第８章水蒸気圧補正の実験研究 8-1

全文

(1)第８章. 水蒸気圧補正の実験研究. 8-1. 緒言. 8-2. 湿式ガスメータ水蒸気圧補正の実態と課題. 8-2-1. 湿式ガスメータの補正と誤差. 8-2-2. 水蒸気圧補正の現状と問題点. 8-2-3. 現在の水蒸気圧補正方法. 8-3. 湿式ガスメータの水蒸気圧発生のメカニズム. 8-3-1 8-4. 水蒸気発生のメカニズム. 湿度測定の実験. 8-4-1. 湿度測定. 8-4-2. 実験１（空気）. 8-4-3. 実験２（N2Dry）. 8-4-4. 考察. 8-5. 水蒸気圧補正式確立実験. 8-5-1. 蒸気圧補正実験装置（水位確認実験）. 8-5-2. 実験データ（質量法）. 8-5-3. 実験結果. 8-5-4. 微小流量域への考察. 8-6. 飽和水蒸気圧の実験式と補正方法の確立. 8-6-1 8-7. 実験式の確立. まとめ. 参考文献. 187.

(2) 第８章. 水蒸気圧補正の実験研究. 8-1. 緒言. 湿式ガスメータの特徴として、計測ガスの密度、粘度、比重の影響を受けることなく計測範囲が広い等であることから、ガス密度等の異なるガスを正確に計測できる唯一のガス積算流量計である。この湿式ガスメータは回転計量ドラムと自由表面を持つ置換封液に、水またはオイルを使用している。封液に水を用いる場合は、水から発生する水蒸気分圧による計量誤差や、水蒸気圧補正 1). の煩雑さが課題である。旧計量法では、1979 年に水蒸気圧補正を実施することが制定された。しかし、筆者が調査した限りでは、この水蒸気圧補正の裏付データも殆どなく、その上、水蒸気圧補正を実施しているものは意外と少ないことがわかった。 2). 1993 年の新計量法以来、国際間のトレーサビリティが重要視され、昨今、水封式・湿式ガスメータを用いた場合の精度向上の要求が高まって来ている。この課題を解決するために、湿式ガスメータの水蒸気発生のメカニズムを明らかにし、質量計測実験によって水蒸気圧補正式を確立、水蒸気圧補正による誤差を小さくすることを目的とする。さらに、水蒸気圧補正が確かなものになれば、油封式と同レベルの精度が補償できることから、校正事業者認定制度（JCSS）においても、水封式湿式ガスメータの値付（校正）も可能にする。本章では、水蒸気圧の発生メカニズムを明らかにし、実験結果をもとに補正式を確立することにより、計測精度の向上を目的とする実験・研究である。以下の内容について述べる。 8-2 節では湿式ガスメータ水蒸気圧補正の実態と課題、 8-2-1 では湿式ガスメータの補正と誤差、 8-2-2 では水蒸気圧補正の現況と問題点、8-2-3 では現在の補正方法、8-3 節では湿式ガスメータの水蒸気圧発生のメカニズム、8-3-1 では湿式ガスメータの構造、8-3-2 では蒸気圧発生のメカニズム、8-4 節では湿度測定の実験、8-4-1 では湿度計測について、8-4-2 では実験１、8-4-3 では実験２、8-5 節では水蒸気圧補正式確立実験、8-5-1 では蒸気圧補正実験装置（水位確認実験）、8-5-2 では実験（質量法）、8-5-3 では結果、8-5-4 では考察、8-6 節では飽和水蒸気圧の実験式と補正方法の確立、8-6-1 では実験式、8-6-2 では実験式の係数、8-7 節ではまとめについて述べる。. 188.

(3) 8-2 8-2-1. 湿式ガスメータの水蒸気圧補正の実態と課題. 湿式ガスメータの補正と誤差. 湿式ガスメータは実量式体積計である。すなわち、「ます」で計量ドラムでガス体積を量る。計量室内の体積はボイル・シャルルの法則に則り、体積は絶対圧力に反比例、絶対温度と比例して膨張、収縮する。また、置換液に用いられる水は、ダルトンの分圧の法則に則り、温度の指数関数として水蒸気分圧が発生（気化）し、ガス体積が膨張する。これらの体積膨張、収縮の変動値を補正することで、ガス体積（流量）を正しく計量出来る。なお、本論文で議論する気体（圧縮性流体）は大気圧近傍、常温下での計測ゆえ理想気体を前提としている。以下、温度、圧力、水蒸気圧について述べる。 (1)温度シャルルの法則により、気体の体積は絶対温度に比例して膨張、収縮する。2.7315℃温度変化すると、体積は 1％変化する。また、1℃変化すると、1／273.15≒0.37％体積変化が生じる。通常の計測ではガスの温度を計り、体積補正が実施されている。 (2)圧力（大気圧も含む）ボイルの法則により、体積は絶対圧力に反比例する。100Pa／101325Pa≒0.1％、すなわち、 100Pa の変動に対して体積が 0.1％変化する。一般の計測にあっては、日常的にこの補正は実施されている。一方、大気圧については、精度の高い気圧計を所有していないことと、大気圧の補正は微小であるとの感覚から、無視している場合が多い。しかし、10hPa 変化したとすると、補正値は約 1％となるので、台風のときや、高度の高いところでの計測には補正が必要である。 (3)水蒸気分圧 3). 1g の水分子が常温で気化すると、約 1500（ml）倍体積膨張変化が生じる。計量法では水封式湿式ガスメータを通過するとき、湿度を含んだ一般の空気は、95％湿潤し計測されるものと規定されているので、その体積膨張分を差引くことになっている。また、飽和水蒸気圧はグラフ化されたものからプロットし、補正するが（8-2-3 項参照）煩雑なため、水蒸気圧補正を行なっていない場合も多く見られる。この補正量は常温で約 2.7％程度となる。このことより、いかに水蒸気圧の影響による計量誤差が大きいかが理解できる。 8-2-2. 水蒸気圧補正の現状と問題点. Table.8-1 は、計測目的別に吸入温度とその補正湿度（％）について、調査の結果をまとめたものである。以下、それぞれの計測目的別に補正の現状と問題点について述べる。. 189.

