TW201124681A - Image sensing system, software, apparatus and method for controlling combustion equipment - Google Patents

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201124681 六、發明說明： 【先前技術】 根據本發明，使用與火焰產生 王燃燒设備（諸如，工業火 炬、燃燒器及導引器）相關聯之成 或像系統來控制該火焰產 生燃燒設備在一露天環境中之操作。 在工業火炬（例如，廢教火扣、士 敬乱火炬）中，某些主要設計點包含 液壓容量、無煙能力、破壞效 、 哝双半、燃燒效率 '火炬氣組 成、空氣夾帶程度、相關聯設備(諸如，《汽喷嘴、空氣 風扇、吹風機及壓縮機)之機械效率及提供點燃之需要。 最佳效能需要在最大及最小流率二者下平衡以上參數。火 炬操作者通常期望-最大流率穿過該火炬尖端，該最大流 率稱為液壓容量。火炬操作者亦期望一較低流率，其中在 無灰或煙之情況下發生驟然，該較低流率稱為該火炬尖端 之無煙能力。亦需要操作者破壞約98%或更多之火炬氣體 以確保6亥火炬所釋放之流出物之安全性。此百分比稱作破 壞性移除效率或破壞效率。 稀釋率係添加至正被驟然之氣體之空氣及/或蒸汽之 量°空氣及/或蒸汽用於夾帶額外周圍空氣以有助於火炬 氣體之燃燒。然而’添加過多空氣或蒸汽至該火炬可導致 習知為過充氣或過汽蒸之一條件。實際上，可將火炬氣體 之某些部分過充氣或過汽蒸至不再可燃之點，藉此降低該 火炬之效率。 通常採用蒸汽或空氣援助來促進達成前述提及之無煙能 力所需之混合。蒸汽火炬利用高速度蒸汽以有助於混合及 151416.doc 201124681 夾帶空氣《該火炬之蒸汽部分之設計通常係使得在氣體離 開蒸汽火炬尖端時使空氣及蒸汽分佈穿過噴嘴或混合管。 該蒸汽之目的係充當用以夾帶額外周圍空氣之一發動流 體。某些蒸汽或空氣分佈於該火炬尖端内側作為吹掃氣體 以防止該火焰在該尖端内側燃燒。過度蒸汽及/或空氣可 形成一非可燃混合物，藉此降低該火炬效率。 若（或當）允許一火焰穩定於火炬尖端内側（時），則可損 壞該火炬尖端。此通常發生於火炬氣體流率係低時或使用 極低之吹掃速率時。因此，分佈於該火炬尖端内側之蒸汽 一直不斷地流動。 操作者通常將蒸汽開大得比所規定高以使得該尖端在小 驟然事件期間需要較少干預。然而，該蒸汽流可具有泮滅 氣體流及/或致使氣體流對氣體不氧化之點變得有惰性之 可能。此可允許一潛在有害蒸汽流動至大氣且降低該火炬 效率。 在、氣候中，空氣係較佳，此乃因蒸汽可凝固。此類型 之火炬藉由具有數百馬力馬達之—個或多個大型電風扇來 將大办量之空氣遞送至該火炬尖端。一大型火炬可具有 將工虱遞送至尖端之四個或更多個風扇。此等風扇中之至 ^者或多者將係一雙速風扇，且將運行該時間之 100% (5]時剩餘風扇閒置以等待—驟然事件。此雙速風 ; j的製程速率流動或吹掃速率流動。用以-直運行 該雙速風扇之電能之淨成本係相當大的。 在低速或半速下，一空氣火炬中之一翼式軸流風扇 151416.doc 201124681 亦可遞送綽绰有餘的空氣流。與洩漏閥相關聯之正常吹掃 速率流動及係尖端之上游之製程可產生至該火炬之一相當 大之氣體流。然而，對於一大尖端，與該氣體相關聯之吹 掃速率流動速度可處於約每秒一英尺（約每秒〇 3米）下。以 半速運行之風扇可潛在地遞送一足夠的空氣流率以產生非 易燃或分層之氣體與空氣混合物至該火炬尖端。然後，來 自該尖端之未經氧化流出物之可能變成一問題且可能違反 環境要求。若吹掃或洩漏速率低於預期之吹掃或洩漏速 率’則可將破壞效率降低至可接受要求以下之位準。 【發明内容】 在一個態樣中’本發明提供一種火炬控制系統。該火炬 控制系統包括一基於光學之成像系統及一自動火炬控制處 理益。該基於光學之成像系統包含朝向正在外界釋放之至 少一個火炬定向之至少一個影像捕獲器件及一影像處理 器。該影像處理器包含能夠電子地分析該火炬之一所捕獲 影像且能夠鑑別該火炬與一外界背景之至少一個影像處理 演算法。該自動火炬控制處理器界定針對該火炬之一控制 系統，其中該自動火炬控制處理器回應於自該影像處理器 接收之分析而控制該火炬。 在另一態樣中，本發明提供一種火炬控制器，其包括至 少一個火炬、一影像處理系統及一自動火炬控制處理器。 該火炬經環境上釋放至大氣中。該成像系統包含至少兩個 光學影像捕獲器件、一影像處理器、至少一個影像處理演 算法及一電子輸出。並且，至少一個光學影像捕獲器件偵 151416.doc 201124681 測、疋位及捕獲該火炬中之一火焰。至少一個光學影像捕 獲器件捕獲該火焰之一電子影像。該影像處理器係與該等 光學影像捕獲器件進行電子通信之至少―電腦。該影像處 理演算法裝載於該影像處理器上，且經調適以分析該電子 〜像，其中該影像處理演算法鑑別該火炬與大氣。由該影 像處理器產生之電子輸出識別該火炬之至少一個效能參 數。該自動火炬控制處理器接收該電子輸出，且該火炬控 制處理器產生一回應性控制輸入至包含該火炬之一火焰產 生系統或至將輸入提供至彼相同火焰產生系統之數位控制 系統。 在另一態樣中，本發明提供一種自動火炬控制系統，其 包括至少-個火炬、一成像系統及一電腦系統。該成像系 統能夠電子地捕獲該火炬所產生之一火焰之一數位影像。 該電腦系統包含用於分析該成像系統所捕獲之影像之軟

BA 體。 在一個態樣中，本發明包含一自動火炬控制系統，其包 含一影像感測器件。 在另一態樣中，本發明係一種利用與包含軟體（及對應 演算法）之一電腦系統連接之一影像感測器件及（視需要）相 關裝置之成像系統。該系統可用於控制火焰產生設備之各 種態樣，諸如火炬、燃燒器、導引器及其他燃燒設備。可 進行火焰之定性及定量分析。 該影像感測器件可係或包含-數位視訊相機或能夠記錄 一系列連續事件之其他類型之相機。舉例而言，在一個實 151416.doc -6- 201124681 施例中’該影像感測器件係能夠形成其中 中之像素之影像之—相機。可使用數位相機以及形成= 換為數位影像之影像之類比相機。在—個實施例中，利用 一數位視訊相機》 在另-態樣中，本發明提供—種用於使用發明性成像系 統之具體方法。 在又-態樣中’本發明性方法提供透過光學成像對在露 天外界環境中釋放之-火炬之控制。該方法包括以下步 驟： (a) 在一露天外界環境中釋放一火炬； (b) 使用具有至少_個相機之_基於光學之成像系統來 監視該火炬； (c) 使用該相機來捕獲該火炬之該影像作為一電子影 像； (d) 使用經調適以預先地預測煙之至少一個演算法及能 夠鑑別該火炬與該露天外界環境之至少一個演算法 來分析該火炬之電子影像；及 (e) 基於該火炬之一經分析條件來調整該火炬。 【實施方式】 結合本發明，已發現使用可見及紅外線成像器件之一光 學成像系統可與火焰產生設備（火炬、燃燒器、導引器及 其他燃燒設備）結合利用來以一有效且高效方式幫助監視 及控制5亥火焰產生設備在該露天大氣中之操作D該光學成 像系統幫助監視及控制操作，以及提供封閉或美觀火炬或 I51416.doc 201124681 燃燒器（亦習知為地面火炬）中之預.先煙霧預測。 參考該等圖式，本發明性影像感測系統涵蓋一火炬控制 系統。由編號ίο圖解說明且大致指定該火炬控制系統。如 該等圖式所顯示及熟習此項技術者所理解，火炬控制系統 10及其組件經設計以與至少一個火炬12或操作於至少—個 燃燒器14内之至少一個火炬12相關聯。火炬12及/或燃燒 器14係石油、化學或利用火炬12及/或燃燒器“之其他工 業之外界環境16中所利用之火焰產生燃燒設備之部分。火 炬12及/或燃燒器14係露天火炬及/或燃燒器或者封閉或 美觀火炬及/或燃燒器。較佳地，火炬控制系統1〇係自動 的。 參考圖1、2、5A及5B ’火炬控制系統1〇包含成像系統 18。