KR20190097034A - 기체 농도 측정 장치 및 그 교정 방법 - Google Patents

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우에다 니혼 무센 가부시키가이샤
닛신보 홀딩스 가부시키 가이샤
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Abstract

본 발명은 기체 농도 측정 장치의 측정 정밀도를 향상시키는 것을 목적으로 한다. 하우징(10) 내의 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 측정하는 단계와, 전반 시간의 측정값 및 측정 구간에 대한 기준 거리에 기초하여 온도 계산값을 구하는 단계와, 하우징(10) 내의 온도를 측정하여 온도 측정값을 얻는 단계와, 온도 계산값과 온도 측정값과의 차이를 나타내는 온도 치환 변동값을 구하는 단계를 포함하는 변동값 산출 프로세스가, 하우징(10) 내에 있는 기준 기체의 온도가 상이한 복수 종의 온도 조건의 각각에 대하여 실행된다. 각 온도 조건 하에서 구해진 온도 치환 변동값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 온도와 그 온도에 대한 온도 보상값을 대응시킨 온도 보상 테이블이 구해진다.

Description

기체 농도 측정 장치 및 그 교정 방법
본 발명은 기체 농도 측정 장치 및 그 교정 방법에 관한 것으로, 특히 초음파의 전반(傳搬) 특성에 기초하여 정해진 기체의 농도를 측정하는 장치 및 교정 방법에 관한 것이다.
연료 전지로부터 공급되는 전력에 의해 주행하는 연료 전지차에 대하여, 널리 연구 개발이 행해지고 있다. 연료 전지는 수소 및 산소의 화학 반응에 의해 전력을 발생한다. 일반적으로, 수소가 연료로서 연료 전지에 공급되고, 산소는 주위의 공기로부터 연료 전지에 도입된다. 연료 전지차에는 수소 탱크가 탑재되어, 수소 탱크로부터 연료 전지로 수소가 공급된다. 수소 탱크 내의 수소가 적어졌을 때는, 서비스 스테이션에 설치된 수소 공급 장치로부터 연료 전지차의 수소 탱크로 수소가 공급된다. 수소는 가연성의 기체이기 때문에, 연료 전지차 및 수소 공급 장치로부터의 수소의 누출을 감시해야 한다. 따라서, 연료 전지차 및 수소 공급 장치와 함께, 수소 농도 측정 장치가 널리 이용되고 있다. 수소 농도 측정 장치는 공기 중에 포함되는 수소의 농도를 측정하거나, 수소 농도가 소정 값을 초과했을 때에 경보를 발하거나 하는 기능을 가진다.
이하의 특허 문헌 1 및 2에는, 특정의 기체의 농도를 측정하는 장치가 기재되어 있다. 이들 특허 문헌에 기재되어 있는 장치는, 측정 대상의 공기에 있어서의 초음파의 전반 속도 등, 초음파의 전반 특성에 기초하여 특정의 기체의 농도를 측정하는 것이며, 수소의 농도의 측정에 이용해도 된다.
일본특허공개공보 2002-214203호 일본특허공개공보 평 3-223669호
일반적으로, 초음파의 전반 속도에 기초하여 특정의 기체의 농도를 측정하는 장치에는, 기체의 농도를 측정하는 공간이 마련되어 있다. 이 농도 측정 공간에는 초음파를 송수신하는 초음파 진동자가 마련된다. 송신용의 초음파 진동자로부터 초음파가 송신되고 나서, 농도 측정 공간 내를 전반한 초음파가 수신용의 초음파 진동자로 수신될 때까지의 시간과 미리 요구된 전반 거리에 기초하여, 초음파의 전반 속도가 구해진다. 그러나 농도 측정 공간은, 그 주위의 구성 부재의 온도 변동에 의한 팽창 또는 수축 등에 수반하여, 온도에 따라 신축하기 때문에, 전반 거리를 일정값으로서 구한 전반 속도의 측정값에는 오차가 생겨, 이 전반 속도 측정값을 이용하여 구해지는 농도에도 오차가 발생한다.
본 발명은 기체 농도 측정 장치의 측정 정밀도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기체의 농도 측정 공간을 구비하는 기체 농도 측정 장치의 교정 방법에 있어서, 상기 농도 측정 공간 내의 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 측정하는 단계와, 상기 전반 시간의 측정값 및 상기 측정 구간에 대한 기준 거리에 기초하여 온도 계산값을 구하는 단계와, 상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 온도 측정값을 얻는 단계와, 상기 온도 계산값과 상기 온도 측정값의 차이를 나타내는 온도 치환 변동값(온도에 따라 바뀌는 치환값)을 구하는 단계를 포함하는 변동값 산출 프로세스를, 상기 농도 측정 공간 내에 있는 기준 기체의 온도가 상이한 복수 종의 온도 조건의 각각에 대하여 실행하는 단계와, 각 상기 온도 조건 하에서 구해진 상기 온도 치환 변동값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 온도와, 그 온도에 대한 온도 보상값을 대응시키기 위한 교정 정보를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 농도 측정 공간 내에 상기 기준 기체가 있으며, 상기 농도 측정 공간 내가 기준 온도가 된 기준 상태로 상기 기체 농도 측정 장치를 설정하는 단계와, 상기 기체 농도 측정 장치가 상기 기준 상태로 되어 있을 때, 상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 기준 전반 시간을 측정하는 단계와, 상기 기준 전반 시간에 기초하여, 상기 측정 구간의 거리를 상기 기준 거리로서 구하는 단계를 미리 실행한다.
