
動作説明を行う。

【００２５】発振器３１で発生した４０ＫＨｚ正弦波が
音波発振素子２１に加えられると４０ＫＨｚの音波が発
生し、中空体１１の中部に充満した空気中を伝達して音
波受信素子２２に達する。２つの中空体１１のうち、小
孔１２のない方は乾燥空気が充満しているので、例えば
気温が２５℃、音波発振素子２１と音波受信素子２２と
の間の距離を１０ｃｍと仮定すると約２８８マイクロ秒
で伝わる。これに対し、小孔１２のあいた中空体内部に
相対温度５０％程の空気が充満しているとこれより約
０．７マイクロ秒早く伝わる。乾燥空気中を伝わって音
波受信素子に到達しこの素子に発生した電圧をｖ1 、湿
度５０％の湿度中を伝わった電圧をｖ2 とするとｖ2 の
位相が若干進んでいる。

【００２６】周波数４０ＫＨｚであるから１サイクルの
時間は２５マイクロ秒、半サイクルは１２.5マイクロ秒
である。従って半サイクルの時間に対し、５〜６％の時
間差が生じたわけである。これらｖ1 およびｖ2 電圧が
ＣＭＯＳのコンパレーター３２に加えられると各々ｖ3
、ｖ4 の波形となる。ＣＭＯＳでなく、ＴＴＬ等の入
力インピーダンスの低いコンパレーターを用いると波形
が歪み、正確なゼロクロスを検出しない。またＣＭＯＳ
であっても正負両電源を用いずに例えば＋５Ｖだけの電
源で動作させるとこれも波形が歪み、ゼロクロスを検知
しない。ｖ3 、ｖ4 の矩形波の幅は理想的には１２.5マ
イクロ秒である。この２つの矩形波ｖ3 およびｖ4 が排
他的理論和素子３３に加えられるとｖ3 とｖ4 との異な
った部分のみに対応したパルス幅の矩形波ｖ5 が生じ
る。ｖ5 の幅は理想的には前述の０.7マイクロ秒であ
る。これを積分回路を通すとｖ6 の波形となる。これを
増幅器３８を通し、メータ３９を振らせるわけである。
ｖ6 の電圧値は理想的には０.7／１２.5倍にされた『素
子３３の出力電圧』となる。

【００２７】理科年表に記載された湿気中の音速を表す
式は（数１）であり、気圧Ｈの空気中に圧力Ｐの水蒸気
がある時の音速Ｃｗを同温度における乾燥空気中の音速
Ｃより求めるものであり、γｗは水蒸気の定圧比熱と定
容比熱の比、γａは乾燥空気における同様の比である。

【００２８】

【数１】

【００２９】これに化学便覧に記載されている水蒸気分
圧Ｐ〔ｍｍＨｇ〕と絶対湿度ｆ〔ｇ／ｍ3〕の式Ｐ＝０.9４５｛１＋０.0０３６７ｔ｝ｆここでｔは気湿〔℃〕を代入して２５℃における絶対湿
度と距離１０ｃｍにおける遅れ時間を計算すると（表
１）の様になる。

【００３０】

【表１】

【００３１】本実施例で用いた排他的論理和素子におい
ては＋５Ｖ電源を用いた時の出力電圧は５Ｖであるか
ら、表１の値に５／１２.5をかけた値の電圧が図２のｖ
6 として得られるわけである。従って本湿度計は絶対湿
度を表示する。湿度が異なる場合は電圧値は変化する
が、同様に計算すると例えば４ｇ／ｍ3 の絶対湿度にお
ける０℃、２５℃、５０℃の遅れ時間を計算すると０℃
−０．２４μｓｅｃ、２５℃−０．２６μｓｅｃ、５０
℃−０．２６μｓｅｃであり、非常に小さいのでメータ
３９には２５℃における値を目盛っておき、必要に応じ
温度補正すれば実用上無視できるレベルとも考えられ
る。

