DE102014014501A1 - Flame detector, method for flame detection and filter array for a CMOS chip - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Flammdetektor 10 mit wenigstens einem Objektiv 11, einem CMOS-Chip 30 und wenigstens einem Farbfilter 20, wobei der Farbfilter 20 ein Array aus einer Vielzahl von Filterelementen 21, 22, 23 ist, wobei die Vielzahl von Filterelementen 21, 22, 23 eine erste Gruppe von Filterelementen 21 aufweist, die für einen ersten Wellenlängenbereich 40 durchlässig sind, wobei die Vielzahl von Filterelementen 21, 22, 23 wenigstens eine zweite Gruppe von Filterelementen 22 aufweist, die für einen zweiten Wellenlängenbereich 50 durchlässig sind, und wobei der erste Wellenlängenbereich 40 ein Wellenlängenbereich 40 ist, in welchem sowohl eine Flamme F als auch eine Störquelle S eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittieren und dass der zweite Wellenlängenbereich 50 ein Wellenlängenbereich 50 ist, in welchem nur die Störquelle S oder nur die Flamme F eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert.The invention relates to a flame detector 10 having at least one objective 11, a CMOS chip 30 and at least one color filter 20, wherein the color filter 20 is an array of a plurality of filter elements 21, 22, 23, wherein the plurality of filter elements 21, 22, 23 has a first group of filter elements 21 that are transmissive to a first wavelength range 40, the plurality of filter elements 21, 22, 23 having at least a second group of filter elements 22 that are transmissive to a second wavelength range 50, and wherein the first Wavelength range 40 is a wavelength range 40 in which both a flame F and a noise source S emit a significant amount of electromagnetic radiation and that the second wavelength range 50 is a wavelength range 50 in which only the noise source S or only the flame F is a significant amount of electromagnetic Emitted radiation.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flammdetektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Flammerkennung mit Hilfe eines solchen Detektors und einen Filterarray für einen Kamera-Chip, bevorzugt CMOS-Chip, welcher zum Beispiel in einem erfindungsgemäßen Flammdetektor einsetzbar ist.The present invention relates to a flame detector according to the preamble of
Flammdetektoren sind allgemein bekannt und werden beispielsweise in Brandmeldeanlagen eingesetzt, etwa zur Detektion kohlenwasserstoff-basierter Brände im Bereich der Petrochemie oder ähnlicher Industrien. Typischerweise wird dabei die bei einem Brand entstehende Flamme optisch mit Hilfe einer Kamera erfasst und erkannt. Dabei wird die von der Flamme ausgesandte, charakteristische elektromagnetische Strahlung mit Hilfe eines optischen Sensors erfasst und mit Hilfe eines entsprechenden Algorithmus ausgewertet.Flame detectors are well known and are used, for example, in fire alarm systems, such as for the detection of hydrocarbon-based fires in the field of petrochemical or similar industries. Typically, the resulting flame in a fire is optically detected and detected by a camera. The emitted by the flame, characteristic electromagnetic radiation is detected using an optical sensor and evaluated using a corresponding algorithm.
Wichtig ist bei solchen Systemen, dass Fehlalarme soweit wie möglich vermieden werden. Fehlalarme können insbesondere durch Strahlung ausgelöst werden, die zwar in ähnlichen oder gleichen Wellenlängenbereich liegt, wie die Strahlung, die von der nachzuweisenden Flamme ausgeht, aber nicht von einer Flamme stammt, sondern von einer Störquelle. Solche Störquellen können beispielsweise im überwachten Bereich befindliche Licht- oder Wärmequellen, aber auch zum Beispiel Sonne und Mond sein. Zur Unterscheidung zwischen Strahlung, die von solchen Störquellen stammt, (Störquellenstrahlung) und Strahlung, die von einer echten brennenden Flamme stammt, (Flammenstrahlung) kann ausgenutzt werden, dass sich das elektromagnetische Spektrum dieser Strahlungsquellen zwar im bestimmten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums überlappt – weshalb der Fehlalarm möglich ist – in gewissen anderen Bereichen jedoch signifikant unterscheidet. Eine solche Überlappung tritt häufig im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf, weshalb insbesondere Videokameras anfällig für entsprechende Fehlalarme sein können.Important in such systems is that false alarms are avoided as much as possible. False alarms can be triggered in particular by radiation, which, although lying in a similar or the same wavelength range, as the radiation emanating from the flame to be detected, but does not originate from a flame, but from a source of interference. Such sources of interference may, for example, be located in the monitored area light or heat sources, but also for example sun and moon. To distinguish between radiation originating from such sources of interference (source of interfering radiation) and radiation originating from a real burning flame (flame radiation), it is possible to exploit the fact that the electromagnetic spectrum of these radiation sources overlaps in certain areas of the electromagnetic spectrum False alarm is possible - in certain other areas, however, significantly different. Such an overlap often occurs in the visible region of the electromagnetic spectrum, which is why video cameras in particular can be susceptible to corresponding false alarms.
Alternativ werden bei anderen bekannten Flammdetektoren Systeme verwendet, die zwar nur ein Kameraobjektiv aufweisen, aber zwei Digitale-Video-Sensoren, bevorzugt CMOS-Chips (complementary metal-Oxide-semiconductor-Chips), die jeweils unterschiedliche Wellenlängenbereiche erkennen. Um mit beiden Sensoren entsprechende vom Objektiv eingefangene elektromagnetische Strahlung auswerten zu können, ist im Strahlengang hinter dem Kameraobjektiv ein Strahlteiler angeordnet, der einen ersten Teil der Strahlung an den ersten Chip und einen zweiten Teil der Strahlung an den zweiten Chip leitet. Auch hier werden mithin stets zwei verschiedene Bildsensoren verwendet, deren Daten anschließend miteinander verglichen werden.Alternatively, other known flame detectors use systems that have only one camera lens, but two digital video sensors, preferably complementary metal oxide semiconductor chips (CMOS), each of which detects different wavelength ranges. In order to be able to evaluate corresponding electromagnetic radiation captured by the objective with both sensors, a beam splitter, which directs a first part of the radiation to the first chip and a second part of the radiation to the second chip, is arranged in the beam path behind the camera objective. Here, too, therefore, always two different image sensors are used, the data are then compared with each other.
Diese Art der Flammdetektion ist im Verhältnis recht aufwändig und erfordert eine sehr genaue Justierung der Sensoren und der optischen Komponenten.This type of flame detection is relatively complex in relation and requires a very accurate adjustment of the sensors and the optical components.
