JPH11316175A - 炎検出回路 - Google Patents
炎検出回路Info
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- JPH11316175A JPH11316175A JP11062525A JP6252599A JPH11316175A JP H11316175 A JPH11316175 A JP H11316175A JP 11062525 A JP11062525 A JP 11062525A JP 6252599 A JP6252599 A JP 6252599A JP H11316175 A JPH11316175 A JP H11316175A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N5/00—Systems for controlling combustion
- F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
- F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
- F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N2229/00—Flame sensors
- F23N2229/22—Flame sensors the sensor's sensitivity being variable
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N2241/00—Applications
- F23N2241/20—Gas turbines
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ダイナミックな感度調節を持つ炎センサを提
供する。 【解決手段】 炎検出器が、炎からの電磁放射に応答し
て、該電磁放射の所定の部分の強度に比例する光電流を
発生するフォトダイオード（Ｄ４）と、フォトダイオー
ドに接続されていて、光電流を電圧に変換し、また利得
を持たせるためのフィードバック・ループを備えている
電流−電圧変換器（Ｕ１Ａ）と、電流−電圧変換器の出
力に接続されていて、出力を、前記電流−電圧変換器か
ら出力される電圧に比例する状態に保つ電流調整器を含
んでいる電圧−電流変換器（Ｕ１Ｂ）と、炎検出回路の
ゼロ・バイアス電流を設定する抵抗バイアス回路とを有
する。
供する。 【解決手段】 炎検出器が、炎からの電磁放射に応答し
て、該電磁放射の所定の部分の強度に比例する光電流を
発生するフォトダイオード（Ｄ４）と、フォトダイオー
ドに接続されていて、光電流を電圧に変換し、また利得
を持たせるためのフィードバック・ループを備えている
電流−電圧変換器（Ｕ１Ａ）と、電流−電圧変換器の出
力に接続されていて、出力を、前記電流−電圧変換器か
ら出力される電圧に比例する状態に保つ電流調整器を含
んでいる電圧−電流変換器（Ｕ１Ｂ）と、炎検出回路の
ゼロ・バイアス電流を設定する抵抗バイアス回路とを有
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的にガスタービ
ン機関内の炎の存在を検出する光学式センサ装置に関す
る。特に本発明は、感度を可変にし且つ簡単化した信号
調整回路を持つフォトダイオード炎センサに関する。
ン機関内の炎の存在を検出する光学式センサ装置に関す
る。特に本発明は、感度を可変にし且つ簡単化した信号
調整回路を持つフォトダイオード炎センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービン機関内の炎の存在を検出す
る標準的な方法は、例えば、ガイガー・ミュラー・ガス
放電管のような光によって活性化される管または光感知
管を使うことであった。典型的には、このような管に基
づく検出器は、光透過性の陰極並びに陰極から放出され
た電子を収集する陽極を持つ光電管を含む。管を低圧の
ガスで充填し、加速された電子があれば、それによって
このガスが電離する。典型的には、陽極と陰極の間に例
えば２００−３００ボルトの大きな電圧を印加して維持
し、炎すなわち管により感知可能な波長を放出する光が
存在する場合、所定のエネルギ・レベルの光子が陰極を
照射して、電子を放出させると共に加速し、こうしてガ
スを電離する。
る標準的な方法は、例えば、ガイガー・ミュラー・ガス
放電管のような光によって活性化される管または光感知
管を使うことであった。典型的には、このような管に基
づく検出器は、光透過性の陰極並びに陰極から放出され
た電子を収集する陽極を持つ光電管を含む。管を低圧の
