CN102143328A - 用于控制燃烧设备的图像感测系统、软件、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动控制系统，其包括作为成像系统的一部分的光学图像捕获装置。本发明提供了一种能够利用光学图像捕获装置结合计算机系统和所需的相关设备来控制火焰生成系统的成像系统，计算机包括软件(以及相应的算法)。所述系统可用于控制火焰生成设备的各个方面，例如火炬、燃烧器、引燃器及其他燃烧设备。能够被执行例如火焰的定性和定量分析。另一方面，本发明提供了一种用于使用本发明的图像感测控制系统的专门方法。

Description

用于控制燃烧设备的图像感测系统、软件、装置和方法

背景技术

根据本发明，成像系统与火焰生成燃烧设备例如工业火炬(flare)、燃烧器和引燃器(pilot)结合使用以便在户外环境中控制火焰生成燃烧设备的运行。

在工业火炬中(例如废气火炬)，一些主要的设计点包括：液流能力；无烟能力；分解(destruction)效率；燃烧效率；火炬气成分；空气携带度；例如蒸汽喷嘴、空气扇、鼓风机和压缩机的关联设备的机械效率；以及提供点火的需要。最佳的性能要求在最大和最小流速下都对上述参数进行平衡。火炬操作者一般期望通过火炬尖端的最大流速，该最大流速被称为液流能力。火炬操作者还期望较低的流速，此时火炬发生，而不出现烟尘或烟雾，该较低流速被称为火炬尖端的无烟能力。还要求操作者分解约98％或更多的火炬气以便确保该火炬燃放的(discharged)废物的安全性。该百分比被称为分解排除效率，或分解效率。

稀释率是添加到被火炬燃烧的气体中的空气和/或蒸汽的量。空气和/或蒸汽用于输送附加的包围空气以便帮助火炬气的燃烧。然而，添加太多的空气或蒸汽至火炬能够产生被称为过度充气或过度蒸汽化(over-steaming)的状态。实际上，火炬气的某些部分会被过度充气或过度蒸汽化到其不再可燃的程度，从而降低了该火炬的效率。

蒸汽或空气辅助经常用来促进达到上述的无烟能力所需的混合。蒸汽火炬使用高速蒸汽来帮助空气的混合和携带。该火炬的蒸汽部分的设计通常为使得当火炬气离开蒸汽火炬尖端时空气和蒸汽贯穿喷嘴或混合管分布。蒸汽的目的在于充当一种运动流体以便携带附加的包围空气。一些蒸汽或空气分布在火炬尖端内作为净化气体以防止火焰在火炬尖端内燃烧。过量的蒸汽和/或空气会产生不可燃的混合物从而降低了火炬的效率。

如果容许火焰在尖端内稳定或当火焰在尖端内稳定时，火炬尖端会被损坏。这典型地发生在火炬气流速较低、或使用非常低的净化速率时。因此，分布在火炬尖端内的蒸汽在所有时间内都连续地流动。

操作者通常将蒸汽向上调节为比规定值更高以便尖端在较小的火炬燃烧事件期间需要较少的干预。然而，蒸气流会具有淬灭燃气流和/或使得燃气流惰性化到该燃气不发生氧化的程度的可能性。这能够使得潜在地有害的流流向大气并降低火炬效率。

在寒冷气候中，优选空气，因为蒸汽会结冰。这类火炬通过一或多个具有数百马力的电机的大型、电扇输送大量的空气至火炬尖端。大型的火炬可以具有四个或更多个将空气输送至尖端的风扇。这些风扇中的至少一个或多个将是双速风扇，并将在100％的时间内运转，同时其他的风扇为停机状态，其等待着火炬燃烧事件。该双速风扇负责小型的过程或净化速流(purge rate flow)。用于在所有的时间内运转该双速风扇的电能的成本是可观的。

即使在低速或半速情况下，空气火炬中的翼式轴流风扇(vane axial fan)可以输送绰绰有余的空气流。与泄漏阀关联的正常净化速流和尖端上游的处理能产生可观的燃气流至火炬。然而，与燃气有关的净化速流速度，对于大型的尖端，可以在约一英尺/秒(约0.3米/秒)之下。半速运转的风机可能会输送足以向火炬尖端产生燃气和空气的不易燃的或分层的混合气流的空气流速。从尖端排出未氧化的废物的可能性则成为问题并可能违反环保要求。如果净化或泄气率低于预期值，分解效率会降低至低于可接受的要求的水平。

发明内容

一方面，本发明提供一种火炬控制系统。该火炬控制系统包括基于光学的成像系统和自动化火炬控制处理器。基于光学的成像系统包括至少一个图像捕获装置以及一个图像处理器，图像捕获装置朝向至少一个向周围环境燃放的火炬取向。图像处理器包括至少一个能够电子地分析火炬的所捕获的图像，以及能够在火炬和周围环境背景之间进行区分的图像处理算法。自动化火炬控制处理器限定用于火炬的控制系统，其中自动化火炬控制处理器响应于从所述图像处理器接收的分析来控制所述火炬。

另一方面，本发明提供了一种火炬控制器，其包括至少一个火炬、图像处理系统以及自动化火炬控制处理器。该火炬向周围的大气环境中燃放。成像系统包括至少两个光学图像捕获装置、一个图像处理器、至少一个图像处理算法、和一个电子输出。并且，至少一个光学图像捕获装置检测、定位并捕获火炬中的火焰。至少一个光学图像捕获装置捕获火焰的电子图像。图像处理器至少为与光学图像捕获装置电子通信的计算机。图像处理算法存贮于图象处理器上，并适于分析电子图像，其中该图像处理算法在火炬和大气环境之间进行区分。由图象处理器生成的电子输出识别火炬的至少一个性能参数。自动化火炬控制处理器接收电子输出，并且该火炬控制处理器生成至包括火炬的火焰生成系统的响应控制输入，或数字控制系统向相同火焰生成系统提供输入。

另一方面，本发明提供了一种自动化火炬控制系统，其包括至少一个火炬，一个成像系统以及一个计算机系统。成像系统能够电子地捕获由火炬产生的火焰的数字图像。计算机系统包括用于分析由成像系统所捕获的图像的软件。

一方面，本发明包括含有图像感测装置的自动化火炬控制系统。

另一方面，本发明是使用与计算机系统和所需的相关设备相结合的图像感测装置的成像系统，计算机系统包括软件(以及相应的算法)。该系统可用于控制火焰生成设备的各个方面，例如火炬、燃烧器、引燃器以及其他燃烧设备。能够进行火焰的定性的和定量的分析。

图像感测装置能够是或包括数字视频相机或其他类型的能够记录一系列连续事件的相机。例如，在一个实施例中，图像感测装置是能够产生图像的相机，图像中的可见光色谱中的像素能够被计数。能够使用数字相机以及产生的图像能够被转换为数字图像的模拟相机。在一个实施例中，使用数字视频相机。

