JP2005062199A

JP2005062199A - 湿度センサの校正方法およびそれを用いた湿度センサ

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Publication number: JP2005062199A
Application number: JP2004289613A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Okuda; 浩史奥田
Original assignee: Espec Corp
Current assignee: Espec Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】湿度センサが据え付けられている計測現場において短時間で簡易に校正がなし得る湿度センサの校正方法およびそれに用いる湿度センサを提供することを目的とし、さらに自動的に校正を行う湿度センサを提供する。
【解決手段】本発明の湿度センサの校正方法は、少なくとも温度の異なる３点における湿度を計測し、それらの計測値により湿度算出直線を導出し、その湿度算出直線を用いて計測値を補正することにより、湿度検知手段の検知部による計測値の非線形性を解消するものである。また、本発明の湿度センサＳは、線形性校正手段１３を備え、線形性校正手段１３により、少なくとも温度の異なる３点における湿度の計測値を用いて湿度算出直線が導出され、その湿度算出直線を用いて計測値が補正されて湿度検知手段１の検知部１ａによる計測値の非線形性が解消されてなるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、湿度センサの校正方法およびそれを用いた湿度センサに関する。さらに詳しくは、空調機、環境試験機、植物育成室などの湿度制御、湿度モニターを行なう乾燥機、調理器、掃除機の湿度検知、あるいは湿度変化の測定記録、認証を行なう気象観測機、ラジオゾンデ、製品輸送時の状態を記録するデータロガーなどに利用される湿度センサの校正方法およびそれを用いた湿度センサに関する。

湿度を測定して出力する湿度センサを一定期間使用し続ける場合、計測値にズレが生じることは避けられない。そのため、定期的に湿度センサを校正する必要がある。

従来の湿度センサの測定現場における校正方法は、既知の湿度空間に湿度センサを設置し、湿度センサの計測値が正しく指示されるよう調整を施すというものである。湿度が既知の空間の実現は、例えば、飽和塩あるいは濃度既知の不飽和塩溶液を密閉容器内に入れて充分時間を経過させ、密閉容器内の雰囲気が安定した状態とすることによりなされる。この時、密閉容器内は、使用する飽和塩あるいは不飽和塩溶液によって決定された湿度が既知の空間となっている。ついで、この密閉容器内に湿度センサを入れ、湿度センサの指示値を前記既知の湿度に調整することで湿度センサの校正がなされる。

また、湿度センサの検知特性、つまり湿度算出直線の勾配の校正は、複数の種類の飽和塩あるいは不飽和塩溶液を用い、複数の湿度において校正をすることによりなされる。その場合、温度雰囲気を一定にすれば、さらに厳密な校正がなし得る。

ところで、どれくらいの周期で校正をする必要があるかは、湿度センサの使用環境や耐環境性によって様々である。一般的には、使用期間が長ければ長いほどズレは大きくなるので、計測精度を維持する点からは頻繁に校正する方がよい。

しかしながら、校正をするには計測を中断しなければならないし、前記密閉容器内の湿度雰囲気が安定するのには時間がかかり（０．５〜６ｈｒ程度）、また校正作業に時間がかかるとともにその作業が煩雑でもある。なお、分流式湿度発生槽や２温度２圧力法等の大がかりな装置にて基準湿度を発生させて校正を行なうこともできるが、そのためにはその設備のあるところまで湿度センサを搬送しなければならないという問題がある。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、湿度センサが据え付けられている計測現場において短時間で簡易に校正がなし得る湿度センサの校正方法およびそれに用いる湿度センサを提供することを目的とし、さらに自動的に校正を行う湿度センサを提供することをも目的とする。

本発明の湿度センサの校正方法は、少なくとも温度の異なる３点における湿度を計測し、それらの計測値により湿度算出直線を導出し、その湿度算出直線を用いて計測値を補正することにより、湿度検知手段の検知部による計測値の非線形性を解消することを特徴とする。

本発明の湿度センサは、線形性校正手段を備え、前記線形性校正手段により、少なくとも温度の異なる３点における湿度の計測値を用いて湿度算出直線が導出され、その湿度算出直線を用いて計測値が補正されて湿度検知手段の検知部による計測値の非線形性が解消されてなることを特徴とする。

本発明の湿度センサにおいては、故障診断手段を備え、前記故障診断手段により、計測値が閾値を超えた場合、計測値が所定の温度・湿度プロフィルから外れた場合、または校正手段による調整値が閾値を超えた場合、故障と診断されるようにされてもよい。

本発明によれば、低湿度域から高湿度域まで精度よく計測がなし得るという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

