温湿度センサーさまざまなセンサの特徴

温湿度センサーは気象観測の基本要素を測定する重要な機器です。
本ページでは、白金抵抗温度計やサーミスタなどの温度センサー、静電容量型や赤外線ガス分析計などの湿度センサーの特徴を詳しく解説します。さらに、絶対湿度と相対湿度の違い、露点の概念、そして測定精度を高めるシェルターについても紹介します。

温度センサとは

気温計測用センサにはいくつかの種類があり、それぞれに特徴や用途があります。
以下に主要な気温計測用センサの種類とその特徴をまとめます。

1. 白金(Pt)抵抗温度計 (RTD: Resistance Temperature Detector)

白金(プラチナ)の電気抵抗が温度に比例して変化する特性（抵抗値が高温で高くなり、低温で低くなる）を利用しています。0℃時の抵抗が100ΩのPt100と1000ΩのPt1000があります。精度は比較的高く、気象庁検定が取得可能です。気象観測では最もよく使われています。印加電圧をかけて3線式または4線式のブリッジ計測で抵抗測定から温度を求めます。導線の抵抗値がばらつく環境では4線計測をお勧めします。

表：温度とPt100とPt1000の抵抗値の関係

2. サーミスタ (Thermistor)

温度に対する電気抵抗が大きく変化する（抵抗値が高温で低くなり、低温で高くなる）半導体材料を使用したセンサです。小型で応答速度が速く安価であることが特徴です。印加電圧を与えて返りの電圧を計測することで温度を計測します。精度はPtに比べて高くないため、安価に計測したい場合や参考程度に計測したい場合に使用されます。

3. 熱電対(Thermocouple)

2種類の異なる金属導体の両端を接続して閉回路を作ると両端の温度差によって電流が発生する現象（ゼーベック効果)を利用して、計測対象の温度を計測するセンサです。最も安価で構造がシンプルなため、素線があれば簡単に作ることができます。2種の金属の組み合わせにより、計測レンジが異なり、T,K,E等の名称がついています。熱電対を延長するためには熱電対コネクタが必要となります。

4. 赤外線温度センサ (焦電素子)

物体はその温度に応じた赤外線を放出しています。物体からの放射は温度が高いほど多く、放射される赤外線エネルギーの量は温度の4乗に比例します。赤外線を計測できる素子(焦電素子)を使って非接触で物体の表面温度を計測できるようにしたものが、赤外線温度センサです。
計測対象の物体は黒体であることを前提としているため、黒体に近い放射率(ε)を持つ物体の場合高精度な計測が可能です。一方で、黒体放射からはずれた放射率を持つ物体の場合、精度は落ちてしまいます。

放射率の一例
黒体：1　土：0.95　砂：0.9　水：0.92　雪：0.83
*太陽光の反射が入ると正しく計測できないことがあります。

5. 水銀温度計

水銀の膨張を利用したガラス管内の温度計です。2015年に国連環境計画の外交会議で採択された「水銀に関する水俣条約」を受け、2021年1月1日以降の製造・輸出入が禁止されています。水銀切れを起こすため、衝撃に弱く航空機等による輸送ができません。
これらのセンサはそれぞれ特性や適用範囲が異なるため、用途に応じて適切なものを選択することが重要です。

湿度センサとは

湿度計測用センサにはいくつかの種類があり、それぞれに特徴や用途があります。
以下に主要な気湿度測用センサの種類とその特徴をまとめます。

1. 静電容量型湿度センサ (Capacitive Humidity Sensor)

2つの電極の間に湿度に応じて誘電率が変化する材料（通常はポリマー）を挟んだ構造になっています。湿度によって静電容量が変化し、それを測定します。感部が汚れが付着したり、結露状態が続くと劣化が進みます。劣化を防ぐためには加温プローブ付きのセンサが非常に有効です。応答速度は早くはありませんが、一般気象観測目的であれば問題ありません。電気式湿度計または露点式湿度計として気象庁検定の取得が可能です。センサには電源が必要です。

2. 赤外線ガス分析計 (NDIR:Non-Dispersive Infrared Absorption)

水蒸気が特定の波長の光(赤外線)を吸収する性質を利用して空気中の水蒸気量を計測します。高速(数十Hz)での計測が可能で一般的にはCO2濃度も同時計測することができ、フラックス観測によく用いられています。機器は静電容量型に比べて高額でサイズも大きくになります。数ヶ月に一度、標準ガスを使った校正が必要となります。