바람직하게는, 상기 교정 방법을 이용하여 기체의 농도를 측정하는 기체 농도 측정 방법에 있어서, 상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 기체 온도 측정값을 얻는 단계와, 상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 시간을 측정하여 전반 시간 측정값을 얻는 단계와, 상기 기체 온도 측정값과 상기 교정 정보에 기초하여 상기 기체 온도 측정값을 보정하고, 보상 온도 측정값을 구하는 단계와, 상기 전반 시간 측정값, 상기 기준 거리 및 상기 보상 온도 측정값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 농도를 측정하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 기체 농도 측정 장치를 구비하는 기체 농도 측정 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 기체 농도 측정 장치가, 상기 기체 농도 측정 방법을 이용하여 측정 대상의 기체의 농도를 측정한다.
본 발명은, 기체 농도를 측정하는 농도 측정 공간과, 상기 농도 측정 공간에 초음파를 송신하는 송신부와, 상기 농도 측정 공간 내를 전반한 초음파를 수신하는 수신부와, 상기 송신부로부터 초음파가 송신되고 나서, 상기 농도 측정 공간 내의 측정 구간을 전반한 초음파가 상기 수신부로 수신될 때까지의 전반 시간을 측정하여 전반 시간 측정값을 구하는 전반 시간 측정부와, 상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 기체 온도 측정값을 구하는 온도 측정부와, 상기 전반 시간 측정값, 상기 측정 구간에 대한 기준 거리 및 상기 기체 온도 측정값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 농도를 구하는 연산부를 구비하고, 상기 연산부는, 미리 구해진 교정 정보를 이용하여, 상기 기체 온도 측정값을 보정하여 보상 온도 측정값을 구하고, 상기 보상 온도 측정값에 기초하여 상기 측정 대상의 기체의 농도를 구하고, 상기 교정 정보는 상기 기체 온도 측정값과 온도 보상값을 대응시키기 위한 정보이며, 상기 온도 보상값은, 상기 농도 측정 공간의 온도 변동에 기초하는 상기 측정 구간의 거리의 변동, 상기 송신부의 온도 변동에 기초하는 상기 전반 시간 측정값의 변동 및 상기 수신부의 온도 변동에 기초하는 상기 전반 시간 측정값의 변동 중 적어도 하나를 온도로 치환한 값을 포함하고, 상기 연산부는, 상기 기체 온도 측정값에 대응된 상기 온도 보상값에 기초하여, 상기 보상 온도 측정값을 구하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 상기 전반 시간 측정부가 구하는 단계와, 상기 전반 시간의 측정값 및 상기 기준 거리에 기초하여, 상기 기체 농도 측정 장치와는 별도로 마련된 외부 연산 장치 또는 상기 연산부가 온도 계산값을 구하는 단계와, 상기 온도 측정부가 상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 온도 측정값을 구하는 단계와, 상기 온도 계산값과 상기 온도 측정값과의 차이를 나타내는 온도 치환 변동값을 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 구하는 단계를 포함하는 변동값 산출 프로세스를, 상기 농도 측정 공간 내에 있는 기준 기체의 온도가 상이한 복수 종의 온도 조건의 각각에 대하여 실행하는 단계와, 각 상기 온도 조건 하에서 구해진 상기 온도 치환 변동값에 기초하여, 상기 농도 측정 공간 내의 기체의 온도와 온도 보상값을 대응시키기 위한 상기 교정 정보를 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 구하는 단계를 포함하는 교정 정보 취득 처리에 의해 상기 교정 정보가 구해진다.
또한 본 발명은, 기체 농도를 측정하는 농도 측정 공간과, 초음파의 송수신에 기초하여, 상기 농도 측정 공간 내의 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 측정하여 전반 시간 측정값을 구하는 전반 시간 측정부와, 상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 기체 온도 측정값을 구하는 온도 측정부와, 상기 전반 시간 측정값, 상기 측정 구간에 대한 기준 거리 및 상기 기체 온도 측정값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 농도를 구하는 연산부를 구비하고, 상기 연산부는, 미리 구해진 교정 정보를 이용하여, 상기 기체 온도 측정값을 보정하여 보상 온도 측정값을 구하고, 상기 보상 온도 측정값에 기초하여 상기 측정 대상의 기체의 농도를 구하고, 변동값 산출 프로세스로서, 상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 상기 전반 시간 측정부가 구하는 단계와, 상기 전반 시간의 측정값 및 상기 기준 거리에 기초하여, 상기 기체 농도 측정 장치와는 별도로 마련된 외부 연산 장치 또는 상기 연산부가 온도 계산값을 구하는 단계와, 상기 온도 측정부가 상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 온도 측정값을 구하는 단계와, 상기 온도 계산값과 상기 온도 측정값과의 차이를 나타내는 온도 치환 변동값을 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 구하는 단계를 포함하는 변동값 산출 프로세스가, 상기 농도 측정 공간 내에 있는 기준 기체의 온도가 상이한 복수 종의 온도 조건의 각각에 대하여 실행되는 단계와, 각 상기 온도 조건 하에서 구해진 상기 온도 치환 변동값에 기초하여, 상기 농도 측정 공간 내의 기체의 온도와 온도 보상값을 대응시키기 위한 상기 교정 정보를 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 구하는 단계를 포함하는 교정 정보 취득 처리에 의해 상기 교정 정보가 구해지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 농도 측정 공간 내에 상기 기준 기체가 있으며, 상기 농도 측정 공간 내가 기준 온도로 되어 있을 때 상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 기준 전반 시간을 상기 전반 시간 측정부가 측정하는 단계와, 상기 기준 전반 시간에 기초하여, 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 상기 측정 구간의 거리를 상기 기준 거리로서 구하는 단계가 상기 교정 정보 취득 처리 전에 실행된다.
본 발명에 따르면, 기체 농도 측정 장치의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 기체 농도 측정 장치를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 2는 기체 농도 측정 장치의 상세한 구성을 나타내는 도이다.
