JP2006072898A

JP2006072898A - 炎検知器

Info

Publication number: JP2006072898A
Application number: JP2004258342A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Suzuki; 克裕鈴木; Maya Tagaki; 麻弥太垣
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-06
Also published as: JP4255420B2

Abstract

【課題】水分子に基づく発光帯域を用いることで、炎を適正に検出する。
【解決手段】監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域のいずれかあるいは双方を利用する範囲の赤外線の受光量に基づいて炎の存在を判別するものであり、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域双方の約１０μｍの波長を中心とする谷間をカットした範囲の赤外線を受光量に基づいて炎の存在を判別するものである。これにより、相対的に発熱物体からの影響を受けにくく、誤報を生じにくいという効果がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、炎から放射される赤外線を検知して炎を判別する炎検知器に関する。

従来、炎からの放射光を検出する炎検知器として種々の方式が用いられている。例えば、炎に特有な二酸化炭素共鳴放射帯域を利用して約４．３μｍ付近の波長帯域の赤外線を検出する方式がある。しかし、この領域において熱源からのいわゆる黒体放射による赤外線など、誤報源が種々存在するので、赤外線の検出と同時に炎であることを特定するため、約４．３μｍの出力に加えて共鳴放射帯域を外した領域の出力とを組み合わせてそれらの比較により判別する２波長式、さらに３波長式の検出方式が用いられている（特許文献１参照）。
特開２０００−０４０１８９号公報

このような２波長式の炎検知器は、二酸化炭素共鳴放射帯域に対して波長を正確に選択する必要があり、照明装置に加え各種表示灯の中にはそれに近い波長の光を放射するものもある。したがって、本発明は、水分子に基づく発光帯域を用いることで、炎を適正に検出することを目的とする。

この発明の請求項１に係る炎検知器は、監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域のいずれかあるいは双方を利用する範囲の赤外線の受光量に基づいて炎の存在を判別することを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２に係る炎検知器は、監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域双方の約１０μｍの波長を中心とする谷間をカットした範囲の赤外線を受光量に基づいて炎の存在を判別することを特徴とするものである。

また、この発明の請求項３に係る炎検知器は、約６．５μｍ以上約９．０μｍ未満の波長から約７．５μｍ以上約９．０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域と、約１１μｍ以上約１５μｍ以下の波長から約１１μｍを超えて約２０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域との双方の受光量に基づいて炎の存在を判別することを特徴とするものである。

また、この発明の請求項４に係る炎検知器は、赤外線を検出する受光素子の前面に、約７．５μｍ付近から約１５μｍ付近までの波長帯域を通過させるバンドパスフィルタと、約１０μｍ付近の波長を低減させるカットフィルタと、それぞれ配置されることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項５に係る炎検知器は、監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域のいずれかあるいは双方を利用する範囲の赤外線を受光する第１受光素子と、該第１受光素子よりも広範囲の波長帯域の赤外線を受光する第２受光素子と、を組み合わせて、該第１受光素子から得られる第１データと前記第２受光素子から得られる第２データとを比較して炎を判別することを特徴とするものである。

また、この発明の請求項６に係る炎検知器は、監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域双方の約１０μｍの波長を中心とする谷間をカットした範囲の赤外線を受光する第１受光素子と、該第１受光素子よりも広範囲の波長帯域の赤外線を受光する第２受光素子と、を組み合わせて、前記第１受光素子から得られる第１データと前記第２受光素子から得られる第２データとを比較して炎を判別することを特徴とするものである。

また、この発明の請求項７に係る炎検知器は、第１受光素子が約６．５μｍ以上約９．０μｍ未満の波長から約７．５μｍ以上約９．０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域と、約１１μｍ以上約１５μｍ以下の波長から約１１μｍを越えて約２０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域との双方の赤外線を受光することを特徴とするものである。

