CN106644102A - 一种基于彩色ccd相机的碳氢火焰温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于彩色CCD相机的碳氢火焰温度测量方法，目的在于，被测对象测温范围不受黑体炉标定实验的限制，无需用到黑体炉。包括以下步骤：1)拍摄碳氢火焰：设置彩色CCD相机的参数，对火焰进行拍摄；2)获得温度与两基色原始强度比值之间的关系曲线：通过相机响应效率曲线获得温度与R、G、B通道所记录的原始强度比值的关系曲线；3)获取R、G、B真彩色图像：从彩色CCD相机中输出RAW格式图像，并将RAW格式图像最终转化为R、G、B真彩色图像；4)获取两基色比值：从R、G、B真彩色图像中得到R、G、B三通道原始强度，并任意选取两基色计算原始强度比值；5)温度获取：从得到的温度与两基色原始强度比值之间的关系曲线，获得碳氢火焰温度。

Description

一种基于彩色CCD相机的碳氢火焰温度测量方法

技术领域

本发明涉及碳氢火焰温度测量的方法，特别涉及一种基于彩色CCD相机碳氢火焰温度测量方法，适用于碳氢燃料火焰温度的测量。

背景技术

碳氢火焰温度是燃烧过程的一个重要参数。温度定性、定量的测量对于观察和了解碳烟生产、氧化过程，建立合适的燃烧模型，实现高效清洁燃烧都有着重要的指导作用。

测温方法分为接触式温度测量方法和非接触式温度测量方法。基于CCD相机拍摄的数字图像的双色法测温属于非接触式的测量方式，不会破坏目标温度场，不会损坏原温度场的分布，且具有温度上限高，响应速度快，测温精度较高等优点，成为了温度测量方面研究的热点。

目前国内外提出了多种基于CCD相机的双色法测温方法，然而这些方法都存在着一定的不足。其中一些方法存在着理论上的缺陷，国内浙江大学吉伟、卫成业等人将相机相应效率曲线视作冲激函数(吉伟.富氧燃烧高温火焰测量及燃烧器开发研究[D].浙江大学，2015；卫成业,王飞,马增益等.运用彩色CCD测量火焰温度场的校正算法[J].中国电机工程学报，2000(1))，姬瑞磊、曾志斌等人将通过CCD相机获取的强度信息视为单色强度信息(姬瑞磊.基于RAW格式数据的热气机燃烧室火焰温度检测研究[D].华北电力大学,2013；曾志斌.基于火焰图像求取温度场的双色法测温系统设计[D].华中科技大学，2013)，这些假定违背理论依据，使得他们的实验结果都是通过近似得到的，存在较大的误差。

有的测温方法使用滤光片测量不同波长下的单色辐射强度(Guo H,Castillo JA,Sunderland P B.Digital camera measurements of soot temperature and sootvolume fraction in axisymmetric flames[J].Applied optics,2013,52(33):8040-8047.)，需要进行多次测量，然而多次拍摄得到的火焰图像不可能完全相同，给后期的数据处理带来很大的麻烦，并且若在测量过程中火焰发生了扰动，实验结果的误差将会很大。

公告号为CN101403639A的中国专利文献公开了一种碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，通过黑体炉标定并进行拟合获得了火焰温度与基色强度比值之间关系，然而黑体炉能使用的温度范围较小，当所求火焰温度超过黑体炉的温度范围时，它的方法没法证明拟合得到的结果依然适用，另外黑体炉的使用增加了测量成本并使操作复杂化。目前国内外尚无一种克服了上述问题的基于CCD相机的测温方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于彩色CCD相机碳氢火焰温度测量方法，该方法误差小，测温范围不受黑体炉标定实验的限制。

本发明的技术方案如下：

一种基于彩色CCD相机的碳氢火焰温度测量方法，包括以下步骤：

1)拍摄碳氢火焰：设置好彩色CCD相机的参数，对被测火焰进行拍摄；

具体方法为：在对被测火焰进行拍摄前，将彩色CCD相机的对比度、颜色、饱和度设置为“normal”或“none”，将ISO数设置为最小值，将白平衡参数设置为“direct sunlight”，设置快门时间和曝光补偿，使相机在记录强度与曝光时间呈线性关系的情况下进行拍摄。

2)获得温度与两基色原始强度比值之间的关系曲线：通过相机响应效率曲线获得温度与R、G、B通道所记录的原始强度比值之间的关系曲线；

具体方法为：通过获取包括所使用镜头在内的可探测波长范围下的相对透过率，从而得到相机响应效率曲线，并将相机响应效率曲线代入R、G、B通道所记录的原始强度比值所对应的公式中，从而获取温度与任意两基色原始强度比值之间的关系曲线，公式如下所示：

