JP5013620B2 - 炎検出装置 - Google Patents
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Description
図15は、燃焼炎と、その他の代表的な放射体の放射線スペクトルを示す概念図であり、横軸は放射線の波長、縦軸は放射線の相対強度を示す。
図15に示すように、燃焼炎(スペクトル特性1a、1b)においては、CO2の共鳴放射により4.4〜4.5μm付近の波長帯域に放射線相対強度のピークがあり、また、このピーク波長の近傍に存在する特徴的な波長としては、例えば、短波長側の3.8μm付近に、放射線相対強度が低い波長帯域が存在する。
このような複数波長方式の炎検出装置は、例えば、特許文献1、特許文献2等に記載されている。
(1)有炎燃焼時に発生するCO2の共鳴放射による波長帯域(4.4〜4.5μm付近の波長帯域)を含む、複数の波長帯域における放射線の強度を検出するにあたって、一般に、光学式のバンドパスフィルタが使用されているが、これらの光学式バンドパスフィルタは、いずれも狭帯域バンドパスフィルタで構成されていたため、その製品価格が極めて高価であり、その結果、炎検出装置のコストアップを招くという問題を有していた。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の炎検出装置において、前記狭帯域バンドパスフィルタは、前記第1の受光素子を収納した第1のセンサモジュールの、前記第1の受光素子の前面に配置され、前記カットオンフィルタは、前記第2の受光素子を収納した第2のセンサモジュールの、前記第2の受光素子の前面に配置され、前記ショートウェーブパスフィルタ部材は、前記第1のセンサモジュールおよび前記第2のセンサモジュールを収納する本体カバーの、前記第1の受光素子および前記第2の受光素子のうち少なくとも前記第2の受光素子の前面に設けられた窓用開口部に配置される、前記第1のセンサモジュールおよび前記第2のセンサモジュールの保護用透光性窓であることを特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の炎検出装置において、前記第2の受光素子により設定される第2の検知エリアは、前記第1の受光素子により設定される第1の検知エリアの拡がりの遠方最大距離に比べて、比較的短い遠方最大距離となるように設定されていることを特徴とする。
請求項8記載の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記載の炎検出装置において、前記第1及び第2の周波数抽出手段は、前記信号成分の通過特性が相互に異なるように設定されていることを特徴とする。
<第1の実施形態>
図1は、本発明に係る炎検出装置の第1の実施形態を示す概略構成図であり、図2は、本実施形態に係る炎検出装置に適用されるセンサモジュールと、該センサモジュールを収納した本体カバーの構成例を示す概略構成図である。
(イ)センサモジュール100a、100b
センサモジュール100aは、有炎燃焼時に発生するCO2共鳴により放射される概ね4.5μmの波長帯域を中心波長とする狭帯域の放射線のみを高い透過率で透過する光学式の狭帯域バンドパスフィルタであって、例えば、中心波長±200〜400nmの極めて狭い波長帯域の放射線を選択透過する光学波長フィルタ105aと、該光学波長フィルタ105aを透過した光を受光して電気信号に変換して出力する焦電型の第1の受光素子10aを備えている。
なお、上述した光学波長フィルタ105a、105bは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、サファイア等の基板上に、テルル化鉛PbTeと硫化亜鉛ZnSを蒸着積層することにより、上記所定の波長帯域の光を透過する特性を持たせることができる。
透光性窓108は、センサモジュール100a、100bが収納された本体カバー107の一面側(図2では上面側;監視エリア側に相当する)であって、センサモジュール100a、100bの前面側に設けられた所定の開口部に配置され、例えば、サファイアガラス等の赤外線透光性の部材により形成されている。したがって、上記受光素子10a、10bは、各々の受光限界視野が透光性窓108aの縁辺部で規制されることにより、略同一の拡がり角度を有する検知エリアが設定される。
