CN102494630B - 锅炉、容器内的火焰的形状特征参数测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锅炉、容器内的火焰的形状特征参数具体数值的测量方法及装置。本发明的目的是填补国内、外现有技术的空白，而利用图像火焰探头、图像视频分析来测量锅炉、容器内的火焰区域的长度、宽度、扩散角等火焰形状特征参数的方法及装置。本发明实施后，锅炉、容器的操作人员可以根据测量结果，调整进入锅炉等容器内可燃物、助燃剂等各个相关量，也可由自动调节系统对各个相关量进行针对形的调节，尤其在火力发电厂煤质较差、不稳定情况下，优势更加显著；实施本发明，在目前锅炉燃烧工况较差情况下可以提高锅炉安全性、可以降低飞灰含碳量5%、提供煤粉的利用率，可提高锅炉燃烧效率5%，节能效果明显，对一台600MW机组一年可以节约6万原煤。

Description

锅炉、容器内的火焰的形状特征参数测量方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种火焰的特征区域的形状参数的具体数值的测量方法及装置，特别涉及一种锅炉、容器内的火焰的形状特征参数的具体数值的测量方法及装置；属于能源节能领域。

背景技术：

气体、液体（包括水－煤浆）、固体等可燃物在锅炉等容器内燃烧、反应产生火焰，火焰大致可以分为未燃区、初燃区、燃烧区等特征区域，燃煤的燃烧区火焰前端融入到全炉膛中心火焰，边界不明显；燃油的燃烧区前后端边界明显；火焰的大小、形状反映了可燃物与助燃剂反应的状态。

目前国内、国外针对锅炉等容器内燃烧反应，没有对火焰特征区域的形状参数进行测量方法及装置，只能依靠传统火检检测到的火焰强度这个非常模糊参数，结合其它间接参数，对于容器内燃烧状态的进行的分析，不同人员分析判断的结果不尽相同，根据判断结果来操作调整可燃物和助燃剂。 

发明内容：

本发明的目的是填补国内、外现有技术的空白，而提出了利用图像火焰探头、图像视频分析来测量锅炉、容器内的火焰特征区域的长度、宽度、扩散角等火焰特征区域的形状参数的方法及装置。

本发明的装置技术方案是这样实现的，一种锅炉、容器内的火焰的形状特征参数测量装置，其特征在于，由图像火焰探头（10）、视频图像分析装置（13）构成；视频图像分析装置（13）与图像火焰探头（10）分离设置或一体化设置，视频图像分析装置（10）与图像火焰探头（1）分离设置时，视频图像分析装置（13）与图像火焰探头（10）通过视频信号线（12）相连。视频分析装置（13）基于喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）的位置，依据摄像机（11）像面中的特征区域的边界的像素的位置/角度，运算、测量出火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值，根据运算结果的数值输出对应大小的信号，输出/指示的火焰的特征参数的信号中有火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值的信号；

输出/指示的火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值的信号，至少有下列中的参数的一项或下列中的参数的组合/基准变换后的参数的具体数值的信号：

未燃区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度信号, 未燃区前端宽度即初燃区后端的宽度信号，未燃区的扩散角信号；初燃区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度信号, 初燃区前宽度即燃烧区后端的宽度信号，初燃区的扩散角信号；燃烧区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度信号, 燃烧区前宽度的信号，燃烧区的扩散角信号。

本发明的方法技术方案是这样实现的，一种锅炉、容器内的火焰的特征区域的形状参数的具体数值的测量方法，其特征在于，

首先，将图像火焰探头安装在锅炉、容器壁上的喷燃器附近，图像火焰探头内部的摄像机物镜的光轴与喷燃器出口中心线或喷燃器喷出的理想火焰中心线不平行，有夹角，图像火焰探头内部摄像机物镜的光轴与喷燃器出口中心线或喷燃器喷出的理想火焰中心线在一个平面或异面；

其次，图像火焰探头对锅炉、容器内部的火焰进行采样，获取图像视频；

第三，把图像火焰探头摄取的视频图像信号，输出到视频图像分析器；图像火焰探头摄取的火焰视频图像信号，可以为模拟信号，也可以为数字信号，通过视频信号线）输出到到视频图像分析器；