また、この発明の請求項８に係る炎検知器は、第１受光素子は、赤外線素子の前面に、約７．５μｍ付近から約１５μｍ付近までの波長帯域を通過させるバンドパスフィルタと、約１０μｍ付近を低減させるカットフィルタと、それぞれ配置されたことを特徴とするものである。

本発明による炎検知器は、約７．５μｍ付近および約１５μｍ付近のいずれかあるいは双方の波長にピークを有する水分子発光帯域を利用することによって、相対的に発熱物体からの影響を受けにくく、それ以外の誤報源についても、二酸化炭素の共鳴放射帯域よりもさらに赤外側にあるので、誤報を生じにくいという効果がある。

また、約７．５μｍ付近および約１５μｍ付近のいずれかあるいは双方の波長にピークを有する水分子発光帯域を利用する第１受光素子と、その第１受光素子よりも広範囲の波長帯域を受光する第２受光素子と、を組み合わせて炎を判別するので、誤報を排除するとともに、炎検出の精度を高くすることができるという効果がある。

以下、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は炎検知器の概略構成図、図２は図１のフィルタおよびセンサの構成図であり、（ａ）から（ｃ）に、第１の実施形態に加えてその変形例および他の変形例を示している。

図において、この実施形態の炎検知器Ｆは、監視領域から放射される赤外線を窓材１を用いて内部に取り込み、取り込まれた赤外線はレンズ等による光学系２により集光され、フィルタ３によって予め定められた波長帯域のみがセンサ部４に導かれる。センサ部４は、焦電素子等の赤外線検出素子によって赤外線を電気信号に変換する。

このセンサ部４によって生じた電気信号は、増幅器５で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器６でデジタル化され、データとしてマイコン等を用いた判断回路７に取り込まれ、判断回路７において炎か否か判断され、炎と判断された場合には警報器８に出力して、警報器８が火災警報動作を行う。この火災警報動作に加え、消火活動や避難誘導その他連動動作を行うことができる。

この第１の実施形態における図２（ａ）に示されるフィルタ３の透過波長について図３に示す。このフィルタ３は、ゲルマニウム基板に異種の材料を多層に蒸着したものであり、８μｍから９μｍの波長帯域および１１μｍから１２μｍの波長帯域を透過させ、センサ部４にその特定された波長の赤外線の強度を電気信号に変換させることが可能である。このような積層により波長をカットする場合、図３のようにシャープにカットすることが可能である。

また、第１の実施形態の変形例として、図２（ｂ）に示すフィルタ３ｂおよびセンサ部４ｂを用いることができる。このフィルタ３ｂは、９μｍから１１μｍ付近の波長帯域を遮断するカットフィルタであり、また、センサ部４ｂは、８μｍから１２μｍの波長帯域に感度を有する赤外線センサである人体検知センサである。この場合にも上記第１の実施形態と同様の波長の赤外線の強度を電気信号に変換することが可能である。

このフィルタ３ｂには、図４に示す波長特性のように、シャープなものを用いることが好ましいが、図５に示すような同様の傾向を有するもの（シャープでないもの）であってもよい。同様に、センサ部４ｂについても詳細に示さないが、感度範囲がシャープなものでなく、その傾向を有するものでよい。

さらに、第１の実施形態の他の変形例として、図２（ｃ）に示すフィルタ３ｃ、３ｄおよびセンサ部４を用いることができる。この例ではフィルタを組み合わせる場合であり、９μｍから１１μｍの波長帯域を遮断するカットフィルタ３ｃと、８μｍから１２μｍの波長帯域を透過させるバンドパスフィルタ３ｄとを組み合わせて、上記第１の実施形態と同様の波長の赤外線の強度を電気信号に変換するものである。このフィルタ３ｄの波長透過特性を図６に示す。また、図７に示すような同様の傾向を有するもの（シャープでないもの）であってもよい。

