JPH02190743A

JPH02190743A - ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JPH02190743A
Application number: JP1285058A
Authority: JP
Inventors: Donald R A Jones; ドナルド　アール．エイ．ジョーンズ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1989-11-02
Publication date: 1990-07-26
Also published as: US4934178A; AU3942189A; DE3935552A1; GB8908630D0; FR2640752A1; GB2226142A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はガスの流れのマスレート（ｍａｓｓ　ｒａｔｅ
）を正確に測定してガスもしくは混合ガスの濃度を測定
することに係るものであり、更に具体的にいえば現場で
ガスメータの校正をするための装置に関するものである
。

（従来の技術及びその課題）天然ガスのような市販のガスの配分に当たってときどき
必要になることは需要者によるガスの使用を測定するメ
ータを校正することである。これまでは複雑で、高価で
そして重い装置（例えば、サラトロン　モデル　７８１
０濃度計）しかなかった。

そのため、本発明の目的は、従来の課題を解決するガス
濃度測定装置を提供することである。

本発明の別の目的は、ガス流量の測定を正確にし、軽量
であり、かつ操作が簡単であるガス濃度測定装置を提供
することである。

（課題を解決するための手段及び作用〉本発明は、上述
の従来の課題を解決し、所期の目的を達成するためにな
されたものであり、その要旨とするところは、基準室と
、該基準室とガス連絡しており、平方根流れ狭窄部を含
んでいるチャンネル部と、該平方根流れ狭窄部に亜音速
でガスを流す手段と、上記の基準室内の圧力が所定の変
化をするのにかかる時間を測定するタイミング手段とを
含み、上記の亜音速、平方根流れ狭窄部は入口と出口と
を有しており、その出口は音速狭窄部に接続され、上記
の基準室内で所与の圧力変化を生じるのにかかる時間と
その圧力変化を生じるガスの濃度とを相互に関連させる
ため既知濃度の校正ガスで校正し、それにより未知濃度
の対象ガスが上記の基準室内で所与の圧力変化を生じる
に要する時間を上記の校正ガスの各々が上記の基準室内
で同じ圧力変化を生じるに要する時間と比較して対象ガ
スの未知濃度を測定することを特徴とするガス濃度測定
装置に存する。そして、上記の亜音速、平方根流れ狭窄
部（５ｕｂ−ｓｏｎｉｃ。

５ｑｕａｒｅ−ｒｏｏｔ　ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）の大
きさと音速狭窄部（ｓｏｎｉｃ　ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ
）の大きさとは、亜音速、平方根流れ狭窄部を通るマス
フロー（厘ａｓｓ　ｆｌｏｓｒ）と音速狭窄部を通るマ
スフローとが等しいように決められていることが好まし
い。

また、本発明は、基準室と、該基準室とガス連絡してお
り、平方根流れ狭窄部を含んでいるチャンネル部と、該
平方根流れ狭窄部に亜音速でガスを流す手段と、上記の
基準室内の圧力が所定の変化をするのにかかる時間を測
定するタイミング手段とを含み、上記のガスを流す手段
は上記の平方根流れ狭窄部を通してガスを押し流す定速
ピストン手段を有し、上記の基準室内で所与の圧力変化
を生じるのにかかる時間とその圧力変化を生じるガスの
濃度とを相互に関連させるため既知濃度の校正ガスで校
正し、それにより未知濃度の対象ガスが上記の基準室内
で所与の圧力変化を生じるに要する時間を上記の校正ガ
スの各々が上記の基準室内で同じ圧力変化を生じるに要
する時間と比較して対象ガスの未知濃度を測定すること
を特徴とするガス濃度測定装置により本発明の目的が達
成される。

「平方根」タイプの流れ絞り部分を有するオリフィス（
例えば、ベンチュリー）を流れるガスの亜音速のマスフ
ロー（質量流量）は濃度の平方根の関数であるという原
理を認識し、そしてその原理を本発明は利用している。

すなわち、閉じた容器から亜音速狭窄部を通ってガスが
流れるときにかかる時間はガスの濃度によって変化する
。

その流れは基準室に入っていく、もしくは基準室から出
ていく流れでよい、必要な要素は、−個もしくはそれ以
上の「平方根」オリフィスベンチュリーもしくは他の「
平方根ｊタイプの狭窄部である。勿論、基準室のガスの
初期圧力と温度とは正確に知っていなければならず、そ
して基準室内の圧力の上昇もしくは下降中監視をしてい
なければならない、圧力下降システムでは基準室は流量
を測定しようとするガスで徹底的にパージした後に、そ
の市販ガスの濃度（したがって、マスフロー）を測定す
ることにより本発明を実施する。

