KR19990072214A - 무촉매연소방식에서예정기체부피의열량을측정하는방법및장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무촉매 연소방식에서 예정 기체부피의 열량을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 샘플 기체의 열량은 마이크로컨트롤러(12)에 의해서, 기준 가스의 열량, 및 가스가 화염이 없는 연소방식으로 연소됨에 따라 측정된 산화에너지 비율로부터 게산할 수 있다. 가연성 가스를 부피실(4)내에서 예컨대 공기와 같은 연소 보조용 가스와 함께 혼합하여, 연소장치(8,50)내로 분사하며, 여기에서 비활성 재료(26,51,53)로 이루어진 다공체를 기체 혼합물의 자연발화 온도 이상의 온도로 가열시키게 된다. 비활성 재료(26,51,53)는 연소중에 화염의 형성을 방지할 수 있을 정도의 작은 공극 치수를 가지도록 배열되고, 공정은 시료 가스를 사용하여 반복된다. 분사공정중에, 마이크로컨트롤러(12)는 연소 동력을 모니터링하는 신호를 수용한다. 마이크로컨트롤러(12)는 시료 기체의 열량을 계산하여 가시적 디스플레이 장치나 기타 출력 장치에 출력을 제공하게 된다.
Description
천연 가스의 열량을 측정하는 것은 연소의 제어에 있어서 중요한 사항으로서, 천연가스의 배급 및 판매에 있어서는 이러한 측정이 필수적이다.
열량을 측정하는 제 1 방법은 일정 부피의 기체를 연소시켜 칼로리를 측정하는 방법이다. 완전연소에 의해 열량을 유리시켜 축적하고 이를 측정한다. 유리된 열량은 온도 변화에 의해 평가된다. 이 방법은 본래부터 사용된 방법으로서, 흐름 및 온도의 제어에 극도로 세심한 주의가 필요하다.
열량을 측정하는 제 2의 방법은, 구성 성분의 분석이다. 가스 크로마토그래피 방법을 사용하여, 기체내의 각각의 구성 성분들의 분획을 결정한다. 그 다음으로는, 존재하는 분획들의 개별적 성분의 열량을 합산하여 열량을 결정하게 된다. 성분 분석에 결부된 문제점은 장치의 신뢰도 및 그 일관성이다. 가스 크로마토그래피는 일정한 지속성을 필요로 하고, 기체 시료와 매우 유사한 기준 기체로 측정을 실시하지 않는 한, 열량 측정의 한계가 제한된다.
제 3의 방법은 화학양론적 방법으로서, 이 방법에서는 정확한 양의 산소를 제공하여 연소를 실질적으로 완전히 수행하게 된다. 이 경우에는, 천연가스를 공기와 함께 연소시키고, 연료 대 공기의 비율을 연소가 최대 화염온도 또는 화학양론적 완전연소점, 즉 잔여 산소가 존재하지 않는 지점까지 조정하게 된다.
Clingnam의 미국 특허 제 3,777,562호는 상기 제 3의 방법의 실례이다. 상기 특허에서는, 가스를 최대 화염 온도가 얻어질 수 있는 양의 공기와 함께 연소시켜서 열량을 측정한다. 이 방법은 Clingnam의 후속 미국특허 제 4,062,236호, 4,125,018호 및 4,125,123호에도 개시되어 있다. 상기 특허들에 있어서는, 예컨대 열전쌍(thermocouple)과 같은 열감지장치를 사용하여 버너 최상부에서 공기와 가스의 혼합물의 완전연소가 이루어지도록 되어 있다. 어떤 환경에서는 불꽃 화염(an open flame)을 제공하는 장치에 의해 제대로 작동이 되지 않을 수도 있다.
제 4의 방법은 촉매에 의한 연소를 이용하는 방법이다. 여기에서는 기체를 가열된 촉매위로 통과시켜서 산화시킨다. 유리된 열량은 촉매의 작용과 관련된 온도의 변화에 의해서, 촉매를 가열시키는데 공급된 동력의 변화에 의해서, 또는 촉매 재료의 온도를 측정함으로써 측정할 수 있다. 촉매의 연소 또는 촉매의 산화는 탄화수소와 관련하여 널리 공지된 현상이다. 백금 및/또는 팔라듐 재료의 존재하에 탄화수소 기체와 공기의 혼합물은 산화작용을 일으키게 된다. 반응은 탄화수소와 관련된 자동 발화온도 이하의 온도에서 일어나게 된다. 예를 들어, 메탄은 공기와 혼합되었을 때 약 730℃의 온도에서 발화되며, 1600℃ 이상의 온도에서 오픈 플레임(open flame)에 도달하게 된다. 효율적인 촉매 활성은 500 내지 600℃ 부근에서 달성되지만, 촉매 산화는 400℃ 정도의 온도에서도 일어날 수 있다.
