JPH0617897B2

JPH0617897B2 - ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JPH0617897B2
Application number: JP60109420A
Authority: JP
Inventors: 康夫野口; 守人出本; 文昭松永
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 1985-05-23
Filing date: 1985-05-23
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: JPS61269061A; CN85105865A; CN1011441B

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ガスの濃度を超音波により測定する装置にお
いて、使用される超音波センサー部に優れた耐湿性を付
与することにより、長期間連続して精度よく計測し得る
ガス濃度測定装置に関するものである。

〔従来技術〕

超音波伝播速度の被測定ガス濃度依存性を利用して、混
合ガス或いは単組成ガスの濃度を測定する装置につい
て、まずその測定原理について説明する。

混合ガスの超音波伝播速度は混合ガスの各諸定数、濃
度、温度等により決定され、次式(1)にて表わされる。

Ｖ：混合ガスの超音波伝播速度 Cpi：混合ガス中の測定対象ガスｉの定圧比熱 Cvi：混合ガス中の測定対象ガスｉの定容比熱 Mi：混合ガス中の測定対象ガスｉの分子量 Xi：混合ガス中の測定対象ガスｉのモル分率Ｒ：気体定数Ｔ：混合ガス絶体温度今、混合ガスの成分を空気、ＣＯ_２の２成分系を例とし
て式(1)を書き換えると、Ｖ^２＝（Cpco₂Xco₂＋CpairXair）／（Cvco₂Xco₂＋CvairXair）・Ｒ・Ｔ……(2) となり、各定数を入れ、混合ガス絶体温度293゜Kにおけ
るCO₂各濃度の超音波伝播速度を計算した結果を第１表
及び第１図に示す。

またΣXi＝１であるので、式(2)は次式(3)で表わされ
る。

式(3)よりXco₂濃度は次式(4)で表わされる Xco₂＝Ｆ（Ｖ，Ｔ）即ち、測定対象ガス濃度は、超音波伝播速度Ｖ及びガス
温度Ｔの関数となる。

以上の理論に基づき設計した測定系統図の１例を第２図
に従い説明する。

超音波センサー(1)は、送波用超音波素子(2)及び該送波
用超音波素子(2)と相対する位置に設置された受波用超
音波素子(3)とからなる。超音波センサー(1)を測定対象
ガス雰囲気(4)中に適切なる方法で設置する。送波用超
音波素子(2)より送信された超音波は測定対象ガスが存
在する超音波パス部(5)を通過し、受波用超音波素子(3)
にて受信される。この際超音波パス(5)を通過する音速
は測定対象ガス濃度に反比例する。送波用超音波素子
(2)は電歪型振動子等からなるものであり、駆動増幅器
(6)及び負イミタンス変換器(7)は、帰環発振用増幅器(1
0)にて制御される信号発生器(8)より発生された高周波
信号を増幅し、且つ応答特性を向上させるものである。
受波用超音波素子(3)は電歪型振動子等からなるもので
あり、前置増幅器(9)は受波用超音波素子(3)からの高周
波信号を増幅し、帰環発振増幅器(10)に入力するもので
ある。抵抗(11)及び負イミタンス変換器(12)は受波用超
音波素子(3)の応答特性を向上させるものである。

一方前述の帰環発振系(13)の周波数fmと超音波パス(5)
における測定対象混合ガス中の超音波伝播速度Ｖとの間
には、fm＝k・V/l（但しｌは送波用超音波素子(2)と受波
用超音波素子(3)との距離、ｋは比例定数を各々表わ
す）の関係があるので、該帰環発振系(13)の周波数fmと
水晶振動子(14)等により発生させた安定された基準周波
数foとを混合器(15)に入力し、fmとfoとの差Ｆをとる。
このＦを周波数電圧変換器(16)により電圧に変換し、演
算器(17)に入力させる。

温度センサー(18)はサーミスター，測温抵抗体，熱電対
等の１種からなるもので、測定対象ガス雰囲気(4)中の
温度計測用であり、この温度情報を演算器(17)に入力さ
せ、超音波伝播速度の温度依存性を消去させる温度補償
を行なわしめる。この温度補償された出力電圧はアナロ
グ電圧計，ディジタル電圧計，記録計等の表示器(19)に
表示される。

