KR101239016B1

KR101239016B1 - 발열량 산출식 작성 시스템, 발열량 산출식 작성 방법, 발열량 측정 시스템, 발열량 측정 방법, 물성 계측 시스템 및 물성 계측 방법

Info

Publication number: KR101239016B1
Application number: KR1020100124310A
Authority: KR
Inventors: 야스하루 오오이시
Original assignee: 아즈빌주식회사
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2013-03-04
Also published as: KR20110107725A; CN102200521B; CN102200521A; JP2011203050A; EP2369337A2; EP2369337A3; JP5421832B2

Abstract

본 발명은 가스의 발열량을 용이하게 측정 가능한 발열량 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스가 주입되는 챔버(101)와, 챔버(101)에 배치된 발열 소자를 포함하는 마이크로칩(8)과, 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 발열 소자의 저항값과, 발열 소자의 온도가 분위기 온도보다 높은 경우의 발열 소자의 저항값에 기초하여, 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수의 값을 계측하는 계측 기구(10)와, 복수의 발열 온도에 대한 방열 계수를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 보존하는 식 기억 장치(402)와, 발열량 산출식의 방열 계수의 독립 변수에 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수의 계측값를 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 발열량 산출 모듈(305)을 구비하는 발열량 측정 시스템을 제공한다.

Description

발열량 산출식 작성 시스템, 발열량 산출식 작성 방법, 발열량 측정 시스템, 발열량 측정 방법, 물성 계측 시스템 및 물성 계측 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MAKING HEATING VALUE CALCULATING FORMULAR, SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING HEATING VALUE AND, SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING PHYSICAL PROPERTY}

본 발명은 가스 검사 기술에 관한 것으로, 발열량 산출식 작성 시스템, 발열량 산출식 작성 방법, 발열량 측정 시스템 및 발열량 측정 방법에 관한 것이다.

종래, 혼합 가스의 발열량을 구할 때는, 고가의 가스크로마토그래피 장치 등을 이용하여 혼합 가스의 성분을 분석해야 한다. 또한 혼합 가스의 열전도율 및 혼합 가스에서의 음속을 측정하는 것에 의해, 혼합 가스에 포함되는 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂) 및 탄산가스(CO₂)의 성분 비율을 산출하고, 혼합 가스의 발열량을 구하는 방법도 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1: 일본 특허 공표 제2004-514138호 공보

그러나, 특허문헌 1에 개시된 방법은, 열전도율을 측정하기 위한 센서 외에, 음속을 측정하기 위한 고가의 음속 센서가 필요하다. 따라서 본 발명은 가스의 발열량을 용이하게 측정 가능한 발열량 산출식 작성 시스템, 발열량 산출식 작성 방법, 발열량 측정 시스템 및 발열량 측정 방법을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.

본 발명의 형태에 의하면, (a) 복수의 혼합 가스가 주입되는 용기와, (b) 용기에 배치된 발열 소자와, (c) 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 발열 소자의 저항값과, 발열 소자의 온도가 분위기 온도보다 높은 경우의 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 복수의 혼합 가스 각각의 방열 계수의 값을 계측하는 계측 기구와, (d) 복수의 혼합 가스의 기지(旣知)의 발열량의 값과, 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대하여 계측된 방열 계수의 값에 기초하여, 복수의 발열 온도에 대한 방열 계수를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 식 작성 모듈을 포함하는 발열량 산출식 작성 시스템이 제공된다.

본 발명의 형태에 의하면, (a) 복수의 혼합 가스를 준비하는 단계와, (b) 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 발열 소자의 저항값과, 발열 소자의 온도가 분위기 온도보다 높은 경우의 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 복수의 혼합 가스 각각의 방열 계수의 값을 계측하는 단계와, (c) 복수의 혼합 가스의 기지인 발열량의 값과, 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대하여 계측된 방열 계수의 값에 기초하여, 복수의 발열 온도에 대한 방열 계수를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 단계를 포함하는 발열량 산출식 작성 방법이 제공된다.

본 발명의 형태에 의하면, (a) 발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스가 주입되는 용기와, (b) 용기에 배치된 발열 소자와, (c) 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 발열 소자의 저항값과, 발열 소자의 온도가 분위기 온도보다 높은 경우의 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 복수의 혼합 가스 각각의 방열 계수의 값을 계측하는 계측 기구와, (d) 복수의 발열 온도에 대한 방열 계수를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 보존하는 식 기억 장치와, (e) 발열량 산출식의 방열 계수의 독립 변수에 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수의 값을 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 발열량 산출 모듈을 포함하는 발열량 측정 시스템이 제공된다.

본 발명의 형태에 의하면, (a) 발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스를 준비하는 단계와, (b) 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 발열 소자의 저항값과, 발열 소자의 온도가 분위기 온도보다 높은 경우의 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수의 값을 계측하는 단계와, (c) 복수의 발열 온도에 대한 방열 계수를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 준비하는 단계와, (d) 발열량 산출식의 방열 계수의 독립 변수에 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수의 계측값을 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 단계를 포함하는 발열량 측정 방법이 제공된다.

본 발명의 형태에 의하면, (a) 가스가 주입되는 용기와, (b) 용기에 배치된 발열 소자와, (c) 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 발열 소자의 저항값과, 발열 소자의 온도가 분위기 온도보다 높은 경우의 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 가스의 방열 계수의 값을 계측하는 계측 기구를 포함하는 물성 계측 시스템이 제공된다.

본 발명의 형태에 의하면, (a) 가스를 준비하는 단계와, (b) 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 발열 소자의 저항값과, 발열 소자의 온도가 분위기 온도보다 높은 경우의 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 가스의 방열 계수의 값을 계측하는 단계를 포함하는 물성 계측 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 가스의 발열량을 용이하게 측정 가능한 발열량 산출식 작성 시스템, 발열량 산출식 작성 방법, 발열량 측정 시스템 및 발열량 측정 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 마이크로칩의 사시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 마이크로칩의 도 1의 II-II 방향에서 본 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 발열 소자에 관한 회로도.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 측온 소자에 관한 회로도.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 발열 소자의 온도와, 가스의 방열 계수의 관계를 도시하는 그래프.
도 6은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템의 제1 모식도.
도 7은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템의 제2 모식도.
도 8은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 발열량 산출식 작성 방법을 도시하는 흐름도.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템을 도시하는 모식도.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 열전도율과 방열 계수의 관계를 도시하는 그래프.
도 11은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템을 도시하는 모식도.
도 12는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 가스의 농도와 방열 계수의 관계를 도시하는 그래프.
도 13은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템을 도시하는 모식도.
도 14는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 발열량 측정 방법을 도시하는 흐름도.
도 15는 본 발명의 실시형태의 실시예 1에 따른 샘플 혼합 가스의 조성과, 발열량을 도시하는 표.
도 16은 본 발명의 실시형태의 실시예 1에 따른 샘플 혼합 가스의 산출된 발열량과, 실제 발열량을 도시하는 그래프.
도 17은 본 발명의 실시형태의 실시예 1에 따른 샘플 혼합 가스의 실제 발열량과, 산출된 발열량의 관계를 도시하는 그래프.

이하에 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호로 나타내고 있다. 단, 도면은 모식적인 것이다. 따라서, 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 대조하여 판단해야 하는 것이다. 또한 도면 상호간에서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.

(제1 실시형태)

우선, 사시도인 도 1과, II-II 방향에서 본 단면도인 도 2를 참조하여, 제1 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템에 이용되는 마이크로칩(8)에 대해서 설명한다. 마이크로칩(8)은 캐비티(66)가 형성된 기판(60), 및 기판(60) 위에 캐비티(66)를 덮도록 배치된 절연막(65)을 구비한다. 기판(60)의 두께는, 예컨대 0.5 ㎜이다. 또한 기판(60)의 종횡의 치수는, 예컨대 각각 1.5 ㎜ 정도이다. 캐비티(66)를 덮는 절연막(65)의 부분은, 단열성의 다이어프램을 이루고 있다. 또한 마이크로칩(8)은, 절연막(65)의 다이어프램 부분에 설치된 발열 소자(61)와, 발열 소자(61)를 사이에 두도록 절연막(65)의 다이어프램 부분에 설치된 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)와, 기판(60) 위에 설치된 보온 소자(64)를 구비한다.

발열 소자(61)는, 캐비티(66)를 덮는 절연막(65)의 다이어프램 부분의 중심에 배치되어 있다. 발열 소자(61)는, 예컨대 저항기이며, 전력이 부여되어 발열하여, 발열 소자(61)에 접하는 분위기 가스를 가열한다. 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)는, 예컨대 저항기이며, 발열 소자(61)가 발열하기 전의 분위기 가스의 가스 온도를 검출한다. 또한, 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63) 중 어느 하나만을 이용하여 가스 온도를 검출하여도 좋다. 또는 제1 측온 소자(62)가 검출한 가스 온도와, 제2 측온 소자(63)가 검출한 가스 온도의 평균값을, 가스 온도로서 채용하여도 좋다. 이하에서는, 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)가 검출한 가스 온도의 평균값을 가스 온도로서 채용하는 예를 설명하지만, 이것에 한정되지 않는다.

