JPS586995B2 - 炎感知方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炎の中の炭酸ガス（以下ＣＯ２という）から放
射されるＣＯ２の共鳴放射による赤外線を利用した炎感
知方式に関するものである。

炎からは高温状態にあるＣＯ２から特定の波長の共鳴放
射が行われていることが知られている。

これらの共鳴放射による放射線は紫外線から赤外部に亘
って存在するが、本発明は２μ又は４．４μ付近にある
赤外線の共鳴放射を利用した炎感知方式に関する。

従来炎からの放射線を利用した炎感知器が多数存在して
いた。

一つは紫外線を利用するものであり、一つは可視光線の
ちらつきを利用するものであり、一つは近赤外線を利用
するものであり、一つは４．４μ付近の赤外線のちらつ
きを利用するものであった。

これらの感知器は誤報を減らして感度をあげるという点
で夫々の欠点を持っていた。

例えば紫外線を利用するものでは、雷や電気の火花によ
り誤動作し、可視光や赤外線のちらつきを利用するもの
では太陽光や人工光等で誤動作をした。

又紫外線を利用するものは、炎から出る煙で波長の短か
い紫外線は吸収され易い為に感知範囲が限定されるとい
う欠点もあった。

本発明は上記の欠点を除去し、雷放電や太陽光等による
誤報を無くし、良好なＳ／Ｎのもとで高感度に炎を感知
する炎感知方式を提供することを目的とする。

以下図面に従って本発明の詳細を説明する。

先ず本発明の基本型となる炎感知器について説明する。

第１図は各種の代表的な放射体の放射線スペクトルを示
す。

ａ１は酸化燃焼している炎のスペクトルで４．４μと２
μ付近に強い炭酸ガスの共鳴放射線を含んでいる。

ａ２は日光や１０００℃以上程度の放射体、例えば電気
ストーブ等のスペクトルで４．４μ近辺のスペクトル強
度は可視光の部分の強さに比してずっと小さくなってい
るが、それでも連続スペクトルの形で尚存在している。

ａ３は電気ストーブ等よりずっと温度の低い、例えば３
００℃位の黒体の放射で４．４μよりもつと波長の長い
所にピークを持つ連続スペクトルをもっている。

第１図は例として４．４μの所で同じ強さをもつ三つの
スペクトルを表示したが、この例示のように放射線が来
ると、４．４μのバンドパスフィルタを通過した放射線
で炎を検出しようとした場合、スペクトルａ１，ａ２，
ａ３の何れの放射物体でも炎として感知する結果となる
。

その為本発明では４．４μ付近の適当な波長、例えば３
．８μ或は４．１μ位の所にパスバンドを持つバンドパ
スフィルタを設け、このフィルタを通過した放射線の強
度と、４．４μのフィルタを通過した放射線の強度との
差を取り出して第１図のスペクトルａ１，ａ２，ａ３の
三つの放射線の区別をつける。

上述のような手段をとると、例えば炎のときには第１図
のｂ１に示される４．４μの通過量と３．８μの通過量
の差が検出され、スペクトルａ２の場合には４．４μ付
近のスペクトルが連続スペクトルであるために上述の差
はｂ２で示されるように、差ｂ１ よりはるかに小さく
、且つ一般には差ｂ１と反対の符号を有する量が検出さ
れ、スペクトルａ３ではその差ｂ３は差ｂ１ と同符号
ではあるが、やはり大きさは差ｂ１に比べてはるかに小
さくなる。

かくしてスペクトルａ１をスペクトルａ２とａ３ とを
区別出来る。

第２図は上記原理に基いた装置を示すブロック図で、１
は放射体、２は４．４μのバンドパスフィルタ、３は４
．４μと異なる波長のバンドパスフィルタ、４，５は夫
々バンドパスフィルタ２，３を通過した光線の光電変換
装置、６は光電変換装置４，５の出力の差分をとり出し
て増巾する差動増巾器、７は差動増巾器の出力が一定以
上になると働らく警報装置である。

第２図で放射体が炎であるときはバンドパスフィルタ２
，３を通過する放射線の強さに大きな差があるから、差
動増巾器６の出力側に大きな出力が現われ、警報装置７
を動作させる。

要するに複数個のバンドパスフィルタを用いて或る放射
体の発するスペクトルの複数の波長点の放射強度を測定
し、その差分をとり出すことにより、その放射体のスペ
クトルが炎特有の波長の線スペクトルか或は連続スペク
トルであるかを検出して、若し前者であれば、それを炎
として感知することができる。

