DE102017205581A1

DE102017205581A1 - Temperaturmesssystem für Öfen

Info

Publication number: DE102017205581A1
Application number: DE102017205581.2A
Authority: DE
Inventors: Patrick Dubbs; John Leonard Shaver; Kreg James Kelley
Original assignee: Lumasense Technologies Holdings Inc
Current assignee: Lumasense Technologies Holdings Inc
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-10-05
Also published as: US11079283B2; GB201705050D0; GB2548998B; GB2548998A; US20170284869A1; US10274375B2; US20190219450A1

Abstract

Ein Verfahren zur Messung von Ofentemperaturen. Das Verfahren umfasst das Erhalten von Strahlungsmesswerten aus mehreren interessierenden Gebieten (ROIs) unter Anwendung mehrerer Wärmebildkameras, und Messen einer Oberflächentemperatur unter Anwendung eines Strahlungsmesswerts, der aus einem ROI erhalten wird, das aus den mehreren ROIs ausgewählt ist. Die Messung der Oberflächentemperatur umfasst: Ermitteln einer effektiven Hintergrundstrahlung, die das ausgewählte ROI beeinflusst, unter Anwendung von Strahlungsmesswerten, die aus anderen ROIs als dem ausgewählten ROI erhalten werden, Ermitteln einer kompensierten Strahlung durch Entfernen der effektiven Hintergrundstrahlung aus dem Strahlungsmesswert, der aus dem ausgewählten ROI erhalten wird, und Umwandeln der kompensierten Strahlung in die gemessene Oberflächentemperatur.

Description

HINTERGRUND
Die Verfügbarkeit von lokalen Temperaturmesswerten von innerhalb eines Ofens bzw. einer Ofenanlage, beispielsweise eines Reformierofens, kann für den Betrieb des Ofens wesentlich sein. Derartige Temperaturmessungen können unter Anwendung der Strahlungsthermometrie erhalten werden. Jedoch kann die Genauigkeit der Messwerte durch Strahlungsthermometrie durch die Bedingungen innerhalb des Ofens nachteilig beeinflusst sein.
ÜBERBLICK
Generell betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Messung von Ofentemperaturen. Das Verfahren umfasst das Erhalten von Strahlungsmesswerten aus mehreren interessierenden Gebieten (ROIs) unter Anwendung mehrerer Wärmebildkameras, und Messen einer Oberflächentemperatur unter Anwendung einer Strahlungsmessung bzw. eines Strahlungsmesswertes, die bzw. der von einem ROI erhalten wird, das aus den mehreren ROIs ausgewählt ist. Die Messung der Oberflächentemperatur umfasst die Ermittlung einer effektiven Hintergrundstrahlung, die das ausgewählte ROI beeinflusst, wobei Strahlungsmesswerte verwendet werden, die aus ROIs erhalten werden, die sich von dem ausgewählten ROI unterscheiden, das Erhalten einer kompensierten Strahlung, indem die effektive Hintergrundstrahlung aus der Strahlungsmessung bzw. dem Strahlungsmesswert, die aus dem gewählten ROI gewonnen wird, entfernt wird, und Umwandeln der kompensierten Strahlung in die gemessene Oberflächentemperatur.
Generell betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein nicht-flüchtiges computerlesbares Medium, das Befehle zur Messung von Oberflächentemperaturen enthält. Die Befehle umfassen die Funktion zum Erhalten von Strahlungsmesswerten aus mehreren interessierenden Gebieten (ROIs) unter Anwendung mehrerer Wärmebildkameras und zur Messung einer Oberflächentemperatur unter Anwendung eines Strahlungsmesswertes, der aus einem ROI erhalten wird, das aus den mehreren ROIs ausgewählt ist. Die Messung der Oberflächentemperatur umfasst die Ermittlung einer effektiven Hintergrundstrahlung, die das ausgewählte ROI beeinflusst, wobei Strahlungsmessungen bzw. Strahlungsmesswerte verwendet werden, die aus anderen ROIs als dem ausgewählten ROI erhalten werden, Erhalten einer kompensierten Strahlung durch Entfernen der effektiven Hintergrundstrahlung aus der Strahlungsmessung bzw. dem Strahlungsmesswert, die bzw. der aus dem ausgewählten ROI erhalten wird, und Umwandeln der kompensierten Strahlung in die gemessene Oberflächentemperatur.
Generell betrifft in einem Aspekt die Erfindung ein System zur Messung von Ofentemperaturen. Das System umfasst mehreren Wärmebildkameras und eine Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit ist ausgebildet, Strahlungsmessungen bzw. Strahlungsmesswerte aus mehreren interessierenden Gebieten (ROIs) unter Anwendung der mehreren Wärmebildkameras zu erhalten und eine Oberflächentemperatur unter Anwendung einer Strahlungsmessung zu messen, die aus einem ROI erhalten wird, das aus den mehreren ROIs ausgewählt ist. Die Messung der Oberflächentemperatur umfasst die Ermittlung einer effektiven Hintergrundstrahlung, die das ausgewählte ROI beeinflusst, wobei Strahlungsmessungen bzw. Strahlungsmesswerte verwendet werden, die aus anderen ROIs als dem ausgewählten ROI erhalten werden, Erhalten einer kompensierten Strahlung durch Entfernen der effektiven Hintergrundstrahlung aus der Strahlungsmessung, die aus dem ausgewählten ROI erhalten wird, und Umwandeln der kompensierten Strahlung in die gemessene Oberflächentemperatur.
KURZE BESCHREIBUNG VON ZEICHNUNGEN
1A–1C zeigen Temperaturmesssysteme zum Messen von Temperaturen im Inneren eines Ofens gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung.
2–4 zeigen ein Flussdiagramm gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung.
5 zeigt ein Computersystem gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Mit Verweis auf die begleitenden Figuren werden nun spezielle Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben. Aus Konsistenzgründen sind gleiche Elemente in den diversen Figuren durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In der vorliegenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung sind zahlreiche spezielle Details angegeben, um ein gründlicheres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Jedoch erkennt der Fachmann, dass die Erfindung ohne diese speziellen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind gut bekannte Merkmale nicht detailliert beschrieben, um die Beschreibung nicht unnötig kompliziert zu machen.
Durchgängig in der Anmeldung sind Ordnungszahlen (beispielsweise erster, zweiter, dritter, usw.) als ein Adjektiv für ein Element (das heißt, für jedes Substantiv in der Anmeldung) verwendet. Die Verwendung von Ordnungszahlen soll keine spezielle Reihenfolge der Elemente implizieren oder erzeugen, und soll auch kein Element auf ein einziges Element beschränken, sofern dies nicht explizit offenbart ist, etwa durch die Verwendung der Begriffe ”bevor”, ”nach”, ”einzig” und andere derartige Begriffe. Die Verwendung von Ordnungszahlen soll lediglich zur Unterscheidung der Elemente dienen. Beispielsweise unterscheidet sich ein erstes Element von einem zweiten Element, und das erste Element kann mehr als ein Element mit einschließen und kann in einer Reihenfolge der Elemente dem zweiten Element nachfolgen (oder diesem vorausgehen).
In der folgenden Beschreibung der 1A–5 kann eine beliebige Komponente, die in Bezug auf eine Figur in diversen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben ist, äquivalent zu einer oder mehreren gleichnamigen Komponenten sein, die in Verbindung mit einer anderen Figur beschrieben ist/sind. Der Kürze halber werden Beschreibungen dieser Komponenten nicht in Hinblick auf jede Figur wiederholt. Somit sind alle Ausführungsformen der Komponenten jeder Figur durch Bezugnahme mit eingeschlossen und sollen als optional innerhalb jeder anderen Figur vorhanden verstanden werden, die eine oder mehreren gleichnamige Komponenten enthält. Ferner ist gemäß diversen Ausführungsformen der Erfindung eine beliebige Beschreibung der Komponenten einer Figur als eine optionale Ausführungsform zu verstehen, die zusätzlich zu oder in Verbindung mit oder anstelle der Ausführungsformen eingerichtet werden kann, die in Verbindung mit einer entsprechenden gleichnamigen Komponente in einer anderen Figur beschrieben sind.
