JP2020165830A - 火炎検出システムおよび火炎レベル検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応速度が速く電源電圧の変動の影響を受けることなく、火炎の状態を確認する方法を提供する。【解決手段】火炎検出システムは、火炎１００から生じる紫外線を検出する火炎センサとなるＵＶセンサ１と、ＵＶセンサ１に駆動電圧を印加する印加電圧生成部３と、ＵＶセンサ１の放電を検出する放電検出部４と、検出された放電の回数をカウントする放電カウント部５と、放電カウント部５でカウントされた放電の回数と駆動電圧の印加回数とに基づいて放電確率を算出する放電確率算出部８と、放電確率に基づいて紫外線の強度を確定する紫外線強度確定部６と、紫外線強度確定部６で確定した紫外線強度を表示や通信などで出力する確定結果出力部９とを備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、火炎の有無を検出する火炎検出システムに関するものである。

燃焼炉等において火炎の有無を検出する火炎センサとして、ＵＶ（ultraviolet）センサが知られている。従来の放電原理を利用したＵＶセンサは、火炎からの紫外線が電極に当たると、放電が行われ、放電電流が流れる。この放電電流を積分して電圧出力に変換して、その電圧をフレーム電圧として表示していた（特許文献１参照）。ＵＶセンサの放電の周期は電源電圧の周波数に依存しており、周波数が５０Ｈｚの場合、１秒間に最大５０回放電が行われる。１回の放電は数ｍｓの期間で行われ、放電電流はパルス状の波形になるため、放電電流を電圧に変換するためには、フィルタを用いて積分している。このため、フレーム電圧の立ち上がりの時定数、立ち下がりの時定数が大きくなる。

図５は、ＵＶセンサの放電電流と、放電電流を積分したフレーム電圧の波形を示す図である。フレーム電圧の立ち上がり、立ち下がりには、４〜５秒ほど時間がかかっており、炎がなくなってから出力をオフするまでの時間（フレームレスポンス）より遅くなっているので、正常の運転の火炎の紫外線レベルは判断できても、火炎からの紫外線の急峻な変化を捉えることはできなかった。

また、商用の電源電圧から火炎センサに印加する電圧を生成するため、電源電圧のレベルの大小で放電電流も増減する。このため、１秒に５０回放電していたとしても、常に同じフレーム電圧にならない可能性があった。図６の例では、電源電圧が１００％の場合と１１０％に上昇した場合のＵＶセンサの放電電流とフレーム電圧の波形を示す図である。図６において、Ｉ１は電源電圧が１００％の場合の放電電流、Ｉ２は電源電圧が１１０％に上昇した場合の放電電流、Ｖ１は電源電圧が１００％の場合のフレーム電圧、Ｖ２は電源電圧が１１０％に上昇した場合のフレーム電圧である。

特開２００５−０８３６０５号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電源電圧の変動の影響をほぼ受けることがない火炎検出システムおよび火炎レベル検出方法を提供することを目的とする。

本発明の火炎検出システムは、火炎から生じる紫外線を検出するように構成された火炎センサと、この火炎センサの電極に駆動電圧を周期的に印加するように構成された印加電圧生成部と、前記火炎センサの放電を検出するように構成された放電検出部と、前記放電検出部で検出された放電の回数をカウントするように構成された放電カウント部と、
前記駆動電圧の印加回数と、前記放電カウント部によってカウントされた放電の回数とに基づいて放電確率を算出するように構成された放電確率算出部と、前記放電確率に基づいて紫外線強度レベルを確定するように構成された紫外線強度確定部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の火炎検出システムの１構成例において、前記放電確率算出部は、前記放電の回数を前記駆動電圧の印加回数で除することにより、前記放電確率を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の火炎検出システムの１構成例において、前記放電確率算出部は、単位時間当たりの前記放電の回数として、前記放電確率を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の火炎検出システムの１構成例において、前記紫外線強度確定部の確定結果を出力するように構成された確定結果出力部をさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明の火炎検出システムの火炎レベル検出方法は、火炎から生じる紫外線を検出する火炎センサの電極に駆動電圧を周期的に印加する第１のステップと、前記火炎センサの放電を検出する第２のステップと、前記駆動電圧の印加回数と、前記第２のステップで検出した放電の回数とに基づいて放電確率を算出する第３のステップと、前記放電確率に基づいて紫外線強度レベルを確定する第４のステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、放電確率を算出することにより、火炎からの紫外線の急峻な変化を捉えることができる。また、電源電圧の変動の影響をほぼ受けることなく火炎レベルを確定できる。

