JP5166991B2 - Airborne particle measurement system - Google Patents
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Description
本発明は、監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する浮遊粒子測定システムに関するものである。 The present invention relates to a suspended particle measuring system for measuring the concentration of suspended particles present in a monitoring space.
従来から、たとえば煙濃度を測定することによる火災の発生の有無の判断や、半導体の製造プロセスで使用されるクリーンルームの状態の管理などを目的として、監視空間に存在する浮遊粒子(煙粒子、粉塵、湯気など)の濃度を測定する浮遊粒子測定システムが提案されている。 Conventionally, suspended particles (smoke particles, dust, etc.) that exist in the monitoring space are used for the purpose of determining the presence or absence of a fire by measuring the smoke concentration, for example, and managing the state of the clean room used in the semiconductor manufacturing process. Suspended particle measurement systems that measure the concentration of steam, steam, etc.) have been proposed.
この種の浮遊粒子測定システムとしては、レーザ光の浮遊粒子による散乱光を用いて浮遊粒子の濃度(個数)を測定するものが知られている(たとえば特許文献1、特許文献2参照)。ここにおいて、特許文献1に記載の浮遊粒子測定システムは、レーザ光を分波器により2分した一方のレーザ光を浮遊粒子に照射して散乱光を生じさせ、他方のレーザ光を周波数偏移させた後に前記散乱光と合成し、当該合成光を光検出器で受光してビート信号を検出、処理する光ヘテロダイン法を用いて浮遊粒子の個数を計測する。一方、特許文献2に記載の浮遊粒子測定システムは、レーザ発振器から発せられたレーザ光を複数の鏡面を備えたポリゴンミラーにより走査させ、走査光の浮遊粒子による散乱光を矩形の開口部を有するマスクを介してCCDカメラにより検出し、検出された散乱光に基づき浮遊粒子の濃度を測定する。
As this type of suspended particle measuring system, a system that measures the concentration (number) of suspended particles using scattered light of suspended particles of laser light is known (see, for example,
ところで、上述したようにレーザ光の浮遊粒子による散乱光を用いる浮遊粒子測定システムは、レーザ光源と光検出器(あるいはCCDカメラ)の他にレーザ光を分波する分波器やレーザ光を走査させるポリゴンミラーなどの光学部材が必要となり、システムが大掛かりで大型且つ高価なものになるという問題がある。 By the way, as described above, the suspended particle measurement system using the scattered light by the suspended particles of the laser beam scans the demultiplexer for dividing the laser beam and the laser beam in addition to the laser light source and the photodetector (or CCD camera). There is a problem that an optical member such as a polygon mirror is required, and the system is large, large, and expensive.
上述した散乱光を用いる浮遊粒子測定システムの問題点を解決するために、本出願人は、音波(たとえば超音波)を用いて浮遊粒子の濃度を測定する浮遊粒子測定システムを提案している。 In order to solve the problems of the suspended particle measuring system using the scattered light described above, the present applicant has proposed a suspended particle measuring system that measures the concentration of suspended particles using sound waves (for example, ultrasonic waves).
この浮遊粒子測定システムは、図18に示すように、音波を送波可能な音源部1と、音源部1を制御する制御部(図示せず)と、音源部1から送波された音波の音圧を検出する受波素子3と、受波素子3の出力に基づいて音源部1と受波素子3との間の監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する信号処理部(図示せず)とを備える。信号処理部は、受波素子3の出力の基準値からの減衰量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段を有する。すなわち、監視空間に粒子が入り込むと音源部1からの音波は受波素子3に到達するまでに音圧が低下し、受波素子3の出力の減衰量は監視空間の浮遊粒子の濃度に略比例して増加するので、この減衰量に基づき浮遊粒子の濃度を推定することで、火災の有無を判断することができる。
As shown in FIG. 18, the suspended particle measurement system includes a
上述の音波式の浮遊粒子測定システムでは、散乱光を用いる浮遊粒子測定システムに必要な光学部材が不要であるから、システムを簡略化でき小型且つ安価なものとすることが可能になる。 In the above-described acoustic wave type floating particle measurement system, an optical member necessary for the floating particle measurement system using scattered light is not required. Therefore, the system can be simplified and can be made small and inexpensive.
ただ、上述した音波式の浮遊粒子測定システムでは、音源部1や受波素子3の経時変化(たとえば、経年劣化)や周囲環境の変化(たとえば、温度、湿度、気圧などの変化)に起因して音源部1や受波素子3に特性変化が生じ、監視空間の浮遊粒子の濃度にかかわらず受波素子3の出力の基準値からの減衰量が変動することで、結果的に濃度測定の確度が低くなる可能性がある。
However, in the above-described sonic-type suspended particle measurement system, the
そこで、本出願人は、それぞれ経路長の異なる伝播経路を通して音源部1から受波素子3に伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出手段を信号処理部に付加し、濃度推定手段において前記音圧比の初期値からの変化量に基づき監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する構成をさらに考えている。具体的には、互いに離間距離の異なる2組の音源部1a,1b(図1参照)および受波素子3a,3b(図1参照)を設け、経路長L1の伝播経路を通して一方の音源部1aから受波素子3aに伝わる音波の音圧と、経路長L2(>L1)の伝播経路を通して他方の音源部1bから受波素子3bに伝わる音波の音圧との比を音圧比として音圧比算出手段で算出する。
Therefore, the present applicant adds sound pressure ratio calculating means for calculating the sound pressure ratio between a plurality of sound waves propagated from the
この構成では、経時変化や周囲環境の変化に応じて音源部1や受波素子3に特性変化が生じたとしても、当該特性変化は伝播経路長の異なる前記複数の音波に一律に影響するため、音圧比算出手段で算出される音圧比に影響することはない。したがって、前記音圧比の初期値からの変化量に基づいて浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段においては、経時変化や周囲環境の変化に起因した音源部1や受波素子3の特性変化の影響を受けることなく浮遊粒子の濃度を推定することができ、結果的に、音源部1や受波素子3に生じる前記特性変化の影響で濃度測定の確度が低下することはない。
ところで、音波は空気中を伝播する際、空気中における吸収減衰および拡散減衰により音圧が低下するため、音波式の浮遊粒子測定システムでは、音源部1から送波された音波は受波素子3に到達するまでの間に音圧が低下する。ここに、吸収減衰および拡散減衰による音圧の低下率B1,B2はいずれも伝播経路の経路長xの関数として表すことができ、吸収減衰による音圧低下率B1はB1=e−α・x、拡散減衰による音圧低下率B2は1/(2πx)で表される。要するに、音源部1から送波される音波の音圧をP0とすれば、受波素子3で受波される音圧Pxは、以下の式で表される。
By the way, when the sound wave propagates in the air, the sound pressure decreases due to absorption attenuation and diffusion attenuation in the air. Therefore, in the sound wave type suspended particle measurement system, the sound wave transmitted from the
ここにおいて、上式中のαは空気による音波の吸収減衰の減衰係数であって、当該減衰係数αは、媒質となる空気の温度、湿度、気圧と、音波の周波数との関数で表されることが知られている(参考文献1:H.E.Bass 外、「Atmospheric absorption ofsound:Further developments」、The Journal of theAcoustical Society of America、1995、Volume 97、Issue 1、p.680−683)。そのため、前記減衰係数αは、周囲環境の変化(たとえば、温度、湿度、気圧などの変化)に起因して変化することがある。
Here, α in the above formula is an attenuation coefficient of absorption and attenuation of sound waves by air, and the attenuation coefficient α is expressed as a function of the temperature, humidity, and atmospheric pressure of air as a medium and the frequency of sound waves. (Reference 1: HEBass et al., “Atmospheric absorption of sound: Further developments”, The Journal of the Acoustic Society of America, 1995, Volume 97,
そして、減衰係数αが変化すると、監視空間の浮遊粒子の濃度にかかわらず前記音圧比が変動することがある。すなわち、減衰係数αが変化したときに、受波素子3で受波される音波の吸収減衰による音圧低下率B1は変化するが、伝播経路の経路長xが異なる複数の音波間では前記音圧低下率B1の変化量に差が生じるので、減衰係数αが変化することで前記音圧比が変動し、結果的に濃度測定の確度が低下する可能性がある。
When the attenuation coefficient α changes, the sound pressure ratio may fluctuate regardless of the concentration of suspended particles in the monitoring space. That is, when the attenuation coefficient α is changed, the sound pressure reduction rate B 1 due to absorption attenuation of sound waves received at the
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、周囲環境の変化に起因した減衰係数の変化の影響で濃度測定の確度が低下することのない浮遊粒子測定システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and an object thereof is to provide a suspended particle measurement system in which the accuracy of concentration measurement does not decrease due to the influence of a change in attenuation coefficient due to a change in the surrounding environment. And
請求項1の発明は、音波を送波可能な音源部と、音源部を制御する制御部と、音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、受波素子の出力に基づいて音源部と受波素子との間の監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する信号処理部とを備え、信号処理部が、監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して音源部から受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出手段と、音圧比算出手段で算出される音圧比に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段と、浮遊粒子がない状態での前記監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定手段と、減衰係数推定手段で推定される減衰係数に基づき、当該減衰係数の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する音圧比補正手段と、前記監視空間における音速を求める音速計測手段とを有し、前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子が各反射面上にそれぞれ配置され、各反射面が、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなり、前記音圧比算出手段が、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波との間の音圧比を算出し、前記音圧比補正手段が、音速計測手段で得られた音速に基づき、当該音速の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正することを特徴とする。
The invention according to
この構成によれば、減衰係数推定手段は、監視空間での空気による音波の吸収減衰の減衰係数を推定し、音圧比補正手段では、前記減衰係数の変化に起因する音圧比の変動分を取り除くように音圧比を補正するので、周囲環境の変化に起因して減衰係数が変化することがあっても、当該減衰係数の変化による音圧比の変化は濃度推定手段で推定される浮遊粒子の濃度には影響しない。結果的に、周囲環境の変化に起因した減衰係数の変化の影響で濃度測定の確度が低下することはない。
また、この構成によれば、単一の音源部から送波された音波を経路長の異なる伝播経路を通して単一の受波素子に伝播させることができ、単一の音源部から送波され単一の受波素子で受波される複数の音波間の音圧比を算出することができる。したがって、算出される音圧比は複数の音源部間に生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子間に生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがなく、結果的に音圧比の算出精度が向上する。しかも、音源部から同時に送波された音波について音圧比を算出するので、算出される音圧比は音源部の駆動タイミングによって生じる音圧のばらつきの影響を受けることもない。さらに、反射面を用いることにより経路長に対して相対的に浮遊粒子測定システムの小型化を図ることができる。また、各反射面が、前記音源部からの音波をそれぞれ1回ずつ反射して前記受波素子に集音する形に湾曲した凹曲面からなるから、反射面での反射を繰り返しても音波が拡散しにくく、したがって、音源部と受波素子との間における音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。その結果、監視空間中に浮遊粒子がない状態において受波素子で受波される音波の音圧を高く維持でき、浮遊粒子の濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量が比較的大きくなり、SN比が向上するという利点がある。
According to this configuration, the attenuation coefficient estimating means estimates the attenuation coefficient of the sound wave absorption attenuation by air in the monitoring space, and the sound pressure ratio correcting means removes the fluctuation of the sound pressure ratio due to the change of the attenuation coefficient. Thus, even if the attenuation coefficient may change due to changes in the surrounding environment, the change in the sound pressure ratio due to the change in the attenuation coefficient is the concentration of suspended particles estimated by the concentration estimation means. Does not affect. As a result, the accuracy of concentration measurement does not deteriorate due to the influence of the change in the attenuation coefficient due to the change in the surrounding environment.
