基于智能手機(jī)APP的火焰溫度分布檢測研究

王浩帆，付 睿，袁 怡，李智聰，蒲 旸，婁 春，翁 燦

(1.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.成都三峰環(huán)保發(fā)電有限公司，四川 成都 610200)

1 引 言

溫度是燃燒過程中的重要物理參數(shù)，合理地控制火焰溫度，可以提高燃燒效率，控制燃燒污染物的排放[1]，如在垃圾焚燒爐中，控制溫度范圍可以減少二噁英等有毒物質(zhì)的生成，燃燒室溫度升高對碳煙生成存在促進(jìn)作用等。在實(shí)際控制燃燒過程中，需要對火焰溫度的準(zhǔn)確測量提出了要求[2]。

現(xiàn)有的火焰溫度測量方式主要有熱電偶、紅外熱像儀和激光測溫等。其中熱電偶為單點(diǎn)測量，不能獲得燃燒的溫度分布，且對流場有一定干擾；紅外熱像儀成本較高，且因發(fā)射率的設(shè)置不準(zhǔn)確造成一定的誤差；激光測溫的裝置復(fù)雜。根據(jù)維恩輻射定律，在大部分火焰溫度范圍內(nèi)，物體溫度越高熱輻射峰值越向可見光波段移動，于是可以根據(jù)輻射理論，結(jié)合可見光圖像處理技術(shù)，測量火焰溫度。該方法可以在不干擾流場的情況下獲得火焰溫度分布，且不需要設(shè)置發(fā)射率，避免出現(xiàn)誤差[2,3]。基于輻射理論與可見光圖像處理技術(shù)的雙色法測量火焰溫度的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于燃燒檢測與診斷，如用于測量燃燒室溫度或其他燃燒特性[4,5]。

基于電荷耦合傳感器(charge-coupled device，CCD)雙色測溫技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程中。薛飛等使用雙色法，通過面陣CCD獲得的彩色圖像，定量計(jì)算除燃煤鍋爐燃燒溫度場[6]；劉建浩等使用雙色法獲得了玻璃熔窯內(nèi)的可靠溫度分布[7]；閆勇等分別使用該方法計(jì)算了實(shí)驗(yàn)室尺度的甲烷軸對稱擴(kuò)散火焰和500 kW鍋爐火焰溫度[8～10]；何旭等用雙色法研究了汽油機(jī)火焰的溫度分布，證明了雙色法的有效性[11]。

在計(jì)量測試領(lǐng)域，智能手機(jī)可以作為計(jì)算機(jī)的部分替代和便攜化應(yīng)用。如醫(yī)學(xué)血壓測量，Patrick等利用智能手機(jī)從患者指尖收集光信號，無創(chuàng)測量血壓[12]，Sang等利用智能手機(jī)攝像頭，測量分析血液的血紅蛋白[13]；在工程測量方面，倪彤元等開發(fā)了測量混凝土裂縫長度、面積等特征的手機(jī)APP[14,15]。

本文基于輻射理論和圖像處理技術(shù)，以智能手機(jī)為硬件，利用手機(jī)攝像頭與CPU，自主開發(fā)火焰溫度測量Android APP。通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，獲得色度值與對應(yīng)輻射能的定量關(guān)系，以保證火焰溫度測量精度。通過拍攝燃燒圖片，可以在10 s左右獲得燃燒二維溫度場。

2 火焰溫度測量原理

燃燒過程伴隨著強(qiáng)烈的輻射傳遞過程，燃燒火焰的主要波長范圍為300～1 000 nm，溫度范圍為800～2 000 K，在這個范圍內(nèi)根據(jù)維恩輻射定律可以得到火焰的單色光譜輻射亮度[2,3]。

智能手機(jī)的攝像頭的傳感器接收到火焰發(fā)射出的輻射光，傳感器對接收到的輻射光亮度進(jìn)行一定的處理。處理步驟包括：入射的光子將電子激發(fā)形成自由電子，傳感器收集電子電荷，并轉(zhuǎn)換為電壓值，最后通過A/D轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。不同的相機(jī)光電響應(yīng)、A/D轉(zhuǎn)換效率不同，所以對某一特定相機(jī)的標(biāo)定過程是必要的[3]。

2.1 測溫原理

相機(jī)傳感器接收到的輻射亮度進(jìn)行一定處理，輸出的是RGB三色信號幅度。其中，紅、綠兩色的信號幅度可由公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：I(λ)為單色輻射亮度；ηR(λ)與ηG(λ)為相機(jī)在紅色響應(yīng)波段與綠色響應(yīng)波段的對應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)，對于不同的相機(jī)，響應(yīng)函數(shù)也不相同，兩者的乘積在對應(yīng)波長范圍內(nèi)的積分結(jié)果即分別為傳感器接收到的紅色、綠色輻射亮度ER和EG；公式中用f(ER)與f(EG)代表傳感器對輻射亮度的光電轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換等過程；R和G分別為紅色、綠色的信號幅度。

