JPS61269061A - ガス濃度測定装置 - 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、ガスの濃度を超音波により測定する装置にお
いて、使用される超音波センナ一部に優れた耐湿性を付
与することにより、長期間連続して精度よく計測し得る
ガス濃度測定装置に関するものである。

〔従来技術〕

超音波伝播速度の被測定ガス濃度依存性を利用して、混
合ガス或いは単組成ガスの濃度を測定する装［Ｃついて
、まずその測定原理について説明する。

混合ガスの超音波伝播速度は混合ガスの各諸定数、濃度
、温度等喀：より決定され１次式（１）　１：て表わさ
れる。

ψ−ΣＣｐｔＸｉ／ＺＣｖｔＸ＋　−１／ΣＭｔＸ１−
几−Ｔ　−−−−−−−−−（１）ｌ　　　　　　　　
　　ｌ　　　　　　　　　　　　　Ｉ■＝混合ガスの超
音波伝播速度 Ｃｐｓ：混合ガス中の測定対象ガスＩの定圧比熱Ｃｖｒ
：混合ガス中の測定対象ガス量の定容比熱Ｍ鳳：混合ガ
ス中の測定対象ガスＩの分子量Ｘ１：混合ガス中の測定
対象ガス１のモル分率丸：気体定数 Ｔ：混合ガス総体温度 今、混合ガスの成分を空気、ＣＯ７の２成分系を例とし
て式（１）を書き換えると。

■ζ（Ｃｐｃｏ、Ｘｃｏ！＋ＣｐａｉｒＸａｉｒ）／（
Ｃｖｃｏｌ　Ｘｃｏｌ　＋　ＣｖａｉｒＸａ　ｉ　ｒ　
）・Ｒ−Ｔ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（２）となり、各定数を入れ、混合ガス総体温度２９３
°に１：おけるＣＯ１各濃度の超音波伝播速度を計算し
た結果を第１表及び第１図Ｃ：示す。

またΣＸｒｍｌであるので、式（２）は次式（３）で表
わさ−Ｇ（Ｘ！、Ｔ）　　・・・・・・・・・・・・・
・・（３）式（３）よりＸｃｏ＠濃度は次式（４）で表
わされるＸｃｏ＠　ｔａ　Ｐ　（Ｖ　、　Ｔ　）即ち、
測定対象ガス濃度は、超音波伝播速度Ｖ及びガス温度Ｔ
の関数となる。

以上の理論Ｃ：基づき設計した測定系統図の１例を第２
図に従い説明する。

超音波センサー（１）は、送波用超音波素子（２）及び
該送波用超音波素子（２）と相対する位置に設置された
受波用超音波素子（３）とからなる。超音波センナ−（
１）を測定対象ガス雰囲気（４）中に適切なる方法で設
置する。送波用超音波素子（２）より送信された超音波
は測定対象ガスが存在する超音波パス部（５）を通過し
、受渡用超音波素子（３）　４：で受信される。この際
超音波パス（５）を通過する音速は測定対象ガス濃度Ｃ
反比例する。送波用超音波素子（２）は電歪型振動子等
からなるものであり、駆動増幅器（６）及び負イミタン
ス変換器（７）は、帰還発振用増幅器（１１にて制御さ
れる信号発生器（８）より発生された高周波信号を増幅
し、且つ応答特性を向上させるものである。

受波用超音波素子（３）は電歪型振動子等からなるもの
であり、前置増幅器（９）は受渡用超音波素子（３）か
らの高周波信号を増幅し、帰環発振増幅器Ｈ（＝入力す
るものである。抵抗αυ及び負イミタンス変換器αのは
受波用超音波素子（３）の応答特性を向上させるもので
ある。

一方前述の帰環発振系α１の周波数ｆｍと超音波パス（
５）に於ける測定対象混合ガス中の超音波伝播速度Ｖと
の間には、ｆｍ　−ｋ−Ｖ／ｌ　（但しｌは送波用超音
波素子（２）と受波用超音波素子（３）との距離、ｋは
比例定数を各々表わす）の関係があるので、該帰環発振
系ａ３の周波数ｆｍと水晶振動子Ｉ等より発生させた安
定された基準周波数ｆｏとを混合器ａ！９　に、入力し
、　　ｆｍとｆｏとの差Ｆをとる。このＦを周波数電圧
変換器ａｆｌ二より電圧Ｃ：変換し、演算器（１？）　
ｔ：入力させる。

