CN107525590B - 一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置,包括颗粒喷枪、半封闭罩壳、摄像机、光学高温计和黑体炉;半封闭罩壳顶端设置颗粒导入孔、摄像孔、刻度盘、销轴和测温导管,刻度盘为扇形盘体,盘体呈竖直平面固定在半封闭罩壳顶端,销轴将测温导管固定在半封闭罩壳顶端,并使测温导管可以绕着所述销轴在竖直平面旋转。光学高温计插入在测温导管内;半封闭罩壳的底部设置有第一黑体炉槽和第二黑体炉槽。将黑体炉分别放在第一黑体炉槽和第二黑体炉槽,标定光学高温计并建立温度和摄像机拍摄图像的灰度拟合曲线。然后喷入高温颗粒,用摄像机拍摄图像求得灰度,通过拟合曲线得到高温颗粒的温度。本发明具有非接触式、可连续测量等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置和方法,尤其涉及一种用于监测冶金高炉渣等高温液体、固体颗粒飞行过程中表面温度变化的装置和方法,属于可视化测量领域,特别适合于冶金高炉渣余热利用领域单颗粒粒化渣颗粒表面温度、颗粒群外缘温度的测量。
背景技术
我国的高炉冶炼过程产生的液态炉渣中带有大量的显热,1t生铁平均产出炉渣300~600kg,液态高炉渣温度在1400℃以上,高炉炉渣热焓约为1700MJ/t。目前普遍采用水淬的方式粒化并冷却高温液态高炉渣,不仅高炉渣的显热无法回收利用,且造成大量水资源的浪费,严重污染环境。
液体高炉炉渣热焓高,回收利用潜力较大,所以一直备受业界人士的关注。由于高炉液体炉渣的物理性质和高炉出渣的不连续性以及要求余热回收处理后的炉渣要具有优良的综合利用价值和性能,导致炉渣余热回收困难。
目前正在发展一种液态高炉渣的粒化技术,炉渣粒化后,一方面要实现资源化,另一方面也要实现能源化。能源化最重要的一个途径就是作为热源,用余热锅炉生产蒸汽。这就涉及余热锅炉内的一个传热问题,传热包括高温辐射传热和对流传热,无论是辐射传热还是对流传热计算,都需要熔渣颗粒的定性温度。而熔渣从1400℃冷却到200℃左右,颗粒经历了液态、冷凝态、固态等几种形式变化,随着时间和冷却过程不断变化,颗粒的表面温度是不断降低的,这就需要一种即时监测炉渣平均定性温度的方法,以便为余热锅炉设计提供参考的温度依据。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷,本发明基于可视化的摄像技术以及红外测温技术,提出一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置和方法,可以确定粒化后熔渣的颗粒表面温度分布,为冶金粒化熔渣余热锅炉设计提供技术依据。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置,包括颗粒喷枪、半封闭罩壳、摄像机、光学高温计和黑体炉;所述半封闭罩壳顶端设置颗粒导入孔、摄像孔、刻度盘、销轴和测温导管,所述摄像孔设置在半封闭罩壳顶端的中部;所述颗粒导入孔和销轴设置在半封闭罩壳顶端的相对的两侧;所述刻度盘为扇形盘体,所述刻度盘固定在半封闭罩壳顶端,所述销轴穿过刻度盘的圆心将刻度盘限位在半封闭罩壳顶端,并使所述测温导管可以绕着所述销轴在所述刻度盘盘面旋转;所述颗粒喷枪通过所述颗粒导入孔插入到半封闭罩壳内;所述摄像机的镜头通过摄像孔伸入到半封闭罩壳内;所述光学高温计插入在测温导管内;所述半封闭罩壳的底部设置有第一黑体炉槽和第二黑体炉槽。
上述技术方案中,所述第一黑体炉槽设置在销轴的正下方,第一黑体炉槽的中心线与销轴中心线在一个竖直平面内垂直相交;所述第二黑体炉槽在摄像机的镜头正下方,第二黑体炉槽竖直中心线与摄像机镜头的竖直中心线重合。
上述技术方案中,所述摄像孔下方设有镜头保护罩,摄像机的镜头伸入镜头保护罩内,所述镜头保护罩的底部安装有滤镜。
一种监测飞行中高温颗粒温度场的方法,其采用如上述技术方案所述的一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置,所述方法包括:
把黑体炉放置到第二黑体炉槽上,将摄像机的镜头对准黑体炉,分别调节黑体炉到不同温度T,并用摄像机拍摄不同温度条件T时黑体炉射出的光线形成的图像;求取所拍摄的不同温度的图像对应的红、绿、蓝三原色对应的R、G、B平均值;利用公式Gray=aR+bG+cB计算图像的灰度Gray,其中系数a、b、c为三原色的权重系数;将黑体炉在第二黑体炉槽上不同温度T和与不同温度T对应的图像灰度Gray拟合成Gray-T曲线;
从颗粒喷枪中喷出高温颗粒,穿过颗粒导入孔进入到半封闭罩壳内,摄像机记录下高温颗粒或者高温颗粒群飞过的连续动态图像;选定待测的高温颗粒,从动态图像截取静态的单帧图像,求取相应高温颗粒的静态图像对应的红、绿、蓝三原色对应的R、G、B平均值;利用公式Gray=aR+bG+cB计算图像的灰度Grayx,其中a、b、c为权重系数;在所述Gray-T曲线用Grayx值进行插值获得对应的温度值Tx;
对所述动态图像记录下的颗粒群外缘的多个高温颗粒求取图像的R、G、B平均值,并计算得到相应的图像的灰度Gray,在所述Gray-T曲线上根据Gray值插值求得对应的不同高温颗粒的温度值,从而获得颗粒群外缘的温度场。
作为上述摄像RGB图像方法测量颗粒表面温度的一个平行测量手段,所述方法还包括:
将黑体炉放置到第一黑体炉槽;测温导管绕着销轴沿着刻度盘盘面旋转,调整光学高温计的测温探头指向黑体炉;分别调节黑体炉至不同的温度,读取光学高温计所对应的温度指示,将黑体炉的设置温度与光学高温计的指示温度比较,获得光学高温计的标定曲线;
从颗粒喷枪中喷出高温颗粒穿过颗粒导入孔进入到半封闭罩壳内,以销轴为轴沿着刻度盘旋转测温导管,将光学高温计的测温探头指向待测颗粒,读取颗粒或者颗粒群外缘的表面温度指示值,将读取的温度示值与标定曲线比较获得颗粒或者颗粒群外缘的测量表面温度。
本发明与现有技术相比,具有以下优点及突出性效果:①本发明采用非接触式测量,可直接测量飞行过程中高温液态颗粒(液珠)的表面;②可连续测量,统计出平均值,作为传热等计算的定性温度;③在同一套装置中,同时配置了摄像RGB方法和光学高温计两种方法测量,并均有标定系统,测量的准确性好。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置的结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置的A—A示意图。
图3为本发明所涉及的一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置的B—B示意图。。
图中:1-颗粒喷枪;2-半封闭罩壳;3-摄像孔;4-摄像机;5-刻度盘;6-测温导管;7-光学高温计;8-销轴;9-黑体炉;10-第一黑体炉槽;11-第二黑体炉槽;12-颗粒导入孔;13-滤镜;14-镜头保护罩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同,则相应的位置关系也有可能随之发生变化,故不能以此理解为对保护范围的限定。
如图1所示,一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置,包括颗粒喷枪1、半封闭罩壳2、摄像机4、光学高温计7和黑体炉9;半封闭罩壳2顶端设置颗粒导入孔12、摄像孔3、刻度盘5、销轴8和测温导管6,摄像孔3设置在半封闭罩壳2顶端的中部;颗粒导入孔12和销轴8设置在半封闭罩壳2顶端的相对的两侧;刻度盘5为扇形盘体,刻度盘5固定在半封闭罩壳2顶端,所述销轴8穿过刻度盘5的圆心将刻度盘5限位在半封闭罩壳2顶端,销轴8同时也作为测温导管6的限位轴,并使所述测温导管6可以绕着所述销轴8沿着刻度盘5盘面旋转;所述颗粒喷枪1通过所述颗粒导入孔12插入到半封闭罩壳2内;所述摄像机4的镜头通过摄像孔3伸入到半封闭罩壳2内;所述光学高温计7插入在测温导管6内;所述半封闭罩壳2的底部设置有第一黑体炉槽10和第二黑体炉槽11。所述摄像孔3下方设有镜头保护罩14
