JPH04227599A - 熱検知装置 - Google Patents
熱検知装置Info
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- JPH04227599A JPH04227599A JP3113711A JP11371191A JPH04227599A JP H04227599 A JPH04227599 A JP H04227599A JP 3113711 A JP3113711 A JP 3113711A JP 11371191 A JP11371191 A JP 11371191A JP H04227599 A JPH04227599 A JP H04227599A
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- G—PHYSICS
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-
- G—PHYSICS
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-
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-
- G—PHYSICS
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-
- G—PHYSICS
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-
- G—PHYSICS
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- G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
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-
- G—PHYSICS
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱検知装置に関し、特に
揮発性燃料または他の高発火性材料に着火した結果発生
する急激に燃え上る火災の検知のための検知装置に関す
る。
揮発性燃料または他の高発火性材料に着火した結果発生
する急激に燃え上る火災の検知のための検知装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】急激に燃え上る火災の検知において、検
知の主目的が、急速に作用する消火剤の放出開始および
／または他の対処策の発動にあるとともに、その検知が
、急速のみでなく、欠陥のある警報システムに基づいて
上記対処策が発動される危険性を回避または少なくとも
低減するように信頼性をもってなされなければならない
ことに留意することが実際に重要である。
知の主目的が、急速に作用する消火剤の放出開始および
／または他の対処策の発動にあるとともに、その検知が
、急速のみでなく、欠陥のある警報システムに基づいて
上記対処策が発動される危険性を回避または少なくとも
低減するように信頼性をもってなされなければならない
ことに留意することが実際に重要である。
【０００３】上述の状況で用いられる従来の検知装置は
、即応性はあっても信頼性が低く、対処策を急速に講じ
なければならないような状況であるのに、応答時間が不
充分な傾向があり、即応性と信頼性とをともに備えた装
置を提供するのは困難である。
、即応性はあっても信頼性が低く、対処策を急速に講じ
なければならないような状況であるのに、応答時間が不
充分な傾向があり、即応性と信頼性とをともに備えた装
置を提供するのは困難である。
【０００４】
【発明の目的】そこで本発明の目的は、即応性と信頼性
とを兼ね備えた熱検知装置を提供することにある。
とを兼ね備えた熱検知装置を提供することにある。
【０００５】
【発明の構成】本発明によれば、検知されるべき火災の
特性を示す波長を有して伝送される放射エネルギーのた
めの通過帯域特性をそれぞれ有する複数の光学的フィル
タと、これら複数の光学的フィルタの通過帯域特性を包
含する帯域通過特性を有する他の１つの光学的フィルタ
と、各光学的フィルタから伝送される放射エネルギーを
それぞれ受取り、各光学的フィルタから伝送される放射
エネルギーをあらわす出力信号を発生するための複数の
熱検知器と、これら熱検知器からの出力信号を多重化す
るためのマルチプレクサ回路と、上記多重化された出力
信号を処理して、検知すべき火災の存在を示す信号処理
手段とを備えていることを特徴とする熱検知装置が提供
される。
特性を示す波長を有して伝送される放射エネルギーのた
めの通過帯域特性をそれぞれ有する複数の光学的フィル
タと、これら複数の光学的フィルタの通過帯域特性を包
含する帯域通過特性を有する他の１つの光学的フィルタ
と、各光学的フィルタから伝送される放射エネルギーを
それぞれ受取り、各光学的フィルタから伝送される放射
エネルギーをあらわす出力信号を発生するための複数の
熱検知器と、これら熱検知器からの出力信号を多重化す
るためのマルチプレクサ回路と、上記多重化された出力
信号を処理して、検知すべき火災の存在を示す信号処理
手段とを備えていることを特徴とする熱検知装置が提供
される。
【０００６】上記熱検知装置は、上記光学的フィルタに
よって受取られる放射エネルギーをコリメートするため
の複数のコリメータを備えていることが好ましい。
よって受取られる放射エネルギーをコリメートするため
の複数のコリメータを備えていることが好ましい。
