一种新型炉膛火焰温度图像检测仪

收稿日期:2003-11-09

作者简介:娄　春(1977-),男,重庆人,硕士,从事电站锅炉燃烧监控研究。

一种新型炉膛火焰温度图像检测仪

娄　春

(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074)

摘要:设计了一种新型的便携式炉膛火焰温度图像检测装置,系统由便携式炉膛火焰探测器及

基于DSP 的数字电路组成,通过对火焰辐射图像的处理直接给出火焰温度图像的检测结果。温度检测方法是采用基于彩色火焰图像r 、g 、b 三基色的综合测温法,该方法通过黑体炉的标定具有较高的测量精度。在一台300MW 电站锅炉上的仿真实验表明,炉膛内的燃烧温度与负荷的变化相同,检测结果与比色高温计检测结果相比,误差在5%之内。

关键词:火焰温度测量;电站锅炉;数字信号处理器中图分类号:TK 311 文献标识码:B 文章编号:100020682(2004)0520060203

A ne w type of novel flame temperature detecting system

LOU Chun

(State key lab o f coal combustion ,Huazhong Univer sity o f science and technology ,Hubei Wuhan 430074,China )

Abstract :The paper presents a novel flame tem perature image detecting system.The system ,which con 2sists of a handy flame image detector and digital circuits based on DSP ,calculates the tem perature distributions of flame in furnace through radiative image processing.The system adopts a synthesis method to detect the tem 2perature of flame based on red ,green ,blue data in color flame images.The method has high precision after cali 2brated by a blackbody furnace.The simulation experiment on a 300MW furnace shows the tem perature in fur 2nace is correponding to the load of furnace.The measurement error is less than 5%com pared with a pyrometer.

K ey w ords :flame tem perature measurement ;plant boiler ;DSP

0　引　言

在电站锅炉及工业炉膛中,燃烧火焰的温度检测对于锅炉的安全、经济运行有重大的意义。在实际应用中主要采用热电偶、比色高温计、红外热像仪来检测炉膛中燃烧火焰的温度。由于锅炉内的燃烧状况较为复杂,以上测温手段都存在着各自的不足之处。近年来,基于火焰辐射图像的处理技术建立的双色法、单色法等燃烧温度图像检测方法,得到了广泛的应用[1,2]。这些方法采用带有工业CC D (电荷耦合器件)摄像机的耐高温内窥探头拍摄炉膛内的彩色火焰图像,在计算机上通过对火焰图像的处理,可以得到火焰的温度分布。但由于图像处理所涉及的数据量大,并且考虑到炉膛火焰测温中的特殊工业环境,这种基于工控机和视频采集设备建立

的测温系统,在实时性、灵活性、稳定性、便携性以及

系统造价等方面差强人意。文中设计了一种基于DSP (数字信号处理器)的新型炉膛火焰温度图像检测装置,对仪器的测温原理做了介绍,该测温方法通过黑体炉标定具有较高的测量精度,并在一台300MW 机组锅炉上进行了仿真实验。

1　火焰温度图像检测原理

电站锅炉炉膛中煤粉燃烧过程发出强烈的可见光,利用发光火焰在可见光谱区段(300～1000nm )内的辐射特点,可以基于Wien 辐射定律计算燃烧火焰的温度。发光火焰的辐射图像用彩色CC D 摄像机摄取,彩色CC D 把来自景物入射光分解为波长分别为700nm 、54611nm 、43518nm 的红(r )、绿(g )、蓝(b )三基色,因而火焰图像实际上是以r 、g 、b 为波长的三色图像。利用其中两个颜色的单色图像,可以直接用比色法测温原理计算火焰温度图像[1]。但文献[2]的研究表明,由于火焰温度变化范围宽、火焰辐射特性所决定的代表性波长下的单色辐射能之

间的相差悬殊,基于彩色CC D 三基色的双色法辐射温度图像检测方法的适用范围受到很大的限制,文献[2]也对此做过定性分析。综合了双色法和单色法的优点,文献[2]提出了火焰辐射温度图像检测的综合法,该方法取非饱和的彩色火焰图像中较亮区域的某一个像素i 0作为参考点,用基于彩色CC D 三基色的比色法计算参考点温度T (i 0)。为了得到精确的温度值,r 、g 、b 值在计算温度前要经过黑体炉

