JPH08101111A

JPH08101111A - ガス中の水蒸気量を定量する方法および装置

Info

Publication number: JPH08101111A
Application number: JP18684095A
Authority: JP
Inventors: Joerg Pahlke; パールケイェルク; Axel Broedel; ブレーデルアクセル; Martin Rombach; ロムバッハマーティン
Original assignee: Testo SE and Co KGaA
Current assignee: Testo SE and Co KGaA
Priority date: 1994-09-20
Filing date: 1995-07-24
Publication date: 1996-04-16
Also published as: EP0703441A1; DE4433451A1

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス中に含まれる水蒸気量を、単純な方法で
且つ安定した形で定量する方法及び装置を提供する。【解決手段】対象のガスから試料ガスを引導すること
により、ガス中に含まれる水蒸気量を定量する方法で次
の４過程からなる。第１過程で試料ガスの容積流量及
び、または質量流量を測定する、第２過程で試料ガスを
水蒸気残分が一定値になるまで乾燥する、第３過程で試
料ガスの容積流量および、または質量流量を改めて測定
する、第４過程でガスに含まれる水蒸気量を容積流量お
よび、または質量流量の２つの値の差から求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は請求項１から１４に
開示した上位概念に基づいてガス中の水蒸気量を定量す
る方法乃至装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガス状媒質が含む水蒸気量の定量に関し
ては今日多くの方法が知られている。最も正確な方法の
一つとして被検体ガスを氷、水の混合物の中に導入して
水蒸気の変化重量を測定する技術がある。この方法はコ
ストがかかると共に連続測定には適さない。他の可能性
としてガスがもつ相対湿度または露点を測定する方法が
あるが、この方式の欠点として適用範囲が大きく限定さ
れることが挙げられる。露点を測る露点ミラー計は高価
である上に温度が約７０度の露点までしか使用できな
い。その上、被測定ガス媒質の中に酸生成物質が存在す
ると水蒸気の露点ではなく酸溶液の露点を測かってしま
うことになる。これを換算すれば水蒸気の含量が求めら
れるが、換算には相応のエラーが発生する。

【０００３】相対湿度は湿度センサーを用いて測定され
るが、湿度センサーは酸の侵食を受けて破壊される危険
がある。ＥＰ０５４８８４２Ａ１で煙ガスがもつ水蒸気
量を定量する方法が開示されている。本方法によれば含
湿ガスと乾燥ガスが含む酸素量を酸化ジルコンを使用し
て測定し、酸素の差から水蒸気含量が求められる。しか
し、この場合にはセンサーを作動温度３５０度以上の温
度にまで加熱しなければならない。

【０００４】同じく酸素含量を測定する別の方法として
試料ガスを空気で希釈すると露点は常に下がる。空気と
試料ガスの希釈比と既知の酸素量に基づいて水蒸気量を
求めることが出来る。いずれの方法ともコストがかか
り、エラーが多く、その上比較的正確であるとはいえな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の基礎を
なす課題は、前述の通り試料ガスの水蒸気含量を連続的
に測定でき、取扱いが簡単で、測定条件が変わっても所
定の精度が保て、費用が少なくて、安全に操作できる方
法乃至装置を作製することにある。試料ガスの組成は、
既知でも未知でもよい。

【０００６】

【課題を解決するための手段】これらの課題は請求項１
から１４に記載された特徴をとって解決される。本発明
によるガス中の水蒸気量を定量する方法乃至装置におい
て試料ガスの水蒸気を乾燥する前後において容積流量乃
至質量流量を測定することが重要である。引き続いて試
料ガスを乾燥した後の水蒸気残分を注意して測る。測定
は連続して十分正確に行うことが出来る。

【０００７】試料ガスの流れを乾燥し、この中にある水
蒸気の定量は各種の方法、例えば凍結乾燥、吸収、吸
着、浸透またはこれらの共用によって行ってよい。凍結
乾燥法はガス分析においてガスを乾燥するために最もよ
く使用される方法である。通常は０−５度の露点まで温
度を下げて乾燥する。凍結乾燥を行うには、例えばいわ
ゆるペルチェ熱電冷却装置を使用したり、試料ガスを
氷、水の混合物に導く装置を使用する。本方法が優れて
いる点は、ガス中の他の成分が失われることが非常に少
ないことにある。

