(57)【要約】【課題】秒単位以下の高時間分解能測定が可能で、絶対湿度の値を直接に、また測定した温度を用いて間接的に相対湿度に換算、導出することのできる、簡便小型、低価格、メンテナンスフリーな湿度計測方法および装置を提供する。【解決手段】校正された、物性値に依存する圧力測定子１で系の圧力を測定することによって絶対湿度７を導出１１する絶対湿度計測方法。また、この絶対湿度計測方法を用いて計測した絶対湿度と、同時に測定した温度から相対湿度を導出する相対湿度計測方法。また、絶対湿度の導出に用いられる系の圧力を測定する、校正された、物性値に依存する圧力測定子を備えた絶対湿度計測装置。また、この絶対湿度計測装置と、絶対計測装置が系の圧力を測定するのと同時に温度を測定する温度測定子とを備えた相対湿度計測装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
校正された、物性値に依存する圧力測定子で系の圧力を測定することによって絶対湿度を導出する絶対湿度計測方法。
【請求項２】
前記物性値が粘度であり、前記物性値に依存する圧力測定子として、水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージを用いた請求項１記載の絶対湿度計測方法。
【請求項３】
前記校正が別途温度および相対湿度から算出した絶対湿度を用いて行なわれる絶対湿度校正であることを特徴とする請求項１記載の絶対湿度計測方法。
【請求項４】
前記校正が絶対圧力を測定することにより行なわれる湿度校正であることを特徴とする請求項１記載の絶対湿度計測方法。
【請求項５】
前記絶対圧力を測定することに隔膜圧力計を用いることを特徴とする請求項４記載の絶対湿度計測方法。
【請求項６】
請求項１記載の絶対湿度計測方法を用いて計測した絶対湿度と、同時に測定した温度から相対湿度を導出する相対湿度計測方法。
【請求項７】
前記物性値が粘度であり、前記物性値に依存する圧力測定子として、水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージを用いた請求項６記載の相対湿度計測方法。
【請求項８】
絶対湿度の導出に用いられる系の圧力を測定する、校正された、物性値に依存する圧力測定子を備えた絶対湿度計測装置。
【請求項９】
前記物性値が粘度であり、前記物性値に依存する圧力測定子として、水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージを備えた請求項８記載の絶対湿度計測装置。
【請求項１０】
絶対湿度校正に用いられる絶対湿度を算出するための温度および相対湿度を測定する温度測定子をさらに備えたことを特徴とする請求項８記載の絶対湿度測定装置。
【請求項１１】
湿度校正に用いられる絶対圧力を測定する絶対圧力測定子を備えたことを特徴とする請求項８記載の絶対湿度測定装置。
【請求項１２】
前記絶対圧力測定子が隔膜圧力計であることを特徴とする請求項１１記載の絶対湿度測定装置。
【請求項１３】
請求項８記載の絶対湿度計測装置と、前記絶対計測装置が系の圧力を測定するのと同時に温度を測定する温度測定子とを備えたことを特徴とする相対湿度計測装置。
【請求項１４】
前記物性値が粘度であり、前記物性値に依存する圧力測定子として、水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージを備えた請求項１３記載の相対湿度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は湿度計測に関してあらゆる条件において気体の絶対湿度及び相対湿度の計測を行うための方法及び装置である。
【背景技術】
【０００２】
従来、絶対湿度計測の方法としては、吸湿材に水分を吸収凍結して質量測定するひょう量式、光学測定などにより露点を計測することで水分量を測定する露点計測式、水分吸着による電気容量、電気抵抗、熱伝導の変化を測定する容量式、抵抗式、熱伝導式といった方法がある。また相対湿度の測定装置としては乾湿計がある。
【０００３】
一方、気体の粘性測定方法としては、粘性のみを測定する方法は存在せず、気体の粘性が圧力に与える変化を測定する方法があるのみである。一般に、流体の粘性測定においては、最も代表的な粘性計であるオストワルド粘度計を初めとして、圧力差を測定することにより粘性が求められている。また、一定方向の流れのない気体では、気体の表面への衝突によって発生する摩擦力を測定することにより粘性が求められるが、実際にはこのような微小な摩擦力を取り出すためには圧力計を用いるのが最も容易である。
【非特許文献１】日本機械学会編、「湿度・水分測定と環境のモニタ」技報堂出版、１９９２年
