自作冷却ミラー式湿度計（チルドミラーヒグロメーター）──Arduinoで高精度な温湿度測定

必要な部品と材料

Arduino UNO × 1
12V 10A 電源 × 1
12V 40mm 高性能ファン × 1
12V 40mm ペルチェ素子（TEC） × 1
40mm ヒートシンク × 1
小型ミラー × 1
熱伝導接着剤 × 1
熱伝導グリス × 1
BTS7960 モータードライバ × 1
3mm 黄色LED × 1
OPT101 光センサ × 1
IRF520 MOSFETモジュール × 1
DS18B20 防水温度センサ（1-Wire） × 1
Si7021 温湿度センサブレイクアウト × 1

必要な工具と機器

グルーガン（汎用）

使用するアプリとオンラインサービス

Arduino IDE

プロジェクト概要

このプロジェクトについて

湿度測定には様々な方法がありますが、最も一般的なのは静電容量式センサです。しかし、高湿環境で連続使用すると精度が急速に低下します。冷却ミラー式湿度計（チルドミラーヒグロメーター）はこの問題がなく、特に高湿域で高精度です。市販品は数十万円しますが、原理はシンプルなので自作可能です。市販品ほどの0.1℃精度は出せませんが、ほとんどの用途で十分実用的です。本プロジェクトは概念実証（PoC）であり、量産レベルではありませんが、動作することを証明しています。

原理

ペルチェ素子（TEC）でミラー表面を冷却し、結露が現れる温度（露点）を検出します。光源（LEDまたはレーザー）と光センサ（OPT101）でミラー表面の反射光量を監視し、結露で反射光が減少した瞬間のミラー温度＝露点とみなします。露点と周囲温度から相対湿度を算出します。

市販品との違い（簡易化ポイント）

ミラー材質：市販品は白金/ロジウムメッキ銅等を使用し熱伝導と反射率を最適化。入手性・コストの観点から普通のミラーを使用（小型角ミラーや研磨ステンレス板がより良い）。
温度センサ：市販品はミラー直下に白金測温抵抗体（PRT）を埋め込み。本プロジェクトではSMDセンサ（Si7021）をミラー表面に貼り付け。熱分布を多少乱すが製作容易で十分な精度。
ミラーサイズ：市販品は約5mm径。本機は約4cm径。大型化で電力増・大型化だが入手性良好。小型ペルチェは低電圧駆動で専用ドライバ必要。
遮光ケース：外光遮断用の3Dプリントケース未実装。強く推奨。通気確保とミラー清掃アクセスを考慮必要。
霜点測定未対応：氷晶と水滴の区別（散乱光測定）には第2光センサが必要。

組み立て手順

ペルチェとヒートシンクの固定：両面を清掃し、熱伝導接着剤（なければ熱伝導グリス＋端に瞬間接着剤少量）を均一に塗布、ヒートシンクを押し当て乾燥。
ミラーの取り付け：同様にペルチェ冷却面とミラーを接着。熱伝導グリスを均一に、気泡なきよう注意。不均一だと結露パターンが偏る。
ファン取り付け：ヒートシンクにファンを固定（グルーガン等）。十分な風量が必要。

自作冷却ミラー式湿度計（チルドミラーヒグロメーター）──Arduinoで高精度な温湿度測定

結露パターンの確認：ファン→ペルチェの順で通電し、ミラー上で「同時に結露が現れる領域」を確認。長時間通電すると全面結露してわからなくなるので注意。写真撮影かマーキングしておく。

筆者の場合、熱伝導グリスの塗りムラで不均一な結露パターンになりました（上写真）。

温度センサ（Si7021）のミラー貼り付け：センサ基板に非導電性熱伝導グリスを大量に塗り、基板四隅にグルーガンで大きな接着点を作り、結露が同時に現れた位置に水平に強く押し付け固定。基板に結露したらグルーやスプレー絶縁で保護。

ファン制御：IRF520 MOSFETモジュールでPWM制御。
光源と光センサ：OPT101は高感度・低ノイズ・扱いやすい。光源は低出力レーザーダイオードまたは指向性のあるLED。出力が強すぎる場合は直列抵抗で減光（PWMだとセンサにノイズが入るため）。銅線を捩って剛性を持たせ、両端をグルーで固定して位置決め（試作レベル）。本格運用なら3Dプリントホルダー兼遮光ケース推奨。

