EP1364164A1 - Me vorrichtung, insbesondere zur flammenbeobachtung während eines verbrennungsprozesses - Google Patents

Me vorrichtung, insbesondere zur flammenbeobachtung während eines verbrennungsprozesses

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EP1364164A1
EP1364164A1 EP02719956A EP02719956A EP1364164A1 EP 1364164 A1 EP1364164 A1 EP 1364164A1 EP 02719956 A EP02719956 A EP 02719956A EP 02719956 A EP02719956 A EP 02719956A EP 1364164 A1 EP1364164 A1 EP 1364164A1
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EP
European Patent Office
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measuring device
recording device
recording
image
thermodynamic
Prior art date
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EP02719956A
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English (en)
French (fr)
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EP1364164B1 (de
Inventor
Franz Wintrich
Peter Richter
Dirk Tiedtke
Thomas Vesper
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Powitec Intelligent Technologies GmbH
Original Assignee
Powitec Intelligent Technologies GmbH
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Publication date
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Priority claimed from DE10143548A external-priority patent/DE10143548A1/de
Priority claimed from DE10160411A external-priority patent/DE10160411A1/de
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/20—Camera viewing

Definitions

  • Measuring device in particular for flame observation during a combustion process
  • the invention relates to a measuring device with the features of the preamble of claim 1.
  • the present invention has for its object to improve a measuring device of the type mentioned. This object is achieved by a measuring device with the features of claim 1. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the recording device takes several pictures of the combustion phenomenon independently of one another (preferably at the same time) in a spatially and temporally resolved manner, preferably in a highly localized and wedding-resolved manner, different examinations of the same combustion can phenomenon and information can be obtained.
  • Different recording devices are not necessary for recording the dynamics of the individual parameters, but also not excluded.
  • the measuring device only needs a single optical access, wherein several measuring devices with one optical access each can be provided. It is also possible to connect additional recording devices or other optical measuring devices, for example simple cameras, to the same optical access by means of suitable imaging means, for example beam splitters or split optics, in addition to the recording device present according to the invention.
  • the term “optical” is not intended to be limited to the visible wavelength range.
  • a high spatial resolution can mean that structures on the order of magnitude of typical dimensions of turbulence can be resolved.
  • the data obtained, for example, by means of image processing, and possibly additionally the data further recording devices can be correlated with one another in order to obtain further information, which can then be used for regulating the thermodynamic process, for example for a combustion process, swirling of hot air, light modulation analysis or the like, in which case flames or the others corresponding phenomena can be observed.
  • the recording device preferably has a uniform structure in its recording plane (ie hardware design), preferably a high-resolution pixel structure, so that it can be individually adapted to the specified purpose without restrictions.
  • the recording device is preferably controlled by software so that it simultaneously records the image of the thermodynamic phenomenon several times with different segments of the recording plane or records the image alternately in time for the various evaluations.
  • the high-resolution image capture can preferably take place at the same time as wedding resolution and / or high-spectral resolution and / or multispectral resolution.
  • the recording device is preferably designed digitally as a CMOS chip with an electronic evaluation unit, which has individually addressable and readable pixels in the recording plane.
  • Individual segments and / or regions of interest can then be defined and defined within the acquisition level. can be read out, which means that significantly higher time resolutions are possible than with the video camera set to 25 Hz, whereby a complete FFT is generally available per pixel of the ROI.
  • This higher time resolution for high-frequency processes can also be achieved with a glass fiber camera as an additional recording device.
  • the glass fiber camera which preferably comprises a plurality of glass fibers arranged in a matrix, can also be used for spatially resolved spectroscopy.
  • the recording device is preferably arranged in a housing outside a space enclosing the thermodynamic phenomenon.
  • the imaging means preferably comprise, apart from an imaging optic provided for the optical access (referred to as a rigid scope as a borescope; in another possible flexible configuration, for example as a glass fiber bundle, referred to as an endoscope), also a split optic in order to supply the recording device with several identical images side by side ,
  • a holographic filter can also be provided in a focal plane of the optics, which on the one hand can produce a multiple image and on the other hand can filter out certain wavelength ranges.
  • a beam splitter is provided for the connection of further measuring devices (including further cameras, for example glass fiber cameras or conventional video cameras), which can all be accommodated in the same common housing as the recording device according to the invention or in optically coupled housings.
  • further measuring devices including further cameras, for example glass fiber cameras or conventional video cameras
  • the glass fibers can be assigned to different recording and evaluation devices.
  • one or more semiconductor lasers are preferably attached in the vicinity of the optical access, for example at the tip of the imaging means.
  • the installation of such means for optical excitation is not limited to the measuring device according to the invention.
  • a filter device By filtering individual pixels of the camera image in a filter device and combining the filtered pixels at a certain point in time with filtered pixels at at least one adjacent point in time, a complete image is available in a very short time, which can be used directly.
  • the optical camera image can be used directly, for example for a thermography examination or for regulating the thermodynamic process, without the need for a spectroscopy, which necessarily requires a certain recording time.
  • the filter device is preferably digital and implemented in the computer, but can also be provided as a separate filter device between the recording device and the computer.
  • the filter device can have a brightness filter and / or motion filter and / or turbidity filter.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control circuit with the first embodiment
  • FIG. 5 is a block diagram of a variant of the recording device
  • FIG. 6 shows a schematic structure in an exemplary use for a cement kiln
  • 7A shows an exemplary camera image before filtering
  • 7B shows the image of FIG. 7A after filtering
  • FIG. 7C shows another image corresponding to FIG. 7B after filtering
  • FIGS. 7B and 7C are a combination of the images of FIGS. 7B and 7C into an entire filtered image
  • Fig. 9 is a block diagram with the integrated second embodiment.
  • Fig. 10 shows a section through a glass fiber bundle of the third embodiment.
  • the multisensor 201 has a housing 203, which is provided on the outside with various connections.
  • a boroscope 205 is connected to the multisensor 201 as a first imaging means, the end thereof facing away from the multisensor 201 is inserted through the wall of a boiler K or the like and arranged within the same.
  • the imaging optics contained in the boroscope 205 images the radiation of a flame F (or another thermodynamic phenomenon), which arises in the boiler K, which is charged with coal, for example, during its operation, into the interior of the housing 203.
  • the multi-sensor 201 itself is arranged at a certain distance so far outside the boiler K that no special cooling is necessary for the multi-sensor 201.
  • One or more semiconductor laser diodes 206 are arranged at the tip of the boroscope 205 for optical excitations.
  • the radiation incident through the borescope 205 into the multisensor 201 is, optionally after passing through a beam splitter, optically reproduced in a split optics 207 as a second imaging means, so that four identical images of the flame F are produced in the present case.
