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基于图象处理技术的炉膛火焰温度检测系统研究 摘要 摘要 本文旨在以全炉膛看火电视为图像采集前端设备，以数字图象处理技术为手 段，运用热辐射学和彩色面阵c c d 色度学理论，采用三色测温法来检测炉膛火 焰温度。主要工作内容包括： 1 针对现代锅炉火焰大面积检测的要求，确定了“基于锅炉全炉膛火焰电视和 数字图像处理技术相结合的温度检测系统”的技术研究路线，并以成熟和廉 价的全炉膛看火电视为基础，建立一套完整的高温炉膛测温硬软件系统。( 应 、 用此系统获取了现场实验数据并用它们作为建模的数据。寸 2 研究了锅炉火焰燃烧和辐射的物理过程以及采用彩色c c d 的三色测温的原 理。建立测温数学模型，为直接利用c c d 摄像机检测锅炉炉膛燃烧火焰温度 阐明了物理机理。 3 提出了一种新的温度分段线性化拟合方法解决温度数据与色度的非线性映射 问题，l 即将火焰温度由高向低分成几个温度段，不同的温度段使用不同的运 算公式，从而提高了测量的精度，避免了过去方法中试图用一个标定试验的 公式来求解跨度较大的整个温度场分布时所产生的误差。3 ，| 4 针对火焰图象的特性，完成适合于火焰图象处理的方法研究。保用图象相加、 、 偏微分、邻域平均等方法来消除图象噪声：绘制图象的r 、g 、b 三色直方图 来研究火焰幅度特征分布与温度分布的关系：给出计算平均灰度、火焰面积 大小、火焰形心坐标等重要参数的方法；用彩色等温区或等温线重构温度场 分布。木 、， 5 用v i s u a lc 抖编制了一个基于w m d o w s 环境下的炉膛火焰温度检测应用软 件。f 该软件具备如下功能：首先有一个良好的人机交互接口是面；可以对炉 膛火焰燃烧工况进行实时监视；实现了燃烧火焰的结构、轮廓、大小和温度 等重要特征参数的提取，同时对整个燃烧室内部的温度场分布进行重构，用 不同颜色的温度区和不同颜色的等温线来显示温度分布；可以显示鼠标指定 的任意点温度数值；可以对重要图象数据进行存盘或打印保存，以备离线技 术分析。 基于图象处理技术的炉膛火焰温度检测系统研究 摘舞 本文从实际问题出发，研究问题本身的物理机理、建立相应的数学模型、采 用先进而适当的处理方法并设计了一个实用的系统。父 关键词：燃烧火焰，图象处理、温度场、面阵c c d 摄像机、三色法 ， ， 。 苎王里茎竺墨垫查竺丝堕查塑塑壅丝型墨竺至茎一兰堕堡! ! 一 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nd e t e c t i n gt h et e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o nf l a m ei n f u r n a c e i nt h i ss y s t e m ，h i g ht e m p e r a t u r et v sa r eu s e dt oc o l l e c ti m a g e s ，d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt op r o c e s si m a g e s ，t h e r m a lr a d i a t i o nt h e o r y a n dp l a n es u r f a c ea r r a yc c d sc h r o m at h e o r ya l ei n t r o d u c e da n dt h et h e e c o l o u r m e t h o di sd i s c u s s e dd e t a i l e d l yt od e t e c tt h et e m p e r a t u r e t h em a i nj o bi n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fl a r g ea l e af l a m ed e t e c t i o ni nm o d e m f a r n a c e s ，a n i d e an a m e d t 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 nb o i l e rf l a m et va n d d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ”i sd e c i d e d b a s i n go nt h em a t u r ea n d c h e a ph i g ht e m p e r a t u r et v , a w h o l es y s t e m ( i n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ) u s e dt od e t e c tt h et e m p e r a t u r ei nb o i l e ri ss e t1 巾t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r e o b t a i n e df r o mt h ea b o v e s y s t e m a n dt h e s ed a t ea r eu s e dt om o d e l i n g 。 