JPH04335915A - バーナの火炎検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二重管構造を有するラ
ジアントチューブバーナ等に適用して好結果を得ること
ができる、バーナの火炎検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液体または気体の燃料を燃焼させるバー
ナにおいては、燃焼中その燃焼状態を最適に維持するこ
とが望ましい。このための従来技術としては、バーナの
火炎が発生する光強度信号をフォトトランジスタ、フォ
トダイオードあるいは太陽電池等の半導体を使用して電
気信号として捉え、あるいは光センサに代えて火炎中に
挿入した電極を用いてイオン電流として捉え、これらの
出力電流から火炎中の振動波形の周波数解析の結果得た
パワースペクトルの積分値を利用して、燃焼制御を行な
うものがある。

【０００３】上記従来技術のうちの前者のもの、すなわ
ち火炎から発生する光を電気信号として捉え、これを電
気回路によって処理する方法では、火炎が発生する光信
号をフォトトランジスタ、フォトダイオード等の半導体
による光センサで捉えることになるが、この光センサを
設ける位置に問題があり、その位置が適当でないと良好
な制御が行ない得ないことになる。

【０００４】そこで本発明者によってこれを解決するた
めの技術が開発され提案されている（特願平１−３１２
１３２号）。この技術では、光センサにより、燃焼火炎
の振動光を検出するが、ターンダウンにより火炎長が変
化した場合でも火炎の乱流燃焼部分全体を検出する必要
があるため、バーナの反対面すなわち炉の後方部に光セ
ンサを設けてある。しかしながら炉の構造によってはバ
ーナの反対面に光センサを取付けることが不可能な場合
があって所期の効果を期待できない場合があった。

【０００５】この問題を有しない技術として提案された
ものに、特願平１−３１２１３３号の出願に関わるもの
がある。 この技術においては、バーナのノズル側から火炎中に電
極を挿入し、火炎イオン振動電流を検出することにより
、炉の構造による制約を受けないものとした。しかしな
がらこのように電極によりイオン電流を検出しようとし
た場合でも、たとえばラジアントチューブバーナのよう
に二重管内で火炎を形成し、その外筒からの輻射を利用
しているようなバーナでは、連続燃焼させるために排気
口から燃焼ガスをエジェクタ等で吸引するものであるた
め、フレームポイントがターンダウンによって変化し、
火炎の特定部分を電極でも検出し得ない場合があった。

【０００６】そこでこの問題を解決し、ラジアントチュ
ーブバーナのように二重管内で火炎を形成し、その外筒
からの輻射を利用しているようなバーナであり、かつ、
連続燃焼させるために排気口から燃焼ガスをエジェクタ
等で吸引する形式のものであっても、燃焼制御に好結果
を得ることができるバーナの燃焼制御装置として、図７
に示すものが提案されている（特願平２−１７７８１６
号）。

【０００７】これを説明すると、このバーナは外筒１と
内筒２の二重管構造を成し、内筒２の内部にガスノズル
３が設けられており、このガスノズル３に、途中に燃料
遮断弁４を介装した燃料供給管５を接続して燃料６を供
給する構成となっている。内筒２の基部には点検口７が
設けられており、ここにレンズ８が装着されて、内筒２
内の火炎９を監視するようになっている。

【０００８】このレンズ８の焦点位置１０に一端を臨ま
せて光ファイバ１１が取付けられ、光ファイバ１１の他
端には光センサ１２が取付けられている。この光センサ
１２に入った信号は、増幅器１３で増幅された後、整流
器１４で整流され、積分器１５で積分処理されて下限用
比較器１６と上限用比較器１７に入力する。下限用比較
器１６と上限用比較器１７とは、それぞれ積分器１５か
らの信号を下限電圧１８と上限電圧１９と比較し、下限
用比較器１６にあっては下限電圧１８を下回ったときに
、また上限用比較器１７にあっては上限電圧１９を越え
たときにオンとして積分器１５の出力信号を次段の論理
演算器２０に導くようになっている。なお、図中、２１
は排ガス噴出部で２２は燃焼ガス、２３は空気供給管で
２４は燃焼用の空気である。また２５はガスノズル３の
先端部２６に取付けられたスワラーである。

