JPS6159457B2 - - Google Patents

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JPS6159457B2
JPS6159457B2 JP53076991A JP7699178A JPS6159457B2 JP S6159457 B2 JPS6159457 B2 JP S6159457B2 JP 53076991 A JP53076991 A JP 53076991A JP 7699178 A JP7699178 A JP 7699178A JP S6159457 B2 JPS6159457 B2 JP S6159457B2
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Taro Ishizawa
Hideyuki Suzuki
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/024Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S1/00Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • G01S1/72Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • GPHYSICS
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2291/02809Concentration of a compound, e.g. measured by a surface mass change
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明はガスの濃度を超音波により測定する方
法及びその装置に関する。 従来ガス濃度の測定は赤外線法、熱伝導度法等
が実用化されているが、測定対象ガス中の湿分、
特に高湿度雰囲気下での特性が悪く、また湿度、
温度の変動に対して検出精度が低下することが知
られている。本発明は超音波伝播速度の被測定ガ
ス濃度依存性に着目し、混合ガス或には単組成ガ
スの濃度を精度良く測定する方法及びその装置を
提供するものである。超音波の伝播特性を利用
し、混合ガスの成分の濃度を測定する方法は文献
等で知られているが、混合ガスの超音波伝播特性
を限られたスペース、限られた雰囲気下で測定す
る必要があり、精度よく且つ広範囲な測定対象物
に適用できず、実用化に至つていない。 本発明はかかる問題点を解決した超音波法によ
るガス濃度測定方法及びその装置であり、まずそ
の測定原理を述べる。 混合ガスの超音波伝播速度は混合ガスの各諸定
数、濃度、温度等により決定され、次式(1)にて表
わされる。 V:混合ガスに超音波伝播速度 Cpi:混合ガス中の測定対象ガスiの定圧比熱 Cvi:混合ガス中の測定対象ガスiの定容比熱 Mi:混合ガス中の測定対象ガスiの分子量 Xi:混合ガス中の測定対象ガスiのモル分率 R:気体定数 T:混合ガス絶体温度 今、混合ガスの成分を空気、CO2の2成分系を
例として式(1)を書き換えると、 V2=(Cpco2Xco2+CpairXair) /(Cvco2Xco2+CvairXair)・R・T …(2) となり、各定数を入れ、混合ガス絶対温度239〓
におけるCO2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図に示す。
【表】 またΣXi=1であるので、式(2)は次式(3)で表
われる。 V2=〔Cpair+(Cpco−Cpair)Xco
〕/〔Cvair+(Cvco−Cvair)Xc
〕 ×R・T/〔Mair+(Mco−Mair)Xc
〕 =G(X2,T) …(3) 式(3)よりXco2濃度は次式(4)で表わされる Xco2=F(V,T) …(4) 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。 以上の理論に基づき設計した本発明による測定
系統図の1実施例を第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。超音波センサ
ー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。駆動増幅器6によつて出力された電気
信号は送波用超音波素子2により連続波の超音波
に変換され、この連続波の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、受波用超音
