WO2023085153A1 - 波形整形装置および気体濃度測定装置 - Google Patents

波形整形装置および気体濃度測定装置 Download PDF

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WO2023085153A1
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received signal
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修史 新福
功 伊藤
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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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating 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
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves

Definitions

  • the present invention relates to a waveform shaping device and a gas concentration measuring device, and more particularly to signal waveform shaping.
  • 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 time when the first ultrasonic wave received earlier by the ultrasonic element is received and the time when the second ultrasonic wave received later by the ultrasonic element is received Due to the difference, the following problem may occur when obtaining the propagation time of the ultrasonic wave in the measurement room. That is, when the propagation distance in the measurement room is short or the propagation velocity is high, the first ultrasonic wave and the second ultrasonic wave overlap on the time axis, which may cause an error in measuring the propagation time. be.
  • the purpose of the present invention is to accurately measure the gas concentration.
  • the present invention provides a receiving unit that receives ultrasonic waves having a frequency according to a frequency control value and outputs a received signal, an adjusted signal obtained by delaying the received signal and adjusting its level, and a shaping obtained by synthesizing the received signal.
  • an analysis unit for generating a received signal wherein the analysis unit is obtained by synthesizing and integrating a delayed signal obtained by delaying the received signal by a delay time corresponding to the frequency control value and the received signal. obtaining an evaluation value, searching for the frequency control value when the evaluation value is the minimum, and generating the adjustment signal based on the delayed signal corresponding to the frequency control value when the evaluation value is the minimum. It is characterized by
  • the analysis unit combines and integrates a level adjustment delay signal obtained by multiplying the delay signal corresponding to the frequency control value when the evaluation value is minimal by a level adjustment coefficient and the received signal. obtaining a level evaluation value obtained by the above-described level evaluation value, searching for the level adjustment coefficient when the level evaluation value is the minimum, and the level adjustment delay signal corresponding to the level adjustment coefficient when the level evaluation value is the minimum generating the adjustment signal based on:
  • 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 response to a transmission pulse signal, and an ultrasonic wave propagated through the concentration measurement space.
  • a space propagation time for the ultrasonic wave to propagate in the concentration measurement space is obtained based on a receiving unit that outputs a signal and the timing at which a plurality of pulses of the received signal are output from the receiving unit, and based on the space propagation time.
  • an analysis unit that obtains the concentration of the gas to be measured by using the The spatial propagation time is obtained based on the shaped received signal.
  • the analysis unit outputs a first reception timing at which a pulse of the reception signal is first output from the reception unit after the transmission pulse signal is input to the transmission unit, and outputs the transmission pulse signal to the transmission unit.
  • the spatial propagation time is obtained based on the difference from the second reception timing at which the pulse of the reception signal is output for the second time from the reception unit.
  • the transmission unit transmits ultrasonic waves having a frequency according to the frequency control value, and apart from the process of obtaining the concentration of the gas, the analysis unit transmits the received signal for a delay time according to the frequency control value.
  • the process of obtaining an evaluation value obtained by synthesizing and integrating the delayed signal and the received signal, searching for the frequency control value when the evaluation value is minimized, and obtaining the concentration of the gas The delay signal corresponding to the frequency control value when the evaluation value becomes the minimum is generated, and the adjustment signal is generated based on the delay signal.
  • the analysis unit multiplies the delay signal corresponding to the frequency control value when the evaluation value becomes the minimum by a level adjustment coefficient.
  • the process of obtaining the level evaluation value obtained by synthesizing and accumulating the level adjustment delay signal and the received signal searching for the level adjustment coefficient when the level evaluation value is minimized, and obtaining the concentration of the gas. and generating the level adjustment delay signal corresponding to the level adjustment coefficient when the level evaluation value becomes the minimum, and generating the adjustment signal based on the level adjustment delay signal.
  • gas concentration can be measured accurately.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a time waveform of a received pulse
  • FIG. 10 is a diagram showing temporal waveforms of received signals obtained by simulation
  • FIG. 4 is a diagram showing a specific configuration of a waveform shaping section
  • FIG. 10 is a diagram showing a temporal waveform of a shaped received signal obtained by simulation
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between frequency candidate values and evaluation values
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the process of gas concentration measurement;
  • 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 unit 14, the analysis unit 18 outputs a first reception signal pulse (reception pulse) from the reception unit 16, and a second reception pulse from the reception unit 16. The spatial propagation time is obtained based on the difference (time difference) from the second reception timing at which is output.
  • 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.
  • FIG. 2 schematically shows an ideal temporal waveform of the received pulse output from the receiving section 16.
  • FIG. An actual received pulse has a time waveform (vibration waveform) due to free oscillation trailing behind the received pulse.
  • FIG. 3 shows the temporal waveform obtained by simulation of the received signal.
  • the oscillation waveform of the direct wave reception pulse 24 overlaps the waveform of the reflected wave reception pulse 26, making it difficult for the apparatus to recognize the waveform of the reflected wave reception pulse 26.
  • the analysis unit 18 performs waveform shaping processing on the received signal to generate a shaped received signal with a suppressed vibration waveform, and includes A spatial propagation time for the ultrasonic wave to propagate in the concentration measurement space 22 is obtained based on the received direct wave pulse and the reflected wave received pulse.
