KR20010034643A

KR20010034643A - 연소 가스에 함유된 열 에너지를 직접 측정하는 디바이스및 방법

Info

Publication number: KR20010034643A
Application number: KR1020007010565A
Authority: KR
Inventors: 프로엘리슈브느와; 도멩게디디에르
Original assignee: 막심므 쁘띠; 슐럼버거 인더스트리스 에스. 아.
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2001-04-25
Also published as: ID27291A; FR2776776B1; HUP0102222A2; EP1064533B1; CN1294680A; DE69919853D1; HUP0102222A3; CA2324903A1; FR2776776A1; EP1064533A1; AU2844599A; DE69919853T2; BR9908957A; JP2002507740A; PL343019A1; WO1999049299A1; US6536946B1; ES2228017T3

Abstract

본 발명은 파이프(16)내에서 순환하는 가스의 압력(P)과 온도(T)하에 가스의 부피(V)를 측정하는 가스 미터(12)와 상기 가스의 발열량(H)을 결정하는 장치 (14;52;63)를 포함하는 파이프내에서 이동하는 연소가스에 함유된 발열 에너지를 측정하기 위한 디바이스(10)에 관한 것이다. 본 발명은 발열량을 결정하는 상기 장치가 소정의 부피에서 가스의 여러 성분의 분자수에 비례하는 적어도 하나의 물리량을 측정하며 또한 가스의 부피(V(P,T))를 측정하는 것과 동일한 동일 압력(P) 및 온도(T)상태하에서 발열량(H(P,T))을 결정하기 위해 가능한 한 가스미터에 가까이 놓이며, 그 다음 상기 디바이스가 가스에 함유된 발열 에너지(H(P,T),V(P,T))를 결정하는데 이용되는 것을 특징으로 한다.

Description

연소 가스에 함유된 열 에너지를 직접 측정하는 디바이스 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DIRECTLY MEASURING CALORIFIC ENERGY CONTAINED IN A FUEL GAS}

예를들어 파이프내에서 이동하는 연소가스, 이를테면 천연가스에 함유된 에너지를 측정하기 위한 방법이 존재한다.

이 때문에, 크로마토그래프 또는 열량계와 같은 장치는 일반적으로 파이프내의 소정의 지점에 위치되며, 또한 상기 파이프내에서 획득되어 정상압력(P₀) 및 온도(T₀)상태로 조정된 가스 샘플로부터 가스의 발열량(H)을 결정하는데 이용된다.

따라서, 발열량(H)은 이러한 상태하에서 결정된다.

일반적으로 장치의 하부에서 상기 파이프내의 다른 위치에 놓인 가스 미터는 부피를 측정하는 지점에서 상기 파이프내에서 순환하는 가스의 압력(P)과 온도(T)상태하에 가스의 부피(V)를 측정한다.

또한, 압력과 온도, 어떤 경우에는 압축률 계수를 보정하는 장치는 가스 미터에 장착되며 또한 압력(P)과 온도(T)상태하에 측정된 가스 부피(V)를 정상 압력(P₀)과 온도(T₀)상태로 조정된 부피(V₀)로 변환시킨다.

압력 센서와 온도 센서는 부피(V)에 대한 이러한 보정을 수행하기 위해 요구된다.

따라서, 가스에 함유된 발열 에너지는 HㆍV₀의 곱과 등가이다.

그러나, 가스의 발열 에너지를 측정하는 이러한 기술은 압력 및 온도 보정 장치 뿐아니라 압력 및 온도 센서의 이용, 부가해서 많은 비용이 들수 있는 발열량(크로마토그래프, 열량계...)을 측정하는 장치의 이용을 요구하기 때문에 여러가지 단점을 갖는다.

결과적으로, 이전 방법보다 더 간단한 방법을 이용하여 연소 가스의 발열 에너지를 측정할 수 있도록 하는 것이 유용하다.

본 발명은 파이프내에서 순환하는 가스의 압력(P)과 온도(T)하에 가스의 부피(V)를 측정하는 가스 미터와 상기 가스의 발열량(H)을 결정하는 장치를 포함하는 파이프내에서 이동하는 연소가스에 함유된 발열 에너지를 직접 측정하기 위한 디바이스에 관 한 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 파이프내에서 순환하는 가스의 압력(P)과 온도(T)하에 가스의 부피(V)를 측정하는 가스 미터와 상기 가스의 발열량(H)을 결정하는 장치를 포함하는 파이프내에서 이동하는 연소가스에 함유된 발열 에너지를 직접 측정하기 위한 디바이스에 있어서, 발열량을 결정하는 상기 장치는 소정의 부피에서 가스의 여러 성분의 분자수에 비례하는 적어도 하나의 물리량을 측정하며 또한 가스의 부피(V(P,T))를 측정하는 것과 동일한 압력(P) 및 온도(T)상태하에서 상기 발열량(H(P,T))을 결정하기 위해 가능한 한 가스미터에 가까이 놓이며, 그 다음 상기 디바이스가 가스에 함유된 발열 에너지(H(P,T),V(P,T))를 결정하는데 이용되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 디바이스는 압력 및 온도 보정 장치의 이용을 요구하지 않으며 또한 그에 따라 압력 및 온도의 측정은 가스의 발열량을 결정하는데 더 이상 필요하지 않다.

