JP4653594B2 - 湿度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーミスタ絶対湿度センサを検出素子として湿度を検出する湿度検出装置に関し、特にサーミスタ絶対湿度センサの検出信号の増幅処理に関する。

湿度検出素子として、密閉された乾燥空気室内に収容された比較用のサーミスタと、通気孔を有する開放室内に収容された湿度検出用のサーミスタとを直列に接続したサーミスタ絶対湿度センサが知られている。そして、図５に示したように、サーミスタ絶対湿度センサ１００は、比較用のサーミスタ１０１と湿度検出用のサーミスタ１０２を２辺とするブリッジ回路１１０を構成して使用される（例えば、特許文献１参照）。

また、ブリッジ回路１１０の出力電圧は数ｍＶ程度と小さいので、湿度の検出精度を確保するためにブリッジ回路１１０の出力電圧Ｖa，Ｖbの差を増幅する差動増幅器１１５が備えられる。そして、増幅器１１５の出力電圧がマイコン１２０のアナログ入力端子に入力され、マイコン１２０は、該出力電圧のデジタル変換値に基づいて湿度を検知する。

この場合、差動増幅器１１５の出力電圧は、マイコン１２０のＡ／Ｄ入力端子の入力可能電圧範囲内に設定する必要があり、湿度検出の精度を上げるために差動増幅器１１５の増幅率を高くすると、それに応じて検出可能な湿度の範囲が狭くなるという不都合がある。また、差動増幅器１１５の正側の入力電圧Ｖaにオフセット電圧を重畳することで、検出可能な湿度範囲をシフトすることができるが、検出可能な湿度範囲自体はやはり狭くなるという不都合がある。
特開平９−１４６６５号公報 （第７頁、第１図）

本発明は、上記不都合を解消し、湿度の検出精度を高く維持した上で、検出可能な湿度範囲を広く設定することができる湿度検出装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、サーミスタ絶対湿度センサを２辺とし、抵抗回路を他の２辺とするブリッジ回路と、該ブリッジ回路の該サーミスタ絶対湿度センサ側の第１の出力電圧と、該ブリッジ回路の該抵抗回路側の第２の出力電圧とを入力し、該第１の出力電圧と該第２の出力電圧との差を増幅して出力する差動増幅器と、前記第２の出力電圧に所定のオフセット電圧を重畳するオフセット電圧重畳手段と、前記差動増幅器の出力電圧を入力し、該出力電圧に基づいて湿度を検知する湿度検知手段とを備えた湿度検出装置の改良に関する。

そして、前記オフセット電圧変更手段を備え、前記湿度検知手段は、前記オフセット電圧の初期値が設定された時点における湿度を初期値として湿度の検知を開始し、その後、前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧範囲から逸脱したときに、該逸脱が生じた時点で検知した湿度に、該時点における湿度の変化率に該逸脱に応じた前記オフセット電圧変更手段による前記オフセット電圧の変更の所用時間を乗じた補正値を加算した、前記オフセット電圧の変更が終了した時点における湿度の推定値を基準として、次に前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧範囲から逸脱するまでの間における湿度を検知することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記第１の態様と同様に、湿度検出の開始時に、前記オフセット電圧変更手段により、前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧範囲の中間レベルとなるように前記オフセット電圧が設定される。また、湿度検出の開始後、前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧範囲から逸脱すると、前記オフセット電圧変更手段により、前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧の中間レベルとなるように、前記オフセット電圧が変更される。このように、前記オフセット電圧を変更することによって、前記入力許容電圧範囲に対応する湿度の検出範囲がシフトするため、前記入力許容電圧範囲内における湿度検出の精度を高めた上で、湿度の検出範囲を拡大することができる。

そして、前記オフセット電圧が変更されたときに、前記湿度検知手段は、前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧範囲から逸脱した時点で検知した湿度に、該時点における湿度の変化率と前記オフセット電圧の変更の所用時間を乗じた補正値を加算した、前記オフセット電圧の変更が終了した時点における湿度の推定値を基準として、次に前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧範囲から逸脱するまでの間における湿度を検知する。したがって、前記オフセット電圧の変更前後における湿度検知の連続性を更に良好に維持した上で、広範囲に亘って精度良く湿度を検出することができる。

