WO2023085152A1 - 気体濃度測定装置 - Google Patents

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approximation
shift
gas concentration
memory
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修史 新福
功 伊藤
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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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    • G01N2291/0212—Binary gases

Definitions

  • the present invention relates to a gas concentration measuring device, and in particular to measuring the propagation time of ultrasonic waves.
  • 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 following problems may occur. That is, when the received signal output from the ultrasonic element is digitally sampled, it becomes difficult to obtain the propagation time in a time shorter than the sampling period, and sufficient measurement accuracy of the gas concentration may not be obtained.
  • the purpose of the present invention is to accurately measure the gas concentration.
  • the present invention comprises a concentration measurement space for measuring gas concentration, a transmission unit for transmitting ultrasonic waves to the concentration measurement space in response to a transmission pulse signal, an ultrasonic wave propagated through the concentration measurement space, and a received signal.
  • a spatial propagation time for the ultrasonic wave to propagate in the concentration measurement space is obtained based on the output receiving unit and the timing at which the plurality of pulses of the received signal are output from the receiving unit, and the measurement is performed based on the spatial propagation time.
  • an analysis unit for determining the concentration of a target gas, wherein the analysis unit performs time shift processing on the received signal stored in the first memory and the second memory for storing the received signal.
  • a control calculation unit for obtaining the spatial propagation time, wherein the received signal read from the second memory and the time read from the first memory and subjected to the time shift processing Obtaining a degree of approximation with the shift signal, obtaining a time difference between adjacent pulses of the received signal on the time axis based on the minute shift time in the time shift processing and the degree of approximation, and based on the time difference, the spatial propagation Characterized by asking for time.
  • the analysis unit performs sampling cycle shift processing on the received signal read from the second memory, wherein the sampling cycle shift processing shifts the signal on the time axis in sampling cycle units.
  • the minute shift time in the time shift process is shorter than the sampling period.
  • the computing unit searches for the minute shift time when the degree of approximation indicated by the degree of approximation is the largest, and based on the minute shift time when the degree of approximation indicated by the degree of approximation is the largest, Find the time difference.
  • the approximation is the Euclidean distance between the received signal read from the second memory and the time-shifted signal.
  • the degree of approximation is a correlation value between the received signal read from the second memory and the time-shifted signal.
  • the time shift filter is an FIR filter.
  • gas concentration can be measured accurately.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a time waveform of a received pulse; It is a figure which shows the concrete structure of a gas concentration measuring apparatus. It is a figure which shows the concrete structure of a gas concentration measurement part.
  • 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 is configured by an electronic circuit, and the electronic circuit may be fixed in the analysis unit housing space 20 while being fixed to the substrate.
  • Each of the transmitting section 14 and the receiving section 16 is equipped with an ultrasonic transducer.
  • 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 pulse signal, which is an electrical signal, to the transmission unit 14 .
  • the transmission unit 14 converts the transmission pulse 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 reception unit 16 outputs a plurality of pulses of the received signal, and calculates the gas to be measured based on the spatial propagation time. Find the concentration of
  • the analysis unit 18 measures the space propagation time required for the ultrasonic wave to propagate from one end of the concentration measurement space 22 to the other end by the processing described below. After outputting the transmission pulse signal to the transmission section 14, the analysis section 18 obtains the time difference between adjacent reception signal pulses on the time axis, and obtains the spatial propagation time based on this time difference. That is, the analysis unit 18 determines the difference between the first reception timing at which the receiving unit 16 outputs the pulse of the reception signal (reception pulse) for the first time and the second reception timing at which the reception unit 16 outputs the second reception pulse. Spatial propagation time is determined based on the difference (time difference).
  • the first received pulse output from the receiver 16 corresponds to the direct ultrasonic wave 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 second reception pulse 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, and is reflected at the one end. is an ultrasonic wave that propagates through the concentration measurement space 22 and is received by the receiver 16 .
