JP2016017889A - 湿度センサおよびそのキャリブレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な湿度−出力電圧特性の補正を、簡素な構成により行うことのできる湿度センサのキャリブレーションシステムを提供する。
【解決手段】このシステムは、感湿素子を有する湿度センサと、湿度センサの素子温度を検出する感温素子と、槽内に収容した湿度センサを所定の温度および湿度環境下に置くことのできる調整槽と、制御部とを備える。
制御部は、素子温度と槽内温度と槽内湿度と、に基づいて真の相対湿度を算出し、真の相対湿度に対して感湿素子の出力電圧の校正を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度による測定誤差を抑制した湿度センサおよびそのキャリブレーションシステムに関する。

相対湿度は飽和水蒸気圧に対する水蒸気圧で定義される。言い換えれば、相対湿度は飽和水蒸気量に対する空気中の水蒸気量である。飽和水蒸気量は温度に依存するため、空気中の水蒸気量を測定できたとしても、温度が確定しなければ相対湿度を一意に決めることはできない。

そこで、一般的に知られた湿度センサにおいては、相対湿度に対応する出力値（電圧値）を補正することが行われている。特許文献１に開示された湿度センサでは、感温素子であるサーミスタが配線上に形成されている。これにより、温度による湿度の依存性を排除して、所定の温度における湿度を正確に測定できるようになっている。

特開平１１−１０１７６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の湿度センサは、感湿素子部を含む湿度センサのパッケージ内にサーミスタを複数形成しなければならない。また、この湿度センサでは、湿度−出力電圧特性の補正をリアルタイムで行うため、湿度−出力電圧特性を補正する種々の手段をパッケージ内外に設けなればならない。このため、湿度センサを構成する部分のレイアウト面積が肥大化してしまう虞がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、高精度な湿度−出力電圧特性の補正を、簡素な構成により行うことのできる湿度センサのキャリブレーションシステムを提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、感湿素子（２１ａ）と、該感湿素子を収容する筐体（２１ｂ）と、を有する湿度センサ（２１）と、湿度センサの温度を検出する感温素子（２２）と、槽内温度計（１１）および槽内湿度計（１２）を有し、槽内に収容した湿度センサを所定の温度および湿度環境下に置くことのできる調整槽（１０）と、感温素子が検出する素子温度（Ｔｅ）と、槽内温度計が検出する槽内温度（Ｔａ）と、槽内湿度計が検出する槽内の相対湿度である槽内湿度（Ｈａ）とが入力される制御部（３０）と、を備え、湿度センサおよび感温素子は、熱源となる素子群（２３）が実装されるプリント基板（２４）に実装され、感湿素子および感温素子は、プリント基板に実装された状態で調整槽内に収容され、制御部は、素子温度、槽内温度および槽内湿度に基づいて真の相対湿度（Ｈｅ）を算出し、真の相対湿度に対して感湿素子の出力電圧（Ｖ）の校正を行うことを特徴としている。

これによれば、感湿素子の出力電圧の校正において、湿度センサの温度を検出する感温素子による素子温度を参照するので、感湿素子の正確な温度下で校正を行うことができる。つまり、感温素子の自己発熱による影響を加味したうえで校正を行うことができる。また、この校正は制御部により実行されるが、制御部は必ずしも湿度センサを校正する筐体内に配置する必要はない。具体的には、制御部は、感湿素子からは出力電圧を、感温素子からは素子温度を、それぞれ独立に受け取ればよく、制御部自身は感湿素子と同一の筐体内に配置される必要がない。よって、湿度センサを構成する部分のレイアウト面積の肥大化を抑制することができる。

第１実施形態にかかる湿度センサのキャリブレーションシステムを示す概略図である。 湿度センサモジュールの概略構成を示す上面図である。 湿度センサモジュールにおける温度分布を示す断面図である。 第２実施形態にかかる、１気圧下における湿り空気線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１および図２を参照して、本実施形態に係る湿度センサのキャリブレーションシステムの概略構成について説明する。

図１に示すように、このキャリブレーションシステム１００は、槽内を所定の設定温度および設定湿度の環境下に置くことのできる調整槽１０を備えている。調整槽１０は、槽内温度計１１と槽内湿度計１２とを有し、これらにより検出される槽内温度および槽内湿度が、ユーザの設定した設定値になるように駆動する。

調整槽１０の槽内には一つまたは複数の湿度センサモジュール２０を収容することができる。図１では、９つの湿度センサモジュール２０が収容された調整槽１０が図示されている。湿度センサモジュール２０は、図２に示すように、湿度検出用の湿度センサ２１と、該湿度センサ２１の温度を検出するための感温素子２２と、を有している。これら湿度センサ２１および感温素子２２は、熱源となりうる他の素子を含む素子群２３とともに、プリント基板２４に実装されている。なお、湿度センサ２１は、感湿素子２１ａが筐体２１ｂに収容されて成る。

