JP2013228230A - 湿度計測装置および湿度計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】気相温度センサ12と、水中温度センサ14と、温度測定器20と、圧力センサ16と、圧力測定器30と、導電率センサ18と、導電率測定器40とを備えた湿度計測装置10であって、気相温度および圧力における飽和水蒸気分圧と、水中温度および圧力における飽和水蒸気圧と、導電率に基づいて求めた塩分による蒸気圧降下比とを入力変数とし、相対湿度を出力変数とする相対湿度推定式に基づいて、計測対象空間4の相対湿度を計測するようにする。
【選択図】図1
Description
空気の水蒸気を吸収剤で吸収・反応させ、吸収剤の質量、または、電解電気量、または、カールフィッシャー試薬滴定により、水蒸気量を測定する方法で次の3種類がある。
1)ひょう量式吸収法
2)電解式湿度計(五酸化りん)
3)カールフィッシャー湿度測定装置
水で湿らせた温度計の感温部は、周辺空気から流入する熱量と、表面からの蒸発潜熱による流出熱量が平衡した温度を示す。また、感温部が露点温度になると結露して平衡した温度を示す。一方、塩の飽和水溶液の水蒸気雰囲気にある感温部は、その水蒸気圧に平衡した温度を示す。以上のように、空気との熱力学的平衡温度を測定する方法で次の9種類がある。
1.1)定圧冷却式
・鏡面冷却露点計
・α線式露点計
・水晶振動子露点計
1.2)定圧加熱式
・塩化リチウム露点計
1.3)定積冷却式
・定積冷却露点計
1.4)定積脱湿式
・ニューマチック・ブリッジ湿度計
1.5)定積加湿式
・加水露点計
2)水蒸気圧法
・通風乾湿計
・乾湿計
空気の物性は、水蒸気量により、紫外線・赤外線・マイクロ波領域において電磁波の吸収量が固有の値となる。また、蛍光量、熱伝導率、屈折率、超音波伝搬速度なども同様である。以上のように、空気の物性測定により水蒸気量を測定する方法で次の6種類がある。
・熱伝導率式湿度計
2)電磁波吸収法
・紫外線(ライマンα/OH蛍光)湿度計
・赤外線(吸収)湿度計
・マイクロ波湿度計(誘電体共鳴器の損失)
3)音波速度法
・超音波湿度計
4)酸素濃度法
・濃淡電池(ジルコニア)式湿度計
空気中の水蒸気を吸湿した物質の力学的性質・電気的性質・光学的性質は、水蒸気量により固有の値となる。以上のように、吸湿性物質の物性測定により水蒸気量を測定する方法で次の10種類がある。
・塩化リチウム電気抵抗式湿度計
・高分子電気抵抗式湿度計
・高分子電気容量式湿度計
・セラミックス電気抵抗式湿度計
・酸化アルミニウム皮膜湿度計
2)伸長率法
・伸縮式湿度計(毛髪、ナイロン、ゴールドビータースキン)
・バイメタル式湿度計
3)限界電流法
・限界電流式湿度計
4)色変化法
・塩化コバルト湿度計
5)弾性表面波伝搬速度法
・弾性表面波湿度計(圧電性材料の表面弾性波の伝搬)
図2は、大深度地下構造物の気密試験で従来用いている湿度計測装置の概略構成を示したものである。図2に示すように、大深度地下構造物2内の計測対象空間4の気相部Aに気相温度センサ6a、圧力センサ6c、湿度センサ6dを配置し、水中部Wに水中温度センサ6bを配置し、伝送ケーブル7a〜7dを介して地上計測室の温度測定器8a、圧力測定器8b、湿度測定器8cと電気的に接続する。
高圧空気の湿度測定が可能な既製品がないため、従来の大深度地下構造物の気密試験においては、上記1)の長距離信号伝送が可能な機種(大気圧用)の湿度計を使用していたが、その精度は不明であり信頼性の面で問題がある。
大深度地下構造物内の湿度は95[%rh]以上になるので、従来の一般の湿度計では測定不能である。また、仮に高圧空気下で長距離信号伝送可能な大気圧用の湿度計を使用する場合、大気圧状態でも次のa)、b)に示すような精度面(非直線性、ヒステリシス、繰り返し性を含む)での問題がある。
b)相対湿度が90[%rh]以上、100[%rh]未満の場合:精度1.7〜6[%rh]程度
