JPH07101091B2 - バーナの火炎検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二重管構造を有するラ
ジアントチューブバーナ等に適用して好結果を得ること
ができる、バーナの火炎検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液体または気体の燃料を燃焼させるバー
ナにおいては、燃焼中その燃焼状態を最適に維持するこ
とが望ましい。このための従来技術としては、バーナの
火炎が発生する光強度信号をフォトトランジスタ、フォ
トダイオードあるいは太陽電池等の半導体を使用して電
気信号として捉え、あるいは光センサに代えて火炎中に
挿入した電極を用いてイオン電流として捉え、これらの
出力電流から火炎中の振動波形の周波数解析の結果得た
パワースペクトルの積分値を利用して、燃焼制御を行な
うものがある。上記従来技術のうちの前者のもの、すな
わち火炎から発生する光を電気信号として捉え、これを
電気回路によって処理する方法では、火炎が発生する光
信号をフォトトランジスタ、フォトダイオード等の半導
体による光センサで捉えることになるが、この光センサ
を設ける位置に問題があり、その位置が適当でないと良
好な制御が行ない得ないことになる。

【０００３】そこで本発明者によってこれを解決するた
めの技術が開発され提案されている（特願平1-312132
号）。この技術では、光センサにより、燃焼火炎の振動
光を検出するが、ターンダウンにより火炎長が変化した
場合でも火炎の乱流燃焼部分全体を検出する必要がある
ため、バーナの反対面すなわち炉の後方部に光センサを
設けてある。しかしながら炉の構造によってはバーナの
反対面に光センサを取付けることが不可能な場合があっ
て所期の効果を期待できない場合があった。

【０００４】この問題を有しない技術として提案された
ものに、特願平1-312133号の出願に関わるものがある。
この技術においては、バーナのノズル側から火炎中に電
極を挿入し、火炎イオン振動電流を検出することによ
り、炉の構造による制約を受けないものとした。しかし
ながらこのように電極によりイオン電流を検出しようと
した場合でも、たとえばラジアントチューブバーナのよ
うに二重管内で火炎を形成し、その外筒からの輻射を利
用しているようなバーナでは、連続燃焼させるために排
気口から燃焼ガスをエジェクタ等で吸引するものである
ため、フレームポイントがターンダウンによって変化
し、火炎の特定部分を電極でも検出し得ない場合があっ
た。

【０００５】そこでこの問題を解決し、ラジアントチュ
ーブバーナのように二重管内で火炎を形成し、その外筒
からの輻射を利用しているようなバーナであり、かつ、
連続燃焼させるために排気口から燃焼ガスをエジェクタ
等で吸引する形式のものであっても、燃焼制御に好結果
を得ることができるバーナの燃焼制御装置として、図２
に示すものが提案されている（特願平2-177816号）。こ
れを簡単に説明すると、このバーナは外筒１と内筒２の
二重管構造を成し、内筒２の内部にガスノズル３を設
け、このガスノズル３に、途中に燃料遮断弁４を介装し
た燃料供給管５を接続した構成となっており、内筒２の
基部に点検口14を設けてレンズ15が装着され、このレン
ズ15に一端を臨ませて光ファイバ17が取付けられ、光フ
ァイバ17の他端には光センサ18を取付け、この光センサ
18に光振動パワー電圧の検出回路を介して論理演算器26
を接続し、この論理演算器26の出力側を前記燃料遮断弁
４に接続した構成となっている。

【０００６】光振動パワー電圧の検出回路27を構成する
のは、光センサ18の検出出力を増幅する増幅器19と、増
幅された信号を直流成分にする整流器20と、整流された
信号から振動パワー信号を得る積分器21と、この積分器
21により得た振動パワー信号を上限と下限のそれぞれに
ついてあらかじめ設定された値と比較する上限用比較器
23ならびに下限用比較器22である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような構成とした
ことにより、内筒２の内部をレンズ15と光ファイバ17と
を介して光センサ18で監視することができることにな
る。そしてこの光センサ18の出力は光振動パワー電圧の
検出回路を介して論理演算器26に入力され、その出力信
号で燃料遮断弁４が開閉制御されることになる。これに
より前掲の問題は解決されたことになるが、ここにさら
に一つの問題が考えられる。それは、上記技術では、燃
焼火炎の揺らぎに起因する放射光の振動信号を光センサ
で電気信号に変換し、その整流積分電圧値を燃焼状態の
指標として利用するものであったが、火炎の揺らぎにつ
いての処理が必ずしも適切なものとは言い難いことであ
った。

