JPS5841475Y2 - 光電導式湿度検出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は例えば硫化カドミウム（ＣｄＳ）のように雰
囲気の湿度により光電導度の変化する充電製素子を用い
た湿度検出装置に関するものである。

従来空気調和機や電気乾燥機等の電気機器や、湿度の影
響を受けやすいもののプロセス制御等の湿度検出装置に
用いる湿度計として、出力が直接電気信号として得られ
るもので安価小形であり、安定性及び信頼性の高いもの
が要望されてきている。

現在電気的湿度計としては充電式露点計、抵抗式乾湿法
湿度計、及び種々な電気抵抗式湿度計がある。

この内光電式露点計は比較的広範囲にわたって精度の高
い測定が可能であるが、装置が大形で高価であるという
欠点がある。

これに対し抵抗式乾湿法湿度計は感湿素子が比較的小形
であり、装置も余り高価でなく、はこり等の影響もそれ
程受けないが、風速の変化する場所の測定が困難である
とか、複雑な温度依存性を示すため自動的温度補償が困
難である等の欠点があった。

電気抵抗式湿度計は湿度による感湿素子自身の抵抗値の
変化を検出するものであるので構造が最も簡単で、小形
安価であり、制御系等の電気回路との結合も容易である
。

この種のもので比較的古くから使用されているものに塩
化リチウムのような電解物質を用いたものがあるが、そ
れらは応答速度が遅く、測定範囲も余り広いものではな
かった。

しかし最近に至りセレン、ゲルマニウム、シリコン等の
蒸着膜、アントラセン単結晶、マグネタイト焼結体等、
塩化リチウムの欠点を改良した種々の感湿素子が研究、
開発されてきているが、それらは何れもイオン電導体或
いは半導体であるため抵抗値の温度依存性が大きく、（
一般的には温度に関して指数函数的変化をするが、使用
温度範囲内で更に複雑な変化を伴うものも多い）自動的
温度補償をおこなうには、湿度の影響を除去した殆んど
同一温度特性を有する同種素子或いは感湿素子と逆の温
度特性を有する異種の温度補償素子を用いる以外に適当
な方法がないという共通した欠点がある。

しかも一般には温度特性の揃った感湿素子を製作するこ
とは困難であるし、また特性の揃った適当な温度補償素
子を得ることも難かしい。

この考案は上記事情に鑑み、感湿素子として例えば硫化
カドミウムのように感湿性のある光電環素子を使用する
ことにより、従来のものとは全く異なる温度補償機能を
有する湿度検出装置を得ることを目的とするもので゛あ
る。

先づ第１図〜第３図についてこの考案の原理を説明する
。

第１図はＣｄＳ単結単結電光電導素子射光波長に対する
光電環感度（光電流値／照射光束値：任意単位）の関係
を、素子被照面に接触する雰囲気の相対湿度（以下湿度
と呼ぶ）をパラメータとして表したもので、曲線Ａ、Ｂ
、Ｃは夫々湿度１００％、５０％、０％の場合を示すも
のである。

図より明らかはようにＣｄｓの光吸収端波長である５１
２．５ｎｍを境にして、それより長波長側にある５１２
．５ｎｍを越え５６０ ｎｍの範囲の第１の照射光波長
域内の光に対しては湿度とほとんど無関係な光電環を示
し、５１２．５ｎｍ以下の短波長側にある第２の照射光
波長域内の光に対しては湿度が高いほど急速に光電製感
度は低下するような光電環を示す。

第２図はこの第１の照射波長域内の波長５４０ｎｍ（Ｃ
ｄＳ単結晶の吸収端波長５１２．５ｎｍを越える波長９
曲線Ｆ）と、第２の照射光波長域内の２つの波長５００
ｎｍ （曲線Ｄ）と、４５Ｑ ｎｍ （曲線Ｅ）近傍
の光で素子を照射した場合の湿度と光電製感度との関係
を表したものである。

この図より明らかなように、ＣｄＳ単結晶の吸収端波長
である５１２．５ｎｍよりも長波長側の光（曲線Ｆ）を
照射するとＣｄＳ単結単結晶充電予素子湿特性がなくな
ってしまい、またＣｄＳ単結晶の吸収端波長である５１
２．５ ｎｍよりも短波長側の光（曲線り、Ｅ）を照射
すると、湿度０〜１００％の範囲で感湿素子として充分
な感度を有することが判る。

なお、ＣｄＳ単結単結電光電導素子照射光が、吸収端波
長よりも短波長側の光成分を含んでいれば波長幅の広い
ものであってもそのＣｄＳ単結単結電光電導素子充分な
感湿感度を示す。

