(57)【要約】【課題】プラント内の水素濃度計測を中断したり機器の着脱を伴ったりすることの無い校正作業が実施できる水素濃度計測技術が提供される。【解決手段】水素濃度計測システムは、水素吸蔵材２１の近傍に配置された温度センサ２２から温度検出値Ｔの信号を取得する温度信号取得部３１と、この温度検出値Ｔを入力し標準抵抗値Ｓを算出する算出部３５と、水素吸蔵材２１の抵抗検出値Ｒの信号を取得する抵抗信号取得部３２と、抵抗検出値Ｒと標準抵抗値Ｓに基づいて抵抗変化率Ｑを演算する演算部３６と、抵抗変化率Ｑに基づいて雰囲気の水素濃度Ｇを導出する導出部３９と、抵抗検出値Ｒ又は抵抗変化率Ｑのベースラインがドリフトする場合に標準抵抗値Ｓの算出式３３の校正を実行する校正部３８と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気の水素濃度に応じで水素吸蔵量を変化させる水素吸蔵材の近傍に配置された温度センサから温度検出値の信号を取得する温度信号取得部と、
前記温度検出値を入力し、前記水素吸蔵量がゼロであるときの前記水素吸蔵材の標準抵抗値を算出する算出部と、
前記水素吸蔵材の抵抗検出値の信号を取得する抵抗信号取得部と、
前記抵抗検出値と前記標準抵抗値に基づいて前記水素吸蔵材の抵抗変化率を演算する演算部と、
前記抵抗変化率に基づいて前記雰囲気の水素濃度を導出する導出部と、
前記水素吸蔵量がゼロからさらに減少する方向に前記抵抗検出値又は前記抵抗変化率のベースラインがドリフトする場合、前記標準抵抗値の算出式の校正を実行する校正部と、を備えることを特徴とする水素濃度計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水素濃度計測システムにおいて、
前記抵抗変化率の一定期間の平均値と設定閾値とを対比することで、前記ベースラインのドリフトを判定する判定部をさらに備えることを特徴とする水素濃度計測システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の水素濃度計測システムにおいて、
前記校正部は、前記抵抗検出値の経時変化に基づき得られる関数式を前記算出式のパラメータに導入することを特徴とする水素濃度計測システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素濃度計測システムにおいて、
前記水素吸蔵材の温度を可変させるヒータ制御部をさらに備え、
前記ベースラインのドリフトが観測される場合に、前記水素吸蔵材の温度を可変させることを特徴とする水素濃度計測システム。
【請求項５】
雰囲気の水素濃度に応じで水素吸蔵量を変化させる水素吸蔵材の近傍に配置された温度センサから温度検出値の信号を取得するステップと、
前記温度検出値を入力し、前記水素吸蔵量がゼロであるときの前記水素吸蔵材の標準抵抗値を算出するステップと、
前記水素吸蔵材の抵抗検出値の信号を取得するステップと、
前記抵抗検出値と前記標準抵抗値に基づいて前記水素吸蔵材の抵抗変化率を演算するステップと、
前記抵抗変化率に基づいて前記雰囲気の水素濃度を導出するステップと、
前記水素吸蔵量がゼロからさらに減少する方向に前記抵抗検出値又は前記抵抗変化率のベースラインがドリフトする場合、前記標準抵抗値の算出式の校正を実行するステップと、を含むことを特徴とする水素濃度計測方法。
【請求項６】
コンピュータに
雰囲気の水素濃度に応じで水素吸蔵量を変化させる水素吸蔵材の近傍に配置された温度センサから温度検出値の信号を取得するステップ、
前記温度検出値を入力し、前記水素吸蔵量がゼロであるときの前記水素吸蔵材の標準抵抗値を算出するステップ、
前記水素吸蔵材の抵抗検出値の信号を取得するステップ、
前記抵抗検出値と前記標準抵抗値に基づいて前記水素吸蔵材の抵抗変化率を演算するステップ、
