JP2003262623A - ガスの音響速度測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスの音響速度を高速且つ高精度に測定する
装置及び方法の提供。 【解決手段】 連続する周波数範囲に渡ってクロック信
号を生成する発振器を含む装置１で正弦波への近似波を
合成し、この近似波で、共振器３に取り付けられたスピ
ーカー２を作動し、周波数制御電圧を逆方向で２度先行
走査して、それぞれの場合において、共振器に取り付け
られたマイクロホン４からの信号の共振ピーク信号を検
索し、両走査におけるピーク電圧を平均し、先行走査よ
りも狭い範囲内において先行走査より遅い速度で、再度
走査して、共振周波数を得、ガスの音響速度を測定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスの音響速度を
高速且つ高精度に測定する装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスの音響速度の測定は、測定ずべきガ
スが充填された共振器に、スピーカとマイクロフォンと
を取り付け、スピーカから発生される音響信号の周波数
を変化して、マイクロフォンで最大出力電圧を生成する
周波数、即ち共振周波数を決定してその音響速度を決定
する。スピーカから発生される音響信号としては、正弦
波への近似波を用ることができる。図６に示すように、
この正弦波への近似波は、それ自身のクロック信号１０
１からマイクロプロセッサによって発生された多数のパ
ルス幅変調信号１０２、１０３、１０４を組み合わせる
ことによって都合のよい簡単なデバイスから発生させる
ことができる。異なる周波数を有する正弦波１０５を生
成するために、クロック信号１０１の周波数が１、２、
３、４... 等のような数で割られる。しかし、これによ
れば合成結果として生成された正弦波周波数は不連続の
粗い段がついてしまう。例えば、図６のクロック信号が
１６ＭＨｚの周波数を有しているとすると、マイクロプ
ロセッサを使用したとして、この例のように合成できる
最も高いの正弦波周波数は１ＭＨｚであり、１６個のク
ロック・サイクルが各正弦サイクルを合成するのに必要
となる。利用可能な次に高い正弦波周波数は、クロック
周波数の半分の８ＭＨｚで達成され、５００ｋＨｚの正
弦波が生成できる。次に高い正弦波周波数は、クロック
周波数を３で割って得た５.３ＭＨｚの周波数で達成さ
れ、３３０ｋＨｚの正弦波が生成されるという具合に順
次生成できる。

【０００３】以上の説明から分かるように、大きい不連
続の段、すなわち、粗悪な周波数解像度が、利用可能な
正弦波周波数の合成範囲で生成されることになる。この
ことは、ガスのガス音響速度を高精度に測定するには都
合が悪いことを意味している。また、より高速度でのガ
ス音響速度を測定できることは、当然の欲求であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、ガスの音響速度を高精度に測定するガスの音響速度
測定装置及び方法を提供することにある。又、他の目的
は、高速にガスの音響速度を測定する測定装置及び方法
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願発明によると、 Ａ） クロック信号から多数のパルス幅変調信号を発生
する手段と；発生されたパルス幅変調信号を組み合わせ
て正弦波への近似波を生成する手段と；を含み、周波数
制御電圧であるアナログ入力制御電気信号中の変化の結
果としてその出力クロック信号周波数に変化を生成する
ように構成され、連続する周波数範囲に渡ってクロック
信号を生成する発振器によって前記クロック信号が提供
される、正弦波への近似波を合成する装置、 Ｂ） ガスが内在されるように構成された共振器、 Ｃ） 前記共振器に取り付けられ、前記正弦波への近似
波を合成する装置からの信号によって作動されるスピー
カ、 Ｄ） 前記共振器に取り付けられたマイクロフォン、 Ｅ） 前記周波数制御電圧を、逆方向で２度先行走査し
て、それぞれの場合において、前記マイクロフォンから
の信号のピークを検索し、両走査におけるピーク電圧を
平均し、前記先行走査よりも狭い範囲内において前記先
行走査より遅い速度で、再度走査して、共振周波数を得
る制御処理手段から成る、ガスの音響速度測定装置が提
供される。

【０００６】又、本願発明によると、 Ａ） 多数のパルス幅変調信号をクロック信号から発生
する工程と；発生されたパルス幅変調信号を組み合わせ
て正弦波への近似波を生成する工程と；からなり、周波
数制御電圧であるアナログ入力制御電気信号中の変化の
結果としてその出力クロック信号周波数に変化を生成す
るように構成され、連続する周波数範囲に渡ってクロッ
ク信号を生成する発振器によって前記クロック信号が提
供される、正弦波への近似波を合成する方法と、 Ｂ） 前記正弦波への近似波によってガスが内在される
共振器に取り付けられたスピーカを作動する工程と、 Ｃ） 前記共振器が取り付けられたマイクロフォンによ
って、前記スピーカによって発生された音響信号をピッ
クアップする工程と、 Ｄ） 前記周波数制御電圧を、逆方向で２度先行走査し
て、それぞれの場合において、前記マイクロフォンから
の信号のピークを検索し、両走査におけるピーク電圧を
平均し、前記先行走査よりも狭い範囲内において前記先
行走査より遅い速度で、再度走査して、共振周波数を得
る工程と、から成るガスの音響速度測定方法か提供され
る。

