JP2010008165A - 混合ガスの成分測定装置及び成分測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】飽和炭化水素ガスに他のガスが混入した混合ガスの成分測定装置であって、混合ガスの成分及び発熱量を簡易かつ高速に測定できると共に安価である成分測定装置等を提供する。
【解決手段】１種類以上の飽和炭化水素から成る第一のガスと種類が異なる成分既知の第二のガスが混合された混合ガスの成分測定装置が、前記混合ガスの差圧を検出する層流流量計と、前記層流流量計に直列に配置され前記混合ガスの差圧を検出する差圧式流量計と、前記混合ガスの密度を検出する密度計と、前記検出された差圧、前記検出された密度、前記各流量計における関係式、第一のガスの密度と粘度が反比例の関係にあること、及び、混合ガスの粘度と第一のガス及び第二のガスの粘度との関係式に基づいて、第一のガス及び第二のガスの混合比率を求める演算手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、飽和炭化水素ガスに他のガスが混入した混合ガスの成分測定装置等に関し、特に、混合ガスの成分及び発熱量を簡易かつ高速に測定できると共に安価である成分測定装置等に関する。

都市ガスを生成して需要者へ供給する過程においては、その主成分であるメタン、エタン、プロパンなどの飽和炭化水素ガスに、窒素、空気などの他のガスが混ざる場合がある。例えば、液化ガスの貯蔵タンク内で気化したガスを用いる場合、ガス井戸からの天然ガスを用いる場合、或いは、意図的に飽和炭化水素ガスを希釈する場合などに、飽和炭化水素ガスと他のガスの混合ガスが供給されることになる。かかる場合、必要条件を満たしたガス供給を行うために、混合ガスが有する発熱量や上記他のガスの混入量を監視する必要がある。

このようなガスの監視を行うための測定技術に関して、例えば、下記特許文献１には、飽和炭化水素ガスの熱量を流量計を用いて求めることが記載され、下記特許文献２には、都市ガス中の窒素成分を測定する技術が記載され、また、下記特許文献３には、都市ガス原料中への雑ガスの混入を監視する方法について記載されている。
特開平３−３９６２３号公報 特開平６−５０９６７号公報 特開平１０−３８８２７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置では、飽和炭化水素ガスに他のガスが混入しそのガス濃度が変動する場合には計測不能である。また、上記特許文献２に記載の装置では、ガス成分毎に濃度測定センサを用意する必要があり、装置が高価なものとなってしまう。また、上記特許文献３に記載の装置では、熱伝導率を用いて発熱量を測定するが、応答に数秒程度かかり、また、既知の標準ガスによる校正が必要であるため、より高速かつ容易な方法が望まれる。

そこで、本発明の目的は、飽和炭化水素ガスに他のガスが混入した混合ガスの成分測定装置であって、混合ガスの成分及び発熱量を簡易かつ高速に測定できると共に安価である成分測定装置、等を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、１種類以上の飽和炭化水素から成る第一のガスと当該第一のガスと種類が異なる成分既知の第二のガスが混合された混合ガスの成分測定装置が、流通するガスの差圧を検出し、当該差圧と前記ガスの粘度と前記ガスの流量との関係式に基づいて前記ガスの流量を求める流量計であって、前記混合ガスを流通させて差圧を検出する第一の流量計と、流通するガスの差圧を検出し、当該差圧と前記ガスの密度と前記ガスの流量との関係式に基づいて前記ガスの流量を求める流量計であって、前記第一の流量計から流出した前記混合ガスが当該流量計に流入するように、あるいは、当該流量計から流出した前記混合ガスが前記第一の流量計に流入するように配置され、前記混合ガスを流通させて差圧を検出する第二の流量計と、前記混合ガスの密度を検出する密度計と、前記第一の流量計及び前記第二の流量計で検出された差圧、前記密度計で検出された密度、前記第一の流量計及び前記第二の流量計における前記関係式、前記第一のガスの密度と粘度が反比例の関係にあること、及び、前記混合ガスの粘度と前記第一のガス及び前記第二のガスの粘度との関係式に基づいて、前記第一のガス及び前記第二のガスの混合比率を求める演算手段とを有する、ことである。

更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記演算手段は、更に、前記第一のガスの密度と発熱量が比例関係にあることを用いて、前記混合ガスの発熱量を求める、ことを特徴とする。

