TWI445957B - Ultrasonic gas concentration measurement method and apparatus using the same, and an oxygen concentration apparatus - Google Patents

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Description

超音波式氣體濃度測定方法及使用其之裝置、以及氧氣濃縮裝置 發明領域
本發明係有關一種藉由超音波而測量樣品氣體(sample gas)濃度之方法及裝置。進而詳言之，係有關一種適用於測量譬如由以醫療目的而加以使用的氧濃縮器所發送之氧濃縮氣體中的氧濃度之方法，及使用該方法之裝置。
 發明背景
於樣品氣體中傳播之超音波的傳播速度，廣知係以樣品氣體的濃度、溫度之函數來表示。若令樣品氣體的平均分子量為M、溫度為T[K]，樣品氣體中的超音波傳播速度C[m/sec]可以下述式(1)表示。
此處，k、R為常數(k：定容莫耳比熱與定壓莫耳比熱之比、R：氣體常數)。即，只要可測量樣品氣體中的超音波傳播速度C[m/sec]與樣品氣體的溫度T[k]，就可決定樣品氣體的平均分子量M。此樣品氣體若係由氧及氮之二成分所組成的氣體，可知k＝1.4。該樣品氣體的平均分子量M，在令氧的分子量為32、氮的分子量為28，且氧100×P[%](0≦P≦1)與氮100×(1－P)[%]時，可寫成M＝32P＋28(1－P)，並可由所測定之平均分子量M而決定氧濃度P。
又，樣品氣體中的超音波傳播速度為C[m/sec]、樣品氣體的流速為V[m/sec]時，由於相對於樣品氣體的流向而順向地發送超音波時所測定的超音波傳播速度V1 [m/sec]可以V1 ＝C＋V表示，而逆向地發送超音波時所測定的超音波傳播速度V2 [m/sec]可以V2 ＝C－V表示，故，樣品氣體的流速V[m/sec]可以下述式(2)求得。
藉由於如此求得之樣品氣體的流速V[m/sec]，乘上樣品氣體所流動之配管的內面積[m2 ]，係可求出樣品氣體之流量[m3 /sec]。進而，若進行體積換算、時間換算，亦可藉由[L/min]而輕易求得流量。
有關利用該原理，而由在樣品氣體中傳播之超音波的傳播速度或傳播時間，來量測樣品氣體的濃度、流量之方法及裝置係有各種提案。譬如，日本專利公開公報特開平6－213877號中，記載一種藉由於樣品氣體流通之配管中，讓二個超音波振動器相對向地配置，並測量於該超音波振動器間傳播之超音波的傳播時間，而測定樣品氣體的濃度及流量之裝置。又，特開平7－209265號公報及特開平8－233718號公報中，係記載一種藉由使用一個超音波振動器之音波反射方式，而測量於感測區域內傳播之超音波的傳播速度或傳播時間，藉此來測定樣品氣體濃度之裝置。
 發明揭示
為使用如上述之超音波的傳播速度等且正確地測量樣品氣體之濃度，必須知道針對樣品氣體流通的配管內之影響因子加以考量後之正確的超音波傳播速度。
作為氣喘、肺氣腫、慢性支氣管炎等呼吸系統疾病的治療法，有一讓患者吸入氧氣或富氧(oxygen enrichment)空氣之給氧療法，而作為該氧氣供給源，有一可高濃度濃縮存在於空氣中約21%的氧，並將之供給於使用者之變壓吸附型氧氣濃縮裝置。此一變壓吸附型氧氣濃縮裝置係如下所述者，即，作為相較於氧係選擇性地吸附氮之吸附劑，係使用充填有5A型或13X型、Li－X型、MD－X型等之人造沸石分子篩的吸附床(absorption bed)，並由壓縮機而將壓縮空氣供給於吸附床，在加壓條件下吸附氮，且將未吸附的氧作為氧氣濃縮氣體而加以取出。此裝置中一般包含有二個以上之吸附床，並藉由依序切換進行下述二程序而連續地生成氧氣，即，以其中一吸附床而讓氮吸附於吸附劑，生成未吸附之氧的加壓吸附程序，以及讓另一吸附床減壓，排出所吸附之氮並進行再生的解除吸附再生程序。