如图2所示,摄像机4的镜头伸入镜头保护罩14内,镜头保护罩14的底部安装有滤镜13。第二黑体炉槽11在摄像机4的镜头正下方,第二黑体炉槽11中心线与摄像机4镜头的中心线重合。
如图1和图3所示,第一黑体炉槽10设置在销轴8的正下方,第一黑体炉槽10的中心线与销轴8中心线在一个平面内垂直相交。
以一个实施例来说明,采用上述装置,监测飞行中高温颗粒温度场通过如下方法实现:
将黑体炉9放置到第一黑体炉槽10上;测温导管6绕着销轴8沿着刻度盘5盘面旋转,调整光学高温计7的测温探头指向黑体炉9;分别调节黑体炉9至不同的温度,读取光学高温计7所对应的温度指示,将黑体炉9的设置温度与光学高温计7的指示温度比较,获得光学高温计7的标定曲线;
把黑体炉9放置到第二黑体炉槽11上,将摄像机4的镜头对准黑体炉9,分别调节黑体炉9到不同温度T1、T2、T3...Tn(n=20),用摄像机4拍摄下各温度条件下的黑体炉9射出的光线形成的图像;
求取上述20个不同温度条件下的图像相应的红绿蓝三原色RGB平均值:RGB1、RGB2、RGB3...RGBn,通过红、绿、蓝三原色单色值计算不同RGB值的图像的灰度Gray,Gray=aR+bG+cB,a,b,c为三原色的权重系数,分别为0.299、0.587和0.114(根据实验标定来确定),得到Gray1、Gray2、Gray3...Grayn;把黑体炉温度T1、T2、T3...Tn和对应的图像灰度Gray1、Gray2、Gray3...Grayn拟合成曲线Curve1。
颗粒喷枪1中喷出高温颗粒穿过颗粒导入孔12进入到半封闭罩壳2内,摄像机4连续记录下高温颗粒或者高温颗粒群飞过的动态图像;
选定待测的高温颗粒,从动态图像截取单帧静态图像,求取相应高温颗粒的静态图像对应的红绿蓝三原色RGB平均值RGBx,通过红、绿、蓝三原色单色值计算图像的灰度Grayx;在所述曲线Curve1上利用Grayx值插值获得对应的温度值Tx;
对摄像记录区域内的颗粒群外缘的多个颗粒进行温度测量,获得颗粒群外缘的温度场。
作为一种平行测量手段,上述方法还包括:
将黑体炉放置到第一黑体炉槽;测温导管绕着销轴沿着刻度盘盘面旋转,调整光学高温计的测温探头指向黑体炉;分别调节黑体炉至不同的温度,读取光学高温计所对应的温度指示,将黑体炉的设置温度与光学高温计的指示温度比较,获得光学高温计的标定曲线;
当颗粒喷枪1中喷出高温颗粒穿过颗粒导入孔12进入到半封闭罩壳2内时,可沿着刻度盘5旋转测温导管6,将光学高温计7的测温探头指向待测颗粒,同时直接测量颗粒或者颗粒群外缘的表面温度。
在一次测量时,用光学高温计测量的颗粒表面温度为525℃,用摄像RGB方法测量的颗粒的表面温度在520~540℃之间,这种差异一方面是不同方法的测量误差导致的,另一方面是两种方法测量的只是相近的颗粒。
在以上实施例中,同时用摄像RGB方法和光学高温计两种方法测量,并均有黑体炉标,测量的准确性好。当标定摄像机时,黑体炉9放在第二黑体炉槽11内,第二黑体炉槽11中心线与摄像机4镜头的中心线重合,可保证黑体炉发射的温度辐射直接辐照进入摄像机镜头的感光元件内。光学高温计7装在测温导管6内,测温导管6可绕着销轴8旋转,通过旋转可以对准相应的待测颗粒。当标定光学高温计7时,黑体炉9放置在第一黑体炉槽10上,由于第一黑体炉槽10的中心线与销轴8中心线在一个平面内垂直相交,因而转动测温导管6,可以使光学高温计7正对黑体炉9进行测量标定。
选用合适的滤镜13,可以避免光线照度对成像形成饱和,当使用不同的滤镜以及变换不同的镜头参数,例如帧速(fps)、光圈大小、镜头位置时,都需要对测量系统进行重新标定。
Claims (6)
