CN101403639A - 碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法 - Google Patents

Abstract

碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，属于检测方法，其目的在于无需知道三基色代表性波长，考虑带宽对测量精度的影响，以提高检测精度。本发明事先经黑体炉标定CCD探测器，拟合得到两基色比值与温度之间的函数关系式T＝f(K)以及温度与黑体三基色值之一之间的函数关系式X_b＝f(T)；以下步骤包括：(1)获取彩色图像；(2)获取图像三基色值；(3)获取两基色比值；(4)计算火焰温度图像；(5)计算黑体三基色值；(6)计算火焰黑度图像。本发明对测量对象的环境没有干扰，不需知道CCD探测器的三基色代表性波长，同时考虑了光谱带宽对测量的影响，温度检测误差小于1.3％，黑度检测误差小于9.5％。

Description

碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法

技术领域

本发明属于检测方法，特别涉及一种碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，适用于碳氢燃料燃烧火焰温度及其黑度检测。

背景技术

将辐射图像处理技术和计算机技术应用于碳氢火焰的燃烧监测、诊断、控制，是近年来出现的一种新技术。由于其具有耐高温、对环境适应性强、测温范围广和非接触测量等特点，目前越来越受到国内外学者的重视，理论研究和实验室试验已经开展多年，近年来逐步进入工业性试验研究阶段。国内外广泛采用的基本方法是基于普朗克辐射定律的双色法，例如，Y.Huang and Y.Yan所发表的“基于双光谱图像分析的扩散火焰实时二维温度测量”(Transient two-dimensional temperaturemeasurement of open flame by dual-spectral image analysis，Transactions ofthe Institute of Measurement and Control，2000，Vol.22(5)：371-384)需要获取测量对象在两个波长下的单色辐射图像；这种方法的实现需要复杂的光电装置，成本高且可靠性无法得到保证。

国内学者提出了基于彩色CCD的火焰温度图像检测方法，见王飞，薛飞，马增益等，“运用彩色CCD双色信息测量燃烧火焰的温度场”，发电设备，1998，(6)：2-5，其原理是将彩色CCD捕捉的彩色火焰图像中红、绿、蓝三基色信号作为火焰在各自代表性波长下的单色辐射能，采用双色法原理进行温度图像检测。这种方法仅需检测彩色图像就可进行温度图像计算，结构简单，容易实现。但如果CCD视角范围内火焰温度变化范围较大时，捕捉到的彩色火焰图像中红、绿、蓝三基色信号容易饱和从而影响测温精度。专利号01106579.6，名称为“炉膛燃烧温度图像检测方法”的中国专利，提供了一种炉膛燃烧温度图像检测方法，该方法可以降低检测装置和方法的复杂性，提高计算精度，加宽检测范围。但以上方法需要知道三基色代表性波长，忽略了带宽对其测量精度的影响。

发明内容

本发明提出一种碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，其目的在于无需知道三基色代表性波长，考虑带宽对测量精度的影响，以提高检测精度。

本发明的一种碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，事先经黑体炉标定CCD探测器，拟合得到针对该CCD探测器的两基色比值与温度之间的函数关系式T＝f(K)，以及温度与黑体三基色值之一之间的函数关系式X_b＝f(T)；以下包括：

(1)获取彩色图像步骤：采用CCD探测器获取火焰图像，经计算机图像采集系统得到火焰彩色图像；

(2)获取图像三基色值步骤：从火焰彩色图像得到各像素红、绿、蓝三基色值R_ij、G_ij、B_ij；

(3)获取两基色比值步骤：任意选取两基色计算火焰彩色图像中各像素的两基色比值K_ij；

(4)计算火焰温度图像步骤：根据事先得到的两基色比值与温度之间的函数关系式T＝f(K)，计算得到火焰温度图像，其中各像素温度T_ij；

(5)计算黑体三基色值步骤：根据事先得到的温度与黑体三基色值之一之间的函数关系式X_b＝f(T)，计算火焰彩色图像中同温度下各像素的黑体三基色值之一X_b，ij；

(6)计算火焰黑度图像步骤：将火焰彩色图像中各像素红、绿、蓝三基色值R_ij、G_ij、B_ij中任意一基色值和与之相对应的同温度下的黑体三基色值之一X_b，ij相比，计算得到火焰黑度图像，其中各像素黑度ε_ij，ε_ij＝X_ij/X_b，ij，X_ij表示R_ij、G_ij、B_ij其中之一；

上述i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n；m、n分别为图像行、列方向像素个数。

所述的碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，其特征在于：

所述针对CCD探测器的两基色比值与温度之间的函数关系式T＝f(K)获得过程为：经黑体炉标定CCD探测器，CCD探测器获得黑体炉不同温度时的彩色辐射图像，从而获得相应该彩色辐射图像的三基色平均值r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)，从三基色平均值之中任选两基色平均值计算其比值K，用基于最小二乘法的多项式拟合得到比值K与温度T之间的函数关系式T＝f(K)；

