專利名稱：高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種檢測(cè)高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的裝置。
背景技術(shù)：
隨著冶金技術(shù)的不斷進(jìn)步，冶金技術(shù)中對(duì)溫度的測(cè)量和控制越來越重要。在當(dāng)前在一些大中型企業(yè)中，主要采用彩色工業(yè)攝像機(jī)或工業(yè)電視監(jiān)視高溫爐窯火焰圖像，檢測(cè)人員根據(jù)觀察到的火焰圖像，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷高溫爐內(nèi)的溫度。這種依靠人工觀察、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷的檢測(cè)方法，準(zhǔn)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(cè)方法及其裝置”該方法為在電站鍋爐爐膛火焰電視監(jiān)視裝置基礎(chǔ)上，在成像光路上放入一種波長(zhǎng)的濾色片，以得到單波長(zhǎng)下的為焰輻射圖像，攝像機(jī)將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過圖像采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，同采用高溫?zé)犭娕紝?shí)測(cè)爐內(nèi)一點(diǎn)的溫度模入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，以實(shí)時(shí)檢測(cè)爐內(nèi)二維火焰溫度場(chǎng)的分布，并在監(jiān)示器上輸出。但該方法對(duì)溫度場(chǎng)的檢測(cè)時(shí)，一次只能探測(cè)一個(gè)點(diǎn)的溫度。目前還有采用全輻射高溫計(jì)或比色高溫計(jì)對(duì)高溫爐內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，但這種方法一次也只能探測(cè)一個(gè)點(diǎn)的溫度，在檢測(cè)過程中需要移動(dòng)全輻射高溫計(jì)或比色高溫計(jì)才能探測(cè)不同區(qū)域，很不方便。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，攝像機(jī)技術(shù)的成熟和普及，有采用紅外熱像儀實(shí)現(xiàn)爐溫的溫度分布檢測(cè)，但由于紅外熱像儀成本較高，且其最佳的工作譜段是中低溫的測(cè)量，而且不適宜在高溫等惡劣環(huán)境中工作。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種能同時(shí)檢測(cè)火焰圖像及高溫溫度場(chǎng)各點(diǎn)點(diǎn)溫度的高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置。
本實(shí)用新型總的技術(shù)構(gòu)思是輻射測(cè)溫的物理方法基礎(chǔ)是普朗克(Ptanck)熱輻射定律，根據(jù)普朗克(Ptanck)熱輻射定律，絕對(duì)黑體的光譜輻射亮度L(λ，T)與其波長(zhǎng)λ、熱力學(xué)溫度T的關(guān)系由普朗克定律確定L(λ,T)=C1λ5π[eC2/(λT)-1]]]>
式中，λ是物體發(fā)出的輻射波長(zhǎng)；T是熱力學(xué)溫度；C1＝2πc2h——普朗克第一輻射常數(shù)，C1＝3.7418×10-16W·m2，C2＝hc/k——普朗克第二輻射常數(shù)，C2＝1.438786×10-2m·K(其中，h為普朗克常數(shù)，k為玻耳茲曼常數(shù)，c為電磁波在真空中的速度)根據(jù)普朗克公式制成的絕對(duì)黑體在不同溫度下的光譜輻射曲線，每條曲線代表一個(gè)固定的溫度，每條曲線均有一個(gè)極大值，而且這個(gè)極值是隨著溫度升高而向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)；不同溫度下的曲線，其曲線峰值點(diǎn)的波長(zhǎng)λm和溫度T均滿足維恩位移定律λmT＝常數(shù)即當(dāng)溫度升高時(shí)，絕對(duì)黑體輻射能量的光譜分布要發(fā)生變化。一方面輻射峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)，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(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光譜能量比發(fā)生明顯的變化。根據(jù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)光譜能量比(兩波長(zhǎng)下的亮度比)來測(cè)量物體溫度的方法稱比色測(cè)溫法。
由于任何物體其溫度超過絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量，對(duì)于高溫火焰場(chǎng)其能量波長(zhǎng)屬于可見光和紅外光的波長(zhǎng)區(qū)域。在光纖陣列中按規(guī)律分出溫度設(shè)定點(diǎn)光纖，每個(gè)光纖設(shè)定點(diǎn)溫度的檢測(cè)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(jìn)行帶通濾波，并使用紅外硅光電池檢測(cè)出兩路光的光強(qiáng)信息，經(jīng)過調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，求出兩路波長(zhǎng)下的光強(qiáng)比值，最后利用維恩位移定律和標(biāo)定方法測(cè)出溫度場(chǎng)中該點(diǎn)的溫度。其他任一點(diǎn)溫度可以根據(jù)已知溫度的點(diǎn)利用插補(bǔ)的方法計(jì)算得到。