變壓吸附型氧氣濃縮裝置中，係切換配管中的加壓吸附程序與解除吸附再生程序而連續生成氧氣，又，氧氣供給流量亦可隨時地切換使用，因此，配管中的樣品氣體壓力產生變動。然而，一般上，由於完全未考慮因壓力所引起的超音波傳播速度之變化，因而成為樣品氣體濃度的測定值之精確度惡化的主要原因。
本發明之目的在於提供一種可導出隨著樣品氣體之壓 力變動而修正傳播速度之係數，以正確地測量壓力中之樣品氣體濃度的超音波樣品氣體濃度測定方法及使用該方法之裝置。
本案發明者群為達成前述目的，經銳意研究之結果，發現到，可以各溫度來讓樣品氣體流通之配管中的壓力產生變化，而算出傳播速度修正係數，並將傳播速度修正係數以溫度之函數加以表示而修正傳播速度，藉此，可正確地量測樣品氣體濃度。
即，本發明係提供一種超音波式氣體濃度測定裝置，其特徵在於包含有於樣品氣體流動的配管中相對向地配置且發送及接收超音波之二個超音波振動器、溫度感測器及壓力感測器，且該超音波式氣體濃度測定裝置包含有一依樣品氣體壓力而變動的傳播速度修正係數，來演算樣品氣體濃度之濃度演算機構。
又，本發明係提供一種超音波式氣體濃度測定裝置，其中該濃度演算機構係使用對應於樣品氣體的測定溫度及測定壓力之傳播速度修正係數，而修正到達該超音波振動器接收超音波之傳播時間者，且該濃度演算機構包含有一藉由下述式(3)，而修正到達該超音波振動器接超音波之傳播速度C的機構。
惟，k：表示定容莫耳比熱與定壓莫耳比熱之比、R： 表示氣體常數、T：表示樣品氣體測定溫度、M：表示樣品氣體的平均分子量、P：表示樣品氣體的測定壓力、B(T)及C(T)：表示傳播速度修正係數。
又，本發明係提供一種超音波式氣體濃度測定方法，其係以由在樣品氣體流動的配管中相對向地配置且發送及接收超音波之超音波振動器所發送的超音波到達以相對向地配置之超音波振動器接收的傳播時間為基準，測量樣品氣體中之濃度的方法，該測定方法之特徵在於係依對應於樣品氣體溫度及壓力的傳播速度修正係數，而修正到達該超音波振動器接收超音波的傳播時間，前述測定方法特別係藉由式(3)而修正到達該超音波振動器接收超音速止之傳播速度C者。
進而，本發明係提供一種超音波式濃度測定方法，其特徵在於係由溫度Ta中之多數個不同壓力的樣品氣體之超音波傳播速度，而求出溫度Ta中之傳播速度修正係數(B(Ta)、C(Ta))，並依傳播速度修正係數之溫度T的函數而修正傳播速度。
圖式簡單說明
第1圖係顯示本發明超音波式氧濃度測定裝置之構成的概略圖。
第2圖係顯示習知之超音波式氧濃度測定裝置之氧濃度值與壓力之關係。
第3圖係顯示傳播速度修正係數與溫度之關係。
第4圖係顯示採用本發明傳播速度修正係數之超音波 式氧濃度測定裝置之氧濃度值與壓力之關係。
第5圖係顯示用以求得實施態樣例之傳播速度修正係數之實驗裝置。
 用以實施發明之最佳形態
以下，顯示本發明之超音波式氣體濃度流量測定方法之實施態樣例。本實施態樣例中，係顯示有關測量氧、氮及氬之三成分，或氧、氮之二成分所組成的樣品氣體之氧濃度的裝置。可藉由本發明加以測定之樣品氣體，並不僅限於本實施例所示之氧、氮及氬所組成的樣品氣體，亦便於適用在以其他分子構成的氣體。
於第1圖顯示超音波式氧濃度流量測定機構之構成。該超音波式氧濃度測定機構係於樣品氣體流通之配管1中，對向地配置二個超音波振動器2(第1超音波振動器2a及第2超音波振動器2b)，且該超音波氧濃度測定機構包含有：切換器4，係用以切換該超音波振動器2之發送及接收者；驅動器5，係用以將超音波發送脈衝送達該超音波振動器2者；零點交叉時間檢測電路6，係用以檢測超音波接收波形的零點交叉時間者；微電腦7，係用以算出樣品氣體的濃度、流量者；溫度感測器3，係用以於配管1中測量樣品氣體之溫度者；壓力感測器8，係用以於配管1中測量配管內之壓力者；及非依電性記憶體9，係用以保存傳播速度修正係數者。顯示器10係顯示所測量出之樣品氣體的濃度。只要不擾亂樣品氣體的流動，溫度感測器及壓力感測器亦可配置 於超音波傳播路徑上之中央處。