上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、１種類以上の飽和炭化水素から成る第一のガスと当該第一のガスと種類が異なる成分既知の第二のガスが混合された混合ガスの成分測定方法が、流通するガスの差圧を検出し、当該差圧と前記ガスの粘度と前記ガスの流量との関係式に基づいて前記ガスの流量を求める第一の流量計に、前記混合ガスを流通させて差圧を検出する工程と、流通するガスの差圧を検出し、当該差圧と前記ガスの密度と前記ガスの流量との関係式に基づいて前記ガスの流量を求める流量計であって、前記第一の流量計から流出した前記混合ガスが当該流量計に流入するように、あるいは、当該流量計から流出した前記混合ガスが前記第一の流量計に流入するように配置される第二の流量計に、前記混合ガスを流通させて差圧を検出する工程と、密度計で前記混合ガスの密度を検出する工程と、前記第一の流量計及び前記第二の流量計で検出された差圧、前記密度計で検出された密度、前記第一の流量計及び前記第二の流量計における前記関係式、前記第一のガスの密度と粘度が反比例の関係にあること、及び、前記混合ガスの粘度と前記第一のガス及び前記第二のガスの粘度との関係式に基づいて、前記第一のガス及び前記第二のガスの混合比率を求める工程とを有する、ことである。

本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。

図１は、本発明を適用した混合ガスの成分測定装置の実施の形態例に係る構成図である。図１に示す成分測定装置１が本実施の形態例に係る装置であり、１種類以上の飽和炭化水素から成る炭化水素ガス（以下、炭化水素ガスと呼ぶ）に、異なる種類の他のガス（以下、混入ガスと呼ぶ）が混入した混合ガスを測定対象とし、層流流量計及び差圧式流量計でそれぞれ差圧を検出すると共に、密度計で密度を検出し、これら検出された値、上記炭化水素ガスがその成分比率によらず１種類のガスとして扱える性質、及び混合ガスの物性に係る関係式に基づいて、混入ガスの濃度と混合ガスの発熱量を求め、混合ガスの成分及び発熱量を簡易かつ高速に測定しようとするものである。

図１に示す主配管２は、上記測定対象の混合ガスが流れる配管である。測定対象ガスは、上述の通り、メタン、エタン、プロパンなどの１種類以上の飽和炭化水素から成る炭化水素ガスと、窒素、空気、二酸化炭素などであってその成分が既知の混入ガスとの混合ガスである。

サンプリング配管３は、上記主配管２から上記混合ガスを成分測定装置１に導く配管であり、図示していないが必要に応じてバルブ等の機器が取り付けられる。また、成分測定装置１での計測後、密度計１３から排出されるガスは、適宜、大気放出等の方法で処分される。

成分測定装置１は、図１に示すように、層流流量計１１、差圧式流量計１２、密度計１３、演算手段１４、通信手段１５等で構成される。層流流量計１１、差圧式流量計１２、及び、密度計１３の間は配管で接続され、これらの計器は直列に配置される。なお、図１に示す本実施の形態例では、層流流量計１１、差圧式流量計１２、及び、密度計１３の順で配列しているが、これは一例であって、他の配置とすることも可能である。但し、後述する本成分測定装置１の測定原理から、層流流量計１１及び差圧式流量計１２は、その順番に関わらず直列に配置する必要がある。すなわち、両流量計で同じ流量Ｑの混合ガスを測定対象とする必要がある。また、本実施の形態例では、測定対象ガスを主配管２から分岐して測定しているが、可能であれば、主配管２に成分測定装置１を設置しても良い。

また、演算手段１４と、層流流量計１１、差圧式流量計１２、密度計１３、及び通信手段１５とは通信線で接続され、各検出値、測定結果等が授受される。

層流流量計１１は、測定対象ガスの粘性（粘度μ（Pa・s））を用いる一般的な層流流量計である。図２は、層流流量計１１の構造を示す図である。図２において左側から流入した流量Ｑ（m³/ｓ）の測定対象ガス（混合ガス）は、ｎ_ｌ本の直径ｄ_ｌ（m）、長さｌ_ｌ（m）の細管を通過して右側へ流出する。そして、その際、細管の前後における差圧ｄｐ_ｌ（Pa）を差圧計により検出する。このとき、当該層流流量計１１では、下記数１の関係式が成り立つ。

通常の使用の場合には、測定対象ガスの粘度μが既知であり、差圧ｄｐ_ｌを検出することによって、上記数１の式から流量Ｑを求めることができる。本成分測定装置１では、検出した差圧ｄｐ_ｌの値が演算手段１４に送られる。

