Analiza obrazu płomienia w celu wykorzystania komputerowych systemów wizyjnych do oceny i nadzorowania procesu spalania W artykule przedstawiono podsumowanie dotychczas prowadzonych badań nad analizą płomienia jako zjawiska. Skomentowano napotkane problemy. Zaprezentowano ogólne wytyczne i kierunki kontynuacji badań nad płomieniem jako obrazem rejestrowanym przez urządzenia techniczne, które będą kontynuowane przez autora w celu wykonania wizyjnego systemu diagnostycznego do analizy procesu spalania.Słowa kluczowe: jakość spalania, spalanie, płomień, rozpoznawanie obrazów.Image flame analysis in order to make use of computer vision systems to evaluate and supervise the combustion processThe article presents a summary of research conducted so far, on the analysis of the flame as a phenomenon. Problems encountered were commented on. It provides general guidelines and directions for continued research on the flame, as the image recorded by technical devices, which will be continued by the author in order to perform a vision diagnostic system for the analysis of the combustion process.Rozważania zawarte w artykule mają przybliżyć autora do właściwego pod względem zastosowania w komputerowym systemie wizyjnym opisu procesu spalania, a przede wszystkim opisu obrazu płomienia -jego właściwości i za-leżności pomiędzy rejestrowanym obrazem procesu spalania a jakością tego procesu. Opisane badania prowadzone są przez autora w celu zastosowania wizyjnych systemów diagnostycznych do analizy procesu spalania. Wstęp Czym jest płomieńMimo że intuicyjnie każdy człowiek wie, czym jest płomień, nie istnieje ścisła jego definicja. W [7] autor, podsumowując pięćdziesiąt lat badań nad płomieniem, definiuje płomień jako zjawisko, które zawsze może być określone niejako po fakcie wystąpienia, ale wydaje się, że definicja ogólna, z warunkiem koniecznym i wystarczającym, nie istnieje. W literaturze można znaleźć wiele definicji pojęcia "płomień" kładących nacisk na te aspekty zjawiska, które są analizowane lub kluczowe z punktu widzenia dziedziny, w której definicja funkcjonuje [4,7,15,21]. Wnioski płynące z przytoczonych publikacji potwierdzają prace innych badaczy, w których w zależności od przyjętych założeń (rodzajów palników, spalanych gazów itp.) i opisywanych procesów technologicznych zastosowanie mają różne modele matematyczne procesu spalania, a co za tym idzie -płomienia jako zjawiska [np. 6, 11, 12].Biorąc pod uwagę cel prowadzonych badań, przez proces spalania w niniejszej pracy rozumie się zbiór reakcji fi-

W pierwszej części opisano prace badawcze podejmowane w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym w związku ze stopniowym odchodzeniem rozwiniętych gospodarek światowych od paliw kopalnych. Przedstawiono prace dotyczące zagospodarowania biogazu rolniczego oraz jego mieszanek z wysokometanowym gazem ziemnym i LPG na potrzeby zasilania urządzeń gazowych do użytku domowego oraz przemysłowych urządzeń gazowych. Opisano również trwające badania nad wykorzystaniem wodoru jako medium umożliwiającego zagospodarowanie i magazynowanie nadwyżek energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii (ang. power to gas, P2G). Prace te skupiają się na bezpieczeństwie użytkowania mieszanin wodoru z wysokometanowym gazem ziemnym, a także na wpływie domieszek wodoru na wszystkie elementy systemu przesyłowego. Przedstawiono także prace dla sektora transportu opisujące wykorzystanie bioetanolu jako dodatku do benzyn lub oleju napędowego. Pozwala to na zmniejszenie zużycia stosowanych paliw konwencjonalnych również w transporcie. Zaprezentowano też analizy, na podstawie których stwierdzono możliwość wykorzystania alkoholu etylowego jako paliwa opałowego do urządzeń grzewczych. W celu potwierdzenia wyników tych analiz przeprowadzono badania kotła centralnego ogrzewania wyposażonego w olejowy palnik nadmuchowy. Kocioł c.o. przebadano w cyklu badawczym, podczas którego temperatura wody zasilającej instalację c.o. wynosi 80°C, a temperatura wody wracającej do kotła – 60°C. W takich warunkach pracy urządzenia zmierzono parametry energetyczne kotła, tj. sprawność i obciążenie cieplne, oraz zmierzono ilość produkowanego kondensatu. Badania przeprowadzono, używając do zasilania kotła lekkiego oleju opałowego oraz alkoholu etylowego technicznego 96-procentowego. Na tej podstawie wyciągnięto następujące wnioski: obciążenie cieplne osiągane przez układ grzewczy uległo zmniejszeniu pomimo regulacji dostępnych parametrów urządzenia (ciśnienie na palniku oraz ilość powietrza do spalania); sprawność urządzenia nie uległa pogorszeniu; zawartość substancji niepożądanych w spalinach uległa obniżeniu; ilość produkowanego kondensatu w palniku zasilanym alkoholem etylowym uległa zwiększeniu względem tego samego palnika pracującego na oleju opałowym. W końcowej części usystematyzowano i przedstawiono wnioski z przeprowadzonych badań.

