KR101245437B1 - 발열량 산출식 작성 시스템, 발열량 산출식 작성 방법, 발열량 측정 시스템 및 발열량 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스의 발열량을 용이하게 측정할 수 있는 발열량 산출식 작성 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
복수의 혼합 가스의 각각이 주입되는 챔버(101)와, 챔버(101)에 배치되어, 측온 소자 및 복수의 발열 온도로 발열하는 발열 소자를 포함하는 마이크로칩(8)과, 복수의 혼합 가스 각각의 온도에 의존하는, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 복수의 발열 온도의 각각에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 계측하는 계측 모듈(301)과, 복수의 혼합 가스의 기지의 발열량의 값, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 측온 소자로부터의 전기 신호 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 식 작성 모듈을 구비하는 발열량 산출식 작성 시스템을 제공한다.
복수의 혼합 가스의 각각이 주입되는 챔버(101)와, 챔버(101)에 배치되어, 측온 소자 및 복수의 발열 온도로 발열하는 발열 소자를 포함하는 마이크로칩(8)과, 복수의 혼합 가스 각각의 온도에 의존하는, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 복수의 발열 온도의 각각에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 계측하는 계측 모듈(301)과, 복수의 혼합 가스의 기지의 발열량의 값, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 측온 소자로부터의 전기 신호 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 식 작성 모듈을 구비하는 발열량 산출식 작성 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 가스 검사 기술에 관한 것이며, 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 측정함으로써, 혼합 가스에 포함되는 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 질소(N2), 및 탄산 가스(CO2)의 성분 비율을 산출하여, 혼합 가스의 발열량을 구하는 방법도 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 1 참조.).
그러나, 특허문헌 1에 개시된 방법은, 열전도율을 측정하기 위한 센서 외에, 음속을 측정하기 위한 고가의 음속 센서가 필요하다. 그래서, 본 발명은 가스의 발열량을 용이하게 측정할 수 있는 발열량 산출식 작성 시스템, 발열량 산출식 작성 방법, 발열량 측정 시스템, 및 발열량 측정 방법을 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
본 발명의 양태에 의하면, (a) 복수의 혼합 가스의 각각이 주입되는 용기와, (b) 용기에 배치된 측온 소자와, (c) 용기에 배치되며, 복수의 발열 온도로 발열하는 발열 소자와, (d) 복수의 혼합 가스 각각의 온도에 의존하는, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값과, 복수의 발열 온도의 각각에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 계측하는 계측 모듈과, (e) 복수의 혼합 가스의 기지의 발열량의 값, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 측온 소자로부터의 전기 신호 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 식 작성 모듈을 포함하는 발열량 산출식 작성 시스템이 제공된다.
본 발명의 양태에 의하면, (a) 복수의 혼합 가스를 준비하는 단계와, (b) 복수의 혼합 가스 각각의 온도에 의존하는 측온 소자로부터의 전기 신호의 값을 얻는 단계와, (c) 복수의 혼합 가스의 각각에 접하는 발열 소자를 복수의 발열 온도로 발열시키는 단계와, (d) 복수의 발열 온도의 각각에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 얻는 단계와, (e) 복수의 혼합 가스의 기지의 발열량의 값, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 측온 소자로부터의 전기 신호 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 단계를 포함하는 발열량 산출식 작성 방법이 제공된다.
본 발명의 양태에 의하면, (a) 발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스가 주입되는 용기와, (b) 용기에 배치된 측온 소자와, (c) 용기에 배치되며, 복수의 발열 온도로 발열하는 발열 소자와, (d) 계측 대상 혼합 가스의 온도에 의존하는, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값과, 복수의 발열 온도의 각각에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 계측하는 계측 모듈과, (e) 측온 소자로부터의 전기 신호 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 보존하는 식 기억 장치와, (f) 발열량 산출식에 있어서 측온 소자로부터의 전기 신호의 독립 변수, 및 발열 소자로부터의 전기 신호의 독립 변수에, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 발열량 산출 모듈을 포함하는 발열량 측정 시스템이 제공된다.
본 발명의 양태에 의하면, (a) 발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스를 준비하는 단계와, (b) 계측 대상 혼합 가스의 온도에 의존하는, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값을 얻는 단계와, (c) 계측 대상 혼합 가스에 접하는 발열 소자를 복수의 발열 온도로 발열시키는 단계와, (d) 복수의 발열 온도의 각각에서의 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 얻는 단계와, (e) 측온 소자로부터의 전기 신호 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 준비하는 단계와, (f) 발열량 산출식에 있어서 측온 소자로부터의 전기 신호의 독립 변수, 및 발열 소자로부터의 전기 신호의 독립 변수에, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 단계를 포함하는 발열량 측정 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 가스의 발열량을 용이하게 측정할 수 있는 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 발열량 측정 방법을 도시하는 흐름도.
도 11은 본 발명의 실시형태의 실시예 2에 따른 샘플 혼합 가스의 산출된 발열량의 실제값으로부터의 오차를 도시하는 제1 그래프.
도 12는 본 발명의 실시형태의 실시예 2에 따른 샘플 혼합 가스의 산출된 발열량의 실제값으로부터의 오차를 도시하는 제2 그래프.
도 13은 본 발명의 실시형태의 실시예 2에 따른 샘플 혼합 가스의 산출된 발열량의 실제값으로부터의 오차를 도시하는 제3 그래프.
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 발열량 측정 방법을 도시하는 흐름도.
도 11은 본 발명의 실시형태의 실시예 2에 따른 샘플 혼합 가스의 산출된 발열량의 실제값으로부터의 오차를 도시하는 제1 그래프.
도 12는 본 발명의 실시형태의 실시예 2에 따른 샘플 혼합 가스의 산출된 발열량의 실제값으로부터의 오차를 도시하는 제2 그래프.
도 13은 본 발명의 실시형태의 실시예 2에 따른 샘플 혼합 가스의 산출된 발열량의 실제값으로부터의 오차를 도시하는 제3 그래프.
이하에 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하의 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. 절연막(65)의 캐비티(66)를 덮는 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 인가되면 발열하여, 발열 소자(61)에 접하는 분위기 가스를 가열한다. 제1 측온 소자(62) 및 제2 측온 소자(63)는, 예컨대 저항기 등의 수동 소자 등의 전자 소자이고, 분위기 가스의 가스 온도에 의존한 전기 신호를 출력한다. 이하에서는, 제1 측온 소자(62)의 출력 신호를 이용하는 예를 설명하지만, 이것에 한정되지 않고, 예컨대 제1 측온 소자(62)의 출력 신호 및 제2 측온 소자(63)의 출력 신호의 평균값을, 측온 소자의 출력 신호로서 이용하여도 좋다.
보온 소자(64)는, 예컨대 저항기이고, 전력이 인가되면 발열하여, 기판(60)의 온도를 일정하게 유지한다. 기판(60)의 재료로서는, 실리콘(Si) 등을 사용할 수 있다. 절연막(65)의 재료로서는, 산화규소(SiO2) 등을 사용할 수 있다. 캐비티(66)는, 이방성 에칭 등에 의해 형성된다. 또한 발열 소자(61), 제1 측온 소자(62), 제2 측온 소자(63), 및 보온 소자(64)의 각각의 재료에는 백금(Pt) 등을 사용할 수 있고, 리소그래피법 등에 의해 형성할 수 있다. 또한 발열 소자(61), 제1 측온 소자(62), 및 제2 측온 소자(63)는 동일한 부재로 이루어져도 좋다.
