(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測装置において、
複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、その超音波生成信号に応じて超音波を送信する超音波送信手段と、
上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電気信号に変換し超音波受信信号とする超音波受信手段と、
上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、上記超音波受信信号に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点を求め、その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を気体濃度の変化分として検出する気体濃度計測手段と、
を備えることを特徴とする気体濃度計測装置。
【請求項２】
上記閾値降下時点と上記信号出力時点との差分は、気体の混合比にリニアに応答する、請求項１に記載の気体濃度計測装置。
【請求項３】
測定対象領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測方法において、
複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、その超音波生成信号に応じて超音波を送信し、
上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電気信号に変換して超音波受信信号とし、
上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、上記超音波受信信号に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点を求め、その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を気体濃度の変化分として検出する、
ことを特徴とする気体濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、測定対象領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測装置および気体濃度計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、気体の濃度変化や流量変化の計測を行う手法として、物質の誘電率の計測を行う「誘電緩和法」や、電磁波の吸収分布の計測を行う「吸収スペクトル計測法」、また通過した超音波の振幅の減衰率の計測を行う「超音波伝搬波減衰度計測法」などがある。いずれの方法も高い時間分解能はもたない。
【０００３】
一方、送信機から受信機への音波の伝搬時間の計測を行う伝搬時間差法は、シンプルな手法であり、時間分解能の向上にもつながる。この手法の場合、正弦波等の定常波を送信機から送信して受信機で受信し、その送信元の定常波（送信波）と、受信機からの信号（受信波）とを比較してその波のピークのずれ（位相差）を伝搬時間とし、その伝搬時間が気体の濃度変化や流量変化に対応するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように、気体の濃度変化等の計測を、定常波を用いて行うと、その定常波の２次、３次の反射が発生するため、超音波の送信部、受信部の距離が１ｃｍ未満の場合は計測が不可能となり、細管の中の気体変化はこの手法では計測が不可能であるという問題点を有していた。
【０００５】
一方、定常波に代えて、矩形パルス波を用いて上記の問題点を解消するようにした気体濃度計測装置も開発されている。この矩形パルス波を用いる手法では、先ず矩形パルス波に基づいて生成した超音波を、受信側の超音波受信素子で受信し、その超音波受信信号に対し、例えば予め特定した最初から何番目かの波が閾値電圧を超えた時点と、矩形パルス波の最初の信号出力時点との時間差分を求め、その時間差分を測定対象領域での気体濃度変化、流量変化として出力している。しかし、上記の測定ポイントは超音波受信素子が音波をうけて、振動を開始した直後の時間帯に位置しており、この時間帯は未だ超音波受信素子の動作が不安定であり、測定結果が不安定であった。このため、従来は多数回の計測とその平均処理を行い代表値としており、このため、計測に時間が掛かり、また、計測作業も繁雑化していた。
