露点計とは?

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ガスおよびドライエア中の微量な水分を測定します。
露点とは、温度差により、ガスおよび気体中の水分が結露することです。露点計は、その結露時の温度を計測します。
たとえば、半導体、石油化学、工業用ガスなどの製造過程で使用され、また水分を嫌う製品の製造、また使用の際に、その品質管理の基準として使用されます。露点計には、簡単に測定できる「静電容量式露点計」と、より高精度な露点測定を行う「鏡面冷却式露点計」があります。
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露点計の測定原理

静電容量式露点計 鏡面冷却式(ミラー式)露点計

静電容量式露点計

image 静電容量式の露点計センサーは、電気的な原理で水分のみを検出する仕組みになっています。センサーの水分検出部は汚れなどに非常に弱いので、検出部全体をフィルターで保護しています。
image センサーフィルターを取り外すと、直径1mm程度の検出部が露出します。
image センサーの検出部は、3層構造になっています。表面から順に、金蒸着膜 - 酸化アルミ皮膜 - アルミ層の構成です。 (アルミの棒を薬液に漬けて表面を酸化させ、その表面に金を電気蒸着させています。)
酸化アルミ層は「誘電層(絶縁層)」の役割を担います。
image 金蒸着膜から酸化アルミ層にかけて、無数の小孔(ポーラス)があります。その中に水分がサンプルガス中の含有水分とのバランスによって、出入りする仕組みになっています。なお、小孔の中には、水分以外は入りません。

金蒸着膜とアルミ層は回路形成されており、酸化アルミ層に入り込む水分量の変化に応じて、酸化アルミ層の持つ抵抗値が変化します。(これは、水分が通電する性質を利用しています。)

NS露点計本体は、センサーに交流電圧を掛けています。 加える電圧の値は、個々のセンサーのコンディションに適した値を校正試験の際に割り出しています。
(センサーにより、加える電圧は異なります)
image センサー検出部は水分量の変化により、センサー回路の抵抗値が左の図のように変化します。

このような関係が成り立ちます。言い換えれば、酸化アルミ被膜に入った水分の量により、電極間を流れる電流が変化します。
水分が多くなると、誘電層の電気抵抗(R)と静電容量(C)の関係は、Rは減少し、Cは増加します。
この電流変化を露点温度に変換し、メーターに表示させ、露点として直読できるようにしています。
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鏡面冷却式(ミラー式)露点計

鏡面冷却式露点計は、機器内部にある鏡面にサンプルガスを吹き付けながら、鏡の温度を変化させます。
鏡の温度を変化させて、吹き付けているサンプルガスの露点温度に達すると、鏡の表面が結露(結霜)します。
鏡の温度変化は、

結露無し → 鏡を冷却
結露有り → 鏡を加熱

といった要領で何度も結露と蒸発を繰り返し、最終的に安定した点を露点温度として表示します。

鏡に接している内蔵ペルチェ素子によって、鏡は冷却・加熱されます。(右図 image がペルチェ素子)
※ペルチェ素子は段数が多いほど冷えますが、4段以上になると鏡との距離、放熱対策、電力消費などで効果が薄れるため、3段のタイプが最も効率が良いとされています。

鏡が結露したかどうかは、ランプから発した光を受けるフォトセルの光量の増減によって、判断されます。
結露すると、光は減衰したり乱反射したりするので、鏡の全反射時(結露無し時)に比べてフォトセルが受ける光量が変化します。
結露した瞬間を保つため最適なバランスとなるよう、冷却、加熱の具合を電気的に制御します。 経年による誤差発生が無い原理のため、標準器など信頼性を要する場面で多く使用されています。

 

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静電容量式露点計の種別

静電容量式露点計のセンサーは、水分が付きやすく、離れにくい特性があります。

【例】①-20℃露点のガスを測定後、-60℃露点のガスを測定 → 時間が掛かる
   ②-60℃露点のガスを測定後、-20℃露点のガスを測定 → 時間が掛からない

