JPH04212052A - 天然ガスのためのオンラインエネルギー流れ測定装置及び方法 - Google Patents
天然ガスのためのオンラインエネルギー流れ測定装置及び方法Info
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- JPH04212052A JPH04212052A JP3022650A JP2265091A JPH04212052A JP H04212052 A JPH04212052 A JP H04212052A JP 3022650 A JP3022650 A JP 3022650A JP 2265091 A JP2265091 A JP 2265091A JP H04212052 A JPH04212052 A JP H04212052A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/22—Fuels; Explosives
- G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
- G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Regulation And Control Of Combustion (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に電気化学的測定技
術に関し、詳しくは燃料ガスのエネルギー成分測定のた
めの新規且つ有益な方法及び装置に関する。
術に関し、詳しくは燃料ガスのエネルギー成分測定のた
めの新規且つ有益な方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来技術】天然ガスの販売或いは買い付けに際しては
エネルギー流れは重要なパラメーターとなる。顧客は購
入するガスからどれほどの熱エネルギーを入手し得るか
に関心を持つ。売る側には代表的に、天然ガスの１立方
フィート当りの既知の最小エネルギー量を供給する協定
上の合意がある。そのエネルギー量に合わせるために、
生産者は代表的に、測定システムでのエラーを補償する
ためにより高い値を提供する。幾つかのパラメーター或
いは変数は現在の測定技術で測定されねばならない。測
定には誤差がつきまとう。現在、エネルギー流れは直接
的にではなく、オフラインサンプルをカロリーメーター
或いはガスクロマトグラフィーに取出し、特定のエネル
ギー測定値をコンピューター処理することによって測定
される。これは、エネルギー流れを算出するために容積
流れ、温度、圧力等と共に使用される。これは込み入っ
たプロセスであって、大型で費用を要する設備を必要と
する。これを実行するに際しては全体流れから分岐され
た部分流れが利用される。この部分流れは調量された空
気と共に燃焼システム内に導入される。化学量論的燃焼
センサーが出力をモニターし、この出力が空気送達シス
テムを調節する要素によって使用される。燃焼空気流れ
が測定され、エネルギー流れが空気流れ及び分離部分量
或いは分離比率のキャリブレーションによって測定され
る。Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌ
ｉｓｈｅｒｓ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍのｖａｎ Ｒｏｓ
ｓｕｍによって編集されたＧａｓ Ｑｕａｌｉｔｙ、
の１９８６年４月号の”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏ
ｆ ａｎ Ａｃｃｕｒａｔｅ ＥＮＥＲＧＹ
Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ”、の第１２１−１２７頁を参照さ
れたい。
エネルギー流れは重要なパラメーターとなる。顧客は購
入するガスからどれほどの熱エネルギーを入手し得るか
に関心を持つ。売る側には代表的に、天然ガスの１立方
フィート当りの既知の最小エネルギー量を供給する協定
上の合意がある。そのエネルギー量に合わせるために、
生産者は代表的に、測定システムでのエラーを補償する
ためにより高い値を提供する。幾つかのパラメーター或
いは変数は現在の測定技術で測定されねばならない。測
定には誤差がつきまとう。現在、エネルギー流れは直接
的にではなく、オフラインサンプルをカロリーメーター
或いはガスクロマトグラフィーに取出し、特定のエネル
ギー測定値をコンピューター処理することによって測定
される。これは、エネルギー流れを算出するために容積
流れ、温度、圧力等と共に使用される。これは込み入っ
たプロセスであって、大型で費用を要する設備を必要と
する。これを実行するに際しては全体流れから分岐され
た部分流れが利用される。この部分流れは調量された空
気と共に燃焼システム内に導入される。化学量論的燃焼
センサーが出力をモニターし、この出力が空気送達シス
テムを調節する要素によって使用される。燃焼空気流れ
が測定され、エネルギー流れが空気流れ及び分離部分量
或いは分離比率のキャリブレーションによって測定され
る。Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌ
ｉｓｈｅｒｓ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍのｖａｎ Ｒｏｓ
ｓｕｍによって編集されたＧａｓ Ｑｕａｌｉｔｙ、
の１９８６年４月号の”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏ
ｆ ａｎ Ａｃｃｕｒａｔｅ ＥＮＥＲＧＹ
Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ”、の第１２１−１２７頁を参照さ
れたい。
【０００３】１９７４年のＰｒｏｃ Ｉｎｔｅｒｄｉ
ｓｐ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、でのＨｅｙｎｅ、Ｌ．、
による”Ｓｏｍｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｚｉｒｃｏ
ｎｉａ−ｂａｓｅｄ ｓｏｌｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒｏｌ
ｙｔｅ Ｃｅｌｌｓ”の第６５−８８頁の第７７、７
８頁には、酸素ポンプ及びセンサーの組合わせを燃料ガ
スのためのアナライザーとして使用することが議論され
ている。これは、ポンプセルでの燃焼に基づくものであ
る。導入される酸素は、存在する燃焼性ガスを完全燃焼
させるためにまさに必要な量であるように調節される。 従って、酸素をポンピングするために使用される電流或
いは電荷が燃料ガスの測定値である。Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｚｉｒｃｏ
ｎｉａ ＩＩ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ
ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの、Ｖｉｚｅｔｈｕｍ、Ｆ
．、Ｅａｕｅｒ、Ｇ．、及びＴｏｍａｎｄｌ、Ｇ．、に
よる”Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｃｏｎｔｒｏｌｏｆ Ｏｘ
ｙｇｅｎＰａｒｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ”、の第
６３１から６３５頁には、酸素分圧が、ジルコニア中実
電解質セル及び同一材料の酸素センサーによってコント
ロールされる装置が説明されている。
ｓｐ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、でのＨｅｙｎｅ、Ｌ．、
