JP2005091006A - 気液２相試料分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気液２相試料分析装置において、液体成分のセル内への付着滞留を抑制して高い検出応答性を維持できるようにする。
【解決手段】 真空ポンプ５の負圧吸引力で試料分析セル３内に液体Ｈ₂Ｏが導かれる際に膜状噴霧流となって噴霧されるようにする。そして、赤外吸収法によって、膜状噴霧流となった液体Ｈ₂Ｏと気体Ｈ₂Ｏと区別して定量する。また、一部膜状噴霧流になり切れなかった液体Ｈ₂Ｏのセル３内への付着滞留を阻止すべく、外部のガス源３３から不活性乾燥ガスを滞留部分に向けて噴射供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体中に混在するＨ₂Ｏなど蒸気状態の気体試料と凝縮状態の液体試料を分析する技術に関する。

従来、気液混合流体中の水分量を測定する従来技術として、特許文献１，２に開示される技術があった。
特許文献１のものは、バッファタンクの内部を上流側と下流側とに仕切ると共に、該仕切板に２つの連通孔を上下に離間させて設け、排出口よりも下方に位置する下方側連通孔に設けた流量計で液体の流量を計測させる構成である。

また、特許文献２のものは、気体と液体とを混合する混合室に流入する液体の流量を測定する流量センサと、混合室内に音波を与える音源と、混合室内の準静圧を測定する圧力センサと、混合室内の音圧を測定する音圧センサとを備え、これらに基づいて噴射混相流中の液体の噴出量を求める構成である。
更に、本出願人は、先に、水蒸気状態の気体Ｈ₂Ｏと凝縮状態の液体Ｈ₂Ｏが混在する混合流体を極細管等にて採取して非分散型赤外線吸収による試料分析機構に導入し、液体Ｈ₂Ｏは膜状噴霧流にさせて赤外線散乱を生じさせて、気体Ｈ₂Ｏによる赤外線吸収と重畳させるようにすることによって、液体Ｈ₂Ｏ分と気体Ｈ₂Ｏ分とを連続的にかつ同時性をもって定量する構成とした気液２相試料分析装置を提案した（特許文献３参照）。
特開平０９−３０４１３２号公報 特開平０８−３３４３９４号公報 特願２００２−３２２０８４号

しかし、特許文献１，２のものは、気液混合試料中から気体成分と液体成分とを特定して定量できる構成ではなく、液体流量を測定するセンサと気体流量を測定するセンサとを別個に要するという問題があった。
また、特許文献１のものでは、液体をバッファタンクに溜めてから流量を検出するために、流量検出の応答が遅く、特許文献２のものでは、気液混合後の液体流量を算出するために、混合前の液体流量を検出する必要があり、測定も複雑となるなどの問題があった。

更に、特許文献３のものでは、液体成分の一部が膜状噴霧流にならずに、液体成分が分析セル内に付着滞留し、これによって、検出出力値の応答性が低下してしまう可能性があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、気液混合試料中の気体試料と液体試料とを特定しながら、共通の検出機構で応答良く定量分析が行え、かつ、液体成分のセル内への付着滞留を抑制して高い検出応答性を維持できるようにすることを目的とする。

そのため、本発明に係る気液２相試料分析装置は、気液混合試料を採取する試料採取管と、該試料採取管が接続されると共に試料排出孔が設けられる試料分析セルと、負圧吸引力により気液混合試料を試料採取管から試料分析セル内に導入させる負圧吸引機構と、試料分析セル内に導入された試料を分析する試料分析機構とを備えると共に、液体試料を膜状噴霧流として試料分析セル内に導入させるよう構成し、更に、液体試料の排出及び／又は気化を促進させるガスを外部から試料分析セル内に供給するガス供給機構を設ける構成とした。

上記構成によると、液体試料を膜状噴霧流として試料分析セル内に導入させるので、試料分析セル内の温度・圧力条件により、瞬時に膜状噴霧を気化させることが可能で、例えば、赤外吸収法原理で試料分析を行う場合、噴霧粒径によって赤外線の散乱が引き起こされ、更に、赤外吸収が重畳されるので、噴霧の赤外線吸収量は気体試料よりも大幅に大きくなり、液体試料と気体試料とを分離して定量することが可能となる。

