JP3574522B2

JP3574522B2 - 音響式ガス体温度測定装置およびこれを用いたボイラ装置

Info

Publication number: JP3574522B2
Application number: JP32574595A
Authority: JP
Inventors: 典幸今田; 秀久吉廻
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2015-12-14
Also published as: JPH09166503A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響式ガス体の温度測定装置およびこれを用いたボイラ装置に係り、特に高温ガス中の音速を測定し、温度を求める音響式ガス体温度測定装置およびこれを用いたボイラ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダクト内を流れる流体の温度を計測する方法の１つとして、流体中の音速が流体の温度によって変化することを利用する方法がある。流体中の音速ｃ（ｍ／ｓ）は、次式のように表わされる。
【０００３】
【数１】

【０００４】
ここに、αはガスの組成によって決まる定数である。
この方法の具体的な装置構成を図３に示す。一般に流体の温度を測定する場合、図３（ａ）に示すように、被測定流体を挟んで音波送信器３と音波受信器４を設置し、その間の伝播時間ｔを測定する。このとき伝播時間ｔは次式で表わすことができる。
【０００５】
【数２】

【０００６】
ここに、Ｌは音波送信器３と音波受信器４間の距離であり、あらかじめ測定しておく必要がある。この伝播時間ｔよりガス温度Ｔが算出できる。
この方法を応用して、図４に示すように複数の音響センサ１８（音波送信器と受信器を兼ね備えたセンサ）をダクト１９の周囲に配置すれば、ＣＴの手法を用いて温度分布を測定できる（特開昭６３−２３１６８２号公報）。
【０００７】
図３の（ａ）の方法をダクト内を流れる高温ガスの温度計測に適用する場合の装置構成を図３の（ｂ）に示す。一般に音響センサの耐熱温度は６０℃程度であるために、１００℃以上の高温ガスの温度計測のためには導波管２を介してダクト１９に音響送信器３および音響受信器４を設置する必要がある。
しかし、導波管２を使用する場合、次のような問題がある。測定した音響送信器３から音響受信器４までの伝播時間は、図中に破線で示すように導波管２を伝わる時間ｔ１とｔ２を含んでいる。導波管内のガス温度はダクト内のガス温度に較べて低いので、測定した伝播時間をそのまま温度に換算すると、ダクト内のガス温度より低くなってしまう。例えばダクト内の平均ガス温度を１０００℃、ダクト内の伝播距離を２ｍ、導波管内の平均ガス温度を１００℃、導波管内の距離を１ｍとしたとき、測定値は３５５℃と低くなってしまう。
【０００８】
この問題を解決するために、図３の（ｃ）に示すように１つの導波管に音響送信器３と音響受信器４の両方を設置する方法が考案されている（特開昭６３−２６５４３０号公報）。この場合、音響送信器３−１から送信した音波は導波管２−１を介してダクト内に送出され、ダクト内のガス中を伝い、導波管２−２を伝って音波受信器４−２で受信される。この受信信号より、音響送信器３−１から音響受信器４−２間の伝播時間ｔ１２が求まる。また、音響送信器３−１から送信した音波は導波管２−１からダクト内に送出されると同時に、導波管２−１の開端部で反射して戻ってくる。これは導波管２−１とダクトとの接続部の急拡大によるものである。この戻ってくる反射波を音響受信器４−１で受信すれば、導波管２−１内を伝わる伝播時間ｔｍ１が測定できる。同様に音波送信器３−２から音波を発信し、音波送信器３−２から音波受信器４−１までの伝播時間ｔ２１と音波送信器３−２から導波管２−２の開端部で反射して音波受信器４−２で受信するまでの伝播時間ｔｍ２を測定する。そして、以下の式よりダクト内の伝播時間ｔを求めることができる。
【０００９】
【数３】

【００１０】
一方、ダクト内の騒音が大きい場合、またはダクトが大きく音波が伝播する距離が長い場合、より大きな音波をダクト内に送出する必要がある。そのために図３の（ｄ）に示すようにホーンを用いる方法が考えられる。
ホーンの口径と出力音圧との関係を図５に示す。縦軸はホーンをつけない場合（開口部の直径６０ｍｍ）の出力音圧を１として示している。ホーンの口径が大きくなるとホーンから放出される音圧も大きくなることがわかる。
