(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波発信器と音波受信器をガス流路を挟んで設置し、前記音波発信器から発した温度計測の音波が伝播するに要した時間を前記音波受信器の受信波形から求め、前記伝播時間から音波伝播のガス流路上のガス温度を計測する音響式ガス温度計測装置であって、
前記温度計測音波を検出する計測音波検出器に入力される波形の雑音強度を実測し、
前記雑音強度は、前記計測音波検出器に入力される波形の内、計測音波が前記音波受信器に到達し得る以前の部分の波形の最大振幅をもって、雑音強度とし、
前記雑音強度に対する、予測または実測される計測音波の強度の比であるＳ／Ｎ比を求め、
前記Ｓ／Ｎ比があらかじめ定めた閾値を超えたときのみ、ガス温度計測値を更新して出力する
ことを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
【請求項２】
音波発信器と音波受信器をガス流路を挟んで設置し、前記音波発信器から発した温度計測の音波が伝播するに要した時間を前記音波受信器の受信波形から求め、前記伝播時間から音波伝播のガス流路上のガス温度を計測する音響式ガス温度計測装置であって、
前記温度計測音波を検出する計測音波検出器に入力される波形の雑音強度を実測し、
前記雑音強度は、前記計測音波検出器に入力される波形の内、計測音波が前記音波受信器に到達し得る以前の部分の波形の最大振幅をもって、雑音強度とし、
前記雑音強度に対する、予測または実測される計測音波の強度の比であるＳ／Ｎ比を求め、
前記Ｓ／Ｎ比をガス温度計測値の信頼性の指標として、ガス温度計測値と共に出力する
ことを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
【請求項３】
音波発信器と音波受信器をガス流路を挟んで設置し、前記音波発信器から発した温度計測の音波が伝播するに要した時間を前記音波受信器の受信波形から求め、前記伝播時間から音波伝播のガス流路上のガス温度を計測する音響式ガス温度計測装置であって、
前記音波受信器周辺に設置された機器により発生される雑音強度を予測し、
前記予測した雑音強度は、前記音波受信器周辺に設置された１以上の機器が個々に作動した際に前記温度計測音波を検出する計測音波検出器に現れる雑音の強度をあらかじめ記録しておき、ガス温度計測時点での前記機器の作動状況を検知し、当該時点での前記計測音波検出器への入力波形中の雑音強度を、作動している全ての機器が個々に生じる前記あらかじめ記録された雑音強度の合計であり、
前記雑音強度に対する、予測または実測される計測音波の強度の比であるＳ／Ｎ比を求め、
前記Ｓ／Ｎ比があらかじめ定めた閾値を超えたときのみ、ガス温度計測値を更新して出力する
ことを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
【請求項４】
音波発信器と音波受信器をガス流路を挟んで設置し、前記音波発信器から発した温度計測の音波が伝播するに要した時間を前記音波受信器の受信波形から求め、前記伝播時間から音波伝播のガス流路上のガス温度を計測する音響式ガス温度計測装置であって、
前記音波受信器周辺に設置された機器により発生される雑音強度を予測し、
前記予測した雑音強度は、前記音波受信器周辺に設置された１以上の機器が個々に作動した際に前記温度計測音波を検出する計測音波検出器に現れる雑音の強度をあらかじめ記録しておき、ガス温度計測時点での前記機器の作動状況を検知し、当該時点での前記計測音波検出器への入力波形中の雑音強度を、作動している全ての機器が個々に生じる前記あらかじめ記録された雑音強度の合計であり、
前記雑音強度に対する、予測または実測される計測音波の強度の比であるＳ／Ｎ比を求め、
前記Ｓ／Ｎ比をガス温度計測値の信頼性の指標として、ガス温度計測値と共に出力する
ことを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１つの請求項に記載の音響式ガス温度計測装置において、
ボイラ炉内の燃焼ガスを温度計測の対象とし、雑音を発生する機器としてバーナおよびスートブロア装置を対象とすることを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響式ガス温度計測装置に係わり、特に、スートブロア装置を備える石炭焚きボイラ炉内のように、音波受信機の周囲に騒音源が存在し、その騒音により計測値の精度が著しく影響を受ける場合にあっても、計測精度の劣化を後工程に通知あるいは計測信号の更新を中断するなどの手段により、後工程に悪影響を与えることを防止する音響式ガス温度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用大型ボイラでは、負荷変化時において過不足のない燃料投入を行うなどの目的から、火炉ガス温度の計測が求められている。
