JP2017526941A

JP2017526941A - ガスセンサー

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Publication number: JP2017526941A
Application number: JP2017530433A
Authority: JP
Inventors: スレーター・コナー; ファリーネ・ゲール
Original assignee: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Current assignee: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: US10228314B2; CN106687796B; CA2960035C; EP3189329B1; EP2993472A1; CN106687796A; CA2960035A1; JP6815999B2; WO2016034558A1; EP3189329A1; US20170284919A1; RU2684918C1

Abstract

ガス（１）の特性を測定するためのガスセンサー（２）は、測定されるべきガス（１）と接触しているガスインターフェース部分（２０）と、測定チャンバ（１６）、測定チャンバ（１６）をガスインターフェース部分（２０）に流体的に接続する第１の抵抗通路（１８）、測定チャンバ内の圧力の変化を生じさせるように構成された圧力発生器（２５）、および測定チャンバ内のガスの圧力の時間依存性変動を測定するように構成された圧力センサー（２８）を含む、測定チャンバシステム（１５）と、を含む、ガス粘度センサー（４）を含み、抵抗通路を通るガスの流れに起因する測定チャンバ内の圧力の時間依存性変動は、ガスの粘度と相関している。ガス粘度センサーは、基準チャンバと、基準チャンバ（２２）をガスインターフェース部分（２０）に流体的に相互接続する第２の抵抗通路（２４）と、を含む、基準チャンバシステム（２１）をさらに含み、基準チャンバ（２２）は、測定チャンバの圧力センサー（２８）に連結され、圧力センサーは、測定チャンバ内の圧力と基準チャンバ内の圧力との差圧を測定するように構成されている。

Description

開示の内容

本発明は、ガスの特性を決定するためのセンサーに関し、特に、燃焼を最適化するために可燃性ガスの特性を決定するためのセンサーに関する。

本発明によって測定するもののような、ガスのパラメータを決定することが有用である多くの適用がある。特に、天然ガスの場合、いくつかある適用の中でも特に、燃焼を最適化してバーナーもしくはエンジンを安全に動作させるか、天然ガスもしくはバイオガスの生成もしくはブレンドを監視するか、または天然ガスのサプライチェーン全体にわたり送られるエネルギーを監視するために、天然ガスのいくつかの特性を知ることが非常に有用である。

天然ガスは、さまざまな供給源から生じており、その使用場所に到達する前に何度もネットワークオペレーター（networks operators）によって混合される。このことは、天然ガスの組成が相当にさまざまであり得ることを意味し、これは、最適な燃焼を確実にするための必要空気量（air requirements）に影響を与える。システム内での最適な燃焼を確実にするのに必要とされる最適な空気（酸素）は、天然ガスの組成が変わるにつれて変化し、ラムダ値λおよびウォッベ指数（Ｗ_０）という２つの目的のパラメータ。

ウォッベ指数は、以下でさらに詳細に説明するように、ガス粘度を測定することによって決定され得る。しかしながら、ガス粘度とウォッベ指数との関係は完全ではなく、そのため、ガス粘度の測定値は、以下で説明するように、そのガスの熱伝導率の測定値、または二酸化炭素（carbon dioxyde）含有量の測定値を用いることで、補正され得る。

燃料の化学量論的必要空気量は、（酸素がわずか２０．９％の空気で）１モルの燃料ガスを完全に燃焼させるのに必要な乾燥空気の量である。完全な燃焼を達成するための、炭化水素燃料Ｃ_ｘＨ_ｙ１モルごとの空気／燃料（Ａ／Ｆ）比は、

によって定められる。

以下の表１は、選択された炭化水素およびそれらの対応する必要空気量を示している。

組成［Ｘｉ］のガスの混合物については、空燃比は、

から算出することができる。

ラムダ値λは、

により定められる。

燃焼において、燃料および空気の流れの体積Ｖ’は、以下の関係式により密度ρによって変わり、

式中、

は、入口オリフィスにわたる圧力低下であり、Ｃは、何らかの定数である。密度に依存しているので、以下の定義による、燃焼必要空気量指数ＣＡＲＩを導入しなければならない。

ＣＡＲＩが既知であれば、λの必要値を得るために空気流を調節することができる。ウォッベ指数（Ｗ_０）は、必要な空気流を決定し、以下として定められ、

式中、Ｈ_Ｏは、カロリー値である。

天然ガスにおける組成の範囲に関し、ウォッベ指数およびＣＡＲＩが、
Ｗ＝９７．７３２ＣＡＲＩ−２９．６９２
によって関連することが分かる。

さまざまな理由で、λの正しい値を得るための要件は、通常、ＣＡＲＩではなくウォッベ指数を介して文献で論じられている。ウォッベ指数は、産業上で利用されるガスの互換性の重要な基準である。ガスの組成変動は、ウォッベ指数がほぼ一定のままである場合、必要空気量および燃焼速度（velocity burning）を変化させない。しかしながら、ウォッベ指数と粘度との関係は完全ではない。

λの正しい値の選択は、適用にも左右される。天然ガスの装置またはエンジンでは、燃料の品質は変化を受け、そのため、燃焼を制御するためには、ウォッベ指数を知ることが有用である。ウォッベ指数は、燃焼前、燃焼中、および燃焼後に測定され得る。燃焼中に測定する方法は、フレーム発光（flame emission）のイオン化電流および／または温度調査（temperature probing）に基づく。燃焼後の方法は、酸素センサー（過剰空気率）を使用して、燃焼の空燃比を決定する。これらの方法の欠点は、複雑で費用がかかることである。また、それらが燃焼室内、または燃焼の排気（exhaust）中に位置して、漂流しがちになるので、信頼性が問題である。さらに、これらの方法のいずれも、点火の適用には有用でない。センサーが入口に取り付けられることにより、装置の始動前に空燃比を変更することができ、これにより、点火の問題が回避される。

