JPS5934252B2 - 炎感知器 - Google Patents

炎感知器

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JPS5934252B2
JPS5934252B2 JP51117920A JP11792076A JPS5934252B2 JP S5934252 B2 JPS5934252 B2 JP S5934252B2 JP 51117920 A JP51117920 A JP 51117920A JP 11792076 A JP11792076 A JP 11792076A JP S5934252 B2 JPS5934252 B2 JP S5934252B2
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俊作 中内
昭房 高橋
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Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
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Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
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    • G08B17/12Actuation by presence of radiation or particles, e.g. of infrared radiation or of ions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00Systems for controlling combustion
    • F23N5/02Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23N2229/06Flame sensors with periodical shutters; Modulation signals

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炎から発せられる特有の赤外放射線を検出して
炎の燃焼状態を感知する炎感知器に関するものである。
従来裸の炎から発せられる放射線の中には、炎にのみ特
有の炭酸ガスの共鳴放射による2μ付近及び4.3〜4
.4μ付近の中赤外線が強く含まれていることが発見さ
れていた。
又赤い炎の中には固体の有難炭素が存在して、これが赤
熱されて連続スペクトルを放射することもよく知られて
いた。本発明はこれらの事実を利用して炎の燃焼状態が
青白い完全燃焼の状態にあるか、赤い炎であるか、黒煙
をあげて燃えている不完全燃焼状態にあるか、又その大
きさはどれ位であるかを感知する炎感知器に関し、燃焼
器における炎の状態を常に監視し、適当な量の空気或は
酸素を供給するようにする為のセンサとして用いたり、
化学プラント等のフレアスタツクにおける炎の状態を常
時監視して黒煙をあげて燃えて公害の原因となつたりす
ることを避けて適当な燃焼状態を保つためのセンサ等に
用い得る炎感知器に関するものである。従来炎の存在を
感知する炎感知器は多種類作られていたが、燃焼状態が
完全燃焼か或は不完全燃焼であるか或は炎の大きさがど
れ位であるかという炎の状態を細かく感知する炎感知器
はなく、従来化学プラントのフレアスタツクの炎の監視
に用いられていた方法は工業用カラーテレビで遠隔から
監視する方式であつた。しかしこのような方法は結局人
間の視覚に頼るものであり、このような監視作業は不断
の緊張状態を人間に要求するもので完全な監視は難しく
、又燃焼状態を自動的に制御するのにも適していなかつ
た。本発明は上述の欠点を除き、炎の燃焼状態の自動監
視を可能にし、炎の燃焼状能の自動制御をも可能にする
炎感知器を提供することを目的とする。
以下本発明の詳細を説明する。第1図に炎の燃焼状態の
変化による炎からのスペクトルの実測結果を示す。
第1図は炎の近傍数メートル以下の所から観察した結果
である。第1図で横軸は放射線の波長、縦軸は放射線の
強度を示す。なお炎は紫外部に至る迄の広いスペクトル
を有しているが、本発明は感知器のS/Nを向上させる
為に自然界或は人工照明光等には比較的少ない中赤外域
の波長の放射を利用しているので第1図もその範囲の波
長範囲についてのみ示してある。第1図a曲線に示した
ように青白い炎をあげて完全燃焼している炎からは4.
