IT9012470A1 - Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma"

RIASSUNTO

L' oggetto della presente invenzione è costituito da dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma.

Il dispositivo secondo l' invenzione comprende:

(a) una telecamera a colori (10), per la ripresa di un' immagine della fiamma da mappare, atta a generare un segnale significativo delle componenti cromatiche dell' immagine, eventualmente attraverso un decodificatore (12);

(b) un' unità di controllo (22), associata ad un componente funzionale (22.1) atto a generare, a partire dall' immagine rilevata dalla telecamera, un vettore significativo delle temperature dell' immagine mediante l' applicazione della pirometria bicolore (fig. 3).

TESTO DELLA DESCRIZIONE

L' oggetto della presente invenzione è costituito da un dispositivo per la mappatura tridimensionale di una fiamma ed in particolare per la mappatura di una o più fiamme dei bruciatori di una caldaia.

I processi industriali sono controllati a partire da parametri di tipo globale (potenza erogata, pressione, etc.) Possono esistere più condizioni di impianto capaci di fornire gli stessi valori delle grandezze di interesse che ottim izzino contemporaneamente le sollecitazioni dell'impianto o eventualmente altri parametri accessori quali ad esempio, nel caso delle caldaie, la produzione di inquinanti. Gli studi relativi al sistema 3D-map, mappatura tridimensionale, si inseriscono in questo filone dello sviluppo tecnologico che mira ad una più completa conoscenza e/o controllo dei parametri di interesse per la condotta di una caldaia.

Le applicazioni attualmente prevedibili per un sistema di caratterizzazione della fiamma si articolano su due filoni principali, il primo destinato allo studio, sviluppo e aiuto alla progettazione e installazione di bruciatori, il secondo destinato prevalentemente all'esercizio degli impianti con la capacità di seguirne anche le evoluzioni.

Occorreranno quindi risultati con rilevante grado di dettaglio ad uso dei progettisti o dei tecnici della combustione per soddisfare al meglio le esigenze del primo filone di utenti.

Per soddisfare invece le esigenze del secondo gruppo di utenti si tenderà ad evidenziare il minimo numero di dati significativi, come ad esempio temperature massime oppure volume delle zone interessate a temperature superiori a un limite prefissato, ovvero parametri statistici che diano un'idea della stabilità della fiamma.

Le principali applicazioni prevedibili possono essere impianti termoelettrici a combustibile liquido.

E' verosimile che ci sia interesse anche in altri casi quali: processi MHD, forni industriali (siderurgia) e probabilmente anche turbine a gas. In particolare, si possono identificare i due seguenti filoni applicativi di maggiore interesse. - mappatura termica off-line e misure non termiche; - mappatura termica continua in tempo reale durante il funzionamento della caldaia.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare tale mappatura termica della fiamma attraverso immagini riprese da almeno una telecamera digitalizzate ed elaborate da una unità di controllo.

Nel primo filone sopraindicato, il sistema di telerilevamento ed elaborazione digitale di immagini si configura come uno strumento di indagine utilizzabile dalla fase di studio a quella di esercizio. Questo, durante la fase di studio, può servire per indagini termiche e fluodinamiche a livello di prototipo per lo sviluppo di bruciatori di nuova concezione. Durante la fase di installazione può servire per la messa a punto ottimale dei bruciatori durante le prove. In esereizio, infine, ha la possibilità di memorizzareimmagini e/o mappe di temperatura opportunamente mediate e di confrontarle con dati analoghi da considerarsi vere e proprie firme dell'impianto.

L'elaborazione consente:

- la mappatura term ica;

- la visualizzazione ed evidenziazione dei moti turbolenti della fiamma.

E' prevista inoltre la ricerca di eventuali correlazioni empiriche fra le caratteristiche estraibili dall'immagine e quantità di NOx generato dalla fiamma, allo scopo di sviluppare un ulteriore strumento di indagine per ottimizzare sia il progetto sia la regolazione dei bruciatori rispetto all'emissione di inquinanti.

Il secondo filone infine ha lo scopo di fornire ad un operatore indicazioni sull'andamento della combustione e sulla qualità della fiamma dei vari bruciatori. In prospettiva può essere visto come un pr imo passo verso il controllo ottimale dell'impianto se associato ad un controllo differenziato dei singoli bruciatori o di gruppi di bruciatori.

