特許 7012497 伝搬時間測定装置、気体濃度測定装置および伝搬時間測定プログラム

(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】

(24)【登録日】2022-01-20

(45)【発行日】2022-01-28

(54)【発明の名称】伝搬時間測定装置、気体濃度測定装置および伝搬時間測定プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/024 20060101AFI20220121BHJP

   G01N 29/44 20060101ALI20220121BHJP

   G01M 3/24 20060101ALI20220121BHJP

【ＦＩ】

G01N29/024

G01N29/44

G01M3/24 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2017194478

(22)【出願日】2017-10-04

(65)【公開番号】P2019066423

(43)【公開日】2019-04-25

【審査請求日】2020-08-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000189486

【氏名又は名称】上田日本無線株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000004374

【氏名又は名称】日清紡ホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】辻谷 浩一

(72)【発明者】

【氏名】新福 修史

(72)【発明者】

【氏名】鳥山 泰弘

【審査官】横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－２４９６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１３１４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０６１５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９０２１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２

Ｇ０１Ｍ ３／２４

Ｇ０１Ｈ ３／００

Ｇ０１Ｈ ５／００

Ｇ０１Ｓ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１超音波を測定空間に送信し、当該第１超音波に時間的に続く第２超音波を前記測定空間に送信する送信部と、
前記測定空間を伝搬した超音波を受信する受信部と、
前記第１超音波および前記第２超音波が前記送信部から送信されたタイミング、ならびに、前記第１超音波および前記第２超音波が前記受信部で受信されたタイミングに基づいて、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求める伝搬時間測定部と、を備え、
前記第２超音波は、前記第１超音波に対して逆位相であり、
前記伝搬時間測定部は、
前記受信部が受信する超音波に基づき前記受信部から出力される受信信号を取得し、前記受信信号に含まれる前記第１超音波の成分、および、前記受信信号に含まれる前記第２超音波の成分によって前記受信信号の時間波形に形成される境界点を検出し、前記境界点のタイミングに基づいて前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求め、
前記伝搬時間測定部は、さらに、前記受信信号の上限包絡線が有する１つの極小点に対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間、若しくは、前記受信信号の上限包絡線における複数の極小点のうち極小点深度が最も大きいものに対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間を特定し、あるいは、
前記受信信号の下限包絡線が有する１つの極大点に対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間、若しくは、前記受信信号の下限包絡線における複数の極大点のうち極大点深度が最も大きいものに対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間を特定し、
前記探索ポイント時間の直後のゼロクロス点を前記境界点として検出することを特徴とする伝搬時間測定装置。

【請求項2】

請求項１における伝搬時間測定装置において、
前記第２超音波は、その振幅が前記第１超音波の振幅よりも大きいことを特徴とする伝搬時間測定装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の伝搬時間測定装置と、
前記測定空間を超音波が伝搬する時間に基づいて、前記測定空間内における特定の気体の濃度を測定する濃度測定部と、
を備えることを特徴とする気体濃度測定装置。

