(57)【要約】【課題】本発明は、気体濃度測定装置の測定精度を向上させることを目的とする。【解決手段】筐体１０内の測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を測定するステップと、伝搬時間の測定値および測定区間についての基準距離に基づいて温度計算値を求めるステップと、筐体１０内の温度を測定して温度測定値を得るステップと、温度計算値と温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を求めるステップと、を含む変動値算出プロセスが、筐体１０内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行される。各温度条件下で求められた温度置き換え変動値に基づいて、測定対象の気体の温度と、その温度に対する温度補償値とを対応付けた温度補償テーブルが求められる。【選択図】図２
2018100916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の濃度測定空間を備える気体濃度測定装置の校正方法において、
前記濃度測定空間内の測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を測定するステップと、
前記伝搬時間の測定値および前記測定区間についての基準距離に基づいて温度計算値を求めるステップと、
前記濃度測定空間内の温度を測定して温度測定値を得るステップと、
前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を求めるステップと、
を含む変動値算出プロセスを、前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行するステップと、
各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、測定対象の気体の温度と、その温度に対する温度補償値とを対応付けるための校正情報を求めるステップと、
を含むことを特徴とする校正方法。
【請求項２】
請求項１に記載の校正方法において、
前記濃度測定空間内に前記基準気体があり、前記濃度測定空間内が基準温度とされた基準状態に前記気体濃度測定装置を設定するステップと、
前記気体濃度測定装置が前記基準状態とされているときに、前記測定区間を超音波が伝搬する基準伝搬時間を測定するステップと、
前記基準伝搬時間に基づいて、前記測定区間の距離を前記基準距離として求めるステップと、
を予め実行することを特徴とする校正方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の校正方法を用いて気体の濃度を測定する気体濃度測定方法において、
前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を得るステップと、
前記測定区間を超音波が伝搬する時間を測定して伝搬時間測定値を得るステップと、
前記気体温度測定値と前記校正情報とに基づいて前記気体温度測定値を補正し、補償温度測定値を求めるステップと、  
前記伝搬時間測定値、前記基準距離、および前記補償温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を測定するステップと、
を含むことを特徴とする気体濃度測定方法。
【請求項４】
前記気体濃度測定装置を備える気体濃度測定システムにおいて、
前記気体濃度測定装置が、請求項３に記載の気体濃度測定方法を用いて測定対象の気体の濃度を測定することを特徴とする気体濃度測定システム。
【請求項５】
気体濃度を測定する濃度測定空間と、
前記濃度測定空間に超音波を送信する送信部と、
前記濃度測定空間内を伝搬した超音波を受信する受信部と、
前記送信部から超音波が送信されてから、前記濃度測定空間内の測定区間を伝搬した超音波が前記受信部で受信されるまでの伝搬時間を測定して伝搬時間測定値を求める伝搬時間測定部と、
前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を求める温度測定部と、
前記伝搬時間測定値、前記測定区間についての基準距離、および、前記気体温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を求める演算部と、を備え、
前記演算部は、予め求められた校正情報を用いて、前記気体温度測定値を補正して補償温度測定値を求め、当該補償温度測定値に基づいて前記測定対象の気体の濃度を求め、
前記校正情報は、前記気体温度測定値と温度補償値とを対応付けるための情報であり、
前記温度補償値は、前記濃度測定空間の温度変動に基づく前記測定区間の距離の変動、前記送信部の温度変動に基づく前記伝搬時間測定値の変動、および、前記受信部の温度変動に基づく前記伝搬時間測定値の変動のうち少なくとも１つを温度に置き換えた値を含み、
前記演算部は、前記気体温度測定値に対応付けられた前記温度補償値に基づいて、前記補償温度測定値を求めることを特徴とする気体濃度測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の気体濃度測定装置において、
