JP3793947B2 - リアルタイム水分モニタを備えた排ガス微粒子質量測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、ガス水分測定に関し、より詳細には、煙道または他の排気導管中を流れる粒状物質の質量測定中に等速サンプリングのリアルタイム調整のために排ガス中の水分含量をリアルタイムで測定するために操作可能な微粒子質量測定装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
石炭燃焼施設、生ゴミ焼却炉、有害廃棄物焼却炉、コンクリートプラント、紙／パルプ処理プラント等の、固定発生源の煙道または他の排気導管中を流れる排ガスの微粒子質量測定は、粒状物質と健康への悪影響との間の関連性から重要である。世界中の様々な規制機関が、煙道からの粒子状物質の連続的な質量測定を要求している。
【０００３】
微粒子質量測定のために煙道中を流れる排ガスの代表的サンプルを得るには、サンプルが等速的に得られることが一般に要求される。等速サンプルは、サンプルが微粒子質量測定装置のサンプリングノズルに入る際に、サンプルの運動エネルギーを維持することによって得られる。運動エネルギーはサンプルの質量および速度の関数である。サンプル質量は一般に一定なので、サンプルの運動エネルギーは、煙道中を流れる排ガスの速度を、ノズルを通って流れる排ガスサンプルの速度と一致させることによって維持できる。すなわち、等速サンプルは、煙道中の排ガスの速度と等しい速度で吸い込まれるサンプルである。
【０００４】
煙道中を流れる排ガスの速度Ｖは、典型的には、煙道中を流れる排ガス中に配置されたピトー管を用い、以下の関係式に従って決定される。
Ｖ＝Ｃ×（ＰｉｔｏｔＤＰ）^０．５×（Ｔ／（Ｐ×Ｍｓ））^０．５ （１）
式中、
Ｃは、ピトー管較正定数、
ＰｉｔｏｔＤＰは、ピトー管前後で測定された圧力損失、
Ｔは、排ガスの絶対温度、
Ｐは、排ガスの絶対圧力、
Ｍｓは、水蒸気を含む排ガスの分子量である。
【０００５】
典型的には、温度Ｔは、温度センサまたは熱電対を使って決定され、ピトー管前後での圧力損失ＰｉｔｏｔＤＰは、圧力変換器を使って決定され、絶対圧力Ｐは、圧力変換器を使って決定される。
【０００６】
上述の温度および圧力の決定はリアルタイムで行えるのに対して、水蒸気を含む排ガスの分子量Ｍｓは、煙道中を流れる排ガスの速度Ｖの近似の結果として得られ、ユーザーが与えたり定めるものである。特に、排ガスの分子量Ｍｓは、ガスの乾燥分子量に基づく（例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）および酸素（Ｏ_２）センサを使用し、ガス組成の残りを窒素（Ｎ_２）と仮定し、かつ水分、すなわち、煙道中を流れる排ガス中の水蒸気の容積割合を推測して得られる）。
【０００７】
サンプリングの間に、水蒸気の水分が、例えば米国環境保護庁（ＥＰＡ）方法４に従って決定される。ＥＰＡ方法４においては、既知容積の排ガスが排ガス流から、一連の冷却インピンジャーでの凝縮およびシリカゲル中での吸収によって取り去られる。次に、採集された水の質量を測定し、既知容積の排ガスと関連付けてガス流の水分を決定する。そのような方法に伴う欠点としては、水分がある期間にわたる平均であることおよび平均水分はサンプリングが完了して初めて決定されることである。目的は、煙道中を流れる排ガスの推定速度と排ガス速度（すなわち、測定された平均水分を用いて）との間の一致を、等速条件の達成に十分と見なされる＋／−１０％に維持することである。
【０００８】
微粒子質量測定の間に、排ガスの等速サンプリングのリアルタイム調整のためにリアルタイムの排ガス水分測定の装置および方法に対するニーズがある。より一般的には、そのような水分測定は、規制汚染物質の質量排出速度を計算するために、排出源の質量流量および総容積流量の決定に必要である。多くの汚染物質が連続排出モニタ（ＣＥＭ）により連続的に測定されるので、連続的またはリアルタイムの水分測定が望まれる。
【０００９】
（発明の開示）
第１の態様においては、煙道中を流れる排ガスの微粒子の質量を測定するための微粒子質量測定装置が本発明により提供される。この装置は、煙道中を流れる排ガスの微粒子の質量を測定するための質量測定アセンブリと、煙道中を流れる排ガスの水分をリアルタイムで測定するための手段と、煙道中を流れる排ガスのリアルタイム水分量に基づき質量測定アセンブリにより測定可能な排ガスの等速サンプリングを制御するためのコントローラとを含んでいる。
【００１０】
別の態様において、煙道中を流れる排ガスの微粒子の質量を測定するための方法は、排ガスの水分測定をリアルタイムで決定する段階と、排ガスのリアルタイム水分測定に基づいて排ガスの一部の等速サンプルを得る段階と、等速サンプルの微粒子の質量測定を得る段階とを含む。
【００１１】
第３の態様において、水分測定モニターは、水分を含むガスの一部分の流量を決定するための第１のフローセンサと、ガスのその部分から水を除去するための乾燥器と、水を含まないガスの部分の流量を決定するための第２のフローセンサと、ガスの水分を決定するために前記第１のフローセンサおよび前記第２のフローセンサに操作可能に接続されたコントローラとを含む。
【００１２】
第４の態様において、ガスの水分を測定するための方法は、ガス流の一部分の第１の流量を決定する段階と、そのガス流の部分から水分を除去する段階と、水分を含まないガス流の第２の流量を決定する段階とを含む。
【００１３】