【請求項4】

伝搬時間測定器に読み込まれる伝搬時間測定プログラムにおいて、
前記伝搬時間測定器は、
超音波を測定空間に送信する送信部と、
前記測定空間を伝搬した超音波を受信する受信部と、
前記送信部を制御して前記送信部に超音波を送信させると共に、前記送信部から超音波が送信されたタイミング、および超音波が前記受信部で受信されたタイミングに基づいて、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求める伝搬時間測定部と、を備え、
前記伝搬時間測定プログラムは、
第１超音波を前記測定空間に送信し、前記第１超音波に時間的に続く第２超音波を前記測定空間に送信する送信処理であって、前記第２超音波は前記第１超音波に対して逆位相である送信処理を、前記送信部に実行させるステップと、
前記第１超音波および前記第２超音波が前記送信部から送信されたタイミング、ならびに、前記第１超音波および第２超音波が前記受信部で受信されたタイミングに基づいて、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求めるステップと、
を前記伝搬時間測定器に実行させ、
前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求めるステップは、
前記受信部が受信する超音波に基づき前記受信部から出力される受信信号を取得し、前記受信信号に含まれる前記第１超音波の成分、および、前記受信信号に含まれる前記第２超音波の成分によって前記受信信号の時間波形に形成される境界点を検出し、前記境界点のタイミングに基づいて前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求めるステップを含み、
前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求めるステップは、
前記受信信号の上限包絡線が有する１つの極小点に対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間、若しくは、前記受信信号の上限包絡線における複数の極小点のうち極小点深度が最も大きいものに対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間を特定し、あるいは、
前記受信信号の下限包絡線が有する１つの極大点に対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間、若しくは、前記受信信号の下限包絡線における複数の極大点のうち極大点深度が最も大きいものに対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間を特定し、
前記探索ポイント時間の直後のゼロクロス点を前記境界点として検出するステップを含むことを特徴とする伝搬時間測定プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波送信器、伝搬時間測定装置、気体濃度測定装置および伝搬時間測定プログラムに関し、特に、超音波が測定空間を伝搬する時間を求める技術に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池から供給される電力によって走行する燃料電池車について、広く研究開発が行われている。燃料電池は水素および酸素の化学反応によって電力を発生する。一般に、水素が燃料として燃料電池に供給され、酸素は周囲の空気から燃料電池に取り入れられる。燃料電池車には水素タンクが搭載され、水素タンクから燃料電池に水素が供給される。水素タンク内の水素が少なくなったときは、サービスステーションに設置された水素供給装置から燃料電池車の水素タンクに水素が供給される。

【0003】

水素は可燃性の気体であるため、燃料電池車や水素供給装置からの水素の漏れの監視が必要となる。そこで、燃料電池車や水素供給装置と共に、水素濃度測定装置が広く用いられている。水素濃度測定装置は、空気中に含まれる水素の濃度を測定したり、水素濃度が所定値を超えたときに警報を発したりする機能を有する。

【0004】

以下の特許文献１および２には、特定の気体の濃度を測定する装置が記載されている。これらの特許文献に記載されている装置は、測定対象の空気における超音波の伝搬速度等、超音波の伝搬特性に基づいて特定の気体の濃度を測定するものであり、水素の濃度の測定に用いてもよい。また、特許文献３～６には、本願発明に関連する技術として、超音波パルスの波形に基づいて、超音波パルスが受信されたタイミングを特定する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００２－２１４２０３号公報

【文献】特開平３－２２３６６９号公報

【文献】特開平８－２５４４５４号公報

【文献】特開平９－１２７２４４号公報

【文献】特開平９－１８４７１６号公報

【文献】特開２００７－１８７５０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一般に、超音波の伝搬速度に基づいて特定の気体の濃度を測定する装置には、気体の濃度を測定する空間が設けられている。この濃度測定空間には超音波を送受信する超音波振動子が設けられている。送信用の超音波振動子から超音波が送信されてから、濃度測定空間内を伝搬した超音波が受信用の超音波振動子で受信されるまでの伝搬時間と、予め求められた伝搬距離とに基づいて、超音波の伝搬速度が求められる。

【0007】

しかし、受信用の超音波振動子で受信される超音波パルスの時間波形が、振幅が一定である等の特徴がない時間波形である場合、超音波パルスが受信されるタイミングの検出が困難となることがある。この場合、濃度測定空間内を伝搬した超音波の伝搬時間の測定精度が低下し、気体の濃度の測定精度が低下することがある。

