JP4635232B2 - 超音波気体濃度計測方法の最適化方法 - Google Patents

Description

本発明は化学プラント、エンジンなどの流体変化の様子を高時間分解能で計測を行うことが要求される分野領域、例えば、気体、流体工学全般に関するものである。

気体の変化の計測を行う方法として、物質の誘電率の計測を行う「誘電緩和法」（特許文献１参照）、電磁波の吸収分布の計測を行う「吸収スペクトル計測」、通過した超音波のパルス到達時間の計測を行う「超音波伝搬速度計測」、気体の熱伝達率を計る事で通過する気体の性質を推定する「熱伝導度計測」などがある。いずれの方法も高い時間分解能はもたない。

これに対して、超音波の波形振幅の減衰量による計測を用いれば瞬時に気体成分の変化の計測が可能である。しかし後述するように酸素と窒素の混合比を０〜１００％まで変えた場合、信号の減衰特性の直線性が失われるなどの問題も明らかになった。

本発明者らは、分子量が既知である気体の混合比率の変化を超音波の減衰率の変化によって、ミリ秒以下の精度で計測を行う手段を提案している（特願２００５−０６０２５１参照）。この手段は、高い時間分解能（ミリ秒以下）を持つが、気体の濃度変化と計測器の出力値との因果関係性が明確になっていなかった。このために酸素と窒素の混合比を０〜１００％まで変えた場合、信号の減衰特性の直線性が失われるケースがあることがわかった。
特開平８−８１６８８号公報

本発明は、上記超音波を利用した計測手段において、減衰特性の直線性が失われる原因を解明し、広いレンジの混合率の変化をある程度の精度で計測を行うことができる、或いは狭いレンジの混合率の変化を高精度に計測できるようなチューニングを行う手段を実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、超音波送信素子と超音波受信素子の間に、複数の異なる気体から成る混合気体を通して超音波を伝搬させ、該伝搬された超音波の大きさを前記超音波受信素子で測定することで、前記混合気体の１つの所定の気体の濃度を求める超音波気体濃度計測法の最適化方法であって、前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離に依存した前記所定の気体の超音波距離依存性曲線を求め、該超音波距離依存性曲線極小値と極大値のちょうど中間をとるように前記超音波送信素子と前記超音波送信素子間の距離を設定することを特徴とする超音波気体濃度計測法の最適化方法を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、超音波送信素子と超音波受信素子の間に、複数の異なる気体から成る混合気体を通して超音波を伝搬させ、該伝搬された超音波の大きさを前記超音波受信素子で測定することで、前記混合気体の１つの所定の気体の濃度を求める超音波気体濃度計測法の最適化方法であって、前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離に依存した前記所定の気体の超音波距離依存性曲線を求め、曲線の傾きの絶対値が最大となるように、前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離を設定することを特徴とする超音波気体濃度計測法の最適化方法を提供する。

前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離を設定し、さらに、前記混合気体の平均分子量の差の大小に応じて前記超音波の周波数を設定することが好ましい。

本発明によると、ミリ秒の精度で濃度変化の計測およびどのような条件下でも最適な気体濃度計測が可能になったことにより、気体濃度変化、もしくは混合率の変化のリアルタイム計測がより正確に行えるようになった。

このような高い時間分解能をもつ気体の状態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、またより燃費もしくはパワーの向上したエンジンの開発などが可能になる。

本発明に係る超音波気体濃度計測方法の最適化方法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

（超音波気体濃度計測方法）
本発明に係る超音波気体濃度計測方法の最適化方法は、超音波気体濃度計測方法の計測を最適化する方法であり、まず、本発明の最適化の対象となる超音波気体濃度計測方法について説明する。

図１は、チヤンバー内のガスの分子濃度を測定することに適用した超音波気体濃度計の構成を示す図である。ガス流１０はチヤンバー１２内で矢印１４の方向に流れる。ガス流１０の流れに対してチヤンバー１２の左右両側壁の一方に超音波送信素子１６が設けられ、また他方の測壁に超音波送信素子１６に対向するように超音波受信素子１８が設けられている。

