CN102165309A - 发热量计算式制作系统、发热量计算式的制作方法、发热量计算系统以及发热量的计算方法 - Google Patents

发热量计算式制作系统、发热量计算式的制作方法、发热量计算系统以及发热量的计算方法 Download PDF

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CN102165309A CN2008801313966A CN200880131396A CN102165309A CN 102165309 A CN102165309 A CN 102165309A CN 2008801313966 A CN2008801313966 A CN 2008801313966A CN 200880131396 A CN200880131396 A CN 200880131396A CN 102165309 A CN102165309 A CN 102165309A
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武藤裕行
青岛滋
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Abstract

本发明涉及一种发热量计算式制作系统，其包括：计测机构，其在多个温度下对含有多种气体成分的多种混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测；计算式制作模块，其根据所述多种混合气体的发热量的值和在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值，制作以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式。

Description

发热量计算式制作系统、发热量计算式的制作方法、发热量计算系统以及发热量的计算方法
技术领域
本发明涉及关于气体检查技术的发热量计算式制作系统、发热量计算式的制作方法、发热量计算系统以及发热量的计算方法。
背景技术
以往，在求混合气体的发热量的时候，需要昂贵的气相色谱仪装置等对混合气体的成分进行分析。而且，还提案有通过测定混合气体的热传导率和混合气体中的音速，来计算混合气体中包含的甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)的成分比率，从而求得混合气体的发热量的方法。但是，这种方法除了需要测定热传导率的传感器之外，还需要测定音速的昂贵的音速传感器。(日本特表2004-514138号公报)。
发明内容
发明要解决的技术问题
进一步地，想要实时地检测出气体的发热量的要求在提高，用于检测发热量的装置的高速化以及小型化的要求也高于从前。在这种情况下，运算量的增多直接限制了装置的高速化以及小型化。但是，以往为了计算出混合气体的发热量，需要计算混合气体的各气体成分的比例的步骤，和根据计算出的比例计算出混合气体的发热量的步骤，存在运算量较大的问题。由此，需要将其改良为比原来运算量少的检测方法。因此，本发明提供了一种和原来相比运算量较少的发热量的检测方法及装置。
解决问题的方法
如上所述，以往，在计算出混合气体的发热量时，需要计算出混合气体的各气体成分的比例的步骤。与之相对，发明人重新考虑发热量的运算方法，对不实施混合气体的各气体成分的比例的步骤是否也能进行发热量的计算进行了研究。于是，发明人在理论以及实践中发现了只要将混合气体的散热系数或者热传导率作为输入信息，就能够唯一计算出混合气体的发热量的方法。
本发明提供了一种发热量计算式制作系统，包括：计测机构，其在多个温度下对含有多种气体成分的多种混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测；计算式制作模块，其根据所述多种混合气体的已知的发热量的值和在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值，制作以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式。
本发明提供一种发热量计算式的制作方法，其包括以下步骤：准备含有多种气体成分的多种混合气体的步骤；在多个温度下对所述多种混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测的步骤；根据所述多种混合气体的已知的发热量的值和在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值，制作以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式的步骤。
根据本发明的形态涉及的发热量计算式制作系统以及发热量计算式制作方法，提供一种发热量计算式，其不实施计算出发热量未知的混合气体的各气体成分的比例的步骤，根据混合气体的散热系数或者热传导率就能够计算出混合气体的发热量。
进一步地，根据本发明的实施形态，本发明提供一种发热量计算系统，其包括：计测机构，其在多个温度下对发热量未知的计测对象混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测；计算式存储装置，其对以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式进行保存；发热量计算模块，其将所述计测对象混合气体的在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值代入到所述发热量计算式的所述多个温度下的散热系数或者热传导率的独立变量中，计算出所述计测对象混合气体的发热量的值。
