特許 6166149 熱量計及び熱量計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6166149

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】熱量計及び熱量計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/30 20060101AFI20170710BHJP

【ＦＩ】

   G01N25/30

【請求項の数】8

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-224329(P2013-224329)

(22)【出願日】2013年10月29日

(65)【公開番号】特開2015-87166(P2015-87166A)

(43)【公開日】2015年5月7日

【審査請求日】2015年12月21日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094525

【弁理士】

【氏名又は名称】土井 健二

(74)【代理人】

【識別番号】100094514

【弁理士】

【氏名又は名称】林 恒徳

(72)【発明者】

【氏名】五味 保城

【審査官】 北川 創

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３５１８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−０８９７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０８−５０５４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１４０８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３２１２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３１９００６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２５／００

Ｇ０１Ｋ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

連続して流入するガスの熱量（Ｈ）を計測する熱量計であって、
前記ガスが周囲に導入される第１酸化触媒と、
前記ガスが周囲に導入されない、前記第１酸化触媒と同仕様である第２酸化触媒と、
前記第１酸化触媒に設けられた第１抵抗器と前記第２酸化触媒に設けられた第２抵抗器を、電気回路の要素として含むブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路のブリッジ間電流を検出する電流計と、
前記ブリッジ回路に電圧が印加され、前記抵抗器によって前記第１酸化触媒及び前記第２酸化触媒が加熱され、前記ガスが前記第１酸化触媒の周囲に導入された際に、前記電流計によって検出された電流値に基づいて前記第１抵抗器と前記第２抵抗器の抵抗値を求め、当該抵抗値に基づいて前記第１酸化触媒と前記第２酸化触媒の温度差（ｔｄ）を求め、当該温度差（ｔｄ）に基づいて、下記（１）式により前記ガスの熱量（Ｈ）を求める演算部と、を有する
ことを特徴とする熱量計。
（１）Ｈ＝Ｆ×ｗ×ｔｄ／Ｖ （ただし、Ｆは予め定められた定数であり、ｗは前記第１酸化触媒及び前記第２酸化触媒の質量であり、Ｖは前記ガスの流量である。）

【請求項2】

請求項１において、
前記ブリッジ回路は、ホイートストンブリッジ回路である
ことを特徴とする熱量計。

【請求項3】

請求項１あるいは２において、更に、
前記ガスを前記第１酸化触媒の周囲に導くガス導入管を有する
ことを特徴とする熱量計。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかにおいて、更に、
空気を前記第１酸化触媒に導く空気管を有する
ことを特徴とする熱量計。

【請求項5】

請求項４において、
前記空気管の先端が前記第１酸化触媒の近傍で開口する
ことを特徴とする熱量計。

【請求項6】

請求項４において、
前記空気管の先端が前記ガス導入管の内部で開口する
ことを特徴とする熱量計。

【請求項7】

請求項３乃至６において、
前記第１酸化触媒は、多孔質体で構成され、
前記ガス導入管は、前記第１酸化触媒の前記第１抵抗器の近傍まで延びる
ことを特徴とする熱量計。

【請求項8】

連続して流入するガスの熱量（Ｈ）を計測する熱量計測方法であって、
前記ガスが周囲に導入される第１酸化触媒と、
前記ガスが周囲に導入されない、前記第１酸化触媒と同仕様である第２酸化触媒と、
前記第１酸化触媒に設けられた第１抵抗器と前記第２酸化触媒に設けられた第２抵抗器を、電気回路の要素として含むブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路のブリッジ間電流を検出する電流計と、が設けられ、
前記ブリッジ回路に電圧を印加し、前記抵抗器によって前記第１酸化触媒及び前記第２酸化触媒を加熱し、前記ガスを前記第１酸化触媒の周囲に導入し、前記電流計によって検出された電流値に基づいて前記第１抵抗器と前記第２抵抗器の抵抗値を求め、当該抵抗値に基づいて前記第１酸化触媒と前記第２酸化触媒の温度差（ｔｄ）を求め、当該温度差（ｔｄ）に基づいて、下記（１）式により前記ガスの熱量（Ｈ）を求める
ことを特徴とする熱量計測方法。
（１）Ｈ＝Ｆ×ｗ×ｔｄ／Ｖ （ただし、Ｆは予め定められた定数であり、ｗは前記第１酸化触媒及び前記第２酸化触媒の質量であり、Ｖは前記ガスの流量である。）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスの熱量計測技術に関し、特に、ガスの熱量を連続して精度良く計測することが可能であり、比較的簡単な構造で且つ小型の熱量計等に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、都市ガスなどの熱量を計測する目的で種々の熱量計が用いられている。

