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【発明の名称】 音響式ガス温度計測装置及びその方法
【発明者】 【氏名】下平 克己
【要約】 【課題】音響式ガス温度計測装置でガス流路内の温度分布を得るとき、設置する受信器の数を低減する。

【解決手段】発信器７からこの発信器７と対向する受信器９への距離の異なる２以上の音波の伝播経路５３, ５５, ５７を伝播距離設定手段２３, ２５, ２７に設定し、受信波検出手段１３, １５, １７で、この設定伝播経路５３, ５５,５７を伝播してきた音波の受信波３１を検出して、この受信波を検出した時間に基づいて各受信波の伝播時間３９を計測し、この伝播時間３９に基づいて計測対象ガスの温度４７, ４９, ５１をガス温度演算手段１９で求める。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 発信器から該発信器と対向する受信器への距離の異なる２以上の音波の伝播経路を設定し、該設定伝播経路を伝播してきた前記音波の受信波を検出し、該受信波を検出した時間に基づいて各受信波の伝播時間を計測し、該伝播時間に基づいて計測対象ガスの温度を演算により求める温度計測の方法。
【請求項２】 前記設定伝播経路は、少なくとも前記発信器から前記受信器に直接伝播する経路を含めることを特徴とする請求項１に記載の温度計測の方法。
【請求項３】 温度計測対象のガスを囲む側壁に対向させて設けた１対の発信器と受信器と、前記発信器から発信する音波の前記受信器への距離の異なる２以上の伝播経路を設定する伝播経路設定手段と、該設定伝播経路を伝播してきた前記音波の受信波を検出し、該受信波の検出時間に基づいて各受信波の伝播時間を計測する受信波検出手段と、該伝播時間に基づいて計測対象ガスの温度を演算により求めるガス温度演算手段とを備えてなる音響式ガス温度計測装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス体の温度計測装置に係わり、特に、高温ガス中の音の伝播時間により温度を求める音響式ガス温度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】流路内を流れる高温ガスの温度を連続的に計測する方法として、「ガス中の音の伝播を利用する方法」に注目して、実用化が進められている。この方法によりボイラ火炉などの高温ガス流の温度を精度よく計測する音響式ガス温度計測装置が、特開平９−１６６５０３号公報などに提案されている。一般に、音響式ガス温度計測装置は、被計測ガスを挟んで計測音波の発信器と受信器を設置し、これらを直接結ぶ伝播経路での計測音波の伝播時間からガス温度を計算する。
【０００３】このような音響式ガス温度計測装置は、（１）非接触（２）輻射熱の影響を受けにくい（３）遅れが存在しない（計測系に熱容量が介在しない）
（４）伝播経路上の平均温度を計測（５）数秒間隔での連続計測が可能などの特徴をもち、発電用大型ボイラなどのガス温度計測への適用に好適である。
【０００４】ところで、このような音響式ガス温度計測装置では高温ガスの流路内の温度分布を得ることができる。すなわち、被計測ガスを囲む２以上の側壁に複数組の発信器と受信器を設け、発信器からの計測音波を対応する受信器で受け、計測音波の伝播時間から、組となる発信器と受信器を結ぶ複数の伝播経路上のガス温度を計測して、温度分布を得る。また、このような方法では、複数の発信器と受信器の組が必要になるが、特開平２−８０９２２号公報などでは、１個の発信器からの音波を複数の受信器で受信する方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の音響式ガス温度計測装置では、ガス流路内の温度分布を得る場合、１個の発信器に対して複数の受信器を設置する必要がある。一般に、音響式ガス温度計測装置を設置する高温ガス流路の側壁は、耐火材や冷却水路などで構成される。したがって、側壁に発信器や受信器を取り付けるための開口を設けるとき、冷却水路の曲げ加工が必要となる上、熱負荷の偏りなども考慮せねばならず、発信器や受信器の数が多くなれば、設置コストの増大、設置作業が煩雑化するなどの問題がある。このため、受信器の数の低減が求められている。
【０００６】本発明の課題は、受信器の数を低減することができる音響式ガス温度計測装置及びその方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の音響式ガス温度計測装置は、以下の手段により上記課題を解決する。
【０００８】発信器から該発信器と対向する受信器への距離の異なる２以上の音波の伝播経路を設定し、該設定伝播経路を伝播してきた前記音波の受信波を検出し、該受信波を検出した時間に基づいて各受信波の伝播時間を計測し、該伝播時間に基づいて計測対象ガスの温度を演算により求める。
