CN105973473A - 基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法及装置，根据局部能流平衡原理构建空间单元辐射对流能量平衡方程组，通过Monte‑Carlo模拟方法确定空间热辐射能量吸收分布随机数，给出空间单元辐射吸收的关键参数；通过计算流体力学方法模拟空间流速场分布，给出空间单元对流分布参数；通过红外测温装置测量目标表面温度，给出方程求解的边界条件；求解辐射对流能量平衡方程组构建空间温度场。本发明提供的方法及装置可解决空间温度场实时重构的技术难题，实现空间温度场的工程化应用。

Description

基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法及装置，属于温度检测领域，尤其是冶金、化工、石油化工、有色金属等相关行业加热炉空间温度场监测技术领域。

背景技术

目前，国内冶金、化工、石油化工、有色金属等行业由于缺少准确、稳定、可靠的检测手段，主要依赖于热电偶、人工测温枪等测温，数据量稀少、缺乏实时性和连续性，且准确性和可靠性不高，尤其是对温度场整体分布状况无法测量，导致无法实现对加热炉操作过程的精细化控制，装置的能耗过大，能源利用率低，设备损耗大，生产效率低，经济效益差。空间温度场实时监测技术的工程化应用既可直观显示炉内空间温度场实时状况，又可以与加热炉控制系统连接实时调整各火嘴的燃烧状况，实现加热炉温度分布的均匀性和稳定性，根据不同原料实施不同的温度控制策略，在达到最高产率的基础上，最大限度的降低燃料消耗及碳排放。

专利CN95114823公开了一种炉膛三维温度场测量方法，通过采集不同角度的燃烧二维辐射图像，建立已知二维温度场和未知三维温度场的相应关系，从而得到炉内三维温度场的分布。该方法侧重于火焰图像检测，通过采集燃烧火焰二维辐射图像，建立二维温度场与三维温度场相应关系得到空间温度场，对于以煤粉做燃料的电站锅炉等具有较高的应用价值；而目前冶金、化工、石油化工等行业加热炉均采用天然气作燃料，燃烧火焰辐射图像难以采集，二维温度场无法检测，导致空间温度求解精度和可靠性难以保证。

专利CN201210207892公开了一种单CCD成像系统的炉膛内三维温度场检测装置及方法，通过采集不同焦平面图像的红、绿、蓝三路波段辐射信号，利用光学分层成像方法结合比色测温法计算三维温度场。该方法采用单面阵彩色CCD采集高温高压气化炉内煤粉燃烧火焰形态，构建空间温度场具有一定的实 际应用价值，但不适用于大尺寸、大空间的冶金、石油化工等行业加热炉空间温度场的实时重建。

文献《炉膛燃烧温度场三维可视化监测方法模拟研究》提供了一种利用Monte-Carlo方法做热辐射能量的吸收分布随机数模拟，通过求解辐射传递方程实时获取空间三维温度场分布的方法，但文献中使用的彩色CCD传感器成像主要考虑符合人眼的光刺激要求，不是专门针对高温物体测量应用设计，检测精度不高，且该文献在构建空间温度场时没有考虑对流传热影响，导致空间温度计算精度和可靠性得不到充分保证。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于目标表面温度测量的空间温度场重构方法及装置，该方法及装置能够精确可靠的计算加热炉空间三维温度场，解决空间温度场工程化应用的技术瓶颈。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于目标表面温度分布的空间温度场重构装置，其特征在于包括：红外测温装置、若干热流传感器，红外测温装置、若干热流传感器的信号输出端接入信号传输单元的信号输入端，信号传输单元的信号输出端连接信号处理与分析单元的信号输入端，信号处理与分析单元的信号输出端连接显示与控制接口单元。

所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构装置，其特征在于：所述红外测温装置包括有依次连接的红外光学镜头、红外滤波、面阵红外探测器和罩设在各部件外的防护组件。