による”Ｓｏｍｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｚｉｒｃｏ
ｎｉａ−ｂａｓｅｄ ｓｏｌｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒｏｌ
ｙｔｅ Ｃｅｌｌｓ”の第６５−８８頁の第７７、７
８頁には、酸素ポンプ及びセンサーの組合わせを燃料ガ
スのためのアナライザーとして使用することが議論され
ている。これは、ポンプセルでの燃焼に基づくものであ
る。導入される酸素は、存在する燃焼性ガスを完全燃焼
させるためにまさに必要な量であるように調節される。 従って、酸素をポンピングするために使用される電流或
いは電荷が燃料ガスの測定値である。Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｚｉｒｃｏ
ｎｉａ ＩＩ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ
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ｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの、Ｖｉｚｅｔｈｕｍ、Ｆ
．、Ｅａｕｅｒ、Ｇ．、及びＴｏｍａｎｄｌ、Ｇ．、に
よる”Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ｃｏｎｔｒｏｌｏｆ Ｏｘ
ｙｇｅｎＰａｒｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ”、の第
６３１から６３５頁には、酸素分圧が、ジルコニア中実
電解質セル及び同一材料の酸素センサーによってコント
ロールされる装置が説明されている。
【０００４】１９７７年１０月のＡｎａｌｙｔｉｃａｌ
Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｖｏｌ．４９、Ｎｏ．１２に
於てＨａａｌａｎｄ、Ｄ．Ｍ．、は、”Ｉｎｔｅｒｎａ
ｌ−Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｏｌｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｌｙｔｅ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ”の中で
モニターセクション及びポンピングセクションを具備す
る電気化学的ポンピング酸素センサーを議論している。 このタイプのものは本来、測定するべきガスからの僅か
なリーク及び、セル内に入る全ての酸素を吸い出すため
のポンプを使用する。ポンピング電流を測定することに
よって漏入する酸素が測定され従って、測定するべき流
れにおける酸素の測定が為される。このタイプのものは
自動車で使用するために開発された。米国特許第４、８
４１、９３４号には、エンジンの空燃比を制御するため
に酸素センサーとの関連において使用される酸素ポンピ
ング装置が議論されている。ここでは酸素ポンピング装
置及び酸素検出装置、二重ＺｒＯ２ 形状の組合わせが
使用される。これは本来、センサーの信号特性をその所
望の作動ポイントにおいて改善するために、前記センサ
ーの酸素濃度作動領域を改変するものである。これが実
質的に、他の混合物或いは濃度のためだけの化学量論に
おいて入手し得る高感度を提供する。
Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｖｏｌ．４９、Ｎｏ．１２に
於てＨａａｌａｎｄ、Ｄ．Ｍ．、は、”Ｉｎｔｅｒｎａ
ｌ−Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｏｌｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｌｙｔｅ Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒ”の中で
モニターセクション及びポンピングセクションを具備す
る電気化学的ポンピング酸素センサーを議論している。 このタイプのものは本来、測定するべきガスからの僅か
なリーク及び、セル内に入る全ての酸素を吸い出すため
のポンプを使用する。ポンピング電流を測定することに
よって漏入する酸素が測定され従って、測定するべき流
れにおける酸素の測定が為される。このタイプのものは
自動車で使用するために開発された。米国特許第４、８
４１、９３４号には、エンジンの空燃比を制御するため
に酸素センサーとの関連において使用される酸素ポンピ
ング装置が議論されている。ここでは酸素ポンピング装
置及び酸素検出装置、二重ＺｒＯ２ 形状の組合わせが
使用される。これは本来、センサーの信号特性をその所
望の作動ポイントにおいて改善するために、前記センサ
ーの酸素濃度作動領域を改変するものである。これが実
質的に、他の混合物或いは濃度のためだけの化学量論に
おいて入手し得る高感度を提供する。
【０００５】固形酸素源は入手可能である。それは、加
熱によって酸素が遊離する金属酸化物であり得る。Ｓｐ
ｅｉｄｅｌ、Ｒ．、及びＷｅｉｄｌｉｃｈ、Ｅ−Ｒ、は
１９８８年のＶａｃｕｕｍ、ｎｏ．２の中で”Ａ ｓ
ｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｏｘｙｇｅｎ ｓｏｕｒ
ｃｅ ｆｏｒ ＵＨＶ”の第８９から９２頁におい
て、ＣｕＯを固形酸素源として使用するための装置を議
論している。 ここでは一定分圧の酸素が、材料を加熱し分解すること
によって発生される。分圧は材料に加えた熱の関数であ
る。かくて、ここでは制御された少量の酸素が遊離され
る。これは結局のところ、酸素ポンプが制御された既知
の量の酸素をエネルギーセンサー配列構成内の流れに送
達する際に、該酸素ポンプが使用するための自己充足源
である。オンラインの、リアルタイム単一センサーによ
る方法が、１つ以上の測定がオフラインで為される多く
の測定を使用するそれよりも好ましい。上記従来技術に
記載される間接的方法では、測定による多くのパラメー
ターが必要である。各々の測定には誤差がつきまとい、
それが全体の測定システムの誤差レベルの一因となる（
１９８４年１０月２２−２５日のＡｄｖａｎｃｅｓ
ｉｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ、Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅＩＳＡ Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ
ＥｘｈｉｂｉｔにおけるＷｉｌｄｅ、Ｄ．、及びＡｒｃ
ａｒａ、Ｓ．、の”Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｎｅｒｇｙ
Ｆｌｏｗ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”、の、第１３
４５−１３４９頁）。
熱によって酸素が遊離する金属酸化物であり得る。Ｓｐ
ｅｉｄｅｌ、Ｒ．、及びＷｅｉｄｌｉｃｈ、Ｅ−Ｒ、は
１９８８年のＶａｃｕｕｍ、ｎｏ．２の中で”Ａ ｓ
ｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｏｘｙｇｅｎ ｓｏｕｒ
ｃｅ ｆｏｒ ＵＨＶ”の第８９から９２頁におい
て、ＣｕＯを固形酸素源として使用するための装置を議
論している。 ここでは一定分圧の酸素が、材料を加熱し分解すること
によって発生される。分圧は材料に加えた熱の関数であ
る。かくて、ここでは制御された少量の酸素が遊離され
る。これは結局のところ、酸素ポンプが制御された既知
の量の酸素をエネルギーセンサー配列構成内の流れに送
達する際に、該酸素ポンプが使用するための自己充足源
