基于可见光高温热成像的燃烧测温装置研制

闫慧博 ,唐广通 ,汪潮洋 ,李智聪 ,娄 春

(1.国网河北能源技术服务有限公司,河北 石家庄 050021;2.华中科技大学能源与动力工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引言

火电、冶金、石化、玻璃、水泥等行业中,各种锅炉、窑炉、工业炉、垃圾焚烧炉、冶炼炉等高温炉膛是关键的设备。在这些高温炉膛中,开展燃烧温度的检测,尤其是温度分布的检测,对于提高生产效率、节约生产成本、以及降低污染物排放,有着重要的实际作用[1]。常用的温度测量装置包括热电偶、辐射高温计、红外热像仪等,其中,热电偶和辐射高温计只能给出某一个位置或某一个方向的温度,难以给出温度在空间中的分布,且热电偶是接触式测量方式,易损耗;红外热像仪虽然能给出被测对象的温度分布,但需要知道被测对象在红外波段内的发射率才能得到准确的温度[2-3]。然而,对于不同类型的高温炉膛,其红外波段的发射率与炉内气相和固相组分有关,尤其是对于含有燃烧火焰的高温炉膛,炉内具有大量的焦炭、碳烟、飞灰等固体颗粒,其热辐射波长主要位于可见光及近红外波段,其光谱辐射特性随波长具有连续的黑体辐射特性;炉内还含有CO2、H2O 等三原子气体,其在红外波段的光谱辐射特性随波长呈有非连续的谱线和谱带辐射,因此,高温炉膛在红外波段的发射率非常复杂,很难准确给出[4]。在不同工况下,炉内气固组分的浓度会发生变化,其在红外波段的发射率相应也会发生变化,从而导致红外热像仪用于高温炉膛内燃烧温度测量时,测温结果可能会出现较大偏差,而且高温型红外热像仪的成本高,使用过程中易受环境因素影响,部分国外产品还限制对中国出口。因此,在火电、冶金、石化、玻璃、水泥等行业中急需适用于高温炉膛的成本低、适应性好的温度分布测量装置。

实际上,热辐射覆盖了紫外-可见光-红外的宽波段范围,除了红外热成像之外,也可以利用可见光波段的热辐射信号来形成图像。随着电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)及互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)阵列传感器的迅速发展,基于可见光图像处理的燃烧测量及诊断技术得到了较为广泛的应用[5]。YAN 等[6]基于可见光图像处理研制了一套多功能监测系统,用于燃煤火焰的几何参数、亮度参数、闪烁频率的定量测量,揭示了这些量化参数与燃烧负荷等运行参数的关联性。娄春等[7]采用CCD 相机获取彩色火焰图像并设计了面向燃烧火焰的图像检测处理系统,先后用于轧钢厂加热炉[8]、电站锅炉[9]、玻璃窑炉[10]的炉内在线监测及燃烧稳定性分析中。

与红外热成像技术相比,采用CCD 或CMOS获取可见光图像的检测处理技术,具有成本低、对使用环境要求不高等特点。此外,在红外热成像技术中,阵列传感器的每个像素只能提供灰度值这1个检测信号,而可见光图像检测获得的彩色图像中,每个像素可提供红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色值,这有助于解决热成像测温中需要确定被测温物体发射率的问题。因此,结合高温炉膛内燃烧温度分布测量的需求,本文开发了1套基于可见光高温热成像的燃烧温度分布测量装置,设计了燃烧测温装置的软硬件系统,在实验室标准燃烧器及工业窑炉上开展了燃烧温度测量对比试验,检验了测温结果的精确性。

1 可见光高温热成像测温原理

根据热辐射定律,物体发出的光谱辐射力等于物体的发射率乘以同温度下黑体的光谱辐射力。还需要注意的是,随着物体温度升高,光谱辐射力的峰值波长向短波方向移动,这就是维恩位移定律。比如,加热炉中铁块升温过程具有颜色的变化,当铁块温度低于800 K 时,所发出的热辐射主要是红外线,铁块看起来还是原色;随着温度升高,铁块的颜色逐渐变为红色、黄色、白色,这就是由于温度升高,铁块发射的热辐射中可见光的比例逐渐增大[11]。火电、冶金、石化、玻璃、水泥等行业中高温炉膛内温度通常高于800 K,会发出强烈的可见光热辐射。用CCD 或CMOS相机获取的彩色图像中,每个像素的R、G、B三基色值分别代表相应波长或波段内光谱辐射力的相对大小,通过黑体炉标定可获得光谱辐射力,并且在380～760 nm 的可见光波段范围内建立发射率与波长的模型,从而获得炉内燃烧温度分布,这就是可见光高温热成像技术。

