JP5848082B2

JP5848082B2 - 炎感知器及び炎判定方法

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Publication number: JP5848082B2
Application number: JP2011214081A
Authority: JP
Inventors: 嘉夫中村
Original assignee: Hochiki Corp
Current assignee: Hochiki Corp
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: JP2013072834A

Description

本発明は、火災に伴う炎を検知して発報する炎感知器及び炎判定方法に関する。

従来、有炎燃焼により発生する赤外線放射を検出して、炎の有無を検出する炎感知器にあっては、炎と炎以外の赤外線放射体との識別を行うため、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂の共鳴放射による波長帯域を含む複数の波長帯域における放射強度を検出して、それら複数の波長帯域における検出値の相対比により炎の有無を検出する２波長式、３波長式等の炎検出装置や炎検出方法がよく知られている。

従来技術の２波長式や３波長式の炎感知器の検出原理は次のようになる。燃焼炎においては、ＣＯ₂の共鳴放射により４．５μｍ付近の波長帯域に放射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付近や長波長側の５．１μｍ付近に、放射強度が低い波長帯域が存在する。

なお、放射源としての炎はＣＯ₂の共鳴放射により、４．３μｍ帯に赤外線の放射強度のピークがあることが知られている。しかしながら、炎感知器は放射源から離れた位置で炎からの放射エネルギーを検知しており、このため炎感知器の設置場所で実際に測定した場合にあっては、４．５μｍ付近に放射強度のピークが現れることが経験的に示されている。したがって、以下では、特に断らない限り、ＣＯ₂共鳴放射帯とは、４．５μｍ帯を指すものとする。

このため２波長式の炎感知器にあっては、４．５μｍ付近の波長帯域と、例えば３．８μｍ付近の波長帯域における各々の放射エネルギーを狭帯域の光学波長バンドパスフィルタにより選択透過（通過）させて、受光素子により該放射エネルギーを検出して対応する電気信号に変換し、それぞれの検出出力の相対比をとり、所定の閾値と比較することにより炎と判定する。これにより、炎以外の赤外線放射体、例えば、太陽光等の高温放射体や、３００°Ｃ程度の比較的低温の放射体、人体などの低温放射体等との識別が可能となる。

また３波長式の炎感知器にあっては、上述した２波長に加え、ＣＯ₂の共鳴放射帯である４．５μｍ帯の長波長側の、例えば、５．１μｍ付近の波長帯域における放射エネルギーを、上記２波長式と同様の手法で検出し、これらの３波長帯域における検出出力の相対比によって炎の有無を判定しており、このような炎検出方法により、炎と炎以外の赤外線放射体との識別性能をさらに向上させることができる。

特公昭５５−３３１１９号公報特公昭５９−３４２５２号公報

しかしながら、このような従来の炎感知器を工場等に設置していた場合に、アーク溶接作業により炎感知器が誤作動してしまう問題がある。

これはアーク溶接の溶接光には、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂の共鳴放射による４．５μｍ付近の赤外線が含まれていることによる。例えばアーク溶接に使用する溶接棒の被覆には、でんぷんなどの有機物が成分として含まれており、有機物が燃焼することで４．５μｍ付近の赤外線が放射ＣＯ₂の共鳴放射により出ているほか、高温となっている溶接部位から黒体放射により出ており、従来の炎感知器では判別が難しく、アーク溶接光により誤作動するという問題がある。

本発明は、炎とアーク溶接光との識別性を高め、アーク溶接光により誤作動することなく確実に炎の存在を判定して火災発報することを可能とする炎感知器及び炎判定方法を提供することを目的とする。

（炎感知器）
本発明は、炎感知器に於いて、
有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第１受光信号を出力する第１検知部と、
所定の波長帯域の近赤外線光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第２受光信号を出力する第２検知部と、
第１検知部及び第２検知部からの第１受光信号と第２受光信号に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源とを識別判定する炎判定部と、
炎判定部で炎の存在を判定した場合に火災信号を出力する発報回路と、
を備え、炎判定部は、
第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ未満の場合は、第１受光信号ｅ１と第２受光信号ｅ２との比率Ｋ＝ｅ１／ｅ２を求め、
第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ以上の場合は、第１受光信号ｅ１と所定の定数ｃの比率Ｋ＝ｅ１／ｃを求め、
比率Ｋが所定の判定閾値Ｋｔｈ以上の場合に炎の存在を判定することを特徴とする。

第１検知部は、
有炎燃焼時に発生するＣＯ２共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過させる第１光学フィルタと、
第１光学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１受光素子と、
第１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して第１受光信号を出力する第１周波数抽出部と、
を備え、
第２検知部は、
所定の波長帯域の近赤外線光を透過させる第２光学フィルタと、
第２光学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受光素子と、
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して第２受光信号を出力する第２周波数抽出部と、
を備える。

