燃焼状態診断装置および燃焼状態診断方法
【課題】入力熱量に拘わらず、空気比をより高精度に特定すると共に、並行して入力熱量も導出する。
【解決手段】燃焼状態診断装置１００は、燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部１３０と、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出する空気比導出部１３２とを備える。
【解決手段】燃焼状態診断装置１００は、燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部１３０と、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出する空気比導出部１３２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炎の状態を検知することで燃焼状態を診断する燃焼状態診断装置および燃焼状態診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用ボイラや工業加熱炉等に代表される燃焼炉内の火炎の状態（火炎状態）を検知し、その検知結果に応じて燃焼炉を制御することで、燃焼炉の運転状態を正常に保つことができる。例えば、燃焼炉の点火および保炎のために利用されるパイロットバーナの火炎状態を検知し、一過性の不具合や経年劣化により、本来の燃焼状態が維持されていないと判断されれば、それによる被害の回避処理を実行する。
【０００３】
そこで、例えば、ＣＨラジカルとＣ２ラジカルとの自発光強度を検知して、燃焼炉の燃焼状態を判断する技術が公開されている（例えば、非特許文献１、特許文献１〜３）。特に非特許文献１には、ＣＨラジカルの自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカルの自発光強度ＩＣ２とを変数とする関数ｆ（ＩＣ２／ＩＣＨ）に基づいて空気比を求める技術が示されている。
【０００４】
また、ＣＨラジカルとＣ２ラジカルとの自発光強度に加え、固体輻射スペクトルも参照して燃焼状態を判断する技術（例えば、特許文献４）や、Ｈ２Ｏガスの放出光強度（近赤外光）を参照して燃焼状態を判断する技術（例えば、特許文献５）や、パワースペクトルを参照して燃焼状態を判断する技術（例えば、特許文献６）も開示されている。ＣＨラジカルやＣ２ラジカルを利用しない技術としては、ＯＨ発光強度と燃料流量を利用して空気比を求める技術も公開されている（例えば、特許文献７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１６９０１５号公報
【特許文献２】特開平３−２０７９１２号公報
【特許文献３】特開平８−２７０９３１号公報
【特許文献４】特許第３０３５３８９号
【特許文献５】特許第３４２３１２４号
【特許文献６】特許第３８５２０５１号
【特許文献７】特開平５−０２９８１０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「火炎色光検知による光ファイバー式空気比センサー−実用化と空気比制御による性能評価−」、山口貴弘、山田朝治、内山寛信、光学第24巻第10号（1995年10月）、p.638-p.644
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献および非特許文献によると、ＣＨラジカルの自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカルの自発光強度ＩＣ２によって燃焼炉の燃焼状態、特に空気比を求めることができる。しかし、実際には多くの実用バーナにおいて空気比は入力熱量にも依存しており、入力熱量が一定の条件下でなくては、空気比を一意に特定することができなかった。また、燃焼炉の燃焼状態として空気比等を単独で推定する技術は存在しているが、空気比と入力熱量とを総合的に判断する技術は存在していなかった。
【０００８】
また、ＣＨラジカルの自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカルの自発光強度ＩＣ２による空気比の推定は、青色成分の占有度が高い火炎（青炎）を対象としており、先混合火炎等、輝炎部分を含む火炎に関してまで空気比を正確に特定することができなかった。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑み、入力熱量に拘わらず、空気比をより高精度に特定すると共に、並行して入力熱量も導出することが可能な燃焼状態診断装置および燃焼状態診断方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼状態診断装置は、バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部と、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出する空気比導出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の他の燃焼状態診断装置は、バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部と、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第２関数を参照して入力熱量を導出する入力熱量導出部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
火炎光は、特性が異なる複数の発光成分が混合した光であり、指標導出部は、対象となる波長を形成する発光成分以外の発光成分の影響を排除して２つの指標を導出してもよい。
【００１３】
バーナは、火炎光を放つ火炎の直前で燃焼ガスと燃焼用空気とを混合し、混合した先混合ガスを燃焼させるとしてもよい。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼状態診断方法は、バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定し、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出し、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出することを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の他の燃焼状態診断方法は、バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定し、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出し、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第２関数を参照して入力熱量を導出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入力熱量に拘わらず、空気比をより高精度に特定すると共に、並行して入力熱量も導出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃焼状態診断装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図２】発光強度測定部によって測定される５つの波長を説明するための説明図である。
【図３】数式３と数式４とを説明するための説明図である。
【図４】燃焼状態診断方法の全体的な流れを示したフローチャートである。
【図５】数式７による空気比の推定結果を説明するための説明図である。
【図６】燃焼状態診断装置による空気比と入力熱量の導出精度を示した説明図である。
【図７】ニューラルネットワークを説明するための説明図である。
【図８】変形例を説明するための機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１９】
本実施形態における燃焼状態診断装置は、火炎の状態（火炎状態）を検知することで燃焼炉の燃焼状態を診断することを目的とし、診断された燃焼状態に応じて燃焼炉を制御し、燃焼炉の運転状態を正常に保つ。ここでは、特に、パイロットバーナの火炎光等の火炎状態を検知し、パイロットバーナの空気比と入力熱量とを導出することで、本来求められる燃焼状態を維持できているか、また、一過性の不具合や経年劣化が生じていないか、総合的に判断する。
