CN112525951B - 一种加热成像装置及关联辐射图像与积灰温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种加热成像装置及关联辐射图像与积灰温度的方法，所述加热成像装置通过在温度传感器外侧设置隔离件，减少燃烧火焰对拍摄图像的影响；利用所述加热成像装置对辐射图像与积灰温度进行关联时，采用相机拍摄高温飞灰图像，得到高温积灰的辐射强度，依据温度和辐射强度之间的关系，结合飞灰辐射强度值和热电偶温度值得到灰层发射率，进行拟合和计算，从而标定得到彩色图像信号和高温积灰表面温度间的关联。
Description
技术领域
本发明涉及分析测量技术领域，尤其涉及一种加热成像装置及关联辐射图像与积灰温度的方法。
背景技术
表面温度的测量对于积灰过程的研究和吹灰参数的设定十分重要。常用于表面温度测量的热电偶需要固定在待测表面上，仅能提供单个点的温度，并且还会影响附近的流场。基于待测对象自身辐射的辐射测温技术有非侵入、低扰动、易于获得温度分布等优点，尤其适用于这种高温、动态、不均匀的测量对象。
彩色相机能够在单个光谱通道提供待测对象辐射信息的二维分布，并结合与光谱通道相对应的滤色片，可使相机在每个光谱通道仅接收特定波段的辐射信号。依据采用标准辐射源标定后的辐射信号与相机响应的关系，即可得到对应波段的辐射强度信息。依据不同光谱通道的辐射强度，在已知对应波段辐射能力关系即发射率比值的情况下，温度可以直接通过双色法计算获得。但不同物体在各波段的辐射能力并不相同，假设或先验公式都会直接影响温度结果。
CN110345992A公开了一种基于高温红外成像的垃圾焚烧电厂积灰监测方法及装置；CN106093062A公开了一种基于CCD的锅炉受热面积灰结渣智能吹灰系统，均仅关注积灰测量后的吹灰技术应用，而未关注于更为精确的测温手段。
此外，对于比色法的标定而言，多关注于相机信号和辐射信号之间的普适性关联，如CN110954222A公开了比色测温系统显示与标定方法，及系统的优化，如CN105043552A公开了一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，并未关注特定被测物质辐射性质的标定。
因此，需要开发一种针对高温积灰温度测量的方法和装置。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种加热成像装置及关联辐射图像与积灰温度的方法，所述加热成像装置通过在温度传感器外侧设置隔离件，减少燃烧火焰对拍摄图像的影响；利用所述装置对辐射图像与积灰温度进行关联时，结合飞灰辐射强度值和热电偶温度值得到通道发射率，进行拟合和计算，从而标定得到彩色图像信号和高温积灰表面温度间的关联，为比色法测量高温积灰的温度提供必要的数据基础。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种加热成像装置，所述加热成像装置包括加热单元和成像单元；所述加热单元包括燃烧装置以及设置于燃烧装置内部的温度传感器；在所述燃烧装置内，所述温度传感器外侧设置有隔离件，所述隔离件与温度传感器互不接触；所述成像单元成像的中心线与所述温度传感器的中轴线重合，用于拍摄待测物质的辐射图像。
本发明所述装置通过设置隔离件能够将燃烧装置的火焰与热电偶以及积灰隔离开，能够减少拍摄时火焰对飞灰辐射的影响，提供更准确的相机信号。
优选地，所述成像单元为彩色相机。
本领域技术人员应当明了，所述彩色相机的通道信号值与辐射强度的关系为已知关系，对此不做特殊限定。
优选地，所述成像单元包括依次设置的滤色片、镜头和相机主体；所述滤色片设置于靠近加热单元的一侧。
优选地，所述镜头与相机主体的中轴线重合。
优选地，所述温度传感器为热电偶。
优选地，所述隔离件为金属丝网。
优选地，所述温度传感器与积灰直接接触。
优选地，所述成像单元位于所述加热单元的下方，所述成像单元成像的中心线与所述加热单元的中轴线重合。
优选地，所述隔离件与所述燃烧装置互不接触。
优选地，所述温度传感器设置于所述隔离件的正上方。
第二方面，本发明提供一种关联辐射图像与积灰温度的方法，所述方法采用第一方面所述的加热成像装置进行。
本发明所述关联辐射图像与积灰温度的方法通过采用第一方面提供的装置进行，减少了燃烧火焰对飞灰辐射的影响，能够提供更准确的相机信号，从而能够得到更准确的积灰辐射强度。
第三方面，本发明提供一种关联辐射图像与积灰温度的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)不同温度下，拍摄积灰的辐射图像，得到不同温度下的辐射强度；
