JP4536939B2

JP4536939B2 - 超音波反射式ガス濃度測定方法及び装置

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Publication number: JP4536939B2
Application number: JP2001012862A
Authority: JP
Inventors: 直登志藤本
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: JP2002214203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により、サンプルガスの濃度を測定する装置に関するものである。さらに詳細には、例えば医療目的で使用される酸素濃縮器から送り出されたサンプルガス中の酸素濃度の測定に適する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度は、サンプルガスの濃度、温度の関数として表されることが広く知られている。サンプルガスの平均分子量をＭ、温度をＴ[K]とすれば、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ[m/sec]は、次式（１）で表される。
【０００３】
【数１】

【０００４】
ここで、ｋ、Ｒは定数（ｋ：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数）である。すなわち、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ[m/sec]とサンプルガスの温度Ｔ[K]が測定できれば、サンプルガスの平均分子量Ｍを決定できる。該サンプルガスが、例えば酸素と窒素の２分子からなるガスであれば、ｋ＝１．４となることが知られている。該サンプルガスの平均分子量Ｍは、酸素の分子量をＭ_O2、窒素の分子量をＭ_N2として、例えば酸素１００×Ｐ[%]，（０≦Ｐ≦１）と窒素１００×(１−Ｐ)[%]の場合においては、Ｍ＝Ｍ_O2Ｐ＋Ｍ_N2（１−Ｐ）と記述することができ、測定された平均分子量Ｍから酸素濃度Ｐを決定できる。
【０００５】
超音波反射式ガス濃度測定装置の特徴として、サンプルガスの流量に関わらずサンプルガスの濃度を測定することが可能である。すなわち、サンプルガスの流速がゼロでのサンプルガス中の超音波伝播速度がＣ[m/sec]であれば、超音波振動子から反射板に向かう方向へのサンプルガスの流速がＶ[m/sec]であったとき、超音波振動子から反射板に向かう超音波伝播速度は、Ｃ＋Ｖとなり、反射板にて反射された超音波が該超音波振動子に戻る方向への超音波伝播速度はＣ−Ｖとなる。超音波反射式の装置にて測定される超音波の伝播速度は、往復する超音波の平均速度となるため、サンプルガスの流速Vはキャンセルされて、サンプルガスの流速がゼロでのサンプルガス中の超音波伝播速度Ｃが測定されることになる。
【０００６】
該原理を利用し、サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度もしくは伝播時間からサンプルガスの濃度を測定する方法及び装置に関しては、種々の提案が行われている。たとえば、特開平6-213877号公報には、サンプルガスが通る配管中に超音波振動子２つを対向させて配置し、該超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間を計測することによってサンプルガスの濃度及び流量を測定する装置が記載されている。また、特開平7-209265号公報や特開平8-233718号公報には、超音波振動子１つを使用した音波反射方式でセンシングエリア内を伝播する超音波の伝播速度もしくは伝播時間を測定することにより、サンプルガスの濃度を測定する装置が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような超音波の伝播速度等を用いてサンプルガスの濃度を測定する方法及び装置においては、超音波振動子と反射板を結ぶ配管の長さが正確に決定されていなければならない。しかしながら、該配管の長さは、サンプルガスの流れる配管を作成する際の工作精度や取り付け精度、超音波振動子と反射板の取り付け精度、超音波振動子そのものの加工精度、サンプルガスの温度変化に伴う配管の温度変化による配管の長さの実質的な変化等により、超音波振動子と反射板を結ぶ配管の正確な長さ、すなわち超音波の伝播距離を把握することは困難であり、測定値の精度を悪化させる原因となっている。他にも、装置の持つ電子回路には温度特性があり、これが測定値の精度を悪化させる原因となる可能性があることも指摘されている。
【０００８】
前述の特開平6-213877号公報や特開平8-233718号公報には、各種要因に起因する濃度測定結果の温度特性を改善するため、温度補正係数を導入する方法が記載されている。中には、温度と超音波伝播速度と濃度の関係を、テーブルとしてあらかじめメモリ中に保存しておくという方法もある。しかしながら、これらの温度補正係数やテーブルそのものを求めるためには、何点もの温度においてサンプルガスを装置に投入し、経験的に装置の温度特性を求める方法が取られるため、装置の校正に多大な労力が必要であった。
【０００９】
また、測定結果の温度特性を無くす方法として、装置自体を温度コントロール下におき、常に一定温度に保って測定する方法も考案されている。しかしながら、該方法においては温度コントロールを実施するための装置が別途必要になる、温度の正確なコントロール自体が困難、といった問題点があった。
【００１０】
本発明は、簡便な方法にて装置の校正ができ、サンプルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定できる方法、及び装置を見出すことを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、装置の測定結果に現れる温度特性は、温度変化に伴う配管の長さの変化が主原因であると見出したものである。
【００１２】
該配管長の変化は、サンプルガス濃度の測定結果に深刻な影響を与える。すなわち、超音波振動子から送受信される超音波から測定されるものは超音波の伝播時間であり、該伝播時間から濃度を測定する際には、超音波の伝播した距離（超音波振動子と反射板を結ぶ配管の長さの２倍）を用いて、伝播速度を求める必要がある。このとき、超音波振動子と反射板を結ぶ配管の長さをすべての温度において一定であるとして計算を実施すると、実際には配管の長さには温度変化があるため、測定される伝播速度は実際とは異なる値になってしまい、濃度測定結果は温度特性を持つことになる。
