CN203489237U - 嵌入式火焰监测与燃烧诊断*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了嵌入式火焰监测与燃烧诊断***，包括：一工控板，所述工控上安装有OMAP3530双核处理器，图像采集模块，DSP图像处理模块和ARM诊断模块，所述图像采集模块连接着DSP图像处理模块，DSP图像处理模块与ARM诊断模块之间进行信息交互，一远程机PC机，所述远程机PC机用来进行实时的显示诊断***画面，方便工作人员的查看；所述ARM诊断模块通过以太网接口传输到远程PC机上。每个炉膛上都安装有这样一个监测和诊断***，通过以太网传输到远程PC机上进行显示，可以达到实时性的要求，监测方便并且成本较低。

Description

嵌入式火焰监测与燃烧诊断***

技术领域

本实用新型属于光电领域，具体涉及嵌入式火焰监测与燃烧诊断***。 

背景技术

火电厂锅炉炉膛内的燃烧过程是复杂的物理和化学过程，火焰的温度场分布及燃烧状态对于电站锅炉的安全经济运行以及减少污染物的排放具有极其重要的现实意义。 

对于燃煤锅炉而言，锅炉燃烧工况的组织和监控对电厂运行的可靠性、安全性和经济性有较大的影响。锅炉的安全运行在很大程度上取决于燃烧的稳定性，锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并维持稳定、均匀的燃烧火焰。燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与否最直接的反映。燃烧调整不好或者燃烧不稳定会导致锅炉热效率下降，产生更多的污染物、噪声等，在极端情况下可能引起锅炉炉膛灭火，甚至诱发炉膛***造成事故。为了预防潜在的危险，必须进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。 

因此，安全、可靠的燃烧诊断技术成为锅炉安全运行的重要条件和基本要求。对于大中型锅炉配备炉膛安全监控装置，其最重要的组成部分是火焰安全监测***。 

90年代后，随着计算机图形处理技术的发展，基于工业电荷耦合器件CCD与计算机图形处理相结合的技术是炉膛火焰监测***中较为热门的研究方向之一。目前锅炉监测***的硬件一般采用图像采集卡加计算机的结构，这种***主要侧重于用软件方面的设计来提高锅炉火焰监测的可靠性、安全性，但这种***结构存在着很大的局限性： 

1）图像处理过程面对的是大量的数据处理和复杂的算法实现，通用计算机来完成这些任务，实时性无法得到保证，致使大量的有用数据无法得到有效的利用。

2）计算机负担过重，PC机要承担所有的工作和其他的数据读取、存储操作，如果运行的结果还要完成网络传输和数据库等操作，***的运行速度受到严重影响，并且此***在现场安装不方便。 

高温火焰温度场是燃烧过程极为重要的热工参数，目前主要采用光学辐射高温温度计进行测量，而这种测量方法只能炉膛局部点的测量，无法实现温度场的测量。如何实时快速地实现火焰图像的处理和温度场的计算并进一步进行燃烧诊断成为亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有火焰监测与诊断***的缺点，本实用新型的目的在于提供了完全由硬件来解决的方式，每个炉膛上都安装有这样一个监测和诊断***，通过以太网传输到远程PC机上进行显示，可以达到实时性的要求，监测方便并且成本较低。 

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下： 

嵌入式火焰监测与燃烧诊断***，包括：

一工控板，所述工控上安装有OMAP3530双核处理器，图像采集模块，DSP图像处理模块和ARM诊断模块，

所述图像采集模块连接着DSP图像处理模块，DSP图像处理模块与ARM诊断模块之间进行信息交互，

 一远程机PC机，所述远程机PC机用来进行实时的显示诊断***画面，方便工作人员的查看；

所述ARM诊断模块通过以太网接口传输到远程PC机上。

优选的，所述图像采集模块为一数字摄像头，采集炉膛火焰的图像信息，数字摄像头上包覆有内外套管，在内外套管上设置一冷却风进口，在所述数字摄像头的镜头下次设置一冷却风出口，所述冷却风进口和冷却风出口形成一风道通道。 

通过上述技术方案，本实用新型的有益效果是： 

本监测***采用OMAP3530双核处理器，不仅使数据处理能力和***的实时性得到大幅的提升，而且还减轻了PC的负担，同时也增强了***的可靠性，并用ARM对锅炉的火焰进行诊断，本***具有图像采集、图像处理、燃烧诊断、报警输出、对事故出现的图像进行追忆、自学习以及存储各种燃烧故障信息并通过模式识别算法实现故障的准确判断的功能；

