JPH0713583B2 - 音響高温測定装置および方法 - Google Patents

音響高温測定装置および方法

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JPH0713583B2
JPH0713583B2 JP63202810A JP20281088A JPH0713583B2 JP H0713583 B2 JPH0713583 B2 JP H0713583B2 JP 63202810 A JP63202810 A JP 63202810A JP 20281088 A JP20281088 A JP 20281088A JP H0713583 B2 JPH0713583 B2 JP H0713583B2
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ザ・バブコック・アンド・ウイルコックス・・カンパニー
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Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は一般的には高温度を測定する方法に向けられる
ものであり、特に測定されるべき高温度領域の媒体を伝
達し、領域の反対側で受信される音響波を利用する新規
かつ有用な高温度測定装置および方法に向けられるもの
である。媒体中の音響波の速度は温度とともに変化する
ので、音響波の速度の測定が、音響波の通路に沿う平均
温度を測定するのに使用できる。
［従来の技術］ ここに音響高温測定法と呼称される音響波の伝搬速度に
基く温度測定の考え方は1873年発行のPhil.Mag.、第45
巻、18ページで、A.M.Mayerにより最初に示唆されたも
のである。ところが、この測定を実現する装置構成はそ
の時点では入手できなかった。1983年イギリス国サザン
プトン市マーチウッド所在のマーチウッドエンジニアリ
ングラボラトリーズでのCentral Electrical Generatin
g委員会でのS.F.GreenおよびA.U.Woodhamらによる“Rap
id Furnace Temperature Distribution Measurement By
Sonic Pyrometry"と題された論文では、音源として高
強度の火花発生ギャップをそして信号受信機としてマイ
クロフォンを使用する音響高温測定法の実行可能性が論
議されている。標準の実験室用オシロスコープが、音響
波の到着を感知しかくして音響波の伝達時間を認定する
装置としてS.F.GreenおよびA.U.Woodhamらにより使用さ
れた。音響波が発生されそして伝達された瞬間に、オシ
ロスコープのＸ軸掃引のトリガが行なわれる。オシロス
コープの電子ビームのＹ軸線方向の運動を制御する被受
信信号により音響波がディスプレイスクリーン上に形と
なって出現せられるようにする。視覚による検査技術が
ある感知閾値または被受信信号の大きさに到達せられた
ときを認定するのに使用される。この技術は感知点が明
確に画定されないという欠点があった。信号がいつ到達
したかを知ることは閾値交差点の視覚による認定に依存
していた。このことは連続的な温度測定に適していな
い。視覚による検査技術は自動化できないしまた複数チ
ャネルの応用には使用できない。出力データは容易に使
用できる形式ではなかった。非常に高いレベルの音響信
号が必要とされ、このことは、音源として高強度の火花
を発生する高電圧を必要としていた。
かくして正確でそして実用的な技術が音響高温測定法で
依然として必要とされている。
音響高温測定法は特に蒸気発生器の種々の部品を横断す
る温度を測定するのに特に有用である。
煙道ガス温度が、ボイラ始動中およびボイラ稼動後の大
切な動作パラメータである。始動中、炉出口ガス温度
（FEGT、Furnace Exit Gas Temperature）が、蒸気流れ
が確立されるまで、過熱器管をオーバーヒートさせるの
を回避するために、連続的に監視されねばならない。よ
り高い動作負荷では、ガス温度が、炉の種々の場所でま
た面の清浄度についての指示を与えるために管列間で監
視される。
劣等品質の燃料はスラッギングやファウリングが増大す
る傾向がある。これによりボイラを退出する煙道ガス温
度の増大を通じてボイラ効果が低下し得る。熱伝達面の
清浄度を監視する方策として、ボイラの一定の種々の場
所でガス温度を連続的に測定することが有益なものとな
ろう。
水冷高速熱電対（HVT）プローブが583℃（1000゜F）以
上の温度の測定に使用されてきた。これらのプローブは
長年好結果を収めてきたが、ボイラ幅が12ないし20メー
トル（40ないし50フィート）を越える場合に、この種の
プローブを使用することは実用的でなくなる。なぜな
ら、プローブの最大限の作業長さは7.3メートル（24フ
ィート）だからである。水冷高速熱電対プローブは、特
定の場所の温度だけを決定するので、ボイラの一定の領
域の平均温度を測定するのに、非常に短い時間期間に、
複数の場所ごとの温度測定が行なわれねばならない。こ
れらのプローブはまた操作および保持が困難である。
光高温計もまた（主として燃焼帯域で）スポット読み取
り器を得る一つの方法として数年間使用されてきた。と
ころが、この種の高温計は信頼性が高いためには、種々
の光学波長に応答しなければならない。温度測定が行な
われるべき場所へのガス媒体の熱勾配の多少の予備知識
もまた入手できなければならない。光高温計はボイラの
