[发明专利]锅炉、容器内的火焰的形状特征参数测量方法及装置

权利要求书

1.一种锅炉、容器内的火焰的形状特征参数测量方法，其特征在于，

首先，将图像火焰探头（10）安装在锅炉、容器壁(9)上的喷燃器（1）附近，图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)物镜的光轴与喷燃器（1）出口中心线或喷燃器（1）喷出的理想火焰中心线不平行，有夹角，图像火焰探头(10)内部摄像机(11) 物镜的光轴与喷燃器（1）出口中心线或喷燃器（1）喷出的理想火焰中心线在一个平面或异面；

其次，图像火焰探头(10)对锅炉、容器内部的火焰进行采样，获取图像视频；

第三，把图像火焰探头(10)摄取的视频图像信号，输出到视频图像分析器（13）；图像火焰探（10）头摄取的火焰视频图像信号，可以为模拟信号，也可以为数字信号，通过视频信号线（12）输出到到视频图像分析器（13）；

第四，视频图像分析器（13）基于喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）的位置，依据摄像机（11）像面中的火焰的特征区域的边界的像素的位置/视角，建立关系、运算测量出火焰的特征区域的形状特征参数的具体数值，其具体数值至少包括下列中的参数的一项或下列中的参数的组合/基准变换后的参数的具体数值：

未燃区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度, 未燃区前端宽度即初燃区后端的宽度，未燃区的扩散角；初燃区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度, 初燃区前宽度即燃烧区后端的宽度，初燃区的扩散角；燃烧区前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度, 燃烧区前宽度的，燃烧区的扩散角。

2.如权利要求1所述的一种锅炉、容器内的火焰的形状特征参数测量方法，其特征在于，基于喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）在空间坐标系中的位置及坐标，依据摄像机（11）像面中的火焰特征区域的边界的像素的在空间坐标系中的位置及坐标（角坐标），建立关系、进行运算测量火焰的特征区域的形状参数的具体数值。

3.如权利要求2所述的一种锅炉、容器内的火焰的形状特征参数测量方法，其特征在于，首先，对图像进行模式识别，确定摄像机像面中的火焰两侧外沿的特征区域的边界的点的像素在空间坐标系中的角坐标，以X-Y平面与喷燃器（1）出口平面重合为例，确定火焰区域的边界像素在空间坐标系中的角坐标： A1/A2/A3/A4,B1/B2/B3/B4分别为火焰各个特征区域的边界点，由A1/A2/B1/B2点构成的区域为未燃区，由A2/A3/B2/B3点构成的区域为初燃区，由A3/A4/B3/B4构成的区域为燃烧区A1/A2/A3/A4,B1/B2/B3/B4在像平面中的对应点分别为                                                ； 在X-Y-Z立体坐标系中，确定像平面中像素在空间坐标系中的角坐标：

 ,

；

其次：再结合喷燃器（1）、图像火焰探头(10)内部的摄像机(11)的光心（4）的在空间坐标系中的位置及坐标，运算、测量火焰各个特征区域的形状参数的具体数值；

方法1：在图像火焰探头（10）距火焰比较远时，或测量结果要求不太精确时，可以近似认为图像火焰探头（10）拍摄到的火焰两侧的边界为火焰中心面边界，火焰区域边界的可以用如下测量，以火焰中心线与坐标系Z轴重合、X-Y平面与喷燃器（1）出口平面重合情况为例：

未燃区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度， ，

未燃区A侧前端边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度＝

未燃区前端A侧的宽度也是初燃区A侧后端的宽度

未燃区A侧扩散角为

初燃区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度，

初燃区前端A侧边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度

初燃区前端A侧的宽度也是燃烧区A侧后端的宽度

初燃区A侧扩散角为             

燃烧区前端A侧边界到X-Y平面的垂直长度，

燃烧区前端A侧边界到喷燃器（1）出口平面的垂直长度

燃烧区前端A侧的宽度

燃烧区A侧扩散角为            

方法2：图像火焰探头（10）与火焰比较近，或要求精确测量火焰外沿曲面的各个特征区域的形状参数时，以摄像机（11）物镜的光轴与火焰中心线相交、以火焰中心线与坐标系Z轴重合、X-Y平面与喷燃器（1）出口平面重合情况为例说明火焰区域边界的计算方法；