Im Allgemeinen betreffen Ausführungsformen der Erfindung ein System und Verfahren zur Messung von Temperaturen aus Bilddaten unter Anwendung einer Strahlungsthermometrie. Genauer gesagt, genaue Temperaturmessungen bzw. Temperaturmesswerte eines interessierenden Gebiets (ROI) können erhalten werden, indem Wärmestrahlungsdaten, die aus einer oder mehreren Wärmebildkameras gewonnen werden, in Hinblick auf diverse Faktoren korrigiert werden, die ansonsten die Genauigkeit der Temperaturmessung negativ beeinflussen würden. Diese Faktoren beinhalteten, ohne darauf eingeschränkt zu sein, eine Hintergrundstrahlung, beispielsweise Strahlung, die aus anderen Wärmequellen stammt, die von dem ROI reflektiert wird, atmosphärische Abschwächung, verstärkende Effekte durch Flammen, die geometrische Konfiguration der Umgebung, in der die Messwerte erhalten werden, und die Emissivität des ROI, das gerade gemessen wird. Die Verfahren, die zum Korrigieren dieser Faktoren eingesetzt werden, sind nachfolgend detailliert beschrieben.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung können die Korrekturen in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit ausgeführt werden, woraus sich genaue Temperaturmessungen selbst in sich dynamisch ändernden Umgebungen ergeben.
Die Korrekturen können für mehrere ROIs innerhalb des Sichtfelds der Wärmebildkamera ausgeführt werden oder können für mehrere ROIs innerhalb von Sichtfeldern mehrerer Kameras entsprechend einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ausgeführt werden. Obwohl die Korrekturen für unterschiedliche ROIs, separat für jedes ROI, ausgeführt werden, können Abhängigkeiten zwischen ROIs berücksichtigt werden, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
1A–1C zeigen Temperaturmesssysteme (100) gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung. 1A zeigt eine Draufsicht eines anschaulichen Ofens bzw. Ofenanlage (102) und von Wärmebildkameras (150). 1B zeigt eine Seitenansicht in den Ofen (102) hinein. Die in 1B gezeigte Ansicht ist ein Beispiel einer Ansicht, die sich für eine Wärmebildkamera (150) durch eine Seitentür (110) in den Ofen (102) hinein ergibt. Eine Wärmebildkamera (150), die zur Aufnahme von Bildern aus dem Inneren des Ofens positioniert ist, kann eine derartige Sicht erhalten. 1C zeigt eine Draufsicht als Detail des anschaulichen Ofens der 1A. Der Ofen kann beispielsweise ein Reformierofen eines Dampfreformierers sein, der verwendet wird, um Wasserstoff und/oder andere Industriegase und Brennstoffe zu erzeugen. Das Innere des Ofens (102) kann von einer Gruppe von Ofenwänden (104) umschlossen sein. Ein Gruppe von Reformierrohren (108) kann das innere des Ofens durchlaufen. In 1A und 1B durchlaufen die Reformierrohre (108) den Ofen, ausgehend von dem Boden (112) zu der Decke (nicht gezeigt) des Ofens (102) in vertikaler Richtung. Alternativ oder zusätzlich können Reformierrohre (108) den Ofen in einer beliebigen anderen Orientierung, beispielsweise horizontal, durchlaufen. In den Reformierrohren (108) kann eine katalytische Reaktion erfolgen. Diese katalytische Reaktion kann beispielsweise eine Reaktion einer Kombination aus Dampf und Kohlenwasserstoffen zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid und weiter zu mehr Wasserstoff und Kohlendioxid sein. Die ablaufende Reaktion kann auf der Grundlage einer externe Wärmequelle erfolgen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die externe Wärmequelle bereitgestellt, indem die Reformierrohre (108) durch Verbrennung von Öl oder Gas, beispielsweise natürliches Gas, innerhalb des Ofens (102) erwärmt werden. Der Ofen kann durch Brenner (106) von oben befeuert, von der Wand befeuert und/oder von unten befeuert sein.
Die Reformierrohre (108) können Metallrohre sein. Diese Metallrohre können der Einwirkung hoher Temperaturen und/oder hohen Drücken ausgesetzt sein. Abhängig von der Art des Reformiervorgangs, der ausgeführt wird, können die Temperaturen im Bereich von 1000°C liegen und die Drücke können 100 bar erreichen. Unter diesen Bedingungen können die Reformierrohre (108) einer Alterung unterliegen. Die Alterung kann beschleunigt sein, wenn heiße Flecken an den Wänden der Reformierrohre bestehen. Um die Lebensdauer der Reformierrohre zu verlängern und um die Gefahr möglicher vollständiger Ausfälle zu vermeiden, ist man daran interessiert, den Ofen so zu regeln, dass heiße Flecken vermieden werden, indem beispielsweise lokale Justierungen des Brennstoffzuflusses zu den Brennern vorgenommen werden. Es kann daher erforderlich sein, Temperaturen im Inneren des Ofens (102) zu messen. Um heiße Flecken in den Wänden der Reformierrohre zu erfassen, kann es gewünscht sein, Oberflächentemperaturen der Reformierrohre zu erhalten. In einer Ausführungsform der Erfindung enthalten interessierende Gebiete (ROIs) (114), von denen Temperaturmesswerte zu gewinnen sind, daher mehrere (viele) Gebiete auf der Oberfläche der Reformierrohre. Ferner können Temperaturmesswerte von den Ofenwänden (104), dem Ofenboden (112), der Ofendecke (nicht gezeigt), usw. gewonnen werden. ROIs (114) können nahezu auf einem beliebigen Zielobjekt in und/oder auf dem Ofen (102) angeordnet sein. Der Fachmann erkennt, dass, obwohl in 1A–1C das Temperaturmesssystem (100) so gezeigt ist, dass es zur Messung von Temperaturen in einem Reformierofen verwendet wird, die Systeme und Verfahren auch in einer anderen Art von Ofen verwendet werden können, auch in Umgebungen ohne Ofen, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Im Fortgang der Erläuterung der 1 umfasst das Temperaturmesssystem (100), das zur Messung von Oberflächentemperaturen in dem Ofen (102) verwendet wird, Wärmebildkameras (150). Die Wärmebildkameras können so positioniert und orientiert sein, dass ein oder mehrere interessierende Gebiete ROIs (114) innerhalb des Sichtfeldes der Wärmebildkameras liegen. Es können mehrere Kameras verwendet werden, um alle gewünschten ROIs (114) in dem Ofen (102) zu erreichen. Die eine oder die mehreren Wärmebildkameras (150) können außerhalb des Ofens (102) angeordnet sein und können eine Sicht in das Innere des Ofens durch einen Zugang bzw. einen Anschluss in einer der Ofenwände (104) erhalten. Der in 1A gezeigte anschauliche Ofen ist mit Sichttüren (110) versehen. Eine Kamera (150), die außerhalb des Ofens montiert ist, kann Sicht in das Inneren des Ofens durch eine der Sichttüren (110) erhalten. Abhängig von der Position der ROIs (114) können mehrere Sichttüren (110) mit Kameras (150) versehen sein. Eine Sichttür (110) kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Linse im Bereich einer Bohrung, die gekühlt werden kann, versehen sein. Ferner können weitere Maßnahme vorgesehen sein, um die Wärmebildkameras (150) mechanisch und thermisch zu schützen. Beispielsweise kann ein Steuersystem automatisch eine Wärmebildkamera und/oder eine Linse zurückziehen, wenn die Kühlung der Kamera beeinträchtigt ist.
