JP3553657B2 - 相対湿度を測定する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、相対湿度を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術においては、数多くの異なった電気的に検出された温度検出器および湿度検出器が知られており、そのインピーダンスは測定対象の量の関数として変化する。このような湿度検出器は、例えば、米国特許３，１６８，８２９号および３，３５０，９４１号、ならびに本出願人のフィンランド特許４８，２２９号より知られている。
【０００３】
従来の技術において知られるように、温度の測定には、通常コンデンサ・プレート間の絶縁剤の誘電率が温度に依存し、その場合検出器の端子から検出されたキャパシタンスも温度に依存するという事実に基づく容量性検出器が使用される。
【０００４】
フィンランド特許４８，２２９号は、本発明に関係する従来の技術に関し、その特許の中で、容量性湿度検出器は、誘電絶縁材がポリマー・フィルムであり、その誘電率がポリマー・フィルムにより吸収される水分量の関数であると記述されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の検出器、およびインピーダンスの変化に基づいたそれ以外の検出器においては、検出器の凍結および湿潤、放射エラー、検出器の低速化、ならびにヒステリシスを含む望ましくない現象が発生する。
【０００６】
本出願人のフィンランド特許５８，４０２号では、特に容量性湿度検出器において、インピーダンスの変化に基づいた電気式湿度検出器の可逆変化により生じる望ましくない特性を減らすための方法が記述され、湿度に敏感な材料は有機ポリマーであり、少なくともより高い相対湿度で、湿度検出器の周囲の温度より高い温度まで加熱される。必要ならば、検出器の加熱電力は、測定対象の湿度の関数として調節できる。前記フィンランド特許では、湿度検出器の温度または外部温度あるいはその両方が測定され、この、またはこれらの補助量は湿度測定値の計算に活用される。前記フィンランド特許では、検出器の加熱は測定の期間中オフに切り替えることができると記述されているが、より明確にどのような方法で、どのような目的でこのオフへの切替えが行われるのかは記述されていない。いずれにせよ、前記フィンランド特許５８，４０２号においては、検出器の温度の測定は常に必須であり、測定結果は、その上昇した気温のため検出器が相対湿度の過剰の低い気温を「示す」という理由から、前記温度の測定に基づいて訂正される。
【０００７】
従来の技術に関して、湿度検出器内の調節装置が記述される本出願人の（英国特許２，０４７，４３１号に対応する）フィンランド特許５８、４０３号がさらに参照され、この場合、温度依存型抵抗体要素を具備するブリッジ接続または同等なものを具備し、その手段によって検出器外部の温度および検出器自体の温度Ｔsが検出され、前記ブリッジ接続内の差圧はフィードバック信号として使用され、その手段によって検出器を加熱する電力が調整される。検出器の加熱抵抗体として、例えばプラチナ抵抗体のような、同時に検出器の温度Ｔｓ のセンサとしても動作するような正の温度係数の抵抗体要素が、使用される。外部温度Ｔａ のセンサとしては、抵抗体サーミスタ・アセンブリが使用され、ブリッジ接続のその他の分岐で最後に言及される抵抗体要素の位置に関して反対の位置に配置され、各検出器タイプの特徴となる一定の関数Ｔｓ ＝ｆ（Ｔａ ）が調節装置により実現する。
【０００８】
