(57)【要約】【課題】比較的簡単な回路構成で湿度を求めることができるとともに、直接アナログ信号として出力できる湿度検出器を提供すること。【解決手段】  ０〜１００％の間で変化する空気中の相対湿度を湿度センサの検出信号に基づき４〜２０ｍＡの電流信号に変換するように構成された演算増幅器を含む電流変換手段と、前記湿度が１００％を超えないように前記電流変換手段の出力電流を制限する電流制限手段が設けられた湿度検出器において、  前記電流制限手段は、前記演算増幅器の負側電源と正側電源間にツェナーダイオードを接続し、前記演算増幅器の動作下限値を前記出力電流の制限値とすることを特徴とするもの。【選択図】図２
2013186120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０〜１００％の間で変化する空気中の相対湿度を湿度センサの検出信号に基づき４〜２０ｍＡの電流信号に変換するように構成された演算増幅器を含む電流変換手段と、前記湿度が１００％を超えないように前記電流変換手段の出力電流を制限する電流制限手段が設けられた湿度検出器において、
前記電流制限手段は、前記演算増幅器の負側電源と正側電源間にツェナーダイオードを接続し、前記演算増幅器の動作下限値を前記出力電流の制限値とすることを特徴とする湿度検出器。
【請求項２】
前記湿度検出器は２線式伝送路を介して外部との間で電源および信号の授受を行うことを特徴とする請求項１記載の湿度検出器。
【請求項３】
前記ツェナーダイオードとしてツェナー電圧がほぼ８Ｖのものを用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の湿度検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、湿度検出器に関し、詳しくは、微少電力で駆動できる湿度検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  たとえばプロセス制御系の工業用計器として用いられる湿度検出器は、湿度センサに演算増幅器などを組み合わせたものであって、プロセス制御系の測定現場に設置され、４〜２０ｍＡのアナログ信号に変換して信号ラインと電源供給ラインを共用する２線式伝送路を介して計器室に伝送出力されるのが一般的である。たとえば空気中の相対湿度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｈｕｍｉｄｉｔｙ）に着目すると、湿度を１００％として０〜１００％の間を変化し、これが４〜２０ｍＡのアナログ信号に変換されることになる。【０００３】  相対湿度は、その原理の面から１００％を超えることはないはずであるが、電気回路でアナログ変換するのにあたり、回路の状態によっては１００％を超えて出力されることがある。１００％を超える出力は、これをユーザーが不満とするばかりではなく、制御系を構成するコントローラが１００％Ｍａｘと設定されている場合、制御系に異常をきたす恐れもある。【０００４】  すなわち、電気回路と湿度センサが一体に組み込まれた湿度検出器の内部では、回路の温度上昇が致命的になりやすい。相対湿度の原理からみると、たとえば２０℃／５０％において周囲温度が０．３℃上昇すると、湿度は乾燥方向へ０．９％移動して４９．１％となる。【０００５】  このように湿度検出器の内部に湿度センサが設けられていることから、わずかの温度上昇も許されない。たとえば固定抵抗でさえ微少電力でも影響を与えることがあり、極力電力を抑えて計器全体の消費電力をたとえば５０ｍＷ以下の微少電力に抑える必要がある。【０００６】  そこで、コントローラに入力されるアナログ信号が１００％を超えないように、アナログ変換回路にリミッタ回路を付加することが行われている。【０００７】
【特許文献１】  特開昭５９−４９６９８号公報
