JPWO2008149868A1 - 超音波式ガス濃度測定方法及びそれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

サンプルガスが流れる配管中に対向させて配置した超音波を送受信する２つの超音波振動子、温度センサ及び圧力センサを備えた超音波式ガス濃度測定装置において、圧力による伝播速度補正係数に基づいて、サンプルガス濃度を演算する濃度演算手段を備えたことを特徴とする超音波式ガス濃度測定装置であり、サンプルガスの圧力に関わらず正確なガス濃度を測定できる方法、及び装置を提供する。

Description

本発明は、超音波により、サンプルガスの濃度を測定する方法および装置に関するものである。さらに詳細には、例えば医療目的で使用される酸素濃縮器から送り出された酸素濃縮ガス中の酸素濃度の測定に適する方法およびその方法を用いた装置に関するものである。

サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度は、サンプルガスの濃度、温度の関数として表されることが広く知られている。サンプルガスの平均分子量をＭ、温度をＴ［Ｋ］とすれば、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ［ｍ／ｓｅｃ］は、次式（１）で表される。
［式（１）］

ここで、ｋ、Ｒは定数（ｋ：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数）である。すなわち、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ［ｍ／ｓｅｃ］とサンプルガスの温度Ｔ［Ｋ］が測定できれば、サンプルガスの平均分子量Ｍを決定できる。かかるサンプルガスが、例えば酸素と窒素の２成分からなるガスであれば、ｋ＝１．４となることが知られている。該サンプルガスの平均分子量Ｍは、酸素の分子量を３２、窒素の分子量を２８として、酸素１００×Ｐ［％］（０≦Ｐ≦１）と窒素１００×（１−Ｐ）［％］の場合においては、Ｍ＝３２Ｐ＋２８（１−Ｐ）と記述することができ、測定された平均分子量Ｍから酸素濃度Ｐを決定することができる。
また、サンプルガス中の超音波伝播速度がＣ［ｍ／ｓｅｃ］、サンプルガスの流速がＶ［ｍ／ｓｅｃ］であったとき、サンプルガスの流れに対して順方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖ_１［ｍ／ｓｅｃ］は、Ｖ_１＝Ｃ＋Ｖ、逆方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖ_２［ｍ／ｓｅｃ］は、Ｖ_２＝Ｃ−Ｖで表されるので、サンプルガスの流速Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］は、次式（２）で求めることができる。
［式（２）］

このようにして求めたサンプルガスの流速Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］に、サンプルガスの流れている配管の内面積［ｍ^２］を乗じることで、サンプルガスの流量［ｍ^３／ｓｅｃ］を求めることができる。さらに体積換算、時間換算を行えば、流量を［Ｌ／ｍｉｎ］で求めることも容易である。
該原理を利用し、サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度もしくは伝播時間からサンプルガスの濃度、流量を測定する方法及び装置に関しては、種々の提案が行われている。たとえば、特開平６−２１３８７７号公報には、サンプルガスが通る配管中に超音波振動子２つを対向させて配置し、該超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間を計測することによってサンプルガスの濃度及び流量を測定する装置が記載されている。また、特開平７−２０９２６５号公報や特開平８−２３３７１８号公報には、超音波振動子１つを使用した音波反射方式でセンシングエリア内を伝播する超音波の伝播速度もしくは伝播時間を測定することにより、サンプルガスの濃度を測定する装置が記載されている。

