長波長通過フィルタを利用した火炎識別装置及び関連した方法
改良された誤警報識別によって、低コストで火災を検出する火炎検出装置を提供し、火炎検出装置は、少なくとも２つの光センサを含み、それぞれは、異なる最短応答波長を有する長波長通過ＩＲフィルタによって構成され、ＭＷＩＲ帯を広くサンプリングするように配列されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００９年６月２４日に出願された米国特許出願第１２／４９１，２０５号に対する優先権を主張し、その全ての内容は、引用により、ここに援用される。
【０００２】
本発明は、一般的には、火炎の光学式検出装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
光学式火炎検出器が、様々な炎の存在をできるだけ信頼できる方法で検出できることが重要である。これは、光学式火炎検出器が、火災と、赤外線放射の他の源とを識別できることを必要とする。一般的に、光学式火炎検出は、スペクトルの、炭化水素の放射ピークである約４．３μｍの狭い赤外線部分で行われる。
【０００４】
光学式火炎検出器は、一般的に、炎によって放射されるスペクトルの部分を分析することによって、及び／又はその炎の時間的ちらつきを解析することによって機能する。通常、炎の中波長赤外線（ＭＷＩＲ）スペクトル（３μｍ〜５μｍ）における分光サインは、誤警報源によっては簡単に再現されない幾つかの重要な特徴を含んでいる。また、約１８０ｎｍから２９０ｎｍまでのＵＶ−Ｃ波長帯は、ＭＷＩＲと組み合わせたときに、その分光サインに基づいて火災を識別するのに役に立つ固有のスペクトル情報を含んでいる。
【０００５】
従来技術において、簡単な火炎検出器は、１つだけのセンサを使用しており、火災検出器によって検出された信号が特定の閾値レベルを超えたときはいつでも、警報が発せられる。この簡単な手法は、それが火災と、他の明るい物体、例えば白熱電球、熱工業プロセス、例えば溶接、検出器の前で振られている温かい手、火が着いたタバコ及び太陽光さえも識別することができないので、間違ったトリガを出してしまうという欠点を有する。
【０００６】
この問題を克服する試みが、放射を２つ以上の波長で検出することによってなされてきた。各波長で検出された信号の強度を相対的に比較することにより、１つの波長だけで検出したときよりも、間違った源をよりよく識別することができる。光学式火炎検出の従来技術では、識別の優れ基準を得るために、諸条件、効果等を十分考慮して選択された幾つかの帯域通過フィルタを利用している。帯域通過フィルタは、一般的には、明確に定義された下側の、ピーク透過率の５０％である「カットオン」波長と、上側の、ピーク透過率の５０％である「カットオフ」波長とを有するものと認められている。さらにまた、帯域通過フィルタは、中心波長の１％と１３％の間の帯域幅である半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するものとされている。通過帯域、中心波長及びフィルタの数は、システムエンジニアにとって有益なツールであり、適切に選択することによって、誤警報を良好に排除することができる。例えば、キング他に付与された米国特許第５，９９５，００８号には、スペクトル帯域が重なるように応答する帯域通過フィルタによって構成された少なくとも２つのセンサを使用した光学式火災検出器装置が開示されている。第１の帯域通過フィルタは、ＣＯ２のサンプリングを保証するために、中心周波数が４．５μｍに設定され、約０．１５μｍの帯域幅を有し、第２の帯域通過フィルタは、通過帯域が約０．３５μｍに設定されるとともに、第２の帯域通過フィルタは、フィルタリングする上側又は下側のフィルタ応答境界波長の両方が略一致するように、中心が合わせられている。キング他によると、スペクトラムの他の部分をサンプリングするために、第３のフィルタが追加されてもよい。
【０００７】
実際、十分なリソースがある場合、全ての考えられる誤警報を１００％除去するシステムを設計することは、理論的には可能である。しかしながら、現実的には、システムエンジニアは、彼らが特定の費用制約条件内で合理的に実装できるフィルタの数の選択は、制限されている。各フィルタは、それ自体は高価な項目であり、通常、安価な項目、例えば他のプリアンプ、他のアナログ／デジタル変換器チャンネル及び多くの処理パワーだけではなく、フィルタよりも高価な他のセンサを必要とするので、フィルタを追加することは、直ちにセンサのコストが増加する。更に、帯域通過フィルタは、一般的に、選択する帯域幅がより狭いほど、より高価である。帯域幅をより低くすることにより、炎の識別は向上し、しかしながら、これは、検出器のコストを増加させる。最後に、帯域幅がより狭いほど、感度はより高く、関連するセンサは、センサに到着する少ない光子数に対して十分な信号対雑音比が得られるように適切でなければならない。光学式火炎検出方法に、センサコストによる実際の制限を課した場合、帯域通過フィルタは、それが解決するよりも多くの問題を起こす可能性がある。
【０００８】
何人かのシステムエンジニアは、焦電検出器、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）を利用することによって、システムにより多くの帯域通過フィルタを追加することによるコストの一部を軽減しようと試みた。焦電検出器は、他のＭＷＩＲ検出器、例えばセレン化鉛（ＰｂＳｅ）よりもコストが安い解決策であり、確かに、より多くの特殊検出器材料、例えばインジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、インジウム鉛（ＩｎＳｂ）、テルル化カドミウム水銀（ＭＣＴ）又は水銀カドミウムテルル化亜鉛（ＭＣＺＴ）よりも高価でない。しかしながら、耐久性のある検出器を必要とする用途を考慮したとき、焦電検出器は、固有の欠陥がある。すなわち、焦電効果を示すあらゆる結晶は、また、ある程度、圧電効果を示すに違いない。換言すると、焦電検出器は、電磁放射線だけではなく、音及び振動に対しても敏感であり、これらの刺激の両方に比例して、応答を出力することになる。雑音及び／又は振動環境が重要であると予想される用途、例えば航空機、陸上／海上の乗り物、産業の活動、工場等を考慮したとき、これは、非常に好ましくない。
【発明の概要】
【０００９】
本開示は、それぞれがスペクトラムのＩＲ部の波長の範囲に応答する長波通過（ＬＷＰ）赤外フィルタをそれぞれ有する複数の光センサによって構成された火炎検出装置を目的とし、１つのＬＷＰフィルタは、約４．１７μｍの波長において少なくとも５０％で応答する。用いられる他のＬＷＰフィルタは、互いに異なる波長で少なくとも５０％で応答するが、少なくとも１つのフィルタの応答スペクトルが、もう１つのフィルタの部分集合であるように設計されている。
【００１０】
本発明のこれら及び他の実施の形態は、また、図面を参照する実施の形態の以下の詳細な説明から、当業者に容易に理解でき、本発明は、開示するあらゆる特定の実施の形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明を、添付の図面を参照して説明する。図面において、同一の参照番号は、同一の又は機能が類似した要素を示している。
【図１】炭化水素炎の分光特性を示すグラフである。
【図２】長波長通過フィルタを用いた例示的な火炎検出装置の機能図である。
【図３】一実施の形態に基づいて選択され、配列されたＬＷＰフィルタのスペクトル応答を示すグラフである。
【図４】図１の炭化水素炎の分光特性曲線を図３のスペクトル応答曲線上に重ねたグラフである。
【図５】サファイヤガラスの分光透過特性を示すグラフである。
【図６】図５のグラフが重ねられた異なるセットのフィルタのスペクトル応答曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の様々な実施の形態及びそれらの効果は、図１〜図６を参照することによって、最も良く理解される。各図面の構成要素が必ずしも一定の比率であるというわけではなく、代わりに、本発明の原理を明確に示すように、強調されている。図面を通して、様々な図面の同じ及び対応する部分には、同じ参照番号を付している。
【００１３】
