WO2004010133A1 - 気体濃度計測装置および気体濃度計測方法 - Google Patents

Description

明細書 気体濃度計測装置および気体濃度計測方法 技術分野

この発明は、 測定対象領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測装置 および気体濃度計測方法に関するものである。 背景技術

従来、 気体の濃度変化や流量変化の計測を行う手法として、 物質の誘電率 の計測を行う 「誘電緩和法」 や、 電磁波の吸収分布の計測を行う 「吸収スぺ クトル計測法」 、 また通過した超音波の振幅の減衰率の計測を行う 「超音波 伝搬波減衰度計測法」 などがある。 いずれの方法も高い時間分解能はもたな い o

一方、 送信機から受信機への音波の伝搬時間の計測を行う伝搬時間差法は、 シンプルな手法であり、 時間分解能の向上にもつながる。 この手法の場合、 正弦波等の定常波を送信機から送信して受信機で受信し、 その送信元の定常 波 （送信波） と、 受信機からの信号 （受信波） とを比較してその波のピーク のずれ （位相差） を伝搬時間とし、 その伝搬時間が気体の濃度変化や流量変 化に対応するようになっている。 発明の開示

しかし、 上記のように、 気体の濃度変化等の計測を、 定常波を用いて行う と、 その定常波の 2次、 3次の反射が発生するため、 超音波の送信部、 受信 部の距離が 1 c m未満の場合は計測が不可能となり、 細管の中の気体変化は この手法では計測が不可能であるという問題点を有していた。

一方、 定常波に代えて、 矩形パルス波を用いて上記の問題点を解消するよ うにした気体濃度計測装置も開発されている。 この矩形パルス波を用いる手 法では、 先ず矩形パルス波に基づいて生成した超音波を、 受信側の超音波受 信素子で受信し、 その超音波受信信号に対し、 例えば予め特定した最初から 何番目かの波が閾値電圧を超えた時点と、 矩形パルス波の最初の信号出力時 点との時間差分を求め、 その時間差分を測定対象領域での気体濃度変化、 流 量変化として出力している。 しかし、 上記の測定ポイントは超音波受信素子 が音波をうけて、 振動を開始した直後の時間帯に位置しており、 この時間帯 は未だ超音波受信素子の動作が不安定であり、 測定結果が不安定であった。 このため、 従来は多数回の計測とその平均処理を行い代表値としており、 こ のため、 計測に時間が掛かり、 また、 計測作業も繁雑化していた。

この発明は上記に鑑み提案されたもので、 超音波の送信部、 受信部の距離 が 1 c m未満の場合であっても気体の濃度変化等を計測することができ、 か つ 1回の計測だけで高精度で安定した測定結果を得ることができる気体濃 度計測装置および気体濃度計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、 請求の範囲第 1項に記載の発明は、 測定対象 領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測装置において、 複数の矩形パ ルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、 その超音波生成信号 に応じて超音波を送信する超音波送信手段と、 上記測定対象領域の気体を通 過した後の上記超音波を電気信号に変換し超音波受信信号とする超音波受 信手段と、 上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、 上記超音波 受信信号に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、 その包 絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値 降下時点を求め、 その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を気体濃度 の変化分として検出する気体濃度計測手段と、 を備えることを特徴としてい る

また、 請求の範囲第 3項に記載の発明は、 測定対象領域の気体の濃度変化 を計測する気体濃度計測方法において、 複数の矩形パルス波からなる矩形パ ルス波群を超音波生成信号とし、 その超音波生成信号に応じて超音波を送信 し、 上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電気信号に変換し て超音波受信信号とし、 上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、 上記超音波受信信号に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとと もに、 その包絡処理信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点 である閾値降下時点を求め、 その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分 を気体濃度の変化分として検出する、 ことを特徴としている。 図面の簡単な説明

第 1図は、 この発明の気体濃度計測装置のブロック図である。

第 2図は、 測定対象領域周辺の要部構成例を示す図である。

第 3図は、 気体濃度計測装置の超音波パルス発生部を示す回路図である。 第 4図は、 気体濃度計測装置の超音波パルス受信部を示す回路図である。 第 5図は、 気体濃度計測装置の時間差計測部を示す回路図である。