第四，视频图像分析器基于喷燃器、图像火焰探头内部的摄像机的光心的位置，依据摄像机像面中的火焰的特征区域的边界的像素的位置/视角，建立关系、运算测量出火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值，至少包括下列中的参数的一项或下列中的参数的组合/基准变换后的参数的具体数值：

未燃区前端边界到喷燃器出口平面的垂直长度, 未燃区前端宽度即初燃区后端的宽度，未燃区的扩散角；初燃区前端边界到喷燃器出口平面的垂直长度, 初燃区前宽度即燃烧区后端的宽度，初燃区的扩散角；燃烧区前端边界到喷燃器出口平面的垂直长度, 燃烧区前宽度的，燃烧区的扩散角。

本发明的有益效果

锅炉、容器的操作人员可以根据测量结果，调整进入锅炉等容器内可燃物、助燃剂等各个相关量，也可由自动调节系统对各个相关量进行针对形的调节，尤其在火力发电厂煤质较差、不稳定情况下，优势更加显著；实施本发明，在目前锅炉燃烧工况较差情况下可以提高锅炉安全性、可以降低飞灰含碳量5%、提供煤粉的利用率，可提高锅炉燃烧效率5%，节能效果明显，对一台600MW机组一年可以节约6万原煤。

附图说明：

附图1为摄像机11物镜的光轴与喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线异面时的方法（a）的坐标系，图中： 1为喷燃器，2为反应燃烧产生的火焰，3为摄像机上的像面，4为摄像机的光心                                                

，5摄像机的光轴；

附图2为摄像机11物镜的光轴与喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线在一个平面相交时的坐标系，图中： 1为喷燃器，2为反应燃烧产生的火焰，3为摄像机上的像面3，4为摄像机的光心

，5为摄像机物镜的光轴；

附图3为摄像机11物镜的光轴与喷燃器（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线异面时的方法（b）的坐标系，图中： 1为喷燃器，2为反应燃烧产生的火焰，3为摄像机上的像面3，4为摄像机的光心

，5为摄像机的物镜的光轴；

附图4为像面上任一像素点对应的角坐标。图中： 3为摄像机上的像面，4为摄像机的光心

，5为摄像机的物镜的光轴；

附图5为火焰中心平面中各个特征区域及A侧各个特征区域的边界点，图中2为火焰，3为摄像机上的像面，4为摄像机的光心

，5为摄像机的物镜的光轴，6为未燃区，7为初燃区，8为燃烧区；

附图6为在像平面中对应的火焰各个特征区域，图中3为摄像机上的像面3，4为摄像机的光心，5为摄像机的物镜的光轴；

附图7为火焰中心平面中各个特征区域及B侧各个特征区域的边界点. 图中3为摄像机上的像面，4为摄像机的光心，5为摄像机的物镜的光轴，6为未燃区，7为初燃区，8为燃烧区；

附图8为火焰中心平面中各个特征区域尺寸标注图，图中3为摄像机上的像面，4为摄像机的光心

，5为摄像机的物镜的光轴，6为未燃区，7为初燃区，8为燃烧区；

附图9为火焰中心平面中各个特征区域扩散角标注图，图中3为摄像机上的像面，4为摄像机的光心

，5为摄像机的物镜的光轴，6为未燃区，7为初燃区，8为燃烧区；

附图10为立体的火焰及各个特征区域边界图，图中3为摄像机上的像面，4为摄像机的光心

，5为摄像机的物镜的光轴，6为未燃区，7为初燃区，8为燃烧区；

附图11火焰外沿曲面任意点G的角坐标图，图中3为摄像机上的像面，4为摄像机的光心

，5为摄像机的物镜的光轴，6为未燃区，7为初燃区，8为燃烧区；

附图12为利用本发明涉及的测量火焰的特征区域的形状参数的具体数值的方法的一实施例1所涉及的概要构成图，图中：1为喷燃器，2为反应燃烧产生的火焰，9为锅炉壁， 10为图像火焰探头（单独），11为摄像机，12为视频信号线，13为图像数字分析器，14为显示器，15为冷却介质接口；

