(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁の一方に音響送信器を設置し、側壁の他方に音響受信器を設置し、その音響送信器と音響受信器間の音波の伝播時間を測定して側壁間を流れるガスの温度に換算する音響式温度計において、
前記音響送信器を接続するホーンの開口部にリングを設け、
そのリングの内周面にホーンの開口部の内側に向けて灰付着防止用媒体を噴出する多数の噴出孔が形成されており、前記リングの外周面にホーンの開口部の外側に向けて灰付着防止用媒体を噴出する多数の噴出孔が形成されており、
その噴出孔から噴出される灰付着防止用媒体が隣接する噴出孔から噴出される灰付着防止用媒体と重なるように前記噴出孔をそれぞれ形成したことを特徴とする音響式温度計。
【請求項２】
請求項１記載の音響式温度計において、前記噴出孔から噴出される灰付着防止用媒体が旋回流を形成するように前記噴出孔が前記リングの円周方向に角度をつけて設けられていることを特徴とする音響式温度計。
【請求項３】
過熱器と、その過熱器の上流側に設置された灰除去用伝熱管と、その灰除去用伝熱管の上流側の火炉側壁に設置された音響式温度計とを備えた石炭焚ボイラにおいて、前記音響式温度計が請求項１または請求項２記載の音響式温度計であることを特徴とする石炭焚ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガス流体の温度計に係り、特に石炭焚ボイラのように溶融灰が浮遊している高温ガスの音速を測定して、高温ガスの温度を求める音響式温度計に関する。
【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Ｔ（Ｋ）によって変化することを利用する方法がある。流体中の音速ｃ（ｍ／ｓ）は、次式のように表される。なお、式中のαはガスの組成によって決まる定数、Ｔはガス温度である。
【０００３】
ｃ＝α・√（Ｔ）          （１）
この方法を用いた具体的な装置構成を図６に示す。一般に流体の温度を測定する場合、同図に示すように、被測定流体を挟んで音響送信器３と音響受信器４を設置し、その間の伝播時間ｔを測定する。この時、伝播時間ｔは次式で表すことができる。
【０００４】
ｔ＝Ｌ／〔α・√（Ｔ）〕          （２）
ここに、Ｌは音響送信器３と音響受信器４間の距離であり、予め測定しておく必要がある。この伝播時間ｔよりガス温度Ｔが算出できる。
【０００５】
この方法を高温ガスの温度計測に適用する場合には、図７に示す装置構成となる。一般に音響センサの耐熱温度は６０℃程度であるために、１００℃以上の高温ガスの温度計測のために、導波管２を介してダクト１９に音響送信器（スピーカ）３および音響受信器（マイク）４を設置する。また大きな音をダクト１９内に放出するために、音響送信器３側にホーン２０を使用する場合もある。
【０００６】
また、この音波を用いた温度計測は、図８に示すように、複数の音響センサ１８（音響送信器３と音響受信器４を兼ね備えたセンサ）をダクト１９の周囲に配置して温度分布が測定できるという特長を有している。
【０００７】
なお、従来の関連技術として、特開昭６３−２３１６８２号公報、特開平１−３０４３３４号公報、特開平１−６８６２７号公報などに記載された提案がある。
【０００８】
図９はボイラ過熱器の火炉側の炉壁に音響センサ１８を設置し、ガス温度を計測した例を示す図である。
【０００９】
過熱器２６の火炉側のガス温度を測定できれば、火炉での燃焼状態、炉壁での吸熱状態などを的確に知ることができるようになるので、石炭焚ボイラの制御に有効である。過熱器２６の火炉側に設置された音響センサ１８の信号は音響式温度計２７に送られ、それを基にボイラ制御器２８により燃料調整器３０を制御してバーナへの燃料調整を行う。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、石炭焚ボイラに上記システムを適用する場合、次のような問題が生じる。
【００１１】
石炭焚ボイラにおいては、燃料である石炭が燃焼した後に灰が残る。この灰の溶融温度は一般に１３００〜１５００℃である。火炉内の温度は火炉出口部で１２００〜１３００℃程度であるので、溶融した灰が炉壁および伝熱管に付着する。