本発明としてみなされる主題は、本明細書の結論部分で特に指摘されかつ明瞭に特許請求されている。しかしながら、本発明は、そのさらなる目的および利点と共に、好適な実施形態の以下の詳細説明および添付図面を参照することにって最もよく理解できる。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、本発明による、煙道１４中を流れる排ガス１２中の微粒子の質量を測定するための微粒子質量測定装置１００を例示するものである。以下でより詳細に説明されるように、微粒子質量測定装置１００は、排ガス１２の水分をリアルタイムで測定し、排ガスの水分のリアルタイム測定に基づいて等速サンプリングのリアルタイム調整を排ガス１２中の微粒子の質量測定中に行うためのモニタまたは手段を含んでいる。本明細書中で用いられるように、用語「リアルタイム」は、その間にサンプリングが行われる実際の時間を実質的に意味する。
【００１５】
微粒子質量測定装置１００は、Ｈｉｓｓ，ＩＩＩらの米国特許第５，９７０，７８１号「煙道内直接微粒子質量測定装置および方法」、およびＨｉｓ，ＩＩＩらの米国特許第６，０１６，６８８号「圧力／フロー補正を用いた煙道内直接微粒子質量測定装置および方法」に開示される微粒子質量測定装置に類似し、さらに以下でより詳細に説明される改良を含む。これらの特許の主題は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００１６】
例えば、質量測定装置１００は、煙道１４内に伸縮可能ブーム１８の端部または他の支持構造体に支持された質量測定アセンブリ１６またはプローブを含む。質量測定アセンブリ１６は、空気圧ライン２０、２２および電気信号ライン２４を介して制御ユニット２６に接続されている。空気圧ラインおよび電気信号ラインは、好ましくは、ブーム１８に沿いかつこれを通って伸びる。有利には、空気圧ライン２０および２２は、全体的または部分的に制御可能に加熱し得る。制御ユニット２６は、ブーム１８の近くに、またはそこから離して設置できる。
【００１７】
用語「煙道（ｓｔａｃｋ）」は、微粒子含有ガスを流す任意の通路を意味するために本明細書中で広く使用される。用語「排ガス」は、任意のそのような微粒子含有ガスを示すように本明細書中で使用される。本発明は、微粒子含有ガスを排出するどのような設備にも適用可能である。そのような設備は、この業界では時々「固定排出源」と呼ばれ、石炭燃焼施設、生ゴミ焼却炉、有害廃棄物焼却炉、セメントプラント、紙／パルプ処理設備、ボイラー排気、および煙突が含まれるが、これらに限定されない。
【００１８】
図１に示されるように、煙道１４の壁は、典型的には外部フランジ３０により規定されるポート２８を含み得る。本発明の１つの実施形態によれば、滑り継手３２とベアリングハウジング３４が、フランジ３０の外表面に取り付けられている。ポート２８、滑り継手３２およびベアリングハウジング３４は内部通路を規定し、これを通して質量測定アセンブリ１６およびブーム１８を煙道１４内に挿入できる。質量測定アセンブリ１６およびブーム１８の外径は、ポート２８の外径よりも若干小さい。質量測定アセンブリ１６は、回転継手またはピボット３６によりブーム１８の端部に取り付けられる。この継手により、質量測定アセンブリ１６は、ポート２８を通って煙道１４内にアクセスするためにブーム１８と同軸的に方向合わせができる。挿入に続いて、質量測定アセンブリ１６は、図１に示されるように、排ガス１２のサンプリングを容易にする方位まで継手３６周りで回転される。サンプリング完了後、質量測定アセンブリ１６は、ポート２８を通って煙道１４から容易に引き抜けるようにブーム１８と共軸の方位に回転して戻すことができる。当業者により理解されるように、質量測定アセンブリ１６に回転支持および動作を提供するため、様々な従来機構を用いることができる。
【００１９】
ポート２８により煙道１４内部へのアクセスが可能になるのに対して、滑り継手３２およびベアリングハウジング３４により、ブーム１８および付随する質量測定アセンブリ１６は、様々な測定プロトコルの下で要求または要望されるように、煙道内部を横切るように移動が可能になる。質量測定アセンブリ１６が煙道１４内の所望の直交位置に置かれた時に、スライド式ブーム１８をその位置に一時的に固定するためにクイックリリースクランプ（図示せず）を使用できる。ブーム１８は、好ましくは、種々の現場条件に適応しかつ運搬が容易になるように、最大要求横断長さまで伸長可能である。
【００２０】
質量測定アセンブリ１６は、微粒子コレクタ４０に接続された質量変換器３８と、採集された排ガス１２をコレクタ４０へ導くための入口管４２とを備える。質量測定アセンブリ１６の構成要素は多くの異なる形態を取り得るが、質量変換器３８は、コレクタ４０に捕集された微粒子の質量の直接的かつリアルタイムの測定を提供する慣性質量測定変換器が好ましい。質量変換器３８は、以下でより全面的に説明するように、クランプフリーモードで振動する中空弾性部材の形態を取るのが有利である。コレクタ４０は、好ましくは、質量変換器３８に取り付けたフィルタを含む。嵌入プレートまたは他の粒状物質コレクタも、採集排ガスから微粒子を捕集するのに使用できる。入口管４２は、入口損失を最小限にするために、好ましくは短くかつまっすぐである。
【００２１】
質量測定アセンブリ１６は、総微粒子質量レベルを測定するために使用、あるいは、入口管４２の上流に位置する空気力学的直径に基づき微粒子を分離するサイクロンまたはその他の装置(図示せず)と共に、技術的に周知のように、例えばＰＭ₁₀またはＰＭ_2.5の微粒子質量レベルの測定に用いることができる。
【００２２】
