特許 6629360 気体の音速関連固有値測定装置及びそれを応用した気体の成分割合測定装置、更にはそれを応用した地球環境モニター装置

(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】6629360

(24)【登録日】2019年12月13日

(45)【発行日】2020年1月15日

(54)【発明の名称】気体の音速関連固有値測定装置及びそれを応用した気体の成分割合測定装置、更にはそれを応用した地球環境モニター装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/02 20060101AFI20200106BHJP

   G01H 5/00 20060101ALI20200106BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/02

   G01H5/00

【請求項の数】16

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2018-3600(P2018-3600)

(22)【出願日】2018年1月12日

(65)【公開番号】特開2019-124488(P2019-124488A)

(43)【公開日】2019年7月25日

【審査請求日】2018年4月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】591189638

【氏名又は名称】超音波工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】特許業務法人 大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】賀田 健夫

【審査官】 萩田 裕介

(56)【参考文献】

【文献】 特許第３２４５９５０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開昭５９−１９３３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３１０４９５６（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００１−１１６７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０５０８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５０６０５０６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／０２

Ｇ０１Ｈ １／００ − １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体の音速関連固有値であるγ／Ｍ値（但し、γ：比熱容量比γ、Ｍ：１モルの気体の質量であり、γ／Ｍ値は、γとＭとの比に関連する値であって、γ／Ｍ、ＳＱＲＴ（γ／Ｍ）、Ｍ／γ、及び、ＳＱＲＴ（Ｍ／γ）を含む。）を測定するための音速関連固有値測定装置であって、
熱的に互いに接する２つのセル及び各セルに組み込まれた２組の超音波送信子及び超音波受信子を備えるセル構造体と、
前記超音波送信子を駆動制御し、前記超音波送信子から送信された超音波が前記超音波受信子に到達するのに要する時間を計測して音速を測定する計測・制御部と、を備え、
一方のセルにはγ／Ｍ値が既知の標準気体が入れられ、他方のセルにはγ／Ｍ値の測定対象である被測定気体が入れられ、
前記計測・制御部は、同じ環境の下で前記一方のセルにおける前記標準気体の音速測定及び前記他方のセルにおける前記被測定気体の音速測定を行い、前記標準気体の音速と前記被測定気体の音速とに基づいて前記被測定気体のγ／Ｍ値を求めることを特徴とする気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項2】

前記計測・制御部は、測定した前記標準気体の音速の２乗を前記標準気体のγ／Ｍ値と気体定数とで除す計算により前記環境の絶対温度を算出することを特徴とする請求項１に記載の気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項3】

前記計測・制御部は、前記環境の絶対温度と前記被測定気体の音速とを使って、前記被測定気体の音速の２乗を前記環境の絶対温度と気体定数とで除す計算により、前記被測定気体のγ／Ｍ値を求めることを特徴とする請求項２に記載の気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項4】

前記計測・制御部は、前記被測定気体の音速と前記標準気体の音速との比の２乗に前記標準気体のγ／Ｍ値を乗ずる計算により、前記被測定気体のγ／Ｍ値を求めることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項5】

ユーザの入力を受け付ける操作入力部、データを保存するメモリー及び、データを表示する表示部を更に備え、
前記計測・制御部は、前記操作入力部を介してユーザによって入力された気体名と関連付けて、求めた前記被測定気体のγ／Ｍ値を前記メモリーに保存し、前記メモリーに保存された前記被測定気体の過去に求めたγ／Ｍ値の平均値を算出して前記表示部を介して当該平均値をユーザに提供するように構成されており、
前記計測・制御部は、前記被測定気体のγ／Ｍ値と、同じ気体の過去のγ／Ｍ値の平均値を参考にしてユーザによって前記操作入力部を介して予め入力されたγ／Ｍ値の代表値との差を求め、前記差の絶対値がユーザによって予め入力された閾値以下である場合に、γ／Ｍ値が固定であるという理想気体の必要条件を前記被測定気体が満たすと判断することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項6】

ユーザの入力を受け付ける操作入力部、データを保存するメモリー及び、データを表示する表示部を更に備え、
前記計測・制御部は、前記操作入力部を介してユーザによって入力された気体名と関連付けて、求めた前記被測定気体と前記標準気体との音速比を前記メモリーに保存し、前記メモリーに保存された前記被測定気体の過去に求めた音速比の平均値を算出して前記表示部を介して当該平均値をユーザに提供するように構成されており、
前記計測・制御部は、前記被測定気体と前記標準気体との音速比と、同じ気体の過去の音速比の平均値を参考にしてユーザによって前記操作入力部を介して予め入力された音速比の代表値との差を求め、前記差の絶対値がユーザによって予め入力された閾値以下である場合に、音速比が固定であるという理想気体の必要条件を前記被測定気体が満たすと判断することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項7】

前記計測・制御部は、前記標準気体の音速測定及び前記被測定気体の音速測定を繰り返し行い、それぞれについて測定された音速の変化が共に閾値以下になったときに、セル内の温度とセル外の温度とが同じであるとの条件が満たされたものとして前記被測定気体のγ／Ｍ値又は前記環境の絶対温度を算出することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項8】

前記計測・制御部は、前記標準気体の音速測定及び前記被測定気体の音速測定を繰り返し行い、前記被測定気体の音速と前記標準気体の音速との比の変化が閾値以下になったときに、２つのセル内の温度が同じであるとの条件が満たされたものとして前記被測定気体のγ／Ｍ値又は前記環境の絶対温度を算出することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項9】

前記計測・制御部は、温度変化の少ない環境下において、前記超音波送信子の瞬時パワー又は繰り返しの測定周期を変化させることで前記超音波送信子の仕事率を変えて、前記標準気体の音速測定を繰り返し行い、前記超音波送信子の仕事率に応じたセル内の温度変化を示す温度差データを取得し、設定された測定条件でのセル内の温度の上昇温度を前記温度差データに基づいて演算し、演算した前記上昇温度を前記環境の絶対温度から減算することによって前記セルの外部環境の絶対温度を算出することを特徴とする請求項７に記載の気体の音速関連固有値測定装置。

【請求項10】

請求項１〜請求項９のいずれかに記載の気体の音速関連固有値測定装置を備えた気体の成分割合測定装置であって、
前記被測定気体がそれぞれのモル質量Ｍ及び比熱容量比γが既知であり且つγ／Ｍ値が互いに異なる２種類の気体の混合気体であり、
前記計測・制御部は、前記セル構造体を用いて音速測定を行い、前記環境の絶対温度と混合気体のγ／Ｍ値とを得ることで、混合気体中の２種類の気体の成分割合を求めることを特徴とする気体の成分割合測定装置。

【請求項11】

前記計測・制御部は、前記被測定気体が３種類以上の気体を含んでおり、且つ１種類の気体だけが成分割合を大きく変化させ、他の気体の成分割合の変化が極めて少ない場合には、成分割合の変化の大きい気体と変化の極めて少ない気体との２種類の気体として扱って混合気体中の２種類の気体の成分割合を求めることを特徴とする請求項１０に記載の気体の成分割合測定装置。

【請求項12】

データを保存するメモリー及び、データを表示する表示部を更に備え、
前記計測・制御部は、前記被測定気体が２種類と見做される気体が混合された混合気体であって、成分割合測定対象の成分が測定温度・圧力範囲内で結露する可能性のある結露気体であり且つ当該結露気体の露点温度から飽和蒸気圧を知るためのデータテーブルが前記メモリーに存在する場合、前記被測定気体のγ／Ｍ値の変化に基づいて結露を検出し、結露発生時に前記データテーブルに基づいて露点温度から飽和蒸気圧を求め、飽和蒸気圧とセル内圧力との比から混合気体中の結露気体の成分割合を求め、当該成分割合と前記混合気体のγ／Ｍ値に基づいて求めた成分割合とを前記表示部に表示することを特徴とする請求項１１に記載の気体の成分割合測定装置。

【請求項13】

データを保存するメモリー及び、データを表示する表示部を更に備え、
前記計測・制御部は、前記被測定気体が２種類と見做される気体が混合された混合気体であって、成分割合測定対象の成分が測定温度・圧力範囲内で結露する可能性のある結露気体であり且つ当該結露気体の露点温度から飽和蒸気圧を知るためのデータテーブルが前記メモリーに存在しない場合、前記混合気体のγ／Ｍ値に基づいて求めた成分割合をセル内圧力に乗じて蒸気圧を求め、前記結露気体の露点温度と露点温度における蒸気圧とを前記表示部に表示することを特徴とする請求項１１に記載の気体の成分割合測定装置。

【請求項14】

前記計測・制御部は、同じ気体について前記被測定気体として測定され且つ前記メモリーに蓄積されたデータから、結露時のγ／Ｍ値及び成分割合を組として露点温度が異なるデータの組が得られた場合、これらのデータの組に基づいて前記結露気体の比熱容量比γを求め、当該求めた比熱容量比γと、既知として使用してきた前記メモリーに保存された前記結露気体の比熱容量比γのデータとを前記表示部に表示することを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の気体の成分割合測定装置。

【請求項15】

前記セル構造体を外気に晒し、大気（水蒸気含有空気）を前記被測定気体とし、
前記計測・制御部は、
音速測定により得られた前記環境の絶対温度と前記被測定気体のγ／Ｍ値とに基づいて気温（大気の温度）及び大気中の水蒸気成分割合を得て、
前記被測定気体のγ／Ｍ値と水蒸気成分割合とに基づいて大気のモル質量Ｍと比熱容量比γとを得て、
大気の比熱容量比γに基づいて大気の１モル当りの内部エネルギーを得ることを特徴とする請求項１１〜請求項１４のいずれかに記載の気体の成分割合測定装置。

【請求項16】

請求項１５に記載の気体の成分割合測定装置を備えた地球環境モニター装置であって、
前記計測・制御部は、気温（大気の温度）と、大気中の水蒸気成分割合と、大気の１モル当りの内部エネルギーと、大気の音速及びγ／Ｍ値とを、年・月・日・時・分・秒の時のデータと共に保存し、且つ出力することを特徴とする地球環境モニター装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主として気体の超音波音速の測定結果に基づいて、各種気体の音速関連固有値を測定する気体の音速関連固有値測定装置、混合気体の成分割合を測定する気体の成分割合測定装置、及び環境をモニタリングする環境モニターとしても広く利用できる気体の音速関連固有値測定装置に係るもので、特には、各種単一気体及び各種混合気体、更には混合気体である大気を測定対象とする超音波方式の測定装置に係るものである。

【背景技術】

【0002】

気体中の音の伝搬速度を実感する自然現象として、落雷がある。稲光が光ってからしばらくして雷鳴が轟く。人間が光を見てから、音を聞くまでの時間が、空気中の光の伝搬時間と音との伝搬時間の差である。音の伝搬速度は、伝搬距離と伝搬時間の比で求められる。一般的な音速測定器では、音波の送信子と受信子とを対向して配置し、送信から受信までの伝搬時間の中から被測定媒質中の伝搬時間だけを取り出すために、音波の進行方向に送信子又は受信子を動かして、動かす前後の時間の差と動かした距離とに基づいて音速を計算することが行われている。

【0003】

ところが、各種気体を測定対象とした専用の音速測定器は普及していない。その理由としては、第１に気体の扱い難さが考えられる。即ち、被測定気体を他の気体の混入を防ぐよう密封する必要があることである。第２は送受信感度余裕に関するもので、気体の音響インピーダンスが液体や固体と比べ３桁以上異なるため、高感度の送受信子を必要とすることである。第３は、気体分子の挙動に関するもので、自由に動き回る気体分子がまとまった動きをすれば、流れとなって、ドップラー効果により音速に影響を及ぼし、音速測定の揺らぎ・ノイズとなる点である。これらを考慮した測定器とする必要がある。

【0004】

一方、気体中の音速は、絶対温度の平方根に比例して変化する。圧力だけが変わっても音速に影響することはほとんどないとされているが、密閉容器内であれば、気体の状態方程式に従って、圧力変化が絶対温度に影響する。更には、音波として投入される音響エネルギーについても、被測定気体の温度への影響が小さくなるようにエネルギーを可能な限り減らすことが必要であり、どの程度の影響があるかも知っておく必要がある。

【0005】

ここで、各種気体の音速データの現状について見てみる。超音波便覧（非特許文献１）、更に古くは超音波技術便覧（非特許文献２）に過去に測定された各種気体の音速データが記載されている。ここには測定温度と音速とが表記されている。一方、理科年表には、音速が絶対温度の平方根に比例するとして、０℃（絶対温度２７３．１５ｋ）の音速に換算されたデータが各種気体の音速として表記されている。上記超音波便覧のデータについても、０℃の音速に換算した上で、上記理科年表のデータと比較すると、気体の種類によっては、数％の差異が見られる。例えば、アルゴン（Ａｒ）では３．７％、炭酸ガス（ＣＯ２）では３．６％、塩素（Ｃｌ２）では１．４％、ヘリウム（Ｈｅ）では０．４％、窒素（Ｎ２）では０．０１％の差異がある。また、最新の理科年表では、データの多くが３桁の表示であり、０．１％未満の不確かさを含む程度の精度のデータであり、４桁以上で表示されたデータは少ない。出典の超音波技術便覧は当時の日本の超音波技術の集大成として１９６０年に初版が出版され、その後、１９９９年に超音波便覧が発行されていて、気体の音速データについては上記技術便覧より抜粋されている。理科年表については２０１６年版（非特許文献３）と１９９３年版（非特許文献４）とを比較すると、水蒸気データを除いて、全く同じ値が音速データとして書かれている。これらの音速データはかなり昔のデータであり、今日まで新しいデータに書き換えられていない。各種気体のより高精度音速データは学術的にも産業的にも有用なことが期待できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ７１２

