JP3390265B2 - 燃焼診断装置 - Google Patents
燃焼診断装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃焼診断装置に係り、
特に発電用火力プラント等の燃焼炉内の燃焼状態を診断
する装置であって、燃焼炉内の火炎を受光してこれを所
定波長に分光処理して、これに基づき燃焼状態を判断す
る燃焼診断装置に関する。
特に発電用火力プラント等の燃焼炉内の燃焼状態を診断
する装置であって、燃焼炉内の火炎を受光してこれを所
定波長に分光処理して、これに基づき燃焼状態を判断す
る燃焼診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】環境対策の面から、ボイラ等の燃焼装置
においては窒素酸化物、すす並びに一酸化炭素を発生さ
せないことが望まれている。このような燃焼状態を形成
するためには燃焼炉内で燃料と空気が適度に混合する火
炎を形成し、これにより燃焼炉内に極端な高温度領域お
よび極端な低温度領域を形成させないことが重要であ
る。このような燃焼状態の監視を行う装置の１つに燃焼
火炎の発光スペクトル強度を分析し、分析結果から燃焼
状態を診断する燃焼診断装置がある。
においては窒素酸化物、すす並びに一酸化炭素を発生さ
せないことが望まれている。このような燃焼状態を形成
するためには燃焼炉内で燃料と空気が適度に混合する火
炎を形成し、これにより燃焼炉内に極端な高温度領域お
よび極端な低温度領域を形成させないことが重要であ
る。このような燃焼状態の監視を行う装置の１つに燃焼
火炎の発光スペクトル強度を分析し、分析結果から燃焼
状態を診断する燃焼診断装置がある。
【０００３】従来の火炎発光スペクトル分析による燃焼
診断装置（以下、燃焼診断装置と記す）は、図３に示す
ように複数の光プローブ４、複数の中継光ファイバ５、
光チャンネルセレクタ６、分光分析部７、データ解析部
８から構成される。光プローブ４は１個以上の視野を有
し燃焼炉１の各バーナ３近傍に設置され、バーナ火炎か
らの光を受光する。光プローブ４によって受光された各
バーナ火炎からの発光は中継光ファイバ５を経由して光
チャンネルセレクタ６に導かれる。各中継光ファイバ５
によって導かれたバーナ火炎の発光は光チャンネルセレ
クタ６により順次選択され分光分析部７に送られ、そこ
で可視から近赤外線領域の所定の複数の波長についてス
ペクトル強度分析が行われる。データ解析部８は、この
スペクトル強度分析結果から個々のバーナ火炎の燃焼状
態を明示する。
診断装置（以下、燃焼診断装置と記す）は、図３に示す
ように複数の光プローブ４、複数の中継光ファイバ５、
光チャンネルセレクタ６、分光分析部７、データ解析部
８から構成される。光プローブ４は１個以上の視野を有
し燃焼炉１の各バーナ３近傍に設置され、バーナ火炎か
らの光を受光する。光プローブ４によって受光された各
バーナ火炎からの発光は中継光ファイバ５を経由して光
チャンネルセレクタ６に導かれる。各中継光ファイバ５
によって導かれたバーナ火炎の発光は光チャンネルセレ
クタ６により順次選択され分光分析部７に送られ、そこ
で可視から近赤外線領域の所定の複数の波長についてス
ペクトル強度分析が行われる。データ解析部８は、この
スペクトル強度分析結果から個々のバーナ火炎の燃焼状
態を明示する。
【０００４】燃焼診断装置は、火炎の発光のうち可視〜
近赤外の波長域において、０．７〜１．０μｍの波長域
のうち数点の波長の単色発光スペクトル強度から演算す
る火炎温度と、１．３〜１．５μｍのうち数点の波長の
単色発光スペクトル強度から演算する水蒸気の吸光量を
もとに燃焼状態を診断する。図４に重油燃焼火炎の発光
スペクトル例を示す。図４において０．７μｍより長波
長側には火炎中のスート（炭素質粒子）等の固体粒子の
発光による連続スペクトルが見られ、またこの連続スペ
クトル上の１．４μｍ近傍に水蒸気吸光による発光スペ
クトル強度の減少が見られる。スートは黒体に近い発光
特性を有しており、一般に灰色体として扱われる。灰色
体の波長と発光スペクトル強度（放射エネルギー）の関
係は（１）式に示すプランクの式により温度の関数とな
る。
近赤外の波長域において、０．７〜１．０μｍの波長域
のうち数点の波長の単色発光スペクトル強度から演算す
る火炎温度と、１．３〜１．５μｍのうち数点の波長の
単色発光スペクトル強度から演算する水蒸気の吸光量を
もとに燃焼状態を診断する。図４に重油燃焼火炎の発光
スペクトル例を示す。図４において０．７μｍより長波
