JP2019174435A - ガス検出方法およびガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度を一定の確度で得ることのできるガス検出方法およびガス検出装置を提供する。【解決手段】パラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスを被検ガスとし、被検ガスの少なくとも２種以上の特性値が測定され、被検ガスの少なくとも２種以上の特性値に基づいて、被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方が算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス検出方法およびガス検出装置に関する。

例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を輸送する運搬船から陸上設備へＬＮＧを荷揚げする場合には、通常、ローディングアームが用いられている。荷揚げ後においては、ＬＮＧ気化ガスがローディングアーム内に残留している。このため、ローディングアームを切り離すに際しては、ローディングアーム内のＬＮＧ気化ガスをイナートガスでパージし、ローディングアームから排出されるＬＮＧ気化ガスの濃度が爆発下限界濃度以下になったことを確認することが求められている。特にＬＮＧ気化ガスの排出を目的としたパージの際には、イナートガスとして窒素が使用される。ここに、イナートガスとして窒素が用いられる理由は、水分や二酸化炭素などが含まれていると、水分や二酸化炭素がＬＮＧの温度で凝固し、配管内部や機器を損傷させるおそれがあるためである。

一般に、可燃性ガスの検出にあっては、例えば接触燃焼式ガスセンサ、半導体式ガスセンサもしくは非分散型赤外線式センサなどが用いられている。例えば特許文献１には、ＬＮＧ気化ガスやＬＰＧ気化ガスを接触燃焼式ガス検知器により検出することが記載されている。

特開２０１３−２３４９７３号公報

而して、ＬＮＧの主成分はメタンであるが、エタン、プロパン、ブタンなどのパラフィン系炭化水素成分も含まれており、ＬＮＧの組成は産出地によって異なる。
ローディングアーム内のＬＮＧ気化ガスをイナートガスでパージすることにより排出されるガスは、初期時には気化しやすいメタンが多く含まれたものであるが、時間経過と共に、エタン、プロパン、ブタンなどの沸点の高いパラフィン系炭化水素成分の割合が高いものとなる。このようなＬＮＧ気化ガスの組成の経時的変化の傾向は、ＬＮＧの産出地によって異なり、また、組成の経時的変化の傾向を予想することが困難である。このため、イナートガスをベースガスとするＬＮＧ気化ガスについて、パラフィン系炭化水素成分の総濃度の、爆発下限界濃度に対する百分率を示す爆発下限界百分率濃度を測定する場合には、ＬＮＧ気化ガスに含まれるいずれのパラフィン系炭化水素成分に対しても、同等の感度レベルを有するガスセンサが必要となる。

しかしながら、接触燃焼式センサや半導体式センサは、検知原理上、酸素が不可欠であるため、窒素ガスのようなイナートガス中のパラフィン系炭化水素成分の濃度を検出することはできない。一方、非分散型赤外線式センサでは、ＬＮＧに含まれる複数種のパラフィン系炭化水素成分を同一の感度レベルで検出することができない。
このように、例えばイナートガスをベースガスとするＬＮＧ気化ガスに含まれるすべてのパラフィン系炭化水素成分に対して、同等の感度レベルを有するガスセンサは存在しないのが実情であった。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、イナートガスをベースガスとして含む被検ガスであっても、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度を一定の確度で得ることのできるガス検出方法およびガス検出装置を提供することを目的とする。

本発明のガス検出方法は、パラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスを被検ガスとし、
前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値を測定し、
前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することを特徴とする。

本発明のガス検出方法においては、
前記少なくとも２種以上の特性値が、前記被検ガスの屈折率と比重とを含み、
前記被検ガスと前記被検ガスにおけるベースガスとの比重差（Δｓ）の、前記被検ガスと前記ベースガスとの屈折率差（Δｎ）に対する比率（Δｓ／Δｎ）に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することが好ましい。

さらにまた、本発明のガス検出方法においては、被検ガスが、イナートガスをベースガスとして含む、ＬＮＧ気化ガスまたはＬＰＧ気化ガスであることが好ましく、イナートガスが窒素ガスであることが好ましい。

さらにまた、本発明のガス検出方法においては、前記被検ガスと前記被検ガスのベースガスである窒素ガスとの比重差（Δｓ）を、特定の炭化水素成分と窒素ガスとの比重差（Δｓ_Ｈ）により規格化して比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_Ｈ）を算出すると共に、前記被検ガスと窒素ガスとの屈折率差（Δｎ）を、前記特定の炭化水素成分と窒素ガスとの屈折率差（Δｎ_Ｈ）により規格化して屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_Ｈ）を算出し、
前記比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_Ｈ）の、前記屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_Ｈ）に対する比率を算出することが好ましい。

さらにまた、本発明のガス検出方法においては、前記特定の炭化水素成分がメタンガスであって、メタンガスを基準に規格化した比重差規格化値の屈折率差規格化値に対する比率をＸ軸とし、爆発下限界濃度をＹ軸とするＸ−Ｙ座標系において、下記数式（１−ａ）で示される曲線と下記数式（１−ｂ）で示される曲線との間の領域内に含まれる曲線または折れ線で示される検量線に基づいて、被検ガスの爆発下限界濃度を算出することが好ましい。

上記数式（１−ａ）および数式（１−ｂ）において、ｙは爆発下限界濃度〔ｖｏｌ％〕、ｘはメタンガスを基準に規格化した比重差規格化値の屈折率差規格化値に対する比率である。

