DE10312462A1

DE10312462A1 - Gaskonzentrations-Messvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE10312462A1
Application number: DE10312462A
Authority: DE
Inventors: Tatsu Kobayakawa; Hideki Toda; Hiroshi Yamada; Sachiko Saito
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2003-11-06
Also published as: US20040065139A1; JP3584290B2; JP2003279549A; US6823715B2

Abstract

Gaskonzentrations-Meßvorrichtung zum Messen der Konzentrationsänderung von Gas, das in einer Zielregion vorliegt. Die Gaskonzentrations-Meßvorrichtung umfaßt eine Ultraschallübertragungseinrichtung, die adaptiert bzw. ausgelegt ist, um einen Ultraschall in Antwort auf ein Ultraschall erzeugendes signal zu übertragen, das eine Geschwindigkeit bzw. Rate einer Spannungsänderung gleich oder größer einer Anstiegsgeschwindigkeit eines Operationsverstärkers aufweist, und weiters adaptiert ist, um das Ultraschall generierende Signal auszugeben. Ein Ultraschallempfänger ist vorgesehen, welcher adaptiert ist, um den Ultraschall, der durch das Gas, das in dem Zielbereich vorliegt, hindurchgetreten ist, zu empfangen, und ist weiters adaptiert, um den empfangenen Ultraschall in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das als ein empfangenes Ultraschallsignal dient. Eine Gaskonzentrations-Bestimmungsvorrichtung ist weiters vorgesehen, die adaptiert ist, um das Ultraschall generierende Signal und das empfangene Ultraschallsignal in den Betätigungsverstärker einzugeben, um eine verstärkte, übertragungsseitige, zerhackte Welle und eine verstärkte, empfangsseitige, zerhackte Welle zu generieren. Die Gaskonzentrations-Bestimmungeinrichtung ist weiters adaptiert, um die übertragungsseitige und empfangsseitige, zerhackte Welle unabhängig mit entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen zu vergleichen, um ein erstes Paar von Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden, zerhackten ...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Offenbarung lehrt Techniken, die sich auf die Messung einer Gaskonzentration beziehen. Spezifisch behandeln die Lehren ein Messen der Änderung in der Konzentration von Gas, das in einem Zielbereich vorliegt.

HINTERGRUND

Zahlreiche konventionelle Techniken wurden für eine Messung von Änderungen in einer Gaskonzentrationsänderung oder Gasflußgeschwindigkeit bzw. -rate entwickelt. Diese Techniken umfassen ein dielektrisches Relaxations- bzw. Entspannungsverfahren zum Messen der Dielektrizitätskonstante einer Substanz, ein Absorptionsspektrum-Verfahren zum Messen der Absorptionsverteilung von elektromagnetischen Wellen und ein Ultraschalldämpfungs-Meßverfahren zum Messen der Amplitudenabsenkung in Ultraschallwellen nach einem Fortpflanzen. Jedoch sind diese Techniken allgemein zumindest in bezug auf die Zeitauflösung unzureichend.
Ein Fortpflanzungszeit-Differenzverfahren ist eine konventionelle Technik zum Messen einer akustischen Fortpflanzungszeit zwischen einem Transmitter und einem Empfänger. Diese Technik ist einfach und hat ein Potential zum Erzielen einer erhöhten Zeitauflösung. In dieser Technik wird eine stehende Welle von einem Transmitter zu einem Empfänger übertragen. Eine Fortpflanzungszeit wird aus einer Phasendifferenz (Phasenverschiebung) zwischen der ursprünglichen stehenden Welle in dem Transmitter und dem empfangenen Signal von dem Empfänger bestimmt. Die Änderung in der Konzentration oder in der Flußgeschwindigkeit bzw. Strömungsrate von Gas, das zwischen dem Transmitter und dem Empfänger vorliegt, wird basierend auf der Fortpflanzungszeit gemessen.