所述针对CCD探测器的温度与黑体三基色值之一之间的函数关系式X_b＝f(T)获得过程为：经黑体炉标定CCD探测器，CCD探测器获得黑体炉不同温度时的彩色辐射图像，从而获得相应该彩色辐射图像的三基色平均值r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)，任选三基色平均值r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)之一X_b，用基于最小二乘法的多项式拟合得到温度T与X_b之间的函数关系式X_b＝f(T)。

所述的碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，其特征在于：

所述获取图像三基色值步骤中，从火焰彩色图像得到各像素红、绿、蓝三基色值的过程为：CCD探测器获得的火焰彩色图像的信息经图像采集系统以RGB24的位图文件格式送入计算机存储系统中，火焰彩色图像中每像素的红、绿、蓝三基色值R_ij、G_ij、B_ij各以8位字节的形式存储在位图文件中，通过编程读取位图文件中相应的数据得到火焰彩色图像中各像素的红、绿、蓝三基色值R_ij、G_ij、B_ij。

本发明是一种非接触式测量方法，对测量对象的环境没有干扰，相对于其它双色法，不需要知道CCD探测器的三基色代表性波长，同时也考虑了光谱带宽对测量方法的影响，对温度检测误差可以小于1.3％，黑度检测误差小于9.5％。

附图说明

图1.本发明黑体炉标定CCD探测器示意图；

图2(a).本发明黑体炉标定红绿两基色比值与温度之间的关系及其拟合曲线；

图2(b).本发明黑体炉标定温度与黑体红色基色值之间的关系及其拟合曲线；

图3(a).本发明工业性试验120MW负荷时火焰辐射图像；

图3(b).本发明工业性试验140MW负荷时火焰辐射图像；

图4(a).本发明工业性试验120MW负荷时火焰温度图像；

图4(b).本发明工业性试验140MW负荷时火焰温度图像；

图5(a).本发明工业性试验120MW负荷时火焰黑度图像；

图5(b).本发明工业性试验140MW负荷时火焰黑度图像；

图6(a).本发明工业性试验锅炉炉膛左侧火焰计算温度与机组负荷曲线示意图；

图6(b).本发明工业性试验锅炉炉膛右侧火焰计算温度与机组负荷曲线示意图；

图7(a).本发明工业性试验锅炉炉膛左侧火焰计算温度与热电偶测量温度曲线示意图；

图7(b).本发明工业性试验锅炉炉膛右侧火焰计算温度与热电偶测量温度曲线示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

对遵守Planck辐射定律的一般物体，当在温度T下发出彩色光时，CCD探测器检测到的红、绿、蓝三基色值r(T)、g(T)、b(T)可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}r\left(T\right)=k_r{\∫}_{380}^{780}\stackrel{\‾}{r}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T\right)E_b(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\\ g\left(T\right)=k_g{\∫}_{380}^{780}\stackrel{\‾}{g}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T\right)E_b(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\\ b\left(T\right)=k_b{\∫}_{380}^{780}\stackrel{\‾}{b}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T\right)E_b(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，k_r、k_g、k_b分别为CCD探测器红、绿、蓝三通道比例系数；λ为波长；r(T)、g(T)、b(T)为国际照明委员会(CIE)1931年定义的标准色度观察者光谱三刺激值；ε_λ(T)为单色黑度(辐射率)；E_b(λ，T)为单色辐射力。

对于碳氢燃烧火焰，可以假设其为灰体对象，即火焰的单色黑度ε_λ(T)不随波长变化，则有：

ε_λ(T)＝ε(T)                                        (2)

将式(2)带入式(1)，有：

$\left\{\begin{array}{c}r\left(T\right)=\mathrm{\ϵ}\left(T\right)r_b\left(T\right)\\ g\left(T\right)=\mathrm{\ϵ}\left(T\right)g_b\left(T\right)\\ b\left(T\right)=\mathrm{\ϵ}\left(T\right)b_b\left(T\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)为CCD探测器检测到的温度为T时黑体发出的红、绿、蓝三基色值：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_b\left(T\right)=k_r{\∫}_{380}^{780}\stackrel{\‾}{r}\left(\mathrm{\λ}\right)E_b(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\\ g_b\left(T\right)=k_g{\∫}_{380}^{780}\stackrel{\‾}{g}\left(\mathrm{\λ}\right)E_b(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\\ b_b\left(T\right)=k_b{\∫}_{380}^{780}\stackrel{\‾}{b}\left(\mathrm{\λ}\right)E_b(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(4\right)$

r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)很容易通过标准黑体炉标定得到。将黑体炉设定到不同温度T，CCD探测器检测到不同温度T时黑体炉辐射出的红、绿、蓝三基色值r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)。这里以红色基色来说明，不同的温度T对应着不同的r_b(T)，因此r_b(T)和T的关系可以用最小二乘法拟合成一个多项式函数f(T)来表示：

