JP5672243B2 - 気体中の炭化水素成分を検出するための測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は気体中の炭化水素成分を検出するための測定装置および方法に関する。

そのような測定器具はさまざまなセンサ技術とともに知られ、例えば大気中或いは圧縮空気中の、オイル・炭化水素および易酸化性の気体の成分を検出する役に立つ。電気的に加熱可能な酸化物半導体材料がよく使用される。例えば、前記酸化物半導体材料は、加熱された状態で、空気中に含有される炭化水素の量によって決まる自身の電気抵抗を変化させる。

別の方法では、エレストール(Elestor)を利用して炭化水素濃度を検出する。この目的を達成するために、測定される気体流は、加熱されるコイル状のプラチナフィラメントがその内部に配置される、熱触媒材料の本体を通り抜けるように導かれる。炭化水素濃度は、前記加熱されるコイル状のプラチナフィラメントと第２のコイル状のプラチナフィラメントの電気抵抗の変化を通じて検出される。前記変化は触媒による炭化水素成分の燃焼反応の熱に起因する。

フレームイオン化検出器の使用もまた知られている。そのような装置において、炭化水素はガス流中で燃焼し、炎の中の二つの電極間の電圧の変化が測定される。

別の方法では、光イオン化を利用して炭化水素濃度を検出する。その過程で、炭化水素は紫外線光の照射を受ける。この場合前記紫外線光のエネルギーの量は、電子が当該炭化水素から放出されるくらい高くなければならない。それらの電子の数は電極を用いて測定し得る。

上記の各方法は、とりわけ易酸化性の気体の高い濃度の検出に適している。しかしながら、μｇ／Ｎｍ³よりも低い範囲、或いはｐｐｂの範囲の低濃度の信頼できる検出は難しい。

光イオン化検出器によって作成された測定データは、測定される物質量に関しては、導き出される間接的な結果のみを見越している。なぜなら、前記測定データは化合物の原子構造にも左右され、同一の実験公式を与えられてさえかなり大幅に変化する。

しかしながら、測定される化合物が一定で、既知で、可能なら均一でもある条件では、炭化水素濃度は比較的信頼性が高く測定できる。しかしながら、測定精度は炭化水素濃度が低下するのにつれて減少する。とりわけ、この場合湿度の影響が増大する。炭化水素濃度が低下するのにつれて空気湿度の影響は次第に大きくなる。ｍｇ／Ｎｍ³よりも低い範囲、そして特にμｇ／Ｎｍ³の範囲の炭化水素濃度の測定は、十分な精度で実行することはできない。

圧縮空気の異なる適用に対しては、オイル成分の異なる閾値が求められる。オイル成分は滴状のオイルエアロゾルとオイル蒸気とからなる。オイルエアロゾルとオイル蒸気を圧縮空気流から様々な方法によって、部分的に或いは大体取り除くことは可能である。しかしながら、圧縮空気中のオイルのリアルタイムの測定はこれまで未解決の問題である。

本発明の目的は、気体中のオイル・炭化水素および易酸化性の気体の成分を検出するための測定装置を提供することにある。前記測定装置は、一方では最低濃度でさえも確実に測定し、他方では従来技術の欠点を有していない。ここで、前記測定装置はできる限り簡素な構造を有し、比較的ほとんど手間をかけることなく生産できるはずである。さらに、気体中のオイル成分・炭化水素成分および易酸化性の気体を検出するための従来技術よりも改善された方法を提供することが本発明の目的である。

前記目的は、第１の気体流と第２の気体流中の炭化水素成分を検出するための包括的な測定装置によって達成される。前記第１の気体流も前記第２の気体流も両方とも同一の気体源から発し、前記第１の気体流はそのまま前記測定装置に供給され、前記第２の気体流は処理されて前記測定装置に供給される。

さらに、前記目的は、第１の気体流と第２の気体流に分かれる源気体流を特徴とする気体流中の炭化水素成分を検出するための方法であって、適切な測定装置が前記第１の気体流も前記第２の気体流も両方とも分析し、前記第１の気体流はそのまま前記測定装置に供給され、前記第２の気体流は処理されて前記測定装置に供給されることを特徴とする、気体流中のオイル・炭化水素および易酸化性の気体の成分を検出するための方法によって達成される。