  • the individual beam paths pass through optical filters 209 or diaphragms.
  • All four beam paths in the present case are projected onto separate segments 210 or windows in the recording plane by one and the same recording device 211, so that the high-resolution recording device 211 captures four spatially separate but complete images with the same content.
  • An evaluation unit A is connected downstream of the recording device 211, which will be described in more detail later.
  • the filters 209 in the individual beam paths can be designed as narrow-band interference filters, by means of which the multisensor 201 can be operated as a high-resolution (multiple) quotient pyrometer, which records an integrated signal at individual support points in the spectral range and in whose evaluation unit A, pixel-precise calculation of the filtered images by quotient formation.
  • the filters 209 can also be designed to be spectrally broadband in order to simulate the RGB system of a high-resolution 3-chip color camera.
  • a holographic filter is provided in a focal plane of the imaging optics, which on the one hand multiplies the images of the flame, that is, replaces the split optics 207, and on the other hand performs the aforementioned filtering, that is, replaces the filters 209.
  • the recording device 211 is a CMOS high-speed chip with an electronic evaluation unit which can be controlled pixel by pixel and converts visible light as well as infrared and ultraviolet radiation into digital signals with a high image sequence.
  • a two-dimensional matrix of pixels is arranged within the recording plane, which can also be curved, for example a pixel array 231 of 1024 ⁇ 1024 pixels.
  • the pixels are identical to one another, ie the recording device 211 is structured uniformly in the recording plane.
  • Each pixel represents an individual sensor.
  • the optional addressing of the individual pixel of the recording device 211 enables individual pixels to be read out.
  • ROI 233 region of interest
  • a frame rate corresponding to the ratio of the total area to the size of the ROI (s) 233 can be achieved, which is significantly larger than the frame rate (typically a few tens of fps, ie frames per second).
  • the shape and number of ROI 233 is adapted to the individual case.
  • ROI 233 In the simplest case, a group of several, directly adjacent pixels is combined to form a rectangular or round ROI 233, but regular arrangements of isolated ROI 233, textures with imperfections or network-like structures with support points are also possible.
  • the ROI 233 can also be changed dynamically, ie during the operation of the multisensor 201, for example if different examinations are to be carried out in succession.
  • a location-time-dependent profile of turbulence in the flame F for example, it makes sense to distribute a plurality of ROIs 233 over the flame F within a segment 210, the individual ROIs 233 simultaneously or - because of the turbulence zones which remain largely stable under constant combustion conditions - one after the other be read out.
  • a logarithmic characteristic when converting the radiation intensity into an electrical characteristic, a higher resolution with large differences in brightness can be achieved.
  • the multisensor 201 can therefore also be used for high-resolution investigations of highly dynamic processes in the flame F, for example as a sensor for the examination of turbulence, grain spectra or the mixing behavior of different phase currents, the further processing of the image data from the ROI 233 using an FFT (per pixel ), a time delay neuronal network analysis and / or a joint time frequency analysis.
  • the curves of the signals (of each pixel) can, for example, be mapped onto a function system of wavelets.
  • the recording device 21 1 can be designed internally as a standard CMOS high-speed camera, ie the image information in the pixel array 231 is read out, digitized by means of an analog-digital converter, hereinafter referred to as ADC 235, and digitized directly by a driver 237 written via a digital interface (eg LVDS) for further processing in an image processing card of an external computer as evaluation unit A.
  • ADC 235 analog-digital converter
  • the evaluation unit A for example a conventional personal computer, then carries out the image processing.
  • the recording device 211 is controlled internally by a control unit 239 with a microprocessor, which can be controlled externally via a standard interface (for example RS232 / 485).
  • a segment 210 of the pixel array 231 is selected for a video live image of the flame F.
  • the recording device 21 1 can be designed internally as a CMOS high-speed camera with image preprocessing.
  • the image data read out from the pixel array 231 are converted by the ADC 235 and then written into an image memory 241.
  • a digital signal processor, hereinafter referred to as DSP 243 can both carry out any type of image processing of the data from the image memory 241 and define the ROI 233, output the results of the image processing to the evaluation unit A and receive the external control signals via a standard interface, and For a live image of the flame F, read out the image memory 241 in accordance with the CCIR standard and output it via a video signal interface 245.
  • the pixel array 231 and the ADC 235 or the pixel array 231 can be accommodated on the same chip.
  • Other integration options are also conceivable.
  • segments 210 of the recording device 211 which can be controlled independently of one another, can also be used to ascertain further data about thermal and spectral conditions of the combustion process, ie the recording device 211 can - simultaneously different segments or alternating in time - capture different process parameters, parameters or state variables of the combustion process, namely with high spatial and temporal resolution. These parameters are evaluated in evaluation unit A, for example, by means of an implemented neural network.
  • the multisensor 201 forms part of a control circuit in which evaluation of the measured parameters, preferably via a central computer C, is used to control the actuating devices V of the boiler K, for example the primary air supply or the coal supply.
  • the combustion process can then be optimally controlled, for example with regard to low pollutant emissions or high efficiency.
  • the multisensor 201 can also be used as a flame monitor. For this purpose, for example, a vertical, narrow ROI 233 is shown, on which an approximately average flame is shown over its entire height. As in the case of a conventional, point-like flame monitor, the multisensor 201 switches off the system in the absence of a flame pattern, but because of the possibility of defining an elongated ROI, much fewer individual devices are required.
  • the multisensor 201 is "intrinsically safe", i.e. it switches off in the event of its own defect. For this purpose, a diode is provided, for example, which checks the current flow in the chip.
  • a flame F is present in the cement kiln K during the firing process.
  • the borescope 205 (or another imaging device) images an image of the flame F onto the multisensor 201 arranged outside the cement kiln K with its digital recording device 211 described above with the individually addressable and readable pixels.
  • a computer C is connected to the multisensor 201 and processes the signals of the recording device 211, hereinafter referred to as camera images. For processing, pixels are defined in the camera image, which generally correspond to one of the pixels, but can also be a group of neighboring pixels.
  • the computer C filters the camera image captured at a specific point in time, hereinafter referred to as frame B1, by subjecting the individual pixels of the frame B1 to three digital filters.
  • the computer C thus acts as a digital filter device.
  • the three digital filters are linked with AND conditions in order to eliminate short-term disturbances in the image of the flame F, for example dust clouds S or fumes of smoke between the flame F and the borescope 205.
  • a first filter (brightness filter)
  • a minimum brightness is checked using a threshold value.
  • motion filter movements of interference across neighboring pixels at successive times are eliminated.