【０００８】他に試料ガスの乾燥に吸収乃至吸着を使用
することが出来る。ここでは水が吸収剤ないしは吸着剤
と化学的に物理的に結合する様子を理解すればよい。こ
れらの物質は飽和状態に達する前に交換され、更に処理
を受けて再生される。乾燥剤としては、例えばシリカゲ
ルが適している。この方法は比較的湿度が低い場合に優
れている。

【０００９】試料ガスを乾燥する別の可能性として、い
わゆる浸透を使用する。ここでは膜または気体透過性の
水蒸気を選択的に透過させる物質を利用することを理解
すればよい。これらの材料は各成分について透過選択性
を有するので他の成分との分離が起こる。例としてナフ
ィオンが挙げられ、水蒸気を化学結合、物質輸送、再分
離することで試料ガスを迅速に選択的に乾燥することが
出来る。

【００１０】この方法は組成が既知か検出できるガスに
対して適している。工場と環境問題にみられる湿気を持
つ排ガスとか湿度の高い測定に応用できる。例えば、工
程や燃焼室で発生する排ガスの湿度測定をガス分析機器
装置を繋いで行う。特に環境に関する厳しい基準によっ
て本方法には高い精度と信頼性がおかれている。特に本
装置は検出システムと結合させて燃焼装置や乾燥装置か
らのエミッションを測定することに使用できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次は本発明に関する方法を二つの
図を用いて詳しく説明するものである。図１は水蒸気量
を定量する装置の第一実施形態を示す。図２は水蒸気量
を定量する装置の第二実施形態を示す。図１は本発明に
関する構造のスキームを示す。吸ガス装置１は加熱チュ
ーブ２を経てガス導入管２０に結ぶ。ガス導入管２０の
中間に毛管４ａまたは他の流れ抵抗体を置く。毛管４ａ
の前後で３ａ乃至３ｂの印がある箇所から圧力測定管１
０ａ、１０ｂが分岐している。ガス導入管２０と毛管４
ａおよび圧力測定管１０ａ、１０ｂの始めの部分が加熱
室３の内部に入っている。ガス導入管２０は加熱室３か
ら出ると外のガス導管２１を経てガス冷却器５に接続し
ている。ガス冷却器５を氷、水の混合物で置き換えても
よい。ガス冷却器５からさらにガス導管２２が伸びてポ
ンプ６に達する。ガス導管２２の中間に毛管４ｂがあ
る。毛管４ｂの前後で６ａ乃至６ｂの印がある箇所から
圧力測定管１１ａ、ｂが分岐している。ポンプ６の排気
口側からガス導管２３が出ているが、これを例えばガス
分析機器装置に結べばよい。

【００１２】圧力測定管１０ａ、１０ｂは２個のバルブ
８ａ、８ｂを経て圧力測定管１０ｃに結ばれる。バルブ
８ｂはガス導管１０ｄを経てバルブ８ｃと結ぶ。バルブ
８ｃはガス導管１１ｄを経てバルブ８ｄに達する。バル
ブ８ｄには２個の圧力測定管１１ａ、１１ｂが、バルブ
８ｃには圧力測定器７が結ばれる。圧力測定器７とバル
ブ８ａからはガス導管が系外に出ている。バルブ８ａ、
８ｂ、８ｃ、８ｄは２個以上の口をもつバルブを使用し
てよい。

【００１３】ガス導管２０、２１、２２、２３、圧力測
定管１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１１ａ、１１
ｂ、１１ｃ、１１ｄ、バルブ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄお
よびガス冷却器５の接続を気密性にして加熱チューブ２
から流入されたガスは、測定系で凝縮する水蒸気は別で
あるが、ガス漏れをおこすことなく系内を通過してガス
導管２３から排出されなければならない。毛管４ａ、４
ｂの直径は同一でも異なっていてもよい。他の流れ抵抗
体を使用する場合には同じまたは異なるサイズないしは
寸法をもち同じまたは異なる方法を取ってもよい。

