循环流化床锅炉温度场检测系统
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摘要
本文旨在以CCD摄像机为图像采集前端设备，以数字图像处理技术为手段，运用热辐射学和面阵CCD成像理论，研究了比色测温法，并组建了一个简单的单色测温系统，来检测火焰温度场。主要工作内容包括：
1．针对循环硫化床温度场检测的要求，确定了“CCD摄像机和数字图像处理技术相结合的温度场检测系统”的技术研究路线，并以成熟和廉价的CCD摄像机为基础，初步建立了测温硬软件系统。
2．研究了循环硫化床燃烧和辐射的物理过程以及运用CCD来实现测温的原理。建立了测温数学模型，为直接利用CCD摄像机检测锅炉炉膛燃烧火焰温度阐明了物理机理。
3．讨论了比色测温法并且对其波长的选择问题进行了研究，提出了对温度进行分区以解决大范围温度的测量问题。即将火焰温度由高向低分成几个温度段，不同的温度段使用不同的运算公式，从而提高了测量的精度，避免了过去方法中试图用一个标定试验的公式来求解跨度较大的整个温度场分布所产生的误差。
4．采用图像相加、偏微分、邻域平均等方法来消除图像噪声；绘制图像的灰度直方图来研究火焰幅度特征分布与温度分布的关系。
5．用Visual C++编制了一个基于Windows环境下的炉膛火焰温度检测应用软件。并设计了一套CCD摄像机的控制单元，利用控制CCD摄像机的镜头光圈大小和曝光时间来势CCD始终工作在非饱和状态下，保证了测量精度。
本文从实际问题出发，研究问题本身的物理机理、建立相应的数学模型、采用先进而适当的处理方法并设计了一个实验性的系统。
This paper mainly focuses on detecting he temperature of combustion flame in CFB. In this system, high temperature TVs are used to collect images, digital image processing technology is applied to process images, thermal radiation theory and plane surface array CCD' s chrome theory are introduced and the three ?color method is discussed to detect the temperature. The main job introduce the following aspects:
1.According to the request of large area flame detection In modern CFB an idea named "Temperature Detection System Based on CCD and Digital Image Processing Technology" is decided. Basing on the mature and cheap high temperature in boiler is setup. The experimental data are obtained from above and these data are used to modeling.
2.The physical process of boiler flame combustion and radiation and the three梒olor method using color CCD theory are studied. Mathematical model is constructed in order to explain the physical mechanism of flame temperature detection in boiler using CCD camera directly.
3.A new temperature segmentation linear fitting method solves the problem caused by the nonlinear mapping between the temperature data and the chroma. That is dividing the temperature into some sections from high to low. Thus, the detection precision is improved. The error which is caused by figuring out the distribution of the whole temperature field by only one formula is estimated.
4.It includes the following aspects:adopting the Partial Differential Equation and Neighborhood Average smoothing methods to reduce image noises. Mapping the RGB three 梒olor and gray scale histogram to study the relationship of flame features and temperature field distribution.
5.Use Visual C++6.0 as a tool to program an applied software?"Boiler
Flame Temperature Analysis System" . We also designed a CCD controlling
part. Using this we can easily make the CCD work under dissaturation
and keep the measure precision.
This paper is come from the practical problem. Physical mechanism of the problem itself is deeply studied. The corresponding mathematic model is constructed. The advanced and proper processing method is adopted, and finally an experimental system is designed.
