JP2003279549A - 気体濃度計測装置および気体濃度計測方法 - Google Patents

気体濃度計測装置および気体濃度計測方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゼロクロス問題を解決して高精度に、かつリ
アルタイムで高い時間分解能で、気体の濃度変化を計測
できるようにする。 【解決手段】 測定対象領域Ｒの気体の濃度変化を計測
する気体濃度計測装置１において、電圧変化が、演算増
幅器のスルーレイト以上の電圧変化を持つような超音波
生成信号に応じて超音波を送信しその超音波生成信号を
出力する超音波送信手段２と、測定対象領域Ｒの気体を
通過した後の超音波を電気信号に変換し超音波受信信号
とする超音波受信手段３と、超音波生成信号および超音
波受信信号を演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送
信側三角波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電
圧と比較して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下とな
る時点を検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以
下となる時点同士の時間差分を気体濃度の変化分として
検出する気体濃度計測手段４と、を備えることを特徴と
している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、測定対象領域の
気体の濃度変化を計測する気体濃度計測装置および気体
濃度計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、気体の濃度変化や流量変化の計測
を行う手法として、物質の誘電率の計測を行う「誘電緩
和法」や、電磁波の吸収分布の計測を行う「吸収スペク
トル計測法」、また通過した超音波の振幅の減衰率の計
測を行う「超音波伝搬波減衰度計測法」などがある。い
ずれの方法も高い時間分解能はもたない。
【０００３】一方、送信機から受信機への音波の伝搬時
間の計測を行う伝搬時間差法は、シンプルな手法であ
り、時間分解能の向上にもつながる。この手法の場合、
定常波を送信機から送信して受信機で受信し、その送信
元の定常波と、受信機からの信号とを比較してその波の
ずれ（位相差）を伝搬時間とし、その伝搬時間が気体の
濃度変化や流量変化に対応するようになっている。
【０００４】この位相差の計測を行う場合、受信側の信
号処理として、受信信号が所定の閾値を超える時点の計
測を行う必要があるが、この時点は受信波の振幅によっ
て異なってくるし、この振幅自身も物理要因（温度、湿
度）によって変化する。このため、位相差の計測にばら
つきが生じてしまう。この問題点をここではゼロクロス
問題と呼ぶ。
【０００５】このゼロクロス問題を回避するために、簡
便で高速な伝搬時間差法ではなく、受信波を送信側に戻
し、この周期の計測を行うことで音波の速度計測を行う
シングアラウンド法や、送信部、受信部の間で起こる２
次、３次の反射波を計測することでより安定した音波速
度の計測を行う方法が提唱されており、この場合は、音
波速度が気体の濃度変化や流量変化に対応するようにな
る。そして、これらの方法では、受信信号が所定の閾値
を超える時点の計測を行う必要がないため、ゼロクロス
問題も生じることはない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のシング
アラウンド法や、２次、３次の反射波計測により音波速
度計測を行う方法では、確かにゼロクロス問題が解決さ
れるものの、音波の往復を計測するために計測に時間を
要してしまい、リアルタイムで高い時間分解能での気体
濃度の変化の計測を行うことができないという問題点を
有している。
【０００７】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
ゼロクロス問題を解決して高精度に、かつリアルタイム
で高い時間分解能で、気体の濃度変化を計測することが
できる気体濃度計測装置および気体濃度計測方法を提供
することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、測定対象領域の気体の濃
度変化を計測する気体濃度計測装置において、電圧変化
が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電
圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音波を送
信するとともに、その超音波生成信号を出力する超音波
送信手段と、上記測定対象領域の気体を通過した後の上
記超音波を電気信号に変換し超音波受信信号とする超音
波受信手段と、上記超音波生成信号および上記超音波受
信信号を上記演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送
信側三角波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電
圧と比較して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下とな
る時点を検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以