(2)根据步骤(1)所述温度和相应温度下的辐射强度，计算相应温度下的通道发射率，拟合得到不同通道发射率的第一比值与相应温度的第一关系式；
(3)根据步骤(2)所述第一关系式，计算相应温度下不同通道发射率的第二比值，并计算不同温度中所述第二比值的平均值，记为通用通道发射率比值；
(4)根据步骤(3)所述通用通道发射率比值和普朗克定律，构建得到辐射强度与积灰温度的关联式。
本发明提供的关联辐射图像与积灰温度的方法通过采用温度段的发射率比值作为标定辐射强度和积灰温度的通用发射率比值，能够适用区域积灰温度的测量；而且采用拟合后再根据不同温度计算得到的第二比值的平均值作为通用发射率比值，相比直接采用依据辐射强度和普朗克定律计算得到的不同通道的发射率的第一比值而言，具有更高的准确率。
本发明提供的方法能够对相机信号与积灰温度之间进行标定，解决了现有积灰温度测量中热电偶仅能测量点值，而相机信号测量不够准确的问题，具有广阔的应用前景。
本发明中从拍摄积灰的辐射图像通过比色法得到不同温度下的辐射强度，对比色法的具体操作不做特殊限定，本发明中燃烧装置的辐射强度是已经的，采用本领域技术人员熟知的方法即可。
优选地，步骤(2)中根据式(1)计算相应温度下的所述通道发射率：
式(1)中，λ表示波长；I(λ,T)表示λ波长T温度下的辐射强度；ε(λ)表示λ波长下的发射率；c1表示第一辐射常数；c2表示第二辐射常数；e表示自然常数；T表示温度。
优选地，所述通道发射率为通道对应波长下的发射率。
优选地，所述通道包括红通道、绿通道或蓝通道中至少两种的组合。
优选地，所述第一关系式为式(2)：
式(2)中，εi表示i通道的发射率；εj表示j通道的发射率；ai表示i通道的第一标定系数；aj表示j通道的第一标定系数；bi表示i通道的第二标定系数；bj表示j通道的第二标定系数。
优选地，所述i通道和j通道为不同的通道。
优选地，步骤(2)中所述拟合得到ai、aj、bi和bj的值。
优选地，所述拟合采用最小二乘法进行拟合。
优选地，步骤(3)中所述通用通道发射率比值的计算方法如式(3)所示：
式(3)中，表示i通道与j通道的通用通道发射率比值；表示i通道与j通道在第一温度T1下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第二温度T2下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第n温度Tn下的通道发射率比值；n表示温度的个数。
优选地，所述n为≥2的整数。
优选地，步骤(4)中所述相机信号与积灰温度的关联式如式(4)所示：
式(4)中，λi表示i通道的波长；λj表示j通道的波长；I(λi,T)表示i通道T温度下的辐射强度；I(λj,T)表示j通道T温度下的辐射强度；表示i通道与j通道的通用通道发射率比值。
第四方面，本发明提供一种测量积灰温度的方法，所述方法包括：拍摄待测积灰的辐射图像，根据第三方面所述的关联辐射图像与积灰温度的方法得到的关联式，计算待测积灰的温度。
本发明通过第三方面的关联辐射图像与积灰温度的方法来测量积灰温度，能够准确得到积灰的区域温度，适应范围广。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的加热成像装置图通过隔离件的设置，提高了相机信号的准确度；
(2)本发明提供的关联辐射图像与积灰温度的方法采用温度段内的平均发射率比值作为通用发射率比值，测量结果更准确，平均温度与热电偶温度测量误差在±3％以内；
(3)本发明提供的测量积灰温度的方法能够准确得到积灰的区域温度，适应范围广。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的加热成像装置图。
图2是本发明应用例1燃烧装置内部的积灰拍摄图。
图3是本发明应用例1中R通道与G通道对应发射率比值与温度的关系图。
图4是本发明应用例1中不同温度下热电偶测量的温度值与拍摄图像测量得到平均温度值关系图。
图5是本发明应用例1中不同温度下热电偶测量的温度值与拍摄图像测量得到平均温度值的误差关系图。
图6是本发明应用例1中针对燃煤电站过热管屏生产过程中积灰拍摄图。
图7是本发明应用例1中针对燃煤电站过热管屏生产过程中积灰拍摄图计算得到的温度分布。
图8是本发明应用对比例1燃烧装置内部的积灰拍摄图。
图中：1-相机主体；2-镜头；3-滤色片；4-隔离件；5-燃烧装置；6-飞灰；7-热电偶；8-电能加热炉。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例提供一种加热成像装置，如图1所示，所述加热成像装置包括加热单元和成像单元。
