热导率测定方法及装置、以及气体成分比例测定装置的制作方法

专利名称：热导率测定方法及装置、以及气体成分比例测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够对种类已知但其成分比例(组成比例)不清楚的气体、例如 天然气的热导率进行简易测量的热导率测定方法及装置、以及使用热导率测定 装置的气体成分比例测定装置。
背景技术：
作为测量气体的热导率的方法，已知有一种方法是，在将包围加热器的气 氛气体保持一定温度的状态下，在恒温下驱动前述加热器，测量其发热量。该 方法是利用加热器的发热量与该气氛气体的热导率成比例的关系。但是，在采 用该方法测量气氛气体的热导率时，需要使用将上述气氛气体保持在一定温度 下的恒温槽等，不可否认其构成将是很大型的。另外，在日本国特开2001-221758号公报中，如图12所示，揭示了面对 引导流体流动的流通路径，设置使上述流体滞留的腔室，同时在该腔室与流通 路径的边界设置多孔体，根据装在前述腔室内的传感器(加热器)的发热量，高 精度地检测前述流体的热导率。附带提一下，上述多孔体是流通路径内的流体 与腔室内的流体仅能够通过分子扩散进行交换那样进行设计的。但是存在本质上的问题是， 一般气体的热导率由于具有与其种类相对应的 固有的温度变化特性，因此即使单纯测量加热器的发热量，也不能正确测量它 的热导率。特别是像天然气那样，多种气体混入的混合气体形成气氛气体时， 要测量它的热导率是非常困难的。附带提一下，也可以这样进行，即，使混合气体通过称为柱的构件，利用 因其分子量的不同而引起的流速的不同，来解析各种气体的组成比例，然后测 量混合气体的热导率。但是在这样的方法中，还存在的问题是，对于使用柱的 混合气体的组成比例的分析要花很多的时间，另外分析装置的整个结构复杂， 价格贵等。发明内容本发明的目的在于提供能够对纯气体或混合气体的热导率进行简易测量 的热导率测定方法及装置。再有，其目的在于提供能够利用上述热导率测定方 法及装置求得种类已知的混合气体例如天然气的组成比例、并评价其发热量的 气体成分比例测定装置。本发明着眼于，驱动称为微加热器的具有微小散热面积的加热器、即可以 看做为点热源的加热器，根据其发热量来测量气氛气体的热导率，在这样的情 况下，从而加热器附近的气氛气体不会产生自然对流，形成局部性的温度分布 而平衡，还着眼于这时的平均传热系数h实质上与气氛气体的热导率A成正比， 而与温度边界层的厚度d成反比。另外，着眼于气氛气体的热导率入与从微加 热器的散热系数C具有强相关性。因此，本发明有关的热导率测定方法，是使用支持在空中并设置在气氛气 体(测量对象)中的微加热器，根据其发热量来测量上述气氛气体的热导率。特别是，根据对上述微加热器施加的功率Ph及这时的加热器温度Th及周 围温度To，计算从前述微加热器的散热系数C [=Ph/(Th-To)]，按照该测量 温度下的前述气氛气体的热导率A (T,与前述散热系数C的比例关系[C4 ，人(T)]， 并根据上述计算出的散热系数C，求出上述气氛气体的上述测量温度T的热导率入(T)。附带提一下，前述测量温度T是作为前述加热器温度Th与周围温度To的 平均温度[=(Th+To)/2]求出的。另外，关于测量温度T的前述气氛气体的热 导率入(.n与散热系数C的比例关系[(>!( 入(. ]，是看做为从前述微加热器向 气氛气体的平均热导率h与该气氛气体的热导率入成正比，而与气氛气体的温 度边界层的厚度d成反比[h=A/d]，作为使用前述气氛气体的上述测量温度 T的热导率A m、以基准气体的热导率及其温度边界层的厚度为基准求出的前 述气氛气体的温度边界层的厚度d、以及前述微加热器的散热面积S来表示前 述散热系数C的关系式[C=2* (A(T)/d) *S]求出的。