式中R、G、B代表R、G、B通道所记录的原始强度；λ为波长，单位m；T为碳烟的开尔文温度，单位K；C₁、C₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，C₁＝3.742×10-16W·m2，C₂＝1.4388×10-2m·K；r(λ)、g(λ)、b(λ)分别为R、G、B通道下的相机响应效率，ε_λ为碳烟颗粒的光谱辐射率，碳烟颗粒的光谱辐射率随波长变化的公式如下式所示：

式中KL因子与燃烧火焰中的碳烟颗粒浓度成正比，参数α的值与火焰中碳烟颗粒的物理和光学特性有关，一般在可见光波长范围内可取1.38，对此公式进行泰勒近似等数学操作，最终发现碳烟颗粒辐射率与λ^-α近似成正比关系，并以此结论代入原始强度比值对应的公式中进行比值的计算。

3)获取R、G、B真彩色图像：从彩色CCD相机中输出RAW格式图像，并将RAW格式图像最终转化为R、G、B真彩色图像；

将RAW格式图像最终转化为R、G、B真彩色图像的方法为：采用Dcraw软件将Raw文件转化为Tiff数据文件，根据相机拜耳滤镜排列模式在MATLAB上执行demosaic函数，将Tiff数据文件通过插值最终转换为R、G、B真彩色图像。

4)获取两基色比值：从R、G、B真彩色图像中得到R、G、B三通道原始强度，并任意选取两基色计算原始强度比值；

5)温度获取：根据步骤2得到的温度与两基色原始强度比值之间的关系曲线，获得碳氢火焰温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明是一种非接触式测温方法，对测量对象的环境没有干扰；本发明的测温范围不受黑体炉标定实验的限制，因而可测的温度范围广；由于不需要用到黑体炉，本方法经济性良好；本方法在获取了相机响应效率曲线后，只需进行对被测对象的拍摄以及后续的计算机处理过程即可，实验步骤简便；同时，本方法严格按照理论公示进行计算，不存在理论方面的缺陷。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中相机响应效率曲线；

图3为本发明实施例中温度与原始强度比值的关系曲线图；

图4为本发明实施例中R、G、B三通道原始强度，其中图(R)代表R通道强度分布，图(G)代表G通道强度分布，图(B)代表B通道强度分布；

图5为本发明实施例中乙烯/空气扩散火焰温度的二维分布图。

图中附图标记：1火焰；2彩色CCD相机；3计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种基于彩色CCD相机碳氢火焰温度测量方法作进一步详细说明。

本发明的测温装置包括由火焰1、彩色CCD相机2和计算机3组成的碳氢火焰拍摄部分。通过计算机3控制彩色CCD相机2对火焰1进行远距离拍摄。

以下提供一种测量进行乙烯/空气扩散火焰的二维温度场的具体实施方式：

通过燃烧器产生稳定的乙烯/空气扩散火焰，将乙烯、空气流量分别设定为0.231L/min、42.78L/min。燃烧器选用Santoro燃烧器，燃气通道的内径为11.1mm，外部空气通道的内径为101.6mm。得到的火焰可视高度为88mm左右。

测温使用的彩色CCD相机2为Nikon D700单反相机。将彩色CCD相机2的白平衡设置为Direct sunlight，所有的相片处理选项如对比度、颜色、饱和度设置为“normal”或“none”，ISO值设置为最小值200。在Spotlight软件中查看拍摄得到的相片R、G、B通道强度是否饱和并根据其饱和情况合理设置相机的快门时间和曝光补偿。通过计算机3中的软件Camera Control Pro控制彩色CCD相机2进行远程拍摄。

针对测温使用的Nikon D700单反相机，获取包括使用镜头在内的可探测波长范围下的相对透过率，得到相机响应效率曲线，如图2所示。将相应效率曲线带入原始强度比值公式，绘制出温度与原始强度比值的关系曲线，如图3所示。

在计算机3中运用Dcraw软件将Raw文件转化为Tiff数据文件，在MATLAB上对Tiff格式的火焰图像减去背景噪音，为了进一步降噪，采用高斯低通滤波对Tiff图像进行处理，滤波截止频率设置为0.05。Nikon D700的拜耳滤镜排列模式为“rggb”，据此在MATLAB软件上执行demosaic函数，将去噪后的Tiff图像通过插值转换为R、G、B真彩色图像，从R、G、B真彩色图像中得到R、G、B三通道原始强度，如图4所示。

