JPH07181146A - 集塵機の異常検出方法とその異常検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 窓部の汚れに影響されることなく、高濃度領
域でも安定して集塵機の異常を検出できるようにする。 【構成】 集塵機の出側に接続された管路２を流れる含
塵ガス３に、この含塵ガス３の流れ方向に対して直角に
ならない角度で３０ＧＨｚ以上のミリ波帯域の電磁波４
を照射し、この電磁波４が前記含塵ガス３に含まれるダ
スト６によって散乱された散乱波７を検出するととも
に、前記電磁波４と前記散乱波７とのドップラーシフト
量を取り出して同シフト量の周波数スペクトルを求め、
この周波数スペクトルに基づいて前記集塵機の異常を検
出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集塵機の異常検出方法
とその異常検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、製鉄所においては転炉等の発塵
する場所が多く、作業環境を維持するために各所に集塵
機が設けられていて、最近では集塵性能の観点からバグ
フィルタが使用されることが多い。図１１はかかるバグ
フィルタ３５の一例を示すもので、配管３６より入った
含塵ガス３７は風量調節用のダンパー３８を通じて集塵
槽３９に入る。この集塵槽３９内には筒状の濾布よりな
るバグ４０が懸架装置４１を介して多数配列されてい
て、含塵ガス３７はこの各バグ４０を通過して濾過さ
れ、その濾過されたガスのみが出口４２へ排出される。

【０００３】各バグ４０の内面に溜まったダスト４３
は、上記懸架装置４１に振動を与えることにより、ある
いは出口４２側から洗浄風を逆に圧送する（逆洗）こと
により、下方に叩き落とされる。図１２は集塵設備の全
体構成図で、図１１に示すバグフィルタ３５が通常４個
から８個並設されており、含塵ガス３７は送風機４４に
より各バグフィルタ３５に送り込まれ、その中の各バグ
・・は定期的に入側ダンパー４５と出側ダンパー４６に
よって集塵と逆洗を切り換えている。集塵済みのガスは
管路４７を通って煙突４８に送られるが、バグフィルタ
・・の種類によってはその途中に誘引ブロワー４９が設
けられる。

【０００４】上記バグフィルタ３５では、集塵槽３９内
の各バグ４０が振動によって破れることがある。一旦こ
れが破れると含塵ガス３７がそこから多量に漏れだし、
煙突４８から大量の塵埃が大気中に放出され、環境保全
上重大な問題が生じる。そこで、従来、製鉄所内では以
下のような対策を講じている。 （１） バグ４０の前後（例えば、図１１の配管３６と
出口４２）に差圧計を設け、この差圧計の圧力値の異常
変動をキャッチして集塵機の異常（バグ４０の破れ）を
検出する。 （２） 図１２のＢ又はＣに示す管路内に光学式ダスト
濃度計を設置し、この濃度計の値に基づいて集塵機の異
常を検出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記（１）の
検出方法では、バグ４０の破れた瞬間だけしか差圧が発
生せず、その一瞬を確実に検出することが難しいのでバ
グ４０の破れを見逃すおそれが高い。また、この検出方
法はバグ４０の破れが小さくて差圧が生じない場合には
役に立たない。

【０００６】一方、上記（２）の方法ではそのような不
都合は生じないが、従来の光学式ダスト濃度計では、投
光器から入射した光の透過又は散乱光の強度を直接解析
してダスト濃度を求めているので、静止したダストにも
反応してしまう。従って、管路に設けた窓部にダストが
付着して汚れると間違って異常を検知することがあるた
め、その保全に手間がかかり、長期間安心して使用する
ことができない。

【０００７】また、光学式ダスト濃度計の場合、透過又
は散乱光の強度からダスト濃度を求めるため、低濃度域
における濃度測定には適するが、ダスト濃度が高いとす
ぐに飽和してしまい、検出できる濃度レンジが小さく高
濃度域では信頼性が落ちる。これより、従来の光学式ダ
スト濃度計は異常発生の後でもすぐに濃度が上がらない
図１２の位置ＢやＣに設置され、異常発生の後に濃度が
急激に上がる位置Ａ（バグフィルタ３５の直後の管路）
には設置できなかったので、どのバグフィルタ３５に異
常があるかを検出することができなかった。

