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专利名称：利用超声波测定气体浓度和流量的装置及方法
技术领域：
本发明涉及利用超声波测定例如从医用氧气浓缩器输出的样品气中的氧气浓度和该样品气的流量的装置及方法。
C＝(κRT/M)1/2…(1)式中，κ定容克分子比热与定压克分子比热之比R气体常数即，只要测定出样品气中的超声波传播速度C(m/sec)与样品气的温度T(K)，就可以通过运算而求得样品气的平均分子量M。例如，如设氧气的分子量为MO2、氮气的分子量为MN2，则由氧气与氮气的混合比为P∶(1-P)(0≤P≤1)的混合气构成的样品气的平均分子量M为M＝MO2P+MN2(1-P)，所以，可以根据测定出的平均分子量M通过运算而求得氧气浓度P。这里，如果该样品气是氧气与氮气的混合气，则在很宽的氧气与氮气的混合比范围上大致可以估计为κ＝1.4。
另外，如样品气中的超声波传播速度为C(m/sec)、样品气的流速为V(m/sec)，则相对于样品气的流向沿正向发送超声波时测定的超声波传播速度V1(m/sec)为V1＝C+V、沿反向发送超声波时测定的超声波传播速度V2(m/sec)为V2＝C-V，所以，样品气的流速V(m/sec)，可以从以下的式(2)求出。
V＝(V1-V2)/2 …(2)将其乘以样品气流过的管道的断面积(m2)，即可求得样品气的流量(m3/sec)。
已经提出了利用这种原理并根据在样品气中传播的超声波的传播速度或传播时间测定样品气中的特定气体浓度和样品气流量的方法及装置。例如，在特开平6-213877号公报中，记述了一种在样品气流过的管道中以彼此相对的方式配置2个超声波换能器并测量在该超声波换能器之间传播的超声波的传播时间从而测定样品气的浓度和流量的装置。此外，在特开平7-209265号公报及特开平8-233718号公报中，记述了一种以采用了1个超声波换能器及与该超声波换能器相对设置的反射板的声波反射方式测定在一个检查体积内传播的超声波的传播速度或传播时间从而测定样品气中的特定气体浓度的装置。
在这种利用超声波的传播速度等测定样品气浓度和流量的方法及装置中，必须精确地决定超声波换能器之间或超声波换能器与反射板之间的距离即超声波的传播距离及管道的内径，但超声波的传播距离及管道内径将受到随样品气的温度变化而引起的管道尺寸的温度变化的影响。此外，超声波的传播距离及管道的内径，还受到制造管道时的工作精度和装配精度、超声波换能器及反射板的安装精度、超声波换能器本身的加工精度的影响。因此，很难精确地掌握超声波的传播距离及管道内径，因而成为使测定精度降低的原因。
在上述的特开平6-213877号公报及特开平8-233718号公报中，记述了一种为改善由各种因素引起的浓度测定结果的温度特性而引入温度补偿系数的方法。此外，还有一种以表格形式预先将温度与超声波传播速度和浓度的关系存储在存储器内的方法。但是，为求得上述这些温度补偿系数或表格，采用着将样品气设定为多个不同温度后供给装置并预先求出装置的温度特性的方法，所以在装置的校准过程中需花费很多的劳力。
另外，作为将测定结果的温度特性消除或减小到最低限度的方法，还提出了一种将装置本身置于温度控制下使其始终保持恒定温度而进行测定的方案。但是，在这种方法中，除必需另外设置用于进行温度控制的装置外，还存在着很难精确地控制装置的温度、特别是样品气流通管道的温度的问题。
本发明的另一目的在于，提供一种可以用简便的方法对装置进行校准并能以与样品气温度无关的方式精确地测定样品气的流量的超声波式浓度测定装置及方法。
按照本发明，提供一种超声波式气体浓度测定装置，具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的超声波发送接收器、与上述超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的反射板、在上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器，该超声波式气体浓度测定装置，还备有对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的校准气源、配置在上述管道内并用于测定在上述管道内流通的校准气的温度的温度传感器、根据上述超声波发送接收器发出超声波的时刻及该超声波发送接收器接收到由上述反射板反射的超声波的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的时间的传播时间计算装置、根据上述传播时间计算装置的计算结果校准上述超声波发送接收器与上述反射板之间的基准距离的校准装置。
按照本发明的另一特征，提供一种超声波式气体浓度测定方法，利用具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的超声波发送接收器、与上述超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的反射板、在上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器的超声波式气体浓度测定装置测定上述测定对象气体的浓度，该超声波式气体浓度测定方法，包括在上述测定对象气体的浓度测定过程开始之前对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的步骤、由配置在上述管道内的温度传感器测定在上述管道内流通的校准气的温度的步骤、从上述超声波发送器发出超声波的步骤、由发送接收切换器将上述超声波发送接收器的动作模式从上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式切换为接收超声波的接收模式后根据上述超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述超声波发送接收器接收到由上述反射板反射的上述超声波的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的时间的步骤、根据上述计算结果校准上述超声波发送接收器与上述反射板之间的基准距离的步骤。