本発明によれば、前記測定装置はそれ故に、直接に或いは基準ガス発生器を介して、測定される気体流をセンサに供給する。例えば、触媒或いは酸化触媒が基準気体生成器として使用されてもよい。測定データはしたがって測定気体と生成された基準気体、すなわち酸化された測定気体との間の信号差として決定される。

特に好適な実施例において、炭化水素成分の検出は光分離の原理に基づいている。このために、前記測定装置は二つの主要構成要素、サンプリングプローブを備えるセンサユニットと、電子計算システムとコントロールパネル（ディスプレイ）とを備える評価ユニットと、から構成される。それに加えて、前記コントロールパネルは、例えばタッチパネルを用いて、入力ユニットとして構成されてもよい。この場合は、前記センサユニットは前記評価ユニットと信号ケーブルを通じて、或いは無線で接続される。好適には、前記サンプリングプローブは、監視される気体流から気体を中央に抽出できるように、立ち上がり管に上から中央に実装される。前記センサユニットは、一定の圧力と、個別の前記測定気体の一定の容積流量と、を提供する規定の流体抵抗器を備える。例えば、当該流体抵抗器は規定の穴を有するスロットルによって、或いは焼結金属から形成される。それらは非常に、手がかからず清掃が容易である。さらに、気体流の圧力が低すぎるか或いは高すぎる場合に、使用者に視覚的に或いは聴覚的に知らせる警告機能が備えられる。

上ですでに指摘されているように、光イオン化検出器（ＰＩＤ）の測定原理は、紫外線による気体微粒子のイオン化と、その過程で発生するイオン電流の検出に基づく。前記イオン電流の強さはイオン化される微粒子の濃度に比例する。その電気信号を測定し、電子的に増幅し、測定物質の濃度としてディスプレイに表示することができる。

もし１０.６電子ボルトの光イオン化ランプを測定時に使用するなら、基準気体中の酸化に起因する湿度の微小な増加は無視してよいということが理解できる。なぜなら、空気湿度のそれらに対する影響は最も低いからである。

本発明によれば、一方で、その湿度が前記測定気体に相当する基準気体を入手するために、乾燥した試験気体を前記基準気体流に混ぜることができる。都合のいいことに、いわゆるゼロラインドリフトと測定結果におけるその影響を縮小することができる。他のタイプの炭化水素成分用のセンサと比較して、ＰＩＤセンサのゼロラインドリフトはわずかである。一方で、濃度が低下していくのにつれて、効果が増大する。測定気体と基準気体との間の信号差として測定される測定値と、同等のドリフトが生じる二つの測定結果とが原因で、センサの前記ドリフトはしたがって測定値への影響はかなり小さい。殊に、平均値が多くの測定に引き継がれるのであれば。ドリフトが線形であることと、同等の切り替え時間とを前提とすると、平均値においてドリフトが打ち消される可能性は比較的高い。

本発明によれば、前記測定装置の劣化と汚れに起因する信号強度の変化を確実に補償することができる。センサの測定感度が時間とともに大きく変動する、すなわちセンサの劣化に応じること、汚れていく紫外線ランプによって前記信号強度もまた変化することははっきりしている。例えばランプウインドウは、空気流中に含まれウインドウ表面に沈着しそれらを駄目にする物質によって、汚れていく可能性がある。本発明における測定装置は、前記センサによって与えられた信号強度の再測定のために通常使用される変化させられていない前記測定気体と前記基準気体に加えて較正気体とゼロ気体によって、当該測定装置の寿命を通して前記測定感度を較正することを可能にする。
ゼロ気体（例えば、合成空気）は炭化水素や湿気を含まない。一方で、較正気体（例えば、イソブテン）は規定の炭化水素を有するが、同様に湿気を有しないか甚だしく低い。電磁弁によって、前記の二つの補助的な気体は交互にセンサに供給される。前記測定装置中の本発明におけるデータ記憶デバイスは、重要で既知の試験気体のいわゆる応答因子とそれらの分子量を記憶する。測定結果の間の差異から、前記測定装置は適切な処理装置を使用して、体積当たりの重量における因子を各測定結果と試験気体の間の関係に応じて算出することができる。必然的に時間とともに変化するこの因子は較正因子として蓄積可能であるか、或いは前記測定装置によって自動的に蓄積され、それから実際の測定のための基準となる。

