采用双色法在500KW机型炉测量基于视觉的温度分布

b Y. Huang , Y. Yan , G. Riley

一个高级仪表和控制的研究中心，梅德韦工程学院，格林威治大学，梅德韦大学校园，查塔姆，肯特ME44TB，英国。

燃料和燃烧，国电PLC，风车山庄商务园，怀特希尔路，斯温顿SN56PB，英国

1999年8月23日收到;1999年12月7日开始修订；2000年1月11日被公认

本文描述了已经开发出的一种新的光学仪器系统在炉的温度分布的在线连续测量的描述和评估。该系统包括光滤波器中，CCD摄像头，图像采集和相关软件。基于两色的方法，该火焰的平均温度字段是从在两个不同的备选地拍摄的两个图像的平均灰度电平的比率来计算波长。因此，由单一波长图像而获得的伪瞬时温度分布通过伪彩色呈现。从500千瓦机型炉显示温度的实验结果分布范围从1331到16068C燃煤火焰和从1156至13588C为燃气火焰。连续在炉内的温度分布的监测也已经过了100分钟进行。比较通过该系统和那些由常规高温计测得的结果之间表明，该系统能够精确与合理的测量温度分布。

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关键词：火焰;温度分布;双色法; CCD摄像头

1介绍

通过非侵入式装置对火焰和熔炉的温度进行分布的精确可靠的测量，是高度期望实现燃烧和污染物形成过程，碳合灰分水平，和其它的燃烧问题的深入了解，特别是造渣和结垢。

若干对火焰温度的测量方法已在过去已开发，目前最广泛应用的方法使用物理探针诸如热电偶或气体-SAM耦探针。这些技术具有明显的缺点，如侵入性，在恶劣的环境中降解，并单点测量。因此，各种光学方法，诸如LIF（激光诱导荧光）[2]和LSM（激光分子的散射）[3,4]在最近几年发展起来了。然而，由于的并发症测量原理和系统结构，这些技术不适合用于工业炉

两色的方法是用于拍摄火焰的高温测量的常用方法，出现了持续努力应用本技术的各种情况。Hottel and Broughton [5]开创两色技术和施加ITO确定在公用炉火焰温度。这种方法的最广泛应用，在内燃机中被发现这里不仅有火焰温度，而且烟尘浓度测定[6-10]。该方法已被扩大，近年来各种明火，无论是预混合或扩散火焰[11,12]。类似的两色原理，多色方法也被开发[13-15]。所有这些应用检测火焰中只有一个点温度。戈梅斯[16]和Kobayashi等人。 [17]试图通过描绘在胶片上的火焰和分析按照双色原理的图像来测量的温度分布。然而，他们的测量结果是基于复杂的离线处理。

CCD传感器可以提出一个目标的二维信息，适合的温度分布的监测。Zhou等人[18]中使用的CCD传感器来测量以预测火焰位置[18]的模型燃烧器内的温度分布，但该方法需要安装作为整体系统的一部分的热电偶。Kawamura等。[19]利用了两个CCD摄像机得到两个不同的波长，以获得一个火焰的图像，并计算出从在两个图像Kawamura的各点的灰度级的比例的温度分布。然而，用这种方法的困难是除了将两个照相机以高快门速度同步，还需要从两个相机的一致的光谱响应。

在这项研究中的测量系统，包括一个单一的区CCD照相机和安装在可旋转固定器的滤光器的，已经开发了在两个不同的波长来获取替代地辐射图像。实验在500-千瓦模型炉进行。在炉中的平均温度从两个图像的平均灰度电平的比率来计算，然后得到一个伪瞬时温度分布瞬时温度分布为从单波长图像获取。图像和火焰场温度分布在电脑显示器上连续显示。

2 燃烧模型和系统说明

实验是用国家电力运营的500千瓦的测试设备进行的。该设施是一个燃烧器，燃烧区和烟道气路的一个典型660/500兆瓦电站气路的发电站炉配有一个单一的刻录机水平烧制成一个一个比例模型耐火材料衬里的部分为0.80.8米的横截面。一种水套被装配到炉的外侧，消除输入能量的约三分之一。炉为4米长，和一系列的观看/测量端口位于侧壁的中心线。

