JP2002509250A - ガス相対濃度測定方法及び装置 - Google Patents

ガス相対濃度測定方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 装置２はチャンバ４を有し、チャンバ４には、対象となるガス、例えば天然ガスが、入口６を通して供給され、出口８を通して排出される。環境温度における音速ＳｏＳが、何らかの適当な方法、例えば、電子制御・計算手段１４と超音波発振器１０及び超音波受信器１２を用いて、測定される。環境温度Ｔaは、温度センサ２２によって観測され、熱伝導率センサによって、環境温度よりも高い２種類の温度におけるガスの熱伝導率が測定される。環境温度よりも７０℃高いときの熱伝導率の一つの値ＴｈＣHと、環境温度よりも５０℃高いときの熱伝導率の一つの値ＴｈＣLとが測定される。制御手段１４は、式： ＲＤ= ｇ.ＴｈＣH + ｈ.ＴｈＣL + ｉ.ＳｏＳ + ｊ.Ｔa + ｋ.Ｔa 2 + ｌ （但し、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌは定数）によって、相対濃度ＲＤを計算する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスの相対濃度測定のための方法及び装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
相対濃度は無次元数である。 ガスは、例えば天然ガス等の燃料ガスであってもよい。天然ガスは、例えばメ
タンであって、更に窒素及び／又は二酸化炭素を含んでいてもよい。メタンに加
えて、天然ガスは、例えば、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン又はヘキサン
等の少なくとも一つの他の炭化水素を含んでいてもよい。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様によれば、ガスの相対濃度測定の方法は、ガス中の音速を
測定する工程と、第１の温度における前記ガスの第１の熱伝導率を測定する工程
と、第１の温度とは異なる第２の温度における前記ガスの第２の熱伝導率を測定
する工程と、前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率に対応する相対濃度を算出
する際に前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率を利用する工程とを含む。
【０００４】 本発明の他の態様によれば、ガスの相対濃度測定装置は、前記ガスの中の音速
を測定する手段と、第１の温度における前記ガスの第１の熱伝導率を測定する手
段と、前記第１の温度とは異なる第２の温度における前記ガスの第２の熱伝導率
を測定する手段と、前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率に対応する相対濃度
を算出する際に前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率を利用する手段と、を含
む。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明を実施できる装置を示す。 図１において、ガスの相対濃度を測定するための装置２はチャンバ４を有し、
ガスは、入口管６を通してチャンバ４内に供給され、出口管８を通して排出され
る。入口管６は、例えば胴のコイルからなる熱交換手段６Ａを有する。これによ
って、入って来るガスの温度を、外気の環境温度とほぼ同じ値に調整することが
でき、それによって、チャンバ４内のガスの温度はほぼ均一になる。チャンバ４
は、超音波発信変換器１０と超音波受信変換器１２とを有する。計算手段を含む
電子的制御手段１４は信号発生器１６と接続されていて、信号発生器１６は、制
御手段１４の制御の下で、変換器１０に所望の超音波信号１８を出させるように
なっている。超音波信号１８は変換器１２によって受信され、その受信信号は、
線２０を通して制御手段１４に送られる。変換器１０と１２の間の超音波信号の
伝播時間は、制御手段１４によって測定される。制御手段１４は、音速ＳｏＳを
毎秒メートル（m/s）単位で計算するようになっている。
【０００６】 所望により、ガス中の音速を測定する他の方法、例えば米国特許第4938066号 に開示された方法を採用することも可能である。しかし最も好ましい方法は、英
国特許出願第9813509.8号、同第9813513.0号、同第9813514.8号に開示された方 法である。これらの出願は、共鳴器内のガスの音速を測定するための共鳴器の利
用を開示している。例えばマイクロプロセッサを含む又はマイクロプロセッサの
形の駆動電子回路が、ラウドスピーカを駆動する適当な周波数領域の正弦波信号
