JP5607642B2 - ガスサンプリング装置 - Google Patents

Description

本発明はガスのサンプリング、特に工業用ガスのサンプリングに関し、具体的には、それらガスの組成を分析することを目的とする。本発明は、特に高温湿性ガスの分析、具体的には、化学若しくは石油化学施設、セメント工場、製鋼所、焼却炉、又はガス処理若しくは製造施設における高温湿性ガスの分析に応用される。

サンプリング装置は、一般的に、ガスをサンプリングするためのプローブと、採取されたガスサンプルを、ガス分析器のようなサンプルを利用するシステムに移送するためのパイプとを具備する。

一般的に、ガス組成の分析を目的としたガスのサンプリングは、特にサンプリングされるガスが高温であり、高比率の水を蒸気の状態で含む場合、重要なステップとなる。この状況において、信頼性の高い分析を行うことが実に重要であり、現在のサンプリング装置は頻繁にメンテナンス作業を必要としている。

特に、高温湿性ガスのサンプリングは、凝結に関する問題を引き起こす。高比率の水蒸気を有する高温ガス中に含まれる水の、凝結温度とも呼ばれる露点は、摂氏数十度、更には数百度にさえ達する。そのため、周囲温度では、これらのガスに含まれる水蒸気は水滴となって凝結し、該ガスに接触して壁上に付着する可能性がある。もしサンプリングされたガスが水溶性の分子を含む場合、分子は水滴に取り込まれやすく、また溶けやすい。その結果、利用装置に移送されたガスの組成は、サンプリングされたガスの組成と一致しない。よって、サンプリングされたガスサンプルを利用するシステムがガス分析器の場合、ガスサンプリング装置は、サンプリングされたガスの組成に影響を与えると共に、行われる測定の質に影響を与えることがある。加えて、水滴中に溶けているガスの分子によって水滴が酸性になっていることもあるが故に、壁上に形成された水滴は、腐食現象を引き起こす場合がある。従って、ガスサンプリング装置は、該装置が組み込まれているシステムの運転費用や状態にも影響を与えることがある。

ガスサンプリング装置のなかには、プローブとパイプの両方において、サンプリングされたガス中に含まれる水蒸気の露点よりも高い温度で、サンプリングされたガスを維持するようになっているものもある。そのため、これらの装置のなかには、サンプリングされたガスサンプルを、摂氏100度又は200度に達する温度で維持できるようになっているものがある。このような装置は、特に加熱を要するパイプが複雑で、温度調整器が必須であるため、製造費用が高額である。そして、特に、比較的高温で装置を維持するために必要となるエネルギーが原因となり、運転費用やメンテナンス費用も高額である。また、これらの装置は、利用システムも同じ温度で運転できるよう設計されている必要がある。

他のサンプリング装置は、加熱プローブと、採取されたガスサンプルを乾燥させるための装置とを具備する。このような乾燥装置は、膜又は冷却手段を有する。これらの装置も、製造費用やメンテナンス費用が高額である。これは、サンプリングされるガスを用いる、メンテナンス作業を頻繁に要する可能性のある乾燥装置の存在に起因している。更に、こうした装置は、採取されたサンプルの組成を変えるため、サンプルを変性させてしまう。

他のサンプリング装置は、ほこりのない空気のような他のガス中で、採取されたサンプルを希釈するために提供される。そのため、これらの装置は、必ずしも加熱されていなくてもよいプローブと、ガスサンプルの吸引及び希釈を行うベンチュリ・システムと、加熱されていないパイプと、希釈ガスを大流量で加圧下で供給するシステムとを具備する。これらの装置にも、採取されたサンプルを変性させてしまうという欠点がある。これは、採取されたサンプルが他のガス中で希釈される結果、組成も変えられるためであり、更には、希釈ガスが不純物までもたらす可能性もあるため、なおさらである。加えて、もしサンプリング装置が分析装置につながれている場合には、希釈が行われているので、後者は少量のガス状成分を検知可能とするために、非常に高精度でなければならない。

従って、凝結現象を起こさず、しかしガスサンプルは変性させず、又はそのガスサンプルを高温で維持、乾燥若しくは希釈する必要もなく、ガスサンプルを採取できることが望ましい。