附图13利用本发明涉及的测量火焰的特征区域的形状参数的具体数值的方法的一实施例2所涉及的概要构成图，图中：1为喷燃器，2为反应燃烧产生的火焰，9为锅炉壁， 10为图像火焰探头（与图像数字分析器一体化），11为摄像机，15为冷却介质接口， 16为参数数值信号输出线，17为控制装置。

具体实施方式：

下面根据附图对本发明作进一步说明，

本发明基于喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）在空间坐标系中的位置及坐标，依据摄像机（11）像面中的火焰特征区域的边界的像素的在空间坐标系中的位置及坐标（角坐标），建立关系、进行运算，求出火焰的特征区域的形状参数的具体数值,有下列步骤：

1)              根据喷燃器1、图像火焰探头内的摄像机光心的位置、摄像机的物镜的光轴的角度建立空间坐标系。

图像火焰探头10内部的摄像机11物镜的光轴与喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线异面时，建立空间坐标系方法（a）：  

如附图1所示，经过图像摄像机光心 （4）点做一个垂直于喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线的平面为X-Y面，喷燃器1的中心线与X-Y平面的交点为C点；摄像机11物镜的光轴在X-Y面的的投影线为Y轴，过C点做一条垂直于Y轴的直线为X轴,交Y轴于O点，过O点做一条垂直于X-Y面的直线为Z轴； 建立空间坐标系。根据现场喷燃器1及图像火焰探头10的位置、确定光心

（4）到坐标系原点O的距离为S，X-Y平面到喷燃器1出口平面的距离为L，物镜的光轴与Y-Z平面的夹角为Ψ；

图像火焰探头10内部的摄像机11物镜的光轴与喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线异面时，建立空间坐标系方法（b）：

如附图3所示，经过图像摄像机11光心  （4）点做一个垂直于喷燃器1的中心线的平面为X-Y面，喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线与X-Y平面的交点为原点O；喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线为Z轴，经过原点O与摄像机光心 

 （4）做一条直线为Y轴，过O点做一条垂直于Y轴的直线为X轴；建立空间坐标系。做物镜的光轴在X-Y平面、Y-Z平面的投影线,根据现场喷燃器1及图像火焰探头10的位置、确定光心

（4）到坐标系原点O的距离为S，X-Y平面到喷燃器1出口平面的距离为L，确定物镜的光轴在Y-Z平面上与投影与Y轴的夹角 

，确定物镜的光轴在X-Y平面上与Y轴夹角

。

图像火焰探头10内部的摄像机11物镜的光轴与喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线在一个平面相交时。如附图2所示，以安装在锅炉（容器）壁上的喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线为Z轴，经过图像摄像机11光心

（4）点做一个垂直于喷燃器1（或喷燃器喷出的理想火焰）的中心线的平面为X-Y面，喷燃器的中心线与X-Y平面的交点为原点O；经过原点O和图像摄像机11光心

（4）的线为Y轴，过O点做一条垂直于Y轴的直线为X轴； 建立空间坐标系。根据现场喷燃器1及图像火焰探头10的位置、确定光心（4）到坐标系原点O的距离为S，X-Y平面到喷燃器1出口平面的距离为L，物镜的光轴与X-Y平面的夹角为Ψ；

2)             确定像面上各个像素的视向坐标：

如附图4所示，根据摄像机11的视场角、像面大小等特性，结合空间坐标系中，图像火焰探头10安装位置、物镜的光轴方向 确定像面上任一像素点对应的角坐标；

过

做 

射线的延长线、交X-Z平面于E点，过E点做X轴、Z轴的垂线，交X轴于

,交Z于

,   做

点在X-Y平面的垂点,做

点在Y-Z平面的垂点 ，点

在直线

  上_，直线

与Y轴夹角为

 ，点

在直线上_，直线

与Y轴夹角为

_,像面上

在空间坐标系中的角坐标为（

_，

）；

3)                    视频图像火焰分析器13对图像进行模式识别，确定火焰区域的边界像素坐标；

如附图5所示，A1\A2\A3\A4,B1\B2\B3\B4分别为火焰各个特征区域中心平面的边界点，由A1\A2\B1\B2点构成的区域为未燃区，由A2\A3\B2\B3点构成的区域为初燃区，由A3\A4\B3\B4构成的区域为燃烧区；

