JP2001509594A - ガスの密度を決定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ガスの標準密度を決定する方法に関する。このために、−加圧供給手段（２０）を使用して、大した変形を伴わないで圧力に耐えることができる室（１２）に密度を決定または照合しようとするガスを満たして室を標準気圧より高い初期圧力Ｐｉにし、−ガスがソニックノズル（４０）を備えたパージ手段（３０）を通って流出できるようにして、ガスが室（１２）の内部で初期圧力Ｐｉ以下の第１圧力Ｐ１からこの第１圧力Ｐ１より低い第２圧力Ｐ２に変化するのにかかる時間△ｔを測定し、−測定した時間△ｔ、ガスの温度Ｔ、および既知密度の基準ガスを使用したコンピュータ（６０）の校正によって定められた定数ｋを含む、理論で教示されてコンピュータ（６０）のメモリに記憶された一般式を使用した計算によってガスの密度ρを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、ガスの標準密度を決定する方法および関連装置に関する。

【０００２】 説明のため、「標準気圧」とは、海面で平均的な圧力、すなわち１０１３．２
５ミリバールのことである。同様に、「密度」という用語は、標準温度および圧
力状態での、すなわち前述の標準気圧で２７３．１５゜Ｋでのガスの密度を表す
ために使用される（別の言い方で標準密度とも呼ぶ）。

【０００３】 ガスの密度の測定は現在のところ、供給ガスの組成のばらつきを局部的に知る
ため、または特に家庭または産業供給用のガスメータ形式の計量装置を通して送
られる量の計算を改善するためのいずれに有用である。

【０００４】 一般的に「シリング比重計」と呼ばれる上記形式の装置が周知であり、これは
、試験管を浸す水を満たした容器を有している。その試験管は下の部分で開放さ
れており、上部分にガス供給入口と校正オリフィスを備えたパージ出口とを有す
る。試験管に被検ガスを充てんすると、ガスが水の上にくる。水が上昇して校正
オリフィスからガスを追い出すが（この時、ガスはジュール−トムソン膨張型の
等エントロピー変形を受ける）、この水が上昇して試験管の壁に付けられた２本
の線ａおよびｂ（ａがｂより下）の間を通るのにかかる時間ｔｇを測定する。も
ちろん、密度が１である空気を使用して、水が同一の圧力および温度状態でそれ
らの線ａおよびｂを通るのにかかる時間ｔａを予め決定しておく。その時、ガス
の密度ｄが次の方程式： ｄ＝ｔｇ／ｔａ で得られる。

【０００５】 しかし、その比重計は標準気圧に近い（２〜３ミリバール高い）圧力で作動し
、校正オリフィスを通して送られるガスの体積（試験管の２本の線ａおよびｂで
決定される体積）を決定するためにかさばる水柱を使用している。さらに、その
体積、被検ガスの圧力および温度は一定である。この装置は取り扱いが困難（重
くかさばる）でもあり、相当な整備（クリーニング）が必要である。最後になる
が、試験管をパージする前にガスが水の中またはその上方に噴射される（完全に
噴射し終わると、ガスは必然的に水の上方に存在する）のでガスが水と接触して
いるため、ガスは水で飽和され、このためにその密度がわずかに変化する一方、
使用前に脱水段階が必要になる。

【０００６】 本発明の目的は、上記不都合の少なくとも一部を解決することであり、特に過
大な製造および／または整備コストを必要としないで商業的に有益な状態で使用
できる一方、同時に現在の要求事項に適した多用途性、（特に正確度および再現
性に関する）性能および信頼性を与える方法および関連装置を提案する。最後に
なるが、本発明の別の目的は、ガスの圧縮係数の影響を排除することである。

【０００７】 したがって、本発明は、ガスの密度を決定する方法であって、 ａ）加圧供給手段を使用して、大した変形を伴わないで圧力に耐えることがで
きる一定容積の密閉室に密度を決定または照合しようとするガスを、このガスが
室の容積全体を占めるまで満たして室を標準気圧より高い初期圧力にして、実質
的にこの初期圧力に維持する段階と、 ｂ）ガスの少なくとも一部分が室からソニックノズル（４０）を備えて室に連
通しているパージ手段を通って流出できるようにして、ガスが室内部で初期圧力
以下の第１圧力からこの第１圧力より低いが標準気圧以上である第２圧力に変化
するのにかかる時間をタイミング手段で測定する段階であって、その圧力は圧力
測定手段で測定する段階と、 ｃ）測定した時間、温度測定手段で測定したガスの温度、および既知密度の基
準ガスを使用したコンピュータの校正によって定められてコンピュータのメモリ
に記憶された定数を含む、理論で教示されてコンピュータのメモリに記憶された
一般式を使用した計算によってガスの密度を決定する段階と を含む方法に関する。

