CN103852186A - 非接触式温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度测量方法，包括：拍摄待测目标，以取得可见光影像。可见光影像包括多个像素，各像素具有影像数据，其中影像数据包括多个不同波长的亮度。接着在可见光影像的像素中获取多个有效像素，有效像素中不同波长间的至少一亮度比值介于一定值±一容许波动值之间。之后依据有效像素的影像数据来计算待测目标中对应于有效像素的多个位置的温度值。

Description

非接触式温度测量方法

技术领域

本发明涉及一种温度测量方法，尤其涉及一种非接触式温度测量方法。

背景技术

高温工业工艺系统，例如是工业炼钢炉，火力电厂以及燃烧炉等。在生产工艺中常需监控生产设备及产品温度的分布，例如炉壁温度及钢胚温度等。其中测量炉壁温度是为避免因炉壁温度过高而造成炉体结构损坏，产生危险；而测量钢胚温度可预先判断产品质量，进而改变操作设定，提升产品合格率。

温度测量装置，分为接触式以及非接触式两种测量方式。其中，传统接触式的温度测量方式以高温热电偶为主。然而，接触式的高温热电偶其温度响应速度慢且仅能单点测量，对高温工艺的调整及监控的帮助有限。

此外，非接触式的测量方式常以可见光摄影机吸收目标物的辐射能，进而搭配算法推算出代表整个影像温度分布的温度场。然而，在测量过程中，可见光摄影机会记录画面内所有具有可见光波长的物体，其中包含非测量标的物，例如水气、易反光物或是其它背景光源等。此外，影响温度计算的物体会干扰或遮蔽高温的测量目标，例如在钢铁业的工艺中，钢胚(Steel Billets)在工艺中的杂质会以锈皮(Scaling)的形式附着于钢胚表面，一但锈皮没有被完全冲洗掉，在检测钢胚温度时，锈皮会遮蔽钢胚影响测温结果，使该温度信息无效或异常。

发明内容

本发明提供一种温度测量方法，能够在利用可见光摄影机获取影像计算待测目标温度时，剔除错误的温度测量点，以增加测量温度的准确性及正确性。

本发明提出一种温度测量方法，包括拍摄待测目标，以取得可见光影像。可见光影像包括多个像素，各像素具有影像数据。各像素的影像数据包括多个不同波长的亮度。接着，在可见光影像的像素中获取多个有效像素，有效像素中不同波长间的至少一亮度比值介于一定值±一容许波动值之间。并且，依据有效像素的影像数据来计算待测目标中对应于有效像素的多个位置的温度值。

基于上述，本发明的温度测量方法利用拍摄待测目标取得可见光影像，并通过判定可见光影像中每个像素在不同波长间的亮度比值以获取有效像素。这些有效像素能够被用于计算待测目标中对应于多个有效像素的多个位置的温度值。本发明的温度测量方法能够避免在计算待测目标温度时，将燃烧过程中因水气、易反光物或是其它背景光源所产生的异常测量点的像素列入计算，造成待测目标计算结果与实际温度误差过大。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一实施例的温度测量方法的流程图。

图2A为可见光影像拍摄环境示意图。

图2B为图2A的可见光影像示意图。

图3为本实施例的可见光影像中双色波长的亮度比值与温度的关系图。

图4为本实施例的可见光影像中特定波长亮度与温度的关系图。

【主要元件符号说明】

10：待测目标

12：钢胚

100：可见光摄影机

200：计算机设备

I：可见光影像

P：像素

P1：有效像素

P2：无效像素

R1：亮度范围

B：第一波长

G：第二波长

R：第三波长

S1：第一部分

S2：第二部分

S101～S105：步骤

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的一实施例的温度测量方法的流程图。图2A为可见光影像拍摄环境示意图。图2B为图2A的可见光影像示意图。在本实施例中，测量待测目标10内温度分布的主要流程包括在步骤S101中，拍摄待测目标10以取得可见光影像I，待测目标10例如是出料钢胚12的温度场。可见光影像I包括多个像素P，各像素P具有影像数据，影像数据包括多个不同波长的亮度，例如是：第一波长B的亮度、第二波长G的亮度及第三波长R的亮度。接着在步骤S102中，在可见光影像I的多个像素P中获取多个有效像素P1，在有效像素P1中不同波长间的至少一亮度比值是介于一定值±一容许波动值之间。并且，在步骤S104中再依据有效像素P1的影像数据来计算待测目标10中对应于有效像素P1的多个位置的温度值。

