KR101743670B1 - 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템 및 이에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시 예는 화염에 포함된 여러 라디칼의 농도 분포를 분석하여 이미지화 및 데이터화하고, 이에 의해 실시간 화염 감시 및 화염당량비 분포 측정에 의한 화염 구조 계측을 수행하는 화염 감시 및 구조계측 시스템 및 이에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템은 화염자발광을 입사 받아 인식하는 촬상부, 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터, 촬상부와 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부를 포함한다.
Description
본 발명은 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템 및 이에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화염에 포함된 여러 라디칼의 농도 분포를 분석하여 이미지화 및 데이터화하고, 이에 의해 실시간 화염 감시 및 화염당량비 분포 측정에 의한 화염 구조 계측을 수행하는 화염 감시 및 구조계측 시스템 및 이에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법에 관한 것이다.
에너지 고갈 문제와 환경문제로 최근 고효율 저공해 연소시스템에 대한 관심이 증대되고 있다. 이에 따라, 고효율 저공해 연소시스템을 위한 버너 및 해당 버너의 효율적인 운전방식에 대한 연구 등, 보다 근본적인 관점에서 상당히 많은 연구와 개발이 진행되고 있다.
현재 일반적으로 적용되는 화염 감시 및 화염당량비 계측 장치는, 크게 배기가스계측방식과 광계측방식으로 나눌 수 있다. 배기가스계측방식의 경우, 계측 정밀도가 높고 절대값을 통한 계측이 가능하다는 장점이 있으나, 배기가스의 이동시간과 계측시간의 지연이 발생한다는 단점이 있다. 그리고, 광계측방식의 경우, 화염을 직접 계측하는 방식으로서 지연시간이 거의 없다는 장점이 있지만, 절대적인 계측 정밀도는 낮다는 단점이 있다.
한편, 일반적인 화염의 상태를 대표하는 변수로 화염당량비가 있다. 화염당량비는 화염을 위해 공급되는 연료와 공기의 비율을 의미하며, 이러한 화염당량비의 분포는 화염의 상태를 유추하고 정의하기에 매우 중요한 요소이다.
대한민국 등록특허 제10-1340952호(발명의 명칭: 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 제어방법, 이하 종래기술1이라 한다.)에서는, 가정용 보일러에 사용되는 중공의 버너 및 상기 버너의 하부에 위치하는 연소실로 구성된 구성비 제어모듈, 상기 연소실의 일측에 위치하는 관측창, 상기 버너와 상기 연소실이 접하는 곳에 위치하는 점화플러그, 상기 관측창을 향하도록 상기 연소실의 상기 관측창 외부에 배치되는 포토다이오드센서, 상기 버너와 연통하는 제 1 파이프 상에 배치되는 급기팬, 연소시 상기 관측창을 통해 전달되는 화염의 복사열에 의한 상기 포토다이오드센서의 온도상승을 방지하고 상기 포토다이오드센서의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시키기 위한 냉각장치 및 상기 점화플러그의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 포토다이오드를 통해 인가되어 급기팬의 회전속도를 제어하는 제어부를 포함하는 공연비 제어장치가 개시되어 있다.
상기 종래기술1은, 화염 자발광의 강도만 측정하여 센서의 설치 위치 및 계측 범위에 따라 화염 자발광과 화염당량비의 관계가 일정하게 계측되지 않는다는 제1문제점을 갖는다.