【0008】

本発明は、超音波の伝搬時間の測定精度を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の関連技術は、伝搬時間測定装置に搭載される超音波送信器において、前記伝搬時間測定装置は、測定空間に超音波を送信し、超音波が送信されたタイミングと、前記測定空間を伝搬した超音波が受信されたタイミングとに基づいて、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求める装置であり、前記超音波送信器は、第１超音波を前記測定空間に送信し、前記第１超音波に時間的に続く第２超音波を前記測定空間に送信する送信部を備え、前記第２超音波は、前記第１超音波に対して逆位相であることを特徴とする。

【0010】

望ましくは、前記第２超音波は、その振幅が前記第１超音波の振幅よりも大きい。

【0011】

また、本発明は、第１超音波を測定空間に送信し、当該第１超音波に時間的に続く第２超音波を前記測定空間に送信する送信部と、前記測定空間を伝搬した超音波を受信する受信部と、前記第１超音波および前記第２超音波が前記送信部から送信されたタイミング、ならびに、前記第１超音波および前記第２超音波が前記受信部で受信されたタイミングに基づいて、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求める伝搬時間測定部と、を備え、前記第２超音波は、前記第１超音波に対して逆位相であり、前記伝搬時間測定部は、前記受信部が受信する超音波に基づき前記受信部から出力される受信信号を取得し、前記受信信号に含まれる前記第１超音波の成分、および、前記受信信号に含まれる前記第２超音波の成分によって前記受信信号の時間波形に形成される境界点を検出し、前記境界点のタイミングに基づいて前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求め、前記伝搬時間測定部は、さらに、前記受信信号の上限包絡線が有する１つの極小点に対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間、若しくは、前記受信信号の上限包絡線における複数の極小点のうち極小点深度が最も大きいものに対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間を特定し、あるいは、前記受信信号の下限包絡線が有する１つの極大点に対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間、若しくは、前記受信信号の下限包絡線における複数の極大点のうち極大点深度が最も大きいものに対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間を特定し、前記探索ポイント時間の直後のゼロクロス点を前記境界点として検出することを特徴とする。

【0012】

望ましくは、前記第２超音波は、その振幅が前記第１超音波の振幅よりも大きい。

【0014】

望ましくは、前記測定空間を超音波が伝搬する時間に基づいて、前記測定空間内における特定の気体の濃度を測定する濃度測定部と、を備える。

【0015】

また、本発明は、伝搬時間測定器に読み込まれる伝搬時間測定プログラムにおいて、前記伝搬時間測定器は、超音波を測定空間に送信する送信部と、前記測定空間を伝搬した超音波を受信する受信部と、前記送信部を制御して前記送信部に超音波を送信させると共に、前記送信部から超音波が送信されたタイミング、および超音波が前記受信部で受信されたタイミングに基づいて、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求める伝搬時間測定部と、を備え、前記伝搬時間測定プログラムは、第１超音波を前記測定空間に送信し、前記第１超音波に時間的に続く第２超音波を前記測定空間に送信する送信処理であって、前記第２超音波は前記第１超音波に対して逆位相である送信処理を、前記送信部に実行させるステップと、前記第１超音波および前記第２超音波が前記送信部から送信されたタイミング、ならびに、前記第１超音波および第２超音波が前記受信部で受信されたタイミングに基づいて、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求めるステップと、を前記伝搬時間測定器に実行させ、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求めるステップは、前記受信部が受信する超音波に基づき前記受信部から出力される受信信号を取得し、前記受信信号に含まれる前記第１超音波の成分、および、前記受信信号に含まれる前記第２超音波の成分によって前記受信信号の時間波形に形成される境界点を検出し、前記境界点のタイミングに基づいて前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求めるステップを含み、前記測定空間を超音波が伝搬する時間を求めるステップは、前記受信信号の上限包絡線が有する１つの極小点に対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間、若しくは、前記受信信号の上限包絡線における複数の極小点のうち極小点深度が最も大きいものに対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間を特定し、あるいは、前記受信信号の下限包絡線が有する１つの極大点に対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間、若しくは、前記受信信号の下限包絡線における複数の極大点のうち極大点深度が最も大きいものに対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間を特定し、前記探索ポイント時間の直後のゼロクロス点を前記境界点として検出するステップを含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、超音波の伝搬時間の測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】気体濃度測定装置を模式的に示す図である。