根据本发明的实施形态，本发明提供了一种发热量的计算方法，其包括如下步骤：在多个温度下对发热量未知的计测对象混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测的步骤；准备以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式的步骤；将所述计测对象混合气体的在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值代入到所述发热量计算式的所述多个温度下的散热系数或者热传导率的独立变量中，计算出所述计测对象混合气体的发热量的值的步骤。
根据本发明的形态涉及的发热量计算系统以及发热量计算方法，不实施计算出发热量未知的混合气体的各气体成分的比例的步骤，根据混合气体的散热系数或者热传导率就能够计算出混合气体的发热量。
发明效果
根据本发明，可提供以较少的运算量就能够计算发热量的发热量计算式制作系统、发热量计算式的制作方法、发热量计算系统以及发热量的计算方法。
附图说明
图1是本发明第一实施方式涉及的微加热器的立体图。
图2是本发明第一实施方式涉及的微加热器的从图1的II-II方向观察的截面图。
图3是示出本发明第一实施方式涉及的发热电阻体的发热温度和气体的散热系数的关系的图表。
图4是本发明第一实施方式涉及的发热量计算式制作系统的第一示意图。
图5是本发明第一实施方式涉及的发热量计算式制作系统的第二示意图。
图6是示出本发明第一实施方式涉及的发热量计算式的制作方法的流程图。
图7是示出本发明第二实施方式涉及的发热量计算系统的示意图。
图8是本发明第二实施方式涉及的发热量计算方法的流程图。
图9是示出本发明实施方式的实施例所涉及的样品混合气体的组成和发热量的图表。
图10是示出本发明实施方式的实施例所涉及的样品混合气体的计算出的发热量和实际的发热量的图表。
图11是示出本发明实施方式的实施例所涉及的样品混合气体的实际的发热量和所计算出的发热量的关系的图表。
图12是示出本发明其它实施方式所涉及的热传导率和散热系数的关系的图表。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行说明。在以下附图的记载中，相同或类似的部分以相同或类似的符号表示。但是，附图为示意性的。因此，具体的尺寸等应该参考以下的说明进行判断。又，很显然的，附图相互之间包含有相互的尺寸的关系、比例不同的部分。
(第一实施方式)
首先，参考作为立体图的图1以及作为从图1的II-II方向看到的截面图的图2，对第一实施方式涉及的发热量计算式制作系统以及发热量计算式的制作方法所采用的微加热器8进行说明。微加热器8具有：设有空腔66的基板60和配置在基板60上以覆盖空腔66的绝缘膜65。基板60的厚度例如为0.5mm。又，基板60的长宽尺寸例如分别为1.5mm左右。绝缘膜65的覆盖空腔66的部分为隔热性的膜片。
另，微加热器8包括：设置在绝缘膜65的发热电阻体61、夹着发热电阻体61设置于绝缘膜65的第一测温元件62和第二测温元件63、与发热电阻体61分离地设置于绝缘膜65的气体温度传感器64。发热电阻体61设置在覆盖空腔66的绝缘膜65的中心，对与发热电阻体61接触的气氛气体进行加热。气体温度传感器64与发热电阻体61分离地设置于绝缘膜65，因此，可以不受发热电阻体61的温度的影响而检测气氛气体的温度。
作为基板60的材料，能够使用硅(Si)等。作为绝缘膜65的材料，能够使用氧化硅(SiO2)等。空腔66通过各向异性蚀刻等形成。又，发热电阻体61、第1测温电阻元件62、第2测温电阻元件63以及气体温度传感器64的各自的材料能够使用铂(Pt)等，能够以平板印刷法(リソグラフイ)等形成。
发热电阻体61根据温度变化电阻值。发热电阻体61的温度TH与发热电阻体61的电阻值RH的关系在下述(1)式中给出。
RH＝RSTD×{1+α(TH-TSTD)+β(TH-TSTD)2}…(1)
这里，TSTD表示标准温度，例如20℃。RSTD表示标准温度TSTD下预先计测得到的电阻值。α是表示1次的电阻温度系数。β是表示2次的电阻温度系数。另外，发热电阻体61的电阻值RH通过发热电阻体61的驱动功率PH和发热电阻体61的通电电流IH在下述(2)式中给出。
RH＝PH/IH 2…(2)
或者发热电阻体61的电阻值RH通过发热电阻体61的电压VH和发热电阻体61的通电电流IH在下述(3)式中给出。
RH＝VH/IH…(3)
此处，发热电阻体61的温度TH在发热电阻体61和气氛气体之间达到热平衡时稳定。在平衡状态下，如下述(4)式所示，通过发热电阻体61的驱动功率PH除以发热电阻体61的温度TH与气氛气体的温度T0之差，得到气氛气体的散热系数M0。又，散热系数M0的单位例如为W/℃。
M0＝PH/(TH-T0)…(4)
因为能够计测发热电阻体61的通电电流IH、驱动功率PH或者电压VH，因此，根据上述(1)至(3)能够计算出发热电阻体61的温度TH。另外，气氛气体的温度T0能够通过图1所示的气体温度传感器64测定。因此，采用图1以及图2所示的微加热器8能够计算出气氛气体的散热系数M0。
接着，气氛气体为混合气体，混合气体假设由气体A、气体B、气体C、和气体D四种气体成分构成。气体A的体积率VA、气体B的体积率VB、气体C的体积率VC、和气体D的体积率VD的总和如下述(5)式所示那样为1。
VA+VB+VC+VD＝1…(5)
又，设气体A的单位体积的发热量为KA、气体B的单位体积的发热量为KB、气体C的单位体积发热量为KC、气体D的单位体积的发热量为KD，混合气体的单位体积的发热量Q为各气体成分的体积率乘上各气体成分的单位体积的发热量所得到值的总和。从而，混合气体的单位体积的发热量Q由下述(6)式求得。又，单位体积的发热量的单位为MJ/m3。
Q＝KA×VA+KB×VB+KC×VC+KD×VD    …(6)
又，设气体A的散热系数为MA、气体B的散热系数为MB、气体C的散热系数为MC、气体D的散热系数为MD的话，则混合气体的散热系数MI为，对各气体成分的体积率乘以各气体成分的散热系数所得到的值的总和。从而，混合气体的散热系数MI由下述(7)式求得。
MI＝MA×VA+MB×VB+MC×VC+MD×VD    …(7)