그리고, 상기 종래기술1은, 사용자가 제시한 운전 조건을 유지하는데 그쳐서 보다 효율적인 운전이 불가능하고, 기온이나 습도 등의 주변환경의 변화에 대해 민감하지 않아 과다한 유해가스를 유발할 수 있다는 제2문제점을 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예는, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 촬상부; 상기 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터; 상기 촬상부와 상기 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부; 를 포함하여 이루어지고, 상기 프로세서부는 상기 광학필터에 의해 필터링된 광을 이용해서 화염에 포함된 라디칼의 농도를 분석하여 화염당량비를 도출하는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 촬상부는, 디지털카메라로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 화염 전체에 대한 감시 및 구조계측을 위해 화염과 상기 광학필터 사이에 광각렌즈(wide-angle lens)가 더 설치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 광학필터는, 필터링되는 광의 파장 대역을 가변적으로 조절하는 기능을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 촬상부는, 복수 개 설치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 파장 대역이 서로 다른 복수 개의 상기 광학필터가 복수 개의 상기 촬상부 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예는, (ⅰ) 상기 촬상부와 상기 광학필터를 이용하여 상기 화염이미지를 획득하는 단계; (ⅱ) 상기 화염이미지의 각 픽셀에 대한 히스토그램(histogram)을 디지털화하여 화염이미지정보를 획득하는 단계; 및 (ⅲ) 상기 화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ⅲ)단계 이 후, 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 디스플레이장치에서 칸투어(contour) 형태로 표현하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예는, (ⅰ) 상기 촬상부와 화염 사이에 상기 광학필터를 설치하는 단계; (ⅱ) 상기 촬상부와 상기 광학필터를 이용하여 화염이미지를 획득하는 단계; (ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터를 처리하는 단계; (ⅳ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 디스플레이장치에서 표현되는 단계; 및 (ⅴ) 상기 프로세서부의 이미지처리에 의해 화염당량비별 라디칼 강도를 그래프로 표현하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ⅰ)단계는, 화염과 상기 광학필터 사이에 광각렌즈(wide-angle lens)를 더 설치하여 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ⅰ)단계의 상기 촬상부는 복수 개 설치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 (ⅰ)단계는, 파장 대역이 서로 다른 복수 개의 상기 광학필터가 복수 개의 상기 촬상부 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치되어 수행될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예는, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 상기 촬상부; 상기 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 상기 광학필터; 상기 촬상부와 상기 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 상기 프로세서부; 및 상기 프로세서부의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고를 표시하는 경고표시부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예는, (ⅰ) 상기 촬상부와 화염 사이에 상기 광학필터를 설치하는 단계; (ⅱ) 상기 촬상부와 상기 광학필터를 이용하여 화염이미지를 획득하는 단계; (ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터를 처리하는 단계; 및 (ⅳ) 상기 프로세서부의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고표시부에서 경고를 표시하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고방법을 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예는, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 상기 촬상부; 상기 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 상기 광학필터; 상기 촬상부와 상기 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부; 상기 프로세서부에서 처리된 정보에 의해 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부로부터 제어신호를 입력 받아 버너에 공급되는 연료량을 조절하는 연료조절부; 및 상기 제어부로부터 제어신호를 입력 받아 상기 버너에 공급되는 공기량을 조절하는 공기조절부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 연료조절부 또는 상기 공기조절부는, 엑추에이터를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료조절부 및 상기 공기조절부로 유선 또는 무선으로 제어신호를 송신할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예는, (ⅰ) 상기 촬상부와 화염 사이에 상기 광학필터를 설치하는 단계; (ⅱ) 상기 촬상부와 상기 광학필터를 이용하여 화염이미지를 획득하는 단계; (ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터를 처리하는 단계; (ⅳ) 상기 (ⅲ)단계의 상기 프로세서부의 데이터 처리에 따라, 제어부에서 연료조절부 또는 공기조절부로 제어신호를 출력하는 단계; 및 (ⅴ) 상기 제어신호에 의해, 상기 연료조절부 및 상기 공기조절부가 버너로 공급되는 연료량과 공기량을 조절하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어방법을 제공한다.
본 발명은, 지속적으로 화염에 포함된 여러 라디칼의 농도 분포를 분석하여 그에 대한 데이터를 수집하여 이용하므로, 실시간으로 화염을 감시할 수 있고, 동시에 화염당량비 분포의 측정을 통한 화염 구조의 계측을 수행할 수 있다는 제1효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은, 실시간으로 화염 구조의 계측을 수행할 수 있어, 이에 대한 데이터를 기반으로 자동 운전 제어가 가능하여 최저의 공연비를 갖는 효율적인 운전이 가능하고, 광학필터와 촬상장치를 사용하는 단순한 구성을 가져 기온이나 습도 등의 주변환경 변화에 민감하지 않다는 제2효과를 갖는다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 화염 감시 및 구조 계측 시스템의 구성도이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 화염자발광에 포함된 OH, CH 및 C2라디칼 광 파장 피크값에 대한 그래프이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고장치 구성도이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치 구성도이다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 화염의 실제 이미지이다.
도6은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 CH라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이다.
도7은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 C2라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이다.
도8은 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부의 이미지처리에 의한 화염당량비별 CH라디칼 강도의 그래프이다.
