JPS586996B2 - 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部から赤外部に亘
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つと小さくなってい
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の何れも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と同等号ではあるが、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１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と太陽
光による影響の排除方法について述べる。

前述したように太陽の直射光は４．４μの波長の所でも
大きな強度をもっている。

この大きさは偉度や季節、時刻によって異なるが、東京
の一月の晴天の正午で直径７０ｃｍの皿でアルコールを
燃焼させたときの放射を５０ｃｍ離れた所で受けたとき
の大きさとほゞ同じである。

これに対して同じ時の３．８μの強度は４．４μの強度
の１０倍位であり、従って太陽による４．４μの放射線
は本発明の炎検出方式の場合は３．８μの放射の強度と
の差をとるので誤報の原因とはならないが、後述するよ
うに大気中のＣＯ２との関連において、炎感知の感度を
下げる原因となる。

その故に本発明の方式は次に述べるような方法で太陽光
による感度低下を防ぐようにしている。

以下その詳細を説明する。

太陽光線は約６０００℃の黒体放射のスペクトルを放射
しているが、この放射線は太陽近辺の気体と地球の大気
を通り抜ける時に特有の波長の所で吸収される。

その中で今問題となるのは大気中のＣＯ２による４．４
μの波長の吸収である。

地上に達する直射日光の４．４μと４．１μと３．８μ
の強度を比較すると、東京の１月の正午で４．４μの強
度を１として４．１μは約２倍、３．８μは約１０倍で
ある。

これらの値は、場所（緯度）、季節、時刻が定まると、
太陽光が大気層を通過する時の長さが定まり、又大気中
のＣＯ２の量は約０．０３％でほゞ一定であるので、一
定値となる。

この直射日光がバンドパスフィルタ２，３を通し、光電
変換装置４に入射すると、４．４μの値が３．８μより
小さい為に炎の信号と逆極性のノイズが差動増巾器６の
出力に現われ、その分だけ炎に対する感度が低下する。

この欠点を除くため本発明の炎感知方式では第６図に示
したような方式を第２図の方式に追加している。

第６図で１１は光電変換装置４からの３．８μと４．４
μの二つの出力の比を計算する回路、１２は計算回路１
１の出力が一定の値をこえた時に直射日光が入射したと
判断して出力するレベル判定器１３は光電変換装置４か
らの３８μの出力を割算して出力する回路、１４は４．
４μの出力から割算回路１３からの出力を差し引く引算
回路でレベル判定器１２からの出力のある時だけ動作す
る回路、１５は引算回路１４の出力が或る一定の値をこ
えたときに警報を発する警報回路である。

レベル判定器１２の判定レベルは時計を付属させて一日
の時刻に従って変化させるのが合理的であるが、日本の
ように３５°〜４０°程度の緯度に属する所では約１／
１０（１０倍）位の値に固定しておいても実用上差し支
えない。

この値は地球上のどの位置でもその位置における夏至の
直射日光の４．４μと３．８の比 か或はその１／２（
日本の場合は１／１０〜１／２０）位の値に選べば実用
上ほゞ差し支えない。

警報回路１５の動作レベルは直射日光が直接入射しない
正常状態における炎感知レベルの数分の一位（通常１／
２位）に選ぶのが、誤動作を避けて炎だけを感知するの
に適当である。

以上のように４．４μと３．８μの放射の比から直射日
光が直接炎感知器に入射したか否かを判定し、その時だ
け３．８μの入力を割引いて計算するか（第６図の例）
或は４．４μの入力だけを割増しした後に両者の差をと
ることにより、直射日光の入射による感度低下を大巾に
軽減することが出来る。

上記の説明では複数個のハンドパスフィルタ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、各種の計算回路１１，１３，１４、
警報回路１５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ヶの光電
変換装置４の出力を遠くにある受信装置に送り、その受
信装置内に前記の計算回路１１やレベル判定器１２等の
役目をする回路を設けてもよい。

その模様を第７図に示す。

第７図で１６はバンドパスフィルタ２，３、光電変換装
置４、回転板８、モータ９、台座１０で構成された感知
ヘッドである。

１７は入力装置で以下１／０といい、１８は中央処理装
置で以下ＣＰＵといい、１９は記憶装置、２０は受信装
置である。

感知ヘッド１６から受信装置２０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２０では感知ヘッド１６からの信号を１／０
１７を通してＣＰＵ １８に入れ、ＣＰＵ １８は記憶
装置１９とのやりとりを通して４４μと３．８μの信号
の比を計算して、直射日光が入射しているか否かを計算
し、入射しているときは前述のように４．４μの入力を
補正して感度の低下を防ぐようにする。

即ち３．８μと４．４μの信号の比を計算してその値が
ある程度（約１０倍）より大きいときは、４．４μの信
号の感度をあげて、３．８μの信号との差を計算し、そ
の差が或る程度より大であると１／０１７を通して警報
装置１５を働らかせる。

１／０１７と、ＣＰＵ １８、記憶装置１９等にはマイ
クロコンピューター等を用い得る。

又第７図の装置ではマイクロコンピューターを用いた場
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１６から受信装置２０へ信号を送るのはアナ
ログ信号で送つてもよく、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。

以上述べたように本発明の方式による時は、炎中の高温
のＣＯ２から発せられる共鳴放射による放射線を通過さ
せるバンドパスフィルタとこの放射線の近辺にありＣＯ
２による吸収のない放射線を通過させるバンドパスフィ
ルタと、これらのバンドパスフィルタを通過した放射線
の強度を受けて別別に出力する光電変換装置と、これら
の出力の比を計算する回路と、その比の値を判定するレ
ベル判定器、及び前記出力の差を計算する回路を具える
ことにより、直射日光による感度低下を防いで常に高感
度である炎感知を行うことができ実用上甚だ有益である
。

【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
発明の適用し得る炎感知器の一例を示す構造図、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図は本発明の実
施例を示すブロック図、第７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、１１・・・・・・比の計算回路、１２
・・・・・・レベル判定器、１３・・・・・・割算回路
、１４・・・・・・引算回路、１５・・・・・・警報装
置、１６・・・・・・感知ヘッド、２０・・・・・・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第１の放射線と前記波長
   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の放射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２の放射線と第
   １の放射線の強度の出力比が一定値を超えたときに、第
   １の放射線の出力を割増するか、又は第２の放射線の出
   力を割引いて第１の放射線と第２の放射線の強度の差を
   検出して警報を発することを特徴とする炎感知方式。