(57)【要約】【課題】  本発明は、ガスの検出を長時間連続して安定に行うガスの検出方法及び装置を提供することにある。【解決手段】  本発明のガス検出方法は、被測定ガスを振動させて、前記振動によって生じた音響インピーダンスの変化を利用して被測定ガスを検出することを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスを振動させて、前記振動によって生じた音響インピーダンスの変化を利用して被測定ガスを検出するガス検出方法。
【請求項２】
ガスの振動を、発音体を用いて行う請求項1記載の方法。
【請求項３】
ガスの振動を、容器内で行う請求項1又は2項に記載の方法。
【請求項４】
前記容器内へポンプを用いて被測定ガスを導入する請求項3記載の方法。
【請求項５】
前記発音体の周波数が、共振点におけるものである請求項１〜４のいずれか1項に記載の方法。
【請求項６】
前記共振点が最大であることを特徴とする請求項5記載の方法。
【請求項７】
容器と、前記容器内へ被測定ガスを導入するためのポンプと、導入された被測定ガスを振動させるための発音体と、前記振動によって生じた音響インピーダンスの変化を検出するセンサーと、を備えたガス検出装置。
【請求項８】
前記センサーの出力信号に基づき、被測定ガスを検出する請求項７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検出方法、及びガス検出装置に関し、特に、音響インピーダンスの変化を利用したガス検出方法、及びガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術で用いられるガスの検出法としては、ガルバニ電池式、定電位電解式等の化学反応を利用したもの(「ガステック」、「ＢＷテクノロジー」、及び「ネモト特殊化学」社などの製品カタログ)、気体の熱伝導の差を利用したもの等があり、これらは高感度、高精度でガスの検出を行うことができる。
【０００３】
【非特許文献１】「ガステック」、「ＢＷテクノロジー」、及び「ネモト特殊化学」社などの製品カタログ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記定電位電解式においては、共存するほかのガスの影響を受けやすく、原理的には同族のガスの分離測定が困難であるという欠点を有する。
また、ガスの検出に化学反応や、熱伝導を用いる従来の方法では、基本的にセンサーが消耗するため、定期的にセンサーを取替えなければならない。このため、長期・連続的にガスを検出する目的には向いていない。また、熱伝導式の検出機構のものにあっては、使用前及び使用中にゼロ点調整を行う必要があり、安定度に問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ガスの検出を長時間連続して安定に行うガスの検出方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、発明者らは、について鋭意研究を重ねた結果、本発明のガス検出方法、及びガス検出装置を見出すに至った。
【０００７】
本発明のガス検出方法は、被測定ガスを振動させて、前記振動によって生じた音響インピーダンスの変化を利用して被測定ガスを検出することを特徴とする。
【０００８】
本発明のガス検出方法の好ましい実施態様において、ガスの振動を、発音体を用いて行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明のガス検出方法の好ましい実施態様において、ガスの振動を、容器内で行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明のガス検出方法の好ましい実施態様において、前記容器内へポンプを用いて被測定ガスを導入することを特徴とする。
【００１１】
本発明のガス検出方法の好ましい実施態様において、前記発音体の周波数が、共振点におけるものであることを特徴とする。
【００１２】