Sono riportati qui di seguito i principi fisici che stanno alla base del funzionamento del dispositivo secondo l' invenzione.

I metodi ottici di rilevazione della temperatura della fiamma sono:

- pirometria monocolore:

- pirometria bicolore.

Nel primo si utilizza la legge di Stefan-Boltzmann che stabilisce il legame fra l'energia radiante emessa da un corpo (indicata con W) con la sua temperatura (indicata con T), ovvero:

in cui è la costante di Stefan-Boltzmann, mentre è rappresenta l emissività del corpo.

La pirometria monocolore è sostanzialmente inapplicabile alle fiamme in quanto la loro emissività non è nota e comunque varia da punto a punto e nel tempo. Si è verificato sperimentalmente che le fiamme ottenute utilizzando nafta e olio combustibile si comportano, dal punto di vista dell'emissione luminosa, come corpi grigi con emissività in accordo al la legge di Planck salvo deviazioni nel blù molto probabilmente associate a reazioni chimiche.

La pirometria bicolore consiste nella rivelazione delle intensità luminose in due distinte lunghezze d'onda. Ammettendo che l'emissività sia indipendente dalla lunghezza d'onda é possibile ricavare univocamente la temperatura tramite il rapporto fra le intensità luminose nelle due lunghezze d'onda, come indicato schematicamente dalle figure 1 e 2.

Partendo dalla nota relazione di Planck

dove:

Ελ “ emissione luminosa

ε =assorbimento l/m

λ = lunghezza d'onda um

C1 = 3.745 * 10-16 w*m2

C2 = 1.4338 * 10-2 "K*m T temperatura “K Valutandola per due distinte lunghezze d'onda λ 1, λ2 in cui si assumono costanti l'assorbimento e la temperatura) e trascurando il termine (- 1) si ottiene facilmente la temperatura:

Il campo di lunghezze d'onda per le quali la fiamma é un corpo almeno approssimativamente grigio corrisponde al visibile.

E' quindi possibile impiegare telecamere a colori di normale produzione, utilizzando per la pirometria soltanto i canali del rosso e del verde, in quanto l'emissione di luce blù delle fiamme è scarsa e dovuta prevalentemente a fenomeni chimici.

Una misura condotta con questa tecnica ha dunque due punti di forza perchè:

- prescinde dai valori assoluti delle luminosità; - non richiede la conoscenza dell'emissività della fiamma.

L' oggetto della presente invenzione è costituito da un dispositivo che, sulla base dei principi fisici sopra esposti, consenta la mappatura tridimensionale di una o più fiamme.

In particolare lo scopo del dispositivo rivendicato è quello di acquisire dati, ovvero immagini di fiamme, su cui effettuare elaborazioni riguardanti essenzialmente:

- medie temporali,

- calcolo di temperature nelle varie zone della fiamma,

- rilievo di grandezze di interesse per la caratterizzazione delle fiamme (contrasti locali, gradienti di luminosità), - filtraggi.

Il dispositivo secondo l' invenzione comprende essenzialmente una telecamera a colori, un opportuno numero di componenti funzionali per l' acquisizione ed il trattamento delle immagini, un calcolatore per la gestione delle informazioni raccolte, una memoria di massa per lo storaggio delle stesse ed almeno uno schermo per la visualizzazione dei comandi e delle immagini acquisite.

Le caratteristiche dell' invenzione sono riassunte,e schematizzate nelle rivendicazioni; gli oggetti e vantaggi della stessa risulteranno inoltre dalla descrizione che segue relativa a forme di esecuzione scelte a solo titolo di esempio con particolare riferimento alle allegate tavole di disegni in cui: - la figura 1 mostra gli spettri di emissione di una fiamma a varie temperature;

- la figura 2 è un ingrandimento del ramo ascendente di uno dì essi;

- la figura 3 rappresenta lo schema a blocchi del dispositivo rivendicato;

- la figura 4 rappresenta una possibile sistemazione della telecamera del dispositivo rivendicato per la mappatura delle temperature delle fiamme dei bruciatori di una camera di combustione.

la figura 5 rappresenta quattro immagini successive della stessa fiamma provenienti dalla telecamera;

- la figura 6 rappresenta la media di un opportuno numero di immagini successive del tipo di quelle rappresentate nella figura precedente con un diagramma della temperatura (indicato con linea tratteggiata) relativo alla sezione della fiamma corrispondente alla posizione della linea di base del diagramma;

- la figura 7 rappresenta l' uscita in falsi colori della mappatura termica della fiamma;

- la figura 8 mostra la stessa serie successiva di immagini di cui alla figura 5 in cui, con falsi colori, vengono rappresentati i gradienti termici della fiamma;

Le figure 1 e 2 sono già state descritte nella parte introduttiva della descrizione.