【非特許文献２】湿度計測・センサ研究会編、「湿度計測・センサのマニュアル」学献社、１９８９年
【非特許文献３】A Guide to the Measurement of Humidity, (The Institute of Measurementand Control, UK, 1996)、（邦訳：小林壽太郎監訳、「湿度測定の指針」テクネ洋行、１９９８年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の湿度計測方法のうち、ひょう量式や露点計測式では測定完了までにそれぞれサンプリングや冷却といった過程が必要であるため全体としての測定時間が非常に長く、状態が秒単位で変化するような場合、そのような環境変化に追随した計測を行うことができない。また光学式露点計測では配管での圧力損失や装置が大型であることも問題である。容量式、抵抗式、熱伝導式などの水分吸着を利用する方法においてはやはり水分の吸脱着の時間オーダーが長いため、秒単位の変化には追随できず、さらに水分吸脱着の際に同時発生する他の不純物による影響を受ける他、吸脱着の繰り返しによる履歴の影響でバックグラウンドが経年変化するため誤差が大きくなるという欠点を有する。また乾湿計では適時水補充のメンテナンスが必要である。
【０００５】
本発明は、これら従来の問題点を解決し、秒単位以下の高時間分解能測定が可能で、絶対湿度の値を直接に、また測定した温度を用いて間接的に相対湿度に換算、導出することのできる、簡便小型、低価格、メンテナンスフリーな湿度計測方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、鋭意検討した結果、以上の課題は以下の手段により解決し得ることを見出した。
湿度校正された、物性値に依存する圧力計で系の圧力を測定しその圧力指示値を別途作成した検量線に照らし合わせることによって絶対湿度を導出する方法および装置。
測定対象領域を湿度校正された水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージで系の圧力を測定しその圧力指示値を別途作成した検量線に照らし合わせることによって絶対湿度を導出する方法および装置。
検量線を作成する方法として同時測定した絶対圧力との比較により作成する方法及び装置。
水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージの測定と同時に絶対圧力を測定し、予め作成した検量線を用いて絶対湿度を導出する方法および装置。
以上で求められる絶対湿度と同時に測定した温度から相対湿度を求める方法および装置。
本発明は、この知見により為されたものである。
【０００７】
すなわち本発明は、
（１）校正された、物性値に依存する圧力測定子で系の圧力を測定することによって絶対湿度を導出する絶対湿度計測方法、
（２）前記物性値が粘度であり、前記物性値に依存する圧力測定子として、水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージを用いた（１）項記載の絶対湿度計測方法、
（３）前記校正が別途温度および相対湿度から算出した絶対湿度を用いて行なわれる絶対湿度校正であることを特徴とする（１）項記載の絶対湿度計測方法、
（４）前記校正が絶対圧力を測定することにより行なわれる湿度校正であることを特徴とする（１）項記載の絶対湿度計測方法。
（５）前記絶対圧力を測定することに隔膜圧力計を用いることを特徴とする（４）項記載の絶対湿度計測方法、
（６）（１）記載の絶対湿度計測方法を用いて計測した絶対湿度と、同時に測定した温度から相対湿度を導出する相対湿度計測方法、
（７）前記物性値が粘度であり、前記物性値に依存する圧力測定子として、水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージを用いた（６）項記載の相対湿度計測方法、
（８）絶対湿度の導出に用いられる系の圧力を測定する、校正された、物性値に依存する圧力測定子を備えた絶対湿度計測装置、
（９）前記物性値が粘度であり、前記物性値に依存する圧力測定子として、水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージを備えた（８）項記載の絶対湿度計測装置、
（１０）別途絶対湿度校正に用いられる絶対湿度を算出するための温度および相対湿度を測定する温度測定子を備えたことを特徴とする（８）項記載の絶対湿度測定装置、
（１１）湿度校正に用いられる絶対圧力を測定する絶対圧力測定子を備えたことを特徴とする（８）項記載の絶対湿度測定装置、
（１２）前記絶対圧力測定子が隔膜圧力計であることを特徴とする（１１）項記載の絶対湿度測定装置、および
