(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度により容量値が変化する湿度素子及びこの湿度素子の基準容量値との積が一定の抵抗値を持つ基準抵抗の第１の直列回路と、所定の値の比較容量及び比較抵抗の第２の直列回路と、この各直列回路のいずれかと切換接続するスイッチ手段と、このスイッチ手段が各直列回路と接続したとき所定の発振周波数出力を発生する発振回路と、この発振回路が各直列回路と接続したときの各周波数の比に基づいて湿度を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする湿度測定装置。
【請求項２】
湿度により容量値が変化する湿度素子及びこの湿度素子の基準容量値との積が一定の抵抗値を持つ基準抵抗の第１の直列回路と、所定の値の比較容量及び比較抵抗の第２の直列回路と、この第１、第２の各直列回路のいずれか又は基準抵抗及び比較容量の第３の直列回路と切換接続するスイッチ手段と、このスイッチ手段が第１、第２、第３の各直列回路と接続したとき所定の発振周波数出力を発生する発振回路と、この発振回路が第１、第２、第３の各直列回路と接続したときの第１、第２、第３の各周波数の比に基づいて湿度素子の容量値及び基準抵抗の抵抗値を求め湿度を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする湿度測定装置。
【請求項３】
あらかじめ求めた第１の周波数と第３の周波数の比と、湿度素子の容量値との近似１次式により湿度素子の容量値を補正し、あらかじめ求めた第２の周波数と第３の周波数の比と、基準抵抗の抵抗値との近似１次式により基準抵抗の抵抗値を補正し、補正された湿度素子の容量値及び補正された基準抵抗の抵抗値を用いて湿度を演算する演算手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の湿度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、容量変化による湿度素子を用いた湿度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、容量変化による湿度素子を用いた湿度測定装置は、湿度素子の容量値Ｃとこれに接続する抵抗の抵抗値ＲとでＣＲ発振回路を構成し、この出力を積分平滑してアナログ的に、又は周波数をカウントしてデジタル的に湿度測定値を得ていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような静電容量式の湿度素子は、所定の湿度での測定容量値Ｃと湿度が０％（０％Ｈ２  Ｏ）での基準容量値Ｃ０との比のバラツキは小さいが、基準容量値Ｃ０のバラツキは大きい。ある基準容量値Ｃ０で調整した測定回路を、ただ単に異なる基準容量値Ｃ０の湿度素子の測定に用いたのでは、必要な精度の測定ができない。
【０００４】
このため、所定の湿度での測定容量値Ｃの値のみで湿度を測定しようとすると、基準容量値Ｃ０が同じものを選別しなければならず、湿度素子の歩留りが悪くなる。又、素子のバラツキを回路で補正しようとすると、回路の抵抗、容量等をトリマ等で調整しなければならず、多くの機械的な調整が必要となり、信頼性の低下を招き、調整上ケースを密閉構造にできない等の不都合を生じていた。
【０００５】
この発明の目的は、以上の点に鑑み、簡易な構成で、小形、安価、調整不要の湿度測定装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、湿度により容量値が変化する湿度素子及びこの湿度素子の容量値との積が一定の抵抗値を持つ基準抵抗の第１の直列回路と、所定の値の比較容量及び比較抵抗の第２の直列回路と、この各直列回路のいずれかと切換接続するスイッチ手段と、このスイッチ手段が各直列回路と接続したとき所定の発振周波数出力を発生する発振回路と、この発振回路が各直列回路と接続したときの各周波数の比に基いて湿度を演算する演算手段とを備えるようにした湿度測定装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施例を示す構成説明図である。図において、１１は、湿度により容量値Ｃ１が変化するコンデンサとしての湿度素子で、この湿度素子１１と直列に接続する基準抵抗２１抵抗値Ｒ１は、湿度素子１１が例えば湿度０％（０％Ｈ２  Ｏ）の基準状態のときの静電容量値（基準容量）Ｃ０との積Ｃ０・Ｒ１（Ｒ１は湿度に依存しない）が一定となるように選択、調整され、これらで第１の直列回路Ｍ１を構成している。又、この直列回路Ｍ１と並列に、所定の容量値Ｃ２を持つ比較容量（コンデンサ）１２及び所定の抵抗値Ｒ２を持つ比較抵抗２２を有する第２の直列回路Ｍ２が設けられている。又、この各直列回路Ｍ１，Ｍ２の両側にスイッチ手段Ｓ１，Ｓ２が設けられ、例えば、一方側がスイッチ手段Ｓ１を介し演算増幅器やインバータ等の発振回路３に接続し、他方側はスイッチ手段Ｓ２を介し、直接アース、又は、抵抗２３，２４で電圧Ｖを分圧した中点に接続している。