Con particolare riferimento alla figura 3 ed alle successive figure, con 10 è indicata una telecamera del tipo CCD a colori, e con 11 è indicato il relativo alimentatore.

Con 12 è indicato un decodificatore PAL che riceve il segnale della telecamera attraverso il cavo coassiale 13 che, in parallelo, è alimentato anche al video registratore 14 attraverso il cavo 15.

La funzione del video registratore 14 è quella di consentire differenti e successive visioni ed elaborazioni delle stesse immagini.

Con 16 è indicato un primo monitor connesso all' uscita del video registratore 14.

In uscita dal decodificatore PAL sono presenti quattro segnali 17, 18, 19 e 20, il primo dei quali costituisce un segnale di sincronismo, mentre i rimanenti tre contengono l' immagine scomposta nelle tre componenti cromatiche Rossa, Verde e Blu.

I segnali 18, 17 e 20 sono amplificati dall' amplificatore 21 e trasformati nei segnali 22, 23 e 24 che, assieme al segnale di sincronismo 17, sono alimentati ad una unità di controllo 30 cui è affidato il compito di svolgere le seguenti funzioni:

(a) - gestire un primo componente funzionale (22.1), atto a generare, a partire dall' immagine rilevata a mezzo della telecamera, un vettore significativo della temperatura dell' immagine, utilizzando i principi della pirometria bicolore;

(b) - gestire un secondo componente funzionale (22.2) atto a trasformare il citato vettore di temperatura in una mappatura termica, cioè in una immagine in falsi colori;

(c) - gestire un terzo componente funzionale (22.3) atto a generare un vettore rappresentativo dei gradienti di luminosità dell" immagine;

(d) - trasferire su un disco ottico 23 una parte o tutte le mappature termiche citate,

(e) - visualizzare le mappature termiche suddette su di un secondo monitor 24, dietro comando da una consolle non illustrata in dettaglio.

Inoltre il dispositivo prevede un quarto componente funzionale (22.4) atto a mediare un opportuno numero di immagini successive provenienti dalla telecamera ed un quinto elemento funzionale (22.5) atto a fi1trare le immagini provenienti dalla telecamera per mettere in evidenza vorticosità, turbolenze e, in generale, contrasti locali di luminosità.

Va notato che con la definizione di "mappatura termica" si intende un" immagine digitale i cui falsi colori siano legati alla temperatura della fiamma rilevata a mezzo della telecamera.

Il dispositivo rivendicato consente, attraverso il primo monitor 16 di visualizzare le immagini della fiamma oppure quelle registrate su 14.

Il secondo monitor 24 consente invece la visualizzazione delle immagini digitalizzate, da noi chiamate mappature termiche, che possono provenire dal decodificatore 12 e dall' unità di controllo 30 e che quindi possono essere confrontate con quelle visualizzate sul primo monitor 14.

Sul secondo monitor 24, oltre alle citate immagini provenienti direttamente dalla telecamera, possono evidentemente essere richiamate mappature precedenti già memorizzate sul disco ottico 23.

Per quanto riguarda i segnali 18, 19 e 20 ed i conseguenti segnali amplificati 22, 23 e 24 occorre precisare che, per l' applicazione della pirometria bicolore, è necessario il loro impiego limitatamente a due soli di essi.

Il segnale escluso è in generale il segnale rappresentativo del BLU i cui valori sono spesso influenzati da fenomeni chimici in atto all' interno della fiamma.

In fase applicativa, come mostrato in figura 4, la telecamera è sistemata in corrispondenza di una finestrella di vetro pirex 41 predisposta nella parete 40 della camera di combustione 42.