【０００９】この系統図において光振動パワー電圧の検
出回路２７を構成するのは、光センサ１２の検出出力を
増幅する増幅器１３と、増幅された信号を直流成分にす
る整流器１４と、整流された信号から振動パワー信号を
得る積分器１５と、この積分器１５により得た振動パワ
ー信号を上限と下限のそれぞれについてあらかじめ設定
された値と比較する下限用比較器１６ならびに上限用比
較器１７である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような構成とした
ことにより、内筒２の内部をレンズ８と光ファイバ１１
とを介して光センサ１２で監視することができることに
なる。そしてこの光センサ１２の出力は光振動パワー電
圧の検出回路を介して論理演算器２６に入力され、その
出力信号で燃料遮断弁４が開閉制御されることになる。 これにより前掲の問題は解決されたことになるが、ここ
にさらに一つの問題が考えられる。

【０００８】それは、上記技術では、光振動信号の整流
積分電圧（積分器１５からの出力値）を、下限用比較器
１６および上限用比較器１７で、それぞれ基準用の下限
電圧１８、上限電圧１９により比較しているが、この基
準電圧がハード上１点しか設定できないため、たとえば
ターンダウンを有するバーナでは、燃焼量によって積分
電圧は変化し、不完全燃焼を検出するための基準電圧も
燃焼量によって異なるため、ターンダウンのあるバーナ
には利用できないということである。

【０００９】また、上記技術では、装置を適用するバー
ナに合わせて積分器１５の時定数や基準となる下限電圧
１８、上限電圧１９を調整することになるが、この調整
は、たとえば積分器１５の時定数は、検出時間や積分電
圧のばらつきを調整するためにコンデンサを交換して調
整することになる。しかしながらコンデンサの容量は規
格化されていることから、必ずしも最適な容量が得られ
ず、アナログ回路であるために微調整が困難となること
である。

【００１０】本発明は、この点に鑑みて成されたもので
あり、ターンダウンのあるバーナにも適用することがで
き、しかもバーナに合わせた調整ができるバーナの火炎
検出装置を提供しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するための手段として、バーナの燃焼火炎を検出する
光センサと、該光センサの検出出力を増幅する増幅器と
、該増幅された信号を直流成分にする整流器と、該整流
された信号を平滑化し振動パワー信号を得る積分器とか
らなるアナログ回路部と、前記バーナの燃料流量調整弁
の開度に応じた出力電圧を発生するポテンショメータと
を設け、該ポテンショメータの出力信号と前記積分器の
出力信号とが入力されてこれらを複数の設定基準値と比
較判断し、その結果を表示出力するディジタル回路部を
備えた構成としたものである。

【００１２】

【作用】上記のように構成すれば、ディジタル回路部が
ポテンショメータの出力信号と積分器の出力信号を受け
、これらを複数の設定基準値と比較判断することになる
から、前掲の先行技術では不可能であったターンダウン
を有するバーナへの適用が可能となる上に、時定数、管
理値、失火レベルの設定がソフトウエア上で行なえるこ
とになるので、これらの設定を、容易に、かつ、大きな
分解能で行なえることになる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１について説明
する。この装置は、本発明を、炉内を直接燃焼ガスで加
熱する乾燥炉に適用した例であって、２８はバーナであ
り、ノズルの部分でガスと燃焼空気とを混合する一般的
なノズルミックスタイプのガス焚きバーナである。本発
明に係る火炎検出装置は、本来、火炎の連続乱流燃焼部
を光センサにより検出することにより図２に示した特性
が得られるものであり、燃焼火炎の後方より火炎全体を
検出するのが、もっとも好ましいものである。しかしな
がら今回実施した乾燥炉は、炉の構造上火炎を後方より
検出することは不可能であったため、従来一般的な火炎
検出装置（たとえばウルトラビジョン等）が取付けられ
ているところを火炎検出口４８として、火炎の検出を行
なうようにしたものである。

