CN104568158A - 高温烟气流下受热面温度场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温烟气流下受热面温度场测量装置及方法：装置包括一双光路内窥镜头(2)、一红外CCD(3)、一管状密闭冷却壳体(1)，用于所述保护双光路内窥镜头和红外CCD相机，其将双光路内窥镜头和红外CCD相机完全包覆，壳体前端留有双光路内窥镜头进光口、壳体上还设有压缩空气入口和相机电源线和数据线接头；中心波长分别为λ₁和λ₂的两滤光片(41、42)，用于过滤其他波段的杂光，安装在双光路内窥镜头与红外CCD相机的光敏部件之间；电脑(5)，内嵌温度测量软件，将红外CCD相机采集得到的图像信息转化为温度信息。本发明镜头内无需滤光轮转动装置，减少了振动对成像的影响；只需要一个CCD相机实现双波长测温，克服了两个相机带来的时间难同步问题。

Description

高温烟气流下受热面温度场测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高温烟气流下受热面的温度场测量装置，本发明还涉及采用所述装置在高温烟气流下受热面的温度场测量方法。

背景技术

过热器、再热器、蒸汽管道、联箱等重要部件是燃煤发电厂锅炉汽水管道系统中承受蒸汽温度和压力最高的部件，也是对超温最为敏感的部件，有效地监测这些重要部件的安全状态，是锅炉安全稳定运行亟待解决的问题。

温度的测量分为接触式和非接触式两种，接触式测量由于安装困难、只能进行点测量、容易影响测量处的温度、响应时间慢、存在测温上下限等缺点不适合用于温度场的在线检测，非接触测温方法则不存在这些问题，在生产过程监测、产品质量控制、设备在线故障诊断和节约能源等方面都发挥着重要作用。

电站锅炉的烟气中含有二氧化碳、水蒸气、颗粒等辐射参与性介质，利用红外测温方法透过这层烟气测量管壁的温度则需要消除这些辐射参与性介质的影响。

现有的高温烟气流下受热面温度场测量方法及装置，容易受辐射参与性介质的影响，不够准确，且在现有双波长辐射测温装置中，利用单CCD相机的需要滤光轮转动装置，这样振动会对成像产生影响，且两张照片拍摄时间不同步；若利用双CCD相机则成本较高，且装置控制参数较多不易匹配，不方便安装调试。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种高温烟气流下受热面的温度场测量装置。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种高温烟气流下受热面的温度场测量方法。

采用本发明的高温烟气流下受热面温度场测量方法及装置，能够降低辐射参与性介质的影响，且镜头内无需滤光轮转动装置，减少了振动对成像的影响，同时实现了单个CCD相机进行双波长测温，另外本发明还具有装置控制参数少、方便安装调试、测量准确等优点。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高温烟气流下受热面的温度场测量装置，其特征是包括：

一双光路内窥镜头2，用于收集来自视场的辐射能量，其含依次连接的红外窗口21、孔径光阑22、物镜23、分光棱镜24、反射镜组25、目镜26和视场光阑27；

一红外CCD相机3，用于采集所述双光路内窥镜头所成的图像；

两滤光片4，用于过滤其他波段的杂光，安装在双光路内窥镜头与红外CCD相机的光敏部件之间；

一管状密闭冷却壳体1，用于所述的保护双光路内窥镜头和红外CCD相机，其将双光路内窥镜头和红外CCD相机完全包覆，壳体前端留有双光路内窥镜头进光口(同时为压缩空气出口)、壳体上还设有压缩空气入口和相机电源线和数据线接头。

一电脑5，用于计算视场内的温度分布，它内嵌温度测量软件，将红外CCD相机采集得到的图像信息转化为温度信息。

所述的双光路内窥镜头和滤光片的具体布置为：

所述的分光棱镜24中的透反面与镜头主光轴呈45度角倾斜于光路，将入射光束一分为二：一路被反射与镜头主光轴呈90度出射、一路沿入射光束方向出射，所述的反射镜组25共有7块反射镜，将反射光束和透射光束变为平行且相邻的两束光投射到所述的目镜26上。

