(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガス流路を挟んで音波発生装置とマイクロフォンとが対向して配置され、前記マイクロフォンの受信波形より前記音波発生装置から出力される燃焼ガス流路を通過した音波信号の伝播時間を求め、当該伝播時間から燃焼ガス温度を算出する信号処理手段を有する音響式計測装置であって、
前記音波発生装置は出力する音波信号を、変調波として有限長波形であって当該有限長波形で最長周期の波形を用い、該変調波で搬送波を変調することにより生成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】
変調波としてＭ系列符号（２のべき乗−１長の２値符号列であって最長の周期を有する場合）を用いることを特徴とする請求項１に記載の音響式ガス温度計測装置。
【請求項３】
前記燃焼ガス流路内の雑音のスペクトルに応じて、前記搬送波の周波数を変化させることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の音響式ガス温度計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の音響式ガス温度計測装置を備えたことを特徴とするボイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はボイラ等、高温の燃焼ガス流路を有する装置の計装に係り、ことに非接触で非定常状態の燃焼ガス温度を高精度で計測するに好適な音響式ガス温度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラ負荷変化時において過不足のない燃料投入を行う等の目的で、ボイラ火炉の燃焼ガス等の非定常状態における温度把握が求められている。ボイラ火炉では、定常状態のガス温度は水・蒸気側との熱収支から算出できるが、非定常状態では伝熱管の熱容量の影響が大であって水・蒸気側からの計算は適用困難となり、何等かの温度計測を要する。この場合、当該燃焼ガス温度は１２００℃程度となるため、熱電対をはじめとする燃焼ガス温度を直接計測する手段では耐久力がなく、また、強い輻射を受けて誤差を生じるため、従来より「音速を利用する方法」（音響式温度計測法）が有望とされてきた。この音響式温度計測法を実施するための温度計測装置は、燃焼ガス流路を挟んで音波発生装置を構成するスピーカと、このスピーカから燃焼ガス流路を介して伝達される音波信号を受信するマイクロフォンと、このマイクロフォンから得られた電気信号を演算処理して燃焼ガスの温度を算出する信号処理部で構成され、音波の伝播時間からガス温度を求めるものである。
【０００３】
本出願人は、既に非定常状態のガス温度計測を「音速を利用する方法」で実施するための音響式ガス温度計測装置を提案しており、その構成は図５に示されるものであり、ここで図６に示す従来の音波発生装置１０１を用いている。この音響式ガス温度計測装置についての詳細は後述する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人が提案した音響式ガス計測装置は、負荷変化時等の非定常状態の燃焼ガスの温度計測に好適で、かつ、炉内雑音への対処面でも進んだ手法であり、それ以前に行なわれていた「重ね合わせ」等の信号処理法に比して、優れた手法と言える。
【０００５】
しかしながら、音響式ガス計測装置を構成する音波発生装置１０１によるバースト状の音波を燃焼ガスの温度計測に使用する場合に、次の不具合が生じる。すなわち、
１）計測対象の大型化に伴い、音波発生装置１０１の音圧増加（概ね、伝播距離の２乗に比例）を要し、しばしば、汎用スピーカの性能限界を越え、特殊仕様のスピーカを採用する必要があり、大幅なコスト増加となる。
【０００６】
２）音波発生装置１０１より同一音圧を出力しても、炉内の状況により包絡線検出部１１６の平均振幅が変化し、このとき、図１２に示すように、音波発生装置１０１の到着時の包絡線ｚの上昇は時間的に緩慢であるから、しきい値処理部１１７にて音波到着の判定時点に「ばらつき（一般に、しきい値が低いほど、また、到着した音波の平均振幅が大きいほど、音波到着時点の判定が時間的に早めとなる）」が生じ、音波伝播時間ｔｄの誤差要因となる。
