(57)【要約】【課題】燃焼炉内またはダクト内の物性的条件によって伝播過程において生じる送信波形の歪みや外乱ノイズの畳重によってもたらされる伝播過程の誤検出状態を、温度・流量状態への追従性を維持したまま識別する方法を提供することにより、伝播時間検出に基づく音波式ガス温度・流量計測の計測性能と信頼性を向上させること。【解決手段】検出した伝播時間を過去の所定のデータ数を保存するデータ記録手段と、過去の伝播時間から現在の伝播時間計測値までの信号列に対して各々一計測時間前（前回計測値）との差分信号を演算する手段と、演算した差分信号に対して評価する今回計測値を含まないデータ列と今回計測値を含むデータ列の２通りのデータに対してウェーブレット変換を行う手段と、２通りのデータ列に対して行ったウェーブレット振幅の強度比較またはパターン識別により評価する今回計測値の正常・異常を判定するエラー検出手段とを備えた音波式ガス温度・流量計測方法。【選択図】　　図１
2004125481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炉内あるいはダクト内に送出した音波の伝播時間を検出し、温度の関数あるいは流速の関数として表されるガス中音波伝播時間検出からガス温度・流量を計測する音波式ガス温度・流量計測装置において、
検出した伝播時間を過去の所定のデータ数を保存するデータ記録手段と、
過去の伝播時間から現在の伝播時間計測値までの信号列に対して各々一計測時間前との差分信号を演算する手段と、
演算した差分信号に対して評価する今回検出した伝播時間計測値を含まないデータ列と今回の前記計測値を含むデータ列の二通りのデータに対してウェーブレット変換を行う手段と、
前記二通りのデータ列に対して行ったウェーブレット振幅の強度比較またはパターン識別により評価する今回計測値の正常・異常を判定するエラー検出手段とを備えたことを特徴とする音波式ガス温度・流量計測装置。
【請求項２】
燃焼炉内あるいはダクト内に送出した音波の伝播時間を検出し、温度の関数あるいは流速の関数として表されるガス中音波伝播時間検出からガス温度・流量を計測する音波式ガス温度・流量計測方法おいて、
検出した伝播時間を過去の所定のデータ数を保存し、
過去の伝播時間から現在の伝播時間計測値までの信号列に対して各々一計測時間前との差分信号を演算し、
演算した差分信号に対して評価する今回検出した伝播時間計測値を含まないデータ列と今回の前記計測値を含むデータ列の二通りのデータに対してウェーブレット変換を行い、
前記二通りのデータ列に対して行ったウェーブレット振幅の強度比較またはパターン識別により評価する今回計測値の正常・異常を判定してエラーを検出することからなることを特徴とする音波式ガス温度・流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音波を用いた気体の温度・流量を計測する装置に係わり、特に燃焼炉内、大型火力プラントの燃焼空気ダクト、排ガスダクト等の高温、大型構造物内の温度ガス、空気の計測に好適な温度・流量計測方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電用ボイラ等の大型火力プラントの燃焼炉内温度管理は一般に熱電対、サクションパイロメータの計測値に基づき行われてきたが、これらの計測装置は、石炭焚ボイラでの吸引孔への灰詰まりが生じること、大型火炉（断面１５ｍ×３０ｍ）に適用するときに長大なプローブが必要になること及び千数百度に至る燃焼炉内の高温環境で連続して使用する場合の耐久性などの問題があり、常時計測することが困難であった。
【０００３】
また、火力プラントなどの大型ダクト内の高温空気、ガス流体の流量計測には、オリフィスに代表される差圧方式の計測装置が従来より用いられてきたが、差圧を発生させるための長大な直線区間の必要性、差圧機構で生じる圧力損失、排ガス等の汚れた環境下で生じるダスト詰まりにより計測性低下等の問題を有している。
【０００４】
これらの燃焼炉内の温度計測やオリフィス等の差圧方式の計測装置が従来主力であった大型ダクト内の高温空気・ガス流体の流量計測に対して、燃焼炉内またはダクト内に送出した音波の伝播時間を検出し、温度の関数または流速の関数として表される気体中の音波伝播時間の計測から温度、流速を計測する音波式計測装置がある。この音波式計測装置の一例として特開２０００−２０６１３３号公報の音波式ガス流量計の構成を以下に示す。
【０００５】
