JPS62502987A - 相対大気湿度測定装置 - 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】 相対大気湿度測定装置 ［発明の背景］ 本発明は、請求の範囲第１項に記載し！二連りの大気の相対湿度を測定する装置 に関する。

前述計器は、例えば気象学、気候学、農業気象学の分野で必要で市る。さらに、 例えば空調制御装置のような大気の相対湿度を測定する装置において、多くの技 術的用途が必る。

〔背景技術〕

大気の相対湿度を測定する多くの装置がおる。

そのような装置の１つとして、いわゆる毛髪゛湿度計があり、これは湿度が人間 や動物の毛髪の長さに及ぼす影響によって湿度を測定するものである。

大気の相対湿度を測定するのに使用されるもう１つの計器は、いわゆるアスマン 吸気乾湿計である。これは２つの同一の温度計から成り、これらの温度計の周囲 では２．５ｍ／ｓｅｃ以上の速度で気流が流れる。一方の温度計は乾いた状態を 保たれ、他方の温度計は湿った状態を保たれる。大気の湿度は、２つの温度計で 示される温度差によりめることができる。

これら２つの公知の装置は多くの欠点を有する。

両方の装置共、限られた容量に使用できるに過ぎず、水の凍結点以下の温度では 決して使用できない。特にアスマン乾湿計では、湿気を保たれるべき温度センサ が１凍結状態」にある限り、使用不能である。

ざらに、これら両方の計器共、大きなヒステリシスを示し、これは水の凍結点以 下の温度で一層増加する。

もう１つの公知の方法は、いわゆる露点温度法であり、この方法において相対湿 度は、小さな鏡上または別の適宜センサ上に発生する露とそれと同時にセンサで 読取る温度によってめられる。このプロセスはもっばら、間隔を隔てた測定のみ を可能とし、センサは間欠的に再度暖めねばならない。従って、大気の湿度を連 続的に測定することができない。

上述装置または方法はすべてかなり高価で複雑であり、湿度を一定の固定速度で 連続的に測だすることに極めて限定されて適するに過ぎない。極小形化はアスマ ン吃湿計で唯一可能でおる。尚、ここで実際には、センサに対する最小限の通気 を発生させるのに必要なシステムは極小形化に制限を加える。

さらに、多孔表面を有する湿度センサがおり、これは多孔表面上または内部に水 蒸気分子を集め、それによってセンサの物理的特性を変化させる。

これらの−例として湿度感知炭素エレメントがある。

しかしそのような炭素エレメントは異常に高いヒステリシスを有する。ざらにそ れらの使用可能期間はかなり需く、新しいエレメントに取り替えねばならならい 。また公知の湿度センサとして、多孔材料が容量性誘電物質を形成する重合体で あるものがある。これらのセンサもしばしば湿度センサチップと呼ばれる。これ らのセンサもかなりのヒステリシスを示す。異なる温度状況の下で、その値は同 じ相対湿度で相当に変化する。特に、水滴は、大気の湿度及び温度に比例してこ れら公知の湿度センサチップの表面に集結し、読みを誤らせる。ざらに、これら のセンサは出力信号の強力な流動を示す。

この理由で種々の市販センサチップは、センサチップ全体を暖ためる小型ヒータ を備えている。しかじな・がらヒステリシス及び周囲温度の妨害要因をこの手段 で排除するには不十分で配る。また小型ヒータは読みの誤りを起こ゛させる恐れ がある。

［発明の開示］ 本発明の目的は、大気の温度範囲を越えた窄気について、即ち水の凍結点以下の 温度でも、実際上微々たるヒステリシスしか示さずに相対湿度の測定を可能とす る、大気の相対湿度を測定するシステムを提供することである。

意外にもこの目的に対する解決は、請求の範囲第１項の先行技術部分に記述され た大気の相対湿度を測定する装置、即ち多孔性材料のセンサを備えた装置を採用 し、この装置を請求の範囲第１項の特徴部分に記載された特徴によって改良する ことにより連成される。

即ち、本発明の本質は、請求の範囲第１項に記ｊホした公知の装置において発生 するヒステリシス作・用の原因が多孔性材料の孔に集合された水滴おるいは孔の 表面に付着する水膜であることの発見であった。これらの水滴は、組立時から呈 する温度との平衡を阻害し、ざらに定常状態での出力変動の原因ともなる。

