JP2004004023A - Infrared flame detector and infrared flame detecting method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火災の検出等に用いる赤外線式炎検出装置および赤外線式炎検出方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、炎検出装置は炎から放射される赤外線の強度およびその強度変化の特徴を観測することによって炎を検出していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のように炎から放射される赤外線の強度およびその強度変化の特徴を用いた場合には、炎ではない赤外線現象、例えば高温物体の通過等に対して誤って炎であると検出してしまう誤検出の可能性があった。
【0004】
本発明では、上記問題点を除去し、炎ではない赤外線現象を炎と誤検出することがなく、真実の炎の検出を的確に行うことができる炎検出装置および炎検知方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕炎から放射される赤外線の強度を観測することによって炎を検出する赤外線式炎検出装置において、波長感度の異なる赤外線検出器間の出力の時間のずれを測定する手段と、この手段からの出力により炎であることを判定する手段とを具備することを特徴とする。
【0006】
〔2〕上記〔1〕記載の赤外線式炎検出装置において、主として燃焼時の炭酸ガス共鳴現象によって生ずる波長4.4μm付近の赤外線強度変化と、主として高温の燃焼残留物によって生ずる波長3.0μm付近の、赤外線強度変化の時間のずれを測定することにより、炎と炎以外の現象を判別することを特徴とする。
【0007】
〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の赤外線式炎検出装置において、前記赤外線強度の上昇を検出した際に、この赤外線強度変化の位相差を測定することを特徴とする。
【0008】
〔4〕上記〔1〕又は〔2〕記載の赤外線式炎検出装置において、前記赤外線強度変化幅の上昇を検出した際に、該赤外線強度変化の位相差を測定することを特徴とする。
【0009】
〔5〕上記〔1〕から〔4〕の何れか1項記載の赤外線式炎検出装置において、前記赤外線強度変化あるいは赤外線強度変化の位相差をフーリエ変換によって観測することを特徴とする。
【0010】
〔6〕炎から放射される赤外線の強度を観測することによって炎を検出する赤外線式炎検出方法において、波長感度の異なる赤外線検出器間の出力の時間のずれを測定することによって炎であることを判定することを特徴とする。
【0011】
〔7〕上記〔1〕記載の赤外線式炎検出装置において、炎が発生していない時間の背景輻射赤外線の平均的な強度を観測し、その平均的な強度から炎の検出閾値を決定することを特徴とする。
【0012】
〔8〕上記〔1〕記載の赤外線式炎検出装置において、炎が発生していない時間の背景輻射赤外線の平均的な変動を観測し、その平均的な変動から炎の検出閾値を決定することを特徴とする。
【0013】
〔9〕上記〔7〕記載の赤外線式炎検出装置において、前記平均的な強度から赤外線強度を検出するための赤外線を透過するための窓の汚損状況に応じた炎の検出閾値を決定することを特徴とする。
【0014】
〔10〕上記〔8〕記載の赤外線式炎検出装置において、前記平均的な変動から赤外線強度を検出するための赤外線を透過する窓の汚損状況に応じた炎の検出閾値を決定することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【0016】
まず、本発明の第1実施例について説明する。
【0017】
図1は本発明の第1実施例を示す炎検出装置の構成図、図2はその炎検出方式の構成図である。
【0018】
図1において、100は炎が輻射する赤外線のうち炎検出に使用する第1の赤外線波長域として4.4μm付近の波長域を通過させる赤外線フィルタ、105は炎が輻射する赤外線のうち炎検出に使用する第2の赤外線波長域として3.3μm付近の波長域を通過させる赤外線フィルタ、110は第1の波長域の赤外線強度を電圧に変換するサーモパイル素子、115は第2の波長域の赤外線強度を電圧に変換するサーモパイル素子、120は第1の波長域の赤外線強度電圧を増幅する増幅回路(Amp)、125は第2の波長域の赤外線強度電圧を増幅する増幅回路(Amp)、130は第1の波長域の赤外線強度の変化の周波数成分を制限するローパスフィルタ(LPF)、135は第2の波長域の赤外線強度の変化の周波数成分を制限するローパスフィルタ(LPF)、140は第1の波長域の赤外線強度電圧を保持するサンプルホールド回路(S/H)、145は第2の波長域の赤外線強度電圧を保持するサンプルホールド回路(S/H)、150は第1の波長域の赤外線強度を数値化するAD変換器(A−D)、155は第2の波長域の赤外線強度を数値化するAD変換器(A−D)、160は数値化された第1および第2の波長域の赤外線強度の変化に基づいて炎を検出判定する中央処理装置(CPU)、170は第1の波長域の赤外線フィルタ100および第2の波長域の赤外線フィルタ105を外部からの汚損や衝撃から保護し、赤外線を透過する保護サファイアガラス、180は火災が起こっていない通常の状態における背景赤外線源、190は火災が起こった際における赤外線源を示す。
【0019】
図2において、200は第1の4.4μm波長域の赤外線変動波形を互いに重畳した時間(分析)区間に区切って窓データの切り出しを行う処理、205は第2の3.3μm波長域の赤外線変動波形を互いに重畳した分析(時間)区間に区切って窓データの切り出しを行う処理、210は第1の波長域の変動波形のフーリエ変換処理、215は第2の波長域の変動波形のフーリエ変換処理、220は4.4μmの波長域の変動波形とそのフーリエ変換を使って異常信号を検出する処理、230は第1の4.4μmの波長域の変動スペクトルと第2の波長域の3.3μmの変動スペクトルとの位相差を検出する処理、240は前記異常信号を検出する処理220で検出した異常信号の検出結果と前記位相差を検出する処理230で検出した位相差を用いて炎が発生したかどうか(位相差のランダム性)を判定出力する処理である。
【0020】
図3に本発明の第1実施例における炎検出処理のフローチャートを示す。
【0021】
この図に示すように、300は処理の開始、305は初期化、310は4.4μmおよび3.3μmの2波長域の赤外線強度波形のうちフーリエ変換分析区間の4分の1の長さのサンプルを取り込む処理、315は4.4μmおよび3.3μmの2波長域の赤外線強度波形のそれぞれ一つのフーリエ変換分析区間分の窓関数の乗算処理、320は4.4μmおよび3.3μmの2波長域の赤外線強度波形のそれぞれ一つのフーリエ変換分析区間分の高速フーリエ変換処理、325は4.4μmの波長域の変動成分があらかじめ設定した強度レベルに対する検出閾値を越えたかどうかの判定処理、330は4.4μmおよび3.3μmの2波長域の赤外線強度変動周波数成分の間の位相差を集計して数値化する処理、335は4.4μmおよび3.3μmの波長域の赤外線強度変動周波数成分間で位相差の大きな成分が多いかどうかの判定、340は炎が発生したと判断してその結果を出力する出力処理、350は終了処理、360は4.4μmおよび3.3μmの2波長域の赤外線強度波形のうち、分析区間内の最も古い4分の1のデータを廃棄する処理である。
【0022】
以下、図1、図2および図3を用いて、本発明の第1実施例における炎検出装置の動作について説明する。
【0023】
まず、火災が起こっていない状態における背景赤外線源180からはその表面温度や太陽光の反射に応じた赤外線が放射されている。この背景赤外線は保護サファイアガラス170を透過し、赤外線フィルタ100および105によって通過する波長にそれぞれ制限され、4.4μm付近の赤外線がサーモパイル素子110に、3.3μm付近の赤外線がサーモパイル素子115に到達する。サーモパイル素子110および115はそれぞれの波長域の到達してきた赤外線の強度に応じた電気信号を生じ、増幅回路120および125によってそれぞれ電気信号を増幅する。ローパスフィルタ130および135はこれらそれぞれの電気信号の通過帯域を制限し、サンプルホールド回路140および145はこれらそれぞれの電気信号をサンプリングし、AD変換器150および155によってそれぞれの波長域における赤外線強度を数値化する。CPU160はこれら2つの波長域の数値化された赤外線強度に対して炎検出処理を行う。
【0024】
次に、本発明の第1実施例において、図1に示すCPU160が行う炎検出方式の構成について、図2のブロック図を用いて説明する。
【0025】
まず、処理200および205において、4.4μm波長域および3.3μm波長域の数値化された赤外線強度の時間波形に対して、予め定められたサンプル数の長さを持つ互いに重畳した分析区間の窓に応じたデータ切り出し処理を行う。さらに、処理210および215においてそれぞれの時間波形を複素スペクトルに変換するフーリエ変換処理を行う。本発明の第1実施例においては高速フーリエ変換アルゴリズムを用いるのが好適である。次に、処理220において4.4μm波長域の強度変化スペクトルの強度を予め定められた閾値と比較し、異常な信号が発生したかどうかを検出する。
【0026】
一方、処理230において4.4μmおよび3.3μmの波長域の間の複素スペクトル間の位相差をクロススペクトルを用いて検出する。処理240では4.4μm波長域の異常信号検出220で異常信号が検出された場合に、4.4μmと3.3μm間位相差検出230の結果を用いて位相差のランダム性を判定し、位相差が0degree以外の幅広い分布を示していれば炎であると判定して出力する。
【0027】
次いで、図1におけるCPU160が図2で説明した処理ブロックを実行する手順を図3のフローチャートを用いて説明する。図3において、処理300で処理を開始する。処理305では各種変数の初期値の設定などの初期化を行う。処理310では4.4μmと3.3μmのそれぞれの波長域の数値化された赤外線強度のうち、予め定められた分析区間の4分の1時間区間分のサンプルを取り込む。処理315では4.4μmと3.3μmのそれぞれの波長域の数値化された赤外線強度の予め定められた分析区間分の長さにわたって窓関数を乗算する。
【0028】
この分析時間区間と窓関数の関係について、図4を用いて説明する。
【0029】
図4は本発明の第1実施例による炎検出方式の赤外線強度と分析窓関数の関係についての説明図であり、横軸は時刻、縦軸は赤外線強度を示す。
【0030】
