JPS62233729A - 高温物体の温度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温物体を微粒子吸収ｎを介して観測する場
合に、観測光の分光放射発散度から、微粒子吸収層の吸
収を考慮した高温物体の温度および放射率と、微粒子吸
収層の粒径分布指標および光学的！！Ｊ？指標とを同時
に求めることができるＩＸ温物体のｍｆｆ１測定方法に
関する。

本発明は、ボイラや加熱炉のバーナの燃焼状態の監視、
ｉ＆炉内の溶銑表面温度分布の測定。

水蒸気や煙を発生するゴミ焼却炉の燃焼監視などに使用
される。

［従来の技術］ 熱放射に基づく温度測定には、単色光で測定する輝度温
度計、２色で温度と放射率を同時に測定する２色濃度計
、３以上の色を用いて温度と分光放射率を測定する多色
温度計が知られている。また、燃焼状態の測定には、火
炎の失火監視用として単色で火炎のちらつきを測定する
フレームディテクタが知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、高温度で発光する物体を灰・煙などの微粒子
吸収層を介して観測する場合、上記の温度測定では次の
ような問題がある。

輝度温度ｇ１では、高温物体の放射率や微粒子吸収層の
影響がわからず、測定温度は実際の温度より著しく低く
なる。

２色温度計では、吸収層による吸収が放射率の見掛は上
の減少としてあられれるが、実際には紫外側の吸収が赤
外側の吸収より・ｂ大きいため、温度を低目に算出し、
その温度をもとに算出した放射率は実際よりも高目にな
る。また、分光放射率が波長に依存しない物体、例えば
黒色発光体であっても、得られる分光放射率は波長に対
して複雑な分布を示す。

多色温度計では、吸収層の影響が分光放射率の変化と温
度の変化となってあられれるので、高目に算出する場合
も、低目に算出する場合もある。

このように、上記のいずれの温度測定も、吸収層が考慮
されておらず、高温物体の正確な温度と放射率が得られ
ない。更に、吸収層に関するデータも得られない。（例
えば、バーナ燃焼の場合、未燃域が吸収層を形成し、未
燃域の性状やナイスは燃焼状態を判定する重要な指標で
ある）本発明は上記の従来技術の問題点を解消すべく創
案されたものであり、本発明は、測定対象となる高温物
体と測定器との間に波長によって散乱や吸収の異なる微
粒子吸収層がある場合において、ｌ１１ｓ物体の正確な
温度および放射率を測定できると共に微粒子吸収層の粒
径分布指標および光学的ＷＪｆ！ｉ指標を測定できる高
温物体の温度測定方法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、高温物体から発せられ微粒子吸収層を透過し
てきた光を予め設定された４以上の異なる波長λ１（ｉ
−Ｑ、１．・・・、Ｎ（Ｎ２２））に分光し、分光され
た各波長λ１の分光強度１１を測定する。測定値１ｉか
ら各波長λｉでの分光放射発散度１ｉを算出する。次い
で、微粒子吸収層による吸収を考慮せず且つ波長λｉの
うち予め選定された２つの波長、例えばλ０．λにでの
１％　ｉ物体の放射率が同じ値ε′であるとする条件下
において、波長λｉと算出された分光放射発散度１ｉを
用いて、上記２つの波長以外の波長λ１（ｉ−１、・・
・、Ｎ−１）での放射率ε′ｉと上記２つの波長での放
射率ε′との比ε′１／ε′を算出する。測定Ｋ（Ｉ　
ｉに対応するこの比ε′ｉ／ε′の界出値から、放射率
の比ε′ｉ／ε′と微粒子吸収層の粒径分布指標γおよ
び光学的層厚指標βとの間の関係式を用とから、高温物
体の温度Ｔと放射率εを算出する。

［作　用］ このようにして、微粒子吸収層の影響を考慮した高温物
体の正確な温度Ｔと放射率εとが得られる。また、温度
Ｔ、放射率εを求める過程において微粒子吸収層の粒径
分布指標γと光学的層厚指標βも得られる。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面に従って詳述する。

