管式反應爐爐膛紅外全景成像方法應用研究

蔣 杉，唐 磊，趙曉虎，代 軒，邵 威

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管式反應爐爐膛紅外全景成像方法應用研究

蔣 杉，唐 磊，趙曉虎，代 軒，邵 威

（合肥師范學院 電子信息工程學院，安徽 合肥 230601）

為了獲得管式反應爐爐膛內部實時工作狀態(tài)信息，將紅外測溫探頭安裝在爐膛側上部以采集爐膛局部俯視圖像，利用光纖傳送至處理主機，通過預處理、視角變換、盲區(qū)重現(xiàn)、拼接融合和溫度彩色編碼等步驟構建出正視的管式反應爐爐膛全景圖像。通過對紅外輻射特征提取，溫度反演算法獲取實時溫度，全景展現(xiàn)爐膛溫度信息和變化趨勢。利用該系統(tǒng)進行現(xiàn)場實驗，結果表明：全景圖像與原始圖像相比，灰度值平均相差0.44，標準差1.82，由此產生的系統(tǒng)測溫誤差約0.6℃，對高溫工業(yè)現(xiàn)場溫度測量的影響可以忽略不計，具有較高的工程應用價值。

管式反應爐；全景圖像；灰度誤差；變化趨勢

0 引言

管式反應爐是化工生產的核心設備，爐管的實時狀態(tài)信息對于整個反應過程的安全監(jiān)管和高效生產都有著至關重要的作用，但管式反應爐爐膛內部情況復雜，且始終處于高溫加熱狀態(tài)，無法近距離觀測，目前對其進行有效檢測的手段較為缺乏。隨著圖像處理技術的發(fā)展，國內外學者利用其進行了大量爐膛工作狀態(tài)監(jiān)測和參數(shù)反演方面的研究工作，但大多集中在火焰輻射圖像的處理計算上[1]。目前電力、化工、石油化工等行業(yè)管式反應爐均采用天然氣作燃料，燃燒火焰輻射圖像難以準確采集。相對于火焰輻射圖像，爐管圖像相對穩(wěn)定，用來監(jiān)測爐膛工作狀態(tài)的效果較好。P. Pregowski等利用連續(xù)拍攝多幅圖像，取各個像素點最小值形成一幅紅外熱像，有效提取了局部爐管圖像畫面，并反演計算了爐管表面溫度分布[2]。李明等利用紅外熱像儀采集局部爐管紅外熱像圖，在線測量了爐管工作溫度，并將該技術應用在了爐管剩余壽命評估上[3]。管式反應爐內部爐管呈現(xiàn)垂直緊密排列狀態(tài)，形態(tài)高度相似，通過局部圖像往往難以判斷其中爐管的具體位置，不便于實際工程化應用。由此可見，當前技術均是針對局部爐管進行的圖像采集處理，觀察范圍和角度均受到較大限制，局部圖像中的爐管也難以準確定位。

本文提出并驗證了一種紅外全景成像方法，有效獲取爐膛全景溫度，解決管式反應爐全景溫度實時監(jiān)測手段匱乏的問題。

1 爐管成像監(jiān)測系統(tǒng)

本文所考察對象為某石化公司管式裂解爐，該爐尺寸長14m、寬3.5m、高度13m，共有爐管64根，入料管間距0.1m，出料管間距0.3m。在該管式反應爐上安裝紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)，要求紅外探測器視場中心正對高溫出口管區(qū)域，視場邊緣在低溫入口管處，安裝位置如圖1所示。由圖可見：兩個紅外探測器可覆蓋爐膛底部全尺寸，視場中心與水平方向成60°角斜向下，以保證紅外探測器視角下邊緣線可以達到爐管底部；紅外探測器視角左右邊緣線夾角為60°，可以達到相鄰紅外探測器的正下方火嘴處。

2 爐管成像方法

為了提高爐膛全景圖像合成速度，紅外探測器所采集左右兩側局部俯視圖像應先進行預處理，將圖像灰度化，如圖2所示。

為了有效監(jiān)測爐管工作狀態(tài)，須將局部俯視圖像轉換為正視圖像。如圖3所示，利用透視投影法，建立世界坐標系和計算機像素平面坐標系之間的轉換關系，通過俯視圖中各點坐標反推世界坐標系中的對應坐標，再計算紅外探測器在正視角度觀測位置時，世界坐標系中各點對應的計算機像素平面坐標，最終獲得爐膛內部正視圖像。公式(1)為世界坐標系與計算機像素平面坐標系的轉換模型[4]：

[,,]＝[X,Y, 1](1)

式中：為比例常數(shù)；[X,Y]是世界坐標系一組二維基底；[,]是紅外探測器俯視狀態(tài)下計算機像素平面坐標系一組二維基底；為世界坐標系向計算機像素平面坐標系的變換矩陣：

