CN101506582B - 基于照相机的火焰检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明要解决的问题是提供一种简单的多光谱火焰检测器。通过具有适合于将火焰的多个图像投射到同一照相机(5)上的光学成像系统(3a至3d、6a至6c)的火焰检测器来解决该问题。所述图像来自不同的光谱区。所述成像系统包括并排地布置的多个透镜装置，成像光学器件包括按照使得各透镜装置接收到来自所述火焰的光的一部分的方式并排地布置的多个透镜装置。各透镜装置将一个图像投射到所述照相机的一个区域中。在该设计中，不需要分束器或反射镜，由于这种组件很昂贵且难以对准，因此这是有利的。

Description

基于照相机的火焰检测器
技术领域
本发明涉及使用用于记录火焰的空间分辨图像的照相机的火焰检测器。
背景技术
火焰检测器(火焰探测器)被认为是商用加热设备(例如，蒸汽锅炉、热水器、或燃气炉、燃油炉、燃煤炉)的燃烧室内的最关键的装置之一。火焰检测器是检测引燃灯或主火焰实际上是否被点燃的安全装置。火焰检测器被设计成，在被正确地安装并维护时，防止由在火焰中断的过程中积聚在燃烧器室内的燃料的点燃所导致的锅炉爆炸。火焰中断被定义为当锅炉燃烧室内的火焰由于设备故障或错误的操作而被无意地中断时的锅炉状态。
DE 197 10 206描述了一种具有将来自火焰的光投射到其前方布置有不同的光谱滤波器的多个照相机上的成像光学器件的火焰检测器。
WO 02/070953描述了一种具有将火焰的多个图像投射到单个照相机的不同的空间区域上的成像光学器件的火焰检测器，其中，所述图像具有不同的光谱成分。所述成像光学器件由多个分束器及反射镜的组装件组成。
发明内容
本发明要解决的问题是要提供一种在WO 02/070953中所描述的类型的简单的火焰检测器。
该问题通过根据本发明的火焰检测器来解决，该火焰检测器包括：照相机；光学成像系统，其用于将所述火焰的、不同的光谱区中的多个图像投射到所述照相机的不同的空间区域上；至少一个色彩滤波器，其特征在于，所述光学成像系统包括在公共的平面上并排地布置的多个透镜装置，各透镜装置直接接收由所述火焰发出的光，以及各透镜装置将所述图像中的一个图像投射到所述照相机的所述区域中的一个区域上。因此，成像光学器件包括按照使得各透镜装置接收到来自火焰的光的一部分的方式并排地布置的多个透镜装置。各透镜装置将一个图像投射到照相机的一个区域中。在该设计中，不需要分束器或反射镜，由于这种组件很昂贵且难以对准，因此这是有利的。
通过将所有的图像投射到同一照相机上，由单个装置来记录所有的图像，这避免了由不同的照相机装置之间的灵敏度的差异所导致的、可能会影响DE 197 10 206的系统的可靠性的问题。另外，仅需要单个照相机，这减少了用于制造火焰检测器的成本。
有利的是，将所述透镜装置布置在公共载体上，这简化了它们的调节。例如，所述公共载体可以载有并排地布置的多个菲涅耳透镜。
附图说明
在从属权利要求以及以下参照附图1的说明中公开了本发明的其他实施例、优点及应用，其中图1示出了本发明的实施例。
具体实施方式
图1示出了用于监视火焰1的火焰检测器的实施例。该火焰检测器包括光学成像系统2，在本实施例中，光学成像系统2包括公共载体4上的多个透镜装置。有利的是，各透镜装置3a、3b、3c、3d是形成在透明的载体4上的菲涅耳透镜。
透镜装置3a、3b、3c、3d并排地布置在由载体4所限定的公共平面上，该平面被布置成与以火焰1为中心的球大致上相切，以使得各透镜装置直接地接收到由火焰1所发出的光的一部分。
各透镜装置3a、3b、3c、3d将火焰1的一个图像投射到照相机5上。照相机5是例如具有硅基板的单芯片CCD照相机。在本实施例中，按照使得将各图像投射到照相机的一个四分之一区域中且所有的图像具有相同的尺寸的方式将四个图像同时地投射到照相机5上。
