JP2021004891A - メタン濃度算出方法およびメタン濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象ガスである天然ガス中のメタン（ＣＨ４）の濃度を簡易な構成でありながら信頼性の高い値で得ることができるメタン濃度測定装置およびメタン濃度測定方法を提供する。【解決手段】メタン濃度測定装置は、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を算出する熱量測定手段２０と、基礎熱量Ｑ´に基づき、測定対象ガスに含まれるメタン濃度を算出するメタン濃度算出手段４０と、燃焼性ガス中のメタン含有百分率と不燃ガスの濃度とメタン含有百分率からメタン濃度を算出する手段４０を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、メタン濃度算出方法およびメタン濃度測定装置に関する。

近年、天然ガスを電力・都市ガスなど以外の燃料（例えばエンジンの燃料など）として利用する技術の開発が進んでいる。

天然ガスを燃料として利用する場合、その品質を確認する指標としては例えば、熱量や天然ガス中の燃焼性ガス成分の組成（濃度）などがある。天然ガスなどの燃料ガスの熱量を測定する方法としては、例えば熱量と特定の対応関係を有する物性値を測定し、測定値に基づいて熱量の値（換算熱量）を求める方法などが、本件出願人によって提案されている（例えば特許文献１参照。）。

また、天然ガス中の燃焼性ガスの組成分析（例えば、メタン（ＣＨ_４）の濃度の測定など）については、ガスクロマトグラフィなどを用いることが一般的である。

特開２００９−４２２１６号公報

しかしながら、天然ガスの組成、主に天然ガス中のメタン（ＣＨ_４）の濃度を簡易な構成でありながら信頼性の高い値で得ることができる装置および手法は知られていなかった。

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、測定対象ガスである天然ガス中のメタン（ＣＨ_４）の濃度を簡易な構成でありながら信頼性の高い値で得ることができるメタン濃度測定装置およびメタン濃度測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃焼性ガスを含む測定対象ガスの基礎熱量を算出する熱量測定手段と、前記基礎熱量に基づき、前記測定対象ガスに含まれるメタン濃度を算出するメタン濃度算出手段と、を有することを特徴とするメタン濃度測定装置に係るものである。

また、本発明は、燃焼性ガスを含む測定対象ガスの基礎熱量を算出するステップと、前記基礎熱量に基づいて前記測定対象ガスに含まれるメタン濃度を算出するステップと、を有することを特徴とするメタン濃度測定方法にかかるものである。

本発明によれば、、測定対象ガスである天然ガス中のメタン（ＣＨ_４）の濃度を簡易な構成でありながら信頼性の高い値で得ることができるメタン濃度測定装置およびメタン濃度測定方法を提供することができる。

本発明のメタン濃度測定装置の一例における構成の概略を示すブロック図である。 基準基礎熱量と、天然ガスに含まれる燃焼性ガス中のメタン含有率の関係を示すグラフである。 天然ガス中のメタン濃度と本発明による測定結果の誤差の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明のメタン濃度測定装置１の一例における構成の概略を示すブロック図である。本実施形態のメタン濃度測定装置１は、測定対象ガスに含まれるメタン（メタンガス）濃度を測定する。測定対象ガスは、一例として天然ガスである。天然ガスは、一般的にはパラフィン系炭化水素ガス（例えば、メタン（ＣＨ_４），エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８），ブタン（ｎ−Ｃ_４Ｈ_１０）など）を主成分とする。本実施形態の測定対象ガスは、特にメタン（メタンガス）を少なくとも含むガス（天然ガス）である。

メタン濃度測定装置１は、例えば、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を算出する熱量測定手段２０と、基礎熱量Ｑ´に基づき、測定対象ガスに含まれるメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出するメタン濃度算出手段４０と、測定対象ガスのメタン濃度Ｘ_ＣＨ４などの情報を表示する出力手段４５とが、例えば外装容器１０内に配設されて構成されている。

熱量測定手段２０は、測定対象ガスの熱量と特定の対応関係を有する物性値を測定する測定手段を有し、測定した該物性値に基づき測定対象ガスの熱量Ｑ_ＯＳおよび基礎熱量Ｑ´を算出する。物性値は例えば、屈折率および音速である。より詳細に、熱量測定手段２０は例えば、測定対象ガスである天然ガスの屈折率の値から求められる屈折率換算熱量Ｑ_Ｏを得るための屈折率換算熱量測定手段２１と、当該測定対象ガスの音速の値から求められる音速換算熱量Ｑ_Ｓを得るための音速換算熱量測定手段２５と、当該測定対象ガスに含まれる干渉ガスの濃度を取得する干渉ガス濃度取得手段５０を有する。一般的に流通している天然ガスは、燃焼性ガスとしてパラフィン系炭化水素ガスを主成分とし、熱量測定において誤差成分となる窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）などの干渉ガス（雑ガス）を含んでいる。本実施形態の干渉ガス濃度取得手段５０は、例えば、干渉ガスのうち一般的に割合の多い二酸化炭素ガスの濃度（二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２）を測定する二酸化炭素ガス濃度測定手段５１と、窒素ガスの濃度（窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２）を算出する窒素ガス濃度計算手段３０とを含む。