次にこのガス濃度測定装置を用い、混合ガス組成，即ち
空気，CO₂，H₂Oの３成分系に於けるCO₂ガス濃度測定の
１例を第２図及び第３図により詳述する。

100%CO₂ガス入りボンベ(20)及びコンプレッサー型エア
ポンプ(21)から各々供給されるCO₂ガス及び空気を流量
調節バルブ付流量計(22)，(23)でCO₂ガスの濃度を予め
設定し、流量計(22)，(23)の後にCO₂ガスと空気を混合
するチェンバー型の混合室(24)を設け、混合室(24)で混
合されたCO₂／空気の混合ガスを測定用チェンバー(25)
内へ導入管(26)を介して導入する。測定用チェッバー(2
5)の底面に導入管(26)が十分浸るだけの水層(27)を設
け、導入管(26)に適宜設けられたガス吹出し口よりCO₂
／空気混合ガスを水層(27)を介して測定用チェンバー(2
5)内に吹き出させる。この操作により、測定用チェンバ
ー(25)内の相対湿度は95〜100%の高湿度となる。測定用
チェンバー(25)の上部にモーター(28)により回転する攪
拌羽根(29)を設け、測定用チェンバー(25)内の混合ガス
濃度を均一にする。混合ガスは混合ガス出口用パイプ(3
0)より測定用チェンバー(25)外に排出される。測定用チ
ェンバー(25)内の適切なる位置に本発明による超音波セ
ンサー(1)を設置し、シールドケーブル(31)にて帰環発
振系(13)，水晶振動子(14)，混合器(15)，周波数電圧変
換器(16)及び演算器(17)より構成される演算制御器(32)
に接続する。温度補償用測定抵抗型温度センサー(18)を
ケーブル(33)にて演算制御器(32)の演算器(17)に接続す
る。演算器(17)からの出力電圧は、CO₂ガス濃度０〜20V
ol%に対し、０〜20Vに合わせた。従って出力電圧の読み
がCO₂ガス濃度となる。表示器(19)にはディジタル電圧
計を用い、また帰環発振系(13)の周波数fmを周波数カウ
ンター(34)にてモニターした。ガス出口用パイプ(30)よ
り導き出される混合ガスを赤外ガス分析器(35)に排出パ
イプ(36)により導入し、CO₂ガス濃度を測定する。また
排出パイプ(36)の途中にサンプリングポート(37)を設
け、ガスクロマトグラフ(38)に接続しCO₂ガス濃度を検
定する。

測定用チェンバー内に混合ガスの温度を測定するための
サーミスター温度センサー(39)を設け、温度測定器(40)
にてモニターする。測定用チェンバー(25)は、混合ガス
入口用パイプ(41)及び混合ガス出口用パイプ(30)以外は
完全に密封系となっている。また、測定用チェンバー(2
5)は、±0.1℃にコントロールされる温度可変の空気恒
温槽(42)内に設置し、測定用チェンバー(25)内の温度が
任意に変えられるようにしてある。

以上の検定用装置により、測定用チェンバー(25)内の温
度を27℃，35℃，42℃と変え、各々の温度に於いて、CO
₂ガス濃度を流量計(22)，(23)にて０〜20%の範囲で変
え、赤外線ガス分析器(35)及びガスクロマトグラフ(38)
による本超音波ガス濃度測定装置の測定データを第２表
及び第４図に示す。

第２表及び第４図より、本超音波ガス濃度測定装置の帰
環発振系周波数fmが検定用ガスクロマトグラフによる濃
度に対して直線性を示し、且つ超音波ガス濃度測定装置
の濃度指示が検定用ガスクロマトグラフによる濃度に一
致する。

以上、本超音波ガス濃度測定装置の１実施例としてCO₂
／空気系で説明したが、これに限定されるものではな
い。

次に、本超音波ガス濃度測定装置の送波用超音波素子及
び受波用超音波素子内に用いられている、超音波センサ
ーについて説明する。両素子とも超音波センサーの構造
自体は従来のものと変りはなく、従来より、超音波振動
子（例えばPZT等の圧電磁器）に銀電極を焼き付け、こ
れを板またはホルダー（例えば金属製、プラスチック製
等）に貼り合せた構造の、計測・制御用超音波機器の送
信用もしくは受信用として使われている超音波センサー
と同一である。これらはPZT等の表面の電極、例えば銀
等の導電体は水蒸気によって電蝕現象を起こし易く、正
確に超音波信号を電気信号へ変換し、もしくは、電気信
号を超音波信号へ変換することが難しくなるケースが多
い。そこで、超音波振動子に付けた電極の電蝕を防ぐた
めに、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン等
の封止物質を用いて、ホルダー内部へ水蒸気が侵入する
のを防止する方法がとられている。しかし、超音波振動
子を貼り合せ、封止物質で封止してある構造の超音波セ
ンサーは、１年乃至10年と言う長期間、湿度80〜100%の
雰囲気中で連続使用した場合、水分の経時的な侵入によ
り電蝕現象を起こしてしまうという欠点があった。ま
た、金属ホルダーを用いて、溶接でシーリングを行なう
方法もあるが、超音波振動子と金属ホルダーとの貼り合
せに用いる接着用樹脂の熱による劣化があり、溶接は難
しいという欠点があった。