另外，按照本发明的另一特征，提供一种超声波式气体浓度测定装置，具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的直线部分的第1超声波发送接收器、与上述第1超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的直线部分的第2超声波发送接收器、在上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述第1和第2超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器，该超声波式气体浓度测定装置，还备有对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的校准气源、配置在上述管道内并用于测定在上述管道内流通的校准气的温度的温度传感器、根据上述第1超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第2超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的第1传播时间并根据上述第2超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第1超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中沿相反方向传播的第2传播时间的传播时间计算装置、根据上述传播时间计算装置的计算结果校准上述第1和第2超声波发送接收器之间的基准距离的校准装置。
进一步，按照本发明的另一特征，提供一种超声波式气体浓度测定方法，利用具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的第1超声波发送接收器、与上述第1超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的第2超声波发送接收器、在发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述第1和第2超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器的超声波式气体浓度测定装置测定上述测定对象气体的浓度，该超声波式气体浓度测定方法，包括在上述测定对象气体的浓度测定过程开始之前对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的步骤、由配置在上述管道内的温度传感器测定在上述管道内流通的校准气的温度的步骤、从上述第1超声波发送接收器发出超声波并由上述第2超声波发送接收器接收上述超声波的步骤、由发送接收切换器将上述第1超声波发送接收器的动作模式从发送模式切换为接收模式同时将第1超声波发送接收器的动作模式从接收模式切换为发送模式的步骤、根据上述第1超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第2超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的第1传播时间并根据上述笫2超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第1超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中沿相反方向传播的第2传播时间的步骤、根据上述计算结果校准上述第1超声波发送接收器与第2超声波发送接收器之间的基准距离的步骤。
另外，按照本发明的另一特征，提供一种超声波式气体流量测定装置，具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的第1超声波发送接收器、与上述第1超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的第2超声波发送接收器、在上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述第1和第2超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器，该超声波式气体流量测定装置，还备有对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的校准气源、配置在上述管道内并用于测定在上述管道内流通的校准气的温度的温度传感器、根据上述第1超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第2超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的第1传播时间并根据上述第2超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第1超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中沿相反方向传播的第2传播时间的传播时间计算装置、根据上述传播时间计算装置的计算结果校准上述第1和第2超声波发送接收器之间的基准距离及管道内径的校准装置。
进一步，按照本发明的另一特征，提供一种超声波式气体流量测定方法，利用具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的第1超声波发送接收器、与上述笫1超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的第2超声波发送接收器、在发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述笫1和第2超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器的超声波式气体浓度测定装置测定上述测定对象气体的流量，该超声波式气体流量测定方法包括在上述测定对象气体的流量测定过程开始之前对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的步骤、由配置在上述管道内的温度传感器测定在上述管道内流通的校准气的温度的步骤、从上述第1超声波发送接收器发出超声波并由上述第2超声波发送接收器接收上述超声波的步骤、由发送接收切换器将上述第1超声波发送接收器的动作模式从发送模式切换为接收模式同时将第1超声波发送接收器的动作模式从接收模式切换为发送模式的步骤、根据上述第1超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第2超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的第1传播时间并根据上述第2超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第1超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中沿相反方向传播的第2传播时间的步骤、根据上述计算结果校准上述第1超声波发送接收器与第2超声波发送接收器之间的基准距离及管道内径的步骤。