(4) (1)家庭用ガスメータ. Table 8‑1 水蒸気圧補正の実態. 家庭用ガスメータの検定においては、1979 年. 目的. 測定ガス（入力相対湿度％）. 封液. 湿度補正量（％）. Ａｉｒ. オイル. 不用. （４０〜６０）. （水）. 無. Ａｉｒ. オイル. 不用. （４０〜６０）. （水）. ９０〜９５. 水. １００. 水. １００. 水. １００（無しもある）. 水. 無. 水. 無. 水. 無. 計量法の改正により油封式湿式ガスメータに移家庭用ガスメータ検定. 行することが決定し、順次湿式ガスメータの置換液は水からオイルに代わり、今日では大半がオイ. 湿式ガスメータ校正. ルを用いているので問題はない。水を用いている場合は、早い期間にオイルに変えることが望まし. 環境計測（公害ガス）. い。. ガス機器検査. 環境Ａｉｒ（３０〜９０） LNG・LPG （０）. ガス発生量. (2)湿式ガスメータ校正（校正）. ブローバイガス. 湿式ガスメータの生産は、（株）シナガワが日. ロータメータ校正. 本で一社であることから、今は計量法で規定され. 実ガスエンジン排気ガス. 新エネルギー. 窒素ガス、他（０）水素ガス（０）. た水蒸気圧補正を実施しているので問題はない。湿式ガスメータを他の標準器で校正される場合は、水蒸気圧補正が煩雑なため、できるだけ水蒸気圧補正を省略出来る計測方法がある。水封式湿式ガスメータの上流側に捨てメータといって、加湿湿潤装置を置くことで計量ガスを飽和水蒸気圧（90％以上）にすることで、水蒸気圧補正を省略出来る方式である。この方式は、水蒸気圧補正を省略出来るので、今日まで一般的に多く用いられてきた。しかし、今日のようにより高精度を求める測定の場合には、計測温度環境によっては、露点現象が発生しやすくなり、正確さを欠く場合が生じる危険がある。（イレギュラーに誤差が生じる。）ちなみに、1g の水が常温で気化した場合は、約 1500（mL）倍大きく膨張し、逆に湿度を含んだガスが液化した場合には、約 1500 分の 1 に縮小することになる。 (3)環境計測（公害ガス） 4). JIS Z 8808 排ガスの中の煤塵量測定法を例にしてみると、排ガス体積 V は、大気圧 Pr、メータ入口圧 Pm、水蒸気圧 Ps、ガス温度 t℃の場合、0℃1 気圧ドライ空気に換算して計算をしている。 V ×. 273.15 273.15＋t. ×. Pr＋Pm＋Pv 760. ・・・・・・・（8-1）. （8-1）式よりいえることは、吸入湿度に関係なく、湿式ガスメータ通過後は湿度 100％とみなして補正をしていることがわかる。計測レイアウト図では、湿式ガスメータ上流側に冷却水槽や吸湿管を設置していることから、乾き空気（Dry Air）とみなしている。環境計測においては、計測時の湿度は 100％とみなしている。（計量法では 90％） (4)ガス機器・検定. 190.

