JPH02276959A - 湿度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野］ 本発明は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質を用いた限界電流形の酸素センサによってガス中の絶対湿度を測定する湿度測定装置、特に低い湿度領域に対しても容易に測定を行うことができる装置に関する。 【従来の技術】

食品産業や繊維産業等の乾燥工程では乾燥空気中の湿度
を測定することが必要で、この乾燥空気は通常８０°Ｃ
以上の高温であるため、従来、上記した固体電解質を用
いた限界電流形の酸素センサを用いて湿度測定が行われ
ている。 すなわち、空気中の酸素濃度を知って該空気中の絶対湿
度を求めることができることは既に本出願人の出願にな
る特開昭５７−１７８１４３号明細書によって公知であ
って、この場合、空気中の絶対湿度を該空気に含まれる
水蒸気の体積百分率濃度で表してＹ％とすると、この空
気中の酸素の体積百分率濃度をＹ％として、Ｙは（１）
式によって算出することができる。ここに、２０．９５
は乾燥空気中の酸素の体積百分率濃度である。以後、体
積百分率濃度を単に濃度ということがあり、また体積百
分率をＶｏ１％と表すことがある。 Ｙ＝　（２０，９５−Ｘ）　１０．２０９５　　・・・
・・・・・・（１）そうして、また、上記の酸素センサ
を用いて８０゛Ｃをこえる高温の空気中の酸素濃度を測
定することができ、さらに、この酸素センサを用いて該
空気中の絶対湿度を（１）式の演算によらないで測定す
ることができることもまた本出願人の出願になる実開昭
６２−１２６７６６号明細書によって既に公知である。 すなわち、第４図は上記の限界電流形酸素センサを用い
た公知の絶対湿度測定装置の構成図で、図において、１
はヒータ２によって約４００°Ｃないし９００’Ｃ程度
に加熱されることによって酸素イオンのみが移動可能に
なる固体電解質としての板状のジルコニアセラミック、
３．４はセラミック１の両面の各々に焼きつけた白金等
の触媒電極、５は電極３を被うようにして気密にセラミ
ック１にとりつけられかつ微小貫通孔６．カ設けられた
蓋である。この場合、上記ヒータ２がこの蓋５の中に埋
めこまれている。７はヒータ２を加熱するための電源で
、８は上述のセラミック１とヒータ２と電極３，４とＭ
５と電源７とからなる酸素センサである。 酸素センサ８は上述のように構成されているので、セラ
ミック１をヒータ２で上記温度に加熱した状態で電極３
．４間に直流電圧Ｅを印加すると、セラミックｌ内に酸
素センサをキャリアとする電流Ｉが流れて蓋５内の酸素
が電極４からセラミック１外へ排出され、この酸素排出
量は電圧Ｅと共に増加する。そうして、蓋５内から酸素
が排出されると蓋５内の酸素濃度が低下するので酸素セ
ンサ８外から蓋５内に貫通孔６を通して酸素が拡散によ
って補充され、この酸素補充流量は前記の酸素排出量と
共に増加するものの貫通孔６が微小であるのでこの貫通
孔６の大きさに応じた流量以上に増加することはなく、
したがって酸素センサ８においては前記電圧Ｅの増加と
共に前記電流■が第５図図示の特性線へのように変化す
る。第５図におけるＢは上記の酸素補充流量が貫通孔６
のために制限されて生じる特性線Ａにおける電流平坦領
域の電流値を表していて、電流値Ｂは酸素センサ８が置
かれた雰囲気中の酸素濃度に比例するので、この電流値
Ｂを測定することによって該雰囲気中の酸素濃度を知る
こ七ができる。電流値Ｂを有する電流を従来限界電流と
呼んでおり、したがって、従来酸素センサ８は限界電流
形の酸素センサと呼ばれることがある。 さて、酸素センサ８によれば上記のようにして空気中の
酸素濃度を測定することができるのでこの測定結果から
（１）式に基づいて絶対湿度を知ることができるが、酸
素センサ８を用いると（１）式に基づかない以下に説明
する方法によっても絶対湿度を測定することができる。 すなわち、前述したように、センサ８の電極３゜４間に
電圧Ｅを印加すると電流ＩがＥの増加に応じて第５図の
ように変化するが、センサ８が置かれた雰囲気に水蒸気
が含まれている場合さらにＥを大きくしてゆくとやがて
水蒸気が電圧已によって電気分解されるようになる結果
、ＥとＩとの関係を表す特性線に前記のＢよりも高い電
流値Ｃを存する第２の電流平坦領域が現れる。したがっ
て、例えば絶対湿度３０　Ｖ　ｏ１％の空気中にセンサ
８を置いて電圧Ｅを変化させるとＥとＩとの関係だ第３
図の特性線りで示したようになり、この場合電流値Ｃが
絶対湿度に比例することは上述した所から明らかである
。そうして、第３図はＥとＩとの関係の実測結果を絶対
湿度Ｙをパラメータとして描いたもので、本図における
電流値Ｂが湿度Ｙに比例することは（１）式によって明
らかであるから、したがって、（Ｃ−Ｂ）を求めること
によって（１）式によることなく湿度Ｙを知ることがで
きることになる。 第４図の湿度測定装置は上記の（Ｃ−Ｂ）から湿度Ｙを
求めるようにした装置で、図において、９は電極３．４
間に水蒸気が必ず電気分解する高い電圧値Ｅ、の第１電
圧１０と、Ｅ、、より低い電圧であってかつ水蒸気が電
気分解をすることのない電圧値Ｅｌの第２電圧１１とを
所定の経時態様で交互に印加する電圧印加部、１２はセ
ンサ８が出力する信号電流Ｉを信号電圧Ｅ３に変換する
出力抵抗である。そうして、１３は電圧Ｅ、を増幅して
その結果の電圧としての検出信号１３ａを出力する増幅
部本体、１４は出力抵抗１２と増幅部本体１３とからな
る増幅部で、１５は検出信号１３ａが入力され、かっこ
の入力信号の値を電圧印加部９が行う印加電圧切換動作
に連動して記憶しては上記の（Ｃ−Ｂ）の演算を行って
、その演算結果としての湿度Ｙに応じた測定信号１５ａ
を出力するようにした演算部である。 以後、限界電流を測定して（１）式に基づいて絶対湿度
を測定する上述の方法を電極電圧固定式湿度測定法とい
い、電極３，４間に第１電圧１０と第２電圧１１とを交
互に印加して絶対湿度を測定する上述の方法を電極電圧
切換式湿度測定法ということがある。

