專利名稱：一種表征工業(yè)爐燃燒不均勻性特征的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃燒技術，計算機技術，數(shù)字圖像處理技術與時間序列分析理論相結 合的方法。屬于工業(yè)爐檢測技術領域，具體地說是一種適用于所有涉及燃燒不均勻的工業(yè) 爐等燃燒設備火焰不均勻性的表征方法。
背景技術：
燃燒火焰不均勻性是表征燃燒狀態(tài)的最直接的反映。燃燒的不均勻，不僅會降低 熱效率，產生噪聲和污染，在極端的情況下會引起爐膛滅火，處理不當會誘發(fā)爐膛爆炸，造 成工業(yè)事故。所以爐膛火焰燃燒狀況是否穩(wěn)定直接關系著鍋爐安全性和經濟性，燃燒的不 均勻性判別是爐膛燃燒效果的重要特征量，這就要求爐膛必須具有安全可靠的爐膛安全監(jiān) 測系統(tǒng)，從而保證爐膛內組織穩(wěn)定、均勻的火焰，保證強烈、充分的燃燒，盡量減少因燃燒不 穩(wěn)定而投油燃燒的次數(shù)，防止因爐膛滅火而引發(fā)爐膛燃爆等事故。燃燒火焰檢測和燃燒診 斷是很有工程實用價值的研究課題。
真正的鍋爐火焰檢測方法從出現(xiàn)到現(xiàn)在不過四五十年時間，上世紀60年代以前， 鍋爐火焰檢測方法主要采用以熱能溫度，熱流差壓，電離導電原理等構成的火焰監(jiān)測器，效 果均不滿意。60-70年代，國外開始出現(xiàn)火焰紫外線監(jiān)測的火焰監(jiān)測系統(tǒng)，其中的燃燒器使 用天然氣和輕油時，由于相鄰或相對的燃燒器的較高強度的紫外線強度區(qū)域無重疊，且不 受黑體輻射的干擾，故對火焰源的分辨率高。當燃燒器使用重油和煤時，由于紫外線在爐內 被油霧，磁粒，燃燒副產物和煤粉等未完全燃燒的燃燒物所吸收，所以對燃用煤粉，重油或 者廢料的爐膛火焰監(jiān)視采用紫外線探測儀，只能檢測到非常低水平的紫外輻射強度，對檢 測帶來不穩(wěn)定性，因此對檢測效果并不理想。從70年代后期，國外開始研制基于檢測火焰 發(fā)射紅外線和可見光原理的火焰檢測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的伸入式溫度測量方法，例如用熱電偶測 量，只局限于個別點的測量，無法滿足其較高的時空分辨率。這種單點測量方式存在火檢探 頭視角小、鏡頭易被煙灰玷污、火檢裝置參數(shù)整定困難等諸多問題，還存在相鄰火焰的串擾 現(xiàn)象，無法使運行人員真正了解爐內燃燒的真實情況并在此基礎上合理組織燃燒。而基于 燃燒火焰輻射光強的火焰檢測系統(tǒng)只適用于單個燃燒器的火焰檢測，它是利用燃燒火焰輻 射光(紅外線，紫外線，可見光)的強度和火焰脈動頻率來檢測火焰。工程應用表明，僅根 據輻射光強度檢測火焰是否存在是不可靠的?，F(xiàn)今，工程實際應用的火焰檢測系統(tǒng)都采用 火焰輻射光強和火焰脈動頻率同時檢測的綜合檢測方法，或采用紅外線和紫外線組合探頭 方法，提高了檢測的可靠性，控制效果比較好。但是，由于煤種的多樣性判別是否滅火的頻 率值設置很難下一個定性的結論，只能根據實際的燃燒工況，憑經驗來設定。
20世紀80年代出現(xiàn)的一種跨學科的技術，工業(yè)鍋爐的圖像處理火焰檢測技術，是 將現(xiàn)代計算機技術，數(shù)字圖像處理技術與燃燒學等相結合應用的結果，提供了大量的關于 爐內運行工況的原始信息?？焖侔l(fā)展的計算機圖像處理技術，利用火焰圖像來進行燃燒診 斷，它既可以通過直觀的圖像知道運行人員，又可以通過計算機對爐內燃燒狀況和火焰信 息使得人們能從CCD攝取的火焰圖像中得出它們的定量描述。但是，對圖像信號的處理從空域轉換到時域，整個處理過程速度慢，實時性還需進一步改進。
