JP3548531B2 - ガス比重測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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ｔ_H及びｔ_Lでガスの熱伝導率を測定するようにする。ここで、ｔ_H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、ｔ_L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、ｔ_H及びｔ_L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.ＴｈＣ_H + ｈ.ＴｈＣ_L + ｉ.ＳｏＳ + ｊ.Ｔ_a + ｋ.Ｔ_a ² + ｌ …（式Ｉ）
ここで、ＲＤは比重、ＴｈＣ_Hは温度ｔ_Hにおけるガスの熱伝導率、ＴｈＣ_Lは温度ｔ_L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、Ｔ_a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Ｔ_aを計測し、試料の熱伝導率ＴｈＣ_H及びＴｈＣ_L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））、
ＴｈＣ_Hは、環境温度Ｔ_a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））、 ＴｈＣ_Lは、環境温度Ｔ_aよりもほぼ５０℃高い温度ｔ_L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）、Ｔ_a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ＴｈＣ_H及びＴｈＣ_Lが測定される温度ｔ_Hとｔ_L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ｔ_H及びｔ_Lにおけるガスの熱伝導率ＴｈＣ_H、ＴｈＣ_L、及びガスの環境温度Ｔ_a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ＴｈＣ_H、ＴｈＣ_L、及びガスの環境温度Ｔ_a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)

1. 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。
2. ＲＤ = ｇ.ＴｈＣ_H + ｈ.ＴｈＣ_L + ｉ.ＳｏＳ + ｊ.Ｔ_a + ｋ.Ｔ_a ² + ｌ、
   但し、ＲＤは前記ガスの比重、
   但し、ＴｈＣ_Hは前記第１の温度における前記ガスの熱伝導率、
   但し、ＴｈＣ_L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、Ｔ_a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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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