JPH0558123B2

JPH0558123B2 -

Info

Publication number: JPH0558123B2
Application number: JP10773385A
Authority: JP
Inventors: Fumio Ito; Masamichi Ito; Takeetsu Fujimoto; Shohei Noda; Masahiro Kuroda; Junichiro Hori; Masayasu Sakai; Juichi Ide
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1985-05-20
Filing date: 1985-05-20
Publication date: 1993-08-25
Also published as: JPS61265540A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、石炭焚ボイラ火炉や重油焚ボイラ
火炉などの炉内燃焼ガス温度分布を測定する燃焼
ガス体温度測定方法に関する。

〔従来の技術〕第５図は従来のガス体温度測定方法を説明する
ための図である。この第５図において、超音波
CT（コンピユータトモグラフ）の対象とする３次
元物体のある断面０１を円の内部とする。その断
面内を超音波が伝播するように、まず１対の超音
波トランスミツタ０２（以下トランスミツタと言
う）と超音波受信器０３（以下受信器と言う）を
対向させて設置する。このときトランスミツタ０
２と受信機０３の間の超音波伝播時間は次のよう
にして測定される。

まず、計算機０４から計測開始のスタート信号
０５がトリガ発生器０６に送られると、トリガ発
生器０６でトリガ信号０７が発生され、発振器０
８とカウンタ０９に送られる。

発振器０８はトリガ信号０７により発振を開始
して、発振信号１０はトランスミツタ０２に入力
され、ここで超音波に変換される。トランスミツ
タ０２から発振された超音波１１は断面０１内を
伝播し、受信器０３に到達する。

このとき、受信器０３から超音波受信信号１２
が発生し、カウンタ１９に入力される。カウンタ
０９では、前記トリガ信号０７が入力されたとき
から超音波受信信号１２が入力されるまでの時
間、すなわちトランスミツタ０２と受信器０３の
間の超音波伝播時間が測定される。測定された伝
播時間は計算機０４に送られ、メモリにストアさ
れる。

一つの経路について伝播時間が計測されると、
計算機０４からスキヤンコントローラ１３に信号
が送られ、スキヤンコントローラ１３からのコン
トロール信号１４で１対のトランスミツタ０２と
受信器０３をｒ方向にΔrだけ平行移動し、前記
と同様にして伝播時間を測定し、これらの操作を
繰り返すことにより断面０１のθo方向の伝播時
間分布が測定される。

θo方向の伝播時間分布が測定されると、計算
溝０４から再びスキヤンコントローラ１３に信号
が送られ、今度は前記１対のトランスミツタ０２
と受信器０３がθ方向にΔθだけ回転され、前記
と同様にしてθo＋Δθ方向の伝播時間分布が測定
され、これらの操作を（θo＋180°−Δθ）方向ま
で繰り返し、あらゆる方向の伝播時間分布を測定
する。

このようにして得られたすべての伝播時間デー
タは計算機０４でCT処理されることにより、上
記断面０１内の音速分布が得られる。

CT処理に当つては、まず対象となる断面を微
小領域（メツシユ）に分割、各メツシユでの音速
Ｃ(i)（ｉはｉ番目のメツシユを意味する）を変数
として扱う。このとき、各伝播時間ｔ(j)（ｊはｊ
番目に計測された伝播時間を意味する）は次の(1)
式で表わされる。

ｔ(j)＝〓ⁱ １(i)／Ｃ(i) ……(1) ここで、ｌ(i)はｉ番目のメツシユの長さで、た
とえばｊ番目の伝播経路中にｎ番目のメツシユが
含まれなければｌ(n)＝０として扱う。

各伝播時間が(1)式で表わされるとき、CT処理
で求められるのは、各メツシユでの伝播時間ｌ
(i)／Ｃ(i)である。このときｌ(i)はメツシユを分割
したとき決まるので、結局各メツシユでの音速Ｃ
(i)、すなわち音速分布が得られる。

音速は超音波が伝播する媒質によつて異なるの
で、音速分布から断面０１内の構造（たとえば体
の組織など）が判る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の超音波CTで、固体あるいは液体を対象
にした場合、使用する超音波の周波数は数ＭHz以
上であり、特に問題はない。