【００１１】
一方、ホーンから受信器までの距離と受信器で受信した音圧との関係を図６に示す。縦軸は口径が６０ｍｍで、ホーンから受信器までの距離が１０ｍのとき受信した音圧を１として対数表示してある。図６において測定する経路が長くなると受信器での音圧が小さくなることがわかる。例えば測定する経路間の距離が１０ｍ、ダクト内の騒音が図中で示すレベル１の場合は口径が６０ｍでも信号の受信音圧が騒音レベルより大きいので測定可能である。しかし、ダクトが大きくなり、経路間の距離が２０ｍとなった場合、信号の受信音圧は騒音レベル以下となるために測定ができなくなる。また、経路間の距離が１０ｍの場合でも、ダクト内の騒音レベルが図中で示す２の大きさの場合、信号の受信音圧が騒音レベル以下となるために測定ができなくなる。
【００１２】
しかし、口径が２００ｍｍのホーンを使用すれば、経路間の距離が２０ｍになっても信号の受信音圧は騒音レベル１以上となり、温度が測定できるようになる。また、騒音レベルが２となった場合でも、信号の受信音圧は騒音レベル１以上となり温度が測定できる。
ホーンの使用により、ダクト内への出力音圧が大きくなるのは、ホーンを設置したことで導波管とダクトとを接続する部分の急拡大が小さくなり、音波送信器から発信した音響エネルギーのほとんどをダクト内に放出できるようになるためである。逆に、それゆえホーン先端から反射して戻ってくる音波は非常に小さくなり、図３の（ｃ）のような音波送信器と音波受信器の構造では反射波を検出することができなくなるという問題が生じる。
【００１３】
なお、ダクト内の騒音が大きい場合、またはダクトが大きく音波が伝播する距離が長い場合の対策として、受信した信号を処理することで騒音成分を低減するという方法もある。しかし、この方法は信号処理に時間がかかるという欠点がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の音響式温度計では、大出力音圧をダクト内に送出するためにホーンを使用した際に、ホーンの先端からの反射波が検出できなくなり、導波管内の伝播時間を補正できなくなるという問題がある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決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）温度測定すべきガス体を囲む側壁の相対応する開口部の一方に音響送信器（Ｓ１）と音響受信器（Ｍ１）を設置し、他方に同様に音響送信器（Ｓ２）と音響受信器（Ｍ２）を設置し、それぞれの音響送信器と音響受信器間の音波の伝播時間を測定し、温度に換算する音響式ガス体温度測定装置において、側壁の開口部に音響送信器付きのホーンを設置するとともに、一端に音響受信器を備えた音響受信器用の導波管の他端を上記ホーン内部に挿入したことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
【００１６】
（２）（１）において、音響受信器用の導波管の端が、ホーンの開口面に位置するように取付けたことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
（３）（１）または（２）において、ホーン内にパージ用空気噴出孔を設けたことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
（４）温度測定すべきガス体を囲む側壁の相対応する開口部の一方に音響送信器（Ｓ１）と音響受信器（Ｍ１）を設置し、他方に同様に音響送信器（Ｓ２）と音響受信器（Ｍ２）を設置し、一方の開口部に設置した音響送信器から発信した音波を他方の開口部に設置した音響受信器で受信する所要伝播時間に基づきガス体温度を測定する音響式ガス体温度測定装置において、前記側壁の開口部にホーンとホーン外側端に接続された音響送信器付き導波管とを設け、一端に音響受信器を備えた音響受信器用の導波管の他端を上記ホーンの内部に挿入し、前記一方の開口部に設置した音響送信器（Ｓ１）から前記他方の開口部に設置した音響受信器（Ｍ２）間を音波が伝播する時間と、前記他方の開口部に設置した音響送信器（Ｓ２）から前記一方の開口部に設置した音響受信器（Ｍ１）間を音波が伝播する時間と、前記一方の開口部に設置した音響送信器（Ｓ１）からこれと同じ開口部に設置した音響受信器（Ｍ１）間を音波が伝播する時間と、前記他方の開口部に設置した音響送信器（Ｓ２）からこれと同じ開口部に設置した音響受信器（Ｍ２）間を音波が伝播する時間とから、音波がホーンおよび導波管を伝播する時間を消去し、音波が側壁開口部間ガス体を伝播する時間を算出する伝播時間補正器と、補正した伝播時間に基づきガス体温度を算出する温度演算器とを設けたことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
