JP3780701B2 - 煙感知装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、監視区域から吸引した空気中に浮遊する煙粒子をレーザ光を用いて光学的に検出して火災を判断する煙感知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンピュータルームや半導体製造設備のクリーンルームに代表される清浄空間で起きる火災を極く初期に検出するため、超高感度の煙感知装置が使用されている。
この超高感度の煙感知装置は、清浄空間に設置した配管より空気を吸引し、吸引した空気に含まれる煙粒子をレーザダイオードを照射した検煙部に通し、受光素子で検出された煙粒子の散乱光による受光パルス信号の内、所定の閾値を越えた受光パルス信号の単位時間当たりの個数をカウントし、この単位時間当りのカウント数に基づいて０．０５〜０．２０％／ｍといった範囲の微弱な煙濃度を検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、受光パルス信号のパルスカウントにより煙濃度を検出する従来の煙感知装置にあっては、吸引する清浄空間と装置内の検煙部の温度差により、吸入空気中に結露による水滴浮遊粒子が生じた場合、水滴浮遊粒子の通過による散乱光によってパルスカウントが行われ、正確な煙濃度の検出が行えないという問題がある。
【０００４】
また本願発明者にあっては、吸入空気の流量計測を必要とすることなく、吸入空気の流量が変化しても正確に散乱光のに基づく煙濃度の検出ができる超高感度の煙感知装置として、ある閾値を超えた受光部からの受光パルス信号を積分部で積分して単位時間当りの積分量を求め、この積分量に基づいて煙濃度検出部で煙濃度を検出するものを提案している（特願平９−１７３９６８号）。
【０００５】
この受光パルス信号の単位時間当りの積分量に基づいて煙濃度を検出する場合にも、同様に、結露により生じた水滴浮遊粒子の通過により得られた受光パルス信号により、正確な煙濃度の検出が行えないという問題がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、検煙部に吸入する空気中に結露による水滴浮遊粒子の影響を低減して煙濃度を正確に検出できるようにした煙感知装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明は次のように構成する。まず本発明は、レーザダイオードから出射されたレーザ光を吸入空気が通過する検煙領域に照射する投光部と、検煙領域を煙粒子が通過する毎に生ずる散乱光パルスを受光素子で受光して受光パルス信号を出力する受光部と、受光部からの受光パルス信号に基づいて煙濃度を検出する煙濃度検出部とを備え、監視区域から吸引した空気中に浮遊する煙粒子を光学的に検出して火災を判断する煙感知装置を対象とする。
【０００７】
このような煙感知装置につき本発明にあっては閾値判定部を設け、この閾値判定部は、受光部で受光した受光パルス信号に対し所定のパルス高閾値Ｖthとパルス幅閾値Ｗthを設け、パルス高閾値Ｖthを超え且つパルス幅閾値Ｗthより狭いパルス幅の受光パルス信号を判定して煙濃度検出の対象とし、パルス高閾値Ｖthを超えるがパルス幅閾値Ｗthより広いパルス幅の受光パルス信号を判定して煙濃度検出の対象から除外するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
閾値判定部のパルス幅閾値Ｗthは、吸入空気中に含まれる水滴浮遊粒子の散乱パルス光の受光パルス信号を除外するように設定する。具体的には、パルス幅閾値Ｗthは１ミリ秒以上の値に設定することが望ましい。
ここで煙濃度検出部は、受光パルス信号を積分した単位時間当りの積分量に基づいて煙濃度を検出してもよいし、受光パルス信号の単位時間当りのカウント数に基づいて煙濃度を検出するようにしてもよい。
【０００９】
本願発明者の考察によれば、結露により吸入空気中に含まれる水滴浮遊粒子が検煙領域を通過する際に得られる散乱光に基づく受光パルス信号を計測すると、水滴浮遊粒子は光を透過するためにパルス高が煙粒子ほど高くならないが、ノイズレベルを超えており、粒子径の小さい煙粒子と区別できない。