図１は、本発明の原理を説明する図である。 図２は、本発明の実施例に係る火炎検出システムの構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施例に係る火炎検出システムの動作を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の実施例に係る火炎検出システムを実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図５は、ＵＶセンサの放電電流とフレーム電圧の波形を示す図である。 図６は、電源電圧が１００％の場合と１１０％に上昇した場合のＵＶセンサの放電電流とフレーム電圧の波形を示す図である。

［発明の原理］
本発明では、ＵＶセンサの放電確率に着目する。具体的には、単位時間あたりの放電回数をカウントして放電確率を求める。図１は本発明の原理を説明する図であり、電源電圧が１００％の場合と１１０％に上昇した場合のＵＶセンサの放電電流とフレーム電圧の波形を示す図である。図６と同様に、Ｉ１は電源電圧が１００％の場合の放電電流、Ｉ２は電源電圧が１１０％に上昇した場合の放電電流、Ｖ１は電源電圧が１００％の場合のフレーム電圧、Ｖ２は電源電圧が１１０％に上昇した場合のフレーム電圧である。

例えば、１秒間に放電する機会は、ＵＶセンサの駆動原理から、電源電圧の周波数が５０Ｈｚの場合は５０回、電源電圧の周波数が６０Ｈｚの場合は６０回となっている。ここで、１秒間の放電機会が５０回で、ＵＶセンサが毎回放電したとすると、１秒あたりの放電確率は５０／５０＝１００％である。また、ＵＶセンサが２５回放電したとすると、１秒あたりの放電確率は２５／５０＝５０％である。すなわち、１秒間の放電機会をＮ、１秒間の放電回数をｎとすると、１秒あたりの放電確率Ｐは次式となる。
Ｐ＝ｎ／Ｎ×１００ ・・・（１）

この放電確率Ｐを、フレーム電圧に代わってＵＶセンサの出力を監視するパラメータとする。従来のフレーム電圧は放電電流を積分回路で積分することにより得られる。このため、フレーム電圧を監視する従来の方法では、放電の変化が分かり難い。例えば図１の例では、Ａの箇所で放電回数の減少が発生しているが、フレーム電圧ではこの変化が分かり難い。また、図１に示すように、フレーム電圧は電源電圧の変動の影響も受けるため、フレーム電圧の変動が放電の変化によるものか、電源電圧の変動によるものかの見極めが難しい。

一方、放電確率Ｐの場合には、電源電圧の変動の影響を受けないので、純粋な放電の状態が反映され、放電の微妙な変化でも検出することができる。
また、上記のとおりフレーム電圧は立ち上がりの時定数が大きいため、フレーム電圧の変化に数秒の時間（図１のｔ１）がかかる。これに対して、放電確率Ｐは、単位時間あたりの遅れ（図１のｔ２）のみで立ち上るため、応答性の高い着火検出が可能となる。
同様に、フレーム電圧は立ち下がりの時定数が大きく、火が消えているにも拘わらず、フレーム電圧が数秒間下降せず、フレーム電圧の変化に数秒の時間（図１のｔ３）がかかる。これに対して、放電確率Ｐは、単位時間あたりの遅れ（図１のｔ４）のみで０％となるため、応答性が高くなる。

