JP5393529B2 - 火炎検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン、ボイラ、燃焼炉等の各種燃焼装置における火炎の着火状況を検出する火炎検出装置に関し、特に、自身の異常を検出する機能を備えた火炎検出装置に関するものである。

ガスタービン、ボイラ、燃焼炉等の各種燃焼装置には、安全対策上や運転の安定化の観点から火炎検出装置が適用され、燃焼装置における火炎の有無や燃焼状態（着火状況及び失火状況等）を監視し、例えば、失火が生じた場合には燃料の供給を停止するなどの安全対策を講じている。火炎検出装置としては、燃焼装置内の燃焼反応によって生じた火炎の紫外線領域の光を紫外線放電管によって検出してパルスを発生させ、紫外線放電管に接続された火炎検出回路がこのパルスを検出することにより火炎の発生を検出するものが知られている。

このような火炎検出装置において、紫外線放電管や火炎検出回路が故障したり寿命に達した際には、失火状態であるにも拘わらず着火状態であるとの誤検出を生じる虞がある。誤検出が生じた場合には、火炎がなく燃焼が進行しないにも拘わらず燃焼装置に対する燃料供給が継続され、燃焼装置の円滑な運転が妨げられるため、紫外線放電管及び火炎検出回路を定期的に点検して、寿命や故障が生じていないかを確認する必要がある。

このため、火炎検出装置では、紫外線放電管に薄板のシャッター機構等の機械的部品を設けることにより、紫外線放電管に対する紫外線の入射を定期的に遮断して点検を行うようにしている。すなわち、紫外線の入射を遮断した場合、本来は、紫外線放電管は光を検出しないので、紫外線放電管に接続された火炎検出回路はパルスを検出せず、火炎を検出しないはずである。従って、火炎検出装置では、紫外線放電管に対する紫外線の入射を遮断した際の火炎検出回路の検出結果が正しければ、紫外線放電管及び火炎検出回路には、故障や寿命などの異常は生じていないと判断している。
特許文献１（特開平１０−２６７２７３号公報）には、このような自身の異常を検出する機能を備えた火炎検出装置が開示されている。

特開平１０−２６７２７３号公報

しかしながら、上記した火炎検出装置では、紫外線放電管の寿命が短いために定期点検が強いられると共に、寿命が想定される時期までに交換する必要があるという問題がある。また、紫外線放電管の点検のために頻繁にシャッター機構を動作させる必要があるため、シャッター機構が劣化して故障が生じやすく、シャッター機構の劣化に起因して火炎の検出が正しく行われない虞がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、自身の故障を正しく判定することにより誤検出を防止することのできる火炎検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、燃焼装置の燃焼火炎による入射光を電流信号に変換する受光素子と、オペアンプ及び帰還抵抗を含み、前記電流信号を電圧信号に変換して該電圧信号を増幅させる増幅回路と、前記帰還抵抗に接続され、該帰還抵抗を短絡させるように切替える切替スイッチと、前記増幅回路の出力に基づいて火炎の状態を検出する火炎検出回路と、前記切替スイッチを所定間隔で切替えて前記帰還抵抗を短絡させると共に、前記帰還抵抗が短絡した状態における前記火炎検出回路の検出結果に基づいて自己の異常を診断する制御回路と、を備えた火炎検出装置を提供する。

本発明によれば、増幅回路では、受光素子から入力された電流信号を電圧信号に変換すると共に、帰還抵抗に基づいてこの電圧信号を増幅する。火炎検出回路では、増幅回路の出力、即ち、増幅された電圧信号に基づいて火炎の有無等火炎の状態を検出する。このとき、制御回路により切替スイッチを切替えて増幅回路の帰還抵抗を短絡させると、増幅回路の増幅率が０倍となるため、増幅回路の出力は０Ｖとなる。従って火炎検出回路は、この増幅回路の出力に基づいて、本来は火炎なしと判断するはずである。制御回路では、切替スイッチを切り替えたタイミングと同期して、火炎検出回路の検出結果が想定通りの結果となったか否かに基づいて、自己の、即ち、増幅回路、火炎検出回路及び制御回路を含む火炎検出装置の異常を診断する。このようにすることで、自身の故障を正しく判定し誤検出を防止することができる。

上記した火炎検出装置において、他の受光素子と、前記他のオペアンプ及び他の帰還抵抗を含み他の受光素子からの電流信号を電圧信号に変換して該電圧信号を増幅させる増幅回路と、を有し、前記受光素子の暗電流を相殺するための暗電流相殺回路と、前記他の帰還抵抗に接続され、該他の帰還抵抗を短絡させるように切替える他の切替スイッチと、を備え、前記制御回路が、前記他の切替スイッチを切替えて前記他の帰還抵抗を短絡させると共に前記他の帰還抵抗が短絡した状態における前記火炎検出回路の検出結果に基づいて自己の異常を診断することが好ましい。