Die Wärmebildkamera kann eine beliebige Art eines Strahlungsthermometers sein, das Strahlungsleistung in einem gewissen Spektralbereich misst. Die Wärmebildkamera kann beispielsweise eine CCD-Kamera sein, wobei jedes Pixel eine Strahlungsmessung liefert, oder sie kann ein Pyrometer sein, das nur einen einzigen Strahlungsmesswert liefert. Die einfallende Wärmestrahlung kann von Gebieten im Gebiet des Sichtfeldes des Kamerasystems aufgenommen werden, wobei die ROIs (108) enthalten sind. Ein ROI kann durch ein oder mehrere Pixel der Wärmebildkamera (150) repräsentiert sein. Ein ROI innerhalb des Sichtfeldes kann während der Installation des Systems festgelegt werden. Während der Installation kann ein Bediener eine Gruppe von Pixeln auswählen, die einem speziellen Gebiet in dem Ofen entsprechen, beispielsweise der Oberfläche eines Reformierrohrs, und kann dieses dann einem ROI zuweisen. Beispielsweise kann für den Bediener ein Bild, das die gemessenen thermischen Strahlungswerte anzeigt, angeordnet werden, und der Bediener kann ROIs beispielsweise durch Platzieren von Rechtecken, Kreisen und dergleichen in dem angezeigten Bild markieren. Pixel, die in einem markierten Gebiet liegen, können dann so aufgefasst werden, dass sie ein ROI bilden. Somit können Messungen von einfallender Strahlung, die aus diesen einzelnen Pixeln gewonnen werden, als Messungen verarbeitet werden, die zu dem ROI gehören, wie in 3 beschrieben ist, und sie können als Messwerte der Wärmestrahlung des ROI verwendet werden. Es kann ein separater Wärmestrahlungswert für jedes Pixel der Wärmebildkamera erhalten werden. Die einfallende Strahlung, die von der Wärmebildkamera aufgenommen wird, kann Wärmestrahlung sein, die auf einen Bereich von Wellenlängen beschränkt ist, beispielsweise auf Infrarot-Wärmestrahlung bei einer Wellenlänge von 3,9 μm und/oder 850 nm. Der Fachmann erkennt, dass eine beliebige Wellenlänge auf der Grundlage von Kriterien der Anwendung ausgewählt werden kann. Insbesondere kann eine Wellenlänge ausgewählt werden, um bekannte atmosphärische Bedingungen in dem Ofen zu berücksichtigen. Beispielsweise kann die Wellenlänge so ausgewählt werden, dass Wellenlängen vermieden werden, von denen bekannt ist, dass Wasserdampfabsorptionseffekte vorhanden sind, wenn die Ofenatmosphäre einen wesentlichen Anteil an Wasserdampf enthält. In ähnlicher Weise kann eine Wellenlänge ausgewählt werden, so dass Verstärkungseffekte durch Flammen reduziert werden, wenn Messungen durch einen Bereich des Ofens hindurch ausgeführt werden, in welchem Brenner installiert sind.
Es können analoge oder digitale Signale, die der Intensität der erfassten einfallenden Strahlung entsprechen, für jedes Pixel des Wärmebildsystems erhalten werden. Die analogen oder digitalen Signale können einer Verarbeitungseinheit (160) zugeleitet werden, in der die Temperaturmessung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführt wird.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung werden die Wärmebildkamera (150) und die Verarbeitungseinheit (160) kalibriert, so dass die Temperatur genau gemessen wird, wobei die folgenden vereinfachenden Annahmen getroffen werden: (i) Die Wärmebildkamera reagiert nur auf eine einzige Wellenlänge. Folglich ist eine monochromatische Approximation, die angibt, dass das Signal, das von der Wärmebildkamera in Reaktion auf die einfallende Strahlung erhalten wird, proportional zur spektralen Strahlung des betroffenen interessierenden Gebiets (ROI) ist, kann dafür verwendet werden und (II) das gemessene ROI wird als ein schwarzer Körper betrachtet. Bei Verwendung dieser Annahmen kann eine gemessene Temperatur T_m aus dem gemessenen Signal der Wärmebildkamera S_m unter Anwendung der folgenden Funktion berechnet werden:
wobei c₂ = 0,014388 mK die zweite Strahlungskonstante ist, die im Planckschen Gesetz verwendet wird. Folglich ist die Einheit der Temperatur, die sich aus der Anwendung der Gleichung (1) ergibt, Kelvin. Gleichung (1) ist ein Ergebnis der Verwendung der Wienschen Approximation an das Plancksche Gesetz.
Ferner kann die Funktion
verwendet werden, um das gemessene Signal der Wärmebildkamera aus der gemessenen Temperatur zu berechnen.
In Gleichungen (1) und (2) stimmt die gemessene Temperatur T_m nur mit der tatsächlichen Temperatur eines Zielkörpers überein, wenn der Zielkörper ein schwarzer Körper ist. Für einen nicht-schwarzen Körper kann die gemessene Temperatur T_m von der tatsächlichen Temperatur des gemessenen Zielkörpers abweichen. Die gemessene Temperatur T_m gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher eine Strahlungstemperatur. Die Strahlungstemperatur kann als die Temperatur eines schwarzen Körpers mit der gleichen spektralen Strahlung wie der tatsächlich gemessene Körper verstanden werden. Daher kann die Strahlungstemperatur T_m häufig von der tatsächlichen Temperatur des Zielkörpers abweichen, da typischerweise Zielkörper keine schwarzen Körper sind.
Unter Fortsetzung der Erläuterung der 1A–1C ist die Verarbeitungseinheit (160) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Recheneinrichtung, die ausgebildet ist, mindestens einen der Schritte der Verfahren auszuführen, die in 2–4 beschrieben sind. Die Verarbeitungseinheit (160) kann beispielsweise die Signale, die von einer Wärmebildkamera aus einem ROI erhalten werden, in Hinblick auf Hintergrundstrahlung, atmosphärische Absorption, die geometrische Konfiguration der Umgebung, in der Messwerte erhalten werden, und die Emissivität des ROI, das gerade gemessen wird, zu korrigieren, wie nachfolgend beschrieben ist.
Das in 1C gezeigte Ofendetail zeigt, wie Hintergrundstrahlung die Messung einer Temperatur in einem ROI (114) auf der Oberfläche eines Reformierrohrs (108) beeinflussen kann. Die Wärmebildkamera (150) empfängt Strahlung aus dem ROI (durchgezogener Pfeil), die von dem ROI zu der Wärmebildkamera gerichtet ist. Jedoch unterliegt das Reformierrohr (108) der Einwirkung einer Hintergrundstrahlung aus anderen Oberflächen in dem Ofen, wie dies durch die gestrichelten Pfeile angegeben ist. In 1C ist die Quelle dieser Hintergrundstrahlung die Ofenwand (104). Im Allgemeinen können eine beliebige Art von Objekten, wozu, ohne einschränkend zu sein, andere Reformierrohre, ein Boden, ein Decke und/oder eine Flamme gehören, Hintergrundstrahlung auf das Reformierrohr aussenden. In 1C kann eine beliebige Oberfläche in einem Halbkreis vor dem ROI, das heißt, in dem Winkelbereich –90° < Θ_in < 90°, wie dies durch die gepunktete Linie in 1c angegeben ist, als eine Hintergrundstrahlung betrachtet werden, die zu dem ROI gerichtet ist. Im allgemeinen Fall von 3D-Umgebungen kann eine beliebige Oberfläche in einer Halbkugel vor dem ROI als Gebiet betrachtet werden, das Hintergrundstrahlung zu dem ROI aussendet.
Da das Reformierrohr Hintergrundstrahlung reflektieren kann, kann das von der Wärmebildkamera aus dem ROI empfangene Strahlungssignal die reflektierte Hintergrundstrahlung enthalten. Das von der Wärmebildkamera empfangene Strahlungssignal muss daher in Hinblick auf die reflektierte Hintergrundstrahlung justiert werden, um eine genaue Messung der Temperatur in dem ROI gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten. Eine Kompensation kann ausgeführt werden, indem die Hintergrundstrahlung, der das ROI ausgesetzt ist, abgeschätzt wird, und indem diese abgeschätzte Strahlungskomponente entfernt wird, wie nachfolgend detailliert mit Verweis auf 4 beschrieben ist. Diese Schritte können von der Verarbeitungseinheit (160) ausgeführt werden.
Die Verarbeitungseinheit (160) kann beispielsweise mit industriellen Überwachungs- und Steuerungssystemen in Verbindung stehen, etwa über den Standard für Interoperabilität für offene Prozesssteuerung (OPC) für industrielle Automatisierung. Eine Ausgabe der Verarbeitungseinheit (160), die durch Ausführung eines oder mehrerer der nachfolgend beschriebenen Verfahren erhalten wird, kann daher verwendet werden, um den Ofen (102) zu überwachen und zu steuern und/oder um generell das Prozessverhalten zu verbessern. Die Verarbeitungseinheit (160) kann eine Funktion enthalten, um Alarmmeldungen zu erzeugen, wenn Temperaturfenster, die für überwachte ROIs spezifiziert sind, überschritten werden. Ferner kann die Verarbeitungseinheit (160) die Funktion enthalten, Temperaturdaten, die aus den ROIs erhalten werden, zu archivieren. Die archivierten Temperaturdaten können Wärmestrahlungswerte, die von einer Wärmebildkamera aufgezeichnet wurden und/oder Temperaturmessdaten enthalten, die unter Anwendung eines oder mehrerer der nachfolgend beschriebenen Verfahren berechnet wurden. Ferner kann die Verarbeitungseinheit eine Visualisierungseinheit aufweisen, um die Wärmestrahlungswerte und/oder die gemessenen Temperaturen für einen Bediener unter Anwendung von beispielsweise einer Text enthaltenden Darstellung oder graphischen Darstellung, etwa einer Wärmekarte, anzuzeigen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verarbeitungseinheit (160) einem Rechensystem ähnlich zu demjenigen, das in 5 beschrieben ist.
