特開 2024-104088 ガス濃度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104088

(43)【公開日】2024-08-02

(54)【発明の名称】ガス濃度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/024 20060101AFI20240726BHJP

【ＦＩ】

G01N29/024

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023008129

(22)【出願日】2023-01-23

(71)【出願人】

【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

(74)【代理人】

【識別番号】100155882

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100154678

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 博子

(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】大友 勇人

(72)【発明者】

【氏名】加賀屋 英樹

(72)【発明者】

【氏名】牧野 亮平

(72)【発明者】

【氏名】藤肥 いずみ

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 育美

(72)【発明者】

【氏名】宇野 宏志

(72)【発明者】

【氏名】田村 雅史

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AA01

2G047BA01

2G047BC02

2G047BC15

2G047EA10

2G047GG30

2G047GG46

(57)【要約】

【課題】温度、湿度、気圧等の値に基づく補正を行うことなく、ガス濃度を精度良く測定する。
【解決手段】ガス濃度測定装置１は、第１流路１１、第１流入口１２及び第１流出口１３を有し、第１流路１１の両端部１４ａ、１４ｂに一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂが配置される第１測定管１０と、第２流路２１、第２流入口２２及び第２流出口２３を有し、第２流路２１の両端部２４ａ、２４ｂに一対の第２超音波センサ２５ａ、２５ｂが配置される第２測定管２０と、第１流出口１３と第２流入口２２とを連通する第３流路３１及び第３流入口３２を有する連通管３０と、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ及び第２超音波センサ２５ａ、２５ｂと接続され、混合気体Ｘ中の気体Ａ及び／又は気体Ｂのガス濃度を算出する制御装置４０と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体Ａ及び気体Ｂからなる混合気体Ｘ中のいずれか一方又は両方の気体のガス濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
第１流路、第１流入口及び第１流出口を有し、前記第１流路の両端部に一対の第１超音波センサが配置される第１測定管と、
第２流路、第２流入口及び第２流出口を有し、前記第２流路の両端部に一対の第２超音波センサが配置される第２測定管と、
前記第１流出口と前記第２流入口とを連通する第３流路及び第３流入口を有する連通管と、
前記第１超音波センサ及び前記第２超音波センサと接続され、前記混合気体Ｘ中の前記気体Ａ及び／又は前記気体Ｂのガス濃度を算出する制御装置と、
を有し、
実測時においては、前記気体Ａが、前記第１流入口から前記第１流路に流入し、前記第１流路を通過し、前記第１流出口から前記第３流路に流出し、前記気体Ｂが、前記第３流入口から前記第３流路に流入し、前記気体Ａ及び前記気体Ｂが、前記第３流路において混合し、前記気体Ａ及び前記気体Ｂからなる前記混合気体Ｘが、前記第２流入口から前記第２流路に流入し、前記第２流路を通過し、前記第２流出口から流出し、
前記制御装置は、前記第１超音波センサが出力する値に基づいて測定され、前記第１測定管を流れる前記気体Ａ中を伝搬する超音波の音速である第１速度と、前記第２超音波センサが出力する値に基づいて測定され、前記第２測定管を流れる前記混合気体Ｘ中を伝搬する超音波の音速である第２速度とを用いて、前記混合気体Ｘにおける前記気体Ａ及び／又は前記気体Ｂのガス濃度を算出することを特徴とするガス濃度測定装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記気体Ａの分子量をＭ_Ａ、前記気体Ｂの分子量をＭ_Ｂ、前記気体Ａの比熱をγ_Ａ、前記気体Ｂの比熱をγ_Ｂ、前記第１速度をｃ_１、前記第２速度をｃ_２、前記混合気体Ｘにおける前記気体Ａの混合比率をα_Ａ、前記混合気体における前記気体Ｂの混合比率をα_Ｂとし、予めＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、γ_Ａ及びγ_Ｂの値を記憶し、前記第１超音波センサ及び前記第２超音波センサから出力される値に基づいてｃ_１及びｃ_２の値を算出し、Ｍ_Ａ、Ｍ_Ｂ、γ_Ａ、γ_Ｂ、ｃ_１及びｃ_２の値を次式に代入することによって、α_Ａ及び／又はα_Ｂを算出することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。

