(57)【要約】【課題】複雑な信号処理やハ−ドウェアを必要とせずに、サンプルガスの濃度および流量を測定する方法、および、必要最小限の部品のみを用いることで安価かつ小型の超音波式ガス濃度流量測定装置を提供する。【解決手段】サンプルガスの流れる配管中に、対向させて配置した超音波振動子２つ、受信超音波のゼロクロス時間検出回路、温度センサを具備する超音波式ガス濃度流量測定方法および装置において、サンプルガスの取り得る濃度範囲、および、温度範囲から、サンプルガス中を伝播する超音波の音速の取り得る範囲を事前に知ることで好適な超音波振動子間距離を設定し、さらに、サンプルガスの取り得る流量範囲から好適な配管内半径を設定した構造であり、サンプルガス温度と連続した２つ以上のゼロクロス時間のみを検出し、受信超音波の波形情報を獲得することなく、静止サンプルガス中における超音波伝播時間、および、サンプルガスの流れに対し順逆双方向での超音波伝播時間の差を正確に検出でき、サンプルガスの濃度、および流量を測定することができる小型の超音波式ガス濃度流量測定装置。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルガスの流れる配管中に、対向させて配置した２つの超音波振動子、受信超音波のゼロクロス時間検出手段、温度センサを具備したサンプルガス濃度及び／又は流量を測定する超音波式ガス濃度流量測定装置において、該ゼロクロス時間検出手段がサンプルガスの流れに対して順逆双方向に送受信された超音波の受信波形から２つ以上の連続したゼロクロス時間を検出し、検出結果から順逆双方向にて得られた各々のゼロクロス時間のトリガ位置を揃え、該トリガ位置の揃ったゼロクロス時間の平均値から静止サンプルガス中にて超音波の送受信を実施した際に得られるゼロクロス時間を推定し、該温度センサの出力を元に真の超音波伝播時間の取り得る範囲を導き出し、該超音波伝播時間の取り得る範囲に入るまで、推定された静止サンプルガス中における該ゼロクロス時間から受信超音波の１周期分の時間を整数倍巻き戻すことによって真の超音波伝播時間を演算する演算手段を備えることを特徴とする超音波式ガス濃度流量測定装置。
【請求項２】
サンプルガスの濃度範囲および温度範囲に基づいて、該サンプルガス中で超音波の送受信を実施した際に得られる真の超音波伝播時間の取り得る範囲の幅が受信超音波の１周期分の時間未満になる様に該超音波振動子の間の距離が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波式ガス濃度流量測定装置。
【請求項３】
該超音波振動子の間の距離（Ｌ）が、次式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波式ガス濃度流量測定装置。
Ｌ／Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）  −  Ｌ／Ｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）  ＜  １／ｆｒ
但し、
Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の下限値［ｍ／ｓｅｃ］
Ｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の上限値［ｍ／ｓｅｃ］
ｆｒ：サンプルガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］
【請求項４】
該演算手段が、該トリガ位置の揃ったゼロクロス時間の差を求め、請求項１に記載の装置にて獲得された静止サンプルガス中の超音波伝播時間と該ゼロクロス時間の差からサンプルガスの流れに対して順逆双方向での音速の差を求めることにより、受信超音波の波形情報を得ることなく、サンプルガスの流量を演算する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波式ガス濃度流量測定装置。
【請求項５】
該配管の内半径が、サンプルガスの濃度範囲、温度範囲、および流量範囲に基づいて、サンプルガスの流れに対して順逆双方向にて得られる超音波伝播時間の差が、受信超音波の１周期分の時間未満になるように設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波式ガス濃度流量測定装置。
【請求項６】
該配管の内半径（ｒ）が下記式の条件を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波式ガス濃度流量測定装置。
