燃燒火焰溫度圖像檢測系統(tǒng)開發(fā)

唐華兵, 婁 春, 劉建浩, 楊 曉, 黎康星

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

燃燒火焰溫度圖像檢測系統(tǒng)開發(fā)

唐華兵, 婁 春, 劉建浩, 楊 曉, 黎康星

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

為滿足熱能工程專業(yè)本科實驗教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計中對燃燒測量的需要,開發(fā)了一套基于機器視覺圖像處理技術(shù)的燃燒火焰溫度圖像檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件以千兆網(wǎng)彩色CCD攝像機為核心,結(jié)合計算機圖像處理技術(shù)及比色圖像測溫理論進行設(shè)計,系統(tǒng)的主要功能有展示千兆網(wǎng)彩色CCD攝像機原理及應(yīng)用、展現(xiàn)參考點比色法測溫的理念、測溫方法的實驗驗證及教學(xué)應(yīng)用。該系統(tǒng)操作方便,在實驗教學(xué)應(yīng)用中效果良好,對促進學(xué)生掌握燃燒測量基礎(chǔ)知識和相關(guān)技術(shù)具有重要幫助。

實驗教學(xué)； 溫度測量； 圖像處理

熱能工程專業(yè)本科教學(xué)實驗中對燃燒溫度測量,對于學(xué)生掌握燃燒測量基礎(chǔ)知識和相關(guān)技術(shù)具有重要作用。但現(xiàn)有的燃燒檢測技術(shù)大多仍是采用熱電偶、高溫計等測量火焰溫度,它們的缺點是只能測量火焰中某一點的溫度,無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,但紅外熱成像儀價格非常昂貴,并且需要預(yù)先設(shè)定被測對象的發(fā)射率,而火焰發(fā)射率是未知參數(shù),而且對火焰溫度圖像的檢測具有較大誤差。因此,開發(fā)了一套基于機器視覺圖像處理技術(shù)[1-5]的燃燒火焰溫度圖像檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)合計算機圖像處理技術(shù)及比色圖像測溫理論,從火焰圖像中計算火焰溫度圖像,為本科教學(xué)實驗提供了一套低層本高精度的測量技術(shù)。

1 系統(tǒng)功能分析

燃燒火焰溫度圖像檢測系統(tǒng)是以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，掌握燃燒測量基礎(chǔ)知識和相關(guān)技術(shù)，低成本、高精度為目標的實驗教學(xué)系統(tǒng)。本文開發(fā)的檢測系統(tǒng)主要應(yīng)用對象是熱能工程專業(yè)本科生,讓他們在實驗、實踐過程中理解燃燒測量技術(shù)的理念,實現(xiàn)對理工科學(xué)生專業(yè)知識、 實踐能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)要求[6-9]。所開發(fā)的燃燒火焰溫度圖像檢測系統(tǒng)具有以下4個方面的功能：

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

(2) 展現(xiàn)參考點比色法測溫的理念。參考點比色圖像測溫方法[10-11]作為非接觸式測溫方法的一種,已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場,但究竟什么是參考點比色圖像測溫法,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,本文開發(fā)的系統(tǒng)旨在體現(xiàn)參考點比色圖像測溫法的概念、原理及應(yīng)用。

(3) 測溫方法的實驗驗證。改變彩色CCD攝像機的曝光時間設(shè)置,采集到的火焰圖像明暗程度發(fā)生明顯的變化,但利用參考點比色圖像測溫法計算得到的火焰溫度并不會因為圖像的亮度不同而發(fā)生明顯的變化。在實驗中,學(xué)生可以通過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幅度很小。

(4) 教學(xué)應(yīng)用。該實驗系統(tǒng)除了為學(xué)生提供實踐操作外,還可供教師課堂教學(xué)時現(xiàn)場演示、示范,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深對基礎(chǔ)知識的記憶。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)備有筆記本電腦、彩色CCD攝像機和耐高溫光學(xué)潛望鏡。耐高溫光學(xué)潛望鏡攝取燃燒火焰的光信號,彩色CCD攝像機將光信號變?yōu)閿?shù)字信號,通過千兆以太網(wǎng)送入筆記本電腦中,相應(yīng)的軟件系統(tǒng)對火焰的數(shù)字視頻信號進行處理,根據(jù)輻射傳熱原理計算火焰溫度分布,并顯示在筆記本電腦的屏幕上，計算結(jié)果存儲在硬盤中,便于隨時查看。

圖1 溫度圖像檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實驗測量原理:燃燒火焰會向外界發(fā)出輻射光譜,包括來自燃燒顆粒物的連續(xù)熱輻射和來自原子或分子的發(fā)射譜線或譜帶。彩色CCD攝像機把來自對象火焰的入射光分解為紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色圖像,再通過計算機處理系統(tǒng)將R、G、B信號分離出來,且被量化為0～255的256個等級數(shù)存儲,因而火焰圖像在計算機內(nèi)實際上是以R、G、B為波長的三色圖像。在利用黑體爐對成像系統(tǒng)進行標定[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、藍三基色波長下單色輻射的代數(shù)關(guān)系。然后對火焰圖像進行R、G、B提取,利用其中的任意2個顏色圖像,根據(jù)雙色法測溫原理,就可以計算出火焰的溫度。