さらにまた、本発明のガス検出方法においては、メタンガスを基準に規格化した比重差規格化値の屈折率差規格化値に対する比率をｘ、被検ガスと窒素ガスとの屈折率差をΔｎ、メタンガスと窒素ガスとの屈折率差をΔｎ_ＣＨ４としたとき、被検ガスにおける炭化水素成分の総濃度ｙ’を下記数式（２）に基づいて算出することが好ましい。

また、本発明のガス検出方法においては、前記特性値が、屈折率、熱伝導率、比重および音速のうちの少なくとも２種以上を含み、前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値を含む所定の関数で演算した値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することが好ましい。
さらにまた、本発明のガス検出方法においては、少なくとも２種以上の特性値が屈折率と熱伝導率とを含み、前記被検ガスの熱伝導率に基づく値に係数αを乗じた値と、前記被検ガスの屈折率に基づく値に係数βを乗じた値を加算した値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することが好ましい。

本発明のガス検出装置は、パラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスを被検ガスとし、
前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値を測定するそれぞれ特性値測定手段と、前記被検ガスのそれぞれの特性値に基づいて演算する演算手段を有し、前記演算手段は、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度を算出するＨＣ成分濃度算出手段および前記被検ガスの爆発下限界濃度を算出するＬＥＬ算出手段のいずれか一方または両方を備えていることを特徴とする。

本発明のガス検出装置においては、前記特性値測定手段が、前記被検ガスの屈折率を測定する屈折率測定手段と、比重を測定する比重測定手段であり、
前記被検ガスと前記被検ガスにおけるベースガスとの比重差（Δｓ）の、前記被検ガスと前記被検ガスにおけるベースガスとの屈折率差（Δｎ）に対する比率（Δｓ／Δｎ）を出する比率算出手段と、
前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度を前記比率に基づいて算出するＨＣ成分濃度算出手段および前記被検ガスの爆発下限界濃度を算出するＬＥＬ算出手段のいずれか一方または両方を備えていることが好ましい。
また、本発明のガス検出装置においては、前記ＨＣ成分濃度算出手段および前記ＬＥＬ算出手段の両方を備えており、
被検ガスのパラフィン系炭化水素成分の総濃度の、前記被検ガスの爆発下限界濃度に対する百分率を示す爆発下限界百分率濃度を算出する爆発下限界百分率濃度算出手段をさらに備えた構成とされることが好ましい。
また、本発明のガス検出装置においては、被検ガスが、イナートガスをベースガスとして含む、ＬＮＧ気化ガスまたはＬＰＧ気化ガスであることが好ましく、イナートガスが窒素ガスであることが好ましい。

本発明のガス検出装置は、パラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスを被検ガスとし、前記被検ガスの屈折率を測定する屈折率測定手段と、前記被検ガスの他の特性値を入力可能な入力手段と、前記被検ガスの他の特性値と前記被検ガスの屈折率に基づいて演算する演算手段を有し、前記演算手段は、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度を算出するＨＣ成分濃度算出手段および前記被検ガスの爆発下限界濃度を算出するＬＥＬ算出手段のいずれか一方または両方を備えていることを特徴とする。
また、本発明のガス検出装置においては、他の特性値が熱伝導率であり、前記演算手段は、前記被検ガスの熱伝導率に基づく値と前記被検ガスの屈折率に基づく値とを含む所定の関数で演算した値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することが好ましい。
また、本発明のガス検出装置においては、他の特性値が熱伝導率であり、前記演算手段は、前記被検ガスの熱伝導率に基づく値に係数αを乗じた値と、前記被検ガスの屈折率に基づく値に係数βを乗じた値を加算した値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することが好ましい。
さらにまた、本発明のガス検出装置においては、前記ＨＣ成分濃度算出手段および前記ＬＥＬ算出手段の両方を備えており、
被検ガスのパラフィン系炭化水素成分の総濃度の、前記被検ガスの爆発下限界濃度に対する百分率を示す爆発下限界百分率濃度を算出する爆発下限界百分率濃度算出手段をさらに備えた構成とされることが好ましい。

本発明のガス検出方法およびガス検出装置によれば、パラフィン系炭化水素成分の組成比にかかわらず、被検ガスに含まれるパラフィン系炭化水素成分の総濃度、被検ガスの爆発下限界濃度、および爆発下限界百分率濃度を一定の確度で得ることができる。