Ｌ／（Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）−Ｑｍａｘ／（６００００πｒ２））  −  Ｌ／（Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）＋Ｑｍａｘ／（６００００πｒ２））＜１／ｆｒ
但し、
Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の下限値［ｍ／ｓｅｃ］
Ｑｍａｘ：サンプルガスの流量上限値［Ｌ／ｍｉｎ］
ｆｒ：サンプルガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］
【請求項７】
サンプルガスの流れに対して順逆双方向に送受信された超音波の受信波形から２つ以上の連続したゼロクロス時間を検出し、順逆双方向にて得られた各々のゼロクロス時間のトリガ位置を揃えるステップ、該トリガ位置の揃ったゼロクロス時間の平均値から静止サンプルガス中にて超音波の送受信を実施した際に得られるゼロクロス時間を推定するステップ、該サンプルガスの温度を元に真の超音波伝播時間の取り得る範囲を導き出し、該超音波伝播時間の取り得る範囲に入るまで、推定された静止サンプルガス中における該ゼロクロス時間から受信超音波の１周期分の時間を整数倍巻き戻すことによって真の超音波伝播時間を演算するステップを有することを特徴とする、受信超音波の波形情報を得ることなくサンプルガスの濃度を測定する超音波式ガス濃度流量測定方法。
【請求項８】
サンプルガスの濃度範囲および温度範囲に基づいて、該サンプルガス中で超音波の送受信を実施した際に得られる真の超音波伝播時間の取り得る範囲の幅が、受信超音波の１周期分の時間未満になるよう、超音波振動子間距離を設定することを特徴とする請求項７に記載の超音波式ガス濃度流量測定方法。
【請求項９】
該超音波振動子間距離を設定する方法として、次式を満たす距離Ｌを選定することを特徴とする請求項８に記載の超音波式ガス濃度流量測定方法。
Ｌ  ／  Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）  −  Ｌ  ／  Ｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）  ＜  １／ｆｒ
但し、
Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の下限値［ｍ／ｓｅｃ］
Ｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の上限値［ｍ／ｓｅｃ］
ｆｒ：サンプルガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］
【請求項１０】
サンプルガスの流れに対して順逆双方向に送受信された超音波の受信波形から２つ以上の連続したゼロクロス時間を検出し、順逆双方向にて得られた各々のゼロクロス時間のトリガ位置を揃え、該トリガ位置の揃ったゼロクロス時間の差を求め、請求項８に記載の方法にて獲得された静止サンプルガス中の超音波伝播時間と該ゼロクロス時間の差からサンプルガスの流れに対して順逆双方向での音速の差を求めることにより、受信超音波の波形情報を得ることなく、サンプルガスの流量を測定することを特徴とする請求項８に記載の超音波式ガス濃度流量測定方法。
【請求項１１】
サンプルガスの流れに対して順逆双方向にて得られる超音波伝播時間の差が、受信超音波の１周期分の時間未満になるよう、サンプルガスの濃度範囲、温度範囲、および流量範囲に基づいて、サンプルガスの流れる配管の内半径を設定することにより、ゼロクロス時間のトリガ位置を揃えることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の超音波式ガス濃度流量測定方法。
【請求項１２】
該サンプルガスの流れる配管の内半径を設定する方法として、次式を満たす内半径（ｒ）を選定することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の超音波式ガス濃度流量測定方法。
Ｌ／（Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ））−Ｑｍａｘ／（６００００πｒ２））  −  Ｌ／（Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）＋Ｑｍａｘ／（６００００πｒ２））＜１／ｆｒ