도 3은 각 환경 온도에 대하여 이산적으로 구해진 온도 치환 변동값의 예를 나타내는 도이다.
도 4는 기체 농도 측정 장치의 변형예를 나타내는 도이다.
(1) 기체 농도 측정 장치의 구성의 개요
도 1에는 본 발명의 실시 형태에 따른 기체 농도 측정 장치가 모식적으로 나타나 있다. 기체 농도 측정 장치는 기체 농도를 측정하기 위한 공간을 가지는 하우징(10)을 구비하고 있으며, 하우징(10) 내의 기체를 전반하는 초음파의 전반 속도에 기초하여 기체 농도를 측정한다. 하우징(10)에는 통기홀(22)이 마련되어 있으며, 통기홀(22)을 개재하여 기체가 하우징(10)의 내외를 유통한다. 또한, 하우징(10)에 있어서의 농도 측정 공간의 형상은, 예를 들면 정육면체 형상, 원통 형상 등으로 한다. 농도 측정 공간은 반드시 하우징(10)의 벽에 의해 전체 방향이 둘러싸여 있지 않아도 되며, 적어도 초음파를 송수신할 수 있는 공간이면 된다. 예를 들면, 하우징(10)의 일부를 절단하고, 그 절단부에 있어서 농도 측정 공간이 외부에 개방되어 있어도 된다. 단, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 농도 측정 공간이 하우징(10)의 벽으로 덮이고, 통기홀(22)을 마련한 구조를 채용함으로써, 옥내외에서의 사용을 불문하고 측정 대상의 기체가 안정된 상태로 하우징(10)에 도입되어, 측정의 신뢰성, 안정성 등이 향상되는 경우가 많다.
기체 농도 측정 장치는 하우징(10) 내에 수용된 회로 기판(12)을 구비하고 있다. 회로 기판(12)에는 측정 회로(14), 송신 진동자(16), 수신 진동자(18), 온도 센서(20) 및 커넥터(24)가 설치되어 있다. 송신 진동자(16)는 측정 회로(14)의 동작에 기초하여 초음파를 송신한다. 수신 진동자(18)는 송신 진동자(16)로부터 송신되어, 하우징(10)의 내측에 마련된 반사판으로 반사된 초음파를 수신한다. 측정 회로(14)는 초음파가 송신되고 나서 수신될 때까지의 시간과 미리 구해진 초음파의 전반 거리에 기초하여, 초음파의 전반 속도를 구한다. 측정 회로(14)는 온도 센서(20)에 의한 검출값에 의해 하우징(10) 내의 온도를 측정하고 또한 후술하는 보상 온도 측정값을 구하여, 초음파의 전반 속도 및 보상 온도 측정값에 기초하여 기체 농도를 구한다. 측정 회로(14)가 기체 농도를 구하는 구체적인 처리에 대해서는 후술한다. 측정 회로(14)는 외부 장치로서 커넥터(24)에 접속된 컴퓨터, 표시 장치 등에 기체 농도 측정값을 출력한다.
(2) 기체 농도 측정 장치의 구체적인 구성
도 2에는 본 발명의 실시 형태에 따른 기체 농도 측정 장치의 상세한 구성이 나타나 있다. 기체 농도 측정 장치는 하우징(10), 송신 진동자(16), 수신 진동자(18), 측정 회로(14), 온도 센서(20), 커넥터(24) 및 조작부(42)를 구비한다. 측정 회로(14)는 송신 회로(36), 수신 회로(38), 프로세서(28) 및 기억부(40)를 구비한다. 측정 회로(14)에는 송신 진동자(16), 수신 진동자(18), 온도 센서(20), 커넥터(24) 및 조작부(42)가 접속되어 있다.
프로세서(28)는 기억부(40)에 기억된 프로그램 혹은 미리 자체에 기억된 프로그램을 실행함으로써, 내부에 전반 시간 측정부(30), 온도 측정부(32) 및 연산부(34)를 구성한다. 이들 구성 요소는 프로세서(28)로 실현하는 대신에, 하드웨어인 디지털 회로에 의해 개별로 구성해도 된다.
기체 농도 측정 장치가 수소 농도를 측정하는 처리에 대하여 설명한다. 송신 회로(36) 및 송신 진동자(16)는 초음파를 송신하는 송신부로서 동작한다. 송신 회로(36)는 전반 시간 측정부(30)에 의한 제어에 따라, 송신 진동자(16)에 송신 펄스 신호를 출력한다. 송신 진동자(16)는 전기 신호인 송신 펄스 신호를 초음파로 변환하고, 송신 초음파 펄스를 송신한다. 이 송신 초음파 펄스는 하우징(10)의 내측에 마련된 반사판으로 반사된다. 수신 진동자(18) 및 수신 회로(38)는 초음파를 수신하는 수신부로서 동작한다. 수신 진동자(18)는 하우징(10)의 내측에 마련된 반사판으로 반사된 초음파를 수신하고, 이 수신 초음파를 전기 신호인 수신 펄스 신호로 변환하여 수신 회로(38)에 출력한다. 수신 회로(38)는 수신 펄스 신호의 레벨을 조정하고, 전반 시간 측정부(30)에 출력한다. 전반 시간 측정부(30)는 송신 회로(36)가 송신 펄스 신호를 출력하고 나서 수신 회로(38)가 수신 펄스 신호를 출력할 때까지의 전반 시간(t)을 구한다.
