JP2010237028A - 湿度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で微小な静電容量の変化による湿度あっても高い精度で計測することができる湿度計測装置を提供する。
【解決手段】静電容量が変化する感湿素子を有する感湿部と、信号処理部で検出された前記感湿素子の静電容量の変化分を、対応する相対湿度を表す電気信号に変換して出力する出力信号変換部とを備えた湿度計測装置において、感湿素子１４の静電容量に付加されている第１の導電ケーブルの浮遊容量と、基準静電容量に付加されている第２の導電ケーブルの浮遊容量とを等しくする。
【選択図】図２

Description

この発明は、感湿素子が相対湿度によって容量値が変化する特性を利用して計測環境の相対湿度を計測する湿度計測装置に関するものである。

容量式センサの一つである容量式湿度センサは、その感湿素子が相対湿度の変化により容量値が変化する特性を利用して、計測環境の相対湿度を計測するものである。この容量式湿度センサでは、容量の変化量を電圧などに変換して湿度計測値として出力するものであるが、このときの容量の変化は、相対湿度１００％に対して数十ｐＦ以下（２０〜３０ｐＦ以下）といった微少量である。このため、湿度センサの感湿素子と、この感湿素子からの検出信号を信号処理する回路部（発信回路、増幅回路、出力信号変換回路等）とをケーブルで接続すると、そのケーブルの容量が温度変化や折り曲げの影響を受けて大きく変化し、湿度計測値の精度が悪化してしまう。

従って、望ましくは感湿素子と回路部とを近接して接続すべきであるが、湿度の計測を行う現場の温度環境が、回路部内の増幅回路を構成する電子部品の使用限界温度を越えていると、もはや感湿素子と回路部とを近接して接続することはできず、感湿素子が設置される現場から回路部を隔離して相互にケーブルで接続せざるを得ない。
このような感湿素子と回路部を接続するケーブルの容量変化に起因した湿度計測の精度悪化を解決する従来の技術としては、例えば、特許文献１，２に開示されるものがある。

特許文献１のセンサシステムでは、センサヘッドが、第１電極と、この第１電極の間に所定の距離をおいて相対するよう配置された第２電極とを備え、測定装置が、信号端子、シールド端子、バイアス端子を備えており、信号端子の電圧とシールド端子の電圧とが、常に等しくなるように測定回路を構成している。また、センサヘッドと測定装置との接続に３重同軸ケーブルを用い、３重同軸ケーブルの中心軸線で第１電極を信号端子に接続し、３重同軸ケーブルの外側被覆線で第２電極をバイアス端子に接続しており、３重同軸ケーブルの内側被覆線をシールド端子に接続している。
このように、３重同軸ケーブルの中心軸線に相当する信号線が、この信号線と同電位を有するシールド手段である外側被覆線と内側被覆線とによって電気的に遮断されるので、ケーブルの容量変化が計測値の精度に及ぼす悪影響を排除できる。

また、特許文献２に開示される静電容量−電圧変換装置は、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有し、出力端子と反転入力端子との間が帰還抵抗によって接続された演算増幅器と、反転入力端子に一端が接続され、静電容量を有する静電容量素子を他端に接続する信号線と、この信号線の少なくとも一部を包囲し、かつ、非反転入力端子に接続されたシールドと、非反転入力端子に交流信号を印加する交流信号発生器と、演算増幅器の出力信号と交流信号とが互いに相殺されるように、それらの振幅と位相を調整する調整回路とを具備する。このように構成することにより、信号線の浮遊容量に影響されることなく、信号線に接続された静電容量素子の静電容量を電圧に変換でき、微少量の静電容量であっても、対応する電圧を高精度に求めることができる。

特開２００２−１５７６７１号公報 特許３３０２３７７号公報

特許文献１は、導体の外側被覆線及び内側被覆線をシールド手段として有する３重同軸ケーブルを使用することが前提とされている。このような３重同軸ケーブルは、一般的な湿度センサには使用されておらず、特許文献１では、標準品として市販されている同軸ケーブルを用いることができず、汎用性がない。