本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は本実施の形態の湿度検出装置の回路構成図、図２は第１の実施の形態における湿度検出処理のフローチャート、図３は湿度検出処理における湿度検出範囲のシフトの態様を示した説明図、図４は第２の実施の形態における湿度検出処理のフローチャートである。

図１を参照して、本実施の形態の湿度検出装置は、密閉された乾燥空気室内に収容された比較用のサーミスタ１１と、通気孔を有する開放室内に収容された湿度検出用のサーミスタ１１とが直列に接続されたサーミスタ絶対湿度センサ１を２辺とし、抵抗Ｒ1，Ｒ2（本発明の抵抗回路に相当する）を他の２辺として構成されたブリッジ回路２、ブリッジ回路２のサーミスタ絶対センサ１側の出力電圧Ｖbを入力するインピーダンス変換用のオペアンプ２０、ブリッジ回路２の抵抗Ｒ1，Ｒ2側の出力電圧Ｖaを入力するインピーダンス変換用のオペアンプ２１、オペアンプ２０とオペアンプ２１の出力電圧を入力してその差圧を増幅するオペアンプ２２、及びオペアンプ２２の出力電圧ＶsをＡ／Ｄ入力端子を介して入力するマイコン５０を備えている。

なお、オペアンプ２０，２１，２２及び抵抗Ｒ4，Ｒ5，Ｒ7〜Ｒ9，Ｒ11〜Ｒ14により、本発明の差動増幅器が構成される。ここで、オペアンプ２０の増幅率とオペアンプ２１増幅率は同一に設定されているため、オペアンプ２０，２１，２２によるトータルの増幅率をＡとすると、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsは以下の式（１）で表される。

Ｖs ＝ Ａ［Ｖb−｛（Ｂ・Ｖa＋Ｃ・Ｖof）／Ｄ｝］ ・・・・・（１）
但し、Ｂ ＝ Ｒ18（Ｒ1＋Ｒ2）、Ｃ ＝ Ｒ1・Ｒ2、Ｄ ＝ Ｒ1・Ｒ2＋Ｒ1・Ｒ18＋Ｒ2・Ｒ18
ここで、Ｖaはサーミスタ絶対湿度センサ１が乾燥空気中に置かれたときにＶbが０となるようにゼロ点調整され、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsは、サーミスタ絶対湿度センサ１が置かれた雰囲気の絶対湿度に比例した電圧となる。そのため、湿度検知手段５１は、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsに基づいて湿度を検知することができる。

さらに、本実施の形態の湿度検出装置は、マイコン５０の出力端子ＯＵＴ1から出力されるパルス信号が入力されるオープンコレクタ型のスイッチング素子３０、スイッチング素子３０の出力端子に接続されてその出力レベルをブリッジ回路２の入力電圧にプルアップするオペアンプ２４、スイッチング素子３０の出力電圧を直流化するための抵抗Ｒ17とコンデンサＣ1とからなる積分回路３１、及びインピーダンス変換を行って積分回路３１の出力電圧をオフセット電圧Ｖofとしてブリッジ回路２の抵抗Ｒ1，Ｒ2側の出力電圧Ｖaに重畳するオペアンプ２５を備えている。

また、マイコン５０は、Ａ／Ｄ入力端子に入力されるオぺアンプ２２の出力電圧Ｖsに基づいて湿度を検知する湿度検知手段５１と、ＰＷＭ出力端子から出力する所定周波数のパルス信号のパルス幅を変えるいわゆるＰＷＭ制御により、オフセット電圧Ｖofを変更するＰＷＭ出力手段５２とを備えている。なお、オペアンプ２５と抵抗Ｒ18とにより本発明のオフセット電圧重畳手段が構成されている。また、ＰＷＭ出力手段５２、スイッチング素子３０、オペアンプ２４、抵抗Ｒ16、及び積分回路３１により、本発明のオフセット電圧変更手段が構成されている。

ここで、ブリッジ回路２の抵抗Ｒ1，Ｒ2側の出力電圧Ｖaにオフセット電圧Ｖofが重畳されると、マイコン５０のＡ／Ｄ入力端子に入力される電圧Ｖsは、上記式（１）より以下の式（２）で表される。