下となる時点同士の時間差分を気体濃度の変化分として
検出する気体濃度計測手段と、を備えることを特徴とし
ている。
【０００９】また、請求項２に記載の発明は、測定対象
領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測方法にお
いて、電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルー
レイト以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応
じて超音波を送信し、上記測定対象領域の気体を通過し
た後の上記超音波を電気信号に変換して超音波受信信号
とし、上記超音波生成信号および上記超音波受信信号を
上記演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信側三角
波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧と比較
して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点を
検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる
時点同士の時間差分を気体濃度の変化分として検出す
る、ことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】図１はこの発明の気体濃度計測装置のブロ
ック図である。この発明の気体濃度計測装置１は、測定
対象領域Ｒの気体の濃度変化を計測する装置であり、電
圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以
上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音
波を送信するとともにその超音波生成信号を出力する超
音波送信手段２と、この測定対象領域Ｒの気体を通過し
た後の超音波を電気信号に変換し超音波受信信号とする
超音波受信手段３と、その超音波生成信号および超音波
受信信号を演算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信
側三角波および受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧
と比較して、所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる
時点を検出し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下
となる時点同士の時間差分を気体濃度の変化分として検
出する気体濃度計測手段４と、を備えることを特徴とし
ている。
【００１２】なお、ここでスルーレイト（ｓｌｅｗ ｒ
ａｔｅ）とは、演算増幅器の最大応答速度を表す指標で
ある。入力に立ち上がりの速い理想的なパルスを加えた
ときの、出力電圧の立ち上がり時間をオシロスコープで
観測したときの出力電圧の変化であり、Ｖ／μｓなどで
表され、入力に方形波を入れた場合の、出力の立ち上が
り、あるいは立ち下がりが、１μｓあたり何Ｖドライブ
可能かを意味している。
【００１３】次に図２〜図７を用いてより具体的に説明
する。
【００１４】図２は測定対象領域周辺の要部構成例を示
す図、図３は気体濃度計測手段の構成例を示す図、図４
は図３の構成例の各部位での信号波形を示す図、図５は
気体濃度計測手段が実行する手順を示す図である。
【００１５】上記の超音波送信手段２および超音波受信
手段３は、図２に示すように、例えば圧電素子からなる
超音波送信素子２１および超音波受信素子３１をそれぞ
れ備え、超音波送信素子２１は、超音波生成信号に応じ
て、例えば４０ＫＨｚの超音波を送信する。この超音波
は、空気と二酸化炭素、または空気と窒素が交互に流れ
る測定対象領域Ｒを通過後、超音波受信素子３１で受信
されて電気信号に変換され超音波受信信号とし出力され
る。
【００１６】上記の気体濃度計測手段４は、図３に示す
ように、例えば約１万倍の増幅・規格化回路４０として
構成される。この増幅・規格化回路４０は２つの演算増
幅器４１，４２、および比較器４３を備え、超音波生成
信号および超音波受信信号の各々に対応して設けられて
いる。そして、この増幅・規格化回路４０に入力される
超音波生成信号は、その電圧変化が演算増幅器４１のス
ルーレイト（例えば、０．１Ｖ／μｓ）以上の電圧変化
を持つような信号に予め設定されている。
【００１７】この増幅・規格化回路４０の各ポイント
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄでの信号は、図４のようになる。すなわ
ち、１段目の演算増幅器４１には、サインカーブを有す
る超音波生成信号、超音波受信信号が入力される（Ａポ
イント）。
【００１８】上記のように、この超音波生成信号は、そ
の電圧変化が演算増幅器４１のスルーレイト以上の電圧
変化を持つような信号に予め設定されているので、演算
増幅器４２の出力信号はこのスルーレイトにはりついた
形で電圧が変化する。つまり入力のサインカーブは、演
算増幅器４１で増幅されそのスルーレイトによって決ま
る三角波となり（Ｂポイント）、超音波生成信号は送信
側三角波に、また超音波受信信号は受信側三角波とな
る。当然この三角波の周波数は入力信号と同じ周期で変