【００１４】バーナ２８には燃料供給管２９と空気供給
管３０とが接続されており、燃料３１と燃焼用の空気（
一次空気）３２とを供給するようになっている。またノ
ズルの周囲からは二次空気も供給される。３３は燃料流
量調整弁であり、燃料流量調整アーム３４を軸３５を中
心にして回動させることにより、燃料の流量を調整でき
るものである。

【００１５】図１に示すように空気供給管２９には空気
量調整弁３６が設けられており、空気量調整アーム３７
を軸３８を中心にして回動させることにより、空気量の
調整ができるようになっている。燃料流量調整アーム３
４と空気量調整アーム３７とはロッド３９で連結されて
おり、燃料流量調整アーム３４はロッド４０でコントロ
ールモータ４１のアーム４２に連結されている。空気量
調整アーム３７はロッド４３により、ポテンショメータ
４４のアーム４５に連結されている。

【００１６】この構造により、コントロールモータ４１
が作動して回転すると、燃料流量調整弁３３と空気量調
整弁３６とが連動して開き、その開度がポテンショメー
タ４４から出力されることになる。コントロールモータ
４１は、温度センサ４６からの信号が入力される温度調
節計４７からの信号で動くものであり、燃料流量調整弁
３３と空気量調整弁３６とを連動させて、バーナ２８の
炉内温度を一定にするものである。

【００１７】バーナ２８には、火炎検出口４８が設けら
れている。そしてこの火炎検出口４８には光ファイバ４
９の一端が固定されている。この光ファイバ４９の他端
は直流電圧変換器５０内の図示しない光センサに臨ませ
てある。光ファイバ４９を使用する理由は、ゲルマニウ
ムダイオード等の半導体素子からなる光センサが熱に弱
いことから、断熱をしてこれを保護するためである。

【００１８】直流電圧変換器５０の出力側は、直流電圧
変換器５０の出力信号中から直流成分をカットするカッ
プリングコンデンサ５１を介して増幅器５２の入力側に
接続されている。増幅器５２の出力側は整流器５３、積
分器５４の順に接続され、増幅された信号の整流、平滑
化と積分処理とが行なわれるようになっている。ここま
ではアナログ回路である。

【００１９】５５はディジタル回路部であり、積分器５
４からの出力信号（積分電圧信号）とポテンショメータ
４４の出力信号とが入力されて、これらを複数の設定値
と比較し、その結果から燃焼状態を判断し、表示出力す
るものである。燃焼状態の判断出力は、正常燃焼出力Ｄ
０１、不完全燃焼出力Ｄ０２および失火出力Ｄ０３の３
種である。

【００２０】ここで燃焼火炎光振動信号の整流積分電圧
と空気比の特性を、図２を用いて説明する。整流積分電
圧は空気比に対して山形の特性となる。整流積分電圧は
火炎の揺らぎの強度を表わすパラメータであり、空気比
に対して同様の傾向を示すパラメータとして乱流燃焼速
度がある。この乱流燃焼速度は、アレニウスの反応速度
則に従い、空気比に対して山形の特性となることが知ら
れており、また乱れのパラメータとして乱流レイノルズ
数があり、乱流燃焼速度と乱流レイノルズ数はほぼ比例
関係にあることから、整流積分電圧すなわち振動パワー
と乱流燃焼速度は燃焼状態の変化に対して同様の傾向を
示すパラメータであり、振動パワーが空気比に対して山
形の特性となるのは一般的な傾向である。

