JPH0467133B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］ 本発明は光学式温度分布測定方法に係り、特に
半透明気体や半透明液体あるいは半透明固体を収
容する容器内の温度分布を簡易且つ迅速に遠隔測
定し得る光学式温度分布測定方法に関する。 ［発明の技術的背景とその問題点］ ボイラー火炉や高炉等の高温炉内の温度測定方
法には従来、次の二つの方法がある。 第１の測定方法はサクシヨンパイロメータによ
るものである。この方法では、水冷ジヤケツト構
造の金属パイプ製の支持棒内にその先端開口部付
近に熱電対の温接点を設け、支持棒内に炉内ガス
を吸引して温度測定を行なつている。支持棒はそ
の軸方向に移動できるようになつており、支持棒
を移動してその軸線上の炉内温度分布を測る。 しかしながら、水冷ジヤケツト構造で低温状態
にある支持棒の影響を取り除き安定したデータを
得るためには、１カ所の温度測定にもかなりの時
間にわたつて炉内ガスを吸引し続けなければなら
ない。従つて、この方法は、急速な炉内温度変動
を測定することは不可能であり、また実質的に１
点測定であつて代表点を飛び飛びに測定すること
しかできない。また支持棒を上下に傾斜させた
り、水平方向に旋回させたりすることができない
ので、炉内を立体的に測定するには、熱電対を備
えた支持棒を多数炉内に設置しなければならな
い、更に、炉内ガスが腐蝕性を有する場合、ある
いは振動、衝撃が激しく熱電対の支持が困難な場
合にはこの方法を適用することはできない。 第２の測定方法は、レーザーによる測定方法で
あり、コヒーレントアンテイストークスラマンシ
フト法と呼ばれている。この方法は、２つの波長
のレーザー光を測定点に集中させて入射し、入射
光に対して特定の方向にラマン散乱する光から測
定点の物質の組成と温度とを測るものである。 しかしながら、この方法では次のような問題が
ある。(a)火炉に設置できる窓の位置は限定されて
おり、入射光軸と散乱光軸の向きを任意に選定す
ることができず測定上制約が大きい。(b)この方法
で実用化されている測定規模は直径１ｍ程度まで
であり、火炉のように直径10ｍ以上に適合できる
強力なレーザー光源はない。(c)ガス層はレーザー
光を吸収したり散乱したりする成分を多く含んで
おりレーザー光の減衰が激しく、更にガス層は大
きな発光ガス体でその発光が大きな外乱ノイズと
なるので、強力なレーザー光源を必要とする。(d)
レーザー光源と測光器の両システムを必要とする
と共に入射光路と散乱光路が存在するので、シス
テムが複雑変し、また得られるデータに入り込む
外乱フアクターが多い。 以上従来にあつては炉内温度分布を瞬時に立体
的に測定する方法はなかつたが、次の二つの面か
らこのような温度測定方法が強く望まれていた。 １つには、炉の設計データを得るためである。
現在は炉壁近傍のデータをもとにして内部状況を
推定しているが、炉内中心部がどのようになつて
いるかわからない。このため、運転性能計算や構
造計算において、また公害防止対策において必要
以上の安全を見込まなければならない。これらの
合理化は実機設計の都度、試行錯誤的になされる
改良によるが、炉の安全上、工事の規模上、小さ
な改良にとどまり、また工事頻度の少ないことも
あつて10年単位で考えてもほとんど進展しないの
が実情である。 もう１つは、炉の運転制御のためである。バー
ナーのバルブ操作や燃料の品種を一定にしても、
炉内温度は定量化が困難な現象により時々刻々変
化している。そこで、ボイラー火炉にあつてはガ
ス排出部温度をモニターしながらバーナの流量制
御や付着灰を落す操作を行なつている。ガス排出
