(57)【要約】【課題】粉塵存在下の炉内において、高温状態にある被加熱物等の温度とそれらの放射率を、より精度良く計測できる計測方法を提供する。【解決手段】粉塵３１存在下の炉内における被加熱物３０及び粉塵３１の温度とそれらの放射率を計測する方法において、計測器として、集光部と放射エネルギーの計測部をそれぞれ有する第１計測器２０ａ及び第２計測器２０ｂの２つの計測器を用い、第１計測器２０ａの集光部のピントを被加熱物３０に合わせ、任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)を計測し、第２計測器２０ｂの集光部のピントを被加熱物と計測部との間に存在する粉塵３１の存在領域の任意に選定した位置に合わせ、任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥs(λ1)、Ｅs(λ2)を計測し、計測した放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)、Ｅs(λ1)、Ｅs(λ2)等から被加熱物３０の温度Ｔcと放射率εc、及び粉塵３１の温度Ｔdと放射率εdを求める。【選択図】図１
2013210259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ又は反射鏡からなる集光部と放射エネルギーの計測部を有する計測器を用いて、粉塵存在下の炉内における被加熱物及び粉塵の温度とそれらの放射率を計測する方法において、
前記計測器として、前記集光部と前記放射エネルギーの計測部をそれぞれ有する第１計測器及び第２計測器の２つの計測器を用い、
前記第１計測器の集光部のピントを被加熱物に合わせ、任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)を計測し、
前記第２計測器の集光部のピントを、前記被加熱物と測定部との間に存在する前記粉塵の存在領域の任意に選定した位置に合わせ、前記任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥs(λ1)、Ｅs(λ2)を計測し、
前記計測した放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)、Ｅs(λ1)、Ｅs(λ2)と下記式（１）、及び下記式（２）のプランクの式から被加熱物の温度Ｔc及び放射率εcと、粉塵の温度Ｔd及び放射率εdを求める
ことを特徴とする温度及び放射率の計測方法。
【数１】
2013210259.tif 000020
但し、前記式（１）において、εc、εdはそれぞれ被加熱物、粉塵の放射率を示す。また、εcＬc(λ)（１−εd）は、粉塵の吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を示し、εdＬd(λ)は粉塵の放射輝度を示す。また、αは被加熱物の放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数であり、βは粉塵の放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数である。また、αとβは、それぞれピントを被加熱物に合わせた場合と、ピントを被加熱物と測定部との間に存在する粉塵の存在する領域の任意に選定した位置に合わせた場合とで異なる定数である。
【数２】
2013210259.tif 000021
但し、式（２）において、Ｃ1は第１放射定数（５．９５×１０-17Ｗ・ｍ2）、Ｃ2は第２放射定数（１．４４×１０-2ｍ・Ｋ）の定数を示す。
【請求項２】
レンズ又は反射鏡からなる集光部と放射エネルギーの計測部を有する計測器を用いて、粉塵及び線スペクトルを有する原子及び分子を含有する炉内ガス存在下の炉内ガスの温度とその放射率を計測する方法において、
前記計測器として、前記集光部と前記放射エネルギーの計測部をそれぞれ有する第１計測器及び第２計測器の２つの計測器を用い、
前記第１計測器の集光部のピントを請求項１記載の方法で選定した前記被加熱物の位置に合わせ、前記炉内ガスが含有する原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥc(λ3)を計測し、
前記第２計測器の集光部のピントを請求項１記載の方法で選定した前記被加熱物と計測部との間に存在する前記粉塵の存在領域に合わせ、前記炉内ガスが含有する原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥs(λ3)を計測し、
前記計測した放射エネルギーＥc(λ3)及びＥs(λ3)と下記式（３）、及び請求項１記載の方法により算出された前記Ｔc、Ｔd、εc、εdと前記式（２）のプランクの式から炉内ガスの温度Ｔg及び放射率εgを求める
ことを特徴とするガス温度及び放射率の計測方法。
【数３】
2013210259.tif 000022
但し、前記式（３）において、εc、εd、εgはそれぞれ被加熱物、粉塵、炉内ガスの放射率を示す。また、εcＬc(λ)(１−εd)(１−εg)は、粉塵及び炉内ガスの吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を示す。また、[[Ｌd(λ)・ｌｎ(１−εd)＋Ｌg(λ)・ｌｎ(１−εg)]／[ｌｎ(１−εd)＋ｌｎ(１−εg)]]｛１−(１−εd)(１−εg)｝は、炉内ガスの吸収を考慮した粉塵及び粉塵の吸収を考慮した炉内ガスからの放射輝度を示す。また、αは粉塵及び炉内ガスの吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数であり、βは炉内ガスの吸収を考慮した粉塵及び粉塵の吸収を考慮した炉内ガスからの放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数である。また、αとβは、それぞれピントを被加熱物に合わせた場合と、ピントを被加熱物と測定部との間に存在する粉塵の存在する領域の任意に選定した位置に合わせた場合とで異なる定数である。