前記抵抗変化率に基づいて前記雰囲気の水素濃度を導出するステップ、
前記水素吸蔵量がゼロからさらに減少する方向に前記抵抗検出値又は前記抵抗変化率のベースラインがドリフトする場合、前記標準抵抗値の算出式の校正を実行するステップ、を実行させることを特徴とする水素濃度計測プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水素吸蔵材を用いた水素濃度計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素吸蔵材を用いた水素濃度計測システムは、この水素吸蔵材における水素吸蔵量の増加に伴い電気抵抗値が増加する性質を利用して、周囲環境の水素濃度を計測する。
そのため、周囲環境の変化が無く水素吸蔵材に吸蔵される水素の出入りが無い状態においては、その電気抵抗値は一定であることが理想である。
【０００３】
しかし水素吸蔵材の内部歪み等の経年変化により、周囲環境の水素濃度が不変にもかかわらず電気抵抗値が変化し、水素濃度の計測精度が低下する場合がある。
このため水素濃度計測システムは、校正を定期的に実施することにより、水素濃度の計測精度の維持が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１４５８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の水素濃度計測システムの校正作業は、水素濃度の計測が一時的に中断することやプラント内で同時進行する他の作業と干渉する等の問題があるため、その実施頻度を低減させたいという要望がある。
【０００６】
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、プラント内の水素濃度計測を中断したり機器の着脱を伴ったりすることの無い校正作業が実施できる水素濃度計測技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る水素濃度計測システムは、雰囲気の水素濃度に応じで水素吸蔵量を変化させる水素吸蔵材の近傍に配置された温度センサから温度検出値の信号を取得する温度信号取得部と、前記温度検出値を入力し前記水素吸蔵量がゼロであるときの前記水素吸蔵材の標準抵抗値を算出する算出部と、前記水素吸蔵材の抵抗検出値の信号を取得する抵抗信号取得部と、前記抵抗検出値と前記標準抵抗値に基づいて前記水素吸蔵材の抵抗変化率を演算する演算部と、前記抵抗変化率に基づいて前記雰囲気の水素濃度を導出する導出部と、前記水素吸蔵量がゼロからさらに減少する方向に前記抵抗検出値又は前記抵抗変化率のベースラインがドリフトする場合に前記標準抵抗値の算出式の校正を実行する校正部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態により、プラント内の水素濃度計測を中断したり機器の着脱を伴ったりすることの無い校正作業が実施できる水素濃度計測技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る水素濃度計測システムのブロック図。
【図２】実施形態に係る水素濃度計測システムにおける校正の概念の説明図。
【図３】実施形態に係る水素濃度計測方法及び水素濃度計測プログラムのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように実施形態に係る水素濃度計測システム１０は、水素検出器２０と信号処理部３０とから構成されている。
【００１１】