【発明が解決しようとする課題】

第４図においては上述のようにして絶対湿度が測定され
るが、今、第３図に示したＥ　ｈ　Ｉの電圧を第１電圧
１０として電極３．４間に印加した場合、水２分子によ
って発生する電流Ｉが酸素１分子によって発生する電流
Ｉに等しいので、測定対象空気がＹ＝　１００Ｖｏ１％
の時に発生する電流Ｉの値Ｉ、。。は、貫通孔６におけ
る空気の拡散速度と水蒸気のそれとが等しいと仮定すれ
ば、酸素濃度Ｘが５０Ｖｏ１％である乾燥ガスの時に発
生する電流１の値に一致する。したがって、Ｙ−ＯＶｏ
１％の時、つまり２０．９５　Ｖｏ１％の酸素を含む乾
燥空気の時の電流Ｉの値■。が１００μ八であったとし
、かつセンサ８における微小貫通孔６を通る水蒸気の拡
散速度Ｓ１が貫通孔６を通る空気の拡散速度Ｓ２に等し
かったとすると、■、。。−１００μＡ　Ｘ　（５０Ｖ
ｏ１％／２０．９５　Ｖｏ１％）　”＝　２４０μＡ　
となるが、ｓ、＞Ｓｚであることが実験結果から明らか
で、このため■１゜。は２４０〜４８０μへの範囲内の
電流値となるのが通例である。 第４図においては■、。０が上記の値をとるので、例え
ば■、。。＝２４０μへの時に、検出信号１３ａが演算
部１５での上述した演算に好都合な電圧になるように、
増幅部本体１３のゲインＧが設定されていて、この場合
１１０゜がかなり大きい電流であるのでゲインＧは比較
的小さい値となっている。このため、第４図に示した従
来の湿度測定装置には、電流■の小さい低湿度で検出信
号１３ａの電圧が小さいので、低湿度の測定がやり難い
という問題点がある。 本発明の目的は低湿度でも検出信号１３ａの電圧を大き
くすることができるようにして低湿度の測定がやり易く
なるようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため、本発明によれば、両電極が酸
素イオン伝導性を有する固体電解質層を介して対向配置
された限界電流形酸素センサと、前記両電極間に水の電
気分解が生じる第１電圧と水の電気分解が生じない第２
電圧とを交互に印加する電圧印加部と、前記酸素センサ
が出力する信号電流を検出して検出信号を出力する増幅
部と、前記検出信号に基づいて前記第１及び第２電圧に
応じた演算を行った結果としての第１信号と、前記第２
電圧に応じた演算を行った結果としての第２信号のいず
れか一方を測定信号として外部へ出力する演算部とを備
え、前記演算部は前記測定信号が表す絶対湿度が低い時
は前記測定信号として前記第１信号を出力し前記測定信
号が表す絶対湿度が高い時は前記測定信号として前記第
２信号を出力するように湿度測定装置を構成する。