このような超音波の伝播速度等を用いてサンプルガスの濃度を正確に測定するためには、サンプルガスが流れる配管内における影響因子を考慮した正確な超音波の伝播速度を知らなければならない。
喘息、肺気腫症、慢性気管支炎等の呼吸器系器官の疾患の治療法として、酸素ガスあるいは酸素富化空気を患者に吸入させる酸素吸入療法があり、その酸素供給源として、空気中に存在する約２１％の酸素を高濃度に濃縮して使用者に供給する圧力変動吸着型酸素濃縮装置がある。かかる圧力変動吸着型酸素濃縮装置は、酸素よりも窒素を選択的に吸着する吸着剤として５Ａ型や１３Ｘ型、Ｌｉ−Ｘ型、ＭＤ−Ｘ型などのモレキュラーシーブゼオライトを充填した吸着床を用い、吸着床にコンプレッサから圧縮空気を供給することにより、加圧条件下で窒素を吸着させ、未吸着の酸素を酸素濃縮ガスとして取り出す装置である。かかる装置には通常は２つ以上の吸着床が備えられており、一方の吸着床で吸着剤に窒素を吸着させ未吸着の酸素を生成する加圧吸着工程と、他方の吸着床を減圧させ吸着した窒素を排気し再生する脱着再生工程を順次切替えながら行なうことにより連続して酸素を生成することができる。
圧力変動吸着型酸素濃縮装置においては、配管中の加圧吸着工程と脱着再生工程を切替えて酸素を連続生成しており、また供給酸素流量も随時切替えて使用されるため、配管中のサンプルガスの圧力変動が生じる。しかしながら、通常、圧力による超音波の伝播速度の変化は全く考慮されていないために、サンプルガス濃度の測定値の精度を悪化させる要因となっている。
本発明は、サンプルガスの圧力に伴う伝播速度を補正する係数を導出し、圧力におけるサンプルガス濃度を性格に測定可能な超音波式サンプルガス濃度測定方法及びそれを用いた装置を提供することを目的としている。
本発明者らは、かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、各温度にて、サンプルガスが流れる配管中の圧力を変化させ、伝播速度補正係数を算出し、伝播速度補正係数を温度の関数として表し、伝播速度を補正することにより、正確にサンプルガス濃度を測定可能となることを見出したものである。
すなわち本発明は、サンプルガスが流れる配管中に対向させて配置した超音波を送受信する２つの超音波振動子、温度センサ及び圧力センサを備えた超音波式ガス濃度測定装置であり、サンプルガスの圧力による伝播速度補正係数に基づいて、サンプルガス濃度を演算する濃度演算手段を備えたことを特徴とする超音波式ガス濃度測定装置を提供する。
また本発明は、かかる濃度演算手段が、サンプルガスの測定温度および測定圧力に応じた伝播速度補正係数を用いて、該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播時間を補正する手段であり、次式（３）により、該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播速度Ｃを補正する手段を備えることを特徴とする超音波式ガス濃度測定装置を提供する。
［式（３）］

但し、ｋ：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数、Ｔ：サンプルガス測定温度、Ｍ：サンプルガスの平均分子量、Ｐ：サンプルガスの測定圧力、Ｂ（Ｔ），Ｃ（Ｔ）：伝播速度補正係数を示す。
また本発明は、サンプルガスの流れる配管中に対向させて配置して超音波を送受信する超音波振動子から送信された超音波が対向に配置した超音波振動子で受信するまでの伝播時間を元にサンプルガス中の濃度を測定する方法において、サンプルガス温度および圧力に応じた伝播速度補正係数に基づいて該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播時間を補正することを特徴とする超音波式ガス濃度測定方法を提供するものであり、特に式（３）により、該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播速度Ｃを補正することを特徴とする超音波式ガス濃度測定方法を提供する。
更に本発明は、温度Ｔａにおける複数の異なる圧力のサンプルガスの超音波伝播速度から、温度Ｔａにおける伝播速度補正係数（Ｂ（Ｔａ）、Ｃ（Ｔａ））を求め、伝播速度補正係数の温度Ｔの関数に基づいて伝播速度を補正することを特徴とする超音波式濃度測定方法を提供する。

図１は、本発明の超音波式酸素濃度測定装置の構成を示す概略図を示す。また図２は、従来の超音波式酸素濃度測定装置の酸素濃度値と圧力との関係を示す。図３は伝播速度補正係数と温度との関係を、図４は、本発明の伝播速度補正係数を採用した超音波式酸素濃度測定装置の酸素濃度値と圧力との関係を示す。図５は、実施態様例の伝播速度補正係数を求めるための試験装置を示す。

以下に本発明の超音波式ガス濃度流量測定方法の実施態様例を示す。本実施態様例においては、酸素、窒素及びアルゴンの３成分、または、酸素、窒素の２成分からなるサンプルガスの、酸素濃度を測定する装置に関して示す。本発明によって測定できるサンプルガスは、本実施例に示す酸素、窒素、及びアルゴンからなるサンプルガスだけに限定されるものではなく、他の分子によって構成されるガスに対しても容易に適用できる。
超音波式酸素濃度流量測定手段の構成を図１に示す。サンプルガスの流れる配管１の中に２つの超音波振動子２（第１の超音波振動子２ａおよび第２の超音波振動子２ｂ）を対向させて配置し、該超音波振動子２の送受信を切替える切り替え器４、該超音波振動子２に超音波送信パルスを伝えるドライバ５、超音波受信波形のゼロクロス時間を検出するゼロクロス時間検出回路６、サンプルガスの濃度、流量を算出するためのマイクロコンピュ−タ７、及び、配管１の中にサンプルガスの温度を測定する温度センサ３、配管１の中に配管内の圧力を測定する圧力センサ８、伝播速度補正係数が保存されている不揮発性メモリ９を備える。表示器１０は、測定されたサンプルガスの濃度を表示する。サンプルガスの流れを乱さない限り、温度センサ、及び圧力センサは超音波伝播経路上の中央に配置しても構わない。
上述の装置構成を用いてサンプルガスの濃度を測定する方法について述べる。サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度は、サンプルガスの濃度、温度の関数として表されることが広く知られている。すなわち、サンプルガスの平均分子量Ｍ、温度をＴ［Ｋ］とすれば、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ［ｍ／ｓｅｃ］は前述の式（１）で表される。配管中を流れるサンプルガスが、式（１）のように圧力の影響を考慮しない場合、配管中の圧力がゼロの場合には該方法にて正確な酸素濃度を測定することが可能であるが、配管中に圧力が存在する場合には、正確な酸素濃度の測定値の導出は不可能である。
特開２００４−３１７４５９号公報に記載の、圧力を考慮しない従来のアルゴリズムを用いた測定方法にて導出したサンプルガス中の酸素濃度の結果を図２に示す。図２に示す通り、超音波の伝播速度が圧力に依存してしまうために、酸素濃度の出力値は圧力が高くなるにつれて低下することが分かる。
超音波伝播速度Ｃが圧力に依存し、温度の関数として表されることは一般的に知られており、式（３）にて表すことができる。
［式（３）］

