JPH0743217A - 火炎温度を三次元的にマッピングするための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 少なくとも一つのデジタル化されたＴＶカメ
ラと制御ユニットによって処理された画像を得ることに
よりイメージ化された火炎温度を三次元的にマッピング
するための装置を提供することを目的とする。 【構成】 （ａ）復号器（１２）を任意的に通して、画
像色彩構成部分を示す信号を生成するように適合され、
マッピングされた火炎の画像を取るためのカラーＴＶカ
メラ（１０）、（ｂ）ＴＶカメラによって抽出されたイ
メージから、二色高温測定の適用により画像温度を示す
ベクトルを生成するように適合された機能構成部分（２
２．１）と関連する制御ユニット（２２）から構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明の主な事項は三次元的に火
炎をマッピング(mapping) するための装置であり、特に
ボイラーバーナーからの一つ又はそれ以上の火炎をマッ
ピングするための装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業処理は全体の広範な資質（電源出
力、圧力等）によって制御される。ある時には、システ
ムのストレス又は代わりにボイラーの例において、汚染
物質を放つような他の幾つかの補助的パラメータを最大
限に活用する量を与えることが可能なシステム状態が存
在するかもしれない。研究は、このボイラー動作に関す
るパラメータのより完全な知識そして又は制御に向けら
れた技術的発展上に適合する3D (三次元マッピング) に
関して行われた。

【０００３】現在、火炎を特徴とするシステムのための
予測可能な適用は二つの主な点を明確にしており、最初
の一つは研究、発展、そして設計のためそしてバーナー
の組み込みに向けられたものであり、第二は主にプラン
トの操作とそれらの発展に追従する能力に向けられたも
のである。

【０００４】従って、ユーザの最初のラインからの要求
に最大限応じるため、燃焼設計者や技術者に対して高レ
ベルな詳細結果を与えることが要求される。ユーザの第
二のグループからの要求に応じるために、あるものは最
大温度や先に決められた限界を越える温度によって影響
される領域の大きさ、又は火炎の安定性の概念を与える
静的パラメータのような最小数の重要なデータを代わり
に明らかにするのに資する。

【０００５】主に予測可能な適用は液体燃料の熱電気電
力プラントであるかもしれない。ＭＨＤ処理、産業炉
（治金学）、そして多分ガスタービンと同様そのような
他の場合にも又関連するかもしれない。特に、適用の二
つの主要なラインはオフライン熱マッピング及び非熱測
定とボイラーが動作中の連続実時間熱マッピングで認識
可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、少な
くとも一つのデジタル化されたＴＶカメラと制御ユニッ
トによって処理された画像を得ることを通してイメージ
化されるそのような火炎の熱マッピングを提供すること
である。

【０００７】先に指摘した始めのラインにそって、動作
の研究段階から使われるべく研究機器としてイメージ遠
隔検出とデジタル処理システムが構築される。研究段階
の間中、これは新設計のバーナーを改善するために試作
段階で熱そして液体ダイナミック研究作業を助けてもよ
い。装置段階の間は、試験中に最善の方法でバーナーの
調整を助けてもよい。最後に、動作において、それは画
像そして又は適合して平均化された温度パターンを記憶
でき、そしてそれらをプラントの適当なサインと思われ
る類似の情報と比較可能である。

【０００８】処理は熱マッピング、すなわち火炎の激し
い動作の表示及び明確化を可能にする。さらに提供され
るものは、より研究機器を改良しそして有害排気に対す
るバーナーの設計と調整の両方に最大限に活用するため
に、火炎によって発せられるＮＯｘの量をともなう画像
から抽出される特徴のあらゆる相関に対する調査性能で
ある。

【０００９】最後に、第二のラインはオペレータに燃焼
パターンと様々なバーナーからの火炎品質についての指
示を与えるよう指示される。全体的視野で、もし個々の
バーナーやバーナーセットの異なる制御と関連するなら
ば、プラントの最大有効制御への第一ステップとして理
解されてもよい。これ以降にリストされているのは本発
明装置の動作の基礎をなす物理原則である。

【００１０】火炎温度を検出する光学的方法は、 単色高温測定 二色高温測定 である。前者においては、本体からの放射エネルギー
（Ｗで示される）とその温度（Ｔで示される）間の関係
を規定するステファン−ボルツマンの法則が利用され、
すなわち Ｗ＝σεＴ⁴ ここで、σはステファン−ボルツマン定数、そしてεは
本体の放射率である。