本発明のガス検出方法の好ましい実施態様において、前記共振点が最大であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のガス検出装置は、容器と、前記容器内へ被測定ガスを導入するためのポンプと、導入された被測定ガスを振動させるための発音体と、前記振動によって生じた音響インピーダンスの変化を検出するセンサーと、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明のガス検出装置の好ましい実施態様において、前記センサーの出力信号に基づき、被測定ガスを検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
ガス検出に振動板(スピーカーなど)とセンサー(マイクロフォンなど)を用いており、従来技術による化学反応や、熱伝導を利用したガス検出器に比較し、部品の寿命が長く、また、機器を構成する部品が一般的なものであるため安価であり、イニシャルコスト及びランニングコストの低下が図れるという有利な効果を奏する。
【００１６】
構造が簡単であり、その原理上検出機構に調節を有する部分が一切無いため、操作に当たり特別な知識、経験等を必要としない。このため使用前の零点調整等は不要であり、初期設定を一度行うだけで良い。
【００１７】
原理上動作は安定しており、調整部分が無く、メンテナンスフリーであり、従来技術のガス検出器では不可能な長期間の連続動作が可能であるという有利な効果を奏する。
【００１８】
動作原理上、ガスの検出に従来技術のような燃焼や化学反応を用いるもので無いため、定期的な機構部品の交換が不要であるという有利な効果を奏する。また、容易に入手が可能な機器をもって構成することができ、安価に製造可能である。このため、従来技術による検出方法に比較して、コストの低下を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、ガス中における音響の伝播特性が、ガスにより異なることを利用しており、振動体を用いてガスに音響振動を与えたときに、ガス中を伝わる音響振動の変化を検出し、ガスの存在を知るものである。
【００２０】
本発明のガス検出方法は、被測定ガスを振動させて、前記振動によって生じた音響インピーダンスの変化を利用して被測定ガスを検出する。これは、ガスを振動させた場合に、当該ガスの振動によって生じた音響インピーダンスが、空気のものとは異なることを利用したものである。ここで、測定の対象となるガスについては、空気と分子量(密度)が異なる気体であれば検知可能であり、特に限定されることはない。例えば、被測定ガスとして、気体分子量が空気と異なる他のガス、例えば、ヘリウムガス、水素ガス等を挙げることができる。
【００２１】
また、本発明の好ましい実施態様において、ガスの振動を、発音体を用いて行う。適当な発音体としては、スピーカーなどを挙げることができるが、ガスに振動を与える事ができれば特に限定されることはない。スピーカーとは、一般には、動電型(ダイナミックスピーカー)をいうが、電磁型、圧電型、静電型などを含むことができる。スピーカを使用する場合には、気体を効率的に振動させるという目的から、フリーエッジのものが好ましい。これは、フリーエッジの場合、低い周波数ではコーンがピストンモーションで動作するので気体を動かすのに好適と考えられるからである。
【００２２】
また、発音体の周波数を、共振点におけるものであることが、よりガスの検出感度を高めるという観点から好ましい。さらに好ましくは、共振点が最大である。いくつかの例外はあるものの、共振点が最大、すなわち最大共振点における周波数を用いるとかなり大きな変位が得られる傾向にあることから、最大共振点における周波数のものを用いるのが好ましい。なお、ここでは、最大共振点とは、発音体によって最も大きな出力を得ることができる周波数のことを意味する。
【００２３】
また、外部からの影響を遮断し、より高精度の検出を行うという観点から、ガスの振動を、容器内で行うことが好ましい。容器の形状についても限定されず、例えば、平板対向型、逆ホーン型等の種々の形状のものを用いることができる。
【００２４】
好ましい実施態様において、前記容器内へポンプを用いて被測定ガスを導入する。ポンプについても被測定ガスを容器内へ導入することが可能であれば特に限定されるものではない。
【００２５】
次に、本発明のガス検出装置について説明すると、本発明のガス検出装置は、容器と、前記容器内へ被測定ガスを導入するためのポンプと、導入された被測定ガスを振動させるための発音体と、前記振動によって生じた音響インピーダンスの変化を検出するセンサーと、を備えることを特徴とする。