基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于包括以下内容：

(a).对炉膛空间进行网格化分区，形成空间气体单元、目标壁面单元的不同区域；

(b).基于Monte-Carlo方法对热辐射能量吸收分布随机数进行模拟，获取空间单元辐射吸收分布关键参数；

(c).基于计算流体力学方法模拟空间流速场，再利用热流传感器对其进行标定，得到空间对流分布参数；

(d).利用红外测温装置测量目标表面温度分布，作为辐射对流能量平衡方程组求解的关键边界条件；

(e).根据局部能流平衡原理构建空间气体单元、目标壁面单元对应的辐射对流能量平衡方程组，求解该方程组，重建空间温度场。

所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于：步骤(b)中所述热辐射能量吸收分布随机数模拟是根据辐射衰减原理来确定空间气体单元和目标壁面单元的随机发射长度，根据辐射漫射原理来确定空间每个能量粒子的随机发射方向。

所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于：步骤(c)中所模拟空间流速场的定标基准是利用高温热流传感器在炉膛空间流速梯度变化相对较大的不同位置测量热流强度，标定流速场模拟结果，确定热流分布。

所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于：步骤(d)中所述红外测温装置的红外波段的选择依据是根据红外探测器光谱响应、温度测量范围和温度灵敏度确定，利用二维非线性拟合算法计算目标表面温度分布，所述二维非线性拟合算法可表示为

y＝a+(bx₁+cx₂)+(dx₁+ex₂)²

其中，a，b，c，d，e为拟合参数，y为待测温度，x₁，x₂为探测器接收的红外辐射信号。

所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于：步骤(e)中，所述局部能流平衡原理可表示为

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{DT}{D\mathrm{\τ}}=\frac{Dp}{D\mathrm{\τ}}+\▿\·(k\▿T-{\stackrel{\→}{q}}_r)+q_h+\mathrm{\Φ}$

ρ表示物质密度，C_p表示在标准气压下的比热容，T为温度；τ为时间；p为压力；k为热传导率；为辐射热流矢量；q_h为化学反应中放热率；Φ为黏性作用过程中的热耗散率。

与现有技术相比，本发明具有有益效果：

1、相比于彩色CCD高温检测系统，利用红外测温技术能够更加准确的获取目标表面温度分布，以此作为辐射能量平衡方程组求解的关键边界条件，求解结果精确；

2、红外测温技术测得的目标表面温度可作为空间温度场实时定标的基准；

3、考虑了对流换热对空间温度计算的影响且实时定标，空间温度场重构更加精确。

附图说明

图1为基于目标表面温度测量的空间温度场重构方法计算流程图。

图2为热辐射能量吸收分布随机数的计算流程图。

图3为本发明中红外测温及热流传感系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参见图1，本发明所述方法需要求解辐射对流能量平衡方程重构空间温度场分布，为了准确求解所构建方程组需要取得炉膛网格化参数、能量吸收分布随机数、流速分布参数和辐射方程边界条件四个前提条件。

具体实施过程如下：

1、将炉膛内部分为空间烟气单元和目标壁面单元等不同区域。具体分区根据炉膛空间尺寸划分，同时为了更好的体现空间温度梯度变化和热流分布情况，炉膛底部分区比上部分区要更细、更密集，上部区域接近均热状态可以适当放大分区尺寸。通过该步骤可以得到炉膛网格化参数。

2、热辐射能量吸收分布随机数模拟。对于空间其他单元辐射的能流，必须要计算能量吸收分布随机数。根据理论分析，对于能量吸收分布随机数的计算可以通过Monte Carlo方法进行模拟，该参数与炉膛具体的几何参数和烟气的吸收率以及壁面的发射系数有关。在利用蒙特卡罗方法处理辐射热传递问题中，辐射能量不再看作是连续变化的物理量，而是作为大量光子的集合，可以通过每个能量粒子的行为求和得到辐射能量强度。粒子行为包括了辐射距离和辐射角度。

其中，热辐射距离是根据辐射衰减原理来确定空间气体单元和目标壁面单元的随机发射长度，辐射距离S可以通过公式(I-1)求得：

KS＝-ln(1-R_S)(I-1)