【０００８】  特許文献１には、湿度センサの出力をディジタル信号に変換して中央装置に送信する空調制御システムの構成が示されている。【００１３】  図５は従来のリミッタ回路の説明図であり、（Ａ）は一例を示す回路図、（Ｂ）はその特性例図である。図５（Ａ）において、演算増幅器ＯＰの非反転入力端子には抵抗Ｒ１を介して入力電圧Ｅｉの＋側が接続され、反転入力端子には入力電圧Ｅｉの−側が接続されるとともに、共通電位点が接続されている。非反転入力端子と出力端子間には、抵抗Ｒ２とツェナーダイオードＺＤが並列に接続されている。なお、ツェナーダイオードＺＤのアノードは出力端子側に接続され、カソード側は非反転入力端子側に接続されている。【００１４】  このように構成されるリミッタ回路は、（Ｂ）に示すように、ツェナー電圧Ｅｚにより設定される基準電圧までを動作領域とし、ツェナー電圧Ｅｚを超える入力電圧Ｅｉに対しては出力電圧Ｅｏｕｔを制限するように動作する。ここで、ツェナーダイオードＺＤとしては、ツェナー電圧Ｅｚが７〜９Ｖで温度特性が安定しているものが用いられる。【００１５】  図５のリミッタ回路における各部に必要な電圧配分は、以下のようになり、全体では２３Ｖになる。
１）演算増幅器ＯＰの負側駆動電源−Ｖｃｃ
ツェナー電圧Ｅｚよりも２〜３Ｖ大きくする必要がある→−１１Ｖ
２）演算増幅器ＯＰの正側駆動電源＋Ｖｃｃ
湿度センサの駆動電圧として安定なＤＣ５Ｖが必要である→＋５．５Ｖ
３）その他トランジスタや定電流素子などの電圧降下分→＋５Ｖ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】  一般に、工業用計器は、駆動電源として前述の２線式伝送路を介して計器室から供給されるＤＣ２４Ｖが使用され、負荷電圧として１０Ｖ出力が取り出される。なお、余裕を見て１１Ｖと設定されることが多い。【００１７】  この結果、計器内部における電圧降下は２４Ｖ−１１Ｖ＝１３Ｖとなり、前述のリミッタ回路も１３Ｖ以内で動作する回路設計が要求されることになるが、２線式伝送路の各部の電圧降下もあり、図５のリミッタ回路をそのまま使うことは難しい。【００１８】  演算増幅器ＯＰを用いたリミッタ回路では、負側の出力については供給電圧まで出力するという特徴を利用し、限界点をリミッタに利用することも可能である。この場合、回路構成から負電圧はできるだけ低いことが望ましく、−５Ｖ以上では２線式の出力が不十分となるため−２〜−３Ｖが望ましいが、このような低い電圧を安定に供給できるツェナーダイオードは現実には入手できない。【００１９】  本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、比較的簡単な回路構成により安定した状態で湿度温度を求めることができるとともに、直接アナログ信号として出力できる湿度検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】  このような課題を達成する請求項１の発明は、
０〜１００％の間で変化する空気中の相対湿度を湿度センサの検出信号に基づき４〜２０ｍＡの電流信号に変換するように構成された演算増幅器を含む電流変換手段と、前記湿度が１００％を超えないように前記電流変換手段の出力電流を制限する電流制限手段が設けられた湿度検出器において、
前記電流制限手段は、前記演算増幅器の負側電源と正側電源間にツェナーダイオードを接続し、前記演算増幅器の動作下限値を前記出力電流の制限値とすることを特徴とするものである。【００２１】  請求項２の発明は、請求項１記載の湿度検出器において、
前記湿度検出器は２線式伝送路を介して外部との間で電源および信号の授受を行うことを特徴とする。【００２２】  請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の湿度検出器において、前記ツェナーダイオードとしてツェナー電圧がほぼ８Ｖのものを用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】  これらにより、比較的簡単な回路構成により湿度温度を求めることができるとともに、直接アナログ信号として出力できる湿度検出器が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】  以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明に基づく湿度検出器で用いられるリミッタ回路の具体例の説明図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。【００２５】  図１と図５の相違点は、ツェナーダイオードＺＤの接続位置にある。すなわち、図１（Ａ）において、ツェナーダイオードＺＤのアノードは演算増幅器ＯＰの負側駆動電源−Ｖｃｃに接続され、カソードは演算増幅器ＯＰの正側駆動電源＋Ｖｃｃに接続されている。このツェナーダイオードＺＤとしては、図５と同様にツェナー電圧Ｅｚが７〜９Ｖで温度特性が安定しているものを用いる。