JP2019066421A - 伝搬時間測定器、気体濃度測定装置、および伝搬時間測定プログラム - Google Patents

伝搬時間測定器、気体濃度測定装置、および伝搬時間測定プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、超音波の伝搬時間の測定精度を向上させることを目的とする。【解決手段】演算部としてのプロセッサ２８には、直接波信号の上限包絡線の変化率である第１上限変化率、および直接波信号の下限包絡線の変化率である第１下限変化率に基づいて求められた第１相関対象信号と、１往復遅延波信号の上限包絡線の変化率である第２上限変化率、および１往復遅延波信号の下限包絡線の変化率である第２下限変化率に基づいて求められた第２相関対象信号とを求める相関対象決定部３２が構成される。また、プロセッサ２８には、第１相関対象信号と、第２相関対象信号を時間軸上で移動させた信号との相関値を求める相関処理部３４が構成される。相関処理部３４は、相関値に基づいて第１相関対象信号と第２相関対象信号との時間差を求め、濃度測定空間を超音波が伝搬する時間を当該時間差に基づいて求める伝搬時間測定部としての機能を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、伝搬時間測定器、気体濃度測定装置、および伝搬時間測定プログラムに関し、特に、超音波が測定空間を伝搬する時間を求める技術に関する。
燃料電池から供給される電力によって走行する燃料電池車について、広く研究開発が行われている。燃料電池は水素および酸素の化学反応によって電力を発生する。一般に、水素が燃料として燃料電池に供給され、酸素は周囲の空気から燃料電池に取り入れられる。燃料電池車には水素タンクが搭載され、水素タンクから燃料電池に水素が供給される。水素タンク内の水素が少なくなったときは、サービスステーションに設置された水素供給装置から燃料電池車の水素タンクに水素が供給される。
水素は可燃性の気体であるため、燃料電池車や水素供給装置からの水素の漏れの監視が必要となる。そこで、燃料電池車や水素供給装置と共に、水素濃度測定装置が広く用いられている。水素濃度測定装置は、空気中に含まれる水素の濃度を測定したり、水素濃度が所定値を超えたりしたときに警報を発したりする機能を有する。
以下の特許文献１および２には、特定の気体の濃度を測定する装置が記載されている。これらの特許文献に記載されている装置は、測定対象の空気における超音波の伝搬速度等、超音波の伝搬特性に基づいて特定の気体の濃度を測定するものであり、水素の濃度の測定に用いてもよい。また、特許文献３および４には、本願発明に関連する技術として、超音波を送信した際に受信される多重反射エコーについて、隣接するパルスの相関値を求めることで、隣接するパルスの時間間隔を求める技術が記載されている。
特開２００２−２１４２０３号公報 特開平３−２２３６６９号公報 特開平５−３４６４２１号公報 特開平６−５８７５１号公報
一般に、超音波の伝搬速度に基づいて特定の気体の濃度を測定する装置には、気体の濃度を測定する空間が設けられている。この濃度測定空間には超音波を送受信する超音波振動子が設けられている。濃度測定空間を超音波が伝搬する時間である伝搬時間と、予め求められた伝搬距離とに基づいて、超音波の伝搬速度が求められる。伝搬時間を測定する方法には、次のような方法がある。すなわち、濃度測定空間内に送信され、受信用の超音波振動子に直接到達する第１の超音波と、濃度測定空間内に送信され、受信用の超音波振動子で反射して送信用の超音波振動子に戻って反射し、再び受信用の超音波振動子に到達する第２の超音波との受信時間の差異に基づいて伝搬時間を測定する方法がある。
しかし、第１の超音波パルスおよび第２の超音波パルスの時間波形が、振幅が一定等の特徴がない時間波形である場合、第１の超音波パルスおよび第２の超音波パルスの受信時間の差異の測定が困難となることがある。この場合、濃度測定空間内を伝搬した超音波の伝搬時間の測定精度が低下し、気体の濃度の測定精度が低下することがある。
本発明は、超音波の伝搬時間の測定精度を向上させることを目的とする。