ガスで充填し、加速された電子があれば、それによって
このガスが電離する。典型的には、陽極と陰極の間に例
えば２００−３００ボルトの大きな電圧を印加して維持
し、炎すなわち管により感知可能な波長を放出する光が
存在する場合、所定のエネルギ・レベルの光子が陰極を
照射して、電子を放出させると共に加速し、こうしてガ
スを電離する。
【０００３】ガイガー・ミュラー・ガス放電管は約２０
０ナノメータにピークのスペクトル応答を持つ。この波
長の放出により、管の中のガスが前に述べたように電離
し、一時的な電流パルスを電源装置内に生じる。こうい
うパルスの周波数は、光のレベルが低い時には、紫外線
の強度に比例する。更に高いレベルでは、出力は、ガス
のクエンチング時間によって決定される周波数で飽和す
る。
０ナノメータにピークのスペクトル応答を持つ。この波
長の放出により、管の中のガスが前に述べたように電離
し、一時的な電流パルスを電源装置内に生じる。こうい
うパルスの周波数は、光のレベルが低い時には、紫外線
の強度に比例する。更に高いレベルでは、出力は、ガス
のクエンチング時間によって決定される周波数で飽和す
る。
【０００４】放出物の少ないガスタービンが開発される
につれて、管は幾分信頼性が乏しいことが判った。放出
物の少ないタービンは、蒸気の噴射、水の噴射及び燃料
の予備混合を含むいくつかの放出物低減方法を実施して
いる。放出物を少なくするこういうすべての方法は、紫
外線を吸収する傾向があり、そのため管に対する信号を
小さくする。更に、ガイガー・ミュラー管は、炎の状態
の判定を下す前に、例えば１２５ミリ秒という長い積分
時間を必要とする低周波装置である。
につれて、管は幾分信頼性が乏しいことが判った。放出
物の少ないタービンは、蒸気の噴射、水の噴射及び燃料
の予備混合を含むいくつかの放出物低減方法を実施して
いる。放出物を少なくするこういうすべての方法は、紫
外線を吸収する傾向があり、そのため管に対する信号を
小さくする。更に、ガイガー・ミュラー管は、炎の状態
の判定を下す前に、例えば１２５ミリ秒という長い積分
時間を必要とする低周波装置である。
【０００５】炎を検出する、特に推力増強形ガスタービ
ン機関のアフターバーナの炎の存在を検出する別の装置
が、米国特許第４，５１０，７９４号に記載されてい
る。この特許の装置は、アフターバーナの炎のプラズマ
の中での導電度を測定することにより、イオン式炎検出
及び静電式機関疲労監視を行うイオン／静電式プローブ
に頼っている。
ン機関のアフターバーナの炎の存在を検出する別の装置
が、米国特許第４，５１０，７９４号に記載されてい
る。この特許の装置は、アフターバーナの炎のプラズマ
の中での導電度を測定することにより、イオン式炎検出
及び静電式機関疲労監視を行うイオン／静電式プローブ
に頼っている。
【０００６】最近、現代の電子装置は、例えばフォトダ
イオードのような半導体部品を管に基づく旧式ハードウ
ェアの代わりに用いている。フォトダイオードは、可視
スペクトル並びに紫外線スペクトルの全体に亘って光の
存在を検出し又は測定する用途に使われてきた。その寸
法が小さく、安定性がよく、信頼性が高まり、コストが
安いことにより、これは例えばガイガー・ミュラー・ガ
ス放電管のような光電管に比べて大幅に優れたものにな
っている。
イオードのような半導体部品を管に基づく旧式ハードウ
ェアの代わりに用いている。フォトダイオードは、可視
スペクトル並びに紫外線スペクトルの全体に亘って光の
存在を検出し又は測定する用途に使われてきた。その寸
法が小さく、安定性がよく、信頼性が高まり、コストが
安いことにより、これは例えばガイガー・ミュラー・ガ
ス放電管のような光電管に比べて大幅に優れたものにな
っている。
【０００７】一般的に云うと、フォトダイオードは関連
した空乏領域を持つｐ−ｎ接合であり、この領域内で電
界が光電作用によって発生された電子と正孔の対を分離
し、それらの動きによって測定可能な電流が発生され
る。適当な大きさの電磁放射がフォトダイオードの半導
体材料に入射すると、光電作用によって電子−正孔の対
が発生される。こういう電荷担体がｐ−ｎ接合の近くで
発生されると、接合の空乏領域の電界が、通常のｐ−ｎ
接合のように電子を正孔から分離する。この分離によ
り、典型的には光起電力効果と呼ばれる短絡電流又は開
路電圧が発生される。このようなフォトダイオードは米
国特許第５，０９３，５７６号に記載されている形式の
ものである。
した空乏領域を持つｐ−ｎ接合であり、この領域内で電
界が光電作用によって発生された電子と正孔の対を分離
し、それらの動きによって測定可能な電流が発生され
る。適当な大きさの電磁放射がフォトダイオードの半導
体材料に入射すると、光電作用によって電子−正孔の対
