JP2005001956A

JP2005001956A - Oxygen concentration unit

Info

Publication number: JP2005001956A
Application number: JP2003168911A
Authority: JP
Inventors: Naotoshi Fujimoto; 直登志藤本
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: JP4275466B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxygen concentration unit mounted with an ultrasonic wave type oxygen concentration/flow rate measuring means with which oxygen concentration of an oxygen enriched gas and its flow rate are measured without requiring complex signal treatment and a hardware. <P>SOLUTION: This oxygen concentration unit is equipped with an oxygen concentration means to separate oxygen from air, two ultrasonic vibrators located head to head in a pipe where an oxygen enriched gas flows, and a detecting means of zero crossing timing of the received ultrasonic wave. Further, this oxygen concentration unit is equipped with a calculating means which calculates the true propagation time of the ultrasonic wave, by calculating an average zero crossing timing by making the trigger detection position of the zero crossing timing of the concurrent side and that of the countercurrent side meet, using at least two successive zero crossing timings of the concurrent side from the received wave shape of the ultrasonic wave which was sent and received concurrently with the flow of the oxygen enriched gas, and at least two successive zero crossing timings of the countercurrent side from the received wave shape of the countercurrent direction, detected by the zero crossing timing detecting means, and by rewinding an integer times the time of a period of the received ultrasonic wave until the average zero crossing timing comes into the range the propagation time of the true ultrasonic wave can take. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により、酸素濃縮ガスの酸素濃度及び流量を測定する手段を備えた酸素濃縮装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度は、サンプルガスの濃度、温度の関数として表されることが広く知られている。サンプルガスの平均分子量をＭ、温度をＴ［Ｋ］とすれば、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ［ｍ／ｓｅｃ］は、次式で表される。
【０００３】
【数１】

【０００４】
ここで、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）である。すなわち、サンプルガス中の超音波伝播速度Ｃ［ｍ／ｓｅｃ］とサンプルガスの温度Ｔ［Ｋ］が測定できれば、サンプルガスの平均分子量Ｍを決定できる。該サンプルガスが、例えば酸素と窒素の２分子からなるガスであれば、ｋ＝１．４となることが知られている。該サンプルガスの平均分子量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×Ｐ［％］（０≦Ｐ≦１）と窒素１００×（１−Ｐ）［％］の場合においては、Ｍ＝３２Ｐ＋２８（１−Ｐ）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Ｐを決定できる。また、サンプルガス中の超音波伝播速度がＣ［ｍ／ｓｅｃ］、サンプルガスの流速がＶ［ｍ／ｓｅｃ］であったとき、サンプルガスの流れに対して順方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖ_１［ｍ／ｓｅｃ］は、Ｖ_１＝Ｃ＋Ｖ、逆方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖ_２［ｍ／ｓｅｃ］は、Ｖ_２＝Ｃ−Ｖとなるので、サンプルガスの流速Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］は、次式２で求めることができる。
【０００５】
【数２】