【０００７】
３）音波発生装置１０１より、同一のバースト状波形（従って、同一スペクトル）の音波を送出するため、燃料（例えば、ガス、軽油、重油、褐炭、れき青炭、無煙炭）性状により炉内雑音のスペクトルが変化し、このバースト状波形の音波のスペクトルとの重複部が増大すると、マッチドフィルタ１１３によってもこのバースト状波形の到来時点の識別が困難になる。
【０００８】
さらに、炉内雑音の無害化のための白色化フィルタ１１４の作用がこの場合、類似のスペクトルを有する受信波形中の信号成分（バースト状波形）を減衰させる作用が大きくなり、これもマッチドフィルタ１１３によるバースト状波形の到来時点の識別に悪影響を与える。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、前述した問題点を解決し、経済的に大型火炉に対応可能で、計測誤差が小さく、かつ多様な燃料を用いた場合にも対処し得る音響式ガス温度計測装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
１）音波発生装置からの音波として、搬送波をＭ系列符号で変調した波形を用いる。ここに、搬送波は周波数ｆ（周期Ｔ＝１／ｆ）の正弦波、矩形波、三角波等、一周期の波形が安定に再現できれば任意に選択できる。また、ｒ次のＭ系列符号は、（（２のｒ乗）−１）項の２値符号列であって、該項数の２値符号列中で最長の周期（（２のｒ乗）−１）を有する場合である。なお、当該符号をアナログ信号とする場合、単位長（符号中の各項の継続時間）τは搬送波の周期Ｔの整数倍に選ぶのが原則であるが、τ》Ｔであれば、この限りでない。
【００１１】
２）ガス流路内の雑音スペクトルを同定し、これに応じて、搬送波の周波数ｆを変化させる。すなわち、ガス流路内の雑音が低強度である周波数帯にて搬送波の周波数ｆを選択する。
【００１２】
本発明は、次の作用を有す。
【００１３】
１）本発明では、信号の識別は基本的に式（５）（「発明の実施の形態」の項を参照）の信号選択性を利用しており、式（２）（「発明の実施の形態」の項を参照）のｍが大きいほど、雑音中から目的信号を検出する際の誤りが少ない。しかし、みかけの信号が長くても、そのなかに何周期分かの信号があれば、マイクロフォン受信データをその１周期だけシフトした時点に「目的信号あり」と誤判断しやすい。従って式（２）にあって、最長周期（従って周期ｍ＋１）を与えるＭ系列符号が実質的に雑音中から最も識別しやすい。図３は、後述の発明の実施の形態で説明する音響式ガス温度計測装置の特性であり、信号長（Ｍ次列の次数）の増加により、また、カットオフ周波数の高いスピーカの使用により、従来法（バースト信号）の１／１０以下の音圧（音波伝播距離にして３倍以上）で十分実用可能と評価できる。
【００１４】
２）Ｍ系列符号は自己相関の観点で、デルタ関数に極めて近い特性を持つことが知られている。当該性質は、搬送波をＭ系列符号で変調した場合も、該Ｍ系列符号の単位長τの幅ごとに同様となる。従って、式（５）の演算は、式（６）（「発明の実施の形態」の項を参照）が成立したときに最大値を与え、該当信号を１サンプル点以上時間シフトして、ｓの代わりに与えるとそのシフト幅に応じて式（５）の値が０に近づき、ことに、当該符号の単位長τ程度以上シフトした場合は、近似的に０となる。
【００１５】
これは、雑音に埋もれた目的音波信号の到達時点を識別するにあたり、非常に好都合な性質である。図４は、後述の「発明の実施の形態」の項で紹介した音響式ガス温度計測装置の動作例を示しており、マッチドフィルタ１１５の出力は目的音波信号（搬送波をＭ系列符号で変調した波形）全長を受信完了した時点でデルタ関数状に立ち上がっている。これは、図１２に示す従前の発明の動作例に対し、図４の動作例のＳ／Ｎ（信号対雑音比、音圧による）は１／１０程度の悪条件であるにもかかわらず、目的とする音波到来時点の識別性能が極めて鋭いと評価できる。すなわち、しきい値処理部１１７の設定にかかわらず、該到来時点を明確に把握でき、従前の発明に係わる図１２のごとく、該しきい値の設定または到来音波の平均振幅次第で該音波到着判定時点が変化する問題が生じない。