  • FIG. 2 schematically shows the time waveform of the received pulse output from the receiving section 16.
  • the received signal output from the receiver 16 to the analyzer 18 includes a received pulse having a sinusoidal time waveform subjected to pulse-like amplitude modulation.
  • the analysis unit 18 obtains the time difference corresponding to the time obtained by subtracting the time t1 from the time t2 by the configuration and processing described below, and obtains the concentration of the gas to be measured based on this time difference.
  • the gas concentration measuring apparatus 100 includes a transmitting ultrasonic transducer 42 included in the transmitting section 14 , a receiving ultrasonic transducer 44 included in the receiving section 16 , and an analyzing section 18 .
  • the analysis section 18 includes a transmission circuit 40 , a reception circuit 46 and a gas concentration measurement section 48 .
  • the gas concentration measurement unit 48 controls the transmission circuit 40 to cause the transmission circuit 40 to output a transmission pulse signal.
  • the transmission circuit 40 outputs a transmission pulse signal to the transmission ultrasonic transducer 42 under the control of the gas concentration measuring section 48 .
  • the ultrasonic transducer for reception 44 converts the ultrasonic wave propagating through the concentration measurement space 22 into a received signal, which is an electrical signal, and outputs the received signal to the receiving circuit 46 .
  • the receiving circuit 46 discretizes the received signal at a predetermined sampling period, converts it into a digital signal, and outputs it to the gas concentration measuring section 48 .
  • the gas concentration measurement unit 48 stores the received signal and performs the following processing to obtain the spatial propagation time. That is, the gas concentration measurement unit 48 obtains the degree of approximation between the reflected wave reception pulse, which is temporarily advanced by the shift time ⁇ , and the direct wave reception pulse.
  • the degree of approximation is a value indicating the degree of approximation between two signals, such as the Euclidean distance between the two signals.
  • 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 gas concentration measuring unit 48 obtains the shift time ⁇ when the degree of approximation indicated by the degree of approximation is the largest as the spatial propagation time.
  • a concentration calculation formula (Equation 1) that expresses the relationship between the propagation speed of ultrasonic waves and the concentration of a specific gas contained in the gas in 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 gas concentration measurement unit 48 includes a first memory 60, a second memory 62, a time shift filter 64, a sampling period shift unit 66, a level correction value determination unit 68, a level correction unit 70, an approximation calculation unit 72, and a control calculation unit 74. It has The gas concentration measurement unit 48 may be configured by a processor. The processor configures each component (time shift filter 64, sampling period shift section 66, level correction value determination section 68, level correction section 70, approximation degree calculation section 72, and control calculation section 74) by executing a program. .
  • the first memory 60 and the second memory 62 may be configured by separate hardware, or may be configured by one piece of hardware. When the first memory 60 and the second memory 62 are configured by one piece of hardware, the first memory 60 and the second memory 62 are stored or erased in a time division manner in the same storage area. may be configured.
  • the same received signal is stored in the first memory 60 and the second memory 62 .
  • the sampling period shifter 66 reads the received signal from the second memory 62 .
  • the sampling period shifter 66 subjects the received signal read from the second memory 62 to sampling period shift processing.
  • Sampling cycle shift processing is processing for shifting a signal on the time axis in units of sampling cycles.
  • the sampling period shifter 66 reads the received signal from the second memory 62 , shifts the received signal on the time axis by the sampling period shift time set by the control calculator 74 , and outputs the shifted signal to the level corrector 70 .
  • the sampling period shift time is a time in which the sampling period of the received signal is used as one unit, and is represented by an integral multiple of the sampling period.
  • the process of shifting the received signal on the time axis may be performed by shifting the address of the received signal stored in the second memory 62 and reading the received signal. In this case, the discrete values of the received signal are stored in the second memory 62 in association with addresses so that the values increase in chronological order.