圧力上昇システムでは基準室内の圧力を大気圧まで下げ
てから本発明を開始する。いずれの場合でも、圧力が２
つの所定の大きさの闇で変化するのにかかる時間にガス
の濃度は関係づけられる。亜音速ベンチュリーと音速ベ
ンチュリーとの組み合わせを使用してガス濃度を連続的
に測定できる。

本発明によれば亜音速狭窄部を通るガスの流量はガス濃
度の平方根に比例しており、この亜音速狭窄部に結合し
ている音速狭窄部を通るガスの流量は濃度に直接比例し
ている。このことがガス濃度の連続測定を可能とする。

これらのシステムは濃度の異なる純粋ガスによる校正を
必要とする。音速狭窄部（ベンチュリー）は基準ベース
を与える。ガス圧力、狭窄部の圧力降下そして基準室内
のガス温度を監視することによりガス濃度の計算は簡単
なコンピュータ制御技術によって実施できる。

純粋な基準ガスを使用することにより最初に校正がなさ
れ、そして基本値をコンピュータに記憶させておく、そ
のコンピュータは実際の濃度へ圧力変化にかかる時間を
関係させており、そして所望のフォーマットでその結果
を読み出すことにより対象ガスの未知濃度が測定される
こととなる。

（実施例）本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は、本発明の第１実施例を示す圧力減衰法による
ガス濃度測定システムと装置の略図である０本第１実施
例は、濃度を測定しようとするガスをガス導入管１０を
介してレギュレータ１２に入れ１、このレギュレータ１
２から所定の低圧となったガスが出てくる。この圧力は
ゲージ１４に示される。コンピュータ制御の加圧弁１６
はその所定圧のガスをコネクタ１８に入れる。そのコネ
クタ１８のガスの圧力は圧カドランスジューサ２０によ
り検出され、そしてその情報はコンピュータコントロー
ラ２２へ送られる。コネクタ１８のガスの温度は温度セ
ンサ２４により検出され、そしてコンピュータコントロ
ーラ２２に送られて処理される。

コネクタ１８の温度と圧力とは勿論、既知の校正された
容積の基準室２６のガスの温度と圧力である。ガスの圧
力と温度との間の関係はよく知られているのでコンピュ
ータコントローラ２２は、温度の読みに変動があるとそ
の変動に対して実効容量の補正をしなければならないし
、そしてそうしている。

濃度を決定するためのデータを採取し、処理する前に基
準室２６と装置のその他の部分を他のガスでパージしな
ければならない、パージ弁２８と排出弁３０とを開くこ
とにより、そして経験的に全部の空気が全装置から排出
されて対象とするガスだけが残っていることが分かるま
で基準室２６にガスを流入させ、そして流出させること
によりパージがなされる。パージ弁２８と排出弁３０と
はコンピュータコントローラ２２により順次制御され、
このコンピュータコントローラ２２はデータ収集と処理
も実行する。

上記加圧弁１６、パージ弁２８、排出弁３０を閉じ、基
準室２６の圧力は所望の初期値に到達する。排出弁３０
を開き、そしてタイミングファンクションは所定圧力で
開始し、該排出弁３０の開きと同時に開始する。圧力が
便利な圧力スパンにわたって減衰して全装置の初期校正
で使用された圧力になっていくとき基準室２６の圧力と
温度とをコンピュータコントローラ２２によるなどして
、監視する。好ましくは０　、０２０インチの直径のオ
リフィスもしくは他の平方根狭窄部である狭窄部３２を
通して亜音速流量で対象ガスを放出する。所定の圧力ス
パンにわたる基準室２６内の圧力減衰に要する時間は、
経験もしくは実験によって確認した校正に基づく関係に
従ってガスの濃度に関係づけられる。

水柱４インチの圧力スパン（５”Ｈ２Ｏ−１″Ｈ２０）
と０．２５立方フイートの基準室とを使用するテストは
、ガスの比重が０．５から０，７へ増大するときその時
間は７．５５秒から８．９５秒に変わることを示してい
る。この時間差の大きさがこの圧力減衰法によりガス濃
度を非常に正確に測定させているのである。基準室２６
の容積及び／又は狭窄部３２の大きさを変えることによ
り時間差を変えられる。コンピュータコントローラ２２
の読み３４を時間対圧力でプロットする。

