(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基準光源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、
を備える火炎検出システムにおいて、
前記中央処理部は、
前記基準光源を消灯したときに前記火炎センサでの放電確率を計測する第一のモードと、前記基準光源を点灯したときに前記火炎センサでの放電確率を計測する第二のモードとを実行し、
前記第一のモードで得たデータと前記第二のモードで得たデータとから現在の前記火炎センサの放電確率を算出す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、
前記中央処理部は、前記現在の火炎センサの放電確率から当該火炎の受光量を求め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、
前記現在の火炎センサの放電確率を所定の閾値と比較して前記火炎センサの劣化診断を行う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火炎センサが提案されている（ 例えば、特許文献１ 参照）。しかし、この火炎センサは有寿命製品であり、適宜交換が必要となる。そのため、火炎センサの劣化傾向を検出することが望まれていた。
【０００４】
技術的関連性ある分野では、特許文献２にあるオゾン濃度計では、光チョッパ−によって、反応セルを通る光の光路と反応セルを通らない光の光路とを切り換えている。そして反応セルを通った光を計測光とし、反応セルを通らない光を参照光とし、各光量を受光器で検知し、計測回路で両光量を信号処理するとともに比較演算処理しオゾン濃度値を算出している。その際、参照光を利用して、紫外線を発光するランプの経時変動へ対応している。こうして、センサを取り外さなくとも参照光と計測光を交互に測定することで、センサの感度変化を検知する技術である。
【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】特開平０７−３１８４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にある火炎検出器に特許文献２にある従来技術を利用して、火炎検出の電子管の感度変化を知ろうとすると、やはり基準参照光を測定している間は計測光を機械的に遮断するチョッパーないしシャッターの機構が必要である。
【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技術に基づいて、機械的遮光手段を設けずに、その代わりに基準光源を用いて電子管の感度を測定して劣化診断する。
【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基準光源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において、
前記中央処理部は、
基準光源を消灯したときに前記火炎センサでの放電確率を計測する第一のモードと、
基準光源を点灯したときに前記火炎センサでの放電確率を計測する第二のモードとを実行して、この第一と第二のモードで得たデータから現在の火炎センサの放電確率を算出することを特徴とする火炎検出システムである。
【０００９】
また、本願発明は、さらに現在の火炎センサの放電確率から当該火炎の受光量を求める火炎検出システムである。
【００１０】
さらに、本願発明は、前記の現在の放電確率または受光量を所定の閾値と比較して火炎センサの劣化診断を行う火炎検出システムである。
【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、さらに基準光源のパラメータを加味することで、簡単かつ迅速に電子管の感度の劣化を知ることが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】本願発明の実施の基本的処理である中央処理部のフローを示す。
【図４】本願発明の実施の一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装置は、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。さらに、基準光源２００が演算装置３に接続されて設置されている。
【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。
また、基準光源２００は火炎センサ１に入光するように配置されており、演算装置３から点灯消灯が制御される。
【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】
0006508773.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】
0006508773.tif 000003
【数３】
0006508773.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】
0006508773.tif 000005
【数５】
0006508773.tif 000006
【数６】
0006508773.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】
0006508773.tif 000008
【数８】
0006508773.tif 000009
【００３３】
次に、本願発明の主要部をなす受光量演算の基本的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】
基本的な処理ルーチンを図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）。
・放電確率からそのときの受光量を算出する（Ｓ０４）。なお、放電確率が０又は１以外であった場合は所定数式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】
数式９は、ある動作条件での受光量ＱA、そのときのパルス幅ＴAにおける放電確率ＰAが既知であるとしたものである。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。そうすれば受光量ＱＢが求まる原理である。
【数９】
0006508773.tif 000010
【実施例】
【００３６】
次に、上の数式に基づいて、測定対象である火炎３００の測定時、すなわち基準光源２００を点灯しないときの条件を添え字Ｆで示し、また感度補正用の測定時、すなわち基準光源２００を点灯したときの条件を添え字Ｆ＋Ｌで表すとすると、火炎３００の受光量ＱＦ、基準光源２００の受光量ＱＬで表すと、数式１０、１１が成り立つ。本実施例の場合、受光量ＱＡはパルス幅ＴＡ，放電確率ＰＡとしたときの受光量と仮想したものである。
【数１０】
0006508773.tif 000011
【数１１】
0006508773.tif 000012
【００３７】
パルス幅Ｔを制御して放電確率Ｐ（ＰＦおよびＰＦ＋Ｌ）を測定することで受光量Ｑを得る基本原理を採用するので、基準光源２００の受光量ＱＬとその放電確率ＰＦ＋Ｌが既知であれば、数式１１での未知数は火炎３００の受光量ＱＦと放電確率ＰＡとなる。
【００３８】
次に、数式１１と数式１０の差を求めると数式１２が求まる。
【数１２】
0006508773.tif 000013
【００３９】
以下、変形して数式１３乃至数式１６が求まる。
【数１３】
0006508773.tif 000014
【数１４】
0006508773.tif 000015
【数１５】
0006508773.tif 000016
【数１６】
0006508773.tif 000017
【００４０】
ここで、火炎センサ１についてＱＡ、ＴＡに出荷時に基準値として定めた値を測定しておいて記憶部１６２に蓄えておいたものを用い、基準光源のＱＬを同様に蓄えておいたものから取得して、さらにパルス幅Ｔおよび放電確率ＰＦとＰＦ＋Ｌは実測したものを用いて、火炎センサ１の現在の感度としての指数である放電確率ＰＡを上記の数式１６から求める。さらに、求めたＰＡを数式１０に逆算投入すれば、未知数である火炎３００の現在の受光量ＱＦも得られる。それによって、感度補正用の測定時（基準光源点灯時）であっても、測定対象の火炎３００の光の強さを求められる。
【００４１】
本願発明の実施態様である診断ステップを図４のフローに基づき述べる（図中ステップをＳｎｎと呼ぶ）
本調整フローは二つのモードで火炎センサのパラメータを計測する。
・診断処理をスタートする（Ｓ１０）。
・モード０：基準光源を消灯した状態で放電確率ＰLを測定する（Ｓ１１）。
・モード１：基準光源を点灯した状態で放電確率ＰF+Lを測定する（Ｓ１２）。
上記二つのモードは其々、所定のサンプルを得るために複数回（図３に示した）基本的ルーチンを実行することで構成される。
・数式１０から数式１６を演算して現在の放電確率ＰＡおよび数式１０から逆算して受光量ＱＦを算出する（Ｓ１３）。
・放電確率ＰＡを、あらかじめ定めた閾値と比較して、火炎センサ１の劣化を検出する（Ｓ１４）。
【００４２】
なお、モードの切り替えは演算装置３の中央処理部１６３からの指令で行い、基準光源２００をオンオフ制御するものである。
【００４３】
その他、種々の変形実施は可能である。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】
【００４４】
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
２００  基準光源
３００  バーナ火炎
【図１】
0006508773.tif 000018
【図２】
0006508773.tif 000019
【図３】
0006508773.tif 000020
【図４】
0006508773.tif 000021