次に、差圧式流量計１２は、測定対象ガスの密度ρ（kg/ m³）を用いる一般的な差圧式流量計である。図３は、差圧式流量計１２の構造を示す図である。図３に示す流量計は一例としてベンチュリ流量計であり、左側から流入した流量Ｑ（m³/ｓ）の測定対象ガス（混合ガス）は、直径Ｄ_ｖ（m）の通路、直径Ｄ_ｖ（m）から直径ｄ_ｖ（m）へ絞られる通路を通過して右側へ流出する。そして、その際、上記直径が絞られる通路の前後における差圧ｄｐ_ｖ（Pa）を差圧計により検出する。このとき、当該層流流量計１２では、下記数２の関係式が成り立つ。

通常の使用の場合には、測定対象ガスの密度ρが既知であり、差圧ｄｐ_ｖを検出することによって、上記数２の式から流量Ｑを求めることができる。本成分測定装置１では、検出した差圧ｄｐ_ｖの値が演算手段１４に送られる。

次に、密度計１３は、ガス密度を測定する一般的な密度計であり、例えば、振動管式や超音波式のものを用いることができる。密度計１３は、差圧式流量計１２から流出した混合ガスについて密度ρを検出し、その値は演算手段１４に送られる。なお、前述の通り、密度計１３の配置は、図１の通りでなくてもよく、主配管２から流量計１１、１２とは異なるサンプリング配管で混合ガスを導いて測定するようにしても良い。

演算手段１４は、上記層流流量計１１、差圧式流量計１２、及び、密度計１３での検出結果、及び、予め受信して保持する物性値等を用い、測定対象である混合ガスの発熱量と混入ガスの濃度を算出する部分である。当該算出に用いられる具体的な関係式、数値等については後述する。なお、本演算手段１４は、ＡＳＩＣ等のハードウェアで構成しても良いし、プログラムとそのプログラムに従って処理を実行するＣＰＵ等で構成しても良い。

通信手段１５は、本成分測定装置１と外部との通信インターフェースであり、演算手段１４での測定結果（演算結果）を所定の外部装置に送信する。また、演算手段１４で必要な物性値等のデータを外部から受信して演算手段１４へ送信する。なお、当該物性値等の受信は、本成分測定装置１に操作・入力手段を設け、この操作・入力手段から人手で値を入力することで行なわれても良い。

次に、このような構成を有する本成分測定装置１における測定手順と処理内容について説明する。まず、測定対象としている前述した混合ガスの扱い方について説明する。複数種類の飽和炭化水素が混合したガスの密度と粘度については特開平３−３９６２３号公報に記載されているようにその混合したガスの発熱量Ｈ（J/m³）に対して、密度ρは比例、粘度μは反比例の関係があり、下記（ａ）式及び（ｂ）式が成り立つ。

ρ＝Ｋ_２Ｈ （ａ）式
μ＝Ｋ_４／Ｈ （ｂ）式
この２式から密度と粘度は下記（ｃ）式の通り反比例の関係にあることがわかる。

μ＝Ｋ_４Ｋ_２／ρ （ｃ）式
ここで密度ρは、下記（ｄ）式の通りこの混合ガスの平均分子量ｍ_aveに比例する。

ρ＝Ｋ_７ｍ_ave （ｄ）式
なお、Ｋ_２、Ｋ_４、Ｋ_７は、それぞれ、所定の定数である。

以上のことから、複数の飽和炭化水素が混合したガスについては、そのガスを構成する飽和炭化水素の成分割合に関わらず、混合したガスの密度（平均分子量）が同じガスについてはその粘度も同じになることがわかる。これは飽和炭化水素が混合したガスについては、そのガスを構成する飽和炭化水素の成分割合に関わらず、平均分子量（又は密度又は粘度）が同じであれば単一のガスと見なせることを示している。

従って、飽和炭化水素が混合したガスに異なる種類の他のガス、すなわち、上記混入ガスが混入した、測定対象である混合ガスは２種類のガスの混合ガスとして取り扱うことが可能である。よって、本成分測定装置１では、測定対象の混合ガスが、上記炭化水素ガスと上記混入ガスの２種類のガスの混合物であるとして取扱い、その混合比率（成分分率）を、それぞれ、ｘ_１及びｘ_２とする。

図４は、本成分測定装置１における測定・処理手順を例示したフローチャートである。測定時には、前述したサンプリング配管３から混合ガスが導かれ、まず、層流流量計１１における測定が行われる（ステップＳ１）。ここでは、上記導かれた混合ガスが流量計内を通過する際の、前述した差圧ｄｐ_ｌを検出し、その値を演算手段１４に送る。

次に、層流流量計１１を通過した混合ガスは、差圧式流量計１２に導かれて測定が行われる（ステップＳ２）。ここでも、上記導かれた混合ガスが流量計内を通過する際の、前述した差圧ｄｐ_ｖを検出し、その値を演算手段１４に送る。