【０００６】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、超音波の送信部、受信部の距離が１ｃｍ未満の場合であっても気体の濃度変化等を計測することができ、かつ１回の計測だけで高精度で安定した測定結果を得ることができる気体濃度計測装置および気体濃度計測方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、測定対象領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測装置において、複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、その超音波生成信号に応じて超音波を送信する超音波送信手段と、上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電気信号に変換し超音波受信信号とする超音波受信手段と、上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、上記超音波受信信号に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点を求め、その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を気体濃度の変化分として検出する気体濃度計測手段と、を備えることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、測定対象領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測方法において、複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、その超音波生成信号に応じて超音波を送信し、上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電気信号に変換して超音波受信信号とし、上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、上記超音波受信信号に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点を求め、その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を気体濃度の変化分として検出する、ことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１はこの発明の気体濃度計測装置のブロック図である。図において、この発明の気体濃度計測装置１は、測定対象領域Ｒの気体の濃度変化を計測する気体濃度計測装置１であり、複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号Ｓ１とし、その超音波生成信号Ｓ１に応じて超音波を送信する超音波送信手段２と、上記測定対象領域Ｒの気体を通過した後の超音波を電気信号に変換し超音波受信信号Ｓ２とする超音波受信手段３と、その超音波生成信号Ｓ１の信号出力時点ｓｔを検出する一方、超音波受信信号Ｓ２に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点ｓｄを求め、その閾値降下時点と信号出力時点ｓｔとの差分を気体濃度の変化分として検出する気体濃度計測手段４と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
次に図２〜図７を用いてより具体的に説明する。
【００１２】
図２は測定対象領域周辺の要部構成例を示す図である。上記の超音波送信手段２および超音波受信手段３は、図２に示すように、例えば圧電素子からなる超音波送信素子２１および超音波受信素子３１をそれぞれ備え、超音波送信素子２１は、超音波生成信号Ｓ１に応じて、例えば４００ＫＨｚの超音波を送信する。この超音波は、例えば空気と窒素が交互に流れる測定対象領域Ｒを通過後、超音波受信素子３１で受信されて電気信号に変換され超音波受信信号Ｓ２として出力される。
【００１３】
図３は気体濃度計測装置の超音波パルス発生部を示す回路図、図４は気体濃度計測装置の超音波パルス受信部を示す回路図、図５は気体濃度計測装置の時間差計測部を示す回路図、図６は気体濃度計測装置の所定の部位での信号波形を示す図である。
【００１４】
本発明の気体濃度計測装置１では、超音波を生成する際に、図６（ａ）に示すような、所定の周期を有する複数（例えば数個〜十個程度）の矩形パルス波からなる矩形パルス波群Ｓ１を用いる。この矩形パルス波群（超音波生成信号）Ｓ１は、図３に示す超音波パルス発生部２０で生成され、その最終段の超音波送信素子２１に入力され、この超音波送信素子２１の振動に応じて超音波が出力される。そして、超音波パルス発生部２０のタイマＩＣ（５５５）と分周器との間の信号線から分岐して取られた超音波生成信号Ｓ１は、図５の時間差計測部６に出力される。
【００１５】