另一方面，本发明提供一种用于使用本发明的成像系统的专用方法。

另一方面，本发明的方法提供了通过光学成像对在户外的周围环境中燃放的火炬的控制。该方法包括以下步骤：

(a)在户外的周围环境中燃放火炬；

(b)使用具有至少一个相机的基于光学的成像系统监测火炬；

(c)使用相机捕获火炬的图像作为电子图像；

(d)使用至少一个适于事先预测烟雾的算法，和至少一个能够在火炬和户外周围环境之间进行区分的算法来分析火炬的电子图像；以及

(e)基于火炬的所分析的状况调整火炬。

附图说明

图1是具有成像系统的多个火炬的示意图；

图2描绘了自图1中的火炬得到的火焰图像和转换(inverted)的火焰图像；

图3A描绘了使用不变焦的、可见的、具有靶框(target box)的电荷耦合器件相机对火炬的夜间屏图像捕获；

图3B描绘了使用红外相机和图3A中描绘的可见火炬的靶框对图3A中的火炬火焰的夜间屏图像捕获；

图4A描绘了使用不变焦的、具有靶框的可见电荷耦合器件相机对无可见火焰的火炬的夜间屏图像捕获；

图4B描绘了使用红外相机和图3A中描绘的可见火炬的靶框对图4A中的火炬火焰的夜间屏图像捕获；

图5A描绘了成像处理的连接性；

图5B描绘了火焰产生和反馈控制回路的连接性；

图6A和6B描绘了在低火焰质量比下运行并发出烟雾的火炬；

图7A和7B描绘了以期望的火焰质量比运行的火炬；

图8描绘了具有叠置其上的条形图中的火焰质量比的充空气火焰；

图9描绘了在现场测试中所看到的发出烟雾的火炬；

图10A和10B描绘了图9中描绘的进行现场测试的火炬的火焰质量比的时间关系曲线。

具体实施方式

结合本发明，已经发现使用可见光和红外成像装置的光学成像系统能够与火焰产生设备例如火炬、燃烧器、引燃器及其他燃烧设备结合使用来帮助以一种有效的和高效率的方式监测与控制户外的火焰产生设备的运行。该光学成像系统有助于对运行的监测与控制，并且提供了在封闭式的或艺术火炬或燃烧器，又名地面火炬，中事先的烟雾预报。

参考附图，本发明的图像感测系统包括火炬控制系统。火炬控制系统总体用数字10来标示。如附图所示以及本领域技术人员所理解的，火炬控制系统10和其部件是设计成与至少一个火炬12，或者至少一个在至少一个燃烧器14中运行的火炬12相关联。火炬12和/或燃烧器14是在用于石油、化学或其它使用火炬12和/或燃烧器14的工业的周围环境16中使用的火焰生成燃烧设备的一部分。火炬12和/或燃烧器14是户外的火炬和/或燃烧器，或者为封闭式的或艺术火炬和/或燃烧器。优选地，火炬控制系统10是自动化的。

参考图1、2、5A和5B，火炬控制系统10包括成像系统18。成像系统18是基于光学的成像系统，包括至少一个光学图像捕获装置20，也称作相机20，其朝向火炬12或燃烧器14取向，相机控制器22，图象处理器24，以及为运行上述硬件和进行必要的分析所必需的任何适用的软件。相机控制器22和图象处理器24可以集成为单个单元，并称作图象处理器24。

图1示例了相机20和其视场。如所示例的，相机20包括多个具有变焦透镜21的相机，该多个相机具有至少第一相机20a和至少第二相机20b。在图1中，虚线表示从第一相机20a和第二相机20b得到的视场。在一个实施例中，相机20是多电荷耦合器件(CCD)相机，其使用棱镜(未示出)、光分束器(未示出)、或波长滤光器(未示出)以将入射光在CCD阵列上分离成不同的光谱光群。

在一个实施例中，第一相机20a和第二相机20b是选自于由CCD相机、多CCD相机、多谱段相机、高清相机、数字相机、模拟相机、彩色相机、黑白相机、灰度相机和它们的组合所构成的组。在一个实施例中，第一相机20a是广谱红外相机。在另一实施例中，第一相机20a是近红外相机。在一个实施例中，第一相机20a是短波长红外相机。在一个实施例中，第一相机20a是中波长红外相机。在一个实施例中，第一相机20a是长波长红外相机。

在一个实施例中，第二相机20b工作于可见光光谱或其一部分。在另一实施例中，第二相机20b工作于可见至紫外光谱或其一部分。

第一相机20a和第二相机20b是与相机控制器22和图象处理器24电子通信的。第一相机20a适合于探测、定位和电子捕获火炬12和/或燃烧器14的图像。第一相机20a识别并获取火炬12或燃烧器14，并将多个火炬12或燃烧器14相区分。第二相机20b适合于电子捕获与火炬12和/或燃烧器14关联的图像，包括其所具有的火焰。第一相机20a限定并生成至少一个用于第二相机20b的瞄准参数(aiming parameter)，并将那些参数电子传输到相机控制器22，从而通过成像系统18进行通信。

以各种方式组合的数个相机、滤光器、分束器或其它的光学装置均工作。在一个实施例中，如果相机20至少为多光谱或多CCD相机，则可以使用单个相机20。在该实施例中，来自火炬12和/或燃烧器14的光在进入相机20时进行分束。在这种情况中，棱镜(未示出)或其它的基于光学的光管理装置用于将入射光分束成两个或更多个光束，其中至少一个光束在近红外区被分析，并且至少另一个在可见光谱区被分析。其它的光谱成分或范围也可以单独或组合使用，例如远红外区、中红外区、红外区、近红外区、可见区、近紫外区、紫外区、或任何期望的波长部分。当相机20具有更高品质的部件，例如改进的附着于其上或位于其内的光学器件时，成像系统18的性能得到改进并且更鲁棒。

第一相机20a和第二相机20b可以使用单独的透镜来加宽或缩小视场。或者，第一相机20a和第二相机20b具有变焦功能以调整视场。图1示例了相机20b对火炬12的火焰56的变焦。

相机控制器22、或图像捕获控制系统22限定图像捕获装置、或相机20的控制参数。该控制包括操作控制，和其间的电子通信控制。在相机控制器22、第一相机20a和第二相机20b之间的电子通信确保了对每个相机20a和20b以及其之间的实时的、交互控制。相机控制器22交互地调整变焦透镜21。相机控制器22适于将变焦透镜21聚焦于火焰56上以最大化可用于统计分析的像素的数目。在图像处理算法26中使用的像素的数目越大，结果的精度越高。

相机控制器22与图象处理器24电子通信。图象处理器24是基于计算机的系统，其中具有存贮于计算机28上的用于处理其中捕获的数字图像的软件，并具有至少一个图像处理算法26，其同样也存贮于计算机28上。计算机28与光学图像捕获装置20和/或相机控制器22电子通信。相机控制器22是图象处理器24的一部分。

优选地，图像处理算法26是存贮于计算机28上的软件并能够电子地分析从火炬12和/或燃烧器14所捕获的图像。另外，图像处理算法26能够区分火炬12、或燃烧器14、以及周围环境16，例如相对于大气背景30。

作为非限制性的范例，多个图像处理算法26被包含在图5A的示意框中来表示代表不同的算法提供的功能的可变性。第一图像处理算法26a用于分析来自相机20a和相机20b的图像。第二图像处理算法26b用于在来自相机20a、相机20b的图像和周围环境16之间进行区分。第三图像处理算法26c用于将火炬12和/或燃烧器14中的火焰56解体(deintegration)成各个独立的像素，从而识别这些像素并将它们分组为多个光谱色群。每个图像处理算法26用于对来自成像系统18的图像进行定量和定性的分析。通过使用多个并行的图像处理算法，可以存在附加的评估参数，并会在下面讨论。

对于图像处理算法26c，该图像处理算法另外用于像素计数和由此确定火焰质量结论。通过非限制性的范例，选用24位光谱色模式，其具有蓝色、红色和绿色，每个光谱色具有0到255之间的强度。如果已知在总的分离的离散像素中蓝色的总强度(每个像素的蓝色强度(0-255)的总和)除以红色的总强度和绿色的总强度的组合总和(每个像素的红色强度(0-255)的总和加上每个像素的绿色强度(0-255)的总和)得到的比率，则可知火焰的状态，或者火焰的火焰质量比(FQR)。

或者，使用平均值而非总和来计算FQR给出相同的结果。使用这种方法，如果火焰质量比为约40％至约55％，则火焰是明亮的。如果火焰质量比为约35％或更少，则火焰迫近具有烟雾。以及，如果火焰质量比为约65％或更高，则火焰是过度稀释的。这里示例性地讨论了现场测试采样。其他光谱色模式，例如32位或48位，同样可以提供附加的数据。

火焰质量比和关联的范围是依赖于燃料的。例如，在使用氢气或甲烷的情况下，向图像处理算法26中加入偏置乘数(biasing multiplier)以产生期望的火焰质量比。每个已安装的火炬12和/或燃烧器14具有初始的现场测试以确立所需要的偏置乘数。该偏置乘数通过人工地调整火焰56并相对于实际情况比较所计算出的火焰质量比而确定。