보온 소자(64)는, 예컨대 저항기이며, 전력이 부여되어 발열하고, 기판(60)의 온도를 일정하게 유지한다. 기판(60)의 재료로서는, 실리콘(Si) 등이 사용 가능하다. 절연막(65)의 재료로서는, 산화규소(SiO₂) 등이 사용 가능하다. 캐비티(66)는, 이방성 에칭 등에 의해 형성된다. 또한 발열 소자(61), 제1 측온 소자(62), 제2 측온 소자(63), 및 보온 소자(64) 각각의 재료로는 백금(Pt) 등이 사용 가능하고, 리소그래피법 등에 의해 형성 가능하다.

마이크로칩(8)은, 마이크로칩(8)의 바닥면에 배치된 단열 부재(18)를 통해, 분위기 가스가 충전되는 챔버 등의 용기에 고정된다. 단열 부재(18)를 통해 마이크로칩(8)을 챔버 등에 고정하는 것에 의해, 마이크로칩(8)의 온도가, 챔버 등의 내벽의 온도 변동의 영향을 잘 받지 않게 된다. 유리 등으로 이루어지는 단열 부재(18)의 열전도율은 예컨대 1.0 W/(m·K) 이하이다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 발열 소자(61)의 일단에는, 예컨대 연산 증폭기(170)의 마이너스(-) 입력 단자가 전기적으로 접속되고, 타단은 접지된다. 또한 연산 증폭기(170)의 - 입력 단자 및 출력 단자와 병렬로, 저항 소자(160)가 접속된다. 연산 증폭기(170)의 플러스(+) 입력 단자는, 직렬로 접속된 저항 소자(162)와 저항 소자(163) 사이, 직렬로 접속된 저항 소자(163)와 저항 소자(164) 사이, 직렬로 접속된 저항 소자(164)와 저항 소자(165) 사이, 또는 직렬로 접속된 저항 소자(165)와 저항 소자(166) 사이에 전기적으로 접속된다. 각 저항 소자(162-166)의 저항값을 적당히 정하는 것에 의해, 예컨대 5.0 V의 전압 Vin을 저항 소자(162)의 일단에 인가하면, 저항 소자(163)와 저항 소자(162) 사이에는, 예컨대 3.4 V의 전압 V_L3이 생긴다. 또한 저항 소자(164)와 저항 소자(163) 사이에는, 예컨대 2.4 V의 전압 V_L2이 생기고, 저항 소자(165)와 저항 소자(164) 사이에는 예컨대 1.5 V의 전압 V_L1이 생긴다. 저항 소자(166)와 저항 소자(165) 사이에는, 예컨대 0.2 V의 전압 V_L0이 생긴다.

저항 소자(162) 및 저항 소자(163) 사이와, 연산 증폭기의 + 입력 단자 사이에는, 스위치 SW1이 설치되어 있고, 저항 소자(163) 및 저항 소자(164) 사이와, 연산 증폭기의 + 입력 단자 사이에는, 스위치 SW2가 설치되어 있다. 또한 저항 소자(164) 및 저항 소자(165) 사이와, 연산 증폭기의 + 입력 단자 사이에는, 스위치 SW3이 설치되어 있고, 저항 소자(165)의 접지 단자와, 연산 증폭기의 + 입력 단자 사이에는, 스위치 SW4가 설치되어 있다.

연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 3.4 V의 전압 V_L3을 인가하는 경우, 스위치 SW1만이 통전되고, 스위치 SW2, SW3, SW4는 절단된다. 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 2.4 V의 전압 V_L2을 인가하는 경우, 스위치 SW2만이 통전되고, 스위치 SW1, SW3, SW4는 절단된다. 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 1.5 V의 전압 V_L1을 인가하는 경우, 스위치 SW3만이 통전되고, 스위치 SW1, SW2, SW4는 절단된다. 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 0.2 V의 전압 V_L0을 인가하는 경우, 스위치 SW4만이 통전되고, 스위치 SW1, SW2, SW3은 절단된다.

따라서, 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)의 개폐에 의해서, 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 4단계의 전압 중 어느 하나를 인가할 수 있다. 이 때문에, 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)의 개폐에 의해, 발열 소자(61)의 온도를 정하는 인가 전압을 4단계로 설정 가능하다. 여기서, 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 0.2 V의 전압 V_L0을 인가한 경우의 발열 소자(61)의 온도를 T_H0, 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 1.5 V의 전압 V_L1을 인가한 경우의 발열 소자(61)의 온도를 T_H1로 한다. 또한 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 2.4 V의 전압 V_L2을 인가한 경우의 발열 소자(61)의 온도를 T_H2, 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 3.4 V의 전압 V_L3을 인가한 경우의 발열 소자(61)의 온도를 T_H3으로 한다.

연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 0.2 V와 같은 약한 전압 V_L0을 인가한 경우, 발열 소자(61)의 온도 T_H0는, 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 전압을 인가하지 않은 경우와 비교하여 거의 상승하지 않는다. 이 때문에 발열 소자(61)의 온도 T_H0는, 분위기 가스의 온도와 동일해지거나, 또는 근사하게 된다. 이것에 대하여, 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 전압 V_L1, V_L2, V_L3을 인가한 경우, 발열 소자(61)의 온도 T_H1, T_H2, T_H3은 연산 증폭기(170)의 + 입력 단자에 전압을 인가하지 않은 경우와 비교하여 상승하고, 분위기 가스의 온도보다 높아진다.

도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)는, 발열 소자(61)의 온도에 의해 저항값이 변화한다. 발열 소자(61)의 온도 T_H와, 발열 소자(61)의 저항값 R_H의 관계는, 하기 식 (1)로 주어진다.

R_H=R_STD×[1+α(T_H-T_STD)…(1)

여기서, T_STD는 발열 소자(61)의 표준 온도를 나타내고, 예컨대 20℃이다. R_STD는 표준 온도 T_STD에서의 미리 계측된 발열 소자(61)의 저항값을 나타낸다. α는 1차의 저항 온도 계수를 나타낸다. 또한 발열 소자(61)의 저항값 R_H는, 발열 소자(61)의 구동 전력 P_H와, 발열 소자(61)의 통전 전류 I_H로부터, 하기 식 (2)로 주어진다.

R_H=P_H/I_H ²…(2)

또는 발열 소자(61)의 저항값 R_H는, 발열 소자(61)에 걸리는 전압 V_H와, 발열 소자(61)의 통전 전류 I_H로부터, 하기 식 (3)으로 주어진다.

R_H=V_H/I_H…(3)

여기서, 발열 소자(61)의 온도 T_H는, 발열 소자(61)와 분위기 가스 사이가 열적으로 평형이 되었을 때에 안정된다. 또한, 열적으로 평형인 상태란, 발열 소자(61)의 발열과, 발열 소자(61)로부터 분위기 가스에의 방열이 균형이 잡힌 상태를 말한다. 평형 상태에서, 하기 식 (4)에 나타내는 바와 같이, 발열 소자(61)의 구동 전력 P_H를, 발열 소자(61)의 온도 T_H와 분위기 가스의 온도 T_I의 차 ΔT_H로 나누는 것에 의해, 분위기 가스의 방열 계수 M_I가 얻어진다. 또한

방열 계수 M_I의 단위는, 예컨대 W/℃이다.

M_I=P_H/(T_H-T_I)

=P_H/ΔT_H…(4)

상기 식 (1)을 통하여, 발열 소자(61)의 온도 T_H는 하기 식 (5)로 주어진다.

T_H=(1/α)×[(R_H/R_STD)-1]+T_STD…(5)

따라서, 발열 소자(61)의 온도 T_H와 분위기 가스의 온도 T_I의 차 ΔT_H는, 하기 식 (6)으로 주어진다.

ΔT_H=(1/α)×[(R_H/R_STD)-1]+T_STD-T_I…(6)

발열 소자(61)의 통전 전류 I_H와, 구동 전력 P_H 또는 전압 V_H은 계측 가능하기 때문에, 상기 식 (2) 또는 식 (3)으로부터 발열 소자(61)의 저항값 R_H를 산출 가능하다. 또한, 분위기 가스의 온도 T_I는, 도 1에 도시하는 제1 측온 소자(62) 및 제2 측정 소자(63)로 측정 가능하다. 따라서, 도 1 및 도 2에 도시하는 마이크로칩(8)을 이용하여, 하기 식 (7)로부터 분위기 가스의 방열 계수 M_I가 산출 가능하다.

M_I=P_H/ΔT_H

=P_H/[(1/α)×[(R_H/R_STD)-1]+T_STD-T_I]…(7)

단, 발열 소자(61)의 온도가 표준 온도 T_STD인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_STD는, 경년 변화 등에 의해 미리 측정된 값으로부터 드리프트하는 경우가 있다. 이 때문에, 미리 측정한 저항값 R_STD를 이용하여 식 (7)로부터 방열 계수 M_I를 산출하면, 오차가 생기는 경우가 있다.

여기서, 상기 식 (6)으로부터, 발열 소자(61)의 온도가 T_H1인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H1은, 하기 식 (8)로 주어진다.

R_H1=[(ΔT_H1-T_STD+T_I)α+1]×R_STD…(8)

또한, 발열 소자(61)의 온도가 T_H0인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H0은, 하기 식 (9)로 주어진다.