【０００７】各熱検知器は、開口を有するシリコン基板
と、この基板によって支持されて上記開口上に設けられ
た熱的に絶縁する薄膜と、この薄膜によって支持された
吸収体と、この吸収体に接触する熱接点と、上記シリコ
ン基板に接触する冷接点とをそれぞれ備えている。
と、この基板によって支持されて上記開口上に設けられ
た熱的に絶縁する薄膜と、この薄膜によって支持された
吸収体と、この吸収体に接触する熱接点と、上記シリコ
ン基板に接触する冷接点とをそれぞれ備えている。
【０００８】好ましい実施例では、上記熱検知器が、開
口を有するシリコン基板と、この基板によって支持され
た熱的に絶縁する薄膜とを備えており、この薄膜は、上
記放射エネルギーが入射するようになされた抵抗性フィ
ルムを一方の主面上に備え、反対側の主面上に反射層を
備え、これによってこの薄膜内に放射エネルギー吸収キ
ャビティが形成されている。
口を有するシリコン基板と、この基板によって支持され
た熱的に絶縁する薄膜とを備えており、この薄膜は、上
記放射エネルギーが入射するようになされた抵抗性フィ
ルムを一方の主面上に備え、反対側の主面上に反射層を
備え、これによってこの薄膜内に放射エネルギー吸収キ
ャビティが形成されている。
【０００９】上記反射層が金よりなる。
【００１０】上記信号処理手段は、上記熱検知器からの
多重化された出力信号を増幅するための増幅器回路を備
え、さらに、この増幅器回路の電圧オフセットを補償す
るためのオフセット調整回路を備えている。
多重化された出力信号を増幅するための増幅器回路を備
え、さらに、この増幅器回路の電圧オフセットを補償す
るためのオフセット調整回路を備えている。
【００１１】上記オフセット調整回路は、反転増幅器回
路と、この反転増幅器回路に対するフィードバックルー
プ内に設けられた積分回路とを備えているのが好ましい
。
路と、この反転増幅器回路に対するフィードバックルー
プ内に設けられた積分回路とを備えているのが好ましい
。
【００１２】上記信号処理手段は、また、上記他の１つ
の光学的フィルタに関連する１つの熱検知器からの出力
信号を受取り、この熱検知器からの出力信号のレベルに
よって制御されるようになされた可変利得増幅器回路を
備えている。
の光学的フィルタに関連する１つの熱検知器からの出力
信号を受取り、この熱検知器からの出力信号のレベルに
よって制御されるようになされた可変利得増幅器回路を
備えている。
【００１３】
【実施例】図１を参照すると、独立した複数の検知チャ
ンネルを備えた熱検知装置が示されている。各チャンネ
ルは、入射エネルギーをコリメートするためのコリメー
タ２と、光学的フィルタ４と、熱検知器６とを備えてい
る。本実施例では、チャンネルライン８によって概略的
に示されている５つのアクティブチャンネルと、照合の
ために用いられる１つのブラインドチャンネルとを含ん
でいる。熱検知器６は、半導体基板上に４×２列の８個
の検知器を備えたアレイ構成にするのが製作に便利であ
る。アレイの８個の検知器のうちの６個がアクティブチ
ャンネルおよびブラインドチャンネルのための熱検知器
として使用される。この装置は、熱検知器アレイに関連
するフィルタ４の取付に際して実行されるチャックおよ
び選択操作によって、防護デバイスの使用を回避する自
由が与えられている。
ンネルを備えた熱検知装置が示されている。各チャンネ
ルは、入射エネルギーをコリメートするためのコリメー
タ２と、光学的フィルタ４と、熱検知器６とを備えてい
る。本実施例では、チャンネルライン８によって概略的
に示されている５つのアクティブチャンネルと、照合の
ために用いられる１つのブラインドチャンネルとを含ん
でいる。熱検知器６は、半導体基板上に４×２列の８個
の検知器を備えたアレイ構成にするのが製作に便利であ
る。アレイの８個の検知器のうちの６個がアクティブチ
ャンネルおよびブラインドチャンネルのための熱検知器
として使用される。この装置は、熱検知器アレイに関連
するフィルタ４の取付に際して実行されるチャックおよ
び選択操作によって、防護デバイスの使用を回避する自
由が与えられている。
【００１４】各熱検知器６は、図４ａ、４ｂまたは図５
に示された形式の熱電対によって構成されるのが好まし
く、詳細は後述する。
に示された形式の熱電対によって構成されるのが好まし
く、詳細は後述する。
【００１５】上述のように、赤外線エネルギーはそれぞ
れ光学的フィルタ４を通って各熱検知器（熱電対）６に
突き当る。これらフィルタ４の特性は、この装置が検出
しようとする、周囲に発生する可能性のある火災の特徴
を考慮して選択される。
れ光学的フィルタ４を通って各熱検知器（熱電対）６に
突き当る。これらフィルタ４の特性は、この装置が検出
しようとする、周囲に発生する可能性のある火災の特徴
を考慮して選択される。
【００１６】熱検知器６は、赤外線エネルギーの絶対量
および／またはエネルギー量の変化を示す電気信号を発
生し、これら信号は電気的処理回路１０によって反復し
て問掛けられ、かつ例えばＳ／Ｎ比特性を改良するため
に処理されて、Ａ／Ｄ変換器１２を介してプロセッサ回
路１４に与えられる。
および／またはエネルギー量の変化を示す電気信号を発
生し、これら信号は電気的処理回路１０によって反復し
て問掛けられ、かつ例えばＳ／Ｎ比特性を改良するため
に処理されて、Ａ／Ｄ変換器１２を介してプロセッサ回
路１４に与えられる。
【００１７】マルチプレクサ１６が設けられて、種々の
熱検知器６が、共通の電気的処理回路１０およびそれ以
降の、Ａ／Ｄ変換器１２およびプロセッサ回路１４を含
む回路および装置を共有するのを可能にしている。
