JP5881583B2 - 温度検出方法、温度検出装置およびプログラム - Google Patents
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例えば、微粉炭ボイラ炉内の温度を受光強度から算出する場合、得られる温度の対象となる微粉炭の範囲は、微粉炭濃度に影響される。すなわち、微粉炭濃度が低い場合は、受光位置に対して遠方にある微粉炭の放射光を受光し易く、従って、得られる温度の対象となる微粉炭の範囲が広い。一方、微粉炭濃度が高い場合は、受光位置に対して遠方にある微粉炭の放射光は、より近傍にある微粉炭に遮断されて受光し難く、従って、得られる温度の対象となる微粉炭の範囲が狭い。
例えば、微粉炭ボイラ炉内の温度を受光強度から算出しても、得られた温度の対象となる熱源の範囲を評価できなければ、炉内のどの部分の温度を検出したかを特定することができない。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態における温度検出装置の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、温度検出装置100は、温度測定部110と、受光強度測定部120と、温度検出部130と、温度検出距離取得部140とを具備する。
温度検出距離取得部140は、透過状況別温度算出部141と、透過状況検出部142と、温度検出距離算出部143とを具備する。
ここでいう対象領域とは、温度を検出する対象となっている領域である。温度検出装置100は、対象領域の少なくとも一点における温度を検出する。なお、以下では、対象領域が微粉炭焚ボイラの炉内である場合を例に説明するが、これに限らない。温度検出装置100は、受光強度から温度を検出する際に対象領域における光の透過状況の影響を受け得る様々な領域を対象領域として温度を検出し得る。
なお、以下では、温度測定部110が温度センサとして熱電対を有する場合を例に説明するが、温度測定部110が有する温度センサは熱電対に限らず、接触式温度センサなど局所的な温度を測定可能な温度センサであればよい。
なお、ここでいう光は可視光に限らない電磁波であり、特に、赤外線であってもよい。例えば、温度検出部130が2色法を用いて温度を検出するにあたり、受光強度測定部120が、波長1.35マイクロメートル(μm)の赤外線の受光強度と、波長1.55マイクロメートルの赤外線の受光強度とを測定するようにしてもよい。
なお、温度検出部130が受光強度を温度に換算する方法として様々な方法を用いることができる。例えば、温度検出部130が、2色法を用いるようにしてもよいし、単色法を用いるようにしてもよい。以下では、温度検出部130が2色法を用いる場合を例に説明する。
ここでいう温度検出距離とは、温度検出部130における実質的温度検出対象範囲を示す距離である。
後述するように、温度検出距離取得部140は、対象領域における光の透過状況や、要求される温度検出精度に応じて、温度検出距離を取得する。
透過状況別温度算出部141が行う処理は、本発明の透過状況別温度算出ステップにおける処理の一例に該当する。
透過状況検出部142が行う処理は、本発明の透過状況検出ステップにおける処理の一例に該当する。
温度検出距離算出部143が行う処理は、本発明の温度検出距離算出ステップにおける処理の一例に該当する。
バーナ910は、経路AR11にて供給される微粉炭および一次空気と、経路AR12にて供給される二次空気とを混合させ、炉心管920の有する炉内へ拡散させて燃焼させる。
炉心管920は、燃焼室としての炉内を炉心管920自らの内部に有し、バーナ910からの微粉炭を当該炉内にて燃焼させる。炉心管920の炉内は、対象領域の一例に該当し、バーナ910が拡散させる微粉炭により視界が悪くなっている。従って、受光強度測定部120が炉内における受光強度を測定する際や、温度検出部130が当該受光強度から温度を検出する際、炉内における光の透過状況の影響を受ける。
覗き窓940は、ボイラ900外部から内部を観察するために設けられており、特に、温度測定部110の有する熱電対や受光強度測定部120の有する光ファイバを炉心管920の炉内へ挿入する際の挿入口となる。
また、領域A21は、温度測定部110の温度測定範囲を示している。図3に示すように、温度測定部110は、熱電対の先端部分の温度を測定する。
一方、領域A22は、温度検出部130の実質的温度検出対象範囲を示している。上述したように、光ファイバの受光範囲から、温度検出部130が行う温度検出において誤差とみなし得る遠方の範囲を除いた残りが、実質的温度検出対象範囲として設定されている。
図4は、受光強度測定部120の有する光ファイバの支持構造を示す説明図である。同図において、光ファイバ121は、ガイド管122に覆われており、ガイド管122は、さらにガイド管123に覆われている。