이것은 한편으로, 가스의 부피가 동일 온도 및 압력 상태하에 측정되는 위치에서 발열량의 결정이 수행되기 때문에 가능하며 또한 다른 한편으로 소정의 부피에서 가스의 여러 성분에 비례하는 물리량을 측정함으로서 가능하다.

물리량의 측정은 직접 소정의 압력 및 온도에서 소정의 부피에 존재하는 분자수를 제공한다.

압력 이나 온도가 변화하면, 소정의 부피에서 분자수는 공식 n=PV/ZRT(여기서, Z는 가스의 압축률 계수, R은 볼츠만 상수임)에 따라 변화하며, 또한 물리량은 동일한 비율로 변화한다.

결과적으로, 이러한 물리량은 압력 및 온도에 무관하게 가스의 여러 성분의 분자수를 측정한다.

유리하게, 측정된 물리량은 가스에 크게 비례하여 존재하는 적어도 하나의 연소 성분에 의한 전자기 방사의 흡광도(absorbance)로서, 상기 물리량은 상기 방사의 적어도 하나의 파장에 대한 것이다.

그 다음에, 상기 장치는 이러한 흡광도 측정의 발열량을 추론한다.

또한, 이런 특수한 물리량의 선택은 가스와의 접촉을 요구하지 않기 때문에 매우 유용하다.

천연 가스(N₂,O₂,CO₂)를 흡수하지 않는 방사의 선택, 바꾸어 표현해서 파장의 영역은 그러한 성분이 임의의 방법으로 가스의 발열량에 기여하지 못하기 때문에 특히 유리하다.

예를들어, 성분(N₂및 O₂)은 적외선 영역내에서 흡수하지 못하며, 또한 성분(CO₂)은 적외선 영역의 한 영역내에서 흡수하지 못한다.

따라서, 측정을 위해 몇가지 다른 양을 갖는 것보다 훨씬 더 단순한 가스의 발열량에 기여하는 성분에 의해 고려될 수 있기 때문에 이런 물리량을 이용하는 것이 매우 유리하다.

가스의 성분과 발열량에 대해 원하는 정확도에 따라, 예를들어 메탄 또는 에탄 또는 프로판 또는 부탄 또는 펜탄과 같은 가스내에서 최고의 비율로 존재하는 연소 성분에 의해서 다만 고려하는 것이 충분할 수 도 있다.

발열량 측정의 정확도를 높이기 위해, 가스의 발열량을 결정하는 데 이용되는 상기 장치는 가스내에 존재하는 다른 연소 성분에 의해서 전자기 방사의 흡광도를 측정한다.

따라서, 천연가스의 경우 예를들어 메탄과 같은 가스내에 가장 큰 양으로 존재하는 연소성분의 측정에 부가하여, 에탄, 프로판, 부탄 및 펜탄 가운데서 선택된 작은 양으로 존재하는 하나 또는 그 이상의 다른 연소 성분의 흡광도를 측정할 수 있다.

여러가지 방사 파장(들)은 가스의 단일 연소 성분에 의하거나 또는 개개의 파장에 해당하는 이들중 몇몇에 의하여 기여가 이루어지도록 선택될 수 있다.

좀더 구체적으로, 가스의 발열량을 결정하는 장치는 가스가 흐르는 적어도 한 영역을 통해,

- 가스가 흐르는 상기 영역을 가로질러 전자기 방사를 방출하는 적어도 하나의 광원,

- 상기 방사를 필터링하는 수단,

- 해당 파장(들)에 대해 가스의 연소 성분(들)에 의한 흡수로 감쇠되는 상기 방사를 검출하며 또한 문제의 개개의 파장에 대해 방사를 나타내는 전기 신호를 발생하는 수단, 및

- 상기 가스내에 함유된 에너지(H(P,T)V(P,T)) 뿐아니라 가스의 발열량을 차감 전기 수단을 포함한다.