本発明によれば、火炎検出装置が、燃焼火炎の入射光を電流信号に変換する受光素子に流れる暗電流をキャンセルするための暗電流相殺回路を備える場合に、暗電流相殺回路においても同様に他の帰還抵抗を短絡させるように切替える他の切替スイッチを設ける。そして、制御回路により切替スイッチを切替えて増幅回路の帰還抵抗を短絡させることで増幅率を０倍とし、このタイミングと同期させて、火炎検出回路の検出結果が想定通りの結果となったか否かに基づいて、自己の、即ち、暗電流相殺回路はもちろん、増幅回路、火炎検出回路及び制御回路を含む火炎検出装置の異常を診断する。このようにすることで、自身の故障を正しく判定し誤検出を防止することができる。

上記した火炎検出装置において、前記受光素子、前記増幅回路及び前記切替スイッチに電力を供給する電源と、前記増幅回路の出力端に接続され、前記電源により前記受光素子、前記増幅回路及び前記切替スイッチに対して正常に電力が供給されている場合にのみ前記増幅回路から前記火炎検出回路に対する出力を行うスイッチング素子を備えることが好ましい。

本発明によれば、増幅回路の出力端に接続されたスイッチング素子により、電源から受光素子、増幅回路及び切替スイッチに対して正常に電力が供給されている場合にのみ増幅回路から火炎検出回路に対する出力を行うようにすることで、例えば、電源からの電力供給が停止するなどの異常が生じた場合には、増幅回路から火炎検出回路に対する出力がなされないので、火炎を検出することがない。従って、火炎ありという危険方向の誤検出を防止することができる。

このように、本発明によれば、自身の故障を正しく判定することにより誤検出を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る火炎検出装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る火炎検出装置における受光素子、光電変換／増幅回路、切替スイッチを備えた回路例にかかる図である。 本発明の一実施形態に係る火炎検出装置における自己診断の流れを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る火炎検出装置における自己診断の際のタイミングチャートである。

以下に、本発明に係る火炎検出装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る火炎検出装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、火炎検出装置は、電源１、センサ回路２、火炎検出回路３及び制御回路４を備えている。電源１にはリレーコイル５が接続されており、このリレーコイル５は、電源１がセンサ回路２に対して正常に電力を供給可能なときに限り励磁されるようになっている。センサ回路２の火炎検出回路３に対する出力端にはリレー接点６が接続されており、このリレー接点６は、リレーコイル５が励磁されているときに限り閉路を形成して火炎検出回路３に対するセンサ回路２の出力を許可するようになっている。

センサ回路２は、受光素子１０，１３、光電変換／増幅回路１１、切替スイッチ１２，１５及び暗電流相殺回路１４を備えている。受光素子１０は、火炎検出装置が適用される燃焼装置の燃焼火炎による入射光を光量に応じた電流信号に変換して光電変換／増幅回路１１に出力するものであり、例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタなどを適用することができる。光電変換／増幅回路１１は、受光素子１０から出力された電流信号を電圧信号に変換すると共に、後述する抵抗１８やコンデンサ１９からなる帰還抵抗２０を備え、この帰還抵抗２０によって定まる増幅率に従って電圧信号を増幅させる。切替スイッチ１２は、制御回路４からの制御信号に従って、光電変換／増幅回路１１の帰還抵抗２０を短絡させるように切替えて、光電変換／増幅回路１１の増幅率をゼロとする。

図２は、上記の受光素子１０、光電変換／増幅回路１１及び切替スイッチ１２を備えた回路例を示している。図２の例では、受光素子１０としてフォトダイオードが適用された例を示している。光電変換／増幅回路１１は、フォトダイオードからの電流信号が入力されるオペアンプ１７と、オペアンプ１７の負極側の入力を帰還させつつ帰還量を調整する帰還抵抗２０とを備えている。帰還抵抗２０は抵抗１８及びコンデンサ１９を有し、帰還抵抗２０の抵抗値は抵抗１８及びコンデンサ１９の合成インピーダンスとして捉えられる。従って、光電変換／増幅回路１１の増幅率も、抵抗１８及びコンデンサ１９の合成インピーダンスに従って定まることとなる。切替スイッチ１２は、帰還抵抗２０の出力端に接続され、切替スイッチ１２のＸ０側をＯＮとしてＸ１側をＯＦＦとすることで帰還抵抗２０を介してオペアンプ１７の負極側の入力を帰還させるようになっている。また、切替スイッチ１２のＸ１側をＯＮとし、Ｘ０側をＯＦＦとすることで帰還抵抗２０を短絡させ、光電変換／増幅回路１１の増幅率を０倍とするようになっている。