【０００３】
定常状態の火炉ガス温度は、水・蒸気側との熱収支から算出可能であるが、非定常時においてはボイラを構成する伝熱管メタルの熱容量の影響が大きいため、水・蒸気側からの算出は困難であり、何らかの手段によりガス温度を計測することが必要である。
【０００４】
しかし、火炉ガス温度は高温（８００°Ｃ〜１，２００°Ｃ）である上、１００万ＫＷ級の発電用ボイラの火炉断面は３０ｍ×６ｍと非常に広いため、ガス温度を熱電対などにより常時計測することは、支持材料の耐熱性、強い輻射や付着灰により生じる誤差などに課題があり困難であった。
【０００５】
非接触で連続的に火炉ガス温度を計測する手段としては、従来より「ガス中の音速を利用する方法」が有望視されており、本願出願人は図４に示す発明（特願平７−３３６３３７号、以下従来技術という）などにより実用化を進めている。
【０００６】
以下図４について詳述する。時刻ｔ＝ｔ1にコントローラ１０より計測音波発信指令１０１を受けた音波受信器１は直ちに計測音波を送出する。計測音波は測定対象となるガス中を伝播経路上のガス温度で定まる速度ｖで伝播し、時刻ｔ＝ｔ2に音波受信器２で受信される。
【０００７】
Ａ／Ｄ変換器３は計測音波発信指令１０１を受け、直ちに、もしくは一定時間後に音波受信器２の受信波形１０２をあらかじめ定めるサンプル周期でデジタルデータ列１０３に変換する。その後計測音波および周辺雑音の性質（周波数、変調信号の特性、自己相関性など）を考慮したデジタルフィルタ４を通した波形１０４が計測音波受信器５に入力される。
【０００８】
受信波形１０４に含まれる雑音成分が計測音波成分よりも十分に小さい場合はデジタルフィルタ４は省略可能であるが、ボイラ炉内などでは、伝播経路上の減衰が大きく、また周囲の騒音も大きい環境下においては信号／雑音比の改善のため、種々のデジタルフィルタが使用される。
【０００９】
図５に受信波形１０２及び計測音波検出器５への入力波形１０４の例を示す。計測音波検出器５では、次のいずれかの手段により入力波形より計測音波受信器の到来時刻ｔ2を検出する。
【００１０】
（１）入力波形があらかじめ定めた閾値を最初に超える時刻を計測音波到来時刻ｔ2とする。
【００１１】
（２）入力波形が最大値となる時刻を計測音波到来時刻ｔ2とする。
【００１２】
（３）入力波形のうち、あらかじめ定めた閾値を超える振幅を持つ最初の極大点の時刻を音波到来時刻ｔ2とする。
【００１３】
なお、いずれの場合も計算処理量の低減のため、検出範囲をあらかじめ定めた時刻範囲（音波が到達する可能性がある最も早い時刻と最も遅い時刻の間）に限定する場合がある。
【００１４】
演算器６では、ｔ1，ｔ2及び音波発信器１と音波受信器２の幾何学的距離ｘより求まる計測音波のガス中での平均速度と、ガス温度と音速との関係式から計測音波伝播経路上の平均ガス温度１０６を算出し後工程へ通知する。
【００１５】
このような音響式ガス温度計測装置は、
（１）非接触
（２）放射熱伝達の影響を受けにくい
（３）伝播経路上の平均温度を計測可能
（４）数秒間隔で連続計測が可能
（５）灰付着の影響を受けにくい
という特徴をもち、発電用大型ボイラへの適用に好適である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの説明で明らかなように、音響式ガス温度計測装置では音波受信器２での音波到来時刻ｔ2を検出することが重要である。ところが、受信器２近傍で大きな騒音が発生すると、計測音波検出器５での計測音波到来時刻ｔ2を検出することが困難な状況が発生することがある。
【００１７】
特にボイラ火炉には各所に種々の機器が取り付けられており、中には作動時に激しい騒音を発生するものもある。例えば、ボイラ伝熱面に付着した燃焼灰を定期的な蒸気噴霧により除去するスートブロア装置、蒸気による油噴霧を行う油バーナなどは非常に大きな騒音を発生するため、これらの機器が受信器２の近傍で作動すると音波受信器１から伝播してきた音波が雑音成分に埋もれてしまい、計測音波検出器５で計測音波の到来時刻ｔ2を検出することが困難な状況が発生することがある。
【００１８】
このような状況下で算出されたガス温度は信頼性が著しくそこなわれるにも関わらず、従前の音響式ガス温度計測装置では、このような状況に対する対応がなされておらず、本装置の計測値を利用する後工程において誤った判断・操作を引き起こす可能性があった。
【００１９】
本発明の課題は、計測値の信頼性有無を判定する手段もしくは判定の基準となる指標を求める手段を備えることにより、音波受信器２が激しい騒音下にあって信頼のおける計測値が計測困難な状況においては、後工程において誤った判断・操作を行うことを防止する機能を備えた音響式ガス温度計測装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用するものである。