成像系統18係一基於光學之成像系統，其包含朝向火 炬12或燃燒器14定向之至少一個光學影像捕獲器件扣（亦 稱為相機20)、相機控制器22、影像處理器24及操作前述 硬體及執行必需分析所需之任一可適用軟體。相機控制器 22及影像處理器24可整合為一單料&，且稱為影 理 器24。 圖1圖解說明相機20及自其之視野。如所圖解說明，相 機20包含具有變焦透鏡21之複數個相機，該複數個相機具 有至少一第—相機2〇a及至少一第二相機2〇b。在圖1中， 虛線表不自第一相機2〇a及第二相機2〇b之一視野。在—個 實施例中，相機20係一多電荷耦合器件（CCD)相機，其2 用一稜鏡（未顯示）、一光束***器（未顯示）或-波長據波 151416.doc 201124681 器（未顯示）來將入射光在CCD陣列上***成不同光譜光 組。 # 在一個實施例中’第一相機2〇a及第二相機2〇b係選自由 下列相機組成之群組：CCD相機 '多CCD相機、多光譜相 機、高清晰度相機、數位相機、類比相機、彩色相機、黑 白相機、灰階相機及其等之组合。在一個實施例中，第— 相機2〇a係一寬光譜紅外線相機。在另一實施例中第— 相機2〇a係一近紅外線相機。在一個實施例中，第一相機 2〇a係—短波長紅外線相機。在一個實施例中，第一相機 20a係一中波長紅外線相機。在一個實施例中第一相機 20a係一長波長紅外線相機。 在一個實施例中，第二相機之仳操作於可見光譜或其之 一部分中。在另一實施例中，第二相機2〇b操作於可見-至_ 紫外線光譜或其之一部分中。 第相機2〇a及第二相機20b與相機控制器22及影像處理 器24進行電子通信。第一相機2〇a經調適以偵測、定位及 電子地捕獲火炬12及/或燃燒器14之一影像。第一相機2〇a 識別並獲取火炬12或燃燒器14，且區別複數個火炬12或燃 燒器14。第二相機2〇b經調適以電子地捕獲與火炬^及/或 燃燒器14相關聯之一影像，其包含隨其之一火焰。第一相 機20a針對第二相機2〇b界定並產生至少一個目標參數，且 將彼等參數電子地傳遞至相機控制器22，藉此透過成像系 統18進行通信。 眾多相機、濾波器、光束***器或各種組合之其他光學 I51416.doc 201124681 器件皆可行。在一個實施例中，若相機2〇係至少一多光譜 或多CCD相機，則可利用一單個相機2〇。在彼實施例中， 來自火炬12及/或燃燒器14之光在進入相機2〇時***。在 此等例項中，使用一稜鏡（未顯示）或其他基於光學之光管 理器件來將入射光***成兩個或更多個光束，其中至少一 個光束係在近紅外線中分析且至少另一光束係在可見光譜 中分析。亦可單獨地或組合地使用其他光譜組分或範圍， 諸如-期望波長之遠紅外線、中紅外線、紅外線、近紅外 線、可見、近紫外線、紫外線或任一部分。當相機具有 諸如附接至其及/或其内之經改良光學器件之較高品質組 件時，成像系統18之效能得到改良且更穩健。 第一相機20a及第二相機2〇b可使用一單獨透鏡以使視野 變寬或變窄。另—選擇係，第一相機2〇a及第二相機20b呈 有一變焦功能以調整視野。圖丨圖解說明變焦放大火炬^ 之火焰56之相機2〇b » 相機控制器22或料捕獲控制系統22界定該等影像捕獲 器件或相機2G之控制參數。此控制包含操作控制及對其間 的電子通信之控制。相機控制器22、第一相機2〇&與第二 相機鳥之間的電子通信確保對每-相機2Ga及2Gb及其間 的即時、交互式控制。相機控制器22交互式地調整變焦透 鏡2!。相機控制器22經調適以將變焦透鏡21聚焦於火焰％ 上以最大化可用於統計分析之像素之數目。影像處理演算 法财使用之像素之數目越大，結果之精確性越大。 相機控制器22與影像處理器24進行電子通信。影像處理 I5J416.doc 201124681 器24係一基於電腦之系統，其具有萝恭 裝載於電腦28上以用於 處理其中所捕獲之數位影像之軟體， 賤且具有亦裝載於其上 之至少-《彡像處理演算法26。電腦28與光學影像捕獲器 件20及/或相機控制器22進行電子通广 ° 电于通。相機控制器22係 影像處理器24之部分。 較佳地，影像處理演算法26係裝載於電腦^上且能夠電 子地分析自火炬12及/或燃燒器14所捕獲之影像之軟體。 另外，影像處理演算法26能夠（諸如）對照大氣背景3〇來鑑 別火炬12或燃燒器14與外界環境16。 藉由-非限制性實例之方式，圖5A中之圖解說明性框内 含有複數個影像處理演算法26以表㈣同演算法提供之功 ^之可菱！·生…第-影像處理演算法仏提供對來自相機 20a及相機20b之影傻之公挤。 站 … 心〜傢之刀析。一第二影像處理演算法26b 提供對來自相機施、相機施及外界環境i6之影像之鑑 別 第一衫像處理演算法26c提供將火炬I2及/或燃燒器 14内之火焰咐整合成經個別化之像素，藉此識別該等像 素且將其等分組成複數個光谱色料組。每-影像處理演 算法26提供對來自成像系統} 8之影像之定性及定量分析。 藉並行採用複數個影像處理演算法，可使用額外評估參 數，且下文論述該等額外評估參數。 β相對於影像處理演算法26c，該影像處理演算法額外地 ，供像素計數及自其確定火焰品質結論。藉由一非限制性 實例之方式’選擇具有藍色、紅色及綠色之- 24-位元光 曰色I模型，每—光譜色彩具有在0與255之間的一強度。 151416.doc 201124681 若由總紅色強度與總綠色強度之組合之總和（每一像素之 紅素強度（0至255)之總和加每-像素之綠色強度（〇至出) 之總和）除所有隔離之離散像素中之總藍色強度（每一像素 έ度（0至25 5)之總和）之比率係已知，則該火焰之狀 態或火焰品質比率（FQR)係已知。 FQR= --Σ藍色像素強度（0至2551 λ、、工色像素強度(〇至255)+[綠色像素強度(〇至255) 另-選擇係，用平均值而非總和來計算該fqr以給出一相 同結果。使用此方法，一火焰在火焰品質比率係約40%至 、勺55 /。時較明免。火焰在火焰品質比率係約或更低 時具有顯著的煙霧。並且’—火焰在火焰品質比率係約 65/〇或更问時係過度稀釋的^本文中圖解說明性地論述一 場測試樣本。其他光譜色彩模型(諸如，32-位元或48位元) 亦可提供額外資料。 X等火焰。〇質比率及相關聯之範圍係燃料相依的。舉例 而》在氫氣或甲烷之情形下，將一偏差乘數鍵入至影像 處理演算法26中以產生所期望之火焰品f比率。每一所安 裝火炬12及/或燃燒器丨4具有一初始場測試以建立所需之 偏差乘數。該偏差乘數藉由手動地調整火焰％且將所計算 之火焰品質比率與實際條件相比較來確定 其他參數亦可藉由選定之具體影像處理演算法26來識別 及分析。舉例而言，一第四影像處理演算法26d提供溫度 感測及火炬12及/或燃燒器14内之溫度之詳細變化。 像處理器24及其上之軟體能夠使用圖框擷取器自相機 151416.doc 201124681 2〇捕獲一影像。影像處理器24經調適以捕獲及分析來自由 數位視訊、高清晰度數位視訊、類比視訊及其變化形式所 組成之群組之視訊及視訊信號。另外，只要個別像素係可 在類比影像中偵測，影像處理器24即能夠分析類比視訊且 將該等類比影像轉換為數位影像。影像處理器24之圖框擷 取器部分選擇一個別影像以供處理。較佳地，至少一個影 像處理演算法26經調適以識別該火炬之視訊影像中之—個 別像素。 影像處理器24提供電子輸出32，其傳遞至自動火炬控制 處理器34。較佳地，電子輸出32識別至少一個效能參數36 且將其提供至自動火炬控制處理器34 ◊效能參數36係來自 影像處理演算法26之輸出，藉此提供對火炬12及/或燃燒 器Μ之點燃狀態、無煙條件及破壞效率之分析。類似地， 相同或至少一個其他影像處理演算法26提供關於來自火炬 12之一火焰之脫離或火炬12及/或燃燒器14中之煙霧之積 聚之效能參數。自動火炬控制處理器34可與影像處理㈣ 使用同一電腦。 來自相機20或相機2如及2仙之影像以及所得圖形使用者 介面影像可視情況顯示於—圖形使用者介面或監視/控制 螢幕54上。