【００１６】
３）周波数ｆの搬送波を変調した場合、たとえ変調にあたり搬送波の線スペクトル自身が抑圧された場合（いわゆる平衡変調回路の採用時等）も含め、変調後の波形のスペクトルは周波数ｆ近傍に分布している。従って、前記搬送波の周波数ｆを炉内雑音が低強度である周波数帯に選択すれば、炉内雑音中から当該目的波形の到来時点の識別が容易である上、炉内雑音の無害化のための白色化フィルタ１１４の作用の悪影響を受けにくい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明に係る音響式ガス温度計測装置の実施の形態の説明に先立ち、本発明者が既に提案した、非定常状態の燃焼ガスの温度計測を「音速を利用する方法」で実施するための音響式ガス温度計測装置を図５に基づいて説明する。
【００１８】
ここで図５に示す音響式ガス温度計測装置は従来技術の音波発生装置１０１を用いている。なお、本発明に係る図１に示す音響式ガス温度計測装置は、音波発生装置１０１を除き、図５に示す音響式ガス温度計測装置と同一構成、同一作用であるが、本発明の前提となるので、まず、音波発生装置１０１を用いる場合について、図５の音響式ガス温度計測装置について詳述する。
【００１９】
図５において、音響式ガス温度計測装置は、燃焼ガス２８の流路に対向してスピーカ１０７を含む音波発生装置１０１と、音波発生装置１０１から送出され、燃焼ガス２８の流路を伝播した音波信号を受信するマイクロフォン１０２と、マイクロフォン１０２で検出された音波信号の伝播時間に基づいて燃焼ガス２８の燃焼温度を算出する信号処理装置１０３とを有している。
【００２０】
信号処理装置１０３は、音波発射指令部１０８と、アナログ／ディジタル変換部１０９と、信号記憶部１１０と、パラメータ同定部１１１と、白色化フィルタ算出部１１２と、マッチドフィルタ算出部１１３と、白色化フィルタ部１１４と、マッチドフィルタ部１１５と、包絡線検出部１１６と、閾値処理部１１７と、温度算出部１１８とを有している。
【００２１】
図５の装置において、音波発生装置１０１は、音波発射指令部１０８より音波発射指令１０６を受けると、直ちに図６に示すバースト状の音波を燃焼ガス２８の流路に送出する。当該ガス流路の反対側にはマイクロフォン１０２があり、音波発生装置１０１からの音波を受信する。このとき、当該音波が音波発生装置１０１より送出された後、マイクロフォンに到達するまでの時間差から音速が求まり、さらに、音速はガス温度に対し単調増加するから、当該関係式からガス温度が求まることになる。
【００２２】
以前に我々が提案した音響式ガス温度計測装置では、音源として、図６に示す通り、音波発射指令１０６でスイッチ２０２を切替え、コンデンサ２０１に貯えた電荷をスピーカ１０７へ放出してバースト状の電流波形を発生させている。この方法は極めてシンプルに大音圧の音波を発生できる長所がある。
【００２３】
図５の装置では、音波発射指令部１０８より音波発射指令１０６が出力されると同時に、アナログ／ディジタル変換部１０９が作動し、一定のサンプリング周期でマイクロフォン１０２の受信波形をアナログ／ディジタル変換処理して、次のデータ列（以下、ベクトルとして表示する）を作成する。
【００２４】
【数１】
0003586728.tif 000002
【００２５】
この場合、音波発生装置１０１から炉内への送出波形は既知と仮定して良い。実際、同一の音波発生装置１０１を用いる限り、一度、音波発生装置１０１のスピーカ１０７のすぐ近くで音波を採取して記憶しておけば、上記仮定は成立し、これをアナログ／ディジタル変換部１０９と同一サンプリング周期で行い、そのサンプル値を時間の順に並べ、ｍ＋１の要素を持つデータ列を得る。
【００２６】
【数２】
0003586728.tif 000003
【００２７】
マイクロフォン１０２の受信波形を処理するにあたり、最も標準的なＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを考え、そのインパルス応答を｛ｈｋ｝（ｋ＝０，１，…，ｍ）とする。これを時間逆順に並べた次のベクトルを考える。
