JPH02198357A - 超音波気体濃度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波気体濃度計に関する。

［従来の技術］ 従来、超音波エネルギが気体中を伝播するに際し、超音
波伝播速度は気体の種類、その濃度及び温度等によって
変化するものであることが知られている。（１）式は超
音波伝播速度と、気体の濃度及び温度との関係を表わす
基本式である。

Ｖ２＝　（ＩＣｐｉＸｉ　／ＩＣｖｉＸｉ　）（Ｒ−Ｔ
／ΣＭ　ｉ　Ｘ　ｉ　１　・＝　（１）但し、■は超音
波伝播速度、Ｃｐｉは気体ｉの定圧比熱、Ｃｖｉは気体
ｉの定容比熱、Ｘｉは気体ｉのモル分率、Ｒは気体定数
、Ｔは気体温度１Ｍｉは気体ｉの分子量である。〔１）
式は（２）式の如く表わされる。

Ｖ工Ｇ（Ｔ、Ｄ）　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（２）但し、Ｄ゛は気体濃度である。又、（２）式
は（３）式の如く表わすことができる。

Ｄ＝Ｆ（Ｔ、Ｖ）　　　　　　　　　　　　・・・（３
）即ち、気体温度（Ｔ）と、その気体中を伝わる超音波
の伝播速度（Ｖ）を計測し、上記（３）式を演算するこ
とにより、気体濃度（Ｄ）を測定できることが理解でき
る。

従って、各種混合気体について、その気体の温度（Ｔ）
をパラメータとした、濃度ＣＤ）と超音波の伝播速度（
Ｖ）との相関データを多数用意しておき、今回測定した
温度（Ｔ）及び伝播速度（Ｖ）、並びに上記相関データ
に基づいてその気体の濃度（Ｄ）を算出することが考え
られる。

［発明が解決しようとする課Ｂ］ 然しながら、上述の気体濃度算出方法は、相関データを
数表又は線図の形態で用意するものであるため、下記■
、■の如くの問題点があり、実験室的には用いられても
、工業的プロセスにおいて用いられ難かった。

■気体の温度（Ｔ）と超音波の伝播速度（Ｖ）な測定し
た後、相関データに基づいて濃度（Ｄ）を算出するため
の作業時間が多大であり、実時間処理が困難である。

■気体の温度（Ｔ）と超音波の伝播速度（Ｖ）の今回測
定値が相関データの数表又は線図の空隙領域に対応する
こととなる場合には、濃度ＣＤ）を補間することになり
、高い測定精度が得られない。

本発明は、混合気体の濃度を、実時間処理にて確実かつ
容易に測定することを目的とする。

又本発明は、混合気体の濃度を高精度に測定することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 請求項１に記載の本発明は、混合気体の濃度を測定する
超音波気体濃度計において、混合気体に超音波を送波す
る超音波送波器と、該混合気体中を伝播した超音波を受
波する超音波受波器と、超音波の伝播時間と伝播距離か
ら伝播速度（Ｖ）を演算する速度演算部と、該混合気体
の温度（Ｔ）を検出する温度検出器と、該混合気体の温
度（Ｔ）と超音波の伝播速度（Ｖ）と該混合気体の濃度
（Ｄ）との関係を示す関係式〇＝Ｆ（Ｔ、Ｖ）を予め記
憶している記憶部と、前記温度検出器の出力（Ｔ）と上
記速度演算部の出力（Ｖ）とから、前記関係式に基づい
て該混合気体の濃度（Ｄ）を演算する濃度演算部と、濃
度演算部の演算結果を出力する出力装置とを有して構成
されるようにしたものである。

請求項２に記載の本発明は、前記記憶部に記憶される関
係式が、Ｄ＝Ｃ＋　”　　［（Ｖ・　（Ｃ２＋Ｃ３Ｔ＋
Ｃ４Ｔ２）　十Ｃｓ　＋Ｃ８Ｔ＋Ｃ？　Ｔ’１／２ ＋　Ｃａ　Ｔ　３＋　Ｃｓ　Ｔ　’　ｌ　＋　Ｃ＋ｏ　
＋　Ｃｏ　Ｔ　＋　ＣａＴ２］　／　（Ｃ口＋Ｃ１４＋
Ｔ＋Ｃ１５Ｔ　＋　Ｃｒｓ　Ｔ　２）の如くの定数Ｃｌ
−Ｃｌ３を含む多次多項式であるようにしたものである
。