輸送損失を最小にし、サンプルの完全な状態を保証するために、コレクタ４０は、好ましくは、入口管４２の出口近くに置かれる。コレクタ４０は、好ましくは、クランプフリーモードで振動するように作られた中空弾性部材である好適な変換器の自由端に取り付けられた交換可能なフィルタカートリッジを備える。そのような振動式中空弾性部材を用いた慣性質量測定装置の構造および操作は、同一出願人による米国特許第３，９２６，２７１号および同４，３９１，３３８号、ならびに日本国特許公開公報ＪＰ２−３２４３６４号に記載されている（これらの特許および日本国特許公報は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる）。
【００２３】
例えば、質量変換器３８は、好ましくは、一端がクランプ固定され、他端が自由に振動する中空管である。交換可能なフィルタカートリッジは自由端の先端に配置される。この片持ち式弾性部材は、その固有振動数で正確に振動する。電子制御回路４６がその振動を感知し、正帰還を介して、損失に打ち勝つのに十分なエネルギーをシステムに加える。自動制御回路（図示せず）が、測定の間、振動を維持する。正確な電子式カウンター４６が、質量と直接の関係がある周波数を測定する。
【００２４】
経時的に周波数を追跡することにより質量流量が得られ、フィルタを通して測定された流量と組み合わせると、質量濃度が得られる。そのような追跡および計算は、制御ユニット２６内のコンピュータ／コントローラまたはプロセッサ４８によって周知のやり方で容易に達成できる。キーパッド５０およびディスプレイ５２、または他の入力／出力装置をコントローラ４８に接続して、コントローラとのオペレータインタフェースを容易にし、質量測定装置１００から提供された質量表示値を表示するようにできる。米国特許第５，９７０，７８１号には、質量変換器の現場較正用プロセスだけでなく、質量変換器を用いた質量測定法がさらに記載されている。米国特許第６，０１６，６８８号には、圧力変換器７７を用いた圧力／フロー補正も記載されている。
【００２５】
再度図１を参照すると、サンプリングライン２０は、質量変換器３８、例えば前述の中空弾性部材を、例えば煙道１４外に置かれたコンデンサのような乾燥器５４に接続している。少なくともサンプリングライン２０の一部が、その内部での水分凝縮を防止するために加熱されるのが好ましい。乾燥器５４は任意の乾燥剤５６と共に水分除去に役立ち、採集されたガスが付加的な任意のフィルタ５８、フローコントローラ６０を通過して減圧（例えば、真空）ポンプ６２を介して排出される前にこれを完全に乾燥する。乾燥器５４は、コンデンサ、メンブレンタイプ乾燥器または任意のその他の装置、あるいは好ましくはそのＯ_２またはＣＯ_２含量に影響することなくガス流を乾燥させる装置の組合せとすることができる。
【００２６】
運転時、排ガス１２は入口管４２に入り、その中を直接通り、振動部材または他の質量変換器３８に取り付けられたコレクタ４０に至る。採集された排ガス中の微粒子物質は、ＥＰＡ方法１７に記載されているように、コレクタ４０により煙道温度で捕集し得る。次に、採集されたガスは、ブーム１８内の加熱されたサンプリングライン２０を通って乾燥器５４に進み、そして一連のサンプリング過程の残りの要素を通過する。このようにして、コレクタ４０に堆積される微粒子物質の質量の直接測定値が、現場において、リアルタイムで得ることができる。
【００２７】
ＥＰＡ方法１７は、捕集されたサンプルから、結合していない水分を除去することを要求している。米国特許第６，０１６，６８８号中でより完全に記載されているように、質量測定装置１００は、サンプリング前後のコレクタの均衡化だけでなく、そのような結合していない水分の煙道内バージも行う。均衡化は、安定で再現性のある熱力学的状況を、サンプリング前後のコレクタについて確立する段階を含む。断続的なサンプリング期間の間のコレクタ調整も達成し得る。
【００２８】
従って、ライン２２は、調整ガスをコレクタ４０に選択的に供給するために、ブーム１８を通って伸びて入口管４２に接続する調整ガスラインとすることができる。調整ガスは、好ましくは、フィルタ６８、フローコントローラ７０、ガス乾燥器７２、およびソレノイドバルブ７４を通ってライン２２までポンプ６６により供給される乾燥した清浄なガスから成る。この調整ガス過程の構成要素は、従来の既製タイプの要素とし得る。そのような要素は、好ましくは、煙道１４外の制御ユニット２６内に設置される。
【００２９】
熱交換器７６または他の調整ガス温度コントローラも、調整ガスラインに付属している。図１に示されるように、熱交換器７６は、好ましくは、調整ガス流が排ガス温度にあることを便利に保証するため、煙道１４内に配置される。熱交換器は、アクティブ、パッシブ、あるいはアクティブとパッシブとの組合せのいずれでもよい。温度センサ４４をそのようなアクティブ制御用に用い得る。熱交換器は、種々の周知の形態をとり得る。熱交換器７６の上流における調整ガスラインの一部分を、熱交換器に入るガスを予熱するために、任意に加熱することができる。もし必要であれば、熱交換器７６または他の温度コントローラを、調整ガス温度を任意の設定温度、例えば排ガス温度よりも高い温度に調整するために用い得る。
【００３０】
フィルタ６８およびガス乾燥器７２は調整ガスが清浄かつ乾燥していることを保証するために役立つのに対して、フローコントローラ７０は、調整ガスの流量を制御する。ソレノイドバルブ７４は、ライン２２への調整ガス供給の迅速なオン・オフに役立つ。使用されないときには、調整ガスはソレノイドバルブ７４を通して排出される。ガス調整過程の構成要素、ならびにサンプリング過程の構成要素の起動および運転は、すべてコントローラ４８により周知のやり方で制御できる。