前記測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を前記伝搬時間測定部が求めるステップと、
前記伝搬時間の測定値および前記基準距離に基づいて、前記気体濃度測定装置とは別に設けられた外部演算装置、または前記演算部が温度計算値を求めるステップと、
前記温度測定部が前記濃度測定空間内の温度を測定して温度測定値を求めるステップと、
前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、
を含む変動値算出プロセスを、前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行するステップと、
各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、前記濃度測定空間内の気体の温度と温度補償値とを対応付けるための前記校正情報を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、
を含む校正情報取得処理によって前記校正情報が求められることを特徴とする気体濃度測定装置。
【請求項７】
気体濃度を測定する濃度測定空間と、
超音波の送受信に基づいて、前記濃度測定空間内の測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を測定して伝搬時間測定値を求める伝搬時間測定部と、
前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を求める温度測定部と、
前記伝搬時間測定値、前記測定区間についての基準距離、および、前記気体温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を求める演算部と、を備え、
前記演算部は、予め求められた校正情報を用いて、前記気体温度測定値を補正して補償温度測定値を求め、当該補償温度測定値に基づいて前記測定対象の気体の濃度を求め、
変動値算出プロセスであって、
前記測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を前記伝搬時間測定部が求めるステップと、
前記伝搬時間の測定値および前記基準距離に基づいて、前記気体濃度測定装置とは別に設けられた外部演算装置、または前記演算部が温度計算値を求めるステップと、
前記温度測定部が前記濃度測定空間内の温度を測定して温度測定値を求めるステップと、
前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、
を含む変動値算出プロセスが、
前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行されるステップと、
各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、前記濃度測定空間内の気体の温度と温度補償値とを対応付けるための前記校正情報を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、
を含む校正情報取得処理によって前記校正情報が求められることを特徴とする気体濃度測定装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の気体濃度測定装置において、
前記濃度測定空間内に前記基準気体があり、前記濃度測定空間内が基準温度とされているときに、前記測定区間を超音波が伝搬する基準伝搬時間を前記伝搬時間測定部が測定するステップと、
前記基準伝搬時間に基づいて、前記演算部または前記外部演算装置が、前記測定区間の距離を前記基準距離として求めるステップと、が前記校正情報取得処理の前に実行されることを特徴とする気体濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体濃度測定装置およびその校正方法に関し、特に、超音波の伝搬特性に基づいて所定の気体の濃度を測定する装置および校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から供給される電力によって走行する燃料電池車について、広く研究開発が行われている。燃料電池は水素および酸素の化学反応によって電力を発生する。一般に、水素が燃料として燃料電池に供給され、酸素は周囲の空気から燃料電池に取り入れられる。燃料電池車には水素タンクが搭載され、水素タンクから燃料電池に水素が供給される。水素タンク内の水素が少なくなったときは、サービスステーションに設置された水素供給装置から燃料電池車の水素タンクに水素が供給される。
【０００３】
水素は可燃性の気体であるため、燃料電池車や水素供給装置からの水素の漏れを監視しなければならない。そこで、燃料電池車や水素供給装置と共に、水素濃度測定装置が広く用いられている。水素濃度測定装置は、空気中に含まれる水素の濃度を測定したり、水素濃度が所定値を超えたときに警報を発したりする機能を有する。
【０００４】