如附图6所示， A1\A2\A3\A4,B1\B2\B3\B4在像平面中的对应点分别为

。 在X-Y-Z立体坐标系中， 以    点为起点的射线，确定像平面中

像素在空间坐标系中的角坐标：

 ,

，

同理，根据X-Y-Z立体坐标系中， 以

 点为起点的射线，确定像平面中

像素在空间坐标系中的角坐标：

,

，

4)              分析计算测量火焰各个特征区域的形状参数的具体数值；

方法1：在图像火焰探头10距火焰比较远时，或测量结果要求不太精确时，可以近似认为图像火焰探头10拍摄到的火焰中心线两侧的边界为火焰中心面边界，火焰区域边界的可以用如下算法计算测量，以火焰中心线与坐标系Z轴重合、X-Y平面与喷燃器1出口平面重合情况为例说明；

如附图5、附图6、附图7、附图8所示，

未燃区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度， ，

未燃区A侧前端边界到喷燃器出口平面的垂直长度＝

未燃区前端B侧边界到X-Y平面的垂直长度，

未燃区前端B侧前端边界到喷燃器出口平面的垂直长度

未燃区前端A侧的宽度也是初燃区A侧后端的宽度

未燃区前端B侧的宽度也是初燃区B侧后端的宽度

如附图9所示，

未燃区A侧扩散角为

未燃区B侧扩散角为

如附图5、附图6、附图7、附图8所示，

初燃区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度，

，

初燃区前端A侧边界到喷燃器出口平面的垂直长度，

初燃区前端B侧边界到X-Y平面的垂直长度，

初燃区前端B侧边界到喷燃器出口平面的垂直长度

             初燃区前端A侧的宽度也是燃烧区A侧后端的宽度

初燃区前端B侧的宽度也是燃烧区B侧后端的宽度

如附图9所示，

初燃区A侧扩散角为             

，

初燃区B侧扩散角为

            

，

如附图5、附图6、附图7、附图8所示，

燃烧区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度，

燃烧区前端A侧边界到喷燃器出口平面的垂直长度

燃烧区前端B侧边界到X-Y平面的垂直长度，

燃烧区前端B侧边界到喷燃器出口平面的垂直长度

燃烧区前端A侧的宽度

燃烧区前端B侧的宽度

如附图9所示，

燃烧区A侧扩散角为

            

燃烧区B侧扩散角为

             

方法2：图像火焰探头10与火焰比较近，或要求测量火焰外沿曲面的火焰探头10侧的各个区域的分界线坐标时，如附图10所示以摄像机11物镜的光轴与火焰中心线相交、以火焰中心线与坐标系Z轴重合、X-Y平面与喷燃器1出口平面重合情况为例说明火焰区域边界的计算方法；

实际上摄像机11看到的是一个立体的火焰，只能看到火焰的外沿的火焰探头侧的各个特征区域的边界的切点，不能准确地看到火焰中心平面，由火焰外沿边界的切点在像平面中像素的角坐标，可算出切点的空间坐标；

未燃区前端左侧外部边界点F2的坐标，

切点处的半径

切点F2的X向坐标：

F2的Y向的坐标：

F2的Z向的坐标：

未燃区F侧前端边界到喷燃器出口平面的长度

未燃区F侧前端实际的宽度＝切点处的半径

未燃区F侧(单侧)的扩散角

 

　　　

其中

为R_{F1点的半径。}

初燃区前端F侧外部边界点F3的坐标，

切点处的半径

切点F3的X向坐标：

F3的Y向的坐标：

F3的Z向的坐标：

初燃区F侧前端边界到喷燃器出口平面的长度。

初燃区F侧前端的宽度

初燃区F侧(单侧)的扩散角

 

燃烧区前端左侧外部边界点F4的坐标，

切点处的半径

切点F4的X向坐标：

F4的Y向的坐标：

F4的Z向的坐标：

燃烧区F侧前端边界到喷燃器出口平面的长度

　　

，

燃烧区F侧前端的宽度＝切点处的半径

燃烧区F侧(单侧)的扩散角

 

