JPS60129642A - 同位体元素混合ガスの流量・組成測定方法 - Google Patents

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】 測定方法に関する。

従来、例えば、水素９重水素、三重水、素、等の元素を
含んだ所謂水素同位体混合ガスの流量及、び組成を測定
する方法として、次のよ、うな手段が採用されている。

すなわち、第１図に示す如、　°　呵　、し 要とする。分析計４に導かれたガス、は−、そ、のまま
外界に放出されるためプロセス流れ′１に゛戻亨ことが
極めて離しい。また、流量計２としては、サーマルマス
フローメータと呼ばれる、熱量型流　・置針等の組成の
変化の影響が極めて小さいものを使用しなければならな
い。しかも、分析計４で組成を測定するの吟多くの時間
を資するので、混合ガスの組成の値と流量の測定値には
、時間的な誤差があり不正確である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、水素
同位体混合ガス等の同位体元素混合ガスの流量及び組成
を、時間遅れのないリアルタイムで容易に測定すること
ができる同位体元素混合ガスの流量・組成測定方法を提
供するものである。

即ち、本発明は、同位体元素混合ガスを直列　゛に接続
された熱量形流量計及びオリフィス流量計に順次供給し
、該オリフィス流量計及び該熱量形流量計に接続された
演算器により、該熱量形流量計により与えられる下記流
量式（１）から前記同位体元素混合ガスの流量を演算す
ると共に、該流量の値に基づいて前記オリフィス流量計
により与えられる下記流量式（ｎ）から前記同位体元素
混合ガスの組成を算出する同位体元素混合ガスの流量・
組成測定方法である。

Ｑ＝ｉ　・・・・・・・・・（１） 但し、Ｅ：混合ガスに与える電気エネルギＣｐ：混合ガ
スの定圧比熱　Δθニ一定温度差但し、ｍ：開孔比　Ｃ
ｏ：流量計数　ε：膨張補正係数　Ｄ＝前後の管径　ｙ
ｃ：動換算係較Δｐ：前後の圧力差　ｊ：気体の密度 ここで、熱量形流量計は、古くからトーマスガスメータ
として知られているものであり、一般−にはザーマルマ
スフローメータとして知られている。その測定原理は、
次の通りである。すなわち、気体の流れの中に電熱線を
入れ、気体の温度を一定量だけ上昇させるｌこ必要な電
気エネルギを測定して、気体の流量を知るもの、である
。つまり、上述の式（１）は、気体を加熱する際に要す
るエネルギと、そのエネルギによって上昇した気体の温
度間に成立するものである。

換言すれば、気体の定圧比熱（Ｃｐ）さえ既知であれば
、その流ｉ　（Ｑ）を知ることができるものである。

また、オリフィス流量計では、流量係数ｃ。

は、開孔比ｍの関数であり、膨張補正係数ε、気体の密
度Ｉを知ることによって、圧力差Δｐを測定して流量Ｑ
知ることができる□ものである。

以下、本発明の実施例に□ついて図面を参照し□例えば
、第２図に示す如く、水素１重水素。

三重水素等の同位体元素の混合ガスから□なする水素同
位体混合ガスのプロセス流れ１０を、直列Ｉｃ配置した
熱量形流量計１１及びオリフィス流量計１２に順次供給
する。次いで、ζ□れら□の流量計１１．１２に接続さ
れた演算器“１３゛にょ６、先ず熱量形流量計１１で与
えられる下記式（１）に基づいてプロセス流れ１０−流
量Ｑを測定する。

□１、ζ′じ“。−ｂｘＲ，ｎｚｏｔｃにｉえ、。、え
７．イＣｐ：プロセス流れ１０の定圧比熱□ こぶで水素同位体（Ｈ，Ｄ）の１モル当らの熱容量Ｃｐ
は相互にほぼ同じ値であり、例えば３００にでは次の通
りである。

