CN116929561A - 一种燃烧温度分段多光谱测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种燃烧温度分段多光谱测温方法，用于测量燃烧火焰温度，本发明设计辐射测温领域，通过对燃烧产物的探测并识别其光谱发射峰，根据光谱发射峰的数目与波长对测得的辐射光谱进行分段，并根据对应发射峰的系数进行补偿。利用神经网络算法，对已分段补偿的每段光谱进行分类及整合，从而产生更为准确的光谱发射率模型。
Description
技术领域
本发明涉及辐射测温领域，是一种燃烧温度分段多光谱测温方法。
背景技术
多光谱测温法是通过多个光谱通道同时采集燃烧源的光谱辐射信息，根据普朗克等辐射理论建立发射率、辐射温度与波长等之间数学模型及算法研究，从而实现火焰发射率和辐射温度的准确测试。一个通道对应一个波长的光谱，因为温度未知，当通道为n时，相应的就有n+1个未知参量，生成未知量比方程更多的欠定方程，这些欠定方程不能直接求解。目前一种常用的方法是提前假设发射率随波长的变化规律，然后在超定方程中求解。然而这种解法中若假设的模型与实际模型有很大的不同，就会产生很大的误差。因此需要先确定发射率模型，将发射率模型转化为单目标约束优化方程，最后确定发射率系数与目标真温之间的隐函数方程组。
目前多光谱测温领域为为判断燃烧物光谱模型采用了多种方法，比如发明专利：一种基于自适应发射率模型的多光谱测温装置及其测温方法(申请号：CN 112113666 A)。所述装置所述装置包括高温计、辐射探测器、恒温炉、冷却腔、冷气进入管、冷气出口管、热电偶和热电偶采集卡，所述方法基于bp神经网络，为物体发射率选择了一个适合的模型。
但测量火焰温度时，由于燃烧产生的二氧化碳，水蒸气，碳粉尘等产物会影响测得的光谱数据，若只是对整体光谱选择单一模型，其难免会产生误差。因此，针对上述问题，提出一种分段识别光谱的多光谱测温方法。
发明内容
本发明为更准确的测量燃烧火焰的温度，避免发射率光谱被产物污染，输出更为准确的光谱模型。本发明提供了一种燃烧温度分段多光谱测温方法，所述方法包括采集光谱信息，处理光谱信息，计算燃烧温度，处理光谱信息过程具体为：
通过CCD探测器采集到光谱信息，设燃烧产物在探测器探测范围内的气体发射峰波长分别为λ1，λ2，λ3，λ4……取相邻发射峰波长的中点定为分段函数的分界点，即分段点C2＝(λ1+λ2)/2，C3＝(λ2+λ3)/2，C4＝(λ3+λ4)/2……分段第一段为探测器起始波长至第一个分界点，第二段为第二个分界点至第三个分界点，以此类推，最后一段为最后一分界点至探测器结束波长；
预先对bp网络进行训练，对分段光谱的每一段，都对以下四种常用的光谱发射率模型选择一个合适的模型；
lnε(λ,T)＝a+bλ
ε(λ,T)＝aλ2+bλ+c
ε(λ,T)＝a0+a1λ
ε(λ,T)＝a+b sin(cλ+d)
当真实温度为T时，探测器第i个通道可以测得此时的输出信号Vi，用普朗克定律的另一种形式——维恩公式进行替代计算，得到的结果如下所示：
上式中ε(λi,T)为真实温度T下的目标光谱发射率；Aλi为波长为λi下对每个测量通道进行标定求得的检定常数；
由于黑体的辐射能力很强，因此在其中的物体材料的发射率计算近似为1,若此时的黑体温度为T0,则同一波长通道下可测的此时的输出值为Vi'的表达式
根据上式可知，式子中存在五个相关的数学参量，其中波长λi、黑体温度T0、同一通道下的黑体输出信号Vi'与实际输出信号Vi均可通过实验直接测量得到，但是需要通过公式求解得目标真实温度,将Vi与Vi'的关系式相除，得到
Vi/Vi'＝ε(λi,T)·exp[-c2/(λiT)]·exp[c2/(λiT0)]