ここで、透光性窓108を構成するサファイアガラスは、概ね7.0μm付近以下の波長帯域の放射線を良好に透過するショートウェーブパス特性(換言すれば、概ね7.0μm付近より長波長の放射線を遮断するロングウェーブカット特性)を有するフィルタ部材として機能する。
前置フィルタ20a、20bは、上記受光素子10a、10bの各々から出力される検出信号から、炎判定処理に用いられる特定の周波数帯域の信号成分のみを通過させて、後段の増幅手段(プリアンプ30a、30b、メインアンプ40a、40b)に伝達する機能を有している。
プリアンプ30a、30bは、各前置フィルタ20a、20bを介して入力される信号成分を所定の増幅率で初段増幅し、メインアンプ40a、40bは、プリアンプ30a、30bからの各出力を、後述する炎判定処理に適した信号レベルに増幅する。
A/D変換部50a、50bは、メインアンプ40a、40bから出力されたアナログ信号を後段の炎判定処理部60における炎判定処理に適したデジタル信号に変換する。なお、A/D変換部50a、50bは、後段の炎判定処理部60がデジタル信号処理を行う場合にのみ必要であり、アナログ信号レベルを直接基準値と比較するような処理回路の場合には省略することができる。
炎判定処理部60は、マイクロプロセッサユニット(MPU)等により構成され、第1の受光素子10aの受光出力(増幅出力)と第2の受光素子10bの受光出力(増幅出力)の相対比を算出することにより、炎と炎以外の赤外線源(放射線源)との識別判定処理を行う。なお、炎判定処理部60の具体的な処理動作については、後述する。
図3は、本実施形態に適用される光学波長フィルタ及び透光性窓の各波長における透過率を示す図である。ここでは、図2に示したセンサモジュール及び本体カバーの構成を適宜参照しながら説明する。
図4は、本実施形態に係る炎検出装置により設定される検知エリアの拡がりを説明する概略図である。
図5は、本実施形態に係る炎検出装置に適用される炎判定処理部の処理動作の手順を示すフローチャートであり、図6は、本実施形態に適用される炎判定処理における判定結果を示す相関表である。
(処理手順S1)
まず、第1の受光素子10a及び第2の受光素子10bの各受光出力(増幅出力)を、所定サンプリング周期でA/D変換器50a、50bを介して所定時間取り込み、該受光出力毎に強度の時間積分処理を行う。
次いで、上記処理手順S1において、積分処理した第1の受光素子10aの受光出力(以下、受光出力積分値という)、すなわち、透光性窓材108及び光学波長フィルタ105aの透過率特性の合成(第1のフィルタ特性)を透過した放射線の受光出力積分値が、予め設定された基準レベルを超えたか否かを判定し、当該基準レベル以下の場合には、炎に相当する受光出力が検出されなかったものとして、処理手順S1に戻り、所定のサンプリング周期で受光出力の取り込みを繰り返す。
一方、上記受光出力積分値が、基準レベルを超えた場合には、処理手順S1で別に積分処理した受光素子10bの受光出力(受光出力積分値)との相対比(すなわち、受光素子10aの受光出力積分値/受光素子10bの受光出力積分値)を算出する。
次いで、算出された受光出力積分値の相対比が、予め設定されたしきい値レベルを超えるか否かを判定し、当該しきい値レベル以下の場合には、例えば、人体や車両等の炎以外の比較的低温の放射線源による受光出力があったものとして、処理手順S1に戻り、所定のサンプリング周期で受光出力の取り込みを繰り返す。
ここで、上記しきい値レベルとしては、燃焼炎の受光出力積分値の相対比(受光素子10aの受光出力積分値/受光素子10bの受光出力積分値)が、燃焼状態に関係なく、ほぼ5以上であること、及び、炎以外からの受光出力積分値の相対比が2以下であることに基づいて、例えば、3程度に設定すれば良いことになる。
具体的には、検出対象となる放射線源が、炎の場合には、概ね4.5μm帯の波長帯域に、放射線の相対強度の強い(高い)受光出力が検出されるとともに、4.5μm帯の長波長側である5.0〜7.0μm帯の波長帯域に、放射線の相対強度の極弱(微小な)受光出力が検出される。この場合、放射線相対強度の相対比は、例えば、5.0程度以上となって、炎判定の基準(しきい値レベル)である相対比“3”よりも大きくなるので、検出対象が炎であると判定される。