  • turbidity filter turbidity is detected by calculating an entropy. The pixels that do not pass all three filters are discarded.
  • the filtered image BE an end image that is as closed as possible is obtained, hereinafter referred to as the filtered image BE.
  • the number of frames required for this depends on the desired resolution and the relationship between the characteristic time scale for the changes in the flame and the characteristic time scale for the changes in the disturbances, but can also be determined arbitrarily. Since the recording device 211 can deliver a very high sequence of frames, for example a few hundred per second, the computer C can usually generate several filtered images BE per second with sufficient resolution.
  • the computer C processes the filtered image BE further by subjecting its points to a thermography examination.
  • the filtered image BE can be placed on a monitor M for visual monitoring.
  • the calculator C is also used to control the burning process by means of the implemented neural network, for which it is connected to the various actuating devices V, which it controls to change manipulated variables.
  • a second exemplary measuring device for flame observation during a combustion process is also referred to below as multisensor 1.
  • the multisensor 1 has a housing 3, which is provided on the outside with various connections.
  • a borescope 5 is connected to the multisensor 1, the end thereof facing away from the multisensor 1 is inserted through the wall of a boiler K or the like and is arranged within the same.
  • the imaging optics contained in the boroscope 5 images the radiation of a flame F, which arises in the boiler K during its operation, into the interior of the housing 3 of the multisensor 1.
  • the multisensor 1 itself is arranged at a certain distance so far outside the boiler K that no special cooling for the multisensor 1 is necessary.
  • the radiation incident into the multisensor 1 through the boroscope 5 is divided in a beam splitter 7. Part of the incident radiation passes through the semitransparent mirror of the beam splitter 7 and through a controllable first aperture 9 arranged behind it and falls into a video camera 11 as a recording device, in the exemplary embodiment a 3-chip CCD camera.
  • the signal from the video camera 11, hereinafter referred to as a video signal is passed on the one hand through a first video output 13 out of the housing 3 to a screen M which represents a live image.
  • the video signal is led out of the housing 3 through a second video output 15 to a thermography unit T, where the temperature of the flame F is determined.
  • a monochromatic beam can be directed into the video camera 11 from a color emitter 17 arranged inside or outside the multisensor 1 via the beam splitter 7, which then serves as a reference for the temperature determination. In the case of constant monitoring, this beam can also be used to check the functionality of the components of the multisensor, ie as a type of test pattern for "intrinsic safety".
  • Another part of the radiation incident in the beam splitter 7 is reflected by the semitransparent mirror and passes through a controllable, second aperture 19 into a glass fiber camera 21.
  • the optical fiber camera 21 is similar in structure to the optics as a video camera, but has instead of the light-sensitive layers in the image plane a matrix 23 with the ends of a plurality of glass fibers 25.
  • the image of the flame F is thus transferred to the glass fibers 25 in a spatially resolved manner.
  • About half of the glass fibers 25 are led to a spectrometer unit S, where the signal of each individual glass fiber 25 is spectrally high-resolution in a freely selectable spectral range (infrared to ultraviolet), for example online in individual spectrometers.
  • Various information can be obtained from the spectra determined by the ratio of absorption and emission, which in the present case is (highly) spatially resolved. All spectra are created at the same time for different locations and can therefore depict transient processes.
  • the other half of the glass fibers 25 is used to analyze the turbulence in the boiler K, and is therefore led to an evaluation unit A, where, for example, the glass fibers 25 are brought together and the common signal is detected with high resolution in order to use a time delay Neural network analysis and / or a joint time frequency analysis can be processed further.
  • the curves of the signals can, for example, be mapped onto a function system of wavelets.
  • the multisensor 1, the thermography unit T, the spectrometer unit S and the evaluation unit A are connected to a computer unit C which carries out the corresponding evaluations of the measured process parameters, for example by means of an implemented neural network, and for regulating the combustion process in the boiler K via a Feedback R actuates the actuating devices of the boiler K, for example a valve V for the primary air.
  • a computer unit C which carries out the corresponding evaluations of the measured process parameters, for example by means of an implemented neural network, and for regulating the combustion process in the boiler K via a Feedback R actuates the actuating devices of the boiler K, for example a valve V for the primary air.
  • diodes instead of the high-spatial and high-spectral resolution spectrometer unit S with individual spectrometers at the ends of the glass fibers, diodes are provided which have a high local high with a sampling frequency of up to 2 kHz for example - and possibly different spectral sensitivity Record time and low spectrally resolved signal
  • the curves can also be mapped to a function system of wavelets.
  • an n-dimensional pyrometer is provided instead of the spectrometer unit S, which picks up an integrated signal at each glass fiber end and puts it in relation to one another, so that the spectral range is only detected by individual reference points.
  • the technology of the fiber optic camera 21 makes it possible that, in further, modified embodiments, spectrometers, diodes, pyrometers and / or high-time-resolution sensors can be connected to the glass fibers 25 in an arbitrarily selectable distribution, to be precise to neighboring glass fibers and / or via branches to obtain a spatial, time and spectral resolution adapted to the needs.
  • the third exemplary embodiment is largely the same as the second exemplary embodiment.
  • a glass fiber bundle 105 of a few tens of thousands of glass fibers 125 is provided instead of the boroscope 5, part of which is used for spatial behavior of the flame to be observed, part for temporal behavior and part for spectral behavior, and as in the second Embodiment corresponding measurement and evaluation devices is supplied, the beam splitter 7 is omitted.
  • the modifications mentioned in the second embodiment are also possible in the third embodiment.

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Description

Meßvorrichtung, insbesondere zur Flammenbeobachtung während eines Verbrennungsprozesses
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
Aus der DE 38 23 494 C2 ist eine Meßvorrichtung dieser Art bekannt, bei welcher durch eine sogenannte Flammenspiegelung zahlreiche Parameter gemessen werden, um einen funktionellen Zusammenhang dieser Parameter mit den Zielgrößen der Regelung zu ermitteln.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dadurch, daß in Hinblick auf mehrere unterschiedliche, veränderliche Kenngrößen des thermodynamischen Phänomens das Aufnahmegerät mehrere Bilder des Verbrennungsphänomens jeweils unabhängig voneinander (vorzugsweise zeitgleich) örtlich und zeitlich aufgelöst aufnimmt, vorzugsweise hochortsaufgelöst und hochzeitaufgelöst, können mit ein und demselben Aufnahmegerät verschiedene Untersuchungen des gleichen Verbren- nungsphänomens parallel vorgenommen und Informationen gewonnen werden. Für die Erfassung der Dynamik der einzelnen Kenngrößen sind keine unterschiedlichen Aufnahmegeräte notwendig, aber auch nicht ausgeschlossen. Die Meßvorrichtung benötigt nur einen einzigen optischen Zugang, wobei mehrere Meß Vorrichtungen mit jeweils einem optischen Zugang vorgesehen sein können. Es können auch am gleichen optischen Zugang durch geeignete Abbildungsmittel, beispielsweise Strahlteiler oder Splitoptiken, außer dem erfindungsgemäß vorhandenen Aufnahmegerät weitere Aufnahmegeräte oder sonstige optische Meßgeräte, beispielsweise einfache Kameras, angeschlossen werden.