(5) 環境計測同様、湿式ガスメータを通過したガスは、湿度補正は 100％で実施している。また、水分を含んだ石炭ガスや、ドライの LNG ガスに関係なく、いわゆる吸入湿度と関係なく湿式ガ 4). スメータを通過したガスの湿度は 100％とみなし、水蒸気圧補正を実施している。 (5)ガス発生量基本的には、ガス機器検査の基準に基づいて計量されているので、100％で水蒸気圧補正をしている場合が大半であり、一部計量法に則り 95％を採用しているところも見られる。また、湿潤ガスで比較しているにもかかわらず、水蒸気圧補正を実施しているという間違えた補正をしているところも一部あった（補正が本来不用にもかかわらず、補正をしている）。この場合、常温で 2.7 ×2＝約 5％の誤差となることを認識しなければならない。 (6)ブローバイガスこれは、自動車エンジンのピストンリンクからリークしたガスを計測するものである。ブローバイガスが高温であるため、途中でいったん冷却をする。そのとき、液化した量の気体体積換算をしていないところに大きな問題点がある。また、大半は水蒸気圧補正をしていない。 (7)ロータメータの校正今日までは、比較的流量の目安に使う目的で使用されてきたが、近年、トレーサビリティ制度の確立とともに、精度の要求が高まってきているが、水蒸気圧補正および大気圧補正を実施していないところが大半である。 (8)新エネルギー（H2）無公害自動車のエンジンの開発を始め、近年水素ガスの正確な計測が要求され始めたが、一部のところでは、水蒸気圧補正も正確に実施されていると. 資料温度補正線図（温度計を使用する場合）. ころがある。しかし、大半は実施されていない。. 35 3 5 % 〜1 0 0 % （ 5 % ピッチ）. 30. 8-2-3. 現在の水蒸気圧補正方法 25. (1)飽和水蒸気圧表ここでは、計量法並びに、日本計量機器工業連合会発行の JMIF「009 気体用流量計器差試験方法」を引用して述 5) べる。. 現在、計量法では吸入湿度 0〜20％の乾燥空気は 90％、. 23℃. 温 20 度計の 15 読み 10 35%. (℃）. 40〜60％の通常の湿り空気は 95％の湿度で計測されるこ. 5. とをベースに、日本機械学会「蒸気表ＳＩ」に基き、付図. 0 0.0. 1 湿度補正線図（湿度計を使用する場合）から誤差（器差）の補正値を求めている（Fig. 8-1 参照）水蒸気圧 100Pa を 0.1％として規定している。また、解説 4.5.2 空気湿度. 191. 100%. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. 空気中の水蒸気による湿度補正量Ｐｓ（％）日本計量機器工業連合会規格より（ＪＭＩＦ 0 0 9 - 1 9 9 5 ）. Fig. 8-1. Compensation of Temperature Diagram.

(6) について、以下のように記されている。『通常の空気は、必ず湿度を有しており、湿度に応じ空気中に含まれる量（水蒸気量）が変化する。たとえば HI という湿度（水蒸気の分圧 PSI）をもった温度 TI、圧力 PI、体積 VI の空気が、湿式ガスメータを通過することによって HQ の湿度（水蒸気の分圧 PSQ）となり、温度、圧力が同一であっても、体積は VQ へと変化する。温度に TI おける乾き空気の分圧を P とすれば、ダルトンの分圧の法則により』 PI＝P＋PSI ，PQ＝P＋PSI＋ΔPS ここに、PQ：湿式ガスメータの通過後の圧力、ΔPS：湿式ガスメータ内で加えられた水蒸気圧ここで、PI＝PQ とおけば体積 VQ は、（8-2）式のように増加する。 VQ＝. P＋PSI＋ΔPS P＋PSI. VI. ＝. 1＋. ΔPS PI. VI. ・・・・・・・（8-2）. (2)計量法 1979 年、計量法改正により、水封式湿式ガスメータは水蒸気圧補正を実施することに制定された（現在の新計量法では、このことについては規定されていないが、実質上使用しており、JMIF に規定している）。補正値は、吸入湿度 0〜20％（Dry Air）の場合は 90％に、40〜60％（普通の湿り空気）吸入湿度は 95％にそれぞれ加湿されて計測される。よって、湿式ガスメータ通過によるその体積膨張分を引算して補正をする。なお、Ps は Fig. 8-1 のグラフより、そのときの水温よりプロットし、水蒸気圧値×0.95（0.90）を用いる。. 192.

(7) 8-3 8-3-1. 湿式ガスメータの水蒸気圧発生のメカニズム. 水蒸気発生のメカニズム. (1)飽和水蒸気圧とは飽和水蒸気圧は温度で定まり、温度との関係は、Fig.8-3、Table 8-2 に示すように指数曲線形のグラフになる。飽和水蒸気圧は温度の指数関数として表わされ、精密な飽和水蒸気圧式が与えられている。 Table 8‑2. 1000. 温度飽和水蒸気圧〔℃〕〔Pa〕 -20 125.6 -10 286.5 0 611.21 10 1228.1 20 2339.2 30 4247.0 40 7385.3 50 12353 60 19948 70 31202 80 47416 90 70182 100 101419 注） JIS Z 8806‐1995による。. 900. 飽和水蒸気圧〔ｈPa〕. 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -20. 0. 20. 40. 60. 80. 100. 温度〔℃〕. Fig.. 8-2. Relation. of. Water. 水の飽和水蒸気圧. Vapor. Pressure. VS. 従来用いられていた国際実用温度目盛（IPTS-68）の改定に伴い、1990 年国際温度目盛（ITS-90） 6). を採用した新しい飽和水蒸気圧表が作られている。（Table.8-2 参照） (2)蒸発（気化） 7) 一般に、液体が気化する場合は拡散現象による。グレアムの法則によると、以下の通り定義し. ている。 (1)気体が小孔から流出する速度（V）は、その気体の密度（ρ）の平方根に反比例するという法則。（1831 年） V＝. 1 ρ. ・・・・・・・・（8-3）. (2)気体および流体の拡散速度は、その分子量 m の平方根に反比例するという法則。 V＝. 1 m. ・・・・・・・・（8-4）. （8-2）、（8-3）式より、液体の粘度や分子量が多いほど気化速度は遅くなるといえる。. 193.

