温度・湿度センサーの簡単な紹介
温度と湿度は人間の生活に密接に関係しており、温度と湿度への関心から温度と湿度のセンサーが生まれた。 温湿度センサーとは、温度や湿度の量を、測定や処理が容易な電気信号に変換する装置や機器のことである。 一般に市販されている温湿度センサーは、温度量と相対湿度量を測定するものである。
温度と湿度に関するいくつかの概念の説明:
温度:物体の熱さと冷たさを表す物理的な尺度で、国際単位系における7つの基本物理量の一つ。生産現場や科学研究の現場では、多くの物理現象や化学プロセスが一定の温度で行われており、人々の生活と密接に関係している。
湿度:湿度は古くから生命と密接に関係しているが、定量的に表現するのは難しいものである。
湿度を表す物理量として日常的に最もよく使われるのは、空気中の相対湿度である。単位は%RHである。物理量の導出において、相対湿度は温度と密接な関係がある。ある体積の閉じ込められた気体は、温度が高いほど相対湿度が低くなり、温度が低いほど相対湿度が高くなる。熱工学の複雑な知識が必要である。
湿度の定義をいくつかご紹介する。
相対湿度:計量法において、湿度は「あるものの状態の量」と定義されている。日常生活では、湿度は相対湿度と呼ばれ、RH%と表される。つまり、気体(通常は空気)に含まれる水蒸気の量(水蒸気圧)と、その空気と同じ状況にある飽和水蒸気の量(飽和水蒸気圧)とを比較したときの割合である。
絶対湿度:単位体積の空気中に含まれる水蒸気の実際の量で、通常はグラム単位で測定される。温度は絶対湿度に直接影響し、一般的に温度が高いほど水蒸気の放出量が多くなり絶対湿度が高くなり、逆に低いほど絶対湿度が低くなる。
飽和湿度:ある温度で、単位体積当たり、空気中に保持できる水蒸気の最大量。この限界を超えると、余分な水蒸気が凝縮して水滴となり、その時点で空気の湿度は飽和湿度と呼ばれるようになる。空気の飽和湿度は一定ではなく、温度の変化に伴って変化する。温度が高いほど、単位体積の空気中に多くの水蒸気を保持することができ、飽和湿度が高くなる。
露点:空気中には一定量の水蒸気(絶対湿度)が含まれており、温度が一定に下がると水蒸気は飽和状態(飽和湿度)になり、液化して水になり始める現象を結露という。水蒸気が液化して水になり始める温度を「露点温度」、略して「露点」と呼びる。露点以下の温度が続くと、空気中の過飽和の水蒸気が凝縮して物体の表面に水滴がつく。また、風は空気中の温度や湿度と密接に関係しており、空気中の温度や湿度の変化に影響を与える重要な要因のひとつである。
測定方法
湿度測定センサーの一般的な測定方法をいくつか紹介
湿度計測技術には長い歴史がある。エレクトロニクスの発展に伴い、近年、計測技術も急速に発展している。湿度の測定は、原理的には20～30種類もあると言われている。湿度は、絶対湿度、相対湿度、露点、乾燥気体に対する水分の割合(重量または体積)などで表される。しかし、湿度の測定は、計測の分野では常に世界的に知られた課題の一つである。一見単純な値に見えても、その奥には非常に複雑な物理化学的な理論分析と計算があり、初めて使う人は湿度測定に考慮しなければならない多くの要素を見落としてしまい、適切な使用ができなくなってしまう。
一般的な湿度測定方法には、動的方法(二重圧力、二重温度、スプリットフロー)、静的方法(飽和塩、硫酸)、露点、湿球、乾球、各種電子センサー方式などがある。
ここで、デュアルプレッシャー方式とデュアルサーマル方式は、長い平衡時間を持つ熱力学的なP、V、Tの平衡原理に基づいており、スプリットフロー方式は、絶対的なウェットエアと絶対的なドライエアの正確な混合に基づいている。最新の計測・制御方法を用いているため、かなりの精度を出すことができるが、装置が複雑で高価であり、操作に時間がかかるため、主に±2%RH〜±1.5%RH程度の精度の標準的な測定に用いられている。
静止法の飽和塩法は湿度測定の最も一般的な方法であり、シンプルで実施しやすい方法である。しかし、飽和塩法では、液相と気相の間に厳密な平衡状態が必要であり、周囲の温度の安定性に対する要求も高い。使用するには平衡状態になるまで長い時間を待たなければならず、低湿度点ではより長い時間を必要とする。特に部屋の湿度とボトル内の湿度の差が大きいと、開封するたびに6〜8時間かけて平衡化する必要がある。
露点法は、湿った空気が飽和状態になったときの温度を測定するもので、熱力学の直接的な成果であり、高精度で広い測定範囲を持っている。計量用の精密露点計は、±0.2℃あるいはそれ以上の精度を持つことができる。しかし、近代的な光学・電気原理のチルドミラー式露点計は高価であり、標準的な湿度発生装置と組み合わせて使用されることが多い。
18世紀に発明された、水分を測定するための湿球法と乾球法。長い歴史を持ち、最も一般的に使用されている。湿乾球法は、湿乾球式を用いて湿度値を換算する間接的な方法であるが、湿乾球付近の風速が2.5m/s以上であることが条件となる。一般的な湿乾球温度計はこの条件を簡略化しているため、その精度は5〜7%RHに過ぎず、電子式湿度センサに比べて格段に低いものとなっている。明らかに湿球法も乾球法も静的な方法に属していない、単純に2つの温度計の測定精度を向上させれば湿度計の測定精度を向上させるではない。
本文では2点を強調したい。まず、湿度は温度の関数であるため、温度の変化は湿度測定の結果に決定的な影響を与える。どのような方法であっても、温度を正確に測定し、制御することが最も重要である。十分に断熱された恒温恒湿槽でも、作業室の温度には一定の勾配があることを理解しなければならない。そのため、この空間で完全に均一な湿度を実現することは難しいのである。
第二に、原理や方法の違いが大きいため、様々な測定方法の間で直接校正・識別することは難しく、ほとんどの測定方法は間接的な方法でしか比較できない。そのため、2つの湿度計測方法の間で、全湿度範囲(0～100%RH)の測定値を相互に校正したり、すべての温度範囲で各ポイントの測定値を校正したりすることは非常に困難である。例えば、換気式湿乾球湿度計では、定められた風速で空気を流す必要があるが、飽和塩法では厳密な密閉性が求められ、両者を比較することはできない。最良の方法は、やはり、伝送モードと校正手順に規定された湿度測定器の国家システム(規格)に従って、レベルごとに決定することである。