【００２６】  すなわち、図１（Ａ）に示すリミッタ回路において、演算増幅器ＯＰの負側駆動電源−Ｖｃｃにツェナー電圧Ｅｚが８ＶのツェナーダイオードＺＤのアノードを接続してカソードを＋５Ｖの正側駆動電源＋Ｖｃｃに接続することにより、演算増幅器ＯＰに供給される電源電圧を＋５Ｖ，５−８＝−３Ｖとして動作させることができる。【００２７】  前述のように、８Ｖ付近のツェナーダイオードＺＤはそのツェナー電圧が温度に対して極めて安定であることから安定した飽和特性が得られ、リミッタとして好都合である。【００２８】  一般に、ツェナーダイオードＺＤの温度特性は、７Ｖ前後における温度係数が０とされているが、これはツェナー電流が定格付近で大きい場合である。本発明装置は微少電力で駆動するため動作点が低く、８Ｖ前後で温度係数は０になる。このようなツェナーダイオードＺＤは、回路構成も簡単で、価格も安く、この種の利用に最適である。【００２９】  このように構成されるリミッタ回路も、図１（Ｂ）に示すように、ツェナー電圧Ｅｚにより設定される基準電圧までを動作領域とし、ツェナー電圧Ｅｚを超える入力電圧Ｅｉに対しては出力電圧Ｅｏｕｔを制限するように動作する。ここで、ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧Ｅｚは、負側駆動電源−Ｖｃｃとしても用いられる。【００３０】  図２は、本発明に基づく湿度検出器の一実施例を示す回路図である。図２の回路は、大きくは、湿度センサＡと、レベル調整部Ｂと、４〜２０ｍＡの電流変換部Ｃと、電源部Ｄと、４〜２０ｍＡの電流出力部Ｅとで構成されている。なお、２線式伝送路では４〜２０ｍＡの出力において、４ｍＡ以内で電源供給をする必要があるが、本発明では２ｍＡ以内で電源としている。【００３１】  湿度センサＡとしては、たとえば端子＋Ｖ、ＩＮ、Ｇを備えた３端子式のＩＣによるセンサＳを使用している。端子＋Ｖは正側駆動電源＋５Ｖ（＋Ｖｃｃ）の電源線に接続され、端子ＩＮはレベル調整部Ｂに接続され、端子Ｇは共通電位点に接続されている。このセンサＳは、湿度０〜１００％に対して、たとえば０．７〜３．９Ｖの電圧を出力する。【００３２】  レベル調整部Ｂは、センサＳの出力電圧を４〜２０ｍＡの電流に変換しやすいレベルに調整するように構成されている。具体的には、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子には抵抗Ｒ１を介してセンサＳの端子ＩＮが接続されるとともに抵抗Ｒ２を介して出力端子が接続され、反転入力端子は直接共通電位点に接続され、出力端子は抵抗Ｒ３とＲ４とＲ５の直列回路を介して共通電位点に接続されている。ここで、抵抗Ｒ４としては、電流２０ｍＡの値を設定するために可変抵抗器が用いられる。【００３３】  抵抗Ｒ４の出力端子は抵抗Ｒ６を介して電流変換部Ｃを構成する演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子に接続されている。演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子は、コンデンサＣ１と並列に接続された抵抗Ｒ９とＲ１０の直列回路を介して共通電位点に接続されている。【００３４】  抵抗Ｒ９とＲ１０の直列回路の接続中点は、抵抗Ｒ７とＲ８の直列回路を介して＋Ｖｃｃの電源線に接続されている。ここで、抵抗Ｒ７としては、電流４ｍＡの値を設定するために可変抵抗器が用いられる。【００３５】  このように構成されるレベル調整部Ｂは、たとえば０．７〜３．９Ｖを−０．２Ｖ〜−１．０Ｖに調整して次段の電流変換部Ｃに出力する。【００３６】  電流変換部Ｃは、レベル調整部Ｂから入力される電圧を４〜２０ｍＡの電流に変換するもので、演算増幅器ＯＰ２とダーリントントランジスタＴＲと定電流ダイオードＣＲＤで構成され、エミッタフォロア回路としてコレクタ側から定電流出力を取り出している。【００３７】  具体的には、演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子にはレベル調整部Ｂの出力部分が接続され、非反転入力端子にはトランジスタＴＲのエミッタが接続され、出力端子にはトランジスタＴＲのベースが接続されている。【００３８】  トランジスタＴＲのエミッタは抵抗Ｒ１１を介して電源部Ｄを構成するツェナーダイオードＺＤ１のアノードに接続され、コレクタは定電流ダイオードＣＲＤのアノードに接続されている。