【００２０】
（燃焼状態診断装置１００）
図１は、燃焼状態診断装置１００の概略的な構成を示した機能ブロック図である。燃焼状態診断装置１００は、燃焼炉１におけるパイロットバーナ２の燃焼状態を診断する。パイロットバーナ２は、燃焼炉１の燃焼領域３に延伸する円筒管２ａを含んで形成され、空気を導入する空気導入孔２ｂと、燃焼ガスを燃焼領域３側に案内するガス案内管２ｃとを備える。したがって、燃焼ガスと燃焼用空気とがパイロットバーナ２の円筒管２ａ内で混合されるので（先混合）、パイロットバーナ２の火炎色は、比較的波長の短い青炎の発光のみならず、比較的波長の長い輝炎の発光も含まれる。
【００２１】
また、パイロットバーナ２の噴出方向の逆側（背面側）端部には、監視窓（監視孔）２ｄが設けられ、パイロットバーナ２の火炎状態を火炎背面から監視できるようになっている。本実施形態の燃焼状態診断装置１００は、かかる監視窓２ｄからパイロットバーナ２による火炎光を検知する。したがって、監視窓２ｄからは上記青炎と輝炎をその延伸方向に観察することとなるので、両方の成分の火炎光を重畳させ一度に抽出することができる。
【００２２】
燃焼状態診断装置１００は、集光レンズ１１０と、光ファイバ１１２と、分光器１１４と、演算ユニット１１６と、表示部１１８とを含んで構成される。
【００２３】
集光レンズ１１０は、パイロットバーナ２背面側の監視窓２ｄ近辺に配置され、パイロットバーナ２の火炎光を集光する。光ファイバ１１２は、集光レンズ１１０を挟んで火炎と対向した位置に配され、集光レンズ１１０で集光された火炎光を分光器１１４に伝達する。分光器１１４は、プリズム１１４ａ等を介して波長毎に分光し、受光素子１１４ｂを通じて、それぞれの波長の発光強度を検知する。
【００２４】
演算ユニット１１６は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、燃焼状態診断装置１００全体を管理および制御する。また、演算ユニット１１６は、指標導出部１３０、空気比導出部１３２、入力熱量導出部１３４、異常判定部１３６としても機能する。かかる機能部は後ほど詳述する。表示部１１８は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等で構成され、燃焼炉１の燃焼状態や、その燃焼状態に対する制御量等を、画像を通じてオペレータに報知する。
【００２５】
上記集光レンズ１１０、光ファイバ１１２、分光器１１４は、発光強度測定部として機能する。発光強度測定部では、パイロットバーナ２の火炎光の発光スペクトルを検知し、火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する。ここで、複数の波長として、例えば、５つの波長を挙げる。
【００２６】
図２は、発光強度測定部によって測定される５つの波長を説明するための説明図である。図２（ａ）では、本実施形態が対象とする先混合ガスの火炎を示し、図２（ｂ）では、青炎に輝炎が加わっている火炎の発光スペクトルを示し、図２（ｃ）では、青炎のみが含まれる火炎の発光スペクトルを示す。図２（ｂ）および図２（ｃ）では、３５０〜９００ｎｍの波長域において分光分析が遂行され、当該波長域における発光スペクトルを求めると共に、５つの波長の発光強度を取得している。ただし、本実施形態のように測定対象となる波長が予め定められている場合、その波長のみの発光強度を取得しても目的を達成できる。また、ここでは、測定器の都合上３５０〜９００ｎｍの波長域を対象に分光分析を行っているが、分光分析の対象がかかる範囲に限られないのは言うまでもない。
【００２７】
対象となる波長は、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、および、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴと、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２の単独の値を導出するための補正発光強度Ｉａ、Ｉｂである。ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨは、青炎のうちの青色成分に特徴的な自発光強度であり、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２は、青炎のうちの緑色成分に特徴的な自発光強度である。固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴは、輝炎（すすの発光）を特徴付け、かつ、他の化学発光等とは干渉しない任意の波長（ここでは６３５ｎｍ）の発光強度である。補正発光強度Ｉａ、Ｉｂは、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２に対し、それぞれ、例えば２．５ｎｍ長い波長を選択する。したがって、ＣＨラジカル波長ＩＣＨ＝４３１．５ｎｍ、Ｃ２ラジカル波長ＩＣ２＝５１６．５ｎｍとしたとき、補正波長Ｉａ＝４３４ｎｍ、補正波長Ｉｂ＝５１９ｎｍとなる。このような補正波長の発光強度を利用する理由を以下に述べる。
【００２８】
本実施形態では、図１における監視窓２ｄから火炎の延伸方向に観察しており、図２（ｂ）と図２（ｃ）とを比較して理解できるように、青炎と輝炎を同時にサンプルすることとなる。したがって、輝炎が含まれると、輝炎発光のピーク近傍（ここでは、例えば６３５ｎｍ）の発光強度のみならず、青色〜緑色の波長領域に亘っても発光強度が生じるので、図２（ｂ）の波長依存性を示す曲線１５０に示すように、青色の波長から徐々に発光強度が増加することとなる。これは、青炎の発光強度に、輝炎の発光強度が影響することを意味している。また、青炎の発光（ＣＨラジカル、Ｃ２ラジカル）と輝炎の発光（すすの黒体輻射）以外にも、４００〜６００ｎｍ付近になだらかに広く存在するＣＯ−Ｏ結合反応の発光など、その他の発光成分が重畳することも知られている。
【００２９】
例えば、図２（ｃ）のＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２とはその発光強度に極端な差が生じていないが、輝炎を含む図２（ｂ）では、その発光強度の右上がりの曲線１５０で示されるスペクトル強度に応じて、そのスペクトル強度分、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２の発光強度が、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨの発光強度より明らかに高くなる。したがって、ここでは、その輝炎によるスペクトル強度分を排除して、図２（ｂ）中突出して示される青炎による独立した発光強度を導出する。
【００３０】
具体的に、ＣＨラジカル近傍であり、かつ、ＣＨラジカルの影響を受けていない輝炎やその他の成分による発光強度を検知し（ここでは、補正波長Ｉａ＝４３４ｎｍの発光強度）、それをＣＨラジカル＝４３１．５ｎｍのＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨから減算する。こうして、対象となる青炎発光以外の、意図せざる発光成分の影響を排除し、純粋なＣＨラジカルの発光強度を導出することができる。同様に、Ｃ２ラジカル近傍であり、かつ、Ｃ２ラジカルの影響を受けていない輝炎やその他の成分による発光強度を検知し（ここでは、補正波長Ｉａ＝５１９ｎｍの発光強度）、それをＣ２ラジカル＝５１６．５ｎｍのＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２から減算して、図２（ｂ）中突出して示される純粋なＣ２ラジカルの発光強度を導出する。
【００３１】
本実施形態において、２つの補正波長は、ＣＨラジカルやＣ２ラジカルに２．５ｎｍ加算した波長を用いているが、かかる場合に限らず、ＣＨラジカルやＣ２ラジカルの突出量を表現できれば、ＣＨラジカルやＣ２ラジカルに加算する波長は任意に設定することができ、また、加算ではなく、減算としてもよい。
【００３２】
また、輝炎発光の波長領域も、ＣＯ−Ｏ結合反応等、他の発光成分の影響を受けているので、Ｃ２ラジカル近傍の補正波長Ｉａ＝５１９ｎｍの発光強度を、固体輻射の周波数＝６３５ｎｍの固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴから減算する。こうして、対象となる輝炎発光以外の、意図せざる発光成分の影響を排除し、純粋な固体輻射の発光強度を導出することができる。