【図2】気体濃度測定装置の詳細な構成を示す図である。

【図3】送信回路で生成される送信パルス信号を示す図である。

【図4】受信パルス信号の例を示す図である。

【図5】複数の極小点が上限包絡線に現れる受信パルス信号の例を模式的に示す図である。

【図6】気体濃度測定装置の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１には、本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置が模式的に示されている。気体濃度測定装置は、気体濃度を測定するための空間を有する筐体１０を備えており、筐体１０内の気体を伝搬する超音波の伝搬速度に基づいて気体濃度を測定する。筐体１０には通気孔２０が設けられており、通気孔２０を介して気体が筐体１０の内外を流通する。筐体１０における濃度測定空間の形状は、例えば、直方体形状、円筒形状等とする。濃度測定空間は、必ずしも筐体１０の壁によって全方向が囲まれていなくてもよく、少なくとも超音波を送受信できる空間であればよい。

【0020】

気体濃度測定装置は、筐体１０内に収容された回路基板１２を備えている。回路基板１２には、測定回路１４、送信振動子１６、受信振動子１８およびコネクタ２２が実装されている。送信振動子１６は、測定回路１４の動作に基づいて超音波を送信する。受信振動子１８は、送信振動子１６から送信され、筐体１０の内面における反射面２４で反射した超音波を受信する。測定回路１４は、超音波が送信されてから受信されるまでの時間と、予め記憶された超音波の伝搬距離に基づいて、超音波の伝搬速度を求める。測定回路１４は、自らが備える温度センサによる検出値によって筐体１０内の温度を測定し、さらに、超音波の伝搬速度および温度測定値に基づいて気体濃度を求める。測定回路１４は、外部装置としてコネクタ２２に接続されたコンピュータ、表示装置等に気体濃度測定値を出力する。

【0021】

図２には、本発明の実施形態に係る気体濃度測定装置の詳細な構成が示されている。気体濃度測定装置は、筐体１０、送信振動子１６、受信振動子１８、測定回路１４およびコネクタ２２を備える。測定回路１４は、送信回路３８、受信回路４０、プロセッサ２８および記憶部４２を備える。測定回路１４には、送信振動子１６、受信振動子１８、およびコネクタ２２が接続されている。

【0022】

プロセッサ２８は、記憶部４２に記憶されたプログラム、あるいは、予め自らに記憶されたプログラムを実行することで、内部に送受信制御部３０、伝搬時間測定部３２および濃度測定部３６を構成する。これらの構成要素は、プロセッサ２８で実現する代わりに、ハードウエアであるディジタル回路によって個別に構成してもよい。

【0023】

気体濃度測定装置が水素濃度を測定する処理について説明する。送信回路３８および送信振動子１６は、超音波を送信する送信部として動作する。送信回路３８は、送受信制御部３０による制御に従って、送信振動子１６に送信パルス信号を出力する。送信振動子１６は、電気信号である送信パルス信号を超音波に変換し、送信超音波パルスを送信する。この送信超音波パルスは筐体１０の反射面２４で反射する。

【0024】

図３には、送受信制御部３０による制御に従って送信回路３８で生成される送信パルス信号が示されている。横軸は時間を示し縦軸は振幅を示す。この送信パルス信号は、正極信号および負極信号の対からなる差動信号である。送信振動子１６から送信される超音波パルスは、正極信号から負極信号を減算して、直流成分が除去された信号に基づくものとなる。時間ｔ０から５周期分の矩形波の正極信号が生成され、時間ｔ０から５周期後の時間ｔ１に、逆位相の矩形波が３周期に亘って正極信号として生成される。時間ｔ０から時間ｔ１までの間、負極信号のレベルは０である。そして、時間ｔ１以降に３周期分の矩形波の負極信号が生成される。時間ｔ１以降では、負極信号は正極信号に対して逆極性の関係にある。このような送信パルス信号によれば、第６周期目において振幅が小さくなった後に振幅が大きくなる超音波パルスが送信振動子１６から送信される。