Ausgehend davon ist es Ziel der Erfindung, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen verbesserten Flammdetektor zu schaffen. Dieser soll kostengünstig und einfach herzustellen sein. Insbesondere soll er möglichst präzise und schnell arbeiten.Based on this, it is an object of the invention to overcome these and other disadvantages of the prior art and to provide an improved flame detector. This should be inexpensive and easy to manufacture. In particular, he should work as precisely and quickly as possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Flammdetektor entsprechend Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Flammerkennung entsprechend Anspruch 9 und ein Filterarray für einen CMOS-Chip entsprechend Anspruch 16 vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.To solve this problem, the invention proposes a flame detector according to
Bei einem Flammdetektor mit wenigstens einem Objektiv, einem CMOS-Chip und wenigstens einem Farbfilter, wobei der CMOS-Chip mit einer Auswerteeinheit verbunden ist und eine Vielzahl von Pixelelementen aufweist, wobei der Farbfilter zwischen dem Objektiv und dem CMOS-Chip angeordnet ist und ein Array aus einer Vielzahl von Filterelementen ist, wobei jedes Filterelement wenigstens einem Pixelelement des CMOS-Chips derart zugeordnet ist, dass zwischen dem Pixelelement und dem Objektiv genau ein Filterelement angeordnet ist, und
- • wobei die Vielzahl von Filterelementen eine erste Gruppe von Filterelementen aufweist, die für einen ersten Wellenlängenbereich durchlässig sind,
- • wobei die Vielzahl von Filterelementen wenigstens eine zweite Gruppe von Filterelementen aufweist, die für einen zweiten Wellenlängenbereich durchlässig sind, und
- • wobei die Filterelemente des Arrays derart matrixförmig angeordnet sind, dass Filterelemente, die innerhalb der Reihen und Spalten der Matrix benachbart zueinander angeordnet sind, jeweils für unterschiedliche Wellenlängenbereiche durchlässig sind,
- Wherein the plurality of filter elements comprises a first group of filter elements that are transmissive to a first wavelength range,
- Wherein the plurality of filter elements comprises at least a second group of filter elements which are transmissive to a second wavelength range, and
- Wherein the filter elements of the array are arranged in matrix form in such a way that filter elements which are arranged adjacent to one another within the rows and columns of the matrix are each permeable to different wavelength ranges,
Bei einem solchen Flammendetektor kann durch Vergleich von Bilddaten, die in einem ersten Wellenlängenbereich gewonnen werden, mit Bilddaten, die in einem zweiten Wellenlängenbereich gewonnen werden, festgestellt werden, ob ein bestimmtes elektromagnetisches Signal von einer Flamme stammt oder nicht. Insbesondere können dabei Bilddaten, die von Pixelelementen stammen, denen Filterelemente zugeordnet sind, die für einen ersten Wellenlängenbereich durchlässig sind, mit Bilddaten verglichen werden, die von Pixelelementen stammen, denen Filterelemente zugeordnet sind, die für einen zweiten Wellenlängenbereich durchlässig sind.In such a flame detector, by comparing image data obtained in a first wavelength range with image data obtained in a second wavelength range, it can be determined whether or not a particular electromagnetic signal is from a flame. In particular, image data derived from pixel elements associated with filter elements that are transparent to a first wavelength range may be compared to image data derived from pixel elements associated with filter elements that are transparent to a second wavelength range.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist der Flammdetektor genau ein Objektiv auf, denkbar ist jedoch auch, dass mehrere Objektive nach Art eines Insektenauges angeordnet sind, so dass jedem Pixelelement ein Objektiv zugeordnet ist. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn jedem Filterelement genau ein Pixelelement des CMOS-Chips zugeordnet ist.In a preferred embodiment, the flame detector has exactly one lens, but it is also conceivable that a plurality of lenses are arranged in the manner of an insect eye, so that each pixel element is associated with a lens. Furthermore, it is preferred if exactly one pixel element of the CMOS chip is assigned to each filter element.
Von besonderem Vorteil ist dabei in jedem Fall die matrixförmige Anordnung der Filterelemente. Diese hat zur Folge, dass Pixelelemente, die Informationen über den ersten Wellenlängenbereich liefern, und Pixelelemente, die Informationen über den zweiten Wellenlängenbereich liefern, maximal ein Pixelelement weit voneinander entfernt liegen. Eine matrixförmige Anordnung ist dabei üblicherweise eine 2-dimensionale Anordnung (Array) aus Reihen und Spalten, wobei jeweils die in den Reihen angeordneten Elemente benachbarter Reihen derart unter- bzw. übereinander angeordnet sind, dass sie die Spalten bilden. Eine solche matrixförmige Anordnung wird typischerweise durch die Angabe der Anzahl von Reihen und Spalten in der Schreibweise (R × S) angegeben, wobei R die Anzahl der Reihen und S die Anzahl der Spalten angibt. Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung der Filterelemente ist die Matrix dann derart aufgebaut, dass sowohl in einer Reihe als auch in einer Spalte stets Filterelemente aufeinander folgen, die für unterschiedliche Wellenlängenbereiche durchlässig sind.Of particular advantage in any case is the matrix-shaped arrangement of the filter elements. As a result, pixel elements that provide information about the first wavelength range and pixel elements that provide information about the second wavelength range are at most one pixel element far apart. A matrix-like arrangement is usually a 2-dimensional arrangement (array) of rows and columns, wherein in each case arranged in the rows elements of adjacent rows are arranged below or above one another such that they form the columns. Such a matrix arrangement is typically indicated by the number of rows and columns in the notation (R × S), where R is the number of rows and S is the number of columns. In an arrangement according to the invention of the filter elements, the matrix is then constructed in such a way that filter elements succeed each other in a row as well as in a column and are transparent to different wavelength ranges.
Unter einer Vielzahl von Filterelementen wird in diesem Zusammenhang typischerweise eine Anzahl von zwei oder bevorzugt mehr als zwei Filterelementen, verstanden. Eine Gruppe von Filterelementen ist dabei eine Auswahl mehrerer Filterelemente aus dieser Vielzahl von Filterelementen, wobei die ausgewählten Filterelemente identische Eigenschaften aufweisen. Die Filterelemente einer Gruppe sind dabei so in der Matrix angeordnet, dass sie einander wenn überhaupt dann nur in diagonaler Richtung benachbart sind und dass innerhalb einer Reihe und innerhalb einer Spalte stets nur Filterelemente unterschiedlicher Gruppen aneinander angrenzen.In this context, a multiplicity of filter elements is typically understood to mean a number of two or preferably more than two filter elements. A group of filter elements is a selection of a plurality of filter elements from this plurality of filter elements, wherein the selected filter elements have identical properties. The filter elements of a group are arranged in the matrix so that they are adjacent to each other if at all then only in the diagonal direction and that within a row and within a column always only filter elements of different groups adjacent to each other.
Das Objektiv kann dabei derart einstellbar sein, dass das Bild welches auf dem CMOS-Chip abgebildet wird, eine gewisse Unschärfe aufweist, nämlich derart, dass zwei benachbart zueinander liegende Pixelelemente nahezu identisch belichtet werden. Das Objektiv des Flammdetektors ist bevorzugt ein Weitwinkelobjektiv, d. h. es ist bevorzugt ein Objektiv, dessen Bildwinkel größer als 30°, besonders bevorzugt größer 50° ist.The objective can be adjustable in such a way that the image which is imaged on the CMOS chip has a certain blurring, namely such that two pixel elements lying adjacent to one another are illuminated almost identically. The lens of the flame detector is preferably a wide-angle lens, i. H. It is preferably an objective whose angle of view is greater than 30 °, more preferably greater than 50 °.
Unter einer nahezu identischen Belichtung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass grundsätzlich zwar vorhandene Unterschiede in der Belichtung der räumlich nebeneinander angeordneten Pixel aufgrund der Unschärfe der Optik nicht mehr auflösbar sind. Die von derart benachbart liegenden Pixelelementen gewonnene Information basiert mithin auf identischer elektromagnetischer Strahlung und unterscheidet sich lediglich dadurch, dass das Spektrum dieser Strahlung durch die jeweils zwischen dem Pixelelement und dem Objektiv angeordneten Filterelemente in unterschiedlicher Art und Weise eingeschränkt wird. Unter einem Pixelelement im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei typischerweise die kleinste einzeln auswertbare Flächeneinheit des CMOS-Chip verstanden. Die Verbindung des CMOS-Chip mit der Auswerteeinheit ist dabei bevorzugt derart gestaltet, dass die Auswerteeinheit die ihr übersandten Informationen einzelnen Pixelelementen spezifisch zuordnen kann. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der CMOS-Chip ein aktiver Sensor (APS-Sensor, Active-Pixel-Sensor) ist. Bei einem solchen aktiven Sensor weist jedes Pixelelement eine eigene Verstärkerschaltung zum Signalauslesen auf.Under an almost identical exposure is understood in this context that, in principle, although existing differences in the exposure of spatially juxtaposed pixels due to the blur of the optics are no longer resolvable. The information obtained from such neighboring pixel elements is therefore based on identical electromagnetic radiation and differs only in that the spectrum of this radiation is limited by the respectively arranged between the pixel element and the lens filter elements in different ways. A pixel element in the sense of the present invention is typically understood to mean the smallest individually evaluable area unit of the CMOS chip. The connection of the CMOS chip to the evaluation unit is preferably designed such that the evaluation unit can specifically assign the information sent to individual pixel elements. It is particularly advantageous if the CMOS chip is an active sensor (APS sensor, active pixel sensor). In such an active sensor, each pixel element has its own amplifier circuit for signal readout.