超音波送信素子１６と超音波受信素子１８の距離は一定に保たれている。超音波送信素子１６から送信された超音波は、ガス流１０の中を矢印２０が示す方向に伝搬又は通過して、超音波受信素子１８で受信される。ガス流１０の中を伝搬する超音波は、超音波送信素子１６と超音波受信素子１８の間を伝搬する。超音波の一部は、超音波受信素子１８に受信信号として現れ、一部は超音波受信素子１８の表面で反射して超音波送信素子１６の方向へと戻る。

このとき超音波送信素子１６表面でもまた超音波は反射され、この反射を繰り返すことにより、超音波送信素子１６と受信素子１８の間には、超音波の定常状態が生まれる。この定常状態において、超音波送信素子１６と超音波受信素子１８の間には多重波干渉パターンと呼ばれる超音波の腹と節が繰り返される現象が現れる。

図６および図７は、超音波の送信素子を固定し、受信素子をある初期の位置（０ｍｍ）から少しずつ移動させ、それぞれの受信素子の位置において超音波の受信強度を示したものである。つまりこの図は受信強度と超音波素子間の距離の関係を示している。この波形は多重波干渉（多重の反射による波の干渉）パターンと呼ばれる現象を示す。

この超音波気体濃度計では、ガス流１０を構成しているガスの分子構成比（構成気体の混合気体濃度など、たとえば空気なら約８０％が窒素で、残りの酸素や希ガスなどが２０％を占めるといったもの）に依存して、この多重波干渉パターンの形状が変化するという現象を利用している。この多重波干渉パターンのガスの分子構成比に対する影響は、超音波の減衰と位相差として現れるが、本発明ではその効果がより大きい位相差のずれに注目している。

従って、いろいろの既知の分子濃度の窒素ガスを含むガス流１０を用いて、超音波受信素子１８により受信された超音波の大きさを予め測定し、当該測定された超音波の大きさと窒素ガスの分子濃度との間の関係（又は変換）を較正しておけば、未知の窒素ガスの分子濃度を含むガス流１０について、超音波受信素子１８により受信された超音波の大きさを測定し、上記較正を用いて、未知の窒素ガスの分子濃度を求めることができる。

また、予め較正しなくても、超音波受信素子１８により受信された超音波の大きさの時間的変化を測定すれば、窒素ガスの分子濃度の変化を得ることができる。

図１の超音波発振素子１６の具体的な構成を、図２において、超音波気体濃度計の超音波発生回路３０として示す。超音波発生回路３０は、電気信号発振部３２及び超音波発振部３４を含む。

電気信号発振部３２は、発振及び分周機能を有する発振・分周回路３６、抵抗群３８、及び抵抗群３８のうちの抵抗を選択して分周比を指定するスイッチ群４０を含む。超音波発振部３４は超音波振動子４２を含む。

図３は、超音波受信及び分子濃度出力回路５０の構成を示す。図４は、図２の超音波発生回路３０から送出される超音波、及び図３の超音波受信及び分子濃度出力回路５０の主要部における信号の状態を表す。

図３に示す回路については、図４とともに、必要に応じてその作用を中心にして説明する。図４の（Ａ）及び（Ｂ）は、超音波を示しているが、電気信号に変換した形、即ち、その振幅を電圧で標記してある。

超音波発生回路３０における超音波発信部３４の超音波振動子４２からは、図４の（Ａ）に示す、極めて雑音成分が少ない正弦波状の超音波７０が送信される。超音波７０は、図１に示すガス流１０の中を伝搬するとき、ガス流１０により減衰させられて、超音波７０より大きさが小さい受信波７２が、超音波受信及び分子濃度出力回路５０における超音波受信部５２の超音波振動子６４で受信される。

ガス流１０の分子量は時間的に揺らいでいるので、受信波７２の波形は、図４（Ｂ）に示されるように揺らぎ成分が重畳されている。

超音波受信５２の超音波振動子６４で受信された超音波の受信波７２は、超音波受信部５２で電気信号に変換され、ハイパスフィルタ５４で揺らぎ成分が除去され、次いで、増幅部５６で増幅される。増増された電気信号は、整流部５８のダイオードにより半波整流され、図４の（Ｃ）に示されるような波形が得られる。

