（检测技术与自动化装置专业论文）基于数字图像处理的炉膛火焰燃烧诊断系统.pdf

中文摘要 中文摘要 随着电站机组容量不断扩大，对机组的安全经济运行要求越来越高，而准确、 可靠地监测炉膛火焰，是防止炉膛爆炸、确保锅炉安全运行的重要手段。针对传 统的火焰技术检测功能单一、检测效果不理想、检测结果不准确等缺点，本文研 究设计了基于数字图像处理的火焰燃烧诊断系统，实时、准确、动态的监测炉膛 火焰燃烧状况。 本文总结了国内外炉膛火焰燃烧检测技术发展的现状，深入研究了现代计算 机技术、数字图像处理技术与燃烧学等相关学科，详细阐述了基于数字图像处理 的火焰燃烧诊断系统的原理、方法以及具体实现。 本文采用彩色c c d 摄像机作为传感元件，通过图像采集卡将数字图像输入 计算机，并实现了对图片各种参数的设置；基于数字图像处理技术实现了火焰图 像的增强、消噪以及边缘处理；基于炉内辐射理论，计算了辐射能大小；基于双 色法理论实现了火焰二维温度场的建立，同时进行了理论误差分析和c c d 颜色 补偿；采用v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 中c 2 0 0 5 开发工具，开发出炉膛火焰监控软件， 较好的满足了系统要求。 基于数字图像处理的火焰燃烧诊断系统克服了传统火焰检测系统的缺陷，能 有效地预防事故的发生、保障炉膛的安全运行，同时提高机组运行效率。 关键词：炉膛；数字图像处理：c c d ；燃烧珍断：温度场 分类号：t p 2 7 7 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gc a p a c i t yo fp o w e rg e n e r a t i n gs e t s ，h i g h e rs t a n d a r do fs a f ea n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o ni sn o wr e q u i r e dt ot h ep o w e rp l a n t ，a n da ni m p o r t a n tm e a n st o m a k es u r et h a tt h eb o i l e rr u n si nas a f ew a yw i t h o u ta n ye x p l o s i o ni sm o n i t o r i n gt h e f u r n a c ef l a m ea c c u r a t e l ya n dr e l i a b l e a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a l f u r n a c ef l a m ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ys u c ha ss i n g l ef u n c t i o n ，i n a c c u r a t ed e t e c t i o nr e s u l t s a n ds oo n ，an e wf u r n a c ef l a m ed i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hs t a t u so ff u r n a c ef l a m ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yh o m ea n da b r o a di s s u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h er e l a t e ds u b j e c t ss u c ha sm o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d i 百t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dc o m b u s t i o nt h e o r ya r ea l s od e e p l ys t u d i e di n t h i sp a p e r , m e a n w h i l e ，t h ep r i n c i p l e s ，m e t h o d s ，d i f f i c u l t i e sa n ds o l u t i o n so ft h ef u r n a c e f l a m ed i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sa l s od e s c r i b e d i nd e t a i l c c dc a m e r ai su s e di nt h i sp a p e ra sp r i m a r ys e n s i n ge l e m e n t ，a n dt h ed i g i t a l i m a g e sa r ep u ti n t oc o m p u t e rt h r o u g ht h ei m a g ea c q u i s i t i o nc a r d ，a tt h es a m et i m e ，t