但し、
Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の下限値［ｍ／ｓｅｃ］
Ｑｍａｘ：サンプルガスの流量上限値［Ｌ／ｍｉｎ］
ｆｒ：サンプルガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］
【請求項１３】
サンプルガスの流れる配管中に、対向させて配置した２つの超音波振動子、受信超音波のゼロクロス時間検出手段、温度センサを具備したサンプルガス濃度及び／又は流量を測定する超音波式ガス濃度流量測定装置において、該超音波振動子の間の距離（Ｌ）が、次式を満たすように設置されていることを特徴とする超音波式ガス濃度流量測定装置。
Ｌ  ／  Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）  −  Ｌ  ／  Ｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）  ＜  １／ｆｒ
但し、
Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の下限値［ｍ／ｓｅｃ］
Ｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の上限値［ｍ／ｓｅｃ］
ｆｒ：サンプルガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］
【請求項１４】
該配管の内半径（ｒ）が下記式の条件を満たすことを特徴とする請求項１３に記載の超音波式ガス濃度流量測定装置。
Ｌ／（Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）−Ｑｍａｘ／（６００００πｒ２））  −  Ｌ／（Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）＋Ｑｍａｘ／（６００００πｒ２））  ＜  １／ｆｒ
但し、
Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）：サンプルガスの温度下限値Ｔｍｉｎ℃において、サンプルガスの濃度範囲から計算される静止サンプルガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の下限値［ｍ／ｓｅｃ］
Ｑｍａｘ：サンプルガスの流量上限値［Ｌ／ｍｉｎ］
ｆｒ：サンプルガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により、サンプルガスの濃度及び流量を測定する装置に関するものである。さらに詳細には、例えば医療目的で使用される酸素濃縮器から送り出されたサンプルガス中の酸素濃度、流量の測定に適する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度は、サンプルガスの濃度、温度の関数として表されることが広く知られている。サンプルガスの平均分子量をＭ、温度をＴ［Ｋ］とすれば、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ［ｍ／ｓｅｃ］は、次式で表される。
【０００３】
【数１】
2004317459.tif 000002
【０００４】
ここで、ｋ、Ｒは定数（ｋ：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数）である。すなわち、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ［ｍ／ｓｅｃ］とサンプルガスの温度Ｔ［Ｋ］が測定できれば、サンプルガスの平均分子量Ｍを決定できる。該サンプルガスが、例えば酸素と窒素の２分子からなるガスであれば、ｋ  ＝  １．４となることが知られている。該サンプルガスの平均分子量Ｍは、酸素の分子量を３２、窒素の分子量を２８として、例えば酸素１００×Ｐ［％］（０≦Ｐ≦１）と窒素１００×（１−Ｐ）［％］の場合においては、Ｍ  ＝  ３２ Ｐ＋２８  （１−Ｐ）と記述することができ、測定された平均分子量Ｍから酸素濃度Ｐを決定できる。また、サンプルガス中の超音波伝播速度がＣ［ｍ／ｓｅｃ］、サンプルガスの流速がＶ［ｍ／ｓｅｃ］であったとき、サンプルガスの流れに対して順方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖ１［ｍ／ｓｅｃ］は、Ｖ１  ＝  Ｃ＋Ｖ、逆方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖ２［ｍ／ｓｅｃ］は、Ｖ２  ＝  Ｃ−Ｖとなるので、サンプルガスの流速Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］は、次式２で求めることができる。
