JP2021131249A - 光検出システムおよび放電確率算出方法 - Google Patents

光検出システムおよび放電確率算出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光センサの非正規の放電の確率を算出する。【解決手段】光検出システムは、光センサ１と、光センサ１に駆動パルス電圧を印加する印加電圧生成回路１２と、光センサ１の放電を検出する放電判定部２０１と、光センサ１に光量が既知の追加光源１０１からの光を入射させるか、または追加光源１０１を消灯した第１の状態と、追加光源１０１の点灯／消灯の状態が第１の状態と異なり、駆動パルス電圧のパルス幅が第１の状態と同じ第２の状態のそれぞれについて放電確率を算出する放電確率算出部２０２と、光センサ１の感度パラメータを記憶する感度パラメータ記憶部１９と、感度パラメータと、第１、第２の状態のときの放電確率と、第１、第２の状態のときの駆動パルス電圧のパルス幅とに基づいて、光センサ１の非正規の放電の放電確率を算出する放電確率算出部２０３を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、火炎などの光を検出する光検出システムに関するものである。
燃焼炉等において火炎の光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光センサとして、光電管式紫外線センサが利用される場合がある。光電管式紫外線センサの放電には、光電効果による放電以外のノイズ成分による非正規な放電現象（疑放電）が起きることが観測されている。
特許文献１では、光センサに印加する駆動パルスのパルス幅を制御して放電の受光量を計算から求め、光量から火炎センサの寿命を判定することができる火炎検出システムが提案されている。しかし、実際の光センサの放電には故障と総称されるノイズによる非正規の放電が含まれており、火炎による光がない場合でも放電が起きてしまい、誤検出してしまう場合があった。そのような放電の誤検出を除去するために、ノイズ成分を考慮した放電確率の測定方法を考慮する必要がある。
また、特許文献２に開示された火炎検出システムでは、正規の放電以外のノイズ成分の放電確率を考慮した受光量の求め方が提案されており、精度よく火炎の有無を検出することを可能としている。しかしながら、特許文献２に開示された火炎検出システムでは、ノイズ成分の放電確率が既知である必要がある。
また、特許文献３に開示された故障検出装置では、光センサへ入射する電磁波を遮断するシャッタ機構を設けることで光センサの自己放電による故障を検出することが提案されている。しかしながら、特許文献３に開示された故障検出装置では、光センサの寿命による測定感度の変化で正規の放電と非正規の放電とを区別するための判別方法が無く、故障の検知を誤る可能性があった。
なお、以上の課題は、火炎検出システムに限らず、光センサを用いる光検出システムにおいて同様に発生する。
特開２０１８−８４４２２号公報 特開２０１８−８４４２３号公報 特開平０５−０１２５８１号公報
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光センサの受光量に依存して発生する、光センサの光電効果による放電以外のノイズ成分による非正規の放電の放電確率を算出することができる光検出システム、および放電確率算出方法を提供することを目的とする。
本発明の光検出システムは、第１の光源から放出される光を検出するように構成された光センサと、発生した光が前記第１の光源からの光と共に前記光センサに入射するように設置された、光量が既知の第２の光源と、前記第２の光源の点灯／消灯を制御するように構成された光源制御部と、前記光センサの電極に駆動パルス電圧を周期的に印加するように構成された印加電圧生成部と、前記光センサの放電電流を検出するように構成された電流検出部と、この電流検出部によって検出された放電電流に基づいて前記光センサの放電を検出するように構成された放電判定部と、前記第２の光源が点灯または消灯した第１の状態と、前記第２の光源の点灯／消灯の状態が前記第１の状態と異なり、かつ前記駆動パルス電圧のパルス幅が前記第１の状態と同じ第２の状態のそれぞれについて、前記印加電圧生成部による前記駆動パルス電圧の印加回数と、この駆動パルス電圧の印加中に前記放電判定部によって検出された放電の回数とに基づいて放電確率を算出するように構成された第１の放電確率算出部と、前記光センサの既知の感度パラメータとして、前記駆動パルス電圧の基準パルス幅と、前記光センサの基準受光量と、前記駆動パルス電圧のパルス幅が前記基準パルス幅で前記光センサの受光量が前記基準受光量のときの正規の放電の放電確率と、前記第１の状態と前記第２の状態とにおける前記光センサの受光量の差とを予め記憶するように構成された記憶部と、前記記憶部に記憶されている感度パラメータと、前記第１、第２の状態のときに前記第１の放電確率算出部によって算出された放電確率と、前記第１、第２の状態のときの前記駆動パルス電圧のパルス幅とに基づいて、前記駆動パルス電圧のパルス幅に依存せずに発生しかつ前記光センサの受光量に依存して発生する、前記光センサの光電効果による放電以外のノイズ成分による非正規の放電の放電確率を算出するように構成された第２の放電確率算出部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光検出システムの１構成例において、前記第２の放電確率算出部は、前記駆動パルス電圧の基準パルス幅Ｔ0、前記光センサの基準受光量Ｑ0、前記正規の放電の放電確率ＰaA、前記第１の状態と前記第２の状態とにおける前記光センサの受光量の差Ｑ1−Ｑ2、前記第１の状態のときに前記第１の放電確率算出部によって算出された放電確率1Ｐ、前記第２の状態のときに前記第１の放電確率算出部によって算出された放電確率2Ｐ、前記第１、第２の状態のときの前記駆動パルス電圧のパルス幅Ｔに基づいて、前記非正規の放電の放電確率ＰbAを算出することを特徴とするものである。
