JP3423124B2

JP3423124B2 - 燃焼監視センサ及びこれを用いた燃焼装置の空気比制御方法

Info

Publication number: JP3423124B2
Application number: JP24022395A
Authority: JP
Inventors: 浩二遠藤; 貴弘山口; 朝治山田; 寛信内山; 聡柴田
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 2003-07-07
Anticipated expiration: 2015-09-19
Also published as: JPH0979571A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はボイラ等の燃焼装置
の燃焼監視に用いる火炎検出型燃焼監視センサと、これ
を用いた空気比制御方法の改良に関するものであり、光
ファイバと半導体受光素子とから成る非火炎接触式の新
規な燃焼監視センサと、この燃焼監視センサにより空気
比を火炎より直接検出し、その空気比検出信号により、
燃焼装置の空気比を最適な設定値に制御するようにした
新規な空気比制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガス燃焼式ボイラ等の燃焼制御に用いる
燃焼監視センサとしては、例えば、燃焼反応の過程で
生成される特定のイオンを電気的に検出する構成の電極
式センサ（フレームロッド）、燃焼反応の過程で発生
するラジカル化学種を光学的に検出する構成の紫外線光
電管式センサ（ウルトラビジョン）、燃焼によって生
じる炉内圧力の脈動を機械的に検出する構成の微圧セン
サ等が、これまで一般に多く使用されている。同様に、
油燃焼式ボイラ等に於いては、カドニウムセルを用いた
光電式センサが多く使用されている。

【０００３】しかし、前記電極式センサは電極部を火炎
内へ挿入するため、酸化による劣化や消耗が激しいうえ
各種の汚損物質の付着が避けられず、センサの検出性能
が悪化する。その結果、検出部の交換や補修を屡々必要
とすることになり、燃焼監視センサのランニングコスト
の高騰を招くことになる。

【０００４】また、紫外線光電管式センサや微圧式セン
サは、検出部が高価なうえに機械的強度が低くく、耐振
性や耐衝撃性に欠ける。その結果、設備費が高騰すると
共に機器の保守点検や取替えの頻度が高くなり、前記電
極式センサの場合と同様に燃焼監視センサのランニング
コストが高騰することになる。

【０００５】更に、カドニウムセルを用いた光電式セン
サは、カドニウムセルの性質上油焚用の輝炎にしか用い
ることができず、ガス焚用火炎には適用できないうえ、
信号の取り出しがＯＮ−ＯＦＦ方式であるため、空気比
センサーとして用いることができないと云う問題があ
る。

【０００６】加えて、従前の光式燃焼監視センサは、何
れも火炎正面より火炎を観測する型式となっており、バ
ーナ開口部が炎正面より見えない構造のボイラ等には適
用できないうえ、カメラ装置やガラスファイバ、周波数
分析機、電子計算機等を別途に必要とするためセンサ装
置そのものが大がかりとなり、センサ装置の小形化が図
り難いと云う問題がある。

【０００７】一方、従前の小型ボイラ等の燃焼制御に於
いては、燃焼監視センサからの火炎検出信号によってバ
ーナーへ供給する燃焼空気量（空気比）を調整し、理想
的な燃焼炎が得られるようにしている。しかし、従前の
燃焼監視センサを用いた燃焼制御に於いては、外気温度
（燃焼用空気の温度）の変化と共に供給空気量（空気
比）が変る。その結果、燃焼排ガス中の残存Ｏ₂が季節
により大きく変動することになり、送風機動力の増加を
招く等の不都合を生ずることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従前の小型
ボイラ等の燃焼制御に用いる燃焼監視センサ及びこれを
用いた空気比制御に於ける上述の如き問題、即ち燃焼
監視センサの耐久性が低いうえ、検知性能の劣化が比較
的早く、部品の取替や補修を高頻度で行なう必要がある
こと、燃焼監視センサ装置が複雑且つ大形化し、設備
費が高騰すること、燃焼監視センサの取付位置に制約
があること、空気比制御に於いては、一定空気比制御
が困難で、燃焼排ガス内のＯ₂濃度が外気温によって変
動し、送風機の動力損失等を生ずること等の問題を解決
し、構造が簡単で安価であり、しかも検出部が火炎に対
して非接触であって耐久性に富み、ボイラ等の燃焼火炎
を火炎の正面のみならず背面や側面からも検出できると
共に、火炎より直接に空気比を検出することにより、最
適な所定値に空気比を制御できるようにした、燃焼監視
センサとこれを用いたボイラ等の空気比制御方法を提供
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願請求項１の発明は、
火炎からの放射光を受光する複数の光ファイバと、二組
のグループに分けた前記複数の光ファイバからの入射光
を電気信号に変換する複数の変換回路を有し、前記二組
のグループからの電気信号の差動信号を検出信号として
出力する信号処理装置とを発明の基本構成とするもので
ある。

【００１０】本願請求項４に記載の発明は火炎からの放
射光を受光する光ファイバと、光ファイバからの入射光
を通過せしめる青色又は緑色フィルタと、フィルタから
の入射光を電気信号に変換する変換回路を有し、そのそ
の増幅信号を検出信号として出力する信号処理装置とを
発明の基本構成とするものである。

【００１１】本件請求項４に記載の方法発明は、燃焼装
置に、火炎からの放射光を受光する複数の光ファイバ
と、各ファイバからの入射光を電気信号に変換する複数
の変換回路を有し、それ等の電気信号の差動信号を検出
信号として出力する信号処理装置とから成る燃焼監視セ
ンサを設け、当該燃焼監視センサからの検出信号を空気
比検出信号として空気比制御装置へ入力し、予かじめ設
定した空気比との差を減少せしめる方向に燃焼用空気の
供給量を調整するようにしたことを発明の基本構成とす
るものである。