本発明の目的は、ガスの粘度を正確に測定することができると共に、製造し組み立てるのに小型かつ経済的である、センサーを提供することである。

可燃性ガス、特に天然ガスに関連する適用のための、本発明のさらに具体的な目的は、ガスのウォッベ指数を正確に測定することができると共に、製造し組み立てるのに小型かつ経済的である、センサーを提供することである。

信頼性があり、実行するのが容易であり、使用するのに経済的である、ガスセンサーを提供することが有利である。

意図した耐用期間にわたって頑丈で安定しているガスセンサーを提供することが有利である。

刊行物“Natural gas: physical properties and combustion features”に示されるように、Bonne他（２００６年）は、以下の一般式を提案している。

式中、λは熱伝導率（ｃａｌ／ｓｍ℃）であり、Ｔ_Ｌ、Ｔ_Ｈは、それぞれ、低温および高温（℃）であり、ηはガス粘度（マイクロポアズ）である。

２つの温度でガスの熱伝導率を測定することにより、高位発熱量（ＨＨＶ）が決定され得、また、ウォッベ指数測定の精度が改善され得る。

さらに、二酸化炭素センサーも、ウォッベ指数測定の精度を改善するのに使用され得る。

本発明の実施形態によるガスセンサーは、ガスの粘度と、ガスの熱伝導率、二酸化炭素含有量、温度、圧力、湿度、およびウォッベ指数を含む群から選択された１つ以上の追加のパラメータと、を測定するように構成されている。追加のパラメータは、λの正しい値を得るのに有用である。

信頼性があり、頑丈で、小型で、費用対効果が高く、かつ天然ガス装置もしくはエンジンの入口で動作することができる、ウォッベ指数センサーからシステムが恩恵を受けることができる応用例、または天然ガスの生成、ブレンド、もしくは分配のための応用例が、いくつかある。そのような例の包括的でないリストには、ボイラー、炉、温水器、コジェネレーションエンジン、タービン、マイクロタービン、燃料セルが含まれる。

空燃比が調節可能な天然ガス装置およびエンジンは、本発明の実施形態によるウォッベ指数センサーから恩恵を受けることができる。このセンサーは、装置またはエンジンの天然ガス入口に組み込まれてよく、燃焼が確実に有効なままであるようにする。天然ガスの組成が変化すると、装置またはエンジンの最適な必要空気量は、装置またはエンジンの入口で測定されたウォッベ指数に基づいて調節され得る。また、装置が始動する前であってもウォッベ指数が測定されるため、点火の問題が軽減され、装置またはエンジンは、正しい最適な必要空気量があれば始動することができる。ウォッベ指数センサーは、ガスと反応せず、頑丈であり、また動く部品を有していないので、信頼性があり、小型で費用対効果が高く、そのため、さまざまな天然ガス装置またはエンジンに組み込まれることができる。

天然ガス車両（トラック、乗用車、モーターバイク、ボート、飛行機）での適用に関しては、給油所の場所に応じて、車両用の天然ガス燃料の組成の大きな変動があり、また、冬と夏とで組成の重要な季節変化がある。これにより、天然ガス車両のタンク内における異なる燃料組成物の混合効果は、予測するのが困難になる。燃料組成の変動に関係している点火および燃焼の問題を解消するために、本発明によるウォッベ指数センサーが、天然ガス車両の燃料のパラメータを測定するよう組み込まれ得る。したがって、組成物の空燃比は、点火前または燃焼中に、最適となるように調節され得る。

バイオガスの生成およびガスフレアにおける適用に関しては、好気性、嫌気性、およびハイブリッドのバイオリアクターが、さまざまな生分解性物質の発酵により、バイオガスを生成する。生成されたガスのメタン含有量のモニタリングは、供給原料の速度を制御し、反応の安定性を確保するために不可欠である。生物消化反応制御のための１つの重要なパラメータは、生成されたバイオガスのメタン含有量を測定することである。メタン含有量は、ウォッベ指数と相関させることができるので、本発明の実施形態によるガスセンサーは、バイオガス生成モニタリングに適用され得る。供給原料が生物消化槽（biodigestor）内に供給される速度は、生成されたバイオガスのウォッベ指数の出力測定により制御され得る。また、このセンサーは、燃えている出口（flaring outlet）を流れているガスのウォッベ指数を測定することができ、この情報に基づいて、ガスは、燃えるか、または放出される。

天然ガスの分配、またはガスメーターへの統合での適用に関しては、本発明の実施形態によるガスセンサーは、ガス流量計と共に統合され得る。このようなシステムは、天然ガスグリッドのある地点で送達される体積およびエネルギー量に関するデータを提供することができる。

持ち運びできる適用については、本発明の実施形態によるガスセンサーは、持ち運びできるウォッベ指数メーターに組み込まれるのに十分小型および低出力である。このような手で持てるサイズの器具は、バッテリーで作動することができ、また、天然ガスラインに接続されてガスのウォッベ指数を測定することができる。

本発明は、必要である場合、ガス粘度の測定にも単純に使用されることができる。

本明細書には、ガスの特性を測定するためのセンサーが開示され、これは、測定されるべきガスと接触しているガスインターフェース部分と、測定チャンバ、測定チャンバをガスインターフェース部分に流体的に接続する第１の抵抗通路、測定チャンバにおける圧力の変化を生じさせるように構成された圧力発生器、および測定チャンバ内のガスの圧力の時間依存性変動を測定するように構成された圧力センサーを含む、測定チャンバシステムと、を含む、ガス粘度センサーを含み、抵抗通路を通るガスの流れに起因する、測定チャンバ内の圧力の時間依存性変動は、ガスの粘度と相関する。ガス粘度センサーは、基準チャンバ、および基準チャンバをガスインターフェース部分に流体的に相互接続する第２の抵抗通路を含む、基準チャンバシステムをさらに含み、基準チャンバは、測定チャンバの圧力センサーに連結されて、圧力センサーは、測定チャンバ内の圧力と基準チャンバ内の圧力との差圧を測定するように構成されている。