第 6図は、 気体濃度計測装置の所定の部位での信号波形を示す図である。 第 7図は、 気体切り換え装置の構成例を示す図である。

第 8図は、 第 7図の気体切り替え装置を用い T測定対象領域の気体を切り 換えその濃度変化を本発明の気体濃度計測装置で測定した結果を示す図で め

第 9図は、 第 7図の気体切り替え装置を用いて測定対象領域の気体を切り 換えその混合比変化を本発明の気体濃度計測装置で測定した結果を示す図 である。 発明を実施するための最良の形態

以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

第 1図はこの発明の気体濃度計測装置のブロック図である。 図において、 この発明の気体濃度計測装置 1は、 測定対象領域 Rの気体の濃度変化を計測 する気体濃度計測装置 1であり、 複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波 群を超音波生成信号 S 1とし、 その超音波生成信号 S 1に応じて超音波を送 信する超音波送信手段 2と、 上記測定対象領域 Rの気体を通過した後の超音 波を電気信号に変換し超音波受信信号 S 2とする超音波受信手段 3と、 その 超音波生成信号 S 1の信号出力時点 s tを検出する一方、 超音波受信信号 S 2に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、 その包絡処理 信号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時 点 s dを求め、 その閾値降下時点と信号出力時点 s tとの差分を気体濃度の 変化分として検出する気体濃度計測手段 4と、 を備えることを特徴としてい る。

次に第 2図〜第 7図を用いてより具体的に説明する。

第 2図は測定対象領域周辺の要部構成例を示す図である。 上記の超音波送 信手段 2および超音波受信手段 3は、 第 2図に示すように、 例えば圧電素子 からなる超音波送信素子 2 1および超音波受信素子 3 1をそれぞれ備え、 超 音波送信素子 2 1は、 超音波生成信号 S 1に応じて、 例えば 4 0 0 K H zの 超音波を送信する。 この超音波は、 例えば空気と窒素が交互に流れる測定対 象領域 Rを通過後、 超音波受信素子 3 1で受信されて電気信号に変換され超 音波受信信号 S 2として出力される。

第 3図は気体濃度計測装置の超音波パルス発生部を示す回路図、 第 4図は 気体濃度計測装置の超音波パルス受信部を示す回路図、 第 5図は気体濃度計 測装置の時間差計測部を示す回路図、 第 6図は気体濃度計測装置の所定の部 位での信号波形を示す図である。

本発明の気体濃度計測装置 1では、 超音波を生成する際に、 第 6図 （a ) に示すような、 所定の周期を有する複数 （例えば数個〜~ Hi程度） の矩形パ ルス波からなる矩形パルス波群 S 1を用いる。 この矩形パルス波群 （超音波 生成信号） S 1は、 第 3図に示す超音波パルス発生部 2 0で生成され、 その 最終段の超音波送信素子 2 1に入力され、 この超音波送信素子 2 1の振動に 応じて超音波が出力される。 そして、 超音波パルス発生部 2 0の夕イマ I C ( 5 5 5 ) と分周器との間の信号線から分岐して取られた超音波生成信号 S 1は、 第 5図の時間差計測部 6に出力される。

一方、 測定対象領域 Rを通過し気体の影響を受けた超音波は、 第 4図の超 音波パルス受信部 5の超音波受信素子 3 1で受信されて電気信号に変換さ れ、 第 6図 （b ) に示すような、 超音波受信信号 S 2となる。 超音波パルス 受信部 5は、 その後この超音波受信信号 S 2に対して、 ローパス （low pass) フィルターを用いて包絡線抽出処理を施し、 第 6図 （ c ) に示すような、 包 絡処理信号 S 3を生成する。 また、 この包絡処理信号 S 3と閾値電圧 E 0と の比較をコンパレー夕を用いて行い、 包絡処理信号 S 3が閾値電圧 E 0を越 え、 その後降下して閾値電圧 E 0を切った時点を閾値降下時点 s dとして検 出し、 その閾値降下時点 s dを時間差計測部 6に出力する。

また、 時間差計測部 6は、 上記の超音波生成信号 S 1が入力されると、 そ の超音波生成信号 S 1の最初の信号出力時点 s tを求める。 そして、 上記の 閾値降下時点 s dと信号出力時点 s tとの時間差分を求め、 この時間差分を 気体濃度の変化分として出力する。

なお、 第 1図で示した各手段 2， 3， 4のうち、 超音波送信手段 2は、 超 音波パルス発生部 2 0に相当し、 超音波受信手段 3は、 超音波パルス受信部 5の超音波受信素子 3 1に相当し、 気体濃度計測手段 4は、 超音波受信素子 3 1より後段側の超音波パルス発生部 2 0と時間差計測部 6とが相当して いる。

