一种基于氯化氢合成炉火焰分析方法及系统

本发明涉及图像处理，尤其涉及一种基于氯化氢合成炉火焰分析方法及系统。

背景技术：

1、氯碱企业使用合成炉生产氯化氢气体，为生产聚氯乙烯提供原料，通过用水银法电解工业用盐的方法生产氯气和氢气，因为生产过程中的种种原因，对合成氯化氢干扰十分严重，难以保证氯化氢维持合理的比例。

2、现有技术中采用人工观察合成炉的火焰颜色和定时抽样检查氯化氢含量的方法来保证安全生产，但是人工控制质量较差，离线化验滞后时间较长，难以保证产品合格，从而带来不小的经济损失。

技术实现思路

1、针对现有方法的不足，本发明解决人工观察火焰颜色的控制质量差的问题。

2、本发明所采用的技术方案是：一种基于氯化氢合成炉火焰分析方法及系统包括以下步骤：

3、步骤一、使用火焰传感器判断氯化氢合成炉中是否有火焰；

4、步骤二、采集火焰视频，并通过分帧获取火焰图像；

5、进一步的，分帧获取火焰图像是将视频按照间隔两帧读取。

6、步骤三、将获得的图像在rgb和hsi混合颜色模型下进行颜色检测，获取火焰像素点分布矩阵得到初步含疑似火焰区域图像；

7、进一步的，rgb和hsi混合颜色模型的公式为：

8、rule1：r>rmean

9、rule2：r≥g≥b

10、rules3:s≥(255-r)sthreshold/rthreshold

11、式中，sthreshold为饱和度阈值，参考范围为55～65；rthreshold为红色分量阈值，参考范围为115～135；rmean为红色分量均值。

12、步骤四、将初步含疑似火焰区域图像进行灰度化处理，使用pso搜索进行全局寻优，并将全局最优解回代到k-means聚类算法中，对图像进行聚类；

13、进一步的，步骤四具体包括：

14、步骤41、初始化粒子数运行参数，并进行粒子群位置和速度的初始化；

15、步骤42、计算每个粒子的适应度值；

16、步骤43、根据适应度值更新个体最优pbest和全局最优gbest；

17、步骤44、更新学习因子、惯性权重以及粒子的位置和速度；

18、步骤45、计算适应度方差；

19、步骤46、设定适应度方差阈值作为迭代终止条件；

20、步骤47、将pso算法计算的结果作为k-means聚类中心；

21、步骤48、针对所有对象的每一个中心距离进行欧氏距离计算；

22、步骤48、更新聚类中心，达到收敛条件终止。

23、步骤五、将初步含疑似火焰区域图像矩阵与经过聚类后的火焰图像矩阵相乘，得到最终的火焰区域；

24、进一步的，步骤五具体包括：

25、设初步含疑似火焰区域矩阵为a，经过聚类后的火焰图像矩阵为b，相乘后的结果矩阵为c，则：

26、c(i,j)＝a(i,j)*b(i,j)

27、其中，i表示像素点的行数，j表示像素点的列数；c(i,j)表示相应像素点在结果矩阵中的值，a(i,j)和b(i,j)分别表示同一像素点在两个矩阵中的值；

28、通过阈值处理，将相乘后得到的矩阵中的值转化为二值图像，得到火焰的轮廓和具体位置。

29、步骤六、根据最终的火焰区域的rgb均值和色温，调整气体浓度。

30、进一步的，步骤六具体包括：

31、步骤61、将最终的火焰区域的rgb均值与正常浓度配比下燃烧青白色火焰颜色rgb值比较；

32、步骤62、将最终的火焰的色温与正常浓度配比下燃烧青白色火焰的色温进行比较；

33、步骤63、不满足火焰的色温和rgb均值时，调整气体浓度，并输出报警信号。

34、进一步的，一种基于氯化氢合成炉火焰分析系统，包括：树莓派、防爆火焰摄像头、火焰传感器和光谱传感器，防爆火焰摄像头、火焰传感器和光谱传感器与树莓派电性连接；

35、火焰传感器用于检测氯化氢合成炉内是否有火焰；

36、防爆火焰摄像头用于采集火焰视频；

37、光谱传感器用于检测火焰色温；

38、树莓派将火焰视频转为图像，并图像在rgb和hsi颜色模型的混合颜色模型下进行检测，初步得到含有疑似火焰区域；将初步得到含有疑似火焰区域图像灰度化，使用pso搜索并寻找全局最优，将搜寻值回代到k-means进行聚类；将初步得到含有疑似火焰区域与聚类后图像矩阵相乘，得到最终的疑似火焰区域；计算最终的疑似火焰区域的rgb均值；根据色温和rgb值判断气体浓度是否满足条件。

39、本发明的有益效果：

40、1、利用rgb和hsi混合颜色模型得到含疑似火焰区域图像，采用pso-k-means结合的方法对疑似火焰区域图像进行聚类，并结合两种图像得到准确的火焰区域图像，提高自动化程度和工作效率，降低人力与物力成本，预警响应迅速，并提高检测的准确率；

41、2、使用树莓派4b作为控制器进行数据的采集和发送，树莓派体积小，成本低，更为使用者节约成本；

42、3、运用近距离布置防爆摄像头的方式解决了现有方案中试验人员难以持续观察和视野受限的问题；

43、4、采用火焰传感器，判断氯化氢合成炉内是否有火焰燃烧，若存在火焰将自动打开摄像头对火焰进行实时监测，结合光谱传感器，实时检测氯化氢合成时不同浓度所对应的火焰相关色温；提高试验准确性和溯源性；

44、5、全过程高精度测量距离和时间，且有近距离过程图像记录，提高自动化程度和工作效率。

技术特征：

1.一种基于氯化氢合成炉火焰分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于氯化氢合成炉火焰分析方法，其特征在于，分帧获取火焰图像是将视频按照间隔两帧读取。

3.根据权利要求1所述的基于氯化氢合成炉火焰分析方法，其特征在于，rgb和hsi混合颜色模型的规则为：

4.根据权利要求1所述的基于氯化氢合成炉火焰分析方法，其特征在于，步骤四具体包括：

5.根据权利要求1所述的基于氯化氢合成炉火焰分析方法，其特征在于，步骤五具体包括：

6.根据权利要求1所述的基于氯化氢合成炉火焰分析方法，其特征在于，步骤六具体包括：

7.一种基于氯化氢合成炉火焰分析系统，其特征在于，包括：树莓派、防爆火焰摄像头、火焰传感器和光谱传感器，防爆火焰摄像头、火焰传感器和光谱传感器与树莓派电性连接；

技术总结
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于氯化氢合成炉火焰分析方法及系统，包括使用火焰传感器判断氯化氢合成炉中是否有火焰；采集火焰视频，并通过分帧获取火焰图像；将获得的图像在RGB和HSI混合颜色模型下进行颜色检测，获取火焰像素点分布矩阵得到初步含疑似火焰区域图像；将初步含疑似火焰区域图像进行灰度化处理，使用PSO搜索进行全局寻优，并将全局最优解回代到K‑means聚类算法中，对图像进行聚类；将初步含疑似火焰区域图像矩阵与经过聚类后的火焰图像矩阵相乘，得到最终的火焰区域；根据最终的火焰区域的RGB均值和色温，调整气体浓度。本发明解决人工观察火焰颜色的控制质量差的问题。

技术研发人员：杨长春,胡玉蝶,王彭,朱文涛,王宇鹏
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15