この理由で、狭帯１或赤外線の発生源を備え、これは請求の範囲第２項に限定し た通り特に強力な水蒸気吸収帯域をもつ波長で放射線を放出する。この赤外線に よって、水の膜と多孔性材料の表面との結合が「ゆるく」されるため、一方の湿 度センサにあける水蒸気分子と、他方の湿度に相当する人気中の水分子との平衡 が急速に確立する。

赤外線発生源の位置とセンサとの間隙は、湿度センサの使用可能領域全体が照射 されて平衡がセンサ全体に迅速に確立するように選択されるべきものでおる。

特許請求の範囲第１５項に記載した装置が本発明の好ましい態様である。

従って、大気の相対湿度を測定するための本発明は、実際上ヒステリシスが皆無 であり、ざらに大気温度の全範囲に使用できる。また、装置は複雑でなく簡単な 楢成のため、半導体技術で周知の方法によりそれを小型化することが可能でおる 。ざらに、本発明は故障し難いため、厳しい環境状況の下、例えば気象用気球。

ラジオゾンデ等に使用できる。

本発明の改良された特許請求の範囲に記載する。

狭帯域赤外線発生源の使用は、既述したように放射線源の放出波長を強力な水蒸 気吸収帯域をもつように選択できるという利点ばかりでない。ざらに、湿度セン サ（請求の範囲第３項）の多孔性材料並びに電極（請求の範囲第１３項）が必れ ばこれも、実際上赤外線を吸収しないように、放出する波長は選択されることが できる。このように、発明装置が赤外線によって受ける温度上昇を既に最小限と なし、この温度上昇は概してすべて無視できるほどにざらに減少される。

特定波長範囲をもつ赤外線に寅買上透過性のある適当な多孔性材料として、例え ば重合体（請求の範囲第４項）がある。

水蒸気に対し浸透性があり、しかし赤外線を反則する材料が、特に電極材料（請 求の範囲第１４項）に適する。

基本的には、背気の相対湿度により変化する多孔性材料の種々の特性が、「測定 作用」としての役割を果たし得る。

しかしながら、センサを容量性センサ（請求の範囲第５項）として、おるいは抵 抗性センサ（請求の範囲第８項）として改良すること、即ち誘電材料としてコン デンサ内蔵の多孔性材料の容量をめ、おるいは多孔性材料の抵抗の抵抗値をめ、 これらの値を大気の相対湿度を測定するのに使用するのが特に有利である。

この容量性センサの有利な＊施態様を請求の範囲第６項に記述した。

請求の範囲第７項に記載した通り、センサの容量値として変換される電圧信号は 、特に以後の電子的処理に適切である。

多孔性材料のもつ多くの湿度作用の中に、熱的作用もある。例えば容量信号の出 力電圧信号は１／Ｔの関係を示す（Ｔ：絶対周囲温度）。勿論この関係は、計算 に、例えば、アウトレットにおるマイクロコンピュータ制御回路に考慮できる。

しかしながら、請求の範囲第９項に限定した通り、本発明の好ましい改良された 実施態様は、熱作用を考慮する特に簡単な手段を可能とする。本発明のこの実施 態様の目的は、放射線源からの放射線強度を周囲湿度に比例して変化させること である。この設計改良では、窒気の相対湿度によって影響されるのみの湿度セン サから、温度で影響されることのない出力信号が受信される。

この目的で、発明装置は温度センサを具備し、請求の範囲第１０項に限定した通 り、好ましくは小形センサとし、温度センサのすぐ近くに配置される。温度セン サは、請求の範囲第１１項に限定した通り、装備した電子制御ユニットが周囲温 度に比例して赤外線発生源の強度を調整できるように、周囲温度を測定する。

この強度制御ユニットは、例えば赤外線発生源の電流を調整することにより実施 できる。

さらに、電子制御ユニットは、請求の範囲第１２項に限定した通り、閉ループ制 御系となるように、赤外線発生源の強度をセンサ出力信号に比例して調整するこ ともできる。センサの出力信号が放射線源の強度を考慮しないという装置におけ るこの閉ループ制御系の利点は、この装置が使用状況の変わるところで一層安定 するこζであり、使方出力信号は直線的でない。