Der Fachmann erkennt, dass obwohl das zuvor beschriebene Temperaturmesssystem im Zusammenhang eines Reformierofens vorgestellt ist, Temperaturmesssysteme in anderen Szenarien verwendet werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Temperaturmesssysteme gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, um Boiler und andere Arten von Öfen, etwa Ausheizöfen, Öfen zur erneuten Aufwärmung, Backöfen und dergleichen zu überwachen und/oder zu steuern. Ferner kann ein Temperaturmesssystem nach Bedarf oder nach Wunsch skaliert werden. Beispielsweise können allen interessierenden Gebiete (ROIs) in einem kleinen Ofen mit einfacher Geometrie durch eine einzige Wärmebildkamera erfasst werden. Daher hat ein grundlegendes Temperaturmesssystem gegebenenfalls nur eine einzige Wärmebildkamera. Im Gegensatz dazu erfordert gegebenenfalls ein großer Ofen mit einer komplexen Geometrie viele Kameras, um alle ROIs zu erfassen. Daher kann es größeres Temperaturmesssystem auf Bilddaten aus einem Netzwerk aus vielen Wärmebildkameras beruhen.
2–4 zeigen Flussdiagramme gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Technik. 2 zeigt ein Verfahren zur Konfigurierung des Temperaturmesssystems zum Ausführen von Temperaturmessungen. 3 und 4 zeigen Verfahren zur Ausführung der Temperaturmessung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung.
Obwohl die diversen Schritte in den Flussdiagrammen der Reihe nach dargestellt und beschrieben sind, erkennt der Fachmann, dass einige oder alle Schritte in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt, kombiniert oder weggelassen werden können und dass einige oder alle Schritte gleichzeitig ausgeführt werden können. In einer Ausführungsform der Technik können die in 2–4 gezeigten Schritte parallel mit beliebigen anderen Schritten, die in 2–4 gezeigt sind, ausgeführt werden, ohne von der Technik abzuweichen.
2 zeigt ein Verfahren zum Konfigurieren des Temperaturmesssystems zur Ausführung von Temperaturmessungen. Die in 2 beschriebenen Schritt können einmal während der Installation des Temperaturmesssystems ausgeführt werden. Alternativ können ein oder mehrere der Schritte, die in 2 beschrieben sind, regelmäßig ausgeführt werden, beispielsweise, wenn die in 3 und 4 beschriebenen Verfahren ausgeführt werden.
Gemäß 2 werden im Schritt 200 die eine oder die mehreren Wärmebildkameras kalibriert. Die Kalibrierung wird ausgeführt, indem ein schwarzer Körper (ein Schwarzkörper-Hohlraum) bei einem bekannten Temperaturpunkt oder mehreren bekannten Temperaturpunkten vermessen wird. Die Verstärkung der einen oder mehreren Wärmebildkameras kann dann so eingestellt werden, dass die Strahlungstemperatur(en), die von der einen oder den mehreren Kameras angegeben werden, mit der einen oder den mehreren Schwarzkörpertemperatur übereinstimmen. Die Kalibrierung in Schritt 200 kann im Inneren des Ofens ausgeführt werden, nachdem die Kameras installiert worden sind, beispielsweise wenn ein Referenzkörper in dem Ofen oder außerhalb des Ofens vor der Installation der Kameras installiert wird.
In Schritt 202 werden mögliche Effekte der atmosphärischen Absorption und/oder Emission in dem Ofen ermittelt. Atmosphärische Absorption kann auftreten, wenn die Atmosphäre zwischen dem interessierenden Gebiet (ROI), das gemessen wird, und der Kamera bei der für die Ausführung der Messungen verwendeten Wellenlänge absorbierend ist. Der Grad an Absorption kann von der Konzentration der Gase abhängen, die die Absorption hervorrufen, und kann von dem Abstand zwischen dem ROI und der Kamera abhängen. Die Absorption kann auf der Grundlage von Messungen ermittelt werden oder auf der Grundlage bekannter Eigenschaften der Ofenatmosphäre. Eine Ermittlung auf Basis von Messungen der Absorption kann beispielsweise ausgeführt werden, indem die Strahlung eines ROI in den Ofen aus unterschiedlichen Abständen gemessen wird. Die Differenz der erhaltenen Strahlungstemperaturen (geringere Strahlungstemperatur für größeren Abstand; höhere Strahlungstemperatur für kleineren Abstand) kann verwendet werden, um die atmosphärische Abschwächung zu ermitteln, wobei eine spezielle Abhängigkeit zwischen dem Abstand und der atmosphärischen Absorption angenommen wird. Diese Abhängigkeit kann als linear angenommen werden. Alternativ kann die Abschwächung moduliert werden, wenn die Ofenatmosphäre gut verstanden ist. Beispielsweise kann bekannt sein, dass die Ofenatmosphäre einen gewissen Pegel an Wasserdampf enthält, der bei der für die Messungen verwendeten Wellenlänge eine gewisse Abschwächung der Strahlung über eine gewisse Strecke hinweg hervorruft. Es kann ein Absorptionskoeffizient verwendet werden, um den im Schritt 202 ermittelten Abschwächungseffekt zu quantifizieren.
In ähnlicher Weise können atmosphärische Emissionen die Genauigkeit der Messung beeinflussen. Emissionseffekte können beispielsweise auftreten, wenn die Atmosphäre zwischen dem zu messenden ROI und der Kamera eine Flamme enthält. Eine Flamme kann ein charakteristisches spektrales Emissionsspektrum aufweisen. Wenn dieses Spektrum eine Überlappung mit der Wellenlänge, die zur Ausführung der Messungen verwendet wird, aufweist, kann der Messwert der Temperatur des ROI aufgrund der von den Flammen ausgesandten Strahlung vergrößert sein. Daher können Messungen, die durch Flammen hindurch ausgeführt werden, eine Kompensation in Hinblick auf die atmosphärischen Emissionen, die durch die Flammen hervorgerufen werden, benötigen. Die verstärkende Wirkung von Flammen kann gemessen oder modelliert werden auf der Grundlage bekannter Eigenschaften der Ofenatmosphäre. Eine auf Messung basierende Ermittlung der Verstärkung kann ausgeführt werden, indem beispielsweise das gleiche ROI in dem Ofen aus unterschiedlichen Abständen gemessen wird. Die Differenz der erhaltenen Strahlungstemperaturen (höhere gemessene Strahlungstemperatur für größeren Abstand; kleinere gemessene Strahlungstemperatur für kleineren Abstand) kann verwendet werden, um die atmosphärischen Emissionen zu ermitteln, wobei eine spezielle Abhängigkeit zwischen Abstand und atmosphärischer Emission angenommen wird. Diese Abhängigkeit kann beispielsweise als linear angenommen werden. Alternativ können die atmosphärischen Emissionen auf der Grundlage bekannter Absorptionseigenschaften, beispielsweise für den Kraftstoff, der verbrannt wird, modelliert werden. Die Ermittlung auf Modellbasis kann in Echtzeit ausgeführt werden, wenn die in 3 und 4 beschriebenen Verfahren ausgeführt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Breite der durchstrahlten Flammenfront in Betracht gezogen werden, wenn eine Flammenfront zwischen einer Kamera und einem interessierenden Gebiet (ROI) liegt, das von der Kamera gemessen wird, und es kann der Kraftstoffzufluss zu den Brennern, die zu der Flammenfront gehören, so dosiert werden, dass auf der Grundlage des Kraftstoffzuflusses und der Art des Kraftstoffes die atmosphärischen Bedingungen in dem Flammenbereich und die entsprechenden atmosphärischen Emissionen modelliert werden können, so dass eine dynamisch korrigierbare Kompensation in Bezug auf die atmosphärischen Emissionen möglich ist. Es kann ein Emissionskoeffizient verwendet werden, um den im Schritt 202 ermittelten Emissionseffekt quantitativ anzugeben.