Ｈｌ　：　６．８７８　’　ｃａ７？／　ｍｏｌ−ＫＨ
Ｄ　：　６．９７８　ｃａｇ　／　ｍａ１１！、にＤ２
　：　６．９８１’　ｃａ６／ｍｏＬ　にＨ，のもを基
準にとり、１．０００とすると、ＨＤ。

Ｄ、のＣ１は共にｉ、’ｏｔｓとなるン従って、Ｈ２に
対して校正された熱量形□流量計１１を用□いて、水素
同位体混合゛ガス流量を測定しても熱容量に対しては加
成性が成立ので、その誤差は高々１．５％である。なお
、本発明では熱量形流量計１１は、その質量流量を□測
定するのではなく、モル流量を測定す゛るため１こ′Ｆ
ｆ４□いる。

プロセス流れ１０が常温常圧付近であれば□、水素同位
体混合ガスは理想気体の状態方程式に従うと考えられる
。・よって、モル流量から体積流量への換算は容易セあ
る。　一 つ才り、熱量形流量計１１によって、水素同位体混合ガ
スの組成が未知であっても、その体積流量Ｑを容易に測
定することができる。

次いで、熱量形流量計１１で得られた流量値を、オリフ
ィス流量計１２で与えられる下記式（２）に代入し、演
算器１３で以下に述べる処理を行い、水素同位体混合ガ
スの組成を測定する。

但し、ｍ：開孔比　Ｃｏ：流量計数　ε：膨彊袖正係数
　Ｄ＝前後の管径　Ｐｃ二重力換算係数Δｐ：前後の圧
力差　Ｊ：気体の密度 なお式（２）中の膨張補正係数６は、開孔比ｍ１オリフ
ィス前後の圧力比、及びアイゼントロピック指数の関数
である。ここで開孔比ｔｎは既知であり、オリフィス前
後の圧力比も簡単に測定できる。水素同位体混合ガス成
分のＨ，、ＨＤ。

Ｄ、はすべて２原子分子であり、そのアイゼントロピッ
ク指数も等しく、混合による影響はない。

従って、密度ノを知ることによって圧力差Δｐを測定し
て式（２）から体積流量Ｑを測定できるものである。

換言すれば、体積流量Ｑは熱を形流置針１１により測定
される。よって、オリフィス流量計１２４こおいて体積
流量Ｑが与えられたことになる。従って、圧力差Δｐを
測定することにより、混合ガスの密度ｌを知ることがで
きる。オリフィス流量計１２での温度、圧力より、この
密度ノは見掛は分子量Ｍに換算できる。

今Ｈ，Ｄの原子量はそれぞれ１．００８，２．０１５で
あり、混合ガス成分はＨ，、ＨＤ　、　Ｄ、のいずれか
である。Ｈの原子分率をＸとすれば、Ｄの１ば子分率は
ｌ−ｘとなるから次式（３）が成立する。

Ｍ　＝　２　Ｘ　（１，００８ａ−＋２．０１５（１−
ｒ）　）　＝・−・−＋３）式（３）に見掛は分子量Ｍ
を代入すると、混合ガスの組、成としてＨ，Ｄの原子分
率を簡単に演算することができる。

なお熱量形流量計１１の測定原理は前述した通りである
が、実際にけ気体の粘度、ｙＰａ伝導度等も若干の影響
を与える。そこで、水素１同位体混合ガスを流した場合
、Ｈｌに対して校正された熱量形流量計１１奢こ対して
、その測定値の誤差は最大で１４０％であり、熱容量Ｃ
ｐの比よりも小さい。従って、熱量形流量計１１で、水
素同位体混合ガスのモル流量が、その組成に拘らず誤差
１％以内で測定できることが確認されている。