長側には火炎中のスート（炭素質粒子）等の固体粒子の
発光による連続スペクトルが見られ、またこの連続スペ
クトル上の１．４μｍ近傍に水蒸気吸光による発光スペ
クトル強度の減少が見られる。スートは黒体に近い発光
特性を有しており、一般に灰色体として扱われる。灰色
体の波長と発光スペクトル強度（放射エネルギー）の関
係は（１）式に示すプランクの式により温度の関数とな
る。
【０００５】
【数１】
【０００６】Ｍλ：波長λにおける発光スペクトル強度
（放射エネルギー） ε ：放射率 λ ：波長 Ｔ ：絶対温度 Ｃ1 、Ｃ2 ：プランクの式の第１、第２定数 この関係を用いて、数点の波長における発光スペクトル
強度の測定から火炎温度を演算する。
（放射エネルギー） ε ：放射率 λ ：波長 Ｔ ：絶対温度 Ｃ1 、Ｃ2 ：プランクの式の第１、第２定数 この関係を用いて、数点の波長における発光スペクトル
強度の測定から火炎温度を演算する。
【０００７】１．４μｍ近傍における発光スペクトル強
度の減少は、光プローブと火炎との間に水蒸気を含む排
ガスが流れ、水蒸気の吸光帯（１．４、１．９、２．７
μｍ）で火炎からの光が吸収された結果生じたものであ
る。燃焼診断装置は火炎温度、水蒸気の吸光量の変化と
燃焼条件の因果関係のデータベースをもとに燃焼診断を
実施するものである。
度の減少は、光プローブと火炎との間に水蒸気を含む排
ガスが流れ、水蒸気の吸光帯（１．４、１．９、２．７
μｍ）で火炎からの光が吸収された結果生じたものであ
る。燃焼診断装置は火炎温度、水蒸気の吸光量の変化と
燃焼条件の因果関係のデータベースをもとに燃焼診断を
実施するものである。
【０００８】上記燃焼診断を行うためには、中継光ファ
イバ５によって導かれたバーナ火炎の発光スペクトルか
ら燃焼診断に必要な波長を抽出するための光干渉フィル
タが必要となる。図５に各波長成分の発光スペクトル強
度を測定する分光分析部７の一例を示す。火炎から取込
んだ発光は中継光ファイバ５を経由して分光分析部７に
入る。所定波長が通過する複数の光干渉フィルタを取付
けた円盤９のうち所定の光干渉フィルタに光を入射し、
必要な波長成分の光のみ受光素子１０に照射する。受光
素子１０では入射光量に比例した電気信号に変換され、
信号増幅部１１にて信号を増幅し、ＡＤ変換部１２にて
デイジタル値に変換してマイクロコンピュータＣＰＵ１
３に取込む。円盤９を回転させて各波長の発光スペクト
ル強度を取込み、火炎温度の演算、燃焼診断を行うもの
である。この方式はメカによる回転部を含むため耐久性
の面で問題ある。また、ボイラのようなマルチバーナ燃
焼炉では光ファイバ５入力が複数あるため、光干渉フィ
ルタを搭載した円盤９も複数必要となり機器が大きくな
る。
イバ５によって導かれたバーナ火炎の発光スペクトルか
ら燃焼診断に必要な波長を抽出するための光干渉フィル
タが必要となる。図５に各波長成分の発光スペクトル強
度を測定する分光分析部７の一例を示す。火炎から取込
んだ発光は中継光ファイバ５を経由して分光分析部７に
入る。所定波長が通過する複数の光干渉フィルタを取付
けた円盤９のうち所定の光干渉フィルタに光を入射し、
必要な波長成分の光のみ受光素子１０に照射する。受光
素子１０では入射光量に比例した電気信号に変換され、
信号増幅部１１にて信号を増幅し、ＡＤ変換部１２にて
デイジタル値に変換してマイクロコンピュータＣＰＵ１
３に取込む。円盤９を回転させて各波長の発光スペクト
ル強度を取込み、火炎温度の演算、燃焼診断を行うもの
である。この方式はメカによる回転部を含むため耐久性
の面で問題ある。また、ボイラのようなマルチバーナ燃
焼炉では光ファイバ５入力が複数あるため、光干渉フィ
ルタを搭載した円盤９も複数必要となり機器が大きくな
る。
【０００９】上記問題点を解決するには、メカ（円盤）
による分光分析方式でなく、図６に示すような多層膜干
渉フィルタ１６による分光分析方式が優れている。図６
に示す分光分析部７は、中継光ファイバ５、ガラスブロ
ック１４、コリメータレンズ１５、多層膜干渉フィルタ
１６、受光素子１０で構成される。中継光ファイバ５に
より伝送された火炎からの発光はコリメータレンズ１５
により平行光線となり、多層膜干渉フィルタ１６に入射
する。多層膜干渉フィルタ１６は特定の波長域に対して
波長選択性をもって透過し、その他の波長域の光を高反
射率で反射するものである。多層膜干渉フィルタ１６は
それぞれ０．８、０．９、１．３、１．４、１．５μｍ
を中心波長とした狭波長帯域の光のみを透過し、その他