水素濃度計測システムの信号処理部３０は、雰囲気の水素濃度に応じで水素吸蔵量を変化させる水素吸蔵材２１の近傍に配置された温度センサ２２から温度検出値Ｔの信号を取得する温度信号取得部３１と、この温度検出値Ｔを入力し水素吸蔵量がゼロであるときの水素吸蔵材２１の標準抵抗値Ｓを算出する算出部３５と、水素吸蔵材２１の抵抗検出値Ｒの信号を取得する抵抗信号取得部３２と、抵抗検出値Ｒと標準抵抗値Ｓに基づいて水素吸蔵材２１の抵抗変化率Ｑを演算する演算部３６と、抵抗変化率Ｑに基づいて雰囲気の水素濃度Ｇを導出する導出部３９と、水素吸蔵量がゼロからさらに減少する方向に抵抗検出値Ｒ又は抵抗変化率Ｑのベースラインがドリフトする場合に標準抵抗値Ｓの算出式３３の校正を実行する校正部３８と、を備えている。
【００１２】
さらに水素濃度計測システムの信号処理部３０は、抵抗検出値Ｒ又は抵抗変化率Ｑのベースラインのドリフトを判定する判定部３７と、オペレータが設定部４２に温度情報を入力することにより水素吸蔵材２１の温度を可変させるヒータ制御部４１と、をさらに備えている。
【００１３】
水素検出器２０は、第１巻芯２３に互いに絶縁を保ちながらソレノイド状に巻きつけられた水素吸蔵材２１及び温度センサ２２と、第１巻芯２３の外側に同軸に配置された第２巻芯２７にソレノイド状に巻きつけられたヒータ線２５と、このヒータ線２５の温度制御用の測温計２６と、から構成される。
【００１４】
第１巻芯２３及び第２巻芯２７は、絶縁材料からなる中実または中空の円柱形状を有している。水素吸蔵材２１は、冷却や加圧により水素を吸収し加熱や減圧により水素を放出する性質を有するものである。水素吸蔵材２１は、材質として合金製のものが広く知られているが、特に限定はない。
【００１５】
この水素吸蔵材２１への水素の吸蔵量は水素の圧力および温度によって変化し、一定温度における水素圧力と水素吸蔵量との間の関係を示したＰＣＴ曲線（図示略）が知られている。このＰＣＴ曲線によれば、水素吸蔵材２１における水素の吸蔵量が少ない場合、水素吸蔵量は水素圧力の１／２乗に比例して増加する。さらに水素吸蔵量が増加すると、水素化物が形成されはじめ、水素の吸蔵量は増加するが水素圧力が増加しない領域（プラトー領域）が出現する。全てが水素化物になると水素圧力の上昇とともに再び水素吸蔵量は増加する。
【００１６】
また、水素吸蔵材２１の温度が上昇すると、プラトー領域が出現する圧力も上昇していき、プラトー領域そのものも徐々に消滅していく。
水素吸蔵材２１を水素濃度計測センサとして用いる場合、水素圧力と水素吸蔵量とが互いに一対一の関係になるように、プラトー領域が消滅する温度まで加熱する必要がある。
【００１７】
ヒータ制御部４１は、ヒータ線２５の近傍に配置された測温計２６が設定部４２で設定した温度になるように、ヒータ線２５への通電量をフィードバック制御する。この設定部４２で設定する温度は、水素吸蔵材２１のＰＣＴ曲線上のプラトー領域が、十分に消滅する温度に設定される。
【００１８】
温度信号取得部３１は、水素吸蔵材２１の近傍に配置された温度センサ２２から出力される温度検出値Ｔの信号を取得する。この温度センサ２２は、測温抵抗体で構成され、温度変化によって電気抵抗値が変化する特性を利用し、検出した電気抵抗を温度検出値Ｔに変換して出力する。この温度センサ２２にはブリッジ回路（図示略）が接続されており、このブリッジ回路により抵抗を検出し、温度検出値Ｔに変換してから取得部３１に信号出力される。
【００１９】
抵抗信号取得部３２は、水素吸蔵材２１の抵抗検出値Ｒの信号を取得する。この水素吸蔵材２１にも、ブリッジ回路（図示略）が接続されており、このブリッジ回路により検出された抵抗検出値Ｒが、取得部３２に信号出力される。
この水素吸蔵材２１の抵抗検出値Ｒは、自身の温度上昇だけでなく水素吸蔵量の増加に応じても、大きくなる性質を有している。このために水素吸蔵材２１の温度検出値Ｔと抵抗検出値Ｒとを取得することにより、最終的に雰囲気の水素濃度Ｇを導くことができる。
【００２０】