說明使用前述裝置構成來測量樣品氣體濃度之方法。於樣品氣體中傳播之超音波的傳播速度，廣知係以樣品氣體的濃度、溫度的函數而加以表示。即，樣品氣體的平均分子量M在令溫度為T[K]時，樣品氣體中的超音波傳播速度C[m/sec]可以前述式(1)表示。於配管中流動之樣品氣體於譬如式(1)此種未考慮到壓力影響之場合中，當配管中的壓力為零時，雖可藉由該方法而測量出正確的氧濃度，但當配管中存有壓力時，即無法導出正確的氧濃度之測定值。
於第2圖中，顯示藉由使用特開2004－317459號公報所載之未考量到壓力的習知演算法之測定方法，而導出之樣品氣體中的氧濃度結果。如第2圖所示，超音波的傳播速度係與壓力相關，故，可知氧濃度之輸出值係隨著壓力增高而降低。
超音波傳播速度C係與壓力相關，一般所知係以溫度的函數加以表示，且可以式(3)來表示。
此處，P[N/m2 ]係表示內藏於本發明之超音波式樣品氣體濃度測定裝置中之壓力感測器的輸出值。又，B(T)及C(T)[m3 /mol]係表示超音波傳播速度修正係數。
本實施例中係適用至B(T)之項，並使用式(4)來表示。
顯示一個該傳播速度修正係數之演算方法。如第5圖所示，將多數個超音波式樣品氣體濃度測定裝置13a,13b，配置於可調整溫度之裝置14，譬如恆溫槽之內部。由設置於外部之氣瓶16經流量調整器11而連接於超音波式樣品氣體濃度測定裝置13a,13b。為讓溫度穩定，以令樣品氣體溫度與橫溫槽設定溫度一致，係讓直至超音波式樣品氣體濃度測定裝置13a,13b之恆溫槽內的管體12長度增長。將可由恆溫槽14拉出的管體連接於壓力調整閥15而調整壓力值。
藉由使用此一壓力調整閥15而準備P1 、P2 二種類的壓力條件，並於各條件下，測量某一穩定的溫度T1 中之超音波傳播速度C1及C2，藉此，樣品氣體的平均分子量M1 、M2 係可藉由下述式(5)及式(6)求出。惟，二種類的壓力水準中之溫度條件亦可非為一致。
若實測時之樣品氣體為同一者，M1＝M2，且可算出傳播速度修正係數B(Ta)。
其他的溫度T2 ,T3 等中之傳播速度修正係數B2 ,B3 亦可藉由同樣的方法求得，包含溫度T1 中之傳播速度修正係數B(Ta)＝B1 ，第3圖中標繪出傳播速度修正係數(B1 ~B3 )與溫度(T1 ~T3 )之關係。
此處，以二次近似曲線趨近標繪出之點，藉此，如下式(7)所示，可將傳播修正係數B(T)作為溫度(T)之函數而求出。惟，近似曲線不需非得為二次曲線。
[式(7)]B(T)＝α T2 ＋β T＋γ
將溫度感測器之輸出值及壓力感測器的輸出值帶入式(7)及式(4)，並將藉由經修正後之超音波傳播速度來測量樣品氣體濃度之結果顯示於第4圖。如第4圖所示，氧濃度不受壓力變動影響，而可進行正確的濃度測定。
發明效果
藉由使用本發明之方法，可提供一種能夠導出用以修正隨著樣品氣體之壓力而變動的傳播速度之係數，以正確地測量壓力中之樣品氣體濃度之超音波式樣品氣體濃度測定方法及氣體濃度測定裝置。
1‧‧‧配管
2‧‧‧超音波振動器
2a‧‧‧第1超音波振動器
2b‧‧‧第2超音波振動器
3‧‧‧溫度感測器
4‧‧‧發送接收切換器
5‧‧‧驅動器
6‧‧‧零點交叉時間檢測電路
7‧‧‧微電腦
8‧‧‧壓力感測器
9‧‧‧非依電性記憶體
10‧‧‧顯示器
11‧‧‧流量調整器
12‧‧‧管體
13a,13b‧‧‧超音波式樣品氣體濃度測定裝置
14‧‧‧可調整溫度之裝置
15‧‧‧壓力調整閥
16‧‧‧氣瓶
第1圖係顯示本發明超音波式氧濃度測定裝置之構成的概略圖。
第2圖係顯示習知之超音波式氧濃度測定裝置之氧濃度值與壓力之關係。
第3圖係顯示傳播速度修正係數與溫度之關係。
第4圖係顯示採用本發明傳播速度修正係數之超音波式氧濃度測定裝置之氧濃度值與壓力之關係。
第5圖係顯示用以求得實施態樣例之傳播速度修正係數之實驗裝置。
1‧‧‧配管
2a‧‧‧第1超音波振動器
2b‧‧‧第2超音波振動器
3‧‧‧溫度感測器
4‧‧‧發送接收切換器
5‧‧‧驅動器
6‧‧‧零點交叉時間檢測電路
7‧‧‧微電腦
8‧‧‧壓力感測器
9‧‧‧非依電性記憶體
10‧‧‧顯示器

Claims (3)