ここに説明するように、この発明は、本質的特徴から逸脱することなく、他の特定の形態及び実施の形態でも提供することができる。上述した実施の形態は、全ての特徴において、一例に過ぎず、いかなる方法によっても、制限されるものではないと考えられる。発明の範囲は、上述の説明よりもむしろ、以下の請求の範囲によって明らかにされる。
【００１４】
炭化水素炎が、約４．３μｍと約４．５μｍの間にピークを有し、実際のピークの位置が、炎の温度及び燃料に混合可能な酸素の量だけでなく、炎までの距離に依存するＩＲ分光特性を示す傾向にあることは良く知られている。図１を参照すると、図１は、炭化水素炎で観察されるＩＲ分光特性をプロットした図である。２つの曲線が示されている。第１の曲線は、「青炎」から受光されるＩＲエネルギを示し、略４．３μｍ（２１）と、約２．７〜約２．８μｍ（１１）とに２つの大きなピークを示している。第２の曲線は、「汚い炎」（酸素混合量が最低）からのＩＲエネルギを示し、ピークが、略同じ波長、すなわちそれぞれ青炎のＩＲエネルギと同じ波長２２、１２の近傍で生じている。
【００１５】
このスペクトルを考慮した機能回路図を図２に示し、例示的な火炎検出装置１００は、複数の光センサ１０１、１０３、１０５を含んでいる。光センサ１０１、１０３、１０５の全ては、アナログ／デジタル変換器、すなわちＡＤＣ１２１に接続され、ＡＤＣ１２１は、更にプロセッサ１３１に接続され、プロセッサ１３１は、プロセッサ１３１によってアクセス可能なコンピュータで読取り可能な媒体上に格納されているコンピュータプログラムによって実行される検出アルゴリズムに基づいて、処理を行う。プロセッサ１３１は、キーパッド、表示装置、聴覚表示器、例えば１つ以上のスピーカ、視覚表示器、例えば発光ダイオード等のうちの何れか１つを含む入出力装置１４１に応答する。また、較正の目的のために、周囲の温度の値を示す温度検出器１６１を含んでいてもよい。光センサ１０１、１０３、１０５は、透明な保護被覆１５１の他に、信号強度を増幅する専用のアンプを含んでいてもよい。
【００１６】
光センサ１０１、１０３、１０５はそれぞれ、所定の波長よりも長い波長だけに応答するように設計された長波長通過（ＬＷＰ）フィルタ１１１、１１３、１１５を含んでいる。例えば、この実施の形態の第１のフィルタ１１１は、約２．５５μｍ以上の波長に少なくとも５０％の出力で応答し、長波長のカットオフ波長を有さないように設定されていてもよい。第２のフィルタ１１３は、少なくとも、約３．５μｍ以上の波長に５０％の出力で応答し、同じく、長波長のカットオフ波長を有さないように設定されている。第３の光センサ１０５は、第３のフィルタ１１５を含み、第３のフィルタ１１５は、約４．１７μｍ以上の波長に少なくとも５０％の出力で応答し、長波長のカットオフ波長を有さないように設定されている。図３は、ＬＷＰフィルタの例示的な組合せで得られるスペクトル応答のグラフを示す。グラフに示すように、第３のフィルタ１１５は、第２のフィルタ１１３のスペクトル応答２０３の部分集合であるスペクトル応答２０５を有するように設定されている。同様に、第２のフィルタ１１３のスペクトル応答２０３は、第１のフィルタ１１１のスペクトル応答２０１の部分集合である。
【００１７】
高価で、比較的精密な赤外用フィルタを環境に露出させる用途は少ないので、簡単にきれいにすることができる保護被覆１５１が、実装されている。この発明の特徴は、この保護被覆１５１を利用して、共通のカットオフ波長を赤外用フィルタに与えるということである。カットオフ波長は、被覆材料に固有の特性によって与えてもよく、あるいは、それは保護被覆の内部に塗布されたコーティングの形であってもよく、あるいは、それらの２つの組合せであってもよい。ここで説明するような用途の場合、適切な保護被覆１５１は、硬くて、耐久性があり、耐傷性がある。透明なサファイヤガラスは、図５のサファイヤガラスの透過率特性のグラフで観察できるように、６μｍを超える固有の５０％のカットオフ波長を示すので、検出器用に選択される優れた材料である。さらに、サファイヤガラスは、化学的に不活性であり、機械的に強固である。したがって、他の赤外線コーティングの費用は避けられる。
【００１８】
したがって、様々な誤警報源からの炎を識別するために、火炎検出器は、より長い波長に応答するフィルタ１１３／１１５のスペクトル応答が、より短い波長に応答するフィルタ１１１のスペクトル応答の部分集合であるように配置された幾つかのＬＷＰフィルタを、異なる規定された応答の短波長を有するが、カットオフ波長を与える保護被覆と共に利用する。この手法の効果の幾つかは、光センサが、検出する非常に大きなフラックスを有することであり、また、ＩＲスペクトラムの大部分をサンプリングできることである。カットオン波長は、可能な限り高い識別度が得られるように選択される。実際には、１つのフィルタ、すなわち、炭化水素炎からの４．３μｍのピークを検出することを目的にしたフィルタ（この実施の形態では第３のフィルタ１１５）のカットオン波長の許容誤差が、最高の性能を得るためには、厳密に規定されることが必要である。このフィルタのカットオン波長が、短い波長側に余りにシフトされている場合、ＣＯ２波長の火元は、競合する誤警報源に埋もれてしまい、誤警報との識別が損なわれる。このフィルタのカットオン波長が、長い波長側に余りにシフトされている場合、ＣＯ２ピークのエネルギは２つのフィルタ間に分離され、また、識別が損なわれる。残りのＬＷＰフィルタのカットオン波長は、既知でなければならないが、非常に緩い許容誤差が許され、したがって、センサのコストは更に削減される。
【００１９】
帯域通過フィルタではなく、ＬＷＰフィルタと、別のカットオフフィルタとをできれば保護被覆の形で用いることにより、以前の解決策に勝る大きな効果が得られる。第１に、これらの種類のフィルタは、帯域通過フィルタと比較して、フィルタ基板上に蒸着する薄膜層が少ないので、検出器の総原価をより低くすることができる。第２に、光学系は、通常光量が不足し、したがって、システム設計者は、特殊な材料で造られた高価な光センサを用いなければならないか、火炎検出器の範囲が制限されることを受け入れなければならない。しかしながら、ＬＷＰフィルタは、光センサに通過する光量を多くすることができ、したがって、特定の光センサの信号対雑音比を高めることができ、あるいはより安価な光センサを利用できる可能性がある。最後に、ＬＷＰフィルタは、入射角効果に起因した性能のシフトに対して感度が低い。
【００２０】
例えば、４μｍのカットオン波長を有するフィルタは、４μｍで１．１７％の帯域通過フィルタと比較して、入射角によるシフトが少ない。この具体例におけるＬＷＰフィルタは、４０°の入射角で約０．１μｍのシフトを起こし、一方、１．１７％の帯域通過フィルタは、約０．２３μｍのシフトを起こす。より大きな入射角による更なる性能の利点は、１．１７％の帯域通過フィルタのピーク透過率が略２倍低下するのに対して、ＬＷＰフィルタのピーク透過率がほとんど測定できない程度しか変化しないことである。要約すると、帯域通過フィルタと比較して、ＬＷＰフィルタを用いる利点は、コストであり、光センサに対する光強度が増加することであり、大きな入射角による非常に良好な性能である。
【００２１】
光センサの作用面は、関連する光センサの透過波長を検出するのに適したあらゆる材料から造ることができることに、注意すべきである。ある場合、光センサのスペクトル応答曲線は、当然、カットオフ波長を与えることになり、ＬＷＰフィルタと共に用いたとき、得られる機能は、非常に広い、すなわちおおよそ５μｍの帯域通過フィルタの機能である。他の場合、光センサのスペクトルのカットオフ波長は、コスト、大きさ、感度、動作温度範囲等と比較したとき、関係事項のうちの些細なものであり、光センサの有効カットオフ波長は、２０μｍ〜５０μｍの範囲にある。この場合、保護被覆又はＬＷＰフィルタ自体の基板材料の分光透過率は、これよりも非常に短い波長のカットオフ波長を与える虞がある。
【００２２】