【００１２】本願請求項６に記載の方法発明は、燃焼装
置に、火炎からの放射光を受光する光ファイバと、光フ
ァイバからの入射光を通過せしめる青色又は緑色フィル
タと、フィルタからの入射光を電気信号に変換する変換
回路を有し、その増幅信号を検出信号として出力する信
号処理装置とから成る燃焼監視センサを設け、当該燃焼
監視センサからの検出信号を空気比検出信号として空気
比制御装置へ入力し、予かじめ設定した空気比との差を
減少せしめる方向に燃焼用空気の供給量を調整するよう
にしたことを発明の基本構成とするものである。

【００１３】本願発明者等は、上記本願発明の創作に先
き立って図１７の如き全予混合燃焼式マルチポート・バ
ーナを備えた小形ガス燃焼式ボイラを製作し、これを用
いて、燃焼火炎からのガス発光等の火炎放射光と、空気
比に代表される燃焼状態との関係に関する基礎データを
得る試験を数多く実施した。

【００１４】尚、図１７のボイラ１は燃料ガスを都市ガ
ス（１３Ａ）とし、供給熱量は３万ｋｃａｌ／ｈ（最
大）・１．８万ｋｃａｌ／ｈ（最小・６０％）、排出酸
素濃度は２〜８％、燃焼室体積は６．６×１０^-3ｍ
³（１９０ｍｍ×１１５ｍｍ×３００ｍｍ）、バーナ面
積は６．９×１０^-3ｍ³（１２５ｍｍ×５５ｍｍ）に夫
々設定されており、且つ熱交換器３が燃焼室の上方に設
けられている。

【００１５】図１８は、バーナ２を形成するバーナプレ
ート２ａの一例を示すものであり、１．２ｍｍφ〜１．
９ｍｍφのノズル孔２ｂが複数個形成されている。更
に、バーナプレート２ａの下方の風箱４内には、光ファ
イバ５が設けられている。

【００１６】［基礎試験１］本発明では、低ＮＯｘ制御
を実現するため、非火炎接触型で且つボイラの壁面周囲
温度や燃焼負荷率の変動等の外乱による影響を受けずに
燃焼状態を検知し得る燃焼監視センサの試作を目的とし
ている。そのため、先ずボイラ各部の温度測定と、風箱
４内へ流入する混合気流による光ファイバ５の冷却効果
を調査した。

【００１７】図１９は光ファイバ５先端の温度とバーナ
プレート２ａの下面中央の温度等の測定結果を示すもの
であり、光ファイバ５の先端温度が常温に維持されたま
まであることが判明した。尚、ボイラ１は１８０００ｋ
ｃａｌ／ｈｒ，Ｏ₂４％で点火後３０分間運転し、その
後消火すると共にボイラ給水を停止した。

【００１８】［基礎試験２］次に、図２０に示すように
分光計６を用い、火炎の中心軸に沿って放射光を分光分
析した。図２１はその測定結果を示すものであり、ラ
ジカル発光７は紫外から青色領域に卓越したバンドスペ
クトルであり、燃焼室の底部のみに分布すること（ＯＨ
ラジカル：３１０ｎｍ，ＣＨラジカル：４３０ｎｍ）、
熱輻射は近赤外領域に卓越したバンドスペクトルであ
って燃焼室全体に分布しており、高温のＨ₂Ｏガスの放
射であると類推される。即ち、分光放射強度が比較的高
く、燃焼室全体から発する近赤外光が検出されること、
等が判明した。

【００１９】尚、この時の燃焼条件は入力：１８０００
ｋｃａｌ／ｈ、Ｏ₂：６％であり、分光計６は浜松ホト
ニクス（株）製のＲ４４６（６００ｎｍ以下の波長帯）
及びＲ４０６（長波長帯）を使用した。また、図２１に
於いて、７はラジカル放射光、８はＨ₂Ｏガス放射光が
主体となっている近赤外光（以下火炎信号）、Ｈは火炎
中心軸方向の高さ、Ｉ₁は分光計（Ｒ４０６）の出力ｎ
Ａ、Ｉ₂は分光計（Ｒ４４６）の出力ｎＡである。

【００２０】［基礎試験３］図２６のボイラ１を用い、
火炎中心軸線上の温度分布と火炎中心軸線上の火炎信号
（近赤外光放射）８の時間平均強度を、ボイラ入力及び
Ｏ₂濃度をパラメータにして測定した。尚、火炎信号強
度はシリコンフォトダイオードアレイ９を用いて測定し
た。

【００２１】図２２、図２３、図２４及び図２５はその
測定結果を示すものであり、当該試験結果から火炎中
心軸線上の温度及び火炎信号強度は、両方とも供給熱量
に依存せず、空気比の増大に伴って低下することが判っ
た。尚、上記事象は火炎信号として検出した熱輻射光の
強度が、プランクの熱輻射に従う温度の関数であるため
である。

【００２２】［基礎試験４］図２６のように、３５素子
シリコンフォトダイオードアレイ９（浜松ホトニクス
（株）Ｓ４１１１）を軸方向に設置し、これを用いて火
炎の中心軸方向の２点における火炎信号の相関特性を調
べた。測定は、一方の測定位置をＨ＝７０ｍｍに固定
し、他方を測定点の間隔ｄが−１７．６，−８．８，
８．８，１７．６となるように変化させた。ｄ＞０の場
合は、移動測定点が固定測定点より上方にあるときを示
す。また、ｄ＝０の場合は、固定測定点における火炎信
号の自己相関関数を示す。図２７は測定した結果を示す
ものであり、図２７に示す相互相関関数より、火炎信号
は、燃焼室下方から上方に向かって、ほぼ等しい速度で
移動することがわかる。