R_H0=[(ΔT_H0-T_STD+T_I)α+1]×R_STD…(9)

또한, 하기 식 (10)에 나타내는 바와 같이, 발열 소자(61)의 온도 T_H0가 분위기 가스의 온도 T_I와 근사한 경우, 발열 소자(61)의 온도가 T_H0인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H0은, 하기 식 (11)로 주어진다.

T_H0≒T₁…(10)

R_H0=[(-T_STD+T_I)α+1]×R_STD…(11)

발열 소자(61)의 저항값 R_H0에 대한 발열 소자(61)의 저항값 R_H1의 비는, 하기 식 (12)로 주어진다.

R_H1/R_H0=[[(ΔT_H1-T_STD+T_I)α+1]×R_STD]/[[(-T_STD+T_I)α+1]×R_STD]

=[[(ΔT_H1-T_STD+T_I)α+1]]/[[(-T_STD+T_I)α+1]]…(12)

식 (12)로부터, 발열 소자(61)의 온도 T_H1과 분위기 가스의 온도 T_I의 차 ΔT_H1는 하기 식 (13)으로 주어진다.

ΔT_H1=[[(-T_STD+T_I)α+1]×R_H1/R_H0-1]×(1/α)+T_STD-T_I

=[(-T_STD+T_I)+1/α]×R_H1/R_H0-1/α+T_STD-T_I

=(-T_STD+T_I)R_H1/R_H0+(1/α)×R_H1/R_H0-1/α+T_STD-T_I

=(1/α)×(R_H1/R_H0-1)+(T_I-T_STD)R_H1/R_H0+T_STD-T_I

=(1/α)×(R_H1/R_H0-1)-T_STD(R_H1/R_H0-1)+T_IR_H1/R_H0-T_I

=(1/α-T_STD)×(R_H1/R_H0-1)+T_IR_H1/R_H0-T_I

=(1/α-T_STD)×(R_H1/R_H0-1)+T_I(R_H1/R_H0-1)

=(1/α-T_STD+T_I)×(R_H1/R_H0-1)…(13)

식 (13)으로부터, 발열 소자(61)의 온도가 T_H1인 경우, 분위기 가스의 방열 계수 M_I1은 하기 식 (14)로 주어진다.

M_I1=P_H1/ΔT_H1

=P_H1/[(1/α-T_STD+T_I)×(R_H1/R_H0-1)] …(14)

식 (14)를 이용하여 분위기 가스의 방열 계수 M_I1을 산출할 때, 표준 온도 T_STD에서의 발열 소자(61)의 미리 측정된 저항값 R_STD를 사용할 필요가 없다. 이 때문에, 식 (14)를 이용하면, 표준 온도 T_STD에서의 발열 소자(61)의 저항값 R_STD가 변화하는 발열 소자(61)의 저항값의 드리프트를 보정하고, 분위기 가스의 방열 계수 M_I1을 정확하게 산출하는 것이 가능해진다.

또한, 발열 소자(61)의 온도가 T_H2인 경우, 분위기 가스의 방열 계수 M_I2는 하기 식 (15)로 주어진다. 발열 소자(61)의 온도가 T_H3인 경우, 분위기 가스의 방열 계수 M_I3은 하기 식 (16)으로 주어진다.

M_I2=P_H2/ΔT_H2

=P_H2/[(1/α-T_STD+T_I)×(R_H2/R_H0-1)] …(15)

M_I3=P_H3/ΔT_H3

=P_H3/[(1/α-T_STD+T_I)×(R_H3/R_H0-1)] …(16)

또한, 보온 소자(64)에 의해 기판(60)의 온도를 일정하게 유지하는 것에 의해, 발열 소자(61)가 발열하기 전의 마이크로칩(8) 근방의 분위기 가스의 온도가, 기판(60)의 일정한 온도와 근사하게 된다. 이 때문에 발열 소자(61)가 발열하기 전의 분위기 가스의 온도의 변동이 억제된다. 온도 변동이 한번 억제된 분위기 가스를 발열 소자(61)로 더 가열하는 것에 의해, 보다 높은 정밀도로 방열 계수 M_I를 산출하는 것이 가능해진다.

도 1 및 도 2에 도시하는 제1 측온 소자(62)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 예컨대 저항 브리지 회로의 일부를 이루고 있다. 저항 브리지 회로는, 제1 측온 소자(62)와 직렬로 접속된 저항 소자(181)와, 제1 측온 소자(62) 및 저항 소자(181)와 병렬로 접속된 저항 소자(182, 183)를 구비한다. 저항 브리지 회로에는, 연산 증폭기(171)가 접속되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시하는 제2 측온 소자(63)도, 예컨대 저항 브리지 회로의 일부를 이루고 있다.

여기서, 분위기 가스가 혼합 가스이고, 혼합 가스가 가스 A, 가스 B, 가스 C 및 가스 D의 4종류의 가스 성분으로 이루어져 있는 것으로 가정한다. 가스 A의 체적률 V_A, 가스 B의 체적률 V_B, 가스 C의 체적률 V_C 및 가스 D의 체적률 V_D의 총합은, 하기 식 (17)로 주어지는 바와 같이 1이다.

V_A+V_B+V_C+V_D=1…(17)

또한, 가스 A의 단위 체적당 발열량을 K_A, 가스 B의 단위 체적당 발열량을 K_B, 가스 C의 단위 체적당의 발열량을 K_C, 가스 D의 단위 체적당의 발열량을 K_D로 하면, 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 각 가스 성분의 체적률에, 각 가스 성분의 단위 체적당의 발열량을 곱한 것의 총합으로 주어진다. 따라서, 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 하기 식 (18)로 주어진다. 또한 단위 체적당의 발열량의 단위는 예컨대 MJ/m³이다.

Q=K_A×V_A+K_B×V_B+K_C×V_C+K_D×V_D…(18)

또한, 가스 A의 방열 계수를 M_A, 가스 B의 방열 계수를 M_B, 가스 C의 방열 계수를 M_C, 가스 D의 방열 계수를 M_D로 하면, 혼합 가스의 방열 계수 M_I는, 각 가스 성분의 체적률에, 각 가스 성분의 방열 계수를 곱한 것의 총합으로 주어진다. 따라서, 혼합 가스의 방열 계수 M_I는, 하기 식 (19)로 주어진다.

M_I=M_A×V_A+M_B×V_B+M_C×V_C+M_D×V_D…(19)

또한, 가스의 방열 계수는 발열 소자(61)의 온도 T_H에 의존하기 때문에, 혼합 가스의 방열 계수 M_I는, 발열 소자(61)의 온도 T_H의 함수로서, 하기 식 (20)으로 주어진다.

M_I(T_H)=M_A(T_H)×V_A+M_B(T_H)×V_B+M_C(T_H)×V_C+M_D(T_H)×V_D…(20)

따라서, 발열 소자(61)의 온도가 T_H1일 때의 혼합 가스의 방열 계수 M_I1(T_H1)는 하기 식 (21)로 주어진다. 또한, 발열 소자(61)의 온도가 T_H2일 때의 혼합 가스의 방열 계수 M_I2(T_H2)는 하기 식 (22)로 주어지고, 발열 소자(61)의 온도가 T_H3일 때의 혼합 가스의 방열 계수 M_I3(T_H3)은 하기 식 (23)으로 주어진다.

M_I1(T_H1)=M_A(T_H1)×V_A+M_B(T_H1)×V_B+M_C(T_H1)×V_C+M_D(T_H1)×V_D…(21)

M_I2(T_H2)=M_A(T_H2)×V_A+M_B(T_H2)×V_B+M_C(T_H2)×V_C+M_D(T_H2)×V_D…(22)

M_I3(T_H3)=M_A(T_H3)×V_A+M_B(T_H3)×V_B+M_C(T_H3)×V_C+M_D(T_H3)×V_D…(23)

여기서, 발열 소자(61)의 온도 T_H에 대하여 각 가스 성분의 방열 계수 M_A(T_H), M_B(T_H), M_C(T_H), M_D(T_H)가 비선형성을 갖는 경우, 상기 식 (21) 내지 식 (23)은, 선형 독립인 관계를 갖는다. 또한, 발열 소자(61)의 온도 T_H에 대하여 각 가스 성분의 방열 계수 M_A(T_H), M_B(T_H), M_C(T_H), M_D(T_H)가 선형성을 갖는 경우라도, 발열 소자(61)의 온도 T_H에 대한 각 가스 성분의 방열 계수 M_A(T_H), M_B(T_H), M_C(T_H), M_D(T_H)의 변화율이 상이한 경우는, 상기 식 (21) 내지 식 (23)은, 선형 독립인 관계를 갖는다. 또한 식 (21) 내지 식 (23)이 선형 독립인 관계를 갖는 경우, 식 (17) 및 식 (21) 내지 식 (23)은 선형 독립인 관계를 갖는다.

도 5는, 천연 가스에 포함되는 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂) 및 이산화탄소(CO₂)의 방열 계수와, 발열 소자(61)의 온도의 관계를 도시하는 그래프이다. 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂) 및 이산화탄소(CO₂) 각각의 가스 성분의 방열 계수는 발열 소자(61)의 온도에 대하여 선형성을 갖는다. 그러나, 발열 소자(61)의 온도에 대한 방열 계수의 변화율은 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂) 및 이산화탄소(CO₂) 각각에 상이하다. 따라서, 혼합 가스를 구성하는 가스 성분이 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂) 및 이산화탄소(CO₂)인 경우, 상기 식 (21) 내지 식 (23)은 선형 독립인 관계를 갖는다.