火焰图像中的任意点空间坐标的求法；

如附图11所示，根据火焰实际状况，各个区域的外沿曲面可以也可近似看作规则的曲面：圆锥曲面、旋转双曲面,等其它规则曲面；

以圆锥曲面方程为例：

（1）

把以上求出的火焰两侧边界点前、后端两点的坐标，求出a、b的数值；

下面以初燃区前后端的两点坐标带入曲面方程式（1）求出未燃区的曲面方程；

初燃区左侧边界前端坐标

初燃区左侧边界后端坐标

代入方程（1）求出:

求出火焰区域外沿的曲面方程后，可以用两种方法确定曲面上的任意点的坐标,方法Ⅰ，可以根据像面内火焰外沿曲面上任意点的角坐标，结合近似的曲面方程可以计算出火焰外沿曲面上火焰探头侧的任意点空间坐标，进而确定火焰外沿曲面上火焰探头侧的任意点到X-Y平面的长度、单侧火焰半径（单侧宽度）。G为火焰初燃区外沿曲面的火焰探头侧上的任意点, G点位于图像火焰探头侧,可以列出如下方程式；

　　　　　　

　

    根据已知的像面内火焰外沿曲面上任意点的角坐标

，求出火焰的图像火焰探头侧的点的

值。 

    

 

 

 

取火焰外沿曲面上的图像火焰探头10侧的点的值；

火焰初燃区外沿曲面上的任意点G到X-Y平面的长度为

火焰初燃区外沿曲面上的任意点G 的单侧火焰半径（单侧宽度）为

方法Ⅱ，可以计算出火焰的，图像火焰探头10侧的外沿曲面内上各个点在像面中对应的在空间坐标系上的视角坐标，并建立对应表；根据像面火焰特征区域前后端各点的视角坐标，查表找出对应的空间坐标，确定火焰的，图像火焰探头10侧的外沿曲面上的任意点到X-Y平面的垂直长度_、火焰半径（单侧宽度）；

可以在火焰的，图像火焰探头10侧的外沿曲面内上、边界线以内，选取任意点H,选取H点的向坐标，根据曲线方程（1）计算出

    

　 

              

H点对应的像面视角坐标

，同理可以计算出火焰的火焰探头侧的外沿曲面内上各个点对应的在空间坐标系上的视角坐标，并建立对应表；根据像面火焰特征区域前后端各点的视角坐标，查表找出对应的空间坐标，由

确定火焰外沿曲面上的特征区域的H到X-Y平面的垂直长度_。由确定H点的火焰半径（单侧宽度）。 

具体实施例方案1，如附图12所示，视向角为0～90度的图像火焰探头10、安装在喷燃器1附近的锅炉壁9上，图像火焰探头10物镜的光轴与喷燃器1中心线的夹角不等于0度，且不等于90度，冷却介质接口15连接冷却介质对探头进行冷却。模拟或数值视频信号线12把图像信号传至视频图像分析装置13上，视频图像分析装置13通过视频图像分析、设定坐标，运算、测量出火焰特征区域的形状参数的具体数值，显示器14显示出视频图像分析器10的分析结果和其它有关信息。显示器14和视频图像分析装置13也可设置成一体。

具体实施例方案2，如附图13所示，视向角为0～90度的图像火焰探头及分析器一体化测量探头16安装在喷燃器附近的锅炉容器壁9上，图像火焰探头10物镜的光轴与喷燃器1的中心线（或喷燃器喷出的理想火焰）的夹角不等于0度，且不等于90度，一体化测量探头16运算、测量出的火焰各个特征区域的长度、宽度、火焰扩散角等火焰形状参数信号，通过参数数值信号输出线16，把信号传至控制设备17上，通过控制设备17，手动或自动调节燃烧反应的相关条件。 

本发明也可用于容器内部化学反应形状的测量。

Claims (4)

1.一种锅炉内的火焰的形状特征参数测量方法，其特征在于： 

首先，将图像火焰探头（10）安装在锅炉壁(9)上的喷燃器（1）附近，图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)物镜的光轴与喷燃器（1）出口中心线或喷燃器（1）喷出的理想火焰中心线不平行，有夹角，图像火焰探头(10)内部摄像机(11)物镜的光轴与喷燃器（1）出口中心线或喷燃器（1）喷出的理想火焰中心线在一个平面或异面； 

