（控制理论与控制工程专业论文）基于数字图像处理的锅炉火焰温度检测研究.pdf

坝 学位沦卫 摘要 对大型燃煤电站锅炉而言，监控炉内火焰渊度，对锅炉运行的可靠性、安全 性和经济性非常重要。煤粉锅炉的燃烧过程是一种非常复杂的热辐射交换过程， 其工况极不稳定。锅炉燃烧的安全性主要取决于火焰的稳定性，为了避免锅炉爆 炸事件的发生，炉内煤粉必须稳定燃烧，如果燃烧不稳定，炉内温度场不均匀， 轻则导致锅炉的热效率极大地降低，造成浪费，重则容易出现爆炉等严重后果。 因此，炉内火焰温度场的准确测量和预估对判断炉膛的燃烧状态，并据此调整锅 炉的运行参数，保障锅炉的正常运行非常重要。 本文介绍了燃煤锅炉工作机理和现有温度预报原理，深入研究了基于彩色 c c d 火焰图像的温度测最方法。为了提高基于彩色c c d 火焰温度场测量的准确 性，在分析了误差来源的基础上，比较了多项式插值、最小二乘法和b p 神经网络 在减小测温误差方面的运用。针对炉膛火焰图像，分析了图像噪声的来源，运用 中值滤波成功地对燃烧过程伴随着的大量的动态随机噪声进行了处理，实现了火 焰图像的灰度变换和伪彩色显示。为准确预报炉膛温度变化趋势，提高生产效率， 本文提出了运用b p 神经网络进行炉膛火焰温度预估的模型，讨论了预估模型输入 参数的选择和数据的预处理技术。 全文共分为五章，第一章介绍目前常用的高温火焰测量方法，包括接触式测 温法和非接触式测温法，阐述基于光辐射能的c c d 火焰温度检测方法。第二章 阐述基于数字图像处理的火焰温度测量系统构成，第三章论述基于数字图像处理 的火焰温度测量的相关原理和相关方法，重点介绍基于数字图像处理的彩色c c d 三色测温方法。第四章分析彩色c c d 三色测温方法的误差来源，比较多项式插 值、最小二乘法、b p 神经网络等测温标定方法，利用炉膛火焰图片进行仿真实验， 验证温度测量、图像滤波等测量与处理方法的有效性与准确性。第五章研究基于 b p 神经网络的炉膛火焰温度预估方法，分析影响炉膛火焰温度波动的因素，讨论 预估模型输入参数的选择和数据的预处理技术，并建立预估模型。结论部分总结 本文的主要工作，指出本文的创新之处以及工作中的不足，并对项目的后续研究 提出改进意见，展望基于数字图像处理的锅炉火焰温度检测系统的发展方向。 关键词：电站锅炉；火焰温度：c c d ；三色法；图像处理；b p 神经网络；温度预 估 竺垫羔鳖墨丝些丝塑岂：坐丝型星丝型型；! j a b s t r a c t a st o l a r g e s c a l e c o a l f i r e db o i l e ro fp o w e rs t a t i o n ，c o n t r o l l i n gt h ef l a m e t e m p e r a t u r ei n t h es t o v ea r ev e r y i m p o r t a n tf o rt h ed e p e n d a b i l i t y ，s e c u r i t ya n d e c o n o m yo p e r a t e dt ot h eb o i l e r t h ec o m b u s t i o np r o c e s so ft h ec o a lp o w d e rb o i l e ri s t h a tak i n do fv e r yc o m p l i c a t e dh e a tr a d i a t i o ne x c h a n g e sc o u r s e ，i t so p e r a t i n gm o d e i se x t r e m e l yu n s t a b l e t h es e c u r i t yt h a tt h eb o i l e rb u r n sd e p e n d so nt h es t a b i l i t yo f f l a m em a i n l y ，i no r d e rt oa v o i dt h ee n r e r g e n c eo ft h ee x p l o s i v ei n c i d e n to ft h eb o i l e r ， t h ec o a lp o w d e rm u s tb eb u r n ts t e a d i l yi nt h es t o v e ，i fi ti su n s t a b l et ob u r n ， t e m p e r a t u r ef i e l di sn o te v e ni nt h es t o v e ，l i g h tt oc a u s et h e r m a le f f i c i e n c yo fb o i l e r r e d u c eg r e a t l y ，c a u s et o w a s t e ，h e a v ya n de a s y t oi si t p r o d u c es t o v e s e r i o u s c o n s e q u e n c et op r e s e n t s o ，t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n