기억부(40)에는 기준 거리(d0)가 기억되어 있다. 기준 거리(d0)는 송신 진동자(16)로부터 하우징(10)의 내측의 반사판에 있어서의 반사점(26)에 이르러, 반사점(26)으로부터 수신 진동자(18)에 이르는 측정 구간의 거리를 미리 측정한 기준값이다. 연산부(34)는 기억부(40)로부터 기준 거리(d0)를 읽어들여, 기준 거리(d0)를 전반 시간(t)으로 나눔으로써 전반 속도 측정값(vm)을 구한다.
또한, 온도 측정부(32)는 온도 센서(20)에 의한 검출값에 기초하여 온도 측정값(Tm)을 구한다.
기억부(40)에는 온도 측정값(Tm) 및 온도 보상값(Δ)을 대응시킨 온도 보상 테이블이 기억되어 있다. 온도 보상값(Δ)은 주위의 온도의 변화에 의해 발생하는 이하에 열거하는 값의 변동 중 0이 아닌 것을 일괄하여 보상하는 값으로, 이하에 열거하는 값의 변동 중 적어도 하나를 보상하는 값이다. 보상되는 변동에는 온도 측정값(Tm)의 오차의 변동, 하우징(10)의 신축에 기초하는 측정 구간의 거리의 변동, 송신 진동자(16)에 송신 펄스 신호가 입력되고 나서 송신 초음파 펄스가 송신될 때까지의 송신 반응 시간의 변동, 수신 진동자(18)로 수신 초음파 펄스가 수신되고 나서 수신 진동자(18)로부터 초음파 펄스 신호가 출력될 때까지의 수신 반응 시간의 변동 등이 있다. 온도 보상 테이블을 구하는 교정(캘리브레이션) 처리에 대해서는 후술한다. 또한, 온도 보상 테이블 대신에 온도 보상 계수를 기억해 두어도 된다.
연산부(34)는 기억부(40)에 기억된 온도 보상 테이블을 참조하여, 온도 측정값(Tm)에 대응하는 온도 보상값(Δ)을 취득한다. 그리고, 온도 측정값(Tm)에 온도 보상값(Δ)을 가산한 보상 온도 측정값(Tc = Tm + Δ)을 구한다. 연산부(34)는 다음의 (수 1)에 기초하여 수소 농도(p)를 구한다.
[수 1]
Figure pct00001
여기서, k는 기체의 비열비이며, R은 기체 정수이다. Mh는 수소의 분자량이며, Ma는 수소를 포함하지 않는 공기의 분자량이다. 측정 대상의 공기의 조성을 질소 80%, 산소 20%뿐이라고 가정하면, 비열비(k)는 1.4로 해도 된다. 또한, 기체 정수(R)는 8.31, 수소의 분자량(Mh)은 2.0, 공기의 분자량(Ma)은 28.8이다. 상술한 바와 같이 전반 속도 측정값(vm) 및 보상 온도 측정값(Tc)은 연산부(34)에 의해 구해진다.
(수 1)의 우변의 각 값은 이미 알려져 있기 때문에, 연산부(34)는 (수 1)에 따라 수소 농도(p)를 구한다. 프로세서(28)는, 이와 같이 구해진 수소 농도(p)를 커넥터(24)로부터 외부의 컴퓨터에 출력한다. 기체 농도 측정 장치가 표시 패널을 구비하고 있는 경우에는, 프로세서(28)는 표시 패널에 수소 농도(p)를 표시해도 된다.
(수 1)은 다음과 같이 하여 유도되는 수식이다. 일반적으로, 분자량(M), 기체의 비열비(k), 기체 정수(R), 기체의 온도(T) 및 음속(v)에 대해서는 (수 2)가 성립한다.
[수 2]
Figure pct00002
수소가 농도(p)로 공기에 포함되어 있다고 하면, 각 분자량에 대하여 (수 3)이 성립한다.
[수 3]
Figure pct00003
(수 3)을 p에 대하여 풀고, (수 2)를 대입하여 M을 소거하고, 음속(v)을 전반 속도 측정값(vm)으로 치환하고, 기체의 온도(T)를 보상 온도 측정값(Tc)으로 치환하면 (수 1)이 얻어진다.
(3) 캘리브레이션 처리
캘리브레이션 처리에서는 상술한 온도 보상 테이블이 구해진다. 이하에 설명하는 실시 형태에서는, 유저에 의한 조작부(42)의 조작에 따라 프로세서(28)가 캘리브레이션 처리를 실행한다. 단, 캘리브레이션 처리의 전부 또는 일부는, 커넥터(24)에 접속된 외부의 컴퓨터가 실행해도 된다. 즉, 이하의 설명으로 프로세서(28)가 실행하는 처리의 전부 또는 일부를 외부의 컴퓨터가 실행해도 된다.
(i) 기준 상태에서 측정(기준 거리(d0)를 구하는 처리)
먼저 유저는, 기체 농도 측정 장치를 기준 환경 하에 놓여진 기준 상태로 한다. 여기서 기준 환경이란, 예를 들면 온도가 기준 온도(T0) = 293 K(+ 20℃)이며 질소 농도가 약 80%, 산소 농도가 약 20%의 기준 기체로서의 공기로 둘러싸이는 환경을 말한다. 기준 상태에서는, 기체 농도 측정 장치의 하우징(10) 내에 기준 기체가 유입되어, 하우징(10) 내에 기준 기체가 수용된 상태가 된다.
전반 시간 측정부(30)는 송신 회로(36) 및 수신 회로(38)를 제어하고, 송신 진동자(16)로부터 송신 초음파 펄스를 송신시켜, 수신 진동자(18)에 수신 초음파 펄스를 수신시킨다. 전반 시간 측정부(30)는, 송신 회로(36)가 송신 펄스 신호를 출력하고 나서 수신 회로(38)가 수신 펄스 신호를 출력할 때까지의 시간을 기준 전반 시간(t0)으로서 구한다. 기준 전반 시간(t0)은 기체 농도 측정 장치가 기준 상태에 있을 때, 송신 진동자(16)로부터 하우징(10)의 내측의 반사판에 있어서의 반사점(26)에 이르러, 반사점(26)으로부터 수신 진동자(18)에 이르는 측정 구간을 초음파가 전반하는 시간이다.