【０００８】本発明は、このような実情に鑑み、窓部の
汚れに影響されることなく、高濃度領域でも安定して集
塵機の異常を検出できる集塵機の異常検出方法とその異
常検出装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は次の技術的手段を講じた。即ち、請求項１に記
載の発明は、集塵機の出側に接続された管路を流れる含
塵ガスに、この含塵ガスの流れ方向に対して直角になら
ない角度で３０ＧＨｚ以上のミリ波帯域の電磁波を照射
し、この電磁波が前記含塵ガスに含まれるダストによっ
て散乱された散乱波を検出するとともに、前記電磁波と
前記散乱波とのドップラーシフト量を取り出して同シフ
ト量の周波数スペクトルを求め、この周波数スペクトル
に基づいて前記集塵機の異常を検出することを特徴とす
る。

【００１０】また、請求項２に記載の発明は、ドップラ
ーシフト量から求めた周波数スペクトルの面積に対応す
る管路内のダスト濃度を求め、このダスト濃度の値に基
づいて集塵機の異常を検出することを特徴とする。更
に、請求項３に記載の発明は、ドップラーシフト量から
求めた周波数スペクトルのピーク値を与える周波数に対
応して管路内のダスト粒子の平均流速を求め、このダス
ト粒子の平均流速の値に基づいて集塵機の異常を検出す
ることを特徴とする。

【００１１】請求項４に記載の発明である集塵機の異常
検出装置は、集塵機の出側に通じる管路内の含塵ガスの
流れ方向に対して直角にならない角度で３０ＧＨｚ以上
のミリ波帯域の電磁波を照射する照射手段と、前記電磁
波が前記含塵ガスに含まれるダストによって散乱された
散乱波を検出する検出手段と、前記電磁波と前記散乱波
とのドップラーシフト量を取り出すミキサーと、前記ド
ップラーシフト量の周波数スペクトルを求めてこの周波
数スペクトルの面積若しくは同スペクトルのピーク値を
与える周波数又はこれらの双方の値を計算する計測手段
と、を備えていることを特徴とする。

【００１２】

【作用】含塵ガスに含まれるダストは直径約０．１μｍ
〜数μｍオーダーのものが中心であるが、これに対して
光学式ダスト濃度計は０．５μｍ〜１μｍ程度の波長の
光波を使用していて、主としてこの光波のミー散乱を利
用している。これより、従来の光学式ダスト濃度計の考
え方では、波長の長い波動を用いるとダスト群を通過し
てしまい、散乱は殆ど生じない。

【００１３】しかし、バグフィルタ通過後のガスでも２
０〜３０ｍｇ／ｍ³ 程度の含塵量であり、ミー散乱は十
分な大きさで生じている。一方、バグが破れた場合の５
００ｍｇ／ｍ³ 程度の含塵ガスに対しては、後方散乱・
透過ともに飽和してしまうし、窓部の汚れが生じやすく
なるため、従来の光学式濃度計では安定的な検出は難し
い。

【００１４】そこで、本発明は、ダストの付着による多
少の窓部の汚れを通過し、かつ流れているダストに対し
てのみ反応するものとして、波長１０ｍｍ以下のミリメ
ートル波によるドップラーレーダーを採用している。す
なわち、ミリ波領域ではやはりその波長よりも数桁も下
の粒子群による散乱は小さく、単なる散乱又は透過を利
用するだけの従来のダスト濃度検知は困難であるが、図
１（ｃ）に示すように、動いているダスト粒子６Ａにあ
る照射角度θをもって３０ＧＨｚ以上のミリメートル波
帯域の電磁波４を照射すると、きわめて僅かではあるが
後方散乱波が生じる。

【００１５】ここで、この後方散乱波は粒子６Ａの速度
ｖによりドップラーシフトを受けているため、下式で示
すようなもとの照射した電磁波との混合（ヘテロダイ
ン）によるドップラー信号ｆ_d が得られる。 ｆ_d ＝２ｖ・ｃｏｓθ／λ （λ：発振波長） このドップラー信号ｆ_d は数ｋＨｚ以下となり、最初の
発振周波数に比べて非常に小さい周波数であってこのド
ップラー信号ｆ_d の部分のみ選択増幅できるので、結果
として大きな信号を得ることができる。例えば、λ＝５
ｍｍ、発振周波数６０ＧＨｚ、θ＝４５°、ｖ＝２０ｍ
／ｓｅｃとした場合、ｆ_d ＝５．６ｋＨｚとなる。

