JPS6031258B2 - 気体燃料の空燃比および熱量の測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一定量の気体燃料が燃焼するに要する理論空気
量すなわち空燃比およびその熱量を同時に測定する気体
燃料の空燃比および熱量の測定装置に関するものである
。

気体燃料の理論空燃比を求めるには、従来、気体燃料中
の一酸化炭素（ＣＯ）、水素（日２）、炭化水素（Ｃｍ
Ｈｎ）などの被燃焼成分を、それぞれにガスクロマトグ
ラフあるいはＣＯ計、日２計および炭化水素計などで定
量分析し、各成分の理論空燃比を積算するとう方法で行
なわれていた。

しかしながら、ＣＯ計、弦計および炭化水素計は高価な
分析計であり、これをすべて準備して気体燃料の空燃此
を測定することは非常に大きな設備費用がかかるため、
実用的に用いることが困難であるので通常はガスクロマ
トグラフによる測定が用いられている。ガスクロマトグ
ラフはＣ○，日２およびＣｍＨｎなどの分析値が時間経
過にともなって順次ピーク波形としてチャート上に記録
される。そしてそれぞれのピーク波形の面積またはピー
クの高さを校正ガスによるピーク波形と対比して、気体
燃料中のＣ○，Ｃ２およびＣｍＨｎなどの濃度を求め、
それぞれの値を積算するというもので、その作業は煩わ
しく、短時間で空燃比を測定することは困難であるなど
の欠点があった。また熱量の測定は、気体燃料を洲温素
子が設置された燃焼室中で直接燃焼させ、その温度変化
にともなう側温素子の計測値、例えば抵抗変化により求
められる装置が知られているが、直接燃焼によるので側
温素子が焼損したり、また低熱量の気体燃料は燃焼しに
くいため熱量の測定が困難であるなどの欠点があった。

本発明の気体燃料の空燃比および熱量の測定装置は、従
来のこれらの欠点を解決するめになされたもので、常に
一定圧力および一定温度に保持された」定体積の気体燃
料を間欠的に空気流中へ混入し、この気体燃料と空気と
の混合ガスを固体電解質を用いた酸素濃淡電池による酸
素分圧測定器によって燃焼させるとともに、燃焼排ガス
中の残酸素分圧を測定し、この残酸素分圧に対応する電
気信号を演算指示器によって演算指示することによって
、低熱量から高熱量までの各種の気体燃料の理論空燃比
および熱量を同時にかつ極めて迅速に自動測定する装置
である。

本発明の構成を一実施例を示す第１図にもとずいて詳細
に説明する。

気体燃料は吸引器、フィルターなどを備えた気体燃料採
取器２によって気体燃料入口１を通して採取された後、
気体燃料流量計３経由で気体燃料導入管４を通して一定
温度に保持された定圧定量ガス混合器５に導入され、測
定に必要ない残りの気体燃料はガス排出口６より排出さ
れる。

一方キャリアガスとしての空気はェアポンプ、フィルタ
ーなどを備えた空気採取器８によって空気取入口７を通
して採取された後、空気流量計９経由で空気導入管１０
を通して前記一定温度に保持された定量定圧ガス混合器
５に導入され、該定量定圧ガス混合器５において一定体
積の気体燃料が空気流中に間欠的に混入され、この混合
ガスは混合ガス導入管１１を通して、固体電解質を用い
た酸素濃淡電池による酸素分圧測定器１２に導かれ、燃
焼されるとともに、燃焼排ガス中の残酸素３分圧が測定
される。