【０００７】周波数の連続する範囲に渡ってクロック信
号を生成する発振器を使用することで、上述した不連続
な範囲ではなく広い周波数の連続する範囲の合成正弦波
の生成が可能であり、従って、ガスの音響速度の測定を
正確に行なうことが可能となる。

【０００８】発振器は周波数制御電圧であるアナログ入
力制御電気信号の変化の結果としてその出力クロック信
号周波数に変化を生じる。変化するアナログ入力制御電
気信号は発振器を電圧制御発振器とする電圧であるのが
好ましい。

【０００９】従って、発振器の出力周波数と正弦波への
近似波も発振器へのアナログ入力制御電気信号を単に変
えることによって制御できる。

【００１０】正弦波への近似波は、信号を低域フィルタ
ーに通すことによって「平滑化」し高い周波数成分の少
なくともある部分を除去することができる。なお、周波
数は、発振器に加えられる制御入力信号とは一貫して関
係している必要はないが、例えば温度変化のために変化
することもあり得る。

【００１１】正弦波への合成近似波の特定周波数を正確
に決定するために、１秒のような所与の時間周期に渡っ
て生成されたパルス幅変調信号またはクロック信号の一
方のサイクル数がカウントされおよび（または）固定サ
イクル数を発生するのにかかる時間が測定され、これか
ら周波数を決定することができる。クロック信号からパ
ルス幅変調信号を発生するための手段は、処理手段であ
るのが好ましい。

【００１２】周波数制御電圧を、逆方向で２度先行走査
して、それぞれの場合において、マイクロフォンからの
信号のピークを検索し、両走査におけるピーク電圧を平
均し、これに基づいて先行走査よりも狭い範囲内におい
て先行走査より遅い速度で、再度走査して、共振周波数
を得ているので、ガスの音響速度を高速且つ高精度に測
定することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明を、添付図面を参照して例
によってさらに詳しく説明する。

【００１４】図１に示したように、マイクロプロセッサ
を含むか、その形態をしている駆動電子回路１が適切な
周波数範囲に渡って正弦波を生成してスピーカー２を駆
動するように構成されている。このスピーカーは音響信
号を共振器３の内部に供給するように構成されている。
マイクロフォン４が共振器内で音響信号の振幅（大き
さ）をピックアップするように構成されている。マイク
ロフォンからの信号が適切な電子回路５によってフィル
ターされ、増幅され、また処理手段６が共振器内のガス
に関連する共振周波数を決定してその音響速度を決定す
る。

【００１５】図２に示す共振器３はこの場合、剛球であ
る。図示の共振器は二つのＣＮＣ（コンピュータ数値制
御）機械仕上げされた金属半球３１、３２から形成さ
れ、この場合、内径が１．５ｃｍで壁厚が３ｍｍの銅か
らなり互いに溶接されて球体を形成している。

【００１６】球体３１、３２の頂点がそれぞれスピーカ
ー２とマイクロフォン４を支持しており、図２に示した
ように両半球が結合されたときに、実質的に１８０°離
れることになって最大の振幅マイクロフォン信号を提供
する。

【００１７】共振器には多数のガス拡散経路３３が設け
られており、その内の一つのみを図２に示してあるが、
ガスは共振器３の内外で拡散する。各球体３１、３２は
９０°づつ隔置された４個のガス拡散経路３３が設けら
れているのが好ましい。ガス拡散経路３３は共振器ハウ
ジングを通して穿孔され、削りくずは全て除去されて共
振器の内部への規則的な繰り返し面を呈している。

【００１８】別の方法として、共振球体は焼結物質のよ
うな多孔性物質から作ることもできる。これによって図
２の銅製共振球体で示すガス拡散ホール（経路）３３
は、必要ではなく、ホール３３による共振周波数による
動揺が少なくなる。使用される多孔性物質は銅よりも低
い熱膨張性を有しているのが好ましく、大気温度の変化
に伴う共振器の寸法変動に対して必要とされる修正量を
減じることができる。

【００１９】スピーカー２は、この場合、補聴器に使用
されるような、電源電圧が５Ｖ、出力レベルが約３３ｍ
Ｗの小型スピーカーであり、またマイクロフォン４は超
小型マイクロフォンである。