以下の特許文献１および２には、特定の気体の濃度を測定する装置が記載されている。これらの特許文献に記載されている装置は、測定対象の空気における超音波の伝搬速度等、超音波の伝搬特性に基づいて特定の気体の濃度を測定するものであり、水素の濃度の測定に用いてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２１４２０３号公報
【特許文献２】特開平３−２２３６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、超音波の伝搬速度に基づいて特定の気体の濃度を測定する装置には、気体の濃度を測定する空間が設けられている。この濃度測定空間には超音波を送受信する超音波振動子が設けられる。送信用の超音波振動子から超音波が送信されてから、濃度測定空間内を伝搬した超音波が受信用の超音波振動子で受信されるまでの時間と、予め求められた伝搬距離とに基づいて、超音波の伝搬速度が求められる。しかし、濃度測定空間は、その周りの構成部材の温度変動による膨張または収縮等に伴い、温度に応じて伸縮するため、伝搬距離を一定値として求めた伝搬速度の測定値には誤差が生じ、この伝搬速度測定値を用いて求められる濃度にも誤差が生じる。
【０００７】
本発明は、気体濃度測定装置の測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、気体の濃度測定空間を備える気体濃度測定装置の校正方法において、前記濃度測定空間内の測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を測定するステップと、前記伝搬時間の測定値および前記測定区間についての基準距離に基づいて温度計算値を求めるステップと、前記濃度測定空間内の温度を測定して温度測定値を得るステップと、前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値（温度によって変わる置き換え値）を求めるステップと、を含む変動値算出プロセスを、前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行するステップと、各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、測定対象の気体の温度と、その温度に対する温度補償値とを対応付けるための校正情報を求めるステップと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
望ましくは、前記濃度測定空間内に前記基準気体があり、前記濃度測定空間内が基準温度とされた基準状態に前記気体濃度測定装置を設定するステップと、前記気体濃度測定装置が前記基準状態とされているときに、前記測定区間を超音波が伝搬する基準伝搬時間を測定するステップと、前記基準伝搬時間に基づいて、前記測定区間の距離を前記基準距離として求めるステップと、を予め実行する。
【００１０】
望ましくは、前記校正方法を用いて気体の濃度を測定する気体濃度測定方法において、前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を得るステップと、前記測定区間を超音波が伝搬する時間を測定して伝搬時間測定値を得るステップと、前記気体温度測定値と前記校正情報とに基づいて前記気体温度測定値を補正し、補償温度測定値を求めるステップと、前記伝搬時間測定値、前記基準距離、および前記補償温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を測定するステップと、を含む。
【００１１】
また、本発明は、前記気体濃度測定装置を備える気体濃度測定システムにおいて、望ましくは、前記気体濃度測定装置が、前記気体濃度測定方法を用いて測定対象の気体の濃度を測定する。
【００１２】
本発明は、気体濃度を測定する濃度測定空間と、前記濃度測定空間に超音波を送信する送信部と、前記濃度測定空間内を伝搬した超音波を受信する受信部と、前記送信部から超音波が送信されてから、前記濃度測定空間内の測定区間を伝搬した超音波が前記受信部で受信されるまでの伝搬時間を測定して伝搬時間測定値を求める伝搬時間測定部と、前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を求める温度測定部と、前記伝搬時間測定値、前記測定区間についての基準距離、および、前記気体温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を求める演算部と、を備え、前記演算部は、予め求められた校正情報を用いて、前記気体温度測定値を補正して補償温度測定値を求め、当該補償温度測定値に基づいて前記測定対象の気体の濃度を求め、前記校正情報は、前記気体温度測定値と温度補償値とを対応付けるための情報であり、前記温度補償値は、前記濃度測定空間の温度変動に基づく前記測定区間の距離の変動、前記送信部の温度変動に基づく前記伝搬時間測定値の変動、および、前記受信部の温度変動に基づく前記伝搬時間測定値の変動のうち少なくとも１つを温度に置き換えた値を含み、前記演算部は、前記気体温度測定値に対応付けられた前記温度補償値に基づいて、前記補償温度測定値を求めることを特徴とする。
【００１３】