化する。すなわち、どのような振幅のサインカーブが入
力されても出力はこの振幅に関わりなく、同じ周期の三
角波が出力される。この現象を用いれば、他の物理条件
の変化による広い範囲の振幅の変化するサインカーブが
一定に規格化された三角波となる。
【００１９】この三角波（送信側三角波、受信側三角
波）はさらに演算増幅器４２で増幅され（Ｃポイン
ト）、その後比較器（コンパレータ）４３で所定の閾値
電圧と比較され、所定の閾値電圧以上、および以下とな
る時点が検出され、その所定の閾値電圧以上となる時点
で立ち上がり、以下となる時点で立ち下がる矩形波とな
る（Ｄポイント）。
【００２０】上記のように、気体濃度計測手段４には、
超音波生成信号および超音波受信信号が入力される。そ
して、元信号としての超音波生成信号は、図５の左列に
示すように、演算増幅器（増幅回路）４１で増幅されて
送信側三角波となり、その後コンパレータ４３で所定の
閾値電圧と比較されて矩形波となり、その立ち下がり時
点が検出される。
【００２１】一方、超音波受信信号も、超音波生成信号
の場合と同様の処理がなされ、図５の右列に示すよう
に、演算増幅器（増幅回路）４１で増幅されて受信側三
角波となり、その後コンパレータ４３で所定の閾値電圧
と比較されて矩形波となり、その立ち下がり時点が検出
される。
【００２２】そして、気体濃度計測手段４は、超音波生
成信号および超音波受信信号から生成された矩形波のう
ち、互いに対応する矩形波の立ち下がり時点同士の時間
差分を検出し、その時間差分を電圧信号として出力す
る。この時間差分は、両信号の位相差に相当しており、
この位相差は超音波が通過した測定対象領域Ｒの気体の
濃度変化に対応する値である。
【００２３】なお、ここでは矩形波の立ち下がり時点同
士の時間差分を検出するようにしたが、矩形波の立ち上
がり時点同士の時間差分を検出するようにしてもよい。
【００２４】次に実際の測定結果について、図６および
図７を用いて説明する。
【００２５】図６は気体切り換え装置の構成例を示す
図、図７は図６の気体切り替え装置を用いて測定対象領
域の気体を切り換えその濃度変化を本発明の気体濃度計
測装置で測定した結果を示す図である。
【００２６】図６において、測定対象領域Ｒには、二酸
化炭素と空気の双方が常時流入可能となっており、切り
替え部Ｒ１が例えば空気側に連通され、空気が切り替え
部Ｒ１から吸引されると、二酸化炭素のみが測定対象領
域Ｒを流れるようになる。そして、気体濃度計測装置１
は、超音波送信素子２１から超音波を送信して、測定対
象領域Ｒの気体を通過させることで、その気体濃度変化
を計測する。
【００２７】ここでは、先ず切り替え部Ｒ１で二酸化炭
素を吸引して測定対象領域Ｒに空気を供給しておき、次
に切り替え部Ｒ１での電磁弁切り替えにより、空気を吸
引して二酸化炭素を供給し、その切り替え時の気体濃度
変化を測定するようにした。図７はその測定を３０回実
施した結果であり、電磁弁の切り替えが始まる時点でそ
ろえて加算平均をとったものである。これにより、ラン
ダムなノイズがキャンセルされ、Ｓ／Ｎ比の高いデータ
が得られた。この図７から、時刻０のところで二酸化炭
素への切り替えが始まり、１００ミリ秒後から空気から
二酸化炭素へ変わり始め、その後約１００ミリ秒経過
後、すなわち電磁弁切り替えから２００ミリ秒で二酸化
炭素への置換が完了している様子がわかる。
【００２８】なお、時刻０のところで電圧信号（濃度変
化）がシフトしているのは、電磁弁駆動用の電圧による
影響である。
【００２９】以上述べたように、この発明の実施形態で
は、電圧変化が、計測に使用する演算増幅器４１のスル
ーレイト以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に
応じて超音波を送信し、その超音波生成信号と、超音波
が測定対象領域の気体を通過した後の超音波受信信号と
に基づいて、気体濃度変化を測定するようにしたので、
ゼロクロス問題を解決して高精度に気体の濃度変化を計
測することができる。また、リアルタイムで高い時間分
解能で、気体の濃度変化を計測することができる。
【００３０】そして、ミリ秒の精度で濃度変化の計測が
可能になったことにより、気体濃度変化や気体混合率変
化のリアルタイム計測が可能となった。また高時間分解
能のため、混合気体が一様に混ざっているか、混ざって
いないか、また乱流の発生が見られるかの判定も可能に
なった。つまり気体が一様に混ざっていない場合、音波
速度の分散が大きくなり、ばらつきが大きくなるため、
このような気体の乱流の様子も計測することが可能とな
った。
【００３１】このような高い時間分解能をもつ気体の濃
度変化計測法の開発によって、より精密な気体制御が可
能な化学プラントの建設、またより燃費が改善され、あ
るいは出力パワーの向上したエンジンの開発などが可能
になる。
【００３２】なお、上記の実施形態では、電圧変化が、
計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以上の電圧変
化を持つような超音波生成信号に応じて超音波を送信
し、その超音波生成信号と、超音波が測定対象領域の気
体を通過した後の超音波受信信号とに基づいて、気体濃
度変化を測定するようにしたので、ゼロクロス問題を解
決することができ、またリアルタイムの計測を可能とし
たが、この手法は、気体濃度計測装置だけでなく、流量
変化を計測する気体流量計測装置等にも同様に適用する
ことができる。