【０００９】発信器から発した音波は、直接受信器に到達する伝播経路、側壁で反射して受信器に到達する様々な伝播経路を経て受信器で受信される。そして、最も距離の短い直接受信器に到達する伝播経路をへた音波が、時間的に最も早く受信器に到達し、以降、側壁での反射回数が少なく、かつ、距離の短い伝播経路を経た音波から順次受信器に到達する。したがって、この方法のように、設定伝播経路の距離の短いものから順次、受信波の検出時間の早いもの、すなわち、伝播時間の短いものに対応させて行くことで、各伝播経路を経た受信波の伝播距離と伝播時間が得られ、その伝播経路上の平均ガス温度を算出することができる。したがって、１対の発信器と受信器によって、温度計測用の音波の複数の伝播経路上のガス温度、つまり、ガス流路内の温度分布を得られるため、受信器の数を低減できる。
【００１０】また、設定伝播経路は、少なくとも前記発信器から前記受信器に直接伝播する経路を含めるようにすれば、ガス流路内の中心部の温度と周辺部の温度を得ることができるので好ましい。
【００１１】また、温度計測対象のガスを囲む側壁に対向させて設けた１対の発信器と受信器と、発信器から発信する音波の受信器への距離の異なる２以上の伝播経路を設定する伝播経路設定手段と、この設定伝播経路を伝播してきた音波の受信波を検出し、この検出時間に基づいて各受信波の伝播時間を計測する受信波検出手段と、この伝播時間に基づいて計測対象ガスの温度を演算により求めるガス温度演算手段とを音響式ガス温度計測装置に備える。
【００１２】このように装置を構成すれば、受信波検出手段で検出した異なる経路で伝播してきた各受信波の伝播時間と伝播経路設定手段に設定された伝播経路の距離とを対応づけて、ガス温度演算手段でその経路の平均ガス温度を算出することができる。すなわち、１対の発信器と受信器によって、温度計測音波の複数の伝播経路上の平均ガス温度、つまり、ガス流路内の温度分布を得られるため、受信器の数を低減できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明を適用してなる音響式ガス温度計測装置の一実施形態を図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる音響式ガス温度計測装置の一実施形態の構成図である。図２は、受信信号波形を示す図である。本実施形態の音響式ガス温度計測装置は、図１のように、高温の被計測ガス１の断面が長方形の流路３を構成する側壁５に設けられた開口に取り付けられた発信器７、発信器７に対向させて設けられた受信器９、そして、温度計測制御装置１１などから構成される。なお、本実施形態では、流路３は、側壁５からなる長方形の断面形状を有し、発信器７と受信器９は、この長方形の一辺の中心部に位置するように設置されている。温度計測制御装置１１は、受信波検出手段として受信器９に対して順次接続されているＡ／Ｄ変換器１３、デジタルフィルタ１５、計測音波検出器１７、ガス温度演算手段として計測音波検出器１７に接続されるガス温度演算器１９、音波の発信と受信などを制御するため、発信器７、Ａ／Ｄ変換器１３、計測音波検出器１７などに接続されているコントローラ２１、そして、伝播距離設定手段としてガス温度演算器１９に接続される伝播距離設定器２３, ２５, ２７などからなる。
【００１４】このように構成される音響式ガス温度計測装置の温度計測時の作動と、本発明の特徴部について以下に説明する。コントローラ２１が、所定の音波を発信器７より発信するため、発信音波信号２９を送出する。発信音波信号２９は、発信器７から計測音波として送出される。計測音波は、発信器７から直接、または、側壁５の内表面に反射して、受信器２５に到達する。
【００１５】一方、温度計測制御装置１１では、Ａ／Ｄ変換器１３が、コントローラ２１からの発信音波信号２９を受け、直ちに、もしくは、一定時間後に、受信器７の受信音波信号３１を、予め定めるサンプル周期でデジタルデータ列３３に変換する。その後、計測音波及び周辺雑音の性質（周波数、変調信号の特性、自己相関性など）を考慮したデジタルフィルタ１５を通した受信波波形３５が計測音波検出器１７に入力される。このとき、受信音波信号３１に含まれる雑音成分が計測音波成分よりも十分に小さい場合は、デジタルフィルタ１５は省略可能であるが、伝播経路上の減衰が大きく、また周囲の騒音も大きい環境下においては信号対雑音比（ＳＮ比）の改善のため、種々のデジタルフィルタが使用される。なお、Ａ／Ｄ変換器１３の前にアナログフィルタを前置する場合や、デジタルフィルタを使用せず、アナログフィルタのみで処理する場合もある。
【００１６】計測音波検出器１７では、次のいずれかの手段を用い、入力波形より計測音波の到来時刻が検出される。