【００２６】
本発明のガス検出装置の動作について説明する。容器内には、付属ポンプによりガス（通常は空気）が導入されている。このガスには、容器内の発音体により振動が与えられ、これは音響エネルギーとなって容器内に放射され、容器内の空間を伝播しセンサーによって捕らえられる。
【００２７】
いま容器内に被検出ガスが導入されると、それにより、容器内のガスの音響インピーダンス(系の伝達関数)が変化するため、それに伴いセンサーに得られる信号レベルが変化する。この変化比を検出することにより、被検出ガスの存在を知ることができる。
【００２８】
被測定ガスによる音響インピーダンスは(系の伝達関数)の変化は、振動を感知するセンサーによって得られる信号レベルの変化を誘導する。したがって、センサーにより得られる信号レベルの変化比を検出することにより、被検出ガスの存在を知ることができる。
【００２９】
図１は、本発明のガス検出装置の一実施態様における概略図を示す。１がガス導入口、2が発音体、３がセンサー、４が容器、５がガス導入ポンプ、６ガス排出口、７が発振器、８が増幅器、９が交流電圧計である。通常、容器４内では空気が満たされており、空気による音響インピーダンスに基づく信号レベルが検出されている。安全弁、放出弁等のガス検出箇所から被測定ガスが漏出し、ガス検出容器内に導入されると、当該被測定ガスにより音響インピーダンスが変化し、被測定ガスを検出することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は、下記実施例に限定して解釈される意図ではない。
【００３１】
実施例１
図１に示すような構成を有するテスト機において、センサーに得られる信号レベルを空気・ヘリウムガス各々の場合について調べた。この時の条件は、発音体の駆動周波数は320Hz、入力電力は0.4Wである。
【００３２】
テストを重ねた結果、この変化(変位)比は、発音体・センサーの取付位置、容器の姿勢等に左右されることが判明した。この時の変化比の一例を挙げると、センサーの出力電圧が空気の場合およそ１８０ｍV、ヘリウムガスの場合およそ１２０ｍVであり、１/３程の変化比を得た。大きくは無いが検出は容易なレベルであることが分かる。
【００３３】
実施例２
次に、容器形状、振動周波数などについての各構成要素の最適化を図り、大きな変化比を得て、ひいては、検出感度を向上させる観点から検討を行った。
【００３４】
まず、容器形状とガス濃度が感度にどのような影響を及ぼすのかについて検討を行った。
【００３５】
容器の形状として2種類のものを用いた。すなわち、平板対向型と逆ホーン型を用いた。平板対向型は、皿上の板にスピーカーとマイクを対向して取り付けたものである。例えば、図1に示す略図にあるのものである。内容積はおよそ1500ｍｌ（概算値）である。また、逆ホーン型は、円錐状の容器の底面にスピーカーを、頂上にマイクを取り付けたものである。エクスポネンシャル・ホーンではない。内容積はおよそ200ｍｌ（概算値）である。
【００３６】
これらの容器に2種類のスピーカーを取り付けて実験を行った。スピーカーの口径はどちらも10ｃｍである。使用したスピーカーは以下の通りである。
【００３７】
すなわち、フォステクス製フリーエッジのものと、パイオニアー製  フィックスド・エッジのものである。フォステクス製フリーエッジはいわゆるHI-FI用のもので、フリーエッジとなっているために低い周波数ではコーンがピストンモーションで動作するので、気体を動かす目的に適当と考え選定した。パイオニアー製フィックスド・エッジは、一般的にラジオ等に使われるもので、コーンが軽いのが特徴である。エッジが固定されているので大振幅動作は出来ない。このように2種類の異なった性格のスピーカーを選定した。
【００３８】
また、センサーとしては、セラミックイヤフォンを使用した。電源が不要で出力感度が高いので使用した。被測定ガスとしてヘリウムを用いた。容器に導入したガスは容量を100mlとした。これは安全弁・放出弁等から一瞬吹き出すガスを検知できる事を想定したものである。この100ml中のガスの濃度を変えて感度の測定を行った（濃度は体積比。）。
【００３９】
表中の変位というのは、ガス導入時の電圧値/ガスを導入しない時の電圧値を示す。ガスを導入したときの数値を基準としてガスを導入しない状態と比較した。簡単に説明すれば、電圧が１ｖを示していたときに、ヘリウムガスを容器内に導入してその値が0.9ｖになったとしたら、変位は0.9である。
