JPH07294469A - 露点または気体濃度の測定方法と着氷予測装置 - Google Patents
露点または気体濃度の測定方法と着氷予測装置Info
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Abstract
法と着氷予測に適した装置の提供に関する。 【構成】 本発明の測定方法は、気体の相対濃度を直接
測定し、および相対濃度を測定する素子(3)の温度を
測定することによる気体濃度または露点の間接測定方法
であり、測定素子がその最高感度の範囲内で動作するよ
うに、相対濃度を測定する素子(3)の温度を移動させ
ることを特徴とする。 【効果】 本発明の方法により、従来技術の欠点を克服
し、特に測定精度が非常に高い点を特徴とする。
Description
請求項1の前文に記載された方法に関するものである。
さらに本発明は、着氷を予測する装置に関するものであ
る。
する場合に、様々な方法で行なわれている。
生するまで適切な表面を冷却し、結露発生の瞬間を検出
し、さらに結露が最初に付着する時間に対応する温度を
測定する。これまで、結露を検出する面は鏡面であり、
光学式検出法により、このような鏡面上で結露の監視を
行なっていた。結露は、例えば、前記鏡面から反射した
光の減衰量によって光学的に検出される。
光学的方法には、容量的方法や、露結面に沿って放射さ
れる面音響波の減衰量測定に基づく方法があり、後者で
は、露結面が電気的測定回路の一部を形成している。
る。この方法によって得られる精度は、露点検出と表面
温度の測定に関する精度によって決まる。
くつか見られる。例えば、周期的測定および露結面の自
動清浄により汚染対策が採られている場合でも、露結計
測面の汚染によって誤差が生じる。また、このような対
策があるにもかかわらず、作業条件によって必要とされ
る短期の保全期間によって、装置の利用度が損われるこ
とになる。特に、検出が困難な測定誤差の原因は、露結
検出器表面の塩層の堆積によって発生する。
遅いという条件においては、特に露点温度が低い場合
は、反応時間が(数分程度まで)長くなる。同様に、周
囲条件の急激な変化により検出器が湿潤状態になった場
合、回復時間は長くなる。
温度からの間接的な露点計測に基づく方法も技術上周知
である。上記の直接測定法に関連して言えば、この間接
測定法には、反応が速い、汚染率が低下する、高温での
作業が可能になるなどの利点がある。
相対的に大きい誤差が生じ、かつ相対湿度を計測するセ
ンサの感度に対して化学薬品による悪影響が見られるこ
とが難点となっている。
を監視し、かつ零点付近の温度で相対湿度を測定するこ
とを基本にしている。このセンサの性能を妨げる問題点
は、相対湿度が高い場合に、湿度センサが湿潤状態を維
持しやすいことから、長時間にわたって100%の相対
湿度を示すことである。
欠点を克服し、かつ全く新しい露点計測方法と着氷予測
装置を実現することにある。
の外部冷却によって、特に、低い相対湿度においてセン
サ測定範囲を移動させ、同様に、露点付近において、セ
ンサを外部加熱することにより、測定精度を最も高くす
るような範囲に測定範囲を移動させる点を基本にしてい
る。
々のセンサユニットから成る装置の設計に基づいてい
る。このセンサユニットは、第1センサユニットに湿度
センサと温度センサが、また、実測点に配置される第2
センサユニットには温度センサのみが組み込まれてお
り、結露による湿度センサの湿潤を防止するため第1セ
ンサユニットが、周囲温度を上回る温度まで加熱され
る。
よる方法は、請求項1の特徴を表す部分に記載されてい
る点を特徴とする。
特徴を表す部分に記載されている点を特徴とする。
得られる。
低い場合でも高精度の測定が可能であり、さらに、汚染
に対する許容度も高く、高温でも正確な露点計測が行な
える。本発明のセンサは、作業条件のもとで使用された
場合、センサの感度校正段階中にのみ結露にさらされる
ことから、センサの汚染は、従来技術による測定方法に
比べて必ず減少する。
的に行ない除氷作業を開始することができる。このた
め、氷が形成されないうちに、高い支柱や衛星アンテナ
の着氷領域に対して加熱スイッチを入れることができ、
これによって氷結の発生リスクを回避できる。さらに正
確な着氷に関する報告書に基づいて、道路整備当局は、
除氷用化学薬品の消費量を最小限度に抑えることが可能