Zum Bestimmen der obigen Phasendifferenz ist eine Signalverarbeitung auf der Seite des Empfängers notwendig, um einen Zeitpunkt zu detektieren, wenn die Amplitude des empfangenen Signals größer als ein gegebener Schwellwert wird. Dies ist erforderlich, um einen Null-Kreuzungspunkt bzw. Null-Durchgangspunkt zu bestimmen. Jedoch muß dieser Zeitpunkt angeordnet werden, um mit dem Spitzenamplitudenniveau des empfangenen Signals entsprechend jenem der ursprünglichen, stehenden Welle übereinzustimmen. Zusätzlich wird die Amplitude des empfangenen Signals selbst in unerwünschter Weise aufgrund von anderen physikalischen Faktoren, wie der Temperatur, der Feuchtigkeit des Gases und dgl. verändert bzw. fluktuiert. Dies resultiert in einer großen Dispersion in den Null- Kreuzungspunkten und den gemessenen Phasendifferenzen. Dieses Problem wird hier als das "Null-Kreuzungsproblem" bezeichnet.
Um das Null-Kreuzungsproblem bzw. Null-Durchgangsproblem zu vermeiden, wurden üblicherweise alternative Verfahren vorgeschlagen. Diese alternativen Verfahren umfassen ein "Umlauf"-Verfahren, in welchem ein empfangenes Signal zu einem übertragenden bzw. Übertragungsende zurückgeführt wird. Der Zyklus des zurückgeführten Signals wird bestimmt, um die Geschwindigkeit einer Schallwelle zu bestimmen. In einem weiteren, alternativen Verfahren werden sekundäre/tertiäre, reflektierte Wellen zwischen übertragenden und empfangenden Sektion detektiert, um die Geschwindigkeit von Schallwellen in einer stabilen Weise zu bestimmen. In diesem Verfahren kann die Änderung in der Konzentration oder der Flußgeschwindigkeit von Gas, das zwischen den übertragenden und empfangenden Sektionen bzw. Abschnitten vorliegt, basierend auf der bestimmten Schallwellengeschwindigkeit gemessen werden. Diese Verfahren sind frei von dem Null-Kreuzungsproblem, da keine Notwendigkeit besteht, den Zeitpunkt zu bestimmen, wenn die Amplitude eines empfangenen Signals größer als ein gegebener Schwellwert wird.
Das "Umlauf"-Verfahren oder das Schallwellen-Geschwindigkeitsmeßverfahren können eine Lösung des Null-Kreuzungsproblems zur Verfügung stellen. Jedoch brauchen diese Verfahren ein wesentliches Ausmaß an Zeit, um ihre Messung für die gesamte Periode der Reflektionszeit von Schallwellen zu komplettieren. Dies verhindert die Messung der Änderung in der Gaskonzentration in Echtzeit mit einer hohen Zeitauflösung.
Die geoffenbarten Techniken zielen darauf ab, einige der oben erwähnten Nachteile zu beseitigen.

ZUSAMMENFASSUNG

Um die Vorteile der geoffenbarten Lehren zu realisieren, wird eine Gaskonzentrations-Meßvorrichtung zum Messen der Konzentrationsänderung von Gas, das in einer Zielregion vorliegt, zur Verfügung gestellt. Die Gaskonzentrations- Meßvorrichtung umfaßt eine U(traschallübertragungseinrichtung bzw. einen -transmitter, die (der) adaptiert bzw. ausgelegt ist, um einen Ultraschall in Antwort auf ein Ultraschall erzeugendes Signal zu übertragen, das eine Geschwindigkeit bzw. Rate einer Spannungsänderung gleich oder größer als eine Anstiegsgeschwindigkeit eines Operationsverstärkers aufweist, und weiters adaptiert ist, um das Ultraschall generierende Signal auszugeben. Ein Ultraschallempfänger ist vorgesehen, der adaptiert ist, um den Ultraschall zu empfangen, der durch das Gas, das in dem Zielbereich vorliegt, hindurchgetreten ist, und weiters adaptiert ist, um den empfangenen Ultraschall in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das als ein empfangenes Ultraschallsignal dient. Eine Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung ist weiters vorgesehen, die adaptiert ist, um das Ultraschall generierende Signal und das empfangene Ultraschallsignal in den Operationsverstärker einzugeben, um eine verstärkte, übertragungsseitige, zerhackte Welle und eine verstärkte, empfangsseitige, zerhackte Welle zu generieren. Die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung ist weiters adaptiert, um die übertragungsseitige und empfangsseitige, zerhackte Welle unabhängig mit entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen zu vergleichen, um ein erstes Paar von Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden zerhackten Wellen gleich oder größer als die entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen werden, oder um ein zweites Paar von Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden zerhackten Wellen gleich oder kleiner als die entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen werden. Die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung ist weiters adaptiert, um die Konzentrationsänderung in dem Gas basierend auf dem Paar von Zeitpunkten zu bestimmen.
