CN101071065B - 火焰检测装置和火焰检测方法 - Google Patents

Abstract

一种通过对火焰区域的红外图象进行实时的连续成像和模式识别来检测火焰的装置和方法。来自该区域的红外辐射穿过宽视场透镜，并由对近红外范围敏感的电荷耦合元件阵列检测。该系统随后将图象数字化，从测量结果中提取出特性参数，并存储用于模式识别的图象和特性信息。为了实现模式识别的功能，将得出的当前测量结果的实时特性与预先存储的模式进行统计比较，预先存储的模式表示已知火焰状况出现在区域内时从该区域发出的辐射的图象。基于这种比较，作出评估以确定存在或不存在火焰。该特性测量结果也用于评价火焰的品质。

Description

火焰检测装置和火焰检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测熔炉和燃烧器系统中的火焰的装置和方法。本发明尤其涉及一种用于实时地数字监控商业和工业熔炉中存在或不存在火焰的装置和方法。

背景技术

多种燃烧器广泛地应用在工业锅炉中，例如与用于发电的汽轮机结合使用的燃烧器。这些燃烧器可以燃烧各种燃料，例如煤、油或气，并且通常具有用于燃料的初始燃烧的关联支持点火器。为了确保在燃烧器运行期间始终有火焰存在，有必要对这些燃烧器的火焰进行监控。在火焰熄灭的情况下，燃烧器可能继续供应燃料，这可导致潜在的危险状况。有时，燃烧器可能在启动时没有点燃。因此，需要立即判定这些情况并迅速采取补救措施。

近些年已经开发和应用了多种用于监控燃烧器火焰和基于存在或不存在火焰提供输出信号的火焰检测装置。一种众所周知的检测方法是使用光学元件检查火焰发出的光。典型的光学火焰设备由暴露于光中时会产生时变电压的光敏传感器组成。在大多数现有技术的火焰检测装置中，传感器是单独的分立元件，其只允许将总光强表示在所关注的空间区域。

人们已经开发出一些技术用于检查传感器的输出和控制燃烧器系统。这些传统的系统直接处理与光强成正比的传感器的时变输出电压值。随着光强的增加，输出电压值也增加。分析这一电平以确定所关注燃烧器上存在或不存在火焰。

采用这一技术及其变化形式的装置有几个缺陷。例如，在多个燃烧器系统中，火焰传感器设置在每个燃烧器上，并且调节成只检测该特定燃烧器的火焰。来自相邻燃烧器的背景火焰经常会有与所关注燃烧器相同的或比它更高的亮度。这种背景亮度会导致即使该燃烧器可能已经停止运行，光学传感器的输出仍维持在有火焰存在的预期电平。于是，检测器将错误地指示火焰在燃烧。这是一个普遍的问题，因为传统的检测器在这些环境下难于进行火焰的辨别。

如Davall等在美国专利第4,983,853和5,107,128号中所公开的，通过后处理将时变输出变换到频域，并随后分析闪变的频谱特性而不是有限时域电压，从而实现了火焰检测结果的改进。然而，这种方法中使用的传感器是单独的分立元件，并且只允许在限定的空间区域内检测总光强。

此外，由于受到单个传感器的频谱波长的限制，这些传统装置不具备检测多种燃料的能力。如果燃料类型改变，就必须更换传感器以检测不同的与新燃料相关的紫外光谱、可见光谱或红外光谱。

因此，这就需要一种改进的系统消除由于使用单元件光学火焰检测器而产生的限制，尤其是它们在火焰辨别能力上的不足，从而在工业规模的燃料燃烧器的应用中提高使用者对火焰检测的信任度。

发明内容

因此本发明的目的是提供用于熔炉或锅炉系统中，例如燃烧单元的多燃烧器系统中，检测火焰的改进装置。

根据本发明的一方面，提供一种火焰检测装置，其包括用于检测来自火焰区域的辐射和在任意给定的时刻及时地捕获火焰区域的图象的检测器、用于存储所捕获的图象和存储已知的火焰特性的存储器及处理器，该处理器用于提取实时图象的特性统计模式和将实时图象的特性统计模式与已知的火焰特性进行比较以确定火焰存在的可信度。