製品比較表

商品名	温度	湿度	測定方法温度	湿度	特徴	気象庁検定
CVS-HMP155A	○	○	白金測温抵抗体	静電容量	高精度での温湿度計測（温度電圧出力）	湿度のみ
CVS-HMP155D	○	○	白金測温抵抗体	静電容量	高精度での温湿度計測（温度4線抵抗式出力）	湿度のみ
CVS-HMP155E	○	○	白金測温抵抗体	静電容量	高精度での温湿度計測（温湿度デジタル出力追加温度プローブ	○
CVS-HMP110	○	○	白金測温抵抗体	静電容量	経済的で精度の高い温湿度計測	湿度のみ
CVS-HMP60	○	○	白金測温抵抗体	静電容量	経済的で精度の高い温湿度計測	×
CVS-HMD112	○	○	白金測温抵抗体	静電容量	電流出力（屋内）	×
CVS-HMS112	○	○	白金測温抵抗体	静電容量	電流出力（屋外）	×
C-HygroVue5/10	○	○	ー	静電容量	SDI出力	×
CDC-ATOMS-14	○	○	サーミスタ	静電容量	SDI出力気圧も計測可能	×
CVS-WXT536	○	○	ー	静電容量	複合気象	×
CDC-ATMOS41W	○	○	ー	ー	複合気象ワイヤレス	×
CYG-92000	○	○	ー	ー	複合気象	×
CIMS-iMet-XQ2	○	○	サーミスタ	静電容量	軽量記録機能付き	×
CYS-SY8/1	○	○	乾湿球温度計	計算	現場校正基準器用	○
CYS-7001/7001K	○	○	白金測温抵抗体	計算	現場校正基準器用	○
CO-UX100	○	○	ー	ー	室内用記録機能付き	×
CO-MX1101	○	○	ー	ー	室内用 Bluetooth回収記録機能付き	×
CO-U23	○	○	ー	ー	屋外用記録機能付き	×
CO-MX2300	○	○	ー	ー	屋外用 Bluetooth回収記録機能付き	×
CUZ-LR8514	○	○	ー	ー	室内用 Bluetooth回収記録機能付き	×
CTD-TR43A	○	○	ー	ー	Bluetooth回収	×
C-PTWP/C-HPT/C-HPT-1K	○	×	白金測温抵抗体	ー	高精度での温度計測気象観測向け	○
ST-100/110/200	○	×	サーミスタ	ー		×
C-107/109	○	×	サーミスタ	ー		×
CML-303W/303P	○	×	焦電素子	ー	放射温度計	×
CAP-SI-111/CAP-SI-411	○	×	焦電素子	ー	放射温度計	×
C-TCTU/CTC-STC	○	×	熱電対	ー	薄膜式表面温度計測用	×
C-FW05/FW1/FW3	○	×	熱電対	ー	極細タイプ	×
CT-TCｘ	○	×	熱電対	ー	極細タイプ	×
CT-TC-NK3-TT-T	○	×	熱電対	ー	シェルタ無しで気温計測	×
CUZ-LR5011	○	×	ー	ー	記録機能付き用途別センサ選択可能	×
CUZ-LR5021	○	×	熱電対	ー	熱電対用	×
CTD-TR-51i/52i	○	×	ー	ー		×
CTD-TR41A/42A	○	×	ー	ー	Bluetooth回収	×

絶対湿度と相対湿度について

湿度には「絶対湿度」と「相対湿度」という2つの概念があります。これらは似たような言葉ですが、全く異なる意味を持ちます。

絶対湿度

絶対湿度は、空気中に含まれる水蒸気の質量を表します。具体的には、空気1立方メートルに含まれる水蒸気の量をグラム単位で示します。単位はg/m³（グラム毎立方メートル）です。
例えば、1立方メートルの空気中に5グラムの水蒸気が含まれている場合、その絶対湿度は5g/m³となります。絶対湿度は温度や気圧に依存せず、空気中の水蒸気の量そのものを示すため、非常に直感的です。

相対湿度

相対湿度は、空気中の水蒸気の量がその温度でどれだけ飽和状態に近いかを示します。つまり、現在の水蒸気量をその温度での飽和水蒸気量で割った値をパーセントで表したものです。
例えば、20℃で空気中に含まれる水蒸気量がその温度での飽和水蒸気量の50%であれば、相対湿度は50%となります。相対湿度は温度に依存するため、同じ空気中の水蒸気量でも温度が上がると相対湿度は下がり、温度が下がると相対湿度は上がります。