Further, according to this configuration, a sound wave transmitted from a single sound source unit can be propagated to a single receiving element through propagation paths having different path lengths. A sound pressure ratio between a plurality of sound waves received by one receiving element can be calculated. Therefore, the calculated sound pressure ratio is not affected by variations in characteristic changes that occur between multiple sound source units or variations in characteristics that occur between multiple receiving elements, and as a result, the sound pressure ratio is calculated. Accuracy is improved. In addition, since the sound pressure ratio is calculated for the sound waves simultaneously transmitted from the sound source unit, the calculated sound pressure ratio is not affected by variations in sound pressure caused by the driving timing of the sound source unit. Further, the use of the reflective surface can reduce the size of the suspended particle measurement system relative to the path length. In addition, each reflecting surface is formed of a concave curved surface that is curved so as to collect the sound wave from the sound source unit once and collect the sound on the receiving element. Difficult to diffuse, and therefore, it is possible to suppress a decrease in sound pressure due to diffusion of sound waves between the sound source unit and the receiving element. As a result, the sound pressure of the sound wave received by the receiving element can be maintained high when there is no suspended particle in the monitoring space, and the amount of change in the output of the receiving element relative to the amount of change in the concentration of the suspended particles is relatively large. Thus, there is an advantage that the SN ratio is improved.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記信号処理部が、前記監視空間における温度と湿度と気圧との少なくとも1つをパラメータとして計測するパラメータ取得手段を具備し、前記減衰係数推定手段が、前記パラメータを用いて前記減衰係数を推定することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the signal processing unit includes parameter acquisition means for measuring at least one of temperature, humidity, and atmospheric pressure in the monitoring space as a parameter, and the attenuation coefficient estimation. The means estimates the attenuation coefficient using the parameter.
この構成によれば、監視空間における温度と湿度と気圧との少なくとも1つをパラメータとして減衰係数を推定するので、比較的簡単な方法で取得可能なパラメータを用いながらも、減衰係数を精度よく推定することができる。
請求項3の発明は、音波を送波可能な音源部と、音源部を制御する制御部と、音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、受波素子の出力に基づいて音源部と受波素子との間の監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する信号処理部とを備え、信号処理部は、監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して音源部から受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出手段と、音圧比算出手段で算出される音圧比に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段と、浮遊粒子がない状態での前記監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定手段と、減衰係数推定手段で推定される減衰係数に基づき、当該減衰係数の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する音圧比補正手段と、前記監視空間における温度と湿度と気圧との少なくとも1つをパラメータとして計測するパラメータ取得手段とを有し、前記減衰係数推定手段が、前記パラメータを用いて前記減衰係数を推定し、前記受波素子が、互いに対向配置された固定電極および可動電極と、気圧が一定に維持されている基準圧室と前記監視空間とを隔てる隔壁とを有し、可動電極が前記隔壁の一部に配設され、隔壁が監視空間側から音波を受けることで可動電極と固定電極との距離が変化し可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する静電容量型受波素子からなり、前記パラメータ取得手段が、前記静電容量の変化に基づいて前記監視空間の気圧を計測する気圧計測手段を具備することを特徴とする。
この構成によれば、減衰係数推定手段は、監視空間での空気による音波の吸収減衰の減衰係数を推定し、音圧比補正手段では、前記減衰係数の変化に起因する音圧比の変動分を取り除くように音圧比を補正するので、周囲環境の変化に起因して減衰係数が変化することがあっても、当該減衰係数の変化による音圧比の変化は濃度推定手段で推定される浮遊粒子の濃度には影響しない。結果的に、周囲環境の変化に起因した減衰係数の変化の影響で濃度測定の確度が低下することはない。また、この構成によれば、監視空間における温度と湿度と気圧との少なくとも1つをパラメータとして減衰係数を推定するので、比較的簡単な方法で取得可能なパラメータを用いながらも、減衰係数を精度よく推定することができる。さらに、受波素子の出力を利用して監視空間の気圧を計測しているので、気圧を計測するための新たなデバイスを付加する必要がないという利点がある。
According to this configuration, the attenuation coefficient is estimated using at least one of temperature, humidity, and atmospheric pressure in the monitoring space as parameters, so the attenuation coefficient can be estimated accurately while using parameters that can be acquired by a relatively simple method. can do.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a sound source unit capable of transmitting a sound wave, a control unit for controlling the sound source unit, a wave receiving element for detecting a sound pressure of the sound wave transmitted from the sound source unit, and an output of the wave receiving element And a signal processing unit for measuring the concentration of suspended particles existing in the monitoring space between the sound source unit and the receiving element, and the signal processing unit passes through the propagation paths having different path lengths in the monitoring space. A sound pressure ratio calculating means for calculating a sound pressure ratio between a plurality of sound waves respectively propagated from the sound wave to the receiving element, and a concentration estimation for estimating the concentration of suspended particles in the monitoring space based on the sound pressure ratio calculated by the sound pressure ratio calculating means Caused by a change in the attenuation coefficient based on the attenuation coefficient estimated by the attenuation coefficient estimating means estimated by the attenuation coefficient estimating means and the attenuation coefficient estimating means for estimating the attenuation coefficient of the sound wave absorption attenuation in the monitoring space in the absence of airborne particles Remove the fluctuation of the sound pressure ratio Sound pressure ratio correction means for correcting the sound pressure ratio, and parameter acquisition means for measuring at least one of temperature, humidity and atmospheric pressure in the monitoring space as parameters, and the attenuation coefficient estimation means The receiving element has a fixed electrode and a movable electrode arranged opposite to each other, and a partition wall that separates the reference pressure chamber in which the atmospheric pressure is kept constant from the monitoring space. The movable electrode is disposed on a part of the partition wall, and the partition wall receives a sound wave from the monitoring space side, thereby changing the distance between the movable electrode and the fixed electrode and changing the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode. And the parameter acquiring means includes barometric pressure measuring means for measuring the barometric pressure in the monitoring space based on the change in the capacitance .
According to this configuration, the attenuation coefficient estimating means estimates the attenuation coefficient of the sound wave absorption attenuation by air in the monitoring space, and the sound pressure ratio correcting means removes the fluctuation of the sound pressure ratio due to the change of the attenuation coefficient. Thus, even if the attenuation coefficient may change due to changes in the surrounding environment, the change in the sound pressure ratio due to the change in the attenuation coefficient is the concentration of suspended particles estimated by the concentration estimation means. Does not affect. As a result, the accuracy of concentration measurement does not deteriorate due to the influence of the change in the attenuation coefficient due to the change in the surrounding environment. In addition, according to this configuration, since the attenuation coefficient is estimated using at least one of temperature, humidity, and atmospheric pressure in the monitoring space as parameters, the attenuation coefficient can be accurately measured using parameters that can be obtained by a relatively simple method. Can be estimated well. Furthermore, since the atmospheric pressure in the monitoring space is measured using the output of the wave receiving element, there is an advantage that it is not necessary to add a new device for measuring the atmospheric pressure.
請求項4の発明は、請求項2または3の発明において、前記パラメータ取得手段が、前記監視空間の温度を計測する温度計測手段と、前記監視空間の音速を求める音速計測手段とを有し、前記減衰係数推定手段が、温度計測手段で計測される温度と、当該温度および音速計測手段で求められる音速から算出される湿度とを前記パラメータとして用いることを特徴とする。
The invention of
この構成によれば、温度計測手段で計測される温度および音速計測手段で求められる音速から湿度を算出しているので、湿度を計測するための新たなデバイスを付加する必要がないという利点がある。 According to this configuration, since the humidity is calculated from the temperature measured by the temperature measuring unit and the sound speed obtained by the sound speed measuring unit, there is an advantage that it is not necessary to add a new device for measuring the humidity. .
請求項5の発明は、請求項1,2,4のいずれかの発明において、前記音速計測手段が、前記音圧比算出手段において前記音圧比の算出対象となる複数の音波に関する前記伝播経路の経路長の差を、前記複数の音波がそれぞれ前記音源部から前記受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより前記音速を算出することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first, second, and fourth aspects, the sound velocity measurement unit is configured to transmit the propagation path for a plurality of sound waves to be calculated by the sound pressure ratio calculation unit. The speed of sound is calculated by dividing the difference in length by the time difference required for each of the plurality of sound waves to propagate from the sound source unit to the receiving element.
この構成によれば、音圧比を算出するために受波素子で検出される複数の音波を利用して監視空間の音速を算出することができるので、音速を計測するために新たなデバイスを付加する必要がないという利点がある。 According to this configuration, the sound speed of the monitoring space can be calculated using a plurality of sound waves detected by the receiving element to calculate the sound pressure ratio, so a new device is added to measure the sound speed. There is an advantage that there is no need to do.
本発明は、周囲環境の変化に起因した減衰係数の変化の影響で濃度測定の確度が低下することがないという効果がある。 The present invention has an effect that the accuracy of concentration measurement does not decrease due to the influence of a change in attenuation coefficient due to a change in the surrounding environment.
以下の各実施形態では、本発明の浮遊粒子測定システムの一例として、火災の発生の有無を判断する目的で監視空間の煙粒子の濃度を測定するものを例示するが、この例に限らず、本発明の浮遊粒子測定システムは、監視空間の種々の浮遊粒子(煙粒子、粉塵、湯気など)の濃度の測定に用いることができる。 In the following embodiments, as an example of the suspended particle measurement system of the present invention, an example of measuring the concentration of smoke particles in the monitoring space for the purpose of determining whether or not a fire has occurred, is not limited to this example. The suspended particle measurement system of the present invention can be used to measure the concentration of various suspended particles (smoke particles, dust, steam, etc.) in the monitoring space.