【請求項３】
前記線スペクトルを有する原子及び分子がアルカリ金属原子であり、前記炉がセメント焼成用キルンである請求項２記載のガス温度及び放射率の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばセメント製造設備が備えるロータリキルンのような粉塵存在下の炉内において、高温状態にある被加熱物、粉塵及び炉内ガスの温度とそれらの放射率を計測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、セメント製造設備が備えるロータリキルンのような粉塵濃度が高く、連続処理を行う炉内において、被加熱物の温度計測には、非接触で温度が計測できる放射温度計等が用いられている。この放射温度計は、ロータリキルン以外の他の焼成炉や高温プロセスにおいても幅広く利用されている。
【０００３】
しかし、放射温度計では、計測対象である被加熱物と観測者の間に放射光を発する粉塵があると、被加熱物からの放射光と粉塵からの放射光とを分離することができないため、被加熱物の温度を正確に計測できないという問題がある。非接触温度計として知られている二色温度計は、２つの波長の放射輝度比から温度を求めるというものであるが、この二色温度計は、放射輝度比を変化させない粉塵による減衰の影響は無視することができるが、放射輝度比を変化させる粉塵からの放射光の影響は無視することはできない。
【０００４】
このような問題を解消するため、セメント焼成炉内の制御に供する炉内情報量として、炉内の放射光を光学的に計測し、計測されたスペクトル強度の変化を制御変数の１つとして、焼成炉内の状況を監視する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に示される焼成炉内の監視方法では、特にナトリウム及びカリウムのスペクトル強度の変化を制御変数として利用している。
【０００５】
また、粉塵濃度が高い炉内の温度計測等に係る上記問題は、セメント焼成炉以外の他の焼成炉等においても当然起こり得る。例えば、特許文献２には、煤塵濃度が高い炉内において、溶融スラグの液面温度を確実の計測することができる温度計測方法が開示されている。この温度計測方法では、炉内に収容された溶融スラグの液面から放射される輻射光のうち、中間赤外域又は遠赤外域の輻射光を光電気素子に集光し、入射する輻射光の強度に応じた振幅の出力電圧を光電気素子から発生させ、この出力電圧値とプランクの輻射則から上記溶融スラグの液面温度を決定している。また、この温度計測方法では、２以上の異なる波長の輻射光が用いられている。
【０００６】
また、特許文献３には、火炎の微細構造を計測するために一般的に利用されている局所計測において、集光光学系を利用した火炎自発光計測装置が開示されている。この計測装置では、火炎の複数の計測点からの自発光を、集光面の対応する集光点にそれぞれ集光させる単一の光学系からなる集光光学系と、集光点にそれぞれ集光された、複数の計測点からの自発光が計測される自発光計測系を有することを特徴としている。
【０００７】
また、セメント製造工程では、クリンカクーラにてクリンカを冷却して生じた、高温状態にある空気を、重油や微粉炭を燃料とするバーナの燃焼空気として利用することが行われており、燃焼の安定化のため、当該空気の温度についても正確に計測できる方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０２−２７５３２７号公報（請求項１、請求項２）
【特許文献２】特開２００１−２４９０４９号公報（請求項１、請求項２、請求項３、段落［０００１］）
【特許文献３】特開２０００−１１１３９８号公報（請求項１、段落［０００３］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、一般的な放射温度計では炉内ガスの温度を計測することはできない。代表的な熱放射ガスである水や二酸化炭素は、赤外線のある特定波長において放射エネルギーを放出するため、この波長を計測可能な放射温度計であれば、ガス温度は一応計測可能である。ところが、このような特殊な放射温度計を用いた場合であっても、被加熱物、炉壁等からの発光や、粉塵による吸収、粉塵からの発光等による影響を無視することはできず、ガスからだけの発光を計測することはできない。また、上記特許文献１に示される方法では、炉内を監視するための手段として、ナトリウム及びカリウムのスペクトル強度の変化を制御変数として利用するものであり、計測結果からナトリウムやカリウムを含有する炉内ガスの温度を計測するものではない。
【００１０】
また、上記特許文献２に示される方法では、対象としている粉塵の粒子径が１〜２μｍであり、セメント焼成炉等における粉塵と比較すると非常に微細である。そのため、当該方法をそのままセメント焼成炉等における粉塵に適用してクリンカの温度計測等に使用することはできない。また、上記特許文献３に示される集光光学系を利用した局所計測のように、単に計測体積を小さくするという手法では、光路上の粉塵等の影響を取り除くことができないため、粉塵濃度が高いセメント焼成炉等においてクリンカの温度等を計測する方法には、そのまま適用することはできない。