【００１３】
該配管の長さの温度変化は、配管材質の線膨張係数[1/K]に従って変化するものであり、配管材質の線膨張係数と、特定温度における該配管の基準長さが特定できれば、サンプルガス測定時の温度における真の超音波振動子と反射板を結ぶ配管の長さを求めることができ、サンプルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定できる。
【００１４】
本発明は、簡便な方法にて特定温度における超音波振動子と反射板を結ぶの配管の基準長さを正確に求め、サンプルガス測定時の温度における超音波振動子と反射板を結ぶ配管の長さを、基準長さと配管材質の膨張係数を用いて求め、サンプルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定できる方法、及び装置を提供するものである。さらに本発明は、配管材質の正確な線膨張係数が不明な場合においても、配管材質の線膨張係数を正確に求めることを可能とする方法、及び装置を提供するものである。
【００１５】
すなわち本発明は、サンプルガスの流れる配管中に、超音波振動子と反射板、温度センサを具備した超音波反射式ガス濃度測定装置を用いて該サンプルガスの濃度を測定する方法において、既知濃度の校正用ガス１種類を該装置に投入し、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から、超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の基準長さを校正するステップを備えた超音波反射式ガス濃度測定方法を提供するものである。
【００１６】
また本発明は、かかるサンプルガスの測定温度に応じた超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを該配管材質の線膨張係数を用いて決定し、その結果と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から超音波の伝播速度を測定することにより、サンプルガスの濃度を測定する方法を提供するものである。
【００１７】
また本発明は、かかる配管材質の正確な線膨張係数が不明な場合には、異なる２種類の温度の該校正用ガスを該装置に投入し、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から、各温度における超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを求め、温度と該配管の長さの関係から該配管材質の線膨張係数を測定する方法を提供するものである。
【００１８】
また本発明は、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を提供するものである。
【００１９】
特にかかるサンプルガスの測定温度に応じた超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを該配管材質の線膨張係数を用いて演算し、その結果と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の演算結果から超音波の伝播速度を演算し、該伝播速度から該サンプルガスの濃度を演算する演算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を提供するものである。
【００２０】
更に本発明は、異なる２種類の温度の該校正用ガスを該装置に投入し、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の演算結果から各温度における超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを演算し、温度と該配管の長さの関係から該配管材質の線膨張係数を演算する演算手段と、該線膨張係数を記憶することのでき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を提供するものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を示す。本実施例においては、酸素と窒素の２分子からなるサンプルガスの、酸素濃度を測定する装置に関して示す。本発明によって測定できるサンプルガスは、本実施例に示す酸素と窒素からなるサンプルガスだけに限定されるものではなく、他の分子によって構成されるガスに対しても容易に適用できる。
【００２２】
図１に本発明の超音波反射式ガス濃度測定装置の装置構成の概略図を示す。超音波振動子と反射板を結ぶ部分の配管１は円筒形状をしており、超音波振動子２と反射板１０は、サンプルガスの流れる配管１の中に対向させて配置する。温度センサ３は、超音波伝播経路上のガスの流れを乱すことのないように、サンプルガスの出入り口付近に２つ配置する。２つの温度センサ３を配管１の出入り口に配置することで、配管１を流れるサンプルガスの平均温度を測定できるようにしている。サンプルガスの温度変化が大きくない場合には、温度センサ３は１つでも良い。
【００２３】
超音波振動子２は超音波の送受信が可能であり、送受信の切り替えは送受信切り替え器４によって実施される。
【００２４】
超音波振動子と反射板を結ぶの配管１の基準長さ（図２中のＬ₀）を校正する際には、校正用ガスとして酸素濃度１００×Ｐ[％]、窒素１００×（１−Ｐ）[%]のガスをガスボンベ等で準備し、配管１に投入する。このとき、２つの温度センサ３の出力を平均した温度Ｔ₀[K]を測定しておき、該温度を基準温度として、不揮発性メモリ９に保存しておく。このときの温度Ｔ₀[K]は、装置の使用温度範囲として設定している温度を逸脱しなければ、何[K]であっても構わない。
【００２５】
該校正用ガス投入中において、マイクロコンピュータ７より超音波の送信パルスをドライバ５に送り、送受信切り替え器４を通して超音波振動子２にパルス電圧が印加され、超音波が送信される。超音波送信後、反射板１０にて反射された超音波を該超音波振動子２にて受信できるように、送受信切り替え器４にて該超音波振動子２を受信可能状態にする。その後、反射板１０にて反射して、該超音波振動子２によって受信された超音波は、送受信切り替え器４、レシーバ６を介してマイクロコンピュータ７に入力され、超音波伝播時間ｔ₀[sec]が測定される。
【００２６】
酸素濃度１００×Ｐ[%]、窒素１００×（１−Ｐ）[%]、温度Ｔ₀[K]のガス中の超音波伝播速度Ｃ₀[m/sec]は、前述の式（１）を用いて、以下のようになる。
【００２７】
【数２】