上式中R_S是用来确定S的均匀随机数，K为吸收系数。

空间每个能量粒子的随机发射方向可根据辐射漫射原理来确定。其中辐射方向可用两个均匀随机数R_θ和R_η来表示，可通过公式(I-2)和(I-3)求得：

θ＝2πR_θ(I-2)

$\mathrm{\η}={\cos }^{-1}\sqrt{1-R_{\mathrm{\η}}}---(I-3)$

上式中θ为方位角，η是天顶角，R_θ是用来确定θ的均匀随机数，R_η是用来确定η的均匀随机数。

参见图2，求得所有空间单元热辐射能量吸收分布随机数。

3、模拟空间流速场。空间单元对应的能流包括三个部分：其它单元辐射的能流、热对流过程中的交换热流、气体燃烧对应的生成热流。这三个部分中气体的燃烧所生成的热流是一个已知的系统参数，热对流过程中的交换热流，主要通过温差与对流系数来确定，可通过高温热流传感器在炉膛空间流速梯度变化相对较大的不同位置测量热流强度，标定流速场模拟结果，确定热流分布。

4、测量目标表面温度作为辐射对流能量平衡方程求解的关键边界条件。目标表面温度分布与炉膛空间温度场分布具有较大的相关性，可以作为关键的边界条件求解炉膛空间温度场分布和定标。

5、构建辐射对流能量平衡方程组并求解。针对空间烟气单元和目标壁面单元分别建立辐射对流能量平衡方程，方程组所依据的局部能流平衡原理可表示为公式(III)。

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{DT}{D\mathrm{\τ}}=\frac{Dp}{D\mathrm{\τ}}+\▿\·(k\▿T-{\stackrel{\→}{q}}_r)+q_h+\mathrm{\Φ}---\left(II\right)$

ρ表示物质密度，C_p表示在标准气压下的比热容，T为温度；τ为时间；p为压力；k为热传导率；为辐射热流矢量；q_h为化学反应中放热率；Φ为黏性作用过程中的热耗散率。

通过求解方程组，即可得到空间温度场分布。

参见图3，本发明使用的装置包括红外测温装置和热流传感器装置7。热流传感器7测量空间某点处热流分布，根据炉膛空间尺寸及空间热流波动情况确定传感器使用数量。红外测温装置测量目标表面温度，该装置包含依次连接的红外 光学镜头1、红外滤波2、面阵红外探测器3以及防护组件4，红外测温装置和热流传感器装置7均与信号传输模块5连接，信号传输模块5连接信号处理与分析模块6，信号处理与分析模块6连接显示与控制接口模块8。红外监测探头通过密封连接机构直接安装在炉体侧壁或顶部，炉膛内部红外辐射信号首先通过红外镜头1，再经红外滤波2后在红外面阵探测器3上成红外图像，经信号传输模块5至信号处理与分析模块6进行红外图像数据的分析与处理。热流传感器7采集到的热流数据经信号传输模块5至信号处理与分析模块6，与红外图像分析处理后得到的温度数据一并送显示与控制接口模块8或通过数据接口送空间温度场构建算法模块进行空间温度场构建。

上述红外测温系统中所选滤波片波长确定方法和步骤如下所述：

1.研究加热炉不同燃烧介质的辐射图谱，寻找红外辐射透过率较大的辐射窗口，结合近红外探测器光谱响应特性，确定最佳滤波中心波长，最大限度地获取目标红外辐射，避免炉膛气氛对目标红外图像的干扰。

1)炉膛内部目标辐射体接近于黑体或灰体，温度在600～1800K之间，发射的谱线范围比较宽，从可见光到远红外都有，峰值波长在近红外，约在1.5-2.2μm范围。另外选用的波长同时必须满足探测器光谱响应相对较高，又要避开可见光的影响，因此其范围应为0.9～1.7μm波段。

2)炉膛燃烧环境下烟气主要成分是水蒸气、二氧化碳和一氧化碳，近对称分子结构的一氧化碳气体在相当宽的红外波段对辐射无吸收作用，水汽和二氧化碳等非对称分子结构的气体却对红外辐射具有强烈的吸收作用，因此必须避开这些吸收带。