このように、吸収端波長よりも短波長側の光成分を含ん
でいる光をＣｄＳ単結単結電光電導素子射すると、その
光電製素子の光電製感度が湿度の影響を受けるのは、次
のような理由、即ち吸収端波長より短波長側では、光は
主として素子の表面で吸収されるため、光電導度（光感
度）は表面に吸着された湿気による表面準位の影響を受
けて感湿特性が現われるのに対して、長波長側では光の
吸収係数が小さいので、表面の影響が少なく、バルクの
特性によるため光電導度が吸着された湿気に左右されに
くいことによる理由からであるので、湿度と光電製感度
との関係は安定した再現性があり、応答速度も早い。

また被測定外気の風速が変化しても湿度測定は可能であ
る。

これらの特性は何れも感湿素子として好ましいものであ
るが、光電製感度は一般に周囲温度が高くなるほど低下
する傾向があり、その周囲温度の変化による湿度誤差は
前記した電気抵抗式感湿素子の誤差より必ずしも小さい
とはいい難い。

その一例を示したのが第３図であるが、周囲温度変化に
対する光電製感度の変化率は、同一素子に関しては第１
の照射光波長域内の波長の光と第２の照射光波長域内の
波長の光とで余り異ならないし、その変化も図に見られ
るように比較的直線的である。

従って湿度の影響を受けない第１の照射光波長域内の光
による第１の照射の際の光電流値を例えば常に一定に保
つように素子の付勢電圧なり、照射光強度なりを補正し
た後、湿度の影響を受ける第２の照射光波長域内の所定
の波長の光による第２の照射をおこなえば、周囲温度と
は関係なしに第２の照射の際の充電値により湿度測定を
おこなうことができるというのがこの考案の狙いである
。

第４図はこの考案の一実施例を示す説明図で、１は被照
射面１ａが露出するように構成された、前記のようなＣ
ｄＳ単結晶よりなる光電製素子、２はこの素子１を付勢
する可変直流電源、３，４は素子１と電源２とが形成す
る直列回路に挿入された、素子１を流れる電流に応動す
る信号交換装置であるマイクロアンメータ及び電流制御
抵抗である。

５は被照射面１ａに外光が入射することを防止する遮光
手段である暗箱、６は被照射面１ａに被測定外気を接触
せしめる外気導入手段である、暗箱５に設けられた１対
の開閉口で、開放時にも測定の障害となるような外光は
入らないように構成されている。

７は照射装置で、光源である白熱電球８と、その点灯電
源８ａと、集光レンズ９と、スリット１０に接して設け
られた２種類のフィルタ１１ａ、ｌｌｂとにより構成さ
れている。

次にこの装置の動作について説明する。

今フィルタ１１ ａはＣｄＳ単結晶の吸収端波長である
５１２゜５ｎｍよりも長波長の５２０ ｎｍ近傍の光の
みを透過し、フィルタ１１ ｂはＣｄＳ単結晶の吸収端
波長である５１２．５ ｎｍよりも短波長の４５０ ｎ
ｍ近傍の光のみを透過するものとする。

またメータ３は２０℃における第２図のような関係から
、目盛は湿度で目盛られているものとする。

この装置は測定の際は先づ開閉口６を開いて暗箱５内に
被測定外気を導入し、フィルタ１１ ａを用いて被照面
１ａに第１の照射をおこなう。

その際素子１の周囲温度が２０℃であればメータ３の読
みは湿度の如何にかかわらず一定値を示すが、例えば４
０℃であったとすると、第３図のような特性のものでは
約−３％の読みを示す。

そのままの状態でフィルタ１１ ａをフィルタ１１ ｂ
に変えて第２の照射をおこなうと、例えば湿度が５０％
であった場合メータ３の読みは光電導感度約−３％に相
当する約５５％を示す。

しかし第１の照射をおこなった際、上記−３％の読みの
低下がＯになるように、即ち第１の照射の際のメータ３
の読みが常に一定値になるように可変電源２を調節して
おけば、第２の照射の際のメータ３の読みは約３％上昇
した値を示すため５０％という正しい湿度を読み取るこ
とができる。

また、第４図の本考案の装置を用いて、周囲（雰囲気）
温度を変え、各温度において、湿度を２０．４０．６０
．８０％と変化させた場合について前述の手続きにより
第４図の装置が示す湿度指示値を求めた。

また、第４図において、フィルタ１１ ｂによって第２
の照射である４５０ｎｍ近傍の光のみを照射させて湿度
を測定した場合、すなわちフィルタ１１ ａの５２０
ｎｍ近傍の光での第１の照射による補正を行なわない場
合についても上記と同様に調べた。

この結果を第６図に示す。

第６図において実線の特性曲線は、本考案の装置による
第１の照射と第２の照射を行なった場合の周囲温度によ
る湿度指示値の変化を示し、点線の特性曲線は、第２の
照射のみにより湿度を測定した場合の周囲温度による湿
度指示値の変化を示したものである。

