SI24410A - Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra - Google Patents
Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra Download PDFInfo
- Publication number
- SI24410A SI24410A SI201400224A SI201400224A SI24410A SI 24410 A SI24410 A SI 24410A SI 201400224 A SI201400224 A SI 201400224A SI 201400224 A SI201400224 A SI 201400224A SI 24410 A SI24410 A SI 24410A
- Authority
- SI
- Slovenia
- Prior art keywords
- camera
- temperature
- observed
- light spectrum
- temperature measurement
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 7
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000011490 mineral wool Substances 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000013481 data capture Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/0022—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiation of moving bodies
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J2005/0077—Imaging
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Predmet izuma - sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra - temelji na snemanju opazovanega procesa s kamero in računalniški obdelavi slik (slika 1). Tok vroče snovi (2) je sneman z digitalno hitro kamero (6), katere senzor zaznava pretežno vidni del svetlobnega spektra. Za kontinuirano zajemanje in obdelavo slik s kamere ter shranjevanje obdelanih podatkov v realnem času je uporabljen računalnik (7) z ustrezno programsko opremo. Princip izračuna absolutne temperature opazovane snovi (2) temelji na predpostavki, da snov (2) seva kot sivo telo z nespremenljivo emisivnostjo in na umerjanju metode na telo z znano temperaturo.
Description
Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra
Opis izuma
Izum se nanaša na sistem in metodo za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra. Omenjeni sistem in metoda sta namenjena merjenju temperature v procesih, kjer imajo opazovane snovi oziroma predmeti dovolj visoko temperaturo, da žarijo in jih je mogoče brez zunanje osvetlitve opazovati s kamero, ki snema v območju vidne svetlobe. Značilni primeri takšnih procesov so na primer obdelovalni postopki za vroče preoblikovanje kovin (npr. vroče valjanje) in proizvodnja vlaken mineralne (kamene, steklene, žlindrne itd.) volne iz taline na centrifugah, ki bo v tem patentu predstavljena kot primer uporabe omenjenega sistema in metode za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra. V primeru da je hitrost gibanja opazovane snovi velika, se kaže potreba po merjenju dvodimenzionalnih in/ali tridimenzionalnih skalarnih polj temperature s sistemi in metodami, ki poleg dobre prostorske ločljivosti omogočajo visoko frekvenco vzorčenja in dober dinamični odziv. Izmerjena skalama polja temperature lahko služijo za krmiljenje in/ali nadzor kvalitete tehničnega procesa.
Ker se pričakujejo zelo visoke temperature opazovane snovi in je potrebno celotno skalarno polje temperature izmeriti naenkrat (v istem časovnem trenutku), točkovni in/ali kontaktni sistemi in metode za merjenje temperature ne pridejo v poštev. Primerni pa so vizualizacijski sistemi in metode, delujoči na osnovi snemanja s kamero in naknadne obdelave posnetih slik. Znani so merilni sistemi in metode, ki skalama polja temperature merijo s pomočjo termovizijskih kamer, ki snemajo v območju infrardeče svetlobe. Takšni sistemi in metode ob pravilnem umerjanju omogočajo natančno merjenje skalarnih polj temperature, njihova glavna slabost pa je v visoki ceni ter omejeni ločljivosti in hitrosti snemanja infrardečih kamer.
Kamere, delujoče v vidnem delu svetlobnega spektra, so pri enaki zmogljivosti v smislu ločljivosti in hitrosti snemanja bistveno cenejše od infrardečih. Če je temperatura snovi v opazovanem procesu dovolj visoka, da snov žari oziroma se znaten del izsevanega energijskega toka nahaja v vidnem delu svetlobnega spektra, raven osvetlitve, zaznano na senzorju kamere, lahko uporabimo za oceno skalarnih polj temperature opazovanega procesa. Raven osvetlitve senzorja kamere se na posnetih slikah odraža kot sivinska stopnja. Medsebojna odvisnost temperature in sivinske stopnje slik je kompleksna in izrazito nelinearna, zato je eden od ciljev tega patenta predstaviti algoritem, ki bo omogočal pretvorbo iz sivinske v temperaturno skalo. Omenjeni algoritem je ključni sestavni del omenjenega sistema in metode za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra.