2.在保障波段最佳匹配的前提下，合理减小中心波长差Δλ，使红外辐射在两中心波长处ε(T(r,θ),λ)的辐射率接近一致，可以消除辐射率对测温精度的影响，还可拓展红外测温系统的动态响应范围。

对于红外测温系统灵敏度Θ是反映系统响应特性的参数，定义为：

$\mathrm{\Θ}=\frac{dR\left(T\right)}{dT}=\frac{1}{4}\mathrm{\π}\·Q\·\mathrm{\σ}\·\mathrm{\η}\·\mathrm{\τ}\·{\left(\frac{D}{f}\right)}^2\·\frac{\∂L\left(T\right)}{\∂T}---\left(III\right)$

其中，L为红外探测器接收的辐射信号，T为目标温度，σ为有效积分时间，η为量子效率，Q为每流明光通量在每秒内所激发的光电子数，τ为红外光学系 统透过率，D/f为红外镜头孔径比。在测温范围内要求热图像的灰度值R(T)与温度T的关系最好是线性的且斜率较大，即对目标温度变化具有较高的分辨率。最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内 。

Claims (7)

1.一种基于目标表面温度分布的空间温度场重构装置，其特征在于包括：红外测温装置、若干热流传感器，红外测温装置、若干热流传感器的信号输出端接入信号传输单元的信号输入端，信号传输单元的信号输出端连接信号处理与分析单元的信号输入端，信号处理与分析单元的信号输出端连接显示与控制接口单元。

2.根据权利要求1所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构装置，其特征在于：所述红外测温装置包括有依次连接的红外光学镜头、红外滤波、面阵红外探测器和罩设在各部件外的防护组件。

3.一种基于权利要求1所述装置的方法，其特征在于包括以下内容：

(a).对炉膛空间进行网格化分区，形成空间气体单元、目标壁面单元的不同区域；

(b).基于Monte-Carlo方法对热辐射能量吸收分布随机数进行模拟，获取空间单元辐射吸收分布关键参数；

(c).基于计算流体力学方法模拟空间流速场，再利用热流传感器对其进行标定，得到空间对流分布参数；

(d).利用红外测温装置测量目标表面温度分布，作为辐射对流能量平衡方程组求解的关键边界条件；

(e).根据局部能流平衡原理构建空间气体单元、目标壁面单元对应的辐射对流能量平衡方程组，求解该方程组，重建空间温度场。

4.根据权利要求3所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于：步骤(b)中所述热辐射能量吸收分布随机数模拟是根据辐射衰减原理来确定空间气体单元和目标壁面单元的随机发射长度，根据辐射漫射原理来确定空间每个能量粒子的随机发射方向。

5.根据权利要求3所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于：步骤(c)中所模拟空间流速场的定标基准是利用高温热流传感器在炉膛空间流速梯度变化相对较大的不同位置测量热流强度，标定流速场模拟结果，确定热流分布。

6.根据权利要求3所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于：步骤(d)中所述红外测温装置的红外波段的选择依据是根据红外探测器光谱响应、温度测量范围和温度灵敏度确定，利用二维非线性拟合算法计算目标表面温度分布，所述二维非线性拟合算法可表示为

y＝a+(bx₁+cx₂)+(dx₁+ex₂)²

其中，a，b，c，d，e为拟合参数，y为待测温度，x₁，x₂为探测器接收的红外辐射信号。

7.根据权利要求3所述的基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法，其特征在于：步骤(e)中，所述局部能流平衡原理可表示为

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{DT}{D\mathrm{\τ}}=\frac{Dp}{D\mathrm{\τ}}+\▿\·(k\▿T-{\stackrel{\→}{q}}_r)+q_h+\mathrm{\Φ}$

ρ表示物质密度，C_p表示在标准气压下的比热容，T为温度；τ为时间；p为压力；k为热传导率；为辐射热流矢量；q_h为化学反应中放热率；Φ为黏性作用过程中的热耗散率。