CN109614908A - 一种火焰燃烧状态检测系统及检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种火焰燃烧状态检测系统及检测方法，包括火焰采集处理模块；火焰采集处理模块采用CCD工业摄像机，CCD工业摄像机的USB接口端连接MATLAB软件处理模块；MATLAB软件处理模块与图形用户界面显示模块相连；MATLAB软件处理模块与历史数据保存模块相连；图形用户界面显示模块与后续决策处理模块相连；利用MATLAB对火焰状态进行识别和判断，利用图形用户界面显示模块直观显示的方法，并将历史数据保存于历史数据保存模块；可以根据实际火焰形状和燃烧规律调整面积阈值，以图片的灰度值代表亮度，以阈值内像素点代表面积，分别求和；可消除火焰位置抖动对火焰燃烧状态判断的影响，可在线实时检测火焰的亮度与火焰燃烧的区域进而根据亮度和面积数据判断火焰的燃烧状态。

Description

一种火焰燃烧状态检测系统及检测方法
技术领域
本发明属于锅炉内检测火焰技术领域，具体涉及一种火焰燃烧状态的检测系统及检测方法。
背景技术
在日常的工业工程实践中，以及在对自然现象和自然规律的科学研究中，经常会碰到需要提取或检测火焰燃烧状态的问题，例如在工业现场，锅炉燃烧过程中，锅炉炉膛爆炸是一种严重的工业事故，事故的发生将会直接影响企业的效益和安全，因此大多企业都会在锅炉系统中配套火焰燃烧系统，来检测火焰的燃烧状态，以确保锅炉的安全运行。
由于锅炉大多为密闭罐体，且温度极高，无法直接观测，而锅炉内部温度的变化又远远滞后于火焰状态的变化，因此对锅炉内的火焰燃烧状态的检测采用摄像头采集图像处理的方式进行检测，而由于火焰变化、抖动的速率快而且不稳定，因此对火焰燃烧状态的图像处理一直是图像处理与模式识别中的一个难点。
专利内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种火焰燃烧状态的检测系统及检测方法，用于检测锅炉内火焰的燃烧状态，利用MATLAB对火焰状态进行识别和判断，利用GUI设计进行直观显示；本发明采用将检测火焰亮度与火焰面积相结合的MATLAB处理方法，用于检测锅炉内火焰的燃烧状态；这种方法不仅可以消除火焰位置抖动对火焰燃烧状态判断的影响，而且可以在线实时检测火焰的亮度与火焰燃烧的区域进而判断火焰的燃烧状态。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种火焰燃烧状态检测系统，包括有火焰采集处理模块；火焰采集处理模块采用CCD工业摄像机，CCD工业摄像机的USB接口端连接电脑的MATLAB软件处理模块，MATLAB软件处理模块读取摄像机工具箱，将图像信息导入MATLAB软件处理模块；MATLAB软件处理模块与图形用户界面显示模块相连；MATLAB软件处理模块还与历史数据保存模块相连；图形用户界面显示模块与后续决策处理模块相连；图形用户界面显示模块显示CCD工业摄像机采集到的图片。
所述的CCD工业摄像机，采用RGB图像格式，500万像素，用于对火焰图像的采集；
所述的MATLAB软件模块用于将采集到的火焰图片转换为数据进行计算处理；
所述的图形用户界面显示模块用于将CCD工业摄像机采集到的图片进行显示，并显示采集到的历史曲线，将决策信息显示在图形用户界面模块上；
所述的历史数据保存模块用于保存每一时刻采集到的火焰面积与火焰亮度数据；同时用于MATLAB软件模块导出Excel表格。
利用火焰燃烧状态检测系统检测火焰燃烧状态的方法，包括以下步骤：
步骤1，图像采集，具体做法是：
将CCD工业摄像机的USB接口与电脑相连，CCD工业摄像机的镜头对准待检测的火焰，通过控制程序控制CCD工业摄像机的拍摄；
步骤2，图像的处理，具体做法是：
首先，利用MATLAB软件处理模块将步骤1实时采集到的彩色火焰照片转为灰度图；
