基于彩色相機的運動燃煤顆粒溫度測量研究

孔慶恩，周 騖，彭 梁，蔡小舒

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

引 言

測量煤粉顆粒燃燒的溫度不但是燃煤鍋爐運行監(jiān)測的一項重要指標，而且是煤的燃燒機理和燃燒技術(shù)等基礎(chǔ)研究所需的重要參數(shù)。

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，Huang等[1]用熱電偶陣列對石英玻璃管中燃煤顆粒周圍的氣體溫度進行測量，從而推算顆粒表面的瞬時溫度。光學溫度計被證實是粉煤燃燒研究中一種有效的分析工具。Mackowski等[2]使用多波長紅外溫度計在CH4/O2/Ar平面火焰燃燒器上測量煤粉燃燒時顆粒及氣體的溫度。Lafolletie等[3]通過建立一維煤顆粒群模型，分析了炭黑的存在和波長的選擇等條件對雙色法測量顆粒溫度的影響，指出選擇可見光譜中的波長并使兩波長值相接近可提高測量的準確度。Sahu等[4]使用雙色光學高溫測量技術(shù)對分布為50～100 μm的褐煤和煙煤燃燒溫度進行測量，得到單顆粒煤燃燒溫度隨時間變化的完整過程。Godoy等[5]開發(fā)了一種低成本且易于使用的雙色紅外溫度計，能夠測量400～1 200 ℃范圍內(nèi)的煤顆粒溫度，與常規(guī)的雙色溫度計相比可以測量溫度低于800 ℃的煤顆粒溫度。

圖像傳感器技術(shù)的進步和計算機科學與技術(shù)的發(fā)展使人們可獲得更準確和直觀的煤粉燃燒溫度數(shù)據(jù)。Lu等[6]研制了一種用標準鎢燈標定的雙色法CCD煤粉火焰溫度測量系統(tǒng)。Schiemann等[7-8]使用兩個增強型的高速CCD相機組成雙色法圖像采集系統(tǒng)，用標準黑體源在1 270～2 350 K的溫度范圍對系統(tǒng)進行溫度校準，測量了富氧燃燒條件下的煤顆粒溫度。Khatami等[9-11]在滴管爐中用高速相機對單顆粒煤粉燃燒過程進行攝影觀察，同時用三色高溫計對顆粒溫度進行記錄，分析不同氣體環(huán)境中煤顆粒燃燒特性。RGB測溫方法在實際燃燒系統(tǒng)中有靈活性和實時多點測量等優(yōu)點，Li等[12-15]基于Hencken燃燒器使用ICCD、Nikon D300s等設(shè)備對煤顆粒在燃燒中表面溫度進行測量并分析了著火特性。

本文基于雙色法測溫原理，采用黑體爐標定彩色相機測溫系統(tǒng)r、g波段響應和溫度的關(guān)系（由于煤粉燃燒輻射在b波段的輻射強度相對而言非常弱），標定過程使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。采用彩色相機測溫系統(tǒng)獲得煤粉顆粒燃燒過程中的溫度，通過研究煤粉顆粒溫度隨顆粒到噴嘴出口距離的變化規(guī)律，分析出煤粉著火過程。

1 彩色相機測溫原理

式中：h為普朗克常數(shù)（6.626 069 3×10-34J/s）；c為光速（2.997 92×108m/s）；k為玻爾茲曼常數(shù)（1.380 648 8×10-23J/K）。

式中：S為相機系統(tǒng)的綜合影響系數(shù)，包括光路中大氣環(huán)境、透鏡特性、信號轉(zhuǎn)換等輻射衰減因素；彩色相機測溫系統(tǒng)r波段的光譜響應；為r波段響應的光譜范圍。

根據(jù)雙色法測量溫度的原理可知，當被測量物體滿足灰體假設(shè)時[16-17]，即假設(shè)在響應波段范圍內(nèi)輻射率為一常數(shù)，則彩色相機r和g的2個波段的輸出灰度值比值為

式中I0為黑體輻射。式（3）雖然不能繼續(xù)推演為解析公式，但其右邊只與溫度T有關(guān)，即相機成像系統(tǒng)確定的條件下，r和g 2個波段下輸出的灰度值比值只與溫度T有關(guān)，從而可根據(jù)此比值獲得物體溫度信息。