图3为本实施例的可见光影像中双色波长的亮度比值与温度的关系图。请参考图1、图2B及图3，在本实施例中，可见光影像I的每一个像素P，其第一波长B例如是蓝光，第二波长G例如是绿光，第三波长R例如是红光。观察图3可以发现，随温度的增加或减少，利用可见光摄影机100所拍摄的可见光影像I，其第三波长R与第一波长B的亮度比值会大致上维持在一定值±一容许波动值范围内而不会有太大的变动，此定值例如是在0.5至1.5之间的一数值，容许波动值例如是该数值的10％。此外，第三波长R与第二波长G的亮度比值随着温度的增加而减少，第二波长G与第一波长B的亮度比值随着温度的增加而增加。

本实施例的温度测量方法能够利用可见光摄影机100取得一可见光影像I，并在可见光影像I中获取有效像素P1，其中有效像素P1的第三波长R与第一波长B的亮度比值大致上维持在1±10％之间(即定值为1，容许波动值为定值的10％)。具体而言，本实施例能够通过有效像素P1的至少一亮度比值维持在一定值±一容许波动值的范围的特性，将有效像素P1自可见光影像I的多个像素P中获取，并利用这些有效像素P1进行待测目标10的温度分布计算。因此，在本实施例中，有效像素P1可以是可见光影像I中，第三波长R与第一波长B的亮度比值范围介于0.9至1.1之间的像素点。在可见光影像I中选取特定亮度比值范围的有效像素P1，能够提高温度分布计算的准确性。因此，本实施例的温度测量方法能够避免在计算待测目标10的温度分布时，将燃烧过程中无效像素P2，例如水气、易反光物或是其它背景光源等列入计算，造成待测目标10的温度分布计算结果与实际温度误差过大。

换言之，在拍摄待测目标10时，在可见光影像I中常会纪录到生产工艺中因水气、易反光物或是其它背景光源所产生的异常测量点的像素，且这些像素的光学特性会与理想测量点的光学特性不符。本实施例通过判定可见光影像I中每个像素的第三波长R与第一波长B的亮度比值是否符合图3的趋势(例如是0.9至1.1之间)，来排除异常测量点的像素。具体而言，当像素P中的第三波长R与第一波长B的亮度比值不符合图3所示的趋势时，便将其视为是无效像素P2，并在获取有效像素P1时排除这些无效像素P2，以提升待测目标10温度计算的准确性。

图4为本实施例的可见光影像中特定波长亮度与温度的关系图。请参考图1、图2B及图4，在从可见光影像I通过亮度比值获取到有效像素P1以后，还包括一步骤S103以保留有效像素P1中的第一部分S1，并滤除第二部分S2的有效像素P1。第一部分S1的有效像素P1的特定波长的亮度介于一亮度范围R1内，第二部分S2的有效像素P1的特定波长的亮度位于亮度范围R1外。换言之，在本实施例中，步骤S103即是将可见光影像I中，亮度过饱和及亮度较小的像素排除。

在本实施例中，特定波长例如是选取波长为红光的第三波长R，观察图4，当红光的亮度较小(例如是亮度低于50)及接近饱和(例如是亮度大于240)时，亮度与温度的线性关系较不明显，将使温度计算的偏差较大。相反地，当亮度介于亮度范围R1之间时，例如是50至240之间，亮度与温度的变化大致呈线性的关系。一般在感测高温目标时，测量目标点所发射的第三波长R的亮度通常会较大，所以第三波长R适于被作为过滤亮度过饱和或亮度不足的特定波长。然而，本发明在此并不加以限制。在其它的实施例中，特定波长也可以是绿光的第二波长G或是蓝光的第一波长B，也同样可以达到过滤亮度过饱和或亮度不足的特定波长。当特定波长为第二波长G(即绿光波长)时，则亮度范围在50至240之间。当特定波长为第一波长B(即蓝光波长)时，则亮度范围在50至240之间。

在可见光影像I中，可见光影像I除了上述的无效像素P2外，还包括一种错误像素，且这些错误像素仍会影响待测目标10温度的计算。以生产钢筋的工艺为例，钢胚12在加热炉内进行加热的程序，钢胚12上的杂质会以锈皮的形式附着于钢胚12表面。这些锈皮常在后段工艺中以高压水柱被冲掉，再进行轧延动作。然而，若锈皮无法被完全冲洗掉，当检测出料钢胚12温度时，锈皮会遮蔽钢胚12影响测温结果，使温度信息无效或异常。因此，本实施例能够通过在步骤S103中，利用特定波长的亮度范围R1选取有效像素P1中的第一部分S1，以将待测目标10中遮盖高温物体的遮蔽点过滤，提升测量准确性。