湿度センサ２１は、プリント基板２４上において、素子群２３から離れた外縁に実装され、素子群２３の自己発熱の影響が小さくなるようになっている。湿度センサ２１の実装位置は、素子群２３の自己発熱の影響の無い位置であることが好ましいが、素子群２３とともに湿度センサモジュール２０として一体的に構成される場合には、少なくとも素子群２３の自己発熱による伝熱を受けている。

感温素子２２は、湿度センサ２１と素子群２３との間の領域に実装されている。詳しい実装位置は追って記載する。

なお、感湿素子２１ａは湿度を電圧に変換する素子であれば採用可能であるが、例えば静電容量式の素子を用いることができる。また、感温素子２２は温度を電圧に変換する素子であれば採用可能であるが、例えばサーミスタを用いることができる。

また、筐体２１ｂには、従来、成型の容易性などから樹脂が用いられることが多いが、本実施形態では、樹脂に較べて熱伝導率の高いセラミックスが用いられている。これにより、感湿素子２１ａと感温素子２２の温度を迅速に均一化できる。よって、感温素子２２は、より正確な感湿素子２１ａの温度検出が可能となる。

さらに、このキャリブレーションシステム１００は、図１に示すように、制御部３０を備えている。制御部３０は、槽内温度計１１、槽内湿度計１２、および、湿度センサモジュール２０と通信可能に接続されている。湿度センサモジュール２０との接続は、特に、感湿素子２１ａと感温素子２２との間で行われている。制御部３０は、槽内温度計１１により検出された槽内温度、槽内湿度計１２により検出された槽内湿度、感温素子２２により検出される湿度センサ２１の素子温度、および、感湿素子２１ａから出力される出力電圧が入力される。

この出力電圧は、湿度センサ２１が検出すべき湿度と一対一に対応し、ユーザは、この出力電圧を湿度に変換して、湿度センサ２１が検出した湿度を知ることができる。本実施形態に示すキャリブレーションシステム１００とは、出力電圧と湿度との対応関係をキャリブレーションするものである。制御部３０は、上述の槽内温度、槽内湿度、および、湿度センサ２１の素子温度に基づいて真の相対湿度を算出する。そして、この真の相対湿度と出力電圧とを一対一に対応させてキャリブレーションする。なお、キャリブレーションの結果は、結果を記録したメモリを湿度センサ２１に内蔵させる構成としてもよいし、湿度センサモジュール２０を制御する外部ＥＣＵに記録させる構成としてもよい。

次に、本実施形態に係る湿度センサのキャリブレーションシステムによるキャリブレーション方法について説明する。

まず、制御部３０は、槽内温度Ｔａに基づいて飽和水蒸気圧Ｅａを算出する。飽和蒸気圧は、物質と温度に依存する量である。本実施形態では物質として水を対象にするため、飽和水蒸気圧はその温度によって一意に決まる。飽和水蒸気圧と温度とを関連付ける換算式には、Sonntag（ソンタグ）の式や、Wagner（ワグナー）の式、Tetens（テテンズ）の式などがあるが、換算精度や使用温度帯によって適切に選択されるべきである。

次いで、制御部３０は、調整槽１０内の相対湿度である槽内湿度Ｈａと、飽和水蒸気圧Ｅａに基づいて水蒸気圧Ｐａを算出する。具体的には、Ｐａ＝Ｅａ×Ｈａを計算する。ここで導出される水蒸気圧Ｐａは、調整槽１０内の水蒸気の分圧を示している。この分圧は、調整槽１０内の絶対湿度に対応する。なお、槽内温度Ｔａと槽内湿度Ｈａは、ユーザが任意に設定可能になっている。

次いで、制御部３０は、湿度センサ２１の素子温度Ｔｅに基づいて、真の飽和水蒸気圧Ｅｅを算出する。真の飽和水蒸気圧Ｅｅを算出する際にも、飽和水蒸気圧と温度とを関連付ける換算式を用いるが、槽内温度Ｔａに基づいた飽和水蒸気圧Ｅａを算出する際に用いた換算式と同一のものを使用することが好ましい。

次いで、制御部３０は、水蒸気圧Ｐａと真の飽和水蒸気圧Ｅｅに基づいて、真の相対湿度Ｈｅを算出する、具体的には、Ｈｅ＝Ｐａ／Ｅｅを計算する。ここで導出される真の相対湿度Ｈｅは飽和水蒸気圧Ｅｅの関数である。飽和水蒸気圧Ｅｅは湿度センサ２１の素子温度Ｔｅによって決まり、素子温度Ｔｅは素子群２３の自己発熱の伝熱の影響を受ける。すなわち、真の相対湿度Ｈｅは、素子群２３の自己発熱を考慮に入れた飽和水蒸気圧に対する絶対湿度比を表すものである。

