特許 5938597 超音波流量計を用いた酸素濃度計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5938597

(24)【登録日】2016年5月27日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】超音波流量計を用いた酸素濃度計

(51)【国際特許分類】

   A61M 16/00 20060101AFI20160609BHJP

   A61B 5/08 20060101ALI20160609BHJP

   A61B 5/00 20060101ALI20160609BHJP

   A61M 16/10 20060101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   A61M16/00 370Z

   A61B5/08

   A61B5/00 L

   A61M16/10 Z

   A61M16/00 370A

【請求項の数】3

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2011-113374(P2011-113374)

(22)【出願日】2011年5月20日

(65)【公開番号】特開2012-239690(P2012-239690A)

(43)【公開日】2012年12月10日

【審査請求日】2014年5月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】504237050

【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構

(73)【特許権者】

【識別番号】591108178

【氏名又は名称】秋田県

(73)【特許権者】

【識別番号】507294395

【氏名又は名称】株式会社ホクシンエレクトロニクス

(73)【特許権者】

【識別番号】000138060

【氏名又は名称】株式会社メトラン

(74)【代理人】

【識別番号】100082669

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 賢三

(74)【代理人】

【識別番号】100095337

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 伸一

(74)【代理人】

【識別番号】100095061

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 恭介

(72)【発明者】

【氏名】茂木 良平

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 雄二

(72)【発明者】

【氏名】田中 義克

(72)【発明者】

【氏名】貝塚 洋

(72)【発明者】

【氏名】細川 嘉寛

(72)【発明者】

【氏名】清水 浩樹

(72)【発明者】

【氏名】新田 一福

【審査官】 金丸 治之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−３２５２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／００４２８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０８−０４３３５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｍ １６／００

Ａ６１Ｂ ５／００

Ａ６１Ｂ ５／０８

Ａ６１Ｍ １６／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素を含む２種類のガスの混合気体が流れる系に組み込まれる超音波流量計を用いた酸素濃度計に於いて、
ａ）超音波流量計の測定管流路の上流側と下流側に対向させて配置された一対の超音波送受波器ＳU，ＳDと、
ｂ）前記測定管流路中の温度および湿度を測定するための温度センサＳTおよび湿度センサＳHとを設置するかまたは、既設の他の装置での温度あるいは湿度の測定値を自動的にあるいは手動的に入力する手段と、
ｃ）上流側超音波送受波器ＳUから超音波を前記測定管流路に放射してから該超音波が下流側超音波送受波器ＳDに到達するまでの超音波伝搬時間ｔDと、前記下流側超音波送受波器ＳDから超音波を前記測定管流路に放射してから前記超音波が前記上流側超音波送受波器ＳUに到達するまでの超音波伝搬時間ｔUとを測定する伝搬時間測定手段と、
ｄ）測定された伝搬時間ｔＵ、ｔＤの和ｔＲ＝ｔＵ＋ｔＤに対して、これを特定の温度および湿度での値ｔＣに変換する温度湿度補正手段と、
ｅ）前記ｄ）で温度湿度補正された伝搬時間ｔCから気体以外を伝搬する時間Δｔを減じて、気体中だけを伝搬する時間ｔGを算出する気体伝搬時間測定手段と、
ｆ）前記ｅ）で算出された伝搬時間ｔG等を用いて前記測定管流路を流れる混合気体の音速Ｃを算出する音速演算手段と、
ｇ）被測定気体である２種類の気体の諸元（名称、分子量、構成原子数等）を予め入力する諸元入力手段と、
ｈ）算出された混合気体の音速Ｃから、混合気体中の２種類の気体のガス濃度（混合比率）を演算するガス濃度演算手段と、
から構成されることで、２種類のガスの混合気体中の各気体のガス濃度を測定できることを特徴とする超音波流量計を用いた酸素濃度計。

【請求項2】

酸素濃度計の出荷前に、予め工場の測定室の温度と湿度を特定の温度（θ０）℃および特定の湿度（ｒ０）％に固定して、その酸素濃度計の超音波往復伝搬時間ｔＲθ０ｒ０を測定し、
その数値からこの特定の温度と湿度を用いて理論的に求めた気体中の伝搬時間tＴ、すなわち超音波送受波器が設置される測定枝管の端面間距離Ｌを伝搬する時間ｔＴを減じてその酸素濃度計のΔｔとし、この数値をその酸素濃度計にΔｔとして予めセットすることを特徴とする請求項１に記載の超音波流量計を用いた酸素濃度計。

【請求項3】

使用に際してまず、超音波往復伝搬時間ｔRを求め、次に、ｔRを、計測時の温度θと相対湿度ｒを用いて、前記請求項２に記載の特定の温度（θ０）と特定の湿度（ｒ０）での請求項１に記載の伝搬時間tＣに補正し、
請求項２に記載のΔｔまたは、同時並行に他の手段で別途計測した気体以外の伝搬時間Δｔを自動的にあるいは手動的に入力する手段を備え、tＣからこれら何れかのΔｔを差し引いて気体中伝搬時間tＧを求めることを特徴とする請求項２に記載の超音波流量計を用いた酸素濃度計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、医療の分野において特に人工呼吸器等で使用される様々な気体の混合気体が流れる系に組み込まれる超音波流量計を用いて、混合気体中の各気体のガス濃度（混合比率）、特に酸素濃度を算出することのできる超音波流量計を用いた酸素濃度計に関する。