【００１７】
（５）（４）において、前記音響受信器用の導波管の他端がホーンの開口面に一致するように取付けたことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
（６）（４）または（５）記載の音響式ガス体温度測定装置によって測定した温度を用いて供給燃料量、燃焼用空気量を調整する手段を備えたことを特徴とするボイラ装置。
【００１８】
本発明ではホーン先端部近傍に受信器用導波管を挿入することで、音波送信器から発信した音波は、ホーン先端部近傍の開口部から受信用導波管内を伝播し、音波受信器で受信できるようになる。これにより導波管内の伝播時間を補正することができ、ガス体内の伝播時間、ひいてはガス体温度を正確に測定することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１に示す。図１において、炉幅約２０ｍの石炭焚き事業用ボイラの火炉出口ガス温度を測定するために作製した音響式温度計の音響センサ部分が示されている。事業用ボイラでは、火炉の燃焼状態や火炉壁の汚れ具合を調べる方法として、火炉出口ガス温度（ＦＥＧＴ）の計測が重要となる。一般に、ＦＥＧＴを測る際には、熱電対を磁製管で覆ったサクションパイロメータが使用されるが、耐久性がないことと、取扱いが困難なために常時計測はできない。一方、音響式温度計は非接触計測であり、常時計測が可能な計測方法である。しかし、事業用ボイラの炉幅は１５ｍ以上であり、大出力音圧を炉内に放出する必要があり、上記したような導波管およびホーン部の伝播時間をいかに補正するかが問題となる。
【００２０】
そこで、本実施例ではボイラの水壁１に音響センサ取付け座２２を設けて、ホーン２０、導波管２およびスピーカ３を取付けた。そして、本発明による、一端にマイク４を備えたマイク用導波管２１をホーンの内部に設置した。音響センサ取付け座２２の冷却のために、取付け座の内側から空気を噴出する構造とした。また、ホーン部および導波管部に灰が付着するのを防止するために、導波管２のスピーカ取付け部側から炉内に向けて空気を噴出する空気噴出孔２３を設置してある。スピーカ３は２つ設置し、音源の出力を増加した。また、炉内高温ガスからの輻射熱を遮断するために、ホーンと導波管の間に金網２４を取付けた。
【００２１】
上記の音響センサを使用してボイラ炉内のガス温度を計測する音響式温度計の装置構成を図２に示す。音響センサ▲１▼をボイラの缶左側に、音響センサ▲２▼を缶右側に、制御盤をボイラの中央操作室に設置した。
制御盤は制御器５、波形発生器６、リレー１０、受信用アンプ１２、バンドパスフィルタ１３、Ａ／Ｄ変換器１４、伝播時間検出器１５、伝播時間補正器２５、温度演算器１６および表示器１７とからなっている。以上の装置を用いて温度を測定する手順を以下に示す。
【００２２】
まず、制御器５からリレー制御信号をリレー１０に送出し、リレーを切替えて音波を発信するスピーカと波形発生器とを接続する。今、スピーカ３−１から音波を送信するように設定したとする。
次に、制御器５は測定開始信号を波形発生器６に送出し、この信号を受けて波形発生器６はパルスをスピーカに送出する。波形発生器６はコンデンサ８に貯えた電荷をスイッチ回路９により一定時間放電させて、スピーカを駆動する。スピーカ３−１から発した音波は導波管２−１とホーン２０−１を介して炉内に送出され、炉内のガス中を伝って対向側のマイク用導波管２１−２を伝ってマイク４−２に達する。このマイク４−２で受信した信号を一旦音響センサ部のマイクアンプ１１で増幅し、制御盤に送信する。制御盤ではこの信号を再度アンプ１２で増幅した後、バンドバスフィルタ１３を通過し、Ａ／Ｄ変換器１４でデジタル化する。伝播時間検出器１５では、このデジタル信号から伝播時間ｔ１２を検出する。この検出方法については後述する。
【００２３】