火焰燃燒的不均勻性很大程度上是由擬周期起到主導作用，傳統(tǒng)的相空間重構技 術的核心是嵌入維數(shù)和時間延遲的確定，目前并無一種通用的適合各種混沌時間序列的算 法，確定嵌入維數(shù)和時間延遲的各種方法都在不同程度上帶有一定的主觀性，其原因在于 我們沒有任何有關混沌時間序列的相空間的先驗信息，因此缺乏一個明確的目標來度量相 空間重建的效果，并且大量的實驗數(shù)據證明，這種方法的實時性，時效性較差。因此，我們將 最新的相重構技術(采用重構相圖方法)表征擬周期情況的方法應用于工業(yè)爐火焰不均勻 性檢測系統(tǒng)。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服了上述火焰不均勻實時檢測方法的不足，提供一種新的具有 較高的應用價值的、簡單易行的工業(yè)爐火焰不均勻性實時檢測表征工業(yè)爐燃燒不均勻性特 征的方法。
本發(fā)明的技術方案是利用采集圖像特征來判斷火焰燃燒狀態(tài)，并進行圖形轉換 和數(shù)據處理來判斷不均勻性特征，具體步驟如下
利用火焰監(jiān)視用窺視孔及攝像探頭采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到監(jiān)控 計算機，將彩色圖像信號先轉換為灰度圖像，再轉換為數(shù)字矩陣，然后對每個火焰圖像按每 一列連續(xù)的構造S形時間序列，運用時間序列分析軟件即VISUAL RE⑶RRENCE ANALYSIS的 遞歸圖像特征來判斷火焰是混沌還是擬周期狀態(tài)；然后根據擬周期或是混沌情況來判斷不 均勻性特征。
所述的火焰結構彩色圖樣是針對工業(yè)爐爐膛燃燒火焰利用彩色CCD攝像機和圖 像采集卡獲得實時圖樣。
其擬周期特征是沿對角線右上正方形分布，且各種顏色分布相對集中；而混沌特 征則為各種顏色分散分布。
擬周期的特征為燃燒不均勻性，混沌的特征為燃燒均勻性。
本發(fā)明該方法采用時間序列分析的重構相圖方法，運用圖像采集系統(tǒng)采集到得工 業(yè)爐內火焰實時的彩色圖像，不同的顏色代表了溫度的不同分布，將彩色圖樣轉換成灰度 矩陣，再轉換為數(shù)字矩陣，則得到了采集火焰圖像平面內不同區(qū)域位置溫度的不同分布狀 態(tài)，即矩陣的每一個數(shù)值代表了燃燒室某個確定位置的相對溫度大小，然后對每個火焰圖 像按每一列連續(xù)的構造S形時間序列，經過對這些代表溫度分布的不同數(shù)字矩陣的時間序 列采用最新重構相圖的方法，發(fā)現(xiàn)溫度的分布存在混沌和擬周期狀態(tài)，而正是這種擬周期 狀態(tài)的存在使得燃燒不均勻的發(fā)生。本發(fā)明把最新的重構相圖方法表征擬周期的方法用于 工業(yè)爐火焰不均勻性檢測上。具體的實施步驟如下(1)該方法利用采集圖像特征來判斷 火焰燃燒狀態(tài)；
(2)利用火焰監(jiān)視用窺視孔及攝像探頭采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到 監(jiān)控計算機，將彩色圖像信號先轉換為灰度圖像，再轉換為數(shù)字矩陣，運用時間序列分析軟 件(VISUAL RE⑶RRENCE ANALYSIS)的遞歸圖像特征判斷火焰是混沌還是擬周期狀態(tài)；
(3)然后根據擬周期或是混沌情況來判斷不均勻性特征。
本發(fā)明的有益效果是
1、解決了聲學法，電離法，溫度法，紅外線檢測，紫外線檢測，可見光檢測等傳統(tǒng)檢 測方法，以及現(xiàn)在結合數(shù)字圖像處理技術基于人工智能等理論的先進檢測方法的不足之 處；
2、該方法還克服了傳統(tǒng)的相重構方法的缺陷，實現(xiàn)了遞歸圖分析的方法。
3、該方法簡單易行能夠及時、靈敏、可靠地檢測爐內燃燒工況；
4、該方法采用了圖像-數(shù)字-圖像的思想非常獨特。
本發(fā)明適用于所有涉及工業(yè)爐等燃燒設備火焰不均勻性檢測表征上。該方法操作 控制簡單，能動態(tài)表征火焰的燃燒狀況，提高了整個燃燒系統(tǒng)的自適應性，計算速度快，提 高了系統(tǒng)的實時性。


下面以實例進一步說明本發(fā)明的實質內容，但本發(fā)明的內容并不限于此。
圖1為燃燒不均勻性的表征圖。