h e p a r a m e t e ro fi m a g e sc o u l db e s e tu p ；t h ee n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y , d e n o i s i n g t e c h n o l o g y , a n de d g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt ot h ef l a m ei m a g e sa r eu s e di nt h ep a p e r b a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ；r a d i a n te n e r g yi sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h e f u m a c er a d i a t i o nt h e o r y ；t w o d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l di sc r e a t e db a s e do nt h e t w o c o l o rm e t h o dw i t ha ne x h a u s t i v ee r r o ra n a ly s i sa n dc o l o rc o m p e n s a t i o nt oc c d ； t h em o n i t o r i n gs o f t w a r ei sa l s od e v e l o p e dw e l lb yc i nv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 ，w h i c h m e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e mv e r yw e l l t h ef u r n a c ef l a m ed i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nd i 百t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , t h en e ws y s t e mo v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a l f u m a c ef l a m ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y , c a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo f a c c i d e n t s ，g u a r a n t e et h ef u m a c ei ns e c u r i t ya n di m p r o v ee f f i c i e n c y k e y w o r d s ：f u r n a c e ；d i g i 【t a li m a g ep r o c e s s i n g ；c c d ；f l a m ed i a g n o s i s ； t e m p e r a t u r ef i e l d c 1 。a s s n o ：t p 2 7 7 l v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的令部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乏阀一闵亳多 导师签名 学位论文作者签名：易冈一闵乏乡 导师签名 签字嗍沙移7 年乡月f 7 同 签字隅 独创性卢明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或汪书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 靴论文储躲药、碜签字腓跏。夕年月厂7 同 致谢 本论文的工作是在我的导师陈广华教授的悉心指导下完成的，陈广华教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极人的帮助和影响。在此衷心感 身 两年来 陈广华教授对我的关心和指导。 陈厂“华教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向陈广华教授表示衷心的谢意。 陈科山教授、齐红元教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验窄工作及撰写论文期间，张宗健、马应林等同学对我论文中的图像采 集研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的爸爸妈妈，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 大型锅炉是工业生产中的一种重要设备，广泛应用于电力、化工、冶金等各 领域，其运行的经济安全性对于生产等各方面来说都极其重要。电站锅炉燃烧管 理是整个电站安全、经济运行的关键所在。