所述加热单元包括燃烧装置5以及设置于燃烧装置5内部的温度传感器；在所述燃烧装置5内，所述温度传感器外侧设置有隔离件4，所述隔离件4与温度传感器互不接触；所述隔离件4与所述燃烧装置5互不接触；所述温度传感器为热电偶7；所述隔离件4为金属丝网；所述温度传感器设置于所述隔离件4的正上方。
所述成像单元设置于所述加热单元的下方，所述成像单元成像的中心线与所述热电偶7的中轴线重合，用于拍摄待测物质的辐射图像；所述成像单元包括依次设置的滤色片3、镜头2和相机主体1；所述滤色片1设置于靠近加热单元的一侧；所述镜头2与相机主体1的中轴线重合；所述成像单元为彩色相机。
对比例1
本对比例提供一种加热成像装置，所述加热成像装置除不设置隔离件外，其余均与实施例1相同。
具体地，所述加热成像装置包括加热单元和成像单元。
所述加热单元包括燃烧装置以及设置于燃烧装置内部的温度传感器；所述温度传感器为热电偶。
所述成像单元设置于所述加热单元的下方，所述成像单元成像的中心线与所述热电偶的中轴线重合，用于拍摄待测物质的辐射图像；所述成像单元包括依次设置的滤色片、镜头和相机主体；所述滤色片设置于靠近加热单元的一侧；所述镜头与相机主体的中轴线重合；所述成像单元为彩色相机。
对比例2
本对比例提供一种加热成像装置，所述加热成像装置为电能加热炉。
应用例1
本应用例提供一种关联辐射图像与积灰温度的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)利用实施例1所述的加热成像装置，将少量飞灰堆积在热电偶前端，所述热电偶与积灰直接接触，不同温度下，拍摄积灰的辐射图像，得到不同温度下的辐射强度；
(2)根据步骤(1)所述温度和相应温度下的辐射强度，利用式(1)计算相应温度下的通道发射率，利用最小二乘法拟合得到不同通道发射率的第一比值与温度的第一关系式，如式(2)所示；
式(1)中，λ表示波长；I(λ,T)表示λ波长T温度下的辐射强度；ε(λ)表示λ波长下的发射率；c1表示第一辐射常数；c2表示第二辐射常数；e表示自然常数；T表示温度；
式(2)中，εi表示i通道的发射率；εj表示j通道的发射率；ai表示i通道的第一标定系数；aj表示j通道的第一标定系数；bi表示i通道的第二标定系数；bj表示j通道的第二标定系数；
所述i通道和j通道为不同的通道；所述拟合得到ai、aj、bi和bj的值；
(3)根据步骤(2)所述第一关系式，重新将温度代入式(2)中计算相应温度下通道发射率的第二比值，并根据式(3)计算不同温度中所述第二比值的平均值，记为通用通道发射率比值；
式(3)中，表示i通道与j通道的通用通道发射率比值；表示i通道与j通道在第一温度T1下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第二温度T2下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第n温度Tn下的通道发射率比值；n表示温度的个数；
(4)根据步骤(3)所述通用通道发射率比值和普朗克定律，构建得到辐射强度与积灰温度的关联式，如式(4)所示；
式(4)中，λi表示i通道的波长；λj表示j通道的波长；I(λi,T)表示i通道T温度下的辐射强度；I(λj,T)表示j通道T温度下的辐射强度；表示i通道与j通道的通用通道发射率比值。
以下以具体某660MW燃煤电站过热管屏的积灰测温为应用方式进一步详细描述。
(1)利用实施例1所述的加热成像装置，采用的多带通滤色片对应R通道波段的中心波长为615nm，对应G通道波段的中心波长为517nm，将少量飞灰堆积在热电偶前端，不同温度下，拍摄积灰的辐射图像，得到不同温度下的辐射强度；
图像如图2所示，从图2中可以看出金属丝网能够有效地隔离火焰与飞灰，使得图片中飞灰区域的辐射强度不会受到火焰辐射强度的影响；
(2)根据步骤(1)所述温度和相应温度下的辐射强度，利用式(1)计算相应温度下的通道发射率，利用最小二乘法拟合得到不同通道发射率的第一比值与温度的第一关系式，如式(2)所示；
式(1)中，λ表示波长；I(λ,T)表示λ波长T温度下的辐射强度；ε(λ)表示λ波长下的发射率；c1表示第一辐射常数；c2表示第二辐射常数；e表示自然常数；T表示温度；
依据上式计算得到的温度与615nm波长以及517nm波长通道对应发射率，并计算不同温度下615nm波长以及517nm波长通道对应发射率的第一比值关系如图3所示。
式(2)中，εi表示i通道的发射率；εj表示j通道的发射率；ai表示i通道的第一标定系数；aj表示j通道的第一标定系数；bi表示i通道的第二标定系数；bj表示j通道的第二标定系数；
所述i通道和j通道为不同的通道；所述拟合得到ai、aj、bi和bj的值分别为-1.35738，-2.5314，0.0015和0.00276；