Ein Filterelement, das für einen bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig ist, kann beispielsweise eine Farbfolie, ein Gelelement oder ähnliches sein. Es zeichnet sich dadurch aus, dass selektiv nur elektromagnetische Strahlung einer oder mehrerer bestimmter Wellenlängen durch das Filterelement hindurchtreten kann (transmittiert wird). Elektromagnetische Strahlung anderer Wellenlängen wird von einem solchen Filterelement typischerweise absorbiert oder reflektiert. Filterelemente, die für unterschiedliche Wellenlängenbereiche durchlässig sind, können dabei für elektromagnetische Strahlung einander ganz oder teilweise überlappender Wellenlängenbereiche durchlässig sein. Beispielsweise ist denkbar, dass ein erstes Filterelement Strahlung beispielsweise im Bereich von 380 bis 780 nm transmittiert, während ein zweites Filterelement Strahlung beispielsweise im Bereich von 430 bis 490 nm transmittiert. Die Filterelemente unterschiedlicher Gruppen können auch für Strahlung komplementärer Wellenlängenbereiche oder auch für Strahlung einander nicht überlappender Wellenlängenbereiche durchlässig sein.A filter element which is permeable to a certain wavelength range may be, for example, a color foil, a gel element or the like. It is characterized in that selectively only electromagnetic radiation of one or more specific wavelengths can pass through the filter element (is transmitted). Electromagnetic radiation of other wavelengths is typically absorbed or reflected by such a filter element. Filter elements which are permeable to different wavelength ranges may be permeable to electromagnetic radiation of completely or partially overlapping wavelength ranges. For example, it is conceivable that a first filter element transmits radiation, for example in the range from 380 to 780 nm, while a second filter element transmits radiation for example, in the range of 430 to 490 nm. The filter elements of different groups can also be transparent for radiation of complementary wavelength ranges or else for radiation of non-overlapping wavelength ranges.
Besonders günstig ist es dabei, wenn die erste Gruppe von Filterelementen für einen Wellenlängenbereich durchlässig ist, in welchem sowohl eine Flamme als auch eine Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert, und wenn die zweite Gruppe von Filterelementen für einen Wellenlängenbereich durchlässig ist, in welchem nur die Flamme oder nur die Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert. Eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung ist dabei eine Menge elektromagnetischer Strahlung, die von einem Pixelelement ohne das Vorhandensein des zwischen dem Pixelelement und dem Objektiv angeordneten Filterelementes detektierbar ist und die dabei eine gewisse charakteristische Intensität aufweist.It is particularly advantageous if the first group of filter elements is transparent to a wavelength range in which both a flame and a source of interference emit a significant amount of electromagnetic radiation, and if the second group of filter elements is transparent to a wavelength range in which only the flame or only the source of interference emits a significant amount of electromagnetic radiation. A significant amount of electromagnetic radiation is a quantity of electromagnetic radiation that can be detected by a pixel element without the presence of the filter element arranged between the pixel element and the objective and that has a certain characteristic intensity.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante ist es dabei vorgesehen, dass der Flammdetektor eine erste Gruppe von Filterelemente, die für elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, und eine Gruppe von Filterelementen, die für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, wobei der erste Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich ist, in welchem sowohl eine Flamme als auch eine Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittieren und wobei der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge ist, in welchem nur die Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert.In a first preferred embodiment, it is provided that the flame detector is a first group of filter elements, which is permeable to electromagnetic radiation in a first wavelength range, and a group of filter elements, which is transparent to electromagnetic radiation in a second wavelength range, wherein the first Wavelength range is a wavelength range in which both a flame and a source of interference emit a significant amount of electromagnetic radiation and wherein the second wavelength range is a wavelength in which only the source of interference emits a significant amount of electromagnetic radiation.
Während die Störquelle sowohl im ersten Wellenlängenbereich als auch im zweiten Wellenlängenbereich Strahlung aussendet, ist die Flamme mithin nur im ersten Wellenlängenbereich für den CMOS-Chip sichtbar. Stammt die durch das Objektiv auf den Chip fallende elektromagnetische Strahlung mithin von einer Störquelle, so werden sowohl diejenigen Pixelelemente belichtet, die mit einem Filterelement versehen sind, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, als auch diejenigen Pixelelemente, die mit einem Filterelement versehen sind, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist. Stammt die elektromagnetische Strahlung hingegen von einer Flamme, so werden nur diejenigen Pixelelemente belichtet, die mit einem Filterelement versehen sind, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist.While the source of interference emits radiation both in the first wavelength range and in the second wavelength range, the flame is therefore only visible in the first wavelength range for the CMOS chip. If the electromagnetic radiation incident on the chip by the objective comes from a source of interference, both those pixel elements which are provided with a filter element which is permeable to the first wavelength range and those pixel elements which are provided with a filter element are exposed, which is permeable to the second wavelength range. On the other hand, if the electromagnetic radiation originates from a flame, only those pixel elements are exposed which are provided with a filter element which is transparent to the first wavelength range.
Ist ein entsprechend vom CMOS-Chip an die Auswerteeinheit geleitete Information mithin sowohl im ersten Wellenlängenbereich als auch im zweiten Wellenlängenbereich vorhanden, so stammt die vom Objektiv insgesamt eingefangene elektromagnetische Strahlung höchstwahrscheinlich von einer Störquelle, und es ist kein Alarm auszulösen. Ist die Information hingegen nur in einem der beiden Wellenlängenbereiche, insbesondere im ersten Wellenlängenbereich, vorhanden, so liegt eine Flamme vor und ein Alarm muss ausgelöst werden. Fehlalarme, die durch elektromagnetische Strahlung von Störquellen, ausgelöst werden könnten, sind auf diese Weise effektiv vermeidbar.If a correspondingly conducted information from the CMOS chip to the evaluation unit is therefore present both in the first wavelength range and in the second wavelength range, the electromagnetic radiation captured by the objective in all likelihood originates from a source of interference and no alarm is triggered. However, if the information is present only in one of the two wavelength ranges, in particular in the first wavelength range, then there is a flame and an alarm must be triggered. False alarms, which could be triggered by electromagnetic radiation from sources of interference, are effectively avoidable in this way.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante kann es alternativ vorgesehen sein, dass der Flammdetektor eine erste Gruppe von Filterelemente, die für elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, und eine Gruppe von Filterelementen, die für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, wobei der erste Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich ist, in welchem sowohl eine Flamme als auch eine Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittieren und wobei der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge ist, in welchem nur die Flamme eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert.In a second preferred embodiment, it may alternatively be provided that the flame detector comprises a first group of filter elements that is permeable to electromagnetic radiation in a first wavelength range, and a group of filter elements that is permeable to electromagnetic radiation in a second wavelength range, wherein the first wavelength range is a wavelength range in which both a flame and a noise source emit a significant amount of electromagnetic radiation, and wherein the second wavelength range is a wavelength in which only the flame emits a significant amount of electromagnetic radiation.
