WO2023085151A1 - 気体濃度測定装置 - Google Patents

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WO2023085151A1
WO2023085151A1 PCT/JP2022/040654 JP2022040654W WO2023085151A1 WO 2023085151 A1 WO2023085151 A1 WO 2023085151A1 JP 2022040654 W JP2022040654 W JP 2022040654W WO 2023085151 A1 WO2023085151 A1 WO 2023085151A1
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WO
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propagation time
wave method
direct wave
time
gas concentration
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PCT/JP2022/040654
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English (en)
French (fr)
Inventor
修史 新福
卓也 関
Original Assignee
日清紡ホールディングス株式会社
日本無線株式会社
上田日本無線株式会社
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a gas concentration measuring device, and more particularly to a device that measures gas concentration based on the propagation time of ultrasonic waves in a concentration measurement space.
  • Fuel cells produce electricity through the chemical reaction of hydrogen and oxygen.
  • hydrogen is supplied as fuel to the fuel cell and oxygen is taken into the fuel cell from the ambient air.
  • a hydrogen tank is mounted on the fuel cell vehicle, and hydrogen is supplied from the hydrogen tank to the fuel cell. When the amount of hydrogen in the hydrogen tank is low, hydrogen is supplied from the hydrogen supply device installed at the service station to the hydrogen tank of the fuel cell vehicle.
  • a hydrogen concentration measuring device has a function of measuring the concentration of hydrogen contained in the air and issuing an alarm when the hydrogen concentration exceeds a predetermined value.
  • Patent Document 1 describes a device for measuring the concentration of a specific gas. This device measures the concentration of a specific gas based on the propagation speed of ultrasonic waves in the air being measured. A propagation time from when the ultrasonic wave is transmitted from the transmitter to when the ultrasonic wave propagated through the measurement section in the concentration measurement space is received by the receiver is measured, and the propagation speed is measured from this propagation time. The gas concentration is measured.
  • an ultrasonic wave is transmitted to a measurement room, a reflected wave reflected by a wall surface of the measurement room is received, a propagation time for the ultrasonic wave to propagate through the measurement room is obtained, and a propagation velocity is obtained.
  • a gas concentration sensor for detecting the concentration of a gas to be measured. It is described that the propagation time is obtained from the difference between the time when the first reflected wave received earlier by the ultrasonic element is received and the time when the second reflected wave received later by the ultrasonic element is received.
  • JP 2018-100916 A JP-A-2000-249691
  • the propagation time from the transmission of the ultrasonic wave from the transmitter until the ultrasonic wave propagated through the measurement section in the concentration measurement space is received by the receiver is called the direct wave method.
  • ultrasonic waves are transmitted to the measurement chamber, and the time at which the first ultrasonic wave received earlier by the ultrasonic element is received, and the time when the first ultrasonic wave is received later by the ultrasonic element A method of obtaining the propagation time from the difference from the time when the second ultrasonic wave is received is called a reflected wave method.
  • the direct wave method it is necessary to compensate for the signal delay time in the transmitter and receiver, which may increase the amount of processing required for measurement.
  • the reflected wave method although it is not necessary to compensate for the delay time, when the distance to propagate the ultrasonic wave is short or the propagation speed is high, the first ultrasonic wave and the second ultrasonic wave overlap on the time axis. In some cases, it becomes difficult to measure the propagation time.
  • the purpose of the present invention is to simply and accurately measure the gas concentration.
  • the present invention includes a concentration measurement space for measuring gas concentration, a transmitter for transmitting ultrasonic waves to the concentration measurement space in response to a transmission signal, and an ultrasonic wave propagated through the concentration measurement space and outputting a received signal.
  • the spatial propagation time for the ultrasonic wave to propagate in the concentration measurement space is determined based on the receiving unit, the timing at which the transmission signal is input to the transmission unit, and the timing at which the reception signal is output from the receiving unit.
  • the analysis unit calculates the direct wave method propagation time obtained by the direct wave method and the reflected wave method obtained by the reflected wave method
  • a correction value for the direct wave method propagation time is obtained based on the reflected wave method propagation time, and the corrected propagation time obtained by correcting the direct wave method propagation time based on the correction value, or the reflected wave method propagation time
  • the spatial propagation time is obtained based on either the direct wave method propagation time or a value related thereto, and the direct wave method includes the transmission timing at which the transmission signal is input to the transmission unit, and the A measurement method for determining the propagation time of the direct wave system based on a difference from a first reception timing at which the reception signal is first output from the reception section after the transmission signal is input to the transmission section, wherein the reflection The wave method is based on a difference between the first reception timing and a second reception timing at which the reception signal is output for the second time from the reception unit after
  • the analysis unit when the condition that the direct wave method propagation time is equal to or greater than a predetermined background processing threshold is established, determines that the direct wave method propagation time The correction value is determined based on the time and the reflected wave propagation time.
  • the analysis unit calculates the Find the spatial propagation time.
  • the analysis unit based on the reflected wave method propagation time, Obtain the spatial propagation time.
  • the present invention includes a concentration measurement space for measuring gas concentration, a transmission unit for transmitting ultrasonic waves to the concentration measurement space in accordance with a transmission signal, an ultrasonic wave propagated through the concentration measurement space, and a received signal , a timing at which the transmission signal is input to the transmission unit, and a timing at which the reception signal is output from the reception unit, a spatial propagation for propagating the ultrasonic wave in the concentration measurement space an analysis unit that obtains the time and obtains the concentration of the gas to be measured based on the spatial propagation time, wherein the analysis unit obtains the direct wave method propagation time obtained by the direct wave method and the reflected wave method.
  • a correction value for the direct wave method propagation time is obtained based on the obtained reflected wave method propagation time, and measurement of the propagation time by the direct wave method and the reflected wave method is repeatedly performed, and the direct wave method propagation time is measured.
  • one of the corrected propagation time obtained by correcting the direct wave propagation time based on the correction value, or the reflected wave propagation time according to the time change and the time change of the reflected wave propagation time; is selected, and the spatial propagation time is obtained based on one of the selected ones, and the direct wave method includes transmission timing at which the transmission signal is input to the transmission unit, and transmission timing at which the transmission signal is input to the transmission unit.
  • the reflected wave method is the first reception timing and the , based on the difference from a second reception timing at which the reception signal is output from the reception section for the second time after the transmission signal is input to the transmission section, the reflected wave propagation time is obtained. It is characterized by
  • the analysis unit determines one of the direct wave method propagation time and the reflected wave method propagation time as a main propagation time and the other as a secondary propagation time according to the direct wave method propagation time or a value related thereto. Recognized as the propagation time, when the absolute value of the time change of the main propagation time is equal to or greater than a predetermined change threshold and the absolute value of the time change of the secondary propagation time is less than the predetermined change threshold, The spatial propagation time is obtained based on the secondary propagation time.
  • the analysis unit determines one of the direct wave method propagation time and the reflected wave method propagation time as a main propagation time and the other as a secondary propagation time according to the direct wave method propagation time or a value related thereto. Recognized as the propagation time, when the absolute value of the time change of the primary propagation time is greater than or equal to a predetermined change threshold, and the absolute value of the time change of the secondary propagation time is greater than or equal to the predetermined change threshold, The spatial propagation time is obtained based on the main propagation time.
  • the analysis unit selects the reflected wave method propagation time as the main propagation time when a condition is established that the direct wave method propagation time is equal to or greater than a predetermined method switching threshold.
  • the analysis unit selects the direct wave system propagation time as the main propagation time when a condition is established that the direct wave system propagation time is less than a predetermined system switching threshold.
  • gas concentration can be measured simply and accurately.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a time waveform of a received signal
  • FIG. 2 is a diagram conceptually showing a direct wave system propagation time T ⁇ with respect to an actual spatial propagation time T 0 and a reflected wave system propagation time T ⁇ with respect to an actual spatial propagation time T 0
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between hydrogen concentration and propagation velocity
  • FIG. 4 is a diagram showing whether gas concentration measurement is performed by the direct wave method or the reflected wave method with respect to the direct wave method propagation time T ⁇ .
  • FIG. 1 shows the configuration of a gas concentration measuring device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the gas concentration measuring device 100 includes a housing 10 , a transmitter 14 , a receiver 16 and an analyzer 18 .