ta n df o r e c a s t i n go ff l a m e t e m p e r a t u r ef i e l di nt h es t o v ei sv e r yi m p o r t a n tf o rt h eb u r n i n gs t a t ej u d g e m e n t ，a n d a d j u s tt h eo p e r a t i o np a r a m e t e ro ft h eb o i l e ri nv i e wo ft h ea b o v e ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t oe n s u r et h en o r m a lr u n n i n go ft h eb o i l e r t h i st e x th a sr e c o m m e n d e dt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft h ec o a l b u r n i n gb o i l e r a n de x i s t i n gt e m p e r a t u r ep r e d i c tp r i n c i p l e ，f u r t h e ri n v e s t i g a t e dt h et e m p e r a t u r es u r v e y m e t h o db a s e do nc o l o r e dc c df l a m ep i c t u r e i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yb a s e d o nc o l o r e dc c df l a m et e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n t ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i n ge r r o r s o u r c e ，c o m p a r em u l t i n o m i a li n t e r p o l a t i o n ，l e a s ts q u a r em e t h o da n db pn e u r a l n e t w o r ka p p l i c a t i o ni nr e d u c i n gt h ee r r o ro ft e m p e r a t u r es u r v e y d i r e c ta g a i n s tt h e f l a m ep i c t u r eo fs t o v e ，h a v i n ga n a l y s e dt h es o u r c eo ft h en o i s eo ft h ep i c t u r e ，al a r g e n u m b e ro fr a n d o mn o i s e si nf o l l o w i n gt ot h ec o m b u s t i o np r o c e s sh a v eb e e ns u c c e s s f u l d e a l tw i t hi nu s i n gm e d i a nf i l t e r i n g ，h a v er e a l i z e dt h eg r a yt r a n s f o r m a t i o na n df a l s e c o l o rs h o w no ft h ef l a m ep i c t u r e i no r d e rt op r e d i c tt h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo ff i r eb o x t e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y ，i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，t h i st e x th a sp r o p o s e du s i n g t h ef o r e c a s tm o d e lo ff l a m et e m p e r a t u r ei nt h es t o v eb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k d i s c u s s e dt h ec h o i c eo ft h ef o r e c a s tm o d e l si n p u tp a r a m e t e ra n dd a t ep r e t r e a t m e n t t e c h n o l o g y t h ef u l lt e x ti sd i v i d e di n t o f i v e c h a p t e r s ，c h a p t e r o n er e c o m m e n d st h e c o m m o n l yu s e dh i g h t e m p e r a t u r ef l a m em e a s u r em e t h o d sa tp r e s e n t ，i n c l u d i n g c o n t a c t t y p et e m p e r a t u r em e a s u r em e t h o da n dn o n c o n t a c t t y p et e m p e r a t u r em e a s u r e m e t h o d ，e x p l a i nc c df l a m et e m p e r a t u r ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do no p t i c a lr a d i a t i o n e n e r g y c h a p t e rt w oe x p l a i nt h es t r u c t u r et h ef l a m et e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e m l i b a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，c h a p t e rt h r e ed e s c r i b et h er e l e v a n tp r i n c i p l ea n d r e l e v a n tm e t h o db a s e do nf l a m et e m p e r a t u r es u r v e yo fi m a g ep r o c e s s i n g ，i n t r o d u c e c o l o r e dc c dt r e c o l o r st e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e t h o db a s e do nd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n ge s p e c i a lt y c h a p t e r f o u ra n a l y s et h ee r r o rs o u r c eo fc o l o r e dc c d t r e c o l o r st e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e t h o d ，c o m p a r em u l t i n o m i a li n t e r p o l a t i o n ，l e a s t s q u a r em e t h o da n db pn e u r a ln e t w o r kt e m p e r a t u r em e a s u r i n gc a l i b r a t i o nm e t h o d ， u t i l i z et h ef l a m ep i c t u r eo fb u r n e rh e a r t ht oc a r r yo nt h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，v e r i f y t h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo ft e m p e r a t u r em e a s u r i n ga n di m a g ef i l t e r i n gm e t h o d s c h a p t e rf i v es t u d yt h eb u r n e rh e a r t hf l a m et e m p e r a t u r ef o r e c a s tm e t h o db a s e do nb p n e u r a ln e t w o r k ，a n a l y s et h ef a c t o ri n f l u e n c i n gb u r n e rh e a r t hf l a m et e m p e r a t u r et o f l u c t u a t e ，d i s c u s st h ec h o i c eo ft h ef o r e c a s tm o d e l s i n p u tp a r a m e t e ra n dd a t e p r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n ds e tu pt h ef o r e c a s tm o d e l s t h ec o n c l u s i o np a r t s u m m a r i z e st h eg r o u n d w o r ko ft h i st e x t ，p o i n to u tt h ei n n o v a t i o no ft h i st e x ta n dt h e d e f i c i e n c yi nw o r k ，t h ei m p r o v e m e n tm e t h o d s a n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n so ft h e b o i l e rf l a m et e m p e r a t u r ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga r e p r o p o s e d e c k e y w o r d s ：b o i l e ro fp o w e rs t a t i o n ；f l a m et e m p e r a t u r e ；c c d ；t h r e ec o l o rl a w s ； i m a g ep r o c e s s i n g ；b pn e u r a ln e t w o r k ；t e m p e r a t u r ef o r e c a s t l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以橱t 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：夕弩教体司 日期：、力么# f 月j 珀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保密翻。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：力复瑚 导9 币签名：n 躲i 吃 日期：m ，年月形日 日期：彦一6 年j ，月，6 日 硕十学位论文 第1 章绪论 温度测量是一门应用极广的技术，无论在现代工业赖以生存和发展的能源动 力工程中，还是在诸如大规模集成电路、生物技术、航天科技等新兴技术领域中， 或者在与人们日常生活密切相关的冶金、材料、食品等行业中，都发挥着巨大的 作用。温度的有效测量不仅为节约能源、提高设备热效率和发掘新材料等众多领 域带来巨大的经济效益，而且对进一步保护环境、促进和保持一个国家和地区的 可持续发展产生巨大影响。 近年来，国内外学者专家在燃烧理论技术和新型燃烧技术研究方面做了大量 的工作。大量新型的高温实时测量系统纷纷研制成功i lj ，极大改善了各种炉内高 温火焰的燃烧情况、提高了生产效率。目前所用的测温仪器，大多是传统的热电 偶、热电阻、光学高温计、红外测温仪等测温仪器。这些测温仪器测量的大多是 温度场的点温度，不能及时反映整个温度场，而且由于高温环境比较恶劣，各种 干扰因素很多，测量精度往往不能满足需求。因此，现代工业生产急需发展一种 实时性强、精度较高的温度场测量设备，并配备温度趋势预估功能，这对进一步 提高燃烧效率、优化燃烧过程、节约能源、提高生产质量、保护生态环境、改善 工人工作条件、保证生产安全都有重要意义。 1 1 锅炉火焰温度检测的意义 从传统的能源消费情况来看，中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。我 国大部分的电站锅炉是以煤炭作为主要能源的。然而传统的燃煤方式和煤炭加工 过程比较落后，许多设备仍采用老式的测控装备，其测量精度低、可靠性差，对 炉膛火焰温度分布等参数缺乏精确的检测和控制，这是造成燃烧不充分及燃料浪 费的重要原因之一。 传统的工业炉温测量采用的是热电偶、热电阻、光学高温计和红外测温仪等 测温方法，在工业炉的温度测量中起到了很好的作用，在一定程度上提高了电站 锅炉的燃烧效率，但是，他们也都有着各自的缺点。由于这些钡0 温方法只能测量 被测点的点温度，而且某些传感器的湿度惰性很大，很难及时地反映整个炉内的 燃烧状况，也就很难及时采取相应措施进行控制。 对于火力发电、供热锅炉、工业窑炉、冶金等一系列使用工业炉的生产过程， 有效测量并预估炉膛温度，是控制燃烧过程、提高生产效率和节约成本的必要手 段。锅炉内的环境是一个复杂的辐射换热系统。辐射换热取决于温度的四次方， 而且在一定条件下，温度将以同样的方次影响到生产率。生产实践表明炉温过高 或过低都不利于锅炉的正常生产。因此，高精度的温度测量和预估是重要的。 火焰图像最初是作为一种火焰监控的辅助手段引入锅炉检测领域的。在工业 c c d 摄像机出现后，由于其具有图像清晰度高、工作稳定可靠、耐震动冲击等优 点，因此迅速在电厂以火焰电视( f l a m e t v ) 的形式得到应用，为锅炉点火以及 运行调整提供了直观的监视功能。但在火焰电视装置广泛应用的同时，也暴露了 其不能作为定量判断依据，不能联入计算机系统对燃烧过程进行自动检测的弱点。 基于c c d 图像的实时炉温检测系统是一个综合了现代光学、计算机技术、 图像处理技术和神经网络技术在内的智能化系统。从目前炉膛火焰测温的研究和 应用情况来看，这是一项应用前景广阔的新技术。目前，该技术已经取得了可喜 成果，然而由于燃烧过程的复杂性，研究过程中还有许多问题有待解决。 锅炉是一个非线性、大滞后的复杂时变系统，在锅炉燃烧过程中由于受到众 多因素的影响，炉温经常波动。