  • the sampling period shifter 66 increases or decreases the value of the address specified when reading the received signal by a value corresponding to the sampling period shift time, and performs processing equivalent to shifting the received signal on the time axis. Execute.
  • the time shift filter 64 may be composed of a digital filter such as an FIR filter (Finite Impulse Response Filter) whose characteristics are determined by a plurality of tap coefficients (tap coefficient group).
  • the time shift filter 64 reads the received signal from the first memory 60, performs time shift processing on the received signal in accordance with the tap coefficient group set by the control calculator 74, generates a time shifted signal, and level corrector 70 output to Time shift processing is processing for shifting a signal to be processed on the time axis by a minute shift time determined by a tap coefficient group.
  • the minute shift time is shorter than the sampling period.
  • Level correction section 70 corrects the received signal (time-shifted signal) output from time shift filter 64 and the received signal output from sampling period shift section 66 using the correction coefficient output from level correction value determination section 68. Adjust level. The processing for determining the correction coefficient by the level correction value determination unit 68 will be described later.
  • the degree-of-approximation calculator 72 outputs the received signal output from the time shift filter 64 and level-corrected by the level corrector 70 (time-shifted signal whose level is corrected) and the level-corrected signal output from the sampling period shifter 66 .
  • a degree of approximation indicating the degree of approximation to the received signal whose level has been corrected by the unit 70 is obtained.
  • the control calculation unit 74 acquires the degree of approximation while changing the sampling period shift time in the sampling period shifter 66 and the minute shift time in the time shift filter 64 .
  • the control calculation unit 74 obtains the time difference between the first reception timing and the second reception timing as the spatial propagation time based on the sampling period shift time when the degree of approximation indicated by the degree of approximation is maximized and the minute shift time.
  • the control calculation unit 74 calculates the gas concentration according to (Equation 1) using the spatial propagation time.
  • a level correction value determination unit 68 reads the received signal stored in the first memory 60 and obtains a direct wave level correction value for normalizing the crest value of the absolute value of the direct wave received pulse.
  • the direct wave level correction value is a value by which the direct wave received pulse is multiplied so that the direct wave received pulse fluctuates within a predetermined range.
  • the level correction value determination unit 68 obtains a reflected wave level correction value for the reflected wave reception pulse.
  • the reflected wave level correction value is a value by which the reflected wave received pulse is multiplied so as to fluctuate within the same range as the level-corrected direct wave received pulse.
  • a tap coefficient group is set for the time shift filter 64 so that the fine shift time in the time shift filter 64 is zero.
  • the time shift filter 64 is loaded with the direct wave reception pulse contained in the reception signal.
  • the time shift filter 64 performs time shift processing with a minute shift time of 0 on the direct wave received pulse, and outputs the result to the level correction section 70 .
  • the level correction section 70 multiplies the direct wave received pulse (time-shifted signal) by the direct wave level correction value and outputs the result to the approximation degree calculation section 72 .
  • the reflected wave reception pulse included in the reception signal is read from the second memory 62 into the sampling period shifter 66 .
  • the sampling period shifter 66 shifts the reflected wave pulse on the time axis by the sampling period shift time set by the control calculator 74 and outputs the result to the level corrector 70 .
  • the level corrector 70 multiplies the reflected wave received pulse by the reflected wave level correction value and outputs the result to the approximation calculator 72 .
  • the degree-of-approximation calculator 72 obtains the Euclidean distance between the received direct wave pulse and the received reflected wave pulse as the degree of approximation. That is, the degree of approximation calculator 72 obtains the Euclidean distance, which is the square root of the value obtained by time-integrating the square of the value obtained by subtracting the reflected wave received pulse from the direct wave received pulse. The smaller the Euclidean distance, the greater the degree of approximation between the direct wave received pulse and the reflected wave received pulse.
  • the control calculation unit 74 acquires the Euclidean distance from the approximation degree calculation unit 72 while changing the sampling period shift time, and searches for the sampling period shift time when the Euclidean distance is the minimum.
