Apparato per la mappatura in tempo reale della temperatura di una fiamma (IT)

Titolo

Tipologia

Fascicolo

Descrizione

Corrispondenza tra Ansaldo (ing. Masella, dott. Beltrami, sig.ra Repetto, avv. Salvadè, ing. Bozzoni, ing. Fornari, ing. Olivieri) e studio di consulenza Jacobacci, Casetta & Perani

Specifiche del brevetto
Titolare: Finmeccanica Spa Azienda Ansaldo
Inventori: Riccardo Parenti, Giorgio Bosia, Paolo Verrecchia
Riassunto: Forma oggetto della presente invenzione un apparato per la mappatura in tempo reale della temperatura di una fiamma comprendente una coppia di convertitori analogico/digitali per convertire due segnali di luminanza in bande spettrali distinte in una coppia di codici binari applicati come indirizzo ad una memoria che produce in uscita un codice di temperatura associato alla coppia di codici di indirizzamento in base ad una relazione nota, definita da leggi fisiche.
La conversione analogico-digitale e la lettura di memoria hanno luogo ciascuna entro un intervallo temporale inferiore al periodo di esplorazione dei punti d’immagine di fiamma.

Definizione del campo della tecnica in cui si colloca l’invenzione: I processi industriali sono controllati a partire da parametri di tipo globale (potenza erogata, pressione, ecc.).
Possono esistere più condizioni di impianto capaci di fornire gli stessi valori delle grandezze di interesse tali da ottimizzare contemporaneamente le sollecitazioni dell’impianto o, eventualmente, altri parametri accessori quali, ad esempio, nel caso delle caldaie degli inceneritori, la produzione di inquinanti.
Gli studi relativi ai sistemi di mappatura tridimensionale (“3D map”) della temperatura di una fiamma si inseriscono in questo filone dello sviluppo tecnologico che mira ad una più completa conoscenza e/o ad un più completo controllo dei parametri di interesse per la condotta di una caldaia.

Tecnica nota e limiti della tecnica nota: Sono noti sistemi di mappatura tridimensionale della temperatura di una fiamma, che generano, partendo da un’immagine rilevata tramite telecamera, un vettore o un’immagine elaborata indicativa della temperatura dei diversi punti di fiamma. L’immagine di temperatura è ottenuta con un’elaborazione essenzialmente via software utilizzando algoritmi opportuni.
Il processo di elaborazione, estremamente laborioso ed eseguito in modo ripetitivo su ogni punto dell’immagine rilevata dalla telecamera, porta alla generazione di una mappa termica, effettuata “off line” e, quindi, disponibile ad un tempo differito rispetto all’evento immagine, molto maggiore del periodo di generazione delle immagini successive rilevate dalla telecamera.
I sistemi di mappatura suddetti, se idonei almeno in parte a soddisfare esigenze di stadio e di progettazione che non richiedono una reazione immediata all’evoluzione del processo di combustione e di generazione della fiamma, non sono assolutamente adatti a seguire e descrivere dinamicamente il processo di generazione della fiamma per consentirne un controllo o anche solo l’osservazione o monitoraggio delle conseguenza derivanti da interventi sul processo, come ad esempio un orientamento diverso dei bruciatori.
In base a quanto affermato sopra, è particolarmente sentita l’esigenza di disporre di un sistema di elaborazione d’immagini che operi in tempo reale.
Anche con l’impiego dei sistemi di elaborazione dati moderni, l’elaborazione di immagini è un’operazione che richiede un tempo macchina considerevole, che può essere abbreviato solo ricorrendo a processori aventi una potenza di calcolo adeguata o un’architettura particolarmente complessa, il cui costo è così alto da risultare sproporzionato ai benefici risultanti dalla loro applicazione.
In caso di elaborazione d’immagini in tempo reale e di monitoraggio “on line” è necessario elaborare una mole di dati estremamente elevata (occorre elaborare le informazioni relative a circa 262.144 pixel prevedendo, ad esempio, la scomposizione di un’immagine in 512 x 512 pixel).
Se le elaborazioni sono svolte in successione, il tempo di elaborazione di ogni singoli pixel deve essere minore o uguale a 150 nsec.
L’elaborazione con algoritmi opportuni di una tale mole di dati, nei limiti di tempo imposti, richiederebbe la disponibilità di una potenza di calcolo dell’ordine di centinaia di milioni di istruzioni al secondo, conseguibile solo con supercalcolatori.