である。オンラインの、リアルタイム単一センサーによ
る方法が、１つ以上の測定がオフラインで為される多く
の測定を使用するそれよりも好ましい。上記従来技術に
記載される間接的方法では、測定による多くのパラメー
ターが必要である。各々の測定には誤差がつきまとい、
それが全体の測定システムの誤差レベルの一因となる（
１９８４年１０月２２−２５日のＡｄｖａｎｃｅｓ
ｉｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ、Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅＩＳＡ Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ
ＥｘｈｉｂｉｔにおけるＷｉｌｄｅ、Ｄ．、及びＡｒｃ
ａｒａ、Ｓ．、の”Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｎｅｒｇｙ
Ｆｌｏｗ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”、の、第１３
４５−１３４９頁）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】全燃料ガス流れの、制
御された部分流れにおける実際のエネルギーの流れを直
接的に測定する、燃料ガスのエネルギー成分を測定する
ための方法及び装置を提供することである。
御された部分流れにおける実際のエネルギーの流れを直
接的に測定する、燃料ガスのエネルギー成分を測定する
ための方法及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に従えば、燃料ガ
ス流れ内のエネルギーを測定する方法であって、（ａ）
燃料ガスの全流れからリアルタイムサンプルにして、全
燃料ガス流れの既知の部分量であり且つ温度及び圧力が
前記全燃料ガス流れと同一であるリアルタイムサンプル
を取り出す段階と、 （ｂ）実際量の酸素と比例する電流量によって駆動され
る固体電解質酸素ポンプを使用して実際量の酸素を発生
する段階と、 （ｃ）リアルタイムサンプルと実際量の酸素とを混合し
て混合物を形成する段階と、 （ｄ）混合物を触媒燃焼器に送給し、リアルタイムサン
プルの燃料を完了させ、実際量の排気酸素をそこに含む
排気ガスを形成する段階と、 （ｅ）排気ガス中の実際量の排気酸素を測定する段階と
、 （ｆ）実際量の排気酸素が、触媒燃焼機内における完全
燃焼を示す選択量の排気酸素とほぼ等しい場合には、燃
料ガス中のエネルギーを算出するために固体電解質酸素
ポンプを駆動する電流量を使用し、そして実際量の排気
酸素が前記選択量の排気酸素と等しくない場合には、段
階（ｂ）での電流量を変化させ、実際量の排気酸素が前
記選択量の排気酸素と等しくなるまで、段階（ｃ）から
（ｅ）までを反復する段階とを包含する前記燃料ガス内
のエネルギーを測定する方法及び、該方法に直接使用す
るための燃料ガス内のエネルギーを測定するための装置
であって、燃料ガスのサンプルを受ける固体電解質酸素
ポンプにして、実際量の燃焼酸素と比例する量の電流に
よって駆動された場合に実際量の燃焼酸素を発生する前
記固体電解質酸ポンプと、サンプルに実際量の燃焼酸素
を加えた混合物を受けるために固体電解質酸素ポンプに
結合された触媒燃焼器にして、サンプルを燃焼させ実際
量の排気酸素をそこに含む排気ガスを形成させるための
前記触媒燃焼器と、排気ガス中の実際量の排気酸素を検
出するために触媒燃焼器に結合された酸素センサーと、
酸素センサー及び固体電解質酸素ポンプ間に結合された
フィードバック制御ユニットにして、排気ガス中の実際
量の排気酸素を検出し、検出した実際量の排気酸素に基
く量の電流を発生し、実際量の排気酸素を、触媒燃焼機
内での完全燃焼を表す選択量の排気酸素と比較し、実際
量の排気酸素が前記選択量の排気酸素とほぼ等しくなる
よう電流量を調節し、燃料ガス内のエネルギー量を固体
電解質酸素ポンプに送給される実際量の電流の関数とし
て算出する前記フィードバック制御ユニットとから構成
される燃料ガス内のエネルギーを測定するための装置が
提供される。
ス流れ内のエネルギーを測定する方法であって、（ａ）
燃料ガスの全流れからリアルタイムサンプルにして、全
燃料ガス流れの既知の部分量であり且つ温度及び圧力が
前記全燃料ガス流れと同一であるリアルタイムサンプル
を取り出す段階と、 （ｂ）実際量の酸素と比例する電流量によって駆動され
る固体電解質酸素ポンプを使用して実際量の酸素を発生
する段階と、 （ｃ）リアルタイムサンプルと実際量の酸素とを混合し
て混合物を形成する段階と、 （ｄ）混合物を触媒燃焼器に送給し、リアルタイムサン
プルの燃料を完了させ、実際量の排気酸素をそこに含む
排気ガスを形成する段階と、 （ｅ）排気ガス中の実際量の排気酸素を測定する段階と
、 （ｆ）実際量の排気酸素が、触媒燃焼機内における完全
燃焼を示す選択量の排気酸素とほぼ等しい場合には、燃
料ガス中のエネルギーを算出するために固体電解質酸素
ポンプを駆動する電流量を使用し、そして実際量の排気
酸素が前記選択量の排気酸素と等しくない場合には、段
階（ｂ）での電流量を変化させ、実際量の排気酸素が前
記選択量の排気酸素と等しくなるまで、段階（ｃ）から
（ｅ）までを反復する段階とを包含する前記燃料ガス内
のエネルギーを測定する方法及び、該方法に直接使用す
るための燃料ガス内のエネルギーを測定するための装置
であって、燃料ガスのサンプルを受ける固体電解質酸素
ポンプにして、実際量の燃焼酸素と比例する量の電流に
よって駆動された場合に実際量の燃焼酸素を発生する前
記固体電解質酸ポンプと、サンプルに実際量の燃焼酸素
を加えた混合物を受けるために固体電解質酸素ポンプに
結合された触媒燃焼器にして、サンプルを燃焼させ実際
量の排気酸素をそこに含む排気ガスを形成させるための
前記触媒燃焼器と、排気ガス中の実際量の排気酸素を検
出するために触媒燃焼器に結合された酸素センサーと、
酸素センサー及び固体電解質酸素ポンプ間に結合された
フィードバック制御ユニットにして、排気ガス中の実際
量の排気酸素を検出し、検出した実際量の排気酸素に基
く量の電流を発生し、実際量の排気酸素を、触媒燃焼機
内での完全燃焼を表す選択量の排気酸素と比較し、実際
量の排気酸素が前記選択量の排気酸素とほぼ等しくなる
よう電流量を調節し、燃料ガス内のエネルギー量を固体
電解質酸素ポンプに送給される実際量の電流の関数とし
て算出する前記フィードバック制御ユニットとから構成
される燃料ガス内のエネルギーを測定するための装置が
提供される。
【０００８】本発明は先の従来技術において必要とされ
る大型で且つ費用を要する設備を使用せず、むしろもっ
と直接的な測定技術を使用するものである。本発明にお
いては、従来技術が容積流れ、圧力、温度等の如き幾つ
かの流れパラメーターを測定しそしてエネルギー流れを
算出するのとは対照的に、全流れの制御された部分流れ
における実際のエネルギー流れが測定される。燃料セル
の如き単一要素モードでの作動は、電解質の表面での酸
素の完全消耗に起因する電極の問題を生じる（ＩＥＥＥ
、 １９８５、のＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ’８５
：１９８５Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｏ Ｃｏｎｆｅ
ｒｅｎｃｅ ｏｎＳｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅ
ｎｃｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓの、Ｌｏ
ｇｏｔｈｅｔｉｃｓ、Ｅ．Ｍ．、Ｖａｓｓｅｌ、Ｗ．Ｃ
．、Ｈｅｔｒｉｃｋ、Ｒ．Ｅ．、及びＫａｉｓｅｒ、Ｗ