その後、差圧式流量計１２を通過した混合ガスは密度計１３に導かれ、ここで密度が検出される（ステップＳ３）。検出された密度は演算手段１４に送られる。

以上、測定対象ガスについての測定が終了すると、演算手段１４は、上記流量計１１、１２、及び密度計１３から送信された検出値、予め保持する各種既知値、及び混合ガスの挙動や物性に係る各種関係式に基づいて、混入ガスの濃度と混合ガスの発熱量を求めるために必要な各未知値を算出する（ステップＳ４）。

以下に、当該算出に用いられる上記関係式について説明する。

まず、前記層流流量計１１で検出された差圧ｄｐ_ｌと混合ガスの流量Ｑと混合ガスの粘度μには、前述した数１の関係が成り立つので当該関係式が用いられる。当該式において、流量Ｑと粘度μは未知数であり、他の値は既知である。すなわち、差圧ｄｐ_ｌは前述の通り測定され、その他の既知値は、流量計の仕様として予め演算手段１４に保持される。

また、前記差圧式流量計１２で検出された差圧ｄｐ_ｖと混合ガスの流量Ｑと混合ガスの密度ρには、前述した数２の関係が成り立つので当該関係式が用いられる。当該式において、流量Ｑは未知数であり、他の値は既知である。すなわち、差圧ｄｐ_ｖと密度ρは前述の通り測定され、その他の既知値は、流量計の仕様として予め演算手段１４に保持される。

また、混合ガスの密度と各成分ガスの密度、すなわち、炭化水素ガスの密度ρ_１と混入ガスの密度ρ_２、との間には、下記数３に示す関係式が成り立ち、当該式が用いられる。

ここで、炭化水素ガスの密度ρ_１と各ガスの成分分率ｘ_１及びｘ_２が未知数であり、上記測定されたρと混入ガスの密度ρ_２は既知である。混入ガスは前述の通り、成分及びその成分割合が既知であるため、密度ρ_２も既知であり、予め演算手段１４に保持される。

また、上述した（ｄ）式から、炭化水素ガスについては下記数４に示す関係式が成り立ち、当該式が用いられる。

ここで、炭化水素ガスの密度ρ_１と炭化水素ガスの分子量ｍ_１が未知数であり、係数Ｋ_７は、既知値として予め演算手段１４に保持される。

また、混合ガスの粘度μと各成分ガスの粘度、すなわち、炭化水素ガスの粘度μ_１と混入ガスの粘度μ_２、との間には、下記数５に示す関係式が成り立ち、当該式が用いられる。

なお、上記数５に示す１番目の式は、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄの式であり、２番目及び３番目の式は、Ｗｉｌｋｅの式である。ここで、混合ガス及び炭化水素ガスの粘度μ及びμ_１、成分分率ｘ_１及びｘ_２、炭化水素ガスの密度ρ_１及び分子量ｍ_１が未知数であり、混入ガスの粘度μ_２、密度ρ_２、分子量ｍ_２が既知である。既知値は予め演算手段１４に保持される。

また、未知数である成分分率ｘ_１及びｘ_２については、下記数６の関係式が成り立ち、当該式も用いられる。

また、上述した（ｃ）式から、炭化水素ガスについては下記数７に示す関係式が成り立ち、当該式が用いられる。

ここで、炭化水素ガスの密度ρ_１と炭化水素ガスの粘度μ_１が未知数であり、係数Ｋ_２及びＫ_４は、既知値として予め演算手段１４に保持される。

以上説明した７つの式（数１〜数７に記載の式）を連立させて解くことにより、７つの未知数である、流量Ｑ、密度ρ_１、粘度μ及びμ_１、混合比率ｘ_１及びｘ_２、分子量ｍ_１の値を求めることが可能であり、演算手段１４は、上記７つの式と上記各既知値によって、これらの値を算出する。

なお、上記の演算で用いられる、予め演算手段１４に保持される既知値のうち、本成分測定装置１の設置後に変更が必要なものについては、通信手段１５を介して適宜受信して保持する。また、前述のように、操作・入力手段を設けてここから人手で値を入力することで保持してもよい。

このようにして上記各値を算出すると、演算手段１４は、混入ガスの混合比率ｘ_２が算出されているのでそれを混入ガスの濃度とし、また、炭化水素ガスの密度ρ_１が算出されるので上記（ａ）式を用いて炭化水素ガスの発熱量Ｈ、すなわち、混合ガスの発熱量を算出する（ステップＳ５）。