監視/控制螢幕54係可選的，但當利用時，監 視/控制螢幕5 4係影像處理器2 4及成像系統i 8之部分且與 該兩者進行電子通信》 較佳地，影像處理器24、成像系統18及自動火炬控制處 理器34界定其間的回饋控制迴路38。回饋控制迴路％經調 151416.doc 13 201124681 適以分析來自成像系統18之影像。另外，回饋控制迴路38 能夠同時識別並監視火炬12及/或燃燒器14之眾多效能參 數3 6 °藉由一非限制性實例之方式，回饋控制迴路3 8能夠 識別至少火炬12及/或燃燒器14之溫度；確定在火炬12及/ 或燃燒器14内是否存在一煙灰積聚；識別該火焰是否已自 火炬12及/或燃燒器14脫離；識別在火炬12及/或燃燒器14 之火焰内是否存在一色差；及識別跨越火炬12及/或燃燒 器14之火焰之複數個密度。可由回饋控制迴路3 8識別之另 一非限制性實例包含針對火炬氣體之破壞控制一無煙、良 好混合之火焰56。回饋控制迴路38亦可識別火炬12或燃燒 器14中之熱點、檢查導引器48「接通」狀態、驗證火炬^ 2 或燃燒器14之破壞效率且識別火炬12、燃燒器14或導引器 48内之任一内部燃燒。 記錄器40與成像系統18進行電子通信。在一個實施例 中，記錄器40與影像處理器24進行電子通信且提供關於來 自光學影像捕獲器件20之影像之一日期/時間戳。記錄器 針對施加於其上之關於火炬丨2及/或燃燒器丨4之所有條 件之一詳細日期及時間戳提供一記載功能。 自動火炬控制處理器34不斷地且以一操作者設定間隔率 界定用於火炬12及/或燃燒器14之—控制輸入系統42。基 於效能參數36，自動火炬控制處理器34產生一回應性控制 輸入44或對火焰產生系統46之調整。不論是否存在一單個 火炬12及/或燃燒n 14 m存在複數個火炬12及/或燃 燒器14,相同控制輸入系統42皆係可適用的。控制輸入系' 15M16.doc •14- 201124681 統42及回應性控制輸入44與一精煉廠之數位控制系統或其 他大型設施直接進行電子通信。另一選擇係，控制輸入系 統42及回應性控制輸入料將直接輸入提供至火炬^及/或 燃燒器14。 火焰產生系統46經調適以回應於與火焰產生相關之所有 控制輸入且至少包含火炬12、燃燒器14、導引器48、蒸汽 閥50及/或空氣發生器52。較佳地以一預先方式控制火焰 產生系統46中之器件。回應性控制輸入44或調整係基於來 自影像處理器24之對火炬12及/或燃燒器14之分析。電子 輸出32提供對火焰56之接近瞬時的統計分析，藉此預測火 炬12或燃燒器14之狀態。自動火炬控制處理器3 4包含額外 控制演算法。此等額外控制演算法確定輸入至火焰產生系 統46或間接穿過火焰產生系統46之數位控制系統之空氣' 瘵 >飞或氣體之增加/減少。並且，此等額外控制演算法確 定輸入之最佳時間間隔以最小化諸如煙霧、煙灰及稀釋之 不合意條件。 方法 關於圖1至圖5B中所繪示之控制火炬丨2及/或燃燒器丨4之 方法，該方法包含將火炬12或燃燒器14釋放至外界環境16 中及藉由使用具有至少一個相機20之基於光學之成像系統 1 8來I視火炬12或燃燒器1 4。另一選擇係，將火炬1 2或燃 燒器14釋放至一封閉或美觀火炬。火炬12或燃燒器丨々之一 數位影像由相機20捕獲為一電子影像，其可視情況顯示於 監視/控制螢幕54上。在影像處理器24内藉由經調適以分 151416.doc 15· 201124681 析火炬12或燃燒器14之火焰之至少一個影像處理演算法％ 來元成對該電子影像之分析。較佳地，影像處理演算法％ 能夠鑑別火炬12或燃燒器14與外界環境16 ;能夠確定火炬 1 2或燃燒器14之狀態’且能夠確定或預測亮度、色彩密 度、煙霧、煙灰積聚及火焰。另一選擇係，影像處理演算 法26能夠鑑別火炬12或燃燒器14與一封閉或美觀火炬或燃 燒器之封閉外界環境；能夠碟定火炬丨2或燃燒器丨4之狀 態；且能夠確定或預測亮度、色彩密度、煙霧、煙灰積聚 及火焰。基於火炬12之所分析條件來調整火炬12及/或燃 燒器14。 成像系統1 8向自動火炬控制處理器34提供輸入以對至火 炬12及/或燃燒器14之輸入做出預先快速、簡略之控制改 變以避免火焰之脫離、稀釋、煙霧形成或任一其他不合意 條件。成像系統18評估火炬12或燃燒器14之完整性以包含 煙霧62、導引器48、火焰56之形狀及/或内部燃燒條件。 藉由使相機20a係一紅外線或近紅外線相機，火炬丨之或 燃燒器14與外界環境16之間的鑑別降低影像處理演算法％ 上之工作負載。因此，對火焰56與外界環境16之間的可見 邊界之鑑別較容易。端視特定應用，可期望採用短波長、 中波長或長波長紅外線。 圖2圖解說明自火炬12捕獲且具有由火焰56a中之線表示 之彩色條紋之火焰56a之一電腦顯示紅外線影像。並且， 圖2中圖解說明火焰56b之一電腦顯示影像，其已經處理以 自其減去可見外界環境〗6，因此呈現火焰56a之一經再現 151416.doc • 16· 201124681 影像：如在火焰56a令’該火焰之彩色條紋由火焰⑽中之 線表不。雖然圖2巾將料彩色條紋輯說明為線，但某 些火焰將產生㈣㈣及密集色彩束，其等在火祕内形 成非均勻彩色影像。 如圖1及®3A至4B中所圖解說明，相機 心及第二相機鳩。在此例項中，第一相㈣3係一^ 線相機20a’且第二相機雇係一可見光譜相機。兩個相機 2〇皆聚焦於火炬12或燃燒器14中之火焰之影像上。圖从至 4B繪示在晚上使用且顯示於監視/控制螢幕^上之相機2“ 及20b兩者。如圖3B中所繪示，紅外線相機2〇a已獲取火焰 56，且與影像處理器24之相機控制器22_起工作，在所識 別火焰56周圍***目標框58。如圖3八中所繪示，自一可見 光譜相機20b之可視角度顯示圖3B中所繪示之同一影像， 忒可見光譜相機繪示為一非變焦、電荷耦合器件（ccd)相 機。目標框5 8亦繪示於圖3 A上。 在一個實施例中，第一相機20a與第二相機2〇1)經分離以 提供火炬12及/或燃燒器14之不同角視圖。舉例而言，第 一相機20a與第二相機20b可經定位以在其等之間提供一可 觀分離角度以相對於火炬12及/或燃燒器14以三維方式捕 獲火焰56之影像。該分離允許至少一個相機2〇捕獲遠離另 一相機20彎曲之火焰56。該可觀角度必須足以提供用於三 維建模之資料。 當採用具有一變焦功能之相機20時，火焰區域得到放 大。火焰56之放大增加相機20所見之光子之數目，藉此增 151416.doc -17· 201124681 加含有火焰具體資訊之可用像素之數目。較大數目個可用 像素增加統計樣本大小，藉此增加評估及預測能力之精確 度。 在使用兩個或更多個相機20之實施例中，相機控制器 將向可見光譜相機20b提供指令以捕獲目標框58内之影像 (如圖3A中所繪示），或變焦放大目標框58且捕獲影像。圖 4A及4B類似於圖3A及3B，只是在圖4A中對可見光譜相機 20b而言，火焰56不易於可識別。然而，圖4B繪示清晰地 識別火焰56之紅外線相機20a »因此，利用之特定可見光 譜相機20b，及使用影像處理演算法26之影像處理器以之 功率對於對照露天周圍環境16或一封閉或美觀火炬之背景 適當地成像火炬12較重要《在任一情形下，影像處理演算 法26識別火焰56之邊界64且電子地移除背景資訊，藉此將 光譜資訊限制至實際火焰56。利用紅外線來確定供處理之 火焰之大小及形狀。 紅外線及近紅外線相機對於第一相機2〇a係較佳，但任 -光譜選擇將可行’包含中波長紅外線及長波長紅外線。 將藉由使用紅外線建立之邊界與可見光譜比較著一起使用 以明確地識別用於對照影像處理演算法26中之—者進行評 估之可見區域旦自所捕獲之影像移除背景，該紅外線 /近紅外線即允許顯示煙灰或煙霧離開火焰％之影像處 理。以一可量測速率發射組成煙霧之個別煙灰顆粒。然 後’可使用中波長紅外線或長波長紅外線來識別導引器、 内部燃燒、熱點、煙灰積聚、溫度不規則性等。