特開 2024-41461 燃焼診断装置、燃焼診断システムおよび燃焼診断装置プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024041461

(43)【公開日】2024-03-27

(54)【発明の名称】燃焼診断装置、燃焼診断システムおよび燃焼診断装置プログラム

(51)【国際特許分類】

   F23N 5/08 20060101AFI20240319BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20240319BHJP

   F23N 5/00 20060101ALI20240319BHJP

   F23N 5/26 20060101ALI20240319BHJP

【ＦＩ】

F23N5/08 G

G01N21/27 A

F23N5/00 H

F23N5/26 101E

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022146291

(22)【出願日】2022-09-14

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 和弘

【テーマコード（参考）】

2G059

3K003

3K005

3K068

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB01

2G059EE06

2G059EE11

2G059FF01

2G059HH02

2G059KK04

2G059MM01

3K003EA03

3K003EA07

3K003FA02

3K005QA04

3K005QC04

3K005QC06

3K068NA01

3K068PA03

(57)【要約】

【課題】簡易な構成で火炎の燃焼状態を診断する。
【解決手段】可視光カメラ２によって撮像された火炎の画像に基づいて、前記火炎の燃焼状態を診断する燃焼診断装置３であって、前記画像の火炎部分から、１または複数の特定の波長帯の信号を抽出する信号抽出部３３と、前記特定の波長帯の信号に基づいて前記燃焼状態を診断する燃焼診断部３４と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

可視光カメラによって撮像された火炎の画像に基づいて、前記火炎の燃焼状態を診断する燃焼診断装置であって、
前記画像の火炎部分から、１または複数の特定の波長帯の信号を抽出する信号抽出部と、
前記特定の波長帯の信号に基づいて前記燃焼状態を診断する燃焼診断部と、
を備える、燃焼診断装置。

【請求項2】

前記信号抽出部は、
Ｇ信号を抽出するＧ信号抽出部と、
Ｂ信号を抽出するＢ信号抽出部と、
を備え、
前記燃焼診断部は、
前記Ｇ信号および前記Ｂ信号に基づいて、前記燃焼状態として、前記火炎の燃料の当量比を診断する当量比診断部を備える、請求項１に記載の燃焼診断装置。

【請求項3】

前記当量比診断部は、
前記Ｇ信号および前記Ｂ信号から前記火炎中のＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度を演算し、前記強度に基づいて前記当量比を診断する、請求項２に記載の燃焼診断装置。

【請求項4】

前記信号抽出部は、
Ｒ信号を抽出するＲ信号抽出部を備え、
前記燃焼診断部は、
前記Ｒ信号に基づいて、前記火炎の燃焼温度を診断する燃焼温度診断部を備える、請求項１に記載の燃焼診断装置。

【請求項5】

前記信号抽出部は、
Ｒ信号を抽出するＲ信号抽出部を備え、
前記燃焼診断部は、
前記Ｒ信号および前記当量比に基づいて、前記火炎中のＯＨラジカル自発光の強度を演算する、請求項２に記載の燃焼診断装置。

【請求項6】

前記燃焼診断部は、
前記ＯＨラジカル自発光の強度に基づいて、前記火炎の燃焼速度を診断する燃焼速度診断部を備える、請求項５に記載の燃焼診断装置。

【請求項7】

火炎の画像を撮像する可視光カメラと、
前記可視光カメラによって撮像された火炎の画像に基づいて、前記火炎の燃焼状態を診断する燃焼診断装置と、
を備える燃焼診断システムであって、
前記燃焼診断装置は、請求項１～６のいずれかに記載の燃焼診断装置である、燃焼診断システム。

【請求項8】

コンピュータを請求項１～６のいずれかに記載の燃焼診断装置として動作させる燃焼診断プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、火炎の燃焼状態を診断する技術に関し、特に、可視光カメラによって撮像された火炎の画像に基づいて、火炎の燃焼状態を診断する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電所や家庭用コンロなどの各種の燃焼機器が不完全燃焼を起こすと燃焼効率が低下する。また、不完全燃焼を起こすと一酸化炭素などの有害成分も排出されるため、燃焼機器の燃焼診断（モニタリング）は不可欠である。

