CN100456004C - 高温温度场图像的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温温度场图像的检测装置及其检测方法，通过采用混合图像接收光纤阵列和电脑温度场视频处理能及时提供高温温度场的图像，同时对混合图像接收光纤阵列中按规律分离出的温度光纤通过Y形光纤耦合器分光，采用比色测温技术，能准确检测出温度场中各设定点的温度，再通过电脑的温度场插值处理，在提供高温温度场的图像的同时，还能准确计算出高温温度场其他各点的温度，而且适用范围广，能适用冶金炉等粉尘较多的恶劣环境。

Description

高温温度场图像的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测高温温度场图像的装置及其检测方法。

背景技术

随着冶金技术的不断进步，冶金技术中对温度的测量和控制越来越重要。在当前在一些大中型企业中，主要采用彩色工业摄像机或工业电视监视高温炉窑火焰图像，检测人员根据观察到的火焰图像，结合实际经验判断高温炉内的温度。这种依靠人工观察、根据经验判断的检测方法，准确性较差。此外，中国专利94111569.0公开了一种“电站锅炉炉膛燃烧分布检测方法及其装置”该方法为在电站锅炉炉膛火焰电视监视装置基础上，在成像光路上放入一种波长的滤色片，以得到单波长下的为焰辐射图像，摄像机将图像信号转变为电信号，通过图像采集卡进入计算机，同采用高温热电偶实测炉内一点的温度模入计算机，经计算机计算处理，以实时检测炉内二维火焰温度场的分布，并在监示器上输出。但该方法对温度场的检测时，一次只能探测一个点的温度。目前还有采用全辐射高温计或比色高温计对高温炉内的温度进行检测，但这种方法一次也只能探测一个点的温度，在检测过程中需要移动全辐射高温计或比色高温计才能探测不同区域，很不方便。近年来，随着电子技术的发展，摄像机技术的成熟和普及，有采用红外热像仪实现炉温的温度分布检测，但由于红外热像仪成本较高，且其最佳的工作谱段是中低温的测量，而且不适宜在高温等恶劣环境中工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种能同时检测火焰图像及高温温度场各点点温度的高温温度场图像的检测装置及其检测方法。

本发明总的技术构思是：辐射测温的物理方法基础是普朗克(Ptanck)热辐射定律，根据普朗克(Ptanck)热辐射定律，绝对黑体的光谱辐射亮度L(λ，T)与其波长λ、热力学温度T的关系由普朗克定律确定：

$L(\mathrm{\λ},T)=\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}^5\mathrm{\π}[e^{C_2/\left(\mathrm{\λT}\right)}-1]}$

式中，λ是物体发出的辐射波长；T是热力学温度；

C1＝2πc²h——普朗克第一辐射常数，C₁＝3.7418×10^-16W·m²，

C₂＝hc/k——普朗克第二辐射常数，C₂＝1.438786×10^-2m·K(其中，h为普朗克常数，k为玻耳兹曼常数，c为电磁波在真空中的速度)

根据普朗克公式制成的绝对黑体在不同温度下的光谱辐射曲线，每条曲线代表一个固定的温度，每条曲线均有一个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方向移动；不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长λm和温度T均满足维恩位移定律：

λmT＝常数

即当温度升高时，绝对黑体辐射能量的光谱分布要发生变化。一方面辐射峰值向波长短的方向移动，另一方面光谱分布曲线的斜率将明显增加；斜率的增加致使两个波长对应的光谱能量比发生明显的变化。根据测量两个光谱能量比(两波长下的亮度比)来测量物体温度的方法称比色测温法。

由于任何物体其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量，对于高温火焰场其能量波长属于可见光和红外光的波长区域。在光纤阵列中按规律分出温度设定点光纤，每个光纤设定点温度的检测是通过耦合光纤分光分出两路光线，两路光分别使用不同的滤波玻璃进行带通滤波，并使用红外硅光电池检测出两路光的光强信息，经过调理和A/D转换，求出两路波长下的光强比值，最后利用维恩位移定律和标定方法测出温度场中该点的温度。其他任一点温度可以根据已知温度的点利用插补的方法计算得到。通过软件将温度场计算图实时绘制在电脑屏幕上，加上CCD图像处理软件在屏幕上显示的火焰图像，就可以在屏幕上同时实现火焰和各点温度场的显示。

实现本发明上述目的的技术方案是：一种高温温度场图像的检测装置，包括有依次设置的聚光光学元件、光纤阵列、彩色图像传感器；上述彩色图像传感器通过微机视频采集接口与微机连接；其特征是从所述的光纤阵列按规律分出若干根温度设定点的光纤，各温度设定点的光纤的输出端分别与相应个数的Y形光纤耦合器的输入端连接，各Y形光纤耦合器的两输出端分别设有滤波波长不同的第一、第二滤光玻璃，与通过第一、第二滤光玻璃的光讯号的光路数一一对应设有红外线温度传感器，各红外线温度传感器的输出端与温度信号处理电路的相应个数的输入端连接，温度信号处理电路的各输出端通过微机另一接口与微机连接。