連続的測定装置として広範には使用されていない。光高
温計は、871℃（1600゜F）よりも下では良好に作動せず
そしてボイラ始動中の炉出口ガス温度（FEGT）を監視す
るのに有用ではないであろう。
音響高温測定法は高温度測定のための従来のシステムに
優る種々の利益を有する。一つの利益は、音響送信機と
音響受信機との間の視軸に沿う平均温度が測定できるこ
とである。
音響高温測定法を使用して煙道ガス分析を行なうため
に、２つの基本パラメーターが利用されねばならない。
ガス中の音速は、ガスの比熱、一般ガス定数、分子量お
よび絶対温度に依存し、以下のとおりである。
ｃ＝（kRT/M）0.5 （１） ここで、 ｃは音速（tf/s） ｋは比熱（無次元） Ｒは一般ガス定数（1545 ft−1b/mol−Ｒ） Ｔは絶対温度（Ｒ） Ｍは分子量（1b mole） である。
式（１）は音速を指示するのに標準的に与えられるもの
である。これを次元的に首尾一貫したものにするのに、
括弧内の分子の項は32.17 1bm−ft/1bf−s2を乗算する
必要がある。
式（１）は、 ｃ＝BT0.5 （２） ここで、 Ｂ＝（kR/M）0.5 と書き換えられる。
空気について、Ｂは標準的には、49 ft/s−Ｔ0.5 の値を有する。式（１）で唯一の温度依存変数はｋであ
るが、これは表１に示されるように、広範な温度範囲に
わたり大幅には変化しない。
空気についての比熱値は、乾き重量による（湿分1b/乾
き空気1b）湿分量が1.0パーセントのものに基く。煙道
ガスの比熱は、重量による（湿分1b/乾きガス1b）湿分
量の5.0パーセントを基礎として、乾き体積による窒素
量が82.0パーセント、酸素量が6.0パーセント、二酸化
炭素量が12.0パーセントに基くものである。表１の全値
は、1984年発行のASME PTC−11,Fansに従って計算し
た。
音速は音響波の伝達時間を測定し、順次伝達距離を伝達
時間で除算することにより決定される。ひとたび、音速
が分かると、温度は以下の式で示されるように計算でき
る。
ｃ＝d/t （３） ここで、 ｃは音速（ft/s）であり、 ｄは音波が伝達する距離（ft）であり、 ｔは音波の伝達時間（ｓ）である。
式（２）および式（３）を組合せると、距離および伝達
時間に対するガス温度の表現が与えられる。
Ｆ＝（d/Bt）２×106−460 （４） ここで、 Ｆは、ガス温度（゜F）であり、 ｄは距離（ft）であり、 Ｂは（式（２）で定義される音響定数）であり、 ｔは伝達時間（ms）である。
Clementらによる米国特許第３、137、169号では、音速
を測定しそして温度の指示を与えるために、プローブ内
で使用される音響波を発生するために、火花ギャップを
利用する。音速を測定しそして温度の指示を与えるため
に、プローブ内の伝搬する音の使用を説示する別の米国
特許は、Pirlet米国特許第３、399、570号、Mobsbyによ
る米国特許第３、595、083号、Miller Jr.による米国特
許第３、595、083号、Wlikieによる米国特許第４、00
5、602号、Peltolaによる米国特許第３、350、942号、G
refellらによる米国特許第３、534、609号、Lynnworth
による米国特許第３、538、750号がある。
最後の３つの参考文献では可聴者でなく超音波を利用す
る。
Kalmusによる米国特許第２、934、756号、Akitaらによ
る米国特許第４、201、087号、Akitaによる米国特許第
４、215、582号において、伝達音（それが可聴であろう
と超音波であろうと）と受信音との間の位相シフトが、
速度の測定にかくして温度の測定に使用可能である。温
度を測定するのに音の周波数シフトを使用することもま
たSteinbergによる米国特許第３、427、881号、Johnson
による米国特許第３、451、269号、Meyerらよる米国特
許第３、885、436号、Ahlgrenらによる米国特許第４、0
20、693号に開示されている。MacLennanらによる米国特
許第４、112、756号、Estrada、Jr.による米国特許第
４、145、922号において、受信機で明瞭な音パルスの存
在を感知することにより、音の通過時間かくして速度が
測定される。
温度の揺動を測定するために、可聴音および超音波を位
相シフトメーターと組み合わせて使用することが、Pard
ueらによる米国特許第２、834、256号に開示されてい
る。温度測定に音波を使用するプローブがBlackによる
米国特許第３、585、858号に開示されている。Innesに
よる米国特許第３、769、839号において、音波の周波数
もまた温度測定に使用される。
Ravussinによる米国特許第４、222、265号では、雰囲気
の温度を測定するのに、雰囲気中の音のドップラーシフ
トが使用される。Seppiによる米国特許第４、452、081
号では、生きている組織の温度を測定するのに超音波が
利用される。また、温度測定に音の使用を示すDiVencen
zoによる米国特許第４、469、450号を参照されたい。
いくつかの主たる障害が、音響高温測定法を、蒸気発生
器、ボイラまたは炉内に存在するような雑音が多くまた
不均質でそして乱れた環境での高温度測定に使用する際
に存在する。上記の文献のいずれのものも、音響波（そ
れが超音波であろうと可聴範囲にあろうと）が、雑音レ
ベルが可聴波と振幅にて匹敵しうる環境を横切って感知
されることのできる何らの方策も示唆していない。雑音
レベルは音響波よりも振幅にてより高くなることさえあ