【非特許文献2】実吉純一他、「超音波技術便覧」、日刊工業新聞、昭和４１年１０月、ｐ１１６６〜１１７５

【非特許文献3】国立天文台編、「平成２８年 理科年表 平成２８年」、丸善出版株式会社、２０１６年、ｐ３７８−３８０、３９８−４０７、４１１−４１３、４３４、９３７−９６３

【非特許文献4】国立天文台編、「平成５年 理科年表 平成５年」、丸善出版株式会社、１９９３年、ｐ４７６、４８１−４８３、４９３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

出典によって大きな差異のあるデータがあり、差異がなくても高精度とは言えないデータもあるため、まずは文献から音速データの現状を把握した上で、差異やバラツキの要因について考察し、高精度化の方法を探るべきである。しかし、まず考察すべきは差異やバラツキの要因が気体の持つ性質によるものであるか否かという点である。気体には、測定する音波の周波数に応じた分散が見られる性質があると言われており、周波数に応じて異なる音速が得られる可能性がある。分散を研究テーマにして得られたデータも含まれているかもしれない。しかし、これらのデータについては高精度な音速測定器により、保証精度との関係から分かる明確な差異を確認するしかない。特定の気体について、他の気体と異なる性質があるということが分かれば、それなりに価値のあることである。次に、特異な特性を示さない気体について、音速測定技術上の問題が高精度化を妨げていないことを確認することが測定器を考える上で極めて重要である。過去の測定結果の要因を１点ずつ調べることは不可能に近く、逆に音速測定の測定精度に影響を及ぼす要因については十分に調べられており、以下の問題点をなくしていくことで高精度化が実現できると考えられる。音速測定技術については、既に説明したような被測定気体の取り扱い（例；空気、水蒸気等の混入）及び気体の純度の問題、被測定気体の絶対温度の測定精度の問題、距離測定及び時間測定の精度の問題の３点が重要と考えられる。最近の技術を使えば、距離や時間の測定に精度上の問題があるとは考えられず、前者の２点の問題を確実に解決することこそ高精度音速測定器の実現には欠かせない。

【0008】

比較のため、各種気体の固有値として最も一般的な質量について見てみると、超音波音速測定の対象となった全ての単一気体の分子構造は分かっており、その質量も分かっている。１モルの気体の質量（即ち、モル質量）Ｍは、気体分子を構成している原子の質量の和で決まる。原子の質量は、例えば、理科年表にある元素の原子量の表から知ることができる。同書には、『地球上に起源を持つ物質中の元素に適用される』とあり、特別の場合を除き、この原子量の不確かさは、０．００１％程度又はそれ以下であり、先に述べた音速のデータと比較して２桁以上高精度と言える。

【0009】

もう１つの気体の固有値である比熱容量比（或いは熱容量の比）γのデータについて確認してみると、最新の理科年表にはデータの記載はないが、１９９３年発行版には、定圧比熱容量Ｃｐと定積比熱容量Ｃｖの比（γ＝Ｃｐ／Ｃｖ）として、各種気体の比熱容量比γのデータがある。データは１．０２から１．６７まで３桁ないし４桁の数値が書かれており、不確かさは０．１％未満から１％に近いものまである。これらのデータは定圧比熱容量Ｃｐと一緒に書かれていることから、定積比熱容量Ｃｖに対する比として計算されて求められたものと思われるが、音速に基づいて計算される音速関連固有値としての比熱容量比γとの関連も、理科年表には数値が書かれているだけで、情報源他の記述はない。

【0010】

各種気体の比熱容量比γのデータが記載されなくなった理由は、本当のことは分からないが、２つ考えられる。１つは、正確とは言えないと思われるデータが含まれていたためであり、もう１つ、比熱容量比γはデータとしての価値がないとの判断があったためであり、少なくともいずれかであったと想像される。前者の判断については、音速と絶対温度及び質量から計算される比熱容量比γに対する差異の大きいデータがあったこと、後に説明される気体のエネルギーの式から、Ｒ／（γ−１）が気体の比熱容量であるのに対し、比熱容量比γのデータとして１．０２と言う値で比熱容量に換算すると５０Ｒになるデータもあったことが挙げられる。後者の理由については、正確で且つ高精度なデータがあれば、比熱容量比γは各種気体の固有値としての価値があり、音速だけでなく気体のエネルギーにも関わりがあることから、気体分子の運動や原子振動に関わる物理量として意味があると判断でき、前者の理由だけが残ると思われる。

【0011】

次に比熱容量比γの測定について考える。比熱容量比γの定義通りに、定圧比熱容量Ｃｐと定積比熱容量Ｃｖとを計測し、その比から求める。ここで、比熱はモル比熱とする。系に供給される熱量をδＱ、内部エネルギーＵの変化をδＵ、系になされた仕事量をδＷ、系の温度変化をδＴ、系の体積変化をδＶとすると、Ｃｖ及びＣｐは以下となる。
Ｃｖ＝δＱ／δＴ ・・・（１） 但し、体積Ｖは一定
Ｃｐ＝δＱ／δＴ ・・・（２） 但し、圧力Ｐは一定
δＱ＝δＵ−δＷ ・・・（３ａ）
δＷ＝−Ｐ・δＶ ・・・（３ｂ）
具体的な測定装置としては、被測定気体を容器に入れて、測定条件を満たすようにコントロールしながら、供給する熱量及び系の温度変化δＴを測定する。例えば、容器としてはシリンダーを使い、体積Ｖを一定にするためにはピストンを固定し、圧力Ｐを一定にするためには、ピストンが自由に動くようにする。シリンダーが抵抗なく動くことが難しければ、内圧が一定になるようにシリンダーを駆動制御する。これで測定条件は整うが、投入された熱は、被測定気体を温めるだけではなく、ピストンを含むシリンダーにも伝わり、更にはその外側にも逃げる。熱が外に逃げない対策を施すことはできるとしても、多少の逃げは避けられず、その分と容器のシリンダーを温める熱量とは投入された熱量から減じて、被測定気体に関わる熱量が決まる。減算すべき熱量については予め調べておく必要がある。従って、上記計算式のδＱは減算後の熱量である。被測定気体の定積比熱容量Ｃｖは、体積Ｖが一定の条件であり、δＶ＝０であるため、δＱ／δＴ＝δＵ／δＴであり、δＱとδＴとの比で求められる。一方、定圧比熱容量Ｃｐについては、熱量δＱが体積ＶをδＶ増やす仕事（＝Ｐ・δＶ）をするため、ＣｐであるδＱとδＴとの比はδＵ／δＴよりもＰ・δＶ／δＴだけ大きな値となる。従って、ＣｐとＣｖとの比で求められるγは常に１より大きい。以上、熱の逃げがあり、被測定気体の比熱容量に比べはるかに大きい比熱容量の容器を温めるのに使われた熱量を系に供給された熱量から減算する等、熱を使って気体の比熱容量を高精度に測定することの難しさがあることが分かる。

【0012】

以上、見てきたように、気体の音速にしても、比熱容量比γにしても、それぞれ測定器が市場に供給されていれば、異なる測定方法から得られた結果について、それぞれの結果に対する評価が客観的にできたのではないかと思われる。測定器となれば、測定精度或いは測定誤差についての保証が求められる。誤差ないしバラツキについての記述のないデータについては、表現されている桁数程度の精度と見るのが妥当と思われる。

【0013】

気体の法則について、ケンブリッジ物理公式ハンドブック（Ｇｒａｈａｍ Ｗｏａｎ著、堤正義訳、共立出版発行）によると、まず第１の式、理想気体の状態方程式として、圧力Ｐ、体積Ｖと絶対温度Ｔとの関係を示す下式（４）がある。
Ｐ・Ｖ＝ｎ・Ｒ・Ｔ ・・・（４）
ここで、Ｒは気体定数（モル気体定数）であり、ｎは気体のモル数である。理想気体の内部エネルギーＵと絶対温度Ｔとの関係式として、下式（５）がある。
Ｕ＝ｎ・Ｒ・Ｔ／（γ−１） ・・・（５）
ここでＲとｎとは前記説明と同じ、γは比熱容量比（或いは熱容量の比）であり、下式（６）で説明される定圧比熱容量Ｃｐと定積比熱容量Ｃｖとの比である。
γ＝Ｃｐ／Ｃｖ ・・・（６）
気体分子運動論の中で、気体分子を構成している原子振動の自由度ｆと上記比熱容量比γとの関係としては、下式（７）がある。
γ＝１＋２／ｆ ・・・（７）
上式（７）は理想気体のガスの等分配、エネルギー等分配の法則とも言われている。理想気体中の音波の伝搬速度（音速）の式として、下式（８）がある。
ｖ＝ＳＱＲＴ（γ・Ｒ・Ｔ／Ｍ） ・・・（８）
ここで、γ、Ｒ、Ｔについては既に説明済みであり、Ｍは１モルの気体の質量である。この式（８）から、次の式（９）に展開できる。
ｖ・ｖ／（Ｒ・Ｔ）＝γ／Ｍ ・・・（９）
この式（９）は、理想気体の音速が絶対温度Ｔの平方根に比例するのに対し、γ／Ｍが温度に依存しない固有値であり、音速と絶対温度Ｔとからこの値が求められることを示している。これらの関係式の中で、上式（６）はγを定義する式であり、上式（９）は上式（８）を書き変えただけの式であり、法則或いは公式と言われるものは、４つの式となる。これらの式の内、上式（７）は独立した式であり、他の３つの式は、相互に関係している式と言える。以上、見てきたように、これらの公式は、全て理想気体に対し適用可能な式として説明されている。

【0014】

これらの関係式は、過去の技術成果であり、工業的にも対象気体にこのような関係式があれば、容易に結果を推定でき、適用可能であれば、演繹し、結果を計算でき、極めて有用性が高く、結果を得る手順が短縮でき、簡略化できる。しかし、理想気体という条件付きの関係式である限り、対象となる気体に適用しようとすれば、確認してから使わざるを得ない。１つの関係式が使えるとなっても、他の関係式も使えるとはならない可能性もあり、使おうとする関係式は全て確認をしてから使うこととなる。工業的に使えるか使えないかの判断は、適用範囲内で温度及び圧力Ｐを変えた時の結果と関係式の計算結果との差異「ズレ」が保証精度範囲内であるか否かである。差異「ズレ」が補正できて、保証精度以内に収まるのであれば、補正すれば使えることにもなる。実用温度範囲内で且つ実用圧力範囲内で、これらの関係式が補正を含め使用可能と言うことが比較的簡単に分かるようになれば、各種気体に本格的に応用が開けてくると考えられる。各種気体への応用例が数多く公開されることが期待されている。

【0015】

混合気体の分析装置としては、赤外分光法を使った分光分析装置がある。構成している分子ないし原子が光のエネルギーを吸収し、量子化された振動或いは回転の状態が変化する。励起に必要なエネルギーは分子の化学構造により異なり、赤外線吸収スペクトルが得られる。このスペクトルが気体分子により異なることから、どのような分子が含まれているかを検出することができる。吸収スペクトルの谷の深さから、ある程度の成分割合を推定することはできる。どのような成分が含まれているかについては、高感度に検出できるが、成分割合を高精度に求めるための装置には向いていないし、成分割合測定器とは言えない。

【0016】

気体の固有値であるモル質量Ｍが計測できれば、成分割合を正確に算出することができる。予め既知の気体のモル質量Ｍに成分割合を乗じたものを全て加えたものが混合気体のモル質量Ｍである。従って、混合気体のモル質量Ｍを計測できれば２成分系の成分割合は逆に計算可能である。０℃且つ１気圧下で２２．４リットルの混合気体の重量を測ればそれが質量である。２２．４リットルの容器に０℃且つ１気圧の気体を入れて重量を測り、次に真空にした容器の重量を測って減算すれば、気体の質量を測ることができるが、もっと少ない量で尚且つ高精度の質量測定の要求にも応える気体の質量測定器となると一層実現のハードルが高くなる。

