FI79622C - Foerfarande foer generering av i realtidsreglerparametrar med hjaelp av en videokamera foer roekgenererande foerbraenningsprocesser. - Google Patents

Description

79622

Menetelmä tosiaikaisten säätöparametrien muodostamiseksi videokameran avulla savua kehittävissä polttoreaktloissa Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä tosiaikaisten säätöparametrien muodostamiseksi videokameran signaalista savua kehittävissä poltto-reaktioissa.

Arinakattiloissa palamisprosessi on säädetty suoran videoka-mera-monitoriyhteyden välityksellä. Erityisesti palamisprosessien seuraamiseen tarkoitettu mustavalko-videokamera on asennettu kattilan seinään. Erikoisrakenteista videokameraa kutsutaan tässä yhteydessä usein tulipesäkameraksi. Videokamerasta saatu videosignaali on sellaisenaan johdettu monitoriin ja saadun kuvan perusteella on tehty tarvittavat arina-kattilan säätötoimenpiteet, kuten hydraulisesti liikuteltavan arinan säätö tai tulevan ilman määrän säätö. Videokuvasta on pyritty määrittelemään liekkirintaman paikka, joka on tärkein säätöparametri, sekä mahdolliset kraaterit polttoai-nepatjassa, jotka aiheuttavat epätasaisen ilmavirtauksen.

Soodakattiloissa polttoprosessia seurataan myös videokameralla, mutta pääasiallisin informaatio saadaan ilmansyöttö-aukkojen kautta.

Tunnetun tekniikan epäkohtana on se, että suorasta videoyhteydestä saatava kuva on varsin epämääräinen liekkien liikkeen satunnaisuuden vuoksi. Myös savunmuodostus häiritsee kuvaa voimakkaasti. Niinpä suorasta videokuvasta saatu sää-töinformaatio on lähinnä viitteellistä, eikä se mahdollista tehokasta palamisprosessin säätöä.

Soodakattiloissa videokuva antaa varsin vähän informaatiota, koska polttoprosessin lähettämästä säteilystä ei satu kovinkaan paljon näkyvän valon alueelle. Prosessin tarkkailu il-mansyöttörei’istä on hankalaa ja tällöin näkökenttään jää kuolleita pisteitä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uuden- 2 79622 tyyppinen menetelmä tosiaikaisten säätöparametrien muodostamiseksi videokameran avulla savua kehittävässä polttoreakti-ossa.

Keksintö perustuu siihen, että palamistapahtumaa seurataan videokameralla, jonka signaali digitoidaan, suodatetaan sopivasti ja janoitetaan taulukoksi digitalisoidun signaalin signaali jakautuman perusteella kuvan käsittelyä varten, jolloin janoitustaulukosta muodostetaan kuva, josta prosessin säätöön tarvittava liekkirintaman sijainti on paikallistettavissa kuvien keskiarvoistuksen perusteella.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukaisella menetelmällä saatu kuva on käytännössä kaksiulotteinen taulukko, joka kertoo polttoainepedin lämpötilajakautuman lyhyen ajan keskiarvon, jolloin kuvasta on helppo paikallistaa liekkirintaman sijainti, koko ja muoto. Koska laskentamenetelmä on nopea, kestää kuvan muodostus vain muutamia sekunteja, jolloin päästään tosiaikaiseen polttoprosessin säätöön. Menetelmällä aikaansaatuja kuvia voidaan verrata optimitilanteeseen ja näin helpottaa säätöä. Ajallisesti peräkkäisten keskiarvokuvien vertailulla voidaan ennakoida liekkirintaman etenemistä ja tehdä arviota palamisprosessin stabiilisuudesta.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellutusesimerkkien avulla.

Kuvio 1 esittää osittain halkileikattuna perspektiivikuvan-tona arinakattilaa, johon on asennettu tulipesäkamera.

Kuvio 2 esittää osittain halkileikattuna perspektiivikuvan-tona arinakattilan arinan rakennetta.

3 79622

Kuvio 3 esittää kaaviollisesti perinteistä polttoprosessin valvontalaitteistoa.

Kuvio 4 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaista polttoprosessin valvontalaitteistoa.

Kuvio 5 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaisen menetelmän lohkokaaviota.

«

Kuvio 6 esittää histogrammia tulipesäkameran kuvasta silloin, kun palaminen on esteettömästi näkyvissä.

Kuvio 7 esittää histogrammia tulipesäkameran kuvasta silloin, kun palamisen peittää savu tai höyry.

Kuvio 8 esittää yläkuvantona arinaa, jossa on palamisvyöhyk-keitä ja siitä muodostettua palamisvyöhykemallia.

Kuvio 9 esittää keksinnön mukaisen menetelmän näyttöruutu-formaattia.

