JP2011209047A - 発熱量算出式作成システム、発熱量算出式の作成方法、発熱量測定システム、及び発熱量の測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発熱量が未知の計測対象混合ガスのガス温度の値、及び発熱素子が複数の発熱温度で発熱したときの計測対象混合ガスの物性の値を計測する計測機構10と、ガス温度及び複数の発熱温度に対する物性を独立変数とし、発熱量を従属変数とする発熱量算出式を保存する式記憶装置402と、発熱量算出式のガス温度の独立変数及び複数の発熱温度に対する物性の独立変数に、計測対象混合ガスのガス温度の値及び複数の発熱温度に対する計測対象混合ガスの物性の値を代入し、計測対象混合ガスの発熱量の値を算出する発熱量算出モジュール305と、を備える、発熱量測定システムを提供する。
【選択図】図13
Description
まず、斜視図である図1、及びII−II方向から見た断面図である図2を参照して、第1の実施の形態に係るガス物性値測定システムに用いられるマイクロチップ8について説明する。マイクロチップ8は、キャビティ66が設けられた基板60、及び基板60上にキャビティ66を覆うように配置された絶縁膜65を備える。基板60の厚みは、例えば0.5mmである。また、基板60の縦横の寸法は、例えばそれぞれ1.5mm程度である。絶縁膜65のキャビティ66を覆う部分は、断熱性のダイアフラムをなしている。さらにマイクロチップ8は、絶縁膜65のダイアフラムの部分に設けられた発熱素子61と、発熱素子61を挟むように絶縁膜65のダイアフラムの部分に設けられた第1の測温素子62及び第2の測温素子63と、基板60上に設けられた第3の測温素子64と、を備える。
RH = RSTD×[1+α(TH-TSTD) + β(TH-TSTD)2] ・・・(1)
ここで、TSTDは標準温度を表し、例えば20℃である。RSTDは標準温度TSTDにおける予め計測された抵抗値を表す。αは1次の抵抗温度係数、βは2次の抵抗温度係数を表す。また、発熱素子61の抵抗値RHは、発熱素子61の駆動電力PHと、発熱素子61の通電電流IHから、下記(2)式で与えられる。
RH = PH / IH 2 ・・・(2)
あるいは発熱素子61の抵抗値RHは、発熱素子61にかかる電圧VHと、発熱素子61の通電電流IHから、下記(3)式で与えられる。
RH = VH / IH ・・・(3)
MI = PH / (TH - TI) ・・・(4)
VA+VB+VC+VD=1 ・・・(5)
Q = KA×VA+ KB×VB+ KC×VC+KD×VD ・・・(6)
MI = MA×VA+ MB×VB+ MC×VC+MD×VD ・・・(7)
MI (TH)= MA(TH)×VA+ MB(TH)×VB+ MC(TH)×VC+MD(TH)×VD ・・・(8)
MI (TH1)= MA(TH1)×VA+ MB(TH1)×VB+ MC(TH1)×VC+MD(TH1)×VD ・・・(9)
MI (TH2)= MA(TH2)×VA+ MB(TH2)×VB+ MC(TH2)×VC+MD(TH2)×VD ・・・(10)
MI (TH3)= MA(TH3)×VA+ MB(TH3)×VB+ MC(TH3)×VC+MD(TH3)×VD ・・・(11)
VA=f1[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3)] ・・・(12)
VB=f2[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3)] ・・・(13)
VC=f3[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3)] ・・・(14)
VD=f4[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3)] ・・・(15)
VA=f1[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3), TI ] ・・・(16)
VB=f2[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3), TI ] ・・・(17)
VC=f3[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3), TI ] ・・・(18)
VD=f4[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3), TI ] ・・・(19)
Q = KA×VA+ KB×VB+ KC×VC+KD×VD
= KA×f1[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3) , TI ]
+ KB×f2[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3) , TI ]
+ KC×f3[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3) , TI ]
+ KD×f4[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3) , TI ] ・・・(20)
Q = g[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3) , TI ] ・・・(21)