Ein anderer Aspekt der geoffenbarten Lehren ist ein Gaskonzentrations- Meßverfahren zum Messen der Konzentrationsänderung in Gas, das in einem Zielbereich vorliegt. Das Gaskonzentrations-Meßverfahren umfaßt ein Übertragen eines Ultraschalls in Antwort auf ein Ultraschall erzeugendes Signal, das eine Spannungsänderung gleich oder größer als eine Anstiegsgeschwindigkeit eines Operations- bzw. Betätigungsverstärkers aufweist. Der durch das Gas, das in dem Zielbereich vorliegt, hindurchgetretene Ultraschall wird in ein elektrisches Signal, das als das empfangene Ultraschallsignal dient, umgewandelt. Das Ultraschall generierende Signal und das empfangene Ultraschallsignal werden verstärkt, um eine übertragungsseitige, zerhackte Welle und eine verstärkte, empfangsseitige, zerhackte Welle zu erzeugen. Die übertragungsseitige und die empfangsseitige, zerhackte Welle werden unabhängig mit gegebenen Schwellwertspannungen verglichen, um ein erstes Paar von Zeitpunkten, wenn die entsprechenden zerhackten Wellen gleich oder größer als die entsprechenden gegebenen Schwellwertspannungen werden, oder ein zweites Paar von Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden zerhackten Wellen gleich oder kleiner als die entsprechenden gegebenen Schwellwertspannungen werden. Die Konzentrationsänderung im Gas wird in Übereinstimmung mit dem ersten und zweiten Paar von Zeitpunkten bestimmt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Beschreiben im Detail von bevorzugten Ausbildungen derselben unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen noch deutlicher werden, in welchen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels einer Gaskonzentrations-Meßvorrichtung ist, die die geoffenbarten Techniken verkörpert.
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein Beispiel eines Teils der Gaskonzentrations-Meßvorrichtung um einen Zielbereich zeigt.
Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel einer Gaskonzentrations- Bestimmungseinrichtung der Gaskonzentrations-Meßvorrichtung zeigt.
Fig. 4A, 4B, 4C und 4D Wellenformaufzeichnungen von Signalen in den entsprechenden Abschnitten der Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung von Fig. 3 sind.
Fig. 5 ein exemplarisches Diagramm einer Verarbeitung ist, die durch die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung durchgeführt wird.
Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein Beispiel einer Gasumschaltvorrichtung zeigt.