2 t h e p h y s i c a lp r o c e s s o fb o i l e rf l a m ec o m b u s t i o na n dr a d i a t i o na n dt h e t h r e e - c o l o u rm e t h o du s i n gc o l o rc c d t h e o r ya r es t u d i e d m a t h e m a t i c a lm o d e l i s c o n s t r u c t e di no r d e rt o e x p l a i nt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo ff l a m et e m p e r a t u r e d e t e c f i o ni nb o i l e ru s i n gc c d c a l n e l ad i r e c t l y 3 an e w t e m p e r a t u r es e g m e n t a t i o nl i n e a rf i t t i n gm e t h o d s l o v e st h ep r o b l e mc a u s e d b yt h en o n l i n e a rm a p p i n g b e t w e e nt h et e m p e r a t u r ed a t aa n dt h ec h r o m a t h a ti s d i v i d i n g t h e t e m p e r a t u r e i n t os o m es e c t i o n sf r o mh i 出t ol o w d i f f e r e n t t e m p e r a t u r es e t , o nu s e sd i 伍删f o r m u l a t h u s ，t h ed e t e c t i o np r e c i s i o n i s i m p r o v e d ；t h e e r r o rw h i c hi sc a u s e db y f i g u r i n go u tt h ed i s t r i b u t i o no f t h ew h o l e t e m p e r a t u r ef i e l db yo n l y o n ef o r m u l ai se l i m i n a t e d ， 4 a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f f l a m ei m a g e ，w eh a v ef i n i s h e dt h er e s e a r c ht h a t f i tf o rf l a m e i m a g e i t i n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：a d o p t i n gt h ep a r t i a l d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa n dn e i g h b o r h o o da v e r a g es m o o t h i n gm e t h o d st or e d u c e i m a g en o i s e s m a p p i n gt h er g b t h r c o l o ra n dg r a ys c a l eh i s t o g r a mt os t u d y 3 基于图象处理技术的炉膛火焰温度检测系统研究 a b s t r a e t t h e r e l a t i o n s h i po f f l a m ef e a t u r e sa n d t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n t h em e t h o d s o fc a l c u l a t ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sa b o u tt h ea v e r a g eg r a yv a l u e ，t h ef l a m ea r e a a n dt h ef l a m es h a p ec e n t e rc o o r d i n a t ea r eg i v e n u s i n gt e m p e r