が発生される。こういう電荷担体がｐ−ｎ接合の近くで
発生されると、接合の空乏領域の電界が、通常のｐ−ｎ
接合のように電子を正孔から分離する。この分離によ
り、典型的には光起電力効果と呼ばれる短絡電流又は開
路電圧が発生される。このようなフォトダイオードは米
国特許第５，０９３，５７６号に記載されている形式の
ものである。
【０００８】また、本書でその記載内容を引用する米国
特許第５，３０３，６８４号及び同５，２５７，４９６
号には、燃焼の炎の十分高い温度を保ちながら、燃焼過
程で発生されたＮＯx放出物のレベルを制御して、こう
いう放出物を減らす燃焼制御装置が記載されている。こ
れは、燃焼の炎に関連する赤外線以外のスペクトル線の
強度を監視し、燃料混合物の燃料／空気比をダイナミッ
クに調節することによって達成される。これらの米国特
許には、機関の動作パラメータを調節するために、ＮＯ
x放出物の濃度に対応する信号を発生する装置内で、光
の強度を測定するために炭化シリコン（ＳｉＣ）フォト
ダイオードを使うことが記載されている。
特許第５，３０３，６８４号及び同５，２５７，４９６
号には、燃焼の炎の十分高い温度を保ちながら、燃焼過
程で発生されたＮＯx放出物のレベルを制御して、こう
いう放出物を減らす燃焼制御装置が記載されている。こ
れは、燃焼の炎に関連する赤外線以外のスペクトル線の
強度を監視し、燃料混合物の燃料／空気比をダイナミッ
クに調節することによって達成される。これらの米国特
許には、機関の動作パラメータを調節するために、ＮＯ
x放出物の濃度に対応する信号を発生する装置内で、光
の強度を測定するために炭化シリコン（ＳｉＣ）フォト
ダイオードを使うことが記載されている。
【０００９】また米国特許第５，６７０，７８４号に
は、ガスタービン機関内の炎を検出する高温ガス流光学
式炎センサが記載されている。このセンサは炭化シリコ
ン・フォトダイオードと、炎の存在を表す信号を発生す
る炭化シリコンに基づく増幅ハードウェアを含む。フォ
トダイオード及び増幅ハードウェアがセンサ・ハウジン
グ内に配置されていることが好ましい。然し、この米国
特許には、フォトダイオード検出回路の感度を調節する
手段が記載されていない。更に、そこに示されたセンサ
装置に関連する処理回路が不必要に複雑である。
は、ガスタービン機関内の炎を検出する高温ガス流光学
式炎センサが記載されている。このセンサは炭化シリコ
ン・フォトダイオードと、炎の存在を表す信号を発生す
る炭化シリコンに基づく増幅ハードウェアを含む。フォ
トダイオード及び増幅ハードウェアがセンサ・ハウジン
グ内に配置されていることが好ましい。然し、この米国
特許には、フォトダイオード検出回路の感度を調節する
手段が記載されていない。更に、そこに示されたセンサ
装置に関連する処理回路が不必要に複雑である。
【００１０】
【発明の概要】本発明は、公知の炎検出装置の欠点を克
服する改良された炎センサ装置を提供する。本発明はダ
イナミックな感度調節を持つ炎センサを提供し、しか
も、炎検出器の感度は、炎検出器に関連する信号調整回
路の利得を変えることによって調節することができる。
服する改良された炎センサ装置を提供する。本発明はダ
イナミックな感度調節を持つ炎センサを提供し、しか
も、炎検出器の感度は、炎検出器に関連する信号調整回
路の利得を変えることによって調節することができる。
【００１１】炎検出器は、約１９０乃至４００ナノメー
タの範囲内、好ましくは紫外線範囲内の波長を持つ電磁
放射に露出した時、紫外線の光強度に比例する光電流を
発生する、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）フォトダイオ
ードのようなフォトダイオードを含む。フォトダイオー
ドの出力は信号調整回路で処理し増幅することにより、
炎の存在を表す信号が発生される。更に、炭化シリコン
・フォトダイオードのカットオフ波長は約４００ナノメ
ータの範囲にすることが好ましい。こうすると、フォト
ダイオードが、タービンの壁からの干渉の惧れのある黒
体放射に対して「盲目（不感）」になる。
タの範囲内、好ましくは紫外線範囲内の波長を持つ電磁
放射に露出した時、紫外線の光強度に比例する光電流を
発生する、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）フォトダイオ
ードのようなフォトダイオードを含む。フォトダイオー
ドの出力は信号調整回路で処理し増幅することにより、
炎の存在を表す信号が発生される。更に、炭化シリコン
・フォトダイオードのカットオフ波長は約４００ナノメ
ータの範囲にすることが好ましい。こうすると、フォト
ダイオードが、タービンの壁からの干渉の惧れのある黒
体放射に対して「盲目（不感）」になる。
【００１２】更に、本発明の炎検出器は高い紫外線感度