根据彩色CCD 相机的光谱响应特性,其在红、绿2 个波段获得的波段辐射力ER和EG分别为

式中:Iλ为相机接收的辐射强度;T为被测对象温度;ηR,λ、ηG,λ分别为相机在红、绿2个波段的光谱响应系数;εΔλ,R、εΔλ,G分别为被测对象在红、绿2个波段的波段发射率。

高温炉膛中充斥着大量的焦炭、碳烟、飞灰等固体颗粒,其热辐射波长主要位于可见光波段,研究表明,炉内燃烧介质在可见光波段内具有灰性特征,即在测量波段范围内的波段发射率εΔλ相等,有εΔλ,R=εΔλ,G。因此,将ER与EG做比,可得到相机获得的波段辐射力与炉内燃烧温度之间的关系

虽然无法从式(3)中得到火焰温度T的解析解,但可以根据相机获得的R、G 波段辐射力之比与火焰温度T之间的对应关系,将火焰温度T表示为ER/EG的函数,构建拟合模型,如下式

式中:ɑm为多项式拟合系数;阶数m为正整数。

在具体实施中,通过黑体炉标定红、绿2个波段的波段辐射力ER和EG与彩色图像色值R、G的关系,分别建立ER与R、EG与G的函数关系,并确定式(4)中的系数。

2 燃烧测温装置软硬件系统及标定

2.1 软硬件系统设计

基于可见光高温热成像的燃烧测温装置,其硬件系统采用嵌入式设计方案,主要由可见光图像传感器、镜头、CPU 主板、触摸显示屏及电池组成。其中,可见光图像传感器选用1/3″彩色CMOS传感器(型号AR0134),配置了1 枚焦距为25 mm 的定焦镜头(型号Fujinon TF25DA-8B)。硬件设备如图1所示。

图1 可见光燃烧测温装置硬件设备

基于C++Builder开发工具,开发了炉内燃烧温度分布测量软件,用于实时测量高温炉膛火焰及高温对象的温度分布,避免了红外热像仪固有的发射率设定问题,能精准测量实际工程燃烧装置的温度分布。软件具体实现的功能包括图像采集及读取、热辐射标定、温度分布计算及显示、选择框区域平均温度计算以及历史温度查询等,软件界面如图2所示。

图2 炉内燃烧温度分布测量软件界面

2.2 辐射标定

用1台高温黑体炉(型号LumaSense M330)对该燃烧测温装置进行了标定,热辐射标定的温度范围为600～1 700 ℃。该温度范围的黑体炉发出的辐射力能够基本覆盖实际工程燃烧装置中燃烧火焰的辐射力范围。热辐射标定的目的是得到彩色图像的R、G 值与红、绿2个波段的波段辐射力ER和EG的拟合关系,如图3所示。

图3 R、G值与波段辐射力拟合关系

进一步,得到温度T与ER/EG的函数关系

高温黑体炉还可用于检验燃烧测温装置的测温精度。设定不同的黑体炉温度,对燃烧测温装置测量结果的准确性进行验证。首先得到黑体炉发出的彩色图像,并基于获取的R 和G 值从图3的拟合式中得到波段辐射力ER和EG,再根据式(5)给出的ER/EG与温度T之间的函数关系计算黑体炉温度,并与设定温度进行对比,结果如表1所示。可见,基于可见光高温热成像的燃烧测温装置误差小于1%。

表1 测量温度与设定温度对比

3 可见光高温热成像测温检验

为了进一步检验基于可见光高温热成像的燃烧测温装置对于发射率未知对象的测温能力,本文选用红外热像仪(型号FLIR T420)进行对比实验,该红外热像仪的测温范围为250～2 000℃,通过黑体炉标定的测温精度为±2℃或读数的2%。

3.1 实验室标准燃烧器火焰温度测量

为了检验该燃烧测温装置对于发射率未知目标的测量准确性,本研究在实验室标准Gülder燃烧器生成的扩散火焰上开展了燃烧温度测量[13],该火焰在不同区域有着不同的发射率[14]。该燃烧器由2根同心圆管组成,中心管为燃料管,内径为10.9 mm,氧化剂管内径为88 mm。氧化剂通过小玻璃珠层和多空泡沫金属层以保证气流均匀稳定。所有气体均在室温及大气压下由气体质量流量计输送。燃料流量为194 m L/min,氧化剂侧的氧气流量为8.4 L/min、氮气流量为31.6 L/min。采用可见光燃烧测温装置获得的乙烯扩散火焰图像及火焰温度分布如图4所示,火焰最高温度为1 650 ℃。

图4 可见光测温测得的乙烯扩散火焰图像及温度分布

由FILR T420红外热像仪可测温度范围可知,该红外热像仪能够对乙烯扩散火焰温度进行测量。发射率设置为0.1 时,测量最高温度约为550 ℃,增加发射率,测得的燃烧温度降低;减小发射率,测得的燃烧温度增加。图5给出了发射率分别设置为0.02和0.03时测量温度结果,火焰的最高温度分别为1 750 ℃,1 350 ℃。可见,红外测温中发射率设置的细微偏差,对燃烧温度测量结果的影响较大。而对于燃烧火焰这类发射率未知的对象,给出合适的设定发射率较为困难。

