TW201321728A - 非接觸式溫度量測方法 - Google Patents
非接觸式溫度量測方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TW201321728A TW201321728A TW100142008A TW100142008A TW201321728A TW 201321728 A TW201321728 A TW 201321728A TW 100142008 A TW100142008 A TW 100142008A TW 100142008 A TW100142008 A TW 100142008A TW 201321728 A TW201321728 A TW 201321728A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- wavelength
- image data
- shutter time
- brightness
- temperature
- Prior art date
Links
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
一種非接觸式溫度量測方法，包括：拍攝目標點，以擷取第一波長之影像資料以及第二波長之影像資料。其中在拍攝該目標點時，調整擷取第一波長之影像資料時的快門時間以及擷取第二波長之影像資料時的快門時間，以獲得對應於第一波長的一第一亮度以及對應於第二波長的第二亮度。以及根據下列方程式(1)來計算該目標點的溫度：□其中λ1為第一波長，λ2為第二波長，Lλ1(T)為第一亮度，Lλ2(T)為第二亮度，A為校正係數，S1為擷取第一波長之影像資料時的快門時間，S2為擷取第二波長之影像資料時的快門時間，常數C=hc/k，其中k為浦朗克(Planck)常數，c為光速以及h為波茲曼(Boltzmann)常數。
Description
本發明是有關於一種溫度量測方法，且特別是有關於一種適於量測燃燒爐溫度場的非接觸式溫度量測方法。
工業燃燒系統，例如是工業煉鋼爐，火力電廠以及燃燒爐等。燃燒過程中常需監控燃燒場的爐內溫度的分佈，例如爐壁溫度及鋼胚溫度等。其中量測爐壁溫度是為避免因爐壁溫度過高而造成爐體結構損壞，產生危險；而量測鋼胚溫度可預先判斷產品品質，進而改變操作設定，提升產品良率。
燃燒場溫度量測裝置，分為接觸式以及非接觸式兩種量測方式。其中，傳統接觸式的溫度量測方式以高溫熱電偶為主。然而，接觸式的高溫熱電偶其溫度響應速度慢且僅能單點量測，對燃燒製程的調整及監控的幫助有限。
此外，非接觸式的量測方式常以可見光攝影機吸收目標物之輻射能，進而搭配雙色法(two color method)推算出燃燒場的溫度。圖1為習知之黑體爐中，爐內溫度與亮度的關係。圖1中可得知當可見光攝影機快門固定在一速度100ms拍攝時，第一波長R在溫度超過1273K時，亮度已經飽和。而第二波長G在溫度低於1253K時，亮度趨近於0無法使用，造成可量測的溫度範圍非常小，實用性不佳。另外，也由於參考資訊的不足，在燃燒系統的運轉上不免造成能源浪費及汙染性的增加，若能將燃燒爐內即時的溫度變化顯示予燃燒系統操作人員，將可提供直接且明確的參考。
本發明提供一種具高量測範圍的溫度量測方法，以非接觸式的感測技術，即時性地提供燃燒爐的溫度場資訊給燃燒系統操作人員。
本發明提供一種溫度量測方法，包括：拍攝一目標點，以擷取第一波長之影像資料以及第二波長之影像資料。其中在拍攝該目標點時，調整擷取第一波長之影像資料時的快門時間以及擷取第二波長之影像資料時的快門時間，以獲得對應於第一波長的第一亮度以及對應於第二波長的第二亮度。以及根據下列方程式(1)來計算該目標點的溫度：
其中λ1為第一波長，λ2為第二波長，Lλ1(T)為第一亮度，Lλ2(T)為第二亮度，A為校正係數，S1為擷取第一波長之影像資料時的快門時間，S2為擷取第二波長之影像資料時的快門時間，常數C=hc/k，其中k為浦朗克(Planck)常數，c為光速，h為波茲曼(Boltzmann)常數。
基於上述，本發明之溫度量測方法，先利用快門調節的動作，使影像擷取裝置可量測的亮度區間增加，並對燃燒場進行影像擷取。修正校正係數A之後，以改良式雙色法計算得出燃燒場的爐內溫度分佈資訊。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖2為本發明之一實施例之溫度量測方法的流程圖。在本實施例中，其主要流程包含拍攝一目標點，以擷取一第一波長R之影像資料以及一第二波長G之影像資料的步驟210。其中在拍攝該目標點時，亦執行步驟220調整擷取第一波長R之影像資料時的快門時間以及擷取第二波長G之影像資料時的快門時間，以獲得對應於第一波長R的一第一亮度以及對應於第二波長G的一第二亮度，最後在步驟230中，經由計算取得目標點之溫度。
在本發明之一實施例中，調整擷取第一波長R之影像資料時的快門時間以及擷取第二波長G之影像資料時的快門時間的步驟，藉由圖3的測試結果進行調整。圖3為利用一黑體爐做為測試目標，並設置一可見光攝影機，用以驗證快門時間與單色亮度(以第一波長R為例)關係的結果示意圖。由圖3可知可見光攝影機在固定溫度下之快門與單色亮度呈線性關係，因此吾人可利用快門與亮度呈線性的關係，進而調整擷取該第一波長R之影像資料時的快門時間以及擷取該第二波長G之影像資料時的快門時間。
