JP4994939B2

JP4994939B2 - 露点温度検出器

Info

Publication number: JP4994939B2
Application number: JP2007124092A
Authority: JP
Inventors: 栄二林
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2027-05-09
Also published as: JP2008281376A

Description

本発明は、露点温度検出器に関し、詳しくは、検出温度と検出湿度に基づき露点を算出する演算方式の露点温度検出器に関するものである。

露点とは、気体中の水分が結露して水滴になり始める温度のことである。具体的には、気体中に水分を一定以上含めなくなって水滴となる温度を飽和状態とし、その時の湿度を１００％としてその温度を露点とする。そして湿度が低くなるほど含まれる水分は少なくなり、０％では全く水分の無い気体となる。

気体中の水分量は温度にも関係する。たとえば温度２０℃で湿度７０％であった気体を温度４０℃まで暖めると湿度５０％に下がり、より多くの水分を含むことができるようになる。逆に温度を１０℃まで下げると湿度は９５％にもなる。自然界における朝露の発生は、日中温度が高いときに大気中に含まれている水分が朝方空気が冷えることによって飽和状態となり、湿度１００％を超えて水滴となることによる。

ところで、このような露点測定方式は、結露状態を光学的に検出する光学方式と、温度と相対湿度の測定結果に基づき露点を演算する演算方式に大別できる。光学方式の測定原理は物理現象であることから経時変化は小さく高い信頼性が得られるが、実際に結露させて測定することから応答性が悪い。これに対し、演算方式は温度と湿度から露点を演算するので光学式よりも高い応答性が得られ、たとえば工場などで動力源として用いられるエアーが配管内部で結露しないようにエアーの露点を配管温度以下に維持管理するのに有効である。

特開昭６３−１４２２５０号公報特開平８−１３６４９０号公報

特許文献１は、マイクロコンピュータを用いた電子露点測定装置および電子露点・霜点測定装置に関するものであり、Ａ／Ｄ変換器を用いない構成が示されている。

特許文献２は、基板に形成された空洞の上に複数のブリッジを設けてこれらブリッジの一つの上に温度検出用センサを設けて他のブリッジの上に雰囲気検出用センサを設けた構成の温度補償付き雰囲気検出装置が示されている。

しかし、マイクロコンピュータを用いる構成では、測定回路の設計の他、あらかじめ温度と湿度との関係から求められる露点温度のテーブルを内蔵してソフトウェアで変換する必要があるなど少なからずソフトウェアも開発設計しなければならず、開発工数がかさむことになる。また、測定結果をたとえば４〜２０ｍＡのアナログ信号に変換したい場合には、Ｄ／Ａ変換器が必要になることから装置の構成が複雑になってしまう。

一方、ブリッジの上に温度検出用センサと雰囲気検出用センサを設ける構成では、製造工程が複雑になるとともに、温度と湿度と露点温度を求めるための換算テーブルや信号処理も複雑になるという問題がある。

本発明は、これらの従来の問題点に着目したものであり、その目的は、汎用電気回路を用いた安価な構成で露点温度を求めることができるとともに、直接アナログ信号として出力できる露点温度検出器を提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
検出温度Ｔｘと検出湿度Ｈに基づき露点Ｔｄを次式により算出する演算方式の露点温度検出器であって、
Ｔｄ＝Ｔｘ−ｋ［（１−Ｈ）²＋ｂ］（Ｔｘ−Ｔｓ）
ｋ；定数、Ｔｓ；基点温度
この演算式における（１−Ｈ）²の演算を行う第１のパルス幅変調回路と、湿度信号に基づき（１−Ｈ）のレベル調整演算を行う第２のパルス幅変調回路とを含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の露点温度検出器において、
前記露点信号を４〜２０ｍＡ、１〜５Ｖ、０〜１０Ｖ、０〜１００ｍＶのいずれかの信号形式に変換して出力する信号変換部を有することを特徴とする。

これらにより、比較的簡単な回路構成で露点温度を求めることができるとともに、直接アナログ信号として出力できる露点温度検出器が実現できる。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は、大気温度と露点温度の関係を示す特性例図である。図１において、０〜８０℃の間では、ほぼ負の二乗曲線になっている。また、温度が−２０から０℃であっても、量的関係が急に縮小するものの、ほぼ二乗曲線であることに変わりがない。これらから、湿度に関係した二乗曲線で補正できることが解る。すなわち、湿度をＨとしａ，ｂを定数とすると、次式で表わすことができる。
ｆｘ＝−［１−Ｈ］²＋ａＨ＋ｂ（１）