【００２１】図２に示すように、整流積分電圧は、ある
空気比の時に最大となり、空気量がそれより少なくなる
と酸化剤の減少に伴なう燃料との混合不良により酸化反
応が緩慢となり、また空気量が多すぎると、その空気に
より火炎が冷却され、同様に酸化反応が緩慢となって未
燃ガスが発生し、積分電圧は減少する。以上により不完
全燃焼となる空気比時の整流積分電圧をあらかじめ測定
し、燃焼中の積分電圧と比較すれば、正常燃焼であるか
不完全燃焼であるかを判断することができる。また失火
すると光振動信号がなくなり、整流積分電圧が０となる
ので、同様に失火検出も可能となる。

【００２２】この装置における空気比と整流積分電圧と
の関係は、図３および図４に示すようになっている。す
なわち、図３は３０万キロカロリー／時のバーナにおけ
る９．４万キロカロリー／時を示し、図４は同バーナで
１７．４万キロカロリー／時を示している。これらの図
において白丸で示すのは燃焼量一定時、バーナに供給す
る燃焼用空気圧力を変化させた場合である。

【００２３】図３および図４において白四角で示すもの
はバーナに供給する空気圧力を一定に保ち、空気調節弁
の開度を変化させた場合である。さらに黒丸で示すもの
は初期燃焼調整後の空気比ポイントであり、黒四角は空
気調節弁を全閉にし、ガスリッチ燃焼時の積分電圧値を
示している。火炎後方より全体を検出した場合のような
特性（図２）とはならないが、図３、図４に示すように
現状空燃比時の整流積分電圧（図中に黒丸で示すもの）
に対し、斜線で示した範囲内で管理することにより、何
らかの異常でバーナに供給される燃焼用空気圧力が変化
した場合あるいはエアーリッチ、ガスリッチによる不完
全燃焼が発生した場合でも、検出することが可能となる
。ただしこの場合には、図５に示すフローチャート中の
ステップ６３の管理値設定テーブルは図６に示す上限、
下限設定テーブルとし、ステップ６５においてＰＶを、
上限値よりは小さく、かつ下限値よりは大きい値に設定
する必要がある。

【００２４】次に、ディジタル回路部５５の演算使用に
ついて説明する。アナログ回路の積分器５４およびポテ
ンショメータ４４から入力されるアナログ信号はディジ
タル回路部５５内部のＡ／Ｄ変換器でディジタル信号に
変換された後、ＣＰＵにて図５に示すようなフローの処
理が行なわれる。これを説明する。Ａ／Ｄ変換された整
流積分電圧信号は、まずあらかじめ移動平均回数テーブ
ルに読み込まれ（ステップ６０、６１）、移動平均回数
テーブルにあらかじめ設定された平均回数で移動平均化
されることにより時定数が持たされ、データのばらつき
が平滑化される。

【００２５】この平均回数は任意の値に設定可能で、本
装置を適用する燃焼設備に合わせて設定する。移動平均
（ステップ６２）化された電圧信号（プロセスバリュー
、以下、ＰＶという）は管理値設定テーブルにＡ／Ｄ変
換されたポテンショメータ信号（燃料流量）を入力して
これを読み込み（ステップ６３、６４）、各燃焼量に応
じてあらかじめ設定された図６に示すような基準値（セ
ットポイント、以下、ＳＰという）テーブルの値と比較
され、ＳＰよりもＰＶが大きければ図２の完全燃焼領域
であり（ステップ６５、６６）、接点出力（ディジタル
アウトプット、以下、ＤＯという）ＤＯ１（正常燃焼）
をオンとし、ＰＶがＳＰよりも小さく、かつ失火レベル
よりも大きければ図２の不完全燃焼の領域であり、ＤＯ
２がオンとなる（ステップ６７、６８）。ここで失火レ
ベルは任意の値に設定可能である。ＰＶがＳＰよりも小
さく、かつ失火レベルよりも小さければ図２の失火の領
域であり、ＤＯ３がオンとなる（ステップ６９）。