を生成するようになっている。ラウドスピーカは、共鳴器の内部に音響信号を与
えるような配置になっている。マイクロホンは、共鳴器内の音響信号の大きさを
検出するように配置されている。マイクロホンからの信号は適当な電子回路によ
って濾波され増幅され、処理手段が、共鳴器内のガスに関連する共鳴周波数を決
定し、その音速を決定する。
【０００７】 チャンバ４内の温度センサ２２は、線２４を介して、環境温度の値を表すデー
タを制御手段１４に提供する。 環境温度センサ２２は、熱伝導率観測手段３０を有する熱伝導率センサ２８の
一部をなすものでもよい。熱伝導率センサ２８は例えば、ドイツ国フランクフル
ト・アム・マインのハルトマン・アンド・ブラウン(Hartmann & Braun)ＡＧから
市販されている小型熱伝導率マイクロセンサ・モデルTCS208型でもよい。
【０００８】 ガスの熱伝導率を観測する熱伝導率観測手段３０は加熱手段を有し、この加熱
手段は、制御手段１４から線３２を介して受信された信号に応じて、センサ２２
によって観測された環境温度よりも高い少なくとも２種類の選択された所望温度
で運転可能である。そして、その所望温度におけるガスの熱伝導率を示す信号が
、線３４を介して制御手段に送られる。
【０００９】 制御手段１４は、熱伝導率センサ２８が、２種類の所望温度ｔH及びｔLでガス
の熱伝導率を測定するようにする。ここで、ｔHは、センサ２２によって観測さ れた環境温度よりも予め定めた所望の温度ｔ1だけ高く、ｔLは、センサ２２によ
って観測された環境温度よりも予め定めた所望の温度ｔ2だけ高く、ｔ1はｔ2よ りも大きい。
【００１０】 観測され若しくは測定された、ガス中の音速及び、ｔH及びｔLにおけるガスの
熱伝導率の値、並びにセンサ２２によるガスの環境温度の観測値を用いて、制御
手段１４は、次の式を用いてガスの相対濃度を計算する。 ＲＤ = ｇ.ＴｈＣH + ｈ.ＴｈＣL + ｉ.ＳｏＳ + ｊ.Ｔa + ｋ.Ｔa 2 + ｌ ・・・・・ （式Ｉ） ここで、ＲＤは相対濃度、ＴｈＣHは温度ｔHにおけるガスの熱伝導率、ＴｈＣL は温度ｔLにおけるガスの熱伝導率、ＳｏＳは環境温度におけるガス内の音速、 Ｔaはセンサ２２によって観測されたガスの環境温度、そして、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ 、ｋ、ｌはそれぞれ、定数である。
【００１１】 対象となるガスは、２種類以上のガスの混合でもよく、その混合比も変えるこ
とが可能である。このような燃料ガスは、例えば天然ガスである。天然ガスは、
例えばメタンを含み、更に、例えば、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン又は
ヘキサンのうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。又更に、窒素及び／又は
二酸化炭素を含んでいてもよい。
【００１２】 式Ｉの定数ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌを導き出すために、対象ガスについて収集
されたデータに関して、回帰分析として知られる数学手法を利用できる。多数の
異なる試料を取るために、混合ガスの成分比を変えることもできる。クロマトグ
ラフィ法を用いて試料の相対濃度ＲＤを求め、試料の環境温度Ｔaを計測し、試 料の熱伝導率ＴｈＣH及びＴｈＣLを測定する。これを、各試料ごとに順次行なっ
て、それぞれの試料に対応する一組の値を得る。これら複数組の値を式Ｉに代入
して、定数ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌの「最良適合」値が導かれる。英国の多数の
地点で陸上に出て来る天然ガスの場合について、種々の地点からの試料について
の回帰分析を行ない、更に又、メタンとエタンの混合物、メタンとブタンの混合
物、メタンとペンタンの混合物、メタンとヘキサンの混合物の研究室での人工的
複製物であるガス等価グループについての回帰分析を行なった。研究室では、上
記混合物は、メタンとプロパンの種々の異なる混合物で代表した。
【００１３】 天然ガス及びガス等価グループに式Ｉが適用され、回帰分析が使用されたとき
、定数として次の数値が導かれた。即ち、 ｇ = 0.017955 ｈ = -0.02812 ｉ = -0.00189 ｊ = 0.001807 ｋ = -0.0000026 ｌ = 1.73041 ただし、 ＲＤはガスの相対濃度（単位：MJ/m3 st（メガジュール／標準立方メートル） ）、 ＴｈＣHは、環境温度Ｔaよりもほぼ７０℃高い温度におけるガスの熱伝導率（
単位：W/m・K（Kは度ケルビン））、 ＴｈＣLは、環境温度Ｔaよりもほぼ５０℃高い温度ｔLにおけるガスの熱伝導 率（単位：W/m・K）、
【００１４】 ＳｏＳはガス中の音速（単位：m/s）、Ｔaはガスの環境温度（単位：℃）。 上記の式Ｉの天然ガスへの適用例では、ｔ1はほぼ７０℃であり、ｔ2はほぼ５