촉매 산화방식과 관련된 한가지 문제점은 촉매가 무력화될 수 있는 가능성이다. 황, 납, 등등과 같은 어떤 화학적 물질들은 촉매와 결합하여 촉매로서의 활동을 할 수 없게 하기 때문에 열량 측정에 있어서의 유용성이 배제된다. 예컨대 매립지 가스의 회수 등과 같은 많은 공정에서는, 측정 공정을 수행할 수 없게 할 수 있는 가능성이 높은 충분한 양의 "독성"이 가스에 함유되어 있다.
다른 문제점은 일부 연소만이 수행되는 경우에, 조성물에 기인하는 오차가 발생할 수 있어서 기체 성분들의 활성화 에너지가 가변적이라는 점이다.
본 발명은 기체의 열량을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 장치의 블록도이고,
도 2는 상기 도 1의 촉매 방식의 장치내 전기 회로의 개략적 상세도이고,
도 3a는 도 1의 장치에 사용된 연소기구의 제 1 구체예의 개략도이고,
도 3b는 도 3a의 연소장치내에서 길이방향 변위 대 온도의 그래프이고,
도 3c는 도 1의 장치에 사용된 연소장치의 제 2 구현예에 따른 개략도,
도 4는 도 1의 장치의 작동에 있어서 히터의 동력 및 기체 흐름 대 시간의 그래프이며,
도 5는 도 1의 장치내의 미세 조정장치의 작동을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 화염이 없는 연소방식을 사용하여 가연성 기체의 열량을 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 장치에는, 가연성 기체의 소둔(quenching) 치수보다 적은 선형 치수를 가지는 1개 이상의 공간을 가진 재료로 이루어진 다공체; 상기 재료의 다공체의 일부를 가연성 기체의 자동-발화온도 이상의 온도로 가열시키기 위해 상기 다공체내에 배치된 가열부재; 연소 수준을 감지하고 이에 대응되는 신호를 발생시키는 센서; 및 상기 센서로부터 제공된 신호에 반응하여 가연성 기체의 열량을 계산하는 프로세서가 구비되어 있다.
본 발명은 가스 및 예컨대 공기와 같은 운반 기체의 혼합물을 수용 및 연소시키기 위해 비활성 재료로 이루어진 다공체를 사용한다. 정상적인 조건하에서, 기체는 산화되거나 연소되어 화염을 형성하게 된다.
화염은, CO2및 H2O 증기와 같은 연소 생성물이 전도 및 대류에 의해 연소열을 흡수하기에 불충분한 열용량을 가질 때, 산화 또는 연소를 나타내는 표시이다. 그러므로 연소 생성물의 온도는, 복사 열손실이 산화에 의한 열손실과 같아질 때까지 상승된다. 연소된 가스의 온도는 연소열이 열손실과 같아질 때까지 증가한다. 전도 및 대류가 온도에 비례하여 증가하는 동안, 복사 열손실은 온도의 제 4의 힘에 비례하는 관계를 나타내며, 열전달 속도를 안정화시키는 추가의 인자를 제공한다. 천연가스에 있어서, 연소 생성물의 온도는 상승하여 복사 주파수가 가시광선 영역에 도달하게 되는데, 이는 즉, 화염은 가시적이지만 비가시적 적외선 복사영역도 매우 풍부하다는 것이다.
본 발명에 있어서, 비활성 물질은 기체의 소둔 치수 미만의 치수를 가지는 매우 작은 틈(void)만이 존재하도록 형성되어, 급속한 열전달의 소둔작용에 의해 불꽃 화염(open flame)이 방지된다.
작은 틈새를 둘러싼 구조는, 연소된 기체 생성물과 구조체 사이의 열전달 속도를, 대규모 온도 증가를 방지하고 연소 생성물의 온도를 안정화시키기에 충분히 높은 정도로 조성한다. 상기 구조는 높은 수준의 복사를 제공하지 않고서도 화염을 소둔시킬 수 있는 충분한 열용량을 가지고 있어야 한다.
또한, 본 발명의 산화 또는 연소는 매우 낮은 수준으로부터 가스의 화학양론적 혼합물 이상의 수준으로까지 연장되는 넓은 범위에 걸친 혼합물 농도로도 수행될 수 있다.
가스 연소의 동력 또는 연소 온도는, 연소장치내의 기체 혼합물 흐름으로서 측정될 수 있다. 기준 가스 및 혼합 가스는 각각의 측정 주기내에서 측정된다. 바람직한 구체예에서는, 시료 기체와 기준 가스의 산화 에너지를 실질적으로 동일한 연소 온도에서 비교하게 된다.
본원에 개시된 실시예에 있어서, 공기의 흐름은 기체를 연소시키는데 필요한 초과량의 공기내에서 원활하게 형성된다. 공기내에 예정 부피의 기준 기체를 주입시킨다. 기준 기체/공기를 예열된 칼럼위로 또는 이것을 통해 통과시키면서 혼합물을 산화시킨다. 센서는 칼럼위에 놓여져서 연소 온도를 표시하게 되는데, 그 다음으로 연소력 수준에 따라 모니터링하게 된다.