目前我国电力工业水平同发达国家相 比还有很大差距，其中很重要的一个方而就是我国的锅炉燃烧管理水平比较落后。 随着现代机组锅炉容量的增大，锅炉及所属设备结构更为复杂化，影响锅炉安全 运行的因素也随之增多，燃料和设备的防爆问题也变的突出起来。目前很多电站 都安装了锅炉炉膛安全监控系统( f s s s ) ，防止锅炉恶性事故的发生，减少经济损 失，确保锅炉的安全运行【l 】。 炉膛安全监控系统( f u m a c es a f e g u a r ds u p e r v i s o r ys y s t e m ，简称f s s s ) 是现代 大型锅炉机组必须具备的一种监控系统，它与协调控制系统( c c s ) 一起被视为现代 大型火力发电机组锅炉控制系统的两大支柱【2 】。它是一种燃烧器控制和燃料安全燃 烧系统，主要由火焰检测、逻辑组件、外围设备等三大部分构称。它能在锅炉正 常工作、启动和停止等运行方式下，连续监视燃烧系统的参数与状态，并且进行 逻辑判断和运算，必要时发出动作指令，通过联锁装置，使燃烧设备中的有关部件 按照既定的合理程序完成必要的操作或处理未遂性事故，以保证锅炉燃烧系统的 安全。同时，在防止运行人员操作事故及设备故障所引起的锅炉炉膛爆炸方面起 着重要作用。燃料的安全监控系统投运是否成功，很大程度上取决于所用的火焰 检测器和灭火保护装置的功能是否可靠和完善，而对燃料燃烧的实时检测显得尤 其关键。 锅炉火焰燃烧检测系统是炉膛安全监控系统( f s s s ) 的重要组成部分，是保证 锅炉安全，避免锅炉爆炸危险的重要部件。锅炉的安全经济运行很大程度上取决 于燃烧的稳定性。煤粉炉要求在炉膛内组织稳定、均匀的火焰，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。而在典型的四角切圆燃烧锅炉 中，往往因为燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰 刷墙等导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故。比如锅炉在 运行时，有可能因燃烧不稳定而偶然熄火，而此时，如果燃料继续供应，就有可 能在炉膛或烟道中积聚一定数量未经燃烧的燃料与空气的可燃混合物，在炉膛温 北京交通人学颁f ：学化论文 度较高而又1 、= 够安全燃烧温度时( 根据爆燃理论，一般认为炉膛温度超过7 5 0 时 就可以保证不发生炉膛爆燃) ，发生爆燃，积存的可燃混合物近于| j 时点燃，生成 烟气，使容积突然增大，炉膛压力骤增，发生锅炉爆炸事故。1 9 7 9 年3 月lr ，天 津大港电厂1 台3 0 0 m w 发电机组业临界锅炉在运行中发生炉膛爆炸，停发电半年， 直接经济损失4 0 万元。1 9 9 3 年3 月l on ，宁波北仑港发电厂机组( 6 0 0 m w ) 的锅炉发 生炉膛爆炸，造成2 3 人死亡，8 人重伤，1 6 人轻伤。停炉检修1 3 2 天，直接经济损 失7 8 0 力元。由此可见，准确、可靠地盟测炉膛火焰，是防止炉膛爆炸、确保锅炉 安全运行的重要手段。 传统的火焰检测技术按检测原理可分为紫外线火检技术、红外线火检技术和 可见光火检技术。 紫外线火检利用火焰本身特有的紫外线强度来判别火焰的有无，其光电器件 为紫外光敏管。在燃烧火焰的不同区域，紫外线含量存在较大差异，第一燃烧区 紫外线含量最为丰富，第二和第三燃烧区的含量显著减小。因此，紫外光敏管对 相邻燃烧器火焰有较高的鉴别力，通常用作单火嘴的火焰检测器。但足紫外线易 被介质吸收，当紫外光敏管被烟灰、油雾等污染物污染时，灵敏度显著下降，所 以在燃用重油和煤粉的锅炉中，紫外线火检并不可靠。尤其在煤粉炉上，当锅炉 低负荷运行时，紫外线大量减少，其灵敏度更低。因此紫外线检测适用于燃用气 体或轻油燃料的锅炉，不适用于燃用重油和煤粉燃料的锅炉【3 j 。 红外线火检通过检测燃烧火焰放射的红外线强度和火焰频率来- n - 另r j 火焰是否 存在，探头采用硫化铅光电管或硅光电二极管，火检器工作波长范围为0 7 3 2 9 m ，动态频率检测范围高位5 5 7 5 0 0 h z ，低位1 5 4 0 0 0 h z ，适用于燃油、天 然气、煤粉等各种燃料的火焰。研究发现，燃料燃烧时火焰的辐射光谱主要是红 外线与可见光；火焰辐射光谱具有显著的脉动性；煤粉火焰的脉动频率较低，而 燃油及天然气火焰的脉动频率较高。这样，利用不同火焰燃烧状态的辐射光谱频 率与光强的变化，就可以分辨火焰的燃烧着火状态。由于炉膛完全燃烧着火区火 焰脉动频率通常不超过2 h z ，因此通过滤波电路，红外线火检能区分燃烧器火焰和 背景火焰。红外线火焰检测器在不同煤种的锅炉上都有良好的监视效果，得到了 广泛的应用，典型产品有f o r n e y 公司的i d d i i 型。 可见光火检同时检测火焰脉动频率和可见光亮度，并进行逻辑加运算来检测 燃烧火焰的存在。在燃烧火焰不同区域，可见光强度和火焰脉动频率有显著的差 异：在煤粉的初始燃烧区，火焰亮度不是最大但亮度频率最高；在完全燃烧区， 火焰亮度最大；在燃尽区，亮度和亮度频率都较低【4 】。因此，同时采用火焰平均光 强和脉动频率双信号，可提高检测的可靠性。另外，可见光检测器有滤红外光功 能，能排除烟尘、热烟气、炉渣和炉壁的红外辐射，进一步提高了火焰检测的可 2 绪论 靠性。