JPS61265540A - 燃焼ガス体温度測定方法 - 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〕 この発明は、石炭焚ボイラ火炉や重油焚ボイラ火炉など
の炉内燃焼ガス温度分布を測定するガス体温度測定方法
に関する。

〔従来の技術〕

第５図は従来のガス体温度測定方法を説明するための図
である。この第５図において、超音波ＣＴ（コンピュー
タトモグラフ）の対象とする３次元物体のある断面ＯＺ
を円の内部とする。

その断面内を超音波が伝播するように１まず１対の超音
波トランスミッタ０２（以下トランスミッタと言５）と
超音波受信器０３（以下受信器と言う）を対向させて設
置する。このときトランスミッタ０２と受信器０３０間
の超音波伝播時間は次のようにして測定される。

まず、計算機０４から計測開始のスタート信号０５がト
リガ発生器０６に送られると、トリガ発生器０６でトリ
ガ信号０７が発生され、発振器０８とカウンタ０９に送
られる。

発振器０８はトリガ信号０７により発振を開始して、発
振信号ＸＯはトランスミッタ０２に入力され、ここで超
音波に変換される。トランスミッタ０２から発振された
超音波１１は断面Ｏ１内を伝播し、受信器０３に到達す
る。

このとき、受信器０３から超音波受信信号１２が発生し
、カウンタ０９に入力される。カウンタ０９では、前記
トリガ信号０７が入力されたときから超音波受信信号１
２が入力されるまでの時間、すなわちトランスミッタ０
２と受信器０３の間の超音波伝播時間が測定される。

測定された伝播時間は計算機０４に送られ、メモリにス
トアされる。

一つの経路について伝播時間が計測されると、計算機０
４からスキャンコントローラｚ３に信号が送られ、スキ
ャンコントローラ１３からのコントロール信号１４で１
対のトランスミッタ０２と受信器０３をｒ方向にΔｒだ
け平行移動し、前記と同様にして伝播時間を測定し、こ
れらの操作を操り返すことにより断面０１の００方向の
伝播時間分布が測定される。

θＯ方向の伝播時間分布が測定されると、計算機０４か
ら再びスキャンコントローラ１３に信号が送られ、今度
は前記１対のトランスミッタ０２と受信器０３がθ方向
にΔθだけ回転され、前記と同様にしてθ０＋Δθ方向
の伝播時間分布が測定され、これらの操作を（θ０＋１
８００−Δθ）方向まで繰り返し、あらゆる方向の伝播
時間分布を測定する。

このようにして得られたすべての伝播時間データは計算
機０４でＣＴ処理されることにより、上記断面Ｏ１内の
音速分布が得られる。

Ｃ’ｒ処理に当っては、まず対象となる断面を微小領域
（メツシー）に分割し、各メツシーでの音速Ｃ（ｉ）　
（ｘは１番目のメツシュを意味する）を変数として扱う
。このとき、各伝播時間ｔ、　（Ｊ）（ｊは５番目に計
測された伝播時間を意味する）は次の（１）式で表わさ
れる。

ｔ（ｊ）＝；測　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・　（１）Ｉｃ（１） ここで、ｔ（１）は１番目のメツシュの長さで、たとえ
ばｊ査目の伝播経路中にｎ査目のメツシュが含まれなけ
ればｔ（→＝０として扱う。

各伝播時間が（１）式で表わされるとき、ＣＴ処理で求
められるのは、各メツシュでの伝播時間Ｚ（ｔ）／Ｃ（
１）である。このときｔ（１）はメツシュを分割したと
き決まるので、結局各メッシ具での音速Ｃ（１）、すな
わち音速分布が得られる。

音速は超音波が伝播する媒質によって異なるので、音速
分布から断面０１内の構造（たとえば体の組織など）が
判る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の超音波ＣＴで、固体あるいは液体を対象にした場
合、使用する超音波の周波数は数ＶＨ２以上であり、特
に問題はない。