【００４０】
図２は、容器形状とガス濃度の関係について示した図である。測定条件：それぞれの容器にヘリウムガスの濃度を変えて、ガスを100ml導入したときの、センサーに得られた変位量を測定した。この時の周波数は300Hz、SPへの入力は0.３４Wである。
【００４１】
図１中、測定１は、逆ホーン（パイオニア製１０ｃｍユニット：フィックスド・エッジ）を用いたもの、測定２〜４は、逆ホーン（フォステクス製１０ｃｍユニット：ロール・エッジ）を用いたもの、測定５は、対向型（パイオニア製１０ｃｍユニット：フィックスド・エッジ）を用いたもの、測定６は、対向型（フォステクス製１０ｃｍユニット：ロール・エッジ）を用いたものである。
【００４２】
以上の結果、逆ホーン型の方が大きな変化量を得られることが分かる。これは逆ホーン型の方が内容積が大きく、センサー間の距離もあるために大きな変化量が得られるものと思われる。また、センサーに近づく程形状が絞られる構造のため、効率よく集音出来ることが影響していると考えられる。
【００４３】
実施例３
次に、平板対向・逆ホーン型について、周波数特性を測定した。いずれもＳＰ入力は１ワット、使用したガスは１００％・100ml。併せて最大共振周波数で、ガス濃度と変位との関係について調べた。図３は、平板対向・逆ホーン型について、周波数特性を測定した結果を示す。
【００４４】
測定８は、フォステクス製ロールエッジを使用した場合の周波数特性を調べたものである。測定8の状態での最大共振点（一番大きな出力が得られる周波数）を探したところ、３８０Hzであった。測定９は、測定８の最大共振点において、各々の濃度のガスを導入した場合、何程の変位が得られるか、感度の測定を試みたものである。
【００４５】
測定１０は、パイオニア製フィックスドエッジを使用した場合の周波数特性を調べたものである。測定１０の状態での最大共振点を探したところ、４８０Hzであった。測定１１は、測定１０の最大共振点において、各々の濃度のガスを導入した場合、何程の変位が得られるか、感度の測定を試みたものである。
【００４６】
測定１２は、フォステクス製ロールエッジを使用した場合の周波数特性を調べたものである。測定１２の状態での最大共振点を探したところ、１．１７ｋHzであった。測定１３は、測定１２の最大共振点において、各々の濃度のガスを導入した場合、何程の変位が得られるか、感度の測定を試みたものである。
【００４７】
測定１４は、パイオニア製フィックスドエッジを使用した場合の周波数特性を調べたものである。測定１４の状態での最大共振点を探したところ、１．１７ｋHzであった。測定１５は、測定１４の最大共振点において、各々の濃度のガスを導入した場合、何程の変位が得られるか、感度の測定を試みたものである。
【００４８】
但し、測定13、及び15では、センサーが壊れて別のものに付け替えた関係上、数値が異なっている。
【００４９】
これらの結果、音響的な最大共振点を示す周波数に設定してテストをしても、感度（得られる変位）が最高になるとは限らないことが分かる。また、感度は、容器の形状、スピーカー・センサーの形式に影響されるものが大きい。形状については、テスト結果から逆ホーン型が有利であると思われる。（テストに用いた平板対向型は空間容積が小さかったのかもしれない。）センサーを壊してしまい交換して判明したのだが、センサーに使用した圧電素子（セラミックイヤフォン）は感度のバラツキが大きい。
【００５０】
追補(測定９の追補)は、途中でセンサーを壊したので交換したのだが、最大共振点が３８０→3130Hzに変化してしまったので、行ったものである。この状態で各々のガス濃度で何程感度が得られるか、データを取ったのが追補の表である。感度は大変良好で、最高値を示すに至った。センサーの特性から測定しなければならないようである。
【００５１】
追補に示すように、当初使用したイヤフォンは低い周波数で感度が低いものなのであることが予想される。
【００５２】
実施例４
次に、実施例3での測定結果等から、共振点に周波数を設定すると良好な結果を得ることができる傾向にあるため、これらについて検討を行った。すなわち、各共振周波数における各々のガス濃度に対する感度を調べた。
【００５３】