可见光火检器用光纤和光电二极管识别火焰特性，工作波长范围 0 3 1 1 9 i n ，频率检测范围为1 0 0 1 0 0 0 h z ，典型产品有c e 公司的s a f e s c a n ， b a i l e y 公司的f l a m e o n 。 传统火焰检测技术只能对火焰的有无做出判断，不能对火焰的燃烧质量做出 评价。因此，随着计算机技术的发展，2 0 世纪8 0 年代丌始推出智能型火焰检测 装置，持续地将火焰形状同存储在记忆体中的标准火焰剖面进行比较。以实现火 焰燃烧质量的评价。随着数字图像处理技术的发展，基于图象处理的炉膛火焰检 测技术逐渐发展起来。它既继承了火焰电视直观、形象的优点，又充分发挥了计 算机强大的信号处理能力，从而实现对炉膛火焰更加有效的、更加安全的监控1 5 】。 1 2 国内外研究现状 火焰检测装置是锅炉安全运行不可缺少的重要工具，国内外的研究人员进行 了大量的探索性的工作。 1 2 1 国外研究现状 火焰检测器的首次使用是在五十年代初期，当时使用的足硫化铅光电管同一 个低频敏感的电子线路相结合的方法。这种火焰探测器对任何类型的燃料都有效， 但只能有限的区分相邻的火焰。 从1 9 6 8 年起，同本开始了紫外线火焰监测器及燃烧器控制系统的开发，由于 同本的热力发电站是以燃油为主。于是紫外线型火焰探测器一时间成为燃油锅炉 火焰监测器的主流。 2 0 世纪7 0 年代美国学者提出了对火焰的高频闪烁分量进行检测的探测器。 这种火焰检测装置的特点随着光纤技术和光电敏感元件的发展，通过测量可见光 的脉动频率和强度来判断火焰是否存在，无论是在灵敏度还是鉴别火焰的能力方 面，均优于紫外线型的火焰检测装置，并且这类探测器通常工作在可见光或红外 光谱区，其闪烁频率范围为5 0 0 6 0 0 h z 。以美国f o r n e y 公司为例，他们生产 的探测器利用煤粉着火区火焰的红外线亮度和闪烁频率来判断火焰燃烧状况。工 作波长为o 7 3 2 1 x m ，动态频率检测范围：高位5 5 7 5 0 0 h z ，低位1 5 4 0 0 0 h z 。 而可见光火焰监测器则以美国c e 公司和b a i l e y 公司为代表，它们利用着火区 的可见光亮度和闪烁频率来判断，这种监测器工作波长为o 3 1 1 9 m ，频率检测 范围为1 0 0 1 0 0 0 h z 6 1 。 3 北京交通人学顾l j 学位论文 2 0 世纪8 0 年代丌始，国际上丌始推出智能型火焰检测装置，持续地将火焰形 状h 存储在记忆体中的标准火焰剖面进行比较，以判断火焰有无。 同时，同本开始研究采用火焰辐射图像处理技术进行燃烧检测和诊断，同本 电站锅炉使用的煤来自世界各地，煤质情况复杂，且本国的环保标准十分严格， 因此研究取得了大量的研究成果。同立公司研制了火焰图像识别系统 f i r e s ( f l a m ei m a g er e c o g n i t i o ns y s t e m ) ，并利用它来进行n o x 诊断的研究【7 】。通过 计算n o 。生成区与喷嘴之i 、u j 的距离、高温区挥发份燃烧的浓度值和热分解区的宽 度等参数，定义了n o 。减少指数，用该参数和燃烧科学平衡比，可精确估计排气 中的n o 。后来，该公司的s h i m o d a 等人提出了采用双色法的火焰温度图像检测 方法，并在此基础上建立了多燃烧器锅炉未燃尽碳u b c ( u n b u m tc a r b o n ) 预测模 型，在同本仙台电站1 7 5 m w 机组上得到实施，取得了比较理想的结果峭j 。 2 0 世纪9 0 年代美固e p r i 的m & d 中心( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ， m a i n t e n a n c ea n dd i a g n o s t i c sc e n t e r ) 牵头，联合五家电力公司，进行了用红外光 学法测量电站燃烧火焰及炉内部件温度的研究，开发出了耐高温的红外镜头( i r h i g h t e m p e r a t u r el e n s ，h t l ) ，并用h t l 探索了准确测量炉内高温过程一j 。据e p r i 公丌的研究报告，该项日取得了以下成果： ( 1 ) 研制了高温红外光学镜头，波长范围2 5 1 2 i - t m ，其冷却系统可经受 2 5 0 0 0 f 的高温达10 m i n ，光学摄像系统不超过2 0 0 c 。 ( 2 ) 总结了炉内辐射传递过程。 ( 3 ) 对燃气及燃煤炉膛进行了红外光谱测量，发现了可用作温度测量的高透 过率光谱窗口，在实验中使用s r 一5 0 0 0 光谱辐射测试仪成功测量了气体和煤粉火 焰中碳粒的温度。 ( 4 ) 通过h t l 获取了炉内部件的良好图像。 1 9 8 9 年芬兰i v 0 公司的燃烧检测与数字分析d i m a c ( d i 百t f lm o n i t o r i n ga n d a n a l y s i so f c o m b u s t i o n ) 投入使用，系统硬件结构与f i r e s 结构大致相同，它是专 门为燃煤锅炉设计的，用来监视单只燃烧器火焰，它采用光学系统将图像传送给 炉外的图像传感器，通过专门的图像分析卡转换成数字信号进行分析，计算机以 2 5 帧秒的速率分析数字图像，计算着火点距离、火焰的平均强度、分析区域的 火焰强度，并每隔一秒显示火焰参数和伪彩色表示的火焰温度分布，该系统通过 改进燃烧效率和可靠性来改善运行的安全性和减少n o x 排放。