(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れるガス混合物中のガスの濃度を分析する音響セルにおいて、
共鳴チャンバを規定する隣接して結合された複数の音響キャビティをもつ内部を有するセルハウジングと、
前記共鳴チャンバを通してガス混合物を流すべく前記セルハウジングに流体的に接続されたガス通流手段と、
前記セルハウジングを通って流れる前記ガス混合物を介して音響信号を送るために前記セルハウジングの第１端に配備された音響駆動手段と、
前記音響信号を受信するために前記セルハウジングの第２端に配備された受信手段と、
前記受信された音響信号を処理する処理手段と、
前記流れるガス混合物の共鳴周波数を検出し、該ガス混合物の組成を決定する検出手段と、
前記音響駆動手段と前記受信手段のうちの少なくとも一つを前記音響セルから音響的に遮断する遮断手段と、
を備え、
前記音響駆動手段は、駆動変換器と、該駆動変換器と前記セルハウジングの前記第１端との間の第１ダイヤフラムとを含み、
前記駆動変換器は、
駆動カートリッジ・ハウジングと、
前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側に嵌装された金属ハウジングと、
前記駆動カートリッジハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側の少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記第１ダイヤフラムの近傍の前記金属ハウジングの内部の駆動マイクロホンと、
前記金属ハウジング内で前記駆動マイクロホンと背面を対向した非駆動マイクロホンとを含み、かつ、
前記駆動マイクロホンおよび非駆動マイクロホンは、同期入力信号を共有している、
ことを特徴とする、流れるガス混合物中のガスの濃度を分析する音響セル。
【請求項２】
前記ガス通流手段は、前記セルハウジング内におけるガス導入孔により前記ハウジングに接続されたガス取入管と、前記セルハウジング内におけるガス吐出口により前記セルハウジングに接続されたガス吐出管と、を備える請求項１に記載の音響セル。
【請求項３】
前記複数の音響キャビティの数は３個である、請求項１に記載の音響セル。
【請求項４】
前記複数の音響キャビティの内の少なくとも２個は異なる寸法を有する、請求項１に記載の音響セル。
【請求項５】
前記受信手段は、受信変換器と、該受信変換器と前記セルハウジングの前記第２端との間の第２ダイヤフラムと、を含む、請求項１に記載の音響セル。
【請求項６】
前記受信変換器は、
受信カートリッジ・ハウジングと、
該受信カートリッジ・ハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記第２ダイヤフラムの近傍の前記受信カートリッジ・ハウジング内部の受信マイクロホンと、
を含む、請求項５に記載の音響セル。
【請求項７】
前記駆動マイクロホンおよび前記非駆動マイクロホンは、ダイナミックマイクロホンであり、かつ前記受信マイクロホンはエレクトレット型マイクロホンである、請求項６に記載の音響セル。
【請求項８】
前記駆動手段は静電型マイクロホンを含み、かつ前記受信手段はキャパシタンス型マイクロホンを含む、請求項１に記載の音響セル。
【請求項９】
流れるガス混合物中のガスの濃度を分析する音響セルにおいて、
共鳴チャンバを規定する隣接して結合された複数の音響キャビティをもつ内部を有するセルハウジングと、
前記共鳴チャンバを通してガス混合物を流すべく前記セルハウジングに流体的に接続されたガス通流手段と、
前記セルハウジングを通って流れる前記ガス混合物を介して音響信号を送るために前記セルハウジングの第１端に配備された音響駆動手段と、
前記音響信号を受信するために前記セルハウジングの第２端に配備された受信手段と、
前記受信された音響信号を処理する処理手段と、
前記流れるガス混合物の共鳴周波数を検出し、該ガス混合物の組成を決定する検出手段と、
前記音響駆動手段と前記受信手段のうちの少なくとも一つを前記音響セルから音響的に遮断する遮断手段と、
を備え、
前記音響駆動手段は、
駆動カートリッジ・ハウジングと、
該駆動カートリッジハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記駆動カートリッジ・ハウジングと前記セルハウジングの前記第一端との間の第１ダイヤフラムと、
前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側に嵌装された金属ハウジングと、
前記第１ダイヤフラムの近傍の前記金属ハウジングの内部の駆動マイクロホンと、
前記金属ハウジング内で前記駆動マイクロホンと背面を対向した非駆動マイクロホンとを含み、
前記駆動マイクロホンおよび非駆動マイクロホンは、同期入力信号を共有しており、かつ、
前記受信手段は、
受信カートリッジ・ハウジングと、
該受信カートリッジ・ハウジングと前記セルハウジングの前記第２端との間の第２ダイヤフラムと、
前記受信カートリッジ・ハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記第２ダイヤフラムの近傍の前記受信カートリッジ・ハウジング内部の受信マイクロホンと、
を備えることを特徴とする、流れるガス混合物中のガスの濃度を分析する音響セル。
【請求項１０】
前記音響セルの作動周波数は、前記第１ダイヤフラムの自己共鳴周波数および前記第２ダイヤフラムの自己共鳴周波数のいずれよりも低い、請求項９に記載の音響セル。
【請求項１１】
前記音響セルの作動周波数は、前記駆動カートリッジ・ハウジングの自己共鳴周波数および前記受信カートリッジ・ハウジングの自己共鳴周波数のいずれよりも低い、請求項９に記載の音響セル。
【請求項１２】
前記音響セルを加熱すべく前記セルハウジングに取り付けられた加熱手段と、
前記音響セルの温度を検出すべく前記セルハウジングに取り付けられた検出手段と、
を更に備えてなる、請求項９に記載の音響セル。
【請求項１３】
前記音響セルを加熱すべく前記セルハウジングに取り付けられた加熱手段と、
前記音響セルの温度を検出すべく前記セルハウジングに取り付けられた検出手段と、
を更に備えてなる、請求項１に記載の音響セル。
【請求項１４】
流れるガス混合物中のガスの組成を分析する音響センサにおいて、
共鳴チャンバを規定する複数の音響キャビティをもつ内部を有するハウジングと、
前記ハウジングを通してガス混合物を流すべく該ハウジングに流体的に接続された通流手段と、
駆動電気信号を受け、該駆動電気信号を駆動音響信号に変換し、かつ該駆動音響信号を前記共鳴チャンバを介して送るべく前記ハウジングの第１端に配備された駆動変換器手段と、
受信音響信号を受け、該受信音響信号を受信電気信号に変換し、かつ該受信電気信号を出力すべく前記ハウジングの第２端に配備された受信変換器手段と、