【００３１】
調整ガスは、採集された排ガスよりも大きい流量で供給されるのが有利であり、その結果、コレクタ４０を調整、均衡化、圧力／フロー較正および／または調整ガスによりパージする場合に、排ガスがコレクタに到達することが防止される。すなわち、調整ガスがその比較的高い流量のために入口管４２の入口に向けて逆流することにより、排ガスがチューブ４２へ入ることが効果的に阻止される。
【００３２】
代わりに、サンプリングライン２０に沿ったフローを制御して、採集された排ガスを調整ガスで効果的に希釈できる。このアプローチは、コレクタの寿命を延ばすか、コレクタの微粒子捕集能力を高めるためにコレクタに到達する水分量を減らすか、事後調整時間を低減するために用い得る。
【００３３】
調整ガスの流量が排ガスのサンプリングを妨げるほどである場合、その調整ガスは、コレクタ４０を現場で均衡化させるのに用い得る。そのような均衡化は、サンプリング前にコレクタを事前調整し、サンプリング後にコレクタおよび任意の捕集微粒子を事後調整するために用いることができ、実験室での平衡化に伴なう困難および遅延を避けつつ、ＥＰＡ方法１７と直接比較できる結果が得られる。そのようなコレクタ調整は、断続的なサンプリング期間との間に行うことができ、これによってコレクタの供用寿命が延長される。
【００３４】
調整ガスラインは、調整およびサンプリングの間、コレクタへの一定かつ安定した流量と、コレクタにおける一定の温度とを提供できる。従って、現場調整は、このようなコレクタ・質量変換器の結合状態を乱さない。
【００３５】
図１の微粒子質量測定装置１００は、様々なモードで稼動できる。すなわち、単一地点での連続測定、複数地点での時限的横断測定、または時間比例（断続的）サンプリング、例えば間接的連続排出モニターの較正である。連続的で中断のないサンプリングは、ＥＰＡ方法１７に類似した、数時間程度の比較的短時間の試験に使用される。コレクタ寿命は、微粒子物質の濃度だけでなく、その種類の関数でもあるので、期間が数日程度の試験も可能なことがある。
【００３６】
コレクタ寿命は、時間の一部についてのみサンプリングすることによって延長できる。この「時間比例サンプリング」法は、コレクタ交換時間を延長し、現行の連続モニターの較正に日常的に用いることができる。例えば、装置１００によるサンプリングを１時間ごとに短時間行ない、同じ期間に別の連続排出モニターにより得られた不透明度の表示値と比較する方式により、連続モニター較正のコンスタントな更新が可能になるであろう。
【００３７】
ここで、微粒子質量測定装置１００の典型的な操作手順を説明する。最初に、漏洩がないか装置全体を点検し、次に、コレクタ４０を質量測定アセンブリ１６中に装着する。次に、ブーム１８の端部において同軸的に整合されたアセンブリ１６を、ポート２８を通して煙道１４内に挿入し、調整ガスライン２２を作動させて、サンプリング位置へ回転して入れる。入口管４２内への調整ガスの流量により、どのような排ガス１２もコレクタ４０に到達できず、このコレクタの煙道内での事前調整が可能になる。この装置は安定化する。すなわち、熱交換器または他の温度コントローラにより調整ガス温度が排ガス温度まで上昇する。この事前調整により、今後の質量表示用のゼロベースラインが確立される。
【００３８】
ひとたびコレクタ４０を事前調整すると、ソレノイドバルブ７４を作動させてコレクタ４０への調整ガスの供給を遮断することによって、サンプリングを開始できる。今度は、サンプリングライン２０は、入口管４２を通して排ガスを引き込み、コレクタ４０に微粒子物質を捕集する。
【００３９】
本発明は、上述の微粒子質量測定装置のさらなる改良を目的としている。特に、質量測定装置１００は、水分モニタまたは排ガス中の水分をリアルタイムで測定するための手段を含み、測定された水分は、リアルタイムで排ガスの分子量を、そしてリアルタイムで排ガス１２の速度を決定するために使用される。従って、以下で説明するように、排ガスの水分を決定することにより、排ガス１２中の微粒子の質量を測定する間にリアルタイムの等速サンプリングが可能になる。
【００４０】
排ガス１２の水分を測定するための手段は、望ましくはサンプリングライン２０に組み込まれる。例えば、排ガス１２中の水分を測定するための手段は、第１のフローセンサ１１０、乾燥器５４と乾燥剤５６との間に接続されている水分を含まない排ガス（乾燥排ガス）の分子量測定手段１２０、および第２のフローセンサ１３０を備えたフローコントローラ６０を一般に含んでいる。乾燥排ガスを測定するための手段１２０は、フィルタ１２２、二酸化炭素（ＣＯ_２）センサ１２４、酸素（Ｏ_２）センサ１２６、および第３のフローセンサ１２８を一般に含んでおり、これらは直列接続されている。
【００４１】
様々なタイプのフローセンサ、例えば質量式または容積式のものが使用し得るが、好ましいフローセンサは、望ましくはオリフィスタイプ流量計であり、これはオリフィスを通しての容積流量がオリフィス前後での圧力損失および流体密度の平方根に比例するというベルヌーイの定理を使用する。適切な容積フローセンサが、Ｗｅｉｔｚらの米国特許第５，７９２，９６６号「熱的に安定な流体フロー測定装置」に記載されており、その主題全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００４２】
このセンサのオリフィスを通って流れるガスの容積流量は、以下の方程式から決定される：

