(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挾むように設置し、音波発信器からの温度計測音波が前記ガス流路を伝播するに要した時間を求め、前記伝播時間から音波伝播経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、
前記音波受信器の受信波形から、計測音波信号の強度と、計測音波を含まない騒音の強度と、を検出し、
前記計測音波信号強度および前記騒音強度を、それぞれの所定の基準値とそれぞれ比較して、前記音波発信器およびまたは前記音波受信器の異常を判断し、
前記音波発信器およびまたは前記音波受信器の異常が判断された場合に、異常であることを告知する
ことを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の音響式ガス温度計測装置において、
前記音波受信器が正常な時の騒音強度に基づいて決められた所定の基準値と、現在の騒音強度と、を比較し、
前記現在の騒音強度が前記基準値を下回る場合に、前記音波受信器が異常であると判断する
ことを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の音響式ガス温度計測装置において、
前記音波発信器が正常な時の計測音波信号強度に基づいて決められた所定の基準値と、前記計測音波信号の強度と、を比較し、
前記計測音波信号強度が前記基準値よりも小さく、かつ、前記音波受信器が正常であると判断される場合に、前記音波発信器が異常であると判断する
ことを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の音響式ガス温度計測装置において、
前記異常であると判断された場合に、外部へ通知する計測温度信号の更新を中断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】
音波発信器と音波受信器をガス流路を挾むように設置し、音波発信器からの温度計測音波が前記ガス流路を伝播するに要した時間を求め、前記伝播時間から音波伝播経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、
前記音波受信器の受信波形から、計測音波信号の強度と、計測音波を含まない騒音の強度と、を検出し、
前記音波受信器が正常な時の騒音強度に基づいて決められた所定の基準値と、現在の騒音強度と、を比較し、前記現在の騒音強度が前記基準値を下回る場合に、前記音波受信器が異常であると判断し、
前記音波発信器が正常な時の計測音波信号強度に基づいて決められた所定の基準値と、前記計測音波信号の強度と、を比較し、前記計測音波信号強度が前記基準値よりも小さく、かつ、前記音波受信器が正常であると判断される場合に、前記音波発信器系統が異常であると判断し、
前記音波発信器が前記ガス流路空間と連結された導波路に設けられ、前記音波発信器がそれ自体の故障を検知できる自己異常診断機能を有し、
前記自己異常診断結果が異常であり、且つ前記音波発信器系統が異常である場合には、前記音波発信器が異常であると判断し、
前記自己異常診断結果が異常でなく、且つ前記音波発信器系統が異常である場合には、前記導波路が閉塞していると判断する
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、音響センサの異常を検知し、誤計測防止すると共に、運転員に対して音響センサの点検・交換を促す機能を有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℃〜１，２００℃）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、この方法に関する技術が種々提案されていて実用化が図られている。
【０００６】
以下図３について詳述する。
【０００７】
時刻ｔ＝ｔ１にコントローラ１０より計測音波発信指令１０１を受けた音波発信器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。
【０００８】
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が計測音波検出器５に入力される。受信波形１０２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。図４に受信波形１０２（１０３）及び計測音波検出器５への入力波形１０４の例を示す。
【０００９】
なお、デジタルフィルタの代わりに、Ａ／Ｄ変換器３の前にアナログフィルタを前置する場合もある。
【００１０】
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の到来時刻ｔ２を検出する。
【００１１】
ａ）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ｔ    ２とする。