前記音響駆動手段と前記受信手段のうちの少なくとも一つを前記音響センサの残りのものから音響的に遮断する遮断手段と、
前記駆動電気信号を前記駆動変換器手段に送るとともに前記受信変換器手段により出力された前記受信電気信号を受ける処理手段と、
前記駆動音響信号の周波数を変更する手段と、
前記ガス混合物に付随する共鳴周波数を検出する手段と、を含み、
前記処理手段は前記ガス混合物の組成を決定する手段を含み、
前記駆動変換器手段は、駆動変換器と、該駆動変換器と前記ハウジングの前記第１端との間の第１ダイヤフラムとを含み、
前記駆動変換器は、
駆動カートリッジ・ハウジングと、
前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側に嵌装された金属ハウジングと、
前記駆動カートリッジハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側の少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記第１ダイヤフラムの近傍の前記金属ハウジングの内部の駆動マイクロホンと、
前記金属ハウジング内で前記駆動マイクロホンと背面を対向した非駆動マイクロホンとを含み、かつ、
前記駆動マイクロホンおよび非駆動マイクロホンは、同期入力信号を共有している、
ことを特徴とする、流れるガス混合物中のガスの組成を分析する音響センサ。
【請求項１５】
前記ガスに付随する共鳴周波数を検出する前記手段は、前記駆動電気信号に関する前記受信電気信号の位相遅れを測定する段階を含む、請求項１４に記載の音響センサ。
【請求項１６】
前記ガスに伴なう共鳴周波数を検出する前記手段は、前記駆動電気信号に関する前記受信電気信号の振幅を測定する段階を含む、請求項１４に記載の音響センサ。
【請求項１７】
前記共鳴チャンバ内の温度を監視し制御する手段を含む、請求項１４に記載の音響センサ。
【請求項１８】
音響共鳴チャンバを規定する、前記駆動変換器手段と前記受信変換器手段との間に配置された３つの隣接した音響キャビティを含み、実質的に同一サイズの音響キャビティはより小さいサイズの音響キャビティを挟み、前記音響共鳴チャンバの全容積は２０ｃｃより小さい、請求項１４に記載の音響センサ。
【請求項１９】
前記検出器は、約５ｋＨｚより低い動作周波数を有する、請求項１８に記載の音響センサ。
【請求項２０】
ガス混合物の組成を決定する方法において、
複数個の音響キャビティを有する音響セルを、ハウジング内に、音響信号を送る駆動手段と音響信号を受信する受信手段のうちの少なくとも一つから音響的に遮断して配備する段階と、
前記音響セルを通してガス混合物を流す段階と、
デジタル信号コントローラから駆動電気信号を受ける段階と、
前記駆動電気信号を駆動音響信号に変換する段階と、
前記音響セル内に設けられた前記駆動手段から前記音響セルを通って流れる前記ガス混合物を介して前記駆動音響信号を送る送信段階と、
前記ガス混合物を介して前記駆動信号を送る段階の後に、前記音響セルの反対側の端部に配備された前記受信手段を用いて、受信音響信号を受ける受信段階と、
前記受信音響信号を受信電気信号に変換する段階と、
前記受信電気信号を前記デジタル信号コントローラに出力する段階と、
前記デジタル信号コントローラ内で、前記受信電気信号を処理し、前記ガス混合物に付随する共鳴周波数を検出する段階と、
前記共鳴周波数に基づいて、前記ガス混合物の組成を決定する段階と、
を備え、
前記駆動手段は、駆動変換器と、該駆動変換器と前記ハウジングの第１端との間の第１ダイヤフラムとを含み、
前記駆動変換器は、
駆動カートリッジ・ハウジングと、
前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側に嵌装された金属ハウジングと、
前記駆動カートリッジハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側の少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、
前記第１ダイヤフラムの近傍の前記金属ハウジングの内部の駆動マイクロホンと、
前記金属ハウジング内で前記駆動マイクロホンと背面を対向した非駆動マイクロホンとを含み、かつ、
前記駆動マイクロホンおよび非駆動マイクロホンは、同期入力信号を共有している、
ことを特徴とするガス混合物の組成を決定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速で高感度の音響セルに関し、特に、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）ガスをインラインで継続的に監視するのに適した音響セル、音響センサおよびガス混合物の組成決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ  ）方法への関心が着実に高まっており、特に、例えば光電子工学を応用したＩｎＧａＡｓＰ  デバイスなどの複合薄膜構造を成長させる方法の関心が高まっている。このデバイスを成形する場合の膜成長は冷壁反応器内で行われ、該反応器内には、その量が厳密に制御された反応物が導入される。しかし、デバイスの品質および再現性は、反応器内への前駆体試薬の導入の正確さに大きく依存する。
【０００３】
通常、反応器内への前駆体試薬は、水素などのキャリヤ・ガスの流れにより、トリメチル・インジウム（ＴＭＩ）などの固体原料、または、トリメチル・ガリウム（ＴＭＧ  ）などの液体原料から導入される。また、前駆体試薬の濃度は、質量流量率（フローレート）、原料の分圧、および、操作圧力に基づいて見積もられるのが通常である。従来では、原料の蒸気圧は一定であり、かつ、キャリヤ・ガス内での前駆体のモル分率は安定している、という前提に立っている。しかしながら、固体原料の場合のように原料の蒸気圧が低かったり、あるいは、原料が相当の程度まで消費されてしまったときには、斯かる前提が常に成り立つとは限らない。また、薄膜が形成された後に該薄膜の品質を検査する方法は数多くあるが、品質制御およびプロセス制御の観点からは、膜の成長が始まる前に前駆体試薬の稠度（ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｓｙ）  を監視して制御すれば好適である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