上式中只有真实温度T与物体发射率ε为未知参数量，c2是普朗克常量，通道特征波长λi由仪器标定过程可直接获得，黑体温度T0为前期标定测量数据，因此公式整体只存在未知参量真实温度T与物体发射率ε，且物体发射率ε模型与采集光谱模型相同。将求得的经过分段拟合的发射率函数模型带入，即可转化为单目标约束优化方程问题求解；
所述方法根据燃烧产物的发射峰的数量与位置，自动对辐射光谱数据进行分段。
所述方法对光谱模型进行分段后，每一段光谱都进行拟合匹配模型。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明为了更加精确的测量燃烧爆炸产物的温度，通过燃烧产物的发射峰位置对光谱进行分段处理，使得识别光谱模型更加准确，在对温度进行求解时能够得到更加精确的结果。
2、本发明对分段后每一段光谱都与常见光谱模型进行拟合匹配，能够让整体模型更加精确。
3、本发明使用CCD探测器，能够采集更多的有效光谱信号。
附图说明
图1所示为根据本发明实施例的多光谱测温装置结构示意图。
图2所示为根据本发明实施例的分段识别光谱的原理图。
图3所示为根据本发明实施例的火焰多段光谱图。
其中1、离轴双反射光学成像系统，2、光栅分光模块，3、CCD探测器，4、计算机，5、烟气分析仪
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种CCD探测器的多光谱测温装置，如图1所示包括1、离轴双反射光学成像系统，2、光栅分光模块，3、CCD探测器，4、计算机，5、烟气分析仪
根据图2所示，本发明测得燃烧产物温度具体流程为
步骤1：通过烟气分析仪采集燃烧产物组分信息。
步骤2：通过所述装置，采集待测燃烧火焰光谱辐射信息。
步骤3：根据燃烧产物发射峰的数目及波长，如算法自动对光谱进行分段。
步骤4：对每段光谱，根据对应燃烧产物的发射峰，对光谱进行补偿还原。
步骤5：通过BP算法，为每一段光谱选择合适的光谱发射率模型。
步骤6：合并每一段光谱发射率模型建立整体光谱发射率函模型
步骤7：根据发射率函数，通过求解约束方程，得到燃烧火焰真实温度。
所述步骤2具体为：离轴双反射成像系统将外界燃烧源的光信号成像在分光系统入口处，光栅分光系统将获得的连续的爆炸源信号分解为对应波长的光谱信号，传输至CCD探测器，由CCD探测器模块转换光电信号后传输至计算机。
根据图3所示，所述步骤3具体为：设燃烧产物气体发射峰波长分别为λ1，λ2，λ3，λ4……取相邻发射峰波长的中点定为分段函数的分界点，即分段点C2＝(λ1+λ2)/2，C3＝(λ2+λ3)/2，C4＝(λ3+λ4)/2……分段第一段为探测器起始波长至第一个分界点，第二段为第二个分界点至第三个分界点，以此类推，最后一段为最后一分界点至探测器结束波长。即
以探测波长为1.8μm-14μm的CCD探测器，含有C，S，H等物质的燃烧物为例，其燃烧产物包括CO2，SO2，H2O气体。CO2发射峰在2.7μm与4.3μm，SO2发射峰在7.4μm与8.5μm，H20发射峰在2.7μm，，在CCD探测器波长外不作考虑。则C1＝1.8μm，C2＝(2.7μm+4.3μm)/2＝3.5μm，C3＝(4.3μm+7.4μm)＝5.85μm，C4＝(7.4μm+8.5μm)＝7.95μm,C5＝(8.5μm+14μm)/2＝11.25μm，C6＝14μm可得
所述步骤5具体为：预先对bp网络进行训练，对分段光谱的每一段，都对以下四种常用的光谱发射率模型选择一个合适的模型。
lnε(λ,T)＝a+bλ
ε(λ,T)＝aλ2+bλ+c
ε(λ,T)＝a0+a1λ
ε(λ,T)＝a+b sin(cλ+d)