  • the control calculation unit 74 obtains the sampling period shift time when the Euclidean distance is the minimum as the course space propagation time.
  • fine adjustment shift processing is executed.
  • the sampling period shift time in the sampling period shifter 66 is fixed to the course space propagation time.
  • the time shift filter 64 is loaded with the direct wave reception pulse contained in the reception signal.
  • the time shift filter 64 performs time shift processing on the direct wave received pulse in accordance with the minute shift time determined by the tap coefficient group given from the control calculation section 74 and outputs it to the level correction section 70 .
  • the level correction section 70 multiplies the direct wave received pulse by the direct wave level correction value and outputs the result to the approximation degree calculation section 72 .
  • the reflected wave reception pulse included in the reception signal is read from the second memory 62 into the sampling period shifter 66 .
  • the sampling period shifter 66 shifts the reflected wave pulse on the time axis by the course space propagation time, and outputs it to the level corrector 70 .
  • the level corrector 70 multiplies the reflected wave received pulse by the reflected wave level correction value and outputs the result to the approximation calculator 72 .
  • the approximation calculator 72 obtains the Euclidean distance between the direct wave received pulse and the reflected wave received pulse.
  • the control calculation unit 74 acquires the Euclidean distance from the approximation degree calculation unit 72 while changing the minute shift time by changing the tap coefficient filter group, and searches for the minute shift time when the Euclidean distance is the minimum.
  • the control calculation unit 74 obtains the final spatial propagation time by adding the fine shift time (adjusted fine shift time) when the Euclidean distance is the minimum and the course spatial propagation time.
  • the spatial propagation time can be obtained with a higher resolution than the sampling period. This increases the measurement accuracy of the gas concentration.
  • a correlation value of two signals may be used as the degree of approximation.
  • a correlation value is defined as the time-integrated value of the product of the two signals.

