(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を検出する火炎センサと演算装置とからなる火炎検出システムであって、
前記演算装置は、
前記火炎センサの駆動をする矩形パルスを生成する印加電圧生成部と、
前記火炎センサに流れる電気信号を計測する電圧検出部と、
前記火炎センサが有する感度パラメータをあらかじめ記憶する記憶部と、
前記感度パラメータのうち既知の受光量、前記矩形パルスのパルス幅、および放電確率のパラメータ、並びに、実際の前記パルス幅と計測した放電回数から得られる放電確率を用いて、前記火炎センサにおける火炎の受光量を求める中央処理部と、
を備えることを特徴とする火炎検出システム。
【請求項２】
請求項１に記載の火炎検出システムにおいて、
前記印加電圧生成部は、任意の放電確率にするための前記パルス幅を算出し、算出された前記パルス幅を有する前記矩形パルスを生成することを特徴とする火炎検出システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の火炎検出システムにおいて、
前記火炎センサの周囲温度を測定する温度センサを備え、
前記中央処理部は、前記温度センサにより測定された温度により前記火炎の受光量を補正することを特徴とする火炎検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、火炎の有無を検出する火炎検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼炉等において火炎から放出される紫外線に基づいて火炎の有無を検出することに用いられる電子管が知られている。この電子管は、所定のガスを充填封止した密閉用器と、この密閉容器を貫通する電極支持ピンと、この電極支持ピンにより密閉用器内で互いに平行に支持される２枚の電極とを備えるものである。このような電子管では、電極支持ピンを介して電極間に所定の電圧を印加した状態において、火炎に対向配置された一方の電極に紫外線が照射されると、光電効果によりその電極から電子が放出され、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれを形成する。このため、電極間のインピーダンスの変化、電極間の電圧の変化、電極間に流れる電流などを計測することにより、火炎の有無を検出することができる。そこで、火炎の有無を検出するための種々の方法が提案されている。
【０００３】
従来技術では、電極間に流れる電流を積分し、この積分した値が所定のしきい値以上の場合には火炎有り、そのしきい値に満たない場合には火炎無しと判定する方法が提案されている（ 例えば、特許文献１ 参照）。しかし、この方法では、電極間に流れる電流を積分しているために消炎したときにも積分時間がかかるので、消炎を検出するまでにも時間を要し、結果として、火炎の有無の検出を迅速に行うことが困難であった。
【０００４】
上述したような課題を解決するために、特許文献２にある火炎検出装置は、一対の電極を備えて電極に紫外線が照射されると電極間で電子の放出が生じる電子管と、電極間に周期的に変化する電圧を印加する印加部と、電極間の電圧の時間変化を示す電圧波形を検出する検出部と、電圧波形に基づいて火炎の有無を判定する判定部とを備えることを特徴とするものである。こうして、電子管が備える電極間の電圧の時間変化を示す電圧波形を検出し、この電圧波形に基づいて火炎の有無を判定するので、積分時間等がかからないので、火炎の有無の検出をより迅速に行うことができる発明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１４１２９０号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１０２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２にある従来技術では、前記電極間の電圧の時間変化を示す電圧波形をモニタすることが必要であって、その信号波形を観て立ち上がり立下り等を求めるためのアナログ的なシグナルプロセッシングが必要であって、実装化は容易ではなかった。
【０００７】