【0002】

一般に、人工呼吸器は、新生児から老人まで、特に呼吸が不調になっている緊急性の高い患者や肺疾患を抱える患者に対して用いられる医療器である。このような人工呼吸器においては様々な酸素濃度の空気すなわち窒素と酸素の混合気体が患者の吸気用として供給される。その際に、この混合気体の流量を管理するだけでなく酸素濃度も同時に管理できることが望ましい。超音波流量計は流れる気体の流量を測定するものであるが、超音波流量計には流体の音速を測定できる機能もあり、気体の音速が分かれば気体の分子量が分かるので、混合気体の混合比率すなわち酸素濃度を知れる可能性がある。本発明は、超音波流量計を用いて、この人工呼吸器用の管内を流れる混合気体の流量と混合比率（ガス濃度）を同時に算出することを目的とした、超音波流量計を用いた酸素濃度計に関する。

【背景技術】

【0003】

２種類の気体（例えば、酸素と窒素等）の混合気体の分子量Ｍと気体の音速Ｃには次の関係がある。ここで、γは混合気体の比熱比、Ｒは気体定数、Ｔは温度（°Ｋ）である。したがって、気体の音速Ｃが分かれば、混合気体の分子量Ｍが求められる。

【0004】

【数1】

【0005】

一方、各気体の分子量をＭＡ、ＭＢとし、それぞれの混合比率（濃度）をαＡ、αＢとすると、それらは混合気体の分子量と次の関係式が成立する。

【0006】

【数2】

【0007】

【数3】

【0008】

したがって、混合気体が酸素と窒素であれば、各気体の分子量はそれぞれ、ＭＡ＝３２、ＭＢ＝２８と分かっているので、音速から混合気体の分子量Ｍが求められていれば、各気体の混合比率が求められる。つまり、酸素濃度αＡが求められる。
次に、気体の音速Ｃは超音波センサ間の距離Ｌとこの距離を超音波が伝搬する時間から算出できる。しかし、超音波流量計の測定管の中では気体が流れているので、超音波を上流方向に向けて伝搬させたときの伝搬時間ｔＵは流れのないときの伝搬時間に比較し若干長くなる。一方、超音波を下流方向に向けて伝搬させたときの伝搬時間ｔＤは流れのないときの伝搬時間に比較し若干短くなる。ただし、これらの時間の増分と減少分はほぼ等しいので、ｔＵとｔＤの和を取ると流れのない状態での往復伝搬時間となる。そこで、超音波流量計では、次の式で気体の音速を求めている。

【0009】

【数4】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００２−３０６６０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

ガス濃度を測定できるとされている超音波流量計はすでに存在するが、まだ余り普及しているとは言えない。解析によるとガス濃度を気体の音速から求める場合、０．０５％程度以下の精度が必要であることが分かる。音速の値を如何に精度良く求めることができるのかが課題だったと考えられる。一方、超音波酸素濃度計でありながら流量も測定できるとする装置がある。これは、酸素濃度測定のための引き込み管を備える場合が多く、本管での測定は行われていない。また、酸素濃度を正確に求めるために、流量は微小流量しか測定できないし、応答性も数秒〜1分と非常に遅い。ここでも、音速の値を如何に精度良く求めるかが課題である。

【0012】

気体の音速の値は、気体の分子量以外に温度や湿度にも依存する。人工呼吸器で患者に供給する混合気体は十分な湿度を与えるために加湿される場合が多い。したがって、気体の音速を精度良く求めるためには、温度や湿度も正確な値を知り、それらを用いて温度補正や湿度補正を行うことが必要になる。特に、気体の音速の値から気体の分子量を求める数式（１）は、乾燥気体に対してのものであり、湿度については別途考慮されなければならない。湿度補正は必須となるが、超音波流量計で湿度補正を実施した例は非常に少ない（特許文献１）。
しかし、特許文献１に開示された発明では、湿度補正について考慮されているものの、超音波伝搬時間の精度に問題が存在した。

【0013】

また、温度がわずかに変化しても気体の音速は変化するので、その値からガス濃度を求めようとする場合は、温度も高精度な値を求め、その値で温度補正をする必要がある。超音波流量計の測定管内の温度の値を知ることが最善であるが、測定管の内部にはセンサ等の介在物を突出させたくない。しかし、これは患者の呼吸抵抗の基となる圧力損失を増大させるので、超音波流量計の最大の特徴を損なってしまう。したがって、管内壁面に沿った形で温度や湿度のセンサも取り付けたいところである。

【0014】

さらに、超音波伝搬時間も精度良く求められる必要があるが、産業用の気体用超音波流量計の口径は一般的には５０ｍｍ以上と大きなものが多く、これまでセンサの微細な構造を問題にする必要がなかった。しかし、人工呼吸器用の超音波流量計の口径は２０ｍｍ以下と小さなものが多く、センサの微細構造まで考慮する必要がある。