次いで、制御部３０は、感湿素子２１ａから出力される出力電圧Ｖと真の相対湿度Ｈｅを関連付ける。具体的には、所定の槽内温度Ｔａに対して、少なくとも２つのＶ−Ｈｅの組み合わせを測定し、出力電圧Ｖに対する真の相対湿度Ｈｅの比例係数ｋを算出する。すなわち、Ｖ＝ｋＨｅの関係を満たす定数ｋを算出する。ユーザは、感湿素子２１ａの出力電圧Ｖに対して、１／ｋを乗算することによって、湿度Ｈｅを知ることができる。

なお、上記では、出力電圧Ｖと真の相対湿度Ｈｅが線形の関係にあることを想定して比例係数ｋを算出したが、多項式近似や指数近似など、非線形の関係を想定してもよい。これは、ユーザが求める湿度の検出精度や、感湿素子２１ａの特性によって決定されるべきである。

次に、図３を参照して、本実施形態に係る湿度センサのキャリブレーションシステムにおける感温素子２２の実装位置について説明する。

感温素子２２は、湿度センサ２１の素子温度Ｔｅを検出する素子である。感温素子２２は、湿度センサ２１の温度をより正確に検出する必要があるため、湿度センサ２１の近傍に実装されている。プリント基板２４の外縁は、中央部に較べて放熱性が高いため、感温素子２２を、湿度センサ２１よりも外縁側に配置すると、湿度センサ２１の温度を正確に検出することができない。よって、本実施形態における感温素子２２は、素子群２３と湿度センサ２１との間に領域に実装されている。

特に、感温素子２２は、湿度センサ２１と同一温度になる領域に実装されることが好ましい。図３は、湿度センサモジュール２０において、湿度センサ２１、感温素子２２、および、素子群２３を含む断面と、その位置における温度を示す図である。図３に示すように、感温素子２２は、素子群２３の自己発熱に起因する温度分布Ｄ１と、湿度センサ２１の自己発熱に起因する温度分布Ｄ２とを重ねあわせた温度分布Ｄについて、湿度センサ２１の温度と同一の温度となる位置Ａに実装されることが好ましい。これによれば、感温素子２２は、湿度センサ２１の温度を正確に検出することができる。

以上記載したように、本実施形態におけるキャリブレーションシステムは、湿度センサ２１の内部にキャリブレーション用の手段を設けることなく、湿度センサモジュール２０に対して外部の制御部３０によって、高精度な湿度−出力電圧特性の補正を実現することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、温度と飽和水蒸気圧の関係式を用いて真の相対湿度を算出する例について示した。これに対して、本実施形態では、真の相対湿度の導出に湿り空気線図を利用する例について示す。なお、本実施形態におけるキャリブレーションシステム１００の構成要素は、制御部３０を除いて第１実施形態と同様であるから、詳しい説明を省略する。

本実施形態における制御部３０は、図４に示すような湿り空気線図の情報が格納されたデータベースを有している。このデータベースに格納される湿り空気線図は、例えば１気圧（１０１．３２５ｋＰａ）における線図である。

以下、本実施形態に係る湿度センサのキャリブレーションシステムによるキャリブレーション方法について説明する。

まず、制御部３０は、データベースに格納された湿り空気線図と、予め設定された槽内温度Ｔａおよび槽内湿度Ｈａと、に基づいて絶対湿度（ここでは質量絶対湿度）を導出する。図４に示す具体例では、調整槽１０の槽内が、槽内温度Ｔａ＝１５℃とされ、槽内湿度Ｈａ＝６０％とされている。この条件において、湿り空気線図を参照すると、絶対湿度は略０．５４ｋｇ／ｋｇである。

次いで、制御部３０は、湿り空気線図と、前ステップで導出された絶対湿度と、感温素子２２により検出される素子温度Ｔｅと、に基づいて、湿度センサ２１近傍における真の相対湿度Ｈｅを導出する。図４に示す具体例では、素子温度Ｔｅ＝２７℃を想定しており、等温線と等絶対湿度線とが交わる点における相対湿度が真の相対湿度Ｈｅに相当する。図４に示すように、真の相対湿度Ｈｅは略３０％である。

