JP6378457B2 - ガス検知方法およびガス検知装置 - Google Patents
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Description
ガス検知装置は、第1成分ガス、第2成分ガスおよび第3成分ガスを含む測定対象ガスの熱伝導率に関連した信号強度を検出し、その信号強度から測定対象ガスに含まれる第3成分ガスを検知する。ガス検知装置の詳細を以下で説明するが、以下の説明では、ガス検知装置の一例として気体熱伝導式ガス検知装置を挙げ、その気体熱伝導式ガス検知装置を、第1成分ガス、第2成分ガスおよび第3成分ガスがそれぞれ、水蒸気、乾燥空気および水素ガスであり、水蒸気である第1成分ガスおよび乾燥空気である第2成分ガスを含む2成分混合ガスが空気である測定対象ガスにおける水素ガスの検知に適用した例を用いて説明する。しかし、ガス検知装置は、以下に例示する気体熱伝導式ガス検知装置に限定されることはなく、非定常熱線法などの他の公知の熱伝導率測定法の測定原理が適用された装置であってもよい。また、第1成分ガス、第2成分ガスおよび第3成分ガスも、水蒸気、乾燥空気、水素ガスに限定されることはなく、上述した他のガスの組み合わせであっても構わない。
気体熱伝導式ガス検知装置は、本実施形態では、水蒸気および乾燥空気を含む空気に水素ガスが含まれる3成分系の測定対象ガスにおける水素ガスを検知する。気体熱伝導式ガス検知装置1は、図1に示されるように、測定対象ガスの熱伝導率に関連した信号強度を検出する信号強度検出部2と、その信号強度に基づいて水素ガス(第3成分ガス)を検知する第3成分ガス検知部3とを備えている。
信号強度検出部2は、本実施形態では、測定対象ガスおよび標準ガスの熱伝導率の違いに起因した信号強度を検出することにより、測定対象ガスおよび標準ガスの熱伝導率の違いを検知する。信号強度検出部2は、図1に示されるように、測定対象ガスおよび標準ガスの熱伝導率の違いに起因した信号強度として電位差を生成する検知回路4と、検知回路4に直流電圧を印加する直流電圧源5と、検知回路4に生じる電位差を検出する電位差計6とを備えている。
第3成分ガス検知部3は、信号強度と水素ガスの濃度との間の対応を示す相関関数、および、信号強度検出部2により得られた信号強度から、水素ガスを検知するように構成されている。すなわち、第3成分ガス検知部3は、信号強度Vと水素ガスの濃度xとの間の対応を示す相関関数(V=F(x)またはV≒F(x))を用いて、信号強度検出部2により得られた信号強度Vを、水素ガスの濃度xに対応した値に変換(x=F-1(V)またはx≒F-1(V))することで、測定対象ガス中の水素ガスの有無および/または濃度を検知するように構成されている。ここで相関関数は、信号強度と水素ガスの濃度との間の対応を示す関数であって、信号強度と水素ガスの濃度との関係を完全な形で示す関数(V=F(x))だけではなく、たとえば水素ガスの濃度の増減に応じて信号強度が増減するように構成されるなど、信号強度が水素ガスの濃度に対応するように構成された関数(V≒F(x))も含む。また、水素ガスの濃度に対応した値は、水素ガスの濃度だけでなく、水素ガスの濃度の増減に対応して増減する間接的な値も含む。
Mi、Mj、Mk:成分i、成分jおよび成分kの分子量
xi、xk:成分iおよび成分kのモル分率
ηi:成分iの粘度
Trij:対臨界温度(reduced temperature)
Tci、Tcj:成分i、成分jの臨界温度
μ:双極子モーメント
Pc:臨界圧力
Tc:臨界温度
