JP4019322B2 - 湿度センサを較正する方法および装置、ならびに較正可能な湿度センサを備えるセンサ機構 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、湿度センサにより、第１の環境条件のもとで、および第１の環境条件とは異なる第２の環境条件のもとで、それぞれ湿度値が検出され、これらの環境条件のパラメータと、測定された湿度値とから湿度センサの較正値が決定される、湿度センサを較正する方法に関する。
【０００２】
湿度センサによって、開いている気体容積または閉じている気体容積の中で相対湿度が測定され、すなわち、所与の温度のときに気体中に最大限含まれることが可能な水分量に対して相対的に、そのつどの気体中に含まれる水分の量が測定される。
【０００３】
このような測定は、例えば気象条件を判定するための相対的な空気湿度の測定として平均的消費者に周知であるが、産業分野においても、例えば圧縮ガス容器の中の相対的な空気湿度を判定するときに通常用いられている。
【０００４】
湿度センサはしばしば物理的、化学的な要因によって強い負荷をうけ、そのために反応特性が当初の較正状態から変化することがある。したがって、ある程度の間隔で再較正をする必要がある。
【０００５】
従来技術（ＤＥ３９３６１３８Ａ１、ＵＳ６０７３４８０）より、第１の温度のときに第１の湿度測定を行うとともに、第２の温度のときに第２の湿度測定を行うことによる湿度センサの較正が公知であり、この場合、いずれの測定でも気体の圧力は一定に保たれる。温度と、実際の相対湿度との数学的な関係は既知であるので、測定された温度値と湿度値によって、湿度測定についての較正値を計算することができる。
【０００６】
しかし、このような技術を適用するためには、一方では、湿度センサの領域に温度センサを配置し、また他方では、加熱部材または冷却部材を設けることが必要である。しかもこの種の較正は、そのつどの測定温度を設定するのに時間がかかる。
【０００７】
それに対して本発明の課題は、較正プロセスが簡素化され、その実施にできるだけ少ない補助手段しか必要ないような、冒頭に述べた種類の湿度センサを較正する方法、ならびにこれに対応する装置、および較正可能な湿度センサを備えるセンサ機構を提供することにある。
【０００８】
この課題は本発明によれば、第１の圧力Ｐ１のとき、および第１の圧力とは異なる第２の圧力Ｐ２のとき、それ以外の点では同じ条件でそれぞれ湿度値Ｕ１、Ｕ２を検出し、少なくとも第１の圧力値Ｐ１と第２の圧力値Ｐ２の比率が既知であり、これらの圧力値の比率と、測定された湿度値とから湿度センサの修正値を決定することによって解決される。
【０００９】
さらに前述の課題は、圧力センサと、湿度センサの測定値を第１のデータ記憶装置に入力するための入力装置と、２種類の圧力値の比率およびそれぞれの圧力値のときにそれ以外の点では同じ条件のもとで検出された湿度値から湿度センサの修正値を決定する計算装置とを備える装置によって解決される。
【００１０】
２種類の異なる圧力で湿度値を測定し、その際に温度やその他の環境条件は一定に保たれており、気体中に絶対的に同じ水分量が含まれたままであれば、両方の測定の間で相対湿度の値が変化する。この両方の圧力値の比率から、相対的な気体湿度の、実際に存在している両方の湿度値の比率を推定することができる。それぞれの圧力の比率と、測定されたそれぞれの相対気体湿度の比率とが一致していなければ、この差異から、そのつどの湿度測定の際に適用されるべき修正値を決定することができる。そしてこの修正値が、相対湿度の測定値から減算され、もしくはこの測定値に加算される。
【００１１】
したがって湿度センサを較正する装置は、湿度センサの領域で設備にもともと圧力センサが設けられていない場合には圧力センサが設けられ、ならびに、測定された湿度センサの湿度値を較正装置に供給することができる入力装置が設けられる。そして較正装置の計算装置が、測定されたデータから修正値を決定し、これを出力する。
【００１２】