第１因は本発明方法を用いてバーナの火炎診断を行なう
測定システムを示す。

第１図において、１はバーナであり、バーナ１からの燃
料噴霧によってバーナ１側から噴霧域２゜未燃域３．燃
焼域４が形成される。噴霧域２は、燃料の機械的霧化が
行なわれるブラックスカートと呼ばれる領域であり、燃
料の粒径が大きく光学的には陰をつくるだ【プで透過光
にスペクトル歪を与えない。未燃域３は、霧化された燃
料がまわりからの熱によって蒸発する領域であり、微粒
化が進み、光学的には半透明化するとともに透過光にス
ペクトル歪を与える。

集光器５は、未燃域３を介して燃焼域４を視野にとらえ
、噴霧域２が視野に入らないように配置される。この配
置では未燃域３が燃焼域４の測定を妨害することとなっ
てしまうが、多数のバーナが設けられる炉にあっては集
光器をバーナの周辺にしか設置できず、第１図の紙面に
垂直な方向からの観測は現実的でないのでやむをえない
。ところが本発明では、後述するように、未燃域３の影
響を除去できるばかりでなく未燃域３の状態が測定でき
る。また、集光器５の光軸１３はバーナ１側から燃焼域
４の火炎先端部に向けて配置される。

これは、燃焼域４の発光はバー上１側に輝線スペクトル
が多く、バーナ１とは反対側の火炎先端部に粒子発光に
よる連続スペクトルが多いので、より有益なデータが得
られることが多いからである。

集光器５には光ファイバ６が接続されており、集光器５
が捕えた光は光ファイバ６で分光測光器７に導かれる。

光ファイバ６の出射端にはコリメートレンズを備えたス
リット１０が設けられており、スリット１０からの入射
光１４は凹面回折格子１１の全面に照射される発散光と
される。また、凹面回折格子１１が反射した各波長λｉ
（第１図ではｉ　＝０．１．２．３）の分散光１５ｏ、
１５＋。

１５２．１５３の結像点にはそれぞれ光電変換器１２ｏ
　、１２＋　、１２２．１２３が配設されている。バー
ナ１の火炎は時間的変動が激しく、同時分光測定を要す
るため、この実施例では分光測光器７には上、述のよう
にマルチスペクトロメータを使用している。

光電変換器１２ｏ　、１２＋　、１２２．１２３からは
各分散光１５Ｑ　、１５＋　、１５２．１５３の光量に
比例した電気信号１６ｏ　、１６１．１６２　。

１６３がアナログディジタル変換器８に入力されるよう
になっている。更にアナログディジタル変換器８により
変換されたディジタルＩｌｉは計算器９に入力されるよ
うになっている。占１０器９には、予め装置特性値とし
て分光測光器７で設定する各分散光１５ｏ　、１５＋　
、１５２．１５３の波長λｉ　　［ｍｌを入力しておく
。また、各波長λｉごとに、集光器５が捕えた光の分光
放射発散度Ｌｉ　　［Ｗ／ｍ’　］とディジタル２ｒｉ
　　［Ａ］との比である分光ゲインＧｉ　　［Ａｍ３／
Ｗ］　　（波長に対する凹面回折格子１１の分光特性や
光電変換器１２の変換特性を含む）が入力されている。

更に、計算器９にはブランクの放射式の定数Ｇ＋　−Ｉ
Ｇ ３．７４１８３２　ｘｌｏ　　［Ｗｍ２］、Ｃ２−０，
０１４３８７８６［ｍＫ］が入力されている。

次に本実施例の測定方法を説明する。

バーナ１の火炎は集光器５で捕えられ、その光は光ファ
イバ６を通って分光測光器７に入射する。

入射した光は凹面回折格子１１で分光され、各分散光１
５ｏ　、１５＋　、１５２．１５３は光電変換器１２ｏ
　、１２＋　、１２２．１２３で電気信号１６ｏ　、１
６＋　、１６２．１６３に変換される。

変換された電気信号１６ｏ　、１６＋　、１６２　。

１６３はアナログディジタル変換器８でディジタルｔＤ
Ｉｉに変換されｇ−１算器９に入力される。

計算器９では、まず、集光器５が捕えた光の各波長λｉ
での分光放射発散度Ｌ１が篩出される。

分光放射発散度１　ｉは、アナログディジタル変換器８
から入力されるディジタル１ＥＩＩｉ　と予め計綽器９
に入力しておいた分光ゲインＧ１との比として（１）式
により算出される。