この問題を解決するために、本願発明は火炎センサから流れる電気信号のピーク回数を計測するだけで、一義的に受光量を計算で求めることができることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明は、光を検出する火炎センサと演算装置とからなる火炎検出システムであって、前記演算装置は、前記火炎センサの駆動をするパルスを生成する印加電圧生成部と、
前記火炎センサに流れる電気信号を計測する電圧検出部と、
前記火炎検出センサが有する感度パラメータをあらかじめ記憶する記憶部と、
当該感度パラメータのうち既知の受光量、パルス幅、および放電確率のパラメータ、並びに、実際のパルス幅と計測した放電回数から得られる放電確率を用いて、当該火炎の受光量を求める中央処理部とを備える火炎検出システムである。
【０００９】
さらに本願発明は、前記印加電圧生成部は任意の放電確率にするためのパルス幅を算出し、この任意のパルス幅にした前記火炎センサの駆動パルスを生成することを特徴とする火炎検出システムである。これにより適当な範囲での演算が実現できる。
【００１０】
または、本願発明は、火炎センサの周囲温度を測定する温度センサを備えて、その温度により前記火炎の受光量を補正する火炎検出システムであってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明により、あらかじめ記憶した既知パラメータ群と、実際の操作量と計測量を用いたデジタル演算によって、受光量を計算で求めることができるので、簡単かつ迅速に火炎の有無を判断できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本願発明の実施の形態にかかる火炎検出システムを示す。
【図２】放電波形を説明するための図である。
【図３】本願発明の実施の一態様である中央処理部のフローを示す。
【図４】本願発明の実施の第二の態様である中央処理部のフローを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（１）  本願発明の構成
本願発明の実施の形態にかかる火炎検出システムを図１に示し、その構成を説明する。本実施の形態に係る火炎検出システムは、火炎センサ１ と、外部電源２と、火炎センサ１、および外部電源２ が接続された演算装置３とを備えている。
【００１４】
火炎センサ１は、両端部が塞がれた円筒状の外囲器と、この外囲器を貫通する電極ピンと、外囲器内部において電極ピンにより互いに平行に支持された２ 枚の電極とを備えた電子管から構成されている。このような電子管は、電極がバーナ等の火炎３００を発生させる装置に対向するように配置されている。これにより、電極間に所定の電圧が印加された状態において紫外線が電極に照射されると、光電効果によりその電極から電子が放出され、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれを形成する。これにより、電極間の電圧、電流、インピーダンスが変化することとなる。
【００１５】
外部電源２は、例えば、１００［ Ｖ ］ または２００［ Ｖ ］の電圧値を有する交流の商用電源からなる。
【００１６】
演算装置３は、外部電源２に接続された電源回路１１と、この電源回路１１に接続された印加電圧生成回路１２およびトリガ回路１３と、印加電圧生成回路１２の出力端１２ａと、火炎センサ１の下流の電極ピンに接続された分圧抵抗１４と、この分圧抵抗１４に接続された電圧検出回路１５と、この電圧検出回路１５およびトリガ回路１３が接続されたサンプリング回路１６とを備えている。
【００１７】
電源回路１１は、外部電源２から入力される交流電力を、印加電圧生成回路１２およびトリガ回路１３に供給するとともに、演算装置３の駆動用の電力を取得する。
【００１８】
印加電圧生成回路１２は、電源回路１１により印加される交流電圧を所定の値まで昇圧させて火炎センサ１に印加する。本実施の形態においては、４００［ Ｖ ］の電圧が火炎センサ１にパルス状で印加される。
【００１９】
トリガ回路１３は、電源回路１１により印加される交流電圧の所定の値点を検出し、この検出結果をサンプリング回路１６に入力する。本実施の形態において、トリガ回路１３は、電圧値が最小となる最小値点を検出する。このように交流電圧について所定の値点を検出することにより、その交流電圧の１周期を検出することが可能となる。