$r_b\left(T\right)=f\left(T\right)=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{T}^i---\left(5\right)$

式(5)中，i为多项式阶数；M为多项式最高阶数；a_i为多项式第i阶系数。

将式(3)变形可以很容易得到以下关系式：

$\mathrm{\ϵ}\left(T\right)=\frac{r\left(T\right)}{r_b\left(T\right)}=\frac{g\left(T\right)}{g_b\left(T\right)}=\frac{b\left(T\right)}{b_b\left(T\right)}---\left(6\right)$

选取三基色中的任意两个基色(这里选取红色和绿色两个基色来说明)并对式(6)进行变形，则有：

$\frac{r\left(T\right)}{g\left(T\right)}=\frac{r_b\left(T\right)}{g_b\left(T\right)}=K_{\mathrm{rg}}\left(T\right)---\left(7\right)$

式(7)中，K_rg(T)为红、绿两基色值在温度T时的比值。从式(7)可以看出，在温度T时灰体火焰发出的红绿两基色的比值与同温度下黑体发出的红绿两基色的比值是相同的，因此只要知道灰体火焰发出的红绿两基色的比值K_rg(T)就可以知道灰体火焰的温度T。红绿两基色的比值K_rg(T)与温度T之间的关系可以用标准黑体炉标定获得。将黑体炉设定到不同温度T，CCD探测器检测到不同温度T时黑体炉辐射出的红、绿、蓝三基色值r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)，也即得到了一系列的红绿两基色的比值K_rg(T)，同样采用最小二乘法拟合，K_rg(T)与T的关系可以用一个多项式函数来表示：

$T=f\left(K_{\mathrm{rg}}\right)=\underset{j=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j{K}_{\mathrm{rg}}^j---\left(8\right)$

式(8)中，j为多项式阶数；N为多项式最高阶数；b_j为多项式第j阶系数。

根据式(8)从火焰发出的红绿两基色的比值K_rg(T)可计算出火焰温度T，由式(5)可计算出黑体在温度为T时辐射出的红色基色值r_b(T)，由式(6)则火焰的黑度ε(T)为：

$\mathrm{\ϵ}\left(T\right)=\frac{r\left(T\right)}{r_b\left(T\right)}=\frac{r\left(T\right)}{\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{T}^i}---\left(9\right)$

图1为碳氢火焰温度图像及其黑度图像检测装置黑体炉标定示意图，利用温控系统3设定黑体炉2温度，将CCD探测器1拍摄到的彩色辐射图像送入计算机图像处理系统4。CCD探测器1由光学镜片组，外层套管和三星SCC-B2303P彩色CCD摄像头组成，其CCD摄像头具体参数见表1所示。图像采集卡为天敏SDK-2000，显示分辨率640×480，色数24位真彩色，采集速度30帧/秒。表2为黑体炉标定结果。表3为黑体炉设定值与基于本发明方法计算值比较，从表3中可以看出，计算温度相对误差小于1.3％，计算黑度相对误差小于9.5％。图2(a)为辐射图像中红绿两基色比值K_RG与温度T的关系及拟合曲线5，拟合曲线5的函数表达式为：T＝435.30015+153.3156K_RG+278.40623K² _RG；图2(b)为CCD探测器快门速度设置为1/50s时温度T与黑体下红色基色R_b的关系及拟合曲线6，拟合曲线6的函数表达式为：R_b＝-2987.78765+18.40576T-0.03433T²+2.0404E-5T³。