屈折率換算熱量測定手段２１は、例えば、測定対象ガスの屈折率を測定する屈折率測定手段２２と、屈折率測定手段２２によって測定された屈折率の値に基づいて屈折率換算熱量Ｑ_Ｏを求める機能を有する屈折率−熱量換算処理手段２３とを備えている。

屈折率−熱量換算処理手段２３は、測定対象ガスである天然ガスにおいて不燃ガス成分（例えば窒素（Ｎ_２）ガスや二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスなど）を含まない燃焼性ガス成分（パラフィン系炭化水素ガス）のみからなる特定ガスについて、例えばグラフ化することなどによって予め取得された屈折率と熱量との相関関係を利用し、当該相関関係に対して、測定対象ガスについて得られた屈折率の値が特定ガスの屈折率であると仮定して対照することにより屈折率換算熱量Ｑ_Ｏを算出する。

音速換算熱量測定手段２５は、測定対象ガス中における音波の伝播速度（測定対象ガスの音速）を測定する音速測定手段２６と、音速測定手段２６によって測定された音速の値に基づいて音速換算熱量Ｑ_Ｓの値を求める機能を有する音速−熱量換算処理手段２７とを備えている。

音速−熱量換算処理手段２７は、測定対象ガスである天然ガスにおいて不燃ガス成分（例えばＮ_２ガスやＣＯ_２ガスなど）を含まない燃焼性ガス成分（パラフィン系炭化水素ガス）のみからなる特定ガスについて、例えばグラフ化することなどによって予め取得された音速と熱量との相関関係を利用し、当該相関関係に対して、測定対象ガスについて得られた音速の値が特定ガスの音速である仮定して対照することにより音速換算熱量Ｑ_Ｓを算出する。

二酸化炭素ガス濃度測定手段５１は、特に限定されるものではないが、例えば、赤外線が検知対象ガスである二酸化炭素ガスによって吸収されることによる赤外線光量の減衰の程度に応じて二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２を検出する赤外式センサを備えたものにより構成することが好ましい。二酸化炭素ガス濃度測定手段５１として、いわゆる非分散型赤外線吸収法を利用したものが用いられることにより、測定対象ガスに含まれる他の雑ガスの影響を可及的に小さくすることができ、二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２を高い精度で検出することができる。

窒素ガス濃度計算手段３０は、屈折率換算熱量測定手段２１によって得られた屈折率換算熱量Ｑ_Ｏの値と、音速換算熱量測定手段２５によって得られた音速換算熱量Ｑ_Ｓの値と、二酸化炭素ガス濃度測定手段５１によって得られた二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２の値とに基づいて、測定対象ガスに含まれる窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を算出する。窒素ガス濃度の算出方法は、後述する。

また、熱量測定手段２０は、測定対象ガスの熱量Ｑ_ＯＳの値および基礎熱量Ｑ´の値を算出する熱量計算手段３５を備えている。測定対象ガスの熱量Ｑ_ＯＳとは、測定対象ガスの屈折率および音速の値に基づく換算熱量であり、熱量計算手段３５は、屈折率換算熱量Ｑ_Ｏ、音速換算熱量Ｑ_Ｓ、測定された二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２および算出された窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２により、屈折率および音速の値に基づく測定対象ガスの熱量（換算熱量）Ｑ_ＯＳを算出する。また、本実施形態の「基礎熱量Ｑ´」とは、天然ガスから不燃ガス（干渉ガス）成分を除いたときの燃焼性ガス成分の燃焼熱量をいい、熱量計算手段３５は、測定対象ガスの換算熱量Ｑ_ＯＳ、二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２および窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２に基づき、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を算出する。これらの算出方法については、後述する。

メタン濃度算出手段４０は、測定対象ガスに含有されるメタン濃度を算出可能である。より詳細には、メタン濃度算出手段４０は、基準となる天然ガス中の燃焼性ガス（ここではパラフィン系炭化水素ガス）におけるメタン含有率と、基準となる天然ガスの基礎熱量との関係を示す所定の相関式を有する。ここで、本実施形態における「メタン含有率」とは燃焼性ガスに含有されるメタンの割合（メタンの体積百分率）である。この相関式の詳細については後述する。そしてメタン濃度算出手段４０は、熱量計算手段３５によって算出された基礎熱量Ｑ´および干渉ガス濃度取得手段５０（二酸化炭素ガス濃度測定手段５１、窒素ガス濃度計算手段３０）によって取得した二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２と、上述の相関式により、測定対象ガスに含まれるメタン含有率を求め、当該メタン含有率に基づき測定対象ガスに含まれるメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出可能である。

＜窒素ガス濃度算出方法＞
次に、窒素ガス濃度計算手段３０における窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２算出方法について説明する。窒素ガス濃度計算手段３０は、屈折率換算熱量測定手段２１によって得られた屈折率換算熱量Ｑ_Ｏの値と、音速換算熱量測定手段２５によって得られた音速換算熱量Ｑ_Ｓの値と、二酸化炭素ガス濃度測定手段５１によって得られた二酸化炭素ガスの濃度Ｘ_ＣＯ２の値とに基づいて、下記式（１）により、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を算出する。