熱検知器６が、共通の電気的処理回路１０およびそれ以
降の、Ａ／Ｄ変換器１２およびプロセッサ回路１４を含
む回路および装置を共有するのを可能にしている。
【００１８】各チャンネルは比較的広い角度範囲の赤外
線エネルギー入力を受け取ることが要求され、１２０°
の角度がもっとも望ましい。しかしながら、使用される
光学的フィルタ４の性質および特に広い入射角度に亘っ
て所望の選択特性を保持する能力の欠徐に関連して、周
知のように限界があり、チャンネル内における種々の部
材の物理的寸法上の限界と同様に、この要求に困難をも
たらす。
線エネルギー入力を受け取ることが要求され、１２０°
の角度がもっとも望ましい。しかしながら、使用される
光学的フィルタ４の性質および特に広い入射角度に亘っ
て所望の選択特性を保持する能力の欠徐に関連して、周
知のように限界があり、チャンネル内における種々の部
材の物理的寸法上の限界と同様に、この要求に困難をも
たらす。
【００１９】本発明の１つの局面によれば、図２に示さ
れているように、デバイスの広角特性を保持しながら、
光学的フィルタ４への放射エネルギーの入射角度がコリ
メータ２によって狭くされる。このようなコリメータ２
は、理想的には複合放物面をその内面１８に有している
ことであるが、本実施例では、作成を容易にするために
、その内面１８は直円錐面となっている。この方法によ
れば、入射角度はθ２で示されているように６０°（各
チャンネルで）に縮少されるが、θ１ で示されている
ように１２０°の角度範囲に亘る感度を維持している。
れているように、デバイスの広角特性を保持しながら、
光学的フィルタ４への放射エネルギーの入射角度がコリ
メータ２によって狭くされる。このようなコリメータ２
は、理想的には複合放物面をその内面１８に有している
ことであるが、本実施例では、作成を容易にするために
、その内面１８は直円錐面となっている。この方法によ
れば、入射角度はθ２で示されているように６０°（各
チャンネルで）に縮少されるが、θ１ で示されている
ように１２０°の角度範囲に亘る感度を維持している。
【００２０】符号２０で示されている一般的なサファイ
ヤ窓がコリメータ２の入口の開口を覆っている。
ヤ窓がコリメータ２の入口の開口を覆っている。
【００２１】各チャンネルにつき１個ずつ用いられてい
る５個の光学的フィルタは、検知すべき種類の特性を有
する火災に対しては検知装置全体の感度を高めるが、同
じ環境で検知されうる警報する必要のない種類の特性を
有するものに対してはこれを識別して誤警報を発生する
おそれを最小限にするのに役立つ。
る５個の光学的フィルタは、検知すべき種類の特性を有
する火災に対しては検知装置全体の感度を高めるが、同
じ環境で検知されうる警報する必要のない種類の特性を
有するものに対してはこれを識別して誤警報を発生する
おそれを最小限にするのに役立つ。
【００２２】本実施例では、これら５個の光学的フィル
タは、多量の二酸化炭素（ＣＯ２） の発生に伴う赤外
線エネルギーを特に感知するように選ばれている。この
ことは、周知の大気吸収現象によって惹起される波長対
エネルギー強度カーブの谷の存在によって特徴づけられ
うる遠隔のＣＯ２ 源を識別するのに必要である。図３
においてプロット２４で示され、かつ連続的なピーク領
域２８であるべき位置に上述の谷２６を含むＣＯ２スペ
クトルの性質に関連して、５個の光学的フィルタは、図
３に示されているように、それぞれ下記の通過帯域を有
するように選ばれている。
タは、多量の二酸化炭素（ＣＯ２） の発生に伴う赤外
線エネルギーを特に感知するように選ばれている。この
ことは、周知の大気吸収現象によって惹起される波長対
エネルギー強度カーブの谷の存在によって特徴づけられ
うる遠隔のＣＯ２ 源を識別するのに必要である。図３
においてプロット２４で示され、かつ連続的なピーク領
域２８であるべき位置に上述の谷２６を含むＣＯ２スペ
クトルの性質に関連して、５個の光学的フィルタは、図
３に示されているように、それぞれ下記の通過帯域を有
するように選ばれている。
【００２３】（ａ） ピーク領域２８より完全に下の
帯域。 （ｂ） ピーク領域２８より完全に上の帯域。 （ｃ） ピーク領域２８全体にほぼ一致する帯域。 （ｄ） 谷２６にほぼ一致する帯域。 （ｅ） 上記帯域のすべてを含む帯域。
帯域。 （ｂ） ピーク領域２８より完全に上の帯域。 （ｃ） ピーク領域２８全体にほぼ一致する帯域。 （ｄ） 谷２６にほぼ一致する帯域。 （ｅ） 上記帯域のすべてを含む帯域。
【００２４】種々の熱検知器６から発生し、かつ上述の
ような帯域通過特性を備えた光学的フィルタ４の影響を
受けた電気信号は処理されて、ＣＯ２ 放出に基づいて
近接かつ強烈な火災の発生を高い信頼性をもって検知す
る。
ような帯域通過特性を備えた光学的フィルタ４の影響を
受けた電気信号は処理されて、ＣＯ２ 放出に基づいて
近接かつ強烈な火災の発生を高い信頼性をもって検知す
る。
【００２５】各熱検知器６は、図４ａに示されているシ
リコン基板のような半導体基板３０上に微小製作技術を
用いて熱電対として作成される。この形式の作成方法を
用いれば、短い熱時定数と、高い応答性を備え、製作費
の安い熱電対が得られる。短い熱時定数と高い応答性と
は、熱的に絶縁された薄膜３４上の熱接点３２と、ヒー
トシンクとして働く基板３０上の冷接点３６とを備えた
熱電対６の作成によって得られる。入射する放射エネル
ギーは、プラチナ・ブラックまたは１／４波長アブソー
バのようなデポジット層よりなる。吸収体３８によって
吸収され、この場合、薄膜３４自体が光学的キャビティ
