(57)【要約】      （修正有）【課題】複雑な信号処理やハ−ドウェアを必要とせずに、酸素濃縮ガスの酸素濃度および流量を測定する超音波式酸素濃度流量測定手段を搭載した酸素濃縮装置を提供する。【解決手段】空気中から酸素を分離する酸素濃縮手段、酸素濃縮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を具備した酸素濃縮装置において、該ゼロクロス時間検出手段が、酸素濃縮ガスの流れに対して順方向に送受信された超音波の受信波形から２つ以上の連続した順側ゼロクロス時間と、逆方向の受信波形から２つ以上の連続した逆側ゼロクロス時間を検出し、該順側ゼロクロス時間と該逆側ゼロクロス時間のトリガ検出位置を揃え、平均ゼロクロス時間を算出、真の超音波伝播時間の取り得る範囲に入るまで受信超音波の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酸素濃縮装置。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中から酸素を分離する酸素濃縮手段、酸素濃縮手段の下流の酸素濃縮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を具備した酸素濃縮装置において、該ゼロクロス時間検出手段が、酸素濃縮ガスの流れに対して順方向に送受信された超音波の受信波形から２つ以上の連続した順側ゼロクロス時間と、酸素濃縮ガスの流れに対して逆方向に送受信された超音波の受信波形から２つ以上の連続した逆側ゼロクロス時間を検出し、該順側ゼロクロス時間と該逆側ゼロクロス時間のトリガ検出位置を揃え、該トリガ検出位置の揃った順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の平均値から平均ゼロクロス時間を算出し、真の超音波伝播時間の取り得る範囲に入るまで、該平均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酸素濃縮装置。
【請求項２】
該真の超音波伝播時間の取り得る範囲を、酸素濃縮ガスの濃度範囲および温度範囲から導き出すことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
該超音波振動子の間の距離が、酸素濃縮ガスの濃度範囲および温度範囲に基づいて、静止した酸素濃縮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距離に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
該酸素濃縮ガスの流れる配管の中に、酸素濃縮ガスの温度を測定するための温度センサを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに１項に記載の酸素濃縮装置。
Ｌ／Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）  −  Ｌ／Ｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）  ＜  １／ｆｒ
但し、
Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）：酸素濃縮ガスの温度下限値（Ｔｍｉｎ℃）において、酸素濃縮ガスの濃度範囲から計算される静止酸素濃縮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）：酸素濃縮ガスの温度下限値（Ｔｍｉｎ℃）において、酸素濃縮ガスの濃度範囲から計算される静止酸素濃縮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：酸素濃縮ガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］
【請求項６】
該演算手段が、該トリガ検出位置の揃った順側ゼロクロス時間と逆側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真の超音波伝播時間と該順側ゼロクロス時間と該逆側ゼロクロス時間の差から、酸素濃縮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、酸素濃縮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１〜５のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
【請求項７】
該配管の内半径が、酸素濃縮ガスの濃度範囲、温度範囲、および流量範囲に基づいて、酸素濃縮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１〜６のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
Ｌ／（Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）−Ｑｍａｘ／（６００００πｒ２））  −  Ｌ／（Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）＋Ｑｍａｘ／（６００００πｒ２））＜１／ｆｒ
但し、
Ｌ：超音波振動子間の距離
Ｃｍｉｎ（Ｔｍｉｎ）：酸素濃縮ガスの温度下限値（Ｔｍｉｎ℃）において、酸素濃縮ガスの濃度範囲から計算される静止酸素濃縮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：酸素濃縮ガスの流量上限値［Ｌ／ｍｉｎ］
ｆｒ：酸素濃縮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、酸素濃縮ガスの酸素濃度及び流量を測定する手段を備えた酸素濃縮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】
2005001956.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】
2005001956.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。さらに、サンプルガスを構成する分子の数が２種類であれば、先述の通り容易にサンプルガスの濃度を特定することが可能であるが、酸素濃縮装置から出力される酸素濃縮ガスには、酸素、窒素以外に、アルゴンが含まれる。その場合の酸素濃度の特定方法は、特開２００３−１３５６０１号公報や、特開２００３−１３７５１０号公報に記載されている。
【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２００３−１３５６０１号公報
【特許文献５】
特開２００３−１３７５１０号公報
【特許文献６】
特開平９−３１８６４４号公報
【特許文献７】
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、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。
【０００９】
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。