a t u r ef i e l dw i t l l d i f f e r e n tc o l o ra n de q u a lt e m p e r a t u r el i n ew i t id i f f e r e n tc o l o rt o d i s p l a yt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 5 u s ev i s u a lc + + 6 0a sat o o lt op r o g r a ma na p p l i e ds o f t w a r e - - - “b o i l e rf l a m e t e m p e r a t u r ea n a l y s i ss y s t e m t h i ss y s t e mh a s t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s f i r s t l y , a g o o dh a m a n - - c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni n t e r f a c ei sg i v e n t h ec i r c u m s t a n c eo f b o i l e r f l a m ec o m b u s t i o ni ss c o u t e dr e a l - t i m e t h ei m p o r t a n tf e a t u r ep a r a m e t e r so f f l a m e ， s u c ha st h e s t r u c t u r e ，c o n f i g u r a t i o n a n dt e m p e r a t u r e c a nb ee x t r a c t e d t h e t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b n t i o n i naw h o l ef i r e b o xi s r e c o n s t r u c t e d u s o t e m p e r a t u r ef i e l dw i t hd i f f e r e n tc o l o ra n d e q u a lt e m p e r a t u r el i n ew i t l ld i f f e r e n t c o l o rt od i s p l a yt h et e m p e r a t u r ed s t r b u t o n t h et e m p e r a t u r eo f a r b i t r a r yp o i n t s e l e c t e db ym o u s ec a l lb es h o w e d t h ei m p o r t a n ti m a g ed a t ac a r lb es a v e da n d p r i n t e d i no r d e rt ob ea n a l y z e dl a t e r t h i sp a p e ri sd e a l e dw i t ht h e p r a c t i c a lp r o b l e m p h y s i c a lm e c h a n i s mo ft h e p r o b l e mi t s e l f i sd e a p l ys t u d i e d t h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i cm o d e li sc o n s t r u c t e d t h ea d v a n c e da n d p r o p e rp r o c e s s i n gm e t h o di sa d o p t ，a n df l i l a l l yau s e f u ls y s t e mi s d e s i g n e d k e y w o r d s ：c o m b u s t i o nf l a m e ； i m a g ep r o c e s s i n g ； p l a n es u r f a c ea r m yc c d ；t h r e e c o l o u rm e t h o d - 基于匿象处理技术的炉瞠火焰温度检测系统研究 第一章引言 第一章引言 1 1 研究的背景及目的 数字图象处理技术近二十几年来发展的非常迅速，并且日趋完善。现在它已 在空间探测、遥感、生物医学、人工智能以及工业检测等许多领域获得了广泛的 应用。但是把图象处理技术应用于锅炉炉膛火焰检测还是一个较新的课题。 9 0 年代后，随计算机图像处理技术的发展，基于工业电荷耦合器件 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 与计算机图像处理相结合的技术是炉膛火焰监测 系统中较为热门的研究方向之- 1 ，1 0 ，1 1 ，1 3 】。