JPH0579624A - 燃焼診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバと受光素子の光軸のずれに起因す
る精度低下を回避することができる燃焼診断装置を提供
する。 【構成】 火炎光を受光する複数個の光プローブ１と、
この光プローブからの光を転送する複数個の中継光ファ
イバ４と、転送された光を電気信号に変える光電変換装
置３０と、該装置の信号により燃焼状態を診断する解析
装置１５を有するものにおいて、光ファイバ４の光電変
換装置側端に対面して受光素子３５を配置し、光ファイ
バ端と受光素子の間に透過波長の異なる複数個の光干渉
フィルタを有し、かつ移動可能に構成した光干渉フィル
タ取付け板を設けた燃焼診断装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃焼炉内火炎の燃焼状態
を診断する装置に係り、特に火炎光を受光する複数個の
光プローブから転送された火炎光を受けて電気信号に変
換する光電変換装置を改善し、高精度の診断を可能とし
た燃焼診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】公害防止上のため、ボイラ等の燃焼装置
においては、窒素酸化物、すすおよび一酸化炭素を発生
させないことが望まれている。このような燃焼状態を形
成するには、燃焼炉内で燃料と空気が適度に混合する火
炎を形成し、これにより、燃焼炉内に極端な高温度領域
を形成させないことおよび極端な低温度領域を形成させ
ないことが必要である。

【０００３】このような燃焼状態を監視する装置の一つ
に、火炎発光スペクトルを検出し、このスペクトル特性
から燃焼状態を診断する装置がある。本発明者らの提案
による未公知の発光スペクトル検出燃焼診断装置は、図
６に示すような、光ファイバの取り付け板を回転して監
視光ファイバを切り替える機構を採用しているため（参
考：特願平２−２２８８５７号）、この光ファイバを切
り替える際、光ファイバと受光素子の光軸がランダムに
変化することから、この光軸のランダムな時間的変動に
よって燃焼診断精度が低下する問題があった。

【０００４】従来の発光スペクトル検出燃焼診断装置
は、この光軸のずれのランダムな時間的変動に起因した
光量の変化について十分な配慮がされていなかった。こ
のため、燃焼診断精度の低下が生じる問題、または光フ
ァイバと受光素子の光軸を厳密に合わせることができる
高価な位置決め制御機器を必要とする経済的問題を有し
ていた。

【０００５】この発光スペクトル検出燃焼診断装置は、
複数個の光プローブ１、複数個の中継光ファイバ４、光
チャンネルセレクタ６、光電変換装置８、プリアンプ１
３、解析装置（電算機）１５から主に構成される。光チ
ャンネルセレクタ６では、光ファイバ取り付け台７に中
継光ファイバ４の一端が取り付けられている。この光チ
ャンネルセレクタのファイバ取り付け台７は回転する。
光電変換装置８には、数組の光干渉フィルタ９と受光素
子１０が中継光ファイバの一端に対面して設置されてい
る。

【０００６】これにより、火炎２１からの発光スペクト
ルは、各光プローブ１で受光され、中継光ファイバ４を
通して、光ファイバ取り付け台７に運ばれる。そして、
光干渉フィルタ９を通して受光素子１０に受光され、電
気信号に変換される。電気信号になった発光スペクトル
は、プリアンプ１３によって解析装置１５が容易に演算
できる電気信号にさらに変換された後、解析装置１５の
入力信号となる。解析装置１５は、この電気信号をもと
に、燃焼炉内火炎の燃焼状態を診断する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、光フ
ァイバ取り付け台７に設置された光ファイバと光電変換
装置内の受光素子１０の光軸のずれがランダムに時間的
に変化することについて十分な配慮がされていなかっ
た。このため、従来の装置は、燃焼診断精度の低下が生
じる問題、または光ファイバと受光素子の光軸を厳密に
合わせることができる高価な位置決め制御機器が必要と
なる経済的問題を有していた。

【０００８】本発明の目的は、光ファイバと受光素子の
光軸のずれに起因する燃焼診断の精度低下を回避するこ
とができる燃焼診断装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願の第１の発明は、燃焼炉内火炎光を受光する複数個
の光プローブと、これら光プローブからの火炎光を転送
する複数個の中継光ファイバと、転送された火炎光を電
気信号に変える光電変換装置と、この光電変換装置の出
力信号をもとに燃焼状態を診断する解析装置を有する燃
焼診断装置において、上記複数個の中継光ファイバの上
記光電変換装置側端に対面して上記光電変換装置内に受
光素子を配置し、上記中継光ファイバの上記光電変換装
置側端と上記受光素子の間に透過波長が異なる複数個の
光干渉フィルタを有し、かつ移動可能に構成した光干渉
フィルタ取り付け板を設置したことを特徴とする燃焼診
断装置に関する。