また、液体成分の一部が膜状噴霧流にならないまま分析セル内に導入されても、外部からのガスの噴射供給により、液体試料の排出・気化を促進させるので、液体試料が分析セル内に付着滞留して、分析出力に影響を与えることを抑止できる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す図である。
基本構成を説明すると、試料本管１内には、水蒸気状態の気体Ｈ₂Ｏと凝縮状態の液体Ｈ₂Ｏが混在する気液混合試料としての流体が流動する。
前記試料本管１内に先端部が貫通して連結される試料採取管２は、前記試料本管１側から順に、内径を最小径とした極細管２ａと、該極細管２ａより内径を拡大した中細管２ｂと、さらに内径を拡大して最大径とした細管２ｃと、を接続して構成される。

即ち、前記試料採取管２は、下流側に向けて段階的に内径が拡大変化するようになっている。
前記試料採取管２の下流端部（細管２ｃ）は、筒状の試料分析セル３の一端側周壁に連結される。
前記試料分析セル３の他端には、試料分析機構を構成する赤外線センサ１４などが設置され、前記赤外線センサ１４近傍のセル周壁には、試料排出管４が接続される試料排出孔４ａが開口している。

前記試料排出管４には、負圧吸引機構としての真空ポンプ５が介装され、該真空ポンプ５による負圧吸引力が試料分析セル３内に作用することで、試料本管１内の気液混合試料が試料採取管２を介して試料分析セル３内に導入される。
前記真空ポンプ５の上流側には、試料分析セル３内の圧力変動を防止する圧力バッファタンク６が設けられ、更に、圧力バッファタンク６の上流側の試料排出管４から分岐する配管には、試料分析セル３内の圧力を所定の圧力に調整する圧力調整バルブ７が介装される。

前記試料分析セル３の周囲には、セル３を加熱するセル加熱ヒータ８が設けられている。
また、試料分析セル３内の圧力を検出する圧力センサ１０、試料分析セル３内の温度を検出する検出セル用温度センサ１１、試料採取管２内の温度を検出する試料採取管用温度センサ１２が設けられている。

前記試料分析機構は、試料分析セル３の一端側から赤外線をセル３内に照射する赤外線照射用光源１３を備え、該赤外線照射用光源１３で照射された赤外線を、試料分析セル３の他端側に配置される赤外線センサ１４で検出する構成である。
前記赤外線センサ１４は、ガラス窓板１５，赤外線断続チョッパ１６，試料定量用光学フィルタ１７を介して赤外線を受光する。

前記赤外線検出センサ１４の出力はプリアンプ１８を介して信号処理部１９で演算処理され、更に、積算演算部２０では、液体Ｈ₂Ｏの検出値を積分して流量を演算出力する。
次に作用を説明する。
試料分析セル３内の圧力は、真空ポンプ５と圧力調整バルブ７とによって−400mmHg〜−650mmHgの負圧に調圧され、この負圧吸引力によって、試料本管１内の気液混合試料が試料採取管２を介して試料分析セル３に導入される。

試料分析セル３に導入される試料量は、試料本管１側で３気圧程度の圧力変動があっても、極細管２ａの内径(φ0.5以下)の効果により一定の小流量に維持される。
極細管２ａの先端から採取された気体Ｈ₂Ｏと液体Ｈ₂Ｏは、気液が前後しながら吸引され、初期に採取した状態を維持しながら極細管２ａ内を移動する。
採取試料は、極細管２ａより大きい内径を有する中細管２ｂに導かれることで、液体Ｈ₂Ｏの形を径方向に拡大させる一方、長さ方向に短く変形させながら移動し、更に最大内径を有する細管２ｃに導かれることで、液体Ｈ₂Ｏの形は一段と径方向に拡大し、長さ方向には短くなる。

上記のように、試料採取管２の内径を下流側ほど大きくしてあることで、細管２ｃの出口では、液体Ｈ₂Ｏの形状は膜状態に変形しやすくなっており、この状態から液体Ｈ₂Ｏをセル３内に噴出させることにより、液体Ｈ₂Ｏは膜状噴霧流となる。
前記膜状噴霧流となった液体Ｈ₂Ｏは、−400〜−650mmHgの高負圧条件と、110°Ｃ以上に制御されている温度条件と、液体Ｈ₂Ｏ気化時の体積膨張による圧力上昇分を吸収できるセル容積条件とによって、瞬時に気化して試料分析セル３の試料排出孔４ａから排出される。