として動作する。
リコン基板のような半導体基板３０上に微小製作技術を
用いて熱電対として作成される。この形式の作成方法を
用いれば、短い熱時定数と、高い応答性を備え、製作費
の安い熱電対が得られる。短い熱時定数と高い応答性と
は、熱的に絶縁された薄膜３４上の熱接点３２と、ヒー
トシンクとして働く基板３０上の冷接点３６とを備えた
熱電対６の作成によって得られる。入射する放射エネル
ギーは、プラチナ・ブラックまたは１／４波長アブソー
バのようなデポジット層よりなる。吸収体３８によって
吸収され、この場合、薄膜３４自体が光学的キャビティ
として動作する。
【００２６】熱電対６によって発生された信号はマルチ
プレクサ１６内で多重化され、可変利得増幅器を用いて
望ましくは１００ｄＢ以上増幅される。通常では高利得
の増幅器を飽和させる増幅器の電圧オフセットは、切換
式オフセット調整システムを用いてＡ／Ｄ変換器１２の
分解能よりも低い値に低減される。光学的フィルタ４の
うちの１つは他のすべてのフィルタの通過帯域を包含す
る通過帯域を有しており、この広帯域フィルタと組合せ
られた熱電対から得られる信号を用いることにより、熱
電対の信号が比較されて増幅器の利得が設定される。増
幅された信号はＡ／Ｄ変換器１２を用いてディジタル化
される。
プレクサ１６内で多重化され、可変利得増幅器を用いて
望ましくは１００ｄＢ以上増幅される。通常では高利得
の増幅器を飽和させる増幅器の電圧オフセットは、切換
式オフセット調整システムを用いてＡ／Ｄ変換器１２の
分解能よりも低い値に低減される。光学的フィルタ４の
うちの１つは他のすべてのフィルタの通過帯域を包含す
る通過帯域を有しており、この広帯域フィルタと組合せ
られた熱電対から得られる信号を用いることにより、熱
電対の信号が比較されて増幅器の利得が設定される。増
幅された信号はＡ／Ｄ変換器１２を用いてディジタル化
される。
【００２７】マルチプレクサ１６内での一時的な多重化
によってもさらされるエラーは、熱電対の時定数よりも
短い期間内におけるすべて熱電対に対する問掛けによっ
て、あるいは個々の信号を補間して同じ問掛けの瞬間に
おける信号の値を得ることによって、許容しうる充分に
小さい値となしうる。熱電対の相対的信号は、次にプロ
セッサ１４内の不揮発性メモリに格納されたサンプルデ
ータと比較されて、検知結果が確定される。
によってもさらされるエラーは、熱電対の時定数よりも
短い期間内におけるすべて熱電対に対する問掛けによっ
て、あるいは個々の信号を補間して同じ問掛けの瞬間に
おける信号の値を得ることによって、許容しうる充分に
小さい値となしうる。熱電対の相対的信号は、次にプロ
セッサ１４内の不揮発性メモリに格納されたサンプルデ
ータと比較されて、検知結果が確定される。
【００２８】前述したように、誤警報の発生源の識別は
、光学的フィルタおよび検知結果の確定に用いられるプ
ロセッサ１４内の論理回路の適切な選択によって左右さ
れうる。
、光学的フィルタおよび検知結果の確定に用いられるプ
ロセッサ１４内の論理回路の適切な選択によって左右さ
れうる。
【００２９】各熱電対６に要求される主な性能は、一般
に１０ミリ秒のオーダーの短い熱時定数と高Ｓ／Ｎ比で
ある。高Ｓ／Ｎ比を得るために、低い固有ノイズを伴っ
た高応答性が要求される。最大の応答性を得るには、熱
電対の熱接点３２と冷接点３６と間の良好な熱的絶縁が
要求される。この絶縁を形成する１つの方法は、エッチ
ングによって形成された開口４０を備えたシリコン基板
３０上にデポジットされた薄膜３４上に熱電対を作成す
ることであり、これによって図４ａおよび４ｂに示され
ているように、薄膜３４と基板３０の接触部分が薄膜３
４のエッジ部分に限定される。四角の薄膜３４は、開口
４０をエッチングするのに異方性エッチング液を用いる
ことによって得られる。入射する放射エネルギーを吸収
するために必要な吸収体３８は、ここではメッキ基板４
２の使用を必要とする電気メッキされたプラチナ・ブラ
ックであり、この吸収体３８が熱電対のエレメント間を
短絡するのを防止するために誘電体層４４が設けられて
いる。
に１０ミリ秒のオーダーの短い熱時定数と高Ｓ／Ｎ比で
ある。高Ｓ／Ｎ比を得るために、低い固有ノイズを伴っ
た高応答性が要求される。最大の応答性を得るには、熱
電対の熱接点３２と冷接点３６と間の良好な熱的絶縁が
要求される。この絶縁を形成する１つの方法は、エッチ
ングによって形成された開口４０を備えたシリコン基板
３０上にデポジットされた薄膜３４上に熱電対を作成す
ることであり、これによって図４ａおよび４ｂに示され
ているように、薄膜３４と基板３０の接触部分が薄膜３
４のエッジ部分に限定される。四角の薄膜３４は、開口
４０をエッチングするのに異方性エッチング液を用いる
ことによって得られる。入射する放射エネルギーを吸収
するために必要な吸収体３８は、ここではメッキ基板４
２の使用を必要とする電気メッキされたプラチナ・ブラ
ックであり、この吸収体３８が熱電対のエレメント間を
短絡するのを防止するために誘電体層４４が設けられて
いる。
【００３０】入射する輻射熱を吸収するための他の方法
は、図５に示されているようにそれ自体が１／４波長吸
収体として作用する薄膜３４を用いることである。単位
面積あたり３７７Ωの抵抗を有する自由空間にインピー
ダンスマッチングのなされた抵抗性ニクロム・フィルム
４６と、チタンまたは金よりなるリフレクタ４８との間
に吸収キャビティが形成される。このようにして得られ
た光学的キャビティの厚さｔｃは式ｔｃ＝λ／４ｎで与
えられる。ここでｎは薄膜３４に用いられる誘電体の屈