【作　用】

上記のように構成すると、電圧印加部には酸素センサの
両電極間に第１及び第２電圧として例えば第３図に示し
たＥｈｌ、Ｅ／Ｉを印加するようにさせることができ、
演算部には、上記両電極間にＥｈｌとＥｔｌとが印加さ
れることによっその都度骨られる都合二種類の検出信号
を用いて電極電圧切換式湿度測定法に基づく演算を行っ
て第１信号を発生すると共に、上記両電極間に巳１１が
印加されることによって得られる検出信号を用いて電極
電圧固定式湿度測定法に基づく演算を行って第２信号を
発生することができ、さらに演算部には、測定信号が表
す絶対湿度が低い湿度である例えばＹ＝３０Ｖｏ１％以
下である場合に第２信号を測定信号として外部へ出力す
るようにさせることができる。 ところが、Ｙ＝３０Ｖｏ１％の時に出力される第２信号
に対応して酸素センサの固体電解質を流れる電流■の最
大値は第３図図示のＢで、このＢがＹ＝１００　Ｖｏ１
％の時の電流■、。。よりも小さい電流値であることは
第３図から明らかである。したがって、湿度測定装置を
前記のように構成すると、増幅部のゲインを上述した従
来の湿度測定装置におけるよりも大きくすることができ
て、この結果低湿度でも検出信号の値を大きくすること
ができるで、低湿度の測定が容易な湿度測定装置が得ら
れることになる。