このような第１の実施形態、変形例および他の変形例による波長選択の効果について、図８のメタノール火炎の発光スペクトルを参照しながら説明する。

図８において、約４．４μｍの波長をピークとする大きな発光が二酸化炭素の共鳴発光であり、それより小さめであるが、約７．５μｍの波長をピークとする約６．５μｍから約９μｍの帯域にかけての発光が水分子による分子発光であり、約１５μｍの波長をピークとする約１１μｍから約２０μｍの帯域にかけての発光も水分子による分子発光である。この図８の水分子に基づく発光に基づいて、約１０μｍの波長を中心に約９μｍから約１１μｍの波長帯域にかけて谷になっていることがわかる。

また、図９に約４００Ｋの発熱物体の発光スペクトルを示す。発熱物体から放射される赤外線は、プランクの法則に従い、約４００Kの温度においては約７μｍ付近の波長をピークとする山形となる。したがって、単に８μｍから１２μｍの波長帯域を検出するときに対して上記第１の実施形態で選択する波長帯域では、水分子による発光の谷にあたるので、炎からの赤外線の強度は変わらないが、相対的に発熱物体からの強度は少なくなる。また、発熱物体以外の誤報源についても、上記第１の実施形態で選択する水分子に基づく波長帯域は、二酸化炭素の共鳴放射帯域よりもさらに赤外側にあるので、照明装置や表示灯の隠れた発光帯に当たりにくく、誤報を生じにくい炎検知器とすることができる。

また、大気中を通過する赤外線は、水蒸気および二酸化炭素による吸収の影響を受けやすく、これらの影響のない波長帯を選ぶ必要があり、その吸収の影響について、図１０に水平距離３００ｍ、気温２５度、水分含有量５．７ミリ、海抜０ｍにおける透過率を５μｍから１５μｍの波長の範囲で示す。この結果から、８μｍ以下の波長および１４μｍ以下の波長においては大きく吸収され、約８μｍから約１４μｍまでの波長帯域内が好ましいことが分かる。

さらに、詳細に説明しないが、第１の実施形態、変形例および他の変形例のセンサ部とともに、約８μｍから約１２μｍまでの波長帯域を検出する第２のセンサ部を設け、これら２つの出力を比較することにより、発熱物体による誤報は完全に排除することが可能となり、光源による誤報とともに、炎検出の精度が高いものとすることができる。

つぎに、本発明の第２の実施形態について説明する。図１１は炎検知器としての赤外線カメラ装置の概略構成図である。

図において、赤外線カメラ装置Cは、監視領域において放射される赤外線をモニタする赤外線カメラ１１と、赤外線カメラ１１を旋回動作させる電動雲台１２と、電動雲台１２を制御する電動雲台制御手段１３お、赤外線カメラ１１から出力された映像および電動雲台制御手段１３からの赤外線カメラ１１の監視角度を保存して比較する比較手段１４と、比較結果を解析する解析手段１５と、解析結果および赤外線カメラ１１の映像を表示する表示手段１６と、により構成されている。

また、赤外線カメラ１１内には、赤外線を検出する撮像素子２１に対して２種類のフィルタ２２、２３がカバーされている。したがって、表示手段１６に表示される画像を半分にしたそれぞれにフィルタ２２、２３を介した画像が映出される。この半分づつの画像は、赤外線カメラ１１が電動雲台１２によって首振りすることによって、同一の監視領域を各フィルタ２２、２３を介して見ることができる。

これらのフィルタ２２、２３について、一方のフィルタ２２は、上記の第１の実施形態における図２に示されるような水分子の発光に基づく波長を選択するバンドパスフィルタであり、他方のフィルタ２３は、フィルタ２２よりも広い範囲の赤外線帯域を通過させるフィルタである。

この赤外線カメラ装置Cによる表示手段１６に表示される画像の一例を図１２に示す。図１２において（ａ）はフィルタ２３を介して水銀灯Ｓを撮像した場合であり、（ｂ）はその水銀灯Ｓをフィルタ２２を介して撮像した場合である。また、（ｃ）はフィルタ２３を介してｎ−ヘプタンの炎Ｈを撮像した場合であり、（ｄ）はその炎Ｈをフィルタ２２を介して撮像した場合である。それぞれ（ａ）および（ｃ）の画像から赤外線カメラ１１が電動雲台１２によって右側に移動したときに（ｂ）および（ｄ）の画像を得ることができる。