Ｖs ＝ Ａ［Ｖb−｛（Ｂ・Ｖa＋Ｃ・Ｖof）／Ｄ｝］
＝ Ａ（Ｖb−Ｂ／Ｄ・Ｖa）−Ａ・Ｃ／Ｄ・Ｖof ・・・・・（２）
そのため、Ｖofを変更することによって、Ａ／Ｄ入力端子の入力可能電圧範囲（０〜５Ｖ）で検出可能な湿度の範囲をシフトすることができる。

［第１の実施の形態（本発明に関連する実施の形態）］
次に、本実施の形態の湿度検出装置における湿度検出処理の第１の実施の形態について、図２に示したフローチャートに従って説明する。湿度の検出を開始すると、マイコン５０は、ＳＴＥＰ１でサーミスタ絶対湿度センサ１の出力電圧Ｖbが安定する時間（例えば６０秒）の経過を待ってＳＴＥＰ２に進む。

ＳＴＥＰ２及びＳＴＥＰ３はＰＷＭ出力手段５２による処理であり、ＰＷＭ出力手段５２は、ＳＴＥＰ３でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが、Ａ／Ｄ入力端子の入力可能電圧範囲（０〜５Ｖ）内で設定された入力許容電圧範囲（０．１〜４．９Ｖ）の中間レベルである２．５Ｖになるまで、ＳＴＥＰ２でＯＵＴ1端子から出力するパルス信号のパルス幅を変更してオフセット電圧Ｖsを変更する。具体的には、Ｖsが２．５Ｖを超えているときは該パルス信号のパルス幅を大きくしてオフセット電圧Ｖofを高くし、Ｖsが２．５Ｖよりも低いときには該パルス信号のパルス幅を小さくしてオフセット電圧Ｖofを低くする。

そして、ＳＴＥＰ３でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが２．５ＶになったときにＳＴＥＰ４に進み、湿度検知手段５１は、このときの湿度を湿度検出の初期値Ｈiに確定する。続くＳＴＥＰ５で、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲内（０．１Ｖ≦Ｖs≦４．９Ｖ）であるときはＳＴＥＰ６に進む。

ＳＴＥＰ６で、湿度検知手段５１は、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsの変化に応じた湿度の変化分を、初期値Ｈiに加算して湿度を検知する。そして、続くＳＴＥＰ７で、湿度検出の終了指示があったときにＳＴＥＰ８に進んで湿度の検出処理を終了する。また、ＳＴＥＰ７で湿度検出の終了指示がなければＳＴＥＰ５に戻る。

一方、ＳＴＥＰ５で、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲外（Ｖs＜０．１Ｖ、又は４．９Ｖ＜Ｖs）であるときにはＳＴＥＰ１０に分岐する。ＳＴＥＰ１０で、湿度検知手段５１は、その時点のオペアンプ２２の出力電圧Ｖsに対応した検知湿度を基準値Ｈbとする。

続くＳＴＥＰ１１とＳＴＥＰ１２はＰＷＭ制御手段５２による処理であり、ＰＷＭ制御手段５２は、上述したＳＴＥＰ２とＳＴＥＰ３による処理と同様にして、ＳＴＥＰ１２でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが２．５Ｖ（入力許容電圧範囲の中間レベル）となるまで、ＳＴＥＰ１１でＯＵＴ1端子から出力するパルス信号のパルス幅を変更してオフセット電圧Ｖofを変更する。

そして、ＳＴＥＰ１２でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが２．５ＶとなったときにＳＴＥＰ５に進む。この場合、ＳＴＥＰ６において、湿度検知手段５１は、基準値Ｈbを中間レベルである２．５Ｖに対応した湿度とし、Ｖsの変化に応じた湿度の変化分を該基準値Ｈbに加算して湿度を検知する。

次に、図３は、以上説明した図２のフローチャートにより、オフセット電圧Ｖofを変更して湿度検出処理を行った場合の例を示した説明図であり、縦軸が湿度Ｈ及びオペアンプ２２の出力電圧Ｖsに設定され、横軸が時間ｔに設定されている。

図中Ｘが時間の経過により変化する湿度Ｈ及び該湿度Ｈに比例したオペアンプ２２の出力電圧Ｖsの推移を示しており、時刻ｔ₀において図２のＳＴＥＰ２〜ＳＴＥＰ３の処理により、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲Ｗ1（０．１〜４．９Ｖ）の中間レベルである２．５Ｖとなるようにオフセット電圧Ｖofが設定され、湿度検出の初期値Ｈiが確定される。これにより、Ｗ1の範囲での湿度検出が可能となる。