較正をする方法は、測定された湿度値から減算されるべき修正係数ｋを、次式 ｋ＝（（Ｐ１／Ｐ２）＊Ｕ２−Ｕ２）／（Ｐ１／Ｐ２−１）
によって決定するように実施されるのが好ましい。
【００１３】
理想的な場合、稠度が変わらず温度が一定の気体では、測定される両方の圧力値の比率は、次式のように、実際に存在している相対空気湿度の比率に一致すると考えられる。
Ｐ１／Ｐ２＝Ｕ１（ｒｅａｌ）／Ｕ２（ｒｅａｌ）
【００１４】
測定された湿度値Ｕ１、Ｕ２は、較正前の実際の湿度値と一致しないので、実際の湿度値は次式により算出される。
Ｕ１（ｒｅａｌ）＝Ｕ１−ｋ、ならびにＵ２（ｒｅａｌ）＝Ｕ２−ｋ
そして、次式が得られる。
Ｐ１／Ｐ２＝（Ｕ１−ｋ）／（Ｕ２−ｋ）
この式をｋについて解くと、次式が得られる。
ｋ＝（（Ｐ１／Ｐ２）＊Ｕ２−Ｕ１）／（Ｐ１／Ｐ２−１）
【００１５】
このことは、ｋがＵの値に依存しないという想定のもとで成り立つ。このように本発明の構成方法により、実際に存在している湿度を直接判定することなく、圧力センサを利用して湿度センサを較正することができる。較正されている圧力センサを用いることが必要であるにすぎず、このことは、圧力センサは較正が比較的安定していることによって容易となる。
【００１６】
実際問題としては、気体が充填された圧力負荷可能な設備で湿度センサの較正をする方法は、設備に設けられたバルブによって気体を放出または供給し、気体の放出／供給の前後で圧力値と湿度値を記録し、湿度測定の前にはそのつど温度調整を待つように実施するのが好ましい。
【００１７】
気体が充填された圧力負荷可能な設備には、典型的な場合、気体を充填するため、または気体を放出するためのバルブがもともと設けられている。このようなバルブを介して気体を放出または供給することができ、放出された気体は外部の圧力タンクに蓄えることができる。気体の放出ないし供給の前後にそのつど湿度測定が実施されるが、気体の放出または供給の後には温度調整を待たなければならない。両方の湿度測定は同じ温度で行わなければならず、気体の減圧によって、ないしは圧力増加によって、温度低下ないし温度上昇が見込まれるからである。バルブの代わりに減圧器を利用することもできる。
【００１８】
湿度センサを較正するために、設備の気密に封止された小さい部分（測定室）で湿度センサを作動させることができ、それにより、異なる圧力値のために設備全体の圧力変化が必要なくなり、湿度センサが配置された部分容積の気圧を変化させるだけでよい。相応の圧力センサは、湿度センサの領域で設備にもともと設けられていてよいが、較正の過程で容積部の中に入れることもでき、あるいはそのつどの圧力を、気体の放出時または供給時に設備外部のそれぞれの引込管で測定することもできる。このように、気体が充填された圧力負荷可能な設備にサービスマンが多大な変更や据付を行うことなく、簡単、確実、かつ迅速に較正を実施することができる。つまり、湿度センサが組み込まれた測定室は、適当な手段（バルブ、減圧器など）によって、湿度センサの較正方法に必要な２種類の圧力を生成するように設計されている。
【００１９】
さらに本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の較正可能な湿度センサと、測定された湿度値から減算されるべき修正値を記憶可能な記憶装置を有する修正装置とを備え、修正装置は湿度の検出された測定値から修正値を減算し、特にその結果を表示装置に送る、センサ機構も対象としている。
【００２０】
このようにセンサ機構は修正装置８を有しており、この修正装置によって、較正の後、湿度センサによって検出された湿度値が修正値を用いて修正され、それにより、実際に存在している湿度値を修正された測定値として読取りのために利用することができ、または、例えば測定監視所での以後の処理のために利用することができる。
【００２１】
次に、本発明の一例を図面で示し、それについて以下に説明する。
