JP4698267B2 - 炎感知器 - Google Patents

Description

本発明は炎のゆらぎを判別する炎感知器に関し、特に炎のゆらぎを簡便で、確実に検出することができる炎感知器に関するものである。

火災の炎を判別する際に、炎以外の高温物体等の誤報を区別するため、炎のゆらぎに基づいて炎を判別することは従来から各種手法によって用いられている。
例えば、従来の火災検知器及び火災検知方法は、光エネルギーを受光して電気信号に変換する検知センサの検出出力を高速フーリエ変換法を用いて周波数解析して得た周波数スペクトルの分布パターンを調べて、炎の中心周波数帯域、回転灯の周波数帯域、それ以外の低周波帯域のスペクトル成分を比較し、炎のスペクトルパターンが存在することを検出した場合に火災と判定するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１６２２９６号公報（第１頁、図１）

従来の火災検知器及び火災検知方法では、炎のゆらぎに基づいて炎を判別するために、周波数スペクトルの分布パターンを作成しなければならず、検知センサの検出出力を高速フーリエ変換法を行う等の処理や一過性の出力と区別する処理も必要なため、複雑な処理となって手間と時間がかかり、火災判別の確実性にも欠けるという問題があった。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、赤外線センサの検出信号から波形を検出し、その波形に基づいて簡便で、確実に炎の火災を判別することができる炎感知器を得ることを目的とする。

本発明に係る炎感知器は、赤外線を検出する赤外線センサと、該赤外線センサの出力信号から波形を検出してその波形を複数記憶する波形記憶手段と、該波形記憶手段に記憶されている波形が第１の所定時間内に第１の所定数以上存在すると共に、該第１の所定時間とは異なる第２の所定時間内に該第１の所定数とは異なる第２の所定数以上存在する場合に波形が連続することを判別する波形個数判別手段とを備えて構成されている。
また、本発明に係るもう１つの炎感知器は、赤外線を検出する赤外線センサと、該赤外線センサの出力信号から波形を検出する波形検出手段と、該波形検出手段による１つ目の波形を検出するときを起点とし、該１つの波形を検出し始めてから次の波形を検出するまでの間隔が第３の所定時間間隔内であるときに継続して波形を検出し、前記起点から第４の所定時間を経過したときに、前記波形が連続することを判別する波形間隔判別手段とを備えて構成されている。

本発明は以上説明したように、波形個数判別手段は、波形記憶手段に記憶されている赤外線センサの出力信号であるパルスの波形が第１の所定時間内に第１の所定数以上存在すると共に、第２の所定時間内に第２の所定数以上存在することを確認して赤外線センサが検出したパルスの波形が継続して得られていると判別するようにしたことにより、従来のように炎のゆらぎに基づく波形の幅を決定したり、周波数分布を作成する必要がなく、波形記憶手段に記憶されている波形から所定時間内のパルスの波形の数を数えるだけの単純な処理で、簡単にしかも確実に炎によるパルスの波形が分布していることが分かる。
また、波形間隔判別手段は、波形検出手段による赤外線センサの出力信号であるパルスの１つ目の波形を検出するときを起点とし、１つの波形を検出し始めてから次の波形を検出するまでの間隔が第３の所定時間間隔内であるときに継続して波形を検出し、起点から第４の所定時間を経過したときに、赤外線センサが検出したパルスの波形が継続して得られていると判別するようにしたことにより、従来のように炎のゆらぎに基づく波形の幅を決定したり、周波数分布を作成する必要がなく、波形が連続的に検出される状態が所定時間続くだけの単純な処理で、簡単にしかも確実に炎によるパルスの波形が継続的に得られることが分かる。
これらのようにパルスの波形が継続して得られていると判別する場合には、例えば突然視野内に飛び込んできた熱源は非常に大きな出力を発生させるが、一過性の出力として除外することができ、また衝撃が加わった場合にも大きな出力を発生させるが、そういった一過性の誤報要因による出力も除外することができる。