进行这样的热导率测定方法的热导率测定装置，具有支持在空中并设 置在气氛气体中的微加热器；求出该微加热器的温度Th的加热器温度检测单 兀；测量前述微加热器的周围温度To的温度传感器；对前述微加热器进行通电加热的电源；根据由该电源提供的前述微加热器的通电功率Ph、这时的加热 器温度Th及周围温度To作为[C=Ph/(Th-To)]计算出根据前述微加热器的散 热系数C的散热系数运算单元；根据前述加热器温度Th及周围温度To，求出 前述气氛气体的测量温度的测量温度计算单元；以及根据测量温度T的前述气 氛气体的热导率入m与散热系数C的比例关系[C=K， A(T)]，从用前述散热系 数运算单元计算出的散热系数C，求出前述测量温度T的前述气氛气体的热导 率入(n的热导率运算单元。这时，关于前述加热器温度检测单元，例如只要是根据标准温度的前述微 加热器的电阻值Rstd;以及由利用前述电源对前述微加热器进行通电加热时的 驱动功率Ph及通电电流Ih、或者端子电压Vh及通电电流Ih求出的加热器的 电阻值Rh，来计算出加热器温度Th那样构成即可。另外，关于前述热导率运 算单元，只要是参照将测量温度T的前述气氛气体的热导率A m与散热系数C 的比例关系进行登录的表格、求出与用前述散热系数运算单元求出的散热系数 C相对应的热导率A m那样构成即可。再有，最好还具有使对前述微加热器施加的功率Ph变化、而使加热器温 度Th变化的测量条件变更单元。另外，本发明有关的气体成分比例测定装置，具有分别求出使用上述的 测量条件变更单元在互相不同的加热器温度下的气氛气体的热导率A (t)的単 元；以及根据上述各加热器温度下的热导率A(n的联立方程式，来解析前述气 氛气体的组成比的解析单元。具体来说，上述解析单元是这样构成，即，前述气氛气体是n种气体的混 合气体，其热导率人(n看做为将上述各气体的热导率A 1(T)、入2(t)、 人n("以 根据其组成比例和各气体间的结合系数而规定的比例进行相加的量，解析设定 为[n-1]段的加热器温度Th(l)、 Th(2) Th(n-l)中分别求出的[n-1]个热导率入(Tl)、入(T2)、入(Tn-l)， 来求出上述组成比例。另外，上述结合系数是在例如求出热导率的华西利叶娃[Wassiljewa]的 式中所用的系数。另外，关于该结合系数，例如后述那样，能够用林赛-布罗 姆利[Lindsay-Bromley]的近似式求得。再有，使上述气体成分比例测定装置具有根据利用前述解析单元求出的前述气氛气体的组成比例，求出该气氛气体的发热量的功能，这也是有用的。附 带提一下，前述气氛气体由例如以甲烷、乙烷、丙烷、丁垸为主体的天然气构 成。


图l所示为本发明中使用的微加热器的元件结构图。图2所示为微加热器的简要剖面结构图。图3所示为对微加热器进行发热驱动时的微加热器附近的气氛气体的温度 分布的示意图。图4为本发明实施形态有关的热导率测定方法及装置的主要部分简要构成图。图5所示为组成比例不同的混合气体举例的组成比例图。 图6所示为测量温度T的散热系数C与气氛气体的热导率人(t,的关系图。 图7所示为改变测量温度T时的散热系数C与气氛气体的热导率A (t)的关 系图。图8所示为关于多种气体X、 Y、 Z的热导率Ax(n、人y(t)、人z(t)的温度特性图。图9所示为气体密度与发热量的关系图。图io所示为气体成分比例测定装置的简要构成图。图ll所示为电源的构成例子的构成图。图12所示为以往的热导率测定装置的构成例子的构成图。
具体实施方式
以下，参照

本发明有关的热导率测定方法及热导率测定装置、以 及气体成分比例测定装置。本发明是使用例如图l所示其简要构成的微加热器1，基本上根据上述微 加热器1的发热量来测定气氛气体(纯气体或混合气体)的热导率。微加热器1 是在例如厚度为0. 5mm、长宽尺寸分别为1.5mm左右的硅片la的表面，形成凹 状的腔室lb，同时在该腔室lb上架桥，形成薄膜的膜片lc，在该膜片lc上设置由铂等形成的微小的发热电阻体(加热器)ld。另外， 一般在上述硅片la 的周边部分，设置测量其周围温度用的温度传感器le。这样的微加热器l的结构，例如在图2中所示的简要剖面结构那样，作为 沿流体的流通方向F夹住相当于发热电阻体ld的加热器元件Rh，设置一对温 度传感器Ru、 Rd的热式流量计是广为知晓的。附带提一下，设置在硅片la的 表面的发热电阻体(加热器)ld、上游侧温度传感器Ru、下游侧温度传感器Rd、 以及周围温度传感器le，是由铂的薄膜体等形成。另外，这些发热电阻体(加 热器)ld及淵度传感器Ru、 Rd等，用例如厚度为0. 