基于可見光高溫熱成像的燃燒測溫裝置研制

閆慧博 ,唐廣通 ,汪潮洋 ,李智聰 ,婁 春

(1.國網河北能源技術服務有限公司,河北 石家莊 050021;2.華中科技大學能源與動力工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引言

火電、冶金、石化、玻璃、水泥等行業(yè)中,各種鍋爐、窯爐、工業(yè)爐、垃圾焚燒爐、冶煉爐等高溫爐膛是關鍵的設備。在這些高溫爐膛中,開展燃燒溫度的檢測,尤其是溫度分布的檢測,對于提高生產效率、節(jié)約生產成本、以及降低污染物排放,有著重要的實際作用[1]。常用的溫度測量裝置包括熱電偶、輻射高溫計、紅外熱像儀等,其中,熱電偶和輻射高溫計只能給出某一個位置或某一個方向的溫度,難以給出溫度在空間中的分布,且熱電偶是接觸式測量方式,易損耗;紅外熱像儀雖然能給出被測對象的溫度分布,但需要知道被測對象在紅外波段內的發(fā)射率才能得到準確的溫度[2-3]。然而,對于不同類型的高溫爐膛,其紅外波段的發(fā)射率與爐內氣相和固相組分有關,尤其是對于含有燃燒火焰的高溫爐膛,爐內具有大量的焦炭、碳煙、飛灰等固體顆粒,其熱輻射波長主要位于可見光及近紅外波段,其光譜輻射特性隨波長具有連續(xù)的黑體輻射特性;爐內還含有CO2、H2O 等三原子氣體,其在紅外波段的光譜輻射特性隨波長呈有非連續(xù)的譜線和譜帶輻射,因此,高溫爐膛在紅外波段的發(fā)射率非常復雜,很難準確給出[4]。在不同工況下,爐內氣固組分的濃度會發(fā)生變化,其在紅外波段的發(fā)射率相應也會發(fā)生變化,從而導致紅外熱像儀用于高溫爐膛內燃燒溫度測量時,測溫結果可能會出現(xiàn)較大偏差,而且高溫型紅外熱像儀的成本高,使用過程中易受環(huán)境因素影響,部分國外產品還限制對中國出口。因此,在火電、冶金、石化、玻璃、水泥等行業(yè)中急需適用于高溫爐膛的成本低、適應性好的溫度分布測量裝置。

實際上,熱輻射覆蓋了紫外-可見光-紅外的寬波段范圍,除了紅外熱成像之外,也可以利用可見光波段的熱輻射信號來形成圖像。隨著電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)及互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)陣列傳感器的迅速發(fā)展,基于可見光圖像處理的燃燒測量及診斷技術得到了較為廣泛的應用[5]。YAN 等[6]基于可見光圖像處理研制了一套多功能監(jiān)測系統(tǒng),用于燃煤火焰的幾何參數、亮度參數、閃爍頻率的定量測量,揭示了這些量化參數與燃燒負荷等運行參數的關聯(lián)性。婁春等[7]采用CCD 相機獲取彩色火焰圖像并設計了面向燃燒火焰的圖像檢測處理系統(tǒng),先后用于軋鋼廠加熱爐[8]、電站鍋爐[9]、玻璃窯爐[10]的爐內在線監(jiān)測及燃燒穩(wěn)定性分析中。

與紅外熱成像技術相比,采用CCD 或CMOS獲取可見光圖像的檢測處理技術,具有成本低、對使用環(huán)境要求不高等特點。此外,在紅外熱成像技術中,陣列傳感器的每個像素只能提供灰度值這1個檢測信號,而可見光圖像檢測獲得的彩色圖像中,每個像素可提供紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色值,這有助于解決熱成像測溫中需要確定被測溫物體發(fā)射率的問題。因此,結合高溫爐膛內燃燒溫度分布測量的需求,本文開發(fā)了1套基于可見光高溫熱成像的燃燒溫度分布測量裝置,設計了燃燒測溫裝置的軟硬件系統(tǒng),在實驗室標準燃燒器及工業(yè)窯爐上開展了燃燒溫度測量對比試驗,檢驗了測溫結果的精確性。

