燃燒火焰的溫度場測量方法概述

林　婷

摘要：眾所周知，燃燒火焰的溫度場測量對于現(xiàn)代武器的改進(jìn)有著非常重要的現(xiàn)實意義。文章概述了接觸式測溫方法和非接觸式測溫方法，探討了火焰溫度測量法的新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：燃燒火焰溫度場測量；火焰溫度測量法；接觸式測溫；非接觸式測溫

中圖分類號：TH811文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）08-0031-02

燃燒火焰的溫度場測量是燃燒領(lǐng)域一個極其重要的問題，它對于燃燒狀態(tài)的判斷、預(yù)測和診斷有著十分重要的意義。在工業(yè)運(yùn)用方面，對于火力發(fā)電、供熱鍋爐、工業(yè)窯爐、冶金等一系列使用工業(yè)爐的生產(chǎn)過程，有效控制爐內(nèi)的燃燒過程，是提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本的必要手段。在軍事方面，可以通過對炸藥的燃燒火焰的溫度分布測量，有助于改進(jìn)炸藥的特性，對于我們武器制造有著重要的意義。

目前，溫度測量方法很多，從傳感器與被測物的關(guān)系來看，大致可分為兩類：接觸式測溫方法和非接觸式測溫方法。

一、接觸式溫度測量法

所謂接觸式測溫方法：即兩個物體接觸后，在足夠長的時間內(nèi)達(dá)到熱平衡，兩個互為熱平衡的物體溫度相等。如果將其中一個選為標(biāo)準(zhǔn)并當(dāng)作溫度計使用，它就可以對另一個實現(xiàn)溫度測量這種測溫方式稱為接觸式測溫。這種方法不受火焰的黑度、熱物理性參數(shù)等因素的影響，可以直接求得被測物體的真實溫度，具有測溫精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，對于火焰這樣具有瞬態(tài)脈動特性的對象，接觸式測溫方法很難測量出火焰真正的溫度場分布。主要是由于接觸法得到的是某個局部位置的信號，如果要得到整個燃燒空間場信號，必須在燃燒空間內(nèi)合理布點(diǎn)，才可以根據(jù)相應(yīng)的方法（如插值法等）獲得對燃燒溫度場的近似。同時，考慮到測量過程中的熱平衡，一般接觸式測溫的反映速度比較慢。

二、非接觸式測溫方法

所謂非接觸式測溫方法：即選為標(biāo)準(zhǔn)并當(dāng)作溫度計使用的物體與被測物體相互不接觸，利用物體的熱輻射或其他一些特性，通過對輻射能量（或亮度）的檢測實現(xiàn)測溫。分為兩大類:一類是通過測量燃燒介質(zhì)的熱力學(xué)特性參數(shù)，進(jìn)而求解出溫度;另一類是利用高溫火焰的輻射特性，通過光學(xué)法來測量溫度。非接觸式測溫方法由于測溫元件不與被測對象接觸，不會破壞被測對象的溫度場；同時，感溫元件傳熱慣性小，因此可用于測量快速變化及不穩(wěn)定熱力過程的溫度。其測量上限不受材料性質(zhì)的影響，可在工業(yè)爐、焊接、火箭發(fā)動機(jī)等高溫場合應(yīng)用。但其工作時，必須要有可供熱輻射光譜傳播的通道（光路），即:非接觸式測量方法通常需開設(shè)光學(xué)窗口，窗口的透過率經(jīng)常山于局部污染而造成不均勻性地減弱，這增加了火焰溫度測量的困難。

三、基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的火焰溫度測量方法

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)圖像采集卡和CCD圖像傳感器以后，使數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)輸出的視頻信號能轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以處理的數(shù)字化圖像，這樣可以對火焰圖像信號進(jìn)行定量分析，又為火焰的后續(xù)分析和自動監(jiān)控提供了可能。目前，越來越多的學(xué)者將數(shù)字圖像處理技術(shù)與熱輻射原理相結(jié)合，用以測量火焰動態(tài)投影溫度場分布等參數(shù)。

日本由于其本國的資源及環(huán)保等條件的約束，它最早將圖像技術(shù)應(yīng)用到火焰監(jiān)測中，開發(fā)了多套火焰監(jiān)測系統(tǒng)。日立公司1985年問世的I-RACS-3000系統(tǒng)中應(yīng)用該技術(shù)獲得了火焰溫度場的分布并進(jìn)行了燃燒經(jīng)濟(jì)性的估算。該公司技術(shù)人員提出了類似于比色法的圖像溫度測量方法。為了測量爐內(nèi)溫度場，他采用在CCD前面加裝兩塊通濾光片的方法，通過變換濾光片獲得兩幅單色圖像，根據(jù)比色法的原理來求得燃燒溫度的分布。其他國家基于相同的原因，也先后開展了類似的研究。芬蘭IOV公司開發(fā)的燃燒監(jiān)測與數(shù)字分析系統(tǒng)（DDIMAC）。美國于九十年代初由EPRI的M&D中心牽頭，主要由美國五家電力公司參與，開展了一項利用紅外光學(xué)法測量電站燃燒火焰及爐內(nèi)部件溫度的大型研究項目。

