JPH0674925A - 燃料ガスの燃焼性計測方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料ガスの燃焼性を自動的に連続で計測する
方法および装置を得る。 【構成】 燃料ガスと1次空気との混合ガスを燃焼し、
その内炎長を測定しながら、燃料ガスと1次空気との混
合ガス量を一定にして、これらのガスの混合割合を変
え、最短内炎長を与える混合ガスを得、最短内炎長から
最大燃焼速度を演算し、この混合ガスの混合割合から発
熱量を演算し、最大燃焼速度と発熱量とから燃料ガスの
燃焼性を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料ガスの燃焼性計測
方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，１３Ａなどの各種の
都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）など燃料ガスは、燃
焼性の違いによってそのガスに合致した器具で燃焼しな
いと完全燃焼せず、不完全燃焼による一酸化炭素の発
生、不着火、飛火による生ガスの漏出など危険が伴う。
またガスの種類が定められたときは、定められた燃焼性
の範囲内のガスを供給しないと、使用先で前記のような
危険が伴う。したがって、燃焼性を計測し、これが常に
定められた範囲内にあるようにする必要がある。

【０００３】燃料ガスの燃焼性は、燃料ガスの発熱量と
最大燃焼速度とで決まる。発熱量は、一定量の燃料ガス
を完全燃焼し、そのときの発生熱を一定量の水または空
気に与え、その温度上昇から求める。したがって燃料ガ
スと水または空気の流量比を一定にすれば、水または空
気の温度上昇から連続的に発熱量を求めることができ
る。

【０００４】燃焼速度は、燃料ガスと空気との均一混合
ガス中を燃焼波面が進行する速度であり、その値は図３
に示すように１次空気率（理論空気量に対する１次空気
の割合（％））によって異なる。しかし燃焼速度最大値
は、燃料ガスの種類によって定まる値であり、これを最
大燃焼速度という。（最大燃焼速度は混合ガスの圧力、
温度によっても異なるが、ここでは常温、常圧の範囲で
考える。）燃料ガスの最大燃焼速度は、一般に純ガスの
最大燃焼速度とガス組成とから計算で求めている。また
発熱量も純ガスの発熱量とガス組成とから計算で求めら
れるので、燃料ガスの組成をガスクロマトグラフィで求
め、これから発熱量と最大燃焼速度とを計算している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガスク
ロマトグラフィで燃料ガスの組成を求め、これから発熱
量と最大燃焼速度とを計算する方法は、ガスクロマトグ
ラフィの分析に時間を要するために連続的に測定ができ
ないという問題がある。

【０００６】また、ガスクロマトグラフィの操作は熟練
を要し、ガスクロマトグラフィは高価であり、キャリア
ーガスとしてヘリウム、アルゴンなどの高価なガスが必
要で維持費用も高くなるという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、比較的簡便に、しかも自
動的に連続で燃料ガスの発熱量と最大燃焼速度とを求
め、これから燃料ガスの燃焼性を計測する方法および装
置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料ガスの発
熱量と最大燃焼速度とから燃料ガスの燃焼性を計測する
方法において、燃料ガスと空気とを予め混合し、その混
合割合を変更することによって最大燃速度を与える混合
ガスを得る手段と、最大燃焼速度を与える混合ガスを燃
焼し、その内炎長を測定してこれから燃焼ガスの最大燃
焼速度を演算する手段と、最大燃焼速度を与える混合ガ
スの燃料ガスと空気との混合割合から燃料ガスの発熱量
を演算する手段とを有することを特徴とする燃料ガスの
燃焼性計測方法である。

【０００９】また本発明は、燃料ガスの流量を計測制御
する装置と、空気を加圧し、その流量を計測制御する装
置と、計測制御された燃料ガスと空気とを混合し、この
混合ガスを燃焼するバーナと、前記バーナの燃焼炎の内
炎長を測定する手段と、燃料ガスと空気との混合ガスの
合計量が予め定めた一定の値で、測定された内炎長が最
短となるように、燃料ガスと空気との流量を前記計測制
御装置で調整する流量調整部と、内炎長が最短となった
とき、内炎長から燃料ガスの最大燃焼速度と、燃料ガス
の流量と空気の流量とから燃料ガスの発熱量とを演算す
る演算制御部と、前記で演算した最大燃焼速度と発熱量
とを表示する表示部とを有することを特徴とする燃料ガ
スの燃焼性計測装置である。