In Schritt 204 wird die Emissivität ε der Oberfläche in dem einen oder den mehreren ROI(s) ermittelt. Es können diverse Verfahren angewendet werden, um die Emissivität ein zu messenden ROI zu bewerten. Die Emissivität kann beispielsweise aus der Literatur auf der Grundlage des Materials und der Oberflächeneigenschaften in dem ROI ermittelt werden. Alternativ kann die Emissivität gemessen werden. Messungen der Emissivität können einmal ausgeführt werden, beispielsweise, wenn das Temperaturmesssystem installiert wird, oder sie können regelmäßig während des Betriebs des Temperaturmesssystems ausgeführt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Emissivität auf der Grundlage einer Wärmestrahlmessung ermittelt, die aus dem ROI erhalten wird, und auf der Grundlage einer Wärmestrahlungsmessung, die von einem Referenzkörper mit bekannter Emissivität erhalten wird, beispielsweise einem schwarzen Körper, von dem bekannt ist, dass er die gleiche Temperatur wie die Zieloberfläche in dem ROI hat. Auf der Grundlage des Unterschieds zwischen der gemessenen Wärmestrahlung des schwarzen Körpers und der gemessenen Wärmestrahlung des ROI kann ein Verstärkungsfaktor, der die Differenz der aus dem schwarzen Körper und der Zieloberfläche empfangenen Strahlungen korrigiert, in dem ROI ermittelt werden. Die Inverse des Verstärkungsfaktors wird als die Emissivität des Zielkörpers in dem ROI verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann ein Temperatursensor, beispielsweise ein Thermoelement, das in der Nähe des ROI installiert ist, als eine Temperaturreferenz zum Zwecke der Ermittlung einer Emissivität in dem ROI dienen. Wenn die Emissivität regelmäßig ermittelt wird, kann Schritt 204 als Teil des in 4 beschriebenen Verfahrens ausgeführt werden.
3 zeigt ein Verfahren zur Messung einer Temperatur unter Anwendung von Wärmestrahlungsmessungen, die aus einer oder mehreren Wärmebildkameras gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erhalten werden. Das Verfahren der 3 kann einmal ausgeführt werden, um eine oder mehrere Temperaturmessungen zu erhalten. Alternativ kann das Verfahren wiederholt ausgeführt werden, um wiederholte aktualisierte Temperaturmesswerte zu erhalten. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren eingesetzt werden, um kontinuierlich Temperaturmesswerte in Echtzeit oder nahezu Echtzeit, d. h. unmittelbar nach Ausführung der Strahlungsmessungen, zu erhalten.
Im Schritt 300 werden Wärmestrahlungsmessungen aus interessierenden Gebieten (ROIs) innerhalb des Ofens erhalten. Ein Wärmestrahlungswert kann pro Pixel bereitgestellt werden. Folglich können mehrere Wärmestrahlungsmessungen für ein einziges ROI gleichzeitig empfangen werden. Ferner können wiederholte Messungen über ein Zeitintervall hinweg ausgeführt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Messwerte ermittelt, um einen einzigen Wärmestrahlungsmesswert pro ROI zu gewinnen. Die Mittlung kann über mehrere Pixel des POI und/oder über die Zeit hinweg ausgeführt werden. Die räumliche Mittelung die Messungen berücksichtigen, die aus allen Pixeln des ROI erhalten werden, oder sie kann lediglich Messwerte aus einer Teilgruppe der Pixel berücksichtigen. Wenn Messungen ausgeführt werden, um heiße Flecken zu erkennen, wird gegebenenfalls keine räumliche Mittelung ausgeführt. Die zeitliche Mittelung kann über ein Zeitintervall hinweg erfolgen, das mehrere Messungen miteinschließt. Beispielsweise können Wärmestrahlungswerte aus mehreren aufeinanderfolgenden aufgezeichneten Kamerabildern gemittelt werden, beispielsweise über eine Sekunde oder mehrere Sekunden hinweg, um die Wirkung kurzzeitiger Temperaturschwankungen zu reduzieren.
Die räumliche und/oder zeitliche Mittelung kann für Wärmestrahlungsmessungen ausgeführt werden. Wenn die Messungen, die von der einen oder den mehreren Wärmebildkameras bereitgestellt werden, Strahlungstemperaturen sind, können die Strahlungstemperaturen in Wärmestrahlungswerte unter Anwendung der Gleichung (2) umgewandelt werden, bevor die Mittelung ausgeführt wird. Nachfolgend kann Gleichung (1) verwendet werden, um den Wärmestrahlungswert in eine Strahlungstemperatur bei Bedarf umzuwandeln. Schritt 300 kann für mehrere oder alle ROIs in dem Ofen ausgeführt werden, woraus sich eine Gruppe aus Strahlungstemperaturmesswerten und/oder Wärmestrahlungsmesswerten ergibt.
Im Schritt 302 werden Messwerte für die Oberflächentemperaturen in den interessierenden Gebieten (ROIs) aus den Wärmestrahlungsmessungen entsprechend einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung gewonnen. Die Wärmestrahlungsmesswerte, die im Schritt 300 ermittelt werden, werden im Hinblick auf umgebungsspezifische Effekte korrigiert, und Temperaturmesswerte für die ROIs werden aus den korrigierten Wärmestrahlungsmessungen abgeleitet. Die im Schritt 302 ausgeführten Korrekturen können beinhalten, ohne darauf eingeschränkt zu sein, Korrekturen für die Emissivitäten der Oberflächen in den ROIs, Korrekturen in Bezug auf atmosphärische Absorption und/oder Emissionseffekte in dem Ofen und Korrekturen zur Reduzierung der Wirkung von Hintergrundstrahlung, die aus anderen Gebieten in dem Ofen stammt, und die von den ROIs reflektiert wird. Die Details des Schritts 302 sind in 4 beschrieben.
Im Schritt 304 werden die Temperaturmesswerte, die für die ROIs erhalten werden, zurückgegeben. Diese Temperaturmessungen bzw. Messwerte werden nach den in Schritt 302 ausgeführten Korrekturen so verstanden, dass sie Oberflächentemperaturen in den ROIs in genauer Weise repräsentieren. Die Temperaturmesswerte werden einem Anwender mitgeteilt und können beispielsweise in einer Tabelle und/oder in einer grafischen Visualisierung, beispielsweise in einer Wärmekarte, angezeigt werden. Ferner können die Temperturmesswerte beispielsweise auf einer Festplatte archiviert werden. Die Temperaturmesswerte können ferner verwendet werden, um den Betrieb des Ofens zu steuern. In Gebieten, in denen übermäßige Wärme erkannt wird, können Einstellungen vorgenommen werden, um den Kraftstoffzufluss zu dem einen oder mehreren Brennern zu verringern, und in Gebieten, in denen Temperaturen als zu niedrig ermittelt werden, kann der Kraftstoffzufluss zu dem einen oder den mehreren Brennern erhöht werden.
4 zeigt ein Verfahren zur Messung von Oberflächentemperaturen in den interessierenden Gebieten (ROIs) aus den Wärmestrahlungsmesswerten, die aus diesen ROIs erhalten werden. Der Messwert stellt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung eine Korrektur im Hinblick auf umgebungsspezifische Effekte bereit, die ansonsten dafür sorgen, dass nicht korrigierte Strahlungstemperaturen von den tatsächlichen Oberflächentemperaturen in den ROIs abweichen. Um eine Korrektur eines einzigen Wärmestrahlungsmesswerts, der von einem speziellen ROI erhalten wird, auszuführen, können Messwerte aus anderen ROIs innerhalb des Ofens als Grundlage verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben ist.
In Schritt 400 wird ein ROI, für welches eine Oberflächentemperatur zu messen ist, ausgewählt. Es können viele ROIs in einem Ofen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung überwacht werden. Beispielsweise kann der Bediener des Reformierofens wünschen, dass die Oberflächentemperaturen aller Reformierrohre ermittelt werden. Folglich ist mindestens ein ROI auf jedem der Reformierrohre und zusätzlich auf Wänden, dem Boden, der Decke, den Flammenfronten, und dergleichen angeordnet. Ein ausgewähltes ROI kann daher eines der ROIs sein, die auf einem der Reformierrohre angeordnet sind.