식 (21) 내지 식 (23) 중 각 가스 성분의 방열 계수 M_A(T_H1), M_B(T_H1), M_C(T_H1), M_D(T_H1), M_A(T_H2), M_B(T_H2), M_C(T_H2), M_D(T_H2), M_A(T_H3), M_B(T_H3), M_C(T_H3), M_D(T_H3)의 값은, 계측 등에 의해 미리 얻는 것이 가능하다. 따라서, 식 (17) 및 식 (21) 내지 식 (23)의 연립 방정식을 풀면, 가스 A의 체적률 V_A, 가스 B의 체적률 V_B, 가스 C의 체적률 V_C, 및 가스 D의 체적률 V_D 각각이, 하기 식 (24) 내지 식 (27)에 나타내는 바와 같이, 혼합 가스의 방열 계수 M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)의 함수로서 주어진다. 또한, 하기 식 (24) 내지 식 (27)에서, n을 자연수로 하고, fn은 함수를 나타내는 기호이다.

V_A=f₁[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H4)]…(24)

V_B=f₂[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)]…(25)

V_C=f₃[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)]…(26)

V_D=f₄[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)]…(27)

여기서, 상기 식 (18)에 식 (24) 내지 식 (27)을 대입하는 것에 의해, 하기 식 (28)이 얻어진다.

Q=K_A×V_A+K_B×V_B+K_C×V_C+K_D×V_D

=K_A×f₁[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)]

+K_B×f₂[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)]

+K_C×f₃[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)]

+K_D×f₄[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)]…(28)

상기 식 (28)에 나타내는 바와 같이, 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 발열 소자(61)의 온도가 T_H1, T_H2, T_H3인 경우의 혼합 가스의 방열 계수 M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)을 변수로 하는 방정식으로 주어진다. 따라서, 혼합 가스의 발열량(Q)은, g를 함수를 나타내는 기호로 하여, 하기 식 (29)로 주어진다.

Q=g[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)]…(29)

따라서, 발명자들은, 가스 A, 가스 B, 가스 C, 및 가스 D로 이루어지는 혼합 가스에 대해서, 미리 상기 식 (29)를 얻으면, 가스 A의 체적률 V_A, 가스 B의 체적률 V_B, 가스 C의 체적률 V_C, 및 가스 D의 체적률 V_D가 미지인 검사 대상 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)을 용이하게 산출 가능한 것을 발견하였다. 구체적으로는, 발열 소자(61)의 발열 온도가 T_H1, T_H2, T_H3인 경우의 검사 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3)을 계측하고, 식 (29)에 대입하는 것에 의해, 검사 대상 혼합 가스의 발열량(Q)을 일의로 구하는 것이 가능해진다.

또한, 혼합 가스의 가스 성분은, 4종류에 한정되지는 않는다. 예컨대 혼합 가스가 n종류의 가스 성분으로 이루어지는 경우, 우선 하기 식 (30)으로 주어지는, 발열 소자(61)의 적어도 n-1 종류의 온도 T_H1, T_H2, T_H3, …, T_Hn-1에 대한 혼합 가스의 방열 계수 M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3), …, M_In-1(T_Hn-1)을 변수로 하는 방정식을 미리 취득한다. 그리고, 발열 소자(61)의 n-1 종류의 온도 T_H1, T_H2, T_H3, …, T_Hn-1에 대한, n 종류의 가스 성분 각각의 체적률이 미지인 검사 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3),…, M_In-1(T_Hn-1)을 계측하고, 식 (30)에 대입하는 것에 의해, 검사 대상 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)을 일의로 구하는 것이 가능해진다.

Q=g[M_I1(T_H1), M_I2(T_H2), M_I3(T_H3), …, M_In-1(T_Hn-1)] …·(30)

단, 혼합 가스가, 가스 성분으로서 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈)에 추가로, j를 자연수로 하여, 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈) 이외의 알칸(C_jH_2j+₂)을 포함하는 경우, 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈) 이외의 알칸(C_jH_2j+₂)을, 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈)의 혼합물로 간주하여도, 식 (30)의 산출에는 영향을 미치지 않는다. 예컨대 에탄(C₂H₆), 부탄(C₄H₁₀), 펜탄(C₅H₁₂), 헥산(C₆H₁₄)을, 하기 식 (31) 내지 식 (34)에 나타내는 바와 같이, 각각 미리 정해진 계수가 부여된 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈)의 혼합물로 간주하여 식 (30)을 산출하여도 상관없다.

C₂H₆=0.5CH₄+0.5C₃H₈…(31)

C₄H₁₀=-0.5CH₄+1.5C₃H₈…(32)

C₅H₁₂=-1.0CH₄+2.0C₃H₈…(33)

C₆H₁₄=-1.5CH₄+2.5C₃H₈…(34)

따라서, z를 자연수로 하여, n 종류의 가스 성분으로 이루어지는 혼합 가스가, 가스 성분으로서 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈)에 추가로, 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈) 이외의 z 종류의 알칸(C_jH_2j+₂)을 포함하는 경우, 적어도 n-z-1 종류의 온도에서의 혼합 가스의 방열 계수 M_I를 변수로 하는 방정식을 구하여도 좋다.

또한, 식 (30)의 산출에 이용된 혼합 가스의 가스 성분의 종류와, 단위 체적당의 발열량(Q)이 미지인 검사 대상 혼합 가스의 가스 성분의 종류가 동일한 경우에, 검사 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 산출에 식 (30)을 이용 가능한 것은 물론 이다. 또한 검사 대상 혼합 가스가 n 종류보다 적은 종류의 가스 성분으로 이루어지며, n 종류보다 적은 종류의 가스 성분이, 식 (30)의 산출에 이용된 혼합 가스에 포함되어 있는 경우도, 식 (30)을 이용 가능하다. 예컨대 식 (30)의 산출에 이용된 혼합 가스가, 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)의 4종류의 가스 성분을 포함하는 경우, 검사 대상 혼합 가스가, 질소(N₂)를 포함하지 않고, 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 및 이산화탄소(CO₂)의 3종류의 가스 성분만을 포함하는 경우도, 검사 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 산출에 식 (30)을 이용 가능하다.

또한, 식 (30)의 산출에 이용된 혼합 가스가, 가스 성분으로서 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈)을 포함하는 경우, 검사 대상 혼합 가스가, 식 (30)의 산출에 이용된 혼합 가스에 포함되어 있지 않은 알칸(C_jH_2j+2)을 포함하고 있어도, 식 (30)을 이용 가능하다. 이것은, 전술한 바와 같이, 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈) 이외의 알칸(C_jH_2j+2)을, 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈)의 혼합물로 간주하여도, 식 (30)을 이용한 단위 체적당의 발열량(Q)의 산출에 영향을 미치지 않기 때문이다.

여기서, 도 6에 도시하는 제1 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)은, 발열량(Q)의 값이 기지인 샘플 혼합 가스가 충전되는 챔버(101)와, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61), 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)를 이용하여, 샘플 혼합 가스의 복수의 방열 계수 M_I의 값을 계측하는 도 6에 도시하는 계측 기구(10)를 포함한다. 또한, 가스 물성값 측정 시스템은, 샘플 혼합 가스의 기지인 발열량(Q)의 값, 및 샘플 혼합 가스의 복수의 방열 계수 M_I의 계측값에 기초하여, 발열 소자(61)의 복수의 온도에 대한 가스의 방열 계수 M_I를 독립 변수로 하고, 가스의 발열량(Q)을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 식 작성 모듈(302)을 구비한다. 또한, 샘플 혼합 가스는, 복수 종류의 가스 성분을 포함한다.

계측 기구(10)는, 샘플 혼합 가스가 주입되는 챔버(101) 안에 배치된, 도 1및 도 2를 이용하여 설명한 마이크로칩(8)을 구비한다. 마이크로칩(8)은, 단열 부재(18)를 통해 챔버(101) 안에 배치되어 있다. 챔버(101)에는, 샘플 혼합 가스를 챔버(101)에 보내기 위한 유로(102)와, 샘플 혼합 가스를 챔버(101)로부터 외부에 배출하기 위한 유로(103)가 접속되어 있다.

각각 발열량(Q)이 상이한 4종류의 샘플 혼합 가스가 사용되는 경우, 도 7에 도시하는 바와 같이, 제1 샘플 혼합 가스를 저장하는 제1 가스봄베(50A), 제2 샘플 혼합 가스를 저장하는 제2 가스봄베(50B), 제3 샘플 혼합 가스를 저장하는 제3 가스봄베(50C), 및 제4 샘플 혼합 가스를 저장하는 제4 가스봄베(50D)가 준비된다. 제1 가스봄베(50A)에는, 유로(91A)를 통해, 제1 가스봄베(50A)로부터 예컨대 0.2 MPa 등의 저압으로 조절된 제1 샘플 혼합 가스를 얻기 위한 제1 가스압 조절기(31A)가 접속되어 있다. 또한, 제1 가스압 조절기(31A)에는, 유로(92A)를 통해, 제1 유량 제어 장치(32A)가 접속되어 있다. 제1 유량 제어 장치(32A)는, 유로(92A) 및 유로(102)를 통해 가스 물성값 측정 시스템(20)에 보내지는 제1 샘플 혼합 가스의 유량을 제어한다.