【００１０】また本発明は、前記内炎長を測定する手段
がライン・イメージセンサであることを特徴とする。

【００１１】

【作用】バーナで１次空気を混合した燃料ガスを燃焼す
る場合、炎は図２に示すように内炎という円錐状の青白
い部分と、その外側の外炎に分けられる。内炎の表面で
燃料ガスと１次空気との混合ガスが反応して複雑で不安
定な中間生成物が生じる。外炎では、内炎で生じた中間
生成物が周囲の２次空気と接触して２次反応が起こり燃
料ガスが完全燃焼する。したがって燃料ガスと１次空気
の混合ガスの噴出速度と燃焼速度とが数１の関係を保つ
と安定に燃焼する。

【００１２】

【数１】

【００１３】ただし、ＦＳは混合ガスの燃焼速度 Ｖｅは混合ガスの噴出速度 θは内炎の形成する円錐の頂角 Ｒはバーナの炎孔の半径 Ｌは内炎の長さ 一般に炎孔の半径Ｒは、炎長Ｌに対して充分に小さい、
すなわちＲ≪Ｌであるので、数２が成立する。

【００１４】

【数２】

【００１５】すなわち混合ガスの噴出速度を一定にすれ
ば、混合ガスの燃焼速度ＦＳは、内炎長Ｌに反比例す
る。

【００１６】本発明に従えば、燃料ガスと１次空気との
混合ガスの量を一定にしてその混合割合を変化し、内炎
長を測定してその内炎長が最短となる混合ガスを求め、
これを最大燃焼速度を与える混合ガス中の燃料ガスに対
する空気の割合（以下「内炎最短空燃比」という）とす
る。そしてこのときの内炎長から数２によって最大燃焼
速度を演算する。

【００１７】また本発明者の実験によれば、燃料ガスの
種類毎に燃料ガスの発熱量と内炎最短空燃比とは一定の
関係があることが判明したので、最大燃焼速度の混合ガ
スをバーナに供給する燃料ガス量と空気量とを計測しこ
れらから内炎最短空燃比を求め、これから該燃料ガスの
発熱量を演算する。

【００１８】また本発明に従えば、マイクロＣＰＵなど
によってプログラム制御を行い、内炎長を測定しながら
燃料ガスと空気との合計量を一定して、燃料ガスと空気
量とを変化させて、内炎長が最小となる値を検出し、こ
のときの内炎長と、燃料ガス量と空気量または燃焼炎の
輝度とから最大燃焼速度と発熱量とを演算し、これらを
表示器に表示して、燃料ガスの燃焼性を計測する。

【００１９】また内炎長の測定は一般に用いられている
テレビカメラ、ライン・イメージセンサ、フォトダイオ
ードアレイ、光ファイバとフォトダイオードアレイによ
って行えばばよいが、最短の内炎長を精度よく迅速に測
定できるライン・イメージセンサを用いることが好まし
い。

【００２０】

【実施例】以下実施例を用いて本発明に係る燃料ガスの
燃焼性計測装置をより具体的に説明する。

【００２１】図１は、本発明の一実施例である燃料ガス
の燃焼性計測装置１の全体図である。燃料ガスは供給源
から整圧器１１を通って一定の圧力にされ、オリフィス
などの流量計１２によって流量を計測され、流量制御弁
１３によって流量を制御され、混合器１４で１次空気と
混合され、バーナ３８で燃焼される。一方１次空気は、
送風機２０で加圧され、燃料ガスと同様の整圧器２１、
流量計２２、流量制御弁２３を通って混合器１４で燃料
ガスと混合される。