そして、時刻ｔ₁でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲Ｗ1の上限（４．９Ｖ）を超えると、図２のＳＴＥＰ１０の処理により、湿度検知手段５１によって、その時の検知湿度が湿度検知の基準値Ｈb_1とされる。また、図２のＳＴＥＰ１１，１２の処理により、ＰＷＭ制御手段５２によって、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲Ｗ2（０．１〜４．９Ｖ）の中間レベルである２．５Ｖとなるようにオフセット電圧Ｖofが変更される。これにより、Ｗ2の範囲での湿度検出が可能となる。

そして、湿度がさらに上昇し、時刻ｔ₂でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲Ｗ2の上限（４．９Ｖ）を超えると、図２のＳＴＥＰ１０の処理により、湿度検知手段５１によって、その時の検知湿度がＷ2における湿度検知の基準値Ｈb_2とされる。また、図２のＳＴＥＰ１１，１２の処理により、ＰＷＭ制御手段５２によって、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲Ｗ3（０．１〜４．９Ｖ）の中間レベルである２．５Ｖとなるようにオフセット電圧Ｖofが変更される。これにより、Ｗ3の範囲での湿度検出が可能となる。

また、湿度がさらに上昇し、時刻ｔ₃でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲Ｗ3の上限（４．９Ｖ）を超えると、図２のＳＴＥＰ１０の処理により、湿度検知手段５１によって、その時の検知湿度が次の入力許容電圧範囲Ｗ4における湿度検知の基準値Ｈb_3とされる。また、図２のＳＴＥＰ１１，１２の処理により、ＰＷＭ制御手段５２によって、オペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲Ｗ4（０．１〜４．９Ｖ）の中間レベルである２．５Ｖとなるようにオフセット電圧Ｖofが変更される。これにより、Ｗ4の範囲による湿度検出が可能となる。

このように、湿度の上昇に応じてオフセット電圧Ｖofを変更し、これにより湿度の検出範囲をＷ1→Ｗ2→Ｗ3→Ｗ4と順次シフトすることによって、各検出範囲Ｗ1〜Ｗ4における湿度の検出精度を高く維持しつつ、且つ、各検出範囲Ｗ1〜Ｗ4の連続性を保って広範囲に亘る湿度検出を行うことが可能となる。

［第２の実施の形態（本発明の実施の形態）］
次に、本実施の形態の湿度検出装置における湿度検出処理の第２の実施の形態について、図４に示したフローチャートに従って説明する。図４においては、上述した第１の実施の形態における図２と同様に、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ８の処理を行って湿度を検出するが、ＳＴＥＰ５でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲外となったときの処理が第１の実施の形態と相違する。

ＳＴＥＰ５でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが入力許容電圧範囲外となったときは、ＳＴＥＰ２０に分岐する。そして、湿度検知手段５１は、ＳＴＥＰ２０で、その時点のオペアンプ２２の出力電圧Ｖsに対応した検知湿度をＨnとして保持する。また、続くＳＴＥＰ２１で、湿度検知手段５１は、ｔ_x秒前から現時刻ｔ_aまでの湿度変化の傾き（湿度変化の割合）Ｋを算出する。

続くＳＴＥＰ２２とＳＴＥＰ２３はＰＷＭ制御手段５２による処理であり、ＰＷＭ制御手段５２は、ＳＴＥＰ２３でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが２．５Ｖ（入力許容電圧範囲の中間レベル）となるまで、ＳＴＥＰ２２でＯＵＴ1端子から出力するパルス信号のパルス幅を変更してオフセット電圧Ｖofを変更する。

そして、ＳＴＥＰ２３でオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが２．５ＶとなったときにＳＴＥＰ２４に進む。ＳＴＥＰ２４は湿度検知手段５１による処理であり、湿度検知手段５１は、以下の式（３）により、基準値Ｈb'を算出する。

Ｈb' ＝ Ｈn＋Ｋ（現時刻ｔ_b−ｔ_a） ・・・・・（３）
そして、ＳＴＥＰ５に進み、ＳＴＥＰ６において、湿度検知手段５１は該基準値Ｈb'を中間レベルである２．５Ｖに対応した湿度とし、Ｖsの変化に応じた湿度の変化分を該基準値Ｈb'に加算して湿度を検知する。