ａ）入力波形があらかじめ定めた閾値を超えるピークの出現時刻を計測音波到来時刻とする。
ｂ）入力波形のうち、あらかじめ定めた閾値を超える振幅を有するピークの出現時刻を音波到来時刻とする。なお、いずれの場合も計算処理量の低減のため、検出範囲をあらかじめ定めた時刻範囲（音波が到達する可能性がある最も早い時刻と最も遅い時刻の間）に限定する場合がある。検出した計測音波到来時刻から、コントローラからの計測音波発信時刻３７を差し引いて、発信器７から受信器９への計測音波の伝播時間３９（τ）を算出する。
【００１７】ここで、音波がガス中を伝播する速度、すなわち音速ｃ（ｍ／ｓ）は、ガスの温度Ｔ（Ｋ）により変化し、次式で表される。
【００１８】
【数１】

【００１９】ここで、αはガスの組成で決まる定数である。音の伝播時間をτ（ｓ）、伝播距離をＬ（ｍ）とすると、（１）式を変形して、【００２０】
【数２】

【００２１】が得られる。ガス温度演算器１９は、（２）式に、計測音波検出器１７からの伝播時間３９と伝播距離設定器２３, ２５, ２７からの伝播経路長４１, ４３, ４５を代入することでガス温度４７, ４９, ５１を算出する。
【００２２】ところで、本発明者は、音響式ガス温度計測法を様々な設備に適用する中で、多くの場合、従来の技術で温度を算出するために用いている発信器から受信器に直接伝播した計測音波の受信波、すなわち、最も早く現われる主ピークの後に、幾つもの従ピークが現われることに気づいた。また、発信器から受信器に直接伝播する伝播経路５３、すなわち、最短の伝播経路５３に平行する壁が存在する場合に、特に、従ピークが大きくなることがわかった。このため、本発明者は、図１のような長方形の断面形状を有する流路３において、従ピークは、最短の伝播経路５３に平行な側壁５の内表面により反射された計測音波に対応するものであること、また、最短の伝播経路５３に平行な側壁５の一方の内表面の中央部で１回反射して受信器に到達する伝播経路５５と最短経路５３に平行な側壁５の他方の内表面の中央部で１回反射して受信器に到達する伝播経路５７とは、距離が等しいため、同位相で受信器に到達することを推定した。この推定を検証するため、複数のガス温度における伝播経路５５, ５７を伝播する計測音波の伝播時間を（２）式から算出し、この値と、音響式ガス温度計測装置での受信信号の波形の従ピークの出現時間とを比較したところ、両者がよく一致し推定が正しいことがわかった。このことから、温度計測を行ないたいｎ個（ｎ＞０）の伝播経路を設定し、この設定した伝播経路の距離の短いものから順にＬ1, Ｌ2, Ｌ3, …, Ｌnとすると、これに対して、ピークの出現の早いもの、すなわち、伝播時間の短いものから順にτ1,τ2,τ3, …,τnを対応付けることができ、これらの対応する距離Ｌnと伝播時間τnを（２）式に代入することで、その伝播経路上の平均ガス温度を求めることができる。
【００２３】本実施形態では、ガス流路中心部を通る伝播経路上の平均ガス温度を流路全体のガス温度として扱いうるか否かを判定するために、ガス流路中心部を通る伝播経路上の平均ガス温度に対する周辺部の温度差の有無（程度）を調べるために温度計測を行なう場合を示している。したがって、伝播経路として、ガス流路中心部を通る伝播経路、すなわち、発信器７から受信器９に直接伝播する伝播経路５３、ガス流路の周辺部を通る伝播経路、すなわち、伝播経路５３に平行な側壁５の内表面の中央部で１回反射して受信器に到達する等距離の２つの伝播経路５５, ５７を設定している。本実施形態では、伝播経路５５, ５７の距離は、発信器７から側壁５の内表面の反射点までの距離とこの反射点から受信器９までの距離が等しいため、幾何学的に算出できる。このようにして求められた、伝播経路５３, ５５, ５７の距離４１, ４３を各々伝播経路設定器２３, ２５に設定している。
【００２４】本実施形態では、伝播経路５５と伝播経路５７が等距離であるため、伝播経路５５と伝播経路５７を経て受信器９に到達した計測音波は、同位相で受信される。このため、受信波の振幅は大きくなり、良好な信号対雑音被（ＳＮ比）が得られる。図２に示されるように、最短の伝播経路５３を経た計測音波による主ピーク６１と、伝播経路５５と伝播経路５７を経た計測音波による従ピーク６３は、同等の大きさを有している。本実施形態では、設定した伝播経路を経た計測音波を示す２つのピークが十分なＳＮ比となる大きなピークである。このため、適当なピーク検出閾値６５を設定し、計測音波検出器１７は、この閾値６５を超えるピークを計測音波の到来時刻として出現時刻順にｎ個採用し、各々のピークの伝播時間を求める。したがって、図２では、計測音波検出器１７は、最初のピーク６１の検出時刻、すなわち、直接の伝播経路５３を経た計測音波の到来時刻ｔ1から計測音波発信時刻ｔ0を差し引いて伝播時間τ1を求め、ガス温度演算器１９に送る。