実施形態１
本発明の実施形態１に係る湿度センサの校正方法が適用されている校正機能および故障診断機能を有する湿度センサ（以下、単に湿度センサという）のブロック図を図１に示す。この実施形態１の湿度センサＳの校正方法は、湿度検知手段１の検知部１ａを加熱あるいは冷却し、それにより湿度センサの指示値を補正することにより湿度センサＳの校正をなすとともに、校正が適当になされない場合に故障信号を出力するように構成されてなるものである。つまり、この実施形態１の湿度センサＳの校正方法は、検知部１ａを所定温度に加熱していわゆる零点補正（零点調整）をする一方、検知部１ａを結露させていわゆる１００％Ｒ．Ｈ値補正（１００％Ｒ．Ｈ値調整）をし、さらにその零点調整および１００％Ｒ．Ｈ値調整における調整値により湿度算出直線の勾配を補正することにより、湿度センサＳの校正をなすように構成されてなるものである。

湿度センサＳは、図１に示すように、雰囲気中の湿度を検知する検知部１ａを有する湿度検知手段１と、湿度検知手段１の検知部１ａあるいはその近傍の温度を検知する温度検知手段２と、湿度検知手段１の検知部１ａを所定温度まで加熱あるいは所定温度まで冷却する加熱・冷却手段３と、出力手段４と、制御・演算装置１０とを主要構成要素として備えてなる。

湿度検知手段１の検知部１ａは、例えばセラミック系や高分子系インピーダンス変化型湿度検知素子、セラミック系や高分子系容量変化型湿度検知素子などとされ、雰囲気中の湿度を検知するものである。

温度検知手段２は、熱電対、Ｐｔ１００およびサーミスタなどの感温素子、または放射温度計などとされ、湿度検知手段１の検知部１ａ裏面に貼り付けられ、あるいは湿度検知手段１の検知部１ａ近傍に配設されて、湿度検知手段１の検知部１ａの温度あるいはその近傍の温度を検知するものである。

加熱・冷却手段３は、例えば、抵抗線、ペルチェ素子、ヒートパイプなどにより構成されたヒーター／クーラーとされ、湿度検知手段１の検知部１ａ近傍に配設されて湿度検知手段１の検知部１ａを加熱または冷却するものである。

なお、湿度センサＳの据え付け状況によっては、この加熱・冷却手段３は、恒温恒湿槽によって湿度検知手段１の検知部１ａの雰囲気中の温度を変化させる形式のものとされてもよい。

出力手段４は、湿度検知手段１により計測された湿度および温度検知手段２により計測された温度を表示するとともに、故障診断手段１２により故障と診断されたときに故障を表示する例えばデジタル表示装置とされる。あるいは、故障診断手段１２により故障と診断されたときに警報ブザーを吹奏する例えば警報ブザー付デジタル表示装置とされる。

制御・演算装置１０は、校正手段１１と故障診断手段１２とを有するものとされ、湿度検知手段１、温度検知手段２、加熱・冷却手段３および出力手段４を制御するとともに、校正手段１１は湿度検知手段１により計測された計測値を補正して湿度センサＳの校正を行い、故障診断手段１２は校正手段１１による校正値の適否を判定して故障の有無を診断するものである。かかる機能を有する制御・演算装置１０は、例えばマイコンに前記機能に対応したプログラムを格納することにより実現される。

次に、かかる構成とされている湿度センサＳにおける自動校正および自動故障診断について説明する。

（１）制御・演算装置１０は計測開始から所定時間が経過すると、加熱・冷却手段３に予め決められた温度、つまり所定温度へ加熱開始を指示する。

（２）加熱・冷却手段３は制御・演算装置１０からの指示により湿度検知手段１の加熱を開始する。

（３）制御・演算装置１０は温度検知手段２の計測値が所定温度に到達すると、校正手段１１に校正開始を指示するとともに、加熱・冷却手段３にその温度を維持するように指示する。

（４）校正手段１１は制御・演算装置１０からの校正開始の指示により湿度センサＳの校正を行う。校正手段１１による校正は、例えば、その時の湿度検知手段１の計測値を０％Ｒ．Ｈに補正するとともに、それに応じて制御・演算装置１０のメモリに格納されている計測値・湿度換算テーブルのデータを更新することによりなされる。あるいは、図２に示すように、湿度検知手段１の検知回路が可変コンデンサ１ｂおよび可変抵抗１ｃを有している場合には、例えば可変コンデンサ１ｂの容量調節をして計測値を０％Ｒ．Ｈに調整することによりなされる。これにより、湿度センサＳの指示値は０％Ｒ．Ｈに調整される。つまり、湿度センサＳの零点調整がなされる。この校正が終了すると、制御・演算装置１０は加熱・冷却手段３に加熱の停止を指示する。

