CN113405672A - 一种基于对数多项式的实时高温温度场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温温度场的测量技术领域，具体公开了一种基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，包括如下步骤：(1)拍摄原始图像；(2)获取RGB空间图像；(3)计算基色强度对数r；(4)根据基色强度对数r与待测高温物体温度

的函数关系，计算待测高温物体温度。本发明的测量方法为一种非接触式的实时高温温度场测量方法，相较于其他方法，充分考虑光学传感器所得数据与辐射强度的关系，减小由于数据存储问题引入的系统性误差。同时，也考虑了求解计算过程中的数值误差问题，对温度的检测误差可以小于2.2％，能够在工业场景中实时连续测量。

Description

一种基于对数多项式的实时高温温度场测量方法

技术领域

本发明涉及高温温度场的测量技术领域，具体涉及一种基于对数多项式的实时高温温度场测量方法。

背景技术

工业领域，有非常多的行业涉及到高温过程，诸如火力发电、煤气化、冶金等。以冶金过程为例，可靠且连续的金属表面温度测量对有效操作控制至关重要。有效的温度控制，可以提高熔炼率，降低燃料消耗，并延长耐火材料寿命。其他工业过程也是类似情况，都只有在可靠且连续的测量出高温物体表面温度场的基础上，才能够针对性对过程进行调整，降本增效。

通常高温物体通常会自发辐射可见光。而可见光的辐射强度与光源的温度直接相关。国内外已开发了诸多基于光学方法测量高温物体表面温度的技术。专利公布号CN112556859 A的专利公开了一种碳烟火焰温度测量方法，该方法需要对同一高温表面透过两个波长相近的滤光片拍摄两次，通过比色测温法计算问题。但由于更换滤光片需要一定时间，必须要求火焰稳定。因此该法只适用于实验室等场景，对环境要求较高，且不能连续获取温度。

专利公布号CN 101403639 A的专利公开了一种碳氢火焰的温度图像及黑度图像检测方法，是一种利用CCD相机的测温方法，通过事先经黑体炉标定CCD探测器，拟合两基色比值的多项式与温度之间的函数关系。在已知该函数关系的基础上测量火焰温度。但由于该方法利用的数据为RGB24位图，基色值以8位字节存储。该数据已经经过图像压缩，对于原始数据而言存在一些非线性损失，并不能直接反映出火焰的辐射强度，因此，将会对温度测量产生较大数值误差。且在其应用黑体炉进行标定时，将两基色比值与温度直接回归，将过多的非线性性交给数据进行拟合，这对数据采集的质量要求非常高，且可能会导致模型过于复杂，泛用性不强。综合考虑该方法数值误差较大，在理论上有所欠缺。

发明内容

本发明基于现有技术中火焰温度测量存在的不足，提供一种基于对数变换和倒数变换的实时高温温度场测量方法，该方法不仅能够在工业场景中实时连续测量，还考虑了图像压缩过程中的损失，降低数值计算问题所带来的误差，测量精度高，检测误差可低于2.2％。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，包括如下步骤：

(1)拍摄原始图像：采用普通相机对待测高温物体进行拍摄，获得原始图像；

(2)获取RGB空间图像：将步骤(1)拍摄获取的原始图像导出颜色滤镜矩阵，进行Bayer插值，获得待测高温物体的RGB空间图像；

(3)计算基色强度对数r：计算待测高温物体的RGB空间图像中任意两基色的比例并取对数，获得任意两基色的强度比值对数，称为基色强度对数r；

(4)计算火焰温度：根据基色强度对数r与待测高温物体温度

的函数关系，计算待测高温物体温度。

步骤(3)中，基色强度对数r的计算公式如下：

r＝ln(R/G)

或，r＝ln(R/B)

或，r＝ln(B/G)

其中，R、G、B分别代表三种基色的强度数据。

优选地，步骤(3)中，不同的待测高温物体颜色选用相同的两种基色计算基色强度对数r。可以提高后续温度计算的稳定性和精度，比如红黄色火焰选用R和G。

步骤(4)中，基色强度对数r与待测高温物体温度

的函数关系如下：

其中，n为多项式最大的次数，i表示多项式次数，k_i表示i次多项式的系数。

其中，k_i系数的获取方法为：采用普通相机拍摄不同温度的温度场，获得一系列已知温度的图像，从而确定基色强度对数r，和r所对应的温度T，根据1/T与r之间的非线性程度设定n值；在设定n之后，根据最小二乘原理，确定所有的k_i。

优选地，根据1/T与r之间的非线性程度，设定n，非线性程度越大n越大，通常n可以取2。

进一步地，获取k_i系数的具体公式为：

其中，K＝[k₀ k₁...k_i...k_N]，表示i＝0,1,…,n的k_i构成的向量；

表示N个样本温度倒数所构成的向量，T_j表示第j个样本的温度；

表示N个样本中基色强度对数r的多项式构成的矩阵，

表示

矩阵的伪逆。

其中，

表示第j个样本的基色强度对数r的多项式构成的向量，

表示第j个样本的r的i次方多项式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的测量方法为一种非接触式的实时高温温度场测量方法，相较于其他方法，充分考虑光学传感器所得数据与辐射强度的关系，减小由于数据存储问题引入的系统性误差。同时，也考虑了求解计算过程中的数值误差问题。对温度的检测误差可以小于2.2％。

