监控系统及应用该监控系统监控电气元件运行的方法

摘要

本发明公开了一种监控系统及应用该监控系统监控电气元件运行的方法，包括检测装置、控制装置及监控中心，监控中心接收检测装置传来的温度参数信息和控制装置传来的电气参数信息，并进行处理，之后根据处理的结果向控制装置发出控制信号。还包括显像装置，用于接收监控中心或检测装置传来的温度参数和电气参数信息，并以二维图像显示。检测装置包括红外探测器，可通过电子扫描成像，探测电气元件运行过程中的红外热辐射信号，并由监控中心进行处理后输入给显像装置，能直观地检测弧光灯发光强度与驱动电流和电压之间的关系，准确地检测弧光启动时间等参数，并控制弧光灯高效运行，也适用于监控其它电气元件的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种监控系统及其监控电气元件运行的方法，尤其涉及一种运用弧光成像技术监控弧光灯运行的方法。

背景技术

随着社会的发展和技术进步，人们对工业生产、社会生活中的节能要求日趋强烈。灯具是我们日常生活和生产中常用的耗能产品，它是否节能，对我们达到节能目标至关重要。

弧光灯、HID(高气压强度放电)灯、MH(金属卤化物)灯等，由于具有色温好、发光效率高、亮度稳定以及寿命长等优点成为最受欢迎的光源，在家庭与商业照明领域受到了越来越多的关注。

它能否节能，关键在于其产生的弧光的发光效率，而弧光温度场的分布是研究其发光效率的直观方法。目前，对弧光热效率的测量与研究，主要以观察弧光的颜色和测量其发光强度为主要研究手段，这种手段在可见光波段内进行测量，由于弧光在可见光波段内强度非常大，测量设备测得的发光强度只能反映瞬间平均值，无法得到瞬态弧光整体发光强度分布。也就很难有效的地检测并控制弧光灯的运行及发光效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、实用的监控系统及应用该监控系统监控电气元件运行的方法，该系统及方法能有效地检测并控制弧光灯或其它电气元件的高效运行。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的监控系统，用于监控电气元件的运行，包括检测装置、控制装置及监控中心，

所述的检测装置与监控中心电连接，用于检测电气元件运行过程中的温度参数，进行处理后输入给监控中心；

所述的控制装置与控制中心电连接，用于将电气元件运行过程中的电气参数输入给监控中心，并接收监控中心的控制信号，控制电气元件的运行；

所述监控中心，用于根据检测装置传来的温度参数信息和控制装置传来的电气参数信息，确定最佳温度参数对应的电气参数，并进行处理，之后根据处理的结果向控制装置发出控制信号。