其他的参数也可以通过选取的具体的图像处理算法26进行识别和分析。例如，第四图像处理算法26d提供了火炬12和/或燃烧器14内的温度感测和温度的详细变化。

图像处理器24，和其上的软件，能够使用帧接收器(grabber)捕获来自相机20的图像。图像处理器24适于捕获和分析来自由数字视频、高清数字视频、模拟视频以及其变形所构成的组的视频和视频信号。另外，只要模拟图像中的独立的像素是可以检测的，图像处理器24就能够分析模拟视频并将模拟图像转换为数字图像。图象处理器24的帧接收器部分选择用于处理的独立图像。优选地，至少一个图像处理算法26适于在火炬的视频图像中识别独立的像素。

图像处理器24提供了电子输出32，其传输至自动化火炬控制处理器34。优选地，电子输出32识别并提供了至少一个性能参数36至自动化火炬控制处理器34。性能参数36是来自图像处理算法26的输出，从而提供了关于火炬12和/或燃烧器14的点火状态、无烟条件以及分解效率的分析。类似地，相同的，或至少一个其他的图像处理算法26提供了关于火焰与火炬12的脱离或火炬12和/或燃烧器14中的烟雾积聚的性能参数。自动化火炬控制处理器34可以使用与图像处理器24相同的计算机。

来自相机20、或相机20a和20b的图像，以及所产生的图形用户界面图像任选地显示在图形用户界面上，或监测/控制屏幕54上。监测/控制屏幕54是任选的，但是当其被使用时，监测/控制屏幕54是图像处理器24和成像系统18的一部分并与之电子通信。

优选地，图像处理器24、成像系统18、和自动化火炬控制处理器34在它们之间限定反馈控制回路38。反馈控制回路38适于分析来自成像系统18的图像。另外，反馈控制回路38能够同时识别并监测火炬12和/或燃烧器14的多个性能参数36。通过非限制性的范例，反馈控制回路38能够识别至少火炬12和/或燃烧器14的温度；确认在火炬12和/或燃烧器14中是否有烟尘积聚；识别火焰是否已经与火炬12和/或燃烧器14脱离；识别在火炬12和/或燃烧器14的火焰内是否存在色差；以及识别火炬12和/或燃烧器14的整个火焰中的多个密度。可用反馈控制回路38识别的另一个非限制性范例包括对无烟的、良好混合的用于火炬燃气分解的火焰56的控制。反馈控制回路38还能够识别火炬12或燃烧器14中的热点，检查引燃器48处于“开启”状态，检验火炬12或燃烧器14的分解效率，以及识别火炬12、燃烧器14、或引燃器48内的任何内部燃烧。

记录器40与成像系统18电子通信。在一个实施例中，记录器40与图像处理器24电子通信并在来自光学图像捕获装置20的图像上提供日期/时间印章。记录器40为火炬12和/或燃烧器14的所有状态提供了在其上加上详细的日期与时间印章的日志功能。

自动化火炬控制处理器34连续地、并且以操作者设定的间隔率，限定用于火炬12和/或燃烧器14的控制输入系统42。基于性能参数36，自动化火炬控制处理器34生成至火焰生成系统46的响应控制输入44或调整。无论是仅存在着一个火炬12和/或燃烧器14，还是存在着多个火炬12和/或燃烧器14，都可以使用相同的控制输入系统42。控制输入系统42和响应的控制输入44直接与精炼厂、或其他的大型设施的数控系统通讯。或者，控制输入系统42和响应控制输入44提供至火炬12和/或燃烧器14的直接输入。

火焰生成系统46适于响应于所有的与火焰生成相关的控制输入信号并至少包括火炬12、燃烧器14、引燃器48、蒸汽阀50、和/或空气发生器52。火焰生成系统46中的装置优选地以预先方式进行控制。响应控制输入44或调整基于来自图像处理器24的对火炬12和/或燃烧器14的分析。电子输出32提供对火焰56的几乎即时的统计分析，从而预测火炬12或燃烧器14的状态。自动化火炬控制处理器34包括附加控制算法。这些附加控制算法确定对火焰生成系统46的空气、蒸汽或燃气输入的增加/减少，或间接地通过用于火焰生成系统46的数控系统。此外，这些附加控制算法确定用于输入的最佳时间间隔以最小化不期望的状态，例如烟雾、烟尘和稀释。

方法

对于控制图1-5B中所描绘的火炬12和/或燃烧器14的方法，该方法包括火炬12、或燃烧器14，将向周围环境16中燃放，并通过使用具有至少一个相机20的基于光学的成像系统18监测火炬12、或燃烧器14。或者，火炬12或燃烧器14是向着封闭式的或艺术火炬燃放的。火炬12或燃烧器14的数字图像由相机20捕获为电子图像，该图像可以任选地显示在监测/控制屏幕54上。电子图像的分析是在图像处理器24内由至少一个适于分析火炬12或燃烧器14的火焰的图像处理算法26执行的。优选地，图像处理算法26能够在火炬12或燃烧器14，和周围环境16之间进行区分；能够确定火炬12或燃烧器14的状态；以及能够确定或预测发光度、颜色密度、烟雾、烟尘积聚、和火焰。或者，图像处理算法能够在火炬12或燃烧器14，和封闭的或艺术的火炬或燃烧器的封闭的周围环境之间进行区分；能够确定火炬12或燃烧器14的状态；以及能够确定或预测发光度、颜色密度、烟雾、烟尘积聚、和火焰。基于所分析的火炬12的状态调整火炬12和/或燃烧器14。

成像系统18向自动化火炬控制处理器34提供输入以便对至火炬12和/或燃烧器14的输入做出预先快速、简明的控制改变，以避免火焰分离、稀释、烟雾产生或任何其他不期望的状态。成像系统18对火炬12或燃烧器14的整体进行评估，包括烟雾62、引燃器48、火焰56的形状，和/或内部燃烧状态。

通过使相机20a为红外或近红外相机，在火炬12或燃烧器14和周围环境16之间进行区分减少了图像处理算法26的工作负荷。因而，对在火焰56和周围环境16之间的可见边界的区分更为容易。依赖于具体的应用情况，可能期望使用短波长、中波长或长波长红外线。

图2示例了计算机显示的从火炬12捕获的火焰56a的红外图像，并具有由火焰56a中的线所表示的颜色条纹。此外，图2中所示例的是火焰56b的计算机显示的图像，其已经进行了处理以从中减去可见的周围环境16，因而表示火焰56a的呈现图像。如同在火焰56a中，由火焰56b中的线表示火焰的颜色(color)条纹。虽然在图2中颜色条纹示例为线，一些火焰将产生湍流涡旋和颜色的密集束，其将在火焰56中产生不均匀颜色的图像。

如在图1和3A-4B中所示例的，相机20包括第一相机20a和第二相机20b。在这种情况下，第一相机20a是红外照相机20a，而且第二相机20b是可见光谱相机。两个相机20都聚焦在火炬12、或燃烧器14的火焰图像上。图3A-4B描绘了相机20a和20b都在夜间使用并显示在监测/控制屏幕54上。如图3B中所描绘的，红外相机20a获取了火焰56，并与图像处理器24的相机控制器22联合工作，靶框58插于识别的火焰56周围。如同在图3A中描绘的，在图3B中所描绘的相同的图像显示自可见光谱相机20b的视觉透视，其描绘为无变焦的、电荷耦合器件(CCD)相机。靶框58也描绘于图3A上。

在一个实施例中，第一相机20a和第二相机20b独立提供火炬12和/或燃烧器14的不同角度的视图。例如，第一相机20a和第二相机20b可以布置为相对于火炬12和/或燃烧器14在它们之间提供明显的分离角度，以捕获火焰56的三维图像。这种分离允许至少一个相机20捕获远离另一个相机20弯曲的火焰56。该明显的角度必须足以提供用于三维建模的数据。