特許文献２は、演算増幅器の出力信号と交流信号とが互いに相殺されるように、これらの振幅と位相とを調整する調整回路が必要であるため、回路構成が複雑になる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易な構成で微小な静電容量の変化による湿度あっても高い精度で計測することができる湿度計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係る湿度計測装置は、計測環境雰囲気中の湿度に応じて静電容量が変化する感湿素子を有する感湿部と、基準静電容量を得る基準静電容量部と、感湿素子と接続する第１の導電ケーブルと、基準静電容量部と接続する第２の導電ケーブルと、第１の導電ケーブルを介して感湿素子の静電容量を取得するとともに、基準静電容量部の基準静電容量を取得し、感湿素子の静電容量と基準静電容量から感湿素子の静電容量の変化分を検出する信号処理部と、信号処理部で検出された感湿素子の静電容量の変化分を、対応する相対湿度を表す電気信号に変換して出力する出力信号変換部とを備えた湿度計測装置において、第１の導電ケーブルの浮遊容量と第２の導電ケーブルの浮遊容量が等しいことを特徴とするものである。

この発明によれば、第１の導電ケーブルの浮遊容量と第２の導電ケーブルの浮遊容量を等しくしたので、感湿素子の静電容量の変化分として第１、第２の導電ケーブルの浮遊容量が相殺され、真の静電容量の変化分が得られることから、感湿素子の静電容量の変化が微少量であっても、対応する湿度を精度良く計測できるという効果がある。

この発明の実施の形態１による湿度計測装置を概略的に示す図である。 実施の形態１による湿度計測装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１によるケーブルの一例を示す断面図である。 実施の形態１によるケーブルの接続関係を示す図である。 図２中の信号処理部による処理の流れを示す図である。 実施の形態１によるケーブルの他の例を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による湿度計測装置を概略的に示す図である。図１において、実施の形態１による湿度計測装置１は、感湿素子の静電容量の変化で湿度を計測する容量式湿度センサであり、ケース２Ａに収容した回路部基板に設けられる回路部２、感湿素子を有する感湿部３、及び回路部２と感湿部３とを接続するケーブル４を備える。

回路部２は、感湿部３の感湿素子からの検出信号を信号処理する構成部であり、発信回路、増幅回路、電源回路、外部端子等を備える。感湿部３の感湿素子１４は、計測環境の相対湿度の変化によって静電容量値が変化する特性を有した感湿素子であり、回路部２が当該感湿素子１４の静電容量値の変化量を電圧等に変換して湿度計測値として出力する。なお、図１に示す例では、感湿部３が、感湿素子１４と、測温抵抗体３線式計測で温度計測する測温抵抗体（温度センサ）２２とを組み合わせて構成されており、湿度−温度計測が可能である。

ここでは、湿度計測を行う現場が回路部２を構成する電子部品の使用限界温度を越える場合があることを想定して、図１に示すように、感湿部３を計測現場に配置し、回路部２を収納したケース２Ａを計測現場の温度環境に影響を受けない場所に配置し、回路部２内の電子部品と感湿部３内の感湿素子とをケーブル４を介して接続している。

また、ケーブル４としては静電容量の変化が少ない同軸ケーブルが好適であるが、この実施の形態１では、図２を用いて後述するように２本の同種同長の同軸ケーブルを用い、一方の同軸ケーブルで感湿素子と回路部２の素子側回路とを接続して、もう一方の同軸ケーブルは感湿素子と接続せず、オープンとして回路部２内の基準側回路に接続する。
このとき、２本の同軸ケーブルを１本の複合同軸ケーブルとする。これにより、感湿素子に接続した同軸ケーブルの浮遊容量が折り曲げ等により変化しても、基準側の同軸ケーブルの浮遊容量も同様に変化するため、素子側回路と基準側回路との出力を差動増幅することで、ケーブルの容量変化による計測値出力への影響をキャンセルできる。

図２は、実施の形態１による湿度計測装置の構成を示すブロック図である。図２において、回路部２は、信号処理部５、電源回路６、出力信号変換部７及び外部端子８を備え、信号処理部５は、Ｃ−Ｖ変換回路（発信回路）９及び差動増幅回路１０を備え、出力信号変換部７は、出力増幅回路１１を備える。電源回路６は、外部端子８を介して入力された電力を信号処理部５と出力信号変換部７に供給して駆動させる。

