JP2002214203A - 超音波反射式ガス濃度測定方法及び装置 - Google Patents
超音波反射式ガス濃度測定方法及び装置Info
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- JP2002214203A JP2002214203A JP2001012862A JP2001012862A JP2002214203A JP 2002214203 A JP2002214203 A JP 2002214203A JP 2001012862 A JP2001012862 A JP 2001012862A JP 2001012862 A JP2001012862 A JP 2001012862A JP 2002214203 A JP2002214203 A JP 2002214203A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 簡便な方法にて装置の校正ができ、サンプル
ガスの温度に関わらず正確なガス濃度を測定できる方
法、及び装置を提供する。 【解決手段】 サンプルガスの流れる配管１中に、超音
波振動子２と反射板１０、温度センサ３を具備した超音
波反射式ガス濃度測定装置を用いてサンプルガスの濃度
を測定する方法において、既知濃度の校正用ガス１種類
を該装置に投入し、超音波振動子２から送信された超音
波が反射板１０にて反射されて超音波振動子２で受信す
るまでの伝播時間から、超音波振動子２と反射板１０を
結ぶ配管１の基準長さを校正するステップを備えた超音
波反射式ガス濃度測定方法。
ガスの温度に関わらず正確なガス濃度を測定できる方
法、及び装置を提供する。 【解決手段】 サンプルガスの流れる配管１中に、超音
波振動子２と反射板１０、温度センサ３を具備した超音
波反射式ガス濃度測定装置を用いてサンプルガスの濃度
を測定する方法において、既知濃度の校正用ガス１種類
を該装置に投入し、超音波振動子２から送信された超音
波が反射板１０にて反射されて超音波振動子２で受信す
るまでの伝播時間から、超音波振動子２と反射板１０を
結ぶ配管１の基準長さを校正するステップを備えた超音
波反射式ガス濃度測定方法。
Description
【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の測定に
適する装置に関するものである。
ンプルガスの濃度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（１）で表される。
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（１）で表される。
【０００３】
【数１】
【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Ｍ O2、窒素の分子量をＭN2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＝ＭO2Ｐ＋
ＭN2（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。
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Ｍ O2、窒素の分子量をＭN2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＝ＭO2Ｐ＋
ＭN2（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。
【０００５】超音波反射式ガス濃度測定装置の特徴とし
て、サンプルガスの流量に関わらずサンプルガスの濃度
を測定することが可能である。すなわち、サンプルガス
の流速がゼロでのサンプルガス中の超音波伝播速度がＣ
[m/sec]であれば、超音波振動子から反射板に向かう方
向へのサンプルガスの流速がＶ[m/sec]であったとき、
超音波振動子から反射板に向かう超音波伝播速度は、Ｃ
＋Ｖとなり、反射板にて反射された超音波が該超音波振
動子に戻る方向への超音波伝播速度はＣ−Ｖとなる。超
音波反射式の装置にて測定される超音波の伝播速度は、
往復する超音波の平均速度となるため、サンプルガスの
流速Vはキャンセルされて、サンプルガスの流速がゼロ
でのサンプルガス中の超音波伝播速度Ｃが測定されるこ
とになる。
て、サンプルガスの流量に関わらずサンプルガスの濃度
を測定することが可能である。すなわち、サンプルガス
の流速がゼロでのサンプルガス中の超音波伝播速度がＣ
[m/sec]であれば、超音波振動子から反射板に向かう方
向へのサンプルガスの流速がＶ[m/sec]であったとき、
超音波振動子から反射板に向かう超音波伝播速度は、Ｃ
＋Ｖとなり、反射板にて反射された超音波が該超音波振
動子に戻る方向への超音波伝播速度はＣ−Ｖとなる。超
音波反射式の装置にて測定される超音波の伝播速度は、
往復する超音波の平均速度となるため、サンプルガスの
流速Vはキャンセルされて、サンプルガスの流速がゼロ
でのサンプルガス中の超音波伝播速度Ｃが測定されるこ
とになる。
【０００６】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。
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】
【発明が解決しようとする課題】このような超音波の伝
播速度等を用いてサンプルガスの濃度を測定する方法及
び装置においては、超音波振動子と反射板を結ぶ配管の
長さが正確に決定されていなければならない。しかしな
がら、該配管の長さは、サンプルガスの流れる配管を作
成する際の工作精度や取り付け精度、超音波振動子と反
射板の取り付け精度、超音波振動子そのものの加工精
度、サンプルガスの温度変化に伴う配管の温度変化によ
る配管の長さの実質的な変化等により、超音波振動子と
反射板を結ぶ配管の正確な長さ、すなわち超音波の伝播
距離を把握することは困難であり、測定値の精度を悪化
させる原因となっている。他にも、装置の持つ電子回路
には温度特性があり、これが測定値の精度を悪化させる
