JPH0727749A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガス毎の超音波の伝播速度の差に基づいてガ
ス濃度を検出する測定装置において、小形化を図る。 【構成】 送信子３０および受信子４０を具備し、該送
信子３０および受信子４０間に導入孔６０から被測定ガ
スを導入し、排出孔７０からこれを排出する。濃度変換
器５は、受信子４０の出力を供給されて濃度情報を出力
する。送信子３０は、該送信子３０および受信子４０間
に定在波音場を形成するための予定周波数で駆動され
る。送信子３０および受信子４０間の距離Ｌは、被測定
ガスの状態によって変化し得る波長の最大値λM の１／
４および最小値λm の１／２の範囲に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガス濃度検出装置に関す
るものであり、特に、ガスの濃度によって該ガス中での
超音波の伝播状態が変化するという現象を利用したガス
濃度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波を利用したガス濃度検出装
置がある。例えば、特開平２−１９８３５７号公報に記
載された測定装置では、予定距離をおいて配置された超
音波送信子および受信子間の超音波パルスの伝播速度を
検出し、その結果に基づいて前記送信子および受信子間
に導入されたガスの濃度を検出するようにしている。こ
の装置は、ガスの種類、その濃度および温度等によっ
て、そのガス中における超音波の伝播速度が決定される
ことに着目してなされているものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の装置では送受信
子間の音波の伝達時間の違いによってガスの濃度を検出
しているため、分解能を上げるためには送受信子間の距
離を大きくしなければならない。したがって、測定装置
全体の寸法が大きくなり、用途によっては使用が不可能
になる。例えば、気化燃料の濃度を測定するため自動車
に搭載する場合を考えると、従来の装置では、寸法が大
きすぎるため実用には適さないという問題点があった。

【０００４】また、伝達時間を精度良く測定するには、
受信子に到達した超音波パルスの第１波形を確実に検出
しなければならないが、既存の受信子では十分な感度が
得られないため、前記第１波形を安定して検出できない
という問題点があった。

【０００５】本発明の目的は、上記の問題点を解消し、
送受信子間の距離を小さくして小型軽量化を図ることが
できるガス濃度検出装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決し、目
的を達成するための本発明は、送信子および受信子、な
らびに該送信子および受信子間に被測定ガスを導入し、
かつこれを排出するための導入孔および排出孔を有する
センサ本体と、前記受信子の出力を供給されて濃度情報
を出力する変換手段とを具備すると共に、前記送信子は
該送信子および受信子間に定在波音場を形成するための
予定周波数で駆動するように構成した点に第１の特徴が
ある。

【０００７】また、本発明は、前記送信子および受信子
間の距離Ｌを、被測定ガスの状態によって変化し得る波
長の最大値λM の１／４および最小値λm の１／２の範
囲に設定した点に第２の特徴がある。

【０００８】

【作用】送信子から音波を送出して反射面で反射させた
場合、音速と周波数とが一定であれば、前記送出音波と
反射音波とが重なって形成される定在波の波形も決定さ
れ、この定在波の振幅すなわち受信子で検出される音圧
は、空間的位置つまり送信子および受信子間の距離によ
って決定される。したがって、前記音波の周波数が固定
されていて、受信子の位置もあらかじめ決定されていれ
ば受信子の出力つまり音圧は音速に影響される。一方、
音速は送信子および受信子間に導入されたガスの性状す
なわちガスの種類、濃度、温度に依存し、定在波の波長
も決定される。このように、受信子の出力はガスの性状
で決定されるので、受信子の出力を前記変換手段で濃度
情報に変換することができる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。図１は本発明の一実施例に係るガス濃度検出装置の
構成を示すブロック図であり、図中センサ本体１は断面
を示す。同図において、センサ本体１はケース１０およ
び蓋体２０からなり、蓋体２０側には送信子３０が固定
され、ケース１０側には受信子４０が固定されている。
前記ケース１０および蓋体２０は送信子３０および受信
子４０が予定の距離Ｌで対向するように寸法が決定され
ている。前記送信子３０および受信子４０は圧電セラミ
ックスの圧電・逆圧電効果を利用して超音波の送信・受
信を行うものが望ましい。