ここで、膜状噴霧流としての液体Ｈ₂Ｏにおいては、噴霧粒径によって赤外線の散乱が引き起こされ、更に、赤外吸収が重畳されるから、見掛けの赤外吸収量が気体Ｈ₂Ｏに比べて大幅に多くなり、試料量による赤外線吸収量の変化範囲が液体Ｈ₂Ｏと気体Ｈ₂Ｏとで異なることになる。
従って、赤外吸収量から液体Ｈ₂Ｏと気体Ｈ₂Ｏとを分離して定量することが可能となるものであり、一対の試料分析セルと試料分析機構とで、流体中に混在する気体Ｈ₂Ｏと液体Ｈ₂Ｏの２相をそれぞれ連続的にかつ同時性をもって定量できる。

また、本実施形態においては、試料排出孔４ａに対向する試料分析セル３の周壁に，外部からガスを噴射供給するための細孔３０が設けられている。
前記細孔３０には、外部ガス供給管３１ａの一端が接続され、前記外部ガス供給管３１ａの他端には切換弁３２が接続され、前記切換弁３２は、外部ガス供給管３１ｂを介してガス供給源３３（正圧供給源）に接続される。

即ち、ガス供給源３３からの外部ガス（不活性乾燥ガス又は不活性低湿度ガス）は、外部ガス供給管３１ｂ，切換弁３２，外部ガス供給管３１ａ，細孔３０を介して、試料排出孔４ａに対向する位置から試料分析セル３内に噴射供給される。
本実施形態において、ガス供給機構は、前記ガス供給源３３，外部ガス供給管３１ｂ，切換弁３２，外部ガス供給管３１ａ，細孔３０によって構成され、外部ガスは、試料分析セル３内の温度と同程度に調温されるものとする。

気液混合試料中における液体Ｈ₂Ｏが多量の場合、或いは、液体Ｈ₂Ｏが多量でなくても長時間に亘って連続的に吸込み続ける場合には、液体Ｈ₂Ｏが望ましい噴霧状態に完全にならずに、一部の噴霧化し切らない液体Ｈ₂Ｏが試料分析セル３内に付着滞留する可能性がある。
液体Ｈ₂Ｏは、試料分析セル３下流側の端面に設けられたガラス窓板１５の表面に多く付着滞留することになるが、ガラス窓板１５に付着滞留した液体Ｈ₂Ｏは、近傍に設置された細孔３０から乾燥ガス又は低湿度ガスが噴射供給されることにより、細孔３０とは反対側の試料排出孔４ａに飛ばされやすくなって液体Ｈ₂Ｏの排出が促進されると共に、付着滞留した液体Ｈ₂Ｏの気化が促進される。

液体Ｈ₂Ｏを検出する場合、本来は、図２に一点鎖線（L2）で示すように、センサ出力は瞬時に立上って、立上りとほぼ同じ応答で立下がる。ところが、ガラス窓板１５に液体Ｈ₂Ｏが付着滞留すると、図２に実線（L1）で示すように、センサ出力の立下り特性が悪化し、立上ったセンサ出力値が、その後しばらく尾を引いたままの残る現象（tailing）を生じる。

しかし、本実施形態のように、外部ガスを噴射供給する機構を備える構成であれば、赤外線センサ１４前面に液体Ｈ₂Ｏが付着滞留することを阻止できるので、センサ出力の立下り特性の悪化を防止でき、以って、定量精度を維持できる。
また、細孔３０を、試料排出孔４ａに対向する位置に設けてあるので、付着滞留した液体Ｈ₂Ｏを効果的に排出させることができる。

更に、細孔３０の径を、試料採取管２（極細管２ａ）の径以下に設定することで、外部からの不活性ガスの量を制限して、液体Ｈ₂Ｏの流量分析に外部ガスが大きな影響を与えることを防止できる。
図３は、第２の実施形態を示す図である。
図３に示す第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対して、試料分析セル３の内部を、細孔３０及び試料排出孔４ａを含む下流側の副室部と、試料採取管２が接続される上流側の主室部とに部分的に仕切る仕切り板３５（仕切り構造部）を設けてある点のみが異なる。