原因となる可能性があることも指摘されている。
播速度等を用いてサンプルガスの濃度を測定する方法及
び装置においては、超音波振動子と反射板を結ぶ配管の
長さが正確に決定されていなければならない。しかしな
がら、該配管の長さは、サンプルガスの流れる配管を作
成する際の工作精度や取り付け精度、超音波振動子と反
射板の取り付け精度、超音波振動子そのものの加工精
度、サンプルガスの温度変化に伴う配管の温度変化によ
る配管の長さの実質的な変化等により、超音波振動子と
反射板を結ぶ配管の正確な長さ、すなわち超音波の伝播
距離を把握することは困難であり、測定値の精度を悪化
させる原因となっている。他にも、装置の持つ電子回路
には温度特性があり、これが測定値の精度を悪化させる
原因となる可能性があることも指摘されている。
【０００８】前述の特開平6-213877号公報や特開平8-23
3718号公報には、各種要因に起因する濃度測定結果の温
度特性を改善するため、温度補正係数を導入する方法が
記載されている。中には、温度と超音波伝播速度と濃度
の関係を、テーブルとしてあらかじめメモリ中に保存し
ておくという方法もある。しかしながら、これらの温度
補正係数やテーブルそのものを求めるためには、何点も
の温度においてサンプルガスを装置に投入し、経験的に
装置の温度特性を求める方法が取られるため、装置の校
正に多大な労力が必要であった。
3718号公報には、各種要因に起因する濃度測定結果の温
度特性を改善するため、温度補正係数を導入する方法が
記載されている。中には、温度と超音波伝播速度と濃度
の関係を、テーブルとしてあらかじめメモリ中に保存し
ておくという方法もある。しかしながら、これらの温度
補正係数やテーブルそのものを求めるためには、何点も
の温度においてサンプルガスを装置に投入し、経験的に
装置の温度特性を求める方法が取られるため、装置の校
正に多大な労力が必要であった。
【０００９】また、測定結果の温度特性を無くす方法と
して、装置自体を温度コントロール下におき、常に一定
温度に保って測定する方法も考案されている。しかしな
がら、該方法においては温度コントロールを実施するた
めの装置が別途必要になる、温度の正確なコントロール
自体が困難、といった問題点があった。
して、装置自体を温度コントロール下におき、常に一定
温度に保って測定する方法も考案されている。しかしな
がら、該方法においては温度コントロールを実施するた
めの装置が別途必要になる、温度の正確なコントロール
自体が困難、といった問題点があった。
【００１０】本発明は、簡便な方法にて装置の校正がで
き、サンプルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定で
きる方法、及び装置を見出すことを目的としている。
き、サンプルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定で
きる方法、及び装置を見出すことを目的としている。
【００１１】
【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、装置の測定結果
に現れる温度特性は、温度変化に伴う配管の長さの変化
が主原因であると見出したものである。
的を達成するために鋭意研究した結果、装置の測定結果
に現れる温度特性は、温度変化に伴う配管の長さの変化
が主原因であると見出したものである。
【００１２】該配管長の変化は、サンプルガス濃度の測
定結果に深刻な影響を与える。すなわち、超音波振動子
から送受信される超音波から測定されるものは超音波の
伝播時間であり、該伝播時間から濃度を測定する際に
は、超音波の伝播した距離（超音波振動子と反射板を結
ぶ配管の長さの２倍）を用いて、伝播速度を求める必要
がある。このとき、超音波振動子と反射板を結ぶ配管の
長さをすべての温度において一定であるとして計算を実
施すると、実際には配管の長さには温度変化があるた
め、測定される伝播速度は実際とは異なる値になってし
まい、濃度測定結果は温度特性を持つことになる。
定結果に深刻な影響を与える。すなわち、超音波振動子
から送受信される超音波から測定されるものは超音波の
伝播時間であり、該伝播時間から濃度を測定する際に
は、超音波の伝播した距離（超音波振動子と反射板を結
ぶ配管の長さの２倍）を用いて、伝播速度を求める必要
がある。このとき、超音波振動子と反射板を結ぶ配管の
長さをすべての温度において一定であるとして計算を実
施すると、実際には配管の長さには温度変化があるた
め、測定される伝播速度は実際とは異なる値になってし
まい、濃度測定結果は温度特性を持つことになる。
【００１３】該配管の長さの温度変化は、配管材質の線
膨張係数[1/K]に従って変化するものであり、配管材質
の線膨張係数と、特定温度における該配管の基準長さが
特定できれば、サンプルガス測定時の温度における真の
超音波振動子と反射板を結ぶ配管の長さを求めることが
でき、サンプルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定
できる。
膨張係数[1/K]に従って変化するものであり、配管材質
の線膨張係数と、特定温度における該配管の基準長さが
特定できれば、サンプルガス測定時の温度における真の
超音波振動子と反射板を結ぶ配管の長さを求めることが
でき、サンプルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定
できる。
【００１４】本発明は、簡便な方法にて特定温度におけ
る超音波振動子と反射板を結ぶの配管の基準長さを正確
に求め、サンプルガス測定時の温度における超音波振動
子と反射板を結ぶ配管の長さを、基準長さと配管材質の
膨張係数を用いて求め、サンプルガスの温度に関わらず
正確な濃度を測定できる方法、及び装置を提供するもの
である。さらに本発明は、配管材質の正確な線膨張係数
が不明な場合においても、配管材質の線膨張係数を正確
に求めることを可能とする方法、及び装置を提供するも
のである。
る超音波振動子と反射板を結ぶの配管の基準長さを正確
に求め、サンプルガス測定時の温度における超音波振動
