JP2014106225A

JP2014106225A - 超音波式小型ガス濃度計

Info

Publication number: JP2014106225A
Application number: JP2012272807A
Authority: JP
Inventors: Yoshikatsu Tanaka; 義克田中
Original assignee: HOKUSHIN ELECTRONICS KK
Current assignee: HOKUSHIN ELECTRONICS KK
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2014-06-09

Abstract

【課題】小型でありながら正確に超音波伝播時間を計測でき、混合気体の酸素濃度を精度よく計測できる超音波を用いたガス濃度計を提供する。
【解決手段】超音波式ガス濃度、酸素濃度計は、送信受信の２つの働きをする１個の超音波振動子と反射板を用い、発信した超音波がある一定の距離に設けた反射板から跳ね返ってくる工程を１往復でなく、更に超音波素子に付属する整合層前面でも反射させて、複数回往復させる事で伝搬距離を大きくとり測定精度、分解能の向上を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療の分野において使用される機器や装置で、様々な気体の混合気体が流れる、または滞留、貯蔵系に組み込まれる、各ガス濃度（混合比率）、特に酸素濃度を複数回反射往復する超音波の伝搬時間を用いて算出する小型の装置である。

従来、新生児から老人まで、特に呼吸が不調になっている患者や肺疾患を抱える患者に対して用いられる医療器では、高濃度の酸素を添加した空気すなわち窒素と酸素の混合気体が患者の吸気用として供給される。

従来、超音波の伝搬時間から混合気体の混合比率（ガス濃度）を算出することを目的とした酸素濃度計は存在するが、対向配置された送信受信専用の２つの超音波振動子、または交互に送信受信を行う２つの超音波振動子で送受信を繰り返して音速を知り、ガス濃度を算出する方式で送信と受信を行う２つの超音波振動子が必要となるので、送受信を行うための専用回路が必要となり、電子回路が複雑になる。

従来、超音波の伝搬時間から混合気体の混合比率（ガス濃度）を算出することを目的とした酸素濃度計で、対向配置された送受信兼用の１つの超音波振動子と反射板からなる構造を有した構造であり、測定精度を向上するために小型でない。

高濃度の酸素を添加した空気すなわち窒素と酸素の混合気体が患者の吸気用として供給される医療器では、混合気体の酸素濃度を小型簡便な測定装置で計測し、管理できることが望ましい。

超音波を用いたガス濃度計において、正確に音速を計測する場合は伝搬時間の変位を正確に感知するために、送信振動子と受信振動子を対向して配置し、気体の流れによる伝搬時間の影響が少なくなるような機構を設ける必要があり、これは医療機器や装置に組込むために大きさが障害となる。装置組込み目的の酸素濃度計とするためには小型化が課題となる。

測定気体の流れの影響を受けにくい計測を行うために、１つの超音波振動子と反射板を対向させて、超音波の伝搬経路を往復させる方法がある。然しながら、この方式では、超音波素子に付属した整合層を通過する伝搬時間はガス濃度の測定精度を劣化させる。

また、測定精度を向上させるためには伝搬距離を大きく取る必要があり、医療機器や装置に組込むためには、その大きさが課題となる。

本発明の超音波式ガス濃度、酸素濃度計は、小型化するために、送信受信の２つの働きをする１個の超音波振動子と反射板を用い、発信した超音波がある一定の距離に設けた反射板から跳ね返ってくる工程を１往復でなく、更に超音波素子に付属する整合層前面でも反射させて、複数回往復させる事で小型でありながら伝搬距離を大きくとり測定精度、分解能の向上を図る。

前述の超音波反射波が到達するまでの時間に振動子の残響振動が小さくなるような、１００ｋＨｚ以上の超音波振動子を用いることで、振動子の小型化と装置自体の小型化できる。

発信による残響振動が収まるまで、受信波形の処理は行わず、反射波だけを判断して、伝搬時間を計測できるように、マイコンのプログラミングによる計測を行い、正確な伝搬時間を求めている。

本発明は、超音波の受送信を兼ねる１つの超音波素子と反射板との間を超音波信号を複数回往復させて、伝搬時間や音速を測定してガス濃度、酸素濃度を算出するが、同時に伝搬経路、または、その付近の温度を測定して算出値の補正を行う事で、ガス濃度、酸素濃度の測定精度を向上させている。

本発明は、超音波の受送信を兼ねる１つの超音波素子と反射板との間を超音波信号を複数回往復させて、伝搬時間や音速を測定してガス濃度、酸素濃度を算出するが、２往復目以後の伝搬時間から１回目の往復時間を差し引く事で、超音波素子に付属する整合層の影響を回避し、ガス濃度、酸素濃度の測定精度を向上させている。

ガス濃度と音速の関係について、混合気体が酸素と窒素の２種類の混合気体であるとすると気体の分子量Ｍは酸素の分子量Ｍ_Ａ、窒素の分子量Ｍ_Ｂ、酸素濃度α_Ａおよび窒素濃度α_Ｂを用いて次式で表される。

一方、気体の分子量Ｍは音速Ｃと次の関係がある。

ここで、比熱比γ＝１．４、気体定数Ｒ＝８３１４、Ｔは絶対温度である。したがって、音速Ｃを求めることにより分子量Ｍが決まり、酸素濃度α_Ａが定められることを原理とした装置である。

この混合気体の酸素濃度を簡便な測定装置で管理できることが望ましい。気体の音速が分かれば気体の分子量が分かるので、混合気体のガス混合比率すなわち酸素濃度を算出出来る。本発明の、超音波式のガス濃度計は、超音波の伝搬時間を計測する事により流体の音速を知り、混合気体の混合比率（ガス濃度）を算出することを目的とした、ガス濃度、酸素濃度計に関するものである。
本発明は、以上の構成からなる超音波式ガス濃度計である。

本発明は、小型化が可能で医療機器や装置への組込みが容易である。

本発明は、組込み相手となる医療機器や装置の一部を反射面とする事で、混合気体の流れの影響を排除した測定が可能である。

本発明の使用例である。本発明の全体図である。本発明の超音波伝搬である。従来方式の超音波伝搬である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明品を医療機器、装置に取り付けた例を示している。（１）はガスの引込口と排出口を別々に独立させている。（２）は、ガスの引込口と排出口を共用し、１つとしている。
図２は、本発明品の構成図の説明である。
図３は、本発明品の超音波信号が２往復して測定部の約４倍の伝搬距離となっていることを示しており、２往復目以後の伝搬距離が整合層の前面で反射して、整合層通過影響を排除する構造であることを示している。
図４は、従来の超音波方式で、超音波振動子を送信と受信の２個を使用した時の図および超音波振動子１個で１往復反射の図である。測定部の長さと超音波信号の伝搬距離の関係を示し、整合層の影響が大きい事、小型化が困難である事を示す。

Claims

超音波振動子、整合層前面、反射板の間を超音波信号を複数回反射往復させて伝搬距離をかせぐ方法で小型化した構造の１個の超音波振動子を使用した、ガス濃度、酸素濃度を測定する装置。
超音波振動子、整合層前面、反射板の間を複数回往復する超音波伝搬時間を往復毎に測定して音速を算出することで、整合層通過の影響を排除し、精度良く音速を知ることを特徴とするガス濃度、酸素濃度を測定する装置。
伝搬経路を往復させることで、混合気体の流れによる影響を受けないことを特徴とする、ガス濃度、酸素濃度を測定する装置。
混合気体の中にサーミスタを配置することで、温度を知ることを特徴とする、ガス濃度、酸素濃度を測定する装置。