当使用具有变焦功能的相机20时，火焰面积被放大。火焰56的放大增加了相机20可见的光子数，从而增加了含有火焰的具体信息的可用像素的数目。较大的可用像素数目增加了统计样本大小，从而提高了评估和预测能力的精度。

在使用两个或更多相机20的实施例中，相机控制器22将向可见光谱相机20b提供指令以捕获靶框58内的图像，如图3A中所描绘，或者将镜头移至靶框58处并捕获图像。图4A和4B类似于图3A和3B，但火焰56对于4A中的可见光谱相机20b而言是不易于识别的。然而，图4B描绘清楚地识别火焰56的红外相机20a。因而，特定的可见光谱相机20b的使用，以及使用图像处理算法26的图像处理器24的功率对于相对开放的周围环境16、或者封闭式或艺术火炬的背景正确地成像火炬12是很重要的。在上述每种情况下，图像处理算法26识别火焰56的边界64并电子地去除背景信息，从而将光谱信息限制为实际的火焰56。使用红外线来确定用于处理的火焰的大小和形状。

对于第一相机20a，红外和近红外相机是优选的，但是任何光谱选择都将工作，包括中波长红外线、和长波长红外线。通过使用红外线所确立的边界与可见光谱比较地使用以清楚地识别用于根据图像处理算法26中的一个进行评估的可见区。一旦从所捕获的图像上去除背景，红外/近红外线使得图像处理能够显示离开火焰56的烟尘或者烟雾。构成烟雾的独立烟尘粒以可测量的速率发射。中波长红外线或者长波长红外线而后能够用来识别引燃器、内部燃烧、热点、烟尘积聚、温度不规则性等。使用多CCD相机，相机20可以为单透镜系统。

当对照周围环境16观察多个火炬12和燃烧器14时，具有图像处理器24的成像系统18能够用于在每个火炬12和燃烧器14之间进行区分，并通过自动化火炬控制处理器34和火焰生成系统46提供实时的调整。例如，许多火炬12和/或燃烧器14利用蒸汽、空气、或者该二者来控制火焰。用于蒸汽和空气系统的控制输入功能是火焰生成系统46的一部分。如通过反馈控制回路38和关联的系统所确定的，根据火炬12和/或燃烧器14的分析的状态来控制和调整蒸汽输入和/或空气输入。该同一过程允许对所有的火焰生成系统46元件进行控制，包括火炬12、燃烧器14、和引燃器48。当评估多个火炬时，图像处理算法26包括使用一个或多个相机20对图像进行三角测量的能力。使用多个相机20时，不同的值被调节为操控不同的火炬12和/或燃烧器14。

对火炬12和/或燃烧器14的分析包括使用图像处理器24定性地和定量地识别影响性能的各种状态，并将该分析并入由自动化火炬控制处理器34向火焰生成系统46所提供的指令中。由于来自图像处理器24的基于颜色的定性的和定量的分析向自动化火炬控制器34提供了输入信号，容易进行对火焰生成系统46的预先确定。因而，火炬12可以按照需要进行改变以保持烟尘/烟雾最少，同时维持高分解效率。至火炬12和/或燃烧器14的空气或蒸汽的输入如所需地减少。

这些实时调整步骤提供了对火炬12和/或燃烧器14的必要调整，从而消除了烟雾或其他的不期望的状态的发展。因为在至火焰生成系统46的输入和具体的燃气、空气或蒸汽的输入控制之间存在关联的固有滞后时间，自动化火炬控制处理器34确定用于改变具体的燃气、空气或蒸汽输入控制的最佳时间间隔。

火炬12和/或燃烧器14的分析提供了对火焰56的分析，并为操作者提供了关于火焰56是否在增长、衰退、熄灭、或处于稳态的关键信息。在反馈控制回路38识别到火炬12和/或燃烧器14具有不期望的工作状态的状态时，报警系统60和记录器40可以用来向操作者提供通知和反馈，并记录该事件。至操作者的通知和反馈可以是听觉信号、电子警报、和/或视觉队列的形式。事件的记录包括在该记录上加上日期与时间，和将记录传送给记录器40。

其他的典型的例子示例于图6A-8中。在图6A和6B中，结合火焰56示例了烟雾62。在图7A和7B中，示例了干净的火焰。图6A-7B示出了具有火焰56到火炬12。外轮廓线64表示通过红外相机20a所分离出来的感兴趣区域的边界。在确立了外轮廓线64之后，相机控制器22将相机20b聚焦在火焰56和外轮廓线64上，由此相机20b捕获火焰56的图像用于图像处理。在该典型的范例中，像素是基于它们的颜色进行分组的，像素计数图像处理算法26计算在每个组中的每个像素的数目。如在该典型的范例中所示的，图6A示例了产生烟雾并具有0.34的火焰质量比的火焰。类似地，图6B示例了产生烟雾并具有0.36的火焰质量比的火焰。相反地，图7A和7B分别示例了0.53以及0.54的火焰质量比。图7A和7B示例了正常燃烧的火焰。图8示例了正常充气的丙烷火焰56，具有叠置于其上的火焰质量比条形图。

火炬控制系统10和使用方法是足够鲁棒的，能够检测处于各种户外周围环境状况中的火炬12和/或燃烧器14中的火焰56，和半封闭的或暴露于相同的环境状况的艺术火炬中的火焰56。例如，户外环境状况包括大气状况，其包括晴天、多云天、雨天、雪天、雨夹雪、刮风、灰尘和它们的组合。

算法和实例

图像处理算法26是数学表达式(例如，利用像素着色)并用来提供电子信号32的形式的性能参数36，以便自动化火炬控制器系统34和火焰生成系统46能够在至火炬尖端输送的空气流中做出功能控制改变。该算法容许识别并评估预先指示器，从而可以在烟尘/烟雾完全出现之前对火炬12做出改变。

像素解体和评估使得蓝光集(concentration)的火焰质量比可与红光和绿光集、以及可能还有黄光部分的相比。然后将该火焰质量比与已检验和证实过的统计范围相比较。

图像处理算法26中的一个将在线光集与数学相关数相比较，如所需地，向自动化火炬控制器系统34提供性能参数36，其具有至火焰生成系统46的适当的功能改变，以更改火焰56的化学配比。红外线可以用来在任何条件下将火焰56分离，并且可见光谱而后用于分析。相同的红外线能力用来分离用于评估的火焰56，而后其用于进一步确定引燃燃烧器的状态，以及火焰56是否稳定在火炬尖端的壳体内。深位于火炬尖端内部的火焰56随着时间的消逝能够损坏该尖端的结构完整性。作为诊断工具的红外探测装置的使用，能够通过利用火炬控制系统10在净化速度流动期间将火焰56设置在尖端的上部区域中，显著地增加给定的火炬尖端的预期寿命。

