JP2018151325A - 加熱庫内雰囲気における湿度の計測方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱庫内雰囲気における音速を簡単な構成で精度よく正確に計測し、その音速から加熱庫内雰囲気の湿度を計測する。【解決手段】加熱庫内雰囲気を取り込む構造の所定長さの音響伝送管路を用意し、音響伝送管路の入力端から超音波パルスを放射して音響伝送管路の出力端で超音波パルスを受信する構成とし、超音波パルスの放射を開始してから超音波パルスが音響伝送管路内を伝播して出力端に到達した時点で超音波パルスの放射を停止し、超音波パルスの停止が音響伝送管路内を伝播して出力端に到達した時点で超音波パルスの放射を再開するという断続サイクルを繰り返す。断続サイクルの繰返し周波数と音響伝送管路の長さとから音速を算出する。雰囲気の温度と湿度に対する音速を表す関数に当該算出した音速を照らして、湿度を求める。【選択図】図１

Description

この発明は、スチームコンベクションオーブンの調理庫内など、高温高湿度の加熱庫内雰囲気における湿度を計測する方法および装置に関し、当該雰囲気中の音速を計測することにより、計測された音速から間接的に湿度を求めるように工夫したものである。

スチームコンベクションオーブンなどの加熱調理器では、調理用の加熱庫内の温度と湿度（水蒸気量）を制御しながら運転するので、温度の計測とともに湿度の計測が重要である。温度の計測は、３００℃付近の温度で安定動作可能な比較的安価な温度センサが種々存在するが、湿度の方は、そのような高温の雰囲気における湿度を計測できる安定動作可能な比較的安価な湿度センサや湿度計測方法で好適なものがあまり知られていない。

間接的に湿度を知る手法として、調理庫内への水蒸気供給量に対する調理庫内の水蒸気含有雰囲気の温度と調理庫からの水蒸気含有排気の温度との関係を予め理論的または実験的に規格化しておいて、運転調理庫内雰囲気の温度と排気の温度とを計測して、両温度計測値から調理庫内雰囲気の湿度を求めるやり方があるが、このやり方は、個体差が大きいという欠点がある。また、庫内排気の温度を測定して、その測定温度から庫内湿度を類推することが知られている。しかし、この手法は、負荷変動に際して誤差が大きいという欠点がある。他に、高温に耐えうるジルコニアセンサ等で庫内の酸素濃度を測定して、その測定残留酸素濃度から水蒸気量を類推することも知られている。しかし、この手法では、使用するジルコニアセンサが高価であるという欠点がある。

特許文献１および２に、乾燥空気と水蒸気含有空気とでその中における音速が異なることを利用して、対照乾燥空気中と被測定水蒸気含有空気中に超音波を伝搬させて受信波の位相差を検出し、その位相差から被測定水蒸気含有空気中の湿度を測定する構成の湿度センサを備えた加熱調理器が開示されている。いずれも、空気中の音速が湿度に応じて変化する現象を利用して湿度を求めようという発想であるが、音波の伝播時間を小型の装置で正確に測定することが困難であることに鑑みて、対照乾燥空気中と被測定水蒸気含有空気中での音波の伝播後の位相差を計測して、その差から湿度を求めようというものである。また、特許文献３には、調理用の加熱装置において、加熱室で発生する水蒸気またはガスの時間的変化を監視して、調理メニュー名を確定し、それに応じて加熱手段への給電方法を変更する構成のものが開示されている。

