超音波伝播時間測定方法を用いた気体流量及び気体濃度の測定装置
【課題】測定管を流れる気体中の超音波伝播時間を簡単で正確に測定でき、気体の流量と濃度とが測定可能な超音波伝播時間測定方法と測定装置、これを用いた気体流量と気体濃度の測定装置の提供。
【解決手段】 一対の超音波振動子に所定の時間間隔を置いて第１の超音波と第２の超音波からなる少なくとも２回の超音波を気体の流れに沿った順方向と逆方向とに交互に送信し、第１の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出して超音波の各波数位置での超音波振幅のピーク値の各出現時刻を推定し、送信された第２の超音波を受信する際に推定した各出現時刻で待ち受けて各推定出現時刻におけるピーク値を計測し、計測した正のピーク値群又は負のピーク値群に対して最も当てはまるピーク値と時間の関数である直線又は曲線を算出し、算出した関数が時間軸と交差する点を超音波信号の到達開始時刻として求めて超音波の伝播時間を算出する超音波の伝播時間測定方法。
【解決手段】 一対の超音波振動子に所定の時間間隔を置いて第１の超音波と第２の超音波からなる少なくとも２回の超音波を気体の流れに沿った順方向と逆方向とに交互に送信し、第１の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出して超音波の各波数位置での超音波振幅のピーク値の各出現時刻を推定し、送信された第２の超音波を受信する際に推定した各出現時刻で待ち受けて各推定出現時刻におけるピーク値を計測し、計測した正のピーク値群又は負のピーク値群に対して最も当てはまるピーク値と時間の関数である直線又は曲線を算出し、算出した関数が時間軸と交差する点を超音波信号の到達開始時刻として求めて超音波の伝播時間を算出する超音波の伝播時間測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象気体の流れ方向に対して順逆の双方向に伝播する超音波の伝播時間をそれぞれ測定し、これを利用して流路内を流れる対象気体の流速を算出し、算出した流速に基づいて気体流量と気体濃度とを測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどの吸着剤を使用して、原料空気中から窒素ガスを選択的に除去して、例えば、酸素濃度が９５％といった酸素富化空気を製造して、これを呼吸系疾患に苦しむ患者に供給することが行われるようになってきた。
【０００３】
このような場合において、呼吸系疾患をもつ患者には、医師によって処方された酸素濃度と流量を有する酸素富化空気を供給する必要がある。このために、酸素濃縮器から供給される酸素富化空気の酸素濃度と流量を計測して、設定された値に維持制御しながら患者に供給することが要求される。そこで、前述の目的を達成するために、酸素富化空気中の酸素濃度や流量を正確かつ同時に測定することができる超音波式の流量測定装置と濃度測定装置とを兼ねる超音波式流量・濃度測定装置が注目されるようになってきた。なお、このような超音波式流量・濃度測定装置は、特開平６−２１３８７７号公報、特開平７−２０９２６５号公報、特開平８−２３３７１８号公報などに記載のように周知である。
【０００４】
この超音波を用いた気体の流量と濃度の測定は、気体の流れ方向、あるいはこの流れ方向に対して傾斜して順方向と逆方向とで流路内を流れる気体の伝播時間をそれぞれ測定して、測定した伝播時間から流速を算出することによって行われる。なお、このような流速の測定装置の具体構成例としては、気体の流れ方向に沿って上流側と下流側とに、所定距離Ｌ［ｍ］を隔てて超音波の送波器と受波器を兼ねる送受波器（超音波振動子からなる発信素子と受信素子を具備）を気体の流路内に配置する。そして、この超音波発信素子をパルス発生回路からの駆動パルスによって振動駆動させて超音波を発生させ、発生させた超音波を送信する。次いで、送信されてきた超音波を超音波受信素子によって受信して増幅回路によって増幅して電気信号として出力する構成とされている。
【０００５】
そこで、上流側送受波器から気体の流れに対して順方向に送信された超音波が下流側送受波器で受波されるまでの伝搬時間T１[sec]と、下流側送受波器から気体の流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側送受波器で受波されるまでの伝搬時間T２[sec]を測定することができる。このようにして、それぞれの伝搬時間が求められると、気体の流速Ｖ［m/sec］をV=L/2・(T2-T1)/(T1・T2)という式から求めることができる。
【０００６】
そして、以上に述べたようにして、気体の流速V[m/sec]を測定することができると、配管の内面積A[m2]を乗じることで、気体の流量Q[m3/sec]を容易に求めることができる。また、気体のガス濃度の測定に関しては、医用の酸素濃縮器において酸素富化空気中に酸素濃度を測定する方法とそのための装置が、特開２００２−３０６６０３号公報、特開２００３−１３５６０１号公報、特開２００３−１３７５１０号公報などに記載されているのでその詳細説明を省略するが、その概略としては下記のようにして測定することができる。
【０００７】
すなわち、超音波が気体中を伝播する速度Cは、その気体の温度T及び濃度Dによって変化することが知られており、このときの気体の濃度DはCとTとの関数であって、「D=f(C,T)」と表すことができる（特開平２−１９８３５７号公報など参照）。したがって、気体の温度Tと気体中を伝わる超音波の伝播速度Cとを計測すれば、気体の濃度Dを測定することができる。例えば、気体の平均分子量をM、温度をT[゜K]とすれば、気体の平均分子量Mは、気体の濃度Dとの間で特定の関数によって記述することができ、これによって、気体の濃度Dを求めることができる。
【０００８】
具体的には、気体中の超音波伝播速度C[m/sec]は、k、Rは定数（k：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数）とすると、これらの関係は、C＝√（kRT/M）という式で表されることが知られている。なお、前記式において、記号√は、平方根を表す。
【０００９】
そこで、気体中の超音波伝播速度C[m/sec]と気体の温度T[K]とが測定できれば、気体の平均分子量Mを決定できる。例えば、気体の組成が酸素分子と窒素分子からなる２分子系ガスであれば、k＝１．４となることが知られており、その平均分子量Mは、酸素の分子量を３２、窒素の分子量を２８として、例えば酸素：100×D［%］（0≦D≦1）と窒素：100×（1−D）[%]の場合においては、M＝32D＋28（1−D）と記述することができ、測定された平均分子量Mから酸素濃度Dを決定できる。
【００１０】
このような公知の超音波式流量・濃度測定装置を使用して、前述の酸素富化空気の酸素濃度と流量とを正確に測定するためには、超音波が流管を流れる気体中を伝播する時間を正確に測定することが要求される。
【００１１】
ところが、超音波の伝播時間を正確に測定しようとすると、受信した微小な信号から超音波の立ち上がりを検出する必要があるが、この超音波の立ち上がりを検知するのはS/Nの関係もあってどうしても不正確となる。このため、超音波の正確な伝播時間を測定することができず、不正確な伝播時間を検出してしまうという問題がある。
【００１２】
このような問題に対しては、例えば、特開昭６０−１３８４２２号公報において、受信波形の包絡線波形から算出された近似式に基づいて包絡線波形の立ち上がり時間を検出し、真の超音波伝播時間とする方法が提案されている。しかしながら、包絡線波形から超音波伝播時間を推定する方法においては、包絡線波形を得るために受信波形をサンプリングするためのハ−ドウェアを必要とし、また、包絡線を計算するために複雑な信号処理を必要とするため、安価で小型の装置を提供することが困難である。
【００１３】
以上に述べたような問題の他に、一般に超音波の伝播時間の測定を正確にしようとすると、超音波の発信に使用する超音波送信素子は、周波数精度の良い水晶振動子を基準クロック発生器として用いる必要がある。ところが、周波数精度の良い水晶振動子を用いると、電源を入れてから水晶発振が安定するまでに時間がかかるため、安定化のために要する余裕の時間が長くなってしまう。そこで、発振安定までの時間が短いセラミック振動子が使われるが、セラミック振動子は周波数安定度が低く、経年変化によって発振周波数が次第に変化して、到達時間の測定誤差となり、結果的に超音波の伝播時間計測の誤差となる。また基準クロックの周波数の変化が更に進行して、基準クロックの偏差が更に大きくなると発振停止を含む測定不能に陥る可能性もある。
【００１４】
【特許文献１】特開平２−１９８３５７号公報
【特許文献２】特開平６−２１３８７７号公報
【特許文献３】特開平７−２０９２６５号公報
【特許文献４】特開平８−２３３７１８号公報
【特許文献５】特開平９−３１８６４４号公報
【特許文献６】特開昭６０−１３８４２２号公報
【特許文献７】特開２００２−３０６６０３号公報
【特許文献８】特開２００３−１３５６０１号公報
【特許文献９】特開２００３−１３７５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、以上に述べた従来技術が有する諸問題を解決して、簡単な装置構成でありながら、測定管を流れる気体中を超音波が伝播する時間を簡単かつ正確に測定することができ、しかも、気体の流量と濃度とを測定できる超音波の伝播時間測定方法と測定装置、並びにこれを用いた気体流量及び気体濃度の測定装置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】
【００１６】
本発明者は、前記目的を達成するために鋭意研究した結果、気体の流れる測定管中の上流と下流とに、対向させて配置した２つの超音波振動子から交互に超音波を送受信するのに際して、発信された超音波の最初の到達時刻を測定するに当たって、受信する超音波信号の波形はその初期段階において線形状に立ち上がることを知見するに至った。そして、この知見を活かせば、発信された超音波の最初の到達時刻を容易に測定することができるのではないかと着想し、この着想を具現化するためには。互いに送受信する超音波を第１の超音波と第２の超音波のペアで構成することで、容易に気体中の超音波の伝播時間を正確に計測することができることができることを究明するに及んで、終に本発明を完成するに至ったものである。
【００１７】
ここに、請求項１に記載の本発明の「超音波の伝播時間測定方法」として、「測定対象である気体の流れ方向あるいはこの流れ方向に対して傾斜して、測定管の上流と下流に所定の距離をおいて互いに対向して一対の超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子を励振させて超音波を発信し他方の超音波振動子で超音波を受信することによって、気体の流れに対する順逆双方向の超音波の各伝播時間を測定する方法において、前記一対の超音波振動子に対して所定の時間間隔を置いて第１の超音波と第２の超音波からなる少なくとも２回の超音波を気体の流れに沿った順方向と逆方向とに交互に送信し、第１の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出して超音波の各波数位置での超音波振幅のピーク値の各出現時刻を推定し、引き続いて送信された第２の超音波を受信する際に推定した各出現時刻で待ち受けて各推定出現時刻におけるピーク値を計測し、計測した正のピーク値群又は負のピーク値群に対して最も当てはまるピーク値と時間の関数である直線又は曲線を算出し、算出した関数が時間軸と交差する点を超音波信号の到達開始時刻として求めることにより超音波の伝播時間を算出することを特徴とする超音波の伝播時間測定方法」が提供される。
【００１８】
このとき、本発明は、請求項２に記載のように、「第１の超音波の受信信号中において第３波位置〜第７波位置の何れかの波数位置を検出し、検出した波数位置からゼロクロス時刻の検出を始めることを特徴とする、請求項１に記載の超音波の伝播時間測定方法」とすることが好ましい。
【００１９】
また、請求項３に記載のように、「検出した少なくとも１つのゼロクロス時刻から超音波の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけゼロクロス時刻をずらすことによって、各波数位置での超音波信号の振幅ピーク値が出現する時刻を推定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波の伝播時間測定方法」とすることが好ましい。
【００２０】
また、請求項４に記載のように、「受信した第２の超音波信号に含まれる第３波、第５波、第７波、第９波、第１１波、及び第１３波から少なくとも３つの奇数番号波群を選択するか、あるいは第２波、第４波、第６波、第８波、第１０波、及び第１２波から少なくとも３つの偶数番号波群を選択し、選択した奇数番号波群あるいは前記偶数番号波群におけるピーク値群と推定出現時刻群との間の関係を最小二乗法によって直線近似し、近似直線が時間軸と交差する点を超音波の最初の到達時刻として算出することを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法」とすることが好ましい。
【００２１】
また、請求項５に記載のように、「気体の流れ方向に対して順逆双方向における請求項１〜４の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法によって測定した超音波の伝播時間から前記測定管中を流れる気体の流速[m/sec]を算出し、測定管の流路断面積[m2]を乗じて前記測定管を流れる気体の流量を測定する気体流量の測定方法」とすることが好ましい。
【００２２】
さらに、請求項６に記載のように、「気体の流れ方向に対して順逆双方向における請求項１〜４の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法によって測定した超音波の伝播時間から測定対象である気体中の超音波の伝播速度を算出すると共に対象気体の温度を測定し、気体濃度、超音波の電波速度、気体温度、及び測定対象の気体の種類などによって決まる補正係数との間に成立する関数から前記測定管を流れる気体の濃度を測定する気体濃度の測定方法」とすることが好ましい。
