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基于數(shù)字圖像處理之工業(yè)火炬火焰監(jiān)控體系的研究論文
1.1 火炬研究背景
火炬系統(tǒng)是煉油廠和石油化工廠中重要的安全設施和節(jié)能環(huán)保設施[1],主要采取燃燒的方法處理生產裝置在日常運行、開停工、非正常生產及緊急狀態(tài)下無法進行有效回收的可燃氣體,也用于燃燒生產過程中排放出的有毒氣體,避免造成環(huán)境污染與危害[2]。因此,火炬的正常點火和點火后的正常燃燒成為火炬系統(tǒng)的主要研究方向。分子封作為火炬系統(tǒng)防止回火的主要設備,一般采用氮氣型分子封。分子封的主要作用是在中斷火炬氣排放或小流量燃燒發(fā)生異常的時候,防止空氣回流進入火炬筒體而發(fā)生回火或者產生爆炸。氮氣是惰性氣體難以燃燒,并且分子量比空氣小,可將氮氣作為密封氣體充入分子封內。利用氣體的浮力,氮氣將充滿分子封的上部空間并產生一個高于大氣壓的區(qū)域,有效地阻止了空氣進入分子封內部,解除了火炬燃燒器頭部火焰會產生回火爆炸的安全隱患。因此,在火炬系統(tǒng)下一次點火前和小流量工作時,分子封內部都將連續(xù)充入氮氣。傳統(tǒng)火炬系統(tǒng)的長明燈位于火炬頭的上方,內部含有燃氣可將長明燈進行點燃。長明燈內設有鎧裝熱電偶,可作為檢測單元將火炬燃燒時溫度信號傳輸至控制單元,從而對火炬點火和燃燒狀況進行監(jiān)控[5]。
1.2 火炬裝置及組成
目前常見火炬裝置有封閉式地面火炬、開放式地面火炬、高架火炬等。封閉式地面火炬具備無煙、噪音較小、熱輻射低、無光污染等突出的環(huán)保特性。開放式地面火炬與封閉式地面火炬相比,由于處理量不會受到限制,因此能滿足大型石油化工裝置的需求[3]。高架火炬相比前兩者具有造價便宜、使用范圍廣、操作起來方便等優(yōu)點,這就使其成為當今石油化工、煤氣天然氣等行業(yè)使用最廣泛的火炬系統(tǒng)。按照支撐方式的不同,高架火炬支撐方式可分為塔架、拉索和自立三種。高架火炬按照助燃方式的不同,可以分為蒸汽、鼓風、合成氣、音速、蓄熱、伴燒等多種形式[4]。如圖 1.1 所示,一個典型的高架火炬系統(tǒng)由火炬頭、長明燈、點火器、氣體密封器、火炬筒、水封罐、分液罐等工藝設備組成。
第 2 章 圖像處理基礎
2.1 彩色圖像的顏色模型
為了對定義的顏色域中對顏色進行定量說明,通過一定規(guī)則和定義所建立的數(shù)學模型,稱為顏色模型或者色彩空間模型。顏色模型實質上是某個三維顏色坐標系統(tǒng)中的一個可見光子集,只能表示某個顏色域中的顏色,但是不能對可見光信息進行完整的表達。在此簡要介紹 RGB 顏色模型和 HIS 色彩空間模型。RGB 色彩空間模型是個正方體,如圖 2.1 所示,色彩空間中每個三維向量都與數(shù)字圖像中的像素點相對應,該三維向量的分量則對應相應色彩的亮度值。由上圖可以看出,原點與黑色相對應,與原點距離最遠的點和白色相對應,體對角線上分布著由黑到白的像素點并且該像素點 R 分量、G 分量、B 分量比例相同。HSI 顏色模型,是在視覺系統(tǒng)對色彩的感知基礎上,提出的一種對色彩進行定量描述的顏色系統(tǒng),也稱為視覺顏色模型系統(tǒng)。HIS 顏色模型是通過 H、S、I三種性質參數(shù)共同對顏色特性進行描述。H-Hue(色調)通過 0°到 360°的角度值來表示,反映出了不同顏色所對應不同的光譜波長,通常將色調值按照紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的順序進行排列,并設定 0°表示紅色色調值, 120°表示綠色色調值, 240°表示藍色色調值等。從 0°到 360°的色調值范圍內,覆蓋了全部可見光譜的顏色。S-Saturation(飽和度)采用 0%-100%的百分數(shù)進行表示,反映出了不同顏色的深淺度和飽和度。彩色光中參入的白色越多,則飽和度越低,顏色越淺。彩色光中參入的白色越少,則飽和度越高,顏色越深。在飽和度參數(shù)可以通過色凋值的原點(圓心)到彩色點的半徑的距離表示,在中心點的飽和度為 0%,在環(huán)邊界上的顏色飽和度達到最高值為 100%。I-Intensity(強度)可以通過感受器的反射系數(shù)來決定,得到的系數(shù)越大,彩色光亮度愈大,反之愈小。
2.2 圖像預處理
圖像預處理是在圖像分析中,對采集圖像進行圖像分析、圖像判斷前所必備的處理工作。其目的主要是通過一定的調整變換以達到恢復或增強圖片中有用信息,消除或減弱與后續(xù)分析工作無關的信息。圖像預處理主要方式有圖像增強、圖像濾波處理、圖像細化等幾個方面,本文主要通過圖像灰度化處理、直方圖均衡化和平滑濾波等相關操作,增強圖中有用信息量,突出探測圖像的對比性,提高所提取的圖像質量,為之后的圖像處理工作打下基礎[21]。在圖像處理時,需要對 R 分量、G 分量、B 分量分別進行處理,實際上圖像的形態(tài)特征并不能由 RGB 顏色模式完整地反應出來,只是基于光學機理上對顏色的一種比例調配。為了減少圖像中信息的處理量和復雜程度,需要對彩色圖像進行灰度化處理�；叶然瘜嵸|就是當彩色圖像每個像素點的 R、G、B 分量值相等時,這個值就是該像素點的灰度值,此時彩色像素點就可以表示為一種灰度顏色�；叶然闹饕椒ㄓ刑崛》至糠�、取最大值法、平均值法以及加權平均值法[22]�；叶戎狈綀D是有關灰度級的函數(shù),是圖像基于統(tǒng)計原理得到的重要特征。通過表示不同灰度級的像素的個數(shù),明確地反映出該灰度級出現(xiàn)的頻率大小。圖像的整體灰度分布通過灰度直方圖得到較好體現(xiàn),圖像中較暗的部分集中分布在灰度級較低的一側,相反較亮的部分則集中分布在灰度級較高的部分�；诮y(tǒng)計原理特性,可以從灰度直方圖中直觀地了解到圖像的明亮程度、多方面的對比度以及判斷是否有利于目標的提取分離。
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