【００２８】
【数３】
0003586728.tif 000004
【００２９】
このとき、当該フィルタが音波発生装置１０１の音波を時点０より入力を開始したとすれば、時点ｍにおいて該フィルタの出力ｘｍは次の式で求められる。
【００３０】
【数４】
0003586728.tif 000005
【００３１】
このとき、ｘｍのエネルギは、その２乗に比例するから、式（４）を用いて、これを評価する。このとき、シュワルツの不等式から次の関係が得られる。
【００３２】
【数５】
0003586728.tif 000006
【００３３】
式（５）において等号成立（ｘｍ２の最大）は、任意の実数ｒにつき次式が成立する場合のみである。
【００３４】
【数６】
ｈ＝ｒｓ                                          ……（６）
以上の義論が意味するところは、インパルスレスポンスを既知信号波形のサンプル値の逆順（実数ｒ倍分だけ任意）に並べたＦＩＲフィルタは、当該既知信号波形を最大エネルギで通過させ、それ以外の波形は当該既知信号の場合以上のエネルギ減衰を必ず与えることである。
【００３５】
これは、雑音に埋もれたマイクロフォン１０２の受信波形から当該既知信号波形のみを選択的に取り出し、当該信号が到来したか否かを判別するに好都合な性質であり、この手法は、フィルタのインパルスレスポンスと既知信号波形がマッチしているということからマッチドフィルタ法とよばれている。図７は、以上の方法で既知波形を検出する回路構成を示している。
【００３６】
図７の構成は、混入雑音が白色雑音（パワースペクトルが平坦な雑音で、特定の有害作用はない；言い換えれば、全体を「ぼかす」雑音で、これ以上改善できない状態）であれば、概ね妥当に動作するが、混入雑音が有色（パワースペクトルが平坦でなく特徴があり、特定の誤動作を生じやすい）のときは効果が不十分となる。
【００３７】
図８は、図７の構成で図９に示すパワースペクトルの雑音が混入した場合の処理例であり、マッチドフィルタの効果は認められるものの、未だ効果が不十分である。この場合の対策は、例えば、自己回帰モデルによる同定、または高速フーリエ変換等の方法で混入雑音のパワースペクトルを知り、これを用いて白色化フィルタを設計し、図１０の構成に示す通り、事前に受信信号中の雑音を白色化した後、マッチドフィルタに通せば良い。但し、白色化フィルタを通過する際に、たしかに雑音は白色化されるが、副作用として、音波発生装置１０１からの信号波形も変化することに注意しなければならない。これは、白色化フィルタの設計後、事前に当該既知波形を通過させ、該通過後（白色化フィルタにより変化した該信号波形）について図１０中のマッチドフィルタを設計して解決できる。
【００３８】
以上について具体的に述べる。雑音（ｎ０，…，ｎｉ）のパワースペクトルの推定は確率近似法により自己回帰係数を求める手法が最も簡単である。これは、ｑ次の自己回帰モデルの係数（ａ１，…，ａｑ）を求める手法であって、先ず、音波発生装置１０１からの信号が到達する可能性が無い期間におけるマイクロフォン１０２の受信波形（ｙ０，…，ｙｉ）を用い、次の漸化式を計算する。このとき、適当な正の数ρ０を選べば収束が保証される。
【００３９】
【数７】
0003586728.tif 000007
【００４０】
【数８】
0003586728.tif 000008
【００４１】
【数９】
0003586728.tif 000009
【００４２】
【数１０】
0003586728.tif 000010
【００４３】
ここに、次の関係を用いた。
【００４４】
【数１１】
0003586728.tif 000011
【００４５】
【数１２】
0003586728.tif 000012
【００４６】
式（７）が収束後、次の通り、求める受信雑音は白色雑音列｛ｕｋ｝により駆動される次の自己回帰モデルとして同定されたことになる。
【００４７】
【数１３】
0003586728.tif 000013
【００４８】
【数１４】
0003586728.tif 000014
【００４９】