【0017】

気体の音速は、かつて、主に超音波研究者によって実験装置にて各種気体の測定が行われ、これらのデータがまとめられてデータテーブルとして専門の便覧に公表されてきた。これらのデータについては永い間更新されることなく、別のデータブックにあるデータとの違いもそのままで、今日に至っている。理想気体の法則にもあるように、音速ｖからも求まる絶対温度Ｔとモル質量Ｍとを使って、比熱容量比γが求められることが分かっている。一方、前記データブックには、かつて比熱容量比γ（Ｃｐ／Ｃｖ）のデータも表記されていた。音速から計算したγの値と前記データブックのγとの値を比較すると、差異が少ないもので０．１％以下、多いもので数％ある。差異のある音速データをそのまま使って計算した結果でもあるため、音速と比熱容量比γ及び理想気体の法則との関係について安易に確認を試みた結果であったとも言える。各種気体に理想気体の法則を適用した時に、どのような違いのある結果が現れるのか、まずは固有値としての比熱容量比γ又はγ／Ｍが各種気体の圧力Ｐや各種気体の絶対温度Ｔについてその値が変動することなく固定であるかを調べることはできそうである。また、別の理想気体の法則は、比熱容量比γから気体の内部エネルギーＵが求められることを示している。混合気体である大気について、比熱容量比γが容易に測定でき、気体の内部エネルギーＵがリアルタイムで分かることの意義は大きい。

【0018】

本発明は、従来技術が有する上記問題点を解決すべくなされたもので、その目的とするところの課題を以下に示す。

【0019】

まず本発明の主な課題である第１の課題は、高精度な気体の音速関連固有値測定装置を提供することである。精度が保証された各種気体の音速と絶対温度データとが供給されることは気体の科学が新しい世界を開く次の１歩を踏みだすために欠かせない。ここで重要なことは、被測定気体の環境の絶対温度を音速測定と同時に且つ高精度に測定することである。更には、被測定気体の音速ｖの２乗を絶対温度と気体定数とで除した値に関連するγ／Ｍ値を求めることである。ここでγ／Ｍ値は、γ／Ｍ、ＳＱＲＴ（γ／Ｍ）、Ｍ／γ、ＳＱＲＴ（Ｍ／γ）を含み、単一気体では固定的な値となり、これを音速関連固有値と呼ぶこととする。混合気体では、混合割合に対応して変動する値となる。理想気体の法則を計算式として使って求めたγ／Ｍ値は、理想気体では固定値である。しかし、敢えて理想気体と断る以上、各種気体について、同じでない例が存在するから全て同じではないということを言っている、もしくは全て調べているわけではないと理解できる。γ／Ｍ値が温度ないし圧力Ｐに依存して変化することが確認されれば、この理想気体の法則の通りとは言えず、この気体は理想気体と言えないこととなる。しかし、多くの気体で温度範囲或いは圧力範囲を限れば、γ／Ｍ値は固定であると考えられている。実用温度範囲及び実用圧力範囲でγ／Ｍ値を求め、どのように変化するかを調べることができれば気体の科学知識に新しい世界が広がる。本発明の測定器はこのような調査に大いに貢献できる。

【0020】

本発明の追加的な第２の課題は、被測定気体の測定環境と絶対温度の測定環境とが同じ環境であることを確認すること、温度が変化する速度がどのような状況の時の測定なのかを確認すること、確認方法に伴って音速関連固有値γ／Ｍ値の計算方法を選択可能にすること、更には理想気体の必要条件の判断を可能にすることである。

【0021】

本発明の追加的な第３の課題は、外部環境の絶対温度測定には欠かせない測定系が発する熱の影響を確認すること、及びそれを補正して正しい温度測定が行えるようにすることである。

【0022】

本発明の追加的な第４の課題は、混合気体の扱いである。混合気体とは単一気体が複数種類混ざり合った気体で分子同士が特別に結び付くことがない気体を言う。混合気体が扱えるようになることは、単一気体の測定においても、他の気体が多少混ざっても、他の気体の影響をキャンセルする可能性を与える。例えば、水置換法にて被測定気体をセルに入れた場合でも、他の気体の混入は避けられるが、水蒸気の混入は避けられず、その場合には混合気体の測定を行うこととなるからである。まずは、２成分系の混合気体の成分割合を測定することである。

【0023】

本発明の追加的な第５の課題は、多成分系の混合気体の扱いである。特定の成分だけが成分割合を変化させるとすれば、特定の成分の割合を測定することである。

【0024】

本発明の追加的な第６の課題は、混合気体中の１成分の結露の扱いである。結露の始まりの検出方法とその時の成分割合とを求めることである。

【0025】

本発明の追加的な第７の課題は、混合気体中の１成分の結露の関連データが複数得られた場合の扱いである。複数の固有値を求めたり、確認に利用したりすることである。

【0026】

本発明の追加的な第８の課題は、混合気体である大気を被測定気体とすることである。大気の温度も測れるようにし、水蒸気成分割合と大気の内部エネルギーＵとを出力することである。

【0027】

本発明の追加的な第９の課題は、大気を継続して測定し、得られたデータを時のデータと共に保存し、水蒸気成分割合と大気の内部エネルギーＵとを新たに加えた地球環境モニター装置を供給することである。

【課題を解決するための手段】

【0028】

上記諸課題を解決するための本発明に係る気体の音速関連固有値測定装置及びそれを応用した気体の成分割合測定装置、更にはそれを応用した地球環境モニター装置は、課題毎に以下に示す手段を講じることによって対応する課題を解決するものである。

【0029】

第１の課題を解決するめ、本発明に係る音速関連固有値測定装置（１００）は、２組の超音波送信子（１０ａ、１０ｂ）及び超音波受信子（１０ｃ、１０ｄ）を組み込まれた２つのセル（２ａ、２ｂ）を熱的に接した構造のセル構造体（１）と、前記超音波送信子を駆動制御し、２つのセルで超音波が超音波送信子から超音波受信子に到達するまでの時間を計測して音速を測定する計測・制御部（１３）とを備え、γ／Ｍ値が既知の標準気体と被測定気体とを前記セルにそれぞれ入れ、計測・制御部が、同じ環境下で音速測定を行い、２つの測定結果の音速から、前記環境の絶対温度（Ｔ）と被測定気体の音速（ｖｍ）及び音速関連固有値（比熱容量比γとモル質量Ｍとの比）であるγ／Ｍ値との高精度データを取得するものとする。具体的には、前記計測・制御部は、同じ環境下にて標準気体が入れられた一方のセル（２ａ）における音速測定及び被測定気体が入れられた他方のセル（２ｂ）における音速測定を行い、前記標準気体の音速（ｖｓ）と前記被測定気体の音速（ｖｍ）とに基づいて前記被測定気体のγ／Ｍ値を求める。この構成により、上記第１の課題を解決することができる。

【0030】

上記の構成において、前記計測・制御部（１３）は、標準気体の音速（ｖｓ）から求めた前記環境の絶対温度（Ｔ）と被測定気体の音速（ｖｍ）とを使って、被測定気体の音速の２乗を前記環境の絶対温度と気体定数とで除して（ｖ・ｖ／（Ｒ・Ｔ））計算するか、又は、被測定気体の音速（ｖｍ）と標準気体の音速（ｖｓ）との比の２乗に標準気体のγ／Ｍ値を乗じて計算するかのいずれかの方法を採用、もしくはいずれの方法も採用して被測定気体のγ／Ｍ値を求めると良い。或いは、前記計測・制御部（１３）は、前記標準気体のγ／Ｍ値或いは前記音速の比を同じ気体の過去のデータの代表値と比較することで理想気体の必要条件の判断に利用すると良い。更には、前記計測・制御部（１３）は、標準気体と被測定気体との音速測定を繰り返し行い、それぞれの音速の変化を調べること、又は、被測定気体と標準気体との音速の比を調べることで、同じ温度の環境下での音速測定であることを確認すると良い。これらの構成によれば、上記第２の課題を解決することができる。

【0031】

上記の構成において、前記超音波送信子（１０ａ、１０ｂ）の瞬時パワー或いは繰り返しの測定周期を変化させることで、前記超音波送信子が発する瞬時熱量及び仕事率によるセル内の温度の変化を音速測定することにより検出し、測定器がセル内環境に及ぼす影響を自己確認すること、更には設定された測定条件での上昇温度を表示・出力し、上昇温度に基づいて絶対温度（Ｔ）を補正すると良い。この構成によれば、上記第３の課題を解決することができる。

【0032】

また、本発明に係る気体の成分割合測定装置（１１０）は、上記構成の気体の音速関連固有値測定装置（１００）を備え、被測定気体をそれぞれのモル質量（Ｍ）及び比熱容量比（γ）が既知でγ／Ｍ値が異なる２種類の気体の混合気体とし、前記計測・制御部（１３）は、前記セル構造体（１）を用いて音速測定を行い、絶対温度（Ｔ）と混合気体のγ／Ｍ値とを得ることで、混合気体中の２種類の気体の成分割合を求めると良い。この構成によれば、上記第４の課題を解決することができる。

【0033】

上記の構成において、前記計測・制御部（１３）は、被測定気体が３種類以上の複数の気体の混合気体であっても、１種類の気体だけが成分割合を大きく変化させ、他の気体の成分割合の変化が極めて少ない場合には、成分割合の変化の大きい気体と変化の極めて少ない気体との２種類の気体として扱うと良い。この構成によれば、上記第５の課題を解決することができる。

【0034】

上記の構成において、前記計測・制御部（１３）は、２種類と見做される気体が混合された混合気体であって、成分割合測定対象の成分が測定温度・圧力範囲内で結露する可能性のある結露気体である場合、セル（２ｂ）に封入後の被測定気体のγ／Ｍ値の変化から結露を検出すること及び結露発生時に露点温度から混合気体中の結露気体の成分割合を知ること、γ／Ｍ値とセル内圧力とから結露気体の露点温度における蒸気圧を知ること、更には、γ／Ｍ値から求められた成分割合と比較表示することで測定の確からしさを確認できるようにして、結露により成分割合が変わる過程を調査・利用すると良い。この構成によれば、上記第６の課題を解決することができる。

【0035】

上記の構成において、前記計測・制御部（１３）は、結露時のγ／Ｍ値及び成分割合の露点温度が異なるデータが得られた場合、これらのデータから結露気体を含まない被測定気体の固有値である比熱容量比（γ）、モル質量（Ｍ）、結露気体の固有値である比熱容量比（γ）を１つか２つ又は全て求め、既知として使用してきた固有値データと比較表示することで、データの確からしさを確認すると良い。この構成によれば、上記第７の課題を解決することができる。

【0036】

上記の構成において、前記セル構造体（１）を外気に晒し、大気（水蒸気含有空気）を被測定気体として前記計測・制御部（１３）が音速測定を行い、得られた絶対温度（Ｔ）と被測定気体のγ／Ｍ値とから気温（大気の温度）及び大気中の水蒸気成分割合を得て、前記被測定気体のγ／Ｍ値と水蒸気成分割合とから大気のモル質量（Ｍ）と比熱容量比（γ）とを得て、大気の比熱容量比から大気の１モル当りの内部エネルギー（Ｕ）を得て、更には測定中に結露があった時にそこから上記確からしさを確認できるデータを得ることを特徴とする。この構成によれば、上記第８の課題を解決することができる。

【0037】

また、本発明に係る地球環境モニター装置（１２０）は、上記構成の気体の成分割合測定装置（１１０）を備え、前記計測・制御部（１３）は、気温（大気の温度）、大気中の水蒸気成分割合、大気の１モル当りの内部エネルギー（Ｕ）、大気の音速（ｖ）及びγ／Ｍ値、計算に使われた諸データ及び途中結果、結露の有無と結露時データとから得られた参照データを年・月・日・時・分・秒の時のデータと共に保存し、統計処理して変化の様子を辿れるようにし、更にはそれらを選択的に利用し、表示し且つ出力する。この構成によれば、上記第９の課題を解決することができる。

【0038】

更にまた本発明は、同じ環境下に置く標準気体と被測定気体とを２種類の気体に限定するものではなく、３種類以上の気体を標準気体及び被測定気体として同時測定を行い、２つの測定結果の組み合わせを複数にしてデータを取得することを含むものである。

【発明の効果】

【0039】

このように本発明によれば、高精度な気体の音速関連固有値測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】本発明の１実施形態に係る音速関連固有値測定装置のブロックダイアグラムである。

【図2】本発明の１実施形態に係る地球環境モニター装置のブロックダイアグラムである。

【図3】本発明の他の実施形態に係る"各種気体について理想気体からの差異を調べる装置"のブロックダイアグラムである。

【図4】図２に示す地球環境モニター装置について、大気中の水蒸気の成分割合（ｎ１／ｎ）が気温の変化に対し最大でどのような値になるのか、その時に大気の比熱容量比γ、モル質量Ｍ及びγ／Ｍ値は乾燥空気のそれぞれの値に対しどのような変化割合となるかを示すグラフである。

【図5】図２に示す地球環境モニター装置について、大気の１モル当りの内部エネルギーＵが気温の変化に対し、水蒸気によって最大でどのような値になるのか乾燥空気の内部エネルギーＵと対比させて示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0041】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