一方、ホーン２０−１から炉内に音波を送出するとき、音波の一部はマイク用導波管２１−１を介してマイク４−１に到達する。このマイク４−１で受信した信号から時間ｔｍ１が求まる。同様に、スピーカ３−２から音波を発信すれば、スピーカ３−２からマイク４−１まで音波が伝播する時間ｔ２１と、スピーカ３−２からマイク用導波管２１−２を伝ってマイク４−２まで音波が伝播する時間ｔｍ２が求まる。そして、伝播時間補正器２５では式（３）に基づき、炉内を伝わる伝播時間ｔを算出する。温度換算器１６ではこの伝播時間ｔを式（２）に基づき炉内のガス温度に換算し、表示器１７で測定温度を表示する。
【００２４】
ここで、上記の伝播時間検出には図７に示す方法を用いている。図中、（ａ）はマイクで受信した原波形である。本装置では、制御器５が測定開始信号を波形発生器６に送出すると同時に、Ａ／Ｄ変換器１４にも信号を送出し、Ａ／Ｄ変換器１４はこの信号を受けると同時にマイクからの信号をデジタル化し始めるように設定してある。すなわち、図の時間０はスピーカから音波を発信した時刻に相当するので、この受信信号中からスピーカから発信した音波（以後、音波信号と呼ぶ）を検出すれば音波の伝播時間がわかる。図中に破線で囲んだ波形が音波信号であるが、騒音が大きく区別が難しくなっている。（ｂ）はバンドパスフィルタを通過した後の信号である。バンドパスフィルタを通過することで音波信号と騒音信号とが明瞭に区別できるようになっていることがわかる。（ｃ）はこの信号の包絡線を求めた結果である。これより信号があらかじめ設定していたしきい値を超える点を音波信号の到達時刻として検出する。
【００２５】
波形発生器でパルスを発生する回路を図８に示す。まず、電源７によりコンデンサ８に電荷を充電する。次に、コンデンサ８に充電された電荷は、パワートランジスタを使ったスイッチング回路により微小時間だけ放電し、スピーカに流れる。このとき放電する時間および放電のタイミングは、ゲート信号によって調整する。
【００２６】
スピーカから音波を発信する際、スピーカからの大出力音圧のために同一ホーン内に設置したマイクから過大電圧が発生し、センサ部のマイクアンプを破損する恐れがある。そこで、図９に示すようにマイクからの出力信号に２つのダイオードを互いに向きを変えて設置してある。このダイオードの設置により、過大電圧が発生した場合ダイオードに電流が流れ、アンプに過大電流が流れることはなくなる。
【００２７】
本実施例では、本発明による音響式温度計の測定値をボイラ装置の制御に利用している。ボイラ制御のための機器構成を図１５に示す。まず、音響式温度計の出力をボイラ制御器２８に送る。ボイラ制御器２８では、ここには記載していないが、ボイラの状態を把握するためにガス温度以外の情報も入力し、それらの値をもとに最適な燃料量および空気量などが決定される。決定された燃料量および空気量の値はそれぞれ燃料量制御器２６および空気量制御器２７に送られ、バーナ２９より火炉内に放出する燃料量および空気量が調節される。
【００２８】
図１０は、マイク用導波管２１の取付け角度を変えた場合である。導波管の角度を変えても導波管の性能に影響しないので、この構造においても本実施例と同様の効果がある。
図１１は、マイク用導波管を曲げて取付けた例である。導波管を曲げても導波管の性能に影響しないので、この構造においても本実施例と同様の効果がある。
【００２９】
図１２は、マイク用導波管に空気噴出孔を設けた例である。空気噴出孔の設置により灰の付着が防止できるので、灰の付着が問題となる場所の測定の際に必要となる。
図１３は、マイク用導波管内に不燃性ウールを入れた例である。一般に、受信器を導波管に付けた場合、導波管の長さによって決まる固有の周波数の音が発生する。この音が温度測定の際に騒音となる場合、導波管内に不燃性のウールを入れることによって防ぐことができる。
【００３０】
図１４は、マイク用導波管を炉内に挿入した例である。ボイラの水壁近傍は急に温度が低くなっている。そこで、マイク用導波管を炉内に挿入することで、この急勾配部を取除いた温度が測定できるようになり、より測定精度が向上する。ただし、炉内に導波管を挿入するためには導波管の耐久性を考慮する必要がある。そのための方策として、例えば導波管を二重管にして内側に水を流す方法、または導波管をセラミック製にする方法などが考えられる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、測定する経路距離が長くなる場合、または測定する場の騒音が大きい場合においても、測定精度を低下することなく高精度な温度測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の音響センサを示す図。