第２光学フィルタは、０．７μｍ乃至１．０μｍ付近（７００ｎｍ〜１０００ｎｍ付近）の波長帯域の近赤外線光を透過させる。

第２光学フィルタと第２受光素子は、近赤外帯域の光を透過させる透過窓を備え、近赤外帯域の所定波長にピーク波長を持つフォトトランジスタまたはフォトダイオードである。

本発明は、炎感知器に於いて、
有炎燃焼時に発生するＣＯ ₂ 共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第１受光信号を出力する第１検知部と、
所定の波長帯域の近赤外線光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第２受光信号を出力する第２検知部と、
有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする波長帯域に隣接した所定波長を中心波長とする狭帯域波長の光のみを選択透過させて電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出する第３検知部と、
第１検知部、第２検知部及び第３検知部からの第１受光信号、第２受光信号及び第３受光信号に基づいて炎とアーク溶接光の放射線源とを識別判定する炎判定部と、
炎判定部で炎の存在を判定した場合に火災信号を出力する発報回路と、
備え、炎判定部は、
第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ未満の場合は、第１受光信号ｅ１と第２受光信号ｅ２との第１比率Ｋ１＝ｅ１／ｅ２を求めると共に第１受光信号ｅ１と第３受光信号ｅ３との第２比率Ｋ２＝ｅ１／ｅ３を求め、
第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ以上の場合は、第１受光信号ｅ１と所定の定数ｃとの第１比率Ｋ１＝ｅ１／ｃを求めると共に第１受光信号ｅ１と第３受光信号ｅ３との第２比率Ｋ２＝ｅ１／ｅ３を求め、
第１比率Ｋ１が所定の第１判定閾値Ｋｔｈ１以上で且つ第２比率Ｋ２が所定の第２判定閾値Ｋｔｈ２以上の場合に炎の存在を判定することを特徴とする。

第３検知部は、
４．５μｍ付近を中心波長とする波長帯域に隣接した所定波長を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過させる第３光学フィルタと、
第３光学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３受光素子と、
第３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して第３受光信号を出力する第３周波数抽出部と、
を備える。

第３光学フィルタは、第１光学フィルタの４．５μｍ付近の透過波長帯域に隣接した３．８μｍ付近または５．１μｍを付近中心波長とする狭帯域波長の光のみを選択透過させる。

炎判定部は、第１信号乃至第３受光信号を積分した積分信号に基づいて炎の存在を判定する。

（炎判定方法）
本発明は、炎判定方法に於いて、
第１検知部により、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第１受光信号を出力し、
第２検知部により、所定の波長帯域の近赤外線光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第２受光信号を出力し、
炎判定部により、第１検知部及び第２検知部からの第１受光信号と第２受光信号に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源とを識別判定し、炎判定部は、
第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ未満の場合は、第１受光信号ｅ１と第２受光信号ｅ２との比率Ｋ＝ｅ１／ｅ２を求め、
第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ以上の場合は、第１受光信号ｅ１と所定の定数ｃの比率Ｋ＝ｅ１／ｃを求め、
比率Ｋが所定の判定閾値Ｋｔｈ以上の場合に炎の存在を判定することを特徴とする炎判定方法。

本発明による炎判定方法の他の特徴は、前述した炎感知器の場合と基本的に同じになる。

本発明の炎感知器によれば、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光による第１受光信号を検出すると共に、アーク溶接光により放射される、０．７〜１．０μｍ付近の波長帯域の近赤外線の光による第２受光信号を検出し（２波長方式）、第１受光信号と第２受光信号に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源とを識別判定したため、アーク溶接作業を行う工場等に設置した場合に、アーク溶接光では誤作動せず、また日光、白熱電球、ハロゲンランプ等でも誤作動せず、火災による炎の存在を確実に検知して報知することができる。

また、アーク溶接を行う工場等に本発明による炎感知器を設置することで、工場での火災感知を早めることができる。従来、アーク溶接作業を行う工場では、炎感知器が使用できないために、熱感知器を使用している。なお、煙感知器は通常の状態で工場内に煙が発生するので使用できない。工場で熱感知器を使用する場合、熱感知器は高天井に設置されており、火災に伴う熱気流が高天井に届いて熱感知器で火災を検知するまでには時間がかかり、そのあいだに火災が拡大してしまう可能性が高い。しかしながら、アーク溶接光に対し誤作動することのない本発明の炎感知器を使用することで、アーク溶接を行う工場等の高天井に設置していても火災による炎の存在を早期に検知することができ、火災が大きくなってしまう前に火災を報知することができる。

また、有炎燃焼によるＣＯ₂共鳴で放射される、４．５μｍ付近の光による第１受光信号と、アーク溶接光による、０．７〜１．０μｍ付近の近赤外線光による第２受光信号をとの比率を求めることで、炎の場合に求めた比率を、アーク溶接光の場合に求めた比率に対し、充分に大きな値とすることができ、両者の差を大きくすることで、炎の存在とアーク溶接光の放射線源とを識別判定をより正確にできる。

また、アーク溶接光（外乱光）や照明、太陽光による、０．７〜１．０μｍ付近の近赤外線光の第２受光信号が大きくなりすぎると、有炎燃焼によるＣＯ₂共鳴で放射される４．５μｍ付近の光による第１受光信号との比率が低下して感度が極端に低下する。そこで本発明にあっては、第２受光信号が所定レベルを超えた場合、第２受光信号の代りに所定の定数を使用して第１受光信号との比率を求めることで、外乱光となるアーク溶接光による感度低下を抑制することができる。

また、ＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光による第１受光信号、アーク溶接光に固有な０．７〜１．０μｍ付近となる近赤外線の光による第２受光信号の検出に加え、ＣＯ₂共鳴による４．５μｍ付近に隣接した３．８μｍまたは５．１μｍを中心波長とする狭帯域波長の光による第３受光信号を検出し（３波長方式）、第１受光信号、第２受光信号及び第３受光信号に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源とを識別判定することで、工場などに炎感知器を設置した場合にアーク溶接作業を行っても誤作動せず、また日光、白熱電球、ハロゲンランプ等でも誤作動せず、火災による炎の存在を更に確実に検知して報知することができる。