还包括显像装置，用于接收监控中心和/或检测装置传来的温度参数和/或电气参数信息，并以二维图像显示。

所述的检测装置包括：

探测器，用于探测电气元件运行过程中的温度参数，并进行处理；

温度采集装置，与探测器电连接，用于采集探测器探测到的温度参数信息，进行处理后输入给监控中心；和/或将温度参数信息输入给显像装置。

所述的探测器为红外探测器，可通过电子扫描成像，探测电气元件运行过程中的红外热辐射信号，并将红外热辐射信号转换为模拟电信号输入给温度采集装置。

所述的电气参数为电压和电流，所述控制装置根据监控中心的控制信号控制电气元件的电压和电流。

本发明的应用上述监控系统监控电气元件运行的方法，其特征在于，包括步骤：

A、检测装置检测电气元件运行过程中的温度参数，进行处理后输入给监控中心；控制装置检测电气元件运行过程中的电气参数并输入给监控中心；

B、监控中心对接收到的温度参数信息及电气参数信息进行处理，得出最佳温度参数所对应的电气参数，之后，根据处理的结果向控制装置发出控制信号；

C、控制装置接收控制信号，并根据控制信号控制电气元件的运行。

所述的步骤B或步骤C之后还包括步骤：

D、监控中心和/或检测装置将温度参数和/或电气参数信息进行处理后，输入给显像装置，由显像装置以二维图像显示。

所述的步骤D包括，探测器探测电气元件运行过程中的温度参数，进行处理后输入给温度采集装置，

温度采集装置将温度参数的模拟电信号输入给显像装置；和/或，

温度采集装置将温度参数的模拟电信号转换为数字信号，之后将数字信号输入给监控中心，监控中心进行处理后输入给显像装置。

所述的步骤D中，

探测器通过电子扫描成像的方法探测电气元件运行过程中的红外热辐射信号，并将红外热辐射信号转换成模拟电信号。

所述的监控中心的处理功能包括，将接收到的温度参数信息进行图像处理功能，所述图像处理功能包括以下功能中至少一项：

图像滤波：消除图像斑点；

图像增强：增加图像对比度；

边缘增强：增加图像边缘对比度；

图像比较：显示两幅图像的差别；

等温分析：显示等温区；

直方图分析：给出图像的直方图，用以显示各灰度级所具有的像素数；

区域分析：显示画定区域的最大值和/或平均值和/或最小值和/或直方图。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的监控系统及应用该系统监控电气元件运行的方法，由于包括检测装置、控制装置及监控中心，监控中心接收检测装置传来的温度参数信息和控制装置传来的电气参数信息，并进行处理，之后根据处理的结果向控制装置发出控制信号。可以很方便的根据最佳温度参数对应的电气参数对电气元件的运行进行控制。

又由于还包括显像装置，用于接收监控中心或检测装置传来的温度参数和电气参数信息，并以二维图像显示。可以很直观地显示温度参数和电气参数的变化情况，并对二者进行比较。

又由于检测装置包括红外探测器，可通过电子扫描成像，探测电气元件运行过程中的红外热辐射信号，由监控中心进行处理后输入给显像装置，能直观地检测电气元件的发光强度与驱动电流和电压之间的关系，并控制电气元件的高效运行。

主要适用于对弧光灯的监控，也适用于监控其它电气元件的运行。

附图说明

图1为本发明监控系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施例加电1s时刻获取的弧光图像；

图3为本发明具体实施例加电5s时刻获取的弧光图像；

图4为本发明具体实施例在设定的时间30s内电流的变化曲线图；

图5为本发明具体实施例在设定的时间30s内电压的变化曲线图。

具体实施方式

本发明的监控系统，用于监控电气元件的运行，其较佳的具体实施方式是，包括检测装置、控制装置及监控中心，检测装置与监控中心电连接，用于检测电气元件运行过程中的温度参数，进行处理后输入给监控中心；控制装置与控制中心电连接，用于将电气元件运行过程中的电气参数输入给监控中心，并接收监控中心的控制信号，控制电气元件的运行；监控中心根据检测装置传来的温度参数信息和控制装置传来的电气参数信息，确定最佳温度参数对应的电气参数，并进行处理，之后根据处理的结果向控制装置发出控制信号。

如图1所示，监控系统还包括显像装置，即监视器，用于接收监控中心传来的温度参数或电气参数信息，并以二维图像显示。或者，同时接收监控中心传来的温度参数和电气参数信息，并同时以二维图像显示，可以对电气元件的温度参数图像及电气参数图像进行比较。

也可以接收检测装置直接传来的温度参数信息，并以二维图像显示。

这里所述的电气元件以HID(高气压强度放电)灯为例对本发明详细的描述。

所述的监控中心一般是用计算机，通过计算机主机及内设的软件实现本发明的各种控制功能。这里也可以用其它的单片机或PLC等代替计算机。

所述的检测装置包括探测器，用于探测HID灯运行过程中的温度参数，并进行处理，这里的温度参数主要是指弧光温度场的分布，也可以是其它参数。

还包括温度采集装置，与探测器电连接，用于采集探测器探测到的温度参数信息，进行处理后输入给监控中心；或将温度参数信息输入给显像装置；或同时输入给监控中心和显像装置。

所述的探测器为红外探测器，由红外焦平面材料制作，前面设有红外镜头。可通过电子扫描成像，探测电气元件运行过程中的红外热辐射信号，并将红外热辐射信号转换为模拟电信号输入给温度采集装置。

温度采集装置接收到红外热辐射的模拟电信号后，一方面可以将模拟电信号输入给监视器显示图像；另一方面可以先将模拟信号转换为数字信号，输入给计算机，由计算机进行图像处理后再输入给监视器，这样得到的图像更具有视觉效果。

