CN110160657B - 一种基于可见光热成像的高温分布检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温检测领域，并具体公开了一种基于可见光热成像的高温分布检测方法及装置，其首先采集待测对象的可见光热辐射图像，通过该图像中像素三色值的大小判断每个像素的所属区间，从而确定可见光热辐射图像的最优区间，然后通过最优区间像素三色值对应的平均辐射强度值求得特征温度，最后由图像中每个像素对应的辐射强度值、最优区间内像素三色值对应的平均辐射强度值和特征温度计算得到图像中每个像素对应的温度，即待测对象的温度分布。本发明简单易行，还原了待测对象的温度分布梯度，检测结果准确，解决了常用的红外热像仪在检测高温炉膛温度时误差大的问题。
Description
技术领域
本发明属于高温检测领域，更具体地，涉及一种基于可见光热成像的高温分布检测方法及装置。
背景技术
火电、冶金、石化、玻璃和水泥等行业中，各种锅炉、窑炉、工业炉、焚烧炉和冶炼炉等大型高温炉膛是关键的设备和装置。这些炉膛中温度较高，通常在800℃以上，开展炉内温度分布测量，对于提高换热效率、节约生产成本、以及降低污染物排放，有着重要的实际作用。常用的高温炉膛内的测量设备包括辐射高温计、热电偶、红外热像仪等，其中，辐射高温计只能给出某一个位置或某一个方向的温度，难以给出温度在空间中的分布；而热电偶是接触式的点测量方式，易于损耗，需要经常更换；红外热像仪可以获得被测对象的温度分布，其原理是：高于绝对零度(-273℃)的物体都会发出红外热辐射，用红外图像传感器接收物体在红外辐射波段的热辐射图像，根据红外热辐射图像的强弱及物体发射率来计算出被测物体的温度分布。
但需要注意的是，红外热辐射的波长范围在0.78-100μm，红外热像仪在测温应用中要根据物体红外辐射光谱的特点选择合适的红外测温波段，还需要知道红外测温波段内物体的发射率才能得到准确的温度。然而，对于不同类型的高温炉膛，其红外波段的发射率与炉内固相和气相组分有关，尤其是对于包含有燃烧火焰的高温炉膛，炉内的焦炭、碳烟、飞灰等固体颗粒在可见光及近红外波段随波长具有连续的黑体辐射特性，而炉内的CO2、H2O等三原子气体在红外波段随波长呈有非连续的谱线和谱带辐射，因此，高温炉膛在红外波段的发射率很难准确给出。此外，在不同工况下，炉内气固组分的浓度会发生变化，其在红外波段的发射率相应也会发生变化，从而导致红外热像仪用于高温炉膛尤其是具有燃烧火焰的高温炉膛的温度测量时，测温结果可能会出现较大偏差。
实际上，根据维恩热辐射定律，物体温度在高于600℃时会发出可见光热辐射，高于800℃时可见光热辐射就非常强烈，且温度越高热辐射峰值越向可见光波段移动。高温炉膛内的温度通常高于800℃，而炉膛在380-760nm可见光波段的热辐射呈连续的黑体辐射特性，其在可见光波段的发射率与波长具有定量关系，这有助于获得更准确的炉内温度，而且可见光图像传感器比红外图像传感器价格更为便宜。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于可见光热成像的高温分布检测方法及装置，其首先采集待测对象的可见光热辐射图像，并通过图像中像素三色值确定可见光热辐射图像的最优区间，然后通过最优区间内像素三色值对应的平均辐射强度值求得特征温度，最后由特征温度得到图像中每个像素对应的温度，即待测对象内的温度分布，整个过程简单易行且得到的温度分布结果准确。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种基于可见光热成像的高温分布检测方法，包括如下步骤：
S1采集待测对象的可见光热辐射图像，将该可见光热辐射图像的像素三色值范围分为数个区间，任选像素三色中的一种，并统计该颜色各区间像素数占图像总像素数的比例，将占比最大的区间定义为当前可见光热辐射图像的最优区间；
S2将可见光热辐射图像中的每个像素的三色值转换为对应波长下的辐射强度值，并分别计算最优区间内所有像素三色对应的平均辐射强度值，然后根据其中任两色对应的平均辐射强度值计算最优区间的平均温度，即特征温度；