．Ｊ．、による”Ａ Ｈｉｇｈ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉ
ｔｙ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅＭｅａｓｕ
ｒｅｍｅｎｔ ｏｆＣｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ Ｇａ
ｓＭｉｘｔｕｒｅｓ”、の 第３３０−３３２頁）。 また、燃料セルは１００％未満の効率で作動する。これ
らの燃料セルを使用するためには、全ての燃焼性材料を
燃焼しそして測定するポイントを達成するための多くの
ステージが必要である。一具体例においてはポンプ及び
センサーを含む２要素形状（Ｈｅｙｎｅ、第７７、７８
頁参照）が使用される。ここでは全ての材料の燃焼を確
実なものとするために触媒コンバーターが追加される。 これは、不完全燃焼に関連するエラータームを排除する
ことによって、燃焼されるガスの高精度な測定を保証す
る。
る大型で且つ費用を要する設備を使用せず、むしろもっ
と直接的な測定技術を使用するものである。本発明にお
いては、従来技術が容積流れ、圧力、温度等の如き幾つ
かの流れパラメーターを測定しそしてエネルギー流れを
算出するのとは対照的に、全流れの制御された部分流れ
における実際のエネルギー流れが測定される。燃料セル
の如き単一要素モードでの作動は、電解質の表面での酸
素の完全消耗に起因する電極の問題を生じる（ＩＥＥＥ
、 １９８５、のＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ’８５
：１９８５Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｏ Ｃｏｎｆｅ
ｒｅｎｃｅ ｏｎＳｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅ
ｎｃｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓの、Ｌｏ
ｇｏｔｈｅｔｉｃｓ、Ｅ．Ｍ．、Ｖａｓｓｅｌ、Ｗ．Ｃ
．、Ｈｅｔｒｉｃｋ、Ｒ．Ｅ．、及びＫａｉｓｅｒ、Ｗ
．Ｊ．、による”Ａ Ｈｉｇｈ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉ
ｔｙ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅＭｅａｓｕ
ｒｅｍｅｎｔ ｏｆＣｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ Ｇａ
ｓＭｉｘｔｕｒｅｓ”、の 第３３０−３３２頁）。 また、燃料セルは１００％未満の効率で作動する。これ
らの燃料セルを使用するためには、全ての燃焼性材料を
燃焼しそして測定するポイントを達成するための多くの
ステージが必要である。一具体例においてはポンプ及び
センサーを含む２要素形状（Ｈｅｙｎｅ、第７７、７８
頁参照）が使用される。ここでは全ての材料の燃焼を確
実なものとするために触媒コンバーターが追加される。 これは、不完全燃焼に関連するエラータームを排除する
ことによって、燃焼されるガスの高精度な測定を保証す
る。
【０００９】化学量論点で作動された場合は、ジルコニ
ア酸素センサーは実用上高精度且つ高信頼性を有する（
Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ｖ
ｏｌ．１４、１９８８の、Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｔａｋａ
ｓｈｉによる”Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ”、の
第１０９−１２４頁）。該装置の酸素ポンプ領域に於て
はある程度の燃焼が存在する。しかしながら、ポンピン
グエリア或いは燃料セルでの燃焼の完全性は１００％で
はない。触媒コンバーターセクションの使用及びそれに
続く酸素センサーの使用が１００％の燃焼を保証する。 こうした組み合わせ構成が作業を高精度化する。かくし
て本発明に従えば、全燃料ガス流れのリアルタイムでの
部分流れ或いはサンプル流れが検出システムを貫いて連
続的に送通される。このサンプル流れは予備決定された
既知の、全流れに対する比率を有し、またその測定に際
しての温度、圧力その他パラメーターは同一である。前
記サンプル流れは調量された酸素と混合され、燃焼を完
了するべく触媒燃焼装置に導入される。燃焼ステージ或
いは燃焼装置から出る排気ガスは、燃焼ステージに供給
された酸素−ガス混合物が所望通りのものであるか、即
ち化学量論的であるか或いは予備設定値の過剰酸素を有
するものであるかを判断するために測定される。酸素−
ガス混合物が所望通りのものではなかった場合、サンプ
ル流れ中に導入される酸素は、所望の混合物を得るべく
変更される。酸素は、固体電解質、代表的にはジルコニ
ア酸素ポンプを使用してサンプル流れ中に導入される。 ポンピングされる酸素は燃料セルを貫いて流れる電流と
直接関連付けられる。これはファラデー効果として知ら
れるものである。電解質中では流動する大量の電荷が、
電極での反応中に入り込むイオンでの大量の電子チャー
ジと直接的に関連付けられる（Ｃｏｎｄｏｎ、 Ｅ．
Ｕ．，及びＯｄｉｓｈａｗ、Ｈ．，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉ
ｌｌによって１９６７年に編集されたＨａｎｄｂｏｏｋ
ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉ
ｔｉｏｎの第４−１４７頁から４−１４８頁）。
ア酸素センサーは実用上高精度且つ高信頼性を有する（
Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ｖ
ｏｌ．１４、１９８８の、Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｔａｋａ
ｓｈｉによる”Ｏｘｙｇｅｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ”、の
第１０９−１２４頁）。該装置の酸素ポンプ領域に於て
はある程度の燃焼が存在する。しかしながら、ポンピン
グエリア或いは燃料セルでの燃焼の完全性は１００％で
はない。触媒コンバーターセクションの使用及びそれに
続く酸素センサーの使用が１００％の燃焼を保証する。 こうした組み合わせ構成が作業を高精度化する。かくし
て本発明に従えば、全燃料ガス流れのリアルタイムでの
部分流れ或いはサンプル流れが検出システムを貫いて連
続的に送通される。このサンプル流れは予備決定された
既知の、全流れに対する比率を有し、またその測定に際
しての温度、圧力その他パラメーターは同一である。前
記サンプル流れは調量された酸素と混合され、燃焼を完
了するべく触媒燃焼装置に導入される。燃焼ステージ或
いは燃焼装置から出る排気ガスは、燃焼ステージに供給
された酸素−ガス混合物が所望通りのものであるか、即
ち化学量論的であるか或いは予備設定値の過剰酸素を有
するものであるかを判断するために測定される。酸素−
ガス混合物が所望通りのものではなかった場合、サンプ
ル流れ中に導入される酸素は、所望の混合物を得るべく
変更される。酸素は、固体電解質、代表的にはジルコニ
ア酸素ポンプを使用してサンプル流れ中に導入される。 ポンピングされる酸素は燃料セルを貫いて流れる電流と
直接関連付けられる。これはファラデー効果として知ら
れるものである。電解質中では流動する大量の電荷が、
電極での反応中に入り込むイオンでの大量の電子チャー
ジと直接的に関連付けられる（Ｃｏｎｄｏｎ、 Ｅ．
Ｕ．，及びＯｄｉｓｈａｗ、Ｈ．，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉ
ｌｌによって１９６７年に編集されたＨａｎｄｂｏｏｋ
ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉ
ｔｉｏｎの第４−１４７頁から４−１４８頁）。
【００１０】電気化学的ポンプ或いは酸素ポンプにおけ
る電流は従って、ポンピングされる酸素に僅かな漏れ時
間を加えたものに直接関係付けされる。ファラデー効果
−−電流の２個の電子当り１個の酸素イオンが搬送され
る−−は、ポンピングされる燃料セル及び測定される燃
料セルが共通の電極を持たない場合には１に極めて近い
（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｓｏｃｉｅｔｙ、１９８６のＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌ
ｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓのチャプター８
の、Ｌｏｇｏｔｈｅｔｉｓ、Ｅ．Ｍ．、及びＨｅｔｒｉ
ｃ、Ｒ．Ｅ．、による、”Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ Ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｂａｓ
ｅｄ ｏｎ Ｏｘｙｇｅｎ Ｐｕｍｐｉｎｇ”の
第１３６−１５４頁）。別体の電極が、燃料セルの電極
位置及びグレン境界での分極を排除する。燃料セル内の
電流は、主に電解質中の酸素イオンの移動によって流動
する。幾分かの漏れ或いは抵抗電流が存在するが、これ
らは非常に低いものである。
る電流は従って、ポンピングされる酸素に僅かな漏れ時
間を加えたものに直接関係付けされる。ファラデー効果
−−電流の２個の電子当り１個の酸素イオンが搬送され
る−−は、ポンピングされる燃料セル及び測定される燃
料セルが共通の電極を持たない場合には１に極めて近い
（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｓｏｃｉｅｔｙ、１９８６のＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌ
ｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓのチャプター８
の、Ｌｏｇｏｔｈｅｔｉｓ、Ｅ．Ｍ．、及びＨｅｔｒｉ
ｃ、Ｒ．Ｅ．、による、”Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ Ｏｘｙｇｅｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｂａｓ
ｅｄ ｏｎ Ｏｘｙｇｅｎ Ｐｕｍｐｉｎｇ”の
第１３６−１５４頁）。別体の電極が、燃料セルの電極
位置及びグレン境界での分極を排除する。燃料セル内の
電流は、主に電解質中の酸素イオンの移動によって流動
する。幾分かの漏れ或いは抵抗電流が存在するが、これ
らは非常に低いものである。
【００１１】調量された酸素が完全燃焼を得るために供
給される。そのように燃焼されるガスのエネルギー定数
は、燃焼に必要な酸素量と直接関連付けされる。必要な
酸素量はガス流量並びにカロリー含有量と共に直線的に
変動する。酸素ポンプを通しての電流はポンピングされ
た酸素と直接関連付けされる。かくして電流は装置を通
してのＢＴＵ流れに直接的に関連付けされる。装置を通
しての燃料ガス流れがガスパイプラインの如き大径の導
管における燃料ガス流れの一定の約量である場合、酸素
センサーは前記大径の導管でのエネルギー流れの測定値
を出力する。
給される。そのように燃焼されるガスのエネルギー定数
は、燃焼に必要な酸素量と直接関連付けされる。必要な
酸素量はガス流量並びにカロリー含有量と共に直線的に
変動する。酸素ポンプを通しての電流はポンピングされ
た酸素と直接関連付けされる。かくして電流は装置を通
してのＢＴＵ流れに直接的に関連付けされる。装置を通
しての燃料ガス流れがガスパイプラインの如き大径の導
管における燃料ガス流れの一定の約量である場合、酸素
センサーは前記大径の導管でのエネルギー流れの測定値
を出力する。
【００１２】
【実施例】図面を参照して詳しく説明するに、図１は天
然ガスのＢＴＵ成分を、その成分を完全燃焼するために
必要な酸素に対してプロットしたものである（Ｂａｂｃ
ｏｃｋ ａｎｄ Ｗｉｌｃｏｘ Ｃｏｍｐａｎｙ
、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、によって１９７５年に編集され
たＳｔｅａｍ、３８ｔｈ）。かくして、天然ガスの混合
物の大部分の一定容量を完全燃焼させるために必要な酸
素は同一容量のガスのＢＴＵ成分に関連付けされる。こ
の方策は流れ及びエネルギーのためには極めて敏感であ
り、温度、ガス密度そして湿度に対してはそうではない
。図２には機能を表す概念図が示される。ここでは説明
目的上、筒形状が示されているが、実際の形状には細長
筒状セクションと、ハニカム横断セクションと、平行側
面を具備するセクションとそして、極めて小さい画室と
が含まれ得、その全てが燃料セル効率を最大化するため
に燃料ガス流れに提示された領域を最大化する作用をな
す。 完全燃焼を提供するに十分な酸素が燃料ガス流れ中に導
入されることが重要なファクターである。
然ガスのＢＴＵ成分を、その成分を完全燃焼するために
必要な酸素に対してプロットしたものである（Ｂａｂｃ
ｏｃｋ ａｎｄ Ｗｉｌｃｏｘ Ｃｏｍｐａｎｙ
、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、によって１９７５年に編集され
たＳｔｅａｍ、３８ｔｈ）。かくして、天然ガスの混合
物の大部分の一定容量を完全燃焼させるために必要な酸
素は同一容量のガスのＢＴＵ成分に関連付けされる。こ
の方策は流れ及びエネルギーのためには極めて敏感であ
り、温度、ガス密度そして湿度に対してはそうではない
。図２には機能を表す概念図が示される。ここでは説明
目的上、筒形状が示されているが、実際の形状には細長
筒状セクションと、ハニカム横断セクションと、平行側
面を具備するセクションとそして、極めて小さい画室と
が含まれ得、その全てが燃料セル効率を最大化するため
に燃料ガス流れに提示された領域を最大化する作用をな
す。 完全燃焼を提供するに十分な酸素が燃料ガス流れ中に導
入されることが重要なファクターである。
【００１３】酸素量は、装置の操作性を確実なものとす
るために過剰酸素に対して化学量論的に変化される。こ
うした変化は装置の正規の作動を保証するために定期的
になされる。化学量論的混合物では無くむしろ燃焼水準
を変化させるために、ポンピングする酸素部分量を可変
とし得る。燃焼水準の変化は、酸素の出力表示が、ポン
ピングされるべき酸素量をもっと増やす要求と共に増大
するか判断することによって性能チェックのために使用
され得る。酸素センサーは化学量論的燃焼点では極めて
高く、また酸素水準の僅かな変化によって、それが正し
く作動している場合、その出力は大きく変動する。この
テストは酸素ポンプ及び酸素センサーの作動を確実なも
のとする作用を為す。前記テストはまた酸素センサーが
、燃料ガス流れ中にポンピングされる酸素水準に対して
は過剰の酸素が存在しないことを表示することから、触
媒燃焼体での燃焼の有無をも表示するものである。本発
明の測定アセンブリー４０が図２に概略例示されている
。燃料ガス流れは図の左側から右側へと流動する。実際
上の寸法形状には装置の内側の横断面領域に関して開口
する小領域が設けられる。これが、燃焼プロセスの完了
を保証するための、酸素ポンピング及び燃焼に対して露
呈される広い領域を提供する。これは測定精度のために
必要である。
るために過剰酸素に対して化学量論的に変化される。こ
うした変化は装置の正規の作動を保証するために定期的
になされる。化学量論的混合物では無くむしろ燃焼水準