本発明は、超音波を受信する受信部と、前記受信部で受信された第１超音波に基づき前記受信部から出力される第１受信信号と、前記第１超音波の後に前記受信部で受信された第２超音波に基づき前記受信部から出力される第２受信信号と、に基づいて、測定空間を超音波が伝搬する時間を求める演算部と、を備え、前記演算部は、前記第１受信信号の上限包絡線の変化率である第１上限変化率、および前記第１受信信号の下限包絡線の変化率である第１下限変化率に基づいて求められた第１相関対象信号と、前記第２受信信号の上限包絡線の変化率である第２上限変化率、および前記第２受信信号の下限包絡線の変化率である第２下限変化率に基づいて求められた第２相関対象信号と、を求める相関対象決定部と、前記第１相関対象信号と、前記第２相関対象信号を時間軸上で移動させた信号との相関値を求める相関処理部と、前記相関値に基づいて、前記第１相関対象信号と前記第２相関対象信号との時間差を求め、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を当該時間差に基づいて求める伝搬時間測定部と、を備えることを特徴とする。
望ましくは、前記相関対象決定部は、時間軸上で隣接する極大値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な前記第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２上限変化率を求め、時間軸上で隣接する極小値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な前記第１下限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２下限変化率を求め、時系列で配列された離散的な前記第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第１下限変化率を時系列順に配列することで、前記第１相関対象信号を求め、時系列で配列された離散的な前記第２上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２下限変化率を時系列順に配列することで、前記第２相関対象信号を求める。
望ましくは、前記測定空間を超音波が伝搬する時間に基づいて、前記測定空間内における特定の気体の濃度を測定する濃度測定部と、を備える。
また、本発明は、超音波を受信する受信部と、前記受信部で受信された第１超音波に基づき前記受信部から出力される第１受信信号と、前記第１超音波の後に前記受信部で受信された第２超音波に基づき前記受信部から出力される第２受信信号とに基づいて、所定の測定空間を超音波が伝搬する時間を求める演算部と、を備える伝搬時間測定器に読み込まれる伝搬時間測定プログラムにおいて、前記第１受信信号の上限包絡線の変化率である第１上限変化率、および前記第１受信信号の下限包絡線の変化率である第１下限変化率に基づいて求められた第１相関対象信号と、前記第２受信信号の上限包絡線の変化率である第２上限変化率、および前記第２受信信号の下限包絡線の変化率である第２下限変化率に基づいて求められた第２相関対象信号と、を求める相関対象決定処理と、前記第１相関対象信号と、前記第２相関対象信号を時間軸上で移動させた信号との相関値を求める相関処理と、前記相関値に基づいて、前記第１相関対象信号と前記第２相関対象信号との時間差を求め、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を当該時間差に基づいて求める伝搬時間測定処理と、を前記演算部に実行させることを特徴とする。
望ましくは、前記相関対象決定処理は、時間軸上で隣接する極大値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な前記第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２上限変化率を求める処理と、時間軸上で隣接する極小値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な前記第１下限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２下限変化率を求める処理と、時系列で配列された離散的な前記第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第１下限変化率を時系列順に配列することで、前記第１相関対象信号を求める処理と、時系列で配列された離散的な前記第２上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２下限変化率を時系列順に配列することで、前記第２相関対象信号を求める処理と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、超音波の伝搬時間の測定精度を向上させることができる。