有利な実施形態では、第１の抵抗通路および第２の抵抗通路は、毛細管チャネルの形態である。

有利な実施形態では、圧力センサーは、弾性的に変形可能な膜を含み、この膜が変位することで、差圧の測定値がもたらされ、変形可能な膜は、測定チャンバに収容されたガスの体積と、基準チャンバに収容されたガスの体積との間のインターフェースを形成する。

有利な実施形態では、測定チャンバシステムの圧力発生器は、測定チャンバ内に位置付けられ、その中のガスを加熱するように構成されたヒーターと、測定チャンバ内のガスを冷却する排熱器（heat evacuator）と、を含む。

有利な実施形態では、排熱器は、測定チャンバ内に収容されたガスの熱容量よりも有意に大きい熱容量を持つ熱伝導性材料の塊で形成されたヒートシンクの形態である。

有利な実施形態では、ヒートシンクは、８×１０^−５ｍ^２／ｓ超の熱拡散率を有する金属のブロックで作られている。

有利な実施形態では、ガスセンサーは、回路基板を含む信号処理回路をさらに含む。

有利な実施形態では、測定チャンバは、測定チャンバシステムのヒートシンクに設けられたキャビティに形成されている。

有利な実施形態では、圧力発生器は、ヒーターを含み、ヒーターは、回路基板上の抵抗回路トレースとして、または、回路基板上に直接据え付けられる抵抗素子として形成された、抵抗体を含む。

有利な実施形態では、基準チャンバは、測定チャンバに対して回路基板の反対側に配列されている。

有利な実施形態では、圧力センサーは、基準チャンバ内部に据え付けられ、回路基板のオリフィスを介して測定チャンバに流体的に接続されている。

有利な実施形態では、ガスインターフェース部分は、測定されるべきガスが中を通って流れるガス流システムに、入口および出口を介して接続されるガス受容チャンバを画定する、ハウジングを含む。

有利な実施形態では、センサーは、ＣＯ_２センサー、湿度センサー、温度センサー、熱伝導率センサー、絶対圧力センサーを含む群から選択される１つ以上の補助センサーをさらに含み得る。

有利な実施形態では、補助センサーは、少なくともＣＯ_２センサーを含む。

有利な実施形態では、補助センサーのうちの少なくともいくつかは、ガスインターフェース部分のガス受容チャンバに位置付けられている。

有利な実施形態では、補助センサーのうちの少なくともいくつかは、回路基板に据え付けられている。

本発明のさらなる目的および有利な特徴は、請求項、詳細な説明、および添付図面から明らかとなるであろう。

主に図１および図２ａ〜図４ｂから始めて図面を参照すると、本発明のある実施形態によるガスセンサー２は、ガス１の粘度を測定するように構成されており、例えば、ガスの温度、湿度、熱伝導率、あるガス成分、特にＣＯ_２（二酸化炭素）の割合、および絶対圧力を含む、ガスの他の特性を測定するようにさらに構成されてもよい。前述したガスの粘度および他のパラメータの測定は、ガスの燃焼を最適化するためにガスのウォッベ指数を決定する上で、特に有用である。導入部で述べたように、天然ガスは、さまざまな可燃性成分を含むことができ、化学量論的な燃焼を得るために必要な酸素または空気の量は、ガスの組成のみならず、その温度および圧力に応じて、変化する。しかしながら、本発明の範囲内において、粘度の決定、ならびに圧力、温度、湿度、ＣＯ_２含有量、ガスセンサーの絶対圧力といった他のパラメータの決定は、例えばＮ_２とＨ_２とのガス混合物を形成する際に、ウォッベ指数の決定に関係していない他の適用に用いられてよく、例えばガス組成物の純度を評価するのに用いられてよいことが注目され得る。

本発明のある実施形態によると、ガスセンサー２は、ガス粘度センサー４と、補助センサー６と、測定値、またはガス１の測定される特性に関する値を出力するために、センサーの動作を電子的に制御し、測定信号を処理するように構成された信号処理回路８と、を含む。測定値は、粘度、湿度、温度、圧力、熱伝導率、および他の測定値、または、さまざまな基本測定値の算出、もしくはさまざまな基本測定値との相関で生じた、ウォッベ指数値などの複合測定値、のうちの任意の１つ以上を含み得る。出力された１つまたは複数の測定値は、例えば、熱生成装置、またはガスの燃焼に基づくエンジンもしくは任意の装置において可燃性ガスの燃焼プロセスを制御する、外部制御システムによって使用され得る。

ガスセンサー４は、一般的なハウジング内、または一般的な支持構造体１４上に据え付けられた１つのユニットを形成してよいが、本発明の範囲内において、複数の構造的に独立した分離可能なセンサーまたは構成要素を有することも可能である。例えば、ガス粘度センサーおよび補助センサーは、別々の構成要素であってよいが、好適な実施形態では、小型かつ費用対効果の高い配列のために、さまざまなセンサーが、１つのユニットに組み込まれる。信号処理回路８は、回路基板１０と、回路基板に据え付けられ、ガス粘度センサー４および補助センサー６などのセンサーに電気的に相互接続された１つ以上のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ１２と、を含み得る。

補助センサー６は、有利には、二酸化炭素センサー４４、湿度センサー４６、温度センサー４８、熱伝導率センサー５０、および絶対圧力センサー５２を含み得る。これらの補助センサーは、有利には、補助センサーが中に据え付けられ得るガス受容チャンバ４８と連絡している入口４０および出口４２を含む、ガスインターフェース部分２０のハウジング３６内に据え付けられ得る。前述のとおり、補助センサーの一部またはすべてを、他のユニットに、またはガスセンサーの他のセクションに据え付けることも可能である。