【００１１】
そのため、粉塵濃度が高い炉内等において、粉塵による影響が少なく、被加熱物の温度をより正確に計測できる計測方法、更には炉内ガスの温度等についても計測できる計測方法が望まれていた。
【００１２】
本発明の目的は、セメント製造設備が備えるロータリキルンのような粉塵存在下の炉内において、高温状態にある被加熱物及び粉塵の温度とそれらの放射率を、より精度良く計測できる計測方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、セメント製造設備が備えるロータリキルンのような粉塵存在下の炉内において、高温状態にある炉内ガスの温度とその放射率を計測できる計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の観点は、レンズ又は反射鏡からなる集光部と放射エネルギーの計測部を有する計測器を用いて、粉塵存在下の炉内における被加熱物及び粉塵の温度とそれらの放射率を計測する方法において、上記計測器として、上記集光部と上記放射エネルギーの計測部をそれぞれ有する第１計測器及び第２計測器の２つの計測器を用い、上記第１計測器の集光部のピントを被加熱物に合わせ、任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)を計測し、上記第２計測器の集光部のピントを上記被加熱物と計測部との間に存在する上記粉塵の存在領域の任意に選定した位置に合わせ、上記任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥs(λ1)、Ｅs(λ2)を計測し、上記計測した放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)、Ｅs(λ1)、Ｅs(λ2)と下記式（１）、及び下記式（２）のプランクの式から被加熱物の温度Ｔc及び放射率εcと、粉塵の温度Ｔd及び放射率εdを求めることを特徴とする。
【００１５】
【数１】
2013210259.tif 000003
但し、上記式（１）において、εc、εdはそれぞれ被加熱物、粉塵の放射率を示す。なお、粉塵の放射率εdとは、粉塵の存在する領域全体の放射率であり、粉塵の存在する領域における光が伝わる方向の厚み、個々の粉塵粒子の放射率と粒径、そして粉塵濃度に依存するものである。また、εcＬc(λ)（１−εd）は、粉塵の吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を示し、εdＬd(λ)は粉塵の放射輝度を示す。また、αは被加熱物の放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数であり、βは粉塵の放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数である。また、αとβは、それぞれピントを被加熱物に合わせた場合と、ピントを被加熱物と測定部との間に存在する粉塵の存在する領域の任意に選定した位置に合わせた場合とで異なる定数である。
【００１６】
【数２】
2013210259.tif 000004
但し、式（２）において、Ｃ1は第１放射定数（５．９５×１０-17Ｗ・ｍ2）、Ｃ2は第２放射定数（１．４４×１０-2ｍ・Ｋ）の定数を示す。
【００１７】
本発明の第２の観点は、レンズ又は反射鏡からなる集光部と放射エネルギーの計測部を有する計測器を用いて、粉塵及び線スペクトルを有する原子及び分子を含有する炉内ガス存在下の炉内ガスの温度とその放射率を計測する方法において、上記計測器として、上記集光部と上記放射エネルギーの計測部をそれぞれ有する第１計測器及び第２計測器の２つの計測器を用い、上記第１計測器の集光部のピントを第１の観点の方法において選定した被加熱物の位置に合わせ、上記炉内ガスが含有する原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥc(λ3)を計測し、上記第２計測器の集光部のピントを第１の観点の方法において選定した上記被加熱物と計測部との間に存在する上記粉塵の存在領域に合わせ、上記炉内ガスが含有する原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥs(λ3)を計測し、上記計測した放射エネルギーＥc(λ3)及びＥs(λ3)と下記式（３）、及び第１の観点の方法により算出された上記Ｔc、Ｔd、εc、εdと上記式（２）のプランクの式から炉内ガスの温度Ｔg及び放射率εgを求めることを特徴とする。
【００１８】
【数３】
2013210259.tif 000005
但し、上記式（３）において、εc、εd、εgはそれぞれ被加熱物、粉塵、炉内ガスの放射率を示す。なお、炉内ガスの放射率εgは、炉内ガスが存在する領域における光が伝わる方向の厚みと炉内ガスの吸収係数に依存するものである。また、εcＬc(λ)(１−εd)(１−εg)は、粉塵及び炉内ガスの吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を示す。また、[[Ｌd(λ)・ｌｎ(１−εd)＋Ｌg(λ)・ｌｎ(１−εg)]／[ｌｎ(１−εd)＋ｌｎ(１−εg)]]｛１−(１−εd)(１−εg)｝は、炉内ガスの吸収を考慮した粉塵及び粉塵の吸収を考慮した炉内ガスからの放射輝度を示す。また、αは粉塵及び炉内ガスの吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数であり、βは炉内ガスの吸収を考慮した粉塵及び粉塵の吸収を考慮した炉内ガスからの放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数である。また、αとβは、それぞれピントを被加熱物に合わせた場合と、ピントを被加熱物と測定部との間に存在する粉塵の存在する領域の任意に選定した位置に合わせた場合とで異なる定数である。