  • the housing 10 forms an analysis unit accommodation space 20 and a concentration measurement space 22 .
  • the concentration measurement space 22 is a cylindrical space with both ends closed.
  • a transmitter 14 is arranged at one end of the concentration measurement space 22, and a receiver 16 is arranged at the other end.
  • the analysis unit 18 is accommodated in the analysis unit accommodation space 20 .
  • the analysis unit 18 may be configured by a processor that executes a preloaded program.
  • the processor may be fixed to the analysis unit housing space 20 while being fixed to the substrate.
  • the transmitting unit 14 and the receiving unit 16 are equipped with ultrasonic transducers.
  • the transmitter 14 and receiver 16 are connected to the analyzer 18 .
  • the transmission unit 14 transmits ultrasonic waves to the concentration measurement space 22 under the control of the analysis unit 18 . That is, the analysis unit 18 outputs a transmission signal, which is an electrical signal, to the transmission unit 14 .
  • the transmission unit 14 converts the transmission signal into an ultrasonic wave and transmits the ultrasonic wave.
  • the receiver 16 receives the ultrasonic waves that have propagated through the concentration measurement space 22 .
  • the receiving unit 16 converts the received ultrasonic wave into a received signal, which is an electric signal, and outputs the received signal to the analyzing unit 18 .
  • the analysis unit 18 obtains the spatial propagation time for the ultrasonic wave to propagate in the concentration measurement space 22 based on the timing at which the transmission signal is input to the transmission unit 14 and the timing at which the reception signal is output from the reception unit 16, The concentration of the gas to be measured is obtained based on the spatial propagation time.
  • the analysis unit 18 determines the spatial propagation time required for the ultrasonic wave to propagate from one end to the other end of the concentration measurement space 22 using either the direct wave method or the reflected wave method. Which measurement method is used to determine the spatial propagation time will be described later.
  • the direct wave method is based on the difference between the transmission timing at which the transmission signal is output from the analysis unit 18 to the transmission unit 14 and the first reception timing at which the reception signal is first output from the reception unit 16 after the transmission signal is output. This is a measurement method for obtaining the propagation time (direct wave propagation time T ⁇ ).
  • the difference (time difference) between the transmission timing and the first reception timing may be obtained by subtracting the time indicating the transmission timing from the time indicating the first reception timing.
  • the received signal that is first output from the receiver 16 corresponds to the direct ultrasound that is first received by the receiver 16 .
  • a direct ultrasonic wave is an ultrasonic wave that is transmitted from the transmitter 14 , propagates through the concentration measurement space 22 from one end to the other, and is received by the receiver 16 .
  • the propagation time (reflected wave method propagation time T ⁇ ) is a measurement method.
  • the difference (time difference) between the first reception timing and the second reception timing may be obtained by subtracting the time indicating the first reception timing from the time indicating the second reception timing.
  • the second reception signal output from the reception unit 16 corresponds to the reflected ultrasonic wave received by the reception unit 16 after being transmitted from the transmission unit 14 and propagated through the concentration measurement space 22 for one and a half round trips. .
  • the reflected ultrasonic wave is transmitted from the transmitter 14, propagates through the concentration measurement space 22 from one end to the other end, is reflected at the other end, propagates through the concentration measurement space 22 from the other end to the one end, It is an ultrasonic wave that is reflected, propagates through the concentration measurement space 22, and is received by the receiving section 16.
  • FIG. 2 schematically shows the time waveform of the received signal output from the receiving section 16.
  • Each received signal output from the receiving section 16 to the analyzing section 18 has a sinusoidal time waveform subjected to pulse-like amplitude modulation.
  • the analysis unit 18 outputs the transmission signal to the transmission unit 14 .
  • the analysis unit 18 stores the time waveform of the direct wave reception signal 24 output from the reception unit 16 and the time waveform of the reflected wave reception signal 26 output from the reception unit 16 .
  • the analysis unit 18 obtains the correlation value between the shift signal obtained by temporarily advancing the reflected wave reception signal 26 by the shift time ⁇ and the direct wave reception signal 24 .
  • the analysis unit 18 obtains the shift time ⁇ when the correlation value is maximized as the reflected wave propagation time T ⁇ .
  • the Euclidean distance may be used instead of the correlation value when obtaining the reflected wave propagation time T ⁇ .
  • the Euclidean distance is defined as the square root of the time-integrated square of the difference between the two signals.
  • the magnitude of one or both of the signals may be adjusted so that the maximum values of the two signals are the same. The smaller the Euclidean distance, the greater the degree of approximation between the two signals.
  • the analysis unit 18 obtains a half value of the reflected wave method propagation time T ⁇ as the space propagation time T.
  • the spatial propagation time T is the time required for the ultrasonic wave to propagate from one end of the concentration measurement space 22 to the other end.
  • a concentration calculation formula (Formula 1) representing the relationship between the propagation speed of ultrasonic waves and the concentration of a specific gas contained in the gas through which the ultrasonic waves propagate is widely known.
  • the analysis unit 18 obtains the concentration of the gas from the spatial propagation time T and the length L of the concentration measurement space 22 using the concentration calculation formula (Equation 1) or a formula having the same meaning.
  • k is the gas specific heat ratio
  • R is the gas constant
  • Tmp is the temperature of the concentration measurement space 22 .
  • M h is the molecular weight of the gas to be measured
  • M a is the molecular weight of air without the gas to be measured. Assuming that the composition of air is only 80% nitrogen and 20% oxygen, the specific heat ratio k may be 1.4.
  • the gas constant R is 8.31
  • the molecular weight M a of air is 28.8. If the gas to be measured is hydrogen, the molecular weight Mh is 2.0.
  • L/T in (Equation 1) represents the propagation speed of ultrasonic waves.
  • the analysis unit 18 outputs the transmission signal to the transmission unit 14 .
  • the analysis unit 18 stores the time waveform of the transmission signal and the time waveform of the direct wave reception signal 24 output from the reception unit 16 .
  • the analysis unit 18 obtains the correlation value between the shift signal obtained by temporarily advancing the direct wave reception signal 24 by the shift time ⁇ and the transmission signal.
  • a correlation value indicates the degree to which the time waveforms of two signals are similar.
  • the analysis unit 18 obtains the shift time ⁇ when the correlation value is maximized as the direct wave system propagation time T ⁇ .
  • the Euclidean distance may be used instead of the correlation value when obtaining the direct wave system propagation time T ⁇ .
  • the analyzing unit 18 detects the peak value of the positive or negative peak value of the received signal that is first output from the receiving unit 16 after the appearance of the zero-crossing point immediately after the peak value of the positive or negative peak value of the transmission signal.
  • the direct wave system propagation time T ⁇ may be obtained based on the time until the immediately following zero-crossing point appears.
  • the zero-crossing point means the intersection of the time waveform of the signal and the time axis.
  • the time from when the analysis unit 18 outputs the transmission signal to the transmission unit 14 to when the reception unit 16 outputs each received signal to the analysis unit 18 includes transmission delay time and A delay time Td including the reception delay time is included.
  • the transmission delay time is the time from when the analysis unit 18 outputs the transmission signal to when the transmission unit 14 transmits the ultrasonic wave
  • the reception delay time is the time after the ultrasonic wave is received by the reception unit 16. This is the time until the receiver 16 outputs the received signal to the analyzer 18 .
  • the correction value ⁇ may be determined repeatedly at predetermined time intervals based on background processing described below.
  • Background processing may be performed in conjunction with the measurement of gas concentration or separately from the measurement of gas concentration.
  • the background processing is processing for obtaining the correction value ⁇ based on the reflected wave method propagation time T ⁇ 0 and the direct wave method propagation time T ⁇ 0 .
  • the reflected wave system propagation time T ⁇ 0 is obtained, the direct wave system propagation time T ⁇ 0 is obtained, and the correction value target value ⁇ 0 is obtained based on the following (Equation 2).
  • the correction value ⁇ is corrected so as to approach or match the correction value target value ⁇ of 0 .
  • FIG. 3 conceptually shows the direct wave system propagation time T ⁇ with respect to the actual spatial propagation time T 0 , and the reflected wave system propagation time T ⁇ with respect to the actual spatial propagation time T 0 .
