JPH07104325B2 - 天然ガスのためのオンラインエネルギー流れ測定装置及び方法 - Google Patents
天然ガスのためのオンラインエネルギー流れ測定装置及び方法Info
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- JPH07104325B2 JPH07104325B2 JP3022650A JP2265091A JPH07104325B2 JP H07104325 B2 JPH07104325 B2 JP H07104325B2 JP 3022650 A JP3022650 A JP 3022650A JP 2265091 A JP2265091 A JP 2265091A JP H07104325 B2 JPH07104325 B2 JP H07104325B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/22—Fuels; Explosives
- G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
- G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に電気化学的測定技
術に関し、詳しくは燃料ガスのエネルギー成分測定のた
めの新規且つ有益な方法及び装置に関する。
術に関し、詳しくは燃料ガスのエネルギー成分測定のた
めの新規且つ有益な方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来技術】天然ガスの販売或いは買い付けに際しては
エネルギー量は重要なパラメーターとなる。顧客は購入
するガスからどれほどの熱エネルギーを入手し得るかに
関心が有り、一方、売る側には代表的に、天然ガスの１
立方フィート当りの既知の最少量エネルギー量を供給す
るという協定上の合意がある。生産者は代表的に、そ の
エネルギー量に合わせるために、ずっと高い量を提供し
て測定システムでのエラーを補償させる。幾つかのパラ
メーター或いは変数は現用の測定技術で測定されねばな
らない。測定には誤差がつきものである。現在、エネル
ギー量は直接的にではなく、オフラインサンプルをカロ
リーメーター或いはガスクロマトグラフィーに取出し、
特定のエネルギー測定量をコンピューター処理すること
によって測定される。これは、エネルギー量を算出する
ために容積流れ、温度、圧力等と共に使用される。これ
は込み入ったプロセスであって、大型で費用を要する設
備を必要とする。これを実行するに際しては全体流れか
ら分岐された部分流れ利用される。この部分流れは調量
された空気と共に燃焼システム内に導入される。化学量
論的燃焼センサーが出力をモニターし、この出力が空気
送達システムを調節する要素によって使用される。燃焼
空気流れが測定され、エネルギー量が空気流れ及び分離
部分量或いは分離比率のキャリブレーションによって測
定される。Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂ
ｌｉｓｈｅｒｓ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍのｖａｎ Ｒｏｓ
ｓｕｍによって編集されたＧａｓ Ｑｕａｌｉｔｙ、の
１９８６年４月号の”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ
ａｎ Ａｃｃｕｒａｔｅ ＥＮＥＲＧＹ Ｆｌｏｗｍｅ
ｔｅｒ”、の第１２１−１２７頁を参照されたい。
エネルギー量は重要なパラメーターとなる。顧客は購入
するガスからどれほどの熱エネルギーを入手し得るかに
関心が有り、一方、売る側には代表的に、天然ガスの１
立方フィート当りの既知の最少量エネルギー量を供給す
るという協定上の合意がある。生産者は代表的に、そ の
エネルギー量に合わせるために、ずっと高い量を提供し
て測定システムでのエラーを補償させる。幾つかのパラ
メーター或いは変数は現用の測定技術で測定されねばな
らない。測定には誤差がつきものである。現在、エネル
ギー量は直接的にではなく、オフラインサンプルをカロ
リーメーター或いはガスクロマトグラフィーに取出し、
特定のエネルギー測定量をコンピューター処理すること
によって測定される。これは、エネルギー量を算出する
ために容積流れ、温度、圧力等と共に使用される。これ
は込み入ったプロセスであって、大型で費用を要する設
備を必要とする。これを実行するに際しては全体流れか
ら分岐された部分流れ利用される。この部分流れは調量
された空気と共に燃焼システム内に導入される。化学量
論的燃焼センサーが出力をモニターし、この出力が空気
送達システムを調節する要素によって使用される。燃焼
空気流れが測定され、エネルギー量が空気流れ及び分離
部分量或いは分離比率のキャリブレーションによって測
定される。Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂ
ｌｉｓｈｅｒｓ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍのｖａｎ Ｒｏｓ
ｓｕｍによって編集されたＧａｓ Ｑｕａｌｉｔｙ、の
１９８６年４月号の”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ
ａｎ Ａｃｃｕｒａｔｅ ＥＮＥＲＧＹ Ｆｌｏｗｍｅ
ｔｅｒ”、の第１２１−１２７頁を参照されたい。
【０００３】１９７４年のＰｒｏｃ Ｉｎｔｅｒｄｉｓ
ｐ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、でのＨｅｙｎｅ、Ｌ．、によ
る”Ｓｏｍｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ａｐｐ
ｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｚｉｒｃｏｎｉａ−ｂａｓ
ｅｄ ｓｏｌｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｃｅｌｌ
ｓ”の第６５−８８頁の第７７、７８頁には、酸素ポン
プ及びセンサーの組合わせを燃料ガスのためのアナライ
ザーとして使用することが議論されている。これは、ポ
ンプセルでの燃焼に基づくものである。導入される酸素
は、燃焼性ガスを完全燃焼させるために丁度必要な量に
調節される。従って、酸素をポンピングするために使用
される電流或いは電荷が燃料ガスの測定量となる。Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｚｉ
ｒｃｏｎｉａ ＩＩ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ
ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの、Ｖｉｚｅｔｈｕｍ、Ｆ．、Ｅ
ａｕｅｒ、Ｇ．、及びＴｏｍａｎｄｌ、Ｇ．、による”
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｃｏｎｔｒｏｌｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ
Ｐａｒｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ”、の第６３１か
ら６３５頁には、酸素分圧が、ジルコニア中実電解質セ
ル及び同一材料の酸素センサーによってコントロールさ
れる装置が説明されている。
ｐ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、でのＨｅｙｎｅ、Ｌ．、によ
る”Ｓｏｍｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ａｐｐ
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ｅｄ ｓｏｌｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｃｅｌｌ
ｓ”の第６５−８８頁の第７７、７８頁には、酸素ポン
プ及びセンサーの組合わせを燃料ガスのためのアナライ
ザーとして使用することが議論されている。これは、ポ