방사를 필터링하는 수단은 하나 또는 그 이상의 간섭 필터를 포함할 수 있으며, 이들 개개의 간섭 필터는 상기 가스 성분중 적어도 하나가 흡수를 보이는 다른 방사 파장에 대해 적응된다.

다른 가능성에 따라, 방사를 필터링하는 수단은 상기 가스 성분(들)이 흡수를 보이는 적어도 하나의 파장을 지닌 파장 영역에서 전기적으로 조정될 수 있는 필터를 포함할 수 있다.

전자기 방사는 예를들어 적외선에 놓인다.

파장 영역은 상기 가스 성분(들)이 예를들어 1 내지 12 μm사이에서 흡수를 보이는 파장(들)을 포함한다.

가스의 주요 성분이 메탄일때, 예를들어 1.6 내지 1.3 μm의 파장 영역에 집중할 수 있다.

또한 본 발명은 파이프내에서 순환하는 가스의 압력(P)과 온도(T)하에 가스의 부피(V)를 측정하는 단계와 또한 상기 가스의 발열량(H)을 결정하는 단계를 포함하는 파이프내에서 이동하는 연소가스에 함유된 발열 에너지를 직접 측정하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은 가스의 부피(V(P,T))가 측정된 하에 존재하는 압력(P)과 온도(T)상태하에서 소정의 부피내에서 가스의 여러 성분의 분자 수에 비례하는 적어도 하나의 물리량을 측정하는 단계, 및 동일 압력(P)과 온도(T)상태하에 이러한 측정으로 부터 발열량(H(P,T))을 직접 추론하고 나서 상기 가스내에 함유된 발열량(H(P,T)V(P,T))을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 방법은 상기 방사의 서로 다른 파장에 대해 가스내에서 큰 비율로 존재하는 적어도 하나의 연소 성분에 의해서 전자기 방사의 흡광도인 물리량을 측정하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명에 따른 방법은 상기 방사의 서로 다른 파장에서 가스내에 존재하는 다른 연소 성분에 의해서 전자기 방사의 흡광도를 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 방법은 개개의 파장이 가스의 단일 연소 성분 또는 이들 몇몇에 의해서 행해진 기여도에 상응하도록 상기 방사 파장(들)을 선택하는 단계를 포함한다.

더 자세하게, 본 발명에 따른 방법은

- 가스가 흐르는 적어도 하나의 영역을 가로질러 전자기 방사를 방출하는 단계,

- 상기 방사를 필터링하는 단계,

- 해당 파장(들)에 대해 가스의 연소 성분(들)에 의한 흡수로 감쇠된 방사를 검출하며, 또한 문제의 개개의 파장에 대해 방사를 나타내는 전기 신호를 발생하는 단계, 및

- 상기 신호로부터 상기 가스의 발열량과 상기 가스내에 함유된 발열량(H(P,T)V(P,T))을 결정하는 단계를 포함한다.

전자기 방사는 천연가스(N₂,O₂,CO₂)가 이러한 방사를 흡수하지 않도록 선택된다.

상기 방사는 예를들어, 적외선 영역에서 선택된다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 특정 실시예에 대한 다음 설명으로 부터 명확해지며, 첨부도면과 관련하여 주어진다.

도면의 간단한 설명

도1은 본 발명에 따른 에너지-측정 디바이스의 총체적인 도면.

도2a는 장치를 구성하는 여러 요소의 개략적인 다이어그램 도면.

도2b는 3개의 서로 다른 파장에 대해 특정 흡수 선을 나타내는 다이그램 도면.

도2c는 여러 연소 성분의 흡수 스팩트럼(A,B,C)과 서로 다른 3개의 파장에 대한 이들의 상대 위치를 나타내는 다이어그램 도면.

도3은 전기적으로 조정가능한 필터를 나타내는 다이어그램 도면.

도4는 상기 장치의 변형을 나타내는 도면.

실시예

도1에서 참조번호(10)로 나타낸바와 같이, 예를들어 천연가스와 같은 연소 가스에 함유된 에너지를 측정하는 디바이스는 가스의 발열량(H)을 결정하는 가스 미터(12)와 장치(14)를 포함한다.

도1에서 화살표 G로 나타낸 가스의 흐름은 디바이스(10)가 설치되어 있는 파이프(16)내로 이동된다.

가스 미터(12)는 특허 출원 번호 WO 97 35116에 상세히 기술되어 있는 공지된 형태의 유체 발진기로 이루어진 측정 유닛과 결합한다.