연산부(34)는 기준 상태에 있어서의 초음파의 전반 속도인 기준 전반 속도(v0)를 계산한다. 기준 전반 속도(v0)는 유저의 조작에 의해 미리 연산부(34)에 기억시켜도 된다. 기준 전반 속도(v0)는 (수 2)를 변형한 (수 4)에 의해 구해지는 값이다. 즉, (수 4)에 있어서의 기체의 온도(T)로서 기준 온도(t0)를 대입하고, 분자량(M)으로서 기준 기체의 분자량(Ma)을 대입함으로써 구해지는 전반 속도이다.
[수 4]
Figure pct00004
연산부(34)는 기준 전반 속도(v0)에 기준 전반 시간(t0)을 곱함으로써, 송신 진동자(16)로부터 하우징(10)의 내측의 반사판에 있어서의 반사점(26)에 이르러, 반사점(26)으로부터 수신 진동자(18)에 이르는 측정 구간의 거리를 구하고, 이를 기준 거리(d0)로서 기억부(40)에 기억시킨다.
이와 같이, 캘리브레이션 처리의 제 1 단계에서는, 기체 농도를 측정하는 공간으로서의 하우징(10) 내에 기준 기체가 있으며 하우징(10) 내가 기준 온도가 된 기준 상태로 기체 농도 측정 장치를 설정하는 단계와, 기체 농도 측정 장치가 기준 상태로 되어 있을 때, 하우징(10) 내의 측정 구간을 초음파가 전반하는 기준 전반 시간(t0)을 측정하는 단계와, 기준 전반 시간(t0)에 기초하여 측정 구간의 거리를 기준 거리(d0)로서 구하는 단계가 실행된다.
(ii) 온도를 변화시키면서 측정
유저는 온도가 상이한 복수의 환경 하에 기체 농도 측정 장치를 둔다. 연산부(34)는 각 환경 하에 있어서 초음파가 측정 구간을 전반할 때의 전반 시간을 구한다. 예를 들면, 환경 온도(Te) = 253K ~ 323K에 대하여 5K 간격으로 온도를 변화시켜, 상기의 기준 상태에서의 처리와 동일한 처리에 의해 각 환경 온도(Te)에 대하여 측정 구간의 전반 시간을 구한다. 이 예에서는, 연산부(34)는 Te = 253K, 258K, 263K ····· 318K 및 323K의 16 종류의 온도 환경 하의 각각에 대하여 전반 시간(t(Te)) = t(253), t(258), t(263) ····· t(318) 및 t(323)을 구한다. 여기서, 괄호 내의 수치는 환경 온도(Te)이다.
또한, 온도 측정부(32)는 각 환경 하에 있어서 온도 센서(20)로부터 얻어진 검출값에 기초하여, 온도 측정값(Tm(Te)) = Tm(253), Tm(258), Tm(263) ····· Tm(318) 및 Tm(323)을 구한다.
연산부(34)는 각 환경 온도(Te)에 대하여 구해진 전반 시간(t(Te))에 대하여 전반 속도 계산값(v(Te))을 구한다. 즉, 연산부(34)는 기억부(40)에 기억된 기준 거리(d0)를 전반 시간(t(Te))으로 나눔으로써 전반 속도 계산값(v(Te))을 구한다.
연산부(34)는 (수 5)에 기초하여, 각 환경 온도(Te)에 대하여 온도 계산값(Tcal(Te))을 구한다.
[수 5]
Figure pct00005
(수 5)는 (수 2)를 기체의 온도(T)에 대하여 풀고, 음속(v)으로서 전반 속도 계산값(v(Te))을 대입하고, 기체의 분자량(M)으로서 기준 기체의 분자량(Ma)을 대입함으로써 얻어지는 수식이다.
연산부(34)는 각 환경 온도(Te)에 대하여 구해진 온도 계산값(Tcal(Te))으로부터, 각 환경 하에서 얻어진 온도 측정값(Tm(Te))을 감산하고, 각 환경 온도(Te)에 대하여 온도 치환 변동값(δ(Te))을 구한다. 즉, 연산부(34)는 (수 6)에 따라 온도 치환 변동값(δ(Te))을 구한다.
[수 6]
Figure pct00006
온도 계산값(Tcal(Te))에는 환경 온도의 참값에 더하여, 환경 온도의 변화에 기초하는 전반 속도 계산값(v(Te))의 변동을 온도로 치환한 값(δ1)이 포함되어 있다. 전반 속도 계산값(v(Te))의 변동에는, 환경 온도(Te)가 기준 온도(t0)로부터 변화했던 것에 기초하는 측정 구간의 신축, 송신 반응 시간의 변화 및 수신 반응 시간의 변화에 기초하는 변동이 포함되어 있다. 따라서, Tcal(Te)에는 환경 온도(Te)가 기준 온도(t0)로부터 변화했던 것에 기초하는 이들 변동을 온도로 치환한 값(δ1)(이하, 구조 변동값(δ1)이라고 함)이 포함되어 있다고 할 수 있다.
한편, 온도 측정값(Tm(Te))에는 환경 온도의 참값에 더하여, 온도 센서(20)의 검출 오차에 기초하는 측정 오차(δ2)가 포함되어 있다. 따라서, 온도 치환 변동값(δ(Te))은 구조 변동값(δ1)과 온도 센서(20)의 측정 오차(δ2)를 합산한 것이라고 할 수 있다. 즉, (수 7)이 성립한다.