望ましくは、前記測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を前記伝搬時間測定部が求めるステップと、前記伝搬時間の測定値および前記基準距離に基づいて、前記気体濃度測定装置とは別に設けられた外部演算装置、または前記演算部が温度計算値を求めるステップと、前記温度測定部が前記濃度測定空間内の温度を測定して温度測定値を求めるステップと、前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、を含む変動値算出プロセスを、前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行するステップと、各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、前記濃度測定空間内の気体の温度と温度補償値とを対応付けるための前記校正情報を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、を含む校正情報取得処理によって前記校正情報が求められる。
【００１４】
また、本発明は、気体濃度を測定する濃度測定空間と、超音波の送受信に基づいて、前記濃度測定空間内の測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を測定して伝搬時間測定値を求める伝搬時間測定部と、前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を求める温度測定部と、前記伝搬時間測定値、前記測定区間についての基準距離、および、前記気体温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を求める演算部と、を備え、前記演算部は、予め求められた校正情報を用いて、前記気体温度測定値を補正して補償温度測定値を求め、当該補償温度測定値に基づいて前記測定対象の気体の濃度を求め、変動値算出プロセスであって、前記測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を前記伝搬時間測定部が求めるステップと、前記伝搬時間の測定値および前記基準距離に基づいて、前記気体濃度測定装置とは別に設けられた外部演算装置、または前記演算部が温度計算値を求めるステップと、前記温度測定部が前記濃度測定空間内の温度を測定して温度測定値を求めるステップと、前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、を含む変動値算出プロセスが、前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行されるステップと、各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、前記濃度測定空間内の気体の温度と温度補償値とを対応付けるための前記校正情報を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、を含む校正情報取得処理によって前記校正情報が求められることを特徴とする。
【００１５】
望ましくは、前記濃度測定空間内に前記基準気体があり、前記濃度測定空間内が基準温度とされているときに、前記測定区間を超音波が伝搬する基準伝搬時間を前記伝搬時間測定部が測定するステップと、前記基準伝搬時間に基づいて、前記演算部または前記外部演算装置が、前記測定区間の距離を前記基準距離として求めるステップと、が前記校正情報取得処理の前に実行される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、気体濃度測定装置の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】気体濃度測定装置を模式的に示す図である。
【図２】気体濃度測定装置の詳細な構成を示す図である。
【図３】各環境温度に対して離散的に求められた温度置き換え変動値の例を示す図である。
【図４】気体濃度測定装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（１）気体濃度測定装置の構成の概要
図１には、本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置が模式的に示されている。気体濃度測定装置は、気体濃度を測定するための空間を有する筐体１０を備えており、筐体１０内の気体を伝搬する超音波の伝搬速度に基づいて気体濃度を測定する。筐体１０には通気孔２２が設けられており、通気孔２２を介して気体が筐体１０の内外を流通する。なお、筐体１０における濃度測定空間の形状は、例えば、直方体形状、円筒形状等とする。濃度測定空間は、必ずしも筐体１０の壁によって全方向が囲まれていなくてもよく、少なくとも超音波を送受信できる空間であればよい。例えば、筐体１０の一部を欠損させ、その欠損部において濃度測定空間が外部に開放されていてもよい。ただし、図１に示されているように、濃度測定空間が筐体１０の壁で覆われ、通気孔２２を設けた構造を採用することで、屋内外での使用を問わずに測定対象の気体が安定した状態で筐体１０に取り込まれ、測定の信頼性、安定性等が向上することが多い。
