专利名称：一种表征工业炉燃烧不均匀性特征的方法
技术领域：
本发明涉及燃烧技术，计算机技术，数字图像处理技术与时间序列分析理论相结 合的方法。属于工业炉检测技术领域，具体地说是一种适用于所有涉及燃烧不均勻的工业 炉等燃烧设备火焰不均勻性的表征方法。
背景技术：
燃烧火焰不均勻性是表征燃烧状态的最直接的反映。燃烧的不均勻，不仅会降低 热效率，产生噪声和污染，在极端的情况下会引起炉膛灭火，处理不当会诱发炉膛爆炸，造 成工业事故。所以炉膛火焰燃烧状况是否稳定直接关系着锅炉安全性和经济性，燃烧的不 均勻性判别是炉膛燃烧效果的重要特征量，这就要求炉膛必须具有安全可靠的炉膛安全监 测系统，从而保证炉膛内组织稳定、均勻的火焰，保证强烈、充分的燃烧，尽量减少因燃烧不 稳定而投油燃烧的次数，防止因炉膛灭火而引发炉膛燃爆等事故。燃烧火焰检测和燃烧诊 断是很有工程实用价值的研究课题。
真正的锅炉火焰检测方法从出现到现在不过四五十年时间，上世纪60年代以前， 锅炉火焰检测方法主要采用以热能温度，热流差压，电离导电原理等构成的火焰监测器，效 果均不满意。60-70年代，国外开始出现火焰紫外线监测的火焰监测系统，其中的燃烧器使 用天然气和轻油时，由于相邻或相对的燃烧器的较高强度的紫外线强度区域无重叠，且不 受黑体辐射的干扰，故对火焰源的分辨率高。当燃烧器使用重油和煤时，由于紫外线在炉内 被油雾，磁粒，燃烧副产物和煤粉等未完全燃烧的燃烧物所吸收，所以对燃用煤粉，重油或 者废料的炉膛火焰监视采用紫外线探测仪，只能检测到非常低水平的紫外辐射强度，对检 测带来不稳定性，因此对检测效果并不理想。从70年代后期，国外开始研制基于检测火焰 发射红外线和可见光原理的火焰检测系统。传统的伸入式温度测量方法，例如用热电偶测 量，只局限于个别点的测量，无法满足其较高的时空分辨率。这种单点测量方式存在火检探 头视角小、镜头易被烟灰玷污、火检装置参数整定困难等诸多问题，还存在相邻火焰的串扰 现象，无法使运行人员真正了解炉内燃烧的真实情况并在此基础上合理组织燃烧。而基于 燃烧火焰辐射光强的火焰检测系统只适用于单个燃烧器的火焰检测，它是利用燃烧火焰辐 射光(红外线，紫外线，可见光)的强度和火焰脉动频率来检测火焰。工程应用表明，仅根 据辐射光强度检测火焰是否存在是不可靠的。现今，工程实际应用的火焰检测系统都采用 火焰辐射光强和火焰脉动频率同时检测的综合检测方法，或采用红外线和紫外线组合探头 方法，提高了检测的可靠性，控制效果比较好。但是，由于煤种的多样性判别是否灭火的频 率值设置很难下一个定性的结论，只能根据实际的燃烧工况，凭经验来设定。
20世纪80年代出现的一种跨学科的技术，工业锅炉的图像处理火焰检测技术，是 将现代计算机技术，数字图像处理技术与燃烧学等相结合应用的结果，提供了大量的关于 炉内运行工况的原始信息。快速发展的计算机图像处理技术，利用火焰图像来进行燃烧诊 断，它既可以通过直观的图像知道运行人员，又可以通过计算机对炉内燃烧状况和火焰信 息使得人们能从CCD摄取的火焰图像中得出它们的定量描述。但是，对图像信号的处理从空域转换到时域，整个处理过程速度慢，实时性还需进一步改进。
火焰燃烧的不均勻性很大程度上是由拟周期起到主导作用，传统的相空间重构技 术的核心是嵌入维数和时间延迟的确定，目前并无一种通用的适合各种混沌时间序列的算 法，确定嵌入维数和时间延迟的各种方法都在不同程度上带有一定的主观性，其原因在于 我们没有任何有关混沌时间序列的相空间的先验信息，因此缺乏一个明确的目标来度量相 空间重建的效果，并且大量的实验数据证明，这种方法的实时性，时效性较差。因此，我们将 最新的相重构技术(采用重构相图方法)表征拟周期情况的方法应用于工业炉火焰不均勻 性检测系统。发明内容
本发明的目的是克服了上述火焰不均勻实时检测方法的不足，提供一种新的具有 较高的应用价值的、简单易行的工业炉火焰不均勻性实时检测表征工业炉燃烧不均勻性特 征的方法。
本发明的技术方案是利用采集图像特征来判断火焰燃烧状态，并进行图形转换 和数据处理来判断不均勻性特征，具体步骤如下
利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到监控 计算机，将彩色图像信号先转换为灰度图像，再转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每 一列连续的构造S形时间序列，运用时间序列分析软件即VISUAL RE⑶RRENCE ANALYSIS的 递归图像特征来判断火焰是混沌还是拟周期状态；然后根据拟周期或是混沌情况来判断不 均勻性特征。
所述的火焰结构彩色图样是针对工业炉炉膛燃烧火焰利用彩色CCD摄像机和图 像采集卡获得实时图样。
其拟周期特征是沿对角线右上正方形分布，且各种颜色分布相对集中；而混沌特 征则为各种颜色分散分布。
拟周期的特征为燃烧不均勻性，混沌的特征为燃烧均勻性。
本发明该方法采用时间序列分析的重构相图方法，运用图像采集系统采集到得工 业炉内火焰实时的彩色图像，不同的颜色代表了温度的不同分布，将彩色图样转换成灰度 矩阵，再转换为数字矩阵，则得到了采集火焰图像平面内不同区域位置温度的不同分布状 态，即矩阵的每一个数值代表了燃烧室某个确定位置的相对温度大小，然后对每个火焰图 像按每一列连续的构造S形时间序列，经过对这些代表温度分布的不同数字矩阵的时间序 列采用最新重构相图的方法，发现温度的分布存在混沌和拟周期状态，而正是这种拟周期 状态的存在使得燃烧不均勻的发生。本发明把最新的重构相图方法表征拟周期的方法用于 工业炉火焰不均勻性检测上。具体的实施步骤如下(1)该方法利用采集图像特征来判断 火焰燃烧状态；