ペルチェ駆動：BTS7960モータードライバでPWM駆動（理想は可変電流駆動だが入手性優先）。

動作確認・調整：スケッチ書き込み後、OPT101感度を半固定抵抗で調整（データシートFig.3参照）。デバッグ時はミラーに息を吹きかけたり物体をかざしたりして結露擬似。エアコンのオンオフで湿度変化を観測可能。

安全上の注意

現在のコードは冷却のみ対応ですが、ハードウェアはペルチェ極性反転で加熱も可能です。結露除去で応答速度向上や汚れ除去に有効ですが、ミラー側にヒートシンクがないため、暴走すると接着剤溶解や配線溶融・火災のリスクがあります。加熱機能を実装する場合は十分な安全策を講じてください。

精度について

露点温度は絶対値なので、静電容量式ほどキャリブレーションはクリティカルではない。
ミラー表面の温度センサ位置と光学検出位置の温度差が誤差源。市販品で校正可能。
ミラー汚染：反射光基準は冷却開始時の「結露なし状態」なので、汚れによる反射率低下は検出に影響しにくい。ただし汚れが結露温度自体を変える可能性あり。定期清掃推奨。
温度センサは高分解能（ジッター<0.1℃）が必須。TSYS01等の高精度センサ推奨。
センサとミラーの熱的接触は非導電性熱伝導グリスで確実に。
冷却速度がセンサ応答速度を超えると露点検出が遅れる。緩やかな冷却が精度向上に有利だが応答遅くなる。露点付近で温度振動させる手法で両立可能。
赤外線温度計はミラーが熱放射を反射するため周囲の影響を受け不向き。

気圧依存性は通常環境では無視可能。ドア開閉等の急激な圧力変化の方がノイズになり得る。
ペルチェ排熱がミラーにかからないよう気流設計に注意。

Arduinoスケッチ（Chilled Mirror Hygrometer）

#include <math.h>
#include <avr/wdt.h> // Watchdog for safety
// Custom libraries
#include "Si7021.h"
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
// Timer library: https://github.com/brunocalou/Timer
#include "timer.h"
#include "timerManager.h"

// Hardware pins
#define coolingPWM 6
#define heatingPWM 5
#define coolingEnable 13
#define heatingEnable 12
#define tecFan 7
#define opticalSensor 0 // Analog in
#define oneWireBus A3

// TEC states
#define COOLING 0
#define HEATING 1
#define OFF 2

// Timers
Timer timerMainLoop;
Timer timerTecCooling;
Timer timerSampleNoise;

// Sensors
Si7021 si7021;
OneWire oneWire(oneWireBus);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

float humidity = 0;
float ambientTemp = 0;
float opticalDewpoint = 0;
float mirrorTemp = 30;
float optical = 30;
float dewPoint = 15; // initial < mirrorTemp
float relativeHumidity = 30;
int tecState = OFF;
bool cooling = false;
int intervalTecCooling = 200; // ms
float opticalThreshold = 0.5f; // condensation detection threshold
int pwmIncrement = 1;
int startPwm = 100;
int maxPwm = 255;
int intervalMainLoop = 200;
int tecPwm = 0;
int noiseSampleIndex = 0;
int noiseSampleAmount = 10;
float noiseSampleHighest = 0;
float noiseSampleLowest = 10000;
bool noiseSampling = false;

// August-Roche-Magnus approximation for RH calculation
float calculateHumidity(float TD, float T) {
  if (TD > T) TD = T;
  float rh = 100 * (exp((17.625 * TD) / (243.04 + TD)) / exp((17.625 * T) / (243.04 + T)));
  return rh;
}