【００２３】
そして、請求項７に記載のように、「請求項６に記載の気体濃度の測定方法を医用の酸素濃縮装置に使用することを特徴とする気体濃度の測定方法」とすることが好ましい。
【００２４】
次に、請求項８に記載の本発明の「超音波の伝播時間測定装置」として、「測定対象である気体がその中を流れる測定管と、該測定管の上流と下流とに所定の距離をおいて互いに対向して設けられた一対の超音波振動子と、該一対の超音波振動子を所定の時間間隔で励振させて超音波を発信させる励振手段と、該励振手段によって何れか一方の超音波振動子から第１の超音波と第２の超音波の発信が行われると他方の超音波振動子からの超音波の発信へと交互に切り替える送受信切替手段と、該第一の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出するゼロクロス時刻検出手段と、該ゼロクロス時刻検出手段によって検出されたゼロクロス時刻から超音波信号の各波数位置における超音波振幅のピーク値が出現するピーク値出現時刻推定手段と、該ピーク値出現時刻推定手段によって推定された各ピーク値の出現時刻において前記第２の超音波を待ち受けて各推定ピーク値を取り込む推定ピーク値取込手段と、該推定ピーク値取込手段によって取り込んだ推定ピーク値群を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された推定ピーク値群から超音波の到達開始時刻を算出する到達時刻演算手段とを少なくとも備えた超音波の伝播時間測定装置」が提供される。
【００２５】
このとき、本発明は請求項９に記載のように、「受信した超音波信号の振幅値が予め設定されたトリガーレベル値を超えたことを検知してゼロクロス時刻検出手段によるゼロクロス時刻検出を開始する波数位置を検知する波数位置検出手段を備えた、請求項８に記載の超音波の伝播時間測定装置」とすることが好ましい。
【００２６】
また、請求項１０に記載の発明のように、「前記ゼロクロス時刻検出手段が、受信した超音波信号の振幅値の極性が「負値」から「正値」へ変化する際に振幅ゼロ値を横切る各ゼロクロス時刻（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）、あるいは受信した超音波信号の振幅値の極性が「正値」から「負値」へ変化する際に振幅ゼロ値を横切る各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）を検出する手段である、請求項８又は９に記載の超音波の伝播時間測定装置」とすることが好ましい。
【００２７】
そして、請求項１１に記載のように、「前記ピーク値出現時刻推定手段が、前記ゼロクロス時刻検出手段によって検出された少なくとも１つのゼロクロス時刻を基準時間として、該基準時間から超音波信号の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけ時間を進める方向へ時刻をシフトさせる手段である、請求項８〜１０の何れかに記載の超音波の伝播時間測定装置」とすることが好ましい。
【００２８】
なお、前記請求項１〜１０に記載の超音波の伝播時間測定方法又は測定装置を用いると共に、測定された超音波の伝播時間に基づいて算出された前記測定管中を流れる気体の流速、前記測定管の流路断面積などから気体流量を演算する気体流量演算手段を備えることによって、測定対象となる気体流量の測定装置を提供することができる。
【００２９】
さらに、前記測定管中を流れる気体の温度を測定する温度測定手段を備えると共に、請求項１〜１０に記載の超音波の伝播時間測定方法又は測定装置を用いて、測定された超音波の伝播時間に基づいて測定対象の気体中を伝播する超音波の伝播速度を算出して気体濃度、気体温度、超音波の伝播速度、及び測定対象の気体の種類などによって決まる補正係数によって決定される関数から気体濃度を演算する気体濃度演算手段を備えることによって、測定対象となる気体濃度の測定装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の超音波の伝播時間測定方法と測定装置では、気体の流れる測定管中の上流と下流とに、対向させて配置した２つの超音波振動子から交互に超音波を送受信するのに際して、第１の超音波と第２の超音波とをペアとして用いる。そして、第１の超音波を時系列的に検波した受信信号の正弦波状の交番振動波形から、その振幅値がゼロになるゼロクロス時刻を検出して、次に送信される第２の超音波の受信信号中の各波数位置での振幅ピーク値が出現する時刻を推定することができる。そうすると、送信されてくる大量の超音波振幅データを有意性を失わないサンプリング間隔で連続的に取り込んで、記憶することなく、振幅ピーク値が出現すると推定された時刻で待ち受けることによって、第２の超音波信号から必要とされる各波数位置での振幅ピーク値を取り込むことができ、しかも、超音波の振幅ピーク値が初期段階において線形状に立ち上がることを利用すれば、取り込んだわずかな振幅ピーク値群からなるデータによって気体中の超音波の伝播時間を正確に測定することができる。
【００３１】
しかも、気体中の超音波伝播時間を正確に測定することができると、その気体の流量と濃度を正確に測定することができる。このため、気体流量及び気体濃度も正確に測定することができ、気体流量及び気体濃度の測定装置、特に、医用の酸素濃縮装置に用いる気体流量及び気体濃度の測定装置として極めて有効に使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の超音波の伝播時間測定装置、気体流量の測定装置、及び気体濃度の測定装置の実施形態を例示した概略装置構成図である。この図１において、１は被測定気体が流れる測定管であって、この測定管の内部を測定対象の気体が所定の流速V[m/sec]で図示した矢印方向へ流れている。このとき、気体の流れ方向に沿って、あるいはこの流れ方向に対して傾斜して上流側と下流側とに、所定距離L[m]を隔てて超音波の送波器と受波器を兼ねる送受波器とが対向して配置されている。このとき、前記送受波器は、超音波振動子２と３をそれぞれ具備している。なお、以下の説明では、“送受波器”を“超音波振動子”で代表させて行うものとする。
【００３３】
一般に、超音波の発信は以下に述べるようにして行われる。すなわち、送受信切替手段４によって何れか一方の超音波振動子２又は３で超音波を発信して、他方の超音波振動子３又は２で超音波を受信できる状態に切り替えられる。そして、一方の超音波振動子２又は３に対して、例えばパルス発生回路などから複数個の矩形状パルス電圧を印加する励振手段５によってマイクロコンピュータ８の制御下で超音波振動子２又は３をその固有振動数に対応して正弦波状に交番振動させて、超音波が発信されるようにされている。このとき、他方の超音波振動子３又は２は超音波を受信できる状態にあるので、測定管１中を伝播してきた超音波を受信することができ、このようにして超音波は例えばアナログ電圧信号として検波され、必要に応じて適度に増幅されて信号処理に供される。
【００３４】
このようにして、気体の流れ方向に対して順方向と逆方向の双方向へ交互に送受信切替手段４によってマイクロコンピュータ８の制御の下で切り替えられて、超音波振動子２と３とによって超音波が交互に送受信される。ただし、このとき送受信される超音波には、第１の超音波と第２の超音波とがペアとして含まれており、これらの第１と第２の超音波は発信時と受信時に互いに干渉せずに波形が明確に区別できるようにするために、適当な時間間隔を置いて送受信されるように、マイクロコンピュータ８から供給されるタイミング信号によって、送受信切替手段４あるいは励振手段５などが制御されているのは言うまでもない。
【００３５】
このようにして、超音波振動子２と３によって超音波を交互に送受信することによって、超音波振動子２と３との間（距離L[m]）において、気体の流れに対して順逆双方向での超音波の伝搬時間を測定することができる。以下、この超音波の伝搬時間を測定する方法について、図２を参照しながら説明する。
【００３６】
この図２において、Ａ点は超音波振動子２又は３によって超音波の発信が開始される時刻であって、このＡ点から超音波の伝播時間の測定が開始される。また、Ｂ点は超音波振動子３又は２によって発信された超音波が最初に受信された時刻を示している。したがって、測定管１の上流側方向および下流側方向への超音波の伝搬時間をそれぞれ計測するためには、マイクロコンピュータ８の制御下で励振手段５を駆動して超音波振動子２又は３の励振を開始するするタイミング（時刻Ａ）に合わせて、超音波の伝播時間の計測を開始し、超音波振動子３又は２に超音波が最初に到達したタイミング（時刻Ｂ）を検出すればよい。そうすれば、気体の流れに対する順方向と逆方向とにおけるＡ点とＢ点との間での伝播時間T1とT2をそれぞれ算出することができる。
【００３７】
ところが、超音波が最初に到達した時刻（Ｂ点）を検出することは、S/Nの関係があって、受信信号に重畳するノイズによってＢ点が不明確となるため、容易ではない。その理由について、図３を参照しながら簡単に説明する。なお、図３は実際に受信された超音波信号の一例を示したものであって、横軸は時間[sec]、縦軸は受信した超音波信号の振幅を示す電圧[V]である。なお、図３（下図）は、図３（上図）の丸印で囲んだ要部を拡大表示したものである。この図３からも分かるように、受信した超音波信号にはノイズが含まれており、超音波信号の最初の到着時刻（Ｂ点）を判別して良好に検出することは困難である。このような点を考慮すると、超音波信号に重畳するノイズをできるだけ除去または低減するために、特開２０００−２５８２１３号公報に記載のような同調フィルターを設けることが好ましい。
【００３８】
一般に、超音波信号を発生する際に、超音波振動子２又は３は、既に述べたように、パルス発生回路から供給されるパルス群によって励振手段４によって励起されて正弦波状に交番振動し、この振動に応じた超音波が発信される。なお、この超音波の波形は、最初の駆動パルスによる振動に、第２、第３、第４波、第５波…の駆動パルスによる振動が重畳することによって、第１波よりも第２波、第３波、第４波、第５波…とそのピーク値が急激に高くなり、超音波振動子２又は３の特性に対応した最大のピーク値をとった後は、やがて減衰して行くような振動波形を示す。
【００３９】
このため、超音波の伝播時間を測定しようとすると、微小な信号からなる第１波の立ち上がり時刻（Ｂ点）を検出する必要があるが、既に述べたように、この第１波の立ち上がり時刻（Ｂ点）を検知するのは雑音（S/N）の関係もあってどうしても不正確となる。そこで、本発明は、この問題を解決する手段を提供することを一大特徴とするものであって、前記超音波信号の立ち上がり時刻（Ｂ点）を良好に検出する手段を提供することを特徴とする。以下、この本発明の特徴について、図４〜図７を参照しながら詳細に説明する。
【００４０】
本発明においては、発信された超音波の最初の受信時刻（到達時刻）を検出するために、所定の間隔をおいて発信された第１の超音波と第２の超音波とをペアとして用いる。このように、第１と第２の超音波をペアとして用いることにより、先ず、第１の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を計測し、ついで、計測したゼロクロス時刻を超音波の伝播時間を算出するための情報として活用し、この情報から第２の超音波を受信する時点で各波数位置における振幅ピーク値を計測して、超音波の伝播時間を算出するのである。
【００４１】
なお、ゼロクロス時刻を検出して超音波の伝播時間を測定することに関しては、特開平５−３４１９２号公報、特開平５−３４１９３号公報、特開平１１−５１７２６号公報などに開示されている通り、公知の手法であるが、本発明においては、このゼロクロス時刻検出が極めて重要な役割を果たすので、図４を参照して、ゼロクロス時刻検出を簡単に説明する。
【００４２】
従来、ゼロクロス時刻を検出する方法は各種提案されているが、最も簡便な方法は、ゼロクロス比較器を用いる方法である。なお、ゼロクロス比較器は入力信号（受信した超音波信号）の振幅電圧が基準電圧と比べて大きいか、小さいかを比較判断する回路であって、基準電圧０[V]に対して、入力電圧が正から負、あるいは負から正へとその極性が変化して、基準電圧０[V]を横切るたびにゼロクロス比較器の出力電圧を「ローレベル」信号から「ハイレベル」信号に変えるようにする。そして、このようにして得られた出力信号の「立ち上りエッジ（t1,t3）」と「立下りエッジ（t2,t4）」を検出して、これをゼロクロス時刻（t1,t2,t3,t4）とするものである。ここでは、基準電圧を０Ｖとして説明するが、例えば、基準電圧を仮想的なグランドとして取り扱うような場合には、０Ｖ以外の電圧を使用することができることは、言うまでも無い。
【００４３】
本発明においては、以上に述べたゼロクロス比較器をゼロクロス時刻検出手段７として用いてゼロクロス時刻を検出するのであるが、一般に、ゼロクロス比較器を使用してゼロクロス時刻を正確に検出するには、ゼロクロス時刻において受信した超音波信号が急激に変化すること（ゼロクロス時刻での単位時間あたりの電圧変化率をより大きくすること）が必要である。このためには、ゼロクロス比較器へ入力する信号を頻繁に変化させること、すなわち、周波数を高くすることが必要であるが、周波数は超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）の固有振動周波数で決まってしまう。したがって、受信する超音波信号を増幅して、できるだけ大きな振幅とすることが必要となるが、これは受信した超音波信号を増幅する増幅手段の性能によって左右されるし、ゼロクロス比較器に入力できる許容電圧にも左右される。そこで、以上に述べたような好ましい特性を有する超音波振動子を選定することが当然であることは言うまでもなく、以下に述べる説明においては、このような超音波振動子を使用することを前提とする。
【００４４】