請求の範囲第１６乃至第１８項は、狭帯域即ち単色赤外線発生源の種々の可能性 のある好ましい態様を記述しているが、そのような変更例は例示を目的とし、範 囲に限定されるものでない。請求の範囲第１９項に記載した通り、０．９３μｍ の波長が特に好ましいが、これはその波長が一方で水蒸気に強力に吸収され、他 方で例えばほとんどの重合体がこの波長に対し浸透性があるからである。

本発明の主目的、即ち赤外線発生源を多孔性材料の湿度センサと組合せることに よりヒステリシスを除去することは、例えばＶａｉｓａｌａ商会、フィンランド あるいはＥｎｄｒｅｓｓ　＋ｔｆａｕｓｅｒ　ＧｍＢＨ＆Ｃｏ商会、西独から入 手できるような市販の容量性湿度センサを遡及修復するのにも適する。

［図面の簡単な説明］ 本発明の目的及び特徴は、添付図面と共に本発明の一実施例の以下詳細な説明を 参照することにより理解されよう。明細日に記述されていない細部はすべて添付 図面を参照すれば明らかとなる。

第１ａ図は、本発明装置の概略図である。

第１ｂ図は、本発明の容量性湿度センサである。

第２図は、公知の湿度センサと本発明装置による試験結果の比較である。

［発明の好ましい實施例の説明］ 第１ａ図は、放射範囲２をもつ赤外線発生源１と、容量性湿度センサ３と、温度 センサ４と、電子制御ユニット５とから成る本発明装置を示す。放射線源１とセ ンサ３との間隙Ｓは放射領域２がセンサ仝体を覆うように設定される。

例示した好ましい態様として、赤外線発生源１は、中央波長が０．９３μｍの狭 帯域あるいはほとんど単色の光を放射するＩＲダイオードである。この波長範囲 において、水蒸気は強力な吸収帯域を有する。

容量性湿度センサ３の構造を第１ｂ図に詳細に示す。

センサ３は多孔性重合体材料から成り、該材料の上または内部に２つの相互に結 合されたば状電極６が設けられ、「誘電材料」が重合体材料７となるコンデンサ を形成する。

重合体材料７は、光が材料７を透過できるとともに孔の壁に集合した水の膜によ って吸収されるように、０．９３μＭの波長で光をほとんど透過させるものを選 択する。

ざらに、電極６の材料は、電極が赤外線で加熱されないものを選択する。特に、 電極６は赤外線を反射するように設計できる。

温度センサ４は、センサ３のすぐ近くに配置され、センサ３周囲の温度をめ、そ れによってセンサ自体の温度をめる。放射線源１とセンサ３の一体化構造におい て、センサ４は例えば同じ基板に配設してよい。

温度センサ４の出力信号は、好ましくは温度に比例するもので市って、センサ３ に及ぼす恐れのある温度の補正として使用される。

制御ユニット５は、センサ３の出力信号からの大気の相対湿度を計算するばかり でなく、温度センサ４の出力信号から周囲温度Ｔをめ、特定放射線強度を励起す る電流を放射線源１に供給する。制御ユニット５は、従来技術と同様に、マイク ロコンピュータまたはアナログ回路を設けてもよく、従ってそれの構成をさらに 詳しく説明する必要はない。

相対湿度ＲＨ％の関数として第１ｂ図に示した容量性湿度センサ３の出力電圧ｕ ｏｕｔは、フィードバックΔＵｏｕｔ　＝−に１＊（ＲＨ％）／Ｔを伴わない。

ここで、王は絶対周囲温度、Ｋ１１は指定赤外線の定数である。

この式は、制御ユニット５が温度下に比例して放射線強度を変化させるとき本発 明センサの出力信号を温度に比例して直線化することが可能であることを示す。

しかしながら、周囲温度が激しく変動する場合、出力信号の直線性を喪失させ、 ざらにセンサ３の出力信号に比例してＩＲダイオード１の放射線強度を調整する ことも有利となることがある。

従って、ΔＩＪｏｕｔ　＝−に２大（ＲＨ％）２／丁により、湿度の関数として センサ３の出力信号にあける出力電圧ＩＪｏｕｔの減衰量が得られる。ここでに ２は別の定数である。そのようなフィードバック装置の一時的な安定性は、フィ ードバックを伴わないものより良い。