選取各個像素點(diǎn)中滿顏色信號幅度的95%作為參考像素點(diǎn)，選擇參考點(diǎn)的原因是：在實(shí)際的工程應(yīng)用中直接采用雙色法測溫時，較小的顏色信號幅度變化會引起溫度大范圍的波動。對于拍攝的火焰圖像而言，忽略紅綠2個特征波長下光譜輻射率的變化與圖像各個像素點(diǎn)(i0，j0)的光譜輻射率變化。則可以根據(jù)輻射理論得到參考像素點(diǎn)對應(yīng)的溫度T(i0，j0)：

(2)

式中：ER(i0，j0)和EG(i0，j0)為參考點(diǎn)的紅、綠的輻射亮度。設(shè)火焰圖像中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為(i，j)，其紅色特征波長下的輻射能為ER(i，j)，根據(jù)維恩輻射定律，即可得到：

(3)

設(shè)火焰圖像中其他像素坐標(biāo)為(i，j)，由式(2)、式(3)可求得任一像素點(diǎn)的溫度T(i，j)：

(4)

式中：c2為第二輻射常數(shù)，其值為1.438 775 2×10-2m·K；λ為波長；T為溫度。

值得說明的是，在雙色法計(jì)算溫度過程中，直接使用了RGB的比值，實(shí)質(zhì)上是用寬帶的輻射亮度代替了窄帶的單色輻射亮度計(jì)算溫度。如前所述，這種方法是在圖像法燃燒學(xué)溫度測量過程中，研究者們普遍使用的方法，并且認(rèn)為該方法是一種誤差在可接受范圍內(nèi)、結(jié)果可信的測溫方法[6～11]。

2.2 標(biāo)定過程

標(biāo)定目的是正確建立每一像素的RG值與紅、綠輻射亮度ER和EG的大小關(guān)系。由于不同的手機(jī)型號具有不同的CMOS，對于同一輻射對象的響應(yīng)函數(shù)不同，需要對不同型號的手機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。本文標(biāo)定的手機(jī)型號為小米MIX 2S，其主要的參數(shù)見表1。

表1 小米MIX 2S手機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of MI MIX 2S smartphone

為消除拍照參數(shù)對標(biāo)定的影響，在進(jìn)行標(biāo)定圖像采集前需要對手機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：將白平衡設(shè)置為手動模式；關(guān)閉自動增益功能；設(shè)置合適的快門速度。本次標(biāo)定使用的快門速度為1/1 000 s，ISO感光度為100，白平衡為0。

圖1 黑體爐標(biāo)定圖像Fig.1 Blackbody furnace calibration images

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用美國MiKron公司生產(chǎn)的M330型高溫黑體爐，黑體爐是一種標(biāo)準(zhǔn)輻射熱源，校準(zhǔn)溫度范圍為300～1 700 ℃。本次實(shí)驗(yàn)標(biāo)定溫度范圍為860～1 140 ℃，每隔40 ℃采集1組圖像，見圖1。

輻射亮度ER、EG和圖像顏色信號幅度R、G之間各自的對應(yīng)關(guān)系、擬合曲線分別見圖2(a)與如圖2(b)。

圖2 輻射亮度與RGB值關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between monochromatic radiation intensity and RGB value

完成對手機(jī)相機(jī)的黑體爐標(biāo)定后，可以將標(biāo)定公式導(dǎo)入APP中，利用APP拍攝黑體爐圖像，反算溫度值，并與黑體爐設(shè)定溫度對比，以驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果如表2。

表2 黑體爐溫度與APP測量溫度對比Tab.2 Comparison of blackbody furnace temperature and APP measurement temperature ℃

對比結(jié)果顯示，相機(jī)自身存在著一定的噪聲干擾，APP測量黑體爐的溫度結(jié)果誤差均在3%以內(nèi)，表明黑體爐標(biāo)定手機(jī)相機(jī)的結(jié)果是較可靠的。

3 火焰溫度分布測量APP設(shè)計(jì)

二維火焰溫度測量手機(jī)APP的框架如圖3。APP分為4個模塊，分別為相機(jī)模塊、儲存模塊、計(jì)算模塊與顯示模塊。為保證溫度測量準(zhǔn)確性，實(shí)際使用時拍照參數(shù)必須與標(biāo)定參數(shù)一致，因此需要調(diào)用相機(jī)專業(yè)模式。在專業(yè)模式中，設(shè)置拍照參數(shù)與標(biāo)定參數(shù)完全相同，拍攝燃燒圖像；此外，用戶還可以選擇已經(jīng)儲存在圖庫中的圖片，由APP讀取圖片的Exif參數(shù)并顯示，Exif參數(shù)包含快門速度、光圈、白平衡等重要信息。之后，代入獲得的標(biāo)定公式，計(jì)算出圖片中各個像素點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)溫度數(shù)據(jù)繪制溫度云圖，控制Imageview控件顯示溫度云圖。

圖3 火焰溫度分布測量APP框架Fig.3 Development framework of two-dimensional combustion temperature measurement APP