  • the waveform shaping process is a process of delaying a received signal to generate an adjusted signal whose level is adjusted, and combining the adjusted signal and the received signal to generate a shaped received signal.
  • 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 , a waveform shaping section 48 and a gas concentration measurement section 50 .
  • the waveform shaping section 48 and the gas concentration measuring section 50 may be configured by a processor that executes pre-stored programs.
  • the gas concentration measurement unit 50 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 50 .
  • the transmission circuit 40 sets the frequency of the transmission pulse signal according to the frequency control value determined by the waveform shaping section 48 .
  • the transmission ultrasonic transducer 42 transmits ultrasonic waves having a frequency according to the frequency control value in accordance with the transmission pulse signal.
  • the ultrasonic transducer for reception 44 converts the ultrasonic waves propagating through the concentration measurement space 22 into a reception signal, which is an electric signal, and outputs the reception signal to the reception circuit 46 .
  • the receiving circuit 46 converts the received signal into a digital signal and outputs the digital signal to the waveform shaping section 48 .
  • the waveform shaping section 48 applies waveform shaping processing to the received signal to generate a shaped received signal, and outputs the shaped received signal to the gas concentration measuring section 50 .
  • the gas concentration measuring unit 50 detects the first reception timing and the second reception timing based on the direct wave reception pulse and the reflected wave reception pulse included in the shaped reception signal, and detects the first reception timing from the time indicating the second reception timing.
  • the spatial propagation time may be obtained by subtracting the time indicating the timing.
  • the gas concentration measurement unit 50 may store the direct wave reception pulse and the reflected wave reception pulse included in the shaped reception signal, and perform the following processing to obtain the spatial propagation time. That is, the gas concentration measuring unit 50 obtains the correlation value between the shift pulse obtained by temporarily advancing the received reflected wave pulse by the shift time ⁇ and the received direct wave pulse. The gas concentration measurement unit 50 obtains the shift time ⁇ at which the correlation value is maximized as the spatial propagation time.
  • the Euclidean distance may be used instead of the correlation value when obtaining the spatial propagation time.
  • the Euclidean distance is defined as the square root of the integrated squared difference of 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.
  • 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 waveform shaping section 48 constitutes a waveform shaping device together with the receiving section 16 and the receiving circuit 46, and performs waveform shaping processing on the received signal to generate a shaped received signal.
  • the waveform shaping section 48 includes a first memory 60 , a second memory 62 and an arithmetic processing section 64 .
  • the arithmetic processing section 64 includes a delay device 66 , a level adjuster 68 , an adder 70 , an integrator 72 , a delay time determiner 74 and a level determiner 76 .
  • the waveform shaping section 48 operates in either calibration mode or waveform shaping mode.
  • a calibration mode is an operating mode that determines control variables for generating a shaped received signal.
  • the waveform shaping mode is an operation mode in which a shaped received signal is generated using the control variables determined in the calibration mode.
  • the control variables include a frequency control value that determines the frequency of ultrasonic waves transmitted by the transmitter 14 and a level adjustment coefficient that is multiplied by the received signal.
  • Operation in the wave shaping mode is performed after the control variables have been determined by operation in the calibration mode. That is, the operation in the waveform shaping mode is performed when the gas concentration measuring section 50 measures the gas concentration.
  • the transmitting ultrasonic transducer 42 transmits ultrasonic waves to the concentration measuring space 22 and the receiving ultrasonic transducer 44 receives ultrasonic waves from the concentration measuring space 22 .
  • Received signals are stored in the first memory 60 and the second memory 62 based on the transmission and reception of ultrasonic waves.
  • the delay device 66 reads the received signal from the first memory 60 and outputs a delayed signal obtained by delaying the received signal by the delay time determined by the delay time determiner 74 to the level adjuster 68 .
  • the level adjuster 68 multiplies the delay signal by the level adjustment coefficient determined by the level determiner 76 to generate an adjusted signal (level adjusted delay signal) and outputs the adjusted signal to the adder 70 .
  • the adder 70 outputs a shaped received signal obtained by adding the adjusted signal and the received signal read from the second memory 62 .
  • FIG. 6 shows the time waveform of the shaped received signal obtained by simulation. Compared with the time waveform of the received signal shown in FIG. 26 peaks are prominent.
  • the calibration mode of operation is performed separately from the measurement of gas concentration.
  • Ultrasonic waves are transmitted and received to and from the concentration measurement space 22 by the same processing as when measuring the gas concentration.
  • Received signals are stored in the first memory 60 and the second memory 62 based on the transmission and reception of ultrasonic waves.
  • the transmission circuit 40 transmits a transmission pulse signal having a frequency according to the temporary frequency control value (frequency candidate value) output by the delay time determiner 74 to the transmission ultrasonic transducer 42. output to Further, while the control variables are determined by the calibration mode, the delay device 66, level adjuster 68, adder 70 and integrator 72 perform the following processing to obtain evaluation values.
  • the evaluation value is a value obtained by synthesizing and accumulating a delayed signal obtained by delaying the received signal by a delay time corresponding to the frequency control value and the received signal.
  • the delay device 66 reads the received signal from the first memory 60 and outputs to the level adjuster 68 a delayed signal obtained by delaying the received signal by the delay time (temporary delay time) temporarily determined by the delay time determiner 74 .