【０００５】
【数２】
2004317459.tif 000003
【０００６】
これにサンプルガスの流れている配管の内面積［ｍ２］を乗じることで、サンプルガスの流量［ｍ３／ｓｅｃ］を求めることができる。さらに体積換算、時間換算を行えば、流量を［Ｌ／ｍｉｎ］で求めることも容易である。該原理を利用し、サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度もしくは伝播時間からサンプルガスの濃度、流量を測定する方法及び装置に関しては、種々の提案が行われている。たとえば、特開平６−２１３８７７号公報には、サンプルガスが通る配管中に超音波振動子２つを対向させて配置し、該超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間を計測することによってサンプルガスの濃度及び流量を測定する装置が記載されている。また、特開平７−２０９２６５号公報や特開平８−２３３７１８号公報には、超音波振動子１つを使用した音波反射方式でセンシングエリア内を伝播する超音波の伝播速度もしくは伝播時間を測定することにより、サンプルガスの濃度を測定する装置が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２１３８７７号公報
【特許文献２】
特開平７−２０９２６５号公報
【特許文献３】
特開平８−２３３７１８号公報
【特許文献４】
特開平９−３１８６４４号公報
【特許文献５】
特開昭６０−１３８４２２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような超音波の伝播速度を用いてサンプルガスの濃度および流量を正確に測定する方法および装置においては、超音波の伝播時間を正確に検出しなければならない。しかしながら、超音波の受信波形には常にノイズ成分が含まれており、超音波を受信した瞬間の時間を直接検出することは非常に困難であり、一般的に複雑な信号処理手法や、複雑なハ−ドウェアを搭載することにより、超音波伝播時間を推定する方法が用いられている。たとえば、特開平９−３１８６４４号公報には、受信された超音波波形を積分し、その積分出力が基準値に達したのちにおける受信波のゼロクロス時間を流速測定のための超音波伝播時間とする方法が記載されている。該方法により、受信波形の振幅が多少変動したとしてもゼロクロスのタイミングが変動しないため、受信波の到達時間に比較的近い位置でのゼロクロス時間を獲得できるが、残念ながら獲得されるゼロクロス時間は真の超音波伝播時間ではなく、とりわけ濃度測定においては真の超音波伝播時間と検出されたゼロクロス時間との差異が測定誤差に大きく影響する。また、たとえば特開昭６０−１３８４２２号公報には、受信波形の包絡線波形から算出された近似式に基づいて包絡線波形の立ち上がり時間を検出し、真の超音波伝播時間とする方法が記載されている。しかしながら、包絡線波形から超音波伝播時間を推定する方法においては、包絡線波形を得るために受信波形をサンプリングするためのハ−ドウェアを必要とし、また、包絡線を計算するために複雑な信号処理を必要とするため、安価で小型の装置を作成することが困難であった。
【０００９】
本発明は、複雑な信号処理やハ−ドウェアを必要とせずにサンプルガスの濃度および流量を測定する方法、および、必要最小限の部品のみを用いることで安価かつ小型の超音波式ガス濃度流量測定装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、サンプルガスの流れる配管中に、対向させて配置した超音波振動子２つ、受信超音波のゼロクロス時間検出回路、温度センサを具備する超音波式ガス濃度流量測定方法および装置において、サンプルガスの取り得る濃度範囲、および、温度範囲から、サンプルガス中を伝播する超音波の音速の取り得る範囲を事前に知ることで好適な超音波振動子間距離を設定し、さらに、サンプルガスの取り得る流量範囲から好適な配管内半径を設定すれば、サンプルガス温度と連続した２つ以上のゼロクロス時間のみを検出することで、受信超音波の波形情報を獲得することなく、静止サンプルガス中における超音波伝播時間、および、サンプルガスの流れに対し順逆双方向での超音波伝播時間差を正確に検出でき、サンプルガスの濃度、および流量を測定することができることを見出したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を示す。