所述的控制装置与HID灯的高频电子镇流器电连接，用于将高频电子镇流器运行过程中的电气参数输入给监控中心，并接收监控中心的控制信号，控制高频电子镇流器的运行。所述的电气参数主要为电压和电流及其启动的时间等，控制装置根据监控中心的控制信号控制电气元件的电压和电流。

本发明应用上述监控系统监控电气元件运行的方法，包括以下步骤：

步骤11、检测装置检测电气元件运行过程中的温度参数，进行处理后输入给监控中心；控制装置检测电气元件运行过程中的电气参数并输入给监控中心；

步骤12、监控中心对接收到的温度参数信息及电气参数信息进行处理，得出最佳温度参数所对应的电气参数，之后，根据处理的结果向控制装置发出控制信号。

步骤13、控制装置接收控制信号，并根据控制信号控制电气元件的运行。

进行上述步骤的同时，或在步骤11之后、或在步骤12之后、或在步骤13之后还进行

步骤14、监控中心将温度参数信息和电气参数信息进行处理后，单独或同时输入给显像装置，由显像装置以二维图像显示。温度参数信息和电气参数信息同时在显像装置中以二维图像显示时，可以直观的对二者进行比较。

其中，温度参数信息也可以不经监控中心处理，而由检测装置直接输入给显像装置，这样可以减轻控制中心的负担，但其视觉效果不如经监控中心处理后的图像。

步骤14中，探测器探测电气元件运行过程中的温度参数进行处理后，首先输入给温度采集装置，再有温度采集装置将温度参数的模拟电信号输入给显像装置。探测器主要通过电子扫描成像的方法探测电气元件运行过程中的红外热辐射信号，并将红外热辐射信号转换成模拟电信号。

或者，由温度采集装置将温度参数的模拟电信号转换为数字信号，之后将数字信号输入给监控中心，监控中心进行处理后输入给显像装置。

监控中心的处理功能中包括，将接收到的温度参数信息进行图像处理，使显像装置显示的二维图像更适合人的视觉效果。

本发明通过弧光红外热成像技术研究弧光灯发光效率与电气参数之间的关系，用以解决常规检测手段所出现的无法得到瞬态弧光整体发光强度分布的问题，集红外热成像、视频、计算机控制、图像处理与识别以及人工智能等多项高新技术为一体的综合检测方法，它能在线监测弧光生产过程的热状态分布，为提高弧光的发光效率提供控制参数，并控制弧光灯的运行。

发明所述的弧光成像是以红外成像技术为基础，它主要利用先进的红外焦平面热传感技术，将红外能量转换成人们可看见的视频图像，用不同的黑白灰度来表现弧光表面温度差别。在热图像的基础上进行处理、分析，突出观察者所感兴趣的内容，进而了解弧光的热分布情况，分析提高其热效率的方法。为节省能源、提高弧光灯使用寿命、改善工艺条件提供依据。

任何温度高于绝对温度零度的物体都辐射热能，热成像系统是通过测定物体的这种热辐射，用二维可视图像的形式显示物体的热分布，进而进行温度测量和故障诊断。

斯蒂芬--玻尔兹曼定律是热辐射的理论依据，根据这一理论，物体的全波段辐射度M与其绝对温度T的四次方成正比，即：

M＝σ×ε×T⁴(1)

其中σ＝5.7×10^-Nw/m²K：斯蒂芬--玻尔兹曼比例系数；

ε≤1：物体的发射率，当物体为绝对黑体时ε＝1。

因此，可以通过测定目标的辐射度来确定其温度。弧光成像技术就是通过测定弧光的辐射度实现用二维图像来表示弧光表面温度分布，测定其表面温度分布区域。

通常由式(1)直接计算温度比较复杂，我们可以采用温度标定技术实现辐射度到温度的换算。

标定的方法是对整个系统进行测试，找出黑体的温度与图像灰度值之间的关系，我们把这个关系用一个表格来描述，叫做温度查找表，用矩阵Tb[]表示。把测出的黑体温度t与图像上对应点的灰度值d构成的一对数据叫做标定样本，它们的关系为t＝Tb[d]。

由于温度与辐射度是非线性关系，因此，要确定温度查找表，就要有足够多的标定样本。使用数据拟合技术，在计算机上建立完整的温度查找表，然后根据这个查找表对目标温度进行精确计算。