また、本発明の光検出システムの放電確率算出方法は、第１の光源から放出される光を検出する光センサに光量が既知の第２の光源からの光を入射させるか、または前記第２の光源を消灯した第１の状態のときに、前記光センサの電極に駆動パルス電圧を周期的に印加する第１のステップと、前記第１の状態のときの前記光センサの放電電流を検出する第２のステップと、前記第１の状態のときの前記放電電流に基づいて前記光センサの放電を検出する第３のステップと、前記第１のステップによる前記駆動パルス電圧の印加回数と、この駆動パルス電圧の印加中に前記第３のステップで検出した放電の回数とに基づいて前記第１の状態のときの放電確率を算出する第４のステップと、前記第２の光源の点灯／消灯の状態が前記第１の状態と異なり、かつ前記駆動パルス電圧のパルス幅が前記第１の状態と同じ第２の状態のときに前記光センサの電極に駆動パルス電圧を周期的に印加する第５のステップと、前記第２の状態のときの前記光センサの放電電流を検出する第６のステップと、前記第２の状態のときの前記放電電流に基づいて前記光センサの放電を検出する第７のステップと、前記第５のステップによる前記駆動パルス電圧の印加回数と、この駆動パルス電圧の印加中に前記第７のステップで検出した放電の回数とに基づいて前記第２の状態のときの放電確率を算出する第８のステップと、前記光センサの既知の感度パラメータとして、前記駆動パルス電圧の基準パルス幅と、前記光センサの基準受光量と、前記駆動パルス電圧のパルス幅が前記基準パルス幅で前記光センサの受光量が前記基準受光量のときの正規の放電の放電確率と、前記第１の状態と前記第２の状態とにおける前記光センサの受光量の差とを予め記憶する記憶部を参照し、この記憶部に記憶されている感度パラメータと、前記第４、第８のステップで算出した放電確率と、前記第１、第２の状態のときの前記駆動パルス電圧のパルス幅とに基づいて、前記駆動パルス電圧のパルス幅に依存せずに発生しかつ前記光センサの受光量に依存して発生する、前記光センサの光電効果による放電以外のノイズ成分による非正規の放電の放電確率を算出する第９のステップとを含むことを特徴とするものである。
本発明によれば、検出対象の第１の光源とは別に、光量が既知の第２の光源と光源制御部とを設け、さらに印加電圧生成部と電流検出部と放電判定部と第１の放電確率算出部と記憶部と第２の放電確率算出部とを設けることにより、駆動パルス電圧のパルス幅に依存せずに発生しかつ光センサの受光量に依存して発生する、光センサの光電効果による放電以外のノイズ成分による非正規の放電の放電確率を算出することができる。その結果、本発明では、この非正規の放電の放電確率に基づく光センサの寿命判定を実現することが可能となる。
図１は、本発明の実施例に係る光検出システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例において光センサに印加される駆動パルス、および電流検出回路において検出される検出電圧を示す波形図である。 図３は、本発明の実施例に係る光検出システムの動作を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の実施例に係る光検出システムの動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施例に係る光検出システムの別の動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の実施例に係る光検出システムを実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
［実施例］
以下、ノイズ成分による非正規の放電の測定方法と受光量の測定方法について説明する。光電効果を利用した光センサは、光子が電極に当たることで通電する光電管である。通電は次の条件で進行する。
［光センサの動作］
光センサの１対の電極間に電圧を印加した状態において、一方の電極に光子が当たると、ある確率で光電子が飛び出し、電子なだれを起こしながら通電する（電極間に放電電流が流れる）。
電極間に電圧が掛かっている間、光センサは通電し続ける。あるいは、光センサの通電が確認されたら直ちに電圧を下げることで通電が停止する。このように、光センサは、電極間の電圧が下がると、通電を終了する。
光センサの電極に光子が１個当たったときに、光センサが放電する確率をＰ1とする。また、光センサの電極に光子が２個当たったときに、光センサが放電する確率をＰ2とする。Ｐ2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なので、Ｐ2とＰ1の関係は、式（１）のように表される。
Figure 2021131249