Ｌｉ−□　　　　　　　・・・　（１）ｉ 燃焼１ｉｉ！４の放射は波長に依存しない灰色体の放射
とし、その放射率をεとする。このとき、燃焼域４の波
長λｉでの分光放射発散度は、黒体の分光放射発散度を
ブランクの放射式の近似としてウィーンの式を用いると
、（ｂ式で表わされる。

また、未燃域３の吸収率は、未燃Ｔ！ｉ３の光学的層厚
指標β（未燃域３を横切る光軸１３の距離と吸収物質の
濃度の積）と未燃域３の粒径分布指標■。

γ（λ１は波長λｉでの吸収係数）とにより（３）式従
って、燃焼域４から未燃域３を通って集光器５に達する
検出光の分光放射発散度Ｌ１は、（シ。

ただし、ｉ−０，１，・・・、Ｎ 一方、ｉ−０，Ｎの２色を用い、未燃域３による吸収を
無視すると共に放射率を波長によらずに一定であるとす
る２白湯度計の計算法によって得られる燃焼域４の温度
をＴ′、放射率をε′とすると、ただし、ｉ−０，Ｎ また、燃焼域４の温度をＴ′とするとき、λ０゜λＮ以
外の波長での放射率は６）式で算出される。

ただし、；−ｏ、１．・・・、Ｎ ε′ｉは６）式のε′と異なる値をとり、見掛は上、波
長によって放射率が変わることになる。

放射率ε′；とε′の比の対数は、未燃域の指標βとγ
を用いて表わすため（４）式を用いて計篩すると、（７
）式で示される。

ただし、＋−ｏ、　１．・・・、Ｎ （７）式の右辺において、光学的層厚指標βは波長が異
なっても同じ値をとるので、１．ｌ（ε′１／ε′）は
右辺の（）内の値により変化する。波長λｉにおける１
ｎ（ε′ｉ／ε′）の値は、波長λ１がＳ１置の定数な
ので粒径分布指標γの値によって変化する。

／、ノ （７）式の左辺の１ｎ（ε１／ε　）は（１）式により
算出された分光放射発散度の測定鎮によって（８）式か
ら算出される。

ただし、ｉ＝・０，１．・・・、Ｎ 第２図は、火炎の実測値に基づきり。（εＩ／ε）をプ
ロットすることにより得られた１、ｌ（ε′ｉ／ε′）
のグラフであり、その分布面１１７は図示するように点
Ａ（λｏ、Ｏ）および点Ｂ（λＮ、０）を通る山形のも
のとなる。一方、ＣＤ式の右辺を波長λ−０，５Ｘ１０
　　＝　０．８ｘ１０　　［７ＦＬ］　、７−−０．５
〜−２．５の範囲で計算したときにも、分布曲線１７と
同様の山形の曲線が得られる。

次に、２つの指標γ、βを方程式の根として求める方法
を述べる。

（７）式の右辺には、２つの未知数、即ち粒径分布指標
γと光学的層厚指標βとが含まれている。従って、（方
式でｉ−１，２，・・・、Ｎ−１における方程式のうち
から２つの方程式を選び、選ばれた２つの方程式からγ
とβを求める。

ただし、ｉ−１，２，・・・、Ｎ−１ ｊ＝１．２．・・・、Ｎ−１ １≠ｊ ま°た、βは（９）式より冑られたγを（７）式のいず
れかの式に代入して求める。こうして、未燃域３の指標
γ、βは定まる。

燃焼域４の温度Ｔは、（４）式から導かれるｏＧ式に、
更に、燃焼域４の放射率εは（４）式から導かれる（１
１）式より求められる。

こうして、燃焼域４の温度Ｔ、放射率εも定まる。

なお、２色濃度計での温度の洞室ｆｌｉ丁と、本発明に
よる温度の測定値Ｔとの間には、■式の関係がある。

また、２色濃度計の方法で得られる放射率εと本発明の
方法で得られる放射率εとの間には、（＋３）式の関係
がある。

上記の計算器９で行なわれる処理をまとめて示したもの
が第３図の計算フローであり、次にこの計算フローを説
明する。

ステップ１８では、変換器８から入力されたディジタル
ｌｌｉ　と予め設定した分光ゲインＱｉ　とから、（１
）式より分光放射発散度１．ｉを算出する。

ステップ１９では、ステップ１８で得られた分光放射発
散度１ｉと予め設定した分光波長λｉとから、（０式を
用いて、２色濃度計の計算法による放射率の比の対数ｊ
ｈ（ε１／ε）を算出する。