【００１６】このドップラー信号ｆ_d の周波数スペクト
ルを模式的に描いたものが図２であり、この図の縦軸は
ドップラー周波数ｆ_d の各成分（反射強度）、横軸はド
ップラー周波数ｆ_d である。図２において、ドップラー
周波数ｆ_d の最大値ｆ_max はガス流速に近く、周波数ス
ペクトルのピーク値を与えるドップラー周波数ｆ_o は粒
子群（ダスト）の平均流速に近くなっている。その理由
は、平均流速の粒子群の数が最も多く、その粒子群によ
る散乱が最も大きく生じていると考えられるからであ
る。

【００１７】また、ダスト濃度を大きくすると、図２の
仮想線のように全体に周波数スペクトルのレベルが上昇
し、これより、この周波数スペクトルの面積から測定対
象である含塵ガスのダスト濃度が推定できることにな
る。すなわち、含塵ガスのダストの速度分布とその存在
確率（濃度）との関係を模式的に図３（ａ）のように表
すと、その時に得られるドップラー信号ｆ_d の周波数ス
ペクトルは図３（ｂ）のようになり、両者はほぼ相似関
係にある。これは、ミリ波がそれぞれの粒子によってド
ップラーシフトを受けて後方散乱するが、ある速度の粒
子密度が高いほど多くの後方散乱を受けてその部分に相
当するドップラー信号ｆ_d の周波数成分（反射強度）が
大きくなるからである。

【００１８】従って、種々のダスト濃度の含塵ガス流を
人工的に作り出し、この各含塵ガス流にある周波数のミ
リ波を斜めから照射してそのときのドップラー信号ｆ_d
の周波数スペクトルをそれぞれ実験によって求めてお
き、ダスト濃度と周波数スペクトルの面積との間の対応
関係を把握しておけば、任意の含塵ガスへのミリ波の照
射によって得られる周波数スペクトルの面積からその含
塵ガスのダスト濃度を推定することができる。

【００１９】このように、本発明方法の特徴は、含塵ガ
ス流に対して斜めから照射したミリ波帯域の電磁波と、
この電磁波のダスト粒子による散乱波とのドップラーシ
フト量の周波数スペクトルからダスト濃度やダスト粒子
の平均流速を推定するようにしているので、動いている
粒子群を結果としてより大きく検出しかつ静止している
粒子は検出されず、その結果、従来の光学式ダスト濃度
計に相当するホーンアンテナの前面に多少のダストが付
着していても、その影響を殆ど受けないで集塵機の異常
を検出できる点にある。

【００２０】一方、本発明方法では、実際には僅かしか
生じないミリ波の散乱波に基づいてダスト濃度等を推定
するため、低濃度領域での感度はさほど高いものを期待
できないが、後述の実験例に示すように、高濃度領域で
は１５ｇ／ｍ³ といった超高濃度まで確実に測定できる
という利点がある。

【００２１】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。図１（ａ）（ｂ）は、本発明方法を実施するため
の異常検出装置１を示している。この異常検出装置１
は、集塵機の出側に通じる管路２内の含塵ガス３の流れ
方向に対して直角にならない角度で３０ＧＨｚ以上のミ
リ波帯域の電磁波４を照射する照射手段５と、その電磁
波４が前記含塵ガス３に含まれるダスト６によって散乱
された散乱波７を検出する検出手段８と、当該電磁波４
と前記散乱波７とのドップラーシフト量を取り出すミキ
サー９と、このドップラーシフト量の周波数スペクトル
を求めてこの周波数スペクトルの面積Ｓ若しくは同スペ
クトルのピーク値ｆ_o を与える周波数又はこれらの双方
の値を計算する信号処理回路（計測手段）１０と、を備
えている。

【００２２】照射手段５は、前記ミリ波帯域の電磁波４
を発振する発振ユニット１１と、その電磁波４を伝送す
る導波管１２と、その電磁波４を管路２内に放射するホ
ーンアンテナ１３とからなり、当該アンテナ１３は管路
２の側壁に斜めに接続された枝管１４内に設けられてい
る。このアンテナ１３を先端に有する導波管１２は、枝
管１４を施蓋する蓋板１５に挿通されていて、この導波
管１２の外端に発振ユニット１１が設けられている。

【００２３】発振ユニット１１は、図１（ａ）に破線で
示す回路構成を備えている。すなわち、交流電源だけで
駆動するガン発振器１６で発生した電磁波４は、アイソ
レータ１７を介してサーキュレータ１８に至り、このサ
ーキュレータ１８によって電磁波４の一部がミキサ−９
へ供給され、残りは導波管１２を通ってアンテナ１３よ
り空間へ放射される。

