JP6815034B2 - 火炎検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラなどで火炎の有無を検出する火炎検出装置に関するものである。

ボイラなどの燃焼装置では、火炎が無い状態で燃料を供給し続けると危険であるため、火炎の有無を監視しておいて、燃焼運転中に火炎が無くなった場合には即時に燃料供給を停止することが行われている。火炎の有無を検出する火炎検出装置は、実公平２−３８２１４号公報に記載があるように、火炎が発生する光の強さなどを抵抗値や電流値、パルス信号などの電気的な信号に変換し、信号値に応じて火炎の有無を判断するものが広く普及している。火炎検出装置では、火炎の有無を判定する判定値を設定しておき、検出した信号値が火炎有りの領域にあると火炎有りの判定、信号値が火炎無しの領域にあると火炎無しの判定を行うようにしている。

火炎の有無を判断する判定値は、火炎が全くない状態と安定的に燃焼を継続している状態の途中に設定しておき、通常の燃焼を行っている場合の信号値は火炎有りの領域、火炎が消えている状態では火炎なしの領域となるようにしている。火炎無し時の信号値は小さく、火炎有り時の信号値は大きくなる場合、信号値は着火までは低い値となり、着火直後の火炎が小さい場合には信号値は高まるが通常燃焼時に比べると低い値から増大し、ある程度の時間が経過して火炎が安定して燃焼するようになると信号値も大きな値となる事になる。燃焼開始直後であって信号値が増大していく過程では、信号値は火炎無しの領域にあったものが、火炎の有りと無しを判定する判定値を通過し、火炎有りの領域へ入っていく。この判定値を通過するまでは火炎無しの判定を行い、判定値を通過した以降は火炎有りの判定を行う。

ただし、火炎には揺らぎがあり、揺らぎによって光などの強さは変化する。特に燃焼開始直後には光の強さは揺れながら連続的に変化していくため、前記の信号値も揺れながら変化していくことになる。火炎有り領域と火炎無し領域の境界値を一つの値としていた場合には、燃焼開始直後であって信号値が変化している過程において、火炎有りの領域と火炎無しの領域の境界値付近では、僅かな揺らぎが発生するだけで火炎有りとの判定と火炎無しとの判定がめまぐるしく入れ替わることが考えられる。

そして、上記のように僅かな揺らぎによって一旦火炎有りとの判定を開始した直後に火炎無しとの判定が行われると、制御的には燃焼していた火炎が消えたと判定されるため、燃焼状態には異常がなくても制御上では異常と判断され、燃焼運転を停止することになる。このように燃焼を停止する必要がないのに過剰に反応して燃焼を停止してしまう不具合は、火炎有りの判定値と火炎無しの判定値に差を設けて設定することで解決できる。火炎無しから火炎有りへ判定を変更する火炎有り判定値と、火炎有りから火炎無しへ判定を変更する火炎無し判定値をずらしておくと、信号値が火炎有りの領域から火炎無しの領域に変化した後に火炎有りの領域に戻る、或いは逆に信号値が火炎無しの領域から火炎有りの領域に変化した後に火炎無しの領域に戻るには、信号値が２つの判定値の差だけ変化しなければならないため、火炎有りと火炎無しの判定が短期間で頻繁に入れ替わることが防止できる。

また、より安全性を高めるために火炎検出装置での判定回路を２重化することも行われている。判断を行うＣＰＵを並列に設けてそれぞれのＣＰＵで判断を行うようにしておき、その結果を比較して同じであればその判定は正しいと判断し、結果が異なっていた場合は何らかの異常が発生していると判断する。このようにすることで、火炎検出器制御回路のＣＰＵに異常が発生した場合に異常のままで燃焼を行うことを防止することができる。

しかしこの場合においては、２つのＣＰＵでの信号値は、アナログ入力の場合は変換誤差、パルス信号の場合はタイマの誤差などにより僅差ではあるが異なった値となることがあり、それが火炎有無の判定を行う判定値の付近で発生した場合、一方のＣＰＵでは火炎有りとの判定、他方のＣＰＵでは火炎無しとの判定が行われることがある。この場合、燃焼状態としては無視することのできる程度の僅かな誤差であっても、制御上では閾値を少しでも超えれば判定結果が異なるものとなるため、２つのＣＰＵで判定にずれが発生することがある。２つのＣＰＵでの判定結果に矛盾が発生した場合には、判定結果のずれは無視することはできず、運転制御装置は燃料供給を停止して燃焼運転を停止することになる。