其次，图像火焰探头(10)对锅炉内部的火焰进行采样，获取图像视频； 

第三，把图像火焰探头(10)摄取的视频图像信号，输出到视频图像分析器（13）；图像火焰探 头(10)摄取的火焰视频图像信号，或为模拟信号，或为数字信号，通过视频信号线（12）输出到到视频图像分析器（13）； 

第四，视频图像分析器（13）基于喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）的位置，依据摄像机（11）像面中的火焰的特征区域的边界的像素的位置/视角，建立关系、运算测量出火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值，其具体数值至少包括下列中的参数的一项或下列中的参数的组合： 

未燃区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度,未燃区前端宽度即初燃区后端的宽度，未燃区的扩散角；初燃区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度,初燃区前宽度即燃烧区后端的宽度，初燃区的扩散角；燃烧区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度,燃烧区前宽度，燃烧区的扩散角。 

2.如权利要求1所述的一种锅炉内的火焰的形状特征参数测量方法，其特征在于，基于喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）在空间坐标系中的位置及坐标，依据摄像机（11）像面中的火焰特征区域的边界的像素的在空间坐标系中的位置及坐标，建立关系、进行运算测量火焰的特征区域的形状参数的具体数值。 

3.如权利要求2所述的一种锅炉内的火焰的形状特征参数测量方法，其特征在于，首先，对图像进行模式识别，确定摄像机像面中的火焰两侧外沿的特征区域的边界的点的像素在空间坐标系中的角坐标，以X-Y平面与喷燃器（1）出口平面重合；其次：再结合喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）的在空间坐标系中的位置及坐标，运算、测量火焰各个特征区域的形状参数的具体数值； 

摄像机O”到坐标系原点O的距离为S，选择方法1、方法2、方法Ⅰ或方法Ⅱ： 

方法1：在图像火焰探头（10）距火焰比较远时，或测量结果要求不太精确时，近似认为图像火焰探头（10）拍摄到的火焰两侧的边界为火焰中心面边界，火焰区域边界用如下测量，以火焰中心线与坐标系Z轴重合、X-Y平面与喷燃器（1）出口平面重合情况，确定火焰区域的边界像素在空间坐标系中的角坐标：A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4分别为火焰各个特征区域的边界点，由A1、A2、B1、B2点构成的区域为未燃区，由A2、A3、B2、B3点构成的区域为初燃区，由A3、A4、B3、B4构成的区域为燃烧区，A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4在像平面中的对应点分别为A1’、A2’、A3’、A4’,B1’、B2’、B3’、B4’；在X-Y-Z空间坐标系中，确定像平面中A1’、A2’、A3’、A4’像素在空间坐标系中的角坐标： 

A1’：（θ_A1，0）,A2’：(θ_A2，α_A2）, 

A3’:(θ_A3，α_A3）,A4’:(θ_A4，α_A4）； 

θ_A1为射线O”A₁在X-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

θ_A2为射线O”A₂在X-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

θ_A3为射线O”A₃在X-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

θ_A4为射线O”A₄在X-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

α_A2为射线O”A₂在Z-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

α_A3为射线O”A₃在Z-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

α_A4为射线O”A₄在Z-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

未燃区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度，Z_A2＝S*tanα_A2， 

未燃区前端A侧边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度＝S*tanα_A2

未燃区前端A侧的宽度也是初燃区A侧后端的宽度X_A2=S*tanθ_A2

未燃区A侧扩散角为 

β_A1-2＝arctan[(X_A2-X_A1)/Z_A2] 

=arctan[(S*tanθ_A2-X_A1)/S*tanα_A2] 

X_A1=S*tanθ_A1

初燃区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度，Z_A3＝S*tanα_A3

初燃区前端A侧边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度＝S*tanα_A3

初燃区前端A侧的宽度也是燃烧区A侧后端的宽度X_A3=S*tanθ_A3

初燃区前端A侧扩散角为β_A2-3＝arctan[(X_A3-X_A2)/（Z_A3-Z_A2）] =arctan[(tanθ_A3-tanθ_A2)/（tanα_A3-tanα_A2）] 