このように、同一の部分の撮像データを、詳細に説明しないが、角度データと組み合わせて照合することにより、フィルタ２３を介した撮像データとフィルタ２２を介した撮像データを比較することによって、炎Ｈの場合には、双方において高温領域が検出される。これは、両フィルタ間の選択波長の違いから、上記第１の実施形態において説明したように、炎特有の波長における赤外線の透過量かそれほど変わらないが、発熱物体の赤外線透過量は、フィルタ２２を介した場合に大きく低下することにあり、比較手段１４において撮像データを対比させ、解析手段１５において炎の存在を判別する。その結果を撮像データによる画像とは別にまたは同時に表示手段１６に表示することができる。

つぎに、第１の実験例として、第１の実施形態の変形例を用いて、ｎ−ヘプタンを燃焼させて生じた火炎と高温物体としてホットプレートを加熱して測定した結果を図１３の表に示す。ここで、センサ部４ｂは０ｍＶから３ｍＶを出力するものとし、フィルタ３ｂを用いることで、小さい炎や遠距離の炎でも１．２ｍＶの出力を得ながら、高温の発熱物体の出力は０．６ｍＶしか出力せず、熱源による影響が大幅に縮小されることが判明した。

また、第２の実験例として、第２の実施形態を用いた実験例について説明する。第２の実施形態による赤外線カメラ装置Ｃを用いて、水銀灯Ｓおよびｎ−ヘプタンの炎を撮像した結果について、画像データは、撮像素子２１の出力を２５６階調のＡＤコンバータで取り込み、黒が０、白が２５６としてそれぞれの値を求める。水銀灯Ｓは、２ＫＷで表面の保護ガラスが直径７５ｃｍのもので、その表面は約１２０度に加熱していた。また、ｎ−ヘプタンの炎Ｈは、３０ｃｍ四方の火皿において燃焼させた。その測定結果を図１４の表に示す。フィルタ２３を介した画像では、炎Ｈが１３０、水銀灯Ｓが１３０であるが、フィルタ２２を介した画像においては、炎Ｈが１０５に対して水銀灯Ｓは５０と大きく低下した。このように、両フィルタを装着して同一物に対する差分をとることで、発熱物体と炎とを明確に区別することができる。

上記各実施形態において、フィルタとして、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域のいずれかあるいは双方を利用する範囲を透過させるもの、または、水分子発光帯域双方の約１０μｍの波長を中心とする谷間をカットする範囲の赤外線を透過させるものであればよく、具体的には、約６．５μｍ以上約９．０μｍ未満の波長から約７．５μｍ以上約９．０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域と、約１１μｍ以上約１５μｍ以下の波長から約１１μｍを越えて約２０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域から選択して透過させればよい。

以上のように、各実施形態において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域のいずれかあるいは双方を利用する範囲の赤外線の受光量に基づいて炎の存在を判別するものである。また、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域双方の約１０μｍの波長を中心とする谷間をカットした範囲の赤外線を受光量に基づいて炎の存在を判別するものである。

また、各実施形態において、赤外線を検出する受光素子の前面に、約７．５μｍ付近から約１５μｍ付近までの波長帯域を通過させるバンドパスフィルタと、約１０μｍ付近の波長を低減させるカットフィルタと、それぞれ配置されるものであり、そして、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域のいずれかあるいは双方を利用する範囲の赤外線を受光する第１受光素子と、該第１受光素子よりも広範囲の波長帯域の赤外線を受光する第２受光素子と、を組み合わせて、該第１受光素子から得られる第１データと前記第２受光素子から得られる第２データとを比較して炎を判別するものである。また、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域双方の約１０μｍの波長を中心とする谷間をカットした範囲の赤外線を受光する第１受光素子と、該第１受光素子よりも広範囲の波長帯域の赤外線を受光する第２受光素子と、を組み合わせて、前記第１受光素子から得られる第１データと前記第２の受光素子から得られる第２のデータとを比較して炎を判別するものである。