２波長方式となる本発明による炎感知器の実施形態を示したブロック図図１の炎判定部の機能構成を示したブロック図図１の炎判定部をプロセッサのプログラム制御で実現する場合の炎判定処理を示したフローチャート炎とアーク溶接光の分光特性を示した放射スペクトル特性図アーク溶接光に対する４．５μｍ積分値と近赤外積分値から算出した比率Ｋの時間変化を示したタイムチャートヘプタン炎に対する４．５μｍ積分値と近赤外積分値から算出した比率Ｋの時間変化を示したタイムチャート３波長方式となる本発明による炎感知器の実施形態を示したブロック図図７の炎判定部の機能構成を示したブロック図図７の炎判定部をプロセッサのプログラム制御で実現する場合の炎判定処理を示したフローチャート

図１は本発明による炎感知器の実施形態を示したブロック図であり、２波長方式を例にとっている。図１において、炎感知器１０は、第１検知部１１ａによりＣＯ₂の共鳴放射（４．５μｍ波長帯域の赤外線を出す元は、炎とは限らない）による波長帯域を検知し、第２検知部１１ｂによりアーク溶接光による近赤外線の波長帯域における放射線強度を検知し、炎判定部２６で第１検知部１１ａと第２検知部１１ｂで検知した２つの波長帯域における検知値の相対比により炎の存在を判定する２波長式による炎検知を行う。

第１検知部１１ａには、ＣＯ₂の共鳴放射により４．５μｍ付近の波長帯域を有する赤外線エネルギーを透過して電気信号に変換して出力する第１光学フィルタ１４ａと焦電型の第１受光素子１６ａを備えたセンサモジュール１２ａと、センサモジュール１２ａから出力される信号から炎のゆらぎ周波数と知られた所定の周波数帯域、例えば２Ｈｚを中心とした周波数帯域の信号成分のみを通過させる前置フィルタを用いた第１周波数抽出部１８ａと、第１周波数抽出部１８ａを通過した信号成分を初段増幅するプリアンプ２０ａと、プリアンプ２０ａからの出力を、炎判定処理に適した信号レベルに増幅するメインアンプ２２ａと、メインアンプ２２ａから出力される増幅出力（アナログ信号）をデジタル信号となる４．５μｍ受光信号ｅ１に変換するＡ／Ｄ変換器２４ａとを設けている。ここで、４．５μｍ受光信号は特許請求範囲の第１受光信号に対応する。

また第２検知部１１ｂには、７００〜１０００ｎｍ（０．７〜１．０μｍ）付近となる近接赤外線の波長帯域を有する近赤外線エネルギーを透過して電気信号に変換して出力する第２光学フィルタ１４ｂとフォトトランジスタまたはフォトダイオードを用いた第２受光素子１６ｂを備えたセンサモジュール１２ｂと、センサモジュール１２ｂから出力される信号から炎のゆらぎ周波数と知られた所定の周波数帯域、例えば２Ｈｚを中心とした周波数帯域の信号成分のみを通過させる前置フィルタを用いた第２周波数抽出部１８ｂと、第２周波数抽出部１８ｂを通過した信号成分を初段増幅するプリアンプ２０ｂと、プリアンプ２０ｂからの出力を、炎判定処理に適した信号レベルに増幅するメインアンプ２２ｂと、メインアンプ２２ｂから出力される増幅出力（アナログ信号）をデジタル信号となる近赤外受光信号ｅ２に変換するＡ／Ｄ変換器２４ｂとを設けている。

なお、一般に近赤外線の波長は７００〜２５００ｎｍ付近（０．７〜２．５μｍ付近）であるが、第２受光素子１６ｂとして使用するフォトトランジスタやフォトダイオードのピーク感度波長に基づき本実施形態にあっては、７００〜１０００ｎｍ付近の近赤外線波長帯域の放射強度を検知するようにしている。また、近赤外受光信号は特許請求範囲の第２受光信号に対応する。

また、第２受光素子１６ｂとしてフォトトランジスタを使用する場合、フォトトランジスタのケースに設けた透過窓（フィルタ）が、近接赤外線の７００〜１０００ｎｍ付近（０．７〜１．０μｍ付近）の波長帯域を有する近赤外線エネルギーを透過して電気信号に変換して出力する第２光学フィルタ１４ｂとしてそのまま機能し、第２受光素子としてのフォトトランジスタは、ピーク感度波長として例えば８００〜９００ｎｍ付近にある市販品をそのまま使用できる。

また、第２受光素子１６ｂとして使用するフォトトランジスタとしては透過窓にフィルタを設けないものも使用できる。この場合には、透過窓の特性ではなく、半導体素子の分光特性として、７００〜１０００ｎｍ付近に感度を持つものを使用する。

この点は第２受光素子１６ｂとしてフォトダイオードを使用した場合も同様であり、例えばピーク感度波長を１０５０ｎｍ付近にをもつフォトＰＩＮダイオードなどが使用できる。

Ａ／Ｄ変換器２４ａ，２４ｂからの４．５μｍ受光信号ｅ１と近赤外受光信号ｅ２は炎判定部２６に入力される。炎判定部２６は、４．５μｍ受光信号ｅ１と近赤外受光信号ｅ２に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源との識別判定を行う。炎判定部２６で炎の存在が判定された場合、発報回路２８に炎判定信号が出力され、スイッチング素子等をオンすることで、感知器端子３０ａ，３０ｂに接続している受信機からの感知器回線Ｌ，Ｃ間に発報電流を流し、受信機に火災発報信号を送出する。