(実施形態1)
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、図1に示すように、超音波を送波可能な一対の音源部1a,1b(以下、両音源部1a,1bを特に区別しないときは音源部1という)と、音源部1a,1bを制御する制御部2と、各音源部1a,1bから送波された超音波の音圧を検出する一対の受波素子3a,3b(以下、両受波素子3a,3bを特に区別しないときは受波素子3という)と、各受波素子3a,3bの出力に基づいて音源部1と受波素子3との間の監視空間に存在する浮遊粒子の濃度を測定する信号処理部4とを備えている。なお、ここでは超音波を送受波する音源部1および受波素子3を採用しているが、音源部1および受波素子3は、超音波に限らず音波を送受波するものであればよい。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the suspended particle measuring system of the present embodiment is a pair of
ここにおいて、音源部1と受波素子3とは、第1の音源部1aと第1の受波素子3aとを組とし、第2の音源部1bと第2の受波素子3bとを組として、円盤状のプリント基板からなる回路基板5(図18参照)の一表面側に、各組を成す音源部1a,1bと受波素子3a,3bとが互いに離間して対向配置されている。回路基板5には制御部2および信号処理部4が設けられている。また、回路基板5の上記一表面には、音源部1から送波された超音波の反射を防止する吸音層(図示せず)が設けられているので、音源部1から送波された超音波が回路基板5で反射して受波素子3に入射するのを防止することができて、反射波の干渉を防止することができ、特に、音源部1から送波させる超音波として連続波を用いる場合に有効である。
Here, the
本実施形態では、音源部1として、後述のように空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生させる音波発生素子を用いることで、圧電素子に比べて残響時間が短い超音波を送波するようにし、且つ、受波素子として、共振特性のQ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。
In the present embodiment, a sound wave generating element that generates an ultrasonic wave by applying a thermal shock to air as described later is used as the
ここにおいて、音源部1は、図2に示すように、単結晶のp形のシリコン基板からなるベース基板11の一表面(図2における上面)側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層(断熱層)12が形成され、熱絶縁層12の表面側に発熱体部として金属薄膜からなる発熱体層13が形成され、ベース基板11の上記一表面側に発熱体層13と電気的に接続された一対のパッド14,14が形成されている。なお、ベース基板11の平面形状は矩形状であって、熱絶縁層12、発熱体層13それぞれの平面形状も矩形状に形成してある。また、ベース基板11の上記一表面側において熱絶縁層12が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜(図示せず)が形成されている。
Here, as shown in FIG. 2, the
上述の音源部1では、発熱体層13の両端のパッド14,14間に通電して発熱体層13に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層13に接触している空気(媒質)に急激な温度変化(熱衝撃)が生じる(つまり、発熱体層13に接触している空気に熱衝撃が与えられる)。したがって、発熱体層13に接触している空気は、発熱体層13の温度上昇時には膨張し発熱体層13の温度下降時には収縮するから、発熱体層13への通電を適宜に制御することによって空気中を伝播する超音波を発生させることができる。要するに、音源部1を構成する音波発生素子は、発熱体層13への通電に伴う発熱体層13の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝播する超音波を発生するので、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることができる。
In the above-described
上述の音源部1は、ベース基板11としてp形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層12を多孔度が略60〜略70%の多孔質シリコン層からなる多孔質層により構成しているので、ベース基板11として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層12となる多孔質シリコン層を形成することができる(ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる)。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層12の熱伝導率および熱容量をベース基板11の熱伝導率および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層12の熱伝導率と熱容量との積をベース基板11の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層13の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層13と空気との間で効率的な熱交換が起こり、且つ、ベース基板11が熱絶縁層12からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層12の熱を逃がすことができて発熱体層13からの熱が熱絶縁層12に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が148W/(m・K)、熱容量が1.63×106J/(m3・K)の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が60%の多孔質シリコン層は、熱伝導率が1W/(m・K)、熱容量が0.7×106J/(m3・K)であることが知られている。本実施形態では、熱絶縁層12を多孔度が略70%の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層12の熱伝導率が0.12W/(m・K)、熱容量が0.5×106J/(m3・K)となっている。
In the
発熱体層13は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層13の材料はタングステンに限らず、たとえば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の音源部1では、ベース基板11の厚さを300〜700μm、熱絶縁層12の厚さを1〜10μm、発熱体層13の厚さを20〜100nm、各パッド14の厚さを0.5μmとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板11の材料としてSiを採用しているが、ベース基板11の材料はSiに限らず、たとえば、Ge、SiC、GaP、GaAs、InPなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよく、いずれの場合にも、ベース基板11の一部を多孔質化することで形成した多孔質層を熱絶縁層12とすることができる。
The
上述のように音源部1は、一対のパッド14,14を介した発熱体層13への通電に伴う発熱体層13の温度変化に伴って超音波を発生するものであり、発熱体層13へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形をたとえば周波数がf1の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層13で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数f1の2倍の周波数f2となり、駆動入力波形f1の略2倍の周波数の超音波を発生させることができる。すなわち、上述の音源部1は、平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の音源部1では、たとえば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として一対のパッド14,14間へ与えることによって、残響の少ない略1周期の単パルス状の超音波を発生させることができる。このような単パルス状の超音波を用いることにより、反射による干渉が起こりにくくなるので、上記吸音層を不要にすることもできる。また、音源部1は、熱絶縁層12が多孔質層により構成されているので、熱絶縁層12が非多孔質層(たとえば、SiO2膜など)からなる場合に比べて、熱絶縁層12の断熱性が向上して超音波発生効率が高くなり、低消費電力化を図れる。
As described above, the
音源部1を制御する制御部2は、図示していないが、音源部1に駆動入力波形を与えて音源部1を駆動する駆動回路と、当該駆動回路を制御するマイクロコンピュータからなる制御回路とで構成されており、音源部1から超音波が間欠的に送波されるように音源部1を間欠的に駆動する。
Although not shown, the
また、上述の受波素子3を構成する静電容量型のマイクロホンは、図3に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔31aを設けることで形成された矩形枠状のフレーム31と、フレーム31の一表面側においてフレーム31の対向する2つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部32とを備えている。ここにおいて、フレーム31の一表面側には熱酸化膜35と熱酸化膜35を覆うシリコン酸化膜36とシリコン酸化膜36を覆うシリコン窒化膜37とが形成されており、受圧部32の一端部がシリコン窒化膜37を介してフレーム31に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜37に対向している。また、シリコン窒化膜37における受圧部32の他端部との対向面に金属薄膜(たとえば、クロム膜など)からなる固定電極33aが形成され、受圧部32の他端部におけるシリコン窒化膜37との対向面とは反対側に金属薄膜(たとえば、クロム膜など)からなる可動電極33bが形成されている。なお、フレーム31の他表面にはシリコン窒化膜38が形成されている。また、受圧部32は、上記各シリコン窒化膜37,38とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。
Further, as shown in FIG. 3, the capacitive microphone constituting the
図3に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる受波素子3では、固定電極33aと可動電極33bとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部32が疎密波の圧力を受けることにより固定電極33aと可動電極33bとの間の距離が変化し、固定電極33aと可動電極33bとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極33aおよび可動電極33bに設けたパッド(図示せず)間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。
In the
ここにおいて、音源部1a,1bと受波素子3a,3bとは各組ごとに両者間の距離が異なるように配置されており、本実施形態では、第1の音源部1aと第1の受波素子3aとの離間距離に比べて、第2の音源部1bと第2の受波素子3bとの離間距離が長くなる配置を採用している。これにより、図4(a)に示すように、第1の音源部1aから送波された第1の超音波Sw1と第2の音源部1bから送波された第2の超音波Sw2とは、音源部1と受波素子3との間の監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して、それぞれと組を成す受波素子3a,3bに伝播されることとなる。つまり、第1の受波素子3aで受波される第1の超音波Sw1の伝播経路は、第1の音源部1aと第1の受波素子3aとの離間距離を経路長L1として有し、一方、第2の受波素子3bで受波される第2の超音波Sw2の伝播経路は、第2の音源部1bと第2の受波素子3bとの離間距離を経路長L2として有することとなる。なお、各音源部1a,1bからの超音波Sw1,Sw2が互いに干渉することがないように両伝播経路を隔てる隔壁を設けてもよい。
Here, the
本実施形態においては、両音源部1a,1bに同一特性のものを用いるとともに、両受波素子3a,3bに同一特性のものを用い、さらに、両音源部1a,1bを同一の条件(たとえば、送波させる超音波の音圧、周波数)で駆動するとともに、両受波素子3a,3bを同一の条件(たとえば、直流バイアス電圧)で使用している。ここに、浮遊粒子測定システムの周囲環境(たとえば、温度、湿度、気圧)が所定の状態に設定され、且つ音源部1や受波素子3に経時変化が生じておらず(たとえば、出荷前)、監視空間に浮遊粒子(煙粒子を含む)の侵入がない状態では、図4(a)のように各音源部1a,1bからの超音波Sw1,Sw2は、上述のように異なる経路長L1,L2を持つ伝播経路をそれぞれ通ることにより、各受波素子3a,3bにおいて受波される際には音圧P10,P20(第1の受波素子3aで受波される超音波Sw1の音圧をP10、第2の受波素子3bで受波される超音波Sw2の音圧をP20とする)が互いに異なるものとなる。つまり、音源部1から送波された超音波は監視空間を伝播する際の伝播経路の経路長に応じて音圧が減衰することとなるので、経路長L2の伝播経路を通して第2の音源部1bから第2の受波素子3bに伝わる超音波Sw2の音圧P20は、経路長L1(<L2)の伝播経路を通して第1の音源部1aから第1の受波素子3aに伝わる超音波Sw1の音圧P10に比べて低くなる。なお、制御部2は両音源部1a,1bを同時に駆動する必要はないものの、超音波の送波時間の累計が両音源部1a,1bで同一となるようにそれぞれを制御する。
In the present embodiment, both
ところで、信号処理部4は、図1に示すように、第1の受波素子3aと第2の受波素子3bとのそれぞれで受波される超音波Sw1,Sw2間の音圧比を算出する音圧比算出手段40と、音圧比算出手段40で算出される音圧比の初期値からの変化量に基づいて音源部1と受波素子3との間の監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する濃度推定手段41と、音圧比算出手段40で算出された音圧比を記憶する記憶手段43とを有している。
By the way, as shown in FIG. 1, the
信号処理部4にはさらに、後述の減衰係数を推定する減衰係数推定手段44と前記音圧比を補正する音圧比補正手段45とが設けられているが、以下ではまず、減衰係数推定手段44および音圧比補正手段45を除いた信号処理部4の基本構成について説明する。なお、信号処理部4は、マイクロコンピュータにより構成されており、上記各手段40〜45は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。また、信号処理部4には、受波素子3の出力信号をアナログ−ディジタル変換するA/D変換器(図示せず)なども設けられている。
The
ここでは、音圧比算出手段40は、経路長L2の伝播経路を通して第2の音源部1bから第2の受波素子3bに伝わる超音波Sw2の音圧を、経路長L1(<L2)の伝播経路を通して第1の音源部1aから第1の受波素子3aに伝わる超音波Sw1の音圧で除したものを音圧比として算出する。音圧比の初期値は、上述のように浮遊粒子測定システムの周囲環境が所定の状態に設定され、且つ音源部1や受波素子3に経時変化が生じておらず、さらに監視空間への浮遊粒子の侵入がない図4(a)の状態で、音源部1から受波素子3に超音波を送波することにより音圧比算出手段40で算出される音圧比R0(=P20/P10)であって、あらかじめ記憶手段43に記憶される。また、このように算出した音圧比R0を初期値とするのではなく、設計段階で同等の初期値を設定(プログラム上で設定)するようにしてもよい。
Here, sound pressure ratio calculating means 40, the sound pressure of the ultrasonic Sw2 that through propagation path of the path length L 2 transmitted from the second
濃度推定手段41は、音圧比算出手段40で算出される音圧比RSと、あらかじめ記憶手段43に記憶された音圧比の初期値R0とを比較して、両者の差(つまり初期値R0からの音圧比RSの変化量)に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するものである。詳しくは後述するが、音圧比算出手段40で算出される音圧比RSの初期値R0からの変化量は、監視空間の浮遊粒子の濃度に略比例して増加するので、あらかじめ測定した浮遊粒子の濃度と前記変化量との関係データに基づいて浮遊粒子の濃度と前記変化量との関係式を求めて記憶手段43に記憶しておけば、上記関係式を用いて前記変化量から浮遊粒子の濃度を推定することができる。 The concentration estimation means 41 compares the sound pressure ratio R S calculated by the sound pressure ratio calculation means 40 with the initial value R 0 of the sound pressure ratio stored in the storage means 43 in advance, and the difference between them (ie, the initial value R). The amount of suspended particles in the monitoring space is estimated based on the change amount of the sound pressure ratio RS from 0 ). As will be described in detail later, the amount of change from the initial value R 0 of the sound pressure ratio R S calculated by the sound pressure ratio calculation means 40 increases in proportion to the concentration of suspended particles in the monitoring space. If a relational expression between the concentration of suspended particles and the amount of change is obtained on the basis of the relational data between the concentration of particles and the amount of change, and stored in the storage means 43, it is suspended from the amount of change using the relational expression. The concentration of particles can be estimated.
