JP2006138517A

JP2006138517A - 燃焼状態計測方法および燃焼状態計測装置

Info

Publication number: JP2006138517A
Application number: JP2004327373A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kadowaki; 敏門脇; Junichiro Nukui; 純一郎貫井
Original assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Current assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-11
Also published as: JP3991108B2

Abstract

【課題】燃料の種類や燃焼条件にとらわれることがなく、あらゆる燃焼状態を計測することができる、汎用性のある、しかもコストパフォーマンスに優れた燃焼状態計測装置を提供できるようにすること。
【解決手段】火炎１からの発光の照度変化を電流変化に変換するセンサー３と、前記電流変化を電圧変化に変換する電流電圧変換アンプ４と、前記電圧変化を信号波形として処理するデータ収集装置５と、前記信号波形を時系列解析する信号処理装置６とを有するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼状態を簡易に計測することができる燃焼状態計測方法および燃焼状態計測装置に関するものである。

従来、燃焼状態を把握するには、目視観察、写真撮影、ビデオ撮影などがあるが、見えにくい火炎（水素火炎など）の燃焼状態や観測困難な燃焼器内の燃焼状態を知ることは困難であった。見えにくい火炎を計測する手法として、シュリーレン法やホログラフィ干渉法などがあるが、大規模な装置を必要とするので、汎用性には乏しい。なお、従来の燃焼状態計測装置としては、特許第３２５６５９２号公報や特開２００４−６９１８６号公報などに記載されたものがある。

しかしながら、燃料の種類や燃焼条件にとらわれることがなく、あらゆる燃焼状態を計測することができる、汎用性のある、しかもコストパフォーマンスに優れた燃焼状態計測装置はなかった。
特許第３２５６５９２号公報特開２００４−６９１８６号公報

解決しようとする問題点は、燃料の種類や燃焼条件にとらわれることがなく、あらゆる燃焼状態を計測することができる、汎用性のある、しかもコストパフォーマンスに優れた燃焼状態計測装置を提供するという点である。

本発明は、前記課題を解決するために、火炎からの発光の照度変化を電流変化として取り出し、前記電流変化を電圧変化に変換しデータ収集して信号波形を取り出し、前記信号波形を時系列解析することで燃焼状態を把握することを特徴とするものである。

また、火炎からの発光の照度変化を電流変化に変換するセンサーと、前記電流変化を電圧変化に変換する電流電圧変換アンプと、前記電圧変化を信号波形として処理するデータ収集装置と、前記信号波形を時系列解析する信号処理装置とを有することを特徴とするものである。

また、前記センサーにフォトダイオード、または光電子増倍管を用いることを特徴とするものである。

また、火炎からの発光を干渉フィルターを介して前記センサーが受光することを特徴とするものである。

本発明の燃焼状態計測方法は、小型のセンサーを用いるので、汎用性があり、しかもセンサーが安価であるので、コストパフォーマンスに優れている。また、燃料の種類や燃焼条件にとらわれることがないので、あらゆる燃焼状態を計測することができる。従って、燃焼状態の簡易計測法として、幅広く用いられることが期待される。

本発明の燃焼状態計測方法は、火炎からの発光の照度変化を電流変化として取り出し、前記電流変化を電圧変化に変換しデータ収集して信号波形を取り出し、前記信号波形を時系列解析することで燃焼状態を把握するものである。このように構成することにより、燃料の種類や燃焼条件にとらわれることがないので、あらゆる燃焼状態を計測することができる。また、本発明の燃焼状態計測装置は、火炎からの発光の照度変化を電流変化に変換するセンサーと、前記電流変化を電圧変化に変換する電流電圧変換アンプと、前記電圧変化を信号波形として処理するデータ収集装置と、前記信号波形を時系列解析する信号処理装置とを有するものである。このように構成することにより、小型のセンサーを用いるので、汎用性があり、しかもセンサーが安価であるので、コストパフォーマンスに優れている。また、燃料の種類や燃焼条件にとらわれることがないので、あらゆる燃焼状態を計測することができる。従って、燃焼状態の簡易計測法として、幅広く用いられることが期待される。