しかし、気体を対象とした場合、このような高
い周波数の超音波は伝播しないので、数10KHzに
している。ところが、燃焼炉内ガスのように炭酸
ガスを含む気体を対象とすると、炭酸ガスが超音
波を吸収し、好ましくなかつた。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記従来の欠点を除去するために
なされたもので、燃焼ガス体中に超音波を伝播さ
せ、この超音波の伝播速度を測定し、測定された
伝播速度から燃焼ガス体の温度を求める方法にお
いて、周波数11KHzないし15KHzの超音波を用い
るようにしたものである。

〔作用〕

この発明は、超音波の周波数を11KHz〜15KHz
の特定の周波数領域を選ぶことにより燃焼ガスの
減衰および炉内ノイズに影響を受けることなく燃
焼ガスの温度分布を計測する。

〔実施例〕

以下、この発明の燃焼ガス体温度計測方法の実
施例について図面について基づき説明する。第１
図はその一実施例に適用される温度計測装置のブ
ロツク図である。この第１図において、超音波
CTの対象とするボイラ火炉断面３０（以下、火
炉断面と言う）を四角形の内部とする。この火炉
断面３０内を色々な方向に超音波が伝播するよう
に複数個の超音波トランスミツタ３１，３２，３
３，３４，３５，３６（以下、トランスミツタと
言う）と複数個と超音波受信器３７，３８，３
９，４０，４１，４２（以下、受信器と言う）を
火炉周囲に設置されている。

このとき、トランスミツタ３１〜３６と受信器
３７〜４２の間の超音波伝播時間は次のようにし
て測定されるように構成されている。

計算機４５からスタート信号４４がトリガ発生
器４５に送出するようになつており、トリガ発生
器４５から、トリガ信号４６が発振器４７とカウ
ンタ４８に送出するようにしている。

また、計算機４３からスキヤン信号５１がトラ
ンスミツタスキヤナ４９に送るようになつている
とともに、スキヤナ信号５２を受信器スキヤナ５
０に送出するようになつている。

トランスミツタスキヤナ４９は複数個のトラン
スミツタ３１〜３６のうちの所定のトランスミツ
タを指定し、受信器スキヤナ５０は複数個の受信
器３７〜４２のうちの所定の受信器を指定するよ
うになつている。

また、発振器４７はトリガ信号４４を入力する
と、発振信号５３をトランスミツタスキヤナ４９
を介して指定されたトランスミツタに送るように
なつており、トランスミツタスキヤナ４９で指定
されたトランスミツタは発振信号５３を超音波に
変換するようになつている。

この超音波は、炉内を伝播して受信器で受信さ
れて、受信信号５４を受信器スキヤナ５０を通し
てカウンタ４８に送るようになつている。

カウンタ４８はトリガ信号４６の発生時から受
信信号５４の入力までの時間をカウントして、カ
ウント値を計算機４３に送るようになつている。

次に、この温度計測装置により、この発明の燃
焼ガス体温度測定方法を説明する。まず、計算機
４３から計測開始のスタート信号４４がトリガ発
生器４５に送られと、トリガ発生器４５からトリ
ガ信号４６が発生され、発振器４７とカウンタ４
８に送られる。

また、トリガ信号４６と同時に複数個のトラン
スミツタ３１〜３６と受信器３７〜４２の中から
計測に使用する１対のトランスミツタと受信器を
選定するため、計算機４３からトランスミツタス
キヤナ４９および受信器スキヤナ５０にそれぞれ
スキヤン信号５１，５２を送る。たとえば、いま
トランスミツタ３１と受信器４０を指定したとす
る。

このとき、トリガ信号４６を受けた発振器４７
からの発振信号５３はトランスミツタスキヤナ４
９を経てトランスミツタ３１に送られる。

トランスミツタ３１では、発振信号５３が超音
波に変換され、炉内を伝播し、受信器４０にて受
信され、受信信号５４が受信器スキヤナ５０を経
てカウンタ４８に送られる。