图2是本发明第2实施形态的装置的简略框图。
在

图1中，示出本发明第1实施形态的超声波式气体浓度测定装置100的简图。装置100，备有使样品气或校准气流通的管道102，管道102，具有直线部分108及与直线部分108的两端部连接的垂直部分104、106。在直线部分108内部的一个端部，固定着作为超声波发送接收器的超声波换能器118，在直该线部分108内部的另一端部，以与超声波换能器118相对的方式固定着反射板122。此外，在本实施形态中，将超声波换能器118与反射板122之间的距离定义为检查距离。
在超声波换能器118上连接着发送接收切换部124，发送接收切换部124，在超声波换能器118发出超声波的发送模式与超声波换能器118接收超声波的接收模式之间切换超声波换能器118的动作模式。发送接收切换部124，与微型计算机126连接，并由微型计算机126控制发送接收切换部124的切换动作。
在管道102内流通的气体的流向的上游侧的垂直部分104，具有进入口104a，将样品气源112及校准气源114通过供给管道110与该进入口104a连接。在样品气源112内，包括贮存包含着应测定浓度的气体的混合气、即样品气的容器(图中未示出)及设置在该容器与供给管道110之间的减压阀等。
校准气源114，可以包括贮存着预先对成分和组成比进行了精确分配的校准气、例如含有20％氧气和80％氮气的混合气的容器(图中未示出)及设置在该容器与供给管道110之间的减压阀(图中未示出)等。校准气源114，还可以备有温度调节装置113，用作改变装置100的温度、特别是管道102的温度的装置。在图1的例中，温度调节装置113，包括电热丝113a及对电热丝113a供电的电源装置113b。
在管道102内流通的气体的流向的下游侧的垂直部分106，具有排出口106a，用于浓度测定或校准的样品气或校准气，从排出口106a排出到外部。当这些气体不适于直接排到外部时，可以在排出口106a的下游适当地设置气体处理装置(图中未示出)。
用于测定在管道102内流通的样品气或校准气的温度的温度传感器116、120，最好配置在垂直部分104、106内，以使其不扰乱直线部分108内的流动状态。温度传感器116、120，与微型计算机126连接。而当样品气的温度变化不大时，温度传感器116、120也可以只设置其中的任何一个。
另外，在微型计算机126上，连接着用于驱动超声波换能器118的驱动器128、对来自超声波换能器118的信号进行A/D(模/数)转换的接收器130、显示装置100的动作状态及测定结果等的显示装置134、由用于存储微型计算机126的操作系统和各种参数等的非易失性存储装置及磁盘装置构成的存储器132。
以下，说明第1实施形态的作用。
首先，在用于测定样品气中的特定气体浓度的通常的测定过程开始之前，按照以下说明的步骤，预先校准超声波换能器118与反射板122之间的检查距离并求出基准距离L0。
作为成分和组成比已知的校准气，例如从校准气源114向管道102供给氧气与氮气的混合比为P∶(1-P)(0≤P≤1)的混合气。这时，将由两个温度传感器116、120测定出的校准气温度的平均值作为基准温度T0(K)存储在存储器132内。基准温度T0(K)，可以是不超出装置使用温度范围的任何温度(K)。
在供给着校准气的期间，从微型计算机126向驱动器128输出超声波生成用脉冲，并从驱动器128通过发送接收切换部124对超声波换能器118施加脉冲电压。超声波换能器118，发出与该脉冲电压对应的超声波。从超声波换能器118发出的超声波，在流过管道102的直线部分108的样品气中传播，并由反射板122反射后再次返回到超声波换能器118。在对超声波换能器118施加脉冲电压后，发送接收切换部124，紧接着将超声波换能器118的动作模式从发送模式切换为接收模式，以使超声波换能器118能够接收该返回的超声波。超声波换能器118，将与接收到的超声波对应的电信号通过发送接收切换部124、接收器130发送到微型计算机126。微型计算机126，根据最初向笫1换能器118输出了发送脉冲的时刻及随后接收到来自超声波换能器118的电信号的时刻，计算传播时间t0(sec)。
这里，温度T0(K)下的该校准气中的超声波传播速度C0(m/sec)，根据上述的式(1)而由以下的式(3)表示。
C0＝((κRT0)/(MO2P+MN2(1-P)))1/2…(3)另一方面，因C0＝2L0/t0…(4)所以，可以得到L0＝((κRT0)/(MO2P+MN2(1-P)))1/2×t0/2 …(5)另外，在第1实施形态中，如在静止的校准气或样品气中的超声波传播速度为C(m/sec)，则当从超声波换能器118流向反射板122方向的样品气的流速为V(m/sec)时，从超声波换能器118向反射板122传播的超声波传播速度为C+V、由反射板122反射后的超声波向返回超声波换能器118的方向传播的超声波传播速度为C-V。由第1实施形态的装置100按上述方式测定的超声波传播速度为往返的超声波的平均速度，所以，在将样品气的流速V消去后，即可测定出静止的样品气中的超声波传播速度C。
这些运算，由微型计算机126执行。上述运算中的基准温度T0下的检查距离L0(m)，作为基准距离存储在存储器132内。
按照以上的方法，通过对装置100供给已知成分和组成比的校准气并测定从超声波换能器118发出的超声波的传播时间t0(sec)，对温度T0(K)下的超声波换能器118与反射板122之间的基准距离L0(m)进行校准。这种方法，只需进行简单的操作、例如在向装置100供给校准气的期间按压一次装置100所设有的按钮(图中未示出)即可由微型计算机126自动完成校准处理。此外，由于运算本身也很简单，所以能够瞬时完成处理。另外，即使在随着装置100的老化等而使超声波换能器118与反射板122的位置关系发生变化从而使超声波的传播距离发生变化等情况下，也能以简单的方式对装置进行校准调整并更新存储在存储器132内的基准温度和基准距离。
以下，说明测定含有浓度未知的氧气和氮气的样品气中的氧气浓度的方法。
首先，说明管道102的材料的线膨胀系数α(1/K)已知的情况。
样品气测定时的温度TS(K)下的检查距离LS(m)，可以通过读出存储在存储器132内的基准距离L0(m)和基准温度T0(K)并根据下式(6)校正基准距离L0而求出。这里，测定温度TS(K)，可以取两个温度传感器116、120测定值的平均值。
