JP3548531B2 - ガス比重測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスの比重測定のための方法及び装置に関する。
【0002】
【背景技術】
比重は無次元数である。
ガスは、例えば天然ガス等の燃料ガスであってもよい。天然ガスは、例えばメタンであって、更に窒素及び/又は二酸化炭素を含んでいてもよい。メタンに加えて、天然ガスは、例えば、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン又はヘキサン等の少なくとも一つの他の炭化水素を含んでいてもよい。
【0003】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様によれば、ガスの比重測定の方法は、ガス中の音速を測定する工程と、第1の温度における前記ガスの第1の熱伝導率を測定する工程と、第1の温度とは異なる第2の温度における前記ガスの第2の熱伝導率を測定する工程と、前記音速並びに第1及び第2の熱伝導率に対応する比重を算出する際に前記音速並びに第1及び第2の熱伝導率を利用する工程とを含む。
【0004】
本発明の他の態様によれば、ガスの比重測定装置は、前記ガスの中の音速を測定する手段と、第1の温度における前記ガスの第1の熱伝導率を測定する手段と、前記第1の温度とは異なる第2の温度における前記ガスの第2の熱伝導率を測定する手段と、前記音速並びに第1及び第2の熱伝導率に対応する比重を算出する際に前記音速並びに第1及び第2の熱伝導率を利用する手段と、を含む。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明を実施できる装置を示す。
図1において、ガスの比重を測定するための装置2はチャンバ4を有し、ガスは、入口管6を通してチャンバ4内に供給され、出口管8を通して排出される。入口管6は、例えば胴のコイルからなる熱交換手段6Aを有する。これによって、入って来るガスの温度を、外気の環境温度とほぼ同じ値に調整することができ、それによって、チャンバ4内のガスの温度はほぼ均一になる。チャンバ4は、超音波発信変換器10と超音波受信変換器12とを有する。計算手段を含む電子的制御手段14は信号発生器16と接続されていて、信号発生器16は、制御手段14の制御の下で、変換器10に所望の超音波信号18を出させるようになっている。超音波信号18は変換器12によって受信され、その受信信号は、線20を通して制御手段14に送られる。変換器10と12の間の超音波信号の伝播時間は、制御手段14によって測定される。制御手段14は、音速SoSを毎秒メートル(m/s)単位で計算するようになっている。
【0006】
所望により、ガス中の音速を測定する他の方法、例えば米国特許第4938066号に開示された方法を採用することも可能である。しかし最も好ましい方法は、英国特許出願第9813509.8号、同第9813513.0号、同第9813514.8号に開示された方法である。これらの出願は、共鳴器内のガスの音速を測定するための共鳴器の利用を開示している。例えばマイクロプロセッサを含む又はマイクロプロセッサの形の駆動電子回路が、ラウドスピーカを駆動する適当な周波数領域の正弦波信号を生成するようになっている。ラウドスピーカは、共鳴器の内部に音響信号を与えるような配置になっている。マイクロホンは、共鳴器内の音響信号の大きさを検出するように配置されている。マイクロホンからの信号は適当な電子回路によって濾波され増幅され、処理手段が、共鳴器内のガスに関連する共鳴周波数を決定し、その音速を決定する。
【0007】
チャンバ4内の温度センサ22は、線24を介して、環境温度の値を表すデータを制御手段14に提供する。
環境温度センサ22は、熱伝導率観測手段30を有する熱伝導率センサ28の一部をなすものでもよい。熱伝導率センサ28は例えば、ドイツ国フランクフルト・アム・マインのハルトマン・アンド・ブラウン(Hartmann & Braun)AGから市販されている小型熱伝導率マイクロセンサ・モデルTCS208型でもよい。
【0008】
ガスの熱伝導率を観測する熱伝導率観測手段30は加熱手段を有し、この加熱手段は、制御手段14から線32を介して受信された信号に応じて、センサ22によって観測された環境温度よりも高い少なくとも2種類の選択された所望温度で運転可能である。そして、その所望温度におけるガスの熱伝導率を示す信号が、線34を介して制御手段に送られる。
【0009】
