基于可見光高溫?zé)岢上竦娜紵郎y(cè)溫裝置研制

閆慧博 ,唐廣通 ,汪潮洋 ,李智聰 ,婁 春

(1.國(guó)網(wǎng)河北能源技術(shù)服務(wù)有限公司,河北 石家莊 050021;2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

火電、冶金、石化、玻璃、水泥等行業(yè)中,各種鍋爐、窯爐、工業(yè)爐、垃圾焚燒爐、冶煉爐等高溫爐膛是關(guān)鍵的設(shè)備。在這些高溫爐膛中,開展燃燒溫度的檢測(cè),尤其是溫度分布的檢測(cè),對(duì)于提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、以及降低污染物排放,有著重要的實(shí)際作用[1]。常用的溫度測(cè)量裝置包括熱電偶、輻射高溫計(jì)、紅外熱像儀等,其中,熱電偶和輻射高溫計(jì)只能給出某一個(gè)位置或某一個(gè)方向的溫度,難以給出溫度在空間中的分布,且熱電偶是接觸式測(cè)量方式,易損耗;紅外熱像儀雖然能給出被測(cè)對(duì)象的溫度分布,但需要知道被測(cè)對(duì)象在紅外波段內(nèi)的發(fā)射率才能得到準(zhǔn)確的溫度[2-3]。然而,對(duì)于不同類型的高溫爐膛,其紅外波段的發(fā)射率與爐內(nèi)氣相和固相組分有關(guān),尤其是對(duì)于含有燃燒火焰的高溫爐膛,爐內(nèi)具有大量的焦炭、碳煙、飛灰等固體顆粒,其熱輻射波長(zhǎng)主要位于可見光及近紅外波段,其光譜輻射特性隨波長(zhǎng)具有連續(xù)的黑體輻射特性;爐內(nèi)還含有CO2、H2O 等三原子氣體,其在紅外波段的光譜輻射特性隨波長(zhǎng)呈有非連續(xù)的譜線和譜帶輻射,因此,高溫爐膛在紅外波段的發(fā)射率非常復(fù)雜,很難準(zhǔn)確給出[4]。在不同工況下,爐內(nèi)氣固組分的濃度會(huì)發(fā)生變化,其在紅外波段的發(fā)射率相應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致紅外熱像儀用于高溫爐膛內(nèi)燃燒溫度測(cè)量時(shí),測(cè)溫結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)較大偏差,而且高溫型紅外熱像儀的成本高,使用過(guò)程中易受環(huán)境因素影響,部分國(guó)外產(chǎn)品還限制對(duì)中國(guó)出口。因此,在火電、冶金、石化、玻璃、水泥等行業(yè)中急需適用于高溫爐膛的成本低、適應(yīng)性好的溫度分布測(cè)量裝置。

實(shí)際上,熱輻射覆蓋了紫外-可見光-紅外的寬波段范圍,除了紅外熱成像之外,也可以利用可見光波段的熱輻射信號(hào)來(lái)形成圖像。隨著電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)陣列傳感器的迅速發(fā)展,基于可見光圖像處理的燃燒測(cè)量及診斷技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用[5]。YAN 等[6]基于可見光圖像處理研制了一套多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),用于燃煤火焰的幾何參數(shù)、亮度參數(shù)、閃爍頻率的定量測(cè)量,揭示了這些量化參數(shù)與燃燒負(fù)荷等運(yùn)行參數(shù)的關(guān)聯(lián)性。婁春等[7]采用CCD 相機(jī)獲取彩色火焰圖像并設(shè)計(jì)了面向燃燒火焰的圖像檢測(cè)處理系統(tǒng),先后用于軋鋼廠加熱爐[8]、電站鍋爐[9]、玻璃窯爐[10]的爐內(nèi)在線監(jiān)測(cè)及燃燒穩(wěn)定性分析中。