【００２０】図３はマイクロフォン４の共振器３への取
り付け方法を示す。共振器には、好ましくは穿孔され、
削りくずの除去された約１．５ｍｍ直径の経路４１が設
けられている。円筒状スピンドル４２が共振器の外部に
取りつけられるか、またはその一部として形成されて、
経路４１と同心上に配備されている。スピンドル４２は
長さが約１０ｍｍであり、またマイクロフォン４を収容
するのに十分な内径、この場合約５ｍｍを有しているの
が好ましい。スピンドル内のマイクロフォン４の位置は
その長さによって変化するので、スピーカーが共振器に
共振周波数を加えたときに最もシャープな出力信号ピー
クを生成する最適点に位置付けされる。マイクロフォン
４は接着剤４３を使用してスピンドル４２内の最適位置
に固定される。接着剤が共振器の空洞に入ることを回避
し、これが不規則な形状に乾燥して共振周波数の動揺を
もたらさないようにするのが好ましい。マイクロフォン
４はリム４５を備えているのが好ましく、その外径は実
質的にスピンドル４２の内径に等しく、接着剤の共振器
への進入を回避している。別の方法として、マイクロフ
ォン４はスピンドル４２に締り嵌めにすることもでき
る。マイクロフォン４は電気接続部４６によって駆動電
子回路１に接続されている。

【００２１】スピーカー２は図３に示すようにマイクロ
フォン４と同じ方法で取り付けることができるが、本例
においては図４に示すように共振器の内部から特定距離
に固定されている。

【００２２】図４において、約２ｍｍの長さのスピンド
ル２１が共振器３の外壁に取り付けられるか、またはそ
の一部として形成され、また１．５ｍｍの経路２２がス
ピンドル２１及び共振器の壁を貫通して穿孔され、削り
くずが除去されている。スピーカー２は経路２２を覆う
ようにしてスピンドル２１の外部に取り付けられてい
る。スピーカーは接着剤を使用してスピンドル２１に固
定され、接着剤が経路２２に入らないことを補償し、電
気接続部２３によってフィルタ／増幅電子回路５に電気
的に接続されている。

【００２３】マイクロフォンとスピーカー両者の位置
は、最もシャープな出力ピークを達成するために可変で
ある。すなわち、マイクロフォンあるいはスピーカーの
いずれかを二者択一的にその位置に固定して、他方を可
変にする。

【００２４】例えば異なる有効半径を得るためにトレラ
ンスを整合することによる各共振球体に僅かな変化があ
るので、各共振器は式： ｃ＝ｆ×Ｋを用いてそれぞれ
校正する。

【００２５】各共振器は、ＧＡＳＬＶＥのようなガス特
性を推測するためのコンピュータ・モデルを用いて調べ
た既知の音速（ｃ）のガスを使用するか、またはある種
の適切な方法を使用して校正する。次に、共振周波数
（ｆ）は校正された共振器内の既知音速のガスにつき測
定され、定数Ｋがわかる。校正された共振器とその関連
する定数Ｋを一緒に使用することで、測定された共振周
波数からいずれのガスについても音速が決定できる。こ
れによりほぼ０．１％の精度が得られる。共振器の容積
に作用する大気温度中の変化を補償することにより、ガ
スの音速は約０．０５％よりも高い精度で決定すること
ができる。

【００２６】スピーカーは図１に概略的に示した電気回
路１によって作動され、共振器３の第１非ラジアル共振
ピークの周波数を包含するのに適した周波数範囲に渡る
正弦波信号を提供する。スピーカーは周波数掃引内で作
動される。マイクロフォンはスピーカーが電子要素によ
る小さい遅延を伴って図５のグラフで示したようにその
時点で駆動されている周波数に対応してフィルターさ
れ、増幅された出力電圧を提供する。マイクロフォンが
最大出力電圧を生成する周波数は、非ラジアル共振周波
数となるように決定され、図５において２０℃で８８６
０Ｈｚである。

【００２７】連続する周波数範囲に渡る正弦波への近似
波の発生については次に説明する。

【００２８】図６よび図７に示すように、クロック信号
１０１は電圧制御発振器からのライン１１１上のマイク
ロプロセッサ１１０に印加される。いずれの適したマイ
クロプロセッサ、例えばヒタチHD6473048F16が使用でき
る。このマイクロプロセッサ１１０はライン１１１から
の入力クロック信号１０１を処理し、図６に示したよう
に、それぞれライン１１２、１１３および１１３上で同
じ周波数を有するパルス幅変調された（ＰＷＭ）信号１
０２、１０３および１０４を生成する。ＰＷＭ信号１０
２、１０３、１０４が、重み付き加算機構を使用して互
いに合成され、この場合抵抗器１１５、１１６、１１７
からなりライン１１７上に正弦波への近似波が生成され
る。図６に示した正弦波１０５への近似波は、固定デュ
ーティ・サイクル（オフ時間のパーセントに対するオン
時間のパーセント）を各々有するＰＷＭ信号１０２、１
０３、１０４と同じ周波数を有している。