上記式（１）における窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２は、体積百分率で表される〔ｖｏｌ％〕。ｋ_Ｎ２は、窒素ガスについての誤差係数であって、雑ガス成分としてのＮ_２が屈折率測定手段２２に及ぼす誤差の影響の大きさを表す。ｋ_ＣＯ２は、二酸化炭素ガスについての誤差係数であって、雑ガス成分としてのＣＯ_２が屈折率測定手段２２に及ぼす誤差の影響の大きさを表す。

測定対象ガスは干渉ガス（雑ガス）として窒素ガスおよび二酸化炭素ガスを含み、干渉ガスは、屈折率換算熱量測定手段２１および音速換算熱量測定手段２５における測定対象ガスの測定誤差の要因となる。

そこで、本実施形態では、屈折率換算熱量測定手段２１にて測定・換算された屈折率換算熱量Ｑ_Ｏ、および音速換算熱量測定手段２５により測定・換算された音速換算熱量Ｑ_Ｓに対して、補正因子α、窒素ガスについての誤差係数ｋ_Ｎ２、二酸化炭素ガスについての誤差係数ｋ_ＣＯ２により補正を行う。

補正因子αの値は、例えば、測定対象ガスに含まれる雑ガス成分（例えば窒素ガスおよび二酸化炭素ガスなど）の各々について、屈折率換算熱量Ｑ_Ｏおよび音速換算熱量Ｑ_Ｓを実際に測定し、得られた屈折率換算熱量Ｑ_Ｏおよび音速換算熱量Ｑ_Ｓの、例えばガスクロマトグラフィを用いた分析によって得られた熱量に対する誤差の比に基づいて設定することができる。ここに、補正因子αは、例えば、１．１〜４．２の範囲内、好ましくは２．００〜２．６０の範囲内において選択される値である。補正因子αの値は、測定対象ガスに含まれる雑ガス成分の種類によって異なる値をとるが、上記数値範囲内から選択された値であることにより、屈折率換算熱量Ｑ_Ｏおよび音速換算熱量Ｑ_Ｓに生じる測定誤差を適正に補正することができる。

窒素ガスについての誤差係数ｋ_Ｎ２は、例えば２０．００〜３０．００の範囲内において選択される値である。また、二酸化炭素ガスについての誤差係数ｋ_ＣＯ２は、例えば３５．００〜４５．００の範囲内において選択される値である。窒素ガスについての誤差係数ｋ_Ｎ２および二酸化炭素ガスについての誤差係数ｋ_ＣＯ２が上記数値範囲内において選択された値であることにより、屈折率換算熱量Ｑ_Ｏに生じる測定誤差を適正に補正することができる。

具体的には、窒素ガスについての誤差係数ｋ_Ｎ２の値は、例えば窒素ガス（１００ｖｏｌ％）について実際に屈折率換算熱量測定手段２１によって屈折率換算熱量Ｑ_Ｏを測定し、得られた値に基づいて設定することができる。また、二酸化炭素ガスについての誤差係数ｋ_ＣＯ２の値についても同様に、例えば二酸化炭素ガス（１００ｖｏｌ％）について実際に屈折率換算熱量測定手段２１によって屈折率換算熱量Ｑ_Ｏを測定し、得られた値に基づいて設定することができる。

このように上記式（１）によれば干渉ガスによる誤差成分を排除した、測定対象ガス中の窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を算出できる。

＜測定対象ガスの換算熱量Ｑ_ＯＳの算出方法＞
次に、測定対象ガスの換算熱量Ｑ_ＯＳの算出方法について説明する。熱量計算手段３５は、屈折率換算熱量測定手段２１によって得られた屈折率換算熱量Ｑ_Ｏの値と、音速換算熱量測定手段２５によって得られた音速換算熱量Ｑ_Ｓの値とに基づいて、測定対象ガスである天然ガスの換算熱量Ｑ_ＯＳの値を算出する。具体的には、屈折率換算熱量Ｑ_Ｏが音速換算熱量Ｑ_Ｓ以下の大きさである場合（Ｑ_Ｏ≦Ｑ_Ｓ）には、下記式（２）により、補正因子αとして１．１〜４．２の範囲内、好ましくは２．００〜２．６０の範囲内において選択される値を用いる条件にて、熱量Ｑ_ＯＳの値を算出する。一方、屈折率換算熱量Ｑ_Ｏの値が音速換算熱量Ｑ_Ｓの値より大きい場合（Ｑ_Ｏ＞Ｑ_Ｓ）には、熱量Ｑ_ＯＳの値として、屈折率換算熱量Ｑ_Ｏの値が用いられる。

また、熱量計算手段３５は、このようにして得られた熱量Ｑ_ＯＳの値と、二酸化炭素ガス濃度測定手段５１によって得られた二酸化炭素ガスの濃度Ｘ_ＣＯ２の値と、窒素ガス濃度計算手段３０によって得られた窒素ガスの濃度Ｘ_Ｎ２の値とに基づいて、下記式（３）により、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´の値〔ＭＪ／Ｎｍ^３〕を算出する。