與紅外熱成像技術(shù)相比,采用CCD 或CMOS獲取可見光圖像的檢測(cè)處理技術(shù),具有成本低、對(duì)使用環(huán)境要求不高等特點(diǎn)。此外,在紅外熱成像技術(shù)中,陣列傳感器的每個(gè)像素只能提供灰度值這1個(gè)檢測(cè)信號(hào),而可見光圖像檢測(cè)獲得的彩色圖像中,每個(gè)像素可提供紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色值,這有助于解決熱成像測(cè)溫中需要確定被測(cè)溫物體發(fā)射率的問(wèn)題。因此,結(jié)合高溫爐膛內(nèi)燃燒溫度分布測(cè)量的需求,本文開發(fā)了1套基于可見光高溫?zé)岢上竦娜紵郎囟确植紲y(cè)量裝置,設(shè)計(jì)了燃燒測(cè)溫裝置的軟硬件系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)燃燒器及工業(yè)窯爐上開展了燃燒溫度測(cè)量對(duì)比試驗(yàn),檢驗(yàn)了測(cè)溫結(jié)果的精確性。

1 可見光高溫?zé)岢上駵y(cè)溫原理

根據(jù)熱輻射定律,物體發(fā)出的光譜輻射力等于物體的發(fā)射率乘以同溫度下黑體的光譜輻射力。還需要注意的是,隨著物體溫度升高,光譜輻射力的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng),這就是維恩位移定律。比如,加熱爐中鐵塊升溫過(guò)程具有顏色的變化,當(dāng)鐵塊溫度低于800 K 時(shí),所發(fā)出的熱輻射主要是紅外線,鐵塊看起來(lái)還是原色;隨著溫度升高,鐵塊的顏色逐漸變?yōu)榧t色、黃色、白色,這就是由于溫度升高,鐵塊發(fā)射的熱輻射中可見光的比例逐漸增大[11]?；痣姟⒁苯稹⑹?、玻璃、水泥等行業(yè)中高溫爐膛內(nèi)溫度通常高于800 K,會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的可見光熱輻射。用CCD 或CMOS相機(jī)獲取的彩色圖像中,每個(gè)像素的R、G、B三基色值分別代表相應(yīng)波長(zhǎng)或波段內(nèi)光譜輻射力的相對(duì)大小,通過(guò)黑體爐標(biāo)定可獲得光譜輻射力,并且在380～760 nm 的可見光波段范圍內(nèi)建立發(fā)射率與波長(zhǎng)的模型,從而獲得爐內(nèi)燃燒溫度分布,這就是可見光高溫?zé)岢上窦夹g(shù)。

根據(jù)彩色CCD 相機(jī)的光譜響應(yīng)特性,其在紅、綠2 個(gè)波段獲得的波段輻射力ER和EG分別為

式中:Iλ為相機(jī)接收的輻射強(qiáng)度;T為被測(cè)對(duì)象溫度;ηR,λ、ηG,λ分別為相機(jī)在紅、綠2個(gè)波段的光譜響應(yīng)系數(shù);εΔλ,R、εΔλ,G分別為被測(cè)對(duì)象在紅、綠2個(gè)波段的波段發(fā)射率。

高溫爐膛中充斥著大量的焦炭、碳煙、飛灰等固體顆粒,其熱輻射波長(zhǎng)主要位于可見光波段,研究表明,爐內(nèi)燃燒介質(zhì)在可見光波段內(nèi)具有灰性特征,即在測(cè)量波段范圍內(nèi)的波段發(fā)射率εΔλ相等,有εΔλ,R=εΔλ,G。因此,將ER與EG做比,可得到相機(jī)獲得的波段輻射力與爐內(nèi)燃燒溫度之間的關(guān)系

雖然無(wú)法從式(3)中得到火焰溫度T的解析解,但可以根據(jù)相機(jī)獲得的R、G 波段輻射力之比與火焰溫度T之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將火焰溫度T表示為ER/EG的函數(shù),構(gòu)建擬合模型,如下式

式中:ɑm為多項(xiàng)式擬合系數(shù);階數(shù)m為正整數(shù)。

在具體實(shí)施中,通過(guò)黑體爐標(biāo)定紅、綠2個(gè)波段的波段輻射力ER和EG與彩色圖像色值R、G的關(guān)系,分別建立ER與R、EG與G的函數(shù)關(guān)系,并確定式(4)中的系數(shù)。