Hier gilt: Ist ein entsprechend vom CMOS-Chip an die Auswerteeinheit geleitete Information sowohl im ersten Wellenlängenbereich als auch im zweiten Wellenlängenbereich vorhanden, so stammt die vom Objektiv insgesamt eingefangene elektromagnetische Strahlung höchstwahrscheinlich von einer Flamme, und ein Alarm ist auszulösen. Ist die Information hingegen nur in einem der beiden Wellenlängenbereiche, insbesondere im ersten Wellenlängenbereich, vorhanden, so liegt keine Flamme vor und das Auslösen des Alarms hat zu unterbleiben. Fehlalarme, die durch elektromagnetische Strahlung von Störquellen, ausgelöst werden könnten, sind auf diese Weise auch hier effektiv vermeidbar.The following applies here: If an information transmitted by the CMOS chip to the evaluation unit is present both in the first wavelength range and in the second wavelength range, then the electromagnetic radiation captured by the objective in all likelihood comes from a flame and an alarm is triggered. However, if the information is present only in one of the two wavelength ranges, in particular in the first wavelength range, then there is no flame and the triggering of the alarm has to be omitted. False alarms, which could be triggered by electromagnetic radiation from sources of interference, are effectively preventable in this way, too.
Besonders vorteilhaft ist in jedem Fall, wenn der Flammdetektor in beiden Ausführungsvarianten nur jeweils einen einzigen Sensor, nämlich nur einen einzigen CMOS-Chip, aufweist. Dabei sind alle Bilddaten mit diesem einen CMOS-Chip gleichzeitig gewinnbar. Mit anderen Worten: dank der vorliegenden Erfindung kann mit nur einem Objektiv und einem CMOS-Chip ein Bild in mehreren relevanten Wellenlängenbereichen simultan aufgenommen und durch Vergleich analysiert werden. Typischerweise einsetzbare CMOS-Chips können dabei einen Spektralbereich von etwa 350 nm bis etwa 1000 nm erkennen.In each case, it is particularly advantageous if the flame detector in each embodiment only has a single sensor, namely only a single CMOS chip. All image data can be obtained with this one CMOS chip at the same time. In other words, thanks to the present invention, with only one lens and one CMOS chip, an image can be simultaneously acquired in several relevant wavelength ranges and analyzed by comparison. Typically usable CMOS chips can detect a spectral range of about 350 nm to about 1000 nm.
Ein solcher Spektralbereich umfasst sowohl den Bereich des sichtbaren Lichts als auch Teile der UV-Strahlung und des nahen Infrarotbereiches. In diesem Bereich emittieren sowohl herkömmliche künstliche und natürliche Lichtquellen entsprechende elektromagnetische Strahlung als auch Flammen, die beispielsweise bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen. Solche Flammen können insbesondere im Bereich der Petrochemie aber auch bei der Ölförderung von Interesse sein, da sie für das menschliche Auge zumindest teilweise unsichtbar sein können, gleichwohl aber natürliche eine entsprechende Gefahrenquelle darstellen.Such a spectral range encompasses both the visible light range and parts of the UV radiation and the near infrared range. In this area emit both conventional artificial and natural light sources corresponding electromagnetic radiation and flames, which arise for example in the combustion of hydrocarbons. Such flames may be of interest, in particular in the field of petrochemistry but also in oil production, since they may be at least partially invisible to the human eye, but nevertheless constitute a natural source of danger.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es insofern günstig, wenn der erste Wellenlängenbereich sich von 900 ± 10 nm bis 1000 ± 10 nm erstreckt, bevorzugt von 920 ± 10 nm bis 960 ± 10 nm, ganz besonders bevorzugt von 940 ± 10 nm bis 960 ± 10 nm. Insbesondere Kohlenwasserstoffflammen weisen im Wellenlängenbereich um etwa 950 nm herum typischerweise ein lokales Intensitätsmaximum auf, emittieren jedoch relativ wenig Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes bei etwa 400 nm. Die meisten Störquellen emittieren hingegen sowohl in diesem Bereich als auch im Bereich des sichtbaren Lichts entsprechende Strahlung. Ein Pixelelement, dem ein Filterelement zugeordnet ist, das für diesen Bereich durchlässig ist, erkennt mithin sowohl die Störquelle als auch die Flamme. In diesen Wellenlängenbereich ist die Strahlung der Sonne relativ gering, so dass ein weiterer Vorteil bei dieser Ausführungsform darin liegt, dass die potentielle Blendung der Kamera durch die Sonne relativ gering ist.In a preferred embodiment, it is advantageous if the first wavelength range extends from 900 ± 10 nm to 1000 ± 10 nm, preferably from 920 ± 10 nm to 960 ± 10 nm, most preferably from 940 ± 10 nm to 960 ± 10 In particular, hydrocarbon flames typically have a local maximum intensity in the wavelength range around about 950 nm, but emit relatively little visible light radiation at about 400 nm. However, most sources of interference emit corresponding noise both in this range and in visible light Radiation. A pixel element associated with a filter element which is transparent to that region thus recognizes both the source of interference and the flame. In this wavelength range, the radiation of the sun is relatively low, so that another advantage of this embodiment is that the potential glare of the camera by the sun is relatively low.
Alternativ kann der erste Wellenlängenbereich auch für Strahlung im UV-Bereich durchlässig sein, nämlich beispielsweise für Wellenlängen im Bereich von 50 ± 10 nm bis 380 ± 10 nm, bevorzugt von 200 ± 10 nm bis 380 ± 10 nm, besonders bevorzugt von 200 ± 10 nm bis 280 ± 10 nm. Dies ist beispielsweise günstig, wenn mit Hilfe des erfindungsgemäßen Flammdetektors Flammen mit einer charakteristischen Emission im UV-Bereich, beispielsweise Wasserstoffflammen, erkannt werden sollen.Alternatively, the first wavelength range can also be transmissive to radiation in the UV range, namely, for example, for wavelengths in the range from 50 ± 10 nm to 380 ± 10 nm, preferably from 200 ± 10 nm to 380 ± 10 nm, particularly preferably from 200 ± 10 nm to 280 ± 10 nm. This is favorable, for example, if flames with a characteristic emission in the UV range, for example hydrogen flames, are to be detected with the aid of the flame detector according to the invention.
Vorstellbar ist auch, dass der erste Wellenlängenbereich zwei Unterbereiche, in welchen der Filter durchlässig ist, aufweist. Beispielsweise ist denkbar, dass ein Filterelement, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, sowohl für Strahlung im Bereich des nahen Infrarot-Bereiches als auch für Strahlung im Bereich des nahen UV-Bereichs durchlässig ist, nicht jedoch für Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts. Der erste Wellenlängenbereich kann insofern Strahlung im Bereich von kleiner als 380 nm und größer als 780 nm umfassen, bevorzugt Strahlung im Bereich von 50 ± 10 nm bis 380 ± 10 nm und im Bereich von 900 ± 10 nm bis 1000 ± 10 nm. In diesem Fall können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Flammdetektors sowohl Flammen mit einer Emission im IR-Bereich, wie z. B. Kohlenwasserstoffflammen, als auch Flammen mit einer Emission im UV-Bereich, wie z. B. Wasserstoff-Flammen überwacht und erkannt werden.It is also conceivable that the first wavelength range comprises two subregions in which the filter is permeable. For example, it is conceivable that a filter element which is permeable to the first wavelength range, both for radiation in the near infrared region and for radiation in the range of the near UV range is transparent, but not for radiation in the range of visible light. The first wavelength range may include radiation in the range of less than 380 nm and greater than 780 nm, preferably radiation in the range of 50 ± 10 nm to 380 ± 10 nm and in the range of 900 ± 10 nm to 1000 ± 10 nm. In this Fall can with the help of the flame detector according to the invention both flames with an emission in the IR range, such as. B. hydrocarbon flames, as well as flames with an emission in the UV range, such. B. hydrogen flames monitored and detected.