受光素子１３は、燃焼火炎の検出を行わないように遮光された状態で設けられるものであり、受光素子１３の温度が上昇したときに流れる暗電流の電流信号を出力する。暗電流相殺回路１４は、受光素子１３と接続され、受光素子１３からの暗電流の電流信号を電圧信号に変換して増幅させ、これを光電変換／増幅回路１１における出力と相殺するためのものである。このため、暗電流相殺回路１４は、上記した光電変換／増幅回路１１と同様の構成となっており、抵抗やコンデンサからなる帰還抵抗を備えている。切替スイッチ１５は、制御回路４からの制御信号に従って、暗電流相殺回路１４の帰還抵抗を短絡させるように切替えて、光電変換／増幅回路１１の増幅率をゼロとするようになっている。

即ち、受光素子１３、暗電流相殺回路１４及び切替スイッチ１５を備えた回路例は、図２に示した受光素子１０、光電変換／増幅回路１１及び切替スイッチ１２を備えた回路例と同様の構成となる。このようにすることで、光電変換／増幅回路１１の出力から暗電流相殺回路１４の出力を相殺してノイズを除去することができ、センサ回路２からは受光素子１０による燃焼火炎の光量に応じた出力を得ることができるようになっている。

火炎検出回路３は、光電変換／増幅回路１１の出力やその変動を監視し、光電変換／増幅回路１１の出力に基づいて火炎の状態を検出するものであり、例えば、電圧信号に対して所定の閾値を設定し、この閾値に基づき、閾値を上回る場合に火炎あり（着火状態）の検出を行い、閾値を下回る場合に火炎なし（失火状態）との検出を行う等の火炎の状態を検出することができる。このようにすると、例えば受光素子１０に断線や短絡が生じた場合においては、電圧信号を検出しないので、火炎検出回路３の検出結果は必ず「火炎なし」となり、火炎ありという危険方向の誤検出を防止することができ、燃焼装置の安全性を保つことができる。

制御回路４は、センサ回路２を制御するものであり、切替スイッチ１２，１５を所定間隔で切替えて光電変換／増幅回路１１の帰還抵抗及び暗電流相殺回路１４の各帰還抵抗２０を短絡させると共に、これらの帰還抵抗が短絡した状態における火炎検出回路の検出結果に基づいて自己の異常を診断する。
より具体的には、制御回路４は、火炎検出装置の異常を診断するために、センサ回路２に対して所定の間隔でチェック信号を所定時間継続的に出力し、この間に継続的に火炎検出回路３からの検出結果を受信する。さらに、制御回路４では、チェック信号が出力されている間の何れかのタイミングに同期させ、チェック信号が出力されていること及び火炎検出回路３の検出結果に基づいて火炎検出装置の異常の有無を診断する。
なお、異常診断の間隔は、例えば２４時間に１回等、適宜定めることができ、チェック信号を継続出力する時間も適宜定めることができる。

以下、このように構成された火炎検出装置における異常診断の流れについて、図３のフローチャート及び図４のタイミングチャートに従って説明する。
火炎検出装置の異常を診断するために、ステップＳ１１で制御回路４からセンサ回路２に対してチェック信号を出力する。チェック信号は、所定時間、例えば１０秒間継続して出力される（図４参照）。センサ回路２では、チェック信号の入力を受けて、切替スイッチ１２，１５が切替えられ、切替スイッチ１２，１５のＸ１側がＯＮとされると共にＸ０側がＯＦＦとされる。この結果、光電変換／増幅回路１１の帰還抵抗及び暗電流相殺回路１４の各帰還抵抗２０が短絡し、光電変換／増幅回路１１及び暗電流相殺回路１４の帰還抵抗の増幅率が０倍となる。そして、火炎検出回路３は、光電変換／増幅回路１１及び暗電流相殺回路１４の出力やその変動を監視し、チェック信号が出力されている間は、光電変換／増幅回路１１及び暗電流相殺回路１４から０Ｖの出力を受けて、これに基づいて燃焼装置に火炎がないと判断し、火炎なしの結果を制御回路４に出力する。

続いて、ステップＳ１２で、制御回路４では、火炎検出回路３からの検出結果を継続受信し、検出結果を継続監視する。次のステップＳ１３では、制御回路４が、チェック信号が出力されている間の何れかのタイミングに同期させて、火炎検出装置に異常があるか否かを診断する。図４には、制御回路４は、チェック信号を停止する直前のタイミングで診断のための信号を出力する例を示している。この診断は、チェック信号が出力されていること、換言すると、光電変換／増幅回路１１及び暗電流相殺回路１４の帰還抵抗が短絡されていることと、火炎検出回路３からの検出結果とに基づいて行う。