通过非限制性范例，使用一或多个图像处理算法26的探测过程的一个实施例，包括：

·相机20a，为红外或近红外相机，将火焰56分离，捕获火炬14或燃烧器14的图像，并将该图像电子传输至图像处理器24

·一个图像处理算法26在火焰56周围插入红外图象边界

·一个图像处理算法26从所捕获到的基于红外的图像中去除周围环境16的背景

·一个图像处理算法26确定可见光谱，从而确定可见图像

·一个图像处理算法26将可见图像与红外图象边界进行比较并去除可见和不可见的红外线之间的差异，仅仅剩下真正的可见火焰56

·一个图像处理算法26根据适宜的色谱区分并计数可见图像的像素颜色，从而确定火焰质量比以及其和预先烟雾的关系。

·火焰质量比传送至自动化火炬控制器34，其中控制算法确定是否需要做出改变，以及如果是的话，向火焰生成系统46提供校正输入

·附加图像处理算法，和/或控制算法用于次要的评估，例如引燃器48的状态、火焰56的温度、火炬12、燃烧器14或引燃器48的温度，确定是否存在着内部燃烧等。

工作背景

以下描述了工作背景、工作原理、以及本发明的控制系统如何与火炬12和/或燃烧器14结合使用。下面引用火炬12，但是应理解，对火炬的引用包括燃烧器14。

本发明的火炬控制系统10用来帮助保证火炬12(包括蒸汽火炬和空气火炬)有效地并高效地工作以分解火炬流中潜在的不期望成分。

本发明的火炬控制系统10能够用于在火炬12产生烟尘之前提供早期预警，并且该预先数据能够用于火炬12的反馈控制回路38以更改尖端的化学配比，用于最佳燃烧和分解效率。利用可视图像的统计处理，通过观察接近火焰根部的火焰颜色和发光度，该系统能够减少蒸汽过量和随后的稀释。例如，颜色变淡(朝向蓝色光谱偏移)和发光度的大幅减少或缺失能够表示火焰的脱离和蒸汽过量，或一定程度的上述情况。如果使用过多的空气或蒸汽，火焰56最终变成对于近红外线而言是不可见的。在处于稀释条件下，能够识别处于可见光谱的火焰56的几何形状。当火焰变淡时，火焰56的附着受到损害，火焰56明显地开始离开尖端。对于这种状况，向火炬12或燃烧器14减少空气或蒸汽以减轻稀释效应。

为了在出口或者甚至在火炬12的内部点燃火焰56，需要实现可燃混合物并且需要点燃源点燃该混合物。火炬12通常保持若干个(例如，三到四个)备用的引燃燃烧器48用于点火。燃烧器14在100％的时间内运转以确保在发生火炬燃烧事件时点火源可用。对于火炬12，点火源必须始终可用，或火炬12不再执行其工作。本发明的火炬控制系统10用来保证引燃燃烧器是点燃着的并备用于在燃烧事件启动时将火炬点燃。

已经注意到可燃流或者被过度充气或者实质上被稀释以致热能不足以维持火焰56的问题。当过度充气或过度蒸汽化时，可燃气将不会点燃直到达到适当的化学配比或速率。当过度充气或过度蒸汽化时，火炬尖端向周围环境排出危险气体部分。相对于净化速流或泄漏流，这种状态是特别成问题的。这些将持续直到火炬的燃气体积充分地增加或者蒸汽/空气的注入减少以使得可燃的混合物再次实现并稳定。再次，本发明的火炬控制系统10用来保证引燃燃烧器是点燃着的并备用于在燃烧事件启动时将火炬12点燃。

随着火焰56的温度增加，其将变得更加明亮并且发出处于可见光谱的光。随着火焰56接近风扇的流量能力，火焰56则变得更加依赖于大气空气来完成氧化。这在外焰内产生了富分层区域。随着空气约束和/或混合问题成为问题，烟尘或烟雾通常开始在火焰56中形成。当烟尘形成在火焰56中时，火焰56通常变暗，这通常能够被人眼所观察到。

根据本发明，已经发现能够基于由高清、彩色、或使用灰度的黑白相机所产生的信息对空气和/或蒸汽做出控制改变。并且还发现在火炬尖端即将开始产生烟尘或烟雾之前，火焰56内的某些颜色会变得凸显并更加集中。随着烟尘和烟雾变得明显，火焰内的颜色偏移变得可见，其表示变冷。这通过火焰56的可见颜色中的改变示出，注意由蓝色光谱向着较低温度的红色光谱偏移。在即将形成烟雾之前，火焰56变得更加的暗橙-棕色。在该点，能够看到初期的烟雾形成于火焰的边界内。此颜色变得更稠密直到达到该区域看起来脱离火焰56的主体而产生拖尾烟雾62的点。由于附加的燃气流以及空气的无变化，它们之间的化学配比关系降低并且拖尾烟雾62增加。空气基本上是固定量的，或至少同增大的燃气流渐近。一旦出现初期烟雾，拖尾烟雾将随着附加燃料流而增加。如果没有一些输入和变化，火炬12和/或燃烧器14将持续烟雾状态并且当燃料增加时产生更多的烟雾。

在一些情况下，此同样的烟雾62可以由被侧风流从火焰的主体所吹走的燃料气体产生。由大的燃烧事件所呈现出的表面积能够容易地引起可观的侧风区域而将燃气剖面破坏并远离火焰56主体。当这种情况发生时，能够形成无火焰56的稀释区域或是能够产生烟雾62的富火焰56区域。当低的净化速流在低的压力下被释出时，风能够容易地稀释并将未氧化的燃料部分携带走，而产生有助于不希望/不允许的发射的状况。

当燃气泄漏或遇到净化速流时，由于较低的燃气动量，一阵风会产生明显的负效果。当加温时燃气通常是易浮的，并在迎风气流中上升。当从点火源和流动的空气/蒸汽吹走时，燃气能够以未氧化的状态散逸掉。

火炬控制系统10的现场测试已经表明通过观察火焰质量比、即蓝色像素与红色和绿色像素的比率，可以采取直接的手段。利用有烟雾和无烟雾的火炬进行现场测试以确定火炬将开始产生烟雾的数值点。电磁波谱的可见部分从红色延伸至紫色，红色是可见光谱的较低温度端，而紫色和蓝色是该光谱的较高温度端。随火焰56变得蒸汽化/充气不足，或者过度充气或蒸汽化(淬灭)时，火焰56将开始形成烟尘/烟雾。形成在火焰56内的烟尘的固体粒子将开始阻塞来自火焰56的辐射从而产生了火焰在可见光谱内的颜色偏移。从该光谱的蓝色和紫色端至该光谱的红色和黄色端的可测量的移动表示了这种情况。在许多情况下，在火焰56实际开始显著地冷却之前，火焰56的此冷却能够被数字地探测到。该效果主要是由于缺乏氧气、或由于蒸汽和空气的淬灭效应、或空气通过稀释冷却火焰(过度蒸汽化或过量空气)。

成像系统18能够在逐秒的基础上观察到由于火焰温度偏移而导致的颜色的偏移，或者如果需要在一秒的分数的基础上观察。将像素与数值算法进行比较，使得能够在火焰开始富集烟雾、或变得脱离和不稳定以前对蒸汽或空气流率做出改变。图6A-9是来自现场测试的典型的例子。

参照图9、10A和10b，在对火炬12进行现场测试时，烟雾62从那里发出。使用第一相机20a和第二相机20b，火焰被成像系统18重复地描绘轮廓和捕获，其中图像经过图像处理算法26的处理。产生的性能参数36通过电子输出32被传送至自动化火炬控制器34，自动化火炬控制器34向火焰生成系统46提供控制输入信号。

参照图10A，现场测试时间关系曲线以火焰质量比与时间的关系曲线示出了相机输出信号。图10A还以火焰质量比与时间的关系曲线示出了相机20输出的计算机处理。参照图10B，现场测试的时间关系曲线图以火焰质量比与时间的关系曲线示出了预测曲线。图10B中的预测曲线与图10A的测得曲线相匹配。

根据本发明利用图像感测装置作为控制系统可用于执行以下工作：

可见光变化用于控制

当手动地操作火炬12时，非常容易看到给定的火焰56中的颜色的变化。当火炬12即将产生烟雾时，火焰56变暗并且相对于即将形成烟雾的区域具有不同的颜色。通过仅仅改变蒸汽或空气来抑制烟雾的火炬测试已经进行了多年。

图像感测系统、或成像系统18，可用于保持相同的颜色部分/清晰度，如同通过人眼所看到的一样。这使得能够用图像感测系统启动相同逻辑和判定过程来消除烟雾，从而实现自动化控制。例如，每当感测到烟雾时，图像感测系统能够用于向自动化火炬控制系统34提供输入以打开控制阀供应更多蒸汽，或者改变翼式轴流风扇的节距以供应更多空气。在上述任一情况下，控制改变被进一步计算并被实施以增强火炬尖端所产生的火焰，从而提高火炬12和火炬尖端的效率。可以做出非常精确的改变以最优化火焰质量、稳定性、和分解效率。

