第四章-非接触式场测量技术.ppt

基于介质发射辐射的非接触式温度分布测量 医学X射线CT 投影 空间点 火焰 CCD 基于火焰图像的温度场测量方法 与医学CT的区别 火焰自身发射代替外加光源有限数目探测器代替光源的旋转 温度场重建的难点 炉膛尺寸大 环境恶劣 传统的接触式点温度测量无法获得炉内温度的场分布炉内弥散介质种类多 辐射传递过程复杂温度与颗粒浓度耦合 必须综合考虑对于运用于燃烧优化的温度场测量 还必须考虑计算的速度 使系统尽可能快地响应 介质发射辐射的传递模型 S 方向 吸收和向外散射 发射 从其他各方向进入的散射对辐射的增加 体元 CO2 CO CCD响应波长 NO 气体的吸收系数 SO2 在测量中涉及到的可见光区 大部分的气体均可视为 透明体 颗粒辐射特性计算 采用Mie理论计算颗粒辐射特性 煤燃烧过程中不同的颗粒 吸收效率因子 散射效率因子 可见光 可见光 颗粒辐射特性计算方法 三维温度场重建模型 被吸收 到达边界 i CCD 1 在弥散介质内的辐射传递过程 2 光学成像过程 被气体和颗粒吸收 被颗粒散射 MonteCarlo方法 CCD成像光学模型 A 进入CCD MonteCarlo算例 W 2m L 5m H 3m的具有冷 黑内壁的长方体 包含着三维非均匀介质 介质包含 氮气和二氧化碳的混合气体 浓度变化的碳粒总体混合物的压力为1atm 二氧化碳的体积分数为21 碳粒直径为30微米温度分布和碳粒浓度分布 T0 500K N0 5 107和5 108个 m3 算例结果及比较 a Y 0 Z 0辐射热通量的对比 b Y 0 Z 1 5m表面辐射热流的对比 非均匀介质 T0 1000K P 1atm CO2体积分数21 碳粒浓度N0 5 107或5 108个 m3 对比文献 J T Farmer J R Howell MonteCarlopredictionofradiativeheattransferininhomogeneous anisotropic nongraymedia JournalofThermophysicsandHeatTransfer 1994 8 1 133 139 三维光学成像计算 1 A点 C点 光学成像方程 成像位置 三维光学成像计算 2 A点 N点 直线MN方程 M点 平面X O Y 方程 C点 光学成像方程 成像位置 三维光学成像计算 3 A点 N点 直线MN方程 M点 平面X O Y 方程 C点 光学成像方程 成像位置 三维温度场重建数学模型 煤粉火焰中第i个网格发射的能量由下式计算 煤粉火焰中第i个体元发出的到达CCD靶面上第j个像素的辐射能为 为煤粉火焰中第i个微元发出的到达CCD靶面上第j个像素的辐射能份额 三维温度场重建方程 Pj是CCD靶面上第j个像素接收的能量fi 代表火焰成像过程Ti是第i个体元的温度j 1 2 M i 1 2 N 三维温度场重建方程 LSQR算法 LSQR LeastSquareQR factorization 算法是求解病态问题的一种有效方法 广泛应用于地球物理中的地震波重建 适合于大型稀疏病态矩阵方程的求解LSQR算法是由PaigeCC和SaundersMA 1 2 于1982年提出 它是基于Lanczos迭代方法的一种求解最小二乘问题的算法如果数据中的测量误差较大 LSQR算法还可以加阻尼 形成阻尼LSQR算法 更适合于病态问题的求解 1 PaigeCC SaundersMA Analgorithmforsparselinearequationsandsparseleastsquares AMCTransactions Math Vol 8 No 2 pp 43 71 1982 2 PaigeCC SaundersMA LSQR Sparselinearequationsandleastsquaresproblems AMCTransactions Math Vol 8 No 2 pp 195 209 1982 为阻尼系数 重建算例 CCD摄像机响应波长为可见光0 4 0 7微米 可见光波段CO2吸收系数为零前后左右四个面分别放置两台CCD摄像机 一共八台 靶面分为30 30个单元在各个体元内假设平均散射系数和消光系数为0 15m 1和0 32m 1假设原始系统温度分布为 辐射能图像 根据前述的MonteCarlo方法及三维光学成像模型可以计算得到靶面上的能量分布 测量误差模拟 在实际应用时 CCD靶面上各个像素上的能量值不可能精确测量 所以在模拟研究中必须在重建方程的能量值上加上模拟误差 重建问题的病态性 对于8个CCD摄像机 有7200个方程 30 30 8 和343个未知温度值 7 7 7 系数矩阵AE的大小为7200 343and条件数为1 4351 106原线性方程组为大型病态超定方程组 需要求其最小二乘解 对于病态问题来说 一般的求解方法得不到满意的结果 方程的矩阵 一般性方法求解结果 基于Householder的正交化方法广泛应用于求解最小二乘问题 假设温度分布 重建温度分布 横截面k 4 LSQR求解结果 假设温度分布 重建温度分布 较大测量误差下的结果 平均模拟相对测量误差39 31 使用阻尼LSQR方法 平均模拟相对测量误差0 80 很大的模拟误差 假设温度分布 重建温度分布 误差分析 相对误差维持在较低水平 当模拟相对测量误差达到39 31 时 重建相对误差为0 92 实际应用的难点 被吸收 到达边界 进入CCD i CCD A 辐射能份额需要通过MonteCarlo方法预先计算但若考虑浓度变化 则MonteCarlo方法必须重新计算由于炉膛空间大 CCD尺寸小 MonteCarlo方法计算效率很低 非常耗时 数10小时 截面温度场求解模型 为了减少计算量 加快温度场计算时间 将三维问题转化到二维问题每层燃烧器的四个CCD获得的图像用于计算该层的截面温度场不采用MonteCarlo计算方法 光学模型简化 虚假物面上的点并不是光源 由该点向光学镜头入瞳所发射的光线 是该点之前和该点之后的弥散介质空间中在孔径角U内所有通过这点的光线总和 孔径角U计算公式 从虚假物面上出发的辐射对镜头所成的角度 即孔径角U的值在0 16 0 36 之间 即使炉膛深度S达10m 对光束影响的范围D在0 06m以内 故可以把这些的辐射束简化为一条通过光学系统中心O点的射线 镜头 CCD靶面 物面 截面温度场计算中射线与CCD像素间的对应关系 辐射传递方程的简化 对于在炉内大部分区域 文献 3 中认为对散射的忽略会产生不超过7 的计算误差 因此辐射传递方程可简化为 3 J D Felsk C L Tien etal CalculationoftheEmissivityofLuminousFlames CombustionScienceandTechnology 1973 7 25 31 验证 不对称因子 重建方程 沿射线的辐射强度累计值 将辐射传递方程在网格内积分 简化表示为 i为网格序数 i 1 2 m m为沿第j条射线的网格数 j为分立射线的序数 试验台搭建 36 彩色CCD标定 标定系统 彩色CCD标定 彩色CCD摄像机和红外热像仪图片对比 彩色CCD标定 彩色CCD摄像机和红外热像仪图片对比 彩色CCD摄像机和红外热像仪图片对比 彩色C