の波長域の光を反射する。多層膜干渉フィルタ１６の光
透過面に受光素子１０を取付けると、所定の波長域にお
ける発光スペクトル強度を取込むことができる。以下、
図５と同様に受光素子１０で電気信号に変換した信号は
増幅した後、マルチプレクサ部１７にて信号を選択し、
ＡＤ変換部１２にてデイジタル値に変換し、マイクロコ
ンピュータ１３による演算を行い、火炎温度の算出、燃
焼診断を実施する。多層膜干渉フィルタ１６を用いた分
光分析方式は、図５に示すようなメカ駆動方式に較べ耐
久性に優れ、小スペースでシステムを構築することがで
きる。
による分光分析方式でなく、図６に示すような多層膜干
渉フィルタ１６による分光分析方式が優れている。図６
に示す分光分析部７は、中継光ファイバ５、ガラスブロ
ック１４、コリメータレンズ１５、多層膜干渉フィルタ
１６、受光素子１０で構成される。中継光ファイバ５に
より伝送された火炎からの発光はコリメータレンズ１５
により平行光線となり、多層膜干渉フィルタ１６に入射
する。多層膜干渉フィルタ１６は特定の波長域に対して
波長選択性をもって透過し、その他の波長域の光を高反
射率で反射するものである。多層膜干渉フィルタ１６は
それぞれ０．８、０．９、１．３、１．４、１．５μｍ
を中心波長とした狭波長帯域の光のみを透過し、その他
の波長域の光を反射する。多層膜干渉フィルタ１６の光
透過面に受光素子１０を取付けると、所定の波長域にお
ける発光スペクトル強度を取込むことができる。以下、
図５と同様に受光素子１０で電気信号に変換した信号は
増幅した後、マルチプレクサ部１７にて信号を選択し、
ＡＤ変換部１２にてデイジタル値に変換し、マイクロコ
ンピュータ１３による演算を行い、火炎温度の算出、燃
焼診断を実施する。多層膜干渉フィルタ１６を用いた分
光分析方式は、図５に示すようなメカ駆動方式に較べ耐
久性に優れ、小スペースでシステムを構築することがで
きる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、火炎の発光スペクトルを検出する分光分析手法を用
いた場合、火炎からの発光スペクトルを広いダイナミッ
クレンジで検出する必要がある。火炎温度の検出範囲を
６００〜１６００℃とし、検出波長を０．８μｍに着目
してみると、波長０．８μｍにおける検出信号の最大ダ
イナミックレンジは、火炎温度１６００℃における発光
スペクトル強度（Ｍ1 ）と、火炎温度６００℃における
発光スペクトル強度（Ｍ2 ）との比となる。Ｍ1 とＭ2
の比は（１）式をもとに、（２）式で表わされる。
て、火炎の発光スペクトルを検出する分光分析手法を用
いた場合、火炎からの発光スペクトルを広いダイナミッ
クレンジで検出する必要がある。火炎温度の検出範囲を
６００〜１６００℃とし、検出波長を０．８μｍに着目
してみると、波長０．８μｍにおける検出信号の最大ダ
イナミックレンジは、火炎温度１６００℃における発光
スペクトル強度（Ｍ1 ）と、火炎温度６００℃における
発光スペクトル強度（Ｍ2 ）との比となる。Ｍ1 とＭ2
の比は（１）式をもとに、（２）式で表わされる。
【００１１】
【数２】
【００１２】λ1 ：０．８μｍ、Ｔ1 ：１８７３Ｋ、Ｔ
2 ：８７３Ｋ、Ｃ2 ：１．４３９×１０-2〔ｍ・Ｋ〕よ
り、Ｍ1 ／Ｍ2 ＝６．０×１０4 となる。このように検
出信号のダイナミックレンジが大きい場合、全領域を精
度よく検出するために検出信号を対数変換する手法がと
られる。信号を対数変換する場合にはＬＯＧアンプを用
いる。図７に信号変換回路の１系統を示す。火炎からの
発光は各多層膜干渉フィルタ１６を経由して特定波長の
光を受光素子１０に入射する。受光素子１０には検出感
度の高い光起電力型のフォトダイオードを用いる。０．
８、０．９μｍでの検出領域では可視光領域に分光感度
特性を持つＳｉフォトダイオードを、１．３、１．４、
１．５μｍの検出波長領域では近赤外光領域に分光感度
特性を持つＧｅまたはＩｎＧａＡｓフォトダイオードを
使用する。フォトダイオードは入射光量に比例した電流
を出力し、後段の電流電圧変換部１８にて電圧信号に変
換する。電圧変換した信号はマルチプレクサ部１７を経
由してＬＯＧアンプ部１９に入力される。ＬＯＧアンプ
部１９の入力レンジは、信号を電圧入力とした場合、１
ｍＶ〜１０Ｖが実用的な信号レベルである。ＬＯＧアン
プの入力ダイナミックレンジは１０4 （８０ｄＢ）であ
り、上記のように火炎温度６００〜１６００℃の範囲で
信号処理するためのダイナミックレンジ（６．０×１０
4 ）を満足できない。