火災検出装置１００は、それぞれのＬＷＰフィルタ１１１、１１３、１１５によって通過された波長に基づき、光センサ１０１、１０３、１０５によってＩＲエネルギを受光する。光センサ１０１、１０３、１０５からの全ての信号は、ＡＤＣ１２１に供給され、ＡＤＣ１２１は、アナログ信号をデジタル信号１０２に変換して出力し、デジタル信号１０２はプロセッサ１３１に供給される。プロセッサ１３１は、検出アルゴリズムに基づいてデジタル信号１０２を解析するプログラムを実行する。プロセッサ１３１は、ＡＤＣ１２１から入力電圧１０２を読み込み、必要に応じて、較正に基づく補正係数を適用し、２つの比を計算する。なお、最も広い有効通過帯域を有する検出器（第１の検出器）が特定の閾値よりも上にある場合、比が計算されるだけである。第１の比は、第２の光センサ１０３の電圧信号を第１の光センサ１０１の電圧信号によって除算したものであり、第２の比は、第３の光センサ１０５の電圧信号を第２の光センサ１０３の電圧信号によって除算したものである。第３の比は、第３の光センサ１０５の電圧信号を第１の光センサ１０１の電圧信号によって除算したものとすることができ、また、直接計算することもできるが、数学的には冗長である。２つの得られる比の値は、閾値と比較され、閾値が満たされる場合、プロセッサ１３１は、Ｉ／Ｏ１４１に警報を起動させるコマンド信号１０４を出す。これらの具体的な仕様を用いて、検出アルゴリズムは、比較のための閾値の具体的な値を含み、第１の比が約０．４０と約０．８５の間にあり、第２の比が０．８５以上の場合、警報を起動するコマンドを出す。
【００２３】
図３のグラフで示すフィルタの例示的な構成において、第１のフィルタ１１１（短波長）は、約２．３μｍと約２．８μｍの間のどこかに５０％のカットオン波長を有してもよい。第２のフィルタ１１３は、約３．２μｍと約３．８μｍの間に５０％のカットオン波長を有してもよい。しかしながら、第３のフィルタ１１５は、炭化水素炎（４．３μｍ）のピーク透過波長を含むので、５０％のカットオン波長は、４．１７μｍの約１％以内に存在しなければならない。検出アルゴリズムの閾値は、選択されたフィルタのカットオン波長に適合するように調整する必要があることは、言うまでもない。図４は、上述した検出器装置が検出可能な波長に対する有効範囲を示すために、単に、ＬＷＰのスペクトル応答曲線に炭化水素炎のスペクトル特性を並べて書いたものである。
【００２４】
上述した実施の形態は、３つのセンサと、関連したフィルタとを含み、２つの対応する数学的に独特な比を計算するアルゴリズムを有する。しかしながら、波長ＬＷＰフィルタ１１７を有する光センサ（図２の光センサ１０７）を追加して、誤警報の排除の更なるマージンを与えるようにしてもよい。これらは、炎の他のスペクトル特徴を識別するために、スペクトルのＵＶ、可視又はＩＲ部の様々な他の部分に追加することができる。これは、ＭＷＩＲ内に波長ＬＷＰフィルタ１１７を追加することを妨げず、それは、炎のスペクトルのこのようなそのスペクトルで重要な特徴が、それらの特徴を識別するために、光センサ１０７によってサンプリングされるように、単に波長ＬＷＰフィルタ１１７を配置する問題である。例えば、２．７μｍ、１．９μｍ及び更に１．４μｍの水の発光帯は、固有の炎サインの一部としてもよい。これらの波長の周りに更なるフィルタを配置することは、スペクトルが黒体のスペクトルに余りに類似したスペクトルで興味がない範囲にフィルタを設けることよりも有益である。黒体又は灰色体の放射は、多くの誤警報の原因である。
【００２５】
逆に、２つの波長ＬＷＰフィルタを利用することができるが、誤警報の数は極端に多くなる。したがって、上述した手法が２つの光センサだけで利用される場合、固有の第３の光センサが、誤警報を排除するのを助けるために必要となる。この固有な第３の光センサは、ＵＶ帯で動作し、検出器の物理的特性によってスペクトル的に限定された検出プロセスを有するガイガー／ミュラー検出器に類似したものであってもよい。ＧＭ検出器のこの検出プロセスは、それが太陽の波長に対して感度を有しないので、有効である。
【００２６】
それに加えて、検出アルゴリズムは、また、光センサの有効帯域幅、すなわちフィルタのカットオン波長から光センサの有効カットオフ波長までの帯域幅を用いて警報を起動するかを決定する、「分光光束比」と呼ばれる比の他のセットを計算してもよい。この方法は、各ＬＷＰフィルタから保護被覆によって与えられる共通のカットオフ波長までとして計算される有効帯域幅を用いて、比を計算する前に、各光センサからの各電圧を正規化することが必要である。このように、比較的狭い有効帯域幅を有する光センサ／フィルタの組合せからの大きな電圧レベルは、μｍ当たりのＶで測定されるように比較的大きな分光光束を生成する。逆に、比較的広い有効帯域幅を有する光センサ／フィルタの組合せからの比較的小さい信号は、比較的小さい分光光束を生成する。この方法は、単に、そのＬＷＰフィルタ及び保護被覆のカットオフ波長からの関連した帯域幅を考慮した各光センサからの信号を説明しようとする。例えば、第３の比は、第１の光センサの帯域幅によって除算された第１の光センサからの電圧として計算される。同様に、第４及び第５の比は、それぞれ、第２の光センサの帯域幅によって除算された第２の光センサの電圧であり、第３の光センサの帯域幅によって除算された第３の光センサの電圧である。理想的には、プロセッサは、全ての比を計算して、適切な閾値と比較するロジックを含むようにしなければならない。
【００２７】
フィルタを、上で提案した波長とは異なる波長に応答するように選択してもよいことは言うまでもない。図６は、フィルタの他の組合せのスペクトル応答曲線を、視覚的に示しており、例えば、短波長フィルタ１１１のスペクトル応答６１１は、約３．９３μｍ以上において、５０％以上で応答するようにしてもよい。第２のフィルタ１１３のスペクトル応答６１３は、約４．１７μｍ以上において、５０％以上で応答するようにしてもよく、第３のフィルタ１１５のスペクトル応答６１５は、約４．９６μｍ以上において、５０％以上で応答するようにしてもよい。また、サファイヤ保護ガラスのスペクトル透過率応答６５１は、ＬＷＰフィルタ１１１、１１３、１１５の組合せを示すこのグラフ中に含まれており、保護被覆１５１は、帯域通過フィルタの関連するコストなしで、約６μｍ以上のカットオフ波長を有する帯域通過フィルタを、事実上実現している。
【００２８】
３つのフィルタを用いる実施の形態において、第１のフィルタ１１１のカットオン波長は、それが、検出したい固有のスペクトル特徴のピーク波長の約−２５％の範囲内にあるように選択されてもよく、選択された波長は、第２のフィルタ１１３のカットオン波長未満である。例えば、炭化水素炎を検出するように求められる用途においては、このピーク位置は、約４．２５ｕｍである。この開示の利益を受ける当業者は、また、ピークの波長が、幾つかの大気成分の濃度だけではなく、炎から光センサまでの距離に依存すると認識することになる。したがって、フィルタ仕様を選択するときには、これらの要素を考慮すべきである。第２のフィルタ１１３のカットオン波長は、それが固有のスペクトルピークに非常に近く、例えば予測されるピーク波長の約＋／−１０％内に位置するように選択されるべきである。第３のフィルタ１１５のカットオン波長は、選択された波長が第２のフィルタ１１３のカットオン波長よりも長くなるように、固有のスペクトル特徴のピーク波長の約＋２５％以内にあるべきである。
【００２９】
保護被覆１５１を用いた実施の形態の場合、被覆材料は、用いる検出器に十分な信号対雑音比を与えるために、カットオフ波長が第３のフィルタ１１５のカットオン波長よりも長くなるように選択されるべきである。例えば、上述の例示的な実施の形態において、カットオフ波長は、第３のフィルタ１１５のカットオン波長の＋２５％を超える範囲内にあるべきである。高い検出感度（Ｄ＊）を示す検出器材料の場合、基準がカットオフ波長及びカットオン波長の両方の５０％の点にあるので、これは、非常に小さく、０％と同じくらい小さくてもよい。一方、炎とセンサ間の距離が増えるにつれて、５μｍと８μｍの間の透過率が非常に低下するので、空気は、カットオフフィルタとして機能する可能性がある。したがって、検出器が、例えば潜在的な火災源から５ｍ以上離れて置かれる可能性がある場合、カットオフフィルタとして機能する保護被覆は、必要ではなくてもよい。
【００３０】
プロセッサ１３１は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロコントローラ、メモリを有する中央処理装置（ＣＰＵ）又は他の適切な論理回路によって実現することができる。プロセッサ１３１は、コンピュータシステムを実質的に含む。このようなコンピュータシステムは、例えば、通信バスに接続された１つ以上のプロセッサを含む。また、コンピュータシステムは、主記憶装置、好ましくはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含むことができ、また、不揮発性の補助記憶装置を含むことができる。
【００３１】