（１３）（８）項記載の絶対湿度計測装置と、前記絶対計測装置が系の圧力を測定するのと同時に温度を測定する温度測定子とを備えたことを特徴とする相対湿度計測装置、及び
（１４）前記物性値が粘度であり、前記物性値に依存する圧力測定子として、水晶振動式圧力計またはスピニングロータゲージを備えた（１３）項記載の相対湿度計測装置
を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では湿度測定に際して実際に測定するのは圧力のみであるため、いかなる測定環境における雰囲気気体でもその場実時間湿度計測が可能であり、また秒以下の時間単位での高速測定が可能である。
また、圧力計の指示値の経年変化は小さいため、長時間にわたって安定に測定することができる。
さらに圧力測定子による測定から求められる値はそのまま絶対湿度を示すものであるからその導出、表示が簡便であり、そのためこの値を用いて任意温度で直接的に雰囲気ガスの絶対湿度制御を行うことも容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、校正された、物性値に依存する圧力測定子で系の圧力を測定することによって絶対湿度を導出する絶対湿度および／または相対湿度を計測する方法および装置である。具体的には、例えば、粘性・熱伝導率・密度・分子量およびそれらの関数としての系の物性値を測定し、別途校正することによって絶対湿度および／または相対湿度を求める手法及び装置である。物性値として好ましくは粘度である。また、本発明において「系」とは水を含む雰囲気気体を意味する。対象となる気体は限定されるものではないが、例えば、空気、窒素、アルゴン、酸素などが挙げられる。また、「校正」とは、例えば、湿度校正であり、好ましくは絶対湿度校正である。この校正は予め行なわれていたものであっても、圧力測定後行なわれるものであってもよいが、計測の迅速性から予め行なわれてることが好ましい。
【００１０】
本発明において、更に好ましくは、物性値に依存する圧力測定子として、粘度等の物性値に敏感な、絶対湿度で校正された測定子を用いて系の圧力を測定し、その圧力指示値を換算することによって絶対湿度を導出する方法である。本発明において「物性値に敏感な」とは物質の物性値に依存して圧力計指示値が変化することを意味する。
上記の絶対湿度校正の方法としては、例えば、さまざまな絶対湿度の状態を作り、既存の温湿計によって温度、相対湿度を測定して、検量線を作成し、該検量線により換算することにより絶対湿度を求め、その時の物性に敏感な圧力計の指示値の絶対湿度の値付けを行うものである。
また、好ましくは物性に敏感な圧力測定子と共に、物性値に依存しない圧力測定子を用いて絶対圧力を同時測定し、圧力の影響を除くことで系の、例えば粘度などの物性値に相関する値を求めることによって絶対湿度の校正を行うものである。
以上の絶対湿度校正は一度行えば以後は行う必要はなく、物性に敏感な圧力測定子による測定のみで直接絶対湿度を安定に、秒以下の環境変化に対応してリアルタイムに導出できる。
【００１１】
また、系の圧力変化が大きい場合には、隔膜圧力計などの絶対圧力測定子で絶対圧力を測定することにより圧力の効果を除き、物性値に依存する量をより正確に測定し、絶対湿度を求めることが可能である。例えば、気体の粘性のみを測定する方法は現存せず、一定方向の流れのない気体の粘性測定においては、圧力計を用いることが最も容易な方法であるが、この方法によれば、圧力の効果を除き、粘性に依存する量をより正確に測定し、絶対湿度を求めることができる。
また上記の絶対湿度で校正された物性に敏感な圧力測定子を用いて、同時に温度を測定すれば、相対湿度を同様に安定に、秒以下の環境変化に応じてリアルタイムに導出することができる。
【００１２】
上記物性に敏感な圧力測定子としては、例えば粘性（摩擦）を利用する公知の水晶振動式圧力計（水晶摩擦真空計）やスピニングロータゲージ、熱伝導を利用する熱電対真空計やピラニー真空計、そのほかクヌーセン真空計等を適宜選択して用いることができ、また、電離現象を利用する例えば公知の熱陰極電離真空計、冷陰極電離真空計、放射線電離真空計等も使用することができる。これら測定子は、引火性・爆発性といった気体の性質・対象混合気体の濃度・圧力によって使い分けることができる。
【００１３】
また湿度校正の際に用いられる、物性値に依存しない圧力測定子の例としては、例えば公知の液柱差真空計、圧縮真空計、隔膜真空計、ブルドン管真空計等の圧力のみに敏感なものや、圧力に依存して変わると共に、運動固体が気体から受ける摩擦力変化・固体から気体への熱伝導率変化・固体表面近傍で気体が反応したときの固体が受ける分解生成熱といった物理量のうち、いずれかの物理量が変化する圧力計があげられる。
絶対湿度校正及び相対湿度導出に用いる温度測定子としては任意の温度計が使用可能である。