本発明に関する従来の技術に関しては、出願人の（米国特許５，１５６，０４５号に対応する）フィンランド特許８５、７７０号がさらに参照され、この場合、方法はラジオゾンデ用インピーダンス検出器に関連して記述され、その方法において１台の検出器または複数の検出器の温度が熱電対により測定され、その熱電対の一方の分岐の接合部が測定対象の検出器に接続してあるいは測定対象の検出器の近くに配置され、その熱電対においてもう一方の分岐の接合部が検出器を取り囲む大気中に配置され、その方法において、前記熱電対により、検出器との接合部での温度と周辺大気の温度の間の差が観察され、前記差を表す電気信号がラジオゾンデの測定継手の出力信号に作用し、信号は１台の検出器または複数の検出器により測定される気象学上の量に関する情報を含む。
【０００９】
従来技術に関して、ＥＰ特許公開３５６６８２号が参照される。ここでは、抵抗性検出器が記載されている。この検出器は、抵抗を通して電流が導入されることによって加熱される。加熱期間、冷却期間および湿度測定期間が示されている。加熱期間は、測定期間全体の一部である。検出器中の湿度検知素子は、周囲温度を超える温度に加熱される。これは、環境に高湿度から低湿度への変化（脱着）があったときに、湿度検知素子が間違った湿度値を与える時間を短くするためである。抵抗体の抵抗率に基づいた温度の測定もまた含まれる。これは、湿度測定を開始するか、または測定された湿度に対して温度補償をするに最適な時間を決定することを困難にする。
【００１０】
従来技術に関して、１９９１年６月２５日に出願され、特開平５−９９８７７号として出願公開された、特願平３−１７９００６号からの優先権を主張する米国特許５，２９６，８１９号もまた参照される。この米国特許は、湿度検知材料を有する容量性湿度検出器を示している。この材料の誘電率は、キャパシタ板間の前記材料によって吸収された水の量の関数である。検出器内の湿度検知膜は、抵抗に電流を流すことによって加熱される。これは、湿度検知膜が高温・高湿、有機溶剤雰囲気、たばこの煙、ガス等に曝されたときに、ドリフトしたキャパシタンス／湿度比を初期値に戻すためである。検出器で温度測定回路が使用されるときは、加熱および冷却動作は最適温度で行われる。
【００１１】
例えば過冷された雲の中を飛行中のラジオゾンデ内の容量性湿度検出器が、高い湿度にさらされる状況では、霜または氷が検出器またはその環境内の構造体の活性表面に採集あるいは凝縮され、検出器動作が劣化する。このような妨害の状況が終了すると、水または氷が蒸発するまで長い時間を要し、その時間期間の間当然のことながら検出器は過剰に高い湿度を示す誤ったメッセージを出す。上述された欠点の内のいくつかは、上記フィンランド特許５８，４０２号に記述される容量性湿度検出器の加熱により回避することができるが、十分に正確な湿度の測定を行うためには、湿度検出器の温度も極めて正確に知られていなければならないという、満足の行く解決策のない問題が依然として残る。相対湿度の測定の１〜２％以下という正確さを達成するためには、〜０．１℃という精度で検出器の温度の測定が行うことが可能でなければならない。温度の測定では、さらに高い絶対エラーが生じる可能性もあるが、周囲と比較した場合の温度差は前記の精度で知られなければならない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、検出器温度を検出することなしに、上述された少なくとも１．〜２％以下の精度で相対湿度を測定することができる手段による測定方法を提供することである。本発明のもう一つの目的とは、ラジオゾンデに特によく適した測定方法を提供することである。
【００１３】
前記の目的ならびに後述される目的を達成するという点から、本発明の方法は、請求項１に規定されている。
【００１４】
本発明に従った方法が適用される場合、検出器温度の測定の段階ならびに前記段階に必要な設備および計算装置を完全に省略することが可能で、その結果、方法、および検出器装置ならびに関連するその他のシステムを実行するステップは大幅に簡略化され、しかも測定の上記の正確さは達成され、通例ではゾンデ動作には十分である。
【００１５】