如果处理不及时，可能会造成异常炉况，影响生 产的安全性和经济性。尤其在我国，由于炉膛的检测仪表不全面，生产工艺、设 备落后，生产原料条件比较差等因素，导致炉温波动比较剧烈，异常炉况时有发 生，准确、即时的炉温预估显得及其重要。因此，利用现代预估思想，开发出具 有较高实用价值的智能化炉温预估模型就成为本文的又一研究重点。 1 2 常用高温火焰测量方法 目前，火焰温度测量方法很多，从传感器与被测物的关系来看，大致可分为 两类：接触式测温方法和非接触式测温方法。并且还可进一步细分2 1 ，如图1 1 所 刁i ： 1 2 1 接触式测温方法 接触式测温方法的感温元件直接置于被测温度场或介质中，不受火焰的黑度、 热物理性参数等因素的影响，具有测温精度高、使用方便等优点。但是，对于工 业炉内火焰这样具有瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度 场测量手段。主要是由于接触法得到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个 燃烧的空间场信号，必须在燃烧空间内合理布点，才可以根据相应的方法( 如插 值法等) 获得对燃烧温度场的近似。另外，大多数接触式测温装置的动态特性不 够理想，难以反映出温度的快速变化和火焰脉动。因此，其应用场合往往仅限于 锅炉热态特性实验或在锅炉正常运行时，选择锅炉的关键部位进行检测。 1 2 1 1 热电偶测温法 热电偶测温法是最常用的接触式测温法，热电偶是用两种不同导体( 或半导 体) 组成的闭合回路，两端接点分别处于不同温度环境中，与当地达成热平衡时 会产生热电势，标定后可用来测量温度p “】。从原理上说热电偶测温有较高的准 确度和复现性，并能用于1 0 0 1 6 0 0 1 2 范围内的温度测量，同时能把温度信号转 变成电信号，便于信号的远传、实现多点切换和接入自动控制系统。热电偶测温 装置简单，宜于操作及维护，测量时不必知道被测火焰中所含的气体组分热力学 参数及辐射特性，因此目前广泛应用于工业燃烧的生产和科研领域中5 “】。 图1 1常用温度测量方法分类 1 2 1 2 黑体腔式热辐射高温计 黑体腔式热辐射高温计，亦称接触式光纤高温计，是近十几年来随着光纤技 术发展起来的一种新型的接触测温方式【训。它是通过选择耐温可达1 9 0 0 2 0 0 0 。c 的蓝宝石单晶光纤作为基体材料，在其端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体腔，将其 伸入高温火焰中和火焰达成局部热平衡，黑体腔内自发产生热辐射，并将辐射能 经普通石英光纤传送到检测系统，利用双色测温方法测量出当点温度。这种方法 结合了接触测温和非接触测温法的优点，具有刁i 存在光学窗口被垢污和不受背景 杂光干扰、易于操作的特点。与热电偶测温方式相比，具有测温上限高、精度高、 动态响应快的优势，它拓宽了接触式测温方式在高温领域的应用范围，具有良好 的应用前景。 1 2 2 非接触式测温方法 非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学特性参数， 进而求解出温度：另一类是利用高温火焰的辐射特性，通过光学法来测量温度。 非接触式测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温 基于数字图像处理的锅炉火焰温度检测研究 度场和流场；同时，感温元件传热惯性小，因此可用于测量快变及不稳定热力过 程的温度。其测量上限不受材料性质的影响，可在工业炉、焊接、火箭发动机等 高温场合应用。但其工作时，必须要有可供热辐射光谱传播的通道( 光路) ，即： 非接触式测量方法通常需开设光学窗口，窗e l 的透过率经常由于局部污染而造成 不均匀性地减弱，这增加了火焰温度测量的困难。下面介绍几种常用于科研和工 程中的非接触式测温法。 1 2 2 1 声学法 该方法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引起的速率或频率变化 来求解温度或温度场【引。其中考虑速率变化特征的声速法已在锅炉燃烧测量中得 到实际应用，其原理如图1 2 所示： 发射器件 火焰 接受器件 图1 2 声速测量法系统原理图 对于理想气体，声速甜与气体温度l 存在以下关系： 口= 、卿 ( 1 1 ) 式中，k 为气体的比热比；r 为普适气体常数；m 为气体的平均摩尔质量。 因此只要测得声源发出的声波通过火焰的速度a ，便可由上式计算得到火焰 的温度l 。声脉冲发射器在控制单元的控制下定时发射声脉冲，与此同时，控制 单元的计时器开始计时，当声脉冲经过己知路程的火焰到达声脉冲检测器时，计 时停止，这样就可得到卢脉冲经过火焰的时间，从而得到声音在火焰中的传播速 度，进而获得火焰温度。但是，这样获得的火焰温度是声脉冲所穿过的路径上温 度的平均值，而不是空问某点的温度值。因此对于电站锅炉这样的大型燃烧对象， 要想得到截面或者三维空间燃烧温度场，必须在一个层面内装设多对声脉冲传感 器，并用特定的算法重建温度场。 声学高温计作为一种使用方便的炉内温度场实时检测工具，在大型锅炉的断 面温度测量和炉膛结渣等故障诊断方面已有了一些应用实例。