【００１２】
ｂ）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。
【００１３】
ｃ）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。
【００１４】
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。
【００１５】
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を算出しガス温度需要先（制御装置など）へ通知する。
【００１６】
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
（４）数秒間隔での連続計測が可能
（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。
【００１７】
【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発信器１で発生した音波を音波受信器２で受信して初めて機能する。
【００１８】
一方、ボイラ火炉などを適用対象とした場合には、音波発信器１及び音波受信器２は高温（３０〜５０℃）環境下に置かれ、時間とともに劣化・断線、あるいは、音波発信器１または音波受信器２と炉内を連絡する導波路へのスラグ堆積（図５）などによる計測管の閉塞などの異常が発生する恐れがある。
【００１９】
万一、音波発信器１または音波受信器２に異常が生じた場合には、音波の伝播時間を正確に計測することが困難となり出力されるガス計測温度の精度は著しく低下する。
【００２０】
しかしながら、従前の音響式ガス温度計測装置では、音波発信器１または音波受信器２の異常を検知する手段が講じられておらず。利用者は、音響式ガス温度計測装置が出力するガス計測温度の妥当性を運転状況から判断し、著しく不適切と判断した場合に、音波発信器１及び音波受信器２の点検を実施していた。
【００２１】
このような構成では、ガス計測温度を制御に用いる場合などでは、運転員が異常と判断するまでの期間、不正確なガス計測温度に基づく制御が行なわれることになり、悪影響を及ぼす可能性があった。
【００２２】
本発明の目的は、音響式ガス温度計測装置において、音波発信器１、もしくは音波受信器２の異常を自動的に検知する手段を提供することにより、計測値の信頼性を保証するとともに、異常発生の際には、それをガス計測温度需要先に通知し、後工程において、適切な対応を取ることを可能とすることにある。同時に音波発信器１または音波受信器２の異常を運転員に通知し、点検・交換・清掃を促す機能を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【００２４】
音波発信器と音波受信器をガス流路を挾むように設置し、音波発信器からの温度計測音波が前記ガス流路を伝播するに要した時間を求め、前記伝播時間から音波伝播経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、
前記音波受信器の受信波形から、計測音波信号の強度と、計測音波を含まない騒音の強度と、を検出し、
前記計測音波信号強度および前記騒音強度を、それぞれの所定の基準値とそれぞれ比較して、前記音波発信器およびまたは前記音波受信器の異常を判断し、
前記音波発信器およびまたは前記音波受信器の異常が判断された場合に、異常であることを告知する音響式ガス温度計測装置。
【００２５】
音波発信器と音波受信器をガス流路を挾むように設置し、音波発信器からの温度計測音波が前記ガス流路を伝播するに要した時間を求め、前記伝播時間から音波伝播経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、
前記音波受信器の受信波形から、計測音波信号の強度と、計測音波を含まない騒音の強度と、を検出し、
前記音波受信器が正常な時の騒音強度に基づいて決められた所定の基準値と、現在の騒音強度と、を比較し、前記現在の騒音強度が前記基準値を下回る場合に、前記音波受信器が異常であると判断し、
前記音波発信器が正常な時の計測音波信号強度に基づいて決められた所定の基準値と、前記計測音波信号の強度と、を比較し、前記計測音波信号強度が前記基準値よりも小さく、かつ、前記音波受信器が正常であると判断される場合に、前記音波発信器系統が異常であると判断し、
前記音波発信器が前記ガス流路空間と連結された導波路に設けられ、前記音波発信器がそれ自体の故障を検知できる自己異常診断機能を有し、
前記自己異常診断結果が異常であり、且つ前記音波発信器系統が異常である場合には、前記音波発信器が異常であると判断し、