圖4為本發明之一實施例之快門調整方法之步驟圖。圖5為基於快門與亮度呈線性關係之快門調整方法示意圖。請參考圖4與圖5，在步驟410時，任意猜測的一測試快門時間Sg拍攝目標點，以取得一參考影像。參考影像對應於第一波長或第二波長的一參考亮度。在本實施例中，係以參考影像對應於第二波長G取得參考亮度Lg。在步驟420，比對參考亮度Lg與一目標亮度Lt，以獲得一目標快門時間St。以及在步驟430時，以目標快門時間St來擷取第一波長R之影像資料或第二波長G之影像資料。此外，在進行步驟430之前，將會以步驟420所獲得的目標快門時間作為另一測試快門時間，並重複步驟410至420至少一次。因此，藉由調整快門速度，可使影像擷取裝置的曝光時間延長或縮短來取得適當亮度，故圖1中的可量測的溫度範圍就可以增加。此外，影像擷取裝置更具有一光圈。本實施例在固定光圈下進行快門的調整。此外，亦可藉由調整光圈大小，使可量測的溫度範圍更大。
完成調整擷取第一波長R以及第二波長G之影像資料時的快門時間後，即可採用調整後的快門速度來擷取第一波長R之影像資料以及第二波長G之影像資料。
本實施例中可以採用多種可能的方案來擷取第一波長R之影像資料以及第二波長G之影像資料。例如，可使用不同的兩個影像擷取裝置分別擷取第一波長R的影像資料以及第二波長G的影像資料。取得第一波長R及第二波長G的適當亮度，再將二張影像合成一張影像。
此外，也可只以同一個影像擷取裝置在不同的時序下擷取第一波長R的影像資料以及第二波長G的影像資料。例如先擷取第一波長R的影像資料之後，再擷取第二波長G的影像資料，故為不同時點之影像，再將二張影像合成一張影像。
另外，更可用同一個影像擷取裝置同時擷取第一波長R的影像資料以及第二波長G的影像資料。其中，在影像擷取裝置與目標點之間更設置對應於第二波長G的一帶通濾片，以減少影像擷取裝置獲得的第一波長R的光通量。圖6為使用第二波長G帶通濾片之後，第一波長與第二波長的亮度與溫度關係示意圖。在圖6中，因影像通過一帶通濾片，在固定快門下第一波長R及第二波長G的亮度會相近，如圖6中溫度點1073K~1133K所示，在1153K以後加入快門調整動作，使第二波長G被固定在目標亮度的區域內，而第一波長R的亮度因溫度增加，將隨著快門時間的縮短而遞減。使第一波長的影像資料以及第二波長的影像資料皆在可見光攝影機可拍攝的範圍內。
藉由擷取第一波長R的影像資料以及第二波長G的影像資料，可取得第一波長R以及第二波長G所對應的第一亮度以及第二亮度。再利用第一亮度以及第二亮度計算目標點的溫度。
本發明是使用雙色法改良而來的計算式來計算目標點的溫度。發展過程是由浦朗克(Planck)在絕對黑體物體得到的單色輻射公式(Planck’s Law)推導而得，如方程式(3)表示：
其中，Iplanck(λ,T)是指每單位時間內、每單位表面積、每單位立體角(solid angle)以及每單位波長下的釋放能量(Js-1m-2sr-1m-1)。其中，λ為波長(m)，T為黑體的溫度(K)，h為浦朗克(Planck)常數(約等於6.62606896×10-34)，c是光速(約等於2.99792458×108ms-1)，k為波茲曼(Boltzmann)常數(約等於1.3806504×10-23JK-1)，e是自然對數的基底。
對於燃煤的火焰輻射，其波長範圍在300-1000nm及溫度範圍800-2000K，或是燃瓦斯的火焰輻射，其波長範圍在400-700nm及溫度範圍在3000K以下，單色輻射公式(Planck’s Law)可用維恩定律(Wien’s law)來表示，且由於爐膛環境非完全地的黑體，因此需將材料的放射率因子(emissivity)加入維恩定律(Wien’s law)，可以由方程式(4)表示：
在方程式(4)中，放射率因子(emissivity)的ε(λ,T)跟物體的溫度以及輻射波長有關。C1=hc2=0.59552138×10-16(Wm2)，C=hc/k=1.43877516×10-2(mK)。其中，h為浦朗克(Planck)常數(約等於6.62606896×10-34)，c是光速(約等於2.99792458×108ms-1)，k為波茲曼(Boltzmann)常數(約等於1.3806504×10-23JK-1)。若放射率因子(emissivity)不隨波長改變則可稱之為灰體(gray body)。光譜儀及攝影機的顏色強度通常會與來源的輻射強度線性相依，因此可做出線性響應的假設，同時考量量測系統的光學和偵測器的效應影響，所以儀器記錄的強度與外在來源輻射量的關係為方程式(5)。
其中，ki為灰階尺度轉換因子。Lλi(T)是可見光RGB顏色通道(channel)的強度值。
使用雙色法之目的，主要是克服放射率因子(emissivity)的影響。因此假設在同一溫度下，選擇二相近波長的灰體假設成立，利用二個不同且接近波長的輻射能來計算溫度，此二波長下的發射係數相比後可相消，故此方法稱為雙色法。基於同一目標在二個波長上的輻射發射強度，分別代入維恩定律(Wien’s law)後相比，即可由方程式(4)及方程式(6)推得雙色法公式，如方程式(7)所示。
根據方程式(7)，係數A是唯一待決之參數，若係數A校正後，則方程式(7)就可作為溫度場計算之理論依據。因為係數A具有方程式(7)的物理模型。因此若有已知的參考點，也就是Tref、Lλ1(Tref)、Lλ2(Tref)已知，則係數A可利用透過下列方程式(8)求得。