測定されるべきガス１は、入口４０を通ってガス受容チャンバ３８に流れ込み、出口４２を通って出て、補助センサー６は、測定されるべきガスと接触している。

ガス粘度センサー４は、少なくとも１つの抵抗通路１８を通じてガス受容チャンバ３８と流体的に相互接続された測定チャンバ１６を含む測定チャンバシステム１５を含み、測定チャンバ１６は、圧力発生器２５および圧力センサー２８をさらに含む。抵抗通路は、測定チャンバを出入りするガスの流れを制限する、流体抵抗を形成する。測定チャンバは、圧力がガスインターフェース部分に対して正または負のいずれかで変化し得る、ある体積のガスを封入している。

好適な実施形態の圧力発生器は、ヒーター２６および排熱器３０を含む。

ヒーターは、熱をキャビティ内のガスに伝えて圧力を上昇させることができる構成要素である。ヒーターは、抵抗ヒーター、超音波エミッター、マイクロ波エミッター、赤外線ランプ、または誘導加熱器など、さまざまなタイプのものであってよい。有利な実施形態では、ヒーターは、支持構造体によって、測定チャンバのほぼ中央に保持される抵抗伝導性エリア（resistive conducting area）を備えた薄膜を含み得る。ヒーターは、ヒーターがオフにされたときにガスの急速冷却を確実にする（sure）ため、排熱器と比べて低い熱容量を有するよう構成されている。

排熱器３０は、測定チャンバ１６に収容されるガスの熱容量と比べて高い熱容量を持つ、熱伝導性の高い材料（thermally highly conductive material）で作られた、受動的なヒートシンクの形態であってよい。排熱器は、自然の対流で冷却されることができるか、または流体冷却システムにより積極的に冷却されることができるが、好適な実施形態では、例えば比較的大きい金属ブロックにより構成されている、積極的に冷却されたヒートシンクは、本発明に従ってガスの粘度を決定する目的で、十分に効果的な冷却効果を提供する。センサーの精度を改善するため、測定チャンバ内のガスおよびヒーターそれぞれと、排熱器との間で高い熱伝導率を有することが重要である。図８は、熱伝導性が異なる２つのヒートシンク材料について、ヒーターがオフになった瞬間から、測定チャンバ内部のガスの温度が減衰することを示している。温度の減衰が長くなると、測定チャンバ内で正規化する圧力の時定数に対する影響が大きくなり、そのため、絶対温度が測定と測定との間で制御されていない場合、圧力上昇の時定数が変動する。キャビティ内のガスの温度を正確に制御することは困難なので、ガスと測定チャンバの排熱器との間の熱伝達を最大化させると、センサーの精度が高まる。

好適な実施形態では、測定チャンバ１６は、少なくとも部分的に、ヒートシンク３０内部のキャビティとして形成され、これは、ガスを保持し、熱をガスから効率的に奪うことのできる任意の材料、例えば金属（例えば、銅、アルミニウム）またはセラミクス（例えば、アルミナ、窒化アルミニウム）、複合物（例えば、炭素およびグラファイト充填剤）およびグラファイト（例えば、熱分解グラファイト）から構成され得る。測定チャンバの内側は、ガスからの熱伝導を最大化するよう、高い表面積対体積率を有していなければならず、このため、薄く平坦な表面が有利である。体積／表面積比率は、好ましくは、４０ｃｍ未満、より好ましくは３５ｃｍ未満に最小化されている。ヒートシンクブロックは、高い熱伝導率および高い熱容量を有する単一の材料または材料の組み合わせ（例えば、アルミニウム、カーボンスチール、または銅）で作られてよい。測定チャンバを収容するヒートシンクは、アルミニウムもしくは銅など、高い熱容量と熱伝導率を有する別のヒートシンク要素にさらに据え付けられるか、または取り付けられて、測定チャンバから熱を奪うことができ、よって、ヒーターがオフにされた後でチャンバの温度が周辺温度に迅速に戻ることが確実となる。

一般的な支持構造体１４は、有利には、センサーのための主要ヒートシンクプレートとして作用し得る。一般的な支持構造体の材料および質量は、測定中に温度が著しく上昇しない、例えば０．５℃未満となるように、その特定の熱容量が構成されるよう、選択され得る。

特に、好適な実施形態では、抵抗通路１８は、毛細管チャネル、すなわち、流体抵抗を提供するように構成された、長く小径のチャネルの形態であってよく、これは、測定チャンバ内の圧力とガス受容チャンバ３８内の圧力との間の圧力の差によりガスが流れて測定チャンバを出入りするときに測定チャンバ内の圧力の変動を十分正確に測定することが可能となる、指数関数的な時定数で、測定チャンバ１６を出入りする流れを制限するものである。ガス粘度センサー内の毛細管チャネルの概念は、それ自体が周知であり、この寸法および特徴をさらに開示する必要はない。毛細管は、材料（例えば、シリコン、金属、プラスチック、もしくはセラミック）のブロック内の、例えば狭くまっすぐな、もしくは曲がりくねった管、またはチャネルを通って流れるガスに対し流体抵抗を引き起こす任意の構造体である。抵抗通路を形成する２つ以上の毛細管チャネルがあってもよい。しかしながら、本発明の範囲内において、他のタイプのガス流抵抗通路を使用することもでき、それは、例えば、フィルター要素、ガス透過性膜、または単に、小さいオリフィスを備えた壁、で塞がれた通路である。

