燃燒火焰溫度圖像檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

唐華兵, 婁 春, 劉建浩, 楊 曉, 黎康星

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074)

燃燒火焰溫度圖像檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

唐華兵, 婁 春, 劉建浩, 楊 曉, 黎康星

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074)

為滿足熱能工程專(zhuān)業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)燃燒測(cè)量的需要,開(kāi)發(fā)了一套基于機(jī)器視覺(jué)圖像處理技術(shù)的燃燒火焰溫度圖像檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件以千兆網(wǎng)彩色CCD攝像機(jī)為核心,結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及比色圖像測(cè)溫理論進(jìn)行設(shè)計(jì),系統(tǒng)的主要功能有展示千兆網(wǎng)彩色CCD攝像機(jī)原理及應(yīng)用、展現(xiàn)參考點(diǎn)比色法測(cè)溫的理念、測(cè)溫方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及教學(xué)應(yīng)用。該系統(tǒng)操作方便,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中效果良好,對(duì)促進(jìn)學(xué)生掌握燃燒測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)技術(shù)具有重要幫助。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 溫度測(cè)量； 圖像處理

熱能工程專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)燃燒溫度測(cè)量,對(duì)于學(xué)生掌握燃燒測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)技術(shù)具有重要作用。但現(xiàn)有的燃燒檢測(cè)技術(shù)大多仍是采用熱電偶、高溫計(jì)等測(cè)量火焰溫度,它們的缺點(diǎn)是只能測(cè)量火焰中某一點(diǎn)的溫度,無(wú)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(cè),但紅外熱成像儀價(jià)格非常昂貴,并且需要預(yù)先設(shè)定被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率,而火焰發(fā)射率是未知參數(shù),而且對(duì)火焰溫度圖像的檢測(cè)具有較大誤差。因此,開(kāi)發(fā)了一套基于機(jī)器視覺(jué)圖像處理技術(shù)[1-5]的燃燒火焰溫度圖像檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及比色圖像測(cè)溫理論,從火焰圖像中計(jì)算火焰溫度圖像,為本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一套低層本高精度的測(cè)量技術(shù)。

1 系統(tǒng)功能分析

燃燒火焰溫度圖像檢測(cè)系統(tǒng)是以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，掌握燃燒測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)技術(shù)，低成本、高精度為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。本文開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用對(duì)象是熱能工程專(zhuān)業(yè)本科生,讓他們?cè)趯?shí)驗(yàn)、實(shí)踐過(guò)程中理解燃燒測(cè)量技術(shù)的理念,實(shí)現(xiàn)對(duì)理工科學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)、 實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)要求[6-9]。所開(kāi)發(fā)的燃燒火焰溫度圖像檢測(cè)系統(tǒng)具有以下4個(gè)方面的功能：

(1) 展示千兆網(wǎng)彩色CCD攝像機(jī)原理及應(yīng)用。彩色CCD攝像機(jī)是本系統(tǒng)的核心組件之一,其作用主要是將光信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。彩色CCD攝像機(jī)具有壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠、圖像清晰度高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)診斷和過(guò)程監(jiān)測(cè)中。本實(shí)驗(yàn)可以充分地向?qū)W生展示彩色CCD相機(jī)的功能及工作原理,以此幫助學(xué)生理解千兆網(wǎng)彩色CCD攝像機(jī)的各項(xiàng)性能。

(2) 展現(xiàn)參考點(diǎn)比色法測(cè)溫的理念。參考點(diǎn)比色圖像測(cè)溫方法[10-11]作為非接觸式測(cè)溫方法的一種,已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),但究竟什么是參考點(diǎn)比色圖像測(cè)溫法,其包含哪些關(guān)鍵技術(shù),大部分學(xué)生依然是一頭霧水。因此,本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)旨在體現(xiàn)參考點(diǎn)比色圖像測(cè)溫法的概念、原理及應(yīng)用。

(3) 測(cè)溫方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。改變彩色CCD攝像機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置,采集到的火焰圖像明暗程度發(fā)生明顯的變化,但利用參考點(diǎn)比色圖像測(cè)溫法計(jì)算得到的火焰溫度并不會(huì)因?yàn)閳D像的亮度不同而發(fā)生明顯的變化。在實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以通過(guò)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(shí)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(dòng)幅度很小。