【０００８】火炎の揺らぎは整流積分電圧値の大きなば
らつき要因となることから、上記技術による実際の燃焼
においては、積分回路上で時定数を大きくとり（約10
秒）、平滑化していた。このため失火した場合、失火直
前の整流積分電圧値が失火検出用の下限用比較器22の下
限基準電圧値24まで減衰するのに約10秒要することにな
る。すなわち、失火の検出時間が10秒もかかるため、安
全上問題となる。時定数を短くすれば検出時間は早くな
るが、整流積分電圧値のばらつきが大きくなるため、上
限用比較器23と下限用比較器22の基準電圧値に整流積分
電圧の平均値が近づいたとき、正常燃焼範囲でありなが
ら、ばらつきにより不完全燃焼あるいは失火として検出
してしまうことになる。

【０００９】本発明は、この点に鑑みて成されたもので
あり、上記したような火炎の揺らぎを原因とする整流積
分電圧値のばらつきによる不都合が生じないバーナの燃
焼検出装置を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するための手段として、バーナの燃焼火炎を検出する
光センサと、該光センサの検出出力を増幅する増幅器
と、該増幅された信号を直流成分にする整流器と、該整
流された信号から振動パワー信号を得る積分器と、該積
分器により得た振動パワー信号を上限と下限のそれぞれ
についてあらかじめ設定された値と比較する上限用比較
器ならびに下限用比較器と、該上限用比較器ならびに上
限用比較器の出力信号を論理演算してその結果により前
記バーナの燃料遮断弁の作動制御を行なう論理演算器
と、前記積分器の後段で前記上限用比較器の前段に接続
された時定数を有する積分器と、を備えた構成としたも
のである。

【００１１】

【作用】このような構成とすれば、整流された信号から
振動パワー信号を得る積分器の後段で上限用比較器の前
段に接続された時定数を有する積分器が、火炎の揺らぎ
に対して影響を受けることなく不完全燃焼と失火の検出
に適した検出時間を得ることができるから前掲出願のも
のの問題点を解決できることになる。すなわち、バーナ
が何らかの原因で失火した場合、火炎検出器は短時間で
失火を検出し、燃料遮断弁を遮断させ、炉内への燃料供
給を停止しなければならない。これに対して不完全燃焼
状態の検出は、一般的にある時間連続して不完全燃焼と
なった場合に検出する必要がある。

【００１２】これは、たとえばあるバーナにおいて負荷
の変動により燃焼量が増減している場合で、特に燃焼量
の増大時、瞬間的に空気不足となり、すぐに正常燃焼状
態に復帰することがよくあるが、特に火炎検出器が検出
しなければならない危険な状態は、定常運転状態におい
て完全な空気不足になり、不完全燃焼が連続して発生し
ている場合である。このように燃焼状態によって要求さ
れる検出時間は異なるるが、本発明の燃焼検出装置にお
いては、これに対応することができることになる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１について説明
する。この実施例は本発明を熱処理炉等に用いるガス焚
きラジアントチューブに適用したものであって、１は外
筒、２はその内側に同心的に設けられた内筒である。内
筒２の内部にはガスノズル３が設けられており、このガ
スノズル３には、途中に燃料遮断弁４を介装した燃料供
給管５が接続され、ガス６が供給されるようになってい
る。外筒１には内筒２の挿入側に排ガス噴出部７が設け
られており、この排ガス噴出部７に接続された図示しな
いエジェクタによって、内筒２の内側から外筒１内に回
り込む火炎８が発する燃焼ガス９を吸引するようになっ
ている。

【００１４】内筒２の外筒１より突出した部分には空気
供給管10が設けられており、ここから内筒２の内部に燃
焼用の空気11を供給するようになっている。ガスノズル
３は内筒２の内部に適当長さ挿入されており、このガス
ノズル３の先端部12の周囲にはスワラー13が取付けられ
て、流入した空気11が旋回するようになっている。内筒
２の基部でガスノズル３を挿入した部分に近接したとこ
ろには点検口14が設けられ、その内部には耐熱性を有す
るレンズ（凸レンズ）15が装着されている。レンズ15の
焦点位置16には、光ファイバ17がその一端を臨ませて取
付けられている。