折率であり、λは吸収すべき輻射熱の波長である。
は、図５に示されているようにそれ自体が１／４波長吸
収体として作用する薄膜３４を用いることである。単位
面積あたり３７７Ωの抵抗を有する自由空間にインピー
ダンスマッチングのなされた抵抗性ニクロム・フィルム
４６と、チタンまたは金よりなるリフレクタ４８との間
に吸収キャビティが形成される。このようにして得られ
た光学的キャビティの厚さｔｃは式ｔｃ＝λ／４ｎで与
えられる。ここでｎは薄膜３４に用いられる誘電体の屈
折率であり、λは吸収すべき輻射熱の波長である。
【００３１】熱電対６から得られる信号を処理するため
の電子コンポーネントに対する主な要求事項は、１００
ｄＢ以上の利得を伴う広いダイナミックレンジを有する
ことと、低ノイズおよび低い電圧オフセットである。熱
電対の信号はマルチプレクサ１６によって単一の信号チ
ェーンに多重化されて、検知装置の寸法および価格を最
小のものにしている。理想的には、すべての熱電対６が
同時にサンプリングされて、幅射熱のスペクトル特性の
正確な表示が検知装置で得られることである。しかしな
がら、サンプル・ホールド回路の動作上の欠点によって
、熱電対６から発生する微小信号を扱うのは不可能であ
る。実際に用いられる、同時サンプリングが得られる熱
電対に対するシーケンシャルな問掛けは、瞬時的なエラ
ーを伴う。このエラーは、合成された同時サンプルを発
生するように実際のサンプル間を補間することによって
、あるいは、熱電対への問掛けを充分に速くしてエラー
を無視できうるようにすることによって最小にすること
ができる。前者の方法は処理時間が許容できない程長く
なるために、前者の方法が好ましい。１０ミリ秒の時定
数に設計された熱電対に対して許容しうる多重化周波数
は１０ｋＨｚである。しかしながら、多重化周波数は増
幅器の最小帯域幅を決定する。回路内に発生するノイズ
を低減して、検知可能信号の値を小さくするためには、
帯域幅を最小にすることが必要である。したがって、多
重化周波数１０ｋＨｚの場合は、一般に２０ｋＨｚの帯
域幅が用いられる。
の電子コンポーネントに対する主な要求事項は、１００
ｄＢ以上の利得を伴う広いダイナミックレンジを有する
ことと、低ノイズおよび低い電圧オフセットである。熱
電対の信号はマルチプレクサ１６によって単一の信号チ
ェーンに多重化されて、検知装置の寸法および価格を最
小のものにしている。理想的には、すべての熱電対６が
同時にサンプリングされて、幅射熱のスペクトル特性の
正確な表示が検知装置で得られることである。しかしな
がら、サンプル・ホールド回路の動作上の欠点によって
、熱電対６から発生する微小信号を扱うのは不可能であ
る。実際に用いられる、同時サンプリングが得られる熱
電対に対するシーケンシャルな問掛けは、瞬時的なエラ
ーを伴う。このエラーは、合成された同時サンプルを発
生するように実際のサンプル間を補間することによって
、あるいは、熱電対への問掛けを充分に速くしてエラー
を無視できうるようにすることによって最小にすること
ができる。前者の方法は処理時間が許容できない程長く
なるために、前者の方法が好ましい。１０ミリ秒の時定
数に設計された熱電対に対して許容しうる多重化周波数
は１０ｋＨｚである。しかしながら、多重化周波数は増
幅器の最小帯域幅を決定する。回路内に発生するノイズ
を低減して、検知可能信号の値を小さくするためには、
帯域幅を最小にすることが必要である。したがって、多
重化周波数１０ｋＨｚの場合は、一般に２０ｋＨｚの帯
域幅が用いられる。
【００３２】性能を制限する処理回路内のコンポーネン
トを最小にするために、第１段の増幅器は充分な利得を
有しながらノイズを最小に保って、後続の増幅器では無
視されうるノイズ特性を保証するようになっている。第
１段の増幅器は、図６に示されているように、単純な非
反転増幅器５０である。ＯＰ２７オペアンプを用いるこ
とによって、この回路の等価雑音抵抗は約５４０Ωに保
たれうる。
トを最小にするために、第１段の増幅器は充分な利得を
有しながらノイズを最小に保って、後続の増幅器では無
視されうるノイズ特性を保証するようになっている。第
１段の増幅器は、図６に示されているように、単純な非
反転増幅器５０である。ＯＰ２７オペアンプを用いるこ
とによって、この回路の等価雑音抵抗は約５４０Ωに保
たれうる。
【００３３】処理回路１０の出力における電圧オフセッ
トは、もしデータが失われないとすれば、Ａ／Ｄ変換器
１２の分解能よりも低いことが必要である。フルスケー
ル電圧が２．５ボルトの８ビットＡ／Ｄ変換器の場合、
処理回路１０の増幅器列のオフセット電圧は１０ミリボ
ルトより低いことが要求される。１００ｄＢの利得を必
要とすることから入力に換算すると、初段の増幅器には
オフセット電圧０．１マイクロボルトが必要である。し
かしながら、このような低いオフセット電圧を備えた増
幅器は市場には存在しない。そこで回路で補償がなされ
るが、動作温度におけるオフセット電圧の変動があるか
ら、不充分であることは当業者が知るところである。そ
こでこの装置が動作している間での補償が必要になる。 この補償は、図７に示されているような、切換式オフセ
ット調整回路５２を用いることによって達成される。
トは、もしデータが失われないとすれば、Ａ／Ｄ変換器
１２の分解能よりも低いことが必要である。フルスケー
ル電圧が２．５ボルトの８ビットＡ／Ｄ変換器の場合、
処理回路１０の増幅器列のオフセット電圧は１０ミリボ
ルトより低いことが要求される。１００ｄＢの利得を必
要とすることから入力に換算すると、初段の増幅器には
オフセット電圧０．１マイクロボルトが必要である。し
