JP3584290B2 - 気体濃度計測装置および気体濃度計測方法 - Google Patents
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Description
【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 rate)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
Claims (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。 - 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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