(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炎から放射される所定波長域の赤外線を観測して該炎を検出する炎監視装置において、
異なる所定の波長域における各赤外線信号強度の複素変動周波数成分を求めるフーリエ変換手段と、
前記求めた各波長域の複素変動周波数成分について同一変動周波数成分間のクロススペクトルを求めるクロススペクトル演算手段と、
前記求めたクロススペクトルの位相差成分に基づいて燃焼物の種類を判定する燃焼物判定手段と、を備える、
ことを特徴とする炎監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の炎監視装置において、
前記異なる所定波長域の赤外線は波長４．４μｍ付近と波長３．１μｍ付近の各赤外線である、
ことを特徴とする炎監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炎監視装置に関し、更に詳しくは、炎から放射される所定波長域の赤外線を観測して炎を検出する炎監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の炎監視装置では、物体が燃焼した時に発生する炭酸ガス特有の赤外線スペクトルを検出して火災を判定するものがある。従来は、主に炭酸ガス共鳴現象によって生ずる波長４．４μｍ付近の赤外線強度変化と、主に高温の燃焼残留物によって生ずる波長３．０μｍ付近の赤外線強度変化との時間のずれ（位相差）を観測し、該ずれのランダム性を検出することにより炎と炎以外の現象とを判別する赤外線式炎検出装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−４０２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来の炎検出装置では炎の発生を検出できても、炎の規模や燃焼物の種類等、炎の付加的な情報が得られないため、炎の燃焼状況を別途目視や監視カメラで確認するのが常であり、初期消火に手間取る問題があった。
【０００５】
本発明は、燃焼物質の特定が可能な炎監視装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の第１の態様による炎監視装置は、炎から放射される所定波長域の赤外線を観測して該炎を検出する炎監視装置において、異なる所定の波長域における各赤外線信号強度の複素変動周波数成分を求めるフーリエ変換手段と、前記求めた各波長域の複素変動周波数成分について同一変動周波数成分間のクロススペクトルを求めるクロススペクトル演算手段と、前記求めたクロススペクトルの位相差成分に基づいて燃焼物の種類を判定する燃焼物判定手段と、を備えるものである。
【０００７】
本発明者等は、特定の物質を燃焼させた場合に、異なる所定の波長域における各赤外線信号強度の複素変動周波数成分間には変動周波数によらず略一定の位相差が生じ易いことを見い出した。本発明では、この位相差を分析することにより燃焼物の種類を特定可能であり、該炎の消火に有効な消火剤の情報等を早期に提供できる。
【０００８】
本発明の第２の態様では、前記異なる所定の波長域の赤外線は波長４．４μｍ付近と波長３．１μｍ付近の各赤外線である。これら２波長域の赤外線を観測して得られるクロススペクトルに、燃焼物に応じて一定の位相差が生じることを見いだした。
【発明の効果】
【０００９】
以上述べた如く本発明によれば、燃焼物質の特定が可能なため、初期消火に有用な情報を早期に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態による炎監視装置のブロック図である。
【図２】実施の形態による炎監視処理部のブロック図である。
【図３】様々な熱源による赤外線強度分布のグラフ図である。
【図４】炎発生時における赤外線強度の推移を説明する図である。
【図５】実施の形態によるＦＦＴ処理部の動作イメージ図（１）である。
【図６】実施の形態によるＦＦＴ処理部の動作イメージ図（２）である。
【図７】特定の物質が燃焼した際のクロススペクトルのプロット図である。