从所述的光纤阵列尾部按“＊”形规律分出至少25根温度设定点光纤。

所述的聚光光学元件是聚焦物镜；所述的彩色图像传感器是可调焦距的CCD数字摄像机。

所述的红外线温度传感器为红外硅光电池，红外硅光电池的受光面与Y形光纤耦合器的两输出端相对。

所述的温度信号处理电路由电子开关以及分别与各电子开关对应连接的运放器组成；电子开关的各输入端与对应的硅光电池的输出端连接，各运放器的输出端均与所述微机另一接口的输入端连接。

一种高温温度场图像的检测方法，其特征是光纤阵列接受与火场隔热的聚光光学元件发出的光波信息，一方面通过彩色图像传感器和微机视频采集接口输入微机，由微机对火场光波信号进行视频显示处理；另一方面由光纤阵列中按规律分出的若干根温度设定点光纤的光波信息经相应数量的Y形光纤耦合器，将每根光纤中的光线分成两路光线，该两路光线分别送入滤波波长不同的的第一、第二滤光玻璃(6-1、6-2)中滤波后，由相应数量的红外线温度传感器将滤波后的光强信号转换为相应大小的电压信号，通过温度信号处理电路后经微机另一接口输入微机，微机接受到的上述每个温度设定点两路光线的光强信息而求出两路波长下的光强比值，可得出温度场中该温度设定点的温度，根据已知温度设定点的温度利用插补的方法计算得到其他任一点温度，并将温度场计算图在微机屏幕上实时显示。

所述的聚光光学元件是聚焦物镜；所述的彩色图像传感器是可调焦距的CCD数字摄像机；所述的红外线温度传感器是红外硅光电池。

本发明由于采用图像与温度混合光纤阵列，且微机温度场视频处理能及时提供高温温度场的图像，同时对光纤阵列中分离出的设定温度点光纤通过Y形光纤耦合器分光，采用比色测温技术，能准确检测出温度场中各设定点的温度，再通过电脑的温度场插值处理，在提供高温温度场的图像的同时，能准确计算出高温温度场其他各点的温度，本发明的工作谱段可以是高、中、低温度，能适用冶金炉等粉尘较多的恶劣环境。

附图说明

图1为本发明检测装置的结构框图；

图2为本发明检测装置的电路原理图；

图3为图2中A向视图；

图4为本发明的温度插值示意图；

图5为本发明的检测过程的程序框图。

具体实施方式

见图1及图2，本装置包括有依次设置的隔热聚光光学元件1、光纤阵列2、彩色图像传感器3。上述聚光光学元件1即为一面凸一面平的聚焦物镜，聚焦物镜安装在检测装置外壳的最前端，聚焦物镜通过高温火场墙壁上的隔热玻璃11采集高温温度场的图像；上述光纤阵列2采用G.651无保护套裸光纤组成的光纤阵列，光纤阵列2由三万多根多模裸光纤L2整齐排列成圆形阵列；上述彩色图像传感器3是可调焦距的CCD数字摄像机，可使用1/3英寸CCD电脑摄像头PC2032，摄像头与光纤阵列L2的输出相对设置，CCD数字摄像机的输出端通过微机视频采集接口4与微机10连接。从上述光纤阵列2中按“＊”形规律分出31根设定温度点光纤2-1，如图3所示，图中圆点代表的是测温度的光纤，测温度的光纤与其它传递图像的光纤没有区别。设定温度点光纤2-1的输出端与Y形光纤耦合器5的输入端连接，相对Y形光纤耦合器5的两输出端分别设有滤波波长不同的第一、第二滤光玻璃6-1、6-2，上述第一、第二滤光玻璃6-1、6-2为λ1＝0.8和λ2＝1.0的带通滤波玻璃片，与通过第一、第二滤光玻璃6-1、6-2的光讯号一一对应设有红外线温度传感器7，红外线温度传感器7为红外硅光电池，可采用2DR型红外硅光电池，对应31根定温度点光纤分出的62光路设有62个红外硅光电池。各红外硅光电池的受光面与Y形光纤耦合器中各光纤的输出端一一相对设置，接受通过滤光玻璃的光讯号。

微机10是使用带有PCI插槽和USB串行口PIII型机器，微机接口9的插卡选用AMPCI9102型插卡，该插卡接口提供8路12位A/D，4路12位D/A，16路数字输入DI，16路数字输出DO，还提供正负5V和正负12V直流电源。温度阵列信号处理电路8由4个16路选1的电子开关IC1和4个分别与各电子开关IC1对应连接的运放器IC2组成。运放器IC2可使用高精度运放OP07，电子开关IC1可使用16选1集成电路4067。各红外硅光电池的电压输出端分别与对应电子开关IC1的输入端连接，各电子开关IC1的输出端与各对应运放器IC2的正输入端连接，每个电子开关的4个地址编码端与微机接口9的插卡的16个数字输出端连接，4个运放器IC2的负输入端与各运放器本身的输出端连接，4个运放器IC2的输出端分别与微机接口9的插卡的4个A/D输入端连接，插卡插在微机的PCI插槽中。