炉膛燃烧温度和辐射能分布是人们 在锅炉系统设计和设备运行控制中极为关心的重要参数，但长期以来没有可利用 的合适的测量方法和技术条件获得实际数据，采用理论或经验模型进行估算，无 法得到实际验证，更不可能进行实时监测和控制。快速发展的计算机图像处理技 术，使得人们能从c c d 摄取的火焰图像中得出它们的定量描述。 图像是二维或三维画面上呈现出来的视觉信息，火焰图象是炉膛火焰燃烧的 宏观、整体过程的充分反映，也是控制燃烧的直接观察对象。从一幅火焰图象所 能获得的信息，是再多的单点测试仪也难以达到的。因此，把数字图象技术用于 火焰的测量对于燃烧诊断和控制都将十分有益。近年来，国内外不少学者利用计 算机图像处理技术、光学层析技术等手段判断火焰的燃烧状态和温度水平 【5 , 6 ，7 ，4 5 ，取得了一定的进展。美国电力研究院( e p r l ) 4 】资助了使用声学高温 计和红外探头对锅炉炉膛进行燃烧诊断和测温试验。此外，日本的日立公司、芬 兰的i m a t r a nv o i m a o y 、三菱重- r 4 都在运用可见光检测火焰方面进行了研究。 这在图象处理技术应用于燃烧研究方面向实际应用跨进了一大步，但大部分局限 i 于燃烧诊断和小型火焰的温度测量，方法比较复杂。国内的华中理工大学煤燃烧 国家重点实验室的周怀春等 2 5 ，2 6 ，2 7 , 2 8 ，2 9 、东南大学动力工程系的邹煜等 【3 l ，3 2 】、浙江大学的王飞等 3 3 ，3 4 i v a n 上海交通大学的徐伟勇等 3 5 ，3 6 ，3 7 1 也开 展了图象处理技术应用于燃烧检测这方面的研究工作。当前在数字图像处理领域 常见的测温方法有两种：参考点测温法和双色测温法。前者需用高温热电偶实测 ， 基于图象处理技术的炉睦火焰温度检测系统研究 蒋一章引言 参考点的温度作为基准，这会带来一些问题：( 1 ) 不够方便：( 2 ) 未能彻底摆脱接 触式测温法的种种限制；( 3 ) 参考点在图像上准确定位困难，会带来测量误差。 和它相比，双色测温法在方便性、可行性上更进一步，但是精度不够高。从目前 的状况来看，国内、外各科研机构均在理论算法上和实际应用中取得了一定的成 绩，但多属于理论完善和试验阶段，并没有将那种方法真正在工业应用中得以 普及。 本课题旨在将图象处理技术与现有炉膛火焰监视设备结合起来，根据热辐射 原理和彩色c c d 摄像机的色度学基础，运用三色测温法来探索新的炉膛燃烧火 焰温度检测方法 2 3 ，2 4 】，从火焰图像中提取更多的诊断信息，获取炉膛辐射水平 的定量描述，重建燃烧火焰内部的温度场分布，从而提供给运行人员更多的指导 信息，保证锅炉系统安全稳定高效地运行。本人所做的主要工作：以锅炉全炉膛 火焰监视系统为基础，建立一套完整的高温炉膛火焰计算机测温系统，获取现场 实验数据；建立测量温度的数学模型：从获取的数字图象中。提取颜色矩阵参数 进行计算，建立图象颜色矩阵与温度的对应关系，即建立图象颜色矩阵中颜色数 值和一具体的温度值的对应关系；用s u a lc + + 编制了一套炉膛火焰温度检测应 用软件，该系统软件具备如下功能：有一个良好的人机交互接口界面；可以对炉 膛火焰燃烧工况进行实时监视；根据检测需要对燃烧火焰图象进行综合处理，经 分析和计算获取燃烧火焰图象的各种特征参数；可以对重要图象数据进行存盘或 打印保存，以备离线技术分析。 1 2 论文的主要内容与章节 本论文的核心内容是以数字图象处理技术为手段，运用热辐射学和彩色面阵 c c d 色度学理论，采用三色测温法来检测炉膛火焰温度；用v i s u a lc + + 编制了 套w m d a w s 环境下炉膛火焰温度检测应用软件，最终实现对锅炉燃烧工况的 检测。全文共分五章，分别包含以下内容： 第一章为引言，对本文的研究背景及国内外图象处理技术用于火焰测量研究 状况进行简单的介绍，并说明了研究的目的和意义。另外还对文章的组织结构进 行了说明。 t tj | 剥豫处理技术的炉膛火 温度榆堋系统州究辩一乖0 l 高 第二章是对炉膛火焰的温度测量方法的重点论述，对面阵c c d 摄像机和热 辐射学理论进行了简要的说明，将传统的辐射测温和利用c c d 测温联系起来； 对利用c c d 三色信息比色测温进行理论推导和分析，并进行现场实验标定，建 立了测温数学模型。 第三章是对炉膛燃烧火焰图象处理技术原理的重点介绍，详细地说明了火焰 图象中各种重要特征参数的提取、图象噪声的消除、图象的显示等图象处理的具 体实现方法。 第四章提出了“基于锅炉全炉膛火焰电视和数字图像处理技术相结合的温度 检测系统”的技术研究路线，对该系统的系统组成、硬件结构、软件结构进行说 明，并对该系统的特点进行说明。 第五章是全文的总结和对未来工作的展望。 ， j 。l 川叫豫处理丰上术的炉膛火焰温度榆测系统研究 第妒火焰的黼度 盘测 第二章火焰的温度测量 2 1 图象法测温原理 2 1 1可见光测温的基本依据 热辐射就是从一个辐射热源，不需经过任何媒介物，也不必实际接触物体， 就能把热传递给其它物体，这种传热现象就称为热辐射。 