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 고정함으로써, 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 +입력 단자가 전기적으로 접속되고, 타단은 접지된다. 또한, 연산 증폭기(170)의 +입력 단자 및 출력 단자와 병렬로, 저항 소자(161)가 접속된다. 연산 증폭기(170)의 -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 저항 소자(165)의 접지 단자에 전기적으로 접속된다. 각 저항 소자(162-165)의 저항값을 적절하게 정하는 것에 의해, 예컨대 5.0 V의 전압(Vin)을 저항 소자(162)의 일단에 인가하면, 저항 소자(163)와 저항 소자(162) 사이에는, 예컨대 2.4 V의 전압(VL3)이 생긴다. 또한 저항 소자(164)와 저항 소자(163) 사이에는, 예컨대 1.9 V의 전압(VL2)이 생기고, 저항 소자(165)와 저항 소자(164) 사이에는, 예컨대 1.4 V의 전압(VL1)이 생긴다.
저항 소자(162) 및 저항 소자(163) 사이와, 연산 증폭기의 -입력 단자의 사이에는, 스위치(SW1)가 설치되어 있고, 저항 소자(163) 및 저항 소자(164) 사이와, 연산 증폭기의 -입력 단자의 사이에는, 스위치(SW2)가 설치되어 있다. 또한 저항 소자(164) 및 저항 소자(165) 사이와, 연산 증폭기의 -입력 단자의 사이에는, 스위치(SW3)가 설치되어 있고, 저항 소자(165)의 접지 단자와, 연산 증폭기의 -입력 단자의 사이에는 스위치(SW4)가 설치되어 있다.
연산 증폭기(170)의 -입력 단자에 2.4 V의 전압(VL3)을 인가하는 경우, 스위치(SW1)만이 통전되고, 스위치(SW2, SW3, SW4)는 절단된다. 연산 증폭기(170)의 -입력 단자에 1.9 V의 전압(VL2)을 인가하는 경우, 스위치(SW2)만이 통전되고, 스위치(SW1, SW3, SW4)는 절단된다. 연산 증폭기(170)의 -입력 단자에 1.4 V의 전압(VL1)을 인가하는 경우, 스위치(SW3)만이 통전되고, 스위치(SW1, SW2, SW4)는 절단된다. 연산 증폭기(170)의 -입력 단자에 0 V의 전압(VL0)을 인가하는 경우, 스위치(SW4)만이 통전되고, 스위치(SW1, SW2, SW3)는 절단된다. 따라서, 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)의 개폐에 의해, 연산 증폭기(170)의 -입력 단자에 0 V 또는 3단계의 전압 중 어느 하나를 인가할 수 있다. 이 때문에 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)의 개폐에 의해, 발열 소자(61)의 발열 온도를 정하는 인가 전압을 3단계로 설정할 수 있다.
여기서, 연산 증폭기(170)의 -입력 단자에 1.4 V의 전압(VL1)을 인가한 경우의 발열 소자(61)의 온도를 TH1로 한다. 또한, 연산 증폭기(170)의 -입력 단자에 1.9 V의 전압(VL2)을 인가한 경우의 발열 소자(61)의 온도를 TH2, 연산 증폭기(170)의 -입력 단자에 2.4 V의 전압(VL3)을 인가한 경우의 발열 소자(61)의 온도를 TH3로 한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 제1 측온 소자(62)의 일단에는, 예컨대 연산 증폭기(270)의 -입력 단자가 전기적으로 접속되고, 타단은 접지된다. 또한, 연산 증폭기(270)의 -입력 단자 및 출력 단자와 병렬로, 저항 소자(261)가 접속된다. 연산 증폭기(270)의 +입력 단자는, 직렬로 접속된 저항 소자(264)와 저항 소자(265)의 사이에 전기적으로 접속된다. 이것에 의해, 제1 측온 소자(62)에는, 0.3 V 정도의 약한 전압이 가해진다.
도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 저항값은, 발열 소자(61)의 온도에 의해 변화한다. 발열 소자(61)의 온도(TH)와, 발열 소자(61)의 저항값(RH)의 관계는, 하기 식(1)로 주어진다.
RH=RH_STD×[1+αH(TH-TH_STD)+βH(TH-TH_STD)2]…(1)
여기서, TH_STD는 발열 소자(61)의 표준 온도를 나타내고, 예컨대 20℃이다. RH_STD는 표준 온도(TH_STD)에서의 미리 계측된 발열 소자(61)의 저항값을 나타낸다. αH는 1차 저항 온도 계수를 나타낸다. βH는 2차 저항 온도 계수를 나타낸다.
발열 소자(61)의 저항값(RH)은, 발열 소자(61)의 구동 전력(PH)과, 발열 소자(61)의 통전 전류(IH)로부터, 하기 식 (2)로 주어진다.
RH=PH/IH 2…(2)
또는 발열 소자(61)의 저항값(RH)은, 발열 소자(61)에 걸리는 전압(VH)과, 발열 소자(61)의 통전 전류(IH)로부터, 하기 식 (3)으로 주어진다.
RH=VH/IH…(3)
여기서, 발열 소자(61)의 온도(TH)는, 발열 소자(61)와 분위기 가스의 사이가 열적으로 평형이 되었을 때에 안정된다. 또한, 열적으로 평형인 상태란, 발열 소자(61)의 발열과, 발열 소자(61)로부터 분위기 가스로의 방열이 균형 잡힌 상태를 말한다. 하기 식 (4)에 나타낸 바와 같이, 평형 상태에서의 발열 소자(61)의 구동 전력(PH)을, 발열 소자(61)의 온도(TH)와 분위기 가스의 온도(TI)의 차(ΔTH)로 나누는 것에 의해, 분위기 가스의 방열 계수(MI)를 얻을 수 있다. 또한, 방열 계수(MI)의 단위는, 예컨대 W/℃이다.
MI=PH/(TH-TI)
=PH/ΔTH…(4)
상기 식 (1)로부터, 발열 소자(61)의 온도(TH)는 하기 식 (5)로 주어진다.
TH=(1/2βH)×[-αH+[αH 2-4βH(1-RH/RH_STD)]1/2]+TH_STD…(5)
따라서, 발열 소자(61)의 온도(TH)와 분위기 가스의 온도(TI)의 차(ΔTH)는, 하기 식 (6)으로 주어진다.
ΔTH=(1/2βH)×[-αH+[αH 2-4βH(1-RH/RH _ STD)]1/2]+TH _ STD-TI…(6)
분위기 가스의 온도(TI)는, 자기 발열하지 않는 정도의 전력이 인가되는 제1 측온 소자(62)의 온도(TI)에 근사한다. 제1 측온 소자(62)의 온도(TI)와, 제1 측온 소자(62)의 저항값(RI)의 관계는, 하기 식 (7)로 주어진다.