このように、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´は、測定対象ガス中の窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２および二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２の関数（ｆ（Ｘ_ＣＯ２, Ｘ_Ｎ２））となる。

＜メタン濃度算出方法＞
次に、メタン濃度算出手段４０におけるメタン濃度算出方法について説明する。本願出願人は、鋭意研究を重ねた結果、天然ガスの基礎熱量の値と、当該天然ガスのうち燃焼性ガスにおけるメタン含有率との間には特定の相関関係が成立することを見出した。より詳細には、ＩＳＯ／ＴＲ ２２３０２：２０１４に記載のメタン価算出方法で用いられる、組成が既知の複数種の天然ガスを基準ガスとし、当該基準ガスの基礎熱量（文献値：以下「基準基礎熱量Ｑ_Ｒ」という。）と、当該基準ガスのうち干渉ガス(不燃性ガス)成分を除いた、燃焼性ガス中のメタンの含有率（以下、「基準メタン含有率Ｐ_ＣＨ４」という。」との関係性を検討した。この場合の基準ガスは、燃焼性ガスの成分として、メタン（ＣＨ_４），エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８），ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）を含み、干渉ガスの成分として、窒素（Ｎ_２）ガスおよび二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを少なくとも含んでいる。

つまり基準メタン含有率Ｐ_ＣＨ４は、基準ガスのうち燃焼性ガス（メタン（ＣＨ_４），エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）およびブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）の合計値（文献値））を１００とした場合の、メタン（文献値）の体積百分率である。

図２は、複数種の基準ガスの各々について、基準基礎熱量Ｑ_Ｒ〔ＭＪ／Ｎｍ^３〕を横軸、基準メタン含有率Ｐ_ＣＨ４〔ｖｏｌ％〕を縦軸とする座標系においてプロットしたグラフである。同図において、実線は、２種類の燃焼性ガスを含む混合ガス（ＣＨ_４−Ｃ_４Ｈ_１０、ＣＨ_４−Ｃ_３Ｈ_８、ＣＨ_４−Ｃ_２Ｈ_６）について、それぞれ２種類の燃焼性ガスの濃度の和が１００％となるように調整した基準ガスの場合の相関を示す。また、破線は、複数種類の燃焼性ガス（ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｃ_３Ｈ_８，ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０，ｎ−Ｃ_４Ｈ_１０，ｉ−Ｃ_５Ｈ_１２，ｎ−Ｃ_５Ｈ_１２，Ｃ_６＋）の混合ガスについて、複数種類の燃焼性ガスの濃度の総和が１００％となるように調整した基準ガスの場合の相関を直線近似したものである。

そしてこの破線の直線近似から、基準基礎熱量Ｑ_Ｒと燃焼性ガスにおける基準メタン含有率Ｐ_ＣＨ４との関係を近似的に示す相関式（以下式（４）で示す）を取得した。

Ｐ_ＣＨ４＝−２．１Ｑ_Ｒ＋１８３．８７ 式（４）
ここで、Ｐ_ＣＨ４：基準メタン含有率〔ｖｏｌ％〕
Ｑ_Ｒ ：基準基礎熱量〔ＭＪ／Ｎｍ^３〕

すなわち、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´が取得できれば、上式（４）により、当該測定対象ガスに含まれる燃焼性ガスにおける（燃焼性ガスを１００とした場合の）メタン含有率Ｐ´_ＣＨ４が算出可能となる。

更に、干渉ガスとなる窒素ガスおよび二酸化炭素ガスの濃度が取得できれば、測定対象ガス中のメタン濃度Ｘ_ＣＨ４は、以下の式（５）により算出できる。

Ｘ_ＣＨ４＝Ｐ´_ＣＨ４／｛１−（０．０１Ｘ_Ｎ２＋０．０１Ｘ_ＣＯ２） 式（５）
ここで、Ｘ_ＣＨ４ ：測定対象ガス中のメタン濃度
Ｐ´_ＣＨ４：測定対象ガスに含まれる燃焼性ガスにおけるメタン含有率
Ｘ_ＣＯ２ ：二酸化炭素ガス濃度測定手段５１により測定した二酸化炭素ガス濃度
Ｘ_Ｎ２ ：窒素ガス濃度計算手段３０により算出した窒素ガス濃度

すなわち本実施形態のメタン濃度算出手段４０は、基準基礎熱量Ｑ_Ｒと基準メタン含有率Ｐ_ＣＨ４の特定の関係式（上述の式（４））、および測定対象ガス中の燃焼性ガスにおけるメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４と、二酸化炭素ガス濃度および窒素ガス濃度に基づくメタン濃度の算出式（上述の式（５））を有している。そして、測定対象ガスを本実施形態のメタン濃度測定装置１に供給し、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を算出して、式（４）の基準基礎熱量Ｑ_Ｒに代入することにより、当該測定対象ガスに含まれる燃焼性ガスにおけるメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４を算出する。また、算出された当該メタン含有率Ｐ´_ＣＨ４と二酸化炭素ガス濃度測定手段５１により測定した二酸化炭素ガス濃度、および窒素ガス濃度計算手段３０により算出した窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２に基づき、測定対象ガス中のメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出（測定）する。このように本実施形態によれば、測定対象ガス中の主な干渉ガス（二酸化炭素ガスおよび窒素ガス）による測定誤差を低減して当該測定対象ガス中のメタン濃度を算出（測定）できる。