蒸気の形態に在る前駆体試薬の稠度の監視は、キャリヤ・ガス内の前駆体試薬の割合を測定することにより行われる。この２元ガス分析は、光学的、化学的、または、音響学的な技術を用いて行われるのが普通である。音響学的技術の例としては、経過時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）技術、および共振空洞技術が挙げられる。経過時間装置においては、調整された超音波変換器を用い、短（５  μｓ  ）発式の音響パルスを発射するとともにこれを検出している。この点、２元ガスの組成に直接的に関係する音速は測定され得る一方、作動周波数は約１００ｋＨｚ以上とされるのが普通である。経過時間装置を用いた場合の問題点としては、パルス形状の不正確さ、反響、寄生伝導（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ）、信号減衰および、パルス形状の歪曲などがある。これらの問題があることから、低圧の水素型ガスとともに経過時間装置を使用すると、装置の性能は制限される。
【０００５】
共振空洞装置は２元ガス混合物の共鳴周波数を測定するものであり、共鳴周波数は２元ガスの組成に直接的に関係する。超音波共振空洞装置においても、幾つかの理由により問題が発生する。第１に、変換器は作動周波数範囲を包含すべく広帯域に調整して使用されることから、共振空洞装置は特定の種類のガスに向けて設計される必要があり、従って、その応用範囲は限定される。第２に、数十〜数百キロヘルツの周波数で作動する場合、センサ内には、径方向、軸心方向、および、方位方向などの多くの競合する共鳴モードが存在し、これらの共鳴は、例えばダイアフラムなどの個別要素の倍音共鳴と結合する。従って、組成、温度および圧力の変動を無視したとしても、どの共鳴が試験ガスによるものであるかを厳密に特定し、その共鳴を追跡することは極めて困難である。第３に、本来的に熱弾性的な減衰、即ち、ガス媒体における本来的な音波エネルギー減衰が存在し、これが問題を引き起こす。この点、水素型ガスにおいては、この減衰が作動周波数の２乗に従って増大し、従って、超音波範囲で共振空洞技術を使用する理由はない。
【０００６】
以上により、設計を行なう上では体積の小ささおよび周波数を考慮せねばならない。即ち、センサの体積は、所定のガスフローレート（流速）にてセンサを掃引するに必要な時間と直接的に関係している。もし、センサからの迅速な応答が必要であれば、センサ体積は実用的に小さくなければならない。但し、この体積を減少させたとしても、水素ガスを使用する場合には非常な欠点がある。即ち、水素は極めて軽量なガスであることから、作動圧力が１００Ｔｏｒｒ  （大気圧の１０％  ）以下である場合には、閉塞された容積内で定常波を確立する流体の媒体が殆ど存在しないのである。また、共鳴装置の金属閉塞体を貫通する寄生信号が、ガスを貫通する信号に等しくなりまたはこれよりも優位になり、位相−周波数の関係を歪曲させてしまう。さらに、共鳴器のクォリティ・ファクタ（Ｑ  ）が相当に低下し、共鳴を安定に保つことが難しくなる。このＱ  を可及的に高レベルに保ち、これにより、２元ガス分析器としての感度を低下せしめる“定態安定性の損失”を回避することは極めて重要である。従って、小体積としては２０ｃｃ以下、高いＱ  としては２０以上が望ましい。
【０００７】
一方、作動周波数はセンサ・セルの長さに部分的に依存する一方、体積および所望のＱ  にも依存する。直円筒形状のセンサ・セル（が、本譲受人が開発したＩＮＣＯＮＥＬ  の１”のダイヤフラムに装着される為）の１インチの端径の場合、体積を１８ｃｃとするならばセルの長さは３５．５ｍｍとなる。また、水素ガス（音速は１，２６０ｍ／ｓ）とともに使用される場合、実現可能な作動周波数の最低値は約１７，７３５  Ｈｚ  である。体積が一定ならば、直径を小さく設計すると長さが増大して共鳴周波数が低くなる。しかし乍ら、ダイヤフラムを介した音響信号の伝達は、その直径の４乗に比例して変化することから、ダイヤフラムの寸法を減少することは避けねばならない。
【０００８】
他方、１７Ｋｈｚ  の共鳴器には、多くの問題が付随する。例えば、殆どのマイクロホンは７Ｋｈｚまでは比較的にフラットに応答するが、１０Ｋｈｚ  を越えると、マイクロホンが自己共鳴する周波数を除き、マイクロホンの効率は激しく低下する。本譲受人が開発したＩＮＣＯＮＥＬ  ダイヤフラムの最低モード周波数は５．５  〜７Ｋｈｚの範囲である。ダイヤフラムの内部共鳴から生じる複雑化を避けるためこの範囲以下で作動することが好ましい。最後に、内部摩擦は、水素型ガスの作動周波数の２乗に比例して増大する。
【０００９】
従って、本発明の目的は、先行技術における欠点および制限を克服し得る音響センサを提供するにある。
本発明の他の目的は、小さな体積、高いＱ  、および、５Ｋｈｚ以下の作動周波数を有する音響センサを提供するにある。
本発明の更なる目的は、工場における校正を要せずに、２元ガス組成を決定し得る音響センサを提供するにある。
【００１０】
本発明の更に別の目的は、寄生信号コンダクタンスを減少する音響センサを提供するにある。
本発明の更に他の目的は、極めて低い圧力においてＳＮ（信号対ノイズ）比を増大させ得る音響センサを提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
簡潔に述べれば、音響セルは流体的に相互結合された複数の音響キャビティを含んでいる。これらの音響キャビティの少なくとも２個は、相互に異なる長さおよび断面積を有している。また、音響セルの端部セグメントは、均一な円筒形状または円錐形状とされている。更に、音響セルの一端の駆動変換器および他端の受信変換器は音響セルから音響的に遮断されている。而して、好適には金属製の一対の遮断ダイヤフラムがこれらの変換器間で音響信号を伝達するが、音響信号の位相−周波数特性を著しく変化させることはない。音響セルは音響共鳴器として作動するが、これは、遮断ダイヤフラムまたは駆動変換器および受信変換器の一切の自己共鳴周波数より低い周波数で作動する。２元ガスがセルを通じて流されるとき、プロセッサはセル内のガスの共鳴周波数を検出してガス組成を決定する。
【００１２】
本発明の一実施例によれば、音響セルは、流れるガス混合物中のガスの濃度を分析する音響セルにおいて、共鳴チャンバを規定する隣接して結合された複数の音響キャビティをもつ内部を有するセルハウジングと、前記共鳴チャンバを通してガス混合物を流すべく前記セルハウジングに流体的に接続されたガス通流手段と、前記セルハウジングを通って流れる前記ガス混合物を介して音響信号を送るために前記セルハウジングの第１端に配備された音響駆動手段と、前記音響信号を受信するために前記セルハウジングの第２端に配備された受信手段と、前記受信された音響信号を処理する処理手段と、前記流れるガス混合物の共鳴周波数を検出し、該ガス混合物の組成を決定する検出手段と、前記音響駆動手段と前記受信手段のうちの少なくとも一つを前記音響セルから音響的に遮断する遮断手段と、を備え、前記音響駆動手段は、駆動変換器と、該駆動変換器と前記セルハウジングの前記第１端との間の第１ダイヤフラムとを含み、前記駆動変換器は、駆動カートリッジ・ハウジングと、前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側に嵌装された金属ハウジングと、前記駆動カートリッジハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用Ｏ−リングと、前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側の少なくとも１個の音響的遮断用Ｏ−リングと、前記第１ダイヤフラムの近傍の前記金属ハウジングの内部の駆動マイクロホンと、前記金属ハウジング内で前記駆動マイクロホンと背面を対向した非駆動マイクロホンとを含み、かつ、前記駆動マイクロホンおよび非駆動マイクロホンは、同期入力信号を共有している。