RI=RI_STD×[1+αI(TI-TI_STD)+βI(TI-TI_STD)2]…(7)
TI_STD는 제1 측온 소자(62)의 표준 온도를 나타내고, 예컨대 20℃이다. RI_STD는 표준 온도(TI_STD)에서의 미리 계측된 제1 측온 소자(62)의 저항값을 나타낸다. αI는 1차 저항 온도 계수를 나타낸다. βI는 2차 저항 온도 계수를 나타낸다. 상기 식 (7)로부터, 제1 측온 소자(62)의 온도(TI)는 하기 식 (8)로 주어진다.
TI=(1/2βI)×[-αI+[αI 2-4βI(1-RI/RI_STD)]1/2]+TI_STD…(8)
따라서, 분위기 가스의 방열 계수(MI)는, 하기 식 (9)로 주어진다.
MI=PH/ΔTH
=PH/[(1/2βH)[-αH+[αH 2-4βH(1-RH/RH_STD)]1/2]+TH_STD-(1/2βI)[-αI+[αI 2-4βI(1-RI/RI_STD)]1/2]-TI_STD]…(9)
발열 소자(61)의 통전 전류(IH)와, 구동 전력(PH) 또는 전압(VH)은 계측할 수 있기 때문에, 상기 식 (2) 또는 식 (3)으로부터 발열 소자(61)의 저항값(RH)을 산출할 수 있다. 마찬가지로, 제1 측온 소자(62)의 저항값(RI)도 산출할 수 있다. 따라서, 마이크로칩(8)을 이용하여, 상기 식 (9)로부터 분위기 가스의 방열 계수(MI)를 산출할 수 있다.
또한, 보온 소자(64)로 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 근사한다. 이 때문에, 발열 소자(61)가 발열하기 전의 분위기 가스의 온도의 변동이 억제된다. 온도 변동이 한번 억제된 분위기 가스를 발열 소자(61)로 더 가열함으로써, 보다 높은 정밀도로 방열 계수(MI)를 산출할 수 있게 된다.
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(VA), 가스 B의 체적률(VB), 가스 C의 체적률(VC) 및 가스 D의 체적률(VD)의 총합은, 하기 식 (10)으로 주어지는 바와 같이, 1이다.
VA+VB+VC+VD=1…(10)
또한, 가스 A의 단위 체적당의 발열량을 KA, 가스 B의 단위 체적당의 발열량을 KB, 가스 C의 단위 체적당의 발열량을 KC, 가스 D의 단위 체적당의 발열량을 KD라고 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 (11)로 주어진다. 또한, 단위 체적당의 발열량의 단위는, 예컨대 MJ/m3이다.
Q=KA×VA+KB×VB+KC×VC+KD×VD…(11)
또한, 가스 A의 방열 계수를 MA, 가스 B의 방열 계수를 MB, 가스 C의 방열 계수를 MC, 가스 D의 방열 계수를 MD라고 하면, 혼합 가스의 방열 계수(MI)는, 각 가스 성분의 체적률에, 각 가스 성분의 방열 계수를 곱한 것의 총합으로 주어진다. 따라서, 혼합 가스의 방열 계수(MI)는, 하기 식 (12)로 주어진다.
MI=MA×VA+MB×VB+MC×VC+MD×VD…(12)
또한, 가스의 방열 계수는 발열 소자(61)의 온도(TH)에 의존하기 때문에, 혼합 가스의 방열 계수(MI)는, 발열 소자(61)의 온도(TH)의 함수로서, 하기 식 (13)으로 주어진다.
MI(TH)=MA(TH)×VA+MB(TH)×VB+MC(TH)×VC+MD(TH)×VD…(13)
따라서, 발열 소자(61)의 온도가 TH1일 때의 혼합 가스의 방열 계수[MI1(TH1)]는 하기 식 (14)로 주어진다. 또한, 발열 소자(61)의 온도가 TH2일 때의 혼합 가스의 방열 계수[MI2(TH2)]는 하기 식 (15)로 주어지고, 발열 소자(61)의 온도가 TH3일 때의 혼합 가스의 방열 계수[MI3(TH3)]는 하기 식 (16)으로 주어진다.
MI1(TH1)=MA(TH1)×VA+MB(TH1)×VB+MC(TH1)×VC+MD(TH1)×VD…(14)
MI2(TH2)=MA(TH2)×VA+MB(TH2)×VB+MC(TH2)×VC+MD(TH2)×VD…(15)
MI3(TH3)=MA(TH3)×VA+MB(TH3)×VB+MC(TH3)×VC+MD(TH3)×VD…(16)
여기서, 발열 소자(61)의 온도(TH)에 대하여 각 가스 성분의 방열 계수[MA(TH), MB(TH), MC(TH), MD(TH)]가 비선형성을 갖는 경우, 상기 식 (14) 내지 (16)은, 선형 독립인 관계를 갖는다. 또한 발열 소자(61)의 온도(TH)에 대하여 각 가스 성분의 방열 계수[MA(TH), MB(TH), MC(TH), MD(TH)]가 선형성을 갖는 경우라도, 발열 소자(61)의 온도(TH)에 대한 각 가스 성분의 방열 계수[MA(TH), MB(TH), MC(TH), MD(TH)]의 변화율이 상이한 경우는, 상기 식 (14) 내지 (16)은, 선형 독립인 관계를 갖는다. 또한 식 (14) 내지 (16)이 선형 독립인 관계를 갖는 경우, 식 (10) 및 (14) 내지 (16)은 선형 독립인 관계를 갖는다.
도 5는, 천연 가스에 포함되는 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 질소(N2), 및 이산화탄소(CO2)의 방열 계수와, 발열 저항체인 발열 소자(61)의 온도의 관계를 도시하는 그래프이다. 발열 소자(61)의 온도에 대하여, 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 질소(N2), 및 이산화탄소(CO2) 각각의 가스 성분의 방열 계수는 선형성을 갖는다. 그러나, 발열 소자(61)의 온도에 대한 방열 계수의 변화율은 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 질소(N2), 및 이산화탄소(CO2)의 각각에서 상이하다. 따라서, 혼합 가스를 구성하는 가스 성분이 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 질소(N2), 및 이산화탄소(CO2)인 경우, 상기 식 (14) 내지 (16)은 선형 독립인 관계를 갖는다.
식 (14) 내지 (16) 중 각 가스 성분의 방열 계수[MA(TH1), MB(TH1), MC(TH1), MD(TH1), MA(TH2), MB(TH2), MC(TH2), MD(TH2), MA(TH3), MB(TH3), MC(TH3), MD(TH3)]의 값은, 계측 등에 의해 미리 얻을 수 있다. 따라서, 식 (10) 및 (14) 내지 (16)의 연립 방정식을 풀면, 가스 A의 체적률(VA), 가스 B의 체적률(VB), 가스 C의 체적률(VC), 및 가스 D의 체적률(VD)의 각각이, 하기 식 (17) 내지 (20)에 나타내는 바와 같이, 혼합 가스의 방열 계수[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]의 함수로서 주어진다. 또한 하기 식 (17) 내지 (20)에 있어서, n은 자연수로 하고, fn은 함수를 나타내는 기호이다.
VA=f1[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]…(17)
VB=f2[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]…(18)
VC=f3[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]…(19)
VD=f4[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]…(20)
여기서, 상기 식 (11)에 식 (17) 내지 (20)을 대입하는 것에 의해, 하기 식 (21)을 얻을 수 있다.