である。また、小型機の場合、着氷早期警告が開始した
時点で温暖な飛行レベルに移動することができる。さら
に、高価な発生器タービンの翼に対する損傷も、本発明
の装置によって防止できる。
施例に基づいてより詳細に説明する。
リは、前記センサの外層電極に組み込まれた、本実施例
において露点センサとして用いられる特に小型の加熱器
抵抗部品2を有する薄膜湿度センサ素子3が上部に付い
た加熱または冷却素子7を具備している。さらに、前記
アセンブリには、2台の温度センサ6および7が補足さ
れている。外部温度センサ6は、周囲温度を測定し、内
部温度センサ1は、湿度センサ3の温度を測定する。こ
のセンサ構造は、計測作業中に発生するガスに対し、ペ
ルティエ素子7を密封する防湿層5によって保護されて
いる。湿度センサ3は、測定された気体の相対濃度に線
形的に比例する出力信号を送信できるタイプのものであ
る。これに関連し、相対濃度という用語は、測定温度に
おける気体の飽和濃度に対する気体測定濃度の比として
理解されなければならない。気体の相対濃度の測定に特
に適したセンサは、ポリマー材をベースにした容量性湿
度センサである。このようなセンサは、例えば、Hum
icap(商標)などの商品名で市販されている。
子7によってセンサ温度の最適範囲に移動され、このセ
ンサ温度は、別個の温度センサ1によって測定される。
周囲(または作業)露点は、湿度センサ3の相対湿度の
測定結果と湿度センサ3の測定温度から計算される。必
要に応じて、相対湿度を計算するために、別の温度セン
サ6によって周囲温度が測定される。
可能である。湿度センサと温度センサの校正測定結果
は、センサの種別ごとに採用される基本モデルに適合
し、湿度センサの校正については以下の手順に従うもの
とする。以下に示す定数(kn、TCn、およびDn)
の値はセンサの各種別に固有のものであり、したがっ
て、各値はセンサの外部寸法と材料に依存している。 静電容量の校正: C=C0 +C1 *Urh ただし、C0 およびC1 は校正係数であり、Urhは静電
容量/電圧変換器の出力電圧である。 湿度計算モデル: C’=(C/Cdry −1)*g ただし、Cdry =47 g=1 C”=C’+t*(kl+t*(k3+t*k4)) ただし、t=T−25 k1=−1.0218E−05 k2=1.32355E−06 k3=−3.47684E−09 k4=−6.34172E−12 tc=Tc0+T1*(Tc1+T*(Tc2+T*
(Tc3+T*(Tc4+T*Tc5)))) ただし、T=温度 Tc0=1.039304524 Tc1=−2.56636E−03 Tc2=5.34072E−05 Tc3=−4.93441E−07 Tc4=5.05655E−09 Tc5=−1.12871E−11 C’’’=1+C”*tc Rh=D0+C’’’*(D1+C’’’*(D2+
C’’’*D3)) ただし、D0=6948.3 D1=−19190.96 D2=17309.86 D3=−5067.12
われる。
相対湿度の提供が可能な塩水飽和溶液をベースにした湿
度校正セル内で行なわれる。湿度センサの温度の制御は
行なわれず、相対湿度のみが測定され、センサの出力信
号は、塩水飽和溶液と湿度センサの温度差に基づいて補
正される。センサの線形性については、ある一定の中間
点において湿度セル内で校正が行なわれ、必要に応じ
て、係数D0〜D3の値が変更される。
れる。まず初めに、両センサの入力がセンサシミュレー
タによって校正され、次に、少なくとも2つの異なる温
度を用いた温度室内で線形的な補正が行なわれる。
度制御により室温で湿度セル内において校正される。
を流入させ、0%の相対湿度で校正され、感度校正は、
60〜95%の相対湿度の範囲内にある高い湿度水準で
行なわれる。
湿度センサに対し60〜80%の相対湿度となる最適範
囲内で前記センサが作動するように湿度センサの温度が
制御される。このため、作業中の相対湿度が80〜10
0%の範囲内にある場合、センサは、相対湿度60〜8
0%の範囲内で作動させるために、通常、加熱される。
ある場合、センサを60〜80%またはこの範囲にでき
るだけ近い相対湿度で作動させるために、センサの冷却
が行なわれる。
業中の気体分圧Pwと露点Tdが次のように計算され
る。
計算できる。
の方法によって削減される。作業中の湿度水準が相対湿
度50%を上回る場合、湿度センサの感度は、相対湿度