この図において、400は例えば4.4μmの赤外線強度信号であり、410は第1の分析区間の窓関数、420は第2の分析区間の窓関数、430は第3の分析区間の窓関数をそれぞれ示している。このように分析区間の間を重畳して分析することによってデータを有効に用い、なおかつ変動現象をもれなく分析できるようにしている。ここでは4.4μm波長域の赤外線変動波形について例示したが、3.3μm波長域の背紫外線変動波形についても同様に時刻が4.4μm波長域と同期した同じ時刻の分析区間と窓関数を用いる。
【0031】
説明を図3に示す処理320に戻す。処理320では、以上に説明したような4.4μmおよび3.3μmの波長域の互いに同期した分析区間一つについてそれぞれ高速フーリエ変換を行う。処理325では4.4μm波長域のスペクトル強度を検出閾値と比較して検出閾値よりも大きな成分があれば(YES)処理330に進む。
【0032】
その図3における検出閾値との比較について図5を用いて説明する。
【0033】
図5は本発明の第1実施例による炎検出方式における4.4μm波長域の赤外線強度変化の各分析区間における変動スペクトルの説明図であり、横軸は赤外線強度の変動周波数、縦軸は変動スペクトル強度、奥行き方向は時刻(分析区間)を示している。また、各分析区間における4.4μm波長域の赤外線強度の各変動周波数成分(複数)を500で示す。更に、検出閾値は各変動周波数毎に定めて510のような傾斜を持った平面で表すことができる。
【0034】
図3で示した例において、第1および第2の分析区間では、図1における火災が起こっていない背景赤外線源180の状態であり、全ての変動周波数成分が検出閾値よりも小さいため、図3の処理325の判定処理の結果、NOの場合は処理360に進む。第3及び第4の分析区間では、図1において火災が起こった場合の赤外線源190の状態であり、変動周波数成分が閾値をこえるため、赤外線変動強度に何らかの異常があるとして、図3に示す処理325の判定処理の結果、YESの場合は処理330に向かう。
【0035】
説明を図3に示す処理330に戻す。処理330では4.4μm波長域と3.3μm波長域の赤外線変動周波数成分の間の位相差を集計する。
【0036】
本発明の特徴は、この位相差による炎判定処理にあるため、炎固有の現象も含めて詳しく説明する。
【0037】
まず、図1に示す火災が起こった際における赤外線源190のような炎の発生時の4.4μmの波長域および3.3μmの波長域の赤外線強度波形の変化の模様を図6に示す。
【0038】
図6は本発明の第1実施例による炎検出方式における4.4μm波長域と3.3μm波長域の赤外線強度変化時間波形の説明図であり、横軸は時刻、縦軸は各波長域の赤外線強度である。
【0039】
発火時刻までの4.4μmおよび3.3μm波長域の強度変化はほぼ同じ変化を示す。これは赤外線源が主に太陽光線や発熱体で広範囲の赤外線波長を放射するのが一般的であるため、光線の強弱、発熱体の温度の上昇下降などの赤外線の変化は4.4μm波長域と3.3μm波長域で同相の変化を示すことがほとんどである。
【0040】
一方、発火時刻後の4.4μmおよび3.3μmの赤外線強度波形の変化は発火前とは異なり互いの位相がずれるという性質がある。これは4.4μm波長域の赤外線は主として燃焼によって生成した炭酸ガスの共鳴現象によるものであるのに対し、3.3μm波長域の赤外線は主として不完全燃焼によって生じた燃焼残留物からの熱輻射によるものであることによる。これらの赤外線源の赤外線放射強度の強弱は互いに異なる現象から生じており、ガスの生成状況、燃焼速度の強弱、ガスおよび燃焼残留物の温度の上昇下降などの影響をそれぞれ異なる形で受けるため、一般に赤外線強度の上昇下降には時間的なずれを生ずる。
【0041】
本発明はこのような燃焼現象の特徴を用いて、赤外線を発生する現象をとらえたあと赤外線の発生原因が炎であるかどうかを波長域の異なる赤外線強度の位相差のずれを用いて判断することを特徴とするものである。
【0042】
図7に実際の赤外線を生ずる外乱と炎の4.4μm波長域と3.3μm波長域の赤外線強度の位相差についてクロススペクトル(複素数)で表現したデータを示す。
【0043】
図7において、角度はクロススペクトルの位相角、半径方向はクロススペクトルの絶対値の対数スケール表示となっている。700は炎ではなく60Wの白熱電球を赤外線源として用いた場合の4.4μm波長域と3.3μm波長域のクロススペクトルの分布(変動周波数は区分せずにプロット)、710は実際の炎(ガソリンを火皿で燃焼させた場合)を赤外線源として用いた場合の4.4μm波長域と3.3μm波長域のクロススペクトルの分布(変動周波数は区別せずにプロット)である。700で明らかなように、一般に白熱電球等の単純な熱源の場合、4.4μm波長域と3.3μm波長域の変動はほとんど同期するため、変動周波数によらずクロススペクトルの位相は0に近い。
【0044】
一方、710に示すように炎の場合には4.4μm波長域と3.3μm波長の変動は互いにタイミングがずれる場合が多く、このずれはクロススペクトルの位相角として観測され、変動周波数によらず位相角を持った成分が多くなる。このような炎の互いに異なる赤外線波長領域の変動のタイミングのずれを観測して炎と炎以外の外乱赤外線源とを区別することが本発明の特徴である。
【0045】
上記のように、第1実施例では、赤外線波長領域の変動のタイミングのずれをクロススペクトルの位相角の違いの形で観測して炎と炎以外の外乱赤外線源とを区別する。
【0046】
図8では、図3に示す処理330における4.4μm波長と3.3μm波長域の赤外線変動周波数成分の間の位相差の集計方法について説明する。図8において横軸は4.4μm波長域の赤外線強度変化と3.3μm波長域の赤外線強度変化の間のクロススペクトルの位相成分、縦軸はスペクトルの度数を表す。800は炎以外の外乱が赤外線源である場合の度数分布であり、810は炎が赤外線源である場合の度数分布である。第1実施例における位相差の集計方法においては斜線で塗りつぶしているように位相差が大きな成分の度数の割合を位相差の集計結果としている。つまり、位相差評価量をβとすると、
β=N0 /Nall …(1)
ここで、Nall は着目する時間区間における離散周波数成分の総数、N0 はクロススペクトルの位相差が予め定めたある特定の値よりも大きな位相差を持つ離散周波数成分の数を示す。
【0047】
位相差評価量βを図8を用いて説明すると、度数分布の全面積中で位相角の絶対値がある程度の角度θよりも大きな斜線部分の面積の割合を示す数字である。βは0から1までの範囲を取り、大きいほど位相差の大きな成分の割合が多く、より炎らしいといえる。
【0048】
説明を図3に示す処理330の処理に戻す。処理330ではこの位相差評価量βを集計する。処理335では位相差評価量βが予め定めた閾値よりも大きいかどうかで位相差の大きな成分が多いかどうかを判断し、位相差の大きな成分が少なければ処理360に進む。処理360では時間区間の中で最も古い1/4の変動波形データを廃棄し、処理310の新たなサンプル取り込みに戻る。一方、処理340では炎として判定した場合の出力処理を行い、350で終了する。
【0049】
以上、説明した本発明の第1実施例による効果について説明する。
【0050】
本発明の第1実施例では、まず赤外線の強度あるいは強度変化の上昇を検出するという、通常の赤外線式炎検出方式と同様の検出方式をとる。さらに、このような赤外線現象に対してその原因が炎によるものであるかどうかを、互いに異なる波長域の赤外線強度変化に時間のずれを生ずるという炎特有の特徴を用いて判定し、この処理によって炎以外の赤外線現象と炎による赤外線現象を確実に判定して炎である場合にのみ炎検出出力を行う。
【0051】
したがって、このような第1実施例の構成で炎を検出する場合には、従来のように炎ではない赤外線現象、例えば高温物体の通過等による赤外線の変動入力に対して、過って炎であると検出してしまうような誤検出の可能性を排除し、炎のみを検出する特徴を持った炎検知装置となる。
【0052】
次に、本発明の第2実施例について説明する。
【0053】
図9は本発明の第2実施例による炎検出装置の構成図、図10は本発明の第2実施例による炎検出装置の各信号のふるまいを示す図である。
【0054】
図9において、900は炎が輻射する赤外線のうち炎検出に使用する第1の赤外線波長域として4.4μm付近の波長域を通過させる赤外線フィルタ、905は炎が輻射する赤外線のうち炎検出に使用する第2の赤外線波長として3.3μm付近の波長域を通過させる赤外線フィルタ、910は第1の波長域の赤外線強度を電圧に変換するサーモパイル素子、915は第2の波長域の赤外線強度を電圧に変換するサーモパイル素子、920は第1の波長域の赤外線強度電圧を増幅する増幅回路(Amp)、925は第2の波長域の赤外線強度電圧を増幅する増幅回路(Amp)、930は第1の波長域の赤外線強度の変化のうち、予め定められた第1の変動周波数帯域の成分を通過させるバンドパスフィルタ(BPF)、932は第1の波長の赤外線強度の変化のうち、予め定められた第2の変動周波数帯域の成分を通過させるバンドパスフィルタ(BPF)、935は第2の波長域の赤外線強度の変化のうち、予め定めた第1の変動周波数帯域の成分を通過させるバンドパスフィルタ(BPF)、937は第2の波長域の赤外線強度の変化のうち、予め定めた第2の変動周波数帯域の成分を通過させるバンドパスフィルタ(BPF)、940は第1の波長域の赤外線強度変化の第1の変動周波数帯域の零交叉波形を作成するための電圧比較器(Comp)、942は第1の波長域の赤外線強度変化の第2の変動周波数帯域の零交叉波形を作成するための電圧比較器(Comp)、945は第2の波長域の赤外線強度変化の第1の変動周波数帯域の零交叉波形を作成するための電圧比較器(Comp)、947は第2の波長域の赤外線強度変化の第2の変動周波数帯域の零交叉波形を作成するための電圧比較器(Comp)、950は第1の波長域の赤外線強度変化の第1の変動周波数帯域と第2の波長域の赤外線強度変化の第1の変動周波数帯域との間の位相差信号を検出するための排他的論理和回路、952は第1の波長域の赤外線強度変化の第2の変動周波数帯域と第2の波長域の赤外線強度変化の第2の変動周波数帯域との間の位相差信号を検出するための排他的論理和回路、955は第1の変動周波数帯域の位相差信号の平滑化を行うためのローパスフィルタ(LPF)、957は第2の変動周波数帯域の位相差信号の平滑化を行うためのローパスフィルタ(LPF)、960は各変動周波数帯域の位相差信号を加算するための加算器(Mix)、965は各変動周波数帯域の位相差信号の和を予め定めた位相差信号のための閾値電圧V2 と比較するための比較器(Comp)、970は第1の赤外線波長域である4.4μm付近の変動周波数成分全体を抽出するためのローパスフィルタ(LPF)、972は第1の赤外線波長域の変動周波数成分全体の電力信号を得るための整流回路、975は第1の赤外線波長域の変動周波数成分全体の電力信号を平滑化するためのローパスフィルタ(LPF)、980は第1の赤外線波長域の変動周波数成分全体の電力信号と予め定められた閾値電圧V1 とを比較するための比較器(Comp)、985は第1の赤外線波長域の変動周波数成分全体の電力信号による赤外線変動の異常検出の結果と第1の赤外線波長域と第2の背紫外線波長域との変動成分の位相差による炎の判定とが共に炎であると判定しているかどうかを定める論理積回路、990は炎判定出力、995は火災が起こった際における赤外線源、998は第1の波長域の赤外線フィルタ900および第2の波長域の赤外線フィルタ905を外部からの汚損や衝撃から保護し、赤外線を透過する保護サファイアガラスを示す。