図１は、気密な測定室２の中にある湿度センサ１を示している。測定室２は、第１の気体接続部３と第２の気体接続部４を有しており、これらによって測定室を、気体で充填された圧力負荷可能な設備５と接続したり、圧力ホース６によって他の気体室と接続したりすることができる。
【００２２】
さらに測定室２の中には圧力センサ７が設けられている。この圧力センサは市販の圧力センサであってよいが、較正されていて、できるたけ高い測定精度を備えているのが望ましい。
【００２３】
例えば圧力負荷可能な設備５の中で気体湿度を測定すると同時に、湿度センサ１を較正するために、まず、第１の気体接続部３を介して測定室２を圧力負荷可能な設備５と接続し、それによって気体交換や圧力補償を行えるようにする。次いで、圧力センサ７によって測定室内の気圧を測定し、測定室２を圧力負荷可能な設備から切り離す。さらに、その時点で存在している条件のもとで、湿度センサ１によって第１の湿度値を測定する。このとき、湿度センサの引込線９と接続され、通常動作では、記憶装置１０に記憶されている修正値を湿度センサ１の直接的な測定値から減算する修正装置８が、較正のために橋渡しされる。
【００２４】
次いで、第２の気体接続部４により、圧力ホース６を介してある程度の気体量が測定室２から放出され、それによって気圧を低下させる。その後で測定室２を再び気密に閉止する。
【００２５】
測定室２内の温度が標準化された後、第２の湿度値Ｕ２と第２の圧力値Ｐ２を測定する。そして測定された両方の圧力値と、測定された未修正の両方の湿度測定値とに基づいて修正値を求めることができ、この修正値が記憶装置１０に保存される。それ以後の湿度測定では、修正装置８の内部で、記憶装置に保存されている修正値が、湿度センサ１によって測定された湿度値から減算ユニット１１で差し引かれ、修正された測定値として表示部１７に出力される。
【００２６】
図２には、較正プロセスの際の検出ステップと計算ステップが模式的に図示されている。第１のステップでは、湿度センサ１によって湿度値Ｕ１が検出される。それと同時に、圧力センサ７によって圧力値Ｐ１も検出される。この両方の測定値は、第１のデータ記憶装置１２と第２のデータ記憶装置１３に格納される。
【００２７】
続く第２のステップでは、降下した圧力とそれ以外の点では同じ環境条件で、第２の湿度値Ｕ２と第２の圧力値Ｐ２が測定される。この両方の測定値は、再び対応する第１および第２のデータ記憶装置１２、１３に格納される。
【００２８】
その後、比率Ｐ１／Ｐ２が算出されて第３のデータ記憶装置１４に格納される。そして計算装置１５で、マイクロプロセッサを用いて、請求項２に記載されている式に従ってｋが算定されて出力装置１６に転送され、この出力装置は修正値を例えば修正装置８に転送し、そこで修正値が記憶装置１０に保存される。
【００２９】
図３には、較正プロセスがフローチャートの形で再度図示されている。第１のステップ１０１では、測定室内で一定の圧力が設定される。第２のステップ１０２では、圧力値Ｐ１と湿度値Ｕ１が測定される。第３のステップ１０３では、測定室内の圧力が例えば気体の放出によって変更される。第４のステップ１０４では、第２の圧力Ｐ２と第２の湿度値Ｕ２が測定される。第５のステップ１０５では、Ｐ１とＰ２の商、およびＵ１とＵ２の商が計算される。第６のステップ１０６では、Ｐ１とＰ２の商およびＵ１とＵ２の商が相互に比較される。両方の商が一致していれば、次のステップ（１０９）で修正値ｋ＝０が設定され、較正方法は終了する。この商が一致しないときは、次のステップ１０７で、請求項２に記載の式によりｋが算定される。そして第８のステップ１０８では、以後の湿度測定を修正するためにｋが記憶装置１０に保存される。
【００３０】
一例としての較正では、まず、第１の圧力値Ｐ１＝４．５バールが測定された。この圧力のとき、湿度センサによって相対湿度の湿度値Ｕ１＝１．７％が測定された。第２の気圧では、圧力値Ｐ２＝０．９バールと、相対湿度０．５％の湿度値が測定された。これらの圧力値の商として５が得られる。したがって相対湿度の値は、圧力が高いときの１．７％の相対湿度から、圧力値が低いときには０．３４％の相対湿度に下がらなければならないはずである。ところが低い圧力では相対湿度０．５％の値が測定されている。すなわち修正が必要であり、次式に従ってｋが求められる。