【数1】

【請求項3】

前記制御装置は、工場出荷時又は初期設定時において同一の測定条件によって測定される一対の前記第１超音波センサ間の超音波往復伝搬時間と一対の前記第２超音波センサ間の超音波往復伝搬時間との差をΔｔ、一対の前記第１超音波センサ間の距離及び一対の前記第２超音波センサ間の距離をＬ、実測時において測定される一対の前記第１超音波センサ間の超音波往復伝搬時間をｔ_１、実測時において測定される一対の前記第２超音波センサ間の超音波往復伝搬時間をｔ_２とし、予めΔｔ及びＬの値を記憶し、前記第１超音波センサ及び前記第２超音波センサから出力される値としてｔ_１及びｔ_２を入力し、Δｔ、Ｌ、ｔ_１及びｔ_２の値をｃ_１＝２Ｌ÷（ｔ_１－Δｔ）、ｃ_２＝２Ｌ÷ｔ_２の式に代入することによって、前記第１速度ｃ_１及び前記第２速度ｃ_２を算出することを特徴とする請求項２に記載のガス濃度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数種類の気体からなる混合気体中の各気体のガス濃度を測定するガス濃度測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、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が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の酸素濃度計は、測定管流路に超音波送受波器を配置し、測定管流路内の超音波伝搬時間を測定し、超音波伝搬時間から測定管流路内を流れる混合気体中を伝搬する超音波の音速を算出し、混合気体中を伝搬する超音波の音速から混合気体中の２種類の気体のガス濃度（＝混合気体における各気体のガスの混合比率）を算出する。

【0003】

ここで、気体中を伝搬する超音波の音速の測定値は、温度、湿度、気圧等に依存するため、ガス濃度の算出値もこれらの影響を受ける。そこで、特許文献１に記載の酸素濃度計では、ガス濃度を精度良く算出するために、温度センサや湿度センサを設置するか、又は既設の他の装置での温度や湿度の測定値を自動的或いは手動的に入力し、測定される超音波伝搬時間に対して温度補正や湿度補正を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５９３８５９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、実際には測定管流路内の温度、湿度、気圧等を精度良く測定することは困難であり、測定精度が低い値で超音波伝搬時間の補正を行っても、ガス濃度を精度良く算出できない。

【0006】

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、温度、湿度、気圧等の値に基づく補正を行うことなく、ガス濃度を精度良く測定可能なガス濃度測定装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前述した目的を達成するための本発明は、気体Ａ及び気体Ｂからなる混合気体Ｘ中のいずれか一方又は両方の気体のガス濃度を測定するガス濃度測定装置であって、第１流路、第１流入口及び第１流出口を有し、前記第１流路の両端部に一対の第１超音波センサが配置される第１測定管と、第２流路、第２流入口及び第２流出口を有し、前記第２流路の両端部に一対の第２超音波センサが配置される第２測定管と、前記第１流出口と前記第２流入口とを連通する第３流路及び第３流入口を有する連通管と、前記第１超音波センサ及び前記第２超音波センサと接続され、前記混合気体Ｘ中の前記気体Ａ及び／又は前記気体Ｂのガス濃度を算出する制御装置と、を有し、実測時においては、前記気体Ａが、前記第１流入口から前記第１流路に流入し、前記第１流路を通過し、前記第１流出口から前記第３流路に流出し、前記気体Ｂが、前記第３流入口から前記第３流路に流入し、前記気体Ａ及び前記気体Ｂが、前記第３流路において混合し、前記気体Ａ及び前記気体Ｂからなる前記混合気体Ｘが、前記第２流入口から前記第２流路に流入し、前記第２流路を通過し、前記第２流出口から流出し、前記制御装置は、前記第１超音波センサが出力する値に基づいて測定され、前記第１測定管を流れる前記気体Ａ中を伝搬する超音波の音速である第１速度と、前記第２超音波センサが出力する値に基づいて測定され、前記第２測定管を流れる前記混合気体Ｘ中を伝搬する超音波の音速である第２速度とを用いて、前記混合気体Ｘにおける前記気体Ａ及び／又は前記気体Ｂのガス濃度を算出することを特徴とするガス濃度測定装置である。