を持っていて、例えば蒸気、水又は予め混合した燃料の
煙霧を通して炎の存在を検出すると共に、高い動作電圧
の必要をなくすことができる。炭化シリコン・フォトダ
イオードがそれを動作させるのに高い電圧を必要としな
いので、本発明は、電流トランスミッタとして動作し得
ると共に、例えば１２−３０ボルトの範囲内で動作する
直流電源装置で働く炎検出器を提供する。
を持っていて、例えば蒸気、水又は予め混合した燃料の
煙霧を通して炎の存在を検出すると共に、高い動作電圧
の必要をなくすことができる。炭化シリコン・フォトダ
イオードがそれを動作させるのに高い電圧を必要としな
いので、本発明は、電流トランスミッタとして動作し得
ると共に、例えば１２−３０ボルトの範囲内で動作する
直流電源装置で働く炎検出器を提供する。
【００１３】本発明の別の特徴は、検出器の応答時間が
かなり短縮することであり、そのため、モード変更など
の際、タービンの不必要な運転停止がさけられる。炎検
出器の応答時間が、フォトダイオードの静電容量及び入
力増幅器のフィードバック抵抗によって決定される。従
って、炎検出器及びそれに関連する信号調整回路の個別
部品の数値は、約２５ミリ秒の範囲内の応答時間が得ら
れるように選ばれる。
かなり短縮することであり、そのため、モード変更など
の際、タービンの不必要な運転停止がさけられる。炎検
出器の応答時間が、フォトダイオードの静電容量及び入
力増幅器のフィードバック抵抗によって決定される。従
って、炎検出器及びそれに関連する信号調整回路の個別
部品の数値は、約２５ミリ秒の範囲内の応答時間が得ら
れるように選ばれる。
【００１４】上記並びにその他の目的並びにそれに伴う
利点が本発明によって達成される。本発明は、炎に対す
る露出に応答して、炎の紫外線放射の強度に比例する光
電流を発生する例えば炭化シリコン・フォトダイオード
のような光感知ダイオードと、炭化シリコン・フォトダ
イオードに接続されている信号調整回路とを有する改良
された炎検出器を提供する。信号調整回路は、関連する
フィードバック・ループを持つ利得段を含み、利得段の
利得を変えることによって炎検出器の感度が調節され
る。更に、信号調整回路は、光電流を増幅し、それを４
−２０ミリアンペアの範囲内の業界で標準的な電流出力
に変換する増幅回路を持っている。本発明では、例えば
信号調整回路の利得を変えることにより、炎検出器の感
度を調節する手段を設けることが好ましい。
利点が本発明によって達成される。本発明は、炎に対す
る露出に応答して、炎の紫外線放射の強度に比例する光
電流を発生する例えば炭化シリコン・フォトダイオード
のような光感知ダイオードと、炭化シリコン・フォトダ
イオードに接続されている信号調整回路とを有する改良
された炎検出器を提供する。信号調整回路は、関連する
フィードバック・ループを持つ利得段を含み、利得段の
利得を変えることによって炎検出器の感度が調節され
る。更に、信号調整回路は、光電流を増幅し、それを４
−２０ミリアンペアの範囲内の業界で標準的な電流出力
に変換する増幅回路を持っている。本発明では、例えば
信号調整回路の利得を変えることにより、炎検出器の感
度を調節する手段を設けることが好ましい。
【００１５】本発明はまた、ガスタービン機関内の炎の
存在を判定する方法をも提供する。該方法は、フォトダ
イオードを炭化水素の炎のＯＨ放出ライン(emission li
ne)に露出させ、炎内に含まれた紫外線の強度に比例す
る光電流を発生し、フォトダイオードから出力された光
電流を増幅し、フォトダイオードから出力された光電流
に基づいて炎の存在を判定する。本発明では、例えば信
号調整回路の利得を変えることにより、炎検出器の感度
を調節する工程を含めることが好ましい。
存在を判定する方法をも提供する。該方法は、フォトダ
イオードを炭化水素の炎のＯＨ放出ライン(emission li
ne)に露出させ、炎内に含まれた紫外線の強度に比例す
る光電流を発生し、フォトダイオードから出力された光
電流を増幅し、フォトダイオードから出力された光電流
に基づいて炎の存在を判定する。本発明では、例えば信
号調整回路の利得を変えることにより、炎検出器の感度
を調節する工程を含めることが好ましい。
【００１６】次に本発明を図面について詳しく説明す
る。図面全体に亘り、同様な部分には同じ参照数字を用
いている。
る。図面全体に亘り、同様な部分には同じ参照数字を用
いている。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明は２線式電流ループで動作
して、ガスタービン機関内の炎の存在を検出するフォト
ダイオードに基づく炎検出器を対象とする。電力及び信
号の両方が一対のワイヤＷ１及びＷ２を介して送られ