附图说明

图1为本发明的实验装置结构示意图，其中1为待测高温物体，2为拍摄相机，3为计算机。

图2为实施例中相机拍摄获取的原始图像。

图3为实施例中获得的RGB空间图像。

图4为实施例中基色强度对数r与黑体炉温度T的拟合曲线。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未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内。

本发明的实验装置结构示意图如图1所示，其中1为待测的高温物体，采用拍摄相机2对其进行拍摄，通过计算机3对拍摄相机2的图像进行获取和计算处理。

实施例

在本实施例中待测高温物体为黑体炉，采用数字相机对黑体炉进行拍摄，其中计算机为与相机集成在一起的具有一定计算功能的计算设备。所使用的数字相机为佳能MARKIII G7X，该相机的颜色滤镜矩阵排布方式为RGGB的拜尔滤镜分布。首先，设定数字相机的相机参数，白平衡模式选择为晴天，曝光补偿设为0，设定感光度和快门速度为手动模式，感光度设为1/125，快门时间为1/2000。在使用数字相机拍摄黑体炉后，将相机产生RAW格式数据传输至计算机中，进行计算处理。

设定黑体炉温度从850℃到1200℃以50℃为间隔升温，在每一个温度点都拍摄一次图像，针对每一次拍摄都进行以下步骤：

首先将相机拍摄得到的原始图像，如图2所示，将图像的RAW格式数据进行Bayer插值，获得如图3所示的RGB空间图像，这里的RGB空间为uint16的数据，将该数据改为用double格式数据存储，用以计算出基色强度对数r；本实施例中选择r＝ln(R/G)，R、G分别为红色和绿色基色的强度数据；

再将黑体炉温度

转化为倒数，根据基色强度对数r与黑体炉温度

的函数关系：

其中，n为多项式最大的次数，本实施例中r的最高次数n为2，i表示多项式次数，k_i表示i次多项式的系数；

根据基色强度对数r的多项式进行最小二乘拟合，即通过公式

确定其参数。其中，K＝[k₀ k₁...k_i...k_N]，表示i＝0,1,…,n的k_i构成的向量；

表示N个样本温度倒数所构成的向量，T_j表示第j个样本的温度；

表示N个样本中基色强度对数r的多项式构成的矩阵，

表示

矩阵的伪逆。

其中，

表示第j个样本的基色强度对数r的多项式构成的向量，

表示第j个样本的r的i次方多项式。

最终确定基色强度对数r与黑体炉温度

的函数关系式如下，拟合曲线如图4所示：

即，

根据该函数关系式，得到黑体炉根据图像计算的温度，表1为黑体炉计算测定的结果与黑体炉设定值比较，从表1中可以看出，通过本发明的方法计算的黑体炉温度误差小于1.8％。

表1黑体炉设定温度、计算温度及误差比例

Claims (9)

1.一种基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)拍摄原始图像：采用普通相机对待测高温物体进行拍摄，获得原始图像；

(2)获取RGB空间图像：将步骤(1)拍摄获取的原始图像导出颜色滤镜矩阵，进行Bayer插值，获得待测高温物体的RGB空间图像；

(3)计算基色强度对数r：计算RGB空间图像中任意两基色的比例并取对数，获得任意两基色的强度比值对数，称为基色强度对数r；

(4)计算待测高温物体温度：根据基色强度对数r与待测高温物体温度

的函数关系，计算待测高温物体温度。

2.根据权利要求1所述的基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，步骤(3)中，基色强度对数r的计算公式如下：

r＝ln(R/G)

或，r＝ln(R/B)

或，r＝ln(B/G)

其中，R、G、B分别代表三种基色的强度数据。

3.根据权利要求1或2所述的基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，步骤(3)中，不同的高温物体颜色选用相同的两种基色计算基色强度对数r。

4.根据权利要求1所述的基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，步骤(4)中，基色强度对数r与待测高温物体温度

的函数关如下：

其中，n为多项式最大的次数，i表示多项式次数，k_i表示i次多项式的系数。

5.根据权利要求4所述的基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，其中k_i系数的获取方法为：采用普通相机拍摄不同温度的温度场，获得一系列已知温度的图像，从而确定基色强度对数r，和r所对应的温度T，根据1/T与r之间的非线性程度设定n值；在设定n之后，根据最小二乘原理，确定所有的k_i。

6.根据权利要求5所述的基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，1/T与r之间的非线性程度越大，n取值越大。

7.根据权利要求5所述的基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，n取值2。

8.根据权利要求4或5所述的基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，获取k_i系数的具体公式为：

其中，K＝[k₀ k₁ ... k_i ... k_N]，表示i＝0,1,…,n的k_i构成的向量；

表示N个样本温度倒数所构成的向量，T_j表示第j个样本的温度；

表示N个样本中基色强度对数r的多项式构成的矩阵，

表示

矩阵的伪逆。

9.根据权利要求8所述的基于对数多项式的实时高温温度场测量方法，其特征在于，其中，

表示第j个样本的基色强度对数r的多项式构成的向量，

表示第j个样本的r的i次方多项式。

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