かしながら、このような低いオフセット電圧を備えた増
幅器は市場には存在しない。そこで回路で補償がなされ
るが、動作温度におけるオフセット電圧の変動があるか
ら、不充分であることは当業者が知るところである。そ
こでこの装置が動作している間での補償が必要になる。 この補償は、図７に示されているような、切換式オフセ
ット調整回路５２を用いることによって達成される。
【００３４】切換式オフセット調整回路５２は、反転増
幅器の非反転入力における電位を出力電位がゼロとなる
ように周期的に調整することによって動作する。調整回
路５２は２つの主要パーツを有しており、それは増幅度
を−Ｒ４／Ｒ３とする増幅器Ａ１を基礎とする増幅器と
、増幅器Ａ２を基礎とする積分回路である。
幅器の非反転入力における電位を出力電位がゼロとなる
ように周期的に調整することによって動作する。調整回
路５２は２つの主要パーツを有しており、それは増幅度
を−Ｒ４／Ｒ３とする増幅器Ａ１を基礎とする増幅器と
、増幅器Ａ２を基礎とする積分回路である。
【００３５】増幅器Ａ１のための適当な増幅器を選択し
、かつ並列インピーダンスが１ｋΩまたはそれ以下とな
るように抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値を選ぶことによって、
電流の寄与度は無視される。オフセット調整サイクルは
、オフセット調整ライン５４をハイに設定し、スイッチ
Ｓ２およびＳ３を閉じ、スイッチＳ１およびＳ４を開い
て、反転増幅器Ａ１の出力端５６を積分増幅器Ａ２の入
力端５８に接続することによって開始される。増幅器Ａ
２の出力端６０の電位は、固定された逆極性の入力端の
ために、時定数Ｒ１・Ｃをもって上昇する。出力端６０
におけるこの電位は、増幅器Ａ１の非反転入力端６２に
おけるバイアス電位となり、ネガディブフィードバック
・ループが完成する。増幅器Ａ１の出力端は積分回路Ａ
２が切換えられても常にゼロに向う。オフセット調整ラ
イン５４がローに戻ったときには、積分器の両入力端が
接地電位のため、非反転入力端６２におけるバイアス電
位は保持される。この場合、安定化抵抗Ｒ２の放電およ
び増幅器Ａ１のバイアス電流により、上記バイアス電位
に少量の低下があるのは明らかである。この回路が最良
の動作を行なうためには、その放電時定数がオフセット
調整信号の期間に比較して大きいことが要求される。実
際に、この回路は、積分器Ａ２の２つの入力端間に電位
差がなくなるまで調整するので、出力電位オフセットは
増幅器Ａ２の入力電位オフセットに等しくなる（電流オ
フセットを無視する）。その結果、この回路が調整され
る接地基準電圧は「ブラインド」熱電対チャンネルから
取られて、積分器Ａ２が無効にされるのに先立って回路
オフセットが発生する。
、かつ並列インピーダンスが１ｋΩまたはそれ以下とな
るように抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値を選ぶことによって、
電流の寄与度は無視される。オフセット調整サイクルは
、オフセット調整ライン５４をハイに設定し、スイッチ
Ｓ２およびＳ３を閉じ、スイッチＳ１およびＳ４を開い
て、反転増幅器Ａ１の出力端５６を積分増幅器Ａ２の入
力端５８に接続することによって開始される。増幅器Ａ
２の出力端６０の電位は、固定された逆極性の入力端の
ために、時定数Ｒ１・Ｃをもって上昇する。出力端６０
におけるこの電位は、増幅器Ａ１の非反転入力端６２に
おけるバイアス電位となり、ネガディブフィードバック
・ループが完成する。増幅器Ａ１の出力端は積分回路Ａ
２が切換えられても常にゼロに向う。オフセット調整ラ
イン５４がローに戻ったときには、積分器の両入力端が
接地電位のため、非反転入力端６２におけるバイアス電
位は保持される。この場合、安定化抵抗Ｒ２の放電およ
び増幅器Ａ１のバイアス電流により、上記バイアス電位
に少量の低下があるのは明らかである。この回路が最良
の動作を行なうためには、その放電時定数がオフセット
調整信号の期間に比較して大きいことが要求される。実
際に、この回路は、積分器Ａ２の２つの入力端間に電位
差がなくなるまで調整するので、出力電位オフセットは
増幅器Ａ２の入力電位オフセットに等しくなる（電流オ
フセットを無視する）。その結果、この回路が調整され
る接地基準電圧は「ブラインド」熱電対チャンネルから
取られて、積分器Ａ２が無効にされるのに先立って回路
オフセットが発生する。
【００３６】入力信号の広いダンナミックレンジは、次
にディジタル領域に変換するために「圧縮」されること
が必要である。この圧縮は、図８に示されているような
回路６４に基づく可変利得増幅器によって達成される。 利得は、プロセッシング動作に応答して制御されるアナ
ログスイッチを用いて選択される。利得の選択は、広い
通過帯域を備えた光学的フィルタと組合わされた熱電対
からの、狭い通過帯域を備えた光学的フィルタ群の信号
の和を超える測定された信号に基づいて行なわれる。こ
の測定は、最小利得設定を用いてなされる。回路６４は
、フィードバック路における抵抗６６、６８をスイッチ
７４、７６によって選択することによって、３通りの利
得設定がなされる。しかしながら、スイッチ７４、７６
がともに閉じられた場合の３番目の利得設定による利得
が、多の２通りの利得設定のうちの低い方の利得にきわ
めて近いので、２通りの利得設定のみが用いられる。 フィードバック路をさらにこの回路に追加することによ
って、あるいは同様の形式の増幅器をさらに追加するこ
とによって、さらに他の利得設定も可能である。単一の
増幅器の単位利得帯域幅（ＧＢ積）を最小に保つことが