Q = g[MI (TH1), MI (TH2), MI (TH3), ・・・, MI (THn-1) , TI ] ・・・(22)
C2H6 = 0.5 CH4 + 0.5 C3H8 ・・・(23)
C4H10 = -0.5 CH4 + 1.5 C3H8 ・・・(24)
C5H12 = -1.0 CH4 + 2.0 C3H8 ・・・(25)
C6H14 = -1.5 CH4 + 2.5 C3H8 ・・・(26)
図9に示すように、第2の実施の形態に係るガス物性値測定システム20のCPU300には、熱伝導率記憶装置411が接続されている。ここで、図10は、発熱素子に2mA、2.5mA、及び3mAの電流を流した際の、混合ガスの放熱係数MIと、熱伝導率と、の関係を示す。図10に示すように、混合ガスの放熱係数MIと熱伝導率は一般に比例関係にある。そこで、図9に示す熱伝導率記憶装置411は、チャンバ101に導入されるガスの放熱係数MIと熱伝導率との対応関係を、近似式あるいはテーブル等で予め保存する。
図11に示すように、第3の実施の形態に係るガス物性値測定システム20のCPU300には、濃度記憶装置412がさらに接続されている。ここで、図12は、ガス温度TIが0℃、20℃、及び40℃のときのプロパンガスの放熱係数MIと、濃度と、の関係を示す。図12に示すように、ガスの放熱係数MIと、ガスの濃度とは、一般に比例関係にある。そこで、図11に示す濃度記憶装置412は、チャンバ101に導入されるガスの放熱係数MIと、濃度と、の対応関係を、近似式あるいはテーブル等で予め保存する。
図13に示すように、第4の実施の形態に係るガス物性値測定システム21は、発熱量Qの値が未知の計測対象混合ガスが充填されるチャンバ101と、図1及び図2に示す発熱素子61、第1の測温素子62及び第2の測温素子63を用いて、計測対象混合ガスの温度TIの値、及び計測対象混合ガスの複数の放熱係数MIの値を計測する図13に示す計測機構10と、を備える。さらに、ガス物性値測定システム21は、ガスの温度TI及び発熱素子61の複数の発熱温度に対するガスの放熱係数MIを独立変数とし、発熱量Qを従属変数とする発熱量算出式を保存する式記憶装置402と、発熱量算出式のガスの温度TIの独立変数及び発熱素子61の複数の発熱温度に対するガスの放熱係数MIの独立変数に、計測対象混合ガスの温度TIの値及び発熱素子61の複数の発熱温度に対する計測対象混合ガスの放熱係数MIの値を代入し、計測対象混合ガスの発熱量Qの値を算出する発熱量算出モジュール305と、を備える。
まず、図15に示すように発熱量Qの値が既知の28種類のサンプル混合ガスを用意した。28種類のサンプル混合ガスのそれぞれは、ガス成分としてメタン(CH4)、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)、窒素(N2)、及び二酸化炭素(CO2)のいずれか又は全部を含んでいた。例えば、No.7のサンプル混合ガスは、90vol%のメタン、3vol%のエタン、1vol%のプロパン、1vol%のブタン、4vol%の窒素、及び1vol%の二酸化炭素を含んでいた。また、No.8のサンプル混合ガスは、85vol%のメタン、10vol%のエタン、3vol%のプロパン、及び2vol%のブタンを含み、窒素及び二酸化炭素を含んでいなかった。また、No.9のサンプル混合ガスは、85vol%のメタン、8vol%のエタン、2vol%のプロパン、1vol%のブタン、2vol%の窒素、及び2vol%の二酸化炭素を含んでいた。
Q = 39.91 - 20.59×MI (100℃) - 0.89×MI (150℃) + 19.73×MI (200℃) ・・・(27)
実施例1で使用したサンプル混合ガスとは異なる、発熱量Qの値が既知の23種類のサンプル混合ガスをさらに用意した。ここで、発熱素子で加熱される前のサンプル混合ガスの温度を、−10℃、5℃、23℃、40℃、及び50℃に設定した。次に、放熱係数MIを独立変数とし、発熱量Qを従属変数として、ガスの温度TIの独立変数を含まない発熱量算出式を作成した。さらに、作成した発熱量算出式を用いて、サンプル混合ガスの発熱量Qを算出した。すると、図18に示すように、算出される発熱量Qの誤差はわずかであるものの、発熱素子で加熱される前のサンプル混合ガスの温度に応じてばらつきが生じた。
Q = 39.4 - 5.97×MI (100℃) - 30.3×MI (150℃) + 34.6×MI (200℃) + 0.331×TI ・・・(28)
さらに、作成した発熱量算出式を用いて、放熱係数MI及びガスの温度TIの独立変数に測定値を代入してサンプル混合ガスの発熱量Qを算出した。すると、図19に示すように、発熱素子で加熱される前のサンプル混合ガスの温度にかかわらず、算出される発熱量Qの誤差のばらつきが生じなかった。なお、図18及び図19に示す結果は、図1及び図2に示すように、マイクロチップ8の断熱部材18を配置し、マイクロチップ8の基板60を60℃に保温して得た。これに対し、断熱材18を用いず、またマイクロチップ8の基板60を保温しなくとも、発熱量算出式の放熱係数MI及びガスの温度TIの独立変数に測定値を代入してサンプル混合ガスの発熱量Qを算出すると、図20に示すように、算出される発熱量Qの誤差のばらつきはわずかであった。したがって、発熱量算出式に放熱係数MIの独立変数のみならずガスの温度TIの独立変数を加え、ガスの温度TIの独立変数に測定値を代入することにより、より高精度に発熱量Qが算出可能であることが示された。
