專利名稱：：碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于檢測方法，特別涉及一種碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，適用于碳氫燃料燃燒火焰溫度及其黑度檢測。
背景技術：
：將輻射圖像處理技術和計算機技術應用于碳氫火焰的燃燒監(jiān)測、診斷、控制，是近年來出現(xiàn)的一種新技術。由于其具有耐高溫、對環(huán)境適應性強、測溫范圍廣和非接觸測量等特點，目前越來越受到國內外學者的重視，理論研究和實驗室試驗已經(jīng)開展多年，近年來逐步進入工業(yè)性試驗研究階段。國內外廣泛采用的基本方法是基于普朗克輻射定律的雙色法，例如，Y.HuangandY.Yan所發(fā)表的"基于雙光譜圖像分析的擴散火焰實日寸二維溫度觀!]量"(Transienttwo-dimensionaltemperaturemeasurementofopenflamebydual-spectralimageanalysis,TransactionsoftheInstituteofMeasurementandControl,2000，Vol.22(5):371-384)需要獲取測量對象在兩個波長下的單色輻射圖像；這種方法的實現(xiàn)需要復雜的光電裝置，成本高且可靠性無法得到保證。國內學者提出了基于彩色CCD的火焰溫度圖像檢測方法，見王飛，薛飛，馬增益等，"運用彩色CCD雙色信息測量燃燒火焰的溫度場"，發(fā)電設備，1998，(6):2-5，其原理是將彩色CCD捕捉的彩色火焰圖像中紅、綠、藍三基色信號作為火焰在各自代表性波長下的單色輻射能，采用雙色法原理進行溫度圖像檢測。這種方法僅需檢測彩色圖像就可進行溫度圖像計算，結構簡單，容易實現(xiàn)。但如果CCD視角范圍內火焰溫度變化范圍較大時，捕捉到的彩色火焰圖像中紅、綠、藍三基色信號容易飽和從而影響測溫精度。專利號01106579.6，名稱為"爐膛燃燒溫度圖像檢測方法"的中國專利，提供了一種爐膛燃燒溫度圖像檢測方法，該方法可以降低檢測裝置和方法的復雜性，提高計算精度，加寬檢測范圍。但以上方法需要知道三基色代表性波長，忽略了帶寬對其測量精度的影響。
發(fā)明內容本發(fā)明提出一種碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，其目的在于無需知道三基色代表性波長，考慮帶寬對測量精度的影響，以提高檢測精度。本發(fā)明的一種碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，事先經(jīng)黑體爐標定CCD探測器，擬合得到針對該CCD探測器的兩基色比值與溫度之間的函數(shù)關系式T^f(K)，以及溫度與黑體三基色值之一之間的函數(shù)關系式Xb:f(T);以下包括(1)獲取彩色圖像步驟采用CCD探測器獲取火焰圖像，經(jīng)計算機圖像采集系統(tǒng)得到火焰彩色圖像；(2)獲取圖像三基色值步驟從火焰彩色圖像得到各像素紅、綠、藍三基色值Rij、Gij、Bij;(3)獲取兩基色比值步驟任意選取兩基色計算火焰彩色圖像中各像素的兩基色比值K^(4)計算火焰溫度圖像步驟根據(jù)事先得到的兩基色比值與溫度之間的函數(shù)關系式T二f(K)，計算得到火焰溫度圖像，其中各像素溫度Tij;(5)計算黑體三基色值步驟根據(jù)事先得到的溫度與黑體三基色值之一之間的函數(shù)關系式Xb=f(T)，計算火焰彩色圖像中同溫度下各像素的黑體三基色值之一xMJ;(6)計算火焰黑度圖像步驟將火焰彩色圖像中各像素紅、綠、藍三基色值Rij、Gij、Bij中任意一基色值和與之相對應的同溫度下的黑體三基色值之一Xb,ij相比，計算得到火焰黑度圖像，其中各像素黑度Si產(chǎn)Xij/Xb,ij，Xij表示Rij、G小Bij其中之一;上述i^，2，…，m，j二l，2，…，n;m、n分別為圖像行、列方向像素個數(shù)。