  • the level adjuster 68 multiplies the delayed signal by the level adjustment coefficient (temporary level adjustment coefficient) temporarily determined by the level determiner 76 and outputs the result to the adder 70 .
  • the adder 70 outputs to the integrator 72 a synthesized signal obtained by adding the delay signal multiplied by the provisional level adjustment coefficient (provisional level adjustment delay signal) and the received signal read from the second memory 62 .
  • the integrator 72 obtains an accumulated value obtained by integrating the square of the combined signal over a predetermined time as an evaluation value, and outputs the evaluation value to the delay time determiner 74 and the level determiner 76 .
  • the delay time determiner 74 determines the delay time based on the evaluation value obtained in this way.
  • the level determiner 76 fixes the level adjustment coefficient output to the level adjuster 68 to 1 while the delay time determiner 74 determines the delay time.
  • the delay time determiner 74 determines the frequency control value by the following search processing, and determines the delay time by multiplying the reciprocal of the frequency control value (period control value) by N.
  • a curve 80 shows the relationship between the frequency candidate value (temporary frequency control value) and the evaluation value.
  • the horizontal axis indicates frequency candidate values, and the vertical axis indicates evaluation values.
  • a straight line 82 indicates an evaluation value when the level of the delayed signal is assumed to be 0, that is, an accumulated value obtained by integrating the square of the received signal over a predetermined time.
  • the delay time determiner 74 changes the frequency candidate value, acquires the evaluation value from the accumulator 72 while changing the provisional delay time obtained by multiplying the reciprocal of the frequency candidate value by N, and obtains the minimum evaluation value. Search for time-frequency candidate values. A delay time determiner 74 obtains the searched local minimum frequency candidate value as a frequency control value. The delay time determiner 74 determines the delay time by multiplying the reciprocal of the frequency control value (period control value) by N times.
  • delay time determiner 74 searches for the minimum frequency candidate value with the smallest evaluation value may be performed as follows.
  • delay time determiner 74 obtains evaluation values E1, E1p and E1m for frequency candidate values F1, F1+.DELTA.1 and F1-.DELTA.1, respectively.
  • frequency candidate value F1 and frequency candidate value F1 and frequency candidate value F1 and A deviation width ⁇ 1 is set.
  • the range in which the frequency candidate value is changed is the range between two maximum frequency candidate values sandwiching the minimum frequency candidate value with the smallest evaluation value.
  • the maximum frequency candidate value is the frequency candidate value when the evaluation value becomes the maximum value.
  • the delay time determiner 74 determines the frequency candidate value corresponding to the smallest of the evaluation values E1, E1p and E1m as the second step central value F2. That is, when the evaluation value E1m is the smallest, the delay time determiner 74 determines the frequency candidate value F1- ⁇ F1 as the second step central value F2. Further, when the evaluation value E1 is the smallest, the delay time determiner 74 determines the frequency candidate value F1 as the second step center value F2, and when the evaluation value E1p is the smallest, the frequency candidate value F1+ ⁇ 1 is set as the second step center value F2. It is determined as the 2-step center value F2.
  • the delay time determiner 74 obtains evaluation values E2, E2p and E2m for frequency candidate values F2 (second step center value), F2+ ⁇ 2 and F2 ⁇ 2, respectively.
  • the deviation width ⁇ 2 is a value smaller than the deviation width ⁇ 1.
  • the delay time determiner 74 determines the frequency candidate value corresponding to the smallest of the evaluation values E2, E2p and E2m as the third step central value F3.
  • the delay time determiner 74 obtains evaluation values E3, E3p and E3m for the frequency candidate values F3 (central value of the third step), F3+ ⁇ 3 and F3 ⁇ 3, respectively.
  • the deviation width ⁇ 3 is a value smaller than the deviation width ⁇ 2.
  • the delay time determiner 74 determines the frequency candidate value corresponding to the smallest of the evaluation values E3, E3p and E3m as the fourth step central value F4.
  • the delay time determiner 74 obtains the evaluation values Ej, Ejp and Ejm for the frequency candidate values Fj, Fj+ ⁇ j and Fj ⁇ j, respectively.
  • the deviation width ⁇ j is a value smaller than the deviation width ⁇ j ⁇ 1.
  • the delay time determiner 74 determines the frequency candidate value corresponding to the smallest one of the evaluation values Ej, Ejp and Ejm as the j+1 step central value Fj+1.
  • j is an integer of 2 or more.
  • the delay time determiner 74 determines the Mth step center value FM obtained in the M-1th step as the minimum frequency candidate value with the smallest evaluation value, ie, the final frequency control value.
  • M is an integer of 2 or more that sufficiently reduces the deviation width ⁇ M ⁇ 1.
  • the delay time determiner 74 fixes the delay time output to the delay device 66 to the finally obtained delay time.
  • the level determiner 76 acquires an evaluation value (level evaluation value) from the accumulator 72 while changing the provisional level adjustment coefficient, and determines the provisional level adjustment coefficient when the level evaluation value is minimal as the final level. Determined as an adjustment factor.
  • the delay time determiner 74 outputs the delay time determined by the calibration mode operation to the delay device 66, and the level determiner 76 outputs the level adjustment coefficient determined by the calibration mode operation. Output to level adjuster 68 .