【００２３】［基礎試験５］図２８に示す如く、Ｓｉフ
ォトダイオードアレイを９を火炎中心軸線に垂平な方向
に配置し、測定点間隔ｄを４．４ｍｍに固定した。そし
て、一方の原信号１１と、両信号の差動信号１２をＦＦ
Ｔアナライザー１０を用いて周波数分析をした。

【００２４】図２９は前記周波数分析の結果を示すもの
であり、白地は原信号１１を、また網地は差動信号１２
を示すものである。尚、試験時のボイラ燃焼条件は入
力：１８０００ｋｃａｌ／ｈ、Ｏ₂：６％であった。

【００２５】図２９からも明らかなように、単センサ信
号（原信号）１１では、位置Ｈに比例して高周波数帯
（１０Ｈｚ以上）の信号成分が増大すること、差動信
号１２に於いては、高周波数帯（１０Ｈｚ以上）の成分
が同期信号として減算処理によって除去され、中心軸に
垂直なむら信号が低周波数帯域に顕著に現れることが判
った。

【００２６】［基礎試験６］次に、ファイバセンサで検
出した火炎信号の挙動を調べるため、図３０に示す如
く、バーナプレート２ａの下方の風箱４内に２本の光フ
ァイバー５ａ、５ｂを間隔Ｄを置いて設けると共に、一
方の光ファイバ５ａをＬ＝７０ｍｍに固定し、他方の光
ファイバ５ｂの間隔を可変とし、各ファイバ５ａ、５ｂ
で火炎信号を検出すると共に、検出した火炎信号の周波
数分析を行った。

【００２７】図３１はその結果を示すものであり、白地
は単センサからの信号（原信号）１４を、また網地は差
動信号１５を示すものである。図３１からも明らかなよ
うに、ファイバ間隔Ｄの増大に比例して、差動信号１
５の強度が増大し、４０ｍｍ近傍で単センサ信号の強度
を越えること、炎孔を介して風箱４から監視した火炎
信号は、低周波数帯信号のみであり、図２９で得られた
火炎中心軸に垂直方向のむら信号に相当する信号が、選
択的に検出されることが判明した。

【００２８】［基礎試験７］図１７に示したボイラ１に
於ける空気比とＮＯｘ濃度及び熱損失の関係を熱燃焼負
荷率をパラメータとして調査した。図３２はその測定結
果を示すものであり、熱損失は空気比１以上の場合の過
剰空気による断熱燃焼温度の低下分から予測したもので
ある。図３２から明らかなように、空気比１．２〜１．
３近傍に於いてＮＯｘ濃度が６０ｐｐｍを下回り、かつ
熱損失が小さい燃焼状態が得られることが判明した。

【００２９】前記各基礎試験の結果から、本願発明者は
バーナプレート２ａの下方の風箱４内に光ファイバー
５を設置し、ノズル孔２ｂを通して火炎を監視すること
ができること、二個の光ファイバ５．５を火炎中心軸
線と垂直方向に間隔を置いて設け、両光ファイバの検出
信号の差動信号を取り出すことにより、同相的な雑音信
号となる炉内熱輻射や外部入射光を相殺した近赤外光信
号のむら信号（即ち、Ｈ₂Ｏガスの放射光強度のむら信
号となり、且つこの近赤外信号のむら信号は燃焼ガス温
度と高い相関性を有すること、前記近赤外光信号のむ
ら信号は燃焼時の空気比と高い相関性を有すること等の
事象を知得した。

【００３０】本願発明は上述の如き知見を基にし、これ
に後述する如き創意を加えることにより創作されたもの
である。

【００３１】

【発明の実施の態様】

［第１燃焼監視センサ］図１は、本発明の実施の態様の
一例を示す斜面図である。図１に於いて、１はボイラ、
２はバーナ、２ａはバーナプレート、３は熱交換器、４
は風箱であり、ボイラ１の外形寸法やバーナ２等の構造
は前記図１７の場合と全く同一である。

【００３２】また、図１に於いて、１６は予混合器付フ
ァン、１７はファン駆動用モータ、１８はモータコント
ローラ、１９は制御弁、２０はバルブコントローラ、２
１は空気比制御装置、２１ａは空気比設定器、２１ｂは
空気比コントローラ、２２は演算処理部、２３は記憶装
置、２４は本発明の第１燃焼監視センサ、２５は本発明
の第２燃焼監視センサである。

【００３３】前記第１燃焼監視センサ２４は二本の光フ
ァイバ５ａ、５ｂと２個のＳｉフォトダイオード２７
ａ、２７ｂと、信号処理装置２８等から形成されてい
る。

【００３４】同様に、前記第２燃焼監視センサ２５は２
本の光ファイバ５ｃ、５ｄと、青色及び緑色のフィルタ
２９ａ、２９ｂと、２個のＧａＡｓフォトダイオード３
０ａ、３０ｂと、信号処理装置３１等から形成されてい
る。

【００３５】前記光ファイバ５ａ〜５ｄは直径０．７５
ｍｍのプラスチックファイバ線を束ねた４組のバンドル
ファイバであり、プレートから７０ｍｍ隔てて設置さ
れ、炎孔を介して火炎を下方から監視する。ファイバ先
端は、混合気流による冷却効果により、ボイラ運転時に
おいても室温に維持される。尚、光ファイバとしては、
プラスチックファイバの他にグラスファイバ（コア系＝
０．７５ｍｍ、外径＝１ｍｍ、Ｎ・Ａ＝０．２）の使用
が可能である。また、バンドルファイバーに代えて単芯
ファイバーを使用することも可能である。更に、ファイ
バーの基端にボールレンズ等を取り付け、光量の増加を
図るようにすることも可能である。

