JPS5814032A - 水蒸気量センサ− - Google Patents

水蒸気量センサ−

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JPS5814032A
JPS5814032A JP11263181A JP11263181A JPS5814032A JP S5814032 A JPS5814032 A JP S5814032A JP 11263181 A JP11263181 A JP 11263181A JP 11263181 A JP11263181 A JP 11263181A JP S5814032 A JPS5814032 A JP S5814032A
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JP
Japan
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electrodes
water vapor
amount sensor
vapor amount
sensor
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JP11263181A
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Akihiro Hayashi
明弘 林
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

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】 本発明は、応答性、再現性に優れ、特に湿度の連続的制
御を目的とする計測にも適した気体中の水蒸気量のセン
サーに関するものである。
従来より空気中の水蒸気量を測定する手段として種々の
ものが用いられてきたが、何れも感度、応答性、再現性
、信頼性、保守の容易性及び経時変化等の諸特性の全て
について満足できるものがなかった。例えば、従来の乾
湿球温度計は保守が十分になされていれば性能の経時変
化は少なく比較的容易に正確に湿度の測定を行ない得る
が、この湿度計は被測定気体に大きな影響を与えるため
に、狭い空間内の湿度測定には適さない。またこれは応
答も遅く、小形化も容易にはできず、指示値を電気信号
に変換することも容易にはできないから、湿度の制御を
目的とする計測には全く不向きである。この点最近の金
属酸化物(酸化アルEニウム等)または電解質(塩化リ
チウム等)等を用いた静電容量式または電気抵抗式湿度
センサーは小形軽量で取扱いも容易であり、かつ測定値
が電気信号として得られるところから開発に力が注がれ
ている。しかしながら、これらのセンサーは抵抗体の吸
着現象によって再現性が不十分であり、経時変化も大き
いため、信頼性の面で実用化の域に達していない。さら
に最近になって、厚みすべり振動する圧電共振子(水晶
振切子)の少なくとも一方の表面に吸湿性物質の薄膜を
形成し、湿度変化に伴うこの圧電共振子の共振周波数の
変化から湿度を検出する湿度センサーも公表されている
(特開昭52−55580号公報)。この湿度センサー
は、これより以前のセンサーに比較すれば応答速度がや
や速いが、しかし、内燃機関の特性改善のために機関の
吸入気中の水蒸気量を計測して連続的に制御しようとす
る場合のように極めて速い応答性が要求される場合に適
用するには、前記公開公報に開示された程度の応答特性
では列置不十分である。また互換性のある製品を得るこ
とが実際には困難である。
本発明はこれらの点に鑑みなされたものであり、応答性
及び再現性に優れ特に速やかな応答性が要求される湿度
の連続的制御を目的とする計測にも適した水蒸気量セン
サーを提供しようとするものである。本発明者は上述の
目的を満足する水蒸気量センサーを得べく種々実験を行
なった。従来は湿度センサーには吸湿物質を塗着または
貼付せねばならないと考えられていたが、種々実験の結
果当該分野における技術者にとって従来全く予想し得な
かった意外な実験データが得られた。本発明はこの実験
データに基づいて完成に導かれ、所期の目的を達成した
ものである。以下図面を用いて本発明の実施例について
詳述することにより本発明を明らかにする。
第1図は本発明の一実施例としての水蒸気量センサーの
正面図、第2図は第1図の水蒸気量センサーの平面図で
ある。第1図及び第2図において対応部にはそれぞれ同
一符号を付しである。図において1は圧電気現象を生じ
る圧電体としての水晶片であり、該水晶片1の表面及び
裏面の中央部には、それぞれこの圧電体としての水晶片
1に振動電圧を印加するための箔状の金属酸化物でなる
電極2,2′が対向する対をなして配され、これら各電
極2,2′の前記水晶片1に接していない側の面はそれ
ぞれ直接外気に接触するように露出されている。従って
前記水晶片1及び一対の電極2゜2′は公知の水晶振動
子における水晶片及び電極と同様の形状をなしている。
なお、本実施例の電極はパイヤライト(A120(・3
H20)である。前記各電極2,2′からはそれぞれ耐
蝕性金R(例えばステンレス鋼、ロジウム等)製のリー
ド線8.8’が導出され、これらのリード線8,8′は
絶縁ガラス等よりなるベース4によりそれらの相対位置
が固定されている。なお前記各リード線8,8′は、各
対応する電極2,2′に接触する部分が小径のコイルス
プリング状となされ、それぞれ電極2,2/とともに水
晶片1を挾んで支持するようになされている。
上述のような構成の本発明の水蒸気量センサーは以下の
ように作用する。発明者は本発明の水蒸気量センサーを
被測定気体中に置き、外部から前記リード線8,8′を
通して振動電圧を与え、そのときの水蒸気量センサーの
共振周波数を測定する実験を行った。この実験の結果、
被測定気体中の水蒸気量の変化と水蒸気量センサーの共
振周波数の遷移値との間には応答性及び再現性の極めて
よい一定の対応関係が存在することが明らかとなった。
このように応答性及び再現性の極めてよい一定の対応関