【００１５】光ファイバ17の他端には光センサ18が取付
けられており、光ファイバ17から入力された光信号を電
気信号に変換するようになっている。この光センサ18で
得られた電流は電圧変換され、カップリングコンデンサ
によって直流成分が除去されて交流の電圧信号となる。
そしてこの交流電圧は次段に接続された増幅器19に入力
され、振幅増幅されるようになっている。増幅器19の出
力側には整流器20が接続されて信号が直流化されるよう
になっている。

【００１６】整流器20の出力側には積分器21が接続され
て整流後の信号を積分処理して振動パワー信号を得るよ
うになっている。積分器21の出力側には下限用比較器22
と、時定数を任意に設定することができる積分器28を介
して上限用比較器23とが接続され、それぞれ下限電圧24
と上限電圧25との比較をし、下限用比較器22はこの下限
電圧を下回ったときに、また上限用比較器23においては
上限電圧を越えたときにオンとして積分器20の出力信号
を次段の論理演算器26に導くようになっている。

【００１７】この回路において増幅器19から論理演算器
26の入力前段までが光パワー電圧の検出回路27を構成す
る。論理演算器26は下限用比較器22と上限用比較器23の
接点信号の「オア」をとり、どちらかの信号がオン「1」
となればガス供給管５の途中に接続された燃料遮断弁４
を遮断するようになっている。

【００１８】このように構成されたこの燃焼制御装置は
次のように作用する。燃料制御弁４が開弁して燃料であ
るガス６がガスノズル３から内筒２の内部に噴射され、
内筒２に設けられた空気供給管10からの空気11と混合し
て燃焼すると火炎８が発生する。この場合に空気11はス
ワラー13によって旋回し、ガス６と良好に混合する。火
炎８によって生じた燃焼ガス９は、図示しないエジェク
タの作動によって排ガス噴出部７から吸引される。燃焼
によって外筒１が赤熱され、その輻射熱によってバーナ
が挿入された周囲の雰囲気を加熱する。

【００１９】内筒２の火炎８と反対側に設けられた点検
口14から火炎８の状況を監視することができるが、この
状態のままで光センサ18によって検出すると、不輝炎の
ため非常に微弱な電流しか得られず、検出困難なために
レンズ15および光センサ18に接続された増幅器19以降の
回路によって、光密度を増幅することにより検出が可能
となる。なお、レンズ15と光センサ18を直接結合しない
理由は、光センサ18を高温から保護するためである。

【００２０】光センサ18は火炎８の光振動を電気信号に
変換し、図示しないカップリングコンデンサによってそ
のうちの交流成分のみを通過させる。増幅器19はこの交
流信号の振幅を増幅し、その後整流器20で直流に変換さ
れる。その出力信号は積分器21で積分処理され、振動パ
ワー電圧値を得る。この積分器21は時定数が変えられる
回路構成となっており、要求される失火検出時間（通常
は２秒程度）に合わせて時定数を設定し、下限用比較器
22と、上限用比較器23の入力部に設けられた積分器28に
積分電圧を出力する。本実施例での上限用比較器23はラ
ジアントチューブバーナの不完全燃焼検出用であり、こ
の入力側に設けられた積分器28は、積分器21と同様に、
時定数可変の回路構成をとっている。そして使用する燃
焼設備から要求される不完全燃焼検出時間に合わせて時
定数が設定され、振動パワー電圧を上限用比較器23に出
力する。

【００２１】上限用比較器23では、不完全燃焼を判断す
るための上限電圧25を基準電圧として設定しておき、積
分器28から入力される振動パワー電圧が上限電圧25を越
えた場合に、オンとなる接点信号を論理演算器26に出力
する。一方、下限用比較器22には失火を判断するための
下限電圧24を基準電圧として設定しておき、積分器21か
ら入力される振動パワー電圧が下限電圧24を下回った場
合にオンとなる接点信号を論理演算器26に出力する。論
理演算器26では不完全燃焼を検出する上限用比較器23と
失火検出を行なう下限用比較器22より入力された接点信
号の「オア」をとり、どちらかの接点信号がオン「１」
となればガス供給管５の途中に接続された燃料遮断弁４
を遮断して運転を中止させる。下限用比較器22および上
限用比較器23の両方ともにオフ「０」となっていれば、
燃料遮断弁４を開の状態に維持して運転を継続させる。

