JP3162601B2 - 赤外線受光方式による火災検知方法 - Google Patents

赤外線受光方式による火災検知方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】炎から放射される特有の赤外線を
検出して、火災の発生を検知する赤外線受光方式による
火災の検知方式に関する。
【0002】
【従来の技術】図18は炎から放射される赤外線の波長
と波長毎の相対強度を表に示したものである。この図に
よると、炎から放射される赤外線は3.5μm付近で受
光レベルが最小になり、4.3μm付近で最大の受光レ
ベルとなることが分かる。
【0003】従来の赤外線受光型の火災検知方式におい
ては、この特徴をもとに、図19に示す構成により火災
の検知が行われていた。図19において、11よび12
はそれぞれ中心波長が3.5μmおよび4.3μmの赤
外線を受光し、受光した赤外線の強度に対応する電気信
号を出力する受光素子である。赤外線受光素子11およ
び12からの検知信号は、それぞれ増幅回路13および
14で一定の増幅率で増幅される。増幅回路13により
増幅された検知信号はバンドパスフィルタ15および1
6により数Hzから20Hz程度の周波数の信号のみ出
力される。バンドパスフィルタ15および16を通過し
た検知信号は平滑回路17および18により直流に変換
される。平滑回路17および18からの出力信号を比較
器19で比較し、この差が予め設定された値以上であっ
たときに比較器19より異常信号が出力される。この異
常信号の入力によりスイッチング回路20が切換えら
れ、外部の監視装置などに警報が出力される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、ストーブや
バーナー、太陽光から検出される赤外線についても火災
の炎から放射される赤外線と同じ図18に示す特徴が得
られる。従って、従来の方法では、ストーブやバーナ
ー、太陽光の火災以外から放射される赤外線を受光した
場合にも火災と判断し、警報を出力してしまうという問
題点があった。
【0005】本願発明は、上記問題点に鑑みなされたも
ので、赤外線受光素子の赤外線検出信号に基づいて火災
を検知する火災検知方式において、火災以外の赤外線を
受光したときに誤って警報を出力してしまうことを防止
し、火災のみを検知することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本願出願人は、火災発生
時に燃焼すると考えられる木や建材、紙、布、合成ゴム
を燃焼させたときの炎からの赤外線と、非火災である太
陽光やストーブ、バーナーの炎からの赤外線について、
赤外線強度の測定を行なった。すると、紙や布、合成ゴ
ム等の通常建材として使用される材料を燃焼させた場
合、図3aに示すように赤外線強度が大きく変動し、太
陽光やストーブ等の炎については、図3bに示すように
赤外線強度の変動は少ないという結果が得られた。
【0007】尚、図3cは炎の出ない場合の赤外線の測
定結果でこれも変動のない結果が得られた。また、紙や
布、合成ゴムを燃焼させた場合の赤外線受光強度に関す
るデータをフーリエ変換する。すると図4aに示すスペ
クトルデータが得られる。図より特定の周波数区間(約
5〜10Hzの間、グラフ中Hで示す区間)において、
マイナス数十dBの減衰することが分かった。ところ
が、太陽光やストーブ等の非火災の場合には、図4bに
示されるようにほとんど変化がないという結果が得られ
た。同様に炎のない場合も図4cに示すようにほとんど
変化はみられなかった。
【0008】上記2つの特性を利用して、本願では従来
技術の問題点を解決するために、まず、任意の検知時間
帯(ここでは80秒とする)を設定する。受光素子より
検知される検知信号を所定の時間間隔(ここでは40m
sとする)で抽出し、図5aに示すように該検知時間帯
における赤外線強度の変動と、その区間における振幅分