(2)利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到 监控计算机，将彩色图像信号先转换为灰度图像，再转换为数字矩阵，运用时间序列分析软 件(VISUAL RE⑶RRENCE ANALYSIS)的递归图像特征判断火焰是混沌还是拟周期状态；
(3)然后根据拟周期或是混沌情况来判断不均勻性特征。
本发明的有益效果是
1、解决了声学法，电离法，温度法，红外线检测，紫外线检测，可见光检测等传统检 测方法，以及现在结合数字图像处理技术基于人工智能等理论的先进检测方法的不足之 处；
2、该方法还克服了传统的相重构方法的缺陷，实现了递归图分析的方法。
3、该方法简单易行能够及时、灵敏、可靠地检测炉内燃烧工况；
4、该方法采用了图像-数字-图像的思想非常独特。
本发明适用于所有涉及工业炉等燃烧设备火焰不均勻性检测表征上。该方法操作 控制简单，能动态表征火焰的燃烧状况，提高了整个燃烧系统的自适应性，计算速度快，提 高了系统的实时性。


下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
图1为燃烧不均勻性的表征图。
图2为燃烧不均勻性的表征图。
图3为燃烧不均勻性的表征图。
图4为构造时间序列方法图。
具体实施方式
实施例1 某钢铁厂炼铁车间熔炼炉中，对燃烧过程进行实时监测，通过摄像头和 图像采集卡，采集t时刻的燃烧火焰实时图样，进行图像处理，运用matlab软件的图像命令 将rgb图像转换为灰度图像，再将灰度图像转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每一 列连续的构造S形时间序列，然后再根据构造时间序列。运用计算机内的重构相技术的程 序得出来如图2的图像发现右上角是呈正方形且颜色(黑白图像体现为黑色的深浅)分布 相对集中从而反映燃烧处于拟周期则说明燃烧的不均勻性。
实施例2 某陶瓷制品厂车间焙烧炉中，对焙烧过程进行监测，通过摄像头和图像 采集卡，采集某时刻的燃烧火焰实时图样，进行图像处理，转换为灰度矩阵将灰度图像信号 转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每一列连续的构造S形时间序列，再制成时间序 列。运用计算机内的重构相技术的程序来得出如图3的图像发现右上角是呈正方形且颜色 (黑白图像体现为黑色的深浅)分布相对集中从而反映燃烧处于拟周期则说明燃烧的不均 勻性。
权利要求
1.一种表征工业炉燃烧不均勻性特征的方法，其特征在于该方法利用采集图像特征 来判断火焰燃烧状态，并进行图形转换和数据处理来判断不均勻性特征，具体步骤如下利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到监控计算 机，将彩色图像信号先转换为灰度图像，再转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每一列 连续的构造S形时间序列，运用时间序列分析软件即VISUAL RE⑶RRENCE ANALYSIS的递归 图像特征来判断火焰是混沌还是拟周期状态；然后根据拟周期或是混沌情况来判断不均勻 性特征。
2.根据权利要求1所述的表征工业炉燃烧不均勻性特征的方法，其特征在于所述的 火焰结构彩色图样是针对工业炉炉膛燃烧火焰利用彩色CCD摄像机和图像采集卡获得实 时图样。
3.根据权利要求1或2所述的表征工业炉燃烧不均勻性特征的方法，其特征在于其 拟周期特征是沿对角线右上正方形分布，且各种颜色分布相对集中；而混沌特征则为各种 颜色分散分布。
4.根据权利要求1或2所述的表征工业炉燃烧不均勻性特征的方法，其特征在于拟 周期的特征为燃烧不均勻性，混沌的特征为燃烧均勻性。
全文摘要
本发明采用一种数字化的图像特征来表征工业炉燃烧不均匀性的方法。主要应用于涉及燃烧不均匀性的电站锅炉、工业锅炉等燃烧设备的燃烧状态的不均匀性表征。(1)该方法利用采集图像特征来判断火焰燃烧状态；(2)利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到监控计算机，将彩色图像信号先转换为灰度图像，再转换为数字矩阵，然后对每个火焰图像按每一列连续的构造S形时间序列，运用时间序列分析软件(VISUAL RECURRENCE ANALYSIS)的递归图像特征判断火焰是混沌还是拟周期状态；(3)然后根据拟周期或是混沌情况来判断不均匀性特征。本发明方法简单易行，可灵敏、快速、可靠、实时地检测并判断燃烧室内燃烧不均匀状况，为电站锅炉、工业炉窑等燃烧设备燃烧不均匀性的诊断提供了一种可靠实用的表征方法。
文档编号G01J5/60GK102032802SQ20101023708
公开日2011年4月27日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者徐建新, 王 华, 范国锋 申请人:昆明理工大学