[수 7]
Figure pct00007
이와 같이, 캘리브레이션 처리의 제 2 단계에서는, 다음과 같은 변동값 산출 프로세스가 하우징(10) 내에 있어서의 기준 기체의 온도가 상이한 복수 종의 온도 조건의 각각에 대하여 실행된다. 즉, 변동값 산출 프로세스는, 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 측정하는 단계와, 전반 시간의 측정값 및 기준 거리에 기초하여 온도 계산값을 구하는 단계와, 하우징(10) 내의 온도를 측정하여 온도 측정값을 얻는 단계와, 온도 계산값과 온도 측정값과의 차이를 나타내는 온도 치환 변동값을 구하는 단계를 포함한다.
(iii) 온도 보상 테이블의 생성
연산부(34)는 각 환경 온도(Te)에 대하여 이산적으로 구해진 온도 치환 변동값(δ(Te))에 기초하여, 연속적인 환경 온도(Te)에 대하여 온도 치환 변동값(δ(Te))이 얻어지는 δ(T) 함수를 구해도 된다. 이 처리는, 예를 들면, 각 환경 온도(Te)와 온도 치환 변동값(δ(Te))과의 관계를 1차 함수 또는 2차 이상의 함수로 근사함으로써 행한다. δ(T) 함수는, 소정 범위로 나눠진 온도 범위마다 개별로 정의된 함수여도 된다. 연산부(34)는 환경 온도(Te)와 온도 치환 변동값(δ(Te))과의 관계를, 온도 측정값(Tm)과 온도 보상값(Δ)과의 관계로 치환한 온도 보상 테이블을 생성한다. 연산부(34)는 교정 정보로서의 온도 보상 테이블을 기억부(40)에 기억시킨다.
도 3에는 각 환경 온도(Te)에 대하여 이산적으로 구해진 온도 치환 변동값(δ(Te))의 예가 그래프에 의해 나타나 있다. 횡축은 환경 온도(Te)를 나타내며 종축은 온도 치환 변동값(δ(Te))을 나타낸다. 연산부(34)는 각 환경 온도(Te)와 온도 치환 변동값(δ(Te))과의 관계를 나타내는 각 검은 원을 지나는 δ(T) 함수를 구하고, 이 δ(T) 함수에 기초하여 온도 보상 테이블을 생성해도 된다.
연산부(34)는 각 환경 온도(Te)에 대하여 구해진 온도 치환 변동값(δ(Te))을, 그대로, 각 온도 측정값(Tm)에 대응하는 온도 보상값(Δ)으로서 온도 보상 테이블을 생성해도 된다. 이 경우, 5K보다 작은 간격 폭으로 각 환경 온도(Te)에 대하여 온도 치환 변동값(δ(Te))이 구해져도 된다.
기체 농도 측정 장치를 양산하는 경우에 있어서는, 어느 제품에 대하여 구해진 온도 보상 테이블을 그 외의 양산되는 제품의 기억부에 기억시켜도 되며, 각 제품에 대하여 개별로 온도 보상 테이블을 구하고, 각 제품에 대하여 개별로 온도 보상 테이블을 기억부에 기억시켜도 된다.
또한, 기체의 온도와 온도 보상값을 대응시키기 위한 교정 정보로서 온도 보상 테이블을 구하는 대신에, 기체의 온도를 부여함으로써 온도 보상값이 얻어지는 교정 함수를 구해도 된다. 이 경우, δ(T) 함수를 규정하는 n차 다항식의 각 계수가 교정 정보로서 구해져도 된다. 즉, (수 8)에 있어서의 각 계수(ci)가 교정 정보로서 구해져도 된다.
[수 8]
Figure pct00008
(4) 수소 농도의 측정
수소 농도의 측정에 있어서 온도 측정부(32)는, 온도 센서(20)에 의한 검출값에 기초하여 온도 측정값(Tm)을 구한다. 연산부(34)는 기억부(40)에 기억된 온도 보상 테이블을 참조하여, 온도 측정값(Tm)에 대응하는 온도 보상값(Δ)을 취득한다. 그리고, 온도 측정값(Tm)에 온도 보상값(Δ)을 가산한 보상 온도 측정값(Tc)을 구한다. 보상 온도 측정값(Tc)은 (수 9)와 같이 나타내진다. 연산부(34)는 상기 (수 1)에 기초하여 수소 농도(p)를 구한다.
[수 9]
Figure pct00009
구조 변동값(δ1) 및 온도 센서(20)의 측정 오차(δ2)를 이용하여, 온도 보상값(Δ)은 Δ = δ1 + δ2로 나타내진다. 또한, 온도 측정값(Tm)은 온도의 참값을 Ta로 하면, Tm = Ta - δ2로 나타내진다. 따라서, 보상 온도 측정값(Tc)은 Tc = Tm + Δ = Ta - δ2 + (δ1 + δ2) = Ta + δ1이 되어, 온도 센서(20)의 측정 오차(δ2)가 상쇄되고, 구조 변동값(δ1)이 반영된 값이 된다. 이에 의해, 보상 온도 측정값(Tc)은 기체의 온도가 기준 온도(t0)로부터 변화한 것에 기초하는 측정 구간의 신축, 송신 반응 시간의 변화, 수신 반응 시간의 변화 등을 구조 변동값(δ1)에 의해 보상하고, 온도 센서(20)의 측정 오차(δ2)를 억제하는 값이 된다. 보상 온도 측정값(Tc)을 이용함으로써, 이들 변동 요인이 보상된 수소 농도(p)가 구해진다.