기준 가스의 사이클 후에는, 상기 공기흐름 속도를 사용하여 시료 가스의 사이클을 수행한다. 예정 부피의 시료가스는 예열된 구조체를 통과하고, 연소 에너지를 측정한다. 기준 기체의 열량을 알고 나면, 기준 기체의 연소 에너지에 대한 시료 기체의 연소 에너지의 비율을 이용하여 시료 기체의 열량을 전산화시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 비활성 물질은 비촉매적이다. 촉매가 사용되지 않기 때문에, 촉매로 인해 일어날 수 있는 "유독성"을 포함하는 촉매 연소의 단점을 본원 발명의 장치 및 방법을 사용하여 극복할 수 있다.
전술한 것 이외에도 본 발명에 따른 제반 목적 및 장점들은 하기와 같은 바람직한 실시예의 설명으로부터 당업자에게 용이하게 인식될 수 있을 것이다. 설명에 있어서는, 상기 설명의 일부를 담당하고 본 발명의 실시예들을 도시하는 도면을 참조로 한다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예들이 상기 구체예들로 국한되는 것은 아니며, 청구의 범위를 참조로 본 발명의 범위 이내에서 다양한 변화와 변형이 이루어질 수 있다.
도 1에 있어서, 본 발명을 실시하기 위한 장치(10)는 외측 공급원(AIR)으로부터 공급 라인(1)을 통해 공기를 받는 연소 기구(8)를 구비하고 있다. 제 1 구체예에 있어서, 연소실(8)은 다공성의 비활성 고체 재료로 이루어진 본체(26)에 의해 제공된다(도 3a). 다공체(26)는 고온 및 고열용량의 재료로 구성되고, 보통은 세라믹 재료로 구성된다.
연소기구(8)는 또한, 다공질 재료(26)로 구성된 중심부 영역에 위치하는 히터 원소(9)를 포함하여, 반응을 위한 초기 출발 온도를 제공한다. 온도 센서(11)는 비활성 다공질 고체 재료 표면에서의 반응에 비례하는 신호를 제공한다.
히터 부재(9)에는 비활성 재료를 800℃ 이상의 온도로 가열시킬 수 있도록 전원(19)로부터 전력을 공급하게 된다. 온도 센서(11)는 비활성 재료에 매립되어 상기 재료 표면의 반응온도를 감지하게 된다. 온도 센서(11)는 전원(19)에 입력으로서 신호를 발생시킨다. 이 신호는 전원(19)에서 반응 온도의 표시로서 인식된다. 연소 칼럼(25; 도 3a)에서, 배기 스트림(16)이 배기된다. 배기 스트림(16)은 연소 생성물을 포함한다. 당해 기술분야에 공지된 바와 같이, 배기 스트림을 처리하는 추가의 단계들을 취할 수도 있지만, 이 단계들은 본 발명의 일부를 형성하지는 않는다.
비활성 재료의 칼럼(25)으로 공기가 흘러 들어가는 속도는 결정적으로 중요한 사항은 아니다. 유속은 느린 태양에 있어서 +10%로 가변적일 수 있지만, 기준 가스 사이클 및 시료 가스 사이클 사이에서 안정해야 한다. 공기의 유속은 또한 화염이 없는 상태를 발생시키도록 선택되어야 할 것이다. 공기의 흐름 공급 라인(1)은 흐름 제한장치(2)에서 압력 강하를 유발시킨다.
미세 조절기(12)는 A-대-D 및 D-대-A 인터페이스 회로를 구비한 적당한 미세 전자 CPU(central processing unit)이다. 상기 미세 조절기(12)는 프로그램 명령을 실행함으로써 작동되고, 이것들의 일부는 도 5의 흐름도에 블록으로 표시되어 있으며, 상기 명령은 부호 12로 표시된 메모리에 저장되어 잇다.
본 발명의 장치는 기체 시료 또는 기준 기체를 각각 제어 및 선택하기 위한 온-오프 솔레노이드-작동 밸브(3,14,15)를 더 포함하여, 부피실(4)를 충전시키게 된다. 참조 번호 17, 18로 표시된 연결부를 포함하는 도 1의 밸브(3,14,15)에는 마이크로컴퓨터(12)가 연결되어 있다. 솔레노이드 밸브(3)는 솔레노이드 밸브(3)가 활성화될 때마다 공기가 공기 공급기(1)로부터 부피실(4)를 통해 흐를 수 있도록 한다. 활성화되지 않을 때에는, 밸브(3)가 공기를 부피실(4)로부터 차단되도록 한다.
기준 기체 공급구는 기준기체가 부피실(4)내로 들어갈 수 있도록 해주는 제어 밸브(15)에 연결된다. 유츌 제어밸브(5)도 개방되어 기준 기체가 부피실(4)로 들어갈 수 있게 한다. 완전한 확산이 이루어지도록 충분히 지연된 후에, 출구 밸브를 폐쇄하고, 부피실(4)을 일정 부피의 기준 기체로 충전시킨다. 부피실(4)내의 기체 압력이 압력 트랜스듀서(13)에 의해 감지된 예정 압력에 도달되면, 유입 흐름 밸브(15)가 닫힌다. 부피실(4)내의 기체 부피는 그러므로, 공지의 압력 및 온도에서 공지이다.