一般にｎ個の光子が光センサの電極に当たったときに光センサが放電する確率をＰn、ｍ個の光子が光センサの電極に当たったときに光センサが放電する確率をＰmとすると（ｎ，ｍは自然数）、式（１）と同様に式（２）と式（３）が成り立つ。
Figure 2021131249
式（２）と式（３）から、ＰnとＰmの関係として式（４）が導ける。
Figure 2021131249
単位時間あたりに光センサの電極に飛来してくる光子の数をＥ、光センサの放電開始電圧以上の電圧を電極間に印加する時間（以下パルス幅と呼ぶ）をＴとすると、電圧印加１回あたりに電極に衝突する光子の数はＥＴで表される。よって、同一の光センサを、ある条件Ａと別の条件Ｂで動作させた際の、光子数Ｅ、パルス幅Ｔ、放電確率Ｐの関係は式（５）のとおりとなる。ここで、基準とする光子数をＥ0と定め、Ｑ＝Ｅ／Ｅ0とすると、式（６）となる。ここで、Ｑを受光量と呼ぶこととする。
Figure 2021131249
［光検出システムの構成と動作］
図１は本発明の実施例に係る光検出システムの構成を示すブロック図である。光検出システムは、光センサを駆動し、光センサの駆動結果から放電確率と光源からの受光量とを算出するものである。この光検出システムは、炎やＬＥＤやランプなどの光源１００（第１の光源）から生じる光（紫外線）を検出する光センサ１と、外部電源２と、光センサ１および外部電源２が接続された演算装置３と、発生した光が光源１００からの光と共に光センサ１に入射するように設置された追加光源１０１（第２の光源）とを備えている。
光センサ１は、両端部が塞がれた円筒状の外囲器と、この外囲器の両端部を貫通する２本の電極ピンと、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光電管から構成されている。このような光センサ１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、光源１００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、電極間に放電電流が流れる。
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、光センサ１の下流側の端子１ｂと接地ラインＧＮＤとの間に直列に接続された抵抗Ｒ１とＲ２とからなる分圧抵抗１４と、この分圧抵抗１４の抵抗Ｒ１とＲ２との接続点Ｐａに生じる電圧（参照電圧）Ｖａを光センサ１に流れる電流Ｉとして検出する電流検出回路１５と、印加電圧生成回路１２とトリガ回路１３と電流検出回路１５とが接続された処理回路１６と、追加光源１０１の点灯／消灯を制御する光源制御部２１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。また、演算装置３の駆動用の電力は、電源回路１１より取得される。ただし、交流／直流を問わず別電源から駆動用の電力を取得するように構成することもできる。
印加電圧生成回路１２（印加電圧生成部）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光センサ１に印加する。本実施例では、処理回路１６からの矩形パルスＰＳと同期した２００［Ｖ］のパルス状の電圧（光センサ１の放電開始電圧ＶST以上の電圧）を駆動パルス電圧ＰＭとして生成し、この生成した駆動パルス電圧ＰＭを光センサ１に印加する。図２に光センサ１に印加される駆動パルス電圧ＰＭを示す。駆動パルス電圧ＰＭは、処理回路１６からの矩形パルスＰＳと同期しており、そのパルス幅Ｔは矩形パルスＰＳのパルス幅と等しい。処理回路１６からの矩形パルスＰＳについては後述する。
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、この検出結果を処理回路１６に入力する。本実施例において、トリガ回路１３は、電圧値が最小となる最小値点を所定の値点（トリガ時点）として検出する。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、抵抗Ｒ１とＲ２との分圧電圧として参照電圧Ｖａを生成し、電流検出回路１５に入力する。ここで、光センサ１の上流側の端子１ａに印加される駆動パルスＰＭの電圧値は、上述したように２００［Ｖ］という高電圧となっているので、光センサ１の電極間に電流が流れた時にその下流側の端子１ｂに生じる電圧をそのまま電流検出回路１５に入力すると電流検出回路１５に大きな負荷がかかることとなる。このため、本実施例では、分圧抵抗１４によって電圧値が低い参照電圧Ｖａを生成し、これを電流検出回路１５に入力するようにしている。
電流検出回路１５（電流検出部）は、分圧抵抗１４から入力される参照電圧Ｖａを光センサ１の放電電流Ｉとして検出し、この検出した参照電圧Ｖａを検出電圧Ｖｐｖとして処理回路１６に入力する。
処理回路１６は、矩形パルス生成部１７と、Ａ／Ｄ変換部１８と、感度パラメータ記憶部１９と、中央処理部２０とを備えている。
矩形パルス生成部１７は、トリガ回路１３がトリガ時点を検出する毎に、すなわち電源回路１１からトリガ回路１３に印加される交流電圧の１周期毎に、パルス幅Ｔの矩形パルスＰＳを生成する。この矩形パルス生成部１７が生成する矩形パルスＰＳが印加電圧生成回路１２へ送られる。矩形パルス生成部１７と印加電圧生成回路１２とは、駆動パルス電圧ＰＭのパルス幅を調整可能である。すなわち、矩形パルス生成部１７が矩形パルスＰＳのパルス幅を所望の値に設定することにより、矩形パルスＰＳと等しいパルス幅の駆動パルス電圧ＰＭが印加電圧生成回路１２から出力される。