次に、本発明に係る炎検出装置の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態においては、上述した第1の実施形態に示した炎検出装置の構成をトンネル用の炎検出装置(火災検知器)に適用した場合について説明する。
図7は、本発明に係る炎検出装置の第2の実施形態を示す概略構成図であり、図8は、本実施形態に係る炎検出装置のトンネル内での設置形態と検知エリアの拡がりを示す概略図である。
また、その検知エリアは、センサモジュール206a、206b、及び、207a、207bが、図7(b)に示すように、トンネルの長手方向の一方側及び他方側の傾斜曲面203a、203bに設けられた透光性窓205a、205bに対して、各々所定の位置関係で、かつ、所定の傾斜角度で設置されていることにより、図8(b)に示すように、各々所定の広がりを有する検知エリアAa、Ab、及び、Ba、Bbが設定される。
また、試験用光源収納部210に収納された試験ランプ208a、208bを、疑似炎状態になるように点滅させ、その試験光CKを試験光源用透光窓209a、209bを介して、透光性窓205a、205b内のセンサモジュール206a、206b、及び、207a、207bに投光することにより、図10に示したようなスペクトル特性を有する赤外線放射であっても、概ね4.5μm帯と概ね5.0〜7.0μm帯の波長帯域における受光出力積分値の相対比が、図6に示した炎相当(5.0程度以上)の値を示すことになるので、擬似火炎による検出性能試験を厳密に行うことができる。
また、上述した実施形態にあっては、第1及び第2のセンサモジュールに対して、共通の透光性窓を配設するようにしているが、各センサモジュールに対して、個別の透光性窓を配設するようにしてもよい。
次に、本発明に係る炎検出装置の第3の実施形態について説明する。
まず、第3の実施形態に係る炎検出装置において、炎と識別する対象となる放射線源について説明する。
上述したように、第1及び第2の実施形態に示した炎検出装置においては、CO2共鳴放射帯(第1の波長帯域:概ね4.5μmを中心波長とする狭帯域)、及び、その長波長側の所定帯域(第2の波長帯域:例えば、概ね5.0〜7.0μmの広帯域)を観測することにより、人体や車両等の比較的低温の放射線源と炎とを良好に識別することができるとともに、第2の波長帯域を選択抽出する広帯域バンドパスフィルタを簡易かつ安価な構成で実現することができることを説明した。
図9は、炎と回転灯との放射線スペクトルの関係を示す特性図である。ここで、回転灯は、白熱ランプ類を備えた設備の代表例であって、緊急車両や道路工事用の警告・案内表示等に多用されており、炎検出処理の観点から最も識別精度を必要とされる放射線源の一つである。なお、本実施形態に係る炎検出装置において識別対象となる放射線源は、これに限定されるものではないことは言うまでもない。
図10は、炎及び回転灯からの赤外線エネルギーに対する時系列観測波形(赤外線エネルギーの時間変動)を示す図であり、図11は、図10に示した時系列観測波形に基づいて周波数解析を行った場合の周波数分布パターン(スペクトルパターン)を示す図である。
図12は、本発明に係る炎検出装置の第3の実施形態を示す概略構成図である。ここで、上述した第1及び第2の実施形態と同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。
図13は、本実施形態に適用される周波数フィルタの周波数通過特性を示す特性図であり、図14は、本実施形態に係る周波数フィルタを適用した場合の炎及び回転灯からの赤外線エネルギーに対する時系列観測波形(赤外線エネルギーの時間変動)を示す図である。まず、本実施形態における作用効果を明確にするため、第1の周波数通過特性と第2の周波数通過特性を同等に設定した場合(図13(a))における時系列観測波形(図14(a))とを適宜対比させながら説明する。
10b 第2の受光素子
20a、20b、20c 前置フィルタ
30a、30b プリアンプ
40a、40b メインアンプ
50a、50b A/D変換器
60、60A 炎判定処理部
100a、100b センサモジュール
105a、105b 光学波長フィルタ
108 透光性窓
200 炎検出装置
208a、208b 試験ランプ
PROA、PROB 周波数抽出処理部
Claims (10)
- 有炎燃焼時に発生するCO2共鳴により放射される、概ね4.5μmを中心波長とする狭帯域波長の光のみを選択透過させる狭帯域バンドパスフィルタと、