通過軟件將溫度場(chǎng)計(jì)算圖實(shí)時(shí)繪制在電腦屏幕上，加上CCD圖像處理軟件在屏幕上顯示的火焰圖像，就可以在屏幕上同時(shí)實(shí)現(xiàn)火焰和各點(diǎn)溫度場(chǎng)的顯示。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是一種高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置，包括有依次設(shè)置的聚光光學(xué)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(jī)一視頻采集接口與微機(jī)連接；其特征是從所述的光纖陣列按規(guī)律分出溫度設(shè)定點(diǎn)的光纖，溫度設(shè)定點(diǎn)的光纖的輸出端與光纖耦合器的輸入端連接，相對(duì)Y形光纖耦合器的兩輸出端分別設(shè)有濾波波長(zhǎng)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(hào)一一對(duì)應(yīng)設(shè)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(hào)處理電路的輸入端連接，溫度信號(hào)處理電路的輸出端通過微機(jī)另一接口與微機(jī)連接。
從所述的光纖陣列尾部按“*”形規(guī)律分出至少25根溫度設(shè)定點(diǎn)光纖。
所述的聚光光學(xué)元件是聚焦物鏡所述的彩色圖像傳感器是可調(diào)焦距的CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
所述的紅外線溫度傳感器為紅外硅光電池，紅外硅光電池的受光面與光纖耦合器的兩輸出端相對(duì)。
所述的溫度信號(hào)處理電路由電子開關(guān)以及分別與各電子開關(guān)對(duì)應(yīng)連接的運(yùn)放器組成；電子開關(guān)的各輸入端與對(duì)應(yīng)的硅光電池的輸出端連接，各運(yùn)放器的輸出端均與微機(jī)接口電路的輸入端連接。
本實(shí)用新型具有積極的效果由于采用圖像與溫度混合光纖陣列，且微機(jī)溫度場(chǎng)視頻處理能及時(shí)提供高溫溫度場(chǎng)的圖像，同時(shí)對(duì)光纖陣列中分離出的設(shè)定溫度點(diǎn)光纖通過Y形光纖耦合器分光，采用比色測(cè)溫技術(shù)，能準(zhǔn)確檢測(cè)出溫度場(chǎng)中各設(shè)定點(diǎn)的溫度，再通過電腦的溫度場(chǎng)插值處理，在提供高溫溫度場(chǎng)的圖像的同時(shí)，能準(zhǔn)確計(jì)算出高溫溫度場(chǎng)其他各點(diǎn)的溫度，本實(shí)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(huán)境。


圖1為本實(shí)用新型檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型檢測(cè)裝置的電路原理圖；圖3為圖2中A向視圖；圖4為本實(shí)用新型的溫度插值示意圖；圖5為本實(shí)用新型的檢測(cè)過程的程序框圖。
具體實(shí)施方式
見圖1及圖2，本裝置包括有依次設(shè)置的隔熱聚光光學(xué)元件1、光纖陣列2、彩色圖像傳感器3。上述聚光光學(xué)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(cè)裝置外殼的最前端，聚焦物鏡通過高溫火場(chǎng)墻壁上的隔熱玻璃11采集高溫溫度場(chǎng)的圖像；上述光纖陣列2采用G.651無保護(hù)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(diào)焦距的CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，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(duì)設(shè)置，CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的輸出端通過微機(jī)一視頻采集接口4與微機(jī)10連接。從上述光纖陣列2中按“*”形規(guī)律分出31根設(shè)定溫度點(diǎn)光纖2-1，如圖3所示，圖中圓點(diǎn)代表的是測(cè)溫度的光纖，測(cè)溫度的光纖與其它傳遞圖像的光纖沒有區(qū)別。設(shè)定溫度點(diǎn)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(duì)Y形光纖耦合器5的兩輸出端分別設(shè)有濾波波長(zhǎng)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(hào)一一對(duì)應(yīng)設(shè)有紅外線溫度傳感器7，紅外線溫度傳感器7為紅外硅光電池，可采用2DR型紅外硅光電池，對(duì)應(yīng)31根定溫度點(diǎn)光纖分出的62光路設(shè)有62個(gè)紅外硅光電池。各紅外硅光電池的受光面與Y形光纖耦合器中各光纖的輸出端一一相對(duì)設(shè)置，接受通過濾光玻璃的光訊號(hào)。
微機(jī)10是使用帶有PCI插槽和USB串行口PIII型機(jī)器，微機(jī)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(shù)字輸入DI，16路數(shù)字輸出DO，還提供正負(fù)5V和正負(fù)12V直流電源。溫度陣列信號(hào)處理電路8由4個(gè)16路選1的電子開關(guān)IC1和4個(gè)分別與各電子開關(guān)IC1對(duì)應(yīng)連接的運(yùn)放器IC2組成。運(yùn)放器IC2可使用高精度運(yùn)放OP07，電子開關(guān)IC1可使用16選1集成電路4067。各紅外硅光電池的電壓輸出端分別與對(duì)應(yīng)電子開關(guān)IC1的輸入端連接，各電子開關(guān)IC1的輸出端與各對(duì)應(yīng)運(yùn)放器IC2的正輸入端連接，每個(gè)電子開關(guān)的4個(gè)地址編碼端與微機(jī)接口9的插卡的16個(gè)數(shù)字輸出端連接，4個(gè)運(yùn)放器IC2的負(fù)輸入端與各運(yùn)放器本身的輸出端連接，4個(gè)運(yùn)放器IC2的輸出端分別與微機(jī)接口9的插卡的4個(gè)A/D輸入端連接，插卡插在微機(jī)的PCI插槽中。