【００１０】
また、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、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。
【００１１】
本発明は、複雑な信号処理やハ−ドウェアを必要とせずに酸素濃縮ガスの酸素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手段を搭載した酸素濃縮装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【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、空気中から酸素を分離する酸素濃縮手段、酸素濃縮手段の下流の酸素濃縮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を具備する酸素濃縮装置において、酸素濃縮ガスの取り得る濃度範囲、および、温度範囲から、酸素濃縮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、酸素濃縮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、酸素濃縮ガスの温度と連続した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、静止した酸素濃縮ガス中における超音波伝播時間、および、酸素濃縮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、酸素濃縮ガスの酸素濃度、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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を示す。本実施例では、酸素濃縮ガスの酸素濃度範囲が２１［％Ｏ２］〜９５［％Ｏ２］である場合に関して示す。酸素濃度が２１［％Ｏ２］の場合は、酸素が濃縮されていない大気を測定する場合を想定している。また、酸素濃縮ガスの流量範囲は０〜１０［Ｌ／ｍｉｎ］であり、該酸素濃縮ガスの温度範囲は、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酸素濃縮ガスの取り得る濃度範囲、温度範囲は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。
【００１４】
本実施例における酸素濃縮装置の構成は、図１に示す通りである。かかる例は圧力変動吸着型酸素濃縮装置の例を示すが、酸素発生手段としてはその他、酸素富化膜、固体電解質膜など各種の発生手段を採用することができる。該酸素濃縮装置１０は、原料ガスとして空気を吸い込み、フィルタ１１を介して該空気を酸素濃縮手段１３に送り込むコンプレッサ１２、空気中から酸素を分離する酸素濃縮手段１３、酸素濃縮手段１３の下流に、以下に記載の超音波式酸素濃度流量測定手段１５を備える。
【００１５】
超音波式酸素濃度流量測定手段１５の構成は図２に示すとおりである。酸素濃縮ガスの流れる配管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、酸素濃縮ガスの濃度、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の中に酸素濃縮ガスの温度を測定する温度センサ３を備える。尚、対向させて配置するとは、送信した超音波を反対側の超音波振動子が受信できる位置に配置するという意味であり、配管が直管の場合には向き合って発信面、受信面が平行に配置するのが好ましい。配管自体はＵ字管など曲がっていてもよい。温度センサ３は、酸素濃縮ガスの温度を測定できる場所であれば、配管１から離れた場所に設置しても良い。また、体積流量を質量流量に換算するために使用する圧力センサを備えても良い。
【００１６】
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３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１波目ではなく、それ以降の例えば第２波目や、第３波目にて得られることになる。図４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４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４中のＺｃ１、Ｚｃ２、Ｚｃ３）を獲得することとした。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
受信超音波の正確な周波数があらかじめ分かっていない場合には、連続したゼロクロス時間を数点獲得することで、各ゼロクロス時間の間隔を計算することができ、該ゼロクロス時間の間隔から周波数を計算することもできる。
【００２０】
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。酸素濃縮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酸素濃縮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、アルゴンの分子量を４０、酸素・窒素の比熱比を１．４、アルゴンの比熱比を１．６６７とすれば、例えば、温度２０℃の場合において、酸素濃度２１％の場合（酸素が濃縮されていない大気の場合：酸素２１％、窒素７８％、アルゴン１％とする）の音速は式１より、３４３．６［ｍ／ｓｅｃ］となる。さらに、本実施例における酸素濃縮装置１０の出力する酸素濃度が最大に達する状態は、酸素濃度９５％、窒素濃度１％、アルゴン濃度４％となることが判明しており、その場合の音速は、３２６．４［ｍ／ｓｅｃ］と計算される。すなわち、酸素濃縮ガスの酸素濃度が変化した場合において、２０℃における酸素濃縮ガス中の音速は、常に３２６．４［ｍ／ｓｅｃ］〜３４３．６［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。酸素濃縮ガスの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５に示す。図５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。
【００２１】
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。
【００２２】
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１０）。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。
【００２３】
【数３】
2005001956.tif 000004
【００２４】