前記狭帯域バンドパスフィルタを透過した透過した光を受光し電気信号に変換して出力する第1の受光素子と、
前記狭帯域バンドパスフィルタの透過波長帯域の長波長側に隣接した、概ね5.0μmを超える所定の波長帯域の光を透過させるカットオンフィルタと、
前記カットオンフィルタを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する第2の受光素子と、
前記狭帯域バンドパスフィルタおよび前記カットオンフィルタ前面の観測対象となる監視エリア側に設けられた、概ね7.0μm以下の光を透過させ、それより長波長の光を遮断するロングウェーブカット特性を有するショートウェーブパスフィルタ部材と、
前記第1の受光素子の出力から所定の周波数の信号成分を選択抽出する第1の周波数抽出手段と、
前記第2の受光素子の出力から所定の周波数の信号成分を選択抽出する第2の周波数抽出手段と、
前記第1の周波数抽出手段及び第2の周波数抽出手段の出力に基づいて炎と炎以外の放射線源とを識別判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする炎検出装置。 - 前記第1の受光素子及び前記第2の受光素子を、焦電体で構成したことを特徴とする請求項1記載の炎検出装置。
- 前記狭帯域バンドパスフィルタは、前記第1の受光素子を収納した第1のセンサモジュールの、前記第1の受光素子の前面に配置され、
前記カットオンフィルタは、前記第2の受光素子を収納した第2のセンサモジュールの、前記第2の受光素子の前面に配置され、
前記ショートウェーブパスフィルタ部材は、前記第1のセンサモジュールおよび前記第2のセンサモジュールを収納する本体カバーの、前記第1の受光素子および前記第2の受光素子のうち少なくとも前記第2の受光素子の前面に設けられた窓用開口部に配置される、前記第1のセンサモジュールおよび前記第2のセンサモジュールの保護用透光性窓であることを特徴とする請求項1記載の炎検出装置。 - 前記ショートウェーブパスフィルタ部材は、サファイアガラスであることを特徴とする請求項3記載の炎検出装置。
- 前記第2の受光素子により設定される第2の検知エリアは、前記第1の受光素子により設定される第1の検知エリアの拡がりの遠方最大距離に比べて、比較的短い遠方最大距離となるように設定されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の炎検出装置。
- 前記狭帯域バンドパスフィルタと、前記カットオンフィルタと、前記第1の受光素子と、前記第2の受光素子と、前記ショートウェーブパスフィルタ部材とから構成される炎検出部を一対備え、
該一対の炎検知部により、該一対の炎検知部の設置位置を基準とする相異なる2方向に対し、所定の検知エリアを設定して、特定の火災監視区域内で発生する炎を検出することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の炎検出装置。 - 前記一対の炎検知部は、トンネル内の所定の設置位置を基準として、前記トンネルの長手方向の左右2方向に対し、各々独立した3次元の検知エリアを設定して、前記トンネル内で発生する炎を検出することを特徴とする請求項6記載の炎検出装置。
- 前記第1及び第2の周波数抽出手段は、前記信号成分の通過特性が相互に異なるように設定されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の炎検出装置。
- 前記第1及び第2の周波数抽出手段は、前記選択抽出した周波数のうち、少なくとも、実質的な炎特有のちらつき周波数帯域以外の周波数において、前記第2の周波数抽出手段により抽出された信号成分の強度が、前記第1の周波数通過手段により抽出された信号成分の強度よりも大きくなるように、信号通過特性が設定されていることを特徴とする請求項8記載の炎検出装置。
- 前記炎判定手段は、少なくとも、実質的な炎特有のちらつき周波数帯域以外の周波数において、前記第1及び第2の周波数抽出手段により抽出された各信号成分の強度に基づいて、炎特有のちらつき周波数を含む炎以外の放射線源を判別することを特徴とする請求項8又は9記載の炎検出装置。
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