2 0. 5um左右的薄的氧化 硅(Si02)膜、或氮化硅(SiN)膜形成的电绝缘膜覆盖，来保护其表面。特别是构成微加热器1的主体部的发热电阻体(加热器)ld，通过夹在壁薄 的膜片lc与上述电绝缘膜之间设置，实质上支持在空中，位于气氛气体中。 其结果，上述发热电阻体(加热器)ld的表面通过上述电绝缘膜与气氛气体接 触，另外其背面通过膜片lc与气氛气体接触。但是，由于上述电绝缘膜及薄 膜的膜片分别非常薄，因此前述发热电阻体(加热器)ld的正反面可以看做为实 质上与气氛气体接触。另外，在以下的说明中，将发热电阻体(加热器)ld本身 作为微加热器1来说明。然而，由铂等发热电阻体形成的微加热器1，具有其电阻值随温度而变化 的性质，例如在20'C的标准温度Tstd下的电阻值是Rstd的情况下，设l次电 阻温度系数为a， 2次电阻温度系数为e，这时温度Th下的电阻值Rh以下式 给出。Rh = Rstd'U+ (T.h —TsLd)-歐h —Tstdf}…(l)然后，微加热器1的电阻值Rh，可以根据对微加热器1进行通电驱动的功 率Ph及其通电电流Ih，以下式求出。 Rh = Ph/Ih'" …(2)或者可以根据微加热器1的两端间电压Vh及这时的通电电流Ih，以下式 求出。Rh = Vh/Ih …(3)另外，微加热器1的温度Th在与气氛气体之间成为热平衡状态时稳定下 来。而且，设从微加热器1向气氛气体的散热系数为C时，该平衡状态下的微加热器1的驱动功率Ph与其加热器温度Th及周围温度To之间，具有下式的关系。O(丁h' 丁o》=Ph …(4) 换句话说，在滿足上述式(4)的条件成立时，微加热器l与气氛气体成为 热平衡状态，稳定下来。因而，根据该热平衡状态的条件，能够以下式求出从 微加热器1向气氛气体的散热系数C。 C — Ph/(Th—丁o) …(4a)具体来说，如前所述，根据微加热器1的驱动功率Ph及这时的通电电流 Ih，或者根据微加热器1的两端间电压Vh及这时的通电电流Ih，求出微加热 器l的电阻值Rh，再根据该电阻值Rh，将前述的式(l)进行逆运算，就能够求 出加热器温度Th。再有，关于周围温度To，例如用图l说明微加热器l的结构 那样，可以用设置在微加热器1的附近的周围温度检测用的温度传感器le求 出。因而，通过分别求出微加热器1的驱动功率Ph、微加热器1的加热器温度 Th、以及其周围温度To，能够根据前述的式(4)计算出从微加热器1向气氛气 体的散热系数C。另一方面，设从微加热器1向气氛气体的平均传热系数(在从成为热源的物体向气氛气体的热量移动中，在将热源的散热面分割成多块时，将各块的传热系数称为局部传热系数，将各块的局部传热系数进行平均而求出的全部前述块(即热源的整个散热面)的传热系数称为平均传热系数)为h，设微加热器1的散热面积为S，这时上述的散热系数C一般能够以下式来表示。 C 2.h'S …(5)另外，上述平均传热系数h， 一般随气氛气体的自然对流的状况及微加热 器l的表面状态而变化。另外，上述系数[2]是考虑到，如前所述，从微加 热器1向气氛气体的传热如图3中示意表示其概念那样，分别利用微加热器1 的正反两面进行的。但是，由于微加热器1的元件面积(发热面积)很小，因此因该微加热器l 的发热而产生的温度变化的范围很小，只产生点温度位移，另外若设气氛气体 的自然对流也不产生，则微加热器1的周围的温度分布都如图3所示，随着从 微加热器1离开而逐渐降低。特别是在接近微加热器1的部位的气氛气体的温度升高到加热器温度Th，随着从微加热器1离开而逐渐降低到它的周围温度To。若将形成这样的温度分布的前述微加热器1的附近的气氛气体的温度、从 上述加热器温度Th下降到周围温度To的距离定义作为温度边界层的厚度d， 则可以认为前述平均传热系数h与气氛气体的热导率A成正比，而且与温度边 界层的厚度d成反比。g卩，平均传热系数h由下式决定。 h 二义/d "邻)附带提一下，气氛气体的一般存在随着温度升高而增大的倾向。例如，上述温度边界层的平均温度T的气氛气体的热导率A (T,由下式给出。1 = lo(l + y .T) …(7)■.n式中，上述Ao是基准温度(例如0。