JP2016218002A - 火炎検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】二つの火炎センサにかかる感度パラメータを用いて、容易に受光量を補正することができること火炎検出システムを提供する。
【解決手段】光を検出する火炎センサ１と演算装置３とからなる火炎検出システムであって、前記演算装置３は、前記火炎センサの駆動をするパルスを生成する印加電圧生成部１２と、前記火炎センサに流れる電気信号を計測する電圧検出部１５と、前記火炎検出センサが有する感度パラメータをあらかじめ記憶する記憶部１６２と、当該感度パラメータのうち既知の受光量、パルス幅、および放電確率のパラメータ、並びに、実際のパルス幅と計測した放電回数から得られる放電確率を用いて、当該火炎の受光量を求める中央処理部１６３とを備え、第一の火炎センサにかかる感度パラメータと第二の火炎センサにかかる感度パラメータから、火炎センサの個体間の感度差を補正することを特徴とする火炎検出システム。
【選択図】図１

Description

この発明は、火炎の有無を検出する火炎検出装置に関するものである。

従来、燃焼炉等において火炎から放出される紫外線に基づいて火炎の有無を検出することに用いられる電子管が知られている。この電子管は、所定のガスを充填封止した密閉用器と、この密閉容器を貫通する電極支持ピンと、この電極支持ピンにより密閉用器内で互いに平行に支持される２枚の電極とを備えるものである。このような電子管では、電極支持ピンを介して電極間に所定の電圧を印加した状態において、火炎に対向配置された一方の電極に紫外線が照射されると、光電効果によりその電極から電子が放出され、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれを形成する。このため、電極間のインピーダンスの変化、電極間の電圧の変化、電極間に流れる電流などを計測することにより、火炎の有無を検出することができる。そこで、火炎の有無を検出するための種々の方法が提案されている。

従来技術では、電極間に流れる電流を積分し、この積分した値が所定のしきい値以上の場合には火炎有り、そのしきい値に満たない場合には火炎無しと判定する方法が提案されている（ 例えば、特許文献１ 参照）。

特許文献２の発明は、太陽光などの周囲の光の変化の如何に拘らずに、検出対象の炎を常に確実に検知することができる火炎検知装置を提供することを目的として、太陽光などの周囲の光の照度を検出し、その照度に応じて、火炎が発する紫外線の検出感度を自動的に調整することにより、周囲の光の変化の如何に拘らず、火炎を確実に検知する。周囲環境の変化に対応するものである。

特開２０１１−１４１２９０号公報 特開平６−７６１８４号公報

しかし、火炎センサ自体は有寿命製品であり、適宜交換が必要となる。一方、火炎センサには感度に個体差がある。そのため、客先で火炎検出センサを交換した場合に、同等の火炎であってもその出力が異なる場合があるという問題があった。

この問題を解決するために、本願発明は少なくとも二つの火炎センサの感度パラメータを用いて、同一の火炎信号に対して火炎センサ（ＵＶチューブ）の個体間感度差を補正する。

本願発明は、光を検出する火炎センサと演算装置とからなる火炎検出システムであって、
前記演算装置は、
前記火炎センサの駆動をするパルスを生成する印加電圧生成部と、
前記火炎センサに流れる電気信号を計測する電圧検出部と、
前記火炎検出センサが有する感度パラメータをあらかじめ記憶する記憶部と、
当該感度パラメータのうち既知の受光量、パルス幅、および放電確率のパラメータ、並びに、実際のパルス幅と計測した放電回数から得られる放電確率を用いて、当該火炎の受光量を求める中央処理部とを備える火炎検出システムにおいて、
前記中央処理部は、
第一の火炎センサにかかる感度パラメータと第二の火炎センサにかかる感度パラメータから、受光量をそれぞれ求めてその受光量比を計算して、火炎センサの個体間の感度差を補正することを特徴とする火炎検出システムである。

さらに本願発明は、前記受光量比を用いて、第一の火炎センサにかかる火炎有無判断閾値を前記受光量比を乗じて第二の火炎センサにかかる火炎有無判断閾値とすることを特徴とする火炎検出システムである。

