燃燒火焰溫度圖像檢測系統開發

唐華兵, 婁 春, 劉建浩, 楊 曉, 黎康星

(華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

燃燒火焰溫度圖像檢測系統開發

唐華兵, 婁 春, 劉建浩, 楊 曉, 黎康星

(華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

為滿足熱能工程專業本科實驗教學和畢業設計中對燃燒測量的需要,開發了一套基于機器視覺圖像處理技術的燃燒火焰溫度圖像檢測系統。該系統硬件以千兆網彩色CCD攝像機為核心,結合計算機圖像處理技術及比色圖像測溫理論進行設計,系統的主要功能有展示千兆網彩色CCD攝像機原理及應用、展現參考點比色法測溫的理念、測溫方法的實驗驗證及教學應用。該系統操作方便,在實驗教學應用中效果良好,對促進學生掌握燃燒測量基礎知識和相關技術具有重要幫助。

實驗教學； 溫度測量； 圖像處理

熱能工程專業本科教學實驗中對燃燒溫度測量,對于學生掌握燃燒測量基礎知識和相關技術具有重要作用。但現有的燃燒檢測技術大多仍是采用熱電偶、高溫計等測量火焰溫度,它們的缺點是只能測量火焰中某一點的溫度,無法全面反映火焰溫度的空間分布。也有將紅外熱成像儀用于燃燒火焰溫度圖像的檢測,但紅外熱成像儀價格非常昂貴,并且需要預先設定被測對象的發射率,而火焰發射率是未知參數,而且對火焰溫度圖像的檢測具有較大誤差。因此,開發了一套基于機器視覺圖像處理技術[1-5]的燃燒火焰溫度圖像檢測系統,該系統結合計算機圖像處理技術及比色圖像測溫理論,從火焰圖像中計算火焰溫度圖像,為本科教學實驗提供了一套低層本高精度的測量技術。

1 系統功能分析

燃燒火焰溫度圖像檢測系統是以激發學生學習興趣，掌握燃燒測量基礎知識和相關技術，低成本、高精度為目標的實驗教學系統。本文開發的檢測系統主要應用對象是熱能工程專業本科生,讓他們在實驗、實踐過程中理解燃燒測量技術的理念,實現對理工科學生專業知識、 實踐能力和綜合素質的培養要求[6-9]。所開發的燃燒火焰溫度圖像檢測系統具有以下4個方面的功能：

(1) 展示千兆網彩色CCD攝像機原理及應用。彩色CCD攝像機是本系統的核心組件之一,其作用主要是將光信號變為數字信號。彩色CCD攝像機具有壽命長、工作穩定可靠、圖像清晰度高、體積小、重量輕等優點,目前已被廣泛應用于工業診斷和過程監測中。本實驗可以充分地向學生展示彩色CCD相機的功能及工作原理,以此幫助學生理解千兆網彩色CCD攝像機的各項性能。

(2) 展現參考點比色法測溫的理念。參考點比色圖像測溫方法[10-11]作為非接觸式測溫方法的一種,已廣泛應用于各種工業現場,但究竟什么是參考點比色圖像測溫法,其包含哪些關鍵技術,大部分學生依然是一頭霧水。因此,本文開發的系統旨在體現參考點比色圖像測溫法的概念、原理及應用。

(3) 測溫方法的實驗驗證。改變彩色CCD攝像機的曝光時間設置,采集到的火焰圖像明暗程度發生明顯的變化,但利用參考點比色圖像測溫法計算得到的火焰溫度并不會因為圖像的亮度不同而發生明顯的變化。在實驗中,學生可以通過特征溫度曲線圖觀察到,雖然采集到的火焰圖像隨著曝光時間的減小而明顯變暗,但火焰最高溫度和平均溫度曲線的波動幅度很小。

