高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置的製作方法

2023-08-06 09:34:01

專利名稱：高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種檢測高溫溫度場、火焰圖像的裝置。
背景技術：
隨著冶金技術的不斷進步，冶金技術中對溫度的測量和控制越來越重要。在當前在一些大中型企業中，主要採用彩色工業攝像機或工業電視監視高溫爐窯火焰圖像，檢測人員根據觀察到的火焰圖像，結合實際經驗判斷高溫爐內的溫度。這種依靠人工觀察、根據經驗判斷的檢測方法，準確性較差。此外，中國專利94111569.0公開了一種「電站鍋爐爐膛燃燒分布檢測方法及其裝置」該方法為在電站鍋爐爐膛火焰電視監視裝置基礎上，在成像光路上放入一種波長的濾色片，以得到單波長下的為焰輻射圖像，攝像機將圖像信號轉變為電信號，通過圖像採集卡進入計算機，同採用高溫熱電偶實測爐內一點的溫度模入計算機，經計算機計算處理，以實時檢測爐內二維火焰溫度場的分布，並在監示器上輸出。但該方法對溫度場的檢測時，一次只能探測一個點的溫度。目前還有採用全輻射高溫計或比色高溫計對高溫爐內的溫度進行檢測，但這種方法一次也只能探測一個點的溫度，在檢測過程中需要移動全輻射高溫計或比色高溫計才能探測不同區域，很不方便。近年來，隨著電子技術的發展，攝像機技術的成熟和普及，有採用紅外熱像儀實現爐溫的溫度分布檢測，但由於紅外熱像儀成本較高，且其最佳的工作譜段是中低溫的測量，而且不適宜在高溫等惡劣環境中工作。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種能同時檢測火焰圖像及高溫溫度場各點點溫度的高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置。
本實用新型總的技術構思是輻射測溫的物理方法基礎是普朗克(Ptanck)熱輻射定律，根據普朗克(Ptanck)熱輻射定律，絕對黑體的光譜輻射亮度L(λ，T)與其波長λ、熱力學溫度T的關係由普朗克定律確定L(,T)=C15[eC2/(T)-1]]]>
式中，λ是物體發出的輻射波長；T是熱力學溫度；C1＝2πc2h——普朗克第一輻射常數，C1＝3.7418×10-16W·m2，C2＝hc/k——普朗克第二輻射常數，C2＝1.438786×10-2m·K(其中，h為普朗克常數，k為玻耳茲曼常數，c為電磁波在真空中的速度)根據普朗克公式製成的絕對黑體在不同溫度下的光譜輻射曲線，每條曲線代表一個固定的溫度，每條曲線均有一個極大值，而且這個極值是隨著溫度升高而向波長短的方向移動；不同溫度下的曲線，其曲線峰值點的波長λm和溫度T均滿足維恩位移定律λmT＝常數即當溫度升高時，絕對黑體輻射能量的光譜分布要發生變化。一方面輻射峰值向波長短的方向移動，另一方面光譜分布曲線的斜率將明顯增加；斜率的增加致使兩個波長對應的光譜能量比發生明顯的變化。根據測量兩個光譜能量比(兩波長下的亮度比)來測量物體溫度的方法稱比色測溫法。
由於任何物體其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量，對於高溫火焰場其能量波長屬於可見光和紅外光的波長區域。在光纖陣列中按規律分出溫度設定點光纖，每個光纖設定點溫度的檢測是通過耦合光纖分光分出兩路光線，兩路光分別使用不同的濾波玻璃進行帶通濾波，並使用紅外矽光電池檢測出兩路光的光強信息，經過調理和A/D轉換，求出兩路波長下的光強比值，最後利用維恩位移定律和標定方法測出溫度場中該點的溫度。其他任一點溫度可以根據已知溫度的點利用插補的方法計算得到。通過軟體將溫度場計算圖實時繪製在電腦屏幕上，加上CCD圖像處理軟體在屏幕上顯示的火焰圖像，就可以在屏幕上同時實現火焰和各點溫度場的顯示。
