JP2016153750A - 気体濃度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】作動電圧が低く、かつサイズの小型化が容易な超音波式の気体濃度センサを提供する。
【解決手段】互いに対向配置された超音波発信素子と超音波受信素子、そしてそれぞれの素子に接続されている、超音波発信素子から発信されて超音波受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定して、超音波発信素子と超音波受信素子との間に介在する気体の濃度を算出する演算回路を含む気体濃度センサ、あるいは互いに対向配置された超音波送受信素子と超音波反射板、そして超音波送受信素子に接続されている、超音波送受信素子から発信され、反射板により反射された後、超音波送受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定して、超音波送受信素子と反射板との間に介在する気体の濃度を算出する演算回路を含む気体濃度センサであって、上記超音波発信素子、超音波受信素子、及び超音波送受信素子が、多孔質誘電材料成形体と一対の電極とから構成された素子であることを特徴とする気体濃度センサ。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体の濃度を、その気体を伝播する超音波の伝播速度に基づいて算出する気体濃度センサに関する。

気体を伝播する超音波の伝播速度は、気体の平均分子量によって変わる。気体の超音波の伝播速度と気体の平均分子量との間には下記の式で表される関係があることが知られている。

上記式において、Ｖは気体の超音波の伝播速度、ｋはガスの定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒは気体定数、Ｔは気体の温度、そしてＭは気体の平均分子量である。

上記の式を利用して気体の濃度を算出する気体濃度センサは知られている。気体の超音波伝播速度を測定する代表的な方法としては、超音波発信素子と超音波受信素子とを対向配置して、超音波発信素子から発信されて超音波受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定する方法、及び超音波送受信素子と超音波反射板とを対向配置して、超音波送受信素子から発信され、反射板により反射された後、超音波送受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定する方法が知られている。

特許文献１には、超音波発信素子と超音波受信素子を用いた気体濃度センサが記載されている。すなわち、この文献には、超音波発信素子と超音波受信素子とが対向して設けられ、前記超音波発信素子から発信された超音波を前記超音波受信素子が受信するまでに要する超音波の伝搬時間を測定する手段を有し、空気中に空気以外のガスが混入したときと混入しないときの伝搬時間差に基づいて、混入した前記ガスの濃度を検知するガスセンサが記載されている。この文献には、上記のガスセンサを用いると、超音波発信素子と超音波受信素子との間の伝播時間差が約０．０１μｓｅｃ程度まで読み取り可能であるため、水素濃度を約１００ｐｐｍ程度まで検知することが可能であると記載されている。但し、この文献には、超音波発信素子及び超音波受信素子のそれぞれの構成及び材料に関する記載はない。

特許文献２には、超音波送受信素子と超音波反射板とを用いた気体濃度センサが記載されている。すなわち、この文献には、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が記載されている。但し、この文献には、超音波振動子の構成及び材料に関する記載はない。

気体濃度センサの超音波送受信用の素子としては、一般に誘電材料成形体と一対の電極とから構成されている素子が使用されている。誘電材料成形体としては、チタン酸ジルコニウム鉛粉末などの圧電セラミック粉末を焼成した非孔性（バルク）の焼結体が広く利用されている。

特許文献３には、実質的に空孔径が２５μｍ以内の空孔のみからなり、空孔径が５〜２５μｍの範囲内にある空孔の空孔径の平均値がシート厚みに対して１／１０〜１／１０００の範囲内にあって、見掛け密度が真密度に対して５／１０〜９／１０の範囲内にある厚みが０．０５〜２ｍｍの範囲内にある多孔質誘電体シートと一対の電極とから構成されている多孔質圧電振動子が記載されている。この文献には、多孔質圧電振動子は、生体に対する超音波伝搬効率が高いので、従来の圧電振動子を用いた超音波プローブと比較して音響整合層の数を少なくすることができると記載されている。