炎判定部２６は４．５μｍ受光信号ｅ１と近赤外受光信号ｅ２の比率Ｋとして
Ｋ＝ｅ１／ｅ２
を求め、当該比率Ｋが所定の閾値Ｋｔｈ以上の場合に炎の存在を判定することを基本とする。

このような基本的な炎判定に対し、本実施形態の炎判定部２６にあっては、近赤外受光信号ｅ２が極端に大きくなった場合の外乱光となるアーク溶接光による感度低下を抑制するため、近赤外受光信号ｅ２が所定レベルを超えた場合、近赤外受光信号ｅ２の代りに所定の定数ｃを使用して４．５μｍ受光信号との比率Ｋを求めることでアーク溶接光による感度低下を抑制することができる。

即ち、炎判定部２６は、近赤外受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ未満の場合は、４．５μｍ受光信号ｅ１と近赤外受光信号ｅ２との比率Ｋとして
Ｋ＝ｅ１／ｅ２
を求め、一方、近赤外受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ以上の場合は、４．５μｍ受光信号ｅ１と、所定の定数ｃの比率Ｋとして
Ｋ＝ｅ１／ｃ
を求め、比率が所定の判定閾値Ｋｔｈ以上の場合に炎の存在を判定する。

図２は図１に設けた炎判定部の機能構成の一例を示したブロック図である。図２において、炎判定部２６には積分器３２ａ、３２ｂが設けられ、図１のＡ／Ｄ変換器２４ａ，２４ｂからの４．５μｍ受光信号ｅ１と近赤外受光信号ｅ２を所定時間単位で積分し、４．５μｍ積分信号Ｅ１と近赤外積分信号Ｅ２を出力する。この積分により受光信号のノイズなどによる急激な変動を抑制する。

積分器３２ａ、３２ｂによる積分動作は、Ａ／Ｄ変換器２４ａ，２４ｂのサンプリングにより一定の単位時間に得られる受光信号（デジタル信号）の和を求める。またＡ／Ｄ変換器２４ａ，２４ｂのサンプリング毎に、現時点から一定の単位時間前までに得られた受光信号（デジタル信号）の和となる移動加算による和を求めても良い。

積分器３２ａからの４．５μｍ積分信号Ｅ１は比率演算器４２に与えられ、また積分器３２ａからの近赤外積分信号Ｅ２は切替器４０の切替端子ａを介して比率演算器４２に与えられる。切替器４０の他方の切替端子ｂには所定の定数ｃを出力する定数設定器３４を接続している。

切替器４０は比較器３６により切替制御される。比較器３６は積分器３２ｂからの近赤外積分信号Ｅ２と基準電圧源３８で設定した所定の受光閾値Ｅｔｈとを比較しており、近赤外積分信号Ｅ２が受光閾値Ｅｔｈ未満の場合のＬレベル出力で、図示のように、切替器４０を切替端子ａに切替え、積分器３２ｂからの近赤外積分信号Ｅ２を比率演算器４２に与え、比率演算器４２は
Ｋ＝Ｅ１／Ｅ２
として比率Ｋを演算する。尚、この比率Ｋは４．５μｍ受光信号ｅ１と近赤外受光信号ｅ２に基づく
Ｋ＝ｅ１／ｅ２
と実質的に同じ値となる。

一方、比較器３６は近赤外積分信号Ｅ２が受光閾値Ｅｔｈ以上となった場合にＨレベル出力を生じ、切替器４０を切替端子ｂ側に切替え、定数設定器３４からの定数ｃを比率演算器４２に与え、率演算器４２は
Ｋ＝Ｅ１／ｃ
として比率Ｋを演算する。尚、この比率Ｋは４．５μｍ受光信号ｅ１と定数ｃに基づく
Ｋ＝ｅ１／ｃ
と実質的に同じ値となる。

比率演算器４２で算出された比率Ｋは比較器４４に与えられ、基準電圧源４５により設定した所定の判定閾値Ｋｔｈと比較され、比率Ｋが判定閾値Ｋｔｈ以上の場合、比較器４４は炎判定信号としてＨレベル出力を生ずる。

図３は図１の炎判定部の機能をプロセッサによるプログラムの実行により実現する場合の炎判定処理を示したフローチャートである。図３において、炎判定処理は、ステップＳ１でＡ／Ｄ変換器２４ａからの４．５μｍ受光信号ｅ１を積分した４．５μｍ積分値Ｅ１を読込み、続いてステップＳ２でＡ／Ｄ変換器２４ｂからの近赤外受光信号ｅ２を積分した近赤外積分値Ｅ２を読込む。

続いてステップＳ３で近赤外積分値Ｅ２が所定の受光閾値Ｅｔｈ未満か否か判別し、受光閾値Ｅｔｈ未満を検知した場合はステップＳ４に進み、比率Ｋを
Ｋ＝Ｅ１／Ｅ２
として計算する。

一方、ステップＳ３で近赤外積分値Ｅ２が所定の受光閾値Ｅｔｈ以上となることを検知した場合はステップＳ５に進み、近赤外積分値Ｅ２を定数ｃに変更し、比率Ｋを
Ｋ＝Ｅ１／ｃ
として計算する。