도9는 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부의 이미지처리에 의한 화염당량비별 C2라디칼 강도의 그래프이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 화염자발광에 포함된 OH, CH 및 C2라디칼 광 파장 피크값에 대한 그래프이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고장치 구성도이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치 구성도이다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 화염의 실제 이미지이다.
도6은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 CH라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이다.
도7은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 C2라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이다.
도8은 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부의 이미지처리에 의한 화염당량비별 CH라디칼 강도의 그래프이다.
도9는 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부의 이미지처리에 의한 화염당량비별 C2라디칼 강도의 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 화염 감시 및 구조 계측 시스템의 구성도이고, 도2는 본 발명의 실시 예에 따른 화염자발광에 포함된 OH, CH 및 C2라디칼 광 파장 피크값에 대한 그래프이다.
도1에서 보는 바와 같이, 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템은, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 촬상부(10), 촬상부(10)와 화염 사이에 설치되고, 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터(20), 촬상부와 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부(30)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 프로세서부(30)는 광학필터에 의해 필터링된 광을 이용해서 화염에 포함된 라디칼의 농도를 분석하여 화염당량비를 도출할 수 있다.
도2에서 보는 바와 같이, 화염자발광에는 OH리다칼, CH라디칼 또는 C2라디칼이 포함될 수 있다. 화염자발광의 파장 대역 중 자외선영역과 가시광영역에서는 소정의 화학종에 대한 파장대에서 피크가 나타날 수 있다. OH리다칼, CH라디칼 또는 C2라디칼은 연소반응의 주요한 화학종으로서 자외선영역과 가시광영역에서 피크의 강도가 크다. 이러한 화염자발광의 각 화학종에 대한 피크의 크기는 각 화학종 라디칼의 농도로 나타낼 수 있으며 그에 따라 화염 상태를 진단할 수 있다. 본 발명은, 상기한 라디칼의 농도가 화염당량비의 변화에 따라 변화하는 것을 이용하여, 특정 화학종 라디칼의 자발광 강도와 화염당량비의 관계를 유도하는 화염당량비 분포의 계측을 목적으로 할 수 있다.
촬상부(10)는, 디지털카메라로 형성될 수 있다.
촬상부(10)로 일반적으로 사용하는 디지털카메라를 사용할 수 있어, 저렴한 비용으로 시스템을 구성할 수 있고, 단순한 구성으로 인해 유지 및 보수가 용이할 수 있다.
노(furnace)(40)에 윈도우부(41)가 구비되어, 윈도우부(41)를 통해 직접 시각적으로 화염에 대한 관찰이 가능하며, 촬상부(10)로 직접 화염에 대한 실제 이미지를 획득할 수 있다. 촬상부(10)는 실시간 촬상을 통해 지속적으로 화염의 이미지를 프로세서부(30)로 전송할 수 있다.
본 발명의 화염 감시 및 구조계측 시스템은, 프로세서부가 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치(60)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
화염자발광은 광학필터(20)에 의해 필터링되고, 광학필터(20)를 통해 필터링된 특정 라디칼에 대한 특정 파장의 광에 의해 형성된 화염이미지는 실시간으로 촬상부(10)에서 촬상되어 프로세서부(30)로 전송되고, 프로세서부(30)에서 화염이미지에 대한 데이터를 처리하여 디스플레이장치(60)에 칸투어(contour) 방식으로 표현함으로서, 화염의 상태 및 구조에 대해 실시간 감시가 가능할 수 있다. 화염의 실제 이미지와 특정 라디칼의 분포이미지의 비교 및 그에 대한 분석은 후단에 설명하기로 한다.
화염 전체에 대한 감시 및 구조계측을 위해 화염과 광학필터(20) 사이에 광각렌즈(wide-angle lens)가 더 설치될 수 있다.
본 발명의 화염 감시 및 구조 계측 시스템의 용도와 목적에 따라 계측하는 화염의 크기는 달라질 수 있다. 대형의 화염에 대해 계측하는 경우, 광학필터(20)와 촬상부(10)만으로는 화염 전체의 상태를 계측하는데 한계가 있을 수 있으므로, 화염과 광학필터(20) 사이에 광각렌즈(wide-angle lens)를 설치하여 화염 전체에 대한 감시 및 계측을 수행할 수 있다.
광각렌즈(wide-angle lens)는 노(furnace)(40)에 구비된 윈도우부(41)에 고정적으로 설치되거나 촬상부(10)의 렌즈부에 광학필터(20)와 함께 설치될 수 있다.