100%の地点が湿度センサによって検出されるまで検
出器の温度を低下させることにより、自動的に1日に約
1回の割合で校正される。
て決まる。また、温度制御率や湿潤状態からの回復は、
測定速度には全く影響しない。
温度を低下させることにより、延長可能である。測定の
最終的な精度は、相対湿度センサとその作業温度検知の
測定精度によって決まる。
定に関するものであるが、本発明は、他の凝縮性の気体
(例えば、溶剤)の濃度測定にも使用可能である。
測装置は、電子ユニット10付近に形成されている。ま
た、前記装置は、電子ユニット10に接続された第1セ
ンサユニット11と第2センサユニット14を具備して
いる。さらに、第1センサユニット11には、湿度セン
サ12と温度センサ13が組み込まれている。したがっ
て、前記第1センサユニットは、湿度測定ユニットと呼
ぶこともできる。この他にも、前記湿度測定ユニット1
1は、周囲温度を上回る温度までセンサハウジング17
を加熱する加熱素子16を具備している。加熱素子16
は、例えば、加熱素子として作動する抵抗器16に一定
の電力を供給することによって、電子ユニット10によ
る制御を受ける。一般に、周囲温度を2K(ケルビン)
上回る温度まで第1センサユニット11の作業温度を上
げるだけで、湿度センサ12を乾燥状態に充分保持でき
る。適切な測定対象(気温、アンテナの支柱、航空機の
翼、タービン、衛星アンテナ等)の温度は、第2センサ
ユニット14によって測定される。第1センサユニット
11と第2センサユニット14は、通常、互いに離して
配置される。また、予想し得る着氷状態を知らせる警告
信号は、電子ユニット10の出力15から得られる。
るセンサ構造の代表的な湿度センサ素子は、接触面2
7、28、および29と検出コンデンサの平面電極21
および20から成る容量性相対湿度センサによって形成
されている。電極20と電極21の間に適切なポリマー
による誘電体層があり、湿度の関数として誘電率の変化
を示す働きをする。図の湿度測定ユニットは、例えば、
図2に示すセンサユニット12とよく似た形にすること
も可能である。また、抵抗素子22と23が、各接触領
域24、25および26を有する同じ基板上に一体的に
組み込まれている。抵抗素子22と23の各領域は、同
じような電圧パルスが各抵抗素子に与えられたとき、抵
抗素子の小さい方の素子22が湿潤状態である場合に加
熱効果によって乾燥するよう、熱に対して互いに異なる
反応を示すように設計されている。しかし、大きい方の
抵抗素子23の表面温度は、同じ電圧パルスの加熱効果
によって凝縮液が蒸発するほど上昇することはない。抵
抗素子22および23の材料は、温度に対して抵抗が最
も高い依存性を示すものが選択されている。
よび23は、補助抵抗器30および31が付いたブリッ
ジ構造に接続されており、電圧パルスが前記ブリッジの
接点37に加えられる。前記ブリッジの接点24および
26間の電位差は、差動増幅器32によって増幅され、
増幅器出力38から電圧信号が発信される。抵抗器35
およびコンデンサ34によって形成される誘導回路から
得られるこの信号は、増幅器33によって増幅され、接
点36において増幅器出力信号が発生する。
7、38、および36の信号が、同一の時間尺度上に描
かれている。一番上の曲線によれば、接点38の中段の
曲線によって描かれている信号を発生する抵抗器ブリッ
ジに電圧パルスが加えられる。連続線によって描かれて
いる状態は、凝縮が発生していない状態に相当し、点線
で描かれている状態は、センサ表面に凝縮液の層が発生
している状態を示している。凝縮が全く発生していない
状態では、異なるサイズの抵抗器の温度がそれぞれ異な
り、かつ抵抗器の抵抗が異なっているために、差動増幅
器32の出力信号が単調に変化する。一番下の曲線に示
されるように、過渡的状況においてのみ接点36から電
圧スパイクが発生する。凝縮が発生していない状態で
は、この過渡的スパイクは、印加電圧パルスの前縁と後
縁でのみ発生する。凝縮液によって湿潤状態となるセン
サの逆の状態では、小さい方の抵抗器22の乾燥によっ
て、抵抗の値が急速に上昇し、接点38で過渡的スパイ
クが発生する。このような過渡的信号によって、さら
に、出力36で凝縮を示す追加的スパイクが発生し、こ
れによって、2つの異なる方法、つまり、相対湿度セン
サ20および21と抵抗測定によって、センサの湿潤状
態が確実に検出される。