Z namenom izpolnitve ciljev patenta je bil zasnovan sistem za brezkontaktno merjenje temperature, ki ga sestavljajo sledeči elementi:
1. Najmanj ena digitalna kamera, katere senzor je občutljiv na svetlobo pretežno v za človeško oko vidnem delu spektra, to je v območju valovnih dolžin med približno 390nm in 700nm. Kamera mora omogočati snemanje z dovolj visoko hitrostjo in ločljivostjo, da je na podlagi obdelave posnetih slik mogoče analizirati želene dinamske lastnosti opazovanega procesa. Kamera je lahko monokromatske izvedbe in snema sivinske slike, ali pa barvne izvedbe in snema barvne slike procesa, ki se pretvorijo v sivinske slike v postopku naknadne obdelave. Kamera mora imeti možnost ročne nastavitve hitrosti snemanja slik in časa ekspozicije, to je trajanja izpostavljenosti senzorja kamere vpadli svetlobi med snemanjem posamezne slike.
2. Računalnik, ki omogoča kontinuiran prenos slik s kamere v realnem času, to je z zelo majhnim časovnim zamikom glede na opazovani proces.
3. V računalniškem programu implementiran in v realnem času delujoč algoritem za pretvorbo sivinskih slik v skalama polja temperature opazovanega procesa ter njihov izris in shranjevanje. Omenjeni algoritem je bistven sestavni del tega patenta in bo predstavljen v nadaljevanju, vključno s postopkom izpeljave.
Za opazovano snov oziroma predmet predpostavimo, da seva kot t.i. sivo telo po Stefan-Boltzmannovem zakonu, pri čemer je gostota izsevanega energijskega toka j podana z en. (1). Ker se emisivnost ε v razponu merjenih absolutnih temperatur T\e malo spreminja, jo obravnavamo kot konstantno.
j = £0sT4 ; as = 5.67 · 10_8IVni'2/f “4 (1)
Osvetljenost senzorja kamere Ev je sorazmerna s produktom svetlobnega izkoristka rji4 η in gostoto izsevanega energijskega toka za črno telo (£as ), kar popisuje en. (2).
Ev = Cj]-<ff4 (2)
Konstanta C je odvisna od oddaljenosti senzorja kamere od gorišča objektiva, od emisivnosti opazovane snovi ter časa ekspozicije Ie in jo določimo z umerjanjem na telo znane temperature.
Svetlobni izkoristek η (en. (4)) je definiran kot razmerje med energijskim tokom, izsevanim v področju valovnih dolžin 2, ki jih kamera zazna, in celotnim energijskim tokom, izsevanim v območju 0 < Λ < *.
f 7(2)5^(2)^2 = to—]βλ(Λ)<Μ o
/z = 6.626 10 34 J s
2hc2_1_
25 exp(/zc / 2kBT) -1 kB =1.381-10 2,J/K ; c = 3.0-108m/s (3)
Pri tem je v en. (3) h Planckova konstanta, ke Boltzmannova konstanta, c hitrost svetlobe v zraku in Βλ spektralna gostota elektromagnetnega valovanja. Z izrazom
Υ(λ) je podana osvetlitvena funkcija kamere, ki pomeni relativno občutljivost senzorja kamere pri določeni valovni dolžini λ glede na maksimalno občutljivost. Vrednost osvetlitvene funkcije se nahaja znotraj intervala 0 < Υ(λ) < 1. Iz en. (3) je s ponavljanjem izračuna za različne temperature moč dobiti odvisnost svetlobnega izkoristka od temperature. Dobljeno funkcijo rj(7) se lahko bodisi tabelira ali pa aproksimira z zvezno, na primer polinomsko funkcijo.
Za osvetljenost senzorja kamere Ev velja poleg formulacije v en. (2) še formulacija, ki popisuje pretvorbo vhodnega signala (osvetljenosti Ev) v izhodni signal (sivinska stopnja G). Sivinska stopnja posameznega piksla na posnetih slikah je podana s celoštevilskimi vrednostmi na intervalu (B G < 2-1, pri čemer je n bitna globina slike, spodnja meja intervala pomeni popolnoma črno, zgornja meja pa popolnoma belo barvo. Običajno je n = 8, kar pomeni, da so slike 8-bitne oziroma je vsak piksel lahko zapisan z 256 različnimi nivoji sivin. Sivinska stopnja je lahko podana tudi v normirani obliki 0 £ G £ 1, pri čemer se omenjeni interval enakomerno razdeli na 2n vrednosti.
k-tE (4)
V en. (4) je tE čas ekspozicije, k pa občutljivost senzorja kamere, ki jo izrazimo z enoto [sivina/lux-sj in je definirana kot razmerje med spremembo sivinske stopnje G pri spremembi osvetlitve senzorja za eno enoto.