【0003】

かかる従来の熱量計には、法定の測定方法であるユンカース式流水形ガス熱量計法、ガスクロマトグラフ法を用いたもの、速応形熱量計（下記特許文献１などに記載）、ガス密度式熱量計、熱伝導率式熱量計（下記特許文献２などに記載）などがある。

【0004】

また、下記特許文献３には、酸化触媒を用いた計測法について記載されている。当該方法では、熱した触媒にガスを流して触媒燃焼させ、温度変化等から熱量を求める。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４８４４３７７号公報

【特許文献2】特許第４８９０８７４号公報

【特許文献3】特表平１１−５０６５３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述したユンカース式流水形ガス熱量計法及びガスクロマトグラフ法では、連続計量が不可能であるという課題がある。

【0007】

また、上記速応形熱量計では、長時間の使用において測定値がドリフトするという課題があり、また、装置が大型であるという欠点もある。

【0008】

また、上述したガス密度式熱量計及び熱伝導率式熱量計には、密度及び熱伝導率は空気成分と可燃性ガス成分とで区別ができないため空気成分が混入すると精度が悪くなる、という問題がある。

【0009】

また、上記特許文献３に記載された方法及び装置では、基準ガスと試料ガスを交互に流す手順が用いられ、また、各ガス用のチャンバーが設けられるなど、測定方法及びそのための装置が比較的複雑であるという課題がある。

【0010】

そこで、本発明の目的は、ガスの熱量計であって、ガスの熱量を連続して精度良く計測することが可能であり、比較的簡単な構造で且つ小型の熱量計、等を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、連続して流入するガスの熱量を計測する熱量計が、前記ガスが周囲に導入される第１酸化触媒と、前記ガスが周囲に導入されない第２酸化触媒と、前記第１酸化触媒と前記第２酸化触媒にそれぞれ設けられた抵抗器を、電気回路の要素として含むブリッジ回路と、前記ブリッジ回路のブリッジ間電流を検出する電流計と、前記ブリッジ回路に電圧が印加され、前記抵抗器によって前記第１酸化触媒及び前記第２酸化触媒が加熱され、前記ガスが前記第１酸化触媒の周囲に導入された際に、前記電流計によって検出された電流値に基づいて、前記ガスの熱量を求める演算部と、を有する、ことである。

【0012】

更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記ブリッジ回路は、ホイートストンブリッジ回路である、ことを特徴とする。

【0013】

更に、上記の発明において、好ましい態様は、更に、前記ガスを前記第１酸化触媒の周囲に導くガス導入管を有する、ことを特徴とする。

【0014】

更にまた、上記の発明において、一つの好ましい態様は、更に、空気を前記第１酸化触媒に導く空気管を有する、ことを特徴とする。

【0015】

また、上記の発明において、一つの態様は、前記空気管の先端が前記第１酸化触媒の近傍で開口する、ことを特徴とする。

【0016】

また、上記の発明において、他の態様は、前記空気管の先端が前記ガス導入管の内部で開口する、ことを特徴とする。

【0017】

更に、上記の発明において、一つの態様は、前記第１酸化触媒は、多孔質体で構成され、前記ガス導入管は、前記第１酸化触媒の前記抵抗器の近傍まで延びる、ことを特徴とする。

【0018】

上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、連続して流入するガスの熱量を計測する熱量計測方法において、前記ガスが周囲に導入される第１酸化触媒と、前記ガスが周囲に導入されない第２酸化触媒と、前記第１酸化触媒と前記第２酸化触媒にそれぞれ設けられた抵抗器を、電気回路の要素として含むブリッジ回路と、前記ブリッジ回路のブリッジ間電流を検出する電流計と、が設けられ、前記ブリッジ回路に電圧を印加し、前記抵抗器によって前記第１酸化触媒及び前記第２酸化触媒を加熱し、前記ガスを前記第１酸化触媒の周囲に導入し、前記電流計によって検出された電流値に基づいて、前記ガスの熱量を求める、ことである。

【0019】

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。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明を適用した熱量計の実施の形態例に係る構成図である。