【0008】

本発明における前記制御装置は、前記気体Ａの分子量をＭ_Ａ、前記気体Ｂの分子量をＭ_Ｂ、前記気体Ａの比熱をγ_Ａ、前記気体Ｂの比熱をγ_Ｂ、前記第１速度をｃ_１、前記第２速度をｃ_２、前記混合気体Ｘにおける前記気体Ａの混合比率をα_Ａ、前記混合気体における前記気体Ｂの混合比率をα_Ｂとし、予めＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、γ_Ａ及びγ_Ｂの値を記憶し、前記第１超音波センサ及び前記第２超音波センサから出力される値に基づいてｃ_１及びｃ_２の値を算出し、Ｍ_Ａ、Ｍ_Ｂ、γ_Ａ、γ_Ｂ、ｃ_１及びｃ_２の値を次式に代入することによって、α_Ａ及び／又はα_Ｂを算出することが望ましい。

【数1】

【0009】

また、本発明における前記制御装置は、工場出荷時又は初期設定時において同一の測定条件によって測定される一対の前記第１超音波センサ間の超音波往復伝搬時間と一対の前記第２超音波センサ間の超音波往復伝搬時間との差をΔｔ、一対の前記第１超音波センサ間の距離及び一対の前記第２超音波センサ間の距離をＬ、実測時において測定される一対の前記第１超音波センサ間の超音波往復伝搬時間をｔ_１、実測時において測定される一対の前記第２超音波センサ間の超音波往復伝搬時間をｔ_２とし、予めΔｔ及びＬの値を記憶し、前記第１超音波センサ及び前記第２超音波センサから出力される値としてｔ_１及びｔ_２を入力し、Δｔ、Ｌ、ｔ_１及びｔ_２の値をｃ_１＝２Ｌ÷（ｔ_１－Δｔ）、ｃ_２＝２Ｌ÷ｔ_２の式に代入することによって、前記第１速度ｃ_１及び前記第２速度ｃ_２を算出することが望ましい。

【発明の効果】

【0010】

本発明により、温度、湿度、気圧等の値に基づく補正を行うことなく、ガス濃度を精度良く測定可能なガス濃度測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ガス濃度測定装置１の構成を示す図

【図2】実測時における気体の流れを示す図

【図3】工場出荷時又は初期設定時における気体の流れを示す図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施の形態に係るガス濃度測定装置は、複数種類の気体からなる混合気体中の各気体のガス濃度（＝混合気体における各気体のガスの混合比率）を測定する。以下では、図１～図３を参照し、気体Ａ及び気体Ｂからなる混合気体Ｘ中のいずれか一方又は両方の気体のガス濃度を測定するガス濃度測定装置を説明する。本実施の形態では、気体Ａは空気、気体Ｂは水素を例に挙げて説明し、水素のガス濃度の測定範囲は１～４％程度である。

【0013】

図１は、ガス濃度測定装置１の構成を示す図である。図１に示すように、ガス濃度測定装置１は、円筒状の第１流路１１、第１流入口１２及び第１流出口１３を有し、第１流路１１の両端部１４ａ、１４ｂに一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂが配置される第１測定管１０と、円筒状の第２流路２１、第２流入口２２及び第２流出口２３を有し、第２流路２１の両端部２４ａ、２４ｂに一対の第２超音波センサ２５ａ、２５ｂが配置される第２測定管２０と、第１流出口１３と第２流入口２２とを連通する円筒状の第３流路３１及び第３流入口３２を有する連通管３０と、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ及び第２超音波センサ２５ａ、２５ｂと接続され、混合気体Ｘ中の気体Ａ及び／又は気体Ｂのガス濃度を算出する制御装置４０と、を有する。

【0014】

第１測定管１０の第１流入口１２は、第１流路１１の一方の端部１４ａ近傍に設けられ、第１流出口１３は、第１流路１１の他の端部１４ｂ近傍に設けられる。第１流入口１２には、気体Ａを供給する円筒状の供給管１６の一方の端部が接続される。供給管１６の他の端部には、不図示の気体Ａ供給装置が接続される。気体Ａ供給装置は、例えば、外気から取り込まれる空気を公知の圧縮機で圧縮し、圧縮された空気すなわち気体Ａを第１測定管１０に供給する。

【0015】

連通管３０の第３流入口３２には、気体Ｂを供給する円筒状の供給管５１の一方の端部が接続される。供給管５１の他の端部には、気体Ｂ供給装置５０が接続される。気体Ｂ供給装置５０は、公知の水素ガス発生装置で水素ガスを発生させ、発生された水素ガスすなわち気体Ｂを連通管３０に供給する。