部温度のモニターは、ボイラーの水に伝わつた熱
量を計算器により積算した積算値と燃料発熱量と
の差から推定した温度によつている。また、
時々、炉内中心部まで上記サクシヨンパイロメー
タ法により熱電対を差し込んで炉内温度をチエツ
クしている。しかし、これら現状技術では、迅速
性に欠け、定常運転状態には適合し得るが、過渡
期や限界運転状態には対応できない。即ち、常時
モニターして迅速な処理がなされないと、点火時
や限界負荷運転時において失火の危険がある。し
かも、今後は省エネルギー運転を推進する上から
も、きめ細かな操業制御が要求されている。 ところが、炉内現象は、光伝播、伝熱、流れ、
化学反応といつた個々にも解明の困難な現象が複
合して複雑さを増した現象であるはがりでなく、
炉壁への灰の付着、バーナノズル部の変形といつ
た定量化し難い現象を伴なつている。このため、
炉内温度を炉内現象から論理的に予測するのは困
難であり、また、実験的にも相似則がないので小
型モデルでシミユレートしても実際の炉とはかな
り異なつている。 ［発明の目的］ 本発明は、半透明物質を収容する火炉等の容器
において時々刻々に変化する内部温度分布を測定
し得、的確できめの細かな温度制御に好適な光学
式温度分布測定方法を提供することを目的とす
る。 また本発明は、光学式で非接触方式であつて遠
隔測定ができると共に、容器内物質が高温、放射
性あるいは腐蝕性の気体や液体あるいは固体であ
つても測定可能な光学式温度分布測定方法を提供
することを目的とする。 更に本発明は、容器内の半透明物質からの熱放
射による放射束を受光し、該放射束より温度を求
めるパツシブ測定方式であり、受光システムだけ
で足りシステムの簡素化が図れると共に受光光軸
の向きを変えることにより容易に容器内温度分布
を立体的に測定し得る光学式温度分布測定方法を
提供することを目的とする。 ［発明の概要］ 上記目的は本発明によれば次の構成により達成
される。即ち、容器内の半透明物質からの熱放射
による放射束を受光し、受光した放射束を上記半
透明物質の吸収特性が波長によつて変化する波長
域にて少なくとも２種類以上の波長を選んで分光
し、分光された放射束から各波長ごとに上記半透
明物質の輝度と輝度温度とを求め、得られた各波
長での輝度温度と半透明物質の上記容器内のモル
分率と半透明物質の所定状態での吸収特性値とか
ら各波長について半透明物質の吸収率が特定値と
なる層厚に対する吸収係数を求め、これらの各波
長についての吸収係数と輝度とから上記容器内の
温度分布を求めるように成したものである。 ［発明の実施例］ まず、本発明の具体的実施例に先立ち、本発明
の原理を簡単に説明する。 物質の透過特性は光の波長に依存し、光の波長
によつて透明になつたり不透明になつたりする。
透明な波長では遠方で発した光が観測者に届く
が、不透明な波長では至近距離からしか光が届か
ない。湖の透明度を測定する場合、白板を湖に沈
めてゆき、見えなくなる点の深さから透明度を測
定するが、白板が見えなくなるときは、白板及び
それより水深の深いところからの光は見えず、白
板より浅いところの層の光だけが見えている。水
の透明度が良いと深いところに沈めても白板を見
ることができるが、透明度が悪いと浅いところで
白板は見えなくなる。このように、透明度の良否
により白板の見えなくなる深さが変わる。換言す
れば、見える層の厚さが変る。 水の温度発光が目に見えるものと考えると、非
常に透明度の悪い水では表面層しか見えず表面の
温度が測れることになり、透明度をやや良くする
と、もう少し深い層までの温度が測れることにな
る。水の透明度は濁りに起因するものであるが、