定電流ダイオードＣＲＤのアノードは湿度検出器全体の出力端子−に接続され、カソードは負側駆動電源（−Ｖｃｃ）の電源線に接続されている。【００３９】  電源部Ｄは、湿度検出器の各部の駆動に必要な所定電圧の正側駆動電源＋Ｖｃｃと負側駆動電源−Ｖｃｃを供給するものである。【００４０】  具体的には、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２と、ＣＭＯＳレギュレータＲＥＧと、コンデンサＣ２，Ｃ３と、ダイオードＤとで構成されている。【００４１】  ツェナーダイオードＺＤ１のアノードは抵抗Ｒ１１を介してトランジスタＴＲのエミッタに接続されるとともに共通電位点に接続され、カソードはＣＭＯＳレギュレータＲＥＧの入力端子ＩＮに接続されるとともにダイオードＤを介して湿度検出器全体の出力端子＋に接続されている。【００４２】  ダイオードＤは、極性誤接続防止のために設けられているもので、アノードは出力端子＋に接続され、カソードはＣＭＯＳレギュレータＲＥＧの入力端子ＩＮとツェナーダイオードＺＤ１のカソードとの接続点に接続されている。【００４３】  ＣＭＯＳレギュレータＲＥＧのグラウンド端子Ｇは共通電位点に接続され、出力端子ＯＵＴは正側駆動電源＋Ｖｃｃの電源線とコンデンサＣ２とツェナーダイオードＺＤ２のカソードとの接続点に接続されている。【００４４】  コンデンサＣ２はコンデンサＣ３と直列接続されていて、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３の接続中点は共通電位点に接続され、コンデンサＣ３の他端はツェナーダイオードＺＤ２のアノードとともに負側駆動電源−Ｖｃｃの電源線に接続されている。【００４５】  このように構成される電源部Ｄは、ＣＭＯＳレギュレータＲＥＧにより安定化制御される正側���動電源＋Ｖｃｃとしての＋５Ｖと、カソードがその＋５Ｖの正側駆動電源＋Ｖｃｃの電源線に接続されて負側駆動電源−Ｖｃｃとして機能するツェナー電圧Ｅｚが８．２ＶのツェナーダイオードＺＤ２により生成される負側駆動電源−Ｖｃｃとしての−３．２Ｖ（＝５Ｖ−８．２Ｖ）を出力する。【００１４】  ここで、ツェナーダイオードＺＤは、周知のように微少ゼナー電流において８Ｖ付近が最も安定していて、この電圧より低い場合には負の温度係数を持つことになり、高い場合は正の温度係数を持つことになる。図２の回路における演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２としては負の電圧として−３Ｖ付近を使用したいが、直接３Ｖ付近のツェナーダイオードでは負の温度係数が大きすぎて使用できない。そこで、図２の電源部Ｄに示すように、正側駆動電源＋ＶｃｃにツェナーダイオードＺＤ２を接続して負側駆動電源−Ｖｃｃを生成することにより、極めて安定な−３．２Ｖを作り出している。【００４６】  この結果、図２の回路における演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２は、安定化されている＋５Ｖの正側駆動電源＋Ｖｃｃと−３．２Ｖの負側駆動電源−Ｖｃｃにより、駆動されることになる。【００４７】  電流出力部Ｅとしての２線式伝送路は、湿度検出器全体の出力端子＋と−間に接続される。出力抵抗Ｒｏｕｔとしては、２０〜１００ｍＶの場合で５Ω、１〜５Ｖでは２５０Ωが接続されるが、通常最大で１０Ｖであり、１０％の余裕をみて５５０Ωまで接続可能とするのが一般的である。【００４８】  図２の回路構成によれば、ツェナーダイオードＺＤ１のアノード側から抵抗Ｒ１１→トランジスタＴＲ→出力端子−の経路で電流Ｉ１が流れるとともに、ツェナーダイオードＺＤ２のアノード側から定電流ダイオードＣＲＤのアノード→定電流ダイオードＣＲＤのカソード→出力端子−の経路で電流Ｉ２が流れ、これら電流Ｉ１とＩ２は加算されて出力抵抗Ｒｏｕｔに流れる。【００４９】  図３は、図２の回路に２線式伝送路を接続した場合の最大負荷時における各部の電圧分布例図である。図３において、供給電圧が低くて最大負荷に対して出力する状態が最も厳しい条件になる。【００５０】  供給電圧として２４Ｖ±１０％の範囲で２１．６Ｖから２６．４Ｖが供給されるものとし、保護ダイオードＤの電圧を＋０．７Ｖとし、レギュレータＲＥＧの制御電圧分を＋０．６Ｖとし、演算増幅器ＯＰの正側駆動電源＋Ｖｃｃを＋５．