對於一 15I416.doc -18· 201124681 多-CCD相機而言，相機2〇可係一單個透鏡系統。 在其中對照外界環境丨6觀測複數個火炬丨2及燃燒器i 4之 情形下，具有影像處理器24之成像系統1 8能夠可操作地鑑 另J火炬12及燃燒器14中之每一者，且透過自動火炬控制處 理器34及火焰產生系統46提供即時調整。舉例而言諸多 火炬12及/或燃燒器1 4利用蒸汽、空氣或此二者進行對火 焰之控制。該等蒸汽及空氣系統之控制輸入功能係火焰產 生系統46之部分。如回饋控制迴路38及相關聯之系統所確 定，根據火炬12及/或燃燒器14之所分析條件來控制及調 整蒸汽輸入及/或空氣輸入。此相同製程允許對所有火焰 產生系統46元件（包含火炬12、燃燒器14及導引器48)之控 制。當評估複數個火炬時，影像處理演算法26包含藉助一 個或多個相機20三角測量影像之能力。使用多個相機2〇， 調變不同值以操縱不同火炬12及/或燃燒器14。 對火炬12及/或燃燒器14之分析包含：使用影像處理器 24來定性地及定量地識別影響效能之各種條件，及將彼分 析併入至由自動火炬控制處理器34提供至火焰產生系統46 之指令中。由於來自影像處理器24之基於色彩之定性及定 量分析向自動火炬控制器34提供輸入，因此易於做出對火 焰產生系統46之預先確定。因此，火炬12可如所需改變以 在維持高破壞效率之同時使煙灰/煙霧保持為一最小值。 如所需減少輸入至火炬12及/或燃燒器14之空氣或蒸汽。 此即時調整步驟提供對火炬12及/或燃燒器14之必需調 整，藉此排除煙霧或其他不合意條件之產生。由於在至火 151416.doc 19 201124681 焰產生系統46之輸人與衫氣體、空氣或蒸汽輸入控制之 間存在相關聯之-固有滞後時間，因此自動火炬控制處理 器34確定該特定氣體、空氣或蒸汽輸入控制之改 時間間隔。 對火炬U及/或燃燒器14之分析提供對火焰％之分析， 且向操作者提供關於火焰⑽否生長、衰減、熄滅或處於 一穩定狀態中之關鍵資訊。在其中回饋控制迴路Μ識別其 中火炬12及/或燃燒器14具有不合意操作條件之條件之情 形下，警告系統60及記錄器4〇可用於向操作者提供通知: 回饋，且記錄該事件。至該操作者之通知及回饋可呈聲訊 信號、電子警報及/或可視仔列之形<。記錄該事件包含 將日期及時間壓印於該記錄上，及將彼記錄傳輸至記制 40 〇 圖6A至8中圖解說明其他代表性實例.。在圖6八及沾中， 結合火焰56圖解說明煙霧62。在圖7八及巧中，圖解說明 一清潔火焰。圖6A至7B顯示具有火焰56之火炬12。輪廓 64指示由紅外線相機2〇a隔離之受關注之區域之邊界。在 建立輪廓64之後，相機控制器22將相機2〇b聚焦於火焰兄 及輪廓64上，藉此相機20b捕獲火焰56之影像以供影像處 理。在該等代表性實例中，該等像素係根據其等之色彩而 分組，且一像素計數影像處理演算法26計數每一群組中之 每一像素之數目。如該等代表性實例中所示，圖6A圖解說 明正產生煙霧且具有一火焰品質比率〇.34之一火焰。類似 地，圖6B圖解說明產生煙霧且具有一火焰品質比率〇.36之 151416.doc -20- 201124681 一火焰。相比之下，圖7A&7B分別圖解說明一火焰品質 比率〇_53及0.54。圖7錢78圖解說明一適當地燃燒之火 焰二圖8圖解說明其中一火焰品質比率條形圖疊加於其上 之一適當地充有丙烷之火焰56。 火矩控制系統1G及使用之方法足夠地穩健以㈣各種露 天外界環境條件中之火炬12及/或燃燒器14及曝露至彼等 相同環境條件之半封閉或美觀火炬之火焰56。舉例而言， 露天外界環境條件包含由晴天、多雲天、雨、雪、^、 風、灰塵及其等之組合組成之大氣條件。 演算法及實例 和像處理演算法26係數學表示式（例如，使用像素著色） 且用於提供呈電子信號32之形式效能參數36，以使得自動 ^炬控制器系統34及火焰產生系統46可在向火炬尖端遞送 空氣流中做出功能性控制改變。該等演算法允許識別且評 估預先私示符以使得可在完全地實現煙灰/煙霧之前對火 炬12做出改變。 像素去整合及評估允許將藍色光濃度之火焰品質比率與 紅色及綠色光濃度及（可能地）黃色光之分率相比較。然 後，將此火焰品質比率與一經驗證及證實之統計範圍相比 較。 影像處理演算法26中之一者將及時光濃度與一數學相關 相比較’從而向自動火炬控制器系統34提供效能參數 36(其中如需要對火焰產生系統46進行適當功能性改變）以 修改火焰56之化學計量。可在任何條件下利用紅外線來隔 151416.doc -21 - 201124681 離火焰56，且然後將可見光譜用於分析。此相同紅外線能 力用於隔離火焰56以供評估，其然後用於進一步確定導燃 器狀態以及火焰56是否穩定於火炬尖端之本體内側。深度 地位於火炬尖端内側之火焰56可隨時間而損壞該尖端之結 構完整性。利用一紅外線偵測器件作為一診斷工具可藉由 使用火炬控制系統10以在吹掃速率流動期間將火焰56定位 於該尖端之上部區域中來顯著地增加一既定火炬尖端之預 期壽命。 藉由一非限制性實例之方式，包含使用一個或多個影像 處理演算法26之偵測製程之一個實施例包含： •相機20a(—紅外線或近紅外線相機）隔離火焰56、捕 獲火矩12或燃燒器14之影像且電子地將該影像傳遞 至影像處理器24 •一個影像處理演算法26在火焰56周圍***一紅外線 影像邊界 •一個影像處理演算法26自該基於紅外線捕獲之影像 移除外界環境16之背景 •一個影像處理演算法26確定可見光譜，藉此確定可 見影像 •一個影像處理演算法26將該可見影像與該紅外線影 像邊界相比較且移除該可見與不可見紅外線之間的 差異’從而僅留下真正的可見火焰56 •一個影像處理演算法26自可適用彩色光譜分離且計 數來自可見影像之像素之色彩，藉此確定火焰品質 151416.doc •22- 201124681 比率及其與預先煙霧之關係 •將該火焰品質比率發送至自動火炬控制器34，其中 控制演算法確定是否需要一改變，且若需要，則將 向火焰產生系統46提供校正輸入 •額外影像處理演算法及/或控制演算法提供二次評 定，諸如導引器48狀態、火焰56之溫度、火炬12、 燃燒器14或導引器48之溫度’從而確定是否存在内 部燃燒，等等。 可操作背景 下文闡述可操作背景、操作理論及如何結合火炬12及/ 或燃燒器14利用本發明性控制系統。下文使用對火炬丨2之 參考’但應理解，對火炬I2之參考涵蓋燃燒器14。 本發明性火炬控制系統1〇用於幫助確保火炬12(包含蒸 况火炬及空氣火炬）有效地且高效地操作以破壞火炬流中 之可能不合意成分。 本發明性火炬控制系統1 〇可用於在熏黑火炬i 2之前提供 一提前警告’且彼預先資料可用於火炬12之回饋控制迴路 3 8中以針對最佳燃燒及破壞效率修改該尖端之化學計量。 該系統可藉由觀看接近火焰根部之火焰色彩及亮度來使用 可視影像之統計處理減少過汽蒸及隨後稀釋。舉例而言， 較亮色彩（朝向藍色光譜移位）及缺少亮度或大大地降低亮 度可指示火焰脫離及過汽蒸或其一程度。火焰56最終變成 近紅外線不可見’此乃因施加過多空氣或蒸汽。在稀釋條 件期間，可識別可見光譜中之火焰56之幾何形狀。隨著火 151416.doc •23· 201124681 焰56變得更亮，火焰％之附接出現問題，且火炬％可見地 開始向遠離尖端處移動。對於此等情形，;咸少至火炬12或 燃燒态14之空氣或蒸汽以降低稀釋效應。 為在出口處或甚至在火炬12内内部地起始火焰56，需要 達成一可燃混合物且需要一點火源以點燃該混合物。火炬 12通常維持數個（例如，三個至四個）冗餘導燃器以供點 火。燃燒器14運行該時間之1〇〇%以確保一點火源可用於 發生一驟然事件之事件中。一點火源必須總是可用於火炬 12，或火炬12可不再執行其工作。本發明性火炬控制系統 10用於確保在起始一驟然事件時該等導燃器被點燃且準備 點燃該火炬。 已注意到當可燃流係過充氣或充分地稀釋時之問題以使 得不充足熱能可用於維持火焰56。