特開２０１０−２５７９４号公報 特開２００２−２１４２０３号公報 特開２０００−１１９０６３号公報

近年、燃料電池自動車が実用化され、これに伴い水素ステーションの建設が進められている。燃料電池や水素ステーションでは水素ガスの漏出を早期に検出することが必要となる。水素のように分子量が低い軽ガスの濃度を測定する装置として、超音波式の気体濃度センサは、上記の特許文献１に記載されているように応答速度が速く、１００ｐｐｍ程度の低濃度でも測定できる点で優れている。
しかしながら、本発明の発明者の検討によると、従来の超音波式気体濃度センサは、作動電圧が高く、また自動車において、水素タンク、配管、燃料電池等周囲の限られた小さなスペースに搭載するにはサイズが大きい。従って、本発明の目的は、作動電圧が低く、サイズの小型化が容易な超音波式気体濃度センサを提供することにある。

本発明の発明者は、研究の結果、気体濃度センサの超音波送受信用の素子として、従来の気体濃度センサで用いられている非孔性（バルク）の誘電材料成形体の代わりに、多孔質誘電材料成形体と一対の電極とから構成された素子、すなわち多孔質圧電振動子を用いることによって、気体濃度センサの小型化と作動電圧の低減の両者を実現できることを見出して、本発明を完成させた。

従って、本発明は、互いに対向配置された超音波発信素子と超音波受信素子、そしてそれぞれの素子に接続されている、超音波発信素子から発信されて超音波受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定して、超音波発信素子と超音波受信素子との間に介在する気体の濃度を算出する演算回路を含む気体濃度センサ、あるいは互いに対向配置された超音波送受信素子と超音波反射板、そして超音波送受信素子に接続されている、超音波送受信素子から発信され、反射板により反射された後、超音波送受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定して、超音波送受信素子と反射板との間に介在する気体の濃度を算出する演算回路を含む気体濃度センサであって、上記超音波発信素子、超音波受信素子、及び超音波送受信素子が、多孔質誘電材料成形体と一対の電極とから構成された素子であることを特徴とする気体濃度センサにある。

本発明の気体濃度センサの好ましい態様は、次の通りである。
（１）多孔質誘電材料成形体が、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔を分散状態で含む多孔質誘電材料成形体である。
（２）多孔質誘電材料成形体が、気孔率が５〜５０体積％の範囲にある多孔質誘電材料成形体である。
（３）気体温度センサが備えられている。
（４）気体が水素およびヘリウムからなる群より選ばれる軽ガスである。

本発明の気体濃度センサは、超音波送受信用の素子として非孔性（即ち、気孔を実質的に有しない）誘電材料成形体と一対の電極とから構成されている素子を用いた従来の気体濃度センサと比較して、作動電圧が低く、小型化が容易である。本発明の気体濃度センサは、自動車用の燃料電池や水素ステーションでの水素の漏出検知などの用途に有利に利用することができる。

本発明の気体濃度センサの構成の一例を示す斜視図である。 図１の気体濃度センサで用いることができる素子ケースの内部構成の一例を示す断面模式図である。 図１の気体濃度センサで用いることができる素子ケースの内部構成の別の一例を示す断面模式図である。 配管の継手部分からの気体の漏出を検出することを想定した、本発明の気体濃度センサの使用態様を説明する図である。 従来の気体濃度センサにて、超音波受信素子が超音波発信素子から発信された超音波を大気中で受信したときの受信波形の一例を示すグラフであり、（ａ）は素子ケースにヘリウムを吹き付けたときの超音波の受信波形であり、（ｂ）は素子ケースにヘリウムを吹き付なかったときの超音波の受信波形である。