此外，由前者黑體時測試可知，快門與亮度呈線性關係。因此在實作上分別調整第一波長R以及第二波長G的快門，以取得第一波長R以及第二波長G適當的亮度是可行的。取得單一波長在某溫度下測得的亮度及快門，將亮度除以快門得到單位快門亮度值，此值即為快門與亮度線性關係之斜率值。斜率值的意義為單一波長在同溫度下的任意快門與其對應亮度的比例是固定的，代表第一波長R與第二波長G在不同快門下得到的單位快門亮度，只要乘上同一快門，即可得到在同快門下的適當亮度值。因此以單位快門亮度替代原雙色法公式，如方程式(7)中的亮度值，將可消除快門因子，解決第一波長R與第二波長G亮度是在不同快門條件下取得的問題，因此以單位快門下之亮度做為計算參考，方程式(7)可改寫為方程式(1)所示。
其中，S1為Lλ1(T)在適當亮度時之快門，S2為Lλ2(T)在適當亮度時之快門。因此校正係數A亦可改寫為方程式(2)
利用影像擷取裝置取得具有兩種波長的影像，例如是以一帶通濾片同時擷取一具有第一波長R及第二波長G的影像。然而，經過一帶通濾片濾波後，影像擷取裝置積分之波長範圍仍有一定間距，無法取得單一波長下所對應之亮度。在雙色法的應用上，波長之選擇仍是一項問題。因此，本實施例更提出一種波長校正的步驟，在實際測量過程中，若有多點溫度可供校正，利用已知的校正點資訊，使用數值方法計算多點溫度下最適當的二個波長值，將會取得更準確的溫度值。
以下步驟為選取已知溫度的多個校正點。然後分別拍攝這些校正點的影像，並選定影像中的一校正波長，以取得對應於校正波長的一第一校正亮度以及對應於一目標波長的一第二校正亮度。而本實施例中，可選定兩個校正溫度，代入方程式(2)。其中，λ1為校正溫度之校正波長，A為校正係數，λ2為量測的目標溫度之目標波長，Tref為校正溫度，C為一常數，Lλ1(Tref)為校正波長的第一校正亮度，Lλ2(Tref)為目標波長的第二校正亮度。因方程式(2)中，兩個波長的快門時間S1以及S2、第一校正亮度Lλ1(Tref)、第二校正亮度Lλ2(Tref)、以及校正波長λ1為已知。而目標波長λ2以及校正係數A為未知數，所以需要兩個校正點溫度即可計算取得目標波長λ2以及校正係數A。
取得校正係數A以及目標波長之後，最後再將校正係數A，以及先前拍攝第一波長以及第二波長的亮度代回方程式(1)，即可計算出溫度T。
其中λ1為該第一波長R，λ2為該第二波長G，Lλ1(T)為該第一亮度，Lλ2(T)為該第二亮度，A為校正係數，S1為擷取該第一波長之影像資料時的該快門時間，S2為擷取該第二波長之影像資料時的該快門時間，常數C=hc/k，其中k為浦朗克(Planck)常數，c為光速，h為波茲曼(Boltzmann)常數。
綜上所述，本發明之溫度量測方法，先利用快門調節的動作，使影像擷取裝置可量測的亮度區間增加，並利用影像擷取設備以非接觸的方式，對燃燒場進行影像擷取。本發明亦提出一波長選擇的步驟，選定多個校正點，拍攝並計算校正係數A，再以改良式雙色法計算得出燃燒場的爐內溫度分佈資訊。此溫度分布資訊可提供給系統操作人員用以判斷燃燒效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
210~230．．．步驟
410~430．．．步驟
Sg．．．快門時間
St．．．快門時間
Lg．．．參考亮度
Lt．．．目標亮度
R．．．第一波長
G．．．第二波長
圖1是習知之黑體爐中，燃燒溫度與亮度的關係圖。
圖2為本發明之一實施例之溫度量測方法之步驟圖。
圖3是於黑體爐中，快門時間與亮度的結果示意圖。
圖4是本發明之一實施例之快門調整方法之步驟圖。
圖5為本發明之一實施例之快門調整方法示意圖。
圖6為使用帶通濾片之後，第一波長與第二波長的亮度與溫度關係示意圖。
210~230．．．溫度量測步驟
Claims (9)
- 一種溫度量測方法，包括：拍攝一目標點，以擷取一第一波長之影像資料以及一第二波長之影像資料，其中在拍攝該目標點時，調整擷取該第一波長之影像資料時的快門時間以及擷取該第二波長之影像資料時的快門時間，以獲得對應於該第一波長的一第一亮度以及對應於該第二波長的一第二亮度；以及根據下列方程式(1)來計算該目標點的溫度：
- 如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，其中調整擷取該第一波長之影像資料時的快門時間或者調整擷取該第二波長之影像資料時的快門時間的方法包括：(1) 以一測試快門時間拍攝該目標點，以取得一參考影像，該參考影像對應於該第一波長或該第二波長的一參考亮度；(2) 比對該參考亮度與一目標亮度，以獲得一目標快門時間；以及(3) 以該目標快門時間來擷取該第一波長之影像資料或該第二波長之影像資料。
- 如申請專利範圍第2項所述之溫度量測方法，其中調整擷取該第一波長之影像資料時的快門時間或者調整擷取該第二波長之影像資料時的快門時間的方法更包括在該步驟(3)之前，進行下列步驟：以該步驟(2)所獲得的該目標快門時間作為另一測試快門時間；以及重複步驟(1)-(2)至少一次。
- 如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，其中分別以不同的兩個影像擷取裝置來擷取該第一波長的影像資料以及該第二波長的影像資料。
- 如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，其中以同一個影像擷取裝置在不同的時序下擷取該第一波長的影像資料以及該第二波長的影像資料。