實現本實用新型目的的技術方案是一種高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置，包括有依次設置的聚光光學元件、光纖陣列、彩色圖像傳感器；上述彩色圖像傳感器通過微機一視頻採集接口與微機連接；其特徵是從所述的光纖陣列按規律分出溫度設定點的光纖，溫度設定點的光纖的輸出端與光纖耦合器的輸入端連接，相對Y形光纖耦合器的兩輸出端分別設有濾波波長不同的第一、第二濾光玻璃，與通過第一、第二濾光玻璃的光訊號一一對應設有紅外線溫度傳感器，各紅外線溫度傳感器的輸出端與溫度信號處理電路的輸入端連接，溫度信號處理電路的輸出端通過微機另一接口與微機連接。
從所述的光纖陣列尾部按「*」形規律分出至少25根溫度設定點光纖。
所述的聚光光學元件是聚焦物鏡所述的彩色圖像傳感器是可調焦距的CCD數字攝像機。
所述的紅外線溫度傳感器為紅外矽光電池，紅外矽光電池的受光面與光纖耦合器的兩輸出端相對。
所述的溫度信號處理電路由電子開關以及分別與各電子開關對應連接的運放器組成；電子開關的各輸入端與對應的矽光電池的輸出端連接，各運放器的輸出端均與微機接口電路的輸入端連接。
本實用新型具有積極的效果由於採用圖像與溫度混合光纖陣列，且微機溫度場視頻處理能及時提供高溫溫度場的圖像，同時對光纖陣列中分離出的設定溫度點光纖通過Y形光纖耦合器分光，採用比色測溫技術，能準確檢測出溫度場中各設定點的溫度，再通過電腦的溫度場插值處理，在提供高溫溫度場的圖像的同時，能準確計算出高溫溫度場其他各點的溫度，本實用新型的工作譜段可以是高、中、低溫度，能適用冶金爐等粉塵較多的惡劣環境。


圖1為本實用新型檢測裝置的結構框圖；圖2為本實用新型檢測裝置的電路原理圖；圖3為圖2中A向視圖；圖4為本實用新型的溫度插值示意圖；圖5為本實用新型的檢測過程的程序框圖。
具體實施方式
見圖1及圖2，本裝置包括有依次設置的隔熱聚光光學元件1、光纖陣列2、彩色圖像傳感器3。上述聚光光學元件1即為一面凸一面平的聚焦物鏡，聚焦物鏡安裝在檢測裝置外殼的最前端，聚焦物鏡通過高溫火場牆壁上的隔熱玻璃11採集高溫溫度場的圖像；上述光纖陣列2採用G.651無保護套裸光纖組成的光纖陣列，光纖陣列2由三萬多根多模裸光纖L2整齊排列成圓形陣列；上述彩色圖像傳感器3是可調焦距的CCD數字攝像機，可使用1/3英寸CCD電腦攝像頭PC2032，攝像頭與光纖陣列L2的輸出相對設置，CCD數字攝像機的輸出端通過微機一視頻採集接口4與微機10連接。從上述光纖陣列2中按「*」形規律分出31根設定溫度點光纖2-1，如圖3所示，圖中圓點代表的是測溫度的光纖，測溫度的光纖與其它傳遞圖像的光纖沒有區別。設定溫度點光纖2-1的輸出端與Y形光纖耦合器5的輸入端連接，相對Y形光纖耦合器5的兩輸出端分別設有濾波波長不同的第一、第二濾光玻璃6-1、6-2，上述第一、第二濾光玻璃6-1、6-2為λ1＝0.8和λ2＝1.0的帶通濾波玻璃片，與通過第一、第二濾光玻璃6-1、6-2的光訊號一一對應設有紅外線溫度傳感器7，紅外線溫度傳感器7為紅外矽光電池，可採用2DR型紅外矽光電池，對應31根定溫度點光纖分出的62光路設有62個紅外矽光電池。各紅外矽光電池的受光面與Y形光纖耦合器中各光纖的輸出端一一相對設置，接受通過濾光玻璃的光訊號。
微機10是使用帶有PCI插槽和USB串行口PIII型機器，微機接口9的插卡選用AMPCI9102型插卡，該插卡接口提供8路12位A/D，4路12位D/A，16路數字輸入DI，16路數字輸出DO，還提供正負5V和正負12V直流電源。溫度陣列信號處理電路8由4個16路選1的電子開關IC1和4個分別與各電子開關IC1對應連接的運放器IC2組成。運放器IC2可使用高精度運放OP07，電子開關IC1可使用16選1集成電路4067。各紅外矽光電池的電壓輸出端分別與對應電子開關IC1的輸入端連接，各電子開關IC1的輸出端與各對應運放器IC2的正輸入端連接，每個電子開關的4個地址編碼端與微機接口9的插卡的16個數字輸出端連接，4個運放器IC2的負輸入端與各運放器本身的輸出端連接，4個運放器IC2的輸出端分別與微機接口9的插卡的4個A/D輸入端連接，插卡插在微機的PCI插槽中。
