基于ARM的火焰温度图像测量系统

孔 明， 杨 明， 郭天太， 赵 军

(中国计量大学，浙江 杭州 310018)

0 引 言

温度监测对于控制燃烧、减少因燃烧效率低造成的环境污染、保证发电站的锅炉燃烧安全起着重要作用，与造纸、冶金等产业关系紧密[1-6]。温度监测技术可以总结为接触式测温和非接触式测温两大方向。其中，接触式测温以在锅炉中投放感温元件为主要技术手段，这种测温方式只能进行短时间的温度监测，并且由于数量的限制，只能达到点和局部的温度测量。非接触式测温方法主要是包括光学技术方式和声学技术方式，声学技术方式测温在国外研究起步较早，已经开发出了商业应用的产品，但多限于发达国家；并且声学测量温度应用产业范围有限，采用声学测量温度在施工中需要安装较多声波发射和接收装置，阻碍了这项技术的进一步发展和大面积应用[7-9]。

随着计算机技术和CCD的飞速发展[10]，基于计算机的图像处理技术[11]在火焰温度监测中的应用日益广泛，并且该项技术对燃烧不会产生影响，能够达到实时在线监测的效果。利用工控机搭建温度测量系统占用场地大并且不易安装调试，ARM的出现可以完美解决该问题，其性能也足够完成数据处理工作；并且利用ARM搭建系统成本和功耗更低，测量结果可实时准确传输到显示界面。在此理论基础上，提出并设计一套基于ARM平台的火焰温度图像测量系统。本文主要介绍了图像温度测量系统所涉及的温度测量原理、双光路图像采集设计，并对系统可行性进行了实验验证。

1 测量原理及光路设计

1.1 双色测温法

本系统在双色测温技术[12-17]的基础上进行改进，将原本的双色测温公式简化为如下式所示：

从式(1)可以看出，温度分布可以通过图像中各点的单色辐射亮度能量的比率计算。

通常CCD采集到的蜡烛火焰图像的蓝色光分量信号较弱，信噪比低，因此系统测温时采用了R和G两个通道的光分量来计算蜡烛火焰的辐射温度。由此原理推出最终蜡烛火焰温度的计算公式为

式中：ET(λR)、ET(λG)——火焰单色辐射能，W/m2；

λR、λG——火焰R和G光分量的固定波长，nm；

T——蜡烛火焰温度，K；

C2——第二辐射常数，值为14.388 mW·K。

由式(2)可以看出，在计算火焰温度时，采用的λG和λR的值为固定值，但是实际这两种波长都是在一定范围内有效，如果采用CCD相机直接进行图像采集，得到的图像波长也是在一定范围内，最后的计算结果误差会较大；因此，需要加入一套光路图像采集系统，使λG和 λR的值尽量接近计算时采用的值，以减少系统误差。

1.2 图像采集光路设计

CCD相机采集到的彩色图像是由RGB 3个颜色通道组成，每个通道接收的是一个波段的光能信号总和，而不是单波长光强信号。为了使测量方案更符合双色测温法测量原理，减少测量误差，设计了如图1所示的光路方案。此光路作为CCD相机前端的光能信号处理单元，通过滤光片和分光棱镜的组合，使采集图像的R和G分光量尽可能符合双色测温法的理论要求。

图1 光路设计图

图像采集光路模块由4个分光棱镜和2个滤光片组成，中心波长分别为637 nm和541 nm，半宽分别为13 nm和12 nm。根据光学元件和机架的物理尺寸，分光棱镜在水平轴和垂直轴上的最小距离分别设置为200 mm和100 mm。滤光片沿水平轴放置在两个分光棱镜的中间。火焰A的光通过1号分光棱镜形成透射光B和反射光C。反射光C通过2号分光棱镜和6号滤光片，从反射光D转换为滤光F。同样地，透射光B依次通过5号滤光片和3号分光棱镜形成滤光E和反射光G。最后，将光F和G合并到4号分光棱镜中，形成由CCD摄像机接收的光H，以形成滤波图像。