Fig. 7 ein Diagramm ist, das ein Ergebnis einer Messung unter Verwendung der Gaskonzentrations-Meßvorrichtung unter einem Gasumschaltvorgang gemäß der Gasumschaltvorrichtung in Fig. 6 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ein Beispiel, das die geoffenbarten Lehren verkörpert, im Detail beschrieben. Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines derartigen Beispiels einer Gaskonzentrations-Meßvorrichtung. Die Gaskonzentrations-Meßvorrichtung 1 mißt die Konzentrationsänderung von Gas, das in einem Zielbereich R vorliegt. Die Gaskonzentrations-Meßvorrichtung 1 umfaßt eine Ultraschall-Übertragungseinrichtung 2, eine Ultraschall-Empfangseinrichtung 3 und eine Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung 4. Die Ultraschall-Übertragungseinrichtung 2 ist betätigbar bzw. arbeitet, um einen Ultraschall in Antwort auf ein Ultraschall generierendes bzw. erzeugendes Signal, das eine Spannungsänderung gleich oder größer als die Anstiegsgeschwindigkeit eines Operationsverstärkers aufweist, zu übertragen. Die Ultraschall-Übertragungseinrichtung 2 ist betätigbar, um das Ultraschall generierende Signal bzw. erzeugte Ultraschallsignal auszugeben. Die Ultraschall-Empfangseinrichtung 3 ist betätigbar, um den Ultraschall zu empfangen, der durch das Gas, das in dem Zielbereich R vorliegt, hindurchgetreten ist. Sie wandelt den empfangenen Ultraschall in ein elektrisches Signal um, das als ein empfangenes Ultraschallsignal dient. Die Gaskonzentrations- Bestimmungseinrichtung 4 ist betätigbar, um das Ultraschall generierende Signal und das empfangene Ultraschallsignal in den Betätigungsverstärker einzugeben, um eine verstärkte übertragungsseitige, zerhackte bzw. zerhackende Welle und eine verstärkte, empfangsseitige, zerhackte Welle zur Verfügung zu stellen bzw. zu generieren. Sie ist weiter betätigbar, um die übertragungsseitige und die empfangsseitige, zerhackte Welle unabhängig mit entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen zu vergleichen, um ein Paar von ersten Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden zerhackten Wellen gleich oder größer als die entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen werden. Sie ist auch betätigbar, um ein Paar von zweiten Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden, zerhackten Wellen gleich oder kleiner als die entsprechenden gegebenen Schwellwertspannungen werden. Sie kann die Änderung in der Konzentration des Gases basierend auf dem Paar von Zeitpunkten bestimmen.
Der Ausdruck "Anstiegsgeschwindigkeit", auf den hier Bezug genommen wird, ist ein Index, der eine maximale Antwortgeschwindigkeit des obigen Betätigungs- bzw. Operationsverstärkers darstellt. Spezifischer bezieht sich die Anstiegsgeschwindigkeit auf eine Änderung in der Ausgangs- bzw. Ausgabespannung des Operationsverstärkers, die durch ein Oszilloskop zu beobachten ist, wenn eine optimale Puls- oder Eingangs- bzw. Eingabespannung, die eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit besitzt, dem Operationsverstärker eingegeben wird. Die Anstiegsgeschwindigkeit wird allgemein durch V/µs dargestellt, was eine maximale Spannung pro µs an der ansteigenden oder abfallenden Kante bzw. Flanke eines Ausgangs- bzw. Ausgabepulses von dem Operationsverstärker bedeutet.
Die oben beschriebene Gaskonzentrations-Meßvorrichtung 1 wird in größerem Detail unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 7 beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen Teil der Gaskonzentrations-Meßvorrichtung 1 um einen Zielbereich R. Fig. 3 zeigt die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung 4. Fig. 4A, 4B, 4C und 4D zeigen eine Signalwellenformen in den entsprechenden Abschnitten der Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung 4 in Fig. 3. Fig. 5 zeigt eine Verarbeitung, die durch die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung 4 durchgeführt wird.
Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, beinhalten die Ultraschall- Übertragungseinrichtung 2 und die Ultraschall-Empfangseinrichtung 3 ein Ultraschall übertragendes bzw. sendendes Element 21 und ein Ultraschall empfangendes Element 31. Beispielsweise kann jedes dieser Elemente 21, 31 aus einem piezoelektrischen Element bestehen. Das Ultraschall übertragende Element 21 ist betätigbar bzw. arbeitet, um einen Ultraschall, der beispielsweise eine Frequenz von 40 kHz besitzt, in Antwort auf das Ultraschall generierende Signal zu übertragen. In dem Zielbereich werden Luft und Kohlendioxid wechselweise durchgeleitet. Nachdem er durch die Zielregion hindurchgetreten ist, wird der übertragene Ultraschall durch das Ultraschall empfangende Element 3 empfangen. Der empfangene Ultraschall wird dann in ein elektrisches Signal umgewandelt, das als das empfangene Ultraschallsignal durch die Ultraschall-Übertragungseinrichtung 2 dient. Das empfangene Ultraschallsignal wird dann ausgegeben.
Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt eine Gaskonzentrations- Bestimmungseinrichtung 4 ein Paar von Verstärkungs/Normalisierungsschaltungen 40, die jeweils einen Verstärkungsfaktor von etwa 10.000 besitzen. Jede der Verstärkungs/Normalisierungsschaltungen 40 umfaßt erste und zweite Operationsverstärker 41, 42 und einen Komparator 43. Das Paar von Verstärkungs/Normalisierungsschaltungen 40 ist für das Ultraschall generierende Signal bzw. das empfangene Ultraschallsignal zur Verfügung gestellt. Das Ultraschall generierende Signal, das einer der Verstärkungs/Normalisierungsschaltungen 40 einzugeben ist, wird im voraus angeordnet, daß es eine Spannungsänderung gleich oder größer als die Anstiegsgeschwindigkeit (z. B. 0,1 V/µs) des ersten Operationsverstärkers 41 besitzt.
Signale an den Punkten A, B, C und D der Verstärkungs/Normalisierungsschaltung 40 sind in Fig. 4A, 4B, 4C bzw. 4D gezeigt. Das Ultraschall generierende Signal bzw. das empfangene Ultraschallsignal in der Form einer Sinuskurve, wie sie in Fig. 4A gezeigt sind, werden den entsprechenden, ersten Operationsverstärkern 41 eingegeben.
Da das Ultraschall erzeugende Signal im voraus so angeordnet ist, um eine Spannungsänderung gleich oder größer als die Anstiegsgeschwindigkeit (z. B. 0,1 V/µs) des ersten Operationsverstärkers 41 zu besitzen, wird ein Ausgangssignal bzw. Ausgabesignal des ersten Operationsverstärkers 41 eine Spannungsänderung in Übereinstimmung mit der Anstiegsrate besitzen. Spezifischer wird die Sinuskurve des eingegebenen, Ultraschall generierenden Signals durch den ersten Arbeits- bzw. Operationsverstärker 41 verstärkt unter der Beschränkung der Anstiegsgeschwindigkeit desselben und als eine zerhackte Welle ausgebildet, die als die übertragungsseitige, zerhackte Welle dient, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist. Auf dieselbe Weise wird das empfangene Ultraschallsignal als die empfangsseitige, zerhackte Welle geformt. Es ist zu verstehen, daß jede dieser zerhackten Wellen die selbe Frequenz wie das entsprechende Eingangs- bzw. Eingabesignal besitzt. D. h. unabhängig von der Amplitude der Eingabe-Sinuskurve wird eine zerhackte Welle von dem ersten Betätigungsverstärker mit derselben Frequenz wie jene der Eingabe- Sinuskurve generiert bzw. erzeugt. Aufgrund dieser Funktion kann die Sinuskurve, die eine weit variierende Amplitude aufgrund von physikalischen Bedingungen neben der Gaskonzentration besitzt, unverändert in eine konstante, zerhackte Welle normalisiert werden.
Diese zerhackten Wellen (die übertragungsseitigen und empfangsseitigen, zerhackten Weilen) werden weiter durch die entsprechenden zweiten Verstärker 42, wie dies in Fig. 4C gezeigt ist, verstärkt. Die verstärkten, zerhackten Wellen werden mit den gegebenen Schwellwertspannungen der entsprechenden Komparatoren 43 verglichen, um das Paar von ersten Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden zerhackten Wellen gleich oder größer als die entsprechenden gegebenen Schwellwertspannungen werden. In gleicher Weise wird das Paar von zweiten Zeitpunkten detektiert, wenn die entsprechenden zerhackten Wellen gleich oder kleiner als die entsprechenden gegebenen Schwellwertspannungen werden. Jede der zerhackten Wellen wird als eine Rechteckwelle ausgebildet, die eine ansteigende bzw. Anstiegskante bzw. -flanke an dem ersten Zeitpunkt und eine abfallende bzw. Abfallkante bzw. -flanke an dem zweiten Zeitpunkt, wie dies in Fig. 4D gezeigt ist, besitzt.