または、本願発明は、前記受光量比に代えてパルス幅比を算出して、第一の火炎センサにかかるパルス幅に前記パルス幅比を乗じて第二の火炎センサにかかるパルス幅とすることを特徴とする火炎検出システムであってもよい。

本願発明により、二つの火炎センサにかかるあらかじめ記憶した既知パラメータ群と、実際の操作量と計測量を用いたデジタル演算によって、受光量比を計算で求めることができるので、簡単かつ迅速にセンサ個体間感度差を補正する効果を奏する。

本願発明の実施の形態にかかる火炎検出システムを示す。 放電波形を説明するための図である。 本願発明の実施の基本部である中央処理部のフローを示す。 本願発明の実施の態様である中央処理部のフローを示す。

（１） 本願発明の構成
本願発明の実施の形態にかかる火炎検出システムを図１に示し、その構成を説明する。本実施の形態に係る火炎検出システムは、火炎センサ１ と、外部電源２と、火炎センサ１、および外部電源２ が接続された演算装置３とを備えている。

火炎センサ１は、両端部が塞がれた円筒状の外囲器と、この外囲器を貫通する電極ピンと、外囲器内部において電極ピンにより互いに平行に支持された２ 枚の電極とを備えた電子管から構成されている。このような電子管は、電極がバーナ等の火炎３００を発生させる装置に対向するように配置されている。これにより、電極間に所定の電圧が印加された状態において紫外線が電極に照射されると、光電効果によりその電極から電子が放出され、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれを形成する。これにより、電極間の電圧、電流、インピーダンスが変化することとなる。

外部電源２は、例えば、１００［ Ｖ ］ または２００［ Ｖ ］の電圧値を有する交流の商用電源からなる。

演算装置３は、外部電源２に接続された電源回路１１と、この電源回路１１に接続された印加電圧生成回路１２およびトリガ回路１３と、印加電圧生成回路１２の出力端１２ａと、火炎センサ１の下流の電極ピンに接続された分圧抵抗１４と、この分圧抵抗１４に接続された電圧検出回路１５と、この電圧検出回路１５およびトリガ回路１３が接続されたサンプリング回路１６とを備えている。

電源回路１１は、外部電源２から入力される交流電力を、印加電圧生成回路１２およびトリガ回路１３に供給するとともに、演算装置３の駆動用の電力を取得する。

印加電圧生成回路１２は、電源回路１１により印加される交流電圧を所定の値まで昇圧させて火炎センサ１に印加する。本実施の形態においては、４００［ Ｖ ］の電圧が火炎センサ１にパルス状で印加される。

トリガ回路１３は、電源回路１１により印加される交流電圧の所定の値点を検出し、この検出結果をサンプリング回路１６に入力する。本実施の形態において、トリガ回路１３は、電圧値が最小となる最小値点を検出する。このように交流電圧について所定の値点を検出することにより、その交流電圧の１周期を検出することが可能となる。

分圧抵抗１４は、火炎センサ１の下流の端子電圧から参照電圧を生成し、電圧検出回路１５に入力する。ここで、火炎センサ１の端子電圧は、上述したように４００［ Ｖ ］という高電圧となっているので、そのまま電圧検出回路１５に入力すると電圧検出回路１ ５ に大きな負荷がかかることとなる。本実施の形態は、火炎センサ１の端子間電圧の実際の値ではなく、火炎センサ１の端子電圧の時間変化、すなわち単位時間毎の端子間電圧の値のパルス波形の形状に基づいて、火炎の有無を判定するものである。そこで、分圧抵抗１４により、火炎センサ１の端子間電圧の変化が表現され、かつ、電圧値が低い参照電圧を生成し、これを電圧検出回路１５に入力するようになっている。

電圧検出回路１５は、分圧抵抗１４から入力される参照電圧の電圧値を検出し、サンプリング回路１６に入力する。

サンプリング回路１６は、電圧検出回路１５から入力される参照電圧の電圧値と、トリガ回路１３から入力されるトリガ時点とに基づいて、火炎の有無を判定する。火炎が発生して火炎センサ１に紫外線が照射されている場合には、紫外線が電極に照射されて光電効果によりその電極から電子が放出され、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれが形成され、この電子なだれにより電流が急激に増加することにより発光を伴う電子の放出が生じる。そこで、サンプリング回路１６は、そのようなパルス状の電圧波形の形状に基づいて受光量を計算で求める。このようなサンプリング回路１６は、入力される参照電圧をＡ／Ｄ変換することにより電圧値および電圧波形を生成するＡ／Ｄ変換部１６１と、Ａ／Ｄ変換部１６１ により生成された電圧値および電圧波形を解析して、後述の演算を行う中央処理部１６３と、この中央処理部１６３による受光量に基づいて火炎の有無を判定する判定部１６４ とを有する。