【0015】

超音波センサの振動子表面から放射される超音波は、気体中を通過するだけではなく振動子の前面に設置されている前面層などの固体部分をも通過する。通常測定される超音波伝搬時間は、この気体以外の伝搬時間も含むことになり、極わずかといえども、この伝搬時間で気体の音速を求めると誤差を生ずることになる。従来の気体用超音波流量計においては、この部分の伝搬時間による誤差は無視できるほどに小さいものだったが、気体の濃度を求める場合は、もはや無視できる量とはいえない。したがって、全伝搬時間から削除し、気体中だけを通過する伝搬時間を用いて音速を求めなければならない。

【0016】

本発明は上記実情に鑑み提案されたもので、本管で流量を測定する超音波送受波器を用いて、流量とともに酸素濃度も精度良く測定できる超音波流量計を用いた酸素濃度計を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

前記目的を達成するために、本発明は酸素を含む２種類のガスの混合気体が流れる系に組み込まれる超音波流量計を用いた酸素濃度計に於いて、ａ）超音波流量計の測定管流路の上流側と下流側に対向させて配置された一対の超音波送受波器ＳU，ＳDと、ｂ）前記測定管流路中の温度および湿度を測定するための温度センサＳTおよび湿度センサＳHとを設置するかまたは、既設の他の装置での温度あるいは湿度の測定値を自動的にあるいは手動的に入力する手段と、ｃ）上流側超音波送受波器ＳUから超音波を前記測定管流路に放射してから該超音波が下流側超音波送受波器ＳDに到達するまでの超音波伝搬時間ｔDと、前記下流側超音波送受波器ＳDから超音波を前記測定管流路に放射してから前記超音波が前記上流側超音波送受波器ＳUに到達するまでの超音波伝搬時間ｔUとを測定する伝搬時間測定手段と、ｄ）測定された伝搬時間ｔＵ、ｔＤの和ｔＲ＝ｔＵ＋ｔＤに対して、これを特定の温度および湿度での値ｔＣに変換する温度湿度補正手段と、ｅ）前記ｄ）で温度湿度補正された伝搬時間ｔCから気体以外を伝搬する時間Δｔを減じて、気体中だけを伝搬する時間ｔGを算出する気体伝搬時間測定手段と、ｆ）前記ｅ）で算出された伝搬時間ｔG等を用いて前記測定管流路を流れる混合気体の音速Ｃを算出する音速演算手段と、ｇ）被測定気体である２種類の気体の諸元（名称、分子量、構成原子数等）を予め入力する諸元入力手段と、ｈ）算出された混合気体の音速Ｃから、混合気体中の２種類の気体のガス濃度（混合比率）を演算するガス濃度演算手段と、から構成されることで、２種類のガスの混合気体中の各気体のガス濃度を測定できることを特徴とする。

【0018】

また、本発明において、酸素濃度計の出荷前に、予め工場の測定室の温度と湿度を特定の温度（θ０）℃および特定の湿度（ｒ０）％に固定して、その酸素濃度計の超音波往復伝搬時間ｔＲθ０ｒ０を測定し、その数値からこの特定の温度と湿度を用いて理論的に求めた気体中の伝搬時間tＴ、すなわち超音波送受波器が設置される測定枝管の端面間距離Ｌを伝搬する時間ｔＴを減じてその酸素濃度計のΔｔとし、この数値をその酸素濃度計にΔｔとして予めセットすることを特徴とする。

【0019】

また、本発明において、使用に際してまず、超音波往復伝搬時間ｔRを求め、次に、ｔRを、計測時の温度θと相対湿度ｒを用いて、前記請求項２に記載の特定の温度（θ０）と特定の湿度（ｒ０）での請求項１に記載の伝搬時間tＣに補正し、請求項２に記載のΔｔまたは、同時並行に他の手段で別途計測した気体以外の伝搬時間Δｔを自動的にあるいは手動的に入力する手段を備え、tＣからこれら何れかのΔｔを差し引いて気体中伝搬時間tＧを求めることを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

