JP3610007B2

JP3610007B2 - ガスの相対密度を計測する方法

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Publication number: JP3610007B2
Application number: JP2000504452A
Authority: JP
Inventors: ポールスティーヴンハモンド; ロバートリチャードサーストン
Original assignee: ラティスインテレクチュアルプロパティーリミテッド
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2018-07-17
Also published as: AU730301B2; US6474137B1; GB2327499A; NO20000283D0; EP0998670B1; JP2001511522A; CA2294775C; GB2327499B; KR20010022012A; EP0998670A1; CA2294775A1; AR016531A1; NZ502330A; WO1999005517A1; GB9715448D0; AU8450798A; ATE266865T1; NO20000283L; GB9815430D0; BR9810726A

Description

【０００１】
本発明はガスの相対密度を計測する方法及び装置に関する。
ガスは燃料ガス、例えば天然ガスである。
【０００２】
本発明の第１の側面によれば、ガスの相対密度を計測する方法は、ガス中の音速を計測し、該音速を、該音速に対応するガスの相対密度をだす作業に使用することからなる。
前記方法は、標準状態に補正されたガス中の音速を計測し、式
ＲＤ＝ａｘＳｏＳｓｃ＋ｂ
ここで、ＲＤはガスの相対密度、ＳｏＳｓｃは標準状態（ｓｃ）に補正されたガス中の音速、ａ及びｂは定数、の使用を伴う手順によって相対密度を得ることからなる。
ガス中の音速をメートル標準状態（ｍｓｃ）に補正しても良く、それにより、式は
ＲＤ＝ａｘＳｏＳｍｓｃ＋ｂ
のように書かれる。
【０００３】
本発明の第２の側面によれば、ガスの相対密度を計測する装置はガス中の音速を計測する手段と、該音速を、該音速に対応するガスの相対密度をだす作業に使用する手段とを有する。
前記装置は、標準状態に補正されたガス中の音速ＳｏＳｓｃを計測する手段と、式
ＲＤ＝ａｘＳｏＳｓｃ＋ｂ
の使用を伴う手順によって相対密度を得る手段とを有する。
前記装置において、音速をメートル標準状態に補正しても良い。
【０００４】
前記方法及び装置は、ガスのウォッベ指数を式

