JP2010276618A - 炎感知器 - Google Patents

Abstract

【課題】
実際の炎のゆらぎ方が一定でないことから、検出したパルスの波形に関するデータが所定の分布状態にあることを捉えて確実に炎の火災を判別する炎感知器を得ることを目的とする。
【解決手段】
炎が発する特有の波長帯域の赤外線を検出する赤外線センサと、該赤外線センサの検出信号を取り込んで、複数のパルスの波形データを取得する波形データ取得手段と、該波形データ取得手段が取得した複数のパルスの波形データが所定の分布状態にあることに基づいて炎を判別する炎判別手段と、を備えている。
【選択図】 図３

Description

本発明は炎を判別する炎感知器に関し、特に２波長式で炎を確実に検出することができる炎感知器に関するものである。

火災の炎を判別する際に、炎が発する赤外線のうち、ＣＯ2共鳴帯域等に関連して２以上の波長帯域の赤外線出力を得て、その比によって高温物体等からの赤外線を排除して炎を判別することは、従来から各種手法によって用いられている。
例えば、従来の赤外線炎検知機は、火災に特有な波長の赤外線と、その近傍の波長の赤外線を検出し、二つの赤外線のエネルギー量の比により、炎による火災を検知するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３５６５４７号公報（第１頁、図１）

従来の赤外線炎検知機では、火災に特有な波長の赤外線と、その近傍の波長の赤外線を検出し、二つの赤外線のエネルギー量の比によって炎による火災を検知するようにしているが、実際の炎からの出力比はゆらぎ方が一定でなくばらつくため、二つの赤外線の出力比が所定の範囲にあることだけでは確実に炎による火災を検知することができないという問題点があった。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、実際の炎のゆらぎ方が一定でないことから、検出したパルスの波形に関するデータが所定の分布状態にあることを捉えて確実に炎の火災を判別する炎感知器を得ることを目的とする。

本発明に係る炎感知器は、炎が発するＣＯ2共鳴放射の波長帯域より少しずれた波長帯域の赤外線を検出する赤外線センサと、該赤外線センサの検出信号を取り込んで、複数のパルスの波形データを取得する波形データ取得手段と、該波形データ取得手段が取得した複数のパルスの波形データが所定の分布状態にあることに基づいて炎を判別する炎判別手段とを備えて構成されている。

本発明は以上説明したように、波形データ取得手段は赤外線センサの検出信号を取り込んで複数のパルスの波形データを取得し、炎判別手段は該波形データが所定の分布状態にあることに基づいて炎を判別するようにしたので、実際の炎のゆらぎ方が一定でなくばらつくことに対応したパルスの波形データの分布から判断できることとなり、炎を確実に判別することができる。

本発明に係る実施の形態１の炎感知器の構成を示すブロック図。 同炎感知器のＭＰＵの内部構成を示すブロック図。 同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んで波形が連続する場合の波形の個数判別処理を示す説明図。 同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んだパルスの波形データの種類を示す説明図。 同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んだパルスの各種波形データを示すテーブル。 同炎感知器の動作を示すフローチャート。

図１は本発明に係る実施の形態の炎感知器の構成を示すブロック図、図２は同炎感知器のＭＰＵの内部構成を示すブロック図、図３は同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んで波形が連続する場合の波形の個数判別処理を示す説明図、図４は同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んだパルスの波形データの種類を示す説明図、図５は同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んだパルスの各種波形データを示すテーブル、図６は同炎感知器の動作を示すフローチャートである。
図１に示す炎感知器は、内部に焦電体、高抵抗、ＦＥＴが組み込まれて構成された焦電素子等からなる主赤外線センサ１を備えており、この主赤外線センサ１は炎を検出するためのＣＯ2共鳴放射に関する赤外線を受光し、電気信号に変換して増幅部２に出力する。増幅器２で増幅された信号はＭＰＵ３に入力される。

また、この炎感知器は主赤外線センサ１と同様の構成の副赤外線センサ１１を備えており、この副赤外線センサ１１は、主赤外線センサ１とは異なる波長帯域の赤外線を受光して電気信号に変換して増幅部１２に出力する。増幅器１２で増幅された信号はＭＰＵ３に入力される。
なお、主赤外線センサ１側と相違するのは、副赤外線センサ１１側では焦電体の赤外線検出波長がＣＯ2共鳴放射の波長帯域より少しずれた波長帯域（例えば、５．０μｍ）の信号を出力するように構成されている点である。