上述した構成によれば、音源部1や受波素子3の経時変化や周囲環境の変化に起因して音源部1や受波素子3に特性変化が生じた場合、図4(b)に示すように第1の受波素子3aで受波される超音波Sw1の音圧P11と、第2の受波素子3bで受波される超音波Sw2の音圧P21のそれぞれは図4(a)の各値(P10,P20)から変動(ここでは低下)するものの、音圧比算出手段40で算出される音圧比R1(=P21/P11)に関しては図4(a)の状態で算出される初期値R0(=P20/P10)と略同一となる(つまりR1=R0)。ただし、図4(b)の例では監視空間への浮遊粒子(煙粒子を含む)の侵入はないものとする。すなわち、音源部1の経時変化や周囲環境の変化に起因した音源部1の特性変化は、第1および第2の両音源部1a,1bにおいて同様に生じ、また、受波素子3の経時変化や周囲環境の変化に起因した受波素子3の特性変化は、第1および第2の両受波素子3a,3bにおいて同様に生じるから、これらの特性変化が、音圧比算出手段40で算出される音圧比R1に影響することはない。
According to the above-described configuration, when the
一方、音源部1と受波素子3との間の監視空間に煙粒子等の浮遊粒子が侵入すると、図4(c)に示すように第1の受波素子3aで受波される超音波Sw1の音圧P1Sと、第2の受波素子3bで受波される超音波Sw2の音圧P2Sのそれぞれが図4(a)の各値(P10,P20)から変動(ここでは低下)するだけでなく、音圧比算出手段40で算出される音圧比RS(=P2S/P1S)に関しても図4(a)の状態で算出される初期値R0(=P20/P10)から変化する(つまり、RS≠R0)。すなわち、監視空間に浮遊粒子が入り込むと、音源部1からの超音波は受波素子3に到達するまでに音圧が低下するが、このときの音圧の減衰量は監視空間中を超音波が伝播した距離と監視空間の浮遊粒子の濃度との両方に依存するから、音圧比RSは、音源部1aおよび受波素子3a間の伝播経路の経路長L1と音源部1bおよび受波素子3b間の伝播経路の経路長L2との差(L2−L1)、および監視空間の浮遊粒子の濃度に応じた分だけ初期値R0から変化することとなる。
On the other hand, when floating particles such as smoke particles enter the monitoring space between the
具体的に説明すると、減光式煙濃度計(減光式煙感知器)での評価での監視空間の浮遊粒子(煙粒子)の濃度をC〔%/m〕、浮遊粒子の濃度1〔%/m〕に対する1〔m〕当たりの超音波の減衰率をα、第1の音源部1aから送波され第1の受波素子3aで受波される超音波Sw1の伝播経路の経路長をL1〔m〕、第2の音源部1bから送波され第2の受波素子3bで受波される超音波Sw2の伝播経路の経路長をL2〔m〕とした場合、第1の受波素子3aで受波される超音波Sw1の音圧P1SはP1S≒P10(1−αCL1)で表され、第2の受波素子3bで受波される超音波Sw2の音圧P2SはP2S≒P20(1−αCL2)で表される。ここで、P10,P20は図4(a)の例において各受波素子3a,3bでそれぞれ受波される超音波Sw1,Sw2の音圧を表しており、L1,L2についてはL1<L2<1と仮定している。上式で表されるP1SおよびP2Sと、音圧比の初期値R0=P20/P10とを用いれば、音圧P1SとP2Sとの音圧比RS(=P2S/P1S)の初期値R0からの変化量(つまり、R0−RS)は次式で表される。
Specifically, the concentration of suspended particles (smoke particles) in the monitoring space in the evaluation with a light-reducing smoke densitometer (light-reducing smoke detector) is C [% / m], and the concentration of suspended particles is 1 [ % Is the attenuation rate of ultrasonic waves per [m] relative to [% / m], and the path length of the propagation path of the ultrasonic wave Sw1 transmitted from the first
R0−RS=R0αC(L2−L1)/(1−αL1)
ここにおいてαL1が1よりも十分に小さければ、R0−RS=R0αC(L2−L1)となり、音圧比RSの初期値R0からの変化量(R0−RS)は、経路長の差(L2−L1)および監視空間の浮遊粒子の濃度Cに比例する形で表されることとなる。したがって、α、L1、L2が既知であれば、音圧比RSの初期値R0からの変化量(R0−RS)に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度C〔%/m〕を推定することができる。
R 0 -R S = R 0 αC (L 2 -L 1 ) / (1-αL 1 )
Here, if αL 1 is sufficiently smaller than 1, then R 0 −R S = R 0 αC (L 2 −L 1 ), and the change amount (R 0 −R S ) of the sound pressure ratio R S from the initial value R 0. ) Is expressed in a form proportional to the path length difference (L 2 −L 1 ) and the concentration C of suspended particles in the monitoring space. Therefore, if α, L 1 , and L 2 are known, the suspended particle concentration C [% / m in the monitoring space based on the amount of change (R 0 −R S ) from the initial value R 0 of the sound pressure ratio R S. ] Can be estimated.
また、濃度推定手段41は、音圧比RSにおける初期値R0からの変化量を初期値R0で除した変化率(R0−RS)/R0に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するようにしてもよい。音圧比の変化率においては、製造過程で生じた音源部1や受波素子3の特性のばらつきなどにより浮遊粒子測定システム間で生じる初期値R0のばらつきの影響が除去されているので、監視空間の浮遊粒子の濃度が同一であれば、初期値R0によらず浮遊粒子の濃度の推定結果を一律に揃えることができる。したがって、浮遊粒子の濃度への換算が容易になる。
The
なお、上述した条件下では、監視空間に浮遊粒子が流入することで音圧比RSが初期値R0より大きくなること(つまりR0−RSが負の値になること)はないから、万一、濃度推定手段41から負の値が出力されても、誤検出と判断して監視空間への浮遊粒子の侵入はないと判断するものとする。 Note that, under the above-described conditions, the sound pressure ratio R S does not become larger than the initial value R 0 due to the flow of suspended particles into the monitoring space (that is, R 0 −R S becomes a negative value). In the unlikely event that a negative value is output from the concentration estimation means 41, it is determined that there is no false particle detection and no suspended particles have entered the monitoring space.
以上説明した本実施形態の浮遊粒子測定システムによれば、経路長L1,L2の異なる複数の伝播経路を通して各音源部1a,1bから各受波素子3a,3bにそれぞれ伝播された複数の超音波Sw1,Sw2間の音圧比RSを音圧比算出手段40において算出し、濃度推定手段41が、音圧比算出手段40で算出される音圧比RSの初期値R0からの変化量に基づいて監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するので、経時変化や周囲環境の変化に応じて音源部1から送波される音波の音圧が変化したり受波素子3の感度が変化したりすることがあっても、これらの特性変化は前記複数の超音波Sw1,Sw2に一律に影響するため、前記複数の超音波Sw1,Sw2の音圧比RSの変化に基づいて濃度推定手段41で推定される浮遊粒子の濃度が前記特性変化の影響を受けることはない。結果的に、音源部1や受波素子3に生じる前記特性変化の影響で、監視空間における浮遊粒子の濃度の測定に関する確度が低下することはなく、浮遊粒子(煙粒子)の濃度の測定結果から火災の有無を判断する場合に非火災報や失報を生じることはないという利点がある。
According to the suspended particle measurement system of the present embodiment described above, a plurality of sound beams propagated from the
ところで、本実施形態の浮遊粒子測定システムは、上述の基本構成に加え、周囲環境の変化に応じて変化する空気による超音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定手段44と、減衰係数推定手段44で推定された前記減衰係数に基づいて音圧比を補正する音圧比補正手段45とを信号処理部4に有している。以下、減衰係数推定手段44および音圧比補正手段45について説明する。
By the way, the suspended particle measuring system of the present embodiment includes an attenuation coefficient estimating means 44 for estimating an attenuation coefficient of ultrasonic absorption attenuation by air that changes in accordance with changes in the surrounding environment, in addition to the basic configuration described above, and an attenuation coefficient. The
すなわち、前述したように、音源部1から送波された超音波は、浮遊粒子がない状態でも監視空間での吸収減衰および拡散減衰により音圧が低下するが、このうち吸収減衰による音圧低下率B1は、伝播経路の経路長xを用いてB1=e−α・xで表すことができる。ここでαは吸収減衰の減衰係数であって、当該減衰係数αは、媒質(空気)の温度、湿度、気圧と、超音波の周波数との関数で表されることが知られている(参考文献1)。超音波の周波数は制御部2によって決定されているので、減衰係数推定手段44は、監視空間の温度と湿度と気圧との少なくとも1つをパラメータとして前記減衰係数αを推定する。
That is, as described above, the sound pressure of the ultrasonic wave transmitted from the
本実施形態では、監視空間の温度を計測する温度計測手段46と、監視空間における音速を計測する音速計測手段47とが、前記パラメータを計測するパラメータ取得手段の構成要素として設けられており、減衰係数推定手段44は、温度計測手段46で計測される温度と、当該温度および音速計測手段47で計測される音速から算出される監視空間の湿度とをパラメータに用いて減衰係数αを推定する。つまり、監視空間における音速Cは、監視空間における温度Tと水蒸気圧Eと気圧Pとの関数で次式のように表すことができるので、気圧Pを1(atm)と仮定した場合、音速Cと温度Tとが求まれば次式より水蒸気圧Eが求まり、当該水蒸気圧Eから空気の湿度を算出できる。 In the present embodiment, the temperature measuring means 46 for measuring the temperature of the monitoring space and the sound speed measuring means 47 for measuring the sound speed in the monitoring space are provided as components of the parameter acquisition means for measuring the parameters, and are attenuated. The coefficient estimating means 44 estimates the attenuation coefficient α using the temperature measured by the temperature measuring means 46 and the humidity of the monitoring space calculated from the temperature and the sound speed measured by the sound speed measuring means 47 as parameters. In other words, the sound velocity C in the monitoring space can be expressed as a function of the temperature T, the water vapor pressure E, and the atmospheric pressure P in the monitoring space as shown in the following equation. Therefore, when the atmospheric pressure P is assumed to be 1 (atm), the sound velocity C And the temperature T are obtained, the water vapor pressure E is obtained from the following equation, and the humidity of the air can be calculated from the water vapor pressure E.