これに対し受光パルス信号のパルス幅をみると、煙粒子の場合は数μｍ〜２００μｍ程度のパルス幅であり、これに対し水滴浮遊粒子は煙粒子に比べて粒子径が大きく、パルス幅が１ミリ秒を超えている。
【００１０】
そこで本発明にあっては、パルス高閾値Ｖthを超えるがパルス幅閾値Ｗthより広いパルス幅の受光パルス信号は、水滴浮遊粒子によるものと判定して煙濃度検出の対象から除外し、結露により吸入空気中に含まれる水滴浮遊粒子の影響を低減して検出精度を高める。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の煙感知装置の全体的な装置構成である。図１において煙感知装置１は、コンピュータルームや半導体製造設備等を設置したクリーンルーム等の火災による煙をごく初期の段階で検出するために設置されている。煙感知装置１に対しては警戒区域に設置された検知配管２が接続され、検知配管２は例えばＴ字型の配管であり、複数の吸込穴３を備えている。
【００１２】
煙感知装置１に設けた検煙部４のインレットに対しては検知配管２が接続され、アウトレット側は吸引装置７を備えたチャンバに開口されている。監視状態において、吸引装置７はモータ駆動により予め定めた所定の設定流量の空気を吸引しており、このため警戒区域に設置した検知配管２の吸込穴３より吸い込まれた空気は検煙部４を通って吸引装置７から排出されている。
【００１３】
検煙部４にはレーザダイオード（ＬＤ）５と受光素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）６が設けられ、フォトダイオード６としては例えばＰＩＮフォトダイオードが使用される。
検煙部４を通過する吸引した空気中に存在する煙粒子を含む空中浮遊粒子（エアロゾル）の検出は、レーザダイオード５からのレーザ光の照射による散乱光をフォトダイオード６で検出し、散乱光に応じた受光パルス信号を信号処理部８に入力して煙濃度検出のための信号処理を行う。
【００１４】
本発明にあっては、信号処理部８における受光パルス信号に基づいた煙濃度検出のための信号処理として
▲１▼単位時間当りに得られる受光パルス信号のカウント数
▲２▼単位時間当りに得られる受光パルス信号の積分値
のいずれかに基づいて煙濃度を検出している。
【００１５】
図２は図１の検煙部４に設けた散乱光式の煙粒子検出構造の説明図である。図２において、レーザダイオード５は、出射するレーザ光の電界方向が所定方向に定まったいわゆる単偏向発振を行っており、内部にレーザダイオードチップ５ａを備えている。レーザダイオード５から出射されたレーザ光は投光光軸１１方向に向かうにつれて拡散波として広がる。
【００１６】
レーザダイオード５に続いては結像レンズ９が配置されており、レーザダイオード５からのレーザ光を集光し、吸入した空気の気流１３が通過する結像位置１０にレーザダイオード５の光源像、即ちレーザダイオードチップ５ａの出射面の光源像（ニアフィールドパターン）を結像し、１μｍ前後の微小なスポット領域を形成している。
【００１７】
結像レンズ９によるレーザダイオード５の光源像の結像位置１０に対しては、その投光光軸１１に対し例えばθ＝９０°と直交する方向に受光光軸１２を設定し、フォトダイオード６を配置している。このフォトダイオード６の配置方向は、例えば結像位置１０を過ぎて拡散するレーザ光の光軸断面方向の光強度分布を示す楕円パターン（ファーフィールドパターン）１４に矢印で示す電界Ｅの方向と平行な方向に配置している。
【００１８】
このように電界Ｅの方向と平行な方向にフォトダイオード６を配置することで、結像位置１０の微小スポットを通過する煙粒子による散乱光を最も高い効率で受光することができる。
図３は図１の信号処理部８のブロック図である。信号処理部８には制御部１５が設けられ、制御部１５に対し投光回路部１６を介してレーザダイオード５を接続し、またフォトダイオード６の出力が受光回路部１７を介して入力接続されている。更にモータを備えた吸引装置７が接続される。制御部１５には煙濃度検出部１８が設けられる。
【００１９】