気体濃度測定装置を模式的に示す図である。 気体濃度測定装置の詳細な構成を示す図である。 直接波信号および１往復遅延波信号の時間波形の例を示す図である。 直接波信号の時間波形を示す図である。 直接波信号、上限包絡線、および下限包絡線を示す図である。 直接波信号、第１上限変化率、および第２上限変化率を示す図である。 直接波信号および第１相関対象信号を示す図である。 直接波信号と、１往復遅延波信号をスライディング時間ｔｓだけ進めた信号との相関値を示す図である。 第１相関対象信号とスライディング第２相関対象信号との相関値を示す図である。 送信回路において生成される送信パルス信号の例を示す図である。 気体濃度測定装置の変形例を示す図である。
図１には、本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置が模式的に示されている。気体濃度測定装置は、気体濃度を測定するための空間を有する筐体１０を備えており、筐体１０内の気体を伝搬する超音波の伝搬速度に基づいて気体濃度を測定する。筐体１０には通気孔２０が設けられており、通気孔２０を介して気体が筐体１０の内外を流通する。筐体１０における濃度測定空間の形状は、例えば、直方体形状、円筒形状等とする。濃度測定空間は、必ずしも筐体１０の壁によって全方向が囲まれていなくてもよく、超音波を送受信できる空間であればよい。
気体濃度測定装置は、筐体１０内に収容された回路基板１２を備えている。回路基板１２には、測定回路１４、送信振動子１６、受信振動子１８およびコネクタ２２が実装されている。送信振動子１６は、測定回路１４の動作に基づいて超音波を送信する。受信振動子１８は、筐体１０内を伝搬した超音波を受信する。測定回路１４は、直接波が受信振動子１８で受信されたタイミングと、１往復遅延波が受信振動子１８で受信されたタイミングとの差異に基づいて、送信振動子１６から筐体１０の内面における反射面２４を経て受信振動子１８に至るまでの距離を超音波が伝搬するときの伝搬時間を求める。ここで、直接波は、送信振動子１６から送信され反射面２４で反射して受信振動子１８に至る超音波である。また、１往復遅延波は、送信振動子１６から送信され反射面２４で反射して受信振動子１８に至り、さらに、受信振動子１８、反射面２４、送信振動子１６および反射面２４の順で反射して再び受信振動子１８に至る超音波である。測定回路１４は、このようにして求められた伝搬時間と予め記憶された伝搬距離に基づいて、超音波の伝搬速度を求める。
測定回路１４は、自らが備える温度センサによる検出値によって筐体１０内の温度を測定し、さらに、超音波の伝搬速度および温度測定値に基づいて気体濃度を求める。測定回路１４は、外部装置としてコネクタ２２に接続されたコンピュータ、表示装置等に気体濃度測定値を出力する。
図２には、本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置の詳細な構成が示されている。気体濃度測定装置は、筐体１０、送信振動子１６、受信振動子１８、測定回路１４、およびコネクタ２２を備える。測定回路１４は、送信回路３８、受信回路４０、温度センサ２６、プロセッサ２８および記憶部４２を備える。測定回路１４には、送信振動子１６、受信振動子１８、およびコネクタ２２が接続されている。
演算部としてのプロセッサ２８は、記憶部４２に記憶されたプログラム、あるいは、予め自らに記憶されたプログラムを実行することで、内部に送受信制御部３０、相関対象決定部３２、相関処理部３４、および濃度測定部３６を構成する。これらの構成要素は、プロセッサ２８で実現する代わりに、ハードウエアであるディジタル回路によって個別に構成してもよい。
気体濃度測定装置が水素濃度を測定する処理について説明する。送信回路３８および送信振動子１６は、超音波を送信する送信部として動作する。送信回路３８は、送受信制御部３０による制御に従って、送信振動子１６に送信パルス信号を出力する。送信振動子１６は、電気信号である送信パルス信号を超音波に変換し、送信超音波パルスを送信する。この送信超音波パルスは筐体１０の反射面２４で反射し、受信振動子１８に至る。