圖1 紅外探測器安裝位置示意圖

圖2 爐膛內部灰度圖像

式中：d和d表示感光元件上所成像素點在水平方向和垂直方向上的實際大小；0為計算機像素平面所成圖像中心點橫坐標；0為計算機像素平面所呈圖像中心點縱坐標；為紅外探測器焦距；為旋轉矩陣；為平移向量。

爐膛俯視成像時，觀測點在世界坐標系和投影平面上水平方向形成的旋轉角為0。根據(jù)圖3所示坐標轉換關系，求得俯視成像中外參矩陣為：

式中：為紅外探測器視場中心與垂直方向所成夾角。爐膛正視成像時，觀測點在世界坐標系和投影平面上水平方向形成的旋轉角和垂直方向上形成的天頂角均為0，求得正視成像中外參矩陣為一個單位矩陣。

計算世界坐標系和計算機像素坐標系之間轉換關系模型，如公式(4)所示：

式中：為比例常數(shù)；[￠,￠]為攝像探頭正視狀態(tài)下計算機像素平面坐標系一組二維基底；轉換矩陣為：

圖3 成像視角變換模型

采用以上視角變換處理技術，將兩幅局部俯視圖轉換為正視圖，如圖4所示。由圖可見：紅外探測器俯視角度大，導致爐膛中上部爐管未能進入紅外探測器視角范圍內，圖像左右兩側存在一定視覺盲區(qū)，需要進行盲區(qū)重現(xiàn)。

由于圖像盲區(qū)處于爐膛中上部，受火焰溫度影響相對較小，溫度梯度較小，因此，可以采用線性插值重現(xiàn)盲區(qū)圖像。圖5為圖像盲區(qū)重現(xiàn)流程圖。讀取一幅待拼接的局部正視圖像，設其像素矩陣為×，圖像缺失點的像素為0，、分別為該矩陣的最大行號和列號，(,)表示該矩陣中行號為，列號為的點，(,)為該點的像素值。從＝1開始，由上向下尋找第一個像素不為0的點(,)，并向下讀取(＋1,)、(＋2,)、(＋3,)、(＋4,)、(＋5,)、(＋6,)、(＋7,)、(＋8,)共8個點的像素值，將(＋4,)點像素作為這9個點的平均像素值，推算邊緣向上的第一個點(－1,)缺失的像素值，推理模型如下：

圖4 爐膛內部正視圖像

將(－1,)值填入后，更新×。

行號遞增，重復以上推理算法，至第列所有點像素不為0為止。

列號遞增，重復上述步驟，直至整幅圖片的缺失部分像素完全重現(xiàn)出來。

考慮到工程應用中硬件實現(xiàn)難度，拼接方法選用基于快速傅里葉變換（FFT）的相位相關法。計算相鄰圖像的匹配點位置信息，完成圖像拼接，并使用加權平均法消除了全景圖像接縫，使用彩色編碼技術增強爐膛可視化效果，所得的爐膛內部全景正視圖像如圖6所示。

圖6 爐膛內部全景正視圖像

3 數(shù)據(jù)轉換及溫度計算誤差分析

3.1 數(shù)據(jù)轉換誤差

利用此全景成像方法可以展示工業(yè)環(huán)境下管式爐爐膛內部全景工況，便于實時觀測與操作，消除安全隱患，保障大型設備安全、穩(wěn)定、長周期運行。但此方法由于采用了視角變化、盲區(qū)重現(xiàn)及多種處理算法有可能造成各像元原始數(shù)據(jù)的失真或丟失，給后續(xù)數(shù)據(jù)的進一步拓展應用和演算帶來系統(tǒng)誤差，因此，需要分析該方法對原始數(shù)據(jù)的留存精度。

采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法對轉換后的全景圖像與原始圖像進行數(shù)據(jù)對比，分析數(shù)據(jù)留存精度。由于拼接和轉換過程中紅外圖像像元個數(shù)保持不變，原始紅外圖像各像元與全景圖像各像元一一對應，因此，可以取出原始圖像某行某列數(shù)據(jù)及全景圖像對應位置數(shù)據(jù)進行分析對比。如圖7所示，取原始圖像第450行第600～1200列數(shù)據(jù)及全景圖像對應位置數(shù)據(jù)進行分析對比。所取數(shù)據(jù)覆蓋高溫管、低溫管、高溫背景及圖像拼接區(qū)域，能夠全面反映數(shù)據(jù)有效性，統(tǒng)計分析結果如圖8所示，由圖可見：由原始圖像視角變化、盲區(qū)重現(xiàn)、拼接后的全景圖像各像元灰度值與原始圖像基本保持一致，平均相差0.44，標準差1.82，最大相差4.23，且最大值出現(xiàn)在圖像拼接區(qū)域，考慮裂解爐實際運行狀況，監(jiān)測重點部位在高溫管所在區(qū)域，拼接區(qū)域一般設計在低溫管所在區(qū)域，對裂解爐整體運行效果監(jiān)測影響不大。