이러한 발진기는 챔버(20)를 둘러싸는 영역(18)을 포함하는데, 그 챔버(20)내에는 상기 가스의 흐름이 상기 챔버(20)로 유입 또는 유출될 수 있도록 장애물(22)뿐아니라 입구(24) 및 출구(26)가 위치되어 있다.

입구(24)는 챔버(20)내에서 발진하는 가스 분출구를 형성하기 위해 도2의 평면에 수직한 길이에 대하여 좁은 슬릿의 형태로 있다. 2개의 발열 센서(28,30; 도2에서 원으로 나타냄)는 상기 분출구의 발진 주파수를 검출한다. 상기 유체 발진기는 WO 97 35116에 주어진 설명에 따른 기능을 한다.

임의의 형태의 가스 미터가 본 발명의 목적을 달성하기 위해 상기 미터 대신 이용될 수 있음을 주목해야 한다.

예를들어, 적어도 2개의 음향 변환기사이의 흐름에서 방출된 음향파의 전달시간을 측정하는 원리에 기초하여 회전 위치 또는 변형가능한 패너(fanner)용적 측정의 가스 미터 또는 평평한 미터가 여기에 이용될 수 있다.

가스미터는 파이프(16)내에서 가스의 압력(P)과 온도(T)상태하에 가스의 부피(V)를 측정한다. 상기 장치(14)는 가능하다면 측정유닛 내부에서 가스 미터에 대해 가능한한 닫힌 상태로 설치됨으로서, 발열량(H)이 가스의 부피 측정하에서 그와 같은 동일 압력(P)과 온도(T)하에 상기 장치에 의해 직접 결정될 수 있다.

이러한 방법으로, 가스의 발열 에너지 또는 연소 엔탈피는 압력과 온도에 대해 앞서 보정되는 부피(V)없이도 2개의 측정값 V(P,T)와 H(P,T)을 곱하여 제공된다. 장치(14)는 라인내에서 가스의 흐름이 존재하는 압력 및 온도 상태하에서 직접 발열량(H(P,T))을 결정할 수 있다. 이러한 결정은, 상기 장치가 주어진 부피에서 가스의 여러 성분의 분자수에 비례하는 적어도 하나의 물리량을 측정할 수 있으며 또한 상기 측정이 압력(P) 및 온도(T)아래 분자에 대해서 수행될 수 있기 때문에 가능하다.

한가지 방법은 예를들어 특허출원번호 EP 95308501.6에 공지되어 있는바, 상기 문헌에서는 발열량의 결정이 밀도, 음속, 발열 전도성 및 점도율과 같은 4가지 물리량의 측정을 요구한다.

유리하게, 발열량을 결정하는 방법은 상기 방사의 적어도 하나의 파장에 대하여 전자기 방사를 흡수하는 가스의 연소 성분의 특성을 하나의 물리량으로 선택함으로서 매우 단순화된다.

그러한 경우에, 가스와의 접촉은 측정하는데 불필요하며, 또한 발열량을 결정하는 장치(14)는 가스의 흐름을 분쇄하는 임의의 방법없이도 파이프(16)내에 직접 설치될 수 있다.

도1 및 2a에 나타낸바와 같이, 상기 장치는 광원의 빔에 의해 한정된 흐름의 부분(34)을 통해 방사를 방출하는 전자기 방사 광원(32)을 포함한다.

상기 광원(32)은 파이프(16)의 한측면에 설치된다.

상기 장치(14)는 파이프의 반대측면에서, 한편으로 가스의 연소 성분에 의한 흡수에 의해 감쇠되는 방사를 필터링하는 수단과 다른 한편으로 감쇠 및 필터링된 방사를 검출하는 수단을 지닌 유닛(36)을 포함한다.

대안으로 상기 필터링 수단은 상기 광원(32)과 동일한 측면에 설치될 수 있음을 주목해야 한다.

필터링 수단은 특정 파장에 적합한 개개의 필터와 함께 하나 또는 그 이상의 종래의 간섭 필터를 포함할 수 있다.

단일 필터는 가스가 주로 메탄과 수개의 천연가스로 이루어져 있을 경우 이용될 수 있다. 그 다음에 필터는 메탄의 흡수에 대한 파장 영역 특성내에서 방사를 필터링하는데 적합하다.

그럼에도 불구하고, 대부분의 경우에 몇몇 필터가 이용되는데, 그 이유는 소량으로 존재하는 다른 연소 성분 만큼 흡수가 발열량의 매우 정확한 평가치를 얻기위해 측정되기 때문이며 또는 가스내에 존재하는 다른 연소 성분이 발열량에 상당히 기여하고 이러한 고려가 완전히 부정확한 발열량을 제공하지 않기 때문이다.