【図2】本熱量計１のより具体的な構成図である。

【図3】変形形態を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

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。

【0022】

図１は、本発明を適用した熱量計の実施の形態例に係る構成図である。図１に示す熱量計１が本発明を適用した熱量計であり、詳細は後述するが、計測対象であるガスを導入して触媒燃焼させる検知部３と、ガスを導入しない参照部４の温度差に基づいてガスの熱量を計測する。また、触媒燃焼のための加熱装置としては電圧が印加されるブリッジ回路を用い、ブリッジ間で検知される電流値に基づいて上記温度差を求める。当該熱量計１を用いることにより、比較的簡便な装置で連続的なガスの熱量計測が可能となる。

【0023】

図１では、熱量計１の大括りな機能構成を示している。本実施の形態例では、熱量計１は、都市ガスの工場や家屋への供給管（図中のガス管）に設置されて、供給管に流れるガスの熱量を連続して（随時）計測することを想定している。

【0024】

ガス流量計測部２は、ガス管から熱量計１に導入されるガスの量を計測する部分である。検知部３は、導入されたガスにより上述した触媒燃焼が行われる部分であり、参照部４は、ガスを導入せず、熱量計測のためのゼロ点補正を行うための値を計測する部分であり、ガスによる熱量分のみを計測するために参照される部分である。加熱回路部５は、検知部３及び参照部４に設けられる酸化触媒を加熱するための電気回路（上記ブリッジ回路）である。なお、検知部３、参照部４、及び加熱回路部５の具体的な構成（構造）については後述する。

【0025】

演算部６は、ガス流量計測部２及び加熱回路部５で検知された計測値からガスの熱量を求める部分である。具体的な方法については後述する。なお、当該演算部６は、いわゆるマイクロコンピューター等で構成することができ、図示していないが、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＡＳＩＣ、表示装置、入力装置等を備える。また、外部装置と通信するための通信インターフェースを備えるようにしてもよい。

【0026】

図２は、本熱量計１のより具体的な構成図である。図２に示すように、ガス流量計測部２には流量計２１が設けられ、ガス管（上記供給管）から熱量計１に導入するガスの流量（例えば、Ｖリットル／秒）を、熱量の計測中、連続して計測する。計測された流量は演算部６に送信される。

【0027】

検知部３には、検知部加熱素子３６（抵抗器）を内部に包含した検知部触媒３５（第１酸化触媒）が設けられる。検知部触媒３５は、例えば球状に固められた酸化触媒であり、Ｐｔ系触媒、Ｐｄ系触媒などを用いることができる。検知部加熱素子３６は電気抵抗（第１抵抗器）であり、後述する加熱回路部５の電気回路（例えば、ホイートストンブリッジ回路）の一部を構成する。当該検知部加熱素子３６に電気が印加されることによって検知部触媒３５が加熱される。

【0028】

また、ガス導入管３１は、流量計２１で計測されたガスを検知部触媒３５の近傍（周囲）に導入する管である。当該ガス導入管３１の先端は、ガスが検知部触媒３５に吹きかけられるような位置にすることが好ましい。

【0029】

エアー管３２（空気管）は、ガスが燃焼するための酸素を供給する空気を吹き込む管であり、ガス導入管３１と同様に、その先端が、検知部触媒３５の近傍に位置するように設けられている。従って、空気が検知部触媒３５の周囲に吹き込まれる。なお、図示していないが、エアー管３２の上流には送風機などを設けることができる。

【0030】

次に、参照部４には、図２に示すように、参照部加熱素子４６（抵抗器）を内部に包含した参照部触媒４５（第２酸化触媒）が設けられる。なお、参照部加熱素子４６及び参照部触媒４５は、検知部加熱素子３６及び検知部触媒３５と同仕様とする。

【0031】

次に、加熱回路部５には、上記検知部加熱素子３６及び上記参照部加熱素子４６に電流を流して発熱させるための電気回路が設けられている。当該電気回路は、ここでは、一例として、ホイートストンブリッジ回路を構成している。当該電気回路には、図２に示されるように、電源５１によって所定の電圧が印加される、ブリッジ回路があり、その一方の経路には、直列に接続される第１抵抗器としての検知部加熱素子３６と第２抵抗器としての参照部加熱素子４６が設けられ、それとは並列に接続される他方の経路には、第３抵抗器５３と第４抵抗器５４が直列に接続されている。