実公平２−３８２１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、火炎検出装置において、検出装置自体は異常が発生していないにもかかわらず、ＣＰＵの変換誤差などの火炎での燃焼状態としては無視できる程度の僅かな誤差によって異常が発生していると過剰に反応してしまい、燃焼を異常停止してしまうことを防止することのできる火炎検出装置を提供することにある。

発明は、火炎が発生する光の強さなどを抵抗値や電流値、パルス信号などの電気的な信号に変換し、信号値が火炎有りの領域にある場合には火炎有りの判定を行い、信号値が火炎無しの領域にある場合には火炎無しの判定を行う火炎検出装置であって、火炎の有無を判定する判定値は、火炎有りの状態から火炎無しの判定を開始するための判定値である火炎無し判定値と、火炎無しの状態から火炎有りの判定を開始するための判定値である火炎有り判定値は異なる値に設定している火炎検出装置において、前記の信号値から火炎の有無を判定するＣＰＵを並列に２重化して設置し、２つのＣＰＵの判定結果を比較することで判定の有効性を確認しており、２つのＣＰＵでは火炎有無の判定は独立して行うが、判定に使用する判定値は同じものとするものであり、いずれかのＣＰＵにおいて火炎有無の判定に使用する判定値の変更を行った場合、他方のＣＰＵに対して判定値を変更したことを伝え、他方のＣＰＵでも同じ判定値を用いて火炎有無の判定を行うようにしていることを特徴とする。

並列に設置した２つのＣＰＵで判定を行っている火炎検出回路で、燃焼を継続できない異常が発生した場合は燃焼を停止するが、信号値の僅かなズレによって２つのＣＰＵでの判定が割れ、そのために必要ではないのに燃焼停止が発生することを防止することができる。

本発明を実施しているボイラ全体でのフロー図 本発明を実施している火炎検出器制御回路のフロー図 本発明を実施している火炎検出装置の火炎有無の判定況説明図

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明を実施しているボイラ全体でのフロー図、図２は本発明を実施している火炎検出回路のフロー図、図３は本発明を実施している火炎検出装置の火炎有無の判定況説明図である。

図１のボイラ１は、上部に燃焼装置２を設置し、中央部の燃焼室に向けて上部から火炎３を発生させるようにしている。ボイラの上部には火炎３が発する光を検出する可視光火炎検出器４を設置し、可視光火炎検出器４は火炎検出器制御回路５に接続しており、火炎検出器制御回路５によって火炎の有無を判定する。火炎検出器制御回路５は、ＣＰＵ１とＣＰＵ２からなる２つのＣＰＵを並列に設置しており、火炎有無の判定は２つ設置したＣＰＵのそれぞれで行う。

火炎検出器制御回路５で判定した火炎有無の情報は、ボイラの運転を制御する運転制御装置６で利用するようにしており、運転制御装置６ではボイラ１の運転制御を行う際には火炎有無の情報を確認しつつ制御を行う。運転制御装置６では、例えば燃焼途中に火炎が消え、その状態で燃料供給を継続すると、制御できない燃焼が燃焼室内で発生することもあるため、火炎が消えた場合には遅延することなく燃料供給を停止する必要があり、火炎有無の情報は重要であって火炎の有無を監視しながらボイラの運転を行う。

火炎検出器制御回路５には、火炎の有無を判定する判定値として、火炎有りの判定値と火炎無しの判定値を設定しておく。火炎検出器制御回路５では、燃焼室に火炎が存在していた場合には可視光火炎検出器４では電流が多く流れ、火炎が存在しなくなると流れる電流が減少することを利用して火炎の有無を判定する。

火炎有りの判定値は、それまで火炎無しの判定を行っていた場合に火炎の判定を火炎有りに変更する設定値であり、実施例では電流値で６０μＡとする。火炎無しの判定値は、それまで火炎有りの判定を行っていた場合に火炎の判定を火炎無しに変更する設定値であり、実施例では電流値で５０μＡとしている。

