(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス体を通過する音波の伝播時間を計測し、該伝播時間に基づいて前記ガス体の温度を算出する音響式ガス体温度測定装置において、
前記ガス体に接して大径端を開口させたホーン、該ホーンの小径端に結合され該ホーンに音波を送出する音波発信器、前記ホーン内に挿入され一端を該ホーンの大径端で開口させた第１の導波管、及び該第１の導波管の他端に結合されて該第１の導波管内の音波を受信する音波受信器とを含んで構成された第１の音響センサと、
前記ホーンから前記ガス体に送出された音波が該ガス体を経由して到達する位置に一端を開口させて配置された第２の導波管、該第２の導波管の他端に装着され該第２の導波管内の音波を受信する音波受信器、及び前記第２の導波管の同じく他端に装着され該第２の導波管に音波を送出する補助用音波発信器とを含んで構成された第２の音響センサと、
を有してなることを特徴とする音響式ガス体温度計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の音響式ガス体温度計測装置において、前記第１の音響センサは、前記第１の導波管の他端に装着され該第１の導波管に音波を送出する補助用音波発信器とを含んで構成されていることを特徴とする音響式ガス体温度計測装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の音響式ガス体温度計測装置において、補助用音波発信器の出力音圧を音波発信器の出力音圧の１／２０を超えない値に設定してあることを特徴とする音響式ガス体温度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響式ガス体の温度測定装置に係り、特に高温ガス中の音速を測定し、該ガス体の温度を求める音響式ガス体温度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダクト内を流れる流体の温度を計測する方法の一つとして、流体中の音速が流体の温度によって変化することを利用する方法がある。流体の音速Ｃ（ｍ／ｓ）は、αをガス組成によって決まる定数、Ｔをガス温度（Ｋ）として、次式のように表される。
【０００３】
【数１】
0003640054.tif 000002
【０００４】
この方法の具体的な装置構成を図３に示す。一般に流体の温度を測定する場合、図３に示すように被測定流体を挟んで音波発信器３と音波受信器４を設置し、その間の伝播時間ｔを測定する。このとき伝播時間ｔは、音波発信器と音波音波受信器間の距離をＬとして、以下の式で表すことができる。Ｌはあらかじめ測定しておく必要がある。
【０００５】
【数２】
0003640054.tif 000003
【０００６】
この伝播時間ｔよりガス温度Ｔが算出できる。この方法を応用して、図４に示すように複数の音響センサ（音波発信器と受信器の機能を兼ね備えたセンサ）をガス体が流れるダクトの周囲に配置すれば、ＣＴ（Ｃomputed  Ｔomography）の手法を用いて温度分布を測定できる（特開昭６３−２３１６８２号公報参照）。
【０００７】
このような音波を用いたガス温度計測装置を大規模なかつ高温ガスが流れるダクトに適用する場合、図５のような構成となる。
【０００８】
まず、大規模なダクトの一方の側壁に取り付けた音波受信器から反対側の側壁に取り付けた音波受信器まで音波を届かせるためには、大きなエネルギーの音波を音波発信器から放出する必要がある。そのためには図に示すようなラッパ状のホーン２０を、大径端がガス体側になるように側壁５に取り付け、その反対側の端に音波発信器３を取り付ける必要がある。
【０００９】
ラッパ状のホーンの効果を図６に示す。ホーンの口径を大きくすることで、大きな音をダクト内に送出できることがわかる。
【００１０】
また、ダクト内を流れる高温ガスから音波発信器及び音波受信器を守るために側壁５にあけた穴より離して音波発信器や音波受信器を取り付ける必要がある。そのために導波管２１，２２が使われる。通常、音波発信器や音波受信器の耐熱温度は６０℃程度であるので、冷却空気等の使用により、音響センサ部は５０℃以下に保たれる。そのために、ホーン２０及び導波管２１，２２内は側壁側が高温（例えば１０００℃）でセンサ側が常温という温度勾配を持つことになる。