こうして、本発明では、応答性良く火炎レベルを確認することができ、火炎やＵＶセンサ出力の微妙な変動を捉えることができる。また、本発明では、電源電圧の変動の影響をほぼ受けることなく、ＵＶセンサの状態や炎の状態を確認することができる。

［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図２は本発明の実施例に係る火炎検出システムの構成を示すブロック図である。火炎検出システムは、火炎１００から生じる光（紫外線）を検出する火炎センサとなるＵＶセンサ１（ＵＶ光電管）と、電源電圧を供給する電源回路２と、ＵＶセンサ１の１対の電極に駆動電圧を周期的に印加する印加電圧生成部３と、ＵＶセンサ１の放電を検出する放電検出部４と、放電検出部４で検出された放電の回数をカウントする放電カウント部５と、放電カウント部５でカウントされた放電回数と放電機会とに基づいてＵＶセンサ１の放電確率を算出する放電確率算出部８と、放電確率算出部８で求められた放電確率に基づいて紫外線強度を確定する紫外線強度確定部６と、紫外線強度確定部６によって確定された紫外線強度を出力する確定結果出力部９と、ＵＶセンサ１の放電電流をする放電電流検出部１０と、放電電流検出部１０で検出された放電電流のレベルを判定するレベル判定回路１１と、レベル判定回路１１で判定された値を火炎信号として入力する火炎信号入力部１２とを備えている。

図３は本実施例の火炎検出システムの動作を説明するフローチャートである。ＵＶセンサ１は、両端部が塞がれた円筒状の外囲器と、この外囲器を貫通する２本の電極ピンと、外囲器内部において電極ピンにより互いに平行に支持された２枚の電極とを備えた光電管から構成されている。このようなＵＶセンサ１では、電極支持ピンを介して電極間に所定の電圧を印加した状態において、火炎１００に対向配置された一方の電極に紫外線が照射されると、光電効果によりその電極から電子が放出され、電極間に放電電流が流れる。

電源回路２は、外部から入力される商用の電源電圧を印加電圧生成部３に供給する。火炎検出動作の開始時に、放電カウント部５は放電回数ｎを０に初期化し（図３ステップＳ１００）、放電確率算出部８は駆動電圧の印加回数Ｎを０に初期化する（図３ステップＳ１０１）。

印加電圧生成部３は、電源回路２から供給される交流電圧を所定の値まで昇圧し、ＵＶセンサ１の１対の端子１１０，１１１間に印加する。
放電検出部４は、ＵＶセンサ１に流れる放電電流を検出する。例えば、放電検出部４内に発光ダイオードとフォトトランジスタを設けておき、ＵＶセンサ１に流れる放電電流によって発光駆動される発光ダイオードの光をフォトトランジスタを介して検出する（図３ステップＳ１０２）。
放電カウント部５は、放電検出部４で放電電流が検出された場合、放電回数ｎを１増やす（図３ステップＳ１０３）。

こうして、ステップＳ１０２〜Ｓ１０３の処理が繰り返し実行される。放電確率算出部８は、駆動電圧の印可回数Ｎ（放電機会）が所定数Ｎｔｈ（本実施例では例えば５０回）に達した場合（図３ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、式（１）により放電確率Ｐを算出する（図３ステップＳ１０５）。

紫外線強度確定部６は、放電確率算出部８で算出された放電確率Ｐを紫外線強度として、確定させる（図３ステップＳ１０６）。
確定結果出力部９は、紫外線強度確定部６の確定結果を外部に出力する（図３ステップＳ１０７）。確定結果の出力方法としては、例えば確定結果を表示したり、確定結果を外部から通信で読み出す等の方法がある。

火炎検出システムは、ステップＳ１００〜Ｓ１０７の処理を定期的に行い、確定期間（駆動電圧の印加回数Ｎが０〜Ｎｔｈまでの期間）におけるステップＳ１０５〜Ｓ１０７の処理を繰り返し実行すればよい。
こうして、本実施例では、放電確率Ｐを算出することにより、火炎１００の微妙な変動を捉えることができる。

