JP2648626B2 - 音響式流体温度測定装置および測定方法 - Google Patents

音響式流体温度測定装置および測定方法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本装置は音響式温度測定装置および測定方法に係り、
特にボイラなどの内部流体の温度を検出するに好適な音
響式流体温度測定装置および測定方法に関する。
〔従来の技術〕
高温の流体温度を測定する方法の1つに音波を用いた
ものがある。この方法をボイラ内部の温度計測に適用し
た例を第5図に示す。第5図において、音波は送信器5
から送信され、ボイラ煙道24内の流体中を伝わって受信
器6で受信される。そして、制御装置1が送信から受信
までの伝播時間t(s)を算出する。ここで、伝播時間
tと流体温度T(k)には次の関係がある。
γ:ガス性状で決まる定数 L:送信器、受信器間の距離(m) この関係式を用いて、伝播時間から高温流体の平均温
度が算出できる。さらに、第6図に示すように音波送信
器5、受信器6をボイラ煙道などの側壁に複数配置し、
煙道内の多数の経路の伝播時間を測定することで、煙道
断面の温度分布が算出できる。
以上のような音波を用いた高温流体の温度計測装置の
機器構成を第2図に示す。第2図において、制御装置1
から送信器用リレー制御信号16および受信器用リレー制
御信号17を送出し、送信器5、受信器6の組合わせを決
める。次に制御装置1からスタート信号を波形発生器2
に送出する。スタート信号を受けた波形発生器は数周期
の波形信号を送出し、波形信号は送信用アンプ3で増幅
され、送信器5で音波信号に変換される。送信器で変換
された音波は流体中を伝わり、受信器6で伝播信号に変
換され、受信用アンプ8で増幅され、バンドパスフィル
タ9を通過し、A/D変換器10でデジタル信号(波形デー
タ)に変換される。ここで、A/D変換器10は、波形発生
器2が波形信号を送出すると同時に送り出すパルス信号
を受信して、このパルス信号が所定のしきい値を超えた
ときA/D変換を開始する。これより、波形データの始ま
りは、送信器から音波を送出する時刻:t1と考えること
ができる。送信器から送出された音波が受信器に到着す
る時刻:t2は、波形データ用メモリ11に取り込まれた波
形データと、あらかじめ参照波形用メモリ12にセットし
ておいた参照波形との相関値を求めることで知ることが
できる。この演算は相関演算器13で行われる。そして、
温度演算器14で、t2−t1で求まる流体中の音波の伝播時
間より(1)式を用いて温度を算出する。その結果は温
度表示装置15に表示される。
波形データから伝播信号の受信時刻を算出する相関信
号処理の様子を第3図に示す。ここで、相関信号処理は
次式に基づいている。
ここに、 S(t):相関値 f(t):波形データ g(t):参照波形 △t:A/D変換の時間間隔 m:参照波形のデータ数 つまり、相関処理は波形データと参照波形の一致具合
を調べている。第3図において(a)は波形データを示
している。波形データは騒音信号22と伝播信号23が足し
合わされたものである。(b)のように参照波形Aをず
らしながら、相関値を求めたものが(c)である。
(c)において、相関値のピーク位置は波形データと参
照波形が最も一致する位置であるので、この位置を伝播
信号の受信時刻とすることができるわけである。
相関値の求め方につき、さらに詳細に説明する。第3A
図において、受信波形(伝播信号)f(t)と参照波形
g(t)との相関関数式(2)は、波の一致具合を見る
ことができる。すなわち、時刻t2では受信波形f(t)
と参照波形(T2)とは2山(2周期)分の波が重なって
いる。このときの相関値はτ点である。時刻t2′で
は、参照波形(T2′)と受信波形f(f)とは波が4山
重なっており、このときの相関値はτ′である。τ
点よりτ′点のほうが大きな値となっているのは重な
っている部分が多いためである。τ″点は受信波形と
参照波形が5山とも重なっている位置であり、このため
相関値はピークを示しており、受信波形の到達時刻を
t2″と判定することができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、上記従来技術を実缶のボイラに適用するに
は信号処理時間がかかりすぎるという問題がある。実缶
のボイラの幅は10〜20mであり、その間を伝わる音波の
伝播時間は約30msである。ここで、A/D変換の時間間隔
を5μsとすれば、波形データのデータ数は6000個とな
る。3kで5周期の音波を送信したとき、3kHzは1周期が
約333μsであり、5周期では参照波形の幅は約1665μ
s必要であり、A/D変換器の時間間隔を5μsとすれ
ば、データ数は333個となる。すなわち、相関信号処理
の演算器では6000×335(=200万)回の乗算を行うこと