続いてステップＳ７で比率Ｋが所定の判定閾値Ｋｔｈ以上か否か判定し、判定閾値Ｋｔｈ以上であることを判定した場合はステップＳ８に進み、炎の存在を判定すると共に炎判定信号を発報回路２８に出力して動作させることで、火災発報信号を受信機に出力させる。

次に本発明における炎とアーク溶接光の識別判定の原理を説明する。図４は炎とアーク溶接光の分光特性を示した放射スペクトル特性図であり、炎スペクトル４６とアーク溶接光スペクトル４８につき、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂の共鳴放射共鳴放射による４．５μｍ付近の放射強度を略同じ状態として測定した結果を示している。

図４において、炎スペクトル４６はＣＯ₂の共鳴放射により４．５μｍ付近に放射強度のピーク値をもっている。アーク溶接光スペクトル４８は４．５μｍ付近に大きな放射強度をもち、７００〜１０００ｎｍ付近（０．７〜１．０μｍ付近）の波長帯域となる近赤外線波長帯域およびそれより短波長側の帯域に放射強度が分布している。

ここで図１の実施形態に設けたセンサモジュール１２ｂにあっては、第２光学フィルタ１４ｂとフォトトランジスタまたはフォトダイオードを用いた第２受光素子１６ｂにより、図４における７００〜１０００ｎｍ付近（０．７〜１．０μｍ付近）となる近赤外線波長帯域５０に放射強度をもつ近赤外線エネルギーを検知している。

アーク溶接光スペクトラム４８が近赤外波長帯域５０に分布する理由は、アーク溶接に使用する溶接棒の被覆には例えば長石が含まれており、長石に含まれるカリウムが燃焼する場合に、７６０ｎｍ付近にピークをもつ近赤外線光が特徴的に放射されることによると考えられる。またアルゴンガスを保護用ガスとして用いるＴＩＧ溶接（タングステン・イナート・ガス溶接の略）にあっては、アーク溶接に伴うアルゴンガスのプラズマから８１１ｎｍ付近の近赤外線が特徴的に放射されることによると考えられる。このようなアーク溶接に使用する溶接棒の被覆成分の燃焼に起因し、アーク溶接光スペクトル４８は、ＣＯ₂の共鳴放射による４．５μｍ付近の放射強度のピーク値を持つと共に、センサモジュール１２ｂの検知波長帯域となる７００〜１０００ｎｍ付近（０．７〜１．０μｍ付近）の近赤外線波長帯域５０に放射強度が分布している。

この炎スペクトル４６とアーク溶接光スペクトル４８の分光特性から明らかなように、従来の例えば２波長方式において、ＣＯ₂の共鳴放射帯である４．５μｍ付近を中心波長とした狭波長帯域と、その長波長側の例えば、５．１μｍ付近の狭波長帯域における放射エネルギーを検知し、これらの２波長帯域における検知出力の相対比によっては、炎とアーク溶接光を識別判定することはできないことが分かる。

図５は、断続的にアーク溶接を行った場合のアーク溶接光に対する４．５μｍ積分信号と近赤外積分信号から算出した比率Ｋの時間変化を示したタイムチャートである。

図５において、ＣＯ₂の共鳴放射共鳴放射による４．５μｍ付近の放射強度を検知した４．５μｍ積分信号は測定特性５２に示すように、アーク溶接を断続的に行う毎にピーク値が生じている。

この測定特性５２となる４．５μｍ積分信号と共に検知している近赤外線波長帯域の放射強度に対応した近赤外積分信号（図示せず）とに基づき計算した比率Ｋ＝Ｅ１／Ｅ２は、比率特性５４に示すように変化する。即ち、測定特性５２において４．５μｍ積分信号が大きくなると、比率特性５４のように比率Ｋの値が小さくなる関係にあり、この場合、比率Ｋは概ねＫ＝２以下に収まっている。

図６は、ヘプタン炎に対する４．５μｍ積分信号と、近赤外積分信号から算出した比率Ｋの時間変化を示したタイムチャートである。

図６において、ＣＯ₂の共鳴放射による４．５μｍ付近の放射強度を検知した４．５μｍ積分信号は測定特性５６に示すように、炎の大きさの変化に対応して変動している。

この測定特性５６となる４．５μｍ積分信号と共に検知している近赤外線波長帯域の放射強度に対応した近赤外積分信号（図示せず）とに基づき計算した比率Ｋ＝Ｅ１／Ｅ２は、比率特性５８に示すように変化する。即ち、測定特性５８において、４．５μｍ積分信号が大きくなると、比率特性５４のように比率Ｋの値も大きくなる関係にあり、この場合、比率Ｋは概ねＫ＝５０〜２００といった大きな値を示している。

この結果、図５に示したアーク溶接の場合の比率Ｋが概ねＫ＝２以下であったのに対し、図６のヘプタン炎の場合の比率Ｋは概ねＫ＝５０〜２００と非常に大きくなり、このように変化する比率Ｋを比較判定することで炎の存在とアーク溶接光とを確実に識別判定することができる。

このため図２及び図３に示した判定閾値Ｋｔｈとして例えばＫｔｈ＝５０を設定することで、算出した比率Ｋとの比較により炎の存在とアーク溶接光とを確実に識別判定することができる。

図７は本発明による炎感知器の他の実施形態を示したブロック図であり、３波長方式を例にとっている。図７において、炎感知器１０は、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂の共鳴放射による４．５μｍ付近の波長帯域と、ＣＯ₂の共鳴放射による４．５μｍ付近の波長帯域に隣接した５．１μｍ付近の波長帯域と、アーク溶接光による近赤外線の０．７〜１．０μｍ付近の波長帯域における放射強度を検知し、３つの波長帯域における検知値の相対比により炎の有無を検知する３波長式による炎判定を行う。