【００１２】
石炭焚ボイラではこの灰が過熱器２６に付着するのを防ぐために、図１０に示すように、過熱器２６の上流側に灰除去用伝熱管２９を設置している。この灰除去用伝熱管２９の設置により、炉内の灰は灰除去用伝熱管２９で冷却、固形化され、その殆どが灰除去用伝熱管２９に付着した後、図示していないスートブロアによって剥がされ、灰は火炉下部より取り除かれる。補集されずに灰除去用伝熱管２９を通過した灰は殆どが固まった状態となっており、過熱器２６に付着する灰は僅かである。
【００１３】
しかし、このような灰除去用伝熱管２９が上流側にあるために、例えば図１０のＡで示す位置に、音響センサ１８を設置した場合、音響センサ１８で測定したガス温度は灰除去用伝熱管２９で冷却されたガス温度であり、それ故に火炉の状態を敏感に反映したガス温度ではない。
【００１４】
火炉状態をより敏感に反映したガス温度を測定するためには、音響センサ１８を灰除去用伝熱管２９の上流側（図１０のＢ位置）に設置する方法が考えられる。しかし、灰除去用伝熱管２９の上流側のガス温度は１３００℃以上であり、灰が溶融している状態である。そのため、灰除去用伝熱管２９の上流側の側壁に音響センサ１８を設置すると、この音響センサ１８に灰が付着し、音波を発信、受信するための穴が閉塞してしまうという問題が生じる。
【００１５】
図１１は音響センサ１８を石炭焚火炉の灰除去用伝熱管２９の上流側に設置した場合の灰の付着状態を示す図であり、（ａ）はホーンの正面図、（ｂ）は側面図である。ホーン２０の先端に灰３１が付着し、穴３５を塞いでいる。そのために、スピーカ３から発した音波が炉内に送出できず、ガス温度を測定することができない。２１はマイク用導波管、２３はスピーカ用導波管２に開口する空気噴出孔である。
【００１６】
本発明は上記従来技術の欠点を解消し、火炉状態をより敏感に反映したガス温度を測定することができる音響式温度計を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、側壁の一方に音響送信器を設置し、側壁の他方に音響受信器を設置し、その音響送信器と音響受信器間の音波の伝播時間を測定して側壁間を流れるガスの温度に換算する音響式温度計において、前記音響送信器を接続するホーンの開口部にリングを設け、そのリングの内周面にホーンの開口部の内側に向けて灰付着防止用媒体を噴出する多数の噴出孔が形成されており、前記リングの外周面にホーンの開口部の外側に向けて灰付着防止用媒体を噴出する多数の噴出孔が形成されており、その噴出孔から噴出される灰付着防止用媒体が隣接する噴出孔から噴出される灰付着防止用媒体と重なるように前記噴出孔をそれぞれ形成したことを特徴とする。
【００１９】
【作用】
本発明においては、ホーン先端の周囲よりガスを噴出することで、炉内を浮遊している灰がホーンの開口部に付着しなくなるので、火炉状態をより敏感に反映したガス温度を測定することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例に係る音響センサの構成図である。
【００２１】
この装置は、石炭焚ボイラの火炉出口ガス温度を測定するために作製した音響式温度計の音響センサ部分である。この音響センサは図１０に示すように、石炭焚ボイラの灰除去用伝熱管２９の上流側（Ｂの位置）に設置し、火炉出口部のガス温度の変動をとらえて、ボイラの制御に反映させている。
【００２２】
本発明による音響センサは、スピーカ３を接続した内径２００ｍｍのホーン２０と、ホーン開口部（穴３５）に設置されたリング３６の内周および外周に所定間隔で設けた多数の灰付着防止用媒体噴出孔３４と、ホーン２０内に入り込んだ灰を吹き飛ばすためにホーン２０の絞り部に設けた空気噴出孔２３とを備えている。ホーン２０は灰が付着しにくく、かつ、炉内からの輻射熱によりホーン２０が加熱されるのを防ぐために水壁１による水冷構造としている。
【００２３】
また、一端にマイク４を付けたマイク用導波管２１をホーン２０内に挿入している。
【００２４】
空気を噴出する際に騒音が発生して測定の妨げとなる。そこで、スピーカ３から音波を発信する際には、空気を噴出しないように空気配管に電磁弁３３を設け、それの開閉は制御装置によりコントロールされる。
【００２５】