【0025】

ここでは、５周期の正相の信号の後に、３周期の逆相の信号が続く送信パルス信号について説明した。正相信号の周期数（繰り返しの数）および逆相信号の周期数は任意である。また、逆相信号の振幅は、正相信号の振幅と同一であってもよいし、正相信号の振幅と異なってもよい。すなわち、逆相信号の振幅は、正相信号の振幅の２倍でなくてもよく、任意の大きさであってもよい。さらに、逆相信号の周波数は、正相信号の周波数と異なってもよい。送信パルス信号として、正相信号の後に逆相信号が続く信号を用いることで、受信振動子１８で受信される超音波パルスの波形の変化が顕著となり、超音波パルスが受信されるタイミングを特定する処理の精度が高くなる。

【0026】

このように、本実施形態に係る気体濃度測定装置には超音波送信器が構成される。超音波送信器は、正相信号に基づいて生成される第１超音波を濃度測定空間に送信し、正相信号に続く逆相信号に基づいて生成される第２超音波を濃度測定空間に送信する送信部（送信回路３８および送信振動子１６）を備える。第２超音波は、第１超音波に対して逆位相であり、その振幅が第１超音波の振幅と異なる。

【0027】

受信振動子１８および受信回路４０は、超音波を受信する受信部として動作する。受信振動子１８は、筐体１０の反射面２４で反射した超音波パルスを受信し、この受信超音波パルスを電気信号である受信パルス信号に変換して受信回路４０に出力する。受信回路４０は受信パルス信号のレベルを調整しプロセッサ２８に出力する。プロセッサ２８は、受信パルス信号を表す受信データを記憶部４２に記憶する。この受信データは、受信パルス信号の値と時間とを対応付けたデータである。プロセッサ２８内に構成された伝搬時間測定部３２は、記憶部４２に記憶された受信データを参照し、送信回路３８が送信パルス信号を出力してから受信回路４０が受信パルス信号を出力するまでの伝搬時間ｔｐを求める。

【0028】

図４には、図３に示される送信パルス信号に従って送信超音波パルスを送信した場合における受信パルス信号の例が示されている。横軸は時間を示し縦軸は振幅を示す。受信パルス信号は、複数の波打ちが時間軸上で連なった時間波形を有する。ただし、０レベルから増加して極大となり、その後、減少してゼロクロス点で正から負になり、負方向に増加して極小となり、その後、正方向に増加して次のゼロクロス点に至る時間波形を、「１つの波打ち」として定義する。ゼロクロス点は、受信パルス信号の振幅正負値が０となるその時間波形上の点である。また、以下の説明では、１つの波打ちの極大値をピーク値として定義する。

【0029】

受信パルス信号では、最初の波打ちから後の波打ちに向かうにつれてピーク値が大きくなり、所定数番目の波打ちより後にピーク値が一旦小さくなり、再び、後の波打ちに向かうにつれてピーク値が大きくなる。そして、最もピーク値が大きい波打ちより後の波打ちに向かうにつれてピーク値が小さくなる。図４に示されている例では、最初の波打ちから６番目の波打ちまでピーク値が大きくなり、７番目の波打ちでピーク値が一旦小さくなり、再び、後の波打ちに向かうにつれてピーク値が大きくなっている。図４には、最初に極大値（正のピーク）が現れる受信パルス信号が示されているが、最初に極小値（負のピーク）が現れる受信パルス信号が現れる場合もある。