図４は、種々の態様における共振点の変位を示す。各々の共振点は、計測値の山の部分である。例えば、図4中、実験３−１において、最大の共振点は３１２５Hzであり、以下２番目３８０Hz、３番目１１６０Hz、４番目４０９０Hz、５番目２０４５Hzである。実際は他にも山を示す部分はあるが、わずかな電圧値なので無視した。これらの結果、例えば、実験３−１では、最大の共振点３１２５Hzにおいては０．１３（約７．５倍）の変化比が得られた。
【００５４】
実施例５
次に、以前に行った実施例において、最大共振点と最大変位点が一致していない場合があったことから、共振点においてヘリウムガスを容器中に導入した場合、どれほどの変位を得ることが出来るか、再度の試験を行い考察した。容器に導入したヘリウムガスは、１００ｍｌである。
【００５５】
結果を、図５に示す。図５は、共振点における変位についての再テストを行った結果を示す。図５の実験結果から、以下のことが判明した。すなわち、
１）当初、最大共振点において一番大きな変位が得られない場合があったが、テストを重ねた結果、スピーカーへの入力電力が大きすぎてこの様な現象が起こっていたと思われる。入力電力を減じると最大共振点と最大変位点が一致するようになった。
２）しかしながら、平板対向型容器においてはフィックスドエッジのスピーカーは、入力電力を減じても最大共振点と最大変位点が一致する事はなかった。
この理由として、フィックスドエッジの場合はコーンのエッジが固定されており、振動がそのままスピーカーのフレームから容器に伝わり、主にこれが低域の周波数においてピークを創るのではないかと推測される。
ロールエッジ型においては、エッジとダンパーによるサスペンションが作用し、コーンの振動が直接フレームに伝わらず、この様な現象が起こり難いのでないかと思われる。
３）フィックスドエッジのスピーカーにおいても、逆ホーン型の容器に取り付けた場合はこの様なことがなく、結果をみれば明らかなように、入力電力を適度に設定すると、きちんと最大共振点と最大変位点が一致する。これはこの容器が大きいために低域の振動が吸収・拡散されるためであろうと思われる。
【００５６】
実施例６
実施例５において、入力電力を適度に設定すると最大共振点と最大変位点が一致することが判明したので、この点についてさらに最大共振点と入力電力の関係について調べた。
【００５７】
その結果を、図6に示す。図６は、共振点における(対入力電力)変位について調べた結果を示す。平板対向型について、入力電力と変位点の関係を調べた。その結果、下記の点が分かった。
【００５８】
１）最大共振点＝最大変位点が成立するのは、音圧の低い領域に限られる。（状態１とする。）２）過大な入力（本実験では入力電力０．２ｗ以上）においては、最大共振点＝最大変位点が成立しない（状態２とする）３）入力電力を増加させていくと、状態１から状態２へ遷移するがその間に波形変化・音圧急変等、明確な変化は観察されない。４）当然ながら、入力電力の低い領域では、最大共振点で得られる変位も小さくなる。
【００５９】
以上の結果、適当に入力電力を調整することによって、原則として、最大共振点における周波数で測定を行うことが良好であることが判明した。  
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明のガス検出方法及びガス検出装置は、長期かつ連続的にガス検出を必要とする分野に適する。例えば、鉱工業、特に、石油化学、高圧ガス製造施設等におけるガスの漏洩・放出等に対する警報及び監視装置を必要とする分野に適する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明のガス検出装置の一実施態様における概略図を示す。
【図２】図２は、容器形状とガス濃度の関係について示した図である。
【図３】図３は、平板対向・逆ホーン型について、周波数特性を測定した結果を示す。
【図４】図４は、種々の態様における共振点の変位を示す。
【図５】図５は、共振点における変位についての再テストを行った結果を示す。
【図６】図６は、共振点における(対入力電力)変位について調べた結果を示す。
【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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