炎感知器１０は、第１光学フィルタ１４ａと第１受光素子１６ａを備えたセンサモジュール１２ａ、第１周波数抽出部１８ａ、プリアンプ２０ａ、メインアンプ２２ａ及びＡ／Ｄ変換器２４ａを備えた第１検知部１１ａにより４．５μｍ受光信号ｅ１を検知し、また、第２光学フィルタ１４ｂと第２受光素子１６ｂを備えたセンサモジュール１２ｂ、第２周波数抽出部１８ｂ、プリアンプ２０ｂ、メインアンプ２２ｂ及びＡ／Ｄ変換器２４ｂを備えた第２検知部１１ｂにより近赤外受光信号ｅ２を検知し、この点は図１の実施形態と同じである。

これに加え本実施形態にあっては、ＣＯ₂の共鳴放射による４．５μｍ付近の波長帯域に隣接した５．１μｍ付近の波長帯域の放射強度を検知する第３検知部１１ｃを設けており、第３検知部１１ｃには、５．１μｍ付近を中心波長と擦る狭波長帯域を有する赤外線エネルギーを透過して電気信号に変換して出力する第３光学フィルタ１４ｃと焦電型の第３受光素子１６ｃを備えたセンサモジュール１２ｃと、センサモジュール１２ｃから出力される信号から炎のゆらぎ周波数と知られた所定の周波数帯域、例えば２Ｈｚを中心とした周波数帯域の信号成分のみを通過させる前置フィルタを用いた第３周波数抽出部１８ｃと、第３周波数抽出部１８ｃを通過した信号成分を初段増幅するプリアンプ２０ｃと、プリアンプ２０ｃからの出力を、炎判定処理に適した信号レベルに増幅するメインアンプ２２ｃと、メインアンプ２２ｃから出力される増幅出力（アナログ信号）をデジタル信号となる５．１μｍ受光信号ｅ３に変換するＡ／Ｄ変換器２４ｃとを設けている。なお、５．１μｍ受光信号は特許請求の範囲の第３受光信号に対応する。

炎判定部２６０は、Ａ／変換器２４ａ，２４ｂ，２４ｃからの４．５μｍ受光信号ｅ１、近赤外受光信号ｅ２及び５．１μｍ受光信号ｅ３を入力し、当該３つの受光信号ｅ１，ｅ２，ｅ３に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源との識別判定を行い、炎の存在を判定した場合、発報回路２８に炎判定信号を出力し、スイッチング素子等をオンすることで、感知器端子３０ａ，３０ｂに接続している受信機からの感知器回線に発報電流を流し、受信機に火災発報信号を送出する。

炎判定部２６０は４．５μｍ受光信号ｅ１と近赤外受光信号ｅ２の第１比率Ｋ１として
Ｋ１＝ｅ１／ｅ２
を求め、また炎判定部２６０は４．５μｍ受光信号ｅ１と５．１μｍ受光信号ｅ３の第２比率Ｋ２として
Ｋ２＝ｅ１／ｅ３
を求め、第１比率Ｋ１が所定の第１判定閾値Ｋｔｈ１以上で、且つ第２比率Ｋ２か所定の第２判定閾値Ｋｔｈ２以上の場合に炎の存在を判定することを基本とする。なお、第２比率Ｋ２は炎のみに特徴的に大きく出る出力による信号ｅ１と、その他の光源で特徴的な出力による信号ｅ３を比較するものである。

この基本的な炎判定に対し本実施形態の炎判定部２６０にあっては、近赤外受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ未満の場合は、４．５μｍ受光信号ｅ１、近赤外受光信号ｅ２及び５．１μｍ受光信号ｅ３から第１比率Ｋ１及び第２比率Ｋ２として
Ｋ１＝ｅ１／ｅ２
Ｋ２＝ｅ１／ｅ３
を求め、一方、近赤外受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ以上の場合は、４．５μｍ受光信号ｅ１、近赤外受光信号ｅ２に代る所定の定数ｃ及び５．１μｍ受光信号ｅ３により第１比率Ｋ１及び第２比率Ｋ２として
Ｋ１＝ｅ１／ｃ
Ｋ２＝ｅ１／ｅ３
を求め、いずれの場合も第１比率Ｋ１が所定の第１判定閾値Ｋｔｈ１以上で、且つ第２比率Ｋ２か所定の第２判定閾値Ｋｔｈ２以上の場合に炎の存在を判定する。

このように近赤外受光信号ｅ２が所定レベルを超えた場合、近赤外受光信号ｅ２の代りに所定の定数ｃを使用して比率Ｋ１，Ｋ２を求めることで、外乱光となるアーク溶接光による感度低下を抑制することができる。

図８は図７に設けた炎判定部の機能構成の一例を示したブロック図である。図８において、炎判定部２６０に設けた積分器３２ａ，３２ｂ、定数設定器３４、比較器３６、切替器４０は図２の２波長方式の実施形態と同じである。