通过R、G、B三通道强度分布求得强度比值分布，代入关系曲线中即可获得乙烯/空气扩散火焰温度的二维分布，如图5所示。对前人文献(Guo H,Castillo J A,Sunderland PB.Digital camera measurements of soot temperature and soot volume fraction inaxisymmetric flames[J].Applied optics,2013,52(33):8040-8047)中针对相同工况获得的二维温度测量结果可发现，两者基本一致，证明了该方法的可行性和测量的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于彩色CCD相机的碳氢火焰温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)拍摄碳氢火焰：设置好彩色CCD相机的参数，对被测火焰进行拍摄；

2)获得温度与两基色原始强度比值之间的关系曲线：通过相机响应效率曲线获得温度与R、G、B通道所记录的原始强度比值之间的关系曲线；

3)获取R、G、B真彩色图像：从彩色CCD相机中输出RAW格式图像，并将RAW格式图像最终转化为R、G、B真彩色图像；

4)获取两基色比值：从R、G、B真彩色图像中得到R、G、B三通道原始强度，并任意选取两基色计算原始强度比值；

5)温度获取：根据步骤2)得到的温度与两基色原始强度比值之间的关系曲线，获得碳氢火焰温度。

2.根据权利要求1所述的碳氢火焰温度测量方法，其特征在于，步骤1)中在对被测火焰进行拍摄前，将彩色CCD相机的对比度、颜色、饱和度设置为“normal”或“none”，将ISO数设置为最小值，将白平衡参数设置为“direct sunlight”，设置快门时间和曝光补偿，使相机在记录强度与曝光时间呈线性关系的情况下进行拍摄。

3.根据权利要求1所述的碳氢火焰温度测量方法，其特征在于，步骤2)是通过获取包括所使用镜头在内的可探测波长范围下的相对透过率，从而得到相机响应效率曲线，并将相机响应效率曲线代入R、G、B通道所记录的原始强度比值对应的公式中，从而获取温度与任意两基色原始强度比值之间的关系曲线。

4.根据权利要求3所述的碳氢火焰温度测量方法，其特征在于，所述R、G、B通道所记录的原始强度比值对应的公式如下：

$\frac{R}{G}=\frac{\∫\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{C}_1}{{\mathrm{\π\λ}}^5}{\[\exp \left(\frac{C_2}{\mathrm{\λ}T}\right)-1\]}^{-1}r\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}}{\∫\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{C}_1}{{\mathrm{\π\λ}}^5}{\[\exp \left(\frac{C_2}{\mathrm{\λ}T}\right)-1\]}^{-1}g\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}}$

$\frac{R}{B}=\frac{\∫\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{C}_1}{{\mathrm{\π\λ}}^5}{\[\exp \left(\frac{C_2}{\mathrm{\λ}T}\right)-1\]}^{-1}r\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}}{\∫\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{C}_1}{{\mathrm{\π\λ}}^5}{\[\exp \left(\frac{C_2}{\mathrm{\λ}T}\right)-1\]}^{-1}b\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}}$

$\frac{G}{B}=\frac{\∫\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{C}_1}{{\mathrm{\π\λ}}^5}{\[\exp \left(\frac{C_2}{\mathrm{\λ}T}\right)-1\]}^{-1}g\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}}{\∫\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}{C}_1}{{\mathrm{\π\λ}}^5}{\[\exp \left(\frac{C_2}{\mathrm{\λ}T}\right)-1\]}^{-1}b\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}}$

式中R、G、B代表R、G、B通道所记录的原始强度；λ为波长，单位m；T为碳烟的开尔文温度，单位K；C₁、C₂分别为第一辐射常数和第二辐射常数，C₁＝3.742×10^-16W·m²，C₂＝1.4388×10^-2m·K；r(λ)、g(λ)、b(λ)分别为R、G、B通道下的相机响应效率，ε_λ为碳烟颗粒的光谱辐射率，碳烟颗粒的光谱辐射率随波长变化的公式如下式所示：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}=1-\exp (-\frac{KL}{{\mathrm{\λ}}^{\mathrm{\α}}})$

式中KL因子与燃烧火焰中的碳烟颗粒浓度成正比，参数α的值是与火焰中碳烟颗粒的物理和光学特性有关的常数。

5.根据权利要求1所述的碳氢火焰温度测量方法，其特征在于，步骤3)中将RAW格式图像最终转化为R、G、B真彩色图像的方法为：采用Dcraw软件将Raw文件转化为Tiff数据文件，根据相机拜耳滤镜排列模式在MATLAB上执行demosaic函数，将Tiff数据文件通过插值最终转换为R、G、B真彩色图像。