1．针对循环硫化床温度场检测的要求，确定了“CCD摄像机和数字图像处理技术相结合的温度场检测系统”的技术研究路线，并以成熟和廉价的CCD摄像机为基础，初步建立了测温硬软件系统。
2．研究了循环硫化床燃烧和辐射的物理过程以及运用CCD来实现测温的原理。建立了测温数学模型，为直接利用CCD摄像机检测锅炉炉膛燃烧火焰温度阐明了物理机理。
3．讨论了比色测温法并且对其波长的选择问题进行了研究，提出了对温度进行分区以解决大范围温度的测量问题。即将火焰温度由高向低分成几个温度段，不同的温度段使用不同的运算公式，从而提高了测量的精度，避免了过去方法中试图用一个标定试验的公式来求解跨度较大的整个温度场分布所产生的误差。
4．采用图像相加、偏微分、邻域平均等方法来消除图像噪声；绘制图像的灰度直方图来研究火焰幅度特征分布与温度分布的关系。
5．用Visual C++编制了一个基于Windows环境下的炉膛火焰温度检测应用软件。并设计了一套CCD摄像机的控制单元，利用控制CCD摄像机的镜头光圈大小和曝光时间来势CCD始终工作在非饱和状态下，保证了测量精度。
本文从实际问题出发，研究问题本身的物理机理、建立相应的数学模型、采用先进而适当的处理方法并设计了一个实验性的系统。
This paper mainly focuses on detecting he temperature of combustion flame in CFB. In this system, high temperature TVs are used to collect images, digital image processing technology is applied to process images, thermal radiation theory and plane surface array CCD' s chrome theory are introduced and the three ?color method is discussed to detect the temperature. The main job introduce the following aspects:
1.According to the request of large area flame detection In modern CFB an idea named "Temperature Detection System Based on CCD and Digital Image Processing Technology" is decided. Basing on the mature and cheap high temperature in boiler is setup. The experimental data are obtained from above and these data are used to modeling.
2.The physical process of boiler flame combustion and radiation and the three梒olor method using color CCD theory are studied. Mathematical model is constructed in order to explain the physical mechanism of flame temperature detection in boiler using CCD camera directly.
3.A new temperature segmentation linear fitting method solves the problem caused by the nonlinear mapping between the temperature data and the chroma. That is dividing the temperature into some sections from high to low. Thus, the detection precision is improved. The error which is caused by figuring out the distribution of the whole temperature field by only one formula is estimated.
4.It includes the following aspects:adopting the Partial Differential Equation and Neighborhood Average smoothing methods to reduce image noises. Mapping the RGB three 梒olor and gray scale histogram to study the relationship of flame features and temperature field distribution.
5.Use Visual C++6.0 as a tool to program an applied software?"Boiler
Flame Temperature Analysis System" . We also designed a CCD controlling
part. Using this we can easily make the CCD work under dissaturation
and keep the measure precision.
This paper is come from the practical problem. Physical mechanism of the problem itself is deeply studied. The corresponding mathematic model is constructed. The advanced and proper processing method is adopted, and finally an experimental system is designed.
引文
1. T. Panagiotou, Y.A. Levenndis, M. Delichatsios, Measurements of particles flame temperature using three-color optical pyrometer, Combustion Flame 104 (1996) 272-287.
2. Felsk JD, Tien Cl, et al. Calculation of the emissivity of luminous flames[J]. Combustion Science and Technology, 1973,7:25 31.
3. J.Y. Hwang, et al. Measurements of temperature and OH radical distributions in a silica generating flame using CARS and PLIF. Aerosol Science, 32(2001) 601-603.
4. W.L. Flower, Simultaneous Optical measurement of soot volume fraction in premixed flames, Combustion and Flame, 1994, 99(3): 174-196.