  • the analysis unit 18 may obtain an error by subtracting the correction value target value ⁇ 0 from the previously obtained correction value ⁇ , and obtain a new correction value ⁇ by proportional-integral control based on this error. Alternatively, the analysis unit 18 may obtain a new correction value ⁇ by using the correction value target value ⁇ 0 as the correction value ⁇ . The analysis unit 18 stores the newly obtained correction value ⁇ until the next correction value ⁇ is obtained.
  • the analysis unit 18 obtains the corrected propagation time by adding the correction value ⁇ to the direct wave method propagation time T ⁇ obtained for measuring the gas concentration, and defines the corrected propagation time as the spatial propagation time T. Furthermore, the analysis unit 18 obtains the gas concentration using (Equation 1).
  • FIG. 4 shows the relationship between the hydrogen concentration and the propagation speed when the temperature is 25°.
  • the horizontal axis indicates hydrogen concentration (%), and the vertical axis indicates propagation velocity (m/sec).
  • the propagation velocity also increases with increasing hydrogen concentration.
  • the change (slope) of the propagation speed with respect to the change in hydrogen concentration tends to increase as the hydrogen concentration increases. Such properties are the same for other gases.
  • the time required for propagation in the concentration measurement space 22 decreases, and the reflected wave propagation time T ⁇ decreases.
  • the time from the output of the direct wave reception signal from the receiver 16 to the output of the reflected wave reception signal 26 is shortened.
  • the time waveform of the direct wave reception signal 24 and the time waveform of the reflected wave reception signal 26 overlap on the time axis, and the measurement accuracy of the reflected wave method propagation time T ⁇ may be degraded.
  • the reflected wave received signal 26 does not overlap the head portion of the time waveform of the direct wave received signal 24, so the measurement of the direct wave method propagation time T ⁇ is relatively accurate. is performed on
  • the gas concentration measuring apparatus 100 repeatedly measures the direct wave method propagation time T ⁇ and the reflected wave method propagation time T ⁇ at predetermined time intervals. perform a similar process. That is, the analysis unit 18 measures the gas concentration by the reflected wave method when the direct wave method propagation time T ⁇ is equal to or greater than the predetermined method switching threshold tc. On the other hand, when the direct wave method propagation time T ⁇ is less than the method switching threshold tc, the analysis unit 18 measures the gas concentration by the direct wave method.
  • the measurement of the gas concentration by the direct wave method requires a correction value ⁇ for the direct wave method propagation time T ⁇ .
  • the analysis unit 18 updates the correction value ⁇ when the direct wave system propagation time T ⁇ is equal to or greater than a predetermined background processing threshold tb. That is, the analysis unit 18 performs background processing at predetermined time intervals to obtain the correction value ⁇ , replaces the previously stored correction value ⁇ with a new correction value ⁇ , and stores the new correction value ⁇ .
  • the background processing threshold tb may be a value less than the method switching threshold tc.
  • the analysis unit 18 When the direct wave system propagation time T ⁇ is less than the background processing threshold value tb, the analysis unit 18 does not execute the background processing, and maintains the correction value ⁇ at the current value. If background processing has never been executed in the past, the analysis unit 18 may store an initial correction value ⁇ obtained through experiments or simulations.
  • FIG . 5 shows whether gas concentration is measured by the direct wave method or the reflected wave method with respect to the direct wave method propagation time T ⁇ . there is FIG. 5 also shows the range of direct wave propagation times T ⁇ when background processing is performed. The determination of whether the gas concentration is to be measured by the direct wave method or the reflected wave method and the determination of whether or not to perform background processing are made based on the direct wave method propagation time T ⁇ .
  • the analysis unit 18 may obtain only the direct wave method propagation time T ⁇ and not the reflected wave method propagation time T ⁇ .
  • the analysis unit 18 maintains the state in which the previously obtained correction value ⁇ is stored.
  • the analysis unit 18 obtains not only the direct wave system propagation time T ⁇ but also the reflected wave system propagation time T ⁇ .
  • the analysis unit 18 sets the currently obtained direct wave method propagation time T ⁇ to T ⁇ 0 , the currently obtained reflected wave method propagation time T ⁇ to T ⁇ 0 , and sets the correction value target value based on (Equation 2) Find ⁇ 0 .
  • the analysis unit 18 updates and stores the correction value ⁇ such that the correction value ⁇ matches or approaches the correction value target value ⁇ 0 .
  • the analysis unit 18 measures the gas concentration by the direct wave method when the direct wave method propagation time T ⁇ is less than the method switching threshold tc. That is, the analysis unit 18 obtains the spatial propagation time T (propagation time after correction) by adding the correction value ⁇ to the direct wave method propagation time T ⁇ , and obtains the gas concentration based on the spatial propagation time T.
  • the analysis unit 18 measures the gas concentration by the reflected wave method. That is, the reflected wave method propagation time T ⁇ is taken as the spatial propagation time T, and the gas concentration is obtained based on the spatial propagation time T.
  • the analysis unit 18 calculates the corrected propagation time obtained by correcting the direct wave method propagation time T ⁇ based on the correction value ⁇ , or the reflected wave method propagation time T ⁇ corresponding to the direct wave method propagation time T ⁇
  • the spatial propagation time T is obtained based on the other one.
  • the processing executed by the analysis unit 18 when the reflected wave method propagation time T ⁇ can be obtained with high accuracy, that is, when the direct wave method propagation time T ⁇ is equal to or greater than the method switching threshold tc, reflected wave method propagation The gas concentration is obtained based on the time T ⁇ .
  • the direct wave system propagation time T ⁇ When it is difficult to obtain the reflected wave system propagation time T ⁇ with high accuracy, that is, when the direct wave system propagation time T ⁇ is less than the system switching threshold tc, the direct wave system propagation time T ⁇ to obtain the gas concentration.
  • the direct wave method propagation time T ⁇ is less than the method switching threshold tc
  • the gas concentration is higher than when it is equal to or greater than the method switching threshold tc, and the change in the propagation speed with respect to the change in the gas concentration is large. Therefore, compared to the case where the direct wave method propagation time T ⁇ is equal to or greater than the method switching threshold tc, high measurement accuracy (small error ratio) is not required for the gas concentration, and the gas concentration can be measured by the direct wave method, which is easy to measure. may be measured.
  • Gas concentration may be measured by the wave method. As described above, according to the gas concentration measuring apparatus 100 according to the present embodiment, the gas concentration can be easily and accurately measured over a wide range of direct wave propagation times T ⁇ , that is, over a wide range of gas concentrations. be.
  • the background processing is executed when the direct wave method propagation time T ⁇ is equal to or greater than the background processing threshold tb even if the direct wave method propagation time is less than the method switching threshold tc. be.
  • the correction value ⁇ is obtained within the range of the reflected wave method propagation time T ⁇ in which sufficient accuracy is ensured, and the correction value ⁇ is obtained over a wide range.
  • the analysis unit 18 selects the propagation time according to the time change of the direct wave method propagation time T ⁇ and the time change of the reflected wave method propagation time T ⁇ . That is, the analysis unit 18 selects either the corrected propagation time obtained by correcting the direct wave propagation time T ⁇ based on the correction value ⁇ or the reflected wave propagation time T ⁇ , and Based on this, the spatial propagation time T is obtained.
  • the analysis unit 18 obtains the spatial propagation time T based on the main propagation time when the absolute value of the time change of the main propagation time is less than a predetermined change threshold.
  • the analysis unit 18 calculates the main propagation time Based on, the spatial propagation time T is obtained.
  • the analysis unit 18 A spatial propagation time T is obtained based on the propagation time.
  • the analysis unit 18 obtains the direct wave method propagation time T ⁇ and the reflected wave method propagation time T ⁇ at predetermined time intervals. Each time the direct wave system propagation time T ⁇ is determined, the analysis unit 18 subtracts the previously obtained direct wave system propagation time T ⁇ from the later obtained direct wave system propagation time T ⁇ to obtain the direct wave system propagation time T ⁇ A time change ⁇ of time T ⁇ is obtained. Further, the analysis unit 18 subtracts the previously obtained reflected wave method propagation time T ⁇ from the subsequently obtained reflected wave method propagation time T ⁇ to obtain the time variation ⁇ of the reflected wave method propagation time T ⁇ .