以下図面に従って、従来技術を更に詳しく説明する。第
８図は、従来の超音波センサーの１例を示したもので、
第８図(a)は超音波センサー(59)の側面の断面形状を示
し、第８図(b)は第８図(a)の超音波振動子(45)（例え
ば、PZT等の圧電磁器、圧電特性を有する樹脂）の周辺
部分の拡大図である。

第８図(b)に示したように、超音波振動子(45)には電極
(60)、(61)を設けてあり、超音波振動子(45)をホルダー
(44)（例えば、金属及び樹脂等）に、超音波伝播特性の
良い接着剤(62)によって貼り合せてある。電極(60)、(6
1)は第８図(b)に示したように、ケーブル(46)、(47)で端
子(48)、(49)と結び、端子(48)、(49)を基板(50)（例え
ば、フェノール樹脂積層板、エポキシ樹脂積層板）で固
定し、その上を封止物質(51)で封止している。水蒸気雰
囲気中で長期間、例えば１年から10年間以上連続して使
用した場合、封止物質(51)を通して水分がホルダー(44)
内部に侵入し、電極(60)、(61)が電蝕を起こし、超音波
の正常な送信、受信ができなくなるという欠点があっ
た。

〔発明の目的〕

本発明は、従来の超音波センサーのこのような欠点に鑑
み超音波ガス濃度測定装置の送波用超音波素子及び受波
用超音波素子に使用される超音波センサー表面に薄膜を
形成して水分の侵入を防止することにより、長時間連続
して精度よく計測し得るガス濃度測定装置を提供するこ
とを目的としたものである。

〔発明の構成〕

即ち本発明は、超音波振動子、ホルダー、及び封止物質
から基本的に構成され、該封止物質の表面に導電性及び
／または非導電性物質からなる厚さ500〜5000Åの膜を
形成したことを特徴とする耐湿型超音波センサーを用い
たガス濃度測定装置である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

第５図、第６図及び第７図は、本発明に従う実施例の超
音波センサー(43)、(53)、(56)の側面の断面形状を示すも
のである。いずれもその基本構造は、第８図に示した従
来の超音波センサーと同様であり、超音波振動子(45)に
は第８図(b)のごとく電極(60)、(61)が設けてあり、該超
音波振動子(45)は、接着剤(62)によってホルダー(44)に
貼り合せてある。電極(60)、(61)はケーブル(46)、(47)に
より端子(48)、(49)と結ばれている。端子(48)、(49)は基
板(50)で固定され、その上を封止物質(51)で封止してあ
る。

第５図は、超音波センサー(43)の封止物質(51)等の表面
に薄膜(52)を形成した超音波センサーを示す。薄膜(52)
の材質は、非導電性物質、例えば真空蒸着、スパッタリ
ング、イオンプレーティング等の薄膜形成方法で形成で
きる物質が対象であり、特にSiO、SiO₂、ポリテトラフ
ルオロエチレン等のフッ素系樹脂等が良い。膜厚は500
Å〜5000Åとし、好ましくは1500Å〜3000Åとするのが
好適である。薄膜(52)は非導電性であるから、封止物質
(51)よりホルダー(44)の外部に出ている端子(48)、(49)
部分には、薄膜が形成されないように、例えばテフロン
（商標名）テープ等を巻きつけ、カバーをして薄膜(52)
を形成させる。

第６図は、超音波センサー(53)の端子(48)、(49)の薄膜
(57)に接する部分に絶縁皮膜(54)、(55)をつけ、封止物
質(51)の表面に薄膜(57)を形成した超音波センサーを示
す。薄膜(57)の材質は、導電性物質、例えば真空蒸着、
スパッタリング、イオンプレーティング等の薄膜形成方
法で形成できる物質が対象であり、特にAl、Au、Pb、C
u、チタン合金、Ni、Cr、MoS₂、MgF₂等が良い。その膜
厚は500Å〜5000Å、好ましくは1500Å〜3000Åが好適
である。薄膜(57)は導電性であるから、端子(48)、(49)
の基板(50)、封止物質(51)、及び薄膜(57)に接する部分
には、絶縁被膜(54)、(55)を設けてある。また、端子(4
8)、(49)の封止物質(51)よりホルダー(44)の外部に出て
いる部分には、薄膜が形成されないように、例えばテフ
ロン（商標名）テープ等を巻きつけ、カバーをして薄膜
(57)を形成させる。