布を求める。これは、光強度の変動量であり、この振幅
分布を基に図5aに示すように横軸に受光強度、縦軸に
検知頻度を示したヒストグラムを作成する。
【0009】この得られたヒストグラムについて、図6
に示すようにヒストグラムの頂点を三角形の1つの頂点
Cとし、頻度が零となる受光強度が最小の点を頂点A、
受光強度が最大の点を頂点Bとし、ヒストグラムに近似
した三角形を作成する。この三角形の頂点Cを通り線分
ABに垂直な垂線を引き、この垂線と線分ABとの交点
を点Dとする。このときの、∠ACDと∠BCDの角度
を求め角度の大きい方(図6においては∠ACD)を第
1のパラメータφとする。
【0010】φ=MAX(∠ACD,∠BCD) 次に、検知信号をフーリエ変換した結果得られるスペク
トルデータにおいて、所定の周波数区間(ここでは図4
aにおける5〜10Hzとした)内をいくつかの小区間
に分け、小区間毎に最小自乗法を用いて減衰値を計算す
る。そして、計算により求めた複数の小区間の減衰値か
ら平均値を求め、この値を所定の周波数区間の減衰値と
し、第2のパラメータNとする。
【0011】図7に示す角度φと減衰値N及び頻度で示
される座標空間において、受光素子より検知時間帯(8
0秒)で検知される検知信号をもとに、1つの検知時間
帯について、上記パラメータφ及びNが1つづつ求めら
れる。図7に示すφ−N空間に、パラメータφ及びNの
値の該当する位置に頻度を1加える。
【0012】そして、検知時間帯を所定時間後(ここで
は2秒)にずらして設定し直し、前回と同様にパラメー
タφ及びNを求める。これを所定回数(ここでは31
回)繰り返し、それぞれの検知時間帯におけるパラメー
タφ及びNが求められる。φ−N空間の頻度の検出結果
から、重心を求める。この重心が、予め定められたパラ
メータφ及びNの領域内に存在した場合に火災が発生し
たものと判断して警報を出力するようにした。
【0013】
【実施例】本願赤外線受光型火災検知方式の実施例のブ
ロック図を図1に、火災検知器の動作のフローチャート
を図2に示す。この2つの図面をもとに本願の赤外線受
光型火災検知方式の動作を説明する。
【0014】図1において、1は赤外線を検知して赤外
線の受光強度に応じた検知信号を出力する受光素子、2
は受光素子1からの検知信号が入力されると検知信号を
一定の増幅度で増幅する増幅器、3は増幅器2により増
幅された検知信号をデジタル信号に変換するA/D変換
器、4はA/D変換器3によりデジタル信号に変換され
た検知信号をもとに火災か否かの判断を行ない判断結果
を出力する演算処理部、5は演算処理部の判断結果によ
り警報を出力する警報出力手段である。
【0015】通常、受光素子1は赤外線を受光し、受光
した赤外線に応じた電気信号を出力している。受光素子
から出力された検出信号が増幅器2に入力されると、増
幅器2は予め決められた一定の増幅度で検知信号を増幅
する。増幅された検知信号は、A/D変換器3に入力さ
れ、A/D変換器3は、入力された検知信号をデジタル
信号に変換する。このデジタル信号は、演算処理部(C
PU)4に入力される。
【0016】演算処理部(CPU)4において、まず、
任意の検知時間帯(ここでは80秒とする)を設定する
(ステップ1)。受光素子からの検知信号を所定の間隔
(ここでは40msとする)で抽出し(ステップ2)、
図5a、に示すように該所定時間帯における赤外線強度
の変動と、その区間における振幅分布を求める。これ
は、光強度の変動量であり、この振幅分布より図5aに
示すように横軸に受光強度、縦軸に検知頻度を示したヒ
ストグラムを作成する(ステップ3)。
【0017】このヒストグラムについて、ヒストグラム
の頂点を三角形の1つの頂点Cとし、頻度が零となり受
光強度が最小の点を頂点A、受光強度が最小の点を頂点
Bとし、ヒストグラムに近似した三角形を作成する。頂
点Cを通り、成分ABに対して垂直な垂線を引き、垂線
と線分ABとの交点を点Dとする。このときの∠ACD