子と反射板を結ぶ配管の長さを、基準長さと配管材質の
膨張係数を用いて求め、サンプルガスの温度に関わらず
正確な濃度を測定できる方法、及び装置を提供するもの
である。さらに本発明は、配管材質の正確な線膨張係数
が不明な場合においても、配管材質の線膨張係数を正確
に求めることを可能とする方法、及び装置を提供するも
のである。
【００１５】すなわち本発明は、サンプルガスの流れる
配管中に、超音波振動子と反射板、温度センサを具備し
た超音波反射式ガス濃度測定装置を用いて該サンプルガ
スの濃度を測定する方法において、既知濃度の校正用ガ
ス１種類を該装置に投入し、超音波振動子から送信され
た超音波が反射板にて反射されて該超音波振動子で受信
するまでの伝播時間から、超音波振動子と反射板を結ぶ
該配管の基準長さを校正するステップを備えた超音波反
射式ガス濃度測定方法を提供するものである。
配管中に、超音波振動子と反射板、温度センサを具備し
た超音波反射式ガス濃度測定装置を用いて該サンプルガ
スの濃度を測定する方法において、既知濃度の校正用ガ
ス１種類を該装置に投入し、超音波振動子から送信され
た超音波が反射板にて反射されて該超音波振動子で受信
するまでの伝播時間から、超音波振動子と反射板を結ぶ
該配管の基準長さを校正するステップを備えた超音波反
射式ガス濃度測定方法を提供するものである。
【００１６】また本発明は、かかるサンプルガスの測定
温度に応じた超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さ
を該配管材質の線膨張係数を用いて決定し、その結果と
超音波振動子から送信された超音波が反射板にて反射さ
れて該超音波振動子で受信するまでの伝播時間から超音
波の伝播速度を測定することにより、サンプルガスの濃
度を測定する方法を提供するものである。
温度に応じた超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さ
を該配管材質の線膨張係数を用いて決定し、その結果と
超音波振動子から送信された超音波が反射板にて反射さ
れて該超音波振動子で受信するまでの伝播時間から超音
波の伝播速度を測定することにより、サンプルガスの濃
度を測定する方法を提供するものである。
【００１７】また本発明は、かかる配管材質の正確な線
膨張係数が不明な場合には、異なる２種類の温度の該校
正用ガスを該装置に投入し、超音波振動子から送信され
た超音波が反射板にて反射されて該超音波振動子で受信
するまでの伝播時間から、各温度における超音波振動子
と反射板を結ぶ該配管の長さを求め、温度と該配管の長
さの関係から該配管材質の線膨張係数を測定する方法を
提供するものである。
膨張係数が不明な場合には、異なる２種類の温度の該校
正用ガスを該装置に投入し、超音波振動子から送信され
た超音波が反射板にて反射されて該超音波振動子で受信
するまでの伝播時間から、各温度における超音波振動子
と反射板を結ぶ該配管の長さを求め、温度と該配管の長
さの関係から該配管材質の線膨張係数を測定する方法を
提供するものである。
【００１８】また本発明は、サンプルガスの流れる配
管、該配管中に超音波を送受信する超音波振動子と反射
板、及び温度センサを備えた超音波反射式ガス濃度測定
装置において、超音波振動子から送信された超音波が反
射板にて反射されて該超音波振動子で受信するまでの伝
播時間を演算し、その結果から超音波振動子間を結ぶ配
管の基準長さを演算する演算手段、演算した基準長さを
記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする超音波反射
式ガス濃度測定装置を提供するものである。
管、該配管中に超音波を送受信する超音波振動子と反射
板、及び温度センサを備えた超音波反射式ガス濃度測定
装置において、超音波振動子から送信された超音波が反
射板にて反射されて該超音波振動子で受信するまでの伝
播時間を演算し、その結果から超音波振動子間を結ぶ配
管の基準長さを演算する演算手段、演算した基準長さを
記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする超音波反射
式ガス濃度測定装置を提供するものである。
【００１９】特にかかるサンプルガスの測定温度に応じ
た超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを該配管材
質の線膨張係数を用いて演算し、その結果と超音波振動
子から送信された超音波が反射板にて反射されて該超音
波振動子で受信するまでの伝播時間の演算結果から超音
波の伝播速度を演算し、該伝播速度から該サンプルガス
の濃度を演算する演算手段を備えたことを特徴とする超
音波反射式ガス濃度測定装置を提供するものである。
た超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを該配管材
質の線膨張係数を用いて演算し、その結果と超音波振動
子から送信された超音波が反射板にて反射されて該超音
波振動子で受信するまでの伝播時間の演算結果から超音
波の伝播速度を演算し、該伝播速度から該サンプルガス
の濃度を演算する演算手段を備えたことを特徴とする超
音波反射式ガス濃度測定装置を提供するものである。
【００２０】更に本発明は、異なる２種類の温度の該校
正用ガスを該装置に投入し、超音波振動子から送信され
た超音波が反射板にて反射されて該超音波振動子で受信
するまでの伝播時間の演算結果から各温度における超音
波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを演算し、温度と
該配管の長さの関係から該配管材質の線膨張係数を演算
する演算手段と、該線膨張係数を記憶することのできる
記憶手段を備えたことを特徴とする超音波反射式ガス濃
度測定装置を提供するものである。
正用ガスを該装置に投入し、超音波振動子から送信され
た超音波が反射板にて反射されて該超音波振動子で受信
するまでの伝播時間の演算結果から各温度における超音
波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを演算し、温度と