【００１９】
本発明の第３の観点は、第２の観点に基づく発明であって、更に上記線スペクトルを有する原子及び分子がアルカリ金属原子であり、上記炉がセメント焼成用キルンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の第１の観点の方法では、粉塵存在下の炉内における被加熱物及び粉塵の温度とそれらの放射率を計測するに際し、計測器として、集光部と放射エネルギーの計測部をそれぞれ有する第１計測器及び第２計測器の２つの計測器を用いる。上記第１計測器の集光部のピントを被加熱物に合わせ、任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)を計測し、上記第２計測器の集光部のピントを上記被加熱物と計測部との間に存在する上記粉塵の存在領域の任意に選定した位置に合わせ、上記任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥs(λ1)、Ｅs(λ2)を計測する。そして、上記計測した放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)、Ｅs(λ1)、Ｅs(λ2)と上記の関係式（１）、及び上記式（２）のプランクの式から被加熱物の温度Ｔc及び放射率εcと、粉塵の温度Ｔd及び放射率εdを求める。本発明の計測方法では、従来の放射温度計又は二色温度計等では不可能であった、被加熱物からの放射光と粉塵からの放射光の分離が可能であるため、被加熱物の温度や粉塵の温度等をそれぞれの影響を排除して求めることができる。
【００２１】
本発明の第２の観点の方法では、粉塵及び線スペクトルを有する原子及び分子を含有する炉内ガス存在下のガス温度とその放射率を計測するに際し、計測器として、集光部と放射エネルギーの計測部をそれぞれ有する第１計測器及び第２計測器の２つの計測器を用いる。上記第１計測器の集光部のピントを上記第１の観点の方法において選定した被加熱物の位置に合わせ、炉内ガスが含有する原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥc(λ3)を計測し、また、第２計測器の集光部のピントを上記第１の観点の方法において選定した被加熱物と計測部との間に存在する上記粉塵の存在領域に合わせ、上記炉内ガスが含有する原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥs(λ3)を計測する。そして、上記計測した放射エネルギーＥc(λ3)及びＥs(λ3)と下記式（３）、及び上記第１の観点の方法により算出されたＴc、Ｔd、εc、εdと上記式（２）のプランクの式から炉内ガスの温度Ｔg及び放射率εgを求める。本発明の計測方法では、原子及び分子の線スペクトルをピント位置を被加熱物及び粉塵に合わせて計測することで、従来の放射温度計又は二色温度計等による計測方法では計測が困難であった炉内ガスの温度も計測することができる。
【００２２】
本発明の第３の観点の方法は、本発明の第２の観点の計測方法により、セメント焼成用のロータリキルン内の炉内ガスの温度及び放射率を計測する方法である。本発明の計測方法では、従来の放射温度計又は二色温度計等による計測方法では計測が困難であった炉内ガスの温度も計測できるため、特にセメント焼成用のロータリキルン内における炉内ガスの温度計測等に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明実施形態で用いられるセメント製造設備の概略を示した模式図である。
【図２】本発明実施形態の計測方法における一工程を説明した図である。
【図３】被加熱物から放射される放射エネルギーが粉塵又は炉内ガスにより減衰する原理を示した説明図である。
【図４】計測器によって計測された放射エネルギーの計測結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１実施形態の計測方法は、例えばセメント製造設備が備えるロータリキルンのような粉塵存在下の炉内において、高温状態にある被加熱物及び粉塵の温度とそれらの放射率を計測する方法の改良である。
【００２６】
ここで、本発明の計測方法を実施するのに好適なセメント製造設備の一例について説明する。図１に示すように、このセメント製造設備１０は、ロータリキルン１１と、そのロータリキルン１１に接続されたクリンカクーラ１２とを備える。ロータリキルン１１はセメント原料を焼成してクリンカを製造するためのものであって、そのロータリキルン１１の上流側にはプレヒータ１４が設けられる。プレヒータ１４は、図外の原料ミルにより粉砕されたセメント原料を、後工程のロータリキルン１１により焼成しやすいように、所定温度まで予熱するものである。プレヒータ１４は、多数のサイクロンを、数階建ての鉄骨架台に搭載して設けられている。ロータリキルン１１は、下流側へ若干下方傾斜した横向き円筒状のキルンシェル１１ａを有しており、キルンシェル１１ａの下流側における端部には窯尻に臨むバーナ１６が設けられる。セメント原料は、プレヒータ１４の各サイクロンを流下中に仮焼され、その後、セメント原料は、ロータリキルン１１の窯尻部へ流れ込むように構成される。キルンシェル１１ａの内壁面には、耐火物１１ｂが張られている。キルンシェル１１ａは周方向へ（軸線回りに）回転しながら、重油や微粉石炭を燃料とするバーナ加熱により、プレヒータ１４から供給されたセメント原料を焼成してクリンカとしつつ、バーナ側に搬送するように構成される。