【００３６】図２は前記第１燃焼監視センサ２４の構成
を示すブロック図であり、図３はその信号処理装置２８
の回路図の一例を示すものである。図２及び図３を参照
して、４０ｍｍ以上隔離して風箱４内に設置した二本の
光ファイバ５ａ、５ｂ内へ入射された火炎からの入射光
は、シリコンフォトダイオード２７ａ、２７ｂへ送ら
れ、ここで入射光強度に比例した電流信号が発生され
る。発生した電流信号は電流ー電圧変換回路３２で電圧
信号に変換されたあと、差動増幅回路３３で増幅され、
その後減算回路３４へ入力される。尚、前記差動増幅回
路３３は着火及び消火時の過度的な信号成分の除去を目
的とするものであり、また、これに続く減算回路３４
は、前述したように雑音信号となる炉内の熱輻射や外部
入射光等のむら信号のみを得るためのものである。減算
回路３４からの両信号の差信号はフォロワー回路３５、
２次ハイパスフィルタ（ｆｃ＝１Ｈｚ）３６、２次ロー
パスフィルタ（ｆｃ＝１０Ｈｚ）３７を通してオフセッ
ト信号（微小信号）の加算回路３８へ入力される。オフ
セット信号が加算された信号は、反転形半波整流回路３
９ａと反転形加算器３９ｂから成る全波整流回路（絶対
値回路）３９で全波整流される。

【００３７】尚、前記バンドパスフィルタは前述の通
り、減算回路３４から出力された近赤外光のむら強度信
号から直流的な外乱光と高周波の電気的ノイズを除去す
るためのものである。

【００３８】低周波（１〜１０Ｈｚ）信号を全波整流し
た信号は、比較器４０へ入力され、ここで後述するしき
い値設定回路４１からの信号と比較され、全波整流信号
がしきい値を越える場合には、パルス出力発生回路４２
からパルス出力が、パルス反転回路４３を通してパルス
列の形でパルス遅延回路４４へ入力される。即ち、前記
全波整流回路３９及び比較器４０は、前記減算回路３４
からの出力信号の信号強度を除去してパルス列信号に変
換するためのものである。

【００３９】前記パルス遅延回路４４では、ワンショッ
トトリガ回路４４ａからのパルス時間幅Ｔに応じて入力
パルス列が平滑化され、直流の火炎検知信号Ｖ_IRとして
出力されて行く。即ち、ワンショットトリガ４４ａによ
りパルス列の平滑化と応答時間の設定が行なわれる。
尚、本実施態様に於いては、信号処理装置２８の電気回
路を図３に示すような回路構成としているが、当該信号
処理装置２８は、少なくとも２本のファイバーから入射
光を電気信号に変換する変換回路と、両電気信号の作動
信号を検出する検出回路を備えたものであれば、その回
路構成が如何なるものであってもよいことは勿論であ
る。

【００４０】ところで、前記第１燃焼監視センサ２４に
於いては、センサの設置に関して光ファイバ５ａ、５ｂ
の位置Ｌ及び間隔Ｄ、ファイバ設置角φが問題になる。
また、センサの回路調整に関してしきい値設定回路４１
のしきい値Ｖｂ及びワンショットトリガ回路４４ａのパ
ルス幅Ｔが夫々問題となってくる。そこで、これ等の問
題について次に検討をする。

【００４１】先ず、光ファイバ５ａ、５ｂの先端位置
（図１及び図２のＬ）について検討をする。いま、バー
ナプレート２ａ上のノズル孔２ｂの配置を図１８とし、
且つ火炎からの熱輻射を、燃焼室内に密に分布する点光
源であると仮定する。点光源から発した光は、プレート
背面の風箱４内に図４に示すように、炎孔の配置に従う
照度のパターンを形成する。その結果、プレート２ａを
通過し、風箱４内に照射された火炎放射光は、距離Ｌが
一定の平面の中央部に、図５に示すような照度分布を形
成する。また、設置位置Ｌと各点の照度の関係は図６の
ようになる。即ち、Ｌ＝１０ｍｍの場合には、炎孔の配
置に依存する強弱が顕著に現れるが、Ｌが大きくなるに
従って、各炎孔からの照射領域は広がり、照度が平滑化
される。また、Ｌが３０〜５０ｍｍ以上に光ファイバを
設置すると、検出信号の強度は設置誤差の影響を受けな
い。従って、光ファイバ５ａ、５ｂの設置位置Ｌは３０
〜５０ｍｍ以上とするのが望ましい。

【００４２】次に、光ファイバ５ａ、５ｂの設置角につ
いて検討をする。光ファイバ５の端面で照射光を受光す
る場合、ファイバの特性値である開口数Ｎ・Ａで受光量
が制限される。バーナプレート２ａの通過光を光ファイ
バ５で受光する時のモデル図７に示す。ａは炎孔を通過
し、ファイバ端面に光を照射することのできる領域を示
す。また、ｂは開口数に制限され、光ファイバへ入射す
ることのできる領域を示す。設置角φが増大するに従っ
て、ａ、ｂの共有する領域が減少し、受光信号の強度が
低下することがわかる。