【００１４】
以下に本発明の好ましい実施態様を図面を参照して説明する。
なお図面中、同符号は同じものを示す。
【００１５】
図１に本発明の絶対湿度計測装置の要部を模式的に説明する説明図を示す。この装置は、図１に示されるように、物性値に依存する圧力測定子（以下、図中を含め「圧力・物性値測定子」と表記する）１を備えたものである。図１の装置を用いた本発明の方法では、気体の粘度等の物性により表示圧力が変化し、且つ予めその特性が知られている圧力・物性値測定子１によって測定を行い、予め湿度校正し作成した検量線（後述）による換算１１を行い、矢印に示されるように絶対湿度７を導出する。
【００１６】
図２は、図１における圧力・物性値測定子１として水晶振動式圧力計２を用いた実施態様を模式的に説明する説明図である。図２の装置においても、水晶振動式圧力計２によって測定を行い、矢印に示されるように予め作成した検量線による換算１１を行い、絶対湿度７を導出する。この場合、測定対象圧力の範囲に応じて水晶振動式圧力計２に代えて適宜スピニングロータゲージ等を使用することができる。
【００１７】
この水晶振動式圧力計２の特性を図３に示す。これは例えば表１に示すように気体の種類によってその分子量と粘性係数が違うことから、Ａｒ、Ｈｅ、Ｈ２では水晶振動式圧力計の指示値が見かけ上異なる圧力を表示していることを示すものである。この理由は、水晶振動式圧力計が、気体に接した水晶振動子の受ける気体との摩擦力が、圧力が粘性流の領域では気体の分子量と気体の粘性係数の積の１／２乗に比例することから生じるものである。この水晶振動式圧力計は、常温で動作し、被測定気体を反応させることがないため測定によって被反応気体を消費せず、可燃性ガスを安全に検出、測定することが可能である。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
図４は図２の装置を用いて、絶対湿度を変化させたときの水晶振動式圧力計２の圧力指示値を示したものである。この図４に示されるように、水晶振動式圧力計２の圧力指示値（ｋＰａ）Ｙは絶対湿度（乾き空気１ｋｇ当たりの質量割合［ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）］）Ｘに対して直線関係（Ｒ＝０．９９６１６）にあるため、この図４を検量線（Ｙ＝−７８Ｘ＋１０２）とすれば図２中の矢印に示すように、水晶振動式圧力計で測定することによりその圧力指示値を絶対湿度に変換することで絶対湿度を導出することができる。
【００２０】
測定対象の絶対圧力の変化が大きい場合においては、別途隔膜真空計のような絶対圧力測定子で絶対圧力を測定することによって圧力の効果を相殺し、求める物性値の精度を上げることが可能である。このような測定を行なう装置を模式的に説明する説明図を図５に示す。図５の装置は絶対圧力測定子３および圧力・物性値測定子１を備え、絶対圧力測定子３および圧力・物性値測定子１のそれぞれで圧力の測定を行い、矢印に示されるように両者の比の検量線による換算１２を行い、絶対湿度７を導出する。
【００２１】
図６は、図５の装置において、絶対圧力測定子３としては隔膜真空計４を、また圧力・物性値測定子１としては水晶振動式圧力計２を用いたものである。図６の装置においては、隔膜真空計４および水晶振動式圧力計２のそれぞれで圧力の測定を行い、矢印に示されるように両者の比の検量線による換算１２を行い、絶対湿度７を導出する。
【００２２】
図７は図６の装置を用いて絶対湿度を変化させたときの水晶振動式圧力計２の圧力指示値と隔膜圧力計４の指示値との比を示したものである。この図７に示されるように、水晶振動式圧力計２と隔膜圧力計４の指示値との比の値Ｘは絶対湿度（乾き空気１ｋｇあたりの質量割合［ｋｇ／ｋｇ（ＤＡ）］）Ｙに対して直線関係（Ｒ＝０．９９８５）にあるため、この図７を検量線（Ｙ＝−０．７８Ｘ＋１．０３）として、隔膜圧力計４と水晶振動式圧力計２で測定し、水晶振動式圧力計指示値と隔膜圧力計指示値との比の値を検量線により換算１２することにより絶対湿度７を導出することができる。
【００２３】
図８は、本発明の別の実施態様を示し、前記図６に示す実施態様の装置に、更にスピニングロータゲージ５を接続し、３種類の真空計で構成された絶対湿度計測装置の機器構成例を示す。隔膜圧力計４は前記のように気体の種別に無関係に絶対圧力を計測し、水晶振動式圧力計２は気体の粘性・分子量の物性と圧力の双方に敏感であって使用圧力範囲は１０−２pa から１０−５pa であり、スピニングロータゲージ５は水晶振動式圧力計２と同様に気体の粘性・分子量の物性と圧力の双方に敏感であって、使用圧力範囲は１０−５Pa から１Pa である。先に示したように水晶振動式圧力計２とスピニングロータゲージ５の指示値の隔膜圧力計の指示値に対する比の値を検量線で換算１２することにより絶対湿度７を求めることができる。