本発明では、加熱エネルギーとして、明確な電流、できれば直流が使用され、本発明の方法に従って、検出器または検出器結合体と接続して配置される抵抗性加熱抵抗体または加熱抵抗体の異なった結合体に通される。
【００１６】
湿度の測定という点で不利益なあらゆる霜または氷を検出器から取り除くためには、本発明に適用される湿度検出器の加熱が必要である。この方法で使用される検出器アセンブリは、湿度を測定する部分および加熱部分から構成される。これらは別個の装置である場合もあれば、湿度測定用装置が加熱の目的で使用されることもある。必要に応じて、加熱容量もさまざまな方法で調節できる。
【００１７】
本発明に従った方法で使用される湿度検出器の加熱を実現する場合、測定および調節のエレクトロニクスは、通常のゾンデ応用例に対する追加として使用できる。必要な場合には加熱の必要性が検出され、加熱要素自体が、霜または氷が要素の加熱率の変化を生じさせ、要素内の抵抗体の一部の特定の抵抗の低速化がエレクトロニクスによって測定されるように、加熱要件の検出器として動作できる。電子システムを使用することにより、加熱を継続できるようにしたり、必要に応じてオフの場合には切り替わる。加熱サイクルは、ゾンデの１測定サイクルの間に、または他の方法で１度実行できる。加熱容量は、必要なときに調節することができる。容量の規模は、必要に応じて、加熱と同時に加熱される抵抗体によって測定することができる。この情報も、凍結効率または過飽和の基準として使用することができる。
【００１８】
本発明の方法においては、加熱用に使用される電流に関係する多様な電気的な現象が、検出器キャパシタンスの測定と干渉しないという利点も得られ、これは相対湿度の測定に使用される前記検出器キャパシタンスが極めて低く、そのキャパシタンス値が通例は１〜１００ｐｆの範囲にあるという点でも重要である。
【００１９】
【実施例】
図１Ａおよび１Ｂに示される湿度検出器は、安定したガラス基板１０上に構築され、その平坦な面の１つの上に検出器キャパシタンスの電極１３ａが適用され、その電極上に、プラスチック・フィルム１２が適合され、その誘電率はフィルム１２によって吸収される水分量の関数である。フィルム１２上には、水によっては透過可能であるが、電気的には導電性で、表面接触部１３ｂと直流電流によって接続されている表面電極フィルム１４が適用される。測定対象のキャパシタンスＣMは、接触部１３ａおよび１３ｂに接続されている端子Ｃ1 およびＣ2 の間で検出される。図１Ａおよび１Ｂに示されるような検出器１０には、電気的加熱抵抗体１５が提供され、その導体パターンは、基板１１の、底部電極１３ａと同じ面に適用されている。加熱抵抗体１５に、直流であることが望ましい加熱電流Ｉが、接触パターン１５ａおよび１５ｂに接続される端子ｒ1 およびｒ2 を通して通される。
【００２０】
図１Ａおよび１Ｂに示されるような湿度検出器１０の電気的に同等な回路は、図１Ｃに示されている。加熱抵抗体Ｒに通される加熱電流Ｉは、測定対象のキャパシタンスの活性フィルム１２を加熱、その上に存在する可能性があるあらゆる氷あるいは霜を溶かし、フィルム１２の表面からあらゆる余分な水分を蒸発させる、加熱電力Ｗ＝Ｉ^２ｘＲを生じさせる。
【００２１】
図２Ａおよび２Ｂは、別個の加熱抵抗体は使用されないが、加熱抵抗体４が電気的に導電性の表面電極１４を具備する、本発明の方法に従った第２の湿度検出器１０を示す。表面電極１４の向かい合うエッジは、導体パターン１３ｂおよび１５ａに接続され、加熱電流Ｉは前記導体パターンに接続される端子ｒ_１ およびｒ₂ を通って供給され、電流Ｉは、表面電極１４の導電抵抗性素材を通って流れる場合、希望の加熱効果Ｗ＝Ｉ^２ ｘＲを生じさせ、その場合、Ｒ＝表面電極の端子１３ａ、１５ｂから測定される抵抗となる。
【００２２】