図６に構成を示す音波式ガス温度・流量計は、低ダンピング特性を有する気体が追従可能な２０ｋＨｚ以下の可聴域の周波数で鋭敏な自己相関性を有するＭ系列ＰＲＫ（Ｐｈａｓｅ　Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｋｅｙｉｎｇ）波形等の疑似ランダム信号波形を生成する送信信号生成手段２０７と、この送信信号生成手段２０７により生成した信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２０５と、このアナログ信号により駆動され流体中に音波を送信し、気体流体中を伝搬した音波を受信する音響センサＡ２０１ａ、Ｂ２０１ｂと、音響センサＡ２０１ａ、Ｂ２０１ｂで受信した信号をディジタル変換するＡ／Ｄ変換器２０６と、Ａ／Ｄ変換器２０６により取り込んだ受信信号波形と送信信号生成手段２０７により生成した送信信号波形の高速同期をとるマッチドフィルタ２０９、該マッチドフィルタ２０９の出力から伝播時間を検出する伝播時間検出処理部２１０を備え、検出した伝播時間から流速、ガス温度・流量に換算する構成である。
【０００６】
図７に従来の音波式ガス温度・流量計の伝播時間検出処理のフローを示す。　　送信信号であるＭ系列ＰＲＫ波はデータ数ｑ＋１個のディジタル信号ｒｊ（ｊ＝０、１、・・・・・、ｑ）として生成され、このディジタル信号は図６のＤ／Ａ変換器２０５によりスピーカを駆動可能なアナログ信号に変換され、音響センサの送信機構を駆動する。流路中を伝搬して対を成す音響センサＡ２０１ａ、Ｂ２０１ｂで受信された受信信号は図６のＡ／Ｄ変換器２０６によりサンプリングされ、データ数ｎ＋１個のディジタル信号Ｓｋ（ｋ＝０、１、・・・・・、ｎ）に変換される。ここでｎ＞ｑである。
送信信号ｒと受信信号Ｓはマッチドフィルタを構成する次の１）式の相関器に入力され、受信信号の各時刻ｔにおける送信信号との相関Ｘｔが計算される。
【０００７】
【数１】
2004125481.tif 000003
このＸｔが図６のマッチドフィルタ２０９の出力である。受信信号中に含まれる送信Ｍ系列ＰＲＫ波形とタイミング（位相）が一致した時刻でマッチドフィルタには鋭いピーク信号が現れ、受信信号と送信信号が同期したことを検知する。図６の伝播時間検出処理部２１０ではマッチドフィルタ出力Ｘｔのピーク検出を行い、ピーク時刻を音波の伝播時間として検出する。
【０００８】
検出した音響センサＡ２０１ａからＢ２０１ｂへの伝播時間をτＡＢ、音響センサＢ２０１ｂからＡ２０１ａへの伝播時間をτＢＡとすると、伝播時間τＡＢ、τＢＡと流速Ｖｆ、ガス温度Ｔにより定まる音速Ｖｓの関係は次の２ａ）、２ｂ）式で表される。ここで、Ｌは音響センサＡ２０１ａとＢ２０１ｂ間の距離、θはＬが流体の流れ方向と成す伝播角である。
【数２】
2004125481.tif 000004
【０００９】
２ａ）、２ｂ）式から伝播時間検出値τａｂ、τｂａより流速Ｖｆ、音速Ｖｓは次の３ａ）、３ｂ）式で表される。
【数３】
2004125481.tif 000005
【００１０】
ガス温度Ｔ［℃］は音速の温度依存性より次の４）式で表される。
【数４】
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ここでαはガス組成により定まる定数である。
【００１１】
気体温度計測の場合は上記４）式により計測が完了するが、流量計測の場合は、上記３）、４）式のように計測された気体流体の温度、流速から次の５）式より気体流体の流量Ｑ［Ｎｍ３／ｈ］に換算する。ここでＳは対象ダクトの断面積である。
【００１２】
【数５】
2004125481.tif 000007
【００１３】
【特許文献１】
特開２０００−２０６１３３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
音波式流量計の送信波形として用いる疑似ランダム信号であるＭ系列ＰＲＫ波は鋭敏な自己相関性を有しており、ノイズとの弁別、伝播時間の高精度な検出に最適な信号である。しかしながら、炉内やダクト内の圧力変動、極端に偏った温度分布やその変動といった伝播媒体の物性的性状により伝播過程で送信波形が大きな歪みを受ける状態が生じ得る。
【００１５】
この歪みを受けた信号状態において燃焼騒音、ファンや流体騒音等の騒音のノイズや燃焼炉やダクトの構造によって生じるエコー等が畳重すると誤った伝播時間の検出を行い、正しい温度や流量を計測できない問題が生じる。
【００１６】
このような問題に対処するために、従来では評価温度域、すなわち検出する伝播時間範囲を前回計測値又は基準値をもとに限定し、この範囲を逸脱した検出値を誤検出として除外し、前回計測値を維持する等のエラー処理を行っていた。