与人眼相似，成像系统18能够在可见光谱的范围内在白天/黑夜和热天/冷天之间进行区分。除了可见光谱，成像系统18能够至少在红外线和近红外线光谱中工作。另外，至其他光谱的扩展，例如紫外线，仅由相机20和图像处理算法26所限制。红外线和近红外线光谱很适合用于热信号以及识别离开火焰56外层的灰粒。

引燃火火焰检验

图像感测装置还能够用来感测温度范围。与给定的火炬尖端关联的引燃燃烧器48必须一直处于点燃状态以保证火炬尖端的点火能力。许多情况下，要求至少两个不同的操作法来监测并确定备用的引燃火焰的状态。大多数情况下，这些是在火焰56的点进行的，使得设备维护较为困难。火炬尖端安装在空中约200英尺至约400英尺(约60米至约120米)是常见的。图像感测是确定引燃器是否点燃的附加的方法，并且从地面上监测该相同的引燃器。图像感测手段能够用至少三种不同的方式探测引燃器火焰。第一，图像感测装置能够观察到火焰。如果需要备用系统，围绕引燃器48的耐火墙(flame shield)的温度能够使用第二相机20b或多CCD相机通过红外或热感测方式检测。如果该耐火墙比周围环境热并超过了程序的设定点，能够假定其中存在有引燃器火焰。可以通过使用能够感测耐火墙温度的工作于中波长红外线或长波长红外区的独立的红外照相机进行确认。如果火焰熄灭，控制系统发出警报声或者发送报警信号至主控制系统。在一些情况下，控制系统能够而后自动地试着重新点燃引燃器直到确定这种努力将不成功。

此相同的方法用来确定火焰56是否存在于火炬尖端的主体内深处。如果火焰56是稳定的存在于尖端内深处，能够在尖端的壳外识别到热点。使用于此公开的控制装置从该尖端的内部移除火焰将使得壳体冷却，意味着尖端的主体不再受到内部火焰的危害。

风的问题

由蒸汽或空气火炬12产生的火焰56相对于净化速流能够非常小。在真正的完全的燃烧事件期间，此相同火炬12还能够产生相当大的火焰56。对于由蒸汽或空气火炬产生的以适当的速率燃烧的非常大的火焰56，对于风而言呈现出非常大的表面积(surface area)。与风关联的压力则能推压火焰56从而使得火焰56将开始移离轴线(弯曲)。如果火焰56移离轴线，其还离开了用于完全氧化火焰所需的高速空气(和/或蒸汽以及空气流)。测试已经表明火炬所需的化学配比显著地受到施加到火焰表面的风量的影响。在一些情况下，风越大，用于保持火焰正确地形成并且没有烟雾所需的化学配比越大。在净化速流期间(相当小的火焰)，风能够对火焰56的稀释产生重要的影响。风的效应，与蒸汽和空气、和/或空气流联合，能够产生不再可燃的过程混合物。当这种状态出现时，火炬12的正常的分解效率即使不完全失去也会大幅地降低。任何导致分解效率降低的事情通常都会对环境和火炬的安全性方面带来重要影响。对这些问题的认识使得操作者能够有意按照需要做出添加或除去蒸汽和空气的决定，将火焰56设置为接近设计混合区域以保持最佳性能。当风很明显时，进行这些操作以保持火焰56没有烟尘或烟雾62。

当观察到净化速流时，蒸汽和/或空气可能需要整个地减少以保持可燃混合物。此外，火炬12的分解效率保证了排出的气体是完全地氧化的。很多情况下，净化流比实现真正的燃烧事件更成问题。如果操作者设定了蒸汽和空气，使得较少的燃烧事件将具有足够的流量而无需作出干预，则净化流能够被稀释到不可燃的点。依赖于所需的最小的化学配比，单个设定点、或阈因而能够对火炬12的运行有害。本发明的火炬控制系统10成为了保证具有适宜的分解效率的最佳工作范围的最优方式。此外，与安置用于获得最有效燃烧外壳和分解效率的适宜的火焰相结合，火炬控制系统10保证了适宜的化学配比混合。

再次，能够将成像系统18和自动化火炬控制系统34编程为做与操作者所能做的相同的事情，仅仅是更加准确地并具有可重复性。光学图像捕获装置20、或相机20能够连续地观察火焰56并对蒸汽或空气流做出调整以在需要时向火焰56添加附加的动量和混合以帮助其处于竖直状态。保持火焰56竖直需要较少的空气以保持无烟火焰包络。必须实施燃气和空气或蒸汽的平衡以保证用于使火焰56保持竖直的空气或蒸汽不足以造成随后的稀释问题。而后需要第二个评估来确定火焰温度保持在足够的范围之内以保持火焰56未淬灭并是稳定的。这确保了火焰56不会因为添加过多的蒸汽或空气而收到损害。成像系统18和自动化火炬控制系统34进行持续的评估以及火焰生成系统46的控制保证了良好的火焰燃烧和质量，以及其内的燃气分解。

火焰脱离

当火焰56开始变得过度蒸汽化和/或充气时，火焰56将开始远离尖端处的稳定形貌竖直地向上移动。该移动是响应于与稀释相结合的火焰速度的减小。使用光学图像捕获装置20，结合可见或红外透镜使得能够进行测量以防止火炬12的火焰56从火炬尖端的正常的稳定机制脱离。过多的蒸汽或空气会使火焰56升腾远离燃放区并产生不稳定性。当火焰56由于过度充气或过度蒸汽化而可见地升腾和不稳定时，效率受到损害。保持火焰56附着，并处于适合于分解的温度，确保了尖端的燃烧效率得以保持。此外还避免了通常与不稳定火焰56关联的低频噪声。

多尖端评估

使用处于固定位置(或在某些场景中为不固定的位置)的光学图像捕获装置20允许了成像系统18评估多个尖端。因为光学图像捕获装置20能完成任何人眼能做的事情，成像系统18能够观察多个封闭式或艺术火炬燃烧器以确定它们是否适当地点燃，它们是否不稳定，以及它们是否正脱离(如Indair布置中的情况)。使用自动化火炬控制系统34，如果发现燃烧器14有关于稳定性或脱离的问题，可以降低压力。在出现烟雾的情况下燃烧器14能够被关闭以允许建立压力，或允许低压立单元的使用。当注意到烟雾62时，该系统能够跟踪烟雾62的量并记录其持续时间。还可以保持烟雾尖端的帧图片以提供历史视频记录。

使用在成像系统18中具有光学图像捕获装置20的图像感测手段提供了保持任何事件的可视记录的能力。该系统能够使用记录器、或屏幕捕获来获取加日期/时间印章的帧图片，或图像捕获，以对该状态图像编日志、记录和进行保存。对事件编日志对于用文件证明所有允许以外的操作是很重要的。因为它能够确认烟雾62，成像系统18而后能够以设定间隔保持图像记录，例如每一秒或两秒，或设定任意时间间隔，直到系统识别到烟雾62不再形成。这些图像其中存储有日期与时间印章，使得图像记录成为无偏见的历史文件，其表明了烟雾实际上产生了多长时间，烟雾达到了什么不透明度级别，以及达到了什么程度的偏移。因此，记录器40充当了无偏见的第三方观察者，并保证了数据的可靠性。

大多数情况下，自火炬尖端生成的烟雾62对于目睹事件的人而言可能具有主观性。使成像系统18能够捕获火焰56的真实图像，使得能够改进对实际的事件持续了多长时间，以及达到什么程度的文件记录。由于火焰56占据了许多像素，可以获得火焰56中的不透明度的百分比。此外，使用帧图片，或图像记录还能够示出在极端偏移期间火焰56烟迹的量。

