JP2686298B2 - ガス温度計測装置と、これを用いたガス分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガス温度計測装置と、これを用いたガス分
析装置に係り、特にガス組成が変化した場合にも、その
ガス温度を正確に計測するガス温度計測装置、およびこ
のガス温度計測装置により決定された音速定数からガス
組成を逆算するガス分析装置に関する。

〔従来の技術〕

温度の計測方式は数多くあるが、その使用形式から、
接触式のものと非接触式のものとの２つに分けられる。
接触式のものは、熱電対に代表されるように、挿入点の
温度を極めて高精度に測定することができる。これに対
して、輻射温度計のような非接触式のものは、精度はや
や落ちるものの、高温の物体を遠距離からでも測定でき
ることから、工業的には利用度が高い。

非接触式のものには、光を利用したものが多いが、最
近では音波を用いる方式が着目されている。第10図は、
ボイラ火炉の温度計測に音響式温度計を使用した代表的
な例を示す。

この第10図において、火炉61にはバーナ60が設置され
ており、この高温の燃焼ガス（約1300K）は伝熱管50を
通過して蒸気を発生させた後、低温のガス（約600K）と
なって煙突へ出ていく。火炉出口にはガス温度計測用の
音波の送信器４と受信器５が設けられている。

温度の計測手順を以下に示す。音波の伝播時間測定器
11から発せられた微弱なパルス電気信号は、アンプ９で
増幅されて送信器４に到る。そして、パルス状の音波に
変換され、火炉61内の高温ガス２を伝播して受信器５に
到る。到達した音波は、再び微弱なパルス電気信号に変
換され、アンプ10で増幅されて伝播時間測定器11に戻
る。伝播時間測定器11はパルス電気信号が発せられてか
ら戻ってくるまでの伝播時間ι（sec）を計測する。

音波の伝播時間ιとガス温度Ｔ（Ｋ）には次式の関係
がある。

ここで、Ｌは送信器と受信器間の距離（ｍ）、ａはガ
ス組成で決まる音速定数である。

（１）式において、距離Ｌは構造上定まる既知値であ
るから、音波の伝播時間ιの計測によってガス温度Ｔが
求まる。この演算をガス温度算出器12で行ない、ディス
プレイ41に表示する。

なお、第10図において、１はダクト、２は高温ガス、
３は低温ガスを示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

（１）式において、音速定数ａはガス組成が変化しな
い限り一定である。ところが、第10図に示したボイラな
どでは排ガス組成が変化する。例えば、起動時には炉内
には大気が流れており、その主な組成は窒素が76％、酸
素が20％、水蒸気が３％程度である。これに対して、全
負荷運転時のガス組成は窒素が63％、酸素が２％、二酸
化炭素が11％、水蒸気が23％程度である。

第11図は、ガス組成の変化と音速定数の変化の関係を
示すグラフである。

この第11図において、横軸はボイラ負荷に相当する排
ガス酸素濃度、縦軸には大気の音速定数を基準にした変
化率である。この第11図より、音速定数は約３％変化す
ることがわかる。全負荷時の温度は約1300Kであるか
ら、40℃の測定誤差が発生することになる。

この値は、ボイラを運転する上で無視できない値であ
る。なお、頻繁に行なう負荷変動時にはこれほどの変化
はないが、やはり音速定数は２％程度変化し、無視でき
ない。

これを補正するためには、音速定数を常時計測する必
要があるが、高温場での計測であり、装置の構成が大が
かりとなり、ほとんど不可能である。したがって、何の
補正も行なっていないのが現状である。

以上のように、従来の音響式温度計はガス組成の変化
による音速定数の補正を行なっていないため、測定誤差
が大きいという問題がある。

本発明の第１の目的は、ボイラなどのように、起動時
と負荷運転時とでガス組成が変化したような場合でも、
高温側のガス温度を正確に計測し得るガス温度計測装置
を提供することにある。