ンプセルでの燃焼に基づくものである。導入される酸素
は、燃焼性ガスを完全燃焼させるために丁度必要な量に
調節される。従って、酸素をポンピングするために使用
される電流或いは電荷が燃料ガスの測定量となる。Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｚｉ
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ａｕｅｒ、Ｇ．、及びＴｏｍａｎｄｌ、Ｇ．、による”
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｃｏｎｔｒｏｌｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ
Ｐａｒｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ”、の第６３１か
ら６３５頁には、酸素分圧が、ジルコニア中実電解質セ
ル及び同一材料の酸素センサーによってコントロールさ
れる装置が説明されている。
【０００４】１９７７年１０月のＡｎａｌｙｔｉｃａｌ
Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｖｏｌ．４９、Ｎｏ．１２に於
てＨａａｌａｎｄ、Ｄ．Ｍ．、は、”Ｉｎｔｅｒｎａｌ
−Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｏｌｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒｏｌ
ｙｔｅ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ”の中でモニター
セクション及びポンピングセクションを具備する電気化
学的ポンピング酸素センサーを議論している。このタイ
プのものは本来、測定するべきガスからの僅かなリーク
及び、セル内に入る全ての酸素を吸い出すためのポンプ
を使用する。ポンピング電流を測定することによって漏
入する酸素が測定され従って、測定するべき流れにおけ
る酸素が測定される。このタイプのものは自動車で使用
するために開発された。米国特許第４、８４１、９３４
号には、エンジンの空燃比を制御するために酸素センサ
ーとの関連において使用される酸素ポンピング装置が議
論されている。ここでは酸素ポンピング装置及び酸素検
出装置、二重ＺｒＯ２形状の組合わせが使用される。こ
れは本来、センサーの信号特性をその所望の作動ポイン
トにおいて改善するために、前記センサーの酸素濃度作
動領域を改変するものである。これが実質的に、他の混
合物或いは濃度のための化学量論においてのみ入手し得
る高感度を提供する。
Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｖｏｌ．４９、Ｎｏ．１２に於
てＨａａｌａｎｄ、Ｄ．Ｍ．、は、”Ｉｎｔｅｒｎａｌ
−Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｏｌｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒｏｌ
ｙｔｅ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ”の中でモニター
セクション及びポンピングセクションを具備する電気化
学的ポンピング酸素センサーを議論している。このタイ
プのものは本来、測定するべきガスからの僅かなリーク
及び、セル内に入る全ての酸素を吸い出すためのポンプ
を使用する。ポンピング電流を測定することによって漏
入する酸素が測定され従って、測定するべき流れにおけ
る酸素が測定される。このタイプのものは自動車で使用
するために開発された。米国特許第４、８４１、９３４
号には、エンジンの空燃比を制御するために酸素センサ
ーとの関連において使用される酸素ポンピング装置が議
論されている。ここでは酸素ポンピング装置及び酸素検
出装置、二重ＺｒＯ２形状の組合わせが使用される。こ
れは本来、センサーの信号特性をその所望の作動ポイン
トにおいて改善するために、前記センサーの酸素濃度作
動領域を改変するものである。これが実質的に、他の混
合物或いは濃度のための化学量論においてのみ入手し得
る高感度を提供する。
【０００５】固形酸素源は入手可能であり、加熱によっ
て酸素が遊離する金属酸化物であり得る。Ｓｐｅｉｄｅ
ｌ、Ｒ．、及びＷｅｉｄｌｉｃｈ、Ｅ−Ｒ、は１９８８
年のＶａｃｕｕｍ、ｎｏ．２の中で”Ａ ｓｏｌｉｄ
ｓｔａｔｅ ｏｘｙｇｅｎｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ＵＨ
Ｖ”の第８９から９２頁において、ＣｕＯを固形酸素源
として使用するための装置を議論している。ここでは一
定分圧の酸素が、材料を加熱し分解することによって発
生される。分圧は材料に加えた熱の関数である。かく
て、ここでは制御された少量の酸素が遊離される。この
少量の遊離酸素 が結局、酸素ポンプが制御された既知の
量の酸素をエネルギーセンサー配列構成内の流れに送達
する際に、この酸素ポンプが使用する酸素の自給源とな
る。オンラインの、リアルタイム単一センサーによる方
法が、１つ以上の測定がオフラインで為される多くの測
定を使用するそれよりも好ましい。上記従来技術に記載
される間接的方法では、測定による多くのパラメーター
が必要である。各々の測定には誤差がつきまとい、それ
が全体の測定システムの誤差レベルの一因となる（１９
８４年１０月２２−２５日のＡｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＳＡ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔ
におけるＷｉｌｄｅ、Ｄ．、及びＡｒｃａｒａ、Ｓ．、
の”Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｌｏｗ Ｍｅａｓ
ｕｒｅｍｅｎｔｓ”、の、第１３４５−１３４９頁）。
て酸素が遊離する金属酸化物であり得る。Ｓｐｅｉｄｅ
ｌ、Ｒ．、及びＷｅｉｄｌｉｃｈ、Ｅ−Ｒ、は１９８８
年のＶａｃｕｕｍ、ｎｏ．２の中で”Ａ ｓｏｌｉｄ
ｓｔａｔｅ ｏｘｙｇｅｎｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ＵＨ
Ｖ”の第８９から９２頁において、ＣｕＯを固形酸素源
として使用するための装置を議論している。ここでは一
定分圧の酸素が、材料を加熱し分解することによって発
生される。分圧は材料に加えた熱の関数である。かく
て、ここでは制御された少量の酸素が遊離される。この
少量の遊離酸素 が結局、酸素ポンプが制御された既知の
量の酸素をエネルギーセンサー配列構成内の流れに送達
する際に、この酸素ポンプが使用する酸素の自給源とな
る。オンラインの、リアルタイム単一センサーによる方
法が、１つ以上の測定がオフラインで為される多くの測
定を使用するそれよりも好ましい。上記従来技術に記載
される間接的方法では、測定による多くのパラメーター
が必要である。各々の測定には誤差がつきまとい、それ
が全体の測定システムの誤差レベルの一因となる（１９
８４年１０月２２−２５日のＡｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＳＡ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔ
におけるＷｉｌｄｅ、Ｄ．、及びＡｒｃａｒａ、Ｓ．、
の”Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｌｏｗ Ｍｅａｓ
ｕｒｅｍｅｎｔｓ”、の、第１３４５−１３４９頁）。
【０００６】
【解決しようとする課題】全燃料ガス流れの、制御され
た部分流れにおける実際のエネルギー量を直接的に測定
する、燃料ガスのエネルギー量を測定するための方法及
び装置を提供することである。
た部分流れにおける実際のエネルギー量を直接的に測定
する、燃料ガスのエネルギー量を測定するための方法及
び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に従えば、燃料ガ
