JP2001091369A - ガス温度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ガス温度変動の中で数分間以下の短い時間の
間の変動成分の把握、あるいは負荷変化時のガス温度の
計測など、過渡状態のガス温度、ガス流速の計測が可能
な音波を用いた計測装置を提供する。 【解決手段】給水はポンプ２１からボイラ壁面を構成す
る水冷壁２２に供給されて加熱される。一方、燃焼制御
手段２３により、燃料２４，２５及び空気２６，２７が
バーナ２０に供給されて燃焼を行う。このとき、燃料性
状に応じて燃焼ガスの一部を再循環２８としてバーナ２
０の下方より供給する。音響式ガス温度計測装置はガス
の流路への音波信号送出手段１と、音波信号伝播時間検
出手段２と、伝播時間検出値の時間変化記憶手段３と、
ガス温度推定値変化の記憶手段４と、信号伝播時間変化
予測手段５と、偏微分係数の算出手段６と、検出値と予
測値の偏差算出手段７とガス温度変化の推定手段８及び
収束判定手段９で構成され、ガス温度推定値１０が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音波を用いた計測
装置の信号処理法に係わり、ことに、過渡状態のガス温
度、ガス流速の計測に好適な計測装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】ガス流路の温度計測法として音速の温度
依存性を用いる音波式温度計は、測定対象に非接触であ
り、流路内の現象に悪影響を与えず、耐久性に富むもの
であり、センサへの輻射伝熱による誤差を生じない等の
優れた特徴を有しいる。音波式温度計は、特に１０００
℃を超えるガス流路内のオンライン計測法に使用するも
のとしては事実上、唯一の方法である。

【０００３】ガス流路内のオンライン計測装置は送出信
号発生部、スピーカ、マイクロフォン及び受信信号処理
部で構成され、既知の伝播経路長（スピーカーとマイク
ロフォン間）において、既知の音波信号の伝播時間を検
出することで音速を求め、これを用いてガス温度を算出
している。

【０００４】当該音波式温度計を炉幅３０ｍを超えるよ
うな大型ボイラに適用するため、しかも、過渡状態を含
めた計測に適用するため、筆者らは様々な発明を提案し
た。例えば、既出願の明細書（特開平９−１７８５７６
号）で述べる通り、炉内送出波形は鋭い自己相関の波形
が最適であり、Ｍ系列符号に着目し、正弦波のＰＲＫ
（Phase Reversal Keying)変調を用いる手法を実用化し
ている。

【０００５】さらに、マイクロフォン受信信号の処理に
ついては、既出願の明細書（特開平８−１４５８１２
号）に記載されている通り、既知波形の信号検出に最適
（フィルタ通過後のＳ／Ｎが最大）なＦＩＲフィルタは
マッチドフィルタであり、これを、炉内の有色雑音混入
に対処するため、炉内雑音スペクトルの同定の後、雑音
を白色化（スペクトルの平坦化）し、当該白色化による
既知波形の変化を考慮してマッチドフィルタでＳ／Ｎ最
大の信号検出を行う手法を実用化している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術に述べた
２つの出願発明に係わる音響式ガス温度計は、それらの
発明以前の技術に比較すれば、はるかに良好な計測性能
を実現している。しかしながら、より大型のガス流路へ
の適用や、ボイラのバーナ近傍での計測のように、計測
に係わる誤差要因の影響が著しい場合は、前記発明に基
づく方法をもってしても計測精度が落ちることは避けら
れない。

【０００７】また、騒音問題及び一般的なスピーカやア
ンプの許容電力の制約から音波信号出力を増強する方法
には限界があるため、いかに受信信号処理法を改善する
かが技術的課題である。

【０００８】この課題に対して、従来より、例えば数分
程度にわたる計測値の平均化処理により、雑音の影響を
緩和する方法が知られており、この方法は、もし、負荷
整定状態のガス温度計測に限定すれば、ある程度の実用
性はある。しかしながら、前記平均化処理法を採用する
と、実際のガス温度変動の中で、平均化処理に要する数
分間以下の変動成分は把握できなくなるし、まして、負
荷変化時のガス温度計測には本質的に対応できないか
ら、きわめて不満足な対策と言わざるを得ない。