これらのことによって、約７．５μｍ付近および約１５μｍ付近のいずれかあるいは双方の波長にピークを有する水分子発光帯域を利用することによって、相対的に発熱物体からの影響を受けにくく、それ以外の誤報源についても、二酸化炭素の共鳴放射帯域よりもさらに赤外側にあるので、誤報を生じにくいという効果がある。

この発明の第１の実施形態を示す概略構成図。図１のフィルタおよびセンサの構成図。図２（ａ）のフィルタの透過波長を示す図。図２（ｂ）のフィルタの透過波長を示す図。図４と同様のフィルタの透過波長を示す図。図２（ｃ）のフィルタの透過波長を示す図。図６と同様のフィルタの透過波長を示す図。メタノール火炎の発光スペクトルを示す図。発熱物体の発光スペクトルを示す図。大気中を通過する赤外線の透過率を示す図。この発明の第２の実施形態を示す概略構成図。図１１の装置による画像の一例を示す図。実験例１の結果を示す表。実験例２の結果を示す表。

符号の説明

３フィルタ
４センサ部
７判断回路
１４比較手段
１５解析手段
２１撮像素子
２２フィルタ
２３フィルタ

Claims

監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域のいずれかあるいは双方を利用する範囲の赤外線の受光量に基づいて炎の存在を判別することを特徴とする炎検知器。
監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域双方の約１０μｍの波長を中心とする谷間をカットした範囲の赤外線を受光量に基づいて炎の存在を判別することを特徴とする炎検知器。
約６．５μｍ以上約９．０μｍ未満の波長から約７．５μｍ以上約９．０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域と、約１１μｍ以上約１５μｍ以下の波長から約１１μｍを超えて約２０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域との双方の受光量に基づいて炎の存在を判別する請求項１または請求項２の炎検知器。
赤外線を検出する受光素子の前面に、約７．５μｍ付近から約１５μｍ付近までの波長帯域を通過させるバンドパスフィルタと、約１０μｍ付近の波長を低減させるカットフィルタと、それぞれ配置される請求項１乃至３いずれかの炎検知器。
監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域のいずれかあるいは双方を利用する範囲の赤外線を受光する第１受光素子と、該第１受光素子よりも広範囲の波長帯域の赤外線を受光する第２受光素子と、を組み合わせて、該第１受光素子から得られる第１データと前記第２受光素子から得られる第２データとを比較して炎を判別することを特徴とする炎検知器。
監視区域から放射される赤外線を監視する炎検知器において、約７．５μｍ付近と約１５μｍ付近の波長にピークを有する水分子発光帯域双方の約１０μｍの波長を中心とする谷間をカットした範囲の赤外線を受光する第１受光素子と、該第１受光素子よりも広範囲の波長帯域の赤外線を受光する第２受光素子と、を組み合わせて、前記第１受光素子から得られる第１データと前記第２受光素子から得られる第２データとを比較して炎を判別することを特徴とする炎検知器。
第１受光素子が約６．５μｍ以上約９．０μｍ未満の波長から約７．５μｍ以上約９．０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域と、約１１μｍ以上約１５μｍ以下の波長から約１１μｍを越えて約２０μｍ以下の波長の２点間の波長帯域との双方の赤外線を受光する請求項５または請求項６の炎検知器。
第１受光素子は、赤外線素子の前面に、約７．５μｍ付近から約１５μｍ付近までの波長帯域を通過させるバンドパスフィルタと、約１０μｍ付近を低減させるカットフィルタと、それぞれ配置されたものである請求項５乃至７いずれかの炎検知器。