LS＝L0(1+α(TS-T0)) …(6)与装置100的检查距离的校准步骤一样，在向装置100供给样品气的期间，首先，将超声波换能器118设定为发送模式。然后，从微型计算机126向驱动器128输出超声波的发送脉冲，并通过发送接收切换部124对超声波换能器118施加脉冲电压。因此，从超声波换能器118发出与来自微型计算机126的发送脉冲对应的超声波。在这之后，紧接着由发送接收切换部124使超声波换能器118按接收模式进行动作，并将与接收到的超声波对应的电信号通过发送接收切换部124、接收器130发送到微型计算机126。微型计算机126，根据最初向驱动器128输出了发送脉冲的时刻及随后接收到来自超声波换能器118的电信号的时刻，计算传播时间tS(sec)。这时，样品气中的超声波传播速度CS(m/sec)，可以根据以下的式(7)求出。
CS＝2 LS/tS…(7)另外，氧气浓度PS，根据式(3)而由下式(8)求得。
PS＝(κRTS/CS2-MN2)/(MO2-MN2)…(8)进一步，样品气的氧气浓度，也可以根据样品气中的超声波传播速度与100％氧气、100％氮气的气体中的超声波传播速度之比求得。即，如利用式(1)，则可以很容易求得温度TS(K)下的100％氧气中的超声波传播速度CO2(m/sec)、100％氮气中的超声波传播速度CN2(m/sec)，因而也可以用样品气中的超声波传播速度CS(m/sec)根据下式(9)计算PS。
PS＝(1/CS2-1/CN22)/(1/CO22-1/CN22)…(9)上述运算，由微型计算机126执行，并将浓度测定结果显示在显示装置134上。
接着，说明管道102的精确的线膨胀系数α(1/K)未知的情况。在这种情况下，可以用本装置100精确地求出线膨胀系数α。
由温度调节装置113将校准气设定为第1温度T1(K)后供给装置100，并按照与上述基准距离校准方法相同的方法测定超声波换能器118与反射板122之间的检查距离L1(m)。进一步，将校准气设定为温度T2(K)(T2≠T1)后按同样方式测定检查距离L2(m)。在这种情况下，为特定出精度高的线膨胀系数α，T1、T2的温度差大一些最好。例如，最好在按装置的使用温度范围设定的温度最小值、最大值附近进行测定。
如果求出T1、L1、T2、L2，就可以按照下式(10)求出管道102的材料的线膨胀系数α(1/K)。
α＝(L1-L2)/L1(T1-T2)) …(10)上述运算，由微型计算机126执行，并将这里求出的线膨胀系数α(1/K)存储在存储器132内。
按照上述的方法，通过将一种校准气以2个不同的温度供给装置100，可以精确地求出管道102的材料的线膨胀系数α(1/K)。这种方法，只需通过简单的测定和计算即可实现，所以，即使当随着管道102的材料老化等而使管道102的材料的线膨胀系数发生变化时，也能以简单的方式精确地测定和校正线膨胀系数并更新存储在存储器132内的线膨胀系数。
在以上的说明中，说明了利用作为改变装置100的温度、特别是管道102的温度的装置的温度调节装置113调节供给管道102的校准气温度的例。但是，其结构是作为以在管道102内流通的校准气温度与管道102的温度之间具有一定的相关关系为前提通过改变校准气温度而变更装置的温度、特别是管道102的温度用的装置的一例给出的，但本发明并不限定于此，例如，也可以在装置100的制造过程中通过将装置100置于恒温室内并将整个装置及供给装置100的气体的温度设定为规定温度而求出线膨胀系数α。
以下，参照图2说明本发明的第2实施形态。除了由与作为第1声波发送接收器的第1超声波换能器218相对设置的作为第2超声波发送接收器的第2超声波换能器222置换第1实施形态的第2超声波换能器222这一点外，与第1实施形态的结构基本相同。
第2实施形态的超声波式气体浓度流量测定装置200，备有使样品气或校准气流通的管道202，管道202，具有直线部分208及与直线部分208的两端部连接的垂直部分204、206。直线部分208，在本实施形态中，由特别是在长度方向上内径不变的圆形断面管道构件构成，在其内部的上游侧的端部，固定着作为第1超声波发送接收器的第1超声波换能器218，在直该线部分208内部的下游侧的端部，以与第1超声波换能器218相对的方式固定着作为笫2超声波发送接收器的第2超声波换能器222。此外，在本实施形态中，将第1超声波换能器218与第2超声波换能器222之间的距离定义为检查距离。
第1和第2超声波换能器218、222，连接着发送接收切换部224，发送接收切换部224，在第1和第2超声波换能器218、222发出超声波的发送模式与第1和第2超声波换能器218、222接收超声波的接收模式之间分别独立地切换第1和第2超声波换能器218、222的动作模式。发送接收切换部224，与微型计算机226连接，并由微型计算机226控制发送接收切换部224的切换动作。
管道202的上游侧的垂直部分204，具有进入口204a，将样品气源212及校准气源214通过供给管道210与该进入口204a连接。在样品气源212内，包括贮存着包含应测定浓度的气体的混合气、即样品气的容器(图中未示出)、设置在该容器与供给管道210之间的减压阀(图中未示出)及用于调节从该校准气源214流出的校准气的流量的流量调节阀(图中未示出)等。
校准气源214，可以包括贮存着预先对成分和组成比进行了精确分配的校准气的容器(图中未示出)及设置在该容器与供给管道210之间的减压阀(图中未示出)等。校准气源214，还可以备有温度调节装置213，用作改变装置200的温度、特别是管道202的温度的装置。在图1的例中，温度调节装置213，包括电热丝213a及对电热丝213a供电的电源装置213b。
管道202的下游侧的垂直部分206，具有排出口206a，用于浓度测定或校准的样品气或校准气，从排出口206a排出到外部。当这些气体不适于直接排到外部时，与第1实施形态一样，可以在排出口206a的下游适当地设置气体处理装置(图中未示出)。
用于测定在管道202内流通的样品气或校准气的温度的温度传感器216、220，最好配置在垂直部分204、206内，以使其不扰乱直线部分208内的流动状态。温度传感器216、220，与微型计算机226连接。而当样品气的温度变化不大时，温度传感器216、220也可以只设置其中的任何一个。
另外，在微型计算机226上，连接着用于驱动第1超声波换能器218的驱动器228、对来自第1超声波换能器218的信号进行A/D转换的接收器230、显示装置200的动作状态及测定结果等的显示装置234、由用于存储微型计算机226的操作系统和各种参数等的非易失性存储装置及磁盘装置构成的存储器232。
以下，说明第2实施形态的作用。
首先，在用于测定样品气中的特定气体浓度的通常的测定过程开始之前，预先校准第1和第2超声波换能器218、222之间的检查距离及管道202的直线部分208的内径D并求出基准距离L0及基准直径D0。