광학필터(20)는, 필터링되는 광의 파장 대역을 가변적으로 조절하는 기능을 구비할 수 있다.
이에 따라, 라디칼의 종류를 달리 하여 감시 및 계측을 실시하는 경우, 광학필터(20)를 교체하는 과정 없이, 필터링되는 광의 파장 대역을 제어신호로 변경하여, 변경된 파장 대역에 맞는 라디칼의 농도 분포에 대한 데이터를 수집할 수 있다.
촬상부(10)는, 복수 개 설치될 수 있다.
이 때, 파장 대역이 서로 다른 복수 개의 광학필터(20)가 복수 개의 촬상부(10) 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치될 수 있다.
촬상부(10)가 복수 개 설치되고, 그 각각에 별개의 파장 대역을 가지는 광학필터(20)를 설치하는 경우, 복수 개의 화학종 라디칼에 대한 정보를 단일 시스템에서 획득할 수 있다. 이에 따라, 화염 상태에 대한 감시 및 화염 구조에 대한 계측에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상부(10)가 복수 개 설치되면, 단일의 촬상부(10)로 촬상할 수 없는 대형의 화염에 대해서도 각 촬상부(10) 간 구역을 나누어 촬상함으로서, 대형의 화염이미지를 획득할 수 있다.
이하, 본 발명인 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 촬상부(10)와 광학필터(20)를 이용하여 화염이미지를 획득할 수 있다.
둘째 단계에서, 둘째 단계에서 화염이미지의 각 픽셀에 대한 히스토그램(histogram)을 디지털화하여 화염이미지정보를 획득할 수 있다.
셋째 단계에서, 화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리할 수 있다.
화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리하여 수치화할 수 있고, 각 픽셀의 수치 값에 대한 평균을 산정하고 각 당량비별로 구분하여 그래프화할 수 있다. 이 때, 각 픽셀의 수치 값에 대한 평균 값이 해당 라디칼의 강도 값에 해당할 수 있다.
상기의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 의해, 특정 라디칼 농도 분포의 평균 값에 의한 해당 라디칼의 강도를 측정할 수 있고, 이러한 특정 라디칼의 강도는 화염당량비별로 차등되게 나타날 수 있다. 특정 라디칼의 강도와 화염당량비는 서로 상관되는 수치를 가져 그래프로 표현되고, 이에 따라, 특정 라디칼의 강도를 측정하여 실시간의 화염당량비 값을 도출할 수 있다.
첫째 단계와 둘째 단계 사이에, 화염이미지를 회색조로 변환하는 단계가 더 포함될 수 있다.
화염이미지를 회색조로 변환함으로서, 각 픽셀 간 명도비를 향상시켜, 각 픽셀에 대한 히스토그램(histogram)을 디지털화하는데 용이할 수 있다.
셋째 단계 이 후, 프로세서부가 화염이미지에 대한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 처리한 정보를 수신하여 디스플레이장치(60)에서 칸투어(contour) 형태로 표현하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 촬상부(10)와 화염 사이에 광학필터(20)를 설치할 수 있다.
이 때, 광학필터(20)는 윈도우부(41)에 설치되거나 촬상부(10)의 렌즈부에 설치될 수 있다.
둘째 단계에서, 촬상부(10)와 광학필터(20)를 이용하여 화염이미지를 획득할 수 있다.
셋째 단계에서, 프로세서부(30)에서 화염이미지에 대한 데이터를 처리할 수 있다.
상세한 데이터 처리 방법에 대해서는, 상기의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 기재되어 있다.
프로세서부(30)가 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 디스플레이장치(60)에서 표현될 수 있다.
이에 따라, 실시간의 화염의 상태 및 구조에 대해 관찰이 가능하고, 화염의 구조가 정밀하게 표현될 수 있으며, 이러한 화염의 구조에 대한 이미지를 데이터화하기 용이할 수 있다.
다섯째 단계에서, 프로세서부(30)의 이미지처리에 의해 화염당량비별 라디칼 강도를 그래프로 표현할 수 있다.
첫째 단계는, 화염과 광학필터(20) 사이에 광각렌즈(wide-angle lens)를 더 설치하여 수행될 수 있다.
첫째 단계의 촬상부(10)는 복수 개 설치될 수 있다.
첫째 단계는, 파장 대역이 서로 다른 복수 개의 광학필터(20)가 복수 개의 촬상부(10) 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치되어 수행될 수 있다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고장치 구성도이다.
