專利名稱：熱導(dǎo)率測定方法及裝置、以及氣體成分比例測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠?qū)ΨN類已知但其成分比例(組成比例)不清楚的氣體、例如 天然氣的熱導(dǎo)率進行簡易測量的熱導(dǎo)率測定方法及裝置、以及使用熱導(dǎo)率測定 裝置的氣體成分比例測定裝置。
背景技術(shù)：
作為測量氣體的熱導(dǎo)率的方法，已知有一種方法是，在將包圍加熱器的氣 氛氣體保持一定溫度的狀態(tài)下，在恒溫下驅(qū)動前述加熱器，測量其發(fā)熱量。該 方法是利用加熱器的發(fā)熱量與該氣氛氣體的熱導(dǎo)率成比例的關(guān)系。但是，在采 用該方法測量氣氛氣體的熱導(dǎo)率時，需要使用將上述氣氛氣體保持在一定溫度 下的恒溫槽等，不可否認其構(gòu)成將是很大型的。另外，在日本國特開2001-221758號公報中，如圖12所示，揭示了面對 引導(dǎo)流體流動的流通路徑，設(shè)置使上述流體滯留的腔室，同時在該腔室與流通 路徑的邊界設(shè)置多孔體，根據(jù)裝在前述腔室內(nèi)的傳感器(加熱器)的發(fā)熱量，高 精度地檢測前述流體的熱導(dǎo)率。附帶提一下，上述多孔體是流通路徑內(nèi)的流體 與腔室內(nèi)的流體僅能夠通過分子擴散進行交換那樣進行設(shè)計的。但是存在本質(zhì)上的問題是， 一般氣體的熱導(dǎo)率由于具有與其種類相對應(yīng)的 固有的溫度變化特性，因此即使單純測量加熱器的發(fā)熱量，也不能正確測量它 的熱導(dǎo)率。特別是像天然氣那樣，多種氣體混入的混合氣體形成氣氛氣體時， 要測量它的熱導(dǎo)率是非常困難的。附帶提一下，也可以這樣進行，即，使混合氣體通過稱為柱的構(gòu)件，利用 因其分子量的不同而引起的流速的不同，來解析各種氣體的組成比例，然后測 量混合氣體的熱導(dǎo)率。但是在這樣的方法中，還存在的問題是，對于使用柱的 混合氣體的組成比例的分析要花很多的時間，另外分析裝置的整個結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 價格貴等。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供能夠?qū)儦怏w或混合氣體的熱導(dǎo)率進行簡易測量 的熱導(dǎo)率測定方法及裝置。再有，其目的在于提供能夠利用上述熱導(dǎo)率測定方 法及裝置求得種類已知的混合氣體例如天然氣的組成比例、并評價其發(fā)熱量的 氣體成分比例測定裝置。本發(fā)明著眼于，驅(qū)動稱為微加熱器的具有微小散熱面積的加熱器、即可以 看做為點熱源的加熱器，根據(jù)其發(fā)熱量來測量氣氛氣體的熱導(dǎo)率，在這樣的情 況下，從而加熱器附近的氣氛氣體不會產(chǎn)生自然對流，形成局部性的溫度分布 而平衡，還著眼于這時的平均傳熱系數(shù)h實質(zhì)上與氣氛氣體的熱導(dǎo)率A成正比， 而與溫度邊界層的厚度d成反比。另外，著眼于氣氛氣體的熱導(dǎo)率入與從微加 熱器的散熱系數(shù)C具有強相關(guān)性。因此，本發(fā)明有關(guān)的熱導(dǎo)率測定方法，是使用支持在空中并設(shè)置在氣氛氣 體(測量對象)中的微加熱器，根據(jù)其發(fā)熱量來測量上述氣氛氣體的熱導(dǎo)率。特別是，根據(jù)對上述微加熱器施加的功率Ph及這時的加熱器溫度Th及周 圍溫度To，計算從前述微加熱器的散熱系數(shù)C [=Ph/(Th-To)]，按照該測量 溫度下的前述氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (T,與前述散熱系數(shù)C的比例關(guān)系[C4 ，人(T)]， 并根據(jù)上述計算出的散熱系數(shù)C，求出上述氣氛氣體的上述測量溫度T的熱導(dǎo)率入(T)。附帶提一下，前述測量溫度T是作為前述加熱器溫度Th與周圍溫度To的 平均溫度[=(Th+To)/2]求出的。另外，關(guān)于測量溫度T的前述氣氛氣體的熱 導(dǎo)率入(.n與散熱系數(shù)C的比例關(guān)系[(>!( 入(. ]，是看做為從前述微加熱器向 氣氛氣體的平均熱導(dǎo)率h與該氣氛氣體的熱導(dǎo)率入成正比，而與氣氛氣體的溫 度邊界層的厚度d成反比[h=A/d]，作為使用前述氣氛氣體的上述測量溫度 T的熱導(dǎo)率A m、以基準(zhǔn)氣體的熱導(dǎo)率及其溫度邊界層的厚度為基準(zhǔn)求出的前 述氣氛氣體的溫度邊界層的厚度d、以及前述微加熱器的散熱面積S來表示前 述散熱系數(shù)C的關(guān)系式[C=2* (A(T)/d) *S]求出的。