【０００９】本発明の課題は、ガス温度変動の中で数分
間以下の短い時間の間の変動成分の把握、あるいは負荷
変化時のガス温度の計測など、過渡状態のガス温度、ガ
ス流速の計測が可能な音波を用いた計測装置を提供する
ことである。

【００１０】また、本発明の課題は、しかるべき根拠を
持って、一定の時間区間の過去からの計測値全体から、
現時点のガス温度の真値を推定することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述の従来技術の温度計
測精度の低下の問題に対し、スピーカの電力増加を実施
しない前提とすることから、ある時点の計測値自体に着
目するならば、前述した２つの特許出願発明にかかわる
方法以外に有効な方法はない。しかしながら、ある時間
区間の計測値の集合に着目し、次の性質を用いるなら
ば、さらなる性能改善の余地がある。

【００１２】すなわち、現時点より一定の時間区間の過
去において得られた何点かの計測値（誤差を含む）の集
合から現時点のガス温度の真値を推定すればよい。その
場合、例えば過去数分の計測値に放物線などの適当な関
数を最小２乗法で当てはめて、当てはめられた関数の値
をもって求める推定値となす安易な手段も考えられる。
しかし、この方法は計測値の時間変化が理論的に放物線
などの関数型となる旨の証明がない限り、当該処理が正
しい処理であるとする根拠に乏しいと云わざるを得ず、
単に便宜上の手段であって、少なくとも計測装置に適す
る技術ではない。

【００１３】すなわち、本発明は、しかるべき根拠を持
って、一定の時間区間の過去からの計測値全体から、現
時点のガス温度の真値を推定することができる温度計測
方法と装置であり、具体的には、以下の根拠に基づく信
号処理手段をもって構成される。

【００１４】（１）各時点のガス温度は独立ではなく、
ガスや流路構造物の熱容量により互いに影響する。簡単
な例としては、ガス温度がある時定数で変化する状態は
現時点の温度が過去の温度に強い相関を有するから発生
するのである。言い換えれば、各時点のガス温度は様々
な値を取り得るが、それを集合として考えると、そこに
は統計量を検討すべき法則性があり、その自己共分散
（平均値＝０ならば自己相関に一致）には時点間のクロ
スターム成分があり、当該成分は一定と見なし得る。ま
た、当該自己共分散関数はガスや流路構造物の熱容量、
相互間の熱伝達から予め算出しても良いし、燃料量のス
テップ変化試験などの典型的なケースに着目して実験的
に求めても良い。

【００１５】（２）ガス温度と音波信号伝播時間の関
係、計算機利用による電波時間識別過程はいずれも非線
形であり、一般には当該計測にかかわる誤差（雑音とみ
なせる）の確率分布は不明（系が線形であるとき、入力
がガウス分布であれば出力は必ずガウス分布となるが、
系が非線形であると、当該一般論は成立しないため）で
ある。しかしながら、中心極限定理（参考文献：清水
「中心極限定理」教育出版、東京、１９７６年）によれ
ば、同一計測時点で任意の確率分布に従う多くの誤差要
因が混入する部位において、当該誤差要因が互いに独立
であれば、極めて特殊な例外を除いて、当該影響の総合
効果はガウス分布に従う雑音で近似できる。本計測にお
いて、最も多くの独立な誤差要因が複合するのは、信号
伝播時間の識別であり、従って、信号伝播時間検知にか
かわる誤差は同一計測時点でガウス分布と見なせる。

【００１６】（３）信号伝播時間検知にかかわる誤差は
一般に有色性（雑音のスペクトルが平坦ではない）であ
る。このことから、ガス温度一定の条件で当該伝播時間
の値の変動があれば、雑音のスペクトルを同定すること
ができる。また、当該スペクトルは急激には変化しない
から、当該スペクトルに基づき白色化フィルタを設計す
れば、一般の計測時において、当該フィルタを用いて、
信号伝播時間検知にかかわる誤差をガウス白色性の雑音
に変換できる。また、同様にガス温度一定の条件で、こ
のとき白色化後の雑音の変動から、ガウス分布の統計量
（平均、標準偏差）を算出できる。

【００１７】（４）上述の３項目より、本論におけるガ
ス温度計測の問題は、既知の自己共分散を有する非線型
プロセスに、既知統計量のガウス白色性雑音が混入した
際の区間推定に位置づけられ、これは、当該雑音を含む
伝播時間の計測値の時間変化を得た条件でベイズの定理
を用いたＭＡＰ（最大事後確率）推定の問題に帰着でき
る。