Man erkennt, dass es in diesem Zusammenhang jedenfalls günstig ist, wenn der zweite Wellenlängenbereich sich von 300 ± 10 nm bis 580 ± 10 nm erstreckt, bevorzugt von 350 ± 10 nm bis 490 ± 10 nm, ganz besonders bevorzugt von 380 ± 10 nm bis 450 ± 10 nm. In diesem Wellenlängenbereich liegt typischerweise eine deutliche Emission von künstlichen Lichtquellen, sowie von Sonne und Mond vor, Kohlenwasserstoffflammen erscheinen in diesem Wellenlängenbereich hingegen dunkel.It can be seen that in this context it is in any case favorable if the second wavelength range extends from 300 ± 10 nm to 580 ± 10 nm, preferably from 350 ± 10 nm to 490 ± 10 nm, very particularly preferably from 380 ± 10 nm 450 ± 10 nm. In this wavelength range, there is typically a significant emission of artificial light sources, as well as of the sun and moon, whereas hydrocarbon flames appear dark in this wavelength range.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist mithin vorgesehen, dass der erste Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich ist, in welchem sowohl eine Flamme als auch eine Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittieren, nämlich ein Wellenlängenbereich, der sich von 900 ± 10 nm bis 1000 ± 10 nm erstreckt, bevorzugt von 920 ± 10 nm bis 960 ± 10 nm, ganz besonders bevorzugt von 940 ± 10 nm bis 960 ± 10 nm, und/oder ein Wellenlängenbereich, der sich von 50 ± 10 nm bis 380 ± 10 nm, bevorzugt von 200 ± 10 nm bis 380 ± 10 nm, besonders bevorzugt von 200 ± 10 nm bis 280 ± 10 nm erstreckt, und dass der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge ist, in welchem nur die Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert, nämlich ein Wellenlängenbereich, der sich von 300 ± 10 nm bis 580 ± 10 nm erstreckt, bevorzugt von 350 ± 10 nm bis 490 ± 10 nm, ganz besonders bevorzugt von 380 ± 10 nm bis 450 ± 10 nm.In a particularly preferred embodiment, it is therefore provided that the first wavelength range is a wavelength range in which both a flame and a source of interference emit a significant amount of electromagnetic radiation, namely a wavelength range extending from 900 ± 10 nm to 1000 ± 10 nm , preferably from 920 ± 10 nm to 960 ± 10 nm, most preferably from 940 ± 10 nm to 960 ± 10 nm, and / or a wavelength range extending from 50 ± 10 nm to 380 ± 10 nm, preferably 200 ± 10 nm to 380 ± 10 nm, more preferably from 200 ± 10 nm to 280 ± 10 nm, and that the second wavelength range is a wavelength in which only the noise source emits a significant amount of electromagnetic radiation, namely a wavelength range different from 300 ± 10 nm to 580 ± 10 nm, preferably from 350 ± 10 nm to 490 ± 10 nm, most preferably from 380 ± 10 nm to 450 ± 10 nm.
Zur Effektiven Auswertung der vom CMOS-Chip gewonnenen Information ist es günstig, wenn die Filterelemente jeweils in Abteilungen von vier Filterelementen angeordnet sind, wobei jede Abteilung höchstens zwei Filterelemente aufweist, die für denselben Wellenlängenbereich durchlässig sind. Diese Abteilungen können sich dann entlang des gesamten Filterarrays identisch widerholen. Der Farbfilter kann mithin aus einem repetitiven Muster von jeweils vier Filterelementen bestehen. Dabei ist vorstellbar, dass die vier Filterelemente jeder Abteilung in Form einer (2×2)-Matrix angeordnet sind, wobei jede Zeile und jede Reihe der (2×2)-Matrix jeweils ein Filterelement, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, und ein Filterelement, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, aufweist. Bei einer solchen Anordnung liegen sowohl in der Richtung der Reihen der Matrix als auch in Richtung der Spalten der Matrix jeweils stets zwei Pixelelemente nebeneinander, denen jeweils ein Filterelement aus unterschiedlichen Gruppen zugeordnet ist. Die Auswerteeinheit kann dabei jeweils die von diesen nebeneinanderliegenden Pixelelementen gewonnene Information miteinandervergleichen. Auf diese Weise ist ein pixelgenauer Vergleich des gesamten vom CMOS-Chip gewonnenen Bildes rasch und einfach möglich. Die miteinander zu vergleichenden Pixelelemente, denen jeweils ein Filterelement, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, bzw. ein Filterelement, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, zugeordnet ist, sind bei einem solchen Array jeweils entlang der Reihen bzw. Spalten der (2×2)-Matrix nebeneinander angeordnet.For the effective evaluation of the information obtained by the CMOS chip, it is favorable if the filter elements are each arranged in sections of four filter elements, each section having at most two filter elements which are permeable to the same wavelength range. These departments can then repeat identically along the entire filter array. The color filter can therefore consist of a repetitive pattern of four filter elements. It is conceivable that the four filter elements of each section are arranged in the form of a (2 × 2) matrix, each row and each row of the (2 × 2) matrix each having a filter element which is transparent to the first wavelength range, and a filter element permeable to the second wavelength range. In such an arrangement, in the direction of the rows of the matrix as well as in the direction of the columns of the matrix, two pixel elements are always adjacent to each other, to each of which a filter element of different groups is assigned. The evaluation unit can in each case compare the information obtained from these adjacent pixel elements. In this way, a pixel-perfect comparison of the entire CMOS Chip captured image quickly and easily possible. The pixel elements to be compared with each other, to each of which a filter element which is permeable to the first wavelength range, or a filter element which is permeable to the second wavelength range, are in each case along the rows or columns of the (2 × 2) matrix arranged next to each other.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Vielzahl von Filterelementen eine dritte Gruppe von Filterelementen aufweist, die für einen dritten Wellenlängenbereich durchlässig sind. Beispielsweise ist vorstellbar, dass der erste Wellenlängenbereich den Bereich von 900 bis 1000 nm umfasst, der zweite Wellenlängenbereich den Bereich von 380 bis 780 nm und der dritte Wellenlängenbereich den Bereich von 50 bis 380 nm. Auf diese Weise ist mit Hilfe der Pixelelemente, denen Filterelemente der dritten Gruppe zugeordnet sind, Strahlung im UV-Bereich erkennbar. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass der erste und/oder der zweite Wellenlängenbereich einem der oben beschriebenen Wellenlängenbereiche entspricht. Es ist mithin vorstellbar, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Flammdetektors unterscheidbar ist, ob eine unsichtbare Flamme im nahen-IR-Bereich oder im UV-Bereich Strahlung emittiert.In a further embodiment, it is provided that the plurality of filter elements has a third group of filter elements that are transparent to a third wavelength range. For example, it is conceivable that the first wavelength range covers the range of 900 to 1000 nm, the second wavelength range the range of 380 to 780 nm and the third wavelength range the range of 50 to 380 nm. In this way, with the aid of the pixel elements, which filter elements are assigned to the third group, radiation in the UV range recognizable. Of course, it is also conceivable that the first and / or the second wavelength range corresponds to one of the wavelength ranges described above. It is thus conceivable that with the aid of the flame detector according to the invention it can be distinguished whether an invisible flame emits radiation in the near-IR range or in the UV range.