1 可見光高溫熱成像測溫原理

根據熱輻射定律,物體發(fā)出的光譜輻射力等于物體的發(fā)射率乘以同溫度下黑體的光譜輻射力。還需要注意的是,隨著物體溫度升高,光譜輻射力的峰值波長向短波方向移動,這就是維恩位移定律。比如,加熱爐中鐵塊升溫過程具有顏色的變化,當鐵塊溫度低于800 K 時,所發(fā)出的熱輻射主要是紅外線,鐵塊看起來還是原色;隨著溫度升高,鐵塊的顏色逐漸變?yōu)榧t色、黃色、白色,這就是由于溫度升高,鐵塊發(fā)射的熱輻射中可見光的比例逐漸增大[11]?；痣姟⒁苯?、石化、玻璃、水泥等行業(yè)中高溫爐膛內溫度通常高于800 K,會發(fā)出強烈的可見光熱輻射。用CCD 或CMOS相機獲取的彩色圖像中,每個像素的R、G、B三基色值分別代表相應波長或波段內光譜輻射力的相對大小,通過黑體爐標定可獲得光譜輻射力,并且在380～760 nm 的可見光波段范圍內建立發(fā)射率與波長的模型,從而獲得爐內燃燒溫度分布,這就是可見光高溫熱成像技術。

根據彩色CCD 相機的光譜響應特性,其在紅、綠2 個波段獲得的波段輻射力ER和EG分別為

式中:Iλ為相機接收的輻射強度;T為被測對象溫度;ηR,λ、ηG,λ分別為相機在紅、綠2個波段的光譜響應系數;εΔλ,R、εΔλ,G分別為被測對象在紅、綠2個波段的波段發(fā)射率。

高溫爐膛中充斥著大量的焦炭、碳煙、飛灰等固體顆粒,其熱輻射波長主要位于可見光波段,研究表明,爐內燃燒介質在可見光波段內具有灰性特征,即在測量波段范圍內的波段發(fā)射率εΔλ相等,有εΔλ,R=εΔλ,G。因此,將ER與EG做比,可得到相機獲得的波段輻射力與爐內燃燒溫度之間的關系

雖然無法從式(3)中得到火焰溫度T的解析解,但可以根據相機獲得的R、G 波段輻射力之比與火焰溫度T之間的對應關系,將火焰溫度T表示為ER/EG的函數,構建擬合模型,如下式

式中:ɑm為多項式擬合系數;階數m為正整數。

在具體實施中,通過黑體爐標定紅、綠2個波段的波段輻射力ER和EG與彩色圖像色值R、G的關系,分別建立ER與R、EG與G的函數關系,并確定式(4)中的系數。

2 燃燒測溫裝置軟硬件系統(tǒng)及標定

2.1 軟硬件系統(tǒng)設計

基于可見光高溫熱成像的燃燒測溫裝置,其硬件系統(tǒng)采用嵌入式設計方案,主要由可見光圖像傳感器、鏡頭、CPU 主板、觸摸顯示屏及電池組成。其中,可見光圖像傳感器選用1/3″彩色CMOS傳感器(型號AR0134),配置了1 枚焦距為25 mm 的定焦鏡頭(型號Fujinon TF25DA-8B)。硬件設備如圖1所示。

圖1 可見光燃燒測溫裝置硬件設備

基于C++Builder開發(fā)工具,開發(fā)了爐內燃燒溫度分布測量軟件,用于實時測量高溫爐膛火焰及高溫對象的溫度分布,避免了紅外熱像儀固有的發(fā)射率設定問題,能精準測量實際工程燃燒裝置的溫度分布。軟件具體實現(xiàn)的功能包括圖像采集及讀取、熱輻射標定、溫度分布計算及顯示、選擇框區(qū)域平均溫度計算以及歷史溫度查詢等,軟件界面如圖2所示。

圖2 爐內燃燒溫度分布測量軟件界面

2.2 輻射標定

用1臺高溫黑體爐(型號LumaSense M330)對該燃燒測溫裝置進行了標定,熱輻射標定的溫度范圍為600～1 700 ℃。該溫度范圍的黑體爐發(fā)出的輻射力能夠基本覆蓋實際工程燃燒裝置中燃燒火焰的輻射力范圍。熱輻射標定的目的是得到彩色圖像的R、G 值與紅、綠2個波段的波段輻射力ER和EG的擬合關系,如圖3所示。