(8) (3)湿式ガスメータの構造湿式ガスメータをひとことで言えば、水（封液）と置換してガスを量るものである。構造は Fig.8-3 に示すように、入口から入ったガスは前室に導かれ、送気管を通って円筒形の計量ドラムの前室に入る。計量ドラム内は３〜５室に分割され、水または他の液体でガスをシールしている。出入口の微小のガス圧力差により、各々分割された部屋にガスが順次. 侵入、吐出を繰り返して、矢印の方. 向に回転する。一回転に排出するガス量は一定であるから、この回転数をカウンター伝達し、積算流量値を計量する。ガスは必ず計量ドラムを通って出口側に排出されるため、微小流量のガスも漏らさず正確に計量する。また構造上測定中は前室、後室の液面変動によって、ドラム内の液位を常に一定に保つようになっている。ドラム材質は通常、黄銅板やステンレス板で接合は半田付けしている。ケースはステンレス板で製作され、封液を貯蔵し、そこには封液の量を決定する液面計、水平度を保つ水準器、圧力マノメータ、温度計が装置されている。. Fig. 8-3. Principle of Wet Gas Meter. (4)湿式ガスメータの場合水封式湿式ガスメータに乾燥空気が湿式ガスメータ入口から封入されると、先ず前室にガスが溜まる。一方、前室では前室の表面積 S1 より常時拡散により水表面の温度の指数関数として飽和水蒸気分圧が発生、水分子が気化し、計量ガスと混合して湿潤し、膨張したガスは吹込管を通ってドラム前室 Din に入り、さらに湿潤が増大する。そのガスがドラム計量室 Dｍに入る。ここでは既に計量を開始している。更に、湿潤を増大しつつガスが計量される。次に計量されたガスは後室 S2 に溜り、更に湿潤が増大し、出口より排出される。計量法では入吸. Fig. 8-4. Cross Section of Water. 入ガスが湿度 0〜20％RH の乾燥ガスは、ドラム計量室では飽和水蒸気圧の 90％、吸入が 40〜60 ％RH の通常空気は同 95％と成ると決めている。. 194.

(9) 次に、それぞれの通過時のガス湿潤度合いを、計量法で示す 95％を仮説として、推定してみる。前室 S1 は表面積が最も大きく、ここでは約 80％近く湿潤する。ドラム前室 Din の水面積は、S1 の約 1/20 と小さく、湿潤の増大は極微小である。計量室 Dm では S1 の約 1/5、このうち半分は計量済みと仮定すると実質 S1 の 1/10 である。その上、S1 で大きく湿潤しているので 15%程度の増加となる。とすると、計量ガスの湿度は約 95％にて後室に溜まる。更に、後室 S2 は S1 の約 1/5 で湿潤が最大になって、出口から排出される。従って、吸入された計量ドライガスの実量は膨張されたまま計量されるので、その水蒸気分圧 Ps を引いた値が実量であるといえる。よって、計量実体積を V、みかけの体積を V´とすると、以下の計算式が成立つ。 P：１atm（Abs） V＝V´. Pr：大気圧（Abs） Pm：入口圧力（G）. Pr＋（Pm−Ps） P. ・・・・・・・・・・（8-5）. 上述の説明は、ガスの流速が一定であることを前提としている。しかし、吸入ガス流速が極端に小さく成った場合は、吸入ガス量が少ないために、前室での水蒸気圧の拡散の方が大きくなる。計測ガスの湿潤は 100％近傍に成ることが容易に予測できる。このことから厳密にいうと、湿潤の度合いは流量により変わることが考えられる。同様に、大流量ではガスの乱流により拡散を喚起し、水蒸気の蒸発量は変動する恐れがある。. 195.

