CN101680859B

CN101680859B - 超声波式气体浓度测定方法及使用该方法的装置

Info

Publication number: CN101680859B
Application number: CN2008800181743A
Authority: CN
Inventors: 松崎大河
Original assignee: Teijin Pharma Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: HK1142126A1; US20100126249A1; JPWO2008149868A1; EP2154526B1; AU2008258938B2; MY150282A; WO2008149868A1; ES2693101T3; CA2689711C; KR20100023911A; TWI445957B; TW200905194A; CA2689711A1; CN101680859A; JP4988839B2; EP2154526A1; AU2008258938A1; KR101414925B1; US8746037B2; EP2154526A4

Abstract

本发明提供一种无论样品气体的压力如何都能够正确地测定气体浓度的方法及装置，该超声波式气体浓度测定装置，包括：在样品气体流动的管道中相对置配置并收发超声波的二个超声波振子；温度传感器以及压力传感器，还包括：根据基于压力的传播速度修正系数来计算样品气体浓度的浓度计算机构。

Description

超声波式气体浓度测定方法及使用该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种利用超声波测定样品气体浓度的方法及装置。进一步详细地说，涉及一种适用于测定譬如用于医疗目的的氧浓缩器所输送的氧浓缩气体中的氧浓度的方法、以及使用该方法的装置。

背景技术

众所周知，超声波在样品气体中传播的传播速度以样品气体的浓度、温度的函数来表示。若设样品气体的平均分子量为M、温度为T[K]，则样品气体中的超声波传播速度C[m/sec]可以由下式(1)来表示。

[式(1)]

C = \sqrt{\frac{kRT}{M}}

其中，k、R为常数(k表示定容摩尔比热与定压摩尔比热之比，R表示气体常数)。即，只要能够测定样品气体中的超声波传播速度C[m/sec]与样品气体的温度T[k]，就能够确定样品气体的平均分子量M。如果上述样品气体例如是由氧和氮的二种成分所组成的气体，则可知k＝1.4。当设氧的分子量为32、氮的分子量为28，且氧100×P[％](0≤P≤1)与氮100×(1-P)[％]时，该样品气体的平均分子量M可记为M＝32P+28(1-P)，并能够根据所测定的平均分子量M来确定氧浓度P。

另外，当样品气体中的超声波传播速度为C[m/sec]、样品气体的流速为V[m/sec]时，相对于样品气体的流动正向地发送超声波时所测定的超声波传播速度V1[m/sec]可用V₁＝C+V表示，而反向地发送超声波时所测定的超声波传播速度V₂[m/sec]可用V₂＝C-V表示，故样品气体的流速V[m/sec]可利用下式(2)求出。

[式(2)]

V = \frac{V_{1} - V_{2}}{2}

将如上述那样求出的样品气体的流速V[m/sec]与样品气体流动的管道的内截面积(inner area)[m²]相乘，从而能够求出样品气体的流量[m³/sec]。进而，若进行体积换算、时间换算，亦可很容易地采用[L/min]求出流量。

有关利用该原理，根据在样品气体中传播的超声波的传播速度或传播时间来测定样品气体的浓度、流量的方法及装置已提出了各种方案。譬如，特开平6-213877号中记载了这样一种装置，即：使两个超声波变换器在样品气体流动的管道中相对置地配置，并计量在该超声波变换器间传播的超声波的传播时间，从而测定样品气体的浓度及流量的装置。再者，特开平7-209265号公报及特开平8-233718号公报中记载了这样一种装置，即：借助于使用一个超声波变换器的声波反射方式来测定在传感区域内传播的超声波的传播速度或传播时间，由此测定样品气体浓度的装置。