【0003】

そこで、火炎から観察される特定の波長の発光（自発光または自然発光）の強度に基づいて、燃焼状態を診断する手法が提案されている。図１０は、火炎の発光スペクトル強度の一例を示すグラフである。一般的な火炎の自発光には、３０６ｎｍにピークを有するＯＨラジカル自発光、４３０ｎｍにピークを有するＣＨラジカル自発光、および５１６ｎｍにピークを有するＣ２ラジカル自発光などがある。これらの自発光の強度を計測することで、火炎の燃焼状態を診断することができる。

【0004】

特許文献１には、分光器によって火炎の光を分光し、ＯＨラジカル自発光の強度を計測することにより、火炎の状態検知を行うことが開示されている。また、特許文献２においても、分光測定装置によって火炎の光を分光し、ＣＨラジカル自発光またはＣ２ラジカル自発光の強度を計測することにより、火炎の状態検知を行うことが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２００５／０４５３７９号

【特許文献2】国際公開第２００８／０５９９７６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１および２に記載の技術は、分光器を必要とするため、可視光カメラなどの安価な撮像装置を用いることができない。

【0007】

これに対し、可視光カメラによってＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光を計測するために、可視光カメラのレンズに、４３０ｎｍを含む帯域の光を通過させる特殊フィルタ、および５１６ｎｍを含む帯域の光を通過させる特殊フィルタを取り付けて火炎を撮像することが考えられる。しかし、このような特殊フィルタは高価であり、また、レンズに取り付ける特殊フィルタを交換する必要があるため、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光を同時刻に計測することができない。

【0008】

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、簡易な構成で火炎の燃焼状態を診断することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明は以下の態様を含む。
項１．
可視光カメラによって撮像された火炎の画像に基づいて、前記火炎の燃焼状態を診断する燃焼診断装置であって、
前記画像の火炎部分から、１または複数の特定の波長帯の信号を抽出する信号抽出部と、
前記特定の波長帯の信号に基づいて前記燃焼状態を診断する燃焼診断部と、
を備える、燃焼診断装置。
項２．
前記信号抽出部は、
Ｇ信号を抽出するＧ信号抽出部と、
Ｂ信号を抽出するＢ信号抽出部と、
を備え、
前記燃焼診断部は、
前記Ｇ信号および前記Ｂ信号に基づいて、前記燃焼状態として、前記火炎の燃料の当量比を診断する当量比診断部を備える、項１に記載の燃焼診断装置。
項３．
前記当量比診断部は、
前記Ｇ信号および前記Ｂ信号から前記火炎中のＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度を演算し、前記強度に基づいて前記当量比を診断する、項２に記載の燃焼診断装置。
項４．
前記信号抽出部は、
Ｒ信号を抽出するＲ信号抽出部を備え、
前記燃焼診断部は、
前記Ｒ信号に基づいて、前記火炎の燃焼温度を診断する燃焼温度診断部を備える、項１に記載の燃焼診断装置。
項５．
前記信号抽出部は、
Ｒ信号を抽出するＲ信号抽出部を備え、
前記燃焼診断部は、
前記Ｒ信号および前記当量比に基づいて、前記火炎中のＯＨラジカル自発光の強度を演算する、項２に記載の燃焼診断装置。
項６．
前記燃焼診断部は、
前記ＯＨラジカル自発光の強度に基づいて、前記火炎の燃焼速度を診断する燃焼速度診断部を備える、項５に記載の燃焼診断装置。
項７．
火炎の画像を撮像する可視光カメラと、
前記可視光カメラによって撮像された火炎の画像に基づいて、前記火炎の燃焼状態を診断する燃焼診断装置と、
を備える燃焼診断システムであって、
前記燃焼診断装置は、項１～６のいずれかに記載の燃焼診断装置である、燃焼診断システム。
項８．
コンピュータを項１～６のいずれかに記載の燃焼診断装置として動作させる燃焼診断プログラム。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、簡易な構成で火炎の燃焼状態を診断することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る燃焼診断システムの構成を示すブロック図である。