式中、
Ｑ＝容積流量
ΔＰ＝オリフィス前後での圧力損失
Ｔ＝フローセンサにおけるガスの絶対温度
Ｐ＝フローセンサ入口におけるガスの絶対圧力
ｍ、ｂ＝較正定数
ＭＷ＝フローセンサにおけるガス分子量
【００４３】
周知のように、質量流量は、フローセンサにおけるガスの密度を掛けることにより容積流量から計算できる。

式中、

【００４４】
図２は、ガス２０２の流量を決定するためのフローセンサ２００の現在の好ましい形態を概略的に示すものである。センサ２００は、米国特許第５，７９２，９６６号に記載されるようなオリフィス２０４を備えている。圧力変換器２０８は、センサ入口２０６での絶対圧（Ｐ）の決定に使用され、圧力変換器２１０は、開口部２０４前後での圧力損失（ΔＰ）を決定する。センサ中のガスの絶対温度（Ｔ）を決定するために、熱電対２１２が使用できる。センサハウジング２１４は、乾燥排ガスフローセンサ１２８および１３０（図１）用に使用される場合には、プラスチックのような任意の適切な材料で作り得るが、煙道から引き込んだ高温で湿った排ガスを受け入れるフローセンサ１１０において使用される場合には、好ましくはステンレス鋼のような耐高温性かつ耐腐食性の材料で構成される。
【００４５】
フローセンサ１１０、１２８および１３０からの圧力および温度の測定値は、コントローラ４８に提供され、このコントローラは測定値から上記方程式に従って各センサの流量を計算する。これらの計算用に、フローセンサ１２８および１３０を通過する乾燥排ガスの分子量（ＭＷ）（以下、乾燥分子量Ｍｄと呼ぶ）が、以下で方程式（５）を参照して説明されるように、二酸化炭素センサ１２４と酸素センサ１２６とから提供された測定値から導くことができる。
【００４６】
フローセンサ１１０についての湿潤分子量Ｍｓは、乾燥分子量Ｍｄと湿潤排ガスに含まれている水蒸気量とから（以下で、方程式４に関して説明されるように）計算される。ガスに含まれている水蒸気量は正確に知られているわけではないが、例えば、水蒸気容積比率Ｂｗｓ（以下、方程式８に関して説明されるような）の以前の計算を現在の比率として用いることにより、この目的のために近似できる。同様なアプローチを密度計算用に使用できる。すべての計算が実行され、すべてのセンサが数秒ごとに読み取られる。この短い期間中、ガス中の水蒸気量の変化は十分に小さく、誤差は無視し得る。
【００４７】
本発明によれば、以下でより詳細に説明されるように、直列接続され乾燥器５４により分離されたフローセンサ１１０および１３０のペアにより、水蒸気含有排ガス流量を水を含まない排ガス流量と比較することが可能になり、リアルタイムの水分測定が提供される。
【００４８】
上記で記載されるように、排ガス速度Ｖは、以下の関係に従って決定される。
Ｖ＝Ｃ×（ＰｉｔｏｔＤＰ）^０．５×（Ｔ／（Ｐ×Ｍｓ））^０．５ （１）
式中、
Ｃは、ピトー管較正定数、
ＰｉｔｏｔＤＰは、ピトー管前後で測定された圧力損失、
Ｔは、排ガスの絶対温度、
Ｐは、排ガスの絶対圧力、
Ｍｓは、水蒸気を含む排ガスの分子量である。
【００４９】
Ｔ、ＰｉｔｏｔＤＰ、およびＰをリアルタイムで得るため、装置１００は、例えば、温度センサ４４、ピトー管４５、ピトー管４５前後での圧力損失を決定する圧力変換器７９、および静圧タップ１４２と共に煙道の静圧を測定する圧力変換器１４０を含み得る。絶対圧力Ｐは、煙道の測定静圧力に加えられた現在の大気圧に等しい。
【００５０】
上でも論じたように、排ガスの総分子量の測定には、水蒸気の測定が必要とされる。以下の方法により水分がリアルタイムで効率的に決定され、水蒸気含有排ガスの分子量Ｍｓの測定値をリアルタイムで決定できる。次に、水蒸気含有排ガスの分子量は、特に発生源条件が常に変わる場合に、試験全体を通して真の等速サンプリングを維持するために用いられる。
【００５１】
排ガスの湿潤分子量の測定値は、以下のように、乾燥分子量Ｍｄの測定値と水蒸気容積含有量Ｂｗｓの測定値、の２つの成分に分割できる。
Ｍｓ=（（１−Ｂｗｓ）×Ｍｄ）＋（ＭＷｗｖ×Ｂｗｓ） （４）
式中、
ＭＷｗｖ＝水蒸気の分子量（１８．０１５３ｌｂ／ｌｂ＊モル）
【００５２】
乾燥分子量Ｍｄは、ガスセンサによりリアルタイムで決定される。例えば、乾燥分子量測定は、ガス組成の残りが窒素（Ｎ_２）であると仮定して、ＣＯ_２センサ１２４およびＯ_２センサ１２６を読み取ってなされる。この仮定は、ほとんどの燃焼源にあてはまる。乾燥分子量Ｍｄは、以下のように決定される。
Ｍｄ＝０．２８×［１００−（％ＣＯ_２＋％Ｏ_２）］＋（０．３２％Ｏ_２）＋（．４４×％ＣＯ_２） （５）
式中、
０．２８＝窒素の分子量／１００
０．３２＝酸素の分子量／１００
０．４４＝二酸化炭素の分子量／１００
【００５３】
一般に、水蒸気の容積分率Ｂｗｓの測定値は、ポンプ６２を使用して供給ライン２０を通って排ガスの一部を引き込み、第１のフローセンサ１１０にその排ガスの一部を通し、第２のフローセンサ１３０にその排ガスの一部を通過させて乾燥させることにより決定される。任意の瞬間におけるガス流中の水蒸気の容積は、以下で方程式（６）および（７）に関してより十分に説明されるように、煙道条件における容積流量に変換されたフローセンサにより決定された流量の差から導かれる。水蒸気容積百分率Ｂｗｓは、煙道条件において総容積流量と比較した水蒸気の容積流量である。
【００５４】
より詳細には、排ガスの一部をサンプリング（以下で記載されるように等速的に）および微粒子除去のために質量変換器で濾過する。次に、この排ガスの一部は、すべての水が蒸気の状態に維持されることを保証するために高温に維持したセンサ１１０へ輸送される。次に、排ガスは、すべての水分を除去する乾燥器５４へ運ばれ、それによって露点が−２０℃まで低下する。乾燥プロセスの間に、温度はほぼ常温まで低下される。
【００５５】
次に、排ガスのその部分を、望ましくは平行流に分割し、乾燥分子量測定Ｍｄを決定するために、一方の平行区間が排ガスをガスセンサ、すなわちＣＯ_２センサ１２４およびＯ_２センサ１２６へ輸送する。次に、この区間は他方の区間と合流する。流れを分割することにより、ＣＯ_２センサ１２４およびＯ_２センサ１２６を通る流れは一定に保つことができ、これが正確な測定値を得る際に役立つ。ＣＯ_２センサ１２４およびＯ_２センサ１２６を通る排ガスの流れは、フローセンサ１２８に操作可能に接続された比例バルブ８４により調節される。
【００５６】
次に、乾燥された排ガスは、乾燥剤５６、フィルタ５８、そしてサンプリング流量の制御を行う比例バルブ１３５と連通した第２のフローセンサ１３０を通って輸送される。サンプリング流量は、サンプル入口における等速条件を維持するため、連続的に調整される。次に、ガスは真空ポンプ６２を通って排出される。
【００５７】
第１のフローセンサ１１０で測定された質量流量と第２のフローセンサ１３０で測定された質量流量との差を、煙道条件における水蒸気密度で割ると、以下のように、乾燥器により除去された水蒸気の容積流量Ｑｗｖが得られる。