【００２６】図１に示す回路において、バーナ２８には
燃料供給管２９と空気供給管３０から燃料油と燃焼用空
気とが供給される。バーナ２８が着火すると温度センサ
４６からの信号が入力される温度調節計４７は、炉内温
度を一定に保つように燃料流量調整弁３３を調整する。 これは、燃料流量調整アーム３４をロッド４０を介して
コントロールモータ４１により制御して行なう。バーナ
１の空気量調整弁３６の空気量調整アーム３７は、燃料
流量調整アーム３４とロッド３９で連結しているので、
供給空気量は、常に供給燃料に対して一定の割合に調節
されることになる。

【００２７】ここで、コントロールモータ４１と燃料流
量調整弁３３とを連結するロッド４０が何らかの原因で
外れた場合、安全上は特に問題はないが、燃料流量調整
アーム３４と空気量調整アーム３７とを連結するロッド
３９が外れるとガスリッチになる可能性があり、安全上
問題となる。 そこで燃料流量調整弁３３の開度を得るためのポテンシ
ョメータ４４のアーム４５を、ロッド４３により空気量
調整アーム３７に連結してある。これにより、燃料流量
調整アーム３４と空気量調整アーム３７とを連結するロ
ッド３９が何らかの原因で外れ、空気量調整アーム３７
がその自重で空気量調整弁３６を全閉にするようなこと
があったとしても、これにアーム４５で連結されている
ポテンショメータ４４が連動し、管理値が変化すること
によってＰＶ値が上下限テーブルの管理範囲外になり、
異常を検出することができる。

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、バーナ
の燃焼火炎を検出する光センサと、該光センサの検出出
力を増幅する増幅器と、該増幅された信号を直流成分に
する整流器と、該整流された信号を平滑化し振動パワー
信号を得る積分器とからなるアナログ回路部と、前記バ
ーナの燃料流量調節弁の開度に応じた出力電圧を発生す
るポテンショメータとを設け、該ポテンショメータの出
力信号と前記積分器の出力信号とが入力されてこれらを
複数の設定基準値と比較判断し、その結果を表示出力す
るディジタル回路部を備えた構成としたものであるから
、本発明の先行技術では不可能であったターンダウンを
有するバーナへの適用が可能となる上に、時定数、管理
値、失火レベルの設定がソフトウエア上で行なえること
になるので、これらの設定を、容易に、かつ、大きな分
解能で行なえることになり、燃焼量可変のバーナに対し
ても、適切な燃焼状態の判断ができることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の回路図である。

【図２】燃焼状態と空気比との関係を示すグラフである
。

【図３】積分電圧と空気比との関係を示すグラフである
。

【図４】積分電圧と空気比との関係を示すグラフである
。

【図５】図１中のディジタル回路部の作動を示すフロー
チャート図である。

【図６】管理値の設定範囲を示すグラフである。

【図７】先行技術の回路図である。

【符号の説明】

２８　　バーナ ２９　　燃料供給管 ３０　　空気供給管 ３３　　燃料流量調整弁 ３６　　空気量調整弁 ４１　　コントロールモータ ４４　　ポテンショメータ ４６　　温度センサ ４７　　温度調節計 ４８　　火炎検出口 ４９　　光ファイバ ５０　　直流電圧変換器 ５２　　増幅器 ５３　　整流器 ５４　　積分器 ５５　　ディジタル回路部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　バーナの燃焼火炎を検出する光センサ
   と、該光センサの検出出力を増幅する増幅器と、該増幅
   された信号を直流成分にする整流器と、該整流された信
   号を平滑化し振動パワー信号を得る積分器とからなるア
   ナログ回路部と、前記バーナの燃料流量調整弁の開度に
   応じた出力電圧を発生するポテンショメータとを設け、
   該ポテンショメータの出力信号と前記積分器の出力信号
   とが入力されてこれらを複数の設定基準値と比較判断し
   、その結果を表示出力するディジタル回路部を備えたこ
   とを特徴とするバーナの火炎検出装置。