ステップ２０では、ステップ１９で得られたｉｎ（ε′
ｉ／ε′）の値を用いて、（９）式の方程式を数値計算
で解き、粒度分布指標γを算出する。

ステップ２１では、粒度分布指標γと放射率の比の対数
ｌ八（ε′ｉ／ε′）とから、（７１式を用いて光学的
層ｌ指標βをｎ出する。

ステップ２２では、得られたβ、γの値および予め入力
されたブランクの放射式の定数Ｃ２を用いて、ａＧ式よ
り温度Ｔを算出する。

ステップ２３では、得られたγ、β、■の値およびブラ
ンクの放射式の定数Ｇ＋　、Ｃ２を用いて、００式から
放射率εを算出する。

このようにして、未燃域３の粒径分布指標γ。

光学的層厚指標βおよび燃焼域４の温瓜Ｔ、放射率εが
すべて求められ計輝器９から出力される。

これら測定値は火炎の燃焼状態の診断やバーナ１の燃焼
制御などに用いられる。

次に、２つの指標γ、βを求める他の方法を説明する。

第１図の分光測光器７では、集光器５が捕えた火炎の光
を４種の波長に分光しているので、［９）式の添字ｉ、
ｊの組合せは１通りであり、１つの粒径分布指標γしか
求まらない。しかし、分光測光器７で５種又はそれ以上
の波長に分光する場合には、（９）式の添字ｉ、ｊの組
合せは複数通りとなり、複数の種類のγが求まる。した
がって、この場合、ステップ２０でこれら複数のγを算
出すると共にこれらのγの値の平均値を求め、ステップ
２１以降ではγの値としてこの平均値を用いる方法があ
る。

また未燃域４の指標βとγを最小自乗法で決定する方法
がある。

（７）式の左辺の値は（０式を用いて測定データから算
出される値であり（７）式の右辺は左辺の近似関数で、
未知数γとβを含むことは既に述べた通りである。　（
７）式の左辺と右辺の比が１になる様に、最小自乗法に
よってγとβを決める方法を以下に示す。表記を簡単に
するため（７）式の左辺及び右辺の（）の中を夫々（１
４）式及び（１５）式の様に置ぎかえる。

最小自乗法の判別値Ｑを（＋６）式の様に置く。

判別値Ｑを最小にするβはＱのβに関する微係数をゼロ
とするから（１７）式が成立する。

（１６）式と（ｉ刀式からβは（（８）式の関係を満足
りる。

係数をゼロとするが、複雑な関数となる。従って、γの
試行値に対して（１８）式でβを求め、（＋６）式にγ
とβとの値を入れてＱの値が最小になる様に繰り返し計
算を行ない、γの試行値を収斂させてβとγの値を決め
る。この場合の計算フローを第４図に示す。第４図は第
３図でステップ２０とステップ２１のフローにおきかわ
る部分である。第４図においてステップ２４への入力は
第３図のステップ１９の出力からの入力であり、（＋４
）式のｄｉである。

このｄｉとステップ２５で適宜窓めるγの試行値とから
ステップ２４では（１８）式を用いてβを定める。

これ等βとγの試行値に対してステップ２６では（１≦
）式を用いてＱの値を求め、ステップ２７では試行値に
対してＱが最小に収斂しているかどうかを検討し、収斂
していなければルーフ２８に分岐し再びステップ２５で
Ｔの試行値を定めなおす。