本発明では光の波長を切り替えることでコントロ
ールしている。即ち、物質が不透明から透明に遷
移する波長領域で物質からの光を分光して測定す
ると、分光された夫々の波長に応じた範囲内の光
が観測できることとなり、波長の切替が物質の層
厚に対応することになる。従つて、波長を切り替
えて表面層の温度及びそれよりやや深い層までの
温度を求めると、表面層の影響を計算処理するこ
とで表面層よりやや下層の温度が算出できるとい
うことになる。 以下には、本発明方法を用いて火炉内の温度分
布を測定する実施例につき説明する。 第１図は、本発明方法を実施するための測定器
の構成図を示すもので、この測定器は、火炉１の
下部に配設されたバーナ２を燃焼させたときの火
炉１内の温度分布を炉壁に設けた窓３を通じて光
学的に測定しようとするものである。 火炉１内は燃焼ガスとして、CO₂、H₂O、N₂、
O₂、CO、フライアツシユ、未燃成分等で充満し
ている。これらの成分の質量分布は分らないが、
分圧は炉内で均一であり且つ予め他の手段で分つ
ているものとする。 分光測光器４は、光スキヤナ５の分光器６と光
電変換器７とからなり、光スキヤナ５により炉内
を光学的に操作し、分光器６により燃焼ガス成分
の吸収スペクトルに適合した波長の光を分光し、
分光された各波長ごとの光の強さを光電変換器７
により変換し、変換したデイテクタ電気信号Vλ
を計算器８に入力するようになつている。 光キヤスナ５は視野の狭い放射束f₁の方向を変
えて火炉１内の測定しようとする部分を走査する
と共に、放射束をf₁を放射束f₂として分光器６に
導くものである。分光器６は放射束f₂を分光し、
波長別の放射束f₃とする。光電変換器７は波長別
の放射束f₃をデイテクタ電気信号Vλに変換する。
分光器６と光電変換器７とを組み合わせたもの
は、一般に分光測光器として知られている。 光電変換器７には、変換器を１ケ内蔵している
ものと、多数の変換素子を内蔵しているものとの
いずれを使用してもよい。後者は多数の波長別の
放射束f₃を同時に電気信号に変換するもので、波
長操作を電気的に行ない得る長所がある。また前
者は、回折格子の傾きを変更したり、エタロン隙
間の光路長を変えたり、あるいはダイクロイツク
ミラーの傾きを変えることにより波長を走査す
る。この場合不定常な炉内の状況変化に影響され
ないように走査する。例えば、4.1〜4.5μｍの波
長域を0.1秒で走査したり、何回も繰り返して測
定して波長別に平均値をとるようにする。多数の
変換素子を内蔵する光電変換器は機構が複雑であ
るが、信頼性の高い光電変換ができる。 計算器８は、後述する計算を行ない炉内の温度
分布を算出するもので、デイテクタ電気信号Vλ
のデジタル化する機能及び計算結果９を出力する
機能も含む。また計算器８は炉１の操作系統１０
に計算結果９を送ることができる。 光スキヤナ５の向いている位置情報は、方位デ
ータ１１として計算器８に入力される。また分光
器６が設定している分光波長は、波長データ１２
として計算器８に入力される。光スキヤナ５の方
向及び分光器６の波長別の放射束f₃の選定の制御
は、分光測光器４に組み込まれる制御系による
が、計算器８で直接制御するように構成してもよ
い。 また、計算器８には、予め次の三つのデータ、
即ち較正データ１３と分圧データ１４と標準状態
のデータ１５とが入力されている。較正データ１
３は、波長別に入射する放射束f₃の強さとデイテ
クタ電気信号Vλとの関係を較正するデータであ
り、事前に黒体炉の発光等を利用して測定してお
く、また分圧データ１４は火炉１内の各ガス成分
の分圧のデータである。更に標準状態のデータ１
５は、炉内燃焼ガスの分子の標準状態（温度