火炎有りの判定値と火炎無し判定値は間隔を開けて設定しておくと、電流値に多少の揺れがあるだけで判定値が火炎有りと無しの間で頻繁に入れ替わることを防止することができる。当初は電流値が低い火炎無しの領域にあったものが、電流値の上昇によって火炎有り判定値である６０μＡ以上となり、判定が火炎無しから火炎有りに置き換わると、次に火炎 無しの判定が行われるのは電流値が５０μＡ以下になった時からとなる。そのため、火炎の判定が火炎有りになった後に電流値が５９μＡに戻ってもこの段階では判定が火炎有りから火炎無しに置き換わることはない。同様に、電流値が高い火炎有りの領域にある状態から火炎無し判定値である５０μＡ以下となって判定が火炎有りから火炎無しに置き換わると、次に火炎有りの判定が行われるのは電流値が６０μＡ以上になった時からとなる。そのため、火炎の判定が火炎無しとなった後に電流値が５１μＡに戻ってもこの段階では判定が火炎無しから火炎有りに置き換わることはない。そのため、判定値付近で電流値が揺らいだ場合であっても火炎有りと火炎無しの判定が頻繁に入れ替わることにはならない。

なお、この場合には、２つの判定値で挟まれた部分では、ある時は火炎有りと判定され、またある時は火炎無しと判定されるので、２通りの判定が行われることになる。ただしどの判定値に基づいて判定を行うかは、それまでの火炎有無の判定結果によって一方に定まるため、５０μＡを判定値とする場合と、６０μＡを判定値とする場合が同時になることはない。火炎有無の判定を行う瞬間においては、閾値は常に一点であるため、火炎有無の判定を迷うことはない。

そして２つのＣＰＵを並列に設置している火炎検出器制御回路５では、可視光火炎検出器４で検出している値がアナログ入力値としてＣＰＵ１及びＣＰＵ２に供給される。ＣＰＵ１及びＣＰＵ２では、可視光火炎検出器４から入力された値を火炎有無判断用の信号値に変換し、その値を火炎有り判定値又は火炎無し判定値と比較する。

ＣＰＵ１とＣＰＵ２では、それぞれ独立して火炎有無の判定を行う。２つのＣＰＵによる判定は、正常であれば同じ結果が得られるため、２つの結果が同じであることを確認して火炎有無の判定結果を出力する。もしも一方のＣＰＵに異常が発生していれば、２つのＣＰＵによる判定結果が異なることになり、そのことにより火炎検出器制御回路５の異常を検出することができる。そのため、ＣＰＵ１とＣＰＵ２の間で判定値に関する通信を行うようにしておき、ＣＰＵ１及びＣＰＵ２では、火炎有無の判定は独立して行うが、判定に使用する判定値は同じものとする。つまり、ＣＰＵ１又はＣＰＵ２のいずれかにおいて、それまでの判定値を変更した場合、他方のＣＰＵに対して判定値を変更したことを伝え、他方のＣＰＵでも同じ判定値に変更するようにする。

火炎の判定状況を図面に基づいて具体的に説明する。図３はＣＰＵ１とＣＰＵ２における火炎有無の判定状況のタイムチャートである。図では判定結果が火炎無しから火炎有りに切り替わる火炎有り設定値は６０μＡ、判定結果が火炎有りから火炎無しに切り替わる火炎無し設定値は５０μＡとしている。

タイムチャートでは火炎が無く、信号値は低い状態から始まっており、最初は火炎無しの判定が行われる。もしも燃焼を行っていない状態で信号値が火炎有りの判定値である６０μＡ以上となって火炎有りの判定が行われると、その場合には火炎検出装置が異常であると判定することができる。ボイラで燃焼を開始する場合、最初は小さな火炎にて燃焼を開始し、燃焼が始まると火炎検出器制御回路での信号値は上昇する。図ではＣＰＵ１及びＣＰＵ２での信号値は同じように上昇しているが、ＣＰＵ２の方が少し低い値となっている。時刻Ａの時点において、ＣＰＵ１では信号値が６０μＡ以上となるため火炎の判定は火炎有りとなる。判定結果が火炎無しから火炎有りに変化すると、その瞬間より火炎の有無を判定する判定値は５０μＡとする。