进一步的，气体的散热系数依存于发热电阻体61的发热温度T，因此，混合气体的散热系数MI作为发热电阻61的温度T的函数由下述(8)式求得。
MI(T)＝MA(T)×VA+MB(T)×VB+MC(T)×VC+MD(T)×VD    …(8)
从而，发热电阻体61的温度为T1时的混合气体的散热系数MI(T1)由下述(9)式求得。又，发热电阻体61的温度为T2时的混合气体的散热系数MI(T2)由下述(10)式求得，发热电阻体61的温度为T3时的混合气体的散热系数MI(T3)由下述(11)求得。温度T1、T2、T3是不同的温度。
MI(T1)＝MA(T1)×VA+MB(T1)×VB+MC(T1)×VC+MD(T1)×VD    …(9)
MI(T2)＝MA(T2)×VA+MB(T2)×VB+MC(T2)×VC+MD(T2)×VD    …(10)
MI(T3)＝MA(T3)×VA+MB(T3)×VB+MC(T3)×VC+MD(T3)×VD    …(11)
此处，相对发热电阻体61的温度T，各气体成分的散热系数MA(T)，MB(T)，MC(T)，MD(T)有非线性关系的情况下，上述(9)至(11)式具有线性独立关系。又，即便在相对发热电阻体61的温度T，各气体成分的散热系数MA(T)，MB(T)，MC(T)，MD(T)具有线性关系的情况下，相对于发热电阻体61的温度T的各气体成分的散热系数MA(T)，MB(T)，MC(T)，MD(T)的变化率不同时，上述(9)至(11)式具有线性独立的关系。进一步的，(9)至(11)式具有线性独立关系的情况下，(5)和(9)至(11)式具有线性独立关系。
图3为显示包含于天然气的甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)的散热系数和作为发热电阻体61的温度的关系的图表。相对于发热电阻体61的温度，甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)各个气体成分的散热系数具有线性关系。但是，相对于发热电阻体61的温度的散热系数的变化率，甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)各不相同。因此，构成混合气体的气体成分为甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)的情况下，上述(9)至(11)式具有线性独立关系。
(9)至(11)式中的各气体成分的散热系数MA(T1)，MB(T1)，MC(T1)，MD(T1)，MA(T2)，MB(T2)，MC(T2)，MD(T2)，MA(T3)，MB(T3)，MC(T3)，MD(T3)的值可通过计测等预先获得。从而，解开(5)和(9)至(11)式的联立方程式的话，气体A的体积率VA、气体B的体积率VB、气体C的体积率VC和气体D的体积率VD分别如下述(12)至(15)式所示，作为混合气体的散热系数MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)的函数得到。又，下述(12)至(15)式中，n为自然数，fn是表示函数的符号。
VA＝f1[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]    …(12)
VB＝f2[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]    …(13)
VC＝f3[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]    …(14)
VD＝f4[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]    …(15)
此处，通过将(12)至(15)式代入上述(6)式，得到下述(16)式。
Q＝KA×VA+KB×VB+KC×VC+KD×VD
＝KA×f1[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]
+KB×f2[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]
+KC×f3[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]
+KD×f4[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]                …(16)
如上述(16)式所示，混合气体的单位体积的发热量Q通过以温度T1，T2，T3时的混合气体的散热系数MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)为变量的方程式求得。从而，混合气体的发热量Q由下述(17)式求得，g是表示函数的记号。
Q＝g[MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)]                    …(17)
由此，关于由气体A、气体B、气体C和气体D构成的混合气体，发明人发现如果预先得到上述(17)式，通过计测温度T1，T2，T3时的检查对象混合气体的散热系数MI(T1)，MI(T2)，MI(T3)，并将它们代入(17)式，可以唯一求得气体A的体积率VA、气体B的体积率VB、气体C的体积率VC和气体D的体积率VD未知的检查对象混合气体的单位体积的发热量Q。
又，混合气体的气体成分不限定于四种。关于由n种气体成分组成的混合气体，通过预先取得如下述(18)式给出的、以至少n-1种温度T1，T2，T3，...，Tn-1的混合气体的散热系数M1(T1)，M1(T2)，M1(T3)，...，M1(Tn-1)为变量的方程式，然后，通过计测温度T1，T2，T3，...，Tn-1下的检查对象混合气体的散热系数M1(T1)，M1(T2)，M1(T3)，...，M1(Tn-1)，并将它们代入(18)式，可以唯一求得n种的气体成分的各自的体积率未知的检查对象混合气体的单位体积的发热量Q。