(5) 변형예
연산부(34)는 각 환경 온도(Te)에 대하여 구해진 온도 계산값(Tcal(Te))을 각 온도 환경 하에서 얻어진 온도 측정값(Tm(Te))으로 나눔으로써, 각 환경 온도에 대하여 온도 치환 변동값(δ(Te))을 구해도 된다. 즉, 연산부(34)는 (수 10)에 기초하여 환경 온도(Te)와 온도 치환 변동값(δ(Te))과의 관계를 구하고, 이 관계로부터 온도 측정값(Tm)과 온도 보상값(Δ)과의 관계를 구하여, 온도 보상 테이블을 생성해도 된다.
[수 10]
Figure pct00010
이 경우, 연산부(34)는 기억부(40)에 기억된 온도 보상 테이블을 참조하여, 온도 측정값(Tm)에 대응하는 온도 보상값(Δ)을 취득한다. 그리고, 온도 측정값(Tm)에 온도 보상값(Δ)을 곱한 보상 온도 측정값(Tc = Tm × Δ)을 구한다. 연산부(34)는 상기 (수 1)에 기초하여 수소 농도(p)를 구한다.
또한 상기에서는, 송신 진동자(16)와 수신 진동자(18)가 개별로 마련된 구성에 대하여 설명했다. 이들 초음파 진동자는 공통화해도 된다. 즉, 하나의 공통의 초음파 진동자가 송신 회로(36) 및 수신 회로(38)에 접속된 구성을 채용하여, 그 초음파 진동자가 초음파 펄스의 송신 및 수신을 행해도 된다.
또한 상기에서는, 송신 진동자(16)로부터 하우징(10)의 내측의 반사판에 초음파를 송신하고, 하우징(10)의 내측의 반사판으로 반사된 초음파를 수신 진동자(18)로 수신하는 구조에 대하여 설명했다. 이러한 구조 외에, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 송신 진동자(16)와 수신 진동자(18)를 대향시킨 구조를 채용해도 된다. 이 경우, 송신 진동자(16)로부터 송신되어 하우징(10) 내를 전반한 초음파가 수신 진동자(18)로 직접 수신된다. 송신 진동자(16)와 수신 진동자(18)를 직접 연결하는 경로가 측정 구간이 된다.
또한 수소 농도(p)의 측정에 있어서는, (수 1) 대신에, (수 1)에 수정항(f)이 가산된 (수 11)을 이용해도 된다. 수정항(f)은 보상 온도 측정값(Tc)에 대한 함수여도 된다. 우변 제 1 항에 비해 수정항(f)은 충분히 작기 때문에, 보상 온도 측정값(Tc)에는 상기에서 정의된 것을 이용해도 된다. 또한, 우변 제 1 항에 비해 수정항(f)은 충분히 작기 때문에, (수 11)을 이용하여 수소 농도(p)를 구하는 경우라도, (수 1)을 이용하는 경우와 동일한 캘리브레이션 처리를 실행해도 된다.
[수 11]
Figure pct00011
상기에서는, 기체 농도 측정 장치로서, 수소의 농도를 측정하는 실시 형태에 대하여 설명했다. 기체 농도 측정 장치는 그 외의 기체의 농도를 측정해도 된다. 이 경우, 비열비(k), 분자수 등을 측정 대상의 기체의 값으로 치환한 처리가 실행된다.
10 : 하우징
12 : 회로 기판
14 : 측정 회로
16 : 송신 진동자
18 : 수신 진동자
20 : 온도 센서
22 : 통기홀
24 : 커넥터
26 : 반사점
28 : 프로세서
30 : 전반 시간 측정부
32 : 온도 측정부
34 : 연산부
36 : 송신 회로
38 : 수신 회로

Claims (8)

  1. 기체의 농도 측정 공간을 구비하는 기체 농도 측정 장치의 교정 방법에 있어서,
    상기 농도 측정 공간 내의 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 측정하는 단계와,
    상기 전반 시간의 측정값 및 상기 측정 구간에 대한 기준 거리에 기초하여 온도 계산값을 구하는 단계와,
    상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 온도 측정값을 얻는 단계와,
    상기 온도 계산값과 상기 온도 측정값과의 차이를 나타내는 온도 치환 변동값을 구하는 단계
    를 포함하는 변동값 산출 프로세스를, 상기 농도 측정 공간 내에 있는 기준 기체의 온도가 상이한 복수 종의 온도 조건의 각각에 대하여 실행하는 단계와,
    각 상기 온도 조건 하에서 구해진 상기 온도 치환 변동값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 온도와 그 온도에 대한 온도 보상값을 대응시키기 위한 교정 정보를 구하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 교정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 농도 측정 공간 내에 상기 기준 기체가 있으며, 상기 농도 측정 공간 내가 기준 온도가 된 기준 상태로 상기 기체 농도 측정 장치를 설정하는 단계와,
    상기 기체 농도 측정 장치가 상기 기준 상태로 되어 있을 때, 상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 기준 전반 시간을 측정하는 단계와,
    상기 기준 전반 시간에 기초하여, 상기 측정 구간의 거리를 상기 기준 거리로서 구하는 단계
    를 미리 실행하는 것을 특징으로 하는 교정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 교정 방법을 이용하여 기체의 농도를 측정하는 기체 농도 측정 방법에 있어서,
    상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 기체 온도 측정값을 얻는 단계와,
    상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 시간을 측정하여 전반 시간 측정값을 얻는 단계와,
    상기 기체 온도 측정값과 상기 교정 정보에 기초하여 상기 기체 온도 측정값을 보정하고, 보상 온도 측정값을 구하는 단계와,
    상기 전반 시간 측정값, 상기 기준 거리 및 상기 보상 온도 측정값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 농도를 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 농도 측정 방법.