半波整流された電気信号は、ピーク・ホール部６０でピーク・ホールドされて、ピーク・ホール部６０の出力（図３に示すＡ点）に図４（Ｄ）に示すような波形７６が得られる。波形７６のピーク電圧は、受信された超音波７２の振幅の大きさを表し、従って、ガス流１０の中の測定対象ガスの濃度（又は平均分子量）を表すことになる。

なお、図３に示す判定部６２は、波形７６のピーク電圧値が所定のスレッショルド電圧 （ガス流１０に含まれる測定対象ガスの所定のスレッショルド濃度に対応）を越えたとき、ガス流１０中の測定対象ガスが所定のスレッショルド濃度より多く存在することを知らせる情報をオン／オフで出すもので、判定部６２は、用途に応じて任意に設け得るものである。

（最適化のための実験例）
本発明者らは、上記構成の超音波気体濃度計測方法について濃度依存性を最適にとらえるため、要するに、最適な濃度依存性チューニングを行うために、送信器と受信器間の距離を変化させる実験を行った。本発明は、この実験結果を参照にして超音波振動子と受信子の最適配置を決定する方法である。

この実験は、図５に示す計測装置を使用した。この計測装置は、図１と同様に、チャンバー１２の左右両側壁に、互いに対向配置した超音波送信素子１６と超音波受信素子１８を有する。この超音波送信素子１６と超音波受信素子１８の間隔に向けて気体を流入させる流入管８０、及びこの間隔から排出する流出管８１が、それぞれチャンバー１２に取り付けられている。

流入管８０には、互いに異なる濃度の気体をそれぞれ供給する２つの供給管８３、８４が、それぞれ弁８５、８６を介して取り付けられている。図５の例では、供給管８３は窒素（Ｎ２）を供給し、供給管８４は酸素・窒素混合気体（Ｏ２、Ｎ２）を供給する。

一方、排出管８１には、真空吸引ポンプ８７が設けられている。そして、超音波送信素子１６は、超音波受信素子１８に対して間隔を変えられるように可動マイクロマニピュレータ８８により直線的に可動である構成としている。

このような図５に示す計測手段を利用して窒素と酸素との混合濃度を変えた気体について、実験を行った。この実験結果を図６に示す。

図６（ａ）は、窒素１００％のガス（Ａ）（■）、窒素を９５％含み残りは５％の酸素を含んだガス（Ｂ）（○）を一定流量で流して計測し比較した結果を示す。図６（ｂ）は、窒素１００％と窒素を１０％含み残りは９０％酸素（Ｃ）を含んだガスを一定流量で流して計測し比較した結果を示す。図６（ａ）、（ｂ）中、横軸は超音波受信素子と超音波送信素子の間の距離である。

図６（ａ）、（ｂ）によると、超音波送信素子と超音波受信素子間の距離が次第に離れるにつれて受信側の振幅が距離に依存して増減を繰り返していることがわかる。図６（ａ）においてはガスＡ（■）、ガスＢ（○）の間では、受信波の振幅が規則性的に超音波受信素子、超音波送信素子の間の距離によってシフトしていることがわかる。一方、図６（ｂ）では、ガスＡ（■）、ガスＣ（○）の間では図６（ａ）と比較して、シフトの量が増大していることがわかる。

即ち、図６（ａ）の■点と○のグラフをみると、■点列に比べて、○点列が左側に（つまり距離が短くなる側に）シフトしていることがわかる。この様子は、図６（ｂ）になるとより顕著に表れている。

超音波受信素子と超音波送信素子がある距離のおかれた場合（つまり横軸の値を固定した場合）のガスＡの曲線とガスＢの曲線の縦軸の値の差、もしくはＡとＣの値の差が本センサの出力の変化として現れている。

図６（ａ）、（ｂ）から、ガスの成分の差は距離方向へのシフトとして現れることがわかる。つまり、平均分子量の差は、超音波送信素子、超音波受信素子間の多重波干渉パターンのシフト量として現れることがわかる。このように平均分子量の差は、本センサにおいて超音波受信素子、超音波送信素子の距離の差とほぼ等価であることがわかる。

