JP6536232B2 - 炎検出装置及びボイラ - Google Patents

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Description

本発明は、炎検出部の劣化判定を実行する炎検出装置及び該炎検出装置を備えるボイラに関する。
燃焼装置等に用いられる炎検出装置において、光の入射を遮る遮光手段を用いて燃焼中に紫外線光電管等の炎検出部の劣化判定を自ら行う構成が従来から知られている。この種の劣化判定に関する技術を開示するものとして、例えば、特許文献1や特許文献2がある。特許文献1には、燃焼中の所定燃焼時間経過毎に炎検出部の自己診断を行う制御方法が開示されている。特許文献2には、遮光手段を所定の時間間隔で作動させる際の作動時間を非作動時間より短くする制御が開示されている。
特開2004−138302号公報 特開2002−303420号公報
上述のような炎検出装置では、劣化が進行すると、炎が無い状態にも関わらず炎が有ると誤判定するようになる。炎が有ると判定されれば、炎が無い状態にも関わらず燃料が燃料装置に供給され続ける事態を招いてしまう。このような事態を避けるためにも、炎検出部の劣化は速やかに検出されることが好ましい。この点、特許文献1や特許文献2に開示される構成では、炎の燃焼中でも劣化判定を行うことができる。しかしながら、やかに劣化を検出するという点で改善の余地があった。
本発明は、炎検出装置において、劣化を速やかに検出することができ、炎検出部の劣化を原因とする誤判定を効果的に防止できる構成を提供することを目的とする。
本発明は、炎の光を検出すると電流が流れる炎検出部と、前記炎検出部から取得する電流レベルに基づいて炎の有無を判定する制御部と、炎を正常に検出している状態の正常電流レベルよりも低く設定され、炎の有無を判定する基準となる判定電流レベルを記憶する記憶部と、を備え、前記制御部は、前記炎検出部の劣化判定を実行する劣化判定部と、前記判定電流レベルよりも高く前記正常電流レベルよりも低く設定される所定範囲に、前記炎検出部の電流レベルがあることを検出すると、前記劣化判定部によって前記劣化判定を実行させるタイミング判定部と、を有する炎検出装置に関する。
前記制御部は、電流レベルが前記所定範囲に入ると、予め設定される失火確認時間のカウントを開始し、該失火確認時間中に電流レベルが前記判定電流レベルを下回った場合に失火判定を行う失火判定部を更に有し、前記タイミング判定部は、失火確認時間中に電流レベルが前記判定電流レベルを下回らなかった場合に前記劣化判定を実行させることが好ましい。
前記炎検出装置は、検出対象の炎と前記炎検出部の間を物理的に遮る遮光装置を更に備え、前記劣化判定部は、前記遮光装置によって光を遮った状態で前記劣化判定を行い、前記炎検出部の自己放電による炎の誤検出か否かを判定することが好ましい。
また、本発明は、前記炎検出装置と、前記炎検出装置によって炎の検出が行われる燃焼装置と、を備え、前記劣化判定部による前記炎検出部の異常が判定された場合は、前記燃焼装置への燃料の供給を停止するボイラに関する。
本発明の炎検出装置によれば、劣化を速やかに検出することができ、炎検出部の劣化を原因とする誤判定を効果的に防止できる。
本発明の一実施形態に係る炎検出装置が適用されるボイラの構成を模式的に示す図である。 本実施形態の制御部の劣化判定に係る構成を模式的に示すブロック図である。 失火判定されるときの電流レベルの変動を模式的に示すグラフである。 自己放電により炎の誤検知が生じたときの電流レベルの変動を模式的に示すグラフである。 汚れによって電流レベルが所定範囲まで低下したときの電流レベルの変動を模式的に示すグラフである。 電流レベルの変化に基づいて行われる劣化判定の流れを示すフローチャートである。 変形例における電流レベルの変化に基づいて行われる劣化判定の流れを示すフローチャートである。
以下、本発明の炎検出装置の好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る炎検出装置100が適用されるボイラ1の構成を模式的に示す図である。図2は、本実施形態の制御部80の劣化判定に係る構成を模式的に示すブロック図である。