2 ：８７３Ｋ、Ｃ2 ：１．４３９×１０-2〔ｍ・Ｋ〕よ
り、Ｍ1 ／Ｍ2 ＝６．０×１０4 となる。このように検
出信号のダイナミックレンジが大きい場合、全領域を精
度よく検出するために検出信号を対数変換する手法がと
られる。信号を対数変換する場合にはＬＯＧアンプを用
いる。図７に信号変換回路の１系統を示す。火炎からの
発光は各多層膜干渉フィルタ１６を経由して特定波長の
光を受光素子１０に入射する。受光素子１０には検出感
度の高い光起電力型のフォトダイオードを用いる。０．
８、０．９μｍでの検出領域では可視光領域に分光感度
特性を持つＳｉフォトダイオードを、１．３、１．４、
１．５μｍの検出波長領域では近赤外光領域に分光感度
特性を持つＧｅまたはＩｎＧａＡｓフォトダイオードを
使用する。フォトダイオードは入射光量に比例した電流
を出力し、後段の電流電圧変換部１８にて電圧信号に変
換する。電圧変換した信号はマルチプレクサ部１７を経
由してＬＯＧアンプ部１９に入力される。ＬＯＧアンプ
部１９の入力レンジは、信号を電圧入力とした場合、１
ｍＶ〜１０Ｖが実用的な信号レベルである。ＬＯＧアン
プの入力ダイナミックレンジは１０4 （８０ｄＢ）であ
り、上記のように火炎温度６００〜１６００℃の範囲で
信号処理するためのダイナミックレンジ（６．０×１０
4 ）を満足できない。
【００１３】このように非常にダイナミックレンジの大
きな信号を取扱う場合、ＬＯＧアンプを用いるだけでは
信号の全領域をカバーすることができない。本発明の目
的は、火炎温度範囲が広く、ダイナミックレンジの大き
な信号を取扱う場合であっても適切な温度検出を行うこ
とができる燃焼診断装置を提供することにある。
きな信号を取扱う場合、ＬＯＧアンプを用いるだけでは
信号の全領域をカバーすることができない。本発明の目
的は、火炎温度範囲が広く、ダイナミックレンジの大き
な信号を取扱う場合であっても適切な温度検出を行うこ
とができる燃焼診断装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願で特許請求される発明は以下のとおりである。 （１）光プローグにより受光され、伝送された燃焼火炎
の発光を所定の複数の波長に分光する分光分析部と、こ
の分光された所定波長の光を受光素子により電気信号に
変換する受光部と、この電気信号を所定のゲインを有す
るプログラマブルゲインアンプ部とＬＯＧアンプ部とに
より増幅する増幅部と、増幅部からの信号をデイジタル
信号に変換するＡＤ変換部と、変換した信号をもとに燃
焼状態を判断する判断部からなり、上記判断部は増幅部
の増幅結果が適切か否かを判定して適切でないときは前
記プログラマブルゲインアンプ部のゲインを再設定する
手段を備えていることを特徴とする燃焼診断装置。
本願で特許請求される発明は以下のとおりである。 （１）光プローグにより受光され、伝送された燃焼火炎
の発光を所定の複数の波長に分光する分光分析部と、こ
の分光された所定波長の光を受光素子により電気信号に
変換する受光部と、この電気信号を所定のゲインを有す
るプログラマブルゲインアンプ部とＬＯＧアンプ部とに
より増幅する増幅部と、増幅部からの信号をデイジタル
信号に変換するＡＤ変換部と、変換した信号をもとに燃
焼状態を判断する判断部からなり、上記判断部は増幅部
の増幅結果が適切か否かを判定して適切でないときは前
記プログラマブルゲインアンプ部のゲインを再設定する
手段を備えていることを特徴とする燃焼診断装置。
【００１５】（２）光プローグにより受光され、伝送さ
れた燃焼火炎の発光を所定の複数の波長に分光する分光
分析部と、この分光された所定波長の光を電気信号に変
換する受光部と、この信号を所定のゲインで増幅するプ
ログラマブルゲインアンプ部と、増幅された信号を対数
変換するＬＯＧアンプ部と、対数変換された信号をデイ
ジタル信号に変換するＡＤ変換部と、変換したデイジタ
ル値をもとに燃焼状態を判断する判断部とからなり、上
記判断部はＡＤ変換した結果がＬＯＧアンプの有効入力
範囲内に入っていないと判定した場合、前記プログラマ
ブルゲインアンプのゲインを再設定する手段を備えてい
ることを特徴とする燃焼診断装置。
れた燃焼火炎の発光を所定の複数の波長に分光する分光
分析部と、この分光された所定波長の光を電気信号に変
換する受光部と、この信号を所定のゲインで増幅するプ
ログラマブルゲインアンプ部と、増幅された信号を対数
変換するＬＯＧアンプ部と、対数変換された信号をデイ
ジタル信号に変換するＡＤ変換部と、変換したデイジタ
ル値をもとに燃焼状態を判断する判断部とからなり、上