ＭＰＵ３は、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器３１、ＣＰＵ３２、パルスの波形データを記憶するＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、タイマ３５及びＩ／Ｏ（入出力）回路３６を備えており、増幅部２からの出力をＡ／Ｄ変換器３１を介して取り込んで、後述のように連続している波形の個数判別と波形が炎であることの判別を行う。ＭＰＵ３のタイマ３５はＡ／Ｄ変換器３１を介して出力を取り込むサンプリング間隔を設定する。

また、ＭＰＵ３はＩ／Ｏ回路３６を介して火災信号発生部２１と接続されている。火災信号発生部２１はＭＰＵ３が波形が炎であると判別したときに、ＭＰＵ３からの検出信号を受信して火災信号を出力するためのもので、図示しない火災受信機と接続されている。 ２２は電源部で、各部に電源を供給する。２３は電源部２２に所定の直流電圧を供給する電源兼信号線、２４は電源部２２及び電源兼信号線２３に設けられ、電源供給されていることを監視する回線電圧監視部で、火災の場合に電源兼信号線２３の回線電圧が異常でないことを確認してＭＰＵ３に検出信号の出力動作を行わせるようにしている。

次に、本発明に係る実施の形態の炎感知器の動作について図６のフローチャートに基づいて説明する。
概略的に、図６のフローチャートでは、サンプリング処理として、所定の間隔でＡ／Ｄ変換器３１を介して赤外線センサ１、１１の出力を取り込み、検出レベルとする。主赤外線センサ１から継続して得られる検出レベルから、炎のゆらぎに基づく波形を検出して、個々の波形データを作成してＲＡＭ３４に記憶する。そして、この波形に基づいて炎を判別するが、このときに波形が継続して得られることの判別と、波形が炎の特徴を有することの判別との２つの観点から判別を行っている。これらに基づいて炎と判別されるときに、火災信号を送出する。
図６において、まず主赤外線センサ１と副赤外線センサ１１のセンサ出力は、増幅部２、１２で各々増幅された後に、ＭＰＵ３に入力される。
ＭＰＵ３のＣＰＵ３２では、タイマ３５に設定されたサンプリング時間が到来すると、Ａ／Ｄ変換器３１によりＡ／Ｄ変換された主赤外線センサ１及び副赤外線センサ１１の検出信号を例えば５０ｍｓという所定の周期でサンプリングする（ステップＳ１）。

次に、サンプリングした主赤外線センサ１の検出信号から炎のゆらぎに基づく最新のパルスの波形を検出する（ステップＳ２）。
このパルスの波形の検出は、サンプリングにより取り込んだ検出信号の検出レベルが所定の波形判別レベルを越えるときに波形の始まりと認識し、波形判別レベルを下回るまでを一つの波形とし、その越え始めをタイムスタンプとしてメモリであるＲＡＭ３４に記憶し、以降一つの波形として必要な波形データを作成する。このタイムスタンプは、後の波形が連続して発生していることの確認に使用される。
ここで、波形データとしては、図４に示すような超え始めのタイムスタンプ、主波長の高さ（最大値）、主波長／副波長の波形の面積比、主波長のパルス幅があり、これらを各波形毎に記憶する。

即ち、主波長の高さについては、波形が始まり、サンプリングのたびに検出データが上昇して、主波長においてレベルの上昇から下降へ転じるとき、最後の上昇している検出データを最大値とし、それを主波長の波形の高さとしてＲＡＭ３４に記憶する。
また、主波長／副波長の波形の面積比については、上昇していた検出データが下降へ転じて、波形判別レベルを下回る前の値までの積分値を算出し、同時に積算されている副波長の積分値との比率を算出し、それを主波長／副波長の波形の面積比としてＲＡＭ３４に記憶する。この主波長／副波長の波形の面積比は主波長／副波長の分光比率となる。
主波長のパルス幅については、検出データが波形判別レベルを下回るときに波形が終了したと判断し、タイムスタンプから下回るまでをサンプリングの回数で時間を表し、パルス幅としてＲＡＭ３４に記憶する。