以上に述べた事項を念頭に置いた上で、本発明におけるゼロクロス時刻の検出方法を図５に示した具体例に基づいて説明する。図５(a)は、超音波振動子２又は３から発信された超音波が超音波信号が超音波振動子３又は２によって受信された信号波形を例示したものであって、第１波、第２波、第３波、第４波、第５波とその振幅ピーク値が急激に大きくなり、特に、その立ち上がりの初期段階においてほぼ線形比例して立ち上がっていることを示した図である。なお、図５(b)はゼロクロス時刻検出手段７からの出力信号を示した図、そして、図５(c)は特定の波数位置を起点としてゼロクロス時刻検出手段７によって求めたゼロクロス時刻を示した図である。
【００４５】
ここで、図５(a)に示したように、発信された超音波信号を受信するまでは、ゼロクロス時刻検出手段７からの出力信号は、図５（ｂ）に示したように、雑音の影響を受けて実際の超音波信号から検出されるゼロクロス時刻とは無関係のゼロクロス時刻が無秩序に検出される。しかしながら、超音波信号が検出されると、図示したように適度に増幅された超音波信号は急激に正弦波状に交番振動するため、例え超音波信号に小さな雑音が重畳していても、ゼロクロス時刻を正確に検出することができる。
【００４６】
そこで、図５(a)に示すように、雑音の影響によってゼロクロス時刻検出手段７が不正確なゼロクロス時刻を検出することがなく、しかも、超音波信号が急激に変化する特定の波数位置を起点としてゼロクロス時刻を検出するようにする。そのために、振幅電圧が十分に大きくなり、しかも、雑音の影響を回避できるような雑音レベルよりも十分に大きな電圧レベルをトリガーレベルとして設定し、このような条件を満足する特定の波数位置を選定することが必要となる。このためには、波数位置検出手段６を設けて、受信した超音波信号の振幅値が前記トリガーレベルと交差した時点（トリガー検出時点）から、図５(c)に示したように、超音波信号のゼロクロス時刻の検出が開始されるようにする。そうすると、波数位置検出手段６によって特定された波数位置を起点として、これ以降に検出されたゼロクロス時刻は、雑音の影響を受けた仮のゼロクロス時刻ではなく、実際に受信した超音波信号に基づいたゼロクロス時刻であることが保証される。
【００４７】
以上に述べたようにして、波数位置検出手段６によるトリガー検出時点から以降にゼロクロス比較器から出力される出力信号が、超音波信号が基準電圧０[V]を横切る度に「ハイレベル」信号と「ローレベル」信号とに切り替わることを利用すれば、ゼロクロス時刻を正確に検出することができる。すなわち、前述のゼロクロス比較器からの出力信号において極性が変化する点、すなわち、ゼロクロス比較器からの出力信号の立ち上がり点（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）と立ち下がり点（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）をそれぞれ検出すれば、トリガー検出時点から以降の超音波信号のゼロクロス時刻を正確に検出することができる。しかしながら、トリガー検出時点を決定するトリガーレベルの電圧値については、注意深く選定する必要がある。何故ならば、このトリガーレベルが小さいと雑音による影響を大きく受けると共に、検出する超音波信号の波形振幅が小さくなって、基準電圧０[V]をクロスする際の単位時間当たりの変化量が小さくなって、ゼロクロス比較器が正常に作動しない確率が高くなるからである。
【００４８】
この点について、図６を参照しながら詳細に説明する。図６は、トリガーレベル電圧の高低によって、ゼロクロス時刻を検出する超音波信号の検出波が異なることを示したものであって、図６(a)はトリガーレベル電圧がVl [V]と低い場合、図６(b)はトリガーレベル電圧がVh [V]と高い場合をそれぞれ例示したものである。なお、図６(a)ではトリガーレベル電圧がVl [V]と低いために、超音波信号の第３波からゼロクロス時刻の検出を始めるのに対して、図６(b)ではトリガーレベル電圧がVh [V]と高いために、超音波信号の第５波からゼロクロス時刻の検出が始められる。
【００４９】
そうすると、当然のことながら、第３波の振幅は第５波の振幅よりも小さいため、基準電圧０[V]をクロスする際の速さ（単位時間当たりの変化量）が小さくなって、より緩慢に基準電圧０[V]をクロスすることとなる。そうすると、基準電圧０[V]をクロスする際に、第３波では雑音を取り込み易くなって、第５波と比較すると、どうしても雑音の影響を受けやすくなって、ゼロクロス時刻の検出が不正確となりやすい。したがって、できるだけ基準電圧０[V]と離れた閾値の高いトリガーレベル電圧を採用することが好ましいが、トリガーレベル電圧が基準電圧０[V]と大きく離れると、今度はゼロクロス時刻の検出を開始する波数位置が高番号波数側へとシフトしてしまう。そうすると、線形性が強く現われる低番号波数側のゼロクロス時刻を利用することが難しくなるという問題が生じる。したがって、本発明においては、トリガーレベル電圧の設定については、通常、第２波、第３波、第４波、第５波、第６波、第７波の何れかの波数位置で検出できるような電圧にすることが好ましく、特に好ましくは、第３波、第４波、第５波、第６波の何れかの波数位置で検出できるような電圧にすることである。
【００５０】
以上に述べたようにして、波数位置検出手段６とゼロクロス時刻検出手段７を使用することによって、ゼロクロス時刻(Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…)、あるいはゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）が求まると、各波数位置での振幅ピーク値を求めることができる。そこで、この点について、図７を参照しながら説明する。
【００５１】
ここで、前述のようにして検出されたゼロクロス時刻（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）、あるいはゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）において、Tu1-Tu2間、Tu2-Tu3間、Tu3-Tu4間、Tu4-Tu5間、…、あるいはTd1-Td2間、Td2-Td3間、Td3-Td4間、Td4-Td5間、…といった時間間隔は、超音波の１周期の時間間隔である。なお、通常この時間間隔は、超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）の中心周波数（固有振動数）によって決定される。例えば、中心周波数が40[KHz]の超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）を用いる場合における超音波の１周期分の時間は、1/40000[sec]＝25[μsec]となるはずである。
【００５２】
したがって、検出した各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）から前記超音波の1/4周期分だけ位相を進める（破線の有向線で示した部分）か、あるいは1/4周期分だけ位相を遅らせる（実線の有向線で示した部分）ようにする。そうすると、−1/4周期分だけ位相をずらした場合には、図７における第５波、第７波、第９波、第１１波、第１３波、…のピーク値を取る時刻を推定することができ、1/4周期分だけ位相をずらせた場合には第６波、第８波、第１０波、第１２波、第１４波、…のピーク値を取る時刻を推定することができる。また、検出した各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）から−5/4周期分だけ位相をずらすと、図７に示したように第３波から始まる各奇数波のピーク値を取る時刻を推定することができ、−3/4周期分だけ位相をずらすと、第４波から始まる各偶数波のピーク値を取る時刻を推定することができる。なお、詳細説明を省略するが、ゼロクロス時刻（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）の場合も上記ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）と同様の方法によってピーク値の出現時刻を推定することができる。
【００５３】
ただし、超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）が励振されて立ち上がる際においても、振動周期が不安定にならずに一定周期で変わらずに安定に振動するならば、その周期は常に超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）の中心周波数（固有振動数）によって決定されてしまう。したがって、このような場合には、受信した超音波信号から各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）を求める必要はない。
【００５４】
すなわち、この点について図７の例で説明すると、求められた何れか一つのゼロクロス時刻（例えば、ゼロクロス時刻Td1を考える）を基準時刻として、この基準時刻に対して、-7/4周期、-3/4)周期、1/4周期、5/4周期、9/4周期、13/4周期、…をそれぞれ加算すれば超音波信号の第２波、第４波、第６波、第８波、第１０波、第１２波、…における各ピーク値が出現する各時刻（実線で示した各有向線分を参照）を推定することができる。したがって、何れか一つのゼロクロス時刻を求めれば、全てのゼロクロス時刻を求めることができる。
【００５５】
同様にして、前記の基準時刻に対して、-9/4周期、-5/4周期、-1/4周期、3/4周期、7/4周期、11/4周期、…をそれぞれ加算すれば超音波信号の第１波、第３波、第５波、第７波、第９波、第１１波、第１３波、…における各ピーク値（点線で示した各有向線分を参照）が出現する各時刻を推定することができる。つまり、検出した少なくとも１つのゼロクロス時刻から超音波の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけゼロクロス時刻をずらすことによって、各波数位置での超音波信号の振幅ピーク値が出現する時刻を推定することができる。
【００５６】
以上に述べた振幅ピーク値の出現時刻の推定については、マイクロコンピュータ８に予め記憶されたプログラムに記載されたアルゴリズムにしたがって信号処理するピーク値出現時刻推定手段８０１を使用して実施することができる。
【００５７】
なお、図７の例では、第５波位置を検出するようにトリガーレベル電圧を設定した場合であるが、第３波、第４波、第５波（図７の例）、第６波、あるいは第７波を検出するようにトリガーレベル電圧を設定することができる。そして、設定したトリガーレベル電圧によって検出された特定の波数位置からゼロクロス時刻の検出を開始して、検出したゼロクロス時刻に基づいて、各波数位置を特定し、特定した各波数位置におけるピーク値の出現時刻を推定することができる。なお、言うまでもないが、図７の例では、奇数番号波位置の検出に正のトリガーレベル電圧を用い、偶数番号波位置の検出に負のトリガーレベル電圧を用いている。
【００５８】
このように、トリガーレベル電圧を調整することによって、超音波信号の特定の波数位置を特定することができるのは、超音波信号の振幅がその初期段階において線形状（直線状）に立ち上がるという特性を利用しているからである。何故ならば、線形状に立ち上がる超音波信号の連続する奇数番号波群あるいは、偶数番号波群からそれぞれ取り出した振幅ピーク値群からなる数列を１周期毎に時系列的に並べると等差数列となるからである。このため、その等差分のギャップを利用してトリガーレベル電圧値（閾値）を設定するように波数位置検出手段６を設定すれば、極めて明瞭に特定の波数位置を指定することができ、このようにして得られた特定の波数位置を起点として、ゼロクロス時刻の検出が可能となる。
【００５９】
次に、前述の何れかの方法を使用して、第１の超音波の受信信号に基づいて、ゼロクロス時刻を求め、各波数位置におけるピーク値の出現時刻を推定することができれば、次に、第２の超音波の受信信号に基づいて、実際の各波数位置の振幅ピーク値を求めることができる。本発明では、これを実行するために、前述のように、短時間の間隔をおいて連続して第１と第２の超音波信号を発信してこの信号を受信しているのである。このようにして、既に述べた方法によって第１の超音波信号の受信時にゼロクロス時刻の検出処理を行って各波数位置におけるピーク値の出現時刻を推定することができる。
【００６０】
そうすると、第１と第２の超音波が発信される時間間隔を短くすると、このような短時間の間では測定管１中を流れる気体の流量と濃度はほとんど変化せず、ほぼ同条件にある状態を現出することができる。したがって、この短時間の間に第２の超音波信号を受信して、第１の超音波信号から振幅ピークの出現時刻を推定することができたら、推定したピーク値の出現時刻から各波数位置における実際の振幅ピーク値を求めることが可能となる。すなわち、Ｎを０、±１、±２、±３、…からなる整数とし、更に、検出した少なくとも１つのゼロクロス時刻を基準時刻として、この基準時刻から超音波の（±1/4＋Ｎ）周期分の時刻だけゼロクロス時刻をずらすことによって、各波数位置での超音波信号の振幅ピーク値が出現する時刻をピーク値出現時刻推定手段８０１によって推定することができるのである。ただし、この場合には、設定したトリガーレベル電圧によって、ゼロレベル時刻を検出する位置が変わってくるので、トリガーレベル電圧の値に対応して整数Ｎの値を適当に選定し、実際に出現する波数位置に対応付ける必要がある。なお、このような対応付けは、波数位置が特定されれば、図７を参照して容易に実施することができるので、その詳細説明を省略するが、受信した超音波信号の第１波、第２波、第３波、…におけるピーク値が出現する時刻を推定することができるアルゴリズムを極めて容易に実現することができる。
【００６１】
このようにして、最終的に求めたピーク値群から第２の超音波信号が最初に超音波振動子に到着した時刻をマイクロコンピュータ８に記憶されたプログラムに記載されたアルゴリズムを実行可能な到達時刻演算手段８０２によって演算することで容易に求める。なお、このとき、到達時刻演算手段８０２は、超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）が励振されて発生する超音波信号の振幅ピーク値がその初期段階において図３に例示したようにほぼ線形比例して立ち上がることを利用していることはいうまでもない。