温度計測手段46は、サーミスタ、熱電対、温度センサIC等の出力から温度を計測してもよい。音速C(m/s)は監視空間の温度T(摂氏温度)の関数として簡易的にC≒331.5+0.6Tで表すことも可能であり、音速計測手段47は、温度計測手段46の計測結果から音速を概算してもよい。 The temperature measuring means 46 may measure the temperature from the output of a thermistor, thermocouple, temperature sensor IC, or the like. The speed of sound C (m / s) can be simply expressed as C≈331.5 + 0.6 T as a function of the temperature T (degrees Celsius) of the monitoring space, and the speed of sound measuring means 47 is measured by the temperature measuring means 46. The sound speed may be estimated from the result.
また、他の例として、音速計測手段47は、図5に示すように第1および第2の受波素子3a,3bでそれぞれ受波される第1および第2の超音波Sw1,Sw2の伝播経路の経路長差(L2−L1)を、前記超音波Sw1,Sw2を受波するタイミングの時間差Δt0(図6(a)参照)で除することにより監視空間の音速を算出する構成であってもよい。つまり、前記超音波Sw1,Sw2の伝播経路の経路長差(L2−L1)は一定値であるが、前記時間差Δt0は図6(b)に示すように監視空間の音速に応じて変化するので、音速の変化を(L2−L1)/Δt0の変化として求めることができる。なお、図6(a)は音圧比の初期値R0(=P20/P10)が算出された状態において受波素子3で受波される第1および第2の超音波Sw1,Sw2の波形を示し、この状態から監視空間の音速のみが変化した状態において受波素子3で受波される第1および第2の超音波Sw1,Sw2の波形を図6(b)に示す。この構成では、音速を計測するためにサーミスタ、熱電対、温度センサICのデバイスを付加する必要がなく、浮遊粒子測定システムの部品点数の削減を図ることができる。
As another example, the sound
音圧比補正手段45は、上述のようにして得られた減衰係数αに基づいて、当該減衰係数αに起因した音圧比算出手段40の出力(音圧比RS)の初期値R0からの変動分をキャンセルするように前記音圧比RSを補正する。 Based on the attenuation coefficient α obtained as described above, the sound pressure ratio correction means 45 varies the output (sound pressure ratio R S ) of the sound pressure ratio calculation means 40 resulting from the attenuation coefficient α from the initial value R 0. The sound pressure ratio RS is corrected so as to cancel the minute.
要するに、周囲環境の変化(たとえば、温度、湿度、気圧などの変化)に伴い前記減衰係数αが変化すると、監視空間での超音波の吸収減衰による音圧低下率B1(=e−α・x)が変化し、その結果、第1の超音波Sw1と第2の超音波Sw2との音圧比RSが変動する。さらに詳しく説明すると、音圧低下率B1は伝播経路の経路長xの関数として表されるものであるから、伝播経路の経路長が異なる第1および第2の超音波Sw1,Sw2間では、減衰係数αの変化量が同じであっても、前記音圧低下率B1の変化量に差が生じる。したがって、減衰係数αが変化すれば、監視空間における浮遊粒子の濃度にかかわらず第1および第2の超音波Sw1,Sw2の音圧比RSは変化する。 In short, when the attenuation coefficient α changes with changes in the surrounding environment (for example, changes in temperature, humidity, atmospheric pressure, etc.), the sound pressure reduction rate B 1 (= e −α · x ) changes, and as a result, the sound pressure ratio R S between the first ultrasonic wave Sw1 and the second ultrasonic wave Sw2 varies. In more detail, since the sound pressure reduction rate B 1 represents is represented as a function of the path length x of the propagation path, the first and second ultrasonic Sw1 path length of the propagation path is different, between the Sw2, even the amount of change of the attenuation coefficient α is the same, a difference in amount of change the sound pressure reduction rate B 1 is generated. Therefore, if the attenuation coefficient α changes, the sound pressure ratio RS of the first and second ultrasonic waves Sw1 and Sw2 changes regardless of the concentration of suspended particles in the monitoring space.
そこで、本実施形態の音圧比補正手段45は、前記減衰係数αの変化に起因した前記音圧比RSの変動分をキャンセルするように、減衰係数αの変化に応じて前記音圧比RSを補正する。具体的には、図1に示すように音圧比算出手段40の後段に音圧比補正手段45を設け、音圧比算出手段40で算出された音圧比RSを音圧比補正手段45で補正してから濃度推定手段41に渡すようにしてある。このときの補正値は、減衰係数αの変化による音圧低下率B1の変動分を取り除くように決定される。これにより、濃度推定手段41では、減衰係数αの変化に起因した初期値R0からの変動分がキャンセルされた音圧比RSを用いて、監視空間の浮遊粒子の濃度を推定することができるので、濃度推定手段41で推定される浮遊粒子の濃度に、周囲環境変化による減衰係数αの変化が影響することはない。 Therefore, the sound pressure ratio correcting means 45 of the present embodiment, the to cancel the fluctuation of the sound pressure ratio R S due to a change in the attenuation coefficient alpha, the sound pressure ratio R S in accordance with the change of the attenuation coefficient alpha to correct. Specifically, the provided sound pressure ratio correcting means 45 in the subsequent stage of the sound pressure ratio calculating means 40 as shown in FIG. 1, the sound pressure ratio R S calculated by the sound pressure ratio calculating means 40 is corrected by the sound pressure ratio correcting means 45 To the density estimation means 41. The correction value at this time is determined so as to remove the variation in the sound pressure decrease rate B 1 due to the change in the attenuation coefficient α. As a result, the concentration estimating means 41 can estimate the concentration of suspended particles in the monitoring space using the sound pressure ratio R S in which the variation from the initial value R 0 caused by the change in the attenuation coefficient α is cancelled. Therefore, the change in the attenuation coefficient α due to the change in the surrounding environment does not affect the concentration of the suspended particles estimated by the concentration estimation means 41.
したがって、浮遊粒子(煙粒子)の濃度の測定結果から火災の有無を判断する場合には、前記減衰係数αの変化に起因した非火災報や失報を低減することができ、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。 Therefore, when determining the presence or absence of a fire from the measurement result of the concentration of suspended particles (smoke particles), non-fire reports and misreports due to the change in the attenuation coefficient α can be reduced, There is an advantage that the accuracy of judgment is improved.
(実施形態2)
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、各1個ずつの音源部1と受波素子3との間に経路長の異なる複数の伝播経路を形成するために、音源部1から送波された超音波を反射する一対の反射面を設けた点が実施形態1の浮遊粒子測定システムと相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 2)
The suspended particle measurement system according to the present embodiment includes a supersonic wave transmitted from the
本実施形態では、図7に示すように第1および第2の反射面7a,7bが音源部1から送波された超音波の進行方向(図7の左右方向)において互いに対向するように配置されている。各反射面7a,7bはそれぞれ超音波を反射するものであって、受波素子3は第1の反射面7a上に、音源部1は第2の反射面7b上にそれぞれ配設される。ここで、音圧比算出手段40は、音源部1から受波素子3に伝播されるまでに反射面7a,7bで反射された回数の異なる複数の超音波間の音圧比を算出する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the first and second reflecting
すなわち、図7のように音源部1から受波素子3に直接伝わる超音波(直接波)を第1の超音波Sw1とするとともに、音源部1から送波された後に第1の反射面7aで反射され、さらに第2の反射面7bで反射されることによって受波素子3に伝わる超音波(反射波)を第2の超音波Sw2とする。しかして、反射面7a,7bでの反射回数が0回の第1の超音波Sw1と、反射面7a,7bでの反射回数が2回の第2の超音波Sw2とでは、伝播経路の経路長が異なることとなり、音圧比算出手段40ではこれらの超音波Sw1,Sw2の音圧比が算出される。
That is, as shown in FIG. 7, the ultrasonic wave (direct wave) directly transmitted from the
なお、第2の超音波Sw2に関して反射面7a,7bでの反射回数を増やせば、第1の超音波Sw1と第2の超音波Sw2との間の経路長差が大きくなるから、監視空間に浮遊粒子が入り込んだときの音圧比RSの初期値R0からの変化量は大きくなるものの、第2の超音波Sw2の伝播経路の経路長が長くなることで受波素子3に到達する第2の超音波Sw2の音圧は低下する。したがって、第2の超音波Sw2の反射面7a,7bでの反射回数は、受波素子3で受波される第2の超音波Sw2の音圧と、浮遊粒子による音圧比RSの変化量とのバランスを考慮して決定することが望ましい。
Note that if the number of reflections on the reflecting
ここにおいて、各超音波Sw1,Sw2が受波素子3に到達するタイミングには、伝播経路の経路長L1,L2の差に応じた時間差Δt0(図6(a)参照)が生じる。この時間差Δt0は、経路長L1,L2の差を音速で除することにより求められる。受波素子3において各超音波Sw1,Sw2を区別するためには、受波素子3で各超音波Sw1,Sw2をそれぞれ受波する期間を前記時間差Δt0内に収める必要がある。
Here, a time difference Δt0 (see FIG. 6A) corresponding to the difference between the path lengths L 1 and L 2 of the propagation path is generated at the timing at which each of the ultrasonic waves Sw1 and Sw2 reaches the
つまり、たとえば音速が340m/sで、音源部1から送波される超音波の周波数が100kHzである場合、超音波は周期10μs、波長3.4mmとなるので、経路長L1,L2の差を68mmにすると、超音波の波数が20波を超えれば超音波同士の重なりが生じ、受波素子3で各超音波Sw1,Sw2を区別できなくなる。そこで、経路長L1,L2の差と音源部1から1回に送波する超音波の波数とを調整することにより、超音波同士の重なりが生じないようにする。浮遊粒子測定システムを小型化するために経路長L1,L2の差を小さくする場合などには、実施形態1で説明したように、発熱体層13への通電に伴う発熱体層13の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生する構成であって、残響の少ない単パルス状の超音波を送波可能な音源部1を採用することが有用である。
That is, for example, the sound velocity at 340m / s, when the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the
また、本実施形態では、図8に示すように音源部1からの超音波の拡散範囲を狭める一対の拡散防止板6をさらに備えている。各拡散防止板6はそれぞれ平面視矩形状の平板からなり、一対の拡散防止板6は一表面同士を対向させるように略平行に配設される。ここで、一対の拡散防止板6は、前記一表面間に音源部1の高さと略同寸法の間隙を形成し、この間隙に音源部1からの超音波を通すことで当該超音波の拡散範囲を狭めるものであって、当該間隙を通して音源部1からの超音波を伝搬させるように、前記一表面の間に音源部1と受波素子3とを挟みこむ形で配設される。つまり、上述した一対の反射面7a,7bは、拡散防止板6の前記一表面に沿う面内で互いに対向する形で両拡散防止板6の間に形成される。このように拡散防止板6を設けたことにより、音源部1から送波される超音波は、拡散防止板6の前記一表面で囲まれた監視空間を通ることで拡散が抑制され、音源部1と受波素子3との間における超音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, a pair of