在本发明的实施例中，检测器包括具有广角透镜的光检测部分、用于将光线衰减至成像器动态范围内的滤光器，该成像器在任何给定的时刻及时地捕获辐射光线的图象。处理器可包括用于对图象执行评估逻辑的装置以评估出火焰存在的可信度，以及用于输出火焰的状态数据的装置。

检测器可进一步包括取景光学装置和工作在紫外波长、可见光线波长、红外波长或其组合的范围内的成像器。成像器可以是电荷耦合元件(CCD)或类似元件。在本发明的实施例中，取景光学装置和成像器的工作范围在近红外的波长区域。

根据本发明的另一方面，提供一种火焰检测方法，其包括步骤：检测来自火焰区域的辐射；在任何给定时刻及时地捕获火焰区域的图象；提取实时图象的特性统计模式；比较实时图象的特性统计模式与已知的有效模式；评估火焰存在的可信度；及显示合成的图象和统计数据。

评估操作可包括存储由成像器获得的在不同时段内提取的多幅图象，以及将多幅实时图象的组合与预先存储的典型的已知有效火焰模式进行比较来执行统计识别程序。

统计识别程序可包括分析燃烧器火焰的空间、时间和能量特征，从而提供指示火焰存在的可能性的可信度。该分析可在预定的时段连续更新，以有效地提供预定长度的活动时间窗口，其中在该预定长度内累积可信度。

合成的可信度可与已知的阈值水平进行比较，并产生输出以指示火焰的存在。

在本发明的实施例中，该装置能够提供图象输出，用于定性地分析火焰。在该实施例中，该系统进一步包括外部软件应用程序，其允许可视地显示捕获的图象，且所有的评估统计量得自上述图象。火焰的动态信息随后可以用于定性地分析燃烧器火焰的燃烧。可以存储燃烧器单元中每个燃烧器在一个时期内的火焰分布。这些分布随后可与燃烧器的运行工况进行比较和关联，以评估火焰的品质。

外部软件应用程序还可以作为一种配置和调节火焰检测装置的工具。该外部软件应用程序可以综合所有火焰检测装置的结果，显示对锅炉系统的燃烧器状况的模拟。

附图说明

下面对实施例的描述说明了本发明在锅炉炉膛中可能的应用，其中：

图1是根据本发明实施例的火焰检测装置监控的燃烧器系统的纵向剖视图；

图2a是根据本发明的火焰检测装置示例的元件框图；

图2b是根据本发明的第二火焰检测装置示例的元件框图；

图3是图2a所示火焰检测装置与外部计算机连通的框图；

图4是图2a所示火焰检测装置与I/O设备连通的框图；

图5是根据本发明实施例在学习模式下火焰检测方法的流程图；

图6是根据本发明实施例在运行模式下火焰检测方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，火焰检测装置1设置在观察管2的近端。观察管2及与其相连的取景光学装置使用传统的方式构造，例如在美国专利第5,107,128号中公开的方法。如其所述，观察管2设置在锅炉炉膛的燃烧器取景孔3内，从而观察管2的远端接近燃烧器201产生的火焰区域202。为了方便叙述，在图1中显示单燃烧器201。然而，本发明的火焰检测装置也可以应用在多燃烧器系统中。

参考图2a详细描述根据本发明的火焰检测装置1的示例性实施例。投射火焰100代表火焰检测装置1视线范围内的火焰区域202(如通过图1中所示观察管2看到的)，其包括所关注燃烧器产生的火焰及所有的背景火焰。投射在透镜101上的火焰辐射透过窄带通红外滤光器102聚焦在CCD成像器103上。透镜101优选使用蓝宝石透镜，因为它能在所关注的全光学范围内提供良好的透光度特性。它还另外提供对紫外和远红外辐射的过滤。红外滤光器102进一步除去紫外辐射源，并将火焰放射出的红外辐射限制在足够大的频谱窗口内，以确保火焰空间、时间和能量特性的完整性，并由CCD成像器103清楚地成像。

虽然在此描述的火焰检测装置应用了取景光学装置和在近红外波长范围内工作的CCD成像器，但是也可以使用在紫外、可见光的波长范围内，以及紫外、可见光和红外的组合的波长范围内工作的其他装置。也可以应用其他合适的成像元件，例如CMOS元件。检测和处理的原则不变，不同的只是工作在由适当的光学装置、滤光器和成像器决定的波长范围内。