【００１９】
気体濃度測定装置は、筐体１０内に収容された回路基板１２を備えている。回路基板１２には、測定回路１４、送信振動子１６、受信振動子１８、温度センサ２０およびコネクタ２４が実装されている。送信振動子１６は、測定回路１４の動作に基づいて超音波を送信する。受信振動子１８は、送信振動子１６から送信され、筐体１０の内側に設けられた反射板で反射した超音波を受信する。測定回路１４は、超音波が送信されてから受信されるまでの時間と、予め求められた超音波の伝搬距離に基づいて、超音波の伝搬速度を求める。測定回路１４は、温度センサ２０による検出値によって筐体１０内の温度を測定し、さらに、後述する補償温度測定値を求め、超音波の伝搬速度および補償温度測定値に基づいて気体濃度を求める。測定回路１４が気体濃度を求める具体的な処理については後述する。測定回路１４は、外部装置としてコネクタ２４に接続されたコンピュータ、表示装置等に気体濃度測定値を出力する。
【００２０】
（２）気体濃度測定装置の具体的な構成
図２には、本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置の詳細な構成が示されている。気体濃度測定装置は、筐体１０、送信振動子１６、受信振動子１８、測定回路１４、温度センサ２０、コネクタ２４および操作部４２を備える。測定回路１４は、送信回路３６、受信回路３８、プロセッサ２８および記憶部４０を備える。測定回路１４には、送信振動子１６、受信振動子１８、温度センサ２０、コネクタ２４および操作部４２が接続されている。
【００２１】
プロセッサ２８は、記憶部４０に記憶されたプログラム、あるいは、予め自らに記憶されたプログラムを実行することで、内部に伝搬時間測定部３０、温度測定部３２および演算部３４を構成する。これらの構成要素は、プロセッサ２８で実現する代わりに、ハードウエアであるディジタル回路によって個別に構成してもよい。
【００２２】
気体濃度測定装置が水素濃度を測定する処理について説明する。送信回路３６および送信振動子１６は、超音波を送信する送信部として動作する。送信回路３６は、伝搬時間測定部３０による制御に従って、送信振動子１６に送信パルス信号を出力する。送信振動子１６は、電気信号である送信パルス信号を超音波に変換し、送信超音波パルスを送信する。この送信超音波パルスは筐体１０の内側に設けられた反射板で反射する。受信振動子１８および受信回路３８は、超音波を受信する受信部として動作する。受信振動子１８は、筐体１０の内側に設けられた反射板で反射した超音波を受信し、この受信超音波を電気信号である受信パルス信号に変換して受信回路３８に出力する。受信回路３８は受信パルス信号のレベルを調整し、伝搬時間測定部３０に出力する。伝搬時間測定部３０は、送信回路３６が送信パルス信号を出力してから受信回路３８が受信パルス信号を出力するまでの伝搬時間ｔを求める。
【００２３】
記憶部４０には基準距離ｄ０が記憶されている。基準距離ｄ０は、送信振動子１６から筐体１０の内側の反射板における反射点２６に至り、反射点２６から受信振動子１８に至る測定区間の距離を予め測定した基準値である。演算部３４は記憶部４０から基準距離ｄ０を読み込み、基準距離ｄ０を伝搬時間ｔで割ることで伝搬速度測定値ｖｍを求める。
【００２４】
また、温度測定部３２は、温度センサ２０による検出値に基づいて温度測定値Ｔｍを求める。
【００２５】
記憶部４０には、温度測定値Ｔｍおよび温度補償値Δを対応付けた温度補償テーブルが記憶されている。温度補償値Δは、周囲の温度の変化によって生じる以下に列挙する値の変動のうち０でないものを一括して補償する値であり、以下に列挙する値の変動のうち少なくとも１つを補償する値である。補償される変動には、温度測定値Ｔｍの誤差の変動、筐体１０の伸縮に基づく測定区間の距離の変動、送信振動子１６に送信パルス信号が入力されてから送信超音波パルスが送信されるまでの送信レスポンス時間の変動、受信振動子１８で受信超音波パルスが受信されてから、受信振動子１８から超音波パルス信号が出力されるまでの受信レスポンス時間の変動等がある。温度補償テーブルを求める校正（キャリブレーション）処理については後述する。なお、温度補償テーブルの代わりに温度補償係数を記憶しておいてもよい。
【００２６】
演算部３４は、記憶部４０に記憶された温度補償テーブルを参照し、温度測定値Ｔｍに対応する温度補償値Δを取得する。そして、温度測定値Ｔｍに温度補償値Δを加算した補償温度測定値Ｔｃ＝Ｔｍ＋Δを求める。演算部３４は、次の（数１）に基づいて水素濃度ｐを求める。
【００２７】
【数１】
2018100916.tif 000003
【００２８】
ここで、ｋは気体の比熱比であり、Ｒは気体定数である。Ｍｈは水素の分子量であり、Ｍａは水素を含まない空気の分子量である。測定対象の空気の組成を窒素８０％、酸素２０％のみと仮定すれば、比熱比ｋは１．４としてよい。また、気体定数Ｒは８．３１、水素の分子量Ｍｈは２．０、空気の分子量Ｍａは２８．８である。上述のように伝搬速度測定値ｖｍおよび補償温度測定値Ｔｃは、演算部３４によって求められる。
【００２９】