［作用］ 本発明にあっては、各種組成の混合気体毎に、該混合気
体の温度（Ｔ）と超音波の伝播速度（Ｖ）と該混合気体
の濃度（Ｄ）との関係を示す間数式Ｄ＝Ｆ（Ｔ、Ｖ）が
予め定められ、記憶部に記憶される。然して、温度検出
器にて今回測定対象としての混合気体の温度（Ｔ）を検
出するとともに、速度演算部にて超音波の伝播速度（Ｖ
）炙演算し、それら検出結果と演算結果を前述の関数式
に代入処理することにより、該混合気体の濃度（Ｄ）を
測定できる。

この時、請求項１に記載の本発明にあっては、混合気体
の温度（Ｔ）をパラメータとした、濃度（Ｄ）と超音波
の伝播速度（Ｖ）との相関データを関数式の形態で用意
するものであるから、該相関データに基づいて上述の如
く濃Ｉｆ　（Ｄ）を算出するための作業時間が短時間で
足りる。従って。

混合気体の濃度を、実時間処理にて確実かつ容易に測定
することができる。

又、請求項２に記載の本発明にあっては、上述の関数式
を多次多項式とするものであるから、混合気体の濃度を
、上述の如く実時間処理しながら、該濃度を高精度に測
定できる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例に係る超音波気体濃計を示す
ブロック図、第２図は本発明の実施に用いられるセンサ
を示す正面図、第３図は超音波気体濃度計の作動を示す
流れ図である。

超音波気体濃度計ｌＯは、混合気体の濤度を測定するも
のであり、演算装置１１（第１図参照）と、センサ１２
（第２図参照）とを有して構成され、演算装置１１には
表示器１３を付帯的に備えている。

センサ１２は取付フランジ１０１を介して被測定領域に
設置され、今回測定対象としての混合気体の中に投入さ
れて用いられる。

センサ１２は、超音波送波器と超音波受波器を兼ねる超
音波送受波器（振動子）１４と反射板１５とを備える。

超音波送受波器１４と反射板１５とは距＃Ｌだけ離隔配
置されている。超音波送受波器１４から混合気体に送出
された超音波は、混合気体を伝播するとともに反射板１
５で反射されて超音波送受波器１４により受信される。

又、センサ１２は、測温体として例えば白金を用いて構
成される温度検出器１６を備え、混合気体の温度（Ｔ）
を検出する。

尚、センサ１２は、超音波送受波器１４と反射板１５に
挟まれる超音波伝播領域の周囲にメツシュカバー１７を
設けている。メツシュカバー１７は、該超音波伝播領域
の内部で混合気体の急激な変動が生じることを防止し、
かつ充分な通気性を宥するように構成される。温度検出
器１６もメツシュカバー１７の内部に配置されている。

又、センサ１２は、超音波送受波器１４の出力である超
音波信号、及び温度検出器１６の出力である温度信号を
演算装置１１に転送するための信号ケーブル接続部１０
２を備えている。

演算装置１１は、超音波伝播時間計測部１８、温度計測
部１９、入出力部２１、ＣＰＵ２２゜ＲＯＭ２３、ＲＡ
Ｍ２４を備えテイル。

超音波送受波器１４の検出量は超音波伝播時間計測部１
８、入出力部２１を経てＣＰＵ２２に転送され、速度演
算部としてのＣＰＵ２２にて超音波の伝播速度（Ｖ）が
演算され、演算された速度データ（Ｖ）はＲＡＭ２４に
格納される。この時、超音波伝播時間計測部１８は、バ
ースト信号を発することにて超音波送受波器１４の振動
子を駆動し、超音波送受波器１４の送受波面から超音波
バースト信号を放射せしめるとともに、この超音波信号
が距離りを伝播して反射板１５で反射され再び距離りを
伝播して超音波送受波器１４の送受波面に戻る際に該超
音波送受波器１４の振動子にて生ずる受信信号を受信す
る。上記超音波信号の発生時間を１＋、上記受信信号の
受信時間をｔ２とすると、超音波の送信から受信までの
時間Δｔと超音波の伝播時間Ｖとの間には、（４）式。