該算法能夠最大程度地保留原始圖像信息，且對硬件設備要求低，經(jīng)濟性好，具有較大工程化應用價值。

圖7 原始圖像和全景圖像對比

Fig.7 Comparison of original image and panorama image

圖8 原始圖像和全景圖像灰度對比結果

3.2 溫度計算結果與分析

根據(jù)紅外輻射信息進行高溫非接觸式測量是工程上最常用的方法之一。本文討論的紅外監(jiān)測系統(tǒng)除可以實時監(jiān)視裂解爐運行狀態(tài)之外，還可以利用紅外輻射信息進行爐管表面溫度的非接觸式測量，實時顯示爐管表面溫度，對超溫報警、節(jié)能降耗、把握裂解深度、提高乙烯收率、雙烯收率、提高經(jīng)濟效益均具有重要的實際意義[5-7]。由于高溫爐膛環(huán)境對紅外探測系統(tǒng)影響因素較多，考慮強背景輻射、煙氣輻射、散射、目標輻射率及硬件影響等，最終擬合溫度與紅外輻射量之間的對應函數(shù)關系如圖9所示。由圖可見：溫度靈敏度曲線可以分為3個較明顯的區(qū)域，即強信號飽和非線性區(qū)、線性區(qū)和弱信號非線性區(qū)，飽和非線性區(qū)溫度靈敏度5～6灰度等級/℃，線性區(qū)溫度靈敏度2～3灰度等級/℃，非線性區(qū)1灰度等級/℃。由全景圖像轉換所產生的溫度誤差飽和非線性區(qū)約0.3℃，線性區(qū)溫度誤差約0.6℃，弱信號非線性區(qū)溫度誤差約1.8℃。飽和非線性區(qū)在強信號下探測器接近飽和狀態(tài)導致溫度靈敏度較低，該區(qū)域在溫度測量時一般不采用；弱信號非線性區(qū)雖然溫度靈敏度較高，但由于信號較弱容易受噪聲影響導致測量值波動相對較大，數(shù)據(jù)可靠性較低，測量時一般也不采用；因此，實際應用中采用靈敏度線性區(qū)域，由該全景成像方法所產生的系統(tǒng)測量誤差約0.6℃，對高溫工業(yè)現(xiàn)場溫度測量應用影響較小，滿足工程應用要求。

圖9 溫度與紅外輻射量之間關系

利用該全景成像方法既可以全景展現(xiàn)管式爐爐膛內部實際運行狀況，又可以實時準確測量爐管表面溫度，有利于控制反應深度、分析爐管內部結焦狀況，實現(xiàn)管式反應爐操作過程的精細化控制，具有較高的工程應用價值。

4 結論

本文提出了一種管式反應爐爐膛紅外全景成像方法，此算法將爐膛局部紅外俯視圖像快速轉換為正視圖像，直觀反映了爐膛內部實時信息。對圖像的缺失部分進行了盲區(qū)重現(xiàn)，增加了拼接區(qū)域的特征信息，保證了管式反應爐爐膛內部局部圖像高度相似的情況下拼接效果的可靠性。將該系統(tǒng)應用在一臺石化裂解爐上進行試驗測試，將生成的全景圖像及其反演溫度與原始圖像進行對比，比較結果說明所得爐膛全景圖像最大程度地保留了爐管實時信息，通過此全景圖像還可提取紅外輻射信息，準確計算爐管爐壁表面溫度，圖像灰度誤差和溫度誤差均符合工業(yè)現(xiàn)場測溫要求。該研究成果將有助于實現(xiàn)管式反應爐操作過程的精細化控制，保障設備安全、高效、穩(wěn)定運行。

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Application Research on Infrared Panoramic Imaging Method for Tubular Furnace

JIANG Shan，TANG Lei，ZHAO Xiaohu，DAI Xuan，SHAO Wei

(,,230601,)

In order to get real time status information of the tubular furnace, infrared cameras were mounted on the wall close to the top of the furnace to get partial and top view images. These images were sent to the IPC control system for preprocessing, perspective transforming, dead zone rebuilding and temperature color encoding to build a front view panorama of the tubular furnace. With the real time temperature obtained by feature extracting of infrared radiation and retrieval algorithm, the furnace temperature and variation trends were panoramic presented. The field test was carried out by using the system. Its result showed that, the furnace panorama compared with the original images, the average gray deviation was 0.44 and standard error was 1.82, which corresponded to 0.6℃ error in temperature measurement. In high temperature industrial field, the effect can be neglected. So the system was valuable for engineering application.

tubular furnace，panorama，gray deviation，change trend

TN219

A

1001-8891(2016)12-1061-06

2016-09-20；

2016-11-15.

蔣杉（1985-），男，助教，碩士，主要從事智能檢測與控制方面研究。E-mail：wdjiangshan@126.com。

唐磊（1972-），男，副教授，博士，主要從事光電檢測方面研究。E-mail：tanglei_66@163.com。

國家自然科學基金面上項目（41574180）；安徽省科技公關項目（1604a0902152）；安徽省高校自然科學研究重點項目（KJ2016A581）；合肥師范學院科研團隊項目（2015TD03）等項目支持。