同时，d i m a c 系 统自动存储单喷嘴或整个炉膛卸负荷时最后两分钟内的测量和计算结果，这样可 以帮助运行人员发现事故的原因。同时，运行人员也可以随时存入当前工况的有 关数据入数据库中，这些信息有助于比较不同煤种燃烧性质的差别【1 0 】。 法国g e o r g e l 、l a v a y s s i e r e 等利用电视摄像机监视燃煤机组单燃烧器火焰，分 4 绪论 析单燃烧器火焰的形状、颜色、强度和十h 对于燃烧器的位置等参数，并据此进行 单燃烧器的燃烧效率的计算。 同本三菱公司基于图像处理技术成功研制了新一代火焰检测装置光学映 像火焰扫描器( o p t i c a li m a g ef l a m es c a n n e r ，o p t i s ) 【i 。它采用摄像机和传像光 纤直接拍摄火焰图像，并利用计算机进行信息处理来判断火焰的稳定性，大大提 高了对火焰探测的灵敏度，能较好地克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧火焰器火焰 对检测火焰信号的干扰，不仅能判断火焰的稳定性，还能识别火焰的形状。 英国格林尼治大学的严勇教授等丌展了火焰图像处理工作，对火焰温度、烟 黑浓度和火焰形状进行了多方面的试验研究【眩】。 葡萄牙罩斯本高等技术大学的c o r r e i a 等研究了火焰三维温度分布传感器，考 虑了传统c t 算法中不能考虑的火焰吸收的影响。 1 2 2 国内研究现状 2 0 世纪术国内丌始了对图像火焰检测技术的研究，经过近二十年的研究，国 内的火检技术已有了一些发展，但是整体水平与国外还有一定的差距。 国内清华大学吴占松教授等最早丌展小型发光火焰温度图像检测的实验研究 工作，以数字图像处理技术为手段，通过光火焰图像信息的处理，建立了火焰亮 度图像和火焰温度之间的关系，并经黑体炉标定获得了n o 。排放和火焰温度之间 的多项式回归模型，并在随后丌展了非对称火焰三维温度场分布重建的研究，通 过在计算中加入内部火焰分布平滑的先验假设，给出了非对称火焰的三维温度分 布测量的重构算法，开创了国内火焰图像处理研究的先河【1 3 , 1 4 】。 上海交大的徐伟勇教授等采用传像光纤和数字图像处理技术检测电站锅炉燃 烧火焰，并根据火焰彩色图像信息判断燃烧器着火情况。光学图像传感器由物镜、 传像光纤、目镜、滤色片和黑白c c d 摄像机组成，能实现火焰伪彩色显示、燃 烧直方图显示、亮度分布。将火焰亮度及其变化历史趋势作为判断燃烧稳定性的 依据，并致力于通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环控制研究。其研究成果已投 入到电站运行中，图像检测产生的“o n o f f ”信号并入到锅炉燃烧控制系统 ( f s s s ) 中【1 5 , 1 6 】。 浙江大学热能工程研究所岑可法院士领导的课题组，早期提出了采用双色法 从彩色火焰图像中计算火焰温度图像的方法具有重要的应用价值，其后对火焰温 度场重建、温度和浓度联合重建以及基于火焰图像处理的燃烧渗断丌展了深入的 研究【1 7 】。 5 北京交通人学硕 学位论文 东南大学王式民教授等也丌展了炉内火焰图像处理研究工作，并探讨了火焰 三维温度场可视化的方 ! 去【惜j 。 华中科技大学的周怀春教授等提出了基于参考测温的单色法火焰温度图像检 测方法，建立了炉内燃烧火焰温度分前i 和火焰辐射图像之问的定量模型，模拟研 究了温度场的重建方法，并开展了电站锅炉炉内燃烧的二维、三维温度分佰检测 的实验研究，同时又报道了轧钢加热炉内三维温度场可视化的初步实验研究结果。 国内其他很多单位也丌展了火焰图像处理研究工作【l9 1 。 1 3 本文研究意义和主要工作 由于国内开展的炉膛火焰图像研究大部分仍处于理论研究阶段，较少应用于 工业实际，而引入国外技术成本又过高，凶而，如今国内大中型锅炉仍然使用传 统火焰检测技术进行火焰检测，而传统的炉膛火焰检测技术主要存在以下三个问 题： ( 1 ) 传统的火焰检测技术只能对火焰的有无做出判断，输出是否灭火的开关 量信号。不能对火焰的燃烧状况进行辩识，不能及时发出火焰的调整信号。 ( 2 ) 传统火焰检测装置安装复杂，不易移动，而火焰中心位置是多变的，因 此传统火检装置很容易出现对火焰燃烧形势的误判断。 ( 3 ) 传统火焰检测装置调试过程复杂，无法适应大范围的负荷变化。 传统的火焰检测方法已经不适应当今的技术发展要求，而基于数字图像处理 的炉膛火焰可视化技术作为一门崭新的炉膛火焰检测技术，显示了其广阔的应用 前景，为燃烧诊断开辟了一条新的道路。 本文针对传统火焰检测装置的不足之处，以炉膛燃烧辐射理论为基础，以数 字图像处理技术、c # 计算机软件开发技术为手段，设计了新型的、基于数字图像 处理的炉膛火焰诊断系统来实现对炉膛火焰实时、有效、安全的监控。 本文主要完成以下工作： ( 1 ) 搜集资料，了解国内外炉膛火焰检测技术的发展现状，深入探讨炉膛火 焰检测方法，确定研究方案。 ( 2 ) 深入研究数字图像处理技术，确立数字图像处理算法，进行火焰图像预 处理，如火焰图像增强、消噪和边缘处理等。 ( 3 ) 深入研究基于双色法的测温理论，建立炉膛火焰温度场，并进行理论误 差分析。 ( 4 ) 深入研究炉内辐射传热原理及辐射传递方程，计算炉膛火焰辐射能， ( 5 ) 开发基于c # 的上位机分析软件。