本発明の第２の目的は、ガス流路の横断面（ガス流と
直交する方向の断面）内におけるガス温度分布を測定し
得るガス温度計測装置を提供することにある。

本発明の第３の目的は、音速定数決定用の送、受信器
とガス温度計とをコンパクトにまとめることができ、か
つ簡単に取付け、または取外して点検し得るガス温度計
測装置を提供することにある。

本発明の第４の目的は、送、受信器が振動の影響を受
けず、より一層正確にガス温度を計測し得るガス温度計
測装置を提供することにある。

本発明の第５の目的は、前記ガス温度計測装置によっ
て計測された音速定数からガス組成を逆算し得るガス組
成分析装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記第１の目的は、音響式温度計を備えたガス温度計
測装置において、前記ガス流路の低温ガス側に、前記ガ
ス温度測定用の送、受信器とは別に、音速定数決定用の
少なくとも一対の送、受信器と、ガス温度を直接計測可
能なガス温度計とを設け、前記音速定数決定用の送、受
信器を伝播時間測定器に接続するとともに、この伝播時
間測定器と前記ガス温度計とを、音波の伝播時間と送、
受信器間の距離とガス温度から音速定数を決定し、この
音速定数に基づいて非測定部のガス温度を算出するガス
温度算出器に接続したことにより、達成される。

前記第２の目的は、前記ガス温度測定用の送、受信器
を、ガス流路の横断面のほぼ全域にわたって音波を送、
受可能に配置したことにより、達成される。

また、前記第３の目的は、前記音速定数決定用の送、
受信器とガス温度計とを、単一の筒体に組込んだことに
より、達成できる。

さらに、前記第４の目的は、前記送、受信器を被取付
け部材に、防振材を介して取付けたことにより、達成さ
れる。

そして、前記第５の目的は、本発明に係る前記ガス温
度計測装置を使用し、このガス温度計測装置におけるガ
ス温度算出器に、このガス温度算出器で算出された音速
定数からガス組成を逆算するガス組成算出器を接続した
ことにより、達成される。

〔作用〕

本発明のガス温度計測装置において、ガス流路の低温
ガス側に設けられたガス温度計により、ガス温度を直接
計測し、計測したガス温度Ｔをガス温度算出器に送り込
む。また、同じく低温ガス側に設けられた音速定数決定
用の伝播時間測定器→送信器→受信器に音波を送り、そ
の音波を受信器→伝播時間測定器に戻し、伝播時間測定
器により音波の伝播時間を計測し、その計測した音波の
伝播時間ιをガス温度算出器に送り込む。なお、音速定
数決定用の送信器と受信器間の距離Ｌは、取付け位置に
よって決まる既知値であり、あらかじめ測定されてガス
温度算出器に挿入されている。

前記ガス温度算出器では、前記ガス温度Ｔと、音波の
伝播時間ιと、音速定数決定用の送信器と受信器間の距
離Ｌとを前記（１）式に代入し、現状の音速定数ａを算
出する。次いで、前記ガス温度算出器はガス温度測定用
の送、受信器および伝播時間測定器から被測定部の音波
の伝播時間ιを取込み、ガス温度測定用の送信器と受信
器間の距離Ｌは既知値として受入れ、前記算出された現
状での音速定数ａとを前記（１）式に代入し、被測定部
のガス温度Ｔを算出する。

したがって、本発明のガス温度計測装置ではボイラな
どのように、起動時と負荷運転時とで、ガス組成が変化
したような場合でも、高温側のガス温度を正確に計測す
ることができる。

また、本発明のガス温度計測装置では、ガス温度測定
用の送、受信器を、ガス流路の横断面のほぼ全域にわた
って音波を送、受し得るように設置しているので、ガス
流路の横断面内のガス温度分布を測定し、知ることがで
きる。

さらに、本発明のガス温度計測装置では、音速定数決
定用の送、受信器とガス温度計とを単一の筒体に組込ん
でいるので、前記送、受信器とガス温度計とをコンパク
トにまとめることができ、かつ簡単に取付けることがで
き、また簡単に取外して点検することが可能となる。

