CN109506810B - 一种火焰二维温度场的多色测温装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火焰二维温度场的多色测温装置及方法，所述装置包括四个窄带干涉滤光片、内部含有四个高速相机的四通道高速相机和计算机，所述四个高速相机的镜头前端依次安装带宽为10nm，中心波长为650nm、800nm、800nm、975nm的窄带干涉滤光片；所述计算机用于对四通道高速相机拍摄得到的不同瞬时对应四个中心波长的火焰图像使用MATLAB图像处理技术进行数据处理和通过比率的算法进行温度计算。本发明采用非接触式主动测量的燃烧诊断方法，可以对煤粉火焰燃烧温度进行准确的测量，可以测量煤粉燃烧火焰的二维平面温度场以及场温度分布梯度，可以追踪捕捉单颗粒煤粉从着火到燃尽的过程中燃烧温度随时间的变化。
Description
技术领域
本发明属于煤粉燃烧温度测量研究技术领域，涉及一种二维温度场的多色测温装置及方法，具体涉及一种煤粉火焰燃烧温度四通道高速相机测量装置及方法。
背景技术
自工业革命开始以来，煤炭作为全球主要能源长达上百年，即使在石油取代煤炭成为世界主要能源之后，煤炭仍然是全球最主要的基础能源之一。煤粉燃烧温度的测量对于实现煤炭的清洁高效利用是至关重要的，通过对煤粉燃烧温度的测量可以研究煤粉的着火模式以及煤粉燃烧的着火、燃尽特性。
采用四通道相机拍摄的多色测温法是一种高精度的光学诊断技术，其具有诸多优点：
1、非接触式测量，不干扰燃烧场火焰结构；
2、具有10kHz的高速拍摄频率，可追踪单颗粒的温度变化；
3、测量区域大，可进行二维空间温度场及温度分布梯度的测量；
4、可通过标定等手段进行温度定量测量。
采用四通道相机拍摄的多色测温法可以测量煤粉燃烧二维温度场及温度分布梯度，对单颗粒从着火到燃尽过程中的燃烧温度进行追踪，还可以构建煤粉燃烧的二维温度场，对于揭示煤粉火焰的燃烧机理以及污染物的生成机制都有着极其重要的意义，为燃煤电厂的节能减排、超低排放以及实现煤炭清洁高效利用提供重要支撑。
目前研究者多采用双色高温计、三色高温计测量煤粉火焰燃烧温度。美国东北大学的Yiannis等采用640nm、810nm、998nm三个特征波长在沉降炉(DTF)顶端搭建了三色高温计测量系统，利用放置在炉顶中轴线位置的三色高温计测量系统测量从炉顶下落的单颗粒煤粉的燃烧温度，将煤粉颗粒开始着火到颗粒熄灭的全过程的温度变化记录下来，进而得到煤粉颗粒燃烧温度随时间的变化曲线。这个三色高温计测量方法主要是将煤粉颗粒燃烧的辐射光通过一个熔融石英平凸透镜聚焦在光学纤维的一端，光从光学纤维的另一端出来经过一个准直透镜变成平行光，经过两个二向色分光镜将光分成三束分别进入中心波长640nm、810nm、998nm的三个干涉滤光片，然后接入三个光电探测器将光信号转换成电信号，由数据采集卡采集信号并记录。该方法的缺点主要表现在以下几个方面：
一、该方法只适用于单颗粒煤粉燃烧温度测量，只能得到单颗粒的燃烧温度随时间的变化情况，无法得到场温度的分布梯度。
二、该方法通过测量煤粉颗粒燃烧自发辐射进入透镜系统的光强来计算温度，但是实际实验情况下很难保证单颗粒，如果不是单颗粒那么除了目标颗粒以外的煤粉颗粒燃烧也会产生光强进入到透镜系统，带来实验误差，影响实验结果的精确度。实际实验过程中可能前半段追踪的是一个煤粉颗粒，到中间某一位置燃尽了，后半段追踪的是其他颗粒，无法准确判断是对某一目标颗粒从着火到燃尽的追踪过程。
三、该方法只能测量煤粉颗粒沿着燃烧器中轴线的一维温度场，无法得到二维平面温度场火焰的温度场分布。
发明内容