Q=KA×VA+KB×VB+KC×VC+KD×VD
=KA×f1[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]
+KB×f2[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]
+KC×f3[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]
+KD×f4[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]…(21)
상기 식 (21)에 나타내는 바와 같이, 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 발열 소자(61)의 온도가 TH1, TH2, TH3인 경우의 혼합 가스의 방열 계수[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]를 변수로 하는 방정식으로 주어진다. 따라서, 혼합 가스의 발열량(Q)은, g를 함수를 나타내는 기호로서, 하기 식 (22)로 주어진다.
Q=g[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]…(22)
따라서, 가스 A, 가스 B, 가스 C, 및 가스 D로 이루어지는 혼합 가스에 대해서, 미리 상기 식 (22)를 얻으면, 가스 A의 체적률(VA), 가스 B의 체적률(VB), 가스 C의 체적률(VC), 및 가스 D의 체적률(VD)이 미지인 검사 대상 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)을 용이하게 산출할 수 있는 것을, 발명자들은 발견하였다. 구체적으로는, 발열 소자(61)의 발열 온도가 TH1, TH2, TH3인 경우의 검사 대상 혼합 가스의 방열 계수[MI1(TH1), MI2(TH2), MI3(TH3)]를 계측하여, 식 (22)에 대입함으로써, 검사 대상 혼합 가스의 발열량(Q)을 일률적으로 구할 수 있게 된다.
또한, 혼합 가스의 방열 계수(MI)는, 상기 식 (9)에 나타내는 바와 같이, 발열 소자(61)의 저항값(RH)과, 제1 측온 소자(62)의 저항값(RI)에 의존한다. 그래서, 본 발명자들은, 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 하기 식 (23)에 나타내는 바와 같이, 발열 소자(61)의 온도가 TH1, TH2, TH3인 경우의 발열 소자(61)의 저항값[RH1(TH1), RH2(TH2), RH3(TH3)]과, 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)의 저항값(RI)을 변수로 하는 방정식으로도 주어지는 것을 발견하였다.
Q=g[RH1(TH1), RH2(TH2), RH3(TH3), RI]…(23)
따라서, 검사 대상 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)의 발열 온도가 TH1, TH2, TH3인 경우의 발열 소자(61)의 저항값[RH1(TH1), RH2(TH2), RH3(TH3)]과, 검사 대상 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)의 저항값(RI)을 계측하여, 식 (23)에 대입함으로써도, 검사 대상 혼합 가스의 발열량(Q)을 일률적으로 구할 수 있게 된다.
또한, 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 하기 식 (24)에 나타내는 바와 같이, 발열 소자(61)의 온도가 TH1, TH2, TH3인 경우의 발열 소자(61)의 통전 전류[IH1(TH1), IH2(TH2), IH3(TH3)]와, 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)의 통전 전류(II)를 변수로 하는 방정식으로도 주어진다.
Q=g[IH1(TH1), IH2(TH2), IH3(TH3), II]…(24)
또는 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 하기 식 (25)에 나타내는 바와 같이, 발열 소자(61)의 온도가 TH1, TH2, TH3인 경우의 발열 소자(61)에 걸리는 전압[VH1(TH1), VH2(TH2), VH3(TH3)]과, 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)에 관한 전압(VI)을 변수로 하는 방정식으로도 주어진다.
Q=g[VH1(TH1), VH2(TH2), VH3(TH3), VI]…(25)
또한 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 하기 식 (26)에 나타내는 바와 같이, 발열 소자(61)의 온도가 TH1, TH2, TH3인 경우의 발열 소자(61)에 접속된 아날로그 디지털 변환 회로(이하에서 「A/D 변환 회로」라고 함.)의 출력 신호[ADH1(TH1), ADH2(TH2), ADH3(TH3)]와, 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)에 접속된 A/D 변환 회로의 출력 신호(ADI)를 변수로 하는 방정식으로도 주어진다.
Q=g[ADH1(TH1), ADH2(TH2), ADH3(TH3), ADI]…(26)
따라서, 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)은, 하기 식 (27)에 나타내는 바와 같이, 발열 소자(61)의 발열 온도가 TH1, TH2, TH3인 경우의 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]와, 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)를 변수로 하는 방정식으로 주어진다.
Q=g[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3), SI]…(27)
또한, 혼합 가스의 가스 성분은, 4종류에 한정되지 않는다. 예컨대 혼합 가스가 n종류의 가스 성분으로 이루어지는 경우, 우선 하기 식 (28)로 주어지는, 적어도 n-1 종류의 발열 온도(TH1, TH2, TH3, …, THn -1)에서의 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3),…, SHn-1(THn-1)]와, 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)를 변수로 하는 방정식을 미리 취득한다. 그리고, n-1 종류의 발열 온도(TH1, TH2, TH3, …, THn-1)에서의, n종류의 가스 성분 각각의 체적률이 미지인 검사 대상 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3),…, SHn-1(THn-1)]의 값과, 검사 대상 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값을 계측하여, 식 (28)에 대입하는 것에 의해, 검사 대상 혼합 가스의 단위 체적당의 발열량(Q)을 일률적으로 구할 수 있게 된다.
Q=g[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3), …, SHn-1(THn-1), SI]…(28)
단, 혼합 가스가, 가스 성분으로서 메탄(CH4), 프로판(C3H8)에 추가로, j를 자연수로 할때, 메탄(CH4)과 프로판(C3H8) 이외의 알칸(CjH2j+2)을 포함하는 경우, 메탄(CH4)과 프로판(C3H8) 이외의 알칸(CjH2j+2)을, 메탄(CH4)과 프로판(C3H8)의 혼합물로 간주하여도, 식 (28)의 산출에는 영향을 미치지 않는다. 예컨대 에탄(C2H6), 부탄(C4H10), 펜탄(C5H12), 헥산(C6H14)을, 하기 식 (29) 내지 (32)에 나타내는 바와 같이, 각각 정해진 계수를 곱한 메탄(CH4)과 프로판(C3H8)의 혼합물로 간주하여 식 (28)을 산출하여도 상관없다.
C2H6=0.5 CH4+0.5 C3H8…(29)
C4H10=-0.5 CH4+1.5 C3H8…(30)
C5H12=-1.0 CH4+2.0 C3H8…(31)
C6H14=-1.5 CH4+2.5 C3H8…(32)
따라서, z를 자연수로 하면, n종류의 가스 성분으로 이루어지는 혼합 가스가, 가스 성분으로서 메탄(CH4), 프로판(C3H8)에 추가로, 메탄(CH4)과 프로판(C3H8) 이외의 z종류의 알칸(CjH2j+2)을 포함하는 경우, 적어도 n-z-1 종류의 발열 온도에서의 발열 소자(61)로부터의 전기 신호(SH)와, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)를 변수로 하는 방정식을 구하여도 좋다.
또한, 식 (28)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 (28)을 이용할 수 있는 것은 물론이다. 또한, 검사 대상 혼합 가스가 n종류보다 적은 종류의 가스 성분으로 이루어지고, n종류보다 적은 종류의 가스 성분이, 식 (28)의 산출에 이용된 혼합 가스에 포함되어 있는 경우도, 식 (28)을 이용할 수 있다. 예컨대 식 (28)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 (28)을 이용할 수 있다.