記判断部はＡＤ変換した結果がＬＯＧアンプの有効入力
範囲内に入っていないと判定した場合、前記プログラマ
ブルゲインアンプのゲインを再設定する手段を備えてい
ることを特徴とする燃焼診断装置。
【００１６】（３）（１）または（２）において、前記
分光分析部で分光抽出された波長以外の光を受光して電
気信号に変換する第２の受光部と、第２の受光部からの
信号に基づき火炎の点火、消火の判定を行う手段とを設
けたことを特徴とする燃焼診断装置。
分光分析部で分光抽出された波長以外の光を受光して電
気信号に変換する第２の受光部と、第２の受光部からの
信号に基づき火炎の点火、消火の判定を行う手段とを設
けたことを特徴とする燃焼診断装置。
【００１７】
【作用】図８にプログラマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）
２０を挿入した信号変換回路の１系統を示す。火炎から
の発光は多層膜干渉フィルタ１６を経由し、所定の波長
成分の光を受光素子部１０のフォトダイオードに入射す
る。フォトダイオードでは入射光量に比例した電流が出
力され、電流電圧変換部１８にて電圧に変換される。電
圧変換された信号はＰＧＡ部２０にて最適なゲインで増
幅され、増幅後ＬＯＧアンプ部１９にて信号を対数変換
する。対数変換した結果をＡＤ変換部１２にてＡＤ変換
し、変換終了後ＣＰＵ１３にてＡＤ変換結果を読み取る
手順となる。
２０を挿入した信号変換回路の１系統を示す。火炎から
の発光は多層膜干渉フィルタ１６を経由し、所定の波長
成分の光を受光素子部１０のフォトダイオードに入射す
る。フォトダイオードでは入射光量に比例した電流が出
力され、電流電圧変換部１８にて電圧に変換される。電
圧変換された信号はＰＧＡ部２０にて最適なゲインで増
幅され、増幅後ＬＯＧアンプ部１９にて信号を対数変換
する。対数変換した結果をＡＤ変換部１２にてＡＤ変換
し、変換終了後ＣＰＵ１３にてＡＤ変換結果を読み取る
手順となる。
【００１８】上記回路において受光素子部１０のフォト
ダイオードからの出力電流が０．１ｎＡから６μＡの範
囲（ダイナミックレンジ＝６．０×１０4 ）で変化し
（火炎温度が６００〜１６００℃間で変化したときと同
じダイナミックレンジ）、電流電圧変換部１８のフィー
ドバック抵抗（Ｒ1 ）は１ＭΩとする（図９参照）。ま
た、ＰＧＡ部２０は、プログラマブルにゲインを１、１
０、１００倍（ダイナミックレンジ１０2 ）に設定で
き、ＬＯＧアンプ部１９にはダイナミックレンジ１０4
（８０ｄＢ）のものを使用する。図１０にＬＯＧアンプ
部１９の入出力特性を示す。
ダイオードからの出力電流が０．１ｎＡから６μＡの範
囲（ダイナミックレンジ＝６．０×１０4 ）で変化し
（火炎温度が６００〜１６００℃間で変化したときと同
じダイナミックレンジ）、電流電圧変換部１８のフィー
ドバック抵抗（Ｒ1 ）は１ＭΩとする（図９参照）。ま
た、ＰＧＡ部２０は、プログラマブルにゲインを１、１
０、１００倍（ダイナミックレンジ１０2 ）に設定で
き、ＬＯＧアンプ部１９にはダイナミックレンジ１０4
（８０ｄＢ）のものを使用する。図１０にＬＯＧアンプ
部１９の入出力特性を示す。
【００１９】フォトダイオードからの出力電流が０．１
ｎＡとすると、電流電圧変換部１８の出力電圧Ｅ1 は
０．１ｍＶ（０．１ｎＡ×１ＭΩ）となる。ＰＧＡ部２
０のゲインが１に設定されていたなら、ＰＧＡ部２０の
出力電圧Ｅ2 は同様に０．１ｍＶであり、ＬＯＧアンプ
部１９の有効入力電圧範囲（１ｍＶから１０Ｖ）を逸脱
してしまう。ＣＰＵ１３はＡＤ変換した結果から、ＡＤ
変換部１２入力電圧（ＬＯＧアンプ部出力電圧１９）が
所定値（−４Ｖ（図１０））以下であると、入力信号が
過小と判定し、ＰＧＡ部２０のゲインを増加させる。Ｐ
ＧＡ部２０のゲインを１００に設定変更すると、ＬＯＧ
アンプ部１９入力電圧（ＰＧＡ部２０出力電圧Ｅ2 ）は
１０ｍＶとなり、ＬＯＧアンプ部１９の有効入力電圧範
囲内に入る。
ｎＡとすると、電流電圧変換部１８の出力電圧Ｅ1 は
０．１ｍＶ（０．１ｎＡ×１ＭΩ）となる。ＰＧＡ部２
０のゲインが１に設定されていたなら、ＰＧＡ部２０の
出力電圧Ｅ2 は同様に０．１ｍＶであり、ＬＯＧアンプ
部１９の有効入力電圧範囲（１ｍＶから１０Ｖ）を逸脱
してしまう。ＣＰＵ１３はＡＤ変換した結果から、ＡＤ
変換部１２入力電圧（ＬＯＧアンプ部出力電圧１９）が
所定値（−４Ｖ（図１０））以下であると、入力信号が
過小と判定し、ＰＧＡ部２０のゲインを増加させる。Ｐ