【００６２】
以下、到達時刻演算手段８０２による第２の超音波の最初の到着時刻の検出方法について詳細に説明する。このために、先ず、図７に例示したように、超音波信号の振幅が励振が開始された初期立ち上がり時においては、線形状に立ち上がるから、受信した超音波信号の奇数番号波の少なくとも３個の振幅ピーク値群、あるいは偶数番号波の少なくとも３個の振幅ピーク値群を最小２乗法などの数値解析法を採用して直線で近似する。なお、このとき、特に、受信した第２の超音波信号に含まれる第３波、第５波、第７波、第９波、第１１波、及び第１３波から少なくとも３つの奇数番号波群（特に、連続する３つの奇数番号波群が好ましい）を選択するか、あるいは第２波、第４波、第６波、第８波、第１０波、及び第１２波から少なくとも３つの偶数番号波群（特に、連続する３つの偶数番号波群が好ましい）を選択し、選択した奇数番号波群あるいは前記偶数番号波群におけるピーク値群と推定出現時刻群との間の関係を最小二乗法によって直線近似する方法を採用することが好ましい。何故ならば、図３に例示したように、第２の超音波信号は、励振の初期段階で強い線形性を示すが、それ以降は線形性を失ってしまうという性質を有するからである。
【００６３】
ただし、図７の例では、第５波、第７波、及び第９波の３つのピーク値から線形近似によって超音波信号の最初の到達時刻を検出する方法、あるいは第６波、第８波、及び第１０波の３つのピーク値から線形近似して超音波信号の最初の到達時刻を検出する方法を示している。しかしながら、超音波信号の最初の到達時刻を検出するために使用する各波数位置としては、このような例に限定されることはなく、第３波、第５波、及び第７波の３つのピーク値を使用しても、あるいは第２波、第４波、及び第６波の３つのピーク値を使用しても、あるいはこれ以外の線形を呈する組み合わせを使用しても良いことは言うまでもない。
【００６４】
なお、２つの奇数番号波あるいは２つの偶数番号波を用いても直線近似を行うことができる。しかしながら、近似する直線の精度を上げるためには、線形性を示すデータ群中から少なくとも３つのデータ群を使用して線形近似することが好ましい。何故ならば、使用するデータ数が少なくなると、測定データのばらつきによる精度低下の影響を受けやすくなるからである。ただし、特に連続する３つのデータ群を使用して線形近似する方法を採用すれば、測定データのばらつきによる近似する直線の精度の低下と、データ処理時間の短縮や簡便さとの間のバランスが良いため、特に好ましい。
【００６５】
このようにして、近似した直線を外挿補完して超音波信号の振幅が励振されて立ち上がる時刻（すなわち、前記近似直線が基準電圧０[V]と交差する時刻）を超音波信号の最初の到達時刻（最初の超音波の受信時刻）として検出することができる。そうすると、図２に示したように、気体の流れに対して順逆双方向において、超音波の発信時刻Ａ点から超音波の最初の到達時刻Ｂ点までの超音波の伝播時間T1とT2とを算出することができる。
【００６６】
以上に述べたようにして、超音波振動子２と３との間で、交互に少なくとも２回づつ第１と第２の超音波信号の送受信を繰り返すことによって、気体の流れに対して順方向と逆方向で超音波の伝播時間T1 とT2の測定が可能となると、V=L/2・(T2-T1)/(T1・T2)という式から、測定管１中を流れる気体の速度V[m/sec]を計算することができる。そうすると、測定管１の流路断面積A[m2]を気体の速度V[m/sec]に乗じることで、測定管１中を流れる気体の流量Q[m3/sec]を計測することができる。なお、このような気体の流量計測は、マイクロコンピュータ８に記憶されたプログラムに記載されたアルゴリズムによる気体流量演算手段８０３により実行される。
【００６７】
また、詳細説明を省略するが、測定管１を流れる対象気体の温度を温度測定手段によって測定すると共に、特開２００２−３０６６０３号公報、特開２００３−１３５６０１号公報、特開２００３−１３７５１０号公報などに記載されている方法を採用することによって、測定管１中を流れる気体の濃度、例えば、測定管１中に酸素富化空気が流れていれば、その酸素濃度を測定することができる。なお、このような気体の濃度計測は、マイクロコンピュータ８に記憶されたプログラムに記載されたアルゴリズムによる気体濃度演算手段８０４により実行される。
【００６８】
このとき、気体の流れがほぼ定常状態にあれば、前述の順方向と逆方向における超音波の伝播時間T1とT2を求めるのに際して、超音波振動子２と３との間で、交互に２回づつの第１と第２の超音波信号の送受信を繰り返すという操作を一括りとして、この一括り操作を例えば１秒間に１０回繰り返して、T1とT2をそれぞれ１０回測定し、これを平均するようにしてもよい。通常、９５％といった高濃度酸素を含有する医用の酸素富化空気では、その流量や酸素濃度に関しては医師の処方に基づいた値を維持するように供給されるために、その流れはほぼ定常状態に保たれていると考えられ、このような場合には、単位時間当たり（例えば１秒間当たり）の平均値でT1とT2を求めることが有効である。
【００６９】
以上に述べた本発明においては、超音波振動子２と３が例えば矩形波パルスによって正弦波状に交番励振されたときに、その振幅が初期段階において線形状に立ち上がることを利用して、超音波信号が到達したときの立ち上がり位置を検出するようにしている。この方法は、線形近似が使用できるために、超音波信号の到達時間の検出を容易かつ簡便にできるという極めて大きな特徴を有している。しかしながら、本発明はこのような方法に限定されることはない。何故ならば、本発明によってゼロクロス時刻から推定した振幅ピーク値の出現時刻の推定方法を使用することによって、各波数位置での振幅ピーク値群を測定することを可能としているからである。したがって、求めた振幅ピーク値群を使用する超音波振動子の励振時の振幅特性が非線形性を有していても、この非線形特性に合わせて、２次曲線、３次曲線、その他の曲線などの直線以外の曲線で最小２乗法などの数値解析法を使用して近似し、この曲線と時間軸の交点を外挿補完することで、基準電圧０[V]とが交差する時刻を超音波の最初の到達時刻とする方法を採用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、気体の流速、流量、濃度を測定するための方法とその装置として利用でき、特に医用の酸素濃縮装置に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の超音波の伝播時間測定装置、気体流量の測定装置、及び気体濃度の測定装置の実施形態を例示した概略装置構成図である。
【図２】超音波の伝搬時間を測定する方法を模式的に示した説明図である。
【図３】実際に受信された超音波信号の一例を示した受信信号の波形図である。
【図４】ゼロクロス時刻の検出方法を模式的に例示した説明図である。
【図５】受信した超音波信号からゼロクロス時刻を検出する方法を例示した説明図である。
【図６】ゼロクロス時刻の検出を開始する波数位置を検出する方法を示した説明図である。
【図７】ゼロクロス時刻から得られた各波数位置での振幅ピーク値群から超音波の最初の到達時刻を計測する方法を例示した説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 測定管
２ 超音波振動子
３ 超音波振動子
４ 送受信切替手段
５ 励振手段
６ 波数位置検出手段
７ ゼロクロス時刻検出手段
８ マイクロコンピュ−タ
９ 記憶手段
１０ 温度測定手段
８０１ ピーク値出現時刻推定手段
８０２ 到達時刻演算手段
８０３ 気体流量演算手段
８０４ 気体濃度演算手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象気体の流れ方向に対して順逆の双方向に伝播する超音波の伝播時間をそれぞれ測定し、これを利用して流路内を流れる対象気体の流速を算出し、算出した流速に基づいて気体流量と気体濃度とを測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、酸素ガス分子よりも窒素ガス分子を選択的に吸着するゼオライトなどの吸着剤を使用して、原料空気中から窒素ガスを選択的に除去して、例えば、酸素濃度が９５％といった酸素富化空気を製造して、これを呼吸系疾患に苦しむ患者に供給することが行われるようになってきた。
【０００３】
このような場合において、呼吸系疾患をもつ患者には、医師によって処方された酸素濃度と流量を有する酸素富化空気を供給する必要がある。このために、酸素濃縮器から供給される酸素富化空気の酸素濃度と流量を計測して、設定された値に維持制御しながら患者に供給することが要求される。そこで、前述の目的を達成するために、酸素富化空気中の酸素濃度や流量を正確かつ同時に測定することができる超音波式の流量測定装置と濃度測定装置とを兼ねる超音波式流量・濃度測定装置が注目されるようになってきた。なお、このような超音波式流量・濃度測定装置は、特開平６−２１３８７７号公報、特開平７−２０９２６５号公報、特開平８−２３３７１８号公報などに記載のように周知である。
【０００４】
この超音波を用いた気体の流量と濃度の測定は、気体の流れ方向、あるいはこの流れ方向に対して傾斜して順方向と逆方向とで流路内を流れる気体の伝播時間をそれぞれ測定して、測定した伝播時間から流速を算出することによって行われる。なお、このような流速の測定装置の具体構成例としては、気体の流れ方向に沿って上流側と下流側とに、所定距離Ｌ［ｍ］を隔てて超音波の送波器と受波器を兼ねる送受波器（超音波振動子からなる発信素子と受信素子を具備）を気体の流路内に配置する。そして、この超音波発信素子をパルス発生回路からの駆動パルスによって振動駆動させて超音波を発生させ、発生させた超音波を送信する。次いで、送信されてきた超音波を超音波受信素子によって受信して増幅回路によって増幅して電気信号として出力する構成とされている。
【０００５】
そこで、上流側送受波器から気体の流れに対して順方向に送信された超音波が下流側送受波器で受波されるまでの伝搬時間T１[sec]と、下流側送受波器から気体の流れに対して逆方向に送信された超音波が上流側送受波器で受波されるまでの伝搬時間T２[sec]を測定することができる。このようにして、それぞれの伝搬時間が求められると、気体の流速Ｖ［m/sec］をV=L/2・(T2-T1)/(T1・T2)という式から求めることができる。
【０００６】
そして、以上に述べたようにして、気体の流速V[m/sec]を測定することができると、配管の内面積A[m2]を乗じることで、気体の流量Q[m3/sec]を容易に求めることができる。また、気体のガス濃度の測定に関しては、医用の酸素濃縮器において酸素富化空気中に酸素濃度を測定する方法とそのための装置が、特開２００２−３０６６０３号公報、特開２００３−１３５６０１号公報、特開２００３−１３７５１０号公報などに記載されているのでその詳細説明を省略するが、その概略としては下記のようにして測定することができる。
【０００７】
すなわち、超音波が気体中を伝播する速度Cは、その気体の温度T及び濃度Dによって変化することが知られており、このときの気体の濃度DはCとTとの関数であって、「D=f(C,T)」と表すことができる（特開平２−１９８３５７号公報など参照）。したがって、気体の温度Tと気体中を伝わる超音波の伝播速度Cとを計測すれば、気体の濃度Dを測定することができる。例えば、気体の平均分子量をM、温度をT[゜K]とすれば、気体の平均分子量Mは、気体の濃度Dとの間で特定の関数によって記述することができ、これによって、気体の濃度Dを求めることができる。
【０００８】
具体的には、気体中の超音波伝播速度C[m/sec]は、k、Rは定数（k：定積モル比熱と定圧モル比熱の比、Ｒ：気体定数）とすると、これらの関係は、C＝√（kRT/M）という式で表されることが知られている。なお、前記式において、記号√は、平方根を表す。
【０００９】
そこで、気体中の超音波伝播速度C[m/sec]と気体の温度T[K]とが測定できれば、気体の平均分子量Mを決定できる。例えば、気体の組成が酸素分子と窒素分子からなる２分子系ガスであれば、k＝１．４となることが知られており、その平均分子量Mは、酸素の分子量を３２、窒素の分子量を２８として、例えば酸素：100×D［%］（0≦D≦1）と窒素：100×（1−D）[%]の場合においては、M＝32D＋28（1−D）と記述することができ、測定された平均分子量Mから酸素濃度Dを決定できる。
【００１０】
このような公知の超音波式流量・濃度測定装置を使用して、前述の酸素富化空気の酸素濃度と流量とを正確に測定するためには、超音波が流管を流れる気体中を伝播する時間を正確に測定することが要求される。
【００１１】
ところが、超音波の伝播時間を正確に測定しようとすると、受信した微小な信号から超音波の立ち上がりを検出する必要があるが、この超音波の立ち上がりを検知するのはS/Nの関係もあってどうしても不正確となる。このため、超音波の正確な伝播時間を測定することができず、不正確な伝播時間を検出してしまうという問題がある。
【００１２】
このような問題に対しては、例えば、特開昭６０−１３８４２２号公報において、受信波形の包絡線波形から算出された近似式に基づいて包絡線波形の立ち上がり時間を検出し、真の超音波伝播時間とする方法が提案されている。しかしながら、包絡線波形から超音波伝播時間を推定する方法においては、包絡線波形を得るために受信波形をサンプリングするためのハ−ドウェアを必要とし、また、包絡線を計算するために複雑な信号処理を必要とするため、安価で小型の装置を提供することが困難である。
【００１３】