【００３３】
指標導出部１３０は、発光強度測定部によって測定された複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する。ここでは２つの組み合わせに対応した２つの指標を導出する例を挙げているが、少なくとも２つあれば足りることの意であり、さらに多くの組み合わせによって多くの指標を導出することも本実施形態の範疇である。この２つの指標のうち、第１指標は、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２との比であるが、上述したように、輝炎もしくはその他の成分による影響を除くため、その比は以下の数式１で示される。
【数１】
…（数式１）
また、第２指標は、固体輻射の発光強度であるが、これも、ＣＯ−Ｏなどの他の成分からの発光の影響を除くため、その値は以下の数式２で示される。
【数２】
…（数式２）
【００３４】
ここで、後述する空気比導出部１３２の処理の前提となる、第１指標および第２指標と、空気比λおよび入力熱量Ｅとの関係に言及する。かかる第１指標と第２指標は、数式３および数式４に示すように、空気比λと入力熱量Ｅとを変数とした関数で示すことができる。
【数３】
…（数式３）
【数４】
…（数式４）
【００３５】
図３は、上記の数式３と数式４とを説明するための説明図であり、図３（ａ）で、空気比λおよび入力熱量Ｅと、第１指標との関係を示し、図３（ｂ）で、空気比λおよび入力熱量Ｅと、第２指標との関係を示している。
【００３６】
上述した数式３および数式４は、本実施形態を遂行する準備段階で、以下のように求められる。例えば、パイロットバーナ２の火炎に対する空気比λと入力熱量Ｅとを別途の手段で客観的に求め、そのときの火炎光における５つの発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）を測定する。そして、空気比λと入力熱量Ｅに対して第１指標をプロットし、その近似曲面を生成すると図３（ａ）のような、空気比λおよび入力熱量Ｅ対第１指標の関係を導出できる。同様に、空気比λと入力熱量Ｅに対して第２指標をプロットし、その近似曲面を生成すると図３（ｂ）のような、空気比λおよび入力熱量Ｅ対第２指標の関係を導出できる。
【００３７】
かかる図３を参照して理解できるように、第１指標や第２指標は空気比λと入力熱量Ｅが定まれば、それぞれ１の値が定まることとなる。以下では、このような関係を利用して、逆に、第１指標や第２指標から空気比λと入力熱量Ｅとを導出する。
【００３８】
空気比導出部１３２は、２つの指標（第１指標、第２指標）に基づいて空気比を導出する。かかる空気比λは、数式３および数式４の連立方程式の解である、第１関数としての数式５によって導出することができる。
【数５】
…（数式５）
【００３９】
したがって、実験等により数式３および数式４の関係を予め求めておけば、それから数式５を導出することができる。こうして、火炎光における５つの波長の発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）によって第１指標および第２指標を特定しさえすれば、空気比λを容易に導出することが可能となる。
【００４０】
入力熱量導出部１３４は、２つの指標（第１指標、第２指標）に基づいて入力熱量を導出する。かかる入力熱量Ｅは、数式３および数式４の連立方程式の解である、第２関数としての数式６によって導出することができる。
【数６】
…（数式６）
【００４１】
したがって、数式５同様、実験等により数式３および数式４の関係を予め求めておけば、それから数式６を導出することができる。こうして、火炎光における５つの発光強度によって第１指標および第２指標を特定しさえすれば、入力熱量Ｅを容易に導出することが可能となる。
【００４２】
ただし、数式５および数式６は、数式３および数式４の連立方程式の解に相当するので、その次数は高次にわたることが多く、演算ユニット１１６の処理能力が低い場合、空気比導出部１３２や入力熱量導出部１３４における処理負荷が増大するおそれがある。そこで、ここでは、当該数式５および数式６を、均等に分割された複数の第１指標と、均等に分割された複数の第２指標とによって空気比λや入力熱量Ｅを一意に導き出すテーブルで表すこととする。かかるテーブルを用いることで、処理負荷の高い計算を行わずとも空気比λや入力熱量Ｅを正確かつ迅速に導き出せる。このとき、第１指標や第２指標の代表値ではない部分に関しては、即ち、テーブルに具体的な数値が設定されていない部分に関しては、空気比λや入力熱量Ｅの近傍の値を用いて補間（例えば線形補間）するとよい。ただし、数式５や数式６の直接の導出を行ってもよいのは言うまでもない。
【００４３】
異常判定部１３６は、空気比導出部１３２が導出した空気比λや、入力熱量導出部１３４が導出した入力熱量Ｅが、予め定められた許容範囲に含まれるか否か判定し、含まれなければ、その旨、例えば表示部１１８を通じてオペレータに報知する。以下に、燃焼状態診断装置１００の全体的な動作の流れを説明する。
【００４４】
（燃焼状態診断方法）
図４は、燃焼状態診断方法の全体的な流れを示したフローチャートである。当該燃焼状態診断方法は、予め定められた時間間隔の定期的なタイマ割込によって処理が開始される。
【００４５】
タイマ割込が生じると、まず、燃焼状態診断装置１００の発光強度測定部は、パイロットバーナ２の燃焼時の火炎光を特徴付ける５つの波長に対する発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）を測定し（Ｓ２００）、指標導出部１３０は、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比（数式１に示した、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２それぞれから、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂを減算した値の比、および、数式２に示した、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴと補正発光強度Ｉｂの差分）に基づいて２つの指標を導出する（Ｓ２０２）。
【００４６】
続いて、空気比導出部１３２は、上記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルを参照して空気比λを導出し（Ｓ２０４）、入力熱量導出部１３４は、上記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルを参照して入力熱量Ｅを導出する（Ｓ２０６）。そして、異常判定部１３６は、空気比導出部１３２が導出した空気比λや、入力熱量導出部１３４が導出した入力熱量Ｅが、予め定められた許容範囲に含まれるか否か判定し（Ｓ２０８）、含まれていなければ（Ｓ２０８におけるＮＯ）、その旨、外部に報知する（Ｓ２１０）。許容範囲に含まれていれば（Ｓ２０８におけるＹＥＳ）、当該処理を終え、割込待機状態に戻る。
【００４７】
このような燃焼状態診断装置１００や燃焼状態診断方法によって、入力熱量に拘わらず、空気比をより高精度に特定すると共に、並行して入力熱量も導出することが可能となる。
【００４８】
（効果の検証）
以下、本実施形態による燃焼状態診断装置１００の効果を検証する。空気比λは、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２に依存する。従来では、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２を変数とする関数である数式７に基づいて空気比λを求めていた。
【数７】
…（数式７）
しかし、かかる数式７は、入力熱量が一定の条件下では成り立つが、入力熱量が不明な状態で、空気比を一意に特定することができなかった。
【００４９】
図５は、数式７による空気比の推定結果を説明するための説明図である。例えば、本実施形態の対象となるパイロットバーナ２において、図５（ａ）に示すように、５つの空気比（０．３０、０．４０、０．５０、０．６０、０．７０）と、５つの入力熱量（３．０７ｋＷ、３．４５ｋＷ、３．８４ｋＷ、４．２２ｋＷ、４．６１ｋＷ）とを掛け合わせた５×５＝２５通りの組み合わせによって火炎を生じさせ、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２を検出し、図５（ｂ）の如く、指標ＩＣ２／ＩＣＨのピーク比を導出した。