物体的热辐射是能量从物体表面连续发射，并以电磁波谱的形式表现出来。 这种电磁波的产生是由于物体内部地带电粒子在原子和分子内振动的结果，它 们是整个电磁辐射波的一部分。热辐射电磁波即通常所说热射线由波长相差很 大的红外线、可见光以及紫外线所组成。它们的波长范围从1 0 一1 0 - 。m ，而可 见光谱仅是其中的很小一部分，约在3 8 0 n t o 到7 8 0 h m 之间，比3 8 0 h m 更短的 一段波长的辐射属紫外辐射，而7 8 0 h m 更长的一段波长的辐射属红外辐射。可 见光谱范围内，不同波长会引起人眼的不同颜色感觉，例如7 0 0 n m 呈红色、 5 l o n m 里黄色等。 一 0 10 z0 6l 0z61 0 2 06 01 0 0 波长 ， 图2 1 黑体光谱辐射特性分布曲线 上图是以温度和波长为函数的黑体光谱辐射特性分布曲线，从图中可以看 出光谱辐射的特点： 与曲线下的面积成正比的总的辐射强度是随温度的升高而迅速增加的，温 度越高。单色辐射强度越大。 - 基- ” ” ” 琊 嫩 心 一肇飞羹0琏蛾 址jh 篆赴群拙术的炉髀火；湍度聆洲系统究 筑t 卜火焰的温，韭榆测 当温度一定时，单色辐射强度随波长五的不同按一定规律变化。曲线有一 个极大值，波长为九( 称峰值波长) ，当波长小于以时，辐射强度随波长的增 加晦减小。当温度增加时，单色辐射通量密度的峰值波长向短波方向移动。维 恩给出了最大波长随温度变化的位移定律 1 7 ，1 9 ，即 丸。t = 2 8 9 7 6 t m 。k ( 2 1 ) 这样，物体受热时颜色的改变就可以用光谱辐射曲线峰值波长的移动来解 释。低温时，辐射能量非常小，而且主要是发射波长较长的红外线，随温度的 升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱逐渐地往短波方向移动，例如：当物体温 度升至7 0 0 ( 2 时，其辐射光谱才开始包括可见光谱地红色部分，而绝大部分仍 为红外辐射，到8 0 0 时，可见光谱地红色成分大大增加，即呈现“红热”，随 着温度的升高，物体依次变成红色、亮黄色以致晟后成为白色。这是因为物体 的温度越高，总辐射能量落在可见光谱范围内的分量也随之愈多，看起来物体 就愈亮。这正是利用可见光测温的基本依据。 2 1 2c c d 测温理论基础 面阵电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 是7 0 年代初最先由b e l l 实验室发明的种新型半导体器件，以极高的灵敏度、稳定性、可靠性和图象 清晰等方面引人注目，特别是在图象传感器的应用方面已经十分成熟。作为图 象传感器，c c d 接收物体表面反射出的或自身发射出的光辐射能量，记录物体 的表面视觉信息，已经被越来越广泛地运用到工业诊断和过程监视中。根据普 通c c d 器件的光电转换特性，它在3 5 0 7 6 0 n m 可见光波长范围内有较好的响 应特性【2 1 】。煤粉燃烧火焰辐射的波长在3 0 0 1 0 0 0 n m 范围内【2 7 ，所以采用面 阵c c d 监测炉膛中火焰的辐射信号能在较大程度上反映燃烧过程的状态及形 式特征，具有代表性。 彩色c c d 摄像器件的色度学基础是r 、g 、b 三基色学说，即根据人眼的 视觉特征，选择三种接近光谱单色可见光波段r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 的色源作为 基色，当它们按不同的比例叠加时，就能模拟不同波长的单色光源法，在显像 端刺激荧光粉模拟出真实色彩。具体过程如下： - 9 ；i l 二j - l 划象处胖技术的炉膦火煽温望榆测系统斜究 第中火焰的温度榆测 在摄像端，普通单管彩色c c d 摄象机依靠设蜀在面阵光电元件靶面的三种 条纹滤波器获得在可见光范围内的三个色度信号l r ( 丁) 、k ( r ) 、l b ( r ) ，在一 定的测试距离和光学系统中，若火焰辐射能谱为e ( 五) ，则r 、g 、b 三个通道 的输出为： r 7 6 0 l r ( t ) 21 2 0e 7 ( 五) c ( a ) d 旯 衍6 0 l o ( t ) 。| ：。e ，( 五) t ( 2 ) d 五 ( 2 2 ) j一6 0 h ( 丁) 2l ：。岛( 五) 瓦( 五) d a 式中t ( a ) 、t a x ) 、瓦( 五) 为r 、g 、b 三个通道的光谱响应特性，它们由 镜头、滤色片和摄像器件的特性组合而成，其特性曲线近似于下图所示。 1厂、 |、 ，lfl |、fl ， 、， ，y ； v、 ，f ，it ，lf、 4 5 0 5 0 05 5 06 0 06 5 0 7 0 0 且以， 图2 2 摄像机的分光特性曲线 在将彩色c c d 用于温度场测量时，要求k ( r ) 、k ( 丁) 、厶( r ) 与岛( 五) 在 五分别为一、以和五处的值有一映射关系： 厶( r ) = k ，e ，( 一) 岛( r ) = 蜓目( ) 岛( r ) = 蚝e r ( 五) ( 2 3 ) 式中k ( r ) 、l o ( r ) 、l s ( t ) 可由所摄图象经图像采集卡信道分离后直接得 1 0 - 似圣昌oooo o o 。 