CN102032802B - 一种表征工业炉燃烧不均匀性特征的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明采用一种数字化的图像特征来表征工业炉燃烧不均匀性的方法。主要应用于涉及燃烧不均匀性的电站锅炉、工业锅炉等燃烧设备的燃烧状态的不均匀性表征。(1)该方法利用采集图像特征来判断火焰燃烧状态；(2)利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到监控计算机，将彩色图像信号先转换为灰度图像，再转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每一列连续的构造S形时间序列，运用时间序列分析软件(VISUAL RECURRENCE ANALYSIS)的递归图像特征判断火焰是混沌还是拟周期状态；(3)然后根据拟周期或是混沌情况来判断不均匀性特征。本发明方法简单易行，可灵敏、快速、可靠、实时地检测并判断燃烧室内燃烧不均匀状况，为电站锅炉、工业炉窑等燃烧设备燃烧不均匀性的诊断提供了一种可靠实用的表征方法。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧技术，计算机技术，数字图像处理技术与时间序列分析理论相结合的方法。属于工业炉检测技术领域，具体地说是一种适用于所有涉及燃烧不均匀的工业炉等燃烧设备火焰不均匀性的表征方法。
背景技术
燃烧火焰不均匀性是表征燃烧状态的最直接的反映。燃烧的不均匀，不仅会降低热效率，产生噪声和污染，在极端的情况下会引起炉膛灭火，处理不当会诱发炉膛爆炸，造成工业事故。所以炉膛火焰燃烧状况是否稳定直接关系着锅炉安全性和经济性，燃烧的不均匀性判别是炉膛燃烧效果的重要特征量，这就要求炉膛必须具有安全可靠的炉膛安全监测系统，从而保证炉膛内组织稳定、均匀的火焰，保证强烈、充分的燃烧，尽量减少因燃烧不稳定而投油燃烧的次数，防止因炉膛灭火而引发炉膛燃爆等事故。燃烧火焰检测和燃烧诊断是很有工程实用价值的研究课题。
真正的锅炉火焰检测方法从出现到现在不过四五十年时间，上世纪60年代以前，锅炉火焰检测方法主要采用以热能温度，热流差压，电离导电原理等构成的火焰监测器，效果均不满意。60-70年代，国外开始出现火焰紫外线监测的火焰监测系统，其中的燃烧器使用天然气和轻油时，由于相邻或相对的燃烧器的较高强度的紫外线强度区域无重叠，且不受黑体辐射的干扰，故对火焰源的分辨率高。当燃烧器使用重油和煤时，由于紫外线在炉内被油雾，磁粒，燃烧副产物和煤粉等未完全燃烧的燃烧物所吸收，所以对燃用煤粉，重油或者废料的炉膛火焰监视采用紫外线探测仪，只能检测到非常低水平的紫外辐射强度，对检测带来不稳定性，因此对检测效果并不理想。从70年代后期，国外开始研制基于检测火焰发射红外线和可见光原理的火焰检测系统。传统的伸入式温度测量方法，例如用热电偶测量，只局限于个别点的测量，无法满足其较高的时空分辨率。这种单点测量方式存在火检探头视角小、镜头易被烟灰玷污、火检装置参数整定困难等诸多问题，还存在相邻火焰的串扰现象，无法使运行人员真正了解炉内燃烧的真实情况并在此基础上合理组织燃烧。而基于燃烧火焰辐射光强的火焰检测系统只适用于单个燃烧器的火焰检测，它是利用燃烧火焰辐射光(红外线，紫外线，可见光)的强度和火焰脉动频率来检测火焰。工程应用表明，仅根据辐射光强度检测火焰是否存在是不可靠的。现今，工程实际应用的火焰检测系统都采用火焰辐射光强和火焰脉动频率同时检测的综合检测方法，或采用红外线和紫外线组合探头方法，提高了检测的可靠性，控制效果比较好。但是，由于煤种的多样性判别是否灭火的频率值设置很难下一个定性的结论，只能根据实际的燃烧工况，凭经验来设定。
20世纪80年代出现的一种跨学科的技术，工业锅炉的图像处理火焰检测技术，是将现代计算机技术，数字图像处理技术与燃烧学等相结合应用的结果，提供了大量的关于炉内运行工况的原始信息。快速发展的计算机图像处理技术，利用火焰图像来进行燃烧诊断，它既可以通过直观的图像知道运行人员，又可以通过计算机对炉内燃烧状况和火焰信息使得人们能从CCD摄取的火焰图像中得出它们的定量描述。但是，对图像信号的处理从空域转换到时域，整个处理过程速度慢，实时性还需进一步改进。
火焰燃烧的不均匀性很大程度上是由拟周期起到主导作用，传统的相空间重构技术的核心是嵌入维数和时间延迟的确定，目前并无一种通用的适合各种混沌时间序列的算法，确定嵌入维数和时间延迟的各种方法都在不同程度上带有一定的主观性，其原因在于：我们没有任何有关混沌时间序列的相空间的先验信息，因此缺乏一个明确的目标来度量相空间重建的效果，并且大量的实验数据证明，这种方法的实时性，时效性较差。因此，我们将最新的相重构技术(采用重构相图方法)表征拟周期情况的方法应用于工业炉火焰不均匀性检测系统。
发明内容
本发明的目的是克服了上述火焰不均匀实时检测方法的不足，提供一种新的具有较高的应用价值的、简单易行的工业炉火焰不均匀性实时检测表征工业炉燃烧不均匀性特征的方法。
本发明的技术方案是：利用采集图像特征来判断火焰燃烧状态，并进行图形转换和数据处理来判断不均匀性特征，具体步骤如下：