【0042】

まず、発明の第１の課題を解決する手段について説明する。図１に本発明の音速関連固有値測定装置１００の１例のブロックダイアグラムを示す。図１に示すように、音速関連固有値測定装置１００は、熱的に互いに接する２つのセル２（２ａ、２ｂ）を有するセル構造体１を備えている。一方のセル２は標準気体測定用の圧力容器（以下、標準セル２ａと言う。）であり、他方のセル２は被測定気体測定用の圧力容器（以下、被測定セル２ｂと言う。）であり、２つのセル２は互いに同じ構造を有している。標準セル２ａには、管状の標準セル入口３ａ及び標準セル出口４ａが設けられている。被測定セル２ｂには、管状の被測定セル入口３ｂ及び被測定セル出口４ｂが設けられている。標準セル入口３ａには標準セル入口バルブ５ａが設けられ、被測定セル入口３ｂには被測定セル入口バルブ５ｂが設けられている。標準セル出口４ａには標準セル出口バルブ５ｃが設けられ、被測定セル出口４ｂには被測定セル出口バルブ５ｄが設けられている。被測定セル入口バルブ５ｂは入口バルブ制御線６ｂによって、被測定セル出口バルブ５ｄは出口バルブ制御線６ｄによって、それぞれ計測・制御部１３に接続されており、少なくとも被測定セル２ｂは、解放と密閉とを計測・制御部１３によりコントロールでき、また、気体の入れ替えができるようになっている。また、少なくとも被測定セル２ｂは、配管を工夫すれば液体（主に水）で満たすこともできる。標準セル２ａには必要に応じて補助温度計８、被測定セル２ｂには圧力計７が組み込まれていて、補助温度計８は補助温度計出力ライン８ｃによって、圧力計７は圧力計出力ライン７ｄによって計測・制御部１３へそれぞれ接続されている。気体用音響ユニット９（標準セル音響ユニット９ａ及び被測定セル音響ユニット９ｂ）は、セル２とは別の構造体として、セル２内に置かれ、セル２内外の圧力差の影響を受けないよう固定されている。気体用音響ユニット９のそれぞれには超音波送信子１０ａ、１０ｂと超音波受信子１０ｃ、１０ｄとが対向して組み込まれており、これらに接続された標準セル２ａ用の２本の信号ライン１２ａ及び被測定セル２ｂ用の２本の信号ライン１２ｂは対応するセル２の壁を通して、それぞれの時間測定ユニット２２、２３へ接続されている。セル２の信号ライン１２ａ、１２ｂが貫通する部分にはハーメチックシール１２が設けられ、セル２が密閉されている。超音波送信子１０ａ、１０ｂと超音波受信子１０ｃ、１０ｄとは、セル２内で使用するため、両者間の距離は固定である。この距離を決める構造体には、温度が距離に影響し難い材料が使われる。気体用音響ユニット９の距離に関わる固有データとして、距離変化の温度係数（熱膨張係数相当）と決められた温度での距離とが保存され、これらのデータは音速ｖを求める時に使う超音波伝搬距離を補助温度計８の温度で補正する際に利用される。これらのデータは、別途予め測定しておき、絶対温度Ｔを校正する時にいつも確認される。２つのセル２は、セル２間の熱抵抗が外部とのそれより小さい熱伝導の良い熱伝導材料１１で熱的に接続されたセル構造体１として利用される。気体用音響ユニット９の超音波送信子１０ａ、１０ｂと超音波受信子１０ｃ、１０ｄとは、１つの送受信子として構成することもできる。この場合には、送受信子から送信した超音波が反射体に当たって反射して送受信子に再び戻ってくるように構成する。超音波伝搬距離は送受信子と反射体との距離の２倍であり、上記同様に補正されて利用される。これは１探触子法と言われる。反射体をもう１つの送受信子とすることで、２つの測定法が利用可能となる。

【0043】

計測・制御部１３は、補助温度計出力ライン８ｃが接続される補助温度計インターフェース１４ａ、圧力計出力ライン７ｄが接続される圧力計インターフェース１４ｂ、入口バルブ制御線６ｂが接続される被測定セル入口バルブ制御インターフェース１４ｃ、及び、出口バルブ制御線６ｄが接続される被測定セル出口バルブ制御インターフェース１４ｄを備えている。また、計測・制御部１３は、空気入替装置２８の空気入替制御ライン１５が接続される空気入替制御インターフェース１４ｅ、圧力制御装置３３の圧力制御ライン１６が接続される圧力制御インターフェース１４ｆ、環境試験装置４１の環境試験制御ライン１７が接続される環境試験インターフェース１４ｇを備えている。空気入替装置２８、圧力制御装置３３及び環境試験装置４１については後に詳述する。更に計測・制御部１３は、外部メモリー１８が接続される外部メモリーインターフェース１４ｈ、液晶表示部１９が接続される液晶表示部インターフェース１４ｉ、操作用キーボード２０が接続される操作部キーボードインターフェース１４ｊ、パソコン２１が接続されるパソコンインターフェース１４ｋを備えている。標準セル音響ユニット９ａの２本の信号ライン１２ａは、それぞれ分岐し、一方が標準セル信号入力アナログスイッチ２６ａに、他方が標準セルパルス出力アナログスイッチ２６ｂに接続されている。標準セル信号入力アナログスイッチ２６ａは、標準セルパルス発生回路２４ａを介して標準セル用の時間測定ユニット２２に接続されている。標準セルパルス出力アナログスイッチ２６ｂは、標準セル信号増幅・高速Ａ／Ｄ変換回路２５ａを介して標準セル用の時間測定ユニット２２に接続されている。被測定セル音響ユニット９ｂの２本の信号ライン１２ｂは、それぞれ分岐し、一方が被測定セル信号入力アナログスイッチ２６ｃに、他方が被測定セルパルス出力アナログスイッチ２６ｄに接続されている。被測定セル信号入力アナログスイッチ２６ｃは、被測定セルパルス発生回路２４ｂを介して被測定セル用の時間測定ユニット２３に通信可能に接続されている。被測定セルパルス出力アナログスイッチ２６ｄは、被測定セル信号増幅・高速Ａ／Ｄ変換回路２５ｂを介して被測定セル用の時間測定ユニット２３に通信可能に接続されている。時間測定ユニット２２、２３はマイコン制御部２７と通信可能に接続されている。また、マイコン制御部２７は上記インターフェース（１４ａ〜１４ｋ）と通信可能に接続されている。計測・制御部１３は、外部メモリー１８に記憶されたプログラムをマイコン制御部２７が実行することで、超音波送信子１０ａ、１０ｂを駆動制御し、以下に説明する各種計測や各種演算を実行する。

【0044】

音速測定は以下のように行われる。２つのセル２の一方には標準気体が他方には被測定気体が入れられる。時間測定ユニット２２、２３から信号を受けると超音波送信子１０ａ、１０ｂが超音波パルスを発信する。超音波受信子１０ｃ、１０ｄはセル２内の気体中を伝搬してきた超音波パルスを受信し、これを時間測定ユニット２２、２３に送る。時間測定ユニット２２、２３は、送信から受信までの時間、即ち超音波送信子１０ａ、１０ｂから送信された超音波が超音波受信子１０ｃ、１０ｄに到達するのに要する時間を計測することで伝搬時間を算出する。時間測定ユニット２２、２３が受信波形を記憶しておき、相関法にて時間測定すると、揺らぎが少なければ１０ｎＳ（１０の−８乗秒）単位で時間が求められる。音速ｖは超音波伝搬距離を時間で除すことで求められる。

【0045】

まず、標準気体の音速ｖｓから絶対温度Ｔを求める。計算式は、上式（９）を書き換えた下式（１０）を使って計算する。
Ｔ＝（ｖｓ・ｖｓ／Ｒ）／（γ／Ｍ）ｓ ・・・（１０）
ここで（γ／Ｍ）ｓは、標準気体のγ／Ｍ値を意味する。標準気体には、広い温度範囲でγ／Ｍ値が固定値である気体が使われる。このような気体としては、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガスが良く知られている。標準気体の候補としては、単原子気体が挙げられるが、単原子からなる不活性ガスについても十分調査をした上で採用可能か否かを見極める必要がある。計算式にもあるように、γ／Ｍ値が固定値であれば、Ｒは気体定数で一定であるから、絶対温度Ｔは音速ｖｓの２乗に比例し、原理的に直線性に優れた絶対温度計と言える。絶対温度計が測定器として認定されるためには、より原器に近い温度計と基準温度にて較正をすることとが必要であり、これらにより測定の直線性も同時に確認される。また、測定器として定期的な検査も欠かせない。また、気体の音速ｖは圧力Ｐの影響をほとんど受けないと言われているが、広い圧力範囲で絶対温度計として使う場合は、セル２の内外をそのような環境にして確認を行ってから使用することが必要になる。このように、標準気体の音速ｖｓから絶対温度Ｔが求められ、同時に被測定気体の音速ｖｍが高精度に測定できる。

【0046】

次に、被測定気体の音速ｖｍと求めた絶対温度Ｔとから被測定気体のγ／Ｍ値を求める。計算式は下式（９）である。
ｖ・ｖ／（Ｒ・Ｔ）＝γ／Ｍ ・・・（９）
このように、本発明の音速関連固有値測定装置１００は、同じ環境下の標準気体と被測定気体とで音速測定を行うことで、被測定気体の絶対温度Ｔと音速ｖｍとを同時に高精度に測定でき、尚且つ音速関連固有値であるγ／Ｍ値を高精度に求めることができる。各種気体の高精度γ／Ｍ値データは理想気体との関係を含めて学術的にも産業的にも極めて有用なデータであり、更には、実用圧力範囲及び実用温度範囲にてγ／Ｍ値が変化するのか否か、また変化する場合にはどのように変化するのかを測定できる高精度な音速関連固有値測定装置１００を供給することは意義のあることと言える。本発明の測定器では、常にγ／Ｍ値を求めており、この値に同一気体の過去のデータと比較して異なる変化があれば変化量を知らせる等、新たな情報提供の可能性を秘めている。但し、超音波方式にも弱点があり、低い圧力範囲では感度上の問題が発生し、測定ができなくなる可能性がある点は考慮しておく必要がある。改善の余地はあると思われるが、基本的な問題でもある。

【0047】

次に発明の第２の課題を解決する手段について説明する。これまでに、標準気体と被測定気体とを入れるための２つのセル２が必要であることと、更にそれらのセル２内の気体が同じ環境（温度）で測定が行われないと高精度測定にならないことは十分説明されてきた。音速ｖは絶対温度Ｔの平方根に比例して変化するからである。しかしこのことを逆に考えれば、２つのセル２の音速測定過程において環境が整ってきたことを音速ｖの変化が知らせてくれることになる。"温度差があれば熱の移動がある。温度が変化していない状態は熱の移動がない。"これが熱力学の第０法則と言われる基本原理である。混合気体の成分割合が変化する（結露が起こる等による）ことがない環境であれば、音速ｖを調べていれば温度の変化の様子が分かる。音速ｖの変化が要求測定精度に影響しない範囲の変化以下になったところで測定を行えば、同じ環境で測定が行われたと言えることになる。温度が同じであることを自己確認できることになる。以下、詳細に説明する。

【0048】

まずは２つのセル２間の熱の移動に関することである。温度差があり熱の移動があれば、供給側は温度が下がり、音速ｖは遅くなる方向に変化し、受ける側は温度が上がり、音速ｖは早くなる方向に変化する。熱の移動がなくなったところで音速ｖの変化が両方ともなくなる。セル２とその外側の環境とに温度差があり、熱の移動がある場合には、セル２間で熱の移動がなければ、２つのセル２と外側の環境との間で熱の移動がある。セル２が熱をもらう場合には、温度が上がり、音速ｖは共に早くなる方向に変化する。セル２が熱を供給する場合には、温度は下がり、音速ｖは共に遅くなる方向に変化する。熱の移動がなくなったところで音速ｖの変化はなくなる。セル２とその外側の環境とに温度差があり、セル２間でも熱の移動がある場合には、２つのセル２内の温度の変化に差が現れ、音速ｖの変化にも差が出てくる。外部環境の温度で音速ｖと絶対温度Ｔとを測定したい場合は、２つのセル２内の気体の音速ｖの変化が共に少なくなったことを確認した上で測定を行うようにすれば、外部温度を含め、同じ環境下での測定と言える。２つのセル２内の気体の音速ｖの比を求め、この比が変化しなくなったところで測定することとすれば２つのセル２が同じ環境である条件で測定することになり、外部環境の温度がなかなか定まらない場合でも、外部環境に関係なく測定を進めることを可能とする。２つのセル２内の気体の環境（温度）を同じにして、且つ音速ｖが十分安定した条件での測定を保証するよう作用する２つの測定方法を選択可能とする。