る場合に、どのようにして可聴波が感知できるかについ
て確実な教示もなんらない。いくつかの文献では、音波
が伝搬する均質媒体を包含するプローブを利用すること
により問題を解決する。別の文献は、音響パルスが受信
機で明瞭に弁別できそして周囲雑音から区別可能なよ
う、振幅が十分高い音響パルスを利用する。
［発明の構成］ 本発明は、音響波の通過時間を測定しそして通過時間を
使用して音波について音速を計算し、音速を引き続き温
度を計算するのに使用することにより、雑音の多いそし
て乱れた環境を横切って伝達する音響波を使用する高温
測定レベルの温度測定装置および方法に向けられるもの
である。
本発明は、（伝達される音響波とバックグラウンド雑音
とを含む）受信波を、あるクリアな伝達波のサンプルと
の比較を行なう音響受信機で、相互相関計算を利用する
ものである。音波の到着時点は、サンプルと受信音との
間の相関が最大の点であると仮定される。これは、音響
波について実際の到着時点についての良好な測定を与
え、正確な温度測定値を与えるのに有効であることが分
かった。
本発明は、信号対雑音比が極端に悪い高い周囲雑音を持
つ環境で特に有効である。本発明によれば、音響波は、
周囲雑音が音響波の振幅の２倍に至る場合でさえも感知
できる。このことは、周囲雑音が高いので周囲雑音と等
しいかまたはそれ以上の振幅を有する音響波の供給があ
まりに高価なものにつくかまたは実際的でないであろう
場合に重要である。本発明の相互相関技術を使用する別
の利益が、受信音がサンプルとどの程度良好に相関する
かの尺度である「秤定値」が与えられることである。秤
定値1.0はサンプルと音との間の100パーセントの相関を
意味しよう。0.5程度またはそれよりも下の相関（受信
音とサンプルとの間の1/2相関）は依然として伝送され
る音響波について正確な到着時間を与える。より下方の
秤定値もまた有用である。なぜなら、それらは修正およ
び記憶でき順次、平均値と標準偏差と超過水準（指定秤
定値より上または下の読みの数）と悪い読みに対する良
好な読みの数が与えられるよう、統計的検査を課すこと
ができるからである。
秤定値はこうして得られる読みの「良好さ」の尺度であ
る。0.45程度の秤定値は依然として音響波について正確
な到着時間を与えることができる。
本発明を使用して行なわれたいくつかの検査では、終始
一貫して低い秤定値がボイラの低負荷検査中に発生せら
れることが見出された。これらは、高負荷での同一のボ
イラの以前の検査と比較すると非常に低くそしていくぶ
んばらつきがあった。本発明の技術は、音響波が横切っ
て行く距離にまたがる平均温度の測定があるので、秤定
値のばらつきの存在は、音響波が横切るバスの急な温度
勾配によるものであろう。これは、温度勾配によって音
波が屈折を受けるという事実によるものであろう。温度
勾配が急になるに従って（これは燃焼が不均一であるこ
とを示し）、秤定値は小さくなる。結果的に、秤定値は
燃焼の不均一性の良好な指示となろう。
本発明の別の利益ある特徴は、周波数変調を受けた正弦
波バーストである可聴範囲の音響波の使用にある。これ
ら周波数変調正弦波バーストは、音響波を受信機へ向か
って伝送するために、電磁送信機へ供給される。周波数
変調正弦波バーストはまた、相互相関操作で使用する基
準信号として、コンピュータでデジタル化されそして記
憶される。正弦波の周波数変調バーストは「チャープ」
と呼称する。「チャープ」は（たとえば、500Hz）の始
動周波数と（たとえば2500Hz）の停止周波数とを有す
る。信号の持続時間は、始動周波数および停止周波数間
での、直線的掃引に必要とされるサイクルの数により制
御される。始動周波数と停止周波数とは互いに独立であ
り、システムプログラム入力変数により制御される。
有利であることには、本発明は可聴範囲の音を使用す
る。ボイラ応用で通常使用される周波数は500ないし300
0Hzである。特別の応用について、超音波周波数への拡
張でさえも可能なより広範な範囲の周波数さえもが本発
明により利用可能である。燃焼を含む種々の応用につい
て、バックグラウンド雑音が500Hzよりも下で優勢であ
る。この種の環境での減衰損失は周波数について上限を
設定する。かくして蒸気発生器および炉には、上記に設
定される可聴周波数が最も良好である。この周波数範囲
の高いほうの端は、信号検出、タイミングと温度分解能
の観点から最も良好である。
興味あることには、フラッシュブラックリカースプレー
および炉のその他の浮遊粒子は、温度検出を行なうため
の音響波の使用に悪影響を与えることはないように思わ
れる。
それゆえ、本発明の一つの目的は、音響雑音を含みそし
て互いに距離が知られる側壁により境界付けられる空間
の媒体の高温度を測定する装置において、 ある選択される波形を有しそして選択される伝送時点に
伝送される音響波のパルスを一方の側壁の方向に伝達す
る他方の側壁にある音響送信機と、 受信信号を形成する音響波パルスに空間の音響雑音を加
えたものを受信する一方の側壁にある音響受信機と、 サンプル波形を記憶する手段と、 音響波パルスの到着時間と考えられるサンプル波形と被
受信信号との間の最大相関時点を決定するために、側壁
間での音響波パルスの最大限の通過時間よりも長い時間
期間中、サンプル波形と被受信信号との比較を行ない、
伝送時点と到着時点との間の時間の量が送信機と受信機
との間での音響パルスの実際の通過時間である手段と、 媒体の温度を、媒体を横切る音響波パルスの速度を与え
る側壁間の知られる距離および実際の通過時間の関数と
して並びに媒体の比熱および分子量の関数として計算す