まず、ボイラ1の全体構成について説明する。図1に示すように、ボイラ1は、ボイラ本体10と、バーナ11と、燃料弁12と、送風機13と、制御装置70と、炎検出装置100と、を備える。また、ボイラ1は、燃料供給ラインL10と、空気供給ラインL20と、を主要なラインとして備える。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。
ボイラ本体10は、複数の水管と、下部ヘッダと、上部ヘッダと、を備える筐体である。ボイラ本体10には、水管の水を加熱するための燃焼室が形成される。
バーナ11は、ボイラ本体10の燃焼室に設けられる燃焼装置である。燃料の供給源に接続される燃料供給ラインL10によって燃焼に必要な燃料が供給される。燃料弁12は、燃料供給ラインL10の流路を開閉する開閉弁である。送風機13は、空気供給ラインL20を通じてバーナ11の燃焼に用いられる空気を供給する。
制御装置70は、各種のセンサや制御対象の弁等が電気的に接続されるコンピュータである。本実施形態の制御装置70は、燃焼制御や炎の検出等の各種の制御を行う制御部80と、制御に関する各種の情報が記憶される記憶部90と、異常等の各種の情報を報知する報知部95と、を備える。報知部95としては、ブザー、ライト、タッチパネルディスプレイ等、異常を報知する音声の発音又は映像を表示する適宜のものを採用することができる。
炎検出装置100は、バーナ11の炎の有無を検出するための装置である。炎検出装置100は、炎検出部としての紫外線光電管110と、この紫外線光電管110の劣化判定に用いられるシャッタ装置111と、を備える。
紫外線光電管110は、光電効果を利用して炎の検出を行う炎検出部である。紫外線光電管110は、駆動電圧が印加されている状態で、紫外線が入射すると放電電流が流れる受光部を有する。紫外線光電管110は制御部80に電気的に接続されており、制御部80は、紫外線光電管110を流れる電流(火炎信号)に基づいて炎の状態を判定する。
本実施形態では、所定時間に印加された駆動電圧の回数に対して電流が検出された回数の割合を電流レベルとして算出する。例えば、所定時間内に駆動電圧が200回印加され、電流(火炎信号)が180回検出された場合は、電流レベルは0.9と算出される。
記憶部90には、後述の失火判定や劣化判定で用いられる電流レベルの所定範囲、炎の有無を判定する基準となる判定電流レベル、失火判定を行う基準となる失火確認時間及び失火判定時間等の各種の情報が記憶される。失火判定及び劣化判定の処理の詳細については後述する。
次に、シャッタ装置111について説明する。シャッタ装置111は、受光部と炎の間を物理的に遮蔽可能な遮光装置である。本実施形態のシャッタ装置111は、非透光性の材料で構成される遮蔽部材と、遮蔽部材を移動させる駆動部と、を備える。シャッタ装置111は、炎の検出を行っている状態では受光部を露出させる開位置に遮蔽部材を位置させ、劣化判定時には受光部を覆う閉位置に遮蔽部材を移動させる。シャッタ装置111の制御は制御部80によって行われる。
次に、紫外線光電管110による失火判定及び劣化判定について説明する。図2に示すように、制御部80は、劣化判定部81と、タイミング判定部82と、有する。
劣化判定部81は、紫外線光電管110の劣化判定を予め設定された手順に基づいて実行する。劣化判定部81は、シャッタ装置111の遮光部を閉位置に位置させた状態で紫外線光電管110の電流を監視し、電流レベルが劣化基準値を上回った場合は、紫外線光電管110の劣化が使用限界に達したと判定する。
タイミング判定部82は、劣化判定部81による劣化判定を実行させるタイミングを設定する。本実施形態のタイミング判定部82は、タイムスケジュールに基づいて劣化判定を行うとともに、紫外線光電管110の電流レベルに基づいて劣化判定を行う。また、タイミング判定部82は、紫外線光電管110の電流レベルを常時監視し、所定の条件を満たしたときにも劣化判定を行う。
失火判定部83は、失火しているか否かを電流レベルに基づいて判定する。失火判定部83は、紫外線光電管110の電流を監視し、電流レベルが失火基準値を下回った場合に、失火していると判定する。