2.2 系統(tǒng)硬件

對CCD攝像機和筆記本電腦進行了比較和選型。傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)中主要是用模擬式CCD攝像機,采集的視頻信號為模擬信號,用同軸電纜進行數(shù)據(jù)傳輸。但模擬信號的傳輸質(zhì)量容易受傳輸距離的影響,距離越遠圖像質(zhì)量越容易受外部環(huán)境干擾而變差,甚至無法使用。基于機器視覺系統(tǒng)的圖像采集方式主要是采用數(shù)字信號,在傳輸距離和信號質(zhì)量方面有保障。千兆以太網(wǎng)是傳輸數(shù)字信號的方式之一,不僅可以保障數(shù)字信號的傳輸速度,而且千兆以太網(wǎng)接口是各種計算機的標準配置,因此,本設(shè)計采用千兆以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字視頻信號的傳輸。考慮了各方面因素后,選擇了千兆網(wǎng)數(shù)字攝像機(型號:MER-200-14GC),該攝像機分辨率為1628像素×1236像素,模塊轉(zhuǎn)換精度為12 bit,曝光時間為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攝像機對圖像數(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,無法顯示完整的圖像及進行溫度計算。

2.3 軟件開發(fā)及界面布置

軟件開發(fā)采用模塊化設(shè)計,開發(fā)模塊包括彩色CCD攝像機初始化、圖像采集、圖像處理及數(shù)據(jù)輸出、離線查詢幾個方面。其中,CCD攝像機初始化又包括打開相機、開始采集(設(shè)置采集環(huán)境,不采集圖片)、曝光時間設(shè)置、停止采集、關(guān)閉相機幾個方面,其主要功能為控制相機及釋放所占用的資源。程序流程圖見圖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值來進行判斷的。

圖2 程序流程圖

圖像處理部分包括溫度計算和數(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個二維數(shù)組中,利用循環(huán)找出圖像上最亮點(R最大)處的R值(Rmax),并求出R值在(Rmax-5)到Rmax區(qū)間內(nèi)的所有像素點的R、G、B的平均值作為參考點的R、G、B值,利用雙色法計算出參考點溫度,然后根據(jù)參考點溫度計算出各像素點的溫度。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,還將以矩陣形式保存的所有像素點的溫度值，以及最高溫度、平均溫度2個特征溫度值，并以txt文檔形式輸出。考慮到有時需要對歷史數(shù)據(jù)進行查詢,因此本系統(tǒng)增加了離線查詢功能。

實驗操作界面如圖3所示。控制相機的按鍵主要布置在界面的選單欄。主界面分為左右兩部分,左邊部分有實時火焰圖像視頻、火焰飽和度及曝光時間設(shè)置3個模塊組成,曝光時間通過拖動滾動條位置來進行控制,并根據(jù)火焰飽和度模塊中顯示的R值和G值來判斷當(dāng)下的曝光時間是否合適。右邊部分主要是用來顯示采集到的火焰圖像、溫度圖像、特征溫度及其曲線。

圖3 實驗操作界面

3 系統(tǒng)驗證及實驗教學(xué)效果

系統(tǒng)設(shè)計完畢后,為了驗證系統(tǒng)測量的準確性,首先在高溫黑體爐上進行了實驗,高溫黑體爐設(shè)定值與測量值之間的比較見表1。從表1可知,溫度誤差均小于2.1%,且當(dāng)選取的曝光時間合理時相對誤差進一步減小。

表1 溫度設(shè)定值與測量值的比較

該系統(tǒng)在實驗教學(xué)中用于乙烯擴散火焰的溫度檢測實驗。實驗工況：乙烯流量為190 mL/min,空氣流量為300 mL/min。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)性能很好地滿足了實驗需求。學(xué)生可以通過界面上的“火焰飽和度”模塊顯示的顏色來選擇合理的曝光時間,確保了采集到的圖片亮度適中及溫度計算的準確性；輻射強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移動鼠標讀取圖像上各點的強度/溫度值；特征溫度曲線則表明了火焰特征溫度的變化趨勢。學(xué)生在乙烯火焰溫度圖像檢測實驗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攝像機曝光時間改變,但特征溫度的變化并不明顯。

圖4 曝光時間為2 500 μs時的火焰圖像和溫度圖像

圖5 特征溫度θc與曝光時間t之間的關(guān)系

4 結(jié)語

熱能工程專業(yè)的燃燒測量實驗是非常重要的教學(xué)內(nèi)容,學(xué)生在實驗過程中的主動性、創(chuàng)造性的發(fā)揮是課堂講授無法比擬的。結(jié)合燃燒測量技術(shù)發(fā)展前沿和相關(guān)科研工作基礎(chǔ),本文開發(fā)了一套基于機器視覺圖像處理技術(shù)的實驗教學(xué)用燃燒火焰溫度圖像檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)強調(diào)比色圖像測溫方法的理念,具有較強的系統(tǒng)知識結(jié)構(gòu)及低成本、高精度等優(yōu)點,能夠滿足本科實驗教學(xué)的需求，對促進學(xué)生掌握比色圖像測溫的理論方法、提高學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力發(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

科技部科技伙伴計劃項目(KY201401003)

唐華兵(1989—)，男，云南紅河，碩士研究生，主要從事燃燒測試的研究

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

TK16;G642.423

: A

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