波素子3にて受信され、高周波電気信号に変換し
前置増幅器9に入力される。前置増幅器9によつ
て増幅した高周波電気信号は、帰還発振増幅器1
0により送波用超音波素子2を駆動すべく、駆動
増幅器6を介して送波用超音波素子2に入力する
帰還発振系を構成する。送波用超音波素子2は、
電歪型振動子からなるものであり、駆動幅幅器6
及び負イミタンス変換器7は、帰還発振増幅器1
0にて制御される信号発生器8より発生させた高
周波電気信号を増幅し、且つ位相特性等の応答特
性を向上させるものである。受波用超音波素子3
は電歪型振動子からなるものであり、前置増幅器
9は受波用超音波素子3からの高周波電気信号を
増幅し帰還発振増幅器10に入力するものであ
り、抵抗11及び負イミタンス変換器12は受波
用超音波素子3にて超音波信号から高周波信号に
変換された電気信号の位相特性等の応答特性を向
上させるものである。 以下、連続波を用いた超音波による本発明の測
定系統を、更に詳しく説明する。 前記の構成からなる帰還発振系13の駆動増幅
器6、前置増幅器9及び帰還発振増幅器10から
なる増幅器部内で、超音波帰還発振させる送波用
超音波素子2の送信位相特性、受波用超音波素子
3の受信位相特性各々の電圧電流位相差を前記負
イミタンス変換器7及び12等により極力少なく
することにより、超音波連続波を送受信し、且つ
増幅器部内の増幅度の位相特性が極力少ない増幅
器を使用し、更に、送波用超音波素子2と受波用
超音波素子3の間の距離l内にkケ(kは整数)
の定在波が存在するように増幅器部を制御する
と、 λ=V/m k=l/λ V=λ・m=l/k・m …(5) 但し、λ:超音波の波長 V:混合ガスの超音波伝播速度 m:帰還発振系の周波数 (5)式の如く、超音波伝播速度Vは、帰還発振系
13の周波数と比例関係にある。即ち、本発明に
よる超音波連続波を用いた帰還発振方式に従え
ば、超音波発振系の送受信に於ける位相特性を無
くし、超音波素子間に発生させる定在波の数kを
一定になるように増幅器部を制御し得ることによ
り、精確、且つ安定した超音波伝播速度を計測で
きる。 本発明では、更に、前記の測定された帰還発振
系13の周波数mと水晶振動子14等より発生
させた安定された基準周波数oとを混合器15
に入力し、mとoとの差Fをとる。このFを
周波数電圧変換器16により電圧に変換し、演算
器17に入力させる。 温度センサー18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17に入力させ、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
イジタル電圧計、記録計等の表示器19に表示さ
れる。 次に本発明によるガス濃度測定装置を用い、混
合ガス組成、空気、CO2,H2O3成分系に於ける
CO2ガス濃度測定の1実施例を、第2図及び第3
図により詳述する。 100%CO2ガス入りボンベ20及びコンプレツ
サー型エアポンプ21から各々供給されるCO2
ス及び空気を流量調節バルブ付流量計22,23
でCO2ガスの濃度を予め設定し、流量計22,2
3の後にCO2ガスと空気を混合するチエンバー型
の混合室24を設け、混合室24で混合された
CO2/空気の混合ガスを測定用チエンバー25内
へ導入管26を介して導入する。測定用チエンバ
ー25の底面に導入管26が十分浸るだけの水層
27を設け、導入管26に適宜設けられたガス吹
出し口よりCO2/空気混合ガスを水層27を介し
て測定用チエンバー25内に吹き出させる。この
操作により、測定用チエンバー25内の相対湿度
は95〜100%の高湿度となる。測定用チエンバー
25の上部にモーター28により回転する撹拌羽
根29を設け、測定用チエンバー25内の混合ガ
ス濃度を均一にする。混合ガスは混合ガス出口用
パイプ30より測定用チエンバー25外に排出さ
れる。測定用チエンバー25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31にて帰還発振系13、水晶振動子
14、混合器15、周波数電圧変換器16及び演
算器17より構成される演算制御器32に接続す
る。温度補償用測温抵抗型温度センサー18をケ
ーブル33にて演算制御器32の演算器17に接
続する。演算器17からの出力電圧は、CO2ガス
濃度0〜20Vol%に対し、0〜20Vに合わせた。
従つて出力電圧の読みがCO2ガス濃度となる。表
示器19にはデイジタル電圧計を用い、また帰還
発振系13の周波数mを周波数カウンター34
にてモニターした。ガス出口用パイプ30より導
き出される混合ガスを赤外線ガス分析器35に排
出パイプ36により導入し、CO2ガス濃度を測定