Z izenačenjem en. (2) in en. (4) izpeljemo končni izraz za preračun sivinske stopnje v absolutno temperaturo.
(5)
Ker je svetlobni izkoristek η odvisen od temperature, je temperaturo iz en. (5) potrebno izračunati iterativno z upoštevanjem predhodno izpeljane funkcije η(Τ). Konstanto C se določi z umerjanjem na telo znane temperature.
Postopek za določanje skalarnih polj temperature procesa lahko popišemo z naslednjimi koraki:
1. Snemanje procesa s kamero in prenos posnetih na računalnik. Čas ekspozicije mora biti nastavljen dovolj nizko, da ne pride do zasičenja sivinske slike z belo barvo in/ali neostre slike zaradi gibanja opazovane snovi.
2. Določitev konstante C v enačbi (5). Posname se sliko telesa z enakomerno in znano temperaturo ter emisivnostjo, čim bolj podobno emisivnosti snovi, opazovane v točki 1. Pri tem se nastavi enak ekspozicijski čas kamere kot v točki 1. Če se spremeni položaj kamere, ekspozicijski čas kamere, uporabljen objektiv na kameri ali pa emisivnost opazovane snovi, je potrebno konstanto C ponovno določiti.
3. Iterativni izračun temperature z uporabo en. (5) in funkcije η(Τ), ki popisuje odvisnost svetlobnega izkoristka od temperature. Funkcijo η(Τ) predhodno izračunamo iz podatkov o občutljivosti senzorja kamere. Omenjena funkcija se lahko znatno razlikuje od standardne funkcije svetlobnega izkoristka, kakršna velja za človeško oko, in jo je v primeru uporabe drugačnega tipa kamere potrebno ponovno določiti.
Izum bo temeljiteje opisan na izvedbenem primeru s sklicevanjem na slike, ki prikazujejo:
• slika 1: Shema merilnega sistema in metode za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra, za primer, ko se omenjeni merilni sistem in metoda uporabljata za določanje skalarnih polj temperature taline na prvem kolesu centrifuge za proizvodnjo mineralne volne.
• slika 2: Značilna krivulja pretvorbe sivinske stopnje slik procesa, posnetih s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra, v absolutno temperaturo.
Na sliki 1 sta prikazana merilni sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra, in sicer na primeru centrifuge za proizvodnjo mineralne volne. Curek mineralne taline (4) iz rezervoarja (3) nateka na prvo kolo (1) centrifuge, kjer oblikuje tanek film (2), iz katerega se nato tvorijo vlakna mineralne volne (5). Kot naprava za zajem podatkov se uporablja digitalna hitra kamera (6), katere senzor zaznava pretežno vidni del svetlobnega spektra, za kontinuirano branje, obdelavo in shranjevanje podatkov v realnem času pa je uporabljen računalnik (7).
Na sliki 2 je prikazana značilna krivulja pretvorbe sivinske stopnje slik procesa, posnetih s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra, v absolutno temperaturo. Oblika krivulje se spreminja v odvisnosti od položaja kamere, ekspozicijskega časa kamere, lastnosti senzorja kamere, uporabljenega objektiva na kameri in pa emisivnosti opazovane snovi.
Claims (4)
- PATENTNI ZAHTEVKI1. Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra, označena s tem, da vsebujeta vsaj eno kamero (6) za snemanje opazovanega procesa, računalnik (7) in pa v okviru računalnika še ustrezno programsko opremo, v kateri se izvaja algoritem za pretvorbo sivinskih slik v skalama polja temperature.
- 2. Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature, kot predstavljena v Zahtevku 1, označena s tem, da je senzor kamere (6) občutljiv za elektromagnetno valovanje v območju valovnih dolžin med 100nm in 1000nm, izven tega območja valovnih dolžin pa je odziv senzorja na vpadlo elektromagnetno valovanje zanemarljivo majhen.
- 3. Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature, kot predstavljena v Zahtevku 1, označena s tem, da se pri opazovanju procesa ne uporablja pomožne osvetlitve, ampak vsa svetloba ali pa pretežni del svetlobe nastane kot energijski tok, ki je zaradi visoke temperature izsevan iz opazovane snovi.
