高速摄像技术在煤粉燃烧工作状态监控中的应用研究

针对高炉喷煤风口监控手段落后和回旋区耦合传热计算误差大、实时性差等问题，本文以高速摄像机作为测试工具，研究了喷煤高炉风口回旋区煤粉燃烧状态。用图像处理和三基色辐射测温法计算回旋区煤粉燃烧的温度变化和相对亮度变化，监控喷吹到高炉的煤粉粒子燃烧工况。并针对高速摄像机CCD传感器在高温测试过程中由于辐射强度过大易出现输出过饱和电流，导致“图像发白”问题，提出了摄像机快门控制模型，以提高摄像机测温动态范围，实现了风口回旋区温度和燃烧脉动的动态测量。通过现场应用表明，该方法为高炉喷煤提供了有力的测试手段和信息来源，快门控制模型提高了温度测量区间。     

基于彩色CCD的火焰温度检测算法研究

本文分析了彩色CCD摄像机测量机理,建立了由火焰图像求取燃烧温度场的数学模型,推导和分析了相应的三色温度测量模型,论述了图像噪声的滤除方法,分析了目前较先进的BP神经网络测温误差大的原因,并提出一种新的基于比值输入的BP神经网络法来计算温度。实验证明,该算法具有较高的计算精度和实用性。     

忽扩燃烧室回流区截面二维温度场数值化研究

采用机器视觉和非接触辐射测温理论和技术，建立了忽扩燃烧室回流区断面图像的二基色信息与温度的关系模型，实现了回流区火焰断面坐标的温度值在线测量，并绘制了断面二维平面投影的温度场等高线。煤气燃烧实验结果表明，这种测温技术是可行的，它实现了忽扩燃烧室燃烧状况的在线监测与诊断，为分析预测燃烧过程、改进燃烧器和确保工况安全稳定运行提供了有效的监控调节手段。     

颗粒浓度和光学厚度对火焰温度场重建的影响

利用彩色CCD摄像机重建火焰三维温度场分布是一项具有广泛应用前景的研究课题。目前,此项研究的重点集中于在假设燃烧中颗粒的浓度已知的条件下,求取温度的分布。但是,这样的模型没有考虑到火焰中颗粒的浓度（对应于光学厚度）对测量带来的影响。基于CCD摄像机得到的辐射能图像,本文利用三维吸收、发射和各向异性散射介质温度场重建的模型,根据燃煤锅炉数值计算结果,主要考察了颗粒浓度和光学厚度对温度场重建的影响。采用最小二乘QR分解（LSQR）对重建方程进行了求解,较好的克服了重建问题的病态性对结果的影响。结果表明,在一定的颗粒浓度范围内,随着颗粒浓度和光学厚度的增大,重建误差呈现了开始稍微减小然后又增大的趋势,重建温度场总体上能够较好的再现假设温度场的特征。     

CCD图像灰度与照度的转换标定方法

本文提出了一种基于CCD摄像机利用图像灰度获得实际照度的新方法,该方法适用于摄像机的任意曝光和增益参数,且考虑了摄像机安装位置和角度对测量的影响。CCD摄像机照度测量法的实际应用主要涉及两个过程:一是标定过程,即应用CCD摄像机进行照度测量前,标定CCD图像灰度与照度之间的转换参数和转换模型;二是照度测量过程,即通过CCD摄像机拍摄图像,将图像灰度代入已定的转换模型,获得测量对象的照度值。其中,灰度与照度转换模型的标定是利用CCD摄像机实现照度测量的基础和关键,文中主要讨论了该模型的推导过程以及标定方法。具体为:首先通过理论推导获得图像灰度与CCD传感器感应的相对辐照度的关系,然后借助以均匀光源搭建的实验系统标定CCD传感器相对辐照度与物面实际照度之间的关系,进而获得图像灰度与物面实际照度的转换关系。在转换过程中讨论了曝光时间、增益以及CCD相机与照度测量点之间的距离和角度对转换模型的影响,为CCD摄像机照度测量法的实际应用奠定了基础。实验结果表明本测量及标定方法适用于摄像机任意曝光和增益条件,经过本方法标定后,应用CCD摄像机进行照度测量,测量结果的相对误差在4.5%以内。     

基于数字图像处理的二维温度场测量

研究了CCD摄像机进行二维温度场测量问题。分析了彩色CCD摄像机测量机理,推导和分析了相应的三色温度测量模型。由于测量模型的复杂性和非线性,因此利用BP神经网络在函数逼近方面的特性,提出了一种用BP神经网络计算二维温度场方法。试验表明这种方法是可行的、并有较高测量精度,具有工业应用前景。     

光强与图像信息在转炉炼钢终点判断中的应用

介绍一种新型、基于炉口光强及火焰图像信息且能够适应炼钢现场恶劣环境的终点在线测量控制方法及测试系统,以实现炼钢在线终点控制.该方法在线实时检测炼钢转炉炉口辐射光的光强及火焰图像,并据此对炼钢终点进行判断.实验结果显示炉口光强及图像在冶炼终点存在显著变化规律,进而所获得的炉口光强及火焰图像信息可用于转炉炼钢在线终点控制.     