밸브(15)의 폐쇄에 따라, 유출 제어밸브(5)가 개방되고 공기 제어밸브(3)가 열려서, 부피실(5)로부터 흐름 제한장치(6)를 거쳐 흐름이 허용되고, 접합부(7)에서 공기 흐름과 합쳐지며, 연소장치(8)에서 칼럼(25)(도 3a)을 통해 흐르게 된다. 솔레노이드(3)가 개방되면, 부피실(4)을 통해 흐르는 공기의 흐름은 제한장치(2,6)의 상대적 압력손실 유속관계에 의해 결정된다. 유속의 비율은 연소장치(8)내에서 혼합물이 고갈된 상태를 달성할 수 있도록 정해지게 된다.
본 실시예에서, 전원(10)은 센서(11)에서 일정한 온도를 유지할 수 있도록 히터(9)에 가해지는 동력을 조절하기 위한 온도 센서(11)를 사용한다. 히터(9)의 상기 전력 조절의 변화는 연소 에너지 또는 다공체(26)상에서 연소된 가스의 연소온도로 나타나게 된다. 시간이 경과함에 따라, 부피실(4)내의 가스는 밸브(3)를 통한 공기 흐름에 의해 추진을 받게 된다. 미세제어기(12)는 장치(8) 내에서의 연소반응의 에너지를 모니터링한다. 미세 제어기(12)가 부피실(4)내의 모든 기체가 배출되었음을 검출하면, 제어 밸브(50)에 폐쇄하라는 신호를 보내서 기체가 연소장치(8)로 흐르는 것을 중지하게 된다. 기준 기체의 흐름은 연소 에너지의 펄스를 유발시키고, 이것은 히터(9)에 가해지는 전력을 모니터링하거나 센서(11)를 사용하여 연소 온도를 감지함으로써 감지될 수 있다.
제어 밸브(14)가 개방되면, 공급원(시료 기체)으로부터의 기체 시료로 부피실(4)을 채우게 된다. 또한, 밸브(5)가 개방되면, 부피실(4)을 통한 흐름을 허용하게 된다. 기준 기체 및 부피실(4)로부터 나오는 공기 모두를 세정(flush)하기에 적합한 시간후에, 밸브(5)를 폐쇄한다. 부피실(4)내로의 흐름은 부피실(4)내의 에정된 압력에 도달할 때까지 증가된 다음, 유입 제어 밸브(14)가 닫힌다. 그러므로, 부피실(4)내의 기체 부피는 기지의 온도 및 압력에서 에정된 기지의 부피가 되는 것이다.
밸브(14)가 폐쇄되고 나면, 미세 조절기(12)가 제어 밸브(3,5)를 개방시켜서, 시료 기체의 흐름이 제한장치(6)를 통과하고 혼합지점(7)을 통과하여 연소기(8)내로 흐르도록 하고, 여기에서 시료 기체는 기군 기체의 사이클과 유사한 사이클로 연소된다. 전력원(19)은 히터(9)에 대한 동력을 계속적으로 조정하여, 센서(11)상에서 일정한 온도가 유지될 수 있도록 한다. 기체가 흐르면, 히터(9)에 대한 동력의 변화가 비활성 고체로 이루어진 본체(26)내에서의 가스 연소 에너지를 나타내게 된다. 이러한 에너지의 변화는 마이크로프로세서(12)에 의해 합해져서 열량을 결정하게 된다.
설명된 실시예에서는 1개의 부피실을 사용하였으나 다른 실시예에서는 여러개의 챔버를 사용하는 것이 유리할 수도 있다. 1개의 챔버를 사용하면 흐름 장치를 단순화시킬 수 있지만, 각 사이클의 끝에서 다음 사이클이 시작되기 전에 챔버내에는 모든 기체가 배출되기 때문에 측정 공정이 느려지게 된다. 예를 들어, 시료 기체가 부피실(4)내로 도입되기 전에 기준 기체를 비워야 한다.
그 다음으로, 마이크로프로세서(12)는 시료 기체와 기준 기체에 대하여 검출된 합산된 에너지의 비율을 전산화하고, 상기 비율을 사용하여 시료 기체의 열량을 다음과 같이 전산화할 수 있다:
Hs= Hr (1)
상기 식에서, 아래첨자 r 및 s는 열량값을 나타내고, H는 각각 기준 및 시료의 조건을 나타내며, E는 에너지 비율 또는 기체 연소력을 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 전원(10), 센서(11) 및 히터(9)의 전기회로를 나타낸다. 회로는 전기적 수단에 의한 가열 및 냉각에 의해 일정한 저항을 유지하는 부리지를 나타낸다.