このように、耐熱性の高い補強材(図4の例では、ガイド管122およびガイド管123)で光ファイバ121を支持することで、光ファイバ121の受光部分を、所望の温度検出点に位置させ易くなる。より具体的には、光ファイバ121を対象領域へまっすぐ挿入して、受光部分を所望の温度検出点に固定することができる。
ここで、光ファイバ121の支持の観点からは、ガイド管が充分な強度を有するよう、ある程度径の大きいガイド管を用いることが好ましい。一方、ガイド管を挿入することによる燃焼場の乱れを低減させる観点からは、ガイド管の径を小さくすることが好ましい。
そこで、図4の例のように、ガイド管の2重構造にて補強材を構成することで、比較的径の大きいガイド管123にて光ファイバ121に対して充分な支持力を与えつつ、受光部分付近では、比較的径の小さいガイド管122にて光ファイバ121を支持することで、燃焼場の乱れを低減させることができる。
また、光ファイバ121の受光部分である先端部分は、ガイド管122および123から突出した構造となっている。これにより、受光強度測定部120が受光強度を測定する際、ガイド管122や123による輻射の影響を低減させることができる。
その際、ガイド管を多重構造とし、径のより小さいガイド管の内部に光ファイバを1本ずつ通し、径のより大きいガイド管が、径のより小さいガイド管複数をまとめて支持する構造としてもよい。
また、ガイド管等の補強材が、こうそく1の光ファイバに加えて温度測定部110の熱電対も支持する構成としてもよい。
例えば、ガイド管122やガイド管123が、SUS(Steel Use Stainless)にて構成され、水冷構造を備えることで耐熱性を確保するようにしてもよい。
図5は、温度検出装置100が温度検出に際して行う処理の手順を示すフローチャートである。温度検出装置100は、例えば、温度測定部110の有する光ファイバおよび受光強度測定部120の有する熱電対を対象領域に挿入された状態で、ユーザ操作に従って同図の処理を行う。あるいは、温度検出装置100が、光ファイバおよび熱電対を駆動させる機構を有し、光ファイバおよび熱電対を移動させて自動的に図5の処理を行うようにしてもよい。
図6は、受光強度測定部120が検出する温度の例を示すグラフである。同図の横軸は、微粉炭焚ボイラ炉内の横断方向における位置(以下、「炉内横断方向位置」と称する)を、光ファイバ挿入側の炉壁からの距離にて示している。また、縦軸は温度を示している。
この、温度検出部130が検出した温度は、温度測定部110が受光した放射光に基づく温度であり、この点において、温度検出部130の受光範囲に関する温度を示している。但し、光ファイバの受光部分に近い熱源ほど、温度検出部130が検出した温度に影響を及ぼしている。
まず、ランベルト・ベール則より、透過光強度I1を入射光強度I0で除算した透過率I1/I0は、式(1)のように示される。
透過率についての式(1)の右辺の表記を用いると、受光強度測定部120の有する光ファイバの受光部分における、波長λ1、λ2の光の受光強度(受光部分にて受光する放射強度)Iλ1、Iλ2は、式(2)のように示される。
また、IWλ1は、炉壁からの、波長λ1の光の放射強度を示す。また、IWλ2は、炉壁からの、波長λ2の光の放射強度を示す。また、dWは、炉壁から受光部分までの光路長を示す。
なお、ここでいう放射強度とは、ある特定の方向へ射出される、単位射影面積あたり、単位立体角あたりの熱放射エネルギーである。
ここで、波長λの光の熱放射エネルギーEλは、円周率πを用いて式(3)のように示される。
式(3)を用いると、式(2)は式(4)のように変形できる。
ここで、プランクの放射則より、波長λの光の熱放射エネルギーEλは、式(5)のように示される。
ここで、ウィーンの近似則より、式(6)が成り立つ。
式(5)に式(6)の近似則を適用すると、式(7)のようになる。
また、2色法における放射強度から温度への変換式は、式(11)のように示される。
式(1)に示されるランベルト・ベール則では、吸収断面積σ、および、粒子数密度Cが、対象領域における光の透過状況を示すパラメータとなっている。これら吸収断面積σおよび粒子数密度Cの設定毎に、各光路長について透過率を計算すると、例えば線L111〜L118に示される計算結果を得られる。
以下、線L112は、線L111よりも光を透過し易い状況における透過率を示す。また、線L113は、線L112よりも光を透過し易い状況における透過率を示す。このように、線L111に近い線ほど、光を透過しづらい状況における透過率を示しており、一方、線L118に近い線ほど、光を透過し易い状況における透過率を示している。
また、線L211は、温度測定部110が測定した温度を示す。また、線L221〜L228は、それぞれ、図7の線L111〜L118に基づいて算出された、炉内横断方向の各位置における温度を示す。
また、透過率e(−σCd0)、e(−σCd10)、・・・、e(−σCd190)には、それぞれ、図7の線L111に示される、光路長0、10、・・・、190における透過率を代入する。