第６図から明らかなように、本考案の装置により、前述
の手続きのように、第１の照射による補正を行なうこと
によって、周囲温度の変化に左右されずに、真の湿度を
ほぼ正確に測定することができることが判る。

以上の動作は装置が新しいうちのものであるが、しばら
く使用していると、被照面１ａや照射装置７に汚れが生
じたり、光源８の光束値が低下してきたりして一般にメ
ータ３の読みを低下させる。

その低下率は厳密には一般に５２０ ｎｍの照射と４５
０ ｎｍの照射とでは異なる場合が多いが、その度合が
少い場合や汚れが光を単に散乱さすようなものにおいて
は、上記低下率は５２０ ｎｍでモ４５０ｎｒｎでも余
り異ならないので、第１の照射の際の光電流を一定値に
保つように電源２を調節することにより、汚れや光束低
下による誤差も、温度誤差と同時に補正されるという利
点もある。

また５２０ ｎｍと４５０ ｎｍと吸収が相当具なるよ
うな汚れが予測される場合には、第２の照射光の波長を
５２０ ｎｍに近い５００ ｎｍ近傍に選定することに
より、一般に誤差を低下さすことができる。

またこのような装置において第１の照射時の光電流が成
る限度以上低下した場合には照射装置７等の清掃時期を
示すものと考えてよく、これも一つの実用上の利点とな
る。

以上の実施例においては第１の照射の際の光電流値を一
定に保つのに電源２を調整したが、例えば電源８ａを調
整して光源８の光束値を調整しても同様な結果が得られ
る。

しかし光源８が白熱電球の場合は光束値と共に波長分布
も相当変化するので、そのような方式を用いる場合には
、小型けい光ランプのような光源８を用いるのが好まし
い。

第５図は異なる実施例を示す回路図で、第４図で説明し
た操作を自動的におこなわせる場合の一例を示したもの
である。

図において１２は電源１３により動作する２相サーボモ
ータ、１４はモータ１２の制御巻線回路に設けられた正
逆転制御回路、１５は可変直流電源２の出力摺動抵抗で
、その摺動子１５ ａはモータ１２に連動して摺動する
ように構成されている。

１６は抵抗４の端子電圧により、素子１を流れる光電流
を検出する検出回路、１７はその検出電圧を標準値と比
較する比較回路、１８はその比較値に応じて制御回路１
４に信号を送って、モータ１２に所定の動作をおこなわ
せる指令回路である。

また１９はフィルタ１１ ａが使用される時は閉じ、フ
ィルタ１１ ｂが使用される時は開くスイッチ、２０は
スイッチ１９が閉じた時はモータ１２を電源１３に接続
し、開いた時は検出回路１６の出力を信号変換装置３に
送り込むように構成されている。

このような構成のものにおいてはフィルタ１１ａにより
第１の照射をおこなう際は回路１６．１７゜１８．１４
を介して、素子１を流れる光電流値が所定値になるよう
にモータ１２は摺動子１５ ａを移動させ、所定値にな
った所で停止する。

次にフィルタ１１ ｂを使用位置に移動させることによ
り、モータ１２は電源１３から切離され、直流電源２は
上記動作により調節された電圧を発生し続ける。

一方フィルタ１１ ｂによる第２の照射時の光電流値は
検出回路１６により検出され、その出力が信号変換装置
３に送込まれ、その出力端子３ａには湿度に応じた信号
が発生する。

出力端子３ａに発生する信号は記録計を動作させるよう
な時にはアナログ的なものが好ましいが、湿度調節器を
動作させる場合などには、例えば湿度が所定値を下廻っ
た時のみ信号を発生するようなディジタル的なものでも
よい。

またこのような装置においては上記のような動作を所定
時間毎に繰返すようにしてもよいが、第１の照射は適宜
な時間、例えば３０分に一度おこない、残余の時間は第
２の照射を連続しておこなうような方法も実用性が高い
。

またこの実施例では簡単のため、モータ１２により直流
電源２の出力抵抗１５を変化させたが、直流電源２をス
イッチングレギュレータ方式のものとし、その制御抵抗
を変化させたり、または直流電源２或いは光源８の点灯
電源８ａを位相制御方式とし、その制御抵抗を変化させ
たりした方が、それら制御抵抗は小容量のものですむた
め、出力抵抗１５を変化させるよりも好ましい。

以上の実施例はすべて第１の照射の際の光電流値が所定
値になるように電源２の電圧や、光源８の光束値を調節
してから第２の照射をおこなうような方式のものであっ
たが、第１の照射時の光電流値と第２の照射時の光電流
値の比を湿度を指標とするような他の方式も可能である
し、単なる湿度測定の場合には第１の照射時の光電流と
第２の照射時の光電流値の関係を示すグラフを用いても
よい。