まず、タイムスケジュールに基づいて劣化判定を行う場合について説明する。タイミング判定部82は、予め設定されるタイムスケジュールに基づいて定期的に劣化判定部81による劣化判定を行わせる。これにより、紫外線光電管110の劣化が定期的に判定される。
次に、紫外線光電管110の電流レベルに基づいて劣化判定を行う場合について説明する。図3は、失火判定されるときの電流レベルの変動を模式的に示すグラフである。なお、図3のグラフは、電流レベルの変動を模式的に示すものであり、常時生じる電流レベルの振れ等は省略している。
電流レベルが所定範囲に入ったことをトリガとして失火判定又は劣化判定を行う。図3に示すように、所定範囲は、劣化や汚れの影響がない状態の紫外線光電管110が炎を正常に検出している状態の電流レベル(以下、正常電流レベルと称する)よりも低い範囲に設定されている。例えば、正常電流レベルが1.0〜0.9の範囲に設定されている場合、所定範囲は0.9よりも低い範囲に設定される。
判定電流レベルは、失火判定を行う基準となる電流レベルである。本実施形態の判定電流レベルは、所定範囲の下限値になっている。制御部80は、電流レベルがこの判定電流レベルを下回ると失火判定時間に入り、失火しているか否かを判定する。
失火確認時間は、失火判定を行うか否かを判断するために設けられる所定時間である。本実施形態では、制御部80は、所定範囲の上限を下回ると失火確認時間のカウントを行い、この失火確認時間中に判定電流レベルを下回ると失火判定を行うための失火判定時間に入る。失火判定時間は、失火しているか否かを判定するための時間であり、当該失火判定時間中に電流レベルが失火基準値を下回っている場合は失火していると判定される。なお、失火判定時間中は、後述の劣化判定は行われず、紫外線光電管110の受光部はシャッタ装置111によって遮光されない。
図3に示すように、所定範囲は、失火判定を行うか否かの基準になっている。紫外線光電管110が正常な状態(劣化が生じていない状態)では、バーナ11の炎が失火すると、電流レベルが低下し、所定範囲に達する。所定範囲に達すると失火確認時間のカウントが開始される。この失火確認時間中に、電流レベルが判定電流レベルを下回ると失火判定が行われる。紫外線光電管110が正常な状態で失火した場合、電流レベルは判定電流レベルを下回るので、失火判定時間に入り、失火か否かが判定される。
次に、電流レベルが所定範囲内に所定時間以上留まる場合の処理について説明する。図4は、自己放電により炎の誤検知が生じたときの電流レベルの変動を模式的に示すグラフである。図5は、汚れによって電流レベルが所定範囲まで低下したときの電流レベルの変動を模式的に示すグラフである。図4及び図5においても、図3と同様に、常時生じる電流レベルの振れ等は省略している。
紫外線光電管110の電流レベルが所定範囲に留まる原因として、紫外線光電管110の劣化による自己放電による場合(図4参照)と、紫外線光電管110の受光部の汚れ等を原因として紫外線光電管110の電流レベルが所定範囲に入る場合(図5参照)と、が考えられる。
まず、自己放電を原因として紫外線光電管110の電流レベルが所定範囲に入る場合について説明する。図4に示すように、誤判定を招くほどの劣化が進行している状態で、バーナ11の炎が失火した場合、電流レベルは正常電流レベルより低下するものの、シャッタ装置111で遮光状態にあっても自己放電の影響により判定電流レベルを下回らない。即ち、紫外線光電管110の劣化が進行している状態で、失火をきっかけとして電流レベルが所定範囲に入った場合、シャッタ装置111によって紫外線光電管110の受光部が遮光されても、自己放電によって炎有りと判定される。紫外線光電管110の劣化によって炎が誤検出されている場合、安全上の観点から速やかに燃料ガスの供給を停止することが望ましい。