図１は本発明に係る実施の形態の炎感知器の構成を示すブロック図、図２は同炎感知器のＭＰＵの内部構成を示すブロック図、図３は同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んで波形が連続する場合の波形処理を示す説明図、図４は同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んで波形が連続しない場合の波形処理を示す説明図、図５は同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んで波形が連続する場合の波形の個数判別処理を示す説明図、図６は同炎感知器の動作を示すフローチャートである。
図１に示す炎感知器は、内部に焦電体、高抵抗、ＦＥＴが組み込まれて構成された焦電素子等からなる主赤外線センサ１を備えており、この主赤外線センサ１は炎を検出するためのＣＯ2共鳴放射に関する赤外線を受光し、電気信号に変換して増幅部２に出力する。増幅器２で増幅された信号はＭＰＵ３に入力される。

また、この炎感知器は主赤外線センサ１と同様の構成の副赤外線センサ１１を備えており、この副赤外線センサ１１は、主赤外線センサ１とは異なる波長帯域の赤外線を受光して電気信号に変換して増幅部１２に出力する。増幅器１２で増幅された信号はＭＰＵ３に入力される。
なお、主赤外線センサ１側と相違するのは、副赤外線センサ１１側では焦電体の赤外線検出波長がＣＯ2共鳴放射の波長帯域より少しずれた波長帯域（例えば、５．０μｍ）の信号を出力するように構成されている点である。

ＭＰＵ３は、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器３１、ＣＰＵ３２、波形データを記憶するＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、タイマ３５、５秒カウンタ３６、２０秒カウンタ３７及びＩ／Ｏ（入出力）回路３８を備えており、増幅部２からの出力をＡ／Ｄ変換器３１を介して取り込んで、後述のように波形が連続することの判別と波形が炎であることの判別を行う。ＭＰＵ３のタイマ３５はＡ／Ｄ変換器３１を介して出力を取り込むサンプリング間隔を設定する。

また、ＭＰＵ３はＩ／Ｏ回路３８を介して火災信号発生部２１と接続されている。火災信号発生部２１はＭＰＵ３が波形が炎であると判別したときに、ＭＰＵ３からの検出信号を受信して火災信号を出力するためのもので、図示しない火災受信機と接続されている。 ２２は電源部で、各部に電源を供給する。２３は電源部２２に所定の直流電圧を供給する電源兼信号線、２４は電源部２２及び電源兼信号線２３に設けられ、電源供給されていることを監視する回線電圧監視部で、火災の場合に電源兼信号線２３の回線電圧が異常でないことを確認してＭＰＵ３に検出信号の出力動作を行わせるようにしている。

次に、本発明に係る実施の形態の炎感知器の動作について図６のフローチャートに基づいて説明する。
概略的に、図６のフローチャートでは、サンプリング処理として、所定の間隔でＡ／Ｄ変換器３１を介して赤外線センサ１、１１の出力を取り込み、検出レベルとする。主赤外線センサ１から継続して得られる検出レベルから、炎のゆらぎに基づく波形を検出して、個々の波形のデータを作成しＲＡＭ３４に記憶する。そして、この波形に基づいて炎を判別するが、このときに波形が継続して得られることの判別と波形が炎の特徴を有することの判別との２つの観点から判別を行っている。これらに基づいて炎と判別されるときに、火災信号を送出する。
図６において、まず主赤外線センサ１と副赤外線センサ１１のセンサ出力は、増幅部２、１２で各々増幅された後に、ＭＰＵ３に入力される。
ＭＰＵ３のＣＰＵ３２では、タイマ３５に設定されたサンプリング時間が到来すると、Ａ／Ｄ変換器３１によりＡ／Ｄ変換された主赤外線センサ１の検出信号をサンプリングする（ステップＳ１）。

次に、サンプリングした主赤外線センサ１の検出信号から炎のゆらぎに基づく最新のパルスの波形を検出する（ステップＳ２）。
このパルスの波形の検出は、サンプリングにより取り込んだ検出信号の検出レベルが所定の波形判別レベルを越えるときに波形の始まりと認識し、波形判別レベルを下回るまでを一つの波形として、必要な波形データとする。ここでは、越え始めの時点をタイムスタンプとして、波形存在の基準として取り扱う。
このようにして最新のパルスの波形を検出したら、ＣＰＵ３２はＲＡＭ３４から最も古いパルスのデータを削除する（ステップＳ３）。
しかる後に、ＣＰＵ３２は最新のパルスの波形データをＲＡＭ３４に記憶する（ステップＳ４）。
かかるＲＡＭ３４には、パルスの波形データが例えば１２個記憶されており、最新のパルスの波形が発生したときは、一番古い波形データをクリアすることで、常時１２個分の波形データを記憶するようにしている。