【0055】
次に、図9および図10を用いて、本発明の第2実施例における炎検出装置の動作について説明する。
【0056】
まず、炎検出装置の外部からの赤外線は保護サファイアガラス998を通過し、赤外線フィルタ900および905によって通過する波長をそれぞれ制限され、4.4μm付近の赤外線がサーモパイル素子910に、3.3μm付近の赤外線がサーモパイル素子915に到達する。サーモパイル素子910および915はそれぞれの波長域の到達してきた赤外線の強度に応じた電気信号を生じ、増幅回路920および925によってそれぞれ電気信号を増幅する。バンドパスフィルタ930、932および935、937はこれらそれぞれの電気信号の変動周波数を制限する。なお、それぞれの波長域に対応するバンドパスフィルタ930と935および932と937はそれぞれ変動周波数に対して共通の通過帯域と位相特性を持つものを用いる。これらそれぞれの変動周波数を制限された信号の零交叉点をそれぞれ電圧比較器940、942、945、947で検出する。さらにそれぞれの変動周波数における波長域間の零交叉点のずれを排他的論理和回路950および952の排他的論理和によって検出し、ローパスフィルタ955および957によって平滑化する。
【0057】
このような波長域間の帯域制限された変動周波数における位相のずれの検出について、図10を用いて説明する。
【0058】
図10は図9におけるバンドパスフィルタ930からローパスフィルタ957のブロック動作について炎以外の場合と炎の場合の各信号の振る舞いについて説明するための図であり、図10(a)は外乱に対する信号のふるまいを示す図、図10(b)は炎に対する各信号のふるまいを示す図である。
【0059】
これらの図において、1000は炎以外の赤外線源の4.4μm波長域の変動周波数を帯域制限された強度変化信号で例えば図9に示すバンドパスフィルタ930の出力、1005はその零交叉によって2値化した信号で例えば図9の電圧比較器940の出力、1010は炎以外の赤外線源の3.3μm波長域の変動周波数を帯域制限された強度変化信号で例えば図9に示すバンドパスフィルタ935の出力、1015はその零交叉によって2値化した信号で例えば図9に示す電圧比較器945の出力、1020は2つの波長域の帯域制限信号の零交叉間の排他的論理和回路で例えば図9に示す排他的論理和回路950の出力、1025はその平滑化した信号で例えば図9に示すローパスフィルタ955の出力、1030は炎が赤外線源の場合の4.4μm波長域の変動周波数を帯域制限された強度変化信号で例えば図9に示すバンドパスフィルタ930の出力、1035はその零交叉によって2値化した信号で例えば図9に示す電圧比較器940の出力、1040は炎以外の赤外線源の3.3μm波長域の変動周波数を帯域制限された強度変化信号で例えば図9に示すバンドパスフィルタ935の出力、1045はその零交叉によって2値化した信号で例えば図9に示す電圧比較器945の出力、1050は2つの波長域の帯域制限信号の零交叉間の排他的論理和回路で例えば、図9に示す排他的論理和回路950の出力、1055はその平滑化した信号で例えば図9に示すローパスフィルタ955の出力である。
【0060】
まず、図10(a)に示すように、炎ではない赤外線源の場合には4.4μm波長域と3.3波長域の変動成分は一般に類似した変動波形を示す。このような場合には各波長域の対応する変動周波数帯域内の信号がほぼ同期して変動する(図10の1000および1005参照)。このためその零交叉2値化信号である図9に示す例えば電圧比較器940および945の出力(図10の1010および1015)もほぼ同期している。
【0061】
したがって、その排他的論理和信号である図9の例えば排他的論理和回路950の出力はゼロであることが多く、時間幅の小さなパルスが多いものとなる(図10の1020)。これを図9に示す例えばローパスフィルタ955で平滑化した出力は低いレベルで推移する(図10の1025)。
【0062】
これに対して、図10(b)に示すように、炎が赤外線源の場合には4.4μm波長域と3.3μm波長域の変動成分は一般的に変動波形が時間的にずれる。このような場合には各波長域の対応する変動周波数帯域内の信号が時間的に前後に変動する(図10の1030および1035)。
【0063】
このためその零交叉2値化信号である図9に示す例えば電圧比較器940および945の出力(図10の1040および1045)も前後にずれる。
【0064】
したがってその排他的論理和信号である図9に示す例えば排他的論理和回路950の出力にはある程度の時間幅を持ったパルスが多くなる(図10の1050)。
【0065】
これを図9に示す例えばローパスフィルタ955で平滑した出力は比較的高いレベルで推移する(図10の1055)。
【0066】
本発明の第2実施例では、以上のような信号の時間的なずれの検出を変動周波数帯域の異なる複数の帯域で行う。さらに、これら複数の変動周波数帯域の位相ずれを表す出力を加算器960で加算する。この加算器960の出力は比較器965で予め定めた閾値電圧V2 と比較することで炎らしいかどうかの判定を行う。
【0067】
一方、これと平行して、4.4μm波長域の変動成分を用いて赤外線強度変化による赤外線源の検出を行う。この処理は通常の異常な赤外線源の検出を行うものであり、本発明では本質的なものではないため、簡易な構成を用いている。図9に示すハイパスフィルタ970で赤外線強度の変動成分のみを取り出し、整流回路972においてこれを整流する。さらに、ローパスフィルタ975においてこの整流後の波形を平滑化する。さらに、図9に示す比較器980においてこの赤外線変動の強度変化のレベルを予め定めた閾値電圧V1 と比較する。
【0068】
このようにして強度変化による赤外線変動が検出された結果が比較器980から出力され、なおかつ4.4μm波長域と3.3μm波長域と3.3μm波長域の変動のずれの結果が比較器965から出力された場合に、論理積回路985によって炎が検出されたものと判断され、炎検出の出力990に炎検出結果を出力する。
【0069】
以上説明した本発明の第2実施例による効果について説明する。
【0070】
本発明の第2実施例では、まず赤外線の強度あるいは強度変化の上昇を検出するという、通常の赤外線式炎検出方式と同様の検出方式をとる。さらに、このような赤外線現象に対してその原因が炎によるものであるかどうかを、互いに異なる波長域の赤外線強度変化に時間のずれを生ずるという炎特有の特徴を用いて判定し、この処理によって炎以外の線現象と炎による赤外線現象を確実に判定して炎である場合にのみ炎検出出力を行う。
【0071】
したがって、このような第2実施例の構成で炎を検出する場合には、従来のように炎ではない赤外線現象、例えば高温物体の通過等による赤外線の変動入力に対して過って炎であると検出してしまうような誤検出の可能性を排除し、炎のみを検出する特徴を持った炎検知装置となる。
【0072】
本発明の第2実施例では2つの異なる波長域の赤外線強度変化の位相差をアナログ回路によって実現しているため、第1例のようにCPUを用いた実施例と比較すると回路規模が小さく、コストも低くなるという長所がある。
【0073】
さらに、本発明の利用形態について説明する。
【0074】
本発明の第1および第2実施例において赤外線強度による異常な赤外線源の発生検出を行っているが、この検出に用いる方式はどのようなものであってもよい。本発明はこのような異常な赤外線源の発生が炎によるものであるかどうかの判定を高精度に行うものである。
【0075】
本発明の実施例において波長の組み合わせは4.4μmと3.3μmの組だけではなく任意の組み合わせであってもよい。本発明では炎における化学的あるいは物理的な現象が時間差を持って生起している性質を用いるため、この時間差を観測する波長の組もこれら化学的あるいは物理的な現象の時間差を観測できる組み合わせであれば任意である。例えば、用途に応じて赤外線以外の可視光線や紫外線を用いることは容易に類推できる。
【0076】
本発明の実施例においては、2つの波長域の組み合わせを用いたが第3、第4の波長域を用いて炎とそれ以外の現象の判定の精度を上げることは容易に類推できる。例えば本発明の実施例で用いた2つの波長域に加えて可視光と紫外線波長域を用いることで判定の精度を向上させることが可能である。
【0077】
本発明の実施例においては、炎全体の赤外線強度を用いたが、炎を別々の波長域で画像として捕らえてその炎の画像の一部あるいは全部に対して本発明を用いて炎を判定することも容易に類推できる。例えば受光素子として赤外線に感度を持つシリコンCCD撮像素子を用い、撮像領域毎に炎であるかどうかの判定を行う等の方式は容易に類推できる。
【0078】
次に、本発明の第3実施例について説明する。
【0079】
図11は本発明の第3実施例による炎検出装置の構成図である。また、図12は本発明の第3実施例による検出装置の動作フローチャート、図13はCPUの処理ブロック図である。
【0080】
図11において、2100は炎が輻射する赤外線のうち炎検出に使用する赤外線波長域として4.4μm付近の波長域を通過させる赤外線フィルタ、2110は赤外線強度を電圧に変換するサーモパイル素子、2120は赤外線強度電圧を増幅する増幅回路(Amp)、2130は赤外線強度の変化の周波数成分を制限するローパスフィルタ(LPF)、2140は赤外線強度電圧を保持するサンプルホールド回路(S/H)、2150は赤外線強度を数値化するAD変換器、2160は数値化された赤外線強度の変化に基づいて炎を検出判定する中央処理装置(CPU)、2170は赤外線フィルター2100を外部からの汚損や衝撃から保護し、赤外線を透過する保護サファイアガラス、2180は火災が起こっていない通常の状態における背景赤外線源、2190は火災が起こった際における赤外線源を示す。
【0081】
図12は本発明の第3実施例における炎検出処理のフローチャートである。
【0082】
この図において、2200は処理の開始、2210は初期値の設定、2220は赤外線波高値の入力、2230は波高値と検出閾値の比較、2240は赤外線波高値の平均値の更新、2250は平均偏差の更新、2260は炎検出発報処理、2270は終了である。
【0083】
図13は本発明の第3実施例におけるCPU内部の処理のブロック図である。
【0084】