本発明のガス検出装置の第１実施形態における構成を概略的に示すブロック図である。 比重差規格化値の屈折率差規格化値に対する比率と、爆発下限界濃度との相関関係の一例を示すグラフである。 実験例１〜３において用いた複数種の試験用ガスの各々についての、本発明に係るガス検出方法により得られた爆発下限界百分率濃度の値と、ＩＥＣ規格に準拠して得られた爆発下限界百分率濃度の値との関係を示すグラフである。 本発明のガス検出装置の第２実施形態における構成を概略的に示すブロック図である。 複数種の試験用ガスの各々についての、本発明に係るガス検出方法により得られた屈折率に基づく値（Ｃ１の爆発下限界百分率濃度１００％を１としたときの値：Ｘ_ＯＰＴ）と、ＩＥＣ規格に準拠して得られた爆発下限界百分率濃度の値との関係を示すグラフである。 複数種の試験用ガスの各々についての、本発明に係るガス検出方法により得られた熱伝導率に基づく値（Ｃ１の爆発下限界百分率濃度１００％を１としたときの値：Ｘ_Ｔ．Ｃ．）と、ＩＥＣ規格に準拠して得られた爆発下限界百分率濃度の値との関係を示すグラフである。 複数種の試験用ガスの各々についての、本発明に係るガス検出方法の所定の関数による演算で得られた爆発下限界百分率濃度の値と、ＩＥＣ規格に準拠して得られた爆発下限界百分率濃度の値との関係を示すグラフである。 複数種の試験用ガスの各々についての、本発明に係るガス検出方法の被検ガスの熱伝導率に基づく値（Ｃ１の爆発下限界百分率濃度１００％を１としたときの値：Ｘ_Ｔ．Ｃ．）に係数αを乗じた値（αＸ_Ｔ．Ｃ．）と被検ガスの屈折率に基づく値（Ｃ１の爆発下限界百分率濃度１００％を１としたときの値：Ｘ_ＯＰＴ）に係数βを乗じた値（βＸ_ＯＰＴ）の加算で得られた爆発下限界百分率濃度の値と、ＩＥＣ規格に準拠して得られた爆発下限界百分率濃度の値との関係を示すグラフである。 本発明のガス検出装置の第３実施形態における構成を概略的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明のガス検出方法および前記ガス検出方法が実行される本発明のガス検出装置においては、パラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスが被検ガスとされる。
被検ガスとしては、例えば、窒素ガスなどのイナートガスまたは空気をベースガスとして含む、パラフィン系炭化水素を主成分とするＬＮＧ気化ガスやＬＰＧ気化ガスなどを例示することができる。具体的には例えば、ＬＮＧまたはＬＰＧの陸揚げ作業終了後のローディングアーム内に残留するＬＮＧ気化ガスまたはＬＰＧ気化ガスをイナートガスでパージすることにより前記ローディングアーム内から排出されるガスなどを例示することができる。

図１は、本発明のガス検出装置の第１実施形態における構成を概略的に示すブロック図である。
このガス検出装置は、被検ガスの物性値を測定するガス検出部１０と、ガス検出部１０から出力されるデータを処理する演算処理部２０とを有する。

ガス検出部１０は、被検ガスの音速Ｖ_ｄを測定する音速測定手段１１と、前記被検ガスの屈折率ｎ_ｄを測定する屈折率測定手段１５とを備えている。このガス検出装置においては、図１において白抜きの矢印で示されるように、被検ガスは、音速測定手段１１および屈折率測定手段１５に順次に供給される。

音速測定手段１１としては、例えば超音波式センサを用いることができる。超音波式センサは、一端に音波発信源が設けられると共に他端に音波受信源が設けられた測定管を備えた構成とされる。超音波式センサにおいては、測定管内に被検ガスを流通させた状態において、音波発信源からの音波が被検ガス中を伝播して音波受信源に至るまでに要する時間（伝播時間）が測定され、その伝播時間の値から被検ガスの音速Ｖ_ｄが求められる。

屈折率測定手段１５としては、例えば、被検ガスと例えば空気などの参照ガスとの光の屈折率の相異を干渉縞の変位として検出し、この変位量に基づいて、被検ガスの屈折率ｎ_ｄを測定する光波干渉計を用いることができる。

演算処理部２０は、被検ガスの比重Ｓ_ｄを被検ガスの音速Ｖ_ｄの値および被検ガスの屈折率ｎ_ｄの値に基づいて求める比重測定機構２５を備えている。

比重測定機構２５は、音速測定手段１１によって測定された被検ガスの音速Ｖ_ｄの値に基づいて音速換算比重Ｓ_ａを求める音速−比重換算処理手段２６と、屈折率測定手段１５によって測定された被検ガスの屈折率ｎ_ｄの値に基づいて屈折率換算比重Ｓ_ｄを求める屈折率−比重換算処理手段２７と、音速換算比重Ｓ_ａおよび屈折率換算比重Ｓ_ｂに基づいて被検ガスの比重Ｓ_ｄを求める比重算出手段２８とを備えている。

音速−比重換算処理手段２６は、例えばパラフィン系炭化水素成分のみからなる特定ガスについて予め取得しておいた前記特定ガスの音速と比重との相関関係を利用して、被検ガスの音速換算比重Ｓ_ａを算出する。具体的には、被検ガスが特定ガスであると仮定して、被検ガスについて取得された音速Ｖ_ｄの値を相関関係に対照することにより音速換算比重Ｓ_ａを算出する。

屈折率−比重換算処理手段２７は、例えばパラフィン系炭化水素成分のみからなる特定ガスについて予め取得しておいた前記特定ガスの屈折率と比重との相関関係を利用して、被検ガスの屈折率換算比重Ｓ_ｂを算出する。具体的には、被検ガスが特定ガスであると仮定して、被検ガスについて取得された屈折率ｎ_ｄの値を相関関係に対照することにより屈折率換算比重Ｓ_ｂを算出する。

比重算出手段２８は、音速−比重換算処理手段２６によって得られる音速換算比重Ｓａ と、屈折率−比重換算処理手段２７によって得られる屈折率換算比重Ｓｂ とに基づいて、下記数式（３）により、被検ガスの比重Ｓ_ｄを算出する。ここに、被検ガスの比重Ｓ_ｄの値、音速換算比重Ｓ_ａの値および屈折率換算比重Ｓ_ｂの値は、いずれも、空気の比重を１としたときの値である。