図４は図３の制御部１５に設けられた煙濃度検出部１８の回路ブロック図であり、受光回路部１７と共に示している。また図４の煙濃度検出部１８の実施形態にあっては、単位時間当りに得られる散乱光の受光パルス信号の積分値に基づいて煙濃度を検出している。
煙濃度検出部１８は、受光回路２０及び増幅回路２１を備えた受光回路部１７に続いてＡ／Ｄコンバータ２２とＭＰＵ２３を設けている。ＭＰＵ２３には、プログラム制御により実現される閾値判定部２４、積分部２７、煙濃度変換部２８及びタイマ部２９を設けている。閾値判定部２４はパルス高判定部２５とパルス幅判定部２６を備える。
【００２０】
閾値判定部２４に設けたパルス高判定部２５には、受光パルス信号のノイズレベルを除去するためパルス高閾値Ｖｔｈが設定されており、例えばＶｔｈ＝５ｍＶが設定される。次のパルス幅判定部２６には、結露により吸入空気中に含まれる水滴浮遊粒子を除去するために使用するパルス幅閾値Ｗｔｈが設定されている。このパルス幅閾値Ｗｔｈとしては、例えばパルス幅Ｗｔｈ＝１ｍｓとする。
【００２１】
次に閾値判定部２４のパルス高判定部２６に設定したパルス高閾値Ｖｔｈ及び、パルス幅判定部２６に設定した水滴浮遊粒子の受光パルス信号を除去するために使用するパルス幅閾値Ｗｔｈを説明する。
図５は図２の散乱光検出構造をもつ検煙部に、煙粒子及び水滴浮遊粒子を含まない空気を吸入した時の図４の受光回路部１７に設けた増幅回路２１から得られる受光パルスの測定結果である。図５（Ａ）は時間軸ｔの時間間隔として信号電圧２００ｍＶについて示す時間スケールの１単位を２ｍｓとした場合であり、ノイズ成分のみが表れている。このノイズ成分はパルス高閾値Ｖｔｈ＝５０ｍＶ以下に大部分があり、閾値Ｖｔｈの設定によりノイズ成分の大部分を除去することができる。
【００２２】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の時間スケールの１単位２ｍｓを５０μｓに拡大したノイズレベルの測定結果を表している。
図６は、検煙部に対する吸入空気中に煙粒子が存在する場合の受光パルス信号の計測結果である。図６（Ａ）は信号電圧２００ｍＶについて示す時間スケールの１単位を２ｍｓとした場合であり、２箇所に煙粒子に基づく受光パルス信号Ｓ１，Ｓ２が得られている。この煙粒子による受光パルス信号Ｓ１，Ｓ２は、その波高値が約１０００ｍＶ，約８００ｍＶと大きく、パルス高閾値Ｖｔｈ＝５０ｍＶに対し十分大きなレベルをもっている。
【００２３】
図６（Ｂ）は図６（Ａ）の煙粒子による受光パルス信号Ｓ１について、信号電圧２００ｍＶについて示す時間スケールの１単位を５０μｓに拡大した測定結果である。この図６（Ｂ）の煙粒子による受光パルス信号Ｓ１は、パルス高閾値Ｖｔｈ＝５０ｍＶの部分のパルス幅Ｔｓが数十μｓ程度となっている。本願発明者による様々な煙粒子の受光パルス信号の計測結果によれば、煙粒子による受光パルス信号のパルス幅ＴｓはＴｓ＝１５μｓ〜２００μｓの範囲に集中していることが判明した。
【００２４】
図７は、検煙部に対する吸入空気中に結露により生じた水滴浮遊粒子が含まれた場合の受光パルス信号の計測結果であり、図７（Ａ）と図７（Ｂ）の２つの計測結果を示している。この場合、いずれの計測結果も信号電圧２００ｍＶについて示す時間スケールの１単位を２ｍｓとした場合である。
図７（Ａ）は比較的粒子径の大きな水滴浮遊粒子が含まれていた場合であり、水滴浮遊粒子に対応した受光パルス信号Ｆ０が得られている。この水滴浮遊粒子の受光パルス信号Ｆ０は、水滴浮遊粒子そのものがレーザ光に対し透過性をもっているため散乱量が少なく、図６の煙粒子に比べるとパルス高は１００〜２００ｍＶと煙粒子の場合に比べ１／５〜１／４程度の低いレベルにあるが、ノイズレベルよりは高く、パルス高閾値Ｖｔｈ＝５０ｍＶを超えているパルス幅Ｔｆｏは約７ｍｓ程度と大きい。
【００２５】
図７（Ｂ）は水滴浮遊粒子の粒子径が比較的小さい場合であり、水滴浮遊粒子に対応して受光パルス信号Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が得られている。これら受光パルス信号Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３のパルス高閾値Ｖｔｈ＝５０ｍＶを超えるパルス幅Ｔｆ１，Ｔｆ２，Ｔｆ３は、それぞれ２．４ｍｓ，１．６ｍｓ，１．８ｍｓ程度となっている。本願発明者が様々な条件の下に検煙部に吸入する空気中に結露による水滴浮遊粒子を生じさせて計測したところ、水滴浮遊粒子による受光パルス信号のパルス幅は１ｍｓを下回るものがほとんどないことが判明した。