【0016】

第２測定管２０の第２流入口２２は、第２流路２１の一方の端部２４ａ近傍に設けられ、第２流出口２３は、第２流路２１の他の端部２４ｂ近傍に設けられる。第２流出口２３には、混合気体Ｘを他の装置に供給する円筒状の供給管２６の一方の端部が接続される。供給管２６の他の端部には、例えば、不図示の水素含有ガス吸入装置が接続される。水素含有ガス吸入装置は、例えば、水素ガス吸入療法等で用いられる。

【0017】

一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂは、超音波を送受波可能な超音波素子をそれぞれ有し、これらの超音波素子が互いに対向するように第１流路１１の端部１４ａ、１４ｂに設けられる。第１超音波センサ１５ａから送波される超音波は、第１超音波センサ１５ｂが受波可能であり、第１超音波センサ１５ｂから送波される超音波は、第１超音波センサ１５ａが受波可能である。

【0018】

同様に、一対の第２超音波センサ２５ａ、２５ｂは、超音波を送受波可能な超音波素子をそれぞれ有し、これらの超音波素子が互いに対向するように第２流路２１の端部２４ａ、２４ｂに設けられる。第２超音波センサ２５ａから送波される超音波は、第２超音波センサ２５ｂが受波可能であり、第２超音波センサ２５ｂから送波される超音波は、第２超音波センサ２５ａが受波可能である。

【0019】

第１超音波センサ１５ａ、１５ｂや第２超音波センサ２５ａ、２５ｂには、例えば特許文献１に記載のように、酸素濃度計等に用いられ、気体中を伝搬する超音波の音速を測定可能な公知の超音波送受器を用いることができる。

【0020】

制御装置４０は、ＣＰＵやメモリを内蔵し、他の電子部品を制御するマイクロコンピュータと、他の電子部品が接続されるインタフェース部とを有する。第１超音波センサ１５ａ、１５ｂや第２超音波センサ２５ａ、２５ｂは、インタフェース部を介して制御装置４０に接続される。また、制御装置４０には、液晶ディスプレイ等の表示装置や他のコンピュータ等が接続されても良い。制御装置４０は、他のコンピュータ等からデータを入力し、内蔵のメモリに記憶することや、表示装置や他のコンピュータにガス濃度の測定値を出力することが可能である。

【0021】

第１流路１１における気体の流れは、第１流入口１２側の端部１４ａが上流であり、第１流出口１３側の端部１４ｂが下流である。また、第２流路２１における気体の流れは、第２流入口２２側の端部２４ａが上流であり、第２流出口２３側の端部２４ｂが下流である。

【0022】

一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂは、互いの超音波素子間の距離と、この距離を超音波が伝搬する時間から、第１流路１１を流れる気体中を伝搬する超音波の音速を測定できる。ここで、第１流路１１内では気体が流れているため、超音波を上流から下流に向けて送波させたときの伝搬時間は、流れのないときの伝搬時間に比較し、若干短くなる。一方、超音波を下流から上流に向けて送波させたときの伝搬時間は、流れのないときの伝搬時間に比較し、若干長くなる。これらの時間の減少分と増加分は略等しく、合計することによって相殺されるので、一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂは、互いの超音波素子間の距離の２倍、すなわち往復距離を、両方向の伝搬時間の合計である超音波往復伝搬時間で割ることによって、第１流路１１を流れる気体中を伝搬する超音波の音速を算出する。同様に、一対の第２超音波センサ２５ａ、２５ｂは、互いの超音波素子間の距離の２倍、すなわち往復距離を、両方向の伝搬時間の合計である超音波往復伝搬時間で割ることによって、第２流路２１を流れる気体中を伝搬する超音波の音速を算出する。

【0023】

第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ及び第２超音波センサ２５ａ、２５ｂは、それぞれ第１測定管１０及び第２測定管２０を流れる気体中を伝搬する超音波の音速を算出し、算出値を制御装置４０に出力しても良い。また、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ及び第２超音波センサ２５ａ、２５ｂは、それぞれが、超音波を上流から下流に向けて送波させたときの伝搬時間と、超音波を下流から上流に向けて送波させたときの伝搬時間を制御装置４０に出力し、制御装置４０が第１測定管１０及び第２測定管２０を流れる気体中を伝搬する超音波の音速を算出しても良い。本実施の形態では、これらの方法を区別せず、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂが出力する値に基づいて測定され、第１測定管１０を流れる気体中を伝搬する超音波の音速を第１速度とし、第２超音波センサ２５ａ、２５ｂが出力する値に基づいて測定され、第２測定管２０を流れる気体中を伝搬する超音波の音速を第２速度とする。そして、制御装置４０は、第１速度と第２速度とを用いて、混合気体Ｘにおける気体Ａ及び／又は気体Ｂのガス濃度を算出する。