ここで、ＷＩはウォッベ指数、ＣＶはガスの発熱量、を使用して計算するのに、ガスの発熱量の計測を使用するようになっていても良い。
【０００５】
本発明の各側面を、今、添付図面を参照して、例示として更に説明する。
図１は、本発明の第１の側面による方法を使用する本発明の第２の側面によるガスの相対密度を計測する装置の実施形態の概略的な例である。
図２は、本発明の第１の側面による方法を使用する本発明の第２の側面によるガスの相対密度を計測する装置の別の実施形態の概略的な例である。
図３は、天然ガスの相対密度（ＲＤ）の変化に対する、メートル標準状態（ｍｓｃ）に補正された天然ガス中のメートル／秒（ｍ／ｓ）単位の音速（ＳｏＳｓｍｃ）の変化の実質的に線形関係を図示するグラフであり、ここで、関係した天然ガスは、典型的には、英国においてガス本管を経て消費者に供給される種類のものである。
図４は、ガスの相対密度（ＲＤ）の変化に対する、標準状態（ｓｃ）に補正されたガス中の音速（ＳｏＳｓｃ）の変化の実質的に線形関係を概略的に且つ一般的な意味で示すグラフであり、このグラフは定数ａ及びｂ用の値をどのようにして得るかを示すのに使用することができる。
図５は、本発明を利用するフィードフォワードの空気／燃料ガス制御装置の概略的な例である。
【０００６】
同様の参照番号は同様の或いは同等の部品を指示する図面を参照すれば、図４は、標準状態に補正されたガス中の音速の変化とガスの相対密度の変化との間の、発明者によって見出された線形関係２を示す。ガスの標準状態は知られており、種々の種類、例えば標準温度及び圧力（ｎｔｐ：ｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅ）又はメートル標準状態（ｍｓｃ）のものである。図４の線形関係２は式
ＲＤ＝ａｘＳｏＳｓｃ＋ｂ − （Ｉ）
ここで、ＲＤはガスの相対密度、ＳｏＳｓｃは標準状態に補正されたガス中の音速、ａは線形関係２の傾斜即ち勾配、ｂは標準状態に補正されたガス中の音速が０のときの前記相対密度の値、で表される。相対密度は無次元数である。
関心があるガスについて図４に示す関係を確立するために、相対密度が変化するガスの異なる相対密度を、任意適当な既知の方法、例えば、クロマトグラフを使用するクラマトグラフィー又は濃度計（ｄｅｎｓｉｏｎｍｅｔｅｒ）によって計測し、各相対密度における標準状態に補正されたガス中の音速の計測をする。音速のこれらの値及びこれらに対応する相対密度値をプロットして、関係２を与え、関係２から定数ａ及びｂを得ることができる。
【０００７】
図３では、天然ガスの相対密度の変化に対する天然ガスの音速ＳｏＳｍｓｃの変化を毎秒メートル単位で示す線形関係２Ａを図示する。図３の音速はメートル標準状態（ｍｓｃ）に補正されている。メートル標準状態は温度が１５℃で、圧力が１．０１３２５ｂａｒである。図３の線形関係２Ａを使用すれば、定数ａの値は−０．００２６０８であり、定数ｂの値は１．７０２４５であり、その結果、天然ガスについては、相対密度ＲＤを式
ＲＤ＝ −０．００２６０８ｘＳｏＳｍｓｃ＋１．７０２４５ − （ＩＩ）
から得ることができる。
【０００８】
任意適当な燃料ガスを含む任意適当なガスの線形関係２（図４）を得ることが可能である。
【０００９】
図１を参照すれば、ガスの相対密度ＲＤを上記の式（Ｉ）を使用して計測する装置４がチャンバー６を有し、ガスは入口導管８からチャンバー６の中に供給され、出口導管１０から出る。入口導管は熱交換手段８Ａ、例えば銅コイルを含み、該熱交換手段によって流入ガスの温度を周囲温度の値とほぼ同じ値に調整することができ、それにより、チャンバー６内のガスはチャンバー６全体にわたって実質的に均一な温度のものである。チャンバー６は超音波送信機１２及び超音波受信機１４を含む。コンピュータ手段を含む電子制御手段１６が信号発生器１８に接続され、その結果、制御手段１６の制御の下、信号発生器は送信機１２に超音波信号２０を望むように送信させる。超音波信号２０は受信機１４によって受信され、超音波信号の受信は線２２を経て制御手段１６に信号で送られる。送信機１２と受信機１４との間の超音波信号の飛行時間は、ガスチャンバー６内の音速ＳｏＳｓｃを計算するように構成された制御手段１６によって計測される。上記の式（Ｉ）を使用して、ガスの相対密度ＲＤの値を計算することができ、ガスの相対密度ＲＤを制御手段１６からの信号に応答させて、視覚的に表示し且つ／又は印刷しても良いし、或いは、その他の方法で記録手段２４によって記録しても良い。
【００１０】
変形技術は、相対密度の種々の値を、標準状態に補正された音速の値と相互に関連させた所定の探索表を有する制御手段１６を提供することである。制御手段１６は、探索表中のどの音速値が、送信機１２及び受信機１４を使用して計測されたガス中の音速に最も近いかを選択し、かくして、ガスの実際の相対密度値と同じ、或いは、最も近い前記音速に対応する相対密度値を特定する。
【００１１】
制御手段１６が所望の標準状態に補正された音速を計算することができるために、チャンバー６内の温度センサ２６が、チャンバー内のガスの温度の値を表わすデータを前記制御手段に供給する。
第１の近似計算までは、音速は周囲温度の変化にのみ依存し、圧力の変化には依存しない。その結果、望むならば、チヤンバー６内のガス圧力に関する情報を標準状態に補正された音速の計算のために提供する必要がなく、ガス圧力は実質的に一定値を有すると仮定される。しかしながら、圧力センサ２８を設けて、ガス圧力測定データを、補正された音速の計算に使用するために制御手段１６に送っても良い。
【００１２】
ガスはどんなガスでも良く、例えば、任意の燃料ガスである。天然ガス即ちメタンの場合には、制御手段１６は相対密度の値ＲＤを得るために上記の式（ＩＩ）を使用するのが良い。
【００１３】
図２の装置４Ａでは、単一の超音波送受信機３０があり、超音波信号が、反射体３２及び３４から反射されるように送受信機３０から送信され、送受信機３０に戻る。送信と受信との間の経路の長さは既知である。電子制御手段１６は切替え装置３６及び信号発生器１８を作動させる。送受信機３０が超音波信号を送信すべきとき、制御手段１６は切替え装置３６を一方の状態に作動させて、信号発生器１８からの信号を通し、送受信機３０を送信機として駆動する。次いで、制御手段１６は切替え装置３６を他方の状態に作動させて、送受信機３０による反射された超音波信号の受信を指示するデータを制御手段に送らせ、かくして、制御手段１６はチャンバー６内の超音波信号の飛行時間、かくして、ガス中の音速を計測することができる。
米国特許第４９３８０６６号に開示されているような、音速を計測するのに任意適当な方法を使用しても良い。しかしながら、最も好ましい方法は、英国特許出願第９８１３５０９．８号、同第９８１３５１３．０号及び同第９８１３５４１．８号に開示されている方法である。
【００１４】
もともと知られている任意適当な技術によって、制御手段１６はガスの発熱量を表わす情報を備えていても良いし、或いは、前記制御手段が計算するのを可能にする情報を備えていても良い。そのとき、制御手段１６はガスの発熱量ＣＶをガスのウォッベ指数ＷＩを式