【００２９】本例において、正弦波１０５への合成近似
波の各サイクルはクロック信号１０１の１６サイクルに
対応するが、８または３２サイクルまたはいずれの他の
適当なサイクルとすることもできる。ＰＷＭ信号１０２
の立ち上がりエッジ１２１と立ち下がりエッジ１２２
が、クロック信号１０１のそれぞれ６番目と１０番目の
サイクルの終了点でトリガーされる。ＰＷＭ信号１０３
の立ち上がりエッジ１３１と立ち下がりエッジ１３２
が、クロック信号１０１のそれぞれ４番目と１２番目の
サイクルの終了点でトリガーされる。ＰＷＭ信号１０４
の立ち上がりエッジ１４１と立ち下がりエッジ１４２
が、クロック信号１０１のそれぞれ２番目と１４番目の
サイクルの終了点でトリガーされる。

【００３０】次に、各ＰＷＭ信号１０２、１０３および
１０４が、それぞれ重み付け抵抗器１１５、１１６、１
１７に通される。抵抗器１１５、１１６、１１７の値の
比は最高の全体正弦波近似値が得られるように選ばれ、
この場合抵抗器１１５は５１ｋΩ、抵抗器１１６は３６
ｋΩ、抵抗器１１７は５１ｋΩである。

【００３１】ＰＷＭ矩形波からの正弦波への近似波を生
成するために、第１高調波を維持し、第３、第５、第７
等の高調波を抑制する。図６に示し、上述した方法を使
用すると、抵抗器の許容度のための一定の誤差作用を除
いて、第３および第５高調波は本質的に除去される。本
実施例において、正弦波発生装置が、７．５ｋＨｚ−１
１．８ｋＨｚの範囲の正弦波を発生し、スピーカー２
と、マイクロフォン４によって検出されるスピーカーか
らの伝送信号を駆動するのに使用されることが考察され
る。この方法が使用されると、第７およびこれに続く高
調波は、これらの高調波の作用を除くために、それ以上
のフィルター操作または調整を必要としないレベルに低
下される。なぜなら、これら高調波による伝送信号はマ
イクロフォンの帯域制限外にあるはずだからである。装
置が低い周波数で正弦波を発生するのに使用されれば、
第７高調波とこれに続く高調波の作用は、低域フィルタ
ーによってあるいはさらなるパルス幅変調信号を使用し
て除去されるか、減少され、正弦波へのより優れた近似
波を生成することができる。

【００３２】各抵抗器１１５、１１６、１１７からの出
力は共通ライン１１８で結合され、図６に示した正弦波
１０５への近似波を生成する。信号１０５は、共通ライ
ン１１８とアース間に接続されたコンデンサ１１９によ
って低帯域フィルターされ、接続点１２０で検出され
る。

【００３３】図８は１６１に発振出力を生成する電圧制
御発振器１６０を示し、その周波数は入力１６２に印加
された駆動信号の電圧に依存する。しかし、出力周波数
が、入力のアナログ値に依存するいずれのデバイスも適
用できる。

【００３４】本発明の本実施例は、電圧を周波数変換す
るアナログ・デバイスＡＤ６５４を使用する。このＡＤ
６５４’のブロック図を図８に示す。多面的演算増幅器
１６３が入力段として機能する。すなわち、その目的は
入力電圧信号１６２を駆動電流に変換するとともにスケ
ールする。駆動電流が電流／周波数変換器１６５（無安
定マルチバイブレータ）に送られる。変換器１６５の出
力がトランジスタ１６４を制御する。

【００３５】図８の接続態様において、入力増幅器１６
３が、点１６２における入力電圧に対して非常に高い
（２５０ＭΩ）インピーダンスを呈し、これがスケーリ
ング抵抗器１６７によってピン３に適切な駆動電流に変
換される。本例において、抵抗器１６７と１６８は１．
２ｋΩである。

【００３６】図７に示した出力接続点１２０において生
成された正弦波への近似波の周波数は、例えば温度変化
と電気要素の性能のために図８に示した入力１６２に印
加される駆動信号の電圧から常に正確に推定できる。結
局、マイクロフォン１１０はＰＷＭ信号１０２、１０３
および１０４を保有しているいずれかのライン１１２、
１１３または１１４にも接続されている。これらのライ
ンは後述するように正弦波への出力近似波と同じ周波数
にある。マイクロプロセッサが１秒のような所与の時間
周期に渡る選択されたＰＷＭ信号のサイクル数を計数す
る。次に、正弦波の実際の出力周波数が、正確に決定さ
れる。マイクロフォン１１０は、ＰＷＭ信号がより正確
に規定される所与の時間周期に渡って正弦波１０５への
近似波のサイクルではなくＰＷＭ信号のサイクル数を計
数し、鮮明なオン／オフ状態をより簡単に計数して優れ
た結果をもたらす。