ここで、Ｐ［Ｎ／ｍ^２］は、本願発明による超音波式サンプルガス濃度測定装置に内蔵された圧力センサの出力値を示す。またＢ（Ｔ）やＣ（Ｔ）［ｍ^３／ｍｏｌ］は、超音波伝播速度補正係数を示す。
本実施例においては、Ｂ（Ｔ）の項までを適用して次式（４）を用いて示す。
［式（４）］

該伝播速度補正係数の算出方法の１つを示す。図５に示すように、複数の超音波式サンプルガス濃度測定装置１３ａ，１３ｂを温度調整が可能な装置１４、例えば恒温槽の内部に設置する。外部に設置したガスボンベ１６から流量調整器１１を経て超音波式サンプルガス濃度測定装置１３ａ，１３ｂに接続する。サンプルガス温度を恒温槽設定温度に一致するように温度を安定させる為に、超音波式サンプルガス濃度装置１３ａ，１３ｂまでの恒温槽内でのチューブ１２の長さをより長くする。恒温槽１４から出てきたチューブを圧力調整弁１５に接続し、圧力値を調整できるようにする。
かかる圧力調整弁１５を用いることでＰ_１、Ｐ_２の２種類の圧力条件を準備し、各々の条件下で、ある安定した温度Ｔ_１における超音波伝播速度Ｃ１及びＣ２を測定することにより、サンプルガスの平均分子量Ｍ_１、Ｍ_２は次式（５）、（６）にて求めることができる。但し、２種類の圧力水準のおける温度条件は必ずしも一致させなくてもよい。
［式（５）］

［式（６）］

実測時のサンプルガスが同一であれば、Ｍ１＝Ｍ２となり、伝播速度補正係数Ｂ（Ｔａ）を算出することができる。
他の温度Ｔ_２，Ｔ_３等における伝播速度補正係数Ｂ_２，Ｂ_３も同様の方法によって求め、温度Ｔ_１における伝播速度補正係数Ｂ（Ｔａ）＝Ｂ_１を含め、伝播速度補正係数（Ｂ_１〜Ｂ_３）と温度（Ｔ_１〜Ｔ_３）との関係をプロットしたものが図３である。
ここでプロットした点を２次近似曲線にて近似することで、次式（７）に示すように、伝播補正係数Ｂ（Ｔ）を温度（Ｔ）の関数として求めることができる。但し、近似曲線は、必ずしも２次曲線である必要はない。
［式（７）］

温度センサの出力値及び圧力センサの出力値を式（７）および式（４）に代入し、補正した超音波伝播速度によりサンプルガス濃度を測定した結果を図４に示す。図４に示す通り、酸素濃度は圧力変動の影響を受けず、正確な濃度測定を行なうことが可能である。
発明の効果
本発明の方法を用いることで、サンプルガスの圧力に伴う伝播速度を補正する係数を導出し、圧力におけるサンプルガス濃度を性格に測定可能な超音波式サンプルガス濃度測定方法及びガス濃度測定装置を提供することが出来る。

Claims (11)

1. サンプルガスの流れる配管中に対向させて配置して２つの超音波を送受信する超音波振動子から送信された超音波が対向に配置した超音波振動子で受信するまでの伝播時間を元にサンプルガス中の特定成分ガスの濃度を測定する方法において、２つの超音波振動子の各々から送信された超音波を他方の超音波振動子が受信するまでの伝播時間を測定するステップ、サンプルガス温度を測定するステップ、サンプルガスの温度および圧力に応じた伝播速度補正係数に基づいて該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播時間を補正するステップを備えたことを特徴とする超音波式ガス濃度測定方法。
2. 該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播時間を補正するステップが、次式により超音波の伝播速度（Ｃ）を補正するステップであることを特徴とする請求項１に記載の超音波式ガス濃度測定方法。
   