ス流れ内のエネルギー量を測定する方法であって、 （ａ）燃料ガスの全流れから全燃料ガス流れの既知の部
分量であり且つ温度及び圧力が前記全燃料ガス流れの温
度及び圧力と同一であるリアルタイムサンプルを取り出
す段階と、 （ｂ）実際量の酸素と比例する電流量によって駆動され
る固体電解質酸素ポンプを使用して実際量の燃焼用酸素
を発生させる段階と、 （ｃ）リアルタイムサンプルと実際量の燃焼用酸素とを
混合して混合物を形成する段階と、 （ｄ）混合物を触媒燃焼器に送給し、リアルタイムサン
プルを完全燃焼させ、実際量の排気酸素を含む排気ガス
を形成する段階と、 （ｅ）固体酸素源からの酸素を固体電解質酸素ポンプ及
び酸素センサーに供給 する段階と、 （ｆ）排気ガス中の実際量の排気酸素を測定する段階
と、 （ｇ）実際量の排気酸素が、触媒燃焼器内における完全
燃焼を示す選択量の排気酸素とほぼ等しい場合には、固
体電解質酸素ポンプを駆動する電流量を使用して燃料ガ
ス中のエネルギー量を算出し、実際量の排気酸素が前記
選択量の排気酸素と等しくない場合には、段階（ｂ）で
の電流量を変化させ、実際量の排気酸素が前記選択量の
排気酸素と等しくなるまで、段階（ｃ）から（ｆ）まで
を反復する段階と を包含する前記燃料ガス内のエネルギ
ー量を測定する方法と、そして、 この 方法に直接使用す
るための燃料ガス内のエネルギー量を測定するための装
置であって、燃料ガスのサンプルを受ける固体電解質酸
素ポンプにして、実際量の燃焼酸素と比例する量の電流
によって駆動された場合に実際量の燃焼酸素を発生する
前記固体電解質酸素ポンプと、サンプルに実際量の燃焼
酸素を加えた混合物を受けるために固体電解質酸素ポン
プに結合された触媒燃焼器にして、サンプルを燃焼させ
実際量の排気酸素を含む排気ガスを形成させるための前
記触媒燃焼器と、排気ガス中の実際量の排気酸素を検出
するために触媒燃焼器に結合された酸素センサーと、固
体電解質酸素ポンプ及び酸素センサーに接続され、較正
用の酸素を前記固体電解質酸素ポンプ及び酸素センサー
に供給してなる固体酸素源と、酸素センサー及び固体電
解質酸素ポンプ間に結合されたフィードバック制御ユニ
ットにして、排気ガス中の実際量の排気酸素を検出し、
検出した実際量の排気酸素に基く量の電流を発生し、実
際量の排気酸素を、触媒燃焼器内での完全燃焼を表す選
択量の排気酸素と比較し、実際量の排気酸素が前記選択
量の排気酸素とほぼ等しくなるよう電流量を調節し、燃
料ガス内のエネルギー量を固体電解質酸素ポンプに送給
される実際量の電流の関数として算出する前記フィード
バック制御ユニットとから構成される燃料ガス内のエネ
ルギー量を測定するための装置とが提供される。
ス流れ内のエネルギー量を測定する方法であって、 （ａ）燃料ガスの全流れから全燃料ガス流れの既知の部
分量であり且つ温度及び圧力が前記全燃料ガス流れの温
度及び圧力と同一であるリアルタイムサンプルを取り出
す段階と、 （ｂ）実際量の酸素と比例する電流量によって駆動され
る固体電解質酸素ポンプを使用して実際量の燃焼用酸素
を発生させる段階と、 （ｃ）リアルタイムサンプルと実際量の燃焼用酸素とを
混合して混合物を形成する段階と、 （ｄ）混合物を触媒燃焼器に送給し、リアルタイムサン
プルを完全燃焼させ、実際量の排気酸素を含む排気ガス
を形成する段階と、 （ｅ）固体酸素源からの酸素を固体電解質酸素ポンプ及
び酸素センサーに供給 する段階と、 （ｆ）排気ガス中の実際量の排気酸素を測定する段階
と、 （ｇ）実際量の排気酸素が、触媒燃焼器内における完全
燃焼を示す選択量の排気酸素とほぼ等しい場合には、固
体電解質酸素ポンプを駆動する電流量を使用して燃料ガ
ス中のエネルギー量を算出し、実際量の排気酸素が前記
選択量の排気酸素と等しくない場合には、段階（ｂ）で
の電流量を変化させ、実際量の排気酸素が前記選択量の
排気酸素と等しくなるまで、段階（ｃ）から（ｆ）まで
を反復する段階と を包含する前記燃料ガス内のエネルギ
ー量を測定する方法と、そして、 この 方法に直接使用す
るための燃料ガス内のエネルギー量を測定するための装
置であって、燃料ガスのサンプルを受ける固体電解質酸
素ポンプにして、実際量の燃焼酸素と比例する量の電流
によって駆動された場合に実際量の燃焼酸素を発生する
前記固体電解質酸素ポンプと、サンプルに実際量の燃焼
酸素を加えた混合物を受けるために固体電解質酸素ポン
プに結合された触媒燃焼器にして、サンプルを燃焼させ
実際量の排気酸素を含む排気ガスを形成させるための前
記触媒燃焼器と、排気ガス中の実際量の排気酸素を検出
するために触媒燃焼器に結合された酸素センサーと、固
体電解質酸素ポンプ及び酸素センサーに接続され、較正
用の酸素を前記固体電解質酸素ポンプ及び酸素センサー
に供給してなる固体酸素源と、酸素センサー及び固体電
解質酸素ポンプ間に結合されたフィードバック制御ユニ
ットにして、排気ガス中の実際量の排気酸素を検出し、
検出した実際量の排気酸素に基く量の電流を発生し、実
際量の排気酸素を、触媒燃焼器内での完全燃焼を表す選
択量の排気酸素と比較し、実際量の排気酸素が前記選択
量の排気酸素とほぼ等しくなるよう電流量を調節し、燃
料ガス内のエネルギー量を固体電解質酸素ポンプに送給
される実際量の電流の関数として算出する前記フィード
バック制御ユニットとから構成される燃料ガス内のエネ
ルギー量を測定するための装置とが提供される。
【０００８】本発明は先の従来技術において必要とされ
る大型で且つ費用を要する設備を使用せず、むしろもっ
と直接的な測定技術を使用するものである。本発明にお
いては、従来技術が容積流れ、圧力、温度等の如き幾つ
かの流れパラメーターを測定しそしてエネルギー量を算
出するのとは対照的に、全流れの制御された部分流れに
おける実際のエネルギー量が測定される。燃料セルの如
き、単一要素モードでの作動は、電解質表面で酸素が完
全消耗されることに起因する電極の問題を生じる（ＩＥ
ＥＥ、 １９８５、のＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ’８
５：１９８５Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｏ Ｃｏｎｆｅ
ｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｃ
ｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓの、Ｌｏｇｏｔｈ
ｅｔｉｃｓ、Ｅ．Ｍ．、Ｖａｓｓｅｌ、Ｗ．Ｃ．、Ｈｅ
ｔｒｉｃｋ、Ｒ．Ｅ．、及びＫａｉｓｅｒ、Ｗ．Ｊ．、
による”Ａ Ｈｉｇｈ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｓｅ
ｎｓｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏ
ｆ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ Ｇａｓ Ｍｉｘｔｕｒｅ
ｓ”、の 第３３０−３３２頁）。また、燃料セルは１
００％に満たない効率で作動する。これらの燃料セルを
使用する場合、燃焼性材料が全て燃焼し且つそのことを
測定するに至るまでの多くのステージが必要となる。一
具体例においてはポンプ及びセンサーを含む２要素形状
（Ｈｅｙｎｅ、第７７、７８頁参照）が使用される。こ
こでは全ての材料を確実に燃焼させるために触媒コンバ
ーターが追加される。触媒コンバーターが不完全燃焼に
関連するエラータームを排除し、燃焼されるガスの高精
度な測定が保証される。
る大型で且つ費用を要する設備を使用せず、むしろもっ
と直接的な測定技術を使用するものである。本発明にお
いては、従来技術が容積流れ、圧力、温度等の如き幾つ
かの流れパラメーターを測定しそしてエネルギー量を算
出するのとは対照的に、全流れの制御された部分流れに
おける実際のエネルギー量が測定される。燃料セルの如
き、単一要素モードでの作動は、電解質表面で酸素が完
全消耗されることに起因する電極の問題を生じる（ＩＥ
ＥＥ、 １９８５、のＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ’８
５：１９８５Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｏ Ｃｏｎｆｅ
ｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｃ
ｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓの、Ｌｏｇｏｔｈ
ｅｔｉｃｓ、Ｅ．Ｍ．、Ｖａｓｓｅｌ、Ｗ．Ｃ．、Ｈｅ
ｔｒｉｃｋ、Ｒ．Ｅ．、及びＫａｉｓｅｒ、Ｗ．Ｊ．、
による”Ａ Ｈｉｇｈ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｓｅ
ｎｓｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏ
ｆ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ Ｇａｓ Ｍｉｘｔｕｒｅ
ｓ”、の 第３３０−３３２頁）。また、燃料セルは１
００％に満たない効率で作動する。これらの燃料セルを
使用する場合、燃焼性材料が全て燃焼し且つそのことを
測定するに至るまでの多くのステージが必要となる。一
具体例においてはポンプ及びセンサーを含む２要素形状
（Ｈｅｙｎｅ、第７７、７８頁参照）が使用される。こ
こでは全ての材料を確実に燃焼させるために触媒コンバ
ーターが追加される。触媒コンバーターが不完全燃焼に
関連するエラータームを排除し、燃焼されるガスの高精
度な測定が保証される。
【０００９】ジルコニア酸素センサーは化学量論点で作
動された場合は実用上、高精度且つ高信頼性を有する
（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ｖｏ
ｌ．１４、１９８８の、Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｔａｋａｓ
ｈｉによる”Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ”、の第１
０９−１２４頁）。この具体例の装置の酸素ポンプ領域
に於てはある程度の燃焼が存在する。しかしながら、ポ
ンピングエリア或いは燃料セルでの燃焼の完全性は１０
０％ではない。触媒コンバーターセクションの使用及び
それに続く酸素センサーの使用が１００％の燃焼を保証
する。こうした組み合わせ構成が作業を高精度化する。
かくして本発明に従えば、全燃料ガス流れのリアルタイ
ムでの部分流れ或いはサンプル流れが検出システムを貫
いて連続的に送通される。このサンプル流れの流量は全
流れに対し予め決定された既知の比率を有し、またその
測定に際しての温度、圧力その他パラメーターは同一で
ある。前記サンプル流れは調量された酸素と混合され、
燃焼を完了するべく触媒燃焼装置に導入される。この燃
焼装置或いは燃焼ステージから出る排気ガスが、燃焼ス
テージに供給された酸素−ガス混合物が所望通りのもの
であるか、即ち化学量論的或いは予め設定した量の過剰
酸素を有するものであるか否かを判断するために測定さ
れる。酸素−ガス混合物が所望通りのものではなかった
場合、サンプル流れ中に導入される酸素量は所望の混合
物を得るべく変更される。酸素は、固体電解質ポンプを
使用してサンプル流れ中に導入される。固体電解質は代
表的にはジルコニアである。ポンピングされる酸素量
は、燃料セルを貫いて流れる電流と直接関連する。これ
はファラデー効果、即ち、“電解質中では流動する電荷
量は、電極反応中に入るイオンに於ける電子の電荷量と
直接関連する”（Ｃｏｎｄｏｎ、 Ｅ．Ｕ．，及びＯｄ
ｉｓｈａｗ、Ｈ．，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌによって１
９６７年に編集されたＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ、Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎの第４−１４
７頁から４−１４８頁）として知られるものである。
動された場合は実用上、高精度且つ高信頼性を有する
（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ｖｏ
ｌ．１４、１９８８の、Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｔａｋａｓ
ｈｉによる”Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ”、の第１
０９−１２４頁）。この具体例の装置の酸素ポンプ領域
に於てはある程度の燃焼が存在する。しかしながら、ポ
ンピングエリア或いは燃料セルでの燃焼の完全性は１０
０％ではない。触媒コンバーターセクションの使用及び
それに続く酸素センサーの使用が１００％の燃焼を保証
する。こうした組み合わせ構成が作業を高精度化する。
かくして本発明に従えば、全燃料ガス流れのリアルタイ
ムでの部分流れ或いはサンプル流れが検出システムを貫
いて連続的に送通される。このサンプル流れの流量は全
流れに対し予め決定された既知の比率を有し、またその
測定に際しての温度、圧力その他パラメーターは同一で
ある。前記サンプル流れは調量された酸素と混合され、
燃焼を完了するべく触媒燃焼装置に導入される。この燃
焼装置或いは燃焼ステージから出る排気ガスが、燃焼ス
テージに供給された酸素−ガス混合物が所望通りのもの
であるか、即ち化学量論的或いは予め設定した量の過剰
酸素を有するものであるか否かを判断するために測定さ
れる。酸素−ガス混合物が所望通りのものではなかった
場合、サンプル流れ中に導入される酸素量は所望の混合
物を得るべく変更される。酸素は、固体電解質ポンプを
使用してサンプル流れ中に導入される。固体電解質は代
表的にはジルコニアである。ポンピングされる酸素量
は、燃料セルを貫いて流れる電流と直接関連する。これ
はファラデー効果、即ち、“電解質中では流動する電荷
量は、電極反応中に入るイオンに於ける電子の電荷量と
直接関連する”（Ｃｏｎｄｏｎ、 Ｅ．Ｕ．，及びＯｄ
ｉｓｈａｗ、Ｈ．，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌによって１
９６７年に編集されたＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ、Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎの第４−１４
７頁から４−１４８頁）として知られるものである。
【００１０】従って、電気化学的ポンプ或いは酸素ポン
プにおける電流は、ポンピングされる酸素量とそして、
以下に述べる僅かな漏れ電流とを加えたものに直接関連
する。ファラデー効果−−電流の２個の電子当り１個の
酸素イオンが搬送される−−は、ポンピング用の燃料セ
ル及び測定用の燃料セルが共通の電極を持たない場合に
は１に極めて近い（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１９８６のＦｕｎｄａｍ
ｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏ
ｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓのチャプター８
の、Ｌｏｇｏｔｈｅｔｉｓ、Ｅ．Ｍ．、及びＨｅｔｒｉ
ｃ、Ｒ．Ｅ．、による、”Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｂａｓｅｄ
ｏｎ Ｏｘｙｇｅｎ Ｐｕｍｐｉｎｇ”の第１３６−１
５４頁）。ポンピング用の燃料セル及び測定用の燃料セ
ルの電極が別であれば、電極及びグレン境界での、燃料
セル特性上の分極は排除される。この場合、燃料セル内
の電流は主に電解質中での酸素イオンの移動により流
れ、そこに非常に小さいが多少の漏れ電流或いは抵抗電
流が生じる。
プにおける電流は、ポンピングされる酸素量とそして、
以下に述べる僅かな漏れ電流とを加えたものに直接関連
する。ファラデー効果−−電流の２個の電子当り１個の
酸素イオンが搬送される−−は、ポンピング用の燃料セ
ル及び測定用の燃料セルが共通の電極を持たない場合に
は１に極めて近い（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１９８６のＦｕｎｄａｍ
ｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏ
ｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓのチャプター８
の、Ｌｏｇｏｔｈｅｔｉｓ、Ｅ．Ｍ．、及びＨｅｔｒｉ
ｃ、Ｒ．Ｅ．、による、”Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｂａｓｅｄ
ｏｎ Ｏｘｙｇｅｎ Ｐｕｍｐｉｎｇ”の第１３６−１
５４頁）。ポンピング用の燃料セル及び測定用の燃料セ
ルの電極が別であれば、電極及びグレン境界での、燃料
セル特性上の分極は排除される。この場合、燃料セル内
の電流は主に電解質中での酸素イオンの移動により流
れ、そこに非常に小さいが多少の漏れ電流或いは抵抗電
流が生じる。
【００１１】完全燃焼を得るために調量された酸素が供
給される。燃焼されるガスのエネルギー量は、燃焼に必
要な酸素量と直接関連する。必要な酸素量はガス流量並
びにカロリー含有量と共に直線的に変動する。酸素ポン
プを通しての電流はポンピングされた酸素と直接関連す
る。かくして電流は装置を通してのＢＴＵ流れに直接的
に関連する。装置を通る燃料ガス流れがガスパイプライ
ンの如き大径の導管における燃料ガス流れの一定の約量
である場合、酸素センサーは前記大径の導管でのエネル
ギー測定量を出力する。
給される。燃焼されるガスのエネルギー量は、燃焼に必
要な酸素量と直接関連する。必要な酸素量はガス流量並
びにカロリー含有量と共に直線的に変動する。酸素ポン
プを通しての電流はポンピングされた酸素と直接関連す
る。かくして電流は装置を通してのＢＴＵ流れに直接的
に関連する。装置を通る燃料ガス流れがガスパイプライ
ンの如き大径の導管における燃料ガス流れの一定の約量
である場合、酸素センサーは前記大径の導管でのエネル
ギー測定量を出力する。
【００１２】
【実施例】図面を参照して詳しく説明するに、図１は天
然ガスのＢＴＵ成分を、その成分を完全燃焼するために
必要な酸素に対してプロットしたものである（Ｂａｂｃ
ｏｃｋ ａｎｄ Ｗｉｌｃｏｘ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｎｅ
ｗ Ｙｏｒｋ、によって１９７５年に編集されたＳｔｅ
ａｍ、３８ｔｈ）。かくして、天然ガスの混合物の大部
分の一定容量を完全燃焼させるために必要な酸素は同一
容量のガスのＢＴＵ成分に関連付けされる。この方策は
流れ及びエネルギー量に対しては極めて敏感であり、温
度、ガス密度そして湿度の変動に対してはそうではな
い。図２には具体例の機能を表す概念図が示される。こ
の具体例は説明目的上、筒形状にて示されるが、実際に
は細長筒状セクションと、ハニカム横断セクションと、
平行側面を具備するセクションと、極めて小さい画室と
が含まれ得、その全てが、燃料セル効率を最大化するた
めに燃料ガス流れの領域を最大化するよう作用する。完
全燃焼を提供するに十分な酸素が燃料ガス流れ中に導入
されることが重要なファクターである。
然ガスのＢＴＵ成分を、その成分を完全燃焼するために
必要な酸素に対してプロットしたものである（Ｂａｂｃ
ｏｃｋ ａｎｄ Ｗｉｌｃｏｘ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｎｅ
ｗ Ｙｏｒｋ、によって１９７５年に編集されたＳｔｅ
ａｍ、３８ｔｈ）。かくして、天然ガスの混合物の大部
分の一定容量を完全燃焼させるために必要な酸素は同一
容量のガスのＢＴＵ成分に関連付けされる。この方策は
流れ及びエネルギー量に対しては極めて敏感であり、温
度、ガス密度そして湿度の変動に対してはそうではな
い。図２には具体例の機能を表す概念図が示される。こ
の具体例は説明目的上、筒形状にて示されるが、実際に
は細長筒状セクションと、ハニカム横断セクションと、
平行側面を具備するセクションと、極めて小さい画室と
が含まれ得、その全てが、燃料セル効率を最大化するた
めに燃料ガス流れの領域を最大化するよう作用する。完
全燃焼を提供するに十分な酸素が燃料ガス流れ中に導入
されることが重要なファクターである。
【００１３】酸素量を、化学量論的な量から過剰酸素量
へと変化させるテストを行い、装置の操作性を確実なも
のとする。このテストを、装置の正規の作動を保証する
ために定期的に行う。可変量の酸素部分量をポンピング
することにより、化学量論的混合物では無くむしろ燃焼
の水準を変化させる。この燃焼水準の変化は、酸素の出
力表示が、ポンピングされるべき酸素量をもっと増やす
要求と共に増大するか否かを判断することによる性能チ
ェックのために使用され得る。酸素センサーのゲインは
化学量論的燃焼点では極めて高く、その作動が正しけれ
ば酸素水準の僅かな変化によりその出力は大きく変動す
る。このテストは酸素ポンプ及び酸素センサーの作動を
確実なものとする。前記テストはまた、酸素センサー
が、燃料ガス流れ中にポンピングされる酸素水準に対す
る過剰の酸素が存在しないことを表示することから、触
媒燃焼体での燃焼の有無をも表示するものである。本発
明の測定アセンブリー４０が図２に概略例示されてい
る。燃料ガス流れは図の左側から右側へと流動する。実
際上の寸法形状には装置の内側の横断面領域に関して開
口する小領域が設けられる。これが、燃焼プロセスの完
了を保証するための、酸素ポンピング及び燃焼に対して
露呈される広い領域を提供する。これは測定精度のため
に必要である。
へと変化させるテストを行い、装置の操作性を確実なも
のとする。このテストを、装置の正規の作動を保証する
ために定期的に行う。可変量の酸素部分量をポンピング
することにより、化学量論的混合物では無くむしろ燃焼
の水準を変化させる。この燃焼水準の変化は、酸素の出
力表示が、ポンピングされるべき酸素量をもっと増やす
要求と共に増大するか否かを判断することによる性能チ
ェックのために使用され得る。酸素センサーのゲインは
化学量論的燃焼点では極めて高く、その作動が正しけれ
ば酸素水準の僅かな変化によりその出力は大きく変動す
る。このテストは酸素ポンプ及び酸素センサーの作動を
確実なものとする。前記テストはまた、酸素センサー
が、燃料ガス流れ中にポンピングされる酸素水準に対す
る過剰の酸素が存在しないことを表示することから、触
媒燃焼体での燃焼の有無をも表示するものである。本発
明の測定アセンブリー４０が図２に概略例示されてい
る。燃料ガス流れは図の左側から右側へと流動する。実
際上の寸法形状には装置の内側の横断面領域に関して開
口する小領域が設けられる。これが、燃焼プロセスの完
了を保証するための、酸素ポンピング及び燃焼に対して
露呈される広い領域を提供する。これは測定精度のため
に必要である。
【００１４】図２の左側から右側へと流れる燃料ガス
は、制御可能な酸素供給源を提供し得る装置であるとこ
ろの、システムの第１構成部分に入る。この第１構成部
分は小型の燃料セル１０であり、安定化されたジルコニ
アの如き固体電解質を使用している。この燃料セル１０
は酸素をその内部に提供或いはポンピングする。この燃
料セルの内部はそこを貫く電子流れと直接関連付けされ
る。燃料ガス流れに導入された酸素はそこで燃料ガスと
混合する。この混合物は次いで、システムの第２構成部
分である触媒燃焼体１２で燃焼される。この触媒燃焼体
１２からは二酸化炭素、水蒸気、酸素そして恐らくは幾
分かの未燃焼の燃焼性ガスから成る混合物が排出され
る。この幾分かの未燃焼の燃焼性ガスは次いで第３の構
成部分、即ちジルコニア酸素センサー１４に送られる。
この酸素センサー１４のための参照酸素が、大気からか
或いはシールされた固体酸素源１６から供給される。酸
素センサーからの電圧出力１８は、検出容量内に幾分か
の酸素がある状況から、全ての酸素が除去された状況と
なった場合に大きく且つ突然増加する。これが生じる点
と参照圧力とは、この参照圧力が非常に低くない限りは
無関係である（Ｈｅｙｎｅ参照例第８４頁参照）。かく
して、酸素源は、システムが化学量論的混合物に対して
作動されている場合には制御の精度上重要ではない。酸
素ポンプ１０、触媒燃焼体１２そして酸素センサー１４
は６００℃から７００℃の範囲で作動される。シールさ
れた固体酸素源１６は本システムの他の部分の温庶を制
御すると同一のヒーターシステムによって作動され得
る。酸素ポンプ１０のための酸素源は、これは本発明の