【００３７】別の方法として、マイクロプロセッサ１１
０は所与の時間周期に渡ってクロック信号１０１のサイ
クル数を計数して、これを各ＰＷＭ信号サイクルを生成
するのに必要とするクロック信号サイクル数で割ること
で正弦波を決定する。

【００３８】これとは別に、あるいは付加的に、マイク
ロプロセッサはクロック・サイクルまたはＰＷＭサイク
ルの諸定数を生成するのに必要とする時間を測定でき、
またこれから正弦波への近似波の周波数を計算できる。

【００３９】発振器１６０が連続する周波数範囲の発振
信号を生成すると、正弦波が連続する周波数の範囲で発
生される。

【００４０】容易に入手できる小型（ＡＤ６５４に対し
て８ピン・プラスチックＤＩＰ形態で９．９１ｍｍ×
７．８７ｍｍ×４．４７ｍｍ、または８ピンＳＯＩＣ形
態で４．９０ｍｍ×３．９１ｍｍ×２．３９ｍｍ）の安
価なデバイスである可変周波数矩形波発生用発振器を正
弦波への近似波を生成するマイクロプロセッサと関連し
て使用することにより、連続する周波数範囲に渡る正弦
波への近似波を発生でき、かつ、コンパクトで、例えば
コンパクトなプローブに取り付けたり、またはコンパク
トなハウジング内に収容できるデバイスを形成できる。
マイクロプロセッサは普通他の目的のために多数のプロ
ーブまたは電子システム内に使用されるので、連続する
周波数範囲に渡る正弦波への近似波を生成するのに必要
とする付加的なスペースが、コンパクトな可変周波数矩
形波発生用発振器のためのものになる。

【００４１】発振器は電圧制御発振器である必要はない
が、連続する周波数範囲を伴う信号を供給するように構
成されたいずれのデバイスであり得る。

【００４２】正弦波への近似波は三つのＰＷＭ信号から
発生させる必要はないが、正弦波への近似波の必要レベ
ルに依存するいずれの適切な数から発生できる。さら
に、正弦波のさらなる各サイクルは１６個のクロック信
号に対応する必要はないが、８個、３２個またはいずれ
の適切な数としてもよい。

【００４３】共振周波数（マイクロフォンによって生成
された信号の振幅が最大である周波数）を迅速、かつ、
正確に決定するために、初期高速粗周波数掃引（この場
合１０−１５Ｈｚステップ）が、図９のＳ１によって示
したように、共振が発生され得る周波数範囲に渡って実
行される。マイクロプロセッサのような制御手段が、最
大のものを発生する初期粗周波数掃引内の狭い周波数を
識別する。さらなる周波数掃引Ｓ２がこの識別された狭
い周波数範囲内のより小さい周波数ステップ（この場合
１Ｈｚ）で実行され、最大のものを発生する周波数が正
確に決定され、共振周波数が識別される。

【００４４】次に、粗い及び細かい周波数範囲に渡る上
述の組み合わせを使用することにより、共振周波数の正
確な値が例えば１秒足らずで迅速に決定できる。マイク
ロプロセッサのような制御手段が、続いて検出された周
波数値Ｓ３を平均して雑音によるエラーを少なくする。
次に、ＰＷＭ信号の周波数が決定されＳ４、共振点でス
ピーカー２を作動させる発生正弦波の周波数を指示す
る。

【００４５】ここで共振周波数の決定について詳細に説
明する。

【００４６】マイクロプロセッサ、この場合ＰＷＭ信号
を発生する上述したマイクロプロセッサ１１０は、アル
ゴリズムを実行して共振器内のガスの共振周波数を決定
するのに使用される。マイクロプロセッサ１１０の代わ
りに、ＰＣがプラグイン・データ捕捉カードと併用でき
る。

【００４７】図１０に示したように、共振周波数を決定
するために、マイクロプロセッサ１１０はアナログ出力
２０１、デジタル入力２０２およびアナログ入力２０３
を有している。

【００４８】アナログ出力２０１は、図８に示した周波
数変換器１６０の電圧入力１６２に接続されて、スピー
カー２へ印加する周波数を制御する。この場合、アナロ
グ出力２０１は二つの出力（図示省略）からなり、両者
は周波数変換器１６０の電圧入力１６２に接続されてい
る。一つの出力が粗い周波数掃引を制御し、また他方が
細かい周波数掃引を制御する。二つの出力の各々は、こ
の場合マイクロプロセッサ１１０自体内に設けられてい
るＡ／Ｄコンバーター、及び必要とするレベルの解像度
を提供する必要な抵抗器を通される。この場合、粗い周
波数制御のための抵抗器は３６ｋΩであり、また細かい
周波数制御のための抵抗器は２．２ＭΩである。