音波送信器３から音波を発信し、炉内を伝って他方の音波受信器４で受信した信号から音波が炉内を伝播する時間を検出し温度に換算する制御装置は、図２に示すように、制御器５、波形発生器（電源７、コンデンサ８、スイッチ回路９から構成される）６、リレー１０、受信用アンプ１２、バンドパスフィルタ１３、Ａ／Ｄ変換器１４、伝播時間検出器１５、伝播時間補正器２５、温度換算器１６および表示器１７とからなっている。
【００２６】
この装置を用いて温度を測定する手順を以下に示す。まず、制御器５からリレー制御信号をリレー１０に送出し、リレー１０を切り替えて音波を発信するスピーカ３と波形発生器６とを接続する。いま、スピーカ３−１から音波を送信するように設定したとする。
【００２７】
次に、制御器５は、電磁弁３３を閉じる信号を電磁弁３３に発信し、電磁弁３３を閉じ、空気が各空気噴出孔２３から噴出するのを停止させる。
【００２８】
その後、制御器５は、測定開始信号を波形発生器６に送出し、この信号を受けて波形発生器６はパルスをスピーカ３−１に送出する。波形発生器６はコンデンサ８に貯えた電荷をスイッチ回路９により一定時間放電させることによりパルスを発生する。スピーカ３−１から発した音波は、導波管２−１とホーン２０−１を介して炉内に送出され、炉内のガス中を伝って対向側のマイク用導波管２１−２を伝ってマイク４−２に達する。このマイク４−２で受信した信号を一旦音響センサ部のマイクアンプ１１で増幅し、制御盤に送信する。
【００２９】
制御盤では、この信号を再度受信用アンプ１２で増幅した後、バンドパスフィルタ１３を通過し、Ａ／Ｄ変換器１４でデジタル化する。伝播時間検出器１５では、このデジタル信号からスピーカ３−１からマイク４−２間の音波の伝播時間ｔ１２を検出する。
【００３０】
一方、ホーン２０−１から炉内に音波を送出する時、音波の一部はマイク用導波管２１−１を介してマイク４−１に到達する。このマイク４−１で受信した信号から時間ｔｍ１が求まる。同様に、スピーカ３−２から音波を発信すれば、スピーカ３−２からマイク４−１まで音波が伝播する時間ｔ２１とスピーカ３−２からマイク用導波管２１−２を伝って、マイク４−２まで音波が伝播する時間ｔｍ２が求まる。そして、伝播時間補正器２５では以下の式に基づき、炉内を伝わる伝播時間ｔを算出する。
【００３１】
ｔ＝〔（ｔ１２＋ｔ２１）−（ｔｍ１＋ｔｍ２）〕／２  （３）
温度換算器１６ではこの伝播時間ｔを前記式（２）に基づき、炉内のガス温度に換算し、表示器１７で測定温度を表示する。
【００３２】
その後、制御器５から電磁弁３３を開とする信号を電磁弁３３に送り、電磁弁３３を開き、各空気噴出孔２３から空気を噴出し、灰の付着を防止する。
【００３３】
以上、電磁弁３３を閉じ温度を測定し、再び電磁弁３３を開くまでの時間はおよそ２秒ほどである。温度を測定する間隔は制御器５によって決定するようにしてあるが、通常一定負荷でボイラを運転する場合は３０秒間隔とし、負荷変化等のように火炉内の温度が急変する場合は２秒間隔としている。
【００３４】
図３は第１の実施例に係るホーンの開口部の噴出孔から灰付着防止用媒体を噴出する様子を示す模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図である。
【００３５】
ホーン２０の開口部（穴３５）にはリング３６が設けられ、この内周と外周に噴出孔３４が形成されている。
【００３６】
噴出した空気の間から灰３１が入り込むことが考えられるので、噴出空気が隣接する孔３４から噴出した空気と重なるように噴出孔３４の位置を決めた。灰付着防止用媒体噴出孔３４の直径を３ｍｍとした場合、噴出空気の広がりを考慮すると、噴出孔３４を２５ｍｍ以下の間隔で設置する必要がある。
【００３７】
本実施例では１８ｍｍ間隔とし、リング３６の周囲に３２個の噴出孔３４を開け、１０〜３０Ｎｍ３  ／ｈの空気を噴出した。このようにして、ホーン２０の先端の周囲から空気を噴出させた場合、灰３１の付着が防止できることがわかる。
次に、ホーンの水冷構造について説明する。
【００３８】
水壁１より火炉側に音響センサ３を設置した場合、炉内より受ける熱量（主に輻射熱）が増大する。例えば、従来の水壁１の後流のガス温度を１１００℃、水壁１の前流のガス温度を１３００℃と仮定すると、受ける熱量は２倍になる。そのために音響センサ３のホーン２０を水冷構造とする必要がある。
