JP7374435B2 - 水分測定システム - Google Patents

Description

本開示は、複数種成分を含む可燃物の水分率を測定するための、水分測定システムに関する。

様々な成分が混在した廃棄物、バイオマス、石炭等の可燃物を燃焼するための燃焼炉では、投入される可燃物に含まれる水分量を把握することが重要である。従来、可燃物に含まれる水分量は、熟練作業者の経験や目視による判断に依存していた。そのため、可燃物を実際に燃焼炉に投入した際に予想と異なる燃焼変動が発生した場合には、燃焼変動の確認後、調整作業を実施しなければならないなど、燃焼の安定性に課題があった。

燃焼炉における燃焼を安定化するために、燃焼炉に投入される可燃物に含まれる水分量を予め定量的に把握することが望まれている。例えば特許文献１では、マイクロストリップラインのような小型基板を含むセンサを用いた水分量の計測技術が開示されている。

特許第６２５３０９６号公報

上記特許文献１では、マイクロストリップラインのような小型基板を含むセンサを用いて水分量の計測を行っている。しかしながら、マイクロストリップラインでは、水分量を計測可能な範囲は、基板表面からごく限られた距離に限定される。そのため、例えば燃焼炉に廃棄物を投入するためのホッパ近傍のように、比較的大きな空間を測定対象とする用途には適用が困難である。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、複数種成分を含む可燃物の水分測定を広範囲にわたって実施可能な水分測定システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る水分測定システムは上記課題を解決するために、
複数種成分を含む可燃物に対して電磁波を照射する照射部と、
前記電磁波の反射波を検出する検出部と、
前記反射波に基づいて前記可燃物の水分率を算出する水分率算出部と、
前記可燃物から見て、前記照射部及び前記検出部と反対側に設けられた反射壁と、
を備え、
前記照射部及び前記検出部は、前記可燃物に対して一方側に配置されるとともに、前記可燃物に対向して一体的に構成され、
前記水分率算出部は、前記可燃物が存在しない条件下で取得された基準データに対する前記反射波の変化量に基づいて、前記水分率を算出するよう構成される。

上記（１）の構成によれば、照射部及び検出部を可燃物の一方側に配置することで、照射部から照射された電磁波によって生じた反射波が、効率的に検出部で検出可能に構成されるとともに、可燃物が存在しない条件下で、いわゆるバックグランドとして基準データが取得される。そして、測定対象となる可燃物がある状況において、当該基準データからの変化量を測定することで、バックグランドの影響を排除した精度のよい水分率の測定が可能となる。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記照射部及び前記検出部は、前記可燃物の投入部近傍に設置される。

上記（２）の構成によれば、水分測定システムの設置の自由度が向上する。

（３）幾つかの実施形態では上記（1）又は（２）の構成において、
前記反射壁が可燃物置場の床である。

上記（３）の構成によれば、既存の構造物を反射壁として利用できるので、新たに反射壁を設置する必要がなくなる。

（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一項の構成において、
前記反射壁は、前記電磁波の照射方向に対して略垂直な反射平面を有する。

上記（４）の構成によれば、このような反射壁を設けることで、照射部からの電磁波を効果的に反射させられる。この場合、反射壁の構成がシンプルであるため、コスト的にも有利である。

（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一項の構成において、
前記反射壁は、前記検出部との距離を半径とする反射曲面を有する。

上記（５）の構成によれば、反射曲面で反射される反射波を検出部に集約できるため、検出部で反射波をより効率的に検出し、より高精度な水分測定が可能である。

（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一項の構成において、
前記水分率算出部は、前記可燃物及び前記反射壁からの前記反射波に基づいて前記水分率を算出する。

上記（６）の構成によれば、可燃物及び前記反射壁から生じた反射波に基づいて水分率の算出するため、より高精度な水分測定が可能である。

（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一項の構成において、
前記照射部及び前記検出部は、前記可燃物に対向する開口部を有するホーンとして一体的に構成され、前記開口部の寸法、及び、前記電磁波の照射方向における前記ホーンの長さは、前記反射波の前記電磁波に対する利得が基準値以上になるように設定される。

上記（７）の構成によれば、可燃物に対向する開口部を有するホーンとして照射部及び検出部を一体的に構成することで、コンパクトな構成で本システムを実現できる。
又、ホーンの開口面積や長さを設計することで、検出部で十分な強度で反射波が得られ、良好な測定精度を実現できる。