このように、 この発明の気体濃度計測装置 1では、 包絡処理信号 S 3の閾 値降下時点 _s dと超音波生成信号 S 1の最初の信号出力時点 s tとの時間 差分を求めるようにした。 この時間差分は、 測定対象領域 Rでの気体濃度変 化や気体流量変化に応じた値となり、 この時間差分を求めることで、 測定対 象領域 Rでの気体濃度変化や気体流量変化を精度良く求めることができる。 ところで、 閾値降下時点 s dは、 超音波受信信号 S 2が減衰し、 安定してい る領域に位置しているので、 測定結果も安定しており、 このため従来、 デー 夕の精度維持を図るために必要であった平均加算などの処理が不要となり、 一度の超音波の送信 ·受信で気体中の濃度変化の計測を行うことが可能とな り、 したがって、 気体濃度変化の測定を短時間で速やかに求めることができ るよつなった。

また、 この発明では、 矩形パルス波を用いて超音波を生成するようにした ので、 従来定常波を用いていたときに発生していた 2次、 3次の反射は発生 せず、 このため、 超音波送信素子 2 1と超音波受信素子 3 1との距離を数 m m程度まで短くしても、 計測が可能となり、 細管の中の気体濃度変化や気体 流量変化を高精度で測定することができるようになった。 なお、 従来は、 超音波受信信号 S 2に対し、 予め特定した最初から何番目 かの波が閾値電圧を超えた時点 （第 6図 （b ) の A点） 、 あるいは包絡線抽 出処理を施し最初に閾値電圧を超えた時点を音波到達時刻とし、 その音波到 達時刻と、 信号出力時点 s tとの時間差分を求め、 その時間差分を測定対象 領域 Rでの気体濃度変化、 流量変化として出力していた。 しかし、 超音波受 信素子 3 1が音波をうけて、 振動を開始する時点付近 （第 2図の A点近傍） は不安定であり、 従来は上記のように 「何番目の波を検出する」 というアル ゴリズムを用いて対処している。 しかし、 実際にそのアルゴリズムに基づい て計測を行っても、 やはり測定結果が不安定であるため、 複数回の計測 '平 均を行い代表値としている。 つまり時間分解能を犠牲にすることで、 安定し た信号を得ていた。

これに対し、 本発明者は、 超音波受信素子 3 1は、 音波を受け始める前半 部分は前述のように不安定であるが、 後半 （受信波 （超音波受信信号 S 2 ) が減衰する部分）は非常に安定している（同一実験下ではぶれが起きにくい） ことを見出し、 この安定した後半部分を計測に用いるようにした。このため、 本発明では、 ローパスフィル夕を用い、 先ず受信波の包絡線を抽出し、 この 包絡線の立ち上がりではなく、 たち下がりの時点 s dの検出を行った。 つま り閾値電圧 E 0を超えた時点を求めるのではなく、 閾値電圧 E 0を下回った 時点の算出を行った。 この結果、 平均加算などの処理を行わずに一度の超音 波の送信 ·受信で気体中の濃度変化や流量変化の計測を行うことが可能とな つ 1こ。

次に実際の測定結果について、 第 7図、 第 8図および第 9図を用いて説明 する。

第 Ί図は気体切り換え装置の構成例を示す図、 第 8図は第 Ί図の気体切り 替え装置を用いて測定対象領域の気体を切り換えその濃度変化を本発明の 気体濃度計測装置で測定した結果を示す図である。

第 7図において、 測定対象領域 Rには、 空気と窒素の双方が常時流入可能 となっており、 切り替え部 R 1が例えば空気側に連通され、 空気が切り替え 部 R 1から吸引されると、 窒素のみが測定対象領域 Rを流れるようになる。 そして、気体濃度計測装置 1は、超音波送信素子 2 1から超音波を送信して、 測定対象領域 Rの気体を通過させることで、 その気体濃度変化を計測する。