進行這樣的熱導(dǎo)率測定方法的熱導(dǎo)率測定裝置，具有支持在空中并設(shè) 置在氣氛氣體中的微加熱器；求出該微加熱器的溫度Th的加熱器溫度檢測單 兀；測量前述微加熱器的周圍溫度To的溫度傳感器；對前述微加熱器進行通電加熱的電源；根據(jù)由該電源提供的前述微加熱器的通電功率Ph、這時的加熱 器溫度Th及周圍溫度To作為[C=Ph/(Th-To)]計算出根據(jù)前述微加熱器的散 熱系數(shù)C的散熱系數(shù)運算單元；根據(jù)前述加熱器溫度Th及周圍溫度To，求出 前述氣氛氣體的測量溫度的測量溫度計算單元；以及根據(jù)測量溫度T的前述氣 氛氣體的熱導(dǎo)率入m與散熱系數(shù)C的比例關(guān)系[C=K， A(T)]，從用前述散熱系 數(shù)運算單元計算出的散熱系數(shù)C，求出前述測量溫度T的前述氣氛氣體的熱導(dǎo) 率入(n的熱導(dǎo)率運算單元。這時，關(guān)于前述加熱器溫度檢測單元，例如只要是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度的前述微 加熱器的電阻值Rstd;以及由利用前述電源對前述微加熱器進行通電加熱時的 驅(qū)動功率Ph及通電電流Ih、或者端子電壓Vh及通電電流Ih求出的加熱器的 電阻值Rh，來計算出加熱器溫度Th那樣構(gòu)成即可。另外，關(guān)于前述熱導(dǎo)率運 算單元，只要是參照將測量溫度T的前述氣氛氣體的熱導(dǎo)率A m與散熱系數(shù)C 的比例關(guān)系進行登錄的表格、求出與用前述散熱系數(shù)運算單元求出的散熱系數(shù) C相對應(yīng)的熱導(dǎo)率A m那樣構(gòu)成即可。再有，最好還具有使對前述微加熱器施加的功率Ph變化、而使加熱器溫 度Th變化的測量條件變更單元。另外，本發(fā)明有關(guān)的氣體成分比例測定裝置，具有分別求出使用上述的 測量條件變更單元在互相不同的加熱器溫度下的氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (t)的単 元；以及根據(jù)上述各加熱器溫度下的熱導(dǎo)率A(n的聯(lián)立方程式，來解析前述氣 氛氣體的組成比的解析單元。具體來說，上述解析單元是這樣構(gòu)成，即，前述氣氛氣體是n種氣體的混 合氣體，其熱導(dǎo)率人(n看做為將上述各氣體的熱導(dǎo)率A 1(T)、入2(t)、 人n("以 根據(jù)其組成比例和各氣體間的結(jié)合系數(shù)而規(guī)定的比例進行相加的量，解析設(shè)定 為[n-1]段的加熱器溫度Th(l)、 Th(2) Th(n-l)中分別求出的[n-1]個熱導(dǎo)率入(Tl)、入(T2)、入(Tn-l)， 來求出上述組成比例。另外，上述結(jié)合系數(shù)是在例如求出熱導(dǎo)率的華西利葉娃[Wassiljewa]的 式中所用的系數(shù)。另外，關(guān)于該結(jié)合系數(shù)，例如后述那樣，能夠用林賽-布羅 姆利[Lindsay-Bromley]的近似式求得。再有，使上述氣體成分比例測定裝置具有根據(jù)利用前述解析單元求出的前述氣氛氣體的組成比例，求出該氣氛氣體的發(fā)熱量的功能，這也是有用的。附 帶提一下，前述氣氛氣體由例如以甲烷、乙烷、丙烷、丁垸為主體的天然氣構(gòu) 成。


圖l所示為本發(fā)明中使用的微加熱器的元件結(jié)構(gòu)圖。圖2所示為微加熱器的簡要剖面結(jié)構(gòu)圖。圖3所示為對微加熱器進行發(fā)熱驅(qū)動時的微加熱器附近的氣氛氣體的溫度 分布的示意圖。圖4為本發(fā)明實施形態(tài)有關(guān)的熱導(dǎo)率測定方法及裝置的主要部分簡要構(gòu)成圖。圖5所示為組成比例不同的混合氣體舉例的組成比例圖。 圖6所示為測量溫度T的散熱系數(shù)C與氣氛氣體的熱導(dǎo)率人(t,的關(guān)系圖。 圖7所示為改變測量溫度T時的散熱系數(shù)C與氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (t)的關(guān) 系圖。圖8所示為關(guān)于多種氣體X、 Y、 Z的熱導(dǎo)率Ax(n、人y(t)、人z(t)的溫度特性圖。圖9所示為氣體密度與發(fā)熱量的關(guān)系圖。圖io所示為氣體成分比例測定裝置的簡要構(gòu)成圖。圖ll所示為電源的構(gòu)成例子的構(gòu)成圖。圖12所示為以往的熱導(dǎo)率測定裝置的構(gòu)成例子的構(gòu)成圖。
具體實施方式
以下，參照

本發(fā)明有關(guān)的熱導(dǎo)率測定方法及熱導(dǎo)率測定裝置、以 及氣體成分比例測定裝置。本發(fā)明是使用例如圖l所示其簡要構(gòu)成的微加熱器1，基本上根據(jù)上述微 加熱器1的發(fā)熱量來測定氣氛氣體(純氣體或混合氣體)的熱導(dǎo)率。微加熱器1 是在例如厚度為0. 5mm、長寬尺寸分別為1.5mm左右的硅片la的表面，形成凹 狀的腔室lb，同時在該腔室lb上架橋，形成薄膜的膜片lc，在該膜片lc上設(shè)置由鉑等形成的微小的發(fā)熱電阻體(加熱器)ld。另外， 一般在上述硅片la 的周邊部分，設(shè)置測量其周圍溫度用的溫度傳感器le。這樣的微加熱器l的結(jié)構(gòu)，例如在圖2中所示的簡要剖面結(jié)構(gòu)那樣，作為 沿流體的流通方向F夾住相當(dāng)于發(fā)熱電阻體ld的加熱器元件Rh，設(shè)置一對溫 度傳感器Ru、 Rd的熱式流量計是廣為知曉的。