将四个透镜装置3a、3b、3c、3d关于连接火焰1与照相机5的轴大致上对称地布置，以使得各透镜装置接收到大致上相同的光量。
在所述透镜装置中的三个透镜装置(即，透镜装置3a、3b、3c)与照相机5上的相对应的图像之间布置有色彩滤波器6a、6b、6c，各透镜装置对这些图像中的一个图像进行滤光。例如，可以将色彩滤波器直接地应用于照相机5，或者可以将它们放在距照相机5一定距离远之处。特别的是，还可以将滤波器安装到载体4上。还可以使色彩滤波器位于透镜装置的前方，而靠近照相机5或紧邻在照相机5的前方的布置是有利的，这是因为它减小了不同的光谱通道之间的串扰。
照相机5上的四个图像具有以下光谱成分：
——一个图像通过使紫外光通过而阻断可见光及红外光的UV波段滤波器6a。有利的是，UV波段滤波器6a阻断波长大于350nm的光。有利的是，UV波段滤波器6a使波长在300nm与320nm之间的光通过。这是来自OH基的光的光谱范围，该光谱范围是燃烧的火焰的显著的指示。大多数碳基燃料的燃烧火焰发出足以使该光谱范围中的检测可行的紫外辐射。这种光的存在高度地指示点燃的火焰。然而，UV辐射会被存在于燃烧室中的煤烟或碳粒子阻断。
——一个图像通过使可见光通过而阻断紫外光及红外光的VIS波段滤波器6b。有利的是，VIS波段滤波器6b阻断波长小于400nm的光以及波长大于780nm的光，而让波长在400nm与780nm之间的光通过。来自该光谱范围的光通常用于油燃料燃烧火焰，并且不易被煤烟吸收。
——一个图像通过使红外光通过而阻断可见光及紫外光的IR波段滤波器6c。有利的是，IR波段滤波器6c阻断波长小于800nm的光，而使波长大于800nm的光通过。这种红外光指示大多数点燃的火焰，但是它也可能是由设备的热的部件发出的。其在煤烟中的吸收小于波长更短的光的吸收。
——一个图像不通过任何滤波器，因此其包括来自火焰1的紫外光、可见光及红外光。该光特别地适合于分析各种火焰参数(例如，形状、波动等)。作为另一种选择，可以根据UV信号、VIS信号及IR信号的加权和来计算全谱宽信号，作为直接地测量全谱宽信号的替代。
图像处理技术可以用于对由照相机5所接收到的图像进行分析。例如：
——可以根据具有预定的典型火焰形状及典型波动的图像的存在而推导出存在火焰。简单地说，通常最好在紫外图像中检测气体火焰，最好在可见光范围中检测油火焰，最好在红外范围中检测煤粉火焰。
——例如可以根据强的闪烁(强的信号变化)以及/或者不正常的火焰形状来检测非理想燃烧的燃烧火焰。
通常，如从以上可以看到的，对要在测量中使用的光谱范围的选择取决于燃烧的种类。由于本装置使得可以在不同的光谱范围中测量，因此其可以通过简单地改变评价算法而用于各种类型的燃烧。
可以通过加入光源(有利的是，发出UV辐射、可见光辐射及红外辐射的光源7)而使该装置拥有自诊断能力。安置光源7以将光发送到照相机5中，从而测试照相机5的操作。例如可以在已知或假定火焰熄灭时打开或关闭光源7。在这种情况下，应当与光源7的打开或关闭同步地产生信号。如果未观察到这种信号，则照相机5可能不工作，并可以产生警告信号。
有利的是，使光源7位于使得其光落到透镜装置3a、3b、3c、3d的与火焰1相反的侧上的位置。由透镜装置3a、3b、3c、3d所反射的光的一部分落到照相机5上。
并且，并不严格地必须在所提及的全部三个光谱范围中进行测量。取决于火焰检测器的所期望的应用范围，仅在所述光谱范围的子集中的测量可能就足够了。具体地说，光学滤波器的数量例如可以减少到仅两个。
例如，可以通过将一个火焰检测器沿以火焰为原点的正交x-y-z坐标系的x轴放置、将一个检测器沿y轴放置、并将一个检测器沿z轴放置，来将这里所示出的多个火焰检测器进行组合，从而测量火焰1的三维性质。