도3에서 보는 바와 같이, 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고장치는, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 촬상부, 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터, 촬상부와 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부(30) 및 프로세서부(30)의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고를 표시하는 경고표시부(70)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 경고표시부(70)는 회전 경광등 또는 LED경광등을 사용하여, 시각적으로 경고를 인식하도록 할 수 있다.
또한, 경고표시부(70)는 사이렌 또는 디지컬알람장치를 사용하여, 청각적으로 경고를 인식하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 경고표시부(70)로 시각적 인식 장치 또는 청각적 인식 장치를 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
프로세서부(30)는, 상기의 디지털화된 데이터에 의해 특정 라디칼의 농도 분포에 의해 유도된 화염당량비 값을 사용자가 설정한 화염당량비 분포 범위(이하, 레퍼런스데이터(reference data)라 한다.)와 비교하여, 실시간의 화염당량비 값이 레퍼런스데이터를 벗어나는 경우, 해당 오차에 대해 경고표시부(70)로 에러신호를 전송할 수 있다. 경고표시부(70)는 에러신호에 의해 경고표시를 수행할 수 있다.
본 발명의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고장치는, 프로세서부가 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치(60)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이하, 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 촬상부와 화염 사이에 광학필터를 설치할 수 있다.
둘째 단계에서, 촬상부와 광학필터를 이용하여 화염이미지를 획득할 수 있다.
셋째 단계에서, 프로세서부(30)가 화염이미지에 대한 데이터를 처리할 수 있다.
상세한 데이터 처리 방법에 대해서는, 상기의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 기재되어 있다.
넷째 단계에서, 프로세서부(30)의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고표시부(70)에서 경고를 표시할 수 있다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치 구성도이다.
도4에서 보는 바와 같이, 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치는, 화염자발광을 입사 받아 인식하는 촬상부, 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터, 촬상부와 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부(30), 프로세서부(30)에서 처리된 정보에 의해 제어신호를 출력하는 제어부(50), 제어부(50)로부터 제어신호를 입력 받아 버너(42)에 공급되는 연료량을 조절하는 연료조절부(81) 및 제어부(50)로부터 제어신호를 입력 받아 버너(42)에 공급되는 공기량을 조절하는 공기조절부(91)를 포함하여 이루어질 수 있다.
연료조절부(81) 또는 공기조절부(91)는, 엑추에이터를 포함하여 이루어질 수 있다.
제어부(50)는, 연료조절부(81) 및 공기조절부(91)로 유선 또는 무선으로 제어신호를 송신할 수 있다.
연료조절부(81)와 공기조절부(91)가 엑추에이터로 형성되고, 제어부(50)에서 연료조절부(81) 및 공기조절부(91)를 무선으로 제어하면, 인터넷 시스템을 이용하여 원격으로 화염에 대한 감시 및 계측이 가능할 수 있다.
프로세서부(30)는, 상기의 디지털화된 데이터에 의해 특정 라디칼의 농도 분포에 의해 유도된 화염당량비 값을 사용자가 설정한 화염당량비 분포 범위(이하, 레퍼런스데이터(reference data)라 한다.)와 비교하여, 실시간의 화염당량비 값이 레퍼런스데이터를 벗어나는 경우, 해당 오차에 대해 제어부(50)로 에러신호를 전송할 수 있다. 제어부(50)는 레퍼런스데이터에 대해 오차가 발생하지 않도록 연료조절부(81) 및 공기조절부(91)에 제어신호를 송신할 수 있다. 그리고, 제어부(50)는 연료유량계(82) 또는 공기유량계(92)로부터 정보를 수신하여 제어신호에 따라 유량이 조절되고 있는지 피드백을 할 수 있다. 이에 따라, 연료조절부(81) 및 공기조절부(91)에 대한 제어는 실시간이며 지속적으로 수행될 수 있다.
프로세서부(30)는 가스분석기(31)와 연결되어, 가스분석에 대한 정보를 처리하여 제어부(50)로 데이터 송신할 수 있다.
이하, 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 촬상부와 화염 사이에 광학필터를 설치할 수 있다.
둘째 단계에서, 촬상부와 광학필터를 이용하여 화염이미지를 획득할 수 있다.
셋째 단계에서, 프로세서부(30)가 화염이미지에 대한 데이터를 처리할 수 있다.