【００４３】設置角φがＯｄｅｇの場合の受光可能な領
域を図８に黒字で示す。図８の場合、ａ＝１２ｍｍφ、
ｂ＝１４ｍｍφとなる。光ファイバで受光可能な領域
は、火炎中心軸方向には連続的に存在するが、垂直方向
には離散的である。また、上記離散的な受光特性のため
に、火炎中心軸に垂直な方向の火炎信号が顕著に検出さ
れたと考えられる。設置角θと受光信号強度の関係を調
べた結果を図９に示す。縦軸は設置角θがＯｄｅｇのと
きの受光信号強度に対する比で示す。結果として、開口
数の小さなグラスファイバより、大きなプラスチックフ
ァイバの方が、設置角の誤差の影響は小さい。

【００４４】更に、前記しきい値Ｖｂと光ファイバ５
ａ、５ｂの間隔Ｄについて検討をする。光ファイバ設置
角φをＯｄｅｇ、位置Ｌを７０ｍｍに、ファイバ間隔Ｄ
を４０ｍｍにして燃焼せしめた場合（入力１８０００ｋ
ｃａｌ／ｈ、Ｏ₂＝４％）のセンサ回路上の検出信号を
図１０に示す。着火に伴って生じた低周波数の火炎信号
は、差動処理とフィルタ処理によりＯＶを中心とする交
流信号に変換される。この交流信号の有無を判定するこ
とが、正常な燃焼火炎の有無を判定することに一致す
る。この検出信号が取り得る信号レベルの確率密度分布
の例を図１１に示す。消火時の雑音信号Ｎと、燃焼中の
火炎信号Ｐの結果を示す。即ち、これらの分布は正規分
布に従う。そして消火時の標準偏差σ_Oは０．２９Ｖで
あり、±４σ_O［１．０８Ｖ］以内に９９．９９％の信
号が含まれる。従って、しきい値Ｖb は、４σ_O以上に
設定すればよい。

【００４５】次に燃焼時の火炎信号に対するσをファイ
バ間隔Ｄに対して測定した結果を図１２及び図１３に示
す。図からも明らかなように、側方から検出した火炎信
号強度の場合と同様に、σは供給熱量の変化に依存せ
ず、排出酸素濃度に依存して変化する。また、ファイバ
間隔４０ｍｍ近傍まではＤに比例して増大するが、その
後は一定値に漸近する。

【００４６】また、前記トリガパルスの幅Ｔについて検
討をする。前記トリガ回路４４ａにおいて生じるパルス
は、２値化により、０−１信号で表現された火炎信号の
０である時間を補い、平滑化する。即ち、Ｔを長くする
と、検出可能な燃焼範囲は空気過剰側に広がるが、消火
時の検出おくれが長くなる。また、Ｔを短縮し且つ検出
可能範囲も広げるためには、雑音信号の小さな装置を構
成し、しきい値を低く設定できるようにしなければなら
ない。更に、Ｓ／Ｎを向上するには、ファイバ本数の増
加と受光面の大きな素子の使用及び低雑音の回路要素の
使用などが効果的である。

【００４７】尚、前記第１燃焼監視センサの説明に於い
ては、二個のファイバ５ａ、５ｂを用いて燃焼火炎から
の近赤外光を検出するようにしているが、検出端を形成
するファイバ５は２本以上であってもよい。例えば、フ
ァイバ５を４本として二組のグループに分け、夫々の設
置位置を変えてもよく、或いは二本のファイバへの入射
光を一つの原信号として、二組のグループの原信号につ
いてその差動信号を取り出すようにしてもよい。

【００４８】［第２燃焼監視センサ］次に、前記第２燃
焼監視センサ２５の実施態様に説明をする。図１を参照
して、当該第２燃焼監視センサ２５は前記図２１に於け
るラジカル発光７の強度信号を検出するものである。即
ち、当該ラジカル発光７は、紫色から青色領域に卓越し
たバンドスペクトルであり、燃焼室底部のみに分布する
ものである。具体的にはＯＨラジカル（３１０μｍ）及
びＣＨラジカル（４３０μｍ）がその主体を為すもので
ある。

【００４９】その結果、当該第２燃焼監視センサ２５
は、風箱４内に設置した光ファイバ５ｃ、５ｄと、ガラ
ス製の青色フィルタ２９ａ又はガラス製の緑色フィルタ
２９ｂと、ＧａＡｓホトダイオード３０ａ、３０ｂ及び
増幅器等を含む信号処理装置３１等から構成されてお
り、ラジカル発光７の強度に比例した信号を検出信号Ｖ
Ｂ、ＶＧとして発信する。

【００５０】［空気比制御方法］次に、図１に基づい
て、本発明に係る第１燃焼監視センサ２４を用いたガス
焚小形ボイラの空気比制御方法について説明する。尚、
図１には第２燃焼監視センサ２５が記載されているが、
ここでは当該第２燃焼監視センサ２５は作動させずに、
第１燃焼監視センサ２４のみで空気比制御を行なうもの
とする。

【００５１】図１を参照して、予混合器付ファン１６に
より燃焼室内へ噴出された予混合ガス２６は、バーナ２
の近傍で短火炎長の炎群を形成して燃焼する。前記燃焼
火炎は、風箱４内に設置した光ファイバ５ａ、５ｂによ
り、バーナプレート２ａのノズル孔２ｂを通して監視さ
れる。即ち、所定の間隔例えば４０ｍｍ以上の間隔を置
いて配置した２組のバンドルファイバ５ａ、５ｂへ入射
された近赤外光は、シリコンフォトダイオード２７ａ、
２７ｂ等や減算回路３４、増幅回路、フィルタ回路等か
ら成る信号処理装置２８へ入力され、火炎検出信号Ｖ_IR
として出力される。また、信号処理装置２８から出力さ
れた火炎検出信号Ｖ_IRは演算処理部２２へ入力される。