近年の環境問題に対する意識の高まりの中で、天然ガスの主成分であるメタンの希薄燃焼が注目されている。その理由は、他の炭化水素の燃焼と比べ発熱量当たりの二酸化炭素排出量が最も少ないこと、並びに、燃焼温度の低下により排気ガス中の窒素酸化物濃度が非常に低くなることである。従って、環境負荷の低減に直接結びつくメタン・空気混合気の希薄燃焼は、今後、益々盛んに用いられると考えられる。

メタンは空気より軽いので、その希薄燃焼では火炎が不安定になり易い。この不安定性は、主に拡散・熱的効果と流体力学的効果に起因し、火炎の形状やゆらぎと密接に関連する。本発明では、メタン・空気混合気の希薄燃焼を取り扱い、火炎からの発光の照度変化を測定する。周波数解析、並びにカオス時系列解析で用いられている手法を採用して、ゆらぎの特性を調べる。そして、固有不安定性がゆらぎに及ぼす影響を明らかにする。なお、この手法は、気体燃料のみではなく、液体燃料や固体燃料にも適用可能で、一般的な燃焼状態の計測に利用することができる。

図１は、本発明で使用している実験装置の概略図である。平面バーナー１０の上流側で混合されたメタン１１（純度９９．９９％）と乾燥空気１２の混合気が、バーナー１０下部から流入する。混合気の流量は３５ｌ／min.一定とし、当量比φは０．６４〜１．００とする。直径６０ｍｍの多孔質板１３上にセル状または平面状の予混合火炎１が形成される。

火炎１のゆらぎの測定は、図２に示した構成の測定装置で測定する。フォトダイオード３は、浜松ホトニクス製Ｓ１２２３−０１、受光面３．６×３．６ｍｍ、感度波長範囲３２０〜１１００ｎｍ、最大感度波長９６０ｎｍである。フォトダイオード３の前方に干渉フィルター２を設け、ＣＨ発光を受光する。干渉フィルター２は、光伸光学工業製ＢＷＢＥ４３１、形状φ２０×４．５、最大透過波長４３１．０ｎｍ、半値幅４．５ｎｍである。火炎からのＣＨ発光の照度変化を電流変化として取り出し、電流・電圧変換アンプ４を介してデータ収集装置５に取り込む。電流・電圧変換アンプ４は、浜松ホトニクス製Ｃ２７１９、遮断周波数１．６ｋＨｚ、Ｖ／Ａ＝１０の9乗である。データ収集装置５は、ＫＥＹＥＮＣＥ製ＮＲ−２０００、Ａ／Ｄ変換分解能１４bitである。サンプリング周波数は５００Ｈｚ、測定時間は２６２．１４４secである。信号波形をコンピュータ（信号処理装置）６で処理して、測定値を平均値で標準化したｙ（ｔ）のパワースペクトルを求める。

また、カオス時系列解析で用いられている手法を採用し、ゆらぎをカオス力学の観点から調べる。アトラクタの再構成には、ターケンス（Takens）の埋め込み定理を用いる。遅れ時間τ＝１／４ｆ１とし、3次元再構成状態空間ｖ（ｔ）＝（（ｙ（ｔ）、ｙ（ｔ＋τ）、ｙ（ｔ＋２τ））でアトラクタを再構成する。また、相関次元と最大リアプノフ指数を求め、アトラクタの幾何学的な構造とその軌道不安定性を調べる。

以上のように、火炎１からの発光をセンサー３（フォトダイオードや光電子増倍管など）で受光し、その信号を時系列解析する。そして、ゆらぎ強度、パワースペクトル、交差率分布、アトラクタ、相関次元、リアプノフ指数などを求める。これらは、燃焼状態と強い関連性があるので、発光信号の時系列解析をすることにより、燃焼状態を簡易に計測することができる。特に、見えにくい炎（水素火炎など）の燃焼状態や観測困難な燃焼器内の状態を知る場合、この手法は非常に有効である。加えて、センサーは比較的安価であるので、従来の燃焼計測手法と比較して、コストパフォーマンスに優れている。

