JP5335727B2 - 発熱量算出式作成システム、発熱量算出式の作成方法、発熱量測定システム、及び発熱量の測定方法 - Google Patents
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Description
まず、斜視図である図1、及びII−II方向から見た断面図である図2を参照して、第1の実施の形態に係るガス物性値測定システムに用いられるマイクロチップ8について説明する。マイクロチップ8は、キャビティ66が設けられた基板60、及び基板60上にキャビティ66を覆うように配置された絶縁膜65を備える。基板60の厚みは、例えば0.5mmである。また、基板60の縦横の寸法は、例えばそれぞれ1.5mm程度である。絶縁膜65のキャビティ66を覆う部分は、断熱性のダイアフラムをなしている。さらにマイクロチップ8は、絶縁膜65のダイアフラムの部分に設けられた発熱素子61と、発熱素子61を挟むように絶縁膜65のダイアフラムの部分に設けられた第1の測温素子62及び第2の測温素子63と、基板60上に設けられた保温素子64と、を備える。
RH = RH_STD×[1+αH (TH-TH_STD) + βH (TH-TH_STD)2] ・・・(1)
ここで、TH_STDは発熱素子61の標準温度を表し、例えば20℃である。RH_STDは標準温度TH_STDにおける予め計測された発熱素子61の抵抗値を表す。αHは1次の抵抗温度係数を表す。βHは2次の抵抗温度係数を表す。
RH = PH / IH 2 ・・・(2)
あるいは発熱素子61の抵抗値RHは、発熱素子61にかかる電圧VHと、発熱素子61の通電電流IHから、下記(3)式で与えられる。
RH = VH / IH ・・・(3)
MI = PH / (TH - TI)
= PH /ΔTH ・・・(4)
TH = (1 / 2βH)×[-αH+ [αH 2 - 4βH (1 - RH / RH_STD)]1/2] + TH_STD ・・・(5)
したがって、発熱素子61の温度THと雰囲気ガスの温度TIとの差ΔTHは、下記(6)式で与えられる。
ΔTH = (1 / 2βH)×[-αH+ [αH 2 - 4βH (1 - RH / RH_STD)]1/2] + TH_STD - TI ・・・(6)
RI = RI_STD×[1+αI (TI-TI_STD) + βI (TI-TI_STD)2] ・・・(7)
TI_STDは第1の測温素子62の標準温度を表し、例えば20℃である。RI_STDは標準温度TI_STDにおける予め計測された第1の測温素子62の抵抗値を表す。αIは1次の抵抗温度係数を表す。βIは2次の抵抗温度係数を表す。上記(7)式より、第1の測温素子62の温度TIは下記(8)式で与えられる。
TI = (1 / 2βI)×[-αI+ [αI 2 - 4βI (1 - RI / RI_STD)]1/2] + TI_STD ・・・(8)
MI = PH /ΔTH
=PH/[(1/2βH)[-αH+[αH 2-4βH (1-RH/RH_STD)]1/2]+TH_STD-(1/2βI)[-αI+[αI 2-4βI (1-RI/RI_STD)]1/2]-TI_STD] ・・・(9)
VA+VB+VC+VD=1 ・・・(10)
Q = KA×VA+ KB×VB+ KC×VC+KD×VD ・・・(11)
MI = MA×VA+ MB×VB+ MC×VC+MD×VD ・・・(12)
MI (TH)= MA(TH)×VA+ MB(TH)×VB+ MC(TH)×VC+MD(TH)×VD ・・・(13)
MI1 (TH1)= MA(TH1)×VA+ MB(TH1)×VB+ MC(TH1)×VC+MD(TH1)×VD ・・・(14)
MI2 (TH2)= MA(TH2)×VA+ MB(TH2)×VB+ MC(TH2)×VC+MD(TH2)×VD ・・・(15)
MI3 (TH3)= MA(TH3)×VA+ MB(TH3)×VB+ MC(TH3)×VC+MD(TH3)×VD ・・・(16)
VA=f1[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)] ・・・(17)
VB=f2[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)] ・・・(18)
VC=f3[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)] ・・・(19)