受信振動子１８に至った直接波の一部は、受信振動子１８、反射面２４、送信振動子１６および反射面２４の順で反射して再び受信振動子１８に至る。受信振動子１８に到来する超音波には、このような直接波および１往復遅延波に加えて、Ｎ往復遅延波（Ｎは２以上の整数）がある。Ｎ往復遅延波は、受信振動子１８で反射し、反射面２４、送信振動子１６、および反射面２４で反射して、受信振動子１８に戻る往復経路をＮ回に亘って伝搬して受信振動子１８で受信される超音波である。
受信振動子１８および受信回路４０は、超音波を受信する受信部として動作する。受信振動子１８は超音波を受信し、この受信超音波を電気信号である受信信号に変換して受信回路４０に出力する。受信回路４０は受信信号のレベルを調整し、プロセッサ２８に出力する。プロセッサ２８は、受信信号を表す受信データを記憶部４２に記憶する。この受信データは、受信パルス信号の値と時間とを対応付けたデータである。記憶部４２に記憶された受信データは、プロセッサ２８が実行する処理において、プロセッサ２８に適宜読み込まれる。
受信信号には、直接波に基づく直接波信号、１往復遅延波に基づく１往復遅延波信号、および、Ｎ往復遅延波に基づくＮ往復遅延信号が含まれている。以下では、直接波信号および１往復遅延波信号を用いて、送信振動子１６から反射面２４を経て受信振動子１８に至るまでの距離を超音波が伝搬するときの伝搬時間を求める処理について説明する。
図３には、直接波信号および１往復遅延波信号の時間波形の例が示されている。横軸は時間を示し縦軸は振幅を示す。図３に示される例では、直接波信号４６の振れ幅は１往復遅延波信号４８の振れ幅よりも大きく、１往復遅延波信号４８は、直接波信号４６より遅れて受信回路４０からプロセッサ２８に出力される。図４には、縦軸および横軸のスケールを変更して直接波信号の時間波形が示されている。１往復遅延波信号は、直接波信号とは大きさが異なるものの、直接波信号の時間波形と同様の時間波形を有している。
相関対象決定部３２は、直接波信号の時間波形の極大点を結ぶ上限包絡線の微分波形を、第１上限変化率として求める。また、相関対象決定部３２は、直接波信号の時間波形の極小点を結ぶ下限包絡線の微分波形を、第１下限変化率として求める。さらに、相関対象決定部３２は、第１上限変化率および第１下限変化率に基づいて、直接波信号と１往復遅延波信号との時間差を求めるための信号である第１相関対象信号を求める。ただし、これらの処理は以下に説明するように離散的な値に対して実行される。
図５には、直接波信号４６、上限包絡線５０、および下限包絡線５２が示されている。上限包絡線５０は、極大点Ｍ（１）、Ｍ（３）、Ｍ（５）、・・・・、Ｍ（２ｊ−１）、・・・・が補間された時間波形である。ただし、ｊは整数である。下限包絡線５２は、極小点Ｍ（２）、Ｍ（４）、Ｍ（６）、・・・・、Ｍ（２ｊ）、・・・・が補間された時間波形である。すなわち、極大点は符号「Ｍ」の右に奇数が付された符号によって示され、極小点は符号「Ｍ」の右に偶数が付された符号によって示されている。
ここでは、極大点Ｍ（２ｊ−１）の振幅をｙ（２ｊ−１）と表し、極小点Ｍ（２ｊ）の振幅をｙ（２ｊ）と表す。また、極大点Ｍ（２ｊ−１）に対応する時間をｔ（２ｊ−１）と表し、極小点Ｍ（２ｊ）に対応する時間をｔ（２ｊ）と表す。
相関対象決定部３２は、時間ｔ（２ｊ−１）における第１上限変化率の値Ｄ（２ｊ−１）をＤ（２ｊ−１）＝ｙ（２ｊ−１）−ｙ（２ｊ−３）の関係に従って求める。すなわち、相関対象決定部３２は、Ｄ（３）＝ｙ（３）−ｙ（１）、Ｄ（５）＝ｙ（５）−ｙ（３）、Ｄ（７）＝ｙ（７）−ｙ（５）、・・・・・として第１上限変化率の離散値を求める。
また、相関対象決定部３２は、時間ｔ（２ｊ）における第１下限変化率の値Ｄ（２ｊ）をＤ（２ｊ）＝ｙ（２ｊ）−ｙ（２ｊ−２）の関係に従って求める。すなわち、相関対象決定部３２は、Ｄ（２）＝ｙ（２）−ｙ（０）、Ｄ（４）＝ｙ（４）−ｙ（２）、Ｄ（６）＝ｙ（６）−ｙ（４）、・・・・・として第１下限変化率の離散値を求める。
相関対象決定部３２は、時間軸上に離散的に配列された第１上限変化率の離散値Ｄ（３）、Ｄ（５）、Ｄ（７）、・・・・と、時間軸上に離散的に配列された第１下限変化率の離散値Ｄ（２）、Ｄ（４）、Ｄ（６）、・・・・とを同一の時間軸上で配列した第１相関対象信号を求める。すなわち、離散的な第１相関対象信号が、時間軸上の離散値Ｄ（２）、Ｄ（３）、Ｄ（４）、Ｄ（５）、Ｄ（６）、・・・・・・として求められる。相関対象決定部３２は、このようにして求められた第１相関対象信号を記憶部４２に記憶する。