2 燃燒測(cè)溫裝置軟硬件系統(tǒng)及標(biāo)定

2.1 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于可見光高溫?zé)岢上竦娜紵郎y(cè)溫裝置,其硬件系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)方案,主要由可見光圖像傳感器、鏡頭、CPU 主板、觸摸顯示屏及電池組成。其中,可見光圖像傳感器選用1/3″彩色CMOS傳感器(型號(hào)AR0134),配置了1 枚焦距為25 mm 的定焦鏡頭(型號(hào)Fujinon TF25DA-8B)。硬件設(shè)備如圖1所示。

圖1 可見光燃燒測(cè)溫裝置硬件設(shè)備

基于C++Builder開發(fā)工具,開發(fā)了爐內(nèi)燃燒溫度分布測(cè)量軟件,用于實(shí)時(shí)測(cè)量高溫爐膛火焰及高溫對(duì)象的溫度分布,避免了紅外熱像儀固有的發(fā)射率設(shè)定問(wèn)題,能精準(zhǔn)測(cè)量實(shí)際工程燃燒裝置的溫度分布。軟件具體實(shí)現(xiàn)的功能包括圖像采集及讀取、熱輻射標(biāo)定、溫度分布計(jì)算及顯示、選擇框區(qū)域平均溫度計(jì)算以及歷史溫度查詢等,軟件界面如圖2所示。

圖2 爐內(nèi)燃燒溫度分布測(cè)量軟件界面

2.2 輻射標(biāo)定

用1臺(tái)高溫黑體爐(型號(hào)LumaSense M330)對(duì)該燃燒測(cè)溫裝置進(jìn)行了標(biāo)定,熱輻射標(biāo)定的溫度范圍為600～1 700 ℃。該溫度范圍的黑體爐發(fā)出的輻射力能夠基本覆蓋實(shí)際工程燃燒裝置中燃燒火焰的輻射力范圍。熱輻射標(biāo)定的目的是得到彩色圖像的R、G 值與紅、綠2個(gè)波段的波段輻射力ER和EG的擬合關(guān)系,如圖3所示。

圖3 R、G值與波段輻射力擬合關(guān)系

進(jìn)一步,得到溫度T與ER/EG的函數(shù)關(guān)系

高溫黑體爐還可用于檢驗(yàn)燃燒測(cè)溫裝置的測(cè)溫精度。設(shè)定不同的黑體爐溫度,對(duì)燃燒測(cè)溫裝置測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。首先得到黑體爐發(fā)出的彩色圖像,并基于獲取的R 和G 值從圖3的擬合式中得到波段輻射力ER和EG,再根據(jù)式(5)給出的ER/EG與溫度T之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算黑體爐溫度,并與設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示?？梢?基于可見光高溫?zé)岢上竦娜紵郎y(cè)溫裝置誤差小于1%。

表1 測(cè)量溫度與設(shè)定溫度對(duì)比

3 可見光高溫?zé)岢上駵y(cè)溫檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)基于可見光高溫?zé)岢上竦娜紵郎y(cè)溫裝置對(duì)于發(fā)射率未知對(duì)象的測(cè)溫能力,本文選用紅外熱像儀(型號(hào)FLIR T420)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),該紅外熱像儀的測(cè)溫范圍為250～2 000℃,通過(guò)黑體爐標(biāo)定的測(cè)溫精度為±2℃或讀數(shù)的2%。

3.1 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)燃燒器火焰溫度測(cè)量

為了檢驗(yàn)該燃燒測(cè)溫裝置對(duì)于發(fā)射率未知目標(biāo)的測(cè)量準(zhǔn)確性,本研究在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)Gülder燃燒器生成的擴(kuò)散火焰上開展了燃燒溫度測(cè)量[13],該火焰在不同區(qū)域有著不同的發(fā)射率[14]。該燃燒器由2根同心圓管組成,中心管為燃料管,內(nèi)徑為10.9 mm,氧化劑管內(nèi)徑為88 mm。氧化劑通過(guò)小玻璃珠層和多空泡沫金屬層以保證氣流均勻穩(wěn)定。所有氣體均在室溫及大氣壓下由氣體質(zhì)量流量計(jì)輸送。燃料流量為194 m L/min,氧化劑側(cè)的氧氣流量為8.4 L/min、氮?dú)饬髁繛?1.6 L/min。采用可見光燃燒測(cè)溫裝置獲得的乙烯擴(kuò)散火焰圖像及火焰溫度分布如圖4所示,火焰最高溫度為1 650 ℃。