其次，图片分割和大小调整，MATLAB软件处理模块对灰度图进行分割与大小调整，由于火焰位置相对固定，因此选取灰度矩阵中火焰区域的有效面积作为计算区域进行图像分割，将转化后的灰度图矩阵行列按比例缩小来提高数据的计算速度；
再次，阈值选择，保证火焰燃烧区域在图片范围内，历史数据保存模块计算火焰图片内所有像素点的灰度值作为火焰亮度，计算火焰图片大于阈值的像素点个数作为火焰面积，以此来消除火焰因位置抖动对判断的影响；
第四，标定，根据实际火焰的燃烧状态设定燃烧面积的最低下限，并将实时的火焰面积与火焰亮度以及参数设定进行保存；
第五，提出预警系数与报警系数，由于实际火焰会产生抖动，火焰面积与火焰亮度会产生随机噪声，因此需要留有裕量，将最小面积的火焰分别乘以一个0到1的数值作为实际的预警面积和报警面积，实际火焰面积小于这个两个面积将分别进行预警和报警，并将这两个系数成为预警系数与报警系数，将这两个系数作为燃烧面积的阈值进行预警和报警，当火焰实际面积小于预警面积进行预警，连续两次小于报警面积进行报警，防止出现熄火或燃烧状态不稳定情况，导致出现锅炉安全事故；
步骤3，步骤2处理的实际火焰面积、火焰亮度及MATLAB软件处理模块设置的预警系数和报警系数传入历史数据变量中；
步骤4，历史数据保存，具体做法是：
通过历史数据保存模块定时进行历史数据的自动保存，将历史数据变量按格式保存在历史数据保存模块的Excel表格中，供后续使用；
步骤5，后续决策处理，具体做法是：根据报警系数和预警系数，计算实际的火焰面积，若实际火焰面积小于预警面积则进行预警，由于报警为严重情况，为了防止出现误判，若连续两次小于报警面积则进行报警。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的系统基于MATLAB软件处理模块的开发平台与CCD工业摄像机，图像数据可视化，历史数据方便查询，人机交互界面友善，处理速度快，实时性好。
本发明的摄像头的型号、拍照大小、像素以及格式，都有利于MATLAB对实时采集到的火焰燃烧图片的处理。MATLAB对实时采集到的图片进行预处理后设定面积的阈值标定进而得到火焰的面积，同时根据火焰燃烧的亮度，判断火焰的燃烧状态，进而进行后续处理。根据工业中对历史数据的要求，本检测系统包括对参数设定和实时的火焰面积以及火焰亮度的数据保存，并利用GUI界面进行显示，为后续研究提供大量真实、可靠、有价值的数据。
本发明利用MATLAB对实时的火焰燃烧状态进行判断的检测方法，检测系统主要包括图像采集、MATLAB处理火焰面积与亮度、GUI直观显示状态判断、历史数据保存；可以利用MATLAB计算火焰的燃烧面积与亮度判断火焰的燃烧状态，可以消除火焰因位置抖动对判断造成的影响，利用GUI直观显示判断状态。
本发明的火焰燃烧状态检测系统是基于MATLAB软件模块的图形用户界面(GUI)设计进行火焰燃烧状态判断的系统，本系统根据具体锅炉内火焰的具体特性，在确定锅炉内火焰的面积阈值后，采用火焰的面积与亮度相结合的方式对火焰燃烧状态的判断。可以根据火焰状态的判断进行后续处理。火焰燃烧状态检测系统的目的是研究如何运用MATLAB的GUI界面设计进行火焰处理，判断火焰的不同燃烧状态，并将这种方法在自然现象和自然规律的科学研究的各个领域中广泛的应用。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图。
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明专利的进行详细说明。
本系统是采集到火焰图像后利用MATLAB进行火焰面积与亮度亮度处理，利用GUI界面设计，将参数设置与火焰状态的判断直观显示在界面上，并将历史数据保存在Excel表格内，供后续决策判段。