（数１）の右辺の各値は既知であるため、演算部３４は（数１）に従って水素濃度ｐを求める。プロセッサ２８は、このように求められた水素濃度ｐをコネクタ２４から外部のコンピュータに出力する。気体濃度測定装置が表示パネルを備えている場合には、プロセッサ２８は表示パネルに水素濃度ｐを表示してもよい。
【００３０】
（数１）は次のようにして導かれる数式である。一般に、分子量Ｍ、気体の比熱比ｋ、気体定数Ｒ、気体の温度Ｔ、および音速ｖについては（数２）が成立する。
【００３１】
【数２】
2018100916.tif 000004
【００３２】
水素が濃度ｐで空気に含まれているとすれば、各分子量について（数３）が成立する。
【００３３】
【数３】
2018100916.tif 000005
【００３４】
（数３）をｐについて解き、（数２）を代入してＭを消去し、音速ｖを伝搬速度測定値ｖｍに置き換え、気体の温度Ｔを補償温度測定値Ｔｃに置き換えると（数１）が得られる。
【００３５】
（３）キャリブレーション処理
キャリブレーション処理では上述の温度補償テーブルが求められる。以下に説明する実施形態では、ユーザによる操作部４２の操作に応じてプロセッサ２８がキャリブレーション処理を実行する。ただし、キャリブレーション処理の全部または一部は、コネクタ２４に接続された外部のコンピュータが実行してもよい。すなわち、以下の説明でプロセッサ２８が実行する処理の全部または一部を外部のコンピュータが実行してもよい。
【００３６】
（ｉ）基準状態での測定（基準距離ｄ０を求める処理）
最初にユーザは、気体濃度測定装置を基準環境下に置かれた基準状態とする。ここで、基準環境とは、例えば、温度が基準温度Ｔ０＝２９３Ｋ（＋２０°Ｃ）であり窒素濃度が約８０％、酸素濃度が約２０％の基準気体としての空気に囲まれる環境をいう。基準状態では、気体濃度測定装置の筐体１０内に基準気体が入り込み、筐体１０内に基準気体が収容された状態となる。
【００３７】
伝搬時間測定部３０は送信回路３６および受信回路３８を制御し、送信振動子１６から送信超音波パルスを送信させ、受信振動子１８に受信超音波パルスを受信させる。伝搬時間測定部３０は、送信回路３６が送信パルス信号を出力してから受信回路３８が受信パルス信号を出力するまでの時間を基準伝搬時間ｔ０として求める。基準伝搬時間ｔ０は、気体濃度測定装置が基準状態にあるときに、送信振動子１６から筐体１０の内側の反射板における反射点２６に至り、反射点２６から受信振動子１８に至る測定区間を超音波が伝搬する時間である。
【００３８】
演算部３４は、基準状態における超音波の伝搬速度である基準伝搬速度ｖ０を計算する。基準伝搬速度ｖ０は、ユーザの操作によって予め演算部３４に記憶させてもよい。基準伝搬速度ｖ０は、（数２）を変形した（数４）によって求められる値である。すなわち、（数４）における気体の温度Ｔとして基準温度Ｔ０を代入し、分子量Ｍとして基準気体の分子量Ｍａを代入することで求められる伝搬速度である。
【００３９】
【数４】
2018100916.tif 000006
【００４０】
演算部３４は、基準伝搬速度ｖ０に基準伝搬時間ｔ０を乗じることで、送信振動子１６から筐体１０の内側の反射板における反射点２６に至り、反射点２６から受信振動子１８に至る測定区間の距離を求め、これを基準距離ｄ０として記憶部４０に記憶させる。
【００４１】
このように、キャリブレーション処理の第１段階では、気体濃度を測定する空間としての筐体１０内に基準気体があり、筐体１０内が基準温度とされた基準状態に気体濃度測定装置を設定するステップと、気体濃度測定装置が基準状態とされているときに、筐体１０内の測定区間を超音波が伝搬する基準伝搬時間ｔ０を測定するステップと、基準伝搬時間ｔ０に基づいて、測定区間の距離を基準距離ｄ０として求めるステップとが実行される。
【００４２】
（ｉｉ）温度を変化させながらの測定
ユーザは温度が異なる複数の環境下に気体濃度測定装置を置く。演算部３４は、各環境下において超音波が測定区間を伝搬するときの伝搬時間を求める。例えば、環境温度Ｔｅ＝２５３Ｋ〜３２３Ｋについて５Ｋ刻みで温度を変化させ、上記の基準状態での処理と同様の処理によって各環境温度Ｔｅについて測定区間の伝搬時間を求める。この例では、演算部３４は、Ｔｅ＝２５３Ｋ，２５８Ｋ，２６３Ｋ・・・・・３１８Ｋおよび３２３Ｋの１６種類の温度環境下のそれぞれについて伝搬時間ｔ（Ｔｅ）＝ｔ（２５３），ｔ（２５８），ｔ（２６３）・・・・・ｔ（３１８）およびｔ（３２３）を求める。ここで、括弧内の数値は環境温度Ｔｅである。
【００４３】
また、温度測定部３２は、各環境下において温度センサ２０から得られた検出値に基づき、温度測定値Ｔｍ（Ｔｅ）＝Ｔｍ（２５３），Ｔｍ（２５８），Ｔｍ（２６３）・・・・・Ｔｍ（３１８）およびＴｍ（３２３）を求める。
【００４４】
演算部３４は、各環境温度Ｔｅに対して求められた伝搬時間ｔ（Ｔｅ）について伝搬速度計算値ｖ（Ｔｅ）を求める。すなわち、演算部３４は、記憶部４０に記憶された基準距離ｄ０を伝搬時間ｔ（Ｔｅ）で割ることで伝搬速度計算値ｖ（Ｔｅ）を求める。
【００４５】
演算部３４は、（数５）に基づいて、各環境温度Ｔｅについて温度計算値Ｔｃａｌ（Ｔｅ）を求める。
【００４６】
【数５】
2018100916.tif 000007