第２図は、本発明の第２実施例を示す圧力上昇法による
ガス濃度測定のシステムと装置の略図である０本第２実
施例は、亜音速流速で狭窄部を通るガス圧変化の速さと
ガス濃度との間の相関関係は、基準室内のガス圧が減衰
でなく増加しているとき利用できる０本第２実施例では
ガスパイプライン４０に流れるガスは手動弁４２を開く
ことにより本実施例の濃度測定装置に導入され、それか
ら電動弁４４、排出弁４６が開かれてパージされ、そし
て基準室５８を大気圧と等圧にする。そのとき排出弁４
６は閉じられている。前記電動弁４４に接続されている
レギュレータ４８は（圧力センサもしくはゲージ５０に
より計測した）所定の圧力レベルの対象ガスを流し、平
方根流れ狭窄部５２に亜音速流を流し、この平方根流れ
狭窄部５２の圧力降下はセンサもしくはゲージ５４で測
定する。圧力センサもしくはゲージ５６はカップラー５
９を介して基準室５８内の圧力を計測する。圧力の時間
につれての増加は、校正に使用したのと一致する所定の
圧力範囲にわたって測定される。その圧力範囲を越えて
圧力が増大するのに要する時間は（前のガス校正に基づ
いて）パイプライン４０のガス濃度を示している。前記
第１実施例のシステムに優れる本第２実施例のシステム
の利点は、パージガスを少量しか使わないことと、濃度
の測定結果が迅速に得られることである。

第３図は、本発明の第３実施例を示すガス濃度の準連続
測定システムと装置の略図である０本第３実施例におい
て、定速度モータ６０はピストン６２を一定速度で駆動
し、ガスパイプライン６６へ直結されている平方根オリ
フィス６４の後ろの容積は常に、そして一定の割合で変
化している。

センサもしくはゲージ６８で測定されるオリフィス６４
の圧力降下は、ピストン６２がベロフラム７０（ダイア
フラムとベローとの組み合わせ）内を動くにつれ零から
最大へ周期的に変化する。ピストン６２の運動により生
じる圧力降下の変動を利用して、ガスパイプライン６６
のガスの濃度を測定する。ガスパイプライン６６の温度
をゲージもしくはセンサ７２により測定し、そして、ガ
スパイプライン６６内のガス圧は圧力ゲージもしくはセ
ンナ７４により測定する。ライン７６はベロフラム７０
に高い負の差圧がかからないようにする平衡補充ライン
である。弁８０を含むライン７８を介してベロフラム７
０にガスを圧入する。

第４図は本発明の第４実施例を示すライン圧力よりも低
い圧力のガス濃度を連続測定するシステムと装置の略図
である０本第４実施例は、手動弁８０が開かれると、ガ
スをパイプライン８２から濃度測定システムに入れる。

弁８４は前述の第１図に示すようなコンピュータコント
ローラ２２により制御される。弁８４の出力は精密圧力
レギュレータ８６へ至り、そのレギュレータ８６がらの
出力は平方根オリフィス８８に送られる。平方根オリフ
ィス８８の出力は、排出部９２へ出力を接続した音速ベ
ンチュリー９０へ送られる。該オリフィス８８へ進むガ
スの温度はゲージもしくはセンサ９４により測定され、
そしてそのガスの圧力はゲージもしくはセンサ９６によ
り測定される。

上記オリフィスもしくはベンチュリー８８の圧力降下は
ゲージもしくはセンサ９８により測定される。

既に説明したように、「平方根」タイプの狭窄部例えば
、ベンチュリーを流れるガスの亜音速マスフローはガス
の濃度の平方根の関数である。音速で流れるとき［音速
ベンチュリーＪを通るマスフローは濃度と線形関係とな
る。

亜音速オリフィス８８を通る所定の流れ（この流れは音
速オリフィス９０を通るソニックフローに等しい）に対
して亜音速オリフィス８８と音速オリフィス９０の寸法
を決めることによりオリフィス８８の圧力降下はガス濃
度の直接の関数として変化するようになる。この圧力降
下の読みは連続的に採られ、ガス濃度の測定値に変換さ
れる。第４図のシステムにおける亜音速流れ狭窄部８８
と音速狭窄部９０の位置は反対にしてもよい、すなわち
、音速狭窄部９０は亜音速狭窄部８８から上流側に置か
れてもよい。

第５図は、本発明の第５実施例を示す圧力減衰法と圧力
上昇法とを結合した方法によりガス濃度を測定する二基
システムの略図である。本第５実施例は、前記第１実施
例の変更例であり、ガス圧の減衰の速さを利用してガス
濃度を決定するものである。

本第５実施例は基準室２６を通る点で第１図のシステム
と同じである。基準室２６の出力へ接続されている４路
カツプラー１００はパージ弁２８へ、平方根流れ狭窄部
３２へ、そして差圧センサもしくはゲージ１０４で終わ
っている圧力バイブ１０２へ結合されている。第１図の
システムにおけるように、大気へ排気する代わりに狭窄
部もしくはベンチュリー３２はＴカップラー１０６を介
して第２の基準室１０８へ結合され、この第２の基準室
はその中に排気弁１１０を有している。第１図に示した
ようなコンピュータコントローラ２２により排気弁１１
０は制御される。Ｔカップラー１０６の第３のアームは
差圧ゲージもしくはセンサ１０４の残りの日へ接続され
ている。