Q＝g[M1(T1)，M1(T2)，M1(T3)，...，M1(Tn-1)]…(18)
但是，混合气体的气体成分除了含有甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)之外，以j为自然数，还包括甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)以外的烷烃(CjH2j+2)时，即使将甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)以外的烷烃(CjH2j+2)视为甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)的混合物，也不会对(18)式的计算造成影响。例如，也可如下述(19)至(22)式所示，分别将乙烷(C2H6)、丁烷(C4H10)、戊烷(C5H12)、己烷(C6H14)视作乘上了规定系数的甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)的混合物，来计算(18)式。
C2H6＝0.5CH4+0.5C3H8      …(19)
C4H10＝-0.5CH4+1.5C3H8    …(20)
C5H12＝-1.0CH4+2.0C3H8    …(21)
C6H14＝-1.5CH4+2.5C3H8    …(22)
从而，设z为自然数，由n种气体成分构成的混合气体的气体成分除了含有甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)之外，还含有甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)以外的z种烷烃(CjH2j+2)时，可以求得以至少n-z-1种温度下的混合气体的散热系数为变量的方程式。
这里，用于(18)式的计算的混合气体的气体成分的种类和单位体积的发热量Q为未知的检查对象混合气体的气体成分的种类相同时，可利用(18)式计算检查对象混合气体的发热量Q。进一步的，检查对象混合气体由种类比n种少的气体成分组成，而且种类比n种少的气体成分，包含于(18)式的计算所用的混合气体中时，可利用(18)式。例如，用于(18)式的计算的混合气体包括甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)四种气体成分时，检查对象混合气体不包含氮气(N2)，而仅包含甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)和二氧化碳(CO2)三种气体成分时，也可利用(18)式计算检查对象混合气体的发热量Q。
进一步的，用于(18)式的计算的混合气体在包括甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)作为气体成分时，检查对象混合气体即使包括用于(18)式的计算的混合气体中所不包含的烷烃(CjH2j+2)，也可利用(18)式。这是因为，如上所述的，甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)以外的烷烃(CjH2j+2)可视为甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)的混合物，不影响采用(18)式对单位体积的发热量Q进行计算。
此处，图4所示的第一实施方式涉及的发热量计算式制作系统20包括：计测机构10和计算式制作模块302，计测机构10在多个温度下分别对含有多种气体成分、已知发热量的值的多个样品混合气体的散热系数的值进行计测，计算式制作模块302根据多个样品混合气体的已知的发热量的值和在多个温度下所计测的散热系数的值，制作以多个温度下的散热系数作为独立变量、以发热量作为从属变量的发热量计算式。
计测机构10具有对多个样品混合气体分别加热的、用图1以及图2说明了的微加热器8。微加热器8被配置在分别被注入多个样品混合气体的图4所示的腔室101内。腔室101连接有用于将多个样品混合气体分别输送到腔室101的流路102和，用于将多个样品混合气体分别从腔室101排出到外部的流路103。
在采用四种样品混合气体的情况下，如图5所示，准备储存第一样品混合气体的第一储气瓶50A、储存第二样品混合气体的第二储气瓶50B、储存第三样品混合气体的第三储气瓶50C和储存第四样品混合气体的第四储气瓶50D。第一储气瓶50A通过流路91A连接有第一气压调节器31A，该第一气压调节器31A用于从第一储气瓶50A得到被调节为例如0.2MPa等的低压的第一样品混合气体。又，第一气压调节器31A通过流路92A连接有第一流量控制装置32A。第一流量控制装置32A控制通过流路92A和流路102输送到发热量计算式制作系统20的第一样品混合气体的流量。
第二储气瓶50B通过流路91B连接有第二气压调节器31B。又，第二气压调节器31B通过流路92B连接有第二流量控制装置32B。第二流量控制装置32B对通过流路92B，93，102输送到发热量计算式制作系统20的第二样品混合气体的流量进行控制。
第三储气瓶50C通过流路91C连接有第三气压调节器31C。又，第三气压调节器31C通过流路92C连接有第三流量控制装置32C。第三流量控制装置32C控制通过流路92C，93，102输送到发热量计算式制作系统20的第三样品混合气体的流量。
第四储气瓶50D通过流路91D连接有第四气压调节器31D。又，第四气压调节器31D通过流路92D连接有第四流量控制装置32D。第四流量控制装置32D控制通过流路92D，93，102输送到发热量计算式制作系统20的第四样品混合气体的流量。
第一至第四样品混合气体例如分别是天然气。第一至第四样品混合气体分别都包括例如甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)四种气体成分。