式中、

【００５８】
代わりに、水蒸気の容積流量Ｑｗｖを、以下のように第１および第２のフローセンサの容積流量から決定することができる。

Ｑ_１＝第１のセンサにおける容積流量
ρ_１＝第１のセンサにおける排ガスの密度
Ｑ_２＝第２のセンサの容積流量
ρ_２＝第２のセンサにおける排ガスの密度
ρ_ｗｖ）_T,Pstack＝煙道の温度および圧力における水蒸気密度
【００５９】
煙道条件における総容積流量に対する水蒸気の容積流量の比により、水蒸気の容積割合が下記の通り得られる。

式中、
Ｑ_ｗｖ＝排ガス中の水分の容積流量
Ｑ_１＝第１のフローセンサにおける高温の湿潤排ガス容積流量
Ｔ_１＝第１のフローセンサにおける高温の湿潤排ガスの絶対温度
Ｐ_１＝第１のフローセンサにおける高温の湿潤排ガスの絶対圧力
Ｐ_Stack＝煙道中の排ガスの絶対圧力
Ｔ_Stack＝煙道中の排ガスの絶対温度
【００６０】
水蒸気の容積割合Ｂｗｖが分かれば、排ガスの分子量Ｍｓは、方程式４を用いてリアルタイムで決定でき、従って排ガス速度Ｖは、方程式１を用いてリアルタイムで決定される。速度のリアルタイム決定は、採集される排ガスの速度を変えるように比例バルブ１３５を制御するためにコントローラ４８により使用できる。等速流量は、排ガス中での分子量変動を補う「真の」等速サンプリングを提供するため、水分測定に基づいてリアルタイムで調整される。
【００６１】
サンプリングの終わりにあたり、調整ガスを入口管４２に供給するためにソレノイドバルブ７４が再び起動される。調整ガス流量がより高くなることにより、排ガスがコレクタに達することが再びできなくなる。乾燥し、清浄で加熱された調整ガスは未結合水を除去し、コレクタおよび捕集微粒子の事後調整に役立つ。
【００６２】
事後調整に続き、質量測定アセンブリ１６はアクセス穴２８を通して煙道１４から引き戻され、調整ガスライン２２が停止され、質量測定アセンブリ１６は、好ましくは、質量測定アセンブリ１６を実質的に煙道温度に維持するため、例えば断熱ブランケットを用いて煙道１４外で温度安定化される。サンプリングライン２０をまだ作動させたままで、次に、入口管４２の内部を数回払い落とし、同じ測定装置１００を用いて、サンプリング中に管内壁に沿って引っかかった可能性のあるどのような微粒子物質も捕集および測定することができる。払い落としからの質量測定値は、サンプリング中に得られた質量測定値に加えて、排ガス中の微粒子総質量のより正確な表示値とすることができる。
【００６３】
調整ガスは、時間比例させた（すなわち断続的）サンプリング期間の間にコレクタを調整するために有利に使用できる。継続的で安定した調整期間の間の総質量測定値の差は、中間サンプリング期間の間に生じる質量増加の尺度となる。
【００６４】
第１のフローセンサ１１０および第２のフローセンサ１３０の精度は、以下の較正を実行することによって改善できる。第２のフローセンサ１３０を正確であると仮定して、これは第１のセンサ１１０の較正および調節に使用できる。リアルタイム水分測定には、フローセンサ間の違いを計算することが必要であり、および乾燥ガスがシステムを通って流れる場合には、この違いは０に十分近いものでなければならない。
【００６５】
較正手順は、フローセンサ１１０および１３０により、例えば４つの流量において測定された流量を比較することから成る。データについての線形回帰は、正確な水分測定に必要な調節をもたらす。線形回帰は、以下の方程式に従ってフローセンサ１１０の調節に使用できる。