【図2】Ｒ画素、Ｇ画素およびＢ画素の波長に対する光電変換特性の一例を示すグラフである。

【図3】（ａ）は、プランクの放射の法則による黒体放射のスペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は、黒体放射のスペクトルの一部を拡大したグラフである。

【図4】放射エネルギーの積分値（Ｉｎｔ－Ｅ）と温度との関係を示すグラフである。

【図5】（ａ）は、Ｃ２ラジカル自発光の強度とＧ信号の強度との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、Ｃ２ラジカル自発光の強度の０．２７４倍とＣＨラジカル自発光の強度の和と、Ｂ信号の強度との関係を示すグラフである。

【図6】水素の混合率（α）の異なる燃料について、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度の比の、Ｇ信号およびＢ信号に基づく予測値（横軸）と実測値（縦軸）との関係を示すグラフである。

【図7】Ｒ信号の強度と、火炎の放射エネルギーの積分の実測値との関係を示すグラフである。

【図8】（ａ）は、当量比（横軸）とＲ信号の強度（縦軸）との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、当量比（横軸）とＯＨラジカル自発光の強度（縦軸）との関係を示すグラフである。

【図9】（ａ）は、Ｒ信号の強度（横軸）とＯＨラジカル自発光の強度（縦軸）との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、図９（ａ）に示すグラフにおいて、各燃料を当量比１未満の混合気（リーン群）と、当量比１以上の混合気（リッチ群）とに分類したグラフである。

【図10】火炎の発光スペクトル強度の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

【0013】

（全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃焼診断システム１の構成を示すブロック図である。燃焼診断システム１は、可視光カメラ２と、燃焼診断装置３とを備えている。

【0014】

可視光カメラ２は、主に可視光を撮像することを目的に製造されたカメラである。そのため、可視光カメラ２には、赤外線カメラや紫外線カメラのような、可視光以外の光を撮像することを目的とするカメラは含まれないが、可視光カメラ２は、可視光よりも僅かに波長の長い赤外光成分や、可視光よりも僅かに波長の短い紫外光成分を検知する機能を有していてもよい。可視光カメラ２としては、例えば、市販のデジタルカメラや、スマートフォンに搭載されるカメラが挙げられ、動画像を撮影可能なビデオカメラであってもよい。

【0015】

（可視光カメラ）
本実施形態では、可視光カメラ２は、受光部にＲ画素、Ｇ画素およびＢ画素を備えており、入射した光を、Ｒ信号、Ｇ信号およびＢ信号に変換して画像を生成する。画像は、静止画像および動画像のいずれであってもよい。図２は、Ｒ画素、Ｇ画素およびＢ画素の波長に対する光電変換特性の一例を示すグラフである。光電変換特性は、可視光カメラ２の機種によって多少のバラツキがある。なお、可視光カメラ２は、ＲＧＢ方式を採用しているが、ＣＭＹＫ方式、ＲＹＹＢ方式およびＲＧＢＹ方式等の他の方式を採用してもよい。

【0016】

燃焼診断システム１では、診断対象とする燃料を燃焼させて火炎を形成し、火炎が可視光カメラ２のレンズに対向するように可視光カメラ２を設置する。燃料は特に限定されないが、本実施形態では、都市ガス、プロパンガスおよび水素ガス等である。撮影環境は、暗所であることが好ましいが、時間的に明るさが変化しない背景光が存在する環境であってもよい。

【0017】

（燃焼診断装置）
燃焼診断装置３は、可視光カメラ２によって撮像された火炎の画像に基づいて、火炎の燃焼状態を診断する装置である。燃焼診断装置３は、汎用のコンピュータで構成することができ、ハードウェア構成として、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ（図示省略）、ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの主記憶装置（図示省略）、および、ＨＤＤやＳＳＤなどの補助記憶装置３０を備えている。補助記憶装置３０には、燃焼診断プログラムＰ等の燃焼診断装置３を動作させるための各種プログラムが格納されている。