する。また排出パイプ36の途中にサンプリング
ポート37を設け、ガスクロマトグラフ38に接
続しCO2ガス濃度を検定する。 測定用チエンバー内に混合ガス温度を測定する
ためのサーミスター温度センサー39を設け、温
度測定器40にてモニターする。測定用チエンバ
ー25は、混合ガス入口用パイプ41及び混合ガ
ス出口用パイプ30以外は完全に密封系となつて
いる。また、測定用チエンバー25は、±0.1℃に
コントロールされる温度可変の空気恒温槽42内
に設置し、測定用チエンバー25内の温度が任意
に変えられるようにしてある。 以上の検定用装置により、測定用チエンバー2
5内の温度を27℃,35℃,42℃と変え、各々の温
度に於いて、CO2ガス濃度を流量計22,23に
て0〜20%の範囲で変え、赤外線分析器35及び
ガスクロマトグラフ38による本発明の超音波ガ
ス濃度計の測定データを第2表及び第4図に示
す。
【表】 第2表及び第4図より、本発明による超音波濃
度計の帰環発振系周波数mが検定用ガスクロマ
トグラフによる濃度に対し直線性を示し、且つ超
音波濃度計の濃度指示が検出用ガスクロマトグラ
フによる濃度に一致する。 尚、本発明は実施例として、CO2/空気系で説
明したが、これに限定されるものではない。 以上述べた如く、本発明のガス濃度の測定方法
及びその装置は温度及び湿度の変動に対する精度
低下がきわめて少なく、且つ簡便にして、広範囲
な測定対象ガスに適用出来、工業上きわめて有用
な発明である。
【図面の簡単な説明】
第1図はCO2ガス濃度と超音波伝播速度の関係
を示すグラフ、第2図は本発明による測定系統図
の1実施例、第3図は本発明によるガス濃度測定
装置を用いCO2ガス濃度を測定する第1実施例、
第4図は第2表をグラフ化したものである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 帰還発振増幅器にて制御される信号発生器よ
    り発生させた高周波信号を増幅し、電歪型振動子
    からなる送波用超音波素子により発信させた超音
    波連続波を測定対象ガス雰囲気中に送信し、前記
    送波用超音波素子に対向し、且つ前記超音波連続
    波の波長の整数倍の距離に位置する電歪型振動子
    からなる受波用超音波素子により受信し、受信さ
    れた超音波連続波を前記受波用超音波素子にて高
    周波信号に変換した後、負イミタンス変換器にて
    位相調整し、前置増幅器に入力させ増幅した後、
    帰還発振増幅器にて前記送波用超音波素子を駆動
    すべく、駆動増幅器及び位相調整用の負イミタン
    ス変換器を介して送波用超音波素子に入力させる
    帰還発振系を構成し、該帰還発振系の周波数と水
    晶振動子等から発生させた安定された基準周波数
    との差を混合器にて演算し、前記周波数の差を周
    波数電圧変換器にて電圧に変換し表示することに
    より、測定対象ガス雰囲気中の測定対象ガス濃度
    を測定する方法。 2 帰還発振増幅器10によつて制御される信号
    発生器8、信号発生器8により発生される高周波
    信号を増幅する駆動増幅器6、駆動増幅器6によ
    り増幅された高周波信号を超音波連続波に変換す
    る電歪型振動子よりなる送波用超音波素子2、及
    び駆動増幅器6と送波用超音波素子2の間に接続
    した負イミタンス変換器7により構成される回
    路、受波用超音波素子3により受信した超音波連
    続波信号を高周波信号に変換するための電歪型振
    動子よりなる受波用超音波素子3、受波用超音波
    素子3と並列に接続した抵抗11及び帰還発振増
    幅器10に入力するための負イミタンス変換器1
    2及び前置増幅器9より構成される回路より構成
    される帰還発振系13からなり、前記送波用超音
    波素子2と受波用超音波素子3の間の距離が、こ
    の間で送受信される超音波連続波の波長の整数倍
    であり、前記帰還発振系13の周波数と水晶振動
    子14等より発生させた安定された基準周波数と
    の差を演算する混合器15、混合器15により演
    算された周波数差の入力を受け電圧に変換して出
    力する周波数電圧変換器16から構成されるガス
    濃度測定装置。
JP7699178A 1978-06-27 1978-06-27 Method and apparatus for measuring gas concentration Granted JPS554528A (en)

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