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、第1及び第4の実施の形態においては、発熱素子の複数の発熱温度における混合ガスの放熱係数MIの値を用いたが、代わりに、混合ガスの複数の発熱温度における熱伝導率を用いて、発熱量算出式の作成及び発熱量Qの算出を行ってもよい。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
10 計測機構
18 断熱部材
20,21 ガス物性値測定システム
31A,31B,31C,31D ガス圧調節器
32A,32B,32C,32D 流量制御装置
50A,50B,50C,50D ガスボンベ
60 基板
61 発熱素子
62 第1の測温素子
63 第2の測温素子
64 第3の測温素子
65 絶縁膜
66 キャビティ
91A,91B,91C,91D,92A,92B,92C,92D,93,102,103 流路
101 チャンバ
161,162,163,164,165,181,182,183 抵抗素子
170,171 オペアンプ
301 放熱係数算出モジュール
302 式作成モジュール
303 駆動回路
305 発熱量算出モジュール
312 入力装置
313 出力装置
322 熱伝導率算出モジュール
323 濃度算出モジュール
401 放熱係数記憶装置
402 式記憶装置
403 発熱量記憶装置
411 熱伝導率記憶装置
412 濃度記憶装置
Claims (36)
- 複数の混合ガスのそれぞれを加熱する発熱素子と、
前記複数の混合ガスのそれぞれのガス温度の値、及び前記発熱素子が複数の発熱温度で発熱したときの前記複数の混合ガスのそれぞれの物性の値を計測する計測機構と、
前記複数の混合ガスのそれぞれの既知の発熱量の値、前記計測されたガス温度の値、及び前記複数の発熱温度に対して計測された物性の値に基づいて、前記ガス温度及び前記複数の発熱温度に対する前記物性を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式を作成する式作成モジュールと、
を備える、発熱量算出式作成システム。 - 前記物性が放熱係数又は熱伝導率である、請求項1に記載の発熱量算出式作成システム。
- 前記複数の発熱温度の数が、少なくとも前記複数種類のガス成分の数から1を引いた数である、請求項1又は2に記載の発熱量算出式作成システム。
- 前記式作成モジュールが、サポートベクトル回帰を用いて前記発熱量算出式を作成する、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発熱量算出式作成システム。
- 前記計測機構が、前記発熱素子の駆動電力を、前記発熱素子の発熱温度及び前記複数の混合ガスのそれぞれのガス温度の差で割ることにより、前記複数の混合ガスのそれぞれの放熱係数を算出する放熱係数算出モジュールを更に備える、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発熱量算出式作成システム。
- 前記複数の混合ガスのそれぞれが天然ガスである、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の発熱量算出式作成システム。
- 前記複数の混合ガスのそれぞれが、前記複数種類のガス成分として、メタン、プロパン、窒素、及び二酸化炭素を含む、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の発熱量算出式作成システム。
- 複数種類のガス成分を含む複数の混合ガスを準備することと、
前記複数の混合ガスのそれぞれのガス温度の値を計測することと、
発熱素子を複数の発熱温度で発熱させたときの前記複数の混合ガスのそれぞれの物性の値を計測することと、
前記複数の混合ガスのそれぞれの既知の発熱量の値、前記計測されたガス温度の値、及び前記複数の発熱温度に対して計測された物性の値に基づいて、前記ガス温度及び前記複数の発熱温度に対する前記物性を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式を作成することと、
を含む、発熱量算出式の作成方法。 - 前記物性が放熱係数又は熱伝導率である、請求項8に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 前記複数の発熱温度の数が、少なくとも前記複数種類のガス成分の数から1を引いた数である、請求項8又は9に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 前記発熱量算出式を作成することにおいて、サポートベクトル回帰が用いられる、請求項8乃至10のいずれか1項に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 前記複数の混合ガスのそれぞれの物性の値を計測することが、
前記発熱素子の駆動電力を、前記発熱素子の温度及び前記複数の混合ガスのそれぞれのガス温度の差で割ることと、