本実施例においては、酸素と窒素の２分子からなるサンプルガスの、酸素濃度と流量を測定する方法および装置に関して示す。さらに、本実施例では、サンプルガスの酸素濃度範囲が０［％Ｏ２］〜１００［％Ｏ２］、流量範囲が０〜１０［Ｌ／ｍｉｎ］であり、また、サンプルガスの温度範囲は、５［℃］〜３５［℃］である場合に関して示す。また、本実施例では、中心周波数が４０［ｋＨｚ］の超音波振動子を使用する。本発明によって測定できるサンプルガスは、本実施例に示す酸素と窒素からなるサンプルガスだけに限定されるものではなく、他の分子によって構成されるガスに対しても容易に適用できる。また、サンプルガスの取り得る濃度範囲、温度範囲も本実施例における範囲に限定されるものではなく、他の範囲においても容易に適用できる。さらに、超音波振動子の中心周波数も４０［ｋＨｚ］に限定されるものではなく、他の中心周波数を持つ超音波振動子に対しても容易に適用できる。
【００１２】
超音波式酸素濃度流量測定手段の構成は図１に示すとおりである。サンプルガスの流れる配管１の中に２つの超音波振動子２を対向させて配置し、該超音波振動子２の送受信を切り替える切り替え器４、該超音波振動子２に超音波送信パルスを伝えるドライバ５、超音波受信波形のゼロクロス時間を検出するゼロクロス時間検出回路６、サンプルガスの濃度、流量を算出するためのマイクロコンピュ−タ７、及び、配管１の中にサンプルガスの温度を測定する温度センサ３を備える。
【００１３】
超音波の送受信により、受信超音波のゼロクロス時間を検出する方法は各種提案されている。最も簡便な方法は、ゼロクロスコンパレ−タを搭載し、コンパレ−タ出力の立ち上がりエッジ、もしくは、立ち下りエッジを検出するものである。図２に超音波受信波形の一例を示す。超音波の受信波形には各種ノイズ成分が含まれるため、正確にゼロクロス時間を検出するためには、受信振幅が十分大きくなったところにてゼロクロスコンパレ−タの出力を獲得することが望ましい。すなわち、獲得されるゼロクロス時間は受信超音波の第一波目ではなく、それ以降の例えば第３波目や、第４波目にて得られることになる。図３に、本実施例でのゼロクロス時間検出回路６におけるゼロクロス時間検出方法を示す。ゼロクロス検出回路６には、ノイズレベルよりも十分大きい電圧値にて受信波形の存在を検出するためのトリガコンパレ−タ、および、トリガコンパレ−タの出力が発生した時間（図３中のトリガ検出位置）以降のゼロクロス時間を検出できるゼロクロスコンパレ−タを含む。獲得するゼロクロス時間は１点ではなく、連続した数点を取ることが望ましい。本実施例においては、連続した３点のゼロクロス時間（図３中のＺｃ１、Ｚｃ２、Ｚｃ３）を獲得することとした。
【００１４】
受信超音波のゼロクロス間隔は、常に中心周波数から計算される１周期分の時間間隔となるはずである。中心周波数４０［ｋＨｚ］の超音波振動子を用いる場合の１周期分の時間は、１／４００００［ｓｅｃ］＝２５［μｓｅｃ］となる。すなわち、ゼロクロス検出回路６にて得られた先頭のゼロクロス時間は超音波受信時間そのものではないが、該ゼロクロス時間から２５［μｓｅｃ］の整数倍を巻き戻した時間のいずれかに真の超音波受信時間が存在することになる。
【００１５】
すなわち、獲得されたゼロクロス時間が第何波目以降のゼロクロス時間であるか不明であっても、先述の超音波伝播時間の取り得る範囲内に、該ゼロクロス時間から１周期の整数倍だけ巻き戻して得られる時間が常に１つだけ存在する振動子間距離Ｌを設定することで、容易に真の超音波伝播時間を推定できることになる。
【００１６】
以下、超音波振動子間の距離を好適に設定する方法に関して示す。サンプルガスの濃度範囲が既知であれば、各温度での流速ゼロにおけるサンプルガス中を伝播する音速の範囲は、式１を用いて容易に計算できる。酸素の分子量を３２、窒素の分子量を２８とすれば、例えば、温度２０℃の場合において、酸素濃度０％の場合の音速は式１より、３４９．１［ｍ／ｓｅｃ］となり、酸素濃度１００％の場合の音速は、３２６．６［ｍ／ｓｅｃ］と計算される。すなわち、サンプルガスの酸素濃度が変化した場合において、２０℃におけるサンプルガス中の音速は、常に３２４．６［ｍ／ｓｅｃ］〜３４９．１［ｍ／ｓｅｃ］の範囲に収まることになり、該範囲の両端を音速の上限、下限とする。サンプルガス温度の取り得る範囲である５℃〜３５℃において計算される、温度と音速の関係をグラフ化したものを、図４に示す。図４にて明らかなように、音速Ｃの上限、下限は温度Ｔの関数として表すことができ、温度Ｔにおける音速の上限をＣｍａｘ（Ｔ）、下限をＣｍｉｎ（Ｔ）とする。