要求されるために、多段増幅段を用いることが好ましい
。
にディジタル領域に変換するために「圧縮」されること
が必要である。この圧縮は、図８に示されているような
回路６４に基づく可変利得増幅器によって達成される。 利得は、プロセッシング動作に応答して制御されるアナ
ログスイッチを用いて選択される。利得の選択は、広い
通過帯域を備えた光学的フィルタと組合わされた熱電対
からの、狭い通過帯域を備えた光学的フィルタ群の信号
の和を超える測定された信号に基づいて行なわれる。こ
の測定は、最小利得設定を用いてなされる。回路６４は
、フィードバック路における抵抗６６、６８をスイッチ
７４、７６によって選択することによって、３通りの利
得設定がなされる。しかしながら、スイッチ７４、７６
がともに閉じられた場合の３番目の利得設定による利得
が、多の２通りの利得設定のうちの低い方の利得にきわ
めて近いので、２通りの利得設定のみが用いられる。 フィードバック路をさらにこの回路に追加することによ
って、あるいは同様の形式の増幅器をさらに追加するこ
とによって、さらに他の利得設定も可能である。単一の
増幅器の単位利得帯域幅（ＧＢ積）を最小に保つことが
要求されるために、多段増幅段を用いることが好ましい
。
【００３７】処理回路１０の帯域幅は、付加的なフィル
タ段あるいは、既存の増幅器のフィードバックループ内
にフィルタを組込むことによって、２０ｋＨｚに限定さ
れうる。付加的なフィルタ段の方がフィルタ設計に柔軟
性をもたらすので好ましい。既存の増幅器にパワーワー
スフィルタを組込むことが可能であり、その場合、この
フィルタの全極数を、フィルタを組込んだ増幅器の数に
等しくすればよい。
タ段あるいは、既存の増幅器のフィードバックループ内
にフィルタを組込むことによって、２０ｋＨｚに限定さ
れうる。付加的なフィルタ段の方がフィルタ設計に柔軟
性をもたらすので好ましい。既存の増幅器にパワーワー
スフィルタを組込むことが可能であり、その場合、この
フィルタの全極数を、フィルタを組込んだ増幅器の数に
等しくすればよい。
【００３８】信号はＡ／Ｄ変換器１２によって１０マイ
クロ秒以内で変換される。増幅器の帯域幅が２０ｋＨｚ
であり、かつ多重化信号を処理する必要があるから、
これより変換時間を用いるべきではない。以後の信号処
理は、Ｚ８０マイクロプロセッサを中心とするシステム
のようなソフトウエア内で実行される。
クロ秒以内で変換される。増幅器の帯域幅が２０ｋＨｚ
であり、かつ多重化信号を処理する必要があるから、
これより変換時間を用いるべきではない。以後の信号処
理は、Ｚ８０マイクロプロセッサを中心とするシステム
のようなソフトウエア内で実行される。
【００３９】信号は２つの主目標をもって処理される。
すなわち、（ａ）各熱電対の２個のサンプルに基づく火
災の早期検知、（ｂ）各熱電対の１２８個のサンプルを
用いた、よりゆっくりした火災検知である。よりゆっく
りした火災検知は、多数のサンプルのルートによってノ
イズレベルが効果的に減少するため、より小さい火災の
検知を可能にする。処理の各ステップは図９のフローチ
ャートに示されている。図９に示された処理ステップは
、本明細書中には説明を省略してあるが、当業者であれ
ば理解できるであろう。このフローは、２．５ＭＨｚの
クロックレートを有するＺ８０マイクロプロセッサを中
心とするシステムにおいて、５ミリ秒ごとに反復される
。もし、これより速いアルゴリズムを用いた場合は、サ
イクル時間を２ミリ秒にすることができる。
災の早期検知、（ｂ）各熱電対の１２８個のサンプルを
用いた、よりゆっくりした火災検知である。よりゆっく
りした火災検知は、多数のサンプルのルートによってノ
イズレベルが効果的に減少するため、より小さい火災の
検知を可能にする。処理の各ステップは図９のフローチ
ャートに示されている。図９に示された処理ステップは
、本明細書中には説明を省略してあるが、当業者であれ
ば理解できるであろう。このフローは、２．５ＭＨｚの
クロックレートを有するＺ８０マイクロプロセッサを中
心とするシステムにおいて、５ミリ秒ごとに反復される
。もし、これより速いアルゴリズムを用いた場合は、サ
イクル時間を２ミリ秒にすることができる。
【図１】本発明の実施例に係る装置の全体構成を概略的
に示すブロック図である。
に示すブロック図である。
【図２】図１の装置に用いられるコリメータの断面図で
ある。
ある。
【図３】図１の装置に用いられるフィルタの通過帯域を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図４ａ】図１の装置に用いられる熱検知器の平面図で
ある。
ある。
【図４ｂ】図４ａの熱検知器の断面図である。
【図５】他の熱検知器の構成を示す断面図である。
【図６】熱検知器から出力される信号を処理する回路で
ある。
ある。
【図７】熱検知器から出力される信号を処理する回路で
ある。
ある。
【図８】熱検知器から出力される信号を処理する回路で
ある。
ある。
【図９】電気回路における信号処理のフローチャートで
ある。
ある。
２ コリメータ
４ 光学的フィルタ
６ 熱検知器
８ チャンネルライン
１０ 電気的処理回路
１２ Ａ／Ｄ変換器
１４ プロセッサ回路
３０ シリコン基板
３２ 熱接点
３４ 絶縁薄膜
３６ 冷接点
３８ 吸収体
４０ 開口
Claims (12)
- 【請求項１】検知されるべき火災の特性を示す波長を有
して伝送される放射エネルギーのための通過帯域特性を
それぞれ有する複数の光学的フィルタと、これら複数の
光学的フィルタの通過帯域特性を包含する帯域通過特性