【００１８】上述の４つの項目を具体化するにあたり若
干の語句の説明を行う。実際に存在する物理量であって
も時間的、空間的に「ゆらぎ」があり、たとえ同一条件
で時間変化の再現試験を行っても、刻一刻の実現値ｒに
「ばらつき」が避けられない場合は、これを確率変数Ｒ
で表記し、Ｒがｒとなる確率密度関数ｆ _Ｒ（ｒ）を考え
る。これにより、実現値の集合について統計量（平均μ
_Ｒ、標準偏差σ_Ｒ、自己共分散Ｋ_Ｒ等）を用いた議論が
展開できる。

【００１９】以上は確率変数Ｒについて関連記号を例示
したが、他の確率変数Ａ等についても同様にｆ_Ａ（ｒ）
等と表記する。なお、何らかの規範（最小分散、最大事
後確率等）で確率変数Ａを代表する値を得た場合、これ
を、推定値は確率変数Ａそのものでないため

【数１】 と表記する。

【００２０】さらに、本発明ではディジタル信号処理を
用いるため、以下の議論を通じ、Ｒ等の大文字は、考慮
する時間区間を所定の間隔で分割した際の各時点の次の
確率変数を要素とするベクトル、ｒ等の小文字は対応す
る確率変数の実現値を示すベクトルである。すなわち、
以下の議論においてベクトルはすべて同一次元であり、
当該要素は順に同一時点に対応している。

【００２１】まず、本発明の課題の数学的定式化は「ガ
ス流路における逐次の温度を確率変数を要素とするベク
トルＡに応じて、物理的関係ｓ（Ａ）（具体的には音速
のガス温度への依存性）に基づいて信号伝播時間ベクト
ルＲが支配され、かつ、当該検出値は白色性の誤差ベク
トルＷが混入している観測過程がある。このとき、信号
伝播時間の実現値ベクトルｒ（ある検出値の列）を得た
際、最大事後確率（ＭＡＰ）規範の下で逐次の温度の推
定値

【数１】 を求める。」である。

【００２２】すなわち、観測過程は次式と仮定する。

【００２３】

【数２】 ここに、温度の単位は［Ｋ］、ｄは音波の伝播距離（ス
ピーカーマイク間）、εは音速算出係数で対象ガスの物
性値、添え字ｋは時点ｔ_ｋ＝ｔ_ｏ＋ｋ△ｔを示し、ｔ_ｏ
は対象とする時間区間の起点、△ｔはサンプリング間
隔、添え字ｎは当該時間区間の終点である。

【００２４】更に、信号伝播時間Ｒの検出誤差である雑
音Ｗは、当該雑音Ｗが有色（スペクトルが平坦とはみな
せない）の場合は推定に係わる演算が以下のように簡単
な議論に帰着しない。従って、以下の説明にあたって
は、必要な場合は白色化を行う前提により、信号伝播時
間検出誤差は白色雑音として議論を進める。この場合、
上述したように当該雑音は多くの独立な誤差要因の複合
であり、中心極限定理かガウス分布で近似でき、かつ白
色性より、その確率密度関数は独立な分布の積となり、
統計量は以下に示せる。

【００２５】

【数３】 ここに、Ｅ｛・｝は期待値演算、Ｎ_ｏ／２は白色雑音の
強度、δ_ｋ，ｍ はクロネッカの記号である。

【００２６】また、求める温度に係わり、前述の通り統
計量として平均ｍ_Ａ（計測にあたり、ガスの物性値な
ど、を算出したり、較正を行う基準温度）と自己共分散
Ｋ_Ａ（クロスタームを有し、必然的に有色性となる）に
再現性がある場合、当該情報のみから仮定できる最善の
確率分布はガウス分布（一般に独立とは言えない）とな
り、次式となる。

【００２７】

【数４】 ここに、│・│は行列式の値を示す。

【００２８】いま、ガス温度Ａ（一般に揺らぎを有す
る）が実現値ａとなった現象が起こった条件の下で、音
波伝播時間Ｒが実現値ｒとなる確率密度関数ｆ_Ｒ │ _Ａ
（ｒ│ａ）は数式（１）により次式に表される。