Alternativ ist auch denkbar, dass der erste Wellenlängenbereich denjenigen IR-Bereich umfasst, in dem Kohlenwasserstoffflammen ein charakteristisches Emissionsmaximum aufweisen, der zweite Wellenlängenbereich den Bereich um 400 nm umfasst, in welchem ein Emissionsmaximum von künstlichen und/oder natürlichen Lichtquellen liegt und der dritte Wellenlängenbereich den gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums umfasst, in welchem typischerweise Video-Bilder für Schwarz-Weiß-Videos aufgezeichnet werden.Alternatively, it is also conceivable that the first wavelength range includes that IR range in which hydrocarbon flames have a characteristic emission maximum, the second wavelength range comprises the range around 400 nm, in which an emission maximum of artificial and / or natural light sources lies, and the third wavelength range full range of the visible spectrum in which video pictures are typically recorded for black and white videos.
Letzteres ist insbesondere von Vorteil, wenn nicht nur eine Flammdetektion mit Hilfe des Flammdetektors durchgeführt werden soll, sondern gleichzeitig die Video-Überwachung des gewünschten Bereiches gewünscht ist. Dies kann beispielsweise zur Abklärung der Ursache oder näheren Umstände einer detektierten Flamme von Vorteil sein. So können möglicherweise genauere Umstände eines Flammausbruchs in einem explosionsgefährdeten Bereich mit Hilfe der Videobeobachtung eines Gebietes geklärt werden, ohne dass es notwendig ist Personal in diesen Bereich zu entsenden. Man erkennt insofern, dass es besonders günstig sein kann, wenn der dritte Wellenlängenbereich den Bereich des sichtbaren Lichts umfasst. In weiteren Ausführungsvarianten ist es vorstellbar, dass vier oder mehr Gruppen von Filterelementen vorhanden sind, die für unterschiedliche Wellenlängenbereiche durchlässig sind.The latter is particularly advantageous if not only a flame detection with the help of the flame detector is to be performed, but at the same time the video surveillance of the desired area is desired. This can be advantageous for clarifying the cause or closer circumstances of a detected flame, for example. It may be possible to clarify more precise circumstances of a flame outbreak in a potentially explosive area by means of video surveillance of an area, without it being necessary to send personnel to this area. It can be seen that it can be particularly favorable if the third wavelength range comprises the range of the visible light. In further embodiments, it is conceivable that four or more groups of filter elements are present, which are permeable to different wavelength ranges.
Auch bei einem Flammdetektor mit drei verschiedenen Gruppen von Filterelementen ist es günstig, wenn die Filterelemente in einem repetitiven Muster angeordnet sind. Insbesondere erkennt man, dass es günstig ist, wenn die Filterelemente jeweils in Abteilungen von vier Filterelementen angeordnet sind, wobei jede Abteilung jeweils ein Filterelement, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, ein Filterelement, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, und zwei Filterelemente, die für den dritten Wellenlängenbereich durchlässig sind, aufweist. Auch hierbei ist es günstig, wenn jeweils benachbarte Filterelemente für unterschiedliche Wellenlängen durchlässig sind. Insofern erkennt man, dass vorteilhaft ist, wenn die vier Filterelemente jeder Abteilung in Form einer (2×2)-Matrix angeordnet sind, wobei jede Zeile und jede Reihe der (2×2)-Matrix jeweils ein erstes Filterelement und ein zweites Filterelement aufweist, wobei das erste Filterelement entweder ein Filterelement, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, oder ein Filterelement, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, ist und wobei das zweite Filterelement ein Filterelement ist, das für den dritten Wellenlängenbereich durchlässig ist. Die miteinander zu vergleichenden Pixelelemente, denen jeweils ein Filterelement, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, bzw. ein Filterelement, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, zugeordnet ist, sind mithin entlang der Diagonale der (2×2)-Matrix angeordnet.Even with a flame detector having three different groups of filter elements, it is favorable if the filter elements are arranged in a repetitive pattern. In particular, it will be appreciated that it is beneficial if the filter elements are each arranged in divisions of four filter elements, each section each comprising a filter element permeable to the first wavelength range, a filter element permeable to the second wavelength range, and two filter elements which are transparent to the third wavelength range. Again, it is advantageous if each adjacent filter elements are transparent to different wavelengths. Thus, it will be appreciated that it is advantageous if the four filter elements of each compartment are arranged in the form of a (2 × 2) matrix, each line and row of the (2 × 2) matrix each having a first filter element and a second filter element wherein the first filter element is either a filter element that is transmissive to the first wavelength range, or a filter element that is transmissive to the second wavelength range, and wherein the second filter element is a filter element that is transmissive to the third wavelength range. The pixel elements to be compared with each other, to each of which a filter element which is permeable to the first wavelength range, or a filter element which is permeable to the second wavelength range, are thus arranged along the diagonal of the (2 × 2) matrix.
In einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Flammerkennung mit Hilfe eines zuvor beschriebenen Flammdetektors vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- a. Belichtung der Pixelelemente des CMOS-Chip mit einer vorgegebener Belichtungszeit und Analogverstärkung,
- b. Erfassen der Bildinformationen aller Pixelelemente des CMOS-Chips mit Hilfe der Auswerteeinheit,
- c. Vergleich der Bildinformationen derjenigen Pixelelemente, denen ein Filterelement zugeordnet ist, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, mit den Bildinformationen derjenigen Pixelelemente, denen ein Filterelement zugeordnet ist, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, mit Hilfe der Auswerteeinheit.
- a. Exposure of the pixel elements of the CMOS chip with a given exposure time and analog gain,
- b. Acquiring the image information of all pixel elements of the CMOS chip with the aid of the evaluation unit,
- c. Comparison of the image information of those pixel elements, which is associated with a filter element which is transparent to the first wavelength range, with the image information of those pixel elements, which is associated with a filter element which is transparent to the second wavelength range, with the aid of the evaluation.
Bei der Belichtung der Pixelelemente in Schritt a wird die von dem Objektiv des Flammdetektors eingefangene elektromagnetische Strahlung durch den Farbfilter hindurch zum CMOS-Chip geleitet. Dabei kann jedoch nur jeweils diejenige Strahlung durch die einzelnen Filterelemente des Farbfilters gelangen, für die das jeweilige Filterelement durchlässig ist. In der Folge werden die im Strahlengang jeweils hinter den Filterelementen angeordneten Pixelelemente nur dann belichtet, wenn das jeweilige Filterelement für die vom Objektiv eingefangene Strahlung durchlässig ist.Upon exposure of the pixel elements in step a, the electromagnetic radiation captured by the lens of the flame detector is passed through the color filter to the CMOS chip. However, in each case only that radiation can pass through the individual filter elements of the color filter, for which the respective filter element is permeable. As a result, the pixel elements arranged in the beam path behind the filter elements are only exposed if the respective one Filter element is permeable to the radiation captured by the lens.
In Schritt b wird dann die Information aller Pixelelemente ausgelesen. Dabei ist es günstig, wenn der CMOS-Chip ein aktiver Sensor ist, wie oben bereits beschrieben. In diesem Fall leitet jedes Pixelelement eine entsprechende Information über die empfangene Strahlungsintensität an die Auswerteeinheit weiter.In step b, the information of all pixel elements is then read out. It is advantageous if the CMOS chip is an active sensor, as already described above. In this case, each pixel element forwards corresponding information about the received radiation intensity to the evaluation unit.
Um festzustellen, ob ein mit dem Objektiv eingefangenes Signal von einer Flamme oder von einer Störquelle stammt, wird schließlich die von den einzelnen Pixelelementen an die Auswerteeinheit übersandte Information in Schritt c ausgewertet. Dabei wird bevorzugt jeweils die Information benachbarter Pixelelemente, denen jeweils unterschiedliche Filterelemente zugeordnet sind, verglichen.In order to determine whether a signal captured by the lens originates from a flame or from a source of interference, the information transmitted by the individual pixel elements to the evaluation unit is finally evaluated in step c. In each case, the information of adjacent pixel elements, to each of which different filter elements are assigned, is preferably compared.