【００２７】
クリンカクーラ１２は、その上流端がロータリキルン１１のバーナ側端部に接続され、ロータリキルン１１のバーナ側端部から排出されてその上流側に供給された１２００〜１５００℃程度のクリンカを冷却ファン１８から送り込まれる２０〜３０℃の大気により冷却するように構成される。このクリンカクーラ１２には床面に複数のプレート１２ｂが上流側から下流側に向かって敷設され、ロータリキルン１１のバーナ側端部から排出された塊状のクリンカは上流側におけるプレート１２ｂ上に落下するように構成される。複数のプレート１２ｂはそれぞれが前後方向に往復移動することによりその上面にあるクリンカを順次下流側のプレート１２ｂ上に案内するように構成される。このため、クリンカクーラ１２内部には複数のプレート１２ｂ上に上流側から下流側に搬送されるクリンカ層が形成され、冷却ファン１８から送り込まれた大気は複数のプレート１２ｂの下方から複数のプレート１２ｂの間を通過してクリンカを冷却するように構成される。なお、冷却されたクリンカはクリンカクーラ１２の下流側端部から排出され、その下流側端部から排出されたクリンカはクリンカサイロ１９に貯蔵されるようになっている。また、冷却ファン１８から送り込まれて複数のプレート１２ｂの間を通過し更にクリンカ層を通過することによりクリンカを冷却した大気は、図１の破線矢印で示すようにそのクリンカ層の上方を上流側に向かい、バーナ１６における燃焼用の空気としてロータリキルン１１に供給されるように構成される。また、このセメント製造設備１０は、本発明の計測方法を実施するため、キルンシェル１１ａの下流側端部に対向するクリンカクーラ１２の壁面に、集光部と放射エネルギーの計測部をそれぞれ有する第１計測器２０ａ及び第２計測器２０ｂの２つの計測器が設けられる。
【００２８】
本発明の計測方法の特徴ある構成は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えば第１計測器２０ａ及び第２計測器２０ｂの２つの計測器を用い、ピント位置を２箇所に変えて、それぞれ任意の２波長で計測することにある。具体的には、図２（ａ）に示すように、第１計測器２０ａの集光部のピントを、被加熱物３０に合わせ、任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)を計測する。一方、図２（ｂ）に示すように、第２計測器２０ｂの集光部のピントを、上記被加熱物３０と計測部との間に存在する上記粉塵３１の存在領域の任意に選定した位置に合わせ、上記任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥs(λ1)、Ｅs(λ2)を計測する。なお、図２には、図２（ａ）に示す第１計測器２０ａの集光部のピントを被加熱物３０に合わせ、図２（ｂ）に示す第２計測器２０ｂの集光部のピントを粉塵３１の存在領域の任意に選定した位置に合わせて計測する例を示したが、この例に限定されず、第１計測器２０ａの集光部のピントを粉塵３１の存在領域の任意に選定した位置に合わせ、第２計測器２０ｂの集光部のピントを被加熱物３０に合わせて計測しても良い。また、２つの計測器を用いずに、一つの計測器を用いて、ピント位置を２箇所に変えて計測する方法であっても良い。また、本発明において、λ1、λ2における放射エネルギーは同時に計測するのが望ましい。λ1、λ2における放射エネルギーを同時に計測する方法としては、例えば分光器とＣＣＤアレイの組合せや、フィルターと量子型検出素子或いは熱型検出素子の組合せを用いる方法等が挙げられる。
【００２９】
具体的に、セメント製造設備におけるロータリキルン内のクリンカを被加熱物として計測する場合について説明すると、先ず、図１に示すセメント製造設備１０において、この製造設備１０が備える上記第１計測器２０ａの集光部のピントを、温度を計測したいクリンカがある位置に合わせる。但し、図１の拡大図に示すキルンシェル１１ａの下流側端部から第１計測器２０ａ及び第２計測器２０ｂまでの距離ｍよりも短い位置にピントを合わせると、クリンカが落下して粒子間隔が広がり正確な放射エネルギーが計測し難くなる。また、キルンシェル１１ａの下流側端部からの距離ｎが長すぎる位置にピントを合わせると、クリンカの放射光の光路上に存在する粉塵の濃度により粉塵粒子の放射率に分布が生じ、計測の精度が低下する。そのため、０≦ｎ≦３０ｍの位置に設定するのが好ましい。そして、任意の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)を第１計測器２０ａより計測する。
【００３０】
また、上記第２計測器２０ｂの集光部のピントは、上記第１計測器２０ａの集光部のピントを合わせたクリンカの位置よりも手前側の粉塵存在領域の任意に選定した位置にピントを合わせる。このとき、第２計測器２０ｂの集光部のピント位置は、上記領域のうち、粉塵の温度や放射率が均一の場合は任意の位置とすることができるが、不均一の場合は、粉塵の温度や放射率を計測したい位置に合わせる。そして、上記第１計測器２０ａにより計測する際に用いた２波長と同一の２波長λ1、λ2で放射エネルギーＥs(λ1)、Ｅs(λ2)を、第２計測器２０ｂより計測する。Ｅc(λ1)、Ｅc(λ2)、Ｅs(λ1)、Ｅs(λ2)の計測例を図４に示す。