このようにしてＲＡＭ３４に最新のパルスの波形データが順次記憶されいくが、波形の始まりとしてタイムスタンプもＲＡＭ３４に記憶され、それと同時にＣＰＵ３２は後述する２０秒カウンタ（第４の所定時間）３７と５秒カウンタ（第３の所定時間）３６を起動させる。

一方、図５に示すように、パルスの波形の個数判別は、波形が継続して得られることの判別の一つとして、ＣＰＵ３２がＲＡＭ３４に記憶されている波形を読み込みにいき、判別したい時点から遡って１５秒間（第１の所定時間）に波形が１２個以上（第１の所定数）存在するかどうかを判別し（ステップＳ５）、これを満足するときはフラグＡをオンとし（ステップＳ６）、これを満足しないときはフラグＡをオフとする（ステップＳ７）。
次に、上記と同様の判別したい時点から遡って１０秒間（第２の所定時間）に波形が８個以上（第２の所定数）存在するかどうかを判別し（ステップＳ８）、これを満足するときはフラグＢをオンとし（ステップＳ９）、これを満足しないときはフラグＢをオフとする（ステップＳ１０）。
このように、異なる２つの時間内にそれぞれの所定数の波形が含まれていることによって、パルスの波形が複数得られ、分布していることを簡便に判別できる。

次に、波形が継続して得られることのもう一つの判別として、ＣＰＵ３２はパルスの波形が連続し、パルス間隔が５秒以内の状態が２０秒以上続いているかどうかを判別し（ステップＳ１１）、これを満足するときはフラグＣをオンとし（ステップＳ１２）、これを満足しないときはフラグＣをオフとする（ステップＳ１３）。
この判別について詳細に説明すると、図３に示すように、初めのパルスの波形を検出し始めてから、次のパルスの波形の検出し始めが５秒以内であれば、５秒カウンタ３６をリセットし、２０秒カウンタ３７は継続する。ここで、パルスの波形を検出する毎に、波形データがＲＡＭ３４に記憶されていく。
５秒カウンタ３６のリセットが継続して、２０秒カウンタ３７がタイムアップした後は、フラグを立ててこの２０秒継続の条件が満足していることを示す。そして、このフラグは５秒カウンタ３６がリセットされ続けることによって継続し、５秒カウンタ３６がタイムアップすると、フラグはクリアされる。

また、図４に示すように、次のパルスの波形が検出されず、５秒カウンタ３６がタイムアップすると、その時点で２０秒カウンタ３７がクリアされる。
その後、改めてパルスの波形が検出されると、始めに戻り、上記ステップＳ４と同様に５秒カウンタ３６と２０秒カウンタ３７とが起動される。
このようにしてパルスの波形を検出する毎に５秒カウンタ３６をリセットし続け、２０秒カウンタ３７がタイムアップしたら、フラグが再び立てられる。
そして、全てのフラグＡ、Ｂ、Ｃがオンのときに、ＣＰＵ３２が波形判別手段として機能して波形が継続して得られていると判別し、次の波形が炎の特徴を有していることの判別を行うステップに進む。
このように、パルス間隔が５秒以内の状態が２０秒以上続き、１５秒間に波形が１２個以上存在し、さらに１０秒間に波形が８個以上存在することにより、炎が継続していることを確認することができると共に、一過性の現象を除外することができる。