Il campo 43 della telecamera 10 sarà tale da abbracciare uno o più dei bruciatori 44 che si affacciano all" interno della camera 42.

Con l' installazione di almeno due camere, opportunamente disposte ed orientate è quindi possibile effettuare anche una mappatura termica differenziata di qualsiasi sezione trasversale di ogni singola fiamma della camera di combustione.

Il dispositivo di mappatura tridimensionale secondo l'invenzione si identifica attualmente come un utile strumento di diagnosi della combustione, con una flessibilità tale che le funzioni e le prestazioni offerte possono essere sensibilmente ampliate.

Il dispositivo si presta all'impiego di tecniche tomografiche di ricostruzione della temperatura, allo scopo di poter migl iorare ed affinare le prestazioni del sistema operante negli ambienti particolarmente rumorosi (fumo, fuliggine, gas vari, ecc.) ai quali è destinato;

Il dispositivo inoltre può sostituire integralmente gli attuali rivelatori di presenza fiamma. A tutt'oggi ogni bruciatore presente in caldaia deve essere dotato di un rivelatore che indichi, in modo affidabile, la presenza di fiamma. Poiché normalmente le caldaie operative, di potenza media intorno a qualche centinaio di megawatt, sono provviste di diverse decine di bruciatori, la sostituzione dei suddetti rivelatori comporta una sensibile riduzione dei costi del sistema di diagnosi e controllo:

- l'impiego di obiettivi a fibre ottiche consente la visione della camera di combustione da più punti di vista contemporaneamente usando una sola telecamera, qualora si presentasserò seri problemi di visione dovuti a fiamme parzialmente sovrapposte;

- il dispositivo si presta anche per l'effettuazione della regolazione di caldaia, richiudendolo ad anello sul regolatore dei bruciatori. Il dispositivo si identifica allora come un canale di misura inserito in un sistema di regolazione multivariabile ad anello chiuso.

Sebbene per ragioni descrittive la presente invenzione sia stata basata su quanto precedentemente descritto ed illustrato a solo titolo di esempio, molte modifiche e varianti possono essere apportate nella sua realizzazione; tali modifiche e varianti si intendono basate sulle rivendicazioni che seguono.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma caratterizzato dal fatto che esso comprende: (a) una telecamera a colori (10) per la ripresa di un' immagine della fiamma da mappare atta a generare un segnale significativo delle componenti cromatiche dell' immagine, eventualmente attraverso un decodificatore (12); (b) un' unità di controllo (22) associata ad un componente funzionale (22.1) atto a generare, a partire dall' immagine rilevata dalla telecamera, un vettore significativo delle temperature dell' immagine mediante l' applicazione della pirometria bicolore.
2. 2) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che esso comprende un secondo componente funzionale (22.2) atto a trasformare il citato vettore di temperatura in una mappatura termica, cioè in una immagine in falsi colori, secondo un codice prestabilito.
3. 3) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende almeno un monitor (16,24) per visualizzare l' immagine diretta proveniente dalla telecamera nonché la corrispondente mappatura predisposta dal calcolatore.
4. 4) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende un terzo componente funzionale (22.3) atto a generare un vettore rappresentativo dei gradienti di luminosità dell' immagine.
5. 5) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende un quarto componente funzionale (22.4) atto a mediare un opportuno numero di immagini successive provenienti dalla telecamera.
6. 6) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende un quinto componente funzionale (22.5) atto a filtrare l' immagine proveniente dalla telecamera per mettere in evidenza vorticosità, turbolenze e, in generale, contrasti locali di luminosità.
7. 7) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende due monitor (16,24) per visualizzare, col primo, le immagini dirette provenienti dalla telecamera e, col secondo, le corrispondenti mappature predisposte dal calcolatore.
8. 8) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende: - un video registratore (14) per la raccolta delle immagini dirette provenienti dalla telecamera (10), e preferibilmente anche: - un registratore digitale (23). ?) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta telecamera (10) è una telecamera tipo CCD; in cui tra detto decodificatore (12) e detto calcolatore (22) è inserito un amplificatore di segnale (21). 10) Dispositivo per la mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, secondo le rivend icazioni precedenti, sostanzialmente realizzato e posto in opera secondo quanto descritto ed illustrato.