を変化させるために、ポンピングする酸素部分量を可変
とし得る。燃焼水準の変化は、酸素の出力表示が、ポン
ピングされるべき酸素量をもっと増やす要求と共に増大
するか判断することによって性能チェックのために使用
され得る。酸素センサーは化学量論的燃焼点では極めて
高く、また酸素水準の僅かな変化によって、それが正し
く作動している場合、その出力は大きく変動する。この
テストは酸素ポンプ及び酸素センサーの作動を確実なも
のとする作用を為す。前記テストはまた酸素センサーが
、燃料ガス流れ中にポンピングされる酸素水準に対して
は過剰の酸素が存在しないことを表示することから、触
媒燃焼体での燃焼の有無をも表示するものである。本発
明の測定アセンブリー４０が図２に概略例示されている
。燃料ガス流れは図の左側から右側へと流動する。実際
上の寸法形状には装置の内側の横断面領域に関して開口
する小領域が設けられる。これが、燃焼プロセスの完了
を保証するための、酸素ポンピング及び燃焼に対して露
呈される広い領域を提供する。これは測定精度のために
必要である。
【００１４】図２の左側から右側へと流れる燃料ガスは
、酸素の制御し得る供給源を提供し得る装置であるとこ
ろの、システムの第１構成部分に入る。該第１構成部分
は小型の燃料セル１０であり、安定化されたジルコニア
の如き固体電解質を使用している。該燃料セル１０は酸
素をその内部に提供或いはポンピングする。該燃料セル
の内部はそこを貫く電子流れと直接関連付けされる。 燃料ガス流れに導入された酸素はそこでガスと混合する
。この混合物は次いで、システムの第２構成部分である
触媒燃焼体１２に於て燃焼される。該触媒燃焼体からは
二酸化炭素、水蒸気、酸素そして恐らくは幾分かの未燃
焼の燃焼性ガスから成る混合物が排出される。この幾分
かの未燃焼の燃焼性ガスは次いで第３の構成部分、即ち
ジルコニア酸素センサー１４に送通される。この酸素セ
ンサー１４のための参照酸素が、大気からか或いはシー
ルされた固体酸素源１６から供給される。酸素センサー
からの電圧出力１８は、検出容量内に幾分かの酸素があ
る状況から、全ての酸素が除去された状況とされた場合
に大きく且つ突然増加する。これが生じる点と参照圧力
とは、該参照圧力が非常に低くない限りは無関係である
（Ｈｅｙｎｅ 参照例第８４頁参照）。かくして、酸
素源は、システムが化学量論的混合物に対して作動され
ている場合には、制御の精度上重要ではない。酸素ポン
プ１０、触媒燃焼体１２そして酸素センサー１４は６０
０から７００℃の範囲で作動される。シールされた固体
酸素源１６は本システムの他の部分の温度を制御すると
同一のヒーターシステムによって作動され得る。酸素ポ
ンプ１０のための酸素源は、これは本発明の第１部材で
あるが、代表的に、大気からか或いは図２に示される如
き固体酸素源１６から供給される。酸素センサー１４の
出力１８は酸素ポンプ１０に送給される電流２０を制御
するために使用される。本発明の制御回路２２は、酸素
センサー１４からの出力を設定点値と比較し、それに従
って電流２０を増減する。これにより、ポンピングされ
る酸素量は電流の変化に応じて変化する。制御ループは
化学量論的混合物に於てか或いは僅かに酸素リッチなそ
れに於て、酸素センサーによって測定される酸素を一定
に保つよう酸素流れを増減する。ポンピングセクション
を通しての電流が、センサー配列構成を貫いて流動する
ガス全体の燃焼のために必要な酸素の測定値となる。酸
素ポンプを制御するために使用される電流は完全燃焼の
ために必要な酸素と量的に関連付けられる。この量はデ
ィジタル値に変換され、図１等にプロットされたデータ
及び流れ比率からの定数を使用するエネルギー値算出に
於て使用される。
、酸素の制御し得る供給源を提供し得る装置であるとこ
ろの、システムの第１構成部分に入る。該第１構成部分
は小型の燃料セル１０であり、安定化されたジルコニア
の如き固体電解質を使用している。該燃料セル１０は酸
素をその内部に提供或いはポンピングする。該燃料セル
の内部はそこを貫く電子流れと直接関連付けされる。 燃料ガス流れに導入された酸素はそこでガスと混合する
。この混合物は次いで、システムの第２構成部分である
触媒燃焼体１２に於て燃焼される。該触媒燃焼体からは
二酸化炭素、水蒸気、酸素そして恐らくは幾分かの未燃
焼の燃焼性ガスから成る混合物が排出される。この幾分
かの未燃焼の燃焼性ガスは次いで第３の構成部分、即ち
ジルコニア酸素センサー１４に送通される。この酸素セ
ンサー１４のための参照酸素が、大気からか或いはシー
ルされた固体酸素源１６から供給される。酸素センサー
からの電圧出力１８は、検出容量内に幾分かの酸素があ
る状況から、全ての酸素が除去された状況とされた場合
に大きく且つ突然増加する。これが生じる点と参照圧力
とは、該参照圧力が非常に低くない限りは無関係である
（Ｈｅｙｎｅ 参照例第８４頁参照）。かくして、酸
素源は、システムが化学量論的混合物に対して作動され
ている場合には、制御の精度上重要ではない。酸素ポン
プ１０、触媒燃焼体１２そして酸素センサー１４は６０
０から７００℃の範囲で作動される。シールされた固体
酸素源１６は本システムの他の部分の温度を制御すると
同一のヒーターシステムによって作動され得る。酸素ポ
ンプ１０のための酸素源は、これは本発明の第１部材で
あるが、代表的に、大気からか或いは図２に示される如
き固体酸素源１６から供給される。酸素センサー１４の
出力１８は酸素ポンプ１０に送給される電流２０を制御
するために使用される。本発明の制御回路２２は、酸素
センサー１４からの出力を設定点値と比較し、それに従
って電流２０を増減する。これにより、ポンピングされ
る酸素量は電流の変化に応じて変化する。制御ループは
化学量論的混合物に於てか或いは僅かに酸素リッチなそ
れに於て、酸素センサーによって測定される酸素を一定
に保つよう酸素流れを増減する。ポンピングセクション
を通しての電流が、センサー配列構成を貫いて流動する
ガス全体の燃焼のために必要な酸素の測定値となる。酸
素ポンプを制御するために使用される電流は完全燃焼の
ために必要な酸素と量的に関連付けられる。この量はデ
ィジタル値に変換され、図１等にプロットされたデータ
及び流れ比率からの定数を使用するエネルギー値算出に
於て使用される。
【００１５】図３は、各パーツを必要な温度に維持する
ためのヒーターコントロールを除き、本発明のエネルギ
ーフローメーターのための電子システムを概略表したも
のである。酸素センサーからの出力１８は電圧である。 この電圧はＡ／Ｄコンバーター２４によってディジタル
値に変換される。このディジタル値は電流制御ユニット
２６によってセットポイントと比較される。該Ａ／Ｄコ
ンバーター２４からの出力２８が電流発生器３０を作動
し、該電流発生器３０が結局、駆動電流２０を酸素ポン
プ１０に送給する。酸素信号がセットポイント或いは所
望の値よりも低い場合は、電流発生器３０は酸素信号出
力を少し増加するよう指令する。これと反対に、酸素信
号がセットポイントを上回る場合は、電流発生器３０は
酸素信号出力を少し減少するべく指令する。この作動は
、その差動毎にインターバルを置いて連続的に反復され
、制御ループを安定化を維持するための変化量が共に選
択される。電流発生器３０は参照番号２８で示される電
流−出力Ｄ／Ａ回路でディジタル信号を受ける。この回
路の出力の電圧コンプライアンスは、酸素センサー保護
のために＋／−２．５ボルトに制限される（Ｈｅｙｎｅ
参照例の第８４頁参照）。電流制限ユニットの参照
番号２９の位置でのディジタル出力もまた、参照番号３
２で示されるユニットでのエネルギー流れ算出のために
使用される。該ユニット３２は、その他の制御回路と同
様にマイクロプロセッサーベースのものであり、そのメ
モリー中には計算に必要な定数が記憶されている。ユニ
ット３２からの、算出出力が本発明におけるエネルギー
測定値となる。
ためのヒーターコントロールを除き、本発明のエネルギ