該配管の長さの関係から該配管材質の線膨張係数を演算
する演算手段と、該線膨張係数を記憶することのできる
記憶手段を備えたことを特徴とする超音波反射式ガス濃
度測定装置を提供するものである。
【００２１】
【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、酸素濃度を測定する装置に関して示す。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。
おいては、酸素と窒素の２分子からなるサンプルガス
の、酸素濃度を測定する装置に関して示す。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。
【００２２】図１に本発明の超音波反射式ガス濃度測定
装置の装置構成の概略図を示す。超音波振動子と反射板
を結ぶ部分の配管１は円筒形状をしており、超音波振動
子２と反射板１０は、サンプルガスの流れる配管１の中
に対向させて配置する。温度センサ３は、超音波伝播経
路上のガスの流れを乱すことのないように、サンプルガ
スの出入り口付近に２つ配置する。２つの温度センサ３
を配管１の出入り口に配置することで、配管１を流れる
サンプルガスの平均温度を測定できるようにしている。
サンプルガスの温度変化が大きくない場合には、温度セ
ンサ３は１つでも良い。
装置の装置構成の概略図を示す。超音波振動子と反射板
を結ぶ部分の配管１は円筒形状をしており、超音波振動
子２と反射板１０は、サンプルガスの流れる配管１の中
に対向させて配置する。温度センサ３は、超音波伝播経
路上のガスの流れを乱すことのないように、サンプルガ
スの出入り口付近に２つ配置する。２つの温度センサ３
を配管１の出入り口に配置することで、配管１を流れる
サンプルガスの平均温度を測定できるようにしている。
サンプルガスの温度変化が大きくない場合には、温度セ
ンサ３は１つでも良い。
【００２３】超音波振動子２は超音波の送受信が可能で
あり、送受信の切り替えは送受信切り替え器４によって
実施される。
あり、送受信の切り替えは送受信切り替え器４によって
実施される。
【００２４】超音波振動子と反射板を結ぶの配管１の基
準長さ（図２中のＬ0）を校正する際には、校正用ガス
として酸素濃度１００×Ｐ[％]、窒素１００×（１−
Ｐ）[%]のガスをガスボンベ等で準備し、配管１に投入
する。このとき、２つの温度センサ３の出力を平均した
温度Ｔ0[K]を測定しておき、該温度を基準温度として、
不揮発性メモリ９に保存しておく。このときの温度Ｔ
0[K]は、装置の使用温度範囲として設定している温度を
逸脱しなければ、何[K]であっても構わない。
準長さ（図２中のＬ0）を校正する際には、校正用ガス
として酸素濃度１００×Ｐ[％]、窒素１００×（１−
Ｐ）[%]のガスをガスボンベ等で準備し、配管１に投入
する。このとき、２つの温度センサ３の出力を平均した
温度Ｔ0[K]を測定しておき、該温度を基準温度として、
不揮発性メモリ９に保存しておく。このときの温度Ｔ
0[K]は、装置の使用温度範囲として設定している温度を
逸脱しなければ、何[K]であっても構わない。
【００２５】該校正用ガス投入中において、マイクロコ
ンピュータ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を通して超音波振動子２にパル
ス電圧が印加され、超音波が送信される。超音波送信
後、反射板１０にて反射された超音波を該超音波振動子
２にて受信できるように、送受信切り替え器４にて該超
音波振動子２を受信可能状態にする。その後、反射板１
０にて反射して、該超音波振動子２によって受信された
超音波は、送受信切り替え器４、レシーバ６を介してマ
イクロコンピュータ７に入力され、超音波伝播時間ｔ
0[sec]が測定される。
ンピュータ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を通して超音波振動子２にパル
ス電圧が印加され、超音波が送信される。超音波送信
後、反射板１０にて反射された超音波を該超音波振動子
２にて受信できるように、送受信切り替え器４にて該超
音波振動子２を受信可能状態にする。その後、反射板１
０にて反射して、該超音波振動子２によって受信された
超音波は、送受信切り替え器４、レシーバ６を介してマ
イクロコンピュータ７に入力され、超音波伝播時間ｔ
0[sec]が測定される。
【００２６】酸素濃度１００×Ｐ[%]、窒素１００×
（１−Ｐ）[%]、温度Ｔ0[K]のガス中の超音波伝播速度
Ｃ0[m/sec]は、前述の式（１）を用いて、以下のように
なる。
（１−Ｐ）[%]、温度Ｔ0[K]のガス中の超音波伝播速度
Ｃ0[m/sec]は、前述の式（１）を用いて、以下のように
なる。
【００２７】
【数２】
【００２８】該校正用ガスを投入した際に測定された超
音波伝播時間はｔ0[sec]であったため、基準温度Ｔ0[K]
における超音波振動子と反射板を結ぶ配管１の基準長さ
をＬ0[m]とすると、以下の関係が成立する。
音波伝播時間はｔ0[sec]であったため、基準温度Ｔ0[K]
における超音波振動子と反射板を結ぶ配管１の基準長さ
をＬ0[m]とすると、以下の関係が成立する。
【００２９】
【数３】
【００３０】すなわち、基準温度Ｔ0[K]における基準長
さＬ0[m]は、以下の式（４）で求めることができる。
さＬ0[m]は、以下の式（４）で求めることができる。
【００３１】
【数４】
【００３２】上記の計算は、マイクロコンピュータ７に
おいて実施され、ここで求めた基準長さＬ0[m]は、不揮
発性メモリ９に保存される。
おいて実施され、ここで求めた基準長さＬ0[m]は、不揮
発性メモリ９に保存される。
【００３３】以上の方法により、既知濃度の校正用ガス
１種類を装置に投入することで、温度Ｔ0[K]における超
音波振動子２と反射板１０を結ぶ配管１の基準長さＬ
0[m]を校正できる。該方法は、装置に校正用ガスを投入
中に、装置に装備されたボタンを１回押すだけで実現で
き、計算自体も簡便なものなので、瞬時に校正を終える
ことが可能である。また、装置の経年劣化等により、超
音波振動子２と反射板１０の位置関係が変わってしま