Ｃ−Ｖ変換回路９は、基準容量部が与える基準静電容量を電圧に変換する基準側回路と感湿素子１４の静電容量を電圧に変換する素子側回路とを備える。素子側回路には、同軸ケーブル（第１の導電ケーブル）１２が接続されており、感湿素子１４の静電容量Ｃｅには、この同軸ケーブル１２の浮遊容量Ｃｃ１が付加される。また、基準側回路には同軸ケーブル（第２の導電ケーブル）１３が接続されており、基準容量部が与える基準静電容量Ｃｒには同軸ケーブル１３の浮遊容量Ｃｃ２が付加している。

差動増幅回路１０は、Ｃ−Ｖ変換回路９の素子側回路の出力電圧と基準側回路の出力電圧を入力して差動増幅する。出力信号変換部７は、差動増幅回路１０で得られた、基準静電容量に対する感湿素子１４の静電容量の変化分に相当する電圧差を、これに対応する相対湿度を表す電気信号に変換して出力する構成部であり、出力増幅回路１１は差動増幅回路１０の出力を増幅する。

感湿部３に設けられる感湿素子１４は、例えば２枚の電極に感湿性高分子を挟み込んで構成された高分子容量式感湿素子を用いる。この場合、計測環境の水蒸気量に応じて、感湿性高分子に吸着した水分量により変化し、この吸着水分量により感湿性高分子の誘電率が変化する。この誘電率の変化が上記電極間での静電容量の変化として測定される。この静電容量の変化は、計測環境の相対湿度に比例する。

図３は、実施の形態１によるケーブルの一例を示す断面図である。図３に示すように、ケーブル４は、同軸ケーブル１２，１３がシース１５及びシールド１６によって被覆された複合同軸ケーブルである。同軸ケーブル１２，１３は、信号を伝搬する導体１７と同軸に内側絶縁体１８、シールド１９及び外側絶縁体２０を設けた同種、同長の同軸ケーブルである。

図４は、実施の形態１によるケーブルの接続関係を示す図であり、図５は、図２中の信号処理部による処理の流れを示す図である。図４に示すように、感湿素子１４の一方の電極には、同軸ケーブル１２の信号導体が接続され、もう一方の電極が同軸ケーブル１２のシールドとともに接地される。

感湿素子１４は、回路部２の素子側回路で抵抗Ｒと接続されており、素子側回路では、図５に示すように、感湿素子１４の検出湿度に応じた矩形波信号（素子側発信波形）が出力される。この素子側発信波形において、感湿素子１４の静電容量Ｃｅが変化する変化時間Ｔ１は、感湿素子１４の検出湿度（静電容量Ｃｅ）と抵抗Ｒとの積に依存する。

一方、回路部２の基準側回路においても同様に、基準静電容量部に抵抗Ｒが接続されており、基準静電容量に応じた矩形波信号（基準側発信波形）が出力される。この基準側発信波形において、基準静電容量Ｃｒが変化する変化時間Ｔ２は、基準静電容量Ｃｒと抵抗Ｒとの積に依存する。

Ｃ−Ｖ変換回路９は、素子側発信波形と基準側発信波形とをそれぞれＲＣ積分することにより、図５に示すように、感湿素子１４の静電容量Ｃｅの変化に応じた電圧値と、基準静電容量Ｃｒに応じた電圧値とを出力する。差動増幅回路１０が、これら出力電圧値の電圧差を増幅することにより、図５に示す電圧出力が得られる。この電圧出力は、基準静電容量Ｃｒに対する感湿素子１４の静電容量Ｃｅの変化分に相当する電圧差である。出力信号変換部７は、この電圧出力を増幅して対応する相対湿度を表す電気信号に変換し、外部端子８を介して湿度計測値として出力する。

上述したように、感湿素子１４の静電容量Ｃｅには同軸ケーブル１２の浮遊容量が付加されており、基準静電容量Ｃｒには同軸ケーブル１３の浮遊容量が付加されている。この発明では、同軸ケーブル１２，１３を１本の複合同軸ケーブル４として、同軸ケーブル１２の浮遊容量と同軸ケーブル１３の浮遊容量とを略一致させている（Ｃｃ１＝Ｃｃ２）。これにより、上述の変化時間Ｔ１とＴ２が等しくなり、素子側と基準側の出力を差動増幅することによって、同軸ケーブル１２，１３の浮遊容量の電圧出力に対する影響を相殺できる。