当該計算により、温度測定部110が算出する温度は、図8の線L221の炉内横断方向0の位置における温度に相当する。
また、透過率e(−σCd0)、e(−σCd10)、・・・、e(−σCd90)には、それぞれ、図7の線L111に示される、光路長0、10、・・・、90における透過率を代入する。
当該計算により、温度測定部110が算出する温度は、図8の線L221の炉内横断方向100の位置における温度に相当する。
図9において、線L211および線L228は、図8の場合と同様、である。すなわち、線L211は、温度測定部110が測定した温度を示す。また、線L221〜L228は、それぞれ、図7の線L111〜L118に基づいて算出された、炉内横断方向の各位置における温度を示す。
また、線L231は、温度検出部130が検出した温度を示す。
なお、透過状況検出部142が、透過状況別温度算出部141の算出した温度と温度検出部130の検出した温度を比較する方法として、例えば最小二乗法など、差を比較するための様々な公知の方法を用いることができる。
図10は、光路長と、受光部分が受光する透過光の累積値との関係の例を示すグラフである。同図の横軸は、光路長(すなわち、熱源から受光部分までの距離)を示す。また、縦軸は、受光部分が受光する透過光の累積値を示す。
また線L311〜L318は、それぞれ、図7の線L111〜L118に応じて、光路長毎に、当該光路長以下の光路長の熱源から受光する透過光の累積値を示している。
そこで、温度検出距離算出部143は、温度検出装置100の検出する温度に要求される精度に基づいて予め設定された透過光累積90%と、透過状況検出部142が選択した線に対応する線L315に基づいて、線L315において透過光累積が90%となる光路長70mmを、温度検出距離として検出する。
透過光累積が90%に予め設定されている場合、例えば、温度検出距離算出部143は、図11に示す対応関係を予め記憶しておき、透過状況検出部142が検出した透過状況に応じた温度検出距離を選択する。
図5の処理において、ステップS132の後、同図の処理を終了する。
これにより、温度検出部130が検出する温度の対象となる熱源の範囲を評価することができる。
例えば、温度検出装置100のユーザが、温度検出装置100を用いて対象領域内の温度を一定間隔毎に検出する場合、温度検出部130が、温度検出距離を表示することで、ユーザは、検出した温度の対象となる熱源の範囲を評価し、もって、検出した温度の精度を評価することができる。具体的には、温度検出距離が温度の測定間隔より短い場合、検出した温度は、他の温度検出位置における温度の影響を受けていないものと評価することができる。この点において、検出した温度の精度が高いと評価することができる。一方、温度検出距離が温度の測定間隔以上である場合、検出した温度は、他の温度検出位置における温度の影響を受けているものと評価することができる。この点において、検出した温度の精度が低いと評価することができる。
図12は、バーナの着火部における、熱電対による温度測定結果と、受光強度に基づく温度検出結果との例を示すグラフである。同図の横軸は、炉内横断方向位置を、光ファイバ挿入側の路壁からの距離にて示している。また、縦軸は、温度を示している。
また、線L41は、受光強度に基づく検出温度を示す。線L42は、熱電対による測定温度を示す。
本願発明者は、バーナの着火部において、熱電対による温度測定と、受光強度に基づく温度検出とを行い、図12に示す結果を得た。この図12に示す結果において、熱電対による温度測定結果と、受光強度に基づく温度検出結果とが異なっている様子が示されている。
図13は、本発明の第2の実施形態における温度検出装置の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、温度検出装置200は、温度測定部110と、受光強度測定部120と、温度検出部230と、温度検出距離取得部140と、燃焼状態推定部250とを具備する。
温度検出部230は、2色法演算部231と、単色法演算部232とを具備する。
温度検出距離取得部140は、透過状況別温度算出部141と、透過状況検出部142と、温度検出距離算出部143とを具備する。
図13において、図1の各部に対応して同様の機能を有する部分には、同一の符号(110、120、140〜143)を付して説明を省略する。
具体的には、2色法演算部231が、受光強度測定部120の測定した受光強度に基づいて、2色法を用いて温度を検出する。また、単色法演算部232は、受光強度測定部120の測定した受光強度に基づいて、単色法を用いて温度を検出する。
燃焼状態推定部250は、単色法で得られた温度と2色法で得られた温度とを比較して燃焼状態を推定する。
一方、2色法では、互いに異なる2つの測定波長を用いて、それぞれの放射輝度の比を求めて温度に換算する。このため、燃焼していない微粉炭粒子が存在しても、2色法では、2つの測定波長で同じように受光強度が低下し、検出温度の誤差が生じにくい。