  • the analysis unit 18 obtains the spatial propagation time T based on the direct wave method propagation time T ⁇ , and measures the gas concentration by the direct wave method.
  • the analysis unit 18 performs spatial propagation based on the direct wave system propagation time T ⁇ . Obtain the time T and measure the gas concentration by the direct wave method.
  • the analysis unit 18 determines spatial propagation based on the reflected wave propagation time T ⁇ .
  • the time T is obtained, and the gas concentration is measured by the reflected wave method.
  • the analysis unit 18 obtains the spatial propagation time T based on the reflected wave method propagation time T ⁇ , and measures the gas concentration by the reflected wave method.
  • the analysis unit 18 performs spatial propagation based on the reflected wave propagation time T ⁇ .
  • the time T is obtained, and the gas concentration is measured by the reflected wave method.
  • the analysis unit 18 When the absolute value of the time change ⁇ is equal to or greater than a predetermined change threshold and the absolute value of the time change ⁇ is less than the predetermined change threshold, the analysis unit 18 performs spatial propagation based on the direct wave system propagation time T ⁇ . Obtain the time T and measure the gas concentration by the direct wave method.
  • the threshold in each determination may be set to a value related to the direct wave propagation time T ⁇ .
  • a method switching threshold hc corresponding to the method switching threshold tc is determined, and a background processing threshold hb corresponding to the background processing threshold tb is determined.
  • the condition that the direct wave method propagation time T ⁇ is equal to or greater than the method switching threshold tc is established.
  • a condition is established that the method propagation time T ⁇ is less than the method switching threshold tc.
  • the condition that the direct wave propagation time T ⁇ is equal to or greater than the background processing threshold tb is established, and the gas concentration for determination is equal to or less than the background processing threshold hb. , the condition is satisfied that the direct wave system propagation time T ⁇ is less than the background processing threshold tb.
  • the analysis unit 18 measures the gas concentration by the direct wave method when the gas concentration for determination exceeds the method switching threshold hc, and measures the gas concentration by the reflected wave method when the gas concentration for determination is equal to or less than the method switching threshold hc. do. Further, the analysis unit 18 executes background processing when the gas concentration for determination is equal to or less than the background processing threshold hb, and executes background processing when the gas concentration for determination exceeds the background processing threshold hb. do not.

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Abstract

本発明は、気体濃度の測定を簡単かつ正確に行うことを目的とする。気体濃度測定装置(100)は、濃度測定空間(22)と、送信信号に応じて濃度測定空間(22)に超音波を送信する送信部(14)と、濃度測定空間(22)を伝搬した超音波を受信し、受信信号を出力する受信部(16)と、解析部(18)とを備える。解析部(18)は、送信部14に送信信号が入力されるタイミングと、受信部16から受信信号が出力されるタイミングとに基づいて、濃度測定空間(22)における空間伝搬時間を求め、空間伝搬時間に基づいて測定対象の気体の濃度を求める。解析部18は、直接波方式伝搬時間と、反射波方式伝搬時間とに基づいて、直接波方式伝搬時間に対する補正値を求め、直接波方式伝搬時間を補正値に基づいて補正した補正後伝搬時間、または、反射波方式伝搬時間のうち直接波方式伝搬時間もしくはそれに関連する値に応じた一方に基づいて空間伝搬時間を求める。

Description

気体濃度測定装置
 本発明は、気体濃度測定装置に関し、特に、濃度測定空間における超音波の伝搬時間に基づいて、気体濃度を測定する装置に関する。
 燃料電池から供給される電力によって走行する燃料電池車について、広く研究開発が行われている。燃料電池は水素および酸素の化学反応によって電力を発生する。一般に、水素が燃料として燃料電池に供給され、酸素は周囲の空気から燃料電池に取り入れられる。燃料電池車には水素タンクが搭載され、水素タンクから燃料電池に水素が供給される。水素タンク内の水素が少なくなったときは、サービスステーションに設置された水素供給装置から燃料電池車の水素タンクに水素が供給される。
 水素は可燃性の気体であるため、燃料電池車や水素供給装置からの水素の漏れの監視が必要となる。そこで、燃料電池車や水素供給装置と共に、水素濃度測定装置が広く用いられている。水素濃度測定装置は、空気中に含まれる水素の濃度を測定したり、水素濃度が所定値を超えたときに警報を発したりする機能を有する。
 以下の特許文献1には、特定の気体の濃度を測定する装置が記載されている。この装置は、測定対象の空気における超音波の伝搬速度に基づいて特定の気体の濃度を測定するものである。送信部から超音波が送信されてから、濃度測定空間内の測定区間を伝搬した超音波が受信部で受信されるまでの伝搬時間が測定され、この伝搬時間から伝搬速度が測定され、さらには気体の濃度が測定される。
 特許文献2には、超音波を測定室に送信すると共に、測定室の壁面で反射した反射波を受信し、超音波が測定室を伝搬する伝搬時間を求め、さらには伝搬速度を求めることで、被測定ガスの濃度を検出するガス濃度センサが記載されている。超音波素子で先に受信される第1反射波が受信された時間と、超音波素子で後に受信される第2反射波が受信された時間との相違から伝搬時間を求めることが記載されている。
特開2018-100916号公報 特開2000-249691号公報