第２図のブロック図で、光電変換装置４，５はバンドパ
スフィルタ２，３と同じ数だけ設けられているが、第３
図に示したように一つの光電変換装置を用いて、複数個
のバンドパスフィルタを透過した光量を処理するように
することもできる。

第３図は本発明に適用し得る炎感知器の、特にバンドパ
スフィルタ２，３と光電変換装置４との関係を説明する
ための構造概略図である。

第３図で、８はバンドパスフィルタ２，３を取付けるた
めの回転板、９は回転板８を回転させるモータ、１０は
台座である。

光電変換装置４は複数ケのバンドパスフィルタに対して
たゞ１個だけ設けられる。

この光電変換装置４は回転板８が回転した時、バンドパ
スフィルタ２，３が交互にその直前に来るような位置に
設けられている。

即ち光電変換装置４は放射体をバンドパスフィルタ２又
は３を交互に通してみることとなる。

従ってバンドパスフィルタ２，３を使ったときの光電変
換装置４の出力を夫々ｅ２とｅ３とすれば、ｅ２とｅ３
は第４図に示されるようになる。

第４図で横軸は時間を表わし、縦軸は光電変換装置４の
出力を表わしている。

第４図に示された光電変換装置４の出力は第５図に示さ
れるような回路によって処理される。

第５図において、１１は回転板８と同期しているスイッ
チで、バンドパスフィルタ２が光電変換装置４の直前に
来たときにスイッチ１１−１が瞬間的に閉じて後開放し
、バンドパスフィルタ３が光電変換装置４の直前に来た
ときに、スイッチ１１−２が瞬間的に閉じて後開放する
ように作られている。

スイッチ１１−１又は１１−２が閉じた時の光電変換装
置４の出力は蓄電器１２又は１３に蓄えられる。

即ち蓄電器１２，１３とスイッチ１１は一種のサンプル
ホールド回路を形成している。

蓄電器１２と１３の出力は夫々差動増巾器６の二つの入
力端子に導かれ、その差分が増巾されて出力し警報装置
７を動作させる。

第３図の方式をとると光電変換装置の数を減らせるだけ
でなく、その特性のばらつきの影響もとり除ける。

以上に述べた例はバンドパスフィルタを二つ使う場合で
あるが、これを三つ以上に増加させた場合でも、同じよ
うにバンドパスフィルタを取付けた回転板を用いること
によって光電変換装置を一つですませることが出来る。

次に本発明の感知方式における空気中のＣＯ２による影
響の排除方法について述べる。

ガソリンのように炭素含有率の高い燃料を空気中で自然
通気のもとで定常的に燃焼させたときには黒煙をあげて
燃えるが、この時炎は赤い色を呈し、そのスペクトルを
調べると第６図Ｃ１のようになる。

これに対してアルコールの炎のように青白い炎ではその
スペクトルは第６図Ｃ２のようでありこの両者の差は３
．８μ付近での放射の強さに大きな差がある点にある。

即ちガソリンでは炎の中の炭素粒から高温物体として連
続スペクトルが放射されている。

第６図のＣ１ はガソリンの炎を数ｍの近傍でとらえた
ときのスペクトルで、このような場合、４．４μの放射
強度は３．８μの放射強度に比べて充分大きく、４．４
μの強度から３．８μの強度を差し引いた値で充分高感
度に炎の発生を感知出来る。

しかし炎と感知器の距離が長くなると、空気中のＣＯ２
の為に４．４μの放射は選択的に吸収され、３，８μは
ＣＯ２による吸収がない為に、感知器に入る炎のスペク
トルは第６図Ｃ３のようになる。

従って或る距離以上になるとガソリンのような物質の炎
はいくら大きな炎でも第３図の方法では感知できない。

しかしガソリンの燃焼の模様をよくしらべるとガソリン
に着火した直後２〜３秒位の間は空気の供給が蒸発して
いるガソリン蒸気に比して充分多い為に、黒煙をあげる
ようなことはなく、そのスペクトルは第６図Ｃ２のよう
な形状に近いものである。

その為着火直後に炎の発生を感知するようにすればガソ
リンの炎のようなものでも感知できる。

実験によると３．８μの強度と４．４μの強度がほぼ等
しくなる距離は皿に入れたガソリンの炎の場合定常状態
では約３０〜５０ｍ位である。

しかしガソリンの着火直後では上述のように、４．４μ
に比べて３．８μの強度が小さい為に２００ｍ位でも発
見可能である。

皿の中のガソリンの炎は着火後時間がたつにつれて炎の
放射熱によってガソリン蒸気が多量に発生し、それに対
して充分な空気量が供給されない為に著しく黒煙をあげ
て燃えるようになり、３．８μにおける放射強度が大き
くなってくる。