上記数式（３）におけるαは補正因子である。補正因子αは、例えば２．４以上９．３以下の数値範囲内の値とされることが好ましく、より好ましくは、３．０以上６．２以下の数値範囲内の値とされる。
補正因子αが上記の数値範囲内の値であることにより、被検ガスに混入ガスが含有されている場合であっても、その混入ガスの組成および被検ガスの組成にかかわらず、得られる被検ガスの比重Ｓ_ｄの値が、前記被検ガスの比重の真値との差が小さいものとなる。

而して、このガス検出装置における演算処理部２０は、被検ガスの比重Ｓ_ｄに係るデータと、前記被検ガスの屈折率ｎ_ｄに係るデータとの比率を算出する比率算出手段３０と、前記被検ガスの爆発下限界濃度ｙを前記比率に基づいて算出するＬＥＬ算出手段３５と、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’を前記比率に基づいて算出するＨＣ成分濃度算出手段４０と、被検ガスの爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌを、被検ガスの爆発下限界濃度ｙと前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’とに基づいて算出する爆発下限界百分率濃度算出手段４５とを備えている。

比率算出手段３０は、被検ガスと前記被検ガスにおけるベースガスとの比重差（Δｓ）の、前記被検ガスと前記被検ガスにおけるベースガスとの屈折率差（Δｎ）に対する比率（Δｓ／Δｎ）を算出する。

また、比率算出手段３０は、被検ガスとベースガスとの比重差（Δｓ）および被検ガスとベースガスとの屈折率差（Δｎ）を規格化し、これにより得られる各々の規格化値を被検ガスの比重Ｓ_ｄに係るデータおよび被検ガスの屈折率ｎ_ｄに係るデータとして用いて比率を算出する機能を有することが好ましい。
具体的には、被検ガスとベースガスとの比重差（Δｓ）を、特定の炭化水素成分と前記ベースガスとの比重差（Δｓ_Ｈ）で規格化して比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_Ｈ）を算出する。また、被検ガスとベースガスとの屈折率差（Δｎ）を、特定の炭化水素成分と前記ベースガスとの屈折率差（Δｎ_Ｈ）を基準として規格化して屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_Ｈ）を算出する。
被検ガスの比重に係るデータの、被検ガスの屈折率に係るデータに対する比率を、規格化値を用いて算出することにより、被検ガスの組成にかかわらず、一定基準で評価を行うことができる。ここに、特定の炭化水素成分は、メタンガスであることが好ましい。この理由は、比率算出手段３０によって得られる比率ｘを最大値が１となるよう規格化（正規化）することができるためである。

メタンガスを基準として規格化した比重差規格化値の、屈折率差規格化値に対する比率ｘは、例えば下記数式（４）によって、算出される。下記数式（４）において、Δｎは、被検ガスと窒素ガスとの屈折率差（ｎ−ｎ_Ｎ２）、Δｎ_ＣＨ４は、メタンガスと窒素ガスとの屈折率差（ｎ_ＣＨ４−ｎ_Ｎ２）、Δｓは、被検ガスと窒素ガスとの比重差（ｓ−ｓ_Ｎ２）、Δｓ_ＣＨ４は、メタンガスと窒素ガスとの比重差（ｓ_ＣＨ４−ｓ_Ｎ２）である。
なお、下記数式（４）において、被検ガスにおけるベースガスが例えば空気である場合には、窒素ガスの屈折率ｎ_Ｎ２および比重ｓ_Ｎ２に代えて空気の屈折率および比重を用いればよい。また、メタンガス以外の特定の炭化水素成分を基準としてデータを規格化する場合には、メタンガスの屈折率ｎ_ＣＨ４および比重ｓ_ＣＨ４に代えて基準とされる特定の炭化水素成分の屈折率および比重を用いればよい。

ＬＥＬ算出手段３５は、比率算出手段３０によって得られた比率ｘと、爆発下限界濃度ｙとの相関関係を示す検量線に基づいて、被検ガスの爆発下限界濃度ｙ〔ｖｏｌ％〕を算出する。
検量線は、例えば、メタンガスを基準に規格化した比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_ＣＨ４）の、屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_ＣＨ４）に対する比率ｘをＸ軸とし、爆発下限界濃度をＹ軸とするＸ−Ｙ座標系において、上記数式（１−ａ）で示される曲線と上記数式（１−ｂ）で示される曲線との間の領域内に含まれる曲線または折れ線で近似されるものである。このようにして検量線が設定される理由は次に示すとおりである。

先ず、パラフィン系炭化水素成分を主成分とする互いに組成の異なる複数種の試験用ガス各々の比重および屈折率を実際に測定し、メタンガスを基準に規格化した比重差規格化値の屈折率差規格化値に対する比率ｘを算出する。また、各々の試験用ガスの組成に基づいて爆発下限界濃度（理論値）を算出し、このようにして得られた各実測値を、比率ｘをＸ軸とし、爆発下限界濃度をＹ軸とするＸ−Ｙ座標系にプロットした。その結果、図２において実線で示すように、試験用ガスの組成にかかわらず、比率ｘと爆発下限界濃度ｙとの関係を一の曲線（以下、「基準検量線」という。）Ｃｓで描くことができることが確認された。ここに、基準検量線Ｃｓは、下記数式（５）により示される曲線である。