る手段とから構成される高温度測定装置を提供すること
である。
本発明のさらに他の目的は、音響雑音を含みそして知ら
れる距離だけ分離される側壁により境界付けられる空間
の媒体の高温度を測定する方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、設計が簡単で構造が堅牢で
製造費用の安い高温度測定装置を提供することである。
［好ましい実施例の詳細な説明］ 図面を参照すると、第１図および第２図に図示される本
発明により、総括的に参照番号10で図示されるボイラの
ガスのような媒体の高温度を、ボイラの一方の側壁22に
装着される送信機20からボイラの側壁22とは反対側の側
壁でその両側壁間のボイラの幅に対応する距離ｄの場所
に装着される音響受信機26の方向へ音響波を伝送するこ
とにより測定する装置および方法が提供される。本発明
により、送信機／受信機セットが、送信機とその受信機
との間でボイラを横断する平均温度を測定するのに適当
なボイラ10の任意の場所に装着できる。
第２図に図示されるように、送信機20は側壁22に装着さ
れるホーン部材30を備える。観察口または扉のようなす
でに利用できる開口に、ホーン部材を装着することが有
利である。
受信機26が反対側の側壁24に装着されるホーン部材32と
一緒に同様に提供される。
導波路36がホーン部材30の外側端部に接続され、そし
て、導波路38のホーン部材32の外側端部に接続される。
受信機20および受信機26は両方とも、同じかまたは異な
る設計とし得る音響トランスジューサ40および42を別々
に備える。本発明を含む種々の試みで使用されたものの
一例が、Altec 290−8Kであり、これは送信トランスジ
ューサおよび受信トランスジューサの両方に使用でき
る。このトランスジューサはカリフォルニア州アナハイ
ム市のアルテック社より入手可能である。それは126dBm
の音を発生することができる。
受信トランスジューサおよび送信トランスジューサが特
にその露出されたダイヤフラムがいずれもコンタミネー
ションから回避せられるよう、パージ弁44の形式の除去
装置が、導波路36へ接続される除去空気ライン46に接続
される。同様のパージ弁48および空気ライン50が導波路
38に提供される。
パージ弁44、48は、種々の電子部品を天候や塵埃から保
護するために、ボイラの外側に装着されるエンクロージ
ャー54内に包有される制御および表示アッセンブリ52に
より制御可能である。
音響プロセッサ56が制御ユニット52へ接続され、音響波
パルスの発生に使用される信号を処理しそして受信機が
受信する音響波を解釈するコンピュータまたはその他の
計算手段を備える。プロセッサ56は、音響トランスジュ
ーサ40を駆動するために、パワー増幅器60を介して動作
する。プロセッサ56はまた受信トランスジューサ42より
与えられる受信機増幅器62からの信号をも受信する。
ボイラの別の領域を監視する追加の送信機および受信機
のセットを支援するために、増幅器60、62に追加の端子
が提供可能である。
パワー接続部64が110ボルト直流電力を、エンクロージ
ャー54の電子回路系に与える。アナログ出力66、ディス
プレイ出力68および端子出力70が、それぞれ、制御ユニ
ット52へ接続され、そしてたとえばボイラの遠隔制御ス
テーションのような遠隔の場所に位置決めされる。
本発明は、送信機と受信機との間の視軸に沿うボイラの
平均温度の測定が可能である。
プロセッサ56は、増幅器60を通じて、そして、導波路36
およびホーン部材30を通じボイラへそれから受信機ホー
ン部材32へ向かって伝送される音の「チャープ」または
音響波パルスを発生するトランスジューサ40を通じて印
加される信号を発生する。
変調を受けた非周期的な音響波パルス（以下、被変調非
周期的音響波パルスという）の相互相関関数が相関の最
大が起こるただ一つのサンプルポイントを有するので、
本発明では、非変調非周期的音響波パルスを選択した。
このサンプルポイントは、音響信号の伝送時点と受信時
点との間で、特定の時間遅延すなわち通過時間を表す。
増幅器62で増幅されそしてプロセッシングユニット56へ
与えられる受信トランスジューサ42からの音響信号は、
音響波パルスとボイラ内に常に存在する音響雑音との両
方を含む。プロセッシングユニット56は受信信号をディ
ジタル化し、そして、標準的には１秒間に30、000サン
プルの制御されるサンプリングレートで、ディジタル化
受信信号を音響送信機から伝送されたパルスのディジタ
ル化サンプルと比較する。このパルスはそのディジタル
化形式にてコンピュータのプロセッシングユニット56に
記憶できる。
第3A図は音波の伝送パルスを図示する。
第3B図は伝送パルスの成分とバックグラウンド雑音とを
含む受信トランスジューサの被受信信号を図示する。
被受信信号は第3C図に図示されるように時間領域が拡大
される。被受信信号はディジタル化されそして順次第3A
図の伝送パルスに対応するディジタル化サンプル波と比
較される。この比較の結果、第3D図に図示される相関関
数が生ずる。垂直ラインが図示する相関関数の最大は、
伝送パルスの到着の時点を表す。パルスの伝達時点とパ
ルスの到着時点との間の時間は、ボイラの媒体を横切る
パルスの速度を計算するのに使用できるパルスの通過時
間を与える。被受信信号の「良好さ」の割合すなわち品
質の画定を行なうデータ秤定値は、理論的に0.0から1.0
とされ、1.0は完全な100％の整合の場合である。