圧力センサー２８は、測定チャンバ内の圧力を測定するように、特に、圧力発生器２５の動作に従って変化する測定チャンバ内の圧力の変動を測定するように、構成される。

本発明のある実施形態によると、ガス粘度センサー４は、第２の抵抗通路２４を介して、ガスインターフェース部分２０に、より具体的にはガス受容チャンバ３８に流体的に接続された基準チャンバ２２を含む基準チャンバシステム２１をさらに含み、基準チャンバ２２は、インターフェース部分３２を介して圧力センサー２８に連結される。前述した構成では、圧力センサー２８は、測定チャンバ１６と基準チャンバ２２との間の差圧を測定するように構成されている。これにより、有利には、ガス受容チャンバ３８内の圧力変動を調節することができ、特にガス受容チャンバ内の圧力の変動が粘度測定に与える影響を相殺することができる。この点について、抵抗通路２４は、基準チャンバを出入りするガスについて、測定チャンバを出入りするガスと同様の抵抗挙動を有するように、第１の抵抗通路１８と同様または同一の構成を有し得る。

基準チャンバ２２および第２の抵抗通路２４のサイズは、基準チャンバの時定数が好ましくは測定チャンバの時定数の１０％以上であるように、選択される。

有利な実施形態では、圧力センサー２８は、測定チャンバ１６と基準チャンバ２２との間にインターフェースを形成する可撓性膜を含む膜センサーを含んでよく、この膜は、測定チャンバと基準チャンバとの間の差圧により直接影響を受ける。同様または同一の抵抗通路１８および２４により、ガス受容チャンバ３８内の圧力変動が、抵抗通路１８、２４の測定チャンバ側、基準チャンバ側それぞれにおける圧力に対し、（同様の時定数を有する）同様または同一の時変効果を生じることが確実となる。よって、第２の抵抗通路および基準チャンバは、測定チャンバに接続された第１の抵抗通路の端部における圧力の急激な変化を弱める。これにより、差圧測定値におけるノイズが減少し、圧力衝撃（極端に高いかまたは低い値に外部圧力が急激に変化すること）から差圧変換器が保護される。

基準チャンバシステムは、有利には、例えば受動的なヒートシンクの形態の排熱器３４をさらに含んでよく、排熱器３４は、例えば、熱伝導性材料の十分大きな塊を含み、基準チャンバのヒートシンクの温度が、測定チャンバのヒートシンク３０の温度と本質的に同じかまたは非常に近いものとなり、差圧測定値に対する温度変動の影響を減少させる。

ある実施形態では、測定チャンバ１６および基準チャンバ２２は、有利には、回路基板１０の両側に配されてよく、これにより、基準チャンバシステム２２のヒートシンクの形態である排熱器３４は、回路基板において、測定チャンバシステム１５のヒートシンクの形態である排熱器３０と反対の側に位置付けられる。これらの排熱器は、回路基板の表面に接着されるか、これに溶接されるか、またははんだ付けされることができる、金属、好ましくは銅もしくはアルミニウムまたはそれらの合金のブロックとして形成され得る。

測定チャンバシステム１５の圧力センサー２８は、有利には、回路基板１０のオリフィス５３を通じて測定チャンバ１６と連絡する、基準チャンバシステム２１の基準チャンバ２２内部に位置付けられてよい。

圧力センサー２８は、有利には、測定チャンバ１６のハウジングの一部も形成する、専用の回路基板５４上に据え付けられてよく、測定チャンバのハウジングは、独立した回路基板５４上に据え付けられたキャップ部分５６によって完成する。独立した回路基板は、必要に応じて、回路トレース、およびさらなる電子構成要素を備えることができ、回路トレースは、信号処理回路８の回路基板１０に接続される接触パッドを有する。

測定チャンバシステム１５、基準チャンバシステムの排熱器３４、マイクロコントローラ１２、ガス受容チャンバ３８のハウジング３６などの、さまざまな構成要素は、自動組立機のピックアンドプレースツール５８によって回路基板１０上に位置付けられてよく、これにより、組立コストが減少する。補助センサー６もまた、ピックアンドプレースツールにより、回路基板上に位置付けられ得る。

図４ａに示すような支持構造体１４は、ガスセンサー２のハウジング（不図示）の一部を形成することができ、これは、測定されるべきガス１が流れる環境に位置付けられるか、または、測定されるべきガス１が流れるかもしくは収容される導管もしくは容器に、入口および出口を介して接続されるように構成されている。

絶対圧力センサー５２は、サンプルガスの絶対圧力のレベルによる、毛細管を通るガス流の変動を補正するのに使用され得る。

温度センサー４８は、温度の変化による、抵抗通路１８を通るガス流の変動に対する補償を行うのに使用され得る。

湿度センサー４６は、測定されるべきガス１中の水分含有量の変化による、抵抗通路１８を通るガス流の変動に対する補償を行うのに使用され得る。

必要な精度に応じて、熱伝導率センサー５０の追加を使用し、２つの温度でガスの熱伝導率を測定することによるウォッベ指数測定の精度を改善することができる。

ＣＯ_２センサー４４を使用して、ウォッベ指数測定の精度を改善することもできる。図７は、Ｎ_２、ＣＯ_２、およびＣＨ_４の混合物間の関係を示しており、これらのガスそれぞれの１００％混合物が標識付けされている。ＣＯ_２がＮ_２より低い粘度を有しており、よって、粘度がＣＨ_４の粘度に近いので測定値により多くのエラーを引き起こすであろうことが、分かる。したがって、ガスの粘度をそのウォッベ指数に変換する上でエラーを減らすため、ＣＯ_２の濃度を測定することが有利である。