（８）幾つかの実施形態では上記（１）から（７）のいずれか一項の構成において、
前記電磁波は、１００ＭＨｚ～１ＧＨｚの周波数を含む。

上記（８）の構成によれば、電磁波の周波数を当該帯域に設定することで、複数種成分が混在する可燃物における水分率を効果的に測定できる。

（９）幾つかの実施形態では上記（１）から（８）のいずれか一項の構成において、
前記水分率算出部は、前記反射波の振幅及び位相に基づいて、前記水分率を算出する。

上記（９）の構成によれば、例えばベクトルネットワークアナライザなどを用いて、反射波の振幅及び位相の両方に基づいて水分率を算出することで、良好な測定精度が得られる。

（１０）幾つかの実施形態では上記（１）から（９）のいずれか一項の構成において、
前記可燃物の重量を検出する重量検出部と、
前記重量と前記水分率とに基づいて前記可燃物に含まれる水分量を算出する水分量算出部と、
を備える。

上記（１０）の構成によれば、可燃物の重量を検出することで、上述のように測定された水分率から、可燃物に含まれる水分量を求めることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、複数種成分を含む可燃物の水分測定を広範囲にわたって実施可能な水分測定システムを提供できる。

本発明の一実施形態に係る水分測定システムを備える燃焼炉の全体構成図である。 図１の領域Ａの拡大図である。 様々な水分率を有する可燃物に対して電磁波を照射した際に、電磁波の周波数に対する測定装置の検出信号の推移を示す測定例である。 図１及び図２のホーンの外観斜視図である。 ホーンの各設計パラメータと、水分計測システムの計測範囲との関係を示す特性グラフである。 ホーン及び反射壁の位置関係を示す模式図である。 反射壁の構成例を示す模式図である。 反射壁の構成例を示す模式図である。 測定装置の内部構成を示す機能ブロック図である。 様々な可燃物を測定対象として、出力部から出力された水分量を、他の手法で取得された水分量真値と比較して示す実験データである。 基準データを取得する際の様子を模式的に示す図である。 基準データを取得せずに可燃物の測定をした場合の測定データ（実線〇）と、基準データを取得したのち、可燃物の測定をした場合の測定データ（破線〇）とを比較して示す実験結果である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

ここでは本発明に係る水分測定システムの適用対象の一例として、複数種成分を含む可燃物を燃焼するための燃焼炉について説明する。この場合、水分測定対象となる可燃物は、例えば、廃棄物等のごみ、バイオマス燃料、石炭などが含まれる。

図１は本発明の一実施形態に係る水分測定システム１００を備える燃焼炉１の全体構成図であり、図２は図１の領域Ａの拡大図である。

図１に示すように、燃焼炉１は、燃焼対象である可燃物Ｓを投入するための投入部２と、投入部２に投入された可燃物Ｓを燃焼炉本体４に導くホッパ６と、可燃物Ｓを燃焼するための燃焼炉本体４と、を備える。投入部２は、ホッパ６及び燃焼炉本体４に比べて上方側に設けられており、投入部２に上方から投入された可燃物Ｓが、ホッパ６を介して、下方側にある燃焼炉本体４に導かれるように構成されている。

尚、図１ではホッパ６が略Ｌ字形状を有するように構成されているが、燃焼炉１のレイアウトに応じて任意の形状を有してよい。

図２に示すように、投入部２の近傍には、投入部２に投入される可燃物Ｓを、可燃物置場（不図示）から搬送するためのクレーン装置８が設けられる。クレーン装置８は、開閉可能な爪部１０を有しており、爪部１０でつかんだ可燃物Ｓを、可燃物置場（不図示）と投入部２との間で搬送可能に構成されている。爪部１０でつかまれた可燃物Ｓは、投入部２の上方で解放されることで、投入部２に落下して投入される。

尚、投入部２は、上方側に向けて広がるように（例えば漏斗状に）構成されることで、クレーン装置８から落下した可燃物Ｓが周囲に飛散することなく、ホッパ６に導かれるように構成されている。ホッパ６は、投入部２と燃焼炉本体４の入口部とを接続するダクト部材として構成されており、本実施形態では、一例として四角形状の断面積を有している。

上記構成を有する燃焼炉１には、投入部２に投入される可燃物Ｓについて、水分測定を実施するための水分測定システム１００が設置されている。水分測定システム１００は、投入部２に投入される可燃物Ｓに対して電磁波を照射する照射部１０２と、電磁波の反射波を検出する検出部１０４と、照射部１０２及び検出部１０４を制御するとともに水分率の測定を行う測定装置１０６と、を備える。
本実施形態の照射部１０２及び検出部１０４は、ホーン１１０として一体的に構成される。