또한, 식 (28)의 산출에 이용된 혼합 가스가, 가스 성분으로서 메탄(CH4)과 프로판(C3H8)을 포함하는 경우, 검사 대상 혼합 가스가, 식 (28)의 산출에 이용된 혼합 가스에 포함되어 있지 않는 알칸(CjH2j+2)을 포함하고 있어도, 식 (28)을 이용할 수 있다. 이것은, 전술한 바와 같이, 메탄(CH4)과 프로판(C3H8) 이외의 알칸(CjH2j+2)을, 메탄(CH4)과 프로판(C3H8)의 혼합물로 간주하여도, 식 (28)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, 복수의 샘플 혼합 가스 각각이 주입되는 용기인 챔버(101)와, 챔버(101)에 배치되어, 도 1에 도시하는 제1 측온 소자(62) 및 복수의 발열 온도(TH)로 발열하는 발열 소자(61)를 포함하는 마이크로칩(8)을 구비한다. 또한 도 6에 도시하는 가스 물성값 측정 시스템(20)은, 복수의 샘플 혼합 가스 각각의 온도(TI)에 의존하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값과, 복수의 발열 온도(TH)의 각각에서의 발열 소자(61)로부터의 전기 신호(SH)의 값을 계측하는 계측 모듈(301)과, 복수의 혼합 가스의 기지의 발열량(Q)의 값, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값, 및 복수의 발열 온도에서의 발열 소자(61)로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI) 및 복수의 발열 온도(TH)에서의 발열 소자(61)로부터의 전기 신호(SH)를 독립 변수로 하고, 발열량(Q)을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 식 작성 모듈을 구비한다. 또한, 샘플 혼합 가스는, 복수 종류의 가스 성분을 포함한다.
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 가스 봄베(50A), 제2 샘플 혼합 가스를 저장하는 제2 가스 봄베(50B), 제3 샘플 혼합 가스를 저장하는 제3 가스 봄베(50C), 및 제4 샘플 혼합 가스를 저장하는 제4 가스 봄베(50D)가 준비된다. 제1 가스 봄베(50A)에는, 유로(91A)를 통해 제1 가스 봄베(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 가스 봄베(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 가스 봄베(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 가스 봄베(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 가스의 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.
도 6에 도시하는 챔버(101)에 제1 샘플 혼합 가스가 충전된 후, 도 1 및 도 2에 도시하는 마이크로칩(8)의 제1 측온 소자(62)는, 제1 샘플 혼합 가스의 온도에 의존하는 전기 신호(SI)를 출력한다. 다음에, 발열 소자(61)는, 도 6에 도시하는 구동 회로(303)로부터 구동 전력(PH1, PH2, PH3)이 부여된다. 구동 전력(PH1, PH2, PH3)이 부여된 경우, 제1 샘플 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)는, 예컨대 100℃의 온도(TH1), 150℃의 온도(TH2) 및 200℃의 온도(TH3)로 발열하여, 발열 온도(TH1)에서의 전기 신호[SH1(TH1)], 발열 온도(TH2)에서의 전기 신호[SH2(TH2)], 및 발열 온도(TH3)에서의 전기 신호[SH3(TH3)]를 출력한다.
챔버(101)로부터 제1 샘플 혼합 가스가 제거된 후, 제2 내지 제4 샘플 혼합 가스가 챔버(101)에 순차 충전된다. 제2 샘플 혼합 가스가 챔버(101)에 충전된 후, 도 1 및 도 2에 도시하는 마이크로칩(8)의 제1 측온 소자(62)는, 제2 샘플 혼합 가스의 온도에 의존하는 전기 신호(SI)를 출력한다. 다음에, 제2 샘플 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)는, 발열 온도(TH1)에서의 전기 신호[SH1(TH1)], 발열 온도(TH2)에서의 전기 신호[SH2(TH2)], 및 발열 온도(TH3)에서의 전기 신호[SH3(TH3)]를 출력한다.
제3 샘플 혼합 가스가 도 6에 도시하는 챔버(101)에 충전된 후, 도 1 및 도 2에 나타내는 마이크로칩(8)의 제1 측온 소자(62)는, 제3 샘플 혼합 가스의 온도에 의존하는 전기 신호(SI)를 출력한다. 다음에, 제3 샘플 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)는, 발열 온도(TH1)에서의 전기 신호[SH1(TH1)], 발열 온도(TH2)에서의 전기 신호[SH2(TH2)], 및 발열 온도(TH3)에서의 전기 신호[SH3(TH3)]를 출력한다.
제4 샘플 혼합 가스가 도 6에 도시하는 챔버(101)에 충전된 후, 도 1 및 도 2에 도시하는 마이크로칩(8)의 제1 측온 소자(62)는, 제4 샘플 혼합 가스의 온도에 의존하는 전기 신호(SI)를 출력한다. 다음에, 제4 샘플 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)는, 발열 온도(TH1)에서의 전기 신호[SH1(TH1)], 발열 온도(TH2)에서의 전기 신호[SH2(TH2)], 및 발열 온도(TH3)에서의 전기 신호[SH3(TH3)]를 출력한다.
또한, 각각의 샘플 혼합 가스가 n종류의 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(CjH2j+2)은, 메탄(CH4) 및 프로판(C3H8)의 혼합물로 간주할 수 있다. 따라서 z를 자연수로 하면, n종류의 가스 성분으로 이루어지는 샘플 혼합 가스가, 가스 성분으로서 메탄(CH4) 및 프로판(C3H8)에 추가로 z종류의 알칸(CjH2j+2)을 포함하는 경우는, 발열 소자(61)는, 적어도 n-z-1 종류의 상이한 온도로 발열된다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 마이크로칩(8)은, 계측 모듈(301)을 포함하는 중앙 연산 처리 장치[CPU(300)]에 접속되어 있다. CPU(300)에는, 전기 신호 기억 장치(401)가 접속되어 있다. 계측 모듈(301)은, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값과, 발열 소자(61)로부터의 발열 온도(TH1)에서의 전기 신호[SH1(TH1)], 발열 온도(TH2)에서의 전기 신호[SH2(TH2)], 및 발열 온도(TH3)에서의 전기 신호[SH3(TH3)]의 값을 계측하여, 계측값을 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다.
또한, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)란, 제1 측온 소자(62)의 저항값(RI), 제1 측온 소자(62)의 통전 전류(II), 제1 측온 소자(62)에 걸리는 전압(VI), 및 제1 측온 소자(62)에 접속된 A/D 변환 회로(304)의 출력 신호(ADI) 중 어느 것이어도 좋다. 마찬가지로, 발열 소자(61)로부터의 전기 신호(SH)란, 발열 소자(61)의 저항값(RH), 발열 소자(61)의 통전 전류(IH), 발열 소자(61)에 걸리는 전압(VH), 및 발열 소자(61)에 접속된 A/D 변환 회로(304)의 출력 신호(ADH) 중 어느 것이어도 좋다.
CPU(300)에 포함되는 식 작성 모듈(302)은, 예컨대 제1 내지 제4 샘플 혼합 가스 각각의 기지의 발열량(Q)의 값과, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 복수의 계측값과, 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 복수의 계측값을 수집한다. 또한 식 작성 모듈(302)은, 수집한 발열량(Q), 전기 신호(SI), 및 전기 신호(SH)의 값에 기초하여, 다변량 해석에 의해, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI) 및 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]를 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.