273.16K、圧力１気圧）における吸収係数を決め
るためのデータである。分子の吸収係数は、分子
の振動や回転に起因するもので、標準状態のデー
タは数多くの成分につき広い範囲で既に知られて
いる。 この測定方法の特徴は、燃焼ガス等の物質から
の温度発光を、その物質の吸収特性が異なる少な
くとも２種類以上の波長で測定し、各波長につき
一方では当価輝度L〓₀を求め、他方で吸収率Ａが
特定値となる層厚Zmを示す吸収係数がBλを求め
て、当価輝度L〓₀とβ〓との関数係数から容器内の
温度分布を求めることにある。また、この測定方
法の特徴とするところは、その測定対象が広く以
下に詳述するCO₂だけでなく、H₂O、COその他、
標準状態のデータが分かつているものであれば、
どのようなガス（あるいは液体や固体）にも適用
することができることにある。 次に本実施例の測定方法を第２図の計算処理フ
ローに従つて詳述する。 第２図において、まず、ステツプ１６ではデイ
テクタ電気信号V〓と較正データ１３をもとに測
定した波長毎に、分光輝度L〓、輝度温度T〓及び
当価輝度Lλ₀を算出する。 デイテクタ電気信号V〓は、波長によつて変化
し、第３図に示すような曲線２１となる。第３図
おいて、横軸は波長λで、縦軸はデイテクタ電気
信号V〓の電圧値である。測定波長は4.1〜4.5μｍ
であるが、この波長域を選定したのは次の理由か
らである。 火炉の燃焼ガスは、CO₂、H₂O、N₂、O₂、
CO、フライアツシユ、未燃成分等を含み、それ
ぞれの成分は光の波長に依存する吸収特性を有し
ている。また吸収特性は温度や圧力によつても変
化する。CO₂には2.7μｍ、4.3μｍ、15μｍに吸収
帯があり、このうち4.3μｍの吸収は非常に強い。
また4.3μｍ（及び15μｍ）のCO₂の吸収帯では
H₂Oは透明であり、H₂Oの影響は無視でき、実
質的にCO₂だけとして計算できる。（なお、H₂O
の影響がある場合でも、CO₂の吸収係数にH₂Oの
吸収係数を算術加算するだけでよく、その他のデ
ータ処理はCO₂だけの場合と同じである）また、
4.3μｍ吸収バンドのCO₂の吸収の強さは、燃焼ガ
ス組成濃度及び火炉のサイズによく適合してい
る。即ち、代表的な燃焼ガスとしてCO₂の分圧が
0.15気圧、温度1000℃とし、炉の半径を15ｍとす
ると、炉壁から炉中心まで約１メートルメツシユ
で炉内を測定することができる。これに対し、
CO₂の他の波長域、あるいはH₂Oの吸収帯では、
最もよく吸収する波長でも炉内は透明であり、窓
３と対向する反対側の炉壁からの光を測つてしま
うことになる。更に、4.3μｍの波長は1000℃の黒
体の分光放射発散度の極大を与える波長に近く、
波長の変化に対する光の強さが少なく且つ強い光
を発するので、安定した効率の良い測定ができる
からである。 第３図の曲線２１に示すように、デイテクタ電
気信号V〓は波長4.25μｍ近傍で深い谷を描いてい
る。波長λが4.2μｍより短い領域でのデイテクタ
電気信号V〓は、CO₂の発光でなく炉内部のフライ
アツシユの発光に依るもので本計算には関係な
い。4.25μｍの波長ではCO₂の吸収は非常に強く、
デイテクタ電圧は炉壁（窓３）から30cmと離れな
い薄いガス層の発光によるもので、それより奥の
炉１内部の光は窓３には届かない。それ故、曲線
２１から炉壁（窓３）近傍の温度が低く炉内部の
温度が高いことが直観的に判断できる。各波長λ
についてのデイテクタ電気信号V〓と較正データ
１３の値G〓とから測定された分光輝度L〓［Ｗ・