(4) 教學(xué)應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除了為學(xué)生提供實(shí)踐操作外,還可供教師課堂教學(xué)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)演示、示范,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的記憶。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。該檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備有筆記本電腦、彩色CCD攝像機(jī)和耐高溫光學(xué)潛望鏡。耐高溫光學(xué)潛望鏡攝取燃燒火焰的光信號(hào),彩色CCD攝像機(jī)將光信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),通過(guò)千兆以太網(wǎng)送入筆記本電腦中,相應(yīng)的軟件系統(tǒng)對(duì)火焰的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行處理,根據(jù)輻射傳熱原理計(jì)算火焰溫度分布,并顯示在筆記本電腦的屏幕上，計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在硬盤(pán)中,便于隨時(shí)查看。

圖1 溫度圖像檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理:燃燒火焰會(huì)向外界發(fā)出輻射光譜,包括來(lái)自燃燒顆粒物的連續(xù)熱輻射和來(lái)自原子或分子的發(fā)射譜線或譜帶。彩色CCD攝像機(jī)把來(lái)自對(duì)象火焰的入射光分解為紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色圖像,再通過(guò)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)將R、G、B信號(hào)分離出來(lái),且被量化為0～255的256個(gè)等級(jí)數(shù)存儲(chǔ),因而火焰圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)際上是以R、G、B為波長(zhǎng)的三色圖像。在利用黑體爐對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)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(lán)三基色波長(zhǎng)下單色輻射的代數(shù)關(guān)系。然后對(duì)火焰圖像進(jìn)行R、G、B提取,利用其中的任意2個(gè)顏色圖像,根據(jù)雙色法測(cè)溫原理,就可以計(jì)算出火焰的溫度。

2.2 系統(tǒng)硬件

對(duì)CCD攝像機(jī)和筆記本電腦進(jìn)行了比較和選型。傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)中主要是用模擬式CCD攝像機(jī),采集的視頻信號(hào)為模擬信號(hào),用同軸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但模擬信號(hào)的傳輸質(zhì)量容易受傳輸距離的影響,距離越遠(yuǎn)圖像質(zhì)量越容易受外部環(huán)境干擾而變差,甚至無(wú)法使用。基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的圖像采集方式主要是采用數(shù)字信號(hào),在傳輸距離和信號(hào)質(zhì)量方面有保障。千兆以太網(wǎng)是傳輸數(shù)字信號(hào)的方式之一,不僅可以保障數(shù)字信號(hào)的傳輸速度,而且千兆以太網(wǎng)接口是各種計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置,因此,本設(shè)計(jì)采用千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號(hào)的傳輸?？紤]了各方面因素后,選擇了千兆網(wǎng)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(型號(hào):MER-200-14GC),該攝像機(jī)分辨率為1628像素×1236像素,模塊轉(zhuǎn)換精度為12 bit,曝光時(shí)間為20 μs～1 s,數(shù)據(jù)接口為千兆以太網(wǎng)接口。筆記本電腦的選擇主要考慮的是千兆網(wǎng)CCD攝像機(jī)對(duì)圖像數(shù)據(jù)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(nèi)存、千兆網(wǎng)接口。若不滿足要求,系統(tǒng)接收到的將是殘幀,無(wú)法顯示完整的圖像及進(jìn)行溫度計(jì)算。

2.3 軟件開(kāi)發(fā)及界面布置

軟件開(kāi)發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)模塊包括彩色CCD攝像機(jī)初始化、圖像采集、圖像處理及數(shù)據(jù)輸出、離線查詢(xún)幾個(gè)方面。其中,CCD攝像機(jī)初始化又包括打開(kāi)相機(jī)、開(kāi)始采集(設(shè)置采集環(huán)境,不采集圖片)、曝光時(shí)間設(shè)置、停止采集、關(guān)閉相機(jī)幾個(gè)方面,其主要功能為控制相機(jī)及釋放所占用的資源。程序流程圖見(jiàn)圖2。圖2中判斷是否采集圖片是依據(jù)火焰飽和度模塊中顯示的R值和G值來(lái)進(jìn)行判斷的。