い、超音波の伝播距離が変化してしまった場合等におい
ても、簡単に装置を校正しなおし、不揮発性メモリ９に
保存された基準温度、基準長さを更新することが可能で
ある。
１種類を装置に投入することで、温度Ｔ0[K]における超
音波振動子２と反射板１０を結ぶ配管１の基準長さＬ
0[m]を校正できる。該方法は、装置に校正用ガスを投入
中に、装置に装備されたボタンを１回押すだけで実現で
き、計算自体も簡便なものなので、瞬時に校正を終える
ことが可能である。また、装置の経年劣化等により、超
音波振動子２と反射板１０の位置関係が変わってしま
い、超音波の伝播距離が変化してしまった場合等におい
ても、簡単に装置を校正しなおし、不揮発性メモリ９に
保存された基準温度、基準長さを更新することが可能で
ある。
【００３４】続いて、未知濃度のサンプルガスの酸素濃
度を測定する方法について述べる。該配管１の材質の線
膨張係数α[1/K]が既知の場合においては、サンプルガ
ス測定時の温度ＴS[K]における配管１の長さＬS[m]は、
不揮発性メモリ９に保存しておいた基準長さＬ0[m]、基
準温度Ｔ0[K]を読み出して用いることで、次式（５）か
ら求めることができる。
度を測定する方法について述べる。該配管１の材質の線
膨張係数α[1/K]が既知の場合においては、サンプルガ
ス測定時の温度ＴS[K]における配管１の長さＬS[m]は、
不揮発性メモリ９に保存しておいた基準長さＬ0[m]、基
準温度Ｔ0[K]を読み出して用いることで、次式（５）か
ら求めることができる。
【００３５】
【数５】
【００３６】ここでＴS[K]は、前述のように、２つの温
度センサ３の出力を平均して求めておく。
度センサ３の出力を平均して求めておく。
【００３７】該サンプルガス投入中において、マイクロ
コンピュータ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を通して超音波振動子２にパ
ルス電圧が印加され、超音波が送信される。超音波送信
後、反射板１０にて反射された超音波を該超音波振動子
２にて受信できるように、送受信切り替え器４にて該超
音波振動子２を受信可能状態にする。その後、反射板１
０にて反射し、該超音波振動子２によって受信された超
音波は、送受信切り替え器４、レシーバ６を介してマイ
クロコンピュータ７に入力され、超音波伝播時間ｔS[se
c]が測定される。この結果より、サンプルガス中の超音
波伝播速度ＣS[m/sec]は、ＣS＝２ＬS／ｔSから求める
ことができる。
コンピュータ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を通して超音波振動子２にパ
ルス電圧が印加され、超音波が送信される。超音波送信
後、反射板１０にて反射された超音波を該超音波振動子
２にて受信できるように、送受信切り替え器４にて該超
音波振動子２を受信可能状態にする。その後、反射板１
０にて反射し、該超音波振動子２によって受信された超
音波は、送受信切り替え器４、レシーバ６を介してマイ
クロコンピュータ７に入力され、超音波伝播時間ｔS[se
c]が測定される。この結果より、サンプルガス中の超音
波伝播速度ＣS[m/sec]は、ＣS＝２ＬS／ｔSから求める
ことができる。
【００３８】求めたい酸素濃度ＰSを未知数として式
（２）を変形すると、次式（６）が得られる。
（２）を変形すると、次式（６）が得られる。
【００３９】
【数６】
【００４０】上式（６）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（７）によっても、ＰSを計算できる。
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（７）によっても、ＰSを計算できる。
【００４１】
【数７】
【００４２】上記の計算は、マイクロコンピュータ７に
おいて実施され、濃度測定結果は表示器８に表示され
る。
おいて実施され、濃度測定結果は表示器８に表示され
る。
【００４３】以上によって、配管１の材質の線膨張係数
α[1/K]が既知の場合には、サンプルガスの酸素濃度が
測定できる。
α[1/K]が既知の場合には、サンプルガスの酸素濃度が
測定できる。
【００４４】配管１の正確な線膨張係数α[1/K]が未知
の場合には、本装置を用いて線膨張係数αを正確に求め
ることも可能である。すなわち、異なる２つの温度にお
ける配管１の長さを求めることができれば線膨張係数α
を特定することが可能であり、異なる２つの温度におい
て、本装置の配管１の基準長さを校正する方法を用いる
ことによって、２つの温度における配管１の長さを正確
に求めることが容易に可能である。
の場合には、本装置を用いて線膨張係数αを正確に求め
ることも可能である。すなわち、異なる２つの温度にお
ける配管１の長さを求めることができれば線膨張係数α
を特定することが可能であり、異なる２つの温度におい
て、本装置の配管１の基準長さを校正する方法を用いる
ことによって、２つの温度における配管１の長さを正確
に求めることが容易に可能である。
【００４５】より詳細には、装置をある温度Ｔ1[K]の環
境下において校正用ガスを装置に投入し、上述した基準
長さの校正方法によって超音波振動子と反射板を結ぶ配
管１の長さＬ1[m]を測定する。さらに、温度Ｔ2[K]（Ｔ
2≠Ｔ1）においても同様に配管１の長さＬ2[m]を測定す
る。精度良く線膨張係数αを特定するためには、Ｔ1、
Ｔ2の温度差は大きいほうが良い。例えば、装置の使用
温度範囲として設定している温度の最小値、最大値近傍
において測定することが望ましい。
境下において校正用ガスを装置に投入し、上述した基準
長さの校正方法によって超音波振動子と反射板を結ぶ配
管１の長さＬ1[m]を測定する。さらに、温度Ｔ2[K]（Ｔ
2≠Ｔ1）においても同様に配管１の長さＬ2[m]を測定す
る。精度良く線膨張係数αを特定するためには、Ｔ1、
Ｔ2の温度差は大きいほうが良い。例えば、装置の使用
温度範囲として設定している温度の最小値、最大値近傍
において測定することが望ましい。
【００４６】Ｔ1、Ｌ1、Ｔ2、Ｌ2が決定できれば、配管