特開平５−２４９０８６号公報 特開平６−２５８２９８号公報 特公平７−８１７１６号公報

従来実用されまたは知られている、加熱庫内の雰囲気の湿度を計測する方法および装置には、簡単な構造でかつ安価な装置を用いて正確に湿度を計測する技術が見当たらない。

この発明は、加熱庫内雰囲気中の音速を簡単な構造で正確に測定することができ、測定した音速から湿度を求めることができる、加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明による加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法は、加熱庫内雰囲気の温度を計測するステップと、加熱庫内雰囲気を管路内に取り込む構造の所定長さの音響伝送管路を用意し、音響伝送管路の入力端に音響放射器を設け、音響伝送管路の出力端に音響検出器を設けるステップと、音響放射器から音響パルスの放射を開始し、当該音響パルスが音響伝送管路を伝播して音響検出器に到達した時点で音響放射器からの音響パルスの放射を停止し、音響検出器に音響パルスの到達が絶えた時点で音響放射器からの音響パルスの放射を再開することにより、音響放射器からの音響パルスの放射を断続的に継続するステップと、音響伝送管路の所定長と音響パルスの断続の繰返し周波数とから音響伝送管路内の雰囲気中における音波の伝播速度を算出するステップと、音波の伝播雰囲気の温度および湿度を変数として当該伝播雰囲気中における音波の伝搬速度を表す関数に照らして、前記算出した音波の伝播速度と前記計測した温度とから加熱庫内雰囲気の湿度を求めるステップとを含んでなることを特徴とする。

また、この発明による加熱庫内雰囲気の湿度を計測する装置は、加熱庫内雰囲気の温度を計測する手段と、入力端に音響放射器を設け、出力端に音響検出器を設けてなり、加熱庫内雰囲気を管路内に取り込む構造の所定長さの音響伝送管路と、音響放射器から音響パルスの放射を開始し、当該音響パルスが音響伝送管路を伝播して音響検出器に到達した時点で音響放射器からの音響パルスの放射を停止し、音響検出器に音響パルスの到達が絶えた時点で音響放射器からの音響パルスの放射を再開することを繰り返すことにより、音響放射器からの音響パルスの放射を断続的に継続する配置構成と、音響伝送管路の所定長と音響パルスの断続の繰返し周波数とから音響伝送管路内の雰囲気中における音波の伝播速度を算出する手段と、音波の伝播雰囲気の温度および湿度を変数として当該伝播雰囲気中における音波の伝搬速度を表す関数に照らして、前記算出した音波の伝播速度と前記計測した温度とから加熱庫内の雰囲気の湿度を求める手段とを備えてなることを特徴とする。

この発明による加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法および装置においては、音響パルスが超音波パルスであると、精度よく正確に音速を計測できて、好適である。その場合、超音波パルスの周波数は、４０〜８０ｋＨｚが好適である。

この発明による加熱庫内の雰囲気の湿度を計測する方法および装置によれば、簡単な構造の装置を用いて、加熱庫内雰囲気中の音速を精度よく正確に測定することができ、測定した音速から湿度を求めることができる、という利点がある。

この発明による加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法を実施するための装置の一実施形態の構成を示すブロック線図である。 この発明における音響伝送管路の入力端の音響波形と出力端の音響波形を示す波形図である。 この発明による加熱庫内雰囲気の湿度を計測する装置を加熱庫に取り付けるために変形した音響伝送管路の一実施形態を示す模式図である。

この発明による加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法および装置の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。

図１に示すように、この発明による加熱庫内雰囲気の湿度を計測する装置は、加熱庫内雰囲気の温度Ｔを計測する温度計測器１５を備えてなり、これにより加熱庫内雰囲気の温度Ｔを計測する。加えて、この発明が特徴とする音響伝送管路１０を備えてなり、音響伝送管路１０は、周囲の加熱庫内雰囲気を管路内に取り込むために管壁の適当箇所に孔１０ｈを有する。音響伝送管路１０は、入力端に音響放射器としての超音波サウンダ１１が設けられ、出力端に音響検出器としての超音波ディテクタ１２が設けられている。音響伝送管路１０の超音波サウンダ１１から超音波ディテクタ１２までの間の管路長Ｌは、この実施形態では２００ｍｍである。