実施形態には、プローブによってガスをサンプリングするステップと、サンプリングされたガスを、パイプを用いて、サンプリングされたガスを使用するガス利用装置に移送するステップとを具備する、ガスのサンプリング法が記載されている。実施形態によると、この方法は、パイプ内のサンプリングされたガスの圧力を低下させ、そのパイプ内のサンプリングされたガスの露点を低下させるステップを具備している。サンプリングされたガスの圧力低下は、プローブ内に設置された膨張ノズルを通してガスをサンプリングすること、及びパイプ内のサンプリングされたガスを利用装置を通して吸引することによって行われる。

実施形態によると、サンプリングされたガスの圧力低下は、パイプ内を流通するガスの圧力が、パイプ内のガスの温度をパイプ内のガスの露点より高いままとする値よりも低く維持されるように、パイプの温度を考慮して、行われる。

実施形態によると、この方法は、音速型の較正膨張ノズルを通してサンプリングされたガスの吸引力を、調整がない場合における吸引力の偏差を考慮して、パイプ内を流通するサンプリングされたガスの圧力が、膨張ノズルより上流でサンプリングされたガスの圧力の３分の１より低いままであるような値に、調節するステップを具備する。

実施形態によると、この方法は、パイプ内の圧力を実質的に一定に維持するために、サンプリングされたガスの吸引力を調整するステップを具備する。

実施形態によると、この方法は、サンプリングされたガス中に存在し得る固形粒子を抽出するために、サンプリングされたガスをろ過するステップを、圧力を低下させるステップの前に、具備する。

実施形態によると、この方法は、パイプの温度をサンプリングされたガスの露点より上で維持するために、パイプを加熱するステップを具備する。

実施形態には、ガスをサンプリングするためのプローブと、サンプリングされたガスを利用するための利用装置と、プローブによってサンプリングされたガスを利用装置へ移送するためのパイプとを具備するガスのサンプリング装置が記載されている。実施形態によると、この装置は、サンプリングされたガスの露点を低下させるために、パイプ内のサンプリングされたガスの圧力を低下させる手段と、パイプ内のサンプリングされたガスを利用装置を通して吸引する吸引装置とを具備し、この圧力低下手段はプローブ内に設置されパイプに通じている膨張ノズルを具備する。

実施形態によると、このサンプリングされたガスの圧力を低下させる手段は、パイプ内のガスの圧力が、パイプ内のガスの温度をパイプ内のガスの露点より高いままとする値よりも低く維持されるように、パイプの温度を考慮して、構成されている。

実施形態によると、この膨張ノズルは音速ノズルである。

実施形態によると、この吸引装置は、該装置が調整されない場合における、吸引力の偏差を考慮して、パイプ内を流通するサンプリングされたガスの圧力が、膨張ノズルより上流でサンプリングされたガスの圧力の３分の１より低いままであるような値よりも大きい吸引力を有する。

実施形態によると、この装置は、パイプ内の圧力を実質的に一定に維持するため、サンプリングされたガスを吸引する吸引装置の吸引力を調整する手段を具備する。

実施形態によると、このプローブは、サンプリングされたガス中に存在し得る固形粒子を抽出するフィルタを具備する。

実施形態によると、この装置は、パイプ内の温度をサンプリングされたガスの露点より高くする加熱手段を具備する。

実施形態によると、この吸引装置は、パイプ内のガスを吸引するために、パイプを通じて利用装置につながれるポンプを具備する。

実施形態には、上記の通りサンプリング装置を具備するガス分析システムが記載されており、利用装置がキャビティ・リング・ダウン分光法に基づいた型式の低圧ガス分析器を具備する。

一つの実施形態に記載されたガスサンプリング装置の概略図であり、ガスサンプル利用装置に結合している。 別の実施形態に記載されたガスサンプリング装置の概略図であり、ガスサンプル利用装置に結合している。

本発明の実施形態について、添付の図面を参照して、ただし限定はされずに、以下に説明される。

図１は、プローブ１と、このプローブとガスサンプル利用装置ＥＸＤをつなげるパイプ２とを具備するガスサンプリング装置を示している。装置ＥＸＤは、ポンプのような吸引装置３とパイプ４を介してつながっており、パイプ４は装置ＥＸＤを介してパイプ２と通じている。従って、吸引装置は、プローブ１によりサンプリングされたガスを吸引する。吸引装置３は、サンプリングされたガスを処理及び／又は排出するための処理及び／又は排出装置ＰＲＣＳとつながっている。