【０００８】 ガスの密度を決定するために、本方法は、コンピュータの校正によって定数を
決定するために使用されたものと同一の圧力状態で、また任意であるが同一の温
度状態において実施されることが好都合である。このようにして、定数ｋが正確
になるため、ガスの密度の決定の正確度がさらに改善される。

【０００９】 さらなる見地によれば、ガスの密度を計算するために、 ガスの密度（ｋｇ／ｍ³）をρ、 校正時に定められた定数をｋ、 ガスの温度（゜Ｋ）をＴ、 ガスが室の内部で第１圧力から第２圧力に変化するのにかかる時間（秒）を
△ｔとした時、次の式： ρ＝ｋ・Ｔ・（△ｔ）² を使用するのが好ましい。

【００１０】 したがって、この簡単な式はコンピュータの校正によって定められた定数と、
それぞれ対応の手段で容易に得られる特性量とを含む。最後になるが、圧縮係数
は使用されておらず、従って最終結果に影響を与えないことがわかるであろう。
したがって、ガスの密度の決定を容易に自動化して、ガスの組成の経時的展開を
知ることができるか、様々なガスの密度を連続的に決定することができる。

【００１１】 さらなる見地によれば、第１圧力は４バール以下、好ましくはほぼ３バールで
あることが好ましく、第２圧力は約１．２〜３バール、好ましくはほぼ２バール
であることが好ましい。

【００１２】 ガスの流出時間の測定の開始時および終了時の圧力をこのように選択すること
によって、ガスの密度を高正確度で決定するのに充分な長さ（１分程度）の流出
時間を得ることが可能である。さらに、これらの状態は固定的であり、容易に再
現可能である。

【００１３】 ガスの圧力が低いほど（ただし、装置が作動できる、特に１分に近い流出時間
が得られるようにする値の範囲内にあるものとする）、定数ｋに関する不確定性
が低下するために、密度の計算の正確度が高くなる。さらに、圧力の選択は、ソ
ニックノズルの正確な作動および選択した様々な測定手段（特に圧力センサ）に
関する技術的要求事項によっても決定される。最後になるが、この処理によって
圧縮係数ｚの影響を排除することができる。

【００１４】 別の見地によれば、ガスが室から流出する前および／またはそれが流出する間
の少なくとも一部分の時間にわたって室を加熱手段で約４０〜８０℃、好ましく
は５０〜７０℃の温度に加熱するのが好ましい。

【００１５】 そのようにして、ソニックノズルのネックでガスの流出速度が変化しないので
計算の不確定性が低下するため、ガスの密度の決定がさらに最適化される。

【００１６】 本発明はまた、ガスの密度を決定する上記方法を実施する装置であって、 −大した変形を伴わないで圧力に耐えることができる一定容積の密閉室と、 −この室にガスを標準気圧より高い初期圧力で満たして、ガスがそれから流出
する前、実質的にその初期圧力に維持する加圧供給手段と、 −ソニックノズルを備えて室に連通しており、ガスの少なくとも一部分が室か
らソニックノズルを通って流出できるようにするパージ手段と、 −ガスが室内部で初期圧力以下の第１圧力からこの第１圧力より低いが標準気
圧以上である第２圧力に変化するのにかかる時間を測定するタイミング手段と、 −室の内部の標準的な圧力および温度を測定する手段と、 −メモリを備えており、タイミング手段で測定した時間、温度測定手段で測定
したガスの温度、および既知密度の基準ガスを使用した校正によって定められて
メモリに記憶された定数ｋを含む、理論で教示されてメモリに記憶された一般式
を使用した計算によってガスの密度を決定するコンピュータと を備えた装置に関する。

【００１７】 この解決策によって、特に水柱を使用する必要がなくなり、このために装置は
かさが小さくなり、使用しやすくなり、信頼性が高くなる。使用する測定手段は
簡単であり、１％未満の誤差で結果を得ることができる。さらに、装置は構造体
に固定された標準を有しているので、基準は常に同一であるため、測定誤差およ
び近似値にあまり左右されない。

【００１８】 第１見地によれば、本装置は好ましくはさらに、ガスが室から流出する前およ
び／またはそれが流出する間の少なくとも一部分の時間にわたって室を約４０〜
８０℃、好ましくは５０〜７０℃の温度に加熱する手段を備えている。