カウンタ４８では、トリガ信号４６が入力され
た時点から受信信号５４が入力されるまでの時
間、すなわち、トランスミツタ３１と受信器４０
の間の超音波伝播時間が測定される。測定された
伝播時間は計算機４３に送られメモリにストアさ
れる。

一つの経路について、伝播時間が計測される
と、計算機４３からトランスミツタスキヤナ４９
および受信器スキヤナ５０に信号が送られ、計測
に使用するトランスミツタと受信器の対を切り換
えていく。

この場合、通常11〜15KHz程度の超音波であれ
ば伝播方向が中心から±10°〜20°程度拡がつてい
るので、一つのトランスミツタからの超音波は３
〜５個の受信器で受信される。

第１図ではそれぞれのトランスミツタからの超
音波が３〜５個の受信器で受信される状況を点線
で示してある。すべてのスキヤンが完了すれば第
１図では24通りの伝播時間が計測され、計算機の
メモリにストアされる。上記周波数を11〜15KHz
にした理由は後述する。

得られたすべて伝播時間データは計算機でCT
処理されることにより、従来と同様に、上記火炉
断面３０内の音速分布Ｃ(i)が得られる。ここでｉ
は従来と同様、火炉断面３０内をメツシユに分割
した場合のｉ番目のメツシユを意味する。

メツシユの分割方法は従来と異なり、得られる
伝播時間の個数に応じて分割する。

また、従来のようにセンサの移動が平行移動お
よび回転移動とも等間隔に、しかも非常に細かく
データ取得が可能な場合はCT処理の中でもコン
ボリユーシヨン法という手法が用いられる。

しかし、ボイラに適用する場合、センサを平行
あるいは回転移動することができず、しかも取り
付けられるセンサも数に限度があるため、得られ
る伝播時間の個数が非常に少なくなる。

この場合は、伝播時間の個数だけできる次の(2)
式に示す連立方程式（変数はメツシユ数で決ま
り、必ず伝播時間の個数に等しいか少なくなけれ
ばならない）を最小２乗法で解く。

ｔ(j)＝〓ⁱ ｌ(i)／Ｃ(i) ……(2) ここで、(2)式が成立するのはメツシユ内のガス
流速ｖ(i)がＣ(i)に比べて非常に小さい場合であ
る。

また、得られた音速Ｃ(i)はｉ番目のメツシユで
のガス温度Ti（〓）の関数で次式で与えられる。

Ｃ(i)＝20.05√ ……(3) したがつて、(3)式からTiが求まり、火炉断面
３０内の燃焼ガス温度分布が求まる。

次に周波数選定理由を述べる。

(1) 第２図の曲線Ａに音波および超音波の周波数
に対するボイラ火炉内ノズルレベルを示す。炉
内ノイズは3KHz近傍から急激に少なくなり
11KHz以上ではあまり変わらなくなる。

(2) 第２図の曲線Ｂに超音波周波数に対する超音
波の炭酸ガスによる吸収割合を示す。この場合
吸収割合は超音波を１ｍ伝播させたときの吸収
された超音波強度を伝播前の超音波強度で除算
した値である。曲線Ｂから判るように15KHz以
上では炭酸ガスによる超音波の吸収が顕著にな
る。

上記二つの理由から燃焼ガス温度測定のため超
音波CTでは実用上11KHz〜15KHzの超音波が最
適であることが判る。

従来は液体あるいは固体にしか適用できなかつ
たものを、この実施例では11KHz〜15KHzという
特定の周波数領域を選ぶことにより、燃焼ガス中
での減衰もまた炉内ノズルもほとんどなく燃焼ガ
スの温度分布が計測できるようになり、燃焼解析
やボイラなど最適設計に大きな効果がある。

次に、この発明の第２の実施例について説明す
る。第３図はこの第２の実施例に適用される温度
計測装置のブロツク図である。

第１の実施例が11KHz〜15KHz帯の超音波を使
用することにより、燃焼ガスに対して超音波CT
法が適用された場合を示したが、この第２の実施
例はそれに加えて、超音波の送信器と受信器の機
能を１台の超音波変換器に持たせ、同一経路の双
方向の超音波伝播時間を計測することで、炉内ガ
ス流速による伝播時間への影響を排除できるよう
にしたものである。

