光学セルの湿度測定/発生技術

分流式精密湿度発生における湿度制御概念からの脱却

最近、通常環境の温湿度雰囲気だけでなく、低温低湿ならびに高温高湿の環境における特殊な温湿度測定の要求が高まっています。さらに雰囲気制御でも微小空間での温湿度制御が要求あり、弊社においては顕微鏡ステージ上や分析装置などに用いられる光学セル内温湿度制御等の研究に寄与してきました。

今後、微小空間の温湿度制御はさらに小空間化しナノレベルでの雰囲気制御も要求される事と思われます。このレポートではその具体的な雰囲気制御技術と計測技術を紹介したいと思います。

湿度供給装置による発生方法の解説及び微小空間制御の実例

分流式湿度供給装置を使用した発生の原理
分流式湿度供給装置は完全に乾燥した空気（0％rh）を２つの流れに分け、一方は飽和槽を通して飽和空気（100％rh）とし、他方をそのまま（0％rh）で混合させ試験槽に供給します。その時の飽和空気と乾き空気の流量比により、試験槽に一定の相対湿度の気体をつくるJIS規格に基づいた極めて高精度な発生方式です。

さらに湿度供給装置は外部に空気を供給する為、外部試験槽・試験室を温度制御する事により２点温度法の発生方法も利用する事が可能になります。

2点温度法とは、飽和空気槽と試験室の2つの部分から成り、飽和空気発生槽にて露点温度を精密に制御した飽和空気（100％RH）を作り出し、試験室内に送り込みます。

そして、外部試験室内の温度と飽和槽の温度を自由にコントロールすることにより、あらゆる湿度を再現することが可能です。分流法と２温度法を複合した２温度分流法により微小空間の湿度制御が可能になりました。

特にこの方法の大きなメリットとして挙げられるのが低温度における湿度制御です。一例を挙げると分流式発生方法にて５℃における１０％rhの空気を外部チャンバーに送り込みます。このとき外部チャンバーの温度が－１０℃まで下がればチャンバー内の湿度は３０％rhとなります。従来の試験機では氷点下以下で湿度コントロールが行えないことは云うまでもありません。
微小空間の湿度制御とは
微小空間は通常の恒温恒湿槽レベルの空間から、さらに小さい数センチ四方の空間を想定しています。

通常の湿度制御の方式は、湿度センサ等の信号を調節計にて受け、その制御信号から加湿部のヒーターなどをコントロールします。その為、空間容量が小さければ小さいほど安定まで時間がかかりオーバーシュート（ハンチング）を繰り返します。逆にそれを防止する為に加湿能力を小さくすれば、温度・湿度変化などの外乱に対し対応能力が落ちてしまいます。

湿度供給装置を使用した場合、空気供給源は基本的に外部チャンバー内に直接目的の空気を送ります。

したがって制御は行わない為、設定値に対し近づく湿度トレンドを示します。応答性は湿度供給装置の発生流量と外部チャンバーの容量にて決まります。チャンバー寸法が１０センチ四方の場合、十秒単位で安定へと向かいます。

最近の考え方として、湿度供給装置の発生精度は湿度センサの計測精度と同等以上となり、湿度センサのモニタリングを行わないケースも出ています。
微小空間制御の実例
赤外分光光度計の光学セル内で温湿度制御を行った実例を示します。湿度供給装置の流量計にマスフローメータを使用した為、長時間にわたる傾斜制御を含めたプログラム運転も可能になります。このように湿度供給装置は微小空間に優れた制御を行なうことができます。

注意点として湿度供給装置から供給された空気（ガス）だけでは流量が小さい為、試験資料を入れ光学セルの温度制御は不可能となります。かならず、光学セルの温度制御を行なう熱媒体などを注入する必要があります。

弊社では熱媒体を循環し温度の安定を行う方式を採用し、これにより温度安定度は飛躍的に向上いたしました。最新の事例では±0.01℃以下の微小空間の温度制御を実現しています。また、湿度制御に関しても1ccの微小空間の湿度制御もあわせて実現していました。
- セル用恒温恒湿冶具
- 光学セル

センサによる発生方法の確認方法及び測定の実例

小さな空間の温湿度を計測する事は発生することと同様に難しいとされています。

弊社では現在一番普及している高分子を用いた抵抗変化型湿度センサ並びに静電容量変化型センサを特性に応じ使い分け、さらに精度を追求する場合には湿度標準に位置づけされている鏡面冷却式露点計も用います。以下にそれぞれの特徴を述べます。

高分子湿度センサによる測定方法
神栄テクノロジー(株)製である抵抗変化型湿度センサは右図の2種類の形状があり、壁内測定や靴内、衣服内測定むけに開発された平型センサは2.8mmの薄さが特徴となっています。

小型の径寸法を重要視した筒型センサでは6mmの太さが特徴になります。熱容量が小さい為、温度応答性に優れ空間の雰囲気測定用に使われます。

両センサとも抵抗変化型湿度センサであり、電気的にノイズに強いという特性のため、ケーブル自体に柔軟性のある材質が使用できるのもメリットとなります。

もうひとつの静電容量変化型センサで代表的なロトロニック社製小型センサに関していえば、センサチップ自体が柔軟性を持っていることが挙げられます。センサチップの形状を筒状に丸めることにより、センサの径を4mmにまで細くする事が出来ます。

しかしながら静電容量変化型湿度センサー型の為、ノイズの影響を受けやすく。センサケーブルに関しては対策上、柔軟性を犠牲にしたケーブルが採用されています。

実例としてセル内に直接湿度センサを設置できない場合、ダミーの空間を計測した例を紹介します。試験中に右の写真のように予め光学セルを外した状態で計測し、その設定値のままで温湿度制御を継続する手法が有効になります。

また、調湿空気を送る配管の途中に温湿度センサを設けて連続する方法も可能です。
鏡面冷却式露点計による測定方法
湿度センサと違う原理で、水分を測る代表的な機器として鏡面冷却式露点計があげられます。

鏡面冷却式露点計は現在、湿度の標準器として認知され、精度が高く、優れた安定性を持っています。

鏡面冷却式露点計の測定原理を述べたいと思います。鏡面冷却式とは、測定したい気体を検出部へ連続サンプリングし、内蔵のミラー面上を通過させます。ミラー下部にモールドされた電子冷却モジュールでミラー面を冷却し、ミラー面に気体中の水分を強制的に結露させる方式です。そして、ミラー面にはLED光が照射されており、その反射光を受光素子で捕らえ、結露による反射光量の減衰を検知します。露の発生（結露）および露量を確認し、最適な結露状態を維持するよう常時、電子冷却モジュールを制御します。ミラーの下部にはもうひとつ、PT温度センサがモールドされており、その温度抵抗出力が露点温度として出力されます。（1次検出）。

この構造を生かす事でミラー及び検出部を耐腐食性の材質にし、SOX、NOXなど腐食性ガスの計測も可能になっています。