(10) 8-4 8-4-1. 湿度測定の実験. 湿度測定. 水蒸気圧の発生量は本来、湿度を計ることで補正量を求めることが最も好ましいと思われる。しかし、8-3-1 項での湿式ガスメータの構造よりドラム内の湿度計測は不可能である。その上、流れるガス湿度を正確に計ることは極めてむずかしいことである。高精度の露点計（精度後述に同じ）と湿度計測用チャンバーを用いることで最高精度での湿度計測をし、湿式ガスメータから吐出された湿度の計測をした。尚、湿式ガスメータに封入するガスは、湿度 50％の通常空気と、N2 ドライガスの２点について計測した。 8-4-2. 実験１（空気）. Fig. 8-5 は、本実験のレイアウト図である。Fig. 8-6 湿度測定用に特別に製作したアクリル製湿度チャンバーで、Fig. 8-7 は入力湿度 50％のグラフである。温度計（液）露点計. 熱交換器. ブロワー. （温度計測チャンバー）計測器. 湿式ガスメータ（水）. Fig. 8-5. Measuring of Humidity on Wet Gas Meter, Test 1. 整流板. ガス入口露点計. 温度計. ボリューム：1400cc 内径 φ90 長さ（内寸）255mm 材質：アクリル製透明板板厚：５mm 計測器（湿度計測チャンバー）. Fig. 8-6. Measuring Chamber for Humidity. 196.

(11) 吸入湿度 50％. 湿度の測定. ２Ｌ基準器. 27.0. ５Ｌ／ｈ. 100. 26.8. 90. 26.6. 80. 26.4. 70. 26.2 温度 26.0 （℃） 25.8. 60 50 基準器の水温（％）計測器の温度（℃）計測器の湿度（％）. 25.6. 湿度. 40 （％） 30. 25.4. 20. 25.2. 10. 25.0. 0 0. 5. 10. 15. 20. 計測時間（min）. ２Ｌ湿式基準器. 27.0 26.8 26.6 26.4 26.2 温 26.0 度 25.8 （℃） 25.6 25.4 25.2 25.0. ２００Ｌ／ｈ. 100 90 80 70 60 湿 50 度 40 （％） 30 20 10 0. 基準器の水温（℃）計測器の温度（℃）計測器の湿度（％）. 0. 5. 10. 15. 20. 計測時間（min）２Ｌ. 100. 流量別湿度. 90 80 出口湿度（％）. 70 ５Ｌ／ｈ. ２００Ｌ／ｈ. ３００Ｌ／ｈ. ６００Ｌ／ｈ. 60 50 40 0. Fig. 8-7. 5. 10 計測時間（min）. 15. 20. Test Time VS Humidity & Temperature at 50%RH Air 197.

(12) 8-4-3. 実験２（N2Dry）. Fig.8-8. レイアウト図／湿度チャンバーおよびデータグラフ入口温度計出口温度計温度計露天計. （湿度計測チャンバー）. 湿式ガスメータ（２Ｌ）. Fig. 8-8. Layout for Measuring Humidity, Test 2, by NMIJ. ２Ｌ湿式基準器. 25.0 24.8. ３０Ｌ／ｈ. 24.6 24.4 24.2. 温度 24.0 23.8 （℃） 23.6 23.4. 計測器. 100. 25.0. 96. 24.5. 92 湿度 88 （％）. 出口温度出口湿度. 84. 23.2 23.0 1. 2 3 計測時間（ｈ）. ２Ｌ湿式基準器. 25.0. 4. 96 94 92 湿 90 度 88 （％） 86 84 82 80. 24.0 温 23.5 度. 出口温度出口湿度. （℃） 23.0. 0. 1. 2 3 計測時間（ｈ）. ２Ｌ湿式基準器. 25.0. 100. 24.5. 100 98. 22.0. 5. １６０Ｌ／ｈ. ５２０Ｌ／ｈ. 22.5. 80 0. ２Ｌ湿式基準器. 4. 5. ５４０Ｌ／ｈ. 100 98 96. 24.5. 96. 94 92 湿 90 度 88 （％） 86. 24.0. 24.0 温 23.5 度（℃） 23.0. 92 湿度 88 （％）. 出口温度出口湿度. 温 23.5 度. 22.5. 84. 22.5. 22.0. 80. 22.0. 0. 1. 2. 3. 4. 出口温度出口湿度. （℃） 23.0. 84 82 80 0. 5. 1. 2 3 計測時間（ｈ）. 計測時間（ｈ）. ２Ｌ湿式基準器. 25.0. ３５０L／ｈ. 24.5 24.0 温 23.5 度. ２Ｌ湿式基準器. 100. 25.0. 96. 24.5. 4. 5. ７００Ｌ／ｈ 100. 96. 24.0. 92 湿度 88. 23.0. （℃）. （％）. 出口温度出口湿度. 22.5 22.0 0. 1. 2 3 計測時間（ｈ）. Fig.8-9. 4. 92. 温 23.5 度（℃）. 湿度 88. 23.0. 84. 22.5. 80. 22.0. 出口温度出口湿度. 80 0. 5. 1. 2. 3. 4. 計測時間（ｈ）. Test Time VS Humidity & Temperature at N2 Dry Gas 198. 84. 5. （％）.

