JP6832152B2 - 気体濃度測定装置およびその校正方法 - Google Patents
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Description
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22が設けられており、通気孔22を介して気体が筐体10の内外を流通する。なお、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、少なくとも超音波を送受信できる空間であればよい。例えば、筐体10の一部を欠損させ、その欠損部において濃度測定空間が外部に開放されていてもよい。ただし、図1に示されているように、濃度測定空間が筐体10の壁で覆われ、通気孔22を設けた構造を採用することで、屋内外での使用を問わずに測定対象の気体が安定した状態で筐体10に取り込まれ、測定の信頼性、安定性等が向上することが多い。
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、温度センサ20、コネクタ24および操作部42を備える。測定回路14は、送信回路36、受信回路38、プロセッサ28および記憶部40を備える。測定回路14には、送信振動子16、受信振動子18、温度センサ20、コネクタ24および操作部42が接続されている。
キャリブレーション処理では上述の温度補償テーブルが求められる。以下に説明する実施形態では、ユーザによる操作部42の操作に応じてプロセッサ28がキャリブレーション処理を実行する。ただし、キャリブレーション処理の全部または一部は、コネクタ24に接続された外部のコンピュータが実行してもよい。すなわち、以下の説明でプロセッサ28が実行する処理の全部または一部を外部のコンピュータが実行してもよい。
最初にユーザは、気体濃度測定装置を基準環境下に置かれた基準状態とする。ここで、基準環境とは、例えば、温度が基準温度T0=293K(+20°C)であり窒素濃度が約80%、酸素濃度が約20%の基準気体としての空気に囲まれる環境をいう。基準状態では、気体濃度測定装置の筐体10内に基準気体が入り込み、筐体10内に基準気体が収容された状態となる。
ユーザは温度が異なる複数の環境下に気体濃度測定装置を置く。演算部34は、各環境下において超音波が測定区間を伝搬するときの伝搬時間を求める。例えば、環境温度Te=253K〜323Kについて5K刻みで温度を変化させ、上記の基準状態での処理と同様の処理によって各環境温度Teについて測定区間の伝搬時間を求める。この例では、演算部34は、Te=253K,258K,263K・・・・・318Kおよび323Kの16種類の温度環境下のそれぞれについて伝搬時間t(Te)=t(253),t(258),t(263)・・・・・t(318)およびt(323)を求める。ここで、括弧内の数値は環境温度Teである。
演算部34は、各環境温度Teに対して離散的に求められた温度置き換え変動値δ(Te)に基づいて、連続的な環境温度Teに対して温度置き換え変動値δ(Te)が得られるδ(T)関数を求めてもよい。この処理は、例えば、各環境温度Teと温度置き換え変動値δ(Te)との関係を1次関数、または2次以上の関数で近似することで行う。δ(T)関数は、所定範囲に区切られた温度範囲ごとに個別に定義された関数であってもよい。演算部34は、環境温度Teと温度置き換え変動値δ(Te)との関係を、温度測定値Tmと温度補償値Δとの関係に置き換えた温度補償テーブルを生成する。演算部34は、校正情報としての温度補償テーブルを記憶部40に記憶させる。
水素濃度の測定において温度測定部32は、温度センサ20による検出値に基づいて温度測定値Tmを求める。演算部34は、記憶部40に記憶された温度補償テーブルを参照し、温度測定値Tmに対応する温度補償値Δを取得する。そして、温度測定値Tmに温度補償値Δを加算した補償温度測定値Tcを求める。補償温度測定値Tcは(数9)のように表される。演算部34は、上記(数1)に基づいて水素濃度pを求める。
演算部34は、各環境温度Teについて求められた温度計算値Tcal(Te)を、各温度環境下で得られた温度測定値Tm(Te)で割ることで、各環境温度に対して温度置き換え変動値δ(Te)を求めてもよい。すなわち、演算部34は、(数10)に基づいて環境温度Teと温度置き換え変動値δ(Te)との関係を求め、この関係から温度測定値Tmと温度補償値Δとの関係を求めて、温度補償テーブルを生成してもよい。
Claims (7)
- 気体の濃度測定空間を備える気体濃度測定装置の校正方法において、
前記濃度測定空間内の測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を測定するステップと、
前記伝搬時間の測定値および前記測定区間についての基準距離に基づいて温度計算値を求めるステップと、
前記濃度測定空間内の温度を測定して温度測定値を得るステップと、
前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を求めるステップと、
を含む変動値算出プロセスを、前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行するステップと、
各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、測定対象の気体の温度と、その温度に対する温度補償値とを対応付けるための校正情報を求めるステップと、
を含むことを特徴とする校正方法。 - 請求項1に記載の校正方法において、
前記濃度測定空間内に前記基準気体があり、前記濃度測定空間内が基準温度とされた基準状態に前記気体濃度測定装置を設定するステップと、