개개의 필터들은 다른 방사 파장에 적합하다. 예를들어 파장(λ₁, λ₂, λ₃)은 개개의 파장이 단일 연소 성분(도2b)의 스팩트럼에 상응하거나 또는 몇몇 성분(도2c)의 스팩트럼에 상응하도록 선택될 수 있다. 해당 성분에 의한 흡수가 검출수단에 의해 직접 구해지기 때문에 첫번째 경우를 선택하는 것이 더 편리하다.

두번째 경우로서, 도2c에서 3개의 서로 다른 연소 성분의 스팩트럼(A,B,C)에 의해 나타낸바와 같이, 측정된 흡광도는 문제의 파장(λ₁, λ₂, λ₃)에서 존재하는 모든 성분의 기여 함수이며, 따라서 압력(P) 및 온도(T)에서 단위 부피당 여러 성분의 분자수가 미지로 있는 방정식의 체계를 해결하는 것이 필요하다.

또한 개개의 성분의 기여도에 관한 개별 정보가 개개의 파장에 대해 구해지도록 파장이 선택되었음을 보장하는 것이 중요하다.

그렇지 않으면, 방정식은 해결될 수 없다.

이들 필터는 예를들어 모터에 의해 구동되는 회전축에 설치된 원통에 설치될 수 있다.

또한 성분(들)이 방사를 흡수하는 파장을 갖는 파장 영역을 통해 간섭 필터 대신 전기적으로 조정 가능한 필터(38)를 이용하여 상기 장치를 단순화 할수 있다.

선택된 전자기 방사는 예를들어 하이퍼주파수 영역 또는 광학 영역내에 위치될 수 있다. 광학 영역내에서 상기 전자기 방사는 자외선 또는 적외선 방사일 수 있다.

좀더 구체적으로, 광 방사는 성분(N₂,O₂,CO₂)이 흡수를 보이지 않는 적외선 스팩트럼의 부분에 제공된 특수한 배려로서 적외선 형태이다.

광원(32)은 예를들어 텅스텐 필라멘트로 이루어진 광의의 대역-폭 광원이다.

필터(38)는 예를들어 3.2 내지 3.6 μm의 파장 영역에서 조정될 수 있다.

그러한 필터는 도3에 나타내었으며 유럽특허 출원 0 608 049에서 기술하고 있다. 예를들어 마이크로-머신 실리콘으로 이루어진 상기 필터는 지원 및 이동 가능 전극(42)으로 형성된 고정 전극(40)을 포함하는데, 상기 전극(40)은 이동가능 전극이 변형되어 있지 않은 위치에 상응하는 소정 거리(e₀)만큼 서로 분리되어 있다.

정지(resting)위치라 부르는 상기 위치에서, 도3에서 화살표 R로 표시한 방사는 2 e₀와 동일한 파장(λ₀)에 대해 그리고 이 파장의 조화파에 대해 필터링되어 있다.

전압 광원(44)은 이동가능 및 고정된 전극에 연결되며, 또한 전압이 인가될 때 이동가능 전극은 변형되어 거의 고정전극으로 된다. 전극간의 거리는 e₁(e₁＜e₀)으로 감소되며 또한 방사는 2 e₁과 동일한 파장(λ₁)에 대해 필터링된다. 이러한 방법으로 상기 필터는 다른 전기 전압 값에 대해 여러 파장에서 조정된다.

도2에 나타낸바와 같이, 유닛(36)은 또한 볼로미터, 서모셀 또는 포토다이오드와 같은 광의의 대역-폭 검출기(44)를 포함한다.

가스 및 필터(38)를 가로지르는 적외선 방사에 함유된 에너지는 검출기(44)에 의해 수신되며 또한 상기 방사를 나타내는 전기 신호로 변환된다.

신호는 증폭되고 나서 변환기(46)에 의해 수치(numeric)신호로 변환되며 이후에 마이크로프로세서(48)로 주입된다.

유추적인 수치 변환기(50)는 필터(38)를 제어하는데 이용되며 또한 다른 파장을 선택하는데 이용된다.

실시예를 위해, 가스는 천연가스이며 그의 성분은 몰당 킬로주울로 주어진 발열량과 함께 아래에 나타내었다.

메탄 89.5% 891.09

에탄 5% 1561.13

프로판 1% 2220.13

부탄 0.6% 2873.97

팬탄 0.3% 3527.8

천연가스 3.6%

파장은 예를들어 다음과 같이 선택되고 정의된다.