제2 가스봄베(50B)에는, 유로(91B)를 통해, 제2 가스압 조절기(31B)가 접속되어 있다. 또한, 제2 가스압 조절기(31B)에는, 유로(92B)를 통해, 제2 유량 제어 장치(32B)가 접속되어 있다. 제2 유량 제어 장치(32B)는, 유로(92B, 93, 102)를 통해 가스 물성값 측정 시스템(20)에 보내지는 제2 샘플 혼합 가스의 유량을 제어한다.

제3 가스봄베(50C)에는, 유로(91C)를 통해, 제3 가스압 조절기(31C)가 접속되어 있다. 또한, 제3 가스압 조절기(31C)에는, 유로(92C)를 통해, 제3 유량 제어 장치(32C)가 접속되어 있다. 제3 유량 제어 장치(32C)는, 유로(92C, 93,102)를 통해 가스 물성값 측정 시스템(20)에 보내지는 제3 샘플 혼합 가스의 유량을 제어한다.

제4 가스봄베(50D)에는, 유로(91D)를 통해, 제4 가스압 조절기(31D)가 접속되어 있다. 또한, 제4 가스압 조절기(31D)에는, 유로(92D)를 통해, 제4 유량 제어 장치(32D)가 접속되어 있다. 제4 유량 제어 장치(32D)는, 유로(92D, 93, 102)를 통해 가스 물성값 측정 시스템(20)에 보내지는 제4 샘플 혼합 가스의 유량을 제어한다.

제1 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각은, 예컨대 천연 가스이다. 제1 내지 제4 샘플 혼합 가스의 각각은, 예컨대 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)의 4종류의 가스 성분을 포함한다.

챔버(101)에 제1 샘플 혼합 가스가 충전된 후, 마이크로칩(8)의 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)는, 제1 샘플 혼합 가스의 온도 T_I를 검출한다. 그 후, 발열 소자(61)는, 도 6에 도시하는 구동 회로(310)로부터 구동 전력(P_H1, P_H2, P_H3)이 부여된다. 여기서, 구동 전력 P_H0은 약하고, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도 T_H0는 분위기 가스의 온도 T_I와 근사하다. 이것에 대하여, 구동 전력(P_H1, P_H2, P_H3)이 부여된 경우, 발열 소자(61)는, 예컨대 100℃의 온도 T_H1, 150℃의 온도 T_H2, 및 200℃의 온도 T_H3으로 발열한다.

도 6에 도시하는 챔버(101)로부터 제1 샘플 혼합 가스가 제거된 후, 제2 내지 제4 샘플 혼합 가스가 챔버(101)에 순차 충전된다. 제2 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각이 챔버(101)에 충전된 후, 마이크로칩(8)은, 제2 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각의 온도 T_I를 측정한다. 또한, 마이크로칩(8)의 발열 소자(61)는 100℃, 150℃, 200℃로 발열한다.

또한, 각각의 샘플 혼합 가스가 n 종류의 가스 성분을 포함하는 경우, 마이크로칩(8)의 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)는, 적어도 n-1 종류의 상이한 온도로 발열된다. 단, 전술한 바와 같이, 메탄(CH₄) 및 프로판(C₃H₈) 이외의 알칸(C_jH_2j+2)은, 메탄(CH₄) 및 프로판(C₃H₈)의 혼합물로 간주할 수 있다. 따라서, z를 자연수로 할 때, n 종류의 가스 성분으로 이루어지는 샘플 혼합 가스가, 가스 성분으로서 메탄(CH₄) 및 프로판(C₃H₈)에 추가로 z 종류의 알칸(C_jH_2j+2)을 포함하는 경우는, 발열 소자(61)는, 적어도 n-z-1 종류의 상이한 온도로 발열된다.

또한 도 6에 도시하는 계측 기구(10)는, 마이크로칩(8)에 접속된 방열 계수 산출 모듈(301)을 구비한다. 방열 계수 산출 모듈(301)은, 상기 식 (14)에 나타내는 바와 같이, 제1 샘플 혼합 가스의 온도 T_I, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도가 T_H0인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H0, 및 발열 소자(61)의 온도가 T_H1(여기서는 100℃)인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H1에 기초하여, 온도 T_H1이 100℃의 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 제1 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I1의 값을 산출한다. 계측 기구(10)는, 온도 T_H1이 100℃의 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 제2 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각의 방열 계수 M_I1의 값도 산출한다.

또한, 도 6에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 상기 식 (15)에 나타내는 바와 같이, 제1 샘플 혼합 가스의 온도 T_I, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도가 T_H0인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H0, 및 발열 소자(61)의 온도가 T_H2(여기서는 150℃)인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H2에 기초하여, 온도 T_H2가 150℃인 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 제1 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I2의 값을 산출한다. 계측 기구(10)는, 온도 T_H2가 150℃인 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 제2 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각의 방열 계수 M_I2의 값도 산출한다.

또한, 도 6에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 상기 식 (16)에 나타내는 바와 같이, 제1 샘플 혼합 가스의 온도 T_I,도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도가 T_H0인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H0, 및 발열 소자(61)의 온도가 T_H3(여기서는 200℃)인 경우의 발열 소자(61)의 저항값 R_H3에 기초하여, 온도 T_H3이 200℃인 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 제1 샘플 혼합 가스 각각의 방열 계수 M_I3의 값을 산출한다. 계측 기구(10)는, 온도 T_H3이 200℃인 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 제2 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각의 방열 계수 M_I3의 값을 산출한다.

도 6에 도시하는 가스 물성값 측정 시스템(20)은, CPU(300)에 접속된 방열 계수 기억 장치(401)를 더 포함한다. 방열 계수 산출 모듈(301)은, 산출한 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 값을 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

식 작성 모듈(302)은, 예컨대 제1 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각의 기지인 발열량(Q)의 값과, 발열 소자(61)의 온도가 100℃인 경우의 가스의 방열 계수 M_I1의 값과, 발열 소자(61)의 온도가 150℃인 경우의 가스의 방열 계수 M_I2의 값과, 발열 소자(61)의 온도가 200℃인 경우의 가스의 방열 계수 M_I3의 값을 수집한다. 또한 식 작성 모듈(302)은, 수집한 발열량(Q) 및 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 값에 기초하여, 다변량 해석에 의해, 발열 소자(61)의 온도가 100℃인 경우의 방열 계수 M_I1, 발열 소자(61)의 온도가 150℃인 경우의 방열 계수 M_I2, 및 발열 소자(61)의 온도가 200℃인 경우의 방열 계수 M_I3을 독립 변수로 하고, 발열량(Q)을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 산출한다.

또한, 「다변량 해석」이란, A. J Smola 및 B. Scholkopf저의 「A Tutorial on Support Vector Regression」(NeuroCOLT Technical Report(NC-TR-98-030), 1998년)에 개시되어 있는 서포트 벡터 회귀, 중회귀 분석, 및 일본 특허 공개 평5-141999호 공보에 개시되어 있는 퍼지 수량화 이론 II류 등을 포함한다. 또한 방열 계수 산출 모듈(301) 및 식 작성 모듈(302)은, 중앙 연산 처리 장치[CPU(300)]에 포함되어 있다.

가스 물성값 측정 시스템(20)은, CPU(300)에 접속된 식 기억 장치(402)를 더 구비한다. 식 기억 장치(402)는, 식 작성 모듈(302)이 작성한 발열량 산출식을 보존한다. 또한 CPU(300)에는, 입력 장치(312) 및 출력 장치(313)가 접속된다. 입력 장치(312)로서는, 예컨대 키보드, 및 마우스 등의 포인팅 디바이스 등이 사용 가능하다. 출력 장치(313)로는 액정 디스플레이, 모니터 등의 화상 표시 장치, 및 프린터 등이 사용 가능하다.

다음에, 도 8에 도시하는 흐름도를 이용하여 제1 실시형태에 따른 발열량 산출식 작성 방법에 대해서 설명한다.