圖4 可見光測(cè)溫測(cè)得的乙烯擴(kuò)散火焰圖像及溫度分布

由FILR T420紅外熱像儀可測(cè)溫度范圍可知,該紅外熱像儀能夠?qū)σ蚁U(kuò)散火焰溫度進(jìn)行測(cè)量。發(fā)射率設(shè)置為0.1 時(shí),測(cè)量最高溫度約為550 ℃,增加發(fā)射率,測(cè)得的燃燒溫度降低;減小發(fā)射率,測(cè)得的燃燒溫度增加。圖5給出了發(fā)射率分別設(shè)置為0.02和0.03時(shí)測(cè)量溫度結(jié)果,火焰的最高溫度分別為1 750 ℃,1 350 ℃?？梢?紅外測(cè)溫中發(fā)射率設(shè)置的細(xì)微偏差,對(duì)燃燒溫度測(cè)量結(jié)果的影響較大。而對(duì)于燃燒火焰這類發(fā)射率未知的對(duì)象,給出合適的設(shè)定發(fā)射率較為困難。

圖5 紅外熱像儀測(cè)得的乙烯擴(kuò)散火焰溫度分布

圖6給出了紅外熱像儀設(shè)定發(fā)射率從0.01到0.10(間隔0.01)的火焰中心軸線溫度測(cè)量結(jié)果,其中灰色虛線表示火焰頂端的位置。隨著設(shè)定發(fā)射率增加,軸線溫度結(jié)果降低,說(shuō)明對(duì)于發(fā)射率未知的測(cè)量目標(biāo),能否準(zhǔn)確設(shè)定發(fā)射率對(duì)紅外熱像儀測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性有重要影響。

圖6 紅外熱像儀測(cè)得的燃燒火焰中軸線溫度分布

將可見光燃燒測(cè)溫裝置的測(cè)溫結(jié)果與相同工況下的相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)(CARS)[15]和熱電偶測(cè)量結(jié)果[16]的進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)也給出了FLIR T420紅外熱像儀在發(fā)射率為0.02、0.03的測(cè)量結(jié)果。圖7是r=0 mm、r=2 mm 和r=4 mm 處的火焰軸向溫度的對(duì)比。可見光燃燒測(cè)溫裝置的測(cè)量結(jié)果與CARS、熱電偶測(cè)量結(jié)果基本一致,而紅外熱像儀的結(jié)果與CARS和熱電偶測(cè)量結(jié)果相差較大。這是因?yàn)榧t外熱像儀中設(shè)定的發(fā)射率與燃燒火焰在紅外波段的真實(shí)發(fā)射率存在偏差,導(dǎo)致了紅外熱像儀對(duì)發(fā)射率未知目標(biāo)(如火焰等)的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖7 火焰軸向溫度對(duì)比

3.2 工業(yè)窯爐內(nèi)燃燒火焰溫度測(cè)量

為了檢驗(yàn)燃燒測(cè)溫裝置對(duì)于工業(yè)燃燒裝置爐內(nèi)溫度檢測(cè)的適用性,對(duì)1臺(tái)水泥分解爐的爐內(nèi)燃燒溫度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在位于窯爐中層的觀火口,使用可見光燃燒測(cè)溫裝置、FLIR T420紅外熱像儀和熱電偶對(duì)窯爐內(nèi)的火焰溫度進(jìn)行測(cè)量,并以熱電偶測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)比可見光燃燒測(cè)溫裝置與紅外熱像儀的測(cè)溫結(jié)果。窯爐觀火口如圖8所示,所使用的熱電偶為鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型),測(cè)溫范圍0～1 600℃。實(shí)驗(yàn)中,熱電偶測(cè)量結(jié)果在1 080 ℃左右。

圖8 窯爐觀火口

利用該可見光燃燒測(cè)溫裝置測(cè)量的爐內(nèi)燃燒溫度分布如圖9 所示。爐內(nèi)火焰最高溫度為1 158 ℃,測(cè)量區(qū)域的平均溫度為1 119 ℃,且該平均溫度與熱電偶測(cè)溫結(jié)果相差不大。