次に、周波数解析について説明する。図３は、当量比φ＝０．６４、０．７４、１．００におけるＣＨ発光変動のパワースペクトルを示したものである。横軸は周波数、縦軸はパワースペクトルである。全ての場合において、パワースペクトルは低周波数域で1／ｆに比例し、矢印で示した２つのピーク周波数ｆ１とｆ２が観察される。ｆ２はｆ１の2倍の周波数と一致しており、ｆ１の調和周波数であると考えられる。火炎１の挙動を図１に図示したように、ミラー２１を介してディジタルビデオカメラ２０（ＳＯＮＹ製ＤＣＲＩＰ２２０Ｋ，１０８万画素）で撮影した結果、平面火炎１におけるｆ１は火炎１下流側高温部の振動数と一致し、セル状火炎１におけるそれはセル部分の振動数と一致することが明らかになった。このことから、平面火炎１のゆらぎは高温燃焼ガスと周囲の空気との間に生ずる対流が原因であり、セル状火炎１では、その要因に拡散・熱的効果が加わって揺らいでいると考えられる。

次に、カオス時系列解析について説明する。図４は、当量比φ＝０．６４、０．７４、１．００におけるアトラクタを示したものである。各アトラクタはトーラス的な形状を有している。アトラクタの形状は、平面火炎（φ＞０．７４）ではあまり変化しないが、セル状火炎ではφが小さくなると共に拡大する。これは、ゆらぎの振幅が大きくなるからである。図５は、相関次元Dcと埋め込み次元ｍの関係を示したものである。当量比φ＝０．６４、０．７４、１．００において、相関次元Dc＝１．６、２．３、２．０である。つまり、相関次元Dcは当量比φ＝０．７４で最大値をとる。図６は、最大リアプノフ指数λと当量比φの関係を示したものである。最大リアプノフ指数λは当量比φ＝０．７４で最大値（λ＝０．４２）をとり、当量比φが小さくなると共に減少する。これらの結果は、当量比φが小さくなると不安定性が強くなりセル状の火炎面が形成されるが、火炎の揺らぎ方はより規則的になることを示している。つまり、当量比φが小さくなると、ゆらぎの振幅が大きくなるにも拘らず、アトラクタはリミットサイクルに近くなり、揺らぎ方はより周期的になる。

以上のように本発明の燃焼状態計測方法は、火炎からの発光の照度変化を電流変化として取り出し、前記電流変化を電圧変化に変換しデータ収集して信号波形を取り出し、前記信号波形を時系列解析することで燃焼状態を把握するものである。このように構成することにより、燃料の種類や燃焼条件にとらわれることがないので、あらゆる燃焼状態を計測することができる。また、本発明の燃焼状態計測装置は、火炎１からの発光の照度変化を電流変化に変換するセンサー３と、前記電流変化を電圧変化に変換する電流電圧変換アンプ４と、前記電圧変化を信号波形として処理するデータ収集装置５と、前記信号波形を時系列解析する信号処理装置６とを有するものである。このように構成することにより、小型のセンサーを用いるので、汎用性があり、しかもセンサーが安価であるので、コストパフォーマンスに優れている。また、燃料の種類や燃焼条件にとらわれることがないので、あらゆる燃焼状態を計測することができる。従って、燃焼状態の簡易計測法として、幅広く用いられることが期待される。

本発明の一実施例の実験装置を示す概略図である。本発明の一実施例の主要部概要構成を示すフロー図である。本発明の一実施例の周波数解析を行った結果を示すグラフである。本発明の一実施例のカオス時系列解析を行った結果を示すグラフである。本発明の一実施例のカオス時系列解析を行った結果を示すグラフである。本発明の一実施例のカオス時系列解析を行った結果を示すグラフである。

符号の説明

１火炎
２干渉フィルタ
３フォトダイオード
４電流・電圧変換アンプ
５データ収集装置
６信号処理装置

Claims

火炎からの発光の照度変化を電流変化として取り出し、前記電流変化を電圧変化に変換しデータ収集して信号波形を取り出し、前記信号波形を時系列解析することで燃焼状態を把握することを特徴とする燃焼状態計測方法。
火炎からの発光の照度変化を電流変化に変換するセンサーと、前記電流変化を電圧変化に変換する電流電圧変換アンプと、前記電圧変化を信号波形として処理するデータ収集装置と、前記信号波形を時系列解析する信号処理装置とを有することを特徴とする燃焼状態計測装置。
請求項２に記載の燃焼状態計測装置において、前記センサーにフォトダイオード、または光電子増倍管を用いることを特徴とする燃焼状態計測装置。
請求項２に記載の燃焼状態計測装置において、火炎からの発光を干渉フィルターを介して前記センサーが受光することを特徴とする燃焼状態計測装置。