しかし、気体を対象とした場合、このよつな高い周波数
の超音波は伝播しないので、数１０ＫＨｚにしている。

ところが、燃焼炉内ガスのように炭酸ガスを含む気体を
対象とすると、炭酸ガスが超音波を吸収し、好ましくな
かった。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記従来の欠点を除去するためになされた
もので、ガス体中に超音波を伝播させ、この超音波の伝
播速度を測定し、測定された伝播速度からガス体の温度
を求める方法において、周波数１１　ＫＨｚないし１５
　ＫＨｚの超音波を用いるようにしたものである。

〔作用〕

この発明は、超音波の周波数を１１　ＫＨｚ〜１５１Ｃ
Ｈｚの特定の周波数領域を選ぶことにより燃焼ガス中の
減衰および炉内７ノイズに影響を受けることなく燃焼ガ
スの温度分布を計測する。

〔実施例〕

以下、この発明のガス本温度計測方法の実施例について
図面に基づき説明する。第１図はその一実施例に適用さ
れる温度計測装置のブロック図である。この第１図にお
いて、超音波ＣＴの対象とするボイラ火炉断面３ｏ（以
下、火炉断面と言う）を四角形の内部とする。この火炉
断面３０内を色々な方向に超音波が伝播するように複数
個の超音波トランスミッタ３ｘ、３２゜３３．３４．３
５．３６（以下、トランスミッタと言う）と複数個の超
音波受信器３７．３Ｂ。

ｓｙ、４ｏ、４ｚ、４ｚ（以下、受信器と言う）を火炉
周囲に設置されている。

このとき、トランスミッタ３１〜３６と受信器３７〜４
２の間の超音波伝播時間は次のようにして測定されるよ
うに構成されている。

計算機４５からスタート信号４４がトリガ発生器４５に
送出するようになっており、トリガ発生器４５から、ト
リガ信号４６が発振器４７とカウンタ４８に送出するよ
うにしている。

また、計算器４３からスキャン信号５１がトランスミッ
タスキャナ４９に送るようになっているとともに、スキ
ャナ信号５２を受信器スキャナ５０に９出するようにな
っている。

トランスミッタスキャナ４９は複数個のトランスミッタ
３Ｉ〜３６のうちの所定のトランスミッタを指定し、受
信器スキャナ５０は複数個の受信器３７〜４２のうちの
所定の受信器を指定するようになっている。

また、発振器４７はトリガ信号４４ｔ−人力すると、発
振信号５３をトランスミッタスキャナ４９を介して指定
されたトランスミッタに送るようになっており、トラン
スミッタスキャナ４９で指定されたトランスミッタは発
振信号５３を超音波に変換するようになっている。

この超音波は、炉内を伝播して受信器で受信されて、受
信信号５４を受信器スキャナ５０を通してカウンタ４８
に送るようになっている。

カウンタ４８Ｉ／′ｉトリガ信号４６の発生時から受信
信号５４の入力までの時間をカウントして、カウント値
を計算機４３に送るようになっている。

次に、この温度計測装置により、この発明のガス体温度
測定方法を説明する。まず、計算機４３から計測開始の
スタート信号４４がトリガ発生器４５に送られると、ト
リガ発生器４５からトリガ信号４６が発生され、発振器
４７とカウンタ４８に送られる。

また、トリガ信号４６と同時に複数個のトランスミッタ
３ｘ〜３６と受信器３７〜４２の中から計測に使用する
１対のトランスミッタと受信器を選定するため、計算機
４３からトランスミッタスキャナ４９および受信器スキ
ャナ５０にそれぞれスキャン信号５ｘ、５２を送る。た
とえば、いまトランスミッタ３１と受信器４０を指定し
たとする。

このとき、トリガ信号４６を受けた発振器４７からの発
振信号５３けトランスミッタスキャナ４９を経てトラン
スミッタ３１に送られる。

トランスミッタ３Ｉでは、発振信号５３が超音波にｆ換
され、炉内を伝播し、受信器４０にて受信され、受信信
号５４が受信器スキャナ５０を経てカウンタ４８に送ら
れる。

カウンタ４８では、トリガ信号４６が入力された時点か
ら受信信号５４が入力されるまでの時間、すなわち、ト
ランスミッタ３１と受信器４０の間の超音波伝播時間が
測定される。測定された伝播時間は計算機４３に送られ
メモリにストアされる。