表面電極１４は、水分によって透過可能な、非常に薄い「ミシン目のある」フィルムで、例えば金などから作られるが、フィルムは電気的には連続的で、したがって電気的には導電性である。
【００２３】
図２Ａおよび２Ｂに示されるような湿度検出器１０の電気的に同等な回路は、図２Ｃに示され、それから、測定対象のキャパシタンスＣM および表面電極を具備する加熱抵抗体Ｒには共通端子ｃ2＝ｒ2があることが分かる。
【００２４】
図３Ａおよび３Ｂは、加熱抵抗体１５が、電極１３ａ、１４に関して、および活性フィルム１２に関してガラス基板１１の反対側の面に配置されるという点を除き、他の点で図１Ａおよび１Ｂに類似する検出器１０を示す。図３Ａおよび３Ｂに示されるような湿度検出器の同等な回路は、図１Ｃに示される回路に類似する。本発明の目的を達成するという点から見て、検出器のサイズおよび熱質量の双方とも小さくすることが可能で、したがってそれにより検出器が十分に速く加熱および冷却されるように、図１、２、および３に示される検出器の基準１ｘｍｘｓは比較的小さい。通常は、前記の寸法１ｘｍｘｓは≒４ｍｍｘ１．５ｍｍｘ０．２ｍｍである。
【００２５】
図４Ａおよび４Ｂにおいて、本発明に従った方法用の検出器１０は、絶縁材から作られているサポート・ストリップ１６ａおよび１６ｂに接続して示されている。サポート・ストリップ１６ａ、１６ｂの回り、および同時にアクティブな検出器１０の回りには、抵抗体ワイヤ１５が巻かれ、検出器を加熱する抵抗体Ｒを形成し、加熱電流Ｉは前記抵抗体４の端子ｒ1 およびｒ2 に通される。図５Ａおよび５Ｂは、アクティブな検出器１０が一つにまとめられたストリップ１６に接続され、その周辺では、検出器１０の周辺のように、抵抗体ワイヤ１５が巻かれ、検出器の加熱抵抗体Ｒを形成しているという点を除き、図４Ａおよび４Ｂに示される検出器と他の点では類似している。図４および５に示されるような検出器の電気的に同等な回路は、図１Ｃに示される回路に類似している。このようにして、図４および５に従って、検出器１０そのもの、加熱抵抗体１５、およびその可能なサポート装置１６ａ、１６ｂは、図１から３と異なっており、装置は互いに分離され、製造の異なった段階で製造される。湿度検出器１０として、出願人が商標「ヒュミキャップ（Ｈｕｍｉｃａｐ）」として販売する検出器のような、従来の技術に類似した検出器を使用できるという点は、図４および５に示されるような装置の利点である。ただし、図１から３に示されるような装置の特定の利点とは、その小さなサイズおよび低い熱質量であり、これらはより詳細に後述されるように、本発明の数多くのさまざまな応用例において大きな利点となる。
【００２６】
図６に示される構成は、そこでは１台の湿度検出器ｕ＝１０だけが使用され、これは加熱抵抗体１５に接続され、加熱抵抗体は装置２２によって制御される加熱電流Ｉによって加熱電力装置２１から加熱される。図６によると、システムは、マルチプレクサ４１を制御する測定シーケンス装置４３、および検出器１０の加熱用の制御装置２２を具備し、加熱電力がその制御装置に対して装置２１から供給される。湿度検出器１０に関連して、加熱抵抗体１５があり、その中に加熱電流Ｉが供給され、装置２１によって制御される。マルチプレクサ４１は、ゾンデの異なった検出器のすべてを測定および遠隔計器接合部に交互に接続し、前記検出器は図６ではＳ，Ｐ，Ｋ_２，Ｔ，Ｕ＝１０およびＫ_１で表記されている。例えば、検出器Ｓは圧力検出器の温度検出器、検出器Ｐは圧力検出器、検出器Ｔは温度検出器、および検出器Ｋ_１とＫ_２は正しく知られている参照検出器および校正検出器を表す。マルチプレクサ４１を通して、通常容量性検出器であるところの前記検出器は、ＲＣ発振器４２の周波数を決定するキャパシタンス部分に接続され、それにより周波数ｆM が発振器４２から得られ、その周波数は測定対象の量に比例している。無線送信機３６は、周波数ｆM で変調される。前記装置は、ガス風船のサポート上で上昇するラジオゾンデ内、および無線受信機３７との無線遠隔計器リンクを経由した無線接触および地上局のデータ処理装置内に配置される。装置３８によって、別々の検出器 によって検出される大気の物理的な量は処理され、指摘され、表示される。