る。図１に示した好ましい実施例では、フォトダイオー
ドＤ４が炭化シリコン・フォトダイオードであることが
好ましい。これは炭化シリコン・フォトダイオードが、
ガスタービン機関でみられる炎のような炭化水素の炎の
ＯＨ放出ラインに合うスペクトル応答を持つからであ
る。更に、炭化シリコン・フォトダイオードは、温度が
正規に２５０°Ｃという高い温度であるような高温環境
で動作することができる。本発明が炭化シリコン・フォ
トダイオードに制限されないことはいうまでもない。ガ
スタービン機関内の炎を検出するのに適したスペクトル
応答を持っていて、必要な熱抵抗を持つ任意のフォトダ
イオードを使うことができる。
して、ガスタービン機関内の炎の存在を検出するフォト
ダイオードに基づく炎検出器を対象とする。電力及び信
号の両方が一対のワイヤＷ１及びＷ２を介して送られ
る。図１に示した好ましい実施例では、フォトダイオー
ドＤ４が炭化シリコン・フォトダイオードであることが
好ましい。これは炭化シリコン・フォトダイオードが、
ガスタービン機関でみられる炎のような炭化水素の炎の
ＯＨ放出ラインに合うスペクトル応答を持つからであ
る。更に、炭化シリコン・フォトダイオードは、温度が
正規に２５０°Ｃという高い温度であるような高温環境
で動作することができる。本発明が炭化シリコン・フォ
トダイオードに制限されないことはいうまでもない。ガ
スタービン機関内の炎を検出するのに適したスペクトル
応答を持っていて、必要な熱抵抗を持つ任意のフォトダ
イオードを使うことができる。
【００１８】図１には、本発明の好ましい実施例による
炎検出回路１が示されている。フォトダイオードＤ４
は、それが露出された紫外線電磁放射の強度に比例する
光電流出力信号を発生する。フォトダイオードＤ４から
の出力信号が、電流−電圧変換器／増幅器Ｕ１Ａによっ
て増幅され且つ変換される。増幅器Ｕ１Ａの利得は、抵
抗Ｒ３、Ｒ４及びＲ９によって構成されたフィードバッ
ク回路によって決定される。抵抗Ｒ４を回路から分路
し、こうして新しいフィードバック抵抗（即ち抵抗Ｒ４
なしのフィードバック回路）に比例して利得を下げると
共に、フォトダイオードＤ４からの信号出力の増幅量を
減らすことにより、増幅器Ｕ１Ａの自動利得制御が行わ
れる。増幅器Ｕ１Ａの出力が、トランジスタＱ１が導電
する点まで増加した時、抵抗Ｒ４をフィードバック回路
から分路する。Ｑ１が導電すると、抵抗Ｒ４がフィード
バック回路から分路され、新しいフィードバック回路に
よって利得が下げられる。
炎検出回路１が示されている。フォトダイオードＤ４
は、それが露出された紫外線電磁放射の強度に比例する
光電流出力信号を発生する。フォトダイオードＤ４から
の出力信号が、電流−電圧変換器／増幅器Ｕ１Ａによっ
て増幅され且つ変換される。増幅器Ｕ１Ａの利得は、抵
抗Ｒ３、Ｒ４及びＲ９によって構成されたフィードバッ
ク回路によって決定される。抵抗Ｒ４を回路から分路
し、こうして新しいフィードバック抵抗（即ち抵抗Ｒ４
なしのフィードバック回路）に比例して利得を下げると
共に、フォトダイオードＤ４からの信号出力の増幅量を
減らすことにより、増幅器Ｕ１Ａの自動利得制御が行わ
れる。増幅器Ｕ１Ａの出力が、トランジスタＱ１が導電
する点まで増加した時、抵抗Ｒ４をフィードバック回路
から分路する。Ｑ１が導電すると、抵抗Ｒ４がフィード
バック回路から分路され、新しいフィードバック回路に
よって利得が下げられる。
【００１９】増幅器Ｕ１Ａの出力が増幅器Ｕ１Ｂに接続
される。増幅器Ｕ１Ｂは、トランジスタＱ２と共に電圧
−電流変換器を形成する。従って、Ｕ１Ａの電圧出力が
電流出力に変換される。トランジスタＱ２がループの電
流を調整して、それが増幅器Ｕ１Ａから出力された信号
に比例するようにする。抵抗Ｒ７、Ｒ１１及びＲ１２に
よって形成された抵抗回路が、所望のレベルで電流をゼ
ロに設定するようなバイアスを加える。回路１に対する
電源装置が、Ｕ２及びツェナー・ダイオードＤ３によっ
て構成される。電源装置電流が感知抵抗Ｒ２に通され
て、ループ電流に含まれる。
される。増幅器Ｕ１Ｂは、トランジスタＱ２と共に電圧
−電流変換器を形成する。従って、Ｕ１Ａの電圧出力が
電流出力に変換される。トランジスタＱ２がループの電
流を調整して、それが増幅器Ｕ１Ａから出力された信号
に比例するようにする。抵抗Ｒ７、Ｒ１１及びＲ１２に
よって形成された抵抗回路が、所望のレベルで電流をゼ
ロに設定するようなバイアスを加える。回路１に対する
電源装置が、Ｕ２及びツェナー・ダイオードＤ３によっ
て構成される。電源装置電流が感知抵抗Ｒ２に通され
て、ループ電流に含まれる。
【００２０】別の実施例では、トランジスタＱ１、Ｑ３
及びＱ４並びに抵抗Ｒ５及びＲ１０によって形成された
折点回路を除くことができる。折点回路を除くと、自動