【００１４】ガス冷却器５の前後のガス導管２１乃至２
２にラバルノズルまたはマスフロー制御器を設置してガ
スの流れを一定に保つことが考えられる。これにはポン
プのパワーをコントロールすればよい。さらにガスの流
れを一定に保つためにガス速度計を、流動状況が分かっ
ているガス導管断面の中に置くことも可能と思われる。
チューブ２、バルブ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、圧力測定
器７、ポンプ６、ガス冷却器５等の部品は電気ないしは
エレクトロニクス技術による制御または保守が可能であ
ることが望ましい。

【００１５】水分を含む試料ガスｍ１は、吸ガス装置１
から流入してポンプ６によって吸引されながら加熱され
たチューブ２を通過して加熱室３に導かれる。３ａの箇
所にある毛管４ａの温度Ｔ１は図１には表示してないが
温度センサーによって測定されるか、または加熱室３の
内部温度に等しくおかれる。加熱チューブ２と加熱室３
はこのために定められた温度を保つ。これが圧力で変わ
る試料の湿ガスｍ１の露点を安定にする。加熱室３の中
で試料ガスｍ１は毛管４ａを通過する。毛管４ａの前後
の３ａないしは３ｂの印のついた箇所で装置内圧力ｐ１
およびｐ３が外圧ｐ０に対して定められる。ここで補助
のガス導管１０ａ乃至１０ｂがバルブ８ａ、８ｂ、８ｃ
を通して圧力測定器７と結ばれる。試料ガスｍ１の流れ
は加熱室３を出た後ガス導管２１を経てガス冷却器５に
達する。ガス冷却器５において試料ガスは、例えば５度
位に定められた温度まで冷却されると水蒸気が凝縮す
る。凝縮して水になった水蒸気ｍｗは除去される。冷却
温度は乾燥後の試料ガスｍ２の露点に相当する。

【００１６】乾燥ガスｍ２は少なくとも停滞しないで進
みガス冷却器５を経て毛管４ｂに達する。毛管４ｂの前
後で６ａないしは６ｂの印のある箇所で前と同様に圧力
ｐ２およびｐ４を測る。このために圧力測定管１１ａな
いしは１１ｂがバルブ８ｄおよび８ｃを経て圧力測定器
７と結ばれている。そのほか６ａの印のある箇所で図に
は表示されていないが温度センサーを用いて温度Ｔ２を
測定する。ｄｐ１＝ｐ３−ｐ１およびｄｐ２＝ｐ４−ｐ
２はそれぞれ毛管４ａ、４ｂの箇所における圧力差であ
るが、試料ガスの密度に注目すると容積流量乃至質量流
量の尺度になる。収支を表す式ｍ１＝ｍ２＋ｍｗを用い
て水蒸気の割合を求めることが出来る。乾燥された試料
ガス中に残る水蒸気の残分は本発明に関する方法で定量
するか、残分が僅少の場合には無視ないしは僅少と判定
する。定量は、相対湿度、露点を測定するか、あるいは
ガス冷却器を用いて冷却温度を超えた点で行う。

【００１７】図２はガスの水蒸気量を定量する装置の第
二実施形態を示す。符号は特に断らない限り図１と同じ
意味で同じ箇所に用いる。図２が図１の実施形態と異な
る箇所は、圧力測定管１０ａ、１０ｂないしは１１ａ、
１１ｂが毛管４ａ、４ｂないしは相当する流れ抵抗体の
位置とは反対にある圧力差測定装置７ａ、７ｂに結ばれ
ている点である。圧力差測定装置７ａ、７ｂによってそ
れぞれ毛管４ａ、４ｂの流入口と流出口の間の圧力差を
測定することができる。圧力差測定装置７ａ、７ｂは、
それぞれ圧力差ｄｐ１、ｄｐ２を測定する。図２にはこ
の他に絶対圧力測定センサー等を用いた２個の絶対圧力
測定装置９ａおよび９ｂが見られる。絶対圧力測定装置
９ａは圧力測定管１２ａを経てガス冷却器５に入る前の
ガス導管２１と結ぶ。絶対圧力測定装置９ｂは逆に圧力
測定管１２ｂを経て毛管４ｂの流入口６ａ付近でガス導
管２２と結ぶ。