制御手段14は、熱伝導率センサ28が、2種類の所望温度tH及びtLでガスの熱伝導率を測定するようにする。ここで、tHは、センサ22によって観測された環境温度よりも予め定めた所望の温度t1だけ高く、tLは、センサ22によって観測された環境温度よりも予め定めた所望の温度t2だけ高く、t1はt2よりも大きい。
【0010】
観測され若しくは測定された、ガス中の音速及び、tH及びtLにおけるガスの熱伝導率の値、並びにセンサ22によるガスの環境温度の観測値を用いて、制御手段14は、次の式を用いてガスの比重を計算する。
RD = g.ThCH + h.ThCL + i.SoS + j.Ta + k.Ta 2 + l …(式I)
ここで、RDは比重、ThCHは温度tHにおけるガスの熱伝導率、ThCLは温度tLにおけるガスの熱伝導率、SoSは環境温度におけるガス内の音速、Taはセンサ22によって観測されたガスの環境温度、そして、g、h、i、j、k、lはそれぞれ、定数である。
【0011】
対象となるガスは、2種類以上のガスの混合でもよく、その混合比も変えることが可能である。このような燃料ガスは、例えば天然ガスである。天然ガスは、例えばメタンを含み、更に、例えば、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン又はヘキサンのうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。又更に、窒素及び/又は二酸化炭素を含んでいてもよい。
【0012】
式Iの定数g、h、i、j、k、lを導き出すために、対象ガスについて収集されたデータに関して、回帰分析として知られる数学手法を利用できる。多数の異なる試料を取るために、混合ガスの成分比を変えることもできる。クロマトグラフィ法を用いて試料の比重RDを求め、試料の環境温度Taを計測し、試料の熱伝導率ThCH及びThCLを測定する。これを、各試料ごとに順次行なって、それぞれの試料に対応する一組の値を得る。これら複数組の値を式Iに代入して、定数g、h、i、j、k、lの「最良適合」値が導かれる。英国の多数の地点で陸上に出て来る天然ガスの場合について、種々の地点からの試料についての回帰分析を行ない、更に又、メタンとエタンの混合物、メタンとブタンの混合物、メタンとペンタンの混合物、メタンとヘキサンの混合物の研究室での人工的複製物であるガス等価グループについての回帰分析を行なった。研究室では、上記混合物は、メタンとプロパンの種々の異なる混合物で代表した。
【0013】
天然ガス及びガス等価グループに式Iが適用され、回帰分析が使用されたとき、定数として次の数値が導かれた。即ち、
g = 0.017955
h = -0.02812
i = -0.00189
j = 0.001807
k = -0.0000026
l = 1.73041 ただし、
RDはガスの比重(単位:MJ/m3 st(メガジュール/標準立方メートル))、
ThCHは、環境温度Taよりもほぼ70℃高い温度におけるガスの熱伝導率(単位:W/m・K(Kは度ケルビン))、 ThCLは、環境温度Taよりもほぼ50℃高い温度tLにおけるガスの熱伝導率(単位:W/m・K)、
【0014】
SoSはガス中の音速(単位:m/s)、Taはガスの環境温度(単位:℃)。
上記の式Iの天然ガスへの適用例では、t1はほぼ70℃であり、t2はほぼ50℃である。このように、熱伝導率ThCH及びThCLが測定される温度tHとtLとの差はほぼ20℃である。[(Ta + 70) - (Ta + 50) = 20]
【0015】
制御手段14によって計算されたガスの比重RDの値は、制御手段からの信号に応じて、記録手段36によって、表示し且つ/又は印刷し、又はその他の方法で記録することができる。
【0016】
ガスの熱量を表す情報が何らかの適当な技術自体によって制御手段16に与えられるか、又は、制御手段がガスの熱量CVを計算できるような情報が制御手段に与えられる。制御手段14は、ガスのウォッベ (Wobble) 指数の値を、次の式を用いて計算するかその他の方法で求めることができる。
WI = CV / √RD
【0017】
一つのプロセス(例えば、炉、キルン、圧縮機、エンジン等)で燃料ガスが燃焼するとき、最適な燃焼を保証するような酸素(この場合は空気の形態)/燃料ガス比を設定するべく、何らかの形式の制御システムが使用される。燃料ガス成分の変動をも一部考慮して、余分な空気量が与えられる。この余分は、余計な空気が加熱され排気されるが故に、プロセスが可能な最大限の効率に比べて低い効率で運転されることを意味する。