Definizione del problema risolto dall’invenzione: L’invenzione consente di superare le limitazioni presenti nei dispositivi oggetto della tecnica nota e si basa sulle considerazioni indicate nel seguito.
La temperatura di ogni punto di una fiamma come rilevata da una telecamera a colori può essere determinata misurando l’emissione luminosa del punto in due lunghezze d’onda distinte e non dipende da altri fattori variabili e dalle caratteristiche degli altri punti.
La relazione tra emissione e temperatura è univoca e rispetta una legge nota.
La presentazione delle temperature misurate per ogni punto come immagine elaborata e rappresentata in falsi colori è essa pure univoca e risulta da un processo indipendente dal processo di determinazione delle temperature.

Esposizione dell’idea inventiva: L’apparato oggetto dell’invenzione comprende quanto segue.
Mezzi d’ingresso per ricevere una coppia di segnali analogici, variabili nel tempo e rappresentativi ciascuno dell’emissione in due bande distinte di punti di fiamma, esplorati ad istanti successivi da mezzi di rilevazione di emissione spettrale. I segnali analogici suddetti sono variabili in una banda di frequenza con un massimo.
Mezzi di temporizzazione per la generazione di almeno un primo segnale di temporizzazione avente una prima frequenza non inferiore a detto massimo di frequenza.
Mezzi di conversione analogico/digitale attivati da detto primo segnale per il campionamento di detti segnali analogici alla prima frequenza sopraccitata e per la conversione di tali segnali campionati in una coppia di segnali digitali.
Primi mezzi di staticizzazione, temporizzati da un primo segnale di stabilizzazione a detta prima frequenza, per stabilizzare detta coppia di segnali digitali.
Primi mezzi di memoria indirizzati da detta coppia di codici staticizzata in detti primi mezzi di staticizzazione, per produrre in uscita, nell’ambito di periodo di detta prima frequenza, un terzo codice rappresentativo di una temperatura associata a detta coppia di codici e corrispondentemente a detti segnali campionati.
Secondi mezzi di staticizzazione, temporizzati da un secondo segnale di staticizzazione a detta prima frequenza, per staticizzare detto terzo codice.
L’apparato per la mappatura in tempo reale della temperatura di una fiamma oggetto della presente invenzione è strutturato in un’architettura del tipo a intubamento o “pipelining” in cui diverse unità funzionali operano in cascata, ciascuna nell’ambito di un periodo predeterminato, per eseguire una fase predeterminata del processo di elaborazione ed in cui le elaborazioni numeriche sono condotte ad operazioni di transcodifica.
I segnali generati da una telecamera, convenientemente filtrati e sommati ad una componente di tensione costante di “offset” sono campionati e digitalizzati in tempo reale ad una frequenza maggiore della frequenza massima di segnale (corrispondente alla sequenza di presentazione dei diversi pixel d’immagine).
I segnali digitalizzati corrispondenti sono memorizzati alla stessa frequenza di campionamento, in registri di uscita o “buffer” ed usati congiuntamente come indirizzo di lettura ad una memoria veloce che associa, come informazione letta ad ogni indirizzo di lettura, un corrispondente codice binario rappresentativo di una temperatura.
Il codice di uscita dalla memoria è memorizzato, alla frequenza di campionamento, in un registro di uscita o “buffer” che indirizza una pluralità di memorie veloci, o tavole di conversione, che associano ciascuna ad ogni valore di temperatura ricevuto come indirizzo di lettura, un codice di colore predeterminato.
I codici di colore sono usati ciascuno come codice d’ingresso di un corrispondente convertitore digitale/analogico che genera un segnale analogico di colore utilizzabile per il pilotaggio di un segnale televisivo.
Secondo ulteriori aspetti della presente invenzione, l’apparato comprende circuiti di “clamping” o messa a terra periodica dei segnali d’ingresso, sincronizzati su sincronismo di riga della telecamera, per assicurare un livello di segnale corrispondente al nero, effettivamente uguale al livello elettrico 0 e circuiti di compressione dei codici di colore in uscita dal convertitori analogico/digitali per minimizzare le capacità di memoria richieste per la generazione del codice di temperatura, rendendo quindi possibile l’impiego di memorie di capacità ridotta intrinsecamente più veloci.