【００４７】
（数５）は、（数２）を気体の温度Ｔについて解き、音速ｖとして伝搬速度計算値ｖ（Ｔｅ）を代入し、気体の分子量Ｍとして基準気体の分子量Ｍａを代入することで得られる数式である。
【００４８】
演算部３４は、各環境温度Ｔｅについて求められた温度計算値Ｔｃａｌ（Ｔｅ）から、各環境下で得られた温度測定値Ｔｍ（Ｔｅ）を減算し、各環境温度Ｔｅに対し温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）を求める。すなわち、演算部３４は、（数６）に従って温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）を求める。
【００４９】
【数６】
2018100916.tif 000008
【００５０】
温度計算値Ｔｃａｌ（Ｔｅ）には、環境温度の真値に加えて、環境温度の変化に基づく伝搬速度計算値ｖ（Ｔｅ）の変動を温度に置き換えた値δ１が含まれている。伝搬速度計算値ｖ（Ｔｅ）の変動には、環境温度Ｔｅが基準温度Ｔ０から変化したことに基づく測定区間の伸縮、送信レスポンス時間の変化、および受信レスポンス時間の変化に基づく変動が含まれている。したがって、Ｔｃａｌ（Ｔｅ）には、環境温度Ｔｅが基準温度Ｔ０から変化したことに基づくこれらの変動を温度に置き換えた値δ１（以下、構造変動値δ１という）が含まれているといえる。
【００５１】
他方、温度測定値Ｔｍ（Ｔｅ）には、環境温度の真値に加えて、温度センサ２０の検出誤差に基づく測定誤差δ２が含まれている。したがって、温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）は、構造変動値δ１と温度センサ２０の測定誤差δ２とを合算したものであるといえる。すなわち、（数７）が成立する。
【００５２】
【数７】
2018100916.tif 000009
【００５３】
このように、キャリブレーション処理の第２段階では、次のような変動値算出プロセスが、筐体１０内における基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行される。すなわち、変動値算出プロセスは、測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を測定するステップと、伝搬時間の測定値および基準距離に基づいて温度計算値を求めるステップと、筐体１０内の温度を測定して温度測定値を得るステップと、温度計算値と温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を求めるステップとを含む。
【００５４】
（ｉｉｉ）温度補償テーブルの生成
演算部３４は、各環境温度Ｔｅに対して離散的に求められた温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）に基づいて、連続的な環境温度Ｔｅに対して温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）が得られるδ（Ｔ）関数を求めてもよい。この処理は、例えば、各環境温度Ｔｅと温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）との関係を１次関数、または２次以上の関数で近似することで行う。δ（Ｔ）関数は、所定範囲に区切られた温度範囲ごとに個別に定義された関数であってもよい。演算部３４は、環境温度Ｔｅと温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）との関係を、温度測定値Ｔｍと温度補償値Δとの関係に置き換えた温度補償テーブルを生成する。演算部３４は、校正情報としての温度補償テーブルを記憶部４０に記憶させる。
【００５５】
図３には、各環境温度Ｔｅに対して離散的に求められた温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）の例がグラフによって示されている。横軸は環境温度Ｔｅを示し縦軸は温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）を示す。演算部３４は、各環境温度Ｔｅと温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）との関係を表す各黒丸を通るδ（Ｔ）関数を求め、このδ（Ｔ）関数に基づいて温度補償テーブルを生成してもよい。
【００５６】
演算部３４は、各環境温度Ｔｅについて求められた温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）を、そのまま、各温度測定値Ｔｍに対応する温度補償値Δとして温度補償テーブルを生成してもよい。この場合、５Ｋよりも小さい刻み幅で各環境温度Ｔｅについて温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）が求められてもよい。
【００５７】
気体濃度測定装置を量産する場合においては、ある製品について求められた温度補償テーブルを、その他の量産される製品の記憶部に記憶させてもよいし、各製品について個別に温度補償テーブルを求め、各製品について個別に温度補償テーブルを記憶部に記憶させてもよい。