【００１３】
また、本発明の一実施例によれば、音響センサは、流れるガス混合物中のガスの組成を分析する音響センサにおいて、共鳴チャンバを規定する複数の音響キャビティをもつ内部を有するハウジングと、前記ハウジングを通してガス混合物を流すべく該ハウジングに流体的に接続された通流手段と、駆動電気信号を受け、該駆動電気信号を駆動音響信号に変換し、かつ該駆動音響信号を前記共鳴チャンバを介して送るべく前記ハウジングの第１端に配備された駆動変換器手段と、受信音響信号を受け、該受信音響信号を受信電気信号に変換し、かつ該受信電気信号を出力すべく前記ハウジングの第２端に配備された受信変換器手段と、前記音響駆動手段と前記受信手段のうちの少なくとも一つを前記音響センサの残りのものから音響的に遮断する遮断手段と、前記駆動電気信号を前記駆動変換器手段に送るとともに前記受信変換器手段により出力された前記受信電気信号を受ける処理手段と、前記駆動音響信号の周波数を変更する手段と、前記ガス混合物に付随する共鳴周波数を検出する手段と、を含み、前記処理手段は前記ガス混合物の組成を決定する手段を含み、前記駆動変換器手段は、駆動変換器と、該駆動変換器と前記ハウジングの前記第１端との間の第１ダイヤフラムとを含み、前記駆動変換器は、駆動カートリッジ・ハウジングと、前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側に嵌装された金属ハウジングと、前記駆動カートリッジハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用Ｏ−リングと、前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側の少なくとも１個の音響的遮断用Ｏ−リングと、前記第１ダイヤフラムの近傍の前記金属ハウジングの内部の駆動マイクロホンと、前記金属ハウジング内で前記駆動マイクロホンと背面を対向した非駆動マイクロホンとを含み、かつ、前記駆動マイクロホンおよび非駆動マイクロホンは、同期入力信号を共有している。
【００１４】
更に、本発明の一実施例によれば、ガス混合物の組成を決定する方法は、ガス混合物の組成を決定する方法において、複数個の音響キャビティを有する音響セルを、ハウジング内に、音響信号を送る駆動手段と音響信号を受信する受信手段のうちの少なくとも一つから音響的に遮断して配備する段階と、前記音響セルを通してガス混合物を流す段階と、デジタル信号コントローラから駆動電気信号を受ける段階と、前記駆動電気信号を駆動音響信号に変換する段階と、前記音響セル内に設けられた前記駆動手段から前記音響セルを通って流れる前記ガス混合物を介して前記駆動音響信号を送る送信段階と、前記ガス混合物を介して前記駆動信号を送る段階の後に、前記音響セルの反対側の端部に配備された前記受信手段を用いて、受信音響信号を受ける受信段階と、前記受信音響信号を受信電気信号に変換する段階と、前記受信電気信号を前記デジタル信号コントローラに出力する段階と、前記デジタル信号コントローラ内で、前記受信電気信号を処理し、前記ガス混合物に付随する共鳴周波数を検出する段階と、前記共鳴周波数に基づいて、前記ガス混合物の組成を決定する段階と、を備え、前記駆動手段は、駆動変換器と、該駆動変換器と前記ハウジングの第１端との間の第１ダイヤフラムとを含み、前記駆動変換器は、駆動カートリッジ・ハウジングと、前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側に嵌装された金属ハウジングと、前記駆動カートリッジハウジングの回りの少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、前記駆動カートリッジ・ハウジングの内側の少なくとも１個の音響的遮断用O-リングと、前記第１ダイヤフラムの近傍の前記金属ハウジングの内部の駆動マイクロホンと、前記金属ハウジング内で前記駆動マイクロホンと背面を対向した非駆動マイクロホンとを含み、かつ、前記駆動マイクロホンおよび非駆動マイクロホンは、同期入力信号を共有している。
【００１５】
本発明に係る上記および上記以外の目的、特徴および利点について、同一の要素を同一の参照番号で示した添付図面を参照して以下に説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
ガス組成の分析は、与えられたガス媒体内での音速を測定して行われる。ガスの２元混合物に関し、音速ｃ  は下式（１）で与えられる。
【００１７】
【数１】
0003615019.tif 000002
【００１８】
式中、γはガス混合物の平均比熱、Ｍ  はガス混合物の数平均分子量、Ｒ  は８３１１．７  ｍｋｓ単位（一般ガス定数）、および、Ｔ  は絶対温度である。
キャリヤ・ガス中の前駆体ガスのモル分率がｘ  であれば、次式が成立する。
【００１９】
【数２】
0003615019.tif 000003
【００２０】
該式は
【００２１】
【数３】
0003615019.tif 000004
【００２２】
および
【００２３】
【数４】
0003615019.tif 000005
【００２４】
として書き換えることができ、ここで、下添字１および２はそれぞれ、前駆体ガスおよびキャリヤ・ガスを表わしている。与えられた２元ガスのモル分率に関する情報は、上式（１）〜（４）から、次の様に得られる。此処で、便宜的に以下の量を定義する。
【００２５】
【数５】
0003615019.tif 000006
【００２６】
【数６】
0003615019.tif 000007
【００２７】
【数７】
0003615019.tif 000008
【００２８】
式（５）〜（７）を式（１）〜（４）と組み合わせれば、下式（８），（９）が得られる。
【００２９】
【数８】
0003615019.tif 000009
【００３０】
【数９】
0003615019.tif 000010
【００３１】
が得られる。
又、式（８）および式（９）を式（１）とともに用いれば、下式（１０）が得られる。