  • the appropriate delay time for generating the adjustment signal is determined, and the adjustment signal is generated appropriately. adjusted to a suitable level.
  • the oscillating waveform is suppressed, and the waveform shaping section 48 generates a shaped reception signal in which the peak of the direct wave reception pulse and the peak of the reflected wave reception pulse appear conspicuously. Therefore, the accuracy of the gas concentration determined by the gas concentration measurement unit 50 is improved.
  • Fig. 8 shows an example of the gas concentration measurement process.
  • the measurement process is repeated at predetermined measurement cycles.
  • One measurement process includes operation in the calibration mode, transmission and reception of ultrasonic waves for gas concentration measurement, waveform shaping of received signals (waveform shaping mode operation), and gas concentration measurement.
  • the delay time determiner 74 obtains the evaluation values Ejm, Ej and Ejp, respectively.
  • the delay time determiner 74 sets the smallest one of the evaluation values Ejm, Ej and Ejp as the j+1 step central value Fj+1.
  • the delay time determiner 74 obtains the evaluation values E(j+1)m, E(j+1) and E(j+1)p by similar processes.
  • the delay time determiner 74 sets the frequency candidate value corresponding to the smallest one of the evaluation values E(j+1)m, E(j+1) and E(j+1)p as the j+2 step central value Fj+2.
  • the delay time determiner 74 determines the M-th step center value FM as a new frequency control value, and the frequency Update the control value.
  • a level determiner 76 determines and updates the level adjustment coefficient according to the received signal obtained by the fourth transmission/reception.
  • Transmission and reception of ultrasonic waves for gas concentration measurement, waveform shaping of received signals, and gas concentration measurement in one measurement process are carried out using the last updated frequency control value and level adjustment coefficient in the measurement process executed in the past. is executed using
  • the process of determining the frequency candidate value corresponding to the smallest of the evaluation values Ejm, Ej, and Ejp as the j+1-th step central value Fj+1 is performed by obtaining sets of the evaluation values Ejm, Ej, and Ejp a plurality of times. It may be done by In this case, the delay time determiner 74 acquires a set of evaluation values Ejm, Ej and Ejp for the same j in multiple measurement processes that are continuously executed. The delay time determiner 74 determines the frequency candidate value corresponding to the most frequent minimum among the evaluation values Ejm, Ej, and Ejp as the j+1-th step central value Fj+1.
  • the second step center value F2 is determined, and after obtaining the set of evaluation values E2m, E2 and E2p three times, the third step A step center value F3 is determined, and a set of evaluation values E3m, E3, and E3p is obtained three times, then a fourth step center value F4 is determined, and the fourth step center value F4 is used as a frequency control value.