補助記憶装置は、例えばハードディスク装置及び／又はリムーバブル記憶装置を含むことができる。リムーバブル記憶装置は、周知の方法で、リムーバブル記憶ユニットから読み出し及び／又は書き込む。リムーバブル記憶ユニットは、ディスク、磁気テープ、光ディスク等を表し、リムーバブル記憶装置によって読み出され、書き込まれる。リムーバブル記憶ユニットは、コンピュータソフトウェア及び／又はデータを記憶したコンピュータで使用可能な記憶媒体を含む。
【００３２】
補助記憶装置は、コンピュータプログラム又は他の命令をコンピュータシステムにロードすることができる他の同様な手段を含むことができる。このような手段は、例えば、リムーバブル記憶ユニットと、インタフェースとを含むことができる。このような手段の具体例は、リムーバブル記憶ユニットからソフトウェア及びデータをコンピュータシステムに転送することができるプログラムカートリッジ及びカートリッジインタフェース（例えばビデオゲーム機器で見ることができる）と、リムーバブルメモリチップ（例えばＥＰＲＯＭ又はＰＲＯＭ）及び関連するソケットと、他のリムーバブル記憶ユニット及びインタフェースとを含むことができる。
【００３３】
コンピュータプログラム（また、コンピュータ制御ロジックとも呼ばれる）は、主記憶装置及び／又は補助記憶装置に記憶されている。また、コンピュータプログラムは、通信インタフェースを介して受信することもできる。このようなコンピュータプログラムは、実行されたときに、コンピュータシステムに、ここで説明するような本発明の特定の機能を実行させることができる。特に、コンピュータプログラムは、実行されたときに、制御プロセッサに、本発明の機能の能力を実行及び／又は起こさせることができる。したがって、このようなコンピュータプログラムは、装置のコンピュータシステムのコントローラを表す。
【００３４】
発明がソフトウェアを用いて実施される実施の形態において、ソフトウェアは、コンピュータプログラム製品に格納され、リムーバブル記憶装置、メモリチップ又は通信インタフェースを用いて、コンピュータシステムにロードすることができる。制御ロジック（ソフトウェア）は、制御プロセッサによって実行されたとき、制御プロセッサに、ここで説明するような発明の特定の機能を実行させる。
【００３５】
他の実施の形態において、上述した検出装置の機能は、第１に、例えば、ハードウェア部品、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）を用いたハードウェアによって実現される。ここで説明する機能を実行するために、ハードウェアステートマシンを実装することは、当業者にとって明らかである。更に他の一実施の形態において、火炎検出装置の機能は、ハードウェア及びソフトウェアの組合せを用いて、上述した原理に基づき、実現することができる。
【００３６】
上述し、関連する図面に示すように、本発明は、ＬＷＰＩＲフィルタを用いた火災検出装置を含む。発明の特定の実施の形態を説明したが、当業者によって、特に上述した教示に照らして、変更することができるので、発明は、それに限定されないことは理解される。したがって、それらの機能、あるいは本発明の精神及び範囲を実現するそれらの改良を組み込みあらゆるこのような変更は、添付の特許請求の範囲に含まれる。
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００９年６月２４日に出願された米国特許出願第１２／４９１，２０５号に対する優先権を主張し、その全ての内容は、引用により、ここに援用される。
【０００２】
本発明は、一般的には、火炎の光学式検出装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
光学式火炎検出器が、様々な炎の存在をできるだけ信頼できる方法で検出できることが重要である。これは、光学式火炎検出器が、火災と、赤外線放射の他の源とを識別できることを必要とする。一般的に、光学式火炎検出は、スペクトルの、炭化水素の放射ピークである約４．３μｍの狭い赤外線部分で行われる。
【０００４】
光学式火炎検出器は、一般的に、炎によって放射されるスペクトルの部分を分析することによって、及び／又はその炎の時間的ちらつきを解析することによって機能する。通常、炎の中波長赤外線（ＭＷＩＲ）スペクトル（３μｍ〜５μｍ）における分光サインは、誤警報源によっては簡単に再現されない幾つかの重要な特徴を含んでいる。また、約１８０ｎｍから２９０ｎｍまでのＵＶ−Ｃ波長帯は、ＭＷＩＲと組み合わせたときに、その分光サインに基づいて火災を識別するのに役に立つ固有のスペクトル情報を含んでいる。
【０００５】
従来技術において、簡単な火炎検出器は、１つだけのセンサを使用しており、火災検出器によって検出された信号が特定の閾値レベルを超えたときはいつでも、警報が発せられる。この簡単な手法は、それが火災と、他の明るい物体、例えば白熱電球、熱工業プロセス、例えば溶接、検出器の前で振られている温かい手、火が着いたタバコ及び太陽光さえも識別することができないので、間違ったトリガを出してしまうという欠点を有する。
【０００６】
この問題を克服する試みが、放射を２つ以上の波長で検出することによってなされてきた。各波長で検出された信号の強度を相対的に比較することにより、１つの波長だけで検出したときよりも、間違った源をよりよく識別することができる。光学式火炎検出の従来技術では、識別の優れ基準を得るために、諸条件、効果等を十分考慮して選択された幾つかの帯域通過フィルタを利用している。帯域通過フィルタは、一般的には、明確に定義された下側の、ピーク透過率の５０％である「カットオン」波長と、上側の、ピーク透過率の５０％である「カットオフ」波長とを有するものと認められている。さらにまた、帯域通過フィルタは、中心波長の１％と１３％の間の帯域幅である半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するものとされている。通過帯域、中心波長及びフィルタの数は、システムエンジニアにとって有益なツールであり、適切に選択することによって、誤警報を良好に排除することができる。例えば、キング他に付与された米国特許第５，９９５，００８号には、スペクトル帯域が重なるように応答する帯域通過フィルタによって構成された少なくとも２つのセンサを使用した光学式火災検出器装置が開示されている。第１の帯域通過フィルタは、ＣＯ２のサンプリングを保証するために、中心周波数が４．５μｍに設定され、約０．１５μｍの帯域幅を有し、第２の帯域通過フィルタは、通過帯域が約０．３５μｍに設定されるとともに、第２の帯域通過フィルタは、フィルタリングする上側又は下側のフィルタ応答境界波長の両方が略一致するように、中心が合わせられている。キング他によると、スペクトラムの他の部分をサンプリングするために、第３のフィルタが追加されてもよい。
【０００７】
実際、十分なリソースがある場合、全ての考えられる誤警報を１００％除去するシステムを設計することは、理論的には可能である。しかしながら、現実的には、システムエンジニアは、彼らが特定の費用制約条件内で合理的に実装できるフィルタの数の選択は、制限されている。各フィルタは、それ自体は高価な項目であり、通常、安価な項目、例えば他のプリアンプ、他のアナログ／デジタル変換器チャンネル及び多くの処理パワーだけではなく、フィルタよりも高価な他のセンサを必要とするので、フィルタを追加することは、直ちにセンサのコストが増加する。更に、帯域通過フィルタは、一般的に、選択する帯域幅がより狭いほど、より高価である。帯域幅をより低くすることにより、炎の識別は向上し、しかしながら、これは、検出器のコストを増加させる。最後に、帯域幅がより狭いほど、感度はより高く、関連するセンサは、センサに到着する少ない光子数に対して十分な信号対雑音比が得られるように適切でなければならない。光学式火炎検出方法に、センサコストによる実際の制限を課した場合、帯域通過フィルタは、それが解決するよりも多くの問題を起こす可能性がある。
【０００８】