S3任选像素三色中的一种，根据可见光热辐射图像中每个像素该颜色对应的辐射强度值、最优区间内像素该颜色对应的平均辐射强度值以及特征温度，得到可见光热辐射图像中每个像素对应的温度，各个像素对应的温度即为待测对象的温度分布。
作为进一步优选的，还包括如下步骤：S4得到待测对象的温度分布后，对该温度分布情况进行存储和显示。
作为进一步优选的，采集到的可见光热辐射图像每个像素的三色值优选为非饱和数据。
作为进一步优选的，所述S2中计算特征温度具体包括如下步骤：
(1)确定最优区间内所有像素三色对应的平均辐射强度值与特征温度的关系式；
(2)任选其中两色的关系式，由此两式的比值计算得到特征温度。
作为进一步优选的，所述S3中计算每个像素对应的温度具体包括如下步骤：
(1)确定可见光热辐射图像中每个像素任一色对应的辐射强度值与每个像素对应的温度间的关系式，以及最优区间内所有像素该色对应的平均辐射强度值与特征温度的关系式；
(2)由上述两式的比值计算得到每个像素对应的温度。
作为进一步优选的，所述S1中优选像素红色值来判断像素的所属区间。
作为进一步优选的，所述S2中优选最优区间内所有像素红色对应的平均辐射强度值和绿色对应的平均辐射强度值来计算特征温度。
作为进一步优选的，所述S3中优选每个像素红色对应的辐射强度值来计算每个像素对应的温度。
按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现所述方法的装置，包括可见光图像传感器、嵌入式开发板和电源模块，其中，所述可见光图像传感器用于实时采集待测对象的可见光热辐射图像；所述嵌入式开发板用于控制所述可见光图像传感器，以及处理采集到的可见光热辐射图像以获得待测对象的温度分布；所述电源模块用于给所述可见光图像传感器和嵌入式开发板供电。
作为进一步优选的，该装置优选包括数据存储模块和触摸显示屏，所述数据存储模块和触摸显示屏均由所述嵌入式开发板控制，所述数据存储模块用于存储温度分布数据；所述触摸显示屏用于显示温度分布情况，其由所述电源模块供电。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明从待测对象的可见光热辐射图像中获得温度，一方面由于待测对象为高温炉膛，其发射率在较窄的可见光波段(380-760nm)不随波长变化，而在很宽的红外波段(0.78-100μm)呈非连续的线型或带状特征，难以准确给出，采用可见光热成像解决了红外热像仪测温过程中发射率难以准确给出的问题；另一方面随着温度的升高，热辐射的峰值向可见光波段移动，即高温时，可见光波段接受的热辐射信号要强于红外波段接受的热辐射信号，更有利于在可见光波段来计算的高温炉膛的温度。
2.本发明提出寻找可见光热辐射图像的最优区间，并通过最优区间的平均温度来获得待测对象的温度分布，能最大程度地还原真实的温度分布梯度，使得到的温度分布结果更准确。
3.本发明所提出的基于可见光热成像的高温分布检测装置是建立在嵌入式系统基础上，相对于通常的上位机系统，整个装置的结构更为紧凑小巧，便于手持，而且可见光图像传感器的成本远低于红外图像传感器，是一种能够在线、简便、准确检测高温炉膛温度分布的装置，可适用于各类工业高温炉膛的温度检测。
附图说明
图1是本发明实施例的基于可见光热成像的高温分布检测装置结构示意图；
图2是本发明实施例的基于可见光热成像的高温分布检测方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图2所示，本发明实施例提供的一种基于可见光热成像的高温分布检测方法，采用如图1所示的装置进行，包括如下步骤：
S1可见光热辐射图像采集：通过嵌入式开发板控制可见光图像传感器实时采集待测对象的可见光热辐射图像，该图像在宽度方向有M个像素，高度方向有N个像素，每个像素的数据包括三色值：红色值R(i,j)、绿色值G(i,j)、蓝色值B(i,j)，其中i和j为沿图像宽度和高度的像素编号；
优选的，在采集图像过程中调整可见光图像传感器的曝光时间，使采集到的可见光热辐射图像每个像素的三色值均为非饱和数据，即每个像素的三色值均位于0到2n-1之间，其中n为该图像的量化位数；