ここでは、 先ず切り替え部 R 1で窒素を吸引して測定対象領域 Rに空気を 供給しておき、 次に切り替え部 R 1での電磁弁切り替えにより、 空気を吸引 して窒素を 2 0 0ミリ秒だけ供給し、 その切り替え時の気体濃度変化を測定 するようにした。超音波送信素子 2 1と超音波受信素子 3 1との距離は 3 m mとした。 第 8図はその測定を 1回だけ実施した結果であり、 この 1回の測 定だけで、 5 0ミリ秒経過後から窒素への切り替えが始まり、 およそ 1 5 0 ミリ秒で切り替わりが完了している様子がはっきりとわかる。 従来の定常波 を用いた測定で分子量が 4 4の二酸化炭素と分子量 2 8 . 8の空気のコント ラストの計測を行った結果 （ 3 0回の加算平均をとつた結果） と比較して、 本発明の測定は分子量 2 8の窒素と 2 8 . 8の空気で分子量が近似している 同士の計測を行い、 しかも 1回だけの測定であるにもかかわらず、 従来に対 して高い S Z N比を実現している。

また、 第 7図の気体切り替え装置を用いて、 酸素と窒素を流し、 酸素の割 合を、 0 % (窒素 1 0 0 % ) 、 5 %、 1 0 %、 1 5 %、 2 0 % (空気） 、 2 5 %と変化させたときの、 閾値降下時点 s dと信号出力時点 s tとの時間差 分を計測した結果を第 9図に示している。 この発明の気体濃度計測装置 1で は、 超音波受信信号 S 2の後半に位置している閾値降下時点 s dを検出して 時間差分を計測するようにしているので、 測定が高精度、 高速にかつ安定し て行われるとともに、 そのことに起因して、 第 9図から分かるように、 時間 差分が気体の混合比 （組成比） にリニアに応答している。 このような気体の 混合比変化に対するリニアな応答は、 従来の定常波を用いる手法や超音波受 信信号の前半を用いる手法では見られないものであった。 したがって、 この 気体濃度計測装置 1を用いると、 気体の混合比 （組成比） の変化も高精度、 高速に安定して計測することができることが分かった。 . このような、 高精度で高速、 かつ安定した気体の濃度変化計測が可能な本 発明によって、 化学プラント、 エンジンなどの流体の変化の様子を高時間分 解能で計測を行うことが可能となる。 なお、 上記の説明では、 測定対象領域 Rでは、 空気と窒素、 また酸素と窒 素が交互に流れる場合について説明したが、 この気体は空気や窒素に限定さ れることなく、 任意の気体を採用することができる。 産業上の利用可能性

以上述べたように、 この発明では、 包絡処理信号の閾値降下時点と超音波 生成信号の信号出力時点との時間差分を求めるようにし、 この閾値降下時点 は、 超音波受信信号が減衰し、 安定している領域に位置しているので、 測定 結果も安定しており、 このため従来、 データの精度維持を図るために必要で あった平均加算などの処理が不要となり、 一度の超音波の送信 ·受信で気体 中の濃度変化の計測を行うことが可能となる。 したがって、 気体濃度変化の 測定を短時間で速やかに求めることができる。

また、 矩形パルス波を用いて超音波を生成するようにしたので、 従来定常 波を用いていたときに発生していた 2次、 3次の反射は発生せず、 このため、 超音波送信素子と超音波受信素子との距離を数 mm程度まで短く しても、 計 測が可能となり、 細管の中の気体濃度変化や気体流量変化を高精度で測定す ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 測定対象領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測装置におい て、

複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、 その 超音波生成信号に応じて超音波を送信する超音波送信手段と、

上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電気信号に変換し 超音波受信信号とする超音波受信手段と、

上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、 上記超音波受信信号 に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、 その包絡処理信 号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点 を求め、 その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を気体濃度の変化分 として検出する気体濃度計測手段と、

を備えることを特徴とする気体濃度計測装置。

2 . 上記閾値降下時点と上記信号出力時点との差分は、 気体の混合比に リニアに応答する、 請求の範囲第 1項に記載の気体濃度計測装置。

3 . 測定対象領域の気体の濃度変化を計測する気体濃度計測方法におい て、

複数の矩形パルス波からなる矩形パルス波群を超音波生成信号とし、 その 超音波生成信号に応じて超音波を送信し、

上記測定対象領域の気体を通過した後の上記超音波を電気信号に変換し て超音波受信信号とし、

上記超音波生成信号の信号出力時点を検出する一方、 上記超音波受信信号 に包絡線抽出処理を施して包絡処理信号を求めるとともに、 その包絡処理信 号が所定の閾値を越えた後にその閾値以下となる時点である閾値降下時点 を求め、 その閾値降下時点と上記信号出力時点との差分を気体濃度の変化分 として検出する、

ことを特徴とする気体濃度計測方法。