以上に述べたような問題の他に、一般に超音波の伝播時間の測定を正確にしようとすると、超音波の発信に使用する超音波送信素子は、周波数精度の良い水晶振動子を基準クロック発生器として用いる必要がある。ところが、周波数精度の良い水晶振動子を用いると、電源を入れてから水晶発振が安定するまでに時間がかかるため、安定化のために要する余裕の時間が長くなってしまう。そこで、発振安定までの時間が短いセラミック振動子が使われるが、セラミック振動子は周波数安定度が低く、経年変化によって発振周波数が次第に変化して、到達時間の測定誤差となり、結果的に超音波の伝播時間計測の誤差となる。また基準クロックの周波数の変化が更に進行して、基準クロックの偏差が更に大きくなると発振停止を含む測定不能に陥る可能性もある。
【００１４】
【特許文献１】特開平２−１９８３５７号公報
【特許文献２】特開平６−２１３８７７号公報
【特許文献３】特開平７−２０９２６５号公報
【特許文献４】特開平８−２３３７１８号公報
【特許文献５】特開平９−３１８６４４号公報
【特許文献６】特開昭６０−１３８４２２号公報
【特許文献７】特開２００２−３０６６０３号公報
【特許文献８】特開２００３−１３５６０１号公報
【特許文献９】特開２００３−１３７５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、以上に述べた従来技術が有する諸問題を解決して、簡単な装置構成でありながら、測定管を流れる気体中を超音波が伝播する時間を簡単かつ正確に測定することができ、しかも、気体の流量と濃度とを測定できる超音波の伝播時間測定方法と測定装置、並びにこれを用いた気体流量及び気体濃度の測定装置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】
【００１６】
本発明者は、前記目的を達成するために鋭意研究した結果、気体の流れる測定管中の上流と下流とに、対向させて配置した２つの超音波振動子から交互に超音波を送受信するのに際して、発信された超音波の最初の到達時刻を測定するに当たって、受信する超音波信号の波形はその初期段階において線形状に立ち上がることを知見するに至った。そして、この知見を活かせば、発信された超音波の最初の到達時刻を容易に測定することができるのではないかと着想し、この着想を具現化するためには。互いに送受信する超音波を第１の超音波と第２の超音波のペアで構成することで、容易に気体中の超音波の伝播時間を正確に計測することができることができることを究明するに及んで、終に本発明を完成するに至ったものである。
【００１７】
ここに、請求項１に記載の本発明の「超音波の伝播時間測定方法」として、「測定対象である気体の流れ方向あるいはこの流れ方向に対して傾斜して、測定管の上流と下流に所定の距離をおいて互いに対向して一対の超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子を励振させて超音波を発信し他方の超音波振動子で超音波を受信することによって、気体の流れに対する順逆双方向の超音波の各伝播時間を測定する方法において、前記一対の超音波振動子に対して所定の時間間隔を置いて第１の超音波と第２の超音波からなる少なくとも２回の超音波を気体の流れに沿った順方向と逆方向とに交互に送信し、第１の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出して超音波の各波数位置での超音波振幅のピーク値の各出現時刻を推定し、引き続いて送信された第２の超音波を受信する際に推定した各出現時刻で待ち受けて各推定出現時刻におけるピーク値を計測し、計測した正のピーク値群又は負のピーク値群に対して最も当てはまるピーク値と時間の関数である直線又は曲線を算出し、算出した関数が時間軸と交差する点を超音波信号の到達開始時刻として求めることにより超音波の伝播時間を算出することを特徴とする超音波の伝播時間測定方法」が提供される。
【００１８】
このとき、本発明は、請求項２に記載のように、「第１の超音波の受信信号中において第３波位置〜第７波位置の何れかの波数位置を検出し、検出した波数位置からゼロクロス時刻の検出を始めることを特徴とする、請求項１に記載の超音波の伝播時間測定方法」とすることが好ましい。
【００１９】
また、請求項３に記載のように、「検出した少なくとも１つのゼロクロス時刻から超音波の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけゼロクロス時刻をずらすことによって、各波数位置での超音波信号の振幅ピーク値が出現する時刻を推定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波の伝播時間測定方法」とすることが好ましい。
【００２０】
また、請求項４に記載のように、「受信した第２の超音波信号に含まれる第３波、第５波、第７波、第９波、第１１波、及び第１３波から少なくとも３つの奇数番号波群を選択するか、あるいは第２波、第４波、第６波、第８波、第１０波、及び第１２波から少なくとも３つの偶数番号波群を選択し、選択した奇数番号波群あるいは前記偶数番号波群におけるピーク値群と推定出現時刻群との間の関係を最小二乗法によって直線近似し、近似直線が時間軸と交差する点を超音波の最初の到達時刻として算出することを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法」とすることが好ましい。
【００２１】
また、請求項５に記載のように、「気体の流れ方向に対して順逆双方向における請求項１〜４の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法によって測定した超音波の伝播時間から前記測定管中を流れる気体の流速[m/sec]を算出し、測定管の流路断面積[m2]を乗じて前記測定管を流れる気体の流量を測定する気体流量の測定方法」とすることが好ましい。
【００２２】
さらに、請求項６に記載のように、「気体の流れ方向に対して順逆双方向における請求項１〜４の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法によって測定した超音波の伝播時間から測定対象である気体中の超音波の伝播速度を算出すると共に対象気体の温度を測定し、気体濃度、超音波の電波速度、気体温度、及び測定対象の気体の種類などによって決まる補正係数との間に成立する関数から前記測定管を流れる気体の濃度を測定する気体濃度の測定方法」とすることが好ましい。
【００２３】
そして、請求項７に記載のように、「請求項６に記載の気体濃度の測定方法を医用の酸素濃縮装置に使用することを特徴とする気体濃度の測定方法」とすることが好ましい。
【００２４】
次に、請求項８に記載の本発明の「超音波の伝播時間測定装置」として、「測定対象である気体がその中を流れる測定管と、該測定管の上流と下流とに所定の距離をおいて互いに対向して設けられた一対の超音波振動子と、該一対の超音波振動子を所定の時間間隔で励振させて超音波を発信させる励振手段と、該励振手段によって何れか一方の超音波振動子から第１の超音波と第２の超音波の発信が行われると他方の超音波振動子からの超音波の発信へと交互に切り替える送受信切替手段と、該第一の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出するゼロクロス時刻検出手段と、該ゼロクロス時刻検出手段によって検出されたゼロクロス時刻から超音波信号の各波数位置における超音波振幅のピーク値が出現するピーク値出現時刻推定手段と、該ピーク値出現時刻推定手段によって推定された各ピーク値の出現時刻において前記第２の超音波を待ち受けて各推定ピーク値を取り込む推定ピーク値取込手段と、該推定ピーク値取込手段によって取り込んだ推定ピーク値群を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された推定ピーク値群から超音波の到達開始時刻を算出する到達時刻演算手段とを少なくとも備えた超音波の伝播時間測定装置」が提供される。
【００２５】
このとき、本発明は請求項９に記載のように、「受信した超音波信号の振幅値が予め設定されたトリガーレベル値を超えたことを検知してゼロクロス時刻検出手段によるゼロクロス時刻検出を開始する波数位置を検知する波数位置検出手段を備えた、請求項８に記載の超音波の伝播時間測定装置」とすることが好ましい。
【００２６】
また、請求項１０に記載の発明のように、「前記ゼロクロス時刻検出手段が、受信した超音波信号の振幅値の極性が「負値」から「正値」へ変化する際に振幅ゼロ値を横切る各ゼロクロス時刻（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）、あるいは受信した超音波信号の振幅値の極性が「正値」から「負値」へ変化する際に振幅ゼロ値を横切る各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）を検出する手段である、請求項８又は９に記載の超音波の伝播時間測定装置」とすることが好ましい。
【００２７】
そして、請求項１１に記載のように、「前記ピーク値出現時刻推定手段が、前記ゼロクロス時刻検出手段によって検出された少なくとも１つのゼロクロス時刻を基準時間として、該基準時間から超音波信号の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけ時間を進める方向へ時刻をシフトさせる手段である、請求項８〜１０の何れかに記載の超音波の伝播時間測定装置」とすることが好ましい。
【００２８】
なお、前記請求項１〜１０に記載の超音波の伝播時間測定方法又は測定装置を用いると共に、測定された超音波の伝播時間に基づいて算出された前記測定管中を流れる気体の流速、前記測定管の流路断面積などから気体流量を演算する気体流量演算手段を備えることによって、測定対象となる気体流量の測定装置を提供することができる。
【００２９】
さらに、前記測定管中を流れる気体の温度を測定する温度測定手段を備えると共に、請求項１〜１０に記載の超音波の伝播時間測定方法又は測定装置を用いて、測定された超音波の伝播時間に基づいて測定対象の気体中を伝播する超音波の伝播速度を算出して気体濃度、気体温度、超音波の伝播速度、及び測定対象の気体の種類などによって決まる補正係数によって決定される関数から気体濃度を演算する気体濃度演算手段を備えることによって、測定対象となる気体濃度の測定装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の超音波の伝播時間測定方法と測定装置では、気体の流れる測定管中の上流と下流とに、対向させて配置した２つの超音波振動子から交互に超音波を送受信するのに際して、第１の超音波と第２の超音波とをペアとして用いる。そして、第１の超音波を時系列的に検波した受信信号の正弦波状の交番振動波形から、その振幅値がゼロになるゼロクロス時刻を検出して、次に送信される第２の超音波の受信信号中の各波数位置での振幅ピーク値が出現する時刻を推定することができる。そうすると、送信されてくる大量の超音波振幅データを有意性を失わないサンプリング間隔で連続的に取り込んで、記憶することなく、振幅ピーク値が出現すると推定された時刻で待ち受けることによって、第２の超音波信号から必要とされる各波数位置での振幅ピーク値を取り込むことができ、しかも、超音波の振幅ピーク値が初期段階において線形状に立ち上がることを利用すれば、取り込んだわずかな振幅ピーク値群からなるデータによって気体中の超音波の伝播時間を正確に測定することができる。
【００３１】
しかも、気体中の超音波伝播時間を正確に測定することができると、その気体の流量と濃度を正確に測定することができる。このため、気体流量及び気体濃度も正確に測定することができ、気体流量及び気体濃度の測定装置、特に、医用の酸素濃縮装置に用いる気体流量及び気体濃度の測定装置として極めて有効に使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の超音波の伝播時間測定装置、気体流量の測定装置、及び気体濃度の測定装置の実施形態を例示した概略装置構成図である。この図１において、１は被測定気体が流れる測定管であって、この測定管の内部を測定対象の気体が所定の流速V[m/sec]で図示した矢印方向へ流れている。このとき、気体の流れ方向に沿って、あるいはこの流れ方向に対して傾斜して上流側と下流側とに、所定距離L[m]を隔てて超音波の送波器と受波器を兼ねる送受波器とが対向して配置されている。このとき、前記送受波器は、超音波振動子２と３をそれぞれ具備している。なお、以下の説明では、“送受波器”を“超音波振動子”で代表させて行うものとする。
【００３３】
一般に、超音波の発信は以下に述べるようにして行われる。すなわち、送受信切替手段４によって何れか一方の超音波振動子２又は３で超音波を発信して、他方の超音波振動子３又は２で超音波を受信できる状態に切り替えられる。そして、一方の超音波振動子２又は３に対して、例えばパルス発生回路などから複数個の矩形状パルス電圧を印加する励振手段５によってマイクロコンピュータ８の制御下で超音波振動子２又は３をその固有振動数に対応して正弦波状に交番振動させて、超音波が発信されるようにされている。このとき、他方の超音波振動子３又は２は超音波を受信できる状態にあるので、測定管１中を伝播してきた超音波を受信することができ、このようにして超音波は例えばアナログ電圧信号として検波され、必要に応じて適度に増幅されて信号処理に供される。
【００３４】
このようにして、気体の流れ方向に対して順方向と逆方向の双方向へ交互に送受信切替手段４によってマイクロコンピュータ８の制御の下で切り替えられて、超音波振動子２と３とによって超音波が交互に送受信される。ただし、このとき送受信される超音波には、第１の超音波と第２の超音波とがペアとして含まれており、これらの第１と第２の超音波は発信時と受信時に互いに干渉せずに波形が明確に区別できるようにするために、適当な時間間隔を置いて送受信されるように、マイクロコンピュータ８から供給されるタイミング信号によって、送受信切替手段４あるいは励振手段５などが制御されているのは言うまでもない。
【００３５】
このようにして、超音波振動子２と３によって超音波を交互に送受信することによって、超音波振動子２と３との間（距離L[m]）において、気体の流れに対して順逆双方向での超音波の伝搬時間を測定することができる。以下、この超音波の伝搬時間を測定する方法について、図２を参照しながら説明する。
【００３６】