【0032】

これら抵抗器の各抵抗値は、検知部３にガスが導入されていない状態、すなわちガスが燃焼していない状態において、ブリッジ間（検知部加熱素子３６と参照部加熱素子４６の間の出力端子と、第３抵抗器と第４抵抗器の間の出力端子の間）に電流が流れないような値に調整されている。当該ブリッジ間には、ブリッジ間に流れる電流を計測（検出）する電流計５２が設けられ、ここで計測された電流値は演算部６に送信される。

【0033】

次に、このような構成を有する本熱量計１における熱量の計測方法について説明する。まず、加熱回路部５の電源５１を投入し、検知部加熱素子３６からの発熱により検知部触媒３５を完全燃焼できる温度域、例えば４００℃以上に加熱する。その後、ガス管から流量計２１、ガス導入管３１を介して概ね一定量の（Ｖリットル／秒が概ね一定の）ガスを、検知部触媒３５の近傍に連続して導入する。導入されたガスは、上記熱せられた検知部触媒３５（酸化触媒）及びエアー管３２から導入される空気により触媒燃焼し、完全燃焼する。

【0034】

当該燃焼により検知部触媒３５の温度が上昇する。その後も概ね同量のガスが連続して導入されて、上記燃焼が継続される。燃焼開始後、一定の時間が経過すると、検知部触媒３５の状態は安定し温度は概ね一定の状態となる。この定常状態では、検知部触媒３５への入熱と検知部触媒３５からの放熱がバランスしている（入熱＝放熱）。

【0035】

一方、参照部４では、上記電源の投入後、参照部加熱素子４６からの発熱により参照部触媒４５が加熱され、参照部触媒４５の温度が上昇する。参照部４には、ガスは導入されないので、燃焼による温度上昇はなく、電源の投入後、一定の時間が経過すると、参照部触媒４５の温度は概ね一定な状態となる。この定常状態では、参照部触媒４５への入熱と参照部触媒４５からの放熱がバランスしている（入熱＝放熱）。

【0036】

このように、検知部触媒３５と参照部触媒４５の温度が概ね一定になり定常状態となると、演算部６は、流量計２１から送信されるガス流量（Ｖ（リットル／秒））、電流計５２から送信される電流値に基づいて、熱量を演算する。

【0037】

当該演算では、まず、演算部６は、電流計５２から送信された電流値から検知部触媒３５と参照部触媒４５の温度差（ｔｄ（℃））を求める。上述のとおり、加熱回路部５は、ホイートストンブリッジを形成しており、電流計５２で検知された電流値は上記定常状態における検知部加熱素子３６（第１抵抗器）と参照部加熱素子４６（第２抵抗器）の抵抗値の差によるものである。また、検知部加熱素子３６（第１抵抗器）と参照部加熱素子４６（第２抵抗器）の温度と抵抗値の関係は、予め決定されて演算部に記憶されている。また、電源５１によって印加される電圧値、第３抵抗器５３及び第４抵抗器５４の抵抗値は既知であり、演算部に記憶されている。従って、演算部６は、上記検知された電流値から検知部加熱素子３６（第１抵抗器）と参照部加熱素子４６（第２抵抗器）の抵抗値を求め、当該抵抗値から検知部加熱素子３６（第１抵抗器）と参照部加熱素子４６（第２抵抗器）の温度差、すなわち、検知部触媒３５と参照部触媒４５の温度差（ｔｄ（℃））を求める。

【0038】

次に、演算部６は、ガス流量（Ｖ（リットル／秒））と求めた温度差（ｔｄ（℃））から下記（１）式を用いて、導入されたガスの熱量（Ｈ１（ｋＪ／ｍ^３））を求める。

【0039】

Ｈ１＝Ｆ１（ｗ×ｔｄ）／Ｖ （１）
なお、上記（１）式において、ｗは各酸化触媒部分（検知部触媒３５、参照部触媒４５）の質量（ｇ）（既知）、Ｆ１は予め定められた定数である。

【0040】

演算部６は、求めた熱量の値を表示装置に表示すると共に熱量計１内のメモリに記録する。なお、それに代えて又はそれに加えて、演算部６は求めた熱量の値を外部の装置に送信するようにしてもよい。

【0041】

本熱量計１では、このような熱量の計測を所定の頻度で（例えば、１秒毎に）連続して実行する。

【0042】

なお、上記（１）式は、上記定常状態になり、同じ仕様の検知部触媒３５及び参照部触媒４５への入熱（すなわち、各触媒からの放熱）の差が、導入され完全燃焼したガスの熱量に相当し、上記放熱量は、各触媒がその時点で有している熱量に依存するとの考えに基づくものである。なお、検知部触媒３５及び参照部触媒４５の比熱は既知である。