温度センサー舖はサーミスター。測温抵抗体。

熱電対等の１種からなるもので、測定対象ガス雰囲気（
４）中の温度計測用であり、この温度情報を演算器α７
）に人力させ、超音波伝播速度の温度依存性を消去させ
る温度補償を行なわしめる。この温度補償された出力電
圧はアナログ電圧計、ディジタル電圧針、記録計等の表
示器ａｌ　＜＝表示される。

次にこのガス濃度測定装置を用い、混合ガス組成、即ち
空気、　ｃｏ震、　Ｈ，０の３成分系ｌ；於けるｃｏ。

ガス濃度測定の１例を第２図及び第３図により詳述する
。

１００％ＣＯ！ガス入りボンベ（イ）及びコンプレッサ
ーｍエアポンプＱυから各々供給されるＣＯｔガス及び
空気を流量調節バルブ付流量計（２）、＠でＣＯ鵞ガス
の濃度を予め設定し、流量計（至）、（ハ）の後ｔ：Ｃ
ｏ。

ガスと空気を混合するチェンバー型の混合室＠を設け、
混合室（財）で混合されたＣＯ！／空気の混合ガスを測
定用チェンバー（至）内へ導入管（イ）を介して導入す
る。測定用チェンバー（ハ）の底面に導入管（２）が十
分浸るだけの水層（２）を設（す、導入管（ハ）Ｃ：適
宜設けられたガス吹出し口よりＣｏ、　／空気混合ガス
を水層罰を介して測定用チェンバー（ハ）内に吹き出さ
せる。この操作により、測定用チェンバー（ハ）内の相
対湿度は９５〜１００％の高湿度となる。測定用チェン
バー（ハ）の上部（ニモーター＠により回転する攪拌羽
根（至）を設け、測定用チェンバー（ト）内の混合ガス
濃度を均−にする。混合ガスは混合ガス出口用パイプ（
至）より測定用チェンバー（至）外（＝排出される。

測定用チェンバー（ハ）内の適切なる位置に本発明によ
る超音波センサー（１）を設置し、シールドケーブル（
ＩＩ）　にて帰環発振系α犯水晶振動子ａ４．混合器α
１周波数電圧変換器（ｌｌ１９及び演算器αりより構成
される演算制御器（２）に接続する。温度補償用測温抵
抗型温度センサー〇をケーブルＱ３にて演算制御器（至
）の演算器α７）に接続する。演算器ａηからの出力電
圧は。

Ｃｏｗ　ｎ　、Ｘ　濃度０〜２０Ｖｏｌ　％　Ｃ対シ、
　Ｏ〜２０Ｖ　に合わせた。従って出力電圧の読みがＣ
へガス濃度となる。表示器ａ！Ｊ＋：はディジタル電圧
計を用い、また帰環発振系０の周波数ｆｍを周波数カウ
ンター（財）にてモニターした。ガス出口用パイプ（至
）より導き出される混合ガスを赤外ガス分析器ＣＩ！９
ｃ排出パイプ（ｌｔ二より導入し、　ＣＯ，ガス濃度を
測定する。また排出パイプ（至）の途中Ｃニサンプリン
グボート（ロ）を設け、ガスクロマトグラフ＠に接続し
ＣＯ，ガス濃度を検定する。

測定用チェンバー内に混合ガスの温度を測定するための
サーミスタ一温度センサー（２）を設け、温度測定器（
４Ｇにてモニターする。測定用チェンバー（ハ）は、混
合ガス入口用パイプ（４１）及び混合ガス出口用パイプ
（至）以外は完全に密封系となっている。

また、測定用チェンバー（至）は、±“０．ＩＣにコン
トロールされる温度可変の空気恒温槽（４２）内Ｃ：設
置し、測定用チェンバー（ハ）内の温度が任意に変えら
れるようにしである。