一种火焰燃烧状态检测系统，包括有火焰采集处理模块；火焰采集处理模块采用CCD工业摄像机，CCD工业摄像机的USB接口端连接电脑，电脑采用MATLAB软件处理模块的读取摄像机工具箱，将图像信息导入MATLAB软件处理模块；MATLAB软件处理模块与图形用户界面显示模块相连；MATLAB软件处理模块还与历史数据保存模块相连；图形用户界面显示模块与后续决策处理模块相连；图形用户界面显示模块显示CCD工业摄像机采集到的图片。MATLAB软件处理模块计算结果保存到历史数据保存模块的变量中，作为历史数据与Excel表格被输出。
所述的CCD工业摄像机，采用RGB图像格式，500万像素，用于对火焰图像的采集；
所述的MATLAB软件模块用于将采集到的火焰图片转换为数据进行计算处理；
所述的图形用户界面显示模块用于将CCD工业摄像机采集到的图片进行显示，并显示采集到的历史曲线，将决策信息显示在图形用户界面模块上；
所述的历史数据保存模块用于保存每一时刻采集到的火焰面积与火焰亮度数据；同时用于MATLAB软件模块导出Excel表格。
本方法将火焰亮度作为直观观测量，将火焰面积作为判断火焰燃烧状态量。
具体实施方法为：首先利用MATLAB软甲处理模块将实时采集到的彩色火焰照片转为灰度图供后续处理，之后对图片进行分割与大小调整，以提高判别的准确性与运算速度，保证实时性。之后进行阈值选择，保证火焰燃烧区域在图片范围内，计算火焰图片内所有像素点的灰度值作为火焰的亮度，计算火焰图片大于阈值的像素点个数作为火焰的面积，以此来消除火焰因位置抖动对判断的影响；之后进行标定，根据实际火焰的燃烧状态设定燃烧面积的最低下限，并将实时的火焰面积与火焰亮度以及参数设定进行保存。之后提出预警系数与报警系数，将这两个系数作为燃烧面积的阈值进行预警和报警，当火焰实际面积小于预警面积进行预警，连续两次小于报警面积进行报警，防止出现熄火或燃烧状态不稳定等情况，导致出现锅炉安全事故。经过验证，根据火焰的面积和亮度的历史数据，存在上升趋势则为火焰加强状态，存在下降趋势则为火焰减弱状态，存在上下波动则为稳定状态。若火焰的面积变化趋势不及亮度变化趋势明显则说明火焰燃烧旺盛。若火焰亮度变化趋势不及面积变化趋势明显则说明火焰较弱。
实施例
参见图2，利用火焰燃烧状态检测系统检测火焰燃烧状态的方法，包括以下步骤：
步骤1，图像采集，具体做法是：
将CCD工业摄像机的USB接口与电脑相连，CCD工业摄像机的镜头对准待检测的火焰，通过控制程序控制CCD工业摄像机的拍摄；
步骤2，图像的处理，具体做法是：
首先，利用MATLAB软件处理模块将步骤1实时采集到的彩色火焰照片转为灰度图；
其次，图片分割和大小调整，MATLAB软件处理模块对灰度图进行分割与大小调整，由于火焰位置相对固定，因此选取灰度矩阵中火焰区域的有效面积作为计算区域进行图像分割，将转化后的灰度图矩阵行列按比例缩小来提高数据的计算速度；
再次，阈值选择，保证火焰燃烧区域在图片范围内，历史数据保存模块计算火焰图片内所有像素点的灰度值作为火焰亮度，计算火焰图片大于阈值的像素点个数作为火焰面积，以此来消除火焰因位置抖动对判断的影响；
第四，标定，根据实际火焰的燃烧状态设定燃烧面积的最低下限，并将实时的火焰面积与火焰亮度以及参数设定进行保存；
第五，提出预警系数与报警系数，由于实际火焰会产生抖动，火焰面积与火焰亮度会产生随机噪声，因此需要留有裕量，将最小面积的火焰分别乘以一个0到1的数值作为实际的预警面积和报警面积，实际火焰面积小于这个两个面积将分别进行预警和报警，并将这两个系数成为预警系数与报警系数，将这两个系数作为燃烧面积的阈值进行预警和报警，当火焰实际面积小于预警面积进行预警，连续两次小于报警面积进行报警，防止出现熄火或燃烧状态不稳定情况，导致出现锅炉安全事故；
步骤3，步骤2处理的实际火焰面积、火焰亮度及MATLAB软件处理模块设置的预警系数和报警系数传入历史数据变量中；