照射部１０２は可燃物Ｓに対して電磁波を照射するとともに、検出部１０４は照射部１０２から照射された電磁波によって生じる反射波を検出する。照射部１０２及び検出部１０４は、可燃物Ｓに対して一方側に配置されることにより、照射部１０２から照射された電磁波が可燃物Ｓによって反射されることで生じた反射波が検出部１０４で検出可能になっている。このような照射部１０２による電磁波の照射、及び、検出部１０４による反射波の検出は、測定装置１０６によって管理される。測定装置１０６は、例えばベクトルネットワークアナライザであり、検出部１０４から取得した反射波の振幅及び位相を含む検出信号に基づいて、可燃物Ｓの水分率を測定する。

このように照射部１０２から電磁波を空間に向けて照射するとともに、検出部１０４で空間からの反射波を検出することで水分測定を行うようにしたため、従来のマイクロストリップラインのような小型基板を用いた手法に比べて、大幅に広い計測範囲を実現することができる。

照射部１０２から照射される電磁波は、１００ＭＨｚ～１ＧＨｚの周波数帯域を含むように設定される。可燃物Ｓは、上述したように、廃棄物等のごみ、バイオマス燃料又は石炭のような複数種成分を含んでいるが、電磁波の周波数を当該帯域に設定することで、複数種成分が混在する可燃物Ｓに対して、成分判別のような煩雑な作業を行うことなく、水分率を精度よく計測可能である知見が得られた。

ここで図３は様々な水分率を有する可燃物Ｓに対して電磁波を照射した際に、電磁波の周波数に対する測定装置１０６の検出信号の推移を示す測定例である。図３に示すように、１００ＭＨｚ未満の周波数帯域では、水分に対する感度下限を超えてしまい、水分率変化による信号変化を捉えることが難しくなっている。また１ＧＨｚより高い周波数帯域では、水分に対する感度が過大となって検出信号が飽和してしまうとともに、外乱ノイズが印加しやすくなることで十分なＳ／Ｎ比の確保が難しくなっている。このような測定結果から、測定装置１０６で取り扱う電磁波の周波数を１００ＭＨｚ～１ＧＨｚの周波数帯域に設定することで、複数種成分を含む可燃物Ｓについて、精度のよい水分測定が可能となる。

ここで図４は図１及び図２のホーン１１０の外観斜視図である。ホーン１１０は、可燃物Ｓに対向する開口部１１２を有しており、開口部１１２と反対側では、連結部１１４を介して、電磁波及び反射波を搬送するための導波管１１６に連結される。ホーン１１０は、連結部１１４から開口部１１２に向けて次第に開口面積が広がるように形成される。

このようなホーン１１０の形状は、開口部１１２の寸法（幅ａ及び高さｂ）、並びに、長さＬ（導波管１１６との連結部１１４から開口部１１２までの距離）、連結部１１４と開口部１１２との間における開き角θによって特定される。ホーン１１０の形状を特定するこれらの設計パラメータは、計測範囲（すなわち、開口部１１２から、どの程度の範囲に分布する可燃物Ｓを測定対象とするか）に応じて設定される。

図５は、ホーン１１０の各設計パラメータ（ａ、ｂ、Ｌ）と、水分測定システム１００の計測範囲との関係を示す特性グラフである。ここで計測範囲は、水分率の算出に必要な利得下限値である基準値１０ｄＢを確保可能な領域として定義され、図５では、長さＬの大きさに対応する三種類の異なるシンボルが示されている。図５に示すように、開口部１１２の開口面積（幅ａ×高さｂ）が大きくなるに従って、ホーン１１０の計測範囲が大きくなる。また、ホーン１１０の長さＬが開口部１１２の開口面積が一定であるとすると、ホーン１１０の長さＬが大きくなるに従って開き角θが小さくなるため、指向性が強くなり、計測範囲が狭くなる。一方、ホーン１１０の長さＬが小さくなるに従って開き角θが大きくなるため、指向性が弱くなり、計測範囲が広くなる。