如果没有另外指出，整个说明书的上下文中的存在火焰是指现存的火焰，以及确定由传感器观察到的火焰属于本地目标燃烧器而不是来自炉内相邻燃烧器的背景辐射。

有时，火焰的位置会闪动，并离开由观察装置限定的透镜101的取景区域。为了克服与视线相关的问题，可以提供用于将投射在透镜101上的辐射传送到CCD成像器103上的备用装置。例如，相干光光纤可以用于将取景光学装置定位在观察管2前面，从而在更宽的角度范围内采集光线。在这种情况下，光纤束110设置在透镜101和红外滤光器102之间。使用光纤时，观察管2被延长，并且透镜101移至其远端(参见图2b)。光纤将光线聚焦在红外滤光器102上，并从红外滤光器聚焦至CCD成像器103。作为介质光纤将穿过透镜101的光传输到可能与取景光学装置间隔数英尺的CCD成像器103上。选择可以传播所关注波长的光纤。

帧捕获部分104提供必要的控制信号，用于采集和数字化CCD成像器103输出的图象，同时也用于将图象存储在火焰检测装置1本地的存储器106内。该控制信号还可包括用于使图象的采集与处理部分105的帧速率需求同步的信号。火焰图象以特定的速率获得，从而可以在安全的时间裕量内确定火焰的状况，尤其是熄火。在锅炉系统中，火焰检测装置1将以满足锅炉控制系统的安全需求的速度捕获和处理图象。例如，帧捕获速度可以是40帧每秒。

处理部分105包括DSP微控制器、设计成处理控制及信号处理应用并支持逻辑运算的混合处理器。可以实现火焰检测装置1的功能的多种数字处理器可从市场上购买并恰当地应用。例如Freescale的56800/E系列和Texas Instrument的C2000系列的DSP微控制器可以作为DSP微控制器应用。DSP微控制器执行整个火焰检测装置1的数据处理，包括帧捕获部分104、存储器106、图象处理、图象评估运算、可信度阈值及确定存在或不存在火焰。DSP微控制器还可以与外部设备连通，例如分别示于图3和4中的计算机120和I/O设备107。

如图4中所示，火焰检测装置1的DSP微控制器可发送火焰状态数据到I/O设备107。在典型的多燃烧器系统中，为每个火焰检测装置1提供专用的I/O设备107。每个火焰检测装置1通过专用的通信线路122与各自的I/O设备107相连。

通过提供所需的火焰状态继电器的输出触点108，I/O设备107支持操作单独的燃烧器控制系统(未示出)。I/O设备107在一定的时间间隔内接收火焰检测装置1输出的火焰存在或不存在的状态，并且相应地激活或禁止火焰继电器触点108(如图4中所示，常开(NO)和常闭(NC))。该输出由确保火焰安全的外部燃烧器控制系统监控。

I/O设备107还接收火焰检测装置1输出的火焰可信度，并且将其作为表示火焰可信结果的模拟信号109输出，火焰可信结果的范围为0-100％。模拟输出可以是4-20mA的电流环或1-5V的直流电压。I/O设备107也可以包括显示面板115，例如液晶显示单元，用以显示火焰可信度。火焰可信度可以显示为条形图。

多燃烧器系统的每个单独的I/O设备107通常通过通信线路111与计算机120连接。该通信线路独立于I/O设备107和火焰检测装置1之间单独的专用通信线路122，但也可以由所有的I/O设备107和计算机120共享。

基于火焰检测装置1输出的指令，I/O设备107激活其I/O控制，并传输通信消息给火焰检测装置1和计算机120及从其接收通信消息。

计算机120可以远距离放置，并且作为执行依据本发明开发的软件工具112的监控台。计算机120能够执行软件工具112并与I/O设备107通信。软件工具112用于监控实时火焰图象和火焰检测装置1发送的图象处理计算结果。软件工具112还用于火焰检测装置1的初始学习模式，基于观察在已知的燃烧器火焰的有效状况下获得的火焰图象，选择分析时使用的适当标准。