【００５２】一方、記憶装置２３には、予かじめ試験等
により得られた火炎検出信号Ｖ_IRと空気比や燃焼負荷率
との対応関係を示すデータが収納されており、当該記憶
装置２３からのデータと前記信号処理装置２８からの火
炎検出信号Ｖ_IRとが演算処理部２２に於いて対比され、
空気比信号として空気比制御装置２１へ入力される。前
記空気比制御装置２１では、前記空気比信号と設定空気
比との対比が行なわれると共に、両者の差を零とするよ
うに、空気比コントローラを介してファン駆動用モータ
１７の回転数が調整され、所謂空気比のＰＩ制御が行な
われる。

【００５３】尚、前記実施例１では信号処理装置２８か
らの火炎検出信号Ｖ_IRを演算処理部２２へ入力し、ここ
で火炎検出信号Ｖ_IRを記憶装置２３からのデータによっ
て修正したあと、これを空気比検出信号として空気比制
御装置２１へ入力するようにしているが、演算処理部２
２及び記憶装置２３を省略し、信号処理装置２８からの
火炎検出信号Ｖ_IRを直接に空気比検出信号として空気比
制御装置２１へ入力するようにしてもよいことは勿論で
ある。

【００５４】図１４は、実施例１に於ける信号処理装置
２８からの火炎検出信号Ｖ_IRと空気比との関係を示すも
のであり、燃焼負荷率をパラメータとして、実機により
測定したものである。

【００５５】図１４からも明らかなように、火炎検出信
号Ｖ_IRは空気比１の近傍に於いて最大値をとり、不完全
燃焼及び過剰空気燃焼の場合は信号強度が低下する。ま
た、燃焼負荷率の変化に対する信号強度の変化は十分に
小さく、従って、当該火炎検出信号Ｖ_IRは広い範囲の燃
焼負荷率に於いて空気比を直接に表わすことができ、当
該火炎監視用センサは空気比制御用センサとしても十分
に機能するものである。

【００５６】次に、第２燃焼監視センサ２５を用いた空
気比制御方法について説明する。前記実施態様に於いて
は、近赤外光を検出光とする火炎検出信号Ｖ_IRを用いた
空気比制御について説明したが、本実施態様に於いて
は、透過波長帯の異なるガラスフィルタ２９ａ、２９ｂ
とＧａＡｓフォトダイオード３０ａ、３０ｂ及び信号処
理装置３１等から成る第２燃焼監視センサを、前記第１
燃焼監視センサ２４と並用した場合について説明する。

【００５７】図１を参照して、風箱４内に配置された２
組の第２燃焼監視センサ２５を形成するための光ファイ
バ５ｃ、５ｄには、前記第１燃焼監視センサ２４の場合
と同様に、ノズル孔２ｂを通して火炎放射光が入射す
る。

【００５８】光ファイバ５ｃ、５ｄへ入射した火炎放射
光は、透過波長帯の異なるガラスフィルタ２９ａ（青
色）又は２９ｂ（緑色）を通すことにより、前述した図
２１のラジカル発光成分７（即ち、ＣＨラジカル光及び
Ｃ₂ラジカル光）のみがＧａＡｓフォトダイオード３０
ａ、３０ｂへ入射されることになり、信号処理装置３１
ａ、３１ｂを通して増幅並びに波形整形がされたあと、
火炎検出信号ＶB 、ＶGとして演算処理部２２へ入力さ
れる。

【００５９】演算処理部２２では、検出信号Ｖ_IR、ＶB
、ＶG の三つを用いて空気比検出信号が演算され、こ
れが空気比制御装置２１へ入力される。

【００６０】尚、当該実施態様に於いても、第１燃焼監
視センサ２４との並用を止め、２組の第２燃焼監視セン
サ２６のみで空気比制御を行なうことも可能である。

【００６１】また、当該実施態様では、演算処理部２２
から空気比検出信号を空気比制御装置２１へ出力するよ
うにしているが、信号処理装置３１ａ、３１ｂからのラ
ジカル光の検出信号ＶG 、ＶB を直接に空気比検出信号
として、空気比制御装置へ入力するようにしてもよい。

【００６２】更に、当該実施態様では、２組の第２燃焼
監視センサ２５を使用しているが、何れか一方の第２燃
焼監視センサ２５のみを使用するようにしてもよいこと
は勿論である。

【００６３】図１５及び図１６は、第２燃焼監視センサ
の各信号処理装置３１ａ、３１ｂからの火炎検出信号Ｖ
B 、ＶG と空気比の関係を示すものであり、燃焼負荷率
をパラメータとし、実機を用いて測定した結果を示すも
のである。

【００６４】図１５及び図１６から明らかなように、こ
の場合の火炎検出信号ＶB 、ＶG は空気比１の近傍で最
大値となり、且つ燃焼負荷率に比例して信号強度が若干
増大する。従って、空気比検出信号として使用する場合
には、燃焼負荷率の大・小に応じてＶB 、ＶG に若干補
正を必要とすることになる。

【００６５】尚、前記本発明の実施態様では、予混合燃
焼式マルチポートバーナを用いた小形ボイラを例と説明
をしているが、本発明が適用される対象は、ボイラのみ
ならず炉等のその燃焼装置を全て含むものであり、且つ
容量の大小を問はず全ての燃焼装置に適用することがで
きる。

【００６６】又、本発明は、装置の使用燃料の種類（Ｌ
ＮＧ、ＬＰＧ、低カロリガス、灯油、Ａ重油、軽油等）
や燃焼方式（拡散燃焼、予混合燃焼、流動床燃焼等）を
問はず全ての装置に適用することができる。