具体为：

第一反射镜251布置在分光棱镜24正上方，将分光棱镜24的反射光束顺时针折射90度，并保证反射光束不会被第三反射镜253遮挡；

第二反射镜252布置在与第一反射镜251等高的位置上，将经第一反射镜251折射的反射光束再顺时针折射90度；

第三反射镜253布置在第二反射镜252的正下方，且其下缘在镜头主光轴上，将经第二反射镜252折射的反射光束逆时针旋转90度投射至目镜26；

第四反射镜254布置在分光棱镜24等高的位置上，将透射光束顺时针折射90度；

第五反射镜255布置在第四反射镜254的正下方，为保证反射光束和透射光束没有光程差，第四反射镜254与第五反射镜255的距离应等于第一反射镜251与分光棱镜24透反面的距离，它将经第四反射镜254折射的透射光束逆时针折射90度；

第六反射镜256布置在第五反射镜255的等高位置上，且位于第二反射镜252的正下方，将经第五反射镜255折射的透射光束再逆时针折射90度；

第七反射镜257布置在第六反射镜256的正上方，其上缘在镜头主光轴上，将经第六反射镜256折射的透射光束顺时针折射90度透射至目镜；

所述的两滤光片波长不同，第一滤光片的波长为λ₁、第二滤光片的波长为λ₂，其中第一滤光片41、第二滤光片42分别对应第七、第三反射镜253、257透过目镜和视场光阑的反射和透射光束。

优选地，所述双光路内窥镜头的物镜、目镜和分光棱镜为在红外CCD相机光谱响应范围内具有较高透过率的物镜、目镜和分光棱镜。

优选地，所述的滤光片应能避开水蒸气和二氧化碳的吸收波段，且要在红外CCD相机的光谱响应范围内。

优选地，所述的管状密闭冷却壳体1通过法兰联接。

解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种采用上述装置在高温烟气流下受热面的温度场测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：利用标准黑体，分别标定两个滤光片中心波长下在不同温度时的系统响应函数；

S2：利用所述装置的双光路内窥镜头对准高温烟气流下的被测表面，通过红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线传输到电脑中，利用自编程的分析软件计算得到被测表面的温度场分布。

所述的分析软件的计算原理为：

根据普朗克定律，黑体的光谱辐射能量和温度之间的关系为：

$E_{\mathrm{b\λ}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\mathrm{\λT}]-1}---\left(1\right)$

式中，E_bλ表示黑体光谱辐射能量，c₁表示普朗克定律第一辐射常数，c₁＝3.7418×10⁸W·μm⁴/m²，λ表示光谱波长，c₂表示普朗克定律第二辐射常数，c₂＝1.4388×10⁴μm·K，T表示温度。

当c₂/λT＞＞1时，一般物体的光谱发射能量可表示为维恩公式：

$E_{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\mathrm{\λT}]}---\left(2\right)$

式中，E_λ表示一般物体的光谱辐射能量，ε(λ)表示一般物体的光谱发射率。

辐射能量经过光学系统后被分成两束，它们的系统响应函数K(λ₁,T)和K(λ₂,T)可以通过标准黑体分别标定得到，则相同位置上发射的能量经过光学系统后落在红外CCD对应的两个位置上的灰度值分别为：

$H_{{\mathrm{\λ}}_1}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\·K({\mathrm{\λ}}_1,T)\·c_1{\mathrm{\λ}}_1^{-5}}{\exp [c_2/{\mathrm{\λ}}_{1}T]}---\left(3\right)$

$H_{{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\·K({\mathrm{\λ}}_2,T)\·c_1{\mathrm{\λ}}_2^{-5}}{\exp [c_2/{\mathrm{\λ}}_{2}T]}---\left(4\right)$

式中，λ₁和λ₂分别表示两片滤光片的中心透过波长，表示经过波长为λ₁的滤光片后到达CCD上的灰度值，表示对应的光束经过波长为λ₂的滤光片后到达CCD上的灰度值。

由于滤波片的透过波长避开了水蒸气和二氧化碳的吸收谱段，烟气中的颗粒对两个波段的沿程散射衰减比相近，假设固体表面满足灰体假设，则不用测量物体表面的发射率即可建立温度与灰度值的关系：