Ringleman数通常应用于不透明火炬12的流出物。Ringleman比例是用来刻划由给定的火炬尖端所产生的烟雾的密度的方法，以及在个体的基础上是否超出许可。然而，Ringleman数，会是非常主观的，因为很少个体经受过训练并懂得如何正确地使用它。Ringleman数发生器是火炬控制系统10的可选部分并用来记录不透明度。在图像被保存时，该性能而后能被标示在图像上。这些图像而后将充当无偏见的历史文件，该文件示出从初期烟雾、经过拖尾烟雾、并回到火炬再次具有合乎要求的火焰的时间点的事件的时序记录。对于该烟雾事件，每个历史图像将具有日期、时间印章，以及Ringleman数。

尖端内的火焰

与火炬尖端关联的常见的问题是当尖端处于休眠状态时在尖端内的燃烧。在许多情况下，有数千英尺的上流管用于给出的火炬系统。在许多情况下，经过许多不同的过程的阀易于泄漏，使得少量的极低压燃气流向火炬尖端。比空气重的燃气流向火炬尖端，而后在尖端内积聚短的时间。当燃气逐渐地积聚时，它最终将成为可燃混合物并从引燃器48点燃。随着燃气在白天加热，它变得更加易浮，从而增加了其散逸并燃烧的可能。通常比空气重的燃气而后位于尖端内并燃烧直到可燃混合物不再存在于尖端内。如果空气或蒸汽没有被打开来冷却尖端并使其免受损坏，这些情况会损害尖端。如果空气或蒸汽被设定的过于高而处于淬灭燃气流并允许其未被完全氧化地排出的机械设定点，还可能存在着分解效率的问题。

当这种小火焰明显时，成像系统18能够通过红外或可见光相机20发现这种小火焰。与自动化火炬控制系统34结合使用，其而后能够控制空气和蒸汽以保持燃气流完全地氧化而无损于火炬12的分解效率。还能够让操作人员知道存在着上升流渗漏的问题以便维护能够发现并修正该问题。同时，这些过程将阻止流向火炬系统的燃气以确保没有未氧化的燃气能够散逸。

进行适当地配置，成像系统18和自动化火炬控制器34能够跟踪火炬尖端所经受的温度范围。如果该温度范围过大，能够增加蒸汽和/或空气直到热点被冷却下来。该系统的历史能力而后能够保持关于达到什么温度、该温度被记录了多长时间，以及该温度是否是局域化的的或在尖端内移动的不间断的记录。这类工具的适当使用能够帮助延长所给定的火炬尖端的寿命。对火焰可见度以及温度范围的历史跟踪还可以有助于确定来自尖端的燃放流的任何的增长或下降。

点火

在点火时，成像系统18技术的使用能够评估几乎任何火炬12类型的火焰56，从而确定所给定的尖端是否正确地点火。使用基于图像的火炬控制系统10保证了许多燃烧器尖端中的单个实体或多个以最小化烟雾并最大化分解效率的方式投入运行。封闭式或艺术火炬12系统可以有多于百个的燃烧器14。该燃烧器14被分段以使得使用若干个不同的集管(header)系统。每个集管将使用一或多个引燃器48燃烧器来在点燃每个集管系统上的燃烧器14。点火在集管系统的一端或两端启动，使得一旦集管系统充有了燃气，燃烧器48能够顺序地点燃。关于初始的燃烧器48的点火，用于顺序的点燃排列的燃烧器48的时间间隔在正确操作的系统中是非常重要的。如果单个燃烧器48未在其排列阶段点燃，剩余的燃烧器48会花掉若干分钟来点燃。在此期间，原本要分解的燃气会流入大气而未被完全氧化。

成像系统18能够连续地观察所给定的火炬12系统以在需要时确定燃烧器14是否点燃，从集管的一端到另一端花了多长时间去点燃，以及在系统有问题时启动警报。操作者然后能够采取适当的行动来处理该状况。再次，有问题的点燃能够使得大量的燃气释放到大气中。依赖于该单元被如何编程，成像系统18和自动化火炬控制系统34能够确定是否有引燃器48的问题，或该系统在启动时是否被正确地点燃。这可以像确定将燃烧器14整个线点燃所花的时间并将该信息与历史数据进行比较一样简单。如果持续时间发生改变，将意味着该系统存在着问题。这用作系统的预诊断，使得操作者知道何时情况开始出错。如同较大的高架火炬12一样，还能够将该系统编程为历史文件，记录燃烧事件的持续时间。在事件按年代排列的一段时间内，增加有计算机的系统能够记录在燃放期间任何有关点火、烟雾的问题，燃烧事件的持续时间，没有点燃的燃烧器14，以及使用Ringleman方法产生的烟雾62的零数(fractional amount)。通过确保引燃器是点燃态，该控制系统将保证燃烧系统始终准备好用于任何燃放，并准备点燃任何出现在火炬尖端的火炬燃气。

本发明的控制系统还能够以类似的方式(如果合适)用于监测燃烧器、引燃器及其他生成火焰的设备。

可以与本发明结合使用的火炬12、燃烧器14以及引燃器48的范例包括美国专利5810575号(Flare Apparatus and Methods)、5195884号(Low NoxFormation Burner Apparatus and Methods)、6616442号(Low Nox PremixBurner Apparatus and Methods)、6695609号(Compact Low Nox Gas BurnerApparatus and Methods)、6702572号(Ultra-Stable Flare Pilot and Methods)、以及6840761号(Ultra-Stable Flare Pilot and Methods)中所示的火炬12、燃烧器14以及引燃器48，所有这些专利以引用的方式结合于此。

通过考虑于此公开的本发明详细说明或实践，本发明的其他的实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。因而，上述详细说明仅仅视为本发明的示范例，而其真正的范围是由下述权利要求所限定。

Claims (60)

1.一种火炬控制系统，包括：

基于光学的成像系统，所述基于光学的成像系统包括：

至少一个图像捕获装置，朝向至少一个向周围环境燃放的火炬取向；

包括至少一个图像处理算法的图像处理器，所述至少一个图像处理算法能够电子地分析所述火炬的捕获的图像，并能够在所述火炬和周围环境背景之间进行区分；以及

自动化火炬控制处理器，限定用于所述火炬的控制系统，其中，所述自动化火炬控制处理器响应于从所述图像处理器接收的分析来控制所述火炬。

2.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像捕获装置还包括红外相机和可见光相机。

3.如权利要求2所述的火炬控制系统，其中，所述红外相机是近红外相机。

4.如权利要求2所述的火炬控制系统，其中，所述红外相机是广谱红外相机。

5.如权利要求2所述的火炬控制系统，还包括相机控制系统，其中，所述基于光学的成像系统与所述相机控制系统电子通信，由此提供对所述红外相机和所述可见光相机的实时的、交互式的控制。

6.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像捕获装置是多电荷耦合器件相机。

7.如权利要求6所述的火炬控制系统，还包括光分束器，所述光分束器设置于所述多电荷耦合器件相机上的透镜前方，其中，所述光分束器对所述图像进行光谱分离。

8.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像捕获装置还包括近红外相机和可见光相机，其中，所述近红外相机限定至少一个用于通过所述基于光学的成像系统电子通信的所述可见光相机的瞄准参数。

9.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像处理器分析来自由数字视频、高清数字视频、模拟视频及其变形构成的组中的视频。

10.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像处理算法适于识别所述火炬的所捕获的电子图像中的独立像素。

11.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像处理算法提供关于所述火炬的点火状态的分析。

12.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像处理算法提供关于火焰脱离所述火炬的预先烟雾预测分析。

13.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像处理算法提供所述火炬中的火焰不稳定性的预先预测。

14.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像处理算法提供所述火炬中的烟雾的预先预测。

15.如权利要求1所述的火炬控制系统，还包括在所述图像处理器和所述自动化火炬控制处理器之间的反馈控制回路，其中，所述反馈控制回路适于至少识别所述火炬的温度、烟尘积聚、火焰脱离、色差、以及整个所述火焰范围内的多个密度。