【００１７】
次に好適にしたい振動子間距離をＬｓ［ｍ］とする。音速の取り得る範囲が先述の通りあらかじめ分かっているため、超音波伝播時間の取り得る範囲は、Ｌｓを用いて表すことができる。すなわち超音波伝播時間の取り得る範囲は、Ｌｓ／Ｃｍａｘ（Ｔ）［ｓｅｃ］  〜  Ｌｓ／Ｃｍｉｎ（Ｔ）［ｓｅｃ］である。
【００１８】
該超音波伝播時間の取り得る範囲に、ゼロクロス時間検出回路６にて得られる該ゼロクロス時間から１周期の整数倍だけ巻き戻して得られる時間が常に１つだけにするためには、伝播時間の取り得る範囲が超音波の１周期分の時間未満であれば良い（図９）。超音波の周波数をｆｒ［Ｈｚ］とすれば、１周期の時間は１／ｆｒ［ｓｅｃ］となる。すなわち、下記式３を常に満たすＬｓを選定すれば良い。
【００１９】
【数３】
2004317459.tif 000004
【００２０】
“Ｌｓ  ／  Ｃｍｉｎ（Ｔ）  −  Ｌｓ  ／  Ｃｍａｘ（Ｔ）”の値を最大にする温度Ｔは、本実施例においてはサンプルガスの温度範囲下限の５℃である。５℃におけるＣｍａｘ（５℃）、Ｃｍｉｎ（５℃）はそれぞれ、Ｃｍａｘ（５℃）＝３４０．１［ｍ／ｓｅｃ］、Ｃｍｉｎ（５℃）＝３１８．１［ｍ／ｓｅｃ］となる。さらに、本実施例における超音波の周波数ｆｒは、ｆｒ＝４０［ｋＨｚ］＝４００００［Ｈｚ］であるため、式３を満たす振動子間距離Ｌｓは、Ｌｓ＜１２．３［ｃｍ］となり、およそ１２［ｃｍ］未満の振動子間距離となるように２つの超音波振動子２を設置すれば良いことになる。本実施例においては、振動子間距離として１０［ｃｍ］を採用した。
【００２１】
流量を測定するためには、サンプルガスの流れに対して、順逆双方向に超音波送受信を実施し、双方でのゼロクロス時間を必要とする。順逆双方にて得られるゼロクロス時間が、常に同じトリガ位置にて獲得されたものであれば、図５に示すとおり、ゼロクロス時間の間隔（図５中のＡの間隔）＝超音波の伝播時間差（図５中のｔｄ）となり得る。しかしながら、超音波の受信波形は順逆双方向で全く同一になる保証はなく、ゼロクロス検出回路６内のトリガコンパレ−タで検出されるトリガ位置が順逆にてずれる可能性がある。そこで、順逆双方向にて得られる超音波の伝播時間差ｔｄが、常に受信超音波の１周期分未満の時間となるようにサンプルガスの流れる配管１の内半径を設定すれば、トリガ位置が順逆にてずれた場合においても容易にトリガ位置合わせが可能となる。例えば、サンプルガスの流れに対して順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ位置に対し、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ位置が１周期分だけ前方であった場合を図６に示す。順逆にてトリガ位置が揃っていたと仮定してゼロクロス時間の差を計算すると、その値は負の値となる（図６中のＡ）。サンプルガスの流量範囲が０〜１０［Ｌ／ｍｉｎ］であれば、伝播時間の差が負になることはありえないため、容易にトリガがずれていたことを検出でき、図６中のＢを真の伝播時間差として採択することが可能となる。逆に、サンプルガスの流れに対して順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ位置に対し、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ位置が１周期分だけ後方であった場合を図７に示す。順逆にてトリガ位置が揃っていたと仮定してゼロクロス時間の差を計算すると、その値は超音波の１周期分の時間を上回る値となる（図７中のＡ）。しかしながら、超音波の伝播時間差ｔｄが、常に受信超音波の１周期分未満の時間となるように設計されていれば、伝播時間の差が受信超音波の１周期分以上になることはありえないため、この場合も容易にトリガがずれていたことを検出でき、図７中のＢを真の伝播時間差として採択することが可能となる。
【００２２】
以下、サンプルガスの流れる配管１の内半径を好適に設定する方法に関して示す。サンプルガスの流量をＱ［Ｌ／ｍｉｎ］とすれば、サンプルガスの流れる配管１の内半径をｒ［ｍ］とした場合、該配管１中の流速Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］は、次の式４の範囲にて表される。