このような波形を検出し始めてから終わるまでに、タイムスタンプ、波形の高さ（最大値）、主波長／副波長の波形の面積比（分光比率）、主波長のパルス幅の波形データは、図５の表に示すように、それぞれ１２個分記憶されており、最新のパルスである１３個目が発生したときには、一番古い波形データをクリアすることで、常時１２個分の波形データを記憶するようにしている。
このようにして最新のパルスの波形を検出したら、ＣＰＵ３２はＲＡＭ３４から最も古いパルスのデータを削除する（ステップＳ３）。
しかる後に、ＣＰＵ３２は最新のパルスの波形データをＲＡＭ３４に記憶する（ステップＳ４）。

このようにしてＲＡＭ３４に最新のパルスの波形データが順次記憶されいくが、波形の始まりとしてタイムスタンプもＲＡＭ３４に記憶される。
そして、波形が継続して得られることの判別として、パルスの波形の個数判別は、図３に示すように、パルスの波形が連続している場合にＣＰＵ３２がＲＡＭ３４に記憶されている波形を読み込みにいき、判別したい時点から遡って１５秒間という所定時間に波形が１２個以上の所定数存在するかどうかを判別する（ステップＳ５）。
そして、これを満足するときに、ＣＰＵ３２が波形判別手段として機能し、波形が継続して得られていると判別し、次の波形が炎であることの判別を行うステップに進む。
このように、１５秒間に波形が１２個以上存在することにより、炎が継続していることを確認することができると共に、一過性の現象を除外することができる。
さらに、１５秒とは異なる１０秒間に波形が１２個とは異なる８個以上存在することを判別して、波形が継続しながらある程度分布していることを簡便に判断してもよく、またパルス間隔が５秒以内の状態が２０秒以上継続することを判別して、波形が継続して得られることを判別してもよい。

上述した波形が継続して得られていることの判別は、１つの、つまり主赤外線センサ１の検出信号に基づいて行うことができるが、次のステップの波形が炎であることの判別は、主赤外線センサ１と副赤外線センサ１１の検出信号に基づいて行われる。
このように、主赤外線センサ１と副赤外線センサ１１の検出信号に基づいて火災と判別するのは、物体から放出されるいわゆる黒体放射は連続分布となるのに対し、炎から放射される赤外線にはいわゆるＣＯ2共鳴放射により、特定の波長（例えば、４．４μｍ）で赤外線強度が増大するというように分光分布が異なるため、火災における炎からのピーク波長を主赤外線センサ１の側で検出し、そのピークを外した熱放射による波長を副赤外線センサ１１の側で検出し、両者のセンサ出力の比、即ち波長間の分光比率が炎の火災のときには例えば３：１となるからである。
この波長間の分光比率は、主波長／副波長の波形の面積比から算出される。

そこで、パルスの波形が炎の特徴を有することの判別は、実際の炎のゆらぎ方が一定でないことから、主波長の高さと、主波長／副波長の波形の面積比（分光比率）と、波形のパルス幅がばらつくことにより、これらのそれぞれのバラツキ具合によって判断される。
（１）主波長の高さにおけるバラツキについて説明する。
各波形ごとの波形データに、サンプリング時の出力のうち、主波長の最大値を主波長の高さとして、ＲＡＭ３４に記憶されている。ＣＰＵ３２はＲＡＭ３４内の波形データ１２個のうち、高さが全て所定レベル以上であるとともに、レベルとして最大の値に対する比率で、０．８以下を１個以上含まれているときに炎と判別する（ステップＳ６）。

（２）主波長／副波長の波形の面積比（分光比率）のバラツキについて説明する。
まず、主赤外線センサ１から得られたパルスの波長と、副赤外線センサ１１から得られた波長との面積比、即ち波長間の面積比が３以上のパルスが２つ以上あるかどうかを確認し（ステップＳ７）、次に波長間の面積比が２以上のパルスが４つ以上あるかどうかを確認し（ステップＳ８）、最後に全てのパルスの波長間の分光比率が１以上であるかどうかを確認し（ステップＳ９）、波長間の分光比率が３以上のパルスが２つ以上あり、さらに２以上のパルスが４つ以上あり、且つ全てのパルスの波長間の分光比率が１以上である場合にＣＰＵ３２は炎判別手段として機能し、炎の火災と判別する。

（３）波形のパルス幅のバラツキについて説明する。
各波形ごとの波形データに、サンプリング時の出力が波形判別レベルを越えてから下回るまでの時間に相当するパルス幅が算出されて、ＲＡＭ３４に記憶されている。
このＲＡＭ３４内の波形データ１２個のうち、パルス幅が所定範囲内に全て収まると共に、その所定範囲を３分割した範囲で、短い方の分割範囲及び長い方の分割範囲にそれぞれ３個以上含まれているとき、全てのパルスのパルス幅が所定範囲内にあるとして炎と判別する（ステップＳ１０）。