  4. 상기 기체 농도 측정 장치를 구비하는 기체 농도 측정 시스템에 있어서,
    상기 기체 농도 측정 장치가 제 3 항에 기재된 기체 농도 측정 방법을 이용하여 측정 대상의 기체의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 기체 농도 측정 시스템.
  5. 기체 농도를 측정하는 농도 측정 공간과,
    상기 농도 측정 공간에 초음파를 송신하는 송신부와,
    상기 농도 측정 공간 내를 전반한 초음파를 수신하는 수신부와,
    상기 송신부로부터 초음파가 송신되고 나서, 상기 농도 측정 공간 내의 측정 구간을 전반한 초음파가 상기 수신부로 수신될 때까지의 전반 시간을 측정하여 전반 시간 측정값을 구하는 전반 시간 측정부와,
    상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 기체 온도 측정값을 구하는 온도 측정부와,
    상기 전반 시간 측정값, 상기 측정 구간에 대한 기준 거리 및 상기 기체 온도 측정값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 농도를 구하는 연산부를 구비하고,
    상기 연산부는, 미리 구해진 교정 정보를 이용하여 상기 기체 온도 측정값을 보정하여 보상 온도 측정값을 구하고, 상기 보상 온도 측정값에 기초하여 상기 측정 대상의 기체의 농도를 구하고,
    상기 교정 정보는 상기 기체 온도 측정값과 온도 보상값을 대응시키기 위한 정보이며,
    상기 온도 보상값은, 상기 농도 측정 공간의 온도 변동에 기초하는 상기 측정 구간의 거리의 변동, 상기 송신부의 온도 변동에 기초하는 상기 전반 시간 측정값의 변동 및 상기 수신부의 온도 변동에 기초하는 상기 전반 시간 측정값의 변동 중 적어도 하나를 온도로 치환한 값을 포함하고,
    상기 연산부는, 상기 기체 온도 측정값에 대응된 상기 온도 보상값에 기초하여, 상기 보상 온도 측정값을 구하는 것을 특징으로 하는 기체 농도 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 상기 전반 시간 측정부가 구하는 단계와,
    상기 전반 시간의 측정값 및 상기 기준 거리에 기초하여, 상기 기체 농도 측정 장치와는 별도로 마련된 외부 연산 장치 또는 상기 연산부가 온도 계산값을 구하는 단계와,
    상기 온도 측정부가 상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 온도 측정값을 구하는 단계와,
    상기 온도 계산값과 상기 온도 측정값과의 차이를 나타내는 온도 치환 변동값을 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 구하는 단계
    를 포함하는 변동값 산출 프로세스를, 상기 농도 측정 공간 내에 있는 기준 기체의 온도가 상이한 복수 종의 온도 조건의 각각에 대하여 실행하는 단계와,
    각 상기 온도 조건 하에서 구해진 상기 온도 치환 변동값에 기초하여, 상기 농도 측정 공간 내의 기체의 온도와 온도 보상값을 대응시키기 위한 상기 교정 정보를 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 구하는 단계
    를 포함하는 교정 정보 취득 처리에 의해 상기 교정 정보가 구해지는 것을 특징으로 하는 기체 농도 측정 장치.
  7. 기체 농도를 측정하는 농도 측정 공간과,
    초음파의 송수신에 기초하여, 상기 농도 측정 공간 내의 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 측정하여 전반 시간 측정값을 구하는 전반 시간 측정부와,
    상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 기체 온도 측정값을 구하는 온도 측정부와,
    상기 전반 시간 측정값, 상기 측정 구간에 대한 기준 거리 및 상기 기체 온도 측정값에 기초하여, 측정 대상의 기체의 농도를 구하는 연산부를 구비하고,
    상기 연산부는, 미리 구해진 교정 정보를 이용하여, 상기 기체 온도 측정값을 보정하여 보상 온도 측정값을 구하고, 상기 보상 온도 측정값에 기초하여 상기 측정 대상의 기체의 농도를 구하고,
    변동값 산출 프로세스로서,
    상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 전반 시간을 상기 전반 시간 측정부가 구하는 단계와,
    상기 전반 시간의 측정값 및 상기 기준 거리에 기초하여, 상기 기체 농도 측정 장치와는 별도로 마련된 외부 연산 장치 또는 상기 연산부가 온도 계산값을 구하는 단계와,
    상기 온도 측정부가 상기 농도 측정 공간 내의 온도를 측정하여 온도 측정값을 구하는 단계와,
    상기 온도 계산값과 상기 온도 측정값과의 차이를 나타내는 온도 치환 변동값을 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 구하는 단계
    를 포함하는 변동값 산출 프로세스가,
    상기 농도 측정 공간 내에 있는 기준 기체의 온도가 상이한 복수 종의 온도 조건의 각각에 대하여 실행되는 단계와,
    각 상기 온도 조건 하에서 구해진 상기 온도 치환 변동값에 기초하여, 상기 농도 측정 공간 내의 기체의 온도와 온도 보상값을 대응시키기 위한 상기 교정 정보를 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 구하는 단계를 포함하는 교정 정보 취득 처리에 의해 상기 교정 정보가 구해지는 것을 특징으로 하는 기체 농도 측정 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 농도 측정 공간 내에 상기 기준 기체가 있으며, 상기 농도 측정 공간 내가 기준 온도로 되어 있을 때 상기 측정 구간을 초음파가 전반하는 기준 전반 시간을 상기 전반 시간 측정부가 측정하는 단계와,
    상기 기준 전반 시간에 기초하여, 상기 연산부 또는 상기 외부 연산 장치가 상기 측정 구간의 거리를 상기 기준 거리로서 구하는 단계가 상기 교정 정보 취득 처리 전에 실행되는 것을 특징으로 하는 기체 농도 측정 장치.
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