実際の現場の検査は、0.5ないし0.8秤定値がたいていの
場合に得られることを示す。
本発明の装置は、「チャープ」周波数の制御、個々の伝
送の数および伝送間の遅延時間、バックグラウンド雑音
を平均化するのにどれくらいの数の伝送が一緒に平均化
されるかそしてどれくらいの数のサンプルがプロセッシ
ングユニットのバッファメモリに記憶されるかの点で、
相当な融通性を提供する。これらのパラメータの大きさ
は装置の性能を最適化するために、制限範囲内で変化さ
せることができる。
本発明の複数の音響高温計の使用により、面内の種々の
音響パッドに沿う種々の温度がＤ型畳み込みとして知ら
れる数学的技術によって得られる。これは、面内の温度
の輪郭を与えそして全タイプのボイラのバーナーの良好
なチューニングを行なうための指針を提供することによ
り、燃焼過程の最適化を可能にする。
あるボイラは、30.48m（100ft）に匹敵する幅を有す
る。本発明はこれらの応用でも利用できる。ホーン部材
の内部は、指数関数的なトランペット状のフレア部を持
つよう設計されるべきである。伝送パワーが不適当なホ
ーン設計により50％ないし70％程度減少するので、これ
は送信機側で特に望ましい。これにより、できるだけ多
くの音響エネルギーがボイラ空間に結合される。これは
受信機の入口領域が装置の感度をできるだけ高めるため
に単にできるだけ広いものとすべきである受信機側では
それほど重要ではない。ボイラ壁に対するトランスジュ
ーサの接近という点を考えて、トランスジューサの過剰
の加熱を回避するための注意もまた必要であった。一つ
の方法は、ホーン部材にフィンを提供することである。
これにより、外部水冷動作の必要性が回避される。トラ
ンスジューサとホーンとの間に接続される導波路はトラ
ンスジューサのダイヤフラムを腐蝕性ガスから保護す
る。導波路は、内に45゜ないし90゜のベンドを有するこ
との可能な長さの短い管から構成される。円形または矩
形のホーン部材の利用が有効であった。トランスジュー
サのスロート部／マウス部の大きさと使用する音の周波
数および波長が分かると、導波路およびホーンの長さ
は、よく知られる音響技術を使用して簡単に解決でき
る。導波路およびトランスジューサには何らのベンドも
ないのが好ましいであろうが、それは、観察扉などの使
用が可能であると同時に装置を箇所に置くために使用さ
れ、それで、ベンドは「外側へ上向きに」湾曲されてい
る。
さらに、過酷な動作環境（たとえば、ソルトケーク問題
等）では、残渣を除去するために、実際に導波路の「ロ
ッド操作」を必要とした。さらに、トランスジューサの
重量（各々18kg（40ポンド）以上）は、長く拡張される
フレアをして機械的設計上の問題となるのを回避せしめ
た。
パージ空気はトランスジューサの下流の方へと導波路に
入れられる。
本発明はまたスートブロワ（煤吹き器）を有する種々の
ボイラでも検査された。これらの応用では、信号対雑音
比は、煤吹き動作中、音響高温測定法が困難または不可
能であるほどに、悪かった。かくして、本発明によれ
ば、周囲雑音を感知する手段とともにプロセッサ56が提
供され、周囲雑音が許容可能なレベルへ低下する（すな
わち、煤吹き動作が行なわれないとき）そのときだけ、
音響パルスの送信、受信および処理が行なわれ、音響高
温測定法を使用する温度決定が行なわれる。これによ
り、煤吹き動作間の「窓」が、温度の準連続的測定の提
供に受け入れ可能であることが見出されたように考えら
れる。
本発明の検査中に観察される別の問題は、低温度測定で
生ずる誤り遅延信号の発生であった。誤り遅延信号は、
音響波の伝達方向に平行に延長するボイラの近傍の壁か
ら遠くへ反射される音信号によるものであった。被反射
波は、しばしば視軸線の波よりも優勢であった。被反射
音は、視軸線の音ではなく、最大の相関の音を発生して
いたので、相関技術は順次到着時点の遅延を招いた。こ
の問題を解決するために、送信機はボイラの前方壁72か
ら遠くの場所に配置された。
考慮された別の要因は、ホーン部材および導波路内の冷
えたガス温度であった。音響波はこの冷えた温度のガス
をも横断し、厳密な意味でのボイラの媒体についての温
度測定値の人工的な低下を招いた。しかし、これは、導
波路で得られる面温度測定値に基く時間変移を計算する
ことにより容易に修正できた。これは、全体の被測定通
過時間から除算され、残りの通過時間が熱い煙道ガスを
通ずるものと考えられる。
相互相関機能を達成するためにプロセッシングユニット
56のコンピュータにプログラムされるアルゴリズムは、
実際には、ディジタル化されるパルスサンプルとディジ
タル化受信信号の「破片（スナップショット）」との比
較を行なった。これは１秒当り30、000回行なわれた。
実際には、これは、サンプル信号のグラフ図の上を受信
信号のグラフ図をスライドさせそして場所ごとに２つの
場所を比較するようなものである。２つの比較場所がほ
とんど接近している場合、これは、本発明の到着時点と
考えられる最大相関点である。
２組のデータについての相互相関関数は、一方の組のデ
ータ値の他方の組のデータ値に対する一般的な依存性を
説明する。記憶されるサンプルの時間的経過を時間関数
ｘ（ｐ）であるとし、被受信信号の時間的経過を関数ｙ
（ｔ）とすると、時点Ｔでの値ｘ（ｔ）および時点ｔ＋
t1でのｙ（ｔ）の相互相関関数についての推定値は、ち
ょうど自己相関関数について行なわれるように、観察時
間Ｔにわたり、２つの値の平均積をとることにより得ら
れる。結果的に得られる平均積は、Ｔが無限大に接近す
るに応じて、正確な相互相関関数に接近する。すなわ