바람직한 구체예에서, 도 2의 저항(9)는 전형적으로 백금 코일-와이어 저항이다. 백금은 광범위한 온도범위에 걸쳐 안정한 온도 계수 때문에 선택된 것이다. 저항(9)의 저항값 R은 다음과 같다:
Rh= Rho( 1 + αΔT ) (2)
레지스터(20)는 다공체(26)의 작동을 위해 선택된 온도에서 자체의 저항값이 원하는 저항 9일 수 있도록 선택된 저항이다. 저항(9)은 연소 장치(8) 및 온도 센서(11) 모두를 위한 히터(9)이다. 저항(21)은 브리지에 인가되는 전압(24)을 분할하는 1쌍의 레지스터이다. 도 2에 있어서, 레지스터들은 동일하게 도시되어 있으나, 이는 엄격하게 준수되어야 하는 것은 아니다.
도 2에 있어서, 작동 증폭기(22)는 브리지의 각 섹션들상의 중앙 탭 전압들간의 차를 감지한다. 결과는 전력 FET(23)에 인가되고, 2개 섹션의 중앙 탭 전압들이 동일해질 때까지 브리지상에서 점압(24)를 변화시킨다.
히터/센서(9,11)의 온도는 히터/센서(9,11)의 내성 및 온도를 통제되거나 고정된 온도의 허용범위 이내로 유지하도록 제어한다. 전력은 히터/센서(9,11)의 내성 및 온도를 통제되거나 고정된 온도의 허용범위 이내로 유지하도록 히터/센서(9,11)에 공급하는 방식으로 제어된다. 가스가 연소되면, 연소 에너지의 방출운 히터(9) 및 센서(11)의 온도를 상승시키는 경향을 가지게 된다. 인가된 전력은 대응되는 에너지의 양을 감소시켜서 히터/센서(9,11)의 통제 또는 고정된 온도를 유지하도록 하는 것이다.
연소 장치(8)는 기체/공기 혼합물내의 기체 전부를 연소시키기 때문에, 히터(9)에 공급되는 전력을 고정된 값으로 유지시키고 센서(11)의 결과적인 온도 상승을 측정 및 합산한다. 이는, 일정한 온도 모델과 동등한 정도로 원활하게 기능을 하게 될 수 있고, 그 균등물일 수도 있는 것으로 추정된다.
도 3a는 다공성 비활성 재료(26)로 이루어진 히터 칼럼(25)을 포함하는 연소장치(8)의 한가지 구성을 도시한다. 칼럼(25)에는, 크기별로 등급화될 수 있고, 표면을 하전시켜 복사선 성분의 방출을 제어하는 표면 변화 특성을 가질 수 있는 세라믹 재료의 비이드(26)를 담은 관형 부재가 포함된다. 이는, 연소 생성물로부터의 열전달 속도를 조절할 수 있도록 해준다. 전력이 공급되는 히터(27)는 칼럼(25)의 중앙 영역에 위치하여 다공체(26)의 중앙 영역을 연소 가스의 자동-인식 온도 이상으로 가열할 수 있게 된다.
고체 재료로 이루어진 다공체(26)내의 작은 틈새는, 가스 화염의 소둔(quenching) 치수 이하의 선형 치수를 가지도록 선택 및 특성화된다. 예를 들어, 메탄을 사용하였을 때, 소둔 치수는 약 2.5㎜(0.060″)이다. 메탄은 고체 물질로 이루어진 본체(26)내 틈새가 2.5㎜ 이하일 때에는 화염과 함께 타지는 않는다. 열은 화염을 동반하는 온도의 대단위 상승을 방지하기에 충분한 속도로 고체 재료(26)을 통해 전달된다.
연소 결과, 예컨대 CO2및 H2O 증기와 같은 연소 생성물이 생성된다. 화염은 연소 생성물이 연소열을 전도와 대류만으로 방출시키기에는 불충분한 열용량을 가지고 있다는 가시적인 표시이다. 연소 생성물의 온도는 복사 수준이 초과량의 열을 복사하기에 충분히 높아질 때까지 상승되어야 한다. 점도 및 복사의 속도는 온도와 관련하여 1차함수적으로 증가한다. 복사는 연소 형태의 열에 존재하는 에너지에 상응한다. 방출된 열은 반응 영역의 온도를 상승시키고 백금 히터(27)의 저항을 증가시킨다. 히터(9)용 전력조절기(19)(도 1)는 상기 온도 증가를 감지하고, 전기적 여기를 감소시켜서 반응 영역내에서 일정한 온도가 유지될 수 있도록 한다. 전력의 변화는 증가된 연소력 또는 연소 온도에 상응되며, 연소 활성을 표시하는 역할을 한다.