圖3 R、G值與波段輻射力擬合關系

進一步,得到溫度T與ER/EG的函數關系

高溫黑體爐還可用于檢驗燃燒測溫裝置的測溫精度。設定不同的黑體爐溫度,對燃燒測溫裝置測量結果的準確性進行驗證。首先得到黑體爐發(fā)出的彩色圖像,并基于獲取的R 和G 值從圖3的擬合式中得到波段輻射力ER和EG,再根據式(5)給出的ER/EG與溫度T之間的函數關系計算黑體爐溫度,并與設定溫度進行對比,結果如表1所示?？梢?基于可見光高溫熱成像的燃燒測溫裝置誤差小于1%。

表1 測量溫度與設定溫度對比

3 可見光高溫熱成像測溫檢驗

為了進一步檢驗基于可見光高溫熱成像的燃燒測溫裝置對于發(fā)射率未知對象的測溫能力,本文選用紅外熱像儀(型號FLIR T420)進行對比實驗,該紅外熱像儀的測溫范圍為250～2 000℃,通過黑體爐標定的測溫精度為±2℃或讀數的2%。

3.1 實驗室標準燃燒器火焰溫度測量

為了檢驗該燃燒測溫裝置對于發(fā)射率未知目標的測量準確性,本研究在實驗室標準Gülder燃燒器生成的擴散火焰上開展了燃燒溫度測量[13],該火焰在不同區(qū)域有著不同的發(fā)射率[14]。該燃燒器由2根同心圓管組成,中心管為燃料管,內徑為10.9 mm,氧化劑管內徑為88 mm。氧化劑通過小玻璃珠層和多空泡沫金屬層以保證氣流均勻穩(wěn)定。所有氣體均在室溫及大氣壓下由氣體質量流量計輸送。燃料流量為194 m L/min,氧化劑側的氧氣流量為8.4 L/min、氮氣流量為31.6 L/min。采用可見光燃燒測溫裝置獲得的乙烯擴散火焰圖像及火焰溫度分布如圖4所示,火焰最高溫度為1 650 ℃。

圖4 可見光測溫測得的乙烯擴散火焰圖像及溫度分布

由FILR T420紅外熱像儀可測溫度范圍可知,該紅外熱像儀能夠對乙烯擴散火焰溫度進行測量。發(fā)射率設置為0.1 時,測量最高溫度約為550 ℃,增加發(fā)射率,測得的燃燒溫度降低;減小發(fā)射率,測得的燃燒溫度增加。圖5給出了發(fā)射率分別設置為0.02和0.03時測量溫度結果,火焰的最高溫度分別為1 750 ℃,1 350 ℃?？梢?紅外測溫中發(fā)射率設置的細微偏差,對燃燒溫度測量結果的影響較大。而對于燃燒火焰這類發(fā)射率未知的對象,給出合適的設定發(fā)射率較為困難。

圖5 紅外熱像儀測得的乙烯擴散火焰溫度分布

圖6給出了紅外熱像儀設定發(fā)射率從0.01到0.10(間隔0.01)的火焰中心軸線溫度測量結果,其中灰色虛線表示火焰頂端的位置。隨著設定發(fā)射率增加,軸線溫度結果降低,說明對于發(fā)射率未知的測量目標,能否準確設定發(fā)射率對紅外熱像儀測量結果準確性有重要影響。

圖6 紅外熱像儀測得的燃燒火焰中軸線溫度分布

將可見光燃燒測溫裝置的測溫結果與相同工況下的相干反斯托克斯拉曼散射技術(CARS)[15]和熱電偶測量結果[16]的進行對比,同時也給出了FLIR T420紅外熱像儀在發(fā)射率為0.02、0.03的測量結果。圖7是r=0 mm、r=2 mm 和r=4 mm 處的火焰軸向溫度的對比?？梢姽馊紵郎y溫裝置的測量結果與CARS、熱電偶測量結果基本一致,而紅外熱像儀的結果與CARS和熱電偶測量結果相差較大。這是因為紅外熱像儀中設定的發(fā)射率與燃燒火焰在紅外波段的真實發(fā)射率存在偏差,導致了紅外熱像儀對發(fā)射率未知目標(如火焰等)的測量結果不準確。