采用外触发方式实现CCD摄像机的全自动调光控制

针对传统的CCD摄像系统自动调光方法在工程使用中存在的不足,提出一种新型的CCD摄像系统的全自动调光方法。它采用外触发电子快门和可变光阑相组合进行调光,外触发电子快门调光为主,可变光阑调光为辅。采用外触发方式实现CCD摄像机的电子快门时间调节,由单片机控制电机调节可变光阑的通光口径,以使像面照度适中。反馈控制量由图像目标区域的均值电平获得,从而实现最佳全自动调光。简要叙述了新型调光系统的组成和工作原理。Matlab仿真结果表明,与传统调光方法相比,新型调光方法调光拍摄的图像对应的直方图分布更宽广且更均匀,功率谱幅值也更高,达到7.5dB以上。其图像更清晰,对比度更高,目标层次对比也更加明显,满足现代CCD摄像系统的最佳全自动调光要求。     

图像测温法用于转炉炼钢终点控制

目前转炉炼钢中常用插入式热电偶测定钢水温度,再结合人工经验判断来控制炼钢终点.这种方法成本高且效率低.为了在线动态地实现转炉炼钢的终点控制,设计新的非接触式测温系统.该系统基于连续采集到的转炉炉口火焰图像,利用已建立的彩色CCD三色测温模型演算出火焰温度,得到吹炼过程中的温度变化曲线.实验表明,该方法为转炉炼钢的终点控制提供了相对便捷的判定方法.     

基于同步共轴结构的辐射层析测温仪设计

光学辐射测温技术因时空分辨率高、测温范围宽等优势在燃烧场温度时空演化特性表征领域具有重要应用价值。固体火箭发动机燃烧室内可测试空间受限,基于多视线投影的三维温度场重构方法因光线遮挡而失效。针对该问题,在傅里叶光学理论基础上,建立了燃烧断面与像靶平面之间的物像空间映射关系模型,设计加工了光机电一体化的动态辐射层析测温仪,实现了多个像探测器共光轴且能够同步聚焦于不同空间位置的燃烧断面。试验结果表明,通过对某型号开窗燃烧室内固体推进剂药条燃烧辐射采样数据的卷积与反卷积处理,堆栈的燃烧断面在沿着仪器光轴方向上能够相互分离,在光电信号关系标定基础上利用普朗克辐射定律对已分离的燃烧断面温度分布进行测量过程中,测温的相对误差小于8%。该仪器能够在单向投影光路上以层析方式实现对动态三维燃烧温度场的解析。     

方箱炉旋流燃烧技术研究与应用

旋流燃烧可以提高火焰速度,从而强化传热、提高燃烧效率,采用多个同旋向喷嘴形成旋流燃烧器,或者通过喷口不同方向的倾斜排列形成两排燃烧器,可以实现很好的方箱炉旋流速度场。通过冷态流场数值模拟和试验分析,验证了旋流燃烧能加强炉子流场的均匀性,热态试验和工业应用结果表明,炉膛下部燃烧和传热得到强化,烟气出口烟温下降,方箱炉热效率显著提高。     

COMPARISON AND ANALYSIS OF THREE DIFFERENT NON－CONTACTING FLAME TEMPERATURE FIELD MEASUREMENTS

A much better substitutional means is discussed to calculate the flame temperature field with the application of digital image processing technology. Three non-contacting temperature measurements are used and compared. Such as the traditional two-color temperature measurement,the CCD filtering two-color temperature measurement and the monochromatic temperature measurement. It is indicated that the CCD two-color temperature measurement is not a fully correct means because of its poor theoretical basis. The monochromatic temperature measurement acquires a relatively ideal temperature field distribution in spite of needing a reference temperature. It should be noted that the Abel transformation applied in the plasma diagnosis is for the first time introduced to solve the problem of three-dimensional flame brightness piling.     

基于图像卷积变分自编码的电站锅炉 燃烧稳定性评价方法

为实现基于电站锅炉火焰图像的燃烧稳定性定量表征,并克服不稳定燃烧样本不足的训练难题,提出一种基于卷积变分自编码模型的燃烧稳定性实时、定量表征方法。首先使用稳定燃烧工况下的火焰图像进行模型训练,利用卷积变分自编码器得到稳定燃烧图像的高维潜在概率分布。记录该模型对应的隐变量分布特征,计算该分布与标准正态分布之间的KL散度值,利用该KL散度实现燃烧稳定性的定量表征。在仿真验证中,通过对比说明引入变分推断理论可提高模型对于燃烧图像的重构质量,图片重构前后均方根误差为0.005 48;通过磨煤机给煤量调整实验,人为制造不同稳定度的燃烧器燃烧工况,验证了该评价方法的准确性和有效性,评价准确率高达92.1%;通过与煤火检评价结果的比较,表明该方法具备煤火检系统对于火焰的定量判断功能,且感知能力更加灵敏,能在燃烧器灭火前167 s给出燃烧不稳定的预警,具有一定的工程应用价值。     