// TEC control via BTS7960
void SetTEC(int state, int amount) {
  tecState = state;
  // Note: both enable pins need HIGH for BTS7960
  switch (state) {
    case COOLING:
      digitalWrite(heatingEnable, HIGH); analogWrite(heatingPWM, 0);
      digitalWrite(coolingEnable, HIGH); analogWrite(coolingPWM, amount);
      break;
    case HEATING:
      digitalWrite(coolingEnable, HIGH); analogWrite(coolingPWM, 0);
      digitalWrite(heatingEnable, HIGH); analogWrite(heatingPWM, amount);
      break;
    case OFF:
    default:
      digitalWrite(coolingEnable, LOW); analogWrite(coolingPWM, 0);
      digitalWrite(heatingEnable, LOW); analogWrite(heatingPWM, 0);
  }
}

void setup() {
  wdt_enable(WDTO_2S); // Safety watchdog
  Serial.begin(9600);
  pinMode(coolingPWM, OUTPUT);
  pinMode(heatingPWM, OUTPUT);
  pinMode(coolingEnable, OUTPUT);
  pinMode(heatingEnable, OUTPUT);
  pinMode(tecFan, OUTPUT);
  pinMode(opticalSensor, INPUT);

  // Timers
  timerMainLoop.setInterval(intervalMainLoop);
  timerMainLoop.setCallback(mainLoop);
  timerMainLoop.start();
  timerTecCooling.setInterval(intervalTecCooling);
  timerTecCooling.setCallback(tecCoolingCallback);
  timerSampleNoise.setInterval(intervalTecCooling);
  timerSampleNoise.setCallback(sampleNoiseCallback);

  si7021.begin();
  uint64_t serialNumber = si7021.getSerialNumber();
  sensors.begin();
  startNoiseSampling();
}

float getOptical() {
  int opt = analogRead(opticalSensor);
  return (float)opt / 30.0f;
}

void tecCoolingCallback() {
  digitalWrite(tecFan, HIGH);
  tecPwm += pwmIncrement;
  if (tecPwm > maxPwm) tecPwm = maxPwm;
  SetTEC(COOLING, tecPwm);
  // Condensation detected?
  if (optical <= (noiseSampleLowest - opticalThreshold)) {
    dewPoint = mirrorTemp;
    opticalDewpoint = optical;
    stopTec();
  }
}

void startNoiseSampling() {
  noiseSampling = true;
  noiseSampleHighest = 0;
  noiseSampleLowest = 10000;
  timerSampleNoise.start();
}

void sampleNoiseReset() {
  timerSampleNoise.stop();
  noiseSampleIndex = 0;
  noiseSampling = false;
}

void sampleNoiseCallback() {
  if (noiseSampleIndex > noiseSampleAmount) {
    sampleNoiseReset();
    startTecCooling();
  } else {
    if (optical > noiseSampleHighest) noiseSampleHighest = optical;
    if (optical < noiseSampleLowest) noiseSampleLowest = optical;
  }
  noiseSampleIndex++;
}

void startTecCooling() {
  cooling = true;
  digitalWrite(tecFan, HIGH);
  tecPwm = startPwm;
  timerTecCooling.start();
}

void stopTec() {
  cooling = false;
  digitalWrite(tecFan, LOW);
  timerTecCooling.stop();
  SetTEC(OFF, 0);
}

void mainLoop() {
  // Ambient temp (DS18B20)
  sensors.setResolution(10);
  sensors.requestTemperatures();
  ambientTemp = sensors.getTempCByIndex(0);
  // Mirror temp (Si7021)
  mirrorTemp = si7021.measureTemperature();
  // Optical reading
  optical = getOptical();
  relativeHumidity = calculateHumidity(dewPoint, ambientTemp);

  // Serial Plotter output
  Serial.print(mirrorTemp, 2); Serial.print(" ");
  Serial.print(optical, 2); Serial.print(" ");
  Serial.println(dewPoint, 2);

  // Restart cooling when condensation clears
  if (!cooling && !noiseSampling && (optical >= noiseSampleLowest)) {
    startNoiseSampling();
  }
}

void loop() {
  wdt_reset(); // Watchdog feed
  TimerManager::instance().update();
}

回路図

Arduinoと1Sheeldで作る万能Androidリモコン──IR制御で家電を一括操作 Leap Motionで操作するレーザー戦車の製作 – Arduino、Raspberry Pi、RGB LED

製造プロセス

3Dプリント

自動制御システム

産業技術