图1显示出测量系统的配置。一个图象引导固定在被插入到炉子的耐火壁的不锈钢管的中心。图象引导被水冷却以避免由在所述炉中的高温的过热。具有90°的视角的目标是，固定在图象引导件的前端和其表面由气流吹扫以保持镜头无尘。由图像引导输送的光进入单色相机。安装在一个可转动的磁盘的两个光学滤波器安装在图象引导和照相机之间。在700和650纳米，以10nm的带宽的两个带通滤波器，用于获得从所述炉中的单波长的辐射。由计算机控制的步进马达驱动器，使得每个过滤器可替代地选择的磁盘。该相机拥有748H484V的像素单元的分辨率的0.5英寸行间转移CCD传感器，并操作以隔行倍速扫描模式。摄像机的电子快门固定在1/4000秒。用手动光圈和25毫米焦点镜头描绘的CCD平面上的火焰。帧抓取器在高达45兆赫的CCD的模拟信号转换成8位数字化的二维数字图像转印。具有高性能的奔腾计算机相结合，在帧接收器高速32位PCI总线接口支持的132兆字节/秒的传输速率，提供所述图像的实时传送给主计算机记忆。帧捕获也以隔行倍速扫描模式中配置。整个成像系统提供的60帧/秒的帧速率
具有256级灰度。

测量系统的示意图 图1

3 测量原理

物体的辐射被普朗克辐射定律支配

其中，M（L，T）是单色出射度即在能量每单位面积（W M毫米）发射的每单位时间的单色辐射，l是辐射（毫米）的波长，T是绝对温度（K），“是单色辐射率和C和C是第一和第二普朗克常数。波长和温度分别有关在本研究范围从0.6至0.8毫米，1000至2200K，。由于C2 /lT gt; 1这些范围内，普朗克定律可以通过维恩辐射定律取代。

可以认为，该成像的输出系统，即灰度级G（L，T），是按比例到存在被测物体和依赖于CCD传感器的光谱灵敏度S1中，即

当R被称为仪器常数反映的各种因素，包括辐射衰减的影响，由于在光学系统和气氛，观测距离，透镜性能和信号转换。式上的一些讨论。（3）由德威特和纳特定详细[20]。在波长和微升灰度级的比率由下式给出：

重新排列式（4）得到：

光谱感光度S2和S1之间的比率为从CCD的光谱响应性能公知的。一个关键问题是如何处理的光谱发射率和之间的比率。在这项研究中，假设为燃煤火焰成灰色现象的原因在于火焰内的烟灰粒子比系统采用波长[15]大得多。此外，由于波长非常接近（700和650纳米），以彼此的烟灰粒子的相应光谱辐射率之间的差异是可以忽略的，即对于气态火焰，烟灰的尺寸颗粒范围为0.005至0.1m [21]，并且比观察的波长小得多。花[11]证明了，假设在火焰中的烟尘颗粒时是均匀的，等温沿着通过火焰的水平线，并且相对较小的所使用的波长，光谱辐射是成反比的波长，即，。因此，通过用到公式取得另制剂本研究的气态火焰。 （5）：

方程（5）和（6）表示的二色法计算基于所述真实存在的两种波长的比率没有真实出射度的先验知识的温度。此外，衰减比值在两个图像中各种系列点的灰度级。两个图像的同时捕获为这个方法的先决条件，如通过川村[19]报道。然而，当前的系统使用一台摄像机，而不是两个，因此拾取替代地在两个图像的波长。平均温度的整体的焰然后通过代入比G（L，T）两个图像入方程的平均灰度级来计算。 （5）或（6）。式。（3）推断的火焰的温度分布可以从两个图像中的一个的辐射的分布计算出来，如果仪器常数（R），光谱灵敏度SL升和光谱辐射的产物`是公知的。假定在这个初步调查，在火焰的不同点处的火焰辐射率是相同的，温度分布从以下，这是从公式推导来确定。 （3）：

(7)

其中为一个常数，并通过代入测得的平均温度T和平均灰度级由下述公式计算出的在波长lambda;入式中的图像的给了。 （7）：

必须强调的是，上述的假设，可能会导致在温度分布测定的一些错误，但不会影响火焰温度分布的一般趋势。

4.仪表系统的设计

4.1。波长的选择

有几个因素必须考虑波长的选择。首先，波长应选择以避免从气体分子和中间自由基的辐射。其次，波长应该是在CCD摄像机的输出可以预期在视图的灵敏度和信噪比的足够变化的区域。第三，波长的选择应可望防止相机饱和。最后两个使得发射率和光传输的效果之间的差异是可以忽略的（等式（5））。