【００３２】
【数１０】
0003615019.tif 000011
【００３３】
式（１０）におけるＣ２は、
【００３４】
【数１１】
0003615019.tif 000012
【００３５】
により与えられる純粋なキャリヤ・ガス中の音速を示す。
音響的共鳴器内で測定された共鳴周波数は音速に正比例することから、比率を
【００３６】
【数１２】
0003615019.tif 000013
【００３７】
と定義するが、式（１２）中、ｆ  およびｆ２は、それぞれ、混合ガス中および純粋なキャリヤ・ガス中の共鳴周波数を示す。式（１０）〜（１２）を組み合わせれば、
【００３８】
【数１３】
0003615019.tif 000014
【００３９】
が得られる。
式（１３）を簡単にすると、
【００４０】
【数１４】
0003615019.tif 000015
【００４１】
の形の２次方程式が得られ、式（１４）においてＡ，ＢおよびＣはそれぞれ下式（１５），（１６），（１７）で与えられる。
【００４２】
【数１５】
0003615019.tif 000016
【００４３】
【数１６】
0003615019.tif 000017
【００４４】
【数１７】
0003615019.tif 000018
【００４５】
上式（１４）の解は、
【００４６】
【数１８】
0003615019.tif 000019
【００４７】
の形となる。取り得る解の範囲は、０  ≦ｘ１，２≦１  となる実数範囲内である。圧倒的に多数の２元ガス系において、ｘ  には唯一の解が存在するが、これは、前駆体ガスのモル分率と音速との間に単調な関係があることを意味する。図１は、水素キャリヤ・ガス中におけるＴＭＩ  に対するこの関係を示している。
本発明においては、式（１３）中の変数ｍ，  ｇおよびｉ  が、分析されつつある２元ガスに対して知られる。また、λが一旦決定されれば、ｘ１，２は算出できる。更に、ｆ２が知られていることから、ｆ  を一旦決定すれば式（１２）からλを算出できる。音響共鳴周波数に関する以下の検討内容は、本発明を理解する上で有用なものである。
【００４８】
ガス共鳴器は、
【００４９】
【数１９】
0003615019.tif 000020
【００５０】
に従って調和力により駆動される減衰共鳴器と見ることができる。式（１９）中、ｍ  は共鳴器の質量、λは減衰係数（対数的に減少）、ｋ  はバネ定数、Ａ０は駆動力の振幅、ｆ  は駆動力の振動数、ｘ  は時間ｔ  における質量の瞬間的移動量である。ｘ  の解は、ｘ＝ｘ０  ｃｏｓ（２πｆｔ＋  ψ）  の形となり、式中、ｘ０およびψは、それぞれ駆動周波数の振幅、および、力と結果的質量移動量ｘ  との間の位相の遅れ（ｌａｇ）  を表わす。ｘ０は
【００５１】
【数２０】
0003615019.tif 000021
【００５２】
として示され得ることが知られ、式中、ｆ０は
【００５３】
【数２１】
0003615019.tif 000022
【００５４】
により与えられる共鳴周波数であり、Ｑ  は
【００５５】
【数２２】
0003615019.tif 000023
【００５６】
により与えられる共鳴器のクオリテイ・ファクタである。位相の遅れは、
【００５７】
【数２３】
0003615019.tif 000024
【００５８】
により得られる。従って、振幅ｘ０および位相の遅れψは、考察中の系を完全に記述している。振幅ｘ０は、駆動周波数ｆ  がｆ０に等しいときにピーク値を取る。また、上記式（２３）を分析すると、
ｆ＜＜ｆ０  の場合、ψ＝０，
ｆ  ＝ｆ０の場合、ψ＝−π／２，
ｆ＞＞ｆ０  の場合、ψ＝−π
である。Ｑ  −１は共鳴器内に蓄積された総計エネルギーと比較した場合の減衰によるエネルギー損失率の比を表わすことから、ｆ０およびＱ  は共鳴器システムの機構の特徴を適切に表わしている。
【００５９】
図２は、共鳴の近傍における典型的な位相および振幅の変化を示す。
振幅の測定により共鳴周波数ｆ０を決定する為に、上記式（２０）から
【００６０】
【数２４】
0003615019.tif 000025
【００６１】
を定義する。ｙ（ｆ）をｙ（ｆ０）  で割れば、
【００６２】
【数２５】
0003615019.tif 000026
【００６３】
が得られる。
共鳴の近傍においてはｆ０２−ｆ２≒２ｆ０（ｆ０−ｆ）  である。ｆ０は未だ決定されていないことから、共鳴周波数ｆ０の近傍における基準周波数ｆ  Ｒ  に関し
【００６４】
【数２６】
0003615019.tif 000027
【００６５】
の様に周波数を定義する。増分周波数Δに関してｙ（ｆ）／ｙ（ｆ０）を書き換えれば、
【００６６】
【数２７】
0003615019.tif 000028
【００６７】
を得るが、式（２７）は
【００６８】
【数２８】
0003615019.tif 000029
【００６９】
として２次方程式の形に書き換えることができる。式（２８）中において、
【００７０】
【数２９】
0003615019.tif 000030
【００７１】
【数３０】
0003615019.tif 000031
【００７２】
【数３１】
0003615019.tif 000032
【００７３】
が成り立つ。
ｙ（Δ）  に関する放物線回帰を行ない、後述するｂ０，ｂ１およびｂ２に最適な値を決定する為に、ｆ  Ｒ  の回りで多数の測定を行なうのが好適である。次に式（２９）〜（３１）からは、
【００７４】
【数３２】
0003615019.tif 000033
【００７５】
【数３３】
0003615019.tif 000034
【００７６】
【数３４】
0003615019.tif 000035
【００７７】
【数３５】
0003615019.tif 000036
【００７８】
【数３６】
0003615019.tif 000037
【００７９】
が得られる。
図３は、共鳴の近傍におけるｙ（ｆ）＝１／ｘ０２およびｘ０をプロットしたものである。位相の測定から共鳴周波数ｆ０を決定する為に上式（２３）を下式（３７），（３８）と書き換える。
【００８０】
【数３７】
0003615019.tif 000038
【００８１】
【数３８】
0003615019.tif 000039
【００８２】
上述の如く、共鳴の近傍においてはｆ０２−ｆ２≒２ｆ０（ｆ０−ｆ）  である。従って、
【００８３】
【数３９】
0003615019.tif 000040
【００８４】
である。
ここでも、ｆ０は未だ決定されていないことから、共鳴周波数ｆ０の近傍の基準周波数ｆ  Ｒ  に関して周波数を
【００８５】
【数４０】
0003615019.tif 000041
【００８６】
と定義する。従って、下式（４１），（４２）が成り立つ。
【００８７】
【数４１】
0003615019.tif 000042
【００８８】
【数４２】
0003615019.tif 000043