每个炉膛上都安装有这样一个监测和诊断***，通过以太网传输到远程PC机上进行显示，可以达到实时性的要求，监测方便并且成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

附图1为本实用新型的总体架构。 

附图2为本实用新型的集成板功能框图。 

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。 

参照图1和图2，整个***由以下部分组成，锅炉炉膛、光学***、基于OMAP3530的集成板以及远程PC机。 

锅炉炉膛是用来进行火焰监测与诊断的对象。 

光学***作为一个辅助***，应用于数字摄像头，辅助***是指完成光学***的冷却和吹扫功能的装置。 

光学***的冷却采用内外套管直接风冷的方式。冷却风由风管进入内外夹套直接冷却内管内的光学器件。由于仪表用气的风压不够高,为提高冷却效果,采用单独的冷却风机,功率为18.5kW的冷却风机效果很好。 

冷却风经物镜前端的外管出口吹入炉膛,同时吹扫保护玻璃以保持其清洁。另外,吹扫风经吹扫风管引导在物镜下方形成一层气幕从而有效地防止了烟尘撞击物镜或粘于物镜上,保证了光学***成像的质量。 

冷却风经风管入内外夹套的冷却风进口，在经过内外夹套后，冷却风经冷却风出口排出。 

监测***集数字摄像头、ARM诊断模块、DSP图像处理模块以及以太网接口等为一体，并以wince为操作***，数字摄像头采用功能丰富、高性能的具有30万像素的COMS传感器，具有耐灼伤、工作稳定可靠、图像清晰度高等优点,用来获取锅炉火焰燃烧的图像。 

OAMP3530是基于ARM+DSP双核架构处理器并且内部集成wince操作***。 

DSP图像处理模块主要完成火焰图像的处理和特征量的提取。ARM诊断模块完成燃烧诊断等工作。 

充分利用DSP的高速度和并行性，不仅使数据处理能力和***的实时性得到大幅的提升，同时也增强了***的可靠性，采用ARM诊断模块进行诊断，给用户带来了便利。以太网是次***与PC机进行通信的接口，通过网络将诊断结果，诊断的信息、实时采集的图像以及故障图像上传到PC机中，供用户进行监视。 

远程PC机用来进行实时的显示，方便工作人员的查看。 

整个监测***全部集中在以OMAP3530为核心的工控板上，包括图像采集模块，DSP图像处理模块和ARM诊断模块，所述图像采集模块连接着DSP模块，DSP与ARM之间进行交互，ARM诊断模块是由板载程序启动。 

所述图像采集模块为数字摄像头，采集炉膛火焰的图像信息。 

所述DSP图像处理模块是对采集到的火焰图像进行预处理、特征提取等操作，由ARM诊断模块来读取处理结果。 

所述ARM诊断模块是对炉膛燃烧状况进行故障诊断，并且可以进行故障存储，并通过以太网接口传输到远程PC机上。 

根据上述方法流程，具体的实施方法如下； 

1、数字摄像头                   

一般采用模拟摄像头进行图像的采集，模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后直接传送到处理器中处理。

本实用新型是将数字摄像头集成到OMAP3530工控板上。 

、图像采集及处理

数字摄像头以每秒15帧的速度采集火焰图像，并将其转换为视频信号，经过DSP图像处理模块获得锅炉火焰的实时图像信息，进行数字图像处理工作，读取图像的灰度值，并进行滤波、除噪声、边沿检测、图像特征量提取等处理。

1）平均灰度 

平均灰度的定义为灰度的数学期望与图像中灰度级数的比值，它反映的是火焰辐射的平均光强。在图像处理过程中取一个阈值为

，设

为第

级灰度的概率，其中

，

为图像灰度的最大值。

代表图像的平均灰度，有：

         （1）

式中

为图像的实际最大灰度级数。

2）方差

方差反映了火焰温度分布的不均匀程度，方差越大，表示温度场空间范围内的温差越大。当炉膛内燃烧处于低负荷运行时，由于燃煤量的减少，燃烧放热量随之减小，因此炉内火焰温度与水冷壁表面温度下降，从而降低燃烧反应速度，减慢放热速度，使得煤粉气流的着火较之高负荷情况下有所延迟。并引起燃烧火焰中心上升，煤粉的燃烧份额在空间范围内发生变化，所以炉内的温度场在空间上的分布较之高负荷情况下更为均匀。因此在高负荷情况下比低负荷情况下炉内温度场的空间分布水平不均匀的程度要大。