【００３３】また、上記の説明では、測定対象領域Ｒで
は、空気と二酸化炭素、または空気と窒素が交互に流れ
る場合について説明したが、この気体は空気や二酸化炭
素に限定されることなく、任意の気体を採用することが
できる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明では、電
圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト以
上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超音
波を送信し、その超音波生成信号と、超音波が測定対象
領域の気体を通過した後の超音波受信信号とに基づい
て、気体濃度変化を測定するようにしたので、ゼロクロ
ス問題を解決して高精度に気体の濃度変化を計測するこ
とができる。また、リアルタイムで高い時間分解能で、
気体の濃度変化を計測することができる。
【００３５】そして、ミリ秒の精度で濃度変化の計測が
可能になったことにより、気体濃度変化や気体混合率変
化のリアルタイム計測が可能となった。また高時間分解
能のため、混合気体が一様に混ざっているか、混ざって
いないか、また乱流の発生が見られるかの判定も可能に
なった。つまり気体が一様に混ざっていない場合、音波
速度の分散が大きくなり、ばらつきが大きくなるため、
このような気体の乱流の様子も計測することが可能とな
った。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の気体濃度計測装置のブロック図であ
る。
【図２】測定対象領域周辺の要部構成例を示す図であ
る。
【図３】気体濃度計測手段の構成例を示す図である。
【図４】図３の構成例の各部位での信号波形を示す図で
ある。
【図５】気体濃度計測手段が実行する手順を示す図であ
る。
【図６】気体切り換え装置の構成例を示す図である。
【図７】図６の気体切り替え装置を用いて測定対象領域
の気体を切り換えその濃度変化を本発明の気体濃度計測
装置で測定した結果を示す図である。
【符号の説明】 １ 気体濃度計測装置 ２ 超音波送信手段 ３ 超音波受信手段 ４ 気体濃度計測手段 ２１ 超音波送信素子 ３１ 超音波受信素子 ４０ 増幅・規格化回路 ４１ 演算増幅器（増幅回路） ４２ 演算増幅器（増幅回路） ４３ 比較器（コンパレータ） Ｒ 測定対象領域 Ｒ１ 切り替え部
フロントページの続き (72)発明者 斉藤 幸子 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 Ｆターム(参考） 2F035 DA03 DA23 2G047 AA01 BA01 BC02 BC15 CA01 EA09 EA10 GF05 GF10 GF11 GG15 GG28 GG30 GG33

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 測定対象領域の気体の濃度変化を計測す
    る気体濃度計測装置において、 電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト
    以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超
    音波を送信するとともに、その超音波生成信号を出力す
    る超音波送信手段と、 上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電
    気信号に変換し超音波受信信号とする超音波受信手段
    と、 上記超音波生成信号および上記超音波受信信号を上記演
    算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信側三角波およ
    び受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧と比較して、
    所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点を検出
    し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点
    同士の時間差分を気体濃度の変化分として検出する気体
    濃度計測手段と、 を備えることを特徴とする気体濃度計測装置。
  2. 【請求項２】 測定対象領域の気体の濃度変化を計測す
    る気体濃度計測方法において、 電圧変化が、計測に使用する演算増幅器のスルーレイト
    以上の電圧変化を持つような超音波生成信号に応じて超
    音波を送信し、 上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電
    気信号に変換して超音波受信信号とし、 上記超音波生成信号および上記超音波受信信号を上記演
    算増幅器で増幅しその増幅で得られた送信側三角波およ
    び受信側三角波をそれぞれ所定の閾値電圧と比較して、
    所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点を検出
    し、その所定の閾値電圧以上、あるいは以下となる時点
    同士の時間差分を気体濃度の変化分として検出する、 ことを特徴とする気体濃度計測方法。
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