この発明は前記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。

【0024】

本発明は酸素を含む２種類のガスの混合気体が流れる系に組み込まれる超音波流量計を用いた酸素濃度計に於いて、ａ）超音波流量計の測定管流路の上流側と下流側に対向させて配置された一対の超音波送受波器ＳU，ＳDと、ｂ）前記測定管流路中の温度および湿度を測定するための温度センサＳTおよび湿度センサＳHとを設置するかまたは、既設の他の装置での温度あるいは湿度の測定値を自動的にあるいは手動的に入力する手段と、ｃ）上流側超音波送受波器ＳUから超音波を前記測定管流路に放射してから該超音波が下流側超音波送受波器ＳDに到達するまでの超音波伝搬時間ｔDと、前記下流側超音波送受波器ＳDから超音波を前記測定管流路に放射してから前記超音波が前記上流側超音波送受波器ＳUに到達するまでの超音波伝搬時間ｔUとを測定する伝搬時間測定手段と、ｄ）測定された伝搬時間ｔＵ、ｔＤの和ｔＲ＝ｔＵ＋ｔＤに対して、これを特定の温度および湿度での値ｔＣに変換する温度湿度補正手段と、ｅ）前記ｄ）で温度湿度補正された伝搬時間ｔCから気体以外を伝搬する時間Δｔを減じて、気体中だけを伝搬する時間ｔGを算出する気体伝搬時間測定手段と、ｆ）前記ｅ）で算出された伝搬時間ｔG等を用いて前記測定管流路を流れる混合気体の音速Ｃを算出する音速演算手段と、ｇ）被測定気体である２種類の気体の諸元（名称、分子量、構成原子数等）を予め入力する諸元入力手段と、ｈ）算出された混合気体の音速Ｃから、混合気体中の２種類の気体のガス濃度（混合比率）を演算するガス濃度演算手段と、から構成されることで、２種類のガスの混合気体中の各気体のガス濃度を測定できるので、２種類のガスの混気体中の各気体のガス濃度を、湿度を含む場合においても、測定できるので、正確な超音波伝搬時間を算出でき、この値を用いて気体の音速を高精度に求め、混合気体の混合比率を精度良く求めることができる。
また、超音波伝搬時間の温度湿度補正した値から、気体以外の伝搬時間を差し引いた値で音速を求めるので、気体の音速が高精度に求められ、混合気体の混合比率を精度良く求めることができる。

【0025】

また、本発明において、酸素濃度計の出荷前に、予め工場の測定室の温度と湿度を特定の温度（θ０）℃および特定の湿度（ｒ０）％に固定して、その酸素濃度計の超音波往復伝搬時間ｔＲθ０ｒ０を測定し、その数値からこの特定の温度と湿度を用いて理論的に求めた気体中の伝搬時間tＴ、すなわち超音波送受波器が設置される測定枝管の端面間距離Ｌを伝搬する時間ｔＴを減じてその酸素濃度計のΔｔとし、この数値をその酸素濃度計にΔｔとして予めセットするので、この値は、基本的に一度求めておけば、以後同じ値を計算に使用できる。

【0026】

また、本発明において、使用に際してまず、超音波往復伝搬時間ｔRを求め、次に、ｔRを、計測時の温度θと相対湿度ｒを用いて、前記請求項２に記載の特定の温度（θ０）と特定の湿度（ｒ０）での請求項１に記載の伝搬時間tＣに補正し、請求項２に記載のΔｔまたは、同時並行に他の手段で別途計測した気体以外の伝搬時間Δｔを自動的にあるいは手動的に入力する手段を備え、tＣからこれら何れかのΔｔを差し引いて気体中伝搬時間tＧを求めるので、気体の音速をさらに高精度に求められ、混合気体の混合比率を精度良く求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】図１は、本発明に係る超音波流量計を用いた酸素濃度計における測定管部の一例を示す要部断面図である。

【図2】図２は、同酸素濃度計の動作説明用のブロック図である。

【図3】図３は、同酸素濃度計における主な信号の流れを示す説明図である。

【図4】図４は、同酸素濃度計における気体以外の伝搬時間Δｔに関する説明図である。

【図5】図５は、同酸素濃度計に使用される温度センサと湿度センサを管壁に埋め込んだ例を示す要部拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本発明の超音波流量計を用いた酸素濃度計は、超音波流量計で、流量計の管内を流れる気体の音速を精度良く求め、その値から混合気体の混合比率（ガス濃度）を求めることとした。そのために、流量計の管内の温度と湿度を正確に求め、その値を使って、温度補正と湿度補正を行うとともに、測定された超音波伝搬時間から気体以外を伝搬する時間Δｔを差し引いて、この値から音速を算出することとした。

【実施例1】

【0032】

以下、一実施の形態を示す図面に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は本発明に係る超音波流量計を用いた酸素濃度計における測定管部の一例を示す要部断面図である。ここで、測定管流路１は直径Ｄの直管になっており、その上流部１ａと下流部１ｂに流路を挟んで対向した位置に一対の超音波送受波器ＳＵ２、超音波送受波器ＳＤ３が配置されている。超音波送受波器２、３の間隔はＬで、超音波送受波器２、３を取り付けている測定管４と測定管流路１は角度θをなして交差している。測定管４近傍の測定管流路の内壁に温度センサＳＴ５と湿度センサＳＨ６が埋め込まれている。

【0033】

つまり、本発明の超音波流量計を用いた酸素濃度計は、酸素を含む２種類の混合気体が流れる系に組み込まれる超音波流量計を用いた酸素濃度計に於いて、ａ）超音波流量計の測定管流路１の上流側１ａと下流側１ｂに対向させて配置された一対の超音波送受波器ＳＵ２，ＳＤ３と、ｂ）前記測定管流路中の温度および湿度を測定するための温度センサＳＴ５および湿度センサＳＨ６と、ｃ）上流側超音波送受波器ＳＵ２から超音波を前記測定管流路１に放射してから該超音波が下流側超音波送受波器ＳＤ３に到達するまでの超音波伝搬時間ｔＤと、前記下流側超音波送受波器ＳＤ２から超音波を前記測定管流路１に放射してから前記超音波が前記上流側超音波送受波器ＳＵ３に到達するまでの超音波伝搬時間ｔＵとを測定する伝搬時間測定手段７と、ｄ）測定された伝搬時間ｔＵ、ｔＤの和ｔＲ＝ｔＵ＋ｔＤに対して、これを特定の温度および湿度での値ｔＣに変換する温度湿度補正手段８と、ｅ）前記ｄ）で温度湿度補正された伝搬時間ｔＣから気体以外を伝搬する時間Δｔを減じて、気体中だけを伝搬する時間ｔＧを算出する気体伝搬時間測定手段９と、ｆ）前記ｅ）で算出された伝搬時間ｔＧ等を用いて前記測定管流路を流れる混合気体の音速Ｃを算出する音速演算手段１０と、ｇ）被測定気体である２種類の気体の諸元（名称、分子量、構成原子数等）を予め入力する諸元入力手段１１と、ｈ）算出された混合気体の音速Ｃから、混合気体中の２種類の気体のガス濃度（混合比率）を演算するガス濃度演算手段１２とから構成されている。