根据概率论知识可以得到方差的定义如下： 

      （2）

式中

，

为图像的高度和宽度(均为像素数)，

为

处的灰度值，

为平均灰度，其值为：         

。

此值反映了温度分布的不均匀程度，方差越大，表示温度场内的温差越大。 

通过这两个量的组合判断火焰当前的燃烧情况。如果当前燃烧稳定，灰度值应在一个阈值内，方差应该比较平稳。如果燃烧不稳，有灭火的趋势，则会表现为：灰度值下降，灰度方差变化大。所以这两条曲线对整个***的对“有火”与否的判断至关重要。 

3）火焰有效面积：作为表征燃烧状况的几何特征量，在燃烧理论中已有大量的研究。这里所应用的火焰有效面积对应于垂直于摄像机方向的投影面积。通过对原始火焰图像的预处理，可以统计出图像中某灰度级以上的所有象素点的总量，由于每个象素点占据的火焰面积大致均匀，因而其实质上代表了火焰的投影面积大小。火焰有效面积的计算公式如下： 

     （3）

为第

次采样的火焰面积，

为图像象素个数，

表示第

次采样时图像中象素点

的灰度值，

为预先设定的阈值， 为阶跃函数，其定义为

        (4)

4）高温区域面积：由燃烧理论可知，在其他条件一定的情况下燃烧温度越高燃烧越稳定，即燃烧火焰只要拥有较稳定的高温区域面积，那么火焰抵御干扰的能力就强，燃烧就会稳定。而且火焰的高温区域的亮度变化很小，闪烁频率很低。所以火焰有效面积和高温区域面积值可以反映出燃烧的稳定性，能作为燃烧诊断的依据。

、***监视及燃烧诊断

采集的火焰图像所含的信息量是相当大的，燃烧诊断中不必要也不可能将这么多的原始图像信息全部作为识别的判据。这样，就要求从原始图像信息中提取出若干最能反映出火焰本质的特征量作为燃烧诊断的依据。本***对电站锅炉拍摄到的燃烧火焰图像提取以下特征量：火焰平均灰度及灰度方差、火焰有效面积及面积方差、高温区域面积及面积方差，由此反应火焰的燃烧特性，最终实现燃烧诊断。

1）图像的实时显示 

通过数字摄像头将燃烧的火焰实时图像采集到DSP中，并与ARM核进行交互，将实时图像通过以太网上传到远程PC机上进行显示，供用户观察燃烧状况。锅炉火焰情况可实时以多种方式进行显示，可在计算机屏幕上以棒状图显示，显示方式包括显示、全显示，可同时显示多个锅炉的火焰情况。

2）存储功能 

ARM诊断模块可以控制将摄像头获取的图像存储到NAND Flash中，有利于火焰图像的分析，也可以定时存储获取的图像信息。

3）故障诊断 

ARM诊断模块通过DSP提取的特征量进行诊断，如果出现故障，将发生故障的一段视频图像保存到Flash中，便于随时调出检查以利于事故分析，使得此***具有事故追忆的功能，并产生报警输出，在远程PC机屏幕上有报警标志及告警灯，以便提示工作人员进行处理。

4）自学习功能 

***具有对各种燃烧故障信息进行存储的功能，将各种故障时图像的状态存储到Flash中，采用统计模式识别算法，将各种故障信息集中在一起，然后按照特征进行分类，在对火焰进行诊断时，将获取的图像信息与这些类进行比较，如果在此类中表明存在故障，实现了不用通过图像处理即可对锅炉火焰燃烧状态进行准确判断。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (2)

1.嵌入式火焰监测与燃烧诊断***，其特征在于，包括：

一工控板，所述工控上安装有OMAP3530双核处理器，图像采集模块，DSP图像处理模块和ARM诊断模块，

所述图像采集模块连接着DSP图像处理模块，DSP图像处理模块与ARM诊断模块之间进行信息交互，

 一远程机PC机，所述远程机PC机用来进行实时的显示诊断***画面，方便工作人员的查看；

所述ARM诊断模块通过以太网接口传输到远程PC机上。

2.根据权利要求1所述的嵌入式火焰监测与燃烧诊断***，其特征在于：所述图像采集模块为一数字摄像头，采集炉膛火焰的图像信息，数字摄像头上包覆有内外套管，在内外套管上设置一冷却风进口，在所述数字摄像头的镜头下次设置一冷却风出口，所述冷却风进口和冷却风出口形成一风道通道。 

Images