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. CPU(300)에는, 입력 장치(312) 및 출력 장치(313)가 접속된다. 입력 장치(312)로서는, 예컨대 키보드, 및 마우스 등의 포인팅 디바이스 등을 사용할 수 있다. 출력 장치(313)로는, 액정 디스플레이, 모니터 등의 화상 표시 장치, 및 프린터 등을 사용할 수 있다.
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 개방하여, 도 6에 도시하는 챔버(101) 안에 제1 샘플 혼합 가스를 도입한다. 단계 S101에서, 계측 모듈(301)은, 제1 샘플 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값을 계측하여, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다. 다음에, 구동 회로(303)는 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)에 구동 전력(PH1)을 부여하여, 발열 소자(61)를 100℃로 발열시킨다. 도 6에 도시하는 계측 모듈(301)은, 100℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1)]의 값을, 전기 신호 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 되돌아가, 도 6에 도시하는 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)를 150℃로 발열시킨다. 도 6에 도시하는 계측 모듈(301)은, 150℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH2(TH2)]의 값을, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다.
(c) 다시 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 되돌아가, 도 6에 도시하는 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)를 200℃로 발열시킨다. 도 6에 도시하는 계측 모듈(301)은, 200℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH3(TH3)]의 값을, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다.
(d) 발열 소자(61)의 온도의 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 내지 제4 유량 제어 장치(32C-32D)의 밸브를 폐쇄한 채 제2 유량 제어 장치(32B)의 밸브를 개방하여, 도 6에 도시하는 챔버(101) 안에 제2 샘플 혼합 가스를 도입한다.
(e) 제1 샘플 혼합 가스와 마찬가지로, 단계 S101 내지 단계 S102의 루프가 반복된다. 계측 모듈(301)은, 제2 샘플 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값을 계측하여, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다. 또한 계측 모듈(301)은, 제2 샘플 혼합 가스에 접하여, 100℃, 150℃, 및 200℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 값을, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다. 그 후, 단계 S100 내지 단계 S103의 루프가 반복된다. 이것에 의해, 제3 샘플 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값과, 제3 샘플 혼합 가스에 접하여 100℃, 150℃, 및 200℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 값과, 제4 샘플 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로터의 전기 신호(SI)의 값과, 제4 샘플 혼합 가스에 접하여, 100℃, 150℃, 및 200℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 값이 전기 신호 기억 장치(401)에 보존된다.
(f) 단계 S104에서, 입력 장치(312)로부터 식 작성 모듈(302)에, 제1 샘플 혼합 가스의 기지의 발열량(Q)의 값, 제2 샘플 혼합 가스의 기지의 발열량(Q)의 값, 제3 샘플 혼합 가스의 기지의 발열량(Q)의 값, 및 제4 샘플 혼합 가스의 기지의 발열량(Q)의 값을 입력한다. 또한, 식 작성 모듈(302)은 전기 신호 기억 장치(401)로부터, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 복수의 계측값과, 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 복수의 계측값을 독출한다.
(g) 단계 S105에서, 제1 내지 제4 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)의 값과, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 복수의 계측값과, 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 복수의 계측값에 기초하여, 식 작성 모듈(302)은, 중회귀 분석을 한다. 중회귀 분석에 의해, 식 작성 모듈(302)은 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI) 및 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]를 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 보존하여, 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 일률적으로 산출할 수 있는 발열량 산출식을 작성할 수 있게 된다.
(제2 실시형태)
도 9에 도시하는 바와 같이, 제2 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(21)은, 발열량(Q)이 미지인 계측 대상 혼합 가스가 주입되는 챔버(101)와, 챔버(101)에 배치되어, 도 1 및 도 2에 도시하는 제1 측온 소자(62) 및 복수의 발열 온도(TH)로 발열하는 발열 소자(61)를 포함하는 마이크로칩(8)을 구비한다. 도 9에 도시하는 가스 물성값 측정 시스템(21)은, 또한 계측 대상 혼합 가스의 온도(TI)에 의존하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값과, 복수의 발열 온도(TH)의 각각에서의 발열 소자(61)로부터의 전기 신호(SH)의 값을 계측하는 계측 모듈(301)과, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI) 및 복수의 발열 온도(TH)에서의 발열 소자(61)로부터의 전기 신호(SH)를 독립 변수로 하고, 발열량(Q)을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 보존하는 식 기억 장치(402)와, 발열량 산출식에 있어서 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 독립 변수, 및 발열 소자(61)로부터의 전기 신호(SH)의 독립 변수에, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 계측값, 및 발열 소자(61)로부터의 전기 신호(SH)의 계측값을 대입하여, 계측 대상 혼합 가스의 발열량(Q)의 값을 산출하는 발열량 산출 모듈을 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 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)와, 발열 온도(TH1)가 100℃인 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1)]와, 발열 온도(TH2)가 150℃인 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH2(TH2)]와, 발열 온도(TH3)가 200℃인 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH3(TH3)]를 독립 변수로 하는 것으로 한다.
제2 실시형태에서는, 예컨대 미지의 체적률로 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 질소(N2), 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 발열량(Q)이 미지인 천연 가스가, 계측 대상 혼합 가스로서, 챔버(101)에 도입된다. 도 1 및 도 2에 도시하는 마이크로칩(8)의 제1 측온 소자(62)는, 계측 대상 혼합 가스의 온도에 의존하는 전기 신호(SI)를 출력한다. 다음에, 발열 소자(61)는 도 6에 도시하는 구동 회로(303)로부터 구동 전력(PH1, PH2, PH3)이 부여된다. 구동 전력(PH1, PH2, PH3)이 부여된 경우, 계측 대상 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)는, 예컨대 100℃의 온도(TH1), 150℃의 온도(TH2), 및 200℃의 온도(TH3)로 발열하여, 발열 온도(TH1)에서의 전기 신호[SH1(TH1)], 발열 온도(TH2)에서의 전기 신호[SH2(TH2)], 및 발열 온도(TH3)에서의 전기 신호[SH3(TH3)]를 출력한다.
도 9에 도시하는 계측 모듈(301)은, 계측 대상 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값과, 계측 대상 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)로부터의 발열 온도(TH1)에서의 전기 신호[SH1(TH1)], 발열 온도(TH2)에서의 전기 신호[SH2(TH2)], 및 발열 온도(TH3)에서의 전기 신호[SH3(TH3)]의 값을 계측하여, 계측값을 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다.
발열량 산출 모듈(305)은, 발열량 산출식에 있어서 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI) 및 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 독립 변수에, 계측값을 각각 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. 제2 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(21)의 그 외의 구성 요건은 도 6에서 설명한 제1 실시형태에 따른 가스 물성값 측정 시스템(20)과 같기 때문에, 설명은 생략한다.
다음에, 도 10에 도시하는 흐름도를 이용하여, 제2 실시형태에 따른 발열량 측정 방법에 대해서 설명한다.