【０００８】
そして、このスイッチ手段Ｓ１，Ｓ２が各直列回路Ｍ１，Ｍ２のいずれかを選択して切換接続したとき各コンデンサと抵抗の値による所定の発振周波数ｆ１，ｆ２の出力を発振回路３は発生し、この発振回路３が各直列回路Ｍ１、Ｍ２と接続したときの各周波数ｆ１，ｆ２の出力をμＣＰＵのような演算手段４は入力し、各周波数ｆ１，ｆ２の比に基いて湿度ＲＨを演算する。
【０００９】
つまり、動作を説明すると、スイッチ手段Ｓ１，Ｓ２が共に上側の測定用の直列回路Ｍ１を切換接続したとき、Ｋを定数とし、発振回路３から得られる周波数ｆ１は次式となる。
【００１０】
ｆ１＝１／（Ｋ・Ｃ１・Ｒ１）                                  （１）
次に、スイッチ手段Ｓ１，Ｓ２が共に下側の比較用の直列回路Ｍ２を切換選択したときに発振回路３から得られる周波数ｆ２は次式となる。
【００１１】
ｆ２＝１／（Ｋ・Ｃ２・Ｒ２）                                  （２）
（１），（２）式の比をとると次式となる。
【００１２】
ｆ１／ｆ２＝（Ｃ２・Ｒ２）／（Ｃ１・Ｒ１）                    （３）
これより、
Ｃ１＝［（Ｃ２・Ｒ２）／Ｒ１］・（ｆ２／ｆ１）                （４）
となり、湿度ＲＨはＣ１／Ｃ０の関数なので、Ｃ１とＣ０の比をとり次式を得る。
【００１３】
Ｃ１／Ｃ０＝[（Ｃ２・Ｒ２）／（Ｃ０・Ｒ１）]・（ｆ２／ｆ１）  （５）
ここで、あらかじめ湿度素子１１の湿度０％Ｈ２Ｏの容量値Ｃ０に対応して基準抵抗２１の抵抗値をＲ１を選択して、両者をユニット化等して構成しているので、積Ｃ０・Ｒ１の値は一定で既知であり、又、比較容量Ｃ２、比較抵抗Ｒ２も既知であるから、周波数ｆ１とｆ２を上記のように測定で求め、（５）式の演算を行うことにより、Ｃ１／Ｃ０が求まり、湿度ＲＨが得られる。これらのスイッチ手段の切換、測定、演算は演算手段４で実行される。
【００１４】
なお、湿度素子１１の分極を防止するため、湿度素子１１の片側はスイッチ手段Ｓ２を介し、抵抗２３，２４で電圧Ｖを分圧した中点に接続し、この電圧を中心として発振させ、湿度素子１１等のコンデンサの分極を防止している。又、比較容量１２、比較抵抗２２には精度のよいものを用いると良い。
【００１５】
ところで、回路部品や配線等の浮遊容量誤差分（ΔＣ１，ΔＣ２）や、スイッチ手段Ｓ１、Ｓ２のオン抵抗等の抵抗誤差分（ΔＲ１，ΔＲ２）等が存在すると、（５）式は次式となる。
0003590173.tif 000002
つまり、誤差分の未知数が４個で、この式からは誤差分を見積もり、正しい測定をすることは困難である。このため、次のようにする。
【００１６】
スイッチ手段Ｓ１，Ｓ２を切換選択して、上記第１、第２の各直列回路Ｍ１，Ｍ２のいずれかについての周波数ｆ１，ｆ２を測定する他に、スイッチ手段Ｓ１は上側を選択し、スイッチ手段Ｓ２は下側を選択し、基準抵抗２１、比較容量１２の第３の直列回路Ｍ３を切換接続したときに発振回路３から得られる周波数ｆ３は次式となる。
【００１７】
ｆ３＝１／（Ｋ・Ｃ２・Ｒ１）                                  （７）
そして、（１），（２），（７）式の周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３について、演算手段４で、次のような比をとる。
【００１８】
まず、（１），（７）式の周波数ｆ１，ｆ３につき次式のような比をとる。
【００１９】
ｆ１／ｆ３＝（Ｃ２・Ｒ１）／（Ｃ１・Ｒ１）                    （８）
これより次式が得られる。
【００２０】
Ｃ１＝Ｃ２・（ｆ３／ｆ１）                                    （９）
次に、（２），（７）式の周波数ｆ２，ｆ３につき次式のような比をとる。
【００２１】
ｆ２／ｆ３＝（Ｃ２・Ｒ１）／（Ｃ２・Ｒ２）                  （１０）
これより次式が得られる。
【００２２】
Ｒ１＝Ｒ２・（ｆ２／ｆ３）                                  （１１）
（９），（１１）において、Ｃ２，Ｒ２は既知であり、周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３は測定で求まるので、Ｃ１，Ｒ１は求めることができる。湿度ＲＨはＣ１／Ｃ０の関数なので、Ｃ１とＣ０の比をとりＲ１を用いて次式を得る。
【００２３】
Ｃ１／Ｃ０＝（Ｃ１・Ｒ１）／（Ｃ０・Ｒ１）              （１２）
ここで、あらかじめ湿度素子１１の例えば湿度０％Ｈ２Ｏの基準状態２１の抵抗値Ｒ１を選択して、両者をユニット化等して構成しているので、積Ｃ０・Ｒ１の値は一定で既知であり、又、（９）、（１１）式からＣ１，Ｒ１は求まるので、（１２）式からＣ１／Ｃ０が求まり、湿度ＲＨが得られる。これらの測定、演算は演算手段４で実行される。