ガス検知方法は、第1成分ガス、第2成分ガスおよび第3成分ガスを含む測定対象ガスの熱伝導率に関連した信号強度を検出する信号強度検出工程と、その信号強度に基づいて、第3成分ガスを検知する第3成分ガス検知工程とを含んでいる。また、ガス検知方法は、任意で、第1成分ガスおよび第2成分ガスを含む2成分混合ガス中の第1成分ガスの濃度および/または測定対象ガス中の第1成分ガスの濃度を測定する第1成分ガス濃度測定工程を含んでいてもよい。また、ガス検知方法は、任意で、測定対象ガスおよび/または標準ガスの温度を直接的または間接的に測定するガス温度測定工程を含んでいてもよい。
気体熱伝導式ガス検知装置として、図1および図2に示される装置を用意し、水蒸気、乾燥空気および水素ガスが含まれる3成分系の測定対象ガスと、乾燥空気である標準ガスとについて、検知回路4中のc−d点間の電位差を測定した。測定対象ガス、標準ガス、検知素子41の第1変動抵抗体41aおよび補償素子42の第2変動抵抗体42aについては、以下の条件のものを用いた。第1固定抵抗43および第2固定抵抗44については、測定対象ガスの熱伝導率と標準ガスの熱伝導率とが同じ場合に、検知回路4のc−d点間に電位差が生じないようにその抵抗値を設定した。
(1)測定対象ガス
ガス種:水蒸気、乾燥空気および水素ガス
測定対象ガス中の水素ガスの濃度(vol%)=水素ガス/(水蒸気+乾燥空気+水素ガス)x100(vol%):0、1、2、3、4
水素ガス濃度が0vol%のときの相対湿度(%RH):4.5、36.5、55.9、75.8、90.2
水素ガス濃度が1〜4vol%のときの相対湿度(%RH):20、40、60、80
温度(℃):80
(2)標準ガス
ガス種:乾燥空気
温度(℃):80
(3)第1変動抵抗体
作製方法:アルミナ基板上に、スパッタリング法により白金を蛇行形状で成膜し、その上層にシリカをコーティングして作製
温度(℃):100、200、300、400、500、600
(4)第2変動抵抗体
作製方法:第1変動抵抗体と同じ
温度(℃):80
(1)測定対象ガスの熱伝導率
測定対象ガスの熱伝導率を以下の手順で求めた。まず、水蒸気および乾燥空気を1成分とした空気の粘度を上述した数式3により求め、水素ガスの粘度を剛体球近似(以下の数式4)により求めた。空気の粘度を求める際に、測定対象ガスの温度を、第1変動抵抗体41aの温度と同じ温度まで上昇しているものと仮定し、第1変動抵抗体41aの温度と同じとした。つぎに、空気の粘度および分子量と、水素ガスの粘度および分子量とを用いて、上述した数式2により、空気と水素ガスとの間の2成分の相互作用を考慮した相互作用関数(相互作用係数)を求めた。このとき、経験的パラメータ(相互作用パラメータ)γは、極性分子(空気)−無極性分子(水素ガス)の相互作用を考慮して、TandonとSaxenaによる推奨値(P. K. Tandon and S. C. Saxena, Appl. Sci. Res., 19, 163(1965))を採用した。最後に、得られた相互作用関数(相互作用係数)と、空気の熱伝導率および水素ガスの熱伝導率とを用いて、上述した数式3により、測定対象ガスの熱伝導率を求めた。なお、空気の熱伝導率は、多項式で表わされる経験的な式(以下の数式5)により求め、水素ガスの熱伝導率は、剛体球近似(以下の数式6)により求めた。
m:分子の質量
k:ボルツマン定数
T:気体の温度
ε:ポテンシャルパラメータ
a0:0.354125
a1:−0.427581
a2:0.149251
a3:−0.037174
a4:0.003176
σ=0.2968nm(水素の分子直径)
(参考文献)M. J. Assael and S. Mixafendi, J. Phys. Chem. Ref. Data, 15, 4(1986)
λA=AA+BA・T+CA・T2+DA・T3
λA:ガスの熱伝導率