针对现有三色高温计测量方法存在的上述问题，本发明提供了一种火焰二维温度场的多色测温装置及方法。本发明采用非接触式主动测量的燃烧诊断方法，可以对煤粉火焰燃烧温度进行准确的测量，可以测量煤粉燃烧火焰的二维平面温度场以及场温度分布梯度，可以追踪捕捉单颗粒煤粉从着火到燃尽的过程中燃烧温度随时间的变化。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种火焰二维温度场的多色测温装置，包括窄带干涉滤光片、四通道高速相机和计算机，其中：
所述窄带干涉滤光片的个数为四个，其带宽为10nm，中心波长分别为650nm、800nm、800nm、975nm；
所述四通道高速相机的内部含有四个高速相机，四个高速相机的镜头前端依次安装中心波长为650nm、800nm、800nm、975nm的窄带干涉滤光片；
所述计算机用于对四通道高速相机拍摄得到的不同瞬时对应四个中心波长的火焰图像使用MATLAB图像处理技术进行数据处理和通过比率的算法进行温度计算。
一种利用上述装置实现煤粉燃烧温度二维场分布测量的方法，包括如下步骤：
步骤一、调节四通道高速相机焦距，使焦平面定位在过燃烧器中轴线的中心平面上；
步骤二、使用四通道高速相机对煤粉燃烧火焰进行拍摄，得到对应中心波长650nm、800nm、800nm、975nm下的四张图片；
步骤三、将步骤二所得到的四张不同波长下的图片分成i行j列，得到i×j个小单元格，每一个小单元格都是一个控制体，记作Nij；
步骤四、通过计算机使用MATLAB图像处理技术得到每一个小控制体内所采集到的信号值；
步骤五、通过比率的计算方法和最小二乘法得到不同波长组合650nm/800nm、800nm/975nm、650nm/975nm、650nm/975nm/800nm下的煤粉燃烧火焰温度；
步骤六、按照步骤五的方法计算得到每一个小控制体内的煤粉燃烧火焰温度，进而得到煤粉燃烧火焰的二维温度场。
一种利用上述装置实现煤粉单颗粒燃烧温度测量的方法，包括如下步骤：
步骤一、调节四通道高速相机焦距，使焦平面定位在过燃烧器中轴线的中心平面上；
步骤二、调节给粉量，保证接近单颗粒给粉，保证煤粉颗粒不发生团聚的现象；
步骤三、使用四通道高速相机对目标单颗粒煤粉从煤粉颗粒着火到燃尽的整个燃烧过程进行连续拍摄，捕捉到目标单颗粒煤粉从着火到燃尽的过程中不同瞬时的一系列图片；
步骤四、对步骤三拍摄获得的图片进行分割处理时，把单颗粒煤粉燃烧所在的信号较强区域划定为控制体，按照选定的控制体的大小对某一时刻中心波长650nm、800nm、800nm、975nm对应的四张图进行图像处理，获取控制体内的信号值，通过比率的计算方法计算得到该时刻单颗粒煤粉燃烧的瞬态温度；
步骤五、按照步骤四的方法依次对单颗粒煤粉从着火到燃尽不同时刻的图片进行处理计算，得到对应时刻的瞬态温度；
步骤六、将所得到的不同时刻的温度与时间做成单颗粒煤粉燃烧温度-时间关系曲线。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明在四通道高速相机的四个通道前分别加装中心波长650nm、800nm、800nm、975nm带宽10nm的四个窄带滤光片，选用650nm、800nm、975nm作为特征波长可以排除水蒸气、二氧化碳光谱辐射的干扰。
2、本发明使用四通道高速相机对煤粉燃烧火焰连续拍照，采用比率的计算方法得到煤粉燃烧火焰的温度场分布。
3、本发明可以将拍摄的照片经过MATLAB图像处理和比率计算得到煤粉燃烧火焰的二维温度场分布及场温度分布梯度；可以通过连续拍摄的多张照片捕捉目标煤粉单颗粒的燃烧温度随时间变化轨迹。
4、本发明广泛适用于固相温度的测量。
5、本发明结构简单、易于操作，大大降低了操作难度，提高了工作效率。
6、本发明测量区域大，可以测量二维温度场的温度分布。
7、本发明可以测量单颗粒不同瞬时的温度变化。