本発明によれば、キャリブレーション測定は自動で定期的に行われてもよい。一方で、使用者によっていつでも始動させられてもよい。

空気湿度が信号強度に悪影響を及ぼし得ることがまた分かっている。殊に空気湿度が大きく変動する場合である。例えば、空気が冷却乾燥機の裏側に存在するなら、空気湿度の変動はかなり低くなる。しかし、測定される炭化水素成分が極めて小さいことを前提とすると、それらでさえも無視することはできない。このため、本発明における前記測定装置では、その時点の大気湿度の影響を取り除くような方法で、前記ゼロ気体と前記較正気体の間のキャリブレーション測定を実行することが可能である。このために、較正に使用される各補助気体は測定気体にもまた存在するのと同程度の空気湿度が与えられる。既知の同種の測定装置と対照的に、商用のゼロ気体が較正に使用されるのに限らず、むしろ基準気体生成器に供給されることによってゼロ気体に変換された較正気体が使用される。この場合、ゼロ気体という用語を文字通りに、つまり、気体中に湿気がないという意味で解釈するべきではなく、むしろ、基準気体が較正に使用可能であり、当該基準気体は、炭化水素成分に加えて、実際に測定される前記測定気体と同じ構成要素と厳密に同じ湿気を有する。

本発明によれば、商用の試験気体の代わりに、９０〜１００％の基準気体と対応する０〜１０％の商用の試験気体から形成される混合気体が使用されてもよい。測定される測定気体とおおよそ一致する湿気を有する希薄な較正気体はこのようにして生成される。現場で較正気体を生成することによって、パラメータを修正することによる適切な制御方法でその組成を現状に順応することができる。基準気体中に供給される商用の試験気体の追加量が少ないことと、前記炭化水素成分が前記測定気体中の炭化水素成分のための予期される測定範囲と同じ桁であることと、もまた明白な因子である。

ドイツ工業規格／ＩＳＯ８５７３−１に準ずるクラス１より下の範囲の残留オイル成分（すなわち＜オイル１０μｇ／気体または空気Ｎｍ³）の測定用に、可能なら、前記較正気体を生成するためにほんの少量の前記試験気体が前記基準気体流に導入され、濃度に関して結果は ＜イソブテン１０μｇ／気体または空気Ｎｍ³ の成分量となる。それは、３．９９ｐｐｍ未満のイソブテンに相当する。

様々な各前記気体流の流量は、付随する、随意に標準化された各スロット、バルブ、フロウリデューサに影響されてもよい。それらは、好適には交換式であり、特に好都合な実施例では、一方ではセンサへの流量を調整するため、他方では混合される各気体流の所望の混合比を確実に確保するために制御可能である。

一般的な酸化触媒は基準気体生成器として使用することができる。一方で、望ましい特性を有する気体を供給するための他の装置や方法もまた考えられる。例えば、支障なくそれが備えられる容器内に挿入可能な白金めっきクォ−ツウールは触媒としての機能を果たす。特に好適なバージョンにおいて、前記基準気体生成器は前記測定装置に組み込まれ、当該測定装置によって様々な流体或いは気体のみの供給を現場で接続しなければならない。したがって、現場においてどこでも柔軟性をもって設置できるように、前記測定装置は付随するガス管用のコネクタと、電気コネクタもまた備える。特に、本発明の前記測定装置における、サンプリングプローブを備えるセンサユニットとコントロールパネル（ディスプレイ）を備える前記評価ユニットの分割は、現場において空間的に柔軟性をもって設置する可能性をさらに広げる。大きなセンサユニットは前記測定装置のサンプリング場所の前記評価ユニットから分離して配置される可能性がある一方で、コントロールパネルを有する前記評価ユニットは小さな構造となり、ほとんどどこにでも、好適には簡単に使用し得る場所に設置することができる。

本発明によれば、前記測定装置は、ドイツ工業規格／ＩＳＯ８７５３に準じる等速サンプリングに関する規則に従って流動気体から引き出され、流体抵抗器を通して導かれるのではない測定気体用の吸気口を有する。測定信号を歪めるに至り得る相対的に大量の気体を前提としてさえも、前記センサがどんな乱流にもさらされないことはしたがって可能である。分析がマッチするかどうかは、相対的な測定によって流体抵抗器を通して供給される測定気体流で確認できる。本発明によれば測定によって、通常操作における等速測定を大体は減速した気体の流れの測定で置き換えることができる。