【００２８】
該校正用ガスを投入した際に測定された超音波伝播時間はｔ₀[sec]であったため、基準温度Ｔ₀[K]における超音波振動子と反射板を結ぶ配管１の基準長さをＬ₀[m]とすると、以下の関係が成立する。
【００２９】
【数３】

【００３０】
すなわち、基準温度Ｔ₀[K]における基準長さＬ₀[m]は、以下の式（４）で求めることができる。
【００３１】
【数４】

【００３２】
上記の計算は、マイクロコンピュータ７において実施され、ここで求めた基準長さＬ₀[m]は、不揮発性メモリ９に保存される。
【００３３】
以上の方法により、既知濃度の校正用ガス１種類を装置に投入することで、温度Ｔ₀[K]における超音波振動子２と反射板１０を結ぶ配管１の基準長さＬ₀[m]を校正できる。該方法は、装置に校正用ガスを投入中に、装置に装備されたボタンを１回押すだけで実現でき、計算自体も簡便なものなので、瞬時に校正を終えることが可能である。また、装置の経年劣化等により、超音波振動子２と反射板１０の位置関係が変わってしまい、超音波の伝播距離が変化してしまった場合等においても、簡単に装置を校正しなおし、不揮発性メモリ９に保存された基準温度、基準長さを更新することが可能である。
【００３４】
続いて、未知濃度のサンプルガスの酸素濃度を測定する方法について述べる。該配管１の材質の線膨張係数α[1/K]が既知の場合においては、サンプルガス測定時の温度Ｔ_S[K]における配管１の長さＬ_S[m]は、不揮発性メモリ９に保存しておいた基準長さＬ₀[m]、基準温度Ｔ₀[K]を読み出して用いることで、次式（５）から求めることができる。
【００３５】
【数５】

【００３６】
ここでＴ_S[K]は、前述のように、２つの温度センサ３の出力を平均して求めておく。
【００３７】
該サンプルガス投入中において、マイクロコンピュータ７より超音波の送信パルスをドライバ５に送り、送受信切り替え器４を通して超音波振動子２にパルス電圧が印加され、超音波が送信される。超音波送信後、反射板１０にて反射された超音波を該超音波振動子２にて受信できるように、送受信切り替え器４にて該超音波振動子２を受信可能状態にする。その後、反射板１０にて反射し、該超音波振動子２によって受信された超音波は、送受信切り替え器４、レシーバ６を介してマイクロコンピュータ７に入力され、超音波伝播時間ｔ_S[sec]が測定される。この結果より、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ_S[m/sec]は、Ｃ_S＝２Ｌ_S／ｔ_Sから求めることができる。
【００３８】
求めたい酸素濃度Ｐ_Sを未知数として式（２）を変形すると、次式（６）が得られる。
【００３９】
【数６】

【００４０】
上式（６）より、サンプルガスの酸素濃度は１００×Ｐ_S[%]として測定できる。もしくは、サンプルガスの酸素濃度は、サンプルガス中の超音波伝播速度と、酸素１００％、窒素１００％のガス中の超音波伝播速度の比として求めることも可能である。すなわち、式（１）を用いれば温度Ｔ_S[K]における酸素１００％中の超音波伝播速度Ｃ_O2[m/sec]、窒素１００％中の超音波伝播速度Ｃ_N2[m/sec]は容易に求めることができ、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ_S[m/sec]を使い、以下の式（７）によっても、Ｐ_Sを計算できる。
【００４１】
【数７】