なお、ケーブル４は、図３に示した構成に限定されるものではない。
図６は、実施の形態１によるケーブルの他の例を示す断面図である。図６に示すケーブル４は５芯の複合同軸ケーブルであり、同軸ケーブル１２，１３の他、信号線となる３本の同軸ケーブル２１を有する。例えば、図１に示した湿度−温度計測装置において、感湿素子１４と同軸ケーブル１２，１３を接続し、測温抵抗体３線式計測で温度計測する測温抵抗体２２の信号線として３本の同軸ケーブル２１を利用する。
このように、感湿部３等のセンサ部と信号処理を行う回路部２とを複合同軸ケーブルで接続する構成を利用して、容量式湿度センサのみならず、他のセンサ素子の信号用の同軸ケーブルも１本の複合同軸ケーブルにまとめることができる。上記の他、風速センサ等の信号線を複合同軸ケーブルにまとめてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、基準静電容量Ｃｒに付加されている同軸ケーブル１３の浮遊容量と感湿素子１４の静電容量Ｃｅに付加されている同軸ケーブル１２の浮遊容量とを等しくしたので、感湿素子１４の静電容量の変化分として同軸ケーブル１２，１３の浮遊容量が相殺され、真の静電容量の変化分が得られることから、感湿素子１４の静電容量Ｃｅの変化が微少量であっても、対応する湿度を精度良く計測できる。

また、この実施の形態１によれば、同軸ケーブル１２，１３を各々が同種同長の同軸ケーブルとし、同軸ケーブル１２，１３で構成した複合同軸ケーブル４によって、感湿素子１４との接続及び基準静電容量部との接続を行うので、同軸ケーブル１２の浮遊容量と同軸ケーブル１３の浮遊容量とを容易に同一にすることができる。また、同軸ケーブル１２，１３が１本の複合同軸ケーブル４にまとめられていることから、ケーブルの取り扱いや計測現場への設置も容易であり、さらに、同軸ケーブル１２，１３が複合同軸ケーブル４として同一の場所に配置されるため、計測現場の温度等の条件も同一にでき、計測精度が向上する。

１ 湿度計測装置
２ 回路部
２Ａ ケース
３ 感湿部
４ ケーブル
５ 信号処理部
６ 電源回路
７ 出力信号変換部
８ 外部端子
９ Ｃ−Ｖ変換回路
１０ 差動増幅回路
１１ 出力増幅回路
１２，１３ 同軸ケーブル（第１の導電ケーブル、第２の導電ケーブル）
１４ 感湿素子
１５ シース
１６，１９ シールド
１７ 導体
１８，２０ 絶縁体
２１ 同軸ケーブル
２２ 測温抵抗体

Claims (2)

1. 計測環境雰囲気中の湿度に応じて静電容量が変化する感湿素子を有する感湿部と、
   基準静電容量を得る基準静電容量部と、
   前記感湿素子と接続する第１の導電ケーブルと、
   前記基準静電容量部と接続する第２の導電ケーブルと、
   前記第１の導電ケーブルを介して前記感湿素子の静電容量を取得するとともに、前記基準静電容量部の基準静電容量を取得し、前記感湿素子の静電容量と前記基準静電容量から前記感湿素子の静電容量の変化分を検出する信号処理部と、
   前記信号処理部で検出された前記感湿素子の静電容量の変化分を、対応する相対湿度を表す電気信号に変換して出力する出力信号変換部とを備えた湿度計測装置において、
   前記第１の導電ケーブルの浮遊容量と前記第２の導電ケーブルの浮遊容量が等しいことを特徴とする湿度計測装置。
2. 第１及び第２の導電ケーブルは、各々が同種同長の同軸ケーブルであり、
   前記第１及び前記第２の導電ケーブルで構成した１本の複合同軸ケーブルによって、感湿素子との接続及び基準静電容量部との接続を行うことを特徴とする請求項１記載の湿度計測装置。

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