$\frac{H_{{\mathrm{\λ}}_1}}{H_{{\mathrm{\λ}}_2}}=\frac{K({\mathrm{\λ}}_1,T)}{K({\mathrm{\λ}}_2,T)}\·{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^{-5}\·\exp \left[\frac{c_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})\right]---\left(5\right)$

将公式(5)进行简单转化即可得到被测表面的温度：

$T=\frac{c_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})}{\ln \left(\frac{K({\mathrm{\λ}}_1,T)}{{\mathrm{\λ}}_2,T}\right)-\ln \left(\frac{H_{{\mathrm{\λ}}_1}}{H_{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)-51m\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}---\left(6\right).$

本发明具有以下优点：镜头内无需滤光轮转动装置，减少了振动对成像的影响；只需要一个CCD相机实现双波长测温，克服了两个相机带来的时间难同步问题；另外本发明还具有装置控制参数少、方便安装调试、测量准确等优点。

本发明特别适用于对电站锅炉过热器、再热器、蒸汽管道、联箱等外壁温测量，为电站锅炉高温设备的温度场线监测、寿命评估以及失效预警提供直接或者间接的测量数据。

附图说明

图1为本发明的高温烟气流下受热面的温度测量装置连接示意图。

图中：1-管状密闭冷却壳体，2-双光路内窥镜头，21-红外窗口，22-孔径光阑，23-物镜，24-分光棱镜，25-反射镜组，251-257—第一至第七反射镜，26-目镜，27-视场光阑，3-红外CCD相机，4-滤光片，41-第一滤光片，42-第二滤光片，5-电脑。

具体实施方式

参见图1，本发明的高温烟气流下受热面的温度场测量装置实施例，其包括：

一双光路内窥镜头2，用于收集来自视场的辐射能量，其含依次连接的红外窗口21、孔径光阑22、物镜23、分光棱镜24、反射镜组25、目镜26和视场光阑27；

一红外CCD相机3，用于采集所述双光路内窥镜头所成的图像；

一管状密闭冷却壳体1，用于所述的保护双光路内窥镜头和红外CCD相机，其将双光路内窥镜头和红外CCD相机完全包覆，壳体前端留有双光路内窥镜头进光口(同时为压缩空气出口)、壳体上还设有压缩空气入口和相机电源线和数据线接头。

两滤光片4，用于过滤其他波段的杂光，安装在双光路内窥镜头与红外CCD相机的光敏部件之间；

一电脑5，用于计算视场内的温度分布，它内嵌温度测量软件，将红外CCD相机采集得到的图像信息转化为温度信息。

双光路内窥镜头和滤光片的具体布置为：分光棱镜24中的透反面与镜头主光轴呈45度角倾斜于光路，将入射光束一分为二：一路被反射与镜头主光轴呈90度出射、一路沿入射光束方向出射，所述的反射镜组25共有7块反射镜，将反射光束和透射光束变为平行且相邻的两束光投射到所述的目镜26上。

7块反射镜的具体布置为：第一反射镜251布置在分光棱镜24正上方，将分光棱镜24的反射光束顺时针折射90度，并保证反射光束不会被第三反射镜253遮挡；第二反射镜252布置在与第一反射镜251等高的位置上，将经第一反射镜251折射的反射光束再顺时针折射90度；第三反射镜253布置在第二反射镜252的正下方，且其下缘在镜头主光轴上，将经第二反射镜252折射的反射光束逆时针旋转90度投射至目镜26；第四反射镜254布置在分光棱镜24等高的位置上，将透射光束顺时针折射90度；第五反射镜255布置在第四反射镜254的正下方，为保证反射光束和透射光束没有光程差，第四反射镜254与第五反射镜255的距离应等于第一反射镜251与分光棱镜24透反面的距离，它将经第四反射镜254折射的透射光束逆时针折射90度；第六反射镜256布置在第五反射镜255的等高位置上，且位于第二反射镜252的正下方，将经第五反射镜255折射的透射光束再逆时针折射90度；第七反射镜257布置在第六反射镜256的正上方，其上缘在镜头主光轴上，将经第六反射镜256折射的透射光束顺时针折射90度透射至目镜。

