高爐火焰溫度火焰溫度測(cè)量之比色測(cè)溫原理

比色測(cè)溫法具有測(cè)量精度高、受外界干擾小等優(yōu)點(diǎn)， 所以采用比色測(cè)溫法使測(cè)量結(jié)果更能接近被測(cè)物體的真實(shí)溫度。

1 輻射測(cè)溫原理

能夠全部吸收入射能量的物體稱為黑體?？v坐標(biāo)表示黑體在某一熱力學(xué)溫度T、某一波長(zhǎng)鄰近的單位波長(zhǎng)間隔中熱輻射的強(qiáng)弱，稱為黑體光譜輻射亮度。

2 圖像采集模塊

（1）TCD1206SUP 結(jié)構(gòu)原理

TCD1206SUP 是日本某公司生產(chǎn)的線陣CCD傳感器。內(nèi)部包含2160 像元的光敏二極管，采樣保持電路和輸出放大電路， 封裝形式為22 腳DIP 封裝。此傳感器的積分時(shí)間調(diào)整功能可以通過(guò)增長(zhǎng)/縮短光積分時(shí)間的方式使輸出信號(hào)達(dá)到所希望的幅度， 這項(xiàng)功能對(duì)于CCD 的應(yīng)用是非常重要的。中間一列光敏陣列的作用是接收外部的光

信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷信號(hào)。

（2） 驅(qū)動(dòng)電路

為了能使TCD1206SUP 正常工作，需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生特定的脈沖。為滿足傳感器的工作要求，選擇CPLD。CPLD 是一種復(fù)雜可編程邏輯器件，其主要是由可編程邏輯宏單元(MC，Macro Cell)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O 單元互連結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶的需要生成規(guī)定的電路結(jié)構(gòu)，完成特定的一些功能。

但是由于CPLD 內(nèi)部是用固定長(zhǎng)度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連的， 所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性， 避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。

3 圖像處理模塊

圖像處理部分采用由NiosII CPU 和一系列外設(shè)組成的NiosII 處理系統(tǒng)。CycloneII 系列FPGA 支持Altera 公司的NiosII 嵌入式軟核處理器。NiosII具有靈活的可配置特性， 而且可以非常容易的實(shí)現(xiàn)各種外設(shè)的擴(kuò)展。

由于NiosII 所接外接設(shè)備的接口中沒(méi)有視頻解碼芯片ADV7180 和Realtek8139C/D 網(wǎng)卡接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部A/D 數(shù)據(jù)采集電路的控制接口邏輯，由于其邏輯功能不是很復(fù)雜，因此可采用自定義的方式。視頻采集模塊的功能設(shè)計(jì)可分為數(shù)據(jù)采集控制邏輯、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)處理邏輯三部分。

其中，AVALON 總線主要是用于連接片內(nèi)處理器與外設(shè)，以構(gòu)成可編程單芯片系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集控制邏輯產(chǎn)生A/D 轉(zhuǎn)換需要的控制信號(hào)，數(shù)據(jù)接口提供一個(gè)外部A/D 采集的數(shù)據(jù)流向AVALON 總線的數(shù)據(jù)通道，主要是完成速度匹配，接口時(shí)序轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理單元主要是提供一些附加功能。相對(duì)于AVALON 總線信號(hào)來(lái)說(shuō)，A/D 采樣的速率非常低，因此本系統(tǒng)采用兩個(gè)DMA 完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸，一個(gè)用于高速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于高速讀取數(shù)據(jù)。同時(shí)，加入pipeline bridge 模塊，提高整個(gè)處理器的最高頻率 。

主要包括圖像采集模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊和LCD 顯示模塊。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是：CCD 攝像機(jī)對(duì)爐膛火焰進(jìn)行多點(diǎn)拍攝， 圖像經(jīng)過(guò)視頻分割器合成一路模擬信號(hào)后， 由圖像采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換， 得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理后，將得出的溫度信息顯示在LCD顯示屏上，PC 端監(jiān)控系統(tǒng)用于空間坐標(biāo)定位。實(shí)現(xiàn)火焰溫度的多點(diǎn)檢測(cè)，提高測(cè)量精度。

在采集圖像的同時(shí)，用熱電偶測(cè)量爐膛內(nèi)火焰的溫度，得出多組數(shù)據(jù)的平均值和CCD比色測(cè)溫法得出的測(cè)量結(jié)果對(duì)比， 即可驗(yàn)證此方法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。光信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減片和濾光片后，即可以得到更加清晰的圖片 。

對(duì)高爐火焰溫度傳統(tǒng)的測(cè)溫方法大多數(shù)是接觸式測(cè)溫法。這種方法由于在測(cè)量溫度時(shí)要與被測(cè)物體接觸，不僅操作不便，而且還會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大誤差。采用的是一種非接觸式測(cè)溫方法，不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，并且具有易于操作、測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

此設(shè)計(jì)的目的是在提高測(cè)溫精度的同時(shí)提高整個(gè)系統(tǒng)便攜性。因此，選用Nios II 芯片作為主控芯片，同時(shí)利用其多內(nèi)核系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)處理的性能，使系統(tǒng)更加小型化、快速化、集成化。選用MV-20S 作為圖像采集單元，同時(shí)采用專用視頻解碼芯片ADV7180 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。為了使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，下面對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行了分析和處理。

通過(guò)CCD 攝像機(jī)連續(xù)拍攝蠟燭的火焰燃燒圖像， 火焰的溫度場(chǎng)經(jīng)過(guò)圖像采集卡處理后變?yōu)閳D像的數(shù)字信息，然后利用測(cè)溫軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在LCD 上顯示出溫度值。

以蠟燭火焰為測(cè)量對(duì)象， 采用WZPK-136/WZPK2-136 型號(hào)的熱電偶溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。并利用其定位測(cè)溫點(diǎn)坐標(biāo)。

測(cè)量坐標(biāo)分別定位為（260，240），（280，260），（300，320），（340，320），（350，300），（360，380）。6 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)坐標(biāo)分別用1，2，3，4，5，6 表示， 分別將熱電偶和CCD 測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)得的溫度值作為縱坐標(biāo)值，可以看出，設(shè)計(jì)的便攜式非接觸式測(cè)溫方法有著很高的測(cè)量精度，其最大的測(cè)量誤差為10 ℃。

提出了一種基于CCD 的爐膛火焰測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)采用Altera 公司的Cyclone-LC20 開發(fā)板，借助外接模塊，完成圖像數(shù)據(jù)的處理以及測(cè)量溫度的顯示。相信這種測(cè)溫方法和測(cè)溫系統(tǒng)能給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)方便 。2100433B

因火焰強(qiáng)度增加（即在較小的體積內(nèi)釋放出