以上において、測定対象ガスである天然ガスには、干渉ガス（雑ガス）成分として、例えば酸素ガスが含まれていることがある。しかし、天然ガスに含まれる酸素ガスはごく微量であるため、酸素ガスについては、メタン濃度に対する影響を実質的に無視することができる。なお、酸素ガスについても二酸化炭素ガスおよび窒素ガスと同様に、酸素ガスが含まれることによる誤差を排除してもよい。具体的には例えば酸素ガスの測定手段を設けて測定対象ガスに含まれる酸素ガスを測定し（あるいは、他の干渉ガスの測定・算出結果に基づき酸素ガスを算出し）、上述の式（１）、式（３）および式（５）などにおいて、酸素ガスの濃度、および酸素ガスが含まれることによる誤差成分を排除して、測定対象ガス中のメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出するようにしてもよい。

図１を参照してメタン濃度測定装置１におけるメタン濃度測定方法について改めて説明する。図１においてメタン濃度測定装置１は、測定対象ガスを屈折率測定手段２２、音速測定手段２６および二酸化炭素ガス濃度測定手段５１の各々に供給するための測定対象ガス導入部１１と、屈折率測定手段２２において検知原理上必要とされる参照ガスを導入するための参照ガス導入部１２および、ガス排出部１３を有する。また、図１における二点鎖線は、ガス配管を示す。

上記のメタン濃度測定装置１においては、例えば、適宜のガスサンプリング装置を介してガスパイプラインに配管接続され、ガスパイプライン内を流通する測定対象ガス（天然ガス）の一部が測定対象ガスとして測定対象ガス導入部１１から音速換算熱量測定手段２５の音速測定手段２６および屈折率換算熱量測定手段２１の屈折率測定手段２２の各々に順次に供給される。また、例えば空気などの参照ガスが参照ガス導入部１２から屈折率換算熱量測定手段２１の屈折率測定手段２２に供給される。これにより、屈折率換算熱量測定手段２１においては、測定対象ガスの屈折率が屈折率測定手段２２によって測定され、その結果に基づいて屈折率換算熱量Ｑ_Ｏが屈折率−熱量換算処理手段２３によって求められる。また、音速換算熱量測定手段２５においては、測定対象ガスの音速が音速測定手段２６によって測定され、その結果に基づいて音速換算熱量Ｑ_Ｓの値が音速−熱量換算処理手段２７によって求められる。一方、測定対象ガス導入部１１から導入された測定対象ガスの他の全部が、干渉ガス濃度取得手段５０の二酸化炭素ガス濃度測定手段５１に供給される。これにより、二酸化炭素ガス濃度測定手段５１において、測定対象ガスに含まれる二酸化炭素ガスの濃度Ｘ_ＣＯ２〔ｖｏｌ％（体積百分率）〕が二酸化炭素ガス濃度測定手段５１によって測定される。

以上のようにして得られた、屈折率換算熱量Ｑ_Ｏの値と、音速換算熱量Ｑ_Ｓの値とに基づいて、上記式（１）および上記式（２）により、補正因子αとして特定の範囲内において選択された値を用いて、測定対象ガス中の窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２および換算熱量Ｑ_ＯＳが算出される。そして、換算熱量Ｑ_ＯＳの値と、二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２の値と、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２の値とに基づいて、上記式（３）により、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´が算出される。

次いで、メタン濃度算出手段４０によって、熱量測定手段２０によって得られた基礎熱量Ｑ´の値と式（４）に基づいて、測定対象ガス中の燃焼性ガスにおけるメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４が算出される。また、当該メタン含有率Ｐ´_ＣＨ４と、干渉ガス濃度取得手段５０による二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２および窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２と、式（５）により測定対象ガス中のメタン濃度Ｘ_ＣＨ４が算出され、その結果が出力手段４５に表示される。なお、測定対象ガスおよび参照ガスは、ガス排出部１３を介して装置外部に排出される。

以上説明したように本実施形態のメタン濃度測定装置１は、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を算出する熱量測定手段２０と、基礎熱量Ｑ´に基づき、測定対象ガスに含まれるメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出するメタン濃度算出手段４０と、を有する。メタン濃度算出手段４０は、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´に基づき、測定対象ガスに含まれる燃焼性ガス中のメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４を算出し、そのメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４と、二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２および窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２から測定対象ガス中のメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出する。

また、メタン濃度測定装置１は、測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量Ｑ_Ｏと、測定対象ガスの音速から得られる音速換算熱量Ｑ_Ｓとに基づいて測定対象ガスの換算熱量Ｑ_ＯＳを算出する熱量計算手段３５と、測定対象ガスに含まれる干渉ガスの濃度を取得する干渉ガス濃度取得手段５０とを有し、熱量測定手段２０は、換算熱量Ｑ_ＯＳと干渉ガスの濃度（ここでは窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２、二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２）に基づき、基礎熱量Ｑ´を算出する。