λ₁= 3.2 μm

λ₂= 3.3 μm

λ₃= 3.4 μm

λ₄= 3.5 μm

λ₅= 3.6 μm

이러한 파장은 몇몇 연소 성분의 기여도가 파장들 각각에 부합하도록 한 것이다.

예를들어 20V와 동일한 공지 값의 전압(V)을 필터(38)에 적용함으로서, 상기 필터는 파장(λ₁)에서 조정되며 또한 검출기(44)는 S₁(V)에 해당하는 전기신호를 제공한다.

여기서, E(λ)는 광원(32)에 의해 방출된 빛의 밀도를 나타내며,는 상기 파장에 존재하는 모든 가스 연소 성분에 의한 스팩트럼의 응답을 나타낸다.

L은 가스내의 광 경로의 길이를 나타낸다.

x_i은 압력(P)과 온도(T)에서 단위 부피당 연소 성분(i)의 몰수를 나타낸다.

α_i은 연소 성분(i)의 흡수 계수를 나타내는데, 파장, 압력 및 온도에 의존한다.

θf(λ,V)은 필터(38)로 인한 광 전송을 나타내며, 또한 Sd는 검출기의 스팩트럼 응답을 나타낸다.

서로 다른 전압 값에 대해 서로 다른 파장(λ₁내지λ₅)으로 필터(38)를 조정함으로서, 값((S₁(V₁) 내지 S₅(V₅))이 측정된다. 흡광도(A)는 A(V)=Ln(1/SV)와 같이 정의되는데, 여기서 Ln은 자연대수를 나타내며, 다음 5개의 식이 구해진다.

A₁(V₁)= a₁₁x₁+a₂₁x₂+ .... + a₅₁x₅

A₂(V₂)= a₁₂x₁+a₂₂x₂+ .... + a₅₂x₅

_{.........................................................}

A₅(V₅)= a₁₅x₁+a₂₅x₂+ .... + a₅₅x₅

여기서 a_ij항은 성분(i)와 장치(14)에 의존한다.

본 발명을 미지의 천연가스 성분에 적용하기 전에, 단위 부피(x_i)당 몰수가 소정의 T 및 P 값으로 공지되어 있는 성분을 가진 수개의 가스를 장치(14)에 주입함으로서 예비의 측정 단계가 실험실에서 수행되었다.

공지된 개개의 가스 성분에 대하여, 전압(V_i(i=1,..,5)이 필터에 연속적으로 인가됨으로서 그의 스팩트럼 전송은 파장(λ_i(i=1,...,5))에서 조정되며 또한 각각의 결합(V_i/λ_i)에 대해 검출기는 값(Si₁(V_i))을 제공한다.

이러한 식으로, 5개의 방정식은 첫번째 가스에 대해 다음과 같이 구해진다.

A₁₁(V₁)= a₁₁x₁+ ... + a₅₁x₅

_{...............................................}

A₅₁(V₅)= a₁₅x₁+ ... + a₅₅x₅

여기서 x_i(i =1,...,5)는 공지되어 있으며, a_ij항은 공지되어 있지 않다.

공지된 4개의 다른 가스 성분을 장치(14)에 주입함으로서, 22개의 부가 방정식이 상술한 바와 같은 동일 항 a_ij으로 구해지다.

이것은 공지된 수학적인 방법, 예를들면 선형 방정식 해법에 의해 해결할 수 있는데, 다음 식과 같이 주어지며 여기서 a_ij는 미지의 계수이다.

여기서 (k)율은 식에서 공기된 가스 혼합과 관계한다.

종래의 수학적인 도치법을 이용하여 행렬[a_ij]을 역으로 실행하면, 다음식이 구해진다.

이러한 식으로, 값(x_i)은 다음식으로 주어진다.

수행하는데 필요로 하는 모든것은 측정중에 계산된 데이터(b_ij)를 마이크로프로세서(48)의 메모리에 대입하는 것이며, 또한 미지의 천연가스 혼합물과 미지의 발열량이 파이프(16)내에서 이동되는 경우, 다른 값(Aj(V))이 해당 전압에 대해서 구해진 다른 필터 파장에 대해 측정되며, 또한 항(x_i)이 쉽게 추론된다. 가스의 발열량(H(P,T))은로 주어지는데, 여기서 H_i는 몰당 줄로서 성분(i)의 발열량을 나타낸다.

그 결과, 항(Xi)이 결정되면, 발열량(H(P,T))이 직접 구해진다.

따라서 에너지 (H(P,T)V(P,T))는 이전의 정보로 부터 추론된다.

발열량을 결정하는데 이용되는 장치는 예를들어, 유체 발진기 챔버(20)및 도1에서 52로 지정한 곳 하부에 위치될 수도 있다.