【００２６】
そこで図４のパルス幅判定部２６に設定する水滴浮遊粒子の受光パルス信号を除去するためのパルス幅閾値Ｗｔｈとしては、Ｗｔｈ＝１ｍｓ以上の値を設定すればよい。これによって水滴浮遊粒子の受光パルス信号を除去し、パルス幅が１５〜２００μｓに集中している煙粒子による受光パルス信号を確実に判別して、積分部２７で単位時間当りの受光パルス信号の積分値を求め、これを煙濃度変換部２８で予め定めた変換テーブルにより煙濃度に変換することができる。
【００２７】
ここで図４の煙濃度検出部１８の動作を説明すると次のようになる。受光回路部１７に設けた受光回路２０は、図２の散乱光式の煙粒子検出構造の結像位置１０を吸入した空気の気流１３の中に煙粒子が含まれると、煙粒子の粒径に比例した散乱光がフォトダイオード６で受光され、受光回路２０より受光信号が得られ、増幅回路２１で増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ２２でデジタル受光パルスデータに変換され、ＭＰＵ２３に取り込まれる。
【００２８】
ＭＰＵ２３にあっては、まず閾値判定部２４で入力パルスデータとパルス高閾値Ｖｔｈをパルス高判定部２５で判定する。パルスデータのうち、パルス高閾値Ｖｔｈ未満のパルスデータは無視され、閾値Ｖｔｈを超えるパルスデータがパルス幅判定部２６に与えられる。
パルス幅判定部２６は、パルス高判定部２５より閾値Ｖｔｈを超えるパルスデータが連続して入力された場合、その連続数にＡ／Ｄコンバータ２２のサンプリング周期を掛け合わすことでパルス幅Ｗを求め、パルス幅閾値Ｗｔｈと比較する。検出したパルス幅Ｗがパルス幅閾値Ｗｔｈ未満であれば、煙粒子による受光パルス信号として積分部２７にパルスデータを出力し、タイマ２９からのリセット信号の周期Ｔで決まる一定時間毎にパルスデータを積分し、煙濃度変換部２８で変換テーブルを使用して積分値を煙濃度に変換する。
【００２９】
パルス幅判定部２６で検出したパルス幅Ｗがパルス幅閾値Ｗｔｈ以上であった場合には、水滴浮遊粒子の受光パルス信号と判定し、この検出パルス幅の範囲にあるパルスデータの積分部２７に対する出力を禁止して煙濃度検出対象から除外する。
図８は図３の制御部１５に設けた煙濃度検出部１８の他の実施形態であり、この実施形態にあっては、受光パルス信号をカウントした単位時間当りの個数に基づいて煙濃度を検出するようにしたことを特徴とする。
【００３０】
図８にあっては、受光回路部１７と共に煙濃度検出部１８を示しており、Ａ／Ｄコンバータ２２に続いてＭＰＵ２３が設けられ、ＭＰＵ２３にはパルス高判定部２５とパルス幅判定部２６を備えた閾値判定部２４が設けられている。パルス高判定部２５に設定するパルス高閾値Ｖｔｈは、図４の実施形態と同様、例えばＶｔｈ＝５０ｍＶとする。またパルス幅判定部２６の水滴浮遊粒子の受光パルス信号を除去するためのパルス幅閾値Ｗｔｈも図４の実施形態と同様、１ｍｓ以上の値とする。
【００３１】
閾値判定部２４に続いてはカウント部３０が設けられる。カウント部３０はタイマ２９からのリセット信号で決まる一定時間Ｔ毎に、閾値判定部２４より得られた受光パルスの数をカウントする。カウント部３０のカウント結果は煙濃度変換部２８に与えられる。煙濃度変換部２８にはカウント値を煙濃度に変換する変換テーブルが予め準備されており、カウント値による変換テーブルの参照で煙濃度を出力する。
【００３２】
この図８の受光パルス信号の個数に基づいて煙濃度を検出する実施形態にあっても、閾値判定部２４によってパルス幅Ｗがパルス幅閾値Ｗｔｈ以上となる水滴浮遊粒子の受光パルス信号が除去され、カウント部３０は煙粒子による受光パルス信号のみのパルスカウントを行うこととなり、結露により生じた水滴浮遊粒子の影響を受けることなく、より正確に煙濃度を検出することができる。
【００３３】