信号処理回路８は、センサーからの時間に基づくデータを記憶するメモリユニットを含み得る。このデータは、その後、絶対圧力変換器、温度変換器、および湿度変換器からのデータを用い、それを記憶された較正値と比較して補償された差圧データのプロファイルから粘度を決定するために処理され得る。さらに、回路は、ヒーターをオンにしたりオフにしたりし、オンになったらヒーターの温度を制御する機能を有し得る。これに加えて、信号処理ユニットは、粘度測定値をウォッベ指数値に変換する、ルックアップテーブルまたは式を記憶することができる。熱伝導率センサーからのデータを使用すると、ウォッベ指数測定の精度を改善することができ、また高位発熱量（ＨＨＶ）を決定することができる。代わりに、または、熱伝導率変換器と共に、ＣＯ_２変換器も使用して、ウォッベ指数測定の精度を改善することができる。ウォッベ指数およびＨＨＶを算出した後、信号処理回路は、データを別の装置または人のオペレーターに通信することができる。

差圧センサー２８は、可撓性膜５５、例えばシリコン膜を含んでよく、これは、測定チャンバの内側と外側との間の圧力差を表す膜の変形を測定する、ピエゾ抵抗体を備える。膜の外側への圧力は、ノイズ変動がなければ、抵抗通路１８のガスを受容する側における圧力と本質的に等しいはずである。

絶対圧力、温度、湿度、熱伝導率、およびＣＯ_２のための変換器は、別個のシリコンダイまたは表面実装構成要素として実行されてよく、アナログまたはデジタル信号を用いて、それらの出力を信号処理回路に通信することができる。信号処理回路は、デジタルマイクロコントローラ１２を含んでよく、デジタルマイクロコントローラ１２は、変換器からのアナログおよびデジタル出力を読み取り、さらにそのデータをメモリに記憶させ、差圧測定、絶対圧力データ、湿度データ、および温度データの分析を実行して、ガス粘度を決定することができる。メモリに記憶されたルックアップテーブルまたは数式を次に使用して、熱伝導率測定値およびＣＯ_２測定値を用いて、ウォッベ指数および高位発熱量を算出することができる。

粘度、ウォッベ指数、および高位発熱量を測定するため、信号処理回路は、例えば、以下の２つの動作モードのどちらかで動作することができる：
１．ヒーター２６がオンにされ、ガスに熱を供給し、ガスの温度が、一定に保たれる。これにより、測定チャンバと毛細管のガスを受容する端部との間の圧力差が初期に急激に上昇する。測定チャンバ内のガスの温度が一定に保たれるので、ガスは毛細管を通って流れ、圧力差が指数関数的減衰で低下し、ここから時定数が測定される。圧力差がゼロに戻ったら、熱は完全にオフになり、熱が測定チャンバの壁を通じてヒートシンク３０に伝わると、ガス温度が急激に低下する。これにより、測定チャンバと毛細管の端部との間の圧力が急激に低下し、ガスが毛細管を通って戻る。ガスが戻ると、圧力は、逆指数関数的減衰としてゼロまで増加し、ここから時定数が測定される。ヒーターを再びオンにして、２つの時定数測定‐１つはガスが測定チャンバを出るときのもので、２つ目は測定チャンバがガスを引き込むときのもの‐を可能にする方法を繰り返すことによって、センサーは、連続して測定することができる。
２．第２のモードは、測定チャンバ内のガスが前述のように加熱されるが、温度を制御する必要はないものである。最大温度は、安全上の理由から（燃焼または炭化（charring）を防ぐため）制限される。これにより、圧力、およびその後毛細管を通ってキャビティから出るガス流が急激に上昇する。ガスの流れは、短時間にわたり継続することができ、その後、ヒーターがオフにされる。ガス中の熱は、測定チャンバの壁を通じてヒートシンクへと迅速に伝わり、測定チャンバと毛細管の端部との間で負の圧力差が生じる。ガスが毛細管を通って戻ると、圧力差は、逆指数関数的減衰としてゼロに戻る。この指数関数的減衰の時定数を測定する。

双方のモードで、粘度ηは、η＝α×τ×Ｐ_０として計算され、αは、センサー定数、すなわち毛細管および測定チャンバの寸法、として定められ、τは、差圧測定値の時定数であり、Ｐ_０は、センサーの外側のガスの絶対圧力である。温度データは、温度に関して変化するαの値の変動を補償するのに使用される。

センサーは、印刷回路基板１０、ハイブリッド厚膜または低温同時焼成セラミックなどの、単一または複数の平坦基板上に組み立てられ得る。これにより、粘度計、毛細管、差圧変換器、ヒーター、および測定チャンバを、信号処理回路および追加の変換器（絶対圧力変換器、温度変換器、湿度変換器、熱伝導率変換器、ＣＯ_２変換器）を構築するのに必要な電子部品と組み立てることができる。これらの構成要素は、はんだ付けされた表面実装構成要素として、または、マルチチップモジュール（ＭＣＭ）を形成するシリコンダイとして、基板上で組み立てられ得る。センサーの平坦な構造は、電子部品の組み立てに一般的に使用されるロボット式ピックアンドプレースマシンなどの自動化法を用いてセンサーが組み立てられる可能性を容易にする。これによって、センサーを低コストで製造することができる。

図１１ａおよび図１１ｂを参照して、センサーは、空気の粘度を測定するためチャンバ内に置かれた。乱流（すなわち、ランダムに変動する空気圧）を作り出すため、送風機を使用した。センサーは、測定チャンバ１６に接続されたただ１つの毛細管を備え、基準チャンバ２６は、ＵＳ２００９／０２２９３５１Ａ１に記載されたガスセンサーの構成に匹敵する構成で、乱気流に対して開いたままにされた。

差圧測定値の出力は、図１１ａの下部の曲線、および上に描かれたその自然対数によって示されている。乱気流により生じたノイズは、両方のプロットではっきり見ることができる。

第２のセンサーが、本発明のある実施形態に従って、基準チャンバ２６および毛細管２４と組み立てられて、前記の実験と同一条件下で試験された。この試験の結果が、図１１ｂに描かれており、過渡信号を変えることなく圧力測定の滑らかさが改善されたことを示している。これは、差圧のプロットおよび上に描かれたその自然対数の両方で見ることができる。