【0049】

外部環境（温度）は多少変化していても標準気体と被測定気体とが同じ環境であることの確認する時には、被測定気体の音速ｖｍと標準気体の音速ｖｓとの比（ｖｍ／ｖｓ）を取って、比が安定したところで被測定気体のγ／Ｍ値（以下、（γ／Ｍ）ｍとする。）を求めるが、その時には、音速ｖの比を２乗して標準気体のγ／Ｍ値（以下、（γ／Ｍ）ｓとする。）を乗じることによって計算する。計算式は下式（１１）となる。
（γ／Ｍ）ｍ＝（ｖｍ／ｖｓ）・（ｖｍ／ｖｓ）・（γ／Ｍ）ｓ ・・・（１１）
一方、外部環境（温度）、標準気体及び被測定気体が同じ環境であることの確認する時には、被測定気体の音速ｖｍと標準気体の音速ｖｓとの変化が共に少なくなったところで被測定気体のγ／Ｍ値（γ／Ｍ）ｍを求めるが、その時には、標準気体の音速ｖｓの２乗を気体定数で除し、更に標準気体のγ／Ｍ値（γ／Ｍ）ｓで除すことによりまずは絶対温度Ｔを計算する。計算式は上式（１０）である。この温度を使って、被測定気体のγ／Ｍ値（γ／Ｍ）ｍを求める方法は既に説明済みである。計算式を以下に示す。
（γ／Ｍ）ｍ＝ｖｍ・ｖｍ／（Ｒ・Ｔ） ・・・（１２）
外部環境の絶対温度Ｔを測定したい時はこの方法になるが、外部環境の温度が定まらない時にも被測定気体の絶対温度Ｔを求めたい時には上記方法で計算はできる。被測定気体のγ／Ｍ値の求め方は環境に関連づけて説明してきたが、計算方法の選択の自由を制限するものではない。

【0050】

同一環境の確認及び温度の変化が少なくなったことの確認には、音速測定を繰り返し行い、それぞれについての音速測定結果を比較していく過程が入るため、時間がかかる。測定の仕方として、一定時間毎に結果を出力したいか、同一環境或いは温度の変化が少なくなったと判断する閾値を設定して閾値以下になったところで結果を出力することにするか選択できるようにすることも可能である。一定時間毎に結果を出力するようにした場合でも、結果を出力する直前の音速変化速度（或いは温度換算した温度の変化速度）を出力することも可能であり、選択できるようにすることも可能である。どのような測定をしたいかを選択できるようにした方が、利用者には便利である。絶対温度Ｔについては、白金抵抗温度計等の別の測定方法の測定器（例えば補助温度計８）を備え付け、大きな狂いのないことの確認ができるようにしておく。この確認ができていれば音速測定結果を計測された絶対温度Ｔで再補正する必要はなくなる。以上、見てきたように、絶対温度Ｔにしてもγ／Ｍ値にしても、予め設定された環境が整ってから出力するか、出力した前後の環境条件がどうであったかを後から調べることができるようにするか、音速関連固有値測定装置１００は環境を利用者に知らせるように作用する。原理的に自己確認システムを構成する確認手段である。

【0051】

理想気体の必要条件としてはγ／Ｍ値が固定、或いは、被測定気体の音速ｖｍと標準気体の音速ｖｓとの比が固定であることが挙げられる。理想気体である標準気体の音速ｖｓとの比が一定であれば、被測定気体も標準気体と言えるか、少なくとも必要条件を満たしていると言える。同一気体の過去の代表値と比較して、その差の絶対値が閾値以下であれば固定と判断することとする。過去の代表値と言っても、過去のデータの平均値を参考にしてユーザーが入力した値とする。測定値の代表値との差を取り、更には差の割合（％）も計算する。閾値と比較し閾値以下であれば固定と判断する。閾値は音速関連固有値測定装置１００の保証精度を参考にしてユーザーが入力した値（保証誤差より大きい値）である。測定を始める時に、ユーザーは被測定気体の名前を入力或いは選択し、その名前を付けて、各種データは保存される。基本的には各種データは全て外部メモリー１８に保存されるが、同時にホストコンピュータ（パソコン２１）にも転送される。データ処理はこのコンピュータにて行われることとする。音速関連固有値測定装置１００では、固定と判定されたデータは、毎回古い平均値とデータの数に応じて加重平均されて、最新の平均値だけが残る。以上、被測定気体について、測定環境における理想気体との差異を知ることができる。

【0052】

次に発明の第３の課題を解決する手段について説明する。絶対温度測定を行うセル２は標準気体を入れたセル２であるが、測定したい温度は、被測定気体を入れたセル２内の温度（セル内環境）であると同時に外部環境の温度の場合がある。この２つの環境（温度）の確認方法については既に説明済みであるが、２つのセル２内に熱源があるとすれば、その熱の影響については確認しておかなければならない。２つのセル２内の熱源は同じものと考えられることから、被測定気体の環境（温度）の、標準気体の入ったセル２との関係についてはこれまでの説明で特に問題はないと思われる。一方、被測定気体の環境（温度）の外部環境との関係については、平衡状態においてもセル２側から外部環境に向けて熱の流れが考えられる。熱の流れがあれば温度差があることになり、外部環境の温度を表示・出力する時には、標準気体で測定された温度にその分補正をすることとなる。この温度差は熱源のする仕事率に依存する。仕事率は測定条件の設定により決められる。測定条件とは、超音波パルスを発信する時の瞬時パワーと発信する周期（測定周期に相当）とにより決められる。従って、予め測定条件によりどのような温度差が発生するのか調べておくことが、設定された条件での温度差と補正した外部環境温度とを表示・出力するように作用する。この機能は、温度測定器としての定期的な校正及び検査時にも確認が必要な項目でもある。更には、測定中に可能な限り温度差を少なくして測定したいという要求や測定条件を変えて確認したいといった要求に応えられるようにする機能としての利用も考えられる。以下、詳細に説明する。

【0053】

時間測定ユニット２２、２３からの送信信号により超音波送信子１０ａ、１０ｂが電気パルス駆動される。超音波送信子１０ａ、１０ｂではこの信号により超音波パルスを発信する。超音波パルス波はセル２内の気体中を伝搬し、超音波受信子１０ｃ、１０ｄに受信されると同時に反射される。何回か反射を繰り返しながら、波は減衰していく。超音波送信子１０ａ、１０ｂに加えられたエネルギーは、超音波送信子１０ａ、１０ｂである電気音響変換素子の変換ロスにより一部は熱に換わり、残りは超音波として気体中を伝搬していき、減衰していく過程で熱に換わると考えられる。このように、瞬時パワーは熱（瞬時熱量）に換わり、熱源となると考えられる。仕事率或いは平均電力は、この瞬時パワーを測定周期で除したものである。瞬時パワーは超音波送信子１０ａ、１０ｂへの駆動電圧と電流の積であるが、最近のデジタル技術を駆使すれば、瞬時電力は計算可能と思われる。一方、測定周期は、送・受信子間の伝搬時間の数倍から数十倍程度として、瞬時パワーのデューティーは１／１，０００程度であり、平均電力とすればかなり小さなものとなる。しかし、高精度な温度測定のためには、この熱源の影響についてはしっかり把握しておかないと、精度を保証することはできない。駆動電圧と測定周期の基準を決めておいて、駆動電圧は基準の１／１、１／１．４、１／２、１／２．８．１／４、測定周期は基準の１倍、２倍、４倍、８倍、１６倍と変えられるようにして、これらの全ての組み合わせに対し、温度差を調べておき、設定された条件での温度差とする。以下、本発明の音速関連固有値測定装置１００を使って、本発明である測定条件変更に対する温度差データを取得する方法について説明する。

【0054】

この測定には、外環境が温度の変化の少ない環境であることが必要である。１例としては、定義定点である水の３重点の２７３．１６ｋと言う温度を使う方法がある。氷と水と水蒸気との共存する環境を作って、その気体中に本発明のセル構造体１を入れ、この環境にて、上記２５通りの測定条件にて、標準気体と被測定気体との音速測定を行い、音速ｖの変化が少なくなったところで温度を求め、その温度と２７３．１６ｋとの差（温度差）データを取得し保存する。外環境が温度の変化の少ない環境であることが確認されている場合には、測定周期を２倍、４倍、８倍と変えていくと、平均電力はそれぞれ１／２、１／４、１／８と確実に変化するので、平均電力に温度差が比例すると考えられることから、それぞれの温度データから、１／１の温度と１／２の温度との差に比べ次の１／２と１／４との温度差が半分になっていることが確認でき、更に１／４と１／８との温度差が更にその半分になっていることが確認できれば温度差データとしては正しく測定されていることになる。これにより、セル２内の温度の変化を検出し、これを確認することができる。外環境との温度差としては、１／１の温度差が１／１と１／２との温度差の２倍となり、１／２の温度差は１／２と１／４との温度差の２倍となり、以下同様となる。上記２５通りの条件にて温度差データを取得する。この条件は、平均電力として２５６倍の範囲をカバーすることになる。

【0055】

測定系が及ぼす熱影響をできるだけ少なくするには、駆動電圧を下げて、瞬時パワーを測定可能な範囲で小さくすることで、温度差も下げられる。超音波振動発生エネルギーが外環境の温度測定に及ぼす熱影響の自己確認方法は、外環境の正確な温度測定器の実現を助けるべく作用する。

【0056】

次に発明の第４の課題を解決する手段について説明する。成分割合測定装置１１０は、図１に示す音速関連固有値測定装置１００を備え、計測・制御部１３が混合気体の成分割合を求めるものである。異なる２種類の気体分子が化学的に結合することなく分散している混合気体のγ／Ｍ値は構成している単一気体成分の固有値γ／Ｍ値の中間的な値になる。上記混合気体の成分割合とγ／Ｍ値との関係が分かれば、成分割合を求めることができる。以下、詳細に説明する。

【0057】

上記混合気体については、以下のことが言える。その１として、１モルの混合気体の内部エネルギーＵは成分気体分子の持つ内部エネルギーＵの総和である。その２として、１モルの混合気体の質量は成分気体分子の持つ質量の総和である。その３として、気体成分分子の数について、数の割合は混合気体のモル成分割合と同じであり、総和は１モルの混合気体の分子の数と同じである。以上を式にすると以下となる。ここで、第１気体と第２気体との混合気体として、Ｍ；１モルの混合気体の質量、Ｍ１；１モルの第１気体の質量、Ｍ２；１モルの第２気体の質量、γ；混合気体の比熱容量比、γ１；第１気体の比熱容量比、γ２；第２気体の比熱容量比、γ／Ｍ；混合気体のγ／Ｍ値、ｎ；混合気体のモル値、ｎ１；第１気体のモル値、ｎ２；第２気体のモル値、Ｕ；混合気体の内部エネルギー、Ｕ１；第１気体の内部エネルギー、Ｕ２；第２気体の内部エネルギー、ｖ；混合気体の音速、ｖ１；第１気体の音速、ｖ２；第２気体の音速とする。その１とその３とを式にすると、以下となる。
Ｕ＝Ｕ１＋Ｕ２ ・・・（１３）
内部エネルギーＵと絶対温度Ｔとの関係として、上式（５）があり、Ｕ１とＵ２とにもこの式を当てはめれば、下式（１４）及び（１５）となり、これらの関係から、下式（１６）ができる。
Ｕ１＝ｎ１・Ｒ・Ｔ／（γ１−１） ・・・（１４）
Ｕ２＝ｎ２・Ｒ・Ｔ／（γ２−１） ・・・（１５）
ｎ・Ｒ・Ｔ／（γ−１）＝ｎ１・Ｒ・Ｔ／（γ１−１）＋ｎ２・Ｒ・Ｔ／（γ２−１） ・・・（１６）
この式（１６）を書き換えると、γ１、γ２、γ及び（ｎ１／ｎ）の関係式として下式（１７）ができる。
１／（γ−１）＝（ｎ１／ｎ）／（γ１−１）＋（ｎ２／ｎ）／（γ２−１） ・・・（１７）
更に、下式（１８）の関係から、下式（１９）ができる。
（ｎ２／ｎ）＝１−（ｎ１／ｎ） ・・・（１８）
１／（γ−１）＝{１／（γ１−１）−１／（γ２−１）}・（ｎ１／ｎ）＋１／（γ２−１） ・・・（１９）
その２とその３とを式にすると、以下となる。
Ｍ＝（ｎ１／ｎ）・Ｍ１＋（ｎ２／ｎ）・Ｍ２＝（Ｍ１−Ｍ２）・（ｎ１／ｎ）＋Ｍ２ ・・・（２０）
混合気体の音速測定から得られるγ／Ｍ値と成分割合（ｎ１／ｎ）との関係は上式（１９）及び（２０）を使って求めたγ／Ｍの式とγ／Ｍ値との関係となる。この式は成分割合（ｎ１／ｎ）の２次方程式になり、根を求める公式を使って、γ１、γ２、Ｍ１、Ｍ２及びγ／Ｍ値より（ｎ１／ｎ）を求めることができる。以下、詳細の説明は省略するが、関係式は以下となる。