在本实施形态中，特别是，利用校准气源214的上述流量调节阀将与第1实施形态相同的校准气以规定流量Q0从校准气源214供给管道202。这时，将由两个温度传感器216、220测定出的校准气温度的平均值作为基准温度T0(K)存储在存储器232内。
在供给着校准气的期间，从微型计算机226向驱动器228输出超声波生成用脉冲，并通过发送接收切换部224对第1超声波换能器218施加脉冲电压。第1超声波换能器218，发出与该脉冲电压对应的超声波。从第1超声波换能器218发出的超声波，在流过管道202的直线部分208的样品气中传播，并由笫2超声波换能器222接收。第2超声波换能器222，将与接收到的超声波对应的电信号通过发送接收切换部224、接收器230发送到微型计算机226。微型计算机226，根据最初向驱动器228输出了发送脉冲的时刻及接收到来自第2超声波换能器222的电信号的时刻，计算正向传播时间t1(sec)。
在接收到来自笫2超声波换能器222的电信号之后，发送接收切换部224，紧接着将第1超声波换能器218的动作模式从发送模式切换为接收模式，同时将第2超声波换能器222的动作模式从接收模式切换为发送模式。然后，从微型计算机226向驱动器228输出超声波生成用脉冲，并通过发送接收切换部224对第2超声波换能器222施加脉冲电压。第2超声波换能器222，发出与该脉冲电压对应的超声波，并由第1超声波换能器218接收该超声波。第1超声波换能器218，将与接收到的超声波对应的电信号通过发送接收切换部224、接收器230发送到微型计算机226。微型计算机226，根据最初向第2超声波换能器222输出了发送脉冲的时刻及接收到来自第1超声波换能器218的电信号的时刻，计算反向传播时间t2(sec)。
这里，通过求出t1和t2的平均值，可以将管道202内的校准气的流动的影响除去，因而根据以下的式(11)定义超声波的传播时间t0。
t0＝(t1+t2)/2 …(11)另外，温度T0(K)下的气体中的超声波传播速度C0(m/sec)，根据上述的式(3)求出。
另一方面，因C0＝L0/t0…(12)所以，可以得到L0＝((κRT0)/(MO2P+MN2(1-P)))1/2×t0…(13)这些运算，由微型计算机226执行。上述运算中的基准温度T0下的检查距离L0(m)，作为基准距离存储在存储器232内。
进一步，由于可以利用该基准距离L0并由V01＝L0/t1、V02＝L0/t2分别表示相对于校准气的流向为正向的传播速度V01(m/sec)及反向的传播速度V02(m/sec)，所以，可以用上述的式(2)而根据以下的式(14)求出在管道202中流过的校准气的流速V0(m/sec)。
V0＝(V01-V02)/2 …(14)在将流速(m/sec)换算为流量(m3/sec)时，只需将流速V乘以用垂直于管道202的直线部分208的中心轴线的平面切断时的直线部分208的断面积(m2)即可。即，如设基准温度T0(K)下的直线部分208的基准内径为D0(m)，则以下的关系成立。
V0π(D0/2)2＝Q0…(15)即，基准温度T0(K)下的基准内径D0(m)，可以根据以下的式(16)求出。
D0＝2(Q0/(πV0))1/2…(16)上述运算，由微型计算机226执行。并将这里求出的基准内径D0(m)存储在存储器232内。
按照以上的方法，通过将已知成分和组成比的校准气供给装置200并测定从第1和第2超声波换能器218、222发出的相对于校准气的流向为正向和反向的超声波的传播时间t1、t2，对温度T0(K)下的第1和第2超声波换能器218、222之间的基准距离L0(m)进行校准。特别是，如本实施形态所示，通过将校准气以规定流量供给装置200，可以同时校准基准内径D0(m)。
以下，讲述测定含有浓度未知的氧气和氮气的样品气中的氧气浓度和流量的方法。
首先，说明管道202的材料的线膨胀系数α(1/K)已知的情况。
样品气测定时的温度TS(K)下的检查距离LS(m)，可以通过读出存储在存储器232内的基准距离L0(m)和基准温度T0(K)并根据上述的式(6)求出。这里，如上所述，TS(K)可以取两个温度传感器216、220测定值的平均值。
与装置200的检查距离的校准步骤一样，在向装置200供给样品气的期间，首先，由发送接收切换部224将第1超声波换能器218设定为发送模式、并将第2超声波换能器222设定为接收模式。然后，从微型计算机226向驱动器228输出超声波的发送脉冲，并通过发送接收切换部224对第1超声波换能器218施加脉冲电压。因此，从第1超声波换能器218发出与来自微型计算机226的发送脉冲对应的超声波，并由第2超声波换能器222接收。第2超声波换能器222，将与接收到的超声波对应的电信号通过发送接收切换部224、接收器6发送到微型计算机226。微型计算机226，根据最初向驱动器228输出了发送脉冲的时刻及接收到来自第2超声波换能器222的电信号的时刻，计算正向传播时间TS1(sec)。
在测定出正向传播时间TS1(sec)之后，由发送接收切换部224将第1超声波换能器218从发送模式切换为接收模式、并将第2超声波换能器222从接收模式切换为发送模式。在该状态下沿着与样品气的流向相反的方向进行超声波的发送，并按照与正向传播时间tS1(sec)相同的步骤求出反向传播时间tS2(sec)。通过求取正向传播时间tS1与反向传播时间tS2的平均值，可以求得将流动的影响除去的传播时间tS0＝(tS1+tS2)/2(sec)。根据该结果，可以按照以下的式(17)求出样品气中的超声波传播速度CS(m/sec)。
CS＝LS/tS0…(17)氧气浓度PS，根据上述的式(8)求得。
与第1实施形态一样，样品气的氧气浓度，也可以根据样品气中的超声波传播速度与100％氧气、100％氮气的气体中的超声波传播速度之比求得。即，可以根据温度TS(K)下的100％氧气中的超声波传播速度CO2(m/sec)、100％氮气中的超声波传播速度CN2(m/sec)按式(9)求得。
上述运算，由微型计算机226执行，并将浓度测定结果显示在显示装置234上。
以下，说明流量测定方法。
为测定流量，可以用已求出的LS及相对于所测定的样品气的流向为正向、反向的传播时间tS1、tS2并按照以下的式(18)、(19)分别求出相对于样品气的流向沿正方发送超声波时测定的超声波传播速度VS1(m/sec)、及沿反向发送超声波时测定的超声波传播速度VS2(m/sec)。
VS1＝LS/tS1…(18)VS2＝LS/tS2…(19)根据式(18)、(19)及上述的式(3)，可以从下式(20)求出样品气的流速VS(m/sec)，。