【００３１】
次に、上記計測した放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)、Ｅs(λ1)、Ｅs(λ2)を下記式（１）に代入する。
【００３２】
【数４】
2013210259.tif 000006
上記式（１）において、εc、εdはそれぞれ被加熱物、粉塵の放射率を示す。また、εcＬc(λ)（１−εd）は、粉塵の吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を示し、εdＬd(λ)は粉塵の放射輝度を示す。また、αは被加熱物の放射輝度を放射エネルギに変換するための定数であり、βは粉塵の放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数である。また、αとβは、それぞれピントを被加熱物に合わせた場合と、ピントを被加熱物と測定部との間に存在する粉塵の存在する領域の任意に選定した位置に合わせた場合とで異なる定数である。なお、粉塵の放射率εdとは、粉塵の存在する領域全体の放射率であり、粉塵の存在する領域における光が伝わる方向の厚み、個々の粉塵粒子の放射率と粒径、そして粉塵濃度に依存するものである。
【００３３】
粉塵存在下の炉内において、計測器によって計測される放射エネルギーＥは、被加熱物からの放射エネルギーＥcと粉塵からの放射エネルギーＥdとの和と予測されることから、Ｅ＝Ｅc＋Ｅdと表される。そして、粉塵による吸収を考慮しなければ、計測器で計測される被加熱物、即ちこの場合のクリンカの放射輝度は、単純にεcＬc(λ)で表されるが、図３（ａ）に示すように、セメント製造設備が備えるロータリキルンのような粉塵３１存在下の炉内では、粉塵３１の吸収による減衰が起こる。そのため、本発明第１実施形態の計測方法で用いられる上記式（１）では、粉塵３１による吸収を考慮して、被加熱物３０の放射輝度を、理論上εcＬc(λ)（１−εd）で表している。
【００３４】
また、計測器のレンズ等に集光され、実際に計測される被加熱物の放射エネルギーＥc等の数値は、被加熱物等の放射輝度εcＬc(λ)（１−εd）そのものを表すものではない。この値に、放射源から放射エネルギーが放出される立体角や放射源の面積を掛けてエネルギーの単位に変換し、更に放射源から放出された放射エネルギーのうち計測器で計測される割合を掛けて、これを変換する必要がある。上記αは、理論上表される被加熱物の放射輝度εcＬc(λ)（１−εd）を、計測器にて計測される放射エネルギーＥcに変換するための定数であり、光学計算や実験により求められる。また、βは粉塵の放射輝度εdＬd(λ)を、計測器にて計測される放射エネルギーＥdに変換するための定数である。
【００３５】
上記計測された放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)、Ｅs(λ1)、Ｅs(λ2)を上記式（１）に代入すると、下記式（４）〜下記式（７）が導かれる。
【００３６】
【数５】
2013210259.tif 000007
【００３７】
【数６】
2013210259.tif 000008
【００３８】
【数７】
2013210259.tif 000009
【００３９】
【数８】
2013210259.tif 000010
ここで、上記式（４）〜式（７）において、α1とβ1はピントを被加熱物に合わせた場合の定数を表し、α2とβ2はピントを粉塵に合わせた場合の定数を表す。
【００４０】
そして、上記式（４）×α2−上記式（６）×α1、上記式（５）×α2−上記式（７）×α1により、更に下記式（８）及び下記式（９）が導かれ、これらの２式から更に下記式（１０）が導かれる。
【００４１】
【数９】
2013210259.tif 000011
【００４２】
【数１０】
2013210259.tif 000012
【００４３】
【数１１】
2013210259.tif 000013
一般に、λ1とλ2の波長が大きく異ならない場合、上記式（８）中のλ1におけるεdと、上記式（９）中のλ2におけるεdは同じ値とみなすことができる。そのため、上記式（１０）において、εdＬd（λ1）／εdＬd（λ2）は、Ｌd（λ1）／Ｌd（λ2）とみなすことができる。放射率は放射源の物質に依存するため、波長の選定にあたっては、予め、選定した波長における放射率が同一とみなせることを確認しておく必要がある。一方、下記式（２）のプランクの式から、２波長λ1とλ2における放射輝度の比Ｌ（λ1）／Ｌ（λ2）を用いて温度Ｔを求める下記式（１１）の近似式を導くことができる。
【００４４】
【数１２】
2013210259.tif 000014
但し、式（２）において、Ｃ1は第１放射定数（５．９５×１０-17Ｗ・ｍ2）、Ｃ2は第２放射定数（１．４４×１０-2ｍ・Ｋ）の定数を示す。
【００４５】
【数１３】
2013210259.tif 000015
上記式（１１）に、λ1、λ2及びＬd（λ1）／Ｌd（λ2）を代入することにより、粉塵の温度Ｔdを求めることができる。
【００４６】
同様に、上記式（４）×β2−上記式（６）×β1、上記式（５）×β2−上記式（７）×β1により導かれる２式からεc（１−εd）Ｌc（λ1）／εc（１−εd）Ｌc（λ2）を求まるが、上述のように、λ1におけるεd、εcは、それぞれλ2におけるεd、εcと同じ値とみなすことができる。そのため、εc（１−εd）Ｌc（λ1）／εc（１−εd）Ｌc（λ2）は、Ｌc（λ1）／Ｌc（λ2）とみなすことができる。これを、上記式（２）のプランクの式から導かれた近似式（１１）に代入することにより、被加熱物であるクリンカの温度Ｔcを求めることができる。