【００２１】
音波発信器と音波受信器をガス流路を挟んで設置し、前記音波発信器から発した温度計測の音波が伝播するに要した時間を前記音波受信器の受信波形から求め、前記伝播時間から音波伝播のガス流路上のガス温度を計測する音響式ガス温度計測装置であって、
前記温度計測音波を検出する計測音波検出器に入力される波形の雑音強度を実測し、
前記雑音強度は、前記計測音波検出器に入力される波形の内、計測音波が前記音波受信器に到達し得る以前の部分の波形の最大振幅をもって、雑音強度とし、
前記雑音強度に対する、予測または実測される計測音波の強度の比であるＳ／Ｎ比を求め、
前記Ｓ／Ｎ比があらかじめ定めた閾値を超えたときのみ、ガス温度計測値を更新して出力する音響式ガス温度計測装置。
【００２２】
また、雑音強度として、前記音波受信器周辺に設置された機器により発生される雑音強度を予測して処理することもできる。
【００２３】
更に、前記Ｓ／Ｎ比をガス温度計測値の信頼性の判断指標として出力しこれを利用することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
まず最初に、計測値の信頼性についての基本的な考え方を説明する。
【００２５】
図１において、１は音波発信器、２は音波受信器、３はＡ／Ｄ変換器、４はディジタルフィルタ、５は計測音波検出器、６はガス温度演算器、１０はコントローラ、２０１は雑音成分強度測定器、２０２は信号発生器、２０３は除算器、２０４は条件付きレジスタ、をそれぞれ示す。
【００２６】
測定音波の到来時刻ｔ2を正確に検出するためには、計測音波検出器５の入力信号１０４中の測定音波成分と雑音成分の比（以下Ｓ／Ｎ比）が十分に大きい必要である。例えば測定音波検出器５での測定音波到達時刻ｔ2を検出する手段として、前述の「入力波形があらかじめ定めた閾値を最初に超える時刻を計測音波到来時刻ｔ2とする」という手段を採用する場合、判断の基準となる閾値は、予測される測定音波成分よりも十分小さい値に設定する必要がある。仮に、この閾値を越える雑音成分があった場合には、測定音波到来時刻ｔ2を正しく検出することは困難である。
【００２７】
このように、計測音波検出器５への入力信号１０４におけるＳ／Ｎ比が、本発明の音響式ガス温度計測装置における計測値の信頼性の判断指標となることは明らかである。
【００２８】
次に、計測音波検出器５入力信号１０４におけるＳ／Ｎ比の算出法について述べる。本発明では次の（１）、（２）の２種類の方法を提案する。
【００２９】
（１）計測音波検出器５の入力信号１０４に含まれる雑音信号成分を直接測定しＳ／Ｎ比を算出する方法。
【００３０】
▲１▼雑音成分の強度の測定
機器の作動が原因で発生する騒音は、通常数秒から長い場合で数時間継続する。従って、極短い期間（数十ｍｓ〜ｌｓ程度）の間では騒音の強度は変化しないものとして考えられる。
【００３１】
計測音波が到達し得ない期間（計測音波発信以前、もしくは発信後であっても、予測されるガス温度の範囲においてもっとも早く音波が到達すると予測されるより以前）に受信された波形中には、雑音成分のみが含まれる。計測音波到来時刻ｔ2を検出するにあたり、閾値を基準とする場合あるいは最大振幅をとる場合のいずれの場合においても、雑音成分の最大振幅が問題となることは明らかであるので、この前記期間に観測された最大振幅をもって雑音の強度とすればよい。
【００３２】
▲２▼計測音波成分の強度の予測
計測音波検出器５への入力波形中に含まれる計測音波成分の振幅については、その範囲を経験的に知ることができる（試運転などで決定）ので、予測される計測音波成分の最小値を計測音波成分の強度とする。
【００３３】
▲３▼Ｓ／Ｎ比予測値の算出
前記▲１▼，▲２▼で求めた計測音波成分の強度と雑音成分の強度からＳ／Ｎ比予測値を算出する。
【００３４】
ここで、計測音波検出器５において実際に検出された計測音波成分の振幅をもって計測音波成分の強度としなかったのは、雑音を誤って計測音波として検出し、見かけ上十分なＳ／Ｎ比と判断することを避けるためである。もちろん、計測音波成分の強度を前記▲２▼の予測値ではなくて、実際に検出された計測音波成分の振幅としても良いことは当然のことである。
【００３５】
（２）音波受信器周辺の機器の作動状況より算出する方法。
【００３６】
▲１▼雑音成分の強度予測
音波受信器２周辺に設置された機器の作動音により計測音波検出器５の入力波形１０４に現れる雑音の大きさを機器毎にあらかじめ求め、その値を記録した表を用意する。
【００３７】
機器の作動を検知した場合にはこの表を参照して当該時点の雑音成分強度の予測値とする。騒音を発生する機器が複数同時に作動する場合には、個々の機器が単独に作動した場合に予測される雑音強度の総和を超えることはないので、個々の機器が単独に作動した場合に予測される雑音強度の総和を当該時点において入力信号１０４に含まれる雑音成分の強度として扱えばよい。