Wie dies oben beschrieben ist, werden sowohl das Ultraschall generierende Signal als auch das empfangene Ultraschallsignal in die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung 4 eingegeben. Wie dies im linken Flußdiagramm von Fig. 5 gezeigt ist, wird das Ultraschall generierende Signal verstärkt und als die übertragungsseitige, zerhackte Weile durch den ersten Betätigungsverstärker 41 (Verstärkungsschaltung) ausgebildet. Das übertragungsseitige, zerhackte Signal wird dann mit der gegebenen Schwellwertspannung verglichen und als die Rechteckwelle durch den Komparator 43 ausgebildet. Dann wird der zweite Zeitpunkt an der abfallenden Flanke der Rechteckwelle detektiert.
Gleichzeitig wird das empfangene Ultraschallsignal einer Verarbeitung ähnlich dem Ultraschall generierenden Signal unterworfen, wie dies in dem rechten Flußdiagramm von Fig. 5 gezeigt ist. D. h., das empfangene Ultraschallsignal wird verstärkt und als die empfangsseitige, zerhackte Welle durch den ersten Operationsverstärker 41 (Verstärkungsschaltung) ausgebildet. Das empfangsseitige, zerhackte Signal wird dann mit der gegebenen Schwellwertspannung verglichen und als die Rechteckwelle durch den Komparator 43 ausgebildet. Dann wird der zweite Zeitpunkt an der abfallenden Flanke der Rechteckwelle detektiert.
Dann bestimmt die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung 4 die Zeitdifferenz zwischen den entsprechenden, detektierten, zweiten Zeitpunkten an den abfallenden Flanken der Rechteckwellen, die von dem Ultraschall generierenden Signal und dem empfangenen Ultraschallsignal stammen. Sie gibt dann die bestimmte Zeitdifferenz in der Form eines Spannungssignals aus. Diese Zeitdifferenz entspricht der Phasendifferenz zwischen dem Ultraschall erzeugenden Signal und dem empfangenden Ultraschallsignal. Sie entspricht weiters der Änderung in der Konzentration des Gases, das in dem Zielbereich R vorliegt, durch welches der übertragende Ultraschall hindurchgetreten ist.
Während die oben beschriebene Vorrichtung konfiguriert ist, um die Zeitdifferenz zwischen dem Paar von zweiten Zeitpunkten an den abfallenden Flanken der Rechteckwellen zu detektieren, kann auch die Zeitdifferenz zwischen dem Paar von ersten Zeitpunkten an den ansteigenden Flanken der Rechteckwellen detektiert werden.
Ein aktuelles Meßergebnis wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 beschrieben.
Fig. 6 zeigt eine Gasumschalt- bzw. Gasschaltvorrichtung und Fig. 7 zeigt ein Ergebnis von einer Messung unter Verwendung der Gaskonzentrations- Meßvorrichtung unter einem Gasumschaltvorgang gemäß der Gasumschaltvorrichtung von Fig. 6.
In Fig. 6 können sowohl Kohlendioxidgas als auch Luft kontinuierlich zu dem Zielbereich R zugeführt. Beispielsweise wird, wenn ein Umschau- bzw. Schaltabschnitt R1 in Fluidwechselwirkung bzw. -verbindung mit Luft gelangt, um die Luft durch den Schaltabschnitt R zu saugen, nur das Kohlendioxidgas zu der Zielregion R1 zugeführt. Dann überträgt die Gaskonzentrations-Meßvorrichtung 1 einen Ultraschall von dem Ultraschall übertragenden Element 21, um den Ultraschall durch das Gas in dem Zielbereich R hindurchzuleiten, um die Änderung in der Gaskonzentration zu messen.
In dieser Messung wird das Kohlendioxidgas zuerst durch den Schaltabschnitt R1 durchgeleitet, um nur die Luft zu dem Zielbereich R zuzuführen. Dann wird der Schaltabschnitt R1 durch ein Magnetventil geschaltet, um die Luft anzusaugen und nur das Kohlendioxid zuzuführen. Durch einen derartigen Vorgang wird die Änderung in der Gaskonzentration vor und nach dem Schaltvorgang gemessen.