【００１０】前記送信子３０および受信子４０の対向部
分を除いては、吸音の目的で多孔質材料５０が充填され
ている。前記蓋体１０には、被測定ガスの導入孔６０と
排出孔７０とが設けられており、導入孔６０から導入さ
れたガスは多孔質材料５０部分ならびに前記送信子３０
および受信子４０の対向部分に充満され、排出孔７０か
ら排出される。

【００１１】発振器２は予定周波数の電気信号を出力す
る。本実施例では前記周波数は４０ｋＨｚとした。発振
器２の出力は前記送信子３０に接続されており、周波数
４０ｋＨｚの前記電気信号が供給されると、送信子３０
は、この周波数に対応した音波を発生する。前記音波は
受信子４０で反射され、送信子３０と受信子４０との間
に定在波が形成される。受信子４０の出力すなわち前記
音波の音圧を表す電気信号は波形整形器３で整形され、
Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換された後、音圧−
濃度変換器（以下、単に濃度変換器という）５に供給さ
れる。濃度変換器５は、あらかじめ実験によって求めた
音圧とガスの濃度との関係を示す換算テーブルを格納し
たメモリあるいは演算装置であり、前記Ａ／Ｄ変換器４
の出力をアドレスとしてガスの濃度を代表する信号を出
力する。前記換算テーブルについては図３に関して後述
する。

【００１２】前記距離Ｌは、被測定ガスの濃度と温度変
化とを考慮して、測定範囲の濃度と温度とによって変化
すると予測される波長の最大値λM と最小値λm との関
連において（１／４λM ≦Ｌ≦１／２λm ）の関係式を
満足する値に設定するのがよい。

【００１３】図２を参照して、上記関係式を満足するよ
うに前記距離Ｌを決定する理由を説明する。図２は、空
気およびブタンガスの混合ガス中での定在波の波形を示
したものである。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それ
ぞれブタンガス濃度０％、５０％、１００％のガス中で
の波形であって、縦軸は音圧、横軸は濃度を示す。

【００１４】ところで空気中とブタンガス中とでは、音
波の波長は空気中の方がブタンガス中よりも長い。した
がって、空気およびブタンガスの混合ガス中のブタンガ
スの濃度を測定する場合、起こり得る波長の最大値λM
は空気中での音波の波長であり、最小値λm はブタンガ
ス中での音波の波長である。そこで、送信子３０および
受信子４０間の距離Ｌは、上記関係式に従い、空気中で
の音波の波長λM のほぼ１／４に設定している。このよ
うに距離Ｌが設定された結果、混合ガス中でのブタンガ
スの濃度に応じて受信子４０では、それぞれ異なる音圧
信号Ｓａ、Ｓｍ、Ｓｂが得られる。

【００１５】他の混合ガスの濃度を測定する装置につい
ても同様な基準で距離Ｌが設定される。前記距離Ｌを設
定する基準、すなわち１／４λM ≦Ｌ≦１／２λm の関
係式に従って、ガスの種類に応じた距離Ｌの設定手法に
ついてさらに具体的に説明する。図６は、各種被測定ガ
スの下において送信子３０から送出された４０ｋＨｚの
音波の波長を示す。同図に示したように、同一周波数の
音波でもガスの種類によって波長に違いが生ずる。そこ
で、前記関係式１／４λM ≦Ｌ≦１／２λm に従えば被
測定ガス毎の距離Ｌは次のように設定される。

【００１６】まず、メタンガスと空気との混合ガスの濃
度を測定する装置では、メタンガス中の波長の１／４と
空気中の波長の１／２との間つまりｗ１〜ｗ３間に設定
される。また、空気とブタンガスとの混合ガスの濃度を
測定する装置では、上述のようにｗ２〜ｗ４間に設定さ
れ、空気とベーパモデル（Ｃ4.5 Ｈ10）との混合ガスの
濃度を測定する装置ではｗ２〜ｗ５間に設定される。こ
こに、ベーパモデルとは自動車用燃料タンクで発生する
仮想ＨＣガスをいう。