所述的碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，其特征在于所述針對CCD探測器的兩基色比值與溫度之間的函數(shù)關系式T=f(K)獲得過程為經(jīng)黑體爐標定CCD探測器，CCD探測器獲得黑體爐不同溫度時的彩色輻射圖像，從而獲得相應該彩色輻射圖像的三基色平均值/^r)、gA(r)、6A(r)，從三基色平均值之中任選兩基色平均值計算其比值K，用基于最小二乘法的多項式擬合得到比值K與溫度T之間的函數(shù)關系式T二f(K);所述針對CCD探測器的溫度與黑體三基色值之一之間的函數(shù)關系式Xb二f(T)獲得過程為經(jīng)黑體爐標定CCD探測器，CCD探測器獲得黑體爐不同溫度時的彩色輻射圖像，從而獲得相應該彩色輻射圖像的三基色平均值"r)、gA(r)、66(r)，任選三基色平均值^(r)、&(r)、^(r)之一xb，用基于最小二乘法的多項式擬合得到溫度T與Xb之間的函數(shù)關系式Xb二f(T)。所述的碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，其特征在于所述獲取圖像三基色值步驟中，從火焰彩色圖像得到各像素紅、綠、藍三基色值的過程為CCD探測器獲得的火焰彩色圖像的信息經(jīng)圖像采集系統(tǒng)以RGB24的位圖文件格式送入計算機存儲系統(tǒng)中，火焰彩色圖像中每像素的紅、綠、藍三基色值Rij、G小Bij各以8位字節(jié)的形式存儲在位圖文件中，通過編程讀取位圖文件中相應的數(shù)據(jù)得到火焰彩色圖像中各像素的紅、綠、藍三基色值Rij、Gij、Bij。本發(fā)明是一種非接觸式測量方法，對測量對象的環(huán)境沒有干擾，相對于其它雙色法，不需要知道CCD探測器的三基色代表性波長，同時也考慮了光譜帶寬對測量方法的影響，對溫度檢測誤差可以小于1.3%，黑度檢測誤差小于9.5%。圖1.本發(fā)明黑體爐標定CCD探測器示意圖；圖2(a).本發(fā)明黑體爐標定紅綠兩基色比值與溫度之間的關系及其擬合曲線；圖2(b).本發(fā)明黑體爐標定溫度與黑體紅色基色值之間的關系及其擬合曲線；圖3(a).本發(fā)明工業(yè)性試驗120婦負荷時火焰輻射圖像；圖3(b).本發(fā)明工業(yè)性試驗140MW負荷時火焰輻射圖像；圖4(a).本發(fā)明工業(yè)性試驗120MW負荷時火焰溫度圖像；圖4(b).本發(fā)明工業(yè)性試驗140麗負荷時火焰溫度圖像；圖5(a).本發(fā)明工業(yè)性試驗120MW負荷時火焰黑度圖像；圖5(b).本發(fā)明工業(yè)性試驗140MW負荷時火焰黑度圖像；圖6(a).本發(fā)明工業(yè)性試驗鍋爐爐膛左側火焰計算溫度與機組負荷曲線示意圖；圖6(b).本發(fā)明工業(yè)性試驗鍋爐爐膛右側火焰計算溫度與機組負荷曲線示意圖；圖7(a).本發(fā)明工業(yè)性試驗鍋爐爐膛左側火焰計算溫度與熱電偶測量溫度曲線示意圖；圖7(b).本發(fā)明工業(yè)性試驗鍋爐爐膛右側火焰計算溫度與熱電偶測量溫度曲線示意圖；具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。對遵守Planck輻射定律的一般物體，當在溫度r下發(fā)出彩色光時，CCD探測器檢測到的紅、綠、藍三基色值r(T)、g(T)、b(T)可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式(1)中，kr,kg,kb分別為CCD探測器紅、綠、藍三通道比例系數(shù)；lambda為波長；r(T)、g(T)、b(T)為國際照明委員會(CIE)1931年定義的標準色度觀察者光譜三刺激值；f,(r)為單色黑度(輻射率)；A(A，r)為單色輻射力。