【００２０】
分圧抵抗１４は、火炎センサ１の下流の端子電圧から参照電圧を生成し、電圧検出回路１５に入力する。ここで、火炎センサ１の端子電圧は、上述したように４００［ Ｖ ］という高電圧となっているので、そのまま電圧検出回路１５に入力すると電圧検出回路１ ５ に大きな負荷がかかることとなる。本実施の形態は、火炎センサ１の端子間電圧の実際の値ではなく、火炎センサ１の端子電圧の時間変化、すなわち単位時間毎の端子間電圧の値のパルス波形の形状に基づいて、火炎の有無を判定するものである。そこで、分圧抵抗１４により、火炎センサ１の端子間電圧の変化が表現され、かつ、電圧値が低い参照電圧を生成し、これを電圧検出回路１５に入力するようになっている。
【００２１】
電圧検出回路１５は、分圧抵抗１４から入力される参照電圧の電圧値を検出し、サンプリング回路１６に入力する。
【００２２】
サンプリング回路１６は、電圧検出回路１５から入力される参照電圧の電圧値と、トリガ回路１３から入力されるトリガ時点とに基づいて、火炎の有無を判定する。火炎が発生して火炎センサ１に紫外線が照射されている場合には、紫外線が電極に照射されて光電効果によりその電極から電子が放出され、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれが形成され、この電子なだれにより電流が急激に増加することにより発光を伴う電子の放出が生じる。そこで、サンプリング回路１６は、そのようなパルス状の電圧波形の形状に基づいて受光量を計算で求める。このようなサンプリング回路１６は、入力される参照電圧をＡ／Ｄ変換することにより電圧値および電圧波形を生成するＡ／Ｄ変換部１６１と、Ａ／Ｄ変換部１６１ により生成された電圧値および電圧波形を解析して、後述の演算を行う中央処理部１６３と、この中央処理部１６３による受光量に基づいて火炎の有無を判定する判定部１６４ とを有する。
【００２３】
（２）火炎検出の動作
次に、図２ を参照して、本実施の形態に係る火炎検出の概略動作について説明する。
まず、演算装置３は、印加電圧生成回路１２により火炎センサ１に対して高電圧を印加する。このような状態において、トリガ回路１３は、外部電源２から電源回路１１に入力される交流電圧、すなわち、印加電圧生成回路１２により火炎センサ１に印加される電圧の値が最小値点から立ち上がりでトリガをかける。
【００２４】
印加電圧が最小値点を通過すると、図２に示すような電圧値の時間変化を示す電圧波形が印加される。一例として、０．１［ ｍｓｅｃ］ 毎に電圧値を検出すると、外部電源２の周波数が６０［ Ｈｚ］とすると１周期が１６．７［ ｍｓｅｃ］ であるので、検出される電圧値は一周期では１６７個サンプルとなり、そのデータが中央処理部１６２に入力される。
【００２５】
本例において、火炎が発生していない場合、火炎センサ１の電極へ印加する電圧波形（端子１２ａ）は、図２の符号ａに示すように、正弦波状のなだらかな形状（ 以下、「通常波形」と言う。） を有している。一方で、火炎が発生して火炎センサ１ に紫外線が照射されている場合には、図２の符号ｂに示すように、電圧値が正の極値近傍で立ち下り、この立ち下がった位置が所定時間維持された後に正弦波状に戻る特徴的な形状（ 以下、「放電波形」と言う。） を有する。この最大電圧＝放電開始電圧のピークを電圧検出回路１５でとらえて放電回数の一つに捉えるのが本願発明の特徴の一つである。なお、図２の上部に示す矩形パルスでは、火炎センサ１の駆動をするパルス幅をＴで記している。
【００２６】
さて、実際の回路構成は直流形式で行うのが相応であるので、電源回路１１または印加電圧生成回路１２はＡＣ／ＤＣ変換器を内蔵し、そのＤＣ電圧出力を火炎センサ１に印加するようにする。そして、次の順序で放電確率を求める。
１．中央処理部１６３から幅Ｔに制御された矩形のトリガが印加電圧生成回路１２にかかると、トリガに同期して印加電圧が火炎センサ１に印加される。
２．火炎センサ１が放電しない場合、火炎センサ１に電流は流れず、その下流の抵抗１４はグランドに接続されているため電圧が発生しない。
３．火炎センサ１が放電した場合、火炎センサ１に電流が流れて、抵抗１４の両端に電位差が発生する。
４．火炎センサ１の下流に電圧が発生したか否かを電圧検出回路１５にて検出する。