Kuviossa 1 esitetty arinakattilan 15 palamistilanne on hyvin lähellä optimia. Polttoainepatja 13 palaa yhtenäisenä rintamana 14 kattilan arinan 16 alapäässä. Kuviosta 1 puuttuvat ei-toivotut kraaterit, joita saattaa syntyä polttoainepat-jaan 13, jos palamista tapahtuu muualla kuin patjan alapäässä. Kraaterit aiheuttavat sen, että kuviossa 2 näkyvä arinan alapuolelta tuleva ilmavirtaus 17 keskittyy kraatereihin ja tällöin polttoainepatjän 13 tasainen ilmansaanti estyy, ja tämä puolestaan johtaa patjan 13 epätasaiseen kosteuspro-senttiin.

Kuviossa 4 on esitetty yksinkertaistettuna keksinnön mukaiseen menetelmään liittyvän polttoprosessin valvontaelimet ja niiden väliset yhteydet. Tulipesäkameralla 12 saatu videosignaali johdetaan kuvankäsittely-yksikköön, jolla on yhteys sekä värimonitoriin 19, että kattilan 15 automaatiojärjestelmään. Automaatiojärjestelmästä on ohjauslinja kattilan 15 säätöön ja värimonitorille 19.

4 79622

Kuviosta 5 käyvät ilmi yksityiskohtaisesti keksinnön mukaisen menetelmän pääpiirteet. Ensimmäinen lohko kuvaa tulipe-säkameraa 12, jonka videosignaali johdetaan toiseen lohkoon, jossa tapahtuu kuvan digitalisointi, jossa analoginen videosignaali kvantitetaan tietyille tasoille, siirto kuvamuistiin, luku kuvamuistista tietokoneen työmuistiin siten, että kuvainforraaatiota karsitaan sopivasti. Informaatiota voidaan karsia jättämällä huomioimatta joka toinen piste ja joka toinen rivi menetelmän tehokkuuden kärsimättä. Käytetyssä menetelmässä tämä tarkoittaa erottelukyvyn pienentämistä 256*256 pisteestä 128*128 kuvapisteeseen. Toisessa lohkossa tapahtuu myös suodatus, jossa peräkkäisten kuvapisteiden vertailun avulla pienennetään peräkkäisten kuvapisteiden suuria intensiteettirauutoksia sekä ajallinen suodatus, jossa kunkin kuvapisteen arvoa verrataan kyseisen kuvapisteen ajallisesti edeltävään arvoon ja laskennallisesti pienennetään suuria muutoksia, jolloin vähennetään kipinöinnin ja savun aiheuttamia epätodennäköisen suuria muutoksia. Kolmannessa lohkossa tapahtuu kuvan tasoitus, jossa kuvan kontrasteja pienennetään. Näin kuvan '’ehostuksella" voidaan pienentää häiriöitä. Neljännessä lohkossa "ehostetusta" informaatiosta myöhemmin yksityiskohtaisemmin esitetyn janoituksen avulla etsitään numeerisesti halutut pisteet, joita tässä sovelluksessa ovat palamisalueita 1, 2 kuvaavat kuvapisteet. Lohkossa viisi tapahtuu kuva-analyysi, jossa kuvaa verrataan aikaisempiin kuviin ja optimitilanteeseen, jonka perusteella voidaan tehdä säätötoimenpiteet lohkossa kuusi. Lohkossa seitsemän annetaan kullekin intensiteettitasolle oma väri lohkon kahdeksan värimonitoria 19 varten, joka toimii katti-laoperaattorin tosiaikaisena valvontamonitorina.

Kun videosignaali on digitalisoitu, suodatettu ja muokattu edellä mainitulla tavalla, käytetään tehollista palamista edustavien alueiden määrittämiseen histogrammeja, joita esittävät kuviot 6 ja 7· Histogrammien avulla tapahtuva in-tensiteettitasojen määritys voi olla satunnaista, kalibroinnin luonteista, mutta käytännössä on osoittautuvut tarpeel- 5 79622 liseksi määritellä intensiteettitasot säännöllisesti esimerkiksi viiden minuutin välein. Kuvion 6 vaaka-akseli kuvaa kameran kuva-alkioiden intensiteettitiloja, jotka voivat saada 63 eri arvoa siten, että intensiteetti kasvaa vasemmalta oikealle. Pystyakselilla on kunkin intensiteettiarvon omaavien kuva-alkioiden prosentuaalinen osuus kuva-alkioiden kokonaismäärästä.