【００４９】これまでの説明のように、スピーカーを駆
動する正弦波への近似波の周波数は、例えば温度変化や
電気要素の性能のために常にアナログ出力２０１からの
駆動信号の電圧から正確に推定できない。従って、スピ
ーカー２またはクロック信号１０１を駆動する正弦波へ
の近似波と各々同じ周波数であるＰＷＭ信号１０２、１
０３、１０４の一つがマイクロプロセッサ１１０のデジ
タル入力２０２に印加され、これまでに説明したように
正弦波１０５への近似波の周波数が計算される。

【００５０】アナログ入力２０３がマイクロフォンによ
って受信された信号の振幅を表すとともに、外部Ａ／Ｄ
変換器を介してマイクロプロセッサ１１０に接続されて
いる。共振周波数を位置決めするプロセスは、アナログ
入力２０３が最大となる周波数を識別するものである。

【００５１】共振周波数を位置決めするプロセスは、４
段階に分割することができる。最初の３段階Ｓ１、Ｓ
２、Ｓ３は各々スピーカーの周波数を変化させて共振点
を検索することを包含している。共振点が位置決めされ
ると、最終段階Ｓ４が共振周波数を測定する。

【００５２】第１段階Ｓ１は、アナログ出力電圧２０１
の各ステップに対してアナログ入力２０３の一つの読み
に関係する周波数の許容範囲を高速走査することであ
る。周波数の許容範囲は、その非ラジアル共振がガス成
分、温度および圧力の予期される組み合わせを発生する
べき周波数に走査を制限するように選択される。許容範
囲を制限することは、共振周波数を位置決めするのに必
要とする時間を短縮するとともに、望んでいない共振ピ
ークの位置決めのリスクを少なくする。アナログ出力２
０１からの制御電圧とマイクロフォン周波数との間の正
確な関係が未知であっても、許容範囲の周波数制限を共
振点の検索内に設定するのには十分うまく近似させるこ
とができる。本実施例において、周波数範囲は、８６ｋ
Ｈｚ／秒の周波数走査率で７．５ｋＨｚから１１．８ｋ
Ｈｚ（４．３ｋＨｚ）であり、各方向における総計５１
００個のマイクロフォンのサンプルに対して100,000 サ
ンプル／秒のマイクロフォン・サンプリング率である。

【００５３】共振周波数を位置決めするために、プロセ
ッサは入力２０３においてマイクロフォンからの信号の
振幅中のピークを検索し、その時点で使用された周波数
制御電圧を確認するように構成されている。

【００５４】限定された時間を考慮して、ハードウエア
が、出力２０１における周波数制御電圧中の変化の結果
として入力２０３でマイクロフォンからの信号の振幅中
の変化を生成させ、第１段階Ｓ１の高速走査がアナログ
出力電圧２０１の範囲に渡り上方向に第１走査し、アナ
ログ出力電圧の同じ範囲に渡り下方向に第２走査をする
ことを含んでいる。明白なことは、代替的に第１走査を
アナログ出力電圧に渡る下方向走査とし、また第２走査
をその範囲に渡る上方向走査とすることもできる。上方
向走査のときに、ピークが検出された時点で印加された
周波数制御電圧２０１は、応答時間のために、ピークを
生ぜしめる電圧よりも僅かに高い。下方向走査のとき
に、周波数制御電圧２０１はピーク電圧よりも僅かに低
い。応答時間が両走査方向で同じであると仮定すると、
二つの電圧の平均は共振における真の電圧を示すことに
なる。

【００５５】ハードウエアの限定された応答時間を考慮
した第２の方法を、対向する方向の第１および第２走査
の上述方法に関連して図１１に示す。この第２方法は、
応答時間Ｔに対して推定値を使用して、受信マイクロフ
ォン・データ値Ｍのピーク３０１を、推定応答時間Ｔと
周波数制御電圧Ｖに基づいて、図１１に破線３０３で示
したようなマイクロフォン・データ値を生成した周波数
制御電圧Ｖと整合させる。結果として、マイクロフォン
は、周波数制御電圧Ｖが時刻ｔ1で走査を終了した後の
時間の間データの収集を続行する。図１１の周波数制御
電圧３０２の上方向走査中のピーク３０１のような走査
制限の端近くに位置していて、マイクロフォン・データ
Ｍの収集が、周波数制限電圧３０２の走査と同期化され
た場合は見出されなかったピークを、この第２方法は、
見い出すことができる。推定応答時間が正確であれば、
上方向と下方向走査の各々にある共振ピークを生成する
電圧に対して見出された値Ｘ、Ｙは厳密に同じになる。
しかし、図１１に示したように、推定値は周波数制御電
圧の上方向と下方向の場合で僅かに不正確になり、僅か
に差があるので平均される。