この図において、2300は赤外線強度入力、2310は赤外線強度の平均値推定、2320は平均値記憶、2330は平均偏差推定、2340は平均偏差記憶、2350は閾値設定、2360はレベル判定、2370は判定出力である。
【0085】
次に、本発明の第3実施例における炎検出装置の動作を図11を用いて説明する。
【0086】
まず、火災が起こっていない通常の状態における背景赤外線源2180からはその表面温度や太陽光の反射に応じた赤外線が放射されている。この背景赤外線は保護サファイアガラス2170を通過し、赤外線フィルタ2100によって通過する波長を制限され、4.4μm付近の赤外線がサーモパイル素子2110に到達する。サーモパイル素子2110は到達してきた赤外線の強度に応じた電気信号を生じ、増幅回路2120によってこの電気信号を増幅する。ローパスフィルタ2130はこの電気信号の通過帯域を制限し、サンプルホールド回路2140はこの電気信号をサンプリングし、AD変換器2150によって赤外線強度を数値化する。CPU2160はこの数値化された赤外線強度に対して炎検出処理を行う。
【0087】
次に、本発明の第3実施例において、図11のCPU2160が行う処理について、図12のフローチャートおよび図13を用いて説明する。
【0088】
まず、処理の開始2200で処理を開始する。初期値の設定2210では図13の平均値記憶2320及び平均偏差記憶2340の開始時の各種パラメータの初期化を行う。第3実施例においては以下のような式によって各種パラメータの初期化を行う。
【0089】
【数1】
【0090】
【数2】
【0091】
【0092】
さらに、これらの推定値から以下の式によって初期の検出閾値を図13の閾値設定2350においてあらかじめ設定しておく。
【0093】
【数3】
【0094】
ここで、bN+1 は第N+1番目のサンプル時刻に対して用いる検出閾値、定数αは安全係数である。
【0095】
ここでは、改めて第i番目(iはN+1、N+2、…)の赤外線波高値xi が得られたとする。このときすでに、検出閾値bi (iはN+1、N+2、…)が求まっているから、図13のレベル判定2360において波高値Xi と検出閾値bi の比較2230で比較する。
【0096】
もしも波高値xi が検出閾値bi よりも小さければ、赤外線波高値の平均偏差の更新2250に進む。
【0097】
【数4】
【0098】
ここで、Kx は平均値を推定するための係数であり1よりも大きな定数を設定する。
【0099】
【数5】
【0100】
ここで、Kd は平均偏差を推定するための係数であり、1よりも大きな定数を設定する。
【0101】
【数6】
【0102】
このように新たな検出域を計算して赤外線波高値の入力2220に戻る。
【0103】
以上説明した本発明の第3実施例による効果について、図14及び図15を用いて説明する。
【0104】
図14において、2400は背景赤外線変動の波形、2410は推定平均値、2420は推定平均偏差、2430は検出閾値を示す。
【0105】
図15において、図15(a)は赤外線検知窓洗浄直後の背景赤外線検知出力、図15(b)は赤外線検知窓汚染後の背景赤外線検知出力をそれぞれ示しており、2500は赤外線検出窓に汚損がない場合に観測される背景赤外線変動の波形、2510は赤外線検出窓に汚損がある場合に観測される背景赤外線変動の波形を示す。
【0106】
本発明の第3実施例に示したような方法を取れば、火災が起こっていない通常の状態における背景赤外線源2180(図11参照)からの背景赤外線変動の波形2400から赤外線強度の推定平均値2410を得ることができる。またこの赤外線強度の推定平均値2410に対する推定平均偏差2420も推定することができる。これら赤外線強度の推定平均値2410と推定平均偏差2420を基づいて災検出の検出閾値2430を定めるため、使用環境における背景赤外線の強弱の影響を受けることなく、最適な検出閾値2430で炎を検出することができる。
【0107】
また、図15に示したように赤外線検出窓に汚損がない場合には、このときに観測される背景赤外線変動の波形から火災検出の検出閾値を比較的高く定めるのに対し、2510のように赤外線検出窓に汚損がある場合には、観測される背景赤外線変動の波形が小さくなるため、火災検出の検出閾値は自動的に低下する。このため、赤外線検出窓に汚損が生じた場合でも最適な検出閾値で火災を検出する。
【0108】
次に、本発明の第4実施例について説明する。
【0109】
本発明の第4実施例において、炎検出装置の構成は本発明の第3実施例と同様の構成であるため、図11を用いて説明する。
【0110】
図16は本発明の第4実施例における炎検出装置のフローチャートである。
【0111】
この図において、2600は処理の開始、2610は初期値の設定、2620は赤外線波高値の入力とバッファリング、2630は赤外線波高値の時系列のフーリエ変換、2640は赤外線波高値の時系列のスペクトルと検出閾値の比較、2650はスペクトルの平均値の更新、2660はスペクトル平均偏差の更新、2670は炎検出発報処理、2680は終了である。
【0112】
図17に本発明の第4実施例におけるCPU内部の処理のブロック図を示す。
【0113】
この図において、2700は赤外線強度入力、2710は波形バッファ処理、2720はフーリエ変換、2730は各周波数毎の赤外線強度の平均値推定、2740は各周波数毎の平均値記憶、2750は各周波数毎の平均偏差推定、2760は各周波数毎の平均偏差記憶、2770は各周波数毎の閾値設定、2780は各周波数毎のレベル判定、2790は判定出力である。
【0114】
次に、本発明の第4実施例における炎検出装置の動作を、図11を用いて説明する。
【0115】
まず、火災が起こっていない通常の状態における背景赤外線源2180からはその表面温度や太陽光の反射に応じた赤外線が放射されている。この背景赤外線は保護サファイアガラス2170を通過し、赤外線フィルタ2100によって通過する波長を制限され、4.4μm付近の赤外線がサーモパイル素子2110に到達する。サーモパイル素子2110は到達してきた赤外線の強度に応じた電気信号を生じ、増幅回路2120によってこの電気振動を増幅する。ローパスフィルタ2130はこの電気信号の通過帯域を制限し、サンプルホールド回路2140はこの電気信号をサンプリングし、AD変換器2150によって赤外線強度を数値化する。CPU2160はこの数値化された赤外線強度に対して炎検出処理を行う。
【0116】
次に、本発明の第4実施例において図11のCPU2160が行う処理について、図16と図17を用いて説明する。
【0117】
まず、処理の開始2600で処理を開始する。初期値の設定2610では開始時の各周波数平均値記憶2740と各周波数平均偏差記憶2760に記憶する各種パラメータの初期化を行う。第4実施例では波形バッファ処理2710において赤外線強度信号をあらかじめ定めた時間区間長の分析区間毎に区切ってフーリエ変換2720において離散フーリエ変換したスペクトル強度を用いた処理を行う。第4実施例においては以下のような式によって各種パラメータの初期化を行う。
【0118】
【数7】
【0119】
【数8】
【0120】
【0121】
さらに、これらの推定値から以下の式によって各周波数閾値設定2770において初期の検出閾値をあらかじめ設定しておく。
【0122】
【数9】
【0123】
ここで、B(ω)M+1 は第M+1番目の分析区間における変動周波数ωに対して用いる検出閾値、定数αは安全係数である。
【0124】
波高値入力とバッファリング2620ではあらかじめ定めた分析区間の時間幅に相当するサンプル数の波高値を入力し、CPU2160の内部バッファに格納する。
【0125】
次にフーリエ変換2630で図17のフーリエ変換2720において離散フーリエ変換を行う。FFTアルゴリズムを使うのが好適である。ここでは改めて第j番目(j=M+1,M+2,…)の分析区間における変動周波数ωの赤外線変動スペクトルX(ω)j が得られたとする。このときすでに検出閾値B(ω)j (j=M+1,M+2,…)が図17の各周波数閾値設定2770で求まっているから、赤外線変動スペクトルの絶対値|X(ω)j |と検出閾値B(ω)j の比較2640を図17の各周波数レベル判定2780で比較する。
【0126】
もしも赤外線変動スペクトルの絶対値|X(ω)j |が検出閾値B(ω)j よりも小さければスペクトル平均値の更新2650に進む。
【0127】
【数10】
【0128】
ここでKx は平均値を推定するための係数であり、1よりも大きな定数を設定する。結果は図17の各周波数平均値記憶2740に記憶する。
【0129】
【数11】
【0130】
ここで、Kd は平均偏差を推定するための係数であり、1よりも大きな定数を設定する。結果は図17の各周波数平均偏差記憶2760に記憶する。
【0131】
【数12】
【0132】
このように、新たな検出閾値を計算して波高値入力とバッファリング2620に戻る。
【0133】
一方、図11において火災が起こった際における赤外線源2190が生じた場合には、通常のスペクトルの推定平均値と推定平均偏差で設定された検出閾値B(ω)j+1 よりも高いスペクトルが観測される。このような場合で、図16におけるスペクトルの絶対値|X(ω)j |と検出閾値B(ω)j の比較2640を図17の各周波数レベル判定2780で行った結果、スペクトルのほうが大きい場合には、炎検出発報処理2670にすすみ、図17の判定出力2790により検出した場合の出力を行い終了2680となる。
【0134】
以上説明した本発明の第4実施例による効果について説明する。
【0135】
本発明の第4実施例では赤外線波高値の変化を離散フーリエ変換することにより離散周波数成分に分解している。このため、例えば、回転灯などの周期的な赤外線変動を示すような外乱は定常的なスペクトル強度として観測されるため、スペクトル平均値として閾値にあらかじめ含まれてしまう。
【0136】
また、一般に炎の赤外線強度変化は1/f特性を示す不規則な変動周波数成分を持っており、前記外乱による一定な周波数以外の周波数成分を用いることによって周期的な外乱の影響を受けない周波数成分の上昇で炎を検出できる。したがって、第3実施例においては回転灯等の周期的な外乱が常に存在するような場合には、波高値に対する閾値が上昇するため検出が困難になる問題があったのに対し、第4実施例のように周波数成分を用いれば周期的な外乱があっても検出性能に対する影響が少ない。
【0137】
また、第3実施例において火炎検出の検出閾値を自動的に定めることによって、使用環境における背景赤外線の強弱の影響を受けることなく、最適な検出閾値で炎を検出するという効果は、第4実施例においても同様に有効である。
【0138】
さらに、第3実施例において赤外線検出窓に汚損が生じた場合でも、汚損に応じて検出閾値が低下することにより最適な検出閾値で火炎を検出するという効果は、第4実施例においても同様に有効である。