S2可见光热辐射图像处理：将数值0到2n-1平均分为m个区间，每个区间的范围为(2n-1)×(l-1)/m到(2n-1)×l/m，其中，l＝1,2,..,m；优选像素的红色值R(i,j)，并根据像素红色值R(i,j)的大小，判断图像中每个像素的所属区间，然后统计每个区间像素数占图像总像素数的比例，将像素数占比最大的区间定义为当前可见光热辐射图像的最优区间；
S3特征温度计算：定义最优区间内像素对应的平均温度Tave为特征温度；根据热辐射标定，将每个像素的三色值R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)转换为对应波长下的辐射强度值IR(i,j)、IG(i,j)、IB(i,j)，优选计算可见光热辐射图像中最优区间内像素红色对应的平均辐射强度值IR,ave和绿色对应的平均辐射强度值IG,ave，由热辐射定律，如可见光波段的维恩热辐射定律可得：
其中，λR和λG分别为可见光图像传感器红色和绿色对应的波长，C1为普朗克第一常数，C2为普朗克第二常数，Tave为特征温度，ε为待测对象在可见光波段的发射率；
具体的，由于待测对象在可见光波段的热辐射主要是来自内部固相介质及固体表面的热辐射，并且呈连续的黑体辐射特性，在可见光波段内满足灰性假设，即待测对象在可见光波段的发射率ε不随波长变化，故由式(1)和式(2)可求得特征温度Tave；
S4温度分布计算：优选可见光热辐射图像中每个像素红色对应的辐射强度值IR(i,j)，由热辐射定律，如可见光波段的维恩热辐射定律可得：
由式(1)和式(3)，其中每个像素对应的红色辐射强度值IR(i,j)，最优区间内像素红色对应的平均辐射强度值IR,ave以及特征温度Tave已知，可计算出每个像素对应的温度T(i,j)，即得到待测对象的温度分布；
S5温度分布存储及显示：由嵌入式开发板将当前可见光热辐射图像的温度分布数据存储在数据存储模块中，并在触摸显示屏上以伪彩色、等值线等方式显示出待测对象内的温度分布情况；
S6重复S1至S5，实现待测对象温度分布情况的实时获取和显示。
具体的，S2至S4在嵌入式开发板中进行。
具体的，本方法适用的待测对象温度为600℃以上，此时待测对象会发出可见光热辐射；待测对象温度为800℃以上时，本方法可获得较好的检测效果。
以下为具体实施例：
实施例1
对高温黑体炉进行温度分布检测，高温黑体炉为M330型，其可设定的温度范围为800-1700℃，在本实施例中将其温度设定为1100℃；选用的嵌入式开发板为Raspberry Pi3B+，可见光图像传感器为UB31GC型彩色工业相机，触摸显示屏为DH10114A2型嵌入式电容屏，数据存储模块为16G Mircro SD卡，电源模块为16000mAh锂电池，具体步骤如下：
S1采集可见光热辐射图像：将彩色工业相机对准黑体炉的开孔，来自炉内的可见光热辐射图像进入彩色工业相机内，再通过USB数据传输线进入嵌入式开发板中；获得的可见光热辐射图像分辨率为640(宽度)×480(高度)，该彩色工业相机可将图像量化为8位，通过嵌入式开发板调整彩色工业相机的曝光时间，设为2348μs，使获得的黑体炉可见光热辐射图像中每个像素的三色值均位于0到255之间；
S2可见光热辐射图像的处理：在嵌入式开发板中将0-255平均分为16个区间，每个区间分别为0-15，16-31，32-47，48-63，64-79，80-95，96-111，112-127，128-143，144-159，160-175，176-191，192-207，208-223，224-255；并获取当前可见光热辐射图像每个像素的红色值R(i,j)，按照像素红色值R(i,j)大小判断该像素所属区间，然后统计出每个区间的像素数占图像总像素数的比例，得出占比最大的最优区间为160-175，在该区间的像素数占图像总像素的85％；
S3特征温度计算：将当前可见光热辐射图像每个像素的三色值R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)转换为对应波长下的辐射强度值IR(i,j)、IG(i,j)、IB(i,j)，计算当前可见光热辐射图像位于最优区间的像素红色对应的平均辐射强度值IR,ave和绿色对应的平均辐射强度值IG,ave，根据可见光波段的维恩热辐射定律，从IR,ave与IG,ave的比值中得到：