ち、 である。
関数Rxy（t1）は正または負いずれかである常に実数値
の関数である。さらに、この関数は、自己相関関数で成
り立つであろうようなt1＝０で最大である必要はない。
この関数はまだ自己相関関数について成り立つような偶
関数ではない。しかし、関数Rxy（t1）は、ｘおよびｙ
が交換されるときに縦座標の周囲にまさに対称である。
すなわち、 Rxy（−t1）＝Rxy（t1） （６） である。
相互相関関数の絶対値を制限する役に立つ関係が、 である。
Rxy（t1）＝０のとき、関数ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）は
相関されないといわれる。もしｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）
が統計的に独立であるならば、ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）
のいずれも平均値が０でないと仮定すると、すべての時
間変位について、Rxy（t1）＝０である。もしｘ（ｔ）
およびｙ（ｔ）双方の平均値が０でないならば、この場
合、相互相関関数はすべての時間変位について値uxおよ
びuyを持つであろう。たとえば、第3D図に図示されるよ
うな相関関数のプロット図はクロスコレログラムと呼称
される。この曲線のピークは２つの関数間の最大相関の
存在を示す。
プロセッシングユニット56のコンピュータのアルゴリズ
ムは相互相関関数の近似値を得るようプログラムされて
いる。
遅延数ｒ＝０、１、２、…、ｍでのサンプル相互相関関
数についての偏倚されない推定値は、 により定義される。
相互相関関数 はxnおよびynのデータ値の交換により相異なることに注
意されたい。式（９）および（10）のＮ−ｒによる除算
の代わりに、もしＮがｍよりも非常に小さいならば、Ｎ
で除算することがより便利である。
サンプル相互相関関数Rxy（rh）は、それらを により除算することにより、＋１ないし−１間の値を有
するよう標準化できる。
これは、理論的に−１≦Pxy（rh）≦１を満足する。同
様の式がPyx（rh）について存在する。
水冷高速熱電対（HVT）プローブが音響高温測定法の精
度を確認するのに使用された。負荷が128MWe（全負荷25
0MWE）のボイラの温度測定に本発明が使用されたとき試
験では、音響高温測定法は約817℃（１、500゜F）の２
つの場合で、対応する一つの温度を生じた。HVTデータ
はこれら２つの場合にそれぞれ約870℃（１、595゜F）
と約875℃（１、605゜F）を示した。幅が21m（69ft）の
別のボイラでは、炉出口ガス温度（FEGT）は音響高温測
定方を使って、１、160℃（２、120゜F）に測定され
た。HVT温度は平均１、291℃（２、359゜F）であった。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に従って、２次過熱器近傍でボイラ幅
を横切る平均ガス温度を音響的に測定するために装着さ
れる送信機及び受信機を備えたボイラの模式的な斜視図
である。 第２図は、本発明の装置の模式図である。 第3A図は、本発明による、被伝送音波パルスの時間に対
する振幅のプロット図である。 第3B図は、本発明の受信機での被受信信号に雑音が加わ
ったものを図示する時間に対する振幅のプロット図であ
る。 第3C図は、第3B図の信号を拡張する時間に対する振幅の
プロット図である。 第3D図は、送信機から受信機へのパルスの到着時点を設
定する最大相関時点を指示する被伝送パルスのサンプル
と被受信信号との間の相関の時間に対する振幅のプロッ
ト図である。 第４図は、本発明による受信機および送信機の構成を図
示する模式図である。 図中の各参照番号が示す主な名称を以下に挙げる。 10:ボイラ 20:送信機 22:側壁 24:側壁 26:音響受信機 30:ホーン部材 32:（受信機）ホーン部材 36:導波路 38:導波路 40:音響トランスジューサ 42:音響（受信）トランスジューサ 44:パージ弁 46:除去空気ライン 48:パージ弁 50:空気ライン 52:制御および表示アッセンブリ（制御ユニット） 54:エンクロージャー 56:プロセッシングユニット（音響プロセッサ） 60:パワー増幅器 62:受信機増幅器 64:パワー接続部 66:アナログ出力 68:ディスプレイ出力 70:端子出力 72:前方壁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・アーサー・クレッペ 米国ネバタ州レノ、グリーンズボロ・ドラ イブ2425 (72)発明者 ピーター・リチャード・ノートン 米国ネバタ州レノ、ピーオーボックス9869 (56)参考文献 特開 昭61−265540（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−98324（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−102127（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−111005（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−31009（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−106857（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭41−5559（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】音響雑音を包含しそして側方壁（22、24）