必须指出的是，两色方法仅测量烟灰粒子的温度火焰之内，因为普朗克辐射定律只适合从固体颗粒的连续光谱而不是气体分子如的频带光谱CO和H O和自由基像OH，CH，C和CN。在系统中使用的波长是选自所有这些波段的光谱。它可以从找到对于光谱辐照度的变化波长度，DM（L，T）/ dl时，是在可见光区域高围绕1000-2200 K.温度。因此，可见波长是优选的，以实现更高的和信噪比。此外，UMNS更高信噪比引起该使用的进一步的波长对。然而，进一步的波长会导致曝光过度的CCD摄像头在一个波长和曝光不足的其他波长。此外，灰色的机身行为对煤炭火焰的假设，需要仔细检查波长。损害上述讨论的因素已导致700波长的选择，并在目前在调查650纳米。

像系统的噪声具有显著对测量精度的影响。阈值引入了区分信号和噪声。该系统的噪音是从至少捕获的图像确定光圈。。图2示出了系统的噪声分布这是从一个单一的噪声图像生成。它不大于25。实验显示，该噪声电平可以通过平均噪声图像大大降低。 图4示出从平均的300噪声的图像中得到的噪声分布。可以看出，最大噪声不大于16和噪声分布变得更均匀。在阿迪化，图图2和3意味着该噪声分布是在沿着列的正弦波的形式。列的灰度级与列数的归一化总和的曲线绘于图4，它表示该峰噪声出现在列300和730，由于该系统需要在每个波长300的图像来计算的平均温度16的阈值在系统中被使用。

5 实验结果

有各波长300的图像采集用于测量对应于一段。一段30秒。每一个瞬间图像是

在0.25毫秒（1/4000秒的快门速度）传输。要小心以确保所有的像素进行了不饱和。由于在从炉700纳米的辐射是比在650nm时，只有在700nm处的图像被检查以确定是否将图像饱和。图5示出在煤在燃烧炉内的温度分布。左框架表现出火焰的瞬间图像而右框介绍其温度分布，。通过伪彩色（显示对应六种颜色

6个温度范围）。在右边框的蓝色区域对应于热耐火壁。测得的最大，最小和断言年龄温度以下框架从包括火焰和耐火墙的整个视场而获得的平均温度呈现。图6示出在炉内温度分布用于燃气图像在线连续监测温度的分布历时100分钟进行，当分煤在燃烧炉内。该最大的变型中，最小和平均的温度和时间绘制在图7.

获得独立的本地温度读数，一个光学高温计被定位在反对在已安装的图像引导观察口。在测试前，高温计被校准针对热电偶的读数，从而确定一个要使用的适当的火焰发射率。校准程序如下

bull;聚焦高温计上的区域，其中的热电偶安装;

bull;调整测温仪的发射开关面板，使显示在温度值 一样由所测得的高温计热电偶;

bull;所得发射显示在高温计然后将其用作在火焰辐射率，以下的测定。

图3 平均300图像的.噪声分布

图 4.沿着列噪声分布

从高温计的结果已标记与图7中的星号（*）。其与由所述成像系统测得的平均温度主要同意。一个热电偶安装在炉子的出口处监测排气气体的温度。来自热电偶的结果也绘制在图7.可以看出，在炉中的温度比出口温度高，但有一个一致的趋势，即随时间增加。

图5为燃煤火焰.温度分布。

图6用于气体火焰温度分布

图。7.测量的温度与时间的关系：（ - ）测得的温度; （----）出口温度; （*）由测得的局部温度高温计。

6，结论

仪表系统已被开发用于在炉中的彩画-TURE分布的在线连续测量，通过两色法与基于CCD的图像处理技术相结合。在500千瓦的模型炉中获得的实验结果表明，温度从1331不等到16068C为燃煤火焰和从1156至13588C为燃气火焰。由成像系统和那些来自高温计和热电偶的测量结果之间的比较表明，该系统能够在一个合理的精度内测量一炉的温度。

参考文献

、[1] The Coal Research Forum, The Coal Research Forum 8^th Annual Meeting, The Coal Research Forum, London, 1997.

[2] M.P. Lee, B.K. McMillin, R.K. Hanson, Temperature measurements in gases by use of planar laser-induced fluores cence imaging of NO, Appl. Optics 32 (27) (1993) 5379–5397.

[3] D. Ball, H. Steve, T. Driver, R.J. Hutcheon, R.D. Lockett, G.N. Robertson, Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy temperature measurements in an internal combustion, Optical Eng. 33 (9) (1994) 2870–28

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