また以上の実施例では素子１はＣｄＳであったが、同様
な湿度依存性を示す物質としてはＣｄＳｅ。

ＺｎＳ、ＰｂＳ、ＧａＡ３等種々なものがあり、また必
ずしも単結晶体に限られるものでもない。

なお第７図は、ＣｄＳｅの焼結体の感湿特性の一例を示
すグラフで、曲線Ｇは白熱灯による白色光で照射した場
合、曲線Ｈは６５０ ｎｍの波長の光で照射した場合、
曲線■はＣｄ５８焼結体の吸収端波長である７３５．４
ｎｍを越える７６０ ｎｍの波長の光で照射した場合の
湿度と比光電導度との関係を表わしたものである。

また第８図は、ＺｎＳ単結晶の感湿特性゛の一例を示す
グラフで、曲線Ｊは２６０ ｎｍの波長の光で照射した
場合、曲線には３１０ｎｍの波長の光で照射した場合、
曲線りはＺｎＳ単結晶の吸収端波長である３５０．８ｎ
ｍを越える３９０ ｎｍの波長の光で照射した場合の湿
度と比光電導度との関係を表わしたものである。

また、第９図は、ＰｂＳ多結晶の感湿特性を一例を示す
グラフで、曲線Ｍは２８８０ ｎｍの波長の光で照射し
た場合、曲線Ｎは３０５０ ｎｍの波長の光で照射した
場合、曲線ＯはＰｂＳ多結晶の吸収端波長である３２９
０．８ ｎｍを越える３３５０ ｎｍの波長の光で照射
した場合の湿度と比光電導度との関係を表わしたもので
ある。

なおまた第１０図は、ＧａＡ３単結晶の感湿特性の一例
を示すグラフで、曲線Ｐは白熱灯による白色光で照射し
た場合、曲線Ｑは７８０ ｎｍの波長の光で照射した場
合、曲線ＲはＧａＡ３単結晶の吸収端波長である８５６
．６ｎｍを越える９５Ｑ ｎｍの波長の光で照射した場
合の湿度と比光電導度との関係を表わしたものである。

また以上の実施例では第１の照射光波長としては第１の
照射光波長域内の単色光に近いものを、また第２の照射
光波長としては第２の照射光波長域内の単色光に近いも
のを用いたが、相当波長巾を持った光でもよく、ただ第
１の照射光としては湿度依存性を持つ第２の照射光波長
域内の光を含んではならず、また第２の照射光としては
第２の照射光波長域内の光は必ず含まれなければならな
い。

この考案によれば以上説明したとおり、同一の光電導素
子に第１の照射と、第２の照射をおこなうことにより、
容易に温度補正をおこなった湿度測定ができるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＣｄＳ単結晶の充電製感度−照容光波長特性図
、第２図はＣｄＳ単結晶の比光電導感度−相対湿度特性
図、第３図はＣｄＳ単結晶の充電等感度変化率−周囲温
度特性図、第４図はこの考案の−実施例を示す説明図、
第５図は異なる実施例を示す回路図、第６図はこの考案
の効果を説明するための相対湿度指示値−周囲温度特性
図、第７図はＣｄＳｅ焼結体の比光電導感度−相対湿度
特性図、第８図はＺ。 Ｓ単結晶の比光電導感度−相対湿度特性図、第９図はＰ
ｂＳ多結晶の比光電導感度−相対湿度特性図、第１０図
はＧａＡ３単結晶の比光電導感度相対湿度特性図である
。 図において １は光電製素子、］ａは被照面、２は付勢
電源、３は信号変換装置、５は遮光手段、６は外気導入
手段、７は照射装置、８は光源、１１ ａ、１１ ｂは
フィルタ、１２〜１８は充電流制御手段である。 なお各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 光電導度が雰囲気の湿度の変化に対してほとんど変化し
   ない吸収端波長より長波長側の第１の照射光波長域と、
   湿度の変化に対して光電導度が変化する吸収端波長より
   短波長側の第２の照射光波長域とを有する充電製素子、
   この光電導素子の被照面に外光が入射することを防止す
   る遮光手段、上記被照面に被測定外気を接触せしめる外
   気導入手段、上記被照面に対し、少くとも吸収端波長よ
   り長波長側の第１の照射光波長域内の波長の光を含み、
   吸収端波長より短波長側の第２の照射光波長域内の波長
   の光を含まない第１の照射と、少くとも吸収端波長より
   短波長側の第２の照射光波長域内の波長の光を含む第２
   の照射とを可能ならしめる照射装置を備え、上記光電導
   素子の電導度変化に応じて湿度を検出するうにした充電
   環式湿度検出装置。