【0034】

測定管流路１の材質は、金属、プラスチックスなど用途によって適切なものを使用することができる。超音波送受波器Ｓ_U、Ｓ_Dは、圧電材料からなる振動板１３をケース１４の前面の壁に固着した構造になっている。振動板１４の前面１４ａは単純に保護板としての機能の他に、振動子と負荷（気体）の音響インピーダンスの違いが大きいので、それを補うための音響整合層の機能を持たせることもある。したがって、振動体の設計思想により材質がプラスチックス、金属、セラミック等、多様なものが選択されている。超音波送受波器２、３のリード線１５は背面から取られており、流量測定装置に接続される。

【0035】

図２は本発明の超音波流量計を用いた酸素濃度計の動作説明用のブロック図であり、制御部１６から各種指令信号を出力して装置の各部が動作する。まず、主な信号の流れを、図２と図3（主な信号の流れ）例えば、制御部１６がｉ番目の駆動用トリガ信号（ｉＤ）を発信して送信回路ＴＤ１７を動作させ超音波送受波器ＳＵ２に駆動電圧入力が加わり測定管流路１に超音波が放射される。この超音波は超音波送受波器ＳＤ３で受信され電気信号に変換されて受信回路ＲＤ１８に入力される。

【0036】

受信回路ＲＤ１８の出力は切換器１９と比較器２０を経由して受信パルス信号となり伝播時間測定手段７の測時ゲート発生器に入力される。測時ゲート発生器では制御部１６から出力された送信回路ＴＤ１７の駆動用トリガ信号と比較器２０から出力された受信パルス信号を用いて超音波が送波されてから受波されるまでのｉ番目の超音波伝播時間ｔＤ（ｉ）に相当する長さを有するゲートパルスを生成し計数器に送る。計数器は、超音波伝播時間ｔＤ（ｉ）をデジタル数値に変換し、温度湿度補正手段８の演算器に入力する。

【0037】

次に、先の制御部１６の駆動用トリガ信号から一定周期Ｔ遅れて、制御部１６が再びｉ番目駆動用トリガ信号（ｉＵ）を発信して送信回路ＴＵ２１を動作させ超音波送受波器ＳＤ３に駆動電圧入力が加わり測定管流路１に超音波が放射される。この超音波は、超音波送受波器ＳＵ２に受信され電気信号に変換されて受信回路ＲＵ２２に入力される。受信回路ＳＵの出力は切換器１９と比較器２０を経由して受信パルス信号となり伝播時間測定手段７の測時ゲート発生器に入力される。測時ゲート発生器では制御部１６から出力された送信回路ＴＵ２１の駆動用トリガ信号と比較器２０から出力された受信パルス信号を用いて超音波が送波されてから受波されるまでの超音波伝播時間ｔＵ（ｉ）に相当する長さを有するゲートパルスを生成し、同じく伝播時間測定手段７に内在する計数器に送る。計数器は、超音波伝播時間ｔＵをデジタル数値に変換し、温度湿度補正手段８の演算器に入力する。

【0038】

本装置では、上で述べたように超音波伝播時間ｔＵとｔＤの測定を、一定周期Ｔごとに交互に繰り返しながら行い、ｔＲ＝ｔＵ（ｉ）＋ｔＤ（ｉ）もしくはｔＲ＝ｔＵ（ｉ）＋ｔＤ（ｉ＋１）を求め、温度湿度補正手段８である演算器にこれらの値を入力する。演算器では常に新しいｔＲの値を用いて、次式の計算を行ってその時々の超音波往復伝搬時間ｔＲを温度・湿度補正する。

【0039】

【数5】

【0040】

ここで、ｔＣは温度湿度補正された伝搬時間であり、ｔｄ３０は相対湿度０％、温度３０℃の気体中での伝搬時間であることを表している。そして、ｒ、θは、それぞれｔＵ、ｔＤを測定した時の相対湿度ｒ％、温度θ℃を表している。ＰＳ（θ）とＨ（θ）は、それぞれ温度θ℃での飽和水蒸気圧と大気圧を表している。すなわち、数（５）式により計算することで、任意の温度・湿度で測定された超音波伝搬時間ｔＲ＝ｔＵ＋ｔＤを、相対湿度０％、温度３０℃での値に変換したことになる。