【００２９】

【数５】 ここで、ベイズ定理を用いれば次の通り音波伝播時間Ｒ
が実現値ｒとなった現象が起こった条件の下で、ガス温
度Ａが実現値ａとなる確率密度関数ｆ_Ａ │ _Ｒ（ａ│
ｒ）を求めることができる。

【００３０】

【数６】 上式は音波伝播時間計測値ｒを得た際に、ガス温度がａ
近傍にある確率密度関数（当該確率に比例すると考えて
良い）を与えるから、当該関数を最大にするａが、最大
事後確率（ＭＡＰ）最大規範のもとで求める

【数１】 となる。

【００３１】従って、（２）、（３）、（４）式を
（５）式に代入し、ａの各要素について偏微分すること
により、求める推定値

【数１】 は次の連立方程式を満足するａの値として与えられる。

【００３２】

【数７】 このとき、（１）式よりｓ（ａ_ｋ）の具体的な関数形は
既知であるから、（６）式を変形した次式の代入の繰り
返しで求解可能であり、ａの各要素について当該代入前
後で所定の変動幅以下になった状態をもって、収束した
とみなせばよい。

【００３３】

【数８】

【００３４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態とし
て、ボイラ装置への適用例を示す。給水はポンプ２１か
らボイラ壁面を構成する水冷壁２２に供給されて加熱さ
れる。一方、燃焼制御手段２３により、燃料２４、２５
及び空気２６、２７がバーナ２０に供給されて燃焼を行
う。このとき、燃料性状に応じて燃焼ガスの一部を再循
環２８としてバーナ２０の下方より供給する。当該再循
環燃焼ガス量を増加／減少すると、燃料２４、２５の供
給量を変化させなくても、火炉熱吸収量を減少／増加さ
せることができる。

【００３５】当該制御にあたり、負荷変化時などを含
め、水冷壁２２の熱吸収量を適正値に維持する必要があ
り、当該熱吸収量を水冷壁２２内の水または蒸気の温度
変化として検出したのでは、水冷壁２２などを構成する
伝熱管の熱容量の影響で相当に鈍い（遅れの大きい）計
測となるため、燃焼ガス流路２９のガス温度を知ってガ
ス側が水冷壁２２に与える熱量を勘定し、燃焼制御手段
２３にフィードバックを行う設計となっている。このと
き、技術的な鍵となるガス温度計測には、本発明に係わ
る音響式ガス温度計測を採用する。

【００３６】本発明に係わる音響式ガス温度計測装置は
図１に示すとおり、ガスの流路への音波信号を送出する
音波信号送出手段１と、音波信号送出手段１から既知距
離を隔てた部位への当該音波信号伝播時間を検出する音
波信号伝播時間検出手段２と、該検出手段２による伝播
時間検出値の時間変化を予め設定した期間分だけ保存す
る記憶手段３と、予め実施した当該期間における当該流
路のガス温度推定値時間変化の記憶手段４と、該記憶手
段４の推定値時間変化に基づく当該信号伝播時間変化の
予測をする信号伝播時間変化予測手段５と、前記記憶手
段４の推定値時間変化に基づく信号伝播時間の当該ガス
温度についての偏微分係数の算出手段６と、当該音波信
号伝播時間について記憶手段３に保存した検出値と予測
手段５による予測値の偏差を算出する偏差算出手段７
と、該偏差算出手段７による偏差と偏微分係数算出手段
６による偏微分係数に基づいて当該流路のガス温度の時
間変化の推定手段８と、当該推定手段８による推定値に
ついて今回の計算に係わる推定手段８の推定値と前記ガ
ス温度推定値時間変化の記憶手段４の記憶値との比較に
よる収束判定手段９を有し、収束判定手段９の判定結果
が収束時は推定手段８の推定値を求める計測値となし、
未収束時は推定手段８の推定値を記憶手段４に記憶させ
て信号伝播時間変化予測手段５から収束判定手段９に係
わる処理を再度実施する。

【００３７】以上の内、音波信号送出手段１と音波信号
伝播時間検出手段２については、いろいろな実施方法が
考えられるが、例えば、筆者らの発明、特開平９−１７
８５７６号、特開平８−１４５８１２号公報に記載した
スピーカを含む音波発生装置特開昭マイクロフォンがそ
れぞれ音波信号送出手段１と音波信号伝播時間検出手段
２に相当する。