Ａ／Ｄ変換部１８は、電流検出回路１５からの検出電圧ＶｐｖをＡ／Ｄ変換し、中央処理部２０へ送る。
中央処理部２０は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、放電判定部２０１と、放電確率算出部２０２，２０３と、パルス印加数積算部２０４と、印加数判定部２０５と、受光量算出部２０６と、受光量判定部２０７として機能する。
中央処理部２０において、放電判定部２０１は、電流検出回路１５によって検出された光センサ１の放電電流に基づいて光センサ１の放電を検出する。具体的には、放電判定部２０１は、光センサ１に駆動パルス電圧ＰＭが印加される毎（矩形パルスＰＳが生成される毎）に、Ａ／Ｄ変換部１８から入力される検出電圧Ｖｐｖと予め定められている閾値電圧Ｖｔｈとを比較し（図２参照）、検出電圧Ｖｐｖが閾値電圧Ｖｔｈを超えた場合に光センサ１が放電したと判定し、放電回数ｎを１増やす。
放電確率算出部２０２は、光センサ１に印加された駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎが所定数を超えたとき（矩形パルスＰＳのパルス数が所定数を超えたとき）に、放電判定部２０１によって検出された放電回数ｎと駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎとから光センサ１の放電確率Ｐを算出する。
この放電確率Ｐをフレーム信号として出力する。ある動作条件、受光量Ｑ0（Ｑ0≠０）、パルス幅Ｔ0における放電確率Ｐ0が既知であるとする。例えば光検出システム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Ｐを測定しておく方法がある。このとき、受光量Ｑ、パルス幅Ｔ、放電確率Ｐの関係は、式（７）となる。ただし、Ｐ＝０はＱ＝０とする。本発明では、Ｐ＝０のときとＰ＝１のときは、受光量Ｑの算出処理から除外する。
Figure 2021131249
いま、Ｑ0，Ｔ0，Ｐ0が既知で、Ｔは光検出システムが制御しているパルス幅なので既知である。複数回の駆動パルス電圧ＰＭを光センサ１に印加し、放電回数ｎを測定し、放電確率Ｐを算出すれば、未知数である受光量Ｑを式（７）から算出することができる。この受光量Ｑをフレーム信号として出力してもよい。
［ノイズを考慮した光検出システムの動作］
式（７）から、ある動作条件、受光量Ｑ0、パルス幅Ｔ0における放電確率ＰaAが既知であるとし、受光量Ｑ、パルス幅Ｔ、放電確率Ｐの関係は、式（８）で与えられる。
Figure 2021131249
光センサ１の放電と時間との関係としては、下記の２とおりが考えられる。
（ａ）駆動パルス電圧ＰＭの印加中に一律の確率で現れる放電（式（８））。
（ｂ）駆動パルス電圧ＰＭの立ち上がり若しくは立ち下がり時に現れる放電。
次に、光センサ１の放電と受光量との関係は、下記の２とおりが考えられる。
（Ａ）受光量と式（８）の関係に従って現れる放電。
（Ｂ）受光量と無関係に表れる放電。
Figure 2021131249
表１のマトリクスのとおり、（ａ）、（ｂ）と（Ａ）、（Ｂ）の組み合わせで光センサ１のノイズ放電を類型できる。本発明では、（ａ）と（Ａ）の組み合わせ（ａＡ）、（ａ）と（Ｂ）の組み合わせ（ａＢ）、（ｂ）と（Ａ）の組み合わせ（ｂＡ）、（ｂ）と（Ｂ）の組み合わせ（ｂＢ）が確実に観測される可能性が高いと考えられる。
ａＡの組み合わせの放電は、「感度」と呼ばれる正常な放電（式（８）に組み込み済み）である。ａＢの組み合わせの放電は、熱電子などがトリガとなる紫外線量に無関係な放電である。ｂＡの組み合わせの放電は、突入電流や残存イオンにより駆動パルス電圧の立ち上がり若しくは立ち下がり時に限定的に発生する放電のうち光量に依存する放電である。ｂＢの組み合わせの放電は、突入電流や残存イオンにより駆動パルス電圧の立ち上がり若しくは立ち下がり時に限定的に発生する放電のうち光量に依存しない放電である。
なお、表１に類型化したものはＵＶ（ultraviolet）故障モードの全てではない。例えば放電が切れない、感度波長が異なるなど、表１に含まれない故障モードがある。
以上のａＡの放電と３種のａＢ，ｂＡ，ｂＢのノイズ放電とは、式（９）の形で表すことができる。
Figure 2021131249
式（９）において、ＰaBは受光量Ｑ、パルス幅ＴにおけるａＢの放電確率、ＰbAは受光量Ｑ、パルス幅ＴにおけるｂＡの放電確率、ＰbBは受光量Ｑ、パルス幅ＴにおけるｂＢの放電確率である。
［放電確率ＰbAの算出方法］
式（９）において、放電確率ＰbAが未知数で、放電確率ＰaB，ＰbBが既知であるとする。例えば光源１００に加えて、光量が既知の追加光源１０１を点灯させたときの受光量をＱ1、追加光源１０１を消灯した状態の光源１００のみのときの受光量をＱ2（Ｑ1≠Ｑ2）とすると、受光量Ｑ1とＱ2との差は追加光源１０１の光量となるので、受光量Ｑ1，Ｑ2が未知の値であっても、Ｑ1−Ｑ2は既知の値となる。受光量Ｑ1のときの放電確率を1Ｐとして、受光量Ｑ1と放電確率1Ｐとを式（９）に代入すると、式（１０）となる。
Figure 2021131249
また、受光量Ｑ2のときの放電確率を2Ｐとして、受光量Ｑ2と放電確率2Ｐとを式（９）に代入すると、式（１１）となる。
Figure 2021131249