（５）制御・演算装置１０は加熱・冷却手段３による加熱停止から所定時間経過後、加熱・冷却手段３に予め決められた温度、つまり所定温度へ冷却開始を指示する。

（６）加熱・冷却手段３は制御・演算装置１０からの冷却開始の指示により湿度検知手段１の冷却を開始する。

（７）制御・演算装置１０は温度検知手段２の計測値が所定温度に到達すると、校正手段１１に校正開始を指示するとともに、加熱・冷却手段３にその温度を維持するように指示する。

（８）校正手段１１は制御・演算装置１０からの校正開始の指示により湿度センサＳの校正を行う。校正手段１１による校正は、例えば、その時の湿度検知手段１の計測値を１００％Ｒ．Ｈに補正するとともに、それに応じて制御・演算装置１０のメモリに格納されている計測値・湿度換算テーブルのデータを前記零点のデータを固定した状態で更新することによりなされる。また、かかる更新をなすことにより、湿度算出直線の勾配の補正も同時になされる。あるいは、図２に示すように、湿度検知手段１の検知回路が可変コンデンサ１ｂおよび可変抵抗１ｃを有している場合には、例えば可変抵抗１ｃの抵抗値を調節して計測値を１００％Ｒ．Ｈに調整することによりなされる。これにより、湿度センサＳの指示値は１００％Ｒ．Ｈに調整される。つまり、湿度センサＳの１００％Ｒ．Ｈ値調整がなされる。なお、湿度検知手段１に結露を生じさせると計測値が大幅に変動を生ずる場合には、結露が生ずる直前あるいは直後の計測値が用いられる。

（９）故障診断手段１２は校正手段１１による校正後における湿度検知手段１の計測値が閾値を超えている場合、湿度検知手段１の計測値が予め設定されている温度・湿度プロフィルから外れている場合、または校正手段による調整値が閾値を超えている場合、湿度センサＳが故障している旨の警報を出力する。

このように、本実施形態１によれば、湿度センサが据え付けられている計測現場で、湿度センサの校正および故障診断が自動的にしかも短時間でなし得る。なお、前記説明においては、計測開始から所定時間経過後に校正がなされるようにされているが、湿度検知手段１の計測値が予め設定されている温度・湿度プロフィルから外れた時点で校正を開始するようにしてもよい。

実施形態２
本発明の実施形態２に係る湿度センサの校正方法が適用されている校正機能を有する湿度センサ（以下、単に湿度センサという）のブロック図を図３に示す。なお、図３において、図１と同一の符号を付したものは同一または類似の構成要素を示す。

この実施形態２の湿度センサＳ１の校正方法は、湿度センサの使用において、低湿域および高湿域の計測は正確になし得るが、中湿域においては実際より高くあるいは低く計測されるなどの計測値の線形性が損なわれる場合がある。そこで、この実施形態２では、図３に示すように、制御・演算装置１０に線形性校正手段１３を設けて計測値の直線化を図ることにより湿度センサＳ１の校正をなすものである。

線形性校正手段１３は、温度の異なる少なくとも３点における湿度の計測値を適宜演算処理することにより湿度算出直線を導出する機能を有する。例えば、図４に示すように、温度ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃における湿度の計測値がＵ₁，Ｕ₂，Ｕ₃であったとすると、この３点の値を適宜演算処理して湿度算出直線を導出するものである。この湿度算出直線を導出する演算処理については、例えば最小自乗法による導出方法があるが、これに限定されるものではなく、公知の各種の直線導出手法を用いることができる。なお、かかる機能を有する線形性校正手段１３は、制御・演算装置１０に対応するプログラムを格納することにより実現される。

このように、本実施形態２によれば、線形性校正手段１３を設けて所要数の計測値から湿度算出直線を導出し、その直線を用いて計測値の直線化を図ることにより計測値の非線形性を解消して湿度センサＳ１の校正をなしているので、低湿域から高湿域まで精度よく計測がなし得る。また、その校正も湿度センサＳ１が据え付けられている計測現場において、簡易・迅速になし得る。なお、実施形態１との併用によりより良い結果が得られる。