【０００６】
これにサンプルガスの流れている配管の内面積［ｍ^２］を乗じることで、サンプルガスの流量［ｍ^３／ｓｅｃ］を求めることができる。さらに体積換算、時間換算を行えば、流量を［Ｌ／ｍｉｎ］で求めることも容易である。該原理を利用し、サンプルガス中を伝播する超音波の伝播速度もしくは伝播時間からサンプルガスの濃度、流量を測定する方法及び装置に関しては、種々の提案が行われている。たとえば、特開平６−２１３８７７号公報には、サンプルガスが通る配管中に超音波振動子２つを対向させて配置し、該超音波振動子間を伝播する超音波の伝播時間を計測することによってサンプルガスの濃度及び流量を測定する装置が記載されている。また、特開平７−２０９２６５号公報や特開平８−２３３７１８号公報には、超音波振動子１つを使用した音波反射方式でセンシングエリア内を伝播する超音波の伝播速度もしくは伝播時間を測定することにより、サンプルガスの濃度を測定する装置が記載されている。さらに、サンプルガスを構成する分子の数が２種類であれば、先述の通り容易にサンプルガスの濃度を特定することが可能であるが、酸素濃縮装置から出力される酸素濃縮ガスには、酸素、窒素以外に、アルゴンが含まれる。その場合の酸素濃度の特定方法は、特開２００３−１３５６０１号公報や、特開２００３−１３７５１０号公報に記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２１３８７７号公報
【特許文献２】
特開平７−２０９２６５号公報
【特許文献３】
特開平８−２３３７１８号公報
【特許文献４】
特開２００３−１３５６０１号公報
【特許文献５】
特開２００３−１３７５１０号公報
【特許文献６】
特開平９−３１８６４４号公報
【特許文献７】
特開昭６０−１３８４２２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような超音波の伝播速度を用いてサンプルガスの濃度および流量を正確に測定する方法および装置においては、超音波の伝播時間を正確に検出しなければならない。しかし、超音波の受信波形には常にノイズ成分が含まれており、超音波を受信した瞬間の時間を直接検出することは非常に困難であり、一般的に複雑な信号処理手法や、複雑なハ−ドウェアを搭載することにより、超音波伝播時間を推定する方法が用いられている。
【０００９】
たとえば、特開平９−３１８６４４号公報には、受信された超音波波形を積分し、その積分出力が基準値に達したのちにおける受信波のゼロクロス時間を流速測定のための超音波伝播時間とする方法が記載されている。該方法により、受信波形の振幅が多少変動したとしてもゼロクロスのタイミングが変動しないため、受信波の到達時間に比較的近い位置でのゼロクロス時間を獲得できるが、残念ながら獲得されるゼロクロス時間は真の超音波伝播時間ではなく、とりわけ濃度測定においては真の超音波伝播時間と検出されたゼロクロス時間との差異が測定誤差に大きく影響する。
【００１０】
また、特開昭６０−１３８４２２号公報には、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記載されている。しかし、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作成することが困難であった。
【００１１】
本発明は、複雑な信号処理やハ−ドウェアを必要とせずに酸素濃縮ガスの酸素濃度および流量を測定する方法、および、必要最小限の部品のみを用いることで安価かつ小型の超音波式ガス濃度流量測定手段を搭載した酸素濃縮装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる目的を達成するために鋭意研究した結果、空気中から酸素を分離する酸素濃縮手段、酸素濃縮手段の下流の酸素濃縮ガスの流れる配管中に対向させて配置した超音波振動子２つ、受信超音波のゼロクロス時間検出回路を具備する酸素濃縮装置において、酸素濃縮ガスの取り得る濃度範囲、および、温度範囲から、酸素濃縮ガス中を伝播する超音波の音速の取り得る範囲を事前に知ることで好適な超音波振動子間距離を設定し、さらに、酸素濃縮ガスの取り得る流量範囲から好適な配管内半径を設定すれば、酸素濃縮ガスの温度と連続した２つ以上のゼロクロス時間のみを検出することで、受信超音波の波形情報を獲得することなく、静止した酸素濃縮ガス中における超音波伝播時間、および、酸素濃縮ガスの流れに対し順逆双方向での超音波伝播時間差を正確に検出でき、酸素濃縮ガスの酸素濃度、および流量を測定することができることを見出したものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を示す。本実施例では、酸素濃縮ガスの酸素濃度範囲が２１［％Ｏ_２］〜９５［％Ｏ_２］である場合に関して示す。酸素濃度が２１［％Ｏ_２］の場合は、酸素が濃縮されていない大気を測定する場合を想定している。また、酸素濃縮ガスの流量範囲は０〜１０［Ｌ／ｍｉｎ］であり、該酸素濃縮ガスの温度範囲は、５［℃］〜３５［℃］である場合に関して示す。また、本実施例では、中心周波数が４０［ｋＨｚ］の超音波振動子を使用する。本発明によって測定できる酸素濃縮ガスの取り得る濃度範囲、温度範囲は本実施例における範囲に限定されるものではなく、他の範囲においても容易に適用できる。さらに、超音波振動子の中心周波数も４０［ｋＨｚ］に限定されるものではなく、他の中心周波数を持つ超音波振動子に対しても容易に適用できる。
【００１４】
本実施例における酸素濃縮装置の構成は、図１に示す通りである。かかる例は圧力変動吸着型酸素濃縮装置の例を示すが、酸素発生手段としてはその他、酸素富化膜、固体電解質膜など各種の発生手段を採用することができる。該酸素濃縮装置１０は、原料ガスとして空気を吸い込み、フィルタ１１を介して該空気を酸素濃縮手段１３に送り込むコンプレッサ１２、空気中から酸素を分離する酸素濃縮手段１３、酸素濃縮手段１３の下流に、以下に記載の超音波式酸素濃度流量測定手段１５を備える。
【００１５】
超音波式酸素濃度流量測定手段１５の構成は図２に示すとおりである。酸素濃縮ガスの流れる配管１の中に２つの超音波振動子２を対向させて配置し、該超音波振動子２の送受信を切り替える切り替え器４、該超音波振動子２に超音波送信パルスを伝えるドライバ５、超音波受信波形のゼロクロス時間を検出するゼロクロス時間検出回路６、酸素濃縮ガスの濃度、流量を算出するためのマイクロコンピュ−タ７、及び、配管１の中に酸素濃縮ガスの温度を測定する温度センサ３を備える。尚、対向させて配置するとは、送信した超音波を反対側の超音波振動子が受信できる位置に配置するという意味であり、配管が直管の場合には向き合って発信面、受信面が平行に配置するのが好ましい。配管自体はＵ字管など曲がっていてもよい。温度センサ３は、酸素濃縮ガスの温度を測定できる場所であれば、配管１から離れた場所に設置しても良い。また、体積流量を質量流量に換算するために使用する圧力センサを備えても良い。
【００１６】
超音波の送受信により、受信超音波のゼロクロス時間を検出する方法は各種提案されている。最も簡便な方法は、ゼロクロスコンパレ−タを搭載し、コンパレ−タ出力の立ち上がりエッジ、もしくは、立ち下りエッジを検出するものである。図３に超音波受信波形の一例を示す。超音波の受信波形には各種ノイズ成分が含まれるため、正確にゼロクロス時間を検出するためには、受信振幅が十分大きくなったところにてゼロクロスコンパレ−タの出力を獲得することが望ましい。すなわち、獲得されるゼロクロス時間は受信超音波の第１波目ではなく、それ以降の例えば第２波目や、第３波目にて得られることになる。図４に、本実施例でのゼロクロス時間検出回路６におけるゼロクロス時間検出方法を示す。ゼロクロス検出回路６には、ノイズレベルよりも十分大きい電圧値にて受信波形の存在を検出するためのトリガコンパレ−タ、および、トリガコンパレ−タの出力が発生した時間（図４中のトリガ検出位置）以降のゼロクロス時間を検出できるゼロクロスコンパレ−タを含む。獲得するゼロクロス時間は１点ではなく、連続した数点を取ることが望ましい。本実施例においては、連続した３点のゼロクロス時間（図４中のＺｃ１、Ｚｃ２、Ｚｃ３）を獲得することとした。
【００１７】
受信超音波のゼロクロス間隔は、常に中心周波数から計算される１周期分の時間間隔となるはずである。中心周波数４０［ｋＨｚ］の超音波振動子を用いる場合の１周期分の時間は、１／４００００［ｓｅｃ］＝２５［μｓｅｃ］となる。すなわち、ゼロクロス検出回路６にて得られた先頭のゼロクロス時間は超音波受信時間そのものではないが、該ゼロクロス時間から２５［μｓｅｃ］の整数倍を巻き戻した時間のいずれかに真の超音波受信時間が存在することになる。
【００１８】
すなわち、獲得されたゼロクロス時間が第何波目以降のゼロクロス時間であるか不明であっても、先述の超音波伝播時間の取り得る範囲内に、該ゼロクロス時間から１周期の整数倍だけ巻き戻して得られる時間が常に１つだけ存在する振動子間距離Ｌを設定することで、容易に真の超音波伝播時間を推定できることになる。
【００１９】
受信超音波の正確な周波数があらかじめ分かっていない場合には、連続したゼロクロス時間を数点獲得することで、各ゼロクロス時間の間隔を計算することができ、該ゼロクロス時間の間隔から周波数を計算することもできる。
【００２０】
以下、超音波振動子間の距離を好適に設定する方法に関して示す。酸素濃縮ガスの濃度範囲が既知であれば、各温度での流速ゼロにおける酸素濃縮ガス中を伝播する音速の範囲は、式１を用いて容易に計算できる。酸素の分子量を３２、窒素の分子量を２８、アルゴンの分子量を４０、酸素・窒素の比熱比を１．４、アルゴンの比熱比を１．６６７とすれば、例えば、温度２０℃の場合において、酸素濃度２１％の場合（酸素が濃縮されていない大気の場合：酸素２１％、窒素７８％、アルゴン１％とする）の音速は式１より、３４３．６［ｍ／ｓｅｃ］となる。さらに、本実施例における酸素濃縮装置１０の出力する酸素濃度が最大に達する状態は、酸素濃度９５％、窒素濃度１％、アルゴン濃度４％となることが判明しており、その場合の音速は、３２６．４［ｍ／ｓｅｃ］と計算される。すなわち、酸素濃縮ガスの酸素濃度が変化した場合において、２０℃における酸素濃縮ガス中の音速は、常に３２６．４［ｍ／ｓｅｃ］〜３４３．６［ｍ／ｓｅｃ］の範囲に収まることになり、該範囲の両端を音速の上限、下限とする。酸素濃縮ガスの温度の取り得る範囲である５℃〜３５℃において計算される、温度と音速の関係をグラフ化したものを、図５に示す。図５にて明らかなように、音速Ｃの上限、下限は温度Ｔの関数として表すことができ、温度Ｔにおける音速の上限をＣ_ｍａｘ（Ｔ）、下限をＣ_ｍｉｎ（Ｔ）とする。
【００２１】
次に好適にしたい振動子間距離をＬ_ｓ［ｍ］とする。音速の取り得る範囲が先述の通りあらかじめ分かっているため、超音波伝播時間の取り得る範囲は、Ｌ_ｓを用いて表すことができる。すなわち超音波伝播時間の取り得る範囲は、Ｌ_ｓ／Ｃ_ｍａｘ（Ｔ）［ｓｅｃ］〜Ｌ_ｓ／Ｃ_ｍｉｎ（Ｔ）［ｓｅｃ］である。
【００２２】
該超音波伝播時間の取り得る範囲に、ゼロクロス時間検出回路６にて得られる該ゼロクロス時間から１周期の整数倍だけ巻き戻して得られる時間が常に１つだけにするためには、伝播時間の取り得る範囲が超音波の１周期分の時間未満であれば良い（図１０）。超音波の周波数をｆｒ［Ｈｚ］とすれば、１周期の時間は１／ｆｒ［ｓｅｃ］となる。すなわち、下記式３を常に満たすＬ_ｓを選定すれば良い。
【００２３】
【数３】