【００５６】第２段階は、共振ピークを含む第１段階で
識別された小さい周波数範囲であること以外は、第１段
階の走査方法を使用する。第２段階は、その小さい周波
数走査範囲の中央点となる第１段階によって得られた共
振点における周波数制御電圧のための値を使用する。こ
の例において、第２段階の周波数走査範囲は１５０．５
Ｈｚである。

【００５７】しかし、第１走査の結果が、それが中央点
として使用できるためにはあまりにも第２段階の周波数
制御電圧の端制限の一つに接近し過ぎてしまう場合があ
る。この場合、第２段階の走査は周波数制御電圧範囲の
適切な端制限に止まることになる。

【００５８】周波数制御電圧のステップの大きさも第２
段階とは異なる。速度において、第１段階は全周波数制
御電圧分解能を使用せず、一方第２段階はもっと正確な
共振周波数値を生成する。

【００５９】第２段階は時間に対するスピーカー周波数
の変化率が低いものが使用される。この場合、第１段階
に使用される８６．０ｋＨｚ／秒に対して２．１５ｋＨ
ｚ／秒が使用される。本例において、第２段階のマイク
ロフォン・サンプリング率も総計1800マイクロフォン・
サンプルを生成するのに25,000サンプル／秒と低い。

【００６０】最終の値はマイクロフォン・データが平均
されるさらなる走査を使用する第３段階Ｓ３を使用して
得られ、これによって信頼できる結果が生成される。第
２段階と同様に、この段階は先行走査によって得られた
結果をその中央点として使用する。第３段階が中央点と
して使用することもできる第２走査の結果が、周波数制
御電圧範囲の端制限に近づき過ぎておれば、第３走査は
その周波数制御電圧範囲の適切な端制限に止まることに
なる。しかし、この第３段階の走査は、先行段階の走査
よりもより遅く且つより確実なものである。従って、少
ない周波数制御電圧値、普通２４またはそれ以下、この
場合２１の範囲を含んでいる。各値に対して、アナログ
出力２０１が設定され、また次に回路が数ミリ秒、この
場合５ミリ秒の間セトリングさせられる。このセトリン
グ（整定）時間が経過したときに、マイクロフォン電圧
の所与のサンプル数、この場合２０が決められ、加算さ
れる。このプロセスは各周波数制御電圧値に対して反復
され、ピーク電圧が確認される。

【００６１】最終の第４段階Ｓ４は共振値で周波数が保
持する工程と、ＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４また
はデジタル入力２０２に印加されるクロック信号１０１
を使用してスピーカー２を作動する信号の周波数を測定
する工程とからなる。

【００６２】

【発明の効果】上述した様に、本願発明によると、周波
数制御電圧であるアナログ入力制御電気信号に従った周
波数を有するクロック信号が、連続する周波数範囲に渡
って発振器によって生成される。このクロック信号に基
づいた正弦波への近似波は、ガスが内在される共振器に
取り付けられたスピーカを作動するのに使用される。そ
して、周波数制御電圧を、逆方向で２度先行走査して、
それぞれの場合において、マイクロフォンからの信号の
ピークを検索し、両走査におけるピーク電圧を平均し、
これに基づいて先行走査よりも狭い範囲内において先行
走査より遅い速度で、再度走査して、共振周波数を得て
いるので、ガスの音響速度を高速且つ高精度に測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】共振器を使用するガスの音速を測定するシステ
ムの全走査を示すブロック図。

【図２】システムに使用できる実質上球体共振器を示す
図。

【図３】音響受信機の共振器への取り付け状態を示す
図。

【図４】音響送信機の共振器への取り付け状態を示す
図。

【図５】周波数の範囲に渡る音響受信機によって検出さ
れた信号の振幅を示す図。

【図６】クロック信号がパルス幅変調信号を生成するの
に使用される状態を示し、これが組み合わされて正弦波
への近似波を生成する方法を示す図。

【図７】図６に示した動作を実行する電子システムを示
す図。

【図８】図６に示したシステムにクロック信号を供給す
る電圧制御発振器を示す図。

【図９】共振周波数を決定する動作シーケンスを示す
図。

【図１０】共振周波数を決定するための処理手段への接
続を示す図。

【図１１】限定ハードウエア応答時間を考慮した方法を
示す図。

【符号の説明】

１…駆動電子回路 ２…スピーカー ３…共振器 ４…マイクロフォン ５…処理手段（電子回路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーン ディヴィッド イギリス レスターシャー エルイー11 ２キューエイ ラフボロー ジュニパー ウェイ 45 (72)発明者 プライス バリー レナード イギリス レスターシャー エルイー12 ８アールジェイ クウォーン スウィンフ ィールド ロード ４ Ｆターム(参考） 2G047 AA01 AD09 BA04 BC02 BC04 CA01 CA07 EA10 GA03 GD02 GF04 GF05 GF11 GG17 GG24 GG33 GG34 GG38 2G064 AB05 AB11 AB16 AB24 BD02 CC35 DD23