さらにまた、本発明のガス温度計測装置では、送、受
信器を導波管等の被取付け部材に、防振材を介して取付
けているので、被測定部の振動に影響されることなく、
音速を正確に測定することができ、その結果ガス温度を
より一層正確に計測することができる。

そして、本発明のガス分析装置では、前記ガス温度計
測装置のガス温度算出器で算出した音速定数ａをガス組
成算出器に送り込む。この音速定数ａは、ガス組成によ
って決まる値であるから、前記ガス組成算出器では音速
定数ａに基づいてガス組成を逆算し、出力する。したが
って、本発明のガス分析装置では前記ガス温度計測装置
のガス温度算出器から送り込まれる音速定数ａをもと
に、現状におけるガスの組成を知ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は、本発明ガス温度計測装置の一実施例を示す
系統図である。

この第１図に示す実施例のガス温度計測装置では、ダ
クト１の高温ガス２側に設けられたガス温度測定用の音
響式温度計と、低温ガス３側に設けられた音速決定用の
音響式温度計およびガス温度を直接計測するガス温度計
８と、ガス温度算出器12とを備えている。

前記ダクト１内には、伝熱管50が設置されており、ダ
クト１内はこの伝熱管50を境に高温ガス２側と、低温ガ
ス３側とに区分される。

前記高温ガス２側の音響式温度計は、伝播時間測定器
11と、ダクト１に導波管15を介して取付けられた送信器
４と、この送信器４に対応させ、かつダクト１に導波管
15を介して取付られた受信器５とを有している。前記送
信器４は、ケーブル14およびアンプ10を介して前記伝播
時間測定器11に接続されている。前記受信器５は、ケー
ブル14およびアンプ９を介して同じ伝播時間測定器11に
接続されている。前記伝播時間測定器11は、前記ガス温
度算出器12に接続されている。

一方、前記低温ガス３側の音響式温度計は、伝播時間
測定器11′と、ダクト１に導波管15を介して取付けられ
た送信器６と、この送信器６に対応させ、かつダクト１
に導波管15を介して取付けられた受信器７とを有してい
る。前記送信器６は、ケーブル14およびアンプ10を通じ
て前記伝播時間測定器11′に接続されている。前記受信
器７は、ケーブル14およびアンプ９を通じて、同じ伝播
時間測定器11′に接続されている。前記送信器６および
受信器７は、前記ガス温度測定用の送信器４および受信
器５の設置場所を通るガスの流線上に設置されている。
前記伝播時間測定器11′も、前記ガス温度算出器12に接
続されている。前記ガス温度計８は、受信器７になるべ
く接近した位置に取付けられている。このガス温度計８
には、通常熱電対を用いる。このガス温度計８も、ケー
ブル14を通じて前記ガス温度算出器12に接続されてい
る。

前記ガス温度算出器12には、伝播時間測定器11から高
温ガス２側の音波の伝播時間ιが送り込まれ、伝播時間
測定器11′から低温ガス３側の音波の伝播時間ιが送り
込まれるほか、あらかじめ測定された送、受信器４、５
間の距離Ｌと、送、受信器６、７間の距離Ｌとが送入さ
れている。

前記実施例のガス温度計測装置は、次のように動作
し、ガス温度を計測する。

すなわち、低温ガス３側の音響式温度計の伝播時間測
定器11′から発せられた微弱のパルス電気信号は、アン
プ10で増幅され、送信器６に到る。この送信器６から
は、パルス状の音波が発せられ、対向位置に設置された
受信器７に届く。この音波は、微弱のパルス電気信号に
変換され、アンプ９で増幅されて前記伝播時間測定器1
1′に戻る。伝播時間測定器11′では、音波の伝播時間
ιを測定し、その測定値をガス温度算出器12に送り込
む。

一方、受信器７とほぼ同じ位置に取付けられたガス温
度計８により、低温ガス３側のガス温度Ｔが測定され、
この測定値も前記ガス温度算出器12に送り込む。

前記低温ガス３側の送、受信器６、７間の距離Ｌはあ
らかじめわかっているので、前記ガス温度算出器12に送
入しておく。

ここで、ガス温度算出器12は前記音波の伝播時間ι
と、低温ガス３側のガス温度Ｔと、送、受信器６、７間
の距離Ｌとを前記（１）式に代入し、現状における音速
定数ａを算出する。