一方、測定対象領域Ｒを通過し気体の影響を受けた超音波は、図４の超音波パルス受信部５の超音波受信素子３１で受信されて電気信号に変換され、図６（ｂ）に示すような、超音波受信信号Ｓ２となる。超音波パルス受信部５は、その後この超音波受信信号Ｓ２に対して、ローパス（low pass）フィルターを用いて包絡線抽出処理を施し、図６（ｃ）に示すような、包絡処理信号Ｓ３を生成する。また、この包絡処理信号Ｓ３と閾値電圧Ｅ０との比較をコンパレータを用いて行い、包絡処理信号Ｓ３が閾値電圧Ｅ０を越え、その後降下して閾値電圧Ｅ０を切った時点を閾値降下時点ｓｄとして検出し、その閾値降下時点ｓｄを時間差計測部６に出力する。
【００１６】
また、時間差計測部６は、上記の超音波生成信号Ｓ１が入力されると、その超音波生成信号Ｓ１の最初の信号出力時点ｓｔを求める。そして、上記の閾値降下時点ｓｄと信号出力時点ｓｔとの時間差分を求め、この時間差分を気体濃度の変化分として出力する。
【００１７】
なお、図１で示した各手段２，３，４のうち、超音波送信手段２は、超音波パルス発生部２０に相当し、超音波受信手段３は、超音波パルス受信部５の超音波受信素子３１に相当し、気体濃度計測手段４は、超音波受信素子３１より後段側の超音波パルス発生部２０と時間差計測部６とが相当している。
【００１８】
このように、この発明の気体濃度計測装置１では、包絡処理信号Ｓ３の閾値降下時点ｓｄと超音波生成信号Ｓ１の最初の信号出力時点ｓｔとの時間差分を求めるようにした。この時間差分は、測定対象領域Ｒでの気体濃度変化や気体流量変化に応じた値となり、この時間差分を求めることで、測定対象領域Ｒでの気体濃度変化や気体流量変化を精度良く求めることができる。ところで、閾値降下時点ｓｄは、超音波受信信号Ｓ２が減衰し、安定している領域に位置しているので、測定結果も安定しており、このため従来、データの精度維持を図るために必要であった平均加算などの処理が不要となり、一度の超音波の送信・受信で気体中の濃度変化の計測を行うことが可能となり、したがって、気体濃度変化の測定を短時間で速やかに求めることができるようなった。
【００１９】
また、この発明では、矩形パルス波を用いて超音波を生成するようにしたので、従来定常波を用いていたときに発生していた２次、３次の反射は発生せず、このため、超音波送信素子２１と超音波受信素子３１との距離を数ｍｍ程度まで短くしても、計測が可能となり、細管の中の気体濃度変化や気体流量変化を高精度で測定することができるようになった。
【００２０】
なお、従来は、超音波受信信号Ｓ２に対し、予め特定した最初から何番目かの波が閾値電圧を超えた時点（図６（ｂ）のＡ点）、あるいは包絡線抽出処理を施し最初に閾値電圧を超えた時点を音波到達時刻とし、その音波到達時刻と、信号出力時点ｓｔとの時間差分を求め、その時間差分を測定対象領域Ｒでの気体濃度変化、流量変化として出力していた。しかし、超音波受信素子３１が音波をうけて、振動を開始する時点付近（図２のＡ点近傍）は不安定であり、従来は上記のように「何番目の波を検出する」というアルゴリズムを用いて対処している。しかし、実際にそのアルゴリズムに基づいて計測を行っても、やはり測定結果が不安定であるため、複数回の計測・平均を行い代表値としている。つまり時間分解能を犠牲にすることで、安定した信号を得ていた。
【００２１】
これに対し、本発明者は、超音波受信素子３１は、音波を受け始める前半部分は前述のように不安定であるが、後半（受信波（超音波受信信号Ｓ２）が減衰する部分）は非常に安定している（同一実験下ではぶれが起きにくい）ことを見出し、この安定した後半部分を計測に用いるようにした。このため、本発明では、ローパスフィルタを用い、先ず受信波の包絡線を抽出し、この包絡線の立ち上がりではなく、たち下がりの時点ｓｄの検出を行った。つまり閾値電圧Ｅ０を超えた時点を求めるのではなく、閾値電圧Ｅ０を下回った時点の算出を行った。この結果、平均加算などの処理を行わずに一度の超音波の送信・受信で気体中の濃度変化や流量変化の計測を行うことが可能となった。
【００２２】
次に実際の測定結果について、図７、図８および図９を用いて説明する。
【００２３】
図７は気体切り換え装置の構成例を示す図、図８は図７の気体切り替え装置を用いて測定対象領域の気体を切り換えその濃度変化を本発明の気体濃度計測装置で測定した結果を示す図である。
【００２４】
図７において、測定対象領域Ｒには、空気と窒素の双方が常時流入可能となっており、切り替え部Ｒ１が例えば空気側に連通され、空気が切り替え部Ｒ１から吸引されると、窒素のみが測定対象領域Ｒを流れるようになる。そして、気体濃度計測装置１は、超音波送信素子２１から超音波を送信して、測定対象領域Ｒの気体を通過させることで、その気体濃度変化を計測する。
【００２５】