次に具体的に第３図に基づきこの発明の第２の
実施例について説明する。この第３図における構
成は第２図のトランスミツタ３１〜３６、受信器
３７〜４２の部分に炉内断面３０内に色々な方向
に超音波が伝播するような複数個の送受信両用の
超音波変換器３１ａ〜４２ａ（たとえば、ダイナ
ミツクスピーカ）を火炉周囲に配置した点が異な
り、その他の構成は第１図と同様であり、第１図
と同一部分には同一符号を付して構成の説明を省
略する。

次に、この第２の実施例のガス体温度計測方法
について述べる。

送信器として使用した超音波変換器３１ａ〜４
２ａと受信器として使用した超音波変換器３１ａ
〜４２ａ間の超音波伝播時間は以下のように測定
される。

まず、計算機４３から計測開始の信号４４がト
リガ発生器４５に送られると、トリガ信号４６が
発生し、発振器４５とカウンタ４８に送られる。

また、トリガ信号と同時に送受信両用の超音波
変換器の中から計測に使用する一対の送信器と受
信器を選択するため、計算機４３から送信器スキ
ヤナ４９および受信側スキヤナ５０にそれそれス
キヤン信号５１，５２が送られる。

たとえば、送信側変換器３１と受信側変換器４
０を指定した場合、トリガ信号４６を受けた発振
器４７からの発信信号５３は、送信側スキヤナ４
９を経て送信側超音波変換器３１ａに送られる。

送信側超音波変換器３１ａでは発振信号５３が
超音波に変換され、炉内を伝播し受信側超音波変
換器４０ａに受信され、受信信号５４は受信側ス
キヤナ５０を経てカウンタ４８に送られる。

カウンタ４８は、トリガ信号４６が入力された
時点より、受信信号５４が入力されるまでの時
間、すなわち送信側超音波変換器３１ａと受信側
超音波変換器４０ａ間の超音波伝播時間が測定さ
れ、測定された伝播時間５５は計算機４３に送ら
れメモリにストアされる。

一つの経路について伝播時間が計測されると、
計算機４３から送信側スキヤナ４９および受信側
スキヤナ５０に信号が送られ、送信側超音波変換
器３１ａを受信側超音波変換器に、受信側超音波
変換器４０ａを送信側超音波変換器に切り換え、
同一経路の逆方向の伝播時間が計測される。

一つの経路の双方向の伝播時間が計測される
と、計算機４３から送信側スキヤナ４９および受
信側スキヤナ５０に信号が送られ、別の経路につ
いて計測に使用する送受信両用の超音波変換器の
送信側変換器と受信側変換器の対が切り換えられ
ていく。この場合、11〜15KHz程度の超音波であ
れば、伝播方向が中心から±10〜20°程度拡がつ
ているので、一つの送信側超音波変換器からの超
音波は８〜９個の受信側超音波変換器で受信され
る。

第３図では、それぞれの受信側変換器からの超
音波が８〜９個の受信器で受信される状況を点線
で示してある。

すべてのスキヤンが完了すれば、第３図では
100通りの伝播時間が計測され、計算機のメモリ
にストアされ、超音波CT法によりガス温度が計
算される。

いま、第４図のｉ番目のメツシユAB間内の微
少区間ｌ(i)において、Ａ点よりＢ点方向への超音
波伝播時間をΔt_F(i)、Ｂ点よりＡ点方向への伝播
時間をΔt_B(i)とすると、各伝播時間はガス温度Ti
（〓）における音速Ｃ(i)とＡ点よりＢ点方向のガ
ス流速ｖ(i)より次の(4)、(5)式で与えられる。

Δt_F＝ｌ(i)／Ｃ(i)＋ｖ(i)＝ｌ(i)／Ｃ(i)ｌ−ｖ(i)／
Ｃ(i)……(4) Δt_B＝ｌ(i)／Ｃ(i)−ｖ(i)＝ｌ(i)／Ｃ(i)１＋ｖ(i)／
Ｃ(i)……(5) ここで、(4)、(5)式を加えると、次の(6)式とな
り、式中のｖ(i)／Ｃ(i)の項は除去される。