T:ガスの温度
AA、BA、CA、DA:ガス種に応じた定数
(参考文献)A. Melling, et al., J. Phys. Chem. Ref. Data, 26, 4(1997)
T:水素ガスの温度
M:水素ガスの分子量
k:ボルツマン定数
T:気体の温度
ε:ポテンシャルパラメータ
σ=0.2968nm(水素の分子直径)
A:1.16145
B:0.14874
C:0.52487
D:0.77320
E:2.16178
F:2.43787
(参考文献)P. D. Neufeld, A. R. Janzen, and R. A. Aziz, J. Chem. Phys., 57, 1
100(1972)
(2)標準ガスの熱伝導率
標準ガスの熱伝導率は、多項式で表わされる経験的な式(上記数式5)により求めた。
測定対象ガスの熱伝導率と標準ガスの熱伝導率との差を、上述した実施例とは異なる方法による計算により求め、その計算結果と上述した測定の結果との対比を行なった。測定対象ガスの熱伝導率は、以下の方法で算出した。なお、ここに記載していない条件は、上記実施例と同じとした。
2 信号強度検出部
3 第3成分ガス検知部
4 検知回路
41 検知素子
41a 第1変動抵抗体
41b 検知用容器
42 補償素子
42a 第2変動抵抗体
42b 補償用容器
43 第1固定抵抗
44 第2固定抵抗
5 直流電圧源
6 電位差計
Claims (2)
- 第1成分ガスおよび第2成分ガスを含む混合ガスと検知対象ガスとが含まれる測定対象ガスにおける前記検知対象ガスを検知するガス検知方法であって、
前記測定対象ガスの熱伝導率に関連した信号強度を検出する信号強度検出工程と、
前記信号強度に基づいて、前記検知対象ガスを検知する検知対象ガス検知工程とを含み、
前記検知対象ガス検知工程が、
前記信号強度と前記検知対象ガスの濃度との間の対応を示す相関関数、および、前記信号強度検出工程において得られた信号強度から、前記検知対象ガスを検知し、
前記相関関数が、
i)前記第1成分ガスおよび前記第2成分ガスを含む混合ガスを1成分とした前記混合ガスと前記検知対象ガスとの間の相互作用を考慮した相互作用関数、および
ii)前記混合ガスの熱伝導率および前記検知対象ガスの熱伝導率
を用いて求められる、前記測定対象ガス中の前記検知対象ガスの濃度を変数とする前記測定対象ガスの熱伝導率関数から得られ、
前記第1成分ガスが極性ガスであり、前記第2成分ガスが無極性ガスであることを特徴とする
ガス検知方法。 - 第1成分ガスおよび第2成分ガスを含む混合ガスと検知対象ガスとが含まれる測定対象ガスにおける前記検知対象ガスを検知するためのガス検知装置であって、
前記測定対象ガスの熱伝導率に関連した信号強度を検出する信号強度検出部と、
前記信号強度に基づいて前記検知対象ガスを検知する検知対象ガス検知部とを備え、
前記検知対象ガス検知部が、
前記信号強度と前記検知対象ガスの濃度との間の対応を示す相関関数、および、前記信号強度検出部により得られた信号強度から、前記検知対象ガスを検知するように構成され、
前記相関関数が、
i)前記第1成分ガスおよび前記第2成分ガスを含む混合ガスを1成分とした前記混合ガスと前記検知対象ガスとの間の相互作用を考慮した相互作用関数、および
ii)前記混合ガスの熱伝導率および前記検知対象ガスの熱伝導率
を用いて求められる、前記測定対象ガス中の前記検知対象ガスの濃度を変数とする前記測定対象ガスの熱伝導率関数から得られ、
前記第1成分ガスが極性ガスであり、前記第2成分ガスが無極性ガスであることを特徴とする
ガス検知装置。
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