図６には、直接波信号４６、第１上限変化率５４、および第１下限変化率５６が示されている。ただし、第１上限変化率５４および第１下限変化率５６については、離散値を補間して得られた時間波形が示されている。図７には直接波信号４６および第１相関対象信号５８が示されている。ただし、第１相関対象信号５８については、離散値を補間して得られた時間波形が示されている。
相関対象決定部３２は、直接波信号に対して実行した処理と同一の処理を１往復遅延波信号に対しても施すことにより、離散的な第２相関対象信号を求める。すなわち、相関対象決定部３２は、１往復遅延波信号の時間波形の極大点を結ぶ上限包絡線の微分波形を第２上限変化率として求める。また、相関対象決定部３２は、１往復遅延波信号の時間波形の極小点を結ぶ下限包絡線の微分波形を、第２下限変化率として求める。さらに、相関対象決定部３２は、第２上限変化率および第２下限変化率に基づいて、直接波信号と１往復遅延波信号との時間差を求めるための信号である第２相関対象信号を求め、記憶部４２に記憶する。
このように、相関対象決定部３２は、時間軸上で隣接する極大値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な第２上限変化率を求め、時間軸上で隣接する極小値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な第１下限変化率、および、時系列で配列された離散的な第２下限変化率を求め、時系列で配列された離散的な第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な第１下限変化率を時系列順に配列することで、第１相関対象信号を求めて記憶部４２に記憶し、時系列で配列された離散的な第２上限変化率、および、時系列で配列された離散的な第２下限変化率を時系列順に配列することで、第２相関対象信号を求めて記憶部４２に記憶する。
相関処理部３４は、記憶部４２に記憶された第１相関対象信号および第２相関対象信号の離散値を読み込む。相関処理部３４は、第１相関対象信号および第２相関対象信号の離散値に対して補間処理を実行し、時間軸上の離散値を増加させてもよい。
相関処理部３４は、第１相関対象信号と、第２相関対象信号を時間軸上でスライディング時間ｔｓだけ進めたスライディング第２相関対象信号との相関値を求める。すなわち、スライディング第２相関対象信号は、第２相関対象信号を時間軸上でスライディング時間ｔｓだけ時間軸負方向に移動させた信号である。ここで、相関値は、２つの信号の時間波形が近似している度合いを示す値である。相関値は、その絶対値の最大値が１になるように規格化され、−１以上、１以下の値をとる。２つの信号の時間波形が近似している程、相関値の絶対値が１に近くなる。
相関処理部３４は、伝搬時間測定部としての機能を有し、スライディング時間ｔｓを変化させながら相関値を求め、相関値が最大となるときのスライディング時間ｔｓを２で割った値を伝搬時間ｔｐとして求める。伝搬時間ｔｐは、送信振動子１６から反射面２４を経て受信振動子１８に至るまでの距離を超音波が伝搬する時間である。
このように、気体濃度測定装置には、直接波が受信振動子１８で受信されたタイミングと、１往復遅延波が受信振動子１８で受信されたタイミングとの差異に基づいて、送信振動子１６から筐体１０の反射面２４を経て受信振動子１８に至るまでの距離を超音波が伝搬するときの伝搬時間を求める伝搬時間測定器が構成されている。
記憶部４２には伝搬距離ｄ０が記憶されている。伝搬距離ｄ０は、超音波が送信振動子１６から筐体１０の反射面２４に至り、反射面２４から受信振動子１８に至る区間の距離を予め測定した値である。濃度測定部３６は記憶部４２から伝搬距離ｄ０を読み込み、伝搬距離ｄ０を伝搬時間ｔｐで割ることで伝搬速度測定値ｖｍ（＝ｄ０／ｔｐ）を求める。また、濃度測定部３６は、温度センサ２６による検出値に基づいて温度測定値Ｔｍを求める。濃度測定部３６は、次の（数１）に基づいて水素濃度ｐを求める。
Figure 2019066421
ここで、ｋは気体の比熱比であり、Ｒは気体定数である。Ｍｈは水素の分子量であり、Ｍａは水素を含まない空気の分子量である。測定対象の空気の組成を窒素８０％、酸素２０％のみと仮定すれば、比熱比ｋは１．４としてよい。また、気体定数Ｒは８．３１、水素の分子量Ｍｈは２．０、空気の分子量Ｍａは２８．８である。上述のように伝搬速度測定値ｖｍおよび温度測定値Ｔｍは、濃度測定部３６によって求められる。