장치(14)와 동일한 식의 상기 장치는 광원(54), 필터링 수단 및 검출 수단(56) 뿐 아니라 가스로 채워지고 광원(54)과 상기 수단(56)사이에 위치된 챔버(58)를 포함한다.

상기 장치(52)는 다소의 가스 흐름을 챔버(58)내로 이끌리도록 하고 또한 이를 상기 파이프로 복귀시킬수 있는 2개의 컨넥터(60,62)에 의해 파이프(16)상에 설치된다. 상기 컨넥터(60)는 혼합물이 가스 흐름을 나타내는 가스의 샘플링을 수행하기위해 파이프의 벽으로부터 떨어져서 파이프내로 개방되는 영역을 갖는다.

장치(58)의 설치는 유리한 이점을 갖는데, 그 이유는 각각의 컨넥터(60,62)에서 2개의 차단 밸브를 갖는것이 예를들어 파이프내에서 가스 순환을 정지시키지 않고 또한 계속해서 가스 부피(V(P,T))를 측정함이 없이 유지(maintenance)를 위해서 상기 장치를 제거하기가 용이하기 때문이다.

도4는 발열량을 결정하는 장치(63)의 변형을 나타내는데, 여기서 광원(64), 필터링 및 검출 수단(66)은 상기 장치의 동일측면에 놓인다.

예를들어 구형의 미러(68)는 광원에 의해 방출된 방사를 수단(66)으로 반사시키기위해 상기 장치의 반대측면에 놓인다. 가스로 채워진 챔버(70)는 한편의 미러(68)와 다른 한편의 광원(64) 및 수단사이에 위치된다.

2개의 컨넥터(72,74)는 챔버(70)에 가스를 도입하고 비우기 위해 제공된다.

이러한 장치는 도1에서 장치(52)와 동일방법으로 직접 설치될 수도 있다.

그러나, 챔버(70)와 컨넥터(72)를 제거하여 장치(14)와 동일 방법으로 상기 장치를 위치시키는 것을 생각할 수 있는데, 그 이유는 파이프내의 가스 흐름이 미러(68), 및 광원(64) 및 수단(66)사이에서 순환할 수 있기 때문이다.

상기 장치는 유체 발진기내의 또 다른 지점, 예를들면 슬릿을 형성하는 입구(24)에 대해 직립으로 설치될 수 도 있다.

Claims

파이프(16)내에서 순환하는 가스의 압력(P)과 온도(T)하에 가스의 부피(V)를 측정하는 가스 미터(12)와 상기 가스의 발열량(H)을 결정하는 장치(14;52;63)를 포함하는 파이프내에서 이동하는 연소가스에 함유된 발열 에너지를 측정하기 위한 디바이스(10)에 있어서,

발열량을 결정하는 상기 장치는 소정의 부피에서 가스의 여러 성분의 분자수에 비례하는 적어도 하나의 물리량을 측정하며 또한 가스의 부피(V(P,T))를 측정하는 것과 동일한 압력(P) 및 온도(T)상태하에서 발열량(H(P,T))을 결정하기 위해 가능한 한 가스미터에 가까이 놓이며, 그 다음 상기 디바이스가 가스에 함유된 발열 에너지(H(P,T),V(P,T))를 결정하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항에 있어서,

가스의 발열량(H(P,T))을 결정하는 상기 장치(14;52;63)는 상기 전자기 방사의 적어도 한 파장에 대해 가스의 큰 비율로 존재하는 적어도 하나의 연소 성분에 의해서 전자기 방사의 흡광도인 물리량을 측정하며 또한 상기 장치는 상기 흡수 측정으로부터 발열량을 추론하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제2항에 있어서,

가스의 발열량(H(P,T))을 결정하는 상기 장치(14;52;63)는 상기 전자기 방사의 서로 다른 파장에 대해 가스내에 존재하는 다른 연소 성분 만큼 전자기 방사의 흡광도를 측정하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제3항에 있어서,

상기 여러 전자기 방사 파장은 개개의 파장이 단일 연소 성분에 의해 행하여진 기여도에 상응하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제3항에 있어서,

개개의 전자기 방사 파장은 수개의 연소 성분에 의해 행하여진 기여도에 상응하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제2항 내지 제5항중 어느 한 항에 따른 디바이스에 있어서,