提供c c d 摄像头综合设置、火焰燃烧各 6 绪沦 种综合信息显示、不同安全级别脊陆杖限、不l j 程度报警及提醒、各种人性化操 作方式、历史纪录查询及导出等功能。 ( 6 ) 系统实验验证。构建实验系统，进行系统有效性验证。 7 北京交通 学硕+ 学位论文 2 炉膛火焰燃烧诊断系统总体设计 炉瞠火焰燃烧硷断系统组成如图2 一l 所示，主要包括光学系统、c c d 工业相 机、图像采集 、冷却风系统、p c 上位机、火焰监视器、人机接口等部分。炉膛 火焰彩色图像经过光学系统的光学采集和处理后送入彩色c c d 工业 日机，井转 换成电信号经图像采集卡处理后输出两路信号。路送入火焰监视器进行直观的 实时图像显示，h路送入p c 上位机用于数据分析，获得所需指标信息，现场 安装示意罔如罔22 所示舢。 r固依覃事讳2 l 圆斗厂 厂 l 兰罡斟爿篆i l 厂= ：、+ _ 一 lli 酗2l 炉膛火焰燃烧谚断系统结构目 f i 9 2 - ls w u c t u 地d i a g r a m o f f 盯腑h 锄e d i a g n o s i ss y s t e m = | 立摹元c c o 工生相机光擎毒毵捧却 _ 东蜿 一11_ p c ( 控制i ) 幽2 - 2 炉膛火焰燃烧诊断系统现场安装示意幽 f i g 2 - 2p l c h 雠o f f u r 蛆c e f l a m e d i 螂o s i ss y s t e m l n s t a l l a t i i nf i e l d 炉膛火焰燃烧诊断系统总体设计 2 1 光学系统 光学系统的作用为实现光学成像，使摄相机能够获得空问中某点或某平面的 图像。本系统采用的是内窥光学潜望镜，其结构如图2 3 所示。利用它获耿炉内 火焰图像，经棱镜转向并用光纤引出后投射在c c d 摄像机靶面上【6 】。 为了使光学系统在炉膛内安全工作，采用双层套管结构，通过冷却风降温， 并通过气流清洁镜头，防止积灰。内窥光学潜望镜与c c d 相机组成了火焰探测 器，探测器的结构很简单，主要由可伸缩的探测杆和套筒支座组成。探杆的f j 订端 安装风冷光学镜头，经传像系统( 光路或传像光纤) 将火焰图像送至炉壁外侧，由 c c d 摄像头转换为视频信号输出。掇杆由电动装置驱动伸入和退出炉膛。 2 匕，色测温分光电路 c c d 摄像头“” 头 图2 - 3 火焰探测器结构图 f i g 2 3s t r u c t u r ed i a g r a mo ff l a m ed e t e c t o r c c d 摄像机采集火焰图像，并将其转换为视频信号，通过专门为c c d 设计 的专用光路，经过图像采集卡转换为数字信号传送计算机进行处理，具体光路如 图2 - 4 所示。 窑壁 图2 4c c d 光路系统 f i g 2 _ 4l i g h tp a t hs y s t e mo fc c d 9 北京交通人学硕ij 学f t 沦文 2 2c c d 图像传感器及选型 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷藕合器件) 是一种2 0 世= 纪7 0 年代初发展 起来的新型半导体器件。自它问世以来，由于体积小、可靠性好等特点，具有广 泛的应用性，得到了迅速的发展。加之c c d 具有耐灼伤、工作稳定可靠、图像 清晰等特点，它与计算机图像处理相结合在温度场测量方面的应用i 吸引了很多学 者的注意【2 0 1 。 c c d 的突出特点是以电荷作为作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流 或者电压为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，c c d 工 作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。c c d 有两种基本类型， 一种足电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件成为 表面沟道c c d ( 简称s c c d ) ；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内， 并在半导体体内沿一定的方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件( 简称 b c c d ) 。 c c d 工业相机用于采集火焰图像，把火焰的光强度随空间分布变化转换成随 时间变化的与图像亮度成正比的电信号，并把该电信号进行处理后输出给图像采 集卡。 2 2 1 c c d 图像传感器 1 c c d 图像传感器结构 c c d 相机里面的核心元件是面阵c c d 。c c d 是采用光电转换原理，用柬摄 取平面光学图像并使其转换为电子图像信号的器件，它具有两个作用：一是具有 把光信号转换为电信号的作用；二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并 把这些像素按时间取出的扫描作用。 面型c c d 图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存 在三种典型结构形式，如图2 - 4 所示。 