尚、上記の実施形態は、図２のように、結像レンズ９によりレーザダイオード５からのレーザ光を結像位置に絞って微小なビームスポットの光源像を作り、この結像位置のビームスポットに対し外部から吸入した煙粒子の気流を通過させているが、結像レンズ９の代わりにコリメートレンズを使用してレーザダイオード５からのレーザ光を平行光に変換し、この平行光に対し所定の構成角θをもって受光素子としてのフォトダイオード６を配置した平行光学系を備えた煙感知装置についてもそのまま適用できる。
【００３４】
また本発明は、その目的と利点を損なわない範囲の適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示された数値による限定は受けない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、検煙部を通過する空中浮遊粒子により得られた受光パルス信号について、パルス高閾値を超えるが水滴浮遊粒子に対応して予め定めたパルス幅閾値より広いパルス幅の受光パルス信号は、水滴浮遊粒子によるものと判定して煙濃度の検出対象から除外し、結露により吸入空気中に含まれる水滴浮遊粒子の影響を低減して煙濃度の検出精度を高め、結露による誤報を未然に防止することで、火災感知の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による煙感知装置の全体構成の説明図
【図２】本発明による散乱光式の煙粒子検出構造の説明図
【図３】図１の信号処理装置のブロック図
【図４】受光パルス信号を積分する図３の煙濃度検出処理部の回路ブロック図
【図５】煙粒子及び水滴浮遊粒子がない場合の受光パルス信号のノイズレベルの説明図
【図６】煙粒子が含まれた場合の受光パルス信号の説明図
【図７】水滴浮遊粒子が含まれた場合の受光パルス信号の説明図
【図８】受光パルス信号をカウントする図３の煙濃度検出処理部の回路ブロック図
【符号の説明】
１：煙感知装置
２：検知配管
３：吸込穴
４：検煙部
５：レーザダイオード
５ａ：レーザダイオードチップ
６：フォトダイオード（受光素子）
７：吸引装置
８：信号処理部
９：結像レンズ
１０：結像位置（検煙領域）
１１：発光光軸
１２，１９：受光光軸
１５：制御部
１６：発光回路部
１７：受光回路部
１８：煙濃度検出部
２０：受光回路
２１：増幅回路
２２：Ａ／Ｄコンバータ
２３：ＭＰＵ
２４：閾値判定部
２５：パルス高判定部
２６：パルス幅判定部
２７：積分部
２８：煙濃度変換回路
２９：タイマ回路
３０：カウント部

Claims (5)

1. レーザダイオードから出射されたレーザ光を吸入空気が通過する検煙領域に照射する投光部と、前記検煙領域を煙粒子が通過する毎に生ずる散乱光パルスを受光素子で受光して受光パルス信号を出力する受光部と、前記受光部からの受光パルス信号に基づいて煙濃度を検出する煙濃度検出部とを備え、監視区域から吸引した空気中に浮遊する煙粒子を光学的に検出して火災を判断する煙感知装置に於いて、
   前記受光部で受光した受光パルス信号に対し所定のパルス高閾値とパルス幅閾値を設け、前記パルス高閾値を超え且つ前記パルス幅閾値より狭いパルス幅の受光パルス信号を判定して前記煙濃度検出の対象とし、前記パルス高閾値を超えるが前記パルス幅閾値より広いパルス幅の受光パルス信号を判定して前記煙濃度検出の対象から除外する閾値判定部を設けたことを特徴とする煙感知装置。
2. 請求項１記載の煙感知装置に於いて、前記閾値判定部のパルス幅閾値は、吸入空気中に含まれる水滴浮遊粒子による散乱パルス光の受光パルス信号を除外するように設定されたことを特徴とする煙感知装置。
3. 請求項１記載の煙感知装置に於いて、前記閾値判定部のパルス幅閾値は１ミリ秒以上の値であることを特徴とする煙感知装置。
4. 請求項１記載の煙感知装置に於いて、前記煙濃度検出部は、前記受光パルス信号を積分した単位時間当りの積分量に基づいて煙濃度を検出することを特徴とする煙感知装置。
5. 請求項１記載の煙感知装置に於いて、前記煙濃度検出部は、前記受光パルス信号の単位時間当りのカウント数に基づいて煙濃度を検出することを特徴とする煙感知装置。

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