【0018】

燃焼診断装置３は、機能ブロックとして、画像取得部３１と、背景光除去部３２と、信号抽出部３３と、燃焼診断部３４とを備えている。これらの機能ブロックは、燃焼診断装置３のプロセッサによってソフトウェア的に実現することができる。この場合、補助記憶装置３０に記憶されている燃焼診断プログラムＰを、プロセッサが主記憶装置に読み出して実行することにより、前記各部を実現することができる。燃焼診断プログラムＰは、インターネット等の通信ネットワークを介して燃焼診断装置３にダウンロードしてもよいし、燃焼診断プログラムＰを記録したＣＤ－ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体を介して燃焼診断装置３にインストールしてもよい。

【0019】

画像取得部３１は、可視光カメラ２から転送された火炎の画像のデータを取得する。可視光カメラ２からの画像は、有線または無線によって燃焼診断装置３に転送されてもよいし、記録媒体を介して燃焼診断装置３に転送されてもよい。

【0020】

背景光除去部３２は、画像取得部３１によって取得された火炎の画像から、背景光を除去する。補助記憶装置３０には、あらかじめ火炎の存在しない環境で可視光カメラ２によって撮像された背景画像が保存されており、背景光除去部３２は、火炎の画像の各ピクセルの輝度から、背景画像の各ピクセルの輝度を差し引くことにより、火炎のみの輝度を反映した画像を生成する。なお、暗所で火炎を撮像した場合は、背景光除去部３２による処理を省略してもよい。

【0021】

信号抽出部３３は、画像の火炎部分から、１または複数の特定の波長帯の信号を抽出する。本実施形態では、特定の波長帯の信号は、Ｒ信号、Ｇ信号およびＢ信号の３つの信号であり、信号抽出部３３は、Ｒ信号を抽出するＲ信号抽出部３３１と、Ｇ信号を抽出するＧ信号抽出部３３２と、Ｒ信号を抽出するＲ信号抽出部３３３とを備えている。なお、信号抽出部３３の機能は、ＸｎＣｏｎｖｅｒｔ等の市販のソフトウェアを用いて実現することもできる。

【0022】

燃焼診断部３４は、信号抽出部３３によって抽出された特定の波長帯の信号（Ｒ信号、Ｇ信号およびＢ信号）に基づいて、火炎の燃焼状態を診断する。本実施形態では、燃焼診断部３４は、火炎の燃焼温度を診断する燃焼温度診断部３４１と、火炎の燃焼速度を診断する燃焼速度診断部３４２と、火炎の燃料の当量比を診断する当量比診断部３４３とを備えている。

【0023】

（当量比の診断）
先に、当量比診断部３４３について説明する。当量比診断部３４３は、Ｇ信号およびＢ信号に基づいて、火炎の燃料の当量比（燃料と空気の混合比）を診断する。より具体的には、当量比診断部３４３は、Ｇ信号およびＢ信号から火炎中のＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度を演算し、その強度に基づいて当量比を診断する。ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度は、以下のようにして算出される。

【0024】

ＣＨラジカル自発光は４３０ｎｍにピークを有するため、主にＢ信号にＣＨラジカル自発光の輝度成分が記録されているが、可視光カメラ２の機種によっては、Ｇ信号にＣＨラジカル自発光の輝度成分が記録されている場合がある。同様に、Ｃ２ラジカル自発光は５１６ｎｍにピークを有するため、主にＧ信号にＣ２ラジカル自発光の輝度成分が記録されているが、可視光カメラ２の機種によっては、Ｂ信号にＣ２ラジカル自発光の輝度成分が記録されている場合がある。

【0025】

そこで、Ｇ信号として記録されたＣＨラジカル自発光（４３０ｎｍ）とＣ２ラジカル自発光（５１６ｎｍ）の変換効率をそれぞれａ（Ｇ４３０）、ａ（Ｇ５１６）とおくと、以下の式（１）が得られる。