【００６７】更に、本発明は、火炎の検出方式（火炎正
面、火炎側面、火炎背面等）や装置の制御方式（比例制
御、ＯＮ−ＯＦＦ制御、３位置制御等）を問わず、全て
の装置に適用することができる。

【００６８】

【発明の効果】本発明に係る第１燃焼監視センサは火炎
放射光を受光する複数の光ファイバと、各光ファイバか
らの入射光を電気信号に変換する変換回路を有して各電
気信号の差動信号を火炎検出信号として出力する信号処
理装置とから構成している。従って、火炎に対して非接
触の状態で火炎の監視をすることができ、従前の火炎検
知センサに比較して耐久性や耐熱性に優れると共に補修
費等の大幅な削減を図ることができる。

【００６９】また、構造も従前の火炎検知センサに比較
して簡単となり、装置の小型化やシステムの簡素化、製
造コストの引下げ等が可能となる。

【００７０】更に、火炎検出信号Ｖ_IRは空気比と極めて
正確な相関関係にあり、且つ装置の燃焼負荷率が変わっ
てもほぼ一定の関係が保持されている。その結果、当該
第１燃焼監視センサは空気比センサとしても利用するこ
とができるうえ、これを利用した場合には、従前のよう
に外気温度によって空気比が変わるのではなく、空気比
を一定にした制御が可能となり、低Ｏ₂制御ができて送
風機動力の減少等の省エルルギーが可能となる。

【００７１】同様に、空気比とＣＯとは一定の関係があ
るため、ＣＯセンサとしても活用でき、燃焼装置の不完
全燃焼の防止も併せて図ることができる。

【００７２】加えて、バーナの背面側からでも火炎の監
視ができるため、缶体の構造に影響を受けることなく比
較的自由に設置場所を選定することができるうえ、複数
個のバーナを取り付けした炉等であっても、一つのバー
ナの火炎を検知することにより炉全体の空気比制御を極
めて正確に行なうことができる。

【００７３】そのうえ、複数の光ファイバからの各入射
光信号を信号処理装置に於いて差動増幅処理並びに減算
処理し、各入射光信号の差動信号を火炎検出信号として
いるため、外乱光等が全て相殺され、極めて高精度な火
炎検出信号Ｖ_IRを得ることができる。

【００７４】同様に、本発明に係る第２燃焼監視センサ
は、火炎放射光を受光する光ファイバと、青色又は緑色
のフィルタと、前記フィルタを通過した入射光を電気信
号に変換する変換回路と、前記変換回路からの電気信号
を増幅し火炎検知信号として出力する信号処理装置とか
ら構成されている。従って、前記第１燃焼監視センサと
ほぼ同様の作用効果が得られると共に、火炎監視センサ
の構造のより一層の簡素化が可能となる。

【００７５】また、本発明の空気比制御方法は、前記第
１燃焼監視センサからの火炎信号を空気比検出信号と
し、当該空気比検出信号を空気比制御装置へ入力するこ
とによって空気比を設定値に保持する構成としている。
而して、前記第１燃焼監視センサの空気比検出信号は、
前述の通り燃焼室内の空気比を極めて正確に表示するも
のであり且つ燃焼負荷率によって大きく変化することが
無い。その結果、空気比が１．０〜１．４程度の範囲に
於いては高精度で且つ安定した空気比制御が行なえる。

【００７６】また、多数のバーナを設けた燃焼装置であ
っても、一つのバーナに設けた燃焼監視センサからの空
気比検知信号Ｖ_IRにより装置全体の空気比制御が高精度
で行なうことができる。

【００７７】更に、第１燃焼監視センサと第２燃焼監視
センサとを並用した場合には、空気比検知信号の検知精
度がより向上することになり、安定した空気比制御が行
なえる。本発明は上述の通り、優れた実用的効用を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施した小形ガス焚ボイラの概要を示
す説明図である。