C)下气氛气体的热导率，Y是l次温 度系数。另外，温度边界层的平均温度T例如由下式给出。 T二(Th+To)/2另外，前述温度边界层的厚度d因气氛气体的热导率A而变化，热导率入 越大，由于传热越快，因此其厚度d越薄。反之，气氛气体的热导率较小时， 由于传热慢，因此温度变化的梯度平缓，温度边界层的厚度d变厚。然后，若 设基准温度Tstd的基准气体的热导率为A std，这时的温度边界层的厚度作为 dstd给出，则在与上述基准温度Tstd的热导率为A o的气氛气体的温度边界 层的厚度do之间，有下式的关系存在。 ck" lo dsld* istd …(8a)另外，所谓上述基准气体，是指任意选择的气体，在本实施例中，例如选 择甲烷气体作为基准气体。另外，在上述基准温度Tstd的热导率为A o的气氛气体的温度边界层的厚度do、与上述气氛气体的温度(测量温度)T的热导率A ("和这时的温度边界层的厚度dm之间，有下式的关系成立。 ck" = d '又 …'(8b)(T) (T)艮P，可以认为温度边界层的厚度d与气氛气体的热导率A之积与气体的种 类无关，是一定值。换句话说，测量温度T的气氛气体的温度边界层的厚度dm可以作为下式给出。<formula>formula see original document page 12</formula>另外，微加热器i的散热面积s， 一般多指形成前述的发热电阻体(加热 器)ld的膜片lc的整个面积，微加热器1的附近的气氛气体的温度分布，取决 于膜片lc上的温度分布而变化。但是，在热导率A大的气氛气体的情况下， 由于其温度分布成为陡峭的形状，因此能够将该实质上的微加热器1的散热面 积S取作为比膜片lc的面积So要小的面积。具体来说，由于微加热器1的实质上的散热面积S与温度边界层的气氛气体的热导率入(n成反比，很窄，因此可以取作为下式。 <formula>formula see original document page 12</formula>然后，与微加热器i本身很小这一点相结合，微加热器i的散热面积s是点状，实质上可以看做为构成了点热源。根据以上的研究，如果汇总前述的散热系数c与气氛气体的热导率A m的关系，根据前述的式(5) (8)，可以导出下式的关系。 <formula>formula see original document page 12</formula>然后，再将前述式(9)代入该式(10),从而能够导出下式的关系。<formula>formula see original document page 12</formula>而且，由于基准温度Tstd的基准气体(例如甲烷气体)的热导率V,td、以及 温度边界层的厚度dstd分别是已知的，另外膜片lc的面积So也是已知的， 因此根据上述式(11)，可以读取前述的散热系数C专门与测量温度T的气氛气 体的热导率A (T,成正比的情况。因此，本发明根据这样的研究，按照由微加热器1的驱动功率Ph求出的 散热系数C，并根据上述的散热系数C与热导率A ("的比例关系，求出测量温 度T的前述气氛气体的热导率A (n。图4所示为本发明实施形态的概念图，l(ld)表示微加热器，2表示对微加热器1进行发热驱动的电源(例如恒流源)，另外le表示检测微加热器1的周 围温度的温度传感器。本发明有关的热导率测定方法及装置，具有根据利用电 源2进行发热驱动的微加热器1的驱动功率Ph、以及这时的通电电流Ih，如 前所述求得加热器温度Th的加热器温度检测单元3，还具有根据上述加热器温 度Th及用前述温度传感器le求出的周围温度To、以及前述微加热器1的驱动 功率Ph，求出从微加热器1的散热系数C的散热系数运算单元4。利用该散热 系数运算单元4进行的散热系数C的计算，是如前所述通过实施[C二Ph(Th-To)] 的运算来进行的。另外，测量温度计算单元5根据上述加热器温度Th及用前述温度传感器 le求得的周围温度To，将其测量温度T作为前述的温度边界层的平均温度T [=(Th+To)/2]来求得。然后，热导率运算单元6根据在上述测量温度T下、 用上述的散热系数运算单元4求出的散热系数C，参照表格7，从该表格7中 预先登录的散热系数C与热导率A ("的关系，求出与上述散热系数C相对应的 热导率入m，并将它输出，从而如上所述那样构成。