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Abstract

本発明は、気体の濃度の測定を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）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、濃度測定空間（２２）を超音波が伝搬する空間伝搬時間を求め、空間伝搬時間に基づいて気体の濃度を求める濃度測定部（４８）とを備えている。濃度測定部（４８）は、第１メモリ（６０）および第２メモリ（６２）と、時間シフト処理を施す時間シフトフィルタ（６４）とを備えている。濃度測定部（１８）は、第２メモリ（６２）から読み込まれた受信信号と、第１メモリ（６０）から読み込まれ時間シフト処理が施された時間シフト信号との近似度を求め、時間シフト処理における微小シフト時間と近似度とに基づいて、時間軸上で隣接する受信信号のパルスの時間差を求め、当該時間差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、超音波の伝搬時間の測定に関する。
　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
　超音波素子で超音波が受信される時間（タイミング）に基づいて、測定室を超音波が伝搬する時間を求める場合には、次のような問題が生じることがある。すなわち、超音波素子から出力される受信信号をディジタルサンプリングした場合には、サンプリング周期よりも短い時間で伝搬時間を求めることが困難となり、気体濃度について十分な測定精度が得られないことがある。
　本発明は、気体の濃度の測定を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、送信パルス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、前記受信部から前記受信信号の複数のパルスが出力されるタイミングに基づいて、前記濃度測定空間を超音波が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、前記受信信号を記憶する第１メモリおよび第２メモリと、前記第１メモリに記憶された前記受信信号に対し時間シフト処理を施す時間シフトフィルタと、前記空間伝搬時間を求める制御演算部と、を備え、前記第２メモリから読み込まれた前記受信信号と、前記第１メモリから読み込まれ前記時間シフト処理が施された時間シフト信号との近似度を求め、前記時間シフト処理における微小シフト時間と前記近似度とに基づいて、時間軸上で隣接する前記受信信号のパルスの時間差を求め、当該時間差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、前記第２メモリから読み込まれる前記受信信号に対し、サンプリング周期シフト処理であって、サンプリング周期単位で信号を時間軸上でシフトさせるサンプリング周期シフト処理を施すサンプリング周期シフト部を備え、前記サンプリング周期シフト処理が施された前記受信信号と、前記時間シフト信号との近似度を求める。
　望ましくは、前記時間シフト処理における微小シフト時間は、サンプリング周期よりも短い。
　望ましくは、前記演算部は、前記近似度が示す近似度合いが最も大きくなるときの前記微小シフト時間を探索し、前記近似度が示す近似度合いが最も大きくなるときの前記微小シフト時間に基づいて、前記時間差を求める。
　望ましくは、前記近似度は、前記第２メモリから読み込まれた前記受信信号と、前記時間シフト信号との間のユークリッド距離である。
　望ましくは、前記近似度は、前記第２メモリから読み込まれた前記受信信号と、前記時間シフト信号との相関値である。
　望ましくは、前記時間シフトフィルタは、ＦＩＲフィルタである。
　本発明によれば、気体の濃度の測定を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。 受信パルスの時間波形を模式的に示す図である。 気体濃度測定装置の具体的な構成を示す図である。 気体濃度測定部の具体的な構成を示す図である。
　各図を参照して本発明の実施形態について説明する。複数の図面に示されている同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を簡略化する。
　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、電子回路によって構成されており、その電子回路は、基板に固定された状態で解析部収容空間２０に固定されてよい。
　送信部１４および受信部１６のそれぞれ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パルス信号を送信部１４に出力する。送信部１４は送信パルス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、受信部１６から受信信号の複数のパルスが出力されるタイミングに基づいて、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、以下に説明する処理によって、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測定する。解析部１８は、送信部１４に送信パルス信号を出力した後に、時間軸上で隣接する受信信号のパルスの時間差を求め、この時間差に基づいて空間伝搬時間を求める。すなわち、解析部１８は、受信部１６から最初に受信信号のパルス（受信パルス）が出力される第１受信タイミングと、受信部１６から２回目に受信パルスが出力される第２受信タイミングとの相違（時間差）に基づいて、空間伝搬時間を求める。