図２は、一定湿度における温度と露点温度の関係を示す特性例図である。図１は一定温度における湿度と露点との関係を示しているが、一定湿度における温度と露点温度の関係は図２に示すようになる。すなわち、２０℃から８０℃の間は、−１００℃付近に極点を持った積の関係にある。本発明に基づく回路は、露点温度指示を近似的に取り出すことを目的とするもので、２０℃から８０℃のの間における露点温度は、温度と湿度の一定関数の積の関係となる。その積の定数は絶対温度−２７３℃ではなく、−１００℃をゼロとして直線的に増加する温度特性との積になる。

しかし、２０℃から−２０℃間の極点に着目すると、−６０℃付近でしかも温度と共に縮小関係にあり、一定ではない。露点温度計としては、＋１０℃から４０℃間を正確に変換する必要があることから、−１００℃の極点で代表させてＰ−Ｑ間を正確に求め、Ｑ−Ｒ間はＰ−Ｑの延長線と考えることも現実的な対処方法である。
そこで、露点をＴｄとし、大気温度をＴｘとし、８０℃における大気温度と露点温度と
の温度差をＬ８０とすると、露点温度Ｔｄは次式で表わすことができる。
Ｔｄ＝ｋＬ８０［Ｔｘ−Ｔｓ］（２）
ここでｋは定数、Ｔｓは基点温度、Ｌ８０は範囲を決めるための定数である。

さらにその時の露点温度Ｔｄは、これら（１）、（２）式に基づき、大気温度Ｔｘおよび湿度Ｈから、次式で求められる。
Ｔｄ＝Ｔｘ−ｋ［（１−Ｈ）²＋ａＨ＋ｂ］（Ｔｘ−Ｔｓ）（３）
なお、この（３）式は大気温度Ｔｘで整理することもできるが、電気回路としては大気温度Ｔｘから引き算するので、このまま扱うこととする。ここで、一次項ａＨは近似的には値が小さくて省略しても問題なく所定の規格に入るので、本発明の回路は、次式で扱うこととする。
Ｔｄ＝Ｔｘ−ｋ［（１−Ｈ）²＋ｂ］（Ｔｘ−Ｔｓ）（４）

以下に、この（４）式における各定数を実現する電気回路について説明する。
図３は三角波形における平均値の説明図である。三角波形の頂点からの高さをｈとすると、その面積ＳはＳ＝αｈ²で表わすことができる。すなわち、高さｈを可変にすると、底辺は２ｈで変化することになり、その面積Ｓは、高さｈの二乗に比例する。これを電気回路で実現することにより、その三角波形の面積の平均値は高さの二乗に比例したものとなる。温度と湿度との積を作る際、湿度はそのままでは近似できない。湿度の大きさに対して二乗の関係で変化させたものを温度との積にする必要がある。その二乗の関係を作り出すために三角波を作り、その波頭を湿度に比例させる。これにより、三角波の平均値は湿度の変化に対して二乗で変化することになる。

図４は三角波を発生する具体的な回路例であり、高さｈを可変にするための湿度入力回路として機能するものである。この三角波発生回路は、非反転入力端子と出力端子間に積分用コンデンサＣが接続されて反転入力端子が共通電位点に接続され積分器として動作する演算増幅器ＯＰ１と、抵抗Ｒａを介して演算増幅器ＯＰ１の出力端子に接続されたロジックＩＣ１と、ロジックＩＣ１の入力端子と出力端子間に接続された抵抗Ｒｂと、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子とロジックＩＣ１の出力端子間に接続された帰還抵抗Ｒｆとで構成されている。

この図４の回路は一種の正帰還発振回路として構成されていて、パルス幅変調回路の積分波形を利用するものであり、方形波を積分した部分が三角波となる。演算増幅器ＯＰ１の出力端子から、三角波部分のみを取り出すことができる。すなわち、周知のように、方形波を演算増幅器ＯＰ１で積分すれば三角波となる。図４の回路では、この三角波の正の部分のみを取り出している。
このように構成される発振回路の発振周波数Ｆｃは、
Ｆｃ＝１．４＊１／ＣＲｆＨｚ
になる。なお、Ｃは積分器の静電容量、Ｒｆは帰還抵抗の抵抗値である。