(a) 단계 S200에서, 도 9에 도시하는 챔버(101) 안에 계측 대상 혼합 가스를 도입한다. 단계 S201에서, 계측 모듈(301)은, 계측 대상 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값을 계측하여, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다. 다음에, 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)에 구동 전력(PH1)을 부여하여, 발열 소자(61)를 100℃로 발열시킨다. 도 9에 도시하는 계측 모듈(301)은, 계측 대상 혼합 가스에 접하여, 100℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1)]의 값을, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다.
(b) 단계 S202에서, 도 9에 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 되돌아가, 구동 회로(303)는, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)에 구동 전력(PH2)을 부여하여, 발열 소자(61)를 150℃로 발열시킨다. 도 9에 도시하는 계측 모듈(301)은, 계측 대상 혼합 가스에 접하여, 150℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH2(TH2)]의 값을, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다.
(c) 다시 단계 S202에서, 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)의 온도의 전환이 완료되었는지의 여부를 판정한다. 온도 200℃로의 전환이 완료되어 있지 않는 경우에는, 단계 S201로 되돌아가, 구동 회로(303)는 도 1 및 도 2에 도시하는 발열 소자(61)에 구동 전력(PH3)을 부여하여, 발열 소자(61)를 200℃로 발열시킨다. 도 9에 도시하는 계측 모듈(301)은, 계측 대상 혼합 가스에 접하여, 200℃로 발열하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH3(TH3)]의 값을, 전기 신호 기억 장치(401)에 보존한다.
(d) 발열 소자(61)의 온도의 전환이 완료된 경우에는, 단계 S202로부터 단계 S203으로 진행한다. 단계 S203에서, 도 9에 도시하는 발열량 산출 모듈(305)은, 식 기억 장치(402)로부터, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI) 및 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]를 독립 변수로 하고, 발열량(Q)을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 독출한다. 또한, 발열량 산출 모듈(305)은, 전기 신호 기억 장치(401)로부터, 계측 대상 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 계측값, 및 계측 대상 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 계측값을 독출한다.
(e) 단계 S204에서, 발열량 산출 모듈(305)은 발열량 산출식의 전기 신호(SI) 및 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 독립 변수에, 각각 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, 제2 실시형태에 따른 발열량 측정 방법을 종료한다.
이상 설명한 제2 실시형태에 따른 발열량 산출 방법에 의하면, 고가의 가스크로마토그래피 장치나 음속 센서를 이용하지 않고, 계측 대상 혼합 가스에 접하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 값과, 계측 대상 혼합 가스에 접하는 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 값으로부터, 계측 대상 혼합 가스의 혼합 가스의 발열량(Q)의 값을 측정할 수 있게 된다.
천연 가스는, 산출 가스전에 따라 탄화수소의 성분 비율이 상이하다. 또한 천연 가스에는, 탄화수소 외에, 질소(N2)나 탄산 가스(CO2) 등이 포함된다. 이 때문에, 산출 가스전에 따라, 천연 가스에 포함되는 가스 성분의 체적률이 상이하여, 가스 성분의 종류가 기지여도, 천연 가스의 발열량(Q)은 미지인 것이 많다. 또한 동일한 가스전 유래의 천연 가스라도, 발열량(Q)이 항상 일정한 것으로 한정되지 않고, 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 따라 발열량(Q)이 상이하기 때문에, 사용 체적에 따라 과금하는 것은 공평하지 않다. 이것에 대하여, 제2 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 산출할 수 있게 된다. 이 때문에 공평한 사용 요금을 징수할 수 있게 된다.
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 가스의 각각의 발열량(Q)을 정확히 파악하고, 모든 천연 가스의 발열량(Q)이 동일해지도록 조정한 후에, 유리의 가열 가공 공정에 천연 가스를 공급하는 것이 검토되어 있다. 이것에 대하여, 제2 실시형태에 따른 발열량 산출 방법을 이용하면, 복수의 가스전 유래의 천연 가스 각각의 발열량(Q)을 정확하게 파악할 수 있게 되기 때문에, 유리의 가열 가공 정밀도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
또한, 제2 실시형태에 따른 발열량 산출 방법에 의하면, 천연 가스 등의 혼합 가스의 정확한 발열량(Q)을 용이하게 알 수 있게 되기 때문에, 혼합 가스를 연소시키는 경우에 필요한 공기량을 적절히 설정할 수 있게 된다. 이 때문에, 쓸데없는 이산화탄소(CO2)의 배출량을 삭감할 수도 있게 된다.
(실시예 1)
우선, 발열량(Q)의 값이 기지인 23종류의 샘플 혼합 가스를 준비했다. 23종류의 샘플 혼합 가스의 각각은, 가스 성분으로서 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 질소(N2), 및 이산화탄소(CO2) 중 어느 하나 또는 전부를 포함하고 있었다. 예컨대 어떤 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, 어떤 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 어떤 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, 23종류의 샘플 혼합 가스의 각각을 이용하여, 도 6에 도시하는 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 복수의 계측값과, 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 복수의 계측값을 취득하였다. 그 후, 23종류의 샘플 혼합 가스의 기지의 발열량(Q)의 값과, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI)의 복수의 계측값과, 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]의 복수의 계측값에 기초하여, 서포트 벡터 회귀에 의해, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI) 및 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TH3)]를 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 때는, 캘리브레이션·포인트는 3개 내지 5개를 기준으로 하고, 적절하게 결정할 수 있다. 작성된 1차 방정식은 하기 식 (33) 내지 (35)로 주어졌다. 23종류의 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)을 식 (33) 내지 (35)로 산출하여, 실제 발열량(Q)과 비교한 바, 최대 오차는 2.1%였다.
Q=40.1+17.4×VH1(100℃)+17.9×VH2(150℃)-28.9×VH3(200℃)-10.4×VI…(33)
Q=40.1+23.8×RH1(100℃)+6.07×RH2(150℃)-22.8×RH3(200℃)-11.4×RI…(34)
Q=40.1+17.4×ADH1(100℃)+17.9×ADH2(150℃)-28.9×ADH3(200℃)-10.4×ADI…(35)
발열량(Q)을 산출하기 위한 2차 방정식을 작성할 때는, 캘리브레이션·포인트는 8개 내지 9개를 기준으로 하고, 적절하게 결정할 수 있다. 23종류의 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)을 작성된 2차 방정식으로 산출하여, 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 하고, 적절하게 결정할 수 있다. 23종류의 샘플 혼합 가스의 발열량(Q)을 작성된 3차 방정식으로 산출하여, 실제 발열량(Q)과 비교한 바, 최대 오차는 1.2% 미만이었다.
(실시예 2)
실시예 1에서 사용한 샘플 혼합 가스와 마찬가지로, 발열량(Q)의 값이 기지인 23종류의 샘플 혼합 가스를 준비하였다. 여기서, 발열 소자(61)로 가열되기 전의 샘플 혼합 가스의 온도를, -10℃, 5℃, 23℃, 40℃, 및 50℃로 설정하였다. 다음에, 서포트 벡터 회귀에 의해, 제1 측온 소자(62)로부터의 전기 신호(SI) 및 발열 소자(61)로부터의 전기 신호[SH1(TH1), SH2(TH2), SH3(TI3)]를 독립 변수로 하고, 발열량(Q)을 종속 변수로 하는, 발열량(Q)을 산출하기 위한 3차 방정식을 작성하였다. 그러면, 도 11 내지 도 13에 도시하는 바와 같이, 발열 소자(61)로 가열되기 전의 샘플 혼합 가스의 온도에 관계없이, 산출되는 발열량(Q)의 오차에 변동이 생기지 않았다. 또한 도 11의 결과는, 전기 신호(S)로서 저항(R)을 이용하여 얻어졌다. 도 12의 결과는, 전기 신호(S)로서 전압(V)을 이용하여 얻어졌다. 도 13의 결과는, 전기 신호(S)로서 A/D 변환 회로(304)로부터의 출력 신호(AD)를 이용하여 얻어졌다.