 本明細書では、特許文献1に記載されているように、送信部から超音波が送信されてから、濃度測定空間内の測定区間を伝搬した超音波が受信部で受信されるまでの伝搬時間を測定する方式を直接波方式という。一方、特許文献2に記載されているように、超音波が測定室に送信され、超音波素子で先に受信される第1超音波が受信された時間と、超音波素子で後に受信される第2超音波が受信された時間との相違から伝搬時間を求める方式を反射波方式という。
 直接波方式では、送信部および受信部での信号の遅延時間を補償する処理が必要となり、測定に必要な処理が多くなってしまうことがある。反射波方式では、遅延時間を補償する必要がないものの、超音波を伝搬させる距離が短い場合や、伝搬速度が大きい場合には、第1超音波と第2超音波が時間軸上で重なってしまい、伝搬時間の測定が困難となってしまうことがある。
 本発明は、気体の濃度の測定を簡単かつ正確に行うことを目的とする。
 本発明は、気体濃度を測定する濃度測定空間と、送信信号に応じて前記濃度測定空間に超音波を送信する送信部と、前記濃度測定空間を伝搬した超音波を受信し、受信信号を出力する受信部と、前記送信部に前記送信信号が入力されるタイミングと、前記受信部から前記受信信号が出力されるタイミングとに基づいて、超音波が前記濃度測定空間を伝搬する空間伝搬時間を求め、前記空間伝搬時間に基づいて測定対象の気体の濃度を求める解析部と、を備え、前記解析部は、直接波方式で求められた直接波方式伝搬時間と、反射波方式で求められた反射波方式伝搬時間とに基づいて、前記直接波方式伝搬時間に対する補正値を求め、前記直接波方式伝搬時間を前記補正値に基づいて補正した補正後伝搬時間、または、前記反射波方式伝搬時間のうち、前記直接波方式伝搬時間もしくはそれに関連する値に応じた一方に基づいて前記空間伝搬時間を求め、前記直接波方式は、前記送信部に前記送信信号が入力される送信タイミングと、前記送信部に前記送信信号が入力されてから前記受信部から最初に前記受信信号が出力される第1受信タイミングとの相違に基づいて、前記直接波方式伝搬時間を求める測定方式であり、前記反射波方式は、前記第1受信タイミングと、前記送信部に前記送信信号が入力されてから前記受信部から2回目に前記受信信号が出力される第2受信タイミングとの相違に基づいて、前記反射波方式伝搬時間を求める測定方式であることを特徴とする。
 望ましくは、請求項1に記載の気体濃度測定装置において、前記解析部は、前記直接波方式伝搬時間が、所定のバックグラウンド処理閾値以上であるという条件が成立するときに、前記直接波方式伝搬時間および前記反射波方式伝搬時間に基づいて、前記補正値を求める。
 望ましくは、前記解析部は、前記直接波方式伝搬時間が、前記バックグラウンド処理閾値を超える所定の方式切り替え閾値未満の値であるという条件が成立するときには、前記補正後伝搬時間に基づいて、前記空間伝搬時間を求める。
 望ましくは、前記解析部は、前記直接波方式伝搬時間が、前記バックグラウンド処理閾値を超える所定の方式切り替え閾値以上の値であるという条件が成立するときには、前記反射波方式伝搬時間に基づいて、前記空間伝搬時間を求める。
 また、本発明は、気体濃度を測定する濃度測定空間と、送信信号に応じて前記濃度測定空間に超音波を送信する送信部と、前記濃度測定空間を伝搬した超音波を受信し、受信信号を出力する受信部と、前記送信部に前記送信信号が入力されるタイミングと、前記受信部から前記受信信号が出力されるタイミングとに基づいて、超音波が前記濃度測定空間を伝搬する空間伝搬時間を求め、前記空間伝搬時間に基づいて測定対象の気体の濃度を求める解析部と、を備え、前記解析部は、直接波方式で求められた直接波方式伝搬時間と、反射波方式で求められた反射波方式伝搬時間とに基づいて、前記直接波方式伝搬時間に対する補正値を求め、前記直接波方式および前記反射波方式による伝搬時間の測定を繰り返し実行し、前記直接波方式伝搬時間の時間変化と、前記反射波方式伝搬時間の時間変化とに応じて、前記直接波方式伝搬時間を前記補正値に基づいて補正した補正後伝搬時間、または、前記反射波方式伝搬時間のうちの一方を選択し、その選択した一方に基づいて前記空間伝搬時間を求め、前記直接波方式は、前記送信部に前記送信信号が入力される送信タイミングと、前記送信部に前記送信信号が入力されてから前記受信部から最初に前記受信信号が出力される第1受信タイミングとの相違に基づいて、前記直接波方式伝搬時間を求める測定方式であり、前記反射波方式は、前記第1受信タイミングと、前記送信部に前記送信信号が入力されてから前記受信部から2回目に前記受信信号が出力される第2受信タイミングとの相違に基づいて、前記反射波方式伝搬時間を求める測定方式であることを特徴とする。
 望ましくは、前記解析部は、前記直接波方式伝搬時間またはそれに関連する値に応じて、前記直接波方式伝搬時間および前記反射波方式伝搬時間のうち一方を主なる伝搬時間として、他方を副なる伝搬時間として認識し、前記主なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、前記副なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値未満である場合、前記副なる伝搬時間に基づいて、前記空間伝搬時間を求める。
 望ましくは、前記解析部は、前記直接波方式伝搬時間またはそれに関連する値に応じて、前記直接波方式伝搬時間および前記反射波方式伝搬時間のうち一方を主なる伝搬時間として、他方を副なる伝搬時間として認識し、前記主なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、前記副なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上である場合、前記主なる伝搬時間に基づいて、前記空間伝搬時間を求めることを特徴とする。
 望ましくは、前記解析部は、前記直接波方式伝搬時間が所定の方式切り替え閾値以上の値であるという条件が成立するときには、前記反射波方式伝搬時間を前記主なる伝搬時間として選択する。
 望ましくは、前記解析部は、前記直接波方式伝搬時間が所定の方式切り替え閾値未満の値であるという条件が成立するときには、前記直接波方式伝搬時間を前記主なる伝搬時間として選択する。
 本発明によれば、気体の濃度の測定を簡単かつ正確に行うことができる。
本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置の構成を示す図である。 受信信号の時間波形を模式的に示す図である。 実際の空間伝搬時間Tに対する直接波方式伝搬時間Tβ、および実際の空間伝搬時間Tに対する反射波方式伝搬時間Tαを概念的に示す図である。 水素濃度と伝搬速度との関係を示す図である。 直接波方式伝搬時間Tβに対し、直接波方式または反射波方式のいずれによる気体濃度測定が行われるかを示す図である。
(1)気体濃度測定装置の構成および気体濃度測定装置が実行する基本的な処理
 図1には、本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置100の構成が示されている。気体濃度測定装置100は、筐体10、送信部14、受信部16および解析部18を備えている。筐体10は、解析部収容空間20および濃度測定空間22を形成している。濃度測定空間22は、両端が塞がれた筒状の空間である。濃度測定空間22の一端には送信部14が配置され、他端には受信部16が配置されている。
 解析部収容空間20には解析部18が収容されている。解析部18は、予め読み込まれたプログラムを実行するプロセッサによって構成されてよい。プロセッサは、基板に固定された状態で解析部収容空間20に固定されてもよい。
 送信部14および受信部16は超音波振動子を備えている。送信部14および受信部16は解析部18に接続されている。送信部14は、解析部18の制御に従って、濃度測定空間22に超音波を送信する。すなわち、解析部18は、電気信号である送信信号を送信部14に出力する。送信部14は送信信号を超音波に変換して送信する。受信部16は、濃度測定空間22を伝搬した超音波を受信する。受信部16は、受信した超音波を電気信号である受信信号に変換し、解析部18に出力する。
 解析部18は、送信部14に送信信号が入力されるタイミングと、受信部16から受信信号が出力されるタイミングとに基づいて、超音波が濃度測定空間22を伝搬する空間伝搬時間を求め、空間伝搬時間に基づいて測定対象の気体の濃度を求める。
 解析部18は、直接波方式または反射波方式のいずれかの測定方式で、濃度測定空間22の一端から他端に超音波が伝搬するのに要される空間伝搬時間を決定する。いずれの測定方式を用いて空間伝搬時間を決定するかについては後述する。直接波方式は、解析部18から送信部14に送信信号が出力される送信タイミングと、送信信号の出力後に受信部16から最初に受信信号が出力される第1受信タイミングとの相違に基づいて伝搬時間(直接波方式伝搬時間Tβ)を求める測定方式である。送信タイミングと、第1受信タイミングとの相違(時間差)は、第1受信タイミングを示す時刻から送信タイミングを示す時刻を減算することで求められてよい。受信部16から最初に出力される受信信号は、受信部16で最初に受信される直接超音波に対応する。直接超音波は、送信部14から送信され濃度測定空間22を一端から他端へ伝搬し、受信部16で受信される超音波である。