係があるのは、本発明のセンサーは吸湿物質を全く有し
ないために応答を遅らせる程多量の水蒸気を吸収しまた
は放出する作用がなく、共振周波数の遷移は固相である
センサーの電極及び水晶片の外表面と気相である被測定
気体との界面における吸着現象によってこの界面の水蒸
気がセンサーに影響を与えるためであると考えられる。
従って本発明の水蒸気量センサーの共振周波数から被測
定気体中の水蒸気量(例えば相対湿度)を正確に知るこ
とができる。このように何等の吸湿性物質も特設されて
いないセンサーによって水蒸気量の測定が正確に行ない
得ることは、従来当該分野においては全く予想されなか
ったことであり、画期的な結果である。本発明の水蒸気
量センサーの特性を、本発明と同様の形状を有し、金属
酸化物電極にかえて銀電極とした装置(水晶片としては
10MHz仕様のATカットの水晶片を適用したもの)
を用いてシミュレーションを行なった結果を第8図のグ
ラフに示す。第8図のグラフにおいて、縦軸は共振周波
数の遷移量−Δf (Hz )、横軸は相対湿度〔%〕
であり、測定点としてはJISに規定された湿度の定点
(塩類の飽和水溶液と共存して平衡にある気体の相対湿
度)等を選んでいる。なおこの特性は気温25℃におけ
る測定結果である。
この第8図における特性は上述のように、本発明の装置
の金属酸化物系電極にかえて表面の滑らかな銀電極を用
いた装置による測定結果に基づいてシミュレーションを
行なった結果によるものである。電極として表面の荒い
バイヤライト(AI 20s・3H20)等の金属酸化
物系電極を用いた本発明の装置では、気中の水蒸気量の
変化の影響がより顕著になるので、本発明の装置の感度
は、上述の銀電極を用いたシミュレーション用の装置の
感度の数倍程度となり、極めて高感度である。本発明の
水蒸気量センサーは前述のように、前述の公開公報所載
の従来のセンサーに比し格段に優れた応答性(従来10
0%応答に約20秒ないし数分要していたのに対し、本
発明では約0.5秒以下)及び再現性(11%)を有し
ている。これは次のような理由によるものと考えられる
。すなわち、上記従来のセンサーは、吸湿性樹脂を小さ
な圧電共振子上に均一な薄膜を形成するように(実際に
は製品にばらつきが生じないようにこのような薄膜を形
成するのは困難であるが)配しているので、吸湿性樹脂
が水蒸気を吸収し、または放出するのに路間がかかるの
で応答が遅れ、また高湿分囲気中では吸湿性樹脂が多量
に水分を含んで粘着性をもちはじめ、塵埃等がセンサー
に付着しゃすくなるので、この付着した塵埃等の影響で
特に高湿度領域の測定時にヒステリシスが増大してくる
。また物性上の制約から使用温度範囲もθ〜50℃程度
に限定される。これに対し本発明の装置は上述の応答遅
れやヒステリシスの原因となる吸湿性樹脂を有し々いの
で、極めて応答が速く、高湿度高温度領域においてもヒ
ステリシスをほとんど生じない。また本発明の装置は画
一的に量産することが困難な吸湿性樹脂の薄膜を有しな
いので、品質にばらつきの々い製品が容易に量産でき、
互換性に富んでいる。金属酸化物の電極1の表面は吸湿
性樹脂のようにヒステリシスや不安定性力を生じない。
このことは苛酷な条件下で使用されるセンサーとして極
めて重要な利点である。
また一般に従来の電気式湿度センサーは高湿領域におけ
る測定では湿度が一定でも時間の経過とともに指示値が
増大する傾向を呈していた。この現象はまだ十分に解析
されていないが、水分を多く吸着したセンサーにおいて
電極近傍等で何等かの電気化学的反応がひき起こされて
いることによるものであると推定される。従来はこの対
策としてセンサーを周囲温度より高温を保つよう加熱し
て吸着した水分を迅速に離脱させる方法(特開昭54−
94090号公報)が考案されていたが、このような方
法をとればセンサー近傍の湿度が本来測定の対象となる
湿度と差異を生じてしまう。本発明の装置によれば上述
のように高湿度領域においても迅速確実に測定ができこ
のような問題は全くない。また本発明の装置は塵埃等が
付着しても洗滌することができ経年変化も極めて少ない
。また使用温度範囲も一80〜+250℃で実用的な測
定が可能である。
以上を要するに、本発明の水蒸気量センサーは感度、応
答性、再現性、信頼性、保守の容易性及び経時変化等の
緒特性について、湿度の連続的制御を目的とする計測に
適用するにも十分満足できる性能を有するものである。
また本発明の特殊な用途として、相対湿度100%以上
の領域、すなわち湯気が存在する分囲気において、その
水分量を推定するためのセンサーとして用いたり、本発
明の装置を特殊な半透膜で密閉して被測定溶液中に沈め
、その溶液中の水分量を測定するためのセンサーとして
も応用することができる。
なお、上述においては、金属酸化物の電極としてパイヤ
ライト(A12011・BH2o )を用いた実施例に
ついて説明したが、これに代えて外気に接触する面を含
む薄層状の部分が特に多孔質になされたアルミナ(AI
20a)の電極を用いてもよい。この場合は前述の実施
例における種々の効果を得られるとともに、さらに高感
度の特性を得ることができる。
なお、前記アルミナ(AI 20a )電極の多孔質の
薄層状の部分は例えばアルミニウムの強制酸化法(陽極
酸化処理等)によって形成することができる。
このほか本発明の装置の電極として適用し得る金属酸化
物には酸化クロム(Or20a) *酸化第二鉄(F6
20g) 、酸化ニッケル(Ni 20B ) 、酸化
亜鉛(Z no )用することも可能である。これらの
圧電体の選択は、価格、共振周波数等を測定の目的や表
示回路部の仕様等に合わせて勘案し、任意に行なえばよ
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の水蒸気量センサーの実施例を示す正面
図、第2図は第1図の水蒸気量センサーの平面図、第8
図は本発明の水蒸気量センサーの特性をシミュレーショ
ンにより求めた結果としてのグラフである。 8.8′・・・リード線 4・・・ペース 代理人 弁理士  東 島 隆 治