【００２４】なお、本実施例のガン発振器１６は、発振
周波数５９．５ＧＨｚ（λ＝約５ｍｍ）でかつ発振出力
１ｍＷのものを採用している。また、枝管１４の開口部
は、ダスト６の侵入を防止するためのセラミックやプラ
スチックよりなる透明板１５で閉塞しておくことが好ま
しい。更に、図１（ｂ）において、導波管１２を長くし
て発振器ユニット１１を枝管１４から遠ざけているの
は、含塵ガス３が高温の場合にその熱が発振器ユニット
１１に直接伝わらないようにするためである。

【００２５】検出手段８は、上記ホーンアンテナ１３、
導波管１２及びサーキュレータ１８から構成されてい
て、アンテナ１３によって含塵ガス３に対して斜めに照
射された電磁波４はダスト粒子６Ａによって後方散乱さ
れ、その散乱波７は再度アンテナ１３及び導波管１２を
通ってサーキュレータ１８に戻る。また、サーキュレー
タ１８にはミキサー（混合器）９が接続され、このミキ
サー９は最初に照射したものと同じ発振周波数ｆの電磁
波４と周波数ｆ＋ｆ_d の散乱波４とを混合し、その差の
周波数ｆ_d をドップラーシフト量として取り出すもので
ある。

【００２６】前述のようにこのドップラー信号ｆ_d はた
かだか数ｋＨｚであり、通常の簡単な増幅器２０で増幅
できため、上記ミキサー９には周知の増幅器２０が接続
され、更にこの増幅器２０には前記した信号処理回路１
０が接続されている。従って、ミキサー９で取り出され
たドップラー信号ｆ_d は増幅器２０で増幅されて信号処
理回路１０に入力される。

【００２７】この信号処理回路１０では、そのドップラ
ーシフト量の周波数スペクトルを求め、この周波数スペ
クトルの面積及び同スペクトルのピーク値を与える周波
数が計算される。すなわち、図２に示すピーク周波数ｆ
_o の位置を求めてダスト粒子Ａ群のメジアン値（これ
は、実際には粒子群の平均流速に近い。）とするととも
に、その周波数スペクトルの面積からダスト濃度を特定
する。

【００２８】なお、このダスト濃度の特定に当たって
は、前述したように予め実験によってダスト濃度と周波
数スペクトルの面積との間の対応関係を把握しておく必
要がある。上記信号処理にはコンピューターを用いるの
が良いが、図４に示すように、周波数スペクトルを分割
してバンドパスフィルタ２１を通じて各周波数帯ごとの
成分を積分器２２により積分し、その総和を求めてスペ
クトル全体の面積を計算するといった簡単な積分回路を
採用することもできる。

【００２９】一方、図６に示すように、管路２の曲がり
部２３に枝管１４を接続すれば、含塵ガス３の真正面か
ら電磁波４を照射でき、図１（ｃ）に示す照射角度θを
０°にできるので、より大きなドップラー信号ｆ_d を得
ることができる。また、図５のように、枝管１４の蓋板
１５にミリ波帯域の電磁波４を透過する有底筒状の非金
属製のケース２４を被せることによって、ホーンアンテ
ナ１３や導波管１２へのダストの付着を防止することも
できる。 （実験例）図７に示す試験機２６を用いて本発明方法の
妥当性を試す実験を行った。

【００３０】この試験機２６は、含塵ガス２７を流すた
めの第一管路２８と、この上流側に接続された第二管路
２９とを有し、第二管路２９の上流端にはブロワー３０
が接続され、かつ第二管路２９内には風速計３１が設け
られている。第一管路２８の上流側には、ブロワー３０
からの空気にダスト３２を送り込む計量器付きのダスト
フィーダ３３が設けられており、このダストフィーダ３
３により一定の風量下において一定のダスト量を供給す
ることで、第一管路２８内のダスト濃度を人為的に設定
することができる。

【００３１】第一管路２８の上流側には、上記した本発
明の異常検出装置１が設けられていて、この検出装置１
によってある一定の値に設定されたそれぞれのダスト濃
度下において本発明方法を実施した。その結果が、図８
（ａ）（ｂ）及び図９（ｃ）（ｄ）である。この各図よ
り明らかなように、ダスト濃度を高めると、それに伴っ
てミリ波のアンテナ利得（反射強度）も上がっていくの
がよくわかる。