【００１７】図３は、前記受信子４０で検出された音圧
信号と濃度との関係を示す図である。ここでは、前記距
離Ｌを、ブタンガス濃度２０％、温度８０°Ｃのとき
の、周波数４０ｋＨｚの音波の波長の１／４（約２．４
２９ｍｍ）に設定した。音波の周波数の誤差が＋３％、
温度が−１０°Ｃの場合の関係を直線Ｍで示し、音波の
周波数の誤差が−３％、温度が８０°Ｃの場合の関係を
直線ｍで示した。このように、送信子３０から周波数４
０ｋＨｚの音波を送出した場合、この送信子３０から距
離２．４２９ｍｍ離れた位置に配置された受信子４０で
は、前記直線Ｍおよびｍの範囲（図中網線部）で音圧を
検出できる。その結果、この音圧に基づいて、−１０°
Ｃ〜８０°Ｃの範囲でブタンガスの濃度を測定できる。

【００１８】前記濃度変換器５には、図３に示した傾向
に基づく換算テーブルを準備する。ここで、前記周波数
の誤差や温度範囲に応じて複数の換算テーブルを準備
し、別途測定される周波数や温度によってテーブルを選
択するようにする。また、音圧−濃度換算テーブルは単
一とし、周波数や温度に応じた補正係数テーブルを準備
してもよい。この補正係数は、図３の特性から判断され
るように、温度が低くて周波数誤差が正方向にある場合
は、音圧信号が低くなるように設定し、温度が高くて周
波数誤差が負方向にある場合は、音圧信号が高くなるよ
うに設定しなければならない。

【００１９】なお、前記濃度変換器５は音圧を入力とし
て濃度情報を出力する換算テーブルで構成するのに限定
されず、予定の関係式もしくは計算式によって音圧信号
に基づいて濃度情報を算出する演算器で構成してもよ
い。

【００２０】図４は、周波数誤差を補正するための補正
手段の一例を示すブロック図であり、図１と同符号は同
一または同等部分を示す。図４において、濃度変換器５
には、音圧−濃度情報変換テーブルが格納されている。
周波数検出部６では、Ａ／Ｄ変換器４の出力信号に基づ
いて受信した音波の周波数を検出する。検出された周波
数信号は補正係数発生部７に入力される。補正係数発生
部７は、周波数と補正係数の対応テーブルが格納された
メモリで構成されていて、供給された周波数を読み出し
アドレスとして補正係数を出力する。補正部８では、前
記濃度変換器５から入力された信号を前記補正係数で補
正して出力する。

【００２１】なお、周波数検出部６は、検出した周波数
と基準の周波数（本実施例では４０ｋＨｚ）との差を演
算して周波数誤差信号を出力するようにしてもよい。こ
の場合、前記補正係数発生部７は前記周波数誤差信号に
対応する補正係数を出力するように構成するのはもちろ
んである。

【００２２】また、濃度変換器５が周波数をパラメータ
とする複数の換算テーブルを有している場合は、前記補
正係数に代えて該複数の補正テーブルのうちの１つを選
択する選択信号を出力する選択信号発生手段を設けるの
がよい。

【００２３】図５は、複数の換算テーブルのうちの１つ
を選択する場合の構成を示すブロック図である。同図に
おいて、濃度変換器５には、複数の換算テーブル５−１
〜５ｎが設けられていて、選択信号発生部９は周波数検
出部６から供給される周波数に応じて換算テーブル５−
１〜５−ｎのいずれかに選択信号を出力する。前記読出
信号が供給された換算テーブルのみからデータの出力が
可能となり、Ａ／Ｄ変換器４から入力される音圧信号に
応じた濃度情報が出力される。

【００２４】以上の構成では、受信子４０で検出された
音波の周波数に応じて濃度変換器５の出力を補正した
り、換算テーブルを選択するようにしたが、周波数検出
信号もしくは基準値からの偏差を示す周波数偏差信号を
発振器２にフィードバックして、発振器２から出力され
る信号の周波数自体を調整するようにしてもよい。この
場合、図４の補正係数発生部７が前記周波数もしくは周
波数偏差信号に対応して前記発振器２に補正信号をフィ
ードバックするように構成するとよい。

【００２５】さらに、センサ本体１に導入されるガスの
温度を検出する手段を設け、検出された温度に応じて補
正係数を選択する場合も、図４，図５に示した例と同様
に構成できる。すなわち、補正係数発生部７もしくは選
択信号発生部９を、検出されたガスの温度に対応して補
正係数もしくは読出信号を発生するようにすればよい。

【００２６】また、補正係数発生部７には温度および周
波数双方の条件を考慮して補正係数を設定できるし、選
択信号発生部９も、温度および周波数双方の関数として
選択信号を発生するように構成することもできる。