8: 마이크로칩, 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: 가스 봄베, 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, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 181, 182, 183: 저항 소자, 170, 171: 연산 증폭기, 301: 계측 모듈, 302: 식 작성 모듈, 303: 구동 회로, 304: A/D 변환 회로, 305: 발열량 산출 모듈, 312: 입력 장치, 313: 출력 장치, 401: 전기 신호 기억 장치, 402: 식 기억 장치, 403: 발열량 기억 장치
Claims (28)
- 복수의 혼합 가스의 각각이 주입되는 용기와,
상기 용기에 배치된 측온 소자와,
상기 용기에 배치되며 복수의 발열 온도로 발열하는 발열 소자와,
상기 복수의 혼합 가스 각각의 온도에 의존하는, 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 값과, 상기 복수의 발열 온도의 각각에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 계측하는 계측 모듈과,
상기 복수의 혼합 가스의 기지의 발열량의 값, 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 상기 복수의 발열 온도에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 다변량 해석에 의해, 상기 측온 소자로부터의 전기 신호 및 상기 복수의 발열 온도에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 식 작성 모듈
을 포함하는 발열량 산출식 작성 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 측온 소자가 수동 소자인 것인 발열량 산출식 작성 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측온 소자가 저항기인 것인 발열량 산출식 작성 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발열 소자의 복수의 발열 온도의 수가, 적어도 상기 복수의 혼합 가스의 각각이 포함하는 가스 성분의 수로부터 1을 뺀 수인 것인 발열량 산출식 작성 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 식 작성 모듈이 다변량 해석을 위해 서포트 벡터 회귀를 이용하여 상기 발열량 산출식을 작성하는 것인 발열량 산출식 작성 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 혼합 가스의 각각이 천연 가스인 것인 발열량 산출식 작성 시스템.
- 복수의 혼합 가스를 준비하는 단계와,
상기 복수의 혼합 가스 각각의 온도에 의존하는, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값을 얻는 단계와,
상기 복수의 혼합 가스의 각각에 접하는 발열 소자를 복수의 발열 온도로 발열시키는 단계와,
상기 복수의 발열 온도의 각각에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 얻는 단계와,
상기 복수의 혼합 가스의 기지의 발열량의 값, 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 상기 복수의 발열 온도에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 다변량 해석에 의해, 상기 측온 소자로부터의 전기 신호 및 상기 복수의 발열 온도에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 작성하는 단계
를 포함하는 발열량 산출식 작성 방법. - 제7항에 있어서, 상기 측온 소자가 수동 소자인 것인 발열량 산출식 작성 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 측온 소자가 저항기인 것인 발열량 산출식 작성 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 복수의 발열 온도의 수가, 적어도 상기 복수의 혼합 가스의 각각이 포함하는 가스 성분의 수로부터 1을 뺀 수 인 것인 발열량 산출식 작성 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 발열량 산출식을 작성하는 단계에서, 다변량 해석을 위해 서포트 벡터 회귀가 이용되는 것인 발열량 산출식 작성 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 복수의 혼합 가스의 각각이 천연 가스인 것인 발열량 산출식 작성 방법.
- 발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스가 주입되는 용기와,
상기 용기에 배치된 측온 소자와,
상기 용기에 배치되며 복수의 발열 온도로 발열하는 발열 소자와,
상기 계측 대상 혼합 가스의 온도에 의존하는, 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 값과, 상기 복수의 발열 온도의 각각에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 계측하는 계측 모듈과,
상기 측온 소자로부터의 전기 신호 및 상기 복수의 발열 온도에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 보존하는 식 기억 장치와,
상기 발열량 산출식에 있어서 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 독립 변수, 및 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 독립 변수에, 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 대입하여, 상기 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 발열량 산출 모듈을 포함하고,
상기 발열량 산출식은, 복수 종류의 가스 성분을 포함하는 복수의 샘플 혼합 가스의 발열량의 값과, 상기 복수의 샘플 혼합 가스의 각각에 접하는 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 값과, 상기 복수의 발열 온도에서의 상기 복수의 샘플 혼합 가스의 각각에 접하는 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 다변량 해석에 의해, 작성되는 것인 발열량 측정 시스템. - 제13항에 있어서, 상기 측온 소자가 수동 소자인 것인 발열량 측정 시스템.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 측온 소자가 저항기인 것인 발열량 측정 시스템.
- 제13항 또는 제14항에 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.
- 삭제
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 발열량 산출식을 작성하는 때에, 다변량 해석을 위해 서포트 벡터 회귀가 이용된 것인 발열량 측정 시스템.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 복수의 샘플 혼합 가스의 각각이 천연 가스인 것인 발열량 측정 시스템.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 계측 대상 혼합 가스가 천연 가스인 것인 발열량 측정 시스템.
- 발열량이 미지인 계측 대상 혼합 가스를 준비하는 단계와,
상기 계측 대상 혼합 가스의 온도에 의존하는, 측온 소자로부터의 전기 신호의 값을 얻는 단계와,
상기 계측 대상 혼합 가스에 접하는 발열 소자를 복수의 발열 온도로 발열시키는 단계와,
상기 복수의 발열 온도의 각각에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 얻는 단계와,
상기 측온 소자로부터의 전기 신호 및 상기 복수의 발열 온도에서의 상기 발열 소자로부터의 전기 신호를 독립 변수로 하고, 상기 발열량을 종속 변수로 하는 발열량 산출식을 준비하는 단계와,
상기 발열량 산출식에 있어서 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 독립 변수, 및 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 독립 변수에, 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 값, 및 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값을 대입하여, 상기 계측 대상 혼합 가스의 발열량의 값을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 발열량 산출식은, 복수 종류의 가스 성분을 포함하는 복수의 샘플 혼합 가스의 발열량의 값과, 상기 복수의 샘플 혼합 가스의 각각에 접하는 상기 측온 소자로부터의 전기 신호의 값과, 상기 복수의 발열 온도에서의 상기 복수의 샘플 혼합 가스의 각각에 접하는 상기 발열 소자로부터의 전기 신호의 값에 기초하여, 다변량 해석에 의해, 작성되는 것인 발열량 측정 방법. - 제21항에 있어서, 상기 측온 소자가 수동 소자인 것인 발열량 측정 방법.
- 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 측온 소자가 저항기인 것인 발열량 측정 방법.
- 제21항 또는 제22항에 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.
- 삭제
- 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 발열량 산출식을 작성하는 때에, 다변량 해석을 위해 서포트 벡터 회귀가 이용된 것인 발열량 측정 방법.
- 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 복수의 샘플 혼합 가스의 각각이 천연 가스인 것인 발열량 측정 방법.
- 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 계측 대상 혼합 가스가 천연 가스인 것인 발열량 측정 방법.
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