Der Begriff „optisch" soll im erfindungsgemäßen Zusammenhang nicht auf den sichtbaren Wellenlängenbereich beschränkt sein. Eine hohe Ortsauflösung kann bedeuten, daß noch Strukturen in der Größenordnung von typischen Abmessungen von Verwirbelungen aufgelöst werden können. Die beispielsweise mittels einer Bildverarbeitung gewonnenen Daten, gegebenenfalls zusätzlich die Daten weiterer Aufnahmegeräte, können untereinander korreliert werden, um weitere Informationen zu gewinnen. Die Informationen können dann für eine Regelung des thermodynamischen Prozesses eingesetzt werden, beispielsweise für einen Verbrennungsprozeß, Verwirbelungen von heißer Luft, Lichtmodu- lationsanalysen oder dergleichen, wobei dann Flammen bzw. die anderen entsprechenden Erscheinungen beobachtet werden.
Das Aufnahmegerät weist in seiner Aufnahmeebene vorzugsweise eine einheitliche Struktur (d.h. Hardware-Ausbildung) auf, vorzugsweise eine hochortsauflösende Pixel- Struktur, so daß sie ohne Einschränkungen für den vorgegebenen Einsatzzweck individuell anpassbar ist. In Hinblick auf die unterschiedlichen Kenngrößen des Verbrennungsphänomens ist das Aufnahmegerät softwaremäßig vorzugsweise so gesteuert, daß es mit verschiedenen Segmenten der Aufnahmeebene das Bild des thermodynamischen Phänomens gleichzeitig mehrfach aufnimmt oder das Bild für die verschiedenen Auswertungen zeitlich abwechselnd aufnimmt. Die hochortsaufgelöste Bilderfassung kann vorzugsweise zugleich hochzeitaufgelöst und/oder hochspektralaufgelöst und/oder multispektralaufge- löst erfolgen. Vorzugsweise ist das Aufnahmegerät digital als CMOS-Chip mit elektronischer Auswerteeinheit ausgebildet, welches in der Aufnahmeebene einzeln adressierbare und auslesbare Pixel aufweist. Es sind dann innerhalb der Aufnahmeebene einzelne Seg- mente und/oder interessierende Bereiche (regions of interest, ROI) definierbar und ge- sondert auslesbar, womit deutliche höhere Zeitauflösungen als mit der auf 25 Hz festgelegten Videokamera möglich sind, wobei pro Pixel des ROIs grundsätzlich eine vollständige FFT erhältlich ist. Diese höhere Zeitauflösung bei hochfrequenten Vorgängen kann auch mit einer Glasfaserkamera als weiterem Aufnahmegerät erreicht werden. Die Glas- faserkamera, welche vorzugsweise mehrere zu einer Matrix angeordnete Glasfasern umfaßt, kann auch für eine ortsaufgelöste Spektroskopie verwendet werden.
Vorzugsweise ist zur Einsparung einer Kühlvorrichtung das Aufnahmegerät in einem Gehäuse außerhalb eines das thermodynamische Phänomen umschließenden Raumes ange- ordnet. Die Abbildungsmittel umfassen vorzugsweise außer einer für den optischen Zugang vorgesehenen Abbildungsoptik (in starrer Ausbildung als Boroskop bezeichnet; in ebenfalls möglicher flexibler Ausbildung, beispielsweise als Glasfaserbündel, als Endo- skop bezeichnet) noch eine Splitoptik, um das Aufnahmegerät mit mehreren gleichen Bildern nebeneinander zu versorgen. Anstelle der Splitoptik kann auch in einer Brenn- ebene der Optik ein holographisches Filter vorgesehen sein, welches einerseits ein mehrfaches Bild erzeugen und andererseits bestimmte Wellenlängenbereiche herausfiltern kann. Optional ist ein Strahlteiler für den Anschluß weiterer Meßgeräte (einschließlich weiterer Kameras, beispielsweise Glasfaserkameras oder herkömmlicher Videokameras) vorgesehen, welche alle im gleichen, gemeinsamen Gehäuse wie das erfindungsgemäße Aufnahmegerät oder in optisch gekoppelten Gehäusen untergebracht sein können. Im Falle eines Glasfaserbündels als Abbildμngsoptik können die Glasfasern unterschiedlichen Aufnahme- und Auswertegeräten zugeordnet sein.
Für die optische Anregungsexperimente von Substanzen, die sich beispielsweise in einer Flamme befinden, sind vorzugsweise in der Nähe des optischen Zugangs, beispielsweise an der Spitze der Abbildungsmittel, einer oder mehrere Halbleiterlaser angebracht. Der Einbau derartiger Mittel zur optischen Anregung ist nicht auf die erfindungsgemäße Meßvorrichtung beschränkt. Durch eine Filterung einzelner Bildpunkte des Kamerabilds in einer Filtervorrichtung und Kombination der gefilterten Bildpunkte zu einem bestimmten Zeitpunkt mit gefilterten Bildpunkten zu wenigstens einem benachbarten Zeitpunkt, steht in kürzester Zeit ein vollständiges Bild zur Verfügung, welches direkt weiter verwendet werden kann, kom- biniert. gefiltert werden, kann das optische Kamerabild direkt verwendet werden, beispielsweise für eine Thermographie-Untersuchung oder zur Regelung des thermodynamischen Prozesses, ohne daß eine - notwendigerweise eine gewisse Aufnahmezeit beanspruchende - Spektroskopie notwendig ist. Die Filtervorrichtung ist vorzugsweise digital ausgebildet und im Rechner implementiert, kann aber auch als gesonderte Filtervorrich- tung zwischen dem Aufnahmegerät und dem Rechner vorgesehen sein. Die Filtervorrichtung kann einen Helligkeits-Filter und/oder Bewegungs-Filter und/oder Trübungs-Filter aufweisen.