【００２４】
“Ｌ_ｓ／Ｃ_ｍｉｎ（Ｔ） − Ｌ_ｓ／Ｃ_ｍａｘ（Ｔ）”の値を最大にする温度Ｔは、本実施例においては酸素濃縮ガスの温度範囲下限の５℃である。５℃におけるＣ_ｍａｘ（５℃）、Ｃ_ｍｉｎ（５℃）はそれぞれ、Ｃ_ｍａｘ（５℃）＝３３４．７［ｍ／ｓｅｃ］、Ｃ_ｍｉｎ（５℃）＝３１７．９［ｍ／ｓｅｃ］となる。さらに、本実施例における超音波の周波数ｆｒは、ｆｒ＝４０［ｋＨｚ］＝４００００［Ｈｚ］であるため、式３を満たす振動子間距離Ｌ_ｓは、Ｌ_ｓ＜１５．８［ｃｍ］となり、およそ１５［ｃｍ］未満の振動子間距離となるように２つの超音波振動子２を設置すれば良いことになる。ただし、該振動子間距離をあまりに短くしすぎると、超音波を送受信した際に得られる超音波伝播時間が非常に短くなることとなり、時間計測分解能の面から不利となる。また、計算上の振動子間距離の上限となる１５．８ｃｍ近傍の振動子間距離を採択した場合、例えば、酸素濃縮ガスの実際の温度が設計上の使用温度下限とした５℃であるにもかかわらず、温度センサ３の出力誤差によって実際よりも低い温度を測定してしまった場合や、酸素濃縮装置１０の使用者の不注意によって該酸素濃縮装置１０を５℃よりも下回る温度環境下に設置してしまった場合等には、マイクロコンピュータ７における計算上の音速測定値がＣ_ｍｉｎ（５℃）〜Ｃ_ｍａｘ（５℃）の範囲を飛び出してしまうことも考えられる。さらに、超音波振動子２の中心周波数にはバラツキがあり、例えば実際に使用した超音波振動子２の中心周波数が４２ｋＨｚであった場合には、式（３）による計算結果は１５．１ｃｍとなり、理想状態における計算値の１５．８ｃｍよりも短い振動子間距離を設定しなければならないことになる。製品として酸素濃縮装置１０を実現する場合には、該状況を十分考慮に入れた設計を実施する必要性があり、本実施例においては、現実的に存在しうる使用環境、および、温度センサ３の測定精度やマイクロコンピュータ７の時間測定分解能、超音波振動子２の中心周波数のバラツキ等を考慮した結果、振動子間距離として１０［ｃｍ］を採用した。
【００２５】
流量を測定するためには、酸素濃縮ガスの流れに対して、順逆双方向に超音波送受信を実施し、順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の両方を必要とする。順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間が、常に同じトリガ検出位置にて獲得されたものであれば、図６に示すとおり、順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の差（図６中のＡの間隔）＝超音波の伝播時間差（図６中のｔ_ｄ）となり得る。図６では、順側ゼロクロス時間、逆側ゼロクロス時間共に、第２波目にてトリガ検出された場合を示している。しかしながら、超音波の受信波形は順逆双方向で全く同一になる保証はなく、ゼロクロス検出回路６内のトリガコンパレ−タで検出されるトリガ検出位置が順逆にて揃わない可能性がある。
【００２６】
そこで、順逆双方向にて得られる超音波の伝播時間差ｔ_ｄが、常に受信超音波の１周期分未満の時間となるように酸素濃縮ガスの流れる配管１の内半径を設定すれば、トリガ検出位置が順逆にて揃わなかった場合においても容易にトリガ検出位置を揃えることが可能となる。例えば、酸素濃縮ガスの流れに対して順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ検出位置が第３波目であり、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ検出位置が第２波目であった場合を図７に示す。
【００２７】
順逆にてトリガ検出位置が揃っていたと仮定して順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の差を計算すると、その値は負の値となる（図７中のＡ）。酸素濃縮ガスの流量範囲が０〜１０［Ｌ／ｍｉｎ］であれば、伝播時間の差が負になることはありえないため、容易にトリガ検出位置が揃っていなかったことを検出でき、図７中のＢを真の伝播時間差として採択することが可能となる。
【００２８】
逆に、酸素濃縮ガスの流れに対して順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ検出位置が第２波目であり、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ検出位置が第３波目であった場合を図８に示す。順逆にてトリガ検出位置が揃っていたと仮定して順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の差を計算すると、その値は超音波の１周期分の時間を上回る値となる（図８中のＡ）。しかしながら、超音波の伝播時間差ｔ_ｄが、常に受信超音波の１周期分未満の時間となるように設計されていれば、伝播時間の差が受信超音波の１周期分以上になることはありえないため、この場合も容易にトリガ検出位置が揃っていなかったことを検出でき、図８中のＢを真の伝播時間差として採択することが可能となる。
【００２９】
以下、酸素濃縮ガスの流れる配管１の内半径を好適に設定する方法に関して示す。酸素濃縮ガスの流量をＱ［Ｌ／ｍｉｎ］とすれば、酸素濃縮ガスの流れる配管１の内半径をｒ［ｍ］とした場合、該配管１中の流速Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］は、次の式４の範囲にて表される。
【００３０】
【数４】

【００３１】
酸素濃縮ガスの流れに対して順方向に超音波を送信した場合に観測される音速Ｖ_１［ｍ／ｓｅｃ］は、酸素濃縮ガスが静止している場合の音速をＣ［ｍ／ｓｅｃ］として、Ｖ_１＝Ｃ＋Ｖ、また、酸素濃縮ガスの流れに対して逆方向に超音波を送信した場合に観測される音速Ｖ_２［ｍ／ｓｅｃ］は、Ｖ_２＝Ｃ−Ｖ、として観測される。酸素濃縮ガスの流れに対して順逆双方向に超音波送受信を実施した際に観測される伝播時間の差をｔ_ｄ［ｓｅｃ］とすると、ｔ_ｄは振動子間距離をＬ_ｓ［ｍ］として、式５で表すことができる。
【００３２】
【数５】

【００３３】
したがって、伝播時間の差ｔ_ｄが常に受信超音波の１周期分未満の時間となるようにするためには、常に式６を満たす内半径ｒを選定すれば良い。
【００３４】
【数６】

【００３５】
本実施例において、式６の左項を最大とするＣ、Ｑの条件は、Ｃ＝Ｃ_ｍｉｎ（５℃）＝３１７．９［ｍ／ｓｅｃ］、Ｑ＝１０［ＬＰＭ］である。さらに、振動子間距離Ｌ_ｓ＝１０［ｃｍ］＝０．１［ｍ］、超音波の周波数ｆｒ＝４０［ｋＨｚ］＝４００００［Ｈｚ］を式６に代入すると、ｒ＞２．０５１［ｍｍ］となり、配管１の内半径が２．０５１［ｍｍ］を上回るようにすれば良いことになる。該内半径を設定する場合も、振動子間距離を設定する場合と同様、該内半径が大きければ大きいほうが良いというわけではない。該内半径を大きくしていくと、配管１内を流れる酸素濃縮ガスの流速は小さくなっていき、酸素濃縮ガスの流れに対して順逆に超音波を送受信した際に得られる超音波伝播時間の差は小さくなっていくこととなり、時間計測分解能の面から不利となる。また、計算上の下限となる値近傍の内半径を選択した場合にも、振動子間距離を設定する場合と同様に不都合を生じる可能性が高く、本実施例においては、現実的に存在しうる使用環境、および、マイクロコンピュータ７の時間測定分解能、超音波振動子２の中心周波数のバラツキ等を考慮した結果、配管１の内半径として２．５［ｍｍ］を採用した。
【００３６】
以下、本実施例における酸素濃縮装置１０に搭載された超音波式酸素濃度流量測定手段１５による酸素濃縮ガスの酸素濃度、および、流量測定方法に関して述べる。コンプレッサ１２がフィルタ１１を介して原料ガスとして空気を吸い込み、該空気を酸素濃縮手段１３に送り込む。酸素濃縮手段１３は、空気中から窒素を選択的に吸着することにより酸素濃縮ガスを送り出す。送り出された酸素濃縮ガスは、超音波式酸素濃度流量測定手段１５へ投入される。
【００３７】
該超音波式酸素濃度流量測定手段１５は、酸素濃縮ガス投入中において、マイクロコンピュ−タ７より超音波の送信パルスをドライバ５に送り、送受信切り替え器４によって酸素濃縮ガスの流れと順方向に超音波を送信するように選択された超音波振動子２にパルス電圧が印加され、超音波が送信される。もう一方の超音波振動子２によって受信された超音波は、送受信切り替え器４を介して、ゼロクロス検出回路６に入力され、得られた順側ゼロクロス時間３つ（ＺｃＦ１、ＺｃＦ２、ＺｃＦ３）をマイクロコンピュ−タ７に送る。その後、マイクロコンピュ−タ７より超音波の送信パルスをドライバ５に送り、送受信切り替え器４によって酸素濃縮ガスの流れと逆方向に超音波を送信するように選択された超音波振動子２にパルス電圧が印加され、超音波が送信される。もう一方の超音波振動子２によって受信された超音波は、送受信切り替え器４を介して、ゼロクロス検出回路６に入力され、得られた逆側ゼロクロス時間３つ（ＺｃＢ１、ＺｃＢ２、ＺｃＢ３）をマイクロコンピュ−タ７に送る。
【００３８】
以上の操作によって酸素濃縮ガスの流れに対して順逆双方向にて得られた順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間から、図６〜図８に示した方法により、トリガ検出位置を揃えた超音波の伝播時間の差ｔ_ｄを算出する。ｔ_ｄの算出には、図６中に示されたＡの値、もしくは、図７、図８中に示されたＢの値を加算平均することで、時間検出誤差を減少させることが可能である。さらに、順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間のトリガ検出位置を揃えた最初のゼロクロス時間の平均ゼロクロス時間Ｚｃ＿ａｖｅを算出する。Ｚｃ＿ａｖｅは、酸素濃縮ガスの流量がゼロの時に超音波送受信を行った際に得られるゼロクロス時間であると見なすことができる。例えば図６に示した状態であれば、Ｚｃ＿ａｖｅは次の式７で求めることができる（図９）。
【００３９】
【数７】