一方、各種のパラフィン系炭化水素成分の爆発下限界濃度の値が、例えばＩＥＣ規格、ＩＳＯ規格あるいはＩＣＳＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓａｆｔｙ Ｃａｒｄ，国際化学物質安全カード）において示されているが、同一の炭化水素成分であっても、爆発下限界濃度ｙの値として互いに異なる値が示されているものもある。例えば、イソブタンガス（ｘ＝−０．３５）についての爆発下限界濃度の値は、ＩＥＣ規格では１．３ｖｏｌ％（図２における丸印のプロット）、ＩＳＯ規格では１．５ｖｏｌ％（図２における三角印のプロット）、ＩＣＳＣでは、１．８ｖｏｌ％（図２における四角印のプロット）とされている。なお、図２においては、メタンガス（ｘ＝１．００）、エタンガス（ｘ＝−０．０６）およびプロパンガス（ｘ＝−０．２６）の値も示されており、丸印のプロットがＩＥＣ規格に基づく値、三角印のプロットがＩＳＯ規格に基づく値、四角印がＩＣＳＣに基づく値である。
このため、本発明においては、基準検量線Ｃｓにより得られる爆発下限界濃度ｙの値についての許容範囲βが、各々の規格による各種の炭化水素成分の爆発下限界濃度の値に基づいて設定される。許容範囲βは、基準検量線Ｃｓにより得られる爆発下限界濃度ｙの値に対して例えば−０．２ｖｏｌ％以上０．７ｖｏｌ％以下の範囲とされることが好ましい。すなわち、図２において破線で示す曲線（ａ）が許容範囲の上限を示す曲線となり、曲線（ｂ）が許容範囲の下限を示す曲線となる。従って、曲線（ａ）と曲線（ｂ）との間の領域内で設定された曲線または折れ線を検量線として設定すれば、爆発下限界濃度ｙを一定の確度で得ることができる。

ＨＣ成分濃度算出手段４０は、被検ガスに含まれるパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’〔ｖｏｌ％〕を比率算出手段３０によって得られた比率ｘの値に基づいて、上記数式（２）により算出する。
なお、ベースガスが空気である場合や、被検ガスの屈折率に係るデータおよび比重に係るデータの規格化に際して基準とされる特定の炭化水素成分がメタンガス以外の炭化水素成分に設定される場合には、上記数式（１−ａ）、（１−ｂ）および上記数式（２）における係数の値を適宜変更すればよい。

爆発下限界百分率算出手段４５は、ＬＥＬ算出手段３５によって得られた爆発下限界濃度ｙの値と、ＨＣ成分濃度算出手段４０によって得られたパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’の値とに基づいて、爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌ［％ＬＥＬ］を算出する。爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌは、パラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’の、爆発下限界濃度ｙに対する百分率を示す値であって、ｙ_Ｌ＝（ｙ’／ｙ）×１００により求められる。

以下、上記のガス検出装置によるガス検出動作について、被検ガスがベースガスとして窒素ガスを含むものである場合を例に挙げて説明する。

上記のガス検出装置においては、被検ガスが音速測定手段１１および屈折率測定手段１５の各々に供給されると共に、例えば空気などの参照ガスが屈折率測定手段１５に供給される。これにより、被検ガスの音速Ｖ_ｄが音速測定手段１１によって測定されると共に前記被検ガスの屈折率ｎ_ｄが屈折率測定手段１５によって測定される。比重測定機構２５においては、測定された被検ガスの音速Ｖ_ｄの値に基づいて、被検ガスの音速換算比重Ｓ_ａが音速−比重換算処理手段２６によって求められる。また、測定された被検ガスの屈折率ｎ_ｄの値に基づいて、被検ガスの屈折率換算比重Ｓ_ｂが屈折率−比重換算処理手段２７によって求められる。このようにして得られた音速換算比重Ｓ_ａの値および屈折率換算比重Ｓ_ｂの値に基づいて、被検ガスの比重Ｓ_ｄが比重算出手段２８によって算出される。

比率算出手段３０においては、先ず、被検ガスと窒素ガスとの比重差Δｓが、例えばメタンガスと窒素ガスとの比重差Δｓ_ＣＨ４で規格化されることにより、比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_ＣＨ４）が算出される。また、被検ガスと窒素ガスとの屈折率差Δｎが、例えばメタンガスと窒素ガスとの屈折率差Δｎ_ＣＨ４で規格化されることにより、屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_ＣＨ４）が算出される。次いで、比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_ＣＨ４）および屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_ＣＨ４）に基づいて、上記数式（４）によって、比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_ＣＨ４）の、屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_ＣＨ４）に対する比率ｘが算出される。

以上のようにして得られた比率ｘに基づいて、ＬＥＬ算出手段３５においては、被検ガスの爆発下限界濃度ｙが、例えば上記数式（５）で示される基準検量線Ｃｓによって算出される。また、前記比率ｘに基づいて、上記数式（２）によって、被検ガスに含まれるパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’がＨＣ成分濃度算出手段４０によって算出される。
さらに、被検ガスの爆発下限界濃度ｙの値とパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’の値とに基づいて、被検ガスの爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌが爆発下限界百分率濃度算出手段４５によって算出される。

而して、上記のガス検出方法によれば、被検ガスにおけるベースガスが例えば窒素ガスなどのイナートガスであっても、パラフィン系炭化水素成分の組成比にかかわらず、被検ガスの爆発下限界濃度ｙ、被検ガスに含まれるパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’および爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌを一定の確度で得ることができる。
また、これらの特性値の算出にあっては、各々物理センサよりなる音速測定手段１１および屈折率測定手段１５により取得された屈折率の値および音速の値が用いられるので、高い応答速度を得ることができて連続測定を行うことができる。しかも、物理センサは、感度の劣化が生じにくいものであるため、信頼性の高いガス検出を行うことができる。