ペルティエ素子7で補足すると、前記素子によって前記
センサユニットの湿度センサ部が校正のため露点まで冷
却できるようになり、都合がよい。この温度では、抵抗
検知によって露点を検出でき、したがって、容量性湿度
センサ20および21に対して、高い精度で相対湿度1
00%の地点を判断することが可能である。このセンサ
構造には図2の温度センサ13も含まれていることか
ら、校正された露点と温度の情報から湿度センサの感度
を判断できる。相対湿度が高い(85%を上回る相対湿
度の)場合、この校正手段は、毎日実行可能である。湿
度の値がこれよりも低い場合(相対湿度60〜85%の
範囲)、週ごとの校正で充分である。
し、溶剤の作用によって生じる感度の変化は、例えば、
測定コンデンサのポリマー誘電体の温度が周囲温度を少
なくとも100K上回る水準まで一時的に上昇するよう
に、図1の湿度センサに組み込まれた加熱素子7を制御
することによって抑えることができる。このような温度
ショックは、吸収された溶剤を誘電体材料から排出し、
かつ湿度センサの特性を回復する働きをする。
装置の基本図である。
る。
性を示すグラフである。
Claims (11)
- 【請求項1】 気体の相対濃度を直接測定し、および該
相対濃度を測定する素子(3)の温度を測定することを
特徴とする気体濃度または露点の間接測定方法におい
て、 該測定素子がその最高感度の範囲内で動作するように、
該相対濃度を測定する該素子(3)の温度を移動させる
ことを特徴とする測定方法。 - 【請求項2】 相対濃度測定素子(3)の動作をより高
感度の測定範囲に移動させるために、該測定素子(3)
の温度を低濃度において低下させることを特徴とする請
求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 ポリマー材の容量性湿度センサ(3)を
用いて相対湿度が測定され、かつ該測定素子の動作を相
対湿度60〜80%の測定範囲に移動させるため低濃度
で該センサ(3)の温度の降下が行なわれることを特徴
とする請求項1または2に記載の水の露点測定方法。 - 【請求項4】 実際の測定対象の温度を測定するため第
2温度測定センサ(14)が用いられ、かつ湿度センサ
(12)の湿潤を防止するために相対湿度測定センサ構
造(11)が加熱されることを特徴とする請求項1に記
載の方法。 - 【請求項5】 該相対湿度測定センサ構造(11)が周
囲温度を約2K上回る温度まで加熱されることを特徴と
する請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】 該相対湿度測定センサ構造(11)が一
定の電力で加熱されることを特徴とする請求項4または
5に記載の方法。 - 【請求項7】 湿度測定ユニット(11)において、さ
らに湿度測定素子(12)、 該湿度測定素子(12)の付近に配置される温度測定素
子(13)とを具備する湿度測定ユニット、および該素
子の温度と湿度信号から着氷警報信号を発信可能な計算
手段(10)とから成る着氷予測装置において、 該装置が実際の測定対象の温度を測定する該湿度測定ユ
ニット(11)とは別個の第2温度測定素子(14)を
具備し、および該湿度測定ユニット(11)が、該測定
ユニットを周囲温度を上回る温度まで加熱する加熱手段
(16)を具備することを特徴とする装置。 - 【請求項8】 装置が周囲温度を約2K上回る温度まで
該湿度測定ユニット(11)の本体を加熱する制御手段
(10)を具備することを特徴とする請求項7に記載の
装置。 - 【請求項9】 装置が該湿度測定ユニット(11)の本
体を一定の電力で加熱する制御手段(10)を具備する
ことを特徴とする請求項7または8に記載の装置。 - 【請求項10】 装置が相対湿度測定センサ(12)を
露点まで冷却する冷却手段と湿度測定センサ(20、2
1)の付近に配置されたそれぞれ異なる熱反応を示す2
つの抵抗素子(22、23)とを具備し、これによって
該抵抗素子に加えられるパルス信号が露点の検出に使用
可能であることを特徴とする請求項7に記載の装置。 - 【請求項11】 装置が、周囲温度を一時的に少なくと
も100K上回る温度まで該湿度測定センサ(12)の
ポリマー層を加熱する加熱素子を具備することを特徴と
する請求項7に記載の装置。
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