【0026】

Ｉ_Ｇ＝ａ（Ｇ４３０）＊Ｉ_ＣＨ＋ａ（Ｇ５１６）＊Ｉ_Ｃ２ ・・・（１）

【0027】

ここで、Ｉ_ＧはＧ信号の強度であり、Ｉ_ＣＨはＣＨラジカル自発光による信号成分の強度であり、Ｉ_Ｃ２はＣ２ラジカル自発光による信号成分の強度である。

【0028】

また、Ｂ信号として記録されたＣＨラジカル自発光（４３０ｎｍ）とＣ２ラジカル自発光（５１６ｎｍ）の変換効率をそれぞれａ（Ｂ４３０）、ａ（Ｂ５１６）とおくと、以下の式（２）が得られる。

【0029】

Ｉ_Ｂ＝ａ（Ｂ４３０）＊Ｉ_ＣＨ＋ａ（Ｂ５１６）＊Ｉ_Ｃ２ ・・・（２）

【0030】

ここで、Ｉ_ＢはＢ信号の強度である。式（１）および式（２）を連立して解くと、以下の式（３）および式（４）が得られる。

【0031】

Ｉ_Ｃ２＝Ｉ_Ｇ／｛ａ（Ｇ５１６）－ａ（Ｇ４３０）［ａ（Ｂ５１６）／ａ（Ｂ４３０）］－Ｉ_Ｂ／｛ａ（Ｂ４３０）［ａ（Ｇ５１６）／ａ（Ｇ４３０）］－ａ（Ｂ５１６）｝ ・・・（３）
Ｉ_ＣＨ＝Ｉ_Ｇ／｛ａ（Ｇ４３０）－ａ（Ｇ５１６）［ａ（Ｂ４３０）／ａ（Ｂ５１６）］－Ｉ_Ｂ／｛ａ（Ｂ５１６）［ａ（Ｇ４３０）／ａ（Ｇ５１６）］－ａ（Ｂ４３０）｝ ・・・（４）

【0032】

式（３）の右辺にあるａ（Ｂ５１６）／ａ（Ｂ４３０）の値は、可視光カメラ２で火炎を撮像する際に、波長４３０ｎｍの光のみを透過するフィルタと波長５１６ｎｍの光のみを透過するフィルタとを交互に取り付けて撮像し、波長４３０ｎｍのＢ信号と５１６ｎｍのＢ信号との比をとることで求めることができる。同様に、式（４）の右辺にあるａ（Ｇ４３０）／ａ（Ｇ５１６）の値は、可視光カメラ２で火炎を撮像する際に、波長４３０ｎｍの光のみを透過するフィルタと波長５１６ｎｍの光のみを透過するフィルタとを交互に取り付けて撮像し、波長４３０ｎｍのＧ信号と５１６ｎｍのＧ信号との比をとることで求めることができる。したがって、２変数の最小二乗法である重回帰分析を行うことにより、以下の式（５）および式（６）の係数ａ_１，ｂ_１，ａ_２，ｂ_２を決定できる。

【0033】

Ｉ_Ｃ２＝ａ_１＊Ｉ_Ｇ－ｂ_１＊Ｉ_Ｂ ・・・（５）
Ｉ_ＣＨ＝ａ_２＊Ｉ_Ｇ－ｂ_２＊Ｉ_Ｂ ・・・（６）

【0034】

このようにして、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度を算出することができる。ＣＨラジカル自発光の強度とＣ２ラジカル自発光の強度との比率は、燃料の当量比に応じて変化するため、当量比診断部３４３は、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度に基づいて当量比を予測することができる。

【0035】

（燃焼温度の診断）
燃焼温度診断部３４１は、Ｒ信号に基づいて火炎の燃焼温度を診断する。本発明者は、Ｒ信号に基づいて火炎の燃焼温度を予測できることを、以下のように見出した。

【0036】

図２に示すように、Ｒ信号は概ね５６０ｎｍ～６９０ｎｍの放射強度を記録している。
図３（ａ）は、プランクの放射の法則による黒体放射のスペクトルを示すグラフであり、図３（ｂ）は、黒体放射のスペクトルの一部を拡大したグラフである。ここで、図３（ｂ）において、Ｆで示される５６０ｎｍ～６９０ｎｍの帯域の各スペクトルの放射エネルギー（Ｅ）を積分すると、図４に示すように、放射エネルギーの積分値（Ｉｎｔ－Ｅ）と温度との関係が求められる。