このようなガス検出方法が実行される上記のガス検出装置は、例えば燃料ガスの陸揚げ作業終了後のローディングアーム内に残留する燃料ガスが気化されたガスを窒素ガスでパージすることにより前記ローディングアーム内から排出されるガスの検出を行う場合に好適なものとなる。
例えばＬＮＧ船において用いられるローディングアーム内から排出されるガスは、窒素ガスのパージが開始された初期時においては、気化しやすい炭化水素成分であるメタンを多く含むガスが排出され、時間経過と共にエタン、プロパン、ブタンなどの高沸点の炭化水素成分の割合が多くなったガスが排出される。また、ローディングアーム内から排出されるガスの時間経過に伴う組成の変化の程度は、ＬＮＧの産地によって異なるものとなり、予想しにくいものである。然るに、上記のガス検出装置によれば、前記被検ガスに含まれるパラフィン系炭化水素成分の組成比にかかわらず、ローディングアーム内に残留するガスが爆発下限界濃度以下となったことを高い信頼性で検出することができる。また、窒素ガスによるパージ作業を効率的に行うことができる。

以下、本発明の第１実施形態による実験例について説明する。

〔実験例１〕
メタンガス（ＣＨ_４）およびエタンガス（Ｃ_２Ｈ_６）よりなる混合ガス（ＣＨ_４：Ｃ_２Ｈ_６＝５０：５０）を窒素ガスで希釈した、パラフィン系炭化水素成分の総濃度が互いに異なる複数種の試験用ガスを用意した。
図１に示す構成のガス検出装置を用いて、各々の試験用ガスにおける爆発下限界百分率濃度〔％ＬＥＬ〕（以下、「実測値」という。）を求めた。ここに、試験用ガスの比重は、上記式（３）により、補正因子αの値を３．３２とする条件で算出した。また、試験用ガスの爆発下限界濃度は、上記数式（５）により示される基準検量線に基づいて算出した。さらにまた、試験用ガスに含まれるパラフィン系炭化水素成分の総濃度は、上記数式（２）により算出した。
また、ＩＥＣ規格に準拠した方法により、各々の試験用ガスの爆発下限界百分率濃度〔％ＬＥＬ〕（以下、「理論値」という。）を算出した。
以上のようにして得られたデータを、横軸を理論値、縦軸を測定値とするグラフ上にプロットした。結果を図３において菱形印のプロットで示す。図３において破線で示す直線は、理論値と測定値とが一致した理想直線である。

〔実験例２〕
メタンガス（ＣＨ_４）、エタンガス（Ｃ_２Ｈ_６）およびプロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）よりなる混合ガス（ＣＨ_４：Ｃ_２Ｈ_６：Ｃ_３Ｈ_８＝３３．３：３３．３：３３．３）を窒素ガスで希釈した、パラフィン系炭化水素成分の総濃度が互いに異なる複数種の試験用ガスを用意した。
実験例１と同様にして、各々の試験用ガスの爆発下限界百分率濃度の実測値および理論値を求めた。結果を図３において丸印のプロットで示す。

〔実験例３〕
エタンガス（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）およびイソブタンガス（ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０）よりなる混合ガス（Ｃ_２Ｈ_６：Ｃ_３Ｈ_８：ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０＝３３．３：３３．３：３３．３）を窒素ガスで希釈した、パラフィン系炭化水素成分の総濃度が互いに異なる複数種の試験用ガスを用意した。
実験例１と同様にして、各々の試験用ガスの爆発下限界百分率濃度の実測値および理論値を求めた。結果を図３において四角印のプロットで示す。

以上の結果より明らかなように、本発明によれば、ガスの組成にかかわらず、爆発下限界百分率濃度を理論値に対して一定の誤差範囲内で得ることができることが確認された。

また、ＩＳＯ規格やＩＣＳＣに基づく理論値に対しても、爆発下限界百分率濃度を一定の誤差範囲内で得ることができることが確認された。
さらにまた、一つの炭化水素成分、例えばメタン、エタン、ブタンもしくはイソブタンを主成分とする単ガスについても、実験例１と同様にして爆発下限界単位濃度を求めたところ、いずれの規格による理論値に対しても、爆発下限界単位濃度を一定の誤差範囲内で得ることができることが確認された。

図４は、本発明のガス検出装置の第２実施形態における構成を概略的に示すブロック図である。
このガス検出装置は、被検ガスの物性値を測定するガス検出部１０と、ガス検出部１０から出力されるデータを処理する演算処理部２０とを有する。
ガス検出部１０は、被検ガスの熱伝導率ｍ_ｄを測定する熱伝導率測定手段１２と、前記被検ガスの屈折率ｎ_ｄを測定する屈折率測定手段１５とを備えている。このガス検出装置においては、図４において白抜きの矢印で示されるように、被検ガスは、熱伝導率測定手段１２および屈折率測定手段１５に順次に供給される。