(13) 8-4-4. 考察. 50％通常空気の場合は、湿式ガスメータの水温の低下は殆ど見られず、湿度約 90％になるには立上り約３分間の時間を要する。湿式ガスメータを通ったガスの湿度は 88〜93％になった。一方、N2 ドライガスの場合、湿式ガスメータの水温の低下は、通常空気に比べ大きかった。このことはドライガスの場合は水の蒸発量が多いため、気化熱による水温の低下が見られる。特に大流量になるにつれてその現象は顕著であり、経過時間につれて湿度の低下が見られる。これは、水温が下がり露点温度の低下による水蒸気圧温度が冷却されるため、メータ内部で液化しているものと推測できる。従って、大流量での質量実験は 90 分以下が好ましいことがわかった。. 8-5 8-5-1. 水蒸気圧補正式確立実験. 水蒸気圧補正実験装置（水位確認実験）. (1)質量法による実験. Fig. 8-10. Layout for Vapor Pressure Compensation. Fig. 8-10 に示してあるように、N2 ボンベから減圧されたガスは熱交換器で温度順化後、jcss で認定された音速ノズル流量標準器で正確な流量を計測する（拡張標準不確かさ 0.15％）。ノズルを経たドライＮ2 ガスは加湿器を通り、ガス湿度を 0〜90％RH に調整できるようになっている。加湿器は、湿度の発生方式としては、２点温度法（JIS B 7920）を用いている。また、加湿器の吐出部は高精度露点計（標準不確かさ 2.0％、バイサラ社製）を基準に吐出湿度が調整できるようになっている。１回転１Ｌ型湿式ガスメータ（（株）シナガワ製）には、ガス温と水温を計る温度計が付いており、計量ドラム軸に直結したエンコーダから 1000P／L のパルス信号が出る。そのパルスはカウンターに接続され、体積、流量、時間が計測できる。湿式ガスメータは電子天秤（メトラートレード社製で評量 16.1kg、分解能 0.1、くり返し性 0.005g）の上に乗り、更に強固な定盤の上に置かれている。電子天秤、湿度計は事前に校正を行い、国家標準にトレーサブルされている。尚、湿式ガスメータを通過した N2 湿潤ガスは大気に開放される。流量別、各湿度別に湿式ガスメータから水蒸気として蒸発減量した質量を量り、その量より水蒸気圧を気体体積に演算し計測した。入力湿度は 0、20、40、60、80（95）％について、大中小の３流量点 400、137、40L／h （2L 型：800、400、80）について計測した。. 199.

(14) また、加湿器と湿式ガスメータ接続ゴムホースのテンションの影響については、事前に調査し、その影響がない事を確認している。そして空調による風や静電気の影響を受けないようにメータ部全体を覆う透明な風防を設けた。実験では、2L 型についても実施した結果、1L 型と同様の傾向にあった。本節では、1L 型について議論するものとした。 8-5-2. 実験データ（質量法）. (1)1L データ，2L データ Fig. 8-11、8-12 は、１L、２L 型の吸入湿度別メータ内の水蒸気減少量のグラフである。横軸は時間を、縦軸は湿式ガスメータの封液減少量、すなわち蒸発量を示し、パラメータは吸入湿度を示している。１Ｌ４０Ｌ／ｈ. 3.0. ２Ｌ. （ｎ＝３、平均値）. 80%. 60%. 40%. 20%. 0%. 95%. 2.5. 80%. 60%. 40%. 20%. 2.5. 2.0 封液減少量. ８０Ｌ／ｈ. 3.0. 封液減少量. 1.5. 1.0. 2.0 1.5 1.0. （ｇ） 0.5. （ｇ） 0.5. 0.0 0.0. 0 0. 30. 60. 90. 15. 30. 120. 計測時間（ｍｉｎ）. １Ｌ１３７Ｌ／ｈ. （ｎ＝３、平均値）. ２Ｌ. 9. 60. 75. 90. ４００Ｌ／ｈ. 15. 8. 封液減少量（ｇ）. 45 計測時間（ｍｉｎ）. 80%. 60%. 40%. 20%. 95%. 0%. 7. 12. 6. 封液 9 減少 6 量. 5 4 3 2. 80%. 60%. 40%. 20%. （ｇ） 3. 1 0. 0 0. 15. 30. 45. 60. 0. 15. 30 計測時間（ｍｉｎ）. 計測時間（ｍｉｎ）１Ｌ. ４００Ｌ／ｈ. （ｎ＝３、平均値）. 8. 80%. 60%. 40%. 20%. 95%. 0%. 80%. 60. ８００Ｌ／ｈ 60%. 40%. 20%. 12. 7. 封液 9 減少 6 量. 6 封液 5 減少 4 量 3. （ｇ）. ２Ｌ. 15. 9. 45. （ｇ） 2. 3. 1. 0. 0 0. 15. 30. 45. 0. 60. Fig.8-11 8-5-3. 15. 30. 45. 60. 計測時間（ｍｉｎ）. 計測時間（ｍｉｎ）. 1L/rev, Dropping of Water. Fig.8-12. 実験結果. (1)計算式 8), 9). 質量から体積への換算式は以下の通りである。. 200. 2L/rev, Dropping of Water Level.