상세한 데이터 처리 방법에 대해서는, 상기의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 기재되어 있다.
넷째 단계에서, 셋째 단계의 프로세서부(30)의 데이터 처리에 따라, 제어부(50)에서 연료조절부(81) 또는 공기조절부(91)로 제어신호를 출력할 수 있다.
다섯째 단계에서, 제어신호에 의해, 연료조절부(81) 및 공기조절부(91)가 버너(42)로 공급되는 연료량과 공기량을 조절할 수 있다.
공급되는 연료량과 공기량을 조절하여, 레퍼런스데이터(reference data) 범위 내에서 화염당량비가 유지되도록 할 수 있다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 화염의 실제 이미지이며, 도6은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 CH라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이고, 도7은 본 발명의 실시 예에 따른 화염당량비별 C2라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프이다.
도6의 경우, CH라디칼을 대상으로 중심파장 432㎚의 광학필터(20)를 적용하였고, 도7의 경우, C2라디칼을 대상으로 중심파장 511㎚의 광학필터(20)를 적용하였다.
CH라디칼과 C2라디칼은 가시광선 영역의 파장 대역을 가져, 일반적으로 사용되는 모든 디지털카메라를 이용하여 계측이 가능하다. 또한, UV필터가 적용되지 않은 디지털카메라를 통해 OH라디칼(308㎚)에 대하여 유사한 결과의 획득이 가능할 수 있다.
도5, 도6 및 도7에서 보는 바와 같이, CH라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프 또는 C2라디칼의 분포에 대한 칸투어(contour) 그래프의 형태가 실제 화염이미지의 형태를 표현함을 확인할 수 있었다. 그리고, 실제 화염이미지에서는 경계가 불명확하여 계측이 용이하지 않은 화염 구조에 대해서도 정밀한 계측이 가능함을 확인하였다.
도8은 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부의 이미지처리에 의한 화염당량비별 CH라디칼 강도의 그래프이고, 도9는 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서부의 이미지처리에 의한 화염당량비별 C2라디칼 강도의 그래프이다.
도8 및 도9의 그래프는, 변수 값으로 설정된 각 화염당량비에 의한 화염의 이미지 정보를, 상기의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법을 통해 수치화하고, 그 결과 도출된 라디칼의 강도와 화염당량비의 관계를 표현한 것이다.
도8 및 도9에서 보는 바와 같이, 각 라디칼 강도 값은 각 화염당량비별로 특정한 값을 갖게 되므로, 본 발명인 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템을 이용하여 측정한 라디칼 강도 값에 의해 화염당량비 값을 도출할 수 있음을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 촬상부
20 : 광학필터
30 : 프로세서부
31 : 가스분석기
40 : 노
41 : 윈도우부
42 : 버너
50 : 제어부
60 : 디스플레이장치
70 : 경고표시부
81 : 연료조절부
82 : 연료유량계
91 : 공기조절부
92 : 공기유량계
20 : 광학필터
30 : 프로세서부
31 : 가스분석기
40 : 노
41 : 윈도우부
42 : 버너
50 : 제어부
60 : 디스플레이장치
70 : 경고표시부
81 : 연료조절부
82 : 연료유량계
91 : 공기조절부
92 : 공기유량계
Claims (20)
- 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 있어서,
화염자발광을 입사 받아 인식하는 촬상부;
상기 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 광학필터;
상기 촬상부와 상기 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부; 및
상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치;
를 포함하여 이루어지고,
상기 프로세서부는 상기 광학필터에 의해 필터링된 광을 이용해서 화염에 포함된 라디칼의 농도를 분석하여 화염당량비를 도출하는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템.
- 청구항1에 있어서,
상기 촬상부는, 디지털카메라로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템.
- 삭제
- 청구항1에 있어서,
화염 전체에 대한 감시 및 구조계측을 위해 화염과 상기 광학필터 사이에 광각렌즈(wide-angle lens)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템.
- 청구항1에 있어서,
상기 광학필터는, 필터링되는 광의 파장 대역을 가변적으로 조절하는 기능을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템.
- 청구항1에 있어서,
상기 촬상부는, 복수 개 설치되는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템.
- 청구항6에 있어서,
파장 대역이 서로 다른 복수 개의 상기 광학필터가 복수 개의 상기 촬상부 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치되는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템.