【００４２】
上記の計算は、マイクロコンピュータ７において実施され、濃度測定結果は表示器８に表示される。
【００４３】
以上によって、配管１の材質の線膨張係数α[1/K]が既知の場合には、サンプルガスの酸素濃度が測定できる。
【００４４】
配管１の正確な線膨張係数α[1/K]が未知の場合には、本装置を用いて線膨張係数αを正確に求めることも可能である。すなわち、異なる２つの温度における配管１の長さを求めることができれば線膨張係数αを特定することが可能であり、異なる２つの温度において、本装置の配管１の基準長さを校正する方法を用いることによって、２つの温度における配管１の長さを正確に求めることが容易に可能である。
【００４５】
より詳細には、装置をある温度Ｔ₁[K]の環境下において校正用ガスを装置に投入し、上述した基準長さの校正方法によって超音波振動子と反射板を結ぶ配管１の長さＬ₁[m]を測定する。さらに、温度Ｔ₂[K]（Ｔ₂≠Ｔ₁）においても同様に配管１の長さＬ₂[m]を測定する。精度良く線膨張係数αを特定するためには、Ｔ₁、Ｔ₂の温度差は大きいほうが良い。例えば、装置の使用温度範囲として設定している温度の最小値、最大値近傍において測定することが望ましい。
【００４６】
Ｔ₁、Ｌ₁、Ｔ₂、Ｌ₂が決定できれば、配管１の材質の線膨張係数α[1/K]は、Ｔ₁＜Ｔ₂として、次式（８）にて求めることができる。
【００４７】
【数８】

【００４８】
上記の計算は、マイクロコンピュータ７において実施され、ここで求めた線膨張係数α[1/K]は、不揮発性メモリ９に保存される。
【００４９】
上記の方法により、異なる温度２点において校正用ガス１種類を装置に投入することで、配管１の材質の線膨張係数αを正確に求めることができる。該方法は、簡単な測定と計算だけで実現できるものなので、配管１の材質の経年劣化等により、配管１の材質の線膨張係数が変化してしまった場合においても、簡単に正確な線膨張係数を測定しなおし、不揮発性メモリ９に保存される線膨張係数を更新することが可能である。
【００５０】
以上のように、本発明によれば特別な校正用の装置等を用いることなしに、測定装置そのものと校正用ガス１種類だけを準備すれば装置の校正が可能である。また、装置が経年劣化した場合においても、装置を簡便に校正しなおすことが可能となる。さらには、サンプルガスの温度に関わらず正確な濃度を測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波反射式ガス濃度測定装置の実施態様例。
【符号の説明】
１配管
２超音波振動子
３温度センサ
４送受信切り替え器
５ドライバ
６レシーバ
７マイクロコンピュータ
８表示器
９不揮発性メモリ
１０反射板

Claims

サンプルガスを流す配管中に、超音波振動子と反射板、および温度センサを具備した超音波反射式ガス濃度測定装置に、２種類の温度の既知濃度の校正用ガスを投入し、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から、各温度における超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを求め、温度と該配管の長さの関係から該配管材質の線膨張係数を測定する方法。
サンプルガスを流す配管中に、超音波振動子と反射板、および温度センサを具備した超音波反射式ガス濃度測定装置に、２種類の温度の既知濃度の校正用ガスを投入し、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から、各温度における超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを求め、温度と該配管の長さの関係から該配管材質の線膨張係数を測定し、サンプルガスの測定温度に応じた超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを該配管材質の線膨張係数を用いて決定し、その結果と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サンプルガス中の伝播時間から超音波の伝播速度を測定することにより、サンプルガスの濃度を測定する方法。
サンプルガスを流す配管、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、投入する２種類の温度の校正用ガスについての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の演算結果から各温度における超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを演算し、校正用ガスの温度と該配管の長さの関係から該配管材質の線膨張係数を演算する演算手段と、サンプルガスの測定温度に応じた超音波振動子と反射板を結ぶ該配管の長さを該配管材質の線膨張係数を用いて演算し、その結果と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サンプルガス中の伝播時間の演算結果から超音波の伝播速度を演算し、該伝播速度から該サンプルガスの濃度を演算する演算手段を備えた超音波反射式ガス濃度測定装置。