【００１９】 この解決策によって、ガスの密度の計算に関する不確定性がさらに低下するた
め、装置の作動をさらに最適化することができる。さらに、この解決策では、得
ようとする温度がさほど高くなくてもよいことから、非常に強力な加熱手段を使
用する必要がないため、ガスの燃焼や爆発の危険性が回避される。

【００２０】 本発明およびその実施形態は、添付の図面を参照した以下の説明からさらに明
らかになるであろう。 第１図は、大した変形を伴わないで（すなわち圧力を受けて膨出したり低圧状
態でへこむことなく）圧力に耐えることができる一定容積の密閉室１２を有する
装置１０を示している。その圧力は数バール（好ましくは少なくとも１０バール
であるか、室に安全弁が設けられている場合にはそれ以上）に達する可能性があ
る。たとえば鋼またはアルミニウム製にすることができる室１２は、電気抵抗、
温水らせん状回路、湯浴、またはいずれかの形式の動力源（電気、ガス、太陽な
ど）から動力を受ける他の同等手段などの加熱手段５６で取り囲まれており、好
ましくはこの加熱手段５６は、たとえば岩綿（図示せず）によって外部から隔離
されている。室１２は、加圧ガスを供給する手段２０に接続されている。この手
段はたとえば加圧ガスボトル２２、パイプ２４および供給弁２６を含むが、室１
２を直接的に天然ガス供給源に接続することもでき、その時には天然ガス供給源
が供給手段２０として機能する（この場合、弁２６が供給手段から除かれる）。
室１２はそれのパージを行う手段３０にも接続されており、この手段はたとえば
パイプ３２と排出弁３４とを有している。パイプ３２と室１２との間にソニック
ノズル４０が設けられており、これは周知の形式であって、ガスの流量を計算す
るために一般的に使用され、流量基準として機能する。詳細に説明しないが第２
図に示されているように、ノズルは、ベル形収束部４２（いわゆる「トーリック
」形）と、それに続いてネック４５およびその次の円錐形断面の発散部４８とで
形成されている。ノズルの形状、特にネックの断面（好ましくな完全な円形）は
、その上流側（ＡＭ）と下流側（ＡＶ）の圧力状態によって定められる。したが
って、ネック４５を通過する際に音速と等エントロピー変形（膨張）とを得るた
めに、下流側圧力（ソニックノズルを出る時の、したがって排出パイプ内の圧力
）と上流側圧力（この場合、室内の圧力）との比が好ましくは０．８０以下でな
ければならない。同様に、境界層が厚くなりすぎて装置の不確定性の正確度が低
下することを避けるために、ノズル４０の、特にネック４５（これの直径は１／
１０ｍｍ程度であろう）の内側の表面質が完全でなければならない。

【００２１】 室内のガスの温度Ｔを測定する周知の形式の手段５２（たとえばセンサ）およ
び室内の圧力Ｐを測定する（圧力感知またはトランスミッタ形式の）手段５４も
室１２に接続されて、それらの情報をメモリを有するコンピュータ６０に送る。
このコンピュータは好ましくは自動取得モードで作動する。コンピュータ６０は
装置１０の作動状態（室内部の平均的な圧力Ｐおよび温度Ｔ）を収集し、電子ク
ロックなどの内部タイミング手段か、コンピュータに接続されるストップウォッ
チなどの外部タイミング手段のいずれかのタイミング手段７０を備えている。コ
ンピュータ６０は、校正によって決定された定数ｋ（以下の手順を参照されたい
）と、校正後に使用された圧力状態の関数としてこの定数を更新する式と、（必
要に応じて更新された）定数ｋを含み、問題のガスの密度ρを決定することがで
きる（特にソニックノズル方程式を使用した）理論によって教示された一般式と
をメモリに記憶している。この一般式は、 ガスの密度（ｋｇ／ｍ³）をρ、 校正で決定された定数をｋ、 ガスの温度（゜Ｋ）をＴ、 ガスが室内部で第１圧力Ｐ１から第２圧力Ｐ２に変化するのにかかる時間（
秒）を△ｔとした時、 ρ＝ｋ・Ｔ・（△ｔ）² である。