次に、紫外線光電管110の受光部の汚れ等を原因として紫外線光電管110の電流レベルが所定範囲に入る場合について説明する。図5に示すように、紫外線光電管110の受光部が汚れることによっても、炎の紫外線の入射量が徐々に小さくなり、電流レベルが徐々に低下し、やがて電流レベルは所定範囲まで低下する。紫外線光電管110の受光部の汚れが進み、判定電流レベルを下回った場合は、炎が有るにも関わらず炎が無いと判断されることになるが、この場合は燃料ガスの供給が停止されるので、炎が無い状態にも関わらず燃料ガスが供給され続けることにはならない。従って、自己放電を原因として紫外線光電管110の電流レベルが所定範囲に入った場合に比べ、燃料ガスの供給を即座に停止する必要性は少ない。
以上説明したように、紫外線光電管110の劣化による自己放電を原因として電流レベルが正常電流レベルの範囲から所定範囲に低下した場合、失火していても炎有りと判定することになる。この場合、炎が無い状態にも関わらず、燃料供給ラインL10から燃料ガスが供給され続けるおそれがある。安全上の観点から、このような状態は速やかに検出することが好ましい。一方、上述のように、受光部の汚れによっても電流レベルが正常電流レベルの範囲から所定範囲に低下する場合もある。
本実施形態の制御部80は、電流レベルが所定範囲に入った後に失火確認時間を経過しても所定範囲にある場合は、シャッタ装置111を用いた劣化判定を行う。図4に示すように、シャッタ装置111による遮光を行っても、電流レベルが判定電流レベルを上回る所定範囲にある場合は、自己放電を原因とする紫外線光電管110が使用限界に達していると判定する。
一方で、電流レベルが所定範囲に入っただけでは、紫外線光電管110の劣化が原因ではない可能性があるので、タイミング判定部82が、電流レベルが所定範囲に入り、失火確認時間を経過したことをトリガとして劣化判定部81に劣化判定を実行させることにより、電流レベルが所定範囲に入った原因を特定する。図5に示すように、紫外線光電管110の汚れを原因として電流レベルが所定範囲に入った場合、シャッタ装置111によって紫外線光電管110の受光部を遮光すると電流レベルは大きく低下する。このように、シャッタ装置111による遮光を行うと判定電流レベルを下回り所定範囲外になった場合は、受光部の汚れ等が原因であると判定するのである。電流レベルの挙動の違いにより、電流レベルが所定範囲に入った原因が、自己放電か紫外線光電管110の汚れかのいずれかを特定できるのである。
また、本実施形態のタイミング判定部82は、上記の劣化判定に関する制御に加え、劣化判定の繰り返しを防ぐ劣化判定のタイミング制御を行っている。このタイミング制御について説明する。
劣化判定において、自己放電によって電流レベルがある程度上昇していても、電流レベルが判定電流レベルを上回らないことがある。このような状態でも炎の検知はできるため、紫外線光電管110の劣化が軽度な状態と言える(図5中の一点鎖線に示す軽度の劣化)。この場合、シャッタ装置111による遮光が行われても劣化判定は行われず、遮光が解除されると電流レベルは再び所定範囲に入る状態となる。本実施形態のタイミング判定部82は、このように電流レベルが所定範囲に入ったものの遮光された状態では判定電流レベルを下回る場合は、所定時間経過後に劣化判定を行うようにタイミング制御を行う。これにより、劣化判定の繰り返しを防ぐとともに、劣化が更に進行していると考えられるタイミングで劣化判定が行われるので、劣化判定を適切に行うことができる。
次に、紫外線光電管110の電流レベルを監視し、紫外線光電管110の失火判定及び劣化判定を実行する処理の流れについて説明する。図6は、電流レベルの変化に基づいて行われる劣化判定の流れを示すフローチャートである。なお、図5において、予め設定されたスケジュールに基づいて劣化判定を実行する処理及びタイミング制御については省略しており、このフローチャートは劣化判定に至る過程を概略的に示したものである。
タイミング判定部82は、紫外線光電管110の電流レベルを監視し、所定範囲内か否かを判定する(S101)。
電流レベルが所定範囲に入った場合、失火確認時間のカウントが開始され、この失火確認時間中に電流レベルが判定電流レベルを下回ったか否かを判定する(S102)。