【００８９】
ここで、ｂ０，  ｂ１およびｂ２はそれぞれ下式（４３），（４４）および（４４）で示される。
【００９０】
【数４３】
0003615019.tif 000044
【００９１】
【数４４】
0003615019.tif 000045
【００９２】
【数４５】
0003615019.tif 000046
【００９３】
最適な回帰係数を決定すべく放物線回帰を行なう前に、ｆ  Ｒ  の回りで多数の測定を行なう。すると、式（４３）〜（４５）から、下式（４６），（４７）および（４８）が得られる。
【００９４】
【数４６】
0003615019.tif 000047
【００９５】
【数４７】
0003615019.tif 000048
【００９６】
【数４８】
0003615019.tif 000049
【００９７】
図４は、共鳴の近傍における（−１／ｄψ）およびψをプロットした図である。
前述した放物線回帰法は、次のように説明される。
【００９８】
【数４９】
0003615019.tif 000050
【００９９】
の形のモデルの場合、回帰式は
【０１００】
【数５０】
0003615019.tif 000051
【０１０１】
の形の行列式を構成する。
この回帰行列を逆変換することにより、最適なパラメータが得られる。この行列式は任意の個数の測定データ点に逆変換できるが、基準値ゼロに関して等間隔とされ且つ対称なデータ点を選択することにより、作業は簡素化される。即ち、行列式の要素の半分はゼロとなる。例えば、１Ｈｚずつ離間した１１個のデータ点を基準点の回りに取れば、ｎ＝１１，Σｘ＝０，Σｘ２＝１１０，Σｘ３＝０およびΣｘ４＝１９５８  である。これらの値により、ｂ  の値は下記の逆行列式
【０１０２】
【数５１】
0003615019.tif 000052
【０１０３】
から得られる。
パラメータｂ  の値が一旦知られれば、共鳴周波数ｆ０は上述した振幅測定または位相測定から決定される。データを必ずしも１Ｈｚ  ずつ離間する必要はないが、等間隔とした場合には、パラメータｂ  は増加ステップｓ  により次のように比率をつけねばならない：
ｂ０  →  ｂ０，
ｂ１  →  ｂ１／ｓおよび
ｂ２  →  ｂ２／ｓ２  
図５〜図７を参照するに、音響セル１は、好適には金属製のハウジング１０を含んでおり、また、該ハウジング１０は例えば音響キャビティ（空洞）１１，１２および１３などの複数個の音響キャビティを含んでいる。音響キャビティ１２は他の音響キャビティ１１および１３よりも小さい。また、第１および第２ダイヤフラム２０ａ  および２０ｂ  は、ＩＮＣＯＮＥＬ  、ステンレス鋼、または、他の非酸化金属合金などの金属から成るのが好適である。第１および第２ダイヤフラム２０ａ，  ２０ｂがハウジング１０内に設置されるとき、ハウジング１０内のＯ−リング溝２２にはシール用Ｏ−リング２１が嵌装される。斯くして、第１および第２ダイヤフラム２０ａ，  ２０ｂは音響キャビティ１１および１３の側壁を形成する。
【０１０４】
図６の（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、例えば駆動マイクロホン・カートリッジ３０の如き駆動変換器がハウジング１０内に嵌装されて第１のダイヤフラム２０ａ  に当接している。この駆動マイクロホン・カートリッジ３０は、駆動第１ダイヤフラム２０ａ  を駆動する駆動マイクロホン３４と、非駆動（ａｎｔｉ−ｄｒｉｖｉｎｇ）マイクロホン３２とを含んでいる。駆動マイクロホン３４および非駆動マイクロホン３２は、好適にはハウジング３３にエポキシ接着される。ハウジング３３は、駆動マイクロホン・カートリッジ３０の内部円筒壁内の（不図示の）２個の遮断用Ｏ−リングにより駆動マイクロホン・カートリッジ３０から音響的に遮断されるのが好適である。この点、駆動マイクロホン・カートリッジ３０の外部円筒壁内の２個の遮断Ｏ−リング溝３８により、２個のＯ−リング３７は駆動マイクロホン・カートリッジ３０を音響的に減衰し、ハウジング１０を貫通する寄生路を通る信号伝達の一切を実質的に減ずることが出来る。１  〜７Ｋｈｚの範囲の駆動変換器としては、ダイナミック（ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ）マイクロホンで十分である。Ｏ−リング溝３８の各側の２個の通気孔６５により、駆動マイクロホン・カートリッジ３０内の圧力変化が均等化される。
【０１０５】
駆動マイクロホン・カートリッジ３０は、該駆動マイクロホン・カートリッジ３０内の所定位置にハウジング３３を保持する端部ワッシャ２２を含んでいる。この端部ワッシャ２２は、図６（Ｂ）に示されたネジ孔２４内に挿通された（不図示の）ネジを介して駆動マイクロホン・カートリッジ３０に締着されるのが好適である。また、端部ワッシャ２２とハウジング３３との間には、（不図示の）遮断Ｏ−リングが好適に嵌装される。他方、駆動マイクロホン・カートリッジ３０は、カラー２３によりハウジング１０内の所定位置に保持される。
【０１０６】
駆動入力３５は駆動マイクロホン３４および非駆動マイクロホン３２を同期して起動することから、駆動マイクロホン・カートリッジ３０はハウジング１０に与える運動量を最小限とし乍ら、音響セル１  内のガス媒体を介して音響信号を伝達する。従って、寄生路を介した信号伝達は略々ゼロであるが、ガス媒体を介した信号伝達は低下しない。尚、駆動マイクロホン３４および非駆動マイクロホン３２は、位相および振幅に関して選択的にかつ個々に調節可能である。これらのマイクロホンは、標準的な製造許容差を以て同一の製造業者により製造されるのであれば、位相および振幅に関して十分に整合するものである。
【０１０７】
図７を参照するに、例えば受信マイクロホン・カートリッジ４０などの受信変換器は、ハウジング１０内に嵌装されて第２ダイヤフラム２０ｂ  に当接する。受信マイクロホン・カートリッジ４０は、第２ダイヤフラム２０ｂ  からの振動を受けて受信信号４１ａ  を出力する受信マイクロホン４２を含んでいる。受信マイクロホン４２としては、音響信号を検出したときに極めて高い感度と十分に平坦な周波数応答とが必要なことから、エレクトレット（ｅｌｅｃｔｒｅｔ）型マイクロホンとするのが好適である。受信マイクロホン４２は、その寸法が小さいことから、受信マイクロホン・カートリッジ４０内に直接的に嵌装される。また、受信マイクロホン４２は、遮断Ｏ−リング４３により受信マイクロホン・カートリッジ４０から音響的に遮断されれば好適である。更に、受信マイクロホン・カートリッジ４０は、Ｏ−リング溝４８内に装入された遮断Ｏ−リング４７によりハウジング１０から音響的に遮断されている。Ｏ−リング溝３８の各側における２個の通気孔６５は、受信マイクロホン・カートリッジ４０内の圧力差を均等化する。尚、受信信号４１ａ  、電力線４１ｂ  、アース線４１ｃ  の全ては、受信マイクロホン・カートリッジ４０から電気的に絶縁されている。