このとき、当該雑音の白色化は、次のＦＩＲフィルタで実施できる。
【００５０】
【数１５】
0003586728.tif 000015
【００５１】
【数１６】
0003586728.tif 000016
【００５２】
次に、白色化フィルタ部１１４通過後の受信信号（ｖ０，ｖ１，…，ｖｋ，…，ｖｎ）は次のマッチドフィルタ部１１５で処理すれば良い。
【００５３】
【数１７】
0003586728.tif 000017
【００５４】
ここに、インパルスレスポンスは前述したように、既知信号波形（ｓ０，ｓ１，…，ｓｍ）を白色化フィルタ部１１４（式（１５））に通し、これを時間逆順に並べて得られる。
【００５５】
【数１８】
0003586728.tif 000018
【００５６】
式（１７）で得られた白色化フィルタ部後の波形（ｘ０，ｘ１，…，ｘｋ，…，ｘｎ）から包絡線検出部１１６は、包絡線成分（ｚ０，ｚ１，…，ｚｋ，…，ｚｎ）を得、その後、閾値処理部１１７は、包絡線成分が特定の閾値を越えた時点で、音波発生装置１０１からの信号到来と判断し、音波伝播時間ｔｄを求め、御相異度算出部１１８は音波伝播時間ｔｄから燃焼ガス２８の温度θｇを求める。
【００５７】
図１１は式（７）によるパラメータ推定の収束状況である。本図から明らかなように、有色雑音の自己回帰モデルの係数（ａ１，…，ａｑ）を良好に同定できる。
【００５８】
図１２は図４の例（図３の構成で処理）と同一の受信波形について、既述した図１０の構成で処理している。受信波形が白色化フィルタ部１１４により白色化され、白色化後の受信波形にマッチドフィルタ部１１５を適用して、良好に音波発生装置１０１からの信号を取り出し、包絡線検出部１１６による包絡線成分の閾値処理により、音波伝播時間ｔｄが求められている。本例の処理中の白色化フィルタ部１１４の係数は図１１の同定結果を用いている。
【００５９】
図１は本発明に係る音響式ガス温度計測装置の実施の形態の一例である。本例では、信号処理装置１０３において、パラメータ同定部１１１で、前回の計測時点で得た炉内雑音のパラメータａを知り、正弦波の搬送波（周波数ｆ）をＭ系列符号列による位相変調を行っている。音波発生装置３０１以外は、従来技術に係る図５の構成例と同様であり、重複する部分については説明を省略する。
【００６０】
音波発生装置３０１で採用の位相変調法は、符号の識別容易さから、符号の０，１に応じて位相反転させるＰＲＫ（Ｐｈａｓｅ  Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｋｅｙｉｎｇ）とする。ちなみに、ＰＲＫは、いわゆるＤＳＢ−ＳＣ（抑圧搬送波振幅変調：Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓｉｄｅ  Ｂａｎｄ  ｗｉｔｈ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ  Ｃａｒｒｉｅｒ）と等価である。本波形につき、搬送波に正弦波を用いた際の数式表現を下式に、波形を図２に示す。他の搬送波形を用いる際はｓｉｎ（２πｆｔ）の項を置き換えれば良い。
【００６１】
【数１９】
0003586728.tif 000019
【００６２】
ここに、｛Ｗｊ｝は０または１を与えるｒ次のＭ系列符号（ｊ＝１，２，…，（２のｒ乗−１）：単位符号長τ）であり、ガウス記号［  ］（当該数を越えない最大の整数）を用いてｔと関係づけられる。（図２：ｔ＝τ、ｒ＝３）
【００６３】
【数２０】
ｊ＝（ｔ／τ）＋１                                ……（２０）
また、ｒ次のＭ系列符号はｒ段のシフトレジスタと排他的論理和演算＊（Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ  ｏｒ：０＊０＝１＊１＝０、０＊１＝１＊０＝１）で発生でき、適当に初期値の列（ｒ個の１または０の組合せ）をシフトレジスタに与え、自然数ｍ（ｍ＝１，２，…，ｒ−１）を選び、次の演算から逐次に得られる。
【００６４】
【数２１】
0003586728.tif 000020
【００６５】