上述した波形が継続して得られていることの判別は、１つの、つまり主赤外線センサ１の検出信号に基づいて行っているが、次のステップの波形が炎の特徴を有していることの判別は、主赤外線センサ１と副赤外線センサ１１の検出信号に基づいて行う。
このように、主赤外線センサ１と副赤外線センサ１１の検出信号に基づいて炎と判別するのは、物体から放出されるいわゆる黒体放射は連続分布となるのに対し、炎から放射される赤外線にはいわゆるＣＯ2共鳴放射により、特定の波長（例えば、４．４μｍ）で赤外線強度が増大するというように分光分布が異なるため、火災における炎からのピーク波長を主赤外線センサ１の側で検出し、そのピークを外した熱放射による波長を副赤外線センサ１１の側で検出し、両者のセンサ出力の比、即ち波長間の分光比率が炎の火災のときには例えば３：１となるからである。

そして、波形が炎の特徴を有していることの判別は、炎のゆらぎが一定でないことにより、波形毎にデータが変化することがあり、まず主赤外線センサ１から得られたパルスの波長と、副赤外線センサ１１から得られた波長との分光比率、即ち波長間の分光比率が３以上のパルスが２つ以上あるかどうかを確認し（ステップＳ１５）、次に全てのパルスの波長間の分光比率が１以上であるかどうかを確認し（ステップＳ１６）、波長間の分光比率が３以上のパルスが２つ以上あり、且つ全てのパルスの波長間の分光比率が１以上である場合にＣＰＵ３２は炎判別手段として機能し、炎の火災と判別する（ステップＳ１７）。
こうして炎の火災と判別されると、ＭＰＵ６は火災信号発生部２１に検出出力を行い、火災信号発生部２１は、電源兼信号線２３を介して火災受信機に火災信号を出力する。

この実施の形態１のように、波形個数判別手段であるＣＰＵ３２は波形記憶手段であるＲＡＭ３４に記憶されている主赤外線センサ１の検出信号であるパルスの波形が１５秒の第１の所定時間内に１２個の第１の所定数以上存在すると共に、１０秒の第２の所定時間内に８個の第２の所定数以上存在することを確認して主赤外線センサ１が検出したパルスの波形が継続して得られていると判別するようにしたことにより、従来のように炎のゆらぎに基づく波形の幅を決定したり、周波数分布を作成する必要がなく、波形記憶手段であるメモリ３４に記憶されている波形から所定時間内のパルスの波形の数を数えるだけの単純な処理で、簡便にしかも確実に炎によるパルスの波形が分布していることが分かる。
このようにパルスの波形が継続して得られていると判別する場合には、例えば突然視野内に飛び込んできた熱源は非常に大きな出力を発生させるが、一過性の出力として除外することができ、また衝撃が加わった場合にも大きな出力を発生させるが、そういった一過性の誤報要因による出力も除外することができる。

ここで、波形個数判別手段であるＣＰＵ３２は、主赤外線センサ１の出力信号がゆらぎの波形を得るために設定された波形検出レベルを越えるときを始まりとして該波形検出レベルを下回るまでを一つの波形として認識して波形記憶手段であるＲＡＭ３４に記憶させるので、炎のゆらぎを判別するときに、パルスの波形と認識し始める検出レベルを低く設定しておくことで、検出出力自体が小さくても炎を判別することができ、炎の早期判別および高感度化を可能とする。

また、波形検出手段及び波形間隔判別手段として機能するＣＰＵ３２は、１つ目の波形を検出するときを起点とし、該１つの波形を検出し始めてから次の波形を検出するまでの間隔が５秒カウンタ３６による第３の所定時間間隔内であるときに継続して波形を検出し、前記起点から２０秒カウンタ３７である第４の所定時間を経過したときに、前記波形が連続することの判別を実行し、該１つの波形を検出し始めてから次の波形を検出するまでの間隔が第３の所定時間間隔を越えるときに前記起点を消去するようにしたので、ＣＰＵ３２がパルスの波形を数えるときに、波形が第３の所定時間間隔で継続していることを確認でき、波形の継続を確認しながら、第４の所定時間内の波形を数えることによって、簡便に、しかも炎からの出力であることを確実に判別できる。