発振回路２１は、超音波ディテクタ１２が音響伝送管路１０内を伝播してきた超音波を検出していない間、４０ｋＨｚの超音波パルスを発振し、超音波サウンダ１１から超音波パルスを音響伝送管路１０内に放射する。受信回路２２は、超音波ディテクタ１２が検出した超音波パルスを受信して、超音波ディテクタ１２が超音波パルスを検出しているか否かを表す情報を断続切替回路２３に伝える。断続切替回路２３は、受信回路２２から超音波ディテクタ１２が超音波パルスを検出していない旨の情報を受けている間、発振回路２１に超音波パルスを発振させ、受信回路２２から超音波ディテクタ１２が超音波パルスを検出してる旨の情報を受けている間、発振回路２１に超音波パルスの発振を停止させるように、超音波パルスの発振を断続制御する。この場合、もし超音波ディテクタ１２に伝播パルスが届かなかった場合のことを考慮して、断続切替回路２３には、一定のタイムアウト機能（例えば、１ｍｓ）を持たせてあり、タイムアウトのときは発振回路２１に超音波パルスの発振を一旦停止させるように制御するとともに、所定時間（例えば、１ｍｓ）経過後に再び発振回路２１に超音波パルスの発振を開始させるように制御する。

断続計数回路２４は、発振回路２１による超音波パルスの発振の単位時間当たりの断続回数（１回の断と続で１サイクル）、すなわち断続の繰返し周波数Ｆrを計数する。伝播速度算出回路２５は、音響伝送管路１０の管路長Ｌと断続の繰返し周波数Ｆrとから音響伝送管路１０内の音速Ｖを算出する。湿度算出回路２６は、音波の伝播雰囲気の温度Ｔおよび湿度Ｐ’（水蒸気の分圧）を変数として当該伝播雰囲気中における音波の伝搬速度Ｖを表す関数（以下、「音波の速度関数」）を記憶していて、温度計測器１５からの温度Ｔと伝播速度算出回路２５からの音速Ｖを音波の速度関数に照らして、音響伝送管路１０内の水蒸気の湿度Ｐ’を求め、出力端２７に出力する。なお、超音波パルスの周波数は、４０〜８０ｋＨｚが適当である。

次いで、図２を併せて参照しながら、この発明による加熱庫内雰囲気の湿度Ｐ’を計測する方法を説明する。図２に示すように、まず、発振回路２１が４０ｋＨｚの入力超音波Ｓinの発振を時点ｔ0 において開始し、超音波サウンダ１１からその超音波の音響パルスを音響伝送管路１０内に放射する。その超音波音響パルスは、音響伝送管路１０内を伝播した後に時点ｔ1 において超音波ディテクタ１２に到達し、受信回路２２が出力超音波Ｓout の受信を開始する。受信回路２２が出力超音波Ｓout を受信し始めた時点ｔ1 で断続切替回路２３が発振回路２１に対して入力超音波Ｓinの発振の停止を指令し、超音波サウンダ１１からの超音波パルスの放射が停止する。その停止が音響伝送管路１０内を伝播した後に時点ｔ2 において超音波ディテクタ１２に到達すると、受信回路２２からの出力超音波Ｓout のパルス振動が絶え、断続切替回路２３が発振回路２１に対して入力超音波Ｓinの発振の再開を指令し、超音波サウンダ１１から再び超音波の音響パルスの放射が開始される。このようにして、図２に示されたように、超音波パルスの断続が繰り返される。

断続計数回路２４は、断続切替回路２３による断続繰返し周波数Ｆr を計数し、その情報を伝播速度算出回路２５に伝える。伝播速度算出回路２５は、音響伝送管路１０の管路長をＬとして、式［数１］により音響伝送管路１０内の音速Ｖを算出し、その音速Ｖを湿度算出回路２６に供給する。

［数１］ Ｖ＝２×Ｌ×Ｆr
水蒸気を含む空気中の音速Ｖ［ｍ／ｓ］は、温度Ｔ［℃］、水蒸気の分圧Ｐ’、混合気全体の圧力Ｐとして、式［数２］の一般式で表される。

［数２］ Ｖ＝３３１．５×（１＋０．００１８３Ｔ）×
（１＋（３／１６）×（Ｐ’／Ｐ））
ここで、式［数２］を変形して、Ｐ’を求める式にすると、式［数３］が得られる。