i j i i 划豫处螋技术的炉脖火焰温度榆测系统研究 笫乖火士f 1 温度榆删 剑；k ，、k 。、k 。分别为c c d 的r 、g 、b 通道的常数增益；乃、乃和五分别 为r 、g 、b 的中心波长，可根据国际照明技术委员会( c i e ) 的标准取值，分别 为：7 0 0 n r n 、5 4 6 1 n m 、4 3 5 8 n m 。 这样，实际上彩色c c d 的任务就是把来自燃烧火焰的入射光分解为波长分 别为7 0 0 n m 、5 4 6 1 n m 、4 3 5 8 n m 的红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) - - 色灰度图像。利用三 色图像，根据比色法测温原理，就可以进行温度计算测量。 2 2 火焰温度测量方法的选择 高温火焰的温度测量是燃烧领域一个极其重要的问题，它对于燃烧状态的 判断、预测和诊断有着十分重要的意义。燃烧过程是一个相当复杂剧烈的物理 化学反应过程，炉膛燃烧空问弥散着大量的高温c 0 2 、h 2 0 、s 0 2 等三原子气体 和烟黑、碳粒、飞灰等悬浮粒子，这些介质之间同时存在着复杂的辐射、散射、 透射、反射和吸收等能量传递过程，各点温度变换不定，致使分析处理火焰图 像信息较为困难和特殊。 一般的测量方法都不能直接测出火焰的真实温度，通常以对应于火焰的某 一特定热状态作为其温度的测量依据，由此得到的温度称为这个状态下的“假 定温度”。例如，借助于测量总辐射亮度和利用斯忒藩一玻耳兹曼 ( s t e a f a n b o l t z m a n n ) 定律所得到的温度叫做“辐射温度”，而借助于测量单色 辐射亮度和利用普朗克( p l a n c k ) 定律所得到的温度叫做“亮度温度”等等。 使用不同的测量方法就会得到不同的假定温度，而它们可能与真实温度存在较 大的差别。 随着科技的进步，测温方法越来越多，也越来越先进。一般来说，温度测 量方法分为接触测量法与非接触测量法两大类。接触法测温仪表的感温元件直 接与被测介质接触，测量方法比较简单且直观。这些方法有明显的缺点，由于 直接插入被测介质，难免会影响介质的温度场，因而带来测量误差。这种方法 是基于热力学第零定律，大多需等待热平衡时才能正确测定温度，测量过程会 受被测对象特性及传热方式的影响，因此其实时性很难保证，所测定温度与实 时温度不可能一致。当介质具有腐蚀性，在高温条件下测温元件的使用期限相 对缩短，测量准确度也会相应降低。 扎j h 哿处胜 术的灯- 脖火焰拈矗艘榆删系统硝究 非接触测温能在接触测温不能使用的场合下使用，它具有响应速度快，灵 敏度商，分辩率强，能够较好地实现对高温、微小、旋转、高速移动和腐蚀性 较强等不可接触目标的温度测量。非接触式一般从辐射学和光谱学i 均种方法着 手，从光纤高温计、红外高温计 2 ，3 ，4 ，3 8 至u 各种激光测温技术如激光感生荧光 法p l i f ( p l a n a r l a s e r i n d u c e df l u o r e s c e n c e ) f 4 ，9 】等都在不同的场合得到了应用， 而且分别具有适于特定情况的突出优点。但现有的各种测温方法都难以直接用 来测量燃烧火焰的温度分布，本文主要考虑辐射学的方法。目前，辐射测温按 所用的接收方式可分为全辐射测温法、单辐射测温法、多色测温法以及比色测 温法等 4 0 1 。 全辐射测温法是测量全波段的辐射能量，由斯蒂潘玻尔兹曼定律： w = 岛j r 得到温度。因此，周围背景的辐射，测试距离内介质的吸收、 发射、透过率都会严重影响它的精度。同时辐射率矗也很难预知。这种类型的 仪器，一般只作为固定目标的监控温度装置。 为了避免大气吸收，单辐射测温法是测量某大气窗口的 - z 波段内的 辐射能量，由辐射定律： 一 一i e l e 2 = i 。s ( a ，t ) c i a e x p c 2 2 t 一1 】d 2 如果发射率e ( ，t ) 已知，就能由吸收的能量得到温度。这个方法所选波段 越窄越好，这样容易排除许多干扰辐射。可是带宽过窄，会使探测器接收的能 量变得太小，而且未知辐射率的变化，也影响着真实温度的测定。 为了消去辐射率随波长变化的影响，人们又开发了多波长辐射测温法。这 是一种很精确的方法，其精度为o 5 ，比热电偶还好。目前美国已研究出四波 长和六波长的辐射高温仪。但是多波长测温仪的工艺比较复杂，且造价又高， 很难推广应用。 比色测温法是测量两个波段的辐射能量的比值： e a l ( r ) 易2 ( 丁) = ( 颤l 2 ) ( 彳) e x p 一c 2 t ( i ， 一l 五) 】 如果两个发射率相等岛。= 毛：，就可得到与发射率无关的目标的真实温度。 由于c c d 器件的光电特性可能出现时漂和温漂，同一炉膛的不同c c d 探测器 件的光电转换特性或灵敏度不可能完全一致。另外，尽管采取了一定的措施， 坫j - 目馨处删技术的炉膛火焰温度榆测系统 | j f 究第一审火焰的i 5 矗度柠删 炉膛烟气和飞灰对于摄像镜头的光学特性污染的影响仍然不可避免。