１の材質の線膨張係数α[1/K]は、Ｔ1＜Ｔ2として、次
式（８）にて求めることができる。
１の材質の線膨張係数α[1/K]は、Ｔ1＜Ｔ2として、次
式（８）にて求めることができる。
【００４７】
【数８】
【００４８】上記の計算は、マイクロコンピュータ７に
おいて実施され、ここで求めた線膨張係数α[1/K]は、
不揮発性メモリ９に保存される。
おいて実施され、ここで求めた線膨張係数α[1/K]は、
不揮発性メモリ９に保存される。
【００４９】上記の方法により、異なる温度２点におい
て校正用ガス１種類を装置に投入することで、配管１の
材質の線膨張係数αを正確に求めることができる。該方
法は、簡単な測定と計算だけで実現できるものなので、
配管１の材質の経年劣化等により、配管１の材質の線膨
張係数が変化してしまった場合においても、簡単に正確
な線膨張係数を測定しなおし、不揮発性メモリ９に保存
される線膨張係数を更新することが可能である。
て校正用ガス１種類を装置に投入することで、配管１の
材質の線膨張係数αを正確に求めることができる。該方
法は、簡単な測定と計算だけで実現できるものなので、
配管１の材質の経年劣化等により、配管１の材質の線膨
張係数が変化してしまった場合においても、簡単に正確
な線膨張係数を測定しなおし、不揮発性メモリ９に保存
される線膨張係数を更新することが可能である。
【００５０】以上のように、本発明によれば特別な校正
用の装置等を用いることなしに、測定装置そのものと校
正用ガス１種類だけを準備すれば装置の校正が可能であ
る。また、装置が経年劣化した場合においても、装置を
簡便に校正しなおすことが可能となる。さらには、サン
プルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定可能とな
る。
用の装置等を用いることなしに、測定装置そのものと校
正用ガス１種類だけを準備すれば装置の校正が可能であ
る。また、装置が経年劣化した場合においても、装置を
簡便に校正しなおすことが可能となる。さらには、サン
プルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定可能とな
る。
【図１】本発明の超音波反射式ガス濃度測定装置の実施
態様例。
態様例。
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 レシーバ ７ マイクロコンピュータ ８ 表示器 ９ 不揮発性メモリ １０ 反射板
Claims (6)
- 【請求項１】 サンプルガスの流れる配管中に、超音波
振動子と反射板、温度センサを具備した超音波反射式ガ
ス濃度測定装置を用いて該サンプルガスの濃度を測定す
る方法において、既知濃度の校正用ガス１種類を該装置
に投入し、超音波振動子から送信された超音波が反射板
にて反射されて該超音波振動子で受信するまでの伝播時
間から、超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の基準長さ
を校正するステップを備えた超音波反射式ガス濃度測定
方法。 - 【請求項２】 サンプルガスの測定温度に応じた超音波
振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを該配管材質の線膨
張係数を用いて決定し、その結果と超音波振動子から送
信された超音波が反射板にて反射されて該超音波振動子
で受信するまでの伝播時間から超音波の伝播速度を測定
することにより、サンプルガスの濃度を測定する請求項
１に記載の方法。 - 【請求項３】 該配管材質の正確な線膨張係数が不明な
場合には、異なる２種類の温度の該校正用ガスを該装置
に投入し、超音波振動子から送信された超音波が反射板
にて反射されて該超音波振動子で受信するまでの伝播時
間から、各温度における超音波振動子と反射板を結ぶ該
配管の長さを求め、温度と該配管の長さの関係から該配
管材質の線膨張係数を測定する方法。 - 【請求項４】 サンプルガスの流れる配管、該配管中に
超音波を送受信する超音波振動子と反射板、及び温度セ
ンサを備えた超音波反射式ガス濃度測定装置において、
超音波振動子から送信された超音波が反射板にて反射さ
れて該超音波振動子で受信するまでの伝播時間を演算
し、その結果から超音波振動子間を結ぶ配管の基準長さ
を演算する演算手段、演算した基準長さを記憶する記憶
手段を備えたことを特徴とする超音波反射式ガス濃度測
定装置。 - 【請求項５】 サンプルガスの測定温度に応じた超音波
振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを該配管材質の線膨
張係数を用いて演算し、その結果と超音波振動子から送
信された超音波が反射板にて反射されて該超音波振動子
で受信するまでの伝播時間の演算結果から超音波の伝播
速度を演算し、該伝播速度から該サンプルガスの濃度を
演算する演算手段を備えたことを特徴とする請求項４に
記載の超音波反射式ガス濃度測定装置。 - 【請求項６】 異なる２種類の温度の該校正用ガスを該
装置に投入し、超音波振動子から送信された超音波が反
射板にて反射されて該超音波振動子で受信するまでの伝
播時間の演算結果から各温度における超音波振動子と反
射板を結ぶ該配管の長さを演算し、温度と該配管の長さ
の関係から該配管材質の線膨張係数を演算する演算手段
と、該線膨張係数を記憶することのできる記憶手段を備
えたことを特徴とする請求項４に記載の超音波反射式ガ
ス濃度測定装置。
Priority Applications (12)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001012862A JP4536939B2 (ja) | 2001-01-22 | 2001-01-22 | 超音波反射式ガス濃度測定方法及び装置 |
| US10/239,227 US6912907B2 (en) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | Ultrasonic apparatus and method for measuring the concentration and flow rate of gas |