m^-3ステラジアン^-1］は次式で求まる。 L〓＝G〓・V〓 ……(1) また、Planckの熱輻射の式は、 L〓＝C₁λ^-5１／exp（C₂／λT〓）−１……(2) 但し、C₁＝1.191811×10^-16 ［Ｗ・m²・ステラジアン^-1］ C₂＝0.01438786［ｍ・deg］ となる。 従つて、式(1)と式(2)とから波長λでの輝度温度
T〓が求まる。 また、輝度温度T〓にある物質の波長λ₀で発光
する輝度を当価輝度L〓₀と名付ける。当価輝度L〓₀
は式(2)で温度T〓、波長λ₀における分光輝度L〓の
値である。 次に、ステツプ１７では、測定した波長ごとに
分子の標準状態のデータ１５をもとにして輝度温
度T〓、分圧P_M（分圧データ１４から）の状態にお
けるCO₂の吸収率を計算し、吸収率が特定値0.5
となる層厚Zmを示す吸収係数β〓を算出する。 波長λを変えると、光の透過する層（燃焼ガス
層）の厚さが変り、また層の平均的な温度である
輝度温度T〓も変る。輝度温度T〓の変化は層内の
CO₂の密度とCO₂分子１個の吸収特性を変えるの
で、T〓の変化は層の吸収率を著しく変える。 そこで、まず吸収率の算出方法について述べ
る。 分子の吸収ラインは、圧力が10ミリバール以
下、では分子運動によるドツプラー効果が支配
し、ドツプラー分布をする。これに対し、圧力が
10ミリバールより高くなつてくると、分子の相互
衝突の効果が支配的となり、分子の吸収ラインは
ローレンツ分布となる。火炉内はほぼ大気圧であ
るから、以下ではローレンツ分布のみについて説
明する。 ローレンツ分布における吸収係数Ka（ν）は、
光の周波数をν、中心周波数をν₀とする次式で与
えらえ、 Ka（ν）＝Ｓ／πα／（ν−ν₀）²＋α²……(3) 但し、πは円周率、Ｓは吸収ラインの強さ、 αはローレンツ分布の半値幅 吸収係数Ka（ν）は第４図のごとき分布とな
る。 半値幅αは、温度や圧力により変化し、ローレ
ンツブロードニングとして知られ、次の関係があ
る。 α＝α₀Ｐ／P₀（T₀／Ｔ）^1/2 ……(4) Ｐは全圧、Ｔは温度で、α₀，P₀，T₀はそれぞ
れα，Ｐ，Ｔの標準状態における値である。 分子の吸収は、分子自身の直線振動と回転振動
に起因するものであり、直線振動をベースに多数
の回転振動が連成し、僅かな周波数間隔ｄを隔て
て多数の吸収ラインが飛び飛びに表われて１つの
吸収バンドを形成している。 吸収物質の密度をρ、距離をＺ、光路長さをｌ
とすると、吸収係数が上記Ka（ν）であるから、
周波数幅Δνにおける１本の吸収ラインによる吸
収率Ａは、 Ａ△ν＝∫△〓｛１−exp〔−１／π
∫_lSαρ／（ν−ν₀）²＋α²dZ〕｝dν……(5) となる。 第５図に吸収率Ａの分布を示す。第５図におい
て、曲線２２で示す吸収は弱い吸収と呼ばれる。
弱い吸収は、圧力が大気圧程度に高く隣り合つた
吸収ラインが重なり合う場合や、吸収の強さＳや
密度ρが小さい場合の吸収である。一方、曲線２
３で示す吸収は強い吸収といわれ、吸収率が１に
近づき飽和している。強い吸収は、圧力が低くて
それぞれの吸収ラインが独立し、吸収の強さや密
度が大きい場合の吸収である。 実際のガスの吸収は、多数の同じ形をした吸収
ラインが狭い周波数間隔ｄで並んだ状態とみなす
ことができ、強い吸収、弱い吸収に依らず、一般
式として式(5)は式(6)で与えられる。 Ａ＝（sinh ｂ）∫^Y ₀I₀（Ｙ）exp（−
Ｙ cosh ｂ）dY……(6) ここにｂ，Ｙはそれぞれ ｂ＝2πα／ｄ ……(7) Ｙ＝bψ／sinhb ……(8) なるパラメータであり、また、I₀は第３種ベツセ
ル関数の虚数部の関数である。ｂは隣り合うスペ
クトルラインのオーバーラツプの程度を示すパラ
メータであり、パラメータＹ中のΨは Ψ＝Sw／2πα ……(9) で与えられ、Ψは吸収ピークの強さを示すパラメ