【0139】
本発明の第3実施例では背景赤外線強度の波高値、第4実施例では背景赤外線のスペクトル強度特徴量として用いて炎検出のための閾値を設定したが、本発明では必ずしもこれらの特徴量を使用する必要はなく、例えば波高値の移動平均値、フィルタバンク出力、線形予測係数などの特徴量を使用しても有効である。
【0140】
本発明の第3及び第4実施例では、波高値やスペクトルなどの特徴量の平均値とその平均偏差から検出閾値を決定したが、必ずしもこれらの統計量を用いて検出閾値を決定する必要はなく、例えば正規分布、X−2乗分布等を表現する平均値、標準偏差等の各種統計量を用いて検出閾値を決定することは、容易に類推できる。
【0141】
本発明の第3及び第4実施例では波高値やスペクトルなどの特徴量の平均値とその平均偏差を推定するに当たって簡便なローパスフィルタによる平均値、平均偏差の推定を行ったが、必ずしもこのような推定方法を取る必要はなく、ニューラルネットや特異値の判別除去法等による非線形な推定方法をとることは容易に類推できる。
【0142】
本発明の第3及び第4実施例では、波高値やスペクトルなどの特徴量と検出閾値の単純な比較によって炎検出の判定を行ったが、必ずしもこのような単純な検出の判定を行う必要はなく、特異であると検出された信号の継続性による判定や、スペクトルに対する重み付けを用いたパラメータを用いるなど、音声区間検出法等で用いられている各種の判定方法を使用することは容易に類推できる。
【0143】
本発明の第3及び第4実施例では、炎が輻射する赤外線のうち炎検出に使用する赤外線波長域として4.4μm付近の波長域を通過させる赤外線フィルタを用いたが、必ずしもこの波長域を用いる必要はなく、使用目的に応じて他の赤外線波長域や可視光、紫外線等を用いる場合でも本発明は有効である。
【0144】
図18は本発明の第5実施例を示す炎検出方式の構成図であり、上記した第1〜第4実施例を組み合わせて構成される炎検出方式のブロック図である。
【0145】
図18において、2800は第1の4.4μm波長域の赤外線変動波形を互いに重畳した時間(分析)区間に区切って窓データの切り出しを行う処理、2805は第2の3.3μm波長域の赤外線変動波形を互いに重畳した分析(時間)区間に区切って窓データの切り出しを行う処理、2810は第1の波長域の変動波形のフーリエ変換処理、2815は第2の波長域の変動波形のフーリエ変換処理、2820はそのフーリエ変換処理後の平均値推定処理、2825はそのフーリエ変換処理後の平均偏差推定処理、2830は平均値記憶処理、2835は平均偏差記憶処理、2840は平均値と平均偏差とに基づく閾値設定処理、2850は閾値に基づくレベル判定処理、2860は第1の4.4μmの波長域の変動スペクトルと第2の波長域の3.3μmの変動スペクトルとの位相差を検出する処理、2870は前記位相差を検出する処理2860で検出した位相差を用いて位相差のランダム性を判定する位相差ランダム性判定処理、2880は前記位相差ランダム性判定と前記閾値に基づくレベル判定とに基づいて判定出力を得る判定出力処理である。
【0146】
あお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0147】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0148】
(A)炎ではない赤外線現象を炎と誤検出することがなく、真実の炎の検出を的確に行うことができる。
【0149】
(B)まず赤外線の強度あるいは強度変化の上昇を検出するという、通常の赤外線式炎検出方式と同様の検出方式をとる。さらに、このような赤外線現象に対してその原因が炎によるものであるかどうかを、互いに異なる波長域の赤外線強度変化に時間のずれを生ずるという炎特有の特徴を用いて判定し、この処理によって炎以外の赤外線現象と炎による赤外線現象を確実に判定して炎である場合にのみ炎検出出力を行う。
【0150】
(C)まず赤外線の強度あるいは強度変化の上昇を検出するという、通常の赤外線式炎検出方式と同様の検出方式をとる。さらに、このような赤外線現象に対してその原因が炎によるものであるかどうかを、互いに異なる波長域の赤外線強度変化に時間のずれを生ずるという炎特有の特徴を用いて判定し、この処理によって炎以外の線現象と炎による赤外線現象を確実に判定して炎である場合にのみ炎検出出力を行う。
【0151】
(D)使用環境における背景赤外線の強弱や赤外線検出窓の汚損状態の影響を受けることなく、最適な閾値で炎を検出する炎検出装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す炎検出装置の構成図である。
【図2】本発明の第1実施例を示す炎検出方式の構成図である。
【図3】本発明の第1実施例における炎検出処理のフローチャートである。
【図4】本発明の第1実施例による炎検出方式の赤外線強度と分析窓関数の関係についての説明図である。
【図5】本発明の第1実施例による炎検出方式における4.4μm波長域の赤外線強度変化の各分析区間における変動スペクトルの説明図である。
【図6】本発明の第1実施例による炎検出方式における4.4μm波長域と3.3μm波長域の赤外線強度変化時間波形の説明図である。
【図7】実際の赤外線を生ずる外乱と炎の4.4μm波長域と3.3μm波長域の赤外線強度の位相差についてクロススペクトル(複素数)で表現したデータを示す図である。
【図8】図3に示す処理330における4.4μm波長と3.3μm波長域の赤外線変動周波数成分の間の位相差の集計方法の説明図である。
【図9】本発明の第2実施例による炎検出装置の構成図である。
【図10】本発明の第2実施例による炎検出装置の各信号のふるまいを示す図である。
【図11】本発明の第3実施例による炎検出装置の構成図である。
【図12】本発明の第3実施例による炎検出装置の動作フローチャートである。
【図13】本発明の第3実施例による炎検出装置のCPU内部の処理ブロック図である。
【図14】本発明の第3実施例による炎検出方式における検出閾値算出の説明図である。
【図15】本発明の第3実施例による炎検出方式における赤外線検知窓汚染時の現象の説明図である。
【図16】本発明の第4実施例による炎検出装置の動作フローチャートである。
【図17】本発明の第4実施例による炎検出装置のCPU内部の処理ブロック図である。
【図18】本発明の第5実施例を示す炎検出方式の構成図である。
【符号の説明】
100,105,900,905,2100 赤外線フィルタ
110,115,910,915,2110 サーモパイル素子
120,125,920,925,2120 増幅回路(Amp)
130,135,955,957,970,980,2130 ローパスフィルタ(LPF)
140,145,2140 サンプルホールド回路(S/H)
150,155,2150 AD変換器(A−D)
160,2160 中央処理装置(CPU)
170,998,2170 保護サファイアガラス
180,2180 通常の状態における背景赤外線源
190,995,2190 火災が起こった際における赤外線源
200,205,210,215,220,230,240 処理(図2)300,305,310,315,320,325,330,335,340,350,360 処理(図3)
400 赤外線強度信号
410 第1の分析区間の窓関数
420 第2の分析区間の窓関数
430 第3の分析区間の窓関数
500 赤外線強度の各変動周波数成分
510 傾斜を持った平面
700 60Wの白熱電球を赤外線源とした場合クロススペクトルの分布
710 実際の炎を赤外線源として用いた場合のクロススペクトルの分布
930,932,935,937 バンドパスフィルタ(BPL)
940,942,945,947 電圧比較器(Comp)
950,952 排他的論理和回路
960 加算器(Mix)
965,980 比較器(Comp)
970 ハイパスフィルタ(HPF)
972 整流回路
985 論理積回路
990 炎判定出力
998 保護サファイアガラス
1000,1010,1030,1040 バンドパスフィルタの出力
1005,1015,1035,1045 電圧比較器の出力
1020,1050 排他的論理和回路の出力
1025,1055 ローパスフィルタの出力
2200,2210,2220,2230,2240,2250,2260,2270 処理(図12)
2300,2310,2320,2330,2340,2350,2360,,2370 処理(図13)
2400 背景赤外線変動の波形
2410 推定平均値
2420 推定平均偏差
2430 検出閾値
2500 赤外線検出窓に汚損がない場合に観測される背景赤外線変動の波形
2510 赤外線検出窓に汚損がある場合に観測される背景赤外線変動の波形
2600,2610,2620,2630,2640,2660,2670,2680 処理(図16)
2700,2710,2720,2730,2740,2750,2760,2770,2780,2790 処理(図17)
2800,2805,2810,2815,2820,2825,2830,2835,2840,2850,2860,2870,2880 処理(図18)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an infrared flame detection device and an infrared flame detection method used for detecting a fire and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a flame detection device has detected a flame by observing the intensity of infrared rays emitted from the flame and the characteristics of the intensity change.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the intensity of infrared rays radiated from a flame and the characteristic of the intensity change are used as in the past, it is erroneously detected as a flame due to an infrared phenomenon that is not a flame, for example, the passage of a high-temperature object. There was a possibility of false detection.