Fig. 7 ist ein Ergebnis, das durch ein Wiederholen der obigen Messung 30 mal und ein Gewichtsmitteln der gemessenen Werten auf der Basis der Zeit, kurz bevor das Magnetventil geschalten wird, erhalten wird. Auf diese Weise könnten Meßdaten mit einem hohen SIN-Verhältnis ohne irgendein statistisches Rauschen erhalten werden. Fig. 7 zeigt, daß der Schaltvorgang eines Schaltens von Luft zu dem Kohlendioxidgas zum Zeitpunkt 0 begonnen wurde, der Ersatz der Luft mit dem Kohlendioxidgas nach 100 ms begonnen wurde und nach mehr als etwa 100 ms oder 200 ms von dem Magnetventilschaltvorgang der Ersatz der Luft mit dem Kohlendioxidgas vervollständigt bzw. abgeschlossen war.
Die Verschiebung des Spannungssignals (Konzentrationsveränderung) zum Zeitpunkt 0 wird durch die Antriebsspannung des Magnetventils verursacht.
In dem obigen Beispiel, das die vorliegende Erfindung darstellt bzw. verkörpert, wird ein Ultraschall in Antwort auf das Ultraschall generierende Signal, das eine Spannungsänderung gleich oder größer als die Anstiegsrate des Operationsverstärkers besitzt, übertragen. Die Änderung in der Konzentration von Gas, das in einem Zielbereich vorliegt, wird basierend auf dem Ultraschall bildenden Signal und dem empfangenen Ultraschallsignal bestimmt, das von dem Ultraschall, der durch das Gas hindurchgetreten ist, erhalten wurde. So kann die Änderung in der Gaskonzentration sehr genau ohne Null-Kreuzungsproblem und in Echtzeit mit einer hohen Zeitauflösung gemessen werden.
Weiters kann die Konzentrationsänderung mit einem hohen Niveau an Genauigkeit innerhalb von Millisekunden gemessen werden. So kann zusätzlich zu der Änderung der Gaskonzentration die Änderung im Gasmischungsverhältnis in Echtzeit gemessen werden. Die hohe Zeitauflösung, die erreicht wird, macht es möglich zu bestimmen, ob ein gemischtes Gas homogen gemischt ist oder ob irgendwelche Turbulenzen darin ausgebildet sind. D. h., wenn das gemischte Gas nicht homogen gemischt ist oder irgendwelche Turbulenzen darin erzeugt werden, wird die Geschwindigkeit von Schallwellen in einem Zielbereich stark dispergiert. So können diese Zustände in Übereinstimmung mit der Dispersion der erhaltenen Daten gemessen werden.
Die obige Gaskonzentrations-Meßtechnik mit einer hohen Zeitauflösung macht es möglich, die Konstruktion von chemischen Anlagen zu erleichtern bzw. zu vereinfachen, die fähig sind, Gase mit höherer Genauigkeit zu steuern bzw. zu regeln. Sie kann auch für die Entwicklung von Maschinen bzw. Motoren mit erhöhter Leistung verwendet werden.
Indem die geoffenbarten Techniken verwendet werden, kann die Änderung der Konzentration von Gas, das in einem Zielbereich vorliegt, ohne das Null- Kreuzungsproblem und in Echtzeit gemessen werden. Dies wird durch ein Übertragen eines Ultraschalls in Antwort auf das Ultraschall erzeugende Signal, das eine Spannungsänderung gleich oder größer als die Anstiegsgeschwindigkeit des Operationsverstärkers aufweist, und einem Bestimmen der Änderung in der Konzentration des Gases basierend auf dem Ultraschall generierenden Signal und dem empfangenen Ultraschallsignal erreicht, das von dem Ultraschall, der durch das Gas hindurchgetreten ist, erhalten wurde. Diese Technik kann nicht nur auf Gaskonzentrations-Meßvorrichtungen angewandt werden, sondern auch auf eine Gasflußgeschwindigkeits-Meßvorrichtung zum Messen einer Strömungs- bzw. Flußgeschwindigkeitsänderung von Gas in einem Zielbereich.