“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酸素濃縮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℃）＝３３４．７［ｍ／ｓｅｃ］、Ｃｍｉｎ（５℃）＝３１７．９［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＜１５．８［ｃｍ］となり、およそ１５［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。ただし、該振動子間距離をあまりに短くしすぎると、超音波を送受信した際に得られる超音波伝播時間が非常に短くなることとなり、時間計測分解能の面から不利となる。また、計算上の振動子間距離の上限となる１５．８ｃｍ近傍の振動子間距離を採択した場合、例えば、酸素濃縮ガスの実際の温度が設計上の使用温度下限とした５℃であるにもかかわらず、温度センサ３の出力誤差によって実際よりも低い温度を測定してしまった場合や、酸素濃縮装置１０の使用者の不注意によって該酸素濃縮装置１０を５℃よりも下回る温度環境下に設置してしまった場合等には、マイクロコンピュータ７における計算上の音速測定値がＣｍｉｎ（５℃）〜Ｃｍａｘ（５℃）の範囲を飛び出してしまうことも考えられる。さらに、超音波振動子２の中心周波数にはバラツキがあり、例えば実際に使用した超音波振動子２の中心周波数が４２ｋＨｚであった場合には、式（３）による計算結果は１５．１ｃｍとなり、理想状態における計算値の１５．８ｃｍよりも短い振動子間距離を設定しなければならないことになる。製品として酸素濃縮装置１０を実現する場合には、該状況を十分考慮に入れた設計を実施する必要性があり、本実施例においては、現実的に存在しうる使用環境、および、温度センサ３の測定精度やマイクロコンピュータ７の時間測定分解能、超音波振動子２の中心周波数のバラツキ等を考慮した結果、振動子間距離として１０［ｃｍ］を採用した。
【００２５】
流量を測定するためには、酸素濃縮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、順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の両方を必要とする。順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間が、常に同じトリガ検出位置にて獲得されたものであれば、図６に示すとおり、順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の差（図６中のＡの間隔）＝超音波の伝播時間差（図６中のｔｄ）となり得る。図６では、順側ゼロクロス時間、逆側ゼロクロス時間共に、第２波目にてトリガ検出された場合を示している。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検出位置が順逆にて揃わない可能性がある。
【００２６】
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酸素濃縮ガスの流れる配管１の内半径を設定すれば、トリガ検出位置が順逆にて揃わなかった場合においても容易にトリガ検出位置を揃えることが可能となる。例えば、酸素濃縮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検出位置が第３波目であり、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ検出位置が第２波目であった場合を図７に示す。
【００２７】
順逆にてトリガ検出位置が揃っていたと仮定して順側ゼロクロス時間と逆側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７中のＡ）。酸素濃縮ガスの流量範囲が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、容易にトリガ検出位置が揃っていなかったことを検出でき、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。
【００２８】
逆に、酸素濃縮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検出位置が第２波目であり、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ検出位置が第３波目であった場合を図８に示す。順逆にてトリガ検出位置が揃っていたと仮定して順側ゼロクロス時間と逆側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８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検出位置が揃っていなかったことを検出でき、図８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。
【００２９】
以下、酸素濃縮ガスの流れる配管１の内半径を好適に設定する方法に関して示す。酸素濃縮ガスの流量をＱ［Ｌ／ｍｉｎ］とすれば、酸素濃縮ガスの流れる配管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。
【００３０】
【数４】
2005001956.tif 000005
【００３１】
酸素濃縮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、酸素濃縮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、酸素濃縮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。酸素濃縮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。
【００３２】
【数５】
2005001956.tif 000006
【００３３】
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。
【００３４】
【数６】
2005001956.tif 000007
【００３５】
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℃）＝３１７．９［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＞２．０５１［ｍｍ］となり、配管１の内半径が２．０５１［ｍｍ］を上回るようにすれば良いことになる。該内半径を設定する場合も、振動子間距離を設定する場合と同様、該内半径が大きければ大きいほうが良いというわけではない。該内半径を大きくしていくと、配管１内を流れる酸素濃縮ガスの流速は小さくなっていき、酸素濃縮ガスの流れに対して順逆に超音波を送受信した際に得られる超音波伝播時間の差は小さくなっていくこととなり、時間計測分解能の面から不利となる。また、計算上の下限となる値近傍の内半径を選択した場合にも、振動子間距離を設定する場合と同様に不都合を生じる可能性が高く、本実施例においては、現実的に存在しうる使用環境、および、マイクロコンピュータ７の時間測定分解能、超音波振動子２の中心周波数のバラツキ等を考慮した結果、配管１の内半径として２．５［ｍｍ］を採用した。
【００３６】
以下、本実施例における酸素濃縮装置１０に搭載された超音波式酸素濃度流量測定手段１５による酸素濃縮ガスの酸素濃度、および、流量測定方法に関して述べる。コンプレッサ１２がフィルタ１１を介して原料ガスとして空気を吸い込み、該空気を酸素濃縮手段１３に送り込む。酸素濃縮手段１３は、空気中から窒素を選択的に吸着することにより酸素濃縮ガスを送り出す。送り出された酸素濃縮ガスは、超音波式酸素濃度流量測定手段１５へ投入される。