图5 红外热像仪测得的乙烯扩散火焰温度分布

图6给出了红外热像仪设定发射率从0.01到0.10(间隔0.01)的火焰中心轴线温度测量结果,其中灰色虚线表示火焰顶端的位置。随着设定发射率增加,轴线温度结果降低,说明对于发射率未知的测量目标,能否准确设定发射率对红外热像仪测量结果准确性有重要影响。

图6 红外热像仪测得的燃烧火焰中轴线温度分布

将可见光燃烧测温装置的测温结果与相同工况下的相干反斯托克斯拉曼散射技术(CARS)[15]和热电偶测量结果[16]的进行对比,同时也给出了FLIR T420红外热像仪在发射率为0.02、0.03的测量结果。图7是r=0 mm、r=2 mm 和r=4 mm 处的火焰轴向温度的对比。可见光燃烧测温装置的测量结果与CARS、热电偶测量结果基本一致,而红外热像仪的结果与CARS和热电偶测量结果相差较大。这是因为红外热像仪中设定的发射率与燃烧火焰在红外波段的真实发射率存在偏差,导致了红外热像仪对发射率未知目标(如火焰等)的测量结果不准确。

图7 火焰轴向温度对比

3.2 工业窑炉内燃烧火焰温度测量

为了检验燃烧测温装置对于工业燃烧装置炉内温度检测的适用性,对1台水泥分解炉的炉内燃烧温度分布进行了实验测量。在位于窑炉中层的观火口,使用可见光燃烧测温装置、FLIR T420红外热像仪和热电偶对窑炉内的火焰温度进行测量,并以热电偶测量结果为标准,对比可见光燃烧测温装置与红外热像仪的测温结果。窑炉观火口如图8所示,所使用的热电偶为铂铑30-铂铑6热电偶(B型),测温范围0～1 600℃。实验中,热电偶测量结果在1 080 ℃左右。

图8 窑炉观火口

利用该可见光燃烧测温装置测量的炉内燃烧温度分布如图9 所示。炉内火焰最高温度为1 158 ℃,测量区域的平均温度为1 119 ℃,且该平均温度与热电偶测温结果相差不大。

图9 可见光燃烧测温装置测得的炉内燃烧温度分布(单位:℃)

FLIR T420红外热像仪测温结果与3.1节相似,红外热像仪发射率的设定对于炉内燃烧温度分布的测量结果影响很大。表2给出了发射率在0.1～0.9的红外热像仪测量的最高温度和平均温度。随着发射率的增大,温度减小。当发射率小于0.3时,最高温度超过2 000 ℃,达到红外热像仪的测温上限,结果不可靠且与热电偶测量结果相差较大;发射率为0.6时,测量区域的平均温度略高于热电偶测温;发射率为0.7 时最高温度较为接近热电偶测量结果,但区域的平均温度偏低。

表2 发射率0.1～0.9的红外热像仪测量结果

图10给出了发射率分别设置为0.6、0.7时测量温度结果。可以看出红外热像仪测量的不同区域燃烧火焰的温差较大,远高于可见光燃烧测温装置的测量温差。说明对于发射率未知且分布不均匀的目标,设置统一的发射率进行测量是不合适的。

图10 红外热像仪测得的炉内燃烧温度分布(单位:℃)

由上述测温结果可知,基于可见光高温热成像原理的燃烧测温装置与红外热像仪进行工业窑炉现场测温时,燃烧测温装置无需设定发射率,测温结果与热电偶测温结果相差不大;而红外热像仪需要设定发射率,且发射率对其测温结果影响较大,容易造成测量误差。所以对于发射率未知的燃烧火焰的温度测量应用方面,本研究研制的燃烧测温装置比红外热像仪更具优势。

4 结束语

本文研制了1台基于可见光高温热成像的燃烧测温装置,开发了基于可见光图像处理的温度分布测量软件,用于实时采集燃烧图像数据并计算温度分布。利用高温黑体炉对燃烧测温装置进行了热辐射标定,对发射率已知的高温壁面和发射率未知的燃烧火焰进行测量,并使用红外热像仪进行对比测量。主要结论如下:

(1)利用可见光传感器,提出一种考虑传感器光谱响应系数ηR,λ和ηG,λ以及无需设定发射率的温度计算方法,经过热辐射标定的燃烧测温装置测温误差小于1%;

(2)对于发射率已知的测量目标,该燃烧测温装置测量结果能够达到与红外热像仪相同的精度;

(3)对于发射率未知的测量目标,红外热像仪难以设置准确的设定发射率导致测量结果偏差较大,而该燃烧测温装置无需设置发射率,仍能获得较为准确的结果。