(15) ノズルの通過体積 V、水の分子量 18.015g、水の蒸発質量Ｗ、１g の水が気化したときの体積 ΔV´は以下の式となる。 ΔV´＝22.4／18.015=1.2434（NL）、水蒸気補正量ΔV は以下の式で表わす。 ΔV＝（ΔV´×w×273.15+23／273.15）. ・・・・（8-6）. 補正率 Wv は以下の式となる。 Wv＝. ΔV−V V. ×100. ・・・・・・・・・・・・・（8-7） 3. (2)結果. 日本機会学会補正ﾃﾞｰﾀ. Fig. 8-13 の x 軸は吸入湿度を示し、y 軸は. 2.5. ４０L/h （ｙ＝-0.0253X + 2.7124）. 蒸気 2 圧補 1.5 正. 水蒸気圧補正量（％）を示している。太線は. 400L/h （ｙ＝-0.0234X ＋ 2.4547）. ︵. 飽和水蒸気圧 100％の時の理論値を示す。グラフは 40、137、400L／h の各流量別補. ︶. %. 正曲線を示す。そして式は近似線形補正式を. 1. 0.5. 137L/h （ｙ＝-0.0242X ＋ 2.4728）. 示す。（2L 型もほぼ同様の結果であった。）. 0 0. 20. 40. 60 入力湿度（%）. 80. (23℃). 100. Fig. 8-13 Vapor Pressure Compensation Diagram 1L T ①実験の結果、1L 湿式ガスメータを通過するときの水蒸気圧補正量は、厳密にいうと流量によ (3)考察. り異なる。 ②計量法、JIMF で規定している吸入湿度 40〜60％の湿度補正係数 k は 95％、0〜20％の空気の場合は 90％の補正値を本実験により検証できた。但し、小流量域は除く。 ③さらに高い精度で流量別に温度補正（％）を求める場合は、Fig. 8-13 の図の式をそれぞれ用いれば良い。 8-5-4. 微小流量域への考察. 吸入湿度や流量に関係なく、ガス入力流量が停止すると湿式ガスメータ内の湿度は 100％に収束する。Fig. 8-14 は、今回の 1 回転 1L 型実験の大・中・小の３流量点と入力湿度 0〜80％のデータより、40L／h 以下を推定したグラフである。40L／h 以下になると、指数関数として水蒸気圧補正値は変化することが予測できる。 0. 入力湿度（%) 20. 40. 60. 80. 100. 4.0 3.5 3.0 水蒸 2.5 気圧 2.0 補正 1.5 (%). 1.0 0.5 0.0 0. 100. 200. 300 流量（Ｌ／ｈ）. Fig.. 8-14. Flow. Rate. VS 201. 400. 500. 600. (1L型メータ) 23℃. Humidity. on. Vapor. Pressure.

(16) 8-6 8-6-1. 飽和水蒸気圧の実験式と補正方法の確立. 実験式の確立. (1)従来の求め方. 水の飽和水蒸気圧は温度の指数関数に依存することから、009 気体用流量計器試験方法による 5) と（付図Ⅱ）、「湿度補正線図」より温度から湿度を求めている。. また、計量法では流量に関係なく以下の通りと定めている。吸入湿度 40〜60％湿り空気の場合は 0.95％RH、吸入湿度 20％以下の乾燥空気は 0.9％RH。 (2)近似式による求め方飽和水蒸気の実験式としては、古くは O.Tetens（1930 年）、今日では D.Sonntag（1982 年）、 11). 10) G.Magnus、そして Antonie の式等がある。ここでは Antonie の式（8-8）式を用い、水蒸気圧補. 正式 Wp(%)の（8-9）式が確立できた。 logPs＝[7.203−{ 1735.74／( t＋234 ) } ]. ・・・・・・・・・・・（8-8）. y=Ps×k (Pa),1 気圧 P のとき水蒸気補正 Wp(％)は次式を得る。 Wp＝Ps×100k/P＝10[ 7.203−{ 1735.74／( t＋234 ) } ]×100k/P. (%). ・・・・・（8-9）. Ps＝飽和水蒸気圧（kPa）、t ＝測定温度（℃）…湿式ガスメータの水温 or 出温 k ＝水蒸気圧の補正係数、 k＝0.95（0.90）また、実験式より水蒸気圧補正（％）、小流量域では次式を得た。 Wv＝−0.0253x＋2.7124. ・・・・・・・・・（8-10）. また、実験式として、中・大流量域では以下の式を得た。 Wv＝−0.0238x＋2.4638. ・・・・・・・・・（8-11）. さらに、補正体積 Vc(L)は以下を得た。 Vc=V((-(Wp/100)). ・・・・・・・（8-12）. 理論式(8-9)式と実験式(8-10),(8-11)は良く一致するので(8-9)式を用いるとよい。 Antonie の式（8-8）より、機械学会の基本数値と比較した結果、実使用の 10〜40℃の間で不確さは±0.16％以内であることを確認した。最終体積率への影響は無視できるものである。従って、パソコンを用いれば一連の計算式として計算が可能であり、従来のようにグラフよりプロットする煩わしさを除くことができる。. 202.