【００１１】単色高温測定は実質的に火炎に適用不可能
である。なぜならそれらの放射率は知られておらず、そ
していずれにしても場所(spots) とオーバタイム（over
time)間の変化に拘束されるからである。ナフサや燃料
油を燃焼させることによって得られる火炎は、光放射の
見地から、化学反応との関連に非常に類似する青色への
転換を除いてはプランクの法則による放射率を有する灰
色本体として振る舞う。

【００１２】二色高温測定は二つの個別波長における輝
度を検出することから成る。放射率が波長に無関係であ
るとすれば、温度は図１と２において図式的に示されて
いるよに、二つの波長の明澄度（brilliancy) 比から一
義的に得ることができる。まず第一に、良く知られたプ
ランクの関係から、

【数１】 ここで、 Ｅλ＝光放射 ε ＝吸収 １／ｍ λ ＝波長 μｍ Ｃ１＝3.746*10^-16 Ｗ＊ｍ² Ｃ２＝1.4338*10 ^-2 °Ｋ＊ｍ Ｔ ＝温度 °Ｋ である。

【００１３】二つの個別の波長λ₁ 、λ ₂を計算し（吸
収と温度は一定と仮定）、符号（−１）を無視すること
によって、温度が容易に得られ、すなわち

【数２】

【数３】

【数４】

【数５】

【数６】 である。

【００１４】火炎が少なくとも程灰色本体である波長範
囲は可視帯に一致する。従って、標準カラーＴＶカメラ
を使うことが可能となり、火炎からの青色光放射は弱く
そして主に化学現象によるため、ちょうど赤色と緑色チ
ャネル高温測定に使われる。ゆえに、この技術を用いた
測定は二つの強力な点を有し、なぜならそれは絶対輝度
値に無関係で、それは火炎放射率の知識を全く必要とし
ないからである。

【００１５】本発明の主要な事項は、上記に議論した物
理法則に基づき、一つ又はそれ以上の火炎の三次元的マ
ッピングを提供できる装置である。特に、請求される装
置の目的は、時間平均、様々な火炎領域における温度計
算、火炎を特徴付ける点（局所的なコントラスト、輝
度）の量の抽出、フィルタリング、に関して根本的に処
理するための火炎をイメージ化できるデータを得ること
である。

【００１６】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明による装
置は、カラーＴＶカメラ、イメージ抽出と処理のため適
合する幾つかの構成部分、得られた情報を操作するため
の計算器、それらを記憶するための大容量メモリ、そし
て命令や得られたイメージを表示するための少なくとも
一つのスクリーンから基本的に構成される。本発明の特
徴は請求項で概念化され図式化される。すなわちその主
要事項と利益は、添付図面と特別の関連で単に例として
選ばれた実施例を含む以下の説明からより明確になる。

【００１７】

【実施例】図１と２は明細書の導入部分ですでに述べら
れている。図３を特に参照し、そして図によれば、１０
で示されているのはＣＣＤカラー形式のＴＶカメラであ
り、１１で示されているのはその電源供給である。１２
で示されているのはＰＡＬ復号器であり、ケーブル１５
を通してビデオレコーダ１４へ並列に与えられる同軸ケ
ーブル１３を通してＴＶカメラ信号を受信する。

【００１８】ビデオレコーダ１４は異なる連続した表示
と処理を提供する機能を与える。１６で示されるのはビ
デオレコーダ１４の出力に接続された第一のモニタであ
る。ＰＡＬ復号器は四つの信号１７，１８，１９そして
２０を出力し、その最初は同期信号であり、他の三つは
色彩構成部分、赤色、緑色そして青色に分けられた画像
を含む。

【００１９】信号１８，１９そして２０は増幅器２１に
よって増幅され、そして同期信号１７と結合して以下の
機能を与えるように動作する制御ユニット３０へ与えら
れる。すなわち、（ａ）二色高温測定の原理を用いて、
ＴＶカメラを用いて取られた画像から画像温度の重要な
ベクトルを生成するように適合された第一の機能構成部
分（２２．１）を制御すること、（ｂ）該温度ベクトル
を疑似カラー画像である熱マップに変換するように適合
された第二の機能構成部分（２２．２）を制御するこ
と、（ｃ）画像輝度等級を示すベクトルを生成するよう
に適合された第三の機能構成部分（２２．３）を制御す
ること、（ｄ）幾つか又は全ての該熱マップを光ディス
ク２３へ転送すること、（ｅ）詳細には示されていない
が、コンソールからの命令で該熱マップを第二のモニタ
２４上に表示すること。