さらに、本実施形態では、各反射面7a,7bが反射波を他方の反射面7a,7b上に焦点を結ぶ反射波として反射する形にそれぞれ湾曲した凹曲面(放物面)からなり、音源部1と受波素子3とは、各反射面7a,7b上において、他方の反射面7a,7bに平面波として入射し反射された超音波が焦点を結ぶ位置に配置されている。しかして、音源部1から送波され第1の反射面7aで反射された超音波は、第2の反射面7bで反射されることで受波素子3上に焦点を結ぶ。
Furthermore, in this embodiment, each
要するに、図9(a)に示すように第2の反射面7b上に配置された音源部1から放射状に広がりながら受波素子3側の第1の反射面7aに到達した超音波は、第1の反射面7aで反射されることによって図9(b)に示すように音源部1側の第2の反射面7bに対する平行波となり、その後、第2の反射面7bで反射されることによって図9(c)に示すように第1の反射面7a上の受波素子3の位置で焦点を結ぶこととなる。そのため、反射面7a,7bでの反射を繰り返しても超音波は拡散しにくく、且つ直線状に伝播する超音波と放射状に伝播する超音波とに関して伝播経路の経路長は同じになり、焦点での位相ずれによる干渉も生じない。
In short, as shown in FIG. 9 (a), the ultrasonic wave that has reached the first reflecting
したがって、音源部1と受波素子3との間における超音波の音圧の低下を抑制することができる。その結果、浮遊粒子の濃度の変化量に対する受波素子3の出力の変化量が比較的大きくなり、SN比が向上する。
Accordingly, it is possible to suppress a decrease in the sound pressure of the ultrasonic wave between the
さらに詳しく説明すると、仮に反射面7a,7bがなければ、音源部1から送波された超音波は監視空間中で拡散減衰することにより、受波素子3で受波される際には伝播経路の経路長に応じて音圧が減衰する。これに対して、反射面7a,7bで反射される第2の超音波Sw2は、上述したように反射面7a,7bで反射されることにより他方の反射面7a,7b上に集音され、結果的に拡散減衰が抑制されるので、反射面7a,7bで反射されることなく同じ経路長L2を伝播される超音波に比較すると、音圧の減衰量が小さくなる。つまり、受波素子3で受波される前記第2の超音波Sw2の音圧P20は、反射面7a,7bで反射されることなく経路長L2の伝播経路を通して音源部1から受波素子3に伝播される超音波の音圧P2に比べて大きくなり、浮遊粒子の濃度の分解能が向上する。このとき、第2の超音波Sw2の音圧P20は前記音圧P2と音圧増大係数A(>1)との積(A・P2)で表すことができる。なお、音圧増大係数は、超音波が反射面7a,7bで反射されることにより拡散減衰が抑制される度合いを表す係数であって、反射面7a,7bの形状や超音波の指向性などによって決まる。
More specifically, if there is no
以上説明した構成によれば、単一の音源部1から送波され単一の受波素子3で受波される複数の超音波Sw1,Sw2間の音圧比を算出することができるので、当該複数の超音波Sw1,Sw2が各個別の音源部1から送波され各個別の受波素子3で受波される構成に比べると、音圧比算出手段40で算出される音圧比が複数の音源部1間で生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子3間で生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがない分だけ、音圧比の算出精度が向上する。しかも、音源部1から同一タイミングで送波された超音波について音圧比を算出するので、算出される音圧比は音源部1の駆動タイミングによって生じる音圧のばらつきの影響を受けることもない。
According to the configuration described above, the sound pressure ratio between the plurality of ultrasonic waves Sw1 and Sw2 transmitted from the single
なお、上述の拡散防止板6を設けない場合においては、各反射面7a,7bをそれぞれ回転放物面とすることで、反射面7a,7bでの反射時における超音波の拡散を抑制する効果を最も高めることができる。
In the case where the above-described
ところで、本実施形態の浮遊粒子測定システムは、音圧比補正手段45が、音速計測手段47で計測された監視空間の音速に基づいて、当該音速の変化に起因した音圧比算出手段40の出力(音圧比RS)の初期値R0からの変動分をキャンセルするように前記音圧比RSを補正する機能を有している。 By the way, in the suspended particle measurement system of the present embodiment, the sound pressure ratio correction means 45 outputs the output of the sound pressure ratio calculation means 40 caused by the change in sound speed based on the sound speed of the monitoring space measured by the sound speed measurement means 47 ( The sound pressure ratio R S has a function of correcting the sound pressure ratio R S so as to cancel the variation from the initial value R 0 of the sound pressure ratio R S ).
要するに、監視空間における音速が変化すると、監視空間での超音波の指向性が変化し、その結果、第1の超音波Sw1と第2の超音波Sw2との音圧比RSが変動する。さらに詳しく説明すると、たとえば音源部1から正弦波パルス状の超音波が送波される場合、音源部1の真正面の方向に対する角度θを用いて、指向性係数(前記角度θ=0°での音圧を1としたときの音圧の大きさを示す係数)D1(θ)は以下の式で表される。なお、0≦θ≦sin−1(λ/4a)のときには数3が適用され、sin−1(λ/4a)≦θ≦π/2aのときに数4が適用される。
In short, when the sound speed in the monitoring space changes, the directivity of the ultrasonic waves in the monitoring space changes, and as a result, the sound pressure ratio RS between the first ultrasonic wave Sw1 and the second ultrasonic wave Sw2 changes. More specifically, for example, when sinusoidal pulsed ultrasonic waves are transmitted from the
上式中のλは超音波の波長を表しており、aは音源部1のうち媒質としての空気に振動を与える発熱体層13の表面(送波面)の一辺長の1/2の長さを表す(つまり、音源部1の送波面は一辺が2aの正方形状となる)。波長λは、周知のように音速と周期(パルス幅)との積で表されるから、監視空間内での音速が変化すると、波長λが変化して上記指向性係数D1(θ)が変化する。
In the above equation, λ represents the wavelength of the ultrasonic wave, and a is a length that is ½ of the length of one side of the surface (sending surface) of the
そして、指向性係数D1(θ)が変化すれば、前述の音圧増大係数Aが変化し、これに伴い反射面7a,7bで反射された第2の超音波Sw2の音圧P20(=A・P2)が変化する。ここで、変化後の音圧増大係数をA’(≠A)とすれば、変化後の第2の超音波Sw2の音圧P20’はP20’=A’・P2で表されることとなるので、第1および第2の超音波Sw1,Sw2の音圧比は、R0’(=P20’/P10)=A’・P2/P10となり、初期値R0(=P20/P10)=A・P2/P10から変化する。つまり、指向性係数D1(θ)が変化すれば、浮遊粒子の濃度にかかわらず第1および第2の超音波Sw1,Sw2の音圧比RSは変化する。
When the directivity coefficient D 1 (θ) changes, the sound pressure increase coefficient A changes, and the sound pressure P 20 (second
そこで、本実施形態の音圧比補正手段45は、音速の変化に起因した前記音圧比RSの変動分をキャンセルするように、音速の変化に応じて前記音圧比RSを補正する。具体的には、図10に示すように減衰係数推定手段44での推定結果(減衰係数α)だけでなく、音速計測手段47での計測結果(音速)も音圧比補正手段45へ入力し、減衰係数αの変化による音圧低下率B1の変動分が取り除かれ、且つ音速変化に起因した超音波の指向性変化による前記音圧増大係数の変動分(A’−A)が取り除かれるように、音圧比補正手段45での音圧比RSの補正値を決定する。これにより、濃度推定手段41では、音速変化に起因した初期値R0からの変動分がキャンセルされた音圧比RSを用いて、監視空間の浮遊粒子の濃度を推定することができるので、濃度推定手段41で推定される濃度に、音速変化による指向性の変化が影響することはない。 Therefore, the sound pressure ratio correcting means 45 in this embodiment, so as to cancel the fluctuation of the sound pressure ratio R S due to a change in the sound velocity, it corrects the sound pressure ratio R S in accordance with a change in sound velocity. Specifically, as shown in FIG. 10, not only the estimation result (attenuation coefficient α) in the attenuation coefficient estimation means 44 but also the measurement result (sound speed) in the sound speed measurement means 47 is input to the sound pressure ratio correction means 45, The variation of the sound pressure decrease rate B 1 due to the change of the attenuation coefficient α is removed, and the variation (A′−A) of the sound pressure increase coefficient due to the change in the directivity of the ultrasonic wave due to the change of the sound speed is removed. Then, the correction value of the sound pressure ratio R S in the sound pressure ratio correction means 45 is determined. As a result, the concentration estimation means 41 can estimate the concentration of suspended particles in the monitoring space using the sound pressure ratio R S in which the variation from the initial value R 0 caused by the change in sound speed is canceled. A change in directivity due to a change in sound speed does not affect the density estimated by the estimation means 41.
したがって、浮遊粒子(煙粒子)の濃度の測定結果から火災の有無を判断する場合には、監視空間の音速変化により超音波の指向性が変化することがあっても、当該指向性変化の影響を受けずに火災発生の有無を判断することで、前記指向性変化に起因した非火災報や失報を低減することができ、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。 Therefore, when judging the presence or absence of a fire from the measurement result of the concentration of airborne particles (smoke particles), even if the directivity of the ultrasonic wave may change due to the change in the sound speed of the monitoring space, the influence of the change in directivity By determining whether or not a fire has occurred without receiving a non-fire, there is an advantage that non-fire reports and misreports resulting from the change in directivity can be reduced, and the accuracy of determining the presence or absence of a fire is improved.
また、音圧比補正手段45においては、周囲環境の変化に起因した減衰係数αの変化と、音速変化に起因した指向性の変化との2つの要素を考慮して音圧比RSを補正することになるので、これら2つの要素を統合した補正に関する重回帰式を用いて補正を行う構成としてもよい。これにより、前記補正を行う際の演算処理にかかる負荷の軽減を図ることができる。なお、前記重回帰式は、気圧が一定と仮定すれば、たとえば、温度と湿度との2次関数で表される。 The sound pressure ratio correction means 45 corrects the sound pressure ratio R S in consideration of two factors: a change in the attenuation coefficient α due to a change in the surrounding environment and a change in directivity due to a change in sound speed. Therefore, the correction may be performed using a multiple regression equation relating to correction in which these two elements are integrated. As a result, it is possible to reduce the load on the calculation processing when performing the correction. Note that the multiple regression equation is expressed by a quadratic function of temperature and humidity, for example, assuming that the atmospheric pressure is constant.