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)圧電体、該圧電体に振動電圧を印加するように一
    対の所定位置に一方の面が直接外気に接触するようにし
    てそれぞれ配された薄板状の金属酸化物の電極、及び前
    記各電極からそれぞれ導出されたリード線を有する水蒸
    気量センサー。 (2)前記各電極はパイヤライト(Al20B・3 H
    2O)である特許請求の範囲第1項記載の水蒸気量セン
    サー。 (3)前記各電極はアルミナ(AI 20a )でなり
    外気に接触する面を含む薄層状の部分が特に多孔質のア
    ルミナとなされた特許請求の範囲第1項記載の水蒸気量
    センサー。 (4)  前記圧電体は水晶片である特許請求の範囲第
    1項ないし第8項記載の水蒸気量センサー。 +1i1  前記圧電体は圧電セラミック片である特許
    請求の範囲第1項ないし第8項記載の水蒸気量センサー
    。 (6)前記リード線は耐蝕性金属である特許請求の範囲
    第1項ないし第5項記載の水蒸気量センサー。
JP11263181A 1981-07-17 1981-07-17 水蒸気量センサ− Pending JPS5814032A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62291541A (ja) * 1986-06-11 1987-12-18 Shimadzu Corp 湿度センサおよびその製造法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS50158383A (ja) * 1974-06-10 1975-12-22
JPS5160584A (ja) * 1974-11-25 1976-05-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Shimokenchisochi

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