【００２０】さらに、装置はＴＶカメラからの適当な数
の連続画像を平均化するように適合された第四の機能構
成部分（２２．４）、そして渦(eddies)、乱れ(turbule
nces) 、そして一般的には局所的な輝度コントラストを
達成するため、ＴＶカメラからの画像をフィルタするよ
うに適合された第五の機能素子（２２．５）を含む。
“熱マッピング”という語はデジタルイメージを意味
し、その疑似カラーはＴＶカメラにより検出される火炎
温度に結びつけられる。

【００２１】請求された装置は第一のモニタ１６を通し
て、火炎イメージや１４上に記録されたこれらのいずれ
かを表示できる。第二のモニタ２４は代わりに、熱マッ
プとして関連しそして復号器１２と制御ユニット３０を
通ったデジタル化されたイメージを表示でき、そして適
せんに第一のモニタ１４上に表示されたこれらと比較可
能である。第二のモニタ２４上で、光ディスク２３にす
でに記憶された先のマッピングが、ＴＶカメラによって
直接与えられた前記イメージに付加的に呼びだされても
勿論よい。

【００２２】信号２２，２３そして２４に関する限り、
二色高温測定の使用を可能にするにはそれらの二つだけ
が使われるべきであるということに注意すべきである。
残りの信号は一般に青色を示す信号で、その値はしばし
ば火炎内部で生じる化学現象によって影響をうける。現
実の実施において、図４に示されるように、ＴＶカメラ
は燃焼室４２の壁４０に与えられるパイレックスガラス
窓４１に置かれるであろう。

【００２３】ＴＶカメラ１０の視野範囲４３は室４２に
対面する一つ又はそれ以上のバーナー４４を包含するよ
うな範囲である。少なくとも二つの組み込まれ適当に配
置されそして狙いを定められたカメラを具備することに
よって、燃焼室内の各々個々の火炎のいかなる断面の異
なる熱マッピングも又可能になる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の三次元マッピング装置は入手可
能な機能と性能を明らかに拡張するに十分な適応性を具
備し、有用な燃焼トラブルシューティング装置であるこ
とが分かる。この装置はそれ自体それが使われる特に雑
音環境（煙、煤煙、様々なガス等）におけるシステム性
能を改良しそして洗練させるために、温度を再構築する
断層写真技術の使用に適している。

【００２５】さらに、この装置は全ての現在の火炎検出
器を置き換えることができる。ゆえに、ボイラー内の全
バーナーには信頼のおける方法で火炎の存在を検出でき
る検出器が与えられなければならない。なぜなら数百メ
ガワット近辺の中間出力の動作中におけるボイラーは数
十個のバーナーを装備するようになり、該検出器の代用
はトラブルシューティングと制御システムコストにおけ
る重大な減少をもたらすからである。

【００２６】光ファイバ対物レンズ(objectives)の使用
は、一部重複した火炎の連続検分問題の場合に一個のＴ
Ｖカメラにより一度に幾つかの角度から燃焼室の外観を
与える。この装置はさらにそれ自体バーナー調整器のル
ープに入れることによってボイラー設定適用に用いられ
る。装置は多変数閉ループ調整システムに接続された測
定チャネルになる。説明を明確にするために、本発明は
例のみにより先に述べられそして描かれてきたことに基
づいてきたが、多数の修正と変更がその実施に導入され
てもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】様々な温度における火炎の放射スペクトルを示
している。

【図２】それらの一つの上向脚部（leg)の拡大図であ
る。

【図３】請求される装置のブロック図である。

【図４】燃焼室のバーナーからの火炎温度をマッピング
するため、請求される装置のＴＶカメラの可能な設定を
示している。

【図５】ＴＶカメラからの四つの連続するその同じ火炎
を示している。

【図６】グラフの基線位置に対応する火炎のその部分に
関して温度グラフを用いて（破線で示されている）、先
の図で示されたこれらのタイプの適当な数の連続画像平
均を示している。