(a) 단계 S100에서, 도 7에 도시하는 제2 내지 제4 유량 제어 장치(32B-32D)의 밸브를 폐쇄한 채, 제1 유량 제어 장치(32A)의 밸브를 개방하고, 도 6에 도시하는 챔버(101) 안에 제1 샘플 혼합 가스를 도입한다. 단계 S101에서, 도 1 및 도 2에 도시하는 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)는, 제1 샘플 혼합 가스의 온도 T_I를 검출한다. 또한, 도 6에 도시하는 구동 회로(303)는, 마이크로칩(8)의 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)에 약한 구동 전력 P_H0을 부여한다. 또한, 도 6에 도시하는 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)에 구동 전력 P_H1을 부여하고, 발열 소자(61)를 100℃로 발열시킨다. 그 후 도 6에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 상기 식 (14)를 이용하여, 발열 소자(61)의 온도가 100℃인 경우의 제1 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I1의 값을 산출한다. 그 후, 방열 계수 산출 모듈(301)은, 발열 소자(61)의 온도가 100℃인 경우의 제1 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I1의 값을 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

(b) 단계 S102에서, 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도의 전환이 완료되었는지의 여부를 판정한다. 온도 150℃ 및 온도 200℃로의 전환이 완료되어 있지 않는 경우에는, 단계 S101로 되돌아가고, 도 6에 도시하는 구동 회로(310)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)를 150℃로 발열시킨다. 도 6에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 상기 식 (15)를 이용하여, 발열 소자(61)의 온도가 150℃인 경우의 제1 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I2의 값을 산출하고, 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

(c) 재차 단계 S102에서, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도의 전환이 완료되었는지의 여부를 판정한다. 온도 200℃로의 전환이 완료되어 있지 않는 경우에는, 단계 S101로 되돌아가고, 도 6에 도시하는 구동 회로(303)는 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)를 200℃로 발열시킨다. 도 6에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 상기 식 (16)을 이용하여, 발열 소자(61)의 온도가 200℃인 경우의 제1 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I3의 값을 산출하고, 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

(d) 발열 소자(61)의 온도 전환이 완료된 경우에는, 단계 S102로부터 단계 S103으로 진행한다. 단계 S103에서, 샘플 혼합 가스의 전환이 완료되었는지의 여부를 판정한다. 제2 내지 제4 샘플 혼합 가스로의 전환이 완료되어 있지 않는 경우에는, 단계 S100으로 되돌아간다. 단계 S100에서, 도 7에 도시하는 제1 유량 제어 장치(32A)를 폐쇄하고, 제3 및 제4 유량 제어 장치(32C, 32D)의 밸브를 폐쇄한 채 제2 유량 제어 장치(32B)의 밸브를 개방하며, 도 6에 도시하는 챔버(101) 안에 제2 샘플 혼합 가스를 도입한다.

(e) 제1 샘플 혼합 가스와 마찬가지로, 단계 S101 및 단계 S102의 루프가 반복된다. 방열 계수 산출 모듈(301)은, 발열 소자(61)의 온도가 100℃인 경우의 제2 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I1의 값, 발열 소자(61)의 온도가 150℃인 경우의 제2 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I2의 값, 및 발열 소자(61)의 온도가 200℃인 경우의 제2 샘플 혼합 가스의 방열 계수 M_I3의 값을 산출한다. 또한 방열 계수 산출 모듈(301)은, 산출한 제2 샘플 혼합 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 값을 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

(f) 그 후, 단계 S100 내지 단계 S103의 루프가 반복된다. 이것에 의해, 발열 소자(61)의 온도가 100℃, 150℃, 200℃인 경우의 제3 샘플 혼합 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 값과, 발열 소자(61)의 온도가 100℃, 150℃, 200℃인 경우의 제4 샘플 혼합 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 값이, 방열 계수 기억 장치(401)에 보존된다. 단계 S104에서, 입력 장치(312)로부터 식 작성 모듈(302)에, 제1 샘플 혼합 가스의 기지인 발열량(Q)의 값, 제2 샘플 혼합 가스의 기지인 발열량(Q)의 값, 제3 샘플 혼합 가스의 기지인 발열량(Q)의 값, 및 제4 샘플 혼합 가스의 기지인 발열량(Q)의 값을 입력한다. 또한, 식 작성 모듈(302)은, 방열 계수 기억 장치(401)로부터, 발열 소자(61)의 온도가 100℃, 150℃, 200℃인 경우의 제1 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 값을 판독한다.

(g) 단계 S105에서, 제1 내지 제4 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)의 값과, 발열 소자(61)의 온도가 100℃, 150℃, 200℃인 경우의 제1 내지 제4 샘플 혼합 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 값에 기초하여, 식 작성 모듈(302)은, 중회귀 분석을 한다. 중회귀 분석에 의해, 식 작성 모듈(302)은, 발열 소자(61)의 온도가 100℃인 경우의 방열 계수 M_I1, 발열 소자(61)의 온도가 150℃인 경우의 방열 계수 M_I2, 및 발열 소자(61)의 온도가 200℃인 경우의 방열 계수 M_I3을 독립 변수로 하고, 발열량(Q)을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 산출한다. 그 후, 단계 S106에서, 식 작성 모듈(302)은 작성한 발열량 산출식을 식 기억 장치(402)에 보존하고, 제1 실시형태에 따른 발열량 산출식 작성 방법이 종료한다.

이상 나타낸 바와 같이, 제1 실시형태에 따른 발열량 산출식 작성 방법에 의하면, 계측 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 값을 일의로 산출 가능한 발열량 산출식을 작성하는 것이 가능해진다.

(제2 실시형태)

도 9에 도시하는 바와 같이, 제2 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)의 CPU(300)에는, 열전도율 기억 장치(411)가 접속되어 있다. 여기서, 도 10은 발열 소자에 2 ㎃, 2.5 ㎃, 및 3 ㎃의 전류를 흘렸을 때의, 혼합 가스의 방열 계수 M_I와, 열전도율의 관계를 도시한다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 혼합 가스의 방열 계수 M_I와 열전도율은 일반적으로 비례 관계에 있다. 따라서, 도 9에 도시하는 열전도율 기억 장치(411)는, 챔버(101)에 도입되는 가스의 방열 계수 M_I와 열전도율의 대응 관계를, 근사식 또는 테이블 등으로 미리 보존한다.

제2 실시형태에 따른 CPU(300)는, 열전도율 산출 모듈(322)을 더 포함한다. 열전도율 산출 모듈(322)은, 방열 계수 기억 장치(402)로부터 방열 계수 M_I의 값을 판독하고, 열전도율 기억 장치(411)로부터 가스의 방열 계수 M_I와 열전도율의 대응 관계를 판독한다. 또한 열전도율 산출 모듈(322)은, 가스의 방열 계수 M_I의 값과, 가스의 방열 계수 M_I 및 열전도율의 대응 관계에 기초하여, 챔버(101)에 도입된 가스의 열전도율을 산출한다.

제2 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)의 그 외의 구성 요소는, 제1 실시형태와 같기 때문에, 설명은 생략한다. 제2 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)에 의하면, 방열 계수 M_I에 기초하여, 가스의 정확한 열전도율의 값을 산출하는 것이 가능해진다.

(제3 실시형태)

도 11에 도시하는 바와 같이, 제3 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)의 CPU(300)에는, 농도 기억 장치(412)가 더 접속되어 있다. 여기서, 도 12는, 가스 온도 T_I가 0℃, 20℃, 및 40℃일 때의 프로판 가스의 방열 계수 M_I와, 농도의 관계를 도시한다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 가스의 방열 계수 M_I와, 가스의 농도는, 일반적으로 비례 관계에 있다. 따라서 도 11에 도시하는 농도 기억 장치(412)는, 챔버(101)에 도입되는 가스의 방열 계수 M_I와 농도의 대응 관계를, 근사식 또는 테이블 등으로 미리 보존한다.

제3 실시형태에 따른 CPU(300)는, 농도 산출 모듈(323)을 더 포함한다. 농도산출 모듈(323)은, 방열 계수 기억 장치(401)로부터 방열 계수 M_I의 값을 판독하고, 농도 기억 장치(412)로부터 가스의 방열 계수 M_I와, 농도의 대응 관계를 판독한다. 또한 농도 산출 모듈(323)은, 가스의 방열 계수 M_I의 값과, 가스의 방열 계수 M_I와 농도의 대응 관계에 기초하여, 챔버(101)에 도입된 가스의 농도를 산출한다.

제3 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)의 그 외의 구성 요소는, 제1 실시형태와 같기 때문에, 설명은 생략한다. 제3 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)에 의하면, 가스의 방열 계수 M_I에 기초하여, 가스 농도의 정확한 값을 산출하는 것이 가능해진다.

(제4 실시형태)

도 13에 도시하는 바와 같이, 제4 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(21)은, 발열량(Q)의 값이 미지인 계측 대상 혼합 가스가 충전되는 챔버(101)와, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61) 및 제1 측온 소자(62)를 이용하여, 계측 대상 혼합 가스의 복수의 방열 계수 M_I의 값을 계측하는 도 13에 도시하는 계측 기구(10)를 구비한다. 또한 가스 물성값 측정 시스템(21)은, 발열 소자(61)의 복수의 발열 온도에 대한 가스의 방열 계수 M_I를 독립 변수로 하고, 발열량(Q)을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 보존하는 식 기억 장치(402)와, 발열량 산출식의 발열 소자(61)의 복수의 발열 온도에 대한 가스의 방열 계수 M_I의 독립 변수에, 발열 소자(61)의 복수의 발열 온도에 대한 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I의 측정값을 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 값을 산출하는 발열량 산출 모듈(305)을 구비한다.

식 기억 장치(402)는, 제1 실시형태에서 설명한 발열량 산출식을 보존한다. 여기서는, 예로서, 발열량 산출식의 작성을 위해, 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂) 및 이산화탄소(CO₂)를 포함하는 천연 가스가 샘플 혼합 가스로서 사용된 경우를 설명한다. 또한, 발열량 산출식은, 발열 소자(61)의 온도 T_H1이 100℃인 경우의 가스의 방열 계수 M_I1과, 발열 소자(61)의 온도 T_H2가 150℃인 경우의 가스의 방열 계수 M_I2와, 발열 소자(61)의 온도 T_H3가 200℃인 경우의 가스의 방열 계수 M_I3을 독립 변수로 하고 있는 것으로 한다.