Anhand dieses Vergleiches wird mit Hilfe eines Auswertungsalgorithmus entschieden, ob ein Alarm auszulösen ist oder nicht. Ist der Flammdetektor beispielsweise ein Flammdetektor
- • mit einer ersten Gruppe von Filterelemente, die für elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, und
- • einer Gruppe von Filterelementen, die für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist,
- • wobei der erste Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich ist, in welchem sowohl eine Flamme als auch eine Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittieren und wobei der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge ist, in welchem nur die Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert,
- With a first group of filter elements which is permeable to electromagnetic radiation in a first wavelength range, and
- A group of filter elements permeable to electromagnetic radiation in a second wavelength range,
- Wherein the first wavelength range is a wavelength range in which both a flame and a source of interference emit a significant amount of electromagnetic radiation and wherein the second wavelength range is a wavelength in which only the source of interference emits a significant amount of electromagnetic radiation,
Ist der Flammdetektor hingegen ein Flammdetektor,
- • mit einer ersten Gruppe von Filterelemente, die für elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, und
- • einer Gruppe von Filterelementen, die für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist,
- • wobei der erste Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich ist, in welchem sowohl eine Flamme als auch eine Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittieren und wobei der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge ist, in welchem nur die Flamme eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert,
- With a first group of filter elements which is permeable to electromagnetic radiation in a first wavelength range, and
- A group of filter elements permeable to electromagnetic radiation in a second wavelength range,
- Wherein the first wavelength range is a wavelength range in which both a flame and a source of interference emit a significant amount of electromagnetic radiation, and wherein the second wavelength range is a wavelength in which only the flame emits a significant amount of electromagnetic radiation,
Der Vergleich der Bildinformationen erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines entsprechenden in der Auswerteeinheit hinterlegten Algorithmus. Dabei sind verschiedene Vergleichsmodi denkbar. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Vergleich der Bildinformationen in Schritt c. durch Subtraktion der Bildinformationen der Pixelelemente, denen ein Filterelement zugeordnet ist, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, von den Bildinformationen der Pixelelemente, denen ein Filterelement zugeordnet ist, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, oder umgekehrt erfolgt.The comparison of the image information is preferably carried out with the aid of a corresponding algorithm stored in the evaluation unit. Different comparison modes are conceivable. In a preferred embodiment, it is provided that the comparison of the image information in step c. by subtracting the image information of the pixel elements associated with a filter element that is transparent to the first wavelength range from the image information of the pixel elements associated with a filter element that is transparent to the second wavelength range, or vice versa.
In jedem Fall ist es dabei günstig, wenn jeweils die Bildinformationen innerhalb einer Abteilung von Pixelelementen miteinander verglichen werden. Dies ist insbesondere mit Blick auf die erfindungsgemäße nahezu identische Belichtung der Pixelelemente einer Abteilung, wie sie oben beschrieben wurde, von Vorteil.In any case, it is advantageous if in each case the image information within a division of pixel elements are compared with one another. This is particularly advantageous in view of the invention almost identical exposure of the pixel elements of a department, as described above.
Im Sinne einer zuverlässigen Vergleichbarkeit, erkennt man, dass es zudem günstig ist, wenn die Belichtung in Schritt a. für alle Pixelelemente mit einer konstanten Belichtungszeit erfolgt. Außerdem ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn die Analogverstärkung für alle Pixelelemente, denen ein Filterelement, das für den ersten oder den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, konstant ist.In terms of reliable comparability, it can be seen that it is also advantageous if the exposure in step a. for all pixel elements with a constant exposure time. Moreover, it is advantageous in this context if the analog gain is constant for all pixel elements to which a filter element which is permeable for the first or the second wavelength range is constant.
Soll mit Hilfe des Flammdetektors nicht nur das Auftreten einer Flamme überwacht werden, sondern gleichzeitig eine Videoüberwachung des beobachteten Areals erfolgen, so ist es günstig, wenn der Farbfilter des Flammdetektors eine dritte Gruppe von Filterelemente aufweist. Diese dritte Gruppe von Filterelementen, kann beispielsweise für Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts durchlässig sein. Die diesen Filterelementen zugeordneten Pixelelemente können mithin ein Schwarz-Weiß-Bild des beobachteten Areals liefern. Dieses Schwarz-Weiß-Bild kann zur normalen Video-Überwachung des Bereiches nutzbar sein. Um hierbei eine gleichbleibende Qualität des Videosignales zu gewährleisten und eine gewisse Unabhängigkeit von den möglicherweise schwankenden Lichtbedingungen innerhalb des Areals zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, die Analogverstärkung für diese Pixelelemente je nach den tatsächlichen Lichtverhältnissen variabel zu gestalten. Insofern erkennt man, dass es günstig ist, wenn die Analogverstärkung für alle Pixelelemente variabel ist, denen ein Filterelement zugeordnet ist, das für den dritten Wellenlängenbereich durchlässig ist.If not only the occurrence of a flame is to be monitored with the aid of the flame detector, but at the same time a video surveillance of the observed area is to take place, it is favorable if the color filter of the flame detector has a third group of filter elements. This third group of filter elements, for example, can be transmissive to radiation in the visible light range. The pixel elements associated with these filter elements can thus provide a black and white image of the observed area. This black and white image can be used for normal video surveillance of the area. In order to ensure a consistent quality of the video signal and to achieve a certain independence from the possibly fluctuating light conditions within the area, it may be advantageous to the analog gain for these pixel elements depending on the variable actual lighting conditions. Thus, it will be appreciated that it is beneficial if the analog gain is variable for all pixel elements associated with a filter element that is transparent to the third wavelength range.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung außerdem ein Filterarray für einen CMOS-Chip. Bei einem solchen Filterarray für einen CMOS-Chip wobei das Filterarray eine erste Vielzahl von Filterelementen, die für einen ersten Wellenlängenbereich durchlässig sind, und wenigstens eine zweite Vielzahl von Filterelementen, die für einen zweiten Wellenlängenbereich durchlässig sind, aufweist, wobei die Filterelemente derart matrixförmig angeordnet sind, dass an den Seiten jedes Filterelementes stets ausschließlich Filterelemente wenigstens eines jeweils anderen Wellenlängenbereiches angrenzen, sieht die Erfindung vor, dass der erste Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich ist, in welchem sowohl eine Flamme als auch eine Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittieren und dass der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge ist, in welchem nur die Störquelle eine signifikante Menge elektromagnetischer Strahlung emittiert. Ein solcher Filterarray kann wie oben beschrieben als Bauteil in einem erfindungsgemäßen Flammdetektor verwendet werden. Dabei ist der Einsatz solcher Filterarrays jedoch keineswegs auf Videokameras oder dergleichen beschränkt, sondern auch bei Fotokameras, Bildschirmen oder dergleichen denkbar. Mit Hilfe eines solchen Filterarrays ist insbesondere unterscheidbar, ob eine gewisse elektromagnetische Strahlung von einer künstlichen oder natürlichen Lichtquelle oder einer Flamme stammt. Dazu ist es insbesondere günstig, wenn sich der erste Wellenlängenbereich von 900 ± 10 nm bis 1000 ± 10 nm erstreckt, bevorzugt von 920 ± 10 nm bis 960 ± 10 nm, ganz besonders bevorzugt von 940 ± 10 nm bis 960 ± 10 nm und/oder dass sich der zweite Wellenlängenbereich von 300 ± 10 nm bis 580 ± 10 nm erstreckt, bevorzugt von 350 ± 10 nm bis 490 ± 10 nm, ganz besonders bevorzugt von 380 ± 10 nm bis 450 ± 10 nm erstreckt.In a further aspect, the invention also relates to a filter array for a CMOS chip. In such a filter array for a CMOS chip, the filter array having a first plurality of filter elements that are transparent to a first wavelength range, and at least one second plurality of filter elements that are transparent to a second wavelength range, wherein the filter elements arranged in a matrix are that on the sides of each filter element always adjoin only filter elements at least one other wavelength range, the invention provides that the first wavelength range is a wavelength range in which both a flame and a source of interference emit a significant amount of electromagnetic radiation and that the second Wavelength range is a wavelength in which only the source of interference emits a significant amount of electromagnetic radiation. As described above, such a filter array can be used as a component in a flame detector according to the invention. However, the use of such filter arrays is by no means limited to video cameras or the like, but also in photo cameras, screens or the like conceivable. With the help of such a filter array is distinguishable in particular, whether some electromagnetic radiation originates from an artificial or natural light source or a flame. For this purpose, it is particularly advantageous if the first wavelength range extends from 900 ± 10 nm to 1000 ± 10 nm, preferably from 920 ± 10 nm to 960 ± 10 nm, very particularly preferably from 940 ± 10 nm to 960 ± 10 nm and / or that the second wavelength range extends from 300 ± 10 nm to 580 ± 10 nm, preferably from 350 ± 10 nm to 490 ± 10 nm, most preferably from 380 ± 10 nm to 450 ± 10 nm.