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａ） クロック信号から多数のパルス幅
   変調信号を発生する手段と；発生されたパルス幅変調信
   号を組み合わせて正弦波への近似波を生成する手段と；
   を含み、 周波数制御電圧であるアナログ入力制御電気信号中の変
   化の結果としてその出力クロック信号周波数に変化を生
   成するように構成され、連続する周波数範囲に渡ってク
   ロック信号を生成する発振器によって前記クロック信号
   が提供される、正弦波への近似波を合成する装置、 Ｂ） ガスが内在されるように構成された共振器、 Ｃ） 前記共振器に取り付けられ、前記正弦波への近似
   波を合成する装置からの信号によって作動されるスピー
   カ、 Ｄ） 前記共振器に取り付けられたマイクロフォン、 Ｅ） 前記周波数制御電圧を、逆方向で２度先行走査し
   て、それぞれの場合において、前記マイクロフォンから
   の信号のピークを検索し、両走査におけるピーク電圧を
   平均し、前記先行走査よりも狭い範囲内において前記先
   行走査より遅い速度で、再度走査して、共振周波数を得
   る制御処理手段から成る、ガスの音響速度測定装置。
2. 【請求項２】 発生されたパルス幅変調信号を組み合わ
   せる手段が重み付き加算機構である請求項１に記載のガ
   スの音響速度測定装置。
3. 【請求項３】 正弦波への近似波が低域フィルタを通過
   させられるように構成された請求項１又は２に記載のガ
   スの音響速度測定装置。
4. 【請求項４】 正弦波への近似波の周波数を計算するた
   めの特定時間周期に渡ってパルス幅変調信号またはクロ
   ック信号のサイクル数をカウントするカウント手段を含
   む請求項１乃至３のいずれか記載のガスの音響速度測定
   装置。
5. 【請求項５】 正弦波への近似波の周波数を計算するた
   めのパルス幅変調信号サイクルまたはクロック信号サイ
   クルの特定数を生じるのにかかる時間を測定する手段を
   含む請求項１乃至４のいずれか記載のガスの音響速度測
   定装置。
6. 【請求項６】 多数のパルス幅変調信号を発生する手段
   がマイクロプロセッサである請求項１乃至５のいずれか
   記載のガスの音響速度測定装置。
7. 【請求項７】 正弦波への近似波によって駆動されるよ
   うに配置されたスピーカーを含む請求項１乃至６のいず
   れか記載のガスの音響速度測定装置。
8. 【請求項８】 Ａ） 多数のパルス幅変調信号をクロッ
   ク信号から発生する工程と；発生されたパルス幅変調信
   号を組み合わせて正弦波への近似波を生成する工程と；
   からなり、 周波数制御電圧であるアナログ入力制御電気信号中の変
   化の結果としてその出力クロック信号周波数に変化を生
   成するように構成され、連続する周波数範囲に渡ってク
   ロック信号を生成する発振器によって前記クロック信号
   が提供される、正弦波への近似波を合成する方法と、 Ｂ） 前記正弦波への近似波によってガスが内在される
   共振器に取り付けられたスピーカを作動する工程と、 Ｃ） 前記共振器が取り付けられたマイクロフォンによ
   って、前記スピーカによって発生された音響信号をピッ
   クアップする工程と、 Ｄ） 前記周波数制御電圧を、逆方向で２度先行走査し
   て、それぞれの場合において、前記マイクロフォンから
   の信号のピークを検索し、両走査におけるピーク電圧を
   平均し、前記先行走査よりも狭い範囲内において前記先
   行走査より遅い速度で、再度走査して、共振周波数を得
   る工程と、から成るガスの音響速度測定方法。
9. 【請求項９】 パルス幅変調信号が重み付き加算機構を
   使用して組み合わされる請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】 正弦波への近似波が低域フィルタにか
    けられる請求項８又は９記載の方法。
11. 【請求項１１】 正弦波への近似波の周波数が、特定時
    間周期に渡って生成されたパルス幅変調信号またはクロ
    ック信号の一方のサイクル数をカウントすることによっ
    て決定される請求項８乃至１０のいずれか記載の方法。
12. 【請求項１２】 正弦波への近似波の周波数が、パルス
    幅変調信号サイクルまたはクロック・サイクルの所定数
    を生じるのにかかる時間を測定することによって決定さ
    れる請求項８乃至１１のいずれか記載の方法。
13. 【請求項１３】 パルス幅変調信号がマイクロプロセッ
    サによって発生される請求項８乃至１２のいずれか記載
    の方法。
14. 【請求項１４】 正弦波への近似波がスピーカーを駆動
    するように構成された請求項８乃至１３のいずれか記載
    の方法。