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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(shè)施和節(jié)能環(huán)保設(shè)施[1],主要采取燃燒的方法處理生產(chǎn)裝置在日常運行、開停工、非正常生產(chǎn)及緊急狀態(tài)下無法進(jìn)行有效回收的可燃?xì)怏w,也用于燃燒生產(chǎn)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(shè)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(jìn)入火炬筒體而發(fā)生回火或者產(chǎn)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(nèi)。利用氣體的浮力,氮氣將充滿分子封的上部空間并產(chǎn)生一個高于大氣壓的區(qū)域,有效地阻止了空氣進(jìn)入分子封內(nèi)部,解除了火炬燃燒器頭部火焰會產(chǎn)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(nèi)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(nèi)部含有燃?xì)饪蓪㈤L明燈進(jìn)行點燃。長明燈內(nèi)設(shè)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(jìn)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(dāng)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(fēng)、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(shè)備組成。
第 2 章 圖像處理基礎(chǔ)
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(jìn)行定量說明,通過一定規(guī)則和定義所建立的數(shù)學(xué)模型,稱為顏色模型或者色彩空間模型。顏色模型實質(zhì)上是某個三維顏色坐標(biāo)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(jìn)行完整的表達(dá)。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(yīng),該三維向量的分量則對應(yīng)相應(yīng)色彩的亮度值。由上圖可以看出,原點與黑色相對應(yīng),與原點距離最遠(yuǎn)的點和白色相對應(yīng),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(chǔ)上,提出的一種對色彩進(jìn)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(zhì)參數(shù)共同對顏色特性進(jìn)行描述。H-Hue(色調(diào))通過 0°到 360°的角度值來表示,反映出了不同顏色所對應(yīng)不同的光譜波長,通常將色調(diào)值按照紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的順序進(jìn)行排列,并設(shè)定 0°表示紅色色調(diào)值, 120°表示綠色色調(diào)值, 240°表示藍(lán)色色調(diào)值等。從 0°到 360°的色調(diào)值范圍內(nèi),覆蓋了全部可見光譜的顏色。S-Saturation(飽和度)采用 0%-100%的百分?jǐn)?shù)進(jìn)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(dá)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(yù)處理
圖像預(yù)處理是在圖像分析中,對采集圖像進(jìn)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(diào)整變換以達(dá)到恢復(fù)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(guān)的信息。圖像預(yù)處理主要方式有圖像增強、圖像濾波處理、圖像細(xì)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(guān)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(zhì)量,為之后的圖像處理工作打下基礎(chǔ)[21]。在圖像處理時,需要對 R 分量、G 分量、B 分量分別進(jìn)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(yīng)出來,只是基于光學(xué)機理上對顏色的一種比例調(diào)配。為了減少圖像中信息的處理量和復(fù)雜程度,需要對彩色圖像進(jìn)行灰度化處理。灰度化實質(zhì)就是當(dāng)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ā⑷∽畲笾捣�、平均值法以及加權(quán)平均值法[22]�；叶戎狈綀D是有關(guān)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(cè),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(biāo)的提取分離。
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