两滤光片波长不同，第一滤光片的波长为λ₁、第二滤光片的波长为λ₂，其中第一滤光片41、第二滤光片42分别对应第七、第三反射镜253、257透过目镜和视场光阑的反射和透射光束。

其中的双光路内窥镜头的物镜、目镜和分光棱镜为在红外CCD相机光谱响应范围内具有较高透过率的物镜、目镜和分光棱镜；滤光片应能避开水蒸气和二氧化碳的吸收波段，且要在红外CCD相机的光谱响应范围内；管状密闭冷却壳体1通过法兰联接。

采用上述装置在高温烟气流下受热面的温度测量的实施例，具体包括以下步骤：

S1：利用标准黑体，分别标定两个滤光片中心波长下在不同温度时的系统响应函数；

S2：利用所述装置的特制双光路内窥镜头对准高温烟气流下的被测表面，通过红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线传输到电脑中，利用分析软件计算得到被测表面的温度场分布。

所述的分析软件的计算原理为：

根据普朗克定律，黑体的光谱辐射能量和温度之间的关系为：

$E_{\mathrm{b\λ}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\mathrm{\λT}]-1}---\left(1\right);$

式中，E_bλ表示黑体光谱辐射能量，c₁表示普朗克定律第一辐射常数，c₁＝3.7418×10⁸W·μm⁴/m²，λ表示光谱波长，c₂表示普朗克定律第二辐射常数，c₂＝1.4388×10⁴μm·K，T表示温度；

当c₂/λT＞＞1时，一般物体的光谱发射能量表示为维恩公式：

$E_{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\exp [c_2/\mathrm{\λT}]}---\left(2\right);$

式中，E_λ表示一般物体的光谱辐射能量，ε(λ)表示一般物体的光谱发射率；

辐射能量经过光学系统后被分成两束，它们的系统响应函数K(λ₁,T)和K(λ₂,T)通过标准黑体分别标定得到，则相同位置上发射的能量经过光学系统后落在红外CCD对应的两个位置上的灰度值分别为：

$H_{{\mathrm{\λ}}_1}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\·K({\mathrm{\λ}}_1,T)\·c_1{\mathrm{\λ}}_1^{-5}}{\exp [c_2/{\mathrm{\λ}}_{1}T]}---\left(3\right);$

$H_{{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\·K({\mathrm{\λ}}_2,T)\·c_1{\mathrm{\λ}}_2^{-5}}{\exp [c_2/{\mathrm{\λ}}_{2}T]}---\left(4\right);$

式中，λ₁和λ₂分别表示两片滤光片的中心透过波长，表示经过波长为λ₁的滤光片后到达CCD上的灰度值，表示对应的光束经过波长为λ₂的滤光片后到达CCD上的灰度值。

由于滤波片的透过波长避开了水蒸气和二氧化碳的吸收谱段，烟气中的颗粒对两个波段的沿程散射衰减比相近，假设固体表面满足灰体假设，则不用测量物体表面的发射率即可建立温度与灰度值的关系：

$\frac{H_{{\mathrm{\λ}}_1}}{H_{{\mathrm{\λ}}_2}}=\frac{K({\mathrm{\λ}}_1,T)}{K({\mathrm{\λ}}_2,T)}\·{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^{-5}\·\exp \left[\frac{c_2}{T}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})\right]---\left(5\right);$

将公式(5)进行简单转化即可得到被测表面的温度：

$T=\frac{c_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})}{\ln \left(\frac{K({\mathrm{\λ}}_1,T)}{{\mathrm{\λ}}_2,T}\right)-\ln \left(\frac{H_{{\mathrm{\λ}}_1}}{H_{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)-51m\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}---\left(6\right).$

Claims (7)

1.一种高温烟气流下受热面温度场测量装置，其特征在于包括：

一双光路内窥镜头(2)，用于收集来自视场的辐射能量，其含依次连接的红外窗口(21)、孔径光阑(22)、物镜(23)、分光棱镜(24)、反射镜组(25)、目镜(26)和视场光阑(27)；