基于图像分类的工业燃油炉燃烧状况的诊断方法研究

本文在分析了影响工业燃油炉燃烧效率因素的基础上 ,提出了一种基于火焰彩色图像像素分类的表征燃烧状况的指标评价函数。结论表明 ,该方法不但能够得到与目视判别一致的结果 ,而且可方便地应用于燃烧的自动控制     

声学法炉内温度场与速度场协同测量方法研究

实时监测炉内燃烧温度场和烟气速度场是保证锅炉安全、经济运行的重要手段,声学法测物理场被认为是一种非侵入性和有效的测量方法。本文提出了一种基于声波法的炉内温度场和烟气速度场的协同测量新方法,建立了基于径向基函数的多物理场重建模型,采用Tikhonov正则化算法求解不适定问题,同时考虑了声波的折射效应对物理场的重建影响。采用典型的炉内物理场模型进行了数值模拟,模拟结果表明,本文方法能够很好的协同重建温度场和速度场。当考虑声线弯曲时能够显著提高各物理场的重建质量。算法具有较好的适应性和良好的抗噪性能,重建精度较高,标准均方根误差在10%以下。模拟实验平均计算时间为31.4 s,可保证炉内声学测量的实时性。声学法协同测量多物理场可为优化炉膛燃烧过程提供依据。     

铸坯表面温度场测量仪的研究

基于面阵CCD(charge coupled device)的测温系统可以有效克服氧化皮对铸坯表面温度测量的干扰,近年来成为高温测量领域研究的热点。但CCD的非线性关系导致动态测温范围窄、低温段测量精度低。基于窄带带通滤光片建立了单光谱辐射CCD测温模型,据此研制了由滤光片、CCD、CCD信号处理器及DSP构成的铸坯表面温度场测量仪。通过一点标定和自适应调整光积分时间,扩展了CCD测温范围,同时改善了低温段的测量精度,使各温度段测量结果趋于等精度分布;采用4级流水线机制及DSP、工控机(industrial personal computer,IPC)2级数据处理结构,提高了系统的实时性;该仪器还具有暗电流补偿和以太网传输功能。通过黑体炉标定和现场测量,结果表明研制的测温仪满足铸坯表面温度场测量要求。     

空气分级炉膛煤粉燃烬模型及实炉试验对比

传统的炉膛分区段传热设计模型忽略了煤粉燃烬计算，适用于非空气分级燃烧。随着空气分级低NOx燃烧技术的普遍应用，在炉膛分区段传热计算中引入煤粉燃烧模型以确定沿炉膛高度燃烬分布，对于提高炉膛上部屏式或辐射受热面蒸汽温度设计准确性有较为重要的意义。建立了改进型分区段传热计算和煤粉燃烧相耦合的空气分级炉膛燃烬和传热模型，对一台空气分级低NOx燃烧锅炉进行了全负荷工况试验，采用该模型对试验工况进行燃烬和传热模拟，得到空气分级锅炉炉膛煤粉燃烧过程的物理图景以及煤粉沿炉膛高度燃尽分布，并研究了燃烧模式和表面反应动力学参数等对燃烬度分布的影响。结果表明，炉膛出口煤粉颗粒燃烬度数值解与大部分测试数据吻合较好，煤粉颗粒燃烧后期灰分引起热退火抑制效应以及炉内局部烟气含氧量分布不均匀是引起模型误差的主要因素，所建立的燃烧和传热耦合模型与传统的炉膛分区段传热模型计算量相当，适合工程应用。     

基于面阵CCD图像的温度场测量研究

推导出具有实物面的高温辐射体温度和CCD像素点亮度之间的关系。结合比色测温法，给出一种基于彩色CCD图像的温度场测量方法。用一套经黑体炉标定过的测温系统，分别在黑体炉和普通煤炉上进行测温试验，取得较好结果。通过比较计算温度值和热电偶测量值，分析了本测温方法的误差来源。     

基于彩色CCD的高温场辐射测温方法

针对基于彩色CCD的高温场辐射测温问题,提出利用红、绿基色值进行比色测温来获取单一光圈快门组合内的最大测温范围,并进一步利用变换光圈快门组合来使得测温范围能够覆盖高温生产的常用温度范围;通过标定减少CCD光谱响应带宽和被测对象光谱发射率对测温精度的影响,提高测温精度.在此基础上,开发了CCD高温场测量仪.计量校准结果表明,测温仪具有较高的测温精度和实用性,能够满足常见高温生产过程对于温度测量的应用要求.