利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到监控计算机，将彩色图像信号先转换为灰度图像，再转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每一列连续的构造S形时间序列，运用时间序列分析软件即VISUALRECURRENCE ANALYSIS的递归图像特征来判断火焰是混沌还是拟周期状态；然后根据拟周期或是混沌情况来判断不均匀性特征。
所述的火焰结构彩色图样是针对工业炉炉膛燃烧火焰利用彩色CCD摄像机和图像采集卡获得实时图样。
其拟周期特征是沿对角线右上正方形分布，且各种颜色分布相对集中；而混沌特征则为各种颜色分散分布。
拟周期的特征为燃烧不均匀性，混沌的特征为燃烧均匀性。
本发明该方法采用时间序列分析的重构相图方法，运用图像采集系统采集到得工业炉内火焰实时的彩色图像，不同的颜色代表了温度的不同分布，将彩色图样转换成灰度矩阵，再转换为数字矩阵，则得到了采集火焰图像平面内不同区域位置温度的不同分布状态，即：矩阵的每一个数值代表了燃烧室某个确定位置的相对温度大小，然后对每个火焰图像按每一列连续的构造S形时间序列，经过对这些代表温度分布的不同数字矩阵的时间序列采用最新重构相图的方法，发现温度的分布存在混沌和拟周期状态，而正是这种拟周期状态的存在使得燃烧不均匀的发生。本发明把最新的重构相图方法表征拟周期的方法用于工业炉火焰不均匀性检测上。具体的实施步骤如下：(1)该方法利用采集图像特征来判断火焰燃烧状态；
(2)利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到监控计算机，将彩色图像信号先转换为灰度图像，再转换为数字矩阵，运用时间序列分析软件(VISUAL RECURRENCE ANALYSIS)的递归图像特征判断火焰是混沌还是拟周期状态；
(3)然后根据拟周期或是混沌情况来判断不均匀性特征。
本发明的有益效果是：
1、解决了声学法，电离法，温度法，红外线检测，紫外线检测，可见光检测等传统检测方法，以及现在结合数字图像处理技术基于人工智能等理论的先进检测方法的不足之处；
2、该方法还克服了传统的相重构方法的缺陷，实现了递归图分析的方法。
3、该方法简单易行能够及时、灵敏、可靠地检测炉内燃烧工况；
4、该方法采用了图像-数字-图像的思想非常独特。
本发明适用于所有涉及工业炉等燃烧设备火焰不均匀性检测表征上。该方法操作控制简单，能动态表征火焰的燃烧状况，提高了整个燃烧系统的自适应性，计算速度快，提高了系统的实时性。
附图说明
下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
图1为燃烧不均匀性的表征图。
图2为燃烧不均匀性的表征图。
图3为燃烧不均匀性的表征图。
图4为构造时间序列方法图。
具体实施方式
实施例1：某钢铁厂炼铁车间熔炼炉中，对燃烧过程进行实时监测，通过摄像头和图像采集卡，采集t时刻的燃烧火焰实时图样，进行图像处理，运用matlab软件的图像命令将rgb图像转换为灰度图像，再将灰度图像转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每一列连续的构造S形时间序列，然后再根据构造时间序列。运用计算机内的重构相技术的程序得出来如图2的图像发现右上角是呈正方形且颜色(黑白图像体现为黑色的深浅)分布相对集中从而反映燃烧处于拟周期则说明燃烧的不均匀性。
实施例2：某陶瓷制品厂车间焙烧炉中，对焙烧过程进行监测，通过摄像头和图像采集卡，采集某时刻的燃烧火焰实时图样，进行图像处理，转换为灰度矩阵将灰度图像信号转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每一列连续的构造S形时间序列，再制成时间序列。运用计算机内的重构相技术的程序来得出如图3的图像发现右上角是呈正方形且颜色(黑白图像体现为黑色的深浅)分布相对集中从而反映燃烧处于拟周期则说明燃烧的不均匀性。
Claims (2)
1.一种表征工业炉燃烧不均匀性特征的方法，其特征在于：该方法利用采集图像特征来判断火焰燃烧状态，并进行图形转换和数据处理来判断不均匀性特征，具体步骤如下：
利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图像，并将图像输入到监控计算机，将彩色图像信号先转换为灰度图像，再转换为数字矩阵，然后对每个灰度图像按每一列连续的构造S形时间序列，运用时间序列分析软件即VISUAL
RECURRENCE ANALYSIS的递归图像特征分析来判断火焰是混沌还是拟周期状态；然后根据拟周期或是混沌情况来判断不均匀性特征；
当二维相平面图的特征是沿对角线右上正方形分布，且各颜色分布相对集中时，其对应于拟周期状态，表明燃烧不均匀，当二维相平面图的特征是各种颜色分散分布时，其对应混沌状态，表明燃烧均匀，在黑白的二维相平面图中，颜色表现为黑色的深浅；
所述S形时间序列沿火焰生长方向延续；
所述递归图像特征是将每个灰度图像的S形时间序列再制成时间序列，然后利用相重构技术获得的二维相平面图的特征。
2.根据权利要求1所述的表征工业炉燃烧不均匀性特征的方法，其特征在于：所述的火焰尖瑞彩色图像是针对工业炉炉膛燃烧火焰利用彩色CCD摄像机和图像采集卡获得的实时图像。
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