ガス温度演算器１９では、最も早く伝播した計測音波の伝播時間τ1に対して、伝播距離設定器２３, ２５から送られてきた距離４１, ４３の中から図１における直接の伝播経路５３の距離４１（Ｌ1）を選択し、（２）式より伝播経路５３の平均ガス温度を算出する。続けて、ピーク６１の次に現われるピーク６３の検出時刻、すなわち、反射による伝播経路５５, ５７を経た計測音波の到来時刻ｔ2から計測音波発信時刻ｔ0を減じて伝播時間τ2を求め、ガス温度演算器１９に送る。ガス温度演算器１９では、２番目に伝播した計測音波の伝播時間τ2に対して、伝播距離設定器２３, ２５から送られてきた距離４１, ４３の中から図１における反射による伝播経路５５, ５７の距離４３（Ｌ2）を選択し、（２）式より伝播経路５５, ５７の平均ガス温度を算出する。この場合、伝播経路５５と伝播経路５７は、等距離であるため、伝播経路５５, ５７を合わせた平均ガス温度、すなわち、流路３の周辺部の平均ガス温度が算出される。
【００２５】このように、設定した複数の伝播経路の距離の短いものから順に計測音波の検出時間の早いもの、すなわち、伝播時間の短いものを対応させて行くことで、各伝播経路上の平均ガス温度を得ることができる。すなわち、１対の発信器と受信器によってガス流路内の温度分布を得られるため、受信器の数を低減できる。さらに、従来の１つの発信器に対して複数の受信器を設置する必要がある音響式ガス温度計測装置では、側壁５に他の機器類が取り付けられているような場合は、そこに受信器が設置できないため、他の機器類が取り付けられている場所と発信器を結ぶ伝播径路上のガス温度を得ることができない。しかし、本発明の音響式ガス温度計測装置及びその方法を適用すれば、側壁５に他の機器類が取り付けられているような場合でも、温度分布を得ることができる。
【００２６】また、本実施形態では、受信器７と受信器９を流路３の断面において、側壁５からなる長方形の一辺の中心部に位置するように設置したが、図３のように、受信器７と受信器９を流路３の断面において、側壁５からなる長方形の一辺の中心部よりも最短の伝播経路５３に平行な側壁５の何れか一方に寄せて設置してもよい。この場合、図１の温度計測制御装置１１の計測音波検出器１７は、受信信号波形５９の最初のピークの伝播時間τ1に対して、伝播距離設定器２３, ２５,２７から送られてきた距離４１, ４３, ４５の中から図３における最も短い伝播経路５３の距離４１（Ｌ1）を選択し、（２）式より伝播経路５３の平均ガス温度を算出する。続けて、次に現われるピークの伝播時間τ2に対して、伝播距離設定器２３, ２５, ２７から送られてきた距離４１, ４３, ４５の中から図３における２番目に短い伝播経路６７の距離４３（Ｌ2）を選択し、（２）式より伝播経路６７の平均ガス温度を算出する。さらに続けて、３番目に現われるピークの伝播時間τ3に対して、伝播距離設定器２３, ２５, ２７から送られてきた距離４１, ４３, ４５の中から図３における３番目に短い伝播経路６９の距離４３（Ｌ3）を選択し、（２）式より伝播経路６９の平均ガス温度を算出する。このような発信器と受信器の設置形態では、２つの従ピークの十分なＳＮ比が得られるように、計測音波の強度を適宜調整する必要がある。
【００２７】また、本実施形態では伝播経路の距離を幾何学的に算出して設定したが、幾何学的に算出することが困難な場合には、常温（既知の温度）で計測音波の伝播時間を求め、（２）式から設定伝播経路の距離を算出することができる。
【００２８】また、本実施形態では、設定した３つの伝播経路に対して伝播距離設定器を３器備えているが、伝播距離設定器の数は、必要な伝播経路の数に応じて増減できる。さらに、本実施形態では、伝播距離設定器を３器の別個の機器として示したが、必要な数の伝播経路が設定できる１つの機器にすることもできる。
【００２９】また、本実施形態では、断面形状が長方形の流路へ適用した場合を示したが、その他の断面形状を有する流路のガス温度計測にも適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、音響式ガス温度計測装置でガス流路内の温度分布を得るとき、受信器の数を低減することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５４４１
【氏名又は名称】バブコック日立株式会社
【出願日】 平成１１年１月７日（１９９９．１．７）
【代理人】 【識別番号】１０００６６９７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鵜沼 辰之
【公開番号】 特開２０００−２０５９７１（Ｐ２０００−２０５９７１Ａ）
【公開日】 平成１２年７月２８日（２０００．７．２８）
【出願番号】 特願平１１−１５８３