（数１）の右辺の各値は既知であるため、濃度測定部３６は（数１）に従って水素濃度ｐを求める。プロセッサ２８は、このように求められた水素濃度ｐをコネクタ２２から外部のコンピュータに出力する。気体濃度測定装置が表示パネルを備えている場合には、プロセッサ２８は表示パネルに水素濃度ｐを表示してもよい。
本実施形態に係る気体濃度測定装置では、直接波信号の時間波形の極大点を結ぶ上限包絡線の微分波形が第１上限変化率として求められ、直接波信号の時間波形の極小点を結ぶ下限包絡線の微分波形が第１下限変化率として求められる。さらに、第１上限変化率および第１下限変化率の離散値を時間軸上に配列した第１相関対象信号が求められる。本実施形態に係る気体濃度測定装置では、同様にして、１往復遅延波信号の時間波形の極大点を結ぶ上限包絡線の微分波形が第２上限変化率として求められ、１往復遅延波信号の時間波形の極小点を結ぶ下限包絡線の微分波形が第２下限変化率として求められる。さらに、第２上限変化率および第２下限変化率の離散値を時間軸上に配列した第２相関対象信号が求められる。そして、第１相関対象信号と、第２相関対象信号をスライディング時間ｔｓだけ進めた信号との相関値を求め、その相関値が最大となるときのスライディング時間ｔｓの半分の時間が伝搬時間ｔｐとして求められる。
このような処理によれば、第１相関対象信号および第２相関対象信号は、直接波および１回往復遅延波の振幅ではなく、包絡線の時間変化率に応じた信号となる。したがって、振幅変化の緩やかな直接波信号と、振幅変化の緩やかな１往復遅延波信号をスライディング時間ｔｓだけ進めた信号との相関値を求める場合に比べて、スライディング時間ｔｓを変化させたときの相関値のピークが鋭くなる。これによって、伝搬時間ｐの測定精度が高くなり、気体の濃度の測定精度が高くなる。
また、伝搬時間の測定は、直接波および１往復遅延波が受信振動子１８で受信されるタイミングの差異に基づいて行われる。そのため、送信回路３８、送信振動子１６、受信振動子１８、受信回路４０等における遅延時間が測定値に及ぼす影響が相殺される。さらに、気体の密度、温度等の測定条件によって直接波および１往復遅延波の波形が崩れた場合であっても、この波形崩れは直接波および１往復遅延波の両者に対して同様に生ずる。そのため、波形崩れが相関値に及ぼす影響は小さく、測定条件の変化による測定誤差が抑制される。
図８には、直接波信号と、１往復遅延波信号をスライディング時間ｔｓだけ進めた信号との相関値が示されている。横軸はスライディング時間ｔｓを示し、縦軸は相関値を示す。図９には、第１相関対象信号とスライディング第２相関対象信号との相関値が示されている。横軸はスライディング時間ｔｓを示し、縦軸は相関値を示す。図９に示される相関値は図８に示される相関値に比べて、スライディング時間ｔｓの変化に対するピーク値の変化が大きい。本実施形態に係る処理によって、伝搬時間ｔｐの測定精度が高くなり、気体の濃度の測定精度が高くなることは、これらの図からも明らかである。
上記では、直接波信号および１往復遅延波信号の相関値を用いて、送信振動子１６から反射面２４を経て受信振動子１８に至るまでの距離を超音波が伝搬するときの伝搬時間を求め、この伝搬時間から水素濃度を測定する処理について説明した。直接波信号およびＮ往復遅延波信号の相関値を用いて、上記伝搬時間のＮ倍の時間（Ｎ倍伝搬時間）を求め、Ｎ倍伝搬時間から水素濃度を測定してもよい。この場合、伝搬距離ｄ０のＮ倍をＮ倍伝搬時間で割ることで伝搬速度測定値ｖｍを求め、この伝搬速度測定値ｖｍを用いて水素濃度を測定すればよい。また、Ｎ往復遅延波信号とＮ−Ｍ往復遅延波信号の相関値を用いて、上記伝搬時間のＮ−Ｍ倍の時間（Ｎ−Ｍ倍伝搬時間）を求め、Ｎ−Ｍ倍伝搬時間から水素濃度を測定してもよい。ただし、Ｎは２以上の整数、Ｍは１以上の整数であり、Ｎ＞Ｍの関係が成立するものとする。この場合、伝搬距離ｄ０のＮ−Ｍ倍をＮ−Ｍ倍伝搬時間で割ることで伝搬速度測定値ｖｍを求め、この伝搬速度測定値ｖｍを用いて水素濃度を測定すればよい。