【００３２】以上述べた様に本発明の構成により絶対湿
度計が実現できるわけであるが、二三補足すると、ま
ず、以上述べた内容は２つの中空体１１の中の空気温が
等しいとの前提に基づいており、これがくずれると大き
な誤差を生じる。従って熱的には２つの中空体は同一に
すべく、小孔１２はできるだけ小さな穴径とし、これ以
外は全く同一の形状、寸法とし、かつ外気温が中空体内
に伝わりやすくするため中空体は薄いアルミ板（ビール
やジュースの缶程度）で構成し、その上、２つの中空体
を金属製のバンド２４で接触させ、固定せしめている。
つまり仮に２つの中空体の温度が異なった場合、接触部
分から熱が伝わり、時間とともに等しくなっていく。

【００３３】さらに図３の湿度計の例においては、湿度
センサー５１の下部にファン４２を設け、これによりセ
ンサーに強制的に風を当てて外気と中空体内部との差お
よび２つの中空体内部間の差を縮めている。

【００３４】但し中空体内部に風が入ると音波の伝達が
乱されて出力波形がふらつく。小孔１２の部分には発泡
ポリウレタン製の吸音体２３があるので風の侵入を防ぐ
効果があるが完全ではない。風に対しては小孔１２の大
きさ、吸音材の厚さおよび密度およびセンサーに当てる
風の強さ等の設計的な要因を追求すべきであり、ここで
は以上述べるにとどめる。

【００３５】温度と共に重要な意味を持つのが音波の発
振および受信素子間の距離である。乾燥空気の入った中
空体と、外気が小孔１２から侵入する中空体との間で距
離に差があればその差の分だけ出力電圧（図２のｖ6 ）
が偏ってしまう。例えば１０ｃｍに対して０．１ｍｍの
差があると約０．３マイクロ秒の差となって表われる。
従って表１から約５ｇ／ｍ3 の湿度量に相当する。本発
明においては２つの中空体における音波の発振および受
信素子間距離の差をなくすための調整作業の容易さに配
慮している。

【００３６】図４はこの距離調整作業の方法を示す斜視
図である。両端をＵ字状に切欠かれた厚さ２ｍｍ程度の
板金をコの字状に直角に曲げた治具に、ホルダー１６お
よび１９のＤカットされたＯ字状部分を前記Ｕ字状切欠
部に嵌合する様に挿入した後、中空体を左回転または右
回転させると２つのホルダー１６および１９の間隔が回
転の方向に応じて広がったり狭ばまったりする。この
時、ホルダー１６および１９は回転しない。従って音波
発振および音波受信各々の素子に電線を接続してあって
もよじられる事がなく、通電状態での距離調節が容易で
ある。図２の回路に組込み、動作させ、ｖ6 の電圧がゼ
ロまたは極小になる様中空体を左または右に回転させれ
ば良い。

【００３７】表示装置として実施例ではメータ３９を用
いたが、液晶、蛍光表示管等のデジタル表示に置き換え
る事は容易であり、またサーミスタや熱電対等の温度セ
ンサーと組合わせ、コンピュータに入力し、温度補正後
に表示することも現在の技術においては容易である。

【００３８】また音速は気圧の平方根に比例するので２
つの中空体の中の気圧に差があるとこれも大きな誤差を
生ずるので両者の気圧を等しくする必要がある。小孔１
２のあいた方は外気と等しくなるが、乾燥空気が封入さ
れた方は壁面の一部分をゴム等の薄い弾性体で置き換え
る事により内部の気圧を外気と等しく保つ。

【００３９】さて本発明の湿度計の利点は第１には短時
間で測定できることである。正確な測定が可能な通風乾
湿球湿度計では約１０分の測定時間が必要とされるから
１０分の間に湿度が変化する場合、例えば人の出入のあ
る空調された室内などでは正確な測定が不可能である。
その点、本発明によれば最小３００マイクロ秒程あれば
理論的には測定可能であり、実際にも一秒程度で測定で
きる。