도 3c는 연소 장치(50)의 제 2 실시예를 도시하고 있다. 히터/센서 부재(51)는 히터의 선을 포스트(52)에 스폿(spot)용접시킴으로써 튜브(53)내에 설치할 수 있다. 히터 본체(51)와 이것의 주변 튜브(53)들간의 치수도 또한 화염을 억제할 수 있도록 히터(51)에 밀접하게 설치한다. 단부 캡(58,59)도 화염형성이 가능한 치수 이하의 출입 통로(60)를 구비한다. 기체 혼합물은 연소 장치(50)내로 도입되면서 히터(51)에 접촉되며, 상기 히터는 자동 발화온도 이상의 온도에서 작동되며 기체가 연소된다. 기체의 분자들은 분해 및 산화되어 산화열을 방출하고, CO2및 H2O 증기를 형성한다. 전도, 대류 및 복사에 따른 열전달 속도는 열의 충분한 제거에 의해 연소 생성물 기체의 온도를 제어한다. 기체가 연소장치(50) 밖으로 방출됨에 따라 연소 기체 및 초과량의 공기는 출구 단부 캡(59)에 의해서 자동 발화온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각된다.
도 4는 상기 실시예에서 히터의 전력에 대한 기체 흐름의 효과를 도시한 것이다. 최초에, 오로지 연소 장치(8)를 통과하는 공기의 흐름 및 그 결과로서의 전기 히터의 전력은 최대치에서, 연소장치(8,50)의 반응영역에 일정한 온도를 제공한다. 필요에 따라서는, 연소장치(8,50)를 통해 공기만이 흐를 때, 히터의 전력에 대하여 기준선의 신호가 검출될 수도 있다. 기준 가스의 흐름이 시작될 때, 혼합물은 즉시 산화되고, 히터의 전력은 이에 상응하여 감소된다. 일반적으로, 기준 기체/공기 혼합물의 흐름은 일정한 압력을 가진다. 이때, 혼합물내 기준 기체의 비율이 감소되고 일단락되며, 히터의 전력은 최고로 복귀된다. 기준 기체의 사이클 동안의 히터 전기 펄스를 상기 방정식 1)의 에너지 비율의 분모에 따라 측정 및 합산한다.
그 다음에는, 시료 기체의 흐름이 시작되어, 혼합물이 산화되고 히터의 전력이 이에 상응하게 감소된다. 일반적으로, 시료 가스/기체 혼합물의 흐름은 압력이 일정하다. 이때, 혼합물내 기체 시료 부분은 감소하여 고갈되며 히터의 전력은 최고로 복귀된다. 기체 시료 사이클 동안의 히터의 전기 펄스를 측정하고, 상기 방정식 1)의 에너지 비율에 있어서의 분자에 따라 합산한다. 기준 가스의 영량 Hr은 알고 있는 상태이고, 방정식 1)내의 Hs를 전산화하는데 필요한 3개 값을 얻을 수 있는데, 마이크로컴퓨터는 연산을 마치면 적당한 출력장치로 신호를 발생시키게 된다.
도 5는 자체 제어용 프로그램을 실행시키는데 있어서 미세 제어기(12)의 관점에서의 작동을 나타낸 것이다. 작동의 시작은 출발 블록(30)에 의해 나타내진다. 미세 조절기(12)는 처리 블록(31)으로 나타낸대로 기준 가스 사이클 또는 시료 기체 사이클중의 하나를 선택하라는 지시를 실행하게 된다. 기준 가스의 사이클이 선택된 경우에는, 미세 조절기(12)가 처리 블록(32)으로 지시되는 또다른 명령을 수행하여 밸브(14)를 열고 기준 가스로 하여금 부피실(4)을 충전시키도록 한다. 그 다음으로, 미세 조절기(12)는 밸브(5)를 개방하여 기준 가스가 연소장치(8,50)로 흐르도록 하는 추가의 명령을 실행한다. 그 다음으로, 미세조절기(12)는 공정 블록(34)로 나타나는 명령을 실행하여 연소장치(8,50)가 필요로하는 전력(ΔP)의 변화를 검출하기 시작한다. 그리고 나면, 미세 조절기(12)는 결정 블록(35)에 나타낸 명령을 실행하여 기체의 흐름이 완료되었는가를 결정한다. 만일 결과가 "NO"이면 다시 되돌아가서 다른 시료와 함께 공정을 계속해야 하고, 결과가 "YES"이면 블록(36)으로 표시된 명령을 실행하여 제 1 사이클을 종료하고 다음 사이클을 준비한다.
공정 블록(36)으로 나타낸 바에 따라, 미세 제어기(12)는 밸브(15)를 페쇄함으로써 기준 가스의 흐름을 중단시키라는 명령을 실행한다. 그런 다음, 미세 제어기(12)는 공정 블록(37)로 지시된 명령을 수행하여 다른 가스 사이클에 대한 선택을 변화시킨다. 그리고 나서, 미세 제어기(12)는 공정 블록(38)로 지시된 명령을 수행하여 챔버(4) 및 챔버 장치(8)을 세정한다. 그 다음으로, 미세 제어기(12)는 공정 블록(39)로 지시된 명령을 수행하여 직전에 완료된 사이클의 합산 전력량을 저장한다. 그 다음에는, 결정 블록(40)에서 지시된 명령에 따라, 기준 사이클과 시료 기체 사이클이 최근의 단계에서 완료되었는가를 점검한다. 결과가 "YES"이면 데이터를 사용하여 공정 블록(41)에서 지시된 바에 따라 열량을 계산할 수 있다. 그 다음에는 가시적 디스플레이 장치(도 1에는 도시되지 않음)나 다른 유형의 출력 장치로 열량값을 출력할 수 있다. 만일 데이터가 완전하지 않으면 결정 블록(40)의 결과는 "NO"이며, 다시 되돌아가서 블록(32)에서 예컨대 시료 기체 사이클과 같은 새로운 기체의 측정 사이클을 시작하게 된다.