表1

表2

表3

在一台480t/h循环流化床锅炉上进行本发明工业性试验。沿炉膛高度方向在锅炉两侧前墙布置了6只CCD探测器。图3(a)为检测系统在机组负荷为120MW时获取的火焰辐射图像；图3(b)为检测系统在机组负荷为140MW时获取的火焰辐射图像。火焰辐射图像由下至上分别为炉膛标高10.2m、13.5m、28.5m处CCD探测器拍摄得到，左右两列图像分别表示CCD探测器位于炉膛两侧前墙上。图4(a)为基于本发明方法得到的120MW负荷时炉膛火焰温度图像；图4(b)为基于本发明方法得到的140MW负荷时炉膛火焰温度图像。图5(a)为基于本发明方法得到的120MW负荷时炉膛火焰黑度图像；图5(b)为基于本发明方法得到的140MW负荷时炉膛火焰黑度图像。图6(a)为基于本发明方法得到的锅炉炉膛左侧火焰计算温度与机组负荷曲线示意图，图中，左侧炉膛标高10.2m处计算火焰温度曲线8、左侧炉膛标高13.5m处计算火焰温度曲线9、左侧炉膛标高28.5m处计算火焰温度曲线10、机组负荷曲线7；图6(b)为基于本发明方法得到的锅炉炉膛右侧火焰计算温度与机组负荷曲线示意图，图中，右侧炉膛标高10.2m处计算火焰温度曲线11、右侧炉膛标高13.5m处计算火焰温度曲线12、右侧炉膛标高28.5m处计算火焰温度曲线13、机组负荷曲线7。从图6(a)、图6(b)中可以看出计算温度随着机组负荷的增减而增减，与实际工况吻合。图7(a)为基于本发明方法得到的锅炉炉膛左侧火焰计算温度与热电偶测量温度曲线示意图，图中，左侧炉膛标高10.2m处火焰温度曲线15、该处热电偶测量温度曲线14；图7(b)为基于本发明方法得到的锅炉炉膛右侧火焰计算温度与热电偶测量温度曲线示意图，图中，右侧炉膛标高10.2m处火焰温度曲线17、该处热电偶测量温度曲线16。从图7(a)、(b)中可以看出计算得到的火焰温度与热电偶测量得到温度比较接近，绝对误差小于30℃。

工业性试验结果表明，碳氢火焰温度图像及其黑度图像检测方法可以满足碳氢燃料燃烧检测工业应用。

Claims (3)

1.一种碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，事先经黑体炉标定CCD探测器，拟合得到针对该CCD探测器的两基色比值与温度之间的函数关系式T＝f(K)，以及温度与黑体三基色值之一之间的函数关系式X_b＝f(T)；以下包括：

(1)获取彩色图像步骤：采用CCD探测器获取火焰图像，经计算机图像采集系统得到火焰彩色图像；

(2)获取图像三基色值步骤：从火焰彩色图像得到各像素红、绿、蓝三基色值R_ij、G_ij、B_ij；

(3)获取两基色比值步骤：任意选取两基色计算火焰彩色图像中各像素的两基色比值K_ij；

(4)计算火焰温度图像步骤：根据事先得到的两基色比值与温度之间的函数关系式T＝f(K)，计算得到火焰温度图像，其中各像素温度T_ij；

(5)计算黑体三基色值步骤：根据事先得到的温度与黑体三基色值之一之间的函数关系式X_b＝f(T)，计算火焰彩色图像中同温度下各像素的黑体三基色值之一X_b，ij；

(6)计算火焰黑度图像步骤：将火焰彩色图像中各像素红、绿、蓝三基色值R_ij、G_ij、B_ij中任意一基色值和与之相对应的同温度下的黑体三基色值之一X_b，ij相比，计算得到火焰黑度图像，其中各像素黑度ε_ij，ε_ij＝X_ij/X_b，ij，X_ij表示R_ij、G_ij、B_ij其中之一；

上述i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n；m、n分别为图像行、列方向像素个数。

2.如权利要求1所述的碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，其特征在于：

所述针对CCD探测器的两基色比值与温度之间的函数关系式T＝f(K)获得过程为：经黑体炉标定CCD探测器，CCD探测器获得黑体炉不同温度时的彩色辐射图像，从而获得相应该彩色辐射图像的三基色平均值r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)，从三基色平均值之中任选两基色平均值计算其比值K，用基于最小二乘法的多项式拟合得到比值K与温度T之间的函数关系式T＝f(K)；

所述针对CCD探测器的温度与黑体三基色值之一之间的函数关系式X_b＝f(T)获得过程为：经黑体炉标定CCD探测器，CCD探测器获得黑体炉不同温度时的彩色辐射图像，从而获得相应该彩色辐射图像的三基色平均值r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)，任选三基色平均值r_b(T)、g_b(T)、b_b(T)之一X_b，用基于最小二乘法的多项式拟合得到温度T与X_b之间的函数关系式X_b＝f(T)。

3.如权利要求1或2所述的碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，其特征在于：

所述获取图像三基色值步骤中，从火焰彩色图像得到各像素红、绿、蓝三基色值的过程为：CCD探测器获得的火焰彩色图像的信息经图像采集系统以RGB24的位图文件格式送入计算机存储系统中，火焰彩色图像中每像素的红、绿、蓝三基色值R_ij、G_ij、B_ij各以8位字节的形式存储在位图文件中，通过编程读取位图文件中相应的数据得到火焰彩色图像中各像素的红、绿、蓝三基色值R_ij、G_ij、B_ij。

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