を使用することによって計算しても良いし、或いは、ウォッベ指数ＷＩをその他の方法で得ても良い。燃料ガスを処理装置（例えば、炉、キルン、圧縮機、エンジン等）の中で燃焼させるとき、最適な燃焼を確保するために、（この場合は空気の形態の）酸素／燃料ガスの比を設定する或る形態の制御装置が使用される。過剰な空気量が幾分見込まれる、というのは、燃料ガスの組成変化が変動するからである。余分な空気が加熱され通気されているので、この見込みは、処理装置が稼動できるであろうよりも非効率的に稼動していることを意味する。
しかしながら、燃料ガスの質を指示し且つ本発明によって見出すことができる相対密度又はウォッベ指数の計測をフィードフォワード制御計画に使用して、利用できる制御精度を改善し且つより優れた効率を達成することができる。
【００１５】
この制御を行う装置を図５に示す。燃料ガスが管のような導管４０を経て炉、キルン、圧縮機又はエンジンのようなガス発火処理装置４１に供給され、空気の形態の酸素が別の導管４２を経て処理装置４１に供給される。導管４０に一時的に挿入できるプローブの形態でも良いし、或いは、永久固定体のようなものでも良い任意適当な音速計測装置４３が、導管４０の中を通る燃料ガスの音速を計測するように構成される。装置４３によって計測された燃料ガスの音速は接続部４４を経て、例えばマイクロプロセッサ又はコンピュータである制御手段４５に送られる。制御手段４５は、前に説明したように、燃料ガスの相対密度を装置４３から受信した音速の計測値から決定する。ガスの質を計測したら、制御手段は酸素／燃料ガスの比の制御装置４６及び４７を使用し、空気／燃料ガスの比の設定値を調整し、より優れた効率を達成することができる。この場合には、酸素／燃料ガスの比の制御装置は２つの可変バルブ４６、４７を有し、該可変バルブはそれぞれ燃料ガス導管４０及び空気導管４２にあり、可変バルブ４６、４７は両方とも接続部４８、４９を経て制御手段４５によって制御される。変形例では、酸素／燃料ガス制御装置は導管４０、４２の一方にだけ可変開口バルブを有しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の側面による方法を使用する本発明の第２の側面によるガスの相対密度を計測する装置の実施形態の概略的な例である。
【図２】本発明の第１の側面による方法を使用する本発明の第２の側面によるガスの相対密度を計測する装置の別の実施形態の概略的な例である。
【図３】天然ガスの相対密度（ＲＤ）の変化に対する、メートル標準状態（ｍｓｃ）に補正された天然ガス中のメートル／秒（ｍ／ｓ）単位の音速（ＳｏＳｓｍｃ）の変化の実質的に線形関係を図示するグラフである。
【図４】ガスの相対密度（ＲＤ）の変化に対する、標準状態（ｓｃ）に補正されたガス中の音速（ＳｏＳｓｃ）の変化の実質的に線形関係を概略的に且つ一般的な意味で示すグラフである。
【図５】本発明を利用するフィードフォワードの空気／燃料ガス制御装置の概略的な例である。