ここでは、先ず切り替え部Ｒ１で窒素を吸引して測定対象領域Ｒに空気を供給しておき、次に切り替え部Ｒ１での電磁弁切り替えにより、空気を吸引して窒素を２００ミリ秒だけ供給し、その切り替え時の気体濃度変化を測定するようにした。超音波送信素子２１と超音波受信素子３１との距離は３ｍｍとした。図８はその測定を１回だけ実施した結果であり、この１回の測定だけで、５０ミリ秒経過後から窒素への切り替えが始まり、およそ１５０ミリ秒で切り替わりが完了している様子がはっきりとわかる。従来の定常波を用いた測定で分子量が４４の二酸化炭素と分子量２８．８の空気のコントラストの計測を行った結果（３０回の加算平均をとった結果）と比較して、本発明の測定は分子量２８の窒素と２８．８の空気で分子量が近似している同士の計測を行い、しかも１回だけの測定であるにもかかわらず、従来に対して高いＳ／Ｎ比を実現している。
【００２６】
また、図７の気体切り替え装置を用いて、酸素と窒素を流し、酸素の割合を、０％（窒素１００％）、５％、１０％、１５％、２０％（空気）、２５％と変化させたときの、閾値降下時点ｓｄと信号出力時点ｓｔとの時間差分を計測した結果を図９に示している。この発明の気体濃度計測装置１では、超音波受信信号Ｓ２の後半に位置している閾値降下時点ｓｄを検出して時間差分を計測するようにしているので、測定が高精度、高速にかつ安定して行われるとともに、そのことに起因して、図９から分かるように、時間差分が気体の混合比（組成比）にリニアに応答している。このような気体の混合比変化に対するリニアな応答は、従来の定常波を用いる手法や超音波受信信号の前半を用いる手法では見られないものであった。したがって、この気体濃度計測装置１を用いると、気体の混合比（組成比）の変化も高精度、高速に安定して計測することができることが分かった。
【００２７】
このような、高精度で高速、かつ安定した気体の濃度変化計測が可能な本発明によって、化学プラント、エンジンなどの流体の変化の様子を高時間分解能で計測を行うことが可能となる。
【００２８】
なお、上記の説明では、測定対象領域Ｒでは、空気と窒素、また酸素と窒素が交互に流れる場合について説明したが、この気体は空気や窒素に限定されることなく、任意の気体を採用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明では、包絡処理信号の閾値降下時点と超音波生成信号の信号出力時点との時間差分を求めるようにし、この閾値降下時点は、超音波受信信号が減衰し、安定している領域に位置しているので、測定結果も安定しており、このため従来、データの精度維持を図るために必要であった平均加算などの処理が不要となり、一度の超音波の送信・受信で気体中の濃度変化の計測を行うことが可能となる。したがって、気体濃度変化の測定を短時間で速やかに求めることができる。
【００３０】
また、矩形パルス波を用いて超音波を生成するようにしたので、従来定常波を用いていたときに発生していた２次、３次の反射は発生せず、このため、超音波送信素子と超音波受信素子との距離を数ｍｍ程度まで短くしても、計測が可能となり、細管の中の気体濃度変化や気体流量変化を高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の気体濃度計測装置のブロック図である。
【図２】測定対象領域周辺の要部構成例を示す図である。
【図３】気体濃度計測装置の超音波パルス発生部を示す回路図である。
【図４】気体濃度計測装置の超音波パルス受信部を示す回路図である。
【図５】気体濃度計測装置の時間差計測部を示す回路図である。
【図６】気体濃度計測装置の所定の部位での信号波形を示す図である。
【図７】気体切り換え装置の構成例を示す図である。
【図８】図７の気体切り替え装置を用いて測定対象領域の気体を切り換えその濃度変化を本発明の気体濃度計測装置で測定した結果を示す図である。
【図９】図７の気体切り替え装置を用いて測定対象領域の気体を切り換えその混合比変化を本発明の気体濃度計測装置で測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１      気体濃度計測装置
２      超音波送信手段
３      超音波受信手段
４      気体濃度計測手段
５      超音波パルス受信部
６      時間差計測部
２０      超音波パルス発生部
２１      超音波送信素子
３１      超音波受信素子
ｓｄ      閾値降下時点
ｓｔ      信号出力時点
Ｅ０      閾値電圧
Ｒ      測定対象領域
Ｒ１      切り替え部
Ｓ１      超音波生成信号（矩形パルス波群）
Ｓ２      超音波受信信号
Ｓ３      包絡処理信号
【図１】
0003700000.tif 000002
【図２】
0003700000.tif 000003
【図３】
0003700000.tif 000004
【図４】
0003700000.tif 000005
【図５】
0003700000.tif 000006
【図６】
0003700000.tif 000007
【図７】
0003700000.tif 000008
【図８】
0003700000.tif 000009
【図９】
0003700000.tif 000010