【００２４】
なお、湿度素子１１の分極を防止するため、湿度素子１１の片側はスイッチ手段Ｓ２を介し、抵抗２３，２４で電圧Ｖを分圧した中点に接続し、この電圧を中心として発振させ、湿度素子１１等のコンデンサの分極を防止し、又、比較容量１２、比較抵抗２２には精度のよいものを用いると良いことも、同様である。
【００２５】
ところで、回路部品や配線等の浮遊容量誤差分（ΔＣ１，ΔＣ２）や、スイッチ手段Ｓ１、Ｓ２のオン抵抗等の抵抗誤差分（ΔＲ１，ΔＲ２）を含めると、（９）、（１１）式は次式となる。
【００２６】
Ｃ１＝（Ｃ２＋ΔＣ２）・（ｆ３／ｆ１）−ΔＣ１              （１３）
Ｒ１＝（Ｒ２＋ΔＲ２）・（ｆ２／ｆ３）−ΔＲ１              （１４）
（１３）式において、Ｃ１＝ｙ，（ｆ３／ｆ１）＝ｘ，Ｃ２＋ΔＣ２＝ａ１，ΔＣ１＝ｂ１とすると、
ｙ＝ａ１・ｘ−ｂ１                                          （１５）
となる。あらかじめ、既知の容量値の複数個のコンデンサを本回路で測定し、図２で示すように、ｘとｙとの関係をプロットし、１次式で近似する。これより、ａ１，ｂ１が求まり、ΔＣ１、ΔＣ２が次式で求まる。
【００２７】
ΔＣ１＝ｂ１                                                （１６）
ΔＣ２＝ａ１−Ｃ２                                          （１７）
したがって、（１３）式において、浮遊容量を補正した湿度素子の容量値Ｃ１を求めることができる。
【００２８】
又、（１４）式において、Ｒ１＝ｙ，（ｆ２／ｆ３）＝ｘ，Ｒ２＋ΔＲ２＝ａ２，ΔＲ１＝ｂ２とすると、
ｙ＝ａ２・ｘ−ｂ２                                          （１８）
となる。あらかじめ、既知の抵抗値の複数個の抵抗を本回路で測定し、同様にして、ｘとｙとの関係をプロットし、１次式で近似する。これより、ａ２，ｂ２が求まり、ΔＲ１、ΔＲ２が次式で求まる。
【００２９】
ΔＲ１＝ｂ２                                            （１９）
ΔＲ２＝ａ２−Ｒ２                                      （２０）
したがって、（１４）式において、抵抗誤差分を補正した基準抵抗の抵抗値Ｒ１を求めることができる。
【００３０】
以上のことから、（１３）、（１４）式により、Ｃ１、Ｒ１の誤差分は補正により正しく求まり、（１２）式によりＣ１／Ｃ０が正しく得られ、湿度ＲＨが得られる。なお、ΔＣ１、ΔＣ２、ΔＲ１、ΔＲ２は、演算手段４の図示しないメモリのＲＯＭテーブル等に書き込み利用すればよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明は湿度により容量値が変化する湿度素子及びこの湿度素子の基準容量値との積が一定の抵抗値を持つ基準抵抗の第１の直列回路と、所定の値の比較容量及び比較抵抗の第２の直列回路と、この各直列回路のいずれかを選択して切換接続するスイッチ手段と、このスイッチ手段が各直列回路を選択したとき所定の発振周波数出力を発生する発振回路と、この発振回路が各直列回路と接続したときの各周波数の比に基づいて湿度を演算する演算手段とを備えるようにした湿度測定装置である。このように、湿度により容量値が変化する湿度素子及びこの湿度素子の基準容量値との積が一定の抵抗値を持つ基準抵抗の直列回路と、所定値容量と所定値抵抗の直列回路を切換えて周波数を測定しているので、調整レスで、必要な精度の湿度の測定ができる。又、更に基準抵抗及び比較抵抗の第３の直列回路を選択して周波数を測定して、湿度素子の容量値、基準抵抗抵抗値を求め、湿度を演算するようにしても良く、そして、湿度素子の容量値の誤差分、及び基準抵抗値の誤差分をあらかじめ求め補正して湿度を演算することにより、回路部品や配線等の浮遊容量誤差分や、スイッチ手段のオン抵抗等の抵抗誤差分の影響は除去でき、いっそう調整が不要の高精度の互換型の湿度測定ができる。このように簡易な構成で、小形、安価、調整不要の湿度測定が可能になり、多くの機械的な調整は必要無く、信頼性が向上し、調整不要なので、必要に応じ容易にケースを密閉構造にでき、様々な用途に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】この発明の一実施例を示す動作説明図である。
【符号の説明】
１１  湿度素子
２１  基準抵抗
１２  比較容量
２２  比較抵抗
Ｓ１，Ｓ２  スイッチ手段
３  発振回路
４  演算手段
【図１】
0003590173.tif 000003
【図２】
0003590173.tif 000004