 反射波方式は、第1受信タイミングと、送信信号の出力後に受信部16から2回目に受信信号が出力される第2受信タイミングとの相違に基づいて、伝搬時間(反射波方式伝搬時間Tα)を求める測定方式である。第1受信タイミングと第2受信タイミングとの相違(時間差)は、第2受信タイミングを示す時刻から第1受信タイミングを示す時刻を減算することで求められてよい。受信部16から2回目に出力される受信信号は、送信部14から送信されてから濃度測定空間22を1往復半に亘って伝搬して、受信部16で受信される反射超音波に対応する。すなわち、反射超音波は、送信部14から送信され、濃度測定空間22を一端から他端へ伝搬し、他端で反射して濃度測定空間22を他端から一端へ伝搬し、さらに、一端で反射して濃度測定空間22を伝搬して受信部16で受信される超音波である。
 図2には、受信部16から出力される受信信号の時間波形が模式的に示されている。時刻t=0に解析部18から送信部14に送信信号が出力される。受信部16から解析部18に出力される各受信信号は、パルス状に振幅変調が施された正弦波状の時間波形を有している。受信部16から最初に出力される受信信号(直接波受信信号24)は、時刻t=t1に波高値の絶対値が最大となる。受信部16から2回目に出力される受信信号(反射波受信信号26)は、時刻t=t1よりも遅れた時刻t=t2に波高値の絶対値が最大となる。
 (2)反射波方式
 反射波方式による気体濃度の測定について図1を参照して説明する。解析部18は送信信号を送信部14に出力する。解析部18は、受信部16から出力された直接波受信信号24の時間波形と、受信部16から出力された反射波受信信号26の時間波形とを記憶する。解析部18は、反射波受信信号26を仮にシフト時間τだけ早めたシフト信号と、直接波受信信号24との相関値を求める。解析部18は相関値が最大となるときのシフト時間τを、反射波方式伝搬時間Tαとして求める。
 なお、反射波方式伝搬時間Tαを求める際には、相関値の代わりに、ユークリッド距離が用いられてもよい。ユークリッド距離は、2つの信号の差の二乗を時間積分した値の平方根として定義される。ユークリッド距離を求めるに際しては、例えば、2つの信号の最大値が同一となるように、一方または両方の信号の大きさを調整してもよい。ユークリッド距離が小さい程、2つの信号が近似している度合いが大きい。
 解析部18は、反射波方式伝搬時間Tαの半分の値を空間伝搬時間Tとして求める。空間伝搬時間Tは、濃度測定空間22の一端から他端へ超音波が伝搬するのに要される時間である。超音波の伝搬速度と、超音波が伝搬する気体に含まれる特定の気体の濃度との関係を表す濃度算定式(数1)が広く知られている。解析部18は、濃度算定式(数1)またはそれと同一の意義を有する数式を用いて、空間伝搬時間Tおよび濃度測定空間22の長さLから気体の濃度を求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、kは気体の比熱比、Rは気体定数、Tmpは濃度測定空間22の温度である。Mは測定対象の気体の分子量であり、Mは測定対象の気体を含まない空気の分子量である。空気の組成を窒素80%、酸素20%のみと仮定すれば、比熱比kは1.4としてよい。また、気体定数Rは8.31であり、空気の分子量Mは28.8である。測定対象の気体が水素である場合、分子量Mは2.0である。(数1)におけるL/Tは超音波の伝搬速度を表す。
(3)直接波方式
 次に、直接波方式による気体濃度の測定について図1を参照して説明する。解析部18は、送信信号を送信部14に出力する。解析部18は、送信信号の時間波形と、受信部16から出力された直接波受信信号24の時間波形とを記憶する。解析部18は、直接波受信信号24を仮にシフト時間τだけ早めたシフト信号と、送信信号との相関値を求める。相関値は、2つの信号の時間波形が近似している度合いを示す。解析部18は相関値が最大となるときのシフト時間τを、直接波方式伝搬時間Tβとして求める。なお、直接波方式伝搬時間Tβを求める際には、相関値の代わりに、ユークリッド距離が用いられてもよい。
 なお、解析部18は、送信信号の正または負の波高値のピーク直後のゼロクロス点が現れてから、受信部16から最初に出力される受信信号の波高値の正または負の波高値のピーク直後のゼロクロス点が現れるまでの時間に基づいて、直接波方式伝搬時間Tβを求めてもよい。ここで、ゼロクロス点とは、信号の時間波形と時間軸との交点をいう。
 図2に示されているように、解析部18が送信信号を送信部14に出力してから、受信部16が各受信信号を解析部18に出力するまでの時間には、送信遅延時間および受信遅延時間を併せた遅延時間Tdが含まれている。ここで、送信遅延時間は、解析部18が送信信号を出力してから送信部14が超音波を送信するまでの時間であり、受信遅延時間は、受信部16で超音波が受信されてから受信部16が受信信号を解析部18に出力するまでの時間である。
 そこで、解析部18は、遅延時間Tdの極性を反転した値である補正値Δβ=-Tdを直接波方式伝搬時間Tβに加算した補正後伝搬時間を求め、この補正後伝搬時間を空間伝搬時間Tとする。補正値Δβは、以下に説明するバックグラウンド処理に基づいて、所定の時間間隔で繰り返し求められてよい。
 バックグラウンド処理は、気体濃度の測定と共に、あるいは気体濃度の測定とは別に行われてよい。バックグラウンド処理は、反射波方式伝搬時間Tα0および直接波方式伝搬時間Tβ0に基づいて補正値Δβを求める処理である。反射波方式伝搬時間Tα0が求められると共に、直接波方式伝搬時間Tβ0が求められ、以下の(数2)に基づいて補正値目標値Δβが求められる。さらに、補正値目標値Δβに近付き、または一致するように、補正値Δβが修正される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 (数2)の物理的意義について説明する。図3には、実際の空間伝搬時間Tに対する直接波方式伝搬時間Tβ、および実際の空間伝搬時間Tに対する反射波方式伝搬時間Tαが概念的に示されている。反射波方式伝搬時間Tαは、直接波方式伝搬時間Tβから、遅延時間Tdを減算して2倍したものに等しく、Tα=(Tβ-Td)×2の関係がある。この数式を補正値-Tdについて解き、-TdをΔβに置き換え、TβおよびTαをそれぞれTβ0およびTα0に置き換えたものが(数2)である。
 解析部18は、先に求められた補正値Δβから補正値目標値Δβを減算した誤差を求め、この誤差に基づく比例積分制御によって新たな補正値Δβを求めてよい。また、解析部18は、補正値目標値Δβをそのまま補正値Δβの値とすることで、新たな補正値Δβを求めてもよい。解析部18は、新たに求めた補正値Δβを、次に補正値Δβを求めるまで記憶する。
 解析部18は、気体濃度の測定のために求めた直接波方式伝搬時間Tβに補正値Δβを加算した補正後伝搬時間を求め、この補正後伝搬時間を空間伝搬時間Tとする。さらに、解析部18は、(数1)を用いて気体濃度を求める。
(4)測定方式の切り替え
 直接波方式による気体濃度の測定では、空間伝搬時間Tを求めるために、補正値Δβを予め求めておく必要がある。これに対し、反射波方式による気体濃度の測定では、補正値Δβを予め求めておく必要はない。その理由は、反射波方式による気体濃度の測定では、受信部16から受信信号が最初に出力されてから、2回目に受信信号が出力されるまでの反射波方式伝搬時間Tαに遅延時間Tdが含まれないためである。すなわち、第1受信タイミングと第2受信タイミングとの時間差を求める過程において、遅延時間Tdが相殺されるためである。
 しかし、反射波方式による気体濃度の測定では、次のような問題がある。一般に気体濃度が大きくなると、超音波の伝搬速度が大きくなる。図4には、温度が25°である場合における、水素濃度と伝搬速度との関係が示されている。横軸は水素濃度(%)を示し、縦軸は伝搬速度(m/sec)を示す。図4に示されているように、水素濃度の増加に対して伝搬速度も増加する。また、水素濃度の変化に対する伝搬速度の変化(傾き)は、水素濃度が大きい程大きくなる傾向にある。このような性質は他の気体についても同様である。
 したがって、気体濃度が大きくなるにつれて、濃度測定空間22を伝搬する時間は短くなり、反射波方式伝搬時間Tαが小さくなる。つまり、受信部16から直接波受信信号が出力されてから、反射波受信信号26が出力されるまでの時間が短くなる。これによって、直接波受信信号24の時間波形と、反射波受信信号26の時間波形とが時間軸上で重なってしまい、反射波方式伝搬時間Tαの測定精度が低下することがある。これに対し、直接波方式による気体濃度の測定では、直接波受信信号24の時間波形の先頭部分には反射波受信信号26が重ならないので、直接波方式伝搬時間Tβの測定が比較的正確に行われる。
 そこで、本実施形態に係る気体濃度測定装置100は、直接波方式伝搬時間Tβおよび反射波方式伝搬時間Tαを所定の時間間隔で繰り返し測定し、1回の測定において解析部18が次のような処理を実行する。すなわち、解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβが、予め定められた方式切り替え閾値tc以上であるときは、反射波方式によって気体濃度を測定する。一方、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc未満であるときは、解析部18は、直接波方式によって気体濃度を測定する。
 なお、直接波方式による気体濃度の測定には、直接波方式伝搬時間Tβに対する補正値Δβが必要である。解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβが、予め定められたバックグラウンド処理閾値tb以上であるときには補正値Δβを更新する。すなわち、解析部18は、所定の時間間隔でバックグラウンド処理を実行して補正値Δβを求め、先に記憶していた補正値Δβを新たな補正値Δβに置き換えて記憶する。バックグラウンド処理閾値tbは、方式切り替え閾値tc未満の値であってよい。