实际上摄像机（11）看到的是一个立体的火焰，只能看到火焰的外沿的火焰探头侧的各个特征区域的边界的切点，不能准确地看到火焰中心平面，由火焰外沿边界的切点在空间坐标系中的的角坐标，可算出切点的空间坐标，

未燃区前端左侧外部边界点F2的坐标，

切点处的半径

切点F2的X向坐标：

F2的Y向的坐标：

F2的Z向的坐标：

未燃区F侧前端边界到喷燃器（1）出口平面的长度

未燃区F侧前端实际的宽度＝切点处的半径

未燃区F侧(单侧)的扩散角

 

　　　

其中为 点的半径,

初燃区前端F侧外部边界点F3的坐标，  

切点处的半径

切点F3的X向坐标：

F3的Y向的坐标：

F3的Z向的坐标：

初燃区F侧前端边界到喷燃器（1）出口平面的长度

初燃区F侧前端的宽度

初燃区F侧(单侧)的扩散角

＝arctan [(S* tanθ_F3*cosθ_F3,- S* tanθ_F2*cosθ_F2)/ （Z_F3－Z_F2]

= arc[(tanθ_F3*cosθ_F3,- tanθ_F2*cosθ_F2)/(tanα_F3*cos²θ_F3-- tanα_F2* cos²θ_F2)]

燃烧区前端左侧外部边界点F4的坐标，

切点处的半径

切点F4的X向坐标：

F4的Y向的坐标：

F4的Z向的坐标：

燃烧区F侧前端边界到喷燃器（1）出口平面的长度

　　

燃烧区F侧前端的宽度＝切点处的半径

燃烧区F侧(单侧)的扩散角＝β_F3-4

＝arctan [(S* tanθ_F4*cosθ_F4,- S* tanθ_F3*cosθ_F3)/（Z_F4－Z_F3)]

= arctan [（tanθ_F4*cosθ_F4- tanθ_F3*cosθ_F3)/ (tanα_F4* cos²θ_F4- tanα_F3* cos²θ_F4）]

火焰图像中的任意点空间坐标的求法；

根据火焰实际状况，各个区域的外沿曲面可以也可近似看作规则的曲面：圆锥曲面、旋转双曲面,等其它规则曲面

以圆锥曲面方程为例：（1）

把以上求出的火焰的各个区域的边界点前、后端两点的坐标，代入曲面方程式（1），求出各个特征区域的a、b的数值，根据各个火焰特征区域外沿的曲面方程，可以用两种方法确定曲面上的任意点的坐标；

方法Ⅰ，可以根据像面内火焰外沿曲面上任意点的角坐标，结合近似的曲面方程可以计算出火焰外沿曲面上火焰探头侧的任意点空间坐标，进而确定火焰外沿曲面上火焰探头侧的任意点到X-Y平面的长度、单侧火焰半径（单侧宽度）；

G为火焰初燃区外沿曲面的火焰探头侧上的任意点, G点位于图像火焰探头侧,可以列出如下方程式

　　　　　　　

        根据已知的像面内火焰外沿曲面上任意点的角坐标，求出火焰的图像火焰探头侧的点的值， 

火焰初燃区外沿曲面上的任意点G到X-Y平面的长度为，

火焰初燃区外沿曲面上的任意点G 的单侧火焰半径（单侧宽度）为， 

方法Ⅱ，可以计算出火焰的图像火焰探头（10）侧的外沿曲面内上各个点在像面中对应的在空间坐标系上的视角坐标，并建立对应表；根据像面火焰特征区域前后端各点的视角坐标，查表找出对应的空间坐标，确定火焰的图像火焰探头（10）侧的外沿曲面上的任意点到X-Y平面的垂直长度_、火焰半径（单侧宽度）；

可以在火焰的图像火焰探头（10）侧的外沿曲面上、左右边界线以内，选取任意点H；计算出H点对应的像面视角坐标，同理可以计算出火焰的图像火焰探头（10）侧的外沿曲面内上各个点对应的在空间坐标系上的视角坐标，并建立对应表；根据像面火焰特征区域前后端各点的视角坐标，查表找出对应的空间坐标，由确定火焰外沿曲面上的特征区域的H到X-Y平面的垂直长度，由确定H点的火焰半径（单侧宽度）。