- 如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，其中以同一個影像擷取裝置同時擷取該第一波長的影像資料以及該第二波長的影像資料。
- 如申請專利範圍第6項所述之溫度量測方法，更包括：減少該影像擷取裝置所獲得的該第一波長的光通量。
- 如申請專利範圍第7項所述之溫度量測方法，其中減少該影像擷取裝置所獲得的該第一波長的光通量的方法包括：在該影像擷取裝置與該目標點之間設置對應於該第二波長的一帶通濾片。
- 如申請專利範圍第1項所述之溫度場量測方法，其中取得該校正係數A的方法包括：提供已知溫度的多個校正點；分別拍攝該些校正點的影像，並選定該影像中的一校正波長，以取得對應於該校正波長的一第一校正亮度以及對應於一未知波長的一第二校正亮度；以及依據下列方程式(2)來計算該校正係數A與該未知波長的關係：
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100142008A TWI442032B (zh) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | 非接觸式溫度量測方法 |
| CN201110392728.XA CN103123281B (zh) | 2011-11-17 | 2011-12-01 | 非接触式温度测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100142008A TWI442032B (zh) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | 非接觸式溫度量測方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201321728A true TW201321728A (zh) | 2013-06-01 |
| TWI442032B TWI442032B (zh) | 2014-06-21 |
Family
ID=48454346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW100142008A TWI442032B (zh) | 2011-11-17 | 2011-11-17 | 非接觸式溫度量測方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103123281B (zh) |
| TW (1) | TWI442032B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103900723B (zh) * | 2014-04-25 | 2016-08-24 | 天津送变电易通电力科技有限公司 | 利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的方法及测量系统 |
| CN104180908B (zh) * | 2014-08-07 | 2017-04-19 | 华能国际电力股份有限公司 | 一种raw图像辐射测温装置及方法 |
| TWI639817B (zh) * | 2017-10-30 | 2018-11-01 | 國立成功大學 | 檢測製程區域溫度的方法 |
| CN111044156B (zh) * | 2019-12-13 | 2021-04-02 | 上海交通大学 | 一种光学快门式非调制红外测温系统及方法 |
| CN113432146B (zh) * | 2021-07-06 | 2022-08-16 | 国网河北能源技术服务有限公司 | 炉内温度测量方法、装置及设备 |
| CN113357666B (zh) * | 2021-07-06 | 2022-09-23 | 国网河北能源技术服务有限公司 | 基于神经网络的炉内温度测量方法、装置及设备 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2264366Y (zh) * | 1996-05-24 | 1997-10-08 | 清华大学 | 动态温度场实时检测传感器 |
| US6074087A (en) * | 1997-09-04 | 2000-06-13 | National Security Council | Non-contact method for measuring the surface temperature distribution of a melt during growth of ionic crystals |
| CN101620010A (zh) * | 2009-06-10 | 2010-01-06 | 彭小奇 | Ccd测温范围扩增技术 |
-
2011
- 2011-11-17 TW TW100142008A patent/TWI442032B/zh active
- 2011-12-01 CN CN201110392728.XA patent/CN103123281B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103123281A (zh) | 2013-05-29 |
| TWI442032B (zh) | 2014-06-21 |