图4所示的微加热器8的图1以及图2所示的发热电阻体61被施加来自图4所示的驱动电路303的驱动功率PH。通过被施加驱动功率PH，使得图1以及图2所示的发热电阻体61以例如100℃、150℃、以及200℃发热。又，气体温度传感器64分别对第一至第四样品混合气体的温度T0进行检测。
又，样品混合气体包括n种气体成分时，发热电阻体61以至少n-1种温度发热。但是，如上所述，甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)以外的烷烃(CjH2j+2)可视为甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)的混合物。从而，使z为自然数，由n种气体成分构成的样品混合气体除了包括甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)作为气体成分以外，还包含z种烷烃(CjH2j+2)时，发热电阻体61至少以n-z-1种的温度发热。
进一步地，图4所示的计测机构10包括连接于微加热器8的散热系数计算模块301。如上述式(4)所示，散热系数计算模块301通过将图1及图2所示的发热电阻体61的驱动功率PH除以发热电阻体61的温度TH与各第一至第四样品混合气体的温度T0的差，求出第一至第四样品混合气体的散热系数的值。例如，在发热电阻体61以100℃、150℃、及200℃发热的情况下，分别对第一至第四样品混合气体，计算出发热温度为100℃时的散热系数的值、发热温度为150℃时的散热系数的值、以及发热温度为200℃时的散热系数的值。
图4所示的计算式制作模块302收集例如第一至第四样品混合气体各自的已知的散热量的值、发热温度为100℃时的散热系数的值、发热温度为150℃时的散热系数的值、以及发热温度为200℃时的散热系数的值。进一步地，计算式制作模块302根据所收集了的发热量和散热系数的值，通过包含A.J Smola和B.scholkopf所著的《A Tutorial onSupport Vector Regression》(NeuroCOLT Technical Report(NC-TR-98-030)、1998年)所揭示的支持矢量回归、多元回归分析，以及日本专利公开平5-141999号公报所揭示的模糊量化理论II类等的多变量分析，计算出以发热温度为100℃时的散热系数的值、发热温度为150℃时的散热系数的值、以及发热温度为200℃时的散热系数的值为独立变量、以发热量为从属变量的发热量计算式。又，散热系数计算模块301和计算式制作模块302包含于中央处理装置(CPU)300。
发热量计算式制作系统20进一步具有连接于CPU300的散热系数存储装置401和计算式存储装置402。散热系数存储装置401保存散热系数计算模块301所计算出的散热系数的值。计算式存储装置402保存计算式制作模块302制作的发热量计算式。而且，CPU300连接有输入装置312和输出装置313。输入装置312可以使用例如键盘和鼠标等指向装置等。输出装置313可以使用液晶显示器、监视器等图像显示装置和打印机等。
接着，参考图6的流程图对第一实施方式涉及的发热量计算式的制作方法进行说明。又，在以下例中，对准备第一至第四样品混合气体，并切换100℃、150℃、以及200℃这三个阶段使发热电阻体61发热的情况进行说明。
(a)步骤S100中，保持图5所示的第二至第四流量控制装置32B-32D的阀闭合，第一流量控制装置32A的阀打开，将第一样品混合气体导入图4所示的腔室101内。然后在步骤S101中，驱动电路303使图1及图2所示的发热电阻体61加热到100℃，图4所示的散热系数计算模块301计算出在发热温度100℃下的散热系数的值。然后，散热系数计算模块301将发热温度100℃下的第一样品混合气体的散热系数的值保存在散热系数存储装置401中。
(b)在步骤S102中，对图1及图2所示的发热电阻体61的发热温度的切换是否已经完成进行判定。由于还没有完成向发热温度150℃以及发热温度200℃的切换，因此返回到步骤S101，驱动电路303使图1以及图2所示的发热电阻体61加热到150℃。图4所示的散热系数计算模块301计算出在发热温度150℃下的第一样品混合气体的散热系数的值，并保存在散热系数存储装置401中。
(c)再在步骤S102中，对图1及图2所示的发热电阻体61的发热温度的切换是否已经完成进行判定。由于还没有完成向发热温度200℃的切换，因此返回到步骤S101，驱动电路303使图1以及图2所示的发热电阻体61加热到200℃。图4所示的散热系数计算模块301计算出在发热温度200℃下的第一样品混合气体的散热系数的值，并保存在散热系数存储装置401中。
(d)由于图1及图2所示的发热电阻体61的发热温度的切换已经完成，因此从步骤S102前进到步骤S103。在步骤S103中，判定样品混合气体的切换是否已经完成。由于第二至第四样品混合气体的切换没有完成，因此，返回到步骤S100。在步骤S100中，闭合图5所示的第一流量控制装置32A，保持第三至第四流量控制装置32C-32D的阀闭合而打开第二流量控制装置32B，向图4所示的腔室101导入第二样品混合气体。
(e)与第一样品混合气体一样地，重复步骤S101至步骤S102的循环，图4所示的散热系数计算模块301计算出发热温度100℃下的第二样品混合气体的散热系数的值、发热温度150℃下的第二样品混合气体的散热系数的值、以及发热温度200℃下的第二样品混合气体的散热系数的值，并保存在散热系数存储装置401中。
(f)然后，重复步骤S100至步骤S103的循环，将分别在发热温度100℃、150℃、200℃下的第三样品混合气体的散热系数的值、以及分别在发热温度100℃、150℃、200℃下的第四样品混合气体的散热系数的值保存在散热系数存储装置401中。