と∠BCDのどちらか大きい方を第1のパラメータφと
する(ステップ4)。
【0018】φ=MAC(∠ACD,∠BCD) この三角形は、炎の揺らぎが大きければ受光強度の分布
もそれに応じて幅が広くなり、底辺の長い三角形になる
ので、三角形の頂点∠ACBの角度も大きくなる。とこ
ろが、火災以外の炎や太陽光からの赤外線を受光した場
合は、図5bに示すように、炎の揺らぎがほとんどな
く、受光強度の分布の幅もほとんどなくなる。このた
め、受光強度のヒストグラムの底辺はほとんどなく、こ
れに近似した三角形を作成すると、三角形の頂点∠AC
Bの角度もほとんどなくなる。
【0019】次に、検知信号をフーリエ変換した結果得
られるスペクトルデータにおいて、所定の周波数区間
(ここでは5〜10Hzとした)内をいくつかの小区間
に分け、小区間毎に最小自乗法を用いて減衰値を計算す
る。そして、計算により求めた複数の小区間の減衰値か
ら平均値を求め、この値を所定の周波数区間の減衰値と
し、第2のパラメータNとする(ステップ5)。
【0020】図7に示す角度φと減衰値N及び頻度で示
される座標空間において、受光素子より検知時間帯(こ
こでは80sec)に検出される検出信号をもとに、そ
れぞれの検知信号について、パラメータφ及びNが求め
られる。そして、パラメータφおよびNの値の該当する
位置に頻度を1加える(ステップ6)。そして、演算対
象区間(80秒)を新たに設定し(ステップ7)、上記
作業(ステップ2からステップ7)を所定回数繰り返し
(ステップ8)、それぞれについて所定回数パラメータ
φ及びNを求める。この所定回数の結果をφ−N空間に
頻度として表す。
【0021】本願発明者は、まず、従来火災と判断して
誤って警報を出力していた太陽光、ストーブの炎、バー
ナーの炎について実験を行なった。それぞれの実験結果
について、図8,図9,図10にそれぞれ示す。また、
炎のない状態の実験結果は、図16に示した。この結果
から、太陽光については角度φ軸に沿って、バーナーの
炎については減衰値N軸に沿って、ストーブの炎と炎が
ない場合については角度φ軸と減衰値N軸の交点にのみ
分布していることが分かる。
【0022】ところが、紙、合成ゴム、木綿,木,建
材、(火災の時に燃焼していると思われるもの)の炎に
ついて同様に実験を行なうと、それぞれの実験結果につ
いて、図11,図12,図13,図14,図15に示す
結果が得られた。どの結果についても、角度φ軸及び減
衰値N軸から離れた場所に位置していることが分かる。
さらに、この頻度の検出結果から、重心を求める(ステ
ップ9)。上記9種類の実験についてそれぞれの重心を
求めると、図17のようになった。炎のない場合や太陽
光、ストーブの炎、バーナーの炎については角度φ軸及
び減衰値N軸に沿って存在している。ところが、木や建
材、紙、合成ゴム、木綿については、減衰値Nが−60
〜−20dB/dec、角度φが30〜90度の領域に
集中していることが分かる。
【0023】このことから、本願の赤外線受光型火災検
知装置においては、重心が減衰値Nが−60〜−20d
B/dec、角度φが30〜90度の領域に存在した場
合に紙、木、建材等の燃焼による炎と認識して火災が発
生したものと判断し(ステップ10)、警報を出力する
(ステップ11)。反対に、重心が上記の領域にない場
合は、火災によるものではないと判断し、警報は出力し
ないようにする。
【0024】
【発明の効果】以上、本願の赤外線受光型の火災検知方
式によれば、燃焼している物の材料によって火災か非火
災かの判断を行なうことができるようになった。これに
より、ガスコンロの炎やストーブの炎などの非火災であ
っても火災と判断し、誤って警報を出力することがなく
なり、誤報が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の火災感知方法に使用する火災感知装置の
ブロック図である。
【図2】本願の火災検知方法の動作のフローチャートで
ある。