- 청구항1의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법에 있어서,
(ⅰ) 상기 촬상부와 상기 광학필터를 이용하여 상기 화염이미지를 획득하는 단계;
(ⅱ) 상기 화염이미지의 각 픽셀에 대한 히스토그램(histogram)을 디지털화하여 화염이미지정보를 획득하는 단계;
(ⅲ) 상기 화염이미지정보를 각 픽셀의 매트릭스로 처리하는 단계; 및
(ⅳ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 디스플레이장치에서 칸투어(contour) 형태로 표현하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에서 획득한 화염이미지에 대한 데이터 처리 방법.
- 삭제
- 청구항1의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법에 있어서,
(ⅰ) 상기 촬상부와 화염 사이에 상기 광학필터를 설치하는 단계;
(ⅱ) 상기 촬상부와 상기 광학필터를 이용하여 화염이미지를 획득하는 단계;
(ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터를 처리하는 단계;
(ⅳ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 디스플레이장치에서 표현되는 단계; 및
(ⅴ) 상기 프로세서부의 이미지처리에 의해 화염당량비별 라디칼 강도를 그래프로 표현하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법.
- 청구항10에 있어서,
상기 (ⅰ)단계는, 화염과 상기 광학필터 사이에 광각렌즈(wide-angle lens)를 더 설치하여 수행되는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법.
- 청구항10에 있어서,
상기 (ⅰ)단계의 상기 촬상부는 복수 개 설치되는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법.
- 청구항12에 있어서,
상기 (ⅰ)단계는, 파장 대역이 서로 다른 복수 개의 상기 광학필터가 복수 개의 상기 촬상부 각각에 대해 하나씩 분배되어 설치되어 수행되는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법.
- 청구항1의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고장치에 있어서,
화염자발광을 입사 받아 인식하는 상기 촬상부;
상기 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 상기 광학필터;
상기 촬상부와 상기 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 상기 프로세서부;
상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터 처리로 획득한 라디칼 농도 분포를 칸투어(contour) 형태로 수신하여 표현하는 디스플레이장치; 및
상기 프로세서부의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고를 표시하는 경고표시부;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고장치.
- 삭제
- 청구항1의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고방법에 있어서,
(ⅰ) 상기 촬상부와 화염 사이에 상기 광학필터를 설치하는 단계;
(ⅱ) 상기 촬상부와 상기 광학필터를 이용하여 화염이미지를 획득하는 단계;
(ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터를 처리하는 단계; 및
(ⅳ) 상기 프로세서부의 이상(abnormal)화염 감지 신호에 의해 경고표시부에서 경고를 표시하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 이상(abnormal)화염 경고방법.
- 청구항1의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치에 있어서,
화염자발광을 입사 받아 인식하는 상기 촬상부;
상기 촬상부와 화염 사이에 설치되고, 상기 화염자발광을 필터링하여 소정의 파장 대역을 가지는 광만 통과시키는 상기 광학필터;
상기 촬상부와 상기 광학필터를 통해 획득한 화염이미지에 대한 정보 처리를 수행하는 프로세서부;
상기 프로세서부에서 처리된 정보에 의해 제어신호를 출력하는 제어부;
상기 제어부로부터 제어신호를 입력 받아 버너에 공급되는 연료량을 조절하는 연료조절부; 및
상기 제어부로부터 제어신호를 입력 받아 상기 버너에 공급되는 공기량을 조절하는 공기조절부;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치.
- 청구항17에 있어서,
상기 연료조절부 또는 상기 공기조절부는, 엑추에이터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치.
- 청구항17에 있어서,
상기 제어부는, 상기 연료조절부 및 상기 공기조절부로 유선 또는 무선으로 제어신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어장치.
- 청구항1의 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어방법에 있어서,
(ⅰ) 상기 촬상부와 화염 사이에 상기 광학필터를 설치하는 단계;
(ⅱ) 상기 촬상부와 상기 광학필터를 이용하여 화염이미지를 획득하는 단계;
(ⅲ) 상기 프로세서부가 상기 화염이미지에 대한 데이터를 처리하는 단계;
(ⅳ) 상기 (ⅲ)단계의 상기 프로세서부의 데이터 처리에 따라, 제어부에서 연료조절부 또는 공기조절부로 제어신호를 출력하는 단계; 및
(ⅴ) 상기 제어신호에 의해, 상기 연료조절부 및 상기 공기조절부가 버너로 공급되는 연료량과 공기량을 조절하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템에 의한 화염 제어방법.
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