标定,标定的思想是使修正后的三基色r ’、g ’、b ’

之间的相对大小与黑体炉发出的黑体辐射中三基色代表性波长下的单色辐射能之间的相对大小一致。参考虑点温度的计算式为:

T (i 0)=-C 2(

1λr -1

λg

)/ln r ′

i 0g ′i 0・λ5r

λ5g (1)

式中,C 2=011438833m ・k ,r ′i 0,g ′

i 0为波长λr =700

nm ,λg =54611nm 下参考点的单色辐射图像。

由于火焰图像的灰度与火焰发出的辐射能成正比,炉膛及燃烧火焰可视为灰体,其总辐射能为σΤ4。因此,已知参考点的温度,该点在火焰图像上相应位置的灰度值为G (i 0),对于图像中任一点i ,其温度的计算式如下:

T (i )4=T (i 0)4

G (i )/G (i 0)

(2)式中,G (i )为灰度,T 为所求温度。这样,图像上任一点的温度可以从其灰度值与参考点的灰度值的比较中得到。

需要说明的是,这里得到的火焰温度图像如同红外热像仪检测的火焰温度分布一样,都是火焰三维温度场在二维平面上的叠加,它并不能精确的反映炉膛空间中某点处的温度,但能反映火焰在二维空间的分布特征,而这正好可以显示火焰中心是否偏斜、

火焰是否刷墙、是否结焦以及是否局部熄火等有关燃烧工况的重要信息。

2　系统结构设计

根据炉膛内火焰温度图像的检测原理,所设计的测温系统如图1所示,整个检测仪分为两部分:

图1　系统结构图

(1)用炉膛火焰探测器采集炉内火焰图像;(2)

火焰图像的处理及温度场的计算与显示,这一部分用基于DSP 的数字电路系统完成。 炉膛火焰探测器由光学潜望镜、CC D 摄像机及冷却风系统组成。由于测量仪并不需要长时间工作在炉膛内的高温环境下,它只检测某个时刻的炉膛火焰温度,同时考虑系统的便携性,选用了一种便携式炉膛火焰探测器,它与一般的炉膛火焰探测器的不同之处在于:便携式炉膛火焰探测器去掉了冷却风管,选用小型的彩色CC D 摄像机,整个探测器更为小巧,便于携带,其镜头耐热温度≤1000℃。高温试验证明,便携式炉膛火焰探测器在没有冷却风的情况下,可以在炉内靠近水冷壁的区域正常工作5min ,其设计寿命是完全满足高温测量需要的。与一般的基于工控机及图像采集设备的数字图像火焰检测系统相比,系统在后级处理部分,省去了成本较高的图像采集卡和工控计算机,而采用基于DSP 的数字电路系统来实现火焰图像处理及温度图像计算与显示。数字电路系统的原理图如图2所示。彩色CC D 摄像机获得的模拟视频信号经视频解码芯片解码处理,用CP LD (复杂可编程逻辑器件)和SRAM (静态随机存储器)模拟FIFO (先进先出堆栈)方式将视频解码芯片输出的数据读入SRAM 中,由DSP

对SRAM 中的数字信号进行处理,计算出燃烧火焰的温度图像,并根据温度的大小用伪彩色方式显示到液晶显示器上。系统执行一次视频采集、计算、显示的速度是4帧/s 。

图2　数字电路系统原理框图

对于视频解码芯片,采用目前广泛使用的

Philips 公司的S AA7111芯片,该芯片的输入可兼容PA L 和NTSC 制式。对于DSP ,考虑到系统的处理速度、功耗、资源、价格等特点,选用TI 公司的通用DSP 芯片T MS320VC5402。为了使显示的火焰温度图像层次分明,便于锅炉运行人员分析,采用8位伪彩色显示火焰温度图像,这里选用的是分辨率为320×240、颜色数为8色的LC D 。整套便携式温度图像检测仪需要对CC D 摄像机、基于DSP 的数字电路以及LC D 进行供电。设计时选用的CC D 摄像机