In einer weiterführenden Ausführungsvariante, ist es zudem günstig, wenn das Filterarray eine dritte Vielzahl von Filterelementen aufweist, die für sichtbares Licht durchlässig sind, bevorzugt für Licht der Wellenlänge von 300 ± 10 nm bis 850 ± 10 nm, besonders bevorzugt für Licht der Wellenlänge von 380 ± 10 nm bis 780 ± 10 nm.In a further embodiment, it is also advantageous if the filter array has a third plurality of filter elements that are transparent to visible light, preferably for light of the wavelength of 300 ± 10 nm to 850 ± 10 nm, particularly preferably for light of the wavelength of 380 ± 10 nm to 780 ± 10 nm.
Weist das Filterarray lediglich zwei Gruppen unterschiedlicher Filterelement auf, so ist es günstig, wenn die Filterelemente jeweils in Abteilungen von vier Filterelementen angeordnet sind, wobei jede Abteilung höchsten zwei Filterelemente aufweist, die für den selben Wellenlängenbereich durchlässig sind, wobei die vier Filterelemente jeder Abteilung in Form einer (2×2)-Matrix angeordnet sind, wobei jede Zeile und jede Reihe der (2×2)-Matrix jeweils ein Filterelement, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, und ein Filterelement, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, aufweist.If the filter array has only two groups of different filter elements, then it is favorable if the filter elements are each arranged in sections of four filter elements, each section having at most two filter elements which are permeable to the same wavelength range, the four filter elements of each section in Are arranged in a (2 × 2) matrix, each row and each row of the (2 × 2) matrix each having a filter element that is transparent to the first wavelength range, and a filter element that is transparent to the second wavelength range, having.
Weist das Filterarray hingegen mehr als zwei Gruppen unterschiedlicher Filterelement auf, so ist es günstig, wenn die Filterelemente jeweils in Abteilungen von vier Filterelementen angeordnet sind, wobei jede Abteilung höchsten zwei Filterelemente aufweist, die für den selben Wellenlängenbereich durchlässig sind, wobei die vier Filterelemente jeder Abteilung in Form einer (2×2)-Matrix angeordnet sind, wobei jede Zeile und jede Reihe der (2×2)-Matrix jeweils ein erstes Filterelement und ein zweites Filterelement aufweist, wobei das erste Filterelement entweder ein Filterelement, das für den ersten Wellenlängenbereich durchlässig ist, oder ein Filterelement, das für den zweiten Wellenlängenbereich durchlässig ist, ist und wobei das zweite Filterelement ein Filterelement ist, das für den dritten Wellenlängenbereich durchlässig ist. Insgesamt sind besondere Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filterarrays auch aus der oben bereits erfolgten Beschreibung des erfindungsgemäßen Flammdetektors, welcher einen solchen Filterarray aufweist, ersichtlich.On the other hand, if the filter array has more than two groups of different filter elements, it is favorable if the filter elements are arranged in each case in sections of four filter elements, each section having at most two filter elements which are permeable to the same wavelength range, the four filter elements each Division are arranged in the form of a (2 × 2) matrix, each row and each row of the (2 × 2) matrix each having a first filter element and a second filter element, wherein the first filter element either a filter element, which for the first Wavelength range is permeable, or a filter element which is permeable to the second wavelength range, and wherein the second filter element is a filter element which is transparent to the third wavelength range. Overall, special advantages and refinements of the filter array according to the invention are also evident from the above-described description of the flame detector according to the invention, which has such a filter array.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche, sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.Further features, details and advantages of the invention will become apparent from the wording of the claims, as well as from the following description of embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Der in
Der Farbfilter
Man erkennt in
Diejenigen Pixelelemente
Diejenigen Pixelelemente
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Wellenlängenbereiche
Der Empfindlichkeitsbereich des exemplarisch gezeigten CMOS-Chips
Die untere Grenze
Ein dritter in
Man erkennt in
Bei der nun folgenden Beschreibung verschiedener Anordnungen von Filterelementen erfindungsgemäßer Filterarrays (Farbfilter) bezeichnen nun sowohl die Bezugszeichen
In einer besonders einfachen Ausführungsvariante weist der Farbfilter
In einer weiteren, in
Sowohl bei einem Flammdetektor
Nach erfolgter Belichtung wird in einem nächsten Schritt b durch die Auswerteinheit
Anschließend wird gemäß Schritt c des Verfahrens, die von jeweils benachbart zueinander angeordneten Pixelelementen
Liefern hingegen sowohl die Pixelelemente
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.The invention is not limited to one of the above-described embodiments, but can be modified in many ways.
So können die Filterelemente
Die Auslösung eines Alarmes gemäß Schritt d.1 des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt dann bei einem Flammdetektor, der einen solchen alternativen Filterarray aufweist, in dem Fall, wenn sowohl die Pixelelemente
Denkbar ist auch, dass der Farbfilter
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.All of the claims, the description and the drawings resulting features and advantages, including design details, spatial arrangements and method steps may be essential to the invention both in itself and in a variety of combinations.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- FF
- Flammeflame
- SS
- Störquelleinterference source
- MM
- Reiheline
- NN
- Spaltecolumn
- Ee
- Empfindlichkeit CMOS-SensorSensitivity CMOS sensor
- 1010
- Flammdetektorflame detector
- 1111
- Objektivlens
- 1212
- Auswerteinheitevaluation
- 1313
- Verbindungconnection
- 2020
- Farbfilter/FilterarrayColor filter / filter array
- 2121
- Filterelementfilter element
- 2222
- Filterelementfilter element
- 2323
- Filterelementfilter element
- 3030
- CMOS-ChipCMOS chip
- 3131
- Pixelelementpixel element
- 4040
- WellenlängenbereichWavelength range
- 41 41
- untere Grenzelower limit
- 4242
- obere Grenzeupper limit
- 5050
- WellenlängenbereichWavelength range
- 5151
- untere Grenzelower limit
- 5252
- obere Grenzeupper limit
- 6060
- WellenlängenbereichWavelength range
- 6161
- untere Grenzelower limit
- 6262
- obere Grenzeupper limit
- 7070
- AbteilungDepartment
- 7171
- Filterelementfilter element
- 7272
- Filterelementfilter element
- 7373
- Filterelementfilter element
- 7474
- Filterelementfilter element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Claims (20)
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WO2016050334A1 (en) | 2016-04-07 |
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