になる。そのため、高速の計算機を使用してもこの信号
処理に10秒かかる。さらに、第6図のように炉壁に音波
送信器、受信器を複数配置して、断面の温度分布を測定
するためには、多数の経路での伝播時間の測定が必要と
なる。第6図のように音波送信器、受信器を10個配置し
た場合、経路数は82通りとなる。そのため、1回の測定
に82回の信号処理が必要となる。つまり、82×10秒(=
820秒≒14分)信号処理にかかってしまう。このことは
被測定部に異常があったときに、14分以上後まではその
異常を検出することができないことを意味しており、ボ
イラ内部の温度監視には向いていないことがわかる。
〔課題を解決するための手段〕
上記した従来技術の問題点は、音波受信器が前回に受
信した受信波形と新しく受信した受信波形とをそれぞれ
記憶するメモリをA/D変換器と相関演算器の間に配置
し、参照波形として前回に受信した受信波形を採用する
ことにより解決される。すなわち、本発明の目的は、流
体通路の一方の側壁に配置した音波送信器と、他方の側
壁に配置した音波受信器と、音波受信器からの受信デー
タをデイジタル化するA/D変換器と、A/D変換器の出力信
号に基づき音波の流体中の伝播時間を検出する相関演算
器と、相関演算法で検出された伝播時間に基づき流体の
温度を算出する温度演算器とを備えた音響式流体温度測
定装置において、音波受信器が前回に受信した受信波形
と新しく受信した受信波形との両方をそれぞれ記憶する
メモリ装置と、メモリ装置に記憶された両方の受信信号
の相互相関値を求めることにより音波の流体中の伝播時
間を算出する相関演算器とを設けたことを特徴とする音
響式流体温度測定装置、および流体通路の一方の側壁に
音波送信器を、他方の側壁に音波受信器をそれぞれ配置
し、前記音波受信器からの受信データをA/D変換器によ
りデイジタル信号に、該デイジタル信号に基づいて相関
演算器により音波の流体中の伝播時間を検出し、該相関
演算法により検出した伝播時間に基づき、温度演算器に
より流体の温度を算出する音響式流体温度の測定方法に
おいて、前記A/D変換器でデイジタル化した信号を、メ
モリ切り換え器により順次選択した複数のメモリ装置に
波形データとして順次記憶し、前回検出した波形データ
の伝播時間に基づいて、前記メモリ装置に新たに記憶し
た波形データと前回記憶した波形データとの相関値から
音波の流体中の伝播時間を相関演算器により検出し、さ
らに前記伝播時間に基づき流体の温度を温度演算器によ
り算出することを特徴とする音響式流体温度の測定方法
により達成される。
〔作用〕
2つのメモリをそれぞれA、Bとする。そして、Bに
は前回の波形データが取り込まれているとする。まず、
メモリ切替え器がA/D変換器とメモリAをつなぐように
セットする。そのため、今回受信した波形データはメモ
リAに取り込まれる。ここで、メモリBに取り込まれて
いる波形データは、前回の信号処理により伝播信号の到
着時刻がわかっている。そのため、今回の信号処理はメ
モリBの伝播信号データと、メモリAの波形データとの
相関値を前回の伝播時間到着時刻の−数百データから+
数百データの間で行えばいい。これによって、信号処理
時間は大幅に短縮できる。
〔実施例〕
第1図に本発明による音響式温度監視装置の構成を示
す。本装置は、実缶ボイラの煙道部(煙道内部の流体温
度300〜600℃、煙道の幅15m)の温度監視のためつけら
れたものである。音波送信器、受信器は第6図に示すよ
うに、10個取付けてある。使用した音波の周波数は3kH
z、送信器から送出する音波は5周期である。A/D変換器
10と相関演算器13との間に2つのメモリA19、B20を配置
し、上記メモリとA/D変換器との間にメモリ切替え器18
が配置してある。そして、制御装置1はメモリ切替え制
御信号21によってメモリ切替え器18を制御している。
メモリ切替え器18は、前回測定した波形データをメモ
リAに取り込んだのならば、次の測定の波形データはメ
モリBに、前回測定して波形データをメモリBに取り込
んだのならば、次の測定の波形データはメモリAに取り
込むように制御してある。
第4図に本発明で用いている伝播信号の到着時刻を検
出する方法を示す。第4図(a)は波形データであり、
メモリBに取り込んである。この波形データは、前回の
相関信号処理により伝播信号の到着時刻がわかっている
ものである。例として、到着時刻が31.33msであったと
する。これは煙道内の流体の温度300℃に相当する。
第4図(b)は、今回取り込んだ波形データであり、
メモリAに取り込まれる。ボイラの煙道部は、温度異常
が起こったとしても3分で50℃以上の急激な温度変化は
しない。そのため、今回取り込んだ波形データ中の伝播
信号の到着時刻は、前回の到着時刻の近傍にある。50℃
の温度変化は本装置において、1.35msの伝播時間の変化