（２）火炎検出の動作
次に、図２ を参照して、本実施の形態に係る火炎検出の概略動作について説明する。
まず、演算装置３は、印加電圧生成回路１２により火炎センサ１に対して高電圧を印加する。このような状態において、トリガ回路１３は、外部電源２から電源回路１１に入力される交流電圧、すなわち、印加電圧生成回路１２により火炎センサ１に印加される電圧の値が最小値点から立ち上がりでトリガをかける。

印加電圧が最小値点を通過すると、図２に示すような電圧値の時間変化を示す電圧波形が印加される。一例として、０．１［ ｍｓｅｃ］ 毎に電圧値を検出すると、外部電源２の周波数が６０［ Ｈｚ］とすると１周期が１６．７［ ｍｓｅｃ］ であるので、検出される電圧値は一周期では１６７個サンプルとなり、そのデータが中央処理部１６２に入力される。

本例において、火炎が発生していない場合、火炎センサ１の電極へ印加する電圧波形（端子１２ａ）は、図２の符号ａに示すように、正弦波状のなだらかな形状（ 以下、「通常波形」と言う。） を有している。一方で、火炎が発生して火炎センサ１ に紫外線が照射されている場合には、図２の符号ｂに示すように、電圧値が正の極値近傍で立ち下り、この立ち下がった位置が所定時間維持された後に正弦波状に戻る特徴的な形状（ 以下、「放電波形」と言う。） を有する。この最大電圧＝放電開始電圧のピークを電圧検出回路１５でとらえて放電回数の一つに捉えるのが本願発明の特徴の一つである。なお、図２の上部に示す矩形パルスでは、火炎センサ１の駆動をするパルス幅をＴで記している。

さて、実際の回路構成は直流形式で行うのが相応であるので、電源回路１１または印加電圧生成回路１２はＡＣ／ＤＣ変換器を内蔵し、そのＤＣ電圧出力を火炎センサ１に印加するようにする。そして、次の順序で放電確率を求める。
１．中央処理部１６３から幅Ｔに制御された矩形のトリガが印加電圧生成回路１２にかかると、トリガに同期して印加電圧が火炎センサ１に印加される。
２．火炎センサ１が放電しない場合、火炎センサ１に電流は流れず、その下流の抵抗１４はグランドに接続されているため電圧が発生しない。
３．火炎センサ１が放電した場合、火炎センサ１に電流が流れて、抵抗１４の両端に電位差が発生する。
４．火炎センサ１の下流に電圧が発生したか否かを電圧検出回路１５にて検出する。
５．中央処理部１６３は印加電圧生成回路１２に送った矩形トリガの数と、電圧検出回路１５が所定の電圧を検出した回数から放電確率を計算する。

（３）本願発明の基本原理
光電効果を利用した火炎検出システムは、次の動作原理に従って受光量が求まるので、その原理を説明する。

光電センサに光子が１個衝突したときに放電する確率をＰ_１として、光子が２個衝突したときに放電する確率Ｐ_２を考える。Ｐ_２は１個目の光子でも２個目の光子でも放電しない確率の逆になるので、Ｐ_２とＰ_１の関係は数式１に表される。

一般に、ｎ個の光子が当たったときに放電する確率とｍ個の光子が当たったときに放電する確率を、それぞれＰ_ｎ，Ｐ_ｍとすると、数式１と同様に数式２と数式３が成り立つ。

数式２と数式３から、Ｐ_ｎとＰ_ｍの関係として、数式４から数式６が導ける。

そして、単位時間当たりに電極に飛来してくる光子数をＥ、放電開始電圧以上の電圧を印加する時間（以下「パルス幅」と呼ぶ）をＴとすると、電圧印加一回あたりに電極に衝突する光子数はＥ＊Ｔで表される。