Histogrammin perusteella supistettu ja tasoitettu kuva kyn-nystetään palamisen kannalta oleellisten intensiteettitaso-jen mukaan. Kuvapisteen katsotaan kuuluvan tiettyyn intensi-teettitasoon jos sen intensiteettiarvo on yhtä suuri tai suurempi kuin tasolle määritelty alaraja ja pienempi tai yhtä suuri kuin tasolle määrätty yläraja. Kynnystämisen tulos esitetään janoitustaulukon avulla, jolloin samalla rivillä vierekkäin sijaitsevat samaan intensiteettitasoon kuuluvat pisteet muodostavat janan. Janoitustaulukko esitetään normaalisti TV-ruudussa, jolloin vaakariviä edustaa kuvaputken kuva-alkioista muodostuva vaakarivi. Janoituksen avulla käsiteltävä tietomäärä saadaan oleellisesti pienennettyä.

Janoitustaulukon perusteella määritellään kuvan yhtenäiset alueet. Yhtenäisellä alueella tarkoitetaan tässä yhteydessä aluetta, jonka vierekkäisten kuvapisteiden intensiteettiar-vot kuuluvat samaan intensiteettitasoon ja jonka ääriviiva sulkeutuu. Yhtenäinen alue voi myös sisältää reikiä, eli alueita,jotka eivät kuulu ko. tasoon.

Kuvioiden 6 ja 7 avulla käsitellään asiaa yksityiskohtaisemmin. Kuvion 6 histogrammi kuvaa tilannetta, jolloin koko pa-lamisrintama 14 on esteettömästi näkyvissä. Kuviossa 6 es-teettömästi näkyvää palamista edustavat ne kuvapisteet, joiden intensiteettiarvo on suurempi kuin histogrammin minimi-kohtaa 20 vastaava intensiteettiarvo 21. Kuvion 7 perusteella savun tai höyryn peittämää palamista edustavat ne kuva-pisteet, joiden intensiteettiarvo on suurempi, kuin intensiteettiarvo 22 ja pienempi kuin kuvion 6 intensiteettiarvo 23· Intensiteettiarvo 22 määritetään siten, että se on in- 6 79622 tensiteettiarvo, jota vastaava kuvapisteiden lukumäärän derivaatta intensiteetin suhteen muuttuu eniten ja joka sijaitsee kuvion 6 huipusta 23 oikealle olevasta käännepisteestä oikealle. Palamisalueita 1 edustavat edellä määritellyt ehdot täyttävien kuvapisteiden muodostamat yhtenäiset alueet, jotka määritellään ja tunnistetaan pinta-alan, pinta-alan painopisteiden koordinaattien ja pinta-alan pisteit-täin taltioidun ääriviivan mukaan. Lisäksi määritellään alueen sisäpuolella mahdollisesti olevien reikien pinta-alat, painopisteet ja reunaviivat.

Erityisesti arinapolton palamisaluetta 1 esittävästä kuviosta 8, jossa polttoaineen kulkusuuntaa kuvaa nuoli 26, määritellään palamisvyöhyke 1 ja sen sijainti seuraavasti: - kuva jaetaan polttoaineen siirtymissuunnan suuntaisiin palstoihin, joista yhtä esittää kuvion 8 vasemman puoleinen osa, - lasketaan edellä määriteltyihin palamisalueita 1, 2 edustaviin kahteen intensiteettiluokkaan kuuluvien kuvapisteiden pinta-alat ja saatujen pinta-alojen painopisteiden koordinaatit, jolloin - palamisvyöhyke on palstalta löydetty jompaa kumpaa palamisaluetta edustavaa intensiteettitasoa edustava pinta-ala, jonka leveys on palstan suuruinen ja joka on todellisen pinta-alansa kokoinen, palstan suuntaisen painopisteensä 25 suhteen symmetrisesti sijaitseva suorakaide.

Ajallisesti tehollista palamista edustaa 1-2 minuutin ajalta peräkkäisistä kuvista laskettujen palamista edustavien pinta-alojen mediaanipinta-ala. Palamisalueiden siirtymisnopeus ja -suunta määräytyy mediaanipinta-aloja vastaavien painopisteiden ajallisesti peräkkäisistä arvoista lasketun regressiosuoran kulmakertoimen arvosta. Palamisen stabiilisuut-ta edustaa peräkkäisistä kuvista muodostuvan pinta-alasarjan 7 79622 pinta-alojen standardipoikkeaman suhde pinta-alojen keskiarvoon. Pieni värähtely merkitsee vakaata ja hyvää palamista, kun taas suuri värähtely merkitsee häiriöitä palamisessa. Palamista edustavien intensiteettialueiden pinta-alojen suhde alueiden yhteenlaskettuun pinta-alaan korreloi polttoaineen laadun kanssa.