【００２２】バーナ３８では、燃料ガスと１次空気の混
合ガスは、燃焼して図２に示すような内炎３９と外炎４
０とを生じる。内炎３９の炎長Ｌは、ライン・イメージ
センサ３１などの炎長測定装置によって測定され、その
影像信号は増幅器３２で増幅器され、アナログ／デジタ
ル変換器３３でデジタル信号に変換された後、影像デー
タメモリ３４に記憶される。ライン・イメージセンサ３
１は、センサ駆動回路３５からのスタート信号によっ
て、測定を開始し、クロックパルス信号によって駆動さ
れる。また燃料ガス量と空気量は、各流量計１２，２２
によって測定され、その流量信号は、各流量増幅器１
５，２５で増幅され、各流量アナログ／デジタル変換器
１６，２６でデジタル信号に変換された後、各流量デー
タメモリ１７，２７に記憶される。演算制御部４は流量
デジタルデータの合計が予め定められた一定の値とな
り、かつ燃料ガス量と空気量との比が一定時間毎に変わ
るように演算し、その結果のデジタル信号がシステム・
バス３から各制御デジタル／アナログ変換器１８，２８
に送られてアナログ信号に変換され、各制御増幅器１
９，２９に送られ、ここで増幅された制御弁駆動信号に
よって各制御弁１３，２３が駆動され、燃料ガス量と空
気量との比が変えられる。

【００２３】たとえば同一種類の燃料ガスの燃焼性計測
では、燃料ガス量と空気量の比は、演算制御部４で僅か
に変更され、変更前後の内炎長が演算制御部４によって
比較される。変更後の内炎長が変更前より長いときは流
量比を逆の方向に、変更後の炎長が短いときは流量比を
同一方向に変更することを数回繰返す信号が演算制御部
４からシステム・バス３を経由して制御流量デジタル／
アナログ変換器１８，２８に送られ、内炎長が最短とさ
れる。演算制御部４が内炎長が最短であると判断した時
点で、影像データメモリ３４の炎長のデータはシステム
・バス３を経由して演算制御部４に送られ、数２の式に
従って内炎長から最大燃焼速度が演算される。同時にこ
の時点の燃料ガス量と空気量とのデジタルデータが各流
量データメモリ１７，２７からシステム・バス３を経て
演算制御部４に送られ、内炎最短空燃比が計算され、後
述のガスの種類毎に求めた実験式によって発熱量が演算
される。演算制御部４で演算された結果はシステム・バ
ス３を経て表示器５に表示されるとともに記憶部６に記
憶される。

【００２４】ラインセンサ３１は、図４に示すように炎
などの対象物の明暗像をレンズ３６によって受光素子３
７上に結像させ、明暗像に一致したアナログ信号を出力
するもので、揺のない炎などの内炎長を正確に、しかも
高速で処理ができる。

【００２５】次に、内炎最短空燃比と発熱量の関係につ
いて、発明者の実験結果を述べる。都市ガスの代表であ
る６Ｃガスと１３Ａガスとのガス組成の数例と、これら
の都市ガスを構成する純ガスの発熱量と内炎最短空燃比
とを表１〜表３に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】注：（１）内炎最短空燃比と発熱量＊１と
は、純ガスの値と組成から計算 （２）発熱量＊２は、次の実験式から計算

【００２９】

【数３】Ｈ＝６７９．９×Ｐ＋２３２５ ただし、Ｈは発熱量（ｋｃａｌ／ｍ³） Ｐは内炎最短空燃比

【００３０】

【表３】

【００３１】注（１）内炎最短空燃比と発熱量＊１と
は、純ガスの値と組成から計算 （２）発熱量＊２は、次の実験式から計算

【００３２】

【数４】Ｈ＝９８６．６×Ｐ＋１８２８ ただし、Ｈは発熱量（ｋｃａｌ／ｍ³） Ｐは内炎最短空燃比 表２、表３から、内炎最短空燃比と発熱量は、ガスの種
類が同じであれば、直線関係があることがわかる。この
数３または数４の関係を用いて、内炎最短空燃比から燃
料ガスの発熱量が計算される。したがって燃料ガスの種
類に応じた実験式を求め、これを演算制御部に入力して
内炎最短空燃比から発熱量を演算させる。