| CNB028001559A CN1285906C (zh) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | 利用超声波测定气体浓度和流量的装置及方法 |
| PCT/JP2002/000438 WO2002057770A1 (fr) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | Appareil et procede pour mesurer la concentration et le debit de gaz par ultrasons |
| ES02715872T ES2431956T3 (es) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | Equipo y método para medir ultrasónicamente la concentración y el caudal de un gas |
| TW091100959A TW520993B (en) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | An apparatus for and a method of ultrasonically measuring concentration and flow rate of a gas |
| EP02715872.4A EP1286159B1 (en) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | Equipment and method for ultrasonically measuring concentration and flow rate of gas |
| PT2715872T PT1286159E (pt) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | Equipamento e método para medir a concentração e caudal de gás por ultra-sons |
| AU2002225467A AU2002225467B2 (en) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | Equipment and method for measuring concentration and flow rate of gas ultrasonically |
| CA2403862A CA2403862C (en) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | Ultrasonic apparatus and method for measuring the concentration and flow rate of gas |
| KR1020027012306A KR100943874B1 (ko) | 2001-01-22 | 2002-01-22 | 초음파에 의해 기체의 농도 및 유량을 측정하는 장치 및방법 |
| HK04102798A HK1059962A1 (en) | 2001-01-22 | 2004-04-21 | Equipment and method for measuring concentration and flow rate of gas ultrasonically |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001012862A JP4536939B2 (ja) | 2001-01-22 | 2001-01-22 | 超音波反射式ガス濃度測定方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002214203A true JP2002214203A (ja) | 2002-07-31 |
| JP4536939B2 JP4536939B2 (ja) | 2010-09-01 |
Family
ID=18879804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001012862A Expired - Lifetime JP4536939B2 (ja) | 2001-01-22 | 2001-01-22 | 超音波反射式ガス濃度測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4536939B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6960246B2 (en) | 2001-10-30 | 2005-11-01 | Teijin Limited | Oxygen concentrating apparatus |
| KR101487902B1 (ko) | 2013-07-03 | 2015-01-29 | 한국수력원자력 주식회사 | 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출장치 및 산출방법 |
| WO2018117007A1 (ja) | 2016-12-21 | 2018-06-28 | 上田日本無線株式会社 | 気体濃度測定装置およびその校正方法 |
| WO2019069804A1 (ja) | 2017-10-04 | 2019-04-11 | 上田日本無線株式会社 | 伝搬時間測定器、気体濃度測定装置、伝搬時間測定プログラム、および伝搬時間測定方法 |
| WO2019069803A1 (ja) | 2017-10-04 | 2019-04-11 | 上田日本無線株式会社 | 超音波送信器、伝搬時間測定装置、気体濃度測定装置、伝搬時間測定プログラム、および伝搬時間測定方法 |