附帶提一下，設(shè)置在硅片la的 表面的發(fā)熱電阻體(加熱器)ld、上游側(cè)溫度傳感器Ru、下游側(cè)溫度傳感器Rd、 以及周圍溫度傳感器le，是由鉑的薄膜體等形成。另外，這些發(fā)熱電阻體(加 熱器)ld及淵度傳感器Ru、 Rd等，用例如厚度為0. 2 0. 5um左右的薄的氧化 硅(Si02)膜、或氮化硅(SiN)膜形成的電絕緣膜覆蓋，來保護其表面。特別是構(gòu)成微加熱器1的主體部的發(fā)熱電阻體(加熱器)ld，通過夾在壁薄 的膜片lc與上述電絕緣膜之間設(shè)置，實質(zhì)上支持在空中，位于氣氛氣體中。 其結(jié)果，上述發(fā)熱電阻體(加熱器)ld的表面通過上述電絕緣膜與氣氛氣體接 觸，另外其背面通過膜片lc與氣氛氣體接觸。但是，由于上述電絕緣膜及薄 膜的膜片分別非常薄，因此前述發(fā)熱電阻體(加熱器)ld的正反面可以看做為實 質(zhì)上與氣氛氣體接觸。另外，在以下的說明中，將發(fā)熱電阻體(加熱器)ld本身 作為微加熱器1來說明。然而，由鉑等發(fā)熱電阻體形成的微加熱器1，具有其電阻值隨溫度而變化 的性質(zhì)，例如在20'C的標(biāo)準(zhǔn)溫度Tstd下的電阻值是Rstd的情況下，設(shè)l次電 阻溫度系數(shù)為a， 2次電阻溫度系數(shù)為e，這時溫度Th下的電阻值Rh以下式 給出。Rh = Rstd'U+ (T.h —TsLd)-歐h —Tstdf}…(l)然后，微加熱器1的電阻值Rh，可以根據(jù)對微加熱器1進行通電驅(qū)動的功 率Ph及其通電電流Ih，以下式求出。 Rh = Ph/Ih'" …(2)或者可以根據(jù)微加熱器1的兩端間電壓Vh及這時的通電電流Ih，以下式 求出。Rh = Vh/Ih …(3)另外，微加熱器1的溫度Th在與氣氛氣體之間成為熱平衡狀態(tài)時穩(wěn)定下 來。而且，設(shè)從微加熱器1向氣氛氣體的散熱系數(shù)為C時，該平衡狀態(tài)下的微加熱器1的驅(qū)動功率Ph與其加熱器溫度Th及周圍溫度To之間，具有下式的關(guān)系。O(丁h' 丁o》=Ph …(4) 換句話說，在滿足上述式(4)的條件成立時，微加熱器l與氣氛氣體成為 熱平衡狀態(tài)，穩(wěn)定下來。因而，根據(jù)該熱平衡狀態(tài)的條件，能夠以下式求出從 微加熱器1向氣氛氣體的散熱系數(shù)C。 C — Ph/(Th—丁o) …(4a)具體來說，如前所述，根據(jù)微加熱器1的驅(qū)動功率Ph及這時的通電電流 Ih，或者根據(jù)微加熱器1的兩端間電壓Vh及這時的通電電流Ih，求出微加熱 器l的電阻值Rh，再根據(jù)該電阻值Rh，將前述的式(l)進行逆運算，就能夠求 出加熱器溫度Th。再有，關(guān)于周圍溫度To，例如用圖l說明微加熱器l的結(jié)構(gòu) 那樣，可以用設(shè)置在微加熱器1的附近的周圍溫度檢測用的溫度傳感器le求 出。因而，通過分別求出微加熱器1的驅(qū)動功率Ph、微加熱器1的加熱器溫度 Th、以及其周圍溫度To，能夠根據(jù)前述的式(4)計算出從微加熱器1向氣氛氣 體的散熱系數(shù)C。另一方面，設(shè)從微加熱器1向氣氛氣體的平均傳熱系數(shù)(在從成為熱源的物體向氣氛氣體的熱量移動中，在將熱源的散熱面分割成多塊時，將各塊的傳熱系數(shù)稱為局部傳熱系數(shù)，將各塊的局部傳熱系數(shù)進行平均而求出的全部前述塊(即熱源的整個散熱面)的傳熱系數(shù)稱為平均傳熱系數(shù))為h，設(shè)微加熱器1的散熱面積為S，這時上述的散熱系數(shù)C一般能夠以下式來表示。 C 2.h'S …(5)另外，上述平均傳熱系數(shù)h， 一般隨氣氛氣體的自然對流的狀況及微加熱 器l的表面狀態(tài)而變化。另外，上述系數(shù)[2]是考慮到，如前所述，從微加 熱器1向氣氛氣體的傳熱如圖3中示意表示其概念那樣，分別利用微加熱器1 的正反兩面進行的。但是，由于微加熱器1的元件面積(發(fā)熱面積)很小，因此因該微加熱器l 的發(fā)熱而產(chǎn)生的溫度變化的范圍很小，只產(chǎn)生點溫度位移，另外若設(shè)氣氛氣體 的自然對流也不產(chǎn)生，則微加熱器1的周圍的溫度分布都如圖3所示，隨著從 微加熱器1離開而逐漸降低。特別是在接近微加熱器1的部位的氣氛氣體的溫度升高到加熱器溫度Th，隨著從微加熱器1離開而逐漸降低到它的周圍溫度To。若將形成這樣的溫度分布的前述微加熱器1的附近的氣氛氣體的溫度、從 上述加熱器溫度Th下降到周圍溫度To的距離定義作為溫度邊界層的厚度d， 則可以認為前述平均傳熱系數(shù)h與氣氛氣體的熱導(dǎo)率A成正比，而且與溫度邊 界層的厚度d成反比。g卩，平均傳熱系數(shù)h由下式?jīng)Q定。 h 二義/d "鄰)附帶提一下，氣氛氣體的一般存在隨著溫度升高而增大的傾向。例如，上述溫度邊界層的平均溫度T的氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (T,由下式給出。