【００１１】
このとき、音波がホーン部及び導波管部を伝わる時間が温度計側の誤差の要因となる。例えば、ダクト内のガス温度を１０００℃、ダクト内の伝播距離を２ｍ、導波管内の平均ガス温度を１００℃、導波管内の伝播距離を１ｍとしたとき、測定値は３５５℃と低くなってしまう。
【００１２】
この問題を解決するために、ホーン内部にマイク用の導波管を挿入し、ホーン及び導波管部を伝播する時間を直接測定し、補正する方法が考案されている。（特開平０７−３２５７４５号公報参照）
図５の場合、音波発信器３−１から送出された音波は導波管２２−１、ホーン２０−１を介してダクト内に送出され、、ダクト内のガス中を伝播し、導波管２１−２を伝って音波受信器４−２で受信される。この送信信号より、音波発信器３−１から音波受信器４−２間の伝播時間ｔ１２が求まる。また、音波発信器３−１から送信した音波はホーン２０−１からダクト内に送出されると同時に、導波管２１−１を伝って音波受信器４−１で受信される。この信号を処理することで、この音波発信器３−１から音波受信器４−１間の伝播時間ｔｍ１を測定できる。
【００１３】
同様に、音波発信器３−２から音波を発信し、音波受信器４−１、音波受信器４−２で受信することで伝播時間ｔ２１及び、ｔｍ２を測定すれば、以下の式により、ダクト内だけを伝播する時間ｔを求めることができる。
【００１４】
【数３】
0003640054.tif 000004
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の音響式温度計では、音響センサを設置する全ての位置に大口径（直径２００ｍｍ程度）の穴が必要となる。ボイラの火炉やバンク部などは側壁が水壁でできているために、上記のような穴をあけるためには、水壁を数本曲げる必要がある。例として、水壁に直径２００ｍｍの穴をあける場合の水管の様子を図７の（ａ）に示す。このため、センサの設置にかかるコストが高く、また、工事期間が長くなるという問題がある。また、水管を曲げる必要があるために、既設のボイラに音響センサを設置することができないという問題がある。
【００１６】
さらに、測定個所の構造上大きな穴が空けられないといった場合もある。また、水管を曲げずに小口径の穴をあけ、導波管を及び音波受信器を設置した場合、音波が導波管部を伝播する時間を補正できず、測定精度が低下するという問題が生ずる。
【００１７】
本発明の課題は、水管を曲げることなく、また、構造上大きな穴を空けられない場合でも、測定精度を低下することなく、音響センサを設置することができ、取り付けコストを大幅に低減することができる音響式ガス体温度測定装置を提供するにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の第１の手段は、ガス体を通過する音波の伝播時間を計測し、該伝播時間に基づいて前記ガス体の温度を算出する音響式ガス体温度測定装置において、前記ガス体に接して大径端を開口させたホーン、該ホーンの小径端に結合され該ホーンに音波を送出する音波発信器、前記ホーン内に挿入され一端を該ホーンの大径端で開口させた第１の導波管、及び該第１の導波管の他端に結合されて該第１の導波管内の音波を受信する音波受信器とを含んで構成された第１の音響センサと、前記ホーンから前記ガス体に送出された音波が該ガス体を経由して到達する位置に一端を開口させて配置された第２の導波管、該第２の導波管の他端に装着され該第２の導波管内の音波を受信する音波受信器、及び前記第２の導波管の同じく他端に装着され該第２の導波管に音波を送出する補助用音波発信器とを含んで構成された第２の音響センサと、を有してなることを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決するための本発明の第２の手段は、上記第１の手段において、前記第１の音響センサは、前記第１の導波管の他端に装着され該第１の導波管に音波を送出する補助用音波発信器とを含んで構成されていることを特徴とする。
【００２０】
補助用音波発信器の出力音圧は、音波発信器の出力音圧の１／２０を超えない値に設定することが望ましい。