【００５０】
数式７によると、空気比λは、指標ＩＣ２／ＩＣＨによって一意に決まる。したがって、指標ＩＣ２／ＩＣＨが固定値を示せば、空気比λも固定値になるはずである。しかし、図５（ｂ）において、例えば、指標ＩＣ２／ＩＣＨ＝１．４の位置には、入力熱量に応じて、空気比が０．５、０．６、０．７の３つの値を取り得る。即ち、指標ＩＣ２／ＩＣＨが固定値であっても、その指標ＩＣ２／ＩＣＨからは空気比λを特定できないことが理解できる。
【００５１】
これに対し、本実施形態における燃焼状態診断装置１００では、以下のような効果を得ることができる。ここでは、パイロットバーナ２の火炎に対する空気比λと入力熱量Ｅとを別途の手段で客観的に求め、そのときの火炎光における５つの発光強度を測定し、数式３に相当する数式８、および、数式４に相当する数式９を予め導出している。
【数８】
…（数式８）
【数９】
…（数式９）
そして、数式８および数式９に基づき、空気比λと入力熱量Ｅをそれぞれ様々な組み合わせで変化させたときの第１指標と第２指標の値をとり、それぞれ空気比λと入力熱量Ｅに関してテーブル化する。
【００５２】
測定準備が整った後、従来同様、図５（ａ）に示した２５通りの組み合わせによって火炎を生じさせ、５つの波長に対する発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）を測定し、第１指標と第２指標を求め、上記のテーブルを参照して数式８と数式９を矛盾無く満たす空気比λと入力熱量Ｅとを求める。
【００５３】
図６は、本実施形態における燃焼状態診断装置１００による空気比λと入力熱量Ｅの導出精度を示した説明図である。図６（ａ）では、空気比λの精度を示し、図６（ｂ）では、入力熱量Ｅの精度を示している。図６（ａ）、（ｂ）では、空気比λおよび入力熱量Ｅの実際に設定した真値と、本実施形態の燃焼状態診断装置１００による推定値との誤差を把握することができる。かかる図６（ａ）、（ｂ）によると、空気比λの誤差は、大凡±０．１の範囲に、入力熱量Ｅの誤差は、大凡±１ｋＷの範囲に含まれることが理解できる。したがって、従来では、入力熱量によって０．２以上真値と異なる場合があったが、本実施形態の燃焼状態診断装置１００では、０．１以下といったように高精度に推定することが可能となる。
【００５４】
以上説明した、燃焼状態診断装置１００および燃焼状態診断方法により、入力熱量Ｅに拘わらず、空気比λをより高精度に特定すると共に、入力熱量Ｅも導出することが可能となる。かかる空気比λと入力熱量Ｅとは、同一の２つの指標（第１指標および第２指標）から求めることができるので、第１指標および第２指標を導出しさえすれば、容易に空気比λと入力熱量Ｅを同時に導出することが可能となる。
【００５５】
また、燃焼炉１に設置されているパイロットバーナ２の火炎状態を外付けの燃焼状態診断装置１００で容易に診断できるため、新設または既設に拘わらず空気比λと入力熱量Ｅを高精度に推定することができ、また、構成要素が小型軽量なので携帯性にも優れ、常設または移動利用のどちらの用途にも適用することが可能である。
【００５６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５７】
例えば、上述した実施形態では、５つの発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）から数式５および数式６またはテーブルを用いて空気比λと入力熱量Ｅを一意に求める例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、図７に示すような、ニューラルネットワーク等様々な手段を通じて空気比λと入力熱量Ｅを導出してもよい。ここでは、以下の数式１０および数式１１を用いている。
【数１０】
…（数式１０）
【数１１】
…（数式１１）
まず、入力信号Ｐと教師信号Ｔとを用いてネットワークを構築する。即ち、重みＶ、ＷとバイアスＢ、Ｃを求める。そして、構築したネットワークを利用して入力信号Ｐの入力のみで出力層Ｒを求める。出力層Ｒは推定値であり、教師信号Ｔに近い方がよい。ここで、入力信号Ｐは本実施形態の指標１と指標２に相当し、また、出力層Ｒは空気比λと入力熱量Ｅに相当する。
【００５８】
また、上述した実施形態においては、集光レンズ１１０、光ファイバ１１２、分光器１１４といった組み合わせによって発光強度測定部を構成したが、かかる場合に限らず、図８（ａ）のように、光ファイバ１１２の代わりに回折格子等の分光素子１６０を配し、分光された光を複数の受光素子１６２それぞれで受光する構成や、図８（ｂ）のように、回折格子等の分光素子１６０の代わりに、特定の波長のみを反射する複数の波長フィルタ１６４を配し、受光素子１６２で受光する構成等、様々な構成を適用することができる。また、上記分光計測法のみならず、カラー撮像装置を用いた画像計測法等も用いることが可能である。
【００５９】
また、コンピュータを、燃焼状態診断装置１００として機能させるプログラムや当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。
【００６０】
なお、本明細書の燃焼状態診断方法における各工程は、必ずしもフローチャートして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、火炎の状態を検知することで燃焼状態を診断する燃焼状態診断装置および燃焼状態診断方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１ …燃焼炉
２ …パイロットバーナ
１００ …燃焼状態診断装置
１１０ …集光レンズ
１１２ …光ファイバ
１１４ …分光器
１１６ …演算ユニット
１１８ …表示部
１３０ …指標導出部
１３２ …空気比導出部
１３４ …入力熱量導出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炎の状態を検知することで燃焼状態を診断する燃焼状態診断装置および燃焼状態診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用ボイラや工業加熱炉等に代表される燃焼炉内の火炎の状態（火炎状態）を検知し、その検知結果に応じて燃焼炉を制御することで、燃焼炉の運転状態を正常に保つことができる。例えば、燃焼炉の点火および保炎のために利用されるパイロットバーナの火炎状態を検知し、一過性の不具合や経年劣化により、本来の燃焼状態が維持されていないと判断されれば、それによる被害の回避処理を実行する。
【０００３】
そこで、例えば、ＣＨラジカルとＣ２ラジカルとの自発光強度を検知して、燃焼炉の燃焼状態を判断する技術が公開されている（例えば、非特許文献１、特許文献１〜３）。特に非特許文献１には、ＣＨラジカルの自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカルの自発光強度ＩＣ２とを変数とする関数ｆ（ＩＣ２／ＩＣＨ）に基づいて空気比を求める技術が示されている。
【０００４】
また、ＣＨラジカルとＣ２ラジカルとの自発光強度に加え、固体輻射スペクトルも参照して燃焼状態を判断する技術（例えば、特許文献４）や、Ｈ２Ｏガスの放出光強度（近赤外光）を参照して燃焼状態を判断する技術（例えば、特許文献５）や、パワースペクトルを参照して燃焼状態を判断する技術（例えば、特許文献６）も開示されている。ＣＨラジカルやＣ２ラジカルを利用しない技術としては、ＯＨ発光強度と燃料流量を利用して空気比を求める技術も公開されている（例えば、特許文献７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１６９０１５号公報
【特許文献２】特開平３−２０７９１２号公報
【特許文献３】特開平８−２７０９３１号公報
【特許文献４】特許第３０３５３８９号
【特許文献５】特許第３４２３１２４号
【特許文献６】特許第３８５２０５１号
【特許文献７】特開平５−０２９８１０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「火炎色光検知による光ファイバー式空気比センサー−実用化と空気比制御による性能評価−」、山口貴弘、山田朝治、内山寛信、光学第24巻第10号（1995年10月）、p.638-p.644