[0004]
An object of the present invention is to provide a flame detection device and a flame detection method which eliminate the above-described problems and can accurately detect a true flame without erroneously detecting an infrared phenomenon that is not a flame as a flame. Aim.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
[1] In an infrared type flame detecting device for detecting a flame by observing the intensity of infrared rays emitted from the flame, a means for measuring a time lag of an output between infrared detectors having different wavelength sensitivities, and Means for judging a flame based on the output of (1).
[0006]
[2] In the infrared flame detecting apparatus according to [1], a change in infrared intensity around 4.4 μm mainly caused by a carbon dioxide gas resonance phenomenon at the time of combustion and a wavelength around 3.0 μm mainly caused by high-temperature combustion residues. The method is characterized in that a flame and a phenomenon other than the flame are distinguished by measuring a time lag of a change in infrared intensity.
[0007]
[3] In the infrared flame detection device according to the above [1] or [2], when the increase in the infrared intensity is detected, a phase difference of the infrared intensity change is measured.
[0008]
[4] The infrared flame detection device according to [1] or [2], wherein a phase difference of the infrared intensity change is measured when the increase in the infrared intensity change width is detected.
[0009]
[5] The infrared flame detector according to any one of [1] to [4], wherein the infrared intensity change or the phase difference of the infrared intensity change is observed by Fourier transform.
[0010]
[6] In the infrared flame detection method for detecting a flame by observing the intensity of infrared rays emitted from the flame, the flame is determined by measuring a time lag of an output between infrared detectors having different wavelength sensitivities. Is determined.
[0011]
[7] In the infrared flame detection device according to [1], the average intensity of the background radiated infrared rays during a time when no flame is generated is observed, and the flame detection threshold value is determined from the average intensity. It is characterized by.
[0012]
[8] In the infrared flame detection device according to the above [1], observing the average fluctuation of the background radiated infrared ray during the time when no flame is generated, and determining the flame detection threshold from the average fluctuation. It is characterized by.
[0013]
[9] In the infrared flame detection device according to the above [7], a flame detection threshold value is determined from the average intensity according to a state of fouling of a window for transmitting infrared light for detecting infrared light intensity. It is characterized by.
[0014]
[10] The infrared flame detection device according to the above [8], wherein a flame detection threshold value is determined from the average fluctuation in accordance with the state of fouling of a window that transmits infrared light for detecting infrared light intensity. And
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
[0017]
FIG. 1 is a configuration diagram of a flame detection device showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram of the flame detection system.
[0018]
In FIG. 1,
[0019]
In FIG. 2,
[0020]
FIG. 3 shows a flowchart of the flame detection processing in the first embodiment of the present invention.
[0021]
As shown in this figure, 300 is the start of processing, 305 is initialization, and 310 is one-quarter of the Fourier transform analysis section of the infrared intensity waveform in the two wavelength ranges of 4.4 μm and 3.3 μm. A process for capturing a sample, 315 is a multiplication process of a window function for one Fourier transform analysis section of infrared intensity waveforms in two wavelength ranges of 4.4 μm and 3.3 μm, respectively, and 320 is two wavelengths of 4.4 μm and 3.3 μm. Fast Fourier transform processing for each Fourier transform analysis section of the infrared intensity waveform in the region, 325 is a process for determining whether or not the fluctuation component in the wavelength region of 4.4 μm exceeds the detection threshold for the intensity level set in advance, 330 is The process 335 collects and digitizes the phase difference between the infrared intensity fluctuation frequency components in the two wavelength ranges of 4.4 μm and 3.3 μm, and 335 is the process of 4.4 μm and 3.3 μm. It is determined whether there are many components having a large phase difference between the infrared intensity fluctuation frequency components in the wavelength range of m, 340 is output processing for determining that a flame has occurred, and the result is output, 350 is end processing, and 360 is 4 This is a process of discarding the oldest quarter data in the analysis section of the infrared intensity waveforms in the two wavelength ranges of 0.4 μm and 3.3 μm.
[0022]
Hereinafter, the operation of the flame detecting device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3.
[0023]
First, infrared rays corresponding to the surface temperature and the reflection of sunlight are emitted from the background
[0024]
Next, in the first embodiment of the present invention, the configuration of the flame detection system performed by the
[0025]
First, in
[0026]
On the other hand, in
[0027]
Next, a procedure in which the
[0028]
The relationship between the analysis time interval and the window function will be described with reference to FIG.
[0029]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the infrared intensity and the analysis window function of the flame detection system according to the first embodiment of the present invention, wherein the horizontal axis represents time and the vertical axis represents infrared intensity.
[0030]
In this figure, 400 is an infrared intensity signal of, for example, 4.4 μm, 410 is the window function of the first analysis section, 420 is the window function of the second analysis section, and 430 is the window function of the third analysis section. Each is shown. As described above, data is effectively used by superimposing and analyzing the analysis sections, and fluctuation phenomena can be completely analyzed. Here, the infrared fluctuation waveform in the 4.4 μm wavelength range is exemplified, but the analysis section and the window function at the same time synchronized with the 4.4 μm wavelength region are similarly used for the back ultraviolet fluctuation waveform in the 3.3 μm wavelength region. .
[0031]
The description returns to the
[0032]
The comparison with the detection threshold in FIG. 3 will be described with reference to FIG.
[0033]
FIG. 5 is an explanatory diagram of a fluctuation spectrum of the infrared intensity change in the 4.4 μm wavelength range in each analysis section in the flame detection method according to the first embodiment of the present invention, in which the horizontal axis indicates the fluctuation frequency of the infrared intensity and the vertical axis indicates the fluctuation. The spectrum intensity and the depth direction indicate time (analysis section). In addition, each variable frequency component (plurality) of the infrared intensity in the 4.4 μm wavelength range in each analysis section is indicated by 500. Further, the detection threshold value can be represented by a plane having a slope such as 510 determined for each variation frequency.
[0034]
In the example shown in FIG. 3, in the first and second analysis sections, the state of the background
[0035]
The description returns to the
[0036]
Since the feature of the present invention lies in the flame judgment processing based on this phase difference, a detailed description will be given including a phenomenon inherent to the flame.
[0037]
First, FIG. 6 shows a change pattern of the infrared intensity waveform in the wavelength region of 4.4 μm and the wavelength region of 3.3 μm when a flame such as the infrared
[0038]
FIG. 6 is an explanatory diagram of the infrared intensity change time waveforms in the 4.4 μm wavelength region and the 3.3 μm wavelength region in the flame detection system according to the first embodiment of the present invention. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents each wavelength region. Infrared intensity.
[0039]
Intensity changes in the 4.4 μm and 3.3 μm wavelength regions until the ignition time show almost the same change. This is because the infrared source generally emits a wide range of infrared wavelengths mainly from sunlight or a heating element, so that changes in the infrared ray such as the intensity of the light beam and the rise and fall of the temperature of the heating element are in the 4.4 μm wavelength range. In most cases, the phase changes in the 3.3 μm wavelength region.
[0040]
On the other hand, the changes in the infrared intensity waveforms at 4.4 μm and 3.3 μm after the firing time are different from those before the firing, and have a property that their phases are shifted. This is because the infrared radiation in the 4.4 μm wavelength region is mainly due to the resonance phenomenon of carbon dioxide gas generated by combustion, whereas the infrared radiation in the 3.3 μm wavelength region is mainly due to heat radiation from combustion residues generated by incomplete combustion. Because it is due to. The intensity of the infrared radiation intensity of these infrared sources is caused by different phenomena, and is affected by the gas generation situation, the burning speed, the temperature of the gas and the combustion residue in different ways, etc. Generally, there is a time lag between the rise and fall of the infrared intensity.
[0041]
The present invention uses the characteristics of such a combustion phenomenon to determine whether the cause of the infrared rays is a flame after capturing the phenomenon of generating the infrared rays, by using the phase difference shift of the infrared intensity in different wavelength ranges. It is characterized by the following.
[0042]
FIG. 7 shows data expressed by a cross spectrum (complex number) about the phase difference between the infrared intensity of the 4.4 μm wavelength region and the 3.3 μm wavelength region of a disturbance and a flame that actually generate infrared rays.
[0043]
In FIG. 7, the angle is a phase angle of the cross spectrum, and the radial direction is a logarithmic scale display of the absolute value of the cross spectrum. 700 is the distribution of the cross spectrum of the 4.4 μm wavelength range and the 3.3 μm wavelength range when the incandescent lamp of 60 W is used as the infrared source instead of the flame (plotted without dividing the fluctuation frequency), and 710 is the actual flame ( FIG. 6 is a cross-spectrum distribution of the 4.4 μm wavelength range and the 3.3 μm wavelength range when the gasoline is burned in a fire plate as an infrared source (plotted without distinguishing the fluctuating frequency). As is clear from 700, in the case of a simple heat source such as an incandescent lamp, the fluctuations in the 4.4 μm wavelength region and the 3.3 μm wavelength region are almost synchronized, so that the phase of the cross spectrum is close to 0 regardless of the fluctuation frequency. .
[0044]
On the other hand, as shown in 710, in the case of a flame, the fluctuations in the 4.4 μm wavelength region and the 3.3 μm wavelength are often out of timing with each other, and this deviation is observed as the phase angle of the cross spectrum, and is independent of the fluctuation frequency. A component having a phase angle increases. It is a feature of the present invention that the flame and the disturbance infrared source other than the flame are distinguished by observing the timing shift of the variation of the infrared wavelength region of the flame different from each other.
[0045]
As described above, in the first embodiment, the flame and the disturbance infrared source other than the flame are distinguished by observing the timing shift of the fluctuation of the infrared wavelength region in the form of the difference in the phase angle of the cross spectrum.
[0046]
FIG. 8 illustrates a method of calculating the phase difference between the infrared fluctuation frequency components in the 4.4 μm wavelength region and the 3.3 μm wavelength region in the
β = N 0 / N all … (1)
Where N all Is the total number of discrete frequency components in the time interval of interest, N 0 Indicates the number of discrete frequency components having a phase difference of the cross spectrum greater than a predetermined specific value.
[0047]
The phase difference evaluation amount β will be described with reference to FIG. 8, and is a numeral indicating a ratio of an area of a hatched portion where the absolute value of the phase angle is larger than a certain angle θ in the entire area of the frequency distribution. β ranges from 0 to 1, and the larger the value, the greater the proportion of components having a large phase difference, and it can be said that the value is more flame-like.