本发明者们为了验证上述那样求得的气氛气体的热导率A (T,的可靠性，准 备了由甲垸、丙烷及氮构成的图5所示那样的多种混合气体，试检测其热导率 入与散热系数C的关系。另外，在图5中表示，例如第1混合气体是甲垸为80%、 丙垸为10%、氮为10%的组成比例，另外第2混合气体是甲垸为90%、丙烷为 5%、氮为5%的组成比例。即，这些混合气体是种类已知、但其成分比例(组成 比例)是未知的气体的试样。然后，在将上述各混合气体分别作为气氛气体的状况下，对微加热器l流 过2. 5mA的电流Ih，检测这时的散热系数C与上述各混合气体的热导率A (1)的 关系，得到图6所示那样的结果。另外，这种情况的气氛气体的温度(测量温 度)T可以看做为是温度边界层的平均温度[(Th+To)/2]。然后，根据该实验 结果表示，测量温度T的混合气体(气氛气体)的热导率入(T)与散热系数C的关 系实质上成正比。因而可以确认，若求出前述那样的散热系数C，则能够根据 该散热系数C来直接评价气氛气体的热导率入(T)。另外，图　7所示为在将前述的各混合气体分别作为气氛气体的状况下使流 过微加热器1的电流Ih增大为3. 5mA、提高测量温度T时的散热系数C与上述各混合气体的热导率入(T,的关系。根据该图7所示的实验结果可以确认，即使 在改变该测量温度T的情况下，即，即使改变加热器温度，但仍维持散热系数 C与上述各混合气体的热导率入(.n之间的比例关系。因而可以确认，若预先求 出测量温度T的散热系数C与气氛气体的热导率A (T)的比例关系，则能够根据 从加热器功率Ph求得的前述散热系数C，高精度地求出混合气体(气氛气体) 在上述测量温度T的热导率A (T)。另外，根据该实验结果可以确认，前述的散热系数c与气氛气体的热导率入0的关系的解析中没有错误。即可以确认，在看做为平均传热系数h与气氛气体的热导率A成正比、而且与温度边界层的厚度d成反比所进行的解析中没 有错误。然后理论上证实了，即使根据从微加热器1的散热系数c求出气氛气 体的测量温度T的热导率A (T)，但该测定结果也是精度足够高的结果。然而，在着眼于构成天然气的多种纯气体例如甲垸、丙垸、氮的一个个热 导率时，这些气体的热导率入m具有例如图8所示那样互相不同的温度变化特 性。因而，在气氛气体是由上述的多种纯气体组成的混合气体时，即使其组成 比例相同，但混合气体的热导率A (n也随温度而变化。因而，在前述那样求出 气氛气体的热导率入(T,时，重要的是例如预先规定该测量温度T。或者必须预 先求出与各种测量温度T相对应的散热系数C与热导率A m的关系。另外，这意味着，反之若分别求出例如不同温度T1、 T2、 T3下的上述气 氛气体的热导率入a,)、 A(T2>、 则能够根据这些热导率A (T1)、 A(T2)、 A( )，反过来计算出上述气氛气体的组成比例。艮卩，在考虑由三种纯气体X、 Y、 Z(例如甲烷、丙垸、氮)组成的混合气体 的情况下，在简要地将上述各气体的混合比例(混合气体的组成比例)设为x、y、 z时，温度T1的混合气体的热导率A (川用下式表示。X i y I …(12)1 =x-义 +y il +:z;*;l "-(13)fn)xrmy('m zm)同样，温度T2的混合气体的热导率A(T2)用下式表示。义 二x.义 +y' ;l +z'又 H*(i4〉(-nnx r口:' y (頂z〖x^》再有，温度T3的混合气体的热导率A^用下式表示。1 ::X* ^ +y久 义 '，'(1.5)0'3〉 x(t3) y(t3〉 z(t3:，而且，如前所述，由于各气体X、Y、Z的热导率入x(t)、人y(t)、 A加具有互相不同的温度特性，因此在这些温度T1、 T2、 T3下分别求出的混合气体的热导率入(T1)、 入(m)、 入(t:,)互相不同。另外，关于这些温度Tl、 T2、 T3下的混合气体的热导率入(T1)、 A (T2)、 A ( ， 例如可以改变微加热器1的通电电流Ih，分段地改变加热器温度Th，通过这 样设定多个温度T1、 T2、 T3，从而分别根据前述的散热系数C求出。