これは、湿度センサを数分間加熱して、周辺空気中の化学物質を蒸発させる動作である。周辺温度が復旧するまでに数分間(例えば約6分間)を要する。この動作は通常、所定時間ごと(例えば約12時間ごと)に繰り返される。
これは、相対湿度が所定値を超えると、湿度センサを所定温度で所定時間加熱する動作である。例えば、相対湿度が95[%rh]を超えた場合に、100℃で30秒加熱するといった動作が行われる。
まず、本発明に係る湿度計測装置の構成について説明する。
次に、本発明による湿度計測原理を説明する。
本発明においては、大深度地下構造物内の高圧空気の全圧、地下水の塩分、温度測定値から、次式(1)の「相対湿度推定式」により、相対湿度ψを演算する。
ψ;「相対湿度推定式」による計測対象空間内の相対湿度[%rh]
pws_a;気相温度と気相圧における飽和水蒸気分圧[kPa]
pws_a=pws0_a・fs_a
pws_w;水中温度と気相圧における飽和水蒸気圧[kPa]
pws_w=pws0_w・fs_w
後掲の飽和水蒸気圧の基本式(2)のpws0とTをpws0_aとT_aに置き換えて計算したもの
pws_w;水中温度と標準大気圧における飽和水蒸気圧[kPa]
後掲の飽和水蒸気圧の基本式(2)のpws0とTをpws0_wとT_wに置き換えて計算したもの
fs_a;気相温度と気相圧におけるenhancement factor
後掲のenhancement factorの基本式(3)のfsとtとpws0を、fs_aとt_aとpws0_aに置き換える。
fs_w;水中温度と気相圧におけるenhancement factor
後掲のenhancement factorの基本式(3)のfsとtとpws0を、fs_wとt_wとpws0_wに置き換える。
T_a;気相温度の測定値[K]
t_w;水中温度の測定値[℃]
T_w;水中温度の測定値[K]
k;塩分による蒸気圧降下を考慮した下式のSverdrup(1952)の式における常数。k=0.000537
(出典:湿球温度計に付着する塩分の影響、日本気象学会機関誌「天気」1978−01、佐橋謙)
Es(θ);温度θの海水における飽和水蒸気圧[kPa]
Es(θ)=(1−kS)Ep(θ)
Ep(θ);温度θの淡水における飽和水蒸気圧[kPa]
実用塩分は、「海洋観測指針(第1部)(気象庁)」によると、1気圧、15℃、におけるKCl標準溶液(1kg中に32.4356gのKClを含んだ水溶液)との電気伝導度比によって定義(UNESCO 1981)されている。以下に、その定義式を示す。
△S={(T−15)/(1+0.0162(T−15))}(0.0005−0.0056RT 0.5−0.0066RT−0.0375RT 1.5+0.0636RT 2−0.0144RT 2.5)
Rp=1+(2.070×10−4p−6.370×10−8p2
+3.989×10−12p3)
/{1+3.426×10−2T+4.464×10−4T2
+(4.215×10−1−3.107×10−3T)R}
+1.104259×10−4T2−6.9698×10−7T3
+1.0031×10−9T4
T=1.00024TM
σM15;σM25の15℃換算値である。一般の導電率計の電気伝導度測定値は、25℃換算値として出力されるので、次式により15℃に換算する。
σM15=σM25={1+0.02(t−25)}
Rp;1気圧の海水に対して、同一温度、塩分で圧力が異なる現場海水の電気伝導度比
p;1気圧(大気圧)をp=0[bar]とした海面下の圧力
p=(PM−P0)/P0[bar]
rT;1気圧、15℃のKCl標準溶液に対して、同一圧力、塩分で温度が異なる現場海水の電気伝導度比
T;海水状態方程式の採用年(1981)において使用された定義の現場水温℃(IPTS−68)
TM;近年使用されている1990年国際温度目盛により測定された現場水温℃(PTS−90)
次に、飽和水蒸気圧の基本式を提示する。
+0.13914993×10−0.48640239×10−1T
+0.41764768×10−4T2−0.14452093×10−7T3