プローブ１は、ガス入力装置１０と、その入力装置１０を介してプローブに進入するガス中に存在し得る固形粒子をろ過するフィルタ１１と、フィルタ１１で処理されたガスを受け取る、毛細管の一部のような膨張ノズル１２とを具備し、この出口がパイプ２につながっている。吸引装置３と膨張ノズル１２との組み合わせによって、プローブ１の入力装置１０におけるガスの圧力よりも低い圧力が、パイプ２及び４内並びに装置ＥＸＤ内において得られる。吸引装置は、パイプ２内及び利用装置ＥＸＤ内の圧力を定値で維持するために、調整手段と連携することもある。

一つの実施形態によると、ノズル１２及び吸引装置３の性能は、パイプ２及び４内並びに装置ＥＸＤ内のガス圧力を低下させ、プローブ１によりサンプリングされたガスの露点を下げるように決定される。

一つの実施形態によると、パイプ２及び4内並びに装置ＥＸＤ内の圧力は、パイプ２及び4並びに装置ＥＸＤの温度がパイプ２及び4内並びに装置ＥＸＤ内のガスの最高露点より高いままであるような値より低く維持される。目的とする用途においては、サンプリングされたガスが一般的に水蒸気を含むため、サンプリングされたガスの最高露点は、水の最高露点である。

よって、パイプ２及び4内並びに装置ＥＸＤ内のガスは凝結することはない。そのため、パイプ２及び4並びに装置ＥＸＤの加熱又はガスの希釈若しくは乾燥は不要である。従って、サンプリングされたガスは変性されない。また、サンプリングされたガスは大気圧に対して低圧であるため、これらのガスはパイプ２及び４内を急速に流通し得る。そのため、サンプリングされたガスは、パイプにあまり触れることはない。プローブ１と、パイプ２及び４からなるサンプリングされたガスを運ぶための装置と、吸引装置とが、従来技術のものよりも著しく単純であるという利点もある。その結果、このサンプリング装置は、従来技術のサンプリング装置よりも、製造、運転、及びメンテナンス費用が著しく低い。

例えば、ノズル１２は音速型の較正ノズルであり、下記条件：
Ｐ１ − Ｐ２ > ２ Ｐ２ （１）
（Ｐ１は上流でサンプリングされたガスの圧力であり（ノズル内のガス流の方向から判断される）、Ｐ２はノズルより下流でサンプリングされたガスの圧力である）が守られた場合には、一定のガス流量を保証する。もし条件（１）が守られた場合、これらのガスにおいて、ノズル内で最小量のガスが通る区域の直線部分におけるガス流速は、音速に達する。言い換えると、条件（１）は、パイプ２内の圧力がノズル１２より上流の圧力の３分の１より低い場合に守られる。ゆえに、パイプ２内の圧力が条件（１）を守っている限り、装置３の吸引力とは無関係である。

吸引装置３の吸引力は、もし吸引装置製造のために用いられる技術に関連した偏差があり、その調整がない場合において、条件（１）を常に守るように調節されてもよい。これによって、パイプ２及び４内のガス流量は一定になり、吸引力を調整する必要なく、正確に測定できる。ノズル１２は完全な静的要素であるため、もしプローブ１によりサンプリング可能なガスに対して不活性な物質から製造された場合には、ノズル１２はメンテナンス作業が不要であるという利点もある。

ガス膨張は一般的に、サンプリングされたガスの冷却を引き起こす。サンプリングされるガスの温度、すなわちプローブ１の温度が、パイプ２及び利用装置ＥＸＤの周囲温度より高い場合、膨張により冷やされたガスはプローブにより加熱される。従って、ガス膨張によって生じた温度降下は、少なくとも一部が、プローブの周囲温度により相殺される。サンプリングされるガスが、パイプ２及び利用装置ＥＸＤの周囲温度である場合、露点はこれらの周囲温度よりも低い。よって、ガス膨張によって生じる温度降下も少なくなるように、行われる圧力降下も少なくする。