(3)根据步骤(2)所述第一关系式，重新将温度代入式(2)中计算相应温度下通道发射率的第二比值，并根据式(3)计算不同温度中所述第二比值的平均值为0.57137，利用第二比值的平均值代入式(2)中计算温度的平均值，不同温度下温度的平均值与热电偶温度值的关系如图4所示，从图4中可以看出，平均值在热电偶温度值附近波动，从图5可以看出，在不同温度下，根据第二比值的平均值计算得到区域内的平均温度值与热电偶温度值的相对误差在±3％以内，平均值0.57137记为通用通道发射率比值；
式(3)中，表示i通道与j通道的通用通道发射率比值；表示i通道与j通道在第一温度T1下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第二温度T2下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第n温度Tn下的通道发射率比值；n表示温度的个数，本应用例中n＝25；
(4)根据步骤(3)所述通用通道发射率比值和普朗克定律，构建得到辐射强度与积灰温度的关联式，如式(4)所示；
式(4)中，λi表示i通道的波长；λj表示j通道的波长；I(λi,T)表示i通道T温度下的辐射强度；I(λj,T)表示j通道T温度下的辐射强度；表示i通道与j通道的通用通道发射率比值；
(5)对实际660MW燃煤电站过热管屏的积灰进行图像拍摄，如图6所示，此时热电偶的示数为960℃，即1233.15K，对于图中的计算区域，结合比色法确定相机信号对应的辐射强度，基于步骤(4)所标定的辐射强度与积灰温度的关联式，计算得到区域内不同点所对应的温度，计算得到的温度分布如图7所示。
对比应用例1
本对比例提供一种关联辐射图像与积灰温度的方法，所述方法除采用对比例1提供的加热成像装置拍摄辐射图像外，其余均与应用例相同。
本对比应用例由于采用未设置隔离件的装置进行辐射图像的拍摄，燃烧火焰对辐射图像有较高的影响，辐射强度的计算准确度下降明显。
对比应用例2
本对比例提供一种关联辐射图像与积灰温度的方法，所述方法除采用对比例2提供的加热成像装置拍摄辐射图像外，其余均与应用例相同。
如图8所示，其所拍摄的图像存在电能加热炉8带来的明显可见光干扰，辐射强度的计算准确度下降明显。
对比应用例3
本对比例提供一种关联辐射图像与积灰温度的方法，所述方法除不进行步骤(2)以及步骤(3)中第二比值的计算，直接采用第一比值计算通用通道发射率比值，并与和普朗克定律构建步骤(4)构建得到辐射强度与积灰温度的关联式外，其余均与应用例1相同。
具体步骤包括：
(1)利用实施例1所述的加热成像装置，将少量飞灰堆积在热电偶前端，不同温度下，拍摄积灰的辐射图像，得到不同温度下的辐射强度；
(2)根据步骤(1)所述温度和相应温度下的辐射强度，利用式(1)计算相应温度下的通道发射率，并计算不同通道发射率的第一比值；
式(1)中，λ表示波长；I(λ,T)表示λ波长T温度下的辐射强度；ε(λ)表示λ波长下的发射率；c1表示第一辐射常数；c2表示第二辐射常数；e表示自然常数；T表示温度；
(3)根据式(3)计算不同温度中所述第一比值的平均值，记为通用通道发射率比值；
式(3)中，表示i通道与j通道的通用通道发射率比值；表示i通道与j通道在第一温度T1下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第二温度T2下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第n温度Tn下的通道发射率比值；n表示温度的个数；
(4)根据步骤(3)所述通用通道发射率比值和普朗克定律，构建得到辐射强度与积灰温度的关联式，如式(4)所示；
式(4)中，λi表示i通道的波长；λj表示j通道的波长；I(λi,T)表示i通道T温度下的辐射强度；I(λj,T)表示j通道T温度下的辐射强度；表示i通道与j通道的通用通道发射率比值。
仍然针对应用例1中的某660MW燃煤电站过热管屏的积灰测温为例，其测量区域内温度的平均值与热电偶温度值的相对误差为±15％左右。
综上所述，本发明提供的加热成像装置及关联辐射图像与积灰温度的方法，所述加热成像装置通过在温度传感器外侧设置隔离件，减少燃烧火焰对拍摄图像的影响；利用所述装置对辐射图像与积灰温度进行关联时，结合飞灰辐射强度值和热电偶温度值得到灰层发射率，进行拟合和计算，从而标定得到彩色图像信号和高温积灰表面温度间的关联，平均温度与热电偶温度测量误差在±3％以内，应用前景广阔。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (17)