ここで、波形検出手段であるＣＰＵ３２は、主赤外線センサ１の出力信号がゆらぎの波形を得るために設定された波形検出レベルを越えるときを始まりとして該波形検出レベルを下回るまでを一つの波形として、個々の波形を検出するので、パルスの波形と認識し始める検出レベルを低く設定しておくことで、検出出力自体が小さくても炎を判別することができ、炎の早期判別および高感度化を可能とする。

さらに、炎判別手段として機能するＣＰＵ３２は、主赤外線センサ１から得られたパルスの波長と、副赤外線センサ１１から得られた波長との分光比率に基づいて炎の火災と判別するようにしたので、パルスの波形が連続することの判別を経た後に、炎の火災であることを確実に判別することができる。

また、炎判別手段であるＣＰＵ３２は、主赤外線センサ１から得られたパルスの波長と副赤外線センサ１１から得られた波長との分光比率が３以上のパルスが３つ以上あり、且つ全てのパルスの波長間の分光比率が１以上あるときに炎の火災と判別するようにしたので、２段階の判別を経ているため、炎の火災であることをより一層確実に判別することができる。
なお、上記は炎の特徴を有していることの判別を波長間の分光比率に基づいて行うようにしているが、炎のゆらぎが一定でないことによる波形の変化は各種のデータに表れることから、それ以外にもパルスの波形のパルス幅や、最大値（高さ）等によっても判別することができることはいうまでもない。

本発明に係る実施の形態１の炎感知器の構成を示すブロック図。 同炎感知器のＭＰＵの内部構成を示すブロック図。 同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んで波形が連続する場合の波形処理を示す説明図。 同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んで波形が連続しない場合の波形処理を示す説明図。 同炎感知器の赤外線センサの出力信号をＭＰＵに取り込んで行う波形が連続する場合の波形の個数判別処理を示す説明図。 同炎感知器の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１ 主赤外線センサ、２ 増幅部、３ ＭＰＵ（火災判別部）、１１ 副赤外線センサ、２１ 火災信号発生部、２２ 電源部、２３ 電源兼信号線、２４ 回線電圧監視部、３１ Ａ／Ｄ変換器、３２ ＣＰＵ、３３ ＲＯＭ、３４ ＲＡＭ、３５ タイマ、３６ ５秒カウンタ、３７ ２０秒カウンタ、３８ Ｉ／Ｏ回路。

Claims (5)

1. 赤外線を検出する赤外線センサと、
   該赤外線センサの出力信号から波形を検出してその波形を複数記憶する波形記憶手段と、
   該波形記憶手段に記憶されている波形が第１の所定時間内に第１の所定数以上存在すると共に、該第１の所定時間とは異なる第２の所定時間内に該第１の所定数とは異なる第２の所定数以上存在する場合に波形が連続することを判別する波形個数判別手段と、
   を備えていることを特徴とする炎感知器。
2. 前記波形個数判別手段は、前記赤外線センサの出力信号がゆらぎの波形を得るために設定された波形検出レベルを越えるときを始まりとして該波形検出レベルを下回るまでを一つの波形として認識して前記波形記憶手段に記憶させることを特徴とする請求項１記載の炎感知器。
3. 前記赤外線センサの出力信号から波形を検出する波形検出手段と、
   該波形検出手段による１つ目の波形を検出するときを起点とし、該１つの波形を検出し始めてから次の波形を検出するまでの間隔が第３の所定時間間隔内であるときに継続して波形を検出し、前記起点から第４の所定時間を経過したときに、前記波形が連続することを判別する波形間隔判別手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項１記載の炎感知器。
4. 前記波形検出手段は、前記赤外線センサの出力信号がゆらぎの波形を得るために設定された波形検出レベルを越えるときを波形の始まりとして検出することを特徴とする請求項３記載の炎感知器。
5. 前記赤外線センサは炎が発する特有の波長帯域の赤外線を検出する主赤外線センサと、該主赤外線センサとは異なる波長帯域の赤外線を検出する副赤外線センサとを備え、
   前記波形個数判別手段又は前記波形間隔判別手段は、前記波形が連続することの判別をした後に、前記主赤外線センサから得られたパルスの波長と、前記副赤外線センサから得られた波長との分光比率に基づいて炎の火災と判別することを特徴とする請求項３又は４記載の炎感知器。

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