此外，本实施例还可以选择重复上述步骤至少一次，以进一步滤除其它特定波长的亮度范围外的有效像素。换言之，在筛选出符合第三波长R的亮度范围R1的有效像素P1的第一部分S1以后，还可以对剩余的有效像素P1的第一部分S1，以第二波长G或第一波长B作类似的筛选，以进一步过滤有效像素P1。本实施例在此并不限制进行此筛选步骤所选用的波长范围以及筛选的次数。

请继续参考图1及图2A，在本实施例中，在完成步骤S104计算待测目标10中对应于有效像素P1的多个位置的温度值以后，还包括一步骤S105，输出待测目标10的温度分布影像。步骤S105例如是将可见光摄影机100与一计算机设备200连接，计算机设备200不但能够计算待测目标10中多个位置的温度值，更可以根据这些温度值建构出可见光影像I中的温度分布情形，以输出待测目标10的温度分布影像。

待测目标10的温度分布计算方式，可以利用现有的双色法或是三色法计算取得。以下将举一实施例介绍温度计算的方法。本实施例计算温度的方法是使用双色法改良而来的计算式如方程式(1)所示。

$T=\frac{C({{\mathrm{\λ}}_2}^{-1}-{{\mathrm{\λ}}_1}^{-1})}{\ln \frac{L_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T\right)/S_1}{L_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T\right)/S_2}+\ln A-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}}---\left(1\right)$

在方程式(1)中，λ₁为上述的第二波长G，λ₂为上述的第三波长R。L_λ1(T)为对应于第二波长G的亮度，L_λ2(T)为对应于第三波长R的亮度，A为校正系数，S₁为获取第二波长G的可见光影像I时的快门时间，S₂为获取第三波长R的可见光影像I时的快门时间，C为一常数，且该常数C＝hc/k，其中h为普朗克(Planck)常数，c为光速，k为波尔兹曼(Boltzmann)常数。在本实施例中，选取第二波长G及第三波长R作为温度计算的两种颜色的原因在于，在一般的高温物体中，第一波长B的亮度相较于第二波长G及第三波长R偏低，较不适于测量亮度并加以计算。此外，在图3中，第二波长G及第三波长R的亮度比为与温度呈线性的关系。因此适于套用在双色法中计算待测目标10所需的两种波长。然而，在其它实施例中亦可选择任两波长进行双色法计算，并不以此为限。

此外，根据方程式(1)，校正系数A是唯一待决的参数，若校正系数A确定后，则方程式(1)就可作为待测目标10计算的理论依据。因为校正系数A具有方程式(1)的物理模型。因此，取得校正系数A的方法包含：提供已知温度的多个校正点，再分别拍摄该些校正点的影像，选定该影像中一校正波长，以取得对应于该校正波长的校正亮度以及对应于一未知波长的校正亮度。则校正系数A可利用通过下列方程式(2)求得。

$A=\frac{L_{{\mathrm{\λ}}_4}\left(T_{\mathrm{ref}}\right)/S_4}{L_{{\mathrm{\λ}}_3}\left(T_{\mathrm{ref}}\right)/S_3}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_4}{\mathrm{\λ}3}\right)}^5\exp (C({{\mathrm{\λ}}_4}^{-1}-{{\mathrm{\λ}}_3}^{-1})/T_{\mathrm{ref}})---\left(2\right)$

其中，T_ref为校正点温度，λ₃为校正波长，λ₄为未知波长，S₃为获取校正波长的可见光影像I时的快门时间，S₄为获取未知波长的可见光影像I时的快门时间，L_λ3(T_ref)为校正波长的校正亮度，L_λ4(T_ref)为未知波长的校正亮度，C为一常数，该常数C＝hc/k，其中h为普朗克(Planck)常数，c为光速，k为波尔兹曼(Boltzmann)常数。据此，则可以计算出待测目标10的温度分布。