【００２４】
図９には前記スピニングロータゲージ５の一例の特性を示しており、この測定子は水晶振動式圧力計２よりも真空度の高い領域を計測できる。ここでは、空気、水（Ｈ２Ｏ）、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｈ２、フレオン（商品名）、ＣＯ２の指示圧力と真の圧力の関係を示している。同図に見られるように大気圧以上の圧力領域ではスピニングローター５での指示値において空気と水の間には有意差があるため絶対湿度への換算が可能である。
したがって、図８においては、真空度の高い領域ではスピニングロータゲージ５の指示値を用い、低い領域では水晶振動式圧力計２の指示値から、両者の値の有効な範囲では両者の値を用い、圧力の影響を演算処理して取り除くことで、気体雰囲気の絶対湿度を求めることができる。
【００２５】
図１０は圧力・物性値測定子１と温度測定子６を用いて測定を行い、両者で求めた値から換算１３を行い相対湿度８を導出する測定方法を行なう装置の模式的な説明図である。
【００２６】
図１１の態様においては、図１０中の圧力・物性値測定子１としては真空度の高い領域ではスピニングロータゲージ５の指示値を用い、低い領域では水晶振動式圧力計２を用い、同時に温度測定子６を用いて温度測定することにより両者の値から換算１３することにより気体雰囲気の絶対湿度８を求めることができる。
【００２７】
図１２は、図１０における装置のさらに別の機器構成例を示す図であるが、この図に示すように絶対圧力を測定する隔膜圧力計４を水晶振動式圧力計２、スピニングロータゲージ５、温度測定子６に連接し、スピニングロータゲージ５と温度測定子６、並びに隔膜圧力計４と温度測定子６のそれぞれにおいて両者の値から換算１３を行なうことにより絶対圧力の変動が大きい場合でも精度の良い相対湿度８の計測が可能である。
【００２８】
以上のすべての実施態様に共通の、湿度測定の時間応答特性について、その一例を図１３に示す。実線で示す絶対湿度変化に対して丸印で表わされる水晶振動式圧力計の指示値が飽和指示値の９０％に達するまでの時間は図１３（ａ）に示す立ち上がり時で約600 ms、図１３（ｂ）に示す立下り時で約900 msであることから、本発明による湿度計測方法、装置で秒以下の単位での高時間分解能湿度計測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の装置の要部を模式的に説明する説明図である。
【図２】本発明の装置の一実施態様を模式的に説明する説明図である。
【図３】図２に示す装置で用いる水晶振動式圧力計の一例の特性を示すグラフである。
【図４】図２に示す装置で用いる水晶振動式圧力計の一例の圧力指示値と絶対湿度の関係を表す図（検量線）である。
【図５】本発明の別の実施態様の装置を模式的に説明する説明図である。
【図６】図５における装置の測定機器構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の図６に示す例で用いる、水晶振動式圧力計の圧力指示値の隔膜圧力計の圧力指示値に対する比と絶対湿度の関係の一例を表す図（検量線）である。
【図８】本発明のさらに別の実施態様の測定機器構成の一例を示す模式図である。
【図９】本発明の図８に示す例で用いるスピニングロータゲージの一例の特性図である。
【図１０】本発明のさらに別の実施態様の装置を模式的に説明する説明図である。
【図１１】図１０における装置の測定機器構成の一例を示す模式図である。
【図１２】図１０における装置の測定機器構成の別の例を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施態様において絶対湿度変化に対する応答時間の一例を表わす図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    圧力・物性値測定子
２    水晶振動式圧力計
３    絶対圧力測定子
４    隔膜真空計
５    スピニングロータゲージ
６    温度測定子
７    絶対湿度
８    相対湿度
１１  検量線による換算（導出）
１２  両者の比の検量線による換算
１３  両者の値からの換算
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006170875.tif 000013
【図１１】
2006170875.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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