高温ガス２側でも同様にして、音響式温度計の伝播時
間測定器11により送信器４と受信器５間の音波の伝播時
間ιを測定し、その測定値をガス温度算出器12に送り込
む。

前記高温ガス２側の送、受信器４、５間の距離Ｌは、
あらかじめ測定してわかっているので、前記ガス温度算
出器12に送入しておく。現状における音速定数ａは、前
述のごとく、既に算出されている。

そこで、ガス温度算出器12では前記音速の伝播時間ι
と、送、受信器４、５間の距離Ｌと、音速定数ａとを前
記（１）式に代入し、高温ガス２側のガス温度Ｔを算出
し、出力する。

以上のように、この実施例では現状での音速定数ａを
算出し、この音速定数ａを用いて高温ガス２側のガス温
度を計測するようにしているので、ボイラのごとく、起
動時と負荷運転時とで、ガス組成が変化しても、そのと
きのガス温度を正確に計測することができる。

第２図は、大型のダクトに本発明ガス温度計測装置を
適用した場合の、ダクトの低温ガス側の横断面図であ
る。

この第２図に示す実施例では、音速定数決定用の音波
の送信器６と受信器７とガス温度計８とが二対設置され
ている。また、上流の被測定部である高温ガス２側に
も、前記送信器６および受信器７に対応させて、送信器
および受信器が二対設置されているが、第２図中では省
略されている。

大型のボイラでは、どうしてもダクトの横断面におい
て左右のガス温度にアンバランスが発生するが、この第
２図に示す実施例によれば、ガス温度をより一層正確に
計測することができる。

第３図は、本発明ガス温度計測装置の別の実施例を示
すもので、高温ガス側における音波の送、受信器が取付
けられている位置の横断面図である。

この第３図に示す実施例では、ダクト１の高温ガス２
側の横断面（ガス流と直交する方向の断面）において、
その上下および左右に送、受信器20が設置され、音波の
伝播経路21がダクト１の横断面内のほぼ全域にわたるよ
うに構成されている。その結果、ダクト１の横断面内に
おけるガス温度分布を測定し、知ることが可能である。

第４図は、本発明ガス温度計測装置の他の実施例を示
すもので、低温ガス側の縦断面図、第５図はこの実施例
の要部の拡大縦断面図である。

これら第４図および第５図に示す実施例では、音速定
数決定用の送信器６と受信器７とガス温度計８とが、単
一の筒体である校正筒22に組込まれている。前記校正筒
22には、第５図に示すように、多数の穴23が設けられて
おり、この穴23を通じて校正筒22内をガスが流れるよう
になっている。前記校正筒22は、第４図に示すように、
ダクト１の低温ガス３側に取付けられている。前記送信
器６は、第５図に示すように、校正筒22の底部側に設け
られ、受信器７は送信器６に対応させて、校正筒22の上
部に設けられ、ガス温度計８は受信器７に接近した位置
に設けられている。

この実施例では、校正筒22に音速定数決定用の送、受
信器６、７とガス温度計８とを組込んでいるので、これ
らの部材をコンパクトにまとめることができ、かつ簡単
に取付けて使用することができる。

第６図は、本発明ガス温度計測装置を異なる実施例を
示す要部の縦断面図である。

この第６図に示す実施例では、エルボ型の導波管24
に、音速定数決定用の送、受信器20と、ガス温度計８と
が組込まれている。そして、前記導波管24はダクト１の
低温ガス３側に、セットボルト25により着脱可能に取付
けられている。

したがって、この実施例によれば音速定数決定用の
送、受信器20とガス温度計８とをコンパクトにまとめる
ことができるほか、セットボルト25により簡単に取付け
て使用でき、また点検保守時に簡単に取外すことができ
る。