前記仕切り板３５は、中央に試料を通過させると共に、赤外線の光路となる孔３５ａが開けられ、主室部に導入された試料は前記孔３５ａを介して副室部に至り、試料排出孔４ａから排出される。
ここで、前記仕切り板３５は、細孔３０から供給される外部ガスが、試料採取管２が接続されるセル３の上流側に逆流することを阻止するから、外部ガスが細孔３０から試料排出孔４ａに向けてセル３内部を横断するようにできる。

従って、外部ガスがセル３の上流側に逆流して、ガラス窓板１５に付着滞留した液体Ｈ₂Ｏの排出・気化促進の効果が低下することを防止でき、また、液体Ｈ₂Ｏの流量検出精度が外部ガスの影響で低下することを防止できる。
図４は、第３の実施形態を示す。
この図４に示す第３の実施形態では、前記第２実施形態で示した主室部と副室部とに分ける仕切り構造部３６を、主室部から副室部に向けて滑らかに先細りとなるノズル状に形成してある。

かかる構成によると、第２実施形態に比べて、主室部からの試料が細孔３０と試料排出孔４ａを含む下流側の副室部に流れ込みやすくなり、検出すべき試料の流れを停滞させること無く、円滑に流すことができる。
また、仕切り構造部の背面に液体Ｈ₂Ｏが付着滞留することを防止できる。
図５は、第４の実施形態を示す。

第４の実施形態は、細孔３０から試料排出孔４ａに向い供給される外部ガス（不活性乾燥ガス或いは不活性低湿度ガス）を効率よく流す工夫を施したものである。
即ち、外部ガス供給管３１ａは下流側に向かって徐々に広がるラッパ状に形成されて細孔３０に接続されると共に、試料排出管４は、試料排出孔４ａから下流側に向かって徐々に狭まる漏斗状に形成される。

かかる構成によると、外部ガスを広範囲に通過させることができ、然も、試料排出孔４ａから速やかに排出させることができ、副室部内で局所的な渦が発生することによって、液体Ｈ₂Ｏ付着滞留が副室内で局所的に起きないように作用する。
尚、試料排出管４は、細孔３０よりも幅広のストレート形状としても良い。
また、細孔３０の形状を、上下方向に薄いスリット状（スリット幅１ｍｍ以下）とすれば、非検出ガスである外部ガスが赤外線を横切るときの厚さを薄くでき、以って、外部ガスが流量測定に与える影響を小さくできる。

図６は、第５の実施形態を示す。
この図６に示す第５の実施形態は、仕切り板３５を備えた図３に示す第２の実施形態に対して、主室部にも外部ガスを噴射供給する構成を追加してある。
即ち、試料分析セル３の下流側に設けた細孔３０の他に、試料分析セル３の上流側にもガス供給孔４０を設けてある。

前記ガス供給孔４０は、配管４１を介して前記切換弁３２に接続され、前記切換弁３２の切換え機能により、ガス供給源３３のガス（不活性乾燥ガス又は不活性低湿度ガス）が、細孔３０とガス供給孔４０とのいずれか一方から選択的にセル３内に噴射供給されるようになっている。
ここで、ガス供給孔４０および配管４１の内径は、試料採取管２（極細管２ａ）の径以上の径に設定される。

前記ガス供給源３３は正圧供給源であるから、真空ポンプ５を作動させなければ、実質的に、外部からの多量の温調された不活性ガスのみがセル３内に流れ込むことになり、前記不活性ガスを基準ガスとして気液２相試料分析装置の校正を行わせることができる。
即ち、校正を行わせるときには、前記切換弁３２を制御することで、ガス供給源３３のガス（不活性乾燥ガス又は不活性低湿度ガス）を校正用のガスとして、ガス供給孔４０から試料分析セル３の上流側の主室部に供給する。

一方、実際に試料を分析させるときには、前記切換弁３２を制御することで、ガス供給源３３のガス（不活性乾燥ガス又は不活性低湿度ガス）を、液体試料の排出及び／又は気化を促進させるためのガスとして、細孔３０から試料分析セル３の下流側の副室部に供給する。
尚、上記実施形態では、試料としてＨ₂Ｏを分析するものについて示したが、試料をＨ₂Ｏに限定するものではなく、他の流体中に気相と液相とで混在する試料、気相流体中に液相試料が流れ飛んでくる試料場の分析にも適用することができる。