综上所述，本发明的温度测量方法利用拍摄待测目标取得可见光影像，并通过判定可见光影像中每个像素在不同波长间的亮度比值以获取有效像素。这些有效像素能够被用于计算待测目标中对应于多个有效像素的多个位置的温度值。本发明的温度测量方法能够避免在计算待测目标温度时，将生产工艺中因水气、易反光物或是其它背景光源所产生的异常测量点的像素列入计算，造成待测目标计算结果与实际温度误差过大。此外，本发明能够利用于特定波长的亮度范围选取有效像素中的第一部分，以将待测目标中遮盖高温物体的遮蔽点过滤，提升测量准确性。另外，更可以选择重复前述步骤至少一次，以进一步滤除其它特定波长的亮度范围之外的有效像素。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种温度测量方法，其特征在于包括：

拍摄一待测目标，以取得一可见光影像，该可见光影像包括多个像素，所述每个像素具有一影像数据，该影像数据包括多个不同波长的亮度；

在该可见光影像的该些像素中获取多个有效像素，其中该些有效像素中该些不同波长间的至少一亮度比值介于一定值±一容许波动值之间；以及

依据该些有效像素的该影像数据来计算该待测目标中对应于该些有效像素的多个位置的温度值。

2.如权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于还包括在获取到该些有效像素之后，保留一第一部份的该些有效像素，滤除一第二部分的有效像素，其中该第一部分的该些有效像素的一特定波长的亮度介于一亮度范围内，该第二部分的该些有效像素的该特定波长的亮度位于该亮度范围外，并且以该第一部分的该些有效像素来计算该待测目标中对应于该些有效像素的多个位置的温度值。

3.如权利要求2所述的温度测量方法，其特征在于还包括重复权利要求2所述的步骤至少一次，滤除其它特定波长的亮度范围之外的该些有效像素。

4.如权利要求2所述的温度测量方法，其特征在于该特定波长为蓝光波长，而该亮度范围为50至240。

5.如权利要求2所述的温度测量方法，其特征在于该特定波长为绿光波长，而该亮度范围为50至240。

6.如权利要求2所述的温度测量方法，其特征在于该特定波长为红光波长，而该亮度范围为50至240。

7.如权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于该定值为0.5至1.5之间的一数值，该容许波动值为该数值的10％。

8.如权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于该影像数据包括一第一波长、一第二波长及一第三波长，该第一波长为蓝光，该第二波长为绿光，该第三波长为红光，且该第三波长与该第一波长的亮度比值介于0.9至1.1之间。

9.如权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于还包括在计算出所述有效像素位置的该些温度值之后，输出该待测目标的一温度分布影像。

10.如权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于该影像数据包括一第一波长、一第二波长与一第三波长，该第一波长为蓝光，该第二波长为绿光，该第三波长为红光，且依据该些有效像素的该影像数据来计算该待测目标中对应于该些有效像素位置的温度值的方法包括：

根据下列方程式来计算所述每个有效像素的温度：

$T=\frac{C({{\mathrm{\λ}}_2}^{-1}-{{\mathrm{\λ}}_1}^{-1})}{\ln \frac{L_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T\right)/S_1}{L_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T\right)/S_2}+\ln A-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}}$

其中λ₁为该第二波长，λ₂为该第三波长，L_λ1(T)为对应于该第二波长的亮度，L_λ2(T)为对应于该第三波长的亮度，A为一校正系数，S₁为获取该第二波长的可见光影像时的快门时间，S₂为获取该第三波长的可见光影像时的快门时间，C为一常数，该常数C＝hc/k，其中h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数。

11.权利要求10所述的温度测量方法，其特征在于取得该校正系数A的方法包括：

提供已知温度的多个校正点；

分别拍摄该些校正点的影像，并选定影像中的一校正波长，以取得对应于该校正波长的校正亮度以及对应于一未知波长的校正亮度；以及

依据下列方程式来计算该校正系数A与该未知波长的关系：

$A=\frac{L_{{\mathrm{\λ}}_4}\left(T_{\mathrm{ref}}\right)/S_4}{L_{{\mathrm{\λ}}_3}\left(T_{\mathrm{ref}}\right)/S_3}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_4}{\mathrm{\λ}3}\right)}^5\exp (C({{\mathrm{\λ}}_4}^{-1}-{{\mathrm{\λ}}_3}^{-1})/T_{\mathrm{ref}})$

其中，T_ref为校正点温度，λ₃为该校正波长，λ₄为该未知波长，S₃为获取该校正波长的可见光影像时的快门时间，S₄为获取该未知波长的可见光影像时的快门时间，L_λ3(T_ref)为该校正波长的校正亮度，L_λ4(T_ref)为该未知波长的校正亮度。

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