ステップ２７で、Ｑが最小に収斂していることが判明す
るとループ２９に分岐し、第３図のステップ２２に、第
４図で求まったβとγを入力する。

上記実施例は、第１図における未燃域３を微粒子の吸収
層とし、燃焼ＶＸ４の放射の放射率を、波長に依りしな
い値として説明した。しかし、上記実７１１ｉｉ例で測
定波長２ｉを紫外よりの波長に選ぶことで、燃焼域４の
輝線スペクトルを負の吸収と解釈して測定出来る。すな
わち、上記実施例で、紫外よりのデータを測定した場合
、（３）式のβは、未燃１４３の吸収が強い場合は正の
値に算出され、他力、ＵＩｌ！スペクトルが強く、未燃
域３の吸収が少ない場合には、負の値に算出される。紫
外よりの測定で求まる指標βとγは、燃焼域４の温度の
算出に関係しないが、燃焼状態を明確に示す指標である
。

また、上記実施例では、集光器５の光軸１３は固定され
ていたが、集光器５の光軸１３を可動にすることにより
、火炎の粒径分布指標γ、光学的層厚指標β、温度Ｔお
よび放射率εの２次元分布画像を得ることができる。ま
た、集光器から光電変換器までの光路を火炎の光学像を
伝送する光路とし、分光を光学フィルタの切替によって
行ない、光学像をイメージセンサで受けその画素ごとに
測定し２次元分布画像を得るようにしてもよい。

また、上記実施例ではボイラ等のバーナの燃焼状態を測
定したが、本発明方法はこれに限らず、高温物体が微粒
子吸収層に被われているような環境での測定、例えば高
炉内の溶銑表面温度の測定や水蒸気・煙などが発生する
ゴミ焼却炉の燃焼測定にも適用することができる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のよ
うな効果を発揮する。

（１）　　高温物体と測定器との間に波長によって散乱
や吸収が異なる微粒子吸収層があっても、高温物体の正
確な温度と放射率を測定することができる。

（２）　　微粒子吸収層の粒径分布指標と光学的層厚指
標を測定することができる。火炎の場合には高温物体は
燃焼域に、微粒子吸収層は未燃域にあたり、未燃域に関
するデータ（粒径分布指標、光学的８厚指標）は火炎の
燃焼状態を診断するのに非常に有用である。未燃域が少
ないと、火炎がバーナに近づきバーナを焼損するおそれ
があり、また燃料の微粒化期間が短く煤煙や窒素酸化物
の生成釘が菫なってくる。更に、未燃域の状態は酸素の
供給と密接な関係があり、未燃域の状態を知ることは空
気の供給方法や供給品を判断するのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための測定システムの一
例を示す系統図、第２図は２色部度測定法で寄られる見
ａ）ｔプの分光放ｇＦＪ率の分布を示す図、第３図およ
び第４図は第１図の計算器においてなされる処理を示す
流れ図である。 図中、１はバーブ、２は噴ＮｂＡ、３は未燃域、４は燃
焼域、５は集光器、６は光ファイバ、７は分光測光器、
８はアナログディジタル変換器、９は計算器、１０はス
リット、１１は凹面回折格子、１２は光電変換器、１３
は光軸、１４は入射光、１５は分散光、１６は電気信号
、Ｉｉはディジタル量、βは光学的層厚指標、γは粒径
分布指標、Ｔ　Ｇ、ｔ　温度、εは放射率である。 特　許　出　願　人　　石川島播磨重工業株式会社代理
人弁理士　絹　　谷　　信　　雄 ４６０．巧銑域°　　β・・・を勃ワ層厚柑標第１図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高温物体から発せられ微粒子吸収層を透過してきた光を
   ４以上の異なる波長に分光し、分光された各波長の分光
   強度を測定し、該測定値から各波長での分光放射発散度
   を算出し、上記波長と各波長での分光放射発散度から、
   微粒子吸収層の吸収を考慮せず且つ上記波長のうち予め
   選定された２つの波長での高温物体の放射率が等しいと
   する条件下における上記２つの波長以外の波長での放射
   率と上記２つの波長での放射率との比を算出し、該放射
   率の比の算出値より、放射率の比と微粒子吸収層の粒径
   分布指標および光学的層厚指標との間の関係式を用いて
   、粒径分布指標と光学的層厚指標を算出し、粒径分布指
   標および光学的層厚指標の算出値と、粒径分布指標およ
   び光学的層厚指標を用いて微粒子吸収層の吸収率を考慮
   した放射式とから、高温物体の温度と放射率を算出する
   ようにしたことを特徴とする高温物体の温度測定方法。