在國內(nèi)，許多科研單位也在火焰圖像處理領(lǐng)域中進(jìn)行了一系列的研究與探索。清華大學(xué)吳占松首先進(jìn)行了小型發(fā)光火焰溫度分布測量的研究，采用的方法以火焰亮度圖像處理為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了圖像亮度信號與火焰溫度之間的關(guān)系，這種方法我們稱為基于亮度圖像處理的全色法。經(jīng)黑體爐標(biāo)定獲得了多項式回歸模型，開創(chuàng)了國內(nèi)火焰圖像處理的先河。但是這種溫度分布檢測方法很復(fù)雜，且標(biāo)定困難。

華中理工大學(xué)周懷春等通過在CCD前加裝單色濾光片，獲取了火焰的單色輻射圖像，并借助輻射定律將單色圖像與其中某一參考點(diǎn)的輻射強(qiáng)度進(jìn)行比較以獲得溫度場。其參考點(diǎn)用雙色高溫計或熱電偶測溫獲得。根據(jù)所測得的溫度場進(jìn)行燃燒工況診斷。該方法比較簡單，是一種能在電廠現(xiàn)場實施的二維溫度場測量方法。但是由于所獲得的二維圖像是三維火焰的投影，使參考點(diǎn)的具體位置難以確定，給測量帶來了的困難。目前周懷春等正在進(jìn)行將火焰輻射圖像和燃燒過程數(shù)值模擬相結(jié)合來重建三維溫度場的研究。

浙江大學(xué)熱能工程研究所也開展了火焰圖像處理方面的研究工作。通過建立油燃燒火焰、小型煤粉燃燒火焰、煤粉輻射特性沉降爐等試驗臺，開展投影溫度場、斷面溫度場、三維溫度場等一系列的試驗研究，并通過理論分析建立了基于普通彩色CCD的火焰可視化測量技術(shù)。

數(shù)字圖像處理技術(shù)用于火焰監(jiān)測主要有三個方面，其一是測溫和溫度場重建。通過色度學(xué)原理對所獲取的火焰圖像的象素進(jìn)行色度分析，計算出相應(yīng)的溫度值。進(jìn)一步可以得出圖像所對應(yīng)的二維溫度場。選取多幅不同角度的火焰圖像利用ART 代數(shù)重建技術(shù)可以建立整個爐膛三維溫度場，這部分的功能可以取代常規(guī)的熱電偶測溫系統(tǒng)并具有更完備的功能，如燃燒穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性評估等內(nèi)容。其二是火焰檢測。通過使用邊緣檢測等技術(shù)，對火焰圖像進(jìn)行火焰的中心長度及外形的確定，從而檢測火焰的燃燒狀況、判斷火焰的有無，提供給FSSS系統(tǒng)使用這部分功能可以取代現(xiàn)有的火檢裝置。其三，是火焰監(jiān)視通過對火焰的溫度測量邊緣提取進(jìn)行溫度的偽彩色顯示，得到新的溫度化的火焰圖像進(jìn)行監(jiān)視，效果明顯優(yōu)于常規(guī)的看火電視。因此數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，使系統(tǒng)從以往分立的測溫檢測和監(jiān)視轉(zhuǎn)化為綜合的監(jiān)測實現(xiàn)測檢監(jiān)一體化。

四、結(jié)語

傳統(tǒng)的溫度測量采用的是熱電偶、熱電阻、光學(xué)高溫計等傳感器，這些傳感器在火焰溫度測量中起到了很好的作用，但是它們也都有著各自的缺點(diǎn)。由于這些傳感器本質(zhì)上只能測量被測點(diǎn)的溫度，而且某些傳感器的溫度惰性很大，很難及時地反映整個火焰的燃燒狀況，也就很難及時采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制。因此一種能全面及時測量整個燃燒火焰溫度的測量方法是進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率的必要手段，并對提高產(chǎn)品質(zhì)量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、改善工人工作條件、保證生產(chǎn)安全也具有重要意義。

作者簡介：林婷（1983－），女，浙江臺州人，浙江省計量科學(xué)研究院助理工程師，研究方向：電磁計量。