   

   （但し、ｋ：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数、Ｔ：サンプルガス測定温度、Ｍ：サンプルガスの平均分子量、Ｐ：サンプルガスの測定圧力、Ｂ（Ｔ），Ｃ（Ｔ）：伝播速度補正係数を示す。）
3. 該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播時間を補正するステップが、温度Ｔａにおける、圧力値の異なる複数のサンプルガスの超音波伝播速度から、温度Ｔａにおける伝播速度補正係数Ｂ（Ｔａ）、Ｃ（Ｔａ）を求め、伝播速度補正係数の温度Ｔの関数に基づいて伝播速度を補正することを特徴とする請求項２に記載の超音波式濃度測定方法。
4. 該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播時間を補正するステップが、次式により超音波の伝播速度（Ｃ）を補正するステップであることを特徴とする請求項１に記載の超音波式ガス濃度測定方法。
   

   

   （但し、ｋ：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数、Ｔ：サンプルガス測定温度、Ｍ：サンプルガスの平均分子量、Ｐ：サンプルガスの測定圧力、Ｂ（Ｔ）：伝播速度補正係数を示す。）
5. 該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播時間を補正するステップが、温度Ｔａにおける、圧力値の異なる複数のサンプルガスの超音波伝播速度から、温度Ｔａにおける伝播速度補正係数Ｂ（Ｔａ）を求め、伝播速度補正係数の温度Ｔの関数に基づいて伝播速度を補正することを特徴とする請求項４に記載の超音波式ガス濃度測定方法。
6. ガス濃度を測定する装置であり、測定する目的ガスを流すための軸線に沿って延びる配管、該配管の内側に配置され超音波を送受信する第１の超音波振動子、該配管の内側に第１の超音波振動子に対向させて配置され超音波を送受信する第２の超音波振動子、該第１および第２の超音波振動子の間での超音波振動子から超音波を送信する超音波送信モードと送信された超音波を受信する超音波受信モードの切換え制御を行なう送受信切り替え器、該配管に配置され目的ガスの温度を測定する温度センサ、該配管に配置され目的ガスの圧力を測定する圧力センサを備え、２つの超音波振動子の各々から送信された超音波を他方の超音波振動子が受信するまでの伝播時間、該酸素センサの出力値、および該圧力センサの圧力値による伝播速度補正係数に基づいて、目的ガスの濃度を演算する濃度演算手段を備えたことを特徴とする超音波式ガス濃度測定装置。
7. 該濃度演算手段が、目的ガスの測定温度および測定圧力に応じた伝播速度補正係数を用いて、該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播時間を補正する手段であることを特徴とする請求項６に記載の超音波式ガス濃度測定装置。
8. 該濃度演算手段が、次式により、該超音波振動子が超音波を受信するまでの伝播速度（Ｃ）を補正する手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の超音波式ガス濃度測定装置。
   

   

   （但し、ｋ：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数、Ｔ：サンプルガス測定温度、Ｍ：サンプルガスの平均分子量、Ｐ：サンプルガスの測定圧力、Ｂ（Ｔ），Ｃ（Ｔ）：伝播速度補正係数を示す。）
9. 該濃度演算手段が、温度Ｔａにおける、圧力値の異なる複数のサンプルガスの超音波伝播速度から、温度Ｔａにおける伝播速度補正係数Ｂ（Ｔａ）、Ｃ（Ｔａ）を求め、伝播速度補正係数の温度Ｔの関数に基づいて伝播速度を補正する手段であることを特徴とする請求項８に記載の超音波式ガス濃度測定装置。
10. 該濃度演算手段が、次式により超音波の伝播速度（Ｃ）を補正する手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の超音波式ガス濃度測定装置。
    

    

    （但し、ｋ：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数、Ｔ：サンプルガス測定温度、Ｍ：サンプルガスの平均分子量、Ｐ：サンプルガスの測定圧力、Ｂ（Ｔ）：伝播速度補正係数を示す。）
11. 該演算手段が、温度Ｔａにおける、圧力値の異なる複数のサンプルガスの超音波伝播速度から、温度Ｔａにおける伝播速度補正係数Ｂ（Ｔａ）を求め、伝播速度補正係数の温度Ｔの関数に基づいて伝播速度を補正する手段であることを特徴とする請求項１０に記載の超音波式ガス濃度測定装置。

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