（５）式が成立する。

Δｔ　＝　ｔ　＋　　ｔ　２　＝　２　Ｌ／Ｖ　　　　
　　−（４）Ｖ＝２Ｌ／Δｔ　　　　　　　　　　　・
・・（５）尚、上記距ｆｔＬはＬ設定部２６にて初期設
定される。

温度検出器１６が検出した混合気体の温度データ（Ｔ）
は温度計測部１９、Ａ／Ｄ変換部２７、入出力部２１を
経てＲＡＭ２４に格納される。

演３Ｉ装置１１のＲＯＭ２３は、混合気体の温度（Ｔ）
と超音波の伝播速度（Ｖ）と混合気体の濃度（Ｄ）との
関係を示す（６）式の関係式を、各種混合気体毎に、予
め記憶している。

Ｄ＝Ｆ（Ｔ、Ｖ）　　　　　　　　　　　　・・・（６
）ここで、上記ＲＯＭ２３に記憶される関数式は、多次
多項式にて表わすことが好適であり、例えば定数Ｃ＋”
Ｃｓを含む（７）式の如くの多次多項式を用いることが
できる。

Ｄ　＝　Ｃ＋　　　［（Ｖ　・（Ｃ２＋　Ｃ３Ｔ　＋　
Ｃ４Ｔ２）＋Ｃ５＋Ｃｓ　Ｔ＋Ｃ７Ｔ２＋Ｃ１ｌ　Ｔ’
　＋Ｃｓ　Ｔ’　］ｌ１２＋Ｃｉｏ　＋Ｃｕ　Ｔ＋Ｃａ
　Ｔ２］　／　（ｃ。

＋Ｃ１１Ｔ＋Ｃ８Ｔ２）　　　　　　　　　　−（７）
上記（７）式の多次多項式は、空気中にＣＯ２ガスを混
合してなる混合気体に良く適合する。

上記（７）式の定数ＣＩ”　Ｃｒ−は以下の如くして決
定される。即ち、空気中にＣＯ２ガスを混合した混合気
体の温度Ｔ［５℃、２０°Ｃ，３０″（ｌ］　、該混合
気体の濃度Ｄ（体積％）［０％、　３％、５％］の組合
わせにつき１表１の如く、該混合気体中の超音波の伝播
速度（Ｖ）を測定する。上記温度（Ｔ）、速度（Ｖ）の
測定は後述する如く、本発明の濃度計ｌＯを用いて行な
うことができる０表１に示したり、Ｔ、■の組合せを少
なくも１５組用意し、各組のデータを前記（７）式に代
入して、定数ＣＩ”　Ｃ６を未知数とする１５元連立方
程式を解くことにより、表２に示すように各定数０１〜
Ｃ６を決定することができる。この定数ＣｉをＲＯＭラ
イタにて演算装置１１のＲＯＭ２３に記憶させることと
なる。

尚、ＲＯＭライタは各濃度Ｄｉ、Ｔｉ、Ｖｉから各定数
Ｃｉを算出する演算機能、検算機能、ＲＯＭ書き込み機
能等を有している。

然して１本発明の濃度演算部としてのＣＰＵ２２は、混
合気体の濃度を以下の如くして演算する。即ち、ＣＰＵ
２２は、超音波送受波器１４の検出量に基づいて演算さ
れた超音波の伝播速度（Ｖ）、温度検出器１６が検出し
た温度（Ｔ）。

前述の（８）式具体的には例えば（７）式に代入するこ
とにより、混合気体の濃度（Ｄ）、例えば空気中におけ
るＣ０２ガス濃度を演算する。

演算装置１１は、ファンクション設定部２９を備えてい
る。ファンクション設定部２９は、演算装置ｌｌの動作
を設定するものであり、■超音波の伝播速度Ｖのみを測
定表示するモード、■温度Ｔのみを測定表示するモード
、■濃度りを演算表示するモードを設定する。ファンク
ション設定部２９の設定にて得られる測定結果、演算結
果は、出力バッファ３０を介して、■表示器１３に表示
され、或いは■デジタル外部出力部３１からデジタル出
力として外部に取出され、又は■Ｄ／Ａ変換部３２及び
絶縁アンプ部３３からアナログ出力として外部に取出さ
れる。これらの出力は混合気体の濃度の自動制御、その
他の制御情報として利用できる。尚、１０３は電源部で
ある。