【００２３】
【数４】
2004317459.tif 000005
【００２４】
サンプルガスの流れに対して順方向に超音波を送信した場合に観測される音速Ｖ１［ｍ／ｓｅｃ］は、サンプルガスが静止している場合の音速をＣ［ｍ／ｓｅｃ］として、Ｖ１＝Ｃ＋Ｖ、また、サンプルガスの流れに対して逆方向に超音波を送信した場合に観測される音速Ｖ２［ｍ／ｓｅｃ］は、Ｖ２＝Ｃ−Ｖ、として観測される。サンプルガスの流れに対して順逆双方向に超音波送受信を実施した際に観測される伝播時間の差をｔｄ［ｓｅｃ］とすると、ｔｄは振動子間距離をＬｓ［ｍ］として、式５で表すことができる。
【００２５】
【数５】
2004317459.tif 000006
【００２６】
したがって、伝播時間の差ｔｄが常に受信超音波の１周期分未満の時間となるようにするためには、常に式６を満たす内半径ｒを選定すれば良い。
【００２７】
【数６】
2004317459.tif 000007
【００２８】
本実施例において、式６の左項を最大とするＣ、Ｑの条件は、Ｃ＝Ｃｍｉｎ（５℃）＝３１８．１［ｍ／ｓｅｃ］、Ｑ＝１０［ＬＰＭ］である。さらに、振動子間距離Ｌｓ＝１０［ｃｍ］＝０．１［ｍ］、超音波の周波数ｆｒ＝４０［ｋＨｚ］＝４００００［Ｈｚ］を式６に代入すると、ｒ＞２．０５［ｍｍ］となり、配管１の内半径が２．０５［ｍｍ］を上回るようにすれば良いことになる。本実施例においては、配管１の内半径として２．５［ｍｍ］を採用した。
【００２９】
以下、本実施例におけるサンプルガスの酸素濃度、および、流量測定方法に関して述べる。サンプルガス投入中において、マイクロコンピュ−タ７より超音波の送信パルスをドライバ５に送り、送受信切り替え器４によってサンプルガスの流れと順方向に超音波を送信するように選択された超音波振動子２にパルス電圧が印加され、超音波が送信される。もう一方の超音波振動子２によって受信された超音波は、送受信切り替え器４を介して、ゼロクロス検出回路６に入力され、得られたゼロクロス時間３つ（ＺｃＦ１、ＺｃＦ２、ＺｃＦ３）をマイクロコンピュ−タ７に送る。その後、マイクロコンピュ−タ７より超音波の送信パルスをドライバ５に送り、送受信切り替え器４によってサンプルガスの流れと逆方向に超音波を送信するように選択された超音波振動子２にパルス電圧が印加され、超音波が送信される。もう一方の超音波振動子２によって受信された超音波は、送受信切り替え器４を介して、ゼロクロス検出回路６に入力され、得られたゼロクロス時間３つ（ＺｃＢ１、ＺｃＢ２、ＺｃＢ３）をマイクロコンピュ−タ７に送る。
【００３０】
以上の操作によってサンプルガスの流れに対して順逆双方向にて得られたゼロクロス時間から、図５〜図７に示した方法により、トリガ位置のズレを補正して超音波の伝播時間の差ｔｄを算出する。ｔｄの算出には、図５中に示されたＡの値、もしくは、図６、図７中に示されたＢの値を加算平均することで、時間検出誤差を減少させることが可能である。さらに、順逆双方向での超音波送受信にて得られるゼロクロス時間のトリガ位置を揃えた最初のゼロクロス時間の平均Ｚｃ＿ａｖｅを算出する。Ｚｃ＿ａｖｅは、サンプルガスの流量がゼロの時に超音波送受信を行った際に得られるゼロクロス時間であると見なすことができる。例えば図５に示した状態であれば、Ｚｃ＿ａｖｅは次の式７で求めることができる（図８）。
【００３１】
【数７】
2004317459.tif 000008
【００３２】
同様に図６に示した状態であれば、式８にて求めることができる（図示せず）。
【００３３】
【数８】
2004317459.tif 000009
【００３４】
更に図７に示した状態であれば、式９にて求めることができる（図示せず）。
【００３５】
【数９】
2004317459.tif 000010
【００３６】
続いて、マイクロコンピュ−タ７は、２つの超音波振動子間の距離をＬｓ［ｍ］とし（本実施例においては、Ｌｓ＝０．１［ｍ］）、温度センサ３の出力Ｔ℃を読み取り、サンプルガスの温度Ｔ℃に応じた超音波伝播時間の範囲Ｌｓ／Ｃｍａｘ（Ｔ）［ｓｅｃ］〜Ｌｓ／Ｃｍｉｎ（Ｔ）［ｓｅｃ］を計算する。さらに、該ゼロクロス時間の平均Ｚｃ＿ａｖｅから該超音波伝播時間の範囲に入るまで、受信超音波の１周期分の時間＝２５［μｓｅｃ］の整数倍を巻き戻していき、超音波伝播時間ｔｓ［ｓｅｃ］を確定する（図９）。この結果より、静止したサンプルガス中の超音波伝播速度Ｃｓ［ｍ／ｓｅｃ］は次式１０にて求めることができる。
【００３７】
【数１０】
2004317459.tif 000011
【００３８】