【実施例】

第１図は本発明の一実施例の構成図である。第１図にお
いて、１６は、センサ８の両電極３．４間に水の電気分
解が生じる電圧値Ｅ１の第１電圧１０と水の電気分解が
生じない電圧値Ｅｌの第２電圧１１とを時間間隔τを経
過するごとに交互に切り換えて印加すると共に、第２図
に示した時間間隔τのインパルス例Ｉ７を演算指令信号
１６ｂとして出力するように構成された、第４図の電圧
印加部９に対応した電圧印加部であって、ここに、イン
パルス列１７は電圧印加部１６の出力電圧１６ａが呈す
る第２図に示したデユーティが１である矩形波列に同期
して出力される信号である。そうして、上記した電圧値
Ｅｈ、Ｅｌは酸素センサ８が出力する信号電流Ｉのばら
つきや測定湿度範囲等をも考慮して設定される電圧値で
、Ｅ、は通常約１．４■ないし約２．０■の範囲内の電
圧であり、またＥｘは通常約０．５Ｖないし約１．２■
の範囲内の電圧である。 なお、電極３，４間に第１電圧１０が印加されるとセン
サ８の出力電流Ｉが酸素と水蒸気とに基づく電流値Ｃに
なり、電極３．４間に第２電圧１１が印加されると電流
Ｉが酸素のみに基づく電流値Ｂになることは上述した通
りである。 １９は増幅部１４が出力する検出信号１３ａと電圧印加
部１６が出力する演算指令信号１６ｂとが入力され、か
つ演算指令信号１６ｂが呈する第２図に示したインパル
ス列１７にインパルス１７ａが現れるごとに検出信号１
３ａの値を読みこんで電極電圧切換式湿度測定法にした
がう第１演算、つまり（Ｃ−Ｂ）の演算を行ってその結
果に応じた絶対湿度を表す第１信号１９ａを出力する第
１演算部、２０は検出信号１３ａと演算指令信号１６ｂ
とが入力され、かつ信号１６ｂが呈する第２図のインパ
ルス列１７におけるインパルス１７ａが第２図に示した
出力電圧１６ａがＥｒからＥｌに立ち上がる時刻に現れ
るインパルスであるごとに検出信号１３ａの値を読みこ
んで電極電圧固定式湿度測定法にしたがう第２演算、つ
まり（１）弐の演算を行ってその結果に応じた絶対湿度
を表す第２信号２０ａを出力する第２演算部で、２１は
第１及び第２信号１９ａ、２０ａと測定モード切換信号
２２ａとが人力され、切換信号２２ａが第１測定モード
Ｍ、を指令する信号であると第１信号１９ａを測定信号
２１ａとして出力し、切換信号２２ａが第２測定モード
Ｍ２を指令する信号であると第２信号２０ａを測定信号
２１ａとして出力する出力信号切換部である。 ２２は測定信号２１ａが入力され、かつ信号２１ａが表
す絶対湿度が所定の設定値ＲＶｏ１％、例えば３０Ｖｏ
１％以下であると上記の第１測定モードＭ１を指令し、
信号２１ａが表す絶対湿度が前記設定値Ｒをこえている
と、すなわち、この場合３０Ｖｏ１％をこえていると上
記の第２測定モードＭ２を指令する前述の測定モード切
換信号２２ａを出力する測定モード切換部で、１８は演
算部１９．２０と信号切換部２１と測定モード切換部２
２とからなる演算部、２３は第１図図示の各部からなる
湿度測定装置である。 湿度測定装置２３は上述のように構成されているので、
測定信号２１ａが表す絶対湿度がＲ以下では信号２１ａ
が電極電圧切換式による湿度測定結果を表しており、信
号２１ａが表す絶対湿度がＲをこえると信号２１ａが電
極電圧固定式による湿度測定結果を表していることが明
らかで、したがって、測定装置２３によれば信号２１ａ
によってセンサ８が置かれた空気中の絶対湿度Ｙを測定
することができる。そうして、この場合、第３図からセ
ンサ８が出力する電流■の最大値Ｉｍａｘが電流値１１
゜。よりも小さくなることは明らかで、ｒ　ｍａｘは酸
素に基づく電流１１と水蒸気の電気分解に基づく電流Ｉ
２との和であるから、今、測定モード切換部２２におけ
る前述の湿度設定値Ｒが例えば３０Ｖｏ１％に設定され
ていたとし、かつＹ＝ＯＶｏ１％の時の電流Ｉの値■。 が１００μ八であったとし、かつ貫通孔６における水蒸
気の拡散速度Ｓ１と酸素の拡散速度Ｓ２とが等しかった
とすると、Ｉ、＝１００μＡＸ０．７＝７０μ八となり
、また前述になってｌ２＝１００μＡ　Ｘ　（３０Ｖｏ
１％ＸＩ／２）／２０．９５　Ｖｏ１％＃７０μＡとな
って、結局１　ｗａｘ　’、　１４０μ八となる。とこ
ろが、前述したように実際にはＳ　Ｉ＞　Ｓ　ｚである
から、ｒ　ｍａｘは（７０＋（７０〜１４０））　μＡ
　、すなわち１４０〜２１０μへの範囲内の電流値にな
る。 すなわち、湿度測定装置に２３によれば、測定モード切
換部２２における湿度設定値Ｒを例えば３０Ｖｏ１％に
設定するとセンサ８が出力する最大電流が１４０〜２１
０μへの範囲内の電流になって第４図の湿度測定装置で
センサ８が出力する電流の最大値１．。。よりも小さく
なるので、測定装置２３の場合、増幅部１４のゲインを
第４におけるよりも大きくすることができて、この結果
測定対象湿度Ｙが低い時でも大きい電圧の検出信号１３
ａが得られるので、結局低湿度の測定を容易に行うこと
ができることになる。 上記の説明では湿度測定対象ガスが空気であるとしたが
、本発明が空気以外のガスにも適用し得るものであるこ
とは上述した所から明らかである。