上述檢測裝置的檢測方法如下見圖1～圖5，高溫溫度場發出的光波經過火場隔熱玻璃11和聚焦物鏡1後由光纖陣列2接受，光纖陣列2一方面把光波信息通過CCD數字攝像機3和視頻採集接口4提供給微機10，利用微機10對火場光波信號進行視頻顯示處理；另一方面光波信息經從光纖陣列2中按「*」形規律分出31根設定溫度點光纖送至Y型光纖耦合器5，Y型光纖耦合器5將每根設定溫度點光纖再分成兩路光，兩路光分別送入濾波波長不同的濾光玻璃中濾波，再由紅外矽光電池將濾波後的光強變為電壓的大小，經過電子開關和由運放器構成的溫度信號處理電路8進行處理後，信號通過微機接口9輸送到微機10，利用軟體得到比色測溫的比值，根據維恩位移定律和通過查標定表格即可得到31個設定溫度點的溫度值。根據所測出31個點的溫度，採用三次樣條函數插補即可計算出任意點的溫度，如已知的兩點溫度值為ti、ti-1，要求出該兩點ti和ti-1之間任一點t(h)的溫度值，使用以下方程t(h)=ti+(ti-1-tihi-1-Mi-1+2Mi6hi-1)h+Mi2h2+Mi-1-Mi6h3hi-1]]>式中，hi-1為ti和ti-1之間的距離，h為ti和ti-1之間的點t(h)與ti之間的距離，Mi-1和Mi分別為t(h)的二階導數在h＝hi-1和h＝0處的導數。利用兩點ti和ti-1處數值和一階導數的連續性，就可以求出ti和ti-1之間任意點溫度的數值，從而可求出溫度場中任意點溫度的數值。
權利要求1.一種高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置，包括有依次設置的聚光光學元件(1)、光纖陣列(2)、彩色圖像傳感器(3)；上述彩色圖像傳感器(3)通過微機一視頻採集接口(4)與微機(10)連接；其特徵在於從所述的光纖陣列(2)按規律分出溫度設定點的光纖，溫度設定點的光纖(2-1)的輸出端與光纖耦合器(5)的輸入端連接，相對Y形光纖耦合器(5)的兩輸出端分別設有濾波波長不同的第一、第二濾光玻璃(6-1、6-2)，與通過第一、第二濾光玻璃(6-1、6-2)的光訊號一一對應設有紅外線溫度傳感器(7)，紅外線溫度傳感器(7)的輸出端與溫度信號處理電路(8)的輸入端連接，溫度信號處理電路(8)的輸出端通過微機另一接口(9)與微機(10)連接。
2.根據權利要求1所述的高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置，其特徵在於從所述的光纖陣列(2)尾部按「*」形規律分出至少25根溫度設定點光纖。
3.根據權利要求1所述的高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置，其特徵在於所述的聚光光學元件是聚焦物鏡(1)所述的彩色圖像傳感器(3)是可調焦距的CCD數字攝像機。
4.根據權利要求1所述的高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置，其特徵在於所述的紅外線溫度傳感器(7)為紅外矽光電池，紅外矽光電池的受光面與光纖耦合器(5)的兩輸出端相對。
5.根據權利要求1所述的高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置，其特徵在於所述的溫度信號處理電路(8)由電子開關(IC1)以及分別與各電子開關(IC1)對應連接的運放器(IC2)組成；電子開關(IC1)的各輸入端與對應的矽光電池的輸出端連接，各運放器(IC2)的輸出端均與微機接口電路(9)的輸入端連接。
專利摘要本實用新型公開了一種高溫溫度場、火焰圖像的檢測裝置，通過採用混合圖像接收光纖陣列和電腦溫度場視頻處理能及時提供高溫溫度場的圖像，同時對混合圖像接收光纖陣列中按規律分離出的溫度光纖通過Y形光纖耦合器分光，採用比色測溫技術，能準確檢測出溫度場中各設定點的溫度，再通過電腦的溫度場插值處理，在提供高溫溫度場的圖像的同時，還能準確計算出高溫溫度場其他各點的溫度，而且適用範圍廣，能適用冶金爐等粉塵較多的惡劣環境。
文檔編號G01J5/10GK2935106SQ20062011579
公開日2007年8月15日 申請日期2006年6月8日 優先權日2006年6月8日
發明者楊龍興 申請人:江蘇技術師範學院