本発明の気体濃度センサは、互いに対向配置された超音波発信素子と超音波受信素子、そしてそれぞれの素子に接続されている、超音波発信素子から発信されて超音波受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定して、超音波発信素子と超音波受信素子との間に介在する気体の濃度を算出する演算回路を含む、あるいは互いに対向配置された超音波送受信素子と超音波反射板、そして超音波送受信素子に接続されている、超音波送受信素子から発信され、反射板により反射された後、超音波送受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定して、超音波送受信素子と反射板との間に介在する気体の濃度を算出する演算回路を含む。本発明の気体濃度センサにおいて、超音波発信素子、超音波受信素子及び超音波送受信素子は、いずれも超音波送受信用の素子として共通する。本明細書では、超音波発信素子、超音波受信素子及び超音波送受信素子を総称して超音波送受信用の素子ということがある。

本発明の気体濃度センサは、超音波送受信用の素子として、多孔質誘電材料成形体と一対の電極とから構成された素子を用いる点に主な特徴がある。多孔質誘電材料成形体は、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔を分散状態で含むことが好ましい。また、多孔質誘電材料成形体は、気孔率が５〜５０体積％の範囲にあることが好ましい。多孔質誘電材料成形体は、円柱状あるいは底面が四角以上の多角形の柱状であることが好ましく、円柱状あるいは底面が長方形の四角柱状であることが特に好ましい。柱状の多孔質誘電材料成形体は、厚さ方向に分極されていることが好ましい。超音波送受信用の素子は、共振周波数が５０〜１０００ＫＨｚの範囲にあることが好ましい。

多孔質誘電材料成形体は、気孔を分散状態で含む圧電セラミック粉末の焼結体であることが好ましい。気孔を分散状態で含む圧電セラミック粉末の焼結体は、例えば、圧電セラミック粉末とバインダと気孔形成材料とを含む混合物を柱状に成形して柱状成形体を作成し、次いで柱状成形体を気孔形成材料の加熱分解温度以上の温度に加熱して、気孔形成材料を分解除去すると共に、圧電セラミック粉末を焼結させることによって製造することができる。圧電セラミック粉末の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）粉末、チタン酸鉛粉末、ジルコン酸鉛粉末及びチタン酸バリウム粉末を挙げることができる。バインダの例としてはポリビニルアルコールを挙げることができる。気孔形成材料は球状樹脂材料であることが好ましい。球状樹脂材料の例としては、ポリメチルメタクリレート及び発砲ポリスチロールを挙げることができる。

電極は、一般に多孔質誘電材料成形体の対向する面に備えられる。電極の材料の例としては、金及び銀を挙げることができる。

超音波送受信素子と組み合わせて用いる超音波反射板は、超音波送受信素子から発信された超音波を、超音波送受信素子に向けて反射するためのものである。超音波反射板の材料の例としては、鉄、アルミニウムなどの金属を挙げることができる。

次に、本発明の気体濃度センサを、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の気体濃度センサの構成の一例を示す斜視図である。
図１において、気体濃度センサは、超音波送受信用の素子が収容されている素子ケース１０、素子ケース内の素子とケーブル１２を介して電気的に接続している演算回路が収容されている演算機１３、演算機１３と接続する電源装置１６から構成されている。素子ケース１０の側面には、濃度測定の対象気体を素子ケース内に導入するための気体導入口１１が備えられている。演算機１３には、電源スイッチ１４とガス濃度を表示する表示部１５とが備えられている。

図２は、素子ケースの内部構成の一例を示す断面図である。
図２において、素子ケース２０には、互いに対向配置された超音波発信素子２２と超音波受信素子２３が収容されている。超音波発信素子２２と超音波受信素子２３は、それぞれ多孔質誘電材料成形体２４と一対の電極２５とから構成されている。超音波発信素子２２と超音波受信素子２３は、それぞれリード線（図示せず）によってケーブル１２に接続されている。超音波発信素子２２と超音波受信素子２３との間の距離は、測定対象の気体の種類及び濃度範囲によって異なるが、一般に１０〜１００ｍｍの範囲である。素子ケース２０は、気体温度センサを備えていることが好ましい。気体温度センサとしては、熱電子対、気体の温度変化による超音波伝播速度の変動を利用した超音波式温度センサ等を用いることができる。