第７図は、超音波センサー(56)の封止物質(51)の表面
と、端子(48)、(49)の薄膜(57)に接する部分に薄膜(58)
を形成し、更に薄膜(58)の上に薄膜(57)を形成した超音
波センサーを示す。薄膜(58)は、真空蒸着、スパッタリ
ング、イオンプレーティング等の薄膜形成方法で形成で
きる物質が対象であり、その材質の種類は限定されるも
のではないが、特に、封止物質(51)と薄膜(57)との間の
線膨張係数を有する物質が好適である。薄膜(58)の膜厚
は、100Å〜4000Å、好ましくは500Å〜1000Åが好適で
ある。また、薄膜(58)と薄膜(57)とを合わせた薄膜全体
の厚さは、５００Å〜５０００Å、好ましくは１５００
Å〜３０００Åが好適である。また、薄膜(58)及び(57)
を形成する際には、封止物質(51)よりホルダー(44)の外
部に出ている端子(48)、(49)部分で、薄膜(57)と接する
部分以外に薄膜(58)が形成されないように、更に薄膜(5
8)等の上に出ている端子(48)、(49)の部分に薄膜(57)が
形成されないように、例えばテフロン（商標名）テープ
を巻きつけ、カバーをしてから薄膜(58)及び(57)の形成
を夫々行なう。

尚、本発明で用いられる超音波振動子(45)、ホルダー(4
4)、基板(50)、及び封止物質(51)の材質は、従来の超音
波センサーと同様で特に限定されるものではなく、超音
波振動子としてはPZT等の圧電磁器や圧電特性を有する
樹脂、ホルダーとしては金属やプラスチック、基板とし
てはフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の積層板、また封
止物質としてはシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウ
レタン等が使用できる。

更に第９図は、第５図、第６図および第７図で説明した
本発明による超音波センサー(68)をブロック(67)に内蔵
する事により、本発明の目的とする耐湿性を更に向上さ
せ得る１実施例である。第９図中、ブロック(67)は、ア
ルミニウム、ステンレススティール等の耐蝕性に優れた
金属または合成樹脂等からなり、超音波センサー(68)の
端子(48)及び(49)側の端面(69)は、ブロック(67)のセン
サー受け部(70)にて超音波センサー(68)の振動端面(71)
とブロック(67)のブロック端面部(72)がほぼ同一面内に
なるように位置決めを行なう。超音波センサー(68)とブ
ロック(67)との環状空隙部(73)には、超音波センサー(6
8)の超音波振動を吸収し得るシリコン樹脂、ゴム等の弾
性材料からなる弾性封止材(74)、(75)にて超音波センサ
ー(68)をブロック(67)に固定する。ケーブル(76)は、超
音波センサー(68)の端子(48)、(49)に超音波高周波信号
を送受信する二芯の電線であり、ブロック(67)の図中左
端面部に削孔した穴(77)を介して端子(48)、(49)に接続
される。ブロック(67)とケーブル(76)との隙間には、ネ
ジブッシュまたはポリブタジエン、ポリ塩化ビニリデン
等の高耐湿性樹脂等を封入する。

弾性封止材(75)の外気に曝される表面、即ち振動端面(7
1)及びブロック端面部(72)の表面には薄膜(78)及び／ま
たは薄膜(79)を形成する。薄膜(78)の材質は、弾性封止
材(75)との密着性の良い材質、例えば弾性封止材(75)が
シリコン樹脂の場合には真空蒸着、スパッタリング、イ
オンプレーティング等の薄膜形成方法で形成できる物質
が対象であり、SiO、SiO₂等の非電導性薄膜が望ましい。
また薄膜(79)の材質は、SiO、SiO₂等の薄膜(78)、ブロッ
ク(67)及び振動端面(71)との密着性が良く、真空蒸着、
スパッタリング、イオンプレーティング等の薄膜形成方
法で形成でき、且つピンホール等の発生の少ない物質が
対象であり、特にAl、Au、Pb、Cu、チタン合金、Ni、C
r、MoS₂、MgF₂等の導電性薄膜が良い。薄膜(78)の膜厚
は100Å〜4000Å、好ましくは500Å〜1000Å、薄膜(79)
の膜厚は500Å〜5000Å、好ましくは1500Å〜3000Å、
薄膜(78)と薄膜(79)との合計の厚みは1000Å〜5000Å、
好ましくは2000Å〜4000Åが良い。