【0018】
しかし、燃料ガスの質を表し、且つ本発明によって見出すことのできる比重即ちウォッベ指数の測定を、フィードフォワード方式で利用することによって、制御の精度を改善し、より良い効率を達成することができる。
【0019】
そのような制御を行なう装置を図2に示す。燃料ガスが、配管等の通路40を通じて、炉、キルン、圧縮機、エンジン等のガス燃焼プロセス41へ供給され、空気の形態の酸素が、他の通路42を通じて、プロセス41へ供給される。通路40の中に臨時的に挿入できる単数又は複数のプローブの形態、又は単数又は複数の恒久的な装置の形態の、何らかの適当なデバイス43が配置されていて、これらによって、通路40内を通る燃料ガスの音速、2種類の温度tH及びtLにおけるガスの熱伝導率ThCH、ThCL、及びガスの環境温度Taを測定するようになっている。燃料ガスの音速SoS、熱伝導率ThCH、ThCL、及びガスの環境温度Taは、デバイス43によって測定され、接続44を介して制御手段45へ送られる。制御手段45は、例えばマイクロプロセッサ又は計算機である。制御手段45は、前述のように、デバイス43から受信した測定値から、燃料ガスの比重を決定する。ガスの質の測定値を決定した後に、制御手段は、より良い効率を達成するべく、酸素/燃料ガス比制御手段46、47を用いて、酸素/燃料ガス比設定点を調整することができる。この場合、酸素/燃料ガス制御システムは、燃料ガス通路40と空気通路42にそれぞれ開度可変弁46、47を有し、これらの弁は、接続48、49を介してともに制御手段45によって制御される。変形例として、酸素/燃料ガス制御システムは、通路40、42の内の一方だけに1個の開度可変弁を有してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施できる装置の模式図である。
【図2】本発明を利用するフィードフォワード空気/燃料ガス制御システムの例の模式図である。
Claims (6)
- ガスの比重を測定する方法であって、前記ガス中の音速を測定する工程と、第1の温度における前記ガスの第1の熱伝導率を測定する工程と、前記第1の温度とは異なる第2の温度における前記ガスの第2の熱伝導率を測定する工程と、環境温度を測定する工程と、前記音速、第1及び第2の熱伝導率並びに環境温度に対応する比重を算出する際に前記音速、第1及び第2の熱伝導率並びに環境温度を利用する工程と、を有することを特徴とする方法。
- RD = g.ThCH + h.ThCL + i.SoS + j.Ta + k.Ta 2 + l、
但し、RDは前記ガスの比重、
但し、ThCHは前記第1の温度における前記ガスの熱伝導率、
但し、ThCLは前記第1の温度よりも低い前記第2の温度における前記ガスの熱伝導率、
但し、SoSは環境温度におけるガス内の前記音速、
但し、Taは前記熱伝導率が測定される前記環境温度(但し、前記第1及び第2の温度は前記環境温度よりも高い)、そして、g、h、i、j、k、lはそれぞれ定数であり、
上記の式を用いることを含む手順によって前記比重を計算する請求項1記載の方法。 - ウォッベ指数をWIとし、ガスの熱量をCVとし、請求項1又は2に記載の方法によって得られた比重をRDとするときに、
式: WI = CV / √RD
を用いてガスのウォッベ指数を測定することをと特徴とする方法。 - ガスの比重を測定する装置であって、前記ガスの中の音速を測定する手段と、第1の温度における前記ガスの第1の熱伝導率を測定する手段と、前記第1の温度とは異なる第2の温度における前記ガスの第2の熱伝導率を測定する手段と、環境温度を測定する手段と、前記音速、第1及び第2の熱伝導率並びに環境温度に対応する比重を算出する際に前記音速、第1及び第2の熱伝導率並びに環境温度を利用する手段と、を有することを特徴とする装置。
- ガス燃焼プロセスの酸素/燃料ガス比を調整する制御手段であって、ガス燃焼プロセスのための請求項4記載の燃料ガス比重測定装置と、決定された比重に応じて、ガス燃焼プロセスの酸素/燃料ガス比制御システムを調整する手段と、を有することを特徴とする制御手段。
- ウォッベ指数をWIとし、ガスの熱量をCVとし、請求項4記載の装置を用いて得られた比重をRDとするときに、
式: WI = CV / √RD
を用いてガスのウォッベ指数を測定することを特徴とする装置。
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