V0＝(V01-V02)/2 …(20)在将流速VS(m/sec)换算为流量QS(m3/sec)时，必须求出管道202的直线部分208的断面积。直线部分208的断面积SS(m2)，可以读出存储在存储器232内的基准内径D0(m)、基准温度T0(K)并根据管道202的材料的线膨胀系数α(1/K)而按下式(21)求出。
SS＝π(D0(1+α(TS-T0))/2)2…(21)这里的温度TS(K)，与浓度测定时的TS相同。即，样品气的流量QS(m3/sec)，可按下式(22)求得。
QS＝VSSS…(22)上述运算，由微型计算机226执行，并将流量测定结果显示在显示装置234上。
接着，说明管道202的精确的线膨胀系数α(1/K)未知的情况。在这种情况下，可以用本装置200精确地求出线膨胀系数α。
与第1实施形态一样，由温度调节装置213将校准气设定为第1温度T1(K)后供给装置200，并按照与上述基准距离校准方法相同的方法测定第1和笫2超声波换能器218、222之间的检查距离L1(m)。进一步，将校准气设定为温度T2(K)(T2≠T1)后按同样方式测定检查距离L2(m)。在这种情况下，为特定出精度高的线膨胀系数α，T1、T2的温度差大一些最好。
如果求出T1、L1、T2、L2，就可以按照上述的式(10)求出管道202的材料的线膨胀系数α(1/K)。
上述运算，由微型计算机226执行，并将这里求出的线膨胀系数α(1/K)存储在存储器232内。
按照上述的方法，通过将一种校准气以2个不同的温度供给装置200，可以精确地求出管道202的材料的线膨胀系数α(1/K)。
在以上的说明中，说明了利用作为改变装置200的温度、特别是管道202的温度的装置的温度调节装置213调节供给管道202的校准气温度的例。但是，其结构是作为以在管道202内流通的校准气温度与管道202的温度之间具有一定的相关关系为前提通过改变校准气温度而变更装置的温度、特别是管道202的温度用的装置的一例给出的，但本发明并不限定于此，例如，也可以在装置200的制造过程中通过将装置200置于恒温室内并将整个装置及供给装置200的气体的温度设定为规定温度而求出线膨胀系数α。
如上所述，按照本发明，只需准备测定装置本身和一种校准气即可进行装置的校准，而无需采用特别的校准用装置。
另外，即使当装置老化时，也可以对装置进行简便的校准调整。进一步，能以与样品气温度无关的方式测定精确的浓度及流量。
权利要求
1.一种超声波式气体浓度测定装置，具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的超声波发送接收器、与上述超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的反射板、在上述超声波发送接收器发出超声波的模式与接收超声波的接收模式之间切换上述超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器，该超声波式气体浓度测定装置，还备有对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的校准气源、配置在上述管道内并用于测定在上述管道内流通的校准气的温度的温度传感器、根据上述超声波发送接收器发出超声波的时刻及该超声波发送接收器接收到由上述反射板反射的超声波的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的时间的传播时间计算装置、根据上述传播时间计算装置的计算结果校准上述超声波发送接收器与上述反射板之间的基准距离的校准装置。
2.根据权利要求1所述的超声波式气体浓度测定装置，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，进一步，还备有存储形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数存储装置、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度并根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的校正装置。
3.根据权利要求1所述的超声波式气体浓度测定装置，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，进一步，还备有调节上述管道的温度的温度调节装置、根据上述管道温度改变时的上述基准距离的变化计算形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数计算装置、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度并根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的校正装置。
4.一种超声波式浓度测定方法，利用具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的超声波发送接收器、与上述超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的反射板、在上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器的超声波式气体浓度测定装置测定上述测定对象气体的浓度，该超声波式气体浓度测定方法，包括在上述测定对象气体的浓度测定过程开始之前对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的步骤、由配置在上述管道内的温度传感器测定在上述管道内流通的校准气的温度的步骤、从上述超声波发送器发出超声波的步骤、由发送接收切换器将上述超声波发送接收器的动作模式从上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式切换为接收超声波的接收模式后根据上述超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述超声波发送接收器接收到由上述反射板反射的上述超声波的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的时间的步骤、根据上述计算结果校准上述超声波发送接收器与上述反射板之间的基准距离的步骤。