+0.65459673×10・ln(T) ・・・式(2)
t;気温 0.01≦t≦200[℃]
次に、enhancement factorの基本式を提示する。
+0.00000026168979×t2
+0.0000000085813609×t3)×(1−pws0/pp)
+exp(−10.7588+0.063268134×t
−0.00025368934×t2
+0.00000063405286×t3)×(pp/pws0−1)]
・・・式(3)
(出典:ITS−90 FORMULATIONS FOR VAPOR PRESSURE,FROSTPOINT TEMPERATURE,DEWPOINT TEMPERATURE,AND ENHANCEMENT FACTORS IN THE RANGE
−100TO+100C,Bob Hardy,As published in The Proceedings of the Third International Symposium on Humidity & Moisture,Teddington,London,England,April 1998)
次に、本発明の「相対湿度推定式」による湿度計測精度の検証について説明する。この検証は、2007年11月に実施した大深度地下構造物の気密試験の観測データ(温度、圧力、導電率の各測定値)を用いて、本発明の「相対湿度推定式」にて相対湿度を計算し、この計算結果と観測データ(従来の湿度計による湿度測定値)とを比較することにより行ったものである。
4 計測対象空間
10 湿度計測装置
12 気相温度センサ
14 水中温度センサ
16 圧力センサ
18 導電率センサ
20 温度測定器
30 圧力測定器
40 導電率測定器
50 演算処理部
22,24,32,42 伝送ケーブル
A 気相部
W 水中部
GL 地面
Claims (2)
- 計測対象空間の気相部の温度を検知する気相温度センサと、前記計測対象空間に存在する水中部の温度を検知する水中温度センサと、前記温度センサによる検知信号を受信して気相温度および水中温度を測定する温度測定器と、
前記気相部の圧力を検知する圧力センサと、前記圧力センサによる検知信号を受信して圧力を測定する圧力測定器と、
前記水中部の導電率を検知する導電率センサと、前記導電率センサによる検知信号を受信して導電率を測定する導電率測定器とを備えた湿度計測装置であって、
前記温度測定器で測定された気相温度および前記圧力測定器で測定された圧力における飽和水蒸気分圧と、前記温度測定器で測定された水中温度および前記圧力測定器で測定された圧力における飽和水蒸気圧と、前記導電率測定器で測定された導電率に基づいて求めた塩分による蒸気圧降下比とを入力変数とし、前記計測対象空間の相対湿度を出力変数とする相対湿度推定式に基づいて、前記計測対象空間の相対湿度を計測することを特徴とする湿度計測装置。 - 計測対象空間の気相部の温度を検知する気相温度センサと、前記計測対象空間に存在する水中部の温度を検知する水中温度センサと、前記温度センサによる検知信号を受信して気相温度および水中温度を測定する温度測定器と、
前記気相部の圧力を検知する圧力センサと、前記圧力センサによる検知信号を受信して圧力を測定する圧力測定器と、
前記水中部の導電率を検知する導電率センサと、前記導電率センサによる検知信号を受信して導電率を測定する導電率測定器とを用いた湿度計測方法であって、
前記温度測定器で測定された気相温度および前記圧力測定器で測定された圧力における飽和水蒸気分圧と、前記温度測定器で測定された水中温度および前記圧力測定器で測定された圧力における飽和水蒸気圧と、前記導電率測定器で測定された導電率に基づいて求めた塩分による蒸気圧降下比とを入力変数とし、前記計測対象空間の相対湿度を出力変数とする相対湿度推定式に基づいて、前記計測対象空間の相対湿度を計測することを特徴とする湿度計測方法。
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