〔実施の態様〕
（１）ガス（１）の特性を測定するためのガスセンサー（２）において、
ガス粘度センサー（４）を含み、前記ガス粘度センサー（４）は、
測定されるべき前記ガス（１）と接触しているガスインターフェース部分（２０）と、
測定チャンバ（１６）、前記測定チャンバ（１６）を前記ガスインターフェース部分（２０）に流体的に接続する第１の抵抗通路（１８）、前記測定チャンバにおける圧力の変化を生じさせるように構成された圧力発生器（２５）、および前記測定チャンバ内のガスの圧力の時間依存性変動を測定するように構成された圧力センサー（２８）を含む、測定チャンバシステム（１５）と、
を含み、
前記抵抗通路を通るガスの流れに起因する、前記測定チャンバ内の圧力の時間依存性変動は、前記ガスの粘度と相関し、
前記ガス粘度センサーは、基準チャンバ、および前記基準チャンバ（２２）を前記ガスインターフェース部分（２０）に流体的に相互接続する第２の抵抗通路（２４）を含む、基準チャンバシステム（２１）をさらに含み、前記基準チャンバ（２２）は、前記測定チャンバの前記圧力センサー（２８）に連結されて、前記圧力センサーは、前記測定チャンバ内の圧力と前記基準チャンバ内の圧力との差圧を測定するように構成されていることを特徴とする、ガスセンサー。
（２）実施態様１に記載のガスセンサーにおいて、
前記第１の抵抗通路（１８）および前記第２の抵抗通路（２４）は、毛細管チャネルの形態である、ガスセンサー。
（３）実施態様１または２に記載のガスセンサーにおいて、
前記圧力センサーは、弾性的に変形可能な膜（５５）を含み、前記弾性的に変形可能な膜（５５）が変位することで、前記差圧の測定値がもたらされ、前記変形可能な膜は、前記測定チャンバに収容されたガスの体積と、前記基準チャンバに収容されたガスの体積との間のインターフェースを形成する、ガスセンサー。
（４）実施態様１〜３のいずれかに記載のガスセンサーにおいて、
前記測定チャンバシステムの前記圧力発生器（２５）は、前記測定チャンバ内に位置付けられ、その中の前記ガスを加熱するように構成されたヒーター（２６）と、前記測定チャンバ内の前記ガスを冷却する排熱器（３０）と、を含む、ガスセンサー。
（５）実施態様４に記載のガスセンサーにおいて、
前記排熱器（３０）は、前記測定チャンバ内に収容された前記ガスの熱容量よりも有意に大きい熱容量を持つ熱伝導性材料の塊で形成されたヒートシンクの形態である、ガスセンサー。

（６）実施態様５に記載のガスセンサーにおいて、
前記ヒートシンクは、８×１０^−５（ｍ^２／ｓ）超の熱拡散率を有する金属のブロックで作られている、ガスセンサー。
（７）実施態様１〜６のいずれかに記載のガスセンサーにおいて、
回路基板（１０）を含む信号処理回路（８）をさらに含む、ガスセンサー。
（８）実施態様１〜７のいずれかに記載のガスセンサーにおいて、
前記測定チャンバ（１６）は、前記測定チャンバシステムのヒートシンク（３０）に設けられたキャビティに形成されている、ガスセンサー。
（９）実施態様７に記載のガスセンサーにおいて、
前記圧力発生器は、ヒーター（２６）を含み、前記ヒーターは、前記回路基板上の抵抗回路トレースとして、または前記回路基板上に直接据え付けられる抵抗素子として形成された、抵抗体を含む、ガスセンサー。
（１０）実施態様７に記載のガスセンサーにおいて、
前記基準チャンバ（２２）は、前記測定チャンバ（１６）に対して前記回路基板の反対側に配列されている、ガスセンサー。

（１１）実施態様１０に記載のガスセンサーにおいて、
前記圧力センサー（２８）は、前記基準チャンバ内部に据え付けられ、前記回路基板のオリフィス（５３）を介して前記測定チャンバに流体的に接続されている、ガスセンサー。
（１２）実施態様１〜１１のいずれかに記載のガスセンサーにおいて、
前記ガスインターフェース部分（２０）は、測定されるべき前記ガス（１）が中を通って流れるガス流システムに、入口（４０）および出口（４２）を介して接続されるガス受容チャンバ（３８）を画定する、ハウジング（３６）を含む、ガスセンサー。
（１３）実施態様１〜１２のいずれかに記載のガスセンサーにおいて、
ＣＯ_２センサー（４４）、湿度センサー（４６）、温度センサー（４８）、熱伝導率センサー（５０）、絶対圧力センサー（５２）を含む群から選択された、１つ以上の補助センサー（６）をさらに含む、ガスセンサー。
（１４）実施態様１３に記載のガスセンサーにおいて、
前記補助センサーは、少なくともＣＯ_２センサーを含む、ガスセンサー。
（１５）実施態様１３または１４に記載のガスセンサーにおいて、
前記補助センサーのうちの少なくともいくつかは、前記ガスインターフェース部分（２０）のガス受容チャンバ（３８）内に位置付けられている、ガスセンサー。