第１部材であるが、代表的に、大気からか或いは図２に
示されるような固体酸素源１６から供給される。酸素セ
ンサー１４の出力１８は酸素ポンプ１０に送られる電流
２０を制御するために使用される。本発明の制御回路２
２は、酸素センサー１４からの出力を設定点値と比較
し、それに従って電流２０を増減する。これにより、ポ
ンピングされる酸素量は電流の変化に応じて変化する。
制御ループは化学量論的混合物に於てか或いは僅かに酸
素リッチなそれに於て、酸素センサーによって測定され
る酸素を一定に保つよう酸素流れを増減する。ポンピン
グセクションを通しての電流が、センサー配列構成を貫
いて流動するガス全体の燃焼のために必要な酸素の測定
量となる。酸素ポンプを制御するために使用される電流
は完全燃焼のために必要な酸素と量的に関連付けられ
る。この量はデジタル量に変換され、図１等にプロット
されたデータ及び流れ比率からの定数を使用してのエネ
ルギー量算出に使用される。
は、制御可能な酸素供給源を提供し得る装置であるとこ
ろの、システムの第１構成部分に入る。この第１構成部
分は小型の燃料セル１０であり、安定化されたジルコニ
アの如き固体電解質を使用している。この燃料セル１０
は酸素をその内部に提供或いはポンピングする。この燃
料セルの内部はそこを貫く電子流れと直接関連付けされ
る。燃料ガス流れに導入された酸素はそこで燃料ガスと
混合する。この混合物は次いで、システムの第２構成部
分である触媒燃焼体１２で燃焼される。この触媒燃焼体
１２からは二酸化炭素、水蒸気、酸素そして恐らくは幾
分かの未燃焼の燃焼性ガスから成る混合物が排出され
る。この幾分かの未燃焼の燃焼性ガスは次いで第３の構
成部分、即ちジルコニア酸素センサー１４に送られる。
この酸素センサー１４のための参照酸素が、大気からか
或いはシールされた固体酸素源１６から供給される。酸
素センサーからの電圧出力１８は、検出容量内に幾分か
の酸素がある状況から、全ての酸素が除去された状況と
なった場合に大きく且つ突然増加する。これが生じる点
と参照圧力とは、この参照圧力が非常に低くない限りは
無関係である（Ｈｅｙｎｅ参照例第８４頁参照）。かく
して、酸素源は、システムが化学量論的混合物に対して
作動されている場合には制御の精度上重要ではない。酸
素ポンプ１０、触媒燃焼体１２そして酸素センサー１４
は６００℃から７００℃の範囲で作動される。シールさ
れた固体酸素源１６は本システムの他の部分の温庶を制
御すると同一のヒーターシステムによって作動され得
る。酸素ポンプ１０のための酸素源は、これは本発明の
第１部材であるが、代表的に、大気からか或いは図２に
示されるような固体酸素源１６から供給される。酸素セ
ンサー１４の出力１８は酸素ポンプ１０に送られる電流
２０を制御するために使用される。本発明の制御回路２
２は、酸素センサー１４からの出力を設定点値と比較
し、それに従って電流２０を増減する。これにより、ポ
ンピングされる酸素量は電流の変化に応じて変化する。
制御ループは化学量論的混合物に於てか或いは僅かに酸
素リッチなそれに於て、酸素センサーによって測定され
る酸素を一定に保つよう酸素流れを増減する。ポンピン
グセクションを通しての電流が、センサー配列構成を貫
いて流動するガス全体の燃焼のために必要な酸素の測定
量となる。酸素ポンプを制御するために使用される電流
は完全燃焼のために必要な酸素と量的に関連付けられ
る。この量はデジタル量に変換され、図１等にプロット
されたデータ及び流れ比率からの定数を使用してのエネ
ルギー量算出に使用される。
【００１５】図３は、各パーツを必要な温度に維持する
ためのヒーターコントロールを除き、本発明のエネルギ
ーフローメーターのための電子システムを概略表したも
のである。酸素センサーからの出力１８は電圧である。
この電圧はＡ／Ｄコンバーター２４によってデジタル量
に変換される。このデジタル量は電流制御ユニット２６
によってセットポイントと比較される。このＡ／Ｄコン
バーター２４からの出力２８が電流発生器３０を作動
し、この電流発生器３０が結局、駆動電流２０を酸素ポ
ンプ１０に送る。酸素信号がセットポイント或いは所望
の量よりも低い場合は、電流発生器３０は酸素信号出力
を少し増加するよう指令する。これと反対に酸素信号が
セットポイントを上回る場合、電流発生器３０は酸素信
号出力を少し減少するよう指令する。この作動が、制御
ループの安定を維持するために共に選択されてなる時間
間隔及び変化量に於て連続的に反復される。電流発生器
３０は参照番号２８で示される電流−出力Ｄ／Ａ回路で
デジタル信号を受ける。この回路の出力の電圧コンプラ
イアンスは、酸素センサー保護のために＋／−２．５ボ
ルトに制限される（Ｈｅｙｎｅ 参照例の第８４頁参
照）。電流制限ユニットの参照番号２９の位置でのデジ
タル出力もまた、参照番号３２で示されるユニットでの
エネルギー量算出のために使用される。このユニット３
２は、その他の制御回路と同様にマイクロプロセッサー
ベースのものであり、そのメモリー中には計算に必要な
定数が記憶されている。ユニット３２からの、算出出力
が本発明におけるエネルギー測定量となる。
ためのヒーターコントロールを除き、本発明のエネルギ
ーフローメーターのための電子システムを概略表したも
のである。酸素センサーからの出力１８は電圧である。
この電圧はＡ／Ｄコンバーター２４によってデジタル量
に変換される。このデジタル量は電流制御ユニット２６
によってセットポイントと比較される。このＡ／Ｄコン
バーター２４からの出力２８が電流発生器３０を作動
し、この電流発生器３０が結局、駆動電流２０を酸素ポ
ンプ１０に送る。酸素信号がセットポイント或いは所望
の量よりも低い場合は、電流発生器３０は酸素信号出力
を少し増加するよう指令する。これと反対に酸素信号が
セットポイントを上回る場合、電流発生器３０は酸素信
号出力を少し減少するよう指令する。この作動が、制御
ループの安定を維持するために共に選択されてなる時間
間隔及び変化量に於て連続的に反復される。電流発生器
３０は参照番号２８で示される電流−出力Ｄ／Ａ回路で
デジタル信号を受ける。この回路の出力の電圧コンプラ
イアンスは、酸素センサー保護のために＋／−２．５ボ
ルトに制限される（Ｈｅｙｎｅ 参照例の第８４頁参
照）。電流制限ユニットの参照番号２９の位置でのデジ
タル出力もまた、参照番号３２で示されるユニットでの
エネルギー量算出のために使用される。このユニット３
２は、その他の制御回路と同様にマイクロプロセッサー
ベースのものであり、そのメモリー中には計算に必要な
定数が記憶されている。ユニット３２からの、算出出力
が本発明におけるエネルギー測定量となる。
【００１６】酸素ポンプ１０、触媒燃焼体１２、酸素セ
ンサー１４、固体酸素源１６、ヒーター（図示せず）等
を含むセンサーアセンブリー４０は、数インチから３０
インチ（約７６．２センチ）の範囲の寸法のものであり
得る導管内の全エネルギー量を測定するための主流れ導
管４２内に取付けられる。ある取付け配列構造に於て
は、図４に示されるようなストラットアセンブリを使用
する導管の内壁に取付けたパッケージを使用する。図５
には本発明の別態様が示され、ここでは流れサンプリン
グ技法が使用されている。この流れサンプリング技法で
は、流れの少量のサンプルが参照番号４４で示されるよ
うに主流れ導管４２を迂回されセンサーアセンブリー４
０と類似のエネルギーセンサー４６に達する。エネルギ
ーセンサーからの流れ出力は、センサーアセンブリーを
通しての正味の圧力降下が生じない様、参昭番号４８で
示される位置で主たる流れに戻される。イソキネチック
サンプリングが、サンプル及び主たる流れ間の流れの比
率を正確に維持するために好ましい。その他の配列構成
では、主流れ導管４２に挿入されたプローブ５０内にセ
ンサーアセンブリー４０が取付けられる。単一のエネル
ギー計測装置を、プローブ内に取付けそして導管中に挿
通し得る。或いは断面が一様でない流れの場合にはそれ
らの束を図６に示される様にプローブ内に取り付けし得
る。以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明
の内で多くの変更を成し得ることを理解されたい。
ンサー１４、固体酸素源１６、ヒーター（図示せず）等
を含むセンサーアセンブリー４０は、数インチから３０
インチ（約７６．２センチ）の範囲の寸法のものであり