| KR20210104723A (ko) | 2018-12-26 | 2021-08-25 | 닛신보 홀딩스 가부시키 가이샤 | 기체 센서 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04353751A (ja) * | 1991-05-31 | 1992-12-08 | Mitsubishi Petrochem Co Ltd | 膨張率測定装置 |
| JPH06213877A (ja) * | 1992-11-12 | 1994-08-05 | Devilbiss Health Care Inc | ガス濃度および／または流量センサ |
| JPH06235721A (ja) * | 1993-02-10 | 1994-08-23 | Fuji Kogyo Kk | 超音波計測方法及び装置 |
| JPH07209265A (ja) * | 1994-01-14 | 1995-08-11 | Honda Motor Co Ltd | 音波反射式ガス濃度測定装置 |
| JP2000206133A (ja) * | 1998-11-10 | 2000-07-28 | Babcock Hitachi Kk | 音響式流速計測装置 |
-
2001
- 2001-01-22 JP JP2001012862A patent/JP4536939B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| JPH04353751A (ja) * | 1991-05-31 | 1992-12-08 | Mitsubishi Petrochem Co Ltd | 膨張率測定装置 |
| JPH06213877A (ja) * | 1992-11-12 | 1994-08-05 | Devilbiss Health Care Inc | ガス濃度および／または流量センサ |
| JPH06235721A (ja) * | 1993-02-10 | 1994-08-23 | Fuji Kogyo Kk | 超音波計測方法及び装置 |
| JPH07209265A (ja) * | 1994-01-14 | 1995-08-11 | Honda Motor Co Ltd | 音波反射式ガス濃度測定装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6960246B2 (en) | 2001-10-30 | 2005-11-01 | Teijin Limited | Oxygen concentrating apparatus |
| KR101487902B1 (ko) | 2013-07-03 | 2015-01-29 | 한국수력원자력 주식회사 | 초음파 탐상을 이용한 배관 내의 가스축적량 산출장치 및 산출방법 |
| WO2018117007A1 (ja) | 2016-12-21 | 2018-06-28 | 上田日本無線株式会社 | 気体濃度測定装置およびその校正方法 |
| KR20190097034A (ko) | 2016-12-21 | 2019-08-20 | 우에다 니혼 무센 가부시키가이샤 | 기체 농도 측정 장치 및 그 교정 방법 |
| US11525812B2 (en) | 2016-12-21 | 2022-12-13 | Ueda Japan Radio Co., Ltd. | Gas concentration measuring device and method of calibrating same |
| WO2019069804A1 (ja) | 2017-10-04 | 2019-04-11 | 上田日本無線株式会社 | 伝搬時間測定器、気体濃度測定装置、伝搬時間測定プログラム、および伝搬時間測定方法 |
| WO2019069803A1 (ja) | 2017-10-04 | 2019-04-11 | 上田日本無線株式会社 | 超音波送信器、伝搬時間測定装置、気体濃度測定装置、伝搬時間測定プログラム、および伝搬時間測定方法 |
| KR20200066297A (ko) | 2017-10-04 | 2020-06-09 | 우에다 니혼 무센 가부시키가이샤 | 전반 시간 측정기, 기체 농도 측정 장치, 전반 시간 측정 프로그램 및 전반 시간 측정 방법 |
| KR20200066296A (ko) | 2017-10-04 | 2020-06-09 | 우에다 니혼 무센 가부시키가이샤 | 초음파 송신기, 전반 시간 측정 장치, 기체 농도 측정 장치, 전반 시간 측정 프로그램 및 전반 시간 측정 방법 |
| US11054397B2 (en) | 2017-10-04 | 2021-07-06 | Ueda Japan Radio Co., Ltd. | Propagation time measurement machine, gas concentration measurement device, propagation time measurement program, and propagation time measurement method |
| US11499939B2 (en) | 2017-10-04 | 2022-11-15 | Ueda Japan Radio Co., Ltd. | Ultrasonic wave transmitter, propagation time measurement device, gas concentration measurement device, propagation time measurement program, and propagation time measurement method |
| KR20210104723A (ko) | 2018-12-26 | 2021-08-25 | 닛신보 홀딩스 가부시키 가이샤 | 기체 센서 |
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|---|---|
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