JPH07128293A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 応答性に優れ、かつ高精度の湿度測定が可能
な湿度センサを提供する。 【構成】 空気中に対置された高圧側電極２およびアー
ス側電極３Ａ，３Ｂと、これら電極２，３Ａ，３Ｂ間に
高電圧を印加してコロナ放電を発生させる高圧電源６
と、放電電流を検出する抵抗４と、空気の温度を検出す
る温度センサ７と、検出された放電電流に基づいて上記
空気の絶対湿度を算出するとともに、検出された空気温
度に基づいて上記算出された絶対湿度を補正する湿度演
算回路５とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は湿度センサに関し、特に
極めて応答性に優れる湿度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】湿度センサとしては、アルミナ等のセラ
ミック基板上に電極をスクリーン印刷して焼成焼き付け
し、その上に導電性高分子を主体とした感湿膜を塗布し
たもの等が知られており（例えば特開昭６０−６３４５
９号公報において空気清浄度測定装置に用いられてい
る）、車両リヤウインドの曇り防止等の用途に使用され
ている。これは感湿膜が湿度に応じて膨潤、収縮して、
膜中に含まれる導電性の炭素粉の粒子間隔が変化し、電
極間の抵抗値が変化することを利用したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の湿度センサ
はコンパクトな形状で相対湿度を手軽に測定できるもの
ではあるが、反応速度が数十秒と遅く、応答性の良い湿
度制御を必要とする用途には使用できなかった。また、
相対湿度と抵抗値の相関に直線性が乏しいため、高精度
の測定には難があった。本発明はかかる課題を解決する
もので、応答性に優れ、かつ高精度の湿度測定が可能な
湿度センサを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の構成を図１１で
説明すると、空気中に対置された電極部材と、これら電
極部材間に高電圧を印加してコロナ放電を発生させる電
源手段と、放電電流ないし放電電圧を検出する手段と、
検出された放電電流ないし放電電圧に基づいて上記空気
の絶対湿度を算出する手段と、上記空気の温度を検出す
る手段と、検出された温度に基づいて上記算出された絶
対湿度を補正する手段とを具備している。

【０００５】

【作用】コロナ放電の放電電流（電圧）は空気の絶対湿
度と良好な直線的相関を有し、また、絶対湿度が変化す
ると放電電流（電圧）は極めて敏感にこれに応答する。
この放電電流（電圧）は空気温度に対しても直線的に変
化するから、算出された絶対湿度を空気温度で補正すれ
ば正確な絶対湿度が知られる。かくして、放電電流（電
圧）と絶対湿度の直線的相関性により、絶対湿度の正確
な検出が可能であるとともに、放電電流（電圧）の敏感
な応答により極めて速い検出応答性を得ることができ
る。

【０００６】

【実施例１】図１において、空調ダクト１内には前後
（紙面垂直方向）の側壁に沿って設けた電気絶縁性支持
板に支持されて、上下の壁面に沿ってアース側の平板状
電極３Ａ，３Ｂが対向して設けてあり、これら電極３
Ａ，３Ｂの中間位置にはダクト１側壁間に直線状の高圧
側電極２が張設してある。上記電極３Ａ，３Ｂとアース
間には電流検出用抵抗４が設けてあり、該抵抗４の両端
子は湿度演算回路５へ入力接続されている。また、電極
２は５ｋＶの高圧電源６の出力端子に接続されている。

【０００７】空調ダクト１内の上流位置には温度によっ
て抵抗値が変化する白金温度センサ７が設けてあり、そ
の出力端子は上記湿度演算回路５に入力接続されてい
る。

【０００８】図２に湿度演算回路５の構成を示す。オペ
アンプ５０１，５０２と５０３，５０４はそれぞれ二段
の反転増幅回路を構成しており、上記温度センサ７は抵
抗５０６を介して５Ｖ電源に接続されて、その端子電圧
がオペアンプ５０１に入力し、二段増幅されてＡ／Ｄ変
換器（ＮＥＣ製μＤ７００２）５０５のアナログ入力端
子ＣＨ１に入力している。また、抵抗４の端子電圧はオ
ペアンプ５０３に入力し、二段増幅されて上記Ａ／Ｄ変
換器５０５のアナログ入力端子ＣＨ０に入力している。