次いで、制御部３０は、感湿素子２１ａから出力される出力電圧Ｖと真の相対湿度Ｈｅを関連付ける。具体的には、所定の槽内温度Ｔａに対して、少なくとも２つのＶ−Ｈｅの組み合わせを測定し、出力電圧Ｖに対する真の相対湿度Ｈｅの比例係数ｋを算出する。すなわち、Ｖ＝ｋＨｅの関係を満たす定数ｋを算出する。ユーザは、感湿素子２１ａの出力電圧Ｖに対して、１／ｋを乗算することによって、湿度Ｈｅを知ることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した第１実施形態では、温度と飽和水蒸気圧の関係式について、Sonntag（ソンタグ）の式や、Wagner（ワグナー）の式、Tetens（テテンズ）の式を挙げたが、これに限定されるものではない。

また、上記した第２実施形態では、データベースに１気圧における湿り空気線図が格納される例について示したが、湿度センサモジュール２０が１気圧以外の圧力下においても使用される環境下においては、対応する気圧の湿り空気線図のデータをデータベースに格納しておくべきである。

また、真の相対湿度を導出する方法として、第１実施形態と第２実施形態にそれぞれ異なる手段を示したが、上記２つの手段に限定されるものではなく、制御部３０が、素子温度、槽内温度および槽内湿度に基づいて真の相対湿度を算出し、真の相対湿度に対して感湿素子２１ａの出力電圧の校正を行うように構成されていればよい。

１０…調整槽，１１…槽内温度計，１２…槽内湿度計，２０…湿度センサモジュール，２１…湿度センサ，２２…感温素子

Claims (8)

1. 感湿素子（２１ａ）と、該感湿素子を収容する筐体（２１ｂ）と、を有する湿度センサ（２１）と、
   前記湿度センサの温度を検出する感温素子（２２）と、
   槽内温度計（１１）および槽内湿度計（１２）を有し、槽内に収容した前記湿度センサを所定の温度および湿度環境下に置くことのできる調整槽（１０）と、
   前記感温素子が検出する素子温度（Ｔｅ）と、前記槽内温度計が検出する槽内温度（Ｔａ）と、前記槽内湿度計が検出する槽内の相対湿度である槽内湿度（Ｈａ）とが入力される制御部（３０）と、を備え、
   前記湿度センサおよび前記感温素子は、熱源となる素子群（２３）が実装されるプリント基板（２４）に実装され、
   前記感湿素子および前記感温素子は、前記プリント基板に実装された状態で前記調整槽内に収容され、
   前記制御部は、前記素子温度、前記槽内温度および前記槽内湿度に基づいて真の相対湿度（Ｈｅ）を算出し、前記真の相対湿度に対して前記感湿素子の出力電圧（Ｖ）の校正を行うことを特徴とする湿度センサのキャリブレーションシステム。
2. 前記制御部は、
   入力される前記槽内温度により規定される飽和水蒸気圧（Ｅａ）を算出し、
   算出された前記飽和水蒸気圧と、入力される前記槽内湿度と、に基づいて水蒸気圧（Ｐａ）を算出し、
   入力される前記素子温度により規定される真の飽和水蒸気圧（Ｅｅ）を算出し、
   前記水蒸気圧と前記真の飽和水蒸気圧との比を真の相対湿度として、前記真の相対湿度と前記感湿素子の出力電圧とを関連付けることにより校正を行うことを特徴とする請求項１に記載の湿度センサのキャリブレーションシステム。
3. 前記制御部は、少なくとも、相対湿度、絶対湿度および乾球温度の関係が記録された湿り空気線図の情報が格納されたデータベースを有し、
   前記制御部は、
   前記湿り空気線図を参照して、予め設定された前記槽内温度および前記槽内湿度から絶対湿度を算出し、
   前記湿り空気線図を参照して、前記素子温度および前記絶対湿度から前記素子温度における相対湿度を算出し、
   前記素子温度における相対湿度を真の相対湿度として、前記真の相対湿度と前記感湿素子の出力電圧とを関連付けることにより校正を行うことを特徴とする請求項１に記載の湿度センサのキャリブレーションシステム。
4. 前記湿度センサは、前記プリント基板の外縁に実装されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の湿度センサのキャリブレーションシステム。
5. 前記感温素子は、熱源となる前記素子群の実装位置と、前記湿度センサとの間に実装されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の湿度センサのキャリブレーションシステム。
6. 前記感温素子は、前記素子群に起因する温度分布と、前記湿度センサに起因する温度分布とを重ねあわせた場合に、前記湿度センサの温度と同一の温度となる位置に実装されることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサのキャリブレーションシステム。
7. 前記感湿素子を収容する前記筐体は、セラミックもしくは金属を主成分とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の湿度センサのキャリブレーションシステム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の湿度センサのキャリブレーションシステムにより湿度−電圧特性が校正されたことを特徴とする湿度センサ。

Images