然而，要把声速高 温计发展成为精确、适应性强的测温手段，还需要解决以下问题： ( 1 ) 声学高温计的测量原理是基于理想气体的，炉膛中的火焰并非严格遵守 由理想气体导出的上面的公式。因此对于各种影响必须通过大量的实验研究回归 出计算关系式： ( 2 ) 精确的确定烟气的各热力参数，如燃气成份、比热等，对于温度的准确 测定十分重要，但事实上烟气的热力状态参数难于事先确定，这导致了测量结果 的误差； ( 3 ) 当烟气中温度或速度存在突变区域时，采用声波法得到的将是沿程平均 后的结果，难以体现出这种突变； ( 4 ) 燃烧炉膛内不可避免的会存在一些因素引起的燃烧背景噪声，对测量会 产生干扰，如何选择合适的声波频率，减少背景噪声的干扰，是在研究开发和应 用时必须加以考虑的问题。 由此可见，要把声速高温计发展成为精确、适应性强的测温手段，还有许多 实际问题需要解决。 l 。2 。2 。2 谱线反转法 谱线反转法 9 1 是一种已在实验室中长期使用的光学测温方法，原理如图1 - 3 所示。以常见的是钠线反转法为例，该方法是在被测火焰中均匀的加入微量钠盐， 钠的燃烧蒸汽会发射出两条黄色光谱线，波长分别为5 8 9 0 n m 和5 8 9 6 n m 。当具 有连续光谱的明亮背景光源( 或参考光源) 的光线穿过钠蒸汽时，根据克希荷夫 定律可知，当参考光源温度瓦 t t 时，在谱镜上所观察到的是暗线光谱，只有在参考光源的亮 度温度与火焰温度相同时，钠谱线是不可见的。调整参考光源的r o 直至钠谱线消 失即可测出火焰温度。 火焰 圈1 3火焰温度的谱线反转法测量装置示意图 钠谱线反转法的主要优点是直观、装置简便易行，另外测量过程中不涉及火 焰的吸收率和发射率，它的主要不足之处是谱线反转判定容易引入主观测量误差， 并朔一次温度测量需要反复调节参考光源的亮度温度，试验量大，难以适应瞬态 火焰温度的测量，因而只适应于小型稳态火焰温度的测量。 1 2 2 3 采用激光的光学测量法 激光技术的出现开辟了火焰温度测量的新领域，经过短短十几年，先后已成 功丌发多种火焰温度测量方法，其中，以激光喇曼散射测温法【如】运用最为广泛。 当一束频率为k 的单色光入射到火焰介质上时，除了产生频率不变的 r a y l e i g h 散射或m i e 散射外，有一小部分散射光还会发生频率变化，变为频率 v 0 以的新光信号，我们称之为喇曼( r a m a n ) 效应。每种气体组份的喇曼光谱 可由入射光的频率和散射分子的组份唯一确定，因此喇曼光谱在燃烧介质温度及 气体组份浓度的测量中得到了广泛的应用。在出现了频率连续可调的激光器后， 发展了一种受激喇曼散射技术相干反射托克斯一喇曼散射光谱法( c o h e r e n t a n t i s t o c k e sr a m a ns p e c t r o s c o p y ) ，简称c a r s 法，它使接收到的有效光散射信号 的强度比自发喇曼散射提高好几个数量级，使测量的精度大大提高。传统的c a r s 测量法要求大规模的光学装置，信号调节和处理相当困难，不适应于吸收性太强 的火焰温度测量，舟且只能测量单点温度，这些缺点限制了其应用范围，目前有 学者将c c d 器件用于该测量方法中取得了一定的改进”“。 1 2 2 4 红外发射一吸收c t 法 c t 技术是基于投影重建的原理发展起来的，它不仅己在医学领域得到了广 泛应用，而且在工业诊断中也发挥了极大的作用。 如下图1 4 所示，设f ( x ，y ) 为待测物理量，则f ( x ，y ) 的投影可表示为【”】： p ( x ，印= 少( x ，y ) d t ( 1 2 ) 上式称为r a d o n 变换，从投影值 p ( x ，0 ) 重建原始场f ( x ，y ) 的方法很多，常 用的有滤波逆投影方法，解析式为： 1 f ( x ，y ) = 二【p ( x ，0 ) 。g ( x ) d o ( 1 3 ) 万“ 式中，g ( x ) 为滤波函数。 根据上式，利用光学c t 方法测量火 焰温度分布，被测量的量可以是介质折射 ，f - z 、 ： - 。，一一 图1 4c t 坐标系统示意图 率，也可以是辐射强度。利用介质的发射、吸收特性与温度的关系进行温度测量 是一种较为普遍的方法，考虑到水分、气态燃烧产物的辐射和吸收区，测量的光 谱波段常选择在红外区。因此称做红外发射一吸收c t 法。据许多文献中报到， 利用这种方法在碳黑火焰的实验室研究中已获得了较好的测量结果，其主要优点 在于实验应用较为简单，数据处理也并不复杂，所得温度值对介质的参数并不敏 感。 在红外发射一吸收c t 法中，辐射的投影可表示为： i(x，)一，y)e-i(x 0 2 e ( x 即训彬 ( 1 4 )，) =，y 如彬( 1 ) 式中，口为局部光谱吸收系数，在局部热平衡条件下，等于局部光谱发射系数； e ( 托y ) 为火焰的局部光谱发射能；k 和匕为有效的积分上下限。出于上式中存在 着与方向有关的量。百“”“，因此它不是一个标准的r a d o n 变换。如果口很小， 可把上述量当作1 ，就可将上式简化成一个标准投影，利用c t 方法可算出e ( x ，_ y ) ， 因此可进一步算出温度场t ( x ，y ) ，也可用迭代法考虑d 的影响。 