０℃である。このように、熱伝導率ＴｈＣH及びＴｈＣLが測定される温度ｔHと ｔLとの差はほぼ２０℃である。［(Ｔa + 70) - (Ｔa + 50) = 20］
【００１５】 制御手段１４によって計算されたガスの相対濃度ＲＤの値は、制御手段からの
信号に応じて、記録手段３６によって、表示し且つ／又は印刷し、又はその他の
方法で記録することができる。
【００１６】 ガスの熱量を表す情報が何らかの適当な技術自体によって制御手段１６に与え
られるか、又は、制御手段がガスの熱量ＣＶを計算できるような情報が制御手段
に与えられる。制御手段１４は、ガスのウォッブル(Wobble)係数の値を、次の式
を用いて計算するかその他の方法で求めることができる。 ＷＩ = ＣＶ ／ √ＲＤ
【００１７】 一つのプロセス（例えば、炉、キルン、圧縮機、エンジン等）で燃料ガスが燃
焼するとき、最適な燃焼を保証するような酸素（この場合は空気の形態）／燃料
ガス比を設定するべく、何らかの形式の制御システムが使用される。燃料ガス成
分の変動をも一部考慮して、余分な空気量が与えられる。この余分は、余計な空
気が加熱され排気されるが故に、プロセスが可能な最大限の効率に比べて低い効
率で運転されることを意味する。
【００１８】 しかし、燃料ガスの質を表し、且つ本発明によって見出すことのできる相対濃
度即ちウォッブル係数の測定を、フィードフォワード方式で利用することによっ
て、制御の精度を改善し、より良い効率を達成することができる。
【００１９】 そのような制御を行なう装置を図２に示す。燃料ガスが、配管等の通路４０を
通じて、炉、キルン、圧縮機、エンジン等のガス燃焼プロセス４１へ供給され、
空気の形態の酸素が、他の通路４２を通じて、プロセス４１へ供給される。通路
４０の中に臨時的に挿入できる単数又は複数のプローブの形態、又は単数又は複
数の恒久的な装置の形態の、何らかの適当なデバイス４３が配置されていて、こ
れらによって、通路４０内を通る燃料ガスの音速、２種類の温度ｔH及びｔLにお
けるガスの熱伝導率ＴｈＣH、ＴｈＣL、及びガスの環境温度Ｔaを測定するよう になっている。燃料ガスの音速ＳｏＳ、熱伝導率ＴｈＣH、ＴｈＣL、及びガスの
環境温度Ｔaは、デバイス４３によって測定され、接続４４を介して制御手段４ ５へ送られる。制御手段４５は、例えばマイクロプロセッサ又は計算機である。
制御手段４５は、前述のように、デバイス４３から受信した測定値から、燃料ガ
スの相対濃度を決定する。ガスの質の測定値を決定した後に、制御手段は、より
良い効率を達成するべく、酸素／燃料ガス比制御手段４６、４７を用いて、酸素
／燃料ガス比設定点を調整することができる。この場合、酸素／燃料ガス制御シ
ステムは、燃料ガス通路４０と空気通路４２にそれぞれ開度可変弁４６、４７を
有し、これらの弁は、接続４８、４９を介してともに制御手段４５によって制御
される。変形例として、酸素／燃料ガス制御システムは、通路４０、４２の内の
一方だけに１個の開度可変弁を有してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施できる装置の模式図である。
【図２】 本発明を利用するフィードフォワード空気／燃料ガス制御システ
ムの例の模式図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１２月１４日（２０００．１２．１４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項３】 ウォッブル係数をＷＩとし、ガスの熱量をＣＶとし、請求項 １又は２ に記載の方法によって得られた相対濃度をＲＤとするときに、 式： ＷＩ = ＣＶ ／ √ＲＤ を用いてガスのウォッブル係数を測定することをと特徴とする方法。
【請求項４】 ガスの相対濃度を測定する装置であって、前記ガスの中の音
速を測定する手段と、第１の温度における前記ガスの第１の熱伝導率を測定する
手段と、前記第１の温度とは異なる第２の温度における前記ガスの第２の熱伝導
率を測定する手段と、前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率に対応する相対濃
度を算出する際に前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率を利用する手段と、を
有することを特徴とする装置。
【請求項５】 ガス燃焼プロセスの酸素／燃料ガス比を調整する制御手段で
あって、ガス燃焼プロセスのための請求項４記載の燃料ガス相対濃度測定装置と
、決定された相対濃度に応じて、ガス燃焼プロセスの酸素／燃料ガス比制御シス
テムを調整する手段と、を有することを特徴とする制御手段。
【請求項６】 ウォッブル係数をＷＩとし、ガスの熱量をＣＶとし、請求項