しかし、たとえば超音波受信素子と超音波送信素子の間の距離が５ｍｍであり、気体成分が窒素１００％から窒素１０％へ変化した場合、窒素含有率が下がるにつれて受信波の振幅が増大し、次に減少へ転ずることがこの図からわかる。

即ち、図６（ａ）におけるある適当な位置に、超音波受信素子があると考えます。この場合は、位置４ｍｍの位置に超音波受信素子があると考えます。このとき、窒素のみがチャンバー内にあるときは、ある特定の電圧が得られます。例えば、この図では、−３Ｖ位である。そして、この状態からガスが５％の酸素を含む物へと変化したとする。すると、少なくとも先ほどの窒素だけよりは、わずかに高い電圧、この場合は−２．８Ｖ位になる。

また、別の場合として、超音波受信素子が６ｍｍの位置にある時を考える。窒素だけの時は、ある電圧値（−１Ｖ位）を示しますが、５％酸素が入っている窒素ガスがくると、この場合は先ほどと違って電圧が下がる（−１．２Ｖ位低下）。この点が、本発明の計測原理の核となっている。

つまり、窒素の混合率が下がっていく過程において、信号が増大→減少となり、この状態では本センサをこのレンジで（窒素混合率１００％〜１０％）で用いることは不適切である。しかし距離が４．５ｍｍであれば、このレンジで窒素混合率と信号の値は一対一で対応する。

この点を以下、詳述する。ある調べたい(計測対象の)ガスの濃度変化を捉えやすくするには、センサ位置を適切に配置しないと、複数の濃度が同一の電圧値に対応する可能性があることを表している。

つまり、微小なガスの濃度変化であればガス濃度が上がれば電圧が上昇していくような傾向があったとしても、ある濃度以上になると、こんどは多重波干渉曲線のピーク点を超えてしまい、濃度の上昇がすなわち電圧の上昇につながらず、電圧のみを読んでいる場合は、現在のガス濃度がどちらの状況を示しているか（ガスの濃度が高くなった状況を示しているか、それとも濃度が低くなったことを意味しているか）わからなくなってしまうという欠点が生まれる。

そこで、装置を設計する場合にはセンサ間距離をあらかじめ、必要な濃度のレンジにおいてほとんど線形的に電圧が出力されるようにしておけば、更正がしやすくなる。本発明は、この原理をふまえた上で、計測直前にリファレンス（参照）ガスによってこの濃度-センサ間距離の特性曲線を調べておき、センサ間の距離を適切に決めておくと、非線形部分が表れにくくなり電圧−ガス濃度の対応が装置側でしやすくなる（最適化）という点を特徴とする。

（最適化の方法）
送受信素子の配置の最適化の方法：
上記実験の結果、本発明者らは、ベースとなるガスに別の種類のガスが混入した際に、最大のゲインで濃度依存性を計測することを可能とする超音波気体濃度計測方法の最適化方法を想到するに至った。その方法は、具体的には次の（１）〜（３）のプロセスで行う。

（１）ベースとなるガスにおける超音波距離依存性を計測する。要するに、図６（ａ）、（ｂ）に示すガスＡ（■）の超音波距離依存性を計測する。
（２）超音波距離依存性曲線の、極小値と極大値を求める。
（３）極小値と極大値のちょうど中間を取る位置に超音波素子間の距離を固定する。

なお、極大値、極小値という意味は、通常は、数学的に定義されているものであるが、ここでは、グラフを局所的に見て最大値とみなせるようなところ（曲線の微分値がゼロとなり（つまり傾きがゼロ）、その点の直前と直後で微分係数が正−＞負と変化する場所）、具体的には図６（ａ）において窒素での多重波干渉曲線の６ｍｍのあたりが極大点で、約３ｍｍもしくは８ｍｍの付近が極小点（極小点は逆に微分係数の変化が負−＞正となるところ）となる。