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献および非特許文献によると、ＣＨラジカルの自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカルの自発光強度ＩＣ２によって燃焼炉の燃焼状態、特に空気比を求めることができる。しかし、実際には多くの実用バーナにおいて空気比は入力熱量にも依存しており、入力熱量が一定の条件下でなくては、空気比を一意に特定することができなかった。また、燃焼炉の燃焼状態として空気比等を単独で推定する技術は存在しているが、空気比と入力熱量とを総合的に判断する技術は存在していなかった。
【０００８】
また、ＣＨラジカルの自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカルの自発光強度ＩＣ２による空気比の推定は、青色成分の占有度が高い火炎（青炎）を対象としており、先混合火炎等、輝炎部分を含む火炎に関してまで空気比を正確に特定することができなかった。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑み、入力熱量に拘わらず、空気比をより高精度に特定すると共に、並行して入力熱量も導出することが可能な燃焼状態診断装置および燃焼状態診断方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼状態診断装置は、バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部と、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出する空気比導出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の他の燃焼状態診断装置は、バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部と、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第２関数を参照して入力熱量を導出する入力熱量導出部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
火炎光は、特性が異なる複数の発光成分が混合した光であり、指標導出部は、対象となる波長を形成する発光成分以外の発光成分の影響を排除して２つの指標を導出してもよい。
【００１３】
バーナは、火炎光を放つ火炎の直前で燃焼ガスと燃焼用空気とを混合し、混合した先混合ガスを燃焼させるとしてもよい。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼状態診断方法は、バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定し、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出し、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出することを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の他の燃焼状態診断方法は、バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定し、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出し、２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第２関数を参照して入力熱量を導出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入力熱量に拘わらず、空気比をより高精度に特定すると共に、並行して入力熱量も導出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃焼状態診断装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図２】発光強度測定部によって測定される５つの波長を説明するための説明図である。
【図３】数式３と数式４とを説明するための説明図である。
【図４】燃焼状態診断方法の全体的な流れを示したフローチャートである。
【図５】数式７による空気比の推定結果を説明するための説明図である。
【図６】燃焼状態診断装置による空気比と入力熱量の導出精度を示した説明図である。
【図７】ニューラルネットワークを説明するための説明図である。
【図８】変形例を説明するための機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１９】
本実施形態における燃焼状態診断装置は、火炎の状態（火炎状態）を検知することで燃焼炉の燃焼状態を診断することを目的とし、診断された燃焼状態に応じて燃焼炉を制御し、燃焼炉の運転状態を正常に保つ。ここでは、特に、パイロットバーナの火炎光等の火炎状態を検知し、パイロットバーナの空気比と入力熱量とを導出することで、本来求められる燃焼状態を維持できているか、また、一過性の不具合や経年劣化が生じていないか、総合的に判断する。
【００２０】
（燃焼状態診断装置１００）
図１は、燃焼状態診断装置１００の概略的な構成を示した機能ブロック図である。燃焼状態診断装置１００は、燃焼炉１におけるパイロットバーナ２の燃焼状態を診断する。パイロットバーナ２は、燃焼炉１の燃焼領域３に延伸する円筒管２ａを含んで形成され、空気を導入する空気導入孔２ｂと、燃焼ガスを燃焼領域３側に案内するガス案内管２ｃとを備える。したがって、燃焼ガスと燃焼用空気とがパイロットバーナ２の円筒管２ａ内で混合されるので（先混合）、パイロットバーナ２の火炎色は、比較的波長の短い青炎の発光のみならず、比較的波長の長い輝炎の発光も含まれる。
【００２１】
また、パイロットバーナ２の噴出方向の逆側（背面側）端部には、監視窓（監視孔）２ｄが設けられ、パイロットバーナ２の火炎状態を火炎背面から監視できるようになっている。本実施形態の燃焼状態診断装置１００は、かかる監視窓２ｄからパイロットバーナ２による火炎光を検知する。したがって、監視窓２ｄからは上記青炎と輝炎をその延伸方向に観察することとなるので、両方の成分の火炎光を重畳させ一度に抽出することができる。
【００２２】
燃焼状態診断装置１００は、集光レンズ１１０と、光ファイバ１１２と、分光器１１４と、演算ユニット１１６と、表示部１１８とを含んで構成される。
【００２３】
集光レンズ１１０は、パイロットバーナ２背面側の監視窓２ｄ近辺に配置され、パイロットバーナ２の火炎光を集光する。光ファイバ１１２は、集光レンズ１１０を挟んで火炎と対向した位置に配され、集光レンズ１１０で集光された火炎光を分光器１１４に伝達する。分光器１１４は、プリズム１１４ａ等を介して波長毎に分光し、受光素子１１４ｂを通じて、それぞれの波長の発光強度を検知する。
【００２４】
演算ユニット１１６は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、燃焼状態診断装置１００全体を管理および制御する。また、演算ユニット１１６は、指標導出部１３０、空気比導出部１３２、入力熱量導出部１３４、異常判定部１３６としても機能する。かかる機能部は後ほど詳述する。表示部１１８は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等で構成され、燃焼炉１の燃焼状態や、その燃焼状態に対する制御量等を、画像を通じてオペレータに報知する。
【００２５】
上記集光レンズ１１０、光ファイバ１１２、分光器１１４は、発光強度測定部として機能する。発光強度測定部では、パイロットバーナ２の火炎光の発光スペクトルを検知し、火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する。ここで、複数の波長として、例えば、５つの波長を挙げる。
【００２６】