４記載の装置を用いて得られた相対濃度をＲＤとするときに、 式： ＷＩ = ＣＶ ／ √ＲＤ を用いてガスのウォッブル係数を測定することを特徴とする装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，Ｊ Ｐ，ＫＲ，ＭＸ，ＳＧ，ＵＳ (72)発明者 ハーモンド ポール スティーヴン イギリス レスターシャー エルイー65 １エフビー アッシュビー デ ラ ツォ ーク コーニーストン ガーデンス ８ (72)発明者 プライス バリー レナード イギリス レスターシャー エルイー12 ８アールジェイ クウォーン スウィンフ ィールド ロード ４ Ｆターム(参考） 2G040 AA03 AB09 BA23 CA01 2G047 AA01 BC02 BC15 GG43

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスの相対濃度を測定する方法であって、前記ガス中の音速
    を測定する工程と、第１の温度における前記ガスの第１の熱伝導率を測定する工
    程と、前記第１の温度とは異なる第２の温度における前記ガスの第２の熱伝導率
    を測定する工程と、前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率に対応する相対濃度
    を算出する際に前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率を利用する工程と、を有
    することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 ＲＤ = ｇ.ＴｈＣH + ｈ.ＴｈＣL + ｉ.ＳｏＳ + ｊ.Ｔa +
    ｋ.Ｔa 2 + ｌ、 但し、ＲＤは前記ガスの相対濃度、 但し、ＴｈＣHは前記第１の温度における前記ガスの熱伝導率、 但し、ＴｈＣLは前記第１の温度よりも低い前記第２の温度における前記ガス の熱伝導率、 但し、ＳｏＳは環境温度におけるガス内の前記音速、 但し、Ｔaは前記熱伝導率が測定される前記環境温度（但し、前記第１及び第 ２の温度は前記環境温度よりも高い）、そして、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌはそれ
    ぞれ定数であり、 上記の式を用いることを含む手順によって前記相対濃度を計算する請求項１記
    載の方法。
  3. 【請求項３】 ＳｏＳはガス中の音速であって単位はm/sであり、熱伝導率 の単位はワット／メートル×度ケルビン（W/m・K）であり、温度Ｔa及び第１及び
    第２の温度の単位は℃であり、相対濃度の単位はメガジュール／標準立方メート
    ル（MJ/m3 st）である請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記ガスは燃料ガスである請求項２又は３記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記燃料ガスは天然ガスである請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記ガスは天然ガスであって、この天然ガスは、メタンであ
    る少なくとも一つの炭化水素を含み、更にこの天然ガスは、窒素及び二酸化炭素
    の少なくとも一方を含む請求項３記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記第１の温度は前記環境温度よりもほぼ７０℃高い請求項
    ２乃至６のいずれか１項の方法。
  8. 【請求項８】 前記第２の温度は前記環境温度よりもほぼ５０℃高い請求項
    ２乃至７のいずれか１項の方法。
  9. 【請求項９】 ｇが実質的に0.017955であり、 ｈが実質的に-0.02812であり、 ｉが実質的に-0.00189であり、 ｊが実質的に0.001807であり、 ｋが実質的に-0.0000026であり、 ｌが実質的に1.73041である、 請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 図面を参照して発明の詳細な説明に記載した方法と実質的
    に同等なガス相対濃度測定方法。
  11. 【請求項１１】 ウォッブル係数をＷＩとし、ガスの熱量をＣＶとし、請求
    項１乃至１０のいずれか１項記載の方法によって得られた相対濃度をＲＤとする
    ときに、 式： ＷＩ = ＣＶ ／ √ＲＤ を用いてガスのウォッブル係数を測定することをと特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 ガスの相対濃度を測定する装置であって、前記ガスの中の
    音速を測定する手段と、第１の温度における前記ガスの第１の熱伝導率を測定す