本発明のある実施形態によるガスセンサーの概略的表示である。本発明のある実施形態によるガスセンサーの部分斜視断面図である。図２ａの一部の詳細図である。本発明のある実施形態によるガスセンサーの部分斜視断面図である。図３ａの一部の詳細図である。本発明のある実施形態によるガスセンサーの部分斜視断面図であり、図２ａのガスセンサーの別の部分斜視断面図である。図４ａの一部の詳細図である。本発明のある実施形態によるガスセンサーの測定チャンバにおける、圧力対時間挙動のグラフ表示である。本発明のある実施形態によるガスセンサーの測定チャンバにおける、圧力対時間挙動のグラフ表示である。Ｎ_２、ＣＯ_２、およびＣＨ_４というさまざまなガスの粘度対ウォッベ指数値のグラフ表示である。本発明のある実施形態によるガスセンサーの測定チャンバの温度対時間挙動のグラフ表示である。本発明のある実施形態によるガスセンサーの、組み立て中の斜視図である。本発明のある実施形態によるガスセンサーの、組み立て中の斜視図である。さまざまな温度におけるさまざまな可燃性ガスの動的粘度とウォッベ指数との既知の関係を表すグラフである。基準チャンバおよび毛細管がない（すなわち先行技術による）ガスセンサーを用いた、送風機による実験設定の吹き込み空気（experimental setup blowing air）の経時的な測定圧力の試験結果を示すグラフである。本発明のある実施形態による基準チャンバおよび毛細管を備えたガスセンサーを用いた、送風機による実験設定の吹き込み空気の経時的な測定圧力の試験結果を示すグラフである。

Claims

ガス（１）の特性を測定するためのガスセンサー（２）において、
ガス粘度センサー（４）を含み、前記ガス粘度センサー（４）は、
測定されるべき前記ガス（１）と接触しているガスインターフェース部分（２０）と、
測定チャンバ（１６）、前記測定チャンバ（１６）を前記ガスインターフェース部分（２０）に流体的に接続する第１の抵抗通路（１８）、前記測定チャンバにおける圧力の変化を生じさせるように構成された圧力発生器（２５）、および前記測定チャンバ内のガスの圧力の時間依存性変動を測定するように構成された圧力センサー（２８）を含む、測定チャンバシステム（１５）と、
を含み、
前記抵抗通路を通るガスの流れに起因する、前記測定チャンバ内の圧力の時間依存性変動は、前記ガスの粘度と相関し、
前記ガス粘度センサーは、基準チャンバ、および前記基準チャンバ（２２）を前記ガスインターフェース部分（２０）に流体的に相互接続する第２の抵抗通路（２４）を含む、基準チャンバシステム（２１）をさらに含み、前記基準チャンバ（２２）は、前記測定チャンバの前記圧力センサー（２８）に連結されて、前記圧力センサーは、前記測定チャンバ内の圧力と前記基準チャンバ内の圧力との差圧を測定するように構成されていることを特徴とする、ガスセンサー。
請求項１に記載のガスセンサーにおいて、
前記第１の抵抗通路（１８）および前記第２の抵抗通路（２４）は、毛細管チャネルの形態である、ガスセンサー。
請求項１または２に記載のガスセンサーにおいて、
前記圧力センサーは、弾性的に変形可能な膜（５５）を含み、前記弾性的に変形可能な膜（５５）が変位することで、前記差圧の測定値がもたらされ、前記変形可能な膜は、前記測定チャンバに収容されたガスの体積と、前記基準チャンバに収容されたガスの体積との間のインターフェースを形成する、ガスセンサー。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサーにおいて、
前記測定チャンバシステムの前記圧力発生器（２５）は、前記測定チャンバ内に位置付けられ、その中の前記ガスを加熱するように構成されたヒーター（２６）と、前記測定チャンバ内の前記ガスを冷却する排熱器（３０）と、を含む、ガスセンサー。
請求項４に記載のガスセンサーにおいて、
前記排熱器（３０）は、前記測定チャンバ内に収容された前記ガスの熱容量よりも有意に大きい熱容量を持つ熱伝導性材料の塊で形成されたヒートシンクの形態である、ガスセンサー。
請求項５に記載のガスセンサーにおいて、
前記ヒートシンクは、８×１０^−５（ｍ^２／ｓ）超の熱拡散率を有する金属のブロックで作られている、ガスセンサー。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサーにおいて、
回路基板（１０）を含む信号処理回路（８）をさらに含む、ガスセンサー。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスセンサーにおいて、
前記測定チャンバ（１６）は、前記測定チャンバシステムのヒートシンク（３０）に設けられたキャビティに形成されている、ガスセンサー。
請求項７に記載のガスセンサーにおいて、
前記圧力発生器は、ヒーター（２６）を含み、前記ヒーターは、前記回路基板上の抵抗回路トレースとして、または前記回路基板上に直接据え付けられる抵抗素子として形成された、抵抗体を含む、ガスセンサー。
請求項７に記載のガスセンサーにおいて、
前記基準チャンバ（２２）は、前記測定チャンバ（１６）に対して前記回路基板の反対側に配列されている、ガスセンサー。
請求項１０に記載のガスセンサーにおいて、
前記圧力センサー（２８）は、前記基準チャンバ内部に据え付けられ、前記回路基板のオリフィス（５３）を介して前記測定チャンバに流体的に接続されている、ガスセンサー。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のガスセンサーにおいて、
前記ガスインターフェース部分（２０）は、測定されるべき前記ガス（１）が中を通って流れるガス流システムに、入口（４０）および出口（４２）を介して接続されるガス受容チャンバ（３８）を画定する、ハウジング（３６）を含む、ガスセンサー。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のガスセンサーにおいて、
ＣＯ_２センサー（４４）、湿度センサー（４６）、温度センサー（４８）、熱伝導率センサー（５０）、絶対圧力センサー（５２）を含む群から選択された、１つ以上の補助センサー（６）をさらに含む、ガスセンサー。
請求項１３に記載のガスセンサーにおいて、
前記補助センサーは、少なくともＣＯ_２センサーを含む、ガスセンサー。
請求項１３または１４に記載のガスセンサーにおいて、
前記補助センサーのうちの少なくともいくつかは、前記ガスインターフェース部分（２０）のガス受容チャンバ（３８）内に位置付けられている、ガスセンサー。