【００２２】ここでラジアントチューブバーナにおける
ＣＯ，Ｏ₂ と振動パワー電圧の関係を図３および図４に
示す。これらの図に示すデータは、燃料としてブタンを
使用し、燃焼量を固定して測定した。図３はバーナ着火
後のＯ₂ と振動パワー電圧の関係で横軸は時間を示して
いる。バーナ着火後空気過剰の状態から空気量を絞って
いくと、Ｏ₂ の減少に伴って振動パワー電圧は上昇し、
Ｏ₂ ＝４％付近でピークとなり、その後はＯ₂ の減少と
共に減少する。

【００２３】ここでＯ₂ ＝１％付近、すなわち不完全燃
焼となると、振動パワー電圧は急激に増加する。これは
空気不足により火炎の低周波成分の振幅の大きい揺らぎ
が増加するためである。図４は図３のＤ部における振動
パワー電圧とＣＯの関係で、横軸は時間を示す。この図
から明らかなように、ＣＯの急激な上昇（すなわち不完
全燃焼）に伴って振動パワー電圧も上昇しており、ＣＯ
と振動パワー電圧には相関がある。ここでＣＯの上昇に
対して振動パワー電圧の上昇がやや遅れているのは（図
４のＡ）、振動パワー電圧はばらつきが大きく、コンデ
ンサで平滑化しており、そのコンデンサによる遅れのた
めである。

【００２４】以上により振動パワー電圧が図３に示すＢ
の上限以上、およびＣの下限以下になったことを検出す
れば、不完全燃焼および失火が検出可能となる。失火時
の内筒２内の赤熱による赤外線輻射、振動成分がないた
めに、振動パワー電圧は０となり、誤動作（火炎の検
出）をすることはない。積分器21から出力された電圧は
下限用比較器22と上限用比較器23に入力され、そのため
先の下限電圧24および上限電圧25を基準電圧として設定
しておき、上限用比較器23では上限電圧25を越えた場合
に、また下限用比較器22では下限電圧24を下回ったとき
にそれぞれ「オン」となる接点信号を、論理演算器26に
導くようになっている。

【００２５】本発明は以上説明した実施例のほか、他の
構造の燃焼設備に適用する場合で、それぞれの特性に合
わせて各状態検出用の比較器を複数個設けるようにした
場合にも、その各比較器の入力側に時定数設定用の積分
器を設けることにより、それぞれの検出時間が調整でき
ることはいうまでもない。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、バーナ
の燃焼火炎を検出する光センサと、この光センサの検出
出力を増幅する増幅器と、増幅された信号を直流成分に
する整流器と、整流された信号から振動パワー信号を得
る積分器と、この積分器により得た振動パワー信号を上
限と下限のそれぞれについてあらかじめ設定された値と
比較する上限用比較器ならびに下限用比較器と、この上
限用比較器ならびに下限用比較器の出力信号を論理演算
してその結果により前記バーナの燃料遮断弁の作動制御
を行なう論理演算器と、前記積分器の後段で前記上限用
比較器の前段に接続された時定数を有する積分器と、を
備えた構成としたバーナの火炎検出装置であるから、前
掲した先行出願のものが有する利点のほか、不完全燃焼
と失火についてそれぞれに要求される検出時間を調整で
きることになる。このため、先行出願のものでは時間が
長くなりがちであった失火検出時間を短くすることがで
きることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の回路図である。

【図２】本発明の先行技術の実施例を示す回路図であ
る。

【図３】図１のものの作動および特性を示すグラフであ
る。

【図４】図３中のＤ部分における振動パワー電圧とＣＯ
との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 外筒 ２ 内筒 ３ ガスノズル ４ 燃料遮断弁 ５ 燃料供給管 ６ ガス ８ 火炎 11 空気 15 レンズ 17 光ファイバ 18 光センサ 19 増幅器 20 整流器 21 積分器 22 下限用比較器 23 上限用比較器 26 論理演算器 27 光パワー電圧の検出回路 28 積分器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バーナの燃焼火炎を検出する光センサ
   と、該光センサの検出出力を増幅する増幅器と、該増幅
   された信号を直流成分にする整流器と、該整流された信
   号から振動パワー信号を得る積分器と、該積分器により
   得た振動パワー信号を上限と下限のそれぞれについてあ
   らかじめ設定された値と比較する上限用比較器ならびに
   下限用比較器と、該上限用比較器ならびに下限用比較器
   の出力信号を論理演算してその結果により前記バーナの
   燃料遮断弁の作動制御を行なう論理演算器と、前記積分
   器の後段で前記上限用比較器の前段に接続された時定数
   を有する積分器と、を備えたことを特徴とするバーナの
   火炎検出装置。