VD=f4[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)] ・・・(20)
Q = KA×VA+ KB×VB+ KC×VC+KD×VD
= KA×f1[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)]
+ KB×f2[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)]
+ KC×f3[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)]
+ KD×f4[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)] ・・・(21)
Q = g[MI1 (TH1), MI2 (TH2), MI3 (TH3)] ・・・(22)
Q = g[RH1 (TH1), RH2 (TH2), RH3 (TH3), RI] ・・・(23)
Q = g[IH1 (TH1), IH2 (TH2), IH3 (TH3), II] ・・・(24)
Q = g[VH1 (TH1), VH2 (TH2), VH3 (TH3), VI] ・・・(25)
Q = g[ADH1 (TH1), ADH2 (TH2), ADH3 (TH3), ADI] ・・・(26)
Q = g[SH1 (TH1), SH2 (TH2), SH3 (TH3), SI] ・・・(27)
Q = g[SH1 (TH1), SH2 (TH2), SH3 (TH3), ・・・, SHn-1 (THn-1), SI] ・・・(28)
C2H6 = 0.5 CH4 + 0.5 C3H8 ・・・(29)
C4H10 = -0.5 CH4 + 1.5 C3H8 ・・・(30)
C5H12 = -1.0 CH4 + 2.0 C3H8 ・・・(31)
C6H14 = -1.5 CH4 + 2.5 C3H8 ・・・(32)
図9に示すように、第2の実施の形態に係るガス物性値測定システム21は、発熱量Qが未知の計測対象混合ガスが注入されるチャンバ101と、チャンバ101に配置され、図1及び図2に示す第1の測温素子62及び複数の発熱温度THで発熱する発熱素子61を含むマイクロチップ8と、を備える。図9に示すガス物性値測定システム21は、さらに、計測対象混合ガスの温度TIに依存する第1の測温素子62からの電気信号SIの値と、複数の発熱温度THのそれぞれにおける発熱素子61からの電気信号SHの値と、を計測する計測モジュール301と、第1の測温素子62からの電気信号SI及び複数の発熱温度THにおける発熱素子61からの電気信号SHを独立変数とし、発熱量Qを従属変数とする発熱量算出式を保存する式記憶装置402と、発熱量算出式の第1の測温素子62からの電気信号SIの独立変数、及び発熱素子61からの電気信号SHの独立変数に、第1の測温素子62からの電気信号SIの計測値、及び発熱素子61からの電気信号SHの計測値を代入し、計測対象混合ガスの発熱量Qの値を算出する発熱量算出モジュールと、を備える。
まず、発熱量Qの値が既知の23種類のサンプル混合ガスを用意した。23種類のサンプル混合ガスのそれぞれは、ガス成分としてメタン(CH4)、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)、窒素(N2)、及び二酸化炭素(CO2)のいずれか又は全部を含んでいた。例えば、あるサンプル混合ガスは、90vol%のメタン、3vol%のエタン、1vol%のプロパン、1vol%のブタン、4vol%の窒素、及び1vol%の二酸化炭素を含んでいた。また、あるサンプル混合ガスは、85vol%のメタン、10vol%のエタン、3vol%のプロパン、及び2vol%のブタンを含み、窒素及び二酸化炭素を含んでいなかった。また、あるサンプル混合ガスは、85vol%のメタン、8vol%のエタン、2vol%のプロパン、1vol%のブタン、2vol%の窒素、及び2vol%の二酸化炭素を含んでいた。
Q = 40.1 + 17.4×VH1 (100℃) + 17.9×VH2 (150℃) - 28.9×VH3 (200℃) - 10.4×VI ・・・(33)
Q = 40.1 + 23.8×RH1 (100℃) + 6.07×RH2 (150℃) - 22.8×RH3 (200℃) - 11.4×RI ・・・(34)
Q = 40.1 + 17.4×ADH1 (100℃) + 17.9×ADH2 (150℃) - 28.9×ADH3 (200℃) - 10.4×ADI ・・・(35)