  • the frequency control value is determined by nine measurement processes. That is, the frequency control value is updated each time the measurement process is executed nine times.

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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。波形整形装置は、周波数制御値に従う周波数の超音波を受信し、受信信号を出力する受信部（１６）と、受信信号を遅延させレベルを調整した調整信号と、受信信号とを合成して得られる整形受信信号を生成する解析部（１８）とを備えている。解析部（１８）は、周波数制御値に応じた遅延時間だけ受信信号を遅延させた遅延信号と、受信信号とを合成し積算して得られる評価値を求め、評価値が極小となるときの周波数制御値を探索する。解析部（１８）は、評価値が極小となるときの周波数制御値に対応する遅延信号に基づいて調整信号を生成する。

Description

波形整形装置および気体濃度測定装置
　本発明は、波形整形装置および気体濃度測定装置に関し、特に、信号の波形整形に関する。
　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
　特許文献２に記載されているように、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、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、測定室における伝搬距離が短い場合や、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、伝搬時間の測定に誤差が生じてしまうことがある。
　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、周波数制御値に従う周波数の超音波を受信し、受信信号を出力する受信部と、前記受信信号を遅延させレベルを調整した調整信号と、前記受信信号とを合成して得られる整形受信信号を生成する解析部と、を備え、前記解析部は、前記周波数制御値に応じた遅延時間だけ前記受信信号を遅延させた遅延信号と、前記受信信号とを合成し積算して得られる評価値を求め、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値を探索し、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値に対応する前記遅延信号に基づいて前記調整信号を生成することを特徴とする。
　望ましくは、前記解析部は、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値に対応する前記遅延信号に対してレベル調整係数を乗じたレベル調整遅延信号と、前記受信信号とを合成し積算して得られるレベル評価値を求め、前記レベル評価値が極小となるときの前記レベル調整係数を探索し、前記レベル評価値が極小となるときの前記レベル調整係数に対応する前記レベル調整遅延信号に基づいて前記調整信号を生成する。
　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、前記受信信号を遅延させレベルを調整した調整信号と、前記受信信号とを合成して整形受信信号を生成し、前記整形受信信号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、前記送信部に前記送信パルス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のパルスが出力される第１受信タイミングと、前記送信部に前記送信パルス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のパルスが出力される第２受信タイミングとの相違に基づいて前記空間伝搬時間を求める。
　望ましくは、前記送信部は、周波数制御値に従う周波数の超音波を送信し、前記気体の濃度を求める処理とは別に、前記解析部は、前記周波数制御値に応じた遅延時間だけ前記受信信号を遅延させた遅延信号と、前記受信信号とを合成し積算して得られる評価値を求め、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値を探索し、前記気体の濃度を求める処理では、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値に対応する前記遅延信号を生成し、前記遅延信号に基づいて前記調整信号を生成する。
　望ましくは、前記測定対象の気体の濃度を求める処理とは別に、前記解析部は、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値に対応する前記遅延信号に対してレベル調整係数を乗じたレベル調整遅延信号と、前記受信信号とを合成し積算して得られるレベル評価値を求め、前記レベル評価値が極小となるときの前記レベル調整係数を探索し、前記気体の濃度を求める処理では、前記レベル評価値が極小となるときの前記レベル調整係数に対応する前記レベル調整遅延信号を生成し、前記レベル調整遅延信号に基づいて前記調整信号を生成する。
　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。 受信信号についてのシミュレーションによって求められた時間波形を示す図である。 気体濃度測定装置の具体的な構成を示す図である。 波形整形部の具体的な構成を示す図である。 整形受信信号についてのシミュレーションによって求められた時間波形を示す図である。 周波数候補値と評価値との関係を示す図である。 気体濃度測定の過程の例を示す図である。
　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、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。