実施形態３
本発明の実施形態３に係る湿度センサの校正方法が適用されている校正機能を有する湿度センサ（以下、単に湿度センサという）の概略図を図５に示し、この湿度センサＳ２においては、図５に示すように実施形態１の制御・演算装置１０に代えてマニュアル操作により校正をなす校正器（校正手段）２０が設けられ、そして温度検知手段２は温度計２Ａとされるとともに、加熱・冷却手段３はヒータ／クーラ３Ａとされている。また、湿度検知手段１は検知部１ａの相当静電容量に並列に可変コンデンサ１ｂを接続するとともに、検知部１ａの相当回路に直列に可変抵抗１ｃを接続してなるものとされている。

校正器２０は、図５に示すように、湿度表示部２１、温度表示部２２、ヒータオン・オフスイッチ２３、クーラオン・オフスイッチ２４、可変容量調節ダイヤル２５、可変抵抗調節ダイヤル２６、制御・演算部２７および電源スイッチ２８を有するものとされる。なお、電源スイッチ２８は公知の各種スイッチとすることができる。

湿度表示部２１は、計測された湿度を指示（表示）するように構成された、例えば液晶パネルとされる。

温度表示部２２は、検知された温度を指示（表示）するように構成された、例えば液晶パネルとされる。

ヒータオン・オフスイッチ２３およびクーラオン・オフスイッチ２４は、例えば押しボタンスイッチとされる。なお、明瞭には図示されていないが、ヒータオン・オフスイッチ２３およびクーラオン・オフスイッチ２４は同時にオンしないように調整されている。

可変容量調節ダイヤル２５は、ダイヤルを回転させることにより、可変コンデンサ１ｂの容量調整がメカニカル的になし得るようにされている公知のダイヤルとされる。

可変抵抗調節ダイヤル２６は、ダイヤルを回転させることにより可変抵抗１ｃの抵抗値の調整がメカニカル的になし得るようにされている公知のダイヤルとされる。

制御・演算部２７は、例えばワンチップ・マイコンとされて、湿度表示部２１の表示制御、温度表示部２２の表示制御、ヒータオン・オフスイッチ２３のオン・オフによるヒータ／クーラ３Ａのヒータのオン・オフ制御、クーラオン・オフスイッチ２４のオン・オフによるヒータ／クーラ３Ａのクーラのオン・オフ制御をなすようにされている。また、勾配補正手段２７ａは、零点調整時における調整値および１００％Ｒ．Ｈ値調整時における調整値に基づいて、湿度算出直線の勾配補正をなすものである。なお、かかる制御・演算部２７の機能および勾配補正手段２７ａの機能は、それらに対応したプログラムをワンチップ・マイコンに格納することにより実現される。また、ワンチップ・マイコンには後述する校正処理に必要な処理をなすためのプログラムも格納されている。

次に、かかる構成とされている湿度センサＳ２の校正について説明する。

なお、この校正は、校正手順、加熱所定温度、冷却所定温度などが記載されている校正マニュアルを用いてなされる。

（１）電源スイッチ２８をオンして湿度表示部２１に指示された湿度、および温度表示部２２に指示された温度により加熱温度および冷却温度を選定する。

（２）ヒータオン・オフスイッチ２３をオンしてヒータ／クーラ３Ａのヒータを起動して検知部１ａを加熱する。

（３）温度表示部２２の表示温度（指示値）が所定温度（所定値）になった時点で可変容量調節ダイヤル（または可変抵抗調節ダイヤル２６）２５を操作し、湿度表示部２１の指示値を０％Ｒ．Ｈに調整する。つまり、零点調整をする。この間、制御・演算部２７は加熱温度が所定温度に維持されるようにヒータの加熱量を制御する。

（４）ヒータオン・オフスイッチ２３をオフしてヒータによる加熱を停止する。

（５）温度表示部２２の表示温度が雰囲気温度に復帰した時点で、クーラオン・オフスイッチ２４をオンしてヒータ／クーラ３Ａのクーラを起動して検知部１ａを冷却する。

（６）温度表示部２２の表示温度が所定温度になった時点で可変抵抗調節ダイヤル（または可変容量調節ダイヤル２５）２６を操作し、湿度表示部２１の指示値を１００％Ｒ．Ｈに調整する。つまり、１００％Ｒ．Ｈ値調整をする。この間、制御・演算部２７は、冷却温度が所定温度に維持されるようにクーラの冷却量を制御する。

