JP3494988B2 - ガス熱量測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
ic value)測定のための方法及び装置に関する。
ってもよい。天然ガスは、例えばメタンであって、更に
窒素及び/又は二酸化炭素を含んでいてもよい。メタン
に加えて、天然ガスは、例えば、エタン、プロパン、ブ
タン、ペンタン又はヘキサン等の少なくとも一つの他の
炭化水素を含んでいてもよい。
れば、ガスの熱量測定の方法は、ガス中の音速を測定す
る工程と、その音速に対応する熱量を算出する際にその
音速を利用する工程とを含む。
定の方法は、ガス中の音速を測定する工程と、第1の温
度における前記ガスの第1の熱伝導率を測定する工程
と、第1の温度とは異なる第2の温度における前記ガス
の第2の熱伝導率を測定する工程と、前記音速並びに第
1及び第2の熱伝導率に対応する熱量を算出する際に前
記音速並びに第1及び第2の熱伝導率を利用する工程と
を含む。
量測定装置は、前記ガスの中の音速を測定する手段と、
前記音速に対応するガスの熱量を計算する過程で前記音
速を利用する手段と、を有する。
量測定装置は、前記ガス中の音速を測定する手段と、第
1の温度における前記ガスの第1の熱伝導率を測定する
手段と、前記第1の温度とは異なる第2の温度における
前記ガスの第2の熱伝導率を測定する手段と、前記音速
並びに第1及び第2の熱伝導率に対応する熱量を算出す
る際に前記音速並びに第1及び第2の熱伝導率を利用す
る手段と、を含む。
施できる装置を示す。図1において、ガスの熱量を測定
するための装置2はチャンバ4を有し、ガスは、入口管
6を通してチャンバ4内に供給され、出口管8を通して
排出される。入口管6は、例えば胴のコイルからなる熱
交換手段6Aを有する。これによって、入って来るガス
の温度を、外気の環境温度とほぼ同じ値に調整すること
ができ、それによって、チャンバ4内のガスの温度はほ
ぼ均一になる。チャンバ4は、超音波発信変換器10と
超音波受信変換器12とを有する。計算手段を含む電子
的制御手段14は信号発生器16と接続されていて、信
号発生器16は、制御手段14の制御の下で、変換器1
0に所望の超音波信号18を出させるようになってい
る。超音波信号18は変換器12によって受信され、そ
の受信信号は、線20を通して制御手段14に送られ
る。変換器10と12の間の超音波信号の伝播時間は、
制御手段14によって測定される。制御手段14は、音
速SoSを毎秒メートル(m/s)単位で計算するように
なっている。
方法、例えば米国特許第4938066号に開示された方法を
採用することも可能である。しかし最も好ましい方法
は、英国特許出願第9813509.8号、同第9813513.0号、同
第9813514.8号に開示された方法である。これらの出願
は、共鳴器内のガスの音速を測定するための共鳴器の利
用を開示している。例えばマイクロプロセッサを含む又
はマイクロプロセッサの形の駆動電子回路が、ラウドス
ピーカを駆動する適当な周波数領域の正弦波信号を生成
するようになっている。ラウドスピーカは、共鳴器の内
部に音響信号を与えるような配置になっている。マイク
ロホンは、共鳴器内の音響信号の大きさを検出するよう
に配置されている。マイクロホンからの信号は適当な電
子回路によって濾波され増幅され、処理手段が、共鳴器
内のガスに関連する共鳴周波数を決定し、その音速を決
定する。
を介して、環境温度の値を表すデータを制御手段14に
提供する。環境温度センサ22は、熱伝導率観測手段3
0を有する熱伝導率センサ28の一部をなすものでもよ
い。熱伝導率センサ28は例えば、ドイツ国フランクフ
ルト・アム・マインのハルトマン・アンド・ブラウン(H
artmann & Braun)AGから市販されている小型熱伝導率
マイクロセンサ・モデルTCS208型でもよい。
段30は加熱手段を有し、この加熱手段は、制御手段1
4から線32を介して受信された信号に応じて、センサ
22によって観測された環境温度よりも高い少なくとも
2種類の選択された所望温度で運転可能である。そし
て、その所望温度におけるガスの熱伝導率を示す信号
が、線34を介して制御手段に送られる。
2種類の所望温度tH及びtLでガスの熱伝導率を測定す