【0041】

ただし、このときの温度と相対湿度の値は、測定管４（図１参照）に埋め込まれた温度センサＳＴ５と湿度センサＳＨ６の出力から読み取った値を温度湿度補正手段８（図２参照）でデジタル数値に変換したものを用いて、上で述べた補正計算を行っている。

【0042】

また、温度と相対湿度の値は、測定管４に埋め込まれた温度センサＳＴ５と湿度センサＳＨ６で測定された値を用いるのが最良であるが、超音波流量計が使用されている環境の温度または湿度がしっかり管理されているか、もしくは、殆ど同等の精度で、測定管４の近くで測定されている場合は、それらの値を用いて、温度湿度補正を行うことも可能である。このような数値は、温度湿度入力手段２３（図２参照）に手動または自動で入力することにより、温度湿度入力手段２３から、これらの数値をデジタル数値に変換したものが温度湿度補正手段８に送付され、温度湿度補正計算に利用される。

【0043】

温度湿度補正された超音波往復伝搬時間ｔＣの値は、気体中だけを伝搬する時間の算出手段、気体中伝搬時間算出手段２４（図２参照）に送付される。温度湿度補正された伝搬時間ｔＣは、気体以外の伝搬時間Δｔを含んでいる。一般に超音波送受波器（図１参照）は、圧電振動子（振動板）１３と気体の間にケース前面１４ａ（保護板あるいは音響整合層）のようなものが介在している。この前面１４ａ部分を超音波が通過している時間が、気体以外の伝搬時間Δｔを構成する代表的な要素である。気体の音速Ｃを求める場合は、伝搬時間ｔＣからこれを減じたもので求める。すなわち、次式によって、気体中だけを伝搬する時間ｔＧを求める。

【0044】

【数6】

【0045】

気体以外の伝搬時間Δｔは超音波送受波器２、３によって異なることが一般的である。したがって、予め出荷時に求めておいて、演算器には定数として入力しておくなどの方法が取られる。
気体以外の伝搬時間Δｔは、工場で予め定められた温度と相対湿度の条件での超音波往復伝搬時間、例えばｔｄ３０を求めておき、これから同じ条件での理論的伝搬時間ｔＴを差し引くことで求められる。すなわち次式によって算出される。この値は、基本的に一度求めておけば、以後同じ値を計算に使用できる。

【0046】

【数7】

【0047】

ただし、気体以外の伝搬時間Δｔが温度や湿度等外部環境の影響を受けやすい場合は、これを測定して適宜に適切な値を使用する必要がある。そのために、装置には気体以外の伝搬時間Δｔを外部から手動または自動で入力できる気体以外の伝搬時間Δｔの入力手段２５（図２参照）を備えることもできる。

【0048】

この気体中だけを伝搬する時間ｔＧの値が次の音速Ｃの音速演算手段１０（図２参照）に送付される。気体の音速Ｃは次の式によって算出される。
ここで、Ｌは超音波送受波器ＳＵ２とＳＤ３の間の直線距離であり、通常、図４（ａ）に示されるように圧電振動子（振動板１３）と気体の間に介在する保護板の前面１４ａどうしの間の距離となる。ただし、超音波送受波器の構造に図４（ｂ）のようなものもあり、これらの場合も考慮し、Ｌは超音波送受波器ＳＵ２とＳＵ３が設置される測定枝管の端面間の距離としている。この値は設計値によって分かっており、定数として演算器に予め入力される。

【0049】

【数8】

【0050】

上で求められた気体の音速Ｃの値は、次のガス濃度演算手段１２に送付される。ガス濃度演算手段１２においては、まず、次の式で気体の分子量Ｍが計算される。
ここで、γは気体の比熱比である。気体が窒素と酸素の混合気体である場合は、γ＝１．４となる。Ｒは気体定数であり、Ｒ＝８３１４である。Ｔは気体の温度であるが、この場合は絶対温度（°Ｋ）を用いる。

【0051】

【数9】

【0052】

ただし、気体が二酸化炭素（3分子気体）やヘリウムガス（単分子気体）を含む場合は、その混合比率によって比熱比γの値が１．４ではなく適切な値を用いることになる。それらの情報を、各気体の諸元（名称、分子量、構成原子数等）として予め入力しておき、（９）式の計算で用いることとなる。これが、気体の諸元の入力手段として備えられる。

【0053】

次に、求めた混合気体の分子量Ｍから気体のガス濃度（混合比率）を、下式を用いて算出する。今、2種類の気体Ａ，Ｂの分子量をそれぞれＭＡ、ＭＢとし、ガス濃度をαＡ、αＢとすると、これらについては、次の式が成立する。

【0054】

【数10】

【0055】

ここで、求めたいガス濃度が気体Ａのものだとすると、ガス濃度αＡは次の式で求められる。

【0056】

【数11】

【0057】

したがって、混合気体が窒素と酸素で構成されていて、今、酸素のガス濃度αを求めたい場合は、ＭＡ＝３２、ＭＢ＝２８なので次式で計算できる。

【0058】

【数12】

【0059】

ガス濃度をデータとして出力する場合は、データ出力手段により出力される。データの形式はデジタルの数値データやアナログの電圧または電流などのデータが目的によって適宜選択されることになる。