その他の構成および機能は実施形態1と同様である。 Other configurations and functions are the same as those of the first embodiment.
(実施形態3)
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、図11に示すように監視空間の気圧を計測する気圧計測手段48を信号処理部4に具備する点が、実施形態1の浮遊粒子測定システムと相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 3)
The suspended particle measuring system according to the present embodiment is different from the suspended particle measuring system according to the first embodiment in that the
気圧計測手段48は、温度計測手段46および音速計測手段47と共にパラメータ取得手段を構成する。減衰係数推定手段44は、温度計測手段46および音速計測手段47の出力から得られる監視空間の温度と湿度、さらに気圧計測手段48から得られる監視空間の気圧をパラメータとして、減衰係数αを推定する。そのため、監視空間の温度および湿度のみから減衰係数αを求める場合に比べて、減衰係数αの算出精度が高くなるという利点がある。
The atmospheric
ところで、本実施形態の気圧計測手段48は、いずれかの受波素子3の出力に基づいて前記気圧を計測するものである。ここにおいて、受波素子3は、図12に示すように気圧が一定に維持されている基準圧室39aと監視空間とを隔てる隔壁32’を備えており、この隔壁32’の一部に可動電極33bが配置された構成を有する。隔壁32’は超音波の圧力を監視空間側(図12の上側)から受ける受圧部を形成し、したがって、隔壁32’にて監視空間側から超音波を受けることで固定電極33aと可動電極33bとの距離が変化し、固定電極33aと可動電極33bとの間の静電容量が変化する。なお、図12の例では、シリコン基板31’の一表面側に絶縁膜35’、金属薄膜からなる固定電極33a、隔壁32’を形成する絶縁層39、金属薄膜からなる可動電極33bが積層され、絶縁層39の内部に空洞の基準圧室39aを形成した構成を採用している。
By the way, the atmospheric pressure measuring means 48 of the present embodiment measures the atmospheric pressure based on the output of any of the
この受波素子3においては、固定電極33aおよび可動電極33bに設けたパッド33c,33c間に直流バイアス電圧が印加され、両パッド33c,33c間に超音波の音圧に応じて生じる微小な電圧変化が出力として取り出されるが、当該電圧変化に含まれる直流成分は、基準圧室39aと監視空間との気圧の差に相当する。そこで、気圧計測手段48は、上述した電圧変化の直流成分に基づいて、監視空間の気圧を計測するように構成される。
In the
この構成によれば、受波素子3の出力である固定電極33aと可動電極33bとの間の静電容量の変化を用いて監視空間の気圧を計測しているから、気圧を計測するための圧力センサ等を新たに設ける必要がない。したがって、浮遊粒子測定システムの部品点数の削減を図ることができる。
According to this configuration, since the atmospheric pressure in the monitoring space is measured using the change in capacitance between the fixed
なお、その他の構成および機能は実施形態1と同様である。 Other configurations and functions are the same as those in the first embodiment.
(実施形態4)
本実施形態の浮遊粒子測定システムは、図13に示すように監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段49を信号処理部4に具備する点が、実施形態1の浮遊粒子測定システムと相違する。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 4)
As shown in FIG. 13, the floating particle measurement system according to the present embodiment is provided with particle type estimation means 49 for estimating the type of particles floating in the monitoring space in the
ところで、本願発明者らは、音源部1と受波素子3との間の監視空間の浮遊粒子の種別に応じて図14に示すように音源部1の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係が異なるという知見を得た。ここで、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で各受波素子3a,3bにて受波される超音波間の音圧比(以下、初期音圧比という)をR0、減光式煙濃度計(減光式煙感知器)での評価でs〔%/m〕となる濃度の浮遊粒子が監視空間に存在する状態で各受波素子3a,3bにて受波される超音波間の音圧比をRSとしたときに、(R0−RS)/R0で表される値を音圧比の変化率と定義し、特にs=1のときの前記変化率を単位変化率と定義する。ここにおいて、初期音圧比R0と音圧比RSとは、監視空間における浮遊粒子の有無を除いては同一の条件で算出されるものとする。図14中の「イ」は浮遊粒子が黒煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係を示す近似曲線(黒丸が測定データ)、「ロ」は浮遊粒子が白煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係を示す近似曲線(黒四角が測定データ)、「ハ」は浮遊粒子が湯気の粒子である場合の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係を示す近似曲線(黒三角が測定データ)であり、ここに示す単位変化率は、音源部1aおよび受波素子3a間の超音波の伝播経路の経路長L1と音源部1bおよび受波素子3b間の超音波の伝播経路の経路長L2との差(L2−L1)を30cmに設定したときの各出力周波数ごとのデータである。また、図14における右端の各データは、出力周波数が82kHzのときのデータであり、出力周波数が82kHzのときのデータを1として各出力周波数の単位変化率を規格化した結果を図15に示す。要するに、図15は、横軸が出力周波数、縦軸が相対的単位変化率となっている。また、白煙の煙粒子のサイズは800nm程度、黒煙の煙粒子のサイズは200nm程度、湯気の粒子のサイズは数μm〜20μm程度である。
By the way, the inventors of the present application indicate the unit change rate of the output frequency and the sound pressure ratio of the
上述の知見に基づいて、本実施形態では、制御部2が、音源部1から周波数の異なる複数種の超音波が順次送波されるように音源部1を制御するようにし、信号処理部4は、少なくとも各出力周波数ごとの初期音圧比R0、上記監視空間に存在する浮遊粒子の種別および浮遊粒子濃度に応じた音源部1の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との関係データ(上述の図15より抽出されるデータ)、各浮遊粒子に関して特定周波数(たとえば、82kHz)における音圧比の単位変化率(上述の図14より抽出されるデータ)を記憶手段43に記憶するとともに、音源部1から送波された各周波数の超音波ごとに音圧比算出手段40の出力(各受波素子3a,3bにて受波される超音波間の音圧比RS)と記憶手段43に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段49を有するようにしてある。
Based on the above knowledge, in the present embodiment, the
ここに、本実施形態では実施形態1と同様、音圧比算出手段40の後段に音圧比補正手段45を設け、音圧比算出手段40で算出された音圧比RSを音圧比補正手段45で補正してから粒子種別推定手段49に渡すようにしてある。これにより、粒子種別推定手段49では、減衰係数αの変化に起因した初期値R0からの変動分がキャンセルされた音圧比RSを用いて、監視空間の浮遊粒子の種別を推定することができるので、粒子種別推定手段49での推定結果に、減衰係数αの変化が影響することはない。ここでは、信号処理部4で測定される浮遊粒子の濃度を火災の有無の判断に用いるため、濃度推定手段41は、粒子種別推定手段49にて推定された粒子が煙粒子のときに、特定周波数(たとえば、82kHz)の超音波に対する音圧比算出手段40の出力の初期音圧比R0からの変化量に基づいて上記監視空間の浮遊粒子の濃度を推定する。濃度推定手段41で用いられる音圧比RSもまた、音圧比補正手段45にて減衰係数αの変化に起因した初期値R0からの変動分がキャンセルされた補正後の音圧比RSである。
Here, in this embodiment, as in the first embodiment, a sound pressure ratio correction unit 45 is provided after the sound pressure
以下に、本実施形態の浮遊粒子測定システムの動作例を図16のフローチャートを参照して説明する。まず、音源部1から複数種の超音波を順次送波させ、各種の超音波に関して、各受波素子3a,3bにて受波される超音波間の音圧比RSを音圧比算出手段40で算出する(ステップS11)。粒子種別推定手段49は、各出力周波数ごとに算出された音圧比RSの初期音圧比R0からの変化率を求め(ステップS12)、出力周波数が82kHzでの音圧比の変化率に対する20kHzでの音圧比の変化率の比を算出する(ステップS13)。記憶手段43には、音源部1の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との上記関係データとして、出力周波数が82kHzでの相対的単位変化率に対する20kHzでの相対的単位変化率の比(図15の場合、白煙が0、黒煙が0.2、湯気が0.5となる)が記憶されており、粒子種別推定手段49は、算出した変化率の比を記憶手段43に記憶されている関係データと比較し、関係データの中で変化率の比が最も近い種別の粒子を監視空間に浮遊している粒子と推定する(ステップS14)。ここで、推定された粒子が煙粒子であれば濃度推定手段41での処理に移行する(ステップS15)。ここにおいて、白煙の場合には図17に示すように減光式煙濃度計で計測される浮遊粒子の濃度と音圧比の変化率との関係は直線で示すことのできるデータであり、他の粒子においても同様であるから、濃度推定手段41は、推定された粒子種別について特定周波数(たとえば、82kHz)の超音波に対する音圧比の変化率に関し記憶手段43内の単位変化率に対する比を算出し、その比の値がyの場合に監視空間の煙濃度が減光式煙濃度計での評価における浮遊粒子の濃度y〔%/m〕に相当すると推定する(ステップS16)。ステップS16で推定された浮遊粒子の濃度と所定の閾値(たとえば、減光式煙濃度計での評価で10%/mとなる浮遊粒子の濃度)とを比較し、推定された浮遊粒子の濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断する。
Hereinafter, an operation example of the suspended particle measurement system of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, a plurality of types of ultrasonic waves are sequentially transmitted from the
上述の例では、粒子種別推定手段49は出力周波数が82kHzのときの音圧比の変化率と20kHzのときの音圧比の変化率とを用いているが、これらの出力周波数の組み合わせに限定するものではなく、異なる組み合わせの出力周波数を用いてもよい。さらに、より多くの出力周波数に対する音圧比の変化率を用いてもよく、その場合は粒子種別の推定の確度を向上させることができる。また、本実施形態では、濃度推定手段41が特定周波数として1周波数を対象としているが、特定周波数として複数の周波数を対象とし、各特定周波数ごとに推定した浮遊粒子の濃度の平均値を求めるようにしてもよく、この場合、浮遊粒子の濃度の推定の確度が向上する。なお、信号処理部4は、マイクロコンピュータにより構成されており、粒子種別推定手段49は上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。
In the above example, the particle type estimation means 49 uses the rate of change of the sound pressure ratio when the output frequency is 82 kHz and the rate of change of the sound pressure ratio when the output frequency is 20 kHz, but the combination is limited to these output frequencies. Instead, different combinations of output frequencies may be used. Furthermore, the rate of change of the sound pressure ratio with respect to more output frequencies may be used, and in that case, the accuracy of estimation of the particle type can be improved. In this embodiment, the
本実施形態では、各音源部1a,1bとして実施形態1にて説明した音波発生素子をそれぞれ用いており、上述の制御部2は、各音源部1a,1bへ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、各音源部1a,1bから周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させる。ここにおいて、制御部2は、音源部1から送波させる超音波の周波数を所定の周波数範囲(たとえば、20kHz〜82kHz)の下限周波数(たとえば、20kHz)から上限周波数(たとえば、82kHz)まで変化させる。なお、本実施形態では、音源部1から周波数の異なる4種類の超音波が順次送波されるように制御部2が音源部1を制御するように構成してあるが、音源部1から送波させる超音波の周波数は4種類に限らず複数種類であればよく、たとえば、2種類とすれば、3種類以上の超音波を順次送波させる場合に比べて、制御部2および信号処理部4の負担を軽減できるとともに制御部2および信号処理部4の簡略化を図れる。本実施形態では、上述のように各音源部1a,1bとして実施形態1にて説明した音波発生素子をそれぞれ用いることで、順次送波する超音波をそれぞれ周波数の異なる超音波とすることができるので、各音源部1a,1bとして共振周波数の異なる複数の圧電素子をそれぞれ用いて各圧電素子から連続波の超音波を送波させる場合に比べて低コスト化を図れる。
In the present embodiment, the sound wave generating elements described in the first embodiment are used as the
なお、本実施形態では、音源部1の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との関係データを記憶手段43に記憶した例を示したが、そもそも監視空間に存在する浮遊粒子の種別に応じて音源部1の出力周波数ごとに変化するのは音圧比RSの初期音圧比R0からの変化量(R0−RS)であるから、記憶手段43に記憶する上記関係データは、音源部1の出力周波数と音圧比RSの初期音圧比R0からの変化量との関係を示すデータであればよく、上述の相対的単位変化率に代えて、たとえば、音圧比RSの初期音圧比R0からの変化量や、音圧比RSの初期音圧比R0からの変化量を初期音圧比R0で除した変化率、あるいは単位変化率を採用した関係データを記憶手段43に記憶するようにしてもよい。
In the present embodiment, the example in which the relationship data between the output frequency of the