(4) 教學應用。該實驗系統除了為學生提供實踐操作外,還可供教師課堂教學時現場演示、示范,激發學生的學習興趣,加深對基礎知識的記憶。

2 系統設計

2.1 系統結構及測量原理

系統結構示意圖見圖1。該檢測系統的硬件設備有筆記本電腦、彩色CCD攝像機和耐高溫光學潛望鏡。耐高溫光學潛望鏡攝取燃燒火焰的光信號,彩色CCD攝像機將光信號變為數字信號,通過千兆以太網送入筆記本電腦中,相應的軟件系統對火焰的數字視頻信號進行處理,根據輻射傳熱原理計算火焰溫度分布,并顯示在筆記本電腦的屏幕上，計算結果存儲在硬盤中,便于隨時查看。

圖1 溫度圖像檢測系統結構示意圖

實驗測量原理:燃燒火焰會向外界發出輻射光譜,包括來自燃燒顆粒物的連續熱輻射和來自原子或分子的發射譜線或譜帶。彩色CCD攝像機把來自對象火焰的入射光分解為紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色圖像,再通過計算機處理系統將R、G、B信號分離出來,且被量化為0～255的256個等級數存儲,因而火焰圖像在計算機內實際上是以R、G、B為波長的三色圖像。在利用黑體爐對成像系統進行標定[12]后,可以得到彩色火焰圖像中每一像素的R、G、B值與紅、綠、藍三基色波長下單色輻射的代數關系。然后對火焰圖像進行R、G、B提取,利用其中的任意2個顏色圖像,根據雙色法測溫原理,就可以計算出火焰的溫度。

2.2 系統硬件

對CCD攝像機和筆記本電腦進行了比較和選型。傳統的圖像采集系統中主要是用模擬式CCD攝像機,采集的視頻信號為模擬信號,用同軸電纜進行數據傳輸。但模擬信號的傳輸質量容易受傳輸距離的影響,距離越遠圖像質量越容易受外部環境干擾而變差,甚至無法使用。基于機器視覺系統的圖像采集方式主要是采用數字信號,在傳輸距離和信號質量方面有保障。千兆以太網是傳輸數字信號的方式之一,不僅可以保障數字信號的傳輸速度,而且千兆以太網接口是各種計算機的標準配置,因此,本設計采用千兆以太網實現數字視頻信號的傳輸。考慮了各方面因素后,選擇了千兆網數字攝像機(型號:MER-200-14GC),該攝像機分辨率為1628像素×1236像素,模塊轉換精度為12 bit,曝光時間為20 μs～1 s,數據接口為千兆以太網接口。筆記本電腦的選擇主要考慮的是千兆網CCD攝像機對圖像數據傳輸及處理的要求,其要求筆記本電腦具有Intel Core 2 Duo、2 GB 以上內存、千兆網接口。若不滿足要求,系統接收到的將是殘幀,無法顯示完整的圖像及進行溫度計算。

2.3 軟件開發及界面布置

軟件開發采用模塊化設計,開發模塊包括彩色CCD攝像機初始化、圖像采集、圖像處理及數據輸出、離線查詢幾個方面。其中,CCD攝像機初始化又包括打開相機、開始采集(設置采集環境,不采集圖片)、曝光時間設置、停止采集、關閉相機幾個方面,其主要功能為控制相機及釋放所占用的資源。程序流程圖見圖2。圖2中判斷是否采集圖片是依據火焰飽和度模塊中顯示的R值和G值來進行判斷的。

圖2 程序流程圖

圖像處理部分包括溫度計算和數據輸出。首先從采集到的圖片中提取出R、G、B值,并將其保存在3個二維數組中,利用循環找出圖像上最亮點(R最大)處的R值(Rmax),并求出R值在(Rmax-5)到Rmax區間內的所有像素點的R、G、B的平均值作為參考點的R、G、B值,利用雙色法計算出參考點溫度,然后根據參考點溫度計算出各像素點的溫度。系統將二維溫度分布圖及特征溫度曲線顯示在主窗口的同時,還將以矩陣形式保存的所有像素點的溫度值，以及最高溫度、平均溫度2個特征溫度值，并以txt文檔形式輸出。考慮到有時需要對歷史數據進行查詢,因此本系統增加了離線查詢功能。