そして前記酸素分圧に対応する電気信号は、ケーブル１
６によって演算指示器１４に伝達され、該演算指示器１
４において後述の方法で演算され気体燃料の理論空燃比
および熱量を求めるものである。該演算指示器１４から
の３理論空燃比および熱量の信号は出力ケーブル１７で
記録計１５に伝達され、連続記録される。なお、演算指
示器１４には時限回路１８より一定時間毎に切換のため
の電気信号がケープ１９′を通じて送られるとともに定
量定圧ガス混合器５にも４これと同時に時限回路１８よ
り一定時間毎に功換へのための電気信号がケーブル１９
を通じて送られるようになっている。ところで定量定圧
ガス混合器５は第２図に示すように紬管２０１こより認
圧瓶２１に連結された定量容器２２のガス流路の前後に
、一対の同時に開閉する電磁切替三方弁２３および２４
の一方向２３ｃおよび２４ｃを連結し、定量容器２２の
ガス流入側に連続された電磁切替三方弁２３の残りの２
方向２３ａおよび２３ｂを気体燃料流入管２５および空
気流入管２６にそれぞれ連続するとともに、定量容器２
２のガス流出側に連結された他方の電磁切替三方弁２４
の残り２方向２４ａおよび２４ｂをガス排出口６に通ず
る気体燃料排出管２７および酸素分圧測定器１２に通ず
る混合ガス導入管１１に蓬通したガス導出管２８にそれ
ぞれ連結されている。

さらに、気体燃料流入管２５と気体燃料排出管２７の間
には、気体燃料の分岐流量調節弁２９を介して連結され
、また空気流入管２６とガス導出管２８の間は、空気分
岐流量調節弁３０を介してそれぞれ連結されていて、全
体を陣温槽３１中に設置してなるものである。従って定
量定圧ガス混合器５中の気体燃料の通常の流れは、気体
燃料流入管２５により定量定圧ガス混合器５中に入り、
２分岐された一方の気体燃料は分岐流量調節弁２９を通
って気体燃料排出管２７へ排出されるとともに、２分岐
された他方の気体燃料はガス流入側の電磁功替三方弁２
３より定量容器２２中を通りガス流出側の電磁切替三方
弁２４を通って気体燃料排出管２７の気体燃料に合流さ
れ、ガス排出口６へと流れる。一方空気は、空気流入管
２６により定量定圧ガス混合器５中に入り、空気分岐流
量調節弁３０を通ってガス導出管２８、混合ガス導入管
１１を通過し、酸素分圧測定器１２中へ流れる。そして
、時限回路１８中の間欠的な切換電気信号がケーブル１
９を通して電磁切替三方弁２３および２４に加えられて
いるので、今仮りに時限回路１８より関の電気信号が電
磁切替三方弁２３および２４に伝達されると、一対の露
滋切替三方弁２３および２４は同時に切換えられ、定量
容器２２中の一定温度一定体積である一定量の気体燃料
は、空気流入管２６よりの空気で押し出されて混合ガス
となりガス導出管２８および混合ガス導入管１１を通り
酸素分圧測定器１２中に流入する。ここで調圧瓶２１は
、不揮発性の液体が一定の水位に満されており、気体燃
料の圧力が変化した場合でも定量容器２２内のガス圧を
常に一定に保つものであり、分岐流量調節弁２９および
３０は電磁切替三方弁２３および２４の開閉時でも気体
燃料および空気の流れを止めずに円滑に流れるよう一定
の閥度に設定されている。また恒温槽３１は約４０〜６
０ｑｏの一定温度に保持されている。したがって、該定
量定圧ガス混合器５によれば、気体燃料の温度および圧
力がたとえ変化した場合でも、常に等温、等圧の一定量
の気体燃料を空気流中へ混入し混合比が一定の混合ガス
を作ることができるものである。また、酸素分圧測定器
１２は第３図に示すように、Ｚの２−Ｃａ０などからな
る固体電解質３２の円筒内の混合ガス流入側には白金、
山２０３ファイバーなどからなる燃焼促進触媒床３３を
設け、また燃焼排ガス排出側には固体電解質３２に対向
した電極３４，３５をそれぞれ設け、全体を約８００〜
１０００℃に加熱された電気炉３６内に置いたし、わる
酸素検出器３７と、前記電極３４，３５からの酸素分圧
に対応した対数に比例した起電力をリニア信号に変換す
る開対数変換器３８とからなっている。