式（１０）を式（１１）で除すると、式（１２）となる。
Figure 2021131249
放電確率ＰbAが未知で放電確率ＰaAが既知であるとすると、式（１３）のように放電確率ＰbAを求めることができる。
Figure 2021131249
したがって、受光量Ｑ1，Ｑ2のときの放電確率1Ｐ，2Ｐをそれぞれ測定すれば、放電確率ＰbAを得ることができる。
［受光量Ｑの算出方法］
式（９）において、放電確率ＰaBおよびＰbBが既知であるとする。上記と同様に、受光量Ｑ1，Ｑ2のときの放電確率をそれぞれ1Ｐ，2Ｐとすると、式（１２）が得られ、式（１２）を変形すると式（１４）となる。
Figure 2021131249
放電確率ＰaB，ＰbBが既知であるため、式（９）を変形して式（１５）を得る。
Figure 2021131249
式（１５）に式（１４）を代入して変形すると、式（１６）のように受光量Ｑを得ることができる。
Figure 2021131249
したがって、放電確率ＰaA，ＰbAのうち少なくとも一方が未知数の場合でも、検出対象の光源１００に加えて、光量が既知の追加光源１０１を使用することで、式（１６）のように受光量Ｑを得ることができる。
以下、本実施例の光検出システムの動作について更に詳細に説明する。図３、図４は本実施例の光検出システムの動作を説明するフローチャートである。
まず、放電確率算出部２０２は、光源制御部２１に追加光源１０１を点灯するよう指示した後に、矩形パルス生成部１７に指示して駆動パルス電圧ＰＭの印加を開始させる。
放電確率算出部２０２からの指示に応じて、光源制御部２１は、追加光源１０１を点灯させる（図３ステップＳ１００）。このときの光センサ１の受光量は未知の値Ｑ1である。追加光源１０１としては、例えばＬＥＤがある。
放電確率算出部２０２からの指示に応じて、矩形パルス生成部１７は、矩形パルスＰＳのパルス幅を所定の値Ｔに設定する。このパルス幅の設定により、印加電圧生成回路１２は、パルス幅Ｔの駆動パルス電圧ＰＭを光センサ１の１対の端子１ａ，１ｂ間に印加する（図３ステップＳ１０１）。
放電判定部２０１は、電流検出回路１５からの検出電圧Ｖｐｖと予め定められている閾値電圧Ｖｔｈとを比較し、検出電圧Ｖｐｖが閾値電圧Ｖｔｈを超えた場合に光センサ１が放電したと判定する。放電判定部２０１は、光センサ１が放電したと判定すると、これを１回として放電回数ｎ1をカウントする（図３ステップＳ１０２）。放電回数ｎ1と後述する駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ1の初期値が共に０であることは言うまでもない。こうして、ステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理が繰り返し実行される。
パルス印加数積算部２０４は、矩形パルス生成部１７から出力される矩形パルスＰＳを数えることにより、駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ1を数える。
印加数判定部２０５は、駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ1を所定数Ｎｔｈと比較する。
放電確率算出部２０２は、ステップＳ１０１による駆動パルス電圧ＰＭの印加開始時からの駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ1が所定数Ｎｔｈを超えたと印加数判定部２０５が判定したとき（図３ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、このときの駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ1と放電判定部２０１によって検出された放電回数ｎ1とに基づいて、式（１７）により放電確率1Ｐを算出する（図３ステップＳ１０４）。
1Ｐ＝ｎ1／Ｎ1 ・・・（１７）
放電確率1Ｐの算出後、放電確率算出部２０２は、光源制御部２１に追加光源１０１を消灯するよう指示した後に、矩形パルス生成部１７に指示して駆動パルス電圧ＰＭの印加を開始させる。放電確率算出部２０２からの指示に応じて、光源制御部２１は、追加光源１０１を消灯させる（図３ステップＳ１０５）。このときの光センサ１の受光量は未知の値Ｑ2である。上記のとおり、Ｑ1−Ｑ2は既知の値である。
放電確率算出部２０２からの指示に応じて、矩形パルス生成部１７は、矩形パルスＰＳの出力を一旦停止した後、矩形パルスＰＳのパルス幅を再度、所定の値Ｔに設定する。このパルス幅の設定により、印加電圧生成回路１２は、パルス幅Ｔの駆動パルス電圧ＰＭを光センサ１の１対の端子１ａ，１ｂ間に印加する（図３ステップＳ１０６）。
放電判定部２０１は、上記と同様に電流検出回路１５からの検出電圧Ｖｐｖと閾値電圧Ｖｔｈとを比較し、検出電圧Ｖｐｖが閾値電圧Ｖｔｈを超えた場合に光センサ１が放電したと判定し、放電回数ｎ2を１増やす（図３ステップＳ１０７）。放電回数ｎ2と後述する駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ2の初期値が共に０であることは言うまでもない。こうして、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理が繰り返し実行される。