【００２７】
図７、８および９は、図６に示されるように、システムの動作の詳細な説明である。図７は、検出器１０から受信される一般的な測定信号ＲＨRの図による説明であり、信号は鋸歯状の形状で変化する。時間ｔ1 で、検出器の加熱電力Ｗ0 ＝Ｉ² ｘＲがオンに切り替えられ、時間ｔ0 の期間中、つまり検出器から受信される測定信号ＲＨR が最小となる時間ｔ2 の時点までそのままとなる。加熱電力Ｗ0 は、通常はＷ0 ≒１〜１００Ｗ、できればＷ0 ≒２〜１０Ｗとなる。加熱がオフに切り替わると、検出器１０の活性フィルム１２は冷却を始め、その後で検出器１０の読取り値が指数的に増加し、相対湿度の正しい値ＲＨM に近づく。検出器の「読取り」は、時間期間ｔ3 〜ｔ4 （図８の段階ｕ）の間に実行され、その時間までに検出器は、その小さな熱質量故に、周囲の温度に十分近く冷却し、安定化する時間を持ち、その状況で検出器１０は温度の測定および補正を行わずに相対湿度の正しい読取り値＝ＲＨM を提供する。測定段階ｔ3 〜ｔ4 の後には、検出器１０の加熱の新しい段階が続き、前記のステップは、図７、８、および９に示される方法でサイクルＴ0 で繰り返される。
【００２８】
図７および９に最もよく示されるように、加熱段階の期間ｔ0 は、図７に示されるような測定検出器の安定化および冷却は加熱サイクル間で達成されるという理由から、測定サイクルＴ0 の一部にすぎない。測定サイクルの期間は、通常は、Ｔ0 ＝０．２〜２秒というラジオゾンデとなる。１台の検出器を使用する場合、加熱サイクルｔ0 の期間は、通常ｔ0 ≒１ｍｓ〜１００ｍｓとなる。比率Ｔ0 ／ｔ0 は、通例では、Ｔ0 ／ｔ0 ≒１０〜３０００、できればＴ0 ／ｔ0 ≒１００〜２５０の範囲で選択する。
【００２９】
図６−９に示される実施例では、できる限り小さいサイズの検出器１０が使用され、そのサイズは図１または２に描かれるサイズに類似するのが好ましく、その熱質量は小さく、さらに軽量および製造費用が低く、したがって、特に処置可能なゾンデに適当である。
【００３０】
本発明は、検出器の活性表面上またはその周辺での、霜の凍結または形成を検知できる機能と組み合わせることができる。この機能は、図１０に示される配線に類似した配線によって達成可能で、その動作は、例えば、図４および５に示されるような装置に存在する加熱抵抗体１５の、加熱率または加熱抵抗体の同等なものの測定を特徴とする。
【００３１】
図１０に示される配線は、加熱電力用の給電装置２１および加熱の要件を検出するための装置２３を具備する。加熱抵抗体１５の抵抗の変化率に基づいた装置２３によって、加熱の要件は装置２３の入力信号ＵC を基本に検出される。装置２３は、加熱電力調節装置２２または加熱パルス（オプション）調節信号ｃ1 およびｃ2 の期間の調節用装置２４を与える。装置２３の動作は、加熱抵抗体１５および前記抵抗体１５と接続する検出器キャパシタンスＣM に関連する霜または氷がある場合に、加熱パルスのオンへの切替えの後に、加熱抵抗体１５の抵抗の増加率は、前記霜および氷が検出器抵抗体１５の加熱を遅らせる熱質量の形成に寄与するため、加熱抵抗体１５の上または近く、および検出器キャパシタンスＣM の活性面に霜または氷がない状況よりかなり遅い。加熱段階の始めで、例えば、電圧ＵC の増加率としての不変電流Ｉを用いたり、同等の方法により表示可能な検出器抵抗体１５の増加率が一定のしきい値より高い場合、加熱は装置２３の信号ｃ1 またはｃ2 あるいはその両方によって制御され、停止することができる。他方、抵抗体１５の加熱率およびその抵抗の増加率が前記しきい値より低い場合には、本発明に従った検出器抵抗体１５の定期的な加熱は、前記しきい値が超過されるまで、または事前設定されたシーケンスに従っている間、装置２３の調節信号ｃ1 またはｃ2 あるいはその両方によって制御され、継続される。