許容吸引力又はサンプリングされたガスを利用するのに必要な最小圧力を考慮すると、サンプリングされたガスの凝結を避けるのに十分低いパイプ内の圧力に達するのが不可能な事態も起こりえる。この事態は、サンプリングされるガスが非常に高温で非常に多湿であるためにガスの露点が非常に高く、パイプ２の周囲温度が低い場合に起こる可能性がある。パイプ２及び4並びに利用装置ＥＸＤは、熱分離手段又は加熱手段などの手段と連携している。これは、サンプリングされたガスの露点より高い温度で、パイプ２及び4並びに利用装置ＥＸＤを維持するためである。

従って、図２は、パイプ２及び４に加熱手段２２が設けられている点、並びに利用装置ＥＸＤがサンプリングされたガスが流通する加熱室２１を備えているという点で、図１のものとは異なるサンプリング装置を示している。

加熱手段２２は、サンプリングされたガスを大気圧で移送する先行技術の装置において必要とされる加熱手段と対比できるものではない。これは、サンプリングされたガスの露点が、吸引装置３に組み合わされたノズル１２によって、影響のある方法で、下げられているからである。実際、いくつかの出願において、先行技術で必要とされる加熱手段は、パイプを摂氏200度に達する温度にしなければならない。一方、図２のサンプリング装置において必要となる可能性のある加熱手段２２は、パイプ２及び４を摂氏１０又は２０度程度の最高温度にしなければならない。

利用装置ＥＸＤは、例えば、ガス分析装置及び／又は他のガスと混合するための装置を具備する。

一つの実施形態において、利用装置ＥＸＤは、キャビティ・リング・ダウン分光法に基づいた低圧ガス分析器を具備している。このような分析器は、例えば、国際公開第９９／５７５４２号パンフレット（米国特許第６５０４１４５号明細書としても公開済み）や国際公開第２００３／０３１９４９号パンフレット（米国特許第７４５０２４０号明細書としても公開済み）に記載されている。このような分析器は、サンプリングされたガスが流通する光学共鳴キャビティと、波長が調節可能であり共鳴キャビティに送られるレーザービームを提供する、レーザーダイオードのようなレーザー源を具備する。共鳴キャビティから出る光は、光検出器によって受信され、光検出器により供給された信号は信号解析回路によって分析される。レーザービーム放射周期間に、時間関数として、キャビティに閉じ込められていた光子が急激に減衰されるように、調節可能な継続期間中、レーザービームがキャビティに当てられる。キャビティが空である場合、又は光子の波長がキャビティ内にあるガスの吸収パイプ以外である場合、キャビティに閉じ込められた光子の減少には、主に共鳴キャビティを構成する鏡によって発生させられる損失に応じて、ある時定数がある。この時定数は、キャビティ内に存在するガスの吸収スペクトルが、キャビティ内に閉じ込められた光子の波長で吸収パイプを含む場合に、減少する。

本発明が様々な実施態様において可能であることは、当業者にとって明らかである。特に、この発明は、膨張ノズル及び吸引パイプを具備する圧力減少用装置に限られない。従って、ポンプは、もしサンプリング装置が宇宙船に装備されることを目的とされている場合には、空間吸引のような吸引源に、又は、プローブによりサンプリングされるガスの圧力が大気圧よりも高い場合には、例えば減圧源に置き換えてもよい。

１ プローブ
２、４ パイプ
３ 吸引装置
１１ フィルタ
１２ 膨張ノズル

Claims (15)