よって、同一の火炎センサをある条件Ａと別の条件Ｂで動作させた際の、Ｅ，Ｔ，および確率Ｐの関係は数式７の通りとなる。さらに、ここで、基準とする光子数をＥ_０，と定め、Ｑ＝Ｅ／Ｅ_０とすると、数式８が導かれる。このＱを受光量と呼ぶことにする。条件ごとの受光量はＱ_Ａ、Ｑ_Ｂである。

次に、本願発明の主要部をなす受光量演算フローを中央処理部１６３の動作で説明する。なお、中央処理部１６３はＣＰＵで構成される。

＜実施例１＞
図３のフローに基づき説明する（図中ステップをＳｎｎと呼ぶ）。
中央処理部１６３は火炎センサ１をパルス電圧で駆動し、火炎センサ１の駆動結果から火炎の受光量を算出すステップで成り立つものである。
・所定のトリガを受けてスタートする（Ｓ００）。
・火炎センサの駆動は印加電圧生成回路１２を動作させ、ある幅の矩形パルスＴで放電開始電圧以上の電圧を火炎センサ１に対して印加する（Ｓ０１）。
・ある回数繰り返して、パルスＴを火炎センサ１に加えることで、火炎センサ１が放電した回数を、電圧検出回路１５を通じて得られた信号によって、カウントする（Ｓ０２）。
・放電した回数と加えたパルス数から放電確率Ｐを算出する（Ｓ０３）。
・放電確率から受光量を算出する（Ｓ０４）。なお、放電確率が０又は１以外であった場合は下記の数式１０によりデジタル演算で求める。
・放電確率が０の場合は受光量０とする。１の場合は対象外とする（Ｓ０５）。

上の数式９、１０では、ある動作条件での受光量Ｑ_０、そのときのパルス幅Ｔ_０における放電確率Ｐ_０が既知であるとする。これは、例えば火炎センサ１の出荷検査において、定められた受光量とパルス幅における放電確率を測定しておいて、それを記憶部１６２に記憶されているものである。

このとき、受光量Ｑ、パルス幅Ｔ、放電確率Ｐの関係は数式９で求められるので、このようにＱ_０，Ｔ_０，Ｐ_０を火炎センサ１の感度パラメータと称する。
今、Ｑ_０，Ｔ_０，Ｐ_０が既知で記憶されている。パルス幅Ｔは実際に中央処理部１６３が印加電圧生成回路１２から出力するパルス幅なので既知数であり、実際に複数回のパルスを与えて、その時の放電回数を数えて放電確率Ｐを求めればよい。そうすれば、未知数である受光量Ｑは数式１０から一義的に算出することができる。

次に、本実施例を、以下に説明する。ここではある基準とする火炎センサをαと呼ぶ。αは交換前に火炎検出システムに装備されていた火炎センサでもよいし、あるいは仮想の火炎センサでもよい。そして、次に動作させる火炎センサをβと呼ぶ。それぞれの火炎センサについて、既知である受光量とパルス幅と放電確率の組み合わせを、
それぞれ（Ｑ_α０、Ｔ_α０、Ｐ_α０）、（Ｑ_β０、Ｔ_β０、Ｐ_β０）、とする。受光量Ｑを火炎センサαとβで測定し、それぞれの放電確率がＰであるときのパルス幅をＴ_α、Ｔ_βとする。