ここで、酸素の分子量をＭＯ２、窒素の分子量をＭＮ２、温度センサ出力のＴ［℃］を単位変換してＴｓ［Ｋ］とし、求めたい酸素濃度をＰｓとして式１を変形すると、次式が得られる。
【００３９】
【数１１】
2004317459.tif 000012
【００４０】
式１１より、サンプルガスの酸素濃度は１００×Ｐｓ［％］として測定できる。もしくは、サンプルガスの酸素濃度は、サンプルガス中の超音波伝播速度と、酸素１００％、窒素１００％のガス中の超音波伝播速度の比として求めることも可能である。すなわち、式１を用いれば温度Ｔｓ［Ｋ］における酸素１００％中の超音波伝播速度ＣＯ２［ｍ／ｓｅｃ］、窒素１００％中の超音波伝播速度ＣＮ２［ｍ／ｓｅｃ］は容易に求めることができ、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃｓ［ｍ／ｓｅｃ］を使い、以下の式１２によっても、Ｐｓを計算できる。
【００４１】
【数１２】
2004317459.tif 000013
【００４２】
上記の計算は、マイクロコンピュ−タ７にて実施され、濃度測定結果は表示器８に表示される。
【００４３】
流量測定時には、先に求めた静止したサンプルガス中の超音波伝播時間ｔｓと、超音波伝播時間差ｔｄを用いて、サンプルガスの流れに対して順方向に超音波の送受信を実施した際の超音波伝播時間ｔｓ１、逆方向に超音波の送受信を実施した際の超音波伝播時間ｔｓ２を式１３、式１４によって求める。
【００４４】
【数１３】
2004317459.tif 000014
【００４５】
【数１４】
2004317459.tif 000015
【００４６】
すなわち、サンプルガスの流れに対して順方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖｓ１［ｍ／ｓｅｃ］、逆方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖｓ２［ｍ／ｓｅｃ］は、それぞれ次式によって求めることができる。
【００４７】
【数１５】
2004317459.tif 000016
【００４８】
【数１６】
2004317459.tif 000017
【００４９】
さらに、式２より、サンプルガスの流速Ｖｓ［ｍ／ｓｅｃ］は次式で求めることができる。
【００５０】
【数１７】
2004317459.tif 000018
【００５１】
流速Ｖｓ［ｍ／ｓｅｃ］が求まれば、サンプルガスの流れる配管１の内半径をｒｓ［ｍ］とすれば、流量Ｑｓ［Ｌ／ｍｉｎ］は式１８によって求めることができる。
【００５２】
【数１８】
2004317459.tif 000019
【００５３】
上記の計算は、マイクロコンピュ−タ７において実施され、流量測定結果は表示器８に表示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波式酸素濃度流量測定手段の構成を示す概略図。
【図２】超音波受信波形の一例。
【図３】ゼロクロス時間検出回路によるゼロクロス時間検出方法の例。
【図４】温度と音速の関係。
【図５】トリガ位置が揃っている場合の超音波伝播時間差とゼロクロス時間の間隔との関係。
【図６】順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ位置に対し、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ位置が１周期分だけ前方であった場合の超音波伝播時間差とゼロクロス時間の間隔との関係。
【図７】順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ位置に対し、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ位置が１周期分だけ後方であった場合の超音波伝播時間差とゼロクロス時間の間隔との関係。
【図８】静止したサンプルガス中にて超音波送受信を行った際に得られるゼロクロス時間を求める例。
【図９】静止したサンプルガス中の超音波伝播時間を求める例。
【符号の説明】
１  配管
２  超音波振動子
３  温度センサ
４  送受信切り替え器
５  ドライバ
６  ゼロクロス検出回路
７  マイクロコンピュ−タ
８  表示器
９  不揮発性メモリ
【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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