【０００９】なお、図中、抵抗５０７，５０８とコンデ
ンサ５０９，５１０の各組はそれぞれローパスフィルタ
を構成している。Ａ／Ｄ変換器５０５のＩＮＴＯＵＴ端
子、ＩＮＴＩＵＮ端子間に接続されたコンデンサ５１１
はノイズ防止用である。そして、Ａ／Ｄ変換器５０５の
デジタル信号端子ＤＢ０〜ＤＢ７はＣＰＵ（日立製ＨＤ
６３０１）５１２のデータバスＰ３０〜Ｐ３７に接続さ
れている。

【００１０】抵抗５１３，５１４、ダイオード５１５、
コンデンサ５１６により遅延回路が構成され、その出力
はインバータ５１７，５１８を経て電源投入時のリセッ
トパルスとして上記ＣＰＵ５１２のリセット端子ＲＥＳ
に入力している。ＣＰＵ５１２のＥＸＴＡＬ端子、ＸＴ
ＡＬ端子には、水晶発振子５１９とコンデンサ５２０，
５２１で構成される発振回路より作動用のクロックパル
スが入力している。また、ＣＰＵ５１２の動作モードを
決定するＰ２０，Ｐ２１，Ｐ２２の各ポートにはそれぞ
れ５Ｖ，０Ｖ，５Ｖが供給されて、Ｐ３０〜Ｐ３７の各
ポートがデータバスに、Ｐ４０〜Ｐ４７の各ポートがア
ドレスバスに設定される。

【００１１】ＣＰＵ５１２のアドレスバスＰ４２〜Ｐ４
７はアドレスデコーダ（東芝製ＴＣ７４ＨＣ１３８）５
２２のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｇ２Ｂ，Ｇ２Ａ，Ｇ１の各端子に入
力接続され、デコード結果はその出力端子Ｙ０よりＡ／
Ｄ変換器５０５のチップセレクト端子ＣＳに入力してい
る。また、アドレスバスＰ４０，Ｐ４１はＡ／Ｄ変換器
５０５のアドレス入力端子Ａ０，Ａ１に接続されてい
る。ＣＰＵ５１２のクロック出力Ｅおよびリード・ライ
ト信号Ｒ／Ｗはインバータ５２３、ＮＡＮＤゲート５２
４，５２５を介してリード信号ＲＤ、ライト信号ＷＲと
なり、Ａ／Ｄ変換器５０５のリード信号入力端子ＲＤお
よびライト信号入力端子ＷＲに入力している。ＣＰＵ５
１２のポートＰ１３には、Ａ／Ｄ変換器５０５のＡ／Ｄ
変換終了信号ＥＯＣが入力する。

【００１２】上記構成の湿度センサの作動を以下に説明
する。コロナ放電の放電電流は主に電離空気中の電子密
度に依存している。電子の移動度がイオンの移動度に比
して圧倒的に大きいからである。ところで、図３に示す
如く、電極２，３Ａ，３Ｂ間のコロナ放電中を水分子を
含んだ空気が通過すると、この水分子にある確率で電子
が付着する。付着した電子は水分子により放電柱外へ持
ち去られ、あるいは水分子と一体化した電子は移動度が
極めて小さくなるため、コロナ電流は減少する。したが
って、このコロナ電流の減少量は空気中の水分子の粒子
数（すなわち絶対湿度）と良好な相関がある。これを図
４に示し、絶対湿度の増大に伴ってコロナ電流は一定の
傾きで直線的に減少している。そこでコロナ電流を検出
することにより絶対湿度が知られる。しかし、図より知
られる如く、コロナ電流は空気温度の上昇に伴っても、
絶対湿度との上記相関関係を保ちつつ全体として増大す
る。これは温度上昇とともに電子の移動度が大きくなる
からである。これを図５に示し、コロナ電流は温度に対
して直線的に増大している。かくして、コロナ電流から
絶対湿度を算出し、算出した絶対湿度を温度で補正すれ
ば、正確な絶対湿度を得ることができる。