1.一种关联辐射图像与积灰温度的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)不同温度下，拍摄积灰的辐射图像，得到不同温度下的辐射强度；
(2)根据步骤(1)所述温度和相应温度下的辐射强度，计算相应温度下的通道发射率，拟合得到不同通道发射率的第一比值与相应温度的第一关系式；
(3)根据步骤(2)所述第一关系式，计算相应温度下不同通道发射率的第二比值，并计算不同温度中所述第二比值的平均值，记为通用通道发射率比值；
(4)根据步骤(3)所述通用通道发射率比值和普朗克定律，构建得到辐射强度与积灰温度的关联式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中根据式(1)计算相应温度下的所述通道发射率：
式(1)中，λ表示波长；I(λ,T)表示λ波长T温度下的辐射强度；ε(λ)表示λ波长下的发射率；c1表示第一辐射常数；c2表示第二辐射常数；e表示自然常数；T表示温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通道发射率为通道对应波长下的发射率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通道包括红通道、绿通道或蓝通道中至少两种的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一关系式为式(2)：
式(2)中，εi表示i通道的发射率；εj表示j通道的发射率；ai表示i通道的第一标定系数；aj表示j通道的第一标定系数；bi表示i通道的第二标定系数；bj表示j通道的第二标定系数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述i通道和j通道为不同的通道。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)中拟合得到ai、aj、bi和bj的值。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述通用通道发射率比值的计算方法如式(3)所示：
式(3)中，表示i通道与j通道的通用通道发射率比值；表示i通道与j通道在第一温度T1下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第二温度T2下的通道发射率比值；表示i通道与j通道在第n温度Tn下的通道发射率比值；n表示温度的个数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述n为≥2的整数。
10.根据权利要求5～8任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述辐射强度与积灰温度的关联式如式(4)所示：
式(4)中，λi表示i通道的波长；λj表示j通道的波长；I(λi,T)表示i通道T温度下的辐射强度；I(λj,T)表示j通道T温度下的辐射强度；表示i通道与j通道的通用通道发射率比值。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法采用加热成像装置进行，所述加热成像装置包括加热单元和成像单元；
所述加热单元包括燃烧装置以及设置于燃烧装置内部的温度传感器；
在所述燃烧装置内，所述温度传感器外侧设置有隔离件，所述隔离件与温度传感器互不接触；
所述成像单元成像的中心线与所述温度传感器的中轴线重合，用于拍摄待测物质的辐射图像。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述成像单元为彩色相机。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述成像单元包括依次设置的滤色片、镜头和相机主体；所述滤色片设置于靠近加热单元的一侧。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述镜头与相机主体的中轴线重合。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述温度传感器为热电偶。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述隔离件为金属丝网。
17.一种测量积灰温度的方法，其特征在于，所述方法包括：拍摄待测积灰的辐射图像，根据权利要求1～16任一项所述的关联辐射图像与积灰温度的方法得到的关联式，计算待测积灰的温度。
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