【００１０】第２の発明は、上記第１の発明において、
上記受光素子は、感度波長域が異なる複数個の受光素子
を積層した複合受光素子であることを特徴とする燃焼診
断装置に関する。第３の発明は、上記第１の発明または
第２の発明において、上記複合受光素子の内部に設置さ
れる複数個の受光素子には、少なくとも一個以上の赤外
域に感度を有する受光素子が含まれていることを特徴と
する燃焼診断装置に関する。

【００１１】第４の発明は、上記第１の発明、第２の発
明または第３の発明において、上記複合受光素子は、シ
リコンフォトダイオード・ＰｂＳ光導電型素子、シリコ
ンフォトダイオード・Ｇｅフォトダイオードまたはシリ
コンフォトダイオード・ＰｂＳｅ光導電型素子の複合受
光素子であることを特徴とする燃焼診断装置に関する。

【００１２】

【作用】光ファイバ取り付け台の光ファイバおよび光電
変換装置の受光素子を固定し、代わって、光干渉フィル
タと受光素子を分離し、光干渉フィルタを回転するよう
にすると、この光ファイバと受光素子の光軸にずれがあ
っても、この光軸ずれの時間的変動を考慮する必要がな
くなる。

【００１３】したがって、この光軸ずれの変動に起因し
た燃焼診断精度の低下がなくなり、または、光ファイバ
と受光素子の光軸を厳密に合わせるための高価な位置決
め制御機器が不要となる。本願発明においては、光ファ
イバ取り付け台７の回転を止め、光ファイバを固定し、
代わって、光干渉フィルタを回転させる光電変換装置８
内の受光素子１０は、従来と同様に固定される。また、
このとき受光素子１０には可視域と赤外域のスペクトル
分析を行なう必要から、可視域と赤外域に感度を有する
２種類の受光素子を有する多層構造の受光素子を用い
る。

【００１４】なお、従来の燃焼診断装置は、単層構造の
受光素子を用いていたことから、可視光を分析する光干
渉フィルタには可視域に感度を有する受光素子、赤外光
を分析する光干渉フィルタには赤外域に感度を有する受
光素子を用いていた。光干渉フィルタと受光素子は一体
化させて使用していた。なお、受光素子は電気が流れる
ことから、この受光素子を移動すると、電気信号にノイ
ズが発生することを防ぐため、従来の燃焼診断装置は、
光ファイバ取り付け台７を回転し、燃焼診断対象火炎を
切り替えていた。

【００１５】

【実施例】以下本発明を図面を使って詳細に説明する。 ｉ）全体の構成 図１に本発明の一実施例である燃焼診断装置の構成を示
す。この燃焼診断装置は、前記した従来の燃焼診断装置
と比較して、回転移動物を光ファイバ取り付け台から光
干渉フィルタ取り付け台にしたこと、および受光素子を
単層から多層構造にした点で異なっている。

【００１６】この発光スペクトル検出燃焼診断装置は、
複数個の光プローブ１、複数個の中継光ファイバ４、光
電変換装置３０、プリアンプ１３、解析装置（電算機）
１５から主に構成される。光電変換装置３０は、光ファ
イバ取り付け台３１、光干渉フィルタ取り付け台３２、
受光素子取り付け台３３およびサーボモータ３４から主
に構成されている。ファイバ取り付け台３１には、中継
光ファイバ４の一端が取り付けられている。光干渉フィ
ルタ取り付け台３２には、複数個の光干渉フィルタ９が
設置されている。受光素子取り付け台３３には、複数個
の多層受光素子３５が設置されている。多層受光素子３
５の設置数は、中継光ファイバ４と同数であり、それぞ
れ１個づつ一対で使用され、同一光軸上に配置される。
サーボモータ３４によって、光干渉フィルタ取り付け台
３２が回転する。

【００１７】これにより、火炎２１からの発光スペクト
ルは、各光プローブ１で受光され、中継光ファイバ４を
通して、光ファイバ取り付け台３１に運ばれる。そし
て、光干渉フィルタ９を通して多層受光素子３５に受光
され、電気信号に変換される。電気信号になった発光ス
ペクトルは、プリアンプ１３によって解析装置１５が容
易に演算できる電気信号にさらに変換された後、解析装
置１５の入力信号となる。解析装置１５は、この電気信
号から燃焼炉内火炎の燃焼状態を診断する。