５．中央処理部１６３は印加電圧生成回路１２に送った矩形トリガの数と、電圧検出回路１５が所定の電圧を検出した回数から放電確率を計算する。
【００２７】
（３）本願発明の基本原理
光電効果を利用した火炎検出システムは、次の動作原理に従って受光量が求まるので、その原理を説明する。
【００２８】
光電センサに光子が１個衝突したときに放電する確率をＰ１として、光子が２個衝突したときに放電する確率Ｐ２を考える。Ｐ２は１個目の光子でも２個目の光子でも放電しない確率の逆になるので、Ｐ２とＰ１の関係は数式１に表される。
【数１】
0006508771.tif 000002
【００２９】
一般に、ｎ個の光子が当たったときに放電する確率とｍ個の光子が当たったときに放電する確率を、それぞれＰｎ，Ｐｍとすると、数式１と同様に数式２と数式３が成り立つ。
【数２】
0006508771.tif 000003
【数３】
0006508771.tif 000004
【００３０】
数式２と数式３から、ＰｎとＰｍの関係として、数式４から数式６が導ける。
【数４】
0006508771.tif 000005
【数５】
0006508771.tif 000006
【数６】
0006508771.tif 000007
【００３１】
そして、単位時間当たりに電極に飛来してくる光子数をＥ、放電開始電圧以上の電圧を印加する時間（以下「パルス幅」と呼ぶ）をＴとすると、電圧印加一回あたりに電極に衝突する光子数はＥ＊Ｔで表される。
【００３２】
よって、同一の火炎センサをある条件Ａと別の条件Ｂで動作させた際の、Ｅ，Ｔ，および確率Ｐの関係は数式７の通りとなる。さらに、ここで、基準とする光子数をＥ０，と定め、Ｑ＝Ｅ／Ｅ０とすると、数式８が導かれる。このＱを受光量と呼ぶことにする。条件ごとの受光量はＱＡ、ＱＢである。
【数７】
0006508771.tif 000008
【数８】
0006508771.tif 000009
【実施例】
【００３３】
次に、本願発明の主要部をなす受光量演算フローを中央処理部１６３の動作で説明する。なお、中央処理部１６３はＣＰＵで構成される。
【００３４】
＜実施例１＞
図３のフローに基づき説明する（図中ステップをＳｎｎと呼ぶ）。
中央処理部１６３は火炎センサ１をパルス電圧で駆動し、火炎センサ１の駆動結果から火炎の受光量を算出すステップで成り立つものである。
・所定のトリガを受けてスタートする（Ｓ００）。
・火炎センサの駆動は印加電圧生成回路１２を動作させ、ある幅の矩形パルスＴで放電開始電圧以上の電圧を火炎センサ１に対して印加する（Ｓ０１）。
・ある回数繰り返して、パルスＴを火炎センサ１に加えることで、火炎センサ１が放電した回数を、電圧検出回路１５を通じて得られた信号によって、カウントする（Ｓ０２）。
・放電した回数と加えたパルス数から放電確率Ｐを算出する（Ｓ０３）。
・放電確率から受光量を算出する（Ｓ０４）。なお、放電確率が０又は１以外であった場合は下記の数式１０によりデジタル演算で求める。
・放電確率が０の場合は受光量０とする。１の場合は対象外とする（Ｓ０５）。
【００３５】
【数９】
0006508771.tif 000010
【数１０】
0006508771.tif 000011
【００３６】
上の数式９、１０では、ある動作条件での受光量Ｑ０、そのときのパルス幅Ｔ０における放電確率Ｐ０が既知であるとする。これは、例えば火炎センサ１の出荷検査において、定められた受光量とパルス幅における放電確率を測定しておいて、それを記憶部１６２に記憶されているものである。
【００３７】
このとき、受光量Ｑ、パルス幅Ｔ、放電確率Ｐの関係は数式９で求められるので、このようにＱ０，Ｔ０，Ｐ０を火炎センサ１の感度パラメータと称する。
今、Ｑ０，Ｔ０，Ｐ０が既知で記憶されている。パルス幅Ｔは実際に中央処理部１６３が印加電圧生成回路１２から出力するパルス幅なので既知数であり、実際に複数回のパルスを与えて、その時の放電回数を数えて放電確率Ｐを求めればよい。そうすれば、未知数である受光量Ｑは数式１０から一義的に算出することができる。
【００３８】
さらに、第二の実施例を、以下に説明する。この例は、前記印加電圧生成部は任意の放電確率にするためのパルス幅を算出し、この任意のパルス幅にした前記火炎センサの駆動パルスを生成することを特徴とする火炎検出システムである。すなわち、パルス幅を調整することで、光量の測定可能範囲を広げることができる。