Während die obige Ausbildung im Zusammenhang mit einem Fall erklärt wurde, wo Luft und Kohlendioxidgas oder Luft und Stickstoffgas wechselweise zu der Zielregion zugeführt werden, ist das Gas, das zu dem Zielbereich zuzuführen ist, nicht auf derartige Gase beschränkt, sondern jede andere, geeignete Gaskombination kann verwendet werden.
Andere Modifikationen und Variationen der Erfindung werden dem Fachmann aus der vorhergehenden Offenbarung und den Lehren offensichtlich sein. So wird es offensichtlich sein, daß, während nur bestimmte Ausbildungen der Erfindung spezifisch hier beschrieben wurden, zahlreiche Modifikationen daran ausgeführt werden können, ohne den Rahmen und den Geist der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Gaskonzentrations-Messvorrichtung zum Messen der Konzentrationsänderung von Gas, das in einer Zielregion vorliegt, wobei die Vorrichtung zum Messen der Gaskonzentration umfaßt:
eine Ultraschallübertragungseinrichtung, die ausgelegt ist, um einen Ultraschall in Antwort auf ein Ultraschall generierendes bzw. erzeugendes Signal zu übertragen, das eine Geschwindigkeit bzw. Rate einer Spannungsänderung gleich oder größer als eine Anstiegsgeschwindigkeit eines Operationsverstärkers aufweist, und weiter ausgelegt ist, um das Ultraschall erzeugende Signal auszugeben;
einen Ultraschallempfänger, der ausgelegt ist, um den Ultraschall zu empfangen, der durch das Gas, das in dem Zielbereich vorliegt, hindurchgetreten ist, und weiter ausgelegt ist, um den empfangenen Ultraschall in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das als ein empfangenes Ultraschallsignal dient; und
eine Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung, die ausgelegt ist, um das Ultraschall generierende Signal und das empfangene Ultraschallsignal in den Operationsverstärker einzugeben, um eine verstärkte, übertragungsseitige, zerhackende bzw. zerhackte Welle und eine verstärkte, empfangsseitige, zerhackte Welle zu generieren;
worin die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung weiter ausgelegt ist, um die übertragungsseitige und empfangsseitige, zerhackte Welle unabhängig mit entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen zu vergleichen, um ein erstes Paar von Zeitpunkten zu bestimmen bzw. zu detektieren, wenn die entsprechenden zerhackten Wellen gleich oder größer als die entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen werden, oder ein zweites Paar von Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden, zerhackten Wellen gleich oder kleiner als die entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen werden, und
worin die Gaskonzentrations-Bestimmungseinrichtung weiter ausgelegt ist, um die Konzentrationsänderung in dem Gas basierend auf dem Paar von Zeitpunkten zu bestimmen.

2. Gaskonzentrations-Messverfahren zum Messen der Konzentrationsänderung in Gas, das in einem Zielbereich vorliegt, wobei das Verfahren zum Messen der Gaskonzentration umfaßt:
Übertragen eines Ultraschalls in Antwort auf ein Ultraschall erzeugendes Signal, das eine Spannungsänderung gleich oder größer als eine Anstiegsgeschwindigkeit eines Operationsverstärkers aufweist;
Umwandeln des Ultraschalls, der durch das Gas, das in dem Zielbereich vorliegt, hindurchgetreten ist, in ein elektrisches Signal, das als ein empfangenes Ultraschallsignal dient;
Verstärken des Ultraschall erzeugenden Signals und des empfangenen Ultraschallsignals, um eine übertragungsseitige, zerhackte Welle und eine verstärkte, empfangsseitige, zerhackte Welle zu erzeugen;
unabhängiges Vergleichen der übertragungsseitigen und der empfangsseitigen, zerhackten Welle mit gegebenen Schwellwertspannungen, um ein erstes Paar von Zeitpunkten, wenn die entsprechenden, zerhackten Wellen gleich oder größer als die entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen werden, oder ein zweites Paar von Zeitpunkten zu detektieren, wenn die entsprechenden, zerhackten Wellen gleich oder kleiner als die entsprechenden, gegebenen Schwellwertspannungen werden; und
Bestimmen der Konzentrationsänderung in dem Gas in Übereinstimmung mit dem ersten und zweiten Paar von Zeitpunkten.