前記自己異常診断結果が異常でなく、且つ前記音波発信器系統が異常である場合には、前記導波路が閉塞していると判断する音響式ガス温度計測装置。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図１および図２に基づいて以下説明する。まず、受信器２と発信器１の異常発生の検知態様について検討する。
【００２７】
第１に、受信器２に生じる異常としては、以下のケースが考えられる。
【００２８】
（ａ）ボイスコイル、リード線等の断線。
【００２９】
（ｂ）信号増幅器の故障。
【００３０】
（ｃ）導波路への燃焼灰の堆積による受信器感度の低下。
【００３１】
いずれの場合も、Ａ／Ｄ変換器に入力される受信信号１０２またはデジタルデータ列１０３の信号強度は、著しく低下するか、全く検出されなくなることは明らかである。従って、受信信号１０２またはデータ列１０３中の、受信されるべき信号の強度を、正常時の強度と比較することにより受信器２の異常発生を検知することが可能である。
【００３２】
しかし、ガス温度計測音波の強度をもって異常判定を行なうためには、当該音波が確実に到着していることが前提となるが、発信器１に異常が生じる可能性もあり、その保証はない。
【００３３】
ところで、受信器２の受信信号１０２またはデータ列１０３には、前述のように温度計測音波以外の騒音が含まれる。ここで「騒音」とは、受信器２で検知される音響信号のうち、ガス温度計測音波以外のものを指す。騒音が存在しないことはまれであり、特に、ボイラ火炉においては、バーナの噴霧、燃焼、空気、燃料などを供給する補器類の動作等に起因する騒音が定常的に発生し、その強度は運転状態により変動するものの、その範囲はあらかじめ予測可能である。
【００３４】
以上により、受信器２については、受信信号１０２またはデータ列１０３中の騒音の強度を測定し、その値があらかじめ定めた閾値以下の場合に異常が発生したと判断すればよい。
【００３５】
第２に、発信器１に生じる異常としては、下記のものが考えられ、いずれの場合もガス中に送出される音波の強度以下として影響する。
【００３６】
（ｄ）ボイスコイル、配線の断線。
【００３７】
（ｅ）信号増幅器の故障。
【００３８】
（ｆ）炉内開口部への燃焼灰の堆積による炉内送出音波強度の低下。
【００３９】
いま、正常時には発信器１から送出されたガス温度計測音波を確実に受信可能（測定対象となる空間の減衰量から推定可能）な受信器２があり、受信器２は正常に動作していることが保証されているとする。
【００４０】
この時、計測音波発信指令１０１後、一定時間内（計測対象のガスがとりうる温度範囲に相当する時間）に、ガス温度計測音波が検知されない場合には、明らかに、発信器１に異常が発生したものと考えることができる。受信器２の正常動作については、前述した手段により、あらかじめ確認しておけばよい。
【００４１】
前記（ｄ），（ｅ）の異常を検知する他の手段としては、発信器１のボイスコイルに流れる電流、あるいは、ボイスコイルに印可される電圧を監視するなど、発信器１自身が故障診断機能を有する場合がある。その場合も、炉内開口部への灰堆積による、炉内送出音波の強度低下を検出することは困難である。
【００４２】
しかるに、本発明の実施形態に係る検知手段においては、実際に炉内に送出される音波の強度の変化により、異常を検知するものであるから、送信器１に何らかの異常が生じ、ガス温度計測音波の強度が低下した場合には、確実に検知することが可能となるものである。
【００４３】
図１は本発明の第１の実施形態を示す図であり、ガス流路を伝播する際の減衰を考慮しても、常に、ガス温度計測信号が受信器２に到達可能な場合に適用可能な構成である。図１において、図３と共通の部分については、同一の番号を付している。
【００４４】
ここにおいて、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、１０１は計測音波発生指令信号、１０２は音波受信器受信波形、１０３はサンプルされた波形データ列、１０６はガス温度計測値、２０１は雑音強度測定器、２１０は条件付きレジスタ、３０２は雑音強度閾値、３０３は受信器異常信号、３０５は計測音波強度閾値、３０６は計測音波強度低信号、３０７は発信器異常信号、３０８は計測値無効信号、３０９は計測値有効信号、４００は異常告知手段、をそれぞれ表す。
【００４５】
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最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、明らかに雑音成分のみが含まれ、この間に観測された最大振幅、もしくは、次式で定義する平均強度Ｎａｖｇをもって雑音の強度２０１とする。
【００４６】
【数１】
0003633753.tif 000002
【００４７】
ここで、ｔｘは雑音を計測する期間の長さ、ｓ（ｔ）は時刻ｔにおける受信信号１０２の振幅である。
【００４８】
比較器２０２は、雑音強度３０１が雑音強度閾値３０２を下回る場合に、受信器異常信号３０３を「真」に、それ以外では「偽」にセットする。