【図８】実施の形態による炎監視処理部のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面に従って本発明による実施の形態を詳細に説明する。ここで、図３を参照して様々な熱源による赤外線の強度分布を説明する。物体の燃焼時に発生する炭酸ガス共鳴放射のスペクトルは赤外線から紫外線まで多く存在するが、特に波長４．４μｍに大きなピークがあることが知られている。本実施の形態では、この波長４．４μｍ付近の赤外線を基準とし、もう一つの波長を選択するという手法により多数の燃焼実験を繰り返し、炎の燃焼状況や燃焼物を判定するのに有用なもう一つの波長域として、高温の燃焼残留物が放射する波長３．１μｍ付近の赤外線を利用することとした。
【００１２】
図１は実施の形態による炎監視装置のブロック図である。図において、１１ａ、１１ｂはそれぞれ波長４．４μｍ付近と波長３．１μｍ付近の各赤外線を通過させる光学フィルタ、１２ａ、１２ｂはそれぞれ波長４．４μｍ付近と波長３．１μｍ付近の各赤外線強度に応じた熱起電力を発生するサーモパイル素子、１３ａ、１３ｂはサーモパイル素子１２ａ、１２ｂの各検出出力を増幅する増幅回路（ＡＭＰ）、１４ａ、１４ｂはそれぞれ増幅出力の高周波成分を制限するローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１５ａ、１５ｂはＡ／Ｄ変換器、１６は炎の監視に関する主制御・処理を行うＣＰＵ、１７はＣＰＵ１６が使用する主メモリ（ＭＭ）、１８は炎の判定結果等を表示するための表示部、１９は通信回線２０を介して外部装置（警報装置、消火装置等）に接続するための通信インタフェース（ＣＩＦ）である。
【００１３】
係る構成により、炎１から放射される赤外線のうち、波長４．４μｍ付近の赤外線は光学フィルタ１１ａを透過してサーモパイル素子１２ａに入力し、赤外線強度に応じた電圧信号に変換される。一方、波長３．１μｍ付近の赤外線は光学フィルタ１１ｂを透過してサーモパイル素子１２ｂに入力し、赤外線強度に応じた電圧信号に変換される。これらの電圧信号は、ＬＰＦ１４ａ、１４ｂでノイズ等の高周波成分が除去され、更にＡ／Ｄ変換器１５ａ、１５ｂでＡ／Ｄ変換され、こうして得られた各赤外線データＩＲ４．４、ＩＲ３．１がＣＰＵ１６に入力する。
【００１４】
ここで、図４を参照して炎発生時における赤外線強度の推移を説明する。炎発生前の熱源は太陽の反射光や低温物質からの熱放射が主であり、熱源が同一である（あるいは全く関係が無い）ため、赤外線の強度変化は波長４．４μｍ付近と波長３．１μｍ付近とで略同相（あるいは無相関）に変化することになる。火災が発生すると、炭酸ガス共鳴放射による４．４μｍ付近の赤外線がサーモパイル素子１２ａに到達し、高温の燃焼残留物が放射する３．１μｍ付近の赤外線がサーモパイル素子１２ｂに到達するが、これらは熱源となる物質が同一であっても熱源の性質（燃焼状態）が異なるため、強度変化に時間的なずれを生じている。そこで、ＣＰＵ１６は、各波長域の赤外線データＩＲ４．４と赤外線データＩＲ３．１とに基づき、炎を検出すると共に、該炎の燃焼状況を分析して、初期消火に有用な各種の情報を外部に出力する。以下、ＣＰＵ１６による炎監視処理を詳細に説明する。
【００１５】
図２は実施の形態による炎監視処理部のブロック図で、ＣＰＵ１６のプログラム実行により実現される各種機能ブロックを示している。図において、２１は各波長域の赤外線データＩＲ４．４、ＩＲ３．１に前処理を行う前処理部、２２は前処理後の各赤外線データＩＲ４．４、ＩＲ３．１についてそれぞれに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、強度変動の複素周波数成分を求めるＦＦＴ処理部（ＦＦＴ）、２３は各赤外線データの複素周波数成分に基づき両成分間のクロススペクトル（両複素周波数成分間の振幅の積と位相差）を求めるクロススペクトル演算部、２４は前記求められた複素周波数成分やクロススペクトルを分析して炎の燃焼状況（炎の大小、観測点からの距離、燃焼物の種類等）を分析・判定する炎分析部、２５は炎分析部２４の判定結果を記憶する判定結果記憶部、２６は予め炎の分析・判定に使用する各種の判定用閾値情報を記憶している閾値情報記憶部である。