　受信部１６から最初に出力される受信パルスは、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。受信部１６から２回目に出力される受信パルスは、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。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パルス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に送信パルス信号が出力される。受信部１６から解析部１８に出力される受信信号は、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する受信パルスを含んでいる。受信部１６から最初に出力される受信パルス（直接波受信パルス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パルス（反射波受信パルス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。解析部１８は、以下に説明する構成および処理によって、時刻ｔ２から時刻ｔ１を減算した時間に相当する時間差を求め、この時間差に基づいて測定対象の気体の濃度を求める。
　図３には、気体濃度測定装置１００の具体的な構成が示されている。気体濃度測定装置１００は、送信部１４に含まれる送信用超音波振動子４２、受信部１６に含まれる受信用超音波振動子４４および解析部１８を備えている。解析部１８は、送信回路４０、受信回路４６および気体濃度測定部４８を備えている。
　気体濃度測定部４８は、送信回路４０を制御して送信回路４０に送信パルス信号を出力させる。送信回路４０は、気体濃度測定部４８の制御に応じて送信パルス信号を送信用超音波振動子４２に出力する。受信用超音波振動子４４は、濃度測定空間２２を伝搬した超音波を電気信号である受信信号に変換し、受信回路４６に出力する。受信回路４６は、受信信号を所定のサンプリング周期で離散化し、ディジタル信号に変換して気体濃度測定部４８に出力する。
　気体濃度測定部４８は受信信号を記憶し、次のような処理を実行して空間伝搬時間を求める。すなわち、気体濃度測定部４８は、反射波受信パルスを仮にシフト時間τだけ早めたパルスと、直接波受信パルスとの近似度を求める。ここで、近似度は、２つの信号が近似している度合いを示す値であり、例えば２つの信号の間のユークリッド距離がある。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。気体濃度測定部４８は近似度が示す近似度合いが最も大きくなるときのシフト時間τを空間伝搬時間として求める。
　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。Ｍｈは測定対象の気体の分子量であり、Ｍａ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Ｍａは２８．８である。測定対象の気体が水素である場合、分子量Ｍｈ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。
　図４には、気体濃度測定部４８の具体的な構成が示されている。気体濃度測定部４８は、第１メモリ６０、第２メモリ６２、時間シフトフィルタ６４、サンプリング周期シフト部６６、レベル補正値決定部６８、レベル補正部７０、近似度算出部７２および制御演算部７４を備えている。気体濃度測定部４８はプロセッサによって構成されてよい。プロセッサはプログラムを実行することによって、各構成要素（時間シフトフィルタ６４、サンプリング周期シフト部６６、レベル補正値決定部６８、レベル補正部７０、近似度算出部７２および制御演算部７４）を構成する。
　第１メモリ６０および第２メモリ６２は、別々のハードウエアによって構成されてもよいし、１つのハードウエアによって構成されてもよい。第１メモリ６０および第２メモリ６２が１つのハードウエアによって構成される場合、同一の記憶領域に対して時分割で情報の記憶または消去が行われることで、第１メモリ６０および第２メモリ６２が構成されてもよい。
　気体濃度測定部４８の動作の概要について説明する。第１メモリ６０および第２メモリ６２には、同一の受信信号が記憶される。サンプリング周期シフト部６６は、第２メモリ６２から受信信号を読み込む。サンプリング周期シフト部６６は、第２メモリ６２から読み込んだ受信信号に対し、サンプリング周期シフト処理を施す。サンプリング周期シフト処理は、サンプリング周期単位で信号を時間軸上でシフトさせる処理である。