由于不能獲得解析式，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練方法[18-19]對該關(guān)系進行標定。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要特點是信號前向傳遞，誤差反向傳播。在前向傳遞中，輸入信號從輸入層經(jīng)隱含層逐層處理，直至輸出層，每一層的神經(jīng)元狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元狀態(tài)，如果輸出層得不到期望輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，根據(jù)預測誤差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，使 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測輸出不斷逼近期望輸出。依據(jù)式（3）可建立比單隱含層泛化能力強、預測精度高的雙隱含層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為2-5-5-1，即輸入層有2個節(jié)點為r、g波段的灰度值，每個隱含層有5個節(jié)點，輸出層有1個節(jié)點為需要得到的溫度值，輸入層到隱含層及隱含層到隱含層的傳遞函數(shù)為雙曲正切S形函數(shù)，隱含層到輸出層的傳遞函數(shù)為線性函數(shù)。

2 測溫系統(tǒng)及標定

實驗采用的是IMPERX公司生產(chǎn)的GEVB1411C-SC000的彩色CCD工業(yè)相機，分辨率為1 392×1 040像素，傳感器尺寸為1/2 inch（1 inch=2.54 cm），像元尺寸為4.65 μm。鏡頭為日本VST公司的變焦鏡頭VSZ-0745CO，實驗拍攝倍率是1倍，拍攝視場實際大小為6.473 mm×4.836 mm。標定用的黑體爐為上海福源光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)（型號：HFY-203B）。

彩色相機對黑體爐采集圖像，黑體爐從1 073 K升溫到1 473 K，為將測溫系統(tǒng)響應不完全線性的特性訓練到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在成像灰度值不飽和的條件下，對同一溫度設(shè)置多個不同的相機曝光時間（如 10、20、30、45、89、169、249、288、568、966、1 724、2 482 μs），共采集 140 幅圖像作為訓練數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)如圖1（a）所示。將彩色相機拍攝黑體爐獲得的r、g波段灰度值作為輸入，對應的溫度作為輸出，學習訓練數(shù)據(jù)共140組。對神經(jīng)網(wǎng)進行訓練后，再由系統(tǒng)通過圖像灰度值預測輸出溫度，結(jié)果如圖1（a）所示，其相對誤差如圖1（b）所示，誤差大部分在1.5% 以內(nèi)，可見所建立的模型較為可靠。

3 蠟燭溫度測量

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練數(shù)據(jù)及預測結(jié)果與誤差Fig. 1 Neural network training data and prediction results and errors

用標定好的彩色相機測溫系統(tǒng)對工作距離110 mm處的蠟燭火焰進行拍攝，得到結(jié)果如圖2所示，其中圖2（b）為處理得到的溫度分布。值得注意的是，此處測量的不是成像系統(tǒng)工作距離處蠟燭中心截面的溫度分布，而是成像路徑上輻射總效應對應的溫度，即圖像中心部分的溫度實際上是該處深度方向上輻射能量按成像光路疊加后對應的等輻射效應溫度，是沿深度方向上內(nèi)焰和外延溫度的成像疊加效應。采用熱電偶測量的中心線上的溫度分布如圖2（c）所示，盡管由于測量效應不同，溫度絕對值不能直接進行對比，但所拍攝區(qū)域中間下部溫度較低、上部溫度較高的分布趨勢是一致的。

圖2 工作距離下蠟燭圖像與測溫結(jié)果及與熱電偶的對比Fig. 2 Candle image and temperature measurement at working distance and comparison with thermocouple

將蠟燭火焰放在偏離彩色相機測溫系統(tǒng)工作距離的不同位置（70～150 mm）進行拍攝（離焦成像），得到不同拍攝距離的蠟燭火焰平均溫度，如表1所示，拍攝到的蠟燭火焰直徑最大處約為3 mm。與工作距離下的溫度結(jié)果進行比較，可看出，偏離工作距離一定范圍內(nèi)成像（即一定程度上的離焦成像）對測溫結(jié)果影響不大，如在70 mm拍攝距離時與110 mm拍攝距離時結(jié)果的相對誤差僅為2.2%。這也說明成像系統(tǒng)輻射測溫所得溫度并非工作距離下的物體或環(huán)境的溫度，而是輻射路徑上的總效應。圖3是在70 mm距離下拍攝的蠟燭火焰原圖及處理得到的溫度分布圖。

表1 不同拍攝距離的蠟燭火焰溫度Tab. 1 Candle flame temperature for different shooting distances

圖3 70 mm 距離下蠟燭圖像及溫度結(jié)果Fig. 3 Candle image and temperature results at 70 mm distance