この素子ケース２０の気体導入口２１から導入された気体の濃度の測定は、例えば、次のようにして行われる。
超音波発信素子２２に電気エネルギーを供給して、超音波発信素子２２から超音波を発信させ、超音波受信素子２３に受信させる。超音波発信素子２２から発信されて超音波受信素子２３で受信される超音波の伝播時間を測定し、超音波発信素子２２と超音波受信素子２３との距離と伝搬時間とから気体の超音波伝播速度を算出する。算出された超音波伝播速度から前述の気体の超音波の伝播速度と気体の平均分子量の関係式を用いて、気体の平均分子量を求める。そして、この気体の平均分子量から気体の濃度を算出する。

図３は、素子ケースの内部構成の別の一例を示す断面図である。
図３において、素子ケース３０には、互いに対向配置された超音波送受信素子３２と超音波反射板３５が収容されている。超音波送受信素子３２は、多孔質誘電材料成形体３３と一対の電極３４とから構成されている。超音波送受信素子３２はリード線（図示せず）によってケーブル１２に接続されている。超音波送受信素子３２と超音波反射板３５との間の距離は、超音波発信素子と超音波受信素子間で超音波を受発信する場合の１／２にすることができ、一般に５〜５０ｍｍの範囲である。

この素子ケース３０の気体導入口３１から導入された気体の濃度の測定は、例えば、次のようにして行われる。
超音波送受信素子３２に電気エネルギーを供給して、超音波送受信素子３２から超音波を発信させ、超音波反射板３５により反射された超音波を超音波送受信素子３２に受信させる。超音波送受信素子３２から発信され、超音波反射板３５により反射された後、超音波送受信素子３２で受信される超音波の伝播時間を測定し、超音波送受信素子３２と超音波反射板３５との距離と伝搬時間とから気体の超音波伝播速度を算出する。算出された超音波伝播速度から前述の気体の超音波の伝播速度と気体の平均分子量の関係式を用いて、気体の平均分子量を求める。そして、この気体の平均分子量から気体の濃度を算出する。

本発明の気体濃度センサは、水素及びヘリウムのような分子量が低い軽ガスの濃度の測定用として有用である。本発明の気体濃度センサは、例えば、配管やバルブの継手部分、燃料電池のスタックまたはタンクのピンホール等からの気体の漏出を検出する用途に利用することができる。

図４は、配管の継手部分からの気体の漏出を検出することを想定した、本発明の気体濃度センサの使用態様を説明する図である。図４において素子ケース４０は、気体が流れる配管５１ａ、５１ｂの継手５２の近くに配置されている。素子ケース４０は、気体の超音波伝播速度測定部４１と温度測定部４７とを備える。超音波伝播速度測定部４１は、ケースに備えられた気体導入口４２、そして互いに対向配置された超音波送受信素子４３と超音波反射板４６から構成されている。温度測定部４７は、ケースに備えられた空気導入口４８、そして互いに対向配置された超音波送受信素子４９と超音波反射板５０とから構成されている。超音波送受信素子４３、４９は、それぞれ多孔質誘電材料成形体４４と一対の電極４５とから構成されている。素子ケース４０は、配管５１ａ、５１ｂの継手５２から漏出した気体が気体導入口４２から超音波伝播速度測定部４１に導入される位置に配置されている。

この素子ケース４０を用いた気体の濃度の測定は、例えば、次のようにして行われる。
超音波伝播速度測定部４１にて、気体導入口４２から導入された気体の超音波伝播速度を、超音波送受信素子４３から発信され、超音波反射板４６により反射された後、超音波送受信素子４３で受信される超音波の伝播時間を測定し、気体の超音波伝播速度を算出する。一方、温度測定部４７にて、空気導入口４８から導入された空気の超音波伝播速度を、超音波送受信素子４９から発信され、超音波反射板５０により反射された後、超音波送受信素子４９で受信される超音波の伝播時間を測定し、得られた空気の超音波伝播速度からの空気の温度を算出する。そして、超音波伝播速度測定部４１にて測定された気体の超音波伝播速度と、温度測定部４７にて測定された空気の温度とから、前述の気体の超音波の伝播速度と気体の平均分子量の関係式を用いて、気体の平均分子量を求める。この気体の平均分子量から気体の濃度を算出する。
なお、素子ケース４０を高熱伝導性の材料で成形するなどにより、温度測定部４７内の温度を素子ケース４０の周辺の温度と同等に保つことができる場合は、空気導入口４８を設けず、温度測定部４７を密閉し、素子ケース４０の周辺空気の組成変化の影響を受けないようにしてもよい。