的な利得の変更がなくなり、動作範囲全体に亘って直線
的な出力が得られる。動作について説明すると、本発明
の炎検出回路１は、例えばガスタービン機関（図に示し
てない）の炭化水素の炎のＯＨ放出ラインの中に配置さ
れる。検出回路１に対し、それを動作状態にするために
は適当なハウジング及び窓が必要であること、並びにこ
のようなハウジング及び窓が当業者に知られていること
は、当業者に明らかであろう。ガスタービン機関及びセ
ンサ装置の例が、米国特許第５，３０３，６８４号及び
同第５，０９３，５７６号に示されている。図２及び３
に示すように、炭化水素の炎の３１０ナノメータのピー
クをカバーするような幅の広い応答曲線を持っていて、
２７０ナノメータにピークの応答を持つ炭化シリコン・
フォトダイオードを使うことが好ましい。炭化シリコン
・フォトダイオードの典型的なカットオフ波長は約４０
０ナノメータである。
及びＱ４並びに抵抗Ｒ５及びＲ１０によって形成された
折点回路を除くことができる。折点回路を除くと、自動
的な利得の変更がなくなり、動作範囲全体に亘って直線
的な出力が得られる。動作について説明すると、本発明
の炎検出回路１は、例えばガスタービン機関（図に示し
てない）の炭化水素の炎のＯＨ放出ラインの中に配置さ
れる。検出回路１に対し、それを動作状態にするために
は適当なハウジング及び窓が必要であること、並びにこ
のようなハウジング及び窓が当業者に知られていること
は、当業者に明らかであろう。ガスタービン機関及びセ
ンサ装置の例が、米国特許第５，３０３，６８４号及び
同第５，０９３，５７６号に示されている。図２及び３
に示すように、炭化水素の炎の３１０ナノメータのピー
クをカバーするような幅の広い応答曲線を持っていて、
２７０ナノメータにピークの応答を持つ炭化シリコン・
フォトダイオードを使うことが好ましい。炭化シリコン
・フォトダイオードの典型的なカットオフ波長は約４０
０ナノメータである。
【００２１】フォトダイオードＤ４はＯＨ放出ラインに
露出されると、炎の紫外線の強度に比例する光電流を発
生する。炎が存在しないか、又は炎が受容れ難いほど弱
ければ、フォトダイオードＤ４から出力される光電流は
小さいか又はゼロである。従って、炎消滅状態が検出さ
れる。炎が存在すれば、フォトダイオードＤ４から出力
される光電流が電流−電圧変換器／増幅器Ｕ１Ａに送ら
れる。増幅器Ｕ１Ａが光電流を電圧に変換する。Ｕ１Ａ
の利得がフィードバック回路Ｒ３、Ｒ４及びＲ９によっ
て決定される。利得は、増幅器Ｕ１Ａの出力電圧がＱ１
を導電させるほど高い時、抵抗Ｒ４をフィードバック・
ループから分路するように作用する折点回路Ｑ１、Ｑ
３、Ｑ４、Ｒ１０及びＲ５によって自動的に制御するこ
とができる。
露出されると、炎の紫外線の強度に比例する光電流を発
生する。炎が存在しないか、又は炎が受容れ難いほど弱
ければ、フォトダイオードＤ４から出力される光電流は
小さいか又はゼロである。従って、炎消滅状態が検出さ
れる。炎が存在すれば、フォトダイオードＤ４から出力
される光電流が電流−電圧変換器／増幅器Ｕ１Ａに送ら
れる。増幅器Ｕ１Ａが光電流を電圧に変換する。Ｕ１Ａ
の利得がフィードバック回路Ｒ３、Ｒ４及びＲ９によっ
て決定される。利得は、増幅器Ｕ１Ａの出力電圧がＱ１
を導電させるほど高い時、抵抗Ｒ４をフィードバック・
ループから分路するように作用する折点回路Ｑ１、Ｑ
３、Ｑ４、Ｒ１０及びＲ５によって自動的に制御するこ
とができる。
【００２２】Ｕ１Ａの電圧出力が、この後、電圧−電流
変換器Ｕ１Ｂ及びＱ２に送られる。Ｑ２がループ内の電
流を調整して、それがＵ１Ａから出力された電圧に比例
するようにする。抵抗回路Ｒ７、Ｒ１１及びＲ１２の抵
抗レベルは、フォトダイオードＤ４からの増幅された信
号が業界基準の４−２０ミリアンペアに変換されること
を保証するように選ばれる。フォトダイオードＤ４の感
度は増幅段Ｕ１Ａの利得によって制御することができ
る。利得を大きくすることにより、感度が高められる。
言い換えれば、出力がいっそう小さい光電流を使って、
紫外線を検出することができる。他方、増幅段Ｕ１Ａの
利得を減らすことにより、フォトダイオードＤ４の感度
を下げる。利得を減らすことにより、炎の検出には、フ
ォトダイオードＤ４からの一層大きな出力信号が必要に
なる。図１に示すように、増幅器Ｕ１Ａの電圧出力が所
定の高いレベルに達した時、利得を自動的に下げる。こ
れは、フォトダイオードＤ４がより少ない利得で動作す
るくらいの感度を持つことを示す。従って、炎検出器の
感度を下げる。
変換器Ｕ１Ｂ及びＱ２に送られる。Ｑ２がループ内の電
流を調整して、それがＵ１Ａから出力された電圧に比例
するようにする。抵抗回路Ｒ７、Ｒ１１及びＲ１２の抵
抗レベルは、フォトダイオードＤ４からの増幅された信