【0030】

図２の伝搬時間測定部３２は、記憶部４２に記憶された受信データを参照し、次のような処理に従って、超音波パルスが受信された時間を求める。すなわち、伝搬時間測定部３２は、受信パルス信号の上限包絡線の極小点に対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間を特定する。ここで、上限包絡線とは正のピークを結ぶ包絡線をいう。伝搬時間測定部３２は、探索ポイント時間の直後のゼロクロス点（境界点）の時間である境界点時間ｔｚを求める。

【0031】

伝搬時間測定部３２は、境界点時間ｔｚから送信パルス信号の位相が変化した時間ｔ１（図３）を減算した伝搬時間ｔｐ（ｔｚ－ｔ１）を求める。

【0032】

複数の極小点が上限包絡線に現れる場合には、伝搬時間測定部３２は、次のような処理を実行してもよい。すなわち、伝搬時間測定部３２は、上限包絡線の極小点の直前に現れた上限包絡線の極大点でのピーク値から、その極小点でのピーク値を減算した下り評価値と、上限包絡線の極小点の直後に現れた上限包絡線の極大点でのピーク値から、その極小点でのピーク値を減算した上り評価値の和である極小点深度を求める。極小点深度は、上限包絡線の極小点が現れる凹みの深さを表す評価値である。伝搬時間測定部３２は、上限包絡線に現れる複数の極小点のうち、極小点深度が最も大きい極小点に対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間ｔｃを特定する。そして、探索ポイント時間ｔｃの直後のゼロクロス点の時間である境界点時間ｔｚを求める。伝搬時間測定部３２は、境界点時間ｔｚから送信パルス信号の位相が変化した時間ｔ１を減算した伝搬時間ｔｐ＝（ｔｚ－ｔ１）を求める。

【0033】

図５には複数の極小点が上限包絡線４４に現れる受信パルス信号の例が模式的に示されている。上限包絡線４４には２つの極小点ＢおよびＤがある。上限包絡線４４の極小点Ｂの直前に上限包絡線４４に現れた極大点Ａでのピーク値ｙａから、極小点Ｂでのピーク値ｙｂを減算した下り評価値ｅ１は、ｅ１＝ｙａ－ｙｂである。また、上限包絡線４４の極小点Ｂの直後に上限包絡線４４に現れた極大点Ｃでのピーク値ｙｃから、極小点Ｂでのピーク値ｙｂを減算した上り評価値ｆ１は、ｆ１＝ｙｃ－ｙｂである。したがって、極小点Ｂについての極小点深度ｄｂは、ｄｂ＝ｅ１＋ｆ１＝（ｙａ－ｙｂ）＋（ｙｃ－ｙｂ）である。

【0034】

一方、上限包絡線４４の極小点Ｄの直前に上限包絡線４４に現れた極大点Ｃでのピーク値ｙｃから、極小点Ｄでのピーク値ｙｄを減算した下り評価値ｅ２は、ｅ２＝ｙｃ－ｙｄである。また、上限包絡線４４の極小点Ｄの直後に上限包絡線４４に現れた極大点Ｅでのピーク値ｙｅから、極小点Ｄでのピーク値ｙｄを減算した上り評価値ｆ２は、ｆ２＝ｙｅ－ｙｄである。したがって、極小点Ｄについての極小点深度ｄｄは、ｄｄ＝ｅ２＋ｆ２＝（ｙｃ－ｙｄ）＋（ｙｅ－ｙｄ）である。

【0035】

図５に示されている受信パルス信号では、極小点深度ｄｄ＝（ｙｃ－ｙｄ）＋（ｙｅ－ｙｄ）の方が、極小点深度ｄｂ＝（ｙａ－ｙｂ）＋（ｙｃ－ｙｂ）よりも大きい。したがって、伝搬時間測定部３２は、極小点Ｄに対応する正のピークよりも１つ前の正のピーク（極大点Ｃ）が現れた探索ポイント時間ｔｃを特定する。そして、探索ポイント時間ｔｃの直後のゼロクロス点の時間である境界点時間ｔｚを求める。伝搬時間測定部３２は、境界点時間ｔｚから送信パルス信号の位相が変化した時間ｔ１を減算した伝搬時間ｔｐ（ｔｚ－ｔ１）を求める。