一红外CCD相机(3)，用于采集所述双光路内窥镜头所成的图像；

两滤光片(4)，用于过滤其他波段的杂光，安装在双光路内窥镜头与红外CCD相机的光敏部件之间；

一管状密闭冷却壳体(1)，用于所述的保护双光路内窥镜头和红外CCD相机，其将双光路内窥镜头和红外CCD相机完全包覆，壳体前端留有双光路内窥镜头进光口、壳体上还设有压缩空气入口和相机电源线和数据线接头。

一电脑(5)，用于计算视场内的温度分布，它内嵌温度测量软件，将红外CCD相机采集得到的图像信息转化为温度信息。

2.根据权利要求1所述的高温烟气流下受热面温度场测量装置，其特征在于：所述的双光路内窥镜头和滤光片的具体布置为：

所述的分光棱镜(24)中的透反面与镜头主光轴呈45度角倾斜于光路，将入射光束一分为二：一路被反射与镜头主光轴呈90度出射、一路沿入射光束方向出射，所述的反射镜组(25)共有7块反射镜，将反射光束和透射光束变为平行且相邻的两束光投射到所述的目镜(26)上。

3.根据权利要求2所述的高温烟气流下受热面温度场测量装置，其特征在于：所述的反射镜组(25)7块反射镜的具体布置为：

第一反射镜(251)布置在分光棱镜(24)正上方，将分光棱镜(24)的反射光束顺时针折射90度，并保证反射光束不会被第三反射镜(253)遮挡；

第二反射镜(252)布置在与第一反射镜(251)等高的位置上，将经第一反射镜(251)折射的反射光束再顺时针折射90度；

第三反射镜(253)布置在第二反射镜(252)的正下方，且其下缘在镜头主光轴上，将经第二反射镜(252)折射的反射光束逆时针旋转90度投射至目镜(26)；

第四反射镜(254)布置在分光棱镜(24)等高的位置上，将透射光束顺时针折射90度；

第五反射镜(255)布置在第四反射镜(254)的正下方，第四反射镜(254)与第五反射镜(255)的距离应等于第一反射镜(251)与分光棱镜(24)透反面的距离，它将经第四反射镜(254)折射的透射光束逆时针折射90度；

第六反射镜(256)布置在第五反射镜(255)的等高位置上，且位于第二反射镜(252)的正下方，将经第五反射镜(255)折射的透射光束再逆时针折射90度；

第七反射镜(257)布置在第六反射镜(256)的正上方，其上缘在镜头主光轴上，将经第六反射镜(256)折射的透射光束顺时针折射90度透射至目镜；

所述的两滤光片波长不同，第一滤光片的波长为λ₁、第二滤光片的波长为λ₂，其中第一滤光片(41)、第二滤光片(42)分别对应第七、第三反射镜(253)、(257)透过目镜和视场光阑的反射和透射光束。

4.根据权利要求3所述的高温烟气流下受热面温度场测量装置，其特征在于：所述双光路内窥镜头的物镜、目镜和分光棱镜为在红外CCD相机光谱响应范围内具有较高透过率的物镜、目镜和分光棱镜。

5.根据权利要求4所述的高温烟气流下受热面温度场测量装置，其特征在于：所述的滤光片为避开水蒸气和二氧化碳的吸收波段、且在红外CCD相机的光谱响应范围内的滤光片。

6.根据权利要求5所述的高温烟气流下受热面温度场测量装置，其特征在于：所述的管状密闭冷却壳体(1)通过法兰联接。

7.一种采用如权利要求1-6任意一项所述装置进行高温烟气流下受热面温度场测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、利用标准黑体，分别标定两个滤光片中心波长下在不同温度时的系统响应函数；

步骤二、利用权利要求1所述装置的特制双光路内窥镜头对准高温烟气流下的被测表面，通过红外CCD相机光敏部件采集得到的被测表面的能量分布的灰度矩阵，通过数据线传输到电脑中，利用自编程的分析软件计算得到被测表面的温度场分布。