1 = lo(l + y .T) …(7)■.n式中，上述Ao是基準(zhǔn)溫度(例如0。C)下氣氛氣體的熱導(dǎo)率，Y是l次溫 度系數(shù)。另外，溫度邊界層的平均溫度T例如由下式給出。 T二(Th+To)/2另外，前述溫度邊界層的厚度d因氣氛氣體的熱導(dǎo)率A而變化，熱導(dǎo)率入 越大，由于傳熱越快，因此其厚度d越薄。反之，氣氛氣體的熱導(dǎo)率較小時， 由于傳熱慢，因此溫度變化的梯度平緩，溫度邊界層的厚度d變厚。然后，若 設(shè)基準(zhǔn)溫度Tstd的基準(zhǔn)氣體的熱導(dǎo)率為A std，這時的溫度邊界層的厚度作為 dstd給出，則在與上述基準(zhǔn)溫度Tstd的熱導(dǎo)率為A o的氣氛氣體的溫度邊界 層的厚度do之間，有下式的關(guān)系存在。 ck" lo dsld* istd …(8a)另外，所謂上述基準(zhǔn)氣體，是指任意選擇的氣體，在本實施例中，例如選 擇甲烷氣體作為基準(zhǔn)氣體。另外，在上述基準(zhǔn)溫度Tstd的熱導(dǎo)率為A o的氣氛氣體的溫度邊界層的厚度do、與上述氣氛氣體的溫度(測量溫度)T的熱導(dǎo)率A ("和這時的溫度邊界層的厚度dm之間，有下式的關(guān)系成立。 ck" = d '又 …'(8b)(T) (T)艮P，可以認為溫度邊界層的厚度d與氣氛氣體的熱導(dǎo)率A之積與氣體的種 類無關(guān)，是一定值。換句話說，測量溫度T的氣氛氣體的溫度邊界層的厚度dm可以作為下式給出。<formula>formula see original document page 12</formula>另外，微加熱器i的散熱面積s， 一般多指形成前述的發(fā)熱電阻體(加熱 器)ld的膜片lc的整個面積，微加熱器1的附近的氣氛氣體的溫度分布，取決 于膜片lc上的溫度分布而變化。但是，在熱導(dǎo)率A大的氣氛氣體的情況下， 由于其溫度分布成為陡峭的形狀，因此能夠?qū)⒃搶嵸|(zhì)上的微加熱器1的散熱面 積S取作為比膜片lc的面積So要小的面積。具體來說，由于微加熱器1的實質(zhì)上的散熱面積S與溫度邊界層的氣氛氣體的熱導(dǎo)率入(n成反比，很窄，因此可以取作為下式。 <formula>formula see original document page 12</formula>然后，與微加熱器i本身很小這一點相結(jié)合，微加熱器i的散熱面積s是點狀，實質(zhì)上可以看做為構(gòu)成了點熱源。根據(jù)以上的研究，如果匯總前述的散熱系數(shù)c與氣氛氣體的熱導(dǎo)率A m的關(guān)系，根據(jù)前述的式(5) (8)，可以導(dǎo)出下式的關(guān)系。 <formula>formula see original document page 12</formula>然后，再將前述式(9)代入該式(10),從而能夠?qū)С鱿率降年P(guān)系。<formula>formula see original document page 12</formula>而且，由于基準(zhǔn)溫度Tstd的基準(zhǔn)氣體(例如甲烷氣體)的熱導(dǎo)率V,td、以及 溫度邊界層的厚度dstd分別是已知的，另外膜片lc的面積So也是已知的， 因此根據(jù)上述式(11)，可以讀取前述的散熱系數(shù)C專門與測量溫度T的氣氛氣 體的熱導(dǎo)率A (T,成正比的情況。因此，本發(fā)明根據(jù)這樣的研究，按照由微加熱器1的驅(qū)動功率Ph求出的 散熱系數(shù)C，并根據(jù)上述的散熱系數(shù)C與熱導(dǎo)率A ("的比例關(guān)系，求出測量溫 度T的前述氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (n。圖4所示為本發(fā)明實施形態(tài)的概念圖，l(ld)表示微加熱器，2表示對微加熱器1進行發(fā)熱驅(qū)動的電源(例如恒流源)，另外le表示檢測微加熱器1的周 圍溫度的溫度傳感器。本發(fā)明有關(guān)的熱導(dǎo)率測定方法及裝置，具有根據(jù)利用電 源2進行發(fā)熱驅(qū)動的微加熱器1的驅(qū)動功率Ph、以及這時的通電電流Ih，如 前所述求得加熱器溫度Th的加熱器溫度檢測單元3，還具有根據(jù)上述加熱器溫 度Th及用前述溫度傳感器le求出的周圍溫度To、以及前述微加熱器1的驅(qū)動 功率Ph，求出從微加熱器1的散熱系數(shù)C的散熱系數(shù)運算單元4。利用該散熱 系數(shù)運算單元4進行的散熱系數(shù)C的計算，是如前所述通過實施[C二Ph(Th-To)] 的運算來進行的。另外，測量溫度計算單元5根據(jù)上述加熱器溫度Th及用前述溫度傳感器 le求得的周圍溫度To，將其測量溫度T作為前述的溫度邊界層的平均溫度T [=(Th+To)/2]來求得。然后，熱導(dǎo)率運算單元6根據(jù)在上述測量溫度T下、 用上述的散熱系數(shù)運算單元4求出的散熱系數(shù)C，參照表格7，從該表格7中 預(yù)先登錄的散熱系數(shù)C與熱導(dǎo)率A ("的關(guān)系，求出與上述散熱系數(shù)C相對應(yīng)的 熱導(dǎo)率入m，并將它輸出，從而如上所述那樣構(gòu)成。