 解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβが、バックグラウンド処理閾値tb未満であるときは、バックグラウンド処理を実行せず、補正値Δβの値を現時点の値に維持する。過去において一度もバックグラウンド処理が実行されていない場合、解析部18は、実験やシミュレーションによって求められた初期の補正値Δβを記憶してもよい。
(5)直接波方式伝搬時間Tβに基づく判定
 図5には、直接波方式伝搬時間Tβに対し、直接波方式または反射波方式のいずれによって気体濃度の測定が行われるかが示されている。図5には、さらに、バックグラウンド処理が実行されるときの直接波方式伝搬時間Tβの範囲が示されている。直接波方式または反射波方式のいずれによって気体濃度の測定が行われるかの判定と、バックグラウンド処理を行うか否かの判定は、直接波方式伝搬時間Tβに基づいて行われる。
 直接波方式伝搬時間Tβがバックグラウンド処理閾値tb未満であるときは、解析部18は直接波方式伝搬時間Tβのみを求め、反射波方式伝搬時間Tαを求めなくてもよい。解析部18は、先に求められた補正値Δβの値を記憶した状態を維持する。
 直接波方式伝搬時間Tβがバックグラウンド処理閾値tb以上であるときは、解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβのみならず反射波方式伝搬時間Tαを求める。解析部18は、現時点で求められた直接波方式伝搬時間TβをTβ0とし、現時点で求められた反射波方式伝搬時間TαをTα0として、(数2)に基づいて補正値目標値Δβを求める。解析部18は、補正値目標値Δβに補正値Δβが一致し、または近付くように補正値Δβを更新して記憶する。
 解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc未満であるときは、直接波方式で気体濃度を測定する。すなわち、解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβに補正値Δβを加算することで空間伝搬時間T(補正後伝搬時間)を求め、その空間伝搬時間Tに基づいて気体濃度を求める。解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc以上であるときは、反射波方式で気体濃度を測定する。すなわち、反射波方式伝搬時間Tαを空間伝搬時間Tとし、その空間伝搬時間Tに基づいて気体濃度を求める。
 このように、解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβを補正値Δβに基づいて補正した補正後伝搬時間、または、反射波方式伝搬時間Tαのうち直接波方式伝搬時間Tβに応じた一方に基づいて空間伝搬時間Tを求める。解析部18が実行する処理によれば、反射波方式伝搬時間Tαが高精度で求められるとき、すなわち、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc以上であるときは、反射波方式伝搬時間Tαに基づいて気体濃度が求められる。そして、反射波方式伝搬時間Tαを高精度で求めることが困難であるとき、すなわち、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc未満であるときは、直接波方式伝搬時間Tβに基づいて気体濃度が求められる。
 直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc未満である場合、方式切り替え閾値tc以上である場合に比べて気体の濃度が高く、気体濃度の変化に対する伝搬速度の変化が大きい。したがって、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc以上である場合に比べて、気体濃度について高い測定精度(小さい誤差比率)が必要とされず、測定が簡単な直接波方式によって気体濃度が測定されてよい。一方、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc以上である場合、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc未満である場合に比べて、気体濃度について高い測定精度が要求され、反射波方式によって気体濃度が測定されてよい。このように、本実施形態に係る気体濃度測定装置100によれば、直接波方式伝搬時間Tβの広い範囲、すなわち、気体濃度の広い範囲に対して、気体濃度が簡単かつ高精度に測定される。
 また、本発明に係る気体濃度測定装置100では、直接波方式伝搬時間Tβが、方式切り替え閾値tc未満であっても、バックグラウンド処理閾値tb以上である場合には、バックグラウンド処理が実行される。これによって、十分な精度が確保される反射波方式伝搬時間Tαの範囲において補正値Δβが求められ、広い範囲で補正値Δβが求められる。
(6)偶発的に生じる誤差を抑制する処理
 気体濃度測定装置100では、筐体10の振動等によって、直接波方式伝搬時間Tβまたは反射波方式伝搬時間Tαに偶発的な誤差が生じることがある。そこで、解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβがバックグラウンド処理閾値tb以上であるときは、直接波方式伝搬時間Tβまたは反射波方式伝搬時間Tαを選択的に用いて空間伝搬時間Tを求め、気体濃度を測定してもよい。
 この場合、解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβの時間変化と、反射波方式伝搬時間Tαの時間変化とに応じて伝搬時間の選択を行う。すなわち、解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβを補正値Δβに基づいて補正した補正後伝搬時間、または、反射波方式伝搬時間Tαのうちの一方を選択し、その選択した一方に基づいて空間伝搬時間Tを求める。
(6-1)直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc未満であるとき
 まず、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc未満であるときの第1処理について説明する。第1処理において解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβを主なる伝搬時間と認識し、反射波方式伝搬時間Tαを副なる伝搬時間と認識する。
 解析部18は、主なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値未満であるときは、主なる伝搬時間に基づいて、空間伝搬時間Tを求める。
 解析部18は、主なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、副なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上である場合、主なる伝搬時間に基づいて、空間伝搬時間Tを求める。
 また、解析部18は、主なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、副なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値未満である場合、副なる伝搬時間に基づいて、空間伝搬時間Tを求める。
 すなわち、解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβおよび反射波方式伝搬時間Tαを所定の時間間隔で求める。解析部18は、直接波方式伝搬時間Tβが求められるごとに、後に求められた直接波方式伝搬時間Tβから先に求められた直接波方式伝搬時間Tβを減算し、直接波方式伝搬時間Tβの時間変化βを求める。また、解析部18は、後に求められた反射波方式伝搬時間Tαから先に求められた反射波方式伝搬時間Tαを減算し、反射波方式伝搬時間Tαの時間変化αを求める。
 解析部18は、時間変化βの絶対値が所定の変化閾値未満である場合、直接波方式伝搬時間Tβに基づいて空間伝搬時間Tを求め、直接波方式によって気体濃度を測定する。
 解析部18は、時間変化βの絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、時間変化αの絶対値が所定の変化閾値以上である場合、直接波方式伝搬時間Tβに基づいて空間伝搬時間Tを求め、直接波方式によって気体濃度を測定する。
 解析部18は、時間変化βの絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、時間変化αの絶対値が所定の変化閾値未満である場合、反射波方式伝搬時間Tαに基づいて空間伝搬時間Tを求め、反射波方式によって気体濃度を測定する。
(6-2)直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc以上であるとき
 次に、直接波方式伝搬時間Tβが、方式切り替え閾値tc以上であるときの第2処理について説明する。第2処理において解析部18は、反射波方式伝搬時間Tαを主なる伝搬時間と認識し、直接波方式伝搬時間Tβを副なる伝搬時間と認識する。解析部18は、第1処理と同様の処理によって気体濃度を測定する。
 解析部18は、時間変化αの絶対値が所定の変化閾値未満である場合、反射波方式伝搬時間Tαに基づいて空間伝搬時間Tを求め、反射波方式によって気体濃度を測定する。
 解析部18は、時間変化αの絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、時間変化βの絶対値が所定の変化閾値以上である場合、反射波方式伝搬時間Tαに基づいて空間伝搬時間Tを求め、反射波方式によって気体濃度を測定する。