步骤4，历史数据保存，具体做法是：
通过历史数据保存模块定时进行历史数据的自动保存，将历史数据变量按格式保存在历史数据保存模块的Excel表格中，供后续使用；
步骤5，后续决策处理，具体做法是：根据报警系数和预警系数，计算实际的火焰面积，若实际火焰面积小于预警面积则进行预警，由于报警为严重情况，为了防止出现误判，若连续两次小于报警面积则进行报警。

Claims (3)

1.一种火焰燃烧状态检测系统，其特征在于，包括有火焰采集处理模块；火焰采集处理模块采用CCD工业摄像机，CCD工业摄像机的USB接口端连接电脑的MATLAB软件处理模块，MATLAB软件处理模块读取摄像机工具箱，将图像信息导入MATLAB软件处理模块；MATLAB软件处理模块与图形用户界面显示模块相连；MATLAB软件处理模块还与历史数据保存模块相连；图形用户界面显示模块与后续决策处理模块相连；图形用户界面显示模块显示CCD工业摄像机采集到的图片。
2.根据权利要求1所述的一种火焰燃烧状态检测系统，其特征在于，所述的CCD工业摄像机，采用RGB图像格式，500万像素，用于对火焰图像的采集；
所述的MATLAB软件模块用于将采集到的火焰图片转换为数据进行计算处理；
所述的图形用户界面显示模块用于将CCD工业摄像机采集到的图片进行显示，并显示采集到的历史曲线，将决策信息显示在图形用户界面模块上；
所述的历史数据保存模块用于保存每一时刻采集到的火焰面积与火焰亮度数据；同时用于MATLAB软件模块导出Excel表格。
3.利用火焰燃烧状态检测系统检测火焰燃烧状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，图像采集，具体做法是：
将CCD工业摄像机的USB接口与电脑相连，CCD工业摄像机的镜头对准待检测的火焰，通过控制程序控制CCD工业摄像机的拍摄；
步骤2，图像的处理，具体做法是：
首先，利用MATLAB软件处理模块将步骤1实时采集到的彩色火焰照片转为灰度图；
其次，图片分割和大小调整，MATLAB软件处理模块对灰度图进行分割与大小调整，由于火焰位置相对固定，因此选取灰度矩阵中火焰区域的有效面积作为计算区域进行图像分割，将转化后的灰度图矩阵行列按比例缩小来提高数据的计算速度；
再次，阈值选择，保证火焰燃烧区域在图片范围内，历史数据保存模块计算火焰图片内所有像素点的灰度值作为火焰亮度，计算火焰图片大于阈值的像素点个数作为火焰面积，以此来消除火焰因位置抖动对判断的影响；
第四，标定，根据实际火焰的燃烧状态设定燃烧面积的最低下限，并将实时的火焰面积与火焰亮度以及参数设定进行保存；
第五，提出预警系数与报警系数，由于实际火焰会产生抖动，火焰面积与火焰亮度会产生随机噪声，因此需要留有裕量，将最小面积的火焰分别乘以一个0到1的数值作为实际的预警面积和报警面积，实际火焰面积小于这个两个面积将分别进行预警和报警，并将这两个系数成为预警系数与报警系数，将这两个系数作为燃烧面积的阈值进行预警和报警，当火焰实际面积小于预警面积进行预警，连续两次小于报警面积进行报警，防止出现熄火或燃烧状态不稳定情况，导致出现锅炉安全事故；
步骤3，步骤2处理的实际火焰面积、火焰亮度及MATLAB软件处理模块设置的预警系数和报警系数传入历史数据变量中；
步骤4，历史数据保存，具体做法是：
通过历史数据保存模块定时进行历史数据的自动保存，将历史数据变量按格式保存在历史数据保存模块的Excel表格中，供后续使用；
步骤5，后续决策处理，具体做法是：根据报警系数和预警系数，计算实际的火焰面积，若实际火焰面积小于预警面积则进行预警，由于报警为严重情况，为了防止出现误判，若连续两次小于报警面积则进行报警。
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