ーフローメーターのための電子システムを概略表したも
のである。酸素センサーからの出力１８は電圧である。 この電圧はＡ／Ｄコンバーター２４によってディジタル
値に変換される。このディジタル値は電流制御ユニット
２６によってセットポイントと比較される。該Ａ／Ｄコ
ンバーター２４からの出力２８が電流発生器３０を作動
し、該電流発生器３０が結局、駆動電流２０を酸素ポン
プ１０に送給する。酸素信号がセットポイント或いは所
望の値よりも低い場合は、電流発生器３０は酸素信号出
力を少し増加するよう指令する。これと反対に、酸素信
号がセットポイントを上回る場合は、電流発生器３０は
酸素信号出力を少し減少するべく指令する。この作動は
、その差動毎にインターバルを置いて連続的に反復され
、制御ループを安定化を維持するための変化量が共に選
択される。電流発生器３０は参照番号２８で示される電
流−出力Ｄ／Ａ回路でディジタル信号を受ける。この回
路の出力の電圧コンプライアンスは、酸素センサー保護
のために＋／−２．５ボルトに制限される（Ｈｅｙｎｅ
参照例の第８４頁参照）。電流制限ユニットの参照
番号２９の位置でのディジタル出力もまた、参照番号３
２で示されるユニットでのエネルギー流れ算出のために
使用される。該ユニット３２は、その他の制御回路と同
様にマイクロプロセッサーベースのものであり、そのメ
モリー中には計算に必要な定数が記憶されている。ユニ
ット３２からの、算出出力が本発明におけるエネルギー
測定値となる。
【００１６】酸素ポンプ１０、触媒燃焼体１２、酸素セ
ンサー１４、固体酸素源１６、ヒーター（図示せず）等
を含むセンサーアセンブリー４０は、数インチから３０
インチ（約７６．２センチ）の範囲の寸法のものであり
得る導管内の全エネルギー流れを測定するための流れ導
管４２内に取付けられる。ある取付け配列構造に於ては
、図４に示されるようなストラットアセンブリを使用す
る導管の内壁に取付けたパッケージを使用する。図５に
は本発明の別体用が示され、ここでは流れサンプリング
技法が使用されている。該流れサンプリング技法では、
流れの少量のサンプルが参照番号４４で示されるように
流れ導管４２を迂回されセンサーアセンブリー４０と類
似のエネルギー流れセンサー４６に至る。エネルギー流
れセンサーからの流れ出力は、センサーアセンブリーを
通しての正味の圧力降下がない様、参照番号４８で示さ
れる位置で主たる流れに戻される。イソキネチックサン
プリングが、サンプル及び主たる流れ間の流れの比率を
正確に維持するために好ましい。その他の配列構成では
、流れ導管４２に送入されたプローブ５０内にセンサー
アセンブリー４０が取付けられる。単一のエネルギー流
れ計測装置を、プローブ内に取付けそして導管中に挿通
し得る。或いは断面が一様でない流れの場合にはそれら
の束を図６に示される様にプローブ内に取り付けし得る
。以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の
内で多くの変更を成し得ることを理解されたい。
ンサー１４、固体酸素源１６、ヒーター（図示せず）等
を含むセンサーアセンブリー４０は、数インチから３０
インチ（約７６．２センチ）の範囲の寸法のものであり
得る導管内の全エネルギー流れを測定するための流れ導
管４２内に取付けられる。ある取付け配列構造に於ては
、図４に示されるようなストラットアセンブリを使用す
る導管の内壁に取付けたパッケージを使用する。図５に
は本発明の別体用が示され、ここでは流れサンプリング
技法が使用されている。該流れサンプリング技法では、
流れの少量のサンプルが参照番号４４で示されるように
流れ導管４２を迂回されセンサーアセンブリー４０と類
似のエネルギー流れセンサー４６に至る。エネルギー流
れセンサーからの流れ出力は、センサーアセンブリーを
通しての正味の圧力降下がない様、参照番号４８で示さ
れる位置で主たる流れに戻される。イソキネチックサン
プリングが、サンプル及び主たる流れ間の流れの比率を
正確に維持するために好ましい。その他の配列構成では
、流れ導管４２に送入されたプローブ５０内にセンサー
アセンブリー４０が取付けられる。単一のエネルギー流
れ計測装置を、プローブ内に取付けそして導管中に挿通
し得る。或いは断面が一様でない流れの場合にはそれら
の束を図６に示される様にプローブ内に取り付けし得る
。以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の
内で多くの変更を成し得ることを理解されたい。
【００１７】
【発明の効果】全燃料ガス流れの、制御された部分流れ
における実際のエネルギー流れを測定する、燃料ガスの
エネルギー分を測定するための方法及び装置が提供され
る。
における実際のエネルギー流れを測定する、燃料ガスの
エネルギー分を測定するための方法及び装置が提供され
る。
【図１】天然ガス中に通常見出される燃焼性成分の化学
量論的燃焼に必要な酸素及び燃料ガスのエネルギー或い
は熱含有量間の関係を、６０°Ｆ（約１５．５℃）及び
水銀３０インチ（約７６．２センチ）ウエットでのＢＴ
Ｕ／ＣｕＦｔ３ 値でプロット下グラフ。
量論的燃焼に必要な酸素及び燃料ガスのエネルギー或い
は熱含有量間の関係を、６０°Ｆ（約１５．５℃）及び
水銀３０インチ（約７６．２センチ）ウエットでのＢＴ
Ｕ／ＣｕＦｔ３ 値でプロット下グラフ。
【図２】本発明の方法を実施するために使用される装置
の概念図。
の概念図。
【図３】本発明を実施するために使用される電子配列に
おける電子部品を示すブロックダイヤグラム。
おける電子部品を示すブロックダイヤグラム。
【図４】燃料ガスの流れに於て入手し得るエネルギーを
直接測定するための装置の、現場での使用状況を表す概
念図。
直接測定するための装置の、現場での使用状況を表す概
念図。
【図５】燃料ガスの主要流れの外側に位置決めされた本
発明の具体例の例示図。
発明の具体例の例示図。
【図６】本発明を使用するための他の配列構成の概略図
。
。
１０：燃料セル
１２：触媒燃焼体
１４：酸素センサー
１６：固体酸素源
２２：制御回路
２４：Ａ／Ｄコンバーター
３０：電流発生器
４２：流れ導管
Claims (9)
- 【請求項１】 燃料ガス流れ内のエネルギーを測定す
る方法であって、（ａ）燃料ガスの全流れからリアルタ
イムサンプルにして、全燃料ガス流れの既知の部分量で
あり且つ温度及び圧力が前記全燃料ガス流れと同一であ
るリアルタイムサンプルを取り出す段階と、（ｂ）実際
量の酸素と比例する電流量によって駆動される固体電解
質酸素ポンプを使用して実際量の酸素を発生する段階と
、 （ｃ）リアルタイムサンプルと実際量の酸素とを混合し
て混合物を形成する段階と、 （ｄ）混合物を触媒燃焼器に送給し、リアルタイムサン
プルの燃焼を完了させ、実際量の排気酸素をそこに含む
排気ガスを形成する段階と、 （ｅ）排気ガス中の実際量の排気酸素を測定する段階と
、 （ｆ）実際量の排気酸素が、触媒燃焼機内における完全
燃焼を示す選択量の排気酸素とほぼ等しい場合には、燃
料ガス中のエネルギーを算出するために固体電解質酸素
ポンプを駆動する電流量を使用し、そして実際量の排気
酸素が前記選択量の排気酸素と等しくない場合には、段
階（ｂ）での電流量を変化させ、実際量の排気酸素が前
記選択量の排気酸素と等しくなるまで、段階（ｃ）から
（ｅ）までを反復する段階とを包含する前記燃料ガス内
のエネルギーを測定する方法。 - 【請求項２】 選択量の排気酸素は、排気ガス内に於
て選択量の過剰酸素を含んでいる請求項１に記載の燃料
ガス内のエネルギーを測定する方法。 - 【請求項３】 触媒燃焼器に結合された酸素センサー
を使用して実際量のか上酸素を測定する段階と、較正用
の酸素を固体電解質酸素ポンプ及び酸素センサーに送給
する段階を含んでいる請求項２に記載の燃料ガス内のエ
ネルギーを測定する方法。 - 【請求項４】 固体酸素源からの酸素を固体電解質酸
素ポンプ及び酸素センサーに供給する段階が含まれる請
