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湿度のいろいろ 第1編

第3章 現在の湿度センサ

1.よく使われる湿度センサの分類
2.湿度センサの計測原理とそれぞれの特徴
3.毛髪式湿度計
4.高分子抵抗式
5.高分子容量式
6.酸化アルミ容量式
7.アスマン通風式乾湿計
8.塩化リチウム露点計
9.鏡面冷却式露点計
10.アズビル株式会社の卓上型鏡面冷却式露点計 ファインデューFineDewTM

■ 3.1. よく使われる湿度センサの分類

よく使われる湿度センサの分類

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■ 3.2. 湿度センサの計測原理とそれぞれの特徴

湿度センサの計測原理とそれぞれの特徴

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■ 3.3. 毛髪式湿度計

構造と動作原理
 
毛髪が吸湿によって伸び、脱湿によって縮む性質を利用しています。
・ 伸縮する長さを回転軸を介して指針で目盛りを示します。
・ 拡大機構、カム機構を通じて自記記録させます。

利点
 
相対湿度が直読できます。
比較的安価です。


欠点
 
毛髪が汚れると指示が変わってしまいます。
相対湿度10%以下に長時間放置すると指示が狂うことがあります。
毛髪を異常な力で引っ張ると、伸縮特性がかわりもとに戻らなくなります。
60℃以上になると、毛髪の伸縮特性が変わってしまいます。
毛髪は、アンモニア、硫化物、フェノールなどで変質してしまいます。
毛髪、指示機構に風圧が加わると、指示がずれる場合があります。

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■ 3.4. 高分子抵抗式

構造と動作原理
 
ベース材に電極を敷設し、その上にアンモニウム塩などの添加物を含んだ感湿性高分子を塗布します。
測定空気の水蒸気量により感湿性高分子中の水分含有量が変化します。 含有水分に応じて添加物からイオンの遊離がおき、これによる電気抵抗の変化を測定します(湿度が高いと抵抗値が下がる)。

利点
 
高分子容量式に比較して生産が容易なので、比較的安価です。
家電や民生用として、業界に実績が多くあります。

欠点
 
温度依存性があるものが多く、温度補正が必要です。
低温低湿度領域(10℃20%RH以下)では、導通がほとんどなくなってしまうので、 電気抵抗の変化を測定することができず、湿度計測ができなくなる傾向があります。
結露すると、感湿性高分子内の添加物が溶けだして、特性がずれてしまいます。

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■ 3.5. 高分子容量式

構造と動作原理
 
ベース材に下側電極を敷設し、その上に感湿性高分子を塗布し、その上に網目状の透湿性上側電極を敷設します。
測定空気の水蒸気量により透湿性上側電極を透過して感湿性高分子に水分が吸着されます。 この吸着水分量により変化する感湿性高分子の誘電率を、上下電極間の容量変化で測定します(湿度が高いと容量値が大きくなる)。

利点
 
計測範囲全域において、実用上十分な精度が出しやすく、 産業用センサとして高分子抵抗式とともに、もっともよく使われています。

欠点
 
高分子の純度を維持するため、製造にはクリンルームなどの施設が必要になり、コストがかかります。
有機溶剤など比誘電率の大きい雰囲気ガスのもとでは、特性がずれることがあります。

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■ 3.6. 酸化アルミ容量式

構造と動作原理
 
アルミベース表面に多孔質の酸化アルミ層(不導体)を形成し、その上に透湿性金電極を敷設します。
計測空気の水蒸気量により透湿性金電極を透過して多孔質酸化アルミ層に水分が吸着されます。 この吸着水分量により変化する酸化アルミ層の誘電率を、透湿性金電極とアルミベース間の容量変化で測定します(湿度が高いと容量値が大きくなる)。

利点
 
きわめて微量の水分量を計測するのに適し、露点温度で −20〜−80℃DPというドライな環境の計測に秀でています。

欠点
 
応答性が速くありません(数分から数時間かかる)。
(普通の感覚ではまだ乾燥雰囲気ですが)−20℃DP程度以上の雰囲気にセンサをさらすと、 センサが異常に吸湿して特性がドリフトしてしまいます。

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■ 3.7. アスマン通風式乾湿計

構造と動作原理
 
水で濡れた物体の表面は蒸発により熱が奪われ周辺に比べて温度が低くなります。 この温度低下量は気温、湿度、圧力などに依存します。 気流、放射などの条件を一定に保つと、湿布で覆われた感温部と、気温をはかる感温部の読み値から、乾湿計公式を使って相対湿度を算出できます。
・ JISでは、スプルングの乾湿計公式を使うよう規定されています。

利点
 
常温では比較的よい精度です。
気象庁検定を取得したものも入手できます。
現場では、アスマン通風式乾湿計に対し信頼感があります。

欠点
 
湿布、水の準備・手入れが必要です。
通風が安定するまで、5分程度かかります。
指示値を読むとき、近づきすぎると体温や呼気が吸い込まれる おそれがあるので、注意して、素早く行う必要があります。
指示値を呼んだ後、換算が必要で、直読できません。

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■ 3.8. 塩化リチウム露点計

構造と動作原理
 
絶縁物ボビンに塩化リチウム溶液を含ませた布を巻き、その上に2本の電線を平行に巻いてあります。 塩化リチウム溶液の温度を計測する温度センサがボビン内部に敷設してあります。
塩化リチウム溶液は約11%RH以上の雰囲気で吸湿し、導通します。 すると塩化リチウム溶液を塗布した布に巻いた電線間に電流が流れ、塩化リチウム溶液が加熱されます。 すると、溶液に吸湿された水分が蒸発しはじめ、溶液の水蒸気圧が周囲の水蒸気圧とバランスします。 ここで溶液中に塩化リチウムの結晶が析出するため、電気抵抗が増加して電線間の電流が遮断され加熱が止まります。 この時の溶液の温度を求めれば周囲の水蒸気圧を算出できます。

利点
 
エレメントが劣化しても、塩化リチウム溶液を補充することで、 劣化を再生することができます。

欠点
 
相対湿度で11%RH以下の計測はできません。

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■ 3.9. 鏡面冷却式露点計

構造と動作原理
 
遮光されたサンプリングチャンバーに計測空気を吸引し、計測空気を冷却し、 結露の発生を光学系で検出し、鏡面上の結露が増えも減りもしない平衡状態になるように制御しながら、そのときの鏡面温度を測定します。

利点
 
露点を直接的に測定することができます(一次計測)。
熱力学の原理原則に基づいているので、精度にもっとも信頼感があります。

欠点
 
サンプリングチャンバーや吸引ポンプなどでシステムが大がかりになります。
吸引系やサンプリングチャンバー内への水分吸着の心配があり、高露点の計測には配慮が必要です。
吸引系での時間遅れがあり、高速応答に難があります。
比較的高価です。


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■ 3.10. アズビル株式会社の卓上型鏡面冷却式露点計 ファインデューFineDewTM

弊社ファインデュー(FineDewTM)は、従来の鏡面冷却式の欠点を一掃すべく、ゼロベース開発を行いました。
 
変調光方式を採用し外乱光の影響を除去しました。
・ サンプリングチャンバーレスで、計測環境に直接挿入できるようになりました。
投受光一体型光ファイバーユニットによる散乱光検知方式を採用しました。
・ 投受光部の小型化に寄与し、直挿の実現に寄与しました。

FineDew
卓上型鏡面冷却式露点計 FDW10

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