【００３７】
該超音波式酸素濃度流量測定手段１５は、酸素濃縮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によって酸素濃縮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、得られた順側ゼロクロス時間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によって酸素濃縮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、得られた逆側ゼロクロス時間３つ（ＺｃＢ１、ＺｃＢ２、ＺｃＢ３）をマイクロコンピュ−タ７に送る。
【００３８】
以上の操作によって酸素濃縮ガスの流れに対して順逆双方向にて得られた順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間から、図６〜図８に示した方法により、トリガ検出位置を揃えた超音波の伝播時間の差ｔｄを算出する。ｔｄの算出には、図６中に示されたＡの値、もしくは、図７、図８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、順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間のトリガ検出位置を揃えた最初のゼロクロス時間の平均ゼロクロス時間Ｚｃ＿ａｖｅを算出する。Ｚｃ＿ａｖｅは、酸素濃縮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６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９）。
【００３９】
【数７】
2005001956.tif 000008
【００４０】
同様に図７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）。
【００４１】
【数８】
2005001956.tif 000009
【００４２】
更に図８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）。
【００４３】
【数９】
2005001956.tif 000010
【００４４】
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、酸素濃縮ガスの温度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、該平均ゼロクロス時間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１０）。この結果より、静止した酸素濃縮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。
【００４５】
【数１０】
2005001956.tif 000011
【００４６】
静止した酸素濃縮ガス中の超音波伝播速度Ｃｓが特定できれば、該酸素濃縮ガスの温度Ｔも温度センサ３によって既知であるため、例えば特開２００３−１３５６０１号公報や、特開２００３−１３７５１０号公報に記載されている方法にて酸素濃度を特定することが可能となる。
【００４７】
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。
【００４８】
流量測定時には、先に求めた静止した酸素濃縮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、酸素濃縮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１１、式１２によって求める。
【００４９】
【数１１】
2005001956.tif 000012
【００５０】
【数１２】
2005001956.tif 000013
【００５１】
すなわち、酸素濃縮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。
【００５２】
【数１３】
2005001956.tif 000014
【００５３】
【数１４】
2005001956.tif 000015
【００５４】
さらに、式２より、酸素濃縮ガスの流速Ｖｓ［ｍ／ｓｅｃ］は次式で求めることができる。
【００５５】
【数１５】
2005001956.tif 000016
【００５６】
流速Ｖｓ［ｍ／ｓｅｃ］が求まれば、酸素濃縮ガスの流れる配管１の内半径をｒｓ［ｍ］とすれば、流量Ｑｓ［Ｌ／ｍｉｎ］は式１６によって求めることができる。
【００５７】
【数１６】
2005001956.tif 000017
【００５８】
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】本発明の酸素濃縮装置の構成を示す概略図。
【図２】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３】超音波受信波形の一例。
【図４】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５】温度と音速の関係。
【図６】トリガ検出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７】順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ検出位置に対し、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ検出位置が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８】順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ検出位置に対し、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ検出位置が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９】静止した酸素濃縮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１０】静止した酸素濃縮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
１０  酸素濃縮装置
１１  フィルタ
１２  コンプレッサ
１３  酸素濃縮手段
１４  流量設定手段
１５  超音波式酸素濃度流量測定手段
１６  製品フィルタ
【図１】
2005001956.tif 000018
【図２】
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【図３】
2005001956.tif 000020
【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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