求項３に記載の燃料ガス内のエネルギーを測定する方法
。 - 【請求項５】 固体電解質酸素ポンプはジルコニア酸
素ポンプを含む請求項１に記載の燃料ガス内のエネルギ
ーを測定する方法。 - 【請求項６】 燃料ガス内のエネルギーを測定するた
めの装置であって、燃料ガスのサンプルを受ける固体電
解質酸素ポンプにして、実際量の燃焼酸素と比例する量
の電流によって駆動された場合に実際量の燃焼酸素を発
生する前記固体電解質酸ポンプと、サンプルに実際量の
燃焼酸素を加えた混合物を受けるために固体電解質酸素
ポンプに結合された触媒燃焼器にして、サンプルを燃焼
させ実際量の排気酸素をそこに含む排気ガスを形成させ
るための前記触媒燃焼器と、排気ガス中の実際量の排気
酸素を検出するために触媒燃焼器に結合された酸素セン
サーと、酸素センサー及び固体電解質酸素ポンプ間に結
合されたフィードバック制御ユニットにして、排気ガス
中の実際量の排気酸素を検出し、検出した実際量の排気
酸素に基く量の電流を発生し、実際量の排気酸素を、触
媒燃焼機内での完全燃焼を表す選択量の排気酸素と比較
し、実際量の排気酸素が前記選択量の排気酸素とほぼ等
しくなるよう電流量を調節し、燃料ガス内のエネルギー
量を固体電解質酸素ポンプに送給される実際量の電流の
関数として算出する前記フィードバック制御ユニットと
から構成される燃料ガス内のエネルギーを測定するため
の装置。 - 【請求項７】 固体電解質酸素ポンプはジルコニアポ
ンプを含む請求項６に記載の燃料ガス内のエネルギーを
測定するための装置。 - 【請求項８】 固体電解質酸素ポンプ及び酸素センサ
ーに較正用の酸素を送給するためにこれら固体電解質酸
素ポンプ及び酸素センサーに結合された固体酸素源を含
む請求項６に記載の燃料ガス内のエネルギーを測定する
ための装置。 - 【請求項９】 酸素センサーは排気ガス中の実際量の
酸素と比例するアナログ信号を創生し、フィードバック
制御ユニットはディジタル信号を創生するために酸素セ
ンサーに結合されたＡ／Ｄコンバーターを含み、酸素量
に比例するディジタル電流信号を創生するための電流制
御手段がに前記Ａ／Ｄコンバーターに接続され、該の電
流制御手には、固体電解質酸素ポンプに送給するための
実際の電流を発生するためのＤ／Ａコンバーターが結合
され、電流制御手段には燃料ガス中のエネルギーの測定
値を表すエネルギー信号を算出するための算出手段が接
続され、エネルギー信号は電流制御手段からのディジタ
ル信号の関数として算出される請求項６に記載の燃料ガ
ス内のエネルギーを測定するための装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US469869 | 1990-01-24 | ||
| US07/469,869 US5074987A (en) | 1990-01-24 | 1990-01-24 | Online energy flow measuring device and method for natural gas |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04212052A true JPH04212052A (ja) | 1992-08-03 |
| JPH07104325B2 JPH07104325B2 (ja) | 1995-11-13 |
Family
ID=23865363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3022650A Expired - Lifetime JPH07104325B2 (ja) | 1990-01-24 | 1991-01-24 | 天然ガスのためのオンラインエネルギー流れ測定装置及び方法 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5074987A (ja) |
| EP (1) | EP0438859B1 (ja) |
| JP (1) | JPH07104325B2 (ja) |
| KR (1) | KR910014698A (ja) |
| AU (1) | AU636385B2 (ja) |
| CA (1) | CA2021228A1 (ja) |
| DE (1) | DE69025581T2 (ja) |
| NO (1) | NO179689C (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105403683A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-03-16 | 石化盈科信息技术有限责任公司 | 炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法 |
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| US7141859B2 (en) | 2001-03-29 | 2006-11-28 | Georgia Tech Research Corporation | Porous gas sensors and method of preparation thereof |
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- 1990-07-16 CA CA002021228A patent/CA2021228A1/en not_active Abandoned
- 1990-09-11 AU AU62387/90A patent/AU636385B2/en not_active Ceased
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- 1990-11-16 DE DE69025581T patent/DE69025581T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1990-11-17 KR KR1019900018649A patent/KR910014698A/ko not_active Abandoned
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1991
- 1991-01-24 JP JP3022650A patent/JPH07104325B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| DE69025581D1 (de) | 1996-04-04 |
| US5074987A (en) | 1991-12-24 |
| NO903061D0 (no) | 1990-07-09 |
| EP0438859A3 (en) | 1993-11-10 |
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| NO903061L (no) | 1991-07-25 |
| AU6238790A (en) | 1991-07-25 |
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| NO179689B (no) | 1996-08-19 |
| EP0438859A2 (en) | 1991-07-31 |
| EP0438859B1 (en) | 1996-02-28 |
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| CA2021228A1 (en) | 1991-07-25 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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