【図面の簡単な説明】
以下において、本発明の方法は、添付の図面中の図に描かれたいくつかの好ましい例示的構成を参照し説明される。図１−６および１０を参照して説明される湿度検出器および測定システムの特定の実施例は、そのままでは請求の範囲内に含まれない。
【図１】（Ａ）は本発明の方法で使用される検出器の第１実施例の平面図、（Ｂ）は図１（Ａ）の側面図、（Ｃ）は図１（Ａ）および（Ｂ）に示される検出器の同等な回路である。
【図２】（Ａ）は本発明の方法で使用される検出器の第２実施例、（Ｂ）は図２（Ａ）の側面図、（Ｃ）は図２（Ａ）および（Ｂ）の検出器の同等の回路である。
【図３】（Ａ）は本発明の方法で使用される検出器の第３実施例の平面図、（Ｂ）は図３（Ａ）の側面図である。
【図４】（Ａ）は加熱抵抗体が検出器の回りに巻かれている、本発明に従った方法用の湿度検出器の側面図、（Ｂ）は図４（Ａ）の平面図である。
【図５】（Ａ）は図４（Ａ）に示される検出器を改良したものの図４（Ａ）に類似した図、（Ｂ）は図５（Ａ）に示される検出器の平面図である。
【図６】第２実施例に従った湿度検出器が使用される、本発明に従った測定システムのブロック図である
【図７】図６に示されるシステムの湿度測定の測定信号を時間の関数として示す。
【図８】図７の水平時間軸上に示される図６のシステムの測定シーケンスを示す。
【図９】図６、７、および８に示される測定システムで使用され、図７および８の水平時間軸上で本発明に従って脈動する加熱を示す。
【図１０】例えば、図４（Ａ）、（Ｂ）または図５（Ｂ）に示されるように検出器上に霜または氷が存在する場合、その手段よってそれが検出できるエレクトロニクス配線の実施例を示す。
【符号の説明】
１０ 容量性湿度検出器
１１ 基板
１２ フィルム
１４ 表面電極
１５ 加熱抵抗体
１５ａ 接触パターン
１５ｂ 接触パターン

Claims (2)

1. 容量性湿度検出器（１０）を使用することによって、ラジオゾンデにおいて氷または霜が前記容量性湿度検出器の表面に沈積する条件で、相対湿度を測定する方法であって、前記検出器では、コンデンサ・プレート間に材料（１２）が使用され、その誘電率が前記材料（１２）によって吸収された水の量の関数である方法において、
   前記検出器（１０）のキャパシタンス（Ｃ_Ｍ）は、前記検出器の表面上または周囲に沈積された氷または霜を取り除くために加熱抵抗（Ｒ）に電流（Ｉ）を流すことによって、加熱サイクル（ｔ_０）内で周期的に加熱され、
   前記検出器のキャパシタンス（Ｃ_Ｍ）の検出は、前記検出器の温度を検出することなく、測定サイクルＴ_０内で実行され、前記検出器の加熱サイクル（ｔ_０）は、前記検出器の測定サイクルＴ_０の一部であり、
   前記検出器のキャパシタンス（Ｃ_Ｍ）の検出（ｔ_３〜ｔ_４）は、前記測定サイクルＴ_０の最終段階の加熱サイクル（ｔ_０）後であって、前記検出器（１０）が前記加熱サイクル（ｔ_０）後に安定化され、かつほぼその周囲の温度まで冷めた時点で実行され、前記時点において、前記検出器は、正しい湿度読取り値（ＲＨ_Ｍ）を示し、
   前記測定サイクルの期間Ｔ_０は、Ｔ_０≒０．２〜２ｓの範囲から選択され、前記加熱サイクルの期間ｔ_０は、ｔ_０≒１〜１００ｍｓの範囲から選択され、測定サイクルの期間Ｔ_０と加熱サイクルの期間ｔ_０の比は、Ｔ_０／ｔ_０＝１０〜３０００の範囲から選択されたものであることを特徴とする方法。
2. 前記比Ｔ_０／ｔ_０は、Ｔ_０／ｔ_０≒１００〜２５０の範囲から選択されたものである請求項１に記載の方法。

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