【図２】本発明の第１燃焼監視センサの構成を示すブロ
ック図である。

【図３】第１燃焼監視センサの信号処理装置の一例を示
す回路図である。

【図４】火炎放射光の照射モデルを示すものである。

【図５】光ファイバの高さ位置Ｌと火炎放射光の照度分
布を示すものである。

【図６】光ファイバの設置位置Ｌと照度の関係を示すも
のである。

【図７】バーナプレートの通過光を光ファイバで受光す
る時のモデルを示す斜面図である。

【図８】光ファイバの設置角θが０の時の受光可能な領
域を示すものである。

【図９】光ファイバの設置角θと受光信号強度の関係を
示すものである。

【図１０】図３の信号処理装置に於ける各部の出力信号
波形を示すものである。

【図１１】火炎検出信号レベルの確率密度分布の一例を
示すものである。

【図１２】燃焼時の火炎信号Ｐに対する信号レベルの確
率密度分布の標準偏差δとファイバ間隔Ｄの関係をボイ
ラ入力をパラメータにして示すものである。

【図１３】燃焼時の火炎信号Ｐに対する信号レベルの確
率密度分布の標準偏差δとファイバ間隔Ｄの関係を酸素
濃度をパラメータにして示すものである。

【図１４】火炎検出信号Ｖ_IRと空気比との関係を示すも
のである。

【図１５】青色ガラスフィルタを用いた第２燃焼監視セ
ンサの火炎検出信号ＶB と空気比の関係を示すものであ
る。

【図１６】緑色ガラスフィルタを用いた第２燃焼監視セ
ンサの火炎検出信号ＶG と空気比の関係を示す線図であ
る。

【図１７】本発明の基礎を成す各種試験に用いたボイラ
システムとセンサの概要を示すものである。

【図１８】図１７のボイラに於けるバーナプレートの斜
面図である。

【図１９】図１７のボイラに於けるボイラ各部の温度推
移を示す線図である。

【図２０】火炎放射光の分光分析方法の説明図である。

【図２１】火炎放射光の分光分析の結果を示す線図であ
る。

【図２２】火炎中心軸上の温度分布を示す線図である
（入力パラメータ）。

【図２３】火炎中心軸上の温度分布を示す線図である
（Ｏ₂濃度パラメータ）。

【図２４】火炎中心軸上の火炎信号の時間平均強度を示
す線図である（入力パラメータ）。

【図２５】火炎中心軸上の火炎信号の時間平均強度を示
す線図である（Ｏ₂濃度パラメータ）。

【図２６】火炎信号の空間的な相関特性の試験方法を示
す説明図である。

【図２７】火炎信号の垂直方向の相互相関を示す線図で
ある。

【図２８】火炎信号の周波数特性の試験方法の説明図で
ある。

【図２９】火炎信号の周波数分析を示す線図である。

【図３０】ファイバを用いた火炎信号の周波数特性の試
験方法の説明図である。

【図３１】ファイバを用いて検出した火炎信号の周波数
分析を示す線図である。

【図３２】図１７のボイラに於ける空気比とＮＯｘ濃度
及び熱損失の関係を示す線図である。

【符号の説明】

１ … ボイラ２１ … 空気
比制御装置２ … バーナ２１ａ… 空気
比設定器２ａ … バーナプレート２１ｂ… 空気
比コントローラ２ｂ … ノズル孔２２ … 演算
処理部３ … 熱交換器２３ … 記憶
装置４ … 風箱２４ … 第１
燃焼監視センサ５ … 光ファイバ２５ … 第２
燃焼監視センサ６ … 分光計２６ … 予混
合ガス７ … ラジカル放射光２７ａ… シリコンフォトダイオー８ … 近赤外光ド９ … シリコンフォトダイオード２７ｂ… シリコンフォトダイオーアレイド１０ … ＦＦＴアナライザ２８ … 信号
処理装置１１ … 原信号２９ａ… 青色
ガラスフィルタ１２ … 差動信号２９ｂ… 緑色
ガラスフィルタ１４ … 原信号３０ａ，３０ｂ… ＧａＡｓフォト１５ … 差動信号ダイオード１６ … 予混合器付ファン３１ａ，３１ｂ
… 信号処理装置１７ … ファン駆動用モータ３２ … 電流
・電圧変換回路１８ … モータコントローラ３３ … 差動
増幅回路１９ … 制御弁３４ … 減算
回路２０ … バルブコントローラ３５ … フォ
ロワー回路３６ … バイパスフィルタ回路４０ … 比較
器３７ … ローパスフィルタ回路４１ … しき
い値設定回路３８ … オフセット信号加算回路４２ … パル
ス出力発生回路３９ａ… 反転形半波整流回路４３ … パル
ス反転回路３９ｂ… 反転形加算器４４ … パル
ス遅延回路３９ … 全波整流回路４４ａ… ワン
ショットトリガ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内山寛信大阪府吹田市山手町３丁目３番３号関西大学工学部内 (72)発明者柴田聡京都府京都市南区久世殿城町600番地１株式会社タクマ京都工場内 (56)参考文献特開平６−159666（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23N 5/08 F23M 11/04 104 F23N 1/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】火炎からの放射光を受光する複数の光フ
ァイバと、二組のグループに分けた前記複数の光ファイ
バからの入射光を電気信号に変換する複数の変換回路を
有し、前記二組のグループからの電気信号の差動信号を
検出信号として出力する信号処理装置と、から成る燃焼
監視センサ。
【請求項２】光ファイバを２本とすると共に変換回路
をシリコンフォトダイオードを含む回路とし、且つ各シ
リコンフォトダイオードからの電気信号を差動増幅回路
と減算回路を通して差動信号とするようにした請求項１
に記載の燃焼監視センサ。
【請求項３】差動信号を、空気比検出信号又はＣＯ検
出信号とするようにした請求項１又は請求項２に記載の
燃焼監視センサ。
【請求項４】火炎からの放射光を受光する光ファイバ
と、光ファイバからの入射光を通過せしめる青色又は緑
色フィルタと、フィルタからの入射光を電気信号に変換
する変換回路を有し、その増幅信号を検出信号として出
力する信号処理装置とから成る燃焼監視センサ。
【請求項５】燃焼装置に、火炎からの放射光を受光す
る複数の光ファイバと，各ファイバからの入射光を電気
信号に変換する複数の変換回路を有し、それ等の電気信
号の差動信号を検出信号として出力する信号処理装置と
から成る燃焼監視センサを設け、当該燃焼監視センサか
らの検出信号を空気比検出信号として空気比制御装置へ
入力し、予かじめ設定した空気比との差を減少せしめる
方向に燃焼用空気の供給量を調整するようにしたことを
特徴とする燃焼装置の空気比制御方法。
【請求項６】燃焼装置に、火炎からの放射光を受光す
る光ファイバと，光ファイバからの入射光を通過せしめ
る青色又は緑色フィルタと、フィルタからの入射光を電
気信号に変換する変換回路を有し、その増幅信号を検出
信号として出力する信号処理装置とから成る燃焼監視セ
ンサを設け、当該燃焼監視センサからの検出信号を空気
比検出信号として空気比制御装置へ入力し、予かじめ設
定した空気比との差を減少せしめる方向に燃焼用空気の
供給量を調整するようにしたことを特徴とする燃焼装置
の空気比制御方法。