【0024】

第１流出口１３には、連通管３０から第１測定管１０への気体の逆流を防止する逆止弁を設けることが望ましい。また、第２流入口２２には、第２測定管２０から連通管３０への気体の逆流を防止する逆止弁を設けることが望ましい。更に、第１流入口１２、第２流出口２３及び第３流入口３２にも、必要に応じて逆止弁を設けても良い。

【0025】

第１測定管１０と第２測定管２０は、略同一形状及び略同一寸法であることが望ましい。また、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂと第２超音波センサ２５ａ、２５ｂは、同一性能を有することが望ましい。

【0026】

図２は、実測時における気体の流れを示す図である。図２の矢印が示すように、実測時においては、気体Ａが、供給管１６を介して第１流入口１２から第１流路１１に流入し、第１流路１１を通過し、第１流出口１３から第３流路３１に流出する。また、気体Ｂが、供給管５１を介して第３流入口３２から第３流路３１に流入する。そして、気体Ａ及び気体Ｂが、第３流路３１において混合する。更に、気体Ａ及び気体Ｂからなる混合気体Ｘが、第２流入口２２から第２流路２１に流入し、第２流路２１を通過し、第２流出口２３から供給管２６に流出する。

【0027】

従って、実測時においては、第１測定管１０に気体Ａが流れるので、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂが出力する値に基づいて測定される第１速度は、気体Ａ中を伝搬する超音波の音速である。また、第２測定管２０に混合気体Ｘが流れるので、第２超音波センサ２５ａ、２５ｂが出力する値に基づいて測定される第２速度は、混合気体Ｘ中を伝搬する超音波の音速である。

【0028】

ここで、制御装置４０による気体Ａ及び気体Ｂのガス濃度の算出方法を詳細に説明する。本実施の形態では、第１測定管１０及び第２測定管２０が連通管３０を介して連通しているため、第１測定管１０を流れる気体Ａの温度と第２測定管２０を流れる気体Ｘの温度は同一の値Ｔ［Ｋ］と仮定する。

【0029】

気体中を伝搬する超音波の音速は、気体の分子量（混合気体の場合は平均分子量）及び気体の温度の関数として表現できる。すなわち、気体定数をＲ、気体Ａの分子量をＭ_Ａ［ｇ／ｍｏｌ］、混合気体Ｘの平均分子量をＭ_Ｘ［ｇ／ｍｏｌ］、気体Ａの比熱をγ_Ａ、混合気体Ｘの平均比熱をγ_Ｘ、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂが出力する値に基づいて測定される第１速度をｃ_１［ｍ／ｓ］、第２超音波センサ２５ａ、２５ｂが出力する値に基づいて測定される第２速度をｃ_２［ｍ／ｓ］とすると、次の式（１）及び式（２）が成り立つ。

【0030】

【数2】

【0031】

式（１）及び式（２）からＲとＴを消去すると、次の式（３）が成り立つ。

【0032】

【数3】

【0033】

また、気体Ｂの分子量をＭ_Ｂ［ｇ／ｍｏｌ］、気体Ｂの比熱をγ_Ｂとする。更に、混合気体Ｘにおける気体Ａの混合比率（＝ガス濃度）をα_Ａ、混合気体Ｘにおける気体Ｂの混合比率（＝ガス濃度）をα_Ｂとすると、α_Ａ＝（１－α_Ｂ）であり、次の式（４）及び式（５）が成り立つ。式（４）は混合気体の分子量の関係式であり、式（５）は混合気体の比率の関係式である。

【0034】

【数4】

【0035】

式（３）乃至式（５）からＭ_Ｘとγ_Ｘを消去すると、次の式（６）が成り立つ。

【0036】

【数5】

【0037】

式（６）を変形し、α_Ｂについて解くと、次の式（７）が成り立つ。

【0038】

【数6】

【0039】

ここで、気体Ａすなわち空気の比熱γ_Ａ＝１．４、気体Ｂすなわち水素の比熱γ_Ｂ＝１．４１、気体Ａすなわち空気の分子量Ｍ_Ａ＝２８．８、気体Ｂすなわち水素の分子量Ｍ_Ｂ＝２を式（７）に代入すると、次の式（８）が成り立つ。