Im folgenden ist die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises mit dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Aufnahmeebene,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Aufnahmegeräts,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Variante des Aufnahmegeräts,
Fig. 6 einen schematischen Aufbau bei einem beispielhaften Einsatz für einen Zementofen,
Fig. 7A ein beispielhaftes Kamerabild vor dem Filtern, Fig. 7B das Bild von Fig. 7A nach dem Filtern,
Fig. 7C ein anderes Bild entsprechend Fig. 7B nach dem Filtern,
Fig. 7D eine Kombination der Bilder von Fig. 7B und 7C zu einem gesamten gefilterten Bild,
Fig. 8 einen schematischen Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 9 ein Blockschaltbild mit dem eingebundenen zweiten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 10 einen Schnitt durch ein Glasfaserbündel des dritten Ausführungsbeispiels.
Eine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildete Meßvorrichtung, welche beispielhaft zur Flammenbeobachtung während eines Verbrennungsprozesses eingesetzt wird, ist im folgenden als Multisensor 201 bezeichnet. Der Multisensor 201 weist ein Gehäuse 203 auf, welches auf seiner Außenseite mit verschiedenen Anschlüssen versehen ist. Am Multisensor 201 ist als ein erstes Abbildungsmittel ein Boroskop 205 angeschlos- sen, dessen vom Multisensor 201 abgewandtes Ende durch die Wand eines Kessels K oder dergleichen gesteckt und innerhalb desselben angeordnet ist. Die im Boroskop 205 enthaltene Abbildungsoptik bildet die Strahlung einer Flamme F (oder eines anderen thermodynamischen Phänomens), welche in dem beispielsweise mit Kohle beschickten Kessel K während dessen Betrieb entsteht, in das Innere des Gehäuses 203 ab. Der Multi- sensor 201 selber ist mit einem gewissen Abstand soweit außerhalb des Kessels K angeordnet, daß keine spezielle Kühlung für den Multisensor 201 notwendig ist. Für optische Anregungen sind an der Spitze des Boroskops 205 eine oder mehrere Halbleiterlaserdioden 206 angeordnet. Die durch das Boroskop 205 in den Multisensor 201 einfallende Strahlung wird, gegebenenfalls nach Durchlaufen eines Strahlteilers, in einer Splitoptik 207 als einem zweiten Abbildungsmittel optisch vervielfältigt, so daß vorliegend vier gleiche Bilder der Flamme F entstehen. Die einzelnen Strahlengänge treten durch optische Filter 209 oder Blenden hindurch. Alle vorliegend vier Strahlengänge werden auf getrennte Segmente 210 oder Fenster in der Aufnahmeebene von ein und demselben Aufnahmegerät 211 projiziert, so daß das hochortsauflösende Aufnahmegerät 211 vier räumlich voneinander getrennte, aber vollständige Bilder mit gleichem Inhalt erfaßt. Dem später genauer beschriebenen Aufnahmegerät 211 ist eine Auswerteeinheit A nachgeschaltet.
Die Filter 209 in den einzelnen Strahlengängen können als schmalbandige Interferenzfilter ausgebildet sein, mittels welcher der Multisensor 201 als ein hochortsauflösender (Mehrfach-)Quotientenpyrometer betrieben werden kann, das an einzelnen Stützstellen des Spektralbereichs ein integriertes Signal aufnimmt und in dessen Auswerteeinheit A eine pixelgenaue Verrechnung der gefilterten Bilder durch Quotientenbildung erfolgt. Die Filter 209 können auch spektral breitbandig ausgebildet sein, um das RGB-System einer hochortsauflösenden 3 -Chip-Farbkamera zu simulieren. In einer Abwandlung ist in einer Brennebene der abbildenden Optik ein holographisches Filter vorgesehen, welches zum einen die Bilder der Flamme vervielfacht, also die Splitoptik 207 ersetzt, und zum ande- ren die vorgenannte Filterung vornimmt, also die Filter 209 ersetzt.
Das Aufnahmegerät 211 ist ein CMOS-Highspeed-Chip mit elektronischer Auswerteeinheit, welcher pixelweise ansteuerbar ist und sichtbares Licht sowie infrarote und ultraviolette Strahlung in digitale Signale mit hoher Bildfolge umwandelt. Bei diesem Aufnah- megerät 211 ist innerhalb der Aufnahmeebene, welche auch gekrümmt sein kann, eine zweidimensionale Matrix von Pixeln angeordnet, beispielsweise ein Pixel- Array 231 von 1024x 1024 Pixeln. Die Pixel sind untereinander gleich ausgebildet, d.h. das Aufnahmegerät 211 ist in der Aufnahmeebene einheitlich strukturiert. Jeder Pixel stellt einen Einzelsensor dar. Die wahlfreie Adressierung des einzelnen Pixel des Aufnahmegeräts 211 ermöglicht ein Auslesen einzelner Pixel. Im gesamten Pixel- Array 231 des Aufnahmegeräts 211 oder in einem oder mehreren Segmenten 210 sind daher einzelne Bereiche definierbar, im folgenden als ROI 233 (region of interest) be- zeichnet. Bei vorgegebener Ausleserate eines einzelnen Pixels (typischerweise mehrere zig-MHz) kann eine Bildrate entsprechend dem Verhältnis der Gesamtfläche zur Größe des oder der ROI 233 erreicht werden, welche deutlich größer ist als die Vollbildrate (typischerweise einige zig fps, d.h. frames per second). Die Form und Anzahl der ROI 233 ist dem Einzelfall angepaßt. Im einfachsten Fall ist eine Gruppe von mehreren, direkt benachbarten Pixeln zu einer rechteckigen oder runden ROI 233 zusammengefaßt, jedoch sind auch regelmäßige Anordnungen isolierter ROI 233, Texturen mit Fehlstellen oder netzartige Strukturen mit Stützstellen möglich. Eine Änderung der ROI 233 kann auch dynamisch erfolgen, d.h. während des Betriebs des Multisensors 201, beispielsweise wenn verschiedene Untersuchungen zeitlich hintereinander erfolgen sollen.