【００１７】
しかしながら燃焼炉の軌道、停止過程、特に急激な温度変化を生じる停止過程に対して、この方法を汎用的に追従させることが困難であり、計測値がホールド状態のまま復帰しない等の状態を呈し、現象への追従と誤検出の除去を両立させることが困難であった。また、流量計測においてもファンの停止・起動過程では伝播時間が急激に変化し、また火力プラントの燃焼空気ダクト内の空気は燃焼排ガスにより予熱されており、燃焼炉内の温度に応じて温度変化を示し、これに応じて伝播時間も変化を示す。
【００１８】
本発明の課題は、燃焼炉内またはダクト内の物性的条件によって伝播過程において生じる送信波形の歪みや外乱ノイズの畳重によってもたらされる伝播過程の誤検出状態を、温度・流量状態への追従性を維持したまま識別する方法を提供することにより、伝播時間検出に基づく音波式ガス温度・流量計測の計測性能と信頼性を向上させることにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明では、検出した伝播時間を過去の所定のデータ数を保存するデータ記録手段と、過去の伝播時間から現在の伝播時間計測値までの信号列に対して各々一計測時間前（前回計測値）との差分信号を演算する手段と、演算した差分信号に対して評価する今回計測値を含まないデータ列と今回計測値を含むデータ列の２通りのデータに対してウェーブレット変換を行う手段と、２通りのデータ列に対して行ったウェーブレット振幅の強度比較またはパターン識別により評価する今回計測値の正常・異常を判定するエラー検出手段とを備えた音波式ガス温度・流量計測装置、及び、
検出した伝播時間を過去の所定のデータ数を保存し、過去の伝播時間から現在の伝播時間計測値までの信号列に対して各々一計測時間前（前回計測値）との差分信号を演算し、演算した差分信号に対して評価する今回検出した伝播時間計測値を含まないデータ列と今回の前記計測値を含むデータ列の二通りのデータに対してウェーブレット変換を行い、前記二通りのデータ列に対して行ったウェーブレット振幅の強度比較またはパターン識別により評価する今回計測値の正常・異常を判定してエラーを検出することからなる音波式ガス温度・流量計測方法である。
【００２０】
【作用】
音波式計測における伝播時間検出は前記１）式の相関器から構成されるマッチドフィルタにより受信信号と送信信号波形の同期を取ることにより行われる。伝播過程での信号波形の歪みと外乱ノイズの畳重によって生じる誤検出は、送信波形であるＭ系列ＰＲＫ信号の鋭敏な自己相関性がくずれたことにより真の同期時刻以外の相関のピークが優位に生じ、これを検出してしまうために生じる。このため誤検出された伝播時間は真値に対し離散的、突発的に生じる。
【００２１】
ウェーブレット解析は、このような突発的信号の解析に適した時間・周波数解析法であり、また、フーリエ変換のような直接畳み込み演算を行わせる場合に比べて高速に処理させることができ、このようなオンラインで処理が要求されるエラー処理への適用が可能となる。
【００２２】
また、ウェーブレット解析の前処理として、過去の伝播時間から現在の伝播時間計測値までの信号列に対して各々１計測時間前（前回計測値）との差分信号を生成することにより燃焼炉の燃焼状態又はダクト内のファンの運転状態等によって変化する伝播媒体である気体の温度により変動する伝播時間のトレンドを除去し、誤検出の状態をより明確にすることができる。
【００２３】
この場合、急激に温度が変化する瞬間の計測値はエラーと同様に検出されるが、必要とする追従性より早い計測周期を持たせることにより状態への追従性を維持しつつ、計測エラー状態を精度良く検出することができる。これにより誤った計測値の出力を防止し計測信頼性を向上することができる。
【００２４】
ここで問題とする計測エラーは離散的に発生する。一方で燃焼炉内でバーナが添加する等の場合、急激な温度上昇が生じ、音波の伝播時間も急激に変化する。例えば、３秒で数百度の温度変化が生じ、計測周期が３秒とすれば温度変化の過程は分からず、計測値はステップ状に変化する。ここでの処理には１計測時間前の前回値との差分をとるので、このような急激な温度変化は離散的な信号となってエラーと区別できない。
【００２５】
しかし実際には、温度変化等の物理変化はアナログ的に変化するので、このような温度変化過程を検出する（追従できる）計測周期（例えば、３秒で整定する変化に対し、０．５秒周期での計測）を持たせておけば、実際の温度等の物理状態による伝播時間の変化と検出エラーによるものを区別できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明になる音波式温度・流量計測のエラー処理の実施の形態の構成を図１に示す。