1. プローブによってガスをサンプリングするステップと、
   前記プローブからの前記サンプリングされたガスのすべてかつ前記サンプリングされたガスのみを、前記プローブとガス利用装置とを接続するパイプを用いて、前記ガス利用装置に移送するステップと、
   前記パイプ及び前記利用装置内の前記サンプリングされたガスの圧力を低下させ、その内の前記サンプリングされたガスの露点を前記パイプ及び前記利用装置の温度よりも低い値に低下させるステップと、
   を具備するガスのサンプリング方法において、
   前記サンプリングされたガスの圧力を低下させるステップは、
   前記プローブ内に設置された膨張ノズルを通して前記ガスを吸引するステップと、
   前記ガス利用装置から下流側において前記ガス利用装置に接続された吸引源を用いて、前記パイプ内の及び前記ガス利用装置の前記サンプリングされたガスを前記利用装置を通して吸引するステップと、によって行われることを特徴とするガスのサンプリング方法。
2. 前記サンプリングされたガスの圧力低下は、前記パイプ内を流通する前記ガスの圧力が、前記パイプ内の前記ガスの温度を該パイプ内の該ガスの露点より高いままとする値よりも低く維持されるように、前記パイプの温度を考慮して、行われることを特徴とする請求項１に記載のガスのサンプリング方法。
3. 前記吸引源によって音速型の較正済みの前記膨張ノズルを通してサンプリングされた前記ガスの吸引力を所定値に調整するステップであって、そのため、調整がない場合における前記吸引力の偏差を考慮して、前記パイプ内を流通する前記サンプリングされたガスの圧力が、前記膨張ノズルより上流における前記サンプリングされたガスの圧力の３分の１より低いままであるステップを具備することを特徴とする請求項１または２に記載のガスのサンプリング方法。
4. 前記パイプ内の圧力を実質的に一定に維持するために、前記サンプリングされたガスの吸引力を調整するステップを具備することを特徴とする請求項１または２に記載のガスのサンプリング方法。
5. 前記圧力を低下させるステップの前に、前記サンプリングされたガス中に存在し得る固形粒子を抽出するために、前記サンプリングされたガスをろ過するステップを具備することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のガスのサンプリング方法。
6. 前記パイプの温度を前記サンプリングされたガスの露点よりも上で維持するために、該パイプを加熱するステップを具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のガスのサンプリング方法。
7. ガスをサンプリングするためのプローブと、
   前記サンプリングされたガスを利用するための利用装置と、
   前記プローブと前記利用装置とを接続するパイプであって、前記プローブからの前記サンプリングされたガスのすべてかつ前記サンプリングされたガスのみを前記利用装置へ移送するためのパイプと、
   前記プローブ内に配置され、前記パイプに通じている膨張ノズルと、
   前記利用装置を通して前記パイプ内の前記サンプリングされたガスを吸引するために、前記利用装置から下流において前記利用装置に接続された吸引源と、
   を具備し、
   前記膨張ノズル及び前記吸引源が、前記パイプ内の前記サンプリングされたガスの圧力を低下させ、前記サンプリングされたガスの露点を前記パイプ及び前記利用装置の温度未満に低下させることを特徴とするガスのサンプリング装置。
8. 前記サンプリングされたガスの圧力を低下させる手段は、前記パイプ内の前記ガスの圧力が所定値よりも低く維持されるように構成されており、そのため、前記パイプの温度を考慮して、前記パイプ内の前記ガスの温度が、前記パイプ内の前記ガスの露点より高いままとすることを特徴とする請求項７に記載のガスのサンプリング装置。
9. 前記膨張ノズルは、音速ノズルであることを特徴とする請求項７または８に記載のガスのサンプリング装置。
10. 前記吸引源は、所定値よりも高い吸引力を有し、そのため、該サンプリング装置が調整されていない場合における前記吸引力の偏差を考慮して、前記パイプ内を流通する前記サンプリングされたガスの圧力が、前記膨張ノズルより上流における前記サンプリングされたガスの圧力の３分の１より低いままであることを特徴とする請求項９に記載のガスのサンプリング装置。
11. 前記パイプ内にある前記サンプリングされたガスの圧力を実質的に一定に維持するため、前記吸引源の吸引力を調整する手段を具備することを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載のガスのサンプリング装置。
12. 前記プローブは、前記サンプリングされたガス中の固形粒子を抽出するフィルタを具備することを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載のガスのサンプリング装置。
13. 前記パイプ内の温度を前記サンプリングされたガスの露点より高くする加熱手段を具備することを特徴とする請求項７から１２のいずれか一項に記載のガスのサンプリング装置。
14. 前記吸引源は、前記パイプを通じて前記利用装置につながれるポンプを具備し、そのため、前記パイプ内の及び前記利用装置内の前記ガスを吸引することを特徴とする請求項７から１３のいずれか一項に記載のガスのサンプリング装置。
15. 前記利用装置がキャビティ・リング・ダウン分光法に基づいた型式の低圧ガス分析器を具備することを特徴とする請求項７から１４のいずれか一項に記載のガスのサンプリング装置。

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