【００１８】更に図１と異なる箇所はポンプ６にある。
図１ではポンプ６は毛管４ｂの流出口に接続されていた
が図２では毛管４ｂとガス冷却器５の間に位置する。絶
対圧力測定装置９ｂはポンプ６の流出口と毛管４ｂの間
にある。ここでガス冷却器５は図１および図２に開示し
た装置を必ずしも使用しなくてもよい。試料ガス中の水
蒸気をよく乾燥できまたは十分に乾燥できるものであれ
ばどんな装置でもよい。可能な方法として凍結乾燥、吸
収、吸着、浸透、またはこれらを共用する方法が考えら
れる。

【００１９】本発明に関する方法は試料ガスの成分が既
知、未知に関わらず適用できる。試料ガス成分は空気な
どの組成が既知である媒質であってよい。もし試料ガス
成分の組成が未知の媒質の場合にはガス分析機器装置を
用いて定量することができる。例えば、燃焼炉の排気ガ
スの場合には原則として定性分析だけを行えばよい。さ
らに試料ガスの密度は重量分析または流動速度を比較し
て求めることができる。

【００２０】本発明の方法の重要な特徴は水蒸気を含む
試料ガスの容積流量ｍ１を測定することにある。測定は
露点より高い温度において行わなければならない。試料
ガスｍ１の流れの圧力および温度は測定するか、既知で
なければならない。次の段階として試料ガス流ｍ１に含
まれる水蒸気を残分に至るまで凝縮する。残分の量はあ
る圧力と温度では一定であり、定量することもできる。
残分を求める他の方法は湿度または露点を測ることであ
る。凝縮過程の後で乾燥された試料ガスｍ２の容積流量
を測る。試料ガスｍ２の圧力および温度は測定可能か、
一定でなければならない。乾燥された試料ガスｍ２の標
準密度は化学組成またはガス密度の測定から求める。こ
のようにして測定値から水蒸気量が求められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水蒸気量を定量する装置の第一実施形態を示す
図である。