ここで、ｔ_b−ｔ_aは、ＳＴＥＰ２２及びＳＴＥＰ２３の処理により、オフセット電圧Ｖofを変更してオペアンプ２２の出力電圧Ｖsが２．５Ｖになるまでの所用時間となる。そのため、上記式（３）により、該所要時間における湿度の変化を加味して基準値Ｈb'を算出することができ、これにより、オフセット電圧Ｖofを変更したときの湿度検出の連続性をより良好なものとすることができる。

なお、本実施の形態では、ＰＷＭ制御によりオフセット電圧Ｖofを変更する構成としたが、他の構成（例えば、マイコン５０のデジタル出力をＤ／Ａコンバータによりアナログ変換してオフセット電圧を生成する等）により、オフセット電圧Ｖofを変更するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、図２のＳＴＥＰ３，ＳＴＥＰ１２及び図４のＳＴＥＰ３，ＳＴＥＰ２３において、入力許容電圧範囲（０．１〜４．９Ｖ）のセンター値である２．５Ｖを中間レベルとしてオフセット電圧Ｖofを変更したが、中間レベルを厳密に入力許容電圧範囲のセンター値とする必要はなく、中間レベルを入力許容電圧範囲のセンター値付近に設定することで本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、図２及び図４のＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ４の処理により、湿度検出を開始した時点における初期値Ｈiを確定し、ＳＴＥＰ６において該初期値Ｈiを基準として湿度を検知している。そのため、例えば、衣類乾燥機に本実施の形態の湿度検出装置を適用した場合、衣類乾燥運転を開始した時点や、使用者が衣類乾燥運転を中断して衣類を追加し、衣類乾燥運転を再開した時点等、任意の時点を基準として湿度の変化を検出することができる。

本発明の湿度検出装置の回路構成図。 第１の実施の形態における湿度検出処理のフローチャート。 湿度検出処理における湿度検出範囲のシフトの態様を示した説明図。 第２の実施の形態における湿度検出処理のフローチャート。 従来の湿度検出装置の回路構成図。

符号の説明

１…サーミスタ絶対温度センサ、２…ブリッジ回路、２０，２１，２２…オペアンプ（差動増幅器を構成）、２４…オペアンプ（オフセット電圧変更手段を構成）、３０…スイッチング素子（オフセット電圧変更手段を構成）、３１…積分回路（オフセット電圧変更手段を構成）、２５…オペアンプ（オフセット電圧重畳手段）、５０…マイコン、５１…湿度検知手段、５２…ＰＷＭ出力手段

Claims (1)

1. サーミスタ絶対湿度センサを２辺とし、抵抗回路を他の２辺とするブリッジ回路と、
   該ブリッジ回路の該サーミスタ絶対湿度センサ側の第１の出力電圧と、該ブリッジ回路の該抵抗回路側の第２の出力電圧とを入力し、該第１の出力電圧と該第２の出力電圧との差を増幅して出力する差動増幅器と、
   前記第２の出力電圧に所定のオフセット電圧を重畳するオフセット電圧重畳手段と、
   前記差動増幅器の出力電圧を入力し、該出力電圧に基づいて湿度を検知する湿度検知手段とを備えた湿度検出装置において、
   湿度検出の開始時に、前記差動増幅器の出力電圧が前記湿度検知手段の入力可能電圧範囲内で設定された入力許容電圧範囲の中間レベルとなるように、前記オフセット電圧を設定し、その後、前記差動増幅器の出力電圧が該入力許容電圧範囲から逸脱する毎に、前記差動増幅器の出力電圧が該入力許容電圧範囲の中間レベルとなるように、前記オフセット電圧を変更するオフセット電圧変更手段を備え、
   前記湿度検知手段は、前記オフセット電圧の初期値が設定された時点における湿度を初期値として湿度の検知を開始し、その後、前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧範囲から逸脱したときに、該逸脱が生じた時点で検知した湿度に、該時点における湿度の変化率に該逸脱に応じた前記オフセット電圧変更手段による前記オフセット電圧の変更の所用時間を乗じた補正値を加算した、前記オフセット電圧の変更が終了した時点における湿度の推定値を基準として、次に前記差動増幅器の出力電圧が前記入力許容電圧範囲から逸脱するまでの間における湿度を検知することを特徴とする湿度検出装置。

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