この図２において、Ａ点は超音波振動子２又は３によって超音波の発信が開始される時刻であって、このＡ点から超音波の伝播時間の測定が開始される。また、Ｂ点は超音波振動子３又は２によって発信された超音波が最初に受信された時刻を示している。したがって、測定管１の上流側方向および下流側方向への超音波の伝搬時間をそれぞれ計測するためには、マイクロコンピュータ８の制御下で励振手段５を駆動して超音波振動子２又は３の励振を開始するするタイミング（時刻Ａ）に合わせて、超音波の伝播時間の計測を開始し、超音波振動子３又は２に超音波が最初に到達したタイミング（時刻Ｂ）を検出すればよい。そうすれば、気体の流れに対する順方向と逆方向とにおけるＡ点とＢ点との間での伝播時間T1とT2をそれぞれ算出することができる。
【００３７】
ところが、超音波が最初に到達した時刻（Ｂ点）を検出することは、S/Nの関係があって、受信信号に重畳するノイズによってＢ点が不明確となるため、容易ではない。その理由について、図３を参照しながら簡単に説明する。なお、図３は実際に受信された超音波信号の一例を示したものであって、横軸は時間[sec]、縦軸は受信した超音波信号の振幅を示す電圧[V]である。なお、図３（下図）は、図３（上図）の丸印で囲んだ要部を拡大表示したものである。この図３からも分かるように、受信した超音波信号にはノイズが含まれており、超音波信号の最初の到着時刻（Ｂ点）を判別して良好に検出することは困難である。このような点を考慮すると、超音波信号に重畳するノイズをできるだけ除去または低減するために、特開２０００−２５８２１３号公報に記載のような同調フィルターを設けることが好ましい。
【００３８】
一般に、超音波信号を発生する際に、超音波振動子２又は３は、既に述べたように、パルス発生回路から供給されるパルス群によって励振手段４によって励起されて正弦波状に交番振動し、この振動に応じた超音波が発信される。なお、この超音波の波形は、最初の駆動パルスによる振動に、第２、第３、第４波、第５波…の駆動パルスによる振動が重畳することによって、第１波よりも第２波、第３波、第４波、第５波…とそのピーク値が急激に高くなり、超音波振動子２又は３の特性に対応した最大のピーク値をとった後は、やがて減衰して行くような振動波形を示す。
【００３９】
このため、超音波の伝播時間を測定しようとすると、微小な信号からなる第１波の立ち上がり時刻（Ｂ点）を検出する必要があるが、既に述べたように、この第１波の立ち上がり時刻（Ｂ点）を検知するのは雑音（S/N）の関係もあってどうしても不正確となる。そこで、本発明は、この問題を解決する手段を提供することを一大特徴とするものであって、前記超音波信号の立ち上がり時刻（Ｂ点）を良好に検出する手段を提供することを特徴とする。以下、この本発明の特徴について、図４〜図７を参照しながら詳細に説明する。
【００４０】
本発明においては、発信された超音波の最初の受信時刻（到達時刻）を検出するために、所定の間隔をおいて発信された第１の超音波と第２の超音波とをペアとして用いる。このように、第１と第２の超音波をペアとして用いることにより、先ず、第１の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を計測し、ついで、計測したゼロクロス時刻を超音波の伝播時間を算出するための情報として活用し、この情報から第２の超音波を受信する時点で各波数位置における振幅ピーク値を計測して、超音波の伝播時間を算出するのである。
【００４１】
なお、ゼロクロス時刻を検出して超音波の伝播時間を測定することに関しては、特開平５−３４１９２号公報、特開平５−３４１９３号公報、特開平１１−５１７２６号公報などに開示されている通り、公知の手法であるが、本発明においては、このゼロクロス時刻検出が極めて重要な役割を果たすので、図４を参照して、ゼロクロス時刻検出を簡単に説明する。
【００４２】
従来、ゼロクロス時刻を検出する方法は各種提案されているが、最も簡便な方法は、ゼロクロス比較器を用いる方法である。なお、ゼロクロス比較器は入力信号（受信した超音波信号）の振幅電圧が基準電圧と比べて大きいか、小さいかを比較判断する回路であって、基準電圧０[V]に対して、入力電圧が正から負、あるいは負から正へとその極性が変化して、基準電圧０[V]を横切るたびにゼロクロス比較器の出力電圧を「ローレベル」信号から「ハイレベル」信号に変えるようにする。そして、このようにして得られた出力信号の「立ち上りエッジ（t1,t3）」と「立下りエッジ（t2,t4）」を検出して、これをゼロクロス時刻（t1,t2,t3,t4）とするものである。ここでは、基準電圧を０Ｖとして説明するが、例えば、基準電圧を仮想的なグランドとして取り扱うような場合には、０Ｖ以外の電圧を使用することができることは、言うまでも無い。
【００４３】
本発明においては、以上に述べたゼロクロス比較器をゼロクロス時刻検出手段７として用いてゼロクロス時刻を検出するのであるが、一般に、ゼロクロス比較器を使用してゼロクロス時刻を正確に検出するには、ゼロクロス時刻において受信した超音波信号が急激に変化すること（ゼロクロス時刻での単位時間あたりの電圧変化率をより大きくすること）が必要である。このためには、ゼロクロス比較器へ入力する信号を頻繁に変化させること、すなわち、周波数を高くすることが必要であるが、周波数は超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）の固有振動周波数で決まってしまう。したがって、受信する超音波信号を増幅して、できるだけ大きな振幅とすることが必要となるが、これは受信した超音波信号を増幅する増幅手段の性能によって左右されるし、ゼロクロス比較器に入力できる許容電圧にも左右される。そこで、以上に述べたような好ましい特性を有する超音波振動子を選定することが当然であることは言うまでもなく、以下に述べる説明においては、このような超音波振動子を使用することを前提とする。
【００４４】
以上に述べた事項を念頭に置いた上で、本発明におけるゼロクロス時刻の検出方法を図５に示した具体例に基づいて説明する。図５(a)は、超音波振動子２又は３から発信された超音波が超音波信号が超音波振動子３又は２によって受信された信号波形を例示したものであって、第１波、第２波、第３波、第４波、第５波とその振幅ピーク値が急激に大きくなり、特に、その立ち上がりの初期段階においてほぼ線形比例して立ち上がっていることを示した図である。なお、図５(b)はゼロクロス時刻検出手段７からの出力信号を示した図、そして、図５(c)は特定の波数位置を起点としてゼロクロス時刻検出手段７によって求めたゼロクロス時刻を示した図である。
【００４５】
ここで、図５(a)に示したように、発信された超音波信号を受信するまでは、ゼロクロス時刻検出手段７からの出力信号は、図５（ｂ）に示したように、雑音の影響を受けて実際の超音波信号から検出されるゼロクロス時刻とは無関係のゼロクロス時刻が無秩序に検出される。しかしながら、超音波信号が検出されると、図示したように適度に増幅された超音波信号は急激に正弦波状に交番振動するため、例え超音波信号に小さな雑音が重畳していても、ゼロクロス時刻を正確に検出することができる。
【００４６】
そこで、図５(a)に示すように、雑音の影響によってゼロクロス時刻検出手段７が不正確なゼロクロス時刻を検出することがなく、しかも、超音波信号が急激に変化する特定の波数位置を起点としてゼロクロス時刻を検出するようにする。そのために、振幅電圧が十分に大きくなり、しかも、雑音の影響を回避できるような雑音レベルよりも十分に大きな電圧レベルをトリガーレベルとして設定し、このような条件を満足する特定の波数位置を選定することが必要となる。このためには、波数位置検出手段６を設けて、受信した超音波信号の振幅値が前記トリガーレベルと交差した時点（トリガー検出時点）から、図５(c)に示したように、超音波信号のゼロクロス時刻の検出が開始されるようにする。そうすると、波数位置検出手段６によって特定された波数位置を起点として、これ以降に検出されたゼロクロス時刻は、雑音の影響を受けた仮のゼロクロス時刻ではなく、実際に受信した超音波信号に基づいたゼロクロス時刻であることが保証される。
【００４７】
以上に述べたようにして、波数位置検出手段６によるトリガー検出時点から以降にゼロクロス比較器から出力される出力信号が、超音波信号が基準電圧０[V]を横切る度に「ハイレベル」信号と「ローレベル」信号とに切り替わることを利用すれば、ゼロクロス時刻を正確に検出することができる。すなわち、前述のゼロクロス比較器からの出力信号において極性が変化する点、すなわち、ゼロクロス比較器からの出力信号の立ち上がり点（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）と立ち下がり点（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）をそれぞれ検出すれば、トリガー検出時点から以降の超音波信号のゼロクロス時刻を正確に検出することができる。しかしながら、トリガー検出時点を決定するトリガーレベルの電圧値については、注意深く選定する必要がある。何故ならば、このトリガーレベルが小さいと雑音による影響を大きく受けると共に、検出する超音波信号の波形振幅が小さくなって、基準電圧０[V]をクロスする際の単位時間当たりの変化量が小さくなって、ゼロクロス比較器が正常に作動しない確率が高くなるからである。
【００４８】
この点について、図６を参照しながら詳細に説明する。図６は、トリガーレベル電圧の高低によって、ゼロクロス時刻を検出する超音波信号の検出波が異なることを示したものであって、図６(a)はトリガーレベル電圧がVl [V]と低い場合、図６(b)はトリガーレベル電圧がVh [V]と高い場合をそれぞれ例示したものである。なお、図６(a)ではトリガーレベル電圧がVl [V]と低いために、超音波信号の第３波からゼロクロス時刻の検出を始めるのに対して、図６(b)ではトリガーレベル電圧がVh [V]と高いために、超音波信号の第５波からゼロクロス時刻の検出が始められる。
【００４９】
そうすると、当然のことながら、第３波の振幅は第５波の振幅よりも小さいため、基準電圧０[V]をクロスする際の速さ（単位時間当たりの変化量）が小さくなって、より緩慢に基準電圧０[V]をクロスすることとなる。そうすると、基準電圧０[V]をクロスする際に、第３波では雑音を取り込み易くなって、第５波と比較すると、どうしても雑音の影響を受けやすくなって、ゼロクロス時刻の検出が不正確となりやすい。したがって、できるだけ基準電圧０[V]と離れた閾値の高いトリガーレベル電圧を採用することが好ましいが、トリガーレベル電圧が基準電圧０[V]と大きく離れると、今度はゼロクロス時刻の検出を開始する波数位置が高番号波数側へとシフトしてしまう。そうすると、線形性が強く現われる低番号波数側のゼロクロス時刻を利用することが難しくなるという問題が生じる。したがって、本発明においては、トリガーレベル電圧の設定については、通常、第２波、第３波、第４波、第５波、第６波、第７波の何れかの波数位置で検出できるような電圧にすることが好ましく、特に好ましくは、第３波、第４波、第５波、第６波の何れかの波数位置で検出できるような電圧にすることである。
【００５０】
以上に述べたようにして、波数位置検出手段６とゼロクロス時刻検出手段７を使用することによって、ゼロクロス時刻(Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…)、あるいはゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）が求まると、各波数位置での振幅ピーク値を求めることができる。そこで、この点について、図７を参照しながら説明する。
【００５１】
ここで、前述のようにして検出されたゼロクロス時刻（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）、あるいはゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）において、Tu1-Tu2間、Tu2-Tu3間、Tu3-Tu4間、Tu4-Tu5間、…、あるいはTd1-Td2間、Td2-Td3間、Td3-Td4間、Td4-Td5間、…といった時間間隔は、超音波の１周期の時間間隔である。なお、通常この時間間隔は、超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）の中心周波数（固有振動数）によって決定される。例えば、中心周波数が40[KHz]の超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）を用いる場合における超音波の１周期分の時間は、1/40000[sec]＝25[μsec]となるはずである。
【００５２】
したがって、検出した各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）から前記超音波の1/4周期分だけ位相を進める（破線の有向線で示した部分）か、あるいは1/4周期分だけ位相を遅らせる（実線の有向線で示した部分）ようにする。そうすると、−1/4周期分だけ位相をずらした場合には、図７における第５波、第７波、第９波、第１１波、第１３波、…のピーク値を取る時刻を推定することができ、1/4周期分だけ位相をずらせた場合には第６波、第８波、第１０波、第１２波、第１４波、…のピーク値を取る時刻を推定することができる。また、検出した各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）から−5/4周期分だけ位相をずらすと、図７に示したように第３波から始まる各奇数波のピーク値を取る時刻を推定することができ、−3/4周期分だけ位相をずらすと、第４波から始まる各偶数波のピーク値を取る時刻を推定することができる。なお、詳細説明を省略するが、ゼロクロス時刻（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）の場合も上記ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）と同様の方法によってピーク値の出現時刻を推定することができる。