ただし、(4)、(5)式が成立するのはｖ(i)≪(i)の場
合である。

Δt_F(i)＋Δt_B(i)＝2l(i)／Ｃ(i) ……(6) これにより、微少区間ｌ(i)中における平均超音
波伝播時間は次の(7)式となる。

Δt(i)＝１／２（Δt_F(i)＋Δt_B(i)） ……(7) したがつて、AB区間における平均超音波伝播
時間の次の(8)式となる。

ｔ(j)＝〓ⁱ ｌ(i)＝ｌ(i)／Ｃ(i) ……(8) これより、超音波伝播時間に対するガス流速の
影響はなくなる。

得られたすべての伝播時間データは計算機４３
でCT処理されることにより、従来と同様に上記
火炉断面３０内の音速分布Ｃ(i)が得られる。ここ
でｉは従来と同様、火炉断面３０内をメツシユに
分割した場合のｉ番目のメツシユを意味する。メ
ツシユの分割方法は従来と異なり、得られる伝播
時間の個数に応じて分割する。

しかし、ボイラに適用する場合、センサを平行
あるいは回転移動することができず、しかも取付
られるセンサも数に限度があるため、得られる伝
播時間の個数が非常に少なくなる。

この場合は伝播時間の個数だけできる連立方程
式（変数はメツシユ数で決まり、必ず伝播時間の
個数に等しいか少なくなければならない）を最小
２乗法で解く。

得られた音速Ｃ(i)はｉ番目のメツシユでのガス
温度Ti（〓）の関数で次の(9)式で与えられる。

Ｃ(i)＝20.05√ ……(9) したがつて、(9)式からTiが求まり、火炉断面
３０内の燃焼ガス温度分布が求まる。

なお、この第２の実施例においても、11KHz〜
15KHz程度の周波数に選定した理由は上記第１の
実施例と同様である。

また、この第２の実施例における効果は第１の
実施例に加えて、同一経路の双方向の伝播時間を
計即することで、炉内ガス流速による超音波伝播
時間への影響を排除したため、精度よく燃焼ガス
の温度分布が計測できるようになる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の燃焼ガス体温度計測
方法によれば、周波数11KHz〜15KHzの超音波を
燃焼ガス体中に伝播させてその伝播速度を測定し
て燃焼ガス体の温度を求めるようにしたので、燃
焼ガス中での減衰および炉内のノイズがほとんど
なく、燃焼ガスの温度分布を計測でき、燃焼解析
やボイラ最適設計などに大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の燃焼ガス体温度計測方法の
一実施例に適用される温度計測装置のブロツク
図、第２図は同上ガス体温度計測方法に適用され
る超音波の11KHz〜15KHzの周波数帯を選定した
理由を説明するために周波数対炉内ノイズおよび
炭酸ガスによる超音波吸収率を示す図、第３図は
この発明のガス体温度計測方法の第２の実施例に
適用される温度計測装置のブロツク図、第４図は
同上第２の実施例の燃焼ガス体温度計測方法に適
用される炉断面内をメツシユで分割した場合の超
音波の伝播時間のデータ処理を説明するための
図、第５図は従来の燃焼ガス体温度計測方法に適
用される温度計測装置のブロツク図である。３０……火炉断面、３１〜３６……超音波トラ
ンスミツタ、３１ａ〜４２ａ……超音波変換器、
４３……計算器、４５……トリガ発生器、４７…
…発振器、４８……カウンタ、４９……トランス
ミツタスキヤナ、５０……受信器スキヤナ。

Claims

【特許請求の範囲】

１燃焼ガス体中に超音波を伝搬させ、この超音
波の伝搬速度を測定し、測定された伝搬速度から
燃焼ガス体の温度を求める方法において、周波数
11KHz〜15KHzの超音波を用いることを特徴とす
る燃焼ガス体温度測定方法。