ＧＡ部２０のゲインを１００に設定変更すると、ＬＯＧ
アンプ部１９入力電圧（ＰＧＡ部２０出力電圧Ｅ2 ）は
１０ｍＶとなり、ＬＯＧアンプ部１９の有効入力電圧範
囲内に入る。
【００２０】一方、フォトダイオードからの出力電流が
６μＡとすると、電流電圧変換部１８の出力電圧Ｅ1 は
６Ｖ（６μＡ×１ＭΩ）となる。ＰＧＡ部２０のゲイン
が１００に設定されたままなら、ＰＧＡ部２０の出力電
圧Ｅ2 （ＬＯＧアンプ部１９入力電圧）は６００Ｖとな
り（実際はＰＧＡ部２０の電源電圧で飽和）、ＬＯＧア
ンプ有効入力電圧範囲（１ｍＶから１０Ｖ）を逸脱して
しまう。ＣＰＵ１３はＡＤ変換結果から、ＡＤ変換部１
２の入力電圧が所定値（＋４Ｖ）以上であると判定する
と、入力信号過大と判定し、ＰＧＡ部２０のゲインを減
少させる。ＰＧＡ部２０のゲインを１に設定変更する
と、ＬＯＧアンプ部１９入力電圧（ＰＧＡ部２０出力電
圧Ｅ2 ）は６Ｖとなり、ＬＯＧアンプの有効入力電圧範
囲に入る。
６μＡとすると、電流電圧変換部１８の出力電圧Ｅ1 は
６Ｖ（６μＡ×１ＭΩ）となる。ＰＧＡ部２０のゲイン
が１００に設定されたままなら、ＰＧＡ部２０の出力電
圧Ｅ2 （ＬＯＧアンプ部１９入力電圧）は６００Ｖとな
り（実際はＰＧＡ部２０の電源電圧で飽和）、ＬＯＧア
ンプ有効入力電圧範囲（１ｍＶから１０Ｖ）を逸脱して
しまう。ＣＰＵ１３はＡＤ変換結果から、ＡＤ変換部１
２の入力電圧が所定値（＋４Ｖ）以上であると判定する
と、入力信号過大と判定し、ＰＧＡ部２０のゲインを減
少させる。ＰＧＡ部２０のゲインを１に設定変更する
と、ＬＯＧアンプ部１９入力電圧（ＰＧＡ部２０出力電
圧Ｅ2 ）は６Ｖとなり、ＬＯＧアンプの有効入力電圧範
囲に入る。
【００２１】上記のようにＬＯＧアンプとＰＧＡを組合
わせることにより、入力信号のダイナミックレンジを拡
張することができる。
わせることにより、入力信号のダイナミックレンジを拡
張することができる。
【００２２】
【実施例】図１に本発明になる一実施例の燃焼診断装置
の構成を示す。図１に示す燃焼診断装置は、火炎からの
発光を受けるための光プローブ４、中継光ファイバ５、
分光分析部７、受光素子部１０、電流電圧変換部１８、
ＰＧＡ（プログラマブルゲインアンプ）部２０、マルチ
プレクサ部１７、ＬＯＧアンプ部１９、ＡＤ変換部１
２、ＣＰＵ１３で主に構成される。
の構成を示す。図１に示す燃焼診断装置は、火炎からの
発光を受けるための光プローブ４、中継光ファイバ５、
分光分析部７、受光素子部１０、電流電圧変換部１８、
ＰＧＡ（プログラマブルゲインアンプ）部２０、マルチ
プレクサ部１７、ＬＯＧアンプ部１９、ＡＤ変換部１
２、ＣＰＵ１３で主に構成される。
【００２３】光プローブ４によって受光した光は中継光
ファイバ５を経由して分光分析部７に入力される。中継
光ファイバ５には石英系光ファイバを用いる。分光分析
部７内の多層膜干渉フィルタ１６は、火炎の発光を所定
の特定波長域のみ透過させる。透過した特定波長の単色
光は受光素子部１０で受光する。受光素子部１０には入
射光量に比例した電流を出力するフォトダイオードを用
い、出力電流は次段の電流電圧変換部１８にて電圧信号
に変換する。電圧変換された信号は、プログラマブルに
ゲインを設定できるＰＧＡ部２０、マルチプレクサ部１
７を経由して、ＬＯＧアンプ部１９に入力される。ＬＯ
Ｇアンプ部１９では入力信号を対数変換し、対数変換し
た信号をＡＤ変換部１２にてＡＤ変換処理を行い、ＡＤ
変換結果をＣＰＵ１３が取込む。なおＡＤ変換した結
果、ＬＯＧアンプ部１９への入力電圧が有効電圧範囲外
（過小または過大）と判定したなら、ＰＧＡ部２０のゲ
インを再設定し（信号過小ならゲインを上げる。過大な
らゲインを下げる）、ＬＯＧアンプ部１９への入力電圧
を有効電圧範囲内とする。このようにＬＯＧアンプとＰ
ＧＡを組合わせることにより、ＬＯＧアンプ単体でカバ
ーしきれないような広い温度範囲の火炎から発光するダ
イナミックレンジの大きな信号を取扱うことができる。
ファイバ５を経由して分光分析部７に入力される。中継
光ファイバ５には石英系光ファイバを用いる。分光分析
部７内の多層膜干渉フィルタ１６は、火炎の発光を所定
の特定波長域のみ透過させる。透過した特定波長の単色
光は受光素子部１０で受光する。受光素子部１０には入
射光量に比例した電流を出力するフォトダイオードを用
い、出力電流は次段の電流電圧変換部１８にて電圧信号
に変換する。電圧変換された信号は、プログラマブルに
ゲインを設定できるＰＧＡ部２０、マルチプレクサ部１
７を経由して、ＬＯＧアンプ部１９に入力される。ＬＯ