図５はＸ^２回路の具体的な回路例である。図５において、演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子には、抵抗Ｒ１を介して三角波信号が入力され、抵抗Ｒ２と可変抵抗Ｒ３の直列回路を介して電圧＋Ｖが入力され、さらに抵抗Ｒ４を介して湿度センサＨＳの出力信号が入力されている。演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子と出力端子間には、抵抗Ｒ５が接続されている。演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子は共通電位点に接続されている。

図４の積分器の三角波出力はゼロを基準に正負に振れているが、図示しない整流回路を通して半波ごとに取り出す。このとき、ゼロ位置を湿度センサＨＳの出力信号レベルで制御し、三角波の高さｈを湿度Ｈに比例したものとする。そして、湿度１００％で三角波が
ゼロ、湿度１０％で最大値になるような方向となるように、すなわち（１−Ｈ）となるようにレベル調整する。これは、近似が良く合うようにするための量的調整である。

このような回路構成により、湿度Ｈの逆関数（１−Ｈ）の二乗に比例した信号を取り出すことができる。具体的には、この信号を図示しないＣＲフィルタで平均化することにより、（１−Ｈ）^２の信号を取り出す。

図６は温度に応じて露点を変化させるためのパルス幅変調回路例であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。三角波発生回路を構成する演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子には、演算増幅器ＯＰ３から出力される温度信号が可変抵抗Ｒｃを介して入力されるとともに、−Ｖ２を取り出すための可変抵抗Ｒｄが接続されている。

演算増幅器ＯＰ３の非反転入力端子には抵抗Ｒ６を介して可変抵抗Ｒ１１のブラシが接続され、反転入力端子は抵抗Ｒ７を介して大気温度Ｔｘを測定する測温抵抗体Ｒｔの端子Ａに接続されるとともに抵抗Ｒ８を介して共通電位点に接続され、非反転入力端子と出力端子間には抵抗Ｒ９が接続されている。測温抵抗体Ｒｔの端子Ｂは抵抗Ｒ１０と可変抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２の直列回路を介して電圧Ｖ１の端子に接続され、端子ｂはコンデンサＣｔと抵抗Ｒ１３の直列回路を介して電圧Ｖ１の端子に接続されるとともに共通電位点に接続されている。

図６のように構成される回路は、湿度の量に応じて大気温度から露点まで温度を引き下げるためのパルス幅信号を生成する。図６の回路構成では、−２０℃から＋８０℃までの大気温度変化に対応できるパルス幅を生成する。図２で示すように２０℃を境に左右の傾斜が異なるが、
１）負の側は露点温度に対する許容差の幅が大きい
２）負の側は温度そのものの値が小さい
３）−２０℃以下は、４〜２０ｍＡの出力対象から外れる
などの理由により、−２０℃と＋２０℃間も２０℃と８０℃間の直線近似で行っている。必要に応じて折れ線回路を追加することにより非直線近似も可能であるが、回路が複雑化するので、図６では省略している。
上記１項について、市販されている露点検出器における許容差に着目すると、＋１０℃〜＋４０℃間は±１℃と高精度であるが、その範囲から外れるにしたがって大きくなる傾向があり、−側の氷点下領域では±３〜５℃などきわめて大きい。これは、氷点下領域ではもともと露点温度が自然現象として成り立たないこともあり、非常に圧縮された特性となっているので、必要性と現実性から高精度化をしていないものと判断される。
上記３項について、上記１項に関連するが、露点温度は測定温度より低い値であり、−２０℃での露点温度は−２０℃以下となり測定範囲外となる。このような測定範囲外の−２０℃以下の露点温度は測定結果として不要なものであり、各種のプロセス制御系における４〜２０ｍＡのアナログ信号の伝送線路として広く用いられている２線式伝送路の出力対象から外されることになる。

このパルス幅回路の温度による変調度は、大気温度＋４０℃で湿度３０％になる点をＲｃで調整し、大気温度＋１０℃で湿度３０％になる点をＲｄで調整する。このようにして生成されたパルス幅信号は湿度信号Ｈのスイッチングに導入され、大気温度からの降下温度を演算して大気温度との差を求める回路へ導かれる。

