JP2023147357A - 炎検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】炎検出精度の向上を実現する炎検知器を得る。【解決手段】炎に特有のＣＯ２共鳴放射帯を含む第１波長領域に分光感度を有する第１素子と、炎と誤報源とを識別するために適した第２波長領域に分光感度を有する第２素子と、第１素子および第２素子のそれぞれの検出結果から、炎と誤報源とを判別した上で炎の発生を検出する検出部とを備え、第１素子は、正面に炎があることを仮定してＣＯ２共鳴放射帯を透過するバンド幅として設計された光学フィルタを有する。【選択図】図４

Description

本開示は、誤報源と炎とを判別した上で炎の発生を検出する炎検知器に関する。

一例として、トンネル内で発生する火災を検出するために使用される現行の炎検知器では、互いに異なる波長帯に検出感度を有する２つの素子によるそれぞれの検出結果を用いて、炎を検知している。

より具体的には、近赤外線領域を検出するセンサとしてフォトダイオードを用い、中赤外線領域を検出するセンサとして焦電素子を用い、これらのセンサで検出した波長に応じて、検出対象の火災と、誤検出要因となる光源との判別を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１－１４１５５９号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
炎検知器を必要とする様々な現場状況に対応するためには、従来の炎検知器に対して、さらに炎検出精度の向上を図ることができる機能を強化することが望まれている。すなわち、２波長を検知する従来技術に対して、誤報源と炎とを判別した上でさらなる炎検出精度の向上を図ることが望まれている。

本開示は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、炎検出精度の向上を実現する炎検知器を得ることを目的とする。

本開示に係る炎検知器は、炎に特有のＣＯ_２共鳴放射帯を含む第１波長領域に分光感度を有する第１素子と、炎と誤報源とを識別するために適した第２波長領域に分光感度を有する第２素子と、第１素子および第２素子のそれぞれの検出結果から、炎と誤報源とを判別した上で炎の発生を検出する検出部とを備え、第１素子は、正面に炎があることを仮定してＣＯ_２共鳴放射帯を透過するバンド幅として設計された光学フィルタを有するものである。

本開示によれば、炎検出精度の向上を実現する炎検知器を得ることができる。

本開示の実施の形態１における炎検知器の構成図である。 本開示の実施の形態１において、入射角が相対強度に及ぼす影響を示した説明図である。 本開示の実施の形態１において、一般的な炎検知器での監視距離と入射角との関係を示した図である。 本開示の実施の形態１において、視野角を比較的狭い領域に限定した場合の検出精度の向上に関する説明図である。 本開示の実施の形態１における炎および誤報源に関する波長に対する相対感度の特性をまとめた説明図である。 本開示の実施の形態２における炎検知器の構成図である。 本開示の実施の形態２において、二対の素子が実装された炎検知器を示した図である。

以下、本開示の炎検知器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。本開示は、正面に炎があることを仮定して、炎に特有のＣＯ_２共鳴放射帯を含む第１波長領域を透過させるために適した光学フィルタを用いることで、炎検出精度の向上を実現することを特徴としている。

実施の形態１．
図１は、本開示の実施の形態１における炎検知器の構成図である。本実施の形態１に係る炎検知器は、一対の素子１０および検出部２０を備えて構成されている。一対の素子１０は、第１素子１１および第２素子１２を含んで構成されている。

第１素子１１は、炎に特有のＣＯ_２共鳴放射帯を含む第１波長領域に分光感度を有する素子である。また、第２素子１２は、炎と誤報源とを識別するために適した第２波長領域に分光感度を有する素子である。

検出部２０は、第１素子１１および第２素子１２のそれぞれの検出結果から、炎と誤報源とを判別した上で炎の発生を検出する。

このような構成を備える炎検知器は、火災監視領域内に１台あるいは複数台設置されることとなる。一般的に、ＣＯ_２共鳴を利用する炎感知器では、１台当たりの火災監視エリアが、例えば視野角が＋４５°～－４５°といった比較的広い範囲の領域として設定されている。すなわち、一対の素子１０に対する入射角が＋４５°あるいは－４５°といった斜めからの赤外線に対しても、炎検出を行うこととなる。

図２は、本開示の実施の形態１において、入射角が相対強度に及ぼす影響を示した説明図である。縦軸は相対強度、横軸は波長を示している。図２中では、点線、実線１、実線２、の３種が示されており、各々、以下のような特性に相当する。