【００１６】
この判定用閾値情報には、炎サイズ判定閾値記憶部２６ａが記憶する炎の大小を判定するための炎サイズ判定閾値と、距離判定閾値記憶部２６ｂが記憶する炎から観測点までの距離を判定するための距離判定閾値と、位相角判定閾値記憶部２６ｃが記憶するクロススペクトルの位相角に基づいて燃焼物の種類を判定するための位相角判定閾値とが含まれる。
【００１７】
係る構成により、まず前処理部２１は、図４に示す如く、波長４．４μｍ付近と波長３．１μｍ付近の各赤外線データＩＲＲ４．４、ＩＲ３．１につき各所定時間τ毎の赤外線データを順に切り出して窓関数Ｗによる重み付け処理を行う。ＦＦＴ処理部２２は、前処理後の各赤外線データＩＲＲ４．４、ＩＲ３．１をそれぞれ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、各離散周波数（例えば、１Ｈｚ〜８Ｈｚ）についての複素周波数成分Ｘ（ω）を求める。
【００１８】
この複素周波数成分Ｘ（ω）は、その実数成分をＸＲ（ω）、虚数成分をＸＩ（ω）とすると、一般に次式で表される。
【数１】
0005688819.tif 000002
【００１９】
これを波長４．４μｍ付近と波長３．１μｍの各赤外線データに当てはめて具体的に説明する。赤外線データＩＲ４．４について求めた離散周波数１Ｈｚの複素周波数成分をＸ４１とし、その実数成分をＸＲ４１、虚数成分をＸＩ４１とすると、該Ｘ４１の大きさ｜Ｘ４１｜と位相θ４１とは、次式により求められる。
【数２】
0005688819.tif 000003
【００２０】
離散周波数２Ｈｚ〜８Ｈｚについても同様に求められる。
【００２１】
一方、赤外線データＩＲ３．１について求めた離散周波数１Ｈｚの複素周波数成分をＸ３１とし、その実数成分をＸＲ３１、虚数成分をＸＩ３１とすると、該Ｘ３１の大きさ｜Ｘ３１｜と位相θ３１とは、次式により求められる。
【数３】
0005688819.tif 000004
【００２２】
離散周波数２Ｈｚ〜８Ｈｚについても同様に求められる。
【００２３】
また、これら複素周波数成分の大きさと位相を用いることで波長４．４μｍ付近と波長３．１μｍ付近の各複素周波数成分Ｘ４１、Ｘ３１は、次式のようにも表せる。
【数４】
0005688819.tif 000005
【００２４】
ところで、炎から放射される所定波長域の赤外線の強度変動は、炎（燃焼）の揺らぎとも関係しており、小さい炎では揺らぎも小さく強度変化も速いため、その強度変動をスペクトル分析すると相対的に高い周波数成分が優勢となって現れる。一方、大きい炎では揺らぎが大きくその強度変化も様々な揺らぎが平均化されて遅いため、その強度変動をスペクトル分析すると相対的に低い周波数成分が優勢となって現れる。このことは、専ら炎の大小に基づく性質であって、炎から観測点までの距離によらないことが多数の実験により確かめられた。従って、所定閾値ＴＨを超えるスペクトル強度の周波数分布を観測することで、炎の大小を判定できる。以下、具体的に説明する。
【００２５】
図５は実施の形態によるＦＦＴ処理部の動作イメージ図（１）で、小さい炎による出火の場合を示している。縦軸はスペクトル強度、横軸は赤外線強度の変動周波数、奥行は時間である。赤外線強度の離散周波数成分は例えば１Ｈｚ〜８Ｈｚについて示した。ある時刻ｔ１では、まだ出火前であり、スペクトル強度は何れの周波数成分も閾値ＴＨを超えていない。時刻ｔ２についても同様である。時刻ｔ３は、出火直後であり、この例では相対的に高い周波数成分（５Ｈｚ〜８Ｈｚ）のスペクトル強度が閾値ＴＨを超えており、このスペクトル分布を検出して比較的小さい炎の出火と判定できる。
【００２６】
なお、ノイズの影響による誤判定を避けるためには、各スペクトル強度についてそれぞれ時間軸方向に移動平均を取った後、閾値ＴＨによる判定を行っても良い。また、この閾値判定は、高い周波数成分（図の例では５Ｈｚ〜８Ｈｚ）の全てが閾値ＴＨを超えている必要は無く、例えば中間の成分（７Ｈｚ）のスペクトル強度が閾値ＴＨを下回っていても良い。周波数分布の判定は要するに高い周波数成分が低い周波数成分に比べて相対的に優勢であればよい。そして、時刻ｔ４では高い周波数成分（５Ｈｚ〜８Ｈｚ）のスペクトル強度が更に増しており、炎の勢いが増していることを検出できる。