所述步骤7具体为：对于探测波长数为n的CCD探测器，那么n个通道在不同波长下可测量得到n个输出信号。当真实温度为T时，第i个通道可以测的此时的输出信号Vi，用普朗克定律的另一种形式——维恩公式进行替代计算，得到的结果如下所示：
上式中ε(λi,T)为真实温度T下的目标光谱发射率；Aλi为波长为λi下对每个测量通道进行标定求得的检定常数；
由于黑体的辐射能力很强，因此在其中的物体材料的发射率计算近似为1,若此时的黑体温度为T0,则同一波长通道下可测的此时的输出值为Vi'的表达式
根据上式可知，式子中存在五个相关的数学参量，其中波长λi、黑体温度T0、同一通道下的黑体输出信号Vi'与实际输出信号Vi均可通过实验直接测量得到，但是需要通过公式求解得目标真实温度,将Vi与Vi'的关系式相除，得到
Vi/Vi'＝ε(λi,T)·exp[-c2/(λiT)]·exp[c2/(λiT0)]
上式中只有真实温度T与物体发射率ε为未知参数量，c2是普朗克常量，通道特征波长λi由仪器标定过程可直接获得，黑体温度T0为前期标定测量数据，因此公式整体只存在未知参量真实温度T与物体发射率ε，且物体发射率ε模型与采集光谱模型相同。将求得的经过分段拟合的发射率函数模型带入，即可转化为单目标约束优化方程问题求解。
Claims (2)
1.一种燃烧温度分段多光谱测温方法，所述方法包括采集光谱信息，处理光谱信息，计算燃烧温度，处理光谱信息过程具体为：
通过CCD探测器采集到光谱信息，设燃烧产物在探测器探测范围内的气体发射峰波长分别为λ1，λ2，λ3，λ4……取相邻发射峰波长的中点定为分段函数的分界点，即分段点C2＝(λ1+λ2)/2，C3＝(λ2+λ3)/2，C4＝(λ3+λ4)/2……分段第一段为探测器起始波长至第一个分界点，第二段为第二个分界点至第三个分界点，以此类推，最后一段为最后一分界点至探测器结束波长；
预先对BP网络进行训练，对分段光谱的每一段，都对以下四种常用的光谱发射率模型选择一个合适的模型；
lnε(λ,T)＝a+bλ
ε(λ,T)＝aλ2+bλ+c
ε(λ,T)＝a0+a1λ
ε(λ,T)＝a+b sin(cλ+d)
当真实温度为T时，探测器第i个通道可以测得此时的输出信号Vi，用普朗克定律的另一种形式——维恩公式进行替代计算，得到的结果如下所示：
上式中ε(λi,T)为真实温度T下的目标光谱发射率；Aλi为波长为λi下对每个测量通道进行标定求得的检定常数；
由于黑体的辐射能力很强，因此在其中的物体材料的发射率计算近似为1,若此时的黑体温度为T0,则同一波长通道下可测的此时的输出值为Vi'的表达式
根据上式可知，式子中存在五个相关的数学参量，其中波长λi、黑体温度T0、同一通道下的黑体输出信号Vi'与实际输出信号Vi均可通过实验直接测量得到，但是需要通过公式求解得目标真实温度,将Vi与Vi'的关系式相除，得到
Vi/Vi'＝ε(λi,T)·exp[-c2/(λiT)]·exp[c2/(λiT0)]
上式中只有真实温度T与物体发射率ε为未知参数量，c2是普朗克常量，通道特征波长λi由仪器标定过程可直接获得，黑体温度T0为前期标定测量数据，因此公式整体只存在未知参量真实温度T与物体发射率ε，且物体发射率ε模型与采集光谱模型相同。将求得的经过分段拟合的发射率函数模型带入，即可转化为单目标约束优化方程问题求解；
其特征在于：所述方法根据燃烧产物的发射峰的数量与位置，自动对辐射光谱数据进行分段。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧温度分段多光谱测温方法，其特征在于：所述方法对光谱模型进行分段后，每一段光谱都进行拟合匹配模型。
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