STRESZCZENIE: W artykule przedstawiono cechy charakterystyczne płomienia powstającego w wyniku spalania paliw gazowych możliwe do zaobserwowania na jego obrazach zarejestrowanych za pomocą różnego rodzaju przetworników wizyjnych i termowizyjnych. Zaprezentowano uproszczony model obrazu płomienia, który jest podstawą oceny jakości spalania gazu na palnikach z płomieniem odkrytym w prowadzonych przez autora badaniach. Opisano wygląd płomienia dyfuzyjnego, kinetyczno-dyfuzyjnego oraz kinetycznego. Podano charakterystyczne cechy obrazów każdego z nich. Zaprezentowane modele odniesiono do równań stechiometrycznych spalania gazów węglowodorowych z użyciem tlenu. Przedstawiono przegląd przeprowadzonych eksperymentów, polegających na zarejestrowaniu obrazów płomienia z wykorzystaniem różnych rodzajów kamer, zarówno termowizyjnych, jak i wizyjnych, tzn. działających w świetle widzialnym. Użyte kamery wyposażone były w przetworniki pracujące w różnych technologiach. Zaprezentowane w artykule termogramy pochodziły z kamer: FLIR GF 320, z detektorem promieniowania podczerwonego typu InSb, FLIR A35, z detektorem typu mikrobolometr, oraz kamery NIT NATIVE WDR™, z detektorem typu CMOS (SWIR). Stosowane w badaniach kamery wizyjne wyposażone były w przetworniki typu CMOS, CCD. Zwrócono uwagę na problemy występujące podczas rejestracji obrazu płomienia, takie jak prześwietlenia, zbyt duży kontrast, rozmycia, utrata kształtu fotografowanego zjawiska. Przedstawiono parametry przetworników, które mogą wpływać na jakość otrzymywanych zdjęć. Zaprezentowano wyniki eksperymentu polegającego na użyciu cyfrowych algorytmów przetwarzania obrazu w celu zwiększenia na zdjęciu wynikowym jego rozdzielczości i rozpiętości tonalnej oraz osiąganej głębi kolorów (high dynamic range) z serii czterech jednoczesnych zdjęć płomienia. W końcowej części artykułu opisano wyniki eksperymentu polegającego na użyciu filtrów optycznych IR/UV cut i filtrów polaryzacyjnych w celu zmniejszenia prześwietleń i odbić, związanych z dużą jasnością fotografowanego zjawiska fizycznego. We wnioskach skomentowano wyniki przeprowadzonych eksperymentów oraz oceniono wykorzystywane rodzaje filtrów i przetworników zastosowanych kamer pod kątem przydatności do akwizycji obrazów płomieni palników odkrytych. The conclusions comment on the results of the conducted experiments and the applied types of filters and sensors of the used cameras have been evaluated in terms of their suitability for acquiring images of flames of the open burners.

No abstract

Autorzy przedstawiają rozwój technologii otrzymywania mieszanin gazowych w Laboratorium Badań Urządzeń Gazowych i Grzewczych Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego w Krakowie. We wstępie do artykułu zwrócono uwagę na konieczność stosowania mieszanek gazowych o różnym składzie procentowym podczas badań urządzeń gazowych, na potrzeby certyfikacji i dopuszczenia do udostępnienia urządzeń do obrotu na rynku UE. Zaprezentowano najprostsze metody otrzymywania mieszanek gazowych. Przedstawiono metody stosowane w Laboratorium we wcześniejszych latach, dzięki którym otrzymywano mieszanki badawcze bez użycia urządzeń automatycznej regulacji strumienia gazu. Do tworzenia mieszanek wykorzystywano prawa fizyczne opisujące stany równowagi mieszaniny gazowej. Następnie przedstawiono zasadę działania mieszalni gazów oraz elementy umożliwiające jej automatyzację. Opisano opracowane w INiG – PIB konstrukcje mieszalni gazów do badań, umożliwiające automatyczne otrzymywanie mieszanin gazowych. Zaprezentowano również mieszalnik, będący przedmiotem zgłoszenia patentowego. W drugiej części artykułu przedstawiono szeroki zakres prac badawczych i rozwojowych wykonanych przez pracowników Instytutu na przestrzeni lat. Pokrótce opisano prace badawcze, skupiające się m.in. na wymienności paliw gazowych. Polegały one na badaniu parametrów użytkowych urządzeń gazowych podczas zasilania gazami z domieszkami różnych gazów w ilościach niespotykanych obecnie w gazie ziemnym, np. etanu, wodoru, tlenku węgla(IV). Innymi opisanymi w artykule tematami podjętymi przez pracowników INiG – PIB jest wykorzystanie wodoru jako domieszki do gazu ziemnego i przedstawienie jego wpływu na wszystkie elementy sieci przesyłowej i dystrybucyjnej. Wszystkie opisane prace badawcze podejmowane przez pracowników INiG – PIB mogą stać się ważną częścią składową analiz związanych z dywersyfikacją dostaw gazu na terenie Polski. W podsumowaniu przedstawiono perspektywy rozwoju mieszalni gazów, w tym ich komercyjne wykorzystanie przez operatorów sieci przesyłowej i/lub dystrybutorów gazu. Artykuł zwraca uwagę na fakt, że w dobie transformacji energetycznej świata i położenia nacisku na wykorzystanie ekologicznych paliw mieszalnie mogą stać się niezbędnym elementem systemu dostarczania gazu dla odbiorców końcowych.