Claims

ガスの相対密度を決定する方法であって、
ガスの相対密度及びそれに対応するガス中の音速の所定数の最初の計測値をとることによって、相対密度と音速との間の線形関係における傾き及び切片を予め決定する段階と、
ガス中の音速を計測する段階と、
前記傾き、切片及び前記計測した音速を用いて、前記線形関係からガスの相対密度を計算する段階と、を有し、
ガス中の音速の計測値は標準状態に補正され、ガスの相対密度は式

ここに、ＲＤはガスの相対密度、Ｓ ₀ Ｓ _sc は標準状態 ( ｓｃ ) に補正されたガス中の音速、ａは前記線形関係の予め決定された傾き、及びｂは前記線形関係の予め決定された切片、の使用を伴う手順によって得られる方法。
前記式は、

ここに、Ｓ₀Ｓ_smcはメートル標準状態に補正されたガス中の音速、である請求項１に記載の方法。
天然ガスの相対密度ＲＤの前記式において、定数ａはほぼ−０．００２６０８であり、定数ｂはほぼ１．７０２４５であり、メートル標準状態に補正されたガス中の音速Ｓ₀Ｓ_smcはメートル／秒単位である、請求項２に記載の方法。
多数の継続的な補正されたガス中の音速の計測中、ガス圧力は、すべての前記継続的な計測の間、実質的に同じであると仮定される、請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
ガスのウォッベ指数ＷＩを式

ここに、ＣＶはガスの発熱量、ＲＤは請求項１乃至４の何れか１項の記載の方法によって得られた相対密度、を使用して計測する方法。
ガスの相対密度を計測するための装置であって、
ガスの相対密度及びそれに対応するガス中の音速の所定数の最初の計測値をとることによって、相対密度と音速との間の線形関係における傾き及び切片を予め決定するための手段と、
ガス中の音速を計測するための手段と、
前記傾き、切片及び前記計測した音速を用いて、前記線形関係からガスの相対密度を計算するための手段と、
計測されたガス中の音速を標準状態に補正するために設けられた手段と、を有し、
前記線形関係からガスの相対密度を計算するための手段は、式

ここに、ＲＤはガスの相対密度、Ｓ ₀ Ｓ _sc は標準状態 ( ｓｃ ) に補正されたガス中の音速、ａは前記線形関係の予め決定された傾き、及びｂは前記線形関係の予め決定された切片、を使用するように構成されていることを特徴とする装置。
前記式は、

ここに、Ｓ₀Ｓ_smcはメートル標準状態に補正されたガス中の音速、である請求項６に記載の装置。
前記装置は、天然ガスの相対密度ＲＤを計測するものであり、定数ａはほぼ−０．００２６０８であり、定数ｂはほぼ１．７０２４５であり、メートル標準状態に補正されたガス中の音速Ｓ₀Ｓ_smcはメートル／秒単位である、請求項７に記載の装置。
前記計測された音速を標準状態に補正する手段は、多数の継続的な補正されたガス中の音速の計測中、ガス圧力は、すべての前記継続的な計測の間、実質的に同じであるとの仮定で作動するように構成される、請求項７又は８に記載の装置。
ガスは熱交換器を通って、ガス中の音速を計測するための超音波が発信される領域まで供給される、請求項６乃至９の何れか１項に記載の装置
請求項６乃至１０の何れか１項による、ガス発火処理装置の燃料ガスの相対密度を計測するための装置と、
ガス発火処理装置の酸素／燃料ガスの比の制御装置を決められた相対密度に従って調整するための手段と、
を有するガス発火処理装置の酸素／燃料ガスの比を調整するための制御手段。
炉であって、
酸素の供給を受入れるための手段と、
燃料ガスの供給を受入れるための手段と、
酸素／燃料ガス比制御装置と、
ガス発火プロセスの酸素／燃料ガス比を調整するための制御手段と、
を有し、前記制御手段は、
相対密度と音速との間の線形関係を予め決定するための手段と、
酸素／燃料ガス中の音速を計測するための手段と、
ガス発火プロセスのための燃料ガスの相対密度を決定するために、計測された音速を使用する手段と、を有し、
更に、決定された相対密度に従って、前記ガス発火プロセスのための前記酸素／燃料ガス比制御装置を調整するための手段と、
ガス中の計測された音速を標準状態に補正するために設けられた手段と、を有し、
前記線形関係からガスの相対密度を計算するための手段は、式