当該求められた混入ガスの濃度と混合ガスの発熱量は、通信手段１５から外部の所定箇所に送信され、出力される（ステップＳ６）。

以上説明したように、本実施の形態例に係る成分測定装置１では、１種類以上の飽和炭化水素から成る炭化水素ガスと混入ガスの混合ガスについて、層流流量計１１、差圧式流量計１２、及び密度計１３での測定結果、炭化水素ガスがその成分比率によらず１種類のガスとして扱える性質、及び混合ガスの物性に係る各関係式に基づいて、その発熱量と混入ガスの濃度を求める。従って、ガス濃度計などのセンサを必要とせず、また、測定後の校正も要しないので、適確な混入ガスの監視を安価な装置で容易に行うことができるようになる。

また、層流流量計１１、差圧式流量計１２、及び密度計１３を用いることで、高速（数１０Ｈｚ）な測定が可能であり、混合ガスの発熱量及び混入ガスの濃度の変化を適切に捉えることが可能になる。

なお、上述の成分測定装置１では、通信手段１５を有し、測定結果を外部へ送信していたが、成分測定装置１に表示装置などの出力手段を設け、測定した発熱量と混入ガス濃度を成分測定装置１側で出力するようにしても良い。

本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。

本発明を適用した混合ガスの成分測定装置の実施の形態例に係る構成図である。 層流流量計１１の構造を示す図である。 差圧式流量計１２の構造を示す図である。 本成分測定装置１における測定・処理手順を例示したフローチャートである。

符号の説明

１ 成分測定装置、 ２ 主配管、 ３ サンプリング配管、 １１ 層流流量計、 １２ 差圧式流量計、 １３ 密度計、 １４ 演算手段、 １５ 通信手段

Claims (3)

1. １種類以上の飽和炭化水素から成る第一のガスと当該第一のガスと種類が異なる成分既知の第二のガスが混合された混合ガスの成分測定装置であって、
   流通するガスの差圧を検出し、当該差圧と前記ガスの粘度と前記ガスの流量との関係式に基づいて前記ガスの流量を求める流量計であって、前記混合ガスを流通させて差圧を検出する第一の流量計と、
   流通するガスの差圧を検出し、当該差圧と前記ガスの密度と前記ガスの流量との関係式に基づいて前記ガスの流量を求める流量計であって、前記第一の流量計から流出した前記混合ガスが当該流量計に流入するように、あるいは、当該流量計から流出した前記混合ガスが前記第一の流量計に流入するように配置され、前記混合ガスを流通させて差圧を検出する第二の流量計と、
   前記混合ガスの密度を検出する密度計と、
   前記第一の流量計及び前記第二の流量計で検出された差圧、前記密度計で検出された密度、前記第一の流量計及び前記第二の流量計における前記関係式、前記第一のガスの密度と粘度が反比例の関係にあること、及び、前記混合ガスの粘度と前記第一のガス及び前記第二のガスの粘度との関係式に基づいて、前記第一のガス及び前記第二のガスの混合比率を求める演算手段とを有する
   ことを特徴とする混合ガスの成分測定装置。
2. 請求項１において、
   前記演算手段は、更に、前記第一のガスの密度と発熱量が比例関係にあることを用いて、前記混合ガスの発熱量を求める
   ことを特徴とする混合ガスの成分測定装置。
3. １種類以上の飽和炭化水素から成る第一のガスと当該第一のガスと種類が異なる成分既知の第二のガスが混合された混合ガスの成分測定方法であって、
   流通するガスの差圧を検出し、当該差圧と前記ガスの粘度と前記ガスの流量との関係式に基づいて前記ガスの流量を求める第一の流量計に、前記混合ガスを流通させて差圧を検出する工程と、
   流通するガスの差圧を検出し、当該差圧と前記ガスの密度と前記ガスの流量との関係式に基づいて前記ガスの流量を求める流量計であって、前記第一の流量計から流出した前記混合ガスが当該流量計に流入するように、あるいは、当該流量計から流出した前記混合ガスが前記第一の流量計に流入するように配置される第二の流量計に、前記混合ガスを流通させて差圧を検出する工程と、
   密度計で前記混合ガスの密度を検出する工程と、
   前記第一の流量計及び前記第二の流量計で検出された差圧、前記密度計で検出された密度、前記第一の流量計及び前記第二の流量計における前記関係式、前記第一のガスの密度と粘度が反比例の関係にあること、及び、前記混合ガスの粘度と前記第一のガス及び前記第二のガスの粘度との関係式に基づいて、前記第一のガス及び前記第二のガスの混合比率を求める工程とを有する
   ことを特徴とする混合ガスの成分測定方法。

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