以上説明した本実施形態の浮遊粒子測定システムでは、粒子種別推定手段49において、音源部1から送波された各周波数の超音波ごとの音圧比と記憶手段43に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段49にて推定された粒子が煙粒子のときに、濃度推定手段41において、特定周波数の超音波に対する音圧比の初期音圧比からの変化量に基づいて上記監視空間の浮遊粒子の濃度を推定するので、粒子種別推定手段49において上記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することで煙粒子と湯気とを識別可能となり、湯気に起因した非火災報を低減することが可能となって、台所や浴室での使用にも適する。また、粒子種別推定手段49において白煙の煙粒子と黒煙の煙粒子とを識別可能となるから、火災の性状の識別に役立てることも可能となる。また、浮遊粒子測定システムを設置している室内の掃除や天井裏の電気工事などの際に浮遊する粉塵と煙粒子との識別も可能になるから、粉塵などに起因した非火災報を低減することも可能となる。
In the suspended particle measurement system of the present embodiment described above, the particle type estimation unit 49 uses the sound pressure ratio for each ultrasonic wave transmitted from the
ところで、本実施形態では各音源部1a,1bをそれぞれ単一の音波発生素子により構成し、制御部2が各音源部1a,1bへ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、各音源部1a,1bから周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させるようにしているが、互いに出力周波数の異なる複数の音波発生素子で各音源部1a,1bをそれぞれ構成してもよい。この場合には、各音波発生素子として圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する素子を用い、各音波発生素子をそれぞれの共振周波数で駆動することにより、音源部1から送波される超音波の音圧を高めてSN比の向上に寄与することができる。また、各音波発生素子を順次駆動して複数種の超音波を順次送波させるだけでなく、複数の音波発生素子を一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させることも可能になる。
By the way, in this embodiment, each
また、各受波素子3a,3bにおいても各種の超音波に対してそれぞれ個別の受波素子を設けるようにしてもよく、この場合には、各受波素子として共振特性のQ値が比較的大きな圧電素子などを用い、各受波素子をそれぞれの共振周波数の超音波の受波に用いることにより、受波素子の感度を向上させることができる。さらに、各音源部1a,1bを構成する複数の音波発生素子を一斉に駆動して各音源部1a,1bからそれぞれ複数種の超音波を同時に送波させれば、複数種の超音波について音圧比の変化量を同時に検出することができ、監視空間の経時的変化(たとえば浮遊粒子の濃度変化)の影響を受けることなく複数種の超音波について音圧比の変化量を検出して、浮遊粒子の種別や濃度を精度よく推定することができる。また、音源部1を構成する音波発生素子を受波素子3に兼用することも考えられ、この場合、音波発生素子から送波される超音波を当該音波発生素子に向けて反射する反射面が必要であるものの、素子数の低減による低コスト化を図ることができる。
In addition, each of the receiving
なお、その他の構成および機能は実施形態1と同様であり、実施形態2の構成と組み合わせることで音源部1と受波素子3とを各1個ずつとしてもよい。
Other configurations and functions are the same as those of the first embodiment, and the
ところで、上記各実施形態では、音源部1と制御部2と受波素子3と信号処理部4とを1枚の回路基板5に設けて図示しない器体内に収納してあるが、音源部1と制御部2とを備えた音源側ユニットと、受波素子3と信号処理部4とを備えた受波側ユニットとを別体として互いに対向配置する分離型の浮遊粒子測定システムを構成するようにしてもよい。また、音源部1は上述の図2に示した構成の音波発生素子に限らず、たとえば、アルミニウム製の薄板を発熱体部として当該発熱体部への通電に伴う発熱体部の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。
By the way, in each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態において、制御部2が、音源部1から防虫効果のある周波数の超音波を送波させるようにすれば、上記監視空間に虫が侵入するのを防止することができ、虫に起因した浮遊粒子の濃度の誤測定を低減できる。ここで、制御部2は、浮遊粒子の濃度を推定するために音源部1から送波させる周波数の超音波とは別に、防虫効果のある周波数の超音波を定期的に送波させるようにしてもよいし、浮遊粒子の濃度を推定するために音源部1から送波する超音波の周波数を防虫効果のある周波数に設定するようにしてもよい。
Moreover, in each said embodiment, if the
1 音源部
2 制御部
3 受波素子
4 信号処理部
7a,7b 反射面
40 音圧比算出手段
41 濃度推定手段
44 減衰係数推定手段
45 音圧比補正手段
46 温度計測手段
47 音速計測手段
L1,L2 経路長
P10,P20,P1S,P2S 音圧
R0 音圧比の初期値
RS 音圧比
Sw1,Sw2 超音波
1
Claims (5)
前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子は各反射面上にそれぞれ配置され、各反射面は、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなり、前記音圧比算出手段は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波との間の音圧比を算出し、前記音圧比補正手段は、音速計測手段で得られた音速に基づき、当該音速の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する
ことを特徴とする浮遊粒子測定システム。 A sound source unit capable of transmitting sound waves, a control unit for controlling the sound source unit, a receiving element for detecting the sound pressure of the sound waves transmitted from the sound source unit, and the sound source unit and the receiving unit based on the output of the receiving element. A signal processing unit for measuring the concentration of suspended particles existing in the monitoring space between the sound wave element and the signal processing part propagates from the sound source part to the wave receiving element through propagation paths having different path lengths in the monitoring space. A sound pressure ratio calculating means for calculating a sound pressure ratio between a plurality of sound waves, a concentration estimating means for estimating the concentration of suspended particles in the monitoring space based on the sound pressure ratio calculated by the sound pressure ratio calculating means, and no suspended particles An attenuation coefficient estimating means for estimating the attenuation coefficient of the sound wave absorption attenuation in the monitoring space in a state, and a variation of the sound pressure ratio due to the change of the attenuation coefficient based on the attenuation coefficient estimated by the attenuation coefficient estimating means. To remove the sound pressure ratio A sound pressure ratio correcting means positive for, the sound speed measuring means for determining the speed of sound in the monitored space possess,
A pair of reflecting surfaces are provided so as to oppose each other in the traveling direction of the sound wave transmitted from the sound source unit, and each of the sound source unit and the receiving element is provided on each reflecting surface. Each reflecting surface is formed of a concave curved surface that is curved to collect sound waves from the sound source unit, and the sound pressure ratio calculating means reflects and reflects the sound waves directly propagated from the sound source unit to the receiving element. The sound pressure ratio between the sound wave reflected by the surface and propagated to the receiving element is calculated, and the sound pressure ratio correcting means is based on the sound speed obtained by the sound speed measuring means, and is caused by the change in the sound speed. A suspended particle measurement system , wherein the sound pressure ratio is corrected so as to remove the fluctuation of the sound pressure ratio .
前記減衰係数推定手段は、前記パラメータを用いて前記減衰係数を推定し、
前記受波素子は、互いに対向配置された固定電極および可動電極と、気圧が一定に維持されている基準圧室と前記監視空間とを隔てる隔壁とを有し、可動電極が前記隔壁の一部に配設され、隔壁が監視空間側から音波を受けることで可動電極と固定電極との距離が変化し可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する静電容量型受波素子からなり、前記パラメータ取得手段は、前記静電容量の変化に基づいて前記監視空間の気圧を計測する気圧計測手段を具備することを特徴とする浮遊粒子測定システム。 A sound source unit capable of transmitting sound waves, a control unit for controlling the sound source unit, a receiving element for detecting the sound pressure of the sound waves transmitted from the sound source unit, and the sound source unit and the receiving unit based on the output of the receiving element. A signal processing unit for measuring the concentration of suspended particles existing in the monitoring space between the sound wave element and the signal processing part propagates from the sound source part to the wave receiving element through propagation paths having different path lengths in the monitoring space. A sound pressure ratio calculating means for calculating a sound pressure ratio between a plurality of sound waves, a concentration estimating means for estimating the concentration of suspended particles in the monitoring space based on the sound pressure ratio calculated by the sound pressure ratio calculating means, and no suspended particles An attenuation coefficient estimating means for estimating the attenuation coefficient of the sound wave absorption attenuation in the monitoring space in a state, and a variation of the sound pressure ratio due to the change of the attenuation coefficient based on the attenuation coefficient estimated by the attenuation coefficient estimating means. To remove the sound pressure ratio A sound pressure ratio correcting means positive for, and a parameter acquisition means for measuring at least one as a parameter of temperature and humidity and atmospheric pressure in the monitoring space,
The attenuation coefficient estimation means estimates the attenuation coefficient using the parameter,
The wave receiving element includes a fixed electrode and a movable electrode arranged opposite to each other, a partition wall that separates the monitoring space from a reference pressure chamber in which air pressure is kept constant, and the movable electrode is a part of the partition wall From the capacitive receiving element in which the distance between the movable electrode and the fixed electrode changes as the partition wall receives sound waves from the monitoring space side and the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode changes. Thus, the parameter acquisition unit includes an atmospheric pressure measurement unit that measures the atmospheric pressure of the monitoring space based on the change in the capacitance .
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