放電確率算出部２０２は、ステップＳ１０６による駆動パルス電圧ＰＭの印加開始時からの駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ2が所定数Ｎｔｈを超えたと印加数判定部２０５が判定したとき（図３ステップＳ１０８においてＹＥＳ）、このときの駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ2と放電判定部２０１によって検出された放電回数ｎ2とに基づいて、式（１８）により放電確率2Ｐを算出する（図３ステップＳ１０９）。
2Ｐ＝ｎ2／Ｎ2 ・・・（１８）
感度パラメータ記憶部１９には、光センサ１の既知の感度パラメータとして、光センサ１の基準受光量Ｑ0と、駆動パルス電圧ＰＭの基準パルス幅Ｔ0と、駆動パルス電圧ＰＭのパルス幅が基準パルス幅Ｔ0で光センサ１の受光量が基準受光量Ｑ0のときの正規の放電の放電確率ＰaAと、非正規の放電の放電確率ＰaB，ＰbBと、追加光源１０１点灯時と消灯時の受光量の差Ｑ1−Ｑ2とが予め記憶されている。
放電確率ＰaBは、上記のとおり駆動パルス電圧ＰＭのパルス幅に依存して発生しかつ光センサ１の受光量に依存せずに発生する、光センサ１の光電効果による放電以外のノイズ成分による放電の確率である。放電確率ＰbBは、駆動パルス電圧ＰＭのパルス幅と光センサ１の受光量とに依存せずに発生する、光センサ１の光電効果による放電以外のノイズ成分による放電の確率である。
感度パラメータ記憶部１９に記憶される感度パラメータについては、例えば光検出システムの出荷検査において予め測定しておくものとする。なお、上記のパルス幅Ｔは、基準パルス幅Ｔ0と同じでもよい。
放電確率2Ｐの算出後、放電確率算出部２０３は、放電確率算出部２０２によって算出された放電確率1Ｐ，2Ｐと、放電確率1Ｐ，2Ｐを求めたときの駆動パルス電圧ＰＭのパルス幅Ｔと、感度パラメータ記憶部１９に記憶されているパラメータＴ0，Ｑ0，ＰaA，Ｑ1−Ｑ2とに基づいて、放電確率ＰbAを、式（１３）により算出する（図３ステップＳ１１０）。放電確率ＰbAは、上記のとおり駆動パルス電圧ＰＭのパルス幅に依存せずに発生しかつ光センサ１の受光量に依存して発生する、光センサ１の光電効果による放電以外のノイズ成分による放電の確率である。
受光量算出部２０６は、放電確率算出部２０３によって算出された放電確率ＰbAが０より大きくかつ１未満の場合（図３ステップＳ１１１においてＹＥＳ）、受光量Ｑの算出処理に進み、矩形パルス生成部１７に指示して駆動パルス電圧ＰＭの印加を開始させる。また、受光量算出部２０６は、放電確率ＰbAが０の場合（ステップＳ１１１においてＮＯ）、受光量Ｑを０とするか、あるいは受光量Ｑを算出不可とする例外処理を行う（図３ステップＳ１１２）。また、受光量算出部２０６は、放電確率ＰbAが１の場合（ステップＳ１１１においてＮＯ）、受光量Ｑを算出不可とする例外処理を行う（ステップＳ１１２）。
受光量算出部２０６からの指示に応じて、矩形パルス生成部１７は、矩形パルスＰＳの出力を一旦停止した後、矩形パルスＰＳのパルス幅を再度、所定の値Ｔに設定する。このパルス幅の設定により、印加電圧生成回路１２は、パルス幅Ｔの駆動パルス電圧ＰＭを光センサ１の１対の端子１ａ，１ｂ間に印加する（図３ステップＳ１１３）。
放電判定部２０１は、上記と同様に電流検出回路１５からの検出電圧Ｖｐｖと閾値電圧Ｖｔｈとを比較し、検出電圧Ｖｐｖが閾値電圧Ｖｔｈを超えた場合に光センサ１が放電したと判定し、放電回数ｎ3を１増やす（図３ステップＳ１１４）。放電回数ｎ3と後述する駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ3の初期値が共に０であることは言うまでもない。こうして、ステップＳ１１３，Ｓ１１４の処理が繰り返し実行される。
放電確率算出部２０２は、ステップＳ１１３による駆動パルス電圧ＰＭの印加開始時からの駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ3が所定数Ｎｔｈを超えたと印加数判定部２０５が判定したとき（図３ステップＳ１１５においてＹＥＳ）、このときの駆動パルス電圧ＰＭの印加回数Ｎ3と放電判定部２０１によって検出された放電回数ｎ3とに基づいて、式（１９）により放電確率Ｐを算出する（図３ステップＳ１１６）。
Ｐ＝ｎ3／Ｎ3 ・・・（１９）
受光量算出部２０６は、放電確率算出部２０２によって算出された放電確率Ｐが０より大きくかつ１未満である場合（図４ステップＳ１１７においてＹＥＳ）、放電確率算出部２０２によって算出された放電確率1Ｐ，2Ｐ，Ｐと、放電確率1Ｐ，2Ｐ，Ｐを求めたときの駆動パルス電圧ＰＭのパルス幅Ｔと、感度パラメータ記憶部１９に記憶されているパラメータＴ0，ＰaB，ＰbB，Ｑ1−Ｑ2とに基づいて、式（１６）により受光量Ｑを算出する（図４ステップＳ１１８）。
また、受光量算出部２０６は、放電確率算出部２０２によって算出された放電確率Ｐが０の場合（ステップＳ１１７においてＮＯ）、受光量Ｑを０とするか、あるいは受光量Ｑを算出不可とする例外処理を行う（図４ステップＳ１１９）。また、受光量算出部２０６は、放電確率Ｐが１の場合（ステップＳ１１７においてＮＯ）、受光量Ｑを算出不可とする例外処理を行う（ステップＳ１１９）。
次に、受光量判定部２０７は、受光量算出部２０６によって算出された受光量Ｑと所定の受光量閾値Ｑｔｈとを比較し（図４ステップＳ１２０）、受光量Ｑが受光量閾値Ｑｔｈを超えた場合（ステップＳ１２０においてＹＥＳ）、火炎有りと判定する（図４ステップＳ１２１）。また、受光量判定部２０７は、受光量Ｑが受光量閾値Ｑｔｈ以下の場合（ステップＳ１２０においてＮＯ）、火炎無しと判定する（図４ステップＳ１２２）。