5. Y. Huang, Y. Yan, G. Riley. Vision-based measurement of temperature distribution in a 500-kW model furnace using the two-color method[J] Measurement, 2000, 175-183
6．朱鳞章．高温测量原理与应用．科学出版社，1991
7．姜学东，韦穗等．图像处理技术在火焰温度场分布中的应用，微机发展，2002 12(3)：34-37
8．姜学东，韦穗．基于彩色CCD的三色法测量火焰温度场分布．安徽大学学报(自然科学版)，2002，26(3)
9．R．E坝德福德等著，袁先富译．温度测量．计量出版社，1983
10．李吉林等．光电、红外、比色温度计原理与检定．中国计量出版社，1990
11．周怀春，娄新生，尹鹤龄等，单色火焰图像处理技术在锅炉燃烧监控中的应用研究[J]．电力系统自动化 1996，20(10)：18-22
12．周怀春，韩才元二煤粉燃烧火焰颜色定量分析试验研究．中国电机工程学报，1993，13(1)：44-49
13．周长发．Vsual C++数字图像编程．电子工业出版社，2000
14．张兆扬．工业电视(上、下册)．科学出版社，1983
15．荆其诚，焦书兰胸柏林，胡维生．色度学．科学出版社，1991
16．周怀春等．火焰温度分布图像处理试验研究．中国电机工程学报，1995，15(5)：295-300
17．周怀春，娄新生，邓元凯．基于辐射图像处理的燃烧三维温度分布检测原理及分析．中国电机工程学报，1997 17(1)：1—4
18．盛锋，周怀春，韩曙东等．基于图像处理及辐射传热逆问题求解的二维温度场重建．中国电机工程学报，1999，19(10)：1-5
19．吴占松．发光火焰的图像处理及其在燃烧检测中的应用．清华大学博士学位论文，1988
20．邹煜等．全灭火保护的探讨．工业仪表与自动化装置，1998，(5)：31-33
21．邹煜等．锅炉全火焰数字图像处理与监测系统开发与研究．热能动力工，1998：13(76)261-63
22．王飞，薛飞等．运用彩色CCD测量火焰温度场的试验研究及误差分析．热能动力工程，1998：13(74)：81-84
23．薛飞．基于辐射图像的火焰温度场测量研究[D]．杭州：浙江大学，1999(5)
24．余岳峰，徐伟勇等．煤粉燃烧火焰着火判据．上海交通大学学报 2000，34(9)：1253—1256
25．徐伟勇，余岳峰，孙江等．数字图像处理技术在锅炉燃烧火焰检测中的应用[J]．中国电力，1994，10：41-44
徐伟勇，余岳峰，张银桥等．采用传像光纤和数字图像处理技术检测燃烧火焰[J]．动力工程，1999 19(1)：45-48
27．许柯夫．数字图像处理技术在电厂锅炉燃烧监测中的应用研究．电力系统自动化，1995，(4)：43—47
28．王帮元，王年，吴先良等．一种基于高斯小波变换的红外热图像域值自动选择方法[J]．安徽大学学报(自然科学版)， 2000，24(2)：31-34
29．胡瑞华等．非接触测温的辐射测温法．大连轻工业学院学报，1997，16(1)：88-89
30．梁丰，袁南儿．多媒体高温炉窑温度分析系统．仪器仪表学报，1998，19(3)
2. Felsk JD, Tien Cl, et al. Calculation of the emissivity of luminous flames[J]. Combustion Science and Technology, 1973,7:25 31.
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7．姜学东，韦穗等．图像处理技术在火焰温度场分布中的应用，微机发展，2002 12(3)：34-37
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12．周怀春，韩才元二煤粉燃烧火焰颜色定量分析试验研究．中国电机工程学报，1993，13(1)：44-49
13．周长发．Vsual C++数字图像编程．电子工业出版社，2000
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15．荆其诚，焦书兰胸柏林，胡维生．色度学．科学出版社，1991
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17．周怀春，娄新生，邓元凯．基于辐射图像处理的燃烧三维温度分布检测原理及分析．中国电机工程学报，1997 17(1)：1—4
18．盛锋，周怀春，韩曙东等．基于图像处理及辐射传热逆问题求解的二维温度场重建．中国电机工程学报，1999，19(10)：1-5
19．吴占松．发光火焰的图像处理及其在燃烧检测中的应用．清华大学博士学位论文，1988
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22．王飞，薛飞等．运用彩色CCD测量火焰温度场的试验研究及误差分析．热能动力工程，1998：13(74)：81-84
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27．许柯夫．数字图像处理技术在电厂锅炉燃烧监测中的应用研究．电力系统自动化，1995，(4)：43—47
28．王帮元，王年，吴先良等．一种基于高斯小波变换的红外热图像域值自动选择方法[J]．安徽大学学报(自然科学版)， 2000，24(2)：31-34
29．胡瑞华等．非接触测温的辐射测温法．大连轻工业学院学报，1997，16(1)：88-89
30．梁丰，袁南儿．多媒体高温炉窑温度分析系统．仪器仪表学报，1998，19(3)