 解析部18は、時間変化αの絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、時間変化βの絶対値が所定の変化閾値未満である場合、直接波方式伝搬時間Tβに基づいて空間伝搬時間Tを求め、直接波方式によって気体濃度を測定する。
(6-3)効果
 このような処理によれば、主なる伝搬時間が急激に変化したとしても、副なる伝搬時間が急激に変化していない場合には、副なる伝搬時間に基づいて空間伝搬時間Tが求められる。そして、主なる伝搬時間および副なる伝搬時間の両者が急激に変化したときには、主なる伝搬時間に基づいて空間伝搬時間Tが求められる。これによって、主なる伝搬時間に偶発的に誤差が発生した場合には、副なる伝搬時間に基づいて気体濃度の測定が行われる。したがって、主なる伝搬時間に偶発的に誤差が発生することに基づいて、気体濃度の測定値に発生する誤差が抑制される。
(7)その他
 上記では、直接波方式または反射波方式のいずれの方式で気体濃度の測定を行うかを、直接波方式伝搬時間Tβと方式切り替え閾値tcとの比較に基づいて判定する実施形態が示された。また、バックグラウンド処理を実行するか否かを、直接波方式伝搬時間Tβとバックグラウンド処理閾値tbとの比較に基づいて判定する実施形態が示された。これらの判定は、直接波方式伝搬時間Tβの他、直接波方式伝搬時間Tβに関連のある値に基づいて行われてよい。例えば、直接波方式伝搬時間Tβを(数1)に当てはめて求めた判定用気体濃度に基づいてこれらの判定が行われてよい。すなわち、直接波方式または反射波方式のいずれの方式で気体濃度の測定を行うかの判定、およびバックグラウンド処理を実行するか否かの判定は、直接波方式伝搬時間Tβに関連のある値に基づいて行われてよい。
 この場合、各判定における閾値は、直接波方式伝搬時間Tβに関連のある値に応じた値とすればよい。例えば、判定用気体濃度に基づいて各判定を行う場合には、方式切り替え閾値tcに対応する方式切り替え閾値hcが定められ、バックグラウンド処理閾値tbに対応するバックグラウンド処理閾値hbが定められる。
 判定用気体濃度が方式切り替え閾値hc以下であるときには、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc以上であるという条件が成立し、判定用気体濃度が方式切り替え閾値hcを超えるときには、直接波方式伝搬時間Tβが方式切り替え閾値tc未満であるという条件が成立する。同様に、判定用気体濃度がバックグラウンド処理閾値hb以下であるときには、直接波方式伝搬時間Tβがバックグラウンド処理閾値tb以上であるという条件が成立し、判定用気体濃度がバックグラウンド処理閾値hbを超えるときには、直接波方式伝搬時間Tβがバックグラウンド処理閾値tb未満であるという条件が成立する。
 解析部18は、判定用気体濃度が方式切り替え閾値hcを超えるときには、直接波方式によって気体濃度を測定し、判定用気体濃度が方式切り替え閾値hc以下であるときには、反射波方式によって気体濃度を測定する。また、解析部18は、判定用気体濃度がバックグラウンド処理閾値hb以下であるときにバックグラウンド処理を実行し、判定用気体濃度がバックグラウンド処理閾値hbを超えるであるときにバックグラウンド処理を実行しない。
 10 筐体、14 送信部、16 受信部、18 解析部、20 解析部収容空間、22 濃度測定空間、24 直接波受信信号、26 反射波受信信号、100 気体濃度測定装置。
 

Claims (9)

  1.  気体濃度を測定する濃度測定空間と、
     送信信号に応じて前記濃度測定空間に超音波を送信する送信部と、
     前記濃度測定空間を伝搬した超音波を受信し、受信信号を出力する受信部と、
     前記送信部に前記送信信号が入力されるタイミングと、前記受信部から前記受信信号が出力されるタイミングとに基づいて、超音波が前記濃度測定空間を伝搬する空間伝搬時間を求め、前記空間伝搬時間に基づいて測定対象の気体の濃度を求める解析部と、を備え、
     前記解析部は、
     直接波方式で求められた直接波方式伝搬時間と、反射波方式で求められた反射波方式伝搬時間とに基づいて、前記直接波方式伝搬時間に対する補正値を求め、
     前記直接波方式伝搬時間を前記補正値に基づいて補正した補正後伝搬時間、または、前記反射波方式伝搬時間のうち、前記直接波方式伝搬時間もしくはそれに関連する値に応じた一方に基づいて前記空間伝搬時間を求め、
     前記直接波方式は、前記送信部に前記送信信号が入力される送信タイミングと、前記送信部に前記送信信号が入力されてから前記受信部から最初に前記受信信号が出力される第1受信タイミングとの相違に基づいて、前記直接波方式伝搬時間を求める測定方式であり、
     前記反射波方式は、前記第1受信タイミングと、前記送信部に前記送信信号が入力されてから前記受信部から2回目に前記受信信号が出力される第2受信タイミングとの相違に基づいて、前記反射波方式伝搬時間を求める測定方式であることを特徴とする気体濃度測定装置。
  2.  請求項1に記載の気体濃度測定装置において、
     前記解析部は、
     前記直接波方式伝搬時間が、所定のバックグラウンド処理閾値以上であるという条件が成立するときに、前記直接波方式伝搬時間および前記反射波方式伝搬時間に基づいて、前記補正値を求めることを特徴とする気体濃度測定装置。
  3.  請求項2に記載の気体濃度測定装置において、
     前記解析部は、
     前記直接波方式伝搬時間が、前記バックグラウンド処理閾値を超える所定の方式切り替え閾値未満の値であるという条件が成立するときには、前記補正後伝搬時間に基づいて、前記空間伝搬時間を求めることを特徴とする気体濃度測定装置。
  4.  請求項2に記載の気体濃度測定装置において、
     前記解析部は、
     前記直接波方式伝搬時間が、前記バックグラウンド処理閾値を超える所定の方式切り替え閾値以上の値であるという条件が成立するときには、前記反射波方式伝搬時間に基づいて、前記空間伝搬時間を求めることを特徴とする気体濃度測定装置。
  5.  気体濃度を測定する濃度測定空間と、
     送信信号に応じて前記濃度測定空間に超音波を送信する送信部と、
     前記濃度測定空間を伝搬した超音波を受信し、受信信号を出力する受信部と、
     前記送信部に前記送信信号が入力されるタイミングと、前記受信部から前記受信信号が出力されるタイミングとに基づいて、超音波が前記濃度測定空間を伝搬する空間伝搬時間を求め、前記空間伝搬時間に基づいて測定対象の気体の濃度を求める解析部と、を備え、
     前記解析部は、
     直接波方式で求められた直接波方式伝搬時間と、反射波方式で求められた反射波方式伝搬時間とに基づいて、前記直接波方式伝搬時間に対する補正値を求め、
     前記直接波方式および前記反射波方式による伝搬時間の測定を繰り返し実行し、
     前記直接波方式伝搬時間の時間変化と、前記反射波方式伝搬時間の時間変化とに応じて、前記直接波方式伝搬時間を前記補正値に基づいて補正した補正後伝搬時間、または、前記反射波方式伝搬時間のうちの一方を選択し、その選択した一方に基づいて前記空間伝搬時間を求め、
     前記直接波方式は、前記送信部に前記送信信号が入力される送信タイミングと、前記送信部に前記送信信号が入力されてから前記受信部から最初に前記受信信号が出力される第1受信タイミングとの相違に基づいて、前記直接波方式伝搬時間を求める測定方式であり、
     前記反射波方式は、前記第1受信タイミングと、前記送信部に前記送信信号が入力されてから前記受信部から2回目に前記受信信号が出力される第2受信タイミングとの相違に基づいて、前記反射波方式伝搬時間を求める測定方式であることを特徴とする気体濃度測定装置。
  6.  請求項5に記載の気体濃度測定装置において、
     前記解析部は、
     前記直接波方式伝搬時間またはそれに関連する値に応じて、前記直接波方式伝搬時間および前記反射波方式伝搬時間のうち一方を主なる伝搬時間として、他方を副なる伝搬時間として認識し、
     前記主なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、前記副なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値未満である場合、前記副なる伝搬時間に基づいて、前記空間伝搬時間を求めることを特徴とする気体濃度測定装置。
  7.  請求項5に記載の気体濃度測定装置において、
     前記解析部は、
     前記直接波方式伝搬時間またはそれに関連する値に応じて、前記直接波方式伝搬時間および前記反射波方式伝搬時間のうち一方を主なる伝搬時間として、他方を副なる伝搬時間として認識し、
     前記主なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上であり、かつ、前記副なる伝搬時間の時間変化の絶対値が所定の変化閾値以上である場合、前記主なる伝搬時間に基づいて、前記空間伝搬時間を求めることを特徴とする気体濃度測定装置。
  8.  請求項6または請求項7に記載の気体濃度測定装置において、
     前記解析部は、
     前記直接波方式伝搬時間が所定の方式切り替え閾値以上の値であるという条件が成立するときには、前記反射波方式伝搬時間を前記主なる伝搬時間として選択することを特徴とする気体濃度測定装置。
  9.  請求項6または請求項7に記載の気体濃度測定装置において、
     前記解析部は、
     前記直接波方式伝搬時間が所定の方式切り替え閾値未満の値であるという条件が成立するときには、前記直接波方式伝搬時間を前記主なる伝搬時間として選択することを特徴とする気体濃度測定装置。
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