【0036】

このように、伝搬時間測定部３２は、受信振動子１８が受信する超音波パルスに基づき受信回路４０から出力される受信信号としての受信パルス信号を取得し、受信超音波パルスに含まれる第１超音波の成分、および、受信超音波パルスに含まれる第２超音波の成分によって受信パルス信号の時間波形に形成される境界点を検出し、送信パルス信号が送信されたタイミングと境界点のタイミングとに基づいて濃度測定空間を超音波が伝搬する伝搬時間ｔｐを求める。

【0037】

すなわち、気体濃度測定装置には、濃度測定空間に超音波を送信し、超音波が送信されたタイミングと、濃度測定空間を伝搬した超音波が受信されたタイミングとに基づいて、濃度測定空間を超音波が伝搬する時間を求める伝搬時間装置が構成されている。

【0038】

なお、上記では、受信パルス信号の正のピークおよび上限包絡線を用いて伝搬時間ｔｐを求める処理について説明した。伝搬時間測定部３２は、受信パルス信号の負のピークおよび下限包絡線を用いて伝搬時間ｔｐを求めてもよい。ここで、下限包絡線とは負のピークを結ぶ包絡線をいう。この場合、伝搬時間測定部３２は、受信パルス信号の下限包絡線の極大点に対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間ｔｄを特定する。伝搬時間測定部３２は、探索ポイント時間ｔｄの直前のゼロクロス点（境界点）の時間である境界点時間ｔｚを求める。

【0039】

また、複数の極大点が下限包絡線に現れる場合には、伝搬時間測定部３２は、次のような処理を実行してもよい。すなわち、伝搬時間測定部３２は、下限包絡線の極大点の直前に現れた下限包絡線の極小点での値（負のピーク値）を、その極大点での負のピーク値から減算した上り評価値と、下限包絡線の極大点の直後に現れた下限包絡線の極小点での負のピーク値を、その極大点での負のピーク値から減算した下り評価値の和である極大点深度を求める。極大点深度は、下限包絡線の極大点が現れる凹みの深さを表す評価値である。伝搬時間測定部３２は、下限包絡線に現れる複数の極大点のうち、極大点深度が最も大きい極大点に対応する負のピークよりも１つ前の負のピークが現れた探索ポイント時間ｔｄを特定する。そして、探索ポイント時間ｔｄの直前のゼロクロス点の時間である境界点時間ｔｚを求める。伝搬時間測定部３２は、境界点時間ｔｚから送信パルス信号の位相が変化した時間ｔ１を減算した伝搬時間ｔｐ＝（ｔｚ－ｔ１）を求める。

【0040】

図２に戻って水素濃度の測定について説明する。記憶部４２には伝搬距離ｄ０が記憶されている。伝搬距離ｄ０は、超音波が送信振動子１６から筐体１０の反射面２４に至り、反射面２４から受信振動子１８に至る区間の距離を予め測定した値である。濃度測定部３６は記憶部４２から伝搬距離ｄ０を読み込み、伝搬距離ｄ０を伝搬時間ｔｐで割ることで伝搬速度測定値ｖｍ（＝ｄ０／ｔｐ）を求める。また、濃度測定部３６は、温度センサ２６による検出値に基づいて温度測定値Ｔｍを求める。濃度測定部３６は、次の（数１）に基づいて水素濃度ｐを求める。

【0041】

【数1】

【0042】

ここで、ｋは気体の比熱比であり、Ｒは気体定数である。Ｍｈは水素の分子量であり、Ｍａは水素を含まない空気の分子量である。測定対象の空気の組成を窒素８０％、酸素２０％のみと仮定すれば、比熱比ｋは１．４としてよい。また、気体定数Ｒは８．３１、水素の分子量Ｍｈは２．０、空気の分子量Ｍａは２８．８である。上述のように伝搬速度測定値ｖｍおよび温度測定値Ｔｍは、濃度測定部３６によって求められる。