在特定情况下，计算机120可以通过通信线路111与火焰检测装置1直接连通，而不采用I/O设备107，如图3中所示。例如，火焰检测装置1和软件工具112可以一起用于定性地处理图象，除了对火焰作出判定。火焰前端特征的空间和时间分布与具体燃烧器火焰类型及其分布有关。随后可以进行存储在计算机120中的燃烧单元的多燃烧器系统中的每个燃烧器的火焰形状相互之间的比较，以突出火焰的品质问题。

另外，软件工具112可用于一个或多个火焰检测装置1的远程调谐、控制和监测。作为锅炉系统的燃烧器配置，软件工具112可以配置成在同一点阵中显示的所有燃烧器的火焰亮度、可信度和评估结果的图形概括。而且，燃烧器火焰的定性分析及对燃烧器火焰状况的记录和趋势分析可以由软件工具112来完成。

模式参考和评估

通常，火焰检测系统将区分下列火焰状况：来自所监控燃烧器的主燃料火焰、所监控燃烧器上出现火焰熄灭的状况和来自炉内其他燃烧器的背景火焰。在此提供一种区别这些状况的方法，其使用一种帧差分技术从图象特性的参考集模拟当前图象的帧特性，并对结果取阈值。

通过运行在学习模式中，火焰检测装置1获得图象特性的参考集。如图5中的流程图所示，燃烧器201的已知有效火焰状况出现在火焰检测装置1的取景范围202内。根据软件工具112的指令将装置设定在学习模式。在学习模式中，火焰检测装置1在帧捕获部分104捕获和采集在其取景范围202内的一幅或多幅燃烧器火焰图象。处理部分105提取图象的特性并将这些特性的测量结果作为该燃烧器201的典型有效火焰存储在存储器106中。

没有单一的空间、时间或能量分辨率普遍地适合于火焰检测。因此，采取该方法允许选择适合于特定场合的标准。由于火焰检测装置1处于学习模式，因此，在软件工具112中提供的图形研究辅助功能通过加亮火焰图象中所关注的区域并排除或削弱不太重要的区域，可以识别出最适合于将动态的目标火焰与背景区分开的特征。

火焰检测装置也适用于学习背景火焰的特性。背景火焰对于正常的火焰检测来说通常是不希望有的，并且会影响对燃烧器火焰状态的正确判定。于是背景火焰的特性可以加入模式识别标准。

从学习模式中进行的标准选择得到的结果保存在火焰检测装置1中，并且在火焰检测装置1处于运行模式时用于评估操作。火焰检测装置1处于运行模式时不需要计算机120和软件工具112，因此可以断开连接。不过，当软件工具112与火焰检测装置1连通时，可用于监控火焰检测装置1的动作和结果。

执行软件工具112的指令，将火焰检测装置设定在运行模式。通常这就是火焰检测装置工作的标准模式。在运行模式中，火焰检测器执行评估操作，即通过模式识别技术，将最新的火焰图象及其特性与预先存储的学习到的特性进行比较。

评价操作将包括但不限于从火焰图象流中提取出空间、时间和能量特征。使用的标准取自统计和概率推理。空间因素包括火焰区域特征的映射。通过检测目标火焰前端的关键形状之间的边界，边缘可以用于增加火焰的显著区域上的权重。从每个火焰图象像素的能量值可以设定滤除背景火焰成分的阈值，同时确定像素亮度的分布、平均值、标准差和像素活性的其他统计量。

因为火焰检测装置在运行模式中完全自给自足，所以在远程计算机120上执行的操作并不影响其完整性或作出决定的过程。

火焰可信度的处理

计算出的可信度或火焰存在的可能性是对几幅火焰图象进行取样和分析的结果，如图6流程图中所示。初始的计算过程如下进行：捕获和采集全火焰图象，并将其存储在本地存储器106中，对当前图象进行评估操作，之后对照预先获得的模式进行模式识别操作。然后输出表明火焰的可能性的可信度。

随后，在预定的时段捕获燃烧器火焰的图象。该时段可以短至1秒，以实现有效的实时监控。以后的每幅图象都经过与第一幅图象相同的评估和模式识别操作，从而得到每个时段的可信计算结果。