そこで、燃焼状態推定部250は、2色法演算部231が2色法で検出した温度と、単色法演算部232が単色法で検出した温度とを比較することで、燃焼状態を推定する。
また、線L511は、2色法で検出した温度を示し、線L512は、単色法で検出した温度を示している。また、線L521は、熱電対を用いて測定した温度を示している。
線L511とL512とのように、2色法と単色法とで検出する温度に差が生じている。
燃焼状態推定部250は、例えば、図15に示される温度と放射輝度との関係を、表形式のデータにて予め記憶しておき、2色法演算部231が2色法で検出した温度と、単色法演算部232が単色法で検出した温度とを、それぞれ放射輝度に変換し、単色法における温度を、2色法における温度で除算して微粉炭燃焼割合を算出する。
また、線L611は、2色法演算部231が2色法で検出した温度を放射輝度に変換した例を示す。線L612は、単色法演算部232が単色法で検出した温度を放射輝度に変換した例を示す。また、線L613は、線L612に示す単色法で検出した温度を、線L611に示す2色法で検出した温度で除算して算出した微粉炭燃焼割合を示す。
このように、燃焼状態推定部250が燃焼状態を推定することで、温度検出装置200のユーザは、燃焼状況をより正確に把握することができ、より適正な燃焼状態を作り出すためのバーナ設計が可能となる。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
110 温度測定部
120 受光強度測定部
121 光ファイバケーブル
122 ガイド管
123 ガイド管
130、230 温度検出部
140 温度検出距離取得部
141 透過状況別温度算出部
142 透過状況検出部
143 温度検出距離算出部
231 2色法演算部
232 単色法演算部
250 燃焼状態推定部
Claims (7)
- 光ファイバを対象領域に挿入して受光強度を測定する受光強度測定ステップと、
前記受光強度測定ステップで得られた受光強度を温度に換算する温度検出ステップと、
温度センサを前記対象領域に挿入して温度を測定する温度測定ステップと、
前記受光強度測定ステップで得られた受光強度と前記温度測定ステップで得られた温度とに基づいて、前記温度検出ステップにおける実質的温度検出対象範囲を示す温度検出距離を取得する温度検出距離取得ステップと、
を具備することを特徴とする温度検出方法。 - 前記温度検出距離取得ステップは、
前記温度測定ステップで得られた温度に基づいて、複数の光透過状況の各々について、前記温度検出ステップで得られるべき温度を算出する透過状況別温度算出ステップと、
前記透過状況別温度算出ステップで得られた温度と前記温度検出ステップで得られた温度とを比較して光透過状況を検出する透過状況検出ステップと、
前記透過状況検出ステップで得られた光透過状況に応じた温度検出距離を算出する温度検出距離算出ステップと、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の温度検出方法。 - 前記温度検出ステップでは、単色法と2色法との各々で温度を求め、
単色法で得られた温度と2色法で得られた温度とを比較して燃焼状態を推定する燃焼状態推定ステップを更に具備することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の温度検出方法。 - 前記受光強度測定ステップでは、バーナの着火部における受光強度を測定することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の温度検出方法。
- 前記光ファイバは、当該光ファイバより耐熱性の高い補強材に支持されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の温度検出方法。
- 対象領域に挿入された光ファイバの受光強度を測定する受光強度測定部と、
前記受光強度測定部が取得した受光強度を温度に換算する温度検出部と、
前記対象領域に挿入された温度センサを用いて温度を測定する温度測定部と、
前記受光強度測定部が測定した受光強度と前記温度測定部が測定した温度とに基づいて、前記温度検出部における実質的温度検出対象範囲を示す温度検出距離を取得する温度検出距離取得部と、
を具備することを特徴とする温度検出装置。 - 温度検出装置としてのコンピュータに、
対象領域に挿入された光ファイバの受光強度を測定する受光強度測定ステップと、
前記受光強度測定ステップで得られた受光強度を温度に換算する温度検出ステップと、
前記対象領域に挿入された温度センサを用いて温度を測定する温度測定ステップと、
前記受光強度測定ステップで得られた受光強度と前記温度測定ステップで得られた温度とに基づいて、前記温度検出ステップにおける実質的温度検出対象範囲を示す温度検出距離を取得する温度検出距離取得ステップと、
を実行させるためのプログラム。
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