| CN103123281B (zh) | 2015-08-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI442032B (zh) | 非接觸式溫度量測方法 | |
| CN107202651B (zh) | 一种微尺度火工品燃烧温度场测量装置及其测温方法 | |
| CN109506782A (zh) | 基于高速成像技术的瞬态温度场测试方法及其测试系统 | |
| CN106644102A (zh) | 一种基于彩色ccd相机的碳氢火焰温度测量方法 | |
| Aphale et al. | Development of a non-intrusive radiative heat flux measurement for upward flame spread using DSLR camera based two-color pyrometry | |
| CN101566503A (zh) | Ccd图像传感高温场测量仪 | |
| CN108279071A (zh) | 基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统 | |
| US20150362372A1 (en) | Extended temperature range mapping process of a furnace enclosure using various device settings | |
| TWI465702B (zh) | 非接觸式溫度量測方法 | |
| Jiménez | Two-color, two-dimensional pyrometers based on monochrome and color cameras for high-temperature (> 1000 K) planar measurements | |
| Sankaranarayanan et al. | Investigation of sooting flames by color-ratio pyrometry with a consumer-grade DSLR camera | |
| US9664568B2 (en) | Extended temperature mapping process of a furnace enclosure with multi-spectral image-capturing device | |
| CN112525951A (zh) | 一种加热成像装置及关联辐射图像与积灰温度的方法 | |
| Panditrao et al. | Temperature estimation of visible heat sources by digital photography and image processing | |
| CN106595868B (zh) | 一种基于改进三色法的高炉燃烧带温度场检测方法 | |
| CN113357666B (zh) | 基于神经网络的炉内温度测量方法、装置及设备 | |
| Zhang et al. | The temperature field digitization of radiation images in blast furnace raceway | |
| Aphale et al. | CMOS Based High-Speed Camera Pyrometry Measurements for Validation of Upward Flame Spread Modeling | |
| CN113405672A (zh) | 一种基于对数多项式的实时高温温度场测量方法 | |
| Zhang et al. | Radiation temperature measuring method with high dynamic range via fast double-exposure image fusion | |
| RU2439510C1 (ru) | Способ измерения яркостной температуры объекта | |
| Yan et al. | Research on colorimetric temperature-measurement method improved based on CCD imaging | |
| Sankaranarayanan et al. | Flame temperature measurement using color-ratio pyrometry with a consumer grade DSLR camera | |
| Cheng et al. | Application of a two-dimensional projection temperature measurement system based on charge-coupled device sensor in blast furnace tuyere raceway | |
| Yeh et al. | Development of Two-Color pyrometry for flame impingement on oxidized metal surfaces |