実生活での影響

絶対湿度は主に工業プロセスや空調設備で重要です。例えば、特定の環境での水蒸気量を正確に測定しなければならない場合に使用されます。

相対湿度は日常生活での快適さに直接影響します。例えば、湿度が高いと感じるのは相対湿度が高い場合です。天気予報でも相対湿度が使われます。

絶対湿度：空気1m³中の水蒸気量（g/m³）
相対湿度：現在の水蒸気量 ÷ 飽和水蒸気量 × 100（%）

図1: バケツの大きさ（容量）の違い

図2: 温度の違い（同じサイズのバケツ）

絶対湿度：バケツに入っている水の量そのもの。温度に関係なく一定（10 g/m³）。

相対湿度：バケツの容量に対する水の量の割合。温度（バケツの大きさや水の色）によって変化。

温度が上がると、空気が保持できる水蒸気量（バケツの容量）が増えるため、同じ絶対湿度でも相対湿度は下がる。

露点

露点（Dew Point）は、空気中の水蒸気が凝結して水滴に変わり始める温度のことです。これは、空気が冷却されていくとき、飽和状態に達して水蒸気が液体に変わる温度を意味します。

露点の仕組み

１.空気中の水蒸気 : 空気中には常に一定量の水蒸気が含まれています。この水蒸気の量は絶対湿度として測定されます。

２.冷却プロセス : 空気が冷却されると、その空気中に保持できる水蒸気の量(飽和水蒸気量)が減少します。

３.飽和状態 : 空気が冷却されていくと、ある温度で空気中の水蒸気量がその温度での飽和水蒸気量と等しくなります。この温度が露点です。*自然界においてはしばしば過飽和(相対湿度が100%を越える状態)になることがあります。

４.凝結 : 露点に達すると、それ以上冷却されると余分な水蒸気が凝結して水滴となります。これが露や霧の原因です。

露点の重要

・気象予報：露点は湿度と密接に関連しており、気象予報で重要な指標です。高い露点は高湿度を示し、蒸し暑さを感じる原因となります。

・農業：農業では露点を知ることで、霜の発生や作物の水分管理に役立ちます。露点が低いと霜が発生しやすくなり、作物に影響を与える可能性があります。

・空調管理：室内環境の管理にも露点は重要です。例えば、エアコンや除湿器の設定に影響を与えます。露点を把握することで、結露を防ぎ快適な室内環境を維持できます。

露点と相対湿度の関係

・相対湿度：相対湿度は、現在の空気中の水蒸気量をその温度での飽和水蒸気量で割った値です。

・露点：露点はその空気中の水蒸気量が飽和状態になる温度です。

例えば、相対湿度が100%のとき、露点はその時の気温と同じです。相対湿度が高いほど、露点も高くなります。

加温プローブの優位性

湿度が飽和に近い環境下において、静電容量型湿度センサの感部はしばしば結露状態になります。結露が起こると信頼性の高い湿度計測ができないだけではなく感部の劣化も引き起こし、センサの寿命が短くなります。
加温プローブは結露が起こりそうな状況において、センサヘッドを断続的に温める事により感部周辺の相対湿度が周辺環境より常に低くなることで湿度プローブの結露を防ぎます。
加温プローブ単体では感部周辺の相対湿度が変化してしまうため、相対湿度の出力ができません。この場合、露点計として使用することになります。また、気象庁検定も露点計としての取得になります。
加温プローブの温度センサは湿度センサと同じ場所にあるため、そのままでは気温計測が加温の影響を受けてしまいます。そこで、温度測定用の温度センサを独立した外付けプローブにて計測します。
相対湿度の出力は外付け温度プロープによる温度測定と露点温度から相対湿度を計算することで可能になります。

シェルターの選定

加温湿度プローブを使う際にはプローブは強制通風ではなく自然通風シェルターに入れることをお勧めします。強制通風を行うと温度の低い外気が常にプローブに当たることになり、加温の効果が薄れる可能性があります。また、孔質テフロンフィルタのつまりの元になる埃、汚れ、塩等にも多くさらされることになります。
温度プローブについてはシェルター内の熱の上昇を防ぐために強制通風筒に入れることをお勧めします。

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