8、本发明采用多波长相互组合，可以采用650nm/第一个800nm、650nm/第二个800nm、第一个800nm/975nm、第二个800nm/975nm、650nm/975nm多种波长组合通过比率算法计算温度，采用650nm/800nm/975nm通过最小二乘法计算温度，可以同时测量得到六个温度，对测量的温度互相校正。
附图说明
图1为四通道相机拍摄煤粉燃烧的平面视图，1-窄带干涉滤光片，2-四通道高速相机，3-镜片，4-计算机；
图2为对照片平面分割单元体的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供了一种用于煤粉燃烧温度二维场分布测量的装置，如图1所示，所述装置由窄带干涉滤光片1、四通道高速相机2和计算机4组成，其中：
所述窄带干涉滤光片1的个数为四个，其带宽为10nm，中心波长分别为650nm、800nm、800nm、975nm；
所述四通道高速相机2的内部含有四个高速相机，四个高速相机的镜头前端相同距离都有一个镜架，用于安装窄带干涉滤光片1，窄带干涉滤光片1的中心和高速相机的中心同轴并在同一水平高度上，从火焰到四个高速相机的光程相同，保证同时拍摄；
所述计算机4用于对四通道高速相机1拍摄得到的不同瞬时对应四个中心波长的火焰图像使用MATLAB图像处理技术进行数据处理和通过比率的算法进行温度计算。
参照图1和图2具体说明本实施方式，实验装置主要包括两部分，一部分是携带流煤粉火焰燃烧器，一部分是四通道高速相机。在四通道高速相机的通道前分别加装中心波长为650nm、800nm、800nm、975nm带宽为10nm的窄带干涉滤光片。如图1所示，四通道高速相机通过装有四个特定波长窄带干涉滤光片的高速相机对煤粉燃烧火焰进行同步拍摄，采集到的照片由计算机采用MATLAB进行处理，通过比率的算法计算温度。
温度的比率计算方法，简单阐述如下。从对应某一波长窄带干涉滤光片的拍照图片中经过分割处理得到的控制体内的信号值记作Sλ。
非黑体表面的光谱辐射强度遵从普朗克法则：
不同波长下的信号比：
信号比与温度的线性关系：
式中：
C是校准常数，通过高温黑体炉进行校准；
C2是常数，14388um·K；
T是计算得到的火焰温度；
λi、λj是i、j分别对应的波长；
Si、Sj是i、j对应波长的信号；
εi、εj是i、j对应波长的发射率。
本实施方式中，测量目标到达四个高速相机的光程相同。
本实施方式的装置具有以下三大优势：
1、可以获得煤粉火焰二维温度场分布；
2、准确捕捉单颗粒煤粉燃烧温度随时间变化关系；
3、可以得到多个温度测量结果。
具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述装置实现煤粉燃烧温度二维场分布测量的方法，由以下步骤实现：
步骤一、调节相机焦距，使焦平面定位在过燃烧器中轴线的中心平面上。
步骤二、使用四通道高速相机对煤粉燃烧火焰进行拍摄，得到对应中心波长650nm、800nm、800nm、975nm下的四张图片。
步骤三、对所得到的不同波长下的图片按照图2的分割方法(图像分辨率是1280×1024，选定一个两行两列之间相同间隔的像素值n，将图像分割成1024/n行，1280/n列)分成i行j列(i和j为整数，例如：i＝256、j＝320)，得到i×j个小单元格，每一个小单元格都是一个控制体，记作Nij。
步骤四、使用MATLAB图像处理技术得到每一个小控制体内所采集到的信号值。
步骤五、通过比率的计算方法和最小二乘法可以得到不同波长组合650nm/800nm、800nm/975nm、650nm/975nm、650nm/975nm/800nm下的煤粉燃烧火焰温度；