(g)在步骤S104中，从输入装置312向计算式制作模块302输入第一样品混合气体的已知的发热量的值、第二样品混合气体的已知的发热量的值、第三样品混合气体的已知的发热量的值、以及第四样品混合气体的已知的发热量的值。又，计算式制作模块302从散热系数存储装置401中读取分别在发热温度100℃、150℃、200℃下的第一至第四样品混合气体的散热系数的值。
(h)在步骤S105中，根据第一至第四样品混合气体的发热量的值、以及分别在发热温度100℃、150℃、200℃下的第一至第四样品混合气体的散热系数的值，计算式制作模块302计算出发热量计算式，该发热量计算式是以发热温度100℃下的散热系数、发热温度150℃下的散热系数以及发热温度200℃下的散热系数为独立变量、以发热量为从属变量的。然后，在步骤S106中，将计算式制作模块302制作的发热量计算式保存在计算式存储装置402中，完成第一实施方式涉及的发热量计算式的制作方法。
如上所述，可以根据第一实施方式涉及的发热量计算式的制作系统以及方法，通过再多个温度下对发热量的值未知的计测对象混合气体的散热系数进行计测，制作能够唯一地计算计测对象混合气体的发热量的值的发热量计算式。
(第二实施方式)
如图7所示，第二实施方式涉及的发热量计算系统21包括：计测机构10，其在多个温度下对发热量未知的计测对象混合气体的散热系数的值进行计测；计算式存储装置402，其对以多个温度下的散热系数为独立变量、以发热量为从属变量的发热量计算式进行保存以及发热量计算模块305，其将计测对象混合气体在多个温度下被计测的散热系数的值代入到发热量计算式的多个温度下的散热系数的独立变量中，计算出计测对象混合气体的发热量的值。
在计算式存储装置402中保存如第一实施方式中说明的那样制作的发热量计算式。这里，为了制作发热量计算式而使用含有甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和碳酸气体(CO2)的天然气作为混合气体，并以这种的情况为例进行说明。又，在发热量计算式中，是以发热温度100℃下的散热系数、发热温度150℃下的散热系数以及发热温度200℃下的散热系数作为独立变量的。
在第二实施方式中，例如，以未知体积率包含甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)的天然气作为计测对象混合气体被导入腔室101中。腔室101内的图1以及图2所示的发热电阻体61以与发热量计算式的制作中所使用的发热温度相同的100℃、150℃、以及200℃三个阶段进行发热，对计测对象混合气体进行加热。
图7所示的散热系数计算模块301按照在上述(1)至(4)式所说明的方法，计算出发热温度分别为100℃、150℃、以及200℃下的计测对象混合气体散热系数的值。发热量计算模块305将计算出的计测对象混合气体散热系数的值代入到发热量计算式的散热系数的独立变量中，对计测对象混合气体的发热量的值进行计算。
CPU300还与发热量存储装置403连接。发热量存储装置403保存发热量计算模块305所计算出的计测对象混合气体的发热量的值。第二实施方式涉及的发热量计算系统的其他的构成要件与图4所说明的第一实施方式涉及的发热量计算式制作系统一样，因此，省略其说明。
下面，使用图8所示的流程图对第二实施方式涉及的发热量的计算方法进行说明。又，在以下例中，对切换100℃、150℃、及200℃三个阶段使发热电阻体61发热的情况进行说明。
(a)在步骤S200中，向图7所示的腔室101中导入计测对象混合气体。然后在步骤S201中，驱动电路303将图1以及图2所示的发热电阻体61加热到100℃，图7所示的散热系数计算模块301计算发热温度100℃下的散热系数的值。然后，散热系数计算模块301将发热温度100℃下的计测对象混合气体的散热系数的值保存到散热系数存储装置401中。
(b)在步骤S202中，对图1及图2所示的发热电阻体61的发热温度的切换是否已经完成进行判定。由于还没有完成向发热温度150℃以及发热温度200℃的切换，因此返回到步骤S201，驱动电路303使图1以及图2所示的发热电阻体61加热到150℃。图7所示的散热系数计算模块301计算出在发热温度150℃下的计测对象混合气体的散热系数的值，并保存在散热系数存储装置401中。
(c)再在步骤S202中，对图1及图2所示的发热电阻体61的发热温度的切换是否已经完成进行判定。由于还没有完成向发热温度200℃的切换，因此返回到步骤S201，驱动电路303使图1以及图2所示的发热电阻体61加热到200℃。图7所示的散热系数计算模块301计算出在发热温度200℃下的计测对象混合气体的散热系数的值，并保存在散热系数存储装置401中。
(d)在步骤S203中，发热量计算模块305从计算式存储装置402中读取以发热温度为100℃、150℃、以及200℃下的散热系数为独立变量的发热量计算式。又，发热量计算模块305从散热系数存储装置401中读取发热温度分别在100℃、150℃、以及200℃下的计测对象混合气体的散热系数的值。
(e)在步骤S204中，发热量计算模块305将发热温度分别在100℃、150℃、以及200℃下的计测对象混合气体的散热系数的值代入到发热量计算式的独立变量中，对计测对象混合气体的发热量的值进行计算。然后，发热量计算模块305将计算出的发热量的值保存到发热量存储装置403中，完成第二实施方式涉及的发热量的计算方法。
采用以上所说明的第二实施方式所涉及的发热量计算系统以及方法，不采用昂贵的气相色谱仪装置或音速传感器，通过仅对散热系数的值进行測定，就能够对混合气体的发热量的值进行測定。
天然气由于出产的气田不同其烃的成分比率也不同。又，天然气中除了烃之外，还包括有，氮气(N2)或碳酸气体(CO2)等。因此，由于不同的出产气田，包含于天然气的气体成分的体积率不同，即使气体成分的种类已知，天然气体的发热量未知的情况也很多。又，即使是同一气田来的天然气，其发热量也不一定是始终不变的，其可能随着开采时期而变化。