【0037】

図４から、５６０ｎｍ～６９０ｎｍの帯域における放射エネルギーの積分値は、温度の２次関数に近似できることが分かる。Ｒ信号の強度は、５６０ｎｍ～６９０ｎｍの帯域における放射エネルギーの積分値に概ね比例するため、Ｒ信号と温度には高い相関があることが分かる。この相関に基づき、燃焼温度診断部３４１は、Ｒ信号に基づいて火炎の燃焼温度を予測することができる。

【0038】

（燃焼速度の診断）
燃焼速度診断部３４２は、Ｒ信号および当量比に基づいて、火炎中のＯＨラジカル自発光の強度を演算し、ＯＨラジカル自発光の強度に基づいて、火炎の燃焼速度を診断する。ＯＨラジカル自発光は紫外光（３０６ｎｍ）であるため、可視光カメラ２では検出できないが、本発明者は、後述する実施例３に示すように、Ｒ信号とＯＨラジカル自発光の強度との間に相関があることを見出した。この相関に基づき、Ｒ信号および当量比診断部３４３が予測した当量比に基づいて、火炎中のＯＨラジカル自発光の強度を演算することができる。さらに、ＯＨラジカル自発光の強度は、火炎の燃焼速度と相関があるため、燃焼速度診断部３４２は、ＯＨラジカル自発光の強度に基づいて、火炎の燃焼速度を予測することができる。

【0039】

（小括）
以上のように、本実施形態では、燃焼診断装置３が、可視光カメラ２によって撮像された火炎の画像に基づいて、火炎の燃焼状態（火炎の燃料の当量比、火炎の燃焼温度、火炎の燃焼速度）を診断することができる。すなわち、本実施形態では、分光器や、可視光以外の光を検知できるカメラを必要としないため、簡易な構成で火炎の燃焼状態を診断することができる。

【0040】

また、可視光カメラのレンズに特殊フィルタを取り付けてＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光を計測する構成では、レンズに取り付ける特殊フィルタを交換する必要があるため、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光を同時刻に計測することができない。これに対し、本実施形態では、１つの画像から抽出したＧ信号およびＢ信号から火炎中のＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度を演算しているため、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光を同時刻に計測することができる。

【0041】

（付記事項）
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0042】

上記の実施形態では、火炎の燃焼状態として、燃料と空気からなる混合気の当量比、火炎の燃焼温度および火炎の燃焼速度を診断していたが、これらの一部のみを診断してもよい。例えば、混合気の当量比のみを診断対象とする場合、信号抽出部３３は、特定の波長帯の信号としてＧ信号およびＢ信号のみを抽出してもよい。また、火炎の燃焼温度のみを診断対象とする場合、信号抽出部３３は、特定の波長帯の信号としてＲ信号のみを抽出してもよい。

【0043】

上記の実施形態では、燃焼状態を診断するための指標として、ＣＨラジカル自発光、Ｃ２ラジカル自発光およびＯＨラジカル自発光の各強度を用いたが、本発明はこれらに限定されず、例えば、ＣＮラジカル自発光やＣＨ３ラジカル自発光の強度を用いてもよい。

【実施例0044】

実施例１では、本発明によって燃料の当量比が高精度に診断できるかを検証した。具体的には、Ｇ信号およびＢ信号に基づいて、当量比の診断に用いられるＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度の比を演算し、これを実測値と比較することにより、診断精度を検証した。

【0045】

可視光カメラ２として、キャノン株式会社製のデジタル一眼レフカメラ（ＥＯＳ ４０Ｄ）を用いて火炎を撮像した。燃料には、メタンと水素を混合したガスを用いた。燃焼診断装置３として汎用のコンピュータを用い、Ｇ信号およびＢ信号に基づいて、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度の比を演算した。

【0046】

本実施例で用いた可視光カメラ２の性能を検証した結果、Ｇ信号として記録された４３０ｎｍの変換効率ａ（Ｇ４３０）が０である（式（４）のａ（Ｇ４３０）／ａ（Ｇ５１６）の値が０である）こと、および、式（３）のａ（Ｂ５１６）／ａ（Ｂ４３０）の値が０．２７４であることが確認された。そのため、式（５）および式（６）から、以下の式（７）および式（８）が得られた。