【０１０８】
受信マイクロホン４２、駆動マイクロホン３４、非駆動マイクロホン３２は、上述の如く取り付けられ、音響セル１  の一端から他端への金属部分を通る雑音の伝導を最小限なものとする。本発明の低い作動圧力においては、雑音伝導を最小限にすることが重要である。
ここで図５に戻ると、音響キャビティ１１，１２および１３から成る音響共鳴チャンバと、非金属要素を有する駆動および受信マイクロホン３４，４２との間には、金属ダイヤフラム２０ａ，  ２０ｂが介装され、ガス流の汚染を防止するとともに、上記音響共鳴チャンバ内の圧力破裂からマイクロホンを保護している。ダイヤフラム２０ａ，  ２０ｂは、大気圧における基本モード周波数が約６Ｋｈｚである半引張型（ｓｅｍｉ−ｔｅｎｓｉｏｎｅｄ）で１インチ直径のダイヤフラムとするのが好適である。
【０１０９】
上記音響キャビティ１１には、ガス取入孔７１を介してガス導入管７０が接続されている。また、上記音響キャビティ１３には、ガス吐出口８１を介してガス吐出管８０が接続されている。更に、上記ハウジング１０内には、好適には白金のＲＴＤ  温度センサ５０が取り付けられて正確な温度情報を提供している。ハウジング１０の厚肉部には２個のヒータ取付孔６０が穿設され、（不図示の）ヒータ要素を取付けて音響セル１  を所定温度から０．１  ℃以内に保持している。
【０１１０】
図８を参照すると、音響セル１  にはデジタル信号処理器１００  から駆動入力信号３５が送られる。デジタル信号処理器１００  はデジタル・サイン波発生器などのデジタル波形合成器を含み、該デジタル波形合成器は、アナログ・サイン波９６を出力するＤ／Ａ  コンバータ９７へ合成サイン波９８を送信する。増幅器９５はサイン波９６を増幅して、音響セル１  への駆動入力信号３５を生成する。音響セル１  は、該音響セル１  内のガス媒体の組成に直接的に関係する受信信号４１ａ  を出力する。受信信号４１ａ  は増幅器９０により増幅され、該増幅器９０は、デジタル信号９３をデジタル信号処理器１００  に送るＡ／Ｄ  コンバータ９２へ増幅出力信号９１を出力する。
【０１１１】
デジタル信号処理器１００  はまた、（不図示の）温度信号をＲＴＤ  温度センサ５０から受けて計算に使用する。デジタル信号処理器１００  は、受信信号４１の位相と駆動入力信号３５の位相とを１秒間に約２００  回だけ比較するデジタル位相検出器を含むのが好適である。また、平均的な共鳴周波数は、搭載マイクロ・コントローラにより１秒間に５回ずつ決定される。次に、デジタル信号処理器１００  は、音響セル１１内の２元ガスのガス組成を表わす処理器出力信号１０１  を出力する。
【０１１２】
次に、デジタル位相固定モードと称され得る選択的測定モードを簡単に説明する。所定のガス媒体において、共鳴周波数ｆ０における受信変換器と駆動変換器との間の位相の遅れは、ガス組成が変動しなければ安定している。また、ガス組成の変化により位相の遅れに何らかの変化が生ずると、デジタル・サイン波発生器は強制的に駆動入力信号３５の駆動周波数を調節し、これにより、位相の遅れはその安定状態の値に戻される。音響セル１  が作動している間、駆動マイクロホン３４と受信マイクロホン４２の間の位相が一致しているとすれば、位相の差が生じたときにはガス組成の変化が生じたことを表わすことになる。駆動入力信号３５の周波数は位相を一致させるべく変更されるが、このように位相を一致させる為に必要な周波数の変化量が、ガス組成の変化を決定する為に必要な情報を与えることになる。従って、調節された周波数と安定状態の共鳴周波数ｆ０との間の差により、２元ガス組成の変化を算出することが出来る。この測定モードは先に記述したものよりも迅速であるが、安定状態にあるプロセスを監視する場合においてのみ有用なものである。
【０１１３】
上記音響セル１  を介して純粋なキャリヤ・ガスを通して基本周波数を読み取れるようにして、予期される作動温度、圧力およびフローレートにおける目盛付けを行なう。その後、テスト用の２元ガスの測定値の全ては、この基本読取値を元にして行われる。このようにすれば、上記音響センサの目盛付けを工場にて行なう必要がなくなる。勿論、作動状態（操作温度、圧力およびフローレート）が根本的に変化した場合、正確さを最大限に維持するのであれば新たな基準値測定が必要になることは当然である。
【０１１４】
図９−（Ａ  ）を参照するに、本発明を高温で適用する為には、ダイナミック（ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ）マイクロホン３２，３４の代わりに静電（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ）  駆動マイクロホンを使用するのが好適である。第１ダイヤフラム２０ａ  に対しては、直接的に静電駆動装置１２０  を適用することが出来、該第１ダイヤフラム２０ａ  は、好適には１００  〜５００Ｖの直流バイアス１２４  を介してサイン波発生器１２２  により駆動される。このサイン波発生器１２２  は、接地プレート１２１  にアースされている。ダイヤフラム２０ａ  に加わる力Ｆ（ｔ）は、Ｆ（ｔ）≒−ＣＶ０ｕ  ｃｏｓ  ωｔ  と表わされ、但し、Ｃ  はダイヤフラム２０ａ  と接地プレート１２１  との間の静電容量、Ｖ０はＤＣバイアス１２４，  ｕは駆動サイン波発生器１２２  の振幅である。
【０１１５】
図９−（Ｂ）を参照するに、本発明を高温で適用する為には、エレクトレット（ｅｌｅｃｔｒｅｔ）型マイクロホン４２の代わりにキャパシタンス型マイクロホン１３０  を使用しても好適である。バックプレート１３１  は、ダイヤフラム２０ｂ  と共にコンデンサを形成する。また、好適には２０〜１００Ｖの範囲の直流バイアス１３４  、および、好適には１０Ｍ  Ω未満の抵抗Ｒ  により、信号ｅ（ｔ）が検出され得る。この信号ｅ（ｔ）は、ｅ（ｔ）≒ＲＶ０（∂ｃ／∂ｔ）として表わされ、但し、∂ｃ／∂ｔ  は、ダイヤフラム２０ｂ  とバックプレート１３１  との間のキャパシタンスの時的導関数である。
【０１１６】
本発明の作動を、以下の様にして評価した。音響セル１  の長さを基本的に３．８５０”とし、かつ、基本的直径を１．７５０”とした。音響キャビティ１１および１３の長さは基本的に０．６００”とするとともに基本的直径を１．０００”としたが、音響キャビティ１２の長さは基本的に１．２００”とし且つ基本的直径を０．３７５”とした。更に、遮断Ｏ−リング２１を含むダイヤフラム２０ａ，  ２０ｂの直径は基本的に１．２０６”とした。
【０１１７】