本發(fā)明者們?yōu)榱蓑炞C上述那樣求得的氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (T,的可靠性，準(zhǔn) 備了由甲垸、丙烷及氮構(gòu)成的圖5所示那樣的多種混合氣體，試檢測其熱導(dǎo)率 入與散熱系數(shù)C的關(guān)系。另外，在圖5中表示，例如第1混合氣體是甲垸為80%、 丙垸為10%、氮為10%的組成比例，另外第2混合氣體是甲垸為90%、丙烷為 5%、氮為5%的組成比例。即，這些混合氣體是種類已知、但其成分比例(組成 比例)是未知的氣體的試樣。然后，在將上述各混合氣體分別作為氣氛氣體的狀況下，對微加熱器l流 過2. 5mA的電流Ih，檢測這時的散熱系數(shù)C與上述各混合氣體的熱導(dǎo)率A (1)的 關(guān)系，得到圖6所示那樣的結(jié)果。另外，這種情況的氣氛氣體的溫度(測量溫 度)T可以看做為是溫度邊界層的平均溫度[(Th+To)/2]。然后，根據(jù)該實驗 結(jié)果表示，測量溫度T的混合氣體(氣氛氣體)的熱導(dǎo)率入(T)與散熱系數(shù)C的關(guān) 系實質(zhì)上成正比。因而可以確認，若求出前述那樣的散熱系數(shù)C，則能夠根據(jù) 該散熱系數(shù)C來直接評價氣氛氣體的熱導(dǎo)率入(T)。另外，圖　7所示為在將前述的各混合氣體分別作為氣氛氣體的狀況下使流 過微加熱器1的電流Ih增大為3. 5mA、提高測量溫度T時的散熱系數(shù)C與上述各混合氣體的熱導(dǎo)率入(T,的關(guān)系。根據(jù)該圖7所示的實驗結(jié)果可以確認，即使 在改變該測量溫度T的情況下，即，即使改變加熱器溫度，但仍維持散熱系數(shù) C與上述各混合氣體的熱導(dǎo)率入(.n之間的比例關(guān)系。因而可以確認，若預(yù)先求 出測量溫度T的散熱系數(shù)C與氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (T)的比例關(guān)系，則能夠根據(jù) 從加熱器功率Ph求得的前述散熱系數(shù)C，高精度地求出混合氣體(氣氛氣體) 在上述測量溫度T的熱導(dǎo)率A (T)。另外，根據(jù)該實驗結(jié)果可以確認，前述的散熱系數(shù)c與氣氛氣體的熱導(dǎo)率入0的關(guān)系的解析中沒有錯誤。即可以確認，在看做為平均傳熱系數(shù)h與氣氛氣體的熱導(dǎo)率A成正比、而且與溫度邊界層的厚度d成反比所進行的解析中沒 有錯誤。然后理論上證實了，即使根據(jù)從微加熱器1的散熱系數(shù)c求出氣氛氣 體的測量溫度T的熱導(dǎo)率A (T)，但該測定結(jié)果也是精度足夠高的結(jié)果。然而，在著眼于構(gòu)成天然氣的多種純氣體例如甲垸、丙垸、氮的一個個熱 導(dǎo)率時，這些氣體的熱導(dǎo)率入m具有例如圖8所示那樣互相不同的溫度變化特 性。因而，在氣氛氣體是由上述的多種純氣體組成的混合氣體時，即使其組成 比例相同，但混合氣體的熱導(dǎo)率A (n也隨溫度而變化。因而，在前述那樣求出 氣氛氣體的熱導(dǎo)率入(T,時，重要的是例如預(yù)先規(guī)定該測量溫度T。或者必須預(yù) 先求出與各種測量溫度T相對應(yīng)的散熱系數(shù)C與熱導(dǎo)率A m的關(guān)系。另外，這意味著，反之若分別求出例如不同溫度T1、 T2、 T3下的上述氣 氛氣體的熱導(dǎo)率入a,)、 A(T2>、 則能夠根據(jù)這些熱導(dǎo)率A (T1)、 A(T2)、 A( )，反過來計算出上述氣氛氣體的組成比例。艮卩，在考慮由三種純氣體X、 Y、 Z(例如甲烷、丙垸、氮)組成的混合氣體 的情況下，在簡要地將上述各氣體的混合比例(混合氣體的組成比例)設(shè)為x、y、 z時，溫度T1的混合氣體的熱導(dǎo)率A (川用下式表示。X i y I …(12)1 =x-義 +y il +:z;*;l "-(13)fn)xrmy('m zm)同樣，溫度T2的混合氣體的熱導(dǎo)率A(T2)用下式表示。義 二x.義 +y' ;l +z'又 H*(i4〉(-nnx r口:' y (頂z〖x^》再有，溫度T3的混合氣體的熱導(dǎo)率A^用下式表示。1 ::X* ^ +y久 義 '，'(1.5)0'3〉 x(t3) y(t3〉 z(t3:，而且，如前所述，由于各氣體X、Y、Z的熱導(dǎo)率入x(t)、人y(t)、 A加具有互相不同的溫度特性，因此在這些溫度T1、 T2、 T3下分別求出的混合氣體的熱導(dǎo)率入(T1)、 入(m)、 入(t:,)互相不同。另外，關(guān)于這些溫度Tl、 T2、 T3下的混合氣體的熱導(dǎo)率入(T1)、 A (T2)、 A ( ， 例如可以改變微加熱器1的通電電流Ih，分段地改變加熱器溫度Th，通過這 樣設(shè)定多個溫度T1、 T2、 T3，從而分別根據(jù)前述的散熱系數(shù)C求出。