点線：ヘプタン火災が発生した際の炎の波長領域を示したものであり、約４．３μｍ～４．４μｍの波長帯に相対強度のピークを有している。
実線１：素子の正面の位置（入射角０°に相当）において炎が発生した際の、素子の相対強度を示したものである。
実線２：視野角の端の位置（入射角＋４５°に相当）において炎が発生した際の、素子の相対強度を示したものである。

図２から明らかなように、素子への入射角が大きくなるに従って、波形が低波長側にシフトするとともに、相対強度も低下する傾向にある。相対強度が低下する原因は、斜め入射になることで、入射角をθとした場合に、光束が当たる面積がＣＯＳθで減少するためである。

また、第１の素子によって炎を高精度に検出するためには、炎に特有のＣＯ_２共鳴放射帯を含む第１波長領域を透過させる光学フィルタを用いることとなる。しかしながら、このような光学フィルタは、干渉という原理によっているために、入射角に依存して光学薄膜内での光路長が変化して干渉条件が変わってしまう結果、入射角毎に分光透過率特性が異なってしまう。

図３は、本開示の実施の形態１において、一般的な炎検知器での監視距離と入射角との関係を示した図である。例えば、１５ｃｍ角ノルマルヘプタン火皿に関しては、入射角０°であれば２５ｍの監視距離が達成できるが、入射角が４５°になると監視距離が１／２となり、１２．５ｍまで減少している。

同様に、３３ｃｍ角ノルマルヘプタン火皿に関しては、入射角０°であれば６０ｍの監視距離が達成できるが、入射角が４５°になると監視距離が１／２となり、３０ｍまで減少している。

すなわち、上述した図２の特性、および光学フィルタの特性を考慮すると、図３に示すように、入射角が大きくなればなるほど、監視距離が短くなり、検出感度の低下を招くこととなる。

そこで、本実施の形態１における炎検知器では、炎検知器の正面近傍に監視範囲を限定し、従来と比較して視野角が比較的狭い領域での検出感度の向上を図っている点に特徴を有している。

図４は、本開示の実施の形態１において、視野角を比較的狭い領域に限定した場合の検出精度の向上に関する説明図である。先の図２で示したように、視野角が０°の場合と比較して、視野角が４５°の場合には、信号波形がシフトするとともに、信号強度も低下する。

しかしながら、視野角を０°近傍に限定することで、視野角の影響により生じるシフト現象を考慮する必要がない。さらに、図４に示すように、第１の素子に設ける光学フィルタに関しては、点線で示したヘプタン火災における炎の波長領域全体をカバーするようにバンド幅を広げた最適設計を図ることで、入射エネルギー量を増加させることができる。

光学フィルタを最適設計できることで、本来検出すべきＣＯ_２共鳴放射帯を含む第１波長領域を透過する入射エネルギー量を増加できるとともに、第１波長領域以外の波長の誤検出を抑制することができる。

この結果、従来と比較して視野角が比較的狭い領域での検出感度の向上を図ることができる。なお、視野角を０°近傍に限定することで、監視範囲が狭くなることとなる。しかしながら、炎検知器の指向方向を移動させることができる駆動機構を設け、駆動機構に対して炎検知器を搭載し、複数の指向方向での監視を行うことで、監視範囲を広げることが可能である。

具体的には、検出部２０は、一対の素子１０が搭載され、一対の素子１０の指向方向を移動可能な駆動機構の位置決め制御を実行し、所望の指向方向に一対の素子１０を移動させた後に、第１素子および第２素子の検出結果に基づいて炎の検出処理を実行することができる。

なお、炎と誤報源とを識別するために適した第２波長領域を検出する第２素子について補足説明する。図５は、本開示の実施の形態１における炎および誤報源に関する波長に対する相対感度の特性をまとめた説明図である。図５において、「ヘプタン火災」は、炎として判別すべき検出対象であり、中波長帯において相対感度が高くなっている。

一方、「１００℃高温物体」は、長波長帯において相対感度が高くなっており、「太陽光」および「キセノンランプ」は、短波長帯において相対感度が高くなっている。すなわち、長波長帯および短波長帯のいずれか一方あるいは両方の波長帯が、炎と誤報源とを識別するために適した第２波長領域に相当する。