好適には、本発明における測定装置は、圧縮空気或いは圧縮気体を作り出すためのオイルフリーのコンプレッサと一緒に使用されてもよい。一方で、もし対応する触媒がその下流に設置されるなら、油潤滑式コンプレッサの使用もまた考えられる。好適にはバイパスが保守作業用に設置される。

発明の概要の中で、以下の各気体流が区別されている。測定気体という用語は、測定される気体、例えば外気を表す。ゼロ気体は湿気と炭化水素を含まない気体流である。基準気体は測定気体から分岐し、基準気体生成器、例えば酸化触媒を越えて供給される気体流である。較正気体は測定気体の較正に使用される、規定量の炭化水素を含む気体である。試験気体は商用の規定された気体である。一方で、例えば、それはゼロ気体と少量のセンサ活性気体の混合気体であってもよい。

気体流のセンサへの供給の持続時間は、現場の状況に適応させられる。一方で、約２０秒間の供給を交互に行うことで生産性が高くなることが判明している。

本発明を、添付図面を参照してさらに詳細に説明する。この場合は、各図面は好適な実施例を示しているに過ぎない。一方で、本発明自身は、どのような状況下であってもそのことに限定されるわけではない。
本発明における測定装置の透視図を示す。 前記測定装置の流体流の機能図或いは回路図を示す。 周囲の覆いを外した本発明におけるセンサユニットを示す。

図１は、センサユニット２２と評価ユニット２４から形成される、本発明における測定装置２０を示す。前記評価ユニット２４はさらに制御パネル２６を備え、前記制御パネル２６はタッチパネルとして構成される。

さらに、両装置は信号ケーブルコネクタ３０を備え、それを通じて両装置は互いに接続される。前記信号ケーブルコネクタ３０の代わりとして、一方で、無線接続もまた有利であると考えられる。当該無線接続は現場の状況次第で設置を大幅に簡単にする。さらに、前記センサユニット２２は測定気体コネクタ３２を備え、それを通じて測定される気体が供給されることを確認することができる。さらに、ゼロ気体の供給用のゼロ気体コネクタ３４、および、較正気体の供給用の較正気体コネクタ３６を確認することができる。前記制御パネル２６は前記測定装置２０の制御に役立つだけではない。示された典型的な実施例において、それはまた前記測定装置２０のディスプレイを構成する。基準気体ユニット３８が前記センサユニット２２内に配置される。前記基準気体ユニット３８は確認することはできず（図３参照）、酸化触媒として構成される。

本発明における前記測定装置の機能は、図２によって明確になる。３つの気体供給、すなわち前記測定気体コネクタ３２と、前記ゼロ気体コネクタ３４と、前記較正気体コネクタ３６と、を確認することができる。さらに、測定チャンバー５０内の前記基準気体ユニット３８とセンサ４０が確認できる。前記センサ４０は光イオン化検出器として構成される。前記のさまざまな気体流は、各バルブ４２によって切り替えられ或いは調整される。好適には、各前記バルブ４２は電磁弁として構成される。それ故に、分析される前記測定気体を、測定気体コネクタ３２を通して前記基準気体ユニットへ供給し、そこから、基準気体として前記センサ４０へ供給することができる。選択肢として、一方で、前記測定気体を直接前記センサ４０へ供給することもできる。較正気体やゼロ気体でさえ前記センサ４０へ一緒に或いは交互に供給することもできる。

流体抵抗器４３が、一定の圧力と一定の容積流量を確保する。

最後に、監視要素５２が設けられ、例えば、当該監視要素５２はもしも前記測定装置２０の作動圧力が高くなりすぎた時に警報を発する。

前記評価ユニット２４はコンピュータやデータベース用の適切なコネクタを有してもよい。例えばＳＤカード、ＵＳＢメモリ、および同類なもの等のデータ記憶デバイス用のコネクタが設けられてもよい。前記評価ユニット２４はさらにデータ保存のためのデータ記憶デバイスと、測定データの計算および評価のための付随する処理装置と、を備える。

前記基準気体ユニット３８は各配線５４を通じてバルブハウジング４８と測定チャンバー５０に接続される。別の配線５４が前記測定チャンバー５０から出て、排気口５６に至る。さらに、前記測定チャンバー５０は前記バルブハウジング４８に接続される。