【００２７】
なお、実際上は小さい炎がそのまま維持されるのは稀であり、通常は時間が経てば以下に述べるような大きな炎に移行する。大きな炎に移行すれば、スペクトル強度の周波数分布は低い周波数の側に移行するので、大きい炎を検出できる。
【００２８】
但し、大きい炎に移行せずに、スペクトル強度の周波数分布が高い周波数の側に維持される場合もあり得る。この場合は、観測点から炎までの距離に応じてスペクトル強度の大きさに相違があると考えることが可能であり、逆に、スペクトル強度の大きさに応じて観測点から炎までの距離を判定することが可能となる。即ち、炎が小さい場合は、更にスペクトル強度が高ければ炎（火元）までの距離は近く、またスペクトル強度が低ければ炎（火元）までの距離は遠いと判定できる。
【００２９】
図６は実施の形態によるＦＦＴ処理部の動作イメージ図（２）で、大きい炎による出火の場合を示している。ある時刻ｔ１では、まだ出火前であり、スペクトル強度は何れの周波数成分も閾値ＴＨを超えていない。時刻ｔ２についても同様である。時刻ｔ３は、出火直後であり、この例では相対的に低い周波数成分（１Ｈｚ〜４Ｈｚ）のスペクトル強度が閾値ＴＨを超えており、このスペクトル分布を検出して比較的大きい炎の出火と判定できる。時刻ｔ４では低い周波数成分（１Ｈｚ〜５Ｈｚ）のスペクトル強度が更に増しており、炎の勢い増していることを検出できる。
【００３０】
本実施の形態では、予め様々な大きさの炎についての燃焼実験とその観測を多数行い、これらの観測結果を統計的に処理すると共に、炎の大小を判定するための周波数分布を分ける閾値データを求め、これを炎サイズ判定閾値記憶部２６ａに記憶している。また、小さい炎の燃焼については、更に様々な距離からの炎の観測を行い、その観測結果を統計的に処理すると共に、炎からの距離を判定するためのスペクトル強度の閾値データを求め、これを炎までの距離判定閾値記憶部２６ｂに記憶している。
【００３１】
更に、クロススペクトル演算部２３は、赤外線データＩＲ４．４について求めた複素スペクトルＸ４１の複素共役Ｘ４１＊と、赤外線データＩＲ３．１について求めた複素スペクトルＸ３１とを、同じ周波数成分同士で乗算することにより両周波数成分間のクロススペクトル（振幅の積と位相差）を、次式に従って求める。
【数５】
0005688819.tif 000006
【００３２】
クロススペクトル演算部２３は、上記同様にして全離散周波数成分（例えば１Ｈｚ〜８Ｈｚ）についてのクロススペクトルの演算を行い、これらをグラフにプロットする。
【００３３】
図７は特定の物質が燃焼した際のクロススペクトルのプロット図で、図７（Ａ）はノーマルヘプタンが燃焼した際のクロススペクトルを表している。角度はクロススペクトルの位相角、半径方向はクロススペクトルの絶対値の対数スケール表示となっている。一般に白熱電球のような単純な熱源の場合は、波長４．４μｍと波長３．１μｍの各赤外線の強度変動はほとんど同期するため、変動周波数によらずそのクロススペクトルの位相は略０°に近くなる。
【００３４】
本実施の形態では、特定の物質として例えばノーマルへプタンを燃焼させ、そのクロススペクトルを求めたところ、図７（Ａ）に示すような結果を得た。図７（Ａ）では各離散周波数成分のクロススペクトル（Ｘ４１＊＊Ｘ３１）〜（Ｘ４８＊＊Ｘ３８）が位相平面上にプロットされている。更に、燃焼試験を繰り返すことで得られた複数回分のクロススペクトルが重ねてプロットされている。図に示す如く、クロススペクトルの位相角は各周波数成分について略一定であり、本実施の形態では、クロススペクトルの各プロット座標値について、例えば単回帰分析法により回帰直線を求める方法で位相平面上の位相角θ１を求めた所、ノーマルへプタンでは位相角θ１が略４５°になることを見い出した。また、このことは火元からの距離や炎の大きさによらないことが実験により確かめられた。
【００３５】
図７（Ｂ）は特定の物質の他の例としてガソリンが燃焼した際のクロススペクトルを表している。ガソリンについても複数回の燃焼試験を繰り返し、上記同様の方法でクロススペクトルの位相角を求めた所、ガソリンでは位相角θ２が略２５°になることを見い出した。なお、クロススペクトルの大きさについては、上記何れの燃焼実験でも、炎が強いほど大きなスペクトル強度が得られた。