因而，若 一面分段地改变加热器温度Th， 一面分别求出各测定条件下的散热系数C，则 能够根据这些散热系数C，分别求出与上述各测定条件相对应设定的基准温度 (温度T)的混合气体的热导率A cr)。然后，关于构成混合气体的多种纯气体X、 Y、 Z的热导率Axn.)、人m)、入 自的温度特性，能够预先如图8所示那样求出。因而，若决定求出上述的混合 气体的热导率A ("的温度Tl、 T2、 T3，则能够分别求出这些温度Tl、 T2、 T3 下的上述各气体X、 Y、 Z的热导率Ax(t)、 AY(T)、 Xzm。因而，若根据前述的式 (12) (15)，对于其未知数的混合比例x、 y、 z进行求解，则通过这样能够求 出各气体X、 Y、 Z的组成比例x、 y、 z。另外，严格来说，混合气体的热导率入，不仅取决于形成该混合气体的纯气体的组成比例，还取决于上述纯气体间的结合系数F。具体来说，在考虑由两种纯气体X、 Y(例如丙垸及氮)组成的混合气体的情况下，设上述各纯气体X、Y的热导率为Ax、 Ay，其混合比例(混合气体的组成比例)为x、 y，这时上述混合气体的热导率A用下式表示。 x+y':= 1 …(16)—y*又y/(y + P 'x) '，'(17)式中，F'y是纯气体X对纯气体Y的结合系数，另外Fy,是纯气体Y对纯气 体X的结合系数。同样，在考虑由三种纯气体X、 Y、 Z(例如甲垸、丙垸、氮)组成的混合气 体的情况下，设上述各纯气体X、 Y、 Z的热导率为入x、入y、 Az，其混合比 例(混合气体的组成比例)为x、 y、 z，这时上述混合气体的热导率入用下式表示。<formula>formula see original document page 16</formula>式中，F^是纯气体X对纯气体Z的结合系数，Fy,是纯气体Y对纯气体Z 的结合系数，F."是纯气体Z对纯气体X的结合系数，另外F,y是纯气体Z对纯 气体Y的结合系数。附带提一下，上述结合系数F可以根据例如林赛-布罗姆利 [Lindsay-Bromley]的实质上式如下式那样进行计算。<formula>formula see original document page 16</formula>
这里，在上式中，n"是粘性系数，M是分子量，S是萨瑟兰[Sutherland] 常数。另外，常数Si是将Tb作为沸点时作为[1.5Tb]给出的常数，常数Sij 作为[=(Si，Sj)1/2]给出。因而，使用式(17a)以代替前述的式(13) (15)，通过解不同温度下分别 求出的热导率A的联立方程式，能够高精度地求出其未知数的组成比例x、 y、特别是在混合气体的成分由三种气体组成时，由于能够通过求解三元联立 方程式来求出各气体X、 Y、 Z的成分比例，因此若至少在互相不同的两个温度 Tl、 T2下求出混合气体的热导率A(川、A(T2)就足够了。另外， 一般作为混合气 体是n种气体混合而成的气体，若设定[n-1]段的温度T，分别求出这些温度 T的混合气体的热导率A (1,，则通过这样能够从n元联立方程式求出各气体的 组成比例。另外，若如上述那样求出形成混合气体的多种气体的组成比例，则能够从 例如图9所示的气体密度与发热量的关系，根据混合气体的总量及其组成比例， 分别求出上述各气体具有的发热量。因而，能够计算出混合气体的发热量。具 体来说，能够根据上述那样求出的成分比例，简易而且正确地计算出每单位体 积的混合气体具有的发热量(能量)。这样求出混合气体的成分比例、再求出其发热量的气体成分比例测定装置 例如图IO所示，对前述的热导率测定装置再具有存储器9，该存储器9将各温 度T的混合气体的热导率入(n、与对于认为是形成该混合气体的多种气体的上 述各温度T的热导率A(T)相对应进行存储。再有，气体成分比例测定装置具有 根据上述存储器9中存储的混合气体及各气体的热导率A n,建立前述的联立方 程式、并求解该联立方程式以求出各气体的成分比例的成分比例运算单元10; 以及根据用该成分比例运算单元IO计算出的成分比例，来计算混合气体的总 发热量的发热量计算单元11来实现。该总发热量的计算是通过参照发热量表12中预先登录的、例如图9所示的与气体种类相对应的气体密度与发热量的关系来进行的。