また、本発明は、水系以外の他の同位体元素２種類から
なる混合ガスにも適用できるものである。

更に、２種類の全く異なる成分の混合ガスに対しては、
本発明は次のように処理することにより、本発明方法を
適用できる。すなわち、成分Ａ、Ｈに対してそれぞれの
モル流量をＦＡ　、　ＦＢ。

モル熱容量をＣＰＡ　、　ＣＰＢ　、□分子１量をＭＡ
、Ｍｕ、モル分率を”Ａ　ｅ　”Ｂとし、混合ガスに対
して１１添字を除いたものとする。

式（１）より ここでＥ／Δθは既知の一定値であるのでに、とおくと
、 Ｆ＝−・・・（４）となる。

Ｃｐ 熱容量に対してはモル加成性が成立するからＣｐ　＝　
ＣｐＡｒＡ十Ｃｐｎｍ　−・−＜５）となる。

一方、式（２）より ここで　Ｋ２　”　Ｋｓ　ｍ　Ｃｏ６５戸である。

Ｋ、は体積流量からモル流量への換算係数であり一定値
である。

ｍＣｏは既述の通り既知の値である。

εはＡ、Ｂ両ガスのアイゼントロピック指数が等しけれ
ば、Ａ、Ｂ混合ガスについて定数の如く取り扱える。才
た、通常用いられるオリフィス流量計においては一般に
、寥は１に非常に近い値であり定数と見なせる。

Ｐｃは定数である。

密度と分子量の間には次の関係がある。

／＝に４Ｍ　・・・・・・・・・（７）ある温度、圧力
の下において、Ｋ４は一定である。

混合ガスの見掛は分子量は次式で表わせるＭ　＝　Ｍｈ
ｘｈ　＋ＭＢｘｓ　−・−＝　（８）また、モル分率の
定義より ｘｎ　＝　１−　ｘｈ　・・・・・普・・・（９）であ
るから式（４）〜式（９）より に、”（ＣｐＡｚＡ＋Ｃｐｎ（ｌ−＋：Ａ））（ＭＡｚ
Ａ＋Ｍａ（ｌ−ｚｘ））＝Ｌ！’　Δｐ・・・・・・・
・・ｔｔｌ となる。

弐叫より０≦Ｘ人≦１の範囲ζこあるｘＡが数学的にめ
られる。ｘＡがめられれば式（９）よｔ’）、柿がめら
れ、式（４）或いは式（６）により流ｉＦもめることが
できる。

このようにして本発明は、２種類の全く異なる成分の混
合ガスの流量・組成の測定にも適用できるものである。

以上説明した如く、本発明Ｏこ系る同位体元素混合ガス
の流計・組成測定方法によれば、同位体元素混合ガスの
流量及び組成を、時間遅れのないリアルタイムで容易に
測足できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の方法発示す説明図、第２図は、本発明
方法を示す説明図である。 １０・・・プロセス流れ、１１・・・熱量形流量計、・
１２・・・オリフィス流量計、１３・・・演算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 同位体元素混合ガスを厘列に接続された熱量形蝉量ｐ４
   ．．びオリフィス流量計ｊリー次供給し、。 該オリフィス流量、畔及び該熱量形流量ｐｉこ接続され
   た、１演、算、器」こより、該、熱量形流量計１こ、よ
   り与えら、れ不、下１起流量、式（Ｌ）から剪記同位隼
   元率、混基、マいて、前、記オＩＪ　、　フイス、渾置
   針により与え、ら、れる、下記、流量、４．　＜　ｎ）
   　、、か、ら前椰同位体元、累、混、合１ガ、スの組盛
   −を算出することを特徴、とす、る同位体元素混合ガス
   の流量、４・組、成測足方法。１　、Ｃ９：混合ガスの
   定圧比熱　、−Δθニ一定温、度差但し、ｍ：開孔比　
   Ｃｏ；流量計数　ε：膨、張補正係数　Ｄ：前優の管径
   　ｙｃ：動換算係数　Δｐ：前後の圧力差　／：気体の
   密度