【００３８】
以下、計測音波成分の強度の予測及びＳ／Ｎ比予測値の算出については前記（１）と同様である。
【００３９】
この（２）の方法では、音波受信器２の周辺に設置された機器の作動により発生する騒音がＳ／Ｎ比悪化の主たる要因であり、その作動が予測可能である場合に近い将来のＳ／Ｎ比の悪化があらかじめ予測可能である。
【００４０】
上記のいずれかの手段により算出されたＳ／Ｎ比を計測値の信頼性の指標とすることで、音波受信器２の周辺で発生する騒音による測定誤差発生を予測し、後工程への影響を防止することが可能となる。
【００４１】
図１は本発明の一実施形態を示す図である。図において従来技術の図４と同じ構成要素には同一の番号を付してある。
【００４２】
雑音成分強度測定器２０１は計測音波検出器５への入力波形１０４を入力として、計測音波が未だに到達し得ない期間の波形の最大振幅を雑音成分の強度３０１として出力する。デジタルデータ列として与えられる入力波形１０４のうち、論理的に計測音波が到達し得る最短時刻（想定する最高温度に対応する）以前のデータ列を走査し、そのうちの最大値を雑音成分の強度３０１とすればよい。
【００４３】
この雑音成分の強度３０１は信号発生器２０２により与えられる計測音波受信器成分の予測強度３０２とともに除算器２０３に与えられＳ／Ｎ比予測値３０３が算出される。
【００４４】
本実施形態ではガス温度演算器６の後に条件付きレジスタ２０４を設置した。条件付きレジスタでは更新条件となるＳ／Ｎ比予測値３０３があらかじめ定めた値（試運転などにより決定する）以上のときのみ、出力値３０４が当該時点の入力値１０５に更新される。
【００４５】
本実施形態は、図４の従来技術に対して、ソフトウェア機能の追加のみで実現可能であるため、コストの増加を伴わずに実施できるという特徴がある。
【００４６】
図２は本発明の他の実施形態である。本実施形態は、図１の雑音成分強度測定器２０１を、雑音成分強度予測器２５０に置き換えたものであるから、その他の部分については説明を省略する。
【００４７】
雑音成分強度予測器２５０はスートブロア装置などの音波受信器２周辺に設置され騒音を発生する機器の作動状況３５１を、スートブロア制御装置などから受け取り、当該時点で計測音波検出器５への入力波形１０４に現れると予測される雑音成分の強度３０１を出力する。
【００４８】
雑音成分強度予測器２５０の内部には、図３に示すような各機器が単独で作動した場合に計測音波検出器５への入力波形１０４に現れる雑音成分の強度を格納した表がある。この表に格納する各機器による雑音成分の強度は、試運転などによりあらかじめ計測しておけばよい。
【００４９】
予測器２５０は、図３の表を参照し、当該時点で作動中の機器に対応する雑音強度の総計を予測される雑音成分の強度３０１として算出する。
【００５０】
本実施形態では、図１の実施形態に比較して、スートブロア制御装置からの作動信号入力など、外部装置との接続が増加する反面、Ｓ／Ｎ比悪化の予測が確実に行えるという特徴がある。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、ボイラにおけるスートブロア装置などの機器の作動に伴う騒音の影響によるガス温度計測値精度の低下を予測し、大きな誤差を含んだ計測値による後工程への悪影響を未然に防止するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】音波受信器の周辺で発生する騒音によるガス温度計測値の信頼性判断を行なう本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】音波受信器の周辺で発生する騒音によるガス温度計測値の信頼性判断を行なう本発明の他の実施形態を示す図である。
【図３】音波受信器の周辺で発生する雑音成分の強度を示した図である。
【図４】ガス温度計測値の信頼性判断を行なう従来技術を示す図である。
【図５】音波受信器の受信波形とフィルタリング後の波形を示す図である。
【符号の説明】
１  音波発信器
２  音波受信器
３  Ａ／Ｄ変換器
４  ディジタルフィルタ
５  計測音波検出器
６  ガス温度演算器
１０  コントローラ
２０１  雑音成分強度測定器
２０２  信号発生器
２０３  除算器
２０４  条件付きレジスタ
２５０  雑音成分強度予測器
３０１  雑音成分強度
３０２  計測音波成分強度予測値
３０３  Ｓ／Ｎ比予測値
３０４  ガス温度計測値出力信号
３５１  機器作動状況通知信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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