这些因素 的变化都将使c c d 对同等辐射产生不同的时变响应，事先进行标定不具有现实 意义。对于实时监测的系统，要完整地知道这些参数及其随时间变化的规律是 比较难的。比色测温根据同一时刻测量到的两个相邻波长辐射能的“比值”确 定温度值，使之在两个波段中光程的影响因素相同，即消除了恶劣环境的影响， 例如镜头污染、器件特性漂移等时变因素相互抵消，使测量过程是可重复、可 延续，这是它适合于燃烧火焰测量的独到之处。本文正是比色测温法的原理入 手，采用三色测温法，即直接提墩彩色c c d 所摄取图蒙的r g b 三色值米测量 温度的。 2 3 测温樽犁的求取 2 3 1 三色测温法 根据辐射定律，发射连续光谱的物体的热辐射亮度与它的温度间的关系由 p l a n c k 辐射公式表达： e ( 丁) = c l 矿( e c 2 “7 1 ) 。岛( 2 4 ) 式中：易( r ) 黑体在温度t 和波长五时的光谱辐射亮度； q 为绝对温度为t 时的光谱发射率； c l 第一辐射常数= 3 7 4 2 1 0 1 6 w m 2 ； c 2 第二辐射常数= 1 4 3 8 8 1 0 2 m k ； 五- 蕃射波长，单位为米。 在煤粉燃烧火焰辐射的波长范围3 8 0 n m 到7 8 0 r i m 及温度范围3 0 0 0 k 以下 时，g a r 1 ，因此p l a n e k 辐射定律可由维恩辐射定律取代 1 9 ，2 7 ： 易( r ) = c j 五1 5e x p ( 一c ：五r ) 颤( 2 5 ) 如果能同时测量到发光火焰同一点发出的不同波长下单色辐射能，则根据 它们的比值即可计算出该点的绝对温度。那么怎么才能获得同一点发出的不同 波长下的单色辐射能呢? 我们可以充分利用彩色c c d 本身所具有的特性简单 1 3 址卜h 豫处鲤投术的炉膛火焰温度榆测系统州究 辩。章火焰的濉塍竹洲 地解决这个问题。 彩色c c d 可以把入射光分解为波长分别为7 0 0 h m 、5 4 6 i n m 、4 3 5 8 n m 的 红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三色图象，通过图象采集卡将其转换为数字图织，这样我们 就可以利用图象处理技术获取数字图像中任意点在不同波长下的光强值 厶( r ) 。光强值t ( r ) 与火焰的辐射能e , t ( r ) 成正比( 即l a r ) o c e ( r ) ) ，并且 与c c d 的光谱响应灵敏度量有关【1 6 】。那么 l ( t ) ：= r t ( 7 1 ) = 隅( j a e x p ( 一c z 2 t ) c 。 ( 2 6 ) 式中k 是一个常量，它与从火焰本身到c c d 的光路系统和空气造成的衰 减，以及火焰到c c d 的观测距离等因素有关。这时，我们取两不同波长下的光 强值之比， 则器= 要嚣e 冲h rk 上& 一别 ， 将上式两边取对数并做变换可得温度的表达式： t = c 弋( 如1 j h 端m 要心嚣札( 对 。：( r )足。 毛。i 五j ( 2 8 ) 对于炉膛温度范围内的有烟粒发光火焰可近似看作是灰体【l ，6 ，4 4 ，而灰体 的各波长的光谱发射率都相同。那么颤，z 1 ，即 ，n ( 篆) * 。 则c s ，可简化为： 巳b i l ) 卜唔嵩钢 l n 土盟+ i n 显+ l n f 互 。 l 2 ( 丁)s ，i 也j 上 我们可以对e 鳓式进行标准方程式描述，设 a = 岛b i l ) ( 2 9 ) 坫j 。蝌蒙世理技术的灯；膊火群j 砒艘拎测系统研究筑审火焰的温艘榆测 川n 嚣仙5 则有： d ：l n 缫+ 6 ( 2 1 0 ) 7 厶2 ( 7 ) 、 对于确定的测试系统，上式中a ，b 也都是确定的，则未知量专和l “丽l x i ( t ) 满足直线方程。从理论上说，只要知道某点处三个波段的光强值岛( r ) 、 上。( 7 ) 、岛( 7 1 ) ，就可以计算出该点的温度值，此即为基于c c d 三色法测温的 理论依据。 2 3 2 三色法测温的线性分析 把彩色c c d 拍摄的火焰图象中每点的3 个分量光强值两两按式f 2 7 ) 进行l t 较后再取对数，即r g ，g b ，r b ，则有： c ：( 老一去 ；= ，n 未+ n 卺昌+ s - n 老 巳( 丢一去 ；= n 要+ - n 卺昌+ s - n 考 c z ， c ：( 去一去 争，n 要+ t n 乏昌+ s h 老 上式中待求温度t 和c c 。的光谱响应灵敏度比值l n 嚣、l n 匙、l n 兽为 未知数。 设上式中的已知系数及常数分别为： 铲c ：b 石1 je j l 叫篁处j p 拉楚凹拔堕j 火塑塑壁堡塑! ! 塑1 型生 铲q b i l ) 再设待求未知数为： 一警。，奎堑型i 些型 铲 ，铲h 舞，x ，札嚣，x - n 瓦s r b 爿= e a 2 1 ；0 - ；1 三1 r = 妻 b = l 墨i 这样( 2 11 ) 式可写为线性方程组形式： a z = b ( 2 1 2 ) 式中：a 为系数矩阵；x 为未知向量；b 为常数向量。 