1.3 相机分辨率及镜头选择

图像的分辨率会影响整幅图像的显示效果，分辨率的大小以水平分辨率与垂直分辨率的乘积表示。一般大的图像分辨率表示更高的清晰度，但是高分辨率会降低图像处理速度，所以根据实际需要本实验选用的相机分辨率为1 292×964。

在上述图像采集的双光路设计中，分光棱镜的形状大致是平行板。以Δl′代表图像和物体之间的距离，Δl′的计算方程为

式中n、d分别为分光棱镜的折射率与宽度，n=1.5，d=25 mm，将值带入式(3)，得到图像和物体之间的距离是8.33 mm。

为了确定摄像机镜头的焦距，1号分光棱镜中的蜡烛图像向镜头移动8.33 mm，2号棱镜中1号分光棱镜的图像朝着透镜移动8.33 mm。依此类推，经过3个分光棱镜后，图像移向镜头的距离为25 mm。蜡烛和相机镜头之间的距离是645 mm，在光学系统之后，两者之间的距离为620 mm，即相机镜头的实际工作距离为620 mm。CCD相机视场角为50 mm，传感器高度为3.6 mm，摄像机镜头的焦距公式为

式中：f——焦距；

SCCD——CCD尺寸；

WD——工作距离；

FOV——视场角。

将上述SCCD、WD和FOV的值带入式(4)得到f值为50 mm，因此系统选择摄像头焦距为50 mm的镜头。

2 ARM系统设计

本系统由ARM处理机构硬件部分和基于Linux-QT操作系统的软件部分共同构成，此外还包括可触摸显示屏幕、摄像头和图像采集光路系统等主要部件。系统的工作原理如下:由可触摸显示屏上的软件来控制相机进行拍照，相机镜头前的图像采集光路系统负责滤除不必要的图像部分，采集到的照片经网线由以太网口传输到ARM开发板中，由ARM板中的集成双色测温软件对图片进行图像预处理、温度计算等图像处理操作，最后由可触摸显示屏显示处理得到的蜡烛火焰温度分布图。

2.1 硬件平台设计

硬件平台的总体框图如图2所示。

图2 硬件平台总体框图

温度测量系统的ARM平台硬件部分是由ARM核心板与电源模块、HDMI接口、以太网口和串口接口等主要外围电路模块共同构成。其中，ARM核心板为ARM平台的最小系统，电源模块负责给整个ARM板提供最高为5 V的电源，HDMI接口模块负责ARM板与触摸屏幕的连接，以太网口控制相机开启、关闭并进行图像的传输，可以通过以太网口将相机采集到的图像传递到ARM板中，串口则是负责与PC机进行通信和数据的传递，可以通过串口模块将采集到的图像和处理之后的图像传递至电脑[9-10]。整个ARM板搭建起软件运行的硬件环境，硬件部分完成照片的拍摄以及为照片处理软件起到平台支撑作用。

2.2 图像处理软件流程

图像处理软件流程图如图3所示，经CCD相机拍摄的图片传送至ARM板，程序运行开始，首先将指定位置的图片读入，根据OpenCV库中提供的API接口函数将图像转换为灰度图，然后对图像中RGB 3个通道的灰度值进行分离提取。虽然加入图像采集光路设计，但是经由相机A/D转换后仍会出现一些不符合蜡烛火焰温度分布规律的点，需将其滤除，本文定义为图像的失真校正过程。提取R通道和G通道光分量的值，并根据双色测温公式计算对应的火焰温度分布的值，最后根据计算结果，将颜色映射到灰度图中，得到火焰温度分布图。

3 实验研究

为了保证实验环境不受外界光照和气流影响，搭建如图4所示的实验平台，实验平台外部由一个黑箱体及实验底座构成。将被测蜡烛放入黑箱中点燃，采用MER-132-30 GC相机搭配120万像素镜头采集火焰图像，相机最高的采样频率为30 张/s，由于采用接触式传感器的数据作为对比参考，接触式传感器温度测量反应时间相对较长，因此将系统相机设定为每30 s拍摄一张蜡烛火焰图像。采集到的火焰图片通过ARM处理单元处理后获得火焰温度二维分布信息，信息可以在与ARM板相连的显示器上显示，也可以通过USB串口传送到电脑，由电脑显示器将最终准确的测量结果显示出来。