得る導管内の全エネルギー量を測定するための主流れ導
管４２内に取付けられる。ある取付け配列構造に於て
は、図４に示されるようなストラットアセンブリを使用
する導管の内壁に取付けたパッケージを使用する。図５
には本発明の別態様が示され、ここでは流れサンプリン
グ技法が使用されている。この流れサンプリング技法で
は、流れの少量のサンプルが参照番号４４で示されるよ
うに主流れ導管４２を迂回されセンサーアセンブリー４
０と類似のエネルギーセンサー４６に達する。エネルギ
ーセンサーからの流れ出力は、センサーアセンブリーを
通しての正味の圧力降下が生じない様、参昭番号４８で
示される位置で主たる流れに戻される。イソキネチック
サンプリングが、サンプル及び主たる流れ間の流れの比
率を正確に維持するために好ましい。その他の配列構成
では、主流れ導管４２に挿入されたプローブ５０内にセ
ンサーアセンブリー４０が取付けられる。単一のエネル
ギー計測装置を、プローブ内に取付けそして導管中に挿
通し得る。或いは断面が一様でない流れの場合にはそれ
らの束を図６に示される様にプローブ内に取り付けし得
る。以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明
の内で多くの変更を成し得ることを理解されたい。
【００１７】
【発明の効果】全燃料ガス流れの、制御された部分流れ
における実際のエネルギー量を測定する、燃料ガスのエ
ネルギー成分を測定するための方法及び装置が提供され
る。
における実際のエネルギー量を測定する、燃料ガスのエ
ネルギー成分を測定するための方法及び装置が提供され
る。
【図１】天然ガス中に通常見出される燃焼性成分の化学
量論的燃焼に必要な酸素及び燃料ガスのエネルギー量或
いは熱含有量間の関係を、６０°Ｆ（約１５．５℃）及
び水銀３０インチ（約７６．２センチ）ウエットでのＢ
ＴＵ／ＣｕＦｔ３ 量でプロットしたグラフである。
量論的燃焼に必要な酸素及び燃料ガスのエネルギー量或
いは熱含有量間の関係を、６０°Ｆ（約１５．５℃）及
び水銀３０インチ（約７６．２センチ）ウエットでのＢ
ＴＵ／ＣｕＦｔ３ 量でプロットしたグラフである。
【図２】本発明の方法を実施するために使用される装置
の概念図である。
の概念図である。
【図３】本発明を実施するために使用される電子配列に
おける電子部品を示すブロックダイヤグラムである。
おける電子部品を示すブロックダイヤグラムである。
【図４】燃料ガスの流れに於て入手し得るエネルギー量
を直接測定するための装置の、現場での使用状況を表す
概念図である。
を直接測定するための装置の、現場での使用状況を表す
概念図である。
【図５】燃料ガスの主要流れの外側に位置決めされた本
発明の具体例の例示図である。
発明の具体例の例示図である。
【図６】本発明を使用するための他の配列構成の概略図
である。
である。
１０：燃料セル １２：触媒燃焼体 １４：酸素センサー １６：固体酸素源 ２２：制御回路 ２４：Ａ／Ｄコンバーター ３０：電流発生器 ４２：流れ導管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 27/419 33/22 Ｅ
Claims (11)
- 【請求項１】 燃料ガス流れ内のエネルギー量を測定す
る方法であって、 （ａ）全燃料ガス流れから、該全燃料
ガス流れの既知の部分量であり且つ温度及び圧力が前記
全燃料ガス流れの温度及び圧力と同一であるリアルタイ
ムサンプルを取り出す段階と、 （ｂ）実際量の酸素と比例する電流量によって駆動され
る固体電解質酸素ポンプを使用して実際量の燃焼用酸素
を発生させる段階と、 （ｃ）リアルタイムサンプルと実際量の燃焼用酸素とを
混合して混合物を形成する段階と、 （ｄ）混合物を触媒燃焼器に送給し、リアルタイムサン
プルを完全燃焼させ、実際量の排気酸素を含む排気ガス
を形成する段階と、 （ｅ）固体酸素源からの酸素を固体電解質酸素ポンプ及
び酸素センサーに供給する段階と、 （ｆ）排気ガス中の実際量の排気酸素を測定する段階
と、 （ｇ）実際量の排気酸素が、触媒燃焼器内における完全
燃焼を示す選択量の排気酸素とほぼ等しい場合には固体
電解質酸素ポンプを駆動する電流量を使用して燃料ガス
中のエネルギー量を算出し、実際量の排気酸素が前記選
択量の排気酸素と等しくない場合には、段階（ｂ）での
電流量を変化させ、実際量の排気酸素が前記選択量の排
気酸素と等しくなるまで、段階（ｃ）から（ｆ）までを
反復する段階と を包含する燃料ガス内のエネルギー量を
測定する方法。 - 【請求項２】 選択量の排気酸素は、排気ガス内に於て
選択量の過剰酸素を含んでいる請求項１に記載の燃料ガ
ス内のエネルギー量を測定する方法。 - 【請求項３】 触媒燃焼器に結合された酸素センサーを
使用して実際量の過剰酸素を測定する段階と、固体酸素
源から較正用の酸素を酸素センサーに送る段階とを含ん
でいる請求項２に記載の燃料ガス内のエネルギー量を測
定する方法。 - 【請求項４】 固体電解質酸素ポンプはジルコニア酸素
ポンプを含む請求項１に記載の燃料ガス内のエネルギー
量を測定する方法。 - 【請求項５】 燃料ガス内のエネルギー量を測定するた
めの装置であって、燃料ガスのサンプルを受ける固体電
解質酸素ポンプにして、実際量の燃焼酸素と比例する量
の電流によって駆動された場合に実際量の燃焼酸素を発
生する固体電解質酸素ポンプと、 サンプルに実際量の燃焼酸素を加えた混合物を受けるた
めに固体電解質酸素ポンプに結合された触媒燃焼器にし
て、サンプルを燃焼させ実際量の排気酸素を含む排気ガ
スを形成させるための触媒燃焼器と、 排気ガス中の実際量の排気酸素を検出するために触媒燃
焼器に結合された酸素センサーと、 固体電解質酸素ポンプ及び酸素センサーに接続され、較
正用の酸素を前記固体電解質酸素ポンプ及び酸素センサ
ーに供給してなる固体酸素源と、 センサー及び固体電解質酸素ポンプ間に結合されたフィ
ードバック制御ユニットにして、排気ガス中の実際量の
排気酸素を検出し、検出した実際量の排気酸素に基く量
の電流を発生し、実際量の排気酸素を、触媒燃焼器内で
の完全燃焼を表す選択量の排気酸素と比較し、実際量の
排気酸素が前記選択量の排気酸素とほぼ等しくなるよう
電流量を調節し、燃料ガス内のエネルギー量を固体電解
質酸素ポンプに送らる実際量の電流の関数として算出す
るフィードバック制御ユニットと から構成される燃料ガ
ス内のエネルギー量を測定するための装置。 - 【請求項６】 固体電解質酸素ポンプはジルコニアポン
プを含む請求項５に記載の燃料ガス内のエネルギー量を
測定するための装置。 - 【請求項７】 酸素センサーは排気ガス中の実際量の酸
素と比例するアナログ信号を創生し、フィードバック制
御ユニットはデジタル信号を創生するために酸素センサ
ーに結合されたＡ／Ｄコンバーターを含み、酸素量に比
例するデジタル電流信号を創生するための電流制御手段
がに前記Ａ／Ｄコンバーターに接続され、該の電流制御
手には、固体電解質酸素ポンプに送給するための実際の
電流を発生するためのＤ／Ａコンバーターが結合され、
電流制御手段には燃料ガス中のエネルギー測定量を表す
エネルギー信号を算出するための算出手段が接続され、
エネルギー信号は電流制御手段からのデジタル信号の関
数として算出される請求項５に記載の燃料ガス内のエネ
ルギー量を測定するための装置。 - 【請求項８】 燃料ガス内のエネルギー量を測定するた
めの装置を、燃料ガスが流れる導管の内壁に取り付ける
ためのストラットアセンブリーを含んでなる請求項５の
燃料ガス内のエネルギー量を測定するための装置。 - 【請求項９】 燃料ガスが流れる主流れ導管から燃料ガ
スのサンプルを出し、該サンプルを燃料ガス内のエネル
ギー量を測定するための装置に通すためのイソキネチッ
クサンプリング手段と、前記燃料ガス内のエネルギー量
を測定するための装置から排出される排出ガスを主流れ
導管に戻すための手段とを含んでなる請求項５の燃料ガ
ス内のエネルギー量を測定するための装置。 - 【請求項１０】 燃料ガス内のエネルギー量を測定する
ための装置を内部に取り付けるためのプローブを含み、
該プローブが、燃料ガスが流れる主流れ導管内に挿入さ
れてなる請求項５の燃料ガス内のエネルギー量を測定す
るための装置。 - 【請求項１１】 燃料ガス内のエネルギー量を測定する
ための装置の束をプローブ内に含み、該燃料ガス内のエ