实际使用时，每套系统都需要用黑体炉标定。实际测量温度时，目标图像上任意一点的温度值T由下式给出：

T＝Tb[d]×m/ε(2)

其中m是调节因子，用于对其它因素(比如距离、粉尘、烟雾等)对测温精度影响的调节。

本发明的监控装置以红外焦平面材料做探测器，通过电子扫描成像。探测器工作波长为0.8～2.0μM，适合测量高温对象，不需要致冷，能抗强磁场干扰，稳定性好，探测器将接收的红外热辐射转换成电信号，经过图像数据采集装置把模拟电信号变成数字信号，输入到计算机，再经过软件处理，将数字化的热辐射信号以二维图像的形式显示在监视器上。运用计算机图像处理和模式识别技术对热图像进行滤波、增强、区域分析等一系列的处理和分析，获取的图像可以在磁记录装置中存贮，以备日后进一步分析。控制装置设计有两路输入和两路输出，两路输入从高频电流镇流器采集弧光驱动电流和电压，该电流和电压与弧光温度图像同步显示在屏幕上，这样可以非常直观地观察到驱动电流和电压与弧光发光强度之间的对应关系，根据需要，通过控制器的两路输出可以向高频电流镇流器发出控制信号，控制驱动电流和电压。

控制中心的软件系统的主要功能如表1所示。

表1：软件功能表

  功能  描述  实时测温  实时显示温度弧光图像、温度值和驱动电流值  连续输入  连续输入并且存储弧光图像和驱动电流值  定时输入图像  定时输入动态显示弧光图像和驱动电流值  实时分析  实时分析画定区域的温度分布和驱动电流值  点温功能  可精确测量任意一点的温度  温度分布曲线  显示测温点的横向和纵向温度分布曲线  彩色/灰度变换  用伪彩色和灰度显示弧光图像

  图像注释  为弧光图像加中文注释  图像滤波  消除弧光图像斑点  图像增强  增加弧光图像对比度  边缘增强  增加弧光图像边缘对比度  图像比较  显示两幅弧光图像的差别  等温分析  显示等温区  直方图分析  给出弧光图像的直方图  区域分析  显示画定区域的最大值/平均值/最小值/直方图  等温线  给出给定温度的等温曲线  图像存储  通用Windows图像格式存储  测温报告  图文并茂的测温报告  控制信号输出  输出两路控制信号

控制中心的软件可以功能包括表1中的一项或多项，可以根据需要任意选择。

下面对一些主要的软件功能及算法进行描述：

功能11、图像输入：

图像输入功能从探测器输入图像到屏幕上实时显示。这里提供实时测量、连续输入、定时输入图像、实时分析等多种输入方式。

功能12、观察图像：

观察图像主要是对热象图进行温度测量。以16色观察图像时，利用光标在图像上移动，来观察任一点上的温度值和光标所在行和列的温度分布曲线，还可以记录多个点的温度。当测温点多于10个时，用队列结构修改测温点列表和测温点符号。以256色观察图像时，对热图像进行等温线显示。

功能13、图像处理：

图像处理是对图像进行运算、加工，使之满足特殊的要求和达到特殊的视觉效果。热图像的特点是，它不但具有视觉效果，而且能表示出量(温度值)的大小。在对热图像处理时，其视觉效果可以改变，但其表示的量应该保持不变。为达到这一点，系统建立了灰度--温度转换表，热图像经过处理后，要更新该转换表。通过对热图像处理，能充分发挥用其自动检测和分析能力，挖掘图像潜在的信息。

首先，假设Fo(x，y)和Fp(x，y)分别为处理前和处理后的图像函数，包括，

功能131、图像滤波：

图像滤波与一维信号的滤波相似，主要是指去除图像中混杂的噪声(表现为一些斑点)，事实上起到了对图像的平滑作用。

图像滤波采用中值滤波，这种滤波方法没有改变邻域点的值域，处理后的图像不影响温度测量；另外，因为这种方法不进行数学运算，速度比较快。滤波函数为：

Fp(x，y)＝mid{Fo(x，y)，Fo(x，y-1)，Fo(x，y+1)，Fo(x-1，y)，Fo(x+1，y)}

功能132、边缘增强：

图像边缘增强是对图像进行加工、运算，使其轮廓突出出来，增加人的视觉效果。这种处理易于故障点的定位。事实上是对图像的锐化处理。这里采用反锐化掩膜法，其表达式为：

G(x，y)＝F(x，y)+c[ΔF(x，y)]