図２は、発光強度測定部によって測定される５つの波長を説明するための説明図である。図２（ａ）では、本実施形態が対象とする先混合ガスの火炎を示し、図２（ｂ）では、青炎に輝炎が加わっている火炎の発光スペクトルを示し、図２（ｃ）では、青炎のみが含まれる火炎の発光スペクトルを示す。図２（ｂ）および図２（ｃ）では、３５０〜９００ｎｍの波長域において分光分析が遂行され、当該波長域における発光スペクトルを求めると共に、５つの波長の発光強度を取得している。ただし、本実施形態のように測定対象となる波長が予め定められている場合、その波長のみの発光強度を取得しても目的を達成できる。また、ここでは、測定器の都合上３５０〜９００ｎｍの波長域を対象に分光分析を行っているが、分光分析の対象がかかる範囲に限られないのは言うまでもない。
【００２７】
対象となる波長は、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、および、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴと、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２の単独の値を導出するための補正発光強度Ｉａ、Ｉｂである。ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨは、青炎のうちの青色成分に特徴的な自発光強度であり、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２は、青炎のうちの緑色成分に特徴的な自発光強度である。固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴは、輝炎（すすの発光）を特徴付け、かつ、他の化学発光等とは干渉しない任意の波長（ここでは６３５ｎｍ）の発光強度である。補正発光強度Ｉａ、Ｉｂは、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２に対し、それぞれ、例えば２．５ｎｍ長い波長を選択する。したがって、ＣＨラジカル波長ＩＣＨ＝４３１．５ｎｍ、Ｃ２ラジカル波長ＩＣ２＝５１６．５ｎｍとしたとき、補正波長Ｉａ＝４３４ｎｍ、補正波長Ｉｂ＝５１９ｎｍとなる。このような補正波長の発光強度を利用する理由を以下に述べる。
【００２８】
本実施形態では、図１における監視窓２ｄから火炎の延伸方向に観察しており、図２（ｂ）と図２（ｃ）とを比較して理解できるように、青炎と輝炎を同時にサンプルすることとなる。したがって、輝炎が含まれると、輝炎発光のピーク近傍（ここでは、例えば６３５ｎｍ）の発光強度のみならず、青色〜緑色の波長領域に亘っても発光強度が生じるので、図２（ｂ）の波長依存性を示す曲線１５０に示すように、青色の波長から徐々に発光強度が増加することとなる。これは、青炎の発光強度に、輝炎の発光強度が影響することを意味している。また、青炎の発光（ＣＨラジカル、Ｃ２ラジカル）と輝炎の発光（すすの黒体輻射）以外にも、４００〜６００ｎｍ付近になだらかに広く存在するＣＯ−Ｏ結合反応の発光など、その他の発光成分が重畳することも知られている。
【００２９】
例えば、図２（ｃ）のＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２とはその発光強度に極端な差が生じていないが、輝炎を含む図２（ｂ）では、その発光強度の右上がりの曲線１５０で示されるスペクトル強度に応じて、そのスペクトル強度分、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２の発光強度が、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨの発光強度より明らかに高くなる。したがって、ここでは、その輝炎によるスペクトル強度分を排除して、図２（ｂ）中突出して示される青炎による独立した発光強度を導出する。
【００３０】
具体的に、ＣＨラジカル近傍であり、かつ、ＣＨラジカルの影響を受けていない輝炎やその他の成分による発光強度を検知し（ここでは、補正波長Ｉａ＝４３４ｎｍの発光強度）、それをＣＨラジカル＝４３１．５ｎｍのＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨから減算する。こうして、対象となる青炎発光以外の、意図せざる発光成分の影響を排除し、純粋なＣＨラジカルの発光強度を導出することができる。同様に、Ｃ２ラジカル近傍であり、かつ、Ｃ２ラジカルの影響を受けていない輝炎やその他の成分による発光強度を検知し（ここでは、補正波長Ｉａ＝５１９ｎｍの発光強度）、それをＣ２ラジカル＝５１６．５ｎｍのＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２から減算して、図２（ｂ）中突出して示される純粋なＣ２ラジカルの発光強度を導出する。
【００３１】
本実施形態において、２つの補正波長は、ＣＨラジカルやＣ２ラジカルに２．５ｎｍ加算した波長を用いているが、かかる場合に限らず、ＣＨラジカルやＣ２ラジカルの突出量を表現できれば、ＣＨラジカルやＣ２ラジカルに加算する波長は任意に設定することができ、また、加算ではなく、減算としてもよい。
【００３２】
また、輝炎発光の波長領域も、ＣＯ−Ｏ結合反応等、他の発光成分の影響を受けているので、Ｃ２ラジカル近傍の補正波長Ｉａ＝５１９ｎｍの発光強度を、固体輻射の周波数＝６３５ｎｍの固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴから減算する。こうして、対象となる輝炎発光以外の、意図せざる発光成分の影響を排除し、純粋な固体輻射の発光強度を導出することができる。
【００３３】
指標導出部１３０は、発光強度測定部によって測定された複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する。ここでは２つの組み合わせに対応した２つの指標を導出する例を挙げているが、少なくとも２つあれば足りることの意であり、さらに多くの組み合わせによって多くの指標を導出することも本実施形態の範疇である。この２つの指標のうち、第１指標は、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２との比であるが、上述したように、輝炎もしくはその他の成分による影響を除くため、その比は以下の数式１で示される。
【数１】
…（数式１）
また、第２指標は、固体輻射の発光強度であるが、これも、ＣＯ−Ｏなどの他の成分からの発光の影響を除くため、その値は以下の数式２で示される。
【数２】
…（数式２）
【００３４】
ここで、後述する空気比導出部１３２の処理の前提となる、第１指標および第２指標と、空気比λおよび入力熱量Ｅとの関係に言及する。かかる第１指標と第２指標は、数式３および数式４に示すように、空気比λと入力熱量Ｅとを変数とした関数で示すことができる。
【数３】
…（数式３）
【数４】
…（数式４）
【００３５】
図３は、上記の数式３と数式４とを説明するための説明図であり、図３（ａ）で、空気比λおよび入力熱量Ｅと、第１指標との関係を示し、図３（ｂ）で、空気比λおよび入力熱量Ｅと、第２指標との関係を示している。
【００３６】
上述した数式３および数式４は、本実施形態を遂行する準備段階で、以下のように求められる。例えば、パイロットバーナ２の火炎に対する空気比λと入力熱量Ｅとを別途の手段で客観的に求め、そのときの火炎光における５つの発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）を測定する。そして、空気比λと入力熱量Ｅに対して第１指標をプロットし、その近似曲面を生成すると図３（ａ）のような、空気比λおよび入力熱量Ｅ対第１指標の関係を導出できる。同様に、空気比λと入力熱量Ｅに対して第２指標をプロットし、その近似曲面を生成すると図３（ｂ）のような、空気比λおよび入力熱量Ｅ対第２指標の関係を導出できる。
【００３７】
かかる図３を参照して理解できるように、第１指標や第２指標は空気比λと入力熱量Ｅが定まれば、それぞれ１の値が定まることとなる。以下では、このような関係を利用して、逆に、第１指標や第２指標から空気比λと入力熱量Ｅとを導出する。
【００３８】
空気比導出部１３２は、２つの指標（第１指標、第２指標）に基づいて空気比を導出する。かかる空気比λは、数式３および数式４の連立方程式の解である、第１関数としての数式５によって導出することができる。
【数５】
…（数式５）
【００３９】
したがって、実験等により数式３および数式４の関係を予め求めておけば、それから数式５を導出することができる。こうして、火炎光における５つの波長の発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）によって第１指標および第２指標を特定しさえすれば、空気比λを容易に導出することが可能となる。