前記気体濃度測定装置が前記基準状態とされているときに、前記測定区間を超音波が伝搬する基準伝搬時間を測定するステップと、
前記基準伝搬時間に基づいて、前記測定区間の距離を前記基準距離として求めるステップと、
を予め実行することを特徴とする校正方法。 - 請求項1または請求項2に記載の校正方法を用いて気体の濃度を測定する気体濃度測定方法において、
前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を得るステップと、
前記測定区間を超音波が伝搬する時間を測定して伝搬時間測定値を得るステップと、
前記気体温度測定値と前記校正情報とに基づいて前記気体温度測定値を補正し、補償温度測定値を求めるステップと、
前記伝搬時間測定値、前記基準距離、および前記補償温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を測定するステップと、
を含むことを特徴とする気体濃度測定方法。 - 前記気体濃度測定装置を備える気体濃度測定システムにおいて、
前記気体濃度測定装置が、請求項3に記載の気体濃度測定方法を用いて測定対象の気体の濃度を測定することを特徴とする気体濃度測定システム。 - 気体濃度測定装置において、
気体濃度を測定する濃度測定空間と、
前記濃度測定空間に超音波を送信する送信部と、
前記濃度測定空間内を伝搬した超音波を受信する受信部と、
前記送信部から超音波が送信されてから、前記濃度測定空間内の測定区間を伝搬した超音波が前記受信部で受信されるまでの伝搬時間を測定して伝搬時間測定値を求める伝搬時間測定部と、
前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を求める温度測定部と、
前記伝搬時間測定値、前記測定区間についての基準距離、および、前記気体温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を求める演算部と、を備え、
前記演算部は、予め求められた校正情報を用いて、前記気体温度測定値を補正して補償温度測定値を求め、当該補償温度測定値に基づいて前記測定対象の気体の濃度を求め、
前記気体濃度測定装置は、
前記測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を前記伝搬時間測定部が求めるステップと、
前記伝搬時間の測定値および前記基準距離に基づいて、前記気体濃度測定装置とは別に設けられた外部演算装置、または前記演算部が温度計算値を求めるステップと、
前記温度測定部が前記濃度測定区間内の温度を測定して温度測定値を求めるステップと、
前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、
を含む変動値算出プロセスを、前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて、前記演算部または前記外部演算装置が実行するステップと、
各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、前記濃度測定空間内の気体の温度と温度補償値とを対応付けるための前記校正情報を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、を含む校正情報取得処理を実行することを特徴とする気体濃度測定装置。 - 気体濃度測定装置において、
気体濃度を測定する濃度測定空間と、
超音波の送受信に基づいて、前記濃度測定空間内の測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を測定して伝搬時間測定値を求める伝搬時間測定部と、
前記濃度測定空間内の温度を測定して気体温度測定値を求める温度測定部と、
前記伝搬時間測定値、前記測定区間についての基準距離、および、前記気体温度測定値に基づいて、測定対象の気体の濃度を求める演算部と、を備え、
前記演算部は、予め求められた校正情報を用いて、前記気体温度測定値を補正して補償温度測定値を求め、当該補償温度測定値に基づいて前記測定対象の気体の濃度を求め、
変動値算出プロセスであって、
前記測定区間を超音波が伝搬する伝搬時間を前記伝搬時間測定部が求めるステップと、
前記伝搬時間の測定値および前記基準距離に基づいて、前記気体濃度測定装置とは別に設けられた外部演算装置、または前記演算部が温度計算値を求めるステップと、
前記温度測定部が前記濃度測定空間内の温度を測定して温度測定値を求めるステップと、
前記温度計算値と前記温度測定値との差異を示す温度置き換え変動値を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、
を含む変動値算出プロセスが、
前記濃度測定空間内にある基準気体の温度が異なる複数種の温度条件のそれぞれについて実行されるステップと、
各前記温度条件下で求められた前記温度置き換え変動値に基づいて、前記濃度測定空間内の気体の温度と温度補償値とを対応付けるための前記校正情報を、前記演算部または前記外部演算装置が求めるステップと、
を含む校正情報取得処理によって前記校正情報が求められることを特徴とする気体濃度測定装置。 - 請求項5または請求項6に記載の気体濃度測定装置において、
前記濃度測定空間内に前記基準気体があり、前記濃度測定空間内が基準温度とされているときに、前記測定区間を超音波が伝搬する基準伝搬時間を前記伝搬時間測定部が測定するステップと、
前記基準伝搬時間に基づいて、前記演算部または前記外部演算装置が、前記測定区間の距離を前記基準距離として求めるステップと、が前記校正情報取得処理の前に実行されることを特徴とする気体濃度測定装置。
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