Ｇアンプ部１９では入力信号を対数変換し、対数変換し
た信号をＡＤ変換部１２にてＡＤ変換処理を行い、ＡＤ
変換結果をＣＰＵ１３が取込む。なおＡＤ変換した結
果、ＬＯＧアンプ部１９への入力電圧が有効電圧範囲外
（過小または過大）と判定したなら、ＰＧＡ部２０のゲ
インを再設定し（信号過小ならゲインを上げる。過大な
らゲインを下げる）、ＬＯＧアンプ部１９への入力電圧
を有効電圧範囲内とする。このようにＬＯＧアンプとＰ
ＧＡを組合わせることにより、ＬＯＧアンプ単体でカバ
ーしきれないような広い温度範囲の火炎から発光するダ
イナミックレンジの大きな信号を取扱うことができる。
【００２４】マルチプレクサ部１７を切替えて同様な信
号処理を実施し、各波長における発光強度の比、相対関
係から火炎温度の算出、燃焼診断等を行う。本発明の他
の実施例を図２に示す。本実施例は図１に示す燃焼診断
装置の分光分析部７に、複数の多層膜干渉フィルタ１６
で抽出された波長以外の光を検出する受光素子２１を追
加し、火炎検出機能を追加したことを特徴とする装置構
成である。
号処理を実施し、各波長における発光強度の比、相対関
係から火炎温度の算出、燃焼診断等を行う。本発明の他
の実施例を図２に示す。本実施例は図１に示す燃焼診断
装置の分光分析部７に、複数の多層膜干渉フィルタ１６
で抽出された波長以外の光を検出する受光素子２１を追
加し、火炎検出機能を追加したことを特徴とする装置構
成である。
【００２５】バーナ火炎の点消火を判定する火炎検出
は、隣接・対向バーナ火炎からの干渉、炉壁からの輻射
等の影響を取除くために、燃焼火炎特有のゆらぎ（光の
ＡＣ成分）を検出するため、充分な光量の光を受光する
必要がある。図２に示す分光分析部７は、火炎検出に用
いる光は最終段の受光素子２１で検出する構成である。
燃焼診断に用いる多層膜干渉フィルタ１６は狭帯域の波
長透過特性を持ち、該当する波長以外は高い反射率で反
射するため、光ファイバで受光した光量とほぼ同等の光
量が最終段に設置した受光素子２１に入力される。受光
素子２１で検出した信号は、バンドパスフィルタ部２２
にて、直流成分の除去および高周波ノイズの除去処理が
施され、火炎特有のゆらぎ成分（１０Ｈｚ〜１ｋＨｚ）
を抽出、増幅する。この増幅した信号を比較部２３にて
しきい値と比較し、火炎の点・消火判定を行うものであ
る。
は、隣接・対向バーナ火炎からの干渉、炉壁からの輻射
等の影響を取除くために、燃焼火炎特有のゆらぎ（光の
ＡＣ成分）を検出するため、充分な光量の光を受光する
必要がある。図２に示す分光分析部７は、火炎検出に用
いる光は最終段の受光素子２１で検出する構成である。
燃焼診断に用いる多層膜干渉フィルタ１６は狭帯域の波
長透過特性を持ち、該当する波長以外は高い反射率で反
射するため、光ファイバで受光した光量とほぼ同等の光
量が最終段に設置した受光素子２１に入力される。受光
素子２１で検出した信号は、バンドパスフィルタ部２２
にて、直流成分の除去および高周波ノイズの除去処理が
施され、火炎特有のゆらぎ成分（１０Ｈｚ〜１ｋＨｚ）
を抽出、増幅する。この増幅した信号を比較部２３にて
しきい値と比較し、火炎の点・消火判定を行うものであ
る。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、従来より大きなダイナ
ミックレンジの信号を取扱うことができる。そのため、
従来より広い温度範囲でバーナを燃焼させる、例えば低
ＮＯｘ燃焼炉についても適切に火炎温度の算出、燃焼診
断等が行える。
ミックレンジの信号を取扱うことができる。そのため、
従来より広い温度範囲でバーナを燃焼させる、例えば低
ＮＯｘ燃焼炉についても適切に火炎温度の算出、燃焼診
断等が行える。
【図１】本発明になる一実施例の燃焼診断装置の構成を
示す図。
示す図。
【図２】本発明の他の実施例になる装置の構成を示す
図。
図。
【図３】従来の火炎発光スペクトル分析による燃焼診断
装置を示す図。
装置を示す図。
【図４】重油燃焼火炎の発光スペクトル特性を示す図。
【図５】複数の波長成分の発光スペクトル強度を測定す
るための従来の分光分析部を示す図。
るための従来の分光分析部を示す図。
【図６】多層膜干渉フィルタによる分光分析部を示す
図。
図。
【図７】従来の信号変換回路の１系統を示す図。
【図８】ＰＧＡを挿入した信号変換回路の１系統を示す
図。
図。
【図９】電流電圧変換部内の回路を示す図。
【図１０】ＬＯＧアンプ部の入出力特性を示す図。
１…燃焼炉、２…火炎、３…バーナ、４…光プローブ、