号が業界基準の４−２０ミリアンペアに変換されること
を保証するように選ばれる。フォトダイオードＤ４の感
度は増幅段Ｕ１Ａの利得によって制御することができ
る。利得を大きくすることにより、感度が高められる。
言い換えれば、出力がいっそう小さい光電流を使って、
紫外線を検出することができる。他方、増幅段Ｕ１Ａの
利得を減らすことにより、フォトダイオードＤ４の感度
を下げる。利得を減らすことにより、炎の検出には、フ
ォトダイオードＤ４からの一層大きな出力信号が必要に
なる。図１に示すように、増幅器Ｕ１Ａの電圧出力が所
定の高いレベルに達した時、利得を自動的に下げる。こ
れは、フォトダイオードＤ４がより少ない利得で動作す
るくらいの感度を持つことを示す。従って、炎検出器の
感度を下げる。
【００２３】次に図２及び３について説明すると、フォ
トダイオードＤ４の好ましい光応答が、例えばガイガー
・ミュラー・ガス放電管のような光電管と比較して示さ
れている。フォトダイオードは、炭化水素の炎の３１０
ナノメータのピークをカバーするような広いスペクトル
応答を持っている。これは、噴射された蒸気、水又は予
め混合された燃料による吸収が、２００ナノメータにお
けるよりも、３１０ナノメータでは一層少ないので、特
に重要である。フォトダイオードが約４００ナノメータ
にカットオフを持つようにして、フォトダイオードが、
タービン壁からの干渉の惧れのある黒体放射に対して
「盲目（不感）」になるようにすることが好ましい。
トダイオードＤ４の好ましい光応答が、例えばガイガー
・ミュラー・ガス放電管のような光電管と比較して示さ
れている。フォトダイオードは、炭化水素の炎の３１０
ナノメータのピークをカバーするような広いスペクトル
応答を持っている。これは、噴射された蒸気、水又は予
め混合された燃料による吸収が、２００ナノメータにお
けるよりも、３１０ナノメータでは一層少ないので、特
に重要である。フォトダイオードが約４００ナノメータ
にカットオフを持つようにして、フォトダイオードが、
タービン壁からの干渉の惧れのある黒体放射に対して
「盲目（不感）」になるようにすることが好ましい。
【００２４】上に述べた炎検出回路１は、蒸気、水又は
予め混合した燃料の煙霧を通して炎の存在を検出する高
い紫外線感度を持つと共に、高電圧動作の必要をなくす
る。更に、本発明の炎検出回路は、例えば約２５ミリ秒
の範囲の比較的早い応答時間を持ち、モード変更の際に
タービンの不必要な運転停止がさけられる。本発明を特
定の実施例に関連して説明したが、当業者であれば、種
々の変更が容易に考えられることは明らかである。従っ
て、これまで述べた本発明の好ましい実施例は、例であ
って、本発明を制約するものではない。特許請求の範囲
によって定められた本発明の真の精神及び範囲全体から
逸脱することなく、種々の変更を加えることができる。
予め混合した燃料の煙霧を通して炎の存在を検出する高
い紫外線感度を持つと共に、高電圧動作の必要をなくす
る。更に、本発明の炎検出回路は、例えば約２５ミリ秒
の範囲の比較的早い応答時間を持ち、モード変更の際に
タービンの不必要な運転停止がさけられる。本発明を特
定の実施例に関連して説明したが、当業者であれば、種
々の変更が容易に考えられることは明らかである。従っ
て、これまで述べた本発明の好ましい実施例は、例であ
って、本発明を制約するものではない。特許請求の範囲
によって定められた本発明の真の精神及び範囲全体から
逸脱することなく、種々の変更を加えることができる。
【図１】本発明の好ましい実施例の炎検出及び信号調整
回路の概略回路図である。
回路の概略回路図である。
【図２】２５４ｎｍの紫外線に露出した時の炭化シリコ
ン・フォトダイオード及びガス放電管の出力を比較した
グラフである。
ン・フォトダイオード及びガス放電管の出力を比較した
グラフである。
【図３】３１０ｎｍの紫外線に露出した時の炭化シリコ
ン・フォトダイオード及びガス放電管の出力を比較した
グラフである。
ン・フォトダイオード及びガス放電管の出力を比較した
グラフである。
１ 炎検出回路 Ｄ４ フォトダイオード Ｕ１Ａ 電流−電圧変換器／増幅器 Ｕ１Ｂ 増幅器
Claims (14)
- 【請求項１】 ガスタービン機関内の炎の存在を検出す
る炎検出回路に於て、 前記炎からの電磁放射に応答して、該電磁放射の所定の
部分の強度に比例する光電流を発生するフォトダイオー
ドと、 前記フォトダイオードに接続されていて、前記光電流を
電圧に変換する電流−電圧変換器であって、それに利得
を持たせるためのフィードバック・ループを備えている
電流−電圧変換器と、 前記電流−電圧変換器の出力に接続されている電圧−電
流変換器であって、該電圧−電流変換器の出力を、前記
電流−電圧変換器から出力される電圧に比例する状態に