因而，若 一面分段地改變加熱器溫度Th， 一面分別求出各測定條件下的散熱系數(shù)C，則 能夠根據(jù)這些散熱系數(shù)C，分別求出與上述各測定條件相對應(yīng)設(shè)定的基準(zhǔn)溫度 (溫度T)的混合氣體的熱導(dǎo)率A cr)。然后，關(guān)于構(gòu)成混合氣體的多種純氣體X、 Y、 Z的熱導(dǎo)率Axn.)、人m)、入 自的溫度特性，能夠預(yù)先如圖8所示那樣求出。因而，若決定求出上述的混合 氣體的熱導(dǎo)率A ("的溫度Tl、 T2、 T3，則能夠分別求出這些溫度Tl、 T2、 T3 下的上述各氣體X、 Y、 Z的熱導(dǎo)率Ax(t)、 AY(T)、 Xzm。因而，若根據(jù)前述的式 (12) (15)，對于其未知數(shù)的混合比例x、 y、 z進行求解，則通過這樣能夠求 出各氣體X、 Y、 Z的組成比例x、 y、 z。另外，嚴(yán)格來說，混合氣體的熱導(dǎo)率入，不僅取決于形成該混合氣體的純氣體的組成比例，還取決于上述純氣體間的結(jié)合系數(shù)F。具體來說，在考慮由兩種純氣體X、 Y(例如丙垸及氮)組成的混合氣體的情況下，設(shè)上述各純氣體X、Y的熱導(dǎo)率為Ax、 Ay，其混合比例(混合氣體的組成比例)為x、 y，這時上述混合氣體的熱導(dǎo)率A用下式表示。 x+y':= 1 …(16)—y*又y/(y + P 'x) '，'(17)式中，F(xiàn)'y是純氣體X對純氣體Y的結(jié)合系數(shù)，另外Fy,是純氣體Y對純氣 體X的結(jié)合系數(shù)。同樣，在考慮由三種純氣體X、 Y、 Z(例如甲垸、丙垸、氮)組成的混合氣 體的情況下，設(shè)上述各純氣體X、 Y、 Z的熱導(dǎo)率為入x、入y、 Az，其混合比 例(混合氣體的組成比例)為x、 y、 z，這時上述混合氣體的熱導(dǎo)率入用下式表示。<formula>formula see original document page 16</formula>式中，F(xiàn)^是純氣體X對純氣體Z的結(jié)合系數(shù)，F(xiàn)y,是純氣體Y對純氣體Z 的結(jié)合系數(shù)，F(xiàn)."是純氣體Z對純氣體X的結(jié)合系數(shù)，另外F,y是純氣體Z對純 氣體Y的結(jié)合系數(shù)。附帶提一下，上述結(jié)合系數(shù)F可以根據(jù)例如林賽-布羅姆利 [Lindsay-Bromley]的實質(zhì)上式如下式那樣進行計算。<formula>formula see original document page 16</formula>
這里，在上式中，n"是粘性系數(shù)，M是分子量，S是薩瑟蘭[Sutherland] 常數(shù)。另外，常數(shù)Si是將Tb作為沸點時作為[1.5Tb]給出的常數(shù)，常數(shù)Sij 作為[=(Si，Sj)1/2]給出。因而，使用式(17a)以代替前述的式(13) (15)，通過解不同溫度下分別 求出的熱導(dǎo)率A的聯(lián)立方程式，能夠高精度地求出其未知數(shù)的組成比例x、 y、特別是在混合氣體的成分由三種氣體組成時，由于能夠通過求解三元聯(lián)立 方程式來求出各氣體X、 Y、 Z的成分比例，因此若至少在互相不同的兩個溫度 Tl、 T2下求出混合氣體的熱導(dǎo)率A(川、A(T2)就足夠了。另外， 一般作為混合氣 體是n種氣體混合而成的氣體，若設(shè)定[n-1]段的溫度T，分別求出這些溫度 T的混合氣體的熱導(dǎo)率A (1,，則通過這樣能夠從n元聯(lián)立方程式求出各氣體的 組成比例。另外，若如上述那樣求出形成混合氣體的多種氣體的組成比例，則能夠從 例如圖9所示的氣體密度與發(fā)熱量的關(guān)系，根據(jù)混合氣體的總量及其組成比例， 分別求出上述各氣體具有的發(fā)熱量。因而，能夠計算出混合氣體的發(fā)熱量。具 體來說，能夠根據(jù)上述那樣求出的成分比例，簡易而且正確地計算出每單位體 積的混合氣體具有的發(fā)熱量(能量)。這樣求出混合氣體的成分比例、再求出其發(fā)熱量的氣體成分比例測定裝置 例如圖IO所示，對前述的熱導(dǎo)率測定裝置再具有存儲器9，該存儲器9將各溫 度T的混合氣體的熱導(dǎo)率入(n、與對于認為是形成該混合氣體的多種氣體的上 述各溫度T的熱導(dǎo)率A(T)相對應(yīng)進行存儲。再有，氣體成分比例測定裝置具有 根據(jù)上述存儲器9中存儲的混合氣體及各氣體的熱導(dǎo)率A n,建立前述的聯(lián)立方 程式、并求解該聯(lián)立方程式以求出各氣體的成分比例的成分比例運算單元10; 以及根據(jù)用該成分比例運算單元IO計算出的成分比例，來計算混合氣體的總 發(fā)熱量的發(fā)熱量計算單元11來實現(xiàn)。該總發(fā)熱量的計算是通過參照發(fā)熱量表12中預(yù)先登錄的、例如圖9所示的與氣體種類相對應(yīng)的氣體密度與發(fā)熱量的關(guān)系來進行的。