Für ein orts-zeit-abhängiges Profil von Turbulenzen in der Flamme F beispielsweise ist innerhalb eines Segments 210 eine Verteilung mehrerer ROI 233 über die Flamme F sinnvoll, wobei die einzelnen ROI 233 gleichzeitig oder - aufgrund der bei gleichbleibenden Verbrennungsbedingungen weitgehend ortsstabil bleibenden Turbulenzzonen - nacheinander ausgelesen werden. Durch eine wahlweise Verwendung einer logarithmischen Kennlinie bei der Umwandlung der Strahlungsintensität in eine elektrische Kenngröße kann eine höhere Auflösung bei großen Helligkeitsunterschieden erreicht werden. Der Multisensor 201 kann somit auch für hochortsaufgelöste Untersuchungen hochdynamischer Vorgänge in der Flamme F, beispielsweise als Sensor für die Untersuchung von Turbulenzen, Kornspektren oder des Mischverhaltens von unterschiedlichen Phasenströmen eingesetzt werden, wobei die Weiterverarbeitung der Bilddaten aus den ROI 233 mittels einer FFT (pro Pixel), einer Time-Delay-Neuronal-Network-Analysis und/oder einer Joint-Time-Frequency-Analysis erfolgt. Die Kurven der Signale (jedes Pixels) können beispielsweise auf ein Funktionensystem von Wavelets abgebildet werden. Das Aufnahmegerät 21 1 kann intern als Standard-CMOS-Highspeed-Kamera ausgebildet sein, d.h. die Bildinformationen im Pixel-Array 231 werden ausgelesen, mittels eines Analog-Digital- Wandlers, im folgenden als ADC 235 bezeichnet, digitalisiert und von einem Treiber 237 direkt über eine digitale Schnittstelle (z.B. LVDS) zur Weiterverarbei- tung in eine Bildverarbeitungskarte eines externen Rechners als Auswerteeinheit A geschrieben. Die Auswerteeinheit A, beispielsweise ein herkömmlicher Personalcomputer, nimmt dann die Bildverarbeitung vor. Die Steuerung des Aufnahmegeräts 211 erfolgt intern durch eine Steuereinheit 239 mit Mikroprozessor, die über eine Standardschnittstelle (z.B. RS232/485) extern ansteuerbar ist. Für ein Video-Live-Bild der Flamme F wird ein Segment 210 des Pixel-Arrays 231 ausgewählt.
Das Aufnahmegerät 21 1 kann in einer Variante intern als CMOS-Highspeed-Kamera mit Bildvorbearbeitung ausgebildet sein. Zunächst werden die aus dem Pixel-Array 231 ausgelesenen Bilddaten vom ADC 235 umgewandelt und dann in einen Bildspeicher 241 geschrieben. Ein Digitaler Signalprozessor, im folgenden als DSP 243 bezeichnet, kann sowohl jede Art von Bildverarbeitung der Daten aus dem Bildspeicher 241 durchführen als auch die ROI 233 definieren, über eine Standardschnittstelle die Ergebnisse der Bildverarbeitung an die Auswerteeinheit A ausgeben und die externen Steuersignale empfangen, und für ein Live-Bild der Flamme F den Bildspeicher 241 entsprechen der CCIR- Norm auslesen und über eine Videosignal-Schnittstelle 245 ausgeben.
In Bezug auf die hardwaremäßige Ausgestaltung können beispielsweise das Pixel-Array 231 und der ADC 235 oder das Pixel-Array 231, der ADC 235 und der DSP 243 auf dem gleichen Chip untergebracht sein. Es sind auch andere Integrationsmöglichkeiten denk- bar.
Bei beiden Kameratypen sind außer dem Live-Bild, der Pyrometrie und den Turbulenzuntersuchungen mittels der voneinander unabhängig ansteuerbaren Segmente 210 des Aufnahmegeräts 211 noch weitere Daten über thermische und spektrale Verhältnisse des Verbrennungsprozesses ermittelbar, d.h. das Aufnahmegerät 211 kann - gleichzeitig in verschiedenen Segmenten oder zeitlich alternierend - unterschiedliche Prozeßparameter, Kenngrößen oder Zustandsvariablen des Verbrennungsprozesses erfassen, und zwar räumlich und zeitlich hochaufgelöst. Die Auswertung dieser Kenngrößen in der Auswerteeinheit A erfolgt beispielsweise mittels eines implementierten neuronalen Netzes.
Der Multisensor 201 bildet einen Teil eines Regelkreises, bei dem Auswertung der gemessenen Kenngrößen, vorzugsweise über einen zentralen Rechner C, zur Steuerung der Stellvorrichtungen V des Kessels K verwendet wird, beispielsweise der Primärluftzufuhr oder der Kohlezufuhr. Der Verbrennungsprozeß kann dann optimal geregelt werden, bei- spielsweise in Hinblick auf geringe Schadstoffemissionen oder einen hohen Wirkungsgrad.
Der Multisensor 201 ist auch als Flammenwächter einsetzbar. Hierzu wird beispielsweise ein vertikales, schmales ROI 233, auf welchem näherungsweise eine durchschnittlich große Flamme über ihre gesamte Höhe hinweg abgebildet wird. Wie im Falle eines herkömmlichen, punktförmig arbeitenden Flammenwächters schaltet der Multisensor 201 die Anlage bei fehlendem Flammenbild ab, jedoch sind aufgrund der Definitionsmöglichkeit eines länglichen ROI viel weniger Einzelgeräte notwendig. Der Multisensor 201 ist „eigensicher", d.h. er schaltet bei einem eigenen Defekt ab. Hierzu ist beispielsweise eine Diode vorgesehen, welche den Stromfluß im Chip prüft.
Ein beispielhafter Einsatz des Multisensors 201 bei einem Zementofen K ist im folgenden beschrieben. Im Zementofen K ist während des Brennvorgangs eine Flamme F vorhanden. Das Boroskop 205 (oder eine andere Abbildungsvorrichtung) bildet ein Bild der Flamme F auf den außerhalb des Zementofens K angeordneten Multisensor 201 mit seinem oben beschriebenen, digitalen Aufnahmegerät 211 mit den einzeln adressierbaren und auslesbaren Pixeln ab. An den Multisensor 201 ist ein Rechner C angeschlossen, welcher die Signale des Aufnahmegeräts 211, im folgenden als Kamerabilder bezeichnet, verarbeitet. Für die Verarbeitung werden im Kamerabild Bildpunkte definiert, welche in der Regel jeweils einem der Pixel entsprechen, aber auch eine Gruppen benachbarter Pixel sein kann. Der Rechner C filtert das zu einem bestimmten Zeitpunkt erfaßte Kamerabild, im folgenden als Frame Bl bezeichnet, indem die einzelnen Bildpunkte des Frames Bl drei digitalen Filtern unterworfen werden. Der Rechner C wirkt also als digitale Filtervorrichtung. Die drei digitalen Filter sind mit UND-Bedingungen verknüpft, um kurzfristige Störungen des Bildes der Flamme F, beispielsweise Staubwolken S oder Rauchschwaden zwischen der Flamme F und dem Boroskop 205, zu eliminieren. In einem ersten Filter (Helligkeits-Filter) wird mittels eines Schwellwertes eine Mindesthelligkeit geprüft. In einem zweiten Filter (Bewegungs-Filter) werden Bewegungen von Störungen über benachbarte Pixel zu aufeinander folgenden Zeitpunkten hinweg eliminiert. In einem dritten Filter (Trübungs-Filter) wird durch Berechnung einer Entropie eine Trübung erfaßt. Die Bildpunkte, welche nicht alle drei Filter passieren, werden verworfen.