また、メタン濃度算出手段４０は、それぞれに既知の異なる濃度のメタンを含む複数種の基準ガスについての基準基礎熱量Ｑ_Ｒとその燃焼性ガスにおける基準メタン含有率Ｐ_ＣＨ４との関係を示す相関式（式４）を有し、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´に基づく（実際の）メタン含有率Ｐ´_ＣＨ４を算出可能である。さらにメタン濃度算出手段４０は、測定対象ガスのメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４に基づく測定対象ガス（干渉ガス成分を含む）中のメタン濃度の算出式（式５）を有し、メタン含有率Ｐ´_ＣＨ４と、ガス濃度Ｘ_ＣＯ２および窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２から測定対象ガス中のメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出可能である。

また、干渉ガス濃度取得手段５０は、例えば赤外式センサを有し、少なくとも二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２を測定可能である。また、本実施形態では、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を窒素ガス濃度計算手段３０により算出した。しかしこれに限らず、干渉ガス濃度取得手段５０は、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を測定可能な測定手段を備え、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を実測してもよい。

また、本実施形態のメタン濃度測定方法は、燃焼性ガスを含む測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を算出するステップと、基礎熱量Ｑ´に基づいて測定対象ガスに含まれるメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出するステップと、を有する。すなわち、基礎熱量Ｑ´に基づいて測定対象ガスに含まれるメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出するものであれば、上記の構成を備えていなくてもよく、上記の例に限らない。

例えば、上記の例では、基礎熱量Ｑ´は、測定対象ガスの熱量と特定の対応関係を有する物性値を測定し、該物性値に基づき算出する場合を例示したが、これに限らず、他の方法により基礎熱量Ｑ´を算出してもよい。

また、上記の例では、測定対象ガスの熱量と特定の対応関係を有する物性値として、測定対象ガスの屈折率と音速を測定する場合を説明したが、測定対象ガスの熱量と特定の対応関係を有する物性値であれば上記の例に限らない。

また、メタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出するステップでは、算出した基礎熱量Ｑ´に基づき測定対象ガスの、燃焼性ガス中のメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４を算出し、該メタン含有率Ｐ´_ＣＨ４に基づきメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出する。この方法により測定対象ガス中のメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出するものであれば、上記の構成を備えていなくてもよく、上記の例に限らない。

また、メタン濃度測定方法は、測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量Ｑ_Ｏと、測定対象ガスの音速から得られる音速換算熱量Ｑ_Ｓとに基づいて測定対象ガスの換算熱量Ｑ_ＯＳを算出するステップと、測定対象ガスに含まれる干渉ガスの濃度を取得するステップと、換算熱量Ｑ_ＯＳと干渉ガスの濃度に基づき、測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を算出するステップを有する。

また、メタン濃度Ｘ_ＣＨ４を算出するステップでは、それぞれに既知の異なる濃度のメタンを含む複数種の基準ガスについてその燃焼性ガス中の基準メタン含有率Ｐ_ＣＨ４と当該基準ガスの基準基礎熱量Ｑ_Ｒの関係を示す相関式（式（４））を用いる場合を例示した。しかし式（４）に限らず、基準メタン含有率Ｐ_ＣＨ４と基準基礎熱量Ｑ_Ｒの関係を示す他の相関式を有する構成であってもよい。また、測定対象ガス中のメタン濃度Ｘ_ＣＨ４は、例えば、上式（５）により求める構成に限らない。

また、干渉ガスの濃度を取得するステップでは、例えば赤外線吸収法により少なくとも二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２を測定し、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を算出して基礎熱量Ｑ´を算出する。なお、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を実測してもよい。

上記のメタン濃度測定装置１およびメタン濃度算出方法によれば、基準基礎熱量Ｑ_Ｒの値と燃焼性ガス中のメタン含有率Ｐ_ＣＨ４との相関関係（式（４））は、含有するメタン濃度がそれぞれ異なる基準となる天然ガス（文献値）に基づき取得される。そして、この相関関係に測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を対応させて実際の測定対象ガスにおけるメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４を取得する。また、測定対象ガスの干渉ガス（二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２）の濃度を取得し、測定対象ガスにおけるメタン含有率Ｐ´_ＣＨ４（干渉ガスを含まない値）と、実測または算出された干渉ガスの濃度に基づき、メタン濃度を算出する。このとき、算出される窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２は、干渉ガスとして窒素ガスおよび二酸化炭素ガスが含まれることによる影響（誤差）を実験による裏づけにより定量的に明らかにし、干渉ガスによる誤差が補正された値となっている。また、窒素ガス濃度Ｘ_Ｎ２を用いて取得される測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´についても、ひいては干渉ガスによる誤差が補正された値となっている。したがって本実施形態によって得られる（測定される）メタン濃度Ｘ_ＣＨ４は所定の信頼性を有するものとなる。