ネルギー量を測定するための装置の束が、断面が一様で
はない流れの場合に主流れ導管を横断しての測定を実施
してなる請求項１０の燃料ガス内のエネルギー量を測定
するための装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/469,869 US5074987A (en) | 1990-01-24 | 1990-01-24 | Online energy flow measuring device and method for natural gas |
| US469869 | 1990-01-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04212052A JPH04212052A (ja) | 1992-08-03 |
| JPH07104325B2 true JPH07104325B2 (ja) | 1995-11-13 |
Family
ID=23865363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3022650A Expired - Lifetime JPH07104325B2 (ja) | 1990-01-24 | 1991-01-24 | 天然ガスのためのオンラインエネルギー流れ測定装置及び方法 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5074987A (ja) |
| EP (1) | EP0438859B1 (ja) |
| JP (1) | JPH07104325B2 (ja) |
| KR (1) | KR910014698A (ja) |
| AU (1) | AU636385B2 (ja) |
| CA (1) | CA2021228A1 (ja) |
| DE (1) | DE69025581T2 (ja) |
| NO (1) | NO179689C (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5211820A (en) * | 1991-04-04 | 1993-05-18 | Surface Combustion, Inc. | Gas analysis system for furnaces and the like |
| US5709787A (en) * | 1994-09-30 | 1998-01-20 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Wide-range air fuel ratio oxygen sensor |
| US5625156A (en) * | 1996-04-29 | 1997-04-29 | General Motors Corporation | Apparatus for sensing exhaust gas |
| US6893892B2 (en) * | 2000-03-29 | 2005-05-17 | Georgia Tech Research Corp. | Porous gas sensors and method of preparation thereof |
| US6589883B2 (en) * | 2000-03-29 | 2003-07-08 | Georgia Tech Research Corporation | Enhancement, stabilization and metallization of porous silicon |
| US7141859B2 (en) | 2001-03-29 | 2006-11-28 | Georgia Tech Research Corporation | Porous gas sensors and method of preparation thereof |
| US7838949B2 (en) * | 2001-03-29 | 2010-11-23 | Georgia Tech Research Corporation | Porous gas sensors and method of preparation thereof |
| WO2010022321A1 (en) * | 2008-08-21 | 2010-02-25 | Georgia Tech Research Corporation | Gas sensors, methods of preparation thereof, methods of selecting gas sensor materials, and methods of use of gas sensors |
| DE102013202681A1 (de) * | 2013-02-19 | 2014-08-21 | Continental Automotive Gmbh | Vorrichtung zum Ermitteln eines Maßes für einen Brennwert eines Gases |
| US8889534B1 (en) | 2013-05-29 | 2014-11-18 | Tokyo Electron Limited | Solid state source introduction of dopants and additives for a plasma doping process |
| CN103592418B (zh) * | 2013-11-19 | 2014-12-31 | 煤科集团沈阳研究院有限公司 | 矿井气体爆炸三角形及火灾危险性识别在线测定仪 |
| CN104089976B (zh) * | 2014-07-09 | 2016-08-24 | 安徽工业大学 | 一种应用于固体燃料燃烧机理研究的可视装置 |
| CN105403683B (zh) * | 2015-12-14 | 2017-06-13 | 石化盈科信息技术有限责任公司 | 炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| US3981785A (en) * | 1969-07-18 | 1976-09-21 | Westinghouse Electric Corporation | Electrochemical sensor for reactive gas mixtures |
| JPS5028277A (ja) * | 1973-07-11 | 1975-03-22 | ||
| CA1168062A (en) * | 1980-10-14 | 1984-05-29 | Thomas L. Bohl | Method and apparatus for heat flow measurement |
| EP0060681B1 (en) * | 1981-03-17 | 1987-01-21 | Honeywell Inc. | A combustible gas analyzer |
| CA1180917A (en) * | 1981-05-22 | 1985-01-15 | Westinghouse Electric Corporation | Btu meter for monitoring the heating value of fuel gases |
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| WO1986003587A1 (en) * | 1983-04-18 | 1986-06-19 | Logothetis Eleftherios M | PLANAR ZrO2 OXYGEN PUMPING SENSOR |
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-
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- 1991-01-24 JP JP3022650A patent/JPH07104325B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| KR910014698A (ko) | 1991-08-31 |
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