何人かのシステムエンジニアは、焦電検出器、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）を利用することによって、システムにより多くの帯域通過フィルタを追加することによるコストの一部を軽減しようと試みた。焦電検出器は、他のＭＷＩＲ検出器、例えばセレン化鉛（ＰｂＳｅ）よりもコストが安い解決策であり、確かに、より多くの特殊検出器材料、例えばインジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、インジウム鉛（ＩｎＳｂ）、テルル化カドミウム水銀（ＭＣＴ）又は水銀カドミウムテルル化亜鉛（ＭＣＺＴ）よりも高価でない。しかしながら、耐久性のある検出器を必要とする用途を考慮したとき、焦電検出器は、固有の欠陥がある。すなわち、焦電効果を示すあらゆる結晶は、また、ある程度、圧電効果を示すに違いない。換言すると、焦電検出器は、電磁放射線だけではなく、音及び振動に対しても敏感であり、これらの刺激の両方に比例して、応答を出力することになる。雑音及び／又は振動環境が重要であると予想される用途、例えば航空機、陸上／海上の乗り物、産業の活動、工場等を考慮したとき、これは、非常に好ましくない。
【発明の概要】
【０００９】
本開示は、それぞれがスペクトラムのＩＲ部の波長の範囲に応答する長波通過（ＬＷＰ）赤外フィルタをそれぞれ有する複数の光センサによって構成された火炎検出装置を目的とし、１つのＬＷＰフィルタは、約４．１７μｍの波長において少なくとも５０％で応答する。用いられる他のＬＷＰフィルタは、互いに異なる波長で少なくとも５０％で応答するが、少なくとも１つのフィルタの応答スペクトルが、もう１つのフィルタの部分集合であるように設計されている。
【００１０】
本発明のこれら及び他の実施の形態は、また、図面を参照する実施の形態の以下の詳細な説明から、当業者に容易に理解でき、本発明は、開示するあらゆる特定の実施の形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明を、添付の図面を参照して説明する。図面において、同一の参照番号は、同一の又は機能が類似した要素を示している。
【図１】炭化水素炎の分光特性を示すグラフである。
【図２】長波長通過フィルタを用いた例示的な火炎検出装置の機能図である。
【図３】一実施の形態に基づいて選択され、配列されたＬＷＰフィルタのスペクトル応答を示すグラフである。
【図４】図１の炭化水素炎の分光特性曲線を図３のスペクトル応答曲線上に重ねたグラフである。
【図５】サファイヤガラスの分光透過特性を示すグラフである。
【図６】図５のグラフが重ねられた異なるセットのフィルタのスペクトル応答曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の様々な実施の形態及びそれらの効果は、図１〜図６を参照することによって、最も良く理解される。各図面の構成要素が必ずしも一定の比率であるというわけではなく、代わりに、本発明の原理を明確に示すように、強調されている。図面を通して、様々な図面の同じ及び対応する部分には、同じ参照番号を付している。
【００１３】
ここに説明するように、この発明は、本質的特徴から逸脱することなく、他の特定の形態及び実施の形態でも提供することができる。上述した実施の形態は、全ての特徴において、一例に過ぎず、いかなる方法によっても、制限されるものではないと考えられる。発明の範囲は、上述の説明よりもむしろ、以下の請求の範囲によって明らかにされる。
【００１４】
炭化水素炎が、約４．３μｍと約４．５μｍの間にピークを有し、実際のピークの位置が、炎の温度及び燃料に混合可能な酸素の量だけでなく、炎までの距離に依存するＩＲ分光特性を示す傾向にあることは良く知られている。図１を参照すると、図１は、炭化水素炎で観察されるＩＲ分光特性をプロットした図である。２つの曲線が示されている。第１の曲線は、「青炎」から受光されるＩＲエネルギを示し、略４．３μｍ（２１）と、約２．７〜約２．８μｍ（１１）とに２つの大きなピークを示している。第２の曲線は、「汚い炎」（酸素混合量が最低）からのＩＲエネルギを示し、ピークが、略同じ波長、すなわちそれぞれ青炎のＩＲエネルギと同じ波長２２、１２の近傍で生じている。
【００１５】
このスペクトルを考慮した機能回路図を図２に示し、例示的な火炎検出装置１００は、複数の光センサ１０１、１０３、１０５を含んでいる。光センサ１０１、１０３、１０５の全ては、アナログ／デジタル変換器、すなわちＡＤＣ１２１に接続され、ＡＤＣ１２１は、更にプロセッサ１３１に接続され、プロセッサ１３１は、プロセッサ１３１によってアクセス可能なコンピュータで読取り可能な媒体上に格納されているコンピュータプログラムによって実行される検出アルゴリズムに基づいて、処理を行う。プロセッサ１３１は、キーパッド、表示装置、聴覚表示器、例えば１つ以上のスピーカ、視覚表示器、例えば発光ダイオード等のうちの何れか１つを含む入出力装置１４１に応答する。また、較正の目的のために、周囲の温度の値を示す温度検出器１６１を含んでいてもよい。光センサ１０１、１０３、１０５は、透明な保護被覆１５１の他に、信号強度を増幅する専用のアンプを含んでいてもよい。
【００１６】
光センサ１０１、１０３、１０５はそれぞれ、所定の波長よりも長い波長だけに応答するように設計された長波長通過（ＬＷＰ）フィルタ１１１、１１３、１１５を含んでいる。例えば、この実施の形態の第１のフィルタ１１１は、約２．５５μｍ以上の波長に少なくとも５０％の出力で応答し、長波長のカットオフ波長を有さないように設定されていてもよい。第２のフィルタ１１３は、少なくとも、約３．５μｍ以上の波長に５０％の出力で応答し、同じく、長波長のカットオフ波長を有さないように設定されている。第３の光センサ１０５は、第３のフィルタ１１５を含み、第３のフィルタ１１５は、約４．１７μｍ以上の波長に少なくとも５０％の出力で応答し、長波長のカットオフ波長を有さないように設定されている。図３は、ＬＷＰフィルタの例示的な組合せで得られるスペクトル応答のグラフを示す。グラフに示すように、第３のフィルタ１１５は、第２のフィルタ１１３のスペクトル応答２０３の部分集合であるスペクトル応答２０５を有するように設定されている。同様に、第２のフィルタ１１３のスペクトル応答２０３は、第１のフィルタ１１１のスペクトル応答２０１の部分集合である。
【００１７】
高価で、比較的精密な赤外用フィルタを環境に露出させる用途は少ないので、簡単にきれいにすることができる保護被覆１５１が、実装されている。この発明の特徴は、この保護被覆１５１を利用して、共通のカットオフ波長を赤外用フィルタに与えるということである。カットオフ波長は、被覆材料に固有の特性によって与えてもよく、あるいは、それは保護被覆の内部に塗布されたコーティングの形であってもよく、あるいは、それらの２つの組合せであってもよい。ここで説明するような用途の場合、適切な保護被覆１５１は、硬くて、耐久性があり、耐傷性がある。透明なサファイヤガラスは、図５のサファイヤガラスの透過率特性のグラフで観察できるように、６μｍを超える固有の５０％のカットオフ波長を示すので、検出器用に選択される優れた材料である。さらに、サファイヤガラスは、化学的に不活性であり、機械的に強固である。したがって、他の赤外線コーティングの費用は避けられる。
【００１８】
したがって、様々な誤警報源からの炎を識別するために、火炎検出器は、より長い波長に応答するフィルタ１１３／１１５のスペクトル応答が、より短い波長に応答するフィルタ１１１のスペクトル応答の部分集合であるように配置された幾つかのＬＷＰフィルタを、異なる規定された応答の短波長を有するが、カットオフ波長を与える保護被覆と共に利用する。この手法の効果の幾つかは、光センサが、検出する非常に大きなフラックスを有することであり、また、ＩＲスペクトラムの大部分をサンプリングできることである。カットオン波長は、可能な限り高い識別度が得られるように選択される。実際には、１つのフィルタ、すなわち、炭化水素炎からの４．３μｍのピークを検出することを目的にしたフィルタ（この実施の形態では第３のフィルタ１１５）のカットオン波長の許容誤差が、最高の性能を得るためには、厳密に規定されることが必要である。このフィルタのカットオン波長が、短い波長側に余りにシフトされている場合、ＣＯ２波長の火元は、競合する誤警報源に埋もれてしまい、誤警報との識別が損なわれる。このフィルタのカットオン波長が、長い波長側に余りにシフトされている場合、ＣＯ２ピークのエネルギは２つのフィルタ間に分離され、また、識別が損なわれる。残りのＬＷＰフィルタのカットオン波長は、既知でなければならないが、非常に緩い許容誤差が許され、したがって、センサのコストは更に削減される。
【００１９】