    により境界付けられる空間の媒体の高温度を測定する装
    置において、 当該空間に音響波を送信する側方壁（22）の導波路（3
    6）内の音響送信機（20）と、 別の側方壁（24）の導波路（38）内で前記送信機からあ
    る既知の距離の場所に配置され、当該空間内の音響波に
    音響雑音を加えたものを受信し、受信信号を形成する音
    響受信機（26）と、 音響波について通過時間を決定するための手段（56）と
    を具備し、 前記側方壁は互いに既知の距離（ｄ）の場所にあり、 前記音響送信機の導波路が一方の側方壁（22）でホーン
    部材（30）に接続されるとともに、前記音響送信機は使
    用の際に、始動周波数と停止周波数と当該始動および停
    止周波数間での直線的な掃引に必要とされるサイクルの
    数により制御される持続時間とによって画定されるある
    選択された波形を有する、そして選択される伝送時点に
    伝送される非周期的な周波数変調音響波パルスを別の側
    方壁へ送信するよう構成され、 音響波パルスに当該音響波パルスの振幅に匹敵し得るま
    たはこれよりも大きな振幅とし得る空間内の音響雑音を
    加えたものを受信するため前記音響受信機の導波路が他
    方の側方壁にてホーン部材（32）に接続され、受信信号
    を形成し、 前記音響波について通過時間を決定するための手段が、 波形のサンプルを記憶するための手段（56）と、 音響波パルスの到着時点と考えられる前記サンプルと受
    信信号との間の最大相関点を決定するために、側壁（2
    2、24）間の音響波パルスの最大通過時間よりも長い時
    間期間の間、相互相関演算においてサンプルを受信信号
    と比較しそして前記伝送時点と前記到着時点との間の時
    間量が送信機と受信機との間の音響波パルスの実際の通
    過時間となる比較手段（56）と、 導波路で得られる面温度測定に基づいて変移時間を計算
    し、導波路およびホーン内の媒体の温度について実際の
    通過時間を修正するための手段（56）とを具備すること
    を特徴とし、 さらに、 媒体の温度を、媒体を横切る音響波パルスの速度を与え
    る側壁間の既知の距離（ｄ）、変移時間および実際の通
    過時間の関数として並びに媒体の比熱および分子量の関
    数として計算するための手段（56）とを具備する高温度
    測定装置。
  2. 【請求項２】音響送信機（20）および音響受信機（26）
    はそれぞれ導波路に接続された音響トランスジューサ
    （40、42）を具備する請求項１の高温度測定装置。
  3. 【請求項３】導波路（36、38）は90゜に湾曲され、側方
    壁（22、24）はボイラ（10）の側方壁であり、導波路の
    汚染物を除去するため、当該トランスジューサの導波路
    下流に接続されたパージ空気ライン（46）に接続された
    パージ弁（44）を具備する請求項２の高温度測定装置。
  4. 【請求項４】サンプルを記憶する手段（56）はサンプル
    をディジタル形式で記憶し、サンプルと受信信号とを比
    較する手段（56）は受信信号をディジタル化しこれをデ
    ィジタル化されたサンプルと比較する請求項１、２また
    は３のいずれかに記載の高温度測定装置。
  5. 【請求項５】前記比較手段（56）が前記時間期間中、複
    数の各別の時点にサンプルと受信信号とを比較するよう
    動作する請求項４の高温度測定装置。
  6. 【請求項６】前記媒体がガスでありそして前記導波路の
    面温度を測定するための手段を具備する請求項１〜５の
    いずれかに記載の高温度測定装置。
  7. 【請求項７】音響雑音を包含しそして互いに既知の距離
    （ｄ）だけ離れている側方壁（22、24）により境界付け
    られる空間の媒体の高温度を測定する方法において、 一方の側方壁（22）でホーン部材（30）と結合される導
    波路（36）を具備する音響送信機（20）から、始動周波
    数と停止周波数と当該始動および停止周波数間での直線
    的な掃引に必要とされるサイクルの数により制御される
    持続時間とによって画定されるある選択された波形を有
    しそして選択される伝送時点に伝送される非周期的な周
    波数変調音響波パルスを別の側方壁（24）へ向けてある
    伝送時点に送信し、 波形のサンプルを記憶し（56）、 音響波パルスに当該音響波パルスの振幅に匹敵し得るま
    たはこれよりも大きな振幅とし得る音響雑音を加えたも
    のを、他方の側方壁（24）でホーン部材（32）に接続さ
    れた導波路（38）を具備する音響受信機（26）で受信
    し、受信信号を形成し、 音響波パルスの到着時点と考えられる前記サンプルと受
    信信号との間の最大相関点を決定するために、側方壁間
    の音響波パルスの最大通過時間よりも長い時間期間の
    間、受信信号をサンプルと比較しそして前記伝送時点と
    前記到着時点との間の時間量を各音響波パルスの実際の
    通過時間とし、 導波路で得られる面温度測定に基づいて変移時間を計算
    し、導波路およびホーン部材内の媒体の温度について実