【0043】

また、Ｆ１は、熱量が既知である基準ガスを用いて同様の計測を行い、その計測から得られる計測値を上記（１）式に当てはめることによって予め決定しておく。なお、Ｆ１を定数ではなく温度の関数として決定してもよい。

【0044】

次に、本熱量計１の酸化触媒の劣化確認について説明する。酸化触媒（特に、検知部触媒３５）の劣化を確認するために、定期的にガスを導入せずに電流計５２の値をチェックするようにする。これにより、ゼロ点のドリフト状況を把握することができる。電流計５２で検出された電流値がゼロでなければ、ゼロ点がドリフトしていると考えられ、その幅が増加傾向あるいは減少傾向であれば酸化触媒が劣化していると推察される。当該劣化確認は、演算部６が予め定められたタイミング（頻度）で自動で行うようにしてもよい。この場合、劣化していると判断されれば、その旨が表示装置や通信装置を用いて熱量計１の管理者へ報知される。

【0045】

また、検知部３と参照部４の触媒及び加熱素子を定期的に入れ換えて（互いに交換して）用い、当該交換による計測結果の変化から酸化触媒の劣化を把握する様にしてもよい。

【0046】

以上、本実施の形態例に係る熱量計１について説明したが、変形形態として、エアー管３２を設けない形態としてもよい。この場合、ガスの燃焼に必要な空気は、検知部触媒３５の周囲から自然に導入される。当該エアー管３２を設けない形態では、エアー管自体、及び、空気を送る送風機等の装置を設ける必要がなく、装置の構造（構成）を簡略化することができる。

【0047】

また、他の形態として、エアー管３２をガス導入管３１に合流させるようにしてもよい。換言すれば、エアー管３２の空気が放出される先端部（開口部）をガス導入管３１の内部に設けるようにしてもよい。この場合、当該合流の位置は、流量計２１の下流側で、ガス導入管３１の先端部（開口部）までの間とする。このような形態とすることにより、検知部触媒３５の周囲に、事前によく混合されたガスと空気が導入されることになり、より燃焼を完全なものにすることができる。

【0048】

また、他の変形形態として、検知部触媒３５を多孔質体で構成し、ガス導入管３１を検知部触媒３５に挿入し、ガス導入管３１のガスを噴き出す先端が検知部加熱素子３６の近傍に達すように構成してもよい。図３は、当該形態を示した図である。

【0049】

以上説明したように、本実施の形態例に係る熱量計１では、ガスの熱量を、定常状態における電流計５２の検知値（電流値）に基づいて求めることができるので、熱量の連続計測が可能であり、また、熱量計１を比較的簡単な構造とすることができる。

【0050】

また、加熱回路としてホイートストンブリッジ回路が用いられ、上記電流値による熱量計測を容易に行うことができる。

【0051】

また、ガス導入管３１が設けられ、ガスが酸化触媒（検知部触媒３５）の近傍まで導かれるので、計測対象であるガスの完全燃焼がなされ、高い精度の計測が可能である。

【0052】

また、エアー管３２が設けられ、酸素が確実に燃焼領域に導かれるので、ガスが完全燃焼され得る。

【0053】

さらに、エアー管３２の先端を酸化触媒の近傍で開口するようにすることにより、良好な燃焼がなされる。

【0054】

また、エアー管３２の先端をガス導入管３１の内部で開口することにより、事前に良く混合されたガスと空気を酸化触媒の周囲に供給でき、燃焼をさらに完全なものにすることができる。

【0055】

更に、酸化触媒を多孔質体で構成し、その中にガス導入管３１を挿入する形態とすることで、更に、ガスを確実に完全燃焼させることができる。

【0056】

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。

【符号の説明】

【0057】

１ 熱量計、 ２ ガス流量計測部、 ３ 検知部、 ４ 参照部、 ５ 加熱回路部、 ６ 演算部、 ２１ 流量計、 ３１ ガス導入管、 ３２ エアー管、 ３５ 検知部触媒、 ３６ 検知部加熱素子、 ４５ 参照部触媒、 ４６ 参照部加熱素子、 ５１ 電源、 ５２ 電流計、 ５３ 第３抵抗器、 ５４ 第４抵抗器

【図1】

【図2】

【図3】