このようになると感知器から遠く離れているガソリン炎
に対しては第５図の感知器では感知出来なくなる。

この欠点をなくすために本発明の感知方式では燃焼初期
に一旦炎を感知して動作した後に引続いて３．８μの放
射強度がある程度以上強い場合は警報状態を持続する回
路を付属させてある。

その回路のブロック図を第７図に４あげる。

第７図で１４は警報装置７からの出力に応じて一定時間
（約数秒間）出力を出す一時記憶装置、１５は差動増巾
器６の一方に入る３．８μの強度が一定以上になったと
きに出力を出すレベル判定器、１６は一時記憶装置から
の出力によって開くゲート回路、１７はゲート回路１６
の出力によって動作する警報装置、１８は警報の出力端
子である。

第７図についてその動作を説明すると、感知器から遠く
にあるガソリンが燃焼を開始すると、その初期に前述し
たように４．４μの強度が３．８μの強度より大きい為
に差動増巾器６の出力によって警報装置７が動作する。

そうすると、警報装置７の出力を受けて一時記憶装置１
４が動作し数秒内至１０秒間に亘ってゲート１６に出力
を供給し続ける。

その間にガソリン炎が段々大きくなり、３．８μの出力
が増大してくると差動増巾器６の出力が減少し警報装置
７は不動作となる。

一方、前記した３．８μの出力を受けてレベル判定器１
５が動作し、出力をゲート１６に送る。

この時ゲート１６は一時記憶装置１４の出力によって開
いているから、レベル判定器１５の出力は警報装置１７
に送られ、これを動作させる。

この時は警報装置１７は既に不動作になっているが、警
報装置１７の出力によってガソリンが燃え続けて３．８
μの出力を出している間、警報装置１７は警報を持続す
る。

この間ゲート回路１６は自己の出力の一部でゲートを開
き続けている。

ガソリン炎が消えるとレベル判定器１５の出力はなくな
るのでゲート回路１６への出力はなくなり、従ってゲー
ト回路１６は閉じ、警報装置１７は警報を停止する。

以上の回路をリレー回路で実現した図を第８図に示す。

第８図でＭはメーク接点ｍ１とｍ２の二組を持つリレー
、Ｎはメーク接点ｎ１を一つもつリレー、（１４）は一
時記憶回路１４が動作したときは一定時間閉状態を保持
する接点、（１５）はレベル判定器１５が動作したとき
に閉じる接点、Ｅは電源である。

今警報装置７の出力で一時記憶装置１４が動作し、接点
（１４）が動作するとリレーＭは動作し、ｍ２接点で警
報装置１７を動作させ、ｍ１接点も同時に閉じる。

その後レベル判定器１５が炎からの３．８μの放射によ
って動作し、接点（１５）が閉じるとリレーＮが動作し
、接点ｎ１が閉じる。

そうするとその後接点（１４）が開いても、リレーＭは
ｍ１、ｎ１ 接点を通して動作状態を保持する。

従って、ｍ２接点も動作を保持し、警報装置１７は警報
状態を保持する。

炎が消えてレベル判定器１５が不動作となり、接点（１
５）が開くと、ｎ１接点が開きリレーＭが復旧して回路
はもとの状態に戻る。

説明の便宜上警報装置７と１７は別のものであるとした
が、これは同一のものでもよいことは第８図に関する上
述の説明から明らかである。

又リレーの代りに電子回路を用いてもよいことは言う迄
もない。

上述のように４．４μの放射強度が３．８μの強度を超
えたある値以上になると炎であると判断すると同時にそ
の後引続いて３．８μの強度が持続的に強い間、警報を
持続するようにすることにより１００ｍ以上離れた場所
のガソリン火災をも感知出来る。

実験によると木材、紙等の炎は、ガソリンの炎に比べて
３．８μの強度が４．４μのそれに比して充分小さいの
で、勿論のこと本発明の感知方式で、遠距離のものも充
分感知出来る。

以上の説明において４．４μと３．８μの二つの波長の
放射線の強さを比較することによって、炎の感知をする
具体的方法について述べたが、本発明は４．４μと３．
８μに限定されるものではなく、４．４μと４．１μに
よっても同じように達成される。