以下、上記濃度計１０により空気とＧＯ２ガスとの混合
気体中のＣ０２ガス濃度を測定する手順について説明す
る（第３図参照）、演算装置１１のＬ設定部２６にて前
述のＬを設定するとともに、ファンクション設定部２９
をいずれかの測定／演算モードに設定する。

■音速演算モードにては、音速処理サブルーチンが作動
し、混合気体における超音波の伝播速度（Ｖ）が前述の
如くして演算され出力される。

■温度測定モードにては、温度処理サブルーチンが作動
し、混合気体の温度（Ｔ）が前述の如くして測定され出
力される。

０１度演算モードにては、上記■、■の各サブルーチン
にて得られたデータが利用され、前述の如＜　ＲＯＭ２
３に記憶されている関数式からＧＯ２ガスの濃度りが演
算され出力される。

前述のＣ０２／空気系の混合気体におけるＣ０２ガス濃
度に関し、既に知られている数種類のＣＯ２ガス濃度（
体積％）Ｄについて１種々の濃度につき、上記濃度計１
０にて測定した濃度りを超音波の伝播速度（Ｖ）ととも
に表３に示した０表３によれば、本発明は高精度にて濃
度測定できることが認められる。

即ち２本発明によれば、混合気体の濃度をリアルタイム
で出力でき、かつ高い精度が得られるので、工業的プロ
セスにおいて各種混合気体の濃度測定に最適である。又
１本発明の超音波気体濃度計は、寿命、保守性の点でも
有用である。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、混合気体の濃度を、実時
間処理にて確実かつ容易に測定することができる。又、
混合気体の濃度を高精度に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超音波気体−計を示す
ブロック図、第２図は本発明の実施に用いられるセンサ
を示す正面図、第３図は超音波気体濃度計の作動を示す
流れ図である。 ｌＯ・・・超音波気体濃度計、 ｉｉ・・・演算装置、 １３・・・表示器、 １４・・・超音波送受波器。 １６・・・温度検出器、 ２　・・・　ＣＰＵ （速度演算部。 潤度演算部） ３　・・・　ＲＯＭ （記憶部） ０・・・出力バッファ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）混合気体の濃度を測定する超音波気体濃度計にお
   いて、混合気体に超音波を送波する超音波送波器と、該
   混合気体中を伝播した超音波を受波する超音波受波器と
   、超音波の伝播時間と伝播距離から伝播速度（Ｖ）を演
   算する速度演算部と、該混合気体の温度（Ｔ）を検出す
   る温度検出器と、該混合気体の温度（Ｔ）と超音波の伝
   播速度（Ｖ）と該混合気体の濃度（Ｄ）との関係を示す
   関係式Ｄ＝Ｆ（Ｔ、Ｖ）を予め記憶している記憶部と、
   前記温度検出器の出力（Ｔ）と上記速度演算部の出力（
   Ｖ）とから、前記関係式に基づいて該混合気体の濃度（
   Ｄ）を演算する濃度演算部と、濃度演算部の演算結果を
   出力する出力装置とを有して構成されることを特徴とす
   る超音波気体濃度計。
2. （２）前記記憶部に記憶される関係式が、Ｄ＝Ｃ＿１・
   ［｛Ｖ・（Ｃ＿２＋Ｃ＿３Ｔ＋Ｃ＿４Ｔ＾２）＋Ｃ＿５
   ＋Ｃ＿６Ｔ＋Ｃ＿７Ｔ＾２＋Ｃ＿８Ｔ＾３＋Ｃ＿９Ｔ＾
   ４｝＾１＾／＾２＋Ｃ＿１＿０−＋Ｃ＿１＿１Ｔ＋Ｃ＿
   １＿２Ｔ＾２］／（Ｃ＿１＿３＋Ｃ＿１＿４＋Ｔ＋Ｃ＿
   １＿５Ｔ＾２）の如くの定数Ｃ＿１〜Ｃ＿６を含む多次
   多項式である請求項１記載の超音波気体濃度計。