第２図は、本発明装置と、［単色性ＪＩＲダイオードを備えていない市販の湿度 センサとの試験結果の比較を示す。明らかに、本発明装置は、ヒステリシスを伴 わない優れた直線性をもっている。ざらに本発明装置は、安定状態で何ら変動を 示さない。読みについて第２図に示す。

以上の説明は、特定の態様に限定したものであるが、それは単に、赤外線発生源 を多孔性材料の湿度センサに組合せることによりヒステリシスを除去するという 本発明の原理を例示したにすぎず、範囲を限定するものではない。従って、ここ に記述した発明の特定態様において変更することができ、そのような変更は請求 した発明の範囲及び精神の範囲内にある。

例えば、種々の多孔性材料が使用できる。適当な材料は、Ｐｈｙｓ−Ｃｈｅｍｉ ｃａｌ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｃａｒｐ、、　ニュー３−り。

米国：　Ｒｏｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｍｐ、　、チューリッヒ、スイス；Ｅ、Ｔ、１ ．、　Ｗｏｒｔｈｉｎｇ、　５ｕｓｓｅｘ、英国；Ｃｏｒｅｌ　、リオン。

フランスで製造されている。種々の材料によっては、使用される放射線の波長が 前述指定値からマイクロ波の方向に、市るいは紫外線領域の方向にさえ大きく偏 位することもありえる。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 昭和６１年１２月１２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの測定可能な特性が湿度の関数として変化する多孔性材料で できた湿度センサを具備する大気の相対湿度を測定する装置において、前記装置 が狭帯域赤外線発生源（１）を有し、該発生源が特定間隙（Ｓ）から湿度センサ （３）を照射することを特徴とする装置。 ２．前記赤外線発生源が、強力な水蒸気吸収帯域を有する波長を備えた放射線を 放出する請求の範囲第１項記載の装置。 ３．前記放射線発生源により放出される波長は、放射線が湿度センサ（３）の多 孔性材料によつて吸収されないように選択される請求の範囲第１項または第２項 記載の装置。 ４．前記多孔性材料が重合体である請求の範囲第１項乃至第３項のうちいずれか １項に記載の装置。 ５．湿度センサが、誘電材料を前記多孔性材料で構成した容量性センサである請 求の範囲第１項乃至第４項のうちいずれか１項に記載の装置。 ６．前記装置が、湿度センサの容量値を電圧信号に変換する変換器を備えた請求 の範囲第５項記載の装置。 ７．前記湿度センサが抵抗センサである請求の範囲第１項乃至第４項のうちいず れか１項に記載の装置。 ８．周囲温度（Ｔ）に比例した前記赤外線発生源の放射線強度を調整できる請求 の範囲第１項乃至第７項のうちいずれか１項記載の装置。 ９．温度センサ（４）が前記湿度センサ（３）の付近に配置される請求の範囲第 １項乃至第８項のうちいずれか１項に記載の装置。 １０．電子制御ユニット（５）が周囲温度に比例して放射線強度を調整する請求 の範囲第９項記載の装置。 １１．前記電子制御ユニット（５）がさらにセンサの出力信号に比例して放射線 強度を調整する請求の範囲第１０項記載の装置。 １２．測定用電極（６）は、それらが赤外線（２）を吸収しないように設計され た湿度センサ（３）の多孔性材料の上及び内部に設けられた請求の範囲第１項乃 至第１１項のうちいずれか１項記載の装置。 １３．前記測定用電極が照射された放射線を反射する請求の範囲第１２項記載の 装置。 １４．湿度センサ（３）と放射線源（１）との前記間隙（Ｓ）が臨界域内にある 請求の範囲第１項乃至第１３項のうちいずれか１項記載の装置。 １５．赤外線源が半導体レーザである請求の範囲第１項乃至第１４項のうちいず れか１項記載の装置。 １６．赤外線源がＩＲダイオードである請求の範囲第１項乃至第１４項のうちい ずれか１項記載の装置。 １７．放出波長を制限するのにフィルターを設けた請求の範囲第１６項記載の装 置。 １８．放射線が０．９３μｍの領域で放出される請求の範囲第１項乃至第１７項 のうちいずれか１項記載の装置。 １９．湿度センサが市販の容量性湿度センサである請求の範囲第１項乃至第１８ 項のうちいずれか１項記載の装置。