5.根据权利要求4所述的超声波式气体浓度测定方法，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，还备有存储形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数存储装置，上述方法，还包括为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度的步骤、及根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的步骤。
6.根据权利要求4所述的超声波式气体浓度测定方法，其特征在于上述方法，还包括根据上述管道温度改变时的上述基准距离的变化计算形成上述管道的材料的线膨胀系数的步骤、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度的步骤、及根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行运算、校正运算的步骤。
7.一种超声波式气体浓度测定装置，具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的第1超声波发送接收器、与上述第1超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的第2超声波发送接收器、在上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述第1和第2超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器，该超声波式气体浓度测定装置，还备有对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的校准气源、配置在上述管道内并用于测定在上述管道内流通的校准气的温度的温度传感器、根据上述第1超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第2超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的第1传播时间并根据上述笫2超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第1超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中沿相反方向传播的第2传播时间的传播时间计算装置、根据上述传播时间计算装置的计算结果校准上述第1和第2超声波发送接收器之间的基准距离的校准装置。
8.根据权利要求7所述的超声波式气体浓度测定装置，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，进一步，还备有存储形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数存储装置、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度并根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的校正装置。
9.根据权利要求7所述的超声波式气体浓度测定装置，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，进一步，还备有调节上述管道的温度的温度调节装置、根据上述管道温度改变时的上述基准距离的变化计算形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数计算装置、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度并根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的校正装置。
10.一种超声波式气体浓度测定方法，利用具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的第1超声波发送接收器、与上述第1超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的第2超声波发送接收器、在发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述第1和第2超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器的超声波式气体浓度测定装置测定上述测定对象气体的浓度，该超声波式气体浓度测定方法，包括在上述测定对象气体的浓度测定过程开始之前对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的步骤、由配置在上述管道内的温度传感器测定在上述管道内流通的校准气的温度的步骤、从上述第1超声波发送接收器发出超声波并由上述第2超声波发送接收器接收上述超声波的步骤、由发送接收切换器将上述第1超声波发送接收器的动作模式从发送模式切换为接收模式同时将第1超声波发送接收器的动作模式从接收模式切换为发送模式的步骤、根据上述第1超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第2超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的第1传播时间并根据上述第2超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第1超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中沿相反方向传播的第2传播时间的步骤、根据上述计算结果校准上述第1超声波发送接收器与第2超声波发送接收器之间的基准距离的步骤。
11.根据权利要求10所述的超声波式气体浓度测定方法，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，还备有存储形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数存储装置，上述方法，还包括为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度的步骤、及根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的步骤。
12.根据权利要求10所述的超声波式气体浓度测定方法，其特征在于上述方法，还包括根据上述管道温度改变时的上述基准距离的变化计算形成上述管道的材料的线膨胀系数的步骤、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度的步骤、及根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行运算、校正运算的步骤。