【００４９】
音波検出器５は、検出したガス温度計測音波の最大振幅値をガス温度計測音波強度３０４として出力する。比較器２０４は、ガス温度計測音波強度３０４が計測音波強度閾値３０５を下回る場合に、計測音波強度低信号３０６を「真」に、それ以外では「偽」にセットする。計測音波強度低信号３０６は、発信器１もしくは受信器２が異常であることを示している。従って、受信器異常信号３０３の負論理との論理積演算により、発信器異常信号３０７が得られる。
【００５０】
ここで、２０３，２０５は共に信号発生器であり、それぞれ、雑音強度閾値３０２、計測音波強度閾値３０５を発生する。雑音強度閾値３０２、計測音波強度閾値３０５の値は、あらかじめ試運転などにより定めればよい。例えば、試運転中に観測された最低値の２／３に設定する。なお、これらの閾値の値が、運転条件により、著しく変化し、かつ特定の運転条件（負荷、投入燃料種など）に強い相関性を有する場合には、これらの関数として求めることにより、より鋭敏な異常検知が可能となる。
【００５１】
受信器異常信号３０３と発信器異常信号３０７とのＯＲをとり、前記ＯＲ出力をＮＯＴにすれば、前記ＮＯＴ出力の３０９が「真」のとき、それは計測値有効信号となる。
【００５２】
２１０は条件付きレジスタであり、計測器正常信号３０９が「真」である時にのみ、需要先に通知する計測温度３１０を更新する。
【００５３】
異常告知手段４００は、受信器異常信号３０３または発信器異常信号３０７を受け、警報ランプ、モニタへのメッセージ表示、音声告知などにより、運転員に対して発信器１または受信器２の異常を告知し、点検・補修の実施を促す。
【００５４】
本実施形態は、図３の従来技術に対して、ソフトウェア機能の追加で対応可能という特徴がある。
【００５５】
図２は本発明の第２の実施形態を示す図であり、前記第１の実施形態における発信器１が自己診断機能を有する場合の構成である。
【００５６】
前述の（ｄ），（ｅ）、すなわち、音波発生器の故障が生じた場合、発信器１の自己診断機能により検出され、発信器自己診断信号３２０が「真」となる。第１の実施形態と同様の構成により生成された発信器異常信号３０７と、発信器自己診断信号３２０とを比較することにより、発信器１の故障の内容をさらに分類することが可能である。すなわち、発信器異常信号３０７が「真」のとき、音波発生器自己診断信号３２０が「真」であれば、音波発生器の異常と判断し、自己診断信号のＮＯＴ信号（正常信号）と発信器異常信号３０７とのＡＮＤをとれば、発信器１の導波路が燃焼灰の堆積などにより閉塞したものと判断することができる。
【００５７】
このように、音響式ガス温度計測装置の異常告知として、３つの信号、即ち、受信器異常信号、音波発生器異常信号、導波路閉塞信号、に区分けして告知することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、音響式ガス温度計測装置を構成する発信器１もしくは受信器２に発生した異常を直ちに検知することが可能となり、制御装置などの計測ガス温度の需要先に対する悪影響を未然に防止するとともに、運転員に対して、直ちに補修を指示し、速やかな復旧を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示し、受信器と発信器の異常を告知することができる音響式ガス温度計測装置の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示し、受信器異常、音声発生器異常並びに導波路閉塞を告知することができる音響式ガス温度計測装置の構成図である。
【図３】従来技術に係る音響式ガス温度計測装置の構成図である。
【図４】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。
【図５】発信器の導波路にスラブが堆積したことを示す図である。
【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
１０１  計測音波発生指令信号
１０２  音波受信器受信波形
１０３  サンプルされた波形データ列
１０６  ガス温度計測値
２０１  雑音強度測定器
２１０  条件付きレジスタ
３０２  雑音強度閾値
３０３  受信器異常信号
３０５  計測音波強度閾値
３０６  計測音波強度低信号
３０７  発信器異常信号
３０８  計測値無効信号
３０９  計測値有効信号
３２０  音波発生器自己診断信号
３２２  音波発生器異常信号
３２３  発信器導波路閉塞信号
４００  異常告知手段
【図１】
0003633753.tif 000003
【図２】
0003633753.tif 000004
【図３】
0003633753.tif 000005
【図４】
0003633753.tif 000006
【図５】
0003633753.tif 000007