【0060】

なお、先に述べた超音波伝搬時間の測定値ｔＵ、ｔＤやそれらの和ｔＲは、毎回の測定の値をその都度用いて、温度湿度補正した伝搬時間ｔＣや気体の音速Ｃを求めることとして説明しているが、もちろん各々の複数個のデータの平均値を使用するなどは、通常考えられる方式である。

【0061】

さらに、温度湿度補正をｔＵ、ｔＤの和であるｔＲに対して行うとして説明してきたが、ｔＵ、ｔＤの各々の値に対して温度湿度補正を行うことを先にして、しかる後に温度湿度補正されたｔＵ、ｔＤの和としてｔＲを求めても効果は同じである。
また、気体以外の伝搬時間Δｔを温度湿度補正された超音波往復伝搬時間ｔＣから差し引いて気体中の伝搬時間ｔＧを求めると説明してきたが、温度湿度補正を実施する前に先行して、超音波往復伝搬時間ｔＲから差し引き、その値に対して温度湿度補正を行って、気体中の伝搬時間ｔＧを求めたとしても殆ど同等の効果を有する。

【0062】

（気体以外の伝搬時間Δｔについて）
ここで、気体以外の伝搬時間Δｔについて補足説明をする。上で述べた説明では、Δｔは正の値をとるかのように述べたが、実際には、それは超音波送受波器の構造に依存し、負の値をとることもある。図４に典型的な２種類の超音波送受波器の構造とそれらの設置例を示して、このことを詳しく説明する。

【0063】

まず、超音波送受波器が図４（ａ）に示す構造の場合について述べる。超音波送受波器は対向して一対が設置される。高精度の測定が要求される場合、超音波伝搬距離Ｌは測定管に精度よく準備した段差間の距離Ｌで定義されることが一般的である。前面層の厚さｌ_１は、実際は二つの送受波器で微妙に異なるが、ここでの説明では等しいものとしても差し支えない。

【0064】

気体中の音速をＣ、気体以外すなわち前面層を通過する音速をＣ’とすると超音波往復伝搬時間ｔは次の式で表される。

【0065】

【数13】

【0066】

ここで、理論的な気体中の伝搬時間ｔＴは上式の第一項で表される。したがって、気体以外の伝搬時間Δｔは次式で表され、正の値で求められる。

【0067】

【数14】

【0068】

ここで、Ｌは製作過程で精度良く管理されている値であるが、ｌ_１とＣ’はやや不確かな値である。特に、前面層がプラスチックスなど材料個々のバラツキが大きい材料の場合は、Ｃ’は不確かさが大きくなる。したがって、Δｔは伝搬時間の中の不確かな部分を一括して扱っている数値である。
しかし、超音波送受波器が図４（ｂ）に示す構造の場合には様子が異なる。それについて述べる。ここでも超音波送受波器間の距離はＬである。前面層の厚さは ｌ_１＋ｌ_２であり、そのうちｌ_２の部分は、測定管の基準である段差より内側に飛び出している。したがって、超音波往復伝搬時間ｔは次の式で表される。

【0069】

【数15】

【0070】

ここでも、ｌ_１、ｌ_２、Ｃ’はやや不確かな値であり、Ｌだけが精度良く管理されている値である。そこで、ここでも、理論的な気体中の伝搬時間ｔＴは上式の第一項で表すことになる。そして、気体以外の伝搬時間Δｔは次式で表され、伝搬時間の中の不確かな部分を一括して扱っている数値である。

【0071】

【数16】

【0072】

気体が空気の場合、気体中の音速はおよそＣ＝３５０ｍ／ｓであり、前面層の音速は、Ｃ’＝３０００ｍ／ｓ程度である。前面層の典型的な厚さは、ｌ_１＝２ｍｍ、ｌ_２＝１ｍｍである。これらの数値を代入して計算するとΔｔ＝−７．４μｓと負の値になる。これは、気体中の音速Ｃと前面層の音速Ｃ’が１０倍近くも差があることによっている。

【0073】

（３種類以上の気体の混合気体）
ここでは、被測定気体が３種類以上の気体が混合された気体である場合に、２種類の気体についてはその混合比が未知であり、その他の気体について名称、分子量、構成原子数および混合比が既知または別途計測値が入手できるときに、それらを予め入力する場合は、未知の２種類の気体の混合比を求めることができることについて述べる。ここでは一つの例を用いて説明する。

【0074】

例として、比較的単純な場合の呼気について述べる。今、吸気で患者が吸い込んだ気体が酸素と窒素の混合気体であり、それらの濃度と分子量は、それぞれαＡ、αＢ、MＡ、MＢとして知られているとすると吸気の分子量Mと音速Cは、上で述べたように次の式で表される。ただし、γは比熱比、Rは気体定数、Tは絶対温度である。

【0075】

【数17】

【0076】

【数18】

【0077】

【数19】

【0078】

比較的単純な場合の呼気については、酸素の一部が二酸化炭素となると考えることができる。すると、窒素の濃度は変らずに酸素の濃度がα’Ａに変り、二酸化炭素の濃度がα’Ｃ、そして窒素の濃度はα’Ｂ＝αＢとなる。すなわち、呼気は３種類の気体の混合気体であり、窒素の濃度は分かっているが、残りの２種類の気体である酸素と二酸化炭素の濃度が未知の例である。