其中$\mathrm{\Delta F}(x,y)=F(x,y)-\bar{F}(x,y)$为高频增量，为均值。c为加权因子。设为算术平均值，c＝10则

相应的掩膜为$W=\left(\begin{array}{ccc}0& -2& 0\\ -2& 9& -2\\ 0& -2& 0\end{array}\right)$

Fp(x，y)＝9Fo(x，y)-2Fo(x，y-1)-2Fo(x，y+1)-2Fo(x-1，y)-2Fo(x+1，y)

功能133灰度增强：

灰度增强是对图像的灰度进行满量程扩展，使处理过的图像最低灰度为0，最高灰度为255。其算法采用线性尺度变换法。

功能134、直方图：

直方图用以显示各灰度级所具有的像素数。用以统计整幅图像的热分布。

功能135、图像比较：

图像比较是将两幅图进行逻辑或算术运算，然后连同输入的原始图像同时显示在屏幕，以便比较。这样可以比较同一目标不同时期的温度变化及不同目标的温度差异。四幅图像的运算是：图像与运算(显示相同点)、图像减运算(显示差值)、图像异或运算(显示不同点)和图像的反像。

功能136、等温分布：

等温分布就是识别出选择的温度段，将图像中等于选择的温度值的点识别出来，形成等温图像进行显示。采用灰度分割算法，其表达式为：

$\mathrm{Fp}(x,y)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Fo}(x,y)& \mathrm{Fo}(x,y)\in [T\min ,T\max ]\\ 0& \mathrm{other}\end{array}\right)$

其中Tmax和Tmin为选择的温度段的上限和下限。

功能137、图像裁剪：

图像裁剪就是对图像进行修剪，去掉无用部分，保留有用部分。其基本算法为：

$\mathrm{Fp}(x,y)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Fo}(x,y)& \mathrm{other}\\ 0& x_o\le x\le x_1{y}_0\le y\le y_1\end{array}\right)$

其中(x0，y0)和(x1，y1)分别是所选矩形的左上角和右下角。

裁剪功能可以反复使用，以便剪出所需要的区域。

功能138、区域分析：

区域分析是将画定区域的直方图，最高温度，最低温度和平均温度计算出来同时加以显示，并可对画定的区域进行局部放大和局部增强处理。

功能139、边缘检测：

边缘检测对高温点的定位非常重要。这里采用基于小波变换的边缘检测。

具体实施例：

选用北方工业大学绿色电源实验室研制的HID高效节能灯具和高频镇流器。目的是要测量了解HID灯发光强度分布以及与驱动电流和电压之间的关系，测量弧光启动时间等参数。用常规手段，无法得到直观的、准确的测量结果。

将探测器对准HID灯，将高频镇流器的电流和电压经过变换器连接到控制装置的两路输入端。图像输入方式为实时测量。

如图2所示，是加电1s时刻获取的弧光图像，此时显示的驱动电流和电压分别是1A和1KV。

如图3所示，是加电5s时刻获取的弧光图像，此时显示的驱动电流和电压分别是1.8A和2KV。可以直观地看出HID灯发光强度分布以及与驱动电流和电压之间的对应关系，而且还可以看出启动时间大于1s。

将图像输入方式切换成连续输入方式，将连续测量时间设为30s，在设定的时间内连续采集图像和驱动电流和电压，如图4、图5所示，是在设定的时间30s内电流和电压的变化曲线。通过对连续时间内采集的数据分析，直观地看到HID灯的启动时间为3s，对应于图像、电流和电压的平稳时刻。

基于红外成像技术的弧光成像与电气参数测量方法，能直观地测量了解HID灯发光强度分布以及与驱动电流和电压之间的关系，准确地测量弧光启动时间等参数，解决了用常规手段无法得到直观、准确的测量结果的问题。通过大量的实验和分析，可以建立弧光与驱动参数的关系模型，利用弧光成像与电气参数测量方法提供的输出信号，控制弧光灯处于低功耗状态，达到最佳节能的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。