【００４０】
同様に図７に示した状態であれば、式８にて求めることができる（図示せず）。
【００４１】
【数８】

【００４２】
更に図８に示した状態であれば、式９にて求めることができる（図示せず）。
【００４３】
【数９】

【００４４】
続いて、マイクロコンピュ−タ７は、２つの超音波振動子間の距離をＬ_ｓ［ｍ］とし（本実施例においては、Ｌ_ｓ＝０．１［ｍ］）、温度センサ３の出力Ｔ℃を読み取り、酸素濃縮ガスの温度Ｔ℃に応じた超音波伝播時間の範囲Ｌ_ｓ／Ｃ_ｍａｘ（Ｔ）［ｓｅｃ］〜Ｌ_ｓ／Ｃ_ｍｉｎ（Ｔ）［ｓｅｃ］を計算する。さらに、該平均ゼロクロス時間Ｚｃ＿ａｖｅから該超音波伝播時間の範囲に入るまで、受信超音波の１周期分の時間＝２５［μｓｅｃ］の整数倍を巻き戻していき、超音波伝播時間ｔ_ｓ［ｓｅｃ］を確定する（図１０）。この結果より、静止した酸素濃縮ガス中の超音波伝播速度Ｃ_ｓ［ｍ／ｓｅｃ］は次式１０にて求めることができる。
【００４５】
【数１０】

【００４６】
静止した酸素濃縮ガス中の超音波伝播速度Ｃ_ｓが特定できれば、該酸素濃縮ガスの温度Ｔも温度センサ３によって既知であるため、例えば特開２００３−１３５６０１号公報や、特開２００３−１３７５１０号公報に記載されている方法にて酸素濃度を特定することが可能となる。
【００４７】
上記の計算は、マイクロコンピュ−タ７にて実施され、濃度測定結果は表示器８に表示される。
【００４８】
流量測定時には、先に求めた静止した酸素濃縮ガス中の超音波伝播時間ｔ_ｓと、超音波伝播時間差ｔ_ｄを用いて、酸素濃縮ガスの流れに対して順方向に超音波の送受信を実施した際の超音波伝播時間ｔ_ｓ１、逆方向に超音波の送受信を実施した際の超音波伝播時間ｔ_ｓ２を式１１、式１２によって求める。
【００４９】
【数１１】

【００５０】
【数１２】

【００５１】
すなわち、酸素濃縮ガスの流れに対して順方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖ_ｓ１［ｍ／ｓｅｃ］、逆方向に超音波を送信したときに測定される超音波伝播速度Ｖ_ｓ２［ｍ／ｓｅｃ］は、それぞれ次式によって求めることができる。
【００５２】
【数１３】

【００５３】
【数１４】

【００５４】
さらに、式２より、酸素濃縮ガスの流速Ｖ_ｓ［ｍ／ｓｅｃ］は次式で求めることができる。
【００５５】
【数１５】

【００５６】
流速Ｖ_ｓ［ｍ／ｓｅｃ］が求まれば、酸素濃縮ガスの流れる配管１の内半径をｒ_ｓ［ｍ］とすれば、流量Ｑ_ｓ［Ｌ／ｍｉｎ］は式１６によって求めることができる。
【００５７】
【数１６】

【００５８】
上記の計算は、マイクロコンピュ−タ７において実施され、流量測定結果は表示器８に表示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素濃縮装置の構成を示す概略図。
【図２】本発明の超音波式酸素濃度流量測定手段の構成を示す概略図。
【図３】超音波受信波形の一例。
【図４】ゼロクロス時間検出回路によるゼロクロス時間検出方法の例。
【図５】温度と音速の関係。
【図６】トリガ検出位置が揃っている場合の超音波伝播時間差とゼロクロス時間の間隔との関係。
【図７】順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ検出位置に対し、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ検出位置が１周期分だけ前方であった場合の超音波伝播時間差とゼロクロス時間の間隔との関係。
【図８】順方向に超音波送受信を実施して得られたトリガ検出位置に対し、逆方向に超音波送受信した場合に得られたトリガ検出位置が１周期分だけ後方であった場合の超音波伝播時間差とゼロクロス時間の間隔との関係。
【図９】静止した酸素濃縮ガス中にて超音波送受信を行った際に得られるゼロクロス時間を求める例。
【図１０】静止した酸素濃縮ガス中の超音波伝播時間を求める例。
【符号の説明】
１配管
２超音波振動子
３温度センサ
４送受信切り替え器
５ドライバ
６ゼロクロス検出回路
７マイクロコンピュ−タ
８表示器
９不揮発性メモリ
１０酸素濃縮装置
１１フィルタ
１２コンプレッサ
１３酸素濃縮手段
１４流量設定手段
１５超音波式酸素濃度流量測定手段
１６製品フィルタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen concentrator provided with means for measuring the oxygen concentration and flow rate of an oxygen-enriched gas by ultrasonic waves.
[0002]
[Prior art]
It is widely known that the propagation speed of ultrasonic waves propagating in a sample gas is expressed as a function of the concentration and temperature of the sample gas. If the average molecular weight of the sample gas is M and the temperature is T [K], the ultrasonic propagation velocity C [m / sec] in the sample gas is expressed by the following equation.
[0003]
[Expression 1]

[0004]
Here, k and R are constants (k: ratio of specific volume molar specific heat and constant pressure molar specific heat, R: gas constant). That is, if the ultrasonic propagation velocity C [m / sec] in the sample gas and the temperature T [K] of the sample gas can be measured, the average molecular weight M of the sample gas can be determined. For example, if the sample gas is a gas composed of two molecules of oxygen and nitrogen, it is known that k = 1.4. The average molecular weight M of the sample gas is, for example, oxygen 100 × P [%] (0 ≦ P ≦ 1) and nitrogen 100 × (1-P) [%] where the molecular weight of oxygen is 32 and the molecular weight of nitrogen is 28. In some cases, M = 32P + 28 (1-P) can be described, and the oxygen concentration P can be determined from the measured average molecular weight M. Also, when the ultrasonic wave propagation velocity in the sample gas is C [m / sec] and the flow velocity of the sample gas is V [m / sec], when ultrasonic waves are transmitted in the forward direction with respect to the flow of the sample gas Ultrasonic propagation velocity V measured at₁[M / sec] is V₁= C + V, ultrasonic propagation velocity V measured when transmitting ultrasonic waves in the opposite direction₂[M / sec] is V₂= C−V, the sample gas flow velocity V [m / sec] can be obtained by the following equation 2.
[0005]
[Expression 2]