図３は統合された前記基準気体ユニット３８を備える前記センサユニット２２のコンパクトな構造を示す。特に、前記ゼロ気体コネクタ３４と、前記較正気体コネクタ３６と、前記基準気体ユニット３８と、前記センサ４０と、安全弁４４と、を確認することができる。付随する圧力スイッチを備えるフロー監視装置４６もまた設けられている。各前記バルブ４２と他の電気および電子部品はバルブハウジング４８内に収納される。前記センサ４０は前記測定チャンバー５０内に配置される。前記流体抵抗器４３（スロットル）は前記気体コネクタ３２，３４，３６のそれぞれのコネクタねじ込み継ぎ手に組み込まれており、確認することはできない。

Claims (10)

1. 第１の気体流と第２の気体流中の炭化水素成分を検出するための測定装置（２０）であって、
   前記第１の気体流も前記第２の気体流も両方とも同一の気体源から発し、
   前記測定装置（２０）は、気体中の炭化水素成分の検出に適合するセンサ（４０）を有するセンサユニット（２２）を備え、
   前記第１の気体流はそのまま前記測定装置に供給され、
   前記第２の気体流は処理されて前記測定装置に供給され、
   前記第１の気体流と前記第２の気体流は、前記センサ（４０）に交互に供給され、
   前記測定装置（２０）によって、前記第１の気体流と前記第２の気体流の試験に応じて生成される信号間の差を使用して、前記測定装置（２０）は前記気体源の気体中の炭化水素成分を測定し、
   前記測定装置（２０）は、乾燥した試験気体を前記第２の気体流に混ぜることができることを特徴とする、
   前記気体源の気体中の炭化水素成分を検出するための測定装置（２０）。
2. 前記測定装置（２０）は、
   センサ（４０）と、前記第２の気体流を処理するための基準気体ユニット（３８）と、を有するセンサユニット（２２）と、
   ディスプレイと制御パネル（２６）とを備える評価ユニット（２４）と、
   から形成されることを特徴とする、
   請求項１に記載の前記測定装置（２０）。
3. 前記基準気体ユニット（３８）は酸化触媒として構成されていることを特徴とする、
   請求項１または２に記載の前記測定装置（２０）。
4. 前記センサ（４０）は光分離センサとして構成されていることを特徴とする、
   請求項１または３に記載の前記測定装置（２０）。
5. 前記測定装置（２０）は、
   乾燥した気体用のゼロ気体コネクタ（３４）と、
   前記測定装置（２０）を較正するための既知の成分を含む気体用の較正気体コネクタと、をさらに備えることを特徴とする、
   請求項１から４に記載の前記測定装置（２０）。
6. 供給される気体の一定の圧力と一定の容積流量を確保する流体抵抗器（４３）を備えることを特徴とする、
   請求項１から５に記載の前記測定装置（２０）。
7. 前記測定装置（２０）は較正処理を独立して実行することを特徴とする、
   請求項１から６に記載の前記測定装置（２０）。
8. 第１の気体流と第２の気体流に分かれる源気体流を特徴とし、気体中の炭化水素成分の検出に適合するセンサ（４０）を有するセンサユニット（２２）を備える測定装置（２０）によって気体流中の炭化水素成分を検出するための方法であって、
   前記測定装置（２０）の前記センサ（４０）が前記第１の気体流も前記第２の気体流も両方とも分析し、
   前記第１の気体流はそのまま前記測定装置（２０）に供給され、
   前記第２の気体流は処理されて前記測定装置（２０）に供給され、
   前記第１の気体流と前記第２の気体流は、前記センサ（４０）に交互に供給され、
   前記測定装置（２０）によって、前記第１の気体流と前記第２の気体流の試験に応じて生成される信号間の差を使用して、炭化水素成分が測定され、
   乾燥した試験気体が前記第２の気体流に混ぜられ、当該第２の気体流が、その湿度が前記第１の気体流と対応する気体流となることを特徴とする、
   気体流中の炭化水素成分を検出するための方法。
9. 請求項１から６のうちいずれか一つに記載の測定装置（２０）を使用することを特徴とする、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記測定装置（２０）を、ゼロ気体と較正気体を供給することによって較正し得ることを特徴とする、
    請求項８または９に記載の方法。
    

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