(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、
電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音波を送信するとともに、その超音波生成信号を出力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および上記超音波受信信号を上記演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信側三角波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧と比較して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点を検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点同士の時間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】
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、
電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電圧変化を持つような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および上記超音波受信信号を上記演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信側三角波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧と比較して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点を検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点同士の時間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、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と、受信機からの信号とを比較してその波のずれ（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】
この位相差の計測を行う場合、受信側の信号処理として、受信信号が所定の閾値を超える時点の計測を行う必要があるが、この時点は受信波の振幅によって異なってくるし、この振幅自身も物理要因（温度、湿度）によって変化する。このため、位相差の計測にばらつきが生じてしまう。この問題点をここではゼロクロス問題と呼ぶ。
【０００５】
このゼロクロス問題を回避するために、簡便で高速な伝搬時間差法ではなく、受信波を送信側に戻し、この周期の計測を行うことで音波の速度計測を行うシングアラウンド法や、送信部、受信部の間で起こる２次、３次の反射波を計測することでより安定した音波速度の計測を行う方法が提唱されており、この場合は、音波速度が気体の濃度変化や流量変化に対応するようになる。そして、これらの方法では、受信信号が所定の閾値を超える時点の計測を行う必要がないため、ゼロクロス問題も生じることはない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のシングアラウンド法や、２次、３次の反射波計測により音波速度計測を行う方法では、確かにゼロクロス問題が解決されるものの、音波の往復を計測するために計測に時間を要してしまい、リアルタイムで高い時間分解能での気体濃度の変化の計測を行うことができないという問題点を有している。
【０００７】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、ゼロクロス問題を解決して高精度に、かつリアルタイムで高い時間分解能で、気体の濃度変化を計測す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。
【０００８】
【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、電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音波を送信するとともに、その超音波生成信号を出力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および上記超音波受信信号を上記演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信側三角波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧と比較して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点を検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点同士の時間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。
【０００９】
また、請求項２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、電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電圧変化を持つような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および上記超音波受信信号を上記演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信側三角波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧と比較して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点を検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点同士の時間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。
【００１０】
【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。
【００１１】
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。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装置であり、電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音波を送信するとともにその超音波生成信号を出力する超音波送信手段２と、この測定対象領域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とする超音波受信手段３と、その超音波生成信号および超音波受信信号を演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信側三角波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧と比較して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点を検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点同士の時間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。
【００１２】
なお、ここでスルーレイト（ｓｌｅｗ  ｒａｔｅ）とは、演算増幅器の最大応答速度を表す指標である。入力に立ち上がりの速い理想的なパルスを加えたときの、出力電圧の立ち上がり時間をオシロスコープで観測したときの出力電圧の変化であり、Ｖ／μｓなどで表され、入力に方形波を入れた場合の、出力の立ち上がり、あるいは立ち下がりが、１μｓあたり何Ｖドライブ可能かを意味している。
【００１３】
次に図２〜図７を用いてより具体的に説明する。
【００１４】
図２は測定対象領域周辺の要部構成例を示す図、図３は気体濃度計測手段の構成例を示す図、図４は図３の構成例の各部位での信号波形を示す図、図５は気体濃度計測手段が実行する手順を示す図である。
【００１５】
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、超音波生成信号に応じて、例えば４０ＫＨｚの超音波を送信する。この超音波は、空気と二酸化炭素、または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とし出力される。
【００１６】