算出部３５は、取得した温度検出値Ｔを、次式で表される算出式３３に代入し、水素吸蔵量がゼロであるときの水素吸蔵材２１の標準抵抗値Ｓを算出する。
ここで算出式３３におけるＡ，Ｂ，Ｃは、水素濃度がゼロの雰囲気において温度を可変しながら抵抗値を測定することにより、水素検出器２０の個体毎に実験的に決定される定数である。
標準抵抗値Ｓ＝Ａ×Ｔ2＋Ｂ×Ｔ＋Ｃ        （３３）
【００２１】
演算部３６は、取得した抵抗検出値Ｒと算出した標準抵抗値Ｓを、次式に代入して水素吸蔵材２１の抵抗変化率Ｑを演算する。
抵抗変化率Ｑ（%）＝（抵抗検出値Ｒ−標準抵抗値Ｓ）／標準抵抗値Ｓ×１００
【００２２】
理想状態では、雰囲気の水素濃度がゼロである状態では、周囲温度に関わらず抵抗変化率Ｑは０％に近い値を取るはずである。しかし、抵抗検出値Ｒのベースラインが経時的に負の方向にドリフトする場合は、水素濃度Ｇの計測精度が低下するだけでなく、現実よりも水素濃度Ｇが低めに導出される、お手盛り評価となってしまう。
【００２３】
判定部３７は、図２（Ａ）に示すように、抵抗変化率Ｑの一定期間Ｍの平均値Ａと設定閾値ｍとを対比する。判定部３７では、抵抗検出値Ｒから抵抗変化率Ｑが新たに演算される毎に、その時点から一定期間Ｍの複数の抵抗変化率Ｑの平均値Ａを算出する。
この平均値Ａが、マイナス値に設定されている閾値ｍよりも大きい場合は、抵抗検出値Ｒのベースラインの減少方向ドリフトは無いと判定され、この抵抗変化率Ｑに基づいて水素濃度Ｇが導出される。
他方で、この平均値Ａが、マイナス値に設定されている閾値ｍよりも小さい場合は、抵抗検出値Ｒのベースラインの減少方向ドリフトは有りと判定され、校正部３８において算出式３３の校正シーケンスが開始される。
【００２４】
校正部３８では、ドリフト有りの判定が出た際に、図２（Ｂ）に示すように、抵抗検出値Ｒの経時変化に基づき次式で示される関数式△Ｒを算出式３３のパラメータに導入する。ここで、関数式△Ｒにおけるｔは時間変数であり、Ｄ，Ｅは近似により得られた一次式の係数である。
△Ｒ ＝ Ｄ・ｔ＋Ｅ
【００２５】
この校正シーケンスにより、標準抵抗値Ｓの算出式３３は、次式のように更新される。
更新標準抵抗値Ｓ´＝Ａ×Ｔ2＋Ｂ×Ｔ＋Ｃ−△Ｒ
【００２６】
なお、この関数式△Ｒを導くための期間Ｎ（図２（Ｂ））は、ドリフト有りの判定が出た時点を基点にした過去としてもよいし、水素検出器２０をプラントに設置する以前の検査期間を採用してもよく、特に限定されない。
これにより、抵抗検出値Ｒのベースラインの減少方向ドリフトによる誤差が補正され、導出部３９における水素濃度Ｇの計測精度を向上させることができる。
【００２７】
導出部３９は、さまざまな温度検出値Ｔにおいて抵抗変化率Ｑと水素濃度Ｇとの関係を表したテーブルを予め備えている。そして、このテーブルを参照しつつ、入力した抵抗変化率Ｑに基づいて雰囲気の水素濃度Ｇを導出する。
【００２８】
なお、抵抗検出値Ｒのベースラインがドリフトする場合、ヒータ温度設定部４２の入力を変更し、水素吸蔵材２１の温度を可変して温度が安定してから上述の校正シーケンスを開始する場合もある。
これにより、算出部３５において算出式３３に代入される温度検出値Ｔが更新され、演算部３６に入力される標準抵抗値Ｓと抵抗検出値Ｒも変化して、出力される抵抗変化率Ｑも変化する。その後の判定部３７及び校正部３８の動作は、上述した通りである。
その結果、より精度の高い補正を実行することができる場合がある。
【００２９】
図３のフローチャートに基づいて実施形態に係る水素濃度計測方法及び水素濃度計測プログラムについて説明する（適宜、図１参照）。
設定部４２にヒータ温度の設定値を入力し（Ｓ１１）、水素検出器２０から取得される温度検出値Ｔが安定するのを待つ（Ｓ１２ Ｎｏ，Ｙｅｓ）。そして、温度を入力変数とし、実験的に決定された定数Ａ，Ｂ，Ｃを含み、水素吸蔵量がゼロであるときの水素吸蔵材２１の標準抵抗値Ｓを算出する算出式３３を取得する（Ｓ１３）。水素検出器２０から取得した水素吸蔵材２１の温度検出値Ｔの信号を（Ｓ１４）、この算出式３３に代入し、温度検出値Ｔにおける水素吸蔵材２１の標準抵抗値Ｓを算出する（Ｓ１５）。