　図２は、受信部１６から出力される受信パルスの理想的な時間波形を模式的に示したものである。実際の受信パルスは、受信パルスの後方に尾を引いた自由振動による時間波形（振動波形）を有している。図３には、受信信号についてのシミュレーションによって求められた時間波形が示されている。この時間波形では、直接波受信パルス２４の振動波形と、反射波受信パルス２６の波形とが重なってしまい、反射波受信パルス２６の波形を装置が認識することは困難である。
　そこで、本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置１００では、解析部１８が受信信号に対して波形整形処理を施して、振動波形が抑制された整形受信信号を生成し、整形受信信号に含まれる直接波受信パルスおよび反射波受信パルスに基づいて、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る。ここで、波形整形処理は、受信信号を遅延させレベルを調整した調整信号を生成し、調整信号と受信信号とを合成して整形受信信号を生成する処理である。
　図４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、波形整形部４８および気体濃度測定部５０を備えている。波形整形部４８および気体濃度測定部５０は、予め記憶さ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。
　気体濃度測定部５０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５０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。このとき送信回路４０は、波形整形部４８によって決定された周波数制御値に従って送信パルス信号の周波数を設定する。送信用超音波振動子４２は、周波数制御値に従う周波数の超音波を、送信パルス信号に応じて送信する。
　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、受信信号をディジタル信号に変換して波形整形部４８に出力する。波形整形部４８は、受信信号に対して波形整形処理を施して整形受信信号を生成し、気体濃度測定部５０に出力する。
　気体濃度測定部５０は、整形受信信号に含まれる直接波受信パルスおよび反射波受信パルスに基づいて、第１受信タイミングおよび第２受信タイミングを検出し、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して空間伝搬時間を求めてよい。
　気体濃度測定部５０は、整形受信信号に含まれる直接波受信パルスおよび反射波受信パルスを記憶し、次のような処理を実行して空間伝搬時間を求めてもよい。すなわち、気体濃度測定部５０は、反射波受信パルスを仮にシフト時間τだけ早めたシフトパルスと、直接波受信パルスとの相関値を求める。気体濃度測定部５０は相関値が最大となるときのシフト時間τを空間伝搬時間として求める。
　なお、空間伝搬時間を求める際には、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。
　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５には、波形整形部４８の具体的な構成が示されている。波形整形部４８は、受信部１６および受信回路４６と共に波形整形装置を構成し、受信信号に対して波形整形処理を施して整形受信信号を生成する。波形整形部４８は、第１メモリ６０、第２メモリ６２および演算処理部６４を備えている。演算処理部６４は、遅延器６６、レベル調整器６８、加算器７０、積算器７２、遅延時間決定器７４およびレベル決定器７６を備えている。
　波形整形部４８は、キャリブレーションモードまたは波形整形モードのいずれかで動作する。キャリブレーションモードは、整形受信信号を生成するための制御変数を決定する動作モードである。波形整形モードは、キャリブレーションモードで決定された制御変数を用いて、整形受信信号を生成する動作モードである。制御変数には、送信部１４が送信する超音波の周波数を決定する周波数制御値、および受信信号に乗ぜられるレベル調整係数がある。
　波形整形モードでの動作について説明する。波形整形モードでの動作は、キャリブレーションモードでの動作によって制御変数が求められた後に実行される。すなわち、波形整形モードの動作は、気体濃度測定部５０が気体濃度を測定するときに実行される。上記のように送信用超音波振動子４２は濃度測定空間２２に超音波を送信し、受信用超音波振動子４４は濃度測定空間２２から超音波を受信する。超音波の送受信に基づいて、第１メモリ６０および第２メモリ６２に受信信号が記憶される。
　遅延器６６は、第１メモリ６０から受信信号を読み込み、遅延時間決定器７４が決定した遅延時間だけ受信信号を遅延させた遅延信号をレベル調整器６８に出力する。レベル調整器６８は、レベル決定器７６が決定したレベル調整係数を遅延信号に乗じて調整信号（レベル調整遅延信号）を生成し、加算器７０に出力する。加算器７０は、調整信号と、第２メモリ６２から読み込まれた受信信号とを加算した整形受信信号を出力する。
　図６には、シミュレーションによって求められた整形受信信号の時間波形が示されている。図３に示された受信信号の時間波形と比較して、直接波受信パルス２４と反射波受信パルス２６との間の振動波形が抑制され、直接波受信パルス２４のピークと、反射波受信パルス２６のピークが顕著に表れている。
　次にキャリブレーションモードについて説明する。キャリブレーションモードの動作は、気体濃度の測定とは別に実行される。気体濃度を測定する場合と同様の処理によって、濃度測定空間２２に対して超音波が送受信される。超音波の送受信に基づいて、第１メモリ６０および第２メモリ６２に受信信号が記憶される。
　キャリブレーションモードによって制御変数が決定される間、送信回路４０は、遅延時間決定器７４が出力する仮の周波数制御値（周波数候補値）に従う周波数を有する送信パルス信号を送信用超音波振動子４２に出力する。また、キャリブレーションモードによって制御変数が決定される間、遅延器６６、レベル調整器６８、加算器７０および積算器７２は次のような処理を実行し、評価値を求める。評価値は、周波数制御値に応じた遅延時間だけ受信信号を遅延させた遅延信号と、受信信号とを合成し積算して得られる値である。
　遅延器６６は、第１メモリ６０から受信信号を読み込み、遅延時間決定器７４が仮に決定した遅延時間（仮の遅延時間）だけ受信信号を遅延させた遅延信号をレベル調整器６８に出力する。レベル調整器６８は、レベル決定器７６が仮に決定したレベル調整係数（仮のレベル調整係数）を遅延信号に乗じて、加算器７０に出力する。加算器７０は、仮のレベル調整係数が乗ぜられた遅延信号（仮のレベル調整遅延信号）と、第２メモリ６２から読み込まれた受信信号とを加算した合成信号を積算器７２に出力する。積算器７２は、合成信号の二乗を所定の時間に亘って積分した累積値を評価値として求め、遅延時間決定器７４およびレベル決定器７６に出力する。