Von dem Frame B 1 verbleiben daher - je nach Umfang der Störungen - nur einige gefilterte Bildpunkte BL, also ein gefilterter, lückenhafter Frame. Diese Bildpunkte B 1 ' werden mit den zum nächsten Zeitpunkt erfaßten und gefilterten Bildpunkten B2', d.h. dem nächsten gefilterten Frame, kombiniert, bis sich nach gegebenenfalls mehreren dieser Kombinationen ein möglichst geschlossenes Endbild ergibt, im folgenden als gefiltertes Bild BE bezeichnet. Die Anzahl der dafür notwendigen Frames hängt von der gewünschten Auflösung und dem Verhältnis zwischen der charakteristischen Zeitskala für die Änderungen der Flamme und der charakteristischen Zeitskala der Änderungen der Störungen ab, kann aber auch willkürlich festgelegt werden. Da das Aufnahmegerät 211 eine sehr hohe Folge von Frames liefern kann, beispielsweise einige Hundert pro Sekunde, kann der Rechner C in der Regel mehrere gefilterte Bilder BE pro Sekunde mit ausreichender Auflösung erzeugen.
Der Rechner C verarbeitet das gefilterte Bild BE weiter, indem dessen Punkte einer Thermograpie-Untersuchυng unterworfen werden. Zusätzlich kann das gefilterte Bild BE für eine visuelle Überwachung auf einen Monitor M gegeben werden. Der Rechner C wird zugleich auch zur Regelung des Brennvorgangs mittels des implementierten neuronalen Netzes eingesetzt, wofür er mit den verschiedenen Stellvorrichtungen V verbunden ist, welche er zur Änderung von Stellgrößen ansteuert.
Eine zweite beispielhafte Meßvorrichtung zur Flammenbeobachtung während eines Verbrennungsprozesses ist im folgenden ebenfalls als Multisensor 1 bezeichnet. Der Multisensor 1 weist ein Gehäuse 3 auf, welches auf seiner Außenseite mit verschiedenen Anschlüssen versehen ist. Am Multisensor 1 ist ein Boroskop 5 angeschlossen, dessen vom Multisensor 1 abgewandtes Ende durch die Wand eines Kessels K oder dergleichen ge- steckt und innerhalb desselben angeordnet ist. Die im Boroskop 5 enthaltene Abbildungsoptik bildet die Strahlung einer Flamme F, welche im Kessel K während dessen Betrieb entsteht, in das Innere des Gehäuses 3 des Multisensors 1 ab. Der Multisensor 1 selber ist mit einem gewissen Abstand soweit außerhalb des Kessels K angeordnet, daß keine spezielle Kühlung für den Multisensor 1 notwendig ist.
Die durch das Boroskop 5 in den Multisensor 1 einfallende Strahlung wird in einem Strahlteiler 7 geteilt. Ein Teil der einfallenden Strahlung tritt durch den halbdurchlässigen Spiegel des Strahlteilers 7 und durch eine dahinter angeordnete, steuerbare, erste Blende 9 hindurch und fällt in eine Videokamera 11 als Aufnahmegerät, im Ausführungsbeispiel eine 3-Chip-CCD-Kamera. Das Signal der Videokamera 11, im folgenden als Videosignal bezeichnet, wird zum einen durch einen ersten Videoausgang 13 aus dem Gehäuse 3 heraus zu einem Bildschirm M geführt, welcher ein Live-Bild darstellt. Zum anderen wird das Videosignal durch einen zweiten Videoausgang 15 aus dem Gehäuse 3 heraus zu einer Thermographieeinheit T geführt, wo die Temperatur der Flamme F bestimmt wird. Zur Kalibrierung kann vorab von einem innerhalb oder außerhalb des Multisensors 1 angeordneten Farbstrahler 17 über den Strahlteiler 7 ein monochromatischer Strahl in die Videokamera 11 geleitet werden, welcher dann als Referenz für die Temperaturbestimmung dient. Dieser Strahl kann im Falle einer ständigen Überwachung auch zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit der Bauteile des Multisensors benutzt werden, d.h. als eine Art Testbild für eine „Eigensicherung". Ein anderer Teil der in den Strahlteiler 7 einfallenden Strahlung wird vom halbdurchlässigen Spiegel reflektiert und gelangt durch eine steuerbare, zweite Blende 19 in eine Glasfaserkamera 21. Die Glasfaserkamera 21 gleicht vom Aufbau der Optik her einer Videokamera, hat jedoch in der Bildebene anstelle der lichtempfindlichen Schichten eine Matrix 23 mit den Enden mehrerer Glasfasern 25. Das Bild der Flamme F wird so ortsaufgelöst auf die Glasfasern 25 übertragen. Etwa die Hälfte der Glasfasern 25 ist zu einer Spektrometereinheit S geführt, wo das Signal jeder einzelnen Glasfaser 25 in einem frei wählbaren Spektralbereich (infrarot bis ultraviolett) spektral hoch aufgelöst wird, bei- spielsweise on-line in individuellen Spektrometern. Aus den durch das Verhältnis von Absorption und Emission bestimmten Spektren können verschiedene Informationen gewonnen werden, welche vorliegend (hoch) ortsaufgelöst sind. Alle Spektren werden zur gleichen Zeit für verschiedene Orte erstellt und können somit instationäre Vorgänge abbilden.
Die andere Hälfte der Glasfasern 25 dient der Analyse der Verwirbelungen (Turbulenzen) im Kessel K, und wird daher zu einer Auswerteeinheit A geführt, wo beispielsweise die Glasfasern 25 zusammengeführt werden und das gemeinsame Signal zeitlich hochaufgelöst detektiert wird, um mittels einer Time-Delay-Neuronal-Network-Analysis und/oder einer Joint-Time-Frequency-Analysis weiterverarbeitet werden zu können. Die Kurven der Signale können beispielsweise auf ein Funktionensystem von Wavelets abgebildet werden.