図１〜４に示した気体濃度センサでは、超音波送受信用の素子は素子ケースに収容されているが、例えば、配管内の気体の濃度を測定する場合には、配管内に直接素子を固定してもよい。

［参考例１］
超音波発信素子と超音波受信素子として、気孔が分散されていないＰＺＴ粉末の非孔性（バルク）焼結体と一対の電極とから構成された圧電振動子（共振周波数：４００ｋＨｚ、サイズ：直径１０ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）を用意した。この超音波発信素子と超音波受信素子とを気体導入口を有する素子ケースに、互いに対向するように１５ｍｍの間隔で収容して、気体濃度センサを作成した。
この気体濃度センサの超音波発信素子が発信した超音波を、超音波受信素子が受信したときの受信波形を測定した。受信波形の測定は、素子ケースにヘリウムを吹き付けた状態とヘリウムを吹き付けない状態とで行なった。その結果を図５に示す。図５の（ａ）は素子ケースにヘリウムを吹き付けたときの超音波の受信波形であり、（ｂ）は素子ケースにヘリウムを吹き付なかったときの超音波の受信波形である。

［実施例１］
超音波発信素子と超音波受信素子として、平均直径が３０μｍの気孔が分散されている気孔率２７体積％のＰＺＴ粉末の焼結体と一対の電極とから構成された圧電振動子を用いることにより、振動子サイズの小型化と作動電圧の低下が実現し、参考例１と同様の受信波形を得ることができることが確認された。

１０、２０、３０、４０ 素子ケース
１１、２１、３１、４２ 気体導入口
１２ ケーブル
１３ 演算機
１４ 電源スイッチ
１５ 表示部
１６ 電源装置
２２ 超音波発信素子
２３ 超音波受信素子
２４、３３、４４ 多孔質誘電材料成形体
２５、３４、４５ 電極
３２、４３、４９ 超音波送受信素子
３５、４６、５０ 超音波反射板
４１ 超音波伝播速度測定部
４７ 温度測定部
４８ 空気導入口
５１ａ、５１ｂ 配管
５２ 継手

Claims (5)

1. 互いに対向配置された超音波発信素子と超音波受信素子、そしてそれぞれの素子に接続されている、超音波発信素子から発信されて超音波受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定して、超音波発信素子と超音波受信素子との間に介在する気体の濃度を算出する演算回路を含む気体濃度センサ、あるいは互いに対向配置された超音波送受信素子と超音波反射板、そして超音波送受信素子に接続されている、超音波送受信素子から発信され、反射板により反射された後、超音波送受信素子で受信される超音波の伝播時間を測定して、超音波送受信素子と反射板との間に介在する気体の濃度を算出する演算回路を含む気体濃度センサであって、上記超音波発信素子、超音波受信素子、及び超音波送受信素子が、多孔質誘電材料成形体と一対の電極とから構成された素子であることを特徴とする気体濃度センサ。
2. 多孔質誘電材料成形体が、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔を分散状態で含む多孔質誘電材料成形体であることを特徴とする請求項１に記載の気体濃度センサ。
3. 多孔質誘電材料成形体が、気孔率が５〜５０体積％の範囲にある多孔質誘電材料成形体であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の気体濃度センサ。
4. 気体温度センサが備えられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の気体濃度センサ。
5. 気体が水素およびヘリウムからなる群より選ばれる軽ガスである請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載の気体濃度センサ。

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