図１０には、送受信制御部３０による制御に従って送信回路３８で生成される送信パルス信号の例が示されている。横軸は時間を示し、縦軸は振幅を示す。この送信パルス信号は、正極信号および負極信号の対からなる差動信号である。送信振動子１６から送信される超音波パルスは、正極信号から負極信号を減算して、直流成分が除去された信号に基づくものとなる。時間ｔ０から５周期分の矩形波の正極信号が生成され、時間ｔ０から５周期後の時間ｔ１に、逆位相の矩形波が３周期に亘って正極信号として生成される。時間ｔ０から時間ｔ１までの間、負極信号のレベルは０である。そして、時間ｔ１以降に３周期分の矩形波の負極信号が生成される。時間ｔ１以降では、負極信号は正極信号に対して逆極性の関係にある。このような送信パルス信号によれば、第６周期目において位相が反転すると共に振幅が大きくなる超音波が送信振動子１６から送信される。これによって、包絡線の時間変化率が大きい超音波が受信振動子１８で受信され、第１相関対象信号とスライディング第２相関対象信号との相関値のピークが鋭くなる。したがって、伝搬時間ｔｐの測定精度が高くなり、気体の濃度の測定精度が高くなる。
ここでは、５周期の正相の信号の後に、３周期の逆相の信号が続く送信パルス信号について説明した。正相信号の周期数（繰り返しの数）および逆相信号の周期数は任意である。また、逆相信号の振幅は、正相信号の振幅と同一であってもよいし、正相信号の振幅と異なってもよい。すなわち、逆相信号の振幅は、正相信号の振幅の２倍でなくてもよく、任意の大きさであってもよい。さらに、逆相信号の周波数は、正相信号の周波数と異なってもよい。
なお、上記では、送信振動子１６と受信振動子１８とが個別に設けられた構成について説明した。これらの超音波振動子は共通化してもよい。すなわち、１つの共通の超音波振動子が送信回路３８および受信回路４０に接続された構成を採用し、その超音波振動子が超音波の送信および受信を行ってもよい。
また、上記では、送信振動子１６から筐体１０の反射面２４に超音波を送信し、筐体１０の反射面２４で反射した超音波を受信振動子１８で受信する構造について説明した。このような構造の他、図１１に示されているように、送信振動子１６と受信振動子１８とを対向させた構造を採用してもよい。この場合、送信振動子１６から送信され筐体１０内を伝搬した超音波が受信振動子１８で受信される。送信振動子１６から送信され受信振動子１８に直接至る超音波が直接波として受信振動子１８で受信される。また、送信振動子１６から送信され受信振動子１８で反射して送信振動子１６に戻り、送信振動子１６で反射して再び受信振動子１８に至る超音波が１往復遅延波として受信振動子１８で受信される。さらに、送信振動子１６から送信され受信振動子１８で反射して送信振動子１６に戻り、送信振動子１６で反射して再び受信振動子１８に至る往復経路をＮ回に亘って伝搬した超音波がＮ往復遅延波として受信振動子１８で受信される。
上記では、気体濃度測定装置として、水素の濃度を測定する実施形態について説明した。気体濃度測定装置は、その他の気体の濃度を測定してもよい。この場合、（数１）において比熱比ｋ、分子数等を測定対象の気体の値に置き換えた処理が実行される。
１０ 筐体、１２ 回路基板、１４ 測定回路、１６ 送信振動子、１８ 受信振動子、２０ 通気孔、２２ コネクタ、２４ 反射面、２６ 温度センサ、２８ プロセッサ、３０ 送受信制御部、３２ 相関対象決定部、３４ 相関処理部、３６ 濃度測定部、３８ 送信回路、４０ 受信回路、４２ 記憶部、４６ 直接波信号、４８ １往復遅延信号、５０ 上限包絡線、５２ 下限包絡線、５４ 第１上限変化率、５６ 第１下限変化率、５８ 第１相関対象信号。

Claims (5)

  1. 超音波を受信する受信部と、
    前記受信部で受信された第１超音波に基づき前記受信部から出力される第１受信信号と、前記第１超音波の後に前記受信部で受信された第２超音波に基づき前記受信部から出力される第２受信信号と、に基づいて、測定空間を超音波が伝搬する時間を求める演算部と、を備え、
    前記演算部は、
    前記第１受信信号の上限包絡線の変化率である第１上限変化率、および前記第１受信信号の下限包絡線の変化率である第１下限変化率に基づいて求められた第１相関対象信号と、前記第２受信信号の上限包絡線の変化率である第２上限変化率、および前記第２受信信号の下限包絡線の変化率である第２下限変化率に基づいて求められた第２相関対象信号と、を求める相関対象決定部と、
    前記第１相関対象信号と、前記第２相関対象信号を時間軸上で移動させた信号との相関値を求める相関処理部と、