【図3】(a)は建材を燃やしたときの炎から放射され
る赤外線の強度のグラフ、(b)はストーブの炎から放
射される赤外線の強度のグラフ、(c)は炎がない場合
の赤外線の強度のグラフである。
【図4】(a)は建材を燃やしたときの炎から放射され
る赤外線の減衰量のグラフ、(b)はストーブの炎ら放
射される赤外線のグラフ、(c)は炎のない場合の赤外
線の減衰量のグラフである。
【図5】(a)は火災による炎を検知した場合の振幅分
布、(b)は炎がない場合の振幅分布を示す図である。
【図6】振幅分布を示す図である。
【図7】φ−N空間を示す図である。
【図8】太陽光からの赤外線の検知結果である。
【図9】ストーブの炎からの赤外線の検知結果である。
【図10】バーナーの炎からの赤外線の検知結果であ
る。
【図11】紙の燃焼による炎からの赤外線の検知結果で
ある。
【図12】合成ゴムの燃焼による炎からの赤外線の検知
結果である。
【図13】木綿の燃焼による炎からの赤外線の検知結果
である。
【図14】木の燃焼による炎からの赤外線の検知結果で
ある。
【図15】建材の燃焼による炎からの赤外線検知結果で
ある。
【図16】炎がない場合の赤外線の検知結果を示す図で
ある。
【図17】図9〜図17の検知結果の重心位置を示した
図である。
【図18】炎から放射される赤外線の波長と相対強度の
関係である。
【図19】従来の火災検知装置のブロック図である。
【符号の説明】
1、11、12 赤外線受光素子 2、13、14 増幅器 3 A/D変換器 4 演算処理部 5 警報出力手段 15、16 バンドパスフィルタ 17、18 平滑回路 19 比較器 20 スイッチング回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G08B 17/00 - 17/12 G01J 1/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 赤外線を受信すると受光強度に対応した
    検知信号を出力する赤外線受光素子からの検知信号に基
    づいて火災を検知する赤外線受光方式による火災検知方
    法あって、任意の検知時間帯T11 を設定する第1のス
    テップと、 受光素子から出力される検知信号を所定の時間間隔T2
    で抽出する第2のステップと、 抽出された検知信号をもとに、前記検知時間帯T11
    おける赤外線受光強度のヒストグラムを横軸を受光強
    度、縦軸を検出頻度として作成する第3のステップと、 該ヒストグラムについて、ヒストグラムの頂点を三角形
    の1つの頂点Cとし、頻度が零となる受光強度が最小の
    点を頂点A、受光強度が最大の点を頂点Bとしてヒスト
    グラムに近似した三角形を作成し、頂点Cを通り、線分
    ABに対して垂直な垂線を引き、垂線と線分ABとの交
    点を点Dとして、このときの∠ACDと∠BCDのどち
    らか大きい方の角度を第1のパラメータφとする第4の
    ステップと、 検知信号より得られるスペクトルデータにおいて、予め
    設定した所定の周波数区間の平均減衰値を求めて第2の
    パラメータNとする第5のステップと、 第1のパラメータφと第2のパラメータN及び頻度で示
    される座標空間に角度φ及び減衰値Nの該当する位置に
    頻度1を加える第6のステップと、 検知時間帯T11 より所定時間後に前記検知時間帯T1
    1 と同じ長さの時間帯を新しい検知時間帯T12 として
    前記第2のステップから第6のステップの作業を所定回
    数繰り返す第7のステップと、 前記作業を所定回数繰り返した後、φ−N空間の頻度の
    検知結果から重心を求め、この重心の位置が予め設定し
    た領域内にあるか否かを判断する第8のステップと、 からなる赤外線受光方式による火災検知方法。
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