そして、前記酸素検出器の電極３４，３５の起電力Ｅ
は‘１｝式により与えられる。８＝−事ｎ器さ ．
・・．・・【１）但し Ｒ：気体常数 Ｔ：絶対温度（Ｋ） Ｆ：フアデー常数 Ｐ０２（Ｓ）：燃焼捧ガス中の酸素分圧 （ａｔｍ） Ｐ０２（Ｒ）：基準ガス中の酸素分圧 （ａｔｍ）で、通常空気中の酸素分圧 ０．２１ａｔｍを用いる 開対数変換器３８は、川式で示される起電力Ｅを入力と
してＰ０２（Ｓ）に正比例した出力ＥｏＵｒ＝ｋ（０．
２１一Ｐ０２（Ｓ））＝ｋ・Ｐ０２（Ｘ）を出すもので
、これが酸素分圧測定器１２からの電気信号である。

一方、演算指示器１４は、前記酸素分圧測定器１２から
の第４図に示すようなピーク状の酸素分圧の変化量（Ｐ
０２（Ｘ））を積分する。すなわち三角形ａ，ｂ，ｃの
面積を求める積分演算回路と、積分演算回路で求めた酸
素分圧に対応した積分値を、時限回路１８から同期信号
に同期して一定時間保持する記憶回路および積分値を指
示する指示器などからなってる。そしてこの指示演算器
１４の出力は、必要により外部に設けた記録計１５に伝
達記録してもよい。なお、開対数変換器３８は、演算指
示器１４中に設置してもよいものである。

時限回路１８は任意に時間設定のできるタイマーと電磁
開閉器などを備えたもので、前記電磁切替三方弁２３お
よび２４、演算指示器１４へケーブル１９，１９′を通
じて時限切換への駆動信号を送るものである。

次に前記定量定圧ガス混合器５で作られる混合ガスの燃
焼排ガス中の酸素分圧の変化量Ｐ０２（Ｘ）と気体燃料
の理論空燃比および熱量の関係について以下説明する。

気体燃料ＩＮあの理論空気量（空燃比）Ａｏは、空気中
の酸素分圧を０．２１ａｔｍとすると、Ａ。：。学｛ｏ
‐肱川弧惟日４十（ｍもＣｍＨｎ−０２｝〔Ｎｍ３／Ｎ
ｍ３〕 ・・・・・・【２’で示される。

ここで日２，ＣＯ，Ｃ比，ＣｍＨｎおよび０２は気体燃
料ＩＮｍ３の水素、一酸化炭素、メタン、炭化水素およ
び酸素の量〔Ｎｍ３〕である。今一定量Ｑｆ〔机上〕の
気体燃料の燃焼に必要な理論酸素量Ｑｏ２〔奴【〕は、
理論空燃比をＡｏ〔Ｎｍ３／Ｎｍ３〕とすると、Ｑ。

２＝〇．２１Ａ。

Ｑｆ〔泌〕 ．．．．．．｛３，とな
り、前記の固体電解質円筒内で燃焼した燃焼排ガス中の
酸素分圧の変化量Ｐ０２（Ｘ）〔ａｔｍ〕のｔ２一ｔ，
〔ｓｅｃ〕の時間に描かれるところのピーク状軌跡ａ，
ｂ，ｃの積分値は〃賓Ｐ０２（Ｘ）ｄｔで、これをら−
ｔ，〔ＳＥＣ．〕で除したものが平均酸素分圧となる。
すなわち平均酸素分圧Ｐ０２（Ｘ）（ＡＶＥ）〔ａｔｍ
〕は、Ｐ。

２Ｍ（ＡＶＥ）＝′鰭ＰＱ（Ｘ）ｄｔ〔ａｔｍ〕…‐‐
‐ら−上．（４｝ となる。

今、混合ガスの単位時間当りの流量をＱａ〔の‘／ｓｅ
ｃ〕、ピーク状軌跡の始点および終点の時間をｔ，およ
びら〔ＳＥＣ〕とすると燃焼により消費された全酸素○
ｏ２（Ｘ）〔の‘〕は‘５｝式で示される。瓜２Ｍ＝Ｑ
ａ（ら−ｔ，）．′野ｐ○２（ｘ）ｄｔ 肌”｛５，ｔ
２−しここでＱｏ２ニ○ｏ２（Ｘ）と考えられるので、
｛３｝，【４．■式よりＡ。