【００４７】
更に、上記求めた粉塵の温度Ｔd、被加熱物であるクリンカの温度Ｔc、及び上記式（２）のプランクの式を用いて、Ｌc（λ1）、Ｌc（λ2）、Ｌd（λ1）、Ｌd（λ2）を求め、これらの値と上記式（４）〜式（７）から、粉塵の放射率εdと、被加熱物であるクリンカの放射率εcをそれぞれ求めることができる。
【００４８】
以上により、セメント製造設備のロータリキルンのような粉塵存在下の炉内において、被加熱物であるクリンカーの温度Ｔc及び放射率εcと、粉塵の温度Ｔd及び放射率εdを求めることができる。なお、上記計測した放射エネルギーＥc(λ1)、Ｅc(λ2)、Ｅs(λ1)、Ｅs(λ2)からのＴc、εc、Ｔd、εdの算出は手動により行っても良いが、例えば第１計測器及び第２計測器の出力に接続されたコンピュータ２１のプログラム等による算出手段により自動で行うように構成しても良い。
【００４９】
この計測方法は、従来の放射温度計又は二色温度計等による計測方法では不可能であった、被加熱物からの放射光と粉塵からの放射光の分離が可能であるため、被加熱物の温度や粉塵の温度をそれぞれの影響を排除して求めることができる。また、この計測方法は、粉塵存在下の被加熱物の温度等を計測できるため、上述したセメント製造設備のロータリキルン内のクリンカ及び粉塵の温度等に限らず、例えばダクト内面の金属や耐火物の温度とダクト内を流れる粉塵の温度、或いは溶鉱炉や焼却炉等の炉内における被加熱物の温度計測等にも好適に利用することができる。
【００５０】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施形態は、図１に示すように、例えばセメント製造設備が備えるロータリキルンのような粉塵及び線スペクトルを有する原子及び分子を含有する炉内ガス存在下の炉内において、高温状態にある炉内ガスの温度とその放射率を計測する方法である。その特徴ある構成は、上述の第１実施形態と同様、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えば第１計測器２０ａ及び第２計測器２０ｂの２つの計測器を用い、ピント位置を２箇所に変えて計測することにある。そして、図２（ａ）に示すように、上記第１計測器２０ａの集光部のピントを、第１の実施形態で選定した被加熱物３０に合わせ、上記炉内ガスが含有する原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥc(λ3)を計測する。一方、図２（ｂ）に示すように、第２計測器２０ｂの集光部のピントを、第１の実施形態で選定した、上記被加熱物３０と計測部との間に存在する上記粉塵３１の存在領域に合わせ、上記炉内ガスが含有する原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥs(λ3)を計測する。なお、λ3における計測は、第１の実施形態におけるλ1、λ2における計測と同時に計測するのが望ましい。多波長における計測を同時に実施できる方法としては、分光器とＣＣＤアレイの組合せや、フィルターと量子型検出素子或いは熱型検出素子の組合せを用いる方法等が挙げられる。
【００５１】
具体的に、セメント製造設備におけるロータリキルン内の炉内ガス温度等を計測する場合について説明すると、先ず、図１に示すセメント製造設備１０において、この製造設備１０が備える上記第１計測器２０ａの集光部のピントを、第１実施形態で選定したクリンカの位置に合わせる。そして、ロータリキルン内に含まれる原子及び分子の線スペクトルの波長λ3で放射エネルギーＥc(λ3)を計測する。セメントキルンの運転状況を把握するために、バーナの燃焼用空気として用いられるクリンカクーラからの高温空気の温度を把握したいという要求がある。クリンカクーラからの高温空気の温度計測に、本発明の炉内ガスの温度を計測する方法を適用することができる。この場合、クリンカクーラからの高温空気にはクリンカから揮発したＫ原子等のアルカリ金属が含まれるため、クリンカクーラからの高温空気の温度を計測する場合には、上記λ3をＫ原子等の線スペクトルの波長に合わせるのが好ましい。
【００５２】
また、記第２計測器２０ｂの集光部のピントは、第１の実施形態で選定した上記被加熱物３０と計測部との間に存在する上記粉塵３１の存在領域に合わせる。そして、上記第１計測器２０ａにより計測する際に用いた波長と同一の波長λ3で放射エネルギーＥs(λ3)を、第２計測器２０ｂより計測する。Ｅc(λ3)、Ｅs(λ3)の計測例を図４に示す。
【００５３】
上記計測した放射エネルギーＥc(λ3)及びＥs(λ3)を、下記式（３）にそれぞれ代入する。
【００５４】
【数１４】
2013210259.tif 000016