以上の検定用装置（＝より、測定用チェンバー（ハ）内
の温度を２７℃、３５℃、４２℃と変え、各々の温度ｃ
二於いて、ＣＯ，ガス濃度を流量計＠、（至）にて０〜
２０％の範囲で変え、−赤外線ガス分析器（至）及びガ
スクロマトグラフ＠（−よる本超音波ガス濃度測定装置
の測定データを第２表及び第４図（＝示す。

□ 第２表及び第４図より、本超音波ガス濃度測定装置の帰
環発振系周波数ｆｍが検定用ガスクロマトグラフＣ：よ
る濃度に対して直線性を示し、且つ超音波ガス濃度測定
装置の濃度指示が検定用ガスクロマトグラフによる濃度
（＝一致する。

以上、本超音波ガス濃度測定装置の１実施例としてＣｏ
ｔ　／空気系で説明したが、これ（＝限定されるもので
はない。

次に、本超音波ガス濃度測定装置の送波用超音波素子及
び受波用超音波素子内に用いられている、超音波センサ
ーについて説明する。画素子とも超音波センサーの構造
自体は従来のものと変りはなく、従来より、超音波振動
子（例えばＰＺＴ等の圧電磁器）（＝銀電極を焼き付け
、これを板またはホルダー（例えば金属製、プラスチッ
ク製等）Ｃ：貼り合せた構造の、計測・制御用超音波機
器の送信用もしくは受信用として使われている超音波セ
ンサーと同一である。これらはＰＺＴ等の表面の電極。

例えば銀等の導電体は水蒸気（＝よって電蝕現象を起こ
し易く、正確Ｃ：超音波信号を電気信号へ変換し、もし
くは、電気信号を超音波信号へ変換することが難しくな
るケースが多い。そこで、超音波振動子に付けた電極の
電蝕を防ぐために、ンリブーン樹脂、エポキシ樹脂、ポ
リウレタン等の封止物質を用いて、ホルダー内部へ水蒸
気が侵入するのを防止する方法がとられている。しかし
、超音波振動子を貼り合せ、封止物質で封止しである構
造の超音波センナ−は、１年乃至１０年と言う長期間、
湿度８０〜１００％の雰囲気中で連続使用した場合、水
分の経時的な侵入に上り電蝕現象を起こしてしまうとい
う欠点があった。また、金属ホルダーを用いて、溶接で
ンーリングを行なう方法もあるが、超音波振動子と金属
ホルダーとの貼り合せ１二用いる接着用樹脂の熱による
劣化があり、溶接は離しいという欠点があった。

以下図面（＝従って、従来技術を更Ｃ：詳しく説明する
。第８図は、従来の超音波センサーの１例を示したもの
で、第８図（ａ）は超音波センナ−（５９）の側面の断
細形状を示し、第８図伽）は第８図（ａ）の超音波振動
子（４５）　（例えば、ＰｚＴ等の圧電磁器、圧　　　
□電特性を有する樹脂）の周辺部分の拡大図である。

′ｓ８図Φ）に示したように、超音波振動子（４５）に
は電極（６０）　、（６１）を設けてあり、超音波振動
子（４５）をホルダー（４４）　（例えば、金属及び樹
脂等）（＝、超音波伝播特性の良い接着剤（６２）　に
上って貼り合せである。電極（６０）　、　（６１）は
第８図（ｂ）に示したよう口、ケーブル（４６）　、　
（４７）で端子（４８）　、　（４９）と結び、端子（
４８）　、　（４９）を基板（５０）（例えば、フェノ
ール樹脂積層板、エボキン樹脂積層板）で固定し、その
上を封止物質（５１）で封止している。水蒸気雰囲気中
で長期間１例えば１年から１０年間以上連続して使用し
た場合、封止物質（５１）を通して水分がホルダー　（
４４）内部に侵入し、電極（６０）　、（６１）が電蝕
を起こし、超音波の正常な送信、受信ができなくなると
いう欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、従来の超音波センサーのこのような欠点Ｃ：
鑑み超音波ガス濃度測定装置の送波用超音波素子及び受
波用超音波素子内 波センサー表面に薄膜を形成して水分の侵入を防止する
ことにより、長時間連続して精度よく計測し得るガス濃
度測定装置を提供することを目的としたものである。