[0006]
The inner area of the pipe through which the sample gas flows [m²], The sample gas flow rate [m³/ Sec] can be obtained. Furthermore, if volume conversion and time conversion are performed, the flow rate can be easily obtained in [L / min]. Various proposals have been made regarding methods and apparatuses for measuring the concentration and flow rate of a sample gas from the propagation speed or propagation time of an ultrasonic wave propagating in the sample gas using the principle. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-213877, two ultrasonic transducers are arranged facing each other in a pipe through which a sample gas passes, and the propagation time of ultrasonic waves propagating between the ultrasonic transducers is measured. Describes an apparatus for measuring the concentration and flow rate of a sample gas. In Japanese Patent Laid-Open Nos. 7-209265 and 8-233718, the propagation speed or propagation time of ultrasonic waves propagating in a sensing area is measured by a sound wave reflection method using one ultrasonic transducer. Thus, an apparatus for measuring the concentration of a sample gas is described. Furthermore, if the number of molecules constituting the sample gas is two, the concentration of the sample gas can be easily specified as described above, but the oxygen-enriched gas output from the oxygen concentrator includes oxygen In addition to nitrogen, argon is included. A method for specifying the oxygen concentration in that case is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-135601 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-137510.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-6-213877
[Patent Document 2]
JP 7-209265 A
[Patent Document 3]
JP-A-8-233718
[Patent Document 4]
JP 2003-135601 A
[Patent Document 5]
JP 2003-137510 A
[Patent Document 6]
JP-A-9-318644
[Patent Document 7]
JP 60-138422 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In such a method and apparatus for accurately measuring the concentration and flow rate of the sample gas using the ultrasonic wave propagation speed, the ultrasonic wave propagation time must be accurately detected. However, noise components are always included in the received waveform of an ultrasonic wave, and it is very difficult to directly detect the time at the moment when the ultrasonic wave is received. A method of estimating the ultrasonic propagation time by installing hardware is used.
[0009]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 9-318644, the received ultrasonic waveform is integrated, and the zero-cross time of the received wave after the integrated output reaches the reference value is used as the ultrasonic propagation time for flow velocity measurement. A method is described. With this method, even if the amplitude of the received waveform varies somewhat, the timing of the zero crossing does not fluctuate, so it is possible to obtain the zero crossing time at a position relatively close to the arrival time of the received wave. The difference between the true ultrasonic propagation time and the detected zero-crossing time greatly affects the measurement error, particularly in the concentration measurement, not the ultrasonic propagation time.
[0010]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-138422 describes a method of detecting a rise time of an envelope waveform based on an approximate expression calculated from an envelope waveform of a received waveform to obtain a true ultrasonic wave propagation time. ing. However, in the method of estimating the ultrasonic wave propagation time from the envelope waveform, hardware for sampling the received waveform is required to obtain the envelope waveform, and a complicated signal is required for calculating the envelope. Since processing is required, it has been difficult to produce an inexpensive and small device.
[0011]
The present invention provides a method for measuring the oxygen concentration and flow rate of an oxygen-enriched gas without requiring complicated signal processing and hardware, and an inexpensive and small-sized ultrasonic gas by using only the minimum necessary components. An object of the present invention is to provide an oxygen concentrator equipped with a concentration flow rate measuring means.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent research to achieve such an object, the present inventors have found that an oxygen concentrating means for separating oxygen from the air, and an ultrasonic wave disposed opposite to the piping through which oxygen-enriched gas downstream of the oxygen concentrating means flows. In an oxygen concentrator equipped with two transducers and a zero-crossing time detection circuit for received ultrasonic waves, the speed of sound of ultrasonic waves propagating in the oxygen-enriched gas can be obtained from the concentration range and temperature range that the oxygen-enriched gas can take. If a suitable distance between ultrasonic transducers is set by knowing the range in advance, and if a suitable pipe radius is set from the flow rate range that the oxygen-enriched gas can take, two continuous oxygen-enriched gas temperatures can be obtained. By detecting only the above zero-crossing time, it is possible to detect the ultrasonic propagation time in the stationary oxygen-enriched gas and the flow of oxygen-enriched gas without acquiring the waveform information of the received ultrasound. The ultrasonic wave propagation time difference between the reverse directions can be accurately detected, it has been found the oxygen concentration of the oxygen enriched gas, and that it is possible to measure the flow rate.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples are shown below. In this embodiment, the oxygen concentration range of the oxygen-enriched gas is 21 [% O.₂] To 95 [% O₂] Is shown. The oxygen concentration is 21 [% O₂], It is assumed that the atmosphere in which oxygen is not concentrated is measured. Further, the flow range of the oxygen-enriched gas is 0 to 10 [L / min], and the temperature range of the oxygen-enriched gas is shown in the case of 5 [° C.] to 35 [° C.]. In this embodiment, an ultrasonic transducer having a center frequency of 40 [kHz] is used. The concentration range and temperature range that can be taken by the oxygen-enriched gas that can be measured by the present invention are not limited to the ranges in the present embodiment, and can be easily applied to other ranges. Furthermore, the center frequency of the ultrasonic vibrator is not limited to 40 [kHz], and can be easily applied to ultrasonic vibrators having other center frequencies.
[0014]
The configuration of the oxygen concentrator in the present embodiment is as shown in FIG. This example shows an example of a pressure fluctuation adsorption type oxygen concentrator, but various other generating means such as an oxygen-enriched membrane and a solid electrolyte membrane can be adopted as the oxygen generating means. The oxygen concentrator 10 sucks air as a raw material gas, supplies the air to the oxygen concentrating means 13 through the filter 11, the oxygen concentrating means 13 for separating oxygen from the air, and downstream of the oxygen concentrating means 13. The ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means 15 described below is provided.
[0015]
The configuration of the ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means 15 is as shown in FIG. Two ultrasonic transducers 2 are arranged opposite to each other in a pipe 1 through which oxygen-enriched gas flows, a switching device 4 that switches between transmission and reception of the ultrasonic transducer 2, and an ultrasonic transmission pulse is applied to the ultrasonic transducer 2. Driver 5 for transmitting, zero-crossing time detection circuit 6 for detecting the zero-crossing time of the ultrasonic reception waveform, microcomputer 7 for calculating the concentration and flow rate of the oxygen-enriched gas, and the temperature of the oxygen-enriched gas in the pipe 1 A temperature sensor 3 is provided. In addition, the arrangement facing each other means that the transmitted ultrasonic wave is arranged at a position where the ultrasonic transducer on the opposite side can receive it. When the pipe is a straight pipe, the transmission surface and the reception surface are parallel to each other. It is preferable to arrange in the above. The piping itself may be bent such as a U-shaped tube. The temperature sensor 3 may be installed in a place away from the pipe 1 as long as the temperature of the oxygen-enriched gas can be measured. Moreover, you may provide the pressure sensor used in order to convert volumetric flow volume into mass flow volume.
[0016]
Various methods for detecting the zero-cross time of received ultrasonic waves by transmitting and receiving ultrasonic waves have been proposed. The simplest method is to mount a zero cross comparator and detect the rising edge or falling edge of the comparator output. FIG. 3 shows an example of the ultrasonic reception waveform. Since various noise components are included in the received waveform of the ultrasonic wave, it is desirable to acquire the output of the zero cross comparator when the reception amplitude becomes sufficiently large in order to accurately detect the zero cross time. That is, the acquired zero crossing time is obtained not at the first wave of the received ultrasonic wave but at, for example, the second wave or the third wave thereafter. FIG. 4 shows a zero cross time detection method in the zero cross time detection circuit 6 in the present embodiment. The zero cross detection circuit 6 includes a trigger comparator for detecting the presence of the received waveform at a voltage value sufficiently larger than the noise level, and the time when the trigger comparator output is generated (trigger detection in FIG. 4). It includes a zero cross comparator that can detect the zero cross time after the position). It is desirable that the obtained zero crossing time is not a single point but a few consecutive points. In this embodiment, three consecutive zero crossing times (Zc1, Zc2, Zc3 in FIG. 4) are obtained.
[0017]
The zero-crossing interval of the received ultrasonic wave should always be a time interval for one cycle calculated from the center frequency. The time for one cycle when using an ultrasonic transducer with a center frequency of 40 [kHz] is 1/40000 [sec] = 25 [μsec]. That is, the leading zero-crossing time obtained by the zero-crossing detection circuit 6 is not the ultrasonic wave reception time itself, but true ultrasonic wave reception is performed at any time obtained by rewinding an integral multiple of 25 [μsec] from the zero-crossing time. There will be time.
[0018]
That is, even if it is unclear how many times the zero-crossing time acquired is the zero-crossing time after the first wave, it is rewound by an integral multiple of one cycle from the zero-crossing time within the possible range of the ultrasonic propagation time described above. By setting the inter-vibrator distance L in which only one time is always obtained, the true ultrasonic wave propagation time can be easily estimated.
[0019]
If the exact frequency of the received ultrasound is not known in advance, it is possible to calculate the interval between each zero-crossing time by acquiring several consecutive zero-crossing times, and calculate the frequency from the interval between the zero-crossing times. You can also.
[0020]
Hereinafter, a method for suitably setting the distance between the ultrasonic transducers will be described. If the concentration range of the oxygen-enriched gas is known, the range of the speed of sound propagating through the oxygen-enriched gas at a flow rate of zero at each temperature can be easily calculated using Equation 1. If the molecular weight of oxygen is 32, the molecular weight of nitrogen is 28, the molecular weight of argon is 40, the specific heat ratio of oxygen / nitrogen is 1.4, and the specific heat ratio of argon is 1.667, for example, at a temperature of 20 ° C. When the oxygen concentration is 21% (in the case of the atmosphere in which oxygen is not concentrated: oxygen 21%, nitrogen 78%, argon 1%), the speed of sound is 343.6 [m / sec] from Equation 1. Furthermore, it has been found that the state in which the oxygen concentration output from the oxygen concentrator 10 in the present embodiment reaches the maximum is an oxygen concentration of 95%, a nitrogen concentration of 1%, and an argon concentration of 4%. 326.4 [m / sec]. That is, when the oxygen concentration of the oxygen-enriched gas changes, the speed of sound in the oxygen-enriched gas at 20 ° C. always falls within the range of 326.4 [m / sec] to 343.6 [m / sec]. The both ends of the range are the upper and lower limits of the sound velocity. FIG. 5 shows a graph of the relationship between the temperature and the speed of sound, which is calculated in the range of 5 ° C. to 35 ° C., which can be taken by the temperature of the oxygen-enriched gas. As apparent from FIG. 5, the upper and lower limits of the sound velocity C can be expressed as a function of the temperature T, and the upper limit of the sound velocity at the temperature T is expressed as C._max(T), lower limit is C_min(T).
[0021]
Next, let the distance between the transducers to be preferred_s[M]. Since the possible range of sound speed is known in advance as described above, the possible range of ultrasonic propagation time is L_sCan be used. That is, the possible range of ultrasonic propagation time is L_s/ C_max(T) [sec]-L_s/ C_min(T) [sec].
[0022]
In order to always have only one time obtained by rewinding from the zero cross time obtained by the zero cross time detection circuit 6 by an integral multiple of one cycle within the range that the ultrasonic propagation time can take, the propagation time of The range which can be taken should just be less than the time for 1 period of an ultrasonic wave (FIG. 10). If the frequency of the ultrasonic wave is fr [Hz], the time of one cycle is 1 / fr [sec]. That is, L that always satisfies the following expression 3_sShould be selected.
[0023]
[Equation 3]