- 4. Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature, kot predstavljena vZahtevku 1, označena s tem, da se algoritem za izračun skalarnih polj temperature opazovanega procesa iz slik procesa, posnetih s kamero (6), umeri na sliko telesa z znano temperaturo.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SI201400224A SI24410A (sl) | 2014-06-18 | 2014-06-18 | Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra |
| PCT/SI2015/000024 WO2015195055A1 (en) | 2014-06-18 | 2015-06-15 | Apparatus and method for non-contact temperature measurement with a visible light camera |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SI201400224A SI24410A (sl) | 2014-06-18 | 2014-06-18 | Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SI24410A true SI24410A (sl) | 2014-12-31 |
Family
ID=52114112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SI201400224A SI24410A (sl) | 2014-06-18 | 2014-06-18 | Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| SI (1) | SI24410A (sl) |
| WO (1) | WO2015195055A1 (sl) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114509166A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-17 | 重庆大学 | 一种高瞬态高温等离子体测温系统 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3724622B1 (en) * | 2017-12-11 | 2024-02-21 | Tata Steel IJmuiden B.V. | Method and system for measuring the temperature of a moving metal strip |
| CN113514414B (zh) * | 2021-06-08 | 2022-10-11 | 中国矿业大学 | 一种高温单颗粒煤焦热辐射波段的光谱发射率分布模型的建立方法 |
-
2014
- 2014-06-18 SI SI201400224A patent/SI24410A/sl not_active IP Right Cessation
-
2015
- 2015-06-15 WO PCT/SI2015/000024 patent/WO2015195055A1/en active Application Filing
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114509166A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-17 | 重庆大学 | 一种高瞬态高温等离子体测温系统 |
| CN114509166B (zh) * | 2022-01-27 | 2024-02-23 | 重庆大学 | 一种高瞬态高温等离子体测温系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2015195055A1 (en) | 2015-12-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lane et al. | Thermographic measurements of the commercial laser powder bed fusion process at NIST | |
| US7422365B2 (en) | Thermal imaging system and method | |
| CN105628208B (zh) | 一种基于红外成像系统的温度测量方法 | |
| US20100265987A2 (en) | Method and Apparatus for Measuring the Temperature of a Sheet Material | |
| Lane et al. | Calibration and measurement procedures for a high magnification thermal camera | |
| CN106644089B (zh) | 铸坯表面温度场测量传感器及方法 | |
| SI24410A (sl) | Sistem in metoda za brezkontaktno merjenje temperature s kamero, delujočo v vidnem delu svetlobnega spektra | |
| IL122258A (en) | Method and system for determining temperature and/or emissivity function of objects by remote sensing | |
| CN104101432B (zh) | 一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法 | |
| Grujić | A review of thermal spectral imaging methods for monitoring high-temperature molten material streams | |
| He et al. | A novel and systematic signal extraction method for high-temperature object detection via structured light vision | |
| Whitenton | An introduction for machining researchers to measurement uncertainty sources in thermal images of metal cutting | |
| Guoqing et al. | Nonlinear atmospheric correction based on neural network for infrared target radiometry | |
| Cheng et al. | Application of a Temperature Measurement System Based on CCD Sensor in Blast Furnace Tuyere Raceway | |
| Jiao et al. | A smartphone-based infrared thermal imaging temperature sensor for accurate temperature measurement of pig groups | |
| Daraseliya et al. | Determining the temperature and gas concentration in a gas-air mixture. | |
| Sankaranarayanan et al. | Flame temperature measurement using color-ratio pyrometry with a consumer grade DSLR camera | |
| Junhong et al. | Research on slab surface temperature-measurement of continuous casting based on CCD imaging | |
| CN213364035U (zh) | 一种红外热成像测温装置 | |
| JP2007240164A (ja) | 赤外線２波長処理方法 | |
| Li et al. | Quantitative measurement of screening rate by a thermal imager | |
| Pacholski et al. | Practical assessment of accuracy of thermographic indirect measurements | |
| Kienitz | Thermal imaging as a modern form of pyrometry | |
| JP2004219114A (ja) | 多色赤外線撮像装置及びデータ処理方法 | |
| Bundas et al. | Absolute temperature measurements using a two-color QWIP focal plane array |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OO00 | Grant of patent |
Effective date: 20150121 |
|
| KO00 | Lapse of patent |
Effective date: 20180213 |