【００１３】さて、図２において、抵抗４にはコロナ電
流に比例した電圧信号が発生し、一方、抵抗７には空気
温度に比例した電圧信号が発生する。これらコロナ電流
信号と空気温度信号は既述の増幅回路５０１，５０２，
５０３，５０４で増幅されてＡ／Ｄ変換器５０５に入力
する。Ａ／Ｄ変換器５０５は、ＣＰＵ５１２からの変換
命令信号がデジタル信号端子ＤＢ０〜ＤＢ７を経て書き
込まれると上記コロナ電流信号と空気温度信号を順次デ
ジタルデータに変換し、このデジタルデータを再び上記
信号端子ＤＢ０〜ＤＢ７を経てＣＰＵ５１２へ出力す
る。

【００１４】図６にはＣＰＵ５１２の処理手順を示す。
ステップ１０１でフラグ類の初期設定を行い、ステップ
１０２でＡ／Ｄ変換器からコロナ電流データを得るとと
もに、続くステップ１０３で空気温度のデータを得る。
ステップ１０４では、コロナ電流データより予め定めた
関係式で絶対湿度を算出し、算出した絶対湿度を空気温
度データに基づいて補正して最終的な絶対湿度を得る
（ステップ１０５）。このようにして得られた絶対湿度
は必要に応じて相対湿度に演算変換されて空調制御に使
用される。

【００１５】かかる湿度センサによれば、その検出原理
が空気中の水分子への電子付着という短時間で生じる現
象に基づいているため、ＣＰＵによる演算時間を含めて
も検出に要する時間は約２ｍｓ程度であり、極めて応答
性に優れている。また、コロナ電流値や空気温度と絶対
湿度とは既述の如く直線的な相関関係を有するから、簡
単な演算で正確な絶対湿度を得ることができる。

【００１６】

【実施例２】上記実施例１では、一定の高圧電圧の下で
のコロナ電流の変化より絶対湿度を測定したが、一定の
コロナ電流を流すようにして、この時の高圧電圧の変化
より絶対湿度を測定するようにしても良い。その構成を
図７に示す。

【００１７】図において、電流検出用抵抗４の両端電圧
が高圧電源６にフィードバックされており、高圧電源６
は検出されるコロナ電流が一定になるように出力電圧を
変更する。この出力電圧は電極２，３Ａ，３Ｂ間に印加
されるとともに、アースとの間に直列接続された分圧抵
抗６１，６２により分圧されて湿度演算回路５に入力す
る。他の構成は実施例１と同一である。

【００１８】高圧電源６の出力電圧は空気の絶対湿度と
直線的な対応関係があり、湿度演算回路５のＣＰＵ５１
２（図２参照）は図８に示す手順で絶対湿度を演算す
る。図において、ステップ２０２，２０４でコロナ電流
に代えて高圧電圧を使用する以外は実施例１の図６と同
様である。

【００１９】

【実施例３】上記各実施例では湿度演算回路のＣＰＵで
絶対湿度を算出したが、コロナ電流値や空気温度と絶対
湿度とが直線的な相関関係を有することを考慮すると、
特にＣＰＵを使用することなくアナログ回路で絶対湿度
を得ることができる。これを図９に示す。

【００２０】図において、電流検出用抵抗４の出力電圧
がインピーダンス変換用のバッファアンプ７２を介して
白金温度センサ７に印加され、該温度センサ７に直列に
金属皮膜抵抗等の温度係数の小さい抵抗７１が接続され
て、その接続点が絶対湿度信号の出力端子ＯＵＴとして
ある。

【００２１】空気温度０℃の時のコロナ電流をＩ0 と
し、コロナ電流の温度係数をβ、空気温度をＴとする
と、コロナ電流Ｉは式となる。 Ｉ＝Ｉ0 ・（１＋β・Ｔ）…… 一方、空気温度０℃の時の温度センサ７の抵抗値をＲ0
、温度センサ７の温度係数をαとすると、空気温度Ｔ
の時の温度センサ７の抵抗値Ｒ１は式となる。 Ｒ1 ＝Ｒ0 ・（１＋α・Ｔ）…… 抵抗７１の抵抗値をＲ2 とし、抵抗４の抵抗値をＲ3 と
すると、出力端子電圧 ＶOUT は ＶOUT ＝Ｉ・Ｒ3 ・Ｒ2 ／（Ｒ1 ＋Ｒ2 ） ＝Ｉ0 ・Ｒ3 ・Ｒ2 ・（１＋β・Ｔ）／（Ｒ0 ＋Ｒ2 ＋Ｒ0 ・α・Ｔ） …… となる。このＶOUT が空気温度Ｔの影響を受けないよう
にするためには、式の分子、分母の定数項、変数項が
それぞれ等しければ良いから、ディメンジョンを考慮に
入れると、 Ｒ2 ＝Ｒ0 ＋Ｒ2 …… Ｒ2 ・β＝Ｒ0 ・α…… または、 Ｒ3 ＝Ｒ0 ＋Ｒ2 …… Ｒ3 ・β＝Ｒ0 ・α…… となる。