二維火焰溫度測量手機(jī)APP的操作流程如圖4。首次使用前，需要選擇恰當(dāng)?shù)南鄼C(jī)參數(shù)，進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，獲得標(biāo)定公式；進(jìn)入APP后，可以選擇在專業(yè)模式下拍照或在圖庫中選擇圖片的方式，確定測量的燃燒圖片，提取燃燒圖片的Exif參數(shù)，顯示在APP界面上；通過APP算法計(jì)算各個像素點(diǎn)的溫度，將各個像素點(diǎn)的溫度繪制為二維溫度云圖并顯示在APP圖片控件中。

圖4 火焰溫度分布測量APP操作流程圖Fig.4 Flow chart of two-dimensional combustion temperature measurement APP

二維火焰溫度測量APP的主要界面見圖5。圖5(a)為APP的首界面，圖5(b)為燃燒圖片界面，圖5(c)為計(jì)算的溫度云圖界面。在圖5(b)中，燃燒圖片下的文字即為該圖片的Exif參數(shù)，同時APP支持觸摸圖片的某一點(diǎn)得到該點(diǎn)的溫度。

圖5 APP主要界面圖Fig.5 Main interface of the APP

4 火焰溫度測量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)使用手機(jī)型號為小米MIX 2S，主要參數(shù)如表1，經(jīng)過標(biāo)定并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性后，選擇反擴(kuò)散火焰檢驗(yàn)APP的可用性。反擴(kuò)散火焰的燃燒器由3個同心圓管組成，中心圓管內(nèi)徑為8 mm，流過空氣；中間圓管內(nèi)徑為30 mm，中間圓管與中心圓管構(gòu)成的圓環(huán)區(qū)域流過乙烯；外側(cè)圓管內(nèi)徑為60 mm，外側(cè)圓管與中間圓管形成的圓環(huán)區(qū)域流過氮?dú)?，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，以避免火焰受到環(huán)境的影響。為了氣體流動均勻，乙烯與氮?dú)饩?jīng)過多空泡沫金屬層與玻璃珠層。實(shí)驗(yàn)中反擴(kuò)散火焰工況如表3，其中QC2H4為乙烯流量；Qair為空氣流量；vC2H4為乙烯出口流速；vair為空氣出口流速，使用N2作為保護(hù)氣。

表3 反擴(kuò)散火焰工況Tab.3 Inverse fiffusion flame experiment condition

使用手機(jī)APP，在曝光時間為1/1 000 s，ISO為100，白平衡為0時，拍攝實(shí)驗(yàn)的燃燒圖像，通過APP計(jì)算，繪制溫度云圖。

實(shí)驗(yàn)演示圖片如圖6。圖6(a)為調(diào)用專業(yè)模式拍攝燃燒圖片，圖6(b)為用戶操作APP示意圖。

圖6 反擴(kuò)散火焰實(shí)驗(yàn)圖Fig.6 Inverse diffusion flames experiment images

為了驗(yàn)證APP測量溫度的準(zhǔn)確性，測量結(jié)果與文獻(xiàn)[16]采用的多波長法測量結(jié)果進(jìn)行了對比，見圖7。多波長法采用高光譜儀采集輻射信息，計(jì)算獲得溫度分布。圖7(a)為APP的測溫結(jié)果，圖7(b)為多波長法測溫結(jié)果。對比兩圖，APP計(jì)算的乙烯反擴(kuò)散火焰溫度分布與多波長法測量結(jié)果近似，高溫區(qū)均分布在火焰邊緣內(nèi)側(cè)，火焰頂部溫度均較低。APP測量最高溫度為1 958 K，多波長法測量的最高溫度為2 040 K，相對偏差為4%。目前，本APP已經(jīng)取得了軟件著作權(quán)[17]。

圖7 APP測溫結(jié)果與多波長法測溫結(jié)果對比Fig.7 Comparison of APP temperature measurement result and multi-wavelength measurement result

5 結(jié) 論

基于輻射理論與可見光圖像處理技術(shù)，本文開發(fā)了Android系統(tǒng)下測量火焰溫度的手機(jī)APP，介紹了APP的框架與操作流程，測量反擴(kuò)散火焰的二維溫度分布，并與文獻(xiàn)結(jié)果對比，證明了APP測量的準(zhǔn)確性。

(1) 在固定的拍照參數(shù)下，使用手機(jī)相機(jī)獲得燃燒的可見光圖片，提取各個像素點(diǎn)的色度值；使用標(biāo)準(zhǔn)輻射熱源黑體爐，獲得色度值RGB與對應(yīng)特征波長下的輻射能的定量關(guān)系，根據(jù)維恩輻射定律，計(jì)算各個像素點(diǎn)的溫度值。

(2) 本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)是自主開發(fā)了測量火焰溫度的手機(jī)APP技術(shù)，通過APP可以得到火焰溫度的二維分布，實(shí)現(xiàn)火焰溫度非接觸式檢測。

(3) 使用APP在實(shí)驗(yàn)室尺度下測量反擴(kuò)散火焰溫度二維分布，結(jié)果表明：與使用高光譜儀的多波長方法相比，APP測量最高溫度的相對偏差為4%。