Descrizione di almeno un esempio di realizzazione: L’apparato oggetto della presente invenzione comprende una coppia di filtri passo basso, ciascuno con un’uscita accoppiata ad un circuito analogico di amplificazione/adattamento di impedenza o buffer.
L’uscita dei due buffer è connessa capacitivamente, tramite due capacità, all’ingresso rispettivamente di due circuiti di azzeramento e messa a terra periodica di segnale, denominati “circuiti di clamp”, comandati da un segnale periodico SYNC1.
L’uscita dei due circuiti di “clamp” è connessa rispettivamente ad un ingresso di due circuiti analogici con funzione di sommatori algebrici, che sottraggono al segnale d’ingresso una tensione di riferimento VOFFS.
L’uscita dei sommatori è connessa rispettivamente all’ingresso di due convertitori analogico/digitali temporizzati da un segnale CK di frequenza opportuna, che convertono il segnale d’ingresso in un codice binario a 10 bit.
Le uscite dei due convertitori sono connesse rispettivamente all’ingresso di due registri di staticizzazione, controllati dal segnale CK.
Le uscite dei due registri, ciascuna a 10 bit, sono connesse ad un canale o bus di indirizzamento a venti fili, connesso agli ingressi di indirizzamento di una memoria; quest’ultima può essere una memoria a sola lettura (del tipo ROM) programmabile(EEROM) o anche una memora statica a lettura e scrittura (RAM); in quest’ultimo caso il canale o bus di indirizzamento può essere usato come canale di indirizzamento della memoria per operazioni di programmazione e/o scrittura e, in questo caso, è connesso a un’unità di interfaccia INT UNIT, che, attraverso il canale o bus di indirizzamento, invia alla RAM degli indirizzi di selezione in scrittura e , attraverso un canale ulteriore, invia alla RAM dei dati da scrivere.
Le informazioni lette dalla memoria sono caricate in un registro di staticizzazione, temporizzato dal segnale CK.
Le informazioni in uscita dal registro sono immesse su un canale distributore, che le distribuisce a una pluralità di memorie con funzione di tabelle di traduzione “LOOK UP TABLE” (LUT).
Anche le memorie con funzione di tabelle di traduzione possono essere del tipo a lettura oppure a lettura e scrittura, nel qual caso possono ricevere indirizzi di scrittura attraverso il canale di distribuzione, connesso a questo scopo all’unità di interfaccia, dalla quale possono essere ricevuti anche i segnali di selezione e dati.
Le uscite delle diverse LUT sono connesse all’ingresso di una pluralità di convertitori digitali/analogici temporizzati in ingresso del segnale CK e con uscite poste a massa in occasione del ricevimento di un segnale di comanda TTLSYNC.
L’uscita analogica dei diversi convertitori è connessa ad un filtro passo basso e da qui all’ingresso di circuiti disaccoppiatori e adattatori di livello/impedenza.
Completano l’apparato un circuito di disaccoppiatori/amplificatori con guadagno regolabile, che riceve in ingresso un segnale SYNC di sincronismo di riga e un’unità di temporizzazione provvista di un oscillatore interno con ingresso connesso all’uscita del circuito per ricevere il segnale SYNC.
L’unità di temporizzazione genera un primo segnale SYNC1 convenientemente ritardato rispetto a SYNC e con caratteristiche elettriche adatte al comando dei convertitori in funzione della tecnologia con cui questi sono realizzati ed un segnale periodico CK di frequenza opportuna.
Il segnale TTL SYNC, oltre che ai convertitori, è applicato in ingresso ad un elemento di ritardo ed adattamento di livello, che produce in uscita un segnale SYNC2 con caratteristiche elettriche adatte al comando di un monitor televisivo. L’unità di interfaccia è connessa al bus di sistema di un sistema di acquisizione ed elaborazione dati, per ricevere comandi e informazioni di predisposizione, ad esempio per caricare le memorie con informazioni opportune, per regolare le tensioni do OFFSET secondo le esigenze, eccetera nonché per trasferire verso l’esterno le informazioni in uscita dal registro o da una o più delle memorie.

Vantaggi:
L’apparato oggetto dell’invenzione è semplice, di basso costo, in grado di operare in tempo reale, realizzabile come una singola piastra a circuito stampato, integrabile in sistemi di acquisizione dati di basso costo.

Data testuale

1993 aprile 29 - 1997 marzo 28

Estremi cronologici

April 29, 1993 – March 28, 1997

Consistenza

cc. 116

Stato di conservazione

Ottimo

Soggetto produttore

Identificativo

BRA.000047

Collocazione

Deposito 419

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