    る手段と、前記第１の温度とは異なる第２の温度における前記ガスの第２の熱伝
    導率を測定する手段と、前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率に対応する相対
    濃度を算出する際に前記音速並びに第１及び第２の熱伝導率を利用する手段と、
    を有することを特徴とする装置。
  13. 【請求項１３】 ＲＤ = ｇ.ＴｈＣH + ｈ.ＴｈＣL + ｉ.ＳｏＳ + ｊ.Ｔa
    + ｋ.Ｔa 2 + ｌ 但し、ＲＤは前記ガスの相対濃度、 但し、ＴｈＣHは前記第１の温度における前記ガスの熱伝導率、 但し、ＴｈＣLは前記第１の温度よりも低い前記第２の温度における前記ガス の熱伝導率、 但し、ＳｏＳは環境温度におけるガス内の前記音速、 但し、Ｔaは前記熱伝導率が測定される前記環境温度（但し、前記第１及び第 ２の温度は前記環境温度よりも高い）、そして、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌはそれ
    ぞれ定数であり、 上記の式を用いることを含む手順によって前記相対濃度を計算する請求項１２
    記載の装置。
  14. 【請求項１４】 ＳｏＳはガス中の音速であって単位はm/sであり、熱伝導 率の単位はワット／メートル×度ケルビン（W/m・K）であり、温度Ｔa及び第１及
    び第２の温度の単位は℃で表し、相対濃度の単位はメガジュール／標準立方メー
    トル（MJ/m3 st）である請求項１３記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記ガスは燃料ガスである請求項１３又は１４記載の装置
    。
  16. 【請求項１６】 前記燃料ガスは天然ガスである請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記ガスは天然ガスであって、この天然ガスは、メタンで
    ある少なくとも一つの炭化水素を含み、更にこの天然ガスは、窒素及び二酸化炭
    素の少なくとも一方を含む請求項１４記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記第１の温度は前記環境温度よりもほぼ７０℃高い、請
    求項１３乃至１７のいずれか１項記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記第２の温度は前記環境温度よりもほぼ５０℃高い、請
    求項１３乃至１８のいずれか１項記載の装置。
  20. 【請求項２０】 ｇが実質的に0.017955であり、 ｈが実質的に-0.02812であり、 ｉが実質的に-0.00189であり、 ｊが実質的に0.001807であり、 ｋが実質的に-0.0000026であり、 ｌが実質的に1.73041である、 請求項１７乃至求項１９のいずれか１項に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 図面を参照して発明の詳細な説明に記載した装置と実質的
    に同等なガス相対濃度測定装置。
  22. 【請求項２２】 ガス燃焼プロセスの酸素／燃料ガス比を調整する制御手段
    であって、ガス燃焼プロセスのための請求項１２乃至２１のいずれか１項記載の
    燃料ガス相対濃度測定装置と、決定された相対濃度に応じて、ガス燃焼プロセス
    の酸素／燃料ガス比制御システムを調整する手段と、を有することを特徴とする
    制御手段。
  23. 【請求項２３】 酸素の供給を受け入れる手段と、燃料ガスの供給を受け入
    れる手段と、酸素／燃料ガス比制御システムと、請求項２２記載の制御手段と、
    を有することを特徴とする炉。
  24. 【請求項２４】 酸素の供給を受け入れる手段と、燃料ガスの供給を受け入
    れる手段と、酸素／燃料ガス比制御システムと、請求項２２記載の制御手段と、
    を有することを特徴とするキルン。
  25. 【請求項２５】 酸素の供給を受け入れる手段と、燃料ガスの供給を受け入
    れる手段と、酸素／燃料ガス比制御システムと、請求項２２記載の制御手段と、
    を有する圧縮機。
  26. 【請求項２６】 酸素の供給を受け入れる手段と、燃料ガスの供給を受け入
    れる手段と、酸素／燃料ガス比制御システムと、請求項２２記載の制御手段と、
    を有することを特徴とするエンジン。
  27. 【請求項２７】 ウォッブル係数をＷＩとし、ガスの熱量をＣＶとし、請求
    項１２乃至２１のいずれか１項記載の装置を用いて得られた相対濃度をＲＤとす
    るときに、 式： ＷＩ = ＣＶ ／ √ＲＤ を用いてガスのウォッブル係数を測定することを特徴とする装置。
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