【００４０】
入力熱量導出部１３４は、２つの指標（第１指標、第２指標）に基づいて入力熱量を導出する。かかる入力熱量Ｅは、数式３および数式４の連立方程式の解である、第２関数としての数式６によって導出することができる。
【数６】
…（数式６）
【００４１】
したがって、数式５同様、実験等により数式３および数式４の関係を予め求めておけば、それから数式６を導出することができる。こうして、火炎光における５つの発光強度によって第１指標および第２指標を特定しさえすれば、入力熱量Ｅを容易に導出することが可能となる。
【００４２】
ただし、数式５および数式６は、数式３および数式４の連立方程式の解に相当するので、その次数は高次にわたることが多く、演算ユニット１１６の処理能力が低い場合、空気比導出部１３２や入力熱量導出部１３４における処理負荷が増大するおそれがある。そこで、ここでは、当該数式５および数式６を、均等に分割された複数の第１指標と、均等に分割された複数の第２指標とによって空気比λや入力熱量Ｅを一意に導き出すテーブルで表すこととする。かかるテーブルを用いることで、処理負荷の高い計算を行わずとも空気比λや入力熱量Ｅを正確かつ迅速に導き出せる。このとき、第１指標や第２指標の代表値ではない部分に関しては、即ち、テーブルに具体的な数値が設定されていない部分に関しては、空気比λや入力熱量Ｅの近傍の値を用いて補間（例えば線形補間）するとよい。ただし、数式５や数式６の直接の導出を行ってもよいのは言うまでもない。
【００４３】
異常判定部１３６は、空気比導出部１３２が導出した空気比λや、入力熱量導出部１３４が導出した入力熱量Ｅが、予め定められた許容範囲に含まれるか否か判定し、含まれなければ、その旨、例えば表示部１１８を通じてオペレータに報知する。以下に、燃焼状態診断装置１００の全体的な動作の流れを説明する。
【００４４】
（燃焼状態診断方法）
図４は、燃焼状態診断方法の全体的な流れを示したフローチャートである。当該燃焼状態診断方法は、予め定められた時間間隔の定期的なタイマ割込によって処理が開始される。
【００４５】
タイマ割込が生じると、まず、燃焼状態診断装置１００の発光強度測定部は、パイロットバーナ２の燃焼時の火炎光を特徴付ける５つの波長に対する発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）を測定し（Ｓ２００）、指標導出部１３０は、複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比（数式１に示した、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２それぞれから、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂを減算した値の比、および、数式２に示した、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴと補正発光強度Ｉｂの差分）に基づいて２つの指標を導出する（Ｓ２０２）。
【００４６】
続いて、空気比導出部１３２は、上記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルを参照して空気比λを導出し（Ｓ２０４）、入力熱量導出部１３４は、上記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルを参照して入力熱量Ｅを導出する（Ｓ２０６）。そして、異常判定部１３６は、空気比導出部１３２が導出した空気比λや、入力熱量導出部１３４が導出した入力熱量Ｅが、予め定められた許容範囲に含まれるか否か判定し（Ｓ２０８）、含まれていなければ（Ｓ２０８におけるＮＯ）、その旨、外部に報知する（Ｓ２１０）。許容範囲に含まれていれば（Ｓ２０８におけるＹＥＳ）、当該処理を終え、割込待機状態に戻る。
【００４７】
このような燃焼状態診断装置１００や燃焼状態診断方法によって、入力熱量に拘わらず、空気比をより高精度に特定すると共に、並行して入力熱量も導出することが可能となる。
【００４８】
（効果の検証）
以下、本実施形態による燃焼状態診断装置１００の効果を検証する。空気比λは、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２に依存する。従来では、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２を変数とする関数である数式７に基づいて空気比λを求めていた。
【数７】
…（数式７）
しかし、かかる数式７は、入力熱量が一定の条件下では成り立つが、入力熱量が不明な状態で、空気比を一意に特定することができなかった。
【００４９】
図５は、数式７による空気比の推定結果を説明するための説明図である。例えば、本実施形態の対象となるパイロットバーナ２において、図５（ａ）に示すように、５つの空気比（０．３０、０．４０、０．５０、０．６０、０．７０）と、５つの入力熱量（３．０７ｋＷ、３．４５ｋＷ、３．８４ｋＷ、４．２２ｋＷ、４．６１ｋＷ）とを掛け合わせた５×５＝２５通りの組み合わせによって火炎を生じさせ、ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨとＣ２ラジカル自発光強度ＩＣ２を検出し、図５（ｂ）の如く、指標ＩＣ２／ＩＣＨのピーク比を導出した。
【００５０】
数式７によると、空気比λは、指標ＩＣ２／ＩＣＨによって一意に決まる。したがって、指標ＩＣ２／ＩＣＨが固定値を示せば、空気比λも固定値になるはずである。しかし、図５（ｂ）において、例えば、指標ＩＣ２／ＩＣＨ＝１．４の位置には、入力熱量に応じて、空気比が０．５、０．６、０．７の３つの値を取り得る。即ち、指標ＩＣ２／ＩＣＨが固定値であっても、その指標ＩＣ２／ＩＣＨからは空気比λを特定できないことが理解できる。
【００５１】
これに対し、本実施形態における燃焼状態診断装置１００では、以下のような効果を得ることができる。ここでは、パイロットバーナ２の火炎に対する空気比λと入力熱量Ｅとを別途の手段で客観的に求め、そのときの火炎光における５つの発光強度を測定し、数式３に相当する数式８、および、数式４に相当する数式９を予め導出している。
【数８】
…（数式８）
【数９】
…（数式９）
そして、数式８および数式９に基づき、空気比λと入力熱量Ｅをそれぞれ様々な組み合わせで変化させたときの第１指標と第２指標の値をとり、それぞれ空気比λと入力熱量Ｅに関してテーブル化する。
【００５２】
測定準備が整った後、従来同様、図５（ａ）に示した２５通りの組み合わせによって火炎を生じさせ、５つの波長に対する発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）を測定し、第１指標と第２指標を求め、上記のテーブルを参照して数式８と数式９を矛盾無く満たす空気比λと入力熱量Ｅとを求める。
【００５３】
図６は、本実施形態における燃焼状態診断装置１００による空気比λと入力熱量Ｅの導出精度を示した説明図である。図６（ａ）では、空気比λの精度を示し、図６（ｂ）では、入力熱量Ｅの精度を示している。図６（ａ）、（ｂ）では、空気比λおよび入力熱量Ｅの実際に設定した真値と、本実施形態の燃焼状態診断装置１００による推定値との誤差を把握することができる。かかる図６（ａ）、（ｂ）によると、空気比λの誤差は、大凡±０．１の範囲に、入力熱量Ｅの誤差は、大凡±１ｋＷの範囲に含まれることが理解できる。したがって、従来では、入力熱量によって０．２以上真値と異なる場合があったが、本実施形態の燃焼状態診断装置１００では、０．１以下といったように高精度に推定することが可能となる。
【００５４】
以上説明した、燃焼状態診断装置１００および燃焼状態診断方法により、入力熱量Ｅに拘わらず、空気比λをより高精度に特定すると共に、入力熱量Ｅも導出することが可能となる。かかる空気比λと入力熱量Ｅとは、同一の２つの指標（第１指標および第２指標）から求めることができるので、第１指標および第２指標を導出しさえすれば、容易に空気比λと入力熱量Ｅを同時に導出することが可能となる。
【００５５】
また、燃焼炉１に設置されているパイロットバーナ２の火炎状態を外付けの燃焼状態診断装置１００で容易に診断できるため、新設または既設に拘わらず空気比λと入力熱量Ｅを高精度に推定することができ、また、構成要素が小型軽量なので携帯性にも優れ、常設または移動利用のどちらの用途にも適用することが可能である。
