PDF《数字图象处理技术应用于 温场分布在线测量》

第27 卷第

1 期 光电工程 Vol127, No.

1 2000 年2月Op to2Electronic Engineering Feb,

2000 文章编号: 1003- 501X (2000) 01- 0064-

05 数字图象处理技术应用于 温场分布在线测量 苏红雨, 杨华元, 卜翠英, 苏昌林 (中国测试技术研究院, 四川 成都 610061) 摘要: 首先阐述在恶劣环境下的工业生产中采用成象光谱法来监测温场分布的理由, 然后结合 面阵 CCD 成象技术和数字图象处理方法, 选用恰当的波长搭配, 进行合理的设计, 研制出新的成 象光谱数字图象温场监测装置. 利用黑体的标定证实理论和设计的正确性, 并在现场测试中取得 满意的结果. 关键词: 成象光谱法, 数字图象处理, 温度分布, 在线测量. 中图分类号: TK31 文献标识码: A Appl ications of D igital I mage Processi ng Technology to On-L i neM easurement of Temperature Field D istribution SU Hong-yu,YANG Hua-yuan, BU Cui-yi ng, SU Chang-l i n (N ational Institute of M etrology , Chengdu 610061, China) Abstract: The reasons for app lying i m aging spectral m ethod to monitoring and m easuring temperature field distribution in the severe industrial p roduction are first described in the paper. Com bining area array CCD i m aging technique w ith digital i m age p rocessing m ethod, selection of the just w avelength arrangem ent and reasonable unit design, a new temperature field monitoring and m easuring apparatusw ith i m aging spectral digital i m age technique is developed. The calibration w ith a black body demonstrates that its theory and design are correct and satisfied results have been achieved in the field m easuring. Key words: I m aging spectrom etry, D igital i m age p rocessing, Temperature distribution, O n2line m easurem ent. CLC number: TK31 引言在许多工业生产, 如冶金行业的退火、 锻压、 轧板, 以及电站锅炉炉内煤粉燃烧过程中, 都需要在恶劣 环境(如灰尘较多) 下对现场不断变化的温度分布进行监测. 因此, 对非接触式的较高空间分辨率的温场在 线测量技术有着迫切的需求. 在国外, 已报道有线阵CCD 双色法用于测量化学合成过程中的温度分布[1 ] , 也有用于轧板过程监测的面阵 CCD 亮温测量方法[2 ] ;

在国内, 随着锅炉火焰监视器的使用, 已有用单色火 收稿日期: 1999- 01- 08;

收到修改稿日期: 2000- 01-

10 基金项目: 国家技术监督局资助研究项目 作者简介: 苏红雨(1966- ) , 男(汉族) , 四川纳溪人, 中国测试技术研究院副研究员, 硕士, 主要从事辐射测量技术及仪器的研究. 焰图象处理进行火焰监测的报道[3 ] . 通过对比总结前人的研究成果, 我们以成象光谱法作为测量辐射温度 场分布的基础, 结合先进的面阵 CCD 成象技术和计算机数字图象处理技术, 研制出新的温场分布在线测 量装置, 并已在实验室标定和电站锅炉运行监测中取得了很好的结果, 受到使用单位的好评.

1 设计原理 任何有温度的物体, 均以它的本征频谱特性向周围辐射能量. 本世纪八十年代初发展起来的成象光谱 学, 其特点是不仅要获得物体表观的象, 而更是为了从本质上认识物体, 考查物体频谱的空间分布. 一般物体发出的光谱辐亮度可以用它的表面温度和表观发射率及周围环境温度表示, 如下式: L (Κ , T ) = C1 Π Κ

5 Ε(Κ , T ) exp (- C2 Κ T ) -

1 + [1 - Ε(Κ , T ) ] Ε(Κ , T E) exp (- C2 Κ T E) -

1 (1) 式中 C1, C2 被称为第

一、 第二辐射常数;

Κ为波长;

T 为辐射体温度;

T E 为环境温度, Ε(Κ , T ) 为物体表观 发射率, 是Κ,T的函数.在某一温度下, Ε(Κ , T ) 可用多项式表示, 即: Ε(Κ ) = Ε

0 + Ε 1Κ+ Ε 2Κ

2 + ……Ε nΚ n (2) 在各波长 Κ i 下所得辐亮度为一方程组: H M

1 = L Κ

1 [T , T E, Ε(Κ 1) ] H M

2 = L Κ

2 [T , T E, Ε(Κ 2) ] …… H M n = L Κ n [T , T E, Ε(Κ n) ] (3) 如果在 Ε(Κ ) 中舍去

3 次方以上的项, 则各方程中至少有

6 个未知量, 那么我们在

6 个波长上测得物体 的辐射亮度则可以解得方程(3) , 得出物体温度 T. 多波长测温方法, 其优点就在于能消除未知被测物体的发射率及周围环境温度的影响.为了简便起 见, 从单波长、 双波长法入手, 分别说明其测温原理和它们各自的局限性. 1.

1 单色法――亮温法 对于一般灰体, 在ΚT 160―>

140 MW , 再逐次增加负荷: 140―> 160―> 180―>

200 MW.所测得温度值与负荷有很好的同步性, 故而为保证不灭火提供了直观准确的判据.数据 见表 1. 表1炉膛温度随锅炉工况变化的测量数据 Table

1 M easured data of temperature in com bustion cham ber varying w ith operating conditions of boiler No

1 2

3 4

5 6

7 8 T i m e 15:

13 15:

15 15:

30 15:

44 15:

57 16:

07 16:

14 16:

41 Pow er(MW )

190 200

180 160

140 160

180 200 T (℃) Center

1375 1483

1316 1298

1181 1277

1339 1475 U pper left

1157 1276

1037 1019

945 1009

1138 1257 U pper right

1127 1265

1069 1007

909 984

1067 1285 Low er left

1225 1370

1140 1115

985 1095

1180 1371 Low er right

1204 1358

1135 1101

955 1081

1156 1345 结束语 温场分布在线测量装置的研制和实验室定标证实前述理论分析和装置设计上的正确性与合理性, 又 在现场的试运行中取得了大量的数据, 并获得满意的结果.测得的炉膛温场分布, 其绝对值与电站锅炉设 计值很好地吻合, 与国外用超声法测得的值也基本一致. 该装置现已正式投入运行, 并获得用户好评. 本课题的研究使我国电站锅炉的监控技术进入一个新的阶段, 对电站的安全运转和提高锅炉的热交 换效率均具有积极的作用. 致谢 本课题是国家技术监督局研究项目, 冯家璋先生对此项目给予关怀和指导, 同时得到长春河洛 集团和长春热电二厂的大力支持, 我们在此表示衷心的感谢. 参考文献: [1 ] A nsel m i2Tam buriniU , et al . A two2color spatial2scanning pyrom eter for the determ ination of temperature p rofiles in com bustion synthesis reactions[J ]. Rev. Scientific Instrum ents, 1995, 66(10): 5006- 5014. [2 ] Chen J, et al . CCD N ear Infrared Temperature I m aging in the Steel Industry[A ]. IEEE 0- 7803- 1229-

5 93, M ay 1993: 299- 303. [3 ] 周怀春等. 单色火焰图象处理技术在锅炉燃烧监控中的应用研究[J ]. 电力系统自动化, 1996, (10): 18- 22.

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