圖7 火焰軸向溫度對比

3.2 工業(yè)窯爐內燃燒火焰溫度測量

為了檢驗燃燒測溫裝置對于工業(yè)燃燒裝置爐內溫度檢測的適用性,對1臺水泥分解爐的爐內燃燒溫度分布進行了實驗測量。在位于窯爐中層的觀火口,使用可見光燃燒測溫裝置、FLIR T420紅外熱像儀和熱電偶對窯爐內的火焰溫度進行測量,并以熱電偶測量結果為標準,對比可見光燃燒測溫裝置與紅外熱像儀的測溫結果。窯爐觀火口如圖8所示,所使用的熱電偶為鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型),測溫范圍0～1 600℃。實驗中,熱電偶測量結果在1 080 ℃左右。

圖8 窯爐觀火口

利用該可見光燃燒測溫裝置測量的爐內燃燒溫度分布如圖9 所示。爐內火焰最高溫度為1 158 ℃,測量區(qū)域的平均溫度為1 119 ℃,且該平均溫度與熱電偶測溫結果相差不大。

圖9 可見光燃燒測溫裝置測得的爐內燃燒溫度分布(單位:℃)

FLIR T420紅外熱像儀測溫結果與3.1節(jié)相似,紅外熱像儀發(fā)射率的設定對于爐內燃燒溫度分布的測量結果影響很大。表2給出了發(fā)射率在0.1～0.9的紅外熱像儀測量的最高溫度和平均溫度。隨著發(fā)射率的增大,溫度減小。當發(fā)射率小于0.3時,最高溫度超過2 000 ℃,達到紅外熱像儀的測溫上限,結果不可靠且與熱電偶測量結果相差較大;發(fā)射率為0.6時,測量區(qū)域的平均溫度略高于熱電偶測溫;發(fā)射率為0.7 時最高溫度較為接近熱電偶測量結果,但區(qū)域的平均溫度偏低。

表2 發(fā)射率0.1～0.9的紅外熱像儀測量結果

圖10給出了發(fā)射率分別設置為0.6、0.7時測量溫度結果?？梢钥闯黾t外熱像儀測量的不同區(qū)域燃燒火焰的溫差較大,遠高于可見光燃燒測溫裝置的測量溫差。說明對于發(fā)射率未知且分布不均勻的目標,設置統(tǒng)一的發(fā)射率進行測量是不合適的。

圖10 紅外熱像儀測得的爐內燃燒溫度分布(單位:℃)

由上述測溫結果可知,基于可見光高溫熱成像原理的燃燒測溫裝置與紅外熱像儀進行工業(yè)窯爐現(xiàn)場測溫時,燃燒測溫裝置無需設定發(fā)射率,測溫結果與熱電偶測溫結果相差不大;而紅外熱像儀需要設定發(fā)射率,且發(fā)射率對其測溫結果影響較大,容易造成測量誤差。所以對于發(fā)射率未知的燃燒火焰的溫度測量應用方面,本研究研制的燃燒測溫裝置比紅外熱像儀更具優(yōu)勢。

4 結束語

本文研制了1臺基于可見光高溫熱成像的燃燒測溫裝置,開發(fā)了基于可見光圖像處理的溫度分布測量軟件,用于實時采集燃燒圖像數據并計算溫度分布。利用高溫黑體爐對燃燒測溫裝置進行了熱輻射標定,對發(fā)射率已知的高溫壁面和發(fā)射率未知的燃燒火焰進行測量,并使用紅外熱像儀進行對比測量。主要結論如下:

(1)利用可見光傳感器,提出一種考慮傳感器光譜響應系數ηR,λ和ηG,λ以及無需設定發(fā)射率的溫度計算方法,經過熱輻射標定的燃燒測溫裝置測溫誤差小于1%;

(2)對于發(fā)射率已知的測量目標,該燃燒測溫裝置測量結果能夠達到與紅外熱像儀相同的精度;

(3)對于發(fā)射率未知的測量目標,紅外熱像儀難以設置準確的設定發(fā)射率導致測量結果偏差較大,而該燃燒測溫裝置無需設置發(fā)射率,仍能獲得較為準確的結果。