4 燃煤溫度測量實驗及結(jié)果分析

實驗采用基于McKenna燃燒器的平面火焰攜帶流燃燒器系統(tǒng)[20]，燃燒器實驗系統(tǒng)簡圖如圖4所示。煤樣顆粒粒徑小于100 μm，甲烷按化學當量比0.952進行配氣，甲烷流量1.5 L/min，預混空氣流量15 L/min，送煤空氣流量5 L/min，其他實驗條件和實驗操作步驟與文獻[20]相同。

圖4 燃燒器實驗系統(tǒng)簡圖Fig. 4 Main equipment map

圖5 為實驗中采集到的圖像，其中：典型的燃燒中煤粉顆粒軌跡原圖如圖5（a）所示；提取r和 g 2個波段的信號如圖 5（b）和（c）所示；遍歷圖像像素，將對應的r和g波段的灰度值作為輸入，采用標定訓練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行處理，獲得的相應溫度如圖5（d）所示，其中低于5的灰度值認為是背景噪聲并不予處理。

實驗時，用OMEGA公司的B型P30R-010熱電偶對燃燒器的氣體環(huán)境溫度進行測量，測得距中心孔水平距離1 mm處氣體環(huán)境溫度沿高度變化。測量氣體環(huán)境溫度后，在沿燃燒器中心線上距離噴嘴出口5 mm至135 mm范圍內(nèi)取14個不同高度，測量系統(tǒng)（使用1倍成像倍率）對焦在燃燒器中心，在每個高度分別采集1 000張圖像，通過圖像處理可得到燃燒煤粉顆粒的溫度信息，取出每個高度的圖像對應的煤粉溫度的平均值，統(tǒng)計出煤粉顆粒平均溫度隨高度的分布曲線，如圖6所示。

圖5 圖像處理結(jié)果Fig. 5 Image processing result

圖6 燃燒環(huán)境溫度及煤粉溫度與距噴嘴出口高度的分布Fig. 6 Distribution of combustion environment temperature and pulverized coal temperature along the height of the nozzle

使用0.045倍成像倍率拍攝高度在距離噴嘴出口0 mm至120 mm范圍內(nèi)的圖片，拍攝1組1 000 張的圖片，由于每行像素對應一個具體高度，對每行像素上的所有煤粉溫度取平均值，統(tǒng)計出煤粉顆粒平均溫度隨高度的分布曲線（每行像素對應一個值），如圖7所示。

從圖7可見，燃煤顆粒溫度隨顆粒到噴嘴出口距離的變化整體呈先上升后下降趨勢。在前半段，溫度隨高度增加而上升，隨后不斷下降；在后半段，燃煤顆粒溫度表現(xiàn)出幅度有一定范圍的波動，這是因為燃燒器噴嘴出口附近的溫度較高，顆粒著火燃燒并伴隨揮發(fā)粉析出，隨噴嘴出口距離的增加，顆粒燃燒程度不斷加深，揮發(fā)粉進一步析出使顆粒溫度升高。當高度到達30 mm左右，揮發(fā)粉析出達到峰值，隨后溫度開始下降；當高度到達60 mm左右，顆粒以固定碳形式較穩(wěn)定燃燒一段時間；在80 mm顆粒燃燒程度減弱而溫度呈下降趨勢。溫度信息的獲得為研究煤粉燃燒過程及著火機理提供了數(shù)據(jù)參考，系統(tǒng)可與背光成像系統(tǒng)[20]組成雙光路系統(tǒng)進行同步實驗研究。

圖7 燃煤顆粒的平均溫度與距噴嘴出口高度的分布Fig. 7 The average temperature of coal-fired particles is distributed along the height of the nozzle

5 結(jié) 論

構(gòu)建了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的彩色相機測溫系統(tǒng)，并采用黑體爐對其進行標定，訓練了r和g波段輻射信號對應的灰度值與黑體爐溫度關(guān)系。在110 mm工作距離下對蠟燭火焰溫度進行測量并與熱電偶測量結(jié)果對比，對上述系統(tǒng)和訓練模型的測溫可靠性進行了驗證。采用該系統(tǒng)對Mckenna燃燒器中心管出口不同高度處的燃燒煤粉顆粒進行拍攝和溫度測量，采用圖像法統(tǒng)計分析手段對煤粉顆粒溫度隨高速的變化規(guī)律進行測量，并可視化地記錄了單煤粉顆粒進入高溫氣體環(huán)境中的燃燒過程與溫度變化，為進一步的著火機理研究提供了參考。