に相当する。つまり、今回取り込んだ波形データの伝播
信号の到着時刻は、前回の伝播信号の到着時刻である3
1.33msの前後1.35msの範囲内にある。つまり、第4図
(c)に示すように、前回の波形データ中の伝播信号部
を参照波形として、今回の波形データの31.33ms+/−
1.35msの間のデータとの相関をとり、その結果として得
られた第4図(d)の相関値のピーク位置から、今回の
伝播信号の到着位置を検出すればよい。31.33ms+/−
1.35ms間のデータ数は540個なので(31.33±1.35msの時
間幅は1.35×2=2.7ms=2700μs、A/D変換器の時間間
隔を5μsと考えているので、2700/5=540となる)、
相関信号処理に必要な乗算の回数は540×333(≒18万)
回で済む。この演算に必要な時間破約1分であり、従来
の方法に較べて1/10に短縮できる。
次回の測定は、メモリBに波形データを新たに取り込
み、今回の波形データの伝播信号部を参照波形として、
今回検出した到着時刻の+/−1.35ms間のデータとの相
関処理を行っていけばよい。
波形データを取り込むメモリをn個(3個以上)用い
た例を第7図に示す。第7図に示す構成にすることで、
n−m(mは1〜n−1)回前の測定温度との比較によ
る温度測定ができ、それらの測定値を平均することで測
定精度を上げることができる。また、常にn−1回前ま
での測定温度を蓄積しているので、被測定部分が温度上
昇過程にあるのか、下降過程にあるのか、または平行状
態なのかを類推することができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、音波を用いた流路内流体の温度計測
をより高速に行うことができるようになり、ボイラなど
の内部流体の温度監視装置および監視方法として本測定
装置および測定方法を適用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明になる音響式流体温度測定装置の実施
例図、第2図は、従来の音響式温度計測装置の構成図、
第3図および第3A図は、それぞれ従来の音響式温度計測
装置で用いられてきた信号処理方法の説明図、第4図
は、本発明の音響式流体温度測定装置における信号処理
方法の説明図、第5図および第6図は、音響式温度測定
装置の一般的使用例図、第7図は、本発明の他の実施例
図である。 1……制御装置、2……波形発生器、4……送信用リレ
ー、5……送信器、6……受信器、7……受信用リレ
ー、9……バンドパスフィルタ、10……A/D変換器、13
……相関演算器、14……温度演算器、15……温度表示装
置、16……送信器用リレー制御信号、17……受信器用リ
レー制御信号、18……メモリ切替え器、19……メモリ
A、20……メモリB、21……メモリ切替え制御信号。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】流体通路の一方の側壁に配置した音波送信
    器と、他方の側壁に配置した音波受信器と、音波受信器
    からの受信データをデイジタル化するA/D変換器と、A/D
    変換器の出力信号に基づき音波の流体中の伝播時間を検
    出する相関演算器と、相関演算法で検出された伝播時間
    に基づき流体の温度を算出する温度演算器とを備えた音
    響式流体温度測定装置において、音波受信器が前回に受
    信した受信波形と新しく受信した受信波形との両方をそ
    れぞれ記憶するメモリ装置と、メモリ装置に記憶された
    両方の受信信号の相互相関値を求めることにより音波の
    流体中の伝播時間を算出する相関演算器とを設けたこと
    を特徴とする音響式流体温度測定装置。
  2. 【請求項2】流体通路の一方の側壁に音波送信器を、他
    方の側壁に音波受信器をそれぞれ配置し、前記音波受信
    器からの受信データをA/D変換器によりデイジタル信号
    に変換し、該デイジタル信号に基づいて相関演算器によ
    り音波の流体中の伝播時間を検出し、該相関演算法によ
    り検出した伝播時間に基づき、温度演算器により流体の
    温度を算出する音響式流体温度の測定方法において、前
    記A/D変換器でデイジタル化した信号を、メモリ切り換
    え器により順次選択した複数のメモリ装置に波形データ
    として順次記憶し、前回検出した波形データの伝播時間
    に基いて、前記メモリ装置に新たに記憶した波形データ
    と前回記憶した波形データとの相関値から音波の流体中
    の伝播時間を相関演算器により検出し、さらに前記伝播
    時間に基づき流体の温度を温度演算器により算出するこ
    とを特徴とする音響式流体温度の測定方法。
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