上述检测装置的检测方法如下：

见图1～图5，高温温度场发出的光波经过火场隔热玻璃11和聚焦物镜1后由光纤阵列2接受，光纤阵列2一方面把光波信息通过CCD数字摄像机3和视频采集接口4提供给微机10，利用微机10对火场光波信号进行视频显示处理；另一方面光波信息经从光纤阵列2中按“＊”形规律分出31根设定温度点光纤送至Y型光纤耦合器5，Y型光纤耦合器5将每根设定温度点光纤再分成两路光，两路光分别送入滤波波长不同的滤光玻璃中滤波，再由红外硅光电池将滤波后的光强变为电压的大小，经过电子开关和由运放器构成的温度信号处理电路8进行处理后，信号通过微机接口9输送到微机10，利用软件得到比色测温的比值，根据维恩位移定律和通过查标定表格即可得到31个设定温度点的温度值。根据所测出31个点的温度，采用三次样条函数插补即可计算出任意点的温度，如已知的两点温度值为t_i、t_i-1，要求出该两点t_i和t_i-1之间任一点t(h)的温度值，使用以下方程：

$t\left(h\right)=t_i+(\frac{t_{i-1}-t_i}{h_{i-1}}-\frac{M_{i-1}+2M_i}{6}{h}_{i-1})h+\frac{M_i}{2}{h}^2+\frac{M_{i-1}-M_i}{6}\frac{h^3}{h_{i-1}}$

式中，h_i-1为t_i和t_i-1之间的距离，h为t_i和t_i-1之间的点t(h)与t_i之间的距离，M_i-1和M_i分别为t(h)的二阶导数在h＝h_i-1和h＝0处的导数。利用两点t_i和t_i-1处数值和一阶导数的连续性，就可以求出t_i和t_i-1之间任意点温度的数值，从而可求出温度场中任意点温度的数值。

Claims (7)

1、一种高温温度场图像的检测装置，包括有依次设置的聚光光学元件(1)、光纤阵列(2)、彩色图像传感器(3)；上述彩色图像传感器(3)通过微机视频采集接口(4)与微机(10)连接；其特征在于：从所述的光纤阵列(2)按规律分出若干根温度设定点的光纤(2-1)，各温度设定点的光纤(2-1)的输出端分别与相应个数的Y形光纤耦合器(5)的输入端连接，各Y形光纤耦合器(5)的两输出端分别设有滤波波长不同的第一、第二滤光玻璃(6-1、6-2)，与通过第一、第二滤光玻璃(6-1、6-2)的光讯号的光路数一一对应设有红外线温度传感器(7)，各红外线温度传感器(7)的输出端与温度信号处理电路(8)的相应个数的输入端连接，温度信号处理电路(8)的各输出端通过微机另一接口(9)与微机(10)连接。

2、根据权利要求1所述的高温温度场图像的检测装置，其特征在于：从所述的光纤阵列(2)尾部按“＊”

形规律分出至少25根温度设定点光纤。

3、根据权利要求1所述的高温温度场图像的检测装置，其特征在于：所述的聚光光学元件是聚焦物镜(1)；所述的彩色图像传感器(3)是可调焦距的CCD数字摄像机。

4、根据权利要求1所述的高温温度场图像的检测装置，其特征在于：所述的红外线温度传感器(7)为红外硅光电池，红外硅光电池的受光面与Y形光纤耦合器(5)的两输出端相对。

5、根据权利要求1所述的高温温度场图像的检测装置，其特征在于：所述的温度信号处理电路(8)由电子开关(IC₁)以及分别与各电子开关(IC₁)对应连接的运放器(IC₂)组成；电子开关(IC₁)的各输入端与对应的红外线温度传感器(7)的输出端连接，各运放器(IC₂)的输出端均与所述微机另一接口(9)的输入端连接。

6、一种高温温度场图像的检测方法，其特征在于：光纤阵列(2)接受与火场隔热的聚光光学元件(1)发出的光波信息，一方面通过彩色图像传感器(3)和微机视频采集接口(4)输入微机(10)，由微机(10)对火场光波信号进行视频显示处理；另一方面由光纤阵列(2)中按规律分出的若干根温度设定点的光纤(2-1)的光波信息经相应数量的Y形光纤耦合器(5)，将每根光纤中的光线分成两路光线，该两路光线分别送入滤波波长不同的第一、第二滤光玻璃(6-1、6-2)中滤波后，由相应数量的红外线温度传感器(7)将滤波后的光强信号转换为相应大小的电压信号，通过温度信号处理电路(8)后经微机另一接口(9)输入微机(10)，微机(10)接受到的上述每个温度设定点两路光线的光强信息而求出两路波长下的光强比值，可得出温度场中该温度设定点的温度，根据已知温度设定点的温度利用插补的方法计算得到其他任一点温度，并将温度场计算图在微机屏幕上实时显示。

7、根据权利要求6所述的高温温度场图像的检测方法，其特征在于：所述的聚光光学元件(1)是聚焦物镜；所述的彩色图像传感器(3)是可调焦距的CCD数字摄像机；所述的红外线温度传感器(7)是红外硅光电池。

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