これらを数式９に代入すれば、数式１１と数式１２を得る。さらに、数式１１，１２から数式１３から数式１５が得られる。

底の変換を行って、数式１５が求まる。

以上の数式１５で求めたＱ_β／Ｑ_αを受光量比と呼ぶ。
それでは、この受光量比を用いて火炎センサの個体間の感度差を補正するステップを、
図４のフローに基づき述べる（図中ステップをＳｎｎと呼ぶ）
本調整ロジックは、上述の受光量演算処理の終了後に動作するが、受光量比だけをあらかじめ求めておくと効率がよい。中央処理部１６３が実行することに変わりはない。
・補正処理をスタートする（Ｓ１０）。
・調整したい所望の放電確率Ｐを設定する（Ｓ１１）。
・記憶部１６２から第一の火炎センサβにかかる既知の受光量Ｑ、パルス幅Ｔと放電確率Ｐの感度パラメータを取得する（Ｓ１２）。
・記憶部１６２から第二の火炎センサαにかかる既知の受光量Ｑ、パルス幅Ｔと放電確率Ｐの感度パラメータを取得する（Ｓ１３）
・受光量比を数式１５により求める（Ｓ１４）。
・第二の火炎センサβを用いた時の測定した放電確率から算出した受光量Ｑ_βを受光量比で除算する（Ｓ１５）。
このようにすれば、二つの火炎センサの個体間感度差を解消できる受光量が求まる。
あるいは、火炎有無の判断閾値は受光量比を乗算する（Ｓ１５’）ステップに移行すれば、
第一の火炎センサで設定した値をそのまま用いることができる。
このとおり当該閾値をＱ_β／Ｑ_α倍してもよいし、上記のステップで補正された受光量Ｑ_βに対してなら、前の閾値をそのまま使用してもよい。

次の数式１６〜２０はダミーであって、別実施例との対比の便宜のためである。

＜そのほかの実施例＞
次に、別の実施例を、以下に説明する。やはり、受光量Ｑを火炎センサαとβで測定し、それぞれの放電確率がＰであるときのパルス幅をＴ_α、Ｔ_βとする。

今度は受光量Ｑを火炎センサで共通にしてパルス幅ＴがＴα、Ｔβで独立とした。その結果、数式２１と数式２２を得る。さらに、数式２１，２２から数式２３から数式２５が得られる。

これをパルス幅比と称する。さらに展開して数式２５が求まる。

火炎センサβに対して、パルス幅を数式２５で示す値Ｔ_βに設定することで、同じ受光量の時に火炎センサαと同じ放電確率Ｐを火炎センサβで得ることができる。すなわち、感度補正された火炎検出結果を得ることができるのは、上例と同様である。受光量比の代わりに、数式２４のパルス幅比を用いるのである。以下、ソフトウエアフローについても同様であるので、省略する。

その他、種々の変形実施は可能である。また、本例では触れなかったが、火炎センサ１の外囲部にシャッター機能を設けて疑似火炎を検出するタイプの火炎検出システムに利用することも可能である。
そのような、設計事項的な変形を行ったとしても、本願発明の範囲に属するものである。

１ 火炎センサ
２ 外部電源
３ 演算装置
１１ 電源回路
１２ 印加電圧生成回路
１３ トリガ回路
１４ 分圧抵抗
１５ 電圧検出回路
１６ サンプリング回路
１６１ Ａ／Ｄ変換部
１６２ 記憶部
１６３ 中央処理部
１６４ 判定部
３００ バーナ火炎

Claims (3)

1. 光を検出する火炎センサと演算装置とからなる火炎検出システムであって、
   前記演算装置は、
   前記火炎センサの駆動をするパルスを生成する印加電圧生成部と、
   前記火炎センサに流れる電気信号を計測する電圧検出部と、
   前記火炎検出センサが有する感度パラメータをあらかじめ記憶する記憶部と、
   当該感度パラメータのうち既知の受光量、パルス幅、および放電確率のパラメータ、並びに、実際のパルス幅と計測した放電回数から得られる放電確率を用いて、当該火炎の受光量を求める中央処理部とを備える火炎検出システムにおいて、
   前記中央処理部は、
   第一の火炎センサにかかる感度パラメータと第二の火炎センサにかかる感度パラメータから、受光量をそれぞれ求めてその受光量比を計算して、火炎センサの個体間の感度差を補正することを特徴とする火炎検出システム。
2. 請求項１に記載の火炎検出システムにおいて、
   前記受光量比を用いて、第一の火炎センサにかかる火炎有無判断閾値に前記受光量比を乗じて第二の火炎センサにかかる火炎有無判断閾値に用いることを特徴とする火炎検出システム。
3. 請求項１に記載の火炎検出システムにおいて、
   前記受光量比に代えて、第一の火炎センサにかかる感度パラメータと第二の火炎センサにかかる感度パラメータから、受光量をそれぞれ求めてそのパルス幅比を計算して、火炎センサの個体間の感度差を補正することを特徴とする火炎検出システム。

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