Im Schritt 402 werden die umgebenden Oberflächen, die in der nachfolgend ausgeführten Messung der Oberflächentemperatur zu berücksichtigen sind, ermittelt. Eine umgebende Oberfläche kann eine Oberfläche eines weiteren Objekts des Reformierofens sein. In einer Ausführungsform der Erfindung beeinflusst die Strahlung von umgebenden Oberflächen die Strahlungstemperaturmessung, die aus dem ROI erhalten wird. Im Allgemeinen werden gegebenenfalls nur Oberflächen in einer Halbkugel vor dem ROI im Schritt 402 berücksichtigt, wie dies zuvor mit Bezug zu 1C erläutert ist. Folglich können die umgebenden Oberflächen, die im Schritt 402 ermittelt werden, für das im Schritt 400 ausgewählte ROI spezifisch sein. Beispielsweise brauchen in einem Szenario, in welchem ein ROI, das auf einem Reformierrohr angeordnet ist, nur einer Wand, einem Boden und einer Decke gegenüberliegt, gegebenenfalls nur die Wand, der Boden und die Decke als umgebende Oberflächen betrachtet werden. Alle anderen Oberflächen in dem Ofen können ignoriert werden, unabhängig davon, ob ROIs darauf angeordnet sind oder nicht. In einem weiteren Szenario, in welchem ein ROI, das auf einem Reformierrohr angeordnet ist, zusätzlich einem Segment aus einer zweiten Wand, einem benachbarten Reformierrohr und einer schmutzigen Flamme zugewandt ist (beispielsweise einer Flamme, die eine beträchtliche Menge an Ruß erzeugt), werden im Gegensatz alle diese Oberflächen als umgebende Oberflächen erachtet.
Im Schritt 404 wird eine mittlere Strahlung für jede der umgebenden Oberflächen, die zu berücksichtigen sind, ermittelt. Die mittlere Strahlung einer umgebenden Oberfläche kann auf der Grundlage einer Strahlungsmessung ermittelt werden, die von einem ROI erhalten wird, das auf der umgebenden Oberfläche angeordnet ist. Wenn mehrere ROIs auf einer einzigen Oberfläche angeordnet sind, kann eine mittlere Strahlung ermittelt werden, indem der Mittelwert der Strahlungen, die von den ROIs erhalten werden, berechnet wird. Unterschiedliche ROIs können unterschiedlich gewichtet werden und/oder ein oder mehrere der ROIs können vollständig ignoriert werden, warm die mittlere Strahlung ermittelt wird.
Im Schritt 406 wird für jede der zu berücksichtigenden umgebenden Oberflächen ein geometrischer Sichtfaktor ermittelt. Generell kann ein geometrischer Sichtfaktor für eine spezielle umgebende Oberfläche als ein Gewicht verstanden werden, das für die entsprechende im Schritt 404 erhaltene mittlere Strahlung angewendet wird. Unter Anwendung des geometrischen Sichtfaktors, der im Schritt 406 gewonnen wird, und der mittleren Strahlungen, die im Schritt 404 ermittelt werden, kann ein gewichteter Strahlungsmittelwert berechnet werden, wie im Schritt 408 beschrieben ist. Ein geometrischer Sichtfaktor kann unter Verwendung des folgenden Oberflächenintegrals über die i-te umgebende Oberfläche A_i ermittelt werden:
wobei g_i der geometrische Sichtfaktor der i-ten umgebenden Oberfläche ist. Ein kleines Element einer Fläche dA auf der Oberfläche A_i ist unter dem Winkel Θ_in angeordnet. Θ_in ist, wie zuvor mit Bezug zu 1C beschrieben ist, der Winkel zwischen dem betrachteten Oberflächenelement und der Normalen der Zieloberfläche des Messortes. dA schneidet den kleinen Winkel dω_in an der Messposition. Die geometrischen Sichtfaktoren aller berücksichtigten umgebenden Oberflächen summieren sich zu 1.
In Gleichung (3) wird eine isotrop verteilende bzw. zersträuende Oberfläche in dem ROI angenommen, d. h., eine Oberfläche, die Strahlung in gleicher Weise in alle Richtungen reflektiert. Wenn diese Annahme nicht gerechtfertigt ist, können gegebenenfalls Winkelabhängigkeiten berücksichtigt werden. Diese Winkelabhängigkeiten können unter Anwendung einer bidirektionalen Reflektivitätsverteilungsfunktion (BRDF) beschrieben werden, wobei die Reflektivität eine Funktion des Polarwinkels und des Azimuthalwinkels, die ein einfallende Strahlung beschreiben, und eines Polarwinkels und Azimuthalwinkels ist, die die Richtung der reflektierten Strahlung angeben. Für Oberflächen, die nicht vollständig Isotrop streuen, muss die BDRF in der Gleichung für den geometrischen Sichtfaktor berücksichtigt werden.
Im Schritt 408 wird die effektive Hintergrundstrahlung ermittelt. Die effektive Hintergrundstrahlung ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine gewichtete Summe der mittleren Strahlungen der zu berücksichtigenden umgebenden Oberflächen, die im Schritt 404 ermittelt werden. Die Gewichtung wird unter Anwendung der geometrischen Sichtfaktoren ausgeführt, die im Schritt 406 erhalten werden. Folglich: S_b = Σ N / i=1g_iSs_i (4), wobei S_b das Signal der effektiven Hintergrundstrahlung ist, N die Anzahl an berücksichtigten umgebenden Oberflächen ist und Ss_i das Signal der mittleren Strahlung der i-ten umgebenden Oberfläche ist.
Im Schritt 410 ist das Signal der effektiven Hintergrundstrahlung aus der Strahlung entfernt, die in dem ROI gemessen wird, wobei verwendet wird
wobei S_s das Strahlungssignal ist, das aus dem ROI auf der Oberfläche des ausgewählten Reformierrohrs empfangen wird, nachdem die reflektierte Hintergrundstrahlung subtrahiert ist, und wobei ε die Emissivität der Oberfläche in dem ROI ist. Folglich ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung S_s diejenige Strahlung, die von dem Reformierrohr aufgrund der Temperatur des Reformierrohrs in dem ROI ausgestrahlt wird.
Im Schritt 412 wird eine Korrektur im Hinblick auf die Wirkungen der atmosphärischen Absorption und/oder Emission ausgeführt. Die Korrektur kann ausgeführt werden, indem das kompensierte Strahlungssignal durch den Absorptions- und/oder Emissionskoeffizient, der im Schritt 202 ermittelt wird, geteilt wird. Der Schritt 412 kann ausgeführt werden, um atmosphärische Wirkungen zu berücksichtigen, die ansonsten zu fehlerhaften Temperaturmesswerten führen würden. Genauer gesagt, die Korrektur im Hinblick auf die atmosphärische Absorption berücksichtigt Effekte, die zu kleineren Temperaturmesswerten führen würden, wohingegen die Korrektur im Hinblick auf die atmosphärische Verstärkung Wirkungen berücksichtigt, die zu erhöhten Temperaturmesswerten führen würden. Wie zuvor im Schritt 202 beschrieben ist, kann die Korrektur die Zusammensetzung der Atmosphäre, den Abstand zwischen dem ROI und der Kamera berücksichtigen und kann dynamisch Aktualisierungen auf der Grundlage von vorhergesagtes atmosphärischen Änderungen, beispielsweise auf der Grundlage der Art des Brennerkraftstoffes, der Länge der Flammenfront, die in einer Messung durchlaufen wird, dem Brennstoffzufluss zu dem Brenner, und dergleichen, bereitstellen.
Im Schritt 414 wird das kompensierte Strahlungssignal in eine Oberflächentemperatur umgewandelt. Für die Umwandlung kann Gleichung (1) verwendet werden. Die Schritt 410–414 können mit dem gemittelten Strahlungssignal, das aus dem gesamten ausgewählten ROI gewonnen wird, ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Schritte 410–414 für ein Strahlungssignal ausgeführt werden, das aus einem einzigen Pixel oder separat von mehreren Pixeln innerhalb des ausgewählten ROI erhalten wird. Die Ausführung dieser Schritte an einzelnen Pixelmesswerten kann die Ermittlung einer Oberflächentemperatur mit hoher räumlicher Auflösung ermöglichen, um beispielsweise lokale heiße Flecken auf der Oberfläche der Reformierrohre zu erkennen.
Im Schritt 416 wird eine Ermittlung dahingehend ausgeführt, ob weitere ROIs verbleiben, für die ein Oberflächentemperaturmesswert erhalten werden soll. Derartige ROIs können beispielsweise auf anderen Reformierrohren angeordnet sein. Wenn eine Ermittlung durchgeführt wird, dass weitere ROIs verbleiben, kann das Verfahren zum Schritt 400 zurückkehren. Wenn keine weiteren ROIs verbleiben, kann das Verfahren beendet werden.