燃烧区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度，Z_A4＝S*tanα_A4

燃烧区前端A侧边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度＝S*tanα_A4

燃烧区前端A侧的宽度X_A4=S*tanθ_A4

燃烧区A侧扩散角为β_A3-4＝arctan[(X_A4-X_A3)/（Z_A4-Z_A3）]=arctan[(tanθ_A4-tanθ_A3)/（tanα_A4-tanα_A3）] 

方法2：图像火焰探头（10）与火焰比较近，或要求精确测量火焰外沿曲面的各个特征区域的形状参数时，以摄像机（11）物镜的光轴与火焰中心线相交、以火焰中心线与坐标系Z轴重合、X-Y平面与喷燃器（1）出口平面重合情况，说明火焰区域边界的计算方法； 

实际上摄像机（11）看到的是一个立体的火焰，只能看到火焰的外沿的火焰探头侧的各个特征区域的边界的切点，不能准确地看到火焰中心平面，由火焰外沿边界的切点在空间坐标系中的的角坐标，可算出切点的空间坐标，未燃区前端左侧外部边界点F2的坐标， 

θ_F2为射线O”F₂在X-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

θ_F3为射线O”F₃在X-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

θ_F4为射线O”F₄在X-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

α_F2为射线O”F₂在Z-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

α_F3为射线O”F₃在Z-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

α_F4为射线O”F₄在Z-Y平面的投影线与Y轴的夹角； 

切点处的半径＝S*tanθ_F2*cosθ_F2

切点F2的X向坐标：X_F2=S*tanθ_F2*cos²θ_F2

F2的Y向的坐标：Y_F2=S*tanθ_F2*cosθ_F2*sinθ_F2

F2的Z向的坐标：Z_F2=S*tanα_F2(1-tanθ_F2*cosθ_F2*sinθ_F2） 

＝S*tanα_F2*cos²θ_F2

未燃区前端F侧边界到喷燃器（1）出口平面的长度 

＝Z_F2＝S*tanα_F2*cos²θ_F2

未燃区前端F侧实际的宽度＝切点处的半径＝S*tanθ_F2*cosθ_F2

未燃区前端F侧的扩散角＝β_F1-2

＝arctan[(S*tanθ_F2*cosθ_F2-R_F1)/Z_F2] 

＝arctan[(S*tanθ_F2*cosθ_F2-R_F1)/ 

(S*tanα_F2*cos²θ_F2)] 

其中R_F1为_F1点的半径, 

初燃区前端F侧外部边界点F3的坐标， 

切点处的半径＝S*tanθ_F3*cosθ_F3

切点F3的X向坐标：X_F3=S*tanθ_F3*cos²θ_F3

F3的Y向的坐标：Y_F3=S*tanθ_F3*cosθ_F3*sinθ_F3

F3的Z向的坐标：Z_F3=S*tanα_F3（1-tanθ_F3*cosθ_F3*sinθ_F3） 

＝S*tanα_F3*cos²θ_F3

初燃区前端F侧边界到喷燃器（1）出口平面的长度 

＝S*tanα_F3*cos²θ_F3

初燃区前端F侧的宽度＝切点处的半径＝S*tanθ_F3*cosθ_F3

初燃区前端F侧的扩散角＝β_F2-3

＝arctan[(S*tanθ_F3*cosθ_F3-S*tanθ_F2*cosθ_F2)/（Z_F3－Z_F2）] 

=arc[(tanθ_F3*cosθ_F3-tanθ_F2*cosθ_F2)/(tanα_F3*cos²θ_F3-tanα_F2*cos²θ_F2)] 

燃烧区前端F侧外部边界点F4的坐标， 

切点处的半径＝S*tanθ_F4*cosθ_F4

切点F4的X向坐标：X_F4=S*tanθ_F4*cos²θ_F4

F4的Y向的坐标：Y_F4=S*tanθ_F4*cosθ_F4*sinθ_F4

F4的Z向的坐标：Z_F4=S*tanα_F4（1-tanθ_F4*cosθ_F4*sinθ_F4） 

＝S*tanα_F4*cos²θ_F4

燃烧区前端F侧边界到喷燃器（1）出口平面的长度 

＝S*tanα_F4*cos²θ_F4

燃烧区前端F侧的宽度＝切点处的半径＝S*tanθ_F4*cosθ_F4

燃烧区前端F侧的扩散角＝β_F3-4＝arctan[(S*tanθ_F4*cosθ_F4-S*tanθ_F3*cosθ_F3)/（Z_F4－Z_F3）]=arctan[（tanθ_F4*cosθ_F4-tanθ_F3*cosθ_F3)/(tanα_F4*cos²θ_F4-tanα_F3*cos²θ_F4）] 