【００３８】本発明に係わる、図１に示す動作について
は、（７）式の計算に帰着し、以下に具体的に説明す
る。

【００３９】まず、音波信号伝播時間検出手段２におい
て得た次の音波信号伝播時間検出値ｒの各要素（所定サ
ンプル間隔でＡ／Ｄ変換したデータ）を伝播時間検出値
の時間変化の記憶手段３で保存して用いる。また、ガス
温度推定値の時間変化の記憶手段４は（７）式の左辺の
値ａ各要素を保存し、当該値に基づいて信号伝播時間変
化予測手段５はｓ（ａ）の各要素を、ガス温度の偏微分
係数算出手段６は

【数９】 の各要素を計算する。さらに偏差算出手段７はｒ−ｓ
（ａ）の各要素を計算し、未収束時は推定手段８は手段
６，７の算出値より（７）式の計算を行う。最終的に収
束判定手段９はガス温度推定値の時間変化の記憶手段４
に保存した前回のａの各要素と未収束時は推定手段８で
求めた今回のａの各要素を比較して収束判定を行う。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、ガス温度変動の中で数
分間以下の短い時間の間の変動成分の把握、あるいは負
荷変化時のガス温度の計測など、過渡状態のガス温度、
ガス流速の計測が可能になり、一定の時間区間の過去か
らの計測値全体から、現時点のガス温度の真値を推定す
ることで可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を説明する図である。

【符号の説明】

１ 音波信号送出手段 ２ 音波信号伝
播時間の検出手段 ３ 伝播時間検出値変化の記憶手段 ４ ガス温度推
定値変化の記憶手段 ５ 音波信号伝播時間変化の予測手段 ６ 偏微分係数
の算出手段 ７ 検出値と予測値の偏差算出手段 ８ ガス温度変
化の推定手段 ９ 収束判定手段 １０ ガス温度
推定値 ２０ バーナ ２１ 吸水ポン
プ ２２ 水冷壁 ２３ 燃焼制御
手段 ２４ 燃料 ２５ 燃料 ２６ 空気 ２７ 空気 ２８ 燃焼ガス再循環 ２９ 燃焼ガス
の流路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスの流路と、 当該ガス流路への音波信号送出手段１と、 音波信号送出手段から既知距離を隔てた部位への当該音
   波信号伝播時間の検出手段と、 音波信号伝播時間検出手段により得られた逐次の伝播時
   間検出値を予め設定した期間分だけ保存する伝播時間検
   出値記憶手段と、 予め実施した当該期間における当該ガス流路の逐次のガ
   ス温度推定値の記憶手段と、 ガス温度推定値記憶手段の逐次の推定値に基づく逐次の
   音波信号伝播時間の予測手段と、 ガス温度推定値記憶手段の逐次の推定値に基づく信号伝
   播時間の当該ガス温度についての逐次の偏微分係数の算
   出手段と、 伝播時間検出値記憶手段に保存した逐次の伝播時間検出
   値と逐次の音波信号伝播時間予測手段による予測値の逐
   次の偏差を算出する伝播時間偏差算出手段と、 伝播時間偏差算出手段による偏差と偏微分係数算出手段
   による偏微分係数に基づいて当該ガス流路の逐次のガス
   温度を推定するガス温度推定手段と、 今回の計算に係わるガス温度推定手段での推定値とガス
   温度推定値記憶手段の記憶値との比較による収束判定を
   するガス温度収束判定手段とを有し、ガス温度収束判定
   手段の判定結果が収束時はガス温度推定手段の推定値を
   求める計測値となし、未収束時はガス温度推定手段の推
   定値をガス温度推定値記憶手段に記憶して音波信号伝播
   時間予測手段による逐次の音波信号伝播時間予測からガ
   ス温度収束判定手段によるガス温度の収束判定までの処
   理を再度実施することを特徴とするガス温度計測装置。
2. 【請求項２】 ガス温度推定手段において、当該ガス流
   路における混入雑音のスペクトルに基づく白色化フィル
   タを設け、伝播時間偏差算出手段による偏差を当該フィ
   ルタで処理することを特徴とする請求項１記載のガス温
   度計測装置。