基準室２６の容積は既知であり、校正されている。それ
は亜音速流れ狭窄部３２を介して第２の基準室１０８へ
結合されている。該第２の基準室１０８は排気弁１１０
を開くことにより大気へ開かれる。ガス濃度の測定は次
のようにして行われる。

図示していない手動供給弁を開いて対象ガスを導入管ｌ
Ｏに入れる。加圧弁１６、パージ弁２８、排出弁３０、
排気弁１１０を開き、そして基準室２６、第２の基準室
１０８（そして全装置の残りの部分）は基準室２６に新
しいサンプルを入れてもよい程にパージされる。パージ
弁２８、排出弁３０を閉じ、そして基準室２６がセンサ
もしくはゲージ２０により計測して所望の圧力まで加圧
される。加圧弁１６と排気弁１１０とを閉じる。タイミ
ング機構を始動し、そして排出弁３０を開く、ゲージも
しくはセンサ１０４で差圧を監視する。差圧が（装置の
初期校正に用いられた）校正したスパンにわたり降下す
るので、差圧が降下するに要する時間はガスの濃度に関
係している。

本第５実施例の利点は、低い入口圧力である点、簡単な
構造である点、精密な圧力レギュレータを必要としない
点及び所与の精度に対して前記第１実施例のシステムで
達成できるよりも速く濃度を決定できることである。

以上のとおり、本発明の詳細な説明したけれども、本発
明の技術思想の範囲内で前記実施例を種々変更できるこ
とは当業者には明らかなものである。

（発明の効果）本発明のガス濃度測定装置は、上述のように構成される
ものであるので、取り扱い操作が簡単であり、しかも対
象ガスの未知濃度を確実に、かつ高精度に測定できるも
のとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す図面、第２図は、
本発明の第２実施例を示す図面、第３図は、本発明の第
３実施例を示す図面、第４図は、本発明の第４実施例を
示す図面、第５図は、本発明の第５実施例を示す図面で
ある。１０・・・ガス導入管、１２，４８．８６・・・レギュ
レータ、２２・・・コンピュータコントローラ、２６・
・・基準室、３２．５２，６４．８８・・・平方根流れ
狭窄部、６２・・・ピストン、９０・・・音速狭窄部。特許出願人　　ドナルド　アール、エイ、　ジョーンズ
第３図第４図 η

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基準室と、該基準室とガス連絡しており、平方根
流れ狭窄部を含んでいるチャンネル部と、該平方根流れ
狭窄部に亜音速でガスを流す手段と、上記の基準室内の
圧力が所定の変化をするのにかかる時間を測定するタイ
ミング手段とを含み、上記の亜音速、平方根流れ狭窄部
は入口と出口とを有しており、その出口は音速狭窄部に
接続され、上記の基準室内で所与の圧力変化を生じるの
にかかる時間とその圧力変化を生じるガスの濃度とを相
互に関連させるため既知濃度の校正ガスで校正し、それ
により未知濃度の対象ガスが上記の基準室内で所与の圧
力変化を生じるに要する時間を上記の校正ガスの各々が
上記の基準室内で同じ圧力変化を生じるに要する時間と
比較して対象ガスの未知濃度を測定することを特徴とす
るガス濃度測定装置。
（２）亜音速、平方根流れ狭窄部の大きさと音速狭窄部
の大きさとは、亜音速、平方根流れ狭窄部を通るマスフ
ローと音速狭窄部を通るマスフローとが等しいように決
められていることを特徴とする請求項（１）に記載のガ
ス濃度測定装置。
（３）基準室と、該基準室とガス連絡しており、平方根
流れ狭窄部を含んでいるチャンネル部と、該平方根流れ
狭窄部に亜音速でガスを流す手段と、上記の基準室内の
圧力が所定の変化をするのにかかる時間を測定するタイ
ミング手段とを含み、上記のガスを流す手段は上記の平
方根流れ狭窄部を通してガスを押し流す定速ピストン手
段を有し、上記の基準室内で所与の圧力変化を生じるの
にかかる時間とその圧力変化を生じるガスの濃度とを相
互に関連させるため既知濃度の校正ガスで校正し、それ
により未知濃度の対象ガスが上記の基準室内で所与の圧
力変化を生じるに要する時間を上記の校正ガスの各々が
上記の基準室内で同じ圧力変化を生じるに要する時間と
比較して対象ガスの未知濃度を測定することを特徴とす
るガス濃度測定装置。