제4 실시형태에서는, 예컨대 미지의 체적률로 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂)를 포함하며, 발열량(Q)이 미지인 천연 가스가, 계측 대상 혼합 가스로서, 챔버(101)에 도입된다. 마이크로칩(8)의 도 1 및 도 2에 도시하는 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)는, 예컨대 발열 소자(61)가 발열하기 전의 계측 대상 혼합 가스의 온도 T_I를 검출한다. 발열 소자(61)는, 구동 회로(303)로부터 구동 전력(P_H1, P_H2, P_H3)이 부여된다. 여기서, 구동 전력 PH₀은 약하고, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도 T_H0는 계측 대상 혼합 가스의 온도 T_I와 근사하다. 구동 전력 P_H1, P_H2, P_H3이 부여된 경우, 발열 소자(61)는, 예컨대 100℃인 온도 T_H1, 150℃인 온도 T_H2, 및 200℃인 온도 T_H3으로 발열한다.

도 13에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 상기 식 (14)에 도시하는 바와 같이, 온도 100℃로 발열하는 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I1의 값을 산출한다. 또한 방열 계수 산출 모듈(301)은, 온도 150℃로 발열하는 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I2의 값, 및 온도 200℃로 발열하는 발열 소자(61)와 열적으로 평형인 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I3의 값을 산출한다. 방열 계수 산출 모듈(301)은, 산출한 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 값을 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

발열량 산출 모듈(305)은, 발열량 산출식의 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 독립 변수에, 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 측정값을 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 값을 산출한다. CPU(300)에는, 발열량 기억 장치(403)가 더 접속되어 있다. 발열량 기억 장치(403)는, 발열량 산출 모듈(305)이 산출한 계측 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 값을 보존한다. 제4 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(21)의 그 외의 구성 요건은, 도 6에서 설명한 제1 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)과 마찬가지이기 때문에, 설명은 생략한다.

다음에, 도 14에 도시하는 흐름도를 이용하여, 제4 실시형태에 따른 발열량 측정 방법에 대해서 설명한다.

(a) 단계 S200에서, 도 13에 도시하는 챔버(101) 안에 계측 대상 혼합 가스를 도입한다. 다음에, 단계 S201에서, 도 1 및 도 2에 도시하는 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)는, 계측 대상 혼합 가스의 온도 T_I를 검출한다. 또한, 도 13에 도시하는 구동 회로(303)는, 마이크로칩(8)의 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)에 약한 구동 전력 P_H0을 부여한다. 또한, 도 13에 도시하는 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)에 구동 전력 P_H1을 부여하고, 발열 소자(61)를 100℃로 발열시킨다. 그 후 도 13에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 상기 식 (14)를 이용하여, 발열 소자(61)의 온도가 100℃인 경우의 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I1의 값을 산출한다. 또한, 방열 계수 산출 모듈(301)은, 발열 소자(61)의 온도가 100℃인 경우의 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I1의 값을 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

(b) 단계 S202에서, 도 13에 도시하는 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도의 전환이 완료되었는지의 여부를 판정한다. 온도 150℃ 및 온도 200℃로의 전환이 완료되어 있지 않는 경우에는, 단계 S201로 되돌아가고, 도 13에 도시하는 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)를 150℃로 발열시킨다. 도 13에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 발열 소자(61)의 온도가 150℃인 경우의 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I2의 값을 산출하고, 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

(c) 다시 단계 S202에서, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도 전환이 완료되었는지의 여부를 판정한다. 온도 200℃로의 전환이 완료되어 있지 않는 경우에는, 단계 S201로 되돌아가고, 도 13에 도시하는 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)를 200℃로 발열시킨다. 도 13에 도시하는 방열 계수 산출 모듈(301)은, 발열 소자(61)의 온도가 200℃인 경우의 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수 M_I3의 값을 산출하여, 방열 계수 기억 장치(401)에 보존한다.

(d) 발열 소자(61)의 온도 전환이 완료된 경우에는, 단계 S202로부터 단계 S203으로 진행한다. 단계 S203에서, 도 13에 도시하는 발열량 산출 모듈(305)은, 식 기억 장치(402)로부터, 발열 소자(61)의 온도가 100℃, 150℃, 및 200℃인 경우의 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)를 독립 변수로 하는 발열량 산출식을 판독한다. 또한 발열량 산출 모듈(305)은, 방열 계수 기억 장치(401)로부터, 발열 소자(61)의 온도가 100℃, 150℃ 및 200℃인 경우의 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 계측값을 판독한다.

(e) 단계 S204에서, 발열량 산출 모듈(305)은, 발열량 산출식의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 독립 변수에 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 계측값을 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 값을 산출한다. 그 후, 발열량 산출 모듈(305)은, 산출한 발열량(Q)의 값을 발열량 기억 장치(403)에 보존하여, 제4 실시형태에 따른 발열량 측정 방법을 종료한다.

이상 설명한 제4 실시형태에 따른 발열량 산출 방법에 의하면, 고가의 가스크로마토그래피 장치나 음속 센서를 이용하지 않고, 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수(M_I1, M_I2, M_I3)의 계측값으로부터, 계측 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 값을 측정하는 것이 가능해진다.

천연 가스는, 산출 가스전에 의해 탄화수소의 성분 비율이 상이하다. 또한, 천연 가스에는, 탄화수소 외에, 질소(N₂)나 탄산가스(CO₂) 등이 포함된다. 이 때문에 산출 가스전에 의해, 천연 가스에 포함되는 가스 성분의 체적률은 상이하고, 가스 성분의 종류가 기지여도, 천연 가스의 발열량(Q)은 미지인 경우가 많다. 또한, 동일한 가스전 유래의 천연 가스라도, 발열량(Q)이 항상 일정하다고는 할 수 없고, 채취 시기에 따라 변화하는 경우도 있다.

종래, 천연 가스의 사용 요금을 징수할 때는, 천연 가스의 사용 발열량(Q)이 아니라, 사용 체적에 따라 과금하는 방법이 취해지고 있다. 그러나, 천연 가스는 유래되는 산출 가스전에 의해 발열량(Q)이 상이하기 때문에, 사용 체적으로 과금하는 것은 공평하지 않다. 이것에 대하여, 제4 실시형태에 따른 발열량 산출 방법을 이용하면, 가스 성분의 종류가 기지이지만, 가스 성분의 체적률이 미지이기 때문에 발열량(Q)이 미지인 천연 가스 등의 혼합 가스의 발열량(Q)을, 간이하게 산출하는 것이 가능해진다. 이 때문에 공평한 사용 요금을 징수하는 것이 가능해진다.

또한, 유리 가공품의 제조업에서는, 유리를 가열 가공할 때, 가공 정밀도를 일정하게 유지하기 위해, 일정한 발열량(Q)을 갖는 천연 가스가 공급되는 것이 요구되고 있다. 이를 위해서는, 복수의 가스전 유래의 천연 가스 각각의 발열량(Q)을 정확히 파악하고, 모든 천연 가스의 발열량(Q)이 동일하게 되도록 조정한 후에, 유리의 가열 가공 공정에 천연 가스를 공급하는 것이 검토되어 있다. 이것에 대하여, 제4 실시형태에 따른 발열량 산출 방법을 이용하면, 복수의 가스전 유래의 천연 가스 각각의 발열량(Q)을 정확하게 파악하는 것이 가능해지기 때문에, 유리의 가열 가공 정밀도를 일정하게 유지하는 것이 가능해진다.

또한, 제4 실시형태에 따른 발열량 산출 방법에 의하면, 천연 가스 등의 혼합 가스의 정확한 발열량(Q)을 용이하게 아는 것이 가능해지기 때문에, 혼합 가스를 연소시키는 경우에 필요한 공기량을 적절히 설정하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 쓸데없는 이산화탄소(CO₂)의 배출량을 삭감하는 것도 가능해진다.

(실시예 1)

우선, 도 15에 도시하는 바와 같이 발열량(Q)의 값이 기지인 28종류의 샘플 혼합 가스를 준비하였다. 28종류의 샘플 혼합 가스 각각은, 가스 성분으로서 메탄(CH₄), 에탄(C₂H₆), 프로판(C₃H₈), 부탄(C₄H₁₀), 질소(N₂), 및 이산화탄소(CO₂) 중 어느 하나 또는 전부를 포함하고 있었다. 예컨대 No.7의 샘플 혼합 가스는, 90 vol%의 메탄, 3 vol%의 에탄, 1 vol%의 프로판, 1 vol%의 부탄, 4 vol%의 질소, 및 1 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있었다. 또한, No.8의 샘플 혼합 가스는 85 vol%의 메탄, 10 vol%의 에탄, 3 vol%의 프로판, 및 2 vol%의 부탄을 포함하고, 질소 및 이산화탄소를 포함하고 있지 않았다. 또한, No.9의 샘플 혼합 가스는 85 vol%의 메탄, 8 vol%의 에탄, 2 vol%의 프로판, 1 vol%의 부탄, 2 vol%의 질소, 및 2 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있었다.