三。・審議ｆ‐′三歪。２…ｄｔ ……■となり、
燃焼排ガス中の酸素分圧の変化量ＰＯ（Ｘ）〔ａｔｍ〕
の積分値と、気体燃料の理論空燃比Ａｏとは比例するこ
ととなる。

ここで、第４図のピーク状のＰ０２（Ｘ１の軌跡を三角
形ａ．ｂ．ｃとみなすと‘５拭の近似式はＡ。

＝Ｑ毒害扇ぎ‐Ｐ。２夢柵 ‐‐‐‐‐‐｛７１で
表わされる。

但し、Ｐ０２（ｍａＸ）はＰ０２（Ｘ）の最大値である
。

従って前記演算指示器１４は、前述の‘５１式の右辺を
ｔ，からｔ２の時間に亘つて積算・演算し、気体燃料の
理論空燃辻七Ａｏを求めるものである。一方、理論空燃
す七と発熱量の関係は、例えば気体燃料が２種類（但し
それぞれの気体燃料の組成が一定）の混合気体燃料（ミ
ックスガス）の場合は、その発熱量をＨｏ〔Ｋｃａｌ／
Ｎｍ３〕、理論空燃比をＡｏ〔Ｎｍ３／Ｎｍ３〕とする
と、一般に、Ｈｏ＝Ｋ，Ａｏ＋Ｋ２
……■で示される。すなわち、今、２種類の
気体燃料の一方および他方をａおよびｂガスとするとａ
ガス十ｂガスの理論空気量Ａｏおよび発熱量Ｈｏはそれ
ぞれのガスの理論空気量の和および発熱量の和で示され
るので、Ｈｏ＝ＱＨａ十（１一Ｑ）Ｈｂ …
…（９１Ａｏ＝ＱＡａ＋（１−Ｑ）Ａｂ
……００但し Ｈｏ：ａガス十ｂガス（混合燃料）の発
熱量〔Ｋｃａｌ／Ｎｍ３〕比：ａガスの発熱量〔Ｋｃａ
ｌ／Ｎｍ３〕Ｑ：ａガスの混合割合（ＯＳＱ≦１） Ｈｈ：ｂガスの発熱量〔Ｋｃａｌ／Ｎｍ３〕※※
１−Ｑ：ｂガスの混合割合（ＩＺＩ−ＱＺ。

）Ａｏ：ａガス十ｂガス（ミックスガス） の理論空燃比〔Ｎｍ３／Ｎｍ８〕 Ａａ：ａガスの理論空燃比〔Ｎｍ３／ Ｎｍ３〕 Ａｂ：ｂガスの理論空燃比〔Ｎｍ３／ Ｎｍ３〕 となる。

‘９１，ＯＱ式よりＱを消去すると‘８｝式は、日。

＝時器・Ａ。十Ａ湾三洋ａ ．・．（１１）となる。こ
こで、Ｈａ，ＨｂおよびＡａ，Ａｂは一定であるのでＡ
ｏを求めることにより、混合気体燃料の発熱量Ｈｏを容
易に求めることができるもので、演算指示器１４の指示
計などの目盛板をＡｏとＨｏとを併記するようにすれば
よい。従って、製鉄等の燃料炉に用いられ気体燃料のＬ
ＰＧ，ＬＤＧ，ＢＦＧ，ＣＯＧ等は通常ほぼ一定の組成
（理論空燃比および発熱量も一定とうこと）で製造され
ており、これらの燃料を通常２種混合したいわゆるＭガ
ス（ミックスガス）として一般に使用する場合が多いが
、その場合でも混合割合が変化し、Ｍガスの理論空燃比
および発熱量が変化しても、本発明の装置により極めて
容易に、それらを求めることができるものである。本発
明による気体燃料の理論空燃比および熱量の測定装置を
用いて、前記の気体燃料ＢＦＧ，ＬＤＧ，およびＣＯＧ
を測定した結果は第１表に示す通りで計算式と実測値と
の誤差は極めて少ないことがわかる。