【００３６】
本実施の形態では、予め各特定の物質についての燃焼実験とその観測を多数行い、これらのクロススペクトルの観測結果（位相角）を統計的に処理すると共に、燃焼物質を判定するための位相角を分ける位相角判定閾値データを求め、これを位相角判定閾値記憶部２６ｃに記憶している。そして、炎の監視の際には、炎を観測して求めたクロススペクトルの位相角をこの閾値データを使用して判別することにより、燃焼物質の特定が可能となっている。
【００３７】
図８は実施の形態による炎監視処理部のフローチャートである。ステップＳ１１では両波長域についてＦＦＴ処理に必要な数の赤外線データが貯まるのを待ち、やがて貯まると、ステップＳ１２では前処理部２１がＦＦＴ処理に必要な赤外線データを切り出し、ステップＳ１３では該切り出した赤外線データに窓関数Ｗによる重み付けを行う。ステップＳ１４ではＦＦＴ処理部２２で前処理後の各波長域の赤外線データを同一位相でフーリエ変換し、赤外線強度変動の複素周波数成分を求める。ステップＳ１５ではクロススペクトル演算部２３が前記求められた複素周波数成分に基づきクロススペクトルを演算し、両波長帯域の複素周波数成分間の位相差を求める。
【００３８】
ステップＳ１６では、炎分析部２４が、前記ＦＦＴ処理部２２により求められた所定閾値ＴＨを超えるスペクトル強度の周波数分布と、閾値情報記憶部２６の炎サイズ判定閾値とを比較することにより炎の大小を判定すると共に、該判定結果の情報を判定結果記憶部２５に格納する。ステップＳ１７では、上記ステップＳ１６の処理で炎が小さいと判定された場合に、更に所定閾値ＴＨを超えるスペクトル強度の大きさと、閾値情報記憶部２６の炎までの距離判定閾値とを比較することにより観測点から炎までの距離を判定すると共に、該判定結果の炎までの距離情報を判定結果記憶部２５に格納する。なお、上記ステップＳ１６の処理で炎が大きいと判定された場合はステップＳ１７の処理を行わない。
【００３９】
ステップＳ１８では炎分析部２４が前記クロススペクトル演算部２３により求められたクロススペクトルの位相角と、閾値情報記憶部２６の位相角判定閾値とを比較することにより対応する燃焼物を判定すると共に、該判定結果の燃焼物の情報を判定結果記憶部２５に格納する。なお、実際の炎では燃焼物を特定できない場合もあるが、この場合は燃焼物を特定しないまま、処理を続ける。ステップＳ１９では判定結果記憶部２５の各種判定情報を外部装置に出力し、ステップＳ１１に戻る。以上の処理を繰り返すことにより火災の発生をリアルタイムに監視する。
【００４０】
外部装置では、炎監視装置からリアルタイムに得られた監視情報により炎の検出及び該炎の燃焼状況を的確に把握できると共に、これらの監視情報に基づき不図示の消火装置を遠隔制御することで、適切な初期消火を自動的に行うことも可能である。
【００４１】
なお、上記実施の形態では離散周波数やスペクトル強度について具体的数値例を伴って説明をしたが、本発明はこれらに限定されない。
【符号の説明】
【００４２】
１１ａ、１１ｂ  光学フィルタ
１２ａ、１２ｂ  サーモパイル素子
１３ａ、１３ｂ  増幅回路（ＡＭＰ）
１４ａ、１４ｂ  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１５ａ、１５ｂ  Ａ／Ｄ変換器
１６  ＣＰＵ
１７  主メモリ（ＭＭ）
１８  表示部
１９  通信インタフェース（ＣＩＦ）
２１  前処理部
２２  ＦＦＴ処理部（ＦＦＴ）
２３  クロススペクトル演算部
２４  炎分析部
２５  判定結果記憶部
２６  閾値情報記憶部
【図１】
0005688819.tif 000007
【図２】
0005688819.tif 000008
【図３】
0005688819.tif 000009
【図４】
0005688819.tif 000010
【図５】
0005688819.tif 000011
【図６】
0005688819.tif 000012
【図７】
0005688819.tif 000013
【図８】
0005688819.tif 000014