圖9 可見光燃燒測(cè)溫裝置測(cè)得的爐內(nèi)燃燒溫度分布(單位:℃)

FLIR T420紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果與3.1節(jié)相似,紅外熱像儀發(fā)射率的設(shè)定對(duì)于爐內(nèi)燃燒溫度分布的測(cè)量結(jié)果影響很大。表2給出了發(fā)射率在0.1～0.9的紅外熱像儀測(cè)量的最高溫度和平均溫度。隨著發(fā)射率的增大,溫度減小。當(dāng)發(fā)射率小于0.3時(shí),最高溫度超過(guò)2 000 ℃,達(dá)到紅外熱像儀的測(cè)溫上限,結(jié)果不可靠且與熱電偶測(cè)量結(jié)果相差較大;發(fā)射率為0.6時(shí),測(cè)量區(qū)域的平均溫度略高于熱電偶測(cè)溫;發(fā)射率為0.7 時(shí)最高溫度較為接近熱電偶測(cè)量結(jié)果,但區(qū)域的平均溫度偏低。

表2 發(fā)射率0.1～0.9的紅外熱像儀測(cè)量結(jié)果

圖10給出了發(fā)射率分別設(shè)置為0.6、0.7時(shí)測(cè)量溫度結(jié)果?？梢钥闯黾t外熱像儀測(cè)量的不同區(qū)域燃燒火焰的溫差較大,遠(yuǎn)高于可見光燃燒測(cè)溫裝置的測(cè)量溫差。說(shuō)明對(duì)于發(fā)射率未知且分布不均勻的目標(biāo),設(shè)置統(tǒng)一的發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量是不合適的。

圖10 紅外熱像儀測(cè)得的爐內(nèi)燃燒溫度分布(單位:℃)

由上述測(cè)溫結(jié)果可知,基于可見光高溫?zé)岢上裨淼娜紵郎y(cè)溫裝置與紅外熱像儀進(jìn)行工業(yè)窯爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí),燃燒測(cè)溫裝置無(wú)需設(shè)定發(fā)射率,測(cè)溫結(jié)果與熱電偶測(cè)溫結(jié)果相差不大;而紅外熱像儀需要設(shè)定發(fā)射率,且發(fā)射率對(duì)其測(cè)溫結(jié)果影響較大,容易造成測(cè)量誤差。所以對(duì)于發(fā)射率未知的燃燒火焰的溫度測(cè)量應(yīng)用方面,本研究研制的燃燒測(cè)溫裝置比紅外熱像儀更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了1臺(tái)基于可見光高溫?zé)岢上竦娜紵郎y(cè)溫裝置,開發(fā)了基于可見光圖像處理的溫度分布測(cè)量軟件,用于實(shí)時(shí)采集燃燒圖像數(shù)據(jù)并計(jì)算溫度分布。利用高溫黑體爐對(duì)燃燒測(cè)溫裝置進(jìn)行了熱輻射標(biāo)定,對(duì)發(fā)射率已知的高溫壁面和發(fā)射率未知的燃燒火焰進(jìn)行測(cè)量,并使用紅外熱像儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。主要結(jié)論如下:

(1)利用可見光傳感器,提出一種考慮傳感器光譜響應(yīng)系數(shù)ηR,λ和ηG,λ以及無(wú)需設(shè)定發(fā)射率的溫度計(jì)算方法,經(jīng)過(guò)熱輻射標(biāo)定的燃燒測(cè)溫裝置測(cè)溫誤差小于1%;

(2)對(duì)于發(fā)射率已知的測(cè)量目標(biāo),該燃燒測(cè)溫裝置測(cè)量結(jié)果能夠達(dá)到與紅外熱像儀相同的精度;

(3)對(duì)于發(fā)射率未知的測(cè)量目標(biāo),紅外熱像儀難以設(shè)置準(zhǔn)確的設(shè)定發(fā)射率導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差較大,而該燃燒測(cè)溫裝置無(wú)需設(shè)置發(fā)射率,仍能獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。