为了利用如上所述的超声波的传播速度等正确地测定样品气体的浓度，必须知道将样品气体流动的管道内的影响因素考虑在内的正确的超声波传播速度。

作为气喘、肺气肿、慢性支气管炎等呼吸系统疾病的治疗方法，有一种让患者吸入氧气或富氧(oxygen enrichment)空气的给氧疗法，而作为该氧气供给源，有一种能够高浓度地浓缩存在于空气中约21％的氧，并将其提供给使用者的变压吸附型氧气浓缩装置。上述变压吸附型氧气浓缩装置是这样一种装置，即：作为与氧相比选择性地吸附氮的吸附剂，使用充填有5A型或13X型、Li-X型、MD-X型等分子筛沸石的吸附床，并由压缩机将压缩空气提供给吸附床，在加压条件下吸附氮，且将未吸附的氧作为氧浓缩气体而加以取出的装置。该装置中一般包含有两个以上的吸附床，并依次切换进行下述两个步骤而连续地生成氧气，即：以一个吸附床使氮吸附于吸附剂并生成未吸附的氧的加压吸附步骤；以及使另一个吸附床减压，排出所吸附的氮并进行再生的解除吸附再生步骤。

在变压吸附型氧浓缩装置中，切换管道中的加压吸附步骤和解除吸附再生步骤，从而连续生成氧气，另外，氧气供给流量亦可随时地切换使用，故管道中的样品气体压力将产生变动。然而，一般地，由于完全未考虑因压力所引起的超声波传播速度的变化，因而成为导致样品气体浓度测定值的精度恶化的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够导出随着样品气体的压力变动而修正传播速度的系数，并正确地测定压力中的样品气体浓度的超声波样品气体浓度测定方法及使用该方法的装置。

本案的发明者为了实现上述目的而进行了深入研究，其结果是，发现：在各种温度下改变样品气体流动的管道中的压力，计算出传播速度修正系数，并将传播速度修正系数表示为温度的函数，修正传播速度，由此可正确地测定样品气体浓度。

即，本发明提供一种超声波式气体浓度测定装置，其特征在于：该装置包括：在样品气体流动的管道中相对置地配置且收发超声波的两个超声波变换器；温度传感器及压力传感器，还包括：根据基于样品气体压力的传播速度修正系数来计算样品气体浓度的浓度计算机构。

另外，本发明提供一种超声波式气体浓度测定装置，上述浓度计算机构是如下机构：使用对应于样品气体的测定温度及测定压力的传播速度修正系数来修正直到该超声波变换器接收到超声波为止的传播时间，该浓度计算机构包括如下机构，即：利用下式(3)来修正直到该超声波变换器接收到超声波为止的传播速度C的机构。

[式(3)]

C = \sqrt{\frac{kRT}{M} (1 + \frac{P}{RT} B (T) + {(\frac{P}{RT})}^{2} C (T) + . . .)}

其中，k表示定容摩尔比热与定压摩尔比热之比，R表示气体常数、T表示样品气体测定温度，M表示样品气体的平均分子量、P表示样品气体的测定压力，B(T)及C(T)表示传播速度修正系数。

再有，本发明提供一种超声波式气体浓度测定方法，根据直到对置配置的超声波变换器接收到超声波为止的传播时间来测定样品气体中的浓度，该超声波为在样品气体流动的管道中相对置配置且收发超声波的超声波变换器所发送的超声波，该测定方法的特征在于：根据对应于样品气体温度及压力的传播速度修正系数，修正直到该超声波变换器接收到超声波为止的传播时间，特别地，该测定方法的特征在于：利用式(3)来修正直到该超声波变换器接收到超声波为止的传播速度C。

进而，本发明提供一种超声波式浓度测定方法，其特征在于：根据温度Ta下的多个不同压力的样品气体的超声波传播速度，求出温度Ta下的传播速度修正系数(B(Ta)、C(Ta))，并基于传播速度修正系数的温度T的函数来修正传播速度。

附图说明

图1是表示本发明的超声波式氧浓度测定装置的结构的概要图。

图2表示现有的超声波式氧浓度测定装置的氧浓度值与压力的关系。

图3表示传播速度修正系数与温度的关系。

图4表示本发明的采用了传播速度修正系数的超声波式氧浓度测定装置的氧浓度值与压力的关系。

图5表示用于求出实施方式的传播速度修正系数的实验装置。

具体实施方式

以下，表示本发明的超声波式气体浓度流量测定方法的实施方式。本实施方式中示出了测定由氧、氮及氩三种成分，或氧、氮二种成分构成的样品气体的氧浓度的装置。能够利用本发明所测定的样品气体并不仅限于本实施例所示出的氧、氮及氩所组成的样品气体，也适用于以其他分子构成的气体。

图1示出超声波式氧浓度流量测定机构的结构。该超声波式氧浓度测定机构包括：切换器4，将2个超声波变换器2(第一超声波变换器2a及第二超声波变换器2b)相对置地配置在样品气体流动的管道1中，并切换该超声波变换器2的收发；驱动器5，用于将超声波发送脉冲发送到该超声波变换器2；过零(zero-cross)时间检测电路6，用于检测超声波接收波形的过零时间；微机7，用于计算样品气体的浓度、流量；温度传感器3，用于在管道1中测定样品气体的温度；压力传感器8，用于在管道1中测定管道内的压力；以及非易失性存储器9，用于保存传播速度修正系数。显示器10显示所测定的样品气体的浓度。只要不扰乱样品气体的流动，温度传感器和压力传感器亦可配置于超声波传播路径上的中央处。

下面说明使用上述装置结构来测定样品气体浓度的方法。众所周知，超声波在样品气体中传播的传播速度是以样品气体的浓度、温度的函数进行表示的。即，设样品气体的平均分子量为M，温度为T[K]时，样品气体中的超声波传播速度C[m/sec]可用上式(1)表示。如式(1)所示，当管道中流动的样品气体不考虑受到压力影响的情形、以及当管道中的压力为零的情形，采用该方法均能测定出正确的氧浓度，但当管道中存在压力时，就不能正确地导出氧浓度的测定值。

图2示出了特开2004-317459号公报记载的、采用了未考虑压力的现有算法的测定方法而导出的样品气体中的氧浓度的结果。如图2所示，由于超声波的传播速度与压力相关，故可知氧浓度的输出值随着压力增大而降低。

通常知道的是超声波传播速度C与压力相关，表示为温度的函数，其可由式(3)表示。

[式(3)]

C = \sqrt{\frac{kRT}{M} (1 + \frac{P}{RT} B (T) + {(\frac{P}{RT})}^{2} C (T) + . . .)}

其中，P[N/m²]表示内置于本发明的超声波式样品气体浓度测定装置中的压力传感器的输出值。B(T)及C(T)[m³/mol]表示超声波传播速度修正系数。

本实施例中采用了B(T)的项之前的部分，并由下式(4)进行表示。

[式(4)]

C = \sqrt{\frac{kRT}{M} (1 + \frac{P}{RT} B (T))}

表示该传播速度修正系数的一种计算方法。如图5所示，将多个超声波式样品气体浓度测定装置13a、13b配置在可调整温度的装置14，譬如恒温槽的内部。从设置于外部的气瓶(gas bomb)16经流量调整器11而连接到超声波式样品气体浓度测定装置13a、13b。为了让温度稳定以便使样品气体温度与恒温槽设定温度一致，而使直至超声波式样品气体浓度测定装置13a、13b的恒温槽内的管体12的长度进一步增长。将从恒温槽14伸出的管体连接到压力调整阀15，从而能够调整压力值。

通过使用上述压力调整阀15而准备P₁、P₂两种压力条件，在各条件下，测定某一稳定的温度T₁下的超声波传播速度C1及C2，由此，样品气体的平均分子量M₁、M₂可由下式(5)及下式(6)求出。这里，两种压力水准下的温度条件也可以不一致。

[式(5)]

M_{1} = \frac{kR T_{1}}{{C_{1}}^{2}} (1 + \frac{P_{1}}{R T_{1}} B (T_{a}))

[式(6)]