(17) 8-7. まとめ. 調査の結果、水蒸気圧補正が正しく補正していない、もしくは実施していないことが多いことが明らかになった。このために筆者は検証の結果、水蒸気圧補正を実施することで水封式湿式ガスメータの計測精度の向上が図れることがわかった。今回、水蒸気の発生量から水蒸気圧補正式及び補正量の実態を計測することができた。これまではすべて理論値しかなかったので、湿式ガスメータの精度向上に寄与できるデータが得られた。実験の結果、１Ｌ湿式ガスメータを通過するときの水蒸気圧は、厳密にいうと流量により異なる。特に 40L／h 以下の小流量域では、吸入湿度 x、容積補正 Wv（％）は以下の式を得た。 Wv＝−0.0253x＋2.7124 （式 8-10）また、中・大流量域では以下の式を得た。 Wv＝−0.0238x＋2.4638 （式 8-11）また、次の理論式 Wp(%)が得られた。 Wp＝Ps×100k/P＝10[ 7.203−{ 1735.74／( t＋234 ) } ]×100k/P. (%) （式 8-9）. さらに、補正体積 Vc(L)は以下を得た。 Vc=V((-(Wp/100)). （式 8-12）. 実験式と理論式は良く一致することが確認された。よって、計量法で示された吸入湿度が通常の湿り空気（40〜60％）の場合は、補正係数ｋは 95％、0〜20％乾燥空気の場合は 90％という値は小流領域を除き、計量法および JMIF の規定を検証出来た。しかるに、（8-9）式を用いれば良い。さらに、補正精度を要求する場合は、流量別（8-10）、（8-11）式を用い、水蒸気圧補正値を求めれば良い。微小流量域については、指数関数で飽和水蒸気圧に収束する。（Fig. 8-14 参照）詳しくは、引続き研究し明らかにする予定である。また、常温では約 2.7％の水蒸気による補正誤差が生じていることに成ることがわかった。本実験のデータを流量計測メーカ等に広く公示して行きたい。最も使用量の多い水封式湿式ガスメータの水蒸気圧補正により測定精度の向上が図られたことは、水封式にあっても流量標準供給用（ＪＣＳＳ）標準器としての使用可能であることを明らかにしたことを示唆している。. 203.

(18) 参考文献 1) 日本ガスメーター工業会編：ガスメーター関係法令例記集，昭和 55 年 1 月 12 日（1980.1.12） 2) 通商産業省計量行政室：新版. 計量関係法令規集，2001.9. 3) 北山直方：熱力学の学び方（第 2 版），127／153，ホーム社，1989.1 4) 環境庁大気保全局担当官編：大気関係の基礎知識 317／412，東京教育情報センター，1999.9 5) 日本計量機器工業連合会：009 気体用流量計器差試験方法，計工連，解説 1／解 9，1995.4 6) 上田政文：湿度と蒸発，コロナ社，83/140，2000.2. 7) 鈴木長寿. 他：物理化学の計算法，22／23，東京電気大学，1997.2. 8) 日本機械学会：蒸気圧表，丸善，1999.11 9) 日本機械学会：流体の熱物性集，8／13，1997. 8 10) 稲松照子：湿度のおはなし，日本規格協会，1999.5 11) 化学工学便覧，No. 3,丸善,1968.3 12) 日本機械学会：湿度・水分計測と環境のモニタ，技報堂出版，1992. 9 13) 工学技術院計量研究所編集協会：改訂計量技術ハンドブック，848/852，コロナ社， 1978.10 14) 木下博巳：湿度のはなし 15) 米山正信：化学のドレミファ７ 16) 日本機会学会編：新版. 水―このふしぎなもの，黎明書房，1997.9. 機械工学便覧. A5. 流体工学，A5−5／A5−15，2000.4. 17) （社）計工連：流量計測の AtoZ，1995 年 9 月 18) 小林. 駿，森田，中尾，高本，小宮：湿式ガスメータの水蒸気圧補正の研究，. SICE 流体計測シンポジウム，2000.10 19) 小林駿，森田，高本，小宮：湿式ガスメータの水蒸気圧補正の研究，SICE 論文集，2001.12 20) 左巻健男：水と空気の 100 不思議，東京書籍株式会社，1997 年 5 月 21) 竹内敬人：化学の基本 6 法則，岩波書店，1992 年 6 月 22) 日本機会学会編：新版. 機械工学便覧 A5. 流体工学，A5−5／A5−15，2000.4. 23) 高分子学会編：「高分子と水」，共立出版株式会社，1996.10 24) 西川. 勝：「気体分子運動」（化学 One Point４），共立出版，1998.4. 25) 鈴木洋：界面と界面活性物質，産業図書，H12.10（2000）. 204.

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第８章 水蒸気圧補正の実験研究 8-1

第８章水蒸気圧補正の実験研究 8-1