[0024]
“L_s/ C_min(T)-L_s/ C_maxThe temperature T that maximizes the value of (T) ″ is 5 ° C., the lower limit of the temperature range of the oxygen-enriched gas in this embodiment._max(5 ° C), C_min(5 ° C) is C_max(5 ° C.) = 334.7 [m / sec], C_min(5 ° C.) = 317.9 [m / sec]. Furthermore, since the frequency fr of the ultrasonic wave in this embodiment is fr = 40 [kHz] = 40000 [Hz], the inter-vibrator distance L satisfying Expression 3 is satisfied._sL_s<15.8 [cm], and the two ultrasonic transducers 2 may be installed so that the inter-vibrator distance is less than about 15 [cm]. However, if the inter-vibrator distance is too short, the ultrasonic propagation time obtained when ultrasonic waves are transmitted and received becomes very short, which is disadvantageous in terms of time measurement resolution. Further, when the inter-vibrator distance in the vicinity of 15.8 cm, which is the upper limit of the inter-vibrator distance in calculation, is adopted, for example, the actual temperature of the oxygen-enriched gas is 5 ° C. which is the lower limit of the use temperature in the design. Nevertheless, when a temperature lower than the actual temperature is measured due to an output error of the temperature sensor 3, or in a temperature environment where the oxygen concentrator 10 is below 5 ° C. due to carelessness of the user of the oxygen concentrator 10. When the sound velocity measurement value calculated by the microcomputer 7 is C_min(5 ° C) to C_maxIt is also conceivable that the range of (5 ° C.) jumps out. Furthermore, there is a variation in the center frequency of the ultrasonic transducer 2. For example, when the center frequency of the actually used ultrasonic transducer 2 is 42 kHz, the calculation result by the equation (3) is 15.1 cm. Therefore, it is necessary to set the inter-vibrator distance shorter than the calculated value of 15.8 cm in the ideal state. When the oxygen concentrator 10 is realized as a product, it is necessary to implement a design that fully considers the situation. In the present embodiment, the actual usage environment and the temperature sensor 3 may exist. As a result of taking into account the measurement accuracy, the time measurement resolution of the microcomputer 7, the variation in the center frequency of the ultrasonic transducer 2, etc., the distance between the transducers of 10 [cm] was adopted.
[0025]
In order to measure the flow rate, ultrasonic transmission / reception is performed in both forward and reverse directions with respect to the flow of the oxygen-enriched gas, and both the forward zero cross time and the reverse zero cross time are required. If the forward-side zero-crossing time and the backward-side zero-crossing time are always obtained at the same trigger detection position, as shown in FIG. 6, the difference between the forward-side zero-crossing time and the backward-side zero-crossing time (A in FIG. Interval) = difference in propagation time of ultrasonic waves (t in FIG. 6)_d) FIG. 6 shows a case where the trigger is detected in the second wave for both the forward zero cross time and the reverse zero cross time. However, there is no guarantee that the received waveforms of ultrasonic waves will be exactly the same in both forward and reverse directions, and the trigger detection positions detected by the trigger comparator in the zero cross detection circuit 6 may not be aligned in forward and reverse directions.
[0026]
Therefore, the propagation time difference t of ultrasonic waves obtained in both forward and reverse directions._dHowever, if the inner radius of the pipe 1 through which the oxygen-enriched gas flows is always set to be less than one period of the received ultrasonic wave, the trigger detection position can be easily obtained even when the trigger detection positions are not aligned in the forward and reverse directions. Can be arranged. For example, the trigger detection position obtained by performing ultrasonic transmission / reception in the forward direction with respect to the flow of oxygen-enriched gas is the third wave, and the trigger detection position obtained when ultrasonic transmission / reception is performed in the reverse direction is The case of the second wave is shown in FIG.
[0027]
When the difference between the forward zero cross time and the reverse zero cross time is calculated assuming that the trigger detection positions are aligned in the forward and reverse directions, the value becomes a negative value (A in FIG. 7). If the flow rate range of the oxygen-enriched gas is 0 to 10 [L / min], the difference in propagation time cannot be negative. Therefore, it can be easily detected that the trigger detection positions are not aligned. B can be adopted as the true propagation time difference.
[0028]
Conversely, the trigger detection position obtained by performing ultrasonic transmission / reception in the forward direction with respect to the flow of the oxygen-enriched gas is the second wave, and the trigger detection position obtained when ultrasonic transmission / reception is performed in the reverse direction. FIG. 8 shows a case where is the third wave. Assuming that the trigger detection positions are aligned in the forward and reverse directions, the difference between the forward zero cross time and the reverse zero cross time is calculated. ). However, the propagation time difference t of ultrasonic waves_dHowever, if it is always designed to be less than one period of the received ultrasonic wave, the difference in propagation time cannot be more than one period of the received ultrasonic wave. It can be detected that the positions are not aligned, and B in FIG. 8 can be adopted as a true propagation time difference.
[0029]
Hereinafter, a method for suitably setting the inner radius of the pipe 1 through which the oxygen-enriched gas flows will be described. If the flow rate of the oxygen-enriched gas is Q [L / min], and the inner radius of the pipe 1 through which the oxygen-enriched gas flows is r [m], the flow velocity V [m / sec] in the pipe 1 is It is expressed in the range of the formula 4.
[0030]
[Expression 4]

[0031]
Sound velocity V observed when ultrasonic waves are transmitted in the forward direction with respect to the flow of oxygen-enriched gas₁[M / sec] is the velocity of sound when the oxygen-enriched gas is at rest C [m / sec].₁= C + V, and sound velocity V observed when ultrasonic waves are transmitted in the opposite direction to the flow of oxygen-enriched gas₂[M / sec] is V₂= C-V. The difference in propagation time observed when ultrasonic transmission / reception is performed in both forward and reverse directions with respect to the flow of the oxygen-enriched gas is expressed as t._dIf [sec], t_dIs the distance between transducers_sAs [m], it can represent with Formula 5.
[0032]
[Equation 5]

[0033]
Therefore, the propagation time difference t_dIs always less than one period of the received ultrasonic wave, an inner radius r that always satisfies Equation 6 may be selected.
[0034]
[Formula 6]