これに加え本実施形態では、積分器３２ｃが設けられ、図７のＡ／Ｄ変換器２４ｃからの５．１μｍ受光信号ｅ３を所定時間単位で積分し、５．１μｍ積分信号Ｅ３を出力する。

比率演算器４２０は、積分器３２ｂからの近赤外積分信号Ｅ２が基準電圧源３８で設定した受光閾値Ｅｔｈ未満の場合の比較器３６のＬレベル出力で、図示のように、切替器４０を切替端子ａに切替えて積分器３２ｂからの近赤外積分信号Ｅ２を入力し、４．５μｍ積分信号Ｅ１、近赤外積分信号Ｅ２及び５．１μｍ積分信号Ｅ３から第１比率Ｋ１及び第２比率Ｋ２として
Ｋ１＝Ｅ１／Ｅ２
Ｋ２＝Ｅ１／Ｅ３
を求める。

また比率演算器４２０は、積分器３２ｂからの近赤外積分信号Ｅ２が基準電圧源３８で設定した受光閾値Ｅｔｈ以上の場合の比較器３６のＨレベル出力で、切替器４０を切替端子ｂに切替えて定数設定器３４からの定数ｃを入力し、４．５μｍ積分信号Ｅ１、近赤外受光積分信号Ｅ２に代る所定の定数ｃ及び５．１μｍ積分信号Ｅ３から第１比率Ｋ１及び第２比率Ｋ２として
Ｋ１＝Ｅ１／ｃ
Ｋ２＝Ｅ１／Ｅ３
を求める。

比率演算器４２０で算出された第１及び第２比率Ｋ１，Ｋ２は比較判定部４４０に与えられる。比較判定部４４０は、第１比率Ｋ１が所定の第１判定閾値Ｋｔｈ１以上で、且つ第２比率Ｋ２が所定の第２判定閾値Ｋｔｈ２以上の場合に炎の存在を判定する。

このように３番目の波長としてＣＯ₂の共鳴放射による４．５μｍ付近の波長帯域に隣接した５．１μｍ付近の波長帯域の放射強度を検知して炎の存在を判定することで、炎以外の赤外線放射体、例えば、太陽光等の高温放射体や、３００°Ｃ程度の比較的低温の放射体、人体などの低温放射体等との識別判定をより確実に行うことできる。

図９は図７の炎判定部の機能をプロセッサによるプログラムの実行により実現する場合の炎判定処理を示したフローチャートである。図９において、炎判定処理は、ステップＳ１１でＡ／Ｄ変換器２４ａからの４．５μｍ受光信号ｅ１を積分した４．５μｍ積分値Ｅ１を読込み、ステップＳ１２でＡ／Ｄ変換器２４ｂからの近赤外受光信号ｅ２を積分した近赤外積分値Ｅ２を読込み、更にステップＳ１３でＡ／Ｄ変換器２４ｃからの近赤外受光信号ｅ３を積分した近赤外積分値Ｅ３を読込む。

続いてステップＳ１４で近赤外積分値Ｅ２が所定の受光閾値Ｅｔｈ未満か否か判別し、受光閾値Ｅｔｈ未満を検知した場合はステップＳ１５に進み、第１及び第２比率Ｋ１，Ｋ２を
Ｋ１＝Ｅ１／Ｅ２
Ｋ２＝Ｅ１／Ｅ３
として計算する。

一方、ステップＳ１４で近赤外積分値Ｅ２が所定の受光閾値Ｅｔｈ以上となることを検知した場合はステップＳ１６に進み、近赤外積分値Ｅ２を定数ｃに変更し、第１及び第２比率Ｋ１，Ｋ２を
Ｋ１＝Ｅ１／ｃ
Ｋ２＝Ｅ１／Ｅ３
として計算する。

続いてステップＳ１８で第１比率Ｋ１が所定の第１判定閾値Ｋｔｈ１以上か否か判定し、第１判定閾値Ｋｔｈ１以上であることを判定した場合はステップＳ１９に進み、第２比率Ｋ２が所定の第２判定閾値Ｋｔｈ２以上か否か判定する。ステップＳ１９で第２比率Ｋ２が所定の第２判定閾値Ｋｔｈ２以上であることを判定した場合はステップＳ２０に進み、火災の存在を判定すると共に発報回路２８を動作させることで、火災発報信号を受信機に出力させる。

なお、上記の実施形態にあっては、炎の存在を判定した場合に発報回路の動作で受信機からの感知回線の発報電流を流して火災発報信号を送出しているが、発報回路に代えて適宜の伝送回路を設け、炎判定に基づき火災信号を受信側に伝送するようにしても良い。

また上記の実施形態の３波長方式にあっては、ＣＯ₂の共鳴放射による４．５μｍ付近の波長帯域に隣接した長波長側の５．１μｍ付近の波長帯域の放射強度を検知しているが、４．５μｍ付近の波長帯域に隣接した短波長側の３．８μｍ付近の波長帯域の放射強度を検知するようにしても良い。

また本発明は上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

１０：炎感知器
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ：第１〜第３検知部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ：センサモジュール
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ：第１〜第３光学フィルタ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ：第１〜第３受光素子
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ：第１〜第３周波数抽出部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ：プリアンプ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ：メインアンプ
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ：Ａ／Ｄ変換器
２６，２６０：炎判定部
２８：発報回路
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ：積分器
３４：定数設定器
３６，４４：比較器
３８，４５：基準電圧源
４０：切替器
４２，４２０：比率演算器
４４０：比較判定部