为了进一步提高装置的灵敏度，可以使用光学频率转换器。具体地说，合适的UV敏感的荧光材料(例如，荧光粉)可以将UV光转换到硅基照相机的灵敏度最高的可见光谱范围。例如，在W.A.R.Franks等人的“Responsive CCD Image Sensors With Enhanced Inorganic PhosphorCoatings”(IEEE Transactions on Electron Devices，第50卷，第2期，第352-358页)中描述了合适的荧光粉。例如可以将频率转换器层压到滤波器6a、6b、6c中的一个上。
相似的是，可以使用频率上转换来将波长大于1μm的光转换到硅基照相机灵敏的光谱范围中。
本领域技术人员知晓该类型的合适的材料，例如由LDP LLC.(220Broad Street，Carlstadt，NJ 07072，USA(www.maxmax.com))所售卖的、例如以IRDC2IRUCG、IRUCR及IRUCB的名称的材料。
标号列表
1：火焰
2：成像系统
3、3a、3b、3c：透镜装置
4：载体
5：照相机
6a：UV波段滤波器
6b：VIS波段滤波器
6c：IR波段滤波器
7：光源

Claims (12)

1.一种火焰检测器，该火焰检测器用于监视火焰，该火焰检测器包括：
照相机(5)；
光学成像系统(2)，其用于将所述火焰的、不同的光谱区中的多个图像投射到所述照相机(5)的不同的空间区域上；
至少一个色彩滤波器(6a、6b、6c)，
其特征在于，所述光学成像系统(2)包括在公共的平面上并排地布置的多个透镜装置，所述平面被布置成与以所述火焰为中心的球大致上相切，以使得各透镜装置直接接收由所述火焰发出的光，以及各透镜装置将所述图像中的一个图像投射到所述照相机的所述区域中的一个区域上。
2.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中，所述至少一个色彩滤波器(6a、6b、6c)被设置用来对所述图像中的一个图像进行滤光，以及其中所述至少一个色彩滤波器(6a、6b、6c)被布置在所述透镜装置(3a～3d)中的一个透镜装置与所述照相机(5)之间。
3.根据权利要求2所述的火焰检测器，其中，所述透镜装置(3a～3d)被布置在公共载体(4)上。
4.根据权利要求3所述的火焰检测器，其中，所述载体(4)载有多个菲涅耳透镜作为所述透镜装置(3a～3d)。
5.根据权利要求1所述的火焰检测器，该火焰检测器包括使紫外光通过而阻断可见光及红外光的UV波段滤波器(6a)。
6.根据权利要求1所述的火焰检测器，该火焰检测器包括使可见光通过而阻断紫外光及红外光的VIS波段滤波器(6b)。
7.根据权利要求1所述的火焰检测器，该火焰检测器包括使红外光通过而阻断可见光及紫外光的IR波段滤波器(6c)。
8.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中，所述图像中的至少一个图像包括来自所述火焰的紫外光、可见光及红外光。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的火焰检测器，该火焰检测器还包括光源，该光源适合于将光发送到所述照相机(5)上来测试所述照相机(5)，其中所述光源(7)位于使来自所述光源(7)的光被从所述光学成像系统(2)反射到落到所述照相机(5)上的位置。
10.根据权利要求1所述的火焰检测器，该火焰检测器包括光学频率转换器。
11.根据权利要求10所述的火焰检测器，其中所述光学频率转换器是用于将UV光转换成可见光以便被投射到所述照相机(5)上的光学频率转换器。
12.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中，所述透镜装置(3a、3b、3c、3d)关于连接所述火焰(1)与所述照相机(5)的轴对称地布置。
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