【００３３】次にマイクロコンピュータなどによって実
行されるプログラム制御の内容を図５に示すフローチャ
ートを使って説明する。ステップａ１でスタートする
と、ステップａ２に移り、一定時間毎に燃料ガス量と空
気量を変化して、混合ガス量が一定になるようにして内
炎長を一定時間毎に測定し、そのデータを影像データメ
モリ３４にまた燃料ガス量と空気量とを各流量データメ
モリ１７，２７に記憶する。次にステップａ３に移り、
内炎長が最短になる値を検出する。次にステップａ４に
移り、内炎長が最短になったときの内炎長を影像データ
メモリ３４から読取り、これから最大燃焼速度を演算す
る。次にステップａ５に移り、内炎長が最短になったと
きの燃料ガス量と空気量とを各流量データメモリ１７，
２７から読取り、これらから発熱量を演算する。次にス
テップａ６に移り、演算された最大燃焼速度と発熱量と
を表示部５に表示するとともに記憶部６に記憶し、ステ
ップａ７で終了する。なお、ステップａ６で表示器に表
示され、また記憶部に記憶される内容は、図６に示すよ
うな内容である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、燃料ガスと１次空気と
の混合ガスを燃焼し、その内炎長を測定しながら、燃料
ガスと１次空気との混合ガス量を一定にして、これらの
ガスの混合割合を変え、最短内炎長の混合ガスを得、最
短内炎内長からこの燃料ガスの最大燃焼速度を演算し、
またこの混合ガスの燃料ガスと１次空気の混合割合から
この燃料ガスの発熱量を演算するという簡単で自動化し
やすい方法およびこの方法を用いた装置で燃料ガスの最
大燃焼速度と発熱量とを求め、これらから燃焼性を連続
的に計測できる。これによって燃料ガスがその種類毎に
決められた燃焼性の範囲内にあるように監視できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の燃料ガスの燃焼性計測装置
１の全体の構成を示す図である。

【図２】バーナ３８における燃焼炎の断面図である。

【図３】各種純ガスの1次空気率と燃焼速度との関係を
示すグラフである。

【図４】ライン・センサ３１の原理を説明するための断
面図である。

【図５】プログラム制御の内容を説明するフローチャー
トである。

【図６】燃料ガスの燃焼性計測装置1の計測結果の表示
および記憶の内容を示す図である。

【符号の説明】

１ 燃料ガスの燃焼性計測装置 ３ システム・バス ４ 演算制御部 ５ 表示部 ６ 記憶部 ３１ ライン・イメージセンサ ３８ バーナ ３９ 内炎

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスの発熱量と最大燃焼速度とから
   燃料ガスの燃焼性を計測する方法において、 燃料ガスと空気とを予め混合し、その混合割合を変更す
   ることによって最大燃速度を与える混合ガスを得る手段
   と、 最大燃焼速度を与える混合ガスを燃焼し、その内炎長を
   測定してこれから燃焼ガスの最大燃焼速度を演算する手
   段と、 最大燃焼速度を与える混合ガスの燃料ガスと空気との混
   合割合から燃料ガスの発熱量を演算する手段とを有する
   ことを特徴とする燃料ガスの燃焼性計測方法。
2. 【請求項２】 燃料ガスの流量を計測制御する装置と、 空気を加圧し、その流量を計測制御する装置と、 計測制御された燃料ガスと空気とを混合し、この混合ガ
   スを燃焼するバーナと、 前記バーナの燃焼炎の内炎長を測定する手段と、 燃料ガスと空気との混合ガスの合計量が予め定めた一定
   の値で、測定された内炎長が最短となるように、燃料ガ
   スと空気との流量を前記計測制御装置で調整する流量調
   整部と、 内炎長が最短となったとき、 内炎長から燃料ガスの最大燃焼速度と、 燃料ガスの流量と空気の流量とから燃料ガスの発熱量と
   を演算する演算制御部と、 前記で演算した最大燃焼速度と発熱量とを表示する表示
   部とを有することを特徴とする燃料ガスの燃焼性計測装
   置。
3. 【請求項３】 前記内炎長を測定する手段がライン・イ
   メージセンサであることを特徴とする請求項２記載の燃
   料ガスの燃焼性計測装置。