このように、ステップＳ６のパルスレベルによる炎の判別と、ステップＳ７〜９の波長間の分光比率による炎の判別と、ステップＳ１０のパルス幅とによる炎の特徴を有していること判別の全てで炎であると判別された場合に、炎の火災と判別される（ステップＳ１０）。
そして、炎の火災と判別されると、ＭＰＵ６は火災信号発生部２１に検出出力を行い、火災信号発生部２１は、電源兼信号線２３を介して火災受信機に火災信号を出力する。

この実施の形態のように、波形個数判別手段であるＣＰＵ３２は波形記憶手段であるＲＡＭ３４に記憶されているパルスの波形が１５秒の所定時間内に１２個の所定数以上存在することを確認して主赤外線センサ１が検出したパルスの波形が継続して得られていると判別するようにしたことにより、従来のように炎のゆらぎに基づく波形の幅を決定したり、周波数分布を作成する必要がなく、波形記憶手段であるＲＡＭ３４に記憶されている波形から所定時間内のパルスの波形の数を数えるだけの単純な処理で、簡便にしかも確実に炎によるパルスの波形が分布していることが分かる。
このようにパルスの波形が継続して得られていると判別する場合には、例えば突然視野内に飛び込んできた熱源は非常に大きな出力を発生させるが、一過性の出力として除外することができ、また衝撃が加わった場合にも大きな出力を発生させるが、そういった一過性の誤報要因による出力も除外することができる。

また、この実施の形態では、演算手段及び炎判別手段として機能するＣＰＵ３２は、主赤外線センサ１と副赤外線センサ１１の検出信号の出力比を複数のパルス毎に演算し、該パルス毎の出力比が所定の分布状態にあることに基づいて炎を判別するようにしたので、実際の炎がばらつくことに対応した出力比の分布状態から判断できることとなり、炎を確実に判別することができる。
また、ＣＰＵ３２は、両赤外線センサから得られた波長間の複数の分光比率と複数の閾値とを比較して該波長間の分光比率が所定の分布状態にあることを求めるようにしたので、実際の炎のゆらぎ方が一定でなく、そのばらつきを判断することとなるため、炎をより一層確実に判別することができる。

さらに、この実施の形態では、波形データ取得手段及び炎判別手段として機能するＣＰＵ３２は、赤外線センサの検出信号を取り込んで、複数のパルスの波形データを取得し、該複数のパルスの波形データが分布していることに基づいて炎を判別するようにしたので、実際の炎のゆらぎ方が一定でなくばらつくことに対応したパルスの波形データの分布から判断できることとなり、炎を確実に判別することができる。
このようなパルスの波形データとしては、パルスの波形の高さ、パルス幅があるが、その他の要素であってもよい。
また、ＣＰＵ３２は、各パルスの波形の高さ及びパルス幅に対してそれぞれ所定の閾値と比較して各々の分布を判別しているので、実際の炎のばらつきを種々の角度から判断するため、炎をより一層確実に判別することができる。

１ 主赤外線センサ、２ 増幅部、３ ＭＰＵ（火災判別部）、１１ 副赤外線センサ、２１ 火災信号発生部、２２ 電源部、２３ 電源兼信号線、２４ 回線電圧監視部、３１ Ａ／Ｄ変換器、３２ ＣＰＵ、３３ ＲＯＭ、３４ ＲＡＭ、３５ タイマ、３６ Ｉ／Ｏ回路。

Claims (3)

1. 炎が発するＣＯ2共鳴放射の波長帯域の赤外線を検出する赤外線センサと、
   該赤外線センサの検出信号を取り込んで、複数のパルスの波形データを取得する波形データ取得手段と、
   該波形データ取得手段が取得した複数のパルスの波形データが所定の分布状態にあることに基づいて炎を判別する炎判別手段と、
   を備えていることを特徴とする炎感知器。
   
2. 前記波形データ取得手段が取得する複数のパルスの波形データは、各パルスの波形の高さ又は／及びパルス幅であることを特徴とする請求項１記載の炎感知器。
   
3. 前記炎判別手段は、前記各パルスの波形の高さ又は／及びパルス幅に対してそれぞれ所定の閾値と比較して各々の分布を判別していることを特徴とする請求項２記載の炎感知器。

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