式中、

【００６６】
この手順は、以下の段階を含む。

【００６７】

【００６８】
本明細書の説明から、本発明の水分モニタが、スタンドアロン型、すなわち、質量測定アセンブリまたは装置に組み込みまたは統合されていないユニットとして構成し得ることが当業者には理解されるであろう。例えば、本発明によるスタンドアロン型水分モニタは、スタンドアロン型慣性質量測定装置のようなアセンブリないし測定装置と、または種々の規制汚染物質の測定、あるいはその他の用途において使用される連続排出モニタと共に用いることができる。
【００６９】
好ましい実施形態を詳細に描写および説明してきたが、本発明の精神から逸脱することなく多様な修正、付加、代用等が行えること、従って、これらは以下の請求項において定義される本発明の範囲に含まれると見なされることが当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排ガス中の微粒子の質量測定の間に、等速サンプリングのリアルタイム調整のために排ガスの水分をリアルタイムで測定するために使用可能な微粒子質量測定装置のための本発明の１つの実施形態の概略を表わす。
【図２】 図１の測定装置での使用に適したフローセンサの概略を表わす。
【符号の説明】
１２ 排ガス
１４ 煙道
１６ 質量測定アセンブリ
４８ コントローラ
５４ 乾燥器
１００ 微粒子質量測定装置
１１０ フローセンサ
２０８ 圧力変換器
２１２ 温度センサ

Claims (24)

1. 煙道（１４）中を流れる排ガス（１２）の微粒子の質量を測定する微粒子質量測定装置（１００）であって、前記装置（１００）は、
   煙道中を流れる排ガスの微粒子の質量を測定する質量測定アセンブリ（１６）と、
   煙道中を流れる排ガスの水分含有量をリアルタイムで測定する手段であって、排ガス流の一部分の第１の流量を決定する第１のフローセンサ（１１０）と、第１のフローセンサにおける絶対圧力（Ｐ_１）および絶対温度（Ｔ_１）をそれぞれ決定する圧力変換器（２０８）および温度センサ（２１２）と、排ガスの前記部分から水分を除去する乾燥器（５４）と、前記排ガスの乾燥分子量Ｍｄを測定する手段（１２０）と、水分を含まない排ガス流の一部分の第２の流量を決定する第２のフローセンサ（１３０）とを有してなる水分含有量の測定手段と、
   煙道中を流れる排ガスのリアルタイムの水分に基づき、前記質量測定アセンブリにより測定可能な排ガスの等速サンプリングを制御するコントローラ（４８）とを含む微粒子質量測定装置。
2. 前記コントローラ（４８）は、等速サンプリングをリアルタイムで制御するように操作可能である請求項１に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
3. 前記質量測定アセンブリ（１６）は、微粒子質量の測定値をリアルタイムで提供し、前記水分含有量の測定手段は、前記質量測定アセンブリ（１６）から伸びるサンプリングライン（２０）に組み入れられてなる請求項１に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
4. 前記第１のフローセンサ（１１０）および前記第２のフローセンサ（１３０）はそれぞれ容積フローセンサを含む請求項１に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
5. 前記乾燥分子量の測定手段（１２０）は、二酸化炭素センサ（１２４）と酸素センサ（１２６）と第３のフローセンサ（１２８）を有してなる請求項１に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
6. 前記コントローラ（４８）は、以下の式
   Ｖ＝Ｃ×（ＰｉｔｏｔＤＰ）^０．５×（Ｔ／（Ｐ×Ｍｓ））^０．５
   （式中、
   Ｃは、ピトー管較正定数、
   ＰｉｔｏｔＤＰは、排ガス中のピトー管（４５）の前後で測定された圧力損失、
   Ｔは、排ガスの絶対温度、
   Ｐは、排ガスの絶対圧力、
   Ｍｓは、水蒸気を含む排ガスの分子量）
   に従って、等速サンプリングのための排ガスの速度Ｖを決定する請求項１に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
7. 前記排ガス分子量Ｍｓは、以下の式、
   Ｍｓ＝（（１−Ｂｗｓ）×Ｍｄ）＋（ＭＷｗｖ×Ｂｗｓ）
   （式中、
   ＭＷｗｖは、水蒸気の分子量、
   Ｍｄは、排ガスの測定された乾燥分子量、
   Ｂｗｓは、水蒸気の容積割合）
   に従って測定される請求項６に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
8. 水蒸気の前記容積割合Ｂｗｓは、以下の式、
   

   