実際に測定するには、ガスをセンサーに接触させるためにホースを接続したりしなければなりません。しかし、そのホースの内壁や接続継手、センサー表面などには、大気中に含まれていた多量の水分が付着している状態です。
それらが完全に除去できていないと、本来ガスには含まれていない時余剰水分がセンサーに付着します。
よって、露点計が示す露点温度がサンプルガスの露点そのものを示すには、周辺の余計な水分をサンプルガスの流れなどを使って全て追い出さなければなりません。(パージ)

【パージ前後の水分差】

パージ前を100、パージが完了した状態を0とすると、 右図のような推移でパージが進みます。
ほとんどの場合において、安定に近づくにつれて変化幅が小さくなっていく傾向があります。

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ポータブル型 オンライン型(プロセス型)

ポータブル型

image ポータブル型露点計には、本体の内部にセンサーが装着されております。サンプリングチューブを本体の継手に接続して測定します。

ポータブル型露点計には、左図のようなドライチャンバーが内蔵されており、センサー表面の水分を常に吸着し、ドライに保つための装置です。余計な水分の付着を防ぎ、低露点サンプルの測定応答が素早く得られます。
image   チャンバー閉ではセンサーにサンプルガスが触れずに、OUTLET側の継手に排出されます。 チャンバー開で、センサーにサンプルガスが触れます。元々ドライな環境を保っておき、センサーの湿りやすい性質を利用して速応答を実現しています。

・バッテリー駆動なので、電源確保を気にすることなく
 場所を選ばずに測定することができます。
・1台で複数箇所の測定も容易にできます。
 (ボンベ測定に最適です) 

オンライン型(プロセス型)

オンライン型(プロセス型)には、「アンプ使用型」と「トランスミッタ型」の2タイプにわかれます。
◇アンプ使用型
オンライン型露点計は、センサーを遠隔設置して、ケーブルを介してアンプ(表示器)で露点を表示します。
センサーは配管に直接設置するか、センサーホルダーなどを使用して配管系統の中に設置します。
センサーホルダーはSUS製のセンサー取付部品で、センサーを挿入する穴と、サンプルガスIN/OUTに使用する継手が付いています。
継手は、外径1/8”、6mm、1/4”、3/8”、SwagelokやPT、VCRなど配管環境に適したサイズ、種類を使用します。
電源はAC100Vが基本仕様です。(AC200V仕様も可)
常時ONで、露点計本体から出力する4-20mAなどの信号を、記録計やDCSなどのロガーに入力、24h365日連続で監視することができます。また、管理基準を超えた場合に警報信号を発する機能もあります。

ポータブル型のようなドライチャンバーは無いため、大気中にてセンサーを設置した後の応答には時間を要します。
露点安定後、水分が多いサンプルが流れた時には、数分で安定します。

例: -76℃→-50℃ など・・・数分で応答
   -50℃→-76℃ など・・・数時間で応答
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◇トランスミッタ型

DS1000・・・トランスミッタ+表示器+センサーホルダーのセット
ADHT・・・露点トランスミッタセンサーのみ

トランスミッタ内部に出力変換アンプを内蔵し、測定レンジに対応した4-20mA信号をセンサー自身が出力します。
表示器が不要でDCSなどに信号入力する場合などに適しており、コストダウンと省スペース化を実現します。
DS1000の付属表示器は、出力4-20mA、2点アラーム仕様です。

校正の際は、トランスミッタセンサーのみでも可能です。
(但し、DS1000の信号入力特性の確認も定期実施が望ましい)
出力は測定レンジを問わず全域でリニア出力です。

※ 他型式用のセンサーとは互換しません

 

 

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露点測定の検討要素 静電容量式
ポータブル型
静電容量式
オンライン型
鏡面式
高精度で測定したい
イニシャルコストを抑えたい
露点測定の推移を記録計やパソコンに記録したい
電源の無い環境で使用したい × ×
露点を常時監視したい
複数個所で露点を測定したい
ボンベのガスを測定したい
配管に流しているガスを測定したい
ドライルーム内の露点を測定したい
圧力が高い環境の露点を測定したい ×
真空状態での露点を測定したい ×