對于碳氫燃燒火焰，可以假設其為灰體對象，即火焰的單色黑度&(r)不隨波長變化，則有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)將式(2)帶入式(1)，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(3)式(3)中，rb(T)、gb(T)、bb(T)為CCD探測器檢測到的溫度為r時黑體發(fā)出的紅、綠、藍三基色值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>^P)、g"T)、h(r)很容易通過標準黑體爐標定得到。將黑體爐設定到不同溫度r，ccD探測器檢測到不同溫度r時黑體爐輻射出的紅、綠、藍三基色值A;(r)、g6(r)、6A(r)。這里以紅色基色來說明，不同的溫度r對應著不同的^(r)，因此^r)和r的關系可以用最小二乘法擬合成一個多項式函數(shù)/(r)來表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(5)式(5)中，/為多項式階數(shù)；M為多項式最高階數(shù)；",為多項式第/階系數(shù)。將式(3)變形可以很容易得到以下關系式""崩(6)選取三基色中的任意兩個基色(這里選取紅色和綠色兩個基色來說明)并對式(6)進行變形，則有=(7)式(7)中，^g(r)為紅、綠兩基色值在溫度r時的比值。從式(7)可以看出，在溫度r時灰體火焰發(fā)出的紅綠兩基色的比值與同溫度下黑體發(fā)出的紅綠兩基色的比值是相同的，因此只要知道灰體火焰發(fā)出的紅綠兩基色的比值i^(r)就可以知道灰體火焰的溫度r。紅綠兩基色的比值《jr)與溫度r之間的關系可以用標準黑體爐標定獲得。將黑體爐設定到不同溫度r，CCD探測器檢測到不同溫度r時黑體爐輻射出的紅、綠、藍三基色值^r)、^(r)、6A(r)，也即得到了一系列的紅綠兩基色的比值Kjr)，同樣采用最小二乘法擬合，i^(r)與r的關系可以用一個多項式函數(shù)來表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式(8)中，/為多項式階數(shù)；iV為多項式最高階數(shù)；^為多項式第/階系數(shù)。根據(jù)式(8)從火焰發(fā)出的紅綠兩基色的比值i^(r)可計算出火焰溫度r,由式(5)可計算出黑體在溫度為r時輻射出的紅色基色值dr)，由式(6)則火焰的黑度"r)為圖1為碳氫火焰溫度圖像及其黑度圖像檢測裝置黑體爐標定示意圖，利用溫控系統(tǒng)3設定黑體爐2溫度，將CCD探測器l拍攝到的彩色輻射圖像送入計算機圖像處理系統(tǒng)4。CCD探測器1由光學鏡片組，外層套管和三星SCC-B2303P彩色CCD攝像頭組成，其CCD攝像頭具體參數(shù)見表1所示。圖像采集卡為天敏SDK-2000，顯示分辨率640X480，色數(shù)24位真彩色，采集速度30幀/秒。表2為黑體爐標定結果。表3為黑體爐設定值與基于本發(fā)明方法計算值比較，從表3中可以看出，計算溫度相對誤差小于1.3%，計算黑度相對誤差小于9.5%。圖2(a)為輻射圖像中紅綠兩基色比值K^與溫度T的關系及擬合曲線5，擬合曲線5的函數(shù)表達式為T=435.30015+153.3156KRG+278.40623K2RG;圖2(b)為CCD探測器快門速度設置為l/50s時溫度T與黑體下紅色基色Rb的關系及擬合曲線6,擬合曲線6的函數(shù)表達式為Rb=-2987.78765+18.40576T-0.03433T2+2.0404E-5T3。