以往，在征收天然气的使用费的时候，不是根据天然气体的使用发热量而是根据使用体积来进行收费的。然而，由于天然气随着出产气田的不同其发热量不同，因此根据使用体积来收费是不公平的。对此，根据第二实施方式涉及的发热量计算系统以及方法，可简单地计算得出气体的成分种类为已知但由于气体成分的体积率未知导致发热量未知的天然气体等的混合气体的发热量。因此，能够公平地征收使用费。
能够容易地得到正确的发热量，因此，能够恰当地设定使混合气体燃烧时所需要的空气量，能够削减不必要的二氧化碳(CO2)的排出量。
(实施例)
首先，如图9所示，准备了发热量的值为已知的28种样品混合气体。28种样品混合气体都分别包含甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、氮气(N2)和二氧化碳(CO2)中的任意种或全部作为气体成分。例如第7种样品混合气体包括：90vol％的甲烷、3vol％的乙烷、1vol％的丙烷、1vol％的丁烷、4vol％的氮气和1vol％的二氧化碳。又，第8种样品混合气体包括：85vol％的甲烷、10vol％的乙烷、3vol％的丙烷和2vol％的丁烷，不包括氮气和二氧化碳。又，第9种样品混合气体包括85vol％的甲烷、8vol％的乙烷、2vol％的丙烷、1vol％的丁烷、2vol％的氮气和2vol％的二氧化碳。然后，以100℃、150℃、以及200℃对28种样品混合气体的各自的散热系数的值进行计测。又，例如第7种样品混合气体虽然包括6种气体成分，但如上所述，乙烷(C2H6)和丁烷(C4H10)可以看做是甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)的混合物，因此，以3种温度对散热系数的值进行计测是没有问题的。然后，根据28种样品混合气体的发热量的值和被计测出的散热系数的值，通过支持矢量回归，制作以散热系数为独立变量、以发热量为从属变量的计算发热量的1次方程式、2次方程式和3次方程式。
在制作计算发热量的1次方程式时，校准点可以3至5个为基准适当确定。制作得到的1次方程式由下述(23)式得到。28种样品混合气体的发热量以(23)式计算，和实际发热量比较，其最大误差为2.1％。
Q＝39.91-20.59×MI(100℃)-0.89×MI(150℃)+19.73×MI(200℃)…(23)
在制作计算发热量的2次方程式时，校准点可以8至9个为基准适当确定。以制作得到2次方程式计算28种样品混合气体的发热量，和实际发热量相比，最大误差为1.2至1.4％。
在制作计算发热量的3次方程式时，校准点可以10至14个为基准适当确定。用制作得到的3次方程式计算28种样品混合气体的发热量，并与实际发热量比较，发现最大误差不到1.2％。如图10以及图11所示，以取10个校准点制作得到的3次方程式计算的发热量与实际的发热量非常接近。
(其它的实施方式)
如上所述，本发明通过实施方式来记载，但是并不能理解为构成该公开的一部分的描述和附图是限定本发明的。根据该公开，本领域技术人员应该清楚各种代替的实施方式、实施方式以及运用技术。例如，在图12中示出在发热电阻体流通2mA、2.5mA、以及3mA的电流时，混合气体的散热系数和热传导率的关系。如图12所示，混合气体的散热系数和热传导率一般具有比例关系。因此在第一以及第二实施方式中，使用发热电阻体的多个发热温度下的混合气体的散热系数的值，但是，也可以取而代之，使用混合气体的多个计测温度下的热传导率，进行发热量计算式的制作和发热量的计算。本发明应该理解为包含此处没有记载的各种实施方式等。因此，本发明根据上述公开的内容，以适当的权利要求书中记载的特定技术特征来限定。
产业上的可利用性
本发明的发热量计算式制作系统、发热量计算式的制作方法、发热量计算系统以及发热量的计算方法能够利用在能量产业等方面。

Claims (34)

1.一种发热量计算式制作系统，其特征在于，包括：
计测机构，其在多个温度下对含有多种气体成分的多种混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测；
计算式制作模块，其根据所述多种混合气体的已知的发热量的值和在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值，制作以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式。
2.如权利要求1所述的发热量计算式制作系统，其特征在于，
所述多个温度的个数至少是从所述多种气体成分的个数减去1的个数。
3.如权利要求1或2所述的发热量计算式制作系统，其特征在于，
所述计算式制作模块使用支持矢量回归制作所述发热量计算式。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的发热量计算式制作系统，其特征在于，
所述计测机构包括分别对所述多种混合气体进行加热的加热器。
5.如权利要求4所述的发热量计算式制作系统，其特征在于，
所述计测机构还包括散热系数计算模块，该散热系数计算模块通过所述加热器的驱动功率除以所述加热器的温度与各所述多种混合气体的温度之差，对所述多种混合气体的散热系数的值进行计算。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的发热量计算式制作系统，其特征在于，
所述多种混合气体分别为天然气。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的发热量计算式制作系统，其特征在于，
所述多种混合气体各自分别包含甲烷、丙烷、氮气和二氧化碳作为所述多种气体成分。
8.一种发热量计算式的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备含有多种气体成分的多种混合气体的步骤；
在多个温度下对所述多种混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测的步骤；