図７は、スイッチングによる露点温度の演算回路例である。図７において、湿度信号Ｈ成分を含むＸ^２は、抵抗Ｒ１４を介して演算増幅器ＯＰ４の非反転入力端子に入力されている。演算増幅器ＯＰ４の反転入力端子は共通電位点に接続されている。演算増幅器ＯＰ４の非反転入力端子と出力端子間には、抵抗Ｒ１５と逆方向に接続されたダイオードＤ１との直列回路および抵抗Ｒ１６と順方向に接続されたダイオードＤ２との直列回路が接続されている。

抵抗Ｒ１５とダイオードＤ１のアノードの接続点は、抵抗Ｒ１７を介して演算増幅器ＯＰ５の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器ＯＰ５の反転入力端子は共通電位点に接続され、非反転入力端子と出力端子間には抵抗Ｒ１８が接続されている。

演算増幅器ＯＰ５の出力端子は抵抗Ｒ１９を介して乗算器Ｍ１，Ｍ２の一方の入力端子に接続されている。また乗算器Ｍ１，Ｍ２の一方の入力端子には、抵抗Ｒ２０を介して電圧−Ｖ２の端子が接続されている。乗算器Ｍ１の他方の入力端子には大気温度に関連したパルス幅信号ＴｘＰＷＭが入力されるロジックＩＣ２の中点が接続され、乗算器Ｍ２の他方の入力端子にはロジックＩＣ２の出力端子が接続されている。乗算器Ｍ１の出力端子は共通電位点に接続され、乗算器Ｍ２の出力端子は演算増幅器ＯＰ６の非反転入力端子に接続されている。

演算増幅器ＯＰ６の非反転入力端子には、抵抗Ｒ２１を介して大気温度Ｔｘの端子が接続されている。演算増幅器ＯＰ６の反転入力端子は共通電位点に接続され、非反転入力端子と出力端子間には抵抗Ｒ２２と可変抵抗Ｒｅの直列回路が接続されている。

図７のように構成される露点温度の演算回路において、演算増幅器ＯＰ４は湿度信号Ｈのスイッチングを行い、演算増幅器ＯＰ５は前述（４）に基づいて大気温度Ｔｘとの差を求め、演算増幅器ＯＰ６は例えば４〜２０ｍＡに変換して出力する。出力スパンはたとえば８０℃で最大になるように可変抵抗Ｒｅで調整する。

なお図７の出力信号形式は４〜２０ｍＡに限るものではなく、１〜５Ｖ、０〜１０Ｖ、０〜１００ｍＶなど多種の出力形式に対応可能な回路として構成されている。原則としては−側を電源−と共通にし、電圧出力は抵抗の電圧降下で対応している。

このように構成される露点温度検出器は、ソフト開発費が不要で特別高価な電子部品を必要とせず、直接アナログ信号が得られることから低コストで実現できる。
また、デジタル構成でないことから特性として連続性が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な回路構成で露点温度を求めることができるとともに直接アナログ信号として出力できる露点温度検出器が実現でき、動力源として用いられるエアー系統の管理、ビルの空調管理、車載用空調管理などの露点温度検出器として好適である。

大気温度と露点温度の関係を示す特性例図である。一定湿度における温度と露点温度の関係を示す特性例図である。三角波形における平均値の説明図である。三角波を発生する具体的な回路例である。Ｘ^２回路の具体的な回路例である。温度に応じて露点を変化させるためのパルス幅変調回路例である。スイッチングによる露点温度の演算回路例である。

符号の説明

Ｃコンデンサ
Ｍ乗算器
ＯＰ演算増幅器
Ｒ抵抗
Ｒｔ測温抵抗体

Claims

検出温度Ｔｘと検出湿度Ｈに基づき露点Ｔｄを次式により算出する演算方式の露点温度検出器であって、
Ｔｄ＝Ｔｘ−ｋ［（１−Ｈ）²＋ｂ］（Ｔｘ−Ｔｓ）
ｋ；定数、Ｔｓ；基点温度
この演算式における（１−Ｈ）²の演算を行う第１のパルス幅変調回路と、湿度信号に基づき（１−Ｈ）のレベル調整演算を行う第２のパルス幅変調回路とを含むことを特徴とする露点温度検出器。
前記露点信号を４〜２０ｍＡ、１〜５Ｖ、０〜１０Ｖ、０〜１００ｍＶのいずれかの信号形式に変換して出力する信号変換部を有することを特徴とする請求項１記載の露点温度検出器。