０Ｖとし、演算増幅器ＯＰの負側駆動電源−Ｖｃｃを−３．２Ｖとし、定電流の最小電圧降下を−１．１−（−５．９）Ｖとし、帰還抵抗Ｒ１１の電圧降下を１．０Ｖとし、出力トランジスタＴＲで変化する電圧範囲を３．３〜８．１Ｖとし、外部に接続される出力抵抗Ｒｏｕｔの最大抵抗値が５５０Ωのときの電圧降下を−１１．０Ｖとすると、レギュレータＲＥＧの入力電圧は＋５．６Ｖになって安定化制御された出力電圧は＋５．０Ｖになり、演算増幅器ＯＰを駆動する正負の駆動電圧の電位差は−８．２になる。【００５１】  この結果、保護ダイオードＤ→レギュレータＲＥＧ→演算増幅器ＯＰの駆動電圧→定電流の経路には電流Ｉ２として２ｍＡが流れて、帰還抵抗Ｒ１１から出力トランジスタＴＲに至る経路には電流Ｉ１として２〜１８ｍＡが流れ、出力抵抗Ｒｏｕｔには���れら電流Ｉ１とＩ２が加算された電流４〜２０ｍＡが流れることになる。【００５２】  再び図２の回路において、演算増幅器ＯＰ２に非反転入力端子に正の電圧が入力されている状態における負の出力で演算増幅器ＯＰ２の飽和特性をリミッタに利用しようとすると、演算増幅器ＯＰ２の負の出力電圧は−２．５〜３．０Ｖ付近の値になってしまう。この電圧をツェナーダイオードＺＤで得ようとしても、市販品としての入手が困難であるばかりではなく、入手できたとしても温度係数が１％／℃以上もあって温度変化に対する変動が大きすぎて実用に耐えるものではない。【００５３】  そこで、本発明では、＋５．０Ｖの正側駆動電源＋Ｖｃｃ側からツェナー電圧Ｅｚが８．２ＶのツェナーダイオードＺＤを使用して−側へ導入し、−３．２Ｖとして利用している。ツェナー電圧Ｅｚが８．２ＶのツェナーダイオードＺＤの微少電流における温度特性は０．１％／℃以内と極めて小さく、安定な電源として利用できる。【００５４】  なお、負の出力電圧を持つレギュレータは高価であるばかりでなく、レギュレータの入力電圧は出力電圧より大きな負の電圧が必要になるが、駆動電源として２線式伝送路を用いる場合にはそのような電圧余裕はなく、電圧分布上からも困難となるばかりでなく、小パワーで固定電圧のものは入手が困難である。【００５５】  これに対し、本発明によれば、比較的簡易な回路構成で、極めて低コストで実用的なリミッタ回路が実現できる。【００５６】  図４は図２で用いる演算増幅器ＯＰ２の説明図であり、（Ａ）は回路例を示し、（Ｂ）は負電圧を−３．２Ｖで動作させた時の負側飽和特性の具体例を示している。その安定度も高く、リミッタとして問題なく使用できる。【００５７】  図４において、（Ａ）の回路の演算増幅器ＯＰとしてリニア・テクノロジー社製のＬＮ−６０１１を用い、抵抗Ｒ１の抵抗値を１００ＫΩ、抵抗Ｒ２の抵抗値を２５ＫΩ、Ｖ１を＋５Ｖ、Ｖ２を−３．２Ｖとし、入力電圧Ｅｉを０Ｖから上昇させながら出力電圧Ｅｏｕｔの変化を測定したところ、（Ｂ）に示すように入力電圧Ｅｉが２Ｖを超えるまでは出力電圧Ｅｏｕｔは直線的に変化するが、２Ｖを超えるとほぼ飽和してリミッタとして動作することが確認できた。【００５８】  以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な回路構成で、１００％を超えることなく湿度を求めることができるとともに直接アナログ信号として出力できる湿度検出器が実現でき、動力源として用いられるエアー系統の管理、ビルの空調管理、車載用空調管理などの湿度検出器として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】  本発明に基づく湿度検出器で用いられるリミッタ回路の具体例の説明図である。
【図２】  発明に基づく湿度検出器の一実施例を示す回路図である。
【図３】  図２の回路に２線式伝送路を接続した場合の最大負荷時における各部の電圧分布例図である。
【図４】  図２で用いる演算増幅器ＯＰ２の説明図である。
【図５】  従来のリミッタ回路の説明図である。
【符号の説明】
【００６０】Ｓ  湿度センサ
ＯＰ  演算増幅器
ＺＤ  ツェナーダイオード
Ｒ  抵抗
Ｃ  コンデンサ
Ｄ  ダイオード
ＲＥＧ  レギュレータ
ＣＲＤ  定電流ダイオード
【図１】
2013186120.tif 000003
【図２】
2013186120.tif 000004
【図３】
2013186120.tif 000005
【図４】
2013186120.tif 000006
【図５】
2013186120.tif 000007