【００３０】
次に、水素検出器２０から水素吸蔵材２１の抵抗検出値Ｒの信号を取得し（Ｓ１６）、この抵抗検出値Ｒと標準抵抗値Ｓに基づいて水素吸蔵材の抵抗変化率Ｑを演算する（Ｓ１７）。そして、この抵抗変化率Ｑに基づいて雰囲気の水素濃度Ｇが出力される（Ｓ１７）。さらに水素濃度の計測を継続する場合は（Ｓ１９ Ｙｅｓ）、水素吸蔵量がゼロからさらに減少する方向に抵抗変化率Ｑのベースラインがドリフトしているか否かについて判定が行われる。
【００３１】
このドリフト判定は、抵抗変化率Ｑの一定期間Ｍの平均値Ａと設定閾値ｍとを対比し、この平均値Ａが、マイナス設定された閾値ｍよりも大きければ、ベースラインのドリフトは無いと判定され（Ｓ２０ Ｎｏ）、（Ｓ１４）からのフローを繰り返す。
【００３２】
他方において、平均値Ａが、マイナス設定された閾値ｍ以下であれば、ベースラインのドリフト有り判定され（Ｓ２０ Ｙｅｓ）、算出式３３の校正に移る。この校正により、過去（期間Ｎ）の抵抗検出値Ｒの経時変化に基づき得られる関数式△Ｒが、パラメータとして導入され、算出式３３が更新される（Ｓ２１）。
そして、ベースラインのドリフト有り判定がなされた場合は、この更新された算出式３３が再取得され（Ｓ１３）、その後のフローが繰り返され、水素濃度の計測が継続が中断されるまで続く（Ｓ１９ Ｙｅｓ Ｎｏ ＥＮＤ）。
【００３３】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の水素濃度計測システムによれば、水素吸蔵材の水素吸蔵量がゼロからさらに減少する方向へのベースライン信号のドリフト判定を実施することで、校正作業を簡易的に実施することができ、水素濃度計測を高精度に維持することが可能となる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
また、水素濃度計測システムの構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、水素濃度計測プログラムにより動作させることが可能である。
【００３５】
以上説明した水素濃度計測システムは、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。
【００３６】
また水素濃度計測システムで実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。
【００３７】
また、本実施形態に係る水素濃度計測システムで実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。
また、水素濃度計測システムは、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。
【符号の説明】
【００３８】
１０…水素濃度計測システム、２０…水素検出器、２１…水素吸蔵材、２２…温度センサ、２３…巻芯、２５…ヒータ線、２６…測温計、２７…巻芯、３０…信号処理部、３１…温度信号取得部、３２…抵抗信号取得部、３３…算出式、３５…算出部、３６…演算部、３７…判定部、３８…校正部、３９…導出部、４１…ヒータ制御部、４２…ヒータ温度設定部、４２…設定部、Ｇ…水素濃度、Ｑ…抵抗変化率、Ｒ…抵抗検出値、△Ｒ…関数式、Ｓ…標準抵抗値、Ｔ…温度検出値。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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