（７）クーラオン・オフスイッチ２４をオフしてクーラによる冷却を停止する。

（８）勾配補正手段２７ａは、零点調整時における調整値および１００％Ｒ．Ｈ値調整時における調整値に基づいて湿度算出直線の勾配を補正する。

（９）勾配補正手段２７ａによる湿度算出直線の勾配の補正が完了すると、校正完了が湿度表示２１に表示される。

（１０）校正完了の表示を確認して電源スイッチ２８をオフする。

このように、本実施形態３によれば、湿度センサＳ２が据え付けられている計測現場において、簡易・迅速に湿度センサＳ２の校正がなし得る。

以下、より具体的な実施例により本発明をより具体的に説明する。

実施例１
雰囲気温度が８５℃、相対湿度が９５％Ｒ．Ｈである場合の零点補正（零点調整）について説明する。そのときの水蒸気分圧は、５４９７４．６Ｐａである。

飽和水蒸気圧が充分大きくなる温度、例えば水の臨界温度３７０．９４６℃まで検知部１ａを加熱する。その場合の飽和水蒸気圧は、２２０６４ｋＰａである。したがって、３７０．９４６℃まで加熱したときの検知部１ａの相対湿度は０．２５％Ｒ．Ｈとなる。この０．２５％の誤差は通常の計測においては問題とならないので、検知部１ａを３７０．９４６℃まで加熱すると相対湿度は実質上０％Ｒ．Ｈとすることができる。そこで、検知部１ａを水の臨界温度である３７０．９４６℃まで加熱した時の湿度センサＳの指示値を、０％Ｒ．Ｈとする調整をなすことにより、前記雰囲気に対する湿度センサＳの零点補正（零点調整）がなし得る。つまり、指示値のオフセットを解消して湿度センサＳの校正がなし得る。

実施例２
雰囲気温度が１０℃、相対湿度が３０％Ｒ．Ｈである場合の１００％Ｒ．Ｈ値補正（１００％Ｒ．Ｈ値調整）について説明する。なお、そのときの水蒸気分圧は、３６８．４Ｐａである。

加熱・冷却手段３により湿度検知手段１の検知部１ａを結露が生ずる温度、例えば−４０℃まで冷却する。その温度における検知部１ａの飽和蒸気圧は１２．８４Ｐａである。そのため、検知部１ａを前記温度まで冷却すれば確実に結露が生じて、検知部１ａの相対湿度は１００％Ｒ．Ｈとなる。そこで、検知部１ａを−４０℃まで冷却した時の湿度センサＳの指示値を１００％Ｒ．Ｈとする調整をなすことにより、前記雰囲気に対する湿度センサＳの１００％Ｒ．Ｈ値補正（１００％Ｒ．Ｈ値調整）がなし得る。つまり、指示値のオフセットを解消して湿度センサＳの校正がなし得る。

以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態１においては、制御・演算装置に故障診断手段が設けられているが、この故障診断手段は必要に応じて設けられればよく、そのため必ずしも設けられる必要はない。また、実施形態１においては、加熱・冷却手段が設けられているが、校正目的に応じて加熱手段のみ、あるいは冷却手段のみが設けられてもよい。

本発明は各種湿度センサに適用できる。

本発明の実施形態１に係る校正方法が適用されている湿度センサのブロック図である。同湿度センサの湿度検知手段の一例の等価回路図である。本発明の実施形態２に係る校正方法が適用されている湿度センサのブロック図である。計測点と導出直線との関係を示すグラフである。本発明の実施形態３に係る校正方法が適用されている湿度センサのブロック図である。

符号の説明

１湿度検知手段
１ａ検知部
１ｂ可変コンデンサ
１ｃ可変抵抗
２温度検知手段
２Ａ温度計
３加熱・冷却手段
３Ａヒータ／クーラ
４出力手段
１０制御・演算装置
１１校正手段
１２故障診断手段
１３線形性校正手段
２０校正器
Ｓ湿度センサ

Claims

少なくとも温度の異なる３点における湿度を計測し、それらの計測値により湿度算出直線を導出し、その湿度算出直線を用いて計測値を補正することにより、湿度検知手段の検知部による計測値の非線形性を解消することを特徴とする湿度センサの校正方法。
線形性校正手段を備え、
前記線形性校正手段により、少なくとも温度の異なる３点における湿度の計測値を用いて湿度算出直線が導出され、その湿度算出直線を用いて計測値が補正されて湿度検知手段の検知部による計測値の非線形性が解消されてなることを特徴とする湿度センサ。
故障診断手段を備え、
前記故障診断手段により、計測値が閾値を超えた場合、計測値が所定の温度・湿度プロフィルから外れた場合、または校正手段による調整値が閾値を超えた場合、故障と診断されることを特徴とする請求項２記載の湿度センサ。