【００５８】
また、気体の温度と温度補償値を対応付けるための校正情報として温度補償テーブルを求める代わりに、気体の温度を与えることで温度補償値が得られる校正関数を求めてもよい。この場合、δ（Ｔ）関数を規定するｎ次多項式の各係数が校正情報として求められてもよい。すなわち、（数８）における各係数ｃｉが校正情報として求められてもよい。
【００５９】
【数８】
2018100916.tif 000010
【００６０】
（４）水素濃度の測定
水素濃度の測定において温度測定部３２は、温度センサ２０による検出値に基づいて温度測定値Ｔｍを求める。演算部３４は、記憶部４０に記憶された温度補償テーブルを参照し、温度測定値Ｔｍに対応する温度補償値Δを取得する。そして、温度測定値Ｔｍに温度補償値Δを加算した補償温度測定値Ｔｃを求める。補償温度測定値Ｔｃは（数９）のように表される。演算部３４は、上記（数１）に基づいて水素濃度ｐを求める。
【００６１】
【数９】
2018100916.tif 000011
【００６２】
構造変動値δ１および温度センサ２０の測定誤差δ２を用いて、温度補償値ΔはΔ＝δ１＋δ２と表される。また、温度測定値Ｔｍは、温度の真値をＴａとすると、Ｔｍ＝Ｔａ−δ２と表される。したがって、補償温度測定値Ｔｃは、Ｔｃ＝Ｔｍ＋Δ＝Ｔａ−δ２＋（δ１＋δ２）＝Ｔａ＋δ１となり、温度センサ２０の測定誤差δ２が相殺され、構造変動値δ１が反映された値となる。これによって、補償温度測定値Ｔｃは、気体の温度が基準温度Ｔ０から変化したことに基づく測定区間の伸縮、送信レスポンス時間の変化、受信レスポンス時間の変化等を構造変動値δ１によって補償し、温度センサ２０の測定誤差δ２を抑制する値となる。補償温度測定値Ｔｃを用いることで、これらの変動要因が補償された水素濃度ｐが求められる。
【００６３】
（５）変形例
演算部３４は、各環境温度Ｔｅについて求められた温度計算値Ｔｃａｌ（Ｔｅ）を、各温度環境下で得られた温度測定値Ｔｍ（Ｔｅ）で割ることで、各環境温度に対して温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）を求めてもよい。すなわち、演算部３４は、（数１０）に基づいて環境温度Ｔｅと温度置き換え変動値δ（Ｔｅ）との関係を求め、この関係から温度測定値Ｔｍと温度補償値Δとの関係を求めて、温度補償テーブルを生成してもよい。
【００６４】
【数１０】
2018100916.tif 000012
【００６５】
この場合、演算部３４は、記憶部４０に記憶された温度補償テーブルを参照し、温度測定値Ｔｍに対応する温度補償値Δを取得する。そして、温度測定値Ｔｍに温度補償値Δを乗算した補償温度測定値Ｔｃ＝Ｔｍ×Δを求める。演算部３４は、上記（数１）に基づいて水素濃度ｐを求める。
【００６６】
なお、上記では、送信振動子１６と受信振動子１８とが個別に設けられた構成について説明した。これらの超音波振動子は共通化してもよい。すなわち、１つの共通の超音波振動子が送信回路３６および受信回路３８に接続された構成を採用し、その超音波振動子が超音波パルスの送信および受信を行ってもよい。
【００６７】
また、上記では、送信振動子１６から筐体１０の内側の反射板に超音波を送信し、筐体１０の内側の反射板で反射した超音波を受信振動子１８で受信する構造について説明した。このような構造の他、図４に示されているように、送信振動子１６と受信振動子１８とを対向させた構造を採用してもよい。この場合、送信振動子１６から送信され筐体１０内を伝搬した超音波が、受信振動子１８で直接受信される。送信振動子１６と受信振動子１８とを直接結ぶ経路が測定区間となる。
【００６８】
また、水素濃度ｐの測定に際しては、（数１）に代えて、（数１）に修正項ｆが加算された（数１１）を用いてもよい。修正項ｆは、補償温度測定値Ｔｃについての関数であってもよい。右辺第１項に比べて修正項ｆは十分小さいため、補償温度測定値Ｔｃには上記で定義されたものを用いてもよい。また、右辺第１項に比べて修正項ｆは十分小さいため、（数１１）を用いて水素濃度ｐを求める場合であっても、（数１）を用いる場合と同一のキャリブレーション処理を実行してもよい。
【００６９】
【数１１】
2018100916.tif 000013
【００７０】
上記では、気体濃度測定装置として、水素の濃度を測定する実施形態について説明した。気体濃度測定装置は、その他の気体の濃度を測定してもよい。この場合、比熱比ｋ、分子数等を測定対象の気体の値に置き換えた処理が実行される。
【符号の説明】
【００７１】
１０  筐体、１２  回路基板、１４  測定回路、１６  送信振動子、１８  受信振動子、２０  温度センサ、２２  通気孔、２４  コネクタ、２６  反射点、２８  プロセッサ、３０  伝搬時間測定部、３２  温度測定部、３４  演算部、３６  送信回路、３８  受信回路。  
【図１】
2018100916.tif 000014
【図２】
2018100916.tif 000015
【図３】
2018100916.tif 000016
【図４】
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