圖2為燃燒不均勻性的表征圖。
圖3為燃燒不均勻性的表征圖。
圖4為構造時間序列方法圖。
具體實施方式
實施例1 某鋼鐵廠煉鐵車間熔煉爐中，對燃燒過程進行實時監(jiān)測，通過攝像頭和 圖像采集卡，采集t時刻的燃燒火焰實時圖樣，進行圖像處理，運用matlab軟件的圖像命令 將rgb圖像轉換為灰度圖像，再將灰度圖像轉換為數(shù)字矩陣，然后對每個火焰圖像按每一 列連續(xù)的構造S形時間序列，然后再根據構造時間序列。運用計算機內的重構相技術的程 序得出來如圖2的圖像發(fā)現(xiàn)右上角是呈正方形且顏色(黑白圖像體現(xiàn)為黑色的深淺)分布 相對集中從而反映燃燒處于擬周期則說明燃燒的不均勻性。
實施例2 某陶瓷制品廠車間焙燒爐中，對焙燒過程進行監(jiān)測，通過攝像頭和圖像 采集卡，采集某時刻的燃燒火焰實時圖樣，進行圖像處理，轉換為灰度矩陣將灰度圖像信號 轉換為數(shù)字矩陣，然后對每個火焰圖像按每一列連續(xù)的構造S形時間序列，再制成時間序 列。運用計算機內的重構相技術的程序來得出如圖3的圖像發(fā)現(xiàn)右上角是呈正方形且顏色 (黑白圖像體現(xiàn)為黑色的深淺)分布相對集中從而反映燃燒處于擬周期則說明燃燒的不均 勻性。
權利要求
1.一種表征工業(yè)爐燃燒不均勻性特征的方法，其特征在于該方法利用采集圖像特征 來判斷火焰燃燒狀態(tài)，并進行圖形轉換和數(shù)據處理來判斷不均勻性特征，具體步驟如下利用火焰監(jiān)視用窺視孔及攝像探頭采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到監(jiān)控計算 機，將彩色圖像信號先轉換為灰度圖像，再轉換為數(shù)字矩陣，然后對每個火焰圖像按每一列 連續(xù)的構造S形時間序列，運用時間序列分析軟件即VISUAL RE⑶RRENCE ANALYSIS的遞歸 圖像特征來判斷火焰是混沌還是擬周期狀態(tài)；然后根據擬周期或是混沌情況來判斷不均勻 性特征。
2.根據權利要求1所述的表征工業(yè)爐燃燒不均勻性特征的方法，其特征在于所述的 火焰結構彩色圖樣是針對工業(yè)爐爐膛燃燒火焰利用彩色CCD攝像機和圖像采集卡獲得實 時圖樣。
3.根據權利要求1或2所述的表征工業(yè)爐燃燒不均勻性特征的方法，其特征在于其 擬周期特征是沿對角線右上正方形分布，且各種顏色分布相對集中；而混沌特征則為各種 顏色分散分布。
4.根據權利要求1或2所述的表征工業(yè)爐燃燒不均勻性特征的方法，其特征在于擬 周期的特征為燃燒不均勻性，混沌的特征為燃燒均勻性。
全文摘要
本發(fā)明采用一種數(shù)字化的圖像特征來表征工業(yè)爐燃燒不均勻性的方法。主要應用于涉及燃燒不均勻性的電站鍋爐、工業(yè)鍋爐等燃燒設備的燃燒狀態(tài)的不均勻性表征。(1)該方法利用采集圖像特征來判斷火焰燃燒狀態(tài)；(2)利用火焰監(jiān)視用窺視孔及攝像探頭采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到監(jiān)控計算機，將彩色圖像信號先轉換為灰度圖像，再轉換為數(shù)字矩陣，然后對每個火焰圖像按每一列連續(xù)的構造S形時間序列，運用時間序列分析軟件(VISUAL RECURRENCE ANALYSIS)的遞歸圖像特征判斷火焰是混沌還是擬周期狀態(tài)；(3)然后根據擬周期或是混沌情況來判斷不均勻性特征。本發(fā)明方法簡單易行，可靈敏、快速、可靠、實時地檢測并判斷燃燒室內燃燒不均勻狀況，為電站鍋爐、工業(yè)爐窯等燃燒設備燃燒不均勻性的診斷提供了一種可靠實用的表征方法。
文檔編號G01J5/60GK102032802SQ20101023708
公開日2011年4月27日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權日2010年7月27日
發(fā)明者徐建新, 王 華, 范國鋒 申請人:昆明理工大學