    前記相関値に基づいて、前記第１相関対象信号と前記第２相関対象信号との時間差を求め、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を当該時間差に基づいて求める伝搬時間測定部と、
    を備えることを特徴とする伝搬時間測定器。
  2. 請求項１に記載の伝搬時間測定器において、
    前記相関対象決定部は、
    時間軸上で隣接する極大値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な前記第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２上限変化率を求め、
    時間軸上で隣接する極小値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な前記第１下限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２下限変化率を求め、
    時系列で配列された離散的な前記第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第１下限変化率を時系列順に配列することで、前記第１相関対象信号を求め、
    時系列で配列された離散的な前記第２上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２下限変化率を時系列順に配列することで、前記第２相関対象信号を求める、
    ことを特徴とする伝搬時間測定器。
  3. 請求項１または請求項２に記載の伝搬時間測定器と、
    前記測定空間を超音波が伝搬する時間に基づいて、前記測定空間内における特定の気体の濃度を測定する濃度測定部と、
    を備えることを特徴とする気体濃度測定装置。
  4. 超音波を受信する受信部と、
    前記受信部で受信された第１超音波に基づき前記受信部から出力される第１受信信号と、前記第１超音波の後に前記受信部で受信された第２超音波に基づき前記受信部から出力される第２受信信号とに基づいて、所定の測定空間を超音波が伝搬する時間を求める演算部と、を備える伝搬時間測定器に読み込まれる伝搬時間測定プログラムにおいて、
    前記第１受信信号の上限包絡線の変化率である第１上限変化率、および前記第１受信信号の下限包絡線の変化率である第１下限変化率に基づいて求められた第１相関対象信号と、前記第２受信信号の上限包絡線の変化率である第２上限変化率、および前記第２受信信号の下限包絡線の変化率である第２下限変化率に基づいて求められた第２相関対象信号と、を求める相関対象決定処理と、
    前記第１相関対象信号と、前記第２相関対象信号を時間軸上で移動させた信号との相関値を求める相関処理と、
    前記相関値に基づいて、前記第１相関対象信号と前記第２相関対象信号との時間差を求め、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を当該時間差に基づいて求める伝搬時間測定処理と、を前記演算部に実行させることを特徴とする伝搬時間測定プログラム。
  5. 請求項４に記載の伝搬時間測定プログラムにおいて、
    前記相関対象決定処理は、
    時間軸上で隣接する極大値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な前記第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２上限変化率を求める処理と、
    時間軸上で隣接する極小値の差分を求めることで、時系列で配列された離散的な前記第１下限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２下限変化率を求める処理と、
    時系列で配列された離散的な前記第１上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第１下限変化率を時系列順に配列することで、前記第１相関対象信号を求める処理と、
    時系列で配列された離散的な前記第２上限変化率、および、時系列で配列された離散的な前記第２下限変化率を時系列順に配列することで、前記第２相関対象信号を求める処理と、を含むことを特徴とする伝搬時間測定プログラム。
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