第７図は、本発明ガス温度計測装置のさらに異なる実
施例を示す縦断面図である。

この第７図に示す実施例では、導波管15内に、音波の
送、受信器20が防振材であるダンパ30で包み込んで取付
けられている。

この実施例によれば送、受信器20の振動の影響を受け
ることなく、音波の送、受を行なうことができ、音波の
伝播時間をより一層正確に計測することができる。

次に、第８図は本発明ガス分析装置の一実施例を示す
系統図である。

この第８図に示すガス分析装置では、前記第１〜７図
に示すガス温度計測装置を使用し、このガス温度計測装
置のガス温度算出器12に接続されたガス組成算出器40
と、このガス組成算出器40に接続されたディスプレイ41
とを備えている。

前記ガス組成算出器40には、低温ガス３側で決定し、
かつガス温度算出器12で算出された音速定数ａが送り込
まれるようになっている。この音速定数ａは、ガスの組
成によって決まる。そこで、ガス組成算出器40では、前
記音速定数ａをもとにガスの組成を逆算し、その算出値
をディスプレイ41に出力する。前記ディスプレイ41は、
この実施例ではガス温度算出器12で算出されたガスの温
度情報42と、ガス組成算出器40で算出したガス組成情報
43とを表示するようになっている。

ボイラのように燃料の組成がはっきりしているもので
は、前記低温ガス３側で求めた音速定数ａに基づいてガ
ス組成算出器40でガス組成を算出し、ディスプレイ41に
表示することにより現状でのガス組成を知ることができ
る。

次いで、第９図は本発明ガス温度計測装置の使用例を
示す系統図である。この第９図に示す使用例では、バー
ナ60および火炉61を有するボイラに、本発明ガス温度計
測装置を適用している。なお、この第９図にはこれまで
に説明したガス温度計測装置の構成部材と同じ部材には
同じ符号を付けて示し、これ以上の説明を省略する。

〔発明の効果〕

本発明の請求項（１）記載の発明によれば、音響式温
度計を備えたガス温度計測装置において、前記ガス流路
の低温ガス側に、前ガス温度測定用の送、受信器とは別
に、音速定数決定用の少なくとも一対の送、受信器と、
ガス温度を直接計測可能なガス温度計とを設け、前記音
速定数決定用の送、受信器を伝播時間測定器に接続する
とともに、この伝播時間測定器と前記ガス温度計とを、
音波の伝播時間と送、受信器間の距離とガス温度から音
速定数を決定し、この音速定数に基づいて非測定部のガ
ス温度を算出するガス温度算出器に接続しているので、
ガス温度計により直接計測したガス温度Ｔと、音波の
送、受信器と伝播時間測定器とにより測定された低温ガ
ス側の音波の伝播時間ιと、既知値である送、受信器管
の距離Ｌとをガス温度算出器で前記（１）式に代入し、
現状における音速定数ａを決定し、この音速定数ａと、
ガス温度測定用の送、受信器と伝播時間測定器とにより
測定された被測定部の音波の伝播時間ιと、既知値であ
る送、受信器管の距離Ｌとを再びガス温度算出器で前記
（１）式に代入することにより、ボイラなどのように、
起動時と負荷運転時とで、ガス組成が変化したような場
合でも、被測定部としての高温側のガス温度を正確に計
測し得る効果がある。

また、本発明の請求項（２）記載の発明によれば、ガ
ス温度測定用の送、受信器を、ガス流路の横断面のほぼ
全域にわたって音波を送、受し得るように設置している
ので、ガス流路の横断面内のガス温度分布を測定し、知
り得る効果がある。

さらに、本発明の請求項（３）記載の発明によれば、
音速定数決定用の送、受信器とガス温度計とを単一の筒
体に組込んでいるので、前記送、受信器とガス温度計と
をコンパクトにまとめることができ、かつ簡単に取付け
ることができ、また簡単に取外して点検し得る効果があ
る。

さらにまた、本発明の請求項（４）記載の発明によれ
ば、送、受信器を導波管等の被取付け部材に、防振材を
介して取付けているので、振動に影響されることなく、
音速を正確に測定することができ、その結果被測定部の
ガス温度をより一層正確に計測し得る効果がある。