Claims

有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第１受光信号を出力する第１検知部と、
所定の波長帯域の近赤外線光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第２受光信号を出力する第２検知部と、
前記第１検知部及び第２検知部からの前記第１受光信号と第２受光信号に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源とを識別判定する炎判定部と、
前記炎判定部で炎の存在を判定した場合に火災信号を出力する発報回路と、
を備え、前記炎判定部は、
前記第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ未満の場合は、前記第１受光信号ｅ１と前記第２受光信号ｅ２との比率Ｋ＝ｅ１／ｅ２を求め、
前記第２受光信号ｅ２が前記受光閾値ｅｔｈ以上の場合は、前記第１受光信号ｅ１と所定の定数ｃの比率Ｋ＝ｅ１／ｃを求め、
前記比率Ｋが所定の判定閾値Ｋｔｈ以上の場合に炎の存在を判定することを特徴とする炎感知器。
請求項１記載の炎感知器に於いて、
前記第１検知部は、
有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過させる第１光学フィルタと、
前記第１光学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１受光素子と、
前記第１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して第１受光信号を出力する第１周波数抽出部と、
を備え、
前記第２検知部は、
所定の波長帯域の近赤外線光を透過させる第２光学フィルタと、
前記第２光学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受光素子と、
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して第２受光信号を出力する第２周波数抽出部と、
を備えたことを特徴とする炎感知器。
請求項２記載の炎感知器に於いて、前記第２光学フィルタは、０．７μｍ乃至１．０μｍ付近の波長帯域の近赤外線光を透過させることを特徴とする炎感知器。
請求項２記載の炎感知器に於いて、前記第２光学フィルタと第２受光素子は、近赤外帯域の光を透過させる透過窓を備え、近赤外帯域の所定波長にピーク波長を持つフォトトランジスタまたはフォトダイオードであることを特徴とする炎感知器。
有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第１受光信号を出力する第１検知部と、
所定の波長帯域の近赤外線光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第２受光信号を出力する第２検知部と、
有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする波長帯域に隣接した所定波長を中心波長とする狭帯域波長の光のみを選択透過させて電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出する第３検知部と、
前記第１検知部、第２検知部及び第３検知部からの前記第１受光信号、第２受光信号及び第３受光信号に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源とを識別判定する炎判定部と、
前記炎判定部で炎の存在を判定した場合に火災信号を出力する発報回路と、
備え、前記炎判定部は、
前記第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ未満の場合は、前記第１受光信号ｅ１と前記第２受光信号ｅ２との第１比率Ｋ１＝ｅ１／ｅ２を求めると共に前記第１受光信号ｅ１と前記第３受光信号ｅ３との第２比率Ｋ２＝ｅ１／ｅ３を求め、
前記第２受光信号ｅ２が前記受光閾値ｅｔｈ以上の場合は、前記第１受光信号ｅ１と所定の定数ｃとの第１比率Ｋ１＝ｅ１／ｃを求めると共に前記第１受光信号ｅ１と前記第３受光信号ｅ３との第２比率Ｋ２＝ｅ１／ｅ３を求め、
前記第１比率Ｋ１が所定の第１判定閾値Ｋｔｈ１以上で且つ前記第２比率Ｋ２が所定の第２判定閾値Ｋｔｈ２以上の場合に炎の存在を判定することを特徴とする炎感知器。
請求項５記載の炎感知器に於いて、前記第３検知部は、
４．５μｍ付近を中心波長とする波長帯域に隣接した所定波長を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過させる第３光学フィルタと、
前記第３光学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３受光素子と、
前記第３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して第３受光信号を出力する第３周波数抽出部と、
を備えることを特徴とする炎感知器。
請求項６記載の炎感知器に於いて、前記第３光学フィルタは、前記第１光学フィルタの４．５μｍ付近を中心波長とする透過狭波長帯域に隣接した５．１μｍ付近または３．８μｍ付近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ことを特徴とする炎感知器。
請求項５記載の炎感知器に於いて、前記炎判定部は、前記第１信号乃至第３受光信号を積分した積分信号に基づいて炎の存在を判定することを特徴とする炎感知器。
第１検知部により、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第１受光信号を出力し、
第２検知部により、所定の波長帯域の近赤外線光を選択透過して電気信号に変換し、当該電気信号から所定の周波数の信号成分を選択抽出して第２受光信号を出力し、
炎判定部により、前記第１検知部及び第２検知部からの前記第１受光信号と第２受光信号に基づいて炎の存在とアーク溶接光の放射線源とを識別判定し、前記炎判定部は、
前記第２受光信号ｅ２が所定の受光閾値ｅｔｈ未満の場合は、前記第１受光信号ｅ１と前記第２受光信号ｅ２との比率Ｋ＝ｅ１／ｅ２を求め、
前記第２受光信号ｅ２が前記受光閾値ｅｔｈ以上の場合は、前記第１受光信号ｅ１と所定の定数ｃの比率Ｋ＝ｅ１／ｃを求め、
前記比率Ｋが所定の判定閾値Ｋｔｈ以上の場合に炎の存在を判定することを特徴とする炎判定方法。
請求項９記載の炎判定方法に於いて、
前記第１検知部は、
第１光学フィルタにより、有炎燃焼時に発生するＣＯ₂共鳴により放射される、４．５μｍ付近を中心波長とする狭帯域波長の光を選択透過し、
第１受光素子により、前記第１光学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し、
第１周波数抽出部により、前記第１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して第１受光信号を出力し、
前記第２検知部は、
第２光学フィルタにより、所定の波長帯域の近赤外線光を透過し、
第２受光素子により、前記第２光学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し、
第２周波数抽出部により、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して第２受光信号を出力することを特徴とする炎判定方法。