【００３１】
ｋ＝（５＊０．５％相対湿度−１．７％相対湿度）／（５−１）＝０．２％相対湿度
【００３２】
実施された測定に基づく修正された湿度値は、Ｕ１（ｒｅａｌ）＝１．７％相対湿度−０．２％相対湿度＝１．５％相対湿度と、
Ｕ２（ｒｅａｌ）＝０．５％相対湿度−０．２％相対湿度＝０．３％相対湿度になる。
【００３３】
上述した較正方法は、湿度センサの作動中に周期的ないし定期的に実施することができ、そのつど新たな修正値が算出されて記憶される。
【００３４】
本発明による方法は、図示した実施形態以外にも、多様なやり方で具体化することができる。特に、本発明による方法を実施する装置には数多くの実施形態がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 湿度センサと、湿度センサの較正をする装置とを示す模式図である。
【図２】 修正値を求めるための計算装置の機能を示す模式図である。
【図３】 較正プロセスのフローチャートである。

Claims (4)

1. 湿度センサ（１）により、第１の環境条件のもとで、および第１の環境条件とは異なる第２の環境条件のもとで、それぞれ湿度値（Ｕ１、Ｕ２）が検出され、これらの環境条件のパラメータと、測定された湿度値とから湿度センサの較正値が決定される、湿度センサ（１）を較正する方法において、
   第１の圧力（Ｐ１）のとき、および第１の圧力とは異なる第２の圧力（Ｐ２）のとき、同じ条件でそれぞれ湿度値（Ｕ１、Ｕ２）を検出し、少なくとも第１の圧力値（Ｐ１）と第２の圧力値（Ｐ２）の比率が既知であり、これらの圧力値の比率と、測定された湿度値（Ｕ１、Ｕ２）とから湿度センサ（１）の修正値を決定し、且つ、測定された湿度値から減算されるべき修正係数ｋを、次式
   ｋ＝（（Ｐ１／Ｐ２）＊Ｕ２−Ｕ１）／（Ｐ１／Ｐ２−１）
   によって決定することを特徴とする湿度センサを較正する方法。
2. 気体が充填された圧力負荷可能な設備（５）で湿度センサ（１）を較正するための方法において、前記設備に設けられたバルブ（３、４）によって気体を放出または供給し、気体の放出／供給の前後で圧力値と湿度値を記録し、湿度測定の前にはそのつど温度調整を待つことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 湿度センサ（１）を較正する装置において、
   圧力センサ（１）と、湿度センサ（１）の測定値を第１のデータ記憶装置（１２）に入力するための入力装置（１８）と、２種類の圧力値（Ｐ１、Ｐ２）の比率およびそれぞれの圧力値のときに同じ条件のもとで検出された湿度値（Ｕ１、Ｕ２）から湿度センサ（１）の修正値を決定する計算装置（１５）とを備えており、且つ
   第１の圧力（Ｐ１）のとき、および第１の圧力とは異なる第２の圧力（Ｐ２）のとき、同じ条件でそれぞれ湿度値（Ｕ１、Ｕ２）を検出し、少なくとも第１の圧力値（Ｐ１）と第２の圧力値（Ｐ２）の比率が既知であり、これらの圧力値の比率と、測定された湿度値（Ｕ１、Ｕ２）とから湿度センサ（１）の修正値を決定し、且つ、測定された湿度値から減算されるべき修正係数ｋを、次式
   ｋ＝（（Ｐ１／Ｐ２）＊Ｕ２−Ｕ１）／（Ｐ１／Ｐ２−１）
   によって決定することを特徴とする湿度センサを較正する装置。
4. センサ機構において、請求項１に記載の湿度センサを較正する方法により較正される湿度センサ（１）と、前記修正係数ｋにより修正された修正値を記憶する記憶装置（１０）を有する修正装置（８）とを備え、該修正装置（８）は、湿度の検出された測定値から修正値に減算し、且つ、その結果を表示装置（１７）に送るものであることを特徴とするセンサ機構。

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