Der Multisensor 1 , die Thermographieeinheit T, die Spektrometereinheit S und die Aus- werteeinheit A sind mit einer Rechnereinheit C verbunden, welche die entsprechenden Auswertungen der gemessenen Prozeßparameter vornimmt, beispielsweise mittels eines implementierten neuronalen Netzes, und zur Regelung des Verbrennungsprozesses im Kessel K über eine Rückkopplung R die Stellvorrichtungen des Kessels K betätigt, beispielsweise ein Ventil V für die Primärluft. In einer abgewandelten Ausfuhrungsform sind anstelle der hoch orts- und hoch spektral auflösenden Spektrometereinheit S mit einzelnen Spektrometern an den Enden der Glasfasern Dioden vorgesehen, welche mit einer Abtastfrequenz von beispielsweise bis zu 2 kHz - und gegebenenfalls unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit - ein hoch orts-, hoch zeit- und gering spektralaufgelöstes Signal aufnehmen, um beispielsweise Kurvenformen zu ermitteln. Die Kurven können beispielsweise ebenfalls auf ein Funktionensystem von Wavelets abgebildet werden. In einer weiter abgewandelten Ausführungsform ist anstelle der Spektrometereinheit S ein n-dimensionales Pyrometer vorgesehen, das an jedem Glasfaserende ein integriertes Signal aufnimmt und zueinander ins Verhältnis setzt, so daß der Spektralbereich nur durch einzelnen Stützstellen erfaßt wird. Die Technologie der Glasfaserkamera 21 ermöglicht es, daß in weiteren, abgewandelten Ausführungsformen zugleich Spektrometer, Dioden, Pyrometer und/oder hoch zeitauflösenden Sensoren in beliebig wählbarer Verteilung an die Glasfasern 25 angeschlossen werden können, und zwar an benachbarte Glasfasern und/oder über Verzweigungen, um eine den Bedürfnissen angepaßte Orts-, Zeit- und Spektralauflösung zu erhalten.
Es ist auch möglich, anstelle der Videokamera 11 eine abgewandelte Kamera zu verwenden, die pixelweise so abfragbar ist, daß ein Teil der Pixel für die Detektion des Zeitverhaltens und der andere Teil für das Ortsverhalten verwendet werden können.
Das dritte Ausführungsbeispiel gleicht dem zweiten Ausführungsbeispiel in weiten Teilen. Als gleicher optischer Zugang ist anstelle des Boroskops 5 ein Glasfaserbündel 105 von einigen zig-Tausend Glasfasern 125 vorgesehen, von den ein Teil für räumliches Verhalten der zu beobachtenden Flamme, ein Teil für zeitliches Verhalten und ein Teil für spektrales Verhalten verwendet wird und wie im zweiten Ausführungsbeispiel entsprechenden Meß- und Auswertegeräten zugeführt wird, wobei der Strahlteiler 7 entfällt. Die beim zweiten Ausführungsbeispiel genannten Abwandlungen sind auch beim dritten Ausführungsbeispiel möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Meßvorrichtung, insbesondere zur Flammenbeobachtung während eines Verbrennungsprozesses, mit wenigstens einem Aufnahmegerät (11; 21 1), Abbildungsmitteln (7; 205, 207), welche über einen optischen Zugang (5; 105; 205) das Bild des zu beobachtenden thermodynamischen Phänomens (F) erfassen und auf das Aufnahmegerät (11 ; 211) abbilden, dadurch gekennzeichnet, daß in Hinblick auf mehrere unterschiedliche, veränderliche Kenngrößen des thermodynamischen Phänomens (F) das Aufnahmegerät (1 1; 211) alleine - oder das Aufnahmegerät (11 ; 211) und wenigstens ein den gleichen optischen Zugang (5; 105; 205) benutzendes weiteres Aufnahmegerät (21) - mehrere Bilder des thermodynamischen Phänomens (F) jeweils unabhängig voneinander räumlich und zeitlich aufgelöst aufnimmt.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegerät (211) in der Aufnahmeebene (231) eine einheitliche Struktur aufweist.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegerät (211) das Bild des thermodynamischen Phänomens (F) in Hinblick auf unterschiedliche Kenngrößen des Verbrennungsphänomens (F) zeitlich abwechselnd oder mit verschiedenen Segmenten (110) der Aufnahmeebene (131) gleichzeitig mehrfach aufnimmt.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeebene (231) des digitalen Aufnahmegeräts (211) einzeln adressierbare und auslesbare Pixel aufweist, wobei innerhalb der Aufnahmeebene (231) einzelne Segmente (210) und/oder ROI (233) definierbar und gesondert auslesbar sind.
5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegerät (11; 211) sich innerhalb eines Gehäuse (3; 203) befindet, welches außerhalb eines das thermodynamischen Phänomens (F) umschließenden Raum (K) angeordnet ist, wobei gegebenenfalls vorhandene weitere Aufnahmegeräte (21) ebenfalls innerhalb des Gehäuses (203) angeordnet sind.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als optischer Zugang ein zwischen dem das thermodynamischen Phänomens (F) umschließenden Raum (K) und dem Gehäuse (3; 303) verlaufendes Glasfaserbündel (105) vorgesehen ist.
7. Meß Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmegerät (11 ; 211) oder das weitere Aufnahmegerät (21) das Bild des thermodynamischen Phänomens (F) jeweils sowohl hochortsaufgelöst einerseits als auch hochzeitaufgelöst und/oder hochspektralaufgelöst und/oder multi- spektralaufgelöst andererseits aufnimmt.
8. Meßvorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als weiteres Aufnahmegerät eine Glasfaserkamera (21) vorgesehen ist.
9. Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Glasfasern (25) der Glasfaserkamera (21) an wenigstens eine Spektrometereinheit (S) angeschlossen ist, um eine ortsaufgelöste Spektroskopie vorzunehmen, oder wenigstens ein Teil der Glasfasern (25) der Glasfaserkamera (21) an jeweils eine Diode angeschlossen ist, um eine orts- und zeitaufgelöste Detektion vorzunehmen, oder wenigstens ein Teil der Glasfasern (25) der Glasfaserkamera (21) an jeweils ein Pyrometer angeschlossen ist, um eine ortsaufgelöste Detektion vorzunehmen.
10. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (206) für Anregungen des thermodynamischen Phänomens in die Meßvorrichtung (201) integriert sind.
1 1. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtervorrichtung (C) wenigstens einzelne Bildpunkte des Kamerabilds (Bl) des Aufnahmegeräts (11; 211) filtert, wobei die gefilterten Bildpunkte (Bl ') zu einem bestimmten Zeitpunkt mit gefilterten Bildpunkten (B2") zu wenigstens einem benachbarten Zeitpunkt kombiniert werden.
12. Regelungsvorrichtung mit einer Meßvorrichtung (1 ; 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenigstens einer an die Meßvorrichtung (1 ; 201) angeschlossenen Auswerteeinheit (A; M, T, S) und einer Rückkopplung auf Stellvorrichtungen (V) eines das thermodynamische Phänomen (F) umschließenden Raumes (K), wobei die Regelung des thermodynamischen Prozesses in diesem Raum (K) mit Daten der Auswerteeinheit (A; M, T, S) erfolgt.
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