中間点というのは、６ｍｍと３ｍｍの真ん中つまり（６＋３）／２＝４．５ｍｍの付近となり、この位置に超音波センサを配置しておけば、ガスの濃度が増加・減少しても、出力電圧の上昇・下降という形で出力され、濃度の計算がしやすくなる。

また、気体成分の変化を高感度に計測を行いたい場合、つまり微小の気体成分の変化の検知を行う場合は、図６の曲線の傾きの絶対値が最大になる距離に送受信センサを配置すればよいことがわかる。

最適な超音波周波数の決定方法：
図７に、４０ｋＨｚの超音波と４００ｋＨｚの超音波を用い、図４の測定装置において、超音波送信素子と超音波受信素子間の距離自体を同一として測定した振幅の変化特性を示す。この図７によると、超音波の周波数により、振幅の繰り返し数が異なることがわかる。つまり、周波数が低いほうが超音波素子間の距離に鈍感（曲線の傾きが小さい）であるが、成分の変化（距離の変化と等価）に対して、単調に変化する領域が大きいことがわかる。

この結果から、平均分子量の差が大きい範囲で混合気体の混合率を計測しようとする場合は、周波数が低いほうが都合がよく（低感度、広領域）、逆に分子量の差が小さい気体同士を計測する場合は周波数を高くすると高い分解能（高感度、狭領域）が得られるということになる。

本発明は、以上のような構成であるから、気体濃度変化、もしくは混合率の変化のリアルタイム計測がより正確に行えるので、このような高い時間分解能をもつ気体の状態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、またより燃費もしくはパワーの向上したエンジンの開発などに適用可能である。

本発明に係る超音波気体濃度計測方法の最適化方法の対象となる超音波気体濃度計測方法本発明を説明する図である。 超音波気体濃度計の超音波発生回路を示す図である。 超音波気体濃度計の分子濃度出力回路を示す図である。 超音波発生回路の送信波、分子濃度出力回路における信号を示す図である。 本発明に係る超音波気体濃度計測方法の最適化方法を想到する起因となる実験に使用した計測装置を示す図である。 図５の計測装置を用いた実験の結果を示す図である。 超音波距離依存性曲線を示す図である。

符号の説明

１０ ガス流
１２ チャンバー
１４ 矢印
１６ 超音波送信素子
１８ 超音波受信素子
２０ 矢印
３０ 超音波発生回路
３２ 電気信号発振部
３４ 超音波発振部
３６ 発振・分周回路
３８ 抵抗群
４２ 超音波振動子
５０ 分子濃度出力回路
５２ 超音波受信部
５４ ハイパスフィルタ
６２ 判定部
５６ 増幅部
５８ 整流部
６０ ピーク・ホール部
６４ 超音波振動子
７２ 受信された超音波（受信波）
７６ 波形
８０ 流入管
８１ 流出管
８３、８４ 供給管
８５、８６ 弁
８７ 真空吸引ポンプ

Claims (3)

1. 超音波送信素子と超音波受信素子の間に、複数の異なる気体から成る混合気体を通して超音波を伝搬させ、該伝搬された超音波の大きさを前記超音波受信素子で測定することで、前記混合気体の１つの所定の気体の濃度を求める超音波気体濃度計測法の最適化方法であって、
   前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離に依存した前記所定の気体の超音波距離依存性曲線を求め、該超音波距離依存性曲線極小値と極大値のちょうど中間をとるように前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離を設定することを特徴とする超音波気体濃度計測法の最適化方法。
2. 超音波送信素子と超音波受信素子の間に、複数の異なる気体から成る混合気体を通して超音波を伝搬させ、該伝搬された超音波の大きさを前記超音波受信素子で測定することで、前記混合気体の１つの所定の気体の濃度を求める超音波気体濃度計測法の最適化方法であって、
   前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離に依存した前記所定の気体の超音波距離依存性曲線を求め、曲線の傾きの絶対値が最大となるように、前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離を設定することを特徴とする超音波気体濃度計測法の最適化方法。
3. 前記超音波送信素子と前記超音波受信素子間の距離を設定し、さらに、前記混合気体の平均分子量の差の大小に応じて前記超音波の周波数を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波気体濃度計測法の最適化方法。

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