S102の処理で、電流レベルが失火確認時間中に判定電流レベルを下回った場合、失火判定処理を行う(S103)。本実施形態では、失火確認時間中に電流レベルが失火基準値を下回った場合に失火と判定する(S104)。失火判定の方法は、適宜変更することができる。S104の処理で失火状態にあると判定された場合は、報知部95による異常を報知するとともに燃料弁12を制御して燃料ガスの供給を停止する処理に移行する(S107)。失火していない場合は、S101の処理に戻る。
S102の処理で、電流レベルが失火確認時間中に判定電流レベルを下回らなかった場合、劣化判定部81によって劣化判定処理を実行する(S105)。劣化判定処理では、シャッタ装置111の遮光部を閉位置に移動させて上述の劣化判定が行われる(S106)。
S106の劣化判定の結果、紫外線光電管110の劣化が使用限界に達したと判定された場合は、燃料弁12を閉位置に制御して燃料ガスの供給停止を行う(S107)。これにより、失火しているにも関わらず、燃料ガスが供給され続ける事態を確実に防止できる。なお、S103の劣化判定の結果、劣化状態でなかった場合は燃料ガスの供給停止は行わない。
以上説明した本実施形態の炎検出装置100によれば、以下のような効果を奏する。本実施形態の炎検出装置100は、炎の光を検出すると電流が流れる紫外線光電管110と、紫外線光電管110から取得する電流レベルに基づいて炎の有無を判定する制御部80と、判定電流レベルを記憶する記憶部90と、を備える。制御部80は、紫外線光電管110の劣化判定を実行する劣化判定部81と、判定電流レベルよりも高く正常電流レベルよりも低く設定される所定範囲に、紫外線光電管110の電流レベルがあることを検出すると、劣化判定部81によって劣化判定を実行させるタイミング判定部82と、を有する。この構成により、誤判定を招く紫外線光電管110の劣化を速やかに検出することができる。また、紫外線光電管110の劣化を速やかに検出できるので、炎が無い状態にも関わらず有ると判定する炎の誤検出が生じる時間を効果的に削減できる。
制御部80は、電流レベルが所定範囲に入ると、予め設定される失火確認時間のカウントを開始し、該失火確認時間中に電流レベルが判定電流レベルを下回った場合に失火判定を行う失火判定部83を更に有する。また、タイミング判定部82は、失火確認時間中に電流レベルが判定電流レベルを下回らなかった場合に劣化判定を実行させる。これにより、電流レベルが所定範囲に低下し、失火確認時間中に判定電流レベルを下回った場合は、劣化判定を行う前に失火判定が行われることになる。従って、劣化判定が行われた後に失火判定が行われる事態を回避でき、速やかな紫外線光電管110の劣化の検出とともに速やかな失火の検出を実現できる。
炎検出装置100は、検出対象の炎と紫外線光電管110の間を物理的に遮るシャッタ装置111を更に備える。劣化判定部81は、シャッタ装置111によって光を遮った状態で劣化判定を行い、紫外線光電管110の自己放電による炎の誤検出か否かを判定する。この構成により、電流レベルが所定範囲に入った原因を劣化によるものか、汚れによるものか、を正確に特定することができる。従って、紫外線光電管110の状況に即した制御を行うことができる。また、劣化判定を速やかに検出することができるので、定期的に劣化判定を行う間隔を大きくとることもでき、シャッタ装置111の耐用期間を延ばすことにも寄与できる。
本実施形態の炎検出装置100は、ボイラ1が備えるバーナ11の炎の検出を行う。このボイラ1は、劣化判定部81による紫外線光電管110の異常が判定された場合は、バーナ11への燃料の供給を停止する。これにより、炎が無い状態にも関わらず、燃料ガスが供給され続ける事態を確実に防止することができ、ボイラ1の安定的な稼動を実現できる。
以上、本発明の炎検出装置100の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
上記実施形態の図6を参照して説明した制御の流れは、一例であり、適宜変更することができる。例えば、劣化判定と失火判定をそれぞれ別々の制御とし、図6の処理から所定範囲をトリガとする失火確認の処理を省略することもできる。図7は、変形例における電流レベルの変化に基づいて行われる劣化判定の流れを示すフローチャートである。図7に示すフローチャートでは、失火確認時間中に電流レベルが判定電流レベルを下回るか否かの判定処理(S102)、失火判定処理(S103)及び失火判定(S104)に係る処理が省略されている。この変形例では、失火判定は、所定範囲に入ったか否かとは関係なく別のフローで処理されることになる。このように、本発明の劣化判定を行うための制御の流れは、事情に応じて適宜変更することができる。