上記の気体濃度計測手段４は、図３に示すように、例えば約１万倍の増幅・規格化回路４０として構成される。この増幅・規格化回路４０は２つの演算増幅器４１，４２、および比較器４３を備え、超音波生成信号および超音波受信信号の各々に対応して設けられている。そして、この増幅・規格化回路４０に入力される超音波生成信号は、その電圧変化が演算増幅器４１のスルーレイト（例えば、０．１Ｖ／μｓ）以上の電圧変化を持つような信号に予め設定されている。
【００１７】
この増幅・規格化回路４０の各ポイントＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄでの信号は、図４のようになる。すなわち、１段目の演算増幅器４１には、サインカーブを有する超音波生成信号、超音波受信信号が入力される（Ａポイント）。
【００１８】
上記のように、この超音波生成信号は、その電圧変化が演算増幅器４１のスルーレイト以上の電圧変化を持つような信号に予め設定されているので、演算増幅器４２の出力信号はこのスルーレイトにはりついた形で電圧が変化する。つまり入力のサインカーブは、演算増幅器４１で増幅されそのスルーレイトによって決まる三角波となり（Ｂポイント）、超音波生成信号は送信側三角波に、また超音波受信信号は受信側三角波となる。当然この三角波の周波数は入力信号と同じ周期で変化する。すなわち、どのような振幅のサインカーブが入力されても出力はこの振幅に関わりなく、同じ周期の三角波が出力される。この現象を用いれば、他の物理条件の変化による広い範囲の振幅の変化するサインカーブが一定に規格化された三角波となる。
【００１９】
この三角波（送信側三角波、受信側三角波）はさらに演算増幅器４２で増幅され（Ｃポイント）、その後比較器（コンパレータ）４３で所定の閾値電圧と比較され、所定の閾値電圧以上、および以下となる時点が検出され、その所定の閾値電圧以上となる時点で立ち上がり、以下となる時点で立ち下がる矩形波となる（Ｄポイント）。
【００２０】
上記のように、気体濃度計測手段４には、超音波生成信号および超音波受信信号が入力される。そして、元信号としての超音波生成信号は、図５の左列に示すように、演算増幅器（増幅回路）４１で増幅されて送信側三角波となり、その後コンパレータ４３で所定の閾値電圧と比較されて矩形波となり、その立ち下がり時点が検出される。
【００２１】
一方、超音波受信信号も、超音波生成信号の場合と同様の処理がなされ、図５の右列に示すように、演算増幅器（増幅回路）４１で増幅されて受信側三角波となり、その後コンパレータ４３で所定の閾値電圧と比較されて矩形波となり、その立ち下がり時点が検出される。
【００２２】
そして、気体濃度計測手段４は、超音波生成信号および超音波受信信号から生成された矩形波のうち、互いに対応する矩形波の立ち下がり時点同士の時間差分を検出し、その時間差分を電圧信号として出力する。この時間差分は、両信号の位相差に相当しており、この位相差は超音波が通過した測定対象領域Ｒの気体の濃度変化に対応する値である。
【００２３】
なお、ここでは矩形波の立ち下がり時点同士の時間差分を検出するようにしたが、矩形波の立ち上がり時点同士の時間差分を検出するようにしてもよい。
【００２４】
次に実際の測定結果について、図６および図７を用いて説明する。
【００２５】
図６は気体切り換え装置の構成例を示す図、図７は図６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。
【００２６】
図６において、測定対象領域Ｒには、二酸化炭素と空気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、二酸化炭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。
【００２７】
ここでは、先ず切り替え部Ｒ１で二酸化炭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、空気を吸引して二酸化炭素を供給し、その切り替え時の気体濃度変化を測定するようにした。図７はその測定を３０回実施した結果であり、電磁弁の切り替えが始まる時点でそろえて加算平均をとったものである。これにより、ランダムなノイズがキャンセルされ、Ｓ／Ｎ比の高いデータが得られた。この図７から、時刻０のところで二酸化炭素への切り替えが始まり、１００ミリ秒後から空気から二酸化炭素へ変わり始め、その後約１００ミリ秒経過後、すなわち電磁弁切り替えから２００ミリ秒で二酸化炭素への置換が完了している様子がわかる。
【００２８】
なお、時刻０のところで電圧信号（濃度変化）がシフトしているのは、電磁弁駆動用の電圧による影響である。
【００２９】
以上述べたように、この発明の実施形態では、電圧変化が、計測に使用する演算増幅器４１のスルーレイト以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音波を送信し、その超音波生成信号と、超音波が測定対象領域の気体を通過した後の超音波受信信号とに基づいて、気体濃度変化を測定するようにしたので、ゼロクロス問題を解決して高精度に気体の濃度変化を計測することができる。また、リアルタイムで高い時間分解能で、気体の濃度変化を計測することができる。
【００３０】
そして、ミリ秒の精度で濃度変化の計測が可能になったことにより、気体濃度変化や気体混合率変化のリアルタイム計測が可能となった。また高時間分解能のため、混合気体が一様に混ざっているか、混ざっていないか、また乱流の発生が見られるかの判定も可能になった。つまり気体が一様に混ざっていない場合、音波速度の分散が大きくなり、ばらつきが大きくなるため、このような気体の乱流の様子も計測することが可能となった。
【００３１】
このような高い時間分解能をもつ気体の濃度変化計測法の開発によって、より精密な気体制御が可能な化学プラントの建設、またより燃費が改善され、あるいは出力パワーの向上したエンジンの開発などが可能になる。
【００３２】
なお、上記の実施形態では、電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音波を送信し、その超音波生成信号と、超音波が測定対象領域の気体を通過した後の超音波受信信号とに基づいて、気体濃度変化を測定するようにしたので、ゼロクロス問題を解決することができ、またリアルタイムの計測を可能としたが、この手法は、気体濃度計測装置だけでなく、流量変化を計測する気体流量計測装置等にも同様に適用することができる。
【００３３】
また、上記の説明では、測定対象領域Ｒでは、空気と二酸化炭素、または空気と窒素が交互に流れる場合について説明したが、この気体は空気や二酸化炭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。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音波を送信し、その超音波生成信号と、超音波が測定対象領域の気体を通過した後の超音波受信信号とに基づいて、気体濃度変化を測定するようにしたので、ゼロクロス問題を解決して高精度に気体の濃度変化を計測することができる。また、リアルタイムで高い時間分解能で、気体の濃度変化を計測することができる。
【００３５】
そして、ミリ秒の精度で濃度変化の計測が可能になったことにより、気体濃度変化や気体混合率変化のリアルタイム計測が可能となった。また高時間分解能のため、混合気体が一様に混ざっているか、混ざっていないか、また乱流の発生が見られるかの判定も可能になった。つまり気体が一様に混ざっていない場合、音波速度の分散が大きくなり、ばらつきが大きくなるため、このような気体の乱流の様子も計測することが可能となった。
【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】気体濃度計測手段の構成例を示す図である。
【図４】図３の構成例の各部位での信号波形を示す図である。
【図５】気体濃度計測手段が実行する手順を示す図である。
【図６】気体切り換え装置の構成例を示す図である。
【図７】図６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。
【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
２１      超音波送信素子
３１      超音波受信素子
４０      増幅・規格化回路
４１      演算増幅器（増幅回路）
４２      演算増幅器（増幅回路）
４３      比較器（コンパレータ）
Ｒ      測定対象領域
Ｒ１      切り替え部
【図１】
0003584290.tif 000002
【図２】
0003584290.tif 000003
【図３】
0003584290.tif 000004
【図４】
0003584290.tif 000005
【図５】
0003584290.tif 000006
【図６】
0003584290.tif 000007
【図７】
0003584290.tif 000008