〔発明の構成〕

即ち本発明は、超音波振動子、ホルダー、及び封止物質
から基本的に構成され、該封止物質の表面Ｃ：導電性及
び／または非導電性物質の膜を形　　　□成したことを
特徴とする耐湿型超音波センサーを用いたガス濃度測定
装置である。

以下１図面を参照して本発明を説明する。

第５図、第６図及び第７図は、本発明ｃ二従う実施例の
超音波センサー（４３）、（５３）　、（５６）の側面
の断面形状を示すものである。いずれもその基本構造は
、第８図に示した従来の超音波センサーと同様であ　　
　”す、超音波振動子（４５）−二は第８図伽）のごと
く電極（ω）　、　（６１）が設けてあり、該超音波振
動子（４））は、接着剤（６２）　ｔ：よってホルダー
（４４）−二貼り合せである。電極（６の、（６１）は
ケーブル（４６）　、　（４７）により端子（４８）　
、　（４９）と結ばれている。端子（４８）　、（４９
）は基板（５ｏ）で固定され、その上を封止物質（５１
）で封止してある。

第５図は、超音波センナ−（４３）の封止物質（５１）
等の表面（＝薄膜（５２）を形成した超音波センサーを
示す。薄膜（５２）の材質は、非導電性物質１例えば真
空蒸着、スパッタリング、イオンブレーティング等の薄
膜形成方法で形成できる物質が対象であり、特にＳｉＯ
、ＳＩＯ，、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系
樹脂等が良い。膜厚は５００１〜５０００λとし、好ま
しくは１５００λ〜３０００Åとするのが好適である。

薄膜（５２）は非導電性であるから。

封止物質（５１）よりホルダー（４４）の外部Ｃ：出て
いる端子（４８）　、　（４９）部分Ｃ：は、薄膜が形
成されないように１例えばテフロン（商標名）テープ等
を巻きつけ、カバーをして薄膜（５２）を形成させる。

第６図は、超音波センサー（５３）“の端子（４８）、
（４９）の薄膜（５７）　ｌ二接する部分Ｃ：絶縁皮膜
（５４）　、　（５５）をっけ、封止物質、（５１）の
表面Ｃ：薄膜（５７）を形成した超音波センサーを示す
。薄膜（５７）の材質は、導電性物質、例えば真空蒸着
、スパッタリング、イオンブレーティング等の薄膜形成
方法で形成できる物質が対象であり、特ＣＡｌ　、　Ａ
ｕ　、　Ｐｂ　、　Ｃｕ　、チタン合ｆ 金、ｍ　、　Ｃｒ　、　Ｍｏｂ、　１ＭｇＦｔ等が良い
。その膜厚は５００λ〜５０００λ、好ましくは１５０
０人〜ａｏｏｏＡが好適である。薄膜（５７）は導電性
であるから、端子（４８）、（４９）の基板（５０）　
、封止物質（５１）、及び薄膜（５７）　に接する部分
（＝は、絶縁被膜（５４）　、　（５５）を設けである
。

また、端子（４８）　、（４９）の封止物質（５１）よ
りホルダーを巻きつけ、カバーをして薄膜（５７）を形
成させる。

第７図は、超音波センサー（５６）の封止物質（５１）
の表面と、端子（４８）　、　（４９）の薄膜（５７）
　ｔ：接する部分に薄膜（５８）を形成し、更Ｃ：薄膜
（５８）の上に薄膜（５７）を形成した超音波センサー
を示す。薄膜（５８）は、真空蒸着、スパッタリング、
イオンブレーティング等の薄膜形成方法で形成できる物
質が対象であり、その材質の種類は限定されるものでは
ないが、　　□特に、封止物質（５１）と薄膜（５７）
との間の線膨張係　　　□数を有する物質が好適である
。簿膜（５８）の膜厚は、１００λ〜４０００Ｘ、好マ
シ＜ハ５００λ〜１００ｏＸカ好適テ：ある。また、薄
膜（５８）及び（５７）を形成する際には。

封止物質（５１）よりホルダー（４４）の外部に出てい
る端子（４８）　、　（４９）部分で、薄膜（５７）と
接する部分以外に薄膜（５８）が形成されないようＣ：
、更ｃ：Ｎ膜（５８）テープ等、を巻きつけ、カバーを
してから薄膜（５８）及び（５７）の形成を夫々行なう
。