Kuviossa 9 on esitetty, kuinka edellä kerrotut polttamisen tunnusmerkit on formatoitu monitoria varten, jota käytetään näyttölaitteena keksinnön mukaisessa menetelmässä. Alueet 1 edustavat palstalla olevan kuumimman vyöhykkeen pinta-alaa ja siten palamisvyöhykettä. Vyöhykkeen painopiste pystysuunnassa on vyöhykkeen keskellä. Alueet 2 kuvaavat alemman intensiteetti tason palamisvyöhykkeitä. Alue 9 kuvaa polttoai-nevyöhykettä. Alue 6 kuvaa varsinaisen liekkirintaman 14 ulkopuolista paloaluetta. Kohdassa 7 polttoainematon reuna on pysäytetty kohtaan, jossa on viimeksi ollut palamista. Janat 3 kuvaavat palamisalueiden painopisteiden ennakoitua sijaintia muutaman minuutin kuluttua. Valkoinen alue 10 kuvaa tuhkaa.

Samaa menetelmää voidaan käyttää myös soodanpoltossa. Soodakattilan lämpötilanvalvontaan menetelmä soveltuu hyvin, sillä lämpötilaerot ovat samaa suuruusluokkaa. Soodakattilassa kamera voidaan sijoittaa esimerkiksi primääri- tai sekundää-ri-ilmanottoaukkoon, jolloin myös soodakeon muodon tarkkailu on mahdollista. Soodakattilan säteilyn aallonpituuden vuoksi kamerana on edullista käyttää infrapunakameraa.

Claims (2)

1. Menetelmä tosiaikaisten säätöparametrien muodostamiseksi videokameran avulla savua kehittävissä polttoreaktioissa, jossa menetelmässä - muodostetaan videokameralla (12) videosignaali, - digitalisoidaan videosignaali, - suodatetaan digitalisoitu videosignaali aika- ja paikkakoordinaatistossa, - keskiarvoistetaan peräkkäisiä kuvia satunnaisten häiriöiden eliminoimiseksi, - esitetään keskiarvoistettu kuva näyttölaitteella, tunnettu siitä, että - digitalisoitu videosignaali jaetaan signaalita-sojakautumansa perusteella signaali-osa-alueisiin käsiteltävän informaatiomäärän pienentämiseksi, - muodostetaan samaan osa-alueeseen kuuluvista ku-vapisteistä yhtenäiset kuva-alueet, jotka kukin kuvaavat tiettyä signaalitasoa, ja - yhdistetään osa-alueet yhtenäiseksi kuvaksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että digitalisoitu videosignaali jaetaan osa-alueisiin siten, että häiriöilleen ja häiriöttömän videosignaalin signaali jakautumien tunnuslukujen avulla määritellään palamista kuvaavat signaali-osa-alueet. 9 79622

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan vähintään yksi videosignaalin intensiteettijakautumaa kuvaava histogrammi, jonka perusteella supistettu ja tasoitettu kuva kynnystetään palamisen kannalta oleellisten intensiteettitasojen mukaan.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, jossa muodostetaan kaksi histogrammia, tunnettu siitä, että ensimmäinen histogrammi muodostetaan esteettömasti näkyväään palamiseen perustuvan signaalin intensiteetti jakautuman pohjalta ja toinen histogrammi savun tai höyryn peittämään palamiseen perustuvan signaalin intensiteettijakautuman perusteella, jolloin histogrammeista määritellään minimi- (20) ja maksimiarvojen (24), kuvapisteiden lukumäärän intensiteetti-derivaatan sekä käännepisteiden mukaan ne intensiteettita-sot, joiden perusteella palamisalueet (1, 2) ovat määriteltävissä. (kuviot 6 ja 7)

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmää käytetään arinakat-tilan säädön apuna.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmää käytetään soodanpoltossa säädön apuna . 1 Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasketaan 1-2 minuutin ajalta peräkkäisistä kuvista palamista edustavien pinta-alojen (1, 2) mediaanipinta-ala ajallisesti tehollisen palamispinta-alan määrittämiseksi. 10 79622 X. Förfarande för generering av realtidsreglerparametrar med hjälp av en videokamera för rökgenererande förbrännings-processer, enligt vilket förfarande - en videosignal genereras medelst en videokamera (12), - videosignalen digitaliseras, - den digitaliserade videosignalen filtreras med avseende pä sinä tids- och platskoordinater, medelvärdet bildas för de efter varandra följande bilderna för att eliminera effekten av slumpmässiga störningar och - den medelvärdesbildade bilden visas pä en bild-ätergivningsenhet, kännetecknat av att - den digitaliserade videosignalen uppdelas pä basis av sin signalniväfördelning i signalsub-omräden för att reducera mängden information som skall behandlas, - av de bildelement som hör tili samma subomräde bildas enhetliga bildomräden, vart och ett av vilka motsvarar en speciell signalnivä och - subomrädena kombineras tili en integrerad bild.

2. Förfarande enligt patentkrav l, kännetecknat av att den digitaliserade videosignalen uppdelas i sub-omräden, sä att de karakteriserande variablerna för signal-fördelningarna hos en videosignal med och en utan störningar utnyttjas för att definiera de signalsubomräden som repre-senterar förbränningsprocessen.