當過充氣或過汽蒸時’ 可燃氣體將不點燃直至達成一適當化學計量或速度。當過 汽蒸或過充氣時，火炬尖端可將危險氣體部分釋放至環境 中。相對於吹掃速率流動或洩漏流動，此等條件特別成問 題。此將繼續直至充分地增加火炬氣體體積或減少蒸汽/ 空氣注入以使得再次達成並穩定一可燃混合物。再則，本 發明性火炬控制系統1 〇用於確保在起始一驟然事件時該等 導燃器被點燃且準備點燃火炬丨2。 隨著火焰56之溫度增加，該火焰將變得更明亮且發射在 可見光譜内之光》在火焰5 6接近風扇之流量時，火焰56則 隻得更相依於大氣層空氧以完成氧化。此形成火焰包絡内 之富分層區。煙灰或煙霧通常在空氣受約束及/或混合問 151416.doc • 24 · 201124681 題變成一問題時開始形成於火焰56中。當煙灰形成於火焰 56内時，通常存在火焰56之—變暗，其通常可由人眼看 到。 根據本發明，已發現，可基於使用灰階之一高清晰度、 彩色或黑白相機所形成之資訊對空氣及/或蒸汽做出控制 改變。亦已發現，恰好在火炬尖端開始形成煙灰或煙霧之 則，火焰56内之某些色彩變得明顯且更濃。隨煙灰及煙霧 變知·明顯’色彩移位在該火焰中變得可見，其指示冷卻。 此藉由火焰56之可見色彩中之改變顯示，注意到自藍色光 4移位至較低溫度之紅色光譜。恰好在煙霧形成之前火 焰56變得填充有暗橙色-至-棕色色彩。此時，可看到初期 煙霧形成於火焰之邊界内。此色彩變得更密集直至達到該 區域看似自火焰56之主體消散以產生拖矣煙霧62之點。在 額外氣體流及空氣中無改變之情況下，其間之化學計量關 係減少且拖曳煙霧62增加。空氣基本上係一固定量’或至 少隨氣體流增加而漸近。一旦達成初期煙霧，該拖曳煙霧 將隨額外燃料流增加。在沒有某一輸入及改變之情況下， 火炬12及/或燃燒器14將繼續隨增加燃料而冒出更明顯之 煙霧。 在某些情形下，藉由側風問題自火焰之主體吹散之燃料 氣體可形成此相同煙霧62。由一大驟然事件呈現之表面區 域可易於針對側風形成一可觀區以使該氣體之部分自火焰 5。6之主體消散。當此發生時’其可形成沒有火焰56之稀釋 區或此夠產生煙霧62之畐火焰56區。當在極低壓力下釋放 151416.doc •25- 201124681 低吹掃速率流動時， '風可易於稀釋並除去未經氧化之 部分以形成增進不翻矽,^ 禾厶軋化之燃枓 , 不期望/不准許之發射之情 當遇到為漏或吹掃 而具有-顯著不利2 =時厂陣風可因低氣體動量 a〜響。氣體通常在暖和時有浮力，且在 風流中上升〇當白t 自點火源及流動空氣/蒸汽 可逃逸而不被氧化。 飞人月又叶軋骽 火炬控制系統1 〇之場 率、藍色像素心/ 觀看火焰品質比 ' 及綠色像素之比率來採取一直接方 法。藉助及不冒煙火炬完成該場測試以確定該火炬 =W煙之數值點。該電磁光譜之可見部分介於自紅色 間:紅色係該可見光譜之較低溫度端，且紫色及 -糸/光〜之較兩溫度端。當火焰乂變得汽蒸，充氣不 足、或過充氣或汽蒸（淬滅）時，火焰56將開始形成煙灰/煙 霧。形成於火焰56内側之煙灰之固態顆粒將開始阻擒來自 火焰56之輻射以產生可見光譜内之色彩移位之一火焰。自 該光譜之藍色及紫色端至該光譜之紅色及黃色端之可量測 ㈣指示此情形。在諸多情形下，可在火焰％實際上開始 顯者地冷卻之前以數位方式偵測火焰56之冷卻。此效應很 大程度上歸因於氧氣之缺乏’或歸因於蒸汽及空氣之淬滅 效應，或在其藉由稀釋（過汽蒸或過度空氣）來冷卻火焰時 之空氣。 成像系統18能夠看見色彩之移位，此乃因火焰溫度係在 逐秒（或零點幾秒，若需要）之基礎上移位。在火焰開始大 量地冒煙或變得脫離且不穩定之前，對照允許對蒸汽或空 151416.doc -26 - 201124681 氣速率做出改變之一數值演算法來比較該等像素。圖6八至 9係來自場測試之代表性實例。 參考圖9、10Α及l〇b，在火炬12之一場測試期間自其 發射煙霧62。使用第一相機2〇a及第二相機2〇b，由成像系 統1 8重複地勾勒及捕獲該火焰，其中使該等影像經受影像 處理演算法26。經由電子輸出32將所得效能參數％傳遞至 自動火炬控制器34，其向火焰產生系統46提供控制輸入。 參考圖10A，該場測試之時間歷史以對照時間所標出之 火焰品質比率之措辭來顯示相機輸出信號。圖丨〇 A亦以對 照時間所標出之火焰品質比率之措辭來顯示相機2 〇輸出之 電腦處理。參考圖10B，該場測試之時間歷史以對照時間 所標出之火焰品質比率之措辭來顯示火焰56之預測曲線。 圖10B中之預測曲線匹配圖1〇A之所量測曲線。 利用根據本發明之一影像感測器件作為一控制系統可用 於進行下列事項： 用於控制之可見光變化 當手動地操作火炬12時，極易在一既定火焰56内看見色 彩之變化。當火炬12即將冒煙時，火焰56變得較暗且亦相 對於其中即將形成煙霧62之區域具有不同色彩。已藉由簡 單地改變》汽或空氣以抑制煙霧來完成火炬測試達數年。 可使用一影像感測系統或成像系統18來維持相同色彩分 ''月晰度如同人眼所觀看到的一樣。此允許藉助用於 煙霧排除之—影像感測系統起始相同邏輯及決策製程以達 成自動控制。舉例而言，該影像感測系統可用於向自動火 151416.doc -27· 201124681 炬控制系統34提供輸入以針對更多蒸汽打開一控制閥，或 改變一翼式軸流風扇上之間距以在感測到煙霧時提供更多 空氣。在任一情形下，進一步計算一控制改變且可做出該 改變以增強由一火炬尖端形成之火焰，藉此改良火炬12及 該火炬尖端之有效性。可做出極精確改變以最佳化火焰品 質、穩定性及破壞效率。 類似於人眼，成像系統18能夠在可見光譜中鑑別白天/ 黑仪及熱/冷天。除可見光譜之外，成像系統18還能夠在 至少紅外線及近紅外線光譜中操作。另外，向其他光譜 (諸如，紫外線）之擴展僅受相機2〇及影像處理演算法26限 制。紅外線及近紅外線光譜極適於熱信號及識別離開火焰 5 6之包絡之煙灰顆粒。 導引器火焰驗證 亦可使用一影像感測器件來感測溫度之範圍。與一既定 火炬尖端相關聯之導燃器48必須時刻保持點燃以確保該火 炬尖端之點燃能力。在諸多例項中，需要至少兩個不同方 法以針對冗餘監視並確定一導引器火焰之狀態。在大多數 ft开y下在火焰5 6之點處完成此等操作，從而使伺服該設 備較困難。在空氣中約2〇〇英尺至約侧英尺（約6〇米至約 120米）處女裝火炬尖端並非罕見。影像感測係用以確定— 導引器是否係點燃及用以自地面監視同一導引器之一額外 方法。一影像感測方法可以至少三個不同方式偵測一導引 器火焰。首先’該影像感測器件可看見該火焰。若需要— 冗餘系統，則可藉由使用第二相機2〇b或一多_CCD相機進 151416，doc •28· 201124681 行紅外線或熱感測來量測導引器48周圍之火焰防護物之溫 度。若該等防護物比外界熱且超過一經程式化設定點，則 可假定含有-導引器火焰。可藉由在中波長紅外線或長波 長紅外線中使用一單獨紅外線相機來獲得確認，其可感測 舌亥防護物之溫度。若該火焰媳滅，則控制系統發出一警報 或將-警報發送至主要控制系統。在某些情形下，然後該 控制系統可自動地嘗試重新點燃該導引器直至確定此一努 力將不會成功。 使用此相同方法來確定在火焰56是否含有於該火炬尖端 之本體内深處。若火焰56穩定於該尖端之界限内深處，則 可在該尖端之外側殼體上識別一熱點。使用本文中所 之控制器件來自該尖端之内部移動該火焰將允許該殼體冷 部，從而指示該尖端之本體不再受一内部火焰危害。 風問題 由一漆汽或空氣火炬i 2產i之火焰5 6相對於吹掃速率流 動可係極小。此同-火炬12亦可在—實際真實標度驟然事 牛期間產± ；f目當大火焰56。針對由以—合理速率燃燒之 二蒸：或空氣火炬所產生之一極大火焰％，呈現關於風之 』著表面面冑。然後’與風相_聯之壓力&夠推擠火焰 %以使得火焰56將開始離軸移動（f曲卜隨著火㈣離轴 移動，其亦遠離適當地氧化該火焰所需之高速度空氣流 (及/或蒸汽及空氣流）移動。