圖2 程序流程圖

圖像處理部分包括溫度計(jì)算和數(shù)據(jù)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(gè)二維數(shù)組中,利用循環(huán)找出圖像上最亮點(diǎn)(R最大)處的R值(Rmax),并求出R值在(Rmax-5)到Rmax區(qū)間內(nèi)的所有像素點(diǎn)的R、G、B的平均值作為參考點(diǎn)的R、G、B值,利用雙色法計(jì)算出參考點(diǎn)溫度,然后根據(jù)參考點(diǎn)溫度計(jì)算出各像素點(diǎn)的溫度。系統(tǒng)將二維溫度分布圖及特征溫度曲線顯示在主窗口的同時(shí),還將以矩陣形式保存的所有像素點(diǎn)的溫度值，以及最高溫度、平均溫度2個(gè)特征溫度值，并以txt文檔形式輸出?？紤]到有時(shí)需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún),因此本系統(tǒng)增加了離線查詢(xún)功能。

實(shí)驗(yàn)操作界面如圖3所示?？刂葡鄼C(jī)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(shí)時(shí)火焰圖像視頻、火焰飽和度及曝光時(shí)間設(shè)置3個(gè)模塊組成,曝光時(shí)間通過(guò)拖動(dòng)滾動(dòng)條位置來(lái)進(jìn)行控制,并根據(jù)火焰飽和度模塊中顯示的R值和G值來(lái)判斷當(dāng)下的曝光時(shí)間是否合適。右邊部分主要是用來(lái)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(shí)驗(yàn)操作界面

3 系統(tǒng)驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后,為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性,首先在高溫黑體爐上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),高溫黑體爐設(shè)定值與測(cè)量值之間的比較見(jiàn)表1。從表1可知,溫度誤差均小于2.1%,且當(dāng)選取的曝光時(shí)間合理時(shí)相對(duì)誤差進(jìn)一步減小。

表1 溫度設(shè)定值與測(cè)量值的比較

該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中用于乙烯擴(kuò)散火焰的溫度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工況：乙烯流量為190 mL/min,空氣流量為300 mL/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)性能很好地滿足了實(shí)驗(yàn)需求。學(xué)生可以通過(guò)界面上的“火焰飽和度”模塊顯示的顏色來(lái)選擇合理的曝光時(shí)間,確保了采集到的圖片亮度適中及溫度計(jì)算的準(zhǔn)確性；輻射強(qiáng)度圖像和溫度圖像可以讓學(xué)生直觀地了解到火焰溫度分布情況及通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)讀取圖像上各點(diǎn)的強(qiáng)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(shì)。學(xué)生在乙烯火焰溫度圖像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(shí)間之間的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出,雖然彩色CCD攝像機(jī)曝光時(shí)間改變,但特征溫度的變化并不明顯。

圖4 曝光時(shí)間為2 500 μs時(shí)的火焰圖像和溫度圖像

圖5 特征溫度θc與曝光時(shí)間t之間的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

熱能工程專(zhuān)業(yè)的燃燒測(cè)量實(shí)驗(yàn)是非常重要的教學(xué)內(nèi)容,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主動(dòng)性、創(chuàng)造性的發(fā)揮是課堂講授無(wú)法比擬的。結(jié)合燃燒測(cè)量技術(shù)發(fā)展前沿和相關(guān)科研工作基礎(chǔ),本文開(kāi)發(fā)了一套基于機(jī)器視覺(jué)圖像處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用燃燒火焰溫度圖像檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)比色圖像測(cè)溫方法的理念,具有較強(qiáng)的系統(tǒng)知識(shí)結(jié)構(gòu)及低成本、高精度等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，對(duì)促進(jìn)學(xué)生掌握比色圖像測(cè)溫的理論方法、提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力發(fā)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(jì)劃項(xiàng)目(KY201401003)

唐華兵(1989—)，男，云南紅河，碩士研究生，主要從事燃燒測(cè)試的研究

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

TK16;G642.423

: A

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