実施例1で使用したサンプル混合ガスと同様に、発熱量Qの値が既知の23種類のサンプル混合ガスを用意した。ここで、発熱素子61で加熱される前のサンプル混合ガスの温度を、−10℃、5℃、23℃、40℃、及び50℃に設定した。次に、サポートベクトル回帰により、第1の測温素子62からの電気信号SI及び発熱素子61からの電気信号SH1(TH1),SH2(TH2),SH3(TH3)を独立変数とし、発熱量Qを従属変数とする、発熱量Qを算出するための3次方程式を作成した。すると、図11乃至図13に示すように、発熱素子61で加熱される前のサンプル混合ガスの温度にかかわらず、算出される発熱量Qの誤差にばらつきが生じなかった。なお、図11の結果は、電気信号Sとして抵抗Rを用いて得られた。図12の結果は、電気信号Sとして電圧Vを用いて得られた。図13の結果は、電気信号SとしてA/D変換回路304からの出力信号ADを用いて得られた。
18 断熱部材
20,21 ガス物性値測定システム
31A,31B,31C,31D ガス圧調節器
32A,32B,32C,32D 流量制御装置
50A,50B,50C,50D ガスボンベ
60 基板
61 発熱素子
62 第1の測温素子
63 第2の測温素子
64 保温素子
65 絶縁膜
66 キャビティ
91A,91B,91C,91D,92A,92B,92C,92D,93,102,103 流路
101 チャンバ
160,161,162,163,164,165,181,182,183 抵抗素子
170,171 オペアンプ
301 計測モジュール
302 式作成モジュール
303 駆動回路
304 A/D変換回路
305 発熱量算出モジュール
312 入力装置
313 出力装置
401 電気信号記憶装置
402 式記憶装置
403 発熱量記憶装置
Claims (28)
- 複数の混合ガスのそれぞれが注入される容器と、
前記容器に配置された測温素子と、
前記容器に配置された、複数の発熱温度で発熱する発熱素子と、
前記複数の混合ガスのそれぞれの温度に依存する前記測温素子からの電気信号の値と、
前記複数の発熱温度のそれぞれにおける前記発熱素子からの電気信号の値と、を計測する
計測モジュールと、
前記複数の混合ガスの既知の発熱量の値、前記測温素子からの電気信号の値、及び前記複数の発熱温度における前記発熱素子からの電気信号の値に基づいて、前記測温素子からの電気信号及び前記複数の発熱温度における前記発熱素子からの電気信号を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式を作成する式作成モジュールと、
を備える、発熱量算出式作成システム。 - 前記測温素子が受動素子である、請求項1に記載の発熱量算出式作成システム。
- 前記測温素子が抵抗器である、請求項1又は2に記載の発熱量算出式作成システム。
- 前記発熱素子の複数の発熱温度の数が、少なくとも、前記複数の混合ガスのそれぞれが含むガス成分の数から1を引いた数である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発熱
量算出式作成システム。 - 前記式作成モジュールが、サポートベクトル回帰を用いて前記発熱量算出式を作成する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発熱量算出式作成システム。
- 前記複数の混合ガスのそれぞれが天然ガスである、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の発熱量算出式作成システム。
- 複数の混合ガスを用意することと、
前記複数の混合ガスのそれぞれの温度に依存する測温素子からの電気信号の値を得ることと、
前記複数の混合ガスのそれぞれに接する発熱素子を複数の発熱温度で発熱させることと、
前記複数の発熱温度のそれぞれにおける前記発熱素子からの電気信号の値を得ることと、
前記複数の混合ガスの既知の発熱量の値、前記測温素子からの電気信号の値、及び前記複数の発熱温度における前記発熱素子からの電気信号の値に基づいて、前記測温素子からの電気信号及び前記複数の発熱温度における前記発熱素子からの電気信号を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式を作成することと、