【図２】水蒸気量を定量する装置の第二実施形態を示す
図である。

【符号の説明】

１吸ガス装置２加熱チューブ３加熱室３ａ側流入口３ｂ側流出口４ａ、４ｂ毛管または流れ抵抗体５ガス冷却器または乾燥器６ポンプ６ａ、６ｂ接合箇所７圧力測定器７ａ、７ｂ圧力差測定装置８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄバルブ９ａ、９ｂ絶対圧力測定器１０ａ、１０ｂ圧力測定管１１ａ、１１ｂ圧力測定管１２ａ、１２ｂガス導管２０ガス導入管２１ガス排出管２２ガス排出管２３ガス導管ｐ１、ｐ２圧力ｐ０外圧ｐabs 絶対圧力Ｔ１、Ｔ２温度ｍ１、ｍ２試料ガス流量ｍｗ水蒸気流量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アクセルブレーデルドイツ連邦共和国、デー79853 レンツキルヒ、アムシェーネンベルク 34 アー. (72)発明者マーティンロムバッハドイツ連邦共和国、デー79853 レンツキルヒ、アムゾムマーベルク 11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１過程で試料ガスの容積流量及び、ま
たは質量流量（ｍ１）を測定する、第２過程で試料ガス
を水蒸気残分が一定値になるまで乾燥する、第３過程で
試料ガスの容積流量および、または質量流量（ｍ２）を
改めて測定する、第４過程でガスに含まれる水蒸気量を
容積流量および、または質量流量（ｍ１、ｍ２）の２値
の差から求めることを特徴とし、対象ガスから試料ガス
を引導してガス中に含まれる水蒸気量を定量する方法。
【請求項２】流れ抵抗体（４ａ乃至４ｂ）の前後に位
置し、温度（Ｔ１乃至Ｔ２）において試料ガスを流入さ
せる圧力差（ｄｐ１乃至ｄｐ２）から容積流量および質
量流量（ｍ１乃至ｍ２）を求めることを特徴とする請求
項１に記載のガス中に含まれる水蒸気量を定量する方
法。
【請求項３】含湿ガスと乾燥ガスの容積流量または質
量流量（ｍ１乃至ｍ２）が一定に保たれることを特徴と
する請求項１に記載のガス中に含まれる水蒸気量を定量
する方法。
【請求項４】容積流量または質量流量（ｍ１乃至ｍ
２）を一定に保つためにラバルノズルあるいはマスフロ
ー制御器を使用することを特徴とする請求項３に記載の
ガス中に含まれる水蒸気量を定量する方法。
【請求項５】容積流量または質量流量（ｍ１乃至ｍ
２）の制御ないしはコントロールをポンプ（６）で行う
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載
のガス中に含まれる水蒸気量を定量する方法。
【請求項６】試料ガスの容積流量または質量流量（ｍ
１乃至ｍ２）の測定を導管の一定の断面を流れるガスの
流速から求めることを特徴とする請求項１乃至５のいず
れか１項に記載のガス中に含まれる水蒸気量を定量する
方法。
【請求項７】流動する試料ガスの乾燥を一定の温度に
冷却して行うことをを特徴とする請求項１記載のガス中
に含まれる水蒸気量を定量する方法。
【請求項８】試料ガスを氷、水の混合物またはガス冷
却器（５）に導入して一定温度にまで冷却することを特
徴とする請求項７記載のガス中に含まれる水蒸気量を定
量する方法。
【請求項９】試料ガスに含まれる水蒸気の残分を冷却
器温度以下において凝縮させて定量することを特徴とす
る請求項８に記載のガス中に含まれる水蒸気量を定量す
る方法。
【請求項１０】乾燥後の試料ガスが含む水蒸気を規定
の乾燥剤、特にシリカゲルを用いて処理して水蒸気量が
無視できる程度または僅少と判定されるまで除去するこ
とを特徴とする請求項１に記載のガス中に含まれる水蒸
気量を定量する方法。
【請求項１１】試料ガスの乾燥を凍結乾燥、吸収、吸
着、浸透またはこれらを共用して行うことを特徴とする
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のガス中に含ま
れる水蒸気量を定量する方法。
【請求項１２】乾燥後の試料ガスが含む水蒸気量を相
対湿度または露点の測定から求めることを特徴とする請
求項１に記載のガス中に含まれる水蒸気量を定量する方
法。
【請求項１３】試料ガスが、空気などのよく知られた
湿気を含む気体媒質からなることを特徴とする請求項１
に記載のガス中に含まれる水蒸気量を定量する方法。
【請求項１４】試料ガスの定量的化学成分が既知であ
り、試料ガスをガス分析機器装置と計算によって、実質
的な成分要素を定量的に求めることを特徴とする請求項
１に記載のガス中に含まれる水蒸気量を定量する方法。
【請求項１５】乾燥後の試料ガスの化学成分が未知の
時、試料ガスの密度を重量分析により、または流出速度
の測定から求めることを特徴とする請求項１に載のガス
中に含まれる水蒸気量を定量する方法。
【請求項１６】試料ガスはガス導入管（２０）から乾
燥装置（５）に流入し、ガス排出管（２２）から流出す
るが、ガス導入管（２０）および排出管（２２）は通過
する試料ガスの容積流量乃至質量流量（ｍ１乃至ｍ２）
をその都度測る装置であり、試料ガスが含む水蒸気量を
容積流量乃至質量流量（ｍ１乃至ｍ２）の差から定量し
て評価する装置が具備されていることを特徴とするガス
中に含まれる水蒸気量を定量する装置。
【請求項１７】容積流量および質量流量を求める装置
は、定められた流れ抵抗体（４ａ乃至４ｂ）からなり、
その側流入口（３ａ乃至６ａ）、側流出口（３ｂ乃至６
ｂ）はいずれも圧力測定器（７）を連結することを特徴
とする請求項１６に記載のガス中に含まれる水蒸気量を
定量する装置。
【請求項１８】ガス導管（２２）のガス流入または流
出側にポンプ（６）を設置することを特徴とする請求項
１６に記載のガス中に含まれる水蒸気量を定量する装
置。
【請求項１９】ラバルノズルまたはマスフロー制御器
を使用して容積流量または質量流量（ｍ１乃至ｍ２）を
一定に保つことを特徴とする請求項１６に記載のガス中
に含まれる水蒸気量を定量する装置。
【請求項２０】ガス流出側にあるガス吸引装置によっ
て圧力を低下させ、流れ抵抗体の上に操作装置を設置す
ることを特徴とする請求項１６に記載のガス中に含まれ
る水蒸気量を定量する装置。