根据所述多种混合气体的已知的发热量的值和在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值，制作以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式的步骤。
9.如权利要求8所述的发热量计算式的制作方法，其特征在于，
所述多个温度的个数至少是从所述多种气体成分的个数减去1的个数。
10.如权利要求8或9所述的发热量计算式的制作方法，其特征在于，
使用支持矢量回归制作所述发热量计算式。
11.如权利要求8至10中任意一项所述的发热量计算式的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：
对所述多种混合气体的散热系数的値进行计测的步骤；
以加热器对所述多种混合气体分别进行加热的步骤；
所述加热器的驱动功率除以所述加热器的温度与各所述多种混合气体的温度之差的步骤。
12.如权利要求8至11中任意一项所述的发热量计算式的制作方法，其特征在于，
所述多种混合气体分别为天然气。
13.如权利要求8至12中任意一项所述的发热量计算式的制作方法，其特征在于，
所述多种混合气体各自分别包含甲烷、丙烷、氮气和二氧化碳作为所述多种气体成分。
14.一种发热量计算系统，其特征在于，包括：
计测机构，其在多个温度下对发热量未知的计测对象混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测；
计算式存储装置，其对以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式进行保存；
发热量计算模块，其将所述计测对象混合气体的在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值代入到所述发热量计算式的所述多个温度下的散热系数或者热传导率的独立变量中，计算出所述计测对象混合气体的发热量的值。
15.如权利要求14所述的发热量计算系统，其特征在于，
所述多个温度的个数至少是从所述计测对象混合气体所含有的多种气体成分的个数减去1的个数。
16.如权利要求14或者15所述的发热量计算系统，其特征在于，
根据含有多种气体成分的多种样品混合气体的发热量的值和在所述多个温度下被计测的所述多种样本混合气体的散热系数或者热传导率的值，制作以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式。
17.如权利要求16所述的发热量计算系统，其特征在于，
使用支持矢量回归制作所述发热量计算式。
18.如权利要求14至17中任意一项所述的发热量计算系统，其特征在于，
所述计测机构包括对所述计测对象混合气体进行加热的加热器。
19.如权利要求18所述的发热量计算系统，其特征在于，
所述计测机构还包括散热系数计算模块，该散热系数计算模块通过所述加热器的驱动功率除以所述加热器的温度与所述计测对象混合气体的温度之差，对所述计测对象混合气体的散热系数的值进行计算。
20.如权利要求16或者17所述的发热量计算系统，其特征在于，
所述多种样品混合气体分别为天然气。
21.如权利要求16、17、20中任意一项所述的发热量计算系统，其特征在于，
所述多种样品混合气体各自分别包含甲烷、丙烷、氮气和二氧化碳作为所述多种气体成分。
22.如权利要求14至21中任意一项所述的发热量计算系统，其特征在于，
所述计测对象混合气体为天然气。
23.如权利要求14至22中任意一项所述的发热量计算系统，其特征在于，
所述计测对象混合气体包含甲烷、丙烷、氮气和二氧化碳。
24.如权利要求23所述的发热量计算系统，其特征在于，
所述计测对象混合气体还包含烷烃。
25.一种发热量的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
在多个温度下对发热量未知的计测对象混合气体的散热系数或者热传导率的值进行计测的步骤；
准备以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式的步骤；
将所述计测对象混合气体的在所述多个温度下被计测的散热系数或者热传导率的值代入到所述发热量计算式的所述多个温度下的散热系数或者热传导率的独立变量中，计算出所述计测对象混合气体的发热量的值的步骤。
26.如权利要求25所述的发热量的计算方法，其特征在于，
所述多个温度的个数至少是从所述计测对象混合气体所含有多种气体成分的个数减去1的个数。
27.如权利要求25或者26所述的发热量的计算方法，其特征在于，
根据含有多种气体成分的多种样本混合气体的发热量的值和在所述多个温度下被计测的所述多种样本混合气体的散热系数或者热传导率的值，制作以所述多个温度下的散热系数或者热传导率为独立变量、以所述发热量为从属变量的发热量计算式。
28.如权利要求27所述的发热量的计算方法，其特征在于，
使用支持矢量回归制作所述发热量计算式。
29.如权利要求25至28中任意一项所述的发热量的计算方法，其特征在于，还包括如下步骤：
对所述计测对象混合气体的散热系数的値进行计测的步骤；
以加热器对所述计测对象混合气体进行加热的步骤；
所述加热器的驱动功率除以所述加热器的温度与所述计测对象混合气体的温度的差的步骤。
30.如权利要求27或者28所述的发热量的计算方法，其特征在于，
所述多种样本混合气体分别为天然气。
31.如权利要求27、28、30中任意一项所述的发热量的计算方法，其特征在于，
所述多种样本混合气体各自分别包含甲烷、丙烷、氮气和二氧化碳作为所述多种气体成分。
32.如权利要求25至31中任意一项所述的发热量的计算方法，其特征在于，
所述计测对象混合气体为天然气。
33.如权利要求25至32中任意一项所述的发热量的计算方法，其特征在于，
所述计测对象混合气体包含甲烷、丙烷、氮气和二氧化碳。
34.如权利要求33所述的发热量的计算方法，其特征在于，
所述计测对象混合气体还包含烷烃。
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