　すなわち、サンプリング周期シフト部６６は、第２メモリ６２から受信信号を読み込み、制御演算部７４によって設定されたサンプリング周期シフト時間で受信信号を時間軸上でシフトし、レベル補正部７０に出力する。サンプリング周期シフト時間は、受信信号のサンプリング周期を１単位とした時間であり、サンプリング周期の整数倍で表される。受信信号を時間軸上でシフトする処理は、第２メモリ６２に記憶された受信信号のアドレスをシフトさせて受信信号を読み込むことで行われてよい。この場合、第２メモリ６２には、受信信号の各離散値が、時系列順に値が増加するようアドレスに対応付けて記憶されている。サンプリング周期シフト部６６は、受信信号を読み込む際に指定するアドレスの値を、サンプリング周期シフト時間に対応する値だけ増加または減少させて、受信信号を時間軸上でシフトさせるのと同等の処理を実行する。
　時間シフトフィルタ６４は、複数のタップ係数（タップ係数群）によって特性が定まるＦＩＲフィルタ（FiniteImpulse Response Filter）等のディジタルフィルタによって構成されてよい。時間シフトフィルタ６４は、第１メモリ６０から受信信号を読み込み、制御演算部７４によって設定されたタップ係数群に従って受信信号に対して時間シフト処理を施して時間シフト信号を生成し、レベル補正部７０に出力する。時間シフト処理は、タップ係数群で定まる微小シフト時間だけ処理対象の信号を時間軸上でシフトさせる処理である。本実施形態では、微小シフト時間はサンプリング周期よりも短い。
　レベル補正部７０は、レベル補正値決定部６８から出力された補正係数によって、時間シフトフィルタ６４から出力された受信信号（時間シフト信号）、および、サンプリング周期シフト部６６から出力された受信信号のレベルを調整する。レベル補正値決定部６８が補正係数を決定する処理については後述する。
　近似度算出部７２は、時間シフトフィルタ６４から出力され、レベル補正部７０によってレベルが補正された受信信号（レベルが補正された時間シフト信号）と、サンプリング周期シフト部６６から出力され、レベル補正部７０によってレベルが補正された受信信号とが近似している度合いを示す近似度を求める。制御演算部７４は、サンプリング周期シフト部６６におけるサンプリング周期シフト時間と、時間シフトフィルタ６４における微小シフト時間を変化させながら近似度を取得する。制御演算部７４は、近似度が示す近似度合いが最も大きくなるときのサンプリング周期シフト時間と、微小シフト時間に基づいて、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空間伝搬時間として求める。制御演算部７４は、空間伝搬時間を用いて（数１）に従って気体濃度を算出する。
　次に、気体濃度測定部４８が空間伝搬時間を求める構成および処理の詳細について説明する。レベル補正値決定部６８は、第１メモリ６０に記憶されている受信信号を読み込み、直接波受信パルスの絶対値の波高値を規格化する直接波レベル補正値を求める。直接波レベル補正値は、予め定められた範囲で直接波受信パルスが変動するように直接波受信パルスに乗ぜられる値である。また、レベル補正値決定部６８は、反射波受信パルスに対する反射波レベル補正値を求める。反射波レベル補正値は、レベル補正後の直接波受信パルスと同一の範囲で変動するように、反射波受信パルスに乗ぜられる値である。
　次に、基本シフト処理が実行される。基本シフト処理では、時間シフトフィルタ６４における微小シフト時間が０となるように、時間シフトフィルタ６４に対してタップ係数群が設定される。第１メモリ６０からは、受信信号に含まれる直接波受信パルスが時間シフトフィルタ６４に読み込まれる。時間シフトフィルタ６４は、微小シフト時間が０である時間シフト処理を直接波受信パルスに施して、レベル補正部７０に出力する。レベル補正部７０は、直接波受信パルス（時間シフト信号）に直接波レベル補正値を乗じて、近似度算出部７２に出力する。
　第２メモリ６２からは、受信信号に含まれる反射波受信パルスがサンプリング周期シフト部６６に読み込まれる。サンプリング周期シフト部６６は、制御演算部７４によって設定されたサンプリング周期シフト時間だけ時間軸上で反射波パルスをシフトし、レベル補正部７０に出力する。レベル補正部７０は、反射波受信パルスに反射波レベル補正値を乗じて、近似度算出部７２に出力する。
　近似度算出部７２は、直接波受信パルスと反射波受信パルスとの間のユークリッド距離を近似度として求める。すなわち、近似度算出部７２は、直接波受信パルスから反射波受信パルスを減算した値の二乗を時間積分した値の平方根であるユークリッド距離を求める。ユークリッド距離が小さい程、直接波受信パルスと反射波受信パルスとが近似している度合いが大きい。
　制御演算部７４は、サンプリング周期シフト時間を変化させながら近似度算出部７２からユークリッド距離を取得し、ユークリッド距離が最小となるときのサンプリング周期シフト時間を探索する。制御演算部７４は、ユークリッド距離が最小となるときのサンプリング周期シフト時間をコース空間伝搬時間として求める。
　コース空間伝搬時間が求められた後、微調整シフト処理が実行される。微調整シフト処理では、サンプリング周期シフト部６６におけるサンプリング周期シフト時間が、コース空間伝搬時間に固定される。第１メモリ６０からは、受信信号に含まれる直接波受信パルスが時間シフトフィルタ６４に読み込まれる。時間シフトフィルタ６４は、制御演算部７４から与えられるタップ係数群で定まる微小シフト時間に従って、直接波受信パルスに時間シフト処理を施し、レベル補正部７０に出力する。レベル補正部７０は、直接波受信パルスに直接波レベル補正値を乗じて、近似度算出部７２に出力する。