上述檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法如下見圖1～圖5，高溫溫度場(chǎng)發(fā)出的光波經(jīng)過火場(chǎng)隔熱玻璃11和聚焦物鏡1后由光纖陣列2接受，光纖陣列2一方面把光波信息通過CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)3和視頻采集接口4提供給微機(jī)10，利用微機(jī)10對(duì)火場(chǎng)光波信號(hào)進(jìn)行視頻顯示處理；另一方面光波信息經(jīng)從光纖陣列2中按“*”形規(guī)律分出31根設(shè)定溫度點(diǎn)光纖送至Y型光纖耦合器5，Y型光纖耦合器5將每根設(shè)定溫度點(diǎn)光纖再分成兩路光，兩路光分別送入濾波波長(zhǎng)不同的濾光玻璃中濾波，再由紅外硅光電池將濾波后的光強(qiáng)變?yōu)殡妷旱拇笮。?jīng)過電子開關(guān)和由運(yùn)放器構(gòu)成的溫度信號(hào)處理電路8進(jìn)行處理后，信號(hào)通過微機(jī)接口9輸送到微機(jī)10，利用軟件得到比色測(cè)溫的比值，根據(jù)維恩位移定律和通過查標(biāo)定表格即可得到31個(gè)設(shè)定溫度點(diǎn)的溫度值。根據(jù)所測(cè)出31個(gè)點(diǎn)的溫度，采用三次樣條函數(shù)插補(bǔ)即可計(jì)算出任意點(diǎn)的溫度，如已知的兩點(diǎn)溫度值為ti、ti-1，要求出該兩點(diǎn)ti和ti-1之間任一點(diǎn)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(diǎn)t(h)與ti之間的距離，Mi-1和Mi分別為t(h)的二階導(dǎo)數(shù)在h＝hi-1和h＝0處的導(dǎo)數(shù)。利用兩點(diǎn)ti和ti-1處數(shù)值和一階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性，就可以求出ti和ti-1之間任意點(diǎn)溫度的數(shù)值，從而可求出溫度場(chǎng)中任意點(diǎn)溫度的數(shù)值。
權(quán)利要求1.一種高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置，包括有依次設(shè)置的聚光光學(xué)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(jī)一視頻采集接口(4)與微機(jī)(10)連接；其特征在于從所述的光纖陣列(2)按規(guī)律分出溫度設(shè)定點(diǎn)的光纖，溫度設(shè)定點(diǎn)的光纖(2-1)的輸出端與光纖耦合器(5)的輸入端連接，相對(duì)Y形光纖耦合器(5)的兩輸出端分別設(shè)有濾波波長(zhǎng)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(hào)一一對(duì)應(yīng)設(shè)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(hào)處理電路(8)的輸入端連接，溫度信號(hào)處理電路(8)的輸出端通過微機(jī)另一接口(9)與微機(jī)(10)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置，其特征在于從所述的光纖陣列(2)尾部按“*”形規(guī)律分出至少25根溫度設(shè)定點(diǎn)光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置，其特征在于所述的聚光光學(xué)元件是聚焦物鏡(1)所述的彩色圖像傳感器(3)是可調(diào)焦距的CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置，其特征在于所述的紅外線溫度傳感器(7)為紅外硅光電池，紅外硅光電池的受光面與光纖耦合器(5)的兩輸出端相對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置，其特征在于所述的溫度信號(hào)處理電路(8)由電子開關(guān)(IC1)以及分別與各電子開關(guān)(IC1)對(duì)應(yīng)連接的運(yùn)放器(IC2)組成；電子開關(guān)(IC1)的各輸入端與對(duì)應(yīng)的硅光電池的輸出端連接，各運(yùn)放器(IC2)的輸出端均與微機(jī)接口電路(9)的輸入端連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高溫溫度場(chǎng)、火焰圖像的檢測(cè)裝置，通過采用混合圖像接收光纖陣列和電腦溫度場(chǎng)視頻處理能及時(shí)提供高溫溫度場(chǎng)的圖像，同時(shí)對(duì)混合圖像接收光纖陣列中按規(guī)律分離出的溫度光纖通過Y形光纖耦合器分光，采用比色測(cè)溫技術(shù)，能準(zhǔn)確檢測(cè)出溫度場(chǎng)中各設(shè)定點(diǎn)的溫度，再通過電腦的溫度場(chǎng)插值處理，在提供高溫溫度場(chǎng)的圖像的同時(shí)，還能準(zhǔn)確計(jì)算出高溫溫度場(chǎng)其他各點(diǎn)的溫度，而且適用范圍廣，能適用冶金爐等粉塵較多的惡劣環(huán)境。
文檔編號(hào)G01J5/10GK2935106SQ20062011579
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者楊龍興 申請(qǐng)人:江蘇技術(shù)師范學(xué)院