保つ電流調整器を含んでいる電圧−電流変換器と、 当該炎検出回路のゼロ・バイアス電流を設定する抵抗バ
イアス回路とを有し、 当該炎検出回路の出力が炎の存在を表すようにしたこと
を特徴とする炎検出回路。 - 【請求項２】 更に、前記電流−電圧変換器の出力に接
続されていて、前記電流から電圧への変換器の出力が所
定の値を超えた時に、前記電流−電圧変換器の利得を下
げる自動利得制御回路を有する請求項１記載の炎検出回
路。 - 【請求項３】 前記フォトダイオードが炭化シリコンで
構成されている請求項１記載の炎検出回路。 - 【請求項４】 前記炭化シリコン・フォトダイオードが
１９０乃至４００ナノメータの範囲内にスペクトル応答
を持つ請求項３記載の炎検出回路。 - 【請求項５】 ガスタービン機関内の炎の存在を検出す
る方法に於て、 前記ガスタービン機関のＯＨ放出ライン内に光感知ダイ
オードを配置する工程と、 炎からの電磁放射に比例する光電流を発生する工程と、 前記光電流に所定の利得を適用する工程と、 前記光電流を電圧信号に変換する工程と、 前記電圧信号を調整済み出力電流に変換する工程と、 前記調整済み出力電流に基づいて炎の存在を判定する工
程と有することを特徴とする、ガスタービン機関内の炎
の存在を検出する方法。 - 【請求項６】 更に、前記電流から電圧への変換の利得
を自動的に調節して、前記光感知ダイオードの感度を調
節する工程を含む請求項５記載の方法。 - 【請求項７】 前記光感知ダイオードが炭化シリコンで
構成される請求項５記載の方法。 - 【請求項８】 前記炭化シリコン・フォトダイオードが
１９０乃至４００ナノメータの範囲内にスペクトル応答
を持つ請求項７記載の方法。 - 【請求項９】 更に、炎が消えた状態を検出した時、前
記ガスタービン機関を運転停止にする工程を含む請求項
６記載の方法。 - 【請求項１０】 ガスタービン機関内の炎の存在を判定
する炎検出器に於て、 炎に対する露出に応答して、前記炎内の紫外線の量に比
例する光電流を出力する炭化シリコン・フォトダイオー
ドと、 前記フォトダイオードに接続され、前記フォトダイオー
ドから出力された光電流を増幅すると共に、該光電流を
電圧に変換する増幅段と、 前記増幅段に関連していて、該増幅段の利得を自動的に
制御すると共に、前記フォトダイオードの感度を制御す
る利得段と、 前記増幅段から出力された電圧を電流に変換すると共
に、該電流にバイアスを加えて所定の基準値範囲にする
バイアス回路とを有することを特徴とする炎検出器。 - 【請求項１１】 前記利得段が折点回路及びフィードバ
ック・ループを含んでいる請求項１０記載の炎検出器。 - 【請求項１２】 前記折点回路が、前記フィードバック
・ループの形式を変えることにより、前記利得段の利得
を減らすように作用する請求項１１記載の炎検出器。 - 【請求項１３】 前記フォトダイオードの感度が前記利
得段によって与えられる利得に従って決定される請求項
１１記載の炎検出器。 - 【請求項１４】 前記フォトダイオードが１９０乃至４
００ナノメータの範囲内にスペクトル応答を持つ請求項
１０記載の炎検出器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/041,642 US6013919A (en) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | Flame sensor with dynamic sensitivity adjustment |
| US09/041642 | 1998-03-13 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11316175A true JPH11316175A (ja) | 1999-11-16 |
| JP3270745B2 JP3270745B2 (ja) | 2002-04-02 |
Family
ID=21917582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06252599A Expired - Fee Related JP3270745B2 (ja) | 1998-03-13 | 1999-03-10 | 炎検出回路 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6013919A (ja) |
| EP (1) | EP0942232B1 (ja) |
| JP (1) | JP3270745B2 (ja) |
| DE (1) | DE69927311T2 (ja) |
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