  1. 一種超音波式氣體濃度測定方法，是以由在樣品氣體流動的配管中對向配置且發送及接收超音波之二個超音波振動器所發送的超音波到以相對向地配置之超音波振動器接收為止的傳播時間作為基準，測量樣品氣體中之特定成分氣體之濃度的方法，其特徵在於包含有下述步驟：測量由二個超音波振動器各自發送的超音波，到另一超音波振動器接收為止的傳播時間；測量樣品氣體溫度；測量樣品氣體壓力；及依對應於樣品氣體之溫度及壓力的傳播速度修正係數，修正到該超音波振動器接收超音波為止之傳播時間，修正到該超音波振動器接收超音波為止之傳播時間之步驟是藉由下述算式修正超音波之傳播速度(C)之步驟，且由溫度Ta中之壓力值不同的多數個樣品氣體之超音波傳播速度，求出溫度Ta中之傳播速度修正係數B(Ta)，並依傳播速度修正係數之溫度T的函數而修正傳播速度， (惟，k：表示定容莫耳比熱與定壓莫耳比熱之比、R：表示氣體常數、T：表示樣品氣體測定溫度、M：表示樣品氣體之平均分子量、P：表示樣品氣體的測定壓力、B(T)：表示傳播速度修正係數)。
  2. 一種超音波式氣體濃度測定裝置，係測量氣體濃度者，包含有：配管，沿著用以讓欲量測之目的氣體流動之軸線而延伸；第1超音波振動器，配置於該配管之內側，且發送及接收超音波；第2超音波振動器，配置於該配管之內側並與第1超音波振動器相對向，且發送及接收超音波；發送接收切換器，是進行在該第1及第2超音波振動器之間的由超音波振動器發送超音波之超音波發送模式與接收所發送超音波之超音波接收模式間的切換控制；溫度感測器，配置於該配管上，測量目的氣體之溫度；及壓力感測器，配置於該配管上，測量目的氣體之壓力，且該超音波式氣體濃度測定裝置包含有濃度演算機構，該濃度演算機構依利用由二個超音波振動器各自所發送之超音波到另一超音波振動器接收為止之傳播時間、該溫度感測器之輸出值、及該壓力感測器之壓力值所得到之傳播速度修正係數，來演算目的氣體之濃度，該濃度演算機構是包含有藉由下述算式，修正超音波之傳播速度(C)之機構，並且由溫度Ta中之壓力值不同的多數個樣品氣體之超音波傳播速度，而求出溫度Ta 中之傳播速度修正係數B(Ta)，並依傳播速度修正係數之溫度T的函數而修正傳播速度的機構， (惟，k：表示定容莫耳比熱與定壓莫耳比熱之比、R：表示氣體常數、T：表示樣品氣體測定溫度、M：表示樣品氣體之平均分子量、P：表示樣品氣體的測定壓力、B(T)：表示傳播速度修正係數)。
  3. 一種氧氣濃縮裝置，是用以生成氧氣濃縮氣體，包含有：吸附床，填充有在加壓條件下選擇性地吸附氮，並將未吸附之氧氣做為氧氣濃縮氣體而取出的吸附劑；壓縮機，供給該吸附床之加壓空氣；及超音波式氧氣濃度測定裝置，測量氧氣濃度，該超音波式氣體濃度測定裝置包含有：配管，沿著用以讓欲量測之目的氣體流動之軸線而延伸；第1超音波振動器，配置於該配管之內側，且發送及接收超音波；第2超音波振動器，配置於該配管之內側並與第1超音波振動器相對向，且發送及接收超音波；發送接收切換器，是進行在該第1及第2超音波振動器之間的由超音波振動器發送超音波之超音波發送模式與接收所發送超音波之超音波接收模式間的切換控制；溫度感測器，配置於該配管上，測量目的氣體之溫 度；及壓力感測器，配置於該配管上，測量目的氣體之壓力，且該超音波式氣體濃度測定裝置包含有濃度演算機構，該濃度演算機構依利用由二個超音波振動器各自所發送之超音波到另一超音波振動器接收為止之傳播時間、該溫度感測器之輸出值、及該壓力感測器之壓力值所得到之傳播速度修正係數，來演算目的氣體之濃度，該濃度演算機構是包含有藉由下述算式，修正超音波之傳播速度(C)之機構，並且由溫度Ta中之壓力值不同的多數個樣品氣體之超音波傳播速度，而求出溫度Ta中之傳播速度修正係數B(Ta)，並依傳播速度修正係數之溫度T的函數而修正傳播速度的機構， (惟，k：表示定容莫耳比熱與定壓莫耳比熱之比、R：表示氣體常數、T：表示樣品氣體測定溫度、M：表示樣品氣體之平均分子量、P：表示樣品氣體的測定壓力、B(T)：表示傳播速度修正係數)。
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