以上の説明から分かるように、本実施例では、駆動パルス電圧ＰＭのパルス幅に依存せずに発生しかつ光センサ１の受光量に依存して発生する非正規の放電の放電確率ＰbAを算出することができる。光センサ１の劣化に伴って放電確率ＰbAが変化すると考えられるので、放電確率ＰbAに基づく光センサ１の寿命判定を実現することが可能となる。
また、本実施例では、放電確率ＰaA，ＰbAのうち少なくとも一方が未知数の場合でも、ノイズ成分を除外した受光量Ｑを算出することができ、求めた受光量Ｑから火炎の有無を精度良く検出することが可能となる。また、本実施例では、ノイズ成分を含む受光量Ｑにより光センサ１の誤った寿命判定をしてしまう可能性を低減することができる。
なお、放電確率ＰbAのみを算出する場合には、受光量算出部２０６と受光量判定部２０７とステップＳ１１１以降の処理は不要である。
また、受光量Ｑのみを算出する場合には、放電確率算出部２０３は不要である。ただし、放電確率算出部２０３を設けない場合、図３のステップＳ１１０，Ｓ１１１の処理を行うことができなくなる。そこで、放電確率算出部２０３を設けない場合には、図３の処理の代わりに図５に示す処理を行えばよい。図５のステップＳ１００〜Ｓ１０９の処理は、図３で説明したとおりである。
放電確率2Ｐの算出後、受光量算出部２０６は、放電確率算出部２０２によって算出された放電確率1Ｐ，2Ｐが０より大きくかつ１未満の場合（図５ステップＳ１１１ａにおいてＹＥＳ）、受光量Ｑの算出処理に進み、矩形パルス生成部１７に指示して駆動パルス電圧ＰＭの印加を開始させる（図５ステップＳ１１３）。
また、受光量算出部２０６は、放電確率算出部２０２によって算出された放電確率1Ｐ，2Ｐのうち少なくとも一方が０の場合（ステップＳ１１１ａにおいてＮＯ）、受光量Ｑを０とするか、あるいは受光量Ｑを算出不可とする例外処理を行う（図５ステップＳ１１２）。また、受光量算出部２０６は、放電確率1Ｐ，2Ｐのうち少なくとも一方が１の場合（ステップＳ１１１ａにおいてＮＯ）、受光量Ｑを算出不可とする例外処理を行う（ステップＳ１１２）。ステップＳ１１３〜Ｓ１１６の処理は図３で説明したとおりである。ステップＳ１１７以降の処理は図４で説明したとおりなので、図示は省略する。
また、本実施例では、追加光源１０１を点灯した状態を第１の状態とし、追加光源１０１を消灯した状態を第２の状態として、Ｑ1−Ｑ2を正の値（Ｑ1＞Ｑ2）としているが、Ｑ1−Ｑ2を負の値（Ｑ1＜Ｑ2）としてもよい。
具体的には、放電確率算出部２０２は、図３、図５のステップＳ１００において追加光源１０１を消灯状態（第１の状態）とし、図３、図５のステップＳ１０５において追加光源１０１を点灯させるようにすればよい（第２の状態）。ただし、ステップＳ１０５で追加光源１０１を点灯させた場合、放電確率算出部２０２は、放電確率2Ｐの算出後に光源制御部２１に指示して追加光源１０１を消灯させる必要がある。
本実施例では、光源１００が火炎の場合を例に挙げて説明しているが、本発明の光検出システムは火炎以外の光源１００にも適用可能である。
本実施例で説明した感度パラメータ記憶部１９と中央処理部２０とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶装置とインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。
このコンピュータの構成例を図６に示す。コンピュータは、ＣＰＵ３００と、記憶装置３０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）３０２とを備えている。Ｉ／Ｆ３０２には、印加電圧生成回路１２と矩形パルス生成部１７とＡ／Ｄ変換部１８と光源制御部２１などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の放電確率算出方法および受光量測定方法を実現させるためのプログラムは記憶装置３０１に格納される。ＣＰＵ３００は、記憶装置３０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。
本発明は、火炎検出システムに適用することができる。また、本発明は、火炎以外の光の検出に対しても適用できる。
１…光センサ、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…電流検出回路、１６…処理回路、１７…矩形パルス生成部、１８…Ａ／Ｄ変換部、１９…感度パラメータ記憶部、２０…中央処理部、２１…光源制御部、１００…光源、１０１…追加光源、２０１…放電判定部、２０２，２０３…放電確率算出部、２０４…パルス印加数積算部、２０５…印加数判定部、２０６…受光量算出部、２０７…受光量判定部。

Claims (4)

  1. 第１の光源から放出される光を検出するように構成された光センサと、
    発生した光が前記第１の光源からの光と共に前記光センサに入射するように設置された、光量が既知の第２の光源と、
    前記第２の光源の点灯／消灯を制御するように構成された光源制御部と、
    前記光センサの電極に駆動パルス電圧を周期的に印加するように構成された印加電圧生成部と、