［数３］ （Ｐ’／Ｐ）＝（１６／３）×Ｖ／
（３３１．５×（１＋０．００１８３Ｔ））−（１６／３）
湿度算出回路２６は、式［数２］または式［数３］の関数を一般式として記憶していて、伝播速度算出回路２５から与えられる音速Ｖおよび温度計測器１５から与えられる加熱庫内雰囲気の温度Ｔをこの関数に代入して、水蒸気の分圧Ｐ’を算出し、出力端２７に出力する。

ここで、この発明による加熱庫内の湿度を測定する方法の利点について説明する。音響伝送管路１０を用いて管路内の音速を測定するには、例えば、超音波サウンダ１１が超音波パルスを放射してからそれが超音波ディテクタ１２に到達するまでの時間を直接計測する方法が考えられる。しかしながら、その方法では、例えば、音速Ｖが６０９．８［ｍ／ｓ］であるとすると、Ｌ＝２００［ｍｍ］の距離を伝播する時間ｔは、ｔ＝３２８．０［μｓ］となり、そのようなマイクロ秒単位の短い時間を精度よく正確に計測することは、技術的にかなり困難であり、ｔ＝３２８．０［μｓ］の計測に誤差が伴うと、その分だけ得られる音速Ｖの値が６０９．８［ｍ／ｓ］からずれることになる。それに対して、この発明のように、超音波パルスの断続の繰返し周波数を精度よく正確に計数することは、容易である。例えば、上記の例の場合は、２ｔ＝６５６．０［μｓ］であるから、Ｆr ＝１，５２４．４［Ｈｚ］であり、これを容易に計数することができることは理解できよう。

上記の実施形態において、断続計数回路２４がＦr ＝１，５２４．４［Ｈｚ］を計数した場合は、式［数１］からＶ＝２×０．２［ｍ］×１，５２４．４［Ｈｚ］＝６０９．８［ｍ／ｓ］が得られる。その結果、湿度算出回路２６は、温度Ｔ＝３００［℃］の場合、式［数３］から、（Ｐ’／Ｐ）＝（１６／３）×６０９．８／（３３１．５×（１＋０．００１８３×３００））−（１６／３）＝１．０００となり、Ｐ’＝Ｐで水蒸気の分圧が１００％である（加熱庫内が全て水蒸気で満たされている）ことが分かる。

以上に説明した実施形態では、説明の便宜のため音響伝送管路１０が直管である場合について説明したが、実際の加熱庫に設置する場合には、加熱庫の都合によりＵ字形に曲がった構造とすることもできる。図３は、Ｕ字形に曲げた音響伝送管路１０を採用した場合を図解する。加熱庫壁３１の一部を厚みのある断面で示し、残りの部分を破線で略図的に示してある。符号３１ｉは、庫内空間を表し、符号３１ｏは、庫外空間を表す。音響伝送管路１０は、加熱庫内３１ｉでＵ字形に曲がっており、超音波サウンダ１１と超音波ディテクタ１２が加熱庫外３１ｏに設けられている。音響伝送管路１０には、加熱庫内３１ｉの雰囲気を管路内に取り込むために適所に孔１０ｈが設けられている。この場合、孔１０ｈは、Ｕ字形の内側で向かい合わないように、互いに外向きの側に開けられており、管路の途中でパイプ内音響がショートカットしないように配慮されている。場合によっては、破線３９で示す位置に遮蔽板を設置して、積極的にショートカットを阻止してもよい。

なお、上記の実施形態では、図１に示したハードウェアの回路構成により説明したが、コンピュータプログラムによりソフトウェア的に構成して、各回路ブロックの機能をコンピュータに実行させることでこの発明を実施することもできる。