尚、本発明で用いられる超音波振動子（４５）　、ホル
ダー（４４）　、基板（５０）　、及び封止物質（５１
）の材質は、従来の超音波センサーと同様で特に限定さ
れるものではなく、超音波振動子としてはＰＺＴ等の圧
電磁器や圧電特性を有する樹脂、ホルダーとしては金属
やプラスチック、基板としてはフェノール樹脂、エボキ
ン樹脂等の積層板、また封止物質としてはシリコーン樹
脂、エボキン樹脂、ボリクレタン等が使用できる。

更に第９図は、第５図、第６図及び第７図で説明した本
発明による超音波センナ−（６８）をブロック（６７）
　（ニー内蔵する事Ｃ：より、本発明の目的とする耐湿
性を更に向上させ得るｌ実施例である。第９図中、ブロ
ック（６７）は、アルミニウム、ステンレ　　　゛スス
ティール等の耐蝕性（＝優れた金属または合成　　　。

樹脂等からなり、超音波センサー（６８）の端子（４８
）　　　　′及び（４９）側の端面（６９）は、ブロッ
ク（６７）のセンナ−受は部（７のにて超音波セン”７
−　（６８）の振動端面　　　：（７１）とブロック（
６７）のブロック端面部（７２）がほぼ　　　□同一面
内“：なるよう“：位置決めを行なう。超音波　　　］
″。

１町 センナ−（６８）とブロック（６７）との環状空隙部（
７３）　　　　！、には、超音波センサー（６８）の超
音波振動を吸収し　　　′得るシリコン樹脂、ゴム等の
弾性材料からなる弾性封止材（７４）　、　（７５）に
で超音波センサー（６８）をプロ　　　ニック（６７）
　に固定する。ケーブル（７６）は、超音波センナ−（
６８）の端子（４８）　、（４９）に超音波高周波信号
を送受信する二芯の電線であり、ブロック（６７）の図
中左端面部に側孔した穴（７７）を介して端子Ｃ４８）
、　　　　”（４９）　ｃ接続される。ブロック（６７
）とケーブル（７６）との隙間Ｃ：は、ネジプッＶ二ま
たはポリブタジェン、ポリ塩化ビニ９デン等の高耐湿性
樹脂等を封　　　入する。

入する。

弾性封止材（７５）の外気Ｃ：曝される表面、即ち振動
端面（７１）及びブロック端面部（７２）の表面（＝は
薄膜（７８）及び／または薄膜（７９）を形成する。薄
膜（７８）の材質は１弾性封止材（７５）との密着性の
良い材質、例えば弾性封止材（７５）がシリコン樹脂の
場合には真空蒸着、スパッタリング、イオンブレーティ
ング等の薄膜形成方法で形成できる物質が対象であブロ
ック（６７）及び振動端面（７１）との密着性が良く。

真空蒸着、スパッタリング、イオンブレーティング等の
薄膜形成方法で形成でき、且つピンホール等の発生の少
ない物質が対象であり、特に人）、Ａｕ。

Ｐｂ　％Ｃｕ　、チタン合金、Ｎｉ　、　Ｃｒ　、　Ｍ
ｏ８ｚ　、　ＭｇＦｌ等の導電性薄膜が良い。薄膜（７
８）の膜厚は１００λ〜４ｏｏｏ！。

好ましくは５ｏｏＸ〜１０００λ、薄膜（７９）の膜厚
は（３）λ〜５０００又、好ましくは１５００λ〜３０
ｏＯ又、薄膜（７８）と薄膜（７９）との合計の厚みは
ｘｏｏｏｉ〜５ｏｏｏＡ、好ましくはｚｏｏｏｉ〜４０
００又が良い。

本実施例では、薄膜（７８）及び薄膜（７９）からなる
２層の薄膜で説明したが１弾性封止材（７５）、ブロッ
ク（６７）　、振動端面（７１）の材質の組み合わせ等
によっては、薄膜（７８）または薄膜（７９）のどちら
か一層でもよい。