另外，在上述那样一面改变微加热器1的驱动功率ph(加热器电流Ih)、一面根据散热系数C求出气氛气体的热导率入o("时，是将对微加热器1进行发 热驱动的前述电源2作为能够根据对气氛气体的测定条件改变其输出电流的恒 流源来实现的。具体来说，电源2例如图12所示那样具有多个恒流源II、 12、 13 In，将这些恒流源Il、 12、 13 In通过开关Sl、 S2、 S3 Sn有选择比与 微加热器l连接，作为对微加热器1进行恒流驱动的装置，只要这样来实现就 可以了。这样，根据上述那样构成的气体成分比例测定装置，能够在例如天然气那 样其气体成分预先不知道的情况下，简易地求出其成分比例。即，在天然气的 情况下，其气体成分主要由甲烷、乙垸、丙烷、丁垸等组成，有时附带包含氮 或二氧化碳等。因而若看做为这些气体成分全部包含，分别求出前述那样多个 温度T的热导率入m，求出这些气体成分的比例，则对于混合气体中没有包含 的气体成分，将其含有比例作为
来求出，因此能够正确求出真正仅在混 合气体中包含的气体成分的混合比例。其结果，具有能够评价天然气的质量、 或者进而容易监视其总发热量等实用上的极大的效果。如上所述，根据本发明，能够通过仅求出微加热器的散热系数C，就能够高 精度而且简易地求出纯气体或混合气体的热导率入(T>。而且，即使不使用以往 那样设置恒温槽等的大型设备，也能够简易地求出作为测定对象的气氛气体的 热导率入o。另外，通过使加热器温度Th变化来改变气氛气体的测定条件(测量温度T)，不管混合气体的成分比例如何，都能够正确评价与测量温度T相对 应的热导率A m。再有，在混合气体的种类虽然已知、但其成分比例未知的情况下，通过分 别求出改变加热器温度Th时的混合气体的热导率A (T)，能够根据各气体成分的 热导率入(T)的温度特性，正确求出上述成分比例。特别是即使不使用气体色谱法那样的复杂又大型的装置，也能够简易而且高精度地求出其成分比例。而且 若求出混合气体的成分比例，则具有根据其成分比例能够简易地评价混合气体 的总发热量等实用上极大的效果。另外，本发明不限定于上述的实施形态。例如，关于传热量测定装置中的 前述各运算功能，也可以利用微型计算机中的软件来实现。另外，微加热器的 结构也不是特别限定的，也可以照原样引用已有的微流量传感器的加热器元 件。另外，关于微加热器1的发热驱动单元，当然也不限定于上述的例子。另外，也可以这样构成，即一面用设置在微加热器1的附近的温度传感器， 来监视利用上述微加热器1加热的气氛气体的温度， 一面控制微加热器1的温 度。如果这样做，则由于也能够根据微加热器1的发热温度(加热器温度Th) 与用温度传感器测量的被加热的气氛气体的温度之比，求出其温度分布，并根 据该温度分布，评价气氛气体的热导率，从而调整加热器温度Th，因此能够提 高前述的热导率的测定精度。另外，本发明也可以在作为背景技术举出的、在将气氛气体封入的恒温槽 内测量热导率的方法中应用。在这种情况下，由于包围微加热器1的气氛气体 本身没有置换为其它气体，因此可以说微加热器1的温度Th在与上述气氛气 体之间处于热平衡状态。再有，对于使用图12所示那样的腔室的热导率测定 装置，也可以采用本发明。在这种情况下，由于引入腔室内的气氛气体滞留， 在与通过流通路径流动的气氛气体气间仅利用分子扩散进行交换，因此在加热 器的驱动功率为一定时，腔室内的气氛气体与加热器也可以看做为处于热平衡 状态。因而，在该热平衡状态下，能够高精度测量气氛气体的热导率。另外， 本发明在不脱离其要点的范围内，能够以种种变形来实施。
权利要求
1.一种热导率测定方法，其特征在于，使用支持在空中并设置在气氛气体中的微加热器，根据对所述微加热器施加的功率Ph及这时的加热器温度Th及周围温度To，计算根据所述微加热器的散热系数C[＝Ph/(Th-To)]，按照测量温度T的所述气氛气体的热导率λ(T)与所述散热系数C的比例关系[C＝K·λ(T)]，并根据所述计算出的散热系数C，求出所述气氛气体的热导率λ(T)。
2. 如权利要求1所述的热导率测定方法，其特征在于， 所述测量温度T是作为所述加热器温度Th与周围温度To的平均温度求出的。