【００３９】
また、温度を測定する際には電磁弁３３を閉じ、空気の噴出を止める。時間的には僅かの間であるが、この際に灰３１がホーン２０内に侵入する心配がある。そのために、ホーン２０内に灰３１が侵入した場合についても考慮する必要がある。溶融した灰３１が付着する場合、高温壁に付着する場合と低温（水冷）壁に付着する場合とで、その付着の強度が違う。低温壁の場合は灰３１が壁に付着すると固形化するが、低温壁で急冷されるために灰３１が収縮する。そのために、壁から剥がれやすくなる。それ故、ホーン２０の絞り部に設置した空気噴出孔２３より吹き出した空気によって、容易に灰３１を吹き飛ばすことができる。
【００４０】
図４は第２の実施例に係るホーンの開口部の噴出孔から灰付着防止用媒体を噴出する様子を示す模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図である。
【００４１】
この実施例では、灰付着防止用媒体噴出孔３４の向きを円周方向に角度を付けて旋回流を形成するように設置している。旋回させながら空気を噴出することで、噴出流の間から灰３１が入り込むのを防げるので、噴出孔３４の数を減らすことができる。
【００４２】
図４の例では、音響マイク４を取り付けた導波管２１の縁の接線に対し、２０度の角度となるように取り付けているが、１０〜４０度の範囲内ではほぼ同等の効果がある。
【００４３】
図５は第３の実施例に係るホーンの開口部の噴出孔から灰付着防止用媒体を噴出する様子を示す模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図である。
【００４４】
この実施例は、灰付着防止用媒体噴出孔３４をスリット状にし、かつ、２列に重なるように配置した例である。このような構造においても、上記と同様の灰の付着を防止する効果がある。
【００４５】
以上は、灰の付着を防止するための噴出媒体として空気を使用した例について述べてきたが、この灰付着防止用媒体は空気以外の例えば、低温の排ガスや蒸気等であってもよく、空気とほぼ同一の効果が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、ホーン先端の周囲よりガスを噴出することで、炉内を浮遊している灰がホーンの開口部に付着しなくなるので、溶融した灰が浮遊している火炉内であっても、ガス温度を常に計測することができる。そのため、水系の影響を殆ど受けない温度が測定できるので、より高精度に石炭焚ボイラの制御ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る音響センサの構成図である。
【図２】本発明の実施例に係る音響式温度計の構成図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係るホーンの開口部の噴出孔から灰付着防止用媒体を噴出する様子を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係るホーンの開口部の噴出孔から灰付着防止用媒体を噴出する様子を示す模式図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係るホーンの開口部の噴出孔から灰付着防止用媒体を噴出する様子を示す模式図である。
【図６】音響式温度計の基本概念図である。
【図７】音響式温度計を高温のガス温度計測に適用する際の概略図である。
【図８】音響式温度計を応用し、温度分布を計測する例を示す概略図である。
【図９】音響式温度計をボイラの制御に利用した例を示す概略図である。
【図１０】音響式温度計をボイラの制御に利用した他の例を示す概略図である。
【図１１】ホーン先端に灰が付着した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
３  音波送信器
４  音波受信器
２０  ホーン
３４  噴出孔
３６  リング
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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