    前記光センサの放電電流を検出するように構成された電流検出部と、
    この電流検出部によって検出された放電電流に基づいて前記光センサの放電を検出するように構成された放電判定部と、
    前記第２の光源が点灯または消灯した第１の状態と、前記第２の光源の点灯／消灯の状態が前記第１の状態と異なり、かつ前記駆動パルス電圧のパルス幅が前記第１の状態と同じ第２の状態のそれぞれについて、前記印加電圧生成部による前記駆動パルス電圧の印加回数と、この駆動パルス電圧の印加中に前記放電判定部によって検出された放電の回数とに基づいて放電確率を算出するように構成された第１の放電確率算出部と、
    前記光センサの既知の感度パラメータとして、前記駆動パルス電圧の基準パルス幅と、前記光センサの基準受光量と、前記駆動パルス電圧のパルス幅が前記基準パルス幅で前記光センサの受光量が前記基準受光量のときの正規の放電の放電確率と、前記第１の状態と前記第２の状態とにおける前記光センサの受光量の差とを予め記憶するように構成された記憶部と、
    前記記憶部に記憶されている感度パラメータと、前記第１、第２の状態のときに前記第１の放電確率算出部によって算出された放電確率と、前記第１、第２の状態のときの前記駆動パルス電圧のパルス幅とに基づいて、前記駆動パルス電圧のパルス幅に依存せずに発生しかつ前記光センサの受光量に依存して発生する、前記光センサの光電効果による放電以外のノイズ成分による非正規の放電の放電確率を算出するように構成された第２の放電確率算出部とを備えることを特徴とする光検出システム。
  2. 請求項１記載の光検出システムにおいて、
    前記第２の放電確率算出部は、前記駆動パルス電圧の基準パルス幅をＴ0、前記光センサの基準受光量をＱ0、前記正規の放電の放電確率をＰaA、前記第１の状態と前記第２の状態とにおける前記光センサの受光量の差をＱ1−Ｑ2、前記第１の状態のときに前記第１の放電確率算出部によって算出された放電確率を1Ｐ、前記第２の状態のときに前記第１の放電確率算出部によって算出された放電確率を2Ｐ、前記第１、第２の状態のときの前記駆動パルス電圧のパルス幅をＴ、前記非正規の放電の放電確率をＰbAとしたとき、
    Figure 2021131249
     により、前記非正規の放電の放電確率ＰbAを算出することを特徴とする光検出システム。
  3. 第１の光源から放出される光を検出する光センサに光量が既知の第２の光源からの光を入射させるか、または前記第２の光源を消灯した第１の状態のときに、前記光センサの電極に駆動パルス電圧を周期的に印加する第１のステップと、
    前記第１の状態のときの前記光センサの放電電流を検出する第２のステップと、
    前記第１の状態のときの前記放電電流に基づいて前記光センサの放電を検出する第３のステップと、
    前記第１のステップによる前記駆動パルス電圧の印加回数と、この駆動パルス電圧の印加中に前記第３のステップで検出した放電の回数とに基づいて前記第１の状態のときの放電確率を算出する第４のステップと、
    前記第２の光源の点灯／消灯の状態が前記第１の状態と異なり、かつ前記駆動パルス電圧のパルス幅が前記第１の状態と同じ第２の状態のときに前記光センサの電極に駆動パルス電圧を周期的に印加する第５のステップと、
    前記第２の状態のときの前記光センサの放電電流を検出する第６のステップと、
    前記第２の状態のときの前記放電電流に基づいて前記光センサの放電を検出する第７のステップと、
    前記第５のステップによる前記駆動パルス電圧の印加回数と、この駆動パルス電圧の印加中に前記第７のステップで検出した放電の回数とに基づいて前記第２の状態のときの放電確率を算出する第８のステップと、
    前記光センサの既知の感度パラメータとして、前記駆動パルス電圧の基準パルス幅と、前記光センサの基準受光量と、前記駆動パルス電圧のパルス幅が前記基準パルス幅で前記光センサの受光量が前記基準受光量のときの正規の放電の放電確率と、前記第１の状態と前記第２の状態とにおける前記光センサの受光量の差とを予め記憶する記憶部を参照し、この記憶部に記憶されている感度パラメータと、前記第４、第８のステップで算出した放電確率と、前記第１、第２の状態のときの前記駆動パルス電圧のパルス幅とに基づいて、前記駆動パルス電圧のパルス幅に依存せずに発生しかつ前記光センサの受光量に依存して発生する、前記光センサの光電効果による放電以外のノイズ成分による非正規の放電の放電確率を算出する第９のステップとを含むことを特徴とする光検出システムの放電確率算出方法。
  4. 請求項３記載の光検出システムの放電確率算出方法において、
    前記第９のステップは、前記駆動パルス電圧の基準パルス幅をＴ0、前記光センサの基準受光量をＱ0、前記正規の放電の放電確率をＰaA、前記第１の状態と前記第２の状態とにおける前記光センサの受光量の差をＱ1−Ｑ2、前記第４のステップで算出した放電確率を1Ｐ、前記第８のステップで算出した放電確率を2Ｐ、前記第１、第２の状態のときの前記駆動パルス電圧のパルス幅をＴ、前記非正規の放電の放電確率をＰbAとしたとき、
    Figure 2021131249
     により、前記非正規の放電の放電確率ＰbAを算出するステップを含むことを特徴とする光検出システムの放電確率算出方法。
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