【００３９】
＜実施例２＞
上述の数式８における条件Ａにおいて、パルス幅Ｔおよび放電確率Ｐが既知とする。ある受光量においてパルス幅Ｔで複数回火炎センサ１を起動して放電確率がＰである。このとき、次のパルスを印加するとき（これを条件Ｃとする）に、放電確率を任意の値ＰＣに調整したいとする。すると、条件Ａと条件Ｃの関係は数式１１のとおりである。ただし、受光量Ｑは変わらないと仮定する。変形して数式１２も求まる。
【数１１】
0006508771.tif 000012
【数１２】
0006508771.tif 000013
【００４０】
数式１２から、条件Ｃにおいて設定するべきパルス幅Ｔｃが算出できる。次の複数回パルスＴＣにおける放電確率を任意の（最適な）値ＰＣに調整できる。これによって、放電確率Ｐを任意の値に調整して、そのことにより同一の受光量Ｑを求めることができ、最適の動作条件が期待できるのである。
【００４１】
図４のフローに基づき述べる（図中ステップをＳｎｎと呼ぶ）
本調整ロジックは、実施例１の受光量演算とは非同期で動作するが、中央処理部１６３が実行することに変わりはない。
・調整処理をスタートする（Ｓ１０）。
・調整したい所望の放電確率Ｐｃを設定する（Ｓ１１）。
・記憶部１６２から既知のパルス幅Ｔと放電確率Ｐの感度パラメータを取得する（Ｓ１２）。
・設定するべきパルス幅Ｔｃを数式１２から算出する（Ｓ１３）。
・パルス幅Ｔｃを設定するべく、実施例1にある受光量算出のメインルーチンにタスク間通信または記憶部手段などによってそのパラメータを引き渡す（Ｓ１４）。
【００４２】
なお、実際の受光量を求めるメインルーチンをパルス幅Ｔｃで実行した結果、放電確率が正確にはＰｃにならなかったとしても、実施例1にある通りの受光量算出過程により、数式１０によって放電確率ＰＤであった受光量ＱＤが求まることは言うまでもない。
【００４３】
＜そのほかの実施例＞
火炎センサの周囲温度を測定する温度センサを備えて、その温度により前記火炎の受光量を補正する火炎検出システムが考えられる。感度パラメータを準備したときの周囲温度から現場に差異があった場合の補正機能である。これは、火炎センサ１の感度パラメータに温度特性が含まれ、受光量演算において温度特性も考慮する必要があるからである。
【００４４】
この場合火炎検出システムは、図１に示す実施の形態１に係る火炎検出システムに温度センサを追加したものでよい（図示省略）。温度センサは、火炎センサ１の設置環境における温度を計測するものである。この温度センサによる計測結果は、中央処理部１６３に出力される。そして、取得した感度パラメータ及び温度センサにより計測された温度を基に、同等の火炎が存在する場合に受光量が同等になるように動作を補正するのである。なお、温度センサは火炎センサ１に内蔵されていてもよいし、火炎センサ１とは別体に設けられても構わない。
【００４５】
その他の実施例として、火炎センサ１に有効電極面積の概念を持ち込むこともよい。そうすれば、有効電極面積で受光量を除することで、火炎３００の明るさを算出することができる。なお、有効電極面積とは火炎センサ１の電極面積のうち光が当たっている面積を意味するので、火炎センサ1に固有のパラメータである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
その他、種々の変形実施は可能である。本例では触れなかったが、火炎センサ１の外囲部にシャッター機能を設けて疑似火炎を検出するタイプの火炎検出システムに利用することも可能である。
そのような、設計事項的な変形を行ったとしても、本願発明の範囲に属するものである。
【符号の説明】
【００４７】
１  火炎センサ
２  外部電源
３  演算装置
１１  電源回路
１２  印加電圧生成回路
１３  トリガ回路
１４  分圧抵抗
１５  電圧検出回路
１６  サンプリング回路
１６１  Ａ／Ｄ変換部
１６２  記憶部
１６３  中央処理部
１６４  判定部
３００  バーナ火炎
【図１】
0006508771.tif 000014
【図２】
0006508771.tif 000015
【図３】
0006508771.tif 000016
【図４】
0006508771.tif 000017