1.一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置,其特征在于:所述装置包括颗粒喷枪(1)、半封闭罩壳(2)、摄像机(4)和黑体炉(9)及光学高温计(7);所述半封闭罩壳(2)顶端设置颗粒导入孔(12)和摄像孔(3),所述摄像孔(3)设置在半封闭罩壳(2)顶端的中部;所述颗粒导入孔(12)设置在半封闭罩壳(2)顶端的一侧;所述颗粒喷枪(1)通过所述颗粒导入孔(12)插入半封闭罩壳(2)内;所述摄像机(4)的镜头通过摄像孔(3)伸入半封闭罩壳(2)内;所述光学高温计(7)插入测温导管(6)内;所述半封闭罩壳(2)的底部设置有第一黑体炉槽(10)和第二黑体炉槽(11)。
2.按照权利要求1所述的一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置,其特征在于:所述装置还包括光学高温计(7)、刻度盘(5)、销轴(8)和测温导管(6);所述刻度盘(5)、销轴(8)和测温导管(6)设置在所述半封闭罩壳(2)顶端;所述销轴(8)设置在半封闭罩壳(2)顶端的与所述颗粒导入孔(12)相对的一侧;所述刻度盘(5)为扇形盘体,所述刻度盘(5)固定在所述半封闭罩壳(2)顶端,所述销轴(8)穿过刻度盘(5)的圆心将刻度盘(5)限位在半封闭罩壳(2)顶端,并使所述测温导管(6)可以绕着所述销轴(8)在所述刻度盘(5)盘面旋转。
3.按照权利要求1或2所述的一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置,其特征在于:所述第一黑体炉槽(10)设置在销轴(8)的下方;所述第二黑体炉槽(11)在摄像机(4)的镜头下方,第二黑体炉槽(11)竖直中心线与摄像机(4)镜头的竖直中心线重合。
4.按照权利要求1所述的一种监测飞行中高温颗粒温度场的装置,其特征在于:所述摄像孔(3)下方设有镜头保护罩(14),摄像机(4)的镜头伸入镜头保护罩(14)内,所述镜头保护罩(14)的底部安装有滤镜(13)。
5.一种监测飞行中高温颗粒温度场的方法,其特征在于:所述方法采用如权利要求1所述的装置,且所述方法包括
将黑体炉(9)放置到第二黑体炉槽(11)上,将摄像机(4)的镜头对准黑体炉(9),分别调节黑体炉(9)到不同温度T,并用摄像机(4)拍摄不同温度T的黑体炉(9)射出的光线形成的图像;求取所拍摄的不同温度的图像对应的红、绿、蓝三原色对应的R、G、B平均值;利用公式Gray=aR+bG+cB计算图像的灰度Gray,其中系数a、b、c为三原色的权重系数;将黑体炉(9)在第二黑体炉槽(11)上不同温度T和与不同温度T对应的图像灰度Gray拟合成Gray-T曲线;
从颗粒喷枪(1)中喷出高温颗粒,穿过颗粒导入孔(12)进入到半封闭罩壳(2)内,摄像机(4)连续记录下高温颗粒或者高温颗粒群飞过的动态图像;
选定待测的高温颗粒,求取相应高温颗粒的图像对应的红、绿、蓝三原色对应的R、G、B平均值;利用公式Gray=aR+bG+cB计算图像的灰度Grayx,其中a、b、c为权重系数;在所述Gray-T曲线用Grayx值进行插值获得对应的温度值Tx;
对所述动态图像记录下的颗粒群外缘的多个高温颗粒求取图像的R、G、B平均值,并计算得到相应的图像的灰度Gray,在所述Gray-T曲线上根据Gray值插值求得对应的不同高温颗粒的温度值,从而获得颗粒群外缘的温度场。
6.按照权利要求5所述的一种监测飞行中高温颗粒温度场的方法,其特征在于:所述方法进一步使用如权利要求2所述的装置,且所述方法还包括
将黑体炉(9)放置到第一黑体炉槽(10);测温导管(6)绕着销轴(8)沿着刻度盘(5)盘面旋转,调整光学高温计(7)的测温探头指向黑体炉(9);分别调节黑体炉(9)至不同的温度,读取光学高温计(7)所对应的温度指示,将黑体炉(9)的设置温度与光学高温计(7)的指示温度比较,获得光学高温计(7)的标定曲线;
从所述颗粒喷枪(1)中喷出高温颗粒穿过颗粒导入孔(12)进入到半封闭罩壳(2)内,以销轴(8)为轴沿着刻度盘(5)旋转测温导管(6),将光学高温计(7)的测温探头指向待测颗粒,直接读取颗粒或者颗粒群外缘的表面温度,将读取的温度与标定曲线比较获得颗粒或者颗粒群外缘的表面温度。
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