[0048]
The description returns to the processing of the
[0049]
The effect of the first embodiment of the present invention described above will be described.
[0050]
In the first embodiment of the present invention, a detection method similar to a normal infrared flame detection method is employed, which first detects an increase in the intensity or change in intensity of infrared light. Further, it is determined whether or not the cause of such an infrared phenomenon is caused by a flame, using a characteristic feature of the flame that a time lag occurs in changes in infrared intensity in different wavelength ranges. Infrared phenomena other than flame and infrared phenomena due to flame are reliably determined, and a flame detection output is performed only in the case of a flame.
[0051]
Therefore, in the case of detecting a flame with the configuration of the first embodiment, an infrared phenomenon that is not a flame as in the prior art, for example, a fluctuation input of an infrared ray due to the passage of a high-temperature object, etc. This eliminates the possibility of erroneous detection, such as detecting that there is, and provides a flame detection device having a feature of detecting only flame.
[0052]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0053]
FIG. 9 is a block diagram of a flame detecting device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a diagram showing the behavior of each signal of the flame detecting device according to the second embodiment of the present invention.
[0054]
In FIG. 9,
[0055]
Next, the operation of the flame detection device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0056]
First, infrared light from outside the flame detector passes through the
[0057]
Detection of such a phase shift at a fluctuation frequency whose band is limited between wavelength ranges will be described with reference to FIG.
[0058]
FIG. 10 is a diagram for explaining the behavior of each signal in a case other than a flame and a case of a flame in the block operation of the band-
[0059]
In these figures,
[0060]
First, as shown in FIG. 10A, in the case of an infrared light source that is not a flame, the fluctuation components in the 4.4 μm wavelength region and the 3.3 wavelength region generally show similar fluctuation waveforms. In such a case, the signals in the corresponding variable frequency bands of each wavelength range fluctuate almost synchronously (see 1000 and 1005 in FIG. 10). Therefore, the outputs (eg, 1010 and 1015 of FIG. 10) of the
[0061]
Therefore, the output of the exclusive OR
[0062]
On the other hand, as shown in FIG. 10B, when the flame is an infrared light source, the fluctuation components of the 4.4 μm wavelength region and the 3.3 μm wavelength region generally have temporally shifted fluctuation waveforms. In such a case, the signal in the corresponding variable frequency band of each wavelength range fluctuates back and forth in time (1030 and 1035 in FIG. 10).
[0063]
Therefore, the outputs of the
[0064]
Therefore, in the output of the exclusive OR
[0065]
The output obtained by smoothing this with, for example, a low-
[0066]
In the second embodiment of the present invention, the detection of the time lag of the signal as described above is performed in a plurality of bands having different variable frequency bands. Further, the outputs indicating the phase shifts of the plurality of variable frequency bands are added by the
[0067]
On the other hand, in parallel with this, an infrared source is detected by a change in infrared intensity using the fluctuation component in the 4.4 μm wavelength range. This processing detects a normal abnormal infrared light source and is not essential in the present invention, so that a simple configuration is used. A high-
[0068]
The result of detection of the infrared fluctuation due to the intensity change is output from the
[0069]
The effects of the second embodiment of the present invention described above will be described.
[0070]
In the second embodiment of the present invention, a detection method similar to a normal infrared flame detection method, in which an increase in the intensity or a change in the intensity of infrared light is first detected. Furthermore, it is determined whether or not the cause of such an infrared phenomenon is caused by a flame, using a flame-specific feature that causes a time lag in changes in infrared intensity in different wavelength ranges. The line phenomenon other than the flame and the infrared phenomenon due to the flame are reliably determined, and the flame detection output is performed only when the flame is detected.
[0071]
Therefore, in the case of detecting a flame with the configuration of the second embodiment, the flame is excessively applied to an infrared phenomenon that is not a flame as in the related art, for example, a fluctuation input of infrared due to passage of a high-temperature object. This eliminates the possibility of erroneous detection of detecting a flame, and provides a flame detection device having a feature of detecting only a flame.
[0072]
In the second embodiment of the present invention, since the phase difference of the infrared intensity change in two different wavelength ranges is realized by an analog circuit, the circuit scale is smaller than that of the first embodiment using a CPU. It has the advantage of lower costs.
[0073]
Further, a usage mode of the present invention will be described.
[0074]
In the first and second embodiments of the present invention, the detection of the occurrence of an abnormal infrared light source based on the infrared intensity is performed, but any method may be used for this detection. The present invention is to determine with high accuracy whether or not such an abnormal infrared light source is caused by a flame.
[0075]
In the embodiment of the present invention, the combination of wavelengths is not limited to the combination of 4.4 μm and 3.3 μm, but may be any combination. In the present invention, since a property in which a chemical or physical phenomenon in a flame occurs with a time difference is used, a set of wavelengths for observing this time difference is also a combination that can observe the time difference between these chemical or physical phenomena. If any, it is optional. For example, it can be easily analogized to use visible light or ultraviolet light other than infrared light depending on the application.
[0076]
In the embodiment of the present invention, a combination of two wavelength ranges is used. However, it can be easily analogized that the accuracy of determination of a flame and other phenomena is improved by using the third and fourth wavelength ranges. For example, the accuracy of the determination can be improved by using the visible light and ultraviolet wavelength ranges in addition to the two wavelength ranges used in the embodiment of the present invention.
[0077]
In the embodiment of the present invention, the infrared intensity of the entire flame is used, but the flame is captured as an image in a different wavelength range, and the flame is determined using the present invention for a part or all of the image of the flame. It can be easily analogized. For example, a method of using a silicon CCD image sensor having sensitivity to infrared rays as a light receiving element and determining whether or not there is a flame in each image capturing area can be easily analogized.
[0078]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
[0079]
FIG. 11 is a configuration diagram of a flame detection device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 12 is an operation flowchart of the detection device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a processing block diagram of the CPU.
[0080]
In FIG. 11,
[0081]
FIG. 12 is a flowchart of the flame detection processing according to the third embodiment of the present invention.
[0082]
In this figure, 2200 is the start of the process, 2210 is the setting of the initial value, 2220 is the input of the infrared peak value, 2230 is the comparison of the peak value with the detection threshold, 2240 is the update of the average value of the infrared peak value, and 2250 is the average deviation , 2260 is the flame detection alerting process, and 2270 is the end.
[0083]
FIG. 13 is a block diagram of processing inside the CPU according to the third embodiment of the present invention.
[0084]
In this figure, 2300 is an infrared intensity input, 2310 is an average estimation of infrared intensity, 2320 is an average value storage, 2330 is an average deviation estimation, 2340 is an average deviation storage, 2350 is a threshold setting, 2360 is a level judgment, and 2370 is a judgment. Output.
[0085]
Next, the operation of the flame detector according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0086]
First, infrared rays corresponding to the surface temperature and the reflection of sunlight are emitted from the background
[0087]
Next, in the third embodiment of the present invention, processing performed by the
[0088]
First, the process is started at the
[0089]
(Equation 1)
[0090]
(Equation 2)
[0091]
[0092]
Further, an initial detection threshold value is set in advance in the threshold value setting 2350 in FIG.
[0093]
[Equation 3]
[0094]
Where b N + 1 Is a detection threshold used for the (N + 1) th sample time, and the constant α is a safety coefficient.
[0095]
Here, the i-th (i is N + 1, N + 2,...) Infrared peak value x i Is obtained. At this time, the detection threshold b i (I is N + 1, N + 2,...), The peak value X in the
[0096]
If the peak value x i Is the detection threshold b i If it is smaller, the process proceeds to the
[0097]
(Equation 4)
[0098]
Where K x Is a coefficient for estimating the average value, and a constant larger than 1 is set.
[0099]
(Equation 5)
[0100]
Where K d Is a coefficient for estimating the average deviation, and a constant larger than 1 is set.
[0101]
(Equation 6)
[0102]
In this way, a new detection range is calculated, and the process returns to the
[0103]
The effects of the third embodiment of the present invention described above will be described with reference to FIGS.
[0104]
In FIG. 14,
[0105]
15A shows the background infrared detection output immediately after cleaning the infrared detection window, and FIG. 15B shows the background infrared detection output after the contamination of the infrared detection window. 2510 shows a waveform of the background infrared fluctuation observed when there is no image, and 2510 shows a waveform of the background infrared fluctuation observed when the infrared detection window is contaminated.
[0106]
According to the method shown in the third embodiment of the present invention, the estimated average value of the infrared intensity is obtained from the
[0107]
In addition, when there is no contamination in the infrared detection window as shown in FIG. 15, the detection threshold value for fire detection is set relatively high from the waveform of the background infrared fluctuation observed at this time. If the infrared detection window is contaminated, the waveform of the observed background infrared fluctuation becomes smaller, so that the detection threshold for fire detection automatically lowers. For this reason, even if the infrared detection window becomes contaminated, a fire is detected with an optimum detection threshold.
[0108]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0109]
In the fourth embodiment of the present invention, the configuration of the flame detection device is the same as that of the third embodiment of the present invention, and therefore will be described with reference to FIG.
[0110]
FIG. 16 is a flowchart of the flame detecting apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
[0111]
In this figure, 2600 is the start of the processing, 2610 is the setting of the initial value, 2620 is the input and buffering of the infrared peak value, 2630 is the time series Fourier transform of the infrared peak value, and 2640 is the time series spectrum of the
[0112]
FIG. 17 is a block diagram showing processing inside the CPU according to the fourth embodiment of the present invention.
[0113]
In this figure, 2700 is an infrared intensity input, 2710 is a waveform buffer process, 2720 is a Fourier transform, 2730 is an average estimation of the infrared intensity for each frequency, 2740 is an average value storage for each frequency, and 2750 is an average value storage for each frequency. Average deviation estimation, 2760 is an average deviation storage for each frequency, 2770 is a threshold setting for each frequency, 2780 is a level determination for each frequency, and 2790 is a determination output.
[0114]
Next, the operation of the flame detector according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0115]
First, infrared rays corresponding to the surface temperature and the reflection of sunlight are emitted from the background
[0116]
Next, processing performed by the
[0117]
First, the process starts at a
[0118]
(Equation 7)
[0119]
(Equation 8)
[0120]
[0121]
Further, an initial detection threshold is set in advance in each frequency threshold setting 2770 from these estimated values by the following equation.