   （式中、
   Ｑ_ｗｖ＝排ガス中の水分の容積流量
   Ｑ_１＝第１のフローセンサ（１１０）における高温の湿潤排ガスの容積流量
   Ｔ_１＝温度センサ（２１２）で決定された第１のフローセンサ（１１０）における高温の湿潤排ガスの絶対温度
   Ｐ_１＝圧力センサ（２０８）で決定された第１のフローセンサ（１１０）における高温の湿潤排ガスの絶対圧力
   Ｐ_Stack＝煙道中の排ガスの絶対圧力
   Ｔ_Stack＝煙道中の排ガスの絶対温度）
   に従って決定される請求項７に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
9. 前記質量測定アセンブリ（１６）は、質量変換器（３８）と、該質量変換器に接続された微粒子コレクタ（４０）と、採集されたガスを前記コレクタへ導くための入口管（４２）とを有し、更に前記サンプリングライン（２０）は、前記第２のフローセンサ（１３０）を有する等速フローコントローラ（６０）に組み込まれてなる請求項３に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
10. 調整ガスを前記質量測定アセンブリ（１６）へ選択的に供給するための調整ガス供給ライン（２２）をさらに含む請求項１に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
11. 前記調整ガス供給ライン（２２）は、ポンプ（６６）と、フローコントローラ（７０）と、乾燥器（７２）と、切り換えバルブ（７４）とを含む請求項１０に記載の微粒子質量測定装置（１００）。
12. 煙道（１４）を流れる排ガス（１２）の微粒子の質量を測定するための方法であって、
    排ガスの水分をリアルタイムで測定する段階と、
    以下の式、
    

    

    （式中、
    Ｑ_ｗｖ＝排ガス中の水分の容積流量
    Ｑ_１＝第１のフローセンサ（１１０）における高温の湿潤排ガスの容積流量
    Ｔ_１＝温度センサ（２１２）で決定された第１のフローセンサ（１１０）における高温の湿潤排ガスの絶対温度
    Ｐ_１＝圧力センサ（２０８）で決定された第１のフローセンサ（１１０）における高温の湿潤排ガスの絶対圧力
    Ｐ_Stack＝煙道中の排ガスの絶対圧力
    Ｔ_Stack＝煙道中の排ガスの絶対温度）
    に従って、排ガスの水蒸気の容積割合Ｂｗｓを決定するステップと排ガスの乾燥分子量を決定するステップを含んだ排ガスのリアルタイム水分測定に基づき排ガスの一部分の等速サンプルを得る段階と、
    等速サンプルの微粒子質量の測定値を得る段階とを含む方法。
13. 等速サンプルを得る段階がリアルタイムである請求項１２に記載の方法。
14. 等速サンプルの微粒子質量の測定値の取得はリアルタイムである請求項１３に記載の方法。
15. 等速サンプルを得る段階は、排ガスの湿潤分子量を決定する段階を含む請求項１２に記載の方法。
16. 等速サンプルを得る段階は、排ガスの速度を決定する段階を含む請求項１２に記載の方法。
17. 排ガスの乾燥分子量を決定する段階は、排ガスの二酸化炭素および酸素の濃度を測定する段階を含む請求項１２に記載の方法。
18. 水分を測定する段階は、排ガス流の一部分の第１の流量を決定する段階と、排ガスのその部分から水を除去する段階と、水分を含まない排ガス流のその部分の第２の流量を測定する段階を含む請求項１２に記載の方法。
19. 水分を測定する段階は、前記第１の流量と前記第２の流量との差を決定する段階をさらに含む請求項１８に記載の方法。
20. 等速サンプルを取得する段階は、以下の関係、
    Ｖ＝Ｃ×（ＰｉｔｏｔＤＰ）^０．５×（Ｔ／（Ｐ×Ｍｓ））^０．５
    （式中、
    Ｃは、Cはピトー管較正定数、
    ＰｉｔｏｔＤＰは、排ガス中でのピトー管（４５）の前後での測定圧力損失、
    Ｔは、排ガスの絶対温度、
    Ｐは、排ガスの絶対圧力、
    Ｍｓは、水蒸気を含む排ガスの分子量）
    に従って、排ガスの速度Ｖを決定する段階を含む請求項１２に記載の方法。
21. 排ガスの分子量Ｍｓの測定値は、以下の式、
    Ｍｓ＝（（１−Ｂｗｓ）×Ｍｄ）＋（ＭＷｗｖ×Ｂｗｓ）
    （式中、
    ＭＷｗｖは、水蒸気の分子量、
    Ｍｄは、排ガスの算出された乾燥分子量、
    Ｂｗｓは、水蒸気の容積割合）
    に従って決定される請求項２０に記載の方法。
22. 排ガス中の水分の容積流量Ｑｗｖは、高温の湿潤排ガスの流量と水分除去後の前記ガスの流量との差を計算することにより決定される請求項１２に記載の方法。
23. 調整ガスを質量測定アセンブリへ供給する段階をさらに含む請求項２２に記載の方法。
24. 微粒子を含んだガスの微粒子の質量を測定するための微粒子質量測定装置であって、該装置は、
    ガスの微粒子の質量を測定するための質量測定アセンブリと、
    ガスの水分含有量をリアルタイムで測定するための手段であって、該水分含有量の測定手段は、ガス流の一部分の第１の流量を決定するための第１のフローセンサと、第１のフローセンサにおける絶対圧力および絶対温度をそれぞれ決定するための圧力変換器および温度センサと、ガスの前記部分から水分を除去するための乾燥器と、前記ガスの乾燥分子量Ｍｄを測定する手段と、水分を含まないガス流の一部分の第２の流量を決定するための第２のフローセンサとを含む微粒子質量測定装置。

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