가스(H(P,T))의 발열량을 결정하는 상기 장치는 가스가 흐르는 적어도 한 영역을 통해,

- 가스가 흐르는 상기 영역을 가로질러 전자기 방사를 방출하는 적어도 하나의 광원(32; 54; 64),

- 상기 방사를 필터링하는 수단(36; 38; 66),

- 상기 가스의 연소 성분(들)으로 인한 흡수에 의해 감쇠된 상기 방사를 해당 파장(들)에 대해 검출하며 또한 문제의 개개의 파장에 대해 방사를 나타내는 전기 신호를 발생하는 수단(36; 44; 66), 및

- 상기 가스에 함유된 에너지(H(P,T)V(P,T)) 뿐아니라 가스의 발열량을 차감하는 전기 수단(48)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제6항에 있어서,

상기 방사를 필터링하는 수단(36; 38; 66)은 상기 가스 성분중 적어도 한 성분이 흡수를 보이는 다른 방사 파장에 각각 적응되는 하나(또는 그 이상)의 간섭 필터(들)를 포함할 수 있는 것을 특징으로 디바이스.
제6항에 있어서,

상기 방사를 필터링하는 수단은 상기 가스 성분(들)이 흡수를 보이는 적어도 하나의 파장을 지닌 파장 영역에서 전기적으로 조정 가능한 필터(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제2항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서,

상기 전자기 방사는 천연가스(N₂,O₂,CO₂)가 이러한 방사를 흡수하지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제2항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서,

상기 광 방사는 적외선 영역에 놓이는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제8항 내지 10항에 있어서,

상기 파장 영역은 상기 가스 성분(들)이 1 내지 12μm사이에서 흡수를 보이는 파장(들)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서,

메탄은 발열량을 결정하는 가스 성분으로 이용되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서,

에탄은 발열량을 결정하는 가스 성분으로 이용되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서,

프로판은 발열량을 결정하는 가스 성분으로 이용되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항 내지 제14항중 어느 한 항에 있어서,

부탄은 발열량을 결정하는 가스 성분으로 이용되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서,

프로판은 발열량을 결정하는 가스 성분으로 이용되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항 내지 제16항중 어느 한 항에 있어서,

상기 연소 가스는 천연가스인것을 특징으로 하는 디바이스.
제1항 내지 제17항중 어느 한 항에 있어서,

가스의 발열량(H(P,T))을 결정하는 상기 장치(14; 52; 63)는 가스미터(12)내에 결합되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
파이프(16)내에서 순환하는 가스의 압력(P)과 온도(T)하에 가스의 부피(V)를 측정하는 단계 및 상기 가스의 발열량(H)을 결정하는 단계로 이루어진 파이프내에서 이동하는 연소가스에 함유된 발열 에너지를 측정하기 위한 방법에 있어서,

상기 방법은 가스의 부피(V(P,T))가 측정된 하에 존재하는 압력(P)과 온도(T)상태하에서 소정의 부피내에서 가스의 여러 성분의 분자 수에 비례하는 적어도 하나의 물리량을 측정하는 단계, 및 동일 압력(P)과 온도(T)상태하에 이러한 측정으로 부터 발열량(H(P,T))을 직접 추론하고 나서 상기 가스에 함유된 발열량(H(P,T)V(P,T))을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서,

상기 방사의 적어도 한 파장에 대해 가스내에서 큰 비율로 존재하는 적어도 한 연소 성분에 의해 전자기 방사의 흡광도인 물리량을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항에 있어서,

상기 방사의 여러 파장에 대해 가스내에 존재하는 다른 연소 성분 만큼 상기전자기 방사의 흡광도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서,

개개의 파장에 대해 단일 연소 성분에 의해 행하여진 기여도가 상응하도록 상기 전자기 방사 파장(들)을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서,

개개의 파장에 대해 수개의 연소 성분에 의해 행하여진 기여도가 상응하도록 상기 전자기 방사 파장(들)을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항 내지 제23항중 어느 한 항에 있어서,

- 가스가 흐르는 적어도 한 영역을 가로질러 전자기 방사를 방출하는 단계,

- 상기 방사를 필터링하는 단계,

- 상기 가스의 연소 성분(들)으로 인한 흡수에 의해 감쇠된 상기 방사를 해당 파장(들)에 대해 검출하며 또한 문제의 개개의 파장에 대해 상기 방사를 나타내는 전기 신호를 발생하는 단계, 및

- 상기 신호(들)로부터 상기 가스의 발열량과 상기 가스에 함유된 발열 에너지(H(P,T)V(P,T))를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항 내지 제24항중 어느 한 항에 있어서,

상기 전자기 방사는 천연가스(N₂,O₂, CO₂)가 상기 방사를 흡수하지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항 내지 제25항중 어느 한 항에 있어서,

상기 광 방사는 상기 적외선 영역에 놓이는 것을 특징으로 하는 방법.