지금까지는 본 발명을 실행하는 구체적인 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하였다. 그러나, 당업자라면 본 발명의 청구범위에 기술된 본 발명의 범위 이내에서 다양한 변형 및 변화를 달성할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
그러므로, 본 발명의 범위를 한정하고, 상기 구체예들이 본 발명의 범위 이내에 포함되는 것을 밝힐 수 있도록 하기 청구범위를 제공하는 바이다.
Claims (43)
- 가연성 가스의 열량을 결정하는 장치로서,가연성 가스의 화염이 발생하는 것을 방지할 수 있는 치수 이하의 선형 치수를 가지는 1개 이상의 공간을 포함하는 재료로 구성된 다공체;비촉매 재료로 이루어진 다공체내에 배치되어, 상기 다공체 재료의 일부를 가연성 기체의 자동 발화점 온도 이상으로 가열하는 히터;연소 수준을 감지하고 상기 감지된 수준에 대응되는 신호를 발생하는 센서; 및상기 센서로부터 제공된 신호에 대한 반응으로 상기 가연성 가스의 열량을 계산하는 프로세서를 포함하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 재료가 비촉매 재료인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 재료로 이루어진 다공체가 1개 칼럼내에 여러개의 고체 덩어리가 배열되어 형성됨으로써 상기 다공체의 고체들 사이에 여러개의 공간들이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 3항에 있어서, 상기 공간들의 선형 치수가 2.5㎜(0.060″) 이하인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 3항에 있어서, 상기 여러개의 고체들이 세라믹 재료로 이루어진 비이드들인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 5항에 있어서, 세라믹 재료로 이루어진 상기 비이드들의 크기가 들급화되어 있는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 6항에 있어서, 세라믹 재료로 이루어진 상기 비이드들이 비촉매 재료인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 다공체가 1개의 케이징, 및 상기 케이징내에 배치된 세라믹 재료 덩어리들을 포함하고, 상기 히터는 상기 세라믹 재료로 이루어진 상기 다공체내에 배치되어 있으며, 상기 다공체에는 상기 케이징과 세라믹 재료로 이루어진 상기 다공체 사이에 가연성 가스의 화염 발생을 방지할 수 있는 치수 이하의 선형 치수를 가진 공간이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 8항에 있어서, 상기 케이징 및 세라믹 재료가 비촉매성인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 9항에 있어서, 상기 히터가 상기 세라믹 다공체 재료내에 함유된 백금 와이어의 코일인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 8항에 있어서, 상기 공간이 2.5㎜(0.060″) 이하의 선형 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 8항에 있어서, 상기 케이징이 한쪽 단부에는 가스 유입구를 구비하고 맞은 편 단부에는 가스의 배출구가 구비되어 있는 대향 단부들을 구비하고 있고, 상기 연소 장치에는 상기 케이징의 상기 대향 단부들에 배치된 단부 캡들이 구비되어 있으며, 상기 단부 캡들은 가연성 가스의 화염 발생을 방지할 수 있는 치수 이하의 선형 치수의 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 가연성 가스의 열량을 측정하는 방법으로서,다공체를 가연성 가스의 자연 발화온도로 가열하여 상기 가스를 상기 가열된 다공체와 접촉되도록 흘려보내는 단계;부피를 알고 있는 기준 가스와 연소 보조가스를 분사하여 가열된 다공체와 접촉시킴으로써 기준 가스의 화염없는 연소를 발생시키는 단계;시료 가스를 연소시키면서 제 2 연소 모니터링 신호를 검출하는 단계;제 2 연소의 모니터링 신호로부터 시료 가스의 열에너지를 계산하는 단계; 및이미 알고 있는 기준 가스의 열량에 대한 반응으로, 그리고 기준 가스의 열에너지 및 시료 가스의 열에너지에 대한 반응으로 시료 가스의 열에너지를 계산하는 단계를 포함하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 시료 기체의 열량값을 나타내는 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 가스의 부피가 다공체를 가열시키기 위해 공급되는 전기 에너지의 양보다 적은 연소 에너지를 공급하도록 제한되는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 연소용 보조 가스가 공기인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 가열된 다공체에 연소중의 화염 형성을 방지하는 작은 치수의 틈새가 존재하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 센서 신호는 가열된 다공체내 센서의 온도를 유지시키는데 필요한 전기 에너지의 감소를 나타내는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, -40℃(-40℉) 내지 54.4℃(130℉)의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 다공체를 가열하는 단계 및 일정한 저항 브리지 회로를 통해 다공체 온도를 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 가열된 다공체를 통해 공기를 흘려보내면서 가연성 가스의 분사를 차단하여 센서의 기준선 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 센서 온도가 산화에 의해 변화되도록 함으로써 연소 모니터링 신호를 결정하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 