4μの波長の放射が強く観測される。
この場合4.4μの近傍例えは3.8μ付近での放射は
弱い。4.4μ近傍の波長の代表として3.8μでの強
度をとり、それに対する4.4μでの放射強度の比率を
とると10〜30位の値を示す。
次に炭素を多く含む燃料例えばガソリンのようなものを
燃焼させて赤い炎にすると第1図b曲線のように変化し
4.4μと3.8μでの放射強度の比率は2〜4位に変
化する。
一方4。4μの放射強度は上述の二つの燃焼状態を通じ
て同じ程度の発熱量の炎に対してほぼ同じ程度である。
上述のように4.4μの波長と近傍、例えば3.8μの
波長における両方の波長の炎の放射を観測すると炎の燃
焼状態を知り得る。
4.3μ又は4.4μの炎からの炎からのCO2の共鳴
放射は空気中に存在するCO2によつて選択的に吸収さ
れるので、炎から観測点迄の距離が長くなると上述の4
.4μと3.8μの比率は変化する。
何故なら−3.8μの付近の波長は空気中のCO2又は
H2O等による吸収が非常に少ない波長であるのに対し
て4.4μ近傍はCO2で大きく吸収されるからである
。従つて炎の燃焼状況を4.4μとその付近の波長の強
度の比で検出する場合、炎からの距離を計算に入れて較
正する必要がある。
一次に一例として化学プラントのフレアスタツクにおけ
る炎の燃焼状態を監視した結果を述べる。
このフレアスタツクは高さが80mでその先端の直径は
1mで通常はその先端で高さ1m位の炎が略完全燃焼に
近い状態で燃えているが、時々数m〜数10mの炎が発
生し、多量の黒煙を出すこともある。このフレアスタツ
クから200m離れた場所に本発明の炎感知器をおき4
.4μと4.0μと3.8μの三つの波長帯の放射強度
と燃焼状態を示すと次の表のようである。表に示したよ
うに炎が完全燃焼をしているか、赤い炎であるか、黒煙
をあげて燃えているかは4.4μと3.8μの比から感
知すること力咄来る。
又このF+ホン化給ゆ頓暑吉は索基頓螢たの両方から燃
料の炭素含有量例えば燃料がメタンかへキサンか等の見
当もつけ得る。この表で完全燃焼をしている時の比率が
第1図の数mの距離の場合は10〜30倍であつたが、
200mのこの表では2.5〜3になつているのは4.
4μの波長の放射が、大気中のCO2によつて炎から観
測点迄の200mの間で選択的に吸収されているためで
ある。
この理由から観測距離に応じて比率のもつている意味が
異なつて来るが、大気中のCO2の量は略一定であるた
めにその吸収は距離にのみ依存する量であるからその補
正は簡単である。
本発明は上述した炎の中赤外領域における放射の特異性
を利用して炎の燃焼状態を感知するものである。
第2図にその構造概略図を示す。
第2図で1は観測されるべき炎、2と3は夫々異なつた
波長の放射を通すバンドパスフイルタ、4はバンドパス
フイルタを付けた円板、5は円板を回転させる駆動軸、
6は駆動モータ、7はバンドパスフイルタ4を通過した
放射線の強度を測定する光電変換装置(受光素子)、8
は台座である。
光電変換装置7は複数ケのバンドパスフイルタに対して
はただ1ケだけ設けられる。この光電変換装置7は回転
板4が回転した時、バンドパスフイルタ2,3が交互に
その直前に来るような位置に設けられている。即ち光電
変換装置7は炎をバンドパスフイルタ2と3を交互に通
してみることになる。
従つてバンドパスフイルタ2と3を使つたときの光電変
換装置7の出力をE2,E3とすれば、E2とE3は第
3図に示されるようになる。第3図で横軸は時間を表わ
し、縦軸は光電変換装置7の出力を表わしている。
光電変換装置7にはPbSeのような半導体や薄膜サー
ミスタや焦電効果素子が用いられる。これらの出力をサ
ンプリング回路を通して計算回路に送れば一つの光電変
換装置で複数ケのバンドパスフイルタからの受光量を測
定出来る。
このことは次のような利点を生む。一般に赤外線の受光
に用いられる受光素子は高価であるが、この高価な素子
をバンドパスフイルタ1ケについて1ケづつ用いるのに
比して唯一つに減少させられるので経済的である。受光
素子は一般に周囲温度によつて感度を変えるが、この変
化の割合は個々の受光素子によつて厳密には広い温度範
囲に亘つて一定ではない。
従つてノマンドノマスフイルタ1ケについて1ケづつの
受光素子を設けるとこの温度係数の差によるノイズが発
生し、それが感知器の感度の上限をおさえることとなり
、高感度のものを得られなくなる。唯一つの受光素子で
受光すればこの問題は消える。又複数ケの受光素子の熱
時定数を完全に一定にすることは不可能であり、これも
周囲温度が変化した場合のノイズの原因となるが受光素
子が一つならこの問題もない。上述のように唯一つの受
光素子7の前を複数ケのバンドパスフイルタを回転させ
ることによつて複数の波長帯域の強度を良好なS/N比
のもとに安価に測定出来る。