また、試料分析機構を非分散型赤外線吸収による分析機構に限定するものではなく、水蒸気状態の気体Ｈ₂Ｏと凝縮状態の液体Ｈ₂Ｏが混在する気液混合試料においては、例えば、酸素イオン伝導型固体電解質センサを用いることができる。

本発明に係る気液２相試料分析装置の第１実施形態を示す図。 液体Ｈ₂Ｏの付着滞留によるセンサ出力特性の変化を示す図。 本発明に係る気液２相試料分析装置の第２実施形態を示す図。 本発明に係る気液２相試料分析装置の第３実施形態を示す図。 本発明に係る気液２相試料分析装置の第４実施形態を示す図。 本発明に係る気液２相試料分析装置の第５実施形態を示す図。

符号の説明

１…試料本管、２…試料採取管、３…試料分析セル、４…試料排出管、４ａ…試料排出孔、５…真空ポンプ、６…圧力バッファタンク、７…圧力調整バルブ、８…セル加熱ヒータ、１０…圧力センサ、１１…検出セル用温度センサ、１２…試料採取管用温度センサ、１３…赤外線照射用光源、１４…赤外線センサ、１５…ガラス窓板、１６…赤外線断続チョッパ、１７…試料定量用光学フィルタ、１８…プリアンプ、１９…信号処理部、２０…積算演算部、３０…細孔、３１ａ，３１ｂ…外部ガス供給管、３２…切換弁、３３…ガス供給源、３５…仕切り板、３６…仕切り構造部、４０…ガス供給孔、４１…配管

Claims (12)

1. 気液混合試料を採取する試料採取管と、該試料採取管が接続されると共に試料排出孔が設けられる試料分析セルと、負圧吸引力により前記気液混合試料を前記試料採取管から前記試料分析セル内に導入させる負圧吸引機構と、前記試料分析セル内に導入された試料を分析する試料分析機構とを備えると共に、液体試料を膜状噴霧流として前記試料分析セル内に導入させるよう構成した気液２相試料分析装置において、
   前記液体試料の排出及び／又は気化を促進させるガスを外部から前記試料分析セル内に供給するガス供給機構を設けたことを特徴とする気液２相試料分析装置。
2. 前記ガス供給機構が前記試料排出孔に対向する位置から、前記試料分析セル内にガスを噴射供給することを特徴とする請求項１記載の気液２相試料分析装置。
3. 前記試料分析セルの内部を、前記試料が導入される主室部と、前記ガス供給機構のガス供給孔及び前記試料排出孔を含む副室部とに部分的に仕切る仕切り構造部を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の気液２相試料分析装置。
4. 前記仕切り構造部が、前記主室部から副室部に向けて先細りとなるノズル状に形成されることを特徴とする請求項３記載の気液2相試料分析装置。
5. 前記ガス供給機構のガス供給孔の径が、前記試料採取管の径と同等もしくは小さい径に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の気液2相試料分析装置。
6. 前記ガス供給機構により供給されるガスが不活性ガスであり、かつ、前記不活性ガスが試料分析セルの内部温度と同温度に調節されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の気液2相試料分析装置。
7. 前記試料分析セルの前記試料が導入される側に校正用ガスを外部から噴射供給する校正用ガス供給機構を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の気液２相試料分析装置。
8. 前記校正用ガス供給機構のガス供給孔の径が、前記試料採取管の径と同等もしくは大きい径であることを特徴とする請求項７記載の気液２相試料分析装置。
9. 前記ガス供給機構及び校正用ガス供給機構が、共通のガス供給源からのガスを切換弁によって切り換えて選択的に前記試料分析セルに供給することを特徴とする請求項７又は８記載の気液２相試料分析装置。
10. 前記試料が気体Ｈ₂Ｏと液体Ｈ₂Ｏとが混在する混合流体であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の気液２相試料分析装置。
11. 前記試料採取管を、入口側から出口側に向かって断面積が拡大する形状とすることで、液体試料を膜状噴霧流として前記試料分析セル内に導入させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の気液２相試料分析装置。
12. 前記試料分析機構が、赤外吸収法によって液体試料と気体試料とを区別して定量することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の気液２相試料分析装置。

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