なお、炎から生じる紫外線を検出し、燃焼制御に利用する場合には、放電電流検出部１０と、レベル判定回路１１と、火炎信号入力部１２とを設け、放電電流検出部１０でＵＶセンサ１の放電電流を検出し、レベル判定回路１１では放電電流検出部１０で検出した放電電流を閾値と比較して火炎の有無を判定し、判定結果を火炎信号入力部１２に出力する。

また、本実施例では、式（１）により放電確率Ｐを算出しているが、放電確率算出部８は、単位時間当たりの放電の回数を、放電確率Ｐとしてもよい。この場合には、ステップＳ１０４において単位時間が経過したときの放電回数ｎを放電確率Ｐとすればよい（ステップＳ１０５）。

本実施例で説明した放電カウント部５と放電確率算出部８と紫外線強度確定部６と確定結果出力部９とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図４に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）２０１とを備えている。Ｉ／Ｆ２０１には、放電検出部４（放電検出回路）と確定結果出力部９（通信回路や表示回路など）などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の火炎レベル検出方法を実現させるためのプログラムは、ＣＰＵ２００内臓のメモリに格納される。ＣＰＵ２００は、メモリに格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、火炎検出システムに適用することができる。

１…ＵＶセンサ、２…電源回路、３…印加電圧生成部、４…放電検出部、５…放電カウント部、６…紫外線強度確定部、８…放電確率算出部、９…確定結果出力部、１０…放電電流検出部、１１…レベル判定回路、１２…火炎信号入力部。

Claims (8)

1. 火炎から生じる紫外線を検出するように構成された火炎センサと、
   この火炎センサの電極に駆動電圧を周期的に印加するように構成された印加電圧生成部と、
   前記火炎センサの放電を検出するように構成された放電検出部と、
   前記放電検出部で検出された放電の回数をカウントするように構成された放電カウント部と、
   前記駆動電圧の印加回数と、前記放電カウント部によってカウントされた放電の回数とに基づいて放電確率を算出するように構成された放電確率算出部と、
   前記放電確率に基づいて紫外線強度レベルを確定するように構成された紫外線強度確定部とを備える火炎検出システム。
2. 請求項１記載の火炎検出システムにおいて、
   前記放電確率算出部は、前記放電の回数を前記駆動電圧の印加回数で除することにより、前記放電確率を算出することを特徴とする火炎検出システム。
3. 請求項１記載の火炎検出システムにおいて、
   前記放電確率算出部は、単位時間当たりの前記放電の回数として、前記放電確率を算出することを特徴とする火炎検出システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の火炎検出システムにおいて、
   前記紫外線強度確定部の確定結果を出力するように構成された確定結果出力部をさらに備えることを特徴とする火炎検出システム。
5. 火炎から生じる紫外線を検出する火炎センサの電極に駆動電圧を周期的に印加する第１のステップと、
   前記火炎センサの放電を検出する第２のステップと、
   前記駆動電圧の印加回数と、前記第２のステップで検出した放電の回数とに基づいて放電確率を算出する第３のステップと、
   前記放電確率に基づいて紫外線強度レベルを確定する第４のステップとを含む火炎検出システムの火炎レベル検出方法。
6. 請求項５記載の火炎検出システムの火炎レベル検出方法において、
   前記第３のステップは、前記放電の回数を前記駆動電圧の印加回数で除することにより、前記放電確率を算出するステップを含むことを特徴とする火炎検出システムの火炎レベル検出方法。
7. 請求項５記載の火炎検出システムの火炎レベル検出方法において、
   前記第３のステップは、単位時間当たりの前記放電の回数として、前記放電確率を算出するステップを含むことを特徴とする火炎検出システムの火炎レベル検出方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の火炎検出システムの火炎レベル検出方法において、
   前記第４のステップの確定結果を出力する第５のステップをさらに含むことを特徴とする火炎検出システムの火炎レベル検出方法。