【発明の効果】

上述したように、本発明においては、両電極が酸素イオ
ン伝導性を有する固体電解質層を介して対向配置された
限界電流酸素センサと、前記両電極間に水の電気分解が
生じる第１電圧と水の電気分解が生じない第２電圧とを
交互に印加する電圧印加部と、酸素センサが出力する信
号電流を増幅して検出信号を出力する増幅部と、この検
出信号に基づいて第１及び第２電圧に応じた演算を行っ
た結果としての第１信号と第２電圧に応じた演算を行っ
てその結果としての第２信号のいずれか一方を測定信号
として出力する演算部とを備え、前記演算部は測定信号
が表す絶対湿度が低い時は測定信号として第１信号を出
力し測定信号が表す絶対湿度が高い時は測定信号として
第２信号を出力するように湿度測定装置を構成した。 このため、上記のように構成すると、電圧印加部には酸
素センサの両電極間に第１及び第２電圧として例えば第
３図に示したＥｈｌ、ＥＬｌを印加するようにさせるこ
とができ、演算部には、上記両電極間にＥｈｌとＥ／１
とが印加されることによってその都度得られる都合二種
類の検出信号を用いて電極電圧切換式湿度測定法に基づ
く演算を行って第１信号を発生すると共に、上記両電極
間にＥｆｔが印加されることによって得られる検出信号
を用いて電極電圧固定式湿度測定法に基づく演算を行っ
て第２信号を発生するようにさせることができ、さらに
演算部には、測定信号が表す絶対湿度が低い湿度である
例えばＹ＝３０■ｏ１％以下である場合いに第２信号を
測定信号として外部へ出力するようにさせることができ
る。ところが、Ｙ＝３０Ｖｏ１％の時に出力される第２
信号に対応して酸素センサの固体電解質を流れる電流Ｉ
の最大、値は第３図図示のＢで、このＢがＹ＝１００　
Ｖｏ１％の時の電流１１０゜よりも小さい電流値である
ことは第３図から明らかである。したがって、湿度測定
装置を前記のように構成すると、増幅部のゲインを上述
した従来の湿度測定装置におけるよりも大きくすること
ができて、この結果低湿度でも検出信号の値を大きくす
ることができるので、本発明には低湿度の測定が容易な
湿度測定装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は第１図に
おける要部の波形説明図、第３図は絶対湿度測定の原理
説明図、第４図は従来の絶対湿度測定装置の構成図、第
５図は限界電流形酸素センサの測定原理説明図である。 １−−−−−−−ジルコニアセラミック、３．　　ｔ−
−−−−−一電極、８−・−酸素センサ、９　、１６−
−−−−−電圧印加部、１０・−・−第１電圧、１１−
−−−−−一第２電圧、１３ａ　−−−−−−一検出信
号、１　ｔ−−−−−−一増幅部、１５ａ、２１ａ−−
−−一測定信号、１８−・−一一一一演算部、１９ａ−
−−−−−一第１信号、２０ａ−−−−−−一第２信号
、２３・・−−一−−湿度測定装置、Ｉ　−−−−−・
−信号電流。 韮 閉 箋 図 −Ｅ［Ｖ） ′免 閉

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）両電極が酸素イオン伝導性を有する固体電解質層を
   介して対局配置された限界電流形酸素センサと、前記両
   電極間に水の電気分解が生じる第１電圧と水の電気分解
   が生じない第２電圧とを交互に印加する電圧印加部と、
   前記酸素センサが出力する信号電流を増幅して検出信号
   を出力する増幅部と、前記検出信号に基づいて前記第１
   及び第２電圧に応じた演算を行った結果としての第１信
   号と、前記第２電圧に応じた演算を行った結果としての
   第２信号のいずれか一方を測定信号として出力する演算
   部とを備え、前記演算部は前記測定信号が表す絶対湿度
   が低い時は前記測定信号として前記第１信号を出力し前
   記測定信号が表す絶対湿度が高い時は前記測定信号とし
   て前記第２信号を出力することを特徴とする湿度測定装
   置。