従って、先の図４で示したように、第１波長領域を適切に透過させる光学フィルタを設計し、第１素子に適用することで、誤報源が有する波長帯はカットした上で、従来よりも、より高い相対感度で炎検出を実現できる。換言すると、第１素子１１は、正面近傍に炎があることを仮定してＣＯ_２共鳴放射帯を透過するバンド幅として、４．２μｍ～４．７μｍの波長領域を第１波長領域とするように最適設計することができる。ＣＯ_２共鳴放射帯をすべて包含するように光学フィルタを設計することで、Ｓ／Ｎ比も改善される。

以上のように、実施の形態１によれば、視野角を０°近傍に限定した上で、ＣＯ_２共鳴放射帯を透過する最適なバンド幅を有するように設計された光学フィルタを第１素子に設けている。この結果、視野角が大きくなることに伴って入射エネルギーが減少する影響を抑制し、かつ、適切なバンド幅を有する光学フィルタにより本来検出すべきＣＯ_２共鳴放射帯を含む第１波長領域を透過する入射エネルギー量を増加させることができ、誤検出を抑制し、炎検出精度の向上を実現する炎検知器を得ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、第１の素子と第２の素子とからなる一対の素子を用いて誤検出を抑制し、炎検出精度の向上を実現し、炎検知器の性能向上を図る手法について説明した。本実施の形態２では、炎検知器のさらなる性能向上を図る手法について説明する。

図６は、本開示の実施の形態２における炎検知器の構成図である。本実施の形態２に係る炎検知器は、先の図１に示した実施の形態１に係る炎検知器と比較すると、一対の素子１０を２つ備えている点がことなっている。ここで、一対の素子１０ａおよび一対の素子１０ｂは、ともに、先の実施の形態１で説明した一対の素子１０と同一構成を有しており、二対の素子１０ａ、１０ｂとして構成される。

図７は、本開示の実施の形態２において、二対の素子１０ａ、１０ｂが実装された炎検知器を示した図である。第１の素子１１ａ、１１ｂが互いに対角線上に配置され、第２の素子１２ａ、１２ｂも互いに対角線上に配置されている。

二対の素子１０ａ、１０ｂを用いることで、結果的には２回の検出結果を加算する効果を、１回の検出で得ることができる。標準偏差でＳ／Ｎ比を定義すると、Ｋ回（Ｋは２以上の整数）の測定結果を加算することで、Ｓ／Ｎ比は、√Ｋ倍に改善されることが期待できる。

従って、本実施の形態２に係る検出部２０は、二対の素子１０ａ、１０ｂによるそれぞれの検出結果を加算処理した結果に基づいて、１回の検出タイミングにおいて、炎と誤報源とを判別した上で炎の発生を高精度に検出することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、一対の素子をＫ個用いることで、一対の素子を用いた場合と比較して、同一の検出時間における検出信号のＳ／Ｎ比を√Ｋ倍に改善できる。この結果、誤検出を抑制し、炎検出精度のさらなる向上を実現する炎検知器を得ることができる。

１０ 一対の素子、１１１１ａ、１１ｂ 第１素子、１２、１２ａ、１２ｂ 第２素子、２０ 検出部。

Claims (4)

1. 炎に特有のＣＯ_２共鳴放射帯を含む第１波長領域に分光感度を有する第１素子と、
   炎と誤報源とを識別するために適した第２波長領域に分光感度を有する第２素子と、
   前記第１素子および前記第２素子のそれぞれの検出結果から、前記炎と前記誤報源とを判別した上で炎の発生を検出する検出処理を実行する検出部と
   を備え、
   前記第１素子は、正面に炎があることを仮定して前記ＣＯ_２共鳴放射帯を透過するバンド幅として設計された光学フィルタを有する
   炎検知器。
2. 前記光学フィルタは、４．２０μｍ～４．６５μｍの波長領域を前記バンド幅とする
   請求項１に記載の炎検知器。
3. 前記第１素子と前記第２素子とからなる一対の素子が搭載され、前記一対の素子の指向方向を移動可能な駆動機構
   をさらに備え、
   前記検出部は、前記駆動機構を所望の指向方向に移動させる位置決め制御を実行した後に、前記検出処理を実行する
   請求項１または２に記載の炎検知器。
4. 前記第１素子と前記第２素子とからなる一対の素子を二対備えており、
   前記検出部は、二対の素子によるそれぞれの検出結果を加算処理した結果に基づいて前記炎と前記誤報源とを判別した上で炎の発生を検出する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の炎検知器。