[0035]
In this embodiment, the condition of C and Q that maximizes the left term of Equation 6 is C = C_min(5 ° C.) = 317.9 [m / sec], Q = 10 [LPM]. Further, the inter-vibrator distance L_s= 10 [cm] = 0.1 [m], and when the ultrasonic frequency fr = 40 [kHz] = 40000 [Hz] is substituted into Equation 6, r> 2.051 [mm], and the inner radius of the pipe 1 It is sufficient that the value exceeds 2.051 [mm]. When setting the inner radius, as in the case of setting the inter-vibrator distance, a larger inner radius is not necessarily better. As the inner radius is increased, the flow velocity of the oxygen-enriched gas flowing in the pipe 1 decreases, and the ultrasonic propagation time obtained when the ultrasonic waves are transmitted and received in the forward and reverse directions with respect to the flow of the oxygen-enriched gas. The difference becomes smaller, which is disadvantageous in terms of time measurement resolution. In addition, even when an inner radius near a value that is the lower limit in calculation is selected, there is a high possibility that inconvenience will occur as in the case of setting the inter-vibrator distance. As a result of considering the possible use environment, time measurement resolution of the microcomputer 7, variation in the center frequency of the ultrasonic transducer 2, etc., 2.5 [mm] was adopted as the inner radius of the pipe 1.
[0036]
Hereinafter, the oxygen concentration of the oxygen-enriched gas and the flow rate measuring method by the ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means 15 mounted on the oxygen concentrator 10 in this embodiment will be described. The compressor 12 sucks air as a raw material gas through the filter 11 and sends the air to the oxygen concentrating means 13. The oxygen enrichment means 13 sends out oxygen enriched gas by selectively adsorbing nitrogen from the air. The delivered oxygen-enriched gas is input to the ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means 15.
[0037]
The ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means 15 sends an ultrasonic transmission pulse from the microcomputer 7 to the driver 5 while the oxygen-enriched gas is being fed. A pulse voltage is applied to the ultrasonic transducer 2 selected to transmit ultrasonic waves, and ultrasonic waves are transmitted. The ultrasonic wave received by the other ultrasonic transducer 2 is input to the zero cross detection circuit 6 via the transmission / reception switch 4, and the obtained three forward zero cross times (ZcF1, ZcF2, ZcF3) are micro-measured. Send to computer 7. After that, an ultrasonic transmission pulse is sent from the microcomputer 7 to the driver 5, and a pulse is sent to the ultrasonic transducer 2 selected by the transmission / reception switch 4 so as to transmit the ultrasonic wave in the direction opposite to the flow of the oxygen-enriched gas. A voltage is applied and ultrasonic waves are transmitted. The ultrasonic waves received by the other ultrasonic transducer 2 are input to the zero cross detection circuit 6 via the transmission / reception switch 4, and the obtained three reverse zero cross times (ZcB1, ZcB2, ZcB3) are micro-measured. Send to computer 7.
[0038]
From the forward zero-cross time and the reverse zero-cross time obtained in the forward and reverse directions with respect to the flow of the oxygen-enriched gas by the above operation, the ultrasonic waves whose trigger detection positions are aligned by the method shown in FIGS. Difference in propagation time t_dIs calculated. t_dIn the calculation of A, the time detection error can be reduced by averaging the values of A shown in FIG. 6 or the values of B shown in FIGS. Further, an average zero cross time Zc_ave of the first zero cross time in which the trigger detection positions of the forward zero cross time and the reverse zero cross time are aligned is calculated. Zc_ave can be regarded as a zero cross time obtained when ultrasonic transmission / reception is performed when the flow rate of the oxygen-enriched gas is zero. For example, in the state shown in FIG. 6, Zc_ave can be obtained by the following Expression 7 (FIG. 9).
[0039]
[Expression 7]

[0040]
Similarly, if it is in the state shown in FIG. 7, it can obtain | require by Formula 8 (not shown).
[0041]
[Equation 8]

[0042]
Furthermore, if it is in the state shown in FIG. 8, it can obtain | require by Formula 9 (not shown).
[0043]
[Equation 9]

[0044]
Subsequently, the microcomputer 7 sets the distance between the two ultrasonic transducers to L_s[M] (in this embodiment, L_s= 0.1 [m]), the output T ° C. of the temperature sensor 3 is read, and the ultrasonic propagation time range L corresponding to the temperature T ° C. of the oxygen-enriched gas._s/ C_max(T) [sec] to L_s/ C_min(T) [sec] is calculated. Further, until the average zero cross time Zc_ave enters the range of the ultrasonic wave propagation time, an integral multiple of the time of one period of the received ultrasonic wave = 25 [μsec] is rewound, and the ultrasonic wave propagation time t_s[Sec] is determined (FIG. 10). From this result, the ultrasonic propagation velocity C in the stationary oxygen-enriched gas_s[M / sec] can be obtained by the following equation 10.
[0045]
[Expression 10]

[0046]
Ultrasonic propagation velocity C in stationary oxygen-enriched gas_sSince the temperature T of the oxygen-enriched gas is also known by the temperature sensor 3, the oxygen concentration is specified by a method described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-135601 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-137510. It becomes possible to do.
[0047]
The above calculation is performed by the microcomputer 7, and the concentration measurement result is displayed on the display 8.
[0048]
When measuring the flow rate, the ultrasonic propagation time t in the stationary oxygen-enriched gas previously obtained_sAnd ultrasonic propagation time difference t_dIs used to transmit and receive ultrasonic waves in the forward direction with respect to the flow of the oxygen-enriched gas._s1, Ultrasonic propagation time t when transmitting / receiving ultrasonic waves in the opposite direction_s2Is obtained by

Equations

11 and 12.
[0049]
## EQU11 ##

[0050]
[Expression 12]

[0051]
That is, the ultrasonic propagation velocity V measured when ultrasonic waves are transmitted in the forward direction with respect to the flow of the oxygen-enriched gas._s1[M / sec], ultrasonic propagation velocity V measured when ultrasonic waves are transmitted in the opposite direction_s2[M / sec] can be obtained by the following equations.
[0052]
[Formula 13]

[0053]
[Expression 14]

[0054]
Furthermore, from equation 2, the flow velocity V of the oxygen-enriched gas_s[M / sec] can be obtained by the following equation.
[0055]
[Expression 15]

[0056]
Velocity V_sIf [m / sec] is obtained, the inner radius of the pipe 1 through which the oxygen-enriched gas flows is set to r._sIf [m], flow rate Q_s[L / min] can be obtained by Expression 16.
[0057]
[Expression 16]

[0058]
The above calculation is performed in the microcomputer 7, and the flow measurement result is displayed on the display 8.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an oxygen concentrator of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of ultrasonic oxygen concentration flow rate measuring means of the present invention.
FIG. 3 shows an example of an ultrasonic reception waveform.
FIG. 4 shows an example of a zero cross time detection method by a zero cross time detection circuit.
FIG. 5 shows the relationship between temperature and sound speed.
FIG. 6 shows the relationship between the ultrasonic propagation time difference and the zero-cross time interval when the trigger detection positions are aligned.
FIG. 7 is a diagram illustrating a case where the trigger detection position obtained when ultrasonic transmission / reception is performed in the reverse direction is one period ahead of the trigger detection position obtained by performing ultrasonic transmission / reception in the forward direction. Relationship between sound wave propagation time difference and zero crossing time interval.
FIG. 8 is a diagram illustrating a case where the trigger detection position obtained when ultrasonic transmission / reception is performed in the reverse direction is behind the trigger detection position obtained by performing ultrasonic transmission / reception in the forward direction; Relationship between sound wave propagation time difference and zero crossing time interval.
FIG. 9 shows an example of obtaining a zero cross time obtained when ultrasonic transmission / reception is performed in a stationary oxygen-enriched gas.
FIG. 10 shows an example of obtaining ultrasonic propagation time in a stationary oxygen-enriched gas.
[Explanation of symbols]
1 Piping
2 Ultrasonic vibrator
3 Temperature sensor
4 Transmission / reception switch
5 Driver
6 Zero cross detection circuit
7 Microcomputer
8 Display
9 Nonvolatile memory
10 Oxygen concentrator
11 Filter
12 Compressor
13 Oxygen concentrating means
14 Flow rate setting means
15 Ultrasonic oxygen concentration flow measurement means
16 Product filters