该方法目前常用于实验室中的小型燃气火焰温度测量，许多研究者将火焰简 化为轴对称，因此燃烧介质被划分为一系列的同心圆，其内部的发射系数通过代 数重建的方法导出，而内部吸收系数则通过带或不带参考光源的辐射强度计算获 得。 1 3 基于光辐射能的c c d 火焰温度检测方法 该方法先要获得火焰在燃烧过程中发出的不同光谱波段的辐射图像，应用数 字图象处理技术从而确定火焰的温度。测量原理来自于辐射能量分布的普朗克辐 射定律。 e f 五，丁1 ：j l ! ：! ! 尘土一( 1 5 ) 、 ! a s ( e ”一1 1 式中，e ( 2 ，7 ) 为火焰的单色辐射能；占( 五，r ) 为火焰的单色辐射率( 又称发射率) 一般情况，e ( a ，r ) 是波长兄、温度r 的函数；t 为绝对温度；五为波长；q 和c ，为 物理常数。 工程中针对不同的测量对象，运用不同的传感系统，并对s ( 丑，t ) 、兄分别进 行了不同的假设和选择，并由此丌发出多种测温方法。本文将在后面的篇章中陆 续介绍这几类方法。 一九八八年，清华大学的一篇博士论文【1 4 提出了应用数字图象处理技术测量 火焰温度方法，其原理是基于普朗克黑体能谱分布定律，引入相对光效函数矿( 丑) 和黑度系数s ，在可见光的波段范围内积分，得到由发光火焰引起的发光通量f ， 然后再利用黑体炉进行标定，拟合了单色图像扶度与火焰温度的经验公式。 近年来，华中理工大学煤燃烧国家重点实验室在炉膛火焰温度场图象处理方 面也作了许多研究工作盼m 】。他们在测量燃烧火焰二维温度场时，在彩色c c d 摄像机镜头前加装一滤色片，以获取单波长下的火焰辐射图像，再以维恩辐射定 律为基础，用标准热电偶测得的某一处温度为参照点，推算出任何一点温度和其 辐射能与参照点辐射能之比之间的关系。之后，在此基础上又尝试了煤粉炉膛燃 烧三维温度场分布重建方法。但是由于这一工作有着较大的难度，所以在采用己 有的方法进行实际测量时，都存在较大误差。 浙江大学在煤粉火焰温度场的测量工作中，分析研究了c c d 摄像机用于火 7 焰测量存在的问题，提出了解决方法f 1 7 】。c c d 摄像机在火焰温度场的测量中，存 在着光电响应不均匀性，即成像器件各光敏元件响应的不一致性；光电响应的非 线形性，即探测器光电转换过程中的比例失调；摄像机的自动增益控制和，校正 等的影响。 1 4 本文的研究内容 本课题组以彩色c c d 摄像机作为传感器，采用中值滤波和伪彩色图像处理技 术对火焰图像进行处理，分析了三色测温法存在的系统和理论误差，对多项式插 值、最小二乘法、b p 神经网络等测温标定方法进行了实验比较，实现了火焰图像 测温的仿真实验。分析了现有预估模型，阐述了影响炉膛火焰温度波动的因素， 讨论了预估模型输入参数的选择和数据的预处理技术，进而提出了基于b p 神经 网络的炉膛火焰温度预估模型。本文是对本人在课题组中工作的一个总结，全文 共分5 章。 第1 章简要介绍了锅炉炉膛火焰温度场检测的意义、发展状况、以及本文所 要丌展的工作。 第2 章阐述了基于数字图像处理的火焰温度测量系统构成。 第3 章详细论述了基于数字图像处理的火焰温度测量所依据的相关原理和测 温方法。 第4 章分析了彩色c c d 三色测温方法的误差来源，比较了多项式插值、最 小二乘法、b p 神经网络等测温标定方法，并利用炉膛火焰图片进行了仿真实验， 以验证温度测量、图像滤波等测量与处理方法的有效性与准确性。 第5 章提出了炉膛温度预估的理论与模型。 最后总结本文的创新性工作、不足之处与基于数字图像处理的锅炉火焰温度 检测系统的发展方向。 第2 章基于数字图像处理的火焰温度测量系统构成 基于数字图像处理的锅炉火焰温度检测系统，运用传像光纤和彩色c c d 摄 像机作为一次传感元件，采集火焰的原始图像；再利用图像采集卡将火焰图像采 集到计算机系统，通过图像处理单元对火焰图像进行分析处理，获取当前火焰温 度和预估温度等信息来指导运行人员进行锅炉的燃烧系统控制。 d 摄像头 图2 1炉膛火焰温度测量硬件系统结构原理图 火焰温度检测系统的原理结构如图2 1 所示，整套测温系统由光学系统、风 冷系统，彩色c c d 摄像机、图像采集卡和计算机图像处理单元几部分组成。带 有冷却装置的传像光纤伸入炉膛，将检测到的燃烧器火焰图像以光信号的形式传 送到c c d 摄像机靶面，c c d 将火焰图像转化为标准模拟视频信号并通过视频电 缆传给图像采集卡，图像采集卡将模拟视频信号经过a d 转换，变成数字图像。 数字图像由计算机中的图像处理软件单元进行分析处理，处理得出的相关信息输 出到运行员工作站或工程师工作站指导燃烧系统的控制。 2 1光学系统 ( 1 ) 传像光纤 光纤是用石英、玻璃、稀土石英玻璃等光透视率高的媒质制作的极细纤维。 在光学上是透明的，把光纤制成与导线或电缆相似的光导线材，能把光的信息( 光 强、光脉冲、光的相位变化等) 从一端传送另一端1 3 1 。光纤能在弯曲的通道上传 9 光，是利用光学上的全反射原理：入射光的入射角大于全反射的临界角时，入射 光线就会被介质完全反射。这样，光线在光纤的界面之间进行反复的全反射，成 “之”字型由光纤的入口传到光纤的出口。 光纤传感器的优良特性主要包括：不受电磁场的干扰、绝缘性能好、防爆性 能好、耐腐蚀、导光性能好、细而柔软、重量轻、体积小、敏感性高、动态测量 范围大、传输频带宽、易于转向作业以及它的波形特征能够与客观情况相适应等 诸多优点，因此能够较好地实现实时操作、联机检测和自动控制。 ( 2 ) 光纤高温探头 鉴于光纤不能耐高温的特性，在使用光纤进行高温测量时，采用带有保护装 置的光纤探头。如下图所示： 耦合透镜 凳葬拳藉嘉藉 高温镜 图2 2 光纤高温探头 光纤探头是系统构成很重要的一个环节，其性能的好坏直接关系到后面的测 量的准确性。 2 2 风冷系统 风冷系统是指用来完成光学系统的冷却和吹扫功能的装置。光纤探头及c c d 等在高温环境下工作时，面临着由于过热、超温而损坏的可能，也存在着输出信 号不稳定的危险。因此，必须考虑冷却。水冷系统的效果较佳，但对密封要求很 高，且系统不易安装和维护。实际工程应用中，用压缩空气来冷却即可达到要求， 且系统较易安装和维护。 冷却风由风管进入内外夹套直接冷却内管内的光学器件，经物镜前端的外管 出口吹入炉膛，同时吹扫保护玻璃以保持其清洁。另外，吹扫风经吹扫风管引导 在物镜下方形成一层气幕从而有效地防止了烟尘撞击物镜或粘于物镜上，保证了 光学系统成像的质量。 2 3 彩色c c d 摄像机 c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 即电荷耦合器件，是利用电荷传送方式获得图 像输出的固体摄像器件1 9 2 们。它是一种固体图像传感器，用电荷量表示信号并用 耦合的方法传输信号。当光线射入c c d 传感器，c c d 势阱注入载流子( 载流子 的多少与入射光线的强弱和多少成比例) ，然后通过载流子按规律在半导体表面层 内，从浅势阱定向转移到深势阱就实现了图像的传输，因此它同时具有光电变换 和传送的功能。c c d 摄像机可经受强烈振动和冲击，且工作电压低、体积小、重 量轻。这些突出的优点使c c d 摄像机优于电子束扫描摄像机成为锅炉炉膛火焰 检测系统理想的摄像器材。 彩色c c d 摄像机的目的是模仿人的视觉效果，其光谱响应与人的视觉的光谱 响应一致。人眼视觉系统中存在三种光谱特性的色感细胞，它们的最大感光灵敏 度分别落在红色、绿色和蓝色区域。1 9 3 1 年国际照明委员会( c o m m i s s i o n i n t e r n a t i o n a ld ei e e l a i r a g e ，以下简称c i e ) 推荐的“c i e l 9 3 1 标准色度观察者光 谱三刺激值数据”规定三原色的红光波长为7 0 0 r i m 、绿光波长为5 4 6 1 n m 、蓝光 波长为4 3 5 8 r i m ，如图2 3 所示。 美 一 j 四 裁 诿 图2 。31 9 3 1 c i e r g b 系统光谱三刺激值曲线 有了这个规定后，任何一种物体颜色c 都可以用颜色方程来表示： c = ，( r ) + g ( g ) + 6 ( 曰) ( 2 1 ) 式中，r ( r ) 、g ( g ) 、b ( b ) 是匹配颜色c 所需要的三个原色的刺激量，称为颜色c 的 三刺激值。 在绝大多数情况下，光源的颜色并非单一光谱色，往往由很多种光谱色组成， 它具有自己的光谱功率分布函数p ( 丑) ，因此，需要将各光谱的三刺激值【2 1 1 与光谱 功；李分布函数p ( a ) 相乘才能获得矗、g 、b 的响应结果。设( 哟刺激值的总和为r ， ( g ) 刺激值的总和为g ，( b ) 刺激值的总和为曰，则有： j 8 0 月= 足rj 8 0 p ( a ) r ( 2 ) d 2 ( 2 2 ) 一8 0 g = k c , j 8 。p ( 兄塘( 丑) 以 ( 2 3 ) # 8 0 b = k 。j 8 。p ( 五弦( 五) 以 ( 2 4 ) 或者采用求和方式： 7 8 0 r = k 。p ( a ) ，( a ) 以 ( 2 5 ) 3 9 0 7 8 0 g = 晚p ( 2 ) g ( 2 ) d 2 ( 2 6 ) 3 8 0 7 8 0 b = k b p ( 丑) 6 ( 五) 以 ( 2 7 ) 3 9 0 式中，k r 、世。、k 。分别为r 、g 、b 三个通道的增益和光信号转换系数的乘积， 而r ( r ) 、g ( g ) 、6 ( b ) 是r 、g 、b 三色像素对外界辐射的光谱响应函数。根据所 得的月、g 、b 值就可以按式( 2 1 ) 求得颜色。 由此可见彩色c c d 的任务就是把来自景物的入射光分解为不同比例的r 、 g 、口三原色图案。目前广泛运用的是单管( 单板) c c d 摄像机。单管彩色c c d 只使用一片c c d ，通过在像元表面设置滤波条纹或滤色点阵实现分色。从原理上 来说，其月、g 、b 垂直条纹间置的栅状滤色器己可满足要求，当然，这样彩色 c c d 的分辨率就会比黑白c c d 的分辨率低。基于入眼对红色和蓝色分辨力低的 特点，提高g 光的采样点数目，可以在目前c c d 水平分辨率不高的情况下，提高 g 信号的采样频率，同时又能保持图像的色彩均匀。近几年较多采用的是棋盘式 滤色器。在整个滤色器上g 光的采样单元数是占光和r 光的两倍，如果成像单元 数比较少时，使用这神滤色器有时会出现黄色、青色闪烁，而在成像单元数较多 的情况下，闪烁现象不再明显。 鬟 v 1， 。铽 rhr ， 弋，、 i ，、l ! f ， 1 | ! ， ； f f f j ， ，rl i ，|if ：yy ；，li ， 。7