【００２１】
補助用音波発信器及び音波受信器付きの導波管を受信専用の音響センサとすることで、ガス体を囲む壁面に小さな開口部を設けるだけで設置が可能な音響センサが得られる。ダクト内の音を受信するだけであれば受信器の感度に応じた音を受信できる開口面積があればよく、一般に使われる電磁式マイクロフォンの場合、その開口面は直径１０ｍｍ以上あればよい。例として水壁に直径１０ｍｍの穴をあけた場合を図７の（ｂ）に示す。図示のように、水管を曲げる必要がなく、簡易、低コストでセンサの取り付けができる。また、補助用の音波発信器を受信用の導波管に設置することで音波が導波管部を通過する正確な時間が測定できるようになるので計測精度が低下することがない。
【００２２】
さらに、ホーン付きの音響センサに設置する音波受信器付き導波管に補助用音波発信器を付けることで、ホーン部の伝播時間を補正することができるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１に示す。図１は、本発明の実施例である炉幅約２０ｍの石炭焚事業用ボイラの火炉出口ガス温度を測定するために作製した、本発明の実施例である音響式ガス体温度計測装置を示す。図示の音響式ガス体温度計測装置は、火炉側壁５に装着されたホーン付きの第１の音響センサ（音響センサ１）と、缶前後壁に装着された受信器だけの第２の音響センサ（音響センサ２）と、音響センサ１，２の出力信号に基づいて所要の演算を行いガス体温度を出力する演算部（図示せず）と、音響センサ１，２を駆動するとともに前記演算部を制御する制御部（図示せず）と、演算部の出力を表示する表示部（図示せず）と、を含んで構成されている。
【００２４】
事業用ボイラでは、火炉の燃焼状態や火炉壁の汚れ具合を調べる方法として、火炉出口ガス温度（ＦＥＴＧ）の計測が必要となる。一般にＦＥＴＧを計る際には、熱電対を磁製管で覆ったサクションパイロメータが使用されるが、耐久性がないことと、取扱が困難なために常時計測はできない。一方、音響式温度計測装置は非接触式であり、常時計測が可能な計測法である。しかし、火炉側壁は水壁で覆われており、図７の（ａ）に示すような直径２００ｍｍといった大口径の穴を多数空けることは困難である。
【００２５】
そこで本実施例では、ボイラの缶左右の側壁に内径２００ｍｍの穴を空けて、ホーン付の第１の音響センサ（以下、音響センサ１という）を設置し、缶前、缶後には、それぞれ３ヵ所に受信器だけの第２の音響センサ（以下、音響センサ２という）を設置した。
【００２６】
図１に、音響センサ１の構造と、音響センサ２の構造を示す。
音響センサ１は、側壁５の開口に大径端をガス体側にして取り付けたラッパ形のホーン２０と、ホーン２０の小径端に導波管２２を介して接続され、導波管２２、ホーン２０を経てガス体に音波を送出する音波発信器３と、ホーン２０に挿入して配置され一端をホーン２０の大径端で開口させるとともにホーン２０の外部で他端を開口させた第１の導波管２１と、該導波管２１の他端開口に接続して配置され導波管２１内の音波を受信する音波受信器３０と、導波管２１の他端に近接した位置に分岐管を介して接続され該導波管２１に音波を送信する補助用音波発信器４と、を含んで構成されている。
【００２７】
音響センサ２は、前記ホーン２０から送り出されガス体を経由して伝播した音波が到達する缶前、缶後の水壁面の水管の間に、缶内に向かって一端を開口させて配置され缶外に他端を位置させた第２の導波管２１Ａと、該第２の導波管２１Ａの他端開口に接続して配置され導波管２１Ａ内の音波を受信する音波受信器３０と、導波管２１Ａの他端に近接した位置に分岐管を介して接続され該導波管２１Ａに音波を送信する補助用音波発信器４と、を含んで構成されている。
【００２８】
受信器だけの機能をもつ音響センサ２は、水壁の間に空けた１５ｍｍの穴に設置した第２の導波管２１Ａの缶外の端部に音波受信器３０と補助用の音波発信器４とが設置してある。
【００２９】
本装置のガス温度測定手順を以下に示す。
まず、音響センサ２の補助用音波発信器４から音波を発信し、その音を音響センサ２の音波受信器３０で受信し、その伝播時間ｔ２２を求める。
【００３０】
次に音響センサ１の補助用音波発信器４から音波を発信し、その音を音響センサ１の音波受信器３０で受信し、その伝播時間ｔ１１を求める。