上記実施形態では、所定時間に印加された駆動電圧の回数に対して電流が検出された回数の割合を電流レベルとして算出し、当該電流レベルに基づいて劣化判定を行っているが、この方式に限定されない。例えば、放電電流の回数や電流値を電流レベルとし、当該電流レベルの変動に基づいて劣化判定を行う構成としてもよい。このように、検出対象の電流レベルの算出方法又は取得方法は、事情に応じて適宜変更することができる。
上記実施形態では、シャッタ装置111を利用して劣化判定を行っているが、劣化判定は、この方式に限定されず、紫外線光電管110の受光部と炎との間を物理的に遮る構成に適宜変更することができる。また、シャッタ装置111による遮光以外の方法で劣化判定を行う構成としてもよい。例えば、紫外線光電管110に非劣化時の放電開始電圧より低い劣化判定電圧を印加し、この劣化判定電圧印加時に炎有り信号が出力されたとき、紫外線光電管の劣化と判定するようにしてもよい。このように、劣化判定の方式は事情に応じて適宜変更することができる。
上記実施形態では、電流レベルが所定範囲に入っていない場合であっても、予め設定されるタイムスケジュールに基づいて定期的に劣化判定を行う構成であるが、定期的に劣化判定を行う処理を省略することもできる。
上記実施形態では、ボイラ1に適用される炎検出装置100を例に本発明を説明したが、ボイラ1以外の炎が検出される必要がある種々の装置に本発明の炎検出装置100を適用することができる。
1 ボイラ
11 バーナ(燃焼装置)
80 制御部
90 記憶部
81 劣化判定部
82 タイミング判定部
83 失火判定部
110 紫外線光電管
111 シャッタ装置(遮光装置)

Claims (4)

  1. 炎の光を検出すると電流が流れる炎検出部と、
    前記炎検出部から取得する電流レベルに基づいて炎の有無を判定する制御部と、
    炎を正常に検出している状態の正常電流レベルよりも低く設定され、炎の有無を判定する基準となる判定電流レベルを記憶する記憶部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記炎検出部の劣化判定を実行する劣化判定部と、
    前記判定電流レベルよりも高く前記正常電流レベルよりも低く設定される所定範囲に、前記炎検出部の電流レベルがあることを検出すると、前記劣化判定部によって前記劣化判定を実行させるタイミング判定部と、
    電流レベルが前記所定範囲に入ると、予め設定される失火確認時間のカウントを開始し、該失火確認時間中に電流レベルが前記判定電流レベルを下回った場合に失火判定を行う失火判定部と、
    を有し、
    前記タイミング判定部は、失火確認時間中に電流レベルが前記判定電流レベルを下回らなかった場合に前記劣化判定を実行させる炎検出装置。
  2. 検出対象の炎と前記炎検出部の間を物理的に遮る遮光装置を更に備え、
    前記劣化判定部は、
    前記遮光装置によって光を遮った状態で前記劣化判定を行い、前記炎検出部の自己放電による炎の誤検出か否かを判定する請求項1記載の炎検出装置。
  3. 前記劣化判定部は、
    前記遮光装置による遮光を行っても、前記電流レベルが前記判定電流レベルを上回る所定範囲にある場合は、自己放電が原因と判定し、
    前記遮光装置による遮光を行うと、前記電流レベルが前記判定電流レベルを下回り所定範囲外になった場合は、前記炎検出部の汚れが原因であると判定する請求項2に記載の炎検出装置。
  4. 請求項1から3までの何れかに記載の炎検出装置と、
    前記炎検出装置によって炎の検出が行われる燃焼装置と、
    を備え、
    前記劣化判定部による前記炎検出部の異常が判定された場合は、前記燃焼装置への燃料の供給を停止するボイラ。
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