測試已顯示-火炬之化學計量 需要顯著地受施加至該火焰之表面之風量之影響。在某些 下風越大，保持火焰適當地形成且無煙霧之化學計 1514I6.doc •29- 201124681 量需要越大。在吹掃速率流動（相當小的火焰）期間，風可 對火焰56之稀釋具有一顯著影響。與蒸汽及空氣及/或空 氣流輕合之風效應可產生不再可燃之一製程混合物。當此 條件發生時，火炬12之正常破壞效率可在未完全地排除時 極大地降低。一般而言，導致破壞效率之一降低之任何事 物可對環境及該火炬之安全態樣兩者具有一顯著影響。對 此等問題之知識允許操作者做出蓄意決策以視需要添加或 刪除蒸汽及空氣’從而將火焰56定位於靠近設計混合區處 以維持最佳效能。完成此以在風相當大時保持火焰％無煙 灰或煙霧62 » 當觀測到吹掃速率流動時，可需要完全地減少該蒸汽及 /或空氣以維持一可燃混合物。再次，火炬12之破壞效率 確保適當地氧化所釋放之氣體。在諸多例項中，吹掃流動 貫現貫際驟然事件時更成問題。若操作者設定蒸汽及 空氣以使得較小驟然事件將在沒有干預之情況下具有充足 流動，則可將吹掃流動稀釋至不可燃之點。端視最小所需 化學計量，一單個設定點或臨限值可因此對火炬12之操作 不利。發明性火炬控制系統10變成用以確保具有適當破壞 效率之一最佳操作範圍之最佳方式。並且，火炬控制系統 1〇確保適當化學計量混合，其與針對最有效燃燒包絡及破 壞效率之適當火焰定位耦合。 再則’成像系統1 8及自動火炬控制系統34可經程式化以 僅更準確地且具有重複性地進行一操作者可進行之相同事 情。光學影像捕獲器件20或相機20可不斷地觀測火焰56且 151416.doc •30- 201124681 對蒸汽或空氣流做出調整以在需要時將額外動力及混八添 加至火焰56以有助於其保持垂直。保持火焰％豎直二 少空氣以維持一無煙霧火焰&絡。必須實*氣體及空氣或 -蒸A之平衡以確保用於使火焰5 6垂直地站立之空氣戋蒸气 . 不足以造成隨後的稀釋問題。然後，需要—第二評估 信火焰溫度保持在一足夠範圍内以使火焰56保持不淬滅且 穩定。此確保火焰56不藉由添加過多蒸汽或空氣而受危 害。藉助成像系統18及自動火炬控制系統34而進行之恆定 评估，及對火焰產生系統46之控制確保良好火焰燃燒及品 質以及其内之氣體破壞。 脫離之火焰 隨著火焰56開始變得過汽蒸及/或過充氣，火焰56將開 始垂直地向上移動從而遠離尖端之穩定幾何形狀。此移動 係回應於結合稀釋之火焰速度之降低。結合一可見或一紅 外線透鏡使用光學影像捕獲器件20允許採取方法以防止火 炬12之火焰56自該火炬尖端之正常穩定機制脫離。過多蒸 π或空氣可舉起火焰56從而遠離釋放區域且形成不穩定 性。當火焰56被可見地舉起且因過充氣或過汽蒸而不穩定 時，效率受到危害。使火焰56保持附接且針對破壞處於— 合理溫度確保維持尖端之燃燒效率。其亦避免通常與一不 穩定火焰50相關聯之低頻率雜訊。 多個尖端評估 在一固定位置（或在某些情形下係不固定位置）中使用一 光學影像捕獲器件20允許成像系統丨8評估多個尖端。由於 151416.doc -31 - 201124681 光學影像捕獲器件20可進行人眼可進行之任何事情，因此 成像系統18能夠觀看複數個封閉或美觀火炬燃燒器以確定 其等是否適當地點燃、其等是否不穩定，及其等是否消散 (在可係呈-mdair配置之情形時）。使用自動火炬控制系統 34 ’可在發現燃燒器〗4相對於穩定性或消散具有問題時降 低壓力。在煙霧62之情形下可關斷燃燒器14以允許創建壓 力或允許使用低壓力單元。當注意到煙霧62時，該系統可 追縱煙霧62之#且注意持續時間。其亦可保持冒煙尖端之 圖框畫面以提供一歷史視訊記錄。 在成像系統1 8内藉助光學影像捕獲器件2 〇使用一影像感 測方法提供維持任-事件之_可視記錄之能力。該系統可 使用一記錄器（或螢幕捕獲）來拍攝印有一曰期/時間戳之圖 框晝面（或影像捕獲）以記載、記錄及保存該條件之影像。 記載事件對於記錄所有不在准許關内之操純重要。由 於該系統可確認煙霧62，因此成像系統18然後可以設定間 隔（諸如’每隔一秒或兩秒，或設定之任何時間間隔）保持 一影像記錄直至該系統識別不再形成煙霧62。此等影像記 錄具有隨其儲存之曰期及時間戳以使得該等影像記錄變成 一無偏差歷史文件，其指示實際上煙霧產生了多長時間、 煙霧達成什麼等級之不透明度及偏移達到什麼程度。因 此β己錄器40充當一無偏差、第三方觀測者，且保證資料 之可信度。 在大多數情形下’自_火炬尖端產生之煙霧62對於觀看 事件之人而言具主觀性。具有能夠捕獲火焰56之一喜正影 151416.doc -32- 201124681 像之成像系統1 8允許針對多長時間及達到什麼程度來改良 地記錄該實際事件。由於火焰56佔用若干個像素，因此可 達成火焰56内之不透明度之一百分比。該等圖框畫面或影 像記錄之進一步使用亦可顯示在極度偏移期間拖曳火焰％ 之煙霧量。 通常將一林格爾曼數（Ringleman Number)應用至具有不 透明度之火炬12之流出物。林格爾曼標度係用於描繪由一 既定火炬尖端形成之煙霧之密度及（在一個別基礎上）是否 超出准許之一方法。然而，林格爾曼數可具高度主觀性， 此乃因很少人係經過訓練且知曉如何適當地使用林格爾曼 數的。一林格爾曼數產生器可視情況係火炬控制系統1〇之 部分且用於記錄不透明度。然後，此能力可在保存影像時 指示於該等影像上。然後，此等影像將充當無偏差歷史文 件^ 員示事件按照自初期煙霧、經過拖良煙霧且及時返 回至其中該火炬又具有火焰之點之時序。每一歷史影像將 具有針對冒煙事件之-日期、時間觀及林格爾曼數。 尖端内側之火焰 與一火炬尖端相關聯之-常見問題係當尖端置於待用時 在尖端内側燃燒。在諸多情形下，針對—既定火炬系統存 在數千英尺之上游輸送。在諸多情形下，I自諸多不同製 程之閥往往/曳漏，從而允許小體積之極低壓力氣體前進至 該^炬尖端m進至該火㈣端之重於空氣之氣體 在-玄尖端内側積聚達較短持續時間。隨著該氣體體積積 聚其將最終達到—可燃混合物且自導引器48點燃。隨著 151416.doc -33· 201124681 該氣體在白天期間加熱’其變得更具浮力，藉此增加其將 逃逸及燃燒之機會。然後，該通常重於空氣之氣體置於該 尖端内側且燃燒直至一可燃混合物不再駐存於該尖端内 側。在不接通空氣或蒸汽以冷卻一尖端且使其保持不被損 壞時，此等條件可在損壞該尖m空氣或蒸汽設定得 過高為一機械設定點以淬滅氣體流且允許其在未經適當氧 化之情況下釋放，則亦可存在關於破壞效率之問題。 當此小火焰明顯時及若其明顯，成像系統18可藉由一紅 外線或可見光相機20看見此小火焰^結合自動火炬控制系 統34，然後其可控制空氣及蒸汽以保持該蒸汽適當地氧化 而不損害火炬12之破壞效率》其亦可使操作人員知曉存在 關於上游·為漏之一問題以使得維護可找出並改正該（等）問 嘁。同時，此等製程將使前進至該火炬系統之氣體停止以 確保不允許未氧化之氣體逃逸。 經適當地組態，成像系統18及自動火炬控制器34可追縱 該火炬尖端經受之溫度範圍。若溫度範圍變得過大，則可 增加蒸汽及/或空氣直至該熱點被冷卻。然後，該系統之 歷史能力可保持關於達成什麼溫度、注意該等溫度多長時 間及該等溫度是局部化還是已在尖端内遷移之一持續記 載。此類型之工具之適當使用可有助於延長一既定火炬尖 端之壽命。追縱火焰可見性之歷史以及溫度範圍亦可有助 於確定來自該尖端之釋放流之任一生長或衰減。 點火 在點火期間，成像系統1 8技術之使用允許評估幾乎任_ 151416.doc -34- 201124681 火炬12類型火焰56以確定一既定央端是否適當地點火。基 於影像之火炬控制系統10之利用確保以最小化煙霧且最二 化破壞效率之此-方式將諸多燃燒器尖端中之一單個實體 或複數個實體聯機。一封閉或美觀火炬j 2系統可具有多於 :百個燃燒器Μ。職器14經分割以使得採用數個不同集 S系統。母-集管將採用—個或多個導引器燃燒器以點 燃每一集管系統上之燃燒器14。