Claims

空気中から酸素を分離する酸素濃縮手段、酸素濃縮手段の下流の酸素濃縮ガスの流れる配管中に対向させて配置した２つの超音波振動子、受信超音波のゼロクロス時間検出手段を具備した酸素濃縮装置において、該ゼロクロス時間検出手段が、酸素濃縮ガスの流れに対して順方向に送受信された超音波の受信波形から２つ以上の連続した順側ゼロクロス時間と、酸素濃縮ガスの流れに対して逆方向に送受信された超音波の受信波形から２つ以上の連続した逆側ゼロクロス時間を検出し、該順側ゼロクロス時間と該逆側ゼロクロス時間のトリガ検出位置を揃え、該トリガ検出位置の揃った順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の平均値から平均ゼロクロス時間を算出し、真の超音波伝播時間の取り得る範囲に入るまで、該平均ゼロクロス時間から受信超音波の１周期分の時間を整数倍巻き戻すことによって真の超音波伝播時間を演算する演算手段を備えることを特徴とする酸素濃縮装置。Oxygen concentrating means comprising oxygen concentrating means for separating oxygen from the air, two ultrasonic vibrators arranged opposite to each other in a pipe through which the oxygen concentrating gas downstream of the oxygen concentrating means, and zero-crossing time detecting means for received ultrasonic waves In the apparatus, the zero-crossing time detecting means detects two or more consecutive forward zero-crossing times from the received waveform of ultrasonic waves transmitted and received in the forward direction with respect to the flow of oxygen-enriched gas, and the flow of oxygen-enriched gas. Two or more consecutive reverse zero cross times are detected from the received waveforms of ultrasonic waves transmitted and received in the reverse direction, the trigger detection positions of the forward zero cross time and the reverse zero cross time are aligned, and the trigger detection positions are aligned. The average zero-cross time is calculated from the average value of the forward zero-cross time and the reverse zero-cross time, and the average zero-cross time Oxygen concentrator, characterized in that it comprises a calculation means for calculating a true ultrasonic wave propagation time by unwinding integral multiple one period of time of the received ultrasonic waves from.

該真の超音波伝播時間の取り得る範囲を、酸素濃縮ガスの濃度範囲および温度範囲から導き出すことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃縮装置。2. The oxygen concentrator according to claim 1, wherein a possible range of the true ultrasonic wave propagation time is derived from a concentration range and a temperature range of the oxygen-enriched gas.

該超音波振動子の間の距離が、酸素濃縮ガスの濃度範囲および温度範囲に基づいて、静止した酸素濃縮ガス中で超音波の送受信を実施した際に得られる真の超音波伝播時間の取り得る範囲の幅が受信超音波の１周期分の時間未満になる距離に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃縮装置。Based on the concentration range and temperature range of the oxygen-enriched gas, the distance between the ultrasonic transducers is the true ultrasonic propagation time obtained when transmitting and receiving ultrasonic waves in a stationary oxygen-enriched gas. The oxygen concentrator according to claim 1 or 2, wherein the width of the range to be obtained is set to a distance that is less than the time of one cycle of the received ultrasonic wave.

該酸素濃縮ガスの流れる配管の中に、酸素濃縮ガスの温度を測定するための温度センサを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 3, further comprising a temperature sensor for measuring a temperature of the oxygen-enriched gas in a pipe through which the oxygen-enriched gas flows.

該超音波振動子の間の距離（Ｌ）が、次式を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに１項に記載の酸素濃縮装置。
Ｌ／Ｃ_ｍｉｎ（Ｔ_ｍｉｎ） − Ｌ／Ｃ_ｍａｘ（Ｔ_ｍｉｎ）＜１／ｆｒ
但し、
Ｃ_ｍｉｎ（Ｔ_ｍｉｎ）：酸素濃縮ガスの温度下限値（Ｔ_ｍｉｎ℃）において、酸素濃縮ガスの濃度範囲から計算される静止酸素濃縮ガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の下限値［ｍ／ｓｅｃ］
Ｃ_ｍａｘ（Ｔ_ｍｉｎ）：酸素濃縮ガスの温度下限値（Ｔ_ｍｉｎ℃）において、酸素濃縮ガスの濃度範囲から計算される静止酸素濃縮ガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の上限値［ｍ／ｓｅｃ］
ｆｒ：酸素濃縮ガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 4, wherein a distance (L) between the ultrasonic transducers satisfies the following expression.
L / C _min (T _min ) −L / C _max (T _min ) <1 / fr
However,
C _min (T _min ): Lower limit value of the theoretical sound speed range of ultrasonic waves propagating in the stationary oxygen enriched gas calculated from the concentration range of the oxygen enriched gas at the temperature lower limit value (T _min ° C) of the oxygen enriched gas [ m / sec]
C _max (T _min ): Upper limit value of the theoretical sound velocity range of ultrasonic waves propagating in the stationary oxygen enriched gas calculated from the concentration range of the oxygen enriched gas at the temperature lower limit value (T _min ° C) of the oxygen enriched gas [ m / sec]
fr: reception frequency [Hz] of ultrasonic waves propagating in the oxygen-enriched gas

該演算手段が、該トリガ検出位置の揃った順側ゼロクロス時間と逆側ゼロクロス時間の差を求め、請求項１に記載の装置にて獲得された真の超音波伝播時間と該順側ゼロクロス時間と該逆側ゼロクロス時間の差から、酸素濃縮ガスの流れに対して順逆双方向での音速の差を求めることにより、酸素濃縮ガスの流量を演算する手段であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。2. The true ultrasonic wave propagation time acquired by the apparatus according to claim 1 and the forward zero cross time obtained by the calculation means obtaining a difference between the forward zero cross time and the reverse zero cross time at which the trigger detection positions are aligned. 2. A means for calculating a flow rate of the oxygen-enriched gas by obtaining a difference in sound velocity in forward and reverse directions with respect to the flow of the oxygen-enriched gas from the difference between the zero-crossing time and the reverse-side zero-crossing time. The oxygen concentrator according to any one of -5.

該配管の内半径が、酸素濃縮ガスの濃度範囲、温度範囲、および流量範囲に基づいて、酸素濃縮ガスの流れに対して順逆双方向にて得られる超音波伝播時間の差が、受信超音波の１周期分の時間未満になるように設定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。Based on the concentration range, temperature range, and flow rate range of the oxygen-enriched gas, the difference in the ultrasonic propagation time obtained in the forward and reverse directions with respect to the flow of the oxygen-enriched gas The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen concentrator is set so as to be less than the time of one cycle.

該配管の内半径（ｒ）が下記式の条件を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素濃縮装置。
Ｌ／（Ｃ_ｍｉｎ（Ｔ_ｍｉｎ）−Ｑ_ｍａｘ／（６００００πｒ^２）） − Ｌ／（Ｃ_ｍｉｎ（Ｔ_ｍｉｎ）＋Ｑ_ｍａｘ／（６００００πｒ^２））＜１／ｆｒ
但し、
Ｌ：超音波振動子間の距離
Ｃ_ｍｉｎ（Ｔ_ｍｉｎ）：酸素濃縮ガスの温度下限値（Ｔ_ｍｉｎ℃）において、酸素濃縮ガスの濃度範囲から計算される静止酸素濃縮ガス中を伝播する超音波の理論的音速範囲の下限値［ｍ／ｓｅｃ］
Ｑ_ｍａｘ：酸素濃縮ガスの流量上限値［Ｌ／ｍｉｎ］
ｆｒ：酸素濃縮ガス中を伝播する超音波の受信周波数［Ｈｚ］The oxygen concentrator according to any one of claims 1 to 7, wherein an inner radius (r) of the pipe satisfies a condition of the following formula.
_{_{_{L / (C min (T min}}} ) -Q max / (60000πr 2)) - L / (C min (T min) + Q max / (60000πr 2)) <1 / fr
However,
L: distance between ultrasonic transducers C _min (T _min ): ultrasonic wave propagating through the stationary oxygen-enriched gas calculated from the concentration range of the oxygen-enriched gas at the lower temperature limit of the oxygen-enriched gas (T _min ° C) Lower limit of the theoretical sound speed range [m / sec]
Q _max : Flow rate upper limit value of oxygen-enriched gas [L / min]
fr: reception frequency [Hz] of ultrasonic waves propagating in the oxygen-enriched gas