Obwohl die diversen Schritte in dem Flussdiagramm der Reihe nach dargestellt und beschrieben sind, erkennt der Fachmann, dass einige oder alle Schritte in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden können, dass sie kombiniert oder weggelassen werden können, und dass einige oder alle der Schritte parallel ausgeführt werden können. In einer Ausführungsform der Erfindung können die in 2 gezeigten Schritte parallel zu einigen anderen in 2 gezeigten Schritten ausgeführt werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Ausführungsformen der Erfindung können genau Messungen von Temperaturen ermöglichen. Verfahren und Systeme gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere für anspruchsvolle Umgebungen geeignet, etwa für das Innere von Ofen, beispielsweise Öfen zum Reformieren, Ausheizen, zur Herstellung von Metall oder Glas, und dergleichen, wobei die Messung der Temperatur eines Objekts durch Faktoren kompliziert sein kann, zu denen die Emissivität des Objekts, Flammeneffekte, Reflexion von Komponenten, atmosphärische Effekte und die Geometrie des Ofens unter anderem gehören. Die Temperaturmessungen können für ein einziges oder viele interessierende Gebiete zu einer beliebigen Zeit oder gleichzeitig ausgeführt werden.
Ein Temperaturmesssystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung kann für eine Echtzeitüberwachung oder Echtzeitsteuerung von Temperaturen in industriellen Anwendungen mit Reformierern, Boilern, und dergleichen eingesetzt werden. In einem Reformierofen kann die Ofentemperatur auf der Grundlage der ermittelten Temperaturmesswerte gesteuert werden, um Prozesse innerhalb des Reformierofens zu optimieren. Insbesondere können die Temperaturmesswerte verwendet werden, um Schwankungen der Temperaturen der Reformierrohrwand zu minimieren, wodurch möglicherweise ungünstige heiße Flecken vermieden werden, und können verwendet werden, um den Reformierer bei einer höheren Reformierertemperatur zu betreiben, ohne dass die maximal zulässige Temperatur der Reformierrohrwand überschritten wird. Als Folge davon kann die Lebensdauer der Reformierrohre erhöht werden, während der Arbeitspunkt des Reformierers gleichzeitig verbessert werden kann, woraus sich beispielsweise ein erhöhter Ausstoß des Reformierers, kürzere Vorheizzeiten, und dergleichen ergeben.
Das System gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung beruht auf einer oder mehreren Wärmebildkameras, die gleichzeitig Daten aus allen interessierenden Gebieten (ROIs) in dem Ofen erfassen. Die Messgenauigkeit kann gesteigert werden, da das Verfahren kein manuelles Anvisieren eines interessierenden Gebiets mit einem Hand-Pyrometer erfordert. Da Strahlungsmesswerte sofort und gleichzeitig aus allen ROIs verfügbar sind, können zuverlässige Temperaturmesswerte selbst in Umgebungen gewonnen werden, in denen dynamisch variierende Temperaturen in dem Ofen keine Temperaturmessung auf der Grundlage sequentiell erhaltenen Strahlungsmesswerte erlauben. Da ferner das System das Öffnen der Ofentüren nicht erforderlich, um eine Strahlungsmessung auszuführen, werden Störungen der Ofenatmosphäre, die mit dem Öffnen von Ofentüren einhergehen, vermieden.
Temperaturerfassungslösungen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung können im Vergleich zu manuell ausgeführten konventionellen Temperaturmessungen kostengünstiger und genauer sein und können eine Abdeckung von mehr interessierenden Gebieten erreichen und können häufiger ausgeführt werden (beispielsweise schnell und ständig) in automatisierter Weise, während die Gefahren für das Personal geringer sind.
Ausführungsformen der Erfindung können nahezu in einer beliebigen Art von Rechensystem implementiert werden, unabhängig von der verwendeten Plattform. Beispielsweise kann das Rechensystem ein oder mehrere Mobilgeräte (beispielsweise ein tragbarer Computer, ein intelligentes Telefon, ein persönlicher digitaler Assistent, ein Tablet-Computer oder eine andere mobile Einrichtung), Tischrechner, Server-Rechner, Einschübe in einem Server-Gestell oder eine beliebige andere Art von Recheneinrichtung oder Einrichtungen sein, die zumindest die minimale Verarbeitungsleistung, den Speicher und Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen aufweisen, um eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung auszuführen. Wie beispielsweise in 5 gezeigt ist, kann das Rechensystem bzw. Computersystem (500) einen oder mehrere Computerprozessoren (502), einen zugehörigen Speicher (504) (beispielsweise Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Cache-Speicher, einen Flash-Speicher, und dergleichen), eine oder mehrere Speichereinrichtungen (506) (beispielsweise eine Festplatte, ein optisches Laufwerk, etwa ein Compaktdisketten-(CD)-Laufwerk oder ein Laufwerk für digitale Vielseitigkeitsdisketten (DVD), einen Flash-Speicherstift, etc.) und zahlreiche andere Elemente und Funktionen beinhalten. Der eine oder die mehreren Computerprozessoren (502) können eine integrierte Schaltung zur Ausführung von Befehlen sein. Beispielsweise können der eine oder die mehreren Computerprozessoren ein oder mehrere Kerne oder Mikro-Kerne eines Prozessors sein. Das Rechensystem (500) kann ferner eine oder mehrere Eingabeeinrichtungen (510), etwa einen berührungsempfindlichen Bildschirm, eine Tastatur, eine Maus, ein Mikrofon, ein berührungsempfindliches Feld, einen elektronischen Stift oder eine beliebige andere Art einer Eingabeeinrichtung aufweisen. Ferner kann das Rechensystem (500) eine oder mehrere Ausgabeeinrichtungen (508), etwa einem Bildschirm (beispielsweise eine Flüssigkristallanzeige (LCD), eine Plasmaanzeige, einen berührungsempfindlichen Bildschirm, einen Monitor mit Kathodenstrahlröhre (CRT), oder eine andere Anzeigeeinrichtung), einen Drucker, einen externen Speicher oder eine andere Ausgabeeinrichtung aufweisen. Eine oder mehrere der Ausgabeeinrichtungen können gleich sein oder sich von der einen oder mehreren Eingabeeinrichtungen unterscheiden. Das Rechensystem (500) kann mit einem Netzwerk (512) (beispielsweise ein Nahbereichsnetzwerk (LAN), ein Weitbereichsnetzwerk (WAN), etwa das Internet, ein Mobilnetzwerk, oder eine andere Art von Netzwerk) über eine Netzwerkschnittstellenverbindung (nicht gezeigt) verbunden sein. Die eine oder mehreren Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen können lokal oder entfernt (beispielsweise über das Netzwerk (512)) mit dem einen oder den mehreren Computerprozessoren (502), dem Speicher (504) und der einen oder den mehreren Speichereinrichtungen (506) verbunden sein. Es gibt unterschiedliche Arten von Rechensystemen und die zuvor genannten Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen können andere Formen annehmen.
Softwarebefehle in Form von computerlesbarem Programmcode zur Ausführung von Ausführungsformen der Erfindung können als Ganzes oder teilweise temporär oder permanent auf einem nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium gespeichert sein, etwa einer CD, DVD, einer Speichereinrichtung, einer Diskette, einem Band, einem Flash-Speicher, einem physikalischen Speicher oder einem anderen computerlesbaren Speichermedium. Insbesondere können die Softwarebefehle dem computerlesbaren Programmcode entsprechen, der, wenn er von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird, ausgebildet ist, Ausführungsformen der Erfindung auszuführen.
Ferner können ein oder mehrere Elemente des zuvor genannten Rechensystems (500) an einer entfernten Stelle angeordnet und mit den anderen Elementen über ein Netzwerk (512) verbunden sein. Ferner können eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung auf einem verteilten System mit mehreren Knoten eingerichtet sein, wobei jeder Bereich der Erfindung an einem anderen Knoten innerhalb des verteilten Systems angeordnet sein kann. In einer Ausführungsform der Erfindung entspricht der Knoten einer speziellen Recheneinrichtung. Alternativ kann der Knoten einen Computerprozessor mit zugehörigem physikalischen Speicher entsprechen. Der Knoten kann alternativ einem Computerprozessor oder einem Mikro-Kern eines Computerprozessors mit gemeinsam benutzten Speicher und/oder Ressourcen entsprechen.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf eine begrenzte Anzahl an Ausführungsformen beschrieben ist, kennt der Fachmann im Besitze dieser Offenbarung, dass andere Ausführungsformen erdacht werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung, wie sie hierin offenbart ist, abzuweichen. Daher soll der Schutzbereich der Erfindung lediglich durch die angefügten Patentansprüche beschränkt sein.