即ち、火炎検出装置が正常に動作している場合には、チェック信号が出力されたことにより、切替スイッチ１２，１５が切替えられ、光電変換／増幅回路１１及び暗電流相殺回路１４の帰還抵抗が短絡されているはずである。従って、光電変換／増幅回路１１及び暗電流相殺回路１４からの出力は０Ｖとなり、火炎検出回路の検出結果は「火炎なし」とされるはずである。このため、チェック信号が出力され光電変換／増幅回路１１及び暗電流相殺回路１４の帰還抵抗が短絡されているはずの状態において、検出結果が「火炎あり」とされた場合には、火炎検出装置の何れかに異常が生じていると診断することができる。

反対に、チェック信号が出力され光電変換／増幅回路１１及び暗電流相殺回路１４の帰還抵抗が短絡されているはずの状態において、検出結果が「火炎なし」とされた場合には、火炎検出装置は正常であると診断することができる。図４（Ａ）は、火炎検出装置に異常がある場合のタイミングチャートを示し、図４（Ｂ）は火炎検出装置に異常がない場合のタイミングチャートを示している。

次のステップＳ１４では、ステップＳ１３における診断結果に基づいて、異常がないと診断された場合には、ステップＳ１１に戻り、所定間隔をあけて再び異常診断を行う。異常があると診断された場合には本ルーチンを終了し、例えば、燃料の供給を停止する等の所望の安全措置を講ずることができる。

このように、切替スイッチ１２，１５を切り替えたタイミングと同期して、火炎検出回路３の検出結果が想定通りの結果となったか否かに基づいて、自己の、即ち、光電変換／増幅回路１１、火炎検出回路３及び制御回路４を含む火炎検出装置の異常を診断することで、自身の故障を正しく判定し誤検出を防止することができる。また、リレーコイル５が励磁されているときに限りリレー接点６が閉路を形成して火炎検出回路３に対するセンサ回路３の出力を許可するため、例えば、電源１からの電力供給が停止された際には、火炎検出回路３の検出結果は火炎なしとされるので、火炎ありという危険方向の誤検出を防止することができ、燃焼装置の安全性を保つことができる。

なお、上述した実施形態においては、制御回路４が光電変換／増幅回路１１と暗電流相殺回路１４とに対して同時にチェック信号を出力することで、火炎検出装置の異常診断を行う構成としたが、光電変換／増幅回路１１と暗電流相殺回路１４とに対して、別々にチェック信号を出力して２段階の異常診断を行ってもよい。

１ 電源
２ センサ回路
３ 火炎検出回路
４ 制御回路
５ リレーコイル
６ リレー接点（スイッチング素子）
１０ 受光素子
１１ 光電変換／増幅回路
１２ 切替スイッチ
１３ 受光素子
１４ 暗電流キャンセル回路（暗電流相殺回路）
１５ 切替スイッチ
１７ オペアンプ
１８ 抵抗
１９ コンデンサ
２０ 帰還抵抗

Claims (3)

1. 燃焼装置の燃焼火炎による入射光を電流信号に変換する受光素子と、
   オペアンプ及び帰還抵抗を含み、前記電流信号を電圧信号に変換して該電圧信号を増幅させる増幅回路と、
   前記帰還抵抗に接続され、該帰還抵抗を短絡させるように切替える切替スイッチと、
   前記増幅回路の出力に基づいて火炎の状態を検出する火炎検出回路と、
   前記切替スイッチを所定間隔で切替えて前記帰還抵抗を短絡させると共に、前記帰還抵抗が短絡した状態における前記火炎検出回路の検出結果に基づいて自己の異常を診断する制御回路と、
   を備えた火炎検出装置。
2. 他の受光素子と、前記他のオペアンプ及び他の帰還抵抗を含み他の受光素子からの電流信号を電圧信号に変換して該電圧信号を増幅させる増幅回路と、を有し、前記受光素子の暗電流を相殺するための暗電流相殺回路と、
   前記他の帰還抵抗に接続され、該他の帰還抵抗を短絡させるように切替える他の切替スイッチと、を備え、
   前記制御回路が、前記他の切替スイッチを切替えて前記他の帰還抵抗を短絡させると共に前記他の帰還抵抗が短絡した状態における前記火炎検出回路の検出結果に基づいて自己の異常を診断する請求項１記載の火炎検出装置。
3. 前記受光素子、前記増幅回路及び前記切替スイッチに電力を供給する電源と、
   前記増幅回路の出力端に接続され、前記電源により前記受光素子、前記増幅回路及び前記切替スイッチに対して正常に電力が供給されている場合にのみ前記増幅回路から前記火炎検出回路に対する出力を行うスイッチング素子を備えた請求項１又は２記載の火炎検出装置。

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