第3図に示した受光素子7の出力はサンプリング回路を
通して計算回路に送られ、そてで各波長の強度の比と各
強度の絶対値が読みとられる。
その代表的回路構成のプロツク図を第4図にあげる。第
4図で9と10はゲート回路、11はフイルタ円板の回
転位置のセンサ、12はセンサ11よりの信号により入
力より信号をとり込むタイミングを決定するサンプリン
グパルスの発生器で、タイミングを指定してゲート9と
10を適当な時刻に開いて信号をとり込む。
13は割算器、15は炎から感知器迄の距離に応じて割
算器の演算を補正する回路で、一例をがげれば4.4μ
の増巾器のゲインを調整する回路等が用いられる。
16,17は出力回路で、炎の制御用の信号或は警報用
の信号を送出する。
第4図の割算器13はゲート9及び10より送り込まれ
る夫々バンドパスフイルタ2と3を通過した放射強度に
比例した入力を受け入れて前述した4.4μの強度とそ
の近傍で炭酸ガスの共鳴放射帯を含まない波長の例えば
3.8μとの強度の比を算出して出力する。
この割算回路で受光素子7が一つであるためその温度変
化による感度変化の影響は完全に消去出来る。この出力
は表に示したように炎が完全燃焼を行なつているか、黒
煙を出して燃えているかを示す出力となる。
炎と感知器間の距離による補正が必要なので補正回路1
5を用いる。4.4.μの波長の大気中における減衰の
割合は、距離0のときの強さを1,0としたとき100
mで0.48、200mで0.32、500mで0.1
2位である。
炎が燃焼する時黒煙を含んでいるか否か等の情報と同時
に炎の大きさを知る必要がある場合がある。この時には
加算回路14が有効である。炎の大きさの中で単位時間
の発生熱量は4.4μの波長強度とほぼ比例するが、見
掛けの大きさを代表する数値としては、4.4μと3.
8μの両波長の強度の和が比較的適当である。4.4μ
mの波長信号の大きさは完全燃焼の時の炎の大きさを示
すが、不完全燃焼の時の炎の大きさは示さない。
この時は3.8μの波長の信号がその炎の大きさを示し
ている。即ち不完全燃焼の時は3.8μの信号、完全燃
焼の時は4。4μの信号の大きさによつて炎の大きさが
知られるので、この両者の信号の和をとつておくと、完
全燃焼でも不完全燃焼でもその炎の大きさを知り得る。
従つて加算回路14を設けると炎の大きさも併せて知る
ことが出来る。上述したように本発明によるときは、炭
酸ガスの共鳴放射の波長をその中の一つとして含む複数
ケの赤外領域のバンドパスフイルタを塔載した回転円板
4と、該円板上の複数ケのバンドパスフイルタ2,3を
通した放射の強さを測定する唯一つの光電変換装置7と
光電変換装置7の出力を割算する演算回路を設けること
により、高感度で広い温度範囲に亘つて炎の燃焼状態を
感知出来る炎感知器を得ることができ、更に前記バンド
パスフイルタの出力の加算回路14を設けることにより
炎の大きさをも感知することの出来る炎感知器が得られ
、その実用上の効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は炎の赤外領域のスペクトルを示す図、第2図は
本発明の炎感知器の概略構造図、第3図は光電変換装置
からの出力図、第4図は信号処理回路の一例を示すプロ
ツク図である。 1・・・・・・炎、2,3・・・・・・バンドパスフイ
ルタ、4・・・・・・回転円板、7・・・・・・光電変
換装置、13・・・・・・割算回路、14・・・・・・
加算回路、15・・・・・・距離補正回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 炭酸ガスの共鳴放射の波長を含む赤外領域のバンド
    パスフィルタと該波長を含まない赤外領域のバンドパス
    フィルタを設けた回転板と、前記バンドパスフィルタを
    通して放射の強さを測定する1個の光電変換装置と、前
    記炭酸ガスの共鳴放射の波長を含む該光電変換装置の出
    力と該波長を含まない該光電変換装置の出力の比をとる
    割算回路と、前記出力の和をとる加算回路を備えたこと
    を特徴とする炎感知器。
JP51117920A 1976-10-02 1976-10-02 炎感知器 Expired JPS5934252B2 (ja)

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FR7725131A FR2366550A1 (fr) 1976-10-02 1977-08-17 Detecteur de flamme
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CH (1) CH618265A5 (ja)
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