を有する他の１つの光学的フィルタと、各光学的フィル
タから伝送される放射エネルギーをそれぞれ受取り、各
光学的フィルタから伝送される放射エネルギーをあらわ
す出力信号を発生するための複数の熱検知器と、これら
熱検知器からの出力信号を多重化するためのマルチプレ
クサ回路と、上記多重化された出力信号を処理して、検
知すべき火災の存在を示す信号処理手段とを備えている
ことを特徴とする熱検知装置。 - 【請求項２】上記光学的フィルタによって受取られる放
射エネルギーをコリメートするための複数のコリメータ
を備えている請求項１記載の熱検知装置。 - 【請求項３】上記コリメータがそれぞれ直円錐形のキャ
ビティを備えている請求項２記載の熱検知装置。 - 【請求項４】上記コリメータがそれぞれ複合放物面形状
を備えている請求項２記載の熱検知装置。 - 【請求項５】上記熱検知器は、開口を有するシリコン基
板と、この基板によって支持されて上記開口上に設けら
れた熱的に絶縁する薄膜と、この薄膜によって支持され
た吸収体と、この吸収体に接触する熱接点と、上記シリ
コン基板に接触する冷接点とをそれぞれ備えている請求
項１〜４のうちの何れか１つに記載された熱感知装置。 - 【請求項６】上記熱検知器は、開口を有するシリコン基
板と、この基板によって支持された熱的に絶縁する薄膜
とを備えており、この薄膜は、上記放射エネルギーが入
射するようになされた抵抗性フィルムを一方の主面上に
備え、反対側の主面上に反射層を備え、これによってこ
の薄膜内に放射エネルギー吸収キャビティが形成されて
いる請求項１〜４のうちの何れか１つに記載された熱検
知装置。 - 【請求項７】上記反射層が金よりなる請求項６記載の熱
検知装置。 - 【請求項８】上記信号処理手段は、上記熱検知器からの
多重化された出力信号を増幅するための増幅器回路を備
え、さらに、この増幅器回路の電圧オフセットを補償す
るためのオフセット調整回路を備えている請求項１〜７
のうちの何れか１つに記載された熱検知装置。 - 【請求項９】上記オフセット調整回路は、反転増幅器回
路と、この反転増幅回路に対するフィードバックループ
内に設けられた積分回路とを備えている請求項８記載の
熱検知装置。 - 【請求項１０】上記信号処理手段は、上記他の１つの光
学的フィルタに関連する１つの熱検知器からの出力信号
を受取り、この熱検知器からの出力信号のレベルによっ
て制御されるようになされた可変利得増幅器回路を備え
ている請求項１〜９のうちの何れか１つに記載された熱
検知装置。 - 【請求項１１】上記信号処理手段は上記多重化された出
力信号をディジタル化するためのＡ／Ｄ変換器を備えて
いる請求項１〜１０のうちの何れか１つに記載された熱
検知装置。 - 【請求項１２】上記Ａ／Ｄ変換器からの多重化されたデ
ィジタル出力信号を受取るプロセッサ手段と、上記熱検
知器からの出力信号から発生される多重化されたディジ
タル出力信号を複数回サンプリングして、検知すべき火
災の存在を指示するためのサンプリング手段とを備えて
いる請求項１１記載の熱検知装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB909008908A GB9008908D0 (en) | 1990-04-20 | 1990-04-20 | Thermal detection arrangement |
| GB9008908.7 | 1990-04-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04227599A true JPH04227599A (ja) | 1992-08-17 |
| JP3133366B2 JP3133366B2 (ja) | 2001-02-05 |
Family
ID=10674729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03113711A Expired - Fee Related JP3133366B2 (ja) | 1990-04-20 | 1991-04-19 | 熱検知装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5162658A (ja) |
| EP (1) | EP0453297B1 (ja) |
| JP (1) | JP3133366B2 (ja) |
| AT (1) | ATE163237T1 (ja) |
| DE (1) | DE69128901D1 (ja) |
| GB (1) | GB9008908D0 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000321132A (ja) * | 1999-05-14 | 2000-11-24 | Kokusai Gijutsu Kaihatsu Kk | 炎感知器 |
| US6756593B2 (en) | 2001-11-30 | 2004-06-29 | Kokusai Gijutsu Kaihatsu Kabushiki Kaisha | Flame Sensor |
| JP2010285988A (ja) * | 2009-06-15 | 2010-12-24 | General Electric Co <Ge> | 燃焼制御用光学統合センサ |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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