다음에, 28종류의 샘플 혼합 가스 각각의 방열 계수 M_I의 값을, 발열 소자의 온도를 100℃, 150℃, 및 200℃로 설정하여 계측하였다. 또한, 예컨대 No.7의 샘플 혼합 가스는 6종류의 가스 성분을 포함하고 있지만, 전술한 바와 같이, 에탄(C₂H₆)과 부탄(C₄H₁₀)은, 메탄(CH₄)과 프로판(C₃H₈)의 혼합물로 간주할 수 있기 때문에, 방열 계수 M_I의 값을 3종류의 온도로 계측하여도 문제없다. 그 후, 28종류의 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)의 값과, 계측된 방열 계수 M_I의 값에 기초하여, 서포트 벡터 회귀에 의해, 방열 계수 M_I를 독립 변수로 하고, 발열량(Q)을 종속 변수로 하는, 발열량(Q)을 산출하기 위한 1차 방정식, 2차 방정식 및 3차 방정식을 작성하였다.

발열량(Q)을 산출하기 위한 1차 방정식을 작성할 때에는, 캘리브레이션·포인트는 3개 내지 5개를 기준으로, 적절하게 결정할 수 있다. 작성된 1차 방정식은 하기 식 (35)로 주어졌다. 28종류의 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)을 식 (35)로 산출하고, 실제 발열량(Q)과 비교한 바, 최대 오차는 2.1%였다.

Q=39.91-20.59×M_I(100℃)-0.89×M_I(150℃)+19.73×M_I(200℃)…(35)

발열량(Q)을 산출하기 위한 2차 방정식을 작성할 때는, 캘리브레이션·포인트는 8개 또는 9개를 기준으로, 적절하게 결정할 수 있다. 28종류의 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)을 작성된 2차 방정식으로 산출하고, 실제 발열량(Q)과 비교한 바, 최대 오차는 1.2% 내지 1.4%였다.

발열량(Q)을 산출하기 위한 3차 방정식을 작성할 때는, 캘리브레이션·포인트는 10개 내지 14개를 기준으로, 적절하게 결정할 수 있다. 28종류의 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)을 작성된 3차 방정식으로 산출하고, 실제 발열량(Q)과 비교한 바, 최대 오차는 1.2% 미만이었다. 도 16 및 도 17에 도시하는 바와 같이, 10개의 캘리브레이션·포인트를 취하여 작성된 3차 방정식으로 산출된 발열량(Q)은, 실제 발열량(Q)에 양호하게 근사했다.

8: 마이크로칩, 10: 계측 기구, 18: 단열 부재, 20, 21: 가스 물성값 측정 시스템, 31A, 31B, 31C, 31D: 가스압 조절기, 32A, 32B, 32C, 32D: 유량 제어 장치, 50A, 50B, 50C, 50D: 가스봄베, 60: 기판, 61: 발열 소자, 62: 제1 측온 소자, 63: 제2 측온 소자, 64: 보온 소자, 65: 절연막, 66: 캐비티, 91A, 91B, 91C, 91D, 92A, 92B, 92C, 92D, 93, 102, 103: 유로, 101: 챔버, 61, 162, 163, 164, 165, 181, 182, 183: 저항 소자, 170, 171: 연산 증폭기, 301: 방열 계수 산출 모듈, 302: 식 작성 모듈, 303: 구동 회로, 305: 발열량 산출 모듈, 312: 입력 장치, 313: 출력 장치, 322: 열전도율 산출 모듈, 323: 농도 산출 모듈, 401: 방열 계수 기억 장치, 402: 식 기억 장치, 403: 발열량 기억 장치, 411: 열전도율 기억 장치, 412: 농도 기억 장치

Claims

복수의 혼합 가스가 주입되는 용기와,
상기 용기에 배치된 발열 소자와,
상기 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 상기 발열 소자의 저항값과, 상기 발열 소자의 온도가 상기 분위기 온도보다 높은 경우의 상기 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 상기 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 상기 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 상기 복수의 혼합 가스 각각의 방열 계수의 값을 계측하는 계측 기구와,
상기 복수의 혼합 가스의 기지(旣知)인 발열량의 값과, 상기 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대하여 계측된 상기 방열 계수의 값에 기초하여, 상기 복수의 발열 온도에 대한 방열 계수를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 식 작성 모듈
을 포함하는 발열량 산출식 작성 시스템.
제1항에 있어서, 상기 복수의 발열 온도의 수가, 적어도 상기 복수의 혼합 가스 각각이 포함하는 가스 성분의 수로부터 1을 뺀 수인 것인 발열량 산출식 작성 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 식 작성 모듈이, 서포트 벡터 회귀를 이용하여 상기 발열량 산출식을 작성하는 것인 발열량 산출식 작성 시스템.
복수의 혼합 가스를 준비하는 단계와,
발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 상기 발열 소자의 저항값과, 상기 발열 소자의 온도가 상기 분위기 온도보다 높은 경우의 상기 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 상기 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 상기 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 상기 복수의 혼합 가스 각각의 방열 계수의 값을 계측하는 단계와,
상기 복수의 혼합 가스의 기지인 발열량의 값과, 상기 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대하여 계측된 상기 방열 계수의 값에 기초하여, 상기 복수의 발열 온도에 대한 방열 계수를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 단계
를 포함하는 발열량 산출식 작성 방법
제4항에 있어서, 상기 복수의 발열 온도의 수가, 적어도 상기 복수의 혼합 가스 각각이 포함하는 가스 성분의 수로부터 1을 뺀 수인 것인 발열량 산출식 작성 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 발열량 산출식을 작성하는 단계에서, 서포트 벡터 회귀가 이용되는 것인 발열량 산출식 작성 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 복수의 혼합 가스 각각이 천연 가스인 것인 발열량 산출식 작성 방법.
발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스가 주입되는 용기와,
상기 용기에 배치된 발열 소자와,
상기 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 상기 발열 소자의 저항값과, 상기 발열 소자의 온도가 상기 분위기 온도보다 높은 경우의 상기 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 상기 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 상기 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 상기 계측 대상의 혼합 가스의 방열 계수의 값을 계측하는 계측 기구와,
상기 복수의 발열 온도에 대한 상기 방열 계수를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 보존하는 식 기억 장치와,
상기 발열량 산출식의 방열 계수의 독립 변수에 상기 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수의 값을 대입하여, 상기 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 발열량 산출 모듈
을 포함하는 발열량 측정 시스템.
제8항에 있어서, 상기 복수의 발열 온도의 수가, 적어도 상기 계측 대상 혼합 가스에 포함되는 복수 종류의 가스 성분의 수로부터 1을 뺀 수인 것인 발열량 측정 시스템.
제8항 또는 제9항에 있어서, 복수 종류의 가스 성분을 포함하는 복수의 샘플 혼합 가스의 발열량의 값과, 상기 복수의 발열 온도로 계측된 상기 복수의 샘플 혼합 가스의 방열 계수의 값에 기초하여, 상기 복수의 발열 온도에서의 방열 계수를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식이 작성된 것인 발열량 측정 시스템.
발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스를 준비하는 단계와,
발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 상기 발열 소자의 저항값과, 상기 발열 소자의 온도가 상기 분위기 온도보다 높은 경우의 상기 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 상기 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 상기 발열 소자의 복수의 발열 온도에 대한 상기 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수의 값을 계측하는 단계와,
상기 복수의 발열 온도에 대한 상기 방열 계수를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 준비하는 단계와,
상기 발열량 산출식의 방열 계수의 독립 변수에 상기 계측 대상 혼합 가스의 방열 계수의 값을 대입하여, 상기 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 단계
를 포함하는 발열량 측정 방법.
제11항에 있어서, 상기 복수의 발열 온도의 수가, 적어도 상기 계측 대상 혼합 가스에 포함되는 복수 종류의 가스 성분의 수로부터 1을 뺀 수인 것인 발열량 측정 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 복수 종류의 가스 성분을 포함하는 복수의 샘플 혼합 가스의 발열량의 값과, 상기 복수의 발열 온도로 계측된 상기 복수의 샘플 혼합 가스의 방열 계수의 값에 기초하여, 상기 복수의 발열 온도에서의 방열 계수를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식이 작성된 것인 발열량 측정 방법.
가스가 주입되는 용기와,
상기 용기에 배치된 발열 소자와,
상기 발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 상기 발열 소자의 저항값과, 상기 발열 소자의 온도가 상기 분위기 온도보다 높은 경우의 상기 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 상기 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 상기 가스의 방열 계수의 값을 계측하는 계측 기구
를 포함하는 물성 계측 시스템
제14항에 있어서, 상기 계측된 방열 계수의 값에 기초하여, 상기 가스의 열전도율을 산출하는 열전도율 산출 모듈을 더 포함하는 물성 계측 시스템.
가스를 준비하는 단계와,
발열 소자의 온도가 분위기 온도와 근사한 경우의 상기 발열 소자의 저항값과, 상기 발열 소자의 온도가 상기 분위기 온도보다 높은 경우의 상기 발열 소자의 저항값의 비에 기초하여, 상기 발열 소자의 저항값의 드리프트를 보정하고, 상기 가스의 방열 계수의 값을 계측하는 단계
를 포함하는 물성 계측 방법.