【0058】

まずは、ｎ１／ｎ＝ｘとして、ｘの２次方程式を以下とする。
ａ・ｘ・ｘ＋ｂ・ｘ＋ｃ＝０ ・・・（２１）
この根は、以下となる。
ｘ＝{−ｂ＋−ＳＱＲＴ（ｂ・ｂ−４・ａ・ｃ）}／（２・ａ） ・・・（２２）
ここで、ａ、ｂ、ｃは以下とする。
ａ＝Ａ・（Ｍ１−Ｍ２） ・・・（２３）
ｂ＝Ａ・Ｍ２＋Ｂ・（Ｍ１−Ｍ２）−Ａ／（γ／Ｍ） ・・・（２４）
ｃ＝Ｂ・Ｍ２−（Ｂ＋１）／（γ／Ｍ） ・・・（２５）
ここでＡ、Ｂは以下とする。
Ａ＝１／（γ１−１）−１／（γ２−１） ・・・（２６）
Ｂ＝１／（γ２−１） ・・・（２７）
以上で、混合気体の音速ｖと絶対温度Ｔからγ／Ｍ値との高精度データを得て、そのγ／Ｍ値から成分割合（ｎ１／ｎ）を計算して求められることが、高精度な気体の成分割合測定装置１１０の実現に作用する。γ／Ｍ値を求める環境（圧力Ｐ及び温度）で成分気体が理想気体の必要条件を満たす範囲内であれば、比熱容量比γは固定値であり、同じ値を使って計算可能であるが、前記範囲を外れることがある場合には、比熱容量比γは固定値でなくなるため、前記環境における比熱容量比γを使って計算する必要がある。成分割合測定環境全てについて、比熱容量比γは既知であることが求められることから、前記範囲内での測定であるかは重要な確認事項となる。尚、成分気体のモル質量Ｍが固定であることは混合気体の条件となっている。

【0059】

次に発明の第５の課題を解決する手段について説明する。気体は混合気体として存在するのが自然である。気体を扱う測定器は混合気体も扱えるようにする必要性がある。混合気体にも比熱容量比γ、モル質量Ｍ及びγ／Ｍ値が存在し、成分割合が変わらなければ固定的な値となる。被測定気体が３種類以上の気体を含んでいても、成分割合が１種類しか変化しない気体であれば、変化する気体と変化しない気体との２種類の混合気体として扱える。ここで、以下の説明のために、第１気体、第２気体及び対象気体を次のように定義する。第１気体は単一気体で、第２気体は内部の成分割合の変化は極めて少ない複数の単一気体の混合気体で、対象気体は第１気体と第２気体との混合気体とする。対象気体では、第１気体の成分割合が変化するのに伴い、第２気体の成分割合もその分逆に変化する。発明の第４の課題を解決する手段と同じように扱えるためには、第１気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍ、第２気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍを予め知る必要がある。第１気体は単一気体であるから、比熱容量比γ及びモル質量Ｍは既知と言える。単一気体の正確な値を知りたければ、本発明の測定器を使ってγ／Ｍ値を求め、分子式から決まるモル質量Ｍを使って比熱容量比γも求めることができる。第２気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍはどうやって知ることができるかについて以下説明する。

【0060】

まずは変化しない成分割合が正確に分かっているのであれば、成分の単一気体のそれぞれの比熱容量比γ及びモル質量Ｍ及び成分割合を使って、それらの混合気体である第２気体についての比熱容量比γ及びモル質量Ｍを計算することができることはこれまでの説明から容易に想像できる。全ての高純度の単一気体が得られれば、計測可能なことは既に述べた通り。次に、成分割合が全く分からない場合、第２気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍはどうやって知ることができるかについて以下説明する。音速測定方式の測定装置の弱点は、γ／Ｍ値は求められるが、比熱容量比γ或いはモル質量Ｍを分離して求めることができない点である。他の測定器と組み合わせて、上記混合気体のいずれかを測定できれば、γ／Ｍ値からもう一方も計算できる。しかし、ここでは、発明の第４の課題を解決する手段の方法とは逆の方法にて、上記混合気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍを求める方法について説明する。それは、比熱容量比γ及びモル質量Ｍが既知の気体を第２気体に成分割合が一定になるように混ぜて第３気体を作り、本発明の音速測定装置にて、第３気体のγ／Ｍ値を求める方法である。第３気体においては成分割合が異なる２種類について測定を行う。求めた第３気体の２種類のγ／Ｍ値と２種類の成分割合で混ぜた気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍとを使って、第２気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍを含む２つの関係式が得られ、この連立方程式を解くことによって、上記第２気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍを求めることができる。ここでは、詳細説明は省くが、後に出てくる説明から容易に類推できると思われる。混ぜる気体を水蒸気とすれば、後に出てくる結露現象利用の方が成分割合を一定にするより容易な方法と思われる。ここでは、第２気体のモル質量Ｍが分かることが重要で、成分割合不変の混合気体のモル質量Ｍは固定であり、結露現象利用の方法等でモル質量Ｍが確定したとなれば、第２気体について本発明の音速測定装置にて得たγ／Ｍ値から比熱容量比γが求められる。以上で、対象気体の成分割合測定の必要条件が整ったことになり、発明の第４の課題を解決する手段と同じように扱えば測定は可能である。但し、発明の第４の課題を解決する手段での説明にもあるように、γ／Ｍ値を求める環境（圧力Ｐ及び温度）で第１気体及び第２気体が理想気体の必要条件を満たす範囲内であれば、比熱容量比γは固定値であり、同じ値を使って計算可能であるが、前記範囲を外れることがある場合には、比熱容量比γは固定値でなくなるため、前記環境における比熱容量比γを使って計算する必要がある。成分割合測定環境全てについて、比熱容量比γは既知であることが求められることから、前記範囲内での測定であるかは重要な確認事項となる。以上、本発明が多成分混合気体中の１種類の気体成分割合測定に作用する説明である。

【0061】

発明の第６の課題を解決する手段について説明する。発明の第４ないし第５の課題を解決する手段は、与えられた混合気体が持つそれぞれの気体成分の割合を知るための測定器であるのに対し、発明の第６ないし第７の課題を解決する手段は、結露と言う現象により気体成分割合が変化していく過程において測定を行い、成分割合やそれぞれの気体の固有値を結露から得られるデータとして提供するものであり、結露現象の始まりの検出と結露の利用法とに関する。結露は条件が整わないと起こらない。結露が起こった時（結露発生時）に知ることができることを以下、説明する。

【0062】

結露現象の始まりの検出の原理は、成分割合が変わることによりγ／Ｍ値が変化することである。つまり、密閉容器（セル２ｂ）内では、結露により、成分割合測定対象の成分が測定温度・圧力範囲内で結露する可能性のある気体（以下、結露気体と呼ぶ）の一部が液体に変わることによって結露気体が減少することにより、混合気体の成分割合が変わり、γ／Ｍ値が変化する。継続的にγ／Ｍ値を測定していて、密閉容器（セル２ｂ）内に結露気体を含有している被測定気体のγ／Ｍ値が変化を始めた時、絶対温度Ｔが下降中で尚且つγ／Ｍ値が被測定気体との関係で結露気体の成分割合を減ずる方向への変化である場合には、結露が始まったと判断する。通常、他の気体の混入を防ぐために容器（セル２ｂ）は密閉された状態で、測定も行われるが、大気を被測定気体とする場合には、他の気体の混入を考える必要がない。大気の場合も測定時に密閉すればこれまでの説明と同じであるが、密閉しない測定も考えられる。結露気体が水蒸気の場合、γ／Ｍ値から水蒸気成分割合を求め、大気圧から水蒸気圧を知る。同時に、絶対温度Ｔから飽和蒸気圧を知る。水蒸気圧と飽和水蒸気圧の比をパーセントにしたものが湿度（％）である。湿度１００％前後の絶対温度Ｔ及びγ／Ｍ値の変化から結露を知ることができる。絶対温度Ｔが下降していて、湿度１００％に達した時にγ／Ｍ値が水蒸気成分割合減少方向に変化し始めたら結露と判断できる。

【0063】

結露が始まったと判断できれば、同時に露点温度から飽和蒸気圧を知り、更にはセル２ｂ内圧力との比から結露気体の成分割合を知る。露点温度から飽和蒸気圧を知るためには、データテーブルが必要。温度と飽和蒸気圧との関係は各種気体について調べられているが、水蒸気のように１℃ステップのデータが揃っている気体は少ない。水蒸気以外の結露気体を利用する場合、予めその気体について詳細な飽和蒸気圧データを用意しておくことが必要となる。発明の第４ないし第５の課題を解決する手段の説明において既に説明している通り、γ／Ｍ値から成分割合（ｎ１／ｎ）を求めることができる。モル比である成分割合と圧力比とは互いに等しいことから、セル２ｂ内圧力に成分割合を乗じれば、結露気体の圧力Ｐを求めることができる。水蒸気以外の結露気体について、温度をコントロールする環境試験装置４１と正確な圧力計７と本発明の成分割合測定装置１１０とを使い、各種条件で測定を行うことにより詳細な飽和蒸気圧データを集めることができることになる。

【0064】

結露の始まりから結露気体の成分割合を知ることができたが、もう一方、その時のγ／Ｍ値からも成分割合を知ることができ、音速ｖから求めた成分割合と結露から求めた成分割合との２つの結果を同時に表示する成分割合測定装置１１０とすることができる。本発明は、２つの結果を比較することで、測定の確からしさを自己確認することができるように作用する。この測定の基本は、結露以外でγ／Ｍ値が変化しないことが前提となっている。被測定気体が理想気体の必要条件を満たす環境であること、或いは被測定気体に測定環境でγ／Ｍ値或いは比熱容量比γが変化する気体が含まれていないこと、更には、被測定気体が混合気体であれば結露以外で成分割合が変化しないこと等が、結露現象利用のためには必要条件となる。

【0065】

発明の第７の課題を解決する手段について説明する。同じ被測定気体について測定を継続している場合には、各種温度での結露を経験することができる。この時のデータを蓄積していくことにより、複数の異なる温度における結露時のγ／Ｍ値及び露点温度から得られる成分割合（ｎ１／ｎ）のデータが得られることになる。結露気体を含まない被測定気体の比熱容量比γ、Ｍ値、結露気体の比熱容量比γ、Ｍ値と上記γ／Ｍ値データ及び（ｎ１／ｎ）データとの関係については、発明の第４の課題を解決する手段の説明で示されている。結露現象利用のための必要条件については、発明の第６の課題を解決する手段に説明されている。上記γ／Ｍ値データ及び（ｎ１／ｎ）データが複数あれば、複数の独立した関係式ができる。複数の連立方程式を解くことで、複数の比熱容量比γ及びモル質量Ｍが得られる。ここで、結露気体は単一気体であり、結露気体の固有値であるモル質量Ｍは分子構造から計算される固定値であり、既知である。従って、結露気体を含まない被測定気体の比熱容量比γ、モル質量Ｍ、結露気体の比熱容量比γが計算対象となる。

【0066】

１組のデータから計算可能な比熱容量比γ、モル質量Ｍは、結露気体を含まない被測定気体の比熱容量比γ、モル質量Ｍ、結露気体の比熱容量比γの内の１つであるが、どれか２つは既知であることが必要である。例えば、結露気体の比熱容量比γと結露気体を含まない被測定気体のモル質量Ｍとが既知の場合、結露気体を含まない被測定気体の比熱容量比γを計算可能である。２組のデータから計算可能な比熱容量比γ、モル質量Ｍは、結露気体を含まない被測定気体の比熱容量比γ、モル質量Ｍ、結露気体の比熱容量比γの内の２つであるが、どれか１つは既知であることが必要である。３組のデータから計算可能な比熱容量比γ、モル質量Ｍは、結露気体を含まない被測定気体の比熱容量比γ、モル質量Ｍ、結露気体の比熱容量比γの全てである。

【0067】

以上で、結露を捉えることにより、固定値として利用してきた結露気体を含まない被測定気体の比熱容量比γ、モル質量Ｍ、結露気体の比熱容量比γを計算できることが説明できた。これらのデータをこれまで利用してきたデータと比較表示することで、データの確からしさを確認できる。更には、長期間に亘りこれらのデータを蓄積し、統計処理することにより、より高精度化できる可能性を持たせることができる。本発明は、測定器として自己チェック機能を持った高信頼性測定に作用する。