ここに、ＲＤはガスの相対密度、Ｓ ₀ Ｓ _sc は標準状態 ( ｓｃ ) に補正されたガス中の音速、ａは前記線形関係の予め決定された傾き、及びｂは前記線形関係の予め決定された切片、を使用するように構成されていることを特徴とする炉。
キルンであって、
酸素の供給を受入れるための手段と、
燃料ガスの供給を受入れるための手段と、
酸素／燃料ガス比制御装置と、
ガス発火プロセスの酸素／燃料ガス比を調整するための制御手段と、
を有し、前記制御手段は、
相対密度と音速との間の線形関係を予め決定するための手段と、
酸素／燃料ガス中の音速を計測するための手段と、
ガス発火プロセスのための燃料ガスの相対密度を決定するために、計測された音速を使用する手段と、を有し、
更に、決定された相対密度に従って、前記ガス発火プロセスのための前記酸素／燃料ガス比制御装置を調整するための手段と、
計測されたガス中の音速を標準状態に補正するために設けられた手段と、を有し、
前記線形関係からガスの相対密度を計算するための手段は、式

ここに、ＲＤはガスの相対密度、Ｓ ₀ Ｓ _sc は標準状態 ( ｓｃ ) に補正されたガス中の音速、ａは前記線形関係の予め決定された傾き、及びｂは前記線形関係の予め決定された切片、を使用するように構成されていることを特徴とするキルン。
圧縮機であって、
酸素の供給を受入れるための手段と、
燃料ガスの供給を受入れるための手段と、
酸素／燃料ガス比制御装置と、
ガス発火プロセスの酸素／燃料ガス比を調整するための制御手段と、
を有し、前記制御手段は、
相対密度と音速との間の線形関係を予め決定するための手段と、
酸素／燃料ガス中の音速を計測するための手段と、
ガス発火プロセスのための燃料ガスの相対密度を決定するために、計測された音速を使用する手段と、を有し、
更に、決定された相対密度に従って、前記ガス発火プロセスのための前記酸素／燃料ガス比制御装置を調整するための手段と、
計測されたガス中の音速を標準状態に補正するために設けられた手段と、を有し、
前記線形関係からガスの相対密度を計算するための手段は、式

ここに、ＲＤはガスの相対密度、Ｓ ₀ Ｓ _sc は標準状態 ( ｓｃ ) に補正されたガス中の音速、ａは前記線形関係の予め決定された傾き、及びｂは前記線形関係の予め決定された切片、を使用するように構成されていることを特徴とする圧縮機。
エンジンであって、
酸素の供給を受入れるための手段と、
燃料ガスの供給を受入れるための手段と、
酸素／燃料ガス比制御装置と、
ガス発火プロセスの酸素／燃料ガス比を調整するための制御手段と、
を有し、前記制御手段は、
相対密度と音速との間の線形関係を予め決定するための手段と、
酸素／燃料ガス中の音速を計測するための手段と、
ガス発火プロセスのための燃料ガスの相対密度を決定するために、計測された音速を使用する手段と、を有し、
更に、決定された相対密度に従って、前記ガス発火プロセスのための前記酸素／燃料ガス比制御装置を調整するための手段と、
計測されたガス中の音速を標準状態に補正するために設けられた手段と、を有し、
前記線形関係からガスの相対密度を計算するための手段は、式

ここに、ＲＤはガスの相対密度、Ｓ ₀ Ｓ _sc は標準状態 ( ｓｃ ) に補正されたガス中の音速、ａは前記線形関係の予め決定された傾き、及びｂは前記線形関係の予め決定された切片、を使用するように構成されていることを特徴とするエンジン。
ガスのウォッベ指数ＷＩを式

ここに、ＣＶはガスの発熱量、ＲＤは、請求項６乃至１０の何れか１項に記載の装置を使用して得られたガスの相対密度、を使用して計算する手段が設けられ、ガスの発熱量ＣＶを受入れ、且つ／又は計算し、且つ／又は得る手段が更に設けられる、ガスのウォッベ指数を計測する装置。