帯域通過フィルタではなく、ＬＷＰフィルタと、別のカットオフフィルタとをできれば保護被覆の形で用いることにより、以前の解決策に勝る大きな効果が得られる。第１に、これらの種類のフィルタは、帯域通過フィルタと比較して、フィルタ基板上に蒸着する薄膜層が少ないので、検出器の総原価をより低くすることができる。第２に、光学系は、通常光量が不足し、したがって、システム設計者は、特殊な材料で造られた高価な光センサを用いなければならないか、火炎検出器の範囲が制限されることを受け入れなければならない。しかしながら、ＬＷＰフィルタは、光センサに通過する光量を多くすることができ、したがって、特定の光センサの信号対雑音比を高めることができ、あるいはより安価な光センサを利用できる可能性がある。最後に、ＬＷＰフィルタは、入射角効果に起因した性能のシフトに対して感度が低い。
【００２０】
例えば、４μｍのカットオン波長を有するフィルタは、４μｍで１．１７％の帯域通過フィルタと比較して、入射角によるシフトが少ない。この具体例におけるＬＷＰフィルタは、４０°の入射角で約０．１μｍのシフトを起こし、一方、１．１７％の帯域通過フィルタは、約０．２３μｍのシフトを起こす。より大きな入射角による更なる性能の利点は、１．１７％の帯域通過フィルタのピーク透過率が略２倍低下するのに対して、ＬＷＰフィルタのピーク透過率がほとんど測定できない程度しか変化しないことである。要約すると、帯域通過フィルタと比較して、ＬＷＰフィルタを用いる利点は、コストであり、光センサに対する光強度が増加することであり、大きな入射角による非常に良好な性能である。
【００２１】
光センサの作用面は、関連する光センサの透過波長を検出するのに適したあらゆる材料から造ることができることに、注意すべきである。ある場合、光センサのスペクトル応答曲線は、当然、カットオフ波長を与えることになり、ＬＷＰフィルタと共に用いたとき、得られる機能は、非常に広い、すなわちおおよそ５μｍの帯域通過フィルタの機能である。他の場合、光センサのスペクトルのカットオフ波長は、コスト、大きさ、感度、動作温度範囲等と比較したとき、関係事項のうちの些細なものであり、光センサの有効カットオフ波長は、２０μｍ〜５０μｍの範囲にある。この場合、保護被覆又はＬＷＰフィルタ自体の基板材料の分光透過率は、これよりも非常に短い波長のカットオフ波長を与える虞がある。
【００２２】
火災検出装置１００は、それぞれのＬＷＰフィルタ１１１、１１３、１１５によって通過された波長に基づき、光センサ１０１、１０３、１０５によってＩＲエネルギを受光する。光センサ１０１、１０３、１０５からの全ての信号は、ＡＤＣ１２１に供給され、ＡＤＣ１２１は、アナログ信号をデジタル信号１０２に変換して出力し、デジタル信号１０２はプロセッサ１３１に供給される。プロセッサ１３１は、検出アルゴリズムに基づいてデジタル信号１０２を解析するプログラムを実行する。プロセッサ１３１は、ＡＤＣ１２１から入力電圧１０２を読み込み、必要に応じて、較正に基づく補正係数を適用し、２つの比を計算する。なお、最も広い有効通過帯域を有する検出器（第１の検出器）が特定の閾値よりも上にある場合、比が計算されるだけである。第１の比は、第２の光センサ１０３の電圧信号を第１の光センサ１０１の電圧信号によって除算したものであり、第２の比は、第３の光センサ１０５の電圧信号を第２の光センサ１０３の電圧信号によって除算したものである。第３の比は、第３の光センサ１０５の電圧信号を第１の光センサ１０１の電圧信号によって除算したものとすることができ、また、直接計算することもできるが、数学的には冗長である。２つの得られる比の値は、閾値と比較され、閾値が満たされる場合、プロセッサ１３１は、Ｉ／Ｏ１４１に警報を起動させるコマンド信号１０４を出す。これらの具体的な仕様を用いて、検出アルゴリズムは、比較のための閾値の具体的な値を含み、第１の比が約０．４０と約０．８５の間にあり、第２の比が０．８５以上の場合、警報を起動するコマンドを出す。
【００２３】
図３のグラフで示すフィルタの例示的な構成において、第１のフィルタ１１１（短波長）は、約２．３μｍと約２．８μｍの間のどこかに５０％のカットオン波長を有してもよい。第２のフィルタ１１３は、約３．２μｍと約３．８μｍの間に５０％のカットオン波長を有してもよい。しかしながら、第３のフィルタ１１５は、炭化水素炎（４．３μｍ）のピーク透過波長を含むので、５０％のカットオン波長は、４．１７μｍの約１％以内に存在しなければならない。検出アルゴリズムの閾値は、選択されたフィルタのカットオン波長に適合するように調整する必要があることは、言うまでもない。図４は、上述した検出器装置が検出可能な波長に対する有効範囲を示すために、単に、ＬＷＰのスペクトル応答曲線に炭化水素炎のスペクトル特性を並べて書いたものである。
【００２４】
上述した実施の形態は、３つのセンサと、関連したフィルタとを含み、２つの対応する数学的に独特な比を計算するアルゴリズムを有する。しかしながら、波長ＬＷＰフィルタ１１７を有する光センサ（図２の光センサ１０７）を追加して、誤警報の排除の更なるマージンを与えるようにしてもよい。これらは、炎の他のスペクトル特徴を識別するために、スペクトルのＵＶ、可視又はＩＲ部の様々な他の部分に追加することができる。これは、ＭＷＩＲ内に波長ＬＷＰフィルタ１１７を追加することを妨げず、それは、炎のスペクトルのこのようなそのスペクトルで重要な特徴が、それらの特徴を識別するために、光センサ１０７によってサンプリングされるように、単に波長ＬＷＰフィルタ１１７を配置する問題である。例えば、２．７μｍ、１．９μｍ及び更に１．４μｍの水の発光帯は、固有の炎サインの一部としてもよい。これらの波長の周りに更なるフィルタを配置することは、スペクトルが黒体のスペクトルに余りに類似したスペクトルで興味がない範囲にフィルタを設けることよりも有益である。黒体又は灰色体の放射は、多くの誤警報の原因である。
【００２５】
逆に、２つの波長ＬＷＰフィルタを利用することができるが、誤警報の数は極端に多くなる。したがって、上述した手法が２つの光センサだけで利用される場合、固有の第３の光センサが、誤警報を排除するのを助けるために必要となる。この固有な第３の光センサは、ＵＶ帯で動作し、検出器の物理的特性によってスペクトル的に限定された検出プロセスを有するガイガー／ミュラー検出器に類似したものであってもよい。ＧＭ検出器のこの検出プロセスは、それが太陽の波長に対して感度を有しないので、有効である。
【００２６】
それに加えて、検出アルゴリズムは、また、光センサの有効帯域幅、すなわちフィルタのカットオン波長から光センサの有効カットオフ波長までの帯域幅を用いて警報を起動するかを決定する、「分光光束比」と呼ばれる比の他のセットを計算してもよい。この方法は、各ＬＷＰフィルタから保護被覆によって与えられる共通のカットオフ波長までとして計算される有効帯域幅を用いて、比を計算する前に、各光センサからの各電圧を正規化することが必要である。このように、比較的狭い有効帯域幅を有する光センサ／フィルタの組合せからの大きな電圧レベルは、μｍ当たりのＶで測定されるように比較的大きな分光光束を生成する。逆に、比較的広い有効帯域幅を有する光センサ／フィルタの組合せからの比較的小さい信号は、比較的小さい分光光束を生成する。この方法は、単に、そのＬＷＰフィルタ及び保護被覆のカットオフ波長からの関連した帯域幅を考慮した各光センサからの信号を説明しようとする。例えば、第３の比は、第１の光センサの帯域幅によって除算された第１の光センサからの電圧として計算される。同様に、第４及び第５の比は、それぞれ、第２の光センサの帯域幅によって除算された第２の光センサの電圧であり、第３の光センサの帯域幅によって除算された第３の光センサの電圧である。理想的には、プロセッサは、全ての比を計算して、適切な閾値と比較するロジックを含むようにしなければならない。
【００２７】
フィルタを、上で提案した波長とは異なる波長に応答するように選択してもよいことは言うまでもない。図６は、フィルタの他の組合せのスペクトル応答曲線を、視覚的に示しており、例えば、短波長フィルタ１１１のスペクトル応答６１１は、約３．９３μｍ以上において、５０％以上で応答するようにしてもよい。第２のフィルタ１１３のスペクトル応答６１３は、約４．１７μｍ以上において、５０％以上で応答するようにしてもよく、第３のフィルタ１１５のスペクトル応答６１５は、約４．９６μｍ以上において、５０％以上で応答するようにしてもよい。また、サファイヤ保護ガラスのスペクトル透過率応答６５１は、ＬＷＰフィルタ１１１、１１３、１１５の組合せを示すこのグラフ中に含まれており、保護被覆１５１は、帯域通過フィルタの関連するコストなしで、約６μｍ以上のカットオフ波長を有する帯域通過フィルタを、事実上実現している。