ＣＯ２の共鳴放射を捉えるには４．２５〜４．５μの間
の波長の放射線を使用するとよいが、４．４μは最も好
ましい波長の一つの代表である。

他の一つの波長は３．８μでも４．１μでもよいが、一
般的に言って４．１μの方がやゝ好ましい。

又上述の例は二つの波長の比較で感知したが、三つの波
長例えば４．１μと４．４μと４．６μの三つを使用し
てもよい。

この場合は４．４付近でスペクトル強度が直線で近似出
来るようなノイズ例えば電気ストーブの放射等に対して
は内挿法によって４．４μにおけるノイズの強度を算出
出来る故に二つの波長を使った場合よりＳ／Ｎを向上さ
せ得る。

上記の説明では複数個のバンドパスフィルタ２，３と１
個の光電変換装置４で構成された１組に対して入力の差
をとり出す回路６、警報装置７、ゲート１６等の組が１
組組合さっていたが、これは必らずしも１対１で対応し
ている必要はなく、１ケの光電変換装置４の出力を遠く
にある受信装置に送り、その受信装置内に前記の差動増
巾器６やゲート１６等の役目をする回路を設けてもよい
。

その模様を第９図に示す。

第９図で１９はバンドパスフィルタ２，３、光電変換装
置４、回転円板８、モータ９、台座１０で構成された感
知ヘッドである。

２０は入力装置で以下１／０といい、２１は中央処理装
置で以下ＣＰＵといい、２２は記憶装置、２３は受信装
置である。

感知ヘッド１９から受信装置２３には４．４μと３．８
μの信号が線路を介して送られる。

受信装置２３では感知ヘッド１９からの信号を１／０
２０を通ししてＣＰＵ２１に入れ、ＣＰＵ２１は記憶装
置２２とのやりとりを通して４．４μと３．８μの差の
信号の大小比較と、３．８μのみの信号の大小を計算し
て警報を発するか否かをきめる。

即ち４．４μと３．８μの差の信号がある程度より大き
いときと、上記信号が数秒間ある程度より大きくて、そ
の後に３．８μの信号が或る程度より大きい場合に１／
０ ２０を通して警報装置７を働らかせる。

１／０ ２０とＣＰＵ２１、記憶装置２２等にはマイク
ロコンピュータ等を用い得る。

又第９図の装置ではマイクロコンピュータを用いた場合
通常一つの受信装置で複数ケの感知ヘッドの信号を処理
し得る。

感知ヘッド１９から受信装置２３へ信号を送るのはアナ
ログ信号で送ってもよく、Ａ／Ｄ変換を行なってデイジ
タル信号として送ってもよい。

上述したように本発明によると、高温の炭酸ガスから発
せられる共鳴放射による波長の赤外線とその近傍の波長
で空気中の水蒸気や炭酸ガスによる吸収の少ない波長域
にある波長の赤外線との差を検出する回路と、後者の赤
外線の強度を検出する回路と、前者の回路の出力が一定
の大きさを超えた場合及び一定の大きさの値を短時間持
続した後に後者の回路の出力が一定の大きさを持続して
いる間警報を発するようにする方式により、木材、紙、
ガソリン、プラスチック等種々の物質の燃焼する炎を高
感度に感知することが出来て、その実用上の効果は大変
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種放射体の放射線スペクトルを示す図、第２
図は炎感知器の原理を説明するブロック図、第３図は本
発明に適用し得る炎感知器の一例を示す構造概略図、第
４図は光電変換装置の出力を示す図、第５図は光電変換
装置の出力を処理する回路例を示す図、第６図はガソリ
ンの炎等のスペクトルを示す図、第７図は本発明の実施
例を示すブロック図、第８図は警報を持続するための回
路例を示す図、第９図は炎感知の集中処理方式を説明す
るための図である。 ２，３・・・・・・バンドパスフィルタ、４・・・・・
・光電変換装置、６・・・・・・差動増巾器、７・・・
・・・警報装置、１４・・・・・・一時記憶装置、１５
・・・・・・レベル判定器、１６・・・・・・ゲート回
路、１７・・・・・・警報装置、１９・・・・・・感知
ヘッド、２３・・・・・・受信装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 炭酸ガスの共鳴放射による波長の第１の赤外線と、
   前記波長の近傍で空気中の炭酸ガスによる吸収の少ない
   波長域の波長の第２の赤外線との強度の差を検出して警
   報装置を作動させる炎感知方式において、前記第１の赤
   外線と第２の赤外線の強度の差により短時間持続して炎
   を検出した後、前記第２の赤外線の強度がある一定レベ
   ルを超えて持続している間警報器を作動させるようにし
   たことを特徴とする炎感知方式。