るようにする。ここで、tHは、センサ22によって観
測された環境温度よりも予め定めた所望の温度t1だけ
高く、tLは、センサ22によって観測された環境温度
よりも予め定めた所望の温度t2だけ高く、t1はt2よ
りも大きい。
速及び、tH及びtLにおけるガスの熱伝導率の値、並び
にセンサ22によるガスの環境温度の観測値を用いて、
制御手段14は、次の式を用いてガスの熱量を計算す
る。 CV = a.ThCH + b.ThCL + c.SoS + d.Ta + e.Ta 2 + f ・・・・・・ (式I) ここで、CVは熱量、ThCHは温度tHにおけるガスの
熱伝導率、ThCLは温度tLにおけるガスの熱伝導率、
SoSは環境温度におけるガス内の音速、Taはセンサ
22によって観測されたガスの環境温度、そして、a、
b、c、d、e、fはそれぞれ、定数である。
合でもよく、その混合比も変えることが可能である。こ
のような燃料ガスは、例えば天然ガスである。天然ガス
は、例えばメタンを含み、更に、例えば、エタン、プロ
パン、ブタン、ペンタン又はヘキサンのうちの少なくと
も一つを含んでいてもよい。又更に、窒素及び/又は二
酸化炭素を含んでいてもよい。
出すために、対象ガスについて収集されたデータに関し
て、回帰分析として知られる数学手法を利用できる。多
数の異なる試料を取るために、混合ガスの成分比を変え
ることもできる。クロマトグラフィ法を用いて試料の熱
量CVを求め、試料の環境温度Taを計測し、試料の熱
伝導率ThCH及びThCLを測定する。これを、各試料
ごとに順次行なって、それぞれの試料に対応する一組の
値を得る。これら複数組の値を式Iに代入して、定数
a、b、c、d、e、fの「最良適合」値が導かれる。
英国の多数の地点で陸上に出て来る天然ガスの場合につ
いて、種々の地点からの試料についての回帰分析を行な
い、更に又、メタンとエタンの混合物、メタンとブタン
の混合物、メタンとペンタンの混合物、メタンとヘキサ
ンの混合物の研究室での人工的複製物であるガス等価グ
ループについての回帰分析を行なった。研究室では、上
記混合物は、メタンとプロパンの種々の異なる混合物で
代表した。
用され、回帰分析が使用されたとき、定数として次の数
値が導かれた。即ち、 a= 36.25649 b= -45.5768 c= 0.047029 d= 0.091067 e= 0.00074 f= 24.18731 ただし、 CVはガスの熱量(単位:MJ/m3 st(メガジュール/標
準立方メートル))、 ThCHは、環境温度Taよりもほぼ70℃高い温度に
おけるガスの熱伝導率(単位:W/m・K(Kは度ケルビ
ン))、 ThCLは、環境温度Taよりもほぼ50℃高い温度tL
におけるガスの熱伝導率(単位:W/m・K)、 SoSはガス中の音速(単位:m/s)、 Taはガスの環境温度(単位:℃)。
1はほぼ70℃であり、t2はほぼ50℃である。このよ
うに、熱伝導率ThCH及びThCLが測定される温度t
HとtLとの差はほぼ20℃である。[(Ta + 70) -
(Ta + 50) = 20]制御手段14によって計算されたガ
スの熱量CVの値は、制御手段からの信号に応じて、記
録手段36によって、表示し且つ/又は印刷し、又はそ
の他の方法で記録することができる。
当な技術自体によって制御手段16に与えられるか、又
は、制御手段がガスの相対濃度RDを計算できるような
情報が制御手段に与えられる。制御手段14は、ガスの
ウォッブル(Wobble)係数の値を、次の式を用いて計算す
るかその他の方法で求めることができる。 WI = CV / √RD
人により1997年7月22日に出願された同時係属の英国特
許出願第9715448.8号に開示されている。
縮機、エンジン等)で燃料ガスが燃焼するとき、最適な
燃焼を保証するような酸素(この場合は空気の形態)/
燃料ガス比を設定するべく、何らかの形式の制御システ
ムが使用される。燃料ガス成分の変動をも一部考慮し
て、余分な空気量が与えられる。この余分は、余計な空
気が加熱され排気されるが故に、プロセスが可能な最大
限の効率に比べて低い効率で運転されることを意味す
る。
によって見出すことのできる熱量即ちウォッブル係数の
測定を、フィードフォワード方式で利用することによっ
て、制御の精度を改善し、より良い効率を達成すること