實驗操作界面如圖3所示。控制相機的按鍵主要布置在界面的選單欄。主界面分為左右兩部分,左邊部分有實時火焰圖像視頻、火焰飽和度及曝光時間設置3個模塊組成,曝光時間通過拖動滾動條位置來進行控制,并根據火焰飽和度模塊中顯示的R值和G值來判斷當下的曝光時間是否合適。右邊部分主要是用來顯示采集到的火焰圖像、溫度圖像、特征溫度及其曲線。

圖3 實驗操作界面

3 系統驗證及實驗教學效果

系統設計完畢后,為了驗證系統測量的準確性,首先在高溫黑體爐上進行了實驗,高溫黑體爐設定值與測量值之間的比較見表1。從表1可知,溫度誤差均小于2.1%,且當選取的曝光時間合理時相對誤差進一步減小。

表1 溫度設定值與測量值的比較

該系統在實驗教學中用于乙烯擴散火焰的溫度檢測實驗。實驗工況：乙烯流量為190 mL/min,空氣流量為300 mL/min。實驗結果表明,該系統性能很好地滿足了實驗需求。學生可以通過界面上的“火焰飽和度”模塊顯示的顏色來選擇合理的曝光時間,確保了采集到的圖片亮度適中及溫度計算的準確性；輻射強度圖像和溫度圖像可以讓學生直觀地了解到火焰溫度分布情況及通過移動鼠標讀取圖像上各點的強度/溫度值；特征溫度曲線則表明了火焰特征溫度的變化趨勢。學生在乙烯火焰溫度圖像檢測實驗中采集到的火焰圖像及獲得的溫度圖像如圖4所示,特征溫度與曝光時間之間的關系如圖5所示。從圖5可以看出,雖然彩色CCD攝像機曝光時間改變,但特征溫度的變化并不明顯。

圖4 曝光時間為2 500 μs時的火焰圖像和溫度圖像

圖5 特征溫度θc與曝光時間t之間的關系

4 結語

熱能工程專業的燃燒測量實驗是非常重要的教學內容,學生在實驗過程中的主動性、創造性的發揮是課堂講授無法比擬的。結合燃燒測量技術發展前沿和相關科研工作基礎,本文開發了一套基于機器視覺圖像處理技術的實驗教學用燃燒火焰溫度圖像檢測系統。該系統強調比色圖像測溫方法的理念,具有較強的系統知識結構及低成本、高精度等優點,能夠滿足本科實驗教學的需求，對促進學生掌握比色圖像測溫的理論方法、提高學生創新意識和實踐能力發揮了重要作用。

References)

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Development of combustion flame temperature image testing system

Tang Huabing， Lou Chun， Liu Jianhao, Yang Xiao, Li Kangxing

(State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074, China)

In order to meet the requirements for the undergraduate experimental teaching for Thermal Engineering majors, and the combustion measurement for graduation projects, a combustion flame temperature image testing system based on machine vision image processing techniques is developed. The core of the system hardware is Gigabit Ethernet of color CCD video camera, combined with computer image processing system and imaging-based color ratio pyrometry principle for the design. The main functions of the system are as follows: demonstrating the principles and applications of the Gigabit Ethernet color CCD camera, showing the concept of calorimetry based on reference point, experimental verification of temperature measurement and application in teaching. This system is easy to operate and has a good effect in experimental teaching, which is of important help to promote students to master the basic knowledge of combustion measurement and related technology.

experimental teaching； temperature measurement； image processing

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.015

2016-05-24

科技部科技伙伴計劃項目(KY201401003)

唐華兵(1989—)，男，云南紅河，碩士研究生，主要從事燃燒測試的研究

婁春(1977—)，男，重慶，博士，副教授，主要從事燃燒檢測及輻射換熱研究.

TK16;G642.423

: A

: 1002-4956(2016)12-0056-04