Claims

Ein Verfahren zur Messung von Ofentemperaturen, wobei das Verfahren umfasst: Erhalten von Strahlungsmesswerten aus mehreren interessierenden Gebieten (ROIs) unter Anwendung mehrerer Wärmebildkameras; Messen einer Oberflächentemperatur unter Anwendung eines Strahlungsmesswerts, der aus einem ROI erhalten wird, das aus den mehreren ROIs ausgewählt ist, mit: Ermitteln einer effektiven Hintergrundstrahlung, die das ausgewählte ROI beeinflusst, unter Anwendung von Strahlungsmesswerten, die aus anderen ROIs als den ausgewählter ROI erhalten werden; Ermitteln einer kompensierten Strahlung durch Entfernen der effektiven Hintergrundstrahlung aus dem Strahlungsmesswert, der aus dem ausgewählten ROI erhalten wird; und Umwandeln der kompensierten Strahlung in die gemessene Oberflächentemperatur.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes der mehreren ROIs ein Oberflächengebiet auf einem Reformierrohr und/oder einer Wand und/oder einem Boden und/oder einer Decke und/oder einer Flammenfront ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der aus dem ausgewählten ROI erhaltene Strahlungsmesswert aus mehreren Pixeln in dem ROI erhalten wird, wobei räumlich und/oder zeitlich gemittelt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strahlungsmesswert, der aus dem ausgewählten ROI erhalten wird, aus einem einzigen Pixel in dem ROI erhalten wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Wärmebildkamera der mehreren Wärmebildkameras Strahlungsmesswerte aus mehreren ROIs erhält, die eine Teilmenge der mehreren ROIs sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsmesswerte gleichzeitig erhalten werden; und wobei die Oberflächentemperatur in Echtzeit gemessen wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ermitteln der effektiven Hintergrundstrahlung für das ausgewählte ROI umfasst: Auswählen von umgebenden Oberflächen, die reflektierte Strahlung zu dem Strahlungsmesswert, der aus dem ausgewählten ROI erhalten wird, hinzufügen, wobei jede der umgebenden Oberflächen mindestens ein ROI der mehreren ROIs umfasst; Ermitteln von mittleren Strahlungen der umgebenden Oberflächen auf der Grundlage von Strahlungsmesswerten aus dem mindestens einem ROI auf jeder der umgebenden Oberflächen; Ermitteln eines gewichteten Mittelwerts der mittleren Strahlungen der umgebenden Oberflächen, wobei der gewichtete Mittelwert die effektive Hintergrundstrahlung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei der gewichtete Mittelwert auf der Grundlage von geometrischen Sichtfaktoren der umgebenden Oberflächen ermittelt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Korrigieren des Strahlungsmesswerts, der aus dem ausgewählten ROI erhalten wird, in Bezug auf eine Emissivität des ausgewählten ROI.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Emissivität durch Vergleich des Strahlungsmesswerts, der aus dem ausgewählten ROI erhalten wird, mit einem Strahlungsmesswert, der aus einem Referenzkörper mit bekannter Emissivität erhalten wird, ermittelt wird, wobei eine Temperatur des Referenzkörpers mit der bekannten Emissivität identisch zu einer Temperatur des ROI ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Korrigieren des kompensierten Strahlungssignals in Bezug auf eine atmosphärische Absorption und/oder eine atmosphärische Emission.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Korrektur in Bezug auf die atmosphärische Emission auf der Grundlage einer Charakteristik einer Flammenfront ermittelt wird, die für die Strahlungsmessung des ausgewählten ROI durchlaufen wird, wobei die Eigenschaften der Flammenfront umfassen: eine Länge der durchlaufenen Flammenfront; und/oder eine Art von Brennstoff, der einem Brenner zugeführt wird, der die Flammenfront erzeugt; und/oder einen Brennstoffzufluss zu dem Brenner, der die Flammenfront erzeugt.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Korrektur der atmosphärischen Emission auf der Grundlage des Brennstoffzuflusses zu dem Brenner dynamisch aktualisiert wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Einstellen der gemessenen Oberflächentemperatur derart, dass sie mit einer Referenzoberflächentemperatur übereinstimmt.
Ein nicht-flüchtiges computerlesbares Medium (CRM), das Befehle zur Messung von Ofentemperaturen speichert, wobei die Befehle eine Funktion umfassen zum: Erhalten von Strahlungsmesswerten aus mehreren interessierenden Gebieten (ROIs) unter Anwendung mehrerer Wärmebildkameras; Messen einer Oberflächentemperatur unter Anwendung eines Strahlungsmesswerts, der aus einem ROI erhalten wird, das aus den mehreren ROIs ausgewählt ist, mit: Ermitteln einer effektiven Hintergrundstrahlung, die das ausgewählte ROI beeinflusst, unter Anwendung von Strahlungsmesswerten, die aus anderen ROIs als den ausgewählten ROI erhalten werden; Ermitteln einer kompensierten Strahlung zum Entfernen der effektiven Hintergrundstrahlung aus dem Strahlungsmesswert, der aus dem ausgewählten ROI erhalten wird; und Umwandeln der kompensierten Strahlung in die gemessene Oberflächentemperatur.
Das nicht-flüchtige CRM nach Anspruch 15, wobei die Strahlungsmesswerte gleichzeitig erhalten werden; und wobei die Oberflächentemperatur in Echtzeit gemessen wird.
Das nicht-flüchtige CRM nach Anspruch 15, wobei die Befehle ferner die Funktion umfassen zum: Korrigieren des kompensierten Strahlungssignal in Bezug auf eine atmosphärische Absorption und/oder eine atmosphärische Emission, wobei die Korrektur in Bezug auf die atmosphärische Absorption ermittelt wird auf der Grundlage von Eigenschaften einer Flammenfront, die für die Strahlungsmessung des ausgewählten ROI durchlaufen wird, wobei die Eigenschaften der Flammenfront umfassen: ein Länge der durchlaufenen Flammenfront, und/oder eine Art von Brennstoff, der einem Brenner zugeführt wird, der die Flammenfront erzeugt; und/oder einen Brennstoffzufluss zu dem Brenner, der die Flammenfront erzeugt.
Ein System zur Messung von Ofentemperaturen, mit: mehreren Wärmebildkameras; einer Verarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, um: Strahlungsmesswerte aus mehreren interessierenden Gebieten (ROIs) unter Anwendung der mehreren Wärmebildkameras zu erhalten; eine Oberflächentemperatur unter Anwendung eines Strahlungsmesswerts, der aus einem ROI erhalten wird, das aus den mehreren ROIs ausgewählt ist, zu messen, mit: Ermitteln einer effektiv Hintergrundstrahlung, die das ausgewählte ROI beeinflusst, unter Anwendung von Strahlungsmesswerten, die aus anderen ROIs als dem ausgewählten ROI erhalten werden; Ermitteln einer kompensierten Strahlung durch Entfernen der effektiven Hintergrundstrahlung aus der Strahlungsmessung, die aus dem ausgewählten ROI erhalten wird; und Umwandeln der kompensierten Strahlung in die gemessene Oberflächentemperatur.
Das System nach Anspruch 18, wobei die Strahlungsmesswerte gleichzeitig erhalten werden; und wobei die Oberflächentemperatur in Echtzeit gemessen wird.
Das System nach Anspruch 18, wobei die Verarbeitungseinheit ferner ausgebildet ist, um: das kompensierte Strahlungssignal zu korrigieren in Bezug auf eine atmosphärische Absorption und/oder eine atmosphärische Emission, wobei die Korrektur in Bezug auf die atmosphärische Emission ermittelt wird auf der Grundlage von Eigenschaften einer Flammenfront, die für die Strahlungsmessung des ausgewählten ROI durchlaufen wird, wobei die Eigenschaften der Flammenfront umfassen: eine Länge der durchlaufenen Flammenfront; und/oder eine Art von Brennstoff, der einem Brenner zugeführt wird, der die Flammenfront erzeugt; und/oder einen Brennstoffzufluss zu dem Brenner, der die Flammenfront erzeugt.