ができる。
す。燃料ガスが、配管等の通路40を通じて、炉、キル
ン、圧縮機、エンジン等のガス燃焼プロセス41へ供給
され、空気の形態の酸素が、他の通路42を通じて、プ
ロセス41へ供給される。通路40の中に臨時的に挿入
できる単数又は複数のプローブの形態、又は単数又は複
数の恒久的な装置の形態の、何らかの適当なデバイス4
3が配置されていて、これらによって、通路40内を通
る燃料ガスの音速、2種類の温度tH及びtLにおけるガ
スの熱伝導率ThCH、ThCL、及びガスの環境温度T
aを測定するようになっている。燃料ガスの音速So
S、熱伝導率ThCH、ThCL、及びガスの環境温度T
aは、デバイス43によって測定され、接続44を介し
て制御手段45へ送られる。制御手段45は、例えばマ
イクロプロセッサ又は計算機である。制御手段45は、
前述のように、デバイス43から受信した測定値から、
燃料ガスの熱量を決定する。ガスの質の測定値を決定し
た後に、制御手段は、より良い効率を達成するべく、酸
素/燃料ガス比制御手段46、47を用いて、酸素/燃
料ガス比設定点を調整することができる。この場合、酸
素/燃料ガス制御システムは、燃料ガス通路40と空気
通路42にそれぞれ開度可変弁46、47を有し、これ
らの弁は、接続48、49を介してともに制御手段45
によって制御される。変形例として、酸素/燃料ガス制
御システムは、通路40、42の内の一方だけに1個の
開度可変弁を有してもよい。 [図面の簡単な説明]
ある。
燃料ガス制御システムの例の概略構成図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 ガスの熱量を測定する方法であって、 上記ガス中の音速を測定する工程と、 第1の温度における上記ガスの第1の熱伝導率を測定す
る工程と、 上記第1の温度とは異なる第2の温度における上記ガス
の第2の熱伝導率を測定する工程と、 上記音速並びに第1及び第2の熱伝導率に対応する熱量
を算出する際に上記音速並びに第1及び第2の熱伝導率
を利用する工程と、 を有することを特徴とする方法。 - 【請求項2】 CV =aThCH + b.ThCL + c.S
oS + d.Ta + e.Ta2 + f、 但し、CVは上記ガスの熱量、 但し、ThCHは上記第1の温度における上記ガスの熱
伝導率、 但し、ThCLは上記第1の温度よりも低い上記第2の
温度における上記ガスの熱伝導率、 但し、SoSは環境温度におけるガス内の上記音速、 但し、Taは上記熱伝導率が測定される上記環境温度
(但し、上記第1及び第2の温度は上記環境温度よりも
高い)、そして、a、b、c、d、e、fはそれぞれ定
数であり、 上記の式を用いることを含む手順によって上記熱量を得
る請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 ウォッブル係数をWIとし、ガスの相対
濃度をRDとし、請求項1又は請求項2のいずれか1項
記載の方法によって得られた熱量をCVとするときに、 式: WI = CV / √RD を用いてガスのウォッブル係数を測定する方法。 - 【請求項4】 ガスの熱量を測定する装置であって、 上記ガス中の音速を測定する手段と、 第1の温度における上記ガスの第1の熱伝導率を測定す
る手段と、 上記第1の温度とは異なる第2の温度における上記ガス
の第2の熱伝導率を測定する手段と、 上記音速並びに第1及び第2の熱伝導率に対応する熱量
を算出する際に上記音速並びに第1及び第2の熱伝導率
を利用する手段と、 を有することを特徴とする装置。 - 【請求項5】 ガス燃焼プロセスの酸素/燃料ガス比を
調整する制御手段において、 ガス燃焼プロセスのための請求項4記載の燃料ガスの熱
量を測定する装置と、 決定された熱量に応じて、ガス燃焼プロセスの酸素/燃
料ガス比制御システムを調整する手段と、 を有することを特徴とする制御手段。 - 【請求項6】 ウォッブル係数をWIとし、ガスの相対
濃度をRDとし、請求項4記載の装置を用いて得られた
熱量をCVとするときに、 式: WI = CV / √RD を用いてガスのウォッブル係数を測定することを特徴と
する装置。
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