【0047】

Ｉ_Ｃ２＝Ｉ_Ｇ／ａ（Ｇ５１６） ・・・（７）
Ｉ_ＣＨ＝Ｉ_Ｂ／ａ（Ｂ４３０）－０．２７４＊Ｉ_Ｃ２ ・・・（８）

【0048】

図５（ａ）は、Ｃ２ラジカル自発光の強度とＧ信号の強度との関係を示すグラフである。グラフ中の直線は、式（７）から導き出されたものである。また、グラフ中にプロットされた印は、燃料の水素の混合率（α）を変えながら撮像した火炎における、Ｃ２ラジカル自発光の強度とＧ信号の強度との関係を示している。直線とプロットされた各印との位置関係から、水素の混合率に関わらず、Ｃ２ラジカル自発光の強度とＧ信号の強度との関係は概ね式（７）を満たすことが分かる。すなわち、Ｃ２ラジカル自発光の強度とＧ信号の強度との間には高い相関があることが確認された。

【0049】

図５（ｂ）は、Ｃ２ラジカル自発光の強度の０．２７４倍とＣＨラジカル自発光の強度の和と、Ｂ信号の強度との関係を示すグラフである。グラフ中の直線は、式（８）から導き出されたものである。また、グラフ中にプロットされた印は、燃料の水素の混合率（α）を変えながら撮像した火炎における、Ｃ２ラジカル自発光の強度の０．２７４倍とＣＨラジカル自発光の強度の和と、Ｂ信号の強度との関係を示している。直線とプロットされた各印との位置関係から、水素の混合率に関わらず、Ｃ２ラジカル自発光の強度の０．２７４倍とＣＨラジカル自発光の強度の和と、Ｂ信号の強度との関係は概ね式（８）を満たすことが分かる。すなわち、Ｃ２ラジカル自発光の強度の０．２７４倍とＣＨラジカル自発光の強度の和と、Ｂ信号の強度との間には高い相関があることが確認された。

【0050】

図６は、水素の混合率（α）の異なる燃料について、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度の比の、Ｇ信号およびＢ信号に基づく予測値（横軸）と実測値（縦軸）との関係を示すグラフである。ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度の実測値は、紫外光まで計測可能な高感度ＩＣＣＤカメラ（浜松ホトニクス株式会社製Ｃ９１６４）にＣＨ自発光もしくはＣ２自発光のみが透過するフィルタを取り付けて火炎を撮影することにより計測した。プロットされた印が、実測値と予測値とが等しいことを示す直線付近に位置することから、Ｇ信号およびＢ信号によって、ＣＨラジカル自発光およびＣ２ラジカル自発光の各強度の比を高精度に予測できることが分かった。

【0051】

これにより、本発明によって、燃料の当量比を高精度に診断できることが分かった。

【実施例0052】

実施例２では、本発明によって火炎の燃焼温度を高精度に診断できるかを検証した。具体的には、燃焼温度の診断に用いられる放射エネルギーの積分値を、Ｒ信号に基づいて演算し、これを実測値と比較することにより、診断精度を検証した。

【0053】

本実施例で用いた可視光カメラ２および燃料は、上記の実施例１と同様であった。水素の混合率（α）の異なる燃料の火炎を撮像した画像から、Ｒ信号を抽出し、Ｒ信号の強度を取得した。また、火炎の放射エネルギーの積分値を以下に示すプランクの放射式を数値積分することにより求めた。

【数1】

【0054】

図７は、Ｒ信号の強度と、火炎の放射エネルギーの積分の実測値との関係を示すグラフである。プロットされた印が、Ｒ信号の強度と放射エネルギーの積分値との理論上の関係を示す直線付近に位置することから、放射エネルギーの積分値とＲ信号の強度との間には高い相関があることが分かった。

【0055】

これにより、本発明によって、火炎の燃焼温度を高精度に診断できることが分かった。