【0079】

酸素、二酸化炭素、および窒素の分子量は、MＡ、MＣ、MＢとすると、呼気の分子量と音速は次式で表される。

【0080】

【数20】

【0081】

【数21】

【0082】

【数22】

【0083】

【数23】

【0084】

ここで、比熱比がγ’に変化することに注意を要する。窒素や酸素のように2原子分子の比熱比は 1.4、二酸化炭素のような3原子分子の比熱比は 1.333となる。このような2原子分子と3原子分子が混合した気体の比熱比は、それらの濃度分の寄与となり次の式で表される。

【0085】

【数24】

【0086】

したがって、（１７）〜（２１）式は次のように展開される。

【0087】

【数25】

【0088】

ここで、次のようにおいて式を整理する。

【0089】

【数26】

【0090】

【数27】

【0091】

最終的に、呼気の酸素濃度は、呼気の音速Cと温度T、気体定数Rで定まるｋの値と各気体の分子量と、吸気中の酸素濃度を用いて次式で求められる。

【0092】

【数28】

【0093】

上で述べた手順は、４種類以上の混合気体であっても、ヘリウムのような１原子分子の気体が混合されていても、未知の気体が２種類に限定されているとすると、ほとんど同じものになる。

【0094】

（埋め込み型温度センサ、湿度センサ）
ここでは、温度センサと湿度センサを流量計の測定管内部に設置し、管壁に埋め込む方式にしたことについて、図５を用いて補足説明する。

【0095】

図５は、超音波流量計の測定管の上部の管壁断面だけを示している。図１の上部だけに相当するものである。中央に超音波送受波器とそれが設置される枝管部が示されている。この図では、その右側に温度センサ５が配置されている。温度センサ５は、サーミスタで構成されている。設置方式の特徴は、管壁の一部にほぼ完全に埋め込まれており、サーミスタは管壁の薄いプラスチックス壁１ｃを介して測定管内の温度を測定している。管内に飛び出す部分がないことが特徴である。

【0096】

この図では、湿度センサ６は、超音波送受波器の左側に設置されている。くし型電極で、電極間の静電容量を測定することで水蒸気量を算定する方式である。こちらは、水蒸気に対する感度を鋭敏にするため、センサ前面が管内の気体に対して露出させているが、前面は、ほぼ管壁面と同一面になっており、管内への飛び出し部分はなく、さらに測定管流路１に対して窪みをなさない構造としている。

【0097】

（記号の説明）
ｔ：超音波伝搬時間を一般的に示すときに用いている。
ｔＵ：下流側超音波送受波器ＳＤから超音波を流路に放射してから該超音波が上流側超音波送受波器ＳＵに到達するまでの超音波伝搬時間であり、本文中では実測値を示している場合が多い。
ｔＤ：上流側超音波送受波器ＳＵから超音波を流路に放射してから該超音波が下流側超音波送受波器ＳＤに到達するまでの超音波伝搬時間であり、本文中では実測値を示している場合が多い。
ｔＲ：測定された伝搬時間ｔＵ、ｔＤの和であり、超音波往復伝搬時間である。
ｔＲ＝ｔＵ＋ｔＤ
ｔＣ：ｔＲを特定の温度および湿度での値に補正された値である。
Δｔ：気体以外を伝搬する時間であり、温度湿度補正されたものになる。
すなわちｔＣから、その特定の温度湿度での理論的な伝搬時間ｔＴを差し引き、
Δｔ＝ｔＣ−ｔＴで求める
例えば、工場で出荷時にΔｔを求める場合、予め濃度が調整された混合気体に対して、工場で予め定められた温度と相対湿度の条件での超音波往復伝搬時間ｔＲから、
（５）式でｔＣ＝ｔｄ３０を求めておく。
ｔＴ：、理論的伝搬時間であり、乾燥気体で温度Ｔ°K、分子量Ｍの場合は、次の式で求められる。ｔＧ：気体中だけを伝搬する時間であり、ｔＧ＝ｔＣ−Δｔ となる。

【0098】

【数29】

【符号の説明】

【0099】

１ 測定管流路
１ａ 上流側
１ｂ 下流側
２ 超音波送受波器Ｓ_U
３ 超音波送受波器Ｓ_D
４ 測定管
５ 温度センサＳ_T
６ 湿度センサＳ_H
７ 伝搬時間測定手段
８ 温度湿度補正手段
９ 気体伝搬時間測定手段
１０ 音速演算手段
１１ 諸元入力手段
１２ ガス濃度演算手段
１３ 振動板
１４ ケース
１４ａ 前面
１５ リード線
１６ 制御部
１７ 送信回路Ｔ_D
１８ 受信回路Ｒ_D
１９ 切換器
２０ 比較器
２１ 送信回路Ｔ_U
２２ 受信回路Ｒ_U
２３ 温度湿度入力手段
２４ 気体中伝搬時間算出手段
２５ 気体以外の伝搬時間Δｔの入力手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】