    際の通過時間を修正し、そして 媒体の温度を、媒体を通る音響波パルスの速度をもたら
    す側方壁間の既知の距離（ｄ）と変移時間と実際の通過
    時間の関数としてならびに媒体の比熱および分子量の関
    数として計算する諸段階から構成される高温度測定方
    法。
  8. 【請求項８】最大相関点でのサンプルと受信信号との間
    の相関量を、比較の品質を量的に表す秤定値として認定
    し、当該秤定値は０から１の範囲であり、そして0.45以
    上の秤定値を有する最大相関のみを使用し、媒体を通る
    音響波パルスの速度をもたらす既知の距離（ｄ）と実際
    の通過時間の関数としてならびに媒体の比熱および分子
    量の関数として計算（56）することを含む請求項７の高
    温度測定方法。
  9. 【請求項９】パージ空気を、空間に向けられる各ホーン
    部材（30、32）に供給し、汚染物が各ホーン部材に入ら
    ないようにすることを備える請求項７または８のいずれ
    かに記載の高温度測定方法。
  10. 【請求項１０】側方壁（22、24）は媒体を形成するガス
    を包含するボイラ（10）の側方壁であり、ボイラには、
    間欠的な煤吹き動作が課せられてボイラの煤吹きが行な
    われ、そして煤吹きと煤吹きとの間のみ音響波パルスを
    伝送することを備える請求項７〜９のいずれかに記載の
    高温度測定方法。
  11. 【請求項１１】音響波パルスはそれぞれ、500Hzないし3
    000Hzの範囲内の変調周波数を含む請求項７〜10のいず
    れかに記載の高温度測定方法。
  12. 【請求項１２】サンプルおよび受信信号は、比較される
    前にディジタル化される請求項７〜11のいずれかに記載
    の高温度測定方法。
  13. 【請求項１３】サンプルと受信信号を、時間期間中、単
    位秒あたり複数の各別の時点に比較することを含む請求
    項７〜12のいずれかに記載の高温度測定方法。
  14. 【請求項１４】前記信号は、始動周波数と停止周波数と
    当該始動および停止周波数間での直線的な掃引に必要と
    されるサイクルの数により制御される持続時間とを有す
    る非周期的な周波数変調音響パルスである請求項13の高
    温度測定方法。
  15. 【請求項１５】音響雑音を包含しそして側方壁（22、2
    4）により境界付けられる空間の媒体の高温度を測定す
    る装置において、 当該空間に音響波を送信する側方壁（22）の導波路（3
    6）内の少くとも一つの音響送信機（20）と、 別の側方壁（24）の導波路（38）内で前記送信機からあ
    る既知の距離の場所に配置され、当該空間内の音響波に
    音響雑音を加えたものを受信し、受信信号を形成する少
    くとも一つの音響受信機（26）と、 音響波について通過時間を決定するための手段（56）と
    を具備し、 前記側方壁は互いに既知の距離（ｄ）の場所にあり、 音響送信機（20）および音響受信機（26）の複数組が当
    該壁内に配置され、組の音響送信機および音響受信機が
    互いに対向配置されており、 各音響送信機の導波路が側方壁（22）でホーン部材（3
    0）に接続されるとともに、音響送信機が使用の際に、
    始動周波数と停止周波数と当該始動および停止周波数間
    での直線的な掃引に必要とされるサイクルの数により制
    御される持続時間とによって画定されるある選択された
    波形を有しそして選択される伝送時点に伝送される非周
    期的な周波数変調音響波パルスを音響受信機（26）へ向
    かうパスに沿って送信するよう構成され、 音響波パルスに当該音響波パルスの振幅に匹敵し得るま
    たはこれよりも大きな振幅とし得る空間内の音響雑音を
    加えたものを受信するため各音響受信機の導波路が他方
    の側方壁でそれぞれホーン部材（32）に接続され、受信
    信号を形成し、 前記通過時間を決定するための手段が、 波形のサンプルを記憶するための手段（56）と、 音響波パルスの到着時点と考えられる前記サンプルと受
    信信号との間の最大相関点を決定するために、前記パス
    （22、24）の方向の音響波パルスの最大通過時間よりも
    長い時間期間の間、相互相関演算においてサンプルを受
    信信号と比較しそして前記伝送時点と前記到着時点との
    間の時間量が当該パス方向の送信機と受信機との間の音
    響波パルスの実際の通過時間となる比較手段（56）と、 導波路で得られる面温度測定に基づいて変移時間を計算
    し、導波路およびホーン内の媒体の温度について実際の
    通過時間を修正するための手段（56）とを具備すること
    を特徴とし、 さらに、 それぞれのパス方向の媒体の温度を、媒体を通ずる各パ
    ス方向の音響波パルスの速度を与える側壁間の既知の距
    離、変移時間および各パス方向の実際の通過時間の関数
    として並びに媒体の比熱および分子量の関数として計算
    するための手段（56）を具備し、媒体の高温度が、音響
    雑音を包含しそして側方壁（22、24）により境界付けら
    れる空間におけるある面内の種々の音響パスに沿って測
    定され、当該面内の温度の輪郭を与えることを特徴とす
    る高温度測定装置。
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