　遅延時間決定器７４は、このようにして求められる評価値に基づいて遅延時間を決定する。遅延時間決定器７４が遅延時間を決定する間、レベル決定器７６はレベル調整器６８に出力するレベル調整係数を１に固定する。
　ここで、送信パルス信号の周波数と受信信号の周波数には、送信用超音波振動子４２および受信用超音波振動子４４の固有の特性によってずれが生じる。これによって、適切な波形整形を行うための周波数制御値は未知となり、遅延時間を決定する際には適切な周波数制御値を決定し、その周波数制御値に基づいて遅延時間を決定する必要がある。そこで、遅延時間決定器７４は、次のような探索処理によって周波数制御値を決定し、周波数制御値の逆数（周期制御値）をＮ倍することで遅延時間を決定する。ここで、Ｎは予め定められた正の数であり、例えばＮ＝２．５である。
　図７には、周波数候補値（仮の周波数制御値）と評価値との関係が曲線８０によって示されている。横軸は周波数候補値を示し縦軸は評価値を示す。この図には、仮に遅延信号のレベルを０とした場合における評価値、すなわち、受信信号の二乗を所定の時間に亘って積分した累積値が直線８２によって示されている。
　縦軸が示す評価値は、周波数候補値の逆数のＮ倍を仮の遅延時間としたときの評価値である。図７に示されるように、周波数候補値の増加に対して評価値は増加および減少を繰り返す。本実施形態ではＮ＝２．５とし、評価値が極小となる極小時周波数候補値のうち、評価値が最小となる極小時周波数候補値、すなわち左から２番目の極小時周波数候補値が求めるべき周波数候補値（周波数制御値）である。この周波数制御値の逆数のＮ倍を遅延時間として決定することで、良好な整形受信信号が得られる。
　そこで、遅延時間決定器７４は、周波数候補値を変化させ、周波数候補値の逆数のＮ倍として求まる仮の遅延時間を変化させながら積算器７２から評価値を取得し、評価値が最も小さい極小時周波数候補値を探索する。遅延時間決定器７４は、探索された極小時周波数候補値を周波数制御値として求める。遅延時間決定器７４は、周波数制御値の逆数（周期制御値）をＮ倍することで遅延時間を決定する。
　評価値が最も小さい極小時周波数候補値を遅延時間決定器７４が探索する処理は、次のように行われてよい。第１ステップにおいて遅延時間決定器７４は、周波数候補値Ｆ１、Ｆ１＋Δ１およびＦ１－Δ１について、それぞれ評価値Ｅ１、Ｅ１ｐおよびＥ１ｍを取得する。ただし、周波数候補値Ｆ１－Δ１が、周波数候補値を変化させる範囲の下限値を超え、周波数候補値Ｆ１＋Δ１が、周波数候補値を変化させる範囲の上限値未満となるように、周波数候補値Ｆ１およびずれ幅Δ１が設定される。また、周波数候補値を変化させる範囲は、評価値が最も小さい極小時周波数候補値を挟む２つの極大時周波数候補値の間の範囲である。ここで、極大時周波数候補値は、評価値が極大値となるときの周波数候補値をいう。
　遅延時間決定器７４は、評価値Ｅ１、Ｅ１ｐおよびＥ１ｍのうち、最も値の小さいものに対応する周波数候補値を第２ステップ中心値Ｆ２として決定する。すなわち、評価値Ｅ１ｍが最も小さい場合には、遅延時間決定器７４は、周波数候補値Ｆ１－ΔＦ１を第２ステップ中心値Ｆ２として決定する。また、評価値Ｅ１が最も小さい場合には、遅延時間決定器７４は、周波数候補値Ｆ１を第２ステップ中心値Ｆ２として決定し、評価値Ｅ１ｐが最も小さい場合には、周波数候補値Ｆ１＋Δ１を第２ステップ中心値Ｆ２として決定する。
　第２ステップにおいて遅延時間決定器７４は、周波数候補値Ｆ２（第２ステップ中心値）、Ｆ２＋Δ２およびＦ２－Δ２について、それぞれ評価値Ｅ２、Ｅ２ｐおよびＥ２ｍを取得する。ただし、ずれ幅Δ２は、ずれ幅Δ１よりも小さい値である。遅延時間決定器７４は、評価値Ｅ２、Ｅ２ｐおよびＥ２ｍのうち、最も値の小さいものに対応する周波数候補値を第３ステップ中心値Ｆ３として決定する。
　第３ステップにおいて遅延時間決定器７４は、周波数候補値Ｆ３（第３ステップ中心値）、Ｆ３＋Δ３およびＦ３－Δ３について、それぞれ評価値Ｅ３、Ｅ３ｐおよびＥ３ｍを取得する。ただし、ずれ幅Δ３は、ずれ幅Δ２よりも小さい値である。遅延時間決定器７４は、評価値Ｅ３、Ｅ３ｐおよびＥ３ｍのうち、最も値の小さいものに対応する周波数候補値を第４ステップ中心値Ｆ４として決定する。
　このように、第ｊステップにおいて遅延時間決定器７４は、周波数候補値Ｆｊ、Ｆｊ＋ΔｊおよびＦｊ－Δｊについて、それぞれ評価値Ｅｊ、ＥｊｐおよびＥｊｍを取得する。ただし、ずれ幅Δｊは、ずれ幅Δｊ－１よりも小さい値である。遅延時間決定器７４は、評価値Ｅｊ、ＥｊｐおよびＥｊｍのうち、最も値の小さいものに対応する周波数候補値を第ｊ＋１ステップ中心値Ｆｊ＋１として決定する。ここで、ｊは２以上の整数である。
　遅延時間決定器７４は、第Ｍ－１ステップにおいて求めた第Ｍステップ中心値ＦＭを、評価値が最も小さい極小時周波数候補値、すなわち、最終的な周波数制御値として決定する。ここで、Ｍは、ずれ幅ΔＭ－１が十分に小さくなる２以上の整数である。
　次に、レベル決定器７６がレベル調整係数を求める処理について説明する。レベル決定器７６がレベル調整係数を決定する間、遅延時間決定器７４は遅延器６６に出力する遅延時間を最終的に求められた遅延時間に固定する。レベル決定器７６は、仮のレベル調整係数を変化させながら、積算器７２から評価値（レベル評価値）を取得し、レベル評価値が極小となるときの仮のレベル調整係数を最終的なレベル調整係数として決定する。
　波形整形モードの動作では、遅延時間決定器７４は、キャリブレーションモードの動作によって決定した遅延時間を遅延器６６に出力し、レベル決定器７６は、キャリブレーションモードの動作によって決定したレベル調整係数をレベル調整器６８に出力する。
　このような処理によれば、送信パルス信号の周波数と、受信信号の周波数にずれがある場合であっても、調整信号を生成するための適切な遅延時間が決定されると共に、調整信号が適切なレベルに調整される。これによって、振動波形が抑制されると共に、直接波受信パルスのピークと、反射波受信パルスのピークが顕著に表れる整形受信信号が波形整形部４８によって生成される。したがって、気体濃度測定部５０が求める気体濃度の精度が向上する。
　図８には、気体濃度測定の過程の例が示されている。気体濃度測定では、所定の測定周器で測定処理が繰り返される。１回の測定処理には、キャリブレーションモードでの動作、気体濃度測定のための超音波の送受信、受信信号の波形整形（波形整形モードの動作）および気体濃度測定が含まれる。
　１回の測定処理におけるキャリブレーションモードの動作では、４回に亘って超音波の送受信が行われる。すなわち、第１～第４の送受信が行われる。第１の送受信、第２の送受信および第３の送受信によって、遅延時間決定器７４は、それぞれ、評価値Ｅｊｍ、ＥｊおよびＥｊｐを取得する。遅延時間決定器７４は、評価値Ｅｊｍ、ＥｊおよびＥｊｐのうち最も小さいものを、第ｊ＋１ステップ中心値Ｆｊ＋１とする。