本実施例では、薄膜(78)及び薄膜(79)からなる２層の薄
膜で説明したが、弾性封止材(75)、ブロック(67)、振動
端面(71)の材質の組み合わせ等によっては、薄膜(78)ま
たは薄膜(79)のどちらか一層でもよい。

〔発明の効果〕

本発明に従うと、従来より使用されている超音波センサ
ーのシーリング部材の上に薄膜を形成することによっ
て、従来の超音波センサーの耐湿性を著しく向上させる
ことができ、超音波ガス濃度測定装置に使用される超音
波センサーを、長期間連続して水蒸気雰囲気中で使用で
きる。薄膜を形成している本発明による超音波センサー
と、従来の超音波センサーとを促進試験にかけた結果を
第10図に示した。試験は、60℃の温水中に超音波センサ
ーを浸漬し、直流電圧を印加して行なった。第10図にお
いて、縦軸(66)は絶縁抵抗で単位はＭΩ、横軸(65)は、
試験時間で単位は時間である。薄膜を形成している本発
明による超音波センサーの変化線(63)と、従来の超音波
センサーの変化線(64)とを比較すると、本発明に従う構
造の超音波センサーには変化が見られず、絶縁抵抗の劣
化がなく、耐湿性が優れていることが分かる。また、本
発明による超音波センサーをブロック(67)に内蔵し、弾
性封止材(75)、ブロック(67)及び振動端面(71)上に薄膜
を形成させる事により、超音波センサーの耐湿性を更に
向上させる事が可能である。

以上述べた如く、本発明による耐湿性を著しく向上させ
た超音波センサーを用いた超音波ガス濃度測定装置は、
温度及び湿度の変動に対する影響が少なく、且つ高湿度
下における長期の連続使用に対しても精度良く計測する
ことができ、工業上極めて有用なる発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図はCO₂ガス濃度と超音波伝播速度の関係を示すグ
ラフ、第２図は測定系統図の１例、第３図はガス濃度測
定装置を用いてCO₂ガス濃度を測定する１例、第４図は
第２表をグラフ化したもの、第５図、第６図及び第７図
は本発明に従う超音波センサーの実施例を示し、夫々、
側面の断面図である。第８図(a)は従来の超音波センサ
ーの側面の断面形状を示し、第８図(b)は第８図(a)の超
音波振動子(45)の周辺部分の拡大図である。第９図は本
発明に従うブロック内蔵型超音波センサーの１実施例を
示す図である。また、第10図は耐湿性能を比較する促進
試験の結果を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帰還増幅器によって制御される信号発生
器、該信号発生器により発生される高周波信号を増幅す
る駆動増幅器、該駆動増幅器により増幅された高周波信
号を超音波に変換し発信する電歪型振動子よりなる送波
用超音波素子と該超音波を受信し電気信号に変換する電
歪型振動子よりなる受波用超音波素子から構成される超
音波センサー、該送波用超音波素子と駆動増幅器の間に
接続した負イミタンス変換器、該受波用超音波素子と並
列に接続した抵抗及び負イミタンス変換器、及び帰還増
幅器に入力するための前置増幅器より構成された帰還発
信系と、帰還発信系の周波数と水晶振動子等より発生さ
れた基準周波数との差を演算する混合器、該混合器によ
り演算された周波数を電圧に変換する周波数電圧変換
器、該周波数電圧変換器により出力された値と温度セン
サーによって検出された温度情報とからガス濃度を演算
し出力する演算器よりなる演算出力系とから構成される
ガス濃度測定装置において、前記超音波センサーが、超
音波振動子、ホルダー及び封止物質から基本的に構成さ
れ、該超音波振動子をホルダーに接着し、ホルダーの開
口部を封止物質で封止すると共に、該封止物質の表面に
導電性または非導電性物質からなる厚さ５００〜５００
０Åの薄膜を形成した耐湿型超音波センサーであること
を特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】超音波センサーが、封止物質の表面に厚さ
１００〜４０００Åの非導電性物質の薄膜を形成した
後、該非導電性物質の薄膜の上に導電性物質の薄膜を形
成し、薄膜全体の厚さを５００〜５０００Åとしたこと
を特徴とする、特許請求の範囲第（１）項記載のガス濃
度測定装置。
【請求項３】超音波センサーをブロックに内蔵し、弾性
封止材、超音波センサー振動端面及びブロック端面部に
非導電性及び導電性物質からなる厚さ１０００〜５００
０Åの薄膜を形成したことを特徴とする、特許請求の範
囲第（１）項または第（２）項記載のガス濃度測定装
置。