図１０は、４５℃かつ１５０Ｔｏｒｒ  にて５００ｓｃｃｍ  のフローレートの水素ガス中で測定された共鳴周波数の分布をプロットした図である。測定時間は２００ｍｓ  であった。図１０から明らかな様に、１５分間以上に亙り、分布範囲は約０．２Ｈｚ  であり、０．０５℃のオーダーにおける狭い範囲の温度安定性を示している。これは、周波数の読取値では０．００４５％  または水素ガス中のＴＭＩ  では等価的に０．０００１１％の精度があると解釈される。
【０１１８】
図１１を参照するに、水素主要ガス内の種々のガスを使用し、定量的テストを行なった。見かけ上の質量フローレートを設定すべく圧力増分を５００Ｔｏｒｒ  に固定して約５００ｃｃ  の既知体積を充填するに必要な時間を記録することにより、各々のガスの質量流量コントローラ（ＭＦＣ）を注意深く校正した。窒素ガスに関しては、校正係数（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｆａｃｔｏｒ）は０．９９〜１．０２の間で変動した。水素ガスに関しては、校正係数は１．０９〜１．１５の間で変動した。アルゴン、二酸化炭素およびＲ１３４ａ  ガスに関する校正係数は、それぞれ１．３６，０．７０および０．２８であった。それぞれのＭＦＣ  に特有なこれらのガス校正係数は、水素主要ガス中の流動ガスのモル分率を見積もる為に使用された。而して、図１０においては、水素中のアルゴン、窒素、二酸化炭素およびＲ１３４ａ  のモル分率見積値はガスフローレートに対して直線としてプロットされて示されている。尚、主要水素ガスのフローレートは３００Ｔｏｒｒ  で４００ｓｃｃｍ  に固定した。
【０１１９】
これと同時に、５  ，１０および１５ｓｃｃｍのガスフローレートと同一のガスフローレートにおいて音響セルの共鳴周波数を測定した。その結果は、測定された周波数に基づく個々のデータ点として図１１に示されている。本発明の音響セルを以て測定したモル分率は、校正されたＭＦＣ  からの見積値と極めて近いものである。このデータセットにおける最大周波数シフトは１，０１７Ｈｚ  であり、これは水素中の０．６３％のＴＭＩ  に等しいものである。
【０１２０】
図１２を参照するに、図中の直線は、異なる作動圧力においてフローレート（流速）を変化させた窒素のモル分率の見積値を示している。また、個々のデータ点は、種々の圧力において本発明の音響セルを用いて測定した周波数からのものである。図１１および１２は、種々のガスにおける広範囲の作動圧力およびフローレート（流速）において本発明が高い定量精度を有することを示している。
【０１２１】
図１３を参照するに、本発明の音響セルはＭＯＣＶＤ  反応器のＴＭＩ  ライン中に配備されている。サンプルデータは、ＴＭＩ  バブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ  ）を介して水素流を変化させた試験からのものとして示されている。また、図中の実線は、バブラを通る水素ガス流および理想的ＴＭＩ  蒸気圧が安定状態にあることを前提として計算したものである。而して、本発明の音響セルにより測定されたモル分率は、個々のデータ点としてプロットされている。尚、作動圧力は１５０Ｔｏｒｒ  であり、希釈の為に２００ｓｃｃｍ  の水素ガスを加えた。
【０１２２】
測定されたモル分率と、理想的なモル分率の見積値との間の差異は、バブラのフローレートが増加するにつれて増加する。ここで、ＴＭＩ  バブラを通る水素のフローレートが大きくなるとＴＭＩ  のピックアップ効率が減少することは確かである。従って、質量フローレートに基づいてモル分率を算出する従来の方法は過大評価が起こり易い。
【０１２３】
図１４を参照するに、Ｒ１３４ａ  ガスを用いて同様の試験を行なった。実線は校正された質量流量コントローラ（ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に基づくものであり、一方、個々のデータ点は本発明により為された測定の結果である。本発明の音響セルと校正された質量流量コントローラとの間には、優れた定量的な一致性が見られる。
【０１２４】
添付図面を参照して本発明の好適実施例を記述したが、本発明はこれらの詳細な実施例に限定されるものでなく、かつ、当業者であれば添付の請求項に限定された本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更および修正を行ない得ることは理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】モル分率と媒体内の音速との単調な関係を示す図である。
【図２】共鳴の近傍における典型的な位相および振幅の変化を示す図である。
【図３】共鳴の近傍においてｙ（ｆ）＝１／ｘ０２およびｘ０をプロットした図である。
【図４】共鳴の近傍において−１／ｄ  ψおよびψをプロットした図である。
【図５】本発明の一実施例に係る音響セルの断面図である。
【図６】（Ａ  ）は本発明の実施例に係る駆動マイクロホンおよび非駆動マイクロホンの金属ハウジングを示す図であり、（Ｂ  ）は本発明の実施例に係る駆動マイクロホン・カートリッジを示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る受信マイクロホン・カートリッジを示す図である。
【図８】図５の音響セルと一体な本発明の一実施例に係る音響センサを示す図である。
【図９】（Ａ  ）は本発明の一実施例において用いられる静電的な駆動マイクロホンを示す図であり、（Ｂ  ）は本発明の一実施例において用いられるキャパシタンス型マイクロホンを示す図である。
【図１０】４５℃の水素ガス中で測定された共鳴周波数の分布をプロットした図である。
【図１１】水素ガス中のＡｒ，Ｎ２，ＣＯ２  およびＲ１３４ａ  ガスのモル分率をガスフローレートに対してプロットした図である。
【図１２】水素ガス中のＮ２のモル分率をＮ２のフローレートに対してプロットした図である。
【図１３】本発明により示されたＴＭＩ  のモル分率を、ＴＭＩ  バブラフローレートに対して段階的に変化させた図である。
【図１４】本発明により示されたＲ１３４ａ  ガスの水素ガス内でのモル分率を、Ｒ１３４Ａ  ガスフローレートに対して段階的に変化させた図である。
【符号の説明】
１  …音響セル
１０…ハウジング
１１，  １２，  １３…音響キャビティ
２０ａ  …第１ダイヤフラム
２０ｂ  …第２ダイヤフラム
３０…駆動マイクロホン・カートリッジ
３２…非駆動マイクロホン
３３…金属ハウジング
３４…駆動マイクロホン
３５…同期入力信号
３７，  ４７…Ｏ−リング
４０…受信マイクロホン・カートリッジ
４２…受信マイクロホン
７０…ガス取入管
８０…ガス吐出孔
１００  …デジタル信号コントローラ（処理器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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