　第２メモリ６２からは、受信信号に含まれる反射波受信パルスがサンプリング周期シフト部６６に読み込まれる。サンプリング周期シフト部６６は、コース空間伝搬時間だけ時間軸上で反射波パルスをシフトし、レベル補正部７０に出力する。レベル補正部７０は、反射波受信パルスに反射波レベル補正値を乗じて、近似度算出部７２に出力する。近似度算出部７２は、直接波受信パルスと反射波受信パルスとの間のユークリッド距離を求める。
　制御演算部７４は、タップ係数フィルタ群を変化させることで微小シフト時間を変化させながら近似度算出部７２からユークリッド距離を取得し、ユークリッド距離が最小となるときの微小シフト時間を探索する。制御演算部７４は、ユークリッド距離が最小となるときの微小シフト時間（調整後微小シフト時間）と、コース空間伝搬時間とを加算した時間を、最終的な空間伝搬時間として求める。
　このような構成および処理によれば、サンプリング周期よりも高い分解能で空間伝搬時間が求められる。これによって、気体濃度の測定精度が高まる。
　上記では、２つの信号の近似度としてユークリッド距離が用いられる実施形態が示された。近似度には２つの信号の相関値が用いられてもよい。相関値は、２つの信号の積を時間積分した値として定義される。近似度として相関値が用いられる場合、近似度が示す近似度合いが最も大きいという条件は、相関値が最大であるという条件となる。また、上記においてユークリッド距離が最小であるという条件は、相関値が最大であるという条件に置き換えられる。近似度として相関値を用いる場合には、レベル補正部７０によるレベル補正は行われなくてもよい。
　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　直接波受信パルス、２６　反射波受信パルス、４０　送信回路、４２　送信用超音波振動子、４４　受信用超音波振動子、４６　受信回路、４８　気体濃度測定部、６０　第１メモリ、６２　第２メモリ、６４　時間シフトフィルタ、６６　サンプリング周期シフト部、６８　レベル補正値決定部、７０　レベル補正部、７２　近似度算出部、７４　制御演算部。

Claims (7)

  1. 　気体濃度を測定する濃度測定空間と、
    　送信パルス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、
    　前記受信部から前記受信信号の複数のパルスが出力されるタイミングに基づいて、前記濃度測定空間を超音波が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、
    　前記受信信号を記憶する第１メモリおよび第２メモリと、
    　前記第１メモリに記憶された前記受信信号に対し時間シフト処理を施す時間シフトフィルタと、
    　前記空間伝搬時間を求める制御演算部と、を備え、
    　前記第２メモリから読み込まれた前記受信信号と、前記第１メモリから読み込まれ前記時間シフト処理が施された時間シフト信号との近似度を求め、
    　前記時間シフト処理における微小シフト時間と前記近似度とに基づいて、時間軸上で隣接する前記受信信号のパルスの時間差を求め、当該時間差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。
  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、
    　前記第２メモリから読み込まれる前記受信信号に対し、サンプリング周期シフト処理であって、サンプリング周期単位で信号を時間軸上でシフトさせるサンプリング周期シフト処理を施すサンプリング周期シフト部を備え、
    　前記サンプリング周期シフト処理が施された前記受信信号と、前記時間シフト信号との近似度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、
    　前記時間シフト処理における微小シフト時間は、サンプリング周期よりも短いことを特徴とする気体濃度測定装置。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の気体濃度測定装置において、
    　前記演算部は、
    　前記近似度が示す近似度合いが最も大きくなるときの前記微小シフト時間を探索し、
    　前記近似度が示す近似度合いが最も大きくなるときの前記微小シフト時間に基づいて、前記時間差を求めることを特徴とする気体濃度測定装置。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の気体濃度測定装置において、
    　前記近似度は、前記第２メモリから読み込まれた前記受信信号と、前記時間シフト信号との間のユークリッド距離であることを特徴とする気体濃度測定装置。
  6. 　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の気体濃度測定装置において、
    　前記近似度は、前記第２メモリから読み込まれた前記受信信号と、前記時間シフト信号との相関値であることを特徴とする気体濃度測定装置。
  7. 　請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の気体濃度測定装置において、
    　前記時間シフトフィルタは、
    　ＦＩＲフィルタであることを特徴とする気体濃度測定装置。
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