【００２２】 装置１０の作動は非常に簡単であり、最初にガスの密度を計算するために式に
使用される定数ｋを決定する校正処理を含む。

【００２３】 このために、密閉された一定容積の、加圧で変形することができない室１２に
加圧供給手段２０を使用して、既知の物理的および化学的特性、特にρref で表
される既知の密度を有する基準ガスを標準気圧（一般的に海面で１０１３．２５
ミリバール）より高い初期圧力Ｐｉで導入する。天然ガスの密度を測定するため
に装置を使用している場合、天然ガスと類似したガスであるメタンなどの中性ガ
スを基準ガスとして選択するのが妥当であろう。供給手段２０を閉じて、基準ガ
スを実質的に圧力Ｐｉに維持する。所望ならば、基準ガスが室から流出する前お
よび／またはそれが流出する間の少なくとも一部分の時間にわたって室１２を加
熱手段５６で約４０〜８０℃、例えば６０℃の温度Ｔに加熱してもよい。パージ
手段３０（特に弁６４）を開いて、基準ガスが室１２から音速でソニックノズル
４０を通って流出し、室１２内部のガスが初期圧力Ｐｉ以下の第１圧力Ｐ１から
この圧力Ｐ１より低いが標準気圧以上である第２圧力Ｐ２に変化するのにかかる
時間△ｔをタイミング手段７０で測定する。最適結果を得るために、初期充てん
圧力は好ましくは約３〜５バール、一般的にほぼ３．５バールで、第１圧力Ｐ１
は４パール以下、一般的にほぼ３バールで、第２圧力Ｐ２は約１．２〜３バール
、一般的にほぼ２バールである。これによって、測定時間が充分に長くなる（３
バールから２バールに変化するために約１分）ため、コンピュータはｋを正確に
決定することができる。時間△ｔをその基準ガスの密度ρref と同様にコンピュ
ータ６０に記憶する。上記式を使用して定数ｋを２千分率（２‰）程度の正確度
で算出する。測定を同一状態で数回繰り返して平均値と標準偏差を得ることによ
って、ｋの測定の不確実さを決定することができる。また、温度の影響は非常に
小さく、その計算の正確度に影響を与えるだけであるので、異なった温度状態（
Ｔ）で別の時間測定を実施して実質的に同一の定数ｋを得ることも可能である。
他方、圧力状態Ｐ１およびＰ２が異なる場合、室内でガスがＰ１からＰ２に変化
するのにかかる時間がわずかに異なるであろう。実際に、定数ｋは圧力の関数と
してほとんど変化しないが、校正を実施するために使用されるそれぞれの圧力状
態（Ｐ１およびＰ２）でわずかに異なった定数ｋが得られる。その結果、校正処
理およびガスの密度決定処理が同一圧力状態で実施されない場合を想定して、ガ
スの密度決定処理に見られるように、定数ｋを更新する（コンピュータで自動的
に実施できる）ことが有益であり、これについて以下に説明する。

【００２４】 最初に、装置１０は上記のようにして校正されており、定数ｋが得られると考
える。室１２を完全にパージしてから、加圧供給手段２０を用いてρで表される
密度を決定または照合しようとするガスを室１２に導入する。特に、供給弁２６
を開いて、ボトル２２内に貯蔵されていたガスを室１２に完全に、標準大気圧よ
り高く、好ましくはコンピュータ６０の校正に使用した圧力（すなわち３．５バ
ール）と同一の圧力Ｐｉで満たす。それから供給弁２６を閉じる。校正処理中に
室を加熱した場合、ガスの密度を決定する時も同様に加熱する、すなわちこの場
合には室を約６０℃まで加熱することを薦める（ただし強制的ではない）。次に
パージ弁３４を開いて、ガスが室１２からソニックノズル４０を（ネック４５を
通過する時に）音速で通って流出することができるようにし、ここでガスは等エ
ントロピー変形を受ける。この時、ガスが室１２の内部で初期圧力Ｐｉ以下の第
１圧力Ｐ１からこの圧力Ｐ１より低いが標準大気圧以上の第２圧力Ｐ２に変化す
るのにかかる時間△ｔをタイミング手段７０で測定する。

【００２５】 好都合なことに、ガスが室１２の内部で校正処理に使用された圧力と同一の圧
力Ｐ１から校正処理で使用された圧力と同一の圧力Ｐ２に、すなわち３バールか
ら２バールに変化するのにかかる時間を測定するように選択することによって、
ガスの密度測定をさらに正確に行うことができる。

【００２６】 圧力状態が校正処理とガスの密度決定処理とで異なっている場合でも、校正に
よって定められた定数ｋを更新しないで使用することができるが、このガス密度
決定では、処理を常に同一圧力で実施した場合より正確度が低くなる。

【００２７】 したがって、圧力状態Ｐ１およびＰ２が異なっている（ただし装置の作動に適
合したものである）場合、コンピュータと、そのメモリに記憶されている別の実
験式で、校正によって計算された定数ｋ、校正のための圧力状態およびガスの密
度を決定するための圧力状態を含む式とを使用して、一般式に使用されている定
数ｋを「更新」することが有益であろう。そのようにして、更新定数ｋがさらに
正確になり、使用される圧力状態に実際に対応するであろう。定数を更新するか
どうかの選択は、所望する計算正確度と、特に装置がユーザによって再生できな
い固定状態に校正し終わって販売された場合、装置を使用して得られる実験的圧
力状態とに応じて決まる。