【図７】火炎の熱マッピングの疑似カラー出力を示して
いる。

【図８】図５の同じ連続する一連の画像を示しており、
そこでは疑似カラーが使われ、火炎熱等級が描かれてい
る。

【符号の説明】

１０…カラーＴＶカメラ １１…電源 １２…ＰＡＬ復号器 １３，１５…ケーブル １４…ビデオレコーダ １６，２４…モニタ １７…同期信号 １８，１９，２０…画像信号 ２１…増幅器 ２２…計算機 ２２．１〜２２．５…機能構成部分 ２３…光ディスク ３０…制御ユニット ４０…壁 ４１…パイレックスガラス窓 ４２…燃焼室 ４３…視野範囲 ４４…バーナー

フロントページの続き (72)発明者 パオロ ベレッチア イタリア国，16128 ジェノバ，ピアッツ ァ カリニャーノ，２，シー／オー アン サルド ソチエタ ペル アツィオニ (72)発明者 エジオ リッゾ イタリア国，16128 ジェノバ，ピアッツ ァ カリニャーノ，２，シー／オー アン サルド ソチエタ ペル アツィオニ (72)発明者 ルチアナ ボルドニ イタリア国，16128 ジェノバ，ピアッツ ァ カリニャーノ，２，シー／オー アン サルド ソチエタ ペル アツィオニ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）復号器（１２）を任意的に通し
   て、画像色彩構成部分を示す信号を生成するように適合
   され、マッピングされた火炎の画像を取るためのカラー
   ＴＶカメラ（１０）、（ｂ）ＴＶカメラによって抽出さ
   れたイメージから、二色高温測定の適用により画像温度
   を示すベクトルを生成するように適合された機能構成部
   分（２２．１）と関連する制御ユニット（２２）から構
   成されることを特徴とする火炎温度を三次元的にマッピ
   ングするための装置。
2. 【請求項２】 該温度ベクトルを熱マップに変換するよ
   うに適合された、すなわち先に決められた符号化に従っ
   て疑似カラーでイメージ化する第二の機能構成部分（２
   ２．２）から成ることを特徴とする請求項１記載の火炎
   温度を三次元的にマッピングするための装置。
3. 【請求項３】 ＴＶカメラからの直接イメージと計算機
   によって与えられる対応したマッピングを表示するため
   の少なくとも一つのモニタ（１６，２４）から成ること
   を特徴とする請求項１から２記載の火炎温度を三次元的
   にマッピングするための装置。
4. 【請求項４】 画像輝度等級を示すベクトルを生成する
   ように適合された第三の機能構成部分（２２．３）から
   成ることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに
   記載の火炎温度を三次元的にマッピングするための装
   置。
5. 【請求項５】 ＴＶカメラからの適当な数の連続画面を
   平均化するように適合された第四の機能構成部分（２
   ２．４）から成ることを特徴とする請求項１から４のい
   ずれか一つに記載の火炎温度を三次元的にマッピングす
   るための装置。
6. 【請求項６】 渦、乱れ、そして一般的に局所的な輝度
   コントラストを明確にするためにＴＶカメラからの画像
   をフィルタするように適合された第五の機能構成部分
   （２２．５）から成ることを特徴とする請求項１から５
   のいずれか一つに記載の火炎温度を三次元的にマッピン
   グするための装置。
7. 【請求項７】 第一上にはＴＶカメラからの直接画像
   を、そして第二上には３算機によって与えられる対応し
   たマッピングを表示するための二つのモニタ（１６，２
   ４）から成ることを特徴とする請求項１から６のいずれ
   か一つに記載の火炎温度を三次元的にマッピングするた
   めの装置。
8. 【請求項８】 ＴＶカメラ（１０）からの直接画像を収
   集するためのビデオレコーダ（１４）、そして好ましく
   は同様にデジタル記録装置（２３）から構成されること
   を特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の火
   炎温度を三次元的にマッピングするための装置。
9. 【請求項９】 該ＴＶカメラ（１０）は該検出器（１
   ２）と該計算機（２２）間に単体増幅器（２１）が接続
   されているＣＣＤタイプのＴＶカメラであることを特徴
   とする請求項１から８のいずれか一つに記載の火炎温度
   を三次元的にマッピングするための装置。