【００１８】図２に、本発明になる一実施例の燃焼診断
システムに使用される光電変換装置の構成の一例を示
す。ファイバ取り付け台３１に中継光ファイバ４の一端
が取り付けられる。光干渉ファイバ取り付け台３２に
は、透過波長が異なる８種類の光干渉フィルタ９が設置
される。８種類の光干渉フィルタ９が光干渉フィルタ取
り付け台３２に設置されており、それぞれの光干渉フィ
ルタの透過光の波長が０．８、０．９、１．０、１．
３、１．３５、１．４、１．４５、１．５μｍである。
受光素子取り付け台３３には、シリコンフォトダイオー
ドとＰｂＳ光導電型素子を積層した多層受光素子８個が
取り付けられる。シリコンフォトダイオードは０．２〜
１．１μｍの波長域で感度が高く、ＰｂＳ光導電型素子
は１．２〜２．５μｍの波長域で感度が高い。この多層
受光素子３５が中継光ファイバ４に対応して配置されて
いる。

【００１９】サーボモータ３４によって、光干渉フィル
タ取り付け台３２が回転する。光干渉フィルタ取り付け
台３２が回転することにより、それぞれの光干渉フィル
タ固有の透過波長域の光量の測定が可能となり、燃焼診
断対象火炎のスペクトル特性を得る。図３に多層受光素
子の概略構造を示す。シリコンフォトダイオードとＰｂ
Ｓ光導電型素子を積層した多層受光素子（市販品：浜松
フォトニクス社製、型名：ｋ１７１３−０１他）では、
受光窓４０に近い方から、シリコンフォトダイオード４
１とＰｂＳ光導電型素子４２の順に設置される。

【００２０】図４に、油燃焼火炎の発光スペクトルの一
例を示す。中継光ファイバの光伝送損失が小さい０．４
〜１．６μｍの波長域において、０．７μｍより長波長
側にスートの発光スペクトルが見られ、この発光スペク
トル上に水蒸気の吸光によるスペクトル強度の減少が見
られる。水蒸気の吸光は、火炎と光プローブの間に窒素
酸化物抑制燃焼等により燃焼再循環ガスが流れるとき、
燃焼再循環ガス中に水蒸気を有するときに生じる。

【００２１】スートの発光特性からは、プラントルの輻
射則の関係を用い、火炎温度を知ることができる。プラ
ントルの輻射則は次式で示される。

【００２２】

【数１】

【００２３】Ｌλ：火炎の単色発光スペクトル強度（ｋ
ｃａｌ／m³ｈ） ελ：燃料、火炎状況による補正係数 λ ：波長（ｍ） Ｔ ：温度（Ｋ） Ｃ₁ ：プラントルの式の定数３．２２×１０^-16 ｋｃａ
ｌm²／ｈ Ｃ₂ ：プラントルの式の定数１．４４×１０^-2ｍｋ ０．８〜１．０μｍの波長域において、高温の火炎が形
成されると、スートのスペクトル強度が増加し、傾斜が
急となるスペクトル特性が得られる。この特性を利用
し、対象光ファイバと複合受光素子の間に透過光中心波
長が０．８、０．９、１．０μｍの光干渉フィルタがあ
るとき、シリコンフォトダイオードの光電変換出力を読
むと、スートの発光特性および火炎温度を知ることがで
きる。

【００２４】水蒸気の吸光特性からは、燃焼再循環ガス
の流量または燃焼空気と燃焼再循環ガスの混合比率の変
化を知ることができる。１．３、１．３５、１．４、
１．４５、１．５μｍにおけるスペクトル強度を測定す
ると、水蒸気の吸光によるスペクトル強度の減少量を測
定できる。このスペクトル強度の減少量（吸光度と称
す）は、水蒸気の濃度、流量が増加し、温度が低いと大
きくなる。したがって、この水蒸気吸光度の特性を利用
し、対象光ファイバと複合受光素子の間に透過光中心波
長が１．３、１．３５、１．４、１．４５、１．５μｍ
の光干渉フィルタがあるとき、その時のＰｂＳ光導電型
素子の光電変換出力を読むことにより、燃焼再循環ガス
の流量または燃焼空気と燃焼再循環ガスの混合比率の変
化を知ることができる。

【００２５】本実施例においては、光ファイバ取り付け
台３１および受光素子取り付け台３３が移動しないこと
から、中継光ファイバ４と積層受光素子３５の光軸ずれ
の変動がなくなる。したがって、燃焼診断精度が向上
し、光ファイバと受光素子の光軸を厳密に合わせるため
の高価な位置決め制御機器が不要となり、経済的問題が
なくなる。