【００３２】この各図について、周波数スペクトルの面
積とダスト濃度との関係をプロットしたものが図１０で
あり、この図１０から周波数スペクトルの面積に基づい
てダスト濃度を推定することが可能となる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
含塵ガス流に対して斜めから照射したミリ波帯域の電磁
波と、この電磁波のダスト粒子による散乱波とのドップ
ラーシフト量の周波数スペクトルからダスト濃度やダス
ト粒子の平均流速を求め、これらの値に基づいて集塵機
の異常を検出するようにしているので、窓部の汚れに影
響されることなく、高濃度領域でも安定して集塵機の異
常を検出することができる。

【００３４】また、高濃度領域でもダスト濃度を特定で
きるので、従来の光学式ダスト濃度計では設置できなか
った各バグフィルタの出口にも当該検出装置を設置で
き、どのバグフィルタに異常が生じたかを即座に把握す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は異常検出装置の回路構成図、（ｂ）は
同装置の断面図、（ｃ）は電磁波の散乱モデルを示す説
明図である。

【図２】ドップラーシフトの周波数スペクトルを示すグ
ラフである。

【図３】（ａ）はダスト粒子の速度とその存在確率（濃
度）との関係を示すグラフ、（ｂ）はドップラーシフト
の周波数スペクトルを示すグラフである。

【図４】ドップラーシフト量の積分回路の回路構成図で
ある。

【図５】異常検出装置の変形例を示す断面図である。

【図６】異常検出装置の他の変形例を示す断面図であ
る。

【図７】試験機の全体構成図である。

【図８】実験で得られたドップラー周波数の周波数スペ
クトルである。

【図９】実験で得られたドップラー周波数の周波数スペ
クトルである。

【図１０】実験で得られたダスト濃度と周波数スペクト
ルの面積との関係を示すグラフである。

【図１１】バグフィルタの断面図である。

【図１２】集塵設備の全体構成図である。

【符号の説明】

１ 異常検出装置 ２ 管路 ３ 含塵ガス ４ 電磁波 ５ 照射手段 ６ ダスト ６Ａ ダスト粒子 ７ 散乱波 ９ ミキサー １０ 計測手段（信号処理回路）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集塵機の出側に接続された管路（２）を
   流れる含塵ガス（３）に、この含塵ガス（３）の流れ方
   向に対して直角にならない角度で３０ＧＨｚ以上のミリ
   波帯域の電磁波（４）を照射し、この電磁波（４）が前
   記含塵ガス（３）に含まれるダスト（６）によって散乱
   された散乱波（７）を検出するとともに、前記電磁波
   （４）と前記散乱波（７）とのドップラーシフト量を取
   り出して同シフト量の周波数スペクトルを求め、この周
   波数スペクトルに基づいて前記集塵機の異常を検出する
   ことを特徴とする集塵機の異常検出方法。
2. 【請求項２】 ドップラーシフト量から求めた周波数ス
   ペクトルの面積に対応する管路（２）内のダスト濃度を
   求め、このダスト濃度の値に基づいて集塵機の異常を検
   出することを特徴とする請求項１に記載の集塵機の異常
   検出方法。
3. 【請求項３】 ドップラーシフト量から求めた周波数ス
   ペクトルのピーク値を与える周波数に対応して管路
   （２）内のダスト粒子（６Ａ）の平均流速を求め、この
   ダスト粒子（６Ａ）の平均流速の値に基づいて集塵機の
   異常を検出することを特徴とする請求項１に記載の集塵
   機の異常検出方法。
4. 【請求項４】 集塵機の出側に通じる管路（２）内の含
   塵ガスの流れ方向に対して直角にならない角度で３０Ｇ
   Ｈｚ以上のミリ波帯域の電磁波（４）を照射する照射手
   段（５）と、前記電磁波（４）が前記含塵ガス（３）に
   含まれるダスト（６）によって散乱された散乱波（７）
   を検出する検出手段（８）と、前記電磁波（４）と前記
   散乱波（７）とのドップラーシフト量を取り出すミキサ
   ー（９）と、前記ドップラーシフト量の周波数スペクト
   ルを求めてこの周波数スペクトルの面積若しくは同スペ
   クトルのピーク値を与える周波数又はこれらの双方の値
   を計算する計測手段（１０）と、を備えていることを特
   徴とする集塵機の異常検出装置。