利用Matlab开发平台的炉膛火焰图像温度检测方法

1　引　言

    近几年来,人们利用数字计算和图像处理技术,从火焰图像之中提取更多的燃烧监视和诊断信息,获得炉膛辐射水平的定量描述,重建燃烧火焰内部的温度场分布[3]。此项应用技术已成为燃烧学科目前较为热门的研究方向之一。本文基于matlab建立图像温度场模型,以较直观的方式对炉膛火焰温度场进行监测和测量,为炉膛火焰温度场研究领域提出了一种新型的分析方法。

2　火焰温度检测国内外研究

    近年来,世界各国所采用的锅炉燃烧器火焰探测器大多为可见光型和红外线型,这些探测器通常工作在可见光或红外光谱区红外线火焰检测器首推美国FORNEY公司为代表,它利用煤粉着火区火焰的红外线亮度和闪烁频率来判断火焰温度火焰检测器的工作波长为(0·7~32)μm,动态频率检测范围:高位为(55~7500)Hz,低位为(15~4000)Hz可见光火焰检测器以美国CE公司和BALEY公司为代表,利用着火区的可见光亮度和闪烁频率来判断火焰温度工作波长为(0·3~L1)μm,频率检测范围为(100~1000)Hz。我国目前所使用的火焰检测器均属于以上两种类型或它们的组合型[4]。

    目前,国内在锅炉上安装火焰检测设备,一般只能对火焰有无进行检测,温度场的检测也只能局限在炉内有限的点上。无法实现炉内温度场分布的在线检测,也无法评价锅炉火焰的燃烧状况。随着计算机技术的发展和工业CCD器件的完善,基于图象处理技术的温度场测量和燃烧诊断受到了人们的广泛关注,国内外学者对此进行了许多研究[1,2],并取得了一定成果。

    近几年来,人们利用数字计算和图像处理技术,从火焰图像之中提取更多的燃烧监视和诊断信息,获得炉膛辐射水平的定量描述,重建燃烧火焰内部的温度场分布。此项应用技术已成为燃烧学科目前较为热门的研究方向之一。

    关于火焰温度的测试,早在1988年,清华大学的一篇博士论文就提出了应用数字图像处理技术测量火焰的温度,其原理是基于普朗克黑体能谱分布定律,引入相对光效函数V(λ)和黑度系数ε在可见光的波段范围内积分,得到由发光火焰引起的发光通量F,然后再利用黑体炉进行标定,拟合了单色图像灰度与火焰温度的经验公式。

3　颜色-温度转换公式选择

    燃烧过程温度测量基于Planck辐射定律,当辐射波长在小于1000nm及温度小于3000K的范围内时,普朗克定律可以由维恩辐射定律代替,其辐射能为:

上式中的光谱响应灵敏度Sλ1和Sλ2的比值可从CCD的光谱响应特性获取。对于炉膛温度范围内的有烟粒发光火焰可近似看做式灰体,而灰体的各个波长的光谱发射率都相同。那么ελ2/ελ1≈1,即lnελ2/ελ1≈0,则T的表达式可简化为: