JP2021039065A - 温度分布測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、火力発電所において、微粉炭やバイオマス燃料を燃焼する火炎においてもより正確な温度分布を計測できる中の粒子であっても明瞭な粒子像を得ることができる温度分布測定方法および測定装置を提供する。【解決手段】微粉炭やバイオマス燃料を燃焼する火炎の温度分布を２色法を用いて測定するに当たり、波長５８９ｎｍを含む阻止帯域を有するノッチフィルタ１１を備えたハイスピードカメラ１０で１０００ＦＰＳ以上で撮影し、撮影データのＲＧＢデータのうちの２色データを用い、前記２色データのそれぞれの輻射強度の比から２次元温度分布を時系列的に計測する。【選択図】 図１

Description

本発明は、非接触で温度分布を測定する方法および測定装置に関し、特に化石燃料やバイオマスを燃焼するボイラ中の火炎の温度分布を計測する場合に適用して有用なものである。

温度検出方法として、例えば２色法など、受光強度から温度を算出する方法が知られている。２色法は、放射光の２波長帯の強度比を計測し、プランクの温度と輻射光強度との関係を用いて温度を測定するものである。ボイラ中の火炎の温度分布を測定する上では、既設の窓にカメラ一台を配置すれば、簡易に時系列的な温度分布が計測可能であるので有用である。

特許文献１には、スート（すすｏｒカーボン）の発光特性から、プランクの輻射則の関係を用い、火炎温度を知ることができる旨が記載されている。

特許第３０８３６３３号公報

しかしながら、この方法では、火炎発光スペクトルが火炎の揺らぎ、バーナ火炎の相互干渉のために不規則な変動をしており、燃焼診断が困難な場合があった。

また、特に、微粉炭やバイオマス燃料を燃料とする場合、燃料中の不純物に起因する発光によって誤った温度分布を計測する虞があるという問題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、例えば、火力発電所において、微粉炭やバイオマス燃料を燃焼する火炎においてもより正確な温度分布を計測できる中の粒子であっても明瞭な粒子像を得ることができる温度分布測定方法および測定装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明の第１の態様は、微粉炭やバイオマス燃料を燃焼する火炎の温度分布を２色法を用いて測定するに当たり、波長５８９ｎｍを含む阻止帯域を有するノッチフィルタを備えたハイスピードカメラで１０００ＦＰＳ以上で撮影し、撮影データのＲＧＢデータのうちの２色データを用い、前記２色データのそれぞれの輻射強度の比から２次元温度分布を時系列的に計測することを特徴とする温度分布測定方法にある。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する温度分布測定方法において、前記２色データは、ＲおよびＧであることを特徴とする温度分布測定方法にある。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に記載する温度分布測定方法において、前記ハイスピードカメラは、さらに可視領域を通過帯域とするバンドパスフィルタを備えることを特徴とする温度分布測定方法にある。

本発明の第４の態様は、ビデオカメラと、前記ビデオカメラの撮影データをデータ処理するデータ処理装置と、前記データ処理装置で処理した処理データに基づく温度分布を表示する表示装置とを備え、前記データ処理装置は、前記撮影データのＲＧＢデータのうちの２色データを用い、前記２色データのそれぞれの輻射強度の比から２次元温度分布を時系列的に計測して処理データとする、温度分布測定装置において、前記ビデオカメラとしてハイスピードカメラを用い、前記ハイスピードカメラに波長５８９ｎｍを含む阻止帯域を有するノッチフィルタを設けたことを特徴とする温度分布測定装置にある。

本発明の第５の態様は、第４の態様に記載する温度分布測定装置において、前記データ処理装置は、前記２色データとしてＲおよびＧのデータを用いることを特徴とする温度分布測定装置にある。

本発明の第６の態様は、第４または第５の態様に記載する温度分布測定装置において、前記ハイスピードカメラは、さらに可視領域を通過帯域とするバンドパスフィルタを備えることを特徴とする温度分布測定装置にある。

本発明によれば、２色データのそれぞれの輻射強度の比から２次元温度分布を時系列的に計測するに当たり、輻射以外の発光である化学発光に由来する発光をノッチフィルタで除去すると共に、短い露光時間による火炎の瞬間撮影による輻射強度を用いるので、長時間露光した際の発光粒子の移動による輻射データの悪影響を排除することができ、微粉炭やバイオマス燃料を燃焼する火炎の温度分布を２色法を用いて正確に且つ簡便に測定することができる。

本実施形態に温度分布測定装置の構成を模式的に示す図である。 本実施形態の温度分布測定装置のフィルタ透過特性及びカメラの受光感度特性示す図である。 ２色法による測定原理を説明する図である。 本実施形態に温度分布測定装置により測定する微粉炭ジェットバーナの構成を模式的に示す図である。 ２色法による化学発光の影響を説明する図である。 ２色法による長時間露光の影響を説明する図である。 本実施形態の温度分布測定装置の測定結果を示す図である。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る温度分布測定装置の概略構成を示す図であり、概略構成を説明しながら、本発明の温度分布測定方法を説明する。

図１に示すように、温度分布測定装置１は、ハイスピードカメラ１０と、コンピュータ２０とを具備する。ハイスピードカメラ１０は、１秒間に１０００フレーム（コマ）以上のフレーム（コマ）（１０００ＦＰＳ）を連続的に撮影できるビデオカメラであり、ノッチフィルタ１１と、バンドパスフィルタ１２とを具備する。

ノッチフィルタ１１は、化学発光に起因する光を除去するためのものであり、可視光波長では、Ｎａの炎色反応の光の波長である５８９ｎｍを少なくとも含む帯域を阻止帯域として、その帯域の光をカットするものを用いればよい。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、５８９ｎｍ±２０ｎｍを阻止帯域とするノッチフィルタ１１を用いた。図２（ｂ）は、ノッチフィルタ１１を用いた場合と用いていない場合の、ＲＧＢの受光感度を示したものである。ノッチフィルタ１１を用いた場合には、緑（Ｇ）と赤（Ｒ）の受光感度から、Ｎａ化学発光の波長を含む５８９ｎｍ±２０の範囲の波長がカットされていることがわかる。

また、バンドパスフィルタ１２は、可視光以外の光をカットするものであり、本実施形態では、約４３０ｎｍ〜６８０ｎｍ以外の光をカットするものである。バンドパスフィルタ１２は、撮影データを安定化するためのものであり、必ずしも設ける必要はない。

コンピュータ２０は、ハイスピードカメラ１０を制御するとともに、ハイスピードカメラ１０からの撮影データを処理するデータ処理装置２１と、データ処理装置２１で処理した処理データに基づく温度分布を表示する表示装置２２として機能する。

データ処理装置２１は、ハイスピードカメラ１０からの撮影データのＲＧＢデータのうちの２色データを用い、２色データのそれぞれの輻射強度の比から２次元温度分布を時系列的に計測して処理データとするものである。これは２色法による計測原理に基づくデータ処理である。

２色法は、プランクの法則における光波長に対する輻射強度分布を利用した温度計測法である。

図３（ａ）は、プランクの法則における波長λと輻射強度Ｅ（λ，Ｔ）Ｗ／ｍ^２・ｎｍとの関係を示すグラフであり、１０００Ｋ〜２０００Ｋの波長と輻射強度との関係を示している。そして、２色法では、ＲＧＢのデータのうちの２色データと、図３（ａ）の関係を用い、温度を計測する。

図３（ｂ）は、赤（Ｒ）と緑（Ｇ）のデータを用いた場合の、強度比＝（波長５５０ｎｍ（緑）の輻射強度）／（波長６５０ｎｍ（赤）の輻射強度）と、温度Ｔ（Ｋ）との関係を示すグラフである。これより、撮影データより、強度比＝（波長５５０ｎｍ（緑）の輻射強度）／（波長６５０ｎｍ（赤）の輻射強度）を求めれば、温度Ｔが計測可能となる。

図４において、測定対象とするのは、微粉炭ジェットバーナ３０の火炎である。微粉炭ジェットバーナ３０は、同軸２重管バーナであり、中央供給口３１と、その周囲の周縁供給口３２とを具備し、中央供給口３１からは微粉炭供給装置３３から空気で圧送された所定量の微粉炭が供給され、周縁供給口３２からは水素ガスが供給されるようになっている。

このような微粉炭ジェットバーナ３０では、原料となる微粉炭内にＮａ、Ｋなどの化学発光する微量不純物が含まれており、これが化学発光すると、２色法に基づく温度測定に悪影響を与える。図５（ａ）は、微量不純物による化学発光の様子を示したものであり、この中で可視光の波長領域に影響を与えるのはＮａである。図５（ｂ）は、単波長の輻射強度を示すが、５８９ｎｍ近傍にＮａ炎色反応に基づく影響が見られる。

本実施形態では、このような化学発光に基づく悪影響をノッチフィルタ１１により排除している。

また、微粉炭ジェットバーナ３０では、微粉炭の燃焼によるスート（すすｏｒカーボン）などが燃焼した粒子が火炎中を移動する。よって、図６（ａ）に示すように、燃焼粒子Ｒが移動していると、通常のビデオカメラでは、図６（ｂ）のような撮影データになり、これに基づく２色法による温度測定結果は図６（ｃ）に示すように、燃焼粒子Ｒの軌跡に沿ったものとなる。これは実際の火炎の温度分布を把握する上では好ましくない結果となる。

本実施形態では、ハイスピードカメラ１０を用いた撮影データを用いているので、図６（ａ）の瞬間の撮影データが取得でき、その後の移動によるデータはそれぞれの瞬間の別データとして撮影されるので、移動する粒子による温度分布への悪影響を排除できる。

なお、このような燃焼する粒子の悪影響が出るのは、バイオマスなどの固体燃料を用いた場合であるから、このようなバイオマスの燃焼火炎の温度分布測定に対しても本発明は有効に機能する。

このように、燃焼粒子の移動による悪影響を排除して、火炎の瞬間的な温度分布を把握するためには、粒子が１ピクセル分の距離を移動する時間よりも露光時間を短くすればよい。このような燃焼粒子の移動による影響を排除するためには、ハイスピードカメラ１０を用いて１０００ＦＰＳ以上で、好ましくは、２０００ＦＰＳ以上、さらに好ましくは、３０００ＦＰＳ以上で撮影すればよい。

本発明の温度分布測定方法は、以上説明した温度分布測定装置１を用い、例えば、微粉炭ジェットバーナ３０の火炎を撮影し、温度分布を測定すればよい。

（実施例）
温度分布測定装置１を用い、ハイスピードカメラ１０の撮影条件を４０００フレーム／ｓｅｃとして撮影し、温度分布を測定した。

図７は、温度分布の測定結果に基づく火炎の平均温度であり、約１６３０Ｋであり、参考値である熱電対での測定結果と同様な結果となった。

（比較例１）
ノッチフィルタ１１を用いない以外は、実施例と同様に測定した。

火炎の平均温度は、約２２００Ｋとなり、結果にはＮａの化学発光の影響が出ていることがわかった。

（比較例２）
撮影条件を４００ＦＰＳとした以外は、実施例と同様に測定した。

火炎の平均温度は、約１４００Ｋとなり、実際よりかなり低めであることがわかった。これは燃焼粉末の移動による影響であり、移動軌跡全体の平均的な温度が測定された結果であると推定される。

本発明は、微粉炭やバイオマス燃料などの固体燃料を燃焼する火炎の温度測定に広く適用できる。

１ 温度分布測定装置
１０ ハイスピードカメラ
１１ ノッチフィルタ
１２ バンドパスフィルタ
２０ コンピュータ
２１ データ処理装置
２２ 表示装置
３０ 微粉炭ジェットバーナ

Claims (6)

1. 微粉炭やバイオマス燃料を燃焼する火炎の温度分布を２色法を用いて測定するに当たり、波長５８９ｎｍを含む阻止帯域を有するノッチフィルタを備えたハイスピードカメラで１０００ＦＰＳ以上で撮影し、撮影データのＲＧＢデータのうちの２色データを用い、前記２色データのそれぞれの輻射強度の比から２次元温度分布を時系列的に計測することを特徴とする温度分布測定方法。
2. 請求項１に記載する温度分布測定方法において、
   前記２色データは、ＲおよびＧであることを特徴とする温度分布測定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載する温度分布測定方法において、
   前記ハイスピードカメラは、さらに可視領域を通過帯域とするバンドパスフィルタを備えることを特徴とする温度分布測定方法。
4. ビデオカメラと、前記ビデオカメラの撮影データをデータ処理するデータ処理装置と、前記データ処理装置で処理した処理データに基づく温度分布を表示する表示装置とを備え、前記データ処理装置は、前記撮影データのＲＧＢデータのうちの２色データを用い、前記２色データのそれぞれの輻射強度の比から２次元温度分布を時系列的に計測して処理データとする、温度分布測定装置において、
   前記ビデオカメラとしてハイスピードカメラを用い、前記ハイスピードカメラに波長５８９ｎｍを含む阻止帯域を有するノッチフィルタを設けたことを特徴とする温度分布測定装置。
5. 請求項４に記載する温度分布測定装置において、
   前記データ処理装置は、前記２色データとしてＲおよびＧのデータを用いることを特徴とする温度分布測定装置。
6. 請求項４または請求項５に記載する温度分布測定装置において、
   前記ハイスピードカメラは、さらに可視領域を通過帯域とするバンドパスフィルタを備えることを特徴とする温度分布測定装置。