—旦允許燃燒器48連續地 點燃之集管系統填充有氣體，即在該集管系統之—個或兩 個端起始點火。在點燃初始燃燒器48後，經對準燃燒器48 之連續點燃之時間間隔在—適當操作系統中極為重要。若 一單個燃燒器48未能在—對準階段中點燃，則剩餘燃燒与 48可花費數分鐘來關。在此時間齡】，意欲破壞之氣體 可在未適當地氧化之情況下釋放至大氣中。 成像系統18可不斷地觀察一既定火炬12系統以確定燁焊 器14是否在需要時點燃、自該集管之一個端至另一端點： 该等燃燒器花費多長時間，且在該系統存在一問題時起始 一警報。然後，操作者可採取適當行動來定址該情形。再 則，成問題之點火可允許大量氣體釋放至大氣中。端視如 何程式化該單元’成像系統18及自動火炬控制系㈣可確 定是否存在導引器48問題’或該系統是否在啟動時適當地 點燃。此可如確定賴减㈣之―完整線路花費之時間 及=較資訊與歷史資料-樣地簡單。若持續時間改變，則 可意味著系統存在問題。此充當對系統之一預診斷程式以 使操作者知曉事情何時開始發生故障。就較大的升高火炬 151416.doc -35- 201124681 12而言，該系統亦可程式化為一歷史檔案，從而記錄一驟 然事件之長度。在該事件之時序時間訊框内’該電腦擴充 系統可記載以下任何問題：點燃、釋放期間之冒煙、該驟 然事件之長度、未點燃之燃燒器14及使用一林格爾曼方法 形成之小數量之煙霧62。該控制系統將確保該驟然系統總 是藉由確定該等導引器係點燃來為任一釋放做準備’且準 備點燃呈現至該等火炬尖端之任一火炬氣體。 該發明性控制系統亦可以類似方式（如可適用）用於監視 燃燒器、導引器及產生一火焰之其他設備。 可結合其等利用本發明之火炬12、燃燒器14及導引器48 之實例包含由以下專利顯示之火炬12、燃燒器14及導引器 48 ：美國專利第 5,810,575 號（Flare Apparatus and

Methods)、第 5，195,884 號（Low NOx Formation Burner Apparatus and Methods)、第 6,616,442 號（Low NOx Premix Burner Apparatus and Methods)、第 6,695,609 號（Compact Low NOx Gas Burner Apparatus and Methods)、第 6,702,572 號（Ultra-Stable Flare Pilot and Methods)及第 6,840,761 號（Ultra-Stable Flare Pilot and Methods) ’ 所有該 等專利皆以引用方式併入本文中。 熟習此項技術者藉由考量本文中所揭示之本發明之此說 明書或實踐將明瞭本發明之其他實施例。因此’前述說明 書僅視為對本發明之舉例說明，其中本發明之真正範疇由 以下申請專利範圍界定。 【圖式簡單說明】 151416.doc -36· 201124681 圖1係具有一成像系統之複數個火炬之一示意圖； 圖2繪不來自圖丨中之火炬之經再現火焰影像及經反轉之 火焰影像； 圖3A繪示藉助—非變焦、可見、電荷耦合器件相機與一 目標框對一火炬之—夜間螢幕影像捕獲； 圖3B繪示使用—紅外線相機及圖3A中所繪示之可見火 炬之一目標框對來自圖3 A之一火炬火焰之一夜間螢幕影像 捕獲； 圖4A繪示使用—非變焦、可見電荷耦合器件相機與一目 t框對不具有可見火焰之一火炬之一夜間螢幕影像捕獲； 圖4B繪示使用—紅外線相機及圖3 a中所繪示之可見火 炬之一目標框對圖4八中之火炬火焰之夜間螢幕影像捕獲； 圖5 A繪示成像製程之連接性； 圖5B繪示火焰產生與回饋控制迴路之連接性； 圖6A及6B繪示以_低火焰品質比率操作且發射煙霧之 一火炬； 圖7A及7B繪示以一合意火焰品質比率操作之一火炬； 圖8繪示一經充氣火焰及疊加於其上之一火焰品質比率 條形圖； 圖9繪示在一％測試期間看見之發射煙霧之一火炬；及 圖10A及10B繪示圖9中所繪示之場測試火炬之火焰品質 比率之時間歷史。 【主要元件符號說明】 10 火炬控制系統 151416.doc -37- 201124681 12 14 16 18 20 20a 20b 21 22 24 26 26a-d 28 30 34 40 42 46 48 50 52 54 56 火炬 燃燒器 外界環境 成像系統 光學影像捕獲器件（相機） 第一相機 第二相機 變焦透鏡 相機控制器 影像處理器 影像處理演算法 影像處理演算法 電腦 大氣背景 自動火炬控制處理器/自動火炬控制器/自動 火炬控制系統 記錄器 控制輸入系統 火焰產生系統 導引器 蒸汽閥 空氣發生器 監視/控制螢幕 火焰 151416.doc • 38 - 201124681 56a 火焰 56b 火焰 58 目標框 60 警告系統 62 煙霧 64 輪廓/邊界 151416.doc -39

Claims (1)

1. 201124681 七、申請專利範圍： 1 · 一種火炬控制系統，其包括： 一基於光學之成像系統，其包含： 朝向在外界釋放之至少一個火炬定向之至少一個影 像捕獲器件； ~ • 一影像處理器，其包含能夠電子地分析該火炬之— 所捕獲影像且能夠鑑別該火炬與一外界背景之至少—個 影像處理演算法；及 一自動火炬控制處理器’其界定針對該火炬之一控制 系統，其中該自動火炬控制處理器回應於自該影像處理 器所接收之分析而控制該火炬。 2. 如明求項1之火炬控制系統，其中該影像捕獲器件進— 步包含一紅外線相機及一可見光相機。 3. 如請求項2之火炬控制系統，其中該紅外線相機係—近 紅外線相機。 4. 如請求項2之火炬控制系統，其中該紅外線相機係—寬 光譜紅外線相機。 5. 如請求項2之火炬控制系，統，其進一步包括一相機控制 系統’其中該基於光學之成像系統與該相機控制系統進 行電子通信，藉此向該紅外線相機及該可見光相機提供 即時、交互式控制。 6. 如μ求項丨之火炬控制系統，其中該影像捕獲器件係— 多電荷耦合器件相機。 如叫求項6之火炬控制系統，其進一步包括定位於該多 1514I6.doc 201124681 電荷耦合器件相機上之一透鏡前面之一光***器，其中 該光***器按光譜***該影像。 8·如請求項1之火炬控制系統，其中該影像捕獲器件進一 步包含一近紅外線相機及一可見光相機，其中該近紅外 線相機針對透過該基於光學之成像系統電子地通信之該 可見光相機界定至少一個目標參數。 9. 如請求項1之火炬控制系統，其中該影像處理器分析來 自由數位視訊、高清晰度數位視訊、類比視訊及其變化 形式所組成之群組之視訊。 10. 如請求項1之火炬控制系統，其中該影像處理演算法經 調適以識別該火炬之該所捕獲之電子影像中之一個別像 素。 Π.如請求項1之火炬控制系統’其中該影像處理演算法提 供對該火炬之一點燃狀態之分析。 12. 如請求項1.之火炬控制系統，其中該影像處理演算法提 供對來自該火炬之一火焰之一脫離之預先煙霧預測分 析。 13. 如請求項丨之火炬控制系統，其中該影像處理演算法提 供對該火炬中之火焰不穩定性之預先預測。 14. 如請求項1之火炬控制系統，其中該影像處理演算法提 供對該火炬中之煙霧之預先預測。 15. 如請求項丨之火炬控制系統，其進一步包括該影像處理 器與該自動火炬控制處理器之間的一回饋控制迴路，其 中該回饋控制迴路經調適以至少識別該火炬之一 w 151416.doc 201124681 一煙灰積聚、一火焰脫離、 個密度。 色差及跨越該火焰之複數 16 17. 18. 19. 如Μ求項1之火炬控制系統，其 ^ , 六％夕包括包含該火炬 之一火媳產生系統，其中該自動 勒人炬控制處理器提供至 δ亥火焰產生系統控制輸入。 如請求们之火炬控制系統’其進一步包括—記錄器， 其中該記錄器記錄-火炬條件連同—日期及時間戮。 