图3 火焰温度分布计算流程图

图4 ARM视觉测量系统实验平台

3.1 火焰温度计算

从一系列图片中选取一张测量图像为例，图像经过灰度、去噪、矫正、灰度图映射等处理后获得蜡烛火焰的温度分布，如图5所示。由火焰温度分布图可以看出蜡烛火焰的外焰区域为高温区，最高温度达到691℃；内焰区域为低温区，最低温度为598℃，整个火焰的平均温度为638.4℃。由一系列火焰图片可以画出蜡烛火焰在实验测量前5 min时间内的最高温度曲线和平均温度曲线，如图6所示。其中，曲线1为最高温度随时间的变化，曲线2为平均温度随时间的变化。由图可以看出，蜡烛火焰的最高温度与平均温度在这5 min之内均稳定在600～700℃之间，蜡烛火焰的温度跳动在可以接受的范围内，因此，火焰温度分布的测量结果在误差允许范围内。

3.2 测量实验数据分析

为了验证本测温系统结果的正确性，在目标火焰的外焰和内焰分别选取均匀分布的10个测温采样点，采样点的选取是根据火焰内焰和外焰的各个区域均要覆盖的原则，用经过标定的SA-K06热电偶测量采样点的温度，最后将本视觉测量系统测得的温度与SA-K06热电偶测量得到的温度值进行对比。SA-K06热电偶的测温范围为0～1 400℃，精密度为0.3%，热电偶的长度为310 mm，直径约3 mm。

图5 蜡烛火焰温度分布图

图6 最高温度曲线和平均温度曲线

接触式热电偶在火焰的内、外焰温度测量数据结果如表1、表2所示，其中每两个时刻之间的间隔为0.5 s，每个采样点进行3次温度采集。

由双色测温法得到的最高、最低和平均温度的对比如表3所示。双色测温法是采用遍历像素的方式找到的最高温度与最低温度，而接触式测温法是将热电偶的10个测量点的外焰与内焰温度采用求平均值的方法得出最高温度、最低温度与平均温度。从得到的两种测温方法的结果来看，采用接触式测温方法测出的内焰温度高于双色测温法，测出的外焰温度低于双色测温法，其原因是由于接触法的物理测头具有一定的尺寸，其测量结果是在物理探头周围一定区域的火焰的平均温度，故其温度会有些偏差；同时接触式测温法测量的温度点有限，不能对全部空间的火焰温度同时进行测量，也会对火焰场带来影响，而本系统为二维平面式测量，可以实时监测整个视场内火焰像素点温度。通过对比可见本系统通过双色测温法测量蜡烛火焰温度具有较好的实用性，测量范围更广。两者的差距在可以接受的范围内，因此本系统的测温方式可行。

表1 内焰温度测量数据℃

表2 外焰温度测量数据℃

表3 接触测温与非接触测温数据对比℃

4 结束语

温度监测直接关系到整个燃烧过程的判断，对燃烧的安全、燃烧效率的提高和减少污染物的排放有着重要的指导作用。通过对国内外温度监测技术现状的调研研究，本文提出并设计了一套基于ARM的火焰温度图像测量系统，重点介绍了本系统中加入的双光路图像采集模块，能够有效减少图像采集的系统误差。以蜡烛火焰为对象进行试验研究，通过与接触式热电偶温度测量结果对比验证其测量准确性。本系统可以广泛应用于发电厂、冶金制造和造纸等行业，并且具有良好的通用性，造价低，对燃烧过程没有干扰。但是此系统的处理效率依赖于图像采集光路的设计、相机的成像素质、传输效率和相机镜头分辨率等因素。由于精力有限，本系统中更强调于系统的搭建和功能实现，对于光路中元件之间的距离设计、相机镜头的选择有待于进一步提高，从而达到更好的效果和更低的误差。