を含む、請求項8乃至11のいずれか1項に記載の発熱量算出式の作成方法。 - 前記複数の混合ガスのそれぞれが天然ガスである、請求項8乃至12のいずれか1項に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 前記複数の混合ガスのそれぞれが、前記複数種類のガス成分として、メタン、プロパン、窒素、及び二酸化炭素を含む、請求項8乃至13のいずれか1項に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 発熱量が未知の計測対象混合ガスのガス温度の値、及び発熱素子が複数の発熱温度で発熱したときの前記計測対象混合ガスの物性の値を計測する計測機構と、
前記ガス温度及び前記複数の発熱温度に対する前記物性を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式を保存する式記憶装置と、
前記発熱量算出式の前記ガス温度の独立変数及び前記複数の発熱温度に対する前記物性の独立変数に、前記計測対象混合ガスの前記ガス温度の値及び前記複数の発熱温度に対する前記計測対象混合ガスの前記物性の値を代入し、前記計測対象混合ガスの発熱量の値を算出する発熱量算出モジュールと、
を備える、発熱量測定システム。 - 前記物性が放熱係数又は熱伝導率である、請求項15に記載の発熱量測定システム。
- 前記複数の温度の数が、少なくとも、前記計測対象混合ガスに含まれる複数種類のガス成分の数から1を引いた数である、請求項15又は16に記載の発熱量測定システム。
- 複数種類のガス成分を含む複数のサンプル混合ガスの発熱量の値と、前記複数のサンプル混合ガスのガス温度の値と、前記複数の発熱温度に対する前記複数のサンプル混合ガスの物性の値とに基づいて、前記ガス温度及び前記複数の発熱温度に対する前記物性を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式が作成された、請求項15乃至17のいずれか1項に記載の発熱量測定システム。
- 前記発熱量算出式を作成するために、サポートベクトル回帰が用いられた、請求項18に記載の発熱量測定システム。
- 前記計測機構が、前記発熱素子の駆動電力を、前記発熱素子の発熱温度及び前記計測対象混合ガスのガス温度の差で割ることにより、前記計測対象混合ガスの放熱係数の値を算出する放熱係数算出モジュールを更に備える、請求項15乃至19のいずれか1項に記載の発熱量測定システム。
- 前記複数のサンプル混合ガスのそれぞれが天然ガスである、請求項18又は19に記載の発熱量測定システム。
- 前記複数のサンプル混合ガスのそれぞれが、前記複数種類のガス成分として、メタン、プロパン、窒素、及び二酸化炭素を含む、請求項18、19、21のいずれか1項に記載の発熱量測定システム。
- 前記計測対象混合ガスが天然ガスである、請求項15乃至22のいずれか1項に記載の発熱量測定システム。
- 前記計測対象混合ガスが、メタン、プロパン、窒素、及び二酸化炭素を含む、請求項15乃至23のいずれか1項に記載の発熱量測定システム。
- 前記計測対象混合ガスが、アルカンを更に含む、請求項24に記載の発熱量測定システム。
- 発熱量が未知の計測対象混合ガスのガス温度の値、及び発熱素子が複数の発熱温度で発熱したときの前記計測対象混合ガスの物性の値を計測することと、
前記ガス温度及び前記複数の発熱温度に対する前記物性を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式を用意することと、
前記発熱量算出式の前記ガス温度の独立変数及び前記複数の発熱温度に対する前記物性の独立変数に、前記計測対象混合ガスの前記ガス温度の値及び前記複数の発熱温度に対する前記計測対象混合ガスの前記物性の値を代入し、前記計測対象混合ガスの発熱量の値を算出することと、
を含む、発熱量の測定方法。 - 前記物性が放熱係数又は熱伝導率である、請求項26に記載の発熱量の測定方法。
- 前記複数の発熱温度の数が、少なくとも、前記計測対象混合ガスに含まれる複数種類のガス成分の数から1を引いた数である、請求項26又は27に記載の発熱量の測定方法。
- 複数種類のガス成分を含む複数のサンプル混合ガスの発熱量の値と、前記複数のサンプル混合ガスのガス温度の値と、前記複数の発熱温度に対する前記複数のサンプル混合ガスの物性の値とに基づいて、前記ガス温度及び前記複数の発熱温度に対する前記物性を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式が作成された、請求項26乃至28のいずれか1項に記載の発熱量の測定方法。
- 前記発熱量算出式を作成するために、サポートベクトル回帰が用いられた、請求項29に記載の発熱量の測定方法。
- 前記計測対象混合ガスの物性の値を計測することが、
前記発熱素子の駆動電力を、前記発熱素子の発熱温度及び前記計測対象混合ガスのガス温度の差で割ることと、
を含む、請求項26乃至30のいずれか1項に記載の発熱量の測定方法。 - 前記複数のサンプル混合ガスのそれぞれが天然ガスである、請求項29又は30に記載の発熱量の測定方法。
- 前記複数のサンプル混合ガスのそれぞれが、前記複数種類のガス成分として、メタン、プロパン、窒素、及び二酸化炭素を含む、請求項29、30、32のいずれか1項に記載の発熱量の測定方法。
- 前記計測対象混合ガスが天然ガスである、請求項26乃至33のいずれか1項に記載の発熱量の測定方法。
- 前記計測対象混合ガスが、メタン、プロパン、窒素、及び二酸化炭素を含む、請求項26乃至34のいずれか1項に記載の発熱量の測定方法。
- 前記計測対象混合ガスが、アルカンを更に含む、請求項35に記載の発熱量の測定方法。
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