第 １ 表 単位：鰍此〔腕小〆〕，発熱量〔ＫＣａと州〆〕次にＣ
ＯＧ燃料を試料ガスとして、長時間の経時変化を測定し
た結果は第２表に示す通りで、ほとんど経時変化がない
ことがわかる。

第２表 単位：空燃比〔Ｎｍ３／Ｎｍ３〕 発熱量〔Ｋｃａｌ／Ｎｍ３〕 以上の説明でわかるように、本発明の気体燃料の空燃比
および熱量の測定装置は、特に組成変化の著しいミック
スガスの空燃比および熱量をも迅速にしかも高精度で測
定できるもので、製鉄、石油、電力の気体燃料を使用す
る燃焼炉の燃料パイプ等に設置することによって、燃焼
させる前にその燃料の熱量および最適の空燃比を測定で
きるものであるから、熱効率の改善および燃費の節減、
さらにＮＱ低減にも効果があり、省エネルギ対策および
公害対策上極めて有用な装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の気体燃料の空燃比および熱量の測定装
置の基本構成を示す説明図、第２図は本発明の測定装置
の定量定圧ガス混合器の詳細を示す説明図、第３図は本
発明の測定装置の酸素分圧測定器の一具体例を示す説明
図、第４図は本発明の測定装置の酸素分圧測定器によっ
て検出される燃焼排ガス中の酸素分圧の時間的変化を示
す説明図である。 １・・・・・・気体燃料入口、２・・・・・・気体燃料
採取器、３・…・・気体燃料流量計、４・・・・・・気
体燃料導入管、５・・・・・・定圧定量ガス混合器、６
・・・・・・ガス排出口、７・・・・・・空気取入口、
８・・・・・・空気採取口、９・・・・・・空気流量計
、１０・・・・・・空気導入管、１１・・・・・・混合
ガス導入管、１２・・・・・・酸素分圧測定器、１３・
・・・・・燃焼排ガス出口、１４・・・・・・演算指示
器、１５・・・・・・記録計、１６，１７，１９，１９
′……ケーフル、１８・・・・・・時限回路、２０・・
・・・・細管、２１・…・・調圧瓶、２２・・・・・・
定量容器、２３，２４・・・・・・電磁切替三方弁、２
５・…・・気体燃料流入管、２６・・…・空気流入管、
２７・・・・・・気体燃料排出管、２８・・・・・・ガ
ス導出管、２９・・…・気体燃料の分岐流量調節弁、３
０・・・・・・空気分岐流量調節弁、３１・・・・・・
恒温槽、３２・・・・・・固体電解質、３３・・・…触
媒床、３４，３５……電極、３６……電気炉、３７・・
・・・・酸素検出器、３８・・・・・・開対数変換器。 第１図第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 細管により調圧瓶に連結された定量容器のガス流路
   前後に一対の同時開閉電磁切替三方弁を連結し、定量容
   器のガス流入側に連結された一方の電磁切替三方弁の残
   りの二方向を、気体燃料流入管および空気流入管にそれ
   ぞれ連結するとともに、定量容器のガス流出側に連結さ
   れた他方の電磁切替三方弁の残り二方向を気体燃料流排
   出管および酸素分圧測定器にそれぞれ連結して、全体を
   恒温槽中に設置してなる一対の電磁切替三方弁の同時開
   閉で気体燃料の一定量を空気流中に混合する定量定圧ガ
   ス混合器と、前記定量定圧ガス混合器からの混合ガスを
   燃焼するとともに燃焼排ガス中の残酸素分圧を測定する
   固体電解質を用いた酸素濃淡電池による酸素分圧測定器
   と、前記酸素分圧測定器からの残酸素分圧に対応する電
   気信号を演算して気体燃料の空燃比および熱量を求めて
   指示する演算指示器と、前記電磁切替三方弁の開閉動作
   を間欠的に行なわせる時限回路とから少なくとも成り、
   一定体積の気体燃料の理論空燃比および熱量を自動的に
   測定することを特徴とする気体燃料の空燃比および熱量
   の測定装置。