【0068】

本発明の有効な使い方の例を以下に示す。音速測定のために被測定セル２ｂに被測定気体を入れる時、脱気水を予め充填しておき、液体を押し出しながら、被測定気体を送り込む方法が考えられる。この水置換法は他の気体との混合を避ける方法として有効な方法である。但し、水蒸気が気体に混ざることになることは避けられない。そこで、水蒸気を含む被測定気体を混合気体として扱った測定が考えられる。水蒸気の結露現象から水蒸気成分割合（ｎ１／ｎ）は求められる。密閉容器内でγ／Ｍ値の変化を調べていれば結露の始まりを検知できる。露点温度から飽和蒸気圧を知り、更にはセル内圧力との比から水蒸気成分割合（ｎ１／ｎ）を知る。水蒸気については絶対温度Ｔと飽和蒸気圧との関係は詳細に調べられており、これらのデータを利用することで、かなりの精度で飽和蒸気圧は内挿可能と言える。正確なセル内圧力測定値があれば、水蒸気成分割合（ｎ１／ｎ）は高精度に求めることができる。同時にこの時のγ／Ｍ値のデータが得られる。被測定気体が単一気体の場合には、水蒸気を含まない単一気体のモル質量Ｍは既知であり、比熱容量比γが未知であるとして測定対象となっている。水蒸気の比熱容量比γ及びモル質量Ｍは既知として、水蒸気を含む単一気体の（ｎ１／ｎ）データ及びγ／Ｍ値データの１組から水蒸気を含有しない単一気体の比熱容量比γが求められる。一方、被測定気体が混合気体の場合には、水蒸気を含まない混合気体の比熱容量比γだけでなくモル質量Ｍも未知である。この場合には異なる露点温度の水蒸気を含む混合気体の（ｎ１／ｎ）データ及びγ／Ｍ値データの２組から連立方程式を解いて、水蒸気を含有しない混合気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍが求められる。予め成分割合が正確に分かっている混合気体であればモル質量Ｍは計算可能で、既知であり、２組のデータは必要ない。結露現象を利用した測定であるため、結露が起こるようにしなければならず、水蒸気が多く含まれるような工夫が必要となる。本発明の方法を使えば、水蒸気を含む被測定気体を測定することにより、水蒸気を含まない被測定気体の比熱容量比γ及びモル質量Ｍを求めることができるように作用する。

【0069】

発明の第８の課題を解決する手段について説明する。まずは言葉の定義から始めると、乾燥空気は水蒸気以外の空気成分であるとすると、大気（水蒸気含有空気）は乾燥空気成分と水蒸気成分との混合気体である。乾燥空気もまた混合気体であり、成分は窒素が７８％、酸素が２１％、アルゴンが０．９３％、炭酸ガスが０．０４０％、ネオンが０．００１８％となり、主成分は、窒素と酸素とである。地球温暖化の原因物質としてその増加が危惧されている炭酸ガスは最近の１０年で見ると、成分割合で２ｐｐｍ／年の率で増加している。この増加率が１００年維持されると、１００年後は、成分割合が５割増しの０．０６０％となる計算となる。炭酸ガスが増えた場合にはその分だけ酸素の成分割合は減少することが考えられるが、その他の成分については成分割合の変化は現状では考えられない。乾燥空気の比熱容量比γ及びモル質量Ｍについては、成分割合が正確に分かれば、各成分の固有値からも計算できるはずであるが、現状では、成分割合及び固有値共に不正確で、参考値程度の結果しか得られない。一方、水蒸気については、単一気体であり、固有値として比熱容量比γ、モル質量Ｍ及びγ／Ｍ値を持つ。蒸気圧の範囲内で水蒸気が存在し、蒸気圧は温度に依存し、温度が上がれば指数関数的に蒸気圧は上がる。従って、大気中の水蒸気成分割合は、０℃では最大０．６％、３０℃では最大４．１６％にもなる。地表の７割は海面を含む水面であり、上空の雲は水蒸気が結露したものであり、気化すればいずれも水蒸気になり、地球環境である大気は、水蒸気の供給源に溢れていると言っても過言ではない。大気中の水蒸気成分割合が大きく変化するのに対し、乾燥空気成分割合についてはｐｐｍ単位の変化が報告されているだけで、比熱容量比γ及びモル質量Ｍも固定値として既知であり、後の説明にあるように本測定器でも測定・確認でき、発明の第５の課題を解決する手段の混合気体に相当すると考えられる。

【0070】

セル構造体１を外気に晒し、大気を被測定気体として音速測定を行い、γ／Ｍ値を求め、水蒸気成分割合を得る。絶対温度Ｔも同時に求める。大気の水蒸気成分割合から、大気のモル質量Ｍが計算でき、γ／Ｍ値から大気の比熱容量比γも得られる。大気のエネルギーは絶対温度Ｔに比例するだけでなく、比熱容量比γによっても変化する。比熱容量比γと絶対温度Ｔとを使って、大気の内部エネルギーＵは上式（５）により計算できる。１モル当りの内部エネルギーＵは、ｎ＝１として計算する。内部エネルギーＵという言葉は系になされる仕事量δＷと区別して使われているが、系に供給された熱量δＱであり、気体分子が持つエネルギーである。単一気体及び成分割合の変化のない混合気体では、Ｒ／（γ−１）はまさに気体が持つモル比熱容量である。しかし、成分割合の変化する混合気体においては、Ｒ／（γ−１）は固定値ではなく、成分割合の変化により値を変え、１モル当りの内部エネルギーＵをも変化させる。前者が絶対温度Ｔによってのみその内部エネルギーＵを変えるのに対し、後者は絶対温度Ｔだけでなく、成分割合の変化によってもその内部エネルギーＵを変える。大気が持つ内部エネルギーレベルは、自然現象である気候変動のエネルギーレベルとも関係していると思われる。

【0071】

大気の測定を長期間に亘り続け、結露現象を利用した測定により、水蒸気の比熱容量比γデータと共に、乾燥空気の比熱容量比γ及びモル質量Ｍデータを取得することができる。これらのデータの変化を調べることで、混合気体である乾燥空気の成分割合が変化していないことが確認できる。同時に、水蒸気の比熱容量比γデータ及び乾燥空気の比熱容量比γデータ及びモル質量Ｍデータをより高精度化できる。また、乾燥空気のデータに変化が見られるということになれば、成分割合の変化等、地球環境の変化に関する情報となる可能性もあるが、ｐｐｍ単位の変化を検知することは難しいと思われる。自然環境における測定であるため、結露を起こすのではなく結露が起こるのを待って、得られるデータは多くはないが、使用してきたデータの確からしさを確認することはできる。以上、本発明は、気温で主に評価してきた大気について、内部エネルギーＵ及び水蒸気成分割合を求めることができ、表示・出力・記録していくことができるよう作用する。

【0072】

発明の第９の課題を解決する手段について説明する。我々を取り巻く自然環境に何が起きているのかを知る手がかりを与えてくれるのが地球環境モニターである。現在、地球環境として、最大の課題となっているのが地球温暖化の問題である。世界規模で、１００年で０．７℃の温度上昇が続いている。日本では、１００年で１．１４℃の上昇となっている。これまでのモニターとしては気温を測る温度計が主に使われてきている。世界規模での各地の気温測定結果を集めて、表層の海水温度上昇も参考にして、統計処理して求められたのが前記温度上昇である。日本でも同様の処理が行われたものと思われる。地球温暖化の原因として最も関心を集めているのが、人間活動の結果として成分割合が増加し続けている炭酸ガスである。これ以上の増加を少しでも減らそうと世界的に取り組みがなされている。しかし、統一した対策にはなりえていないのが現状である。新しい統一した尺度を持つことで解決に繋がることが期待される。

【0073】

以下、大気中の水蒸気の成分割合（モル比）について説明する。人間の生活環境として、敢えて意識することもなく、日々生きていく上において最も欠かせないものが空気である。大気を直接計測する測定器の開発が待たれている。これまでは地球環境で水蒸気或いは湿度についてほとんど取り上げられて来なかった。湿度と言えば相対湿度が一般的である。相対湿度の定義は、水蒸気の蒸気圧と飽和蒸気圧との比（％）である。飽和蒸気圧とは、蒸気がその温度で生み出しうる圧力Ｐの最大値であり、絶対温度Ｔに対し１℃ステップで測定されていて、データテーブルとして公表されている。正確な絶対温度Ｔにおける正確な飽和蒸気圧は前後の飽和蒸気圧のデータから比例計算することができる。水蒸気の蒸気圧と大気の圧力Ｐとの比が大気中の水蒸気の成分割合（モル比）と互いに等しい。水蒸気の成分割合は大気圧には依存せず独立である。一方、湿度も圧力Ｐの比（%）で、大気圧には依存していない。しかし、相対湿度と大気中の水蒸気の成分割合との関係には、大気の圧力Ｐが関係している。絶対温度Ｔから飽和蒸気圧を知り、それに相対湿度を乗じたものが水蒸気の蒸気圧であり、それを大気の圧力Ｐで除したものが大気中の水蒸気成分割合となる。以上が相対湿度から水蒸気成分割合を求める方法であり、これと全く逆の計算をすれば、大気中の水蒸気成分割合から相対湿度を大気の圧力Ｐを介して求めることができる。これまで説明してきたように、音速測定からは極めて正確な大気中の水蒸気成分割合が求められるが、相対湿度の定義にある大気中の水蒸気の蒸気圧を大気の圧力Ｐの中で計測する困難さを考えると、従来、相対湿度に求められてきた精度とはどうであったのか、従来の相対湿度への換算が可能な新しい概念の尺度の評価が待たれる。

【0074】

以下、大気の１モル当りの内部エネルギーＵについて説明する。発明の第８の課題を解決する手段で既に内部エネルギーＵの計算式は説明済みであり、その意味するところを中心に記述したい。大気の比熱容量比γは水蒸気成分割合に依存し、水蒸気成分割合が増えると比熱容量比γは減少する。一方、Ｔ値は気温を絶対温度Ｔで表したもの。従って、大気の１モル当りの内部エネルギーＵは絶対温度Ｔで表した気温に比例するだけでなく、水蒸気成分割合が増えることによっても大きくなる。一般的に大気を内部エネルギーＵの面から見ると、水蒸気成分割合が増えることで気温上昇が抑えられることや、逆に水蒸気成分割合が増えずに気温上昇がその分大きくなることが実際に起きている。地球温暖化で大気の気温も体温以上に上昇し、尚且つ水蒸気成分割合も飽和に近く増えるとなると大気の内部エネルギーＵは高くなり、人間には極めて過酷な環境となる。人間は体温を下げようと汗をかいても、汗が気化することもなく、気化熱を奪ってもらえないため、体温調節能力を奪われた状態となり、このままでは熱中症の危険性が高い状況となる。このように人間の住む環境という意味では、大気の１モル当りの内部エネルギーＵをモニター項目として、エネルギー的視点で環境を考えることは欠かせないこととなっていると言える。

【0075】

大気を継続的にモニターするためには、定期的ないし不定期に被測定セル２ｂの気体を新しい大気に入れ替える。水蒸気成分割合ないし湿度から、結露現象を予測でき、結露の確認と測定とを済ませてから作業を行うこともできる。飽和蒸気圧を越える水蒸気は存在できないように水蒸気成分割合にも気温に応じた範囲があることから、結露が始まる直前であることは分かる。γ／Ｍ値の変化からリアルタイムに近い条件で結露の始まりを知ることができ、結露により得られる情報（結露時データ）を蓄えることができる。どのようなモニターの仕方をするかは選択でき且つプログラムできるようにして各種確認もできるようにする。

【0076】

図２に示すように、地球環境モニター装置１２０は、図１に示した成分割合測定装置１１０と、空気入替装置２８とを備え、計測・制御部１３が以下に説明する演算や処理を行うことでモニターとして機能する。空気入替装置２８は、空気取入口２９、空気送出口３０、排気入口３１及び排気出口３２を備えている。空気送出口３０はセル構造体１の被測定セル入口３ｂに接続されており、排気入口３１はセル構造体１の被測定セル出口４ｂに接続されている。空気入替装置２８は、計測・制御部１３から空気入替制御ライン１５を介して制御され、空気入替指令を受けると、空気取入口２９から取り入れた空気を空気送出口３０から送出し、被測定セル入口３ｂからセル構造体１の被測定セル２ｂ内に供給する。空気入替装置２８は、空気の供給によって被測定セル出口４ｂから排出される被測定セル２ｂ内の空気を、排気入口３１から取り込み、排気出口３２から外部に排出する。

【0077】

地球環境モニター装置１２０が計測・計算、取得・確認できるデータを以下、箇条書きにする。
（１）大気の音速ｖ（計測）
（２）大気の絶対温度Ｔ （標準気体の音速ｖｓから計算 気温）
（３）大気のγ／Ｍ値（計算）
（４）水蒸気の比熱容量比γ、乾燥空気の比熱容量比γ及びモル質量Ｍ（結露ありで取得・確認）
（５）大気中の水蒸気成分割合（γ／Ｍ値より計算）
（６）大気の１モル当りのモル質量Ｍ（計算）
（７）大気の比熱容量比γ（計算）
（８）大気の１モル当りの内部エネルギーＵ（計算）
この他、計算に使っている各種データとして、水蒸気の比熱容量比γ、乾燥空気の比熱容量比γ及びモル質量Ｍ、標準気体のγ／Ｍ値、計算の途中結果の大気と標準気体との音速の比、γ／Ｍ値を求める前後の音速及び音速の比の変化分、結露の有無・露点温度等がある。