また、メタン濃度測定装置１によれば、熱量測定手段２０によって測定対象ガスの基礎熱量Ｑ´を連続的に測定することにより、実際の状況に即した測定対象ガスのメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を連続的に取得することができる。このため、例えば、燃料ガスとしての天然ガスの実際の燃料性状の監視を行うことができる。従って、ガス組成の変動が生じた場合には、ガス組成の変動に伴うメタン濃度Ｘ_ＣＨ４の変動を速やかに検出することができる。

また、本実施形態における測定機器は、例えば、二酸化炭素ガス濃度Ｘ_ＣＯ２を検出する赤外式センサ、屈折率測定手段（例えば、屈折率計）２２および、音速測定手段２６（例えば超音波音速計など）である。したがって、ガスクロマトグラフィと比較して、小型・軽量且つシンプルな構成でありながら高精度に、測定対象ガス（天然ガス）中のメタン濃度を測定することができる。

また、測定に際しては、相当の時間を要することがなく、しかも基礎熱量Ｑ´の算出処理とメタン濃度Ｘ_ＣＨ４の算出処理との間にタイムラグが生じることがないため、メタン濃度Ｘ_ＣＨ４をリアルタイムに測定することができる。

さらにまた、熱量測定手段２０が、測定対象ガスの熱量を屈折率換算熱量Ｑ_Ｏおよび音速換算熱量Ｑ_Ｓの２種に基づいて算出する構成のものであることにより、得られる換算熱量Ｑ_ＯＳは、測定対象ガスのガス組成によらずに当該測定対象ガスの熱量の真値との差の小さい値となるので、算出されるメタン濃度Ｘ_ＣＨ４の値の信頼性が一層高いものなる。

なお、上記のメタン濃度測定装置１においては、一例として、熱量測定手段２０およびメタン濃度算出手段４０が外装容器１０内に配設されてなる場合を示した。これにより、測定システムの構築および操作が簡便となる。しかしながら、熱量測定手段２０およびメタン濃度算出手段４０が外装容器１０内に配設されない構成であってもよく、外装容器１０は不要としてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。

例えば、本実施形態に示した各数式は一例であり、各数式に用いた係数や数値等は上記の値に限定されるものではない。

また、熱量測定手段２０は、上記構成のものに限定されるものではなく、熱伝導率換算熱量の値と、屈折率換算熱量の値とに基づいて熱量の値を求める構成を有する装置が用いられていてもよい。また、熱量と特定の対応関係を有する物性値の１つ、例えば屈折率、熱伝導率、音速のうちから選ばれる１つを測定し、その測定値に基づいて熱量を求める構成のものであってもよい。このようにして得られた測定対象ガスの熱量に基づいて算出される基礎熱量の値を利用しても、メタン濃度Ｘ_ＣＨ４を得ることができる。

また、干渉ガス濃度取得手段５０は、干渉ガスの濃度を取得可能な手段であれば上記の構成に限らない。例えば、窒素ガス濃度を測定可能な窒素ガス濃度測定手段を有し、二酸化炭素ガス濃度測定手段５１と窒素ガス濃度測定手段によりそれぞれの干渉ガス濃度を測定する構成であってもよい。また、測定対象ガスは、二酸化炭素ガスおよび窒素ガス以外の干渉ガスが含まれるガスであってもよく、その場合は、干渉ガス濃度取得手段５０は、測定対象ガスに含まれる全ての干渉ガスのそれぞれの濃度を測定可能な測定手段を備える構成であってもよいし、一部の干渉ガスについては演算により算出する構成であってもよい。

またメタン濃度測定装置１は、その構成（上述した各手段）の少なくとも一部がハードウェアにより実現されていてもよいし、ソフトウェアにより実現されていてもよい。

＜実験例＞
以下、本発明の実験例について説明する。
図３は、本実施形態のメタン濃度測定装置１およびメタン濃度測定方法によって得られた測定対象ガス中に含まれるメタン濃度Ｘ_ＣＨ４の値（測定結果）と、基準ガスに含まれるメタン濃度の値との誤差率を示すグラフである。具体的には、上記の式（４）を導いた各種基準ガス（ＩＳＯ／ＴＲ ２２３０２：２０１４に記載の複数の天然ガス（組成が既知である天然ガス）を測定対象ガスとして、上述の本実施形態の手法によりメタン濃度Ｘ_ＣＨ４を測定（算出）し、基準ガス（測定対象ガス）の既知のメタン濃度（文献値）との誤差を求めた。その結果について、横軸を算出したメタン濃度Ｘ_ＣＨ４〔ｖｏｌ％〕、縦軸を誤差〔ｖｏｌ％〕とする座標系にプロットした。同図に示すように、算出されたメタン濃度Ｘ_ＣＨ４の誤差率は±６．０％以内となり、実用される一般的なメタン含有量の測定対象ガスにおいて高い信頼度が得られることが分かった。特にメタン濃度が高い場合（９０％以上の場合）となり、非常に高い信頼度が得られることが分かった。