ちなみに、受信時の信号処理に必要な式（２）と式（１９）との関係は次の通りである。
【００６６】
【数２２】
0003586728.tif 000021
【００６７】
ここに、Δｔはアナログ／ディジタル変換部１０９におけるサンプリング周期である。
【００６８】
また、パラメータ同定部１１１で、得たパラメータａ＝（ａ１，…，ａｑ）から、搬送波の周波数ｆの選定は、下式により、該パラメータに対応する炉内雑音のスペクトル強度Ａ（ｆ）を求め、当該値の小さいｆを用いれば良い。
【００６９】
【数２３】
0003586728.tif 000022
【００７０】
ここに、ｉは虚数単位である。
【００７１】
図１では、正弦搬送波Ｍ系列位相変調部３０２により、音波発射指令部１０８より出力される音波発射指令１０６に従って、式（１９）の波形を算出し、これをアナログ信号として電力増幅器３０３で増幅した後、スピーカ１０７に与えている。
【００７２】
【発明の効果】
本発明には次の効果がある。
【００７３】
１）計測対象大型化にあたり、音波発生装置の音圧増加を避けられ、経済的である。
【００７４】
２）音波到着時間識別の閾値処理に係わる、温度計測値のばらつきを低減できる。
【００７５】
３）音波信号と炉内雑音のスペクトル接近に伴う性能低下を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る音響式ガス温度計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の音波発生装置により出力されるの信号波形の一例を示す波形図である。
【図３】本発明により音波発生装置の音圧増加を回避できる状況を示す説明図である。
【図４】本発明により、閾値処理に係わる温度計測値のばらつきが低減できる状況を示す計測例を示す説明図である。
【図５】本発明者が提案した従来の音響式ガス温度計測装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来の音波発生装置の構成の概要を示す回路図である。
【図７】混入雑音の特性を考慮しないマッチドフィルタ部の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示す構成のマッチドフィルタ部における図９に示すパワースペクトルの雑音が混入した場合の処理例を示す波形図である。
【図９】炉内雑音のパワースペクトルの一例を示す図である。
【図１０】図５に示した音響式ガス温度計測装置の信号処理装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図１１】炉内雑音の同定に係わるパラメータ推定の収束状況を示す図である。
【図１２】図１０に示した信号処理装置の要部の動作例を示す波形図である。
【符号の説明】
１０１  音波発生装置
１０２  マイクロフォン
１０３  信号処理装置
１０７  スピーカ
１０８  音波発射指令部
１０９  アナログ／ディジタル変換部
１１０  信号記憶部
１１１  パラメータ同定部
１１２  白色化フィルタ算出部
１１３  マッチドフィルタ算出部
１１４  白色化フィルタ部
１１５  マッチドフィルタ部
１１６  包絡線検出部
１１７  閾値処理部
１１８  温度算出部
２０１  コンデンサ
２０２  スイッチ
２０３  直流電源
３０１  音波発生装置
３０２  正弦搬送波Ｍ系列位相変調部
３０３  電力増幅器
【図１】
0003586728.tif 000023
【図２】
0003586728.tif 000024
【図３】
0003586728.tif 000025
【図４】
0003586728.tif 000026
【図５】
0003586728.tif 000027
【図６】
0003586728.tif 000028
【図７】
0003586728.tif 000029
【図８】
0003586728.tif 000030
【図９】
0003586728.tif 000031
【図１０】
0003586728.tif 000032
【図１１】
0003586728.tif 000033
【図１２】
0003586728.tif 000034