図１及び図２に戻って、投入部２に投入される可燃物Ｓから見て、ホーン１１０（照射部１０２及び検出部１０４）と反対側には、反射壁１２０が設置される。ここで図６はホーン１１０及び反射壁１２０の位置関係を示す模式図である。図６に示すように、投入部２に対する可燃物Ｓの投入タイミングに応じて、ホーン１１０（照射部１０２）からは電磁波が照射される。電磁波は、可燃物Ｓが存在する大気中を伝播し、可燃物Ｓによって反射されることによって反射波を生じ、ホーン１１０（検出部１０４）で検出される。また可燃物Ｓを透過した電磁波もまた、反射壁１２０によって反射されることで、同様に、ホーン１１０（検出部１０４）で検出される。このようにホーン１１０と反対側に反射壁１２０を設けることで、水分率の算出に必要な反射波を効果的に生じさせることができ、精度の高い水分測定が可能となる。

尚、反射壁１２０は電磁波を反射しやすい材料、例えば、鉄、銅、アルミニウムなどの金属材料から形成される。

図７Ａ及び図７Ｂは反射壁１２０の構成例を示す模式図である。図７Ａでは、反射壁１２０は、ホーン１１０から照射される電磁波の照射方向に対して略垂直な反射平面１２０ａを有する。この場合、簡易な構成を有する反射壁１２０により、水分測定に必要な反射波を効果的に生じさせることができる。

また図７Ｂでは、反射壁１２０は、ホーン１１０との距離を半径とする反射曲面１２０ｂを有する。この場合、反射曲面１２０ｂで反射される反射波がホーン１１０（検出部１０４）に集められるため、反射波をより効果的に検出可能となる。

図８は、測定装置１０６の内部構成を示す機能ブロック図である。測定装置１０６は、検出部１０４で検出された反射波に基づいて水分率を算出する水分率算出部１３０と、水分率の算出に必要な各種データを記憶する記憶部１３２と、測定対象となる可燃物Ｓの重量を検出する重量検出部１３４と、水分率及び重量に基づいて可燃物Ｓの水分量を算出する水分量算出部１３６と、測定装置１０６の測定結果を出力する出力部１３８と、を備える。

水分率算出部１３０は、検出部１０４で検出された検出信号（反射波の振幅及び位相）に基づいて、可燃物Ｓの水分率を算出する。検出信号と水分率との関係は、予め記憶部１３２に検量線データとして記憶されており、水分率算出部１３０は記憶部１３２から当該検量線データを読み出すとともに検出部１０４で得られた検出信号を当該検量線データに適用することで、水分率を算出する。このように水分測定システム１００は、複数種成分を含む可燃物Ｓについて、非接触で単一の検量線データにもとづいて水分測定を実施することができる。

尚、記憶部１３２に用意される検量線データは、例えば、水分量が既知の複数種成分を含む可燃物Ｓに対して同等の測定を実施し、検出信号と水分率との相関をグラフ化することで作成される。

重量検出部１３４は、可燃物Ｓの重量を検出する。本実施形態では、投入部２に可燃物Ｓを投下する際に使用されるクレーン装置８に重量センサ（不図示）が内蔵されており、重量検出部１３４は当該重量センサの検知結果に基づいて、可燃物Ｓの重量を特定する。
尚、重量センサは、例えばロードセルなどを用いることができる。

水分量算出部１３６は、水分率算出部１３０で算出された水分率と、重量検出部１３４によって検出された重量とに基づいて、可燃物Ｓに含まれる水分量を算出する。具体的には、水分率に対して重量を乗算することで、可燃物Ｓに含まれる水分量が求められる。

出力部１３８は、測定装置１０６の測定結果を出力するデバイスであり、例えばディスプレイである。出力部１３８に出力される測定結果は、例えば、水分率算出部１３０で算出された水分率、重量検出部１３４で検出された可燃物Ｓの重量、水分量算出部１３６で算出された水分量である。また出力部１３８には、このような測定結果に加えて、照射部１０２から照射される電磁波や検出部１０４で検出される反射波に関する情報、温度や圧力などの測定環境に関する情報、並びに、他のオペレータにとって有用な各種情報が出力されるようにしてもよい。

ここで図９は、様々な可燃物Ｓ１～Ｓ９を測定対象として、出力部１３８から出力された水分量を、他の手法で取得された水分量真値と比較して示す実験データである（ここで水分量真値は、赤外加熱式水分計による測定結果を用いている）。図９に示すように、出力部１３８から出力された測定結果である水分量は、水分量真値に対する誤差が±１０％以内であり、高い整合性を示している。これにより、本システムによる測定精度が良好であることが示された。