但是，对于有4 个未知数而只有3 个方程的线性方程组通过求解矩阵a 的 逆阵a 。是无法得到符合物理意义的正确解。对方程组进行分析可以发现方程 组的第一式和第二式相加正好为第三式。所以，尽管方程组有3 个方程式，但 实际上只有两个方程，而且由于粕= 而十而，未知数也只有3 个，即z 、屯和屯。 如果要求出温度t 的确定解，就必须再找一个独立的线性方程来代替方程组 ( 2 1 2 ) 中的第三个线性方程。 益生厶量力 h h h 一 一 继姒 以一姒 垡硪 m h h i i i i 1 i n 如 如 兰! ：塑竺竺型丝查堕竺壁坐塑型些堕型墨竺竺垄 垫= ：! 查塑塑型堡! ! ! 生 2 3 _ 3 测温模型 从形式上看，由式( 2 1 1 ) ，只要给出c c d 的光谱响应灵敏度s 。，就可以往 测得的某点的光强值直接求出温度t 。但实际上，对特定的测试系统来说，c c d 的光谱响应灵敏度奠是未知的。这就要通过试验标定来解决，即根据标定实验 的数据建立测温模型之后，才能由测量中所得到的三个波段的光强值求得温度 t 。标定过程是对已知温度的标准辐射源进行图象采集，得到图象红色( r ) 、 绿色( g ) 和蓝色( b ) 分量强度，然后再建立温度和彩色分量强度的函数关系。 从式( 2 1 1 ) 可以看出，在巳、厶、砧、如已知的条件下，通过试验标定， 从测量得到的已知确定温度值t 时的c c d 的分量光强值l 。( r ) 、厶。( 丁) 、 三。( 丁) ，即可对末知参数进行标定。 设未知参数为： 矿m 刮n 嚣，刊n 杀，妒m 刮n 要 在多个温度点对系统进行了标定，得到的实验数据见表l 。 表1 温度标定参数 r ， 厶( r ) 三6 ( r )k ( r ) 矿m 1 0 5 66 65 33 5 4 0 2 8 34 8 1 6 38 8 4 4 6 1 0 6 97 l5 83 73 9 7 8 64 7 0 4 38 6 8 2 9 1 0 8 37 66 24 03 9 0 7 24 6 3 4 38 5 4 1 4 1 0 9 98 l6 54 73 8 1 2 84 5 6 8 98 3 8 1 7 1 1 1 48 66 75 33 6 6 6 74 5 6 6 28 2 3 2 9 1 1 2 99 87 45 l3 5 7 1 7 4 5 0 4 58 0 7 6 2 1 1 4 41 0 98 l4 83 5 2 8 44 4 2 4 57 9 5 3 0 1 1 5 91 1 08 45 83 4 9 0 14 3 7 7 77 8 6 7 8 1 1 7 41 2 18 8 6 9 3 4 2 8 24 3 4 8 07 7 7 6 2 1 1 8 81 3 01 0 27 63 3 9 5 l4 3 0 5 57 7 0 0 6 1 2 0 11 4 91 1 58 23 3 2 5 84 2 3 9 37 5 6 5 l 坫j 倒豫处理让术的炉膛火焰滥艘榆驯系统研究 协争火焰的温度榆洲 1 2 1 61 6 21 1 88 5 32 0 8 3 4 2 2 7 97 4 3 6 3 1 2 3 01 7 41 2 48 73 1 3 2 24 2 0 1 57 3 3 3 8 1 2 4 61 8 31 2 71 0 4 3 0 4 5 2 4 1 5 2 37 1 9 7 5 】2 6 41 9 4 1 2 91 1 82 9 2 8 44 1 0 2 17 0 3 0 5 1 2 8 12 0 31 3 21 2 32 8 5 2 94 0 4 2 26 8 9 5 2 1 2 9 72 1 21 3 71 2 92 7 9 0 93 9 8 7 96 7 7 8 8 1 3 1 22 1 9 1 5 l1 3 42 8 0 4 63 8 6 9 46 6 7 4 0 1 3 2 7 2 2 61 6 81 4 42 8 2 9 93 7 7 6 76 6 0 6 6 由表1 可知，系统未知参数y 。、均随温度的变化而变化，所以 未知参数本身又是溻度的函数，而且它们之间的关系是非线性的。为了获得一 个独立的线性方程，我们可以作温度分段线性化处理，即在每两个很小温度段 内，用线性拟合方法来拟合温度t 和未知参数、之间的线性关系，来代 替方程组( 2 1 2 ) 中的第三个线性方程。 设线性表达式为： l r = + q y - t - 8( 2 1 3 ) 与线性方程组( 2 1 2 ) 进行对应，则可变形为： t q x 2 一吒屯= ( 2 1 4 ) 在表1 中的每两个相邻的温度段内，三个端点的温度t 、标定参数量、矗 是已知的，即在已知的区间上，可以用线性拟合方法求未知量、q 和呸。 在表1 的基础上，计算了各温度段的、喁和，列表于表2 。 表2 温度线性化的参数值 7 q 1 0 5 6 1 0 8 30 2 2 2 7 0 1 2 1 00 0 8 9 2 1 0 8 3 l l1 4 o 1 9 9 2 o 1 0 2 30 0 9 6 7 1 1 1 4 1 1 4 4 0 1 7 7 0 0 1 4 8 00 1 1 9 3 基于图象处理技术的炉膛火焰温度检测系