当前图象的可信计算结果及紧邻的几个过去图象的可信计算结果共同用于确定计算出的总可信度。这种数据结果的平滑处理克服了不能真实地表示火焰熄灭的目标燃烧器火焰的的短暂运动。它也实现了执行动态分析，在固定的窗口时间内不断地更新可信度。

可信度可以从不同的火焰特征测量结果组成的集合计算出，随后将计算结果与预定的阈值比较，以确定被监控的燃烧器内存在或不存在火焰。

该火焰检测方法取决于根据辐射的数字化图象得出的不同火焰状况的特性，并且取决于计算出的火焰存在的可信度或可能性，其中可信度或可能性通过评估最新图象和之前存储的特性之间的配合度确定。

检测火焰存在的典型步骤如下：

1、选择燃烧器的运行范围和要监控的状况；

2、获得要监控的火焰状况的特性；

3、选择在评估操作中使用的标准；

4、捕获火焰图象，并通过对照当前样本与评估标准从而获得帧特性；

5、将最新的帧特性输出与之前存储的特性进行比较，并得到表明火焰存在的可能性的可信度；

6、输出火焰状况到I/O设备；

7、重复步骤(4)至(6)。

显然对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明实质特征的精神的情况下，可以对本发明的实施进行许多变化和修改。因此，本实施例是说明性的而不是限制性的。

Claims (12)

1.一种火焰检测装置，该火焰检测装置能够从来自相邻燃烧器的背景辐射检测和辨别来自本地目标燃烧器的火焰，所述火焰检测装置包括：

检测器，用于检测来自火焰区域的辐射，所述检测器包括具有取景光学装置的光检测部分和能够以紫外波长、可见波长、红外波长或其组合工作的用于捕获来自火焰区域的辐射的多个空间、时间和能量特征的实时图像的成像器；

存储器，用于存储捕获到的实时图像和存储已知火焰的已知特性；及

处理器，用于提取实时图像的特性统计模式，并将实时图像的特性统计模式与已知火焰的已知特性进行比较，从而确定火焰存在的可信度。

2.如权利要求1所述的火焰检测装置，其中成像器是多元件装置，能够在同一时刻及时地捕获火焰区域辐射出的多条红外线。

3.如权利要求1所述的火焰检测装置，其中取景光学装置包括透镜和滤光器，滤光器用于将光削弱到成像器的动态范围内。

4.如权利要求1所述的火焰检测装置，其中处理器包括用于对实时图像执行评估逻辑以评估出火焰存在的可信度的装置和输出火焰状态数据的装置。

5.如权利要求3所述的火焰检测装置，其中透镜是广角透镜。

6.如权利要求1所述的火焰检测装置，其中成像器是电荷耦合元件或互补金属氧化物半导体元件。

7.如权利要求1所述的火焰检测装置，其中取景光学装置和成像器的工作范围在近红外的波长区域。

8.一种通过火焰检测系统检测火焰的方法，其中火焰检测系统能够从来自相邻燃烧器的背景辐射检测和辨别来自本地目标燃烧器的火焰，所述方法包括步骤：

使用检测器捕获来自火焰区域的辐射的多个空间、时间和能量特征的实时图像，所述检测器包括具有取景光学装置的光检测部分和能够以紫外波长、可见波长、红外波长或其组合工作的成像器；

使用处理器提取实时图像的特性统计模式；

使用所述处理器对来自实时图像的特性统计模式数据执行统计识别程序以获得与存储在存储器中的已知火焰的已知有效模式的比较；

使用所述统计识别程序的结果利用所述处理器计算可信度并且将所述可信度与预定阈值进行比较以建立火焰存在的可能性；及

产生表示火焰存在或不存在的输出。

9.如权利要求8所述的方法，其中在所述统计识别程序中在不同时段捕获多幅实时图像，并且将多幅实时图像的组合与所存储的已知有效模式进行比较。

10.如权利要求9所述的方法，其中统计识别程序包括分析火焰的空间、时间和能量特征。

11.如权利要求9所述的方法，其中在预定的时段执行所述统计识别程序，以提供预定长度的活动时间窗口，其中可信度在该预定长度内累积。

12.如权利要求10所述的方法，其中所产生的输出包括所捕获的实时图像及统计数据。

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