ータである。 なお、(9)式のｗは吸収物質の量である。 式(8)を式(7)及び式(9)を用いて書き換えると、 Ｙ＝Sw／ｄ １／sinh ｂ ……(10) となる。 また、圧力Ｐ、温度Ｔにおけるパラメータｂの
値は、式(4)と式(7)から得られる次式により計算で
きる。 ｂ＝2πα′₀／ｄ（T₀／Ｔ）^1/2Ｐ ……(11) 但し、α′₀＝α₀／P₀ 2πα′₀／ｄ［atm^-1］は、ガスの標準状態に対する定 数である。また式(10)に含まれるＳ／ｄ［atm^-1・cm^-1 ］は、波長ごとに不変の定数である。CO₂に対
するこれらの定数は、次の第１表に示す通りであ
る（第１中Ｅの次の数は10の指数で、たとえばＥ
−01は10^-1を表わす）。第１表の値は標準状態の
データ１５として計算器８に入力しておく。

【表】

【表】 なお、炉内のような大気圧状態では弱い吸収と
なり、この場合、式(6)の吸収率Ａは次式で近似で
きる。 Ａ＝１−e^-b〓 ……(12) 光軸上の温度分布を求めるために、本発明では
吸収率が特定の値に達する層厚Zmを定義する。
本実施例では吸収率が0.5となる層厚とする。こ
れは光が届く層の中心とみなせる距離である。
（吸収率は、0.5でなくとも定数であればよい）層
厚Zmの位置と、層の平均的な値、即ち当価輝度
L〓₀と輝度温度T〓を関係づけ、位置の変化に伴な
う層の平均的な値の変化の関数関係を調べて、光
スキヤナ５が操作する光軸上の各位置の温度を決
定するのが以後の課題である。 次に層厚Zmとこれに対応する吸収係数β〓を求
める。層の輝度温度T〓と分圧データ１４のうち
炉内圧力と標準状態のデータ１５のうち2πα′₀／
ｄの値（第１表）とを式(11)に代入し、パラメータ
ｂを求める。式(6)は強い吸収にも弱い吸収にも適
用できＡとＹとｂの関係を表わす式であり、式(6)
を用いて、Ａ＝0.5となるときのＹとｂの関係を
第６図に示す。第６図から、上記得られたｂの値
に対するＹが求まる。次いで、このＹの値と標準
状態のデータ１５のうちＳ／ｄの値（第１表）と
を式(10)に代入すると、吸収物質の量ｗ［atm・cm］
が求まる。このｗの値はP₀＝１、T₀＝273.16Kに
対する値である。炉内状態に換算した層厚Zm
［ｍ］は輝度温度T〓と分圧データ１４のうちCO₂
の値P_CO2とを用いて、次式から求まる。 Zm＝ｗ×（P₀／P_CO2）（T〓／T₀）×１／100……(1
3) また、層厚Zmを示す吸収係数β〓と吸収率Ａ（＝
0.5）との関係を式(12)の形に合わせて次のように
定義する。 0.5＝１−e^-〓〓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 分光された各波長λごとに半透明物質の
   輝度L〓と輝度温度T〓とを求め、 (b) 前記輝度を波長λ₀での輝度である等価輝度
   Lλ₀に換算し、 (c) 各波長について半透明物質の吸収率Ａが特定
   値となる層厚に対する吸収係数β〓を、前記輝度
   温度T〓、半透明物質の容器内におけるモル分
   率、半透明物質の所定状態での吸収特定値とか
   ら算出し、 (d) 前記等価輝度Lλ₀が、吸収係数β〓と位置Ｚと
   黒色物体の分光輝度とが下記式を満足すること
   を用いて、 Lλ₀＝∫^∞ ₀B〓M〓₀ｅ−∫^Z ₀β〓dZ dZ ただし、M〓₀は分光輝度、 (e) 前記式から分光輝度M〓₀を位置Ｚの関数とし
   て表わし、 (f) 位置Ｚにおける前記分光輝度M〓₀をプランク
   の輻射式を用いて温度Ｔに換算し、 (g) 容器内の温度分布を求める、 ことを特徴とする光学式温度分布測定方法。