M_{2} = \frac{kR T_{1}}{{C_{2}}^{2}} (1 + \frac{P_{2}}{R T_{1}} B (T_{a}))

若实际测定时的样品气体相同，则M1＝M2，能够计算出传播速度修正系数B(Ta)。

其他的温度T₂、T₃等下的传播速度修正系数B₂、B₃也可以采用同样的方法求出，包含温度T₁下的传播速度修正系数B(Ta)＝B₁在内，图3绘出了传播速度修正系数(B₁～B₃)与温度(T₁～T₃)之间的关系。

此处，将标绘出的点以二次近似曲线进行近似，由此，如下式(7)所示，可以将传播修正系数B(T)作为温度(T)的函数求出。但是近似曲线也可以不是二次曲线。

[式(7)]

B(T)＝αT²+βT+γ

将温度传感器的输出值及压力传感器的输出值代入到式(7)及式(4)，并利用修正后的超声波传播速度来测定样品气体浓度，该测定结果表示于图4。如图4所示，氧浓度不受压力变动的影响，能够正确地测定出浓度。

通过使用本发明的方法，能够提供一种可导出用于修正随着样品气体的压力而变动的传播速度的系数，并正确地测定压力中的样品气体浓度的超声波式样品气体浓度测定方法及气体浓度测定装置。

Claims

1.一种超声波式气体浓度测定方法，根据直到样品气体流过的管道中、彼此相对配置的2个收发超声波的超声波变换器发送的超声波为配置在对侧的超声波变换器接收到为止的传播时间，来测定样品气体中的特定成分气体的浓度，所述方法包括如下步骤：

测定直到由两个超声波变换器各自发送的超声波为另一超声波变换器接收到为止的传播时间；

测定样品气体温度；

测量样品气体压力，以及

根据对应于样品气体的温度和压力的传播速度修正系数，修正直到该超声波变换器接收到超声波为止的传播时间，

其中修正直到该超声波变换器接收到超声波为止的传播时间的步骤是利用下式来修正超声波的传播速度(C)的步骤，

C = \sqrt{\frac{kRT}{M} (1 + \frac{P}{RT} B (T))}

其中，k表示定容摩尔比热与定压摩尔比热之比，R表示气体常数，T表示样品气体测定温度，M表示样品气体的平均分子量，P表示样品气体的测定压力，B(T)表示传播速度修正系数；以及

所述修正超声波的传播速度的步骤通过根据温度Ta下的具有两种不同型式的压力值的样品气体的超声波传播速度，求出温度Ta下的传播速度修正系数B(Ta)，基于传播速度修正系数的温度T的函数来修正传播速度。

2.一种测定气体浓度的超声波式气体浓度测定装置，包括：

管道，沿着轴线延伸、用于使要测定的目的气体流过管道；

第一超声波变换器，配置在该管道的内侧，收发超声波；

第二超声波变换器，在该管道的内侧与第一超声波变换器相对配置，收发超声波；

收发切换器，对超声波发送模式和超声波接收模式进行切换控制，其中，超声波发送模式是由超声波变换器发送超声波的模式，超声波接收模式是在该第一及第二超声波变换器之间接收所发送超声波的模式；

温度传感器，配置在该管道中，测定目的气体的温度；和

压力传感器，配置在该管道中，测定目的气体的压力；还具有：

浓度计算机构，利用直到由两个超声波变换器各自发送的超声波被另一超声波变换器接收到为止的传播时间、温度传感器的输出值、以及该压力传感器的压力值，根据传播速度修正系数来计算目的气体的浓度，；以及

该浓度计算机构配置了利用下式来修正超声波的传播速度(C)的机构，

C = \sqrt{\frac{kRT}{M} (1 + \frac{P}{RT} B (T))}

所述修正超声波的传播速度的机构利用根据温度Ta下的具有两种不同型式的压力值的样品气体的超声波传播速度，求出温度Ta下的传播速度修正系数B(Ta)，基于传播速度修正系数的温度T的函数来修正传播速度。