步骤六、按照步骤五的方法计算得到每一个小控制体内的煤粉燃烧火焰温度，进而可以得到煤粉燃烧火焰的二维温度场。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，需要对单颗粒的燃烧火焰进行连续的追踪拍摄。
本实施方式中，高速相机采用高达10kHz的频率对煤粉单颗粒的燃烧图像进行拍摄，用来追踪单颗粒从着火到燃尽的温度变化。
利用具体实施方式一所述装置实现煤粉单颗粒燃烧温度测量的方法，由以下步骤实现：
步骤一、调节相机焦距，使焦平面定位在过燃烧器中轴线的中心平面上。
步骤二、调节给粉量，尽量保证接近单颗粒给粉，保证煤粉颗粒不发生团聚的现象。
步骤三、使用四通道高速相机对单颗粒煤粉燃烧过程进行连续拍摄，从煤粉颗粒着火到燃尽的整个过程进行追踪捕捉拍摄，每一个瞬时都会得到对应中心波长650nm、800nm、800nm、975nm下目标煤粉颗粒燃烧的四张图片。从着火到燃尽的过程捕捉到目标煤粉颗粒不同瞬时的一系列图片。
步骤四、对图片进行分割处理时，把单颗粒煤粉燃烧所在的信号较强区域(即：煤粉单颗粒周围火焰信号强度强于背景环境的圆形区域)划定为控制体，按照选定的控制体的大小(即：所追踪单个煤粉颗粒火焰球最大时刻的大小)对某一时刻中心波长650nm、800nm、800nm、975nm对应的四张图进行图像处理，获取控制体内的信号值，通过比率的计算方法计算得到该时刻单颗粒煤粉燃烧的瞬态温度。
步骤五、按照步骤四的方法依次对单颗粒煤粉从着火到燃尽不同时刻的图片进行处理计算，得到对应时刻的瞬态温度。
步骤六、将所得到的不同时刻的温度与时间做成单颗粒煤粉燃烧温度-时间关系曲线。因此对目标单颗粒从着火到燃尽过程的温度进行了精准的追踪，获得单颗粒煤粉燃烧的温度时间曲线。
Claims (2)
1.一种煤粉燃烧温度二维场分布测量方法，其特征在于所述方法利用火焰二维温度场的多色测温装置实现煤粉燃烧温度二维场分布测量，其中：
所述装置包括窄带干涉滤光片、四通道高速相机和计算机：
所述窄带干涉滤光片的个数为四个，其带宽为10nm，中心波长分别为650nm、800nm、800nm、975nm；
所述四通道高速相机的内部含有四个高速相机，四个高速相机的镜头前端依次安装中心波长为650nm、800nm、800nm、975nm的窄带干涉滤光片；
所述计算机用于对四通道高速相机拍摄得到的不同瞬时对应四个中心波长的火焰图像使用MATLAB图像处理技术进行数据处理和通过比率的算法进行温度计算；
所述方法包括如下步骤：
步骤一、调节四通道高速相机焦距，使焦平面定位在过燃烧器中轴线的中心平面上；
步骤二、调节给粉量，保证接近单颗粒给粉，保证煤粉颗粒不发生团聚的现象；
步骤三、使用四通道高速相机对目标单颗粒煤粉从煤粉颗粒着火到燃尽的整个燃烧过程进行连续拍摄，捕捉到目标单颗粒煤粉从着火到燃尽的过程中不同瞬时的一系列图片；
步骤四、对步骤三拍摄获得的图片进行分割处理时，把单颗粒煤粉燃烧所在的信号较强区域划定为控制体，按照选定的控制体的大小对某一时刻中心波长650nm、800nm、800nm、975nm对应的四张图进行图像处理，获取控制体内的信号值，通过比率的计算方法计算得到该时刻单颗粒煤粉燃烧的瞬态温度；
步骤五、按照步骤四的方法依次对单颗粒煤粉从着火到燃尽不同时刻的图片进行处理计算，得到对应时刻的瞬态温度；
步骤六、将所得到的不同时刻的温度与时间做成单颗粒煤粉燃烧温度-时间关系曲线。
2.根据权利要求1所述的煤粉燃烧温度二维场分布测量方法，其特征在于四个窄带干涉滤光片的中心和四个高速相机的中心同轴并在同一水平高度上，火焰到四个高速相机的光程相同。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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