図１に示すエラー処理は、検出した伝播時間を過去の所定のデータ数分だけ保存するデータ記録手段１０１と、この記録したデータから前回値との差分信号を演算する手段１０２と、演算した差分信号に対して評価する今回計測値を含まないデータ列と、今回計測値を含むデータ列の２通りのデータに対してウェーブレット変換を行う手段１０３と、２通りのデータ列に対して行ったウェーブレット振幅の強度比較またはパターン識別により評価する今回計測値の正常・異常を判定するエラー検出手段１０４から構成される。
【００２７】
伝播時間の誤検出処理に用いるウェーブレット変換は、基底関数のスケールパラメータ（周波数）と位置パラメータ（時間）とを逐次変えながら対象信号との内積をとり、対象信号波形を時間−周波数スペクトルに変換する手法である。このウェーブレット変換を用いることにより、対象信号の時間波形からどの時刻にどのような周波数成分が発生しているかという情報を得ることができ、特に突発的な状態の検知に有効である。信号ｆ（ｘ）に対するウェーブレット変換は次の６）式により定義されている。
【００２８】
【数６】
2004125481.tif 000008
ここでψ（ｔ）は基底関数、ａはスケールパラメータ、ｂは位置パラメータであり、それぞれ時間−周波数解析の周波数と時間に対応するパラメータである。信号ｆ（ｘ）が、本実施の形態では正常・異常の判定を行う伝播時間検出信号波形である。また基底関数には種々の方式があるが、本実施例ではガボールウェーブレットを用いた。
【００２９】
図２に正常に伝播時間を検出している状態の伝播時間検出値信号波形に対するウェーブレット変換後の信号強度波形を示す。これに対して図３は誤検出データを含む伝播時間検出値信号波形に対して行ったウェーブレット信号波形を示す。
【００３０】
図３の中央の時刻が誤検出データの位置する時刻である。図２、図３を比較して明らかなように、突発的に生じる誤検出データに対してウェーブレット変換後の信号強度は優れた弁別性を示し、正常・異常の判定を精度良く行うことができる。
【００３１】
図４に実際の強度の温度分布を有し、外乱騒音の著しく、またエコーの影響を強く受ける構造の燃焼炉内での伝播時間検出値信号例を示す。これに対し図５は、本発明になる図１のエラー処理を用い誤検出値を除去した出力信号である。この例では、図５の伝播時間検出値から燃焼炉内温度を計測し、制御、監視に供される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、音波式温度・流量計測において離散的、突発的に生じる伝播時間の誤検出に対し、このような信号状態の検出に優れる時間−周波数解析法であるウェーブレット変換を伝播時間検出値の差分信号に対して適用することにより、伝播時間の真の変動に追従しつつ、誤検出状態を精度良く判定することができる。
【００３３】
またこれにより、燃焼炉内、ダクト内の物性的条件によって伝播過程に於いて生じる送信波形の歪みや外乱ノイズの影響を強い計測環境において、伝播時間の誤検出状態を、温度・流量状態への追従性を維持したまま除去でき、伝播時間検出に基づく音波式ガス温度・流量計測の計測性と信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】音波式温度・流量計測の本発明になる実施の形態のエラー処理の構成を示した図。
【図２】正常な伝播時間検出状態の伝播時間検出信号波形に対するウェーブレット変換後の信号波形を示した図。
【図３】誤検出値を含む伝播時間検出信号波形に対するウェーブレット変換後の信号波形を示した図。
【図４】検出性の著しく悪い燃焼炉での伝播時間検出値の例を示した図。
【図５】図４の伝播時間検出値に対し本発明になるエラー処理を施し温度換算に用いる伝播時間信号を示した図である。
【図６】音波式ガス流量計の構成を示す図である。
【図７】従来の音波式ガス流量計の伝播時間検出処理のフローを示す。
【符号の説明】
１０１　伝播時間データ記録手段
１０２　前回値との差分信号演算手段
１０３　ウェーブレット変換を行う手段
１０４　今回計測値のエラー検出手段
【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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