【００２６】また、本実施例においては、従来の燃焼診
断装置のような中継光ファイバを捻じって使用すること
がないため、光ファイバを捻じるトルクが不要となり、
サーボモータの小型化、装置コストを低減できる効果が
ある。本実施例において、受光素子として、１．３、
１．３５、１．４、１．４５、１．５μｍのスペクトル
強度を検出する受光素子には、ＰｂＳ光導電型素子以外
に、Ｇｅフォトダイオード、ＰｂＳｅ光導電型素子の使
用も可能である。したがって、光電変換装置の複合受光
素子には、シリコンフォトダイオード・ＰｂＳ光導電型
素子に代わって、シリコンフォトダイオード・Ｇｅフォ
トダイオード、シリコンフォトダイオード・ＰｂＳｅ光
導電型素子の多層受光素子を使用できる。

【００２７】なお、火炎温度または燃焼再循環ガス流量
等のどちらかを診断する場合は、それぞれスートまたは
水蒸気の吸光度のどちらかを測定すればよく、そのとき
の受光素子にはシリコンフォトダイオードまたは，Ｐｂ
Ｓ光導電型素子の単層受光素子で燃焼診断ができる。ま
た、本実施例には、図５に示すような他の光電変換装置
も使用できる。この光電変換装置は、中継光ファイバ
４、光干渉フィルタ９、多層受光素子３５を、それぞれ
光ファイバ取り付け台３１、光干渉フィルタ取り付け台
３２、受光素子取り付け台３３に直線状に配置し、光干
渉フィルタ取り付け台３２を直線上に移動させるもので
ある。この直線移動式光電変換装置においても、回転移
動式と同様に、中継光ファイバと多層受光素子の光軸の
ずれに起因する燃焼診断精度の低下を回避することがで
きる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、光ファイバと受光素子
の光軸のずれに起因する精度低下がなくなり、燃焼精度
の高い燃焼診断装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例である燃焼診断装置
の構成を示す図である。

【図２】図２は、本発明の燃焼診断装置に使用される光
電変換装置の構成の一例を示す図である。

【図３】図３は、多層受光素子の内部構造を示す図であ
る。

【図４】図４は、油燃焼火炎の発光スペクトルの一例を
示す図である。

【図５】図５は、本発明の燃焼診断装置に使用される他
の光電変換装置の構成の一例を示す図である。

【図６】図６は、従来技術の燃焼診断装置の構成を示す
図である。

【符号の説明】

１…光プローブ、４…中継光ファイバ、６…チャンネル
セレクタ、７…光ファイバ取り付け台、８…光電変換
器、９…光干渉フィルタ、１０…受光素子、１１…電気
信号ケーブル、１３…プリアンプ、１４…電気信号ケー
ブル、１５…解析装置、１７…燃料配管、１８…燃料、
１９…空気配管、２０…空気、２１…火炎、２２…燃焼
炉壁、３０…光電変換装置、３１…光ファイバ取り付け
台、３２…光干渉フィルタ取り付け台、３３…受光素子
取り付け台、３４…サーボモータ、３５…多層受光素
子、４０…受光窓、４１…シリコンフォトダイオード、
４２…ＰｂＳ光導電型素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 紘二郎 広島県呉市宝町３番36号 バブコツク日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 山本 晃二 広島県呉市宝町６番９号 バブコツク日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 久中 実 広島県呉市宝町６番９号 バブ日立エンジ ニアリング株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼炉内火炎光を受光する複数個の光プ
   ローブと、これら光プローブからの火炎光を転送する複
   数個の中継光ファイバと、転送された火炎光を電気信号
   に変える光電変換装置と、この光電変換装置の出力信号
   をもとに燃焼状態を診断する解析装置を有する燃焼診断
   装置において、上記複数個の中継光ファイバの上記光電
   変換装置側端に対面して上記光電変換装置内に受光素子
   を配置し、上記中継光ファイバの上記光電変換装置側端
   と上記受光素子の間に透過波長が異なる複数個の光干渉
   フィルタを有し、かつ移動可能に構成した光干渉フィル
   タ取り付け板を設置したことを特徴とする燃焼診断装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１において、上記受光素子は、感
   度波長域が異なる複数個の受光素子を積層した複合受光
   素子であることを特徴とする燃焼診断装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、上記複合受
   光素子の内部に設置される複数個の受光素子には、少な
   くとも一個以上の赤外域に感度を有する受光素子が含ま
   れていることを特徴とする燃焼診断装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３において、上記複
   合受光素子は、シリコンフォトダイオード・ＰｂＳ光導
   電型素子、シリコンフォトダイオード・Ｇｅフォトダイ
   オードまたはシリコンフォトダイオード・ＰｂＳｅ光導
   電型素子の複合受光素子であることを特徴とする燃焼診
   断装置。