【００５３】
ただし、超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）が励振されて立ち上がる際においても、振動周期が不安定にならずに一定周期で変わらずに安定に振動するならば、その周期は常に超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）の中心周波数（固有振動数）によって決定されてしまう。したがって、このような場合には、受信した超音波信号から各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）を求める必要はない。
【００５４】
すなわち、この点について図７の例で説明すると、求められた何れか一つのゼロクロス時刻（例えば、ゼロクロス時刻Td1を考える）を基準時刻として、この基準時刻に対して、-7/4周期、-3/4)周期、1/4周期、5/4周期、9/4周期、13/4周期、…をそれぞれ加算すれば超音波信号の第２波、第４波、第６波、第８波、第１０波、第１２波、…における各ピーク値が出現する各時刻（実線で示した各有向線分を参照）を推定することができる。したがって、何れか一つのゼロクロス時刻を求めれば、全てのゼロクロス時刻を求めることができる。
【００５５】
同様にして、前記の基準時刻に対して、-9/4周期、-5/4周期、-1/4周期、3/4周期、7/4周期、11/4周期、…をそれぞれ加算すれば超音波信号の第１波、第３波、第５波、第７波、第９波、第１１波、第１３波、…における各ピーク値（点線で示した各有向線分を参照）が出現する各時刻を推定することができる。つまり、検出した少なくとも１つのゼロクロス時刻から超音波の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけゼロクロス時刻をずらすことによって、各波数位置での超音波信号の振幅ピーク値が出現する時刻を推定することができる。
【００５６】
以上に述べた振幅ピーク値の出現時刻の推定については、マイクロコンピュータ８に予め記憶されたプログラムに記載されたアルゴリズムにしたがって信号処理するピーク値出現時刻推定手段８０１を使用して実施することができる。
【００５７】
なお、図７の例では、第５波位置を検出するようにトリガーレベル電圧を設定した場合であるが、第３波、第４波、第５波（図７の例）、第６波、あるいは第７波を検出するようにトリガーレベル電圧を設定することができる。そして、設定したトリガーレベル電圧によって検出された特定の波数位置からゼロクロス時刻の検出を開始して、検出したゼロクロス時刻に基づいて、各波数位置を特定し、特定した各波数位置におけるピーク値の出現時刻を推定することができる。なお、言うまでもないが、図７の例では、奇数番号波位置の検出に正のトリガーレベル電圧を用い、偶数番号波位置の検出に負のトリガーレベル電圧を用いている。
【００５８】
このように、トリガーレベル電圧を調整することによって、超音波信号の特定の波数位置を特定することができるのは、超音波信号の振幅がその初期段階において線形状（直線状）に立ち上がるという特性を利用しているからである。何故ならば、線形状に立ち上がる超音波信号の連続する奇数番号波群あるいは、偶数番号波群からそれぞれ取り出した振幅ピーク値群からなる数列を１周期毎に時系列的に並べると等差数列となるからである。このため、その等差分のギャップを利用してトリガーレベル電圧値（閾値）を設定するように波数位置検出手段６を設定すれば、極めて明瞭に特定の波数位置を指定することができ、このようにして得られた特定の波数位置を起点として、ゼロクロス時刻の検出が可能となる。
【００５９】
次に、前述の何れかの方法を使用して、第１の超音波の受信信号に基づいて、ゼロクロス時刻を求め、各波数位置におけるピーク値の出現時刻を推定することができれば、次に、第２の超音波の受信信号に基づいて、実際の各波数位置の振幅ピーク値を求めることができる。本発明では、これを実行するために、前述のように、短時間の間隔をおいて連続して第１と第２の超音波信号を発信してこの信号を受信しているのである。このようにして、既に述べた方法によって第１の超音波信号の受信時にゼロクロス時刻の検出処理を行って各波数位置におけるピーク値の出現時刻を推定することができる。
【００６０】
そうすると、第１と第２の超音波が発信される時間間隔を短くすると、このような短時間の間では測定管１中を流れる気体の流量と濃度はほとんど変化せず、ほぼ同条件にある状態を現出することができる。したがって、この短時間の間に第２の超音波信号を受信して、第１の超音波信号から振幅ピークの出現時刻を推定することができたら、推定したピーク値の出現時刻から各波数位置における実際の振幅ピーク値を求めることが可能となる。すなわち、Ｎを０、±１、±２、±３、…からなる整数とし、更に、検出した少なくとも１つのゼロクロス時刻を基準時刻として、この基準時刻から超音波の（±1/4＋Ｎ）周期分の時刻だけゼロクロス時刻をずらすことによって、各波数位置での超音波信号の振幅ピーク値が出現する時刻をピーク値出現時刻推定手段８０１によって推定することができるのである。ただし、この場合には、設定したトリガーレベル電圧によって、ゼロレベル時刻を検出する位置が変わってくるので、トリガーレベル電圧の値に対応して整数Ｎの値を適当に選定し、実際に出現する波数位置に対応付ける必要がある。なお、このような対応付けは、波数位置が特定されれば、図７を参照して容易に実施することができるので、その詳細説明を省略するが、受信した超音波信号の第１波、第２波、第３波、…におけるピーク値が出現する時刻を推定することができるアルゴリズムを極めて容易に実現することができる。
【００６１】
このようにして、最終的に求めたピーク値群から第２の超音波信号が最初に超音波振動子に到着した時刻をマイクロコンピュータ８に記憶されたプログラムに記載されたアルゴリズムを実行可能な到達時刻演算手段８０２によって演算することで容易に求める。なお、このとき、到達時刻演算手段８０２は、超音波振動子２（あるいは超音波振動子３）が励振されて発生する超音波信号の振幅ピーク値がその初期段階において図３に例示したようにほぼ線形比例して立ち上がることを利用していることはいうまでもない。
【００６２】
以下、到達時刻演算手段８０２による第２の超音波の最初の到着時刻の検出方法について詳細に説明する。このために、先ず、図７に例示したように、超音波信号の振幅が励振が開始された初期立ち上がり時においては、線形状に立ち上がるから、受信した超音波信号の奇数番号波の少なくとも３個の振幅ピーク値群、あるいは偶数番号波の少なくとも３個の振幅ピーク値群を最小２乗法などの数値解析法を採用して直線で近似する。なお、このとき、特に、受信した第２の超音波信号に含まれる第３波、第５波、第７波、第９波、第１１波、及び第１３波から少なくとも３つの奇数番号波群（特に、連続する３つの奇数番号波群が好ましい）を選択するか、あるいは第２波、第４波、第６波、第８波、第１０波、及び第１２波から少なくとも３つの偶数番号波群（特に、連続する３つの偶数番号波群が好ましい）を選択し、選択した奇数番号波群あるいは前記偶数番号波群におけるピーク値群と推定出現時刻群との間の関係を最小二乗法によって直線近似する方法を採用することが好ましい。何故ならば、図３に例示したように、第２の超音波信号は、励振の初期段階で強い線形性を示すが、それ以降は線形性を失ってしまうという性質を有するからである。
【００６３】
ただし、図７の例では、第５波、第７波、及び第９波の３つのピーク値から線形近似によって超音波信号の最初の到達時刻を検出する方法、あるいは第６波、第８波、及び第１０波の３つのピーク値から線形近似して超音波信号の最初の到達時刻を検出する方法を示している。しかしながら、超音波信号の最初の到達時刻を検出するために使用する各波数位置としては、このような例に限定されることはなく、第３波、第５波、及び第７波の３つのピーク値を使用しても、あるいは第２波、第４波、及び第６波の３つのピーク値を使用しても、あるいはこれ以外の線形を呈する組み合わせを使用しても良いことは言うまでもない。
【００６４】
なお、２つの奇数番号波あるいは２つの偶数番号波を用いても直線近似を行うことができる。しかしながら、近似する直線の精度を上げるためには、線形性を示すデータ群中から少なくとも３つのデータ群を使用して線形近似することが好ましい。何故ならば、使用するデータ数が少なくなると、測定データのばらつきによる精度低下の影響を受けやすくなるからである。ただし、特に連続する３つのデータ群を使用して線形近似する方法を採用すれば、測定データのばらつきによる近似する直線の精度の低下と、データ処理時間の短縮や簡便さとの間のバランスが良いため、特に好ましい。
【００６５】
このようにして、近似した直線を外挿補完して超音波信号の振幅が励振されて立ち上がる時刻（すなわち、前記近似直線が基準電圧０[V]と交差する時刻）を超音波信号の最初の到達時刻（最初の超音波の受信時刻）として検出することができる。そうすると、図２に示したように、気体の流れに対して順逆双方向において、超音波の発信時刻Ａ点から超音波の最初の到達時刻Ｂ点までの超音波の伝播時間T1とT2とを算出することができる。
【００６６】
以上に述べたようにして、超音波振動子２と３との間で、交互に少なくとも２回づつ第１と第２の超音波信号の送受信を繰り返すことによって、気体の流れに対して順方向と逆方向で超音波の伝播時間T1 とT2の測定が可能となると、V=L/2・(T2-T1)/(T1・T2)という式から、測定管１中を流れる気体の速度V[m/sec]を計算することができる。そうすると、測定管１の流路断面積A[m2]を気体の速度V[m/sec]に乗じることで、測定管１中を流れる気体の流量Q[m3/sec]を計測することができる。なお、このような気体の流量計測は、マイクロコンピュータ８に記憶されたプログラムに記載されたアルゴリズムによる気体流量演算手段８０３により実行される。
【００６７】
また、詳細説明を省略するが、測定管１を流れる対象気体の温度を温度測定手段によって測定すると共に、特開２００２−３０６６０３号公報、特開２００３−１３５６０１号公報、特開２００３−１３７５１０号公報などに記載されている方法を採用することによって、測定管１中を流れる気体の濃度、例えば、測定管１中に酸素富化空気が流れていれば、その酸素濃度を測定することができる。なお、このような気体の濃度計測は、マイクロコンピュータ８に記憶されたプログラムに記載されたアルゴリズムによる気体濃度演算手段８０４により実行される。
【００６８】
このとき、気体の流れがほぼ定常状態にあれば、前述の順方向と逆方向における超音波の伝播時間T1とT2を求めるのに際して、超音波振動子２と３との間で、交互に２回づつの第１と第２の超音波信号の送受信を繰り返すという操作を一括りとして、この一括り操作を例えば１秒間に１０回繰り返して、T1とT2をそれぞれ１０回測定し、これを平均するようにしてもよい。通常、９５％といった高濃度酸素を含有する医用の酸素富化空気では、その流量や酸素濃度に関しては医師の処方に基づいた値を維持するように供給されるために、その流れはほぼ定常状態に保たれていると考えられ、このような場合には、単位時間当たり（例えば１秒間当たり）の平均値でT1とT2を求めることが有効である。
【００６９】
以上に述べた本発明においては、超音波振動子２と３が例えば矩形波パルスによって正弦波状に交番励振されたときに、その振幅が初期段階において線形状に立ち上がることを利用して、超音波信号が到達したときの立ち上がり位置を検出するようにしている。この方法は、線形近似が使用できるために、超音波信号の到達時間の検出を容易かつ簡便にできるという極めて大きな特徴を有している。しかしながら、本発明はこのような方法に限定されることはない。何故ならば、本発明によってゼロクロス時刻から推定した振幅ピーク値の出現時刻の推定方法を使用することによって、各波数位置での振幅ピーク値群を測定することを可能としているからである。したがって、求めた振幅ピーク値群を使用する超音波振動子の励振時の振幅特性が非線形性を有していても、この非線形特性に合わせて、２次曲線、３次曲線、その他の曲線などの直線以外の曲線で最小２乗法などの数値解析法を使用して近似し、この曲線と時間軸の交点を外挿補完することで、基準電圧０[V]とが交差する時刻を超音波の最初の到達時刻とする方法を採用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、気体の流速、流量、濃度を測定するための方法とその装置として利用でき、特に医用の酸素濃縮装置に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の超音波の伝播時間測定装置、気体流量の測定装置、及び気体濃度の測定装置の実施形態を例示した概略装置構成図である。
【図２】超音波の伝搬時間を測定する方法を模式的に示した説明図である。
【図３】実際に受信された超音波信号の一例を示した受信信号の波形図である。
【図４】ゼロクロス時刻の検出方法を模式的に例示した説明図である。
【図５】受信した超音波信号からゼロクロス時刻を検出する方法を例示した説明図である。
【図６】ゼロクロス時刻の検出を開始する波数位置を検出する方法を示した説明図である。
【図７】ゼロクロス時刻から得られた各波数位置での振幅ピーク値群から超音波の最初の到達時刻を計測する方法を例示した説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 測定管
２ 超音波振動子
３ 超音波振動子
４ 送受信切替手段
５ 励振手段
６ 波数位置検出手段
７ ゼロクロス時刻検出手段
８ マイクロコンピュ−タ
９ 記憶手段
１０ 温度測定手段
８０１ ピーク値出現時刻推定手段
８０２ 到達時刻演算手段
８０３ 気体流量演算手段
８０４ 気体濃度演算手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である気体の流れ方向あるいはこの流れ方向に対して傾斜して、測定管の上流と下流に所定の距離をおいて互いに対向して一対の超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子を励振させて超音波を発信し他方の超音波振動子で超音波を受信することによって、気体の流れに対する順逆双方向の超音波の各伝播時間を測定する方法において、