〔発明の効果〕 本発明Ｃ：従うと、従来より使用されている超音波セン
サーのシーリング部材の上に薄膜を形成することにより
て、従来の超音波センサーの耐湿性を著しく向上させる
ことができ、超音波ガス濃度測定装置８二使用される超
音波センサーを、長期間連続して水蒸気雰囲気中で使用
できる。薄膜を形成している本発明による超音波センサ
ーと、従来の超音波センナ−とを促進試験にかけた結果
を第１Ｏ図に示した。試験は、６０℃の温水中に超音波
センサーを浸漬し、直流電圧を印加して行なった。

ｉＩｇ１０図において、縦軸（６６）は絶縁抵抗で単位
は顧、横軸（６５）は、試験時間で単位は時間である。

薄膜を形成しでいる本発明による超音波センチ−の変化
線（６３）と、従来の超音波センサーの変化線（６４）
とを比較すると、本発明に従う構造の超音波上ンサーに
は変化が見られず、絶縁抵抗の劣化がなく。

耐湿性が優れていることが分かる。また、本発明（＝よ
る超音波センサーをブロック（６７）　に内蔵し。

弾性封止材（７５）　、ブロック（６７）及び振動端面
（７１）上に薄膜を形成させる事により、超音波センサ
ーの耐湿性を更Ｃ：向上させる事が可能である。

以上述べた如く１本発明による耐湿性を著しく向上させ
た超音波センサーを用いた超音波ガス濃度測定装置は、
温度及び湿度の変動に対する影響が少なく、且つ高湿度
下における長期の連続使用に対しても精度良く計測する
ことができ、工業上極めて有用なる発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図はＣＯ，ガス濃度と超音波伝播速度の関係を示す
グラフ、第２図は測定系統図の１例、第３図はガス濃度
測定装置を用いてＣ０１ガス濃度を測定する１例、第４
図は＄２表をグラフ化したもの、第５図、第６図及び第
７図は本発明に従う超音波センサーの実施例を示し、夫
々、側面の断面図である。第８図（ａ）は従来の超音波
センサーの側面の断面形状を示し、第８図（ｂ）は第８
図（ａ）の超音波振動子（４５）の周辺部分の拡大図で
ある。第９図特許出願人　　住友ベークライト株式会社
第１図 −ＣＯ２ｗｔ％ 第２図 第３図 第４図 カ”スクロマトグラフ＝ＬＩ　　　ｖｏ１％第１％　　
　第６図 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）帰環増幅器によって制御される信号発生器、該信
   号発生器により発生される高周波信号を増幅する駆動増
   幅器、該駆動増幅器により増幅された高周波信号を超音
   波に変換し発信する電歪型振動子よりなる送波用超音波
   素子と該超音波を受信し電気信号に変換する電歪型振動
   子よりなる受波用超音波素子から構成される超音波セン
   サー、該送波用超音波素子と駆動増幅器の間に接続した
   負イミタンス変換器、該受波用超音波素子と並列に接続
   した抵抗及び負イミタンス変換器、及び帰環増幅器に入
   力するための前置増幅器より構成された帰環発信系と、
   帰環発信系の周波数と水晶振動子等より発生された基準
   周波数との差を演算する混合器、該混合器により演算さ
   れた周波数を電圧に変換する周波数電圧変換器、該周波
   数電圧変換器により出力された値と温度センサーによっ
   て検出された温度情報とからガス濃度を演算し出力する
   演算器よりなる演算出力系とから構成されるガス濃度測
   定装置において、該超音波センサーが、超音波振動子、
   ホルダー及び封止物質から基本的に構成され、該封止物
   質の表面に導電性及び／または非導電性物質の膜を形成
   した耐湿型超音波センサーであることを特徴とするガス
   濃度測定装置。
2. （２）超音波センサーが、封止物質の表面に非導電性物
   質の膜を形成した後、該非導電性物質の膜の上に導電性
   物質の膜を形成したことを特徴とする、特許請求の範囲
   第（１）項記載のガス濃度測定装置。
3. （３）超音波センサーをブロックに内蔵し、弾性封止材
   、超音波センサー振動端面及びブロック端面部に非導電
   性及び／または導電性物質の膜を形成したことを特徴と
   する、特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載
   のガス濃度測定装置。