求得当前的黑体炉可见光热辐射图像最优区间内像素对应的平均温度，即特征温度Tave＝1102℃。
S4温度分布计算：在嵌入式开发板中计算温度分布，根据可见光波段的维恩热辐射定律，可见光热辐射图像中每个像素对应的温度T(i,j)可以从IR(i,j)与IR,ave的比值中得到：
根据式(5)可得到当前的黑体炉可见光热辐射图像中每个像素对应的温度T(i,j)，即得到黑体炉内的温度分布；对得到的黑体炉内温度分布做统计，其温度平均值为1098℃，与黑体炉的设定温度1100℃仅相差2℃，误差为0.18％。
S5温度分布存储及显示：在嵌入式开发板中将从当前的黑体炉可见光热辐射图像中计算得到的温度分布数据存储在数据存储模块中，并在触摸显示屏上以伪彩色、等值线的方式显示出高温炉膛内温度分布。
S6重复S1至S5，对采集到的下一幅可见光热辐射图像进行处理并计算温度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于可见光热成像的高温分布检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1采集待测对象的可见光热辐射图像，并在采集图像过程中调整可见光图像传感器的曝光时间，使采集到的可见光热辐射图像每个像素的三色值均为非饱和数据，即每个像素的三色值均位于0到2n-1之间，其中n为该图像的量化位数；将该可见光热辐射图像的像素三色值范围分为数个区间，统计红色值各区间像素数占图像总像素数的比例，将占比最大的区间定义为当前可见光热辐射图像的最优区间；
S2将可见光热辐射图像中的每个像素的三色值转换为对应波长下的辐射强度值，并分别计算最优区间内所有像素三色对应的平均辐射强度值，然后根据其中红色对应的平均辐射强度值IR,ave和绿色对应的平均辐射强度值IG,ave计算最优区间的平均温度，即特征温度；具体计算式如下：
其中，λR和λG分别为可见光图像传感器红色和绿色对应的波长，C1为普朗克第一常数，C2为普朗克第二常数，Tave为特征温度，ε为待测对象在可见光波段的发射率；
S3根据可见光热辐射图像中每个像素红色对应的辐射强度值、最优区间内像素红色对应的平均辐射强度值以及特征温度，得到可见光热辐射图像中每个像素对应的温度，各个像素对应的温度即为待测对象的温度分布；具体计算式如下：
由式(1)和式(3)的比值计算得到每个像素对应的温度，具体来说，其中每个像素对应的红色辐射强度值IR(i,j)，最优区间内像素红色对应的平均辐射强度值IR,ave以及特征温度Tave已知，进而计算出每个像素对应的温度T(i,j)。
2.如权利要求1所述的基于可见光热成像的高温分布检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：S4得到待测对象的温度分布后，对该温度分布情况进行存储和显示。
3.一种用于实现如权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于，包括可见光图像传感器、嵌入式开发板和电源模块，其中，所述可见光图像传感器用于实时采集待测对象的可见光热辐射图像；所述嵌入式开发板用于控制所述可见光图像传感器，以及处理采集到的可见光热辐射图像以获得待测对象的温度分布；所述电源模块用于给所述可见光图像传感器和嵌入式开发板供电。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该装置包括数据存储模块和触摸显示屏，所述数据存储模块和触摸显示屏均由所述嵌入式开发板控制，所述数据存储模块用于存储温度分布数据；所述触摸显示屏用于显示温度分布情况，其由所述电源模块供电。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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