【0043】

（数１）の右辺の各値は既知であるため、濃度測定部３６は（数１）に従って水素濃度ｐを求める。プロセッサ２８は、このように求められた水素濃度ｐをコネクタ２２から外部のコンピュータに出力する。気体濃度測定装置が表示パネルを備えている場合には、プロセッサ２８は表示パネルに水素濃度ｐを表示してもよい。

【0044】

上述のように本実施形態に係る気体濃度測定装置には超音波送信器が構成される。超音波送信器は、正相信号に基づいて生成される第１超音波を濃度測定空間に送信し、正相信号に続く逆相信号に基づいて生成される第２超音波を濃度測定空間に送信する送信部（送信回路および送信振動子１６）を備える。第１超音波に続く第２超音波は、第１超音波に対して逆位相である。これによって、受信回路４０から出力される受信パルス信号の上限包絡線には極小点が現れる。さらに、第１超音波に続く第２超音波は、その振幅が第１超音波の振幅と異なるため、このような極小点が顕著に現れる。したがって、上限包絡線の極小点を検出し、この極小点に対応する正のピークよりも１つ前の正のピークが現れた探索ポイント時間ｔｃを特定し、探索ポイント時間ｔｃの直後のゼロクロス点の時間である境界点時間ｔｚを求める処理が可能となる。この処理は、包絡線に大きな変化がない超音波パルスが受信された時間を特定するよりも容易である。したがって、境界点時間ｔｚの測定が高精度で行われ、さらには、伝搬時間ｔｐ、伝搬速度ｖｍおよび水素濃度ｐの測定が高精度で行われる。

【0045】

また、第１超音波を濃度測定空間に送信し、第１超音波に時間的に続く逆位相の第２超音波を濃度測定空間に送信した場合、気体の密度、温度等の測定条件の変動が、境界点時間ｔｚに及ぼす影響が小さいことが確かめられている。したがって、本実施形態に係る気体濃度測定装置によれば、測定条件の変化による測定誤差が抑制される。

【0046】

なお、上記では、送信振動子１６と受信振動子１８とが個別に設けられた構成について説明した。これらの超音波振動子は共通化してもよい。すなわち、１つの共通の超音波振動子が送信回路３８および受信回路４０に接続された構成を採用し、その超音波振動子が超音波パルスの送信および受信を行ってもよい。

【0047】

また、上記では、送信振動子１６から筐体１０の反射面２４に超音波を送信し、筐体１０の反射面２４で反射した超音波を受信振動子１８で受信する構造について説明した。このような構造の他、図６に示されているように、送信振動子１６と受信振動子１８とを対向させた構造を採用してもよい。この場合、送信振動子１６から送信され筐体１０内を伝搬した超音波が、受信振動子１８で直接受信される。送信振動子１６と受信振動子１８とを直接結ぶ経路の距離が伝搬距離となる。

【0048】

上記では、気体濃度測定装置として、水素の濃度を測定する実施形態について説明した。気体濃度測定装置は、その他の気体の濃度を測定してもよい。この場合、（数１）における比熱比ｋ、分子数等を測定対象の気体の値に置き換えた処理が実行される。

【符号の説明】

【0049】

１０ 筐体、１２ 回路基板、１４ 測定回路、１６ 送信振動子、１８ 受信振動子、２０ 通気孔、２２ コネクタ、２４ 反射面、２６ 温度センサ、２８ プロセッサ、３０ 送受信制御部、３２ 伝搬時間測定部、３６ 濃度測定部、３８ 送信回路、４０ 受信回路、４２ 記憶部、 ４４ 上限包絡線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】