【0040】

【数7】

【0041】

水素が第２測定管２０に含まれている場合、第１速度ｃ_１よりも第２速度ｃ_２の方が速い、すなわちｃ_２＞ｃ_１が成り立つので、式（８）の値は正、すなわち混合気体Ｘにおける水素のガス濃度は正となり、水素が第２測定管２０に含まれていることと矛盾しない。また、水素が第２測定管２０に含まれていない場合、第１速度ｃ_１＝第２速度ｃ_２が成り立つので、式（８）の値は０、すなわち混合気体Ｘにおける水素のガス濃度は０となり、水素が第２測定管２０に含まれていないことと矛盾しない。

【0042】

実測時には、制御装置４０は、予めＭ_Ａ、Ｍ_Ｂ、γ_Ａ及びγ_Ｂの値を記憶し、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ及び第２超音波センサ２５ａ、２５ｂから出力される値に基づいてｃ_１及びｃ_２の値を算出し、Ｍ_Ａ、Ｍ_Ｂ、γ_Ａ、γ_Ｂ、ｃ_１及びｃ_２の値を式（７）に代入することによって、α_Ａ及び／又はα_Ｂを算出する。制御装置４０は、α_Ｂを算出する場合、Ｍ_Ａ、Ｍ_Ｂ、γ_Ａ、γ_Ｂ、ｃ_１及びｃ_２の値を式（７）に代入し、α_Ａを算出する場合、更に、式（７）に代入して得られるα_Ｂの値をα_Ａ＝（１－α_Ｂ）の式に代入する。

【0043】

ｃ_１の値については、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ又は制御装置４０は、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂの互いの超音波素子間の往復距離を予め記憶し、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂが超音波往復伝搬時間を測定し、超音波素子間の往復距離を超音波往復伝搬時間で割ることによって、第１流路１１を流れる気体中を伝搬する超音波の音速（＝第１速度）として算出する。同様に、ｃ_２の値については、第２超音波センサ２５ａ、２５ｂ又は制御装置４０は、第２超音波センサ２５ａ、２５ｂの互いの超音波素子間の往復距離を予め記憶し、第２超音波センサ２５ａ、２５ｂが超音波往復伝搬時間を測定し、超音波素子間の往復距離を超音波往復伝搬時間で割ることによって、第２流路２１を流れる気体中を伝搬する超音波の音速（＝第２速度）として算出する。

【0044】

以上の通り、本実施の形態におけるガス濃度測定装置１は、温度、湿度、気圧等の値に基づく補正を行うことなく、混合気体Ｘにおける気体Ａ及び／又は気体Ｂのガス濃度を算出する。従って、ガス濃度測定装置１によって測定される気体Ａや気体Ｂのガス濃度の値は、測定精度が低い測定管流路内の温度、湿度、気圧等の値に依存しないので、高い精度を確保することができる。

【0045】

前述の説明では、水素が第２測定管２０に含まれていない場合、第１速度ｃ_１＝第２速度ｃ_２が成り立つものとしていた。すなわち、同一の測定条件によって測定される一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ間の超音波往復伝搬時間と一対の第２超音波センサ２５ａ、２５ｂ間の超音波往復伝搬時間は同一であり、ひいては、算出される第１速度ｃ_１及び第２速度ｃ_２の値も同一であることを前提条件としていた。この前提条件を満たすために、第１測定管１０と第２測定管２０は、略同一形状及び略同一寸法であることが望ましく、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂと第２超音波センサ２５ａ、２５ｂは、同一性能を有することが望ましいとしていた。

【0046】

しかしながら、第１測定管１０と第２測定管２０の個体差や、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂと第２超音波センサ２５ａ、２５ｂの個体差に起因して、同一の測定条件であっても、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ間の超音波往復伝搬時間の測定値と第２超音波センサ２５ａ、２５ｂ間の超音波往復伝搬時間の測定値の間に無視できない差が生じることが考えられる。そこで、本実施の形態では、この差の影響をなくすため、実測を行う前、例えば工場出荷時又は初期設定時に、補正の為の測定を行う。