【0078】

地球環境モニター装置１２０に求められている機能は、第１に地球環境に関する上記各種情報を参照データとして、年・月・日・時・分・秒の時のデータと共に蓄積していくことである。第２には、過去のデータと比較して、現在のデータを表示・出力することである。統計処理して、変わりつつあるデータを探し、その傾向を抽出して表示出力することである。第３には、地球環境の歴史を伝える資料としての役割の他、歴史と環境との関係資料として過去のデータを活用できるようにすることであると考える。長年に亘って必要とされる情報を漏らさず蓄積していくことが求められる。しかし長期間に亘る情報管理はホストコンピュータ（パソコン２１）に任せ、定期的に原始データを全て送付する。或いは、記憶媒体に移し、保存する。ある程度の期間装置に保存されたデータについては、一部を残し、統計処理し、消去される。これらのデータは選択的に利用され、表示し且つ出力される。一部データとしては例えば、日毎の全ての項目の最高値及び最低値データ及び中間値データであり、統計処理されたデータとしての時間毎の平均値データ及び１日の平均値データ等が考えられる。情報として残すべき代表的なデータはこれに限られず、適宜改良されて良い。

【0079】

以上まとめると、本発明は、地球環境モニター装置１２０として、大気中の水蒸気成分割合と大気の１モル当りの内部エネルギーＵとが出力できるようになり、地球温暖化に関わる情報として、気温だけでなく新たな目安と視点が加えられるべく作用する。

【0080】

他の実施形態としては、"各種気体について理想気体からの差異を調べる装置"が挙げられる。具体的な内容としては、発明の第２の課題を解決する手段で説明してきたように、理想気体の法則の１つを使って被測定気体の固有値を求め、或いは、理想気体である標準気体と被測定気体との音速の比を求め、これらの値が各種条件により固定値からどの程度且つどのように差異が生まれてくるかを知ることである。このことにより、被測定気体の理想気体の法則からの適用限界或いは誤差を知ることができる。各種条件とは、絶対温度Ｔであり、圧力Ｐである。絶対温度Ｔをコントロールする環境試験装置４１（図３）と被測定装置との圧力Ｐをコントロールする装置が必要となる。

【0081】

図３に示すように、圧力制御装置３３は、被測定気体取入口３４、被測定気体圧送口３５、被測定気体吸引口３６及び被測定気体排出口３７を備えている。被測定気体取入口３４は被測定気体タンク３８の被測定気体出口３９に接続されており、被測定気体圧送口３５はセル構造体１の被測定セル入口３ｂに接続されている。被測定気体吸引口３６はセル構造体１の被測定セル出口４ｂに接続されており、被測定気体排出口３７は被測定気体タンク３８の被測定排気入口４０に接続されている。圧力制御装置３３は、計測・制御部１３から圧力制御ライン１６を介して加圧制御されると、被測定気体取入口３４から取り入れた被測定気体を被測定気体圧送口３５から圧送し、被測定セル入口３ｂからセル構造体１の被測定セル２ｂ内に供給する。圧力制御装置３３は、計測・制御部１３から圧力制御ライン１６を介して減圧制御されると、被測定気体吸引口３６から被測定セル２ｂ内の被測定気体を吸引し、余分な被測定気体を被測定気体排出口３７から排出して被測定気体タンク３８に戻す。環境試験装置４１はセル構造体１を含んでおり、計測・制御部１３によって環境試験制御ライン１７を介して制御される。

【0082】

環境試験装置４１には標準気体と被測定セル２ｂを入れる部屋とがあって、部屋内の温度は変動しないか極めてゆっくり変化するように各種温度にコントロールできる装置が望ましい。当然、被測定セル２ｂは耐圧構造にして、尚且つ圧力変化により測定精度に影響のないように蓋をして、圧力Ｐが変わらなくするか、極めてゆっくり変わるようにしなければならない。これらの装置と本発明の装置とを組み合わせて、各種温度及び被測定気体のセル２内の各種圧力に対してγ／Ｍ値或いは音速の比を求めることができる。求められたデータを同じ気体の過去の代表値と比較することで理想気体の必要条件の判断に利用できる。転送されたこれらのデータは、ホストコンピュータ（パソコン２１）にてデータ処理される。Ｘ軸に温度、Ｙ軸に圧力Ｐ、Ｚ軸に差のデータの３Ｄ表示ができれば、理想気体との差異の様子が一目瞭然となる。我々は、各種気体に理想気体の法則がどの程度適用できるのか実態を知ることになる。各種気体について、理想気体との差異或いは使用する関係式との差異を簡単に或いは簡単でなくとも確実に確認できる道具（ツール）の必要性が大いにあることが分かる。本格的な道具（ツール）が提供されてこなかったことが、応用の妨げになっていたとも言える。工業的応用への展開の道が開けてくることが期待される。前記"各種気体について理想気体からの差異を調べる装置"の１例のブロックダイアグラムは図３に示した通りである。

【0083】

図４は、図２に示す地球環境モニター装置１２０について、大気中の水蒸気の成分割合（ｎ１／ｎ）が気温の変化に対し最大でどのような値になるのか、その時に大気の比熱容量比γ、モル質量Ｍ及びγ／Ｍ値は乾燥空気のそれぞれの値に対しどのような変化割合となるかを示すグラフである。飽和水蒸気圧データを使って大気圧を１気圧として計算している。

【0084】

図５は、図２に示す地球環境モニター装置１２０について、大気の１モル当りの内部エネルギーＵが気温の変化に対し、水蒸気によって最大でどのような値になるのか乾燥空気の内部エネルギーＵと対比させて示すグラフである。前記同様飽和水蒸気圧データを使って大気圧を１気圧として計算している。

【0085】

本発明に係る音速関連固有値測定装置１００、成分割合測定装置１１０及び地球環境モニター装置１２０には次に記載する効果が期待できる。まずは、本発明の音速関連固有値測定装置１００により期待される効果として、何が分かるようになったか、つまり、どのような気体に対し、何が得られるようになったかをまとめて、以下、箇条書きにする。
（１）各種気体の音速ｖ
（２）上記音速測定時の環境の絶対温度Ｔ
（３）各種気体のγ／Ｍ値
（４）単一気体の比熱容量比γ、混合気体（モル質量Ｍが既知ないし求められる）の比熱容量比γ
（５）それぞれの比熱容量比γ及びモル質量Ｍが既知の２成分或いは２成分と見做される混合気体の成分割合ｎ１／ｎ
（６）各種気体（モル質量Ｍが既知ないし可測）の１モル当りの内部エネルギーＵ
（７）結露現象により得られた複数の異なる結露データ（結露の始まりのγ／Ｍ値及び成分割合ｎ１／ｎ）より知り得る情報；単一気体である結露気体の比熱容量比γ及び結露気体と混合気体をなすもう一方の成分気体との比熱容量比γ及びモル質量Ｍ

【0086】

本発明の音速関連固有値測定装置１００を使って、単一気体から順次上記データが取得されることにより、各種気体のデータテーブルが作られ、新しい学術データとして普及が図られることが期待される。以下、データとしては、各種気体の（１）γ／Ｍ値データ（新規）、（２）比熱容量比γデータ（更新）、（３）モル質量Ｍデータ（従来と同じ）、（４）比熱容量データ（Ｒ／（γ−１））（新規）、（５）０℃の音速データ（更新）となる。関連データが１つのデータテーブルに勢揃いすることになる。単一気体の固有値であるγ／Ｍ値にＲ・Ｔを乗じ、平方根を取れば音速となり、Ｔ＝２７３．１５Ｋとすれば０℃の音速となり、γ／Ｍ値は意味ある固定値として利用価値が高い。上記測定データは従来データと比較して高精度であり、高信頼性データと言うことができる。絶対温度測定装置については校正作業及び定期検査作業を行うが、構成ないし検査により音速測定装置としての精度及び信頼性の確認がなされる。これが、測定結果に対する保証となる。また、測定前後の環境の確認及びその証拠データ、測定装置自らの発する熱の影響の確認、結露が教えてくれるデータによる成分割合測定結果との照合、或いは使用してきたデータとの照合等、音速関連固有値測定装置１００が持つ自己チェック機能を使った結果をデータと一緒に添付できることが信頼性の高さの証明になる。

【0087】

地球環境モニター装置１２０に期待される効果について記述する。地球環境については"現状をどう認識するか"がまず第１歩で、現状認識が世界の共通認識となることが重要である。"地球環境が変化しつつある。"ことの認識、将来に及ぼす影響、原因究明とその対策、世界的な協議、その全てのステップにおいて共通認識は欠かせない。共通認識を助けるもの、それは誰もが認めざるを得ない測定結果、経過そして再現性である。測定結果の確からしさ、つまり測定精度及びその信頼性については本発明の音速関連固有値測定装置１００について既に説明してきた通りであり、その測定装置を使って作られた地球環境モニター装置１２０は上記ニーズに十分応えられるものである。

【0088】

一方、地球温暖化に関して、現状は温度上昇だけが取り上げられているが、気体の１モル当りの内部エネルギーＵで見ると、水蒸気が無視できない影響を与えている。湿度が取り上げられないことについては疑問もあるが、ここでは馴染みの深い湿度の上昇を仮定して、エネルギーに及ぼす影響を計算してみることにする。気温だけが１℃上昇しただけの場合と、湿度も１０％上昇した場合とのエネルギー上昇を比較し、エネルギーの変化割合と湿度の影響を温度換算した換算上昇温度とを求める。以下の２通りについて結果を箇条書きにする。
（１）気温３２℃及び湿度６０％から気温３３℃及び湿度７０％に変化した場合；エネルギー上昇分の３７ジュール／モル（温度だけでは２１ジュール／モル）、変化割合０．５８％（同０．３３％）、換算上昇温度０．８℃相当
（２）気温３４℃及び湿度７０％から気温３５℃及び湿度８０％に変化した場合；エネルギー上昇分の４０ジュール／モル（温度だけでは２１ジュール／モル）、変化割合０．６２％（同０．３３％）、換算上昇温度０．９℃相当
尚、ここで計算に使われた圧力Ｐは大気圧＝１，０１３ｈＰａ、水蒸気の比熱容量比γは１．２８９、乾燥空気の比熱容量比γは１．４０１とした。低温の気温ではエネルギーに及ぼす水蒸気の影響は小さいが、体温近くの気温ではこのように影響も大きくなる。以上見てきたように、水蒸気が持つエネルギーの影響を地球環境として考慮する必要性が理解され、本発明の地球環境モニター装置１２０が出力する大気中の水蒸気成分割合と大気の１モル当りの内部エネルギーＵとが地球環境の重要なパラメータとして採用され、環境評価に使われることが望まれる。過去の湿度データとの整合性は今後の検討に待つとして、今後のデータ蓄積による環境評価に及ぼす効果に期待したい。

【0089】

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、制御手順、数式など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

【符号の説明】

【0090】

１ セル構造体
２ａ 標準セル
２ｂ 被測定セル
９ 気体用音響ユニット
９ａ 標準セル音響ユニット
９ｂ 被測定セル音響ユニット
１０ａ 超音波送信子
１０ｂ 超音波送信子
１０ｃ 超音波受信子
１０ｄ 超音波受信子
１３ 計測・制御部
１８ 外部メモリー
１９ 液晶表示部
２０ 操作用キーボード
２１ パソコン（ホストコンピュータ）
２２ 標準セル用の時間測定ユニット
２３ 被測定セル用の時間測定ユニット
２７ マイコン制御部
２８ 空気入替装置
３３ 圧力制御装置
３８ 被測定気体タンク
４１ 環境試験装置
１００ 音速関連固有値測定装置
１１０ 気体成分割合測定装置
１２０ 地球環境モニター装置
Ｐ 圧力
Ｖ 体積
ｎ モル数 気体のモル数 混合気体のモル数
ｎ１ 第１気体のモル数
ｎ２ 第２気体のモル数
ｎ１／ｎ 混合気体中の第１気体の成分割合（モル比）
ｎ２／ｎ 混合気体中の第２気体の成分割合（モル比）
Ｒ 気体定数
Ｔ 絶対温度
ｖ 音速 （混合）気体の音速
ｖｓ 標準気体の音速
ｖｍ 被測定気体の音速
ｖ１ 第１気体の音速
ｖ２ 第２気体の音速
Ｍ １モルの（混合）気体の質量（Ｍ値と呼ぶ）
Ｍ０ 乾燥空気のＭ値
Ｍ１ 第１気体の１モルのＭ値
Ｍ２ 第２気体の１モルのＭ値
γ （混合）気体の比熱比（熱容量の比ともいう）（γ値と呼ぶ）
γ０ 乾燥気体のγ値
γ１ 第１気体のγ値
γ２ 第２気体のγ値
γ／Ｍ （混合）気体のγ／Ｍ値
（γ／Ｍ）ｓ 標準気体のγ／Ｍ値
（γ／Ｍ）ｍ 被測定気体のγ／Ｍ値
（γ／Ｍ）０ 乾燥空気のγ／Ｍ値
Ｃｐ 定圧比熱容量（定圧熱容量ともいう）
Ｃｖ 定積比熱容量（定積熱容量ともいう）
Ｕ 混合気体の内部エネルギー
Ｕ１ 第１気体の内部エネルギー
Ｕ２ 第２気体の内部エネルギー
ｆ 自由度
δＱ 系に供給される熱量
δＵ 内部エネルギーの変化
δＷ 系になされた仕事量
δＴ 系の温度変化
δＶ 系の体積変化

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】