图2 4 ( a ) 所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组 成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平( 行) 方向上，由垂直方向的寄存 器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这 种结构易于引起图像模糊。 图2 4 ( b ) 所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在 正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下 l o 炉膛火焰燃烧诊断系统总体设计 移到信息存储区。在垂直叫于- 1 结束后，感光区回复到积光状念。在水平消隐周期 内，存储区的整个电倚图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号 移到水平读出器，该行电倚在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整 帧视频信号自存储移出后，就丌始下一帧信号的形成。该c c d 结构具有单元密 度高、电极简单等优点，但增加了存储器。 二相驱动视频输出 输 出 寄 存 器 二相驱动 二相驱动 输出寄存器 检波二极管 光栅报时钟 ( c ) 图2 - 4 面型c c d 图像传感器结构 f i g 2 - 4s t r u c t u r eo fs u r f a c es h a p e dc c d 图2 - 4 ( c ) 所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图2 - 4 ( b ) 中感光元件 与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在 感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后， 在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出 移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件， 形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面 北片! 交通人。学硕 ：学位论文 积减小，图像清晰。 目前，面型c c d 图像传感器使刚得越来越多，所能生产的产品的单元数也 越来越多，最多已达1 0 2 4 x 1 0 2 4 像元。我国也能生产5 1 2 3 2 0 像元的面型c c d 图像传感器。 2 c c d 图像传感器特性 ( 1 ) 分辨率 分辨率是c c d 图像传感器的最重要的特性，一般用器件的m t f ( m o d u l a t i o n t r a n s f e rf u n c t i o n ) 即调制转移函数表示。而m t f 与成像在c c d 传感器上的光像 的空间频率有关。一般来说，光像是通过傅里叶变换后所得到的周期性波动的空 间频率来表示的。这种空间频率的单位一般用线对m m 。一个线对是两个相邻的 光强度最大值之间的间隔。c c d 电极的间隔同样用空问频率厶( 单元数m m ) 表 示。通常，成像在c c d 传感器 的光像的空f h j 频率厂用五归一化。例如，假 设成像在c c d 上的光像的最大强度间隔为3 0 0 9 m ，c c d 传感器的单元间隔为 3 0 u m ，则归一化空间频率为0 1 。调制深度是用空问频率为零时作为1 来归一化 的，称为m f t 。 ( 2 ) 暗电流 所有的图像传感器都受暗电流的影响。暗电流起因于热激发产生的电子一空 穴对。光信号电荷的积累时间越长，其影响越大。c c d 器件本身的缺陷是暗电流 产生的主要原因，而且这种器件本身的缺陷还使得暗电流的产生也不均匀，表现 在c c d 在非光照环境下也会产生同定的图形。暗电流限制了器件的灵敏度和动 态范围。另外，在c c d 阵列中，局部产生大暗流的地方，多数会出现暗电流尖 峰。 暗电流的大小与温度的关系极为密切，温度每降低i o 。c ，暗电流约减少一 半。 在c c d 中，对每个器件而言，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置 的单元上，利用信号处理，把出现电流尖峰的单元位置存储在p r o m 中，读出时 只除去该单元上的信号，并立刻读取相邻单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的 影响。在本文的火焰图像检测中，为了减少暗电流的影响，就需要更进一步完善 冷却系统，保证摄像头在良好的状态下工作运行。 ( 3 ) 灵敏度和动态范围 c c d 图像传感器要求灵敏度高、动态范围宽。c c d 的灵敏度一般用最低照 度来表示，所谓灵敏度高即是要求在其在很低的照度下也能输出较为清晰的图像。 照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量。照 度的单位是每平方米的流明( 1 m ) 数，也叫勒克斯( 1 x ) ；l l x = l l m m 2 ，其中l m 是光 1 2 炉膛火焰燃烧诊断系统总体设计 通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度( 约1 7 7 0 ) 时，其l 6 0 c m ? 