產(chǎn)品種類電源電壓耗電廣播方式攝像元件像素掃描方式攝像機(日/夜)AC24V±10%(50Hz±0.1Hz)，DC12V(-5%/+10%)約4.5WPAL制式彩色系統(tǒng)1/3"超級HADCCD752(H)X582(V)625線,2:1間隔表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>掃描頻率同步方式分辨率信噪比最低被攝體照度日/夜色溫電子快門速度逆光補償靈敏度水平15625Hz(內同步)/15625Hz(電源同步)垂直50Hz(內同歩)/50Hz(電源同步)內同步/電源同步500/530TV線(彩色/)52dB(自動增益關)彩色0.3Lux(F1.2)黑白0.06Lux(FL2)彩色/黑白/自動跟蹤/外黑白自動跟蹤/自動控制/手動(3200K,5600K，R/BGain調節(jié))ALC:關1/10K秒(7步)ELC:MAXI/100Ksec關/下/上/左/右/中/用戶關/自動2X128X/固定2X128X關/開(X10)，畫中畫關/開(區(qū)域/靈敏度設定)正片/底片，反轉(左、右)，清晰度設定復合視頻輸出l.OVp-p，75歐姆，BNC視頻/直流CS/C(轉接器)一10。C+50。C90%68(寬)X55(高)X128.5(深)毫米約450克焦測制出頭裝度度寸變探控輸鏡安溫濕尺字動頻號動頭作作形數(shù)移視信自鏡工工外<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>在一臺480t/h循環(huán)流化床鍋爐上進行本發(fā)明工業(yè)性試驗。沿爐膛高度方向在鍋爐兩側前墻布置了6只CCD探測器。圖3(a)為檢測系統(tǒng)在機組負荷為120MW時獲取的火焰輻射圖像；圖3(b)為檢測系統(tǒng)在機組負荷為140MW時獲取的火焰輻射圖像?；鹧孑椛鋱D像由下至上分別為爐膛標高10.2m、13.5m、28.5m處CCD探測器拍攝得到，左右兩列圖像分別表示CCD探測器位于爐膛兩側前墻上。圖4(a)為基于本發(fā)明方法得到的120MW負荷時爐膛火焰溫度圖像；圖4(b)為基于本發(fā)明方法得到的14(MW負荷時爐膛火焰溫度圖像。圖5(a)為基于本發(fā)明方法得到的120麗負荷時爐膛火焰黑度圖像；圖5(b)為基于本發(fā)明方法得到的140麗負荷時爐膛火焰黑度圖像。圖6(a)為基于本發(fā)明方法得到的鍋爐爐膛左側火焰計算溫度與機組負荷曲線示意圖，圖中，左側爐膛標高10.2m處計算火焰溫度曲線8、左側爐膛標高13.5m處計算火焰溫度曲線9、左側爐膛標高28.5m處計算火焰溫度曲線10、機組負荷曲線7;圖6(b)為基于本發(fā)明方法得到的鍋爐爐膛右側火焰計算溫度與機組負荷曲線示意圖，圖中，右側爐膛標高10.2m處計算火焰溫度曲線11、右側爐膛標高13.5m處計算火焰溫度曲線12、右側爐膛標高28.5m處計算火焰溫度曲線13、機組負荷曲線7。從圖6(a)、圖6(b)中可以看出計算溫度隨著機組負荷的增減而增減，與實際工況吻合。圖7(a)為基于本發(fā)明方法得到的鍋爐爐膛左側火焰計算溫度與熱電偶測量溫度曲線示意圖，圖中，左側爐膛標高10.2m處火焰溫度曲線15、該處熱電偶測量溫度曲線14;圖7(b)為基于本發(fā)明方法得到的鍋爐爐膛右側火焰計算溫度與熱電偶測量溫度曲線示意圖，圖中，右側爐膛標高10.2m處火焰溫度曲線17、該處熱電偶測量溫度曲線16。從圖7(a)、(b)中可以看出計算得到的火焰溫度與熱電偶測量得到溫度比較接近，絕對誤差小于30°C。工業(yè)性試驗結果表明，碳氫火焰溫度圖像及其黑度圖像檢測方法可以滿足碳氫燃料燃燒檢測工業(yè)應用。權利要求1.