一種火炬控制器，其包括： 至少一個火炬，其在大氣中外界地釋放 一成像系統，該成像系統包含： 至少兩個光學影像捕獲器件’其中至少一個光學影 像捕獲器件偵測、定位及捕獲該火炬中之—火焰，且至 少一個光學影像捕獲器件捕獲該火焰之一電子影像； 仰一影像處理器，該影像處理器係與該等光學影像捕 獲器件進行電子通信之至少一電腦； 裝載於該影像處理器上之至少一個影像處理演算 法，該影像處理演算法能夠分析該電子影像，其中該影 像處理演算法鑑別該火炬與該大氣；及 一電子輸出’其由該影像處理器產生，其中該電子 輸出識別該火炬之至少一個效能參數；及 一自動火炬控制處理器，其接收該電子輪出，該自動 火炬控制處理器產生一回應性控制輸入至包含該火炬之 一火焰產生系統。 如叫求項1 8之火炬控制器，其進一步包括一影像捕獲控 I51416.doc 201124681 制系統，其操作地界定該等光學影像捕_件之控制， 包含操作控制及該等光學影像捕獲器件之間的電子通 信。 20·如請求項18之火炬控制器’其中該等光學影像捕獲器件 包含在紅外線/近紅外線光譜中操作之一相機，及在可見 光譜中操作之一相機。 21. 如請求項20之火炬控制器，其中該等光學影像捕獲器件 係選自由下列相機組成之群組：電荷耦合器件相機、高 清晰度相機、類比相機、彩色相機、黑白相機、灰階相 機及其等之組合。 22. 如請求項18之火炬控制器，其進一步包括一記錄器，其 中6亥δ己錄益έ己錄一火炬條件連同_曰期及時間戳。 23. 如請求項18之火炬控制器，其進一步包括與該自動火炬 控制處理器進行電子通信之一閥控制器，其中該閥控制 器提供對至該火炬之一蒸汽輸入之流動控制。 24·如請求項18之火炬控制器，其中該影像處理器提供具有 對該火焰之定性及定量分析之一電子資料標案。. 25. 如請求項18之火炬控制器’其進一步包括由該自動火炬 控制處理器控制之至少一組火焰產生設備。 26. 如請求項25之火炬控制器，其中該火焰產生設備經調適 以控制火焰產生之所有態樣，包含對至少一個火炬、至 少一個燃燒器及至少一個導引器之控制。 27. 如請求項18之火炬控制器，其中該影像處理器包含一溫 度感測演算法’其中該溫度感測演算法提供該火焰内之 151416.doc 201124681 該等溫度之詳細變化。 28 -種用於控制一火炬之方法，其包括： 使一火炬在-露天外界環境i釋放； 使用具有至少—個相機之—基於光學之成像系統來監 視該火炬； 使用該相機來捕獲該火炸 人足之戎影像作為一電子影像； 使用能夠預測煙霧之$ ,丨、 務之至少—個演算法及能夠鑑別該火 炬與該露天外界環璜之s ,丨、， 之至夕—個演算法來分析該火炬之 該電子影像；及 基於該火炬之該所分析之條件來調整該火炬。 29. 如請求項28之方法，其進— ^ 步包括一第一相機及一第二 相機。 30. 如請求項29之方法，其中該第一相機係用於識別該火炬 之該火焰之一紅外線相機，且該第二相機係用於聚焦於 該火焰上且捕獲該電子影像之一可見光譜相機。 3 I ·如請求項3 0之方法，1中兮 /、中忒，.工外線相機向該可見光譜相 機提供目標資訊。 32. 如請求項29之方法，農中兮其於土进 L ”中°亥基於先學之成像系統能夠鑑 別该火炬之點燃狀態、火焰脫離及煙霧。 33. 如請求項29之方法，其中兮奚 再中5亥基於光學之影像感測器可掸 作地即時鑑別複數個火炬。 认如請求項29之方法，其進一步包括至向該火炬輸入一蒸 汽’根據該火炬之該所分析條件來控制及調整該蒸汽輸 入0 151416.doc -5- 201124681 步包括向該火炬輸入一空 3 5.如請求項29之方法，其進一 氣，根據該火炬之该所分析條件來控制及調整該空氣輸 入0 36. 如請求項29之方法，其中該調整該火炬之步驟包含控制 至少該等火炬、所有燃燒器及所有導引器。 37. 如請求項29之方法，其中該分析步驟包含採用定性及定 量演算法，其能夠偵測該火焰内之溫度、火焰煙灰、火 焰脫離、色彩鑑別及著色帶中之密度變化。 38. 如請求項29之方法，其中所產生之該影像足以提供包含 像素計數之分析。 39.如請求項29之方法，其進一步包括一警告系統，該警^ 系統提供關於至少一火焰脫離、煙霧、煙灰、狀態良女 之火焰及狀態不佳之火焰之一自動通知。 記載功能，該記載 曰期及時間戳。 點火火炬偵測之一 40. 如請求項29之方法，其進—步包括一 提供關於該火炬之所有條件之一詳細 41. 如請求項29之方法，其進—步包括預 步驟。 包括該煙霧排除之步驟， 之即時調整，藉此排除煙 42.如請求項29之方法，其進-步 其中該調整步驟提供對該火炬 霧之產生。 43.如請求項29之方法，其中該露天外界環境包含由晴天、 多雲天、雨、雪、靈、風、灰塵及其等之組合所組成之 大氣條件。 44·如請求項29之方 進一步包括該分析該火焰且 提供 151416.doc -6 - 201124681 關於該火焰是生長、衰減、熄滅還是處於一穩定狀態之 資訊之步驟。 45. —種自動火炬控制系統，其包括： 至少一個火炬； 一成像系統，其能夠電子地捕獲由該火炬所產生之— 火焰之一數位影像；及 一電腦系統，其包含用於分析由該成像系統所捕獲之 該影像之軟體。 46. 如請求項45之自動火炬控制系統，其中該成像系統包含 一影像處理器、至少一個光學影像捕獲器件及用於處理 該數位影像之軟體。 47. 如請求項46之自動火炬控制系統，其中該光學影像捕獲 器件係選自由下列相機組成之群組之一相機：電荷搞合 器件相機、多電荷耦合器件相機、多光譜相機、高清晰 度相機、類比相機、彩色相機、黑白相機、灰階相機及 其專之組合。 4 8.如請求項45之自動火炬控制系統，其中該影像處理器及 軟體經調適以將一類比影像轉換為一數位影像。 . 49.如請求項45之自動火炬控制系統，其進一步包括一火炬 • 控制器，其中該火炬控制器與該電腦進行電子通信，且 5玄火炬控制器基於由該電腦上之該軟體所執行之該分析 來提供對複數個火炬控制。 50·如請求項45之自動火炬控制系統，其中該軟體包含一演 算法’其能夠分析該數位影像及鑑別該火炬與一大氣背 151416.doc 201124681 景。 如哨求項45之自動火炬控制系統，其中該軟體經調適以 識別該火炬之該數位影像中之一個別像素。 52. 如請求項45之自動火炬控制系統，其中該軟體提供對該 火炬之一點燃狀態之分析。 53. 如凊求項45之自動火炬控制系統，其中該軟體提供對來 自該火炬之一火焰之一脫離之分析。 54. 如請求項45之自動火炬控制系統，其中該軟體提供對該 火炬中之煙霧之一積聚之分析。 青求項4 5之自動火炬控制系統，其中該軟體經調適以 自該火炬之該數位影像識別處於藍色、紅色及綠色之一 可見波長光譜中之複數個個別離散像素，其中該軟體經 調適以自其界定一火焰品質比率。 5 6 ·如喷求項1之火炬控制系統，其中該影像處理演算法經 調適以自來自該火炬之一火焰之該所捕獲影像識別處於 藍色、紅色及綠色之一可見波長光譜中之複數個個別離 散像素’其中該影像處理演算法進一步經調適以自其界 定一火焰品質比率。 57_如請求項18之火炬控制器，其中該影像處理演算法經調 適以自來自該火炬之一火焰之該電子影像識別處於藍 色、紅色及綠色之一可見波長光譜中之複數個個別離散 像素，其中該影像處理演算法經進一步調適以自其界定 一火焰品質比率。 58.如請求項28之方法，其中該分析步驟進一步包括使用至 151416.doc 201124681 少一個演算法以自來自該火炬之〆火焰之該電子v象識 別處於藍色、紅色及綠色之一町見波長光譜中之複數個 離散個別像素，其中該分析步驟進一步自其界疋火文a 品質比率。 59. 60. 如請求項58之方法，其中該火焰品質比率係每一像素之 紅色強度之總和加每一像素之綠色強度之總和之總數除 母一像素之藍色強度之總和。 士 α求項58之方法，其中該火焰品質比率係每一像素之 紅色強度之平均值加每—像素之綠色強度之平均值之總 數除每一像素之藍色強度之平岣值。 15I416.doc