一つの経路について、伝播時間が計測されると、計算機
４３からトランスミッタスキャナ４９および受信器スキ
ャナ５０に信号が送られ、計測に使用するトランスミッ
タと受信器の対を切り換えていく。

この場合、通常１１〜１５　ＫＨｚ程度の超音波であれ
ば伝播方向が中心から±１０°〜２０°程度拡がってい
るので、一つのトランスミッタからの超音波は３〜５個
の受信器で受信される。

＠１図ではそれぞれのトランスミッタからの超音波が３
〜５個の受信器で受信される状況を点線で示しである。

すべてのスキャンが完了すれば第１図では２４通りの伝
播時間が計測され、計算機のメモリにストアされる。上
記周波数を１１〜１５　ＫＨｚにした理由は後述する。

得られたすべての伝播時間データは計算機でＣＴ処理さ
れることにより、従来と同様に、上記火炉断面３０内の
音速分布ｃ　（ｉ）が得られる。

ここで１は従来と同様、火炉断面３０内をメツシ、に分
割した場合の１番目のメツシーを意味する。

メッシユの分割方法は従来と異なり、得られる伝播時間
の個数に応じて分割する。

また、従来のようにセンサの移動が平行移動および回転
移動とも等間隔に、しかも非常に細かくデータ手得が可
能な場合はＣＴ処理の中でもコンポリー−ジョン法とい
う手法が用いられる。

しかし、ボイラに適用する場合、センサを平行あるいは
回転移動することができず、しかも取り付けられるセン
サも数に限度があるため、得られる伝播時間の個数が非
常に少なくなる。

この場合は、伝播時間の個数だけできる次の（２）式に
示す連立方程式（変数はメツシー数で決まり、必ず伝播
時間の個数に等しいか少なくなければならない）を最小
２乗法で解く。

ｔ（ｊ）　＝５洲　　　・・・・・・・・　・・　（２
）ここで、（２）式が成立するのはメツシュ内のガス流
速ｖ（１）がＣ（１）に比べて非常に小さい場合である
。

また、得られた音速Ｃ（１）は１番目のメッシユでのガ
ス温度Ｔｔ（ＯＫ）の関数で次式で与えられる。

Ｃ（ｉ）　＝　２０．０５　Ｆ　　　・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・　（３）したがって
、（３）式からで１が求まり、火炉断面３０内の燃焼ガ
ス温度分布が求まる。

次に周波数選定理由を述べる。

（１）第２図の曲線Ａに音波および超音波の周波数に対
するボイラ火炉内ノイズレベルを示す。炉内ノイズは３
　ＫＨｚ近傍から急激に少なくなり１１　ＫＨｚ以上で
はあまり変わらなくなる。

（２）第２図の曲線Ｂに超音波周波数に対する超音波の
炭酸ガスによる吸収割合を示す。この場合の吸収割合は
超音波を１ｒｒＬ伝播させたときの吸収された超音波強
度を伝播前の超音波強度で除算した値である。曲線Ｂか
ら判るように１５ＫＨｚ以上では炭酸ガスによる超音波
の吸収が顕著になる。

上記二つの理由から燃焼ガス温度測定のため超音ｔｆｊ
Ｌｃ’ｒでは実用上１１　ＫＨｚ　〜１５　ＫＨｚの超
音波が最適であることが１する。

従来は液体あるいは固体にしか適用できなかったものを
、この実施例では１１　ＫＨｚ〜１５ＫＨｚという特定
の周波数領域を選ぶことにより、燃焼ガス中での減衰も
また炉内のノイズもほとんどなく燃焼ガスの温変分布が
計測できるようになり、燃焼解析やボイラ最適設計など
に大きな効果がある。

次に、この発明の第２の実施例について説明する。第３
図はこの＠２の実施例に適用される温度計測装置のブロ
ック図である。

第１の実施例が１１　ＫＨｚ〜１５　ＫＨｚ帯の超音波
を使用することにより、燃焼ガスに対して超音波ＣＴ法
が適用された場合を示したが、この第２の実施例はそれ
に加えて、超音波の送信器と受信器の機能を１台の超音
波変換器に持たせ、同一経路の双方向の超音波伝播時間
を計測することで、炉内ガス流速による伝播時間への影
響を排除できるようにしたものである。