そして、本発明の請求項（５）記載の発明によれば、
ガス温度計測装置におけるガス温度算出器に、このガス
温度算出器で算出された音速定数からガス組成を逆算す
るガス組成算出器を接続しており、前記ガス温度計測装
置のガス温度算出器で算出した音速定数ａをガス組成算
出器に送り込み、ガス組成算出器では音速定数ａに基づ
いてガス組成を逆算し、出力するようにしているので、
前記ガス温度計測装置のガス温度算出器から送り込まれ
る音速定数ａをもとに、現状におけるガスの組成を知り
得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明ガス温度計測装置の一実施例を示す系
統図、第２図は、大型のダクトに本発明ガス温度計測装
置を適用した場合の、ダクトの低温ガス側の横断面図、
第３図は、本発明ガス温度計測装置の別の実施例を示す
もので、高温ガス側における音波の送、受信器が取付け
られている位置の横断面図、第４図は、本発明ガス温度
計測装置の他の実施例を示すもので、低温ガス側の縦断
面図、第５図は、この実施例の要部の拡大縦断面図、第
６図は、本発明ガス温度計測装置の異なる実施例を示す
要部の縦断面図、第７図は、本発明ガス温度計測装置の
さらに異なる実施例を示す縦断面図、第８図は、本発明
ガス分析装置の一実施例を示す系統図、第９図は、本発
明ガス温度計測装置をボイラに適用した使用例を示す系
統図、第10図は、従来の音響式温度計をボイラに適用し
た使用例の系統図、第11図は、ボイラにおけるガス組成
と音速定数との関係を示す図である。 １……ガス流路であるダクト、２……高温ガス、３……
低温ガス、４、５……高温ガス側の音波の送、受信器、
６、７……低温ガス側の音波の送、受信器、８……ガス
温度計、11……高温ガス側の音波の伝播時間測定器、1
1′……低温ガス側の音波の伝播時間測定器、12……ガ
ス温度算出器、14……ケーブル、15……導波管、20……
音波の送、受信器、21……音波の伝播経路、22……校正
筒、24……エルボ型の導波管、30……防振材であるダン
パ、40……ガス組成算出器、41……ディスプレイ、50…
…ダクト内に設置された伝熱管。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス流路に、ガス温度測定用の少なくとも
   一対の音波の送、受信器を配置し、この送、受信器間の
   音速を計測することにより、前記送、受信器間を流れる
   ガスの温度を算出する音響式温度計を備えたガス温度計
   測装置において、前記ガス流路の低温ガス側に、前記ガ
   ス温度測定用の送、受信器とは別に、音速定数決定用の
   少なくとも一対の送、受信器と、ガス温度を直接計測可
   能なガス温度計とを設け、前記音速定数決定用の送、受
   信器を伝播時間測定器に接続するとともに、この伝播時
   間測定器と前記ガス温度計とを、音波の伝播時間と送、
   受信器間の距離とガス温度から音波定数を決定し、この
   音速定数に基づいて非測定部のガス温度を算出するガス
   温度算出器に接続したことを特徴とするガス温度計測装
   置。
2. 【請求項２】前記ガス温度測定用の送、受信器を、ガス
   流路の横断面のほぼ全域にわたって音波を送、受可能に
   配置したことを特徴とする請求項（１）記載のガス温度
   計測装置。
3. 【請求項３】前記音波定数決定用の送、受信器とガス温
   度計とを、単一の筒体に組込んだことを特徴とする請求
   項（１）記載のガス温度計測装置。
4. 【請求項４】前記送、受信器を被取付け部材に、防振材
   を介して取付けたことを特徴とする請求項（１）記載の
   ガス温度計測装置。
5. 【請求項５】請求項（１）ないし（４）のいずれかに記
   載のガス温度計測装置におけるガス温度算出器に、この
   ガス温度算出器で算出された音速定数からガス組成を逆
   算するガス組成算出器を接続したことを特徴とするガス
   分析装置。