前記一対の超音波振動子に対して所定の時間間隔を置いて第１の超音波と第２の超音波からなる少なくとも２回の超音波を気体の流れに沿った順方向と逆方向とに交互に送信し、第１の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出して超音波の各波数位置での超音波振幅のピーク値の各出現時刻を推定し、引き続いて送信された第２の超音波を受信する際に推定した各出現時刻で待ち受けて各推定出現時刻におけるピーク値を計測し、計測した正のピーク値群又は負のピーク値群に対して最も当てはまるピーク値と時間の関数である直線又は曲線を算出し、算出した関数が時間軸と交差する点を超音波信号の到達開始時刻として求めることにより超音波の伝播時間を算出することを特徴とする超音波の伝播時間測定方法。
【請求項２】
第１の超音波の受信信号中において第３波位置〜第７波位置の何れかの波数位置を検出し、検出した波数位置からゼロクロス時刻の検出を始めることを特徴とする、請求項１に記載の超音波の伝播時間測定方法。
【請求項３】
検出した少なくとも１つのゼロクロス時刻から超音波の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけゼロクロス時刻をずらすことによって、各波数位置での超音波信号の振幅ピーク値が出現する時刻を推定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波の伝播時間測定方法。
【請求項４】
受信した第２の超音波信号に含まれる第３波、第５波、第７波、第９波、第１１波、及び第１３波から少なくとも３つの奇数番号波群を選択するか、あるいは第２波、第４波、第６波、第８波、第１０波、及び第１２波から少なくとも３つの偶数番号波群を選択し、選択した奇数番号波群あるいは前記偶数番号波群におけるピーク値群と推定出現時刻群との間の関係を最小二乗法によって直線近似し、近似直線が時間軸と交差する点を超音波の最初の到達時刻として算出することを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法。
【請求項５】
気体の流れ方向に対して順逆双方向における請求項１〜４の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法によって測定した超音波の伝播時間から前記測定管中を流れる気体の流速[m/sec]を算出し、測定管の流路断面積[m2]を乗じて前記測定管を流れる気体の流量を測定する気体流量の測定方法。
【請求項６】
気体の流れ方向に対して順逆双方向における請求項１〜４の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法によって測定した超音波の伝播時間から測定対象である気体中の超音波の伝播速度を算出すると共に対象気体の温度を測定し、気体濃度、超音波の電波速度、気体温度、及び測定対象の気体の種類などによって決まる補正係数との間に成立する関数から前記測定管を流れる気体の濃度を測定する気体濃度の測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の気体濃度の測定方法を医用の酸素濃縮装置に使用することを特徴とする気体濃度の測定方法。
【請求項８】
測定対象である気体がその中を流れる測定管と、該測定管の上流と下流とに所定の距離をおいて互いに対向して設けられた一対の超音波振動子と、該一対の超音波振動子を所定の時間間隔で励振させて超音波を発信させる励振手段と、該励振手段によって何れか一方の超音波振動子から第１の超音波と第２の超音波の発信が行われると他方の超音波振動子からの超音波の発信へと交互に切り替える送受信切替手段と、該第一の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出するゼロクロス時刻検出手段と、該ゼロクロス時刻検出手段によって検出されたゼロクロス時刻から超音波信号の各波数位置における超音波振幅のピーク値が出現するピーク値出現時刻推定手段と、該ピーク値出現時刻推定手段によって推定された各ピーク値の出現時刻において前記第２の超音波を待ち受けて各推定ピーク値を取り込む推定ピーク値取込手段と、該推定ピーク値取込手段によって取り込んだ推定ピーク値群を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された推定ピーク値群から超音波の到達開始時刻を算出する到達時刻演算手段とを少なくとも備えた超音波の伝播時間測定装置。
【請求項９】
受信した超音波信号の振幅値が予め設定されたトリガーレベル値を超えたことを検知してゼロクロス時刻検出手段によるゼロクロス時刻検出を開始する波数位置を検知する波数位置検出手段を備えた、請求項８に記載の超音波の伝播時間測定装置。
【請求項１０】
前記ゼロクロス時刻検出手段が、受信した超音波信号の振幅値の極性が「負値」から「正値」へ変化する際に振幅ゼロ値を横切る各ゼロクロス時刻（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）、あるいは受信した超音波信号の振幅値の極性が「正値」から「負値」へ変化する際に振幅ゼロ値を横切る各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）を検出する手段である、請求項８又は９に記載の超音波の伝播時間測定装置。
【請求項１１】
前記ピーク値出現時刻推定手段が、前記ゼロクロス時刻検出手段によって検出された少なくとも１つのゼロクロス時刻を基準時間として、該基準時間から超音波信号の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけ時間を進める方向へ時刻をシフトさせる手段である、請求項８〜１０の何れかに記載の超音波の伝播時間測定装置。
【請求項１２】
請求項１〜１０に記載の超音波の伝播時間測定方法又は測定装置を用いて測定された超音波の伝播時間に基づいて算出された前記測定管中を流れる気体の流速、前記測定管の流路断面積などから気体流量を演算する気体流量演算手段を備えた気体流量の測定装置。
【請求項１３】
前記測定管中を流れる気体の温度を測定する温度測定手段を備えると共に、請求項１〜１０に記載の超音波の伝播時間測定方法又は測定装置を用いて測定された超音波の伝播時間に基づいて測定対象の気体中を伝播する超音波の伝播速度を算出して気体濃度、気体温度、超音波の伝播速度、及び測定対象の気体の種類などによって決まる補正係数によって決定される関数から気体濃度を演算する気体濃度演算手段を備えた気体濃度の測定装置。
【請求項１】
測定対象である気体の流れ方向あるいはこの流れ方向に対して傾斜して、測定管の上流と下流に所定の距離をおいて互いに対向して一対の超音波振動子を配置し、一方の超音波振動子を励振させて超音波を発信し他方の超音波振動子で超音波を受信することによって、気体の流れに対する順逆双方向の超音波の各伝播時間を測定する方法において、
前記一対の超音波振動子に対して所定の時間間隔を置いて第１の超音波と第２の超音波からなる少なくとも２回の超音波を気体の流れに沿った順方向と逆方向とに交互に送信し、第１の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出して超音波の各波数位置での超音波振幅のピーク値の各出現時刻を推定し、引き続いて送信された第２の超音波を受信する際に推定した各出現時刻で待ち受けて各推定出現時刻におけるピーク値を計測し、計測した正のピーク値群又は負のピーク値群に対して最も当てはまるピーク値と時間の関数である直線又は曲線を算出し、算出した関数が時間軸と交差する点を超音波信号の到達開始時刻として求めることにより超音波の伝播時間を算出することを特徴とする超音波の伝播時間測定方法。
【請求項２】
第１の超音波の受信信号中において第３波位置〜第７波位置の何れかの波数位置を検出し、検出した波数位置からゼロクロス時刻の検出を始めることを特徴とする、請求項１に記載の超音波の伝播時間測定方法。
【請求項３】
検出した少なくとも１つのゼロクロス時刻から超音波の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけゼロクロス時刻をずらすことによって、各波数位置での超音波信号の振幅ピーク値が出現する時刻を推定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波の伝播時間測定方法。
【請求項４】
受信した第２の超音波信号に含まれる第３波、第５波、第７波、第９波、第１１波、及び第１３波から少なくとも３つの奇数番号波群を選択するか、あるいは第２波、第４波、第６波、第８波、第１０波、及び第１２波から少なくとも３つの偶数番号波群を選択し、選択した奇数番号波群あるいは前記偶数番号波群におけるピーク値群と推定出現時刻群との間の関係を最小二乗法によって直線近似し、近似直線が時間軸と交差する点を超音波の最初の到達時刻として算出することを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法。
【請求項５】
気体の流れ方向に対して順逆双方向における請求項１〜４の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法によって測定した超音波の伝播時間から前記測定管中を流れる気体の流速[m/sec]を算出し、測定管の流路断面積[m2]を乗じて前記測定管を流れる気体の流量を測定する気体流量の測定方法。
【請求項６】
気体の流れ方向に対して順逆双方向における請求項１〜４の何れかに記載の超音波の伝播時間測定方法によって測定した超音波の伝播時間から測定対象である気体中の超音波の伝播速度を算出すると共に対象気体の温度を測定し、気体濃度、超音波の電波速度、気体温度、及び測定対象の気体の種類などによって決まる補正係数との間に成立する関数から前記測定管を流れる気体の濃度を測定する気体濃度の測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の気体濃度の測定方法を医用の酸素濃縮装置に使用することを特徴とする気体濃度の測定方法。
【請求項８】
測定対象である気体がその中を流れる測定管と、該測定管の上流と下流とに所定の距離をおいて互いに対向して設けられた一対の超音波振動子と、該一対の超音波振動子を所定の時間間隔で励振させて超音波を発信させる励振手段と、該励振手段によって何れか一方の超音波振動子から第１の超音波と第２の超音波の発信が行われると他方の超音波振動子からの超音波の発信へと交互に切り替える送受信切替手段と、該第一の超音波の受信信号からゼロクロス時刻を検出するゼロクロス時刻検出手段と、該ゼロクロス時刻検出手段によって検出されたゼロクロス時刻から超音波信号の各波数位置における超音波振幅のピーク値が出現するピーク値出現時刻推定手段と、該ピーク値出現時刻推定手段によって推定された各ピーク値の出現時刻において前記第２の超音波を待ち受けて各推定ピーク値を取り込む推定ピーク値取込手段と、該推定ピーク値取込手段によって取り込んだ推定ピーク値群を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された推定ピーク値群から超音波の到達開始時刻を算出する到達時刻演算手段とを少なくとも備えた超音波の伝播時間測定装置。
【請求項９】
受信した超音波信号の振幅値が予め設定されたトリガーレベル値を超えたことを検知してゼロクロス時刻検出手段によるゼロクロス時刻検出を開始する波数位置を検知する波数位置検出手段を備えた、請求項８に記載の超音波の伝播時間測定装置。
【請求項１０】
前記ゼロクロス時刻検出手段が、受信した超音波信号の振幅値の極性が「負値」から「正値」へ変化する際に振幅ゼロ値を横切る各ゼロクロス時刻（Tu1、Tu2、Tu3、Tu4、Tu5、…）、あるいは受信した超音波信号の振幅値の極性が「正値」から「負値」へ変化する際に振幅ゼロ値を横切る各ゼロクロス時刻（Td1、Td2、Td3、Td4、Td5、…）を検出する手段である、請求項８又は９に記載の超音波の伝播時間測定装置。
【請求項１１】
前記ピーク値出現時刻推定手段が、前記ゼロクロス時刻検出手段によって検出された少なくとも１つのゼロクロス時刻を基準時間として、該基準時間から超音波信号の（±1/4＋Ｎ）周期分（ただし、Ｎは整数）の時刻だけ時間を進める方向へ時刻をシフトさせる手段である、請求項８〜１０の何れかに記載の超音波の伝播時間測定装置。
【請求項１２】
請求項１〜１０に記載の超音波の伝播時間測定方法又は測定装置を用いて測定された超音波の伝播時間に基づいて算出された前記測定管中を流れる気体の流速、前記測定管の流路断面積などから気体流量を演算する気体流量演算手段を備えた気体流量の測定装置。
【請求項１３】
前記測定管中を流れる気体の温度を測定する温度測定手段を備えると共に、請求項１〜１０に記載の超音波の伝播時間測定方法又は測定装置を用いて測定された超音波の伝播時間に基づいて測定対象の気体中を伝播する超音波の伝播速度を算出して気体濃度、気体温度、超音波の伝播速度、及び測定対象の気体の種類などによって決まる補正係数によって決定される関数から気体濃度を演算する気体濃度演算手段を備えた気体濃度の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２７５６０８（Ｐ２００６−２７５６０８Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９１９２８（Ｐ２００５−９１９２８）
【出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（５０３３６９４９５）帝人ファーマ株式会社 (159)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（５０３３６９４９５）帝人ファーマ株式会社 (159)
【Ｆターム（参考）】
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