次に具体的に第３図に基づきこの発明の第２の実施例に
ついて説明する。この第３図における構成は第２図のト
ランスミッタ３１〜３６、受信器３７〜４２０部分に炉
内断面３０内に色々な方向に超音波が伝播するような複
数個の送受信両用の超音波変換器３１ａ〜４２ａ（たと
えば、ダイナミックスピーカ）を火炉周囲に配置した点
が異なり、その他の構成は第１図と同様であり、第１図
と同一部分には同一符号を付して構成の説明を省略する
。

次に、この第２の実施例のガス体温度計測方法について
述べる。

送信器として使用した超音波変換器３１ａ〜４２ａと受
信器として使用した超音波変換器３１ａ〜４２ａ間の超
音波伝播時間は以下のように測定される。

まず、計算機４３から計測開始の信号４４がトリガ発生
器４５１Ｃ送られると、トリガ信号４６が発生し、発振
器４５とカウンタ４８に送られる。

また、トリガ信号と同時に送受信両用の超音波変換器の
中から計測に使用する一対の送信器と受信器を選択する
ため、計算機４３から送信側スキャナ４９および受信側
スキャナ５ｏにそれぞれスキャン信号５１．５２が送ら
れる。

たとえば、送信側変換器３１と受信側変換器４０を指定
した場合、トリガ信号４６を受けた発振器４７からの発
振信号５３は、送信側スキャナ４９を経て送信側超音１
／ｉｆ換器３１ａに送られる。

送信側超音波ｆ換器３１ａ−では発振信号５３が超音波
に変換され、炉内を伝播し受信側超音波変換器４０ａに
受信され、受信信号５４は受信側スキャナ５Ｑを経てカ
ウンタ４８に送られる。

カウンタ４８は、トリガ信号４６が入力された時点より
、受信信号５４が入力されるまでの時間、すなわち送信
側超音波変換器３１ａと受信側超音波変換器４Ｌ）ａ間
の超音波伝播時間が測定され、測定された伝播時間５５
は計算機４３に送られメモリにストアされる。

一つの経路について伝播時間が計測されると、計算機４
３から送信側スキャナ４９および受信側スキャナ５０に
信号が送られ、送信側超音波変換器３１ａを受信側超音
波変換器に、受信側超音波変換器４０ｒｘを送信側超音
ｉｆ換器に切り換え、同一経路の逆方向の伝播時間が計
測される。

一つの経路の双方向の伝播時間が計測されると、計算機
４３から送信側スキャナ４９および受信側スキャナ５０
に信号が送られ、別の経路について計測に使用する送受
信両用の超音波変換器の送信側変換器と受信側変換器の
対が切り換えられていく。この場合、１１〜１５　ＫＨ
ｚ程度の超音波であれば、伝播方向が中心から±１０〜
２０°程度拡がっているので、一つの送信側超音波で換
器からの超音波は８〜９個の受信側超音波ｆ換器で受信
される。

第３図では、それぞれの送信側に換器からの超音波が８
〜９個の受信器で受信される状況を点線で示しである。

すべてのスキャンが完了すれば、第３図では１００通り
の伝播時間が計測され、計算機のメモリにストアされ、
超音波ＣＴ法によりガス温度が計算される。

いま、第４図の１番目のメッシュＡＢ閣内の微少区間Ｌ
（１）において、Ａ点よりＢ点方向への超音波伝播時間
をΔｔＦ（ｉ）、Ｂ点よりＡ点方向への伝播時間をΔｔ
Ｂ（１）とすると、各伝播時間はガス温度Ｔｉ（’Ｋ）
における音速Ｃ（１）とＡ点よりＢ点方向へのガス流速
ｖ（１）より次の＋４１　、　＋５１式で４見られる。