3. 如权利要求l所述的热导率测定方法，其特征在于， 关于所述测量温度T的所述气氛气体的热导率A (T,与散热系数C的比例关系[C=K， Am]，是看做为从所述微加热器向气氛气体的平均热导率h与该气 氛气体的热导率入成正比，而与气氛气体的温度边界层的厚度d成反比，作为 使用所述气氛气体的所述测量温度T的热导率A (T)、以基准气体的热导率及其 温度边界层的厚度为基准求出的所述气氛气体的温度边界层的厚度d、以及所 述微加热器的散热面积S来表示所述散热系数C的关系式[C=2* (A(n/d) ，S] 求出的。
4. 一种热导率测定装置，其特征在于，具有 支持在空中并设置在气氛气体中的微加热器； 求出该微加热器的温度Th的加热器温度检测单元； 测量所述微加热器的周围温度To的温度传感器； 对所述微加热器进行通电加热的电源；根据由该电源提供的所述微加热器的通电功率Ph、这时的加热器温度Th 及周围温度To，计算出根据所述微加热器的散热系数C的散热系数运算单元；根据所述加热器温度Th及周围温度To，求出所述气氛气体的测量温度的 测量温度计算单元；以及根据所述测量温度T的所述气氛气体的热导率A (t)与所述散热系数C的比 例关系[C=K* Am]，从用所述散热系数运算单元计算出的散热系数C，求出所述测量温度T的所述气氛气体的热导率A n)的热导率运算单元。
5. 如权利要求4所述的热导率测定装置，其特征在于，所述加热器温度检测单元，根据标准温度的所述微加热器的电阻值Rstd;以及由利用所述电源对所述微加热器进行通电加热时的驱动功率Ph及通电电流Ih、或者端子电压Vh及通电电流Ih求出的加热器的电阻值Rh，来计算出 加热器温度Th。
6. 如权利要求5所述的热导率测定装置，其特征在于， 所述热导率运算单元参照将测量温度T的所述气氛气体的热导率A (t,与散热系数C的比例关系进行登录的表格，求出与用所述散热系数运算单元求出的 散热系数C相对应的热导率A (T)。
7. 如权利要求5所述的热导率测定装置，其特征在于， 所述测量温度计算单元作为所述加热器温度Th与周围温度To的平均温度，求出所述测量温度T。
8. 如权利要求5所述的热导率测定装置，其特征在于， 还具有使对所述微加热器施加的功率Ph变化、而使加热器温度Th变化的测量条件变更单元。
9. 一种气体成分比例测定装置，其特征在于，具有使用权利要求8所述的热导率测定装置分别求出在互相不同的加热器温度 下的气氛气体的热导率入m的单元；以及根据所述各加热器温度下的热导率A (t,的联立方程式，来解析所述气氛气 体的组成比的解析单元。
10. 如权利要求9所述的气体成分比例测定装置，其特征在于， 所述解析单元，对于所述气氛气体是n种气体的混合气体，将其热导率入rn看做为将所述各气体的热导率A lm、入2(n、 入nm以根据其组成比例和各 气体间的结合系数而规定的比例进行相加的量，解析设定为[n-l]段的加热 器温度Th(l)、 Th(2) Th(n-l)中分别求出的[n-1]个热导率A (T1)、 A (T2)、 入n)，来求出所述组成比例。
11. 如权利要求9所述的气体成分比例测定装置，其特征在于， 还具有根据利用所述解析单元求出的所述气氛气体的组成比例、求出该气氛气体的发热量的功能。
12. 如权利要求9至11中任一项所述的气体成分比例测定装置，其特征在于，所述气氛气体由例如以甲烷、乙烷、丙垸、丁垸为主体的天然气构成。
全文摘要
根据对支持在空中并设置在气氛气体中的微加热器施加的功率Ph及这时的加热器温度Th及周围温度To，计算从前述微加热器的散热系数C[＝Ph/(Th-To)]。然后，按照测量温度T[＝(Th-To)/2]的前述气氛气体的热导率λ_(T)与散热系数C的比例关系[C＝K·λ_(T)]，并根据上述计算出的散热系数C，求出前述气氛气体的热导率λ_(T)。
文档编号G01N25/18GK101273265SQ20068003515
公开日2008年9月24日 申请日期2006年9月25日 优先权日2005年9月27日
发明者大石安治, 守尾周次, 林靖江, 真行寺信义, 青岛滋 申请人:株式会社山武