また水分率算出部１３０は、反射波に基づいて水分率を算出する際に、可燃物Ｓが存在しない条件下で取得された基準データに対する反射波の変化量に基づいて水分率を算出してもよい。図１０は基準データを取得する際の様子を模式的に示す図である。前述の図２では、クレーン装置８によって可燃物Ｓを投入部２に投入する際に、投入された可燃物Ｓに対して電磁波を照射するともに反射波を検出していた。これに対して図１０では、クレーン装置８で可燃物Ｓを投入することなく、クレーン装置８の動作のみを図２と同様に実施している状況下で、照射部１０２から電磁波を照射し、検出部１０４で反射波を検出することで基準データ（検出信号）を取得している。

ここで図１１は、上述の基準データ（検出信号）を取得せずに、可燃物Ｓに対して電磁波を照射して取得した測定データ（実線〇シンボル）と、上述の基準データ（検出信号）を取得したのち、可燃物Ｓに対して電磁波を照射して取得した測定データ（破線〇シンボル）とを比較して示す実験結果である。クレーン装置８の爪部１０のような金属物が計測範囲の周辺に存在している場合、図１１の測定データ（実線シンボル）に示すように、当該金属物に起因する信号変化のみが捉えられてしまい、可燃物Ｓによる信号変化を検出することが難しくなる。そのため、水分率算出部１３０は、可燃物Ｓが存在しない条件下で基準データを取得し、その後、可燃物Ｓが投入部２に投入された際に可燃物Ｓに対して電磁波を照射して測定データを取得することで、基準データからの信号変化を捉える（破線シンボル）。そして水分率算出部１３０は当該信号変化に基づいて水分率を算出することで、金属物の影響をバックグランドとして排除した精度のよい測定結果を求めることができる。

上述の各実施形態は互いに組み合わせることも可能である。

以上説明したように上述の実施形態によれば、可燃物Ｓが存在する空間に対して電磁波を照射することで生じた反射波に基づいて、可燃物Ｓの水分率が算出される。このように空間に対する電磁波照射を利用することで、広範囲にわたって可燃物Ｓの水分測定が可能となる。

本発明の少なくとも一実施形態は、複数種成分を含む可燃物の水分率を測定するための、水分測定システムに利用可能である。

１ 燃焼炉
２ 投入部
４ 燃焼炉本体
６ ホッパ
８ クレーン装置
１０ 爪部
１００ 水分測定システム
１０２ 照射部
１０４ 検出部
１０６ 測定装置
１１０ ホーン
１１２ 開口部
１１４ 連結部
１１６ 導波管
１２０ 反射壁
１２０ａ 反射平面
１２０ｂ 反射曲面
１３０ 水分率算出部
１３２ 記憶部
１３４ 重量検出部
１３６ 水分量算出部
１３８ 出力部

Claims (7)

1. 複数種成分を含む可燃物に対して１００ＭＨｚ～１ＧＨｚの周波数を含む電磁波を照射する照射部と、
   前記電磁波の反射波を検出する検出部と、
   前記反射波に基づいて前記可燃物の水分率を算出する水分率算出部と、
   前記可燃物から見て、前記照射部及び前記検出部と反対側に設けられた反射壁と、
   を備え、
   前記照射部及び前記検出部は、前記可燃物に対して一方側に配置されるとともに、前記可燃物に対向して一体的に構成され、
   前記照射部は、前記可燃物が上方から投入される投入部より上方に、前記投入部の上方に位置する空間に向けて前記電磁波が照射可能に配置され、
   前記水分率算出部は、前記可燃物が存在しない条件下で取得された基準データに対する前記反射波の変化量に基づいて、前記水分率を算出する、水分測定システム。
2. 前記反射壁は、前記電磁波の照射方向に対して略垂直な反射平面を有する、請求項１に記載の水分測定システム。
3. 前記反射壁は、前記検出部との距離を半径とする反射曲面を有する、請求項１に記載の水分測定システム。
4. 前記水分率算出部は、前記可燃物及び前記反射壁からの前記反射波に基づいて前記水分率を算出する、請求項１から３のいずれか一項に記載の水分測定システム。
5. 前記照射部及び前記検出部は、前記可燃物に対向する開口部を有するホーンとして一体的に構成され、前記開口部の寸法、及び、前記電磁波の照射方向における前記ホーンの長さは、前記反射波の前記電磁波に対する利得が基準値以上になるように設定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の水分測定システム。
6. 前記水分率算出部は、前記反射波の振幅及び位相に基づいて前記水分率を算出する、請求項１から５のいずれか一項に記載の水分測定システム。
7. 前記可燃物の重量を検出する重量検出部と、
   前記重量と前記水分率とに基づいて前記可燃物に含まれる水分量を算出する水分量算出部と、
   を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の水分測定システム。

Images