　次の測定処理におけるキャリブレーションモードの動作において、遅延時間決定器７４は、同様の処理によって評価値Ｅ（ｊ＋１）ｍ、Ｅ（ｊ＋１）およびＥ（ｊ＋１）ｐを取得する。遅延時間決定器７４は、評価値Ｅ（ｊ＋１）ｍ、Ｅ（ｊ＋１）およびＥ（ｊ＋１）ｐのうち最も小さいものに対応する周波数候補値を、第ｊ＋２ステップ中心値Ｆｊ＋２とする。
　測定処理の繰り返しによって、遅延時間決定器７４が第Ｍステップ中心値ＦＭを求めるに至ったときに、遅延時間決定器７４は、第Ｍステップ中心値ＦＭを新たな周波数制御値として決定し、周波数制御値を更新する。
　Ｍ回に亘る測定処理によって周波数制御値が更新されるまでの間、第４の送受信では、先に決定された周波数制御値を用いて処理が実行される。レベル決定器７６は、第４の送受信によって得られた受信信号によって、レベル調整係数を決定し更新する。
　１回の測定処理における気体濃度測定のための超音波の送受信、受信信号の波形整形および気体濃度測定は、過去に実行された測定処理において、最後に更新された周波数制御値およびレベル調整係数を用いて実行される。
　なお、評価値Ｅｊｍ、ＥｊおよびＥｊｐのうち最も小さいものに対応する周波数候補値を、第ｊ＋１ステップ中心値Ｆｊ＋１として決定する処理は、評価値Ｅｊｍ、ＥｊおよびＥｊｐの組を複数回に亘って取得することで行われてもよい。この場合、遅延時間決定器７４は、連続して実行される複数回の測定処理において同一のｊについて評価値Ｅｊｍ、ＥｊおよびＥｊｐの組を取得する。遅延時間決定器７４は、評価値Ｅｊｍ、ＥｊおよびＥｊｐのうち、これら３つの値の中で最小となった回数が多いものに対応する周波数候補値を第ｊ＋１ステップ中心値Ｆｊ＋１として決定する。
　例えば、評価値Ｅ１ｍ、Ｅ１およびＥ１ｐの組を３回に亘って取得した後に第２ステップ中心値Ｆ２を決定し、評価値Ｅ２ｍ、Ｅ２およびＥ２ｐの組を３回に亘って取得した後に第３ステップ中心値Ｆ３を決定し、さらに、評価値Ｅ３ｍ、Ｅ３およびＥ３ｐの組を３回に亘って取得した後に第４ステップ中心値Ｆ４を決定して、第４ステップ中心値Ｆ４を周波数制御値として決定する場合には、９回の測定処理によって周波数制御値が決定される。すなわち、測定処理が９回実行されるごとに、周波数制御値が更新される。
　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　波形整形部、５０　気体濃度測定部、６０　第１メモリ、６２　第２メモリ、６４　演算処理部、６６　遅延器、６８　レベル調整器、７０　加算器、７２　積算器、７４　遅延時間決定器、７６　レベル決定器、８０　周波数候補値と評価値との関係を示す曲線、８２　受信信号の二乗を所定の時間に亘って積分した累積値を示す直線。
 

Claims (6)

  1. 　周波数制御値に従う周波数の超音波を受信し、受信信号を出力する受信部と、
    　前記受信信号を遅延させレベルを調整した調整信号と、前記受信信号とを合成して得られる整形受信信号を生成する解析部と、を備え、
    　前記解析部は、
    　前記周波数制御値に応じた遅延時間だけ前記受信信号を遅延させた遅延信号と、前記受信信号とを合成し積算して得られる評価値を求め、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値を探索し、
    　前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値に対応する前記遅延信号に基づいて前記調整信号を生成することを特徴とする波形整形装置。
  2. 　請求項１に記載の波形整形装置において、
    　前記解析部は、
    　前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値に対応する前記遅延信号に対してレベル調整係数を乗じたレベル調整遅延信号と、前記受信信号とを合成し積算して得られるレベル評価値を求め、前記レベル評価値が極小となるときの前記レベル調整係数を探索し、
    　前記レベル評価値が極小となるときの前記レベル調整係数に対応する前記レベル調整遅延信号に基づいて前記調整信号を生成することを特徴とする波形整形装置。
  3. 　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、
    　前記受信信号を遅延させレベルを調整した調整信号と、前記受信信号とを合成して整形受信信号を生成し、
    　前記整形受信信号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３に記載の濃度測定装置において、
    　前記解析部は、
    　前記送信部に前記送信パルス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のパルスが出力される第１受信タイミングと、前記送信部に前記送信パルス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のパルスが出力される第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. 　請求項３または請求項４に記載の気体濃度測定装置において、
    　前記送信部は、周波数制御値に従う周波数の超音波を送信し、
    　前記気体の濃度を求める処理とは別に、前記解析部は、
    　前記周波数制御値に応じた遅延時間だけ前記受信信号を遅延させた遅延信号と、前記受信信号とを合成し積算して得られる評価値を求め、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値を探索し、
    　前記気体の濃度を求める処理では、前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値に対応する前記遅延信号を生成し、前記遅延信号に基づいて前記調整信号を生成す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、
    　前記測定対象の気体の濃度を求める処理とは別に、前記解析部は、
    　前記評価値が極小となるときの前記周波数制御値に対応する前記遅延信号に対してレベル調整係数を乗じたレベル調整遅延信号と、前記受信信号とを合成し積算して得られるレベル評価値を求め、前記レベル評価値が極小となるときの前記レベル調整係数を探索し、
    　前記気体の濃度を求める処理では、前記レベル評価値が極小となるときの前記レベル調整係数に対応する前記レベル調整遅延信号を生成し、前記レベル調整遅延信号に基づいて前記調整信号を生成することを特徴とする気体濃度測定装置。
     
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