方法Ⅰ，火焰图像中的任意点空间坐标的求法； 

根据火焰实际状况，各个区域的外沿曲面近似看作规则的曲面：圆锥曲面规则曲面 

以圆锥曲面方程：aZ²=X²+Y²+b（1） 

把以上求出的火焰的各个区域的边界点前、后端两点的坐标，代入曲面方程式（1），求出各个特征区域的a、b的数值，根据各个火焰特征区域外沿的曲面方程，确定曲面上的任意点的坐标； 

根据像面内火焰外沿曲面上任意点的角坐标，结合近似的曲面方程可以计算出火焰外沿曲面上火焰探头侧的任意点空间坐标，进而确定火焰外沿曲面上火焰探头侧的任意点到X-Y平面的长度、单侧火焰半径； 

G为火焰初燃区外沿曲面的火焰探头侧上的任意点,G点位于图像火焰探头侧,可以列出如下方程式 

根据已知的像面内火焰外沿曲面上任意点的角坐标（θ_G，α_G），求出火焰的图像火焰探头侧的点的X_G，Y_G，Z_G，值， 

θ_G为射线O”G在X-Y平面的投影与Y轴的夹角， 

α_G为射线O”G在Z-Y平面的投影与Y轴的夹角， 

火焰初燃区外沿曲面上的任意点G到X-Y平面的长度为Z_G， 

火焰初燃区外沿曲面上的任意点G的单侧火焰半径为(X² _G+Y² _G)^1/2， 

方法Ⅱ，计算出火焰的图像火焰探头（10）侧的外沿曲面内上各个点在像面中对应的在空间坐标系上的角坐标，并建立对应表；根据像面火焰特征区域前后端各点的视角坐标，查表找出对应的空间坐标，确定火焰的图像火焰探头（10）侧的外沿曲面上的任意点到X-Y平面的垂直长度、火焰半径； 

在火焰的图像火焰探头（10）侧的外沿曲面上、左右边界线以内，选取任意点H（X_H、Y_H、Z_H）；计算出H点对应的像面角坐标（θ_H，α_H），同理计算出火焰的图像火焰探头（10）侧的外沿曲面内上各个点对应的在空间坐标系上的角坐标，并建立对应表；根据像面火焰特征区域前后端各点的角坐标，查表找出对应的空间坐标，由Z_H确定火焰外沿曲面上的特征区域的H到X-Y平面 的垂直长度，由(X² _H+Y² _H)^1/2确定H点的火焰半径

θ_H为射线O”H在X-Y平面的投影与Y轴的夹角， 

α_H为射线O”H在Z-Y平面的投影与Y轴的夹角。

4.一种锅炉的火焰的形状特征参数测量装置，其特征在于：由图像火焰探头（10）、视频图像分析装置（13）构成；视频图像分析装置（13）与图像火焰探头（10）分离设置或一体化设置，视频图像分析装置（13）与图像火焰探头（10）分离设置时，视频图像分析装置（13）与图像火焰探头（10）通过视频信号线（12）相连，视频图像分析装置（13）基于喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）的位置，依据摄像机（11）像面中的特征区域的边界的像素的位置/角度，运算测量出火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值，根据运算测量结果的数值输出对应大小的信号，输出/指示的火焰的特征参数的信号中有火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值的信号，输出/指示的火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值的信号，至少有下列中的参数的一项或下列中的参数的组合的具体数值的信号： 

未燃区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度信号,未燃区前端宽度即初燃区后端的宽度信号，未燃区的扩散角信号；初燃区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度信号,初燃区前宽度即燃烧区后端的宽度信号，初燃区的扩散角信号；燃烧区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度信号,燃烧区前宽度的信号，燃烧区的扩散角信号。 

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