【図２】本発明の実施例の音響式ガス体温度測定装置の装置構成を示す図。
【図３】従来技術になる音響センサの例を示す図。
【図４】音響式温度計を応用し、ダクト内ガス体の温度分布を測定する場合の例を示す図。
【図５】ホーンの口径と出力信号の振幅（音圧）との関係を示す図。
【図６】音波が伝播する距離と受信器での音波信号の振幅（音圧）との関係を示す図。
【図７】受信信号から音波の伝播時間を検出する方法を示す図。
【図８】波形発生器の構造を示す図。
【図９】本発明の実施例の音響センサ部のマイクアンプの構成を示す図。
【図１０】、
【図１１】、
【図１２】、
【図１３】、
【図１４】本発明のその他の実施例を示す図。
【図１５】本発明による音響式温度計を用いたボイラ装置の制御システムを示す図。
【符号の説明】
１…水壁、２…導波管、３…音波送信器（スピーカ）、４…音波受信器（マイク）、５…制御器、６…波形発生器、７…電源、８…コンデンサ、９…スイッチ回路、１０…リレー、１１…マイクアンプ、１２…アンプ、１３…バンドパスフィルタ、１４…Ａ／Ｄ変換器、１５…伝播時間検出器、１６…温度演算器、１７…表示器、２０…ホーン、２１…マイク用導波管、２２…音響センサ取付け座、２３…空気噴出孔、２４…金網、２５…伝播時間補正器、２６…燃料量制御器、２７…空気量制御器、２８…ボイラ制御器、２９…バーナ、３０…制御盤。

Claims

温度測定すべきガス体を囲む側壁の相対応する開口部の一方に音響送信器（Ｓ１）と音響受信器（Ｍ１）を設置し、他方に同様に音響送信器（Ｓ２）と音響受信器（Ｍ２）を設置し、それぞれの音響送信器と音響受信器間の音波の伝播時間を測定し、温度に換算する音響式ガス体温度測定装置において、側壁の開口部に音響送信器付きのホーンを設置するとともに、一端に音響受信器を備えた音響受信器用の導波管の他端を上記ホーン内部に挿入したことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
請求項１において、音響受信器用の導波管の端が、ホーンの開口面に位置するように取付けたことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
請求項１または２において、ホーン内にパージ用空気噴出孔を設けたことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
温度測定すべきガス体を囲む側壁の相対応する開口部の一方に音響送信器（Ｓ１）と音響受信器（Ｍ１）を設置し、他方に同様に音響送信器（Ｓ２）と音響受信器（Ｍ２）を設置し、一方の開口部に設置した音響送信器から発信した音波を他方の開口部に設置した音響受信器で受信する所要伝播時間に基づきガス体温度を測定する音響式ガス体温度測定装置において、前記側壁の開口部にホーンとホーン外側端に接続された音響送信器付き導波管とを設け、一端に音響受信器を備えた音響受信器用の導波管の他端を上記ホーンの内部に挿入し、前記一方の開口部に設置した音響送信器（Ｓ１）から前記他方の開口部に設置した音響受信器（Ｍ２）間を音波が伝播する時間と、前記他方の開口部に設置した音響送信器（Ｓ２）から前記一方の開口部に設置した音響受信器（Ｍ１）間を音波が伝播する時間と、前記一方の開口部に設置した音響送信器（Ｓ１）からこれと同じ開口部に設置した音響受信器（Ｍ１）間を音波が伝播する時間と、前記他方の開口部に設置した音響送信器（Ｓ２）からこれと同じ開口部に設置した音響受信器（Ｍ２）間を音波が伝播する時間とから、音波がホーンおよび導波管を伝播する時間を消去し、音波が側壁開口部間ガス体を伝播する時間を算出する伝播時間補正器と、補正した伝播時間に基づきガス体温度を算出する温度演算器とを設けたことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
請求項４において、前記音響受信器用の導波管の他端がホーンの開口面に一致するように取付けたことを特徴とする音響式ガス体温度測定装置。
請求項４または５記載の音響式ガス体温度測定装置によって測定した温度を用いて供給燃料量、燃焼用空気量を調整する手段を備えたことを特徴とするボイラ装置。