しかし、ＣＰＵ２では時刻Ａの時点では信号値は６０μＡに未達であり、６０μＡに達するのは少し遅れた時刻Ｂの時点となっている。この場合、ＣＰＵ２での火炎有無の判定は、それまでは火炎無しであったが、時刻ＡでＣＰＵ１における火炎有無の判定値が５０μＡに変更されたことに伴い、ＣＰＵ２でも火炎有無の判定値は５０μＡとされる。すると、ＣＰＵ２での信号値は５０μＡよりも高いために火炎有りの領域に入っており、この瞬間より判定結果は火炎有りとなる。そのため、ＣＰＵ１とＣＰＵ２の判定結果は同じとなり、正常に燃焼を行っていると判断される。ＣＰＵ１とＣＰＵ２での変換誤差程度の僅かなずれで異常と判定されて燃焼を停止せざるを得なくなるといったことが発生しないようにすることができる。

図３ではその後に火炎を消しており、信号値は低下している。この場合、時刻Ｃの時点でＣＰＵ２での信号値は火炎無しの判定値である５０μＡ以下となっているが、ＣＰＵ１では時刻Ｃの時点での信号値は５０μＡよりも大きくなっており、ＣＰＵ１で信号値が５０μＡ以下となるのは時刻Ｄの時点となっている。この場合も時刻ＣでＣＰＵ２が火炎有無の判定値を６０μＡに変更すると、ＣＰＵ１でも火炎有無の判定値を６０μＡに変更する。するとＣＰＵ１でも時刻Ｃの時点での信号値は火炎無し領域内となるため、時刻Ｃより火炎有無の判定は火炎無しとなる。そのため２つのＣＰＵでは揃って火炎無しの判定を行うことになり、判定値が異なるということは無くなるため、不要な燃焼停止を防ぐことができる。

もしもＣＰＵ１で火炎無しから火炎有りに変化した時刻Ａの時点でＣＰＵ２の判定値を変更しなかった場合、ＣＰＵ２では時刻Ａから時刻Ｂの間は火炎無しの判定を行うことになる。すると火炎検出器制御回路５においては、その間はＣＰＵ１とＣＰＵ２で異なった判定結果が得られることになる。運転制御装置６では、２つのＣＰＵで判定結果に矛盾が発生した場合には火炎検出器制御回路５で異常が発生と判断するようにしているため、火炎検出器制御回路５に異常が発生していると判断し、ボイラ１の燃焼を停止することになっていた。上記のように判定値を揃えるようにすると、誤差が僅かであった場合には２つのＣＰＵでの判定結果が揃うため、正常な状態で燃焼を続けることができる。

なお、実際に異常が発生していた場合、例えばＣＰＵ１での信号値は上記の通りに変化したが、ＣＰＵ２では信号値ははるかに低い値であったという場合には、ＣＰＵ１での判定値の変更に伴ってＣＰＵ２でも判定値が６０μＡから５０μＡに切り替わったとしても、正常と誤判断することはない。そのため、その場合には異常として燃焼を停止することになる。

また、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１ ボイラ
２ 燃焼装置
３ 火炎
４ 可視光火炎検出器
５ 火炎検出器制御回路
６ 運転制御装置

Claims (1)

1. 火炎が発生する光の強さなどを抵抗値や電流値、パルス信号などの電気的な信号に変換し、信号値が火炎有りの領域にある場合には火炎有りの判定を行い、信号値が火炎無しの領域にある場合には火炎無しの判定を行う火炎検出装置であって、火炎の有無を判定する判定値は、火炎有りの状態から火炎無しの判定を開始するための判定値である火炎無し判定値と、火炎無しの状態から火炎有りの判定を開始するための判定値である火炎有り判定値は異なる値に設定している火炎検出装置において、前記の信号値から火炎の有無を判定するＣＰＵを並列に２重化して設置し、２つのＣＰＵの判定結果を比較することで判定の有効性を確認しており、２つのＣＰＵでは火炎有無の判定は独立して行うが、判定に使用する判定値は同じものとするものであり、いずれかのＣＰＵにおいて火炎有無の判定に使用する判定値の変更を行った場合、他方のＣＰＵに対して判定値を変更したことを伝え、他方のＣＰＵでも同じ判定値を用いて火炎有無の判定を行うようにしていることを特徴とする火炎検出措置。
   

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