【0047】

図３は、工場出荷時又は初期設定時における気体の流れを示す図である。工場出荷時又は初期設定時においては、気体Ｂ供給装置５０を使用しない。図３の矢印が示すように、気体Ａが、供給管１６を介して第１流入口１２から第１流路１１に流入し、第１流路１１を通過し、第１流出口１３から第３流路３１に流出する。そのまま、気体Ａが、第２流入口２２から第２流路２１に流入し、第２流路２１を通過し、第２流出口２３から供給管２６に流出する。

【0048】

従って、工場出荷時又は初期設定時においては、第１測定管１０に気体Ａが流れるので、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂが出力する値に基づいて測定される第１速度は、気体Ａ中を伝搬する超音波の音速である。同様に、第２測定管２０に気体Ａが流れるので、第２超音波センサ２５ａ、２５ｂが出力する値に基づいて測定される第２速度は、気体Ａ中を伝搬する超音波の音速である。このように、工場出荷時又は初期設定時には、同一の測定条件によって第１速度及び第２速度が測定される。

【0049】

制御装置４０は、工場出荷時又は初期設定時において同一の測定条件によって測定される一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ間の超音波往復伝搬時間ｔ_ｐｒｅ１と一対の第２超音波センサ２５ａ、２５ｂ間の超音波往復伝搬時間ｔ_ｐｒｅ２との差（ｔ_ｐｒｅ１－ｔ_ｐｒｅ２）をΔｔ、一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ間の距離及び一対の第２超音波センサ２５ａ、２５ｂ間の距離の設計値をＬ（図２、図３参照）とし、実測前に予めΔｔ及びＬの値を記憶しておく。また、制御装置４０は、実測時において測定される一対の第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ間の超音波往復伝搬時間をｔ_１、実測時において測定される一対の第２超音波センサ２５ａ、２５ｂ間の超音波往復伝搬時間をｔ_２とし、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂ及び第２超音波センサ２５ａ、２５ｂから出力される値としてｔ_１及びｔ_２を入力する。そして、制御装置４０は、Δｔ、Ｌ、ｔ_１及びｔ_２の値をｃ_１＝２Ｌ÷（ｔ_１－Δｔ）、ｃ_２＝２Ｌ÷ｔ_２の式に代入することによって、第１速度ｃ_１及び第２速度ｃ_２を算出する。

【0050】

これによって、本実施の形態におけるガス濃度測定装置１は、第１測定管１０と第２測定管２０の個体差や、第１超音波センサ１５ａ、１５ｂと第２超音波センサ２５ａ、２５ｂの個体差に起因する誤差を無くし、混合気体Ｘにおける気体Ａや気体Ｂのガス濃度を精度良く測定できる。

【0051】

本実施の形態では、２種類の気体Ａ及び気体Ｂからなる混合気体Ｘを対象としたが、測定管や超音波センサを増やすことによって、３種類以上の気体からなる混合気体を対象とすることができる。例えば、３本の測定管に対してそれぞれ一対の超音波センサを設けることによって、３種類の気体Ａ、気体Ｂ及び気体Ｃからなる混合気体Ｙ中の各気体のガス濃度を測定することができる。この場合、制御装置４０は、前述の説明の通り、気体Ａ及び気体Ｂからなる混合気体Ｘにおける気体Ａ及び気体Ｂのガス濃度α_Ａ及びα_Ｂを算出するとともに、式（４）及び式（５）にα_Ａ及びα_Ｂの値を代入し、混合気体Ｘの平均分子量Ｍ_Ｘ及び平均比熱γ_Ｘを算出する。そして、制御装置４０は、更に、前述の説明における気体Ａを混合気体Ｘ、気体Ｂを気体Ｃとし、混合気体Ｘ及び気体Ｃからなる混合気体Ｙにおける混合気体Ｘ及び気体Ｃのガス濃度を算出する。４種類以上の気体からなる混合気体についても、混合気体に含まれる気体の種類数だけ測定管や超音波センサを設けることにより、同様に各気体のガス濃度を算出することができる。

【0052】

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係るガス濃度測定装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0053】

１………ガス濃度測定装置
１０………第１測定管
１１………第１流路
１２………第１流入口
１３………第１流出口
１４ａ、１４ｂ………第１流路１１の両端部
１５ａ、１５ｂ………一対の第１超音波センサ
２０………第２測定管
２１………第２流路
２２………第２流入口
２３………第２流出口
２４ａ、２４ｂ………第２流路２１の両端部
２５ａ、２５ｂ………一対の第２超音波センサ
３０………連通管
３１………第３流路
３２………第３流入口
４０………制御装置

【図1】

【図2】

【図3】