以上の説明から分かるように、この発明による加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法および装置によれば、簡単な構成で精度よく正確に加熱庫内雰囲気における音速を計測することができ、もって加熱庫内雰囲気の湿度を計測することができる。

１０…音響伝送管路、Ｌ…管路長、１０ｈ…孔、１１…超音波サウンダ、１２…超音波ディテクタ、１５…温度計測器、２１…発振回路、２２…受信回路、２３…断続切替回路、２４…断続計数回路、２５…伝播速度算出回路、２６…湿度算出回路、２７…出力端、３１…加熱庫壁、３１ｉ…加熱庫内空間、３１ｏ…加熱庫外空間、３９…遮蔽板位置、２４…断続計数回路、２５…伝播速度算出回路、２６…湿度算出回路、２７…出力端、３１…加熱庫壁、３１ｉ…加熱庫内空間、３１ｏ…加熱庫外空間、３９…遮蔽板位置。

Claims (6)

1. 加熱庫内雰囲気の温度を計測するステップと、
   前記加熱庫内雰囲気を管路内に取り込む構造の所定長さの音響伝送管路を用意し、当該音響伝送管路の入力端に音響放射器を設け、当該音響伝送管路の出力端に音響検出器を設けるステップと、
   前記音響放射器から音響パルスの放射を開始し、当該音響パルスが前記音響伝送管路を伝播して前記音響検出器に到達した時点で前記音響放射器からの音響パルスの放射を停止し、前記音響検出器に前記音響パルスの到達が絶えた時点で前記音響放射器からの音響パルスの放射を再開することを繰り返すことにより、前記音響放射器からの音響パルスの放射を断続的に継続するステップと、
   前記音響伝送管路の前記所定長と前記音響パルスの断続の繰返し周波数とから前記音響伝送管路内の雰囲気中における音波の伝播速度を算出するステップと、
   音波の伝播雰囲気の温度および湿度を変数として当該伝播雰囲気中における音波の伝搬速度を表す関数に照らして、前記算出した音波の伝播速度と前記計測した温度とから前記加熱庫内雰囲気の湿度を求めるステップと
   を含んでなる加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法。
2. 請求項１に記載の加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法において、
   前記音響パルスが超音波パルスである
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の加熱庫内雰囲気の湿度を計測する方法において、
   前記超音波パルスの周波数が４０〜８０ｋＨｚである
   ことを特徴とする方法。
4. 加熱庫内雰囲気の温度を計測する手段と、
   入力端に音響放射器を設け、出力端に音響検出器を設けてなり、前記加熱庫内雰囲気を管路内に取り込む構造の所定長さの音響伝送管路と、
   前記音響放射器から音響パルスの放射を開始し、当該音響パルスが前記音響伝送管路を伝播して前記音響検出器に到達した時点で前記音響放射器からの音響パルスの放射を停止し、前記音響検出器に前記音響パルスの到達が絶えた時点で前記音響放射器からの音響パルスの放射を再開することを繰り返すことにより、前記音響放射器からの音響パルスの放射を断続的に継続する配置構成と、
   前記音響伝送管路の前記所定長と前記音響パルスの断続の繰返し周波数とから前記音響伝送管路内の雰囲気中における音波の伝播速度を算出する手段と、
   音波の伝播雰囲気の温度および湿度を変数として当該伝播雰囲気中における音波の伝搬速度を表す関数に照らして、前記算出した音波の伝播速度と前記計測した温度とから前記加熱庫内の雰囲気の湿度を求める手段と
   を備えてなる加熱庫内雰囲気の湿度を計測する装置。
5. 請求項４に記載の加熱庫内雰囲気の湿度を計測する装置において、
   前記音響パルスが超音波パルスである
   ことを特徴とする装置。
6. 請求項５に記載の加熱庫内雰囲気の湿度を計測する装置において、
   前記超音波パルスの周波数が４０〜８０ｋＨｚである
   ことを特徴とする方法。

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