１ メタン濃度測定装置
１０ 外装容器
１１ 測定対象ガス導入部
１２ 参照ガス導入部
１３ ガス排出部
２０ 熱量測定手段
２１ 屈折率換算熱量測定手段
２２ 屈折率測定手段
２３ 屈折率−熱量換算処理手段
２５ 音速換算熱量測定手段
２６ 音速測定手段
２７ 音速−熱量換算処理手段
３０ 窒素ガス濃度計算手段
３５ 熱量計算手段
４０ メタン濃度算出手段
４５ 表示手段
５０ 干渉ガス濃度取得手段
５１ 二酸化炭素ガス濃度測定手段
Ｑ´ 基礎熱量
Ｑ_Ｏ 屈折率換算熱量
Ｑ_Ｓ 音速換算熱量
Ｑ_ＯＳ 熱量（換算熱量）
Ｑ_Ｒ 基準基礎熱量

Ｘ_ＣＨ４＝Ｐ´_ＣＨ４ ×｛１−（０．０１Ｘ_Ｎ２＋０．０１Ｘ_ＣＯ２）｝ 式（５）
ここで、Ｘ_ＣＨ４ ：測定対象ガス中のメタン濃度
Ｐ´_ＣＨ４：測定対象ガスに含まれる燃焼性ガスにおけるメタン含有率
Ｘ_ＣＯ２ ：二酸化炭素ガス濃度測定手段５１により測定した二酸化炭素ガス濃度
Ｘ_Ｎ２ ：窒素ガス濃度計算手段３０により算出した窒素ガス濃度

Claims (16)

1. 燃焼性ガスを含む測定対象ガスの基礎熱量を算出する熱量測定手段と、
   前記基礎熱量に基づき、前記測定対象ガスに含まれるメタン濃度を算出するメタン濃度算出手段と、
   を有することを特徴とするメタン濃度測定装置。
2. 前記メタン濃度算出手段は、前記基礎熱量に基づき前記燃焼性ガス中のメタン含有率を算出し、該メタン含有率に基づき前記メタン濃度を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のメタン濃度測定装置。
3. 前記熱量測定手段は、前記測定対象ガスの熱量と特定の対応関係を有する物性値を測定する測定手段を有し、測定した該物性値に基づき前記基礎熱量を算出する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメタン濃度測定装置。
4. 前記測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量と、該測定対象ガスの音速から得られる音速換算熱量とに基づいて該測定対象ガスの換算熱量を算出する熱量計算手段と、
   前記測定対象ガスに含まれる干渉ガスの濃度を取得する干渉ガス濃度取得手段と、を有し、
   前記熱量測定手段は、
   前記換算熱量と前記干渉ガスの濃度に基づき、前記基礎熱量を算出する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のメタン濃度測定装置。
5. 前記干渉ガスは少なくとも窒素ガスと二酸化炭素ガスを含み、
   前記干渉ガス濃度取得手段は、前記二酸化炭素ガスの濃度を測定し、前記窒素ガスの濃度を算出可能である、
   ことを特徴とする請求項４に記載のメタン濃度測定装置。
6. 前記干渉ガス濃度取得手段は、赤外式センサを有する、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のメタン濃度測定装置。
7. 前記メタン濃度算出手段は、それぞれに既知の異なる濃度のメタンを含む複数種の基準ガスについてのメタン含有率と該基準ガスの基礎熱量の関係を示す相関式を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のメタン濃度測定装置。
8. 前記測定対象ガスは天然ガスである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のメタン濃度測定装置。
9. 燃焼性ガスを含む測定対象ガスの基礎熱量を算出するステップと、
   前記基礎熱量に基づき、前記測定対象ガスに含まれるメタン濃度を算出するステップと、
   を有することを特徴とするメタン濃度測定方法。
10. 前記基礎熱量に基づき前記燃焼性ガス中のメタン含有率を算出し、該メタン含有率に基づき前記メタン濃度を算出する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のメタン濃度測定方法。
11. 前記測定対象ガスの熱量と特定の対応関係を有する物性値を測定し、該物性値に基づき前記基礎熱量を算出する、
    ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のメタン濃度測定方法。
12. 前記測定対象ガスの屈折率から得られる屈折率換算熱量と、該測定対象ガスの音速から得られる音速換算熱量とに基づいて該測定対象ガスの換算熱量を算出するステップと、
    前記測定対象ガスに含まれる干渉ガスの濃度を取得するステップと、
    前記換算熱量と前記干渉ガスの濃度に基づき、前記基礎熱量を算出するステップを有する、
    ことを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれかに記載のメタン濃度測定方法。
13. 前記干渉ガスは少なくとも窒素ガスと二酸化炭素ガスを含み、
    少なくとも前記二酸化炭素ガスの濃度を測定し、前記窒素ガスの濃度を算出して前記基礎熱量を算出する、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のメタン濃度測定方法。
14. 前記二酸化炭素ガスの濃度は、赤外線吸収法により測定される、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のメタン濃度測定方法。
15. それぞれに既知の異なる濃度のメタンを含む複数種の基準ガスについてのメタン含有率と該基準ガスの基礎熱量の関係を示す相関式を用いて前記メタン濃度を算出する、
    ことを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれかに記載のメタン濃度測定方法。
16. 前記測定対象ガスは天然ガスである、
    ことを特徴とする請求項９から請求項１５のいずれかに記載のメタン濃度測定方法。