上記式（３）において、εc、εd、εgはそれぞれ被加熱物、粉塵、炉内ガスの放射率を示す。また、εcＬc(λ)(１−εd)(１−εg)は、粉塵及び炉内ガスの吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を示す。また、[[Ｌd(λ)・ｌｎ(１−εd)＋Ｌg(λ)・ｌｎ(１−εg)]／[ｌｎ(１−εd)＋ｌｎ(１−εg)]]｛１−(１−εd)(１−εg)｝は、炉内ガスの吸収を考慮した粉塵及び粉塵の吸収を考慮した炉内ガスからの放射輝度を示す。また、αは粉塵及び炉内ガスの吸収を考慮した被加熱物の放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数であり、βは炉内ガスの吸収を考慮した粉塵及び粉塵の吸収を考慮した炉内ガスからの放射輝度を放射エネルギーに変換するための定数である。また、αとβは、それぞれピントを被加熱物に合わせた場合と、ピントを被加熱物と測定部との間に存在する粉塵の存在する領域の任意に選定した位置に合わせた場合とで異なる定数である。なお、炉内ガスの放射率εgは、炉内ガスが存在する領域における光が伝わる方向の厚みと炉内ガスの吸収係数に依存するものである。
【００５５】
粉塵及び炉内ガス存在下の炉内において、計測器によって計測される放射エネルギーＥは、被加熱物からの放射エネルギーＥcと粉塵からの放射エネルギーＥdと炉内ガスからの放射エネルギの和と予測されることから、Ｅ＝Ｅc＋Ｅd＋Ｅgと表される。
【００５６】
そして、粉塵及び炉内ガスによる吸収を考慮しなければ、計測器で計測される被加熱物、即ちこの場合のクリンカの放射輝度は、単純にεcＬc(λ)で表されるが、図３（ｂ）に示すように、セメント製造設備が備えるロータリキルンのような粉塵３１及び炉内ガス３２存在下の炉内では、粉塵３１及び炉内ガス３２の吸収による減衰が起こる。そのため、本発明第２実施形態の計測方法で用いられる上記式（３）では、粉塵３１及び炉内ガス３２による吸収を考慮して、被加熱物３０の放射輝度を、理論上εcＬc(λ)(１−εd)(１−εg)で表している。
【００５７】
また、計測器のレンズ等に集光され、実際に計測される被加熱物の放射エネルギーＥc等の数値は、被加熱物等の放射輝度εcＬc(λ)(１−εd)(１−εg)そのものを表すものではない。そのため、この値に、放射源から放射エネルギーが放出される立体角や放射源の面積を掛けてエネルギーの単位に変換し、更に放射源から放出された放射エネルギーのうち計測器で計測される割合を掛けて、これを変換する必要がある。上記αは、理論上表される被加熱物の放射輝度εcＬc(λ)(１−εd)(１−εg)を、計測器にて計測される放射エネルギーＥcに変換するための定数であり、光学計算や実験により求められる。また、βは理論上表される粉塵及び炉内ガスからの放射輝度[[Ｌd(λ)・ｌｎ(１−εd)＋Ｌg(λ)・ｌｎ(１−εg)]／[ｌｎ(１−εd)＋ｌｎ(１−εg)]]｛１−(１−εd)(１−εg)｝を、放射エネルギーＥd、Ｅgに変換するための定数である。
【００５８】
上記計測された放射エネルギーＥc(λ3)及びＥs(λ3)を上記式（３）に代入すると、下記式（１２）、式（１３）が導かれる。
【００５９】
【数１５】
2013210259.tif 000017
【００６０】
【数１６】
2013210259.tif 000018
ここで、上記式（１２）、式（１３）において、α1とβ1はピントを被加熱物に合わせた場合の定数を表し、α2とβ2はピントを粉塵に合わせた場合の定数を表す。
【００６１】
そして、上記式（１２）×β2−上記式（１３）×α1により、更に下記式（１４）が導かれる。
【００６２】
【数１７】
2013210259.tif 000019
上記式（１４）の右辺に、上述の第１実施形態で求めたＴcから算出されるＬc（λ3）と、同様に第１実施形態で求めたεcとεdを代入することにより、炉内ガスの放射率εgを求めることができる。
【００６３】
また、上記式（１２）若しくは式（１３）の右辺に、上述の第１実施形態で求めたＴc、Ｔdから算出されるＬc（λ3）、Ｌd（λ3）と、同様に第１実施形態で求めたεc、εdと、上記算出されたεgを代入することにより、Ｌg（λ3）を求める。
【００６４】
更に、上記算出されたＬg（λ3）と上記式（２）のプランクの式により、炉内ガスの温度Ｔgを求めることができる。
【００６５】
以上により、セメント製造設備のロータリキルンのような粉塵及び炉内ガス存在下の炉内において、高温状態にある炉内ガスの温度とその放射率を求めることができる。なお、上記計測した放射エネルギーＥc(λ3)及びＥs(λ3)からのＴg、εgの算出は手動により行っても良いが、例えば第１計測器及び第２計測器の出力に接続されたコンピュータ２１のプログラム等による算出手段により自動で行うように構成しても良い。
【００６６】
この計測方法は、従来の放射温度計等では困難であった炉内ガスの温度等を計測することができる。また、この計測方法は、粉塵及び炉内ガス存在下の被加熱物の温度等を計測できるため、上述したセメント製造設備のロータリキルン内における炉内ガス温度等に限らず、例えばダクト内のガス温度、或いは溶鉱炉や焼却炉等の炉内における被加熱物の温度等にも好適に利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、主にセメント製造設備のロータリキルンのような粉塵存在下の炉内において、被加熱物であるクリンカーの温度Ｔcと放射率εc、粉塵の温度Ｔdと粉塵の放射率εd、及び炉内ガスの温度Ｔgと放射率εgの計測に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０    セメント製造設備
１１    ロータリキルン
２０ａ  第１計測器
２０ｂ  第２計測器
３０    被加熱物（クリンカ）
３１    粉塵
【図１】
2013210259.tif 000023
【図２】
2013210259.tif 000024
【図３】
2013210259.tif 000025
【図４】
2013210259.tif 000026