【００２７】さらに、発振器２、送信子３０、受信子４
０の劣化や故障によって誤った濃度情報が出力されるの
を防止するため、前記周波数検出信号もしくは周波数誤
差信号または音圧信号等のパラメータが予定範囲から外
れたときに異常信号を出力するように構成してもよい。
すなわち、受信子４０の出力信号に基づいて得られる前
記パラメータが正常な範囲にあるか否かを判断する手段
を設け、この判断結果に従って出力される異常信号によ
ってブザーやランプ等の警報を鳴動または点灯すること
ができる。

【００２８】また、前記異常信号によって警報等を作動
させる代わりに、もしくはこれと共に、前記異常信号に
よって作動する禁止手段を設け、濃度信号の出力を禁止
するように構成してもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、送信子および受信子間に形成された定在波音
場に被測定ガスを導入し、前記受信子で検出された音圧
に基づいて前記被測定ガスの濃度を検出できる。前記送
信子および受信子の間隔は、前記定在波音場を形成する
音波の波長より短くてよいので検出装置を小型化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】 空気−ブタン混合ガス中の定在波の波形を示
す図である。

【図３】 受信子で検出される音圧信号と濃度との関係
を示す図である。

【図４】 出力補正手段の構成を示すブロック図であ
る。

【図５】 換算テーブル選択手段の構成を示すブロック
図である。

【図６】 各種ガス中での一定周波数音波の波長差を示
す図である。

【符号の説明】 １…センサ本体、 ２…発振部、 ３…波形整形部、
５…音圧−濃度変換器、３０…発振子、 ４０…受信
子、 ６０…ガス導入孔、 ７０…ガス排出孔

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波を送出する送信子および前記超音
   波を受信する受信子、ならびに前記送信子および受信子
   間に被測定ガスを導入し、かつこれを排出するための導
   入孔および排出孔を有するセンサ本体と、 前記受信子の出力を供給されて濃度情報を出力する音圧
   −濃度変換手段と、 前記送信子および受信子間に定在波音場を形成するため
   に前記送信子を予定周波数で駆動する発振手段とを具備
   したことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 【請求項２】 前記送信子および受信子間の距離Ｌを、
   被測定ガスの状態によって変化し得る超音波の波長の最
   大値λM の１／４および最小値λm の１／２の範囲に設
   定したことを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装
   置。
3. 【請求項３】 前記受信子の出力に基づいて受信音波の
   周波数を検出する周波数測定手段と、 検出された周波数に対応する補正係数を発生する補正係
   数発生手段と、 前記補正係数によって前記受信子の出力を補正する補正
   手段とを具備したことを特徴とする請求項１または２記
   載のガス濃度検出装置。
4. 【請求項４】 前記受信子の出力に基づいて受信音波の
   周波数および予定周波数の差を検出する周波数誤差検出
   手段と、 検出された周波数および予定周波数の差に対応する補正
   係数を発生する補正係数発生手段と、 前記補正係数によって前記受信子の出力を補正する補正
   手段とを具備したことを特徴とする請求項１または２記
   載のガス濃度検出装置。
5. 【請求項５】 前記音圧−濃度変換手段に複数の音圧−
   濃度変換テーブルを設け、 ガスの温度および前記受信子での受信音波の周波数の少
   なくとも一方に基づいて前記音圧−濃度変換テーブルの
   １つを選択する信号を出力する選択信号発生手段を具備
   したことを特徴とする請求項１または２記載のガス濃度
   検出装置。
6. 【請求項６】 前記受信子の出力によって受信音波の周
   波数を検出する周波数測定手段と、 前記周波数を予定の周波数に補正するための補正信号を
   前記発振手段に供給する補正信号発生手段とを具備した
   ことを特徴とする請求項１または２記載のガス濃度検出
   装置。
7. 【請求項７】 前記受信子の出力に基づいて得られるパ
   ラメータが予定範囲から外れたときに異常信号を出力す
   る手段を具備したことを特徴とする請求項１〜６のいず
   れかに記載のガス濃度検出装置。
8. 【請求項８】 前記受信子の出力に基づいて得られるパ
   ラメータが予定範囲から外れたときに該受信子の出力を
   禁止する手段を具備したことを特徴とする請求項１〜６
   のいずれかに記載のガス濃度検出装置。