16.如权利要求1所述的火炬控制系统，还包括火焰生成系统，所述火焰生成系统包括所述火炬，其中，所述自动化火炬控制处理器向所述火炬提供控制输入。

17.如权利要求1所述的火炬控制系统，还包括记录器，其中，所述记录器记录火炬状况，并伴有日期与时间印章。

18.一种火炬控制器，包括：

至少一个在大气中向周围环境燃放的火炬；

成像系统，所述成像系统包括：

至少两个光学图像捕获装置，其中，至少一个光学图像捕获装置探测、定位并捕获所述火炬中的火焰，并且至少一个光学图像捕获装置捕获所述火焰的电子图像；

图像处理器，所述图像处理器至少为与所述光学图像捕获装置电子通信的计算机；

至少一个存贮于所述图象处理器上的图像处理算法，所述图像处理算法能够分析所述电子图像，其中，所述图像处理算法在所述火炬和所述大气之间进行区分；以及

由所述图像处理器生成的电子输出，其中，所述电子输出识别所述火炬的至少一个性能参数；以及

接收所述电子输出的自动化火炬控制处理器，所述自动化火炬控制处理器生成至包括所述火炬的火焰生成系统的响应控制输入。

19.如权利要求18所述的火炬控制器，还包括图像捕获控制系统，所述图像捕获控制系统操作上限定所述光学图像捕获装置的控制，包括所述光学图像捕获装置之间的操作控制和电子通信。

20.如权利要求18所述的火炬控制器，其中，所述光学图像捕获装置包括在红外/近红外光谱操作的相机、和在可见光谱操作的相机。

21.如权利要求20所述的火炬控制器，其中，所述光学图像捕获装置选自由电荷耦合器件相机、高清相机、模拟相机、彩色相机、黑白相机、灰度相机及其组合构成的组。

22.如权利要求18所述的火炬控制器，还包括记录器，其中，所述记录器记录火炬状况，并伴有日期与时间印章。

23.如权利要求18所述的火炬控制器，还包括与所述自动化火炬控制处理器电子通信的阀控制器，其中，所述阀控制器提供对输入至所述火炬的蒸汽的流量控制。

24.如权利要求18所述的火炬控制器，其中，所述图像处理器提供具有对所述火焰的定性和定量分析的电子数据文件。

25.如权利要求18所述的火炬控制器，还包括由所述自动化火炬控制处理器控制的至少一组火焰生成设备。

26.如权利要求25所述的火炬控制器，其中，所述火焰生成设备适于控制火焰生成的所有方面，包括对至少一个火炬、至少一个燃烧器、和至少一个引燃器的控制。

27.如权利要求18所述的火炬控制器，其中，所述图像处理器包括温度感测算法，其中，所述温度感测算法供所述火焰内的温度的详细变化。

28.一种用于控制火炬的方法，包括：

在户外周围环境中燃放火炬；

使用具有至少一个相机的基于光学的成像系统监测所述火炬；

使用所述相机捕获所述火炬的图像作为电子图像；

使用至少一个能够预测烟雾的算法和至少一个能够在所述火炬和所述户外周围环境之间进行区分的算法来分析所述火炬的所述电子图像；以及

基于所述火炬的所分析的状况调整所述火炬。

29.如权利要求28所述的方法，还包括第一相机和第二相机。

30.如权利要求29所述的方法，其中，所述第一相机是用于识别所述火炬的火焰的红外相机，并且所述第二相机是用于聚焦在所述火焰上并捕获所述电子图像的可见光谱相机。

31.如权利要求30所述的方法，其中，所述红外相机向所述可见光谱相机提供瞄准信息。

32.如权利要求29所述的方法，其中，所述基于光学的成像系统能够区分所述火炬的点火状态、火焰脱离和烟雾。

33.如权利要求29所述的方法，其中，所述基于光学的图像传感器用于实时地在多个火炬之间进行区分。

34.如权利要求29所述的方法，还包括至所述火炬的蒸汽输入，根据所述火炬的所分析的状况来控制和调整所述蒸汽输入。

35.如权利要求29所述的方法，还包括至所述火炬的空气输入，根据所述火炬的所分析的状况来控制和调整所述空气输入。

36.如权利要求29所述的方法，其中，调整所述火炬的步骤包括控制至少所述火炬、所有燃烧器、和所有引燃器。

37.如权利要求29所述的方法，其中，分析步骤包括使用能够探测温度、火焰烟尘、火焰脱离、火焰内的颜色区别、和色带中的密度变化的定性和定量的算法。

38.如权利要求29所述的方法，其中，所产生的图像足以提供包括像素计数的分析。

39.如权利要求29所述的方法，还包括报警系统，所述报警系统提供针对至少火焰脱离、烟雾、烟尘、火焰点燃状况、和火焰熄灭状况的自动通知。

40.如权利要求29所述的方法，还包括编日志功能，编日志针对所述火炬的所有状况提供详细的日期与时间印章。

41.如权利要求29所述的方法，还包括预点火火炬检测步骤。

42.如权利要求29所述的方法，还包括烟雾消除步骤，其中，调整步骤提供对所述火炬的实时的调整，由此消除了烟雾的发展。

43.如权利要求29所述的方法，其中，所述户外周围环境包括由晴天、多云天、雨天、雪天、雨夹雪天、刮风天、灰尘天和其组合构成的大气状况。

44.如权利要求29所述的方法，还包括分析火焰并提供关于所述火焰是否在增长、衰退、熄灭、或处于稳态的信息的步骤。

45.一种自动化火炬控制系统，包括：

至少一个火炬；

能够电子地捕获由所述火炬生成的火焰的数字图像的成像系统；以及

计算机系统，包括用于分析由所述成像系统所捕获的图像的软件。

46.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，其中，所述成像系统包括图像处理器，至少一个光学图像捕获装置和用于处理所述数字图像的软件。

47.如权利要求46所述的自动化火炬控制系统，其中，所述光学图像捕获装置是选自由电荷耦合器件相机、多电荷耦合器件相机、多光谱相机、高清相机、模拟相机、彩色相机、黑白相机、灰度相机和其组合构成的组的相机。

48.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，其中，所述图像处理器和软件适于将模拟图像转换为数字图像。

49.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，还包括火炬控制器，其中，所述火炬控制器与所述计算机电子通信，并且所述火炬控制器基于所述计算机上的所述软件执行的所述分析提供对多个火炬的控制。

50.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，其中，所述软件包括能够分析所述数字图像并在所述火炬和大气背景之间进行区分的算法。

51.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，其中，所述软件适于识别所述火炬的所述数字图像中的独立像素。

52.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，其中，所述软件提供关于所述火炬的点火状态的分析。

53.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，其中，所述软件提供关于火焰脱离所述火炬的分析。

54.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，其中，所述软件提供关于所述火炬中烟雾的积聚的分析。

55.如权利要求45所述的自动化火炬控制系统，其中，所述软件适于识别蓝色、红色和绿色可见光波长光谱中所述火炬的所述数字图像的多个独立的离散像素，其中，所述软件适于由此限定火焰质量比。

56.如权利要求1所述的火炬控制系统，其中，所述图像处理算法适于识别蓝色、红色和绿色可见光波长光谱中所述火炬的火焰的所捕获的图像的多个独立的离散像素，其中，所述图像处理算法还适于由此限定火焰质量比。

57.如权利要求18所述的火炬控制器，其中，所述图像处理算法适于识别蓝色、红色和绿色可见光波长光谱中所述火炬的火焰的所述电子图像的多个独立的离散像素，其中，所述图像处理算法还适于由此限定火焰质量比。

58.如权利要求28所述的方法，其中，所述分析步骤还包括使用至少一个算法识别蓝色、红色和绿色可见光波长光谱中所述火炬的火焰的所述电子图像的多个独立的离散像素，其中，所述分析步骤还由此限定火焰质量比。

59.如权利要求58所述的方法，其中，所述火焰质量比是每个像素的蓝色强度的和除以每个像素的红色强度的和加上每个像素的绿色强度的和所得的总和。

60.如权利要求58所述的方法，其中，所述火焰质量比是每个像素的蓝色强度的平均值除以每个像素的红色强度的平均值加上每个像素的绿色强度的平均值所得的总和。

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