【００５６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５７】
例えば、上述した実施形態では、５つの発光強度（ＣＨラジカル自発光強度ＩＣＨ、Ｃ２ラジカル自発光強度ＩＣ２、固体輻射自発光強度ＩＳＯＯＴ、補正発光強度Ｉａ、Ｉｂ）から数式５および数式６またはテーブルを用いて空気比λと入力熱量Ｅを一意に求める例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、図７に示すような、ニューラルネットワーク等様々な手段を通じて空気比λと入力熱量Ｅを導出してもよい。ここでは、以下の数式１０および数式１１を用いている。
【数１０】
…（数式１０）
【数１１】
…（数式１１）
まず、入力信号Ｐと教師信号Ｔとを用いてネットワークを構築する。即ち、重みＶ、ＷとバイアスＢ、Ｃを求める。そして、構築したネットワークを利用して入力信号Ｐの入力のみで出力層Ｒを求める。出力層Ｒは推定値であり、教師信号Ｔに近い方がよい。ここで、入力信号Ｐは本実施形態の指標１と指標２に相当し、また、出力層Ｒは空気比λと入力熱量Ｅに相当する。
【００５８】
また、上述した実施形態においては、集光レンズ１１０、光ファイバ１１２、分光器１１４といった組み合わせによって発光強度測定部を構成したが、かかる場合に限らず、図８（ａ）のように、光ファイバ１１２の代わりに回折格子等の分光素子１６０を配し、分光された光を複数の受光素子１６２それぞれで受光する構成や、図８（ｂ）のように、回折格子等の分光素子１６０の代わりに、特定の波長のみを反射する複数の波長フィルタ１６４を配し、受光素子１６２で受光する構成等、様々な構成を適用することができる。また、上記分光計測法のみならず、カラー撮像装置を用いた画像計測法等も用いることが可能である。
【００５９】
また、コンピュータを、燃焼状態診断装置１００として機能させるプログラムや当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。
【００６０】
なお、本明細書の燃焼状態診断方法における各工程は、必ずしもフローチャートして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、火炎の状態を検知することで燃焼状態を診断する燃焼状態診断装置および燃焼状態診断方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１ …燃焼炉
２ …パイロットバーナ
１００ …燃焼状態診断装置
１１０ …集光レンズ
１１２ …光ファイバ
１１４ …分光器
１１６ …演算ユニット
１１８ …表示部
１３０ …指標導出部
１３２ …空気比導出部
１３４ …入力熱量導出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、
前記複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部と、
前記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出する空気比導出部と、
を備えることを特徴とする燃焼状態診断装置。
【請求項２】
バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、
前記複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部と、
前記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第２関数を参照して入力熱量を導出する入力熱量導出部と、
を備えることを特徴とする燃焼状態診断装置。
【請求項３】
前記火炎光は、特性が異なる複数の発光成分が混合した光であり、
前記指標導出部は、対象となる波長を形成する発光成分以外の発光成分の影響を排除して前記２つの指標を導出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼状態診断装置。
【請求項４】
前記バーナは、前記火炎光を放つ火炎の直前で燃焼ガスと燃焼用空気とを混合し、混合した先混合ガスを燃焼させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃焼状態診断装置。
【請求項５】
バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定し、
前記複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出し、
前記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出することを特徴とする燃焼状態診断方法。
【請求項６】
バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定し、
前記複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出し、
前記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第２関数を参照して入力熱量を導出することを特徴とする燃焼状態診断方法。
【請求項１】
バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、
前記複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部と、
前記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出する空気比導出部と、
を備えることを特徴とする燃焼状態診断装置。
【請求項２】
バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定する発光強度測定部と、
前記複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出する指標導出部と、
前記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第２関数を参照して入力熱量を導出する入力熱量導出部と、
を備えることを特徴とする燃焼状態診断装置。
【請求項３】
前記火炎光は、特性が異なる複数の発光成分が混合した光であり、
前記指標導出部は、対象となる波長を形成する発光成分以外の発光成分の影響を排除して前記２つの指標を導出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼状態診断装置。
【請求項４】
前記バーナは、前記火炎光を放つ火炎の直前で燃焼ガスと燃焼用空気とを混合し、混合した先混合ガスを燃焼させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃焼状態診断装置。
【請求項５】
バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定し、
前記複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出し、
前記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第１関数を参照して空気比を導出することを特徴とする燃焼状態診断方法。
【請求項６】
バーナの燃焼時の火炎光を特徴付ける所定の複数の波長に対する発光強度を測定し、
前記複数の波長から選択された相異なる２つの組み合わせそれぞれにおける、発光強度の差または比に基づいて、それぞれの組み合わせに対応した２つの指標を導出し、
前記２つの指標に基づき、予め定められたテーブルまたは第２関数を参照して入力熱量を導出することを特徴とする燃焼状態診断方法。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−７２５７４（Ｐ２０１３−７２５７４Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１０５１２（Ｐ２０１１−２１０５１２）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
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