【００４０】第２には測定精度が高い事である。本実施
例においては最も単純、簡便なものを用いたが、位相差
検出器３４に高精度のものを用いればそれだけ測定精度
が向上する。湿度と音速の関係は、通風乾湿球湿度計に
用いられている湿度と蒸発量およびそれによってうばわ
れる熱量との関係に対し、本質的な精度の差、再現性の
差があるとは考えられないからである。

【００４１】第３には低湿時の測定に有利な事である。
通風乾湿球湿度計は少量と言えども測定のために水を放
出するので大気中の測定であるならばさほど問題にはな
らないが、限られた空間内であれば、１０分間も水を放
出すると空間内の湿度を上昇させてしまう。また水の放
出があるがために水の補給という手間ひまが必要となる
のである。

【００４２】これに対し本発明の湿度計においては全く
水放出がなく、湿度の限られた空間内においても測定器
による誤差は生じない。もち論、水の補給も全く不必要
である。

【００４３】第４には従来例で述べた様に、自動記録、
遠隔測定が可能であり、自動制御にも使用可能である。

【００４４】第５には本湿度計は本質的な経年変化はな
い。つまり発振器の振幅、音波発振素子の発振効率、音
波受信素子の受信効率などが変化しても出力には影響し
ない。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明の湿度センサーおよ
び湿度計によれば、次の効果が得られる。

【００４６】請求項１に対して、湿度と音速という基本
的物理量を用いた湿度センサーおよび湿度計が実現でき
る。特に、等距離に置かれた２つの音波発振素子と音波
受信素子間の伝達時間の差を取り立す事により微少変化
を利用可能にし、精度、信頼性の高い、かつ水の補給等
の保守不要で遠隔測定、自動記録なども可能な湿度セン
サーおよび湿度計が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の湿度センサーの斜視図およびＡ−Ａ′
断面図

【図２】本発明の湿度計の回路図およびその各部の電圧
波形図

【図３】本発明の湿度計の斜視図およびＢ−Ｂ′断面図

【図４】湿度センサーの２つの音波素子間距離の調節方
法を示す斜視図

【符号の説明】

１１中空体１２小孔１３右ネジ１４左ネジ２１音波発振素子２２音波受信素子２３吸音体３１発振器３３排他的論理和素子３４位相差検出器３５表示装置

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年２月１４日（２００１．２．１
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】湿度計

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は湿度計に関するものであ
る。

【０００２】

【０００５】

【０００６】

【課題を解決するための手段】２つの中空体と２つの音
波発振素子と２つの音波受信素子とからなる湿度センサ
ーと、センサー強制通風ファンとを有し、各々の中空体
には音波発振素子と音波受信素子とを一定の距離を隔て
て対向せしめると共に、内側壁に吸音材を設け、一方の
中空体には既知の湿度量を有する空気を封入し、他方の
中空体は通気用小孔をあけ、両方の中空体を近接せしめ
た構成としたものである。

【０００７】

【作用】本発明は上記構成により、以下の作用を有す
る。

【０００８】２つの中空体の一方には乾燥空気等の既知
の湿度量を含む空気が封入され、他方には中空体に通気
用小孔があけられているのでこの中には外気が侵入し、
発生した音波はこの空気中を進む。一定の距離を進むと
音波受信素子があり、電気信号に変換される。この２つ
の中空体に充満している空気の湿度量の差により到達時
間にわずかの差が生じ、それが電気信号の位相の差とな
る。

【０００９】また、中空体の内側壁に吸音体を設けたの
で、側壁で反射する音波が吸収され、音波受信素子に到
達する音波は音波発振素子から発せられた直接波のみと
なり、不要な信号が混入することを防止する。

【００１０】２つの中空体は近接して設けられているの
で両者の内部の空気の温度は同一であり、温度差に基づ
く位相差の誤差を除くことができる。