【００２２】式、式でＲ2 ＞＞Ｒ0 であるように抵
抗値を選ぶと、α／β＝Ｒ2 ／Ｒ0を満足するＲ0 ，Ｒ2
を選択すれば、空気温度が補償された絶対湿度信号と
して上記電圧ＶOUT が得られる。あるいは、式、式
より、（α−β）／β＝Ｒ2 ／Ｒ0 となるＲ0 ，Ｒ2 を
選択しても同様の効果が得られる。

【００２３】

【実施例４】さらに、白金温度センサを使用するのに代
えて、図１０に示す構成とすることもできる。すなわ
ち、図において、空調ダクト１内に設けた高圧側電極２
Ａとアース側電極３Ａ，３Ｂ以外に、熱伝導性の良い金
属製等の密閉容器８内にさらに上記電極構造と同一の高
圧側電極２Ｂとアース側電極３Ｃ，３Ｄを設け、容器８
内には乾燥空気を封入する。そして、電極２Ａ，３Ａ，
３Ｂ間のコロナ電流を検出する抵抗４Ａの端子電圧を差
動アンプ７３の＋端子に、電極２Ｂ，３Ｃ，３Ｄ間のコ
ロナ電流を検出する抵抗４Ｂの端子電圧を差動アンプ７
３の−端子にそれぞれ入力する。電極２Ｂ，３Ｃ，３Ｄ
は乾燥空気中にあるから、これら電極２Ｂ，３Ｃ，３Ｄ
間のコロナ電流は湿度の影響を受けず、雰囲気温度（す
なわち空調ダクト内の空気温度）にのみ依存する。した
がって、差動アンプ７３の出力端子ＯＵＴには、空気温
度による変動がキャンセルされた絶対湿度信号が得られ
る。

【００２４】なお、上記各実施例において、コロナ電流
の検出に抵抗を使用したが、これに代えてホール素子や
カレントトランス等を使用することができる。

【００２５】コロナ放電は空気中に存在する粉塵粒子に
よっても影響を受けるが、空調空気は通常エアフィルタ
を通っているから、その影響は小さい。空調空気以外を
対象として、より正確な湿度測定を行う場合にはエアフ
ィルタを設けることが望ましい。

【００２６】

【発明の効果】以上の如く、本発明の湿度センサによれ
ば、高精度の湿度測定を応答性良く行うことができ、空
調装置等に好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における湿度センサの全体構
成図である。

【図２】湿度演算回路の回路図である。

【図３】センサの検出原理を示す概念図である。

【図４】絶対湿度とコロナ電流の関係を示すグラフであ
る。

【図５】空気温度とコロナ電流の関係を示すグラフであ
る。

【図６】ＣＰＵの処理フローチャートである。

【図７】本発明の実施例２における湿度センサの全体構
成図である。

【図８】ＣＰＵの処理フローチャートである。

【図９】本発明の実施例３における湿度センサの全体構
成図である。

【図１０】本発明の実施例４における湿度センサの全体
構成図である。

【図１１】クレーム対応図である。

【符号の説明】

１ 空調ダクト ２ 高圧側電極（電極部材） ３Ａ，３Ｂ アース側電極（電極部材） ４ 電流検出用抵抗（放電電流検出手段） ５ 湿度演算回路（絶対湿度算出手段、絶対湿度補正手
段） ６ 高圧電源（電源手段） ７ 温度センサ（空気温度検出手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気中に対置された電極部材と、これら
   電極部材間に高電圧を印加してコロナ放電を発生させる
   電源手段と、放電電流ないし放電電圧を検出する手段
   と、検出された放電電流ないし放電電圧に基づいて上記
   空気の絶対湿度を算出する手段と、上記空気の温度を検
   出する手段と、検出された温度に基づいて上記算出され
   た絶対湿度を補正する手段とを具備する湿度センサ。