【００２８】
３つのフィルタを用いる実施の形態において、第１のフィルタ１１１のカットオン波長は、それが、検出したい固有のスペクトル特徴のピーク波長の約−２５％の範囲内にあるように選択されてもよく、選択された波長は、第２のフィルタ１１３のカットオン波長未満である。例えば、炭化水素炎を検出するように求められる用途においては、このピーク位置は、約４．２５ｕｍである。この開示の利益を受ける当業者は、また、ピークの波長が、幾つかの大気成分の濃度だけではなく、炎から光センサまでの距離に依存すると認識することになる。したがって、フィルタ仕様を選択するときには、これらの要素を考慮すべきである。第２のフィルタ１１３のカットオン波長は、それが固有のスペクトルピークに非常に近く、例えば予測されるピーク波長の約＋／−１０％内に位置するように選択されるべきである。第３のフィルタ１１５のカットオン波長は、選択された波長が第２のフィルタ１１３のカットオン波長よりも長くなるように、固有のスペクトル特徴のピーク波長の約＋２５％以内にあるべきである。
【００２９】
保護被覆１５１を用いた実施の形態の場合、被覆材料は、用いる検出器に十分な信号対雑音比を与えるために、カットオフ波長が第３のフィルタ１１５のカットオン波長よりも長くなるように選択されるべきである。例えば、上述の例示的な実施の形態において、カットオフ波長は、第３のフィルタ１１５のカットオン波長の＋２５％を超える範囲内にあるべきである。高い検出感度（Ｄ＊）を示す検出器材料の場合、基準がカットオフ波長及びカットオン波長の両方の５０％の点にあるので、これは、非常に小さく、０％と同じくらい小さくてもよい。一方、炎とセンサ間の距離が増えるにつれて、５μｍと８μｍの間の透過率が非常に低下するので、空気は、カットオフフィルタとして機能する可能性がある。したがって、検出器が、例えば潜在的な火災源から５ｍ以上離れて置かれる可能性がある場合、カットオフフィルタとして機能する保護被覆は、必要ではなくてもよい。
【００３０】
プロセッサ１３１は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロコントローラ、メモリを有する中央処理装置（ＣＰＵ）又は他の適切な論理回路によって実現することができる。プロセッサ１３１は、コンピュータシステムを実質的に含む。このようなコンピュータシステムは、例えば、通信バスに接続された１つ以上のプロセッサを含む。また、コンピュータシステムは、主記憶装置、好ましくはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含むことができ、また、不揮発性の補助記憶装置を含むことができる。
【００３１】
補助記憶装置は、例えばハードディスク装置及び／又はリムーバブル記憶装置を含むことができる。リムーバブル記憶装置は、周知の方法で、リムーバブル記憶ユニットから読み出し及び／又は書き込む。リムーバブル記憶ユニットは、ディスク、磁気テープ、光ディスク等を表し、リムーバブル記憶装置によって読み出され、書き込まれる。リムーバブル記憶ユニットは、コンピュータソフトウェア及び／又はデータを記憶したコンピュータで使用可能な記憶媒体を含む。
【００３２】
補助記憶装置は、コンピュータプログラム又は他の命令をコンピュータシステムにロードすることができる他の同様な手段を含むことができる。このような手段は、例えば、リムーバブル記憶ユニットと、インタフェースとを含むことができる。このような手段の具体例は、リムーバブル記憶ユニットからソフトウェア及びデータをコンピュータシステムに転送することができるプログラムカートリッジ及びカートリッジインタフェース（例えばビデオゲーム機器で見ることができる）と、リムーバブルメモリチップ（例えばＥＰＲＯＭ又はＰＲＯＭ）及び関連するソケットと、他のリムーバブル記憶ユニット及びインタフェースとを含むことができる。
【００３３】
コンピュータプログラム（また、コンピュータ制御ロジックとも呼ばれる）は、主記憶装置及び／又は補助記憶装置に記憶されている。また、コンピュータプログラムは、通信インタフェースを介して受信することもできる。このようなコンピュータプログラムは、実行されたときに、コンピュータシステムに、ここで説明するような本発明の特定の機能を実行させることができる。特に、コンピュータプログラムは、実行されたときに、制御プロセッサに、本発明の機能の能力を実行及び／又は起こさせることができる。したがって、このようなコンピュータプログラムは、装置のコンピュータシステムのコントローラを表す。
【００３４】
発明がソフトウェアを用いて実施される実施の形態において、ソフトウェアは、コンピュータプログラム製品に格納され、リムーバブル記憶装置、メモリチップ又は通信インタフェースを用いて、コンピュータシステムにロードすることができる。制御ロジック（ソフトウェア）は、制御プロセッサによって実行されたとき、制御プロセッサに、ここで説明するような発明の特定の機能を実行させる。
【００３５】
他の実施の形態において、上述した検出装置の機能は、第１に、例えば、ハードウェア部品、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）を用いたハードウェアによって実現される。ここで説明する機能を実行するために、ハードウェアステートマシンを実装することは、当業者にとって明らかである。更に他の一実施の形態において、火炎検出装置の機能は、ハードウェア及びソフトウェアの組合せを用いて、上述した原理に基づき、実現することができる。
【００３６】
上述し、関連する図面に示すように、本発明は、ＬＷＰＩＲフィルタを用いた火災検出装置を含む。発明の特定の実施の形態を説明したが、当業者によって、特に上述した教示に照らして、変更することができるので、発明は、それに限定されないことは理解される。したがって、それらの機能、あるいは本発明の精神及び範囲を実現するそれらの改良を組み込みあらゆるこのような変更は、添付の特許請求の範囲に含まれる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のスペクトル応答を有する第１の長波長通過フィルタを含む第１の光センサと、
第２のスペクトル応答を有する第２の長波長通過フィルタを含む第２の光センサと、
第３のスペクトル応答を有する第３の長波長通過フィルタを含む第３の光センサとを含み、
上記第３のスペクトル応答は、上記第２のスペクトル応答の部分集合であり、該第２のスペクトル応答は、上記第３のスペクトル応答の部分集合である火災検出装置。
【請求項２】
保護被覆を更に含む請求項１記載の火災検出装置。
【請求項３】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、約２．３μｍと約２．８μｍの間にあり、該第２の最短波長は、約３．２μｍと約３．８μｍの間にあり、該第３の最短波長は、４．１７μｍの約１％以内にある請求項１記載の火災検出装置。
【請求項４】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、約３．９３μｍであり、該第２の最短波長は、約４．１７μｍであり、該第３の最短波長は、約４．９６μｍである請求項１記載の火災検出装置。
【請求項５】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、所定のピーク波長の２５％未満に過ぎず、該第２の最短波長は、該ピーク波長の１０％以内にあり、該第３の最短波長は、該ピーク波長の２５％以上に過ぎない請求項１記載の火災検出装置。
【請求項６】
カットオフ波長以下の波長のエネルギだけが通過するようなスペクトル透過率を有する保護被覆を更に含む請求項５記載の火災検出装置。
【請求項７】
上記カットオフ波長は、上記第３の最短波長の２５％以上に過ぎない請求項６記載の火災検出装置。
【請求項８】
上記第１、第２及び第３の光センサから受信された第１、第２及び第３の信号を解析して、コマンド信号及び該コマンド信号に応答して出力を出すコンピュータベースのプロセッサを更に含む請求項１記載の火災検出装置。
【請求項９】
上記コンピュータベースのプロセッサは、当該プロセッサに命令して、検出方法を実行させる制御ロジックが設定されたコンピュータで読取り可能な媒体を含み、
上記検出方法は、