５…中継光ファイバ、６…光チャンネルセレクタ、７…
分光分析部、１０…受光素子、１２…ＡＤ変換部、１３
…ＣＰＵ、１４…ガラスブロック、１５…コリメータレ
ンズ、１６…多層膜干渉フィルタ、１７…マルチプレク
サ部、１８…電源電圧変換部、１９…ＬＯＧアンプ部、
２０…プログラマブルゲインアンプ部（ＰＧＡ）、２１
…受光素子、２２…バンドパスフィルタ部、２３…比較
部。
５…中継光ファイバ、６…光チャンネルセレクタ、７…
分光分析部、１０…受光素子、１２…ＡＤ変換部、１３
…ＣＰＵ、１４…ガラスブロック、１５…コリメータレ
ンズ、１６…多層膜干渉フィルタ、１７…マルチプレク
サ部、１８…電源電圧変換部、１９…ＬＯＧアンプ部、
２０…プログラマブルゲインアンプ部（ＰＧＡ）、２１
…受光素子、２２…バンドパスフィルタ部、２３…比較
部。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F23N 5/08
G01J 5/00
Claims (3)
- 【請求項１】 光プローグにより受光され、伝送された
燃焼火炎の発光を所定の複数の波長に分光する分光分析
部と、この分光された所定波長の光を受光素子により電
気信号に変換する受光部と、この電気信号を所定のゲイ
ンを有するプログラマブルゲインアンプ部とＬＯＧアン
プ部とにより増幅する増幅部と、増幅部からの信号をデ
イジタル信号に変換するＡＤ変換部と、変換した信号を
もとに燃焼状態を判断する判断部からなり、上記判断部
は増幅部の増幅結果が適切か否かを判定して適切でない
ときは前記プログラマブルゲインアンプ部のゲインを再
設定する手段を備えていることを特徴とする燃焼診断装
置。 - 【請求項２】 光プローグにより受光され、伝送された
燃焼火炎の発光を所定の複数の波長に分光する分光分析
部と、この分光された所定波長の光を電気信号に変換す
る受光部と、この信号を所定のゲインで増幅するプログ
ラマブルゲインアンプ部と、増幅された信号を対数変換
するＬＯＧアンプ部と、対数変換された信号をデイジタ
ル信号に変換するＡＤ変換部と、変換したデイジタル値
をもとに燃焼状態を判断する判断部とからなり、上記判
断部はＡＤ変換した結果がＬＯＧアンプの有効入力範囲
内に入っていないと判定した場合、前記プログラマブル
ゲインアンプのゲインを再設定する手段を備えているこ
とを特徴とする燃焼診断装置。 - 【請求項３】 請求項１または２において、前記分光分
析部で分光抽出された波長以外の光を受光して電気信号
に変換する第２の受光部と、第２の受光部からの信号に
基づき火炎の点火、消火の判定を行う手段とを設けたこ
とを特徴とする燃焼診断装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22196894A JP3390265B2 (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 燃焼診断装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22196894A JP3390265B2 (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 燃焼診断装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0886435A JPH0886435A (ja) | 1996-04-02 |
| JP3390265B2 true JP3390265B2 (ja) | 2003-03-24 |
Family
ID=16774995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22196894A Expired - Fee Related JP3390265B2 (ja) | 1994-09-16 | 1994-09-16 | 燃焼診断装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3390265B2 (ja) |
-
1994
- 1994-09-16 JP JP22196894A patent/JP3390265B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0886435A (ja) | 1996-04-02 |
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