【００２８】 好ましくはタイミング手段７０をコンピュータ６０に組み込んで、圧力測定手
段５４からの情報がコンピュータ６０に、室１２内のガスの圧力がＰ１であり（
開始）、それからＰ２に変化した（停止）ことを知らせた時、自動的に始動する
ようにする。

【００２９】 ガスの温度Ｔ、圧力Ｐ１から圧力Ｐ２に変化するのにかかった測定時間△ｔ、
および定数ｋ（必要に応じて更新される）が既知である時、コンピュータ６０は
、上記式（ρ＝ｋ・Ｔ・（△ｔ）² ）を使用してガスの密度ρを１％に近いか、
それ以下（０．５％に近い）の正確度（不確実度）で決定することができる。こ
のように、圧縮係数の影響は無視できるか、まったくない。

【００３０】 以上に記載した装置は比重計としても作用することは明らかである。実際に、
ガスの密度がわかれば、コンピュータの校正およびｋの決定に空気を使用してい
る場合、その値を空気の密度と関連づけることができる。

【００３１】 このように、本装置およびそれの関連方法は非常に信頼性が高く、使用が簡単
であり、校正処理が簡単で短く、ガス密度またはそれの経時的変化を迅速に決定
または照合することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による装置を示す図である。

【図２】 第１図の装置に使用されているソニックノズルの詳細図である。

【符号の説明】

１０ 装置、１２ 密閉室、２０ ガス供給手段、２２ ガスボトル、３０
パージ手段、４０ ソニックノズル、６０ コンピュータ、７０ タイミング手
段。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスの標準密度を決定する方法であって、 ａ）加圧供給手段（２０）を使用して、大した変形を伴わないで圧力に耐える
   ことができる一定容積の密閉室（１２）に密度を決定または照合しようとするガ
   スを、そのガスが室（１２）の容積全体を占めるまで満たして密閉室を標準気圧
   より高い初期圧力Ｐｉにして、実質的にその初期圧力Ｐｉに維持する段階と、 ｂ）前記ガスの少なくとも一部分が室（１２）からソニックノズル（４０）を
   備えて室（１２）に連通しているパージ手段（３０）を通って流出できるように
   して、ガスが室内部で初期圧力Ｐｉ以下の第１圧力Ｐ１からその第１圧力Ｐ１よ
   り低いが標準気圧以上である第２圧力Ｐ２に、圧力測定手段（５４）で測定して
   、変化するのにかかる時間△ｔをタイミング手段（５２）で測定する段階と、 ｃ）測定した前記時間△ｔ、温度測定手段で測定したガスの温度Ｔ、および既
   知密度の基準ガスを使用した前記コンピュータ（６０）の校正によって定められ
   て前記コンピュータ（６０）のメモリに記憶された定数ｋを含む、理論で教示さ
   れてコンピュータ（６０）のメモリに記憶された一般式を使用した計算によって
   前記ガスの密度ρを決定する段階と を含む方法。
2. 【請求項２】 前記ガスの密度ρを決定するために、コンピュータの校正に
   よって定数ｋを定めるために使用されたものと同一の圧力状態Ｐ１およびＰ２で
   、また任意であるが同一の温度状態Ｔにおいて実施されることを特徴とする請求
   項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記ガスの密度ρを計算するために、 ガスの密度（ｋｇ／ｍ³）をρ、 校正で定められた定数をｋ、 ガスの温度（゜Ｋ）をＴ、 前記ガスが室の内部で第１圧力Ｐ１から第２圧力Ｐ２に変化するのにかかる
   時間（秒）を△ｔとした時、次の式： ρ＝ｋ・Ｔ・（△ｔ）² を使用することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 【請求項４】 第１圧力Ｐ１は４バール以下、好ましくはほぼ３バールであ
   り、第２圧力Ｐ２は約１．２〜３バール、好ましくはほぼ２バールであることを
   特徴とする先行の請求項のいずれか１項記載の方法。
5. 【請求項５】 前記ガスが室から流出する前および／またはそれが流出する
   間の少なくとも一部分の時間にわたって室（１２）を加熱手段（５６）で約４０
   〜８０℃、好ましくは約５０〜７０℃の温度Ｔに加熱することを特徴とする先行
   の請求項のいずれか１項記載の方法。