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  露点計
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測定原理

酸化アルミナ方式の測定原理


アルミと金を電極として、この間に多孔質の酸化皮膜の層(酸化アルミ膜= 感湿層)を形成しています。この検出部は、電気的(回路)にはインピーダンス素子と等価になっています。
この酸化アルミ皮膜の細孔は、水分子の吸脱着に必要な孔サイズの分布をもっており、ここに吸着する水分子の量は水蒸気分圧に対応します。この水分子の量は感湿層のインピーダンスを変化させます。
このインピーダンスの変化量を捉え、信号処理を行うセンサ内部の電子回路(発信回路)から低周波を印加し、微少な電流変化を電圧信号に変え、さらにPFM(パルス周波数変調)方式に変換され、変換器から電子回路へ供給される電源ラインに重畳されたパルス信号として伝送されます。
インピーダンスの変化量は、変換器側にて周波数の値としてモニターされ、概ね25Hz~350Hzの間で変化します。
 
等価回路
検出部断面模式図
等価回路 検出部断面模式図

高分子膜方式の測定原理

高分子膜を誘電体としてコンデンサを形成させ、相対湿度の変化量 (水分の吸脱湿)を静電容量の変化として捉えることを利用しています。
プローブを構成している湿度センサ素子は図1に示しますように基盤上にくし型上の電極を形成させ、その上に高分子(ポリイミド)層、多孔質の保護金属層、そして2つ目の高分子層で形成されています。
この素子が数ミリ角のCMOS-ICの集積回路の中に組み込まれ(図2)、 温度素子Pt1000と共に湿度センサ(図3)の中に取り付けられています。
この湿度センサの接ガス部は焼結金属フィルタで保護されています。湿度センサは、さらに脱着可能な保護フィルタカバーで保護されています。
この湿度センサ及び温度素子は、プローブ内部の電子回路によって信号処理されます。(V/F変換させることにより、ノイズに強く長距離伝送を可能にします。)
変換器側は、入力された信号をマイクロプロセッサにより相対湿度や露点温度に換算しています。
 
図1 湿度素子の構成
図2
図1 湿度素子の構成 図2
 
図3 湿度センサ外形
図3 湿度センサ外形

鏡面冷却方式の測定原理

1. 結露検出鏡面は遠赤外線LEDにより照射されており、フォトトランジスターが反射光を検出しています。別系統の遠赤外線LED/フォトトランジスターは基準用の光源/受光部となっています。
2. 鏡面が乾いている状態では、接続された冷却素子(ペルチェ素子)により鏡面温度は降下を持続します。
3. 鏡面上にサンプルガスが流され、鏡面がそのガスの露点温度まで冷却されると鏡面上に結露が始まり、光の乱反射によりフォトダイオードに入る光量が減少します。
4. 鏡面の反射率が低下すると基準光とのバランスが崩れ、ペルチェ素子冷却電流を減少させ、鏡面表面に露層が形成された状態に素早く落ち着くようにシステムが設定されています。
5. この時の鏡面の温度がサンプルガスの露点温度となり、この鏡面温度を白金抵抗温度計により読み取ります。
 
測定原理図
測定原理図


汚染誤差補正機能(PACER)とは?

鏡面冷却露点計において、鏡面の汚れによる誤差は大きな問題です。その汚れは大きく分けて次の2種類が考えられます。

1. ちり、ほこり等一般的な汚れ
これらの汚れにより鏡面の反射率低下等の影響が現れます。
2. 塩分等、親水性物質による汚れ
親水性物質の汚れの場合、鏡面を冷却していくと真の露点よりも高い温度で結露を始めてしまいます。

これらの汚れによる誤差を補正するために開発された機能が、ゼネラルイースタンの特許であるPACERです。

以下にPACERの動作原理を簡単に説明します。(右図参照)
(1)露点測定の状態から、PACERサイクルへ移行
(2)鏡面を露点以下に冷却
この時、鏡面上はいくつかの大きな水溜り状態となり、鏡面上で膜を作っていた塩分等、親水性物質はその水の中に溶け込みます。
(3)鏡面を加熱し乾燥
この時、水中に溶け込んだ親水性物質は水分の蒸発に従って、各水溜りの中心に結集します。(ここでその絶対量は変わりませんが、鏡面の露層形成のための有効面積を大きく回復することになります。)
(4)オプティカルバランスをとる
この時点で反射光側のLEDの光量を基準光量と等しくなるように自動的に調整を行います。(これにより通常の汚れによる反射率の低下分が補正されます。)
(5)通常の露点測定状態に復帰

この機能により、鏡面のクリーニング間隔がPACERを使用しない時に比べ、10~100倍延長可能となりました。

*PACER :(米国特許No.421669 )
 Programmable Automatic Contaminant Error Reduction
 
PACERによる誤差補正
PACERの動作原理
(1)代表的なペーサー(PACER™)サイクル
PACERサイクル前の鏡面/PACERサイクル後の鏡面
(2)ペーサー・サイクル使用前後の鏡面状態