このガス検出装置における演算処理部２０は、被検ガスの屈折率ｎ_ｄに基づく値Ｘ_ＯＰＴ、および、熱伝導率ｍ_ｄに基づく値Ｘ_Ｔ．Ｃ．とを演算する算出手段３０と、被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’を屈折率ｎ_ｄに基づく値Ｘ_ＯＰＴ、及び、熱伝導率ｍ_ｄに基づく値Ｘ_Ｔ．Ｃ．から算出するＨＣ成分濃度算出手段４０と、被検ガスの爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌを屈折率ｎ_ｄに基づく値Ｘ_ＯＰＴ、及び、熱伝導率ｍ_ｄに基づく値Ｘ_Ｔ．Ｃ．から算出する爆発下限界百分率濃度算出手段４５とを備えている。

演算処理部２０においては、メタンガスを基準としてメタンガスの爆発下限界百分率濃度１００％を１とした場合の、被検ガスの熱伝導率ｍ_ｄに基づく値Ｘ_Ｔ．Ｃ．、および、屈折率ｎ_ｄに基づく値Ｘ_ＯＰＴを求める。
図５、６に示すように、屈折率ｎ_ｄに基づく値Ｘ_ＯＰＴは、被検ガスのパラフィン系炭化水素成分の炭素数（Ｃｎで表す：混合ガスの場合平均炭素数）が大きいほど大きい値となり、熱伝導率ｍ_ｄに基づく値Ｘ_Ｔ．Ｃ．は被検ガスのパラフィン系炭化水素成分の炭素数が大きいほど小さい値となる。
また、いずれも常にゼロ以上の値となる。

爆発下限界百分率濃度算出手段４５は、Ｘ_Ｔ．Ｃ．とＸ_ＯＰＴに基づいて、被検ガスの爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌを演算する。
成分濃度算出手段４０は、Ｘ_Ｔ．Ｃ．とＸ_ＯＰＴに基づいて、被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度ｙ’を演算する。
パラフィン系炭化水素成分は、熱伝導率ｍ_ｄに基づく値Ｘ_Ｔ．Ｃ．、および、屈折率ｎ_ｄに基づく値Ｘ_ＯＰＴにおいて図５、６に示す特性を有するため、被検ガスの成分比が不明であっても爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌ、総濃度ｙ’が算出可能である。

爆発下限界百分率濃度算出手段４５による、被検ガスの爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌの演算は、図５、６の関係から、例えば以下の関数式で近似できる。
上記関数演算により算出した、被検ガスの爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌと理論値の相関は、図７に示すように、極めて正確である。

また、図５、６に示すように、Ｘ_Ｔ．Ｃ．とＸ_ＯＰＴは、基準となるメタンガスの値に対してほぼ逆比例しているので、例えば、以下の式に示すように、Ｘ_Ｔ．Ｃ．とＸ_ＯＰＴにそれぞれ係数をかけて加算する単純な式でも近似できる。
上記加算により算出した、被検ガスの爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌと理論値の相関は、図８に示すように、実用上問題ないレベルで正確である。

図９は、本発明のガス検出装置の第３実施形態における構成を概略的に示すブロック図である。
このガス検出装置は、ガス検出部１０が、被検ガスの屈折率ｎ_ｄを測定する屈折率測定手段１５のみ有し、熱伝導率ｍ_ｄについては演算処理部２０に設けられた入力手段５０おいて、直接入力された値ｍから求めるように構成されており、その他の構成、演算の流れは、前述の第３実施形態と同様である。

本実施形態によれば、公知の屈折率測定によるガス検出器に、機能を追加するだけでよく、他の特性値を利用した公知のガス検出器で読み取った値を入力するだけで、被検ガスの成分が特定されていなくても、容易に爆発下限界百分率濃度ｙ_Ｌを知ることが可能となる。
なお、第２実施形態、第３実施形態において、検出する被検ガスの特性値を屈折率と熱伝導率としたが、例えば、熱伝導率と比重、熱伝導率と音速等、異なる値が得られる２種以上の特性値であれば、いかなる組み合わせであってもよい。

本発明は、イナートガスをベースガスとするパラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスについて、前記混合ガスのパラフィン系炭化水素成分の濃度を爆発下限界百分率濃度で特定することができるので、例えば、燃料ガスの陸揚げ作業終了後のローディングアーム内に残留するガスの検出を行うに際して、極めて有用なものとなることが期待される。

１０ ガス検出部
１１ 音速測定手段
１２ 熱伝導率測定手段
１５ 屈折率測定手段
２０ 演算処理部
２５ 比重測定機構
２６ 音速−比重換算処理手段
２７ 屈折率−比重換算処理手段
２８ 比重算出手段
３０ 比率算出手段
３５ ＬＥＬ算出手段
４０ ＨＣ成分濃度算出手段
４５ 爆発下限界百分率濃度算出手段
５０ 入力手段

Claims (18)

1. パラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスを被検ガスとし、
   前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値を測定し、
   前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することを特徴とするガス検出方法。
2. 前記少なくとも２種以上の特性値が前記被検ガスの屈折率と比重とを含み、
   前記被検ガスと前記被検ガスにおけるベースガスとの比重差（Δｓ）の、前記被検ガスと前記ベースガスとの屈折率差（Δｎ）に対する比率（Δｓ／Δｎ）に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
3. 被検ガスが、イナートガスをベースガスとして含む、ＬＮＧ気化ガスまたはＬＰＧ気化ガスであることを特徴とする請求項２に記載のガス検出方法。
4. イナートガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項３に記載のガス検出方法。
5. 前記被検ガスと前記被検ガスのベースガスである窒素ガスとの比重差（Δｓ）を、特定の炭化水素成分と窒素ガスとの比重差（Δｓ_Ｈ）により規格化して比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_Ｈ）を算出すると共に、前記被検ガスと窒素ガスとの屈折率差（Δｎ）を、前記特定の炭化水素成分と窒素ガスとの屈折率差（Δｎ_Ｈ）により規格化して屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_Ｈ）を算出し、
   前記比重差規格化値（Δｓ／Δｓ_Ｈ）の、前記屈折率差規格化値（Δｎ／Δｎ_Ｈ）に対する比率を算出することを特徴とする請求項４に記載のガス検出方法。
6. 前記特定の炭化水素成分がメタンガスであって、
   メタンガスを基準に規格化した比重差規格化値の屈折率差規格化値に対する比率をＸ軸とし、爆発下限界濃度をＹ軸とするＸ−Ｙ座標系において、下記数式（１−ａ）で示される曲線と下記数式（１−ｂ）で示される曲線との間の領域内に含まれる曲線または折れ線で示される検量線に基づいて、被検ガスの爆発下限界濃度を算出することを特徴とする請求項５に記載のガス検出方法。
   〔上記数式（１−ａ）および数式（１−ｂ）において、ｙは爆発下限界濃度〔ｖｏｌ％〕、ｘはメタンガスを基準に規格化した比重差規格化値の屈折率差規格化値に対する比率である。〕
7. メタンガスを基準に規格化した比重差規格化値の屈折率差規格化値に対する比率をｘ、被検ガスと窒素ガスとの屈折率差をΔｎ、メタンガスと窒素ガスとの屈折率差をΔｎ_ＣＨ４としたとき、被検ガスにおける炭化水素成分の総濃度ｙ’を下記数式（２）に基づいて算出することを特徴とする請求項６に記載のガス検出方法。
   
8. 前記特性値が、屈折率、熱伝導率、比重および音速のうちの少なくとも２種以上を含み、
   前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値に基づく値を含む所定の関数で演算した値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
9. 前記少なくとも２種以上の特性値が屈折率と熱伝導率とを含み、
   前記被検ガスの熱伝導率に基づく値に係数αを乗じた値と、前記被検ガスの屈折率に基づく値に係数βを乗じた値を加算した値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
10. 被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度を算出し、
    被検ガスのパラフィン系炭化水素成分の総濃度の、前記被検ガスの爆発下限界濃度に対する百分率を示す爆発下限界百分率濃度を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のガス検出方法。
11. パラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスを被検ガスとし、
    前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値をそれぞれ測定する特性値測定手段と、
    前記被検ガスの少なくとも２種以上の特性値に基づいて演算する演算手段を有し、
    前記演算手段は、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度を算出するＨＣ成分濃度算出手段および前記被検ガスの爆発下限界濃度を算出するＬＥＬ算出手段のいずれか一方または両方を備えていることを特徴とするガス検出装置。
12. 前記特性値測定手段が、前記被検ガスの屈折率を測定する屈折率測定手段と、比重を測定する比重測定手段とを含み、
    前記演算手段は、前記被検ガスと前記被検ガスにおけるベースガスとの比重差（Δｓ）の、前記被検ガスと前記被検ガスにおけるベースガスとの屈折率差（Δｎ）に対する比率（Δｓ／Δｎ）を出する比率算出手段と、
    前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度を前記比率に基づいて算出するＨＣ成分濃度算出手段および前記被検ガスの爆発下限界濃度を算出するＬＥＬ算出手段のいずれか一方または両方を備えていることを特徴とする請求項１１に記載のガス検出装置。
13. 被検ガスが、イナートガスをベースガスとして含む、ＬＮＧ気化ガスまたはＬＰＧ気化ガスであることを特徴とする請求項１２に記載のガス検出装置。
14. イナートガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項１３に記載のガス検出装置。
15. パラフィン系炭化水素成分を含む混合ガスを被検ガスとし、
    前記被検ガスの屈折率を測定する屈折率測定手段と、前記被検ガスの他の特性値を入力可能な入力手段と、前記被検ガスの他の特性値と前記被検ガスの屈折率に基づいて演算する演算手段を有し、
    前記演算手段は、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度を算出するＨＣ成分濃度算出手段および前記被検ガスの爆発下限界濃度を算出するＬＥＬ算出手段のいずれか一方または両方を備えていることを特徴とするガス検出装置。
16. 前記他の特性値が熱伝導率であり、
    前記演算手段は、前記被検ガスの熱伝導率に基づく値と前記被検ガスの屈折率に基づく値とを含む所定の関数で演算した値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することを特徴とする請求項１５に記載のガス検出装置。
17. 前記他の特性値が熱伝導率であり、
    前記演算手段は、前記被検ガスの熱伝導率に基づく値に係数αを乗じた値と、前記被検ガスの屈折率に基づく値に係数βを乗じた値を加算した値に基づいて、前記被検ガスにおけるパラフィン系炭化水素成分の総濃度および前記被検ガスの爆発下限界濃度のいずれか一方または両方を算出することを特徴とする請求項１５に記載のガス検出装置。
18. 前記ＨＣ成分濃度算出手段および前記ＬＥＬ算出手段の両方を備えており、
    被検ガスのパラフィン系炭化水素成分の総濃度の、前記被検ガスの爆発下限界濃度に対する百分率を示す爆発下限界百分率濃度を算出する爆発下限界百分率濃度算出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１１乃至請求項１７のいずれかに記載のガス検出装置。