[0122]
(Equation 9)
[0123]
Where B (ω) M + 1 Is a detection threshold used for the fluctuation frequency ω in the (M + 1) th analysis section, and the constant α is a safety coefficient.
[0124]
In the peak value input and
[0125]
Next, a discrete Fourier transform is performed by a
[0126]
If the absolute value of the infrared fluctuation spectrum | X (ω) j | Is the detection threshold B (ω) j If it is smaller, the process proceeds to the update of the spectrum
[0127]
(Equation 10)
[0128]
Where K x Is a coefficient for estimating the average value, and a constant larger than 1 is set. The result is stored in each frequency
[0129]
[Equation 11]
[0130]
Where K d Is a coefficient for estimating the average deviation, and a constant larger than 1 is set. The result is stored in each frequency
[0131]
(Equation 12)
[0132]
Thus, a new detection threshold is calculated, and the process returns to the peak value input and
[0133]
On the other hand, in FIG. 11, when the
[0134]
The effect of the fourth embodiment of the present invention described above will be described.
[0135]
In the fourth embodiment of the present invention, the change of the infrared peak value is decomposed into discrete frequency components by performing a discrete Fourier transform. For this reason, for example, a disturbance such as a rotating lamp that exhibits a periodic infrared fluctuation is observed as a steady spectrum intensity, and is included in the threshold value in advance as a spectrum average value.
[0136]
In general, a change in the infrared intensity of a flame has an irregularly varying frequency component exhibiting a 1 / f characteristic, and a frequency which is not affected by a periodic disturbance by using a frequency component other than a constant frequency due to the disturbance. Flame can be detected by the rise of the component. Therefore, in the third embodiment, when a periodic disturbance such as a rotating light is always present, there is a problem that the threshold value for the peak value is increased and the detection becomes difficult. If frequency components are used as in the example, even if there is a periodic disturbance, the influence on the detection performance is small.
[0137]
Further, by automatically determining the detection threshold value of the flame detection in the third embodiment, the effect of detecting the flame at the optimum detection threshold value without being affected by the intensity of the background infrared ray in the use environment is different from that of the fourth embodiment. It is similarly effective in the example.
[0138]
Further, even in the case where the infrared detection window is contaminated in the third embodiment, the effect of detecting the flame at the optimum detection threshold by lowering the detection threshold according to the contaminant is similarly obtained in the fourth embodiment. It is valid.
[0139]
In the third embodiment of the present invention, the threshold value for flame detection is set by using the peak value of the background infrared intensity, and in the fourth embodiment, the threshold value for flame detection is set by using as the spectral intensity feature value of the background infrared ray. It is not necessary to use it, and it is effective to use a feature amount such as a moving average value of a peak value, a filter bank output, and a linear prediction coefficient.
[0140]
In the third and fourth embodiments of the present invention, the detection threshold is determined from the average value of the characteristic amounts such as the peak value and the spectrum and the average deviation, but it is not always necessary to determine the detection threshold using these statistics. Instead, it can be easily analogized to determine the detection threshold using various statistics such as an average value expressing a normal distribution, an X-squared distribution, and the like.
[0141]
In the third and fourth embodiments of the present invention, in estimating the average value and the average deviation of the feature values such as the peak value and the spectrum, the average value and the average deviation are estimated by a simple low-pass filter. It is not necessary to use a simple estimation method, and it is easy to analogize to adopt a non-linear estimation method using a neural network, a singular value discrimination removal method, or the like.
[0142]
In the third and fourth embodiments of the present invention, flame detection is determined by a simple comparison between a feature value such as a peak value or a spectrum and a detection threshold. However, it is not always necessary to perform such a simple detection determination. It is easy to analogize using the various determination methods used in the voice section detection method, such as the determination based on the continuity of the signal detected as peculiar and the use of parameters using weighting for the spectrum. it can.
[0143]
In the third and fourth embodiments of the present invention, among the infrared rays radiated by the flame, an infrared filter that passes a wavelength range around 4.4 μm is used as an infrared wavelength range used for flame detection. The present invention is not required to be used, and the present invention is effective even when using other infrared wavelength ranges, visible light, ultraviolet light, or the like according to the purpose of use.
[0144]
FIG. 18 is a block diagram of a flame detection system according to a fifth embodiment of the present invention, and is a block diagram of a flame detection system configured by combining the first to fourth embodiments.
[0145]
In FIG. 18,
[0146]
Ao, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0147]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0148]
(A) It is possible to accurately detect a true flame without erroneously detecting an infrared phenomenon that is not a flame as a flame.
[0149]
(B) First, a detection method similar to a normal infrared flame detection method is used, which detects an increase in the intensity or change in intensity of infrared light. Further, it is determined whether or not the cause of such an infrared phenomenon is caused by a flame, using a characteristic feature of the flame that a time lag occurs in changes in infrared intensity in different wavelength ranges. Infrared phenomena other than flame and infrared phenomena due to flame are reliably determined, and a flame detection output is performed only in the case of a flame.
[0150]
(C) First, a detection method similar to a normal infrared flame detection method is used, which detects an increase in the intensity or change in intensity of infrared light. Furthermore, it is determined whether or not the cause of such an infrared phenomenon is caused by a flame, using a flame-specific feature that causes a time lag in changes in infrared intensity in different wavelength ranges. The line phenomenon other than the flame and the infrared phenomenon due to the flame are reliably determined, and the flame detection output is performed only when the flame is detected.
[0151]
(D) It is possible to provide a flame detecting device and a flame detecting method which detect a flame at an optimal threshold value without being affected by the intensity of background infrared rays in the use environment or the contamination state of the infrared ray detection window.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a flame detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a flame detection system showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart of a flame detection process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a relationship between an infrared intensity and an analysis window function of the flame detection system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a fluctuation spectrum in each analysis section of a change in infrared intensity in a 4.4 μm wavelength region in the flame detection system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of infrared intensity change time waveforms in a 4.4 μm wavelength region and a 3.3 μm wavelength region in the flame detection system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing data expressed by a cross spectrum (complex number) with respect to a phase difference between an infrared intensity of a 4.4 μm wavelength region and a 3.3 μm wavelength region of a disturbance and a flame which actually generate infrared rays.
8 is an explanatory diagram of a method for summing up a phase difference between an infrared fluctuation frequency component in a 4.4 μm wavelength region and a 3.3 μm wavelength region in a
FIG. 9 is a configuration diagram of a flame detection device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing the behavior of each signal of the flame detection device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram of a flame detection device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an operation flowchart of a flame detection device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a processing block diagram inside a CPU of a flame detection device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is an explanatory diagram of detection threshold calculation in a flame detection method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a phenomenon at the time of contamination of an infrared detection window in a flame detection system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an operation flowchart of a flame detection device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a processing block diagram inside a CPU of a flame detection device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a configuration diagram of a flame detection system according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
100, 105, 900, 905, 2100 Infrared filter
110, 115, 910, 915, 2110 Thermopile element
120, 125, 920, 925, 2120 Amplifier circuit (Amp)
130, 135, 955, 957, 970, 980, 2130 Low-pass filter (LPF)
140, 145, 2140 Sample hold circuit (S / H)
150, 155, 2150 AD converter (AD)
160, 2160 Central processing unit (CPU)
170,998,2170 Protected sapphire glass
180,2180 Background infrared source in normal condition
190,995,2190 Infrared source in case of fire
200, 205, 210, 215, 220, 230, 240 processing (FIG. 2) 300, 305, 310, 315, 320, 325, 330, 335, 340, 350, 360 processing (FIG. 3)
400 infrared intensity signal
410 Window function of first analysis interval
420 Window function of second analysis interval
430 window function of third analysis interval
500 Varying frequency components of infrared intensity
510 Plane with slope
Distribution of cross spectrum when 700 60W incandescent lamp is used as infrared source
710 Cross spectrum distribution when using actual flame as infrared source
930,932,935,937 Band Pass Filter (BPL)
940,942,945,947 Voltage comparator (Comp)
950,952 Exclusive OR circuit
960 adder (Mix)
965,980 Comparator (Comp)
970 High-pass filter (HPF)
972 Rectifier circuit
985 AND circuit
990 Flame judgment output
998 Protected sapphire glass
1000, 1010, 1030, 1040 Bandpass filter output
1005,1015,1035,1045 Output of voltage comparator
1020, 1050 Output of exclusive OR circuit
1025, 1055 Low-pass filter output
2200, 2210, 2220, 2230, 2240, 2250, 2260, 2270 Processing (FIG. 12)
2300, 2310, 2320, 2330, 2340, 2350, 2360, 2370 Processing (FIG. 13)
2400 Background infrared fluctuation waveform
2410 Estimated average value
2420 Estimated mean deviation
2430 Detection threshold
2500 Waveform of background infrared fluctuation observed when there is no contamination on the infrared detection window
2510 Waveform of background infrared fluctuation observed when there is contamination in the infrared detection window
2600, 2610, 2620, 2630, 2640, 2660, 2670, 2680 Processing (FIG. 16)
2700, 2710, 2720, 2730, 2740, 2750, 2760, 2770, 2780, 2790 Processing (FIG. 17)
2800, 2805, 2810, 2815, 2820, 2825, 2830, 2835, 2840, 2850, 2860, 2870, 2880 Processing (FIG. 18)
Claims (10)
(a)波長感度の異なる赤外線検出器間の出力の時間のずれを測定する手段と、(b)該手段からの出力により炎であることを判定する手段とを具備することを特徴とする赤外線式炎検出装置。In an infrared type flame detection device that detects a flame by observing the intensity of infrared rays emitted from the flame,
(A) means for measuring a time lag of output between infrared detectors having different wavelength sensitivities, and (b) means for determining flame as a result of the output from the means. Flame detector.
波長感度の異なる赤外線検出器間の出力の時間のずれを測定することによって炎であることを判定することを特徴とする赤外線式炎検出方法。In an infrared flame detection method for detecting a flame by observing the intensity of infrared rays emitted from the flame,
An infrared flame detection method, wherein a flame is determined by measuring a time lag of an output between infrared detectors having different wavelength sensitivities.
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