ここで、＋４１　、　＋５１式を加えると、次の（６）
式となただし、（４１、＋５１式が成立するのはＶ　（
ｉ）　＜　Ｃ（ｉ）の場合である。

これより、微少区間Ｌ（１）中における平均超音波伝播
時間は次の（７）式となる。

Δｔ（ｉ）　＝　Ｔ（Δｔｙ（ｉ）＋Δｔ　Ｂ（ｉ）　
）　　・曲間　　（７）したがって、ＡＢ区間における
平均超音波伝播時間は次の（８）式とｈる。

これより、超音波伝播時間に対するガス流速の影響はな
くなる。

得られたすべての伝播時間データは計算機４３でＣＴ処
理されることにより、従来と同様に上記火炉断面３０内
の音速分布Ｃ（１）が得られる。ここで１は従来と同様
、火炉断面３０内をメツシュに分割した場合の１番目の
メツシュを意味する。メツシュの分割方法は従来と異な
り、得られる伝播時間の個数に応じて分割する。

まだ、従来のようにセンサの移動が平行移動および回転
移動とも等間隔に、しかも非常に細かくデータ取得が可
能な場合はＣＴ処理の中でもコンボリューション法とい
う手法が用いられる。

しかし、ボイラに適用する場合、センサを平行あるいは
回転移動することができず、しかも取付られるセンサも
数に限度があるため、得られる伝播時間の個数が非常に
少なくなる。

この場合は伝播時間の個数だけできる連立方程式（変数
はメクシュ数で決まり、必ず伝播時間の個数に等しいか
少なくなければならない）を最小２乗法で解く。

得られた音速Ｃ（１）は１番目のメツシュでのガス温度
Ｔｉ（’Ｋ）の関数で次の（９）式で与えられる。

Ｃ（ｉ）　：＝　２０．０５β〒　　　・・・・・曲・
・・・・・・・・・・・　　（９）したがって、（９）
式からＴ１が求まり、火炉断面３０内の燃焼ガス温度分
布が求まる。

なお、この第２の実施例においても、１１ＫＨｚ〜１５
　ＫＨｚ程度の周波数に選定した理由は上記第１の実施
例と同様である。

また、この第２の実施例における効果は第１の実施例に
加えて、同一経路の双方向の伝播時間を計測することで
、炉内ガス流速による超音波伝播時間への影響を排除し
たため、精度よく燃焼ガスの温度分布が計測できるよう
になる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明のガス体温度計測方法によれば
、周波数１１　ＫＨｚ〜１５　ＫＨｚの超音波をガス体
中に伝播させてその伝播速度を測定してガス体の温度を
求めるようにしたので、燃焼ガス中での減衰および炉内
のノイズがほとんどなく、燃焼ガスの温度分布を計測で
き、燃焼解析やボイラ最適設計などに大きな効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のガス体温度計測方法の一実施例に適
用される温度計測装置のブロック図、第２図は同上ガス
体温度計測方法に適用される超音波の１１　ＫＨｚ〜１
５　ＫＨｚの周波数帯を選定した理由を説明するだめの
周波数対炉内ノイズおよび炭酸ガスによる超音波吸収率
を示す図、第３図はこの発明のガス体温度計測方法の第
２の実施例に適用される温度計測装置のブロック図、第
４図は同上第２の実施例のガス体温度計測方法に適用さ
れる炉断面内をメツシュで分割した場合の超音波の伝播
時間のデータ処理を説明するための図、第５図は従来の
ガス体温度計測方法に適用される温度計測装置のブロッ
ク図である。 ３０・・・火炉断面、３１〜３６・・・超音波トランス
ミッタ、３１ａ〜４２ａ・・・超音波変換器、４３・・
・計算器、４５・・・トリガ発生器、４７・・・発振器
、４８・・・カクンタ、４９・・・トランスミッタスキ
ャナ、５０・・・受信器スキャナ。 出願人復代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図 層液＊＜にＨｚ） 第３図 第４図 第５図 ｈＳ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガス体中に超音波を伝搬させ、この超音波の伝搬速度を
   測定し、測定された伝搬速度からガス体の温度を求める
   方法において、周波数１１ＫＨｚ〜１５ＫＨｚの超音波
   を用いることを特徴とするガス体温度測定方法。