另外，在上述那樣一面改變微加熱器1的驅(qū)動功率ph(加熱器電流Ih)、一面根據(jù)散熱系數(shù)C求出氣氛氣體的熱導(dǎo)率入o("時，是將對微加熱器1進行發(fā) 熱驅(qū)動的前述電源2作為能夠根據(jù)對氣氛氣體的測定條件改變其輸出電流的恒 流源來實現(xiàn)的。具體來說，電源2例如圖12所示那樣具有多個恒流源II、 12、 13 In，將這些恒流源Il、 12、 13 In通過開關(guān)Sl、 S2、 S3 Sn有選擇比與 微加熱器l連接，作為對微加熱器1進行恒流驅(qū)動的裝置，只要這樣來實現(xiàn)就 可以了。這樣，根據(jù)上述那樣構(gòu)成的氣體成分比例測定裝置，能夠在例如天然氣那 樣其氣體成分預(yù)先不知道的情況下，簡易地求出其成分比例。即，在天然氣的 情況下，其氣體成分主要由甲烷、乙垸、丙烷、丁垸等組成，有時附帶包含氮 或二氧化碳等。因而若看做為這些氣體成分全部包含，分別求出前述那樣多個 溫度T的熱導(dǎo)率入m，求出這些氣體成分的比例，則對于混合氣體中沒有包含 的氣體成分，將其含有比例作為
來求出，因此能夠正確求出真正僅在混 合氣體中包含的氣體成分的混合比例。其結(jié)果，具有能夠評價天然氣的質(zhì)量、 或者進而容易監(jiān)視其總發(fā)熱量等實用上的極大的效果。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠通過僅求出微加熱器的散熱系數(shù)C，就能夠高 精度而且簡易地求出純氣體或混合氣體的熱導(dǎo)率入(T>。而且，即使不使用以往 那樣設(shè)置恒溫槽等的大型設(shè)備，也能夠簡易地求出作為測定對象的氣氛氣體的 熱導(dǎo)率入o。另外，通過使加熱器溫度Th變化來改變氣氛氣體的測定條件(測量溫度T)，不管混合氣體的成分比例如何，都能夠正確評價與測量溫度T相對 應(yīng)的熱導(dǎo)率A m。再有，在混合氣體的種類雖然已知、但其成分比例未知的情況下，通過分 別求出改變加熱器溫度Th時的混合氣體的熱導(dǎo)率A (T)，能夠根據(jù)各氣體成分的 熱導(dǎo)率入(T)的溫度特性，正確求出上述成分比例。特別是即使不使用氣體色譜法那樣的復(fù)雜又大型的裝置，也能夠簡易而且高精度地求出其成分比例。而且 若求出混合氣體的成分比例，則具有根據(jù)其成分比例能夠簡易地評價混合氣體 的總發(fā)熱量等實用上極大的效果。另外，本發(fā)明不限定于上述的實施形態(tài)。例如，關(guān)于傳熱量測定裝置中的 前述各運算功能，也可以利用微型計算機中的軟件來實現(xiàn)。另外，微加熱器的 結(jié)構(gòu)也不是特別限定的，也可以照原樣引用已有的微流量傳感器的加熱器元 件。另外，關(guān)于微加熱器1的發(fā)熱驅(qū)動單元，當(dāng)然也不限定于上述的例子。另外，也可以這樣構(gòu)成，即一面用設(shè)置在微加熱器1的附近的溫度傳感器， 來監(jiān)視利用上述微加熱器1加熱的氣氛氣體的溫度， 一面控制微加熱器1的溫 度。如果這樣做，則由于也能夠根據(jù)微加熱器1的發(fā)熱溫度(加熱器溫度Th) 與用溫度傳感器測量的被加熱的氣氛氣體的溫度之比，求出其溫度分布，并根 據(jù)該溫度分布，評價氣氛氣體的熱導(dǎo)率，從而調(diào)整加熱器溫度Th，因此能夠提 高前述的熱導(dǎo)率的測定精度。另外，本發(fā)明也可以在作為背景技術(shù)舉出的、在將氣氛氣體封入的恒溫槽 內(nèi)測量熱導(dǎo)率的方法中應(yīng)用。在這種情況下，由于包圍微加熱器1的氣氛氣體 本身沒有置換為其它氣體，因此可以說微加熱器1的溫度Th在與上述氣氛氣 體之間處于熱平衡狀態(tài)。再有，對于使用圖12所示那樣的腔室的熱導(dǎo)率測定 裝置，也可以采用本發(fā)明。在這種情況下，由于引入腔室內(nèi)的氣氛氣體滯留， 在與通過流通路徑流動的氣氛氣體氣間僅利用分子擴散進行交換，因此在加熱 器的驅(qū)動功率為一定時，腔室內(nèi)的氣氛氣體與加熱器也可以看做為處于熱平衡 狀態(tài)。因而，在該熱平衡狀態(tài)下，能夠高精度測量氣氛氣體的熱導(dǎo)率。另外， 本發(fā)明在不脫離其要點的范圍內(nèi)，能夠以種種變形來實施。
權(quán)利要求
1.一種熱導(dǎo)率測定方法，其特征在于，使用支持在空中并設(shè)置在氣氛氣體中的微加熱器，根據(jù)對所述微加熱器施加的功率Ph及這時的加熱器溫度Th及周圍溫度To，計算根據(jù)所述微加熱器的散熱系數(shù)C[＝Ph/(Th-To)]，按照測量溫度T的所述氣氛氣體的熱導(dǎo)率λ(T)與所述散熱系數(shù)C的比例關(guān)系[C＝K·λ(T)]，并根據(jù)所述計算出的散熱系數(shù)C，求出所述氣氛氣體的熱導(dǎo)率λ(T)。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱導(dǎo)率測定方法，其特征在于， 所述測量溫度T是作為所述加熱器溫度Th與周圍溫度To的平均溫度求出的。