上記第１の信号に対する上記第２の信号の比である第１の比を、第１の閾値と比較し、
上記第２の信号に対する上記第３の信号の比である第２の比を、第２の閾値と比較する請求項８記載の火災検出装置。
【請求項１０】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、所定のピーク波長の２５％未満に過ぎず、該第２の最短波長は、該ピーク波長の１０％以内にあり、該第３の最短波長は、該ピーク波長の２５％以上に過ぎない請求項９記載の火災検出装置。
【請求項１１】
上記検出方法は、更に、
上記第１のスペクトル応答に対する上記第１の信号の比である第３の比を、第３の閾値と比較し、
上記第２のスペクトル応答に対する上記第２の信号の比である第４の比を、第４の閾値と比較し、
上記第３のスペクトル応答に対する上記第３の信号の比である第５の比を、第５の閾値と比較する請求項１０記載の火災検出装置。
【請求項１２】
上記コンピュータベースのプロセッサは、当該プロセッサに命令して、検出方法を実行させる制御ロジックが設定されたコンピュータで読取り可能な媒体を含み、
上記検出方法は、
上記第１のスペクトル応答に対する上記第１の信号の比である第１の比を、第１の閾値と比較し、
上記第２のスペクトル応答に対する上記第２の信号の比である第２の比を、第２の閾値と比較し、
上記第３のスペクトル応答に対する上記第３の信号の比である第３の比を、第３の閾値と比較する請求項８記載の火災検出装置。
【請求項１３】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、所定のピーク波長の２５％未満に過ぎず、該第２の最短波長は、該ピーク波長の１０％以内にあり、該第３の最短波長は、該ピーク波長の２５％以上に過ぎない請求項１２記載の火災検出装置。
【請求項１４】
約２μｍと８μｍの間の波長で固有のスペクトル応答をそれぞれ有する少なくとも３つのセンサを含み、
上記センサのうちの１つは、約４．１７μｍの波長以上のスペクトル応答を有し、該１つのセンサのスペクトル応答は、他のセンサのスペクトル応答内に含まれる火災検出器。
【請求項１５】
カットオフ波長以下の波長のエネルギだけが通過するようなスペクトル透過率を有する保護被覆を更に含む請求項１４記載の火災検出器。
【請求項１】
第１のスペクトル応答を有する第１の長波長通過フィルタを含む第１の光センサと、
第２のスペクトル応答を有する第２の長波長通過フィルタを含む第２の光センサと、
第３のスペクトル応答を有する第３の長波長通過フィルタを含む第３の光センサとを含み、
上記第３のスペクトル応答は、上記第２のスペクトル応答の部分集合であり、該第２のスペクトル応答は、上記第３のスペクトル応答の部分集合である火災検出装置。
【請求項２】
保護被覆を更に含む請求項１記載の火災検出装置。
【請求項３】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、約２．３μｍと約２．８μｍの間にあり、該第２の最短波長は、約３．２μｍと約３．８μｍの間にあり、該第３の最短波長は、４．１７μｍの約１％以内にある請求項１記載の火災検出装置。
【請求項４】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、約３．９３μｍであり、該第２の最短波長は、約４．１７μｍであり、該第３の最短波長は、約４．９６μｍである請求項１記載の火災検出装置。
【請求項５】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、所定のピーク波長の２５％未満に過ぎず、該第２の最短波長は、該ピーク波長の１０％以内にあり、該第３の最短波長は、該ピーク波長の２５％以上に過ぎない請求項１記載の火災検出装置。
【請求項６】
カットオフ波長以下の波長のエネルギだけが通過するようなスペクトル透過率を有する保護被覆を更に含む請求項５記載の火災検出装置。
【請求項７】
上記カットオフ波長は、上記第３の最短波長の２５％以上に過ぎない請求項６記載の火災検出装置。
【請求項８】
上記第１、第２及び第３の光センサから受信された第１、第２及び第３の信号を解析して、コマンド信号及び該コマンド信号に応答して出力を出すコンピュータベースのプロセッサを更に含む請求項１記載の火災検出装置。
【請求項９】
上記コンピュータベースのプロセッサは、当該プロセッサに命令して、検出方法を実行させる制御ロジックが設定されたコンピュータで読取り可能な媒体を含み、
上記検出方法は、
上記第１の信号に対する上記第２の信号の比である第１の比を、第１の閾値と比較し、
上記第２の信号に対する上記第３の信号の比である第２の比を、第２の閾値と比較する請求項８記載の火災検出装置。
【請求項１０】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、所定のピーク波長の２５％未満に過ぎず、該第２の最短波長は、該ピーク波長の１０％以内にあり、該第３の最短波長は、該ピーク波長の２５％以上に過ぎない請求項９記載の火災検出装置。
【請求項１１】
上記検出方法は、更に、
上記第１のスペクトル応答に対する上記第１の信号の比である第３の比を、第３の閾値と比較し、
上記第２のスペクトル応答に対する上記第２の信号の比である第４の比を、第４の閾値と比較し、
上記第３のスペクトル応答に対する上記第３の信号の比である第５の比を、第５の閾値と比較する請求項１０記載の火災検出装置。
【請求項１２】
上記コンピュータベースのプロセッサは、当該プロセッサに命令して、検出方法を実行させる制御ロジックが設定されたコンピュータで読取り可能な媒体を含み、
上記検出方法は、
上記第１のスペクトル応答に対する上記第１の信号の比である第１の比を、第１の閾値と比較し、
上記第２のスペクトル応答に対する上記第２の信号の比である第２の比を、第２の閾値と比較し、
上記第３のスペクトル応答に対する上記第３の信号の比である第３の比を、第３の閾値と比較する請求項８記載の火災検出装置。
【請求項１３】
上記第１、第２及び第３のスペクトル応答は、上記各長波長通過フィルタがそれ以上で５０％の透過率で少なくとも応答するそれぞれの第１、第２及び第３の最短波長で規定され、該第１の最短波長は、所定のピーク波長の２５％未満に過ぎず、該第２の最短波長は、該ピーク波長の１０％以内にあり、該第３の最短波長は、該ピーク波長の２５％以上に過ぎない請求項１２記載の火災検出装置。
【請求項１４】
約２μｍと８μｍの間の波長で固有のスペクトル応答をそれぞれ有する少なくとも３つのセンサを含み、
上記センサのうちの１つは、約４．１７μｍの波長以上のスペクトル応答を有し、該１つのセンサのスペクトル応答は、他のセンサのスペクトル応答内に含まれる火災検出器。
【請求項１５】
カットオフ波長以下の波長のエネルギだけが通過するようなスペクトル透過率を有する保護被覆を更に含む請求項１４記載の火災検出器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１２−５３１５８６（Ｐ２０１２−５３１５８６Ａ）
【公表日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１７５３６（Ｐ２０１２−５１７５３６）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３５５７０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１５１３８６
【国際公開日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【出願人】（５１１３１４４０７）ポラリス センサー テクノロジーズ インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３５５７０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１５１３８６
【国際公開日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【出願人】（５１１３１４４０７）ポラリス センサー テクノロジーズ インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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