的表面积与1 球面度的立体角内所辐射的光量。c c d 图像传感器的动念范围宽则是要求其具有 把最小光量到最大光量产乍的信号电荷成比例的收集到势阱的能力，其取决于势 阱能收集的最大电荷量与由噪声确定的最小电荷量之差。 ( 4 ) 噪声 一般来说，c c d 的噪声源有以下几种： 光子噪声。光子过程是随机过程，所以，势阱罩收集的光信号电荷叶是随 机过程，这就是一种噪声源。它与c c d 传感器无关，是由光子性质决定的。因 此，这是摄像器件工作原理上的限制。这种噪声在低照度摄像时更成问题。 胖零噪声。在s c c d 中，给定偏执电荷( 胖零) 时，它也是一种噪声源， 和给定偏置光时是一样的。 陷阱噪声。这是在s c c d 中起因于界面缺陷、在b c c d 中起凶于体内的 一种噪声。b c c d 的陷阱噪声比s c c d 小。 输出噪声。这是起因于输出电路转移过程中的一种热噪声。若将来自输出 电路的这种噪声换算成有效载流子值的话，就能和其他c c d 噪声进行比较。 暗电流噪声。暗电流噪声和光子发射一样，是随机过程，所以也是一种噪 声源。 另外，在每个c c d 单元中，若暗电流不同，会产生某种特定图形式噪声。 此为，器件的单元尺寸不同，i 、日j 隔不同，也能产生噪声。该噪声可以通过改进光 刻技术予以减少。 3 c c d 工业相机适用范围 由于c c d 图像传感器具有尺寸小、工作电压低( d c ：7 1 2 v ) 、寿命长、孥 固耐冲击以及电子自扫描等优点，促进了各种视频系统和自动化办公设备的普及 和微型化，加之无图形扭折，信息容易处理的突出特点，非常适用于工业自动化 检测和机器上的视觉系统，而且便于与计算机接口实现各种高速图像处理。c c d 摄像机从原理上讲，其寿命接近于无限长，能够经受强烈的振动而不损坏，而且 工作电压低，体积小，重量轻。这些突破性的优点，使c c d 摄像机得到比采用 电子束扫描摄像管的摄像机范围更广的应用。同理，c c d 摄像机也比较适用于火 焰检测。 彩色c c d 摄像机的色度学基础是三基色学说。三基色学说是在配色试验基 础上建立的。其主要观点是人眼中有红绿蓝三种基色感细胞，它们的最大感光灵 敏度分别落在红色绿色和蓝色区域。因而景物的任何色彩都可以用红绿蓝三种基 色末配置。1 9 3 1 年国际照明技术委员会c i e 规定：三基色的红光波长为7 0 0 n m ， 绿光波长为5 4 6 1 n m ，蓝光波长为4 3 5 8 n m ，这些色度学知识将在后文详细阐述。 1 3 北京交通人学硕t j 学位论文 彩色c c d 的任务就足把米自景物的入射光分解为r ，g ，b 三基色。在彩色 c c d 的耙血上设置有条纹滤色器。通过有条纹滤色器就可以将彩色景物分解成r ， g ，b 三基色分量。 通常，人们在用双色法测量温度时，是在光路前加装单色滤波片以获取单色 图像。对于彩色c c d 来说，它本身所获取的信息中就包含着三个单色的图像。 因而，选择其中两个适当的单色图像，就可以用来计算温度场。 2 2 2 c c d 图像传感器的选型 1 c c d 图像传感器镜头选择 摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量优劣直接影h 向摄像头的 整机指标。镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体， 如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输 出，这与我们家用摄像头和照相机的原理是一致的。当人眼的肌肉无法将晶状体 拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清，摄 像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦 点，改变c c d 芯片与镜头基准面的距离( 相当于调整人眼晶状体的位置) ，可以将 模糊的图像变得清晰，由此可见，镜头在监控系统中的作用是非常重要的。结合 课题需要，本文采用焦距为2 5 m m 的近焦广角c c t v 镜头来采集图像。 2 c c d 图像传感器相机选择 结合系统对于图像采集卡的要求，本文采用内置了图像采集卡的o ks c l 3 1 0 高分辨彩色数字相机。图像采集卡的工作原理是将输入的模拟信号经过a d 转换， 通过计算机总线传输到计算机内存或显存，从而实现计算机对现场图片进行采集、 处理和存储。本系统中，图像采集卡将c c d 摄像机输出的信号经过采样、离散化 后存储在计算机内。图像采集卡包括数字化高速d ：卷片、缓冲寄存器和显示逻辑 等部件，采集图像时，高速d 芯片将摄像机输出的模拟图像信号进行等时间间隔 采样，并把每个采样点的模拟狄度值转换成数字信号，然后按顺序存入存储器中 得到数字化图像。 在内置采集卡的同时，o ks c l 3 1 0 高分辨彩色数字相机采用了u s b 2 0 标准 接口，安装使用方便，非常适合室内外各种工业检测应用。这种相机的主要特点 还有：1 2 i n c h 彩色面阵c c d ：最大分辩率1 2 8 0 x 1 0 2 4 ，逐行模拟视频输出；输 出格式为1 0 b i t 原始b a y e r 数据；连续扫描和外触发扫描可选，可随时触发采集； 可编程控制曝光时间、幅面尺寸、黑电平、增益、饱和度；信噪比大于