3. 如權(quán)利要求l所述的熱導(dǎo)率測定方法，其特征在于， 關(guān)于所述測量溫度T的所述氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (T,與散熱系數(shù)C的比例關(guān)系[C=K， Am]，是看做為從所述微加熱器向氣氛氣體的平均熱導(dǎo)率h與該氣 氛氣體的熱導(dǎo)率入成正比，而與氣氛氣體的溫度邊界層的厚度d成反比，作為 使用所述氣氛氣體的所述測量溫度T的熱導(dǎo)率A (T)、以基準(zhǔn)氣體的熱導(dǎo)率及其 溫度邊界層的厚度為基準(zhǔn)求出的所述氣氛氣體的溫度邊界層的厚度d、以及所 述微加熱器的散熱面積S來表示所述散熱系數(shù)C的關(guān)系式[C=2* (A(n/d) ，S] 求出的。
4. 一種熱導(dǎo)率測定裝置，其特征在于，具有 支持在空中并設(shè)置在氣氛氣體中的微加熱器； 求出該微加熱器的溫度Th的加熱器溫度檢測單元； 測量所述微加熱器的周圍溫度To的溫度傳感器； 對所述微加熱器進行通電加熱的電源；根據(jù)由該電源提供的所述微加熱器的通電功率Ph、這時的加熱器溫度Th 及周圍溫度To，計算出根據(jù)所述微加熱器的散熱系數(shù)C的散熱系數(shù)運算單元；根據(jù)所述加熱器溫度Th及周圍溫度To，求出所述氣氛氣體的測量溫度的 測量溫度計算單元；以及根據(jù)所述測量溫度T的所述氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (t)與所述散熱系數(shù)C的比 例關(guān)系[C=K* Am]，從用所述散熱系數(shù)運算單元計算出的散熱系數(shù)C，求出所述測量溫度T的所述氣氛氣體的熱導(dǎo)率A n)的熱導(dǎo)率運算單元。
5. 如權(quán)利要求4所述的熱導(dǎo)率測定裝置，其特征在于，所述加熱器溫度檢測單元，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度的所述微加熱器的電阻值Rstd;以及由利用所述電源對所述微加熱器進行通電加熱時的驅(qū)動功率Ph及通電電流Ih、或者端子電壓Vh及通電電流Ih求出的加熱器的電阻值Rh，來計算出 加熱器溫度Th。
6. 如權(quán)利要求5所述的熱導(dǎo)率測定裝置，其特征在于， 所述熱導(dǎo)率運算單元參照將測量溫度T的所述氣氛氣體的熱導(dǎo)率A (t,與散熱系數(shù)C的比例關(guān)系進行登錄的表格，求出與用所述散熱系數(shù)運算單元求出的 散熱系數(shù)C相對應(yīng)的熱導(dǎo)率A (T)。
7. 如權(quán)利要求5所述的熱導(dǎo)率測定裝置，其特征在于， 所述測量溫度計算單元作為所述加熱器溫度Th與周圍溫度To的平均溫度，求出所述測量溫度T。
8. 如權(quán)利要求5所述的熱導(dǎo)率測定裝置，其特征在于， 還具有使對所述微加熱器施加的功率Ph變化、而使加熱器溫度Th變化的測量條件變更單元。
9. 一種氣體成分比例測定裝置，其特征在于，具有使用權(quán)利要求8所述的熱導(dǎo)率測定裝置分別求出在互相不同的加熱器溫度 下的氣氛氣體的熱導(dǎo)率入m的單元；以及根據(jù)所述各加熱器溫度下的熱導(dǎo)率A (t,的聯(lián)立方程式，來解析所述氣氛氣 體的組成比的解析單元。
10. 如權(quán)利要求9所述的氣體成分比例測定裝置，其特征在于， 所述解析單元，對于所述氣氛氣體是n種氣體的混合氣體，將其熱導(dǎo)率入rn看做為將所述各氣體的熱導(dǎo)率A lm、入2(n、 入nm以根據(jù)其組成比例和各 氣體間的結(jié)合系數(shù)而規(guī)定的比例進行相加的量，解析設(shè)定為[n-l]段的加熱 器溫度Th(l)、 Th(2) Th(n-l)中分別求出的[n-1]個熱導(dǎo)率A (T1)、 A (T2)、 入n)，來求出所述組成比例。
11. 如權(quán)利要求9所述的氣體成分比例測定裝置，其特征在于， 還具有根據(jù)利用所述解析單元求出的所述氣氛氣體的組成比例、求出該氣氛氣體的發(fā)熱量的功能。
12. 如權(quán)利要求9至11中任一項所述的氣體成分比例測定裝置，其特征在于，所述氣氛氣體由例如以甲烷、乙烷、丙垸、丁垸為主體的天然氣構(gòu)成。
全文摘要
根據(jù)對支持在空中并設(shè)置在氣氛氣體中的微加熱器施加的功率Ph及這時的加熱器溫度Th及周圍溫度To，計算從前述微加熱器的散熱系數(shù)C[＝Ph/(Th-To)]。然后，按照測量溫度T[＝(Th-To)/2]的前述氣氛氣體的熱導(dǎo)率λ_(T)與散熱系數(shù)C的比例關(guān)系[C＝K·λ_(T)]，并根據(jù)上述計算出的散熱系數(shù)C，求出前述氣氛氣體的熱導(dǎo)率λ_(T)。
文檔編號G01N25/18GK101273265SQ20068003515
公開日2008年9月24日 申請日期2006年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日
發(fā)明者大石安治, 守尾周次, 林靖江, 真行寺信義, 青島滋 申請人:株式會社山武