を含む、発熱量算出式の作成方法。 - 前記測温素子が受動素子である、請求項7に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 前記測温素子が抵抗器である、請求項7又は8に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 前記複数の発熱温度の数が、少なくとも、前記複数の混合ガスのそれぞれが含むガス成分の数から1を引いた数である、請求項7乃至9のいずれか1項に記載の発熱量算出式の
作成方法。 - 前記発熱量算出式を作成することにおいて、サポートベクトル回帰が用いられる、請求項7乃至10のいずれか1項に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 前記複数の混合ガスのそれぞれが天然ガスである、請求項7乃至11のいずれか1項に記載の発熱量算出式の作成方法。
- 発熱量が未知の計測対象混合ガスが注入される容器と、
前記容器に配置された測温素子と、
前記容器に配置された、複数の発熱温度で発熱する発熱素子と、
前記計測対象混合ガスの温度に依存する前記測温素子からの電気信号の値と、前記複数の発熱温度のそれぞれにおける前記発熱素子からの電気信号の値と、を計測する計測モジュールと、
前記測温素子からの電気信号及び前記複数の発熱温度における前記発熱素子からの電気信号を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式を保存する式記憶装置と、
前記発熱量算出式の前記測温素子からの電気信号の独立変数、及び前記発熱素子からの電気信号の独立変数に、前記測温素子からの電気信号の値、及び前記前記発熱素子からの電気信号の値を代入し、前記計測対象混合ガスの発熱量の値を算出する発熱量算出モジュールと、
を備える、発熱量測定システム。 - 前記測温素子が受動素子である、請求項13に記載の発熱量測定システム。
- 前記測温素子が抵抗器である、請求項13又は14に記載の発熱量測定システム。
- 前記複数の発熱温度の数が、少なくとも、前記計測対象混合ガスに含まれる複数種類のガス成分の数から1を引いた数である、請求項13乃至15のいずれか1項に記載の発熱量測定システム。
- 複数種類のガス成分を含む複数のサンプル混合ガスの発熱量の値と、前記複数のサンプル混合ガスのそれぞれに接する前記発熱素子からの電気信号の値とに基づいて、前記発熱量算出式が作成された、請求項13乃至16のいずれか1項に記載の発熱量測定システム。
- 前記発熱量算出式を作成するために、サポートベクトル回帰が用いられた、請求項17に記載の発熱量測定システム。
- 前記複数のサンプル混合ガスのそれぞれが天然ガスである、請求項17又は18に記載の発熱量測定システム。
- 前記計測対象混合ガスが天然ガスである、請求項13乃至19のいずれか1項に記載の発熱量測定システム。
- 発熱量が未知の計測対象混合ガスを用意することと、
前記計測対象混合ガスの温度に依存する測温素子からの電気信号の値を得ることと、
前記計測対象混合ガスに接する発熱素子を複数の発熱温度で発熱させることと、
前記複数の発熱温度のそれぞれにおける前記発熱素子からの電気信号の値を得ることと、
前記測温素子からの電気信号及び前記複数の発熱温度における前記発熱素子からの電気信号を独立変数とし、前記発熱量を従属変数とする発熱量算出式を用意することと、
前記発熱量算出式の前記測温素子からの電気信号の独立変数、及び前記発熱素子からの電気信号の独立変数に、前記測温素子からの電気信号の値、及び前記発熱素子からの電気信号の値を代入し、前記計測対象混合ガスの発熱量の値を算出することと、
を含む、発熱量の測定方法。 - 前記測温素子が受動素子である、請求項21に記載の発熱量の測定方法。
- 前記測温素子が抵抗器である、請求項21又は22に記載の発熱量の測定方法。
- 前記複数の発熱温度の数が、少なくとも、前記計測対象混合ガスに含まれる複数種類のガス成分の数から1を引いた数である、請求項21乃至23のいずれか1項に記載の発熱量の測定方法。
- 複数種類のガス成分を含む複数のサンプル混合ガスの発熱量の値と、前記複数のサンプル混合ガスのそれぞれに接する前記発熱素子からの電気信号の値とに基づいて、前記発熱量算出式が作成された、請求項21乃至24のいずれか1項に記載の発熱量の測定方法。
- 前記発熱量算出式を作成するために、サポートベクトル回帰が用いられた、請求項25に記載の発熱量の測定方法。
- 前記複数のサンプル混合ガスのそれぞれが天然ガスである、請求項25又は26に記載の発熱量の測定方法。
- 前記計測対象混合ガスが天然ガスである、請求項21乃至27のいずれか1項に記載の発熱量の測定方法。
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