【００３１】
次に、音響センサ１の音波発信器３から音波を発信し、その音を音響センサ１の音波受信器３０で受信し、その伝播時間ｔ１１ｓを求める。
【００３２】
ここで、ｔ２２／２が音波が音響センサ２の導波管中を伝わるのに要する時間である。
【００３３】
また、ｔ１１ｓ−ｔ１１／２は音波が音響センサ１のホーン部（導波管２２とホーン２０）を伝わるのに要する時間である。
【００３４】
最後に音響センサ２の音波発信器３から音波を発信し、その音を音響センサ２の音波受信器で受信し、伝播時間ｔ１２を求める。そして、以下の式で音波が炉内だけを伝播する時間を求めることができる。
【００３５】
【数４】
0003640054.tif 000005
【００３６】
実際には、本実施例の音響式ガス体温度計測装置は、図２に示すように、缶の両側の側壁にそれぞれ１個づつ装着された計２個のホーン付き音響センサ１と、缶前壁と缶後壁にそれぞれ３個づつ装着された計６個のホーンなしの音響センサ２で構成されている。したがって、まず、各音響センサの導波管部分の伝播時間を測定した後、ホーン付きの音響センサ１から音波を発信し、他の７つの音響センサが同時に受信し、各経路の伝播時間を求めることとなる。
【００３７】
従来の技術ではすべての音響センサにホーンを設置する必要があり、そのために８ヵ所全てに直径２００ｍｍの穴を開ける必要があった。それには水管を曲げる必要があるために多大の手間と費用が必要であった。しかしながら、本実施例の構造を採用することで直径２００ｍｍの穴をあける場所は２ヵ所だけで、従来と同等の測定経路と測定精度とを得ることができた。
【００３８】
上記のような多数経路の伝播時間を温度に換算することで、測定断面全体のガス温度を知る事ができ、平均温度を正確に把握することができる。また、缶左右、前後のガス温度を知ることができるので、燃焼あるいは伝熱のアンバランスを把握することができる。
【００３９】
なお、補助用音波発信器は、音波受信器に過大な音圧がかかり、破損することを防止するために、測定用音波発信器の１／２０以下の出力音圧となるように出力を設定してある。
【００４０】
図８はホーンなしの音響センサ２だけに補助用音波発信器を取り付けた例である。この場合、補正式は以下のようになる。
【００４１】
【数５】
0003640054.tif 000006
【００４２】
ただし、ホーン内のガス温度と導波管内のガス温度が異なる場合は、測定精度が低下する原因となる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、水管を曲げることなく、また、構造上大きな穴を空けられない場合でも、測定精度を低下することなく、音響センサを設置することができ、取り付けコストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す音響センサの配置状態を示す斜視図である。
【図３】音響式ガス体温度計測の原理を示す概念図である。
【図４】従来技術の音響センサ配置例を示す斜視図である。
【図５】従来技術を示す断面図である。
【図６】ホーンの効果を示すグラフである。
【図７】ホーン及び導波管を設置する場合の水壁の構造を示す正面図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ホーン付の音響センサ
２  ホーンなしの音響センサ
３，３−１，３−２  音波発信器
４  補助用音波発信器
４−１，４−２  音波受信器
５，５’  側壁
１８  音響センサ用開口
１９  ダクト
２０  ホーン
２１−１，２１−２  導波管
２１，２１Ａ  導波管
２２，２２−１，２２−２  導波管
３０  音波受信器
２０
【図１】
0003640054.tif 000007
【図２】
0003640054.tif 000008
【図３】
0003640054.tif 000009
【図４】
0003640054.tif 000010
【図５】
0003640054.tif 000011
【図６】
0003640054.tif 000012
【図７】
0003640054.tif 000013
【図８】
0003640054.tif 000014