一種碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，事先經(jīng)黑體爐標定CCD探測器，擬合得到針對該CCD探測器的兩基色比值與溫度之間的函數(shù)關系式T＝f(K)，以及溫度與黑體三基色值之一之間的函數(shù)關系式Xb＝f(T)；以下包括(1)獲取彩色圖像步驟采用CCD探測器獲取火焰圖像，經(jīng)計算機圖像采集系統(tǒng)得到火焰彩色圖像；(2)獲取圖像三基色值步驟從火焰彩色圖像得到各像素紅、綠、藍三基色值Rij、Gij、Bij；(3)獲取兩基色比值步驟任意選取兩基色計算火焰彩色圖像中各像素的兩基色比值Kij；(4)計算火焰溫度圖像步驟根據(jù)事先得到的兩基色比值與溫度之間的函數(shù)關系式T＝f(K)，計算得到火焰溫度圖像，其中各像素溫度Tij；(5)計算黑體三基色值步驟根據(jù)事先得到的溫度與黑體三基色值之一之間的函數(shù)關系式Xb＝f(T)，計算火焰彩色圖像中同溫度下各像素的黑體三基色值之一Xb，ij；(6)計算火焰黑度圖像步驟將火焰彩色圖像中各像素紅、綠、藍三基色值Rij、Gij、Bij中任意一基色值和與之相對應的同溫度下的黑體三基色值之一Xb，ij相比，計算得到火焰黑度圖像，其中各像素黑度εij，εij＝Xij/Xb，ij，Xij表示Rij、Gij、Bij其中之一；上述i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n；m、n分別為圖像行、列方向像素個數(shù)。2.如權利要求1所述的碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，其特征在于所述針對CCD探測器的兩基色比值與溫度之間的函數(shù)關系式T=f(K)獲得過程為經(jīng)黑體爐標定CCD探測器，CCD探測器獲得黑體爐不同溫度時的彩色輻射圖像，從而獲得相應該彩色輻射圖像的三基色平均值"r)、6J"，從三基色平均值之中任選兩基色平均值計算其比值K，用基于最小二乘法的多項式擬合得到比值K與溫度T之間的函數(shù)關系式T二f(K);所述針對CCD探測器的溫度與黑體三基色值之一之間的函數(shù)關系式X^f(T)獲得過程為經(jīng)黑體爐標定CCD探測器，CCD探測器獲得黑體爐不同溫度時的彩色輻射圖像，從而獲得相應該彩色輻射圖像的三基色平均值"r)、gA(r)、z>A(r)，任選三基色平均值"TO、h(r)之一Xb，用基于最小二乘法的多項式擬合得到溫度T與Xb之間的函數(shù)關系式Xb=f(T)。3.如權利要求1或2所述的碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，其特征在于所述獲取圖像三基色值步驟中，從火焰彩色圖像得到各像素紅、綠、藍三基色值的過程為CCD探測器獲得的火焰彩色圖像的信息經(jīng)圖像采集系統(tǒng)以RGB24的位圖文件格式送入計算機存儲系統(tǒng)中，火焰彩色圖像中每像素的紅、綠、藍三基色值Rij、Gij、Bij各以8位字節(jié)的形式存儲在位圖文件中，通過編程讀取位圖文件中相應的數(shù)據(jù)得到火焰彩色圖像中各像素的紅、綠、藍三基色值Rij、Gij、Bij。全文摘要碳氫火焰的溫度圖像及黑度圖像檢測方法，屬于檢測方法，其目的在于無需知道三基色代表性波長，考慮帶寬對測量精度的影響，以提高檢測精度。本發(fā)明事先經(jīng)黑體爐標定CCD探測器，擬合得到兩基色比值與溫度之間的函數(shù)關系式T＝f(K)以及溫度與黑體三基色值之一之間的函數(shù)關系式X_b＝f(T)；以下步驟包括(1)獲取彩色圖像；(2)獲取圖像三基色值；(3)獲取兩基色比值；(4)計算火焰溫度圖像；(5)計算黑體三基色值；(6)計算火焰黑度圖像。本發(fā)明對測量對象的環(huán)境沒有干擾，不需知道CCD探測器的三基色代表性波長，同時考慮了光譜帶寬對測量的影響，溫度檢測誤差小于1.3％，黑度檢測誤差小于9.5％。文檔編號G01J5/60GK101403639SQ20081019765公開日2009年4月8日申請日期2008年11月17日優(yōu)先權日2008年11月17日發(fā)明者周懷春,姜志偉申請人:華中科技大學