다공체만을 통해 공기를 흘려보내서 연소측정용 기준값을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 다공체가 비촉매 재료인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 가연성 가스의 열량을 측정하는 방법으로서,가연성 가스를 함유하는 기체 혼합물의 비촉매식 연소과정중에 화염의 형성을 발생할 수 있는 치수를 가진 각각의 틈새가 제공되어 있는 비촉매적 비활성 재료의 다공체를 제공하는 단계;비촉매적 비활성 재료로 구성된 상기 다공체를 기체 혼합물의 화염이 형성될 수 있는 온도로 가열하는 단계;예정된 부피의 표준 기체를 연소 보조용 운반 기체와 혼합하여 제 1 기체 혼합물을 형성시키는 단계;제 1 기체 혼합물을 비활성 재료로 이루어진 다공체내에 분사하는 단계;비활성 재료로 이루어진 상기 다공체를 일정한 연소 온도로 유지시키는데 필요한 열에너지의 변화를 측정하는 단계;예정된 부피의 시료 가스를 연소 보조용 운반 가스와 혼합하여 제 2 가스 혼합물을 형성시키는 단계;제 2 기체 혼합물을 비활성 재료의 다공체내로 분사시키는 단계;비활성 재료로 이루어진 상기 다공체를 일정한 연소 온도로 유지시키는데 필요한 열에너지의 변화를 측정하는 단계; 및이미 알고 있는 기준 가스의 열량에 대한 반응으로, 그리고 기준 가스의 열에너지 및 시료 가스의 열에너지에 대한 반응으로 각각 시료 가스의 열에너지를 계산하는 단계를 포함하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 13항에 있어서, 시료 기체의 열량값을 나타내는 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 25항에 있어서, 상기 다공체에만 공기를 흘려보내 연소 측정용 기준값을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 25항에 있어서, 가열된 다공체를 통해 공기를 흘려보내면서 가연성 가스의 분사를 차단하여 센서의 기준선 신호를 설정하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 25항에 있어서, 예정된 부피의 표준 기체 및 예정된 부피의 시료 가스를, 다공체의 가열시키는데 공급된 전기 에너지의 양보다 적은 연소 에너지를 제공하도록 제한하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 25항에 있어서, 연소 보조가스가 공기인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 25항에 있어서, 가열된 다공체에 연소중의 화염 형성을 방지하는 작은 치수의 틈새가 존재하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 25항에 있어서, 가열된 다공체내의 센서 온도를 유지시키는데 필요한 전력의 감소를 감지하여 열에너지를 감지하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 25항에 있어서, -40℃(-40℉) 내지 54.4℃(130℉)의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 제 25항에 있어서, 다공체를 가열하는 단계 및 일정한 저항 브리지 회로를 통해 다공체 온도를 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 측정방법.
- 가연성 가스의 열량을 결정하는 장치로서,가연성 가스의 화염이 발생하는 것을 방지하면서 자연발화 온도로 가열시킬 수 있는 재료로 구성된 다공체;예정된 부피의 가연성 가스 및 연소 보조용 가스를 분사하여 가열된 상기 다공체와 접촉시켜서 상기 예정된 부피의 가연성 가스를 산화시키는 수단;가연성 기준 가스 또는 가연성 시료 가스를 상기 분사 수단에 선택적으로 흘려보내는 수단;가연성 가스가 상기 다공체와 접촉될 때 상기 가연성 가스의 연소 수준을 감지하고 상기 감지된 수준에 대응되는 신호를 발생하는 센서; 및상기 센서로부터 제공된 신호를 수용하여, 상기 신호에 대한 반응으로 상기 가연성 가스의 열량을 계산하는 프로세서를 포함하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 35항에 있어서, 비촉매 재료로 이루어진 다공체를 가스-공기 혼합물의 자연발화 온도 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 35항에 있어서, 상기 비촉매 재료로 이루어진 다공체를 가열하는데 공급된 전력량보다 적은 양의 에너지를 공급하도록 가스의 유속을 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 35항에 있어서, 센서가 무화염 연소의 전력을 감지하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 35항에 있어서, 상기 연소 보조용 가스가 공기인 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 35항에 있어서, 상기 흐름 수단이 가연성 가스의 흐름을 차단하고 연소 보조용 가스만이 다공체와 접촉되도록 흘려보내서 연소온도에 맞는 기준값을 설정하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 35항에 있어서, 가열된 상기 다공체가 비촉매 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 41항에 있어서, 상기 가열된 다공체가 고체 재료의 다공체를 제공할 수 있도록 함께 속박된 복수개의 고체로 이루어진 것임을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
- 제 41항에 있어서, 상기 가스-공기 혼합물이 산화될 때 화염의 발생을 전적으로 방지할 수 있도록, 상기 가열된 다공체가 인접한 공간을 두고 벽으로 둘러싸인 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 열량 결정장치.
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