13.一种超声波式气体流量测定装置，具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的第1超声波发送接收器、与上述第1超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的第2超声波发送接收器、在上述超声波发送接收器发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述第1和第2超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器，该超声波式气体流量测定装置，还备有对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的校准气源、配置在上述管道内并用于测定在上述管道内流通的校准气的温度的温度传感器、根据上述第1超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第2超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的第1传播时间并根据上述第2超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第1超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中沿相反方向传播的第2传播时间的传播时间计算装置、根据上述传播时间计算装置的计算结果校准上述第1和第2超声波发送接收器之间的基准距离及管道内径的校准装置。
14.根据权利要求13所述的超声波式气体流量测定装置，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，进一步，还备有存储形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数存储装置、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度并根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的校正装置。
15.根据权利要求14所述的超声波式气体流量测定装置，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，进一步，还备有调节上述管道的温度的温度调节装置、根据上述管道温度改变时的上述基准距离的变化计算形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数计算装置、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度并根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的校正装置。
16.一种超声波式气体流量测定方法，利用具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道、固定在上述管道内的第1超声波发送接收器、与上述第1超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内的第2超声波发送接收器、在发出超声波的发送模式与接收超声波的接收模式之间切换上述第1和第2超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换器的超声波式气体浓度测定装置测定上述测定对象气体的流量，该超声波式气体流量测定方法，包括在上述测定对象气体的流量测定过程开始之前对上述管道供给成分和组成比已知的校准气的步骤、由配置在上述管道内的温度传感器测定在上述管道内流通的校准气的温度的步骤、从上述第1超声波发送接收器发出超声波并由上述第2超声波发送接收器接收上述超声波的步骤、由发送接收切换器将上述第1超声波发送接收器的动作模式从发送模式切换为接收模式同时将第1超声波发送接收器的动作模式从接收模式切换为发送模式的步骤、根据上述第1超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第2超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中传播的第1传播时间并根据上述第2超声波发送接收器发出超声波的时刻及上述第1超声波发送接收器接收到的时刻计算上述超声波在上述管道内的校准气中沿相反方向传播的第2传播时间的步骤、根据上述计算结果校准上述第1超声波发送接收器与第2超声波发送接收器之间的基准距离及管道内径的步骤。
17.根据权利要求16所述的超声波式气体流量测定方法，其特征在于上述超声波式气体浓度测定装置，还备有存储形成上述管道的材料的线膨胀系数的线膨胀系数存储装置，上述方法，还包括为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度的步骤、及根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行校正运算的步骤。
18.根据权利要求17所述的超声波式气体流量测定方法，其特征在于上述方法，还包括根据上述管道温度改变时的上述基准距离的变化计算形成上述管道的材料的线膨胀系数的步骤、为测定浓度而由上述温度传感器测定在上述管道内流通的样品气的温度的步骤、及根据该测定温度及上述线膨胀系数对上述校准后的基准距离进行运算、校正运算的步骤。
全文摘要
具有使应测定浓度的测定对象气体流通的管道102、固定在上述管道内的超声波发送接收器118、与上述超声波发送接收器相对设置并固定在上述管道内反射板122、在发送模式与接收模式之间切换上述超声波发送接收器的动作模式的发送接收切换部124的超声波式气体流量测定装置100，还备有对管道供给成分和组成比已知的校准气的校准气源114、测定在上述管道内流通的校准气的温度的温度传感器116、120、计算超声波在上述管道内的校准气中传播的时间的传播时间计算装置126、根据上述传播时间计算装置的计算结果校准上述超声波发送接收器与上述反射板之间的基准距离的校准装置126。
文档编号G01N29/32GK1455865SQ02800155
公开日2003年11月12日 申请日期2002年1月22日 优先权日2001年1月22日
发明者藤本直登志 申请人:帝人株式会社