WO2023085151A1

WO2023085151A1 - 気体濃度測定装置

Info

Publication number: WO2023085151A1
Application number: PCT/JP2022/040654
Authority: WO
Inventors: 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
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-05-19
Also published as: CA3237318A1; KR20240095425A; CN118202240A; JP2023072290A

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_０に対する直接波方式伝搬時間Ｔ_β、および実際の空間伝搬時間Ｔ_０に対する反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_β）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Ｔ_α）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Ｔ_αとして求める。

　なお、反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_α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。

　ここで、ｋは気体の比熱比、Ｒは気体定数、Ｔ_ｍｐは濃度測定空間２２の温度である。Ｍ_ｈは測定対象の気体の分子量であり、Ｍ_ａ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_ａ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_ｈ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Ｔ_βとして求める。なお、直接波方式伝搬時間Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_α０および直接波方式伝搬時間Ｔ_β０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Ｔ_α０が求められると共に、直接波方式伝搬時間Ｔ_β０が求められ、以下の（数２）に基づいて補正値目標値Δβ_０が求められる。さらに、補正値目標値Δβ_０に近付き、または一致するように、補正値Δβが修正される。

　（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_０に対する直接波方式伝搬時間Ｔ_β、および実際の空間伝搬時間Ｔ_０に対する反射波方式伝搬時間Ｔ_αが概念的に示されている。反射波方式伝搬時間Ｔ_αは、直接波方式伝搬時間Ｔ_βから、遅延時間Ｔｄを減算して２倍したものに等しく、Ｔ_α＝（Ｔ_β－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_０に置き換え、Ｔ_βおよびＴ_αをそれぞれＴ_β０およびＴ_α０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_０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_０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Ｔ_β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Ｔ_α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Ｔ_α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Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_βおよび反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_βに基づく判定
　図５には、直接波方式伝搬時間Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_βに基づいて行われる。

　直接波方式伝搬時間Ｔ_β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Ｔ_βのみを求め、反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_βのみならず反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_βをＴ_β０とし、現時点で求められた反射波方式伝搬時間Ｔ_αをＴ_α０として、（数２）に基づいて補正値目標値Δβ_０を求める。解析部１８は、補正値目標値Δβ_０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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_αのうち直接波方式伝搬時間Ｔ_β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Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_α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Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_βに基づいて気体濃度が求められる。

　直接波方式伝搬時間Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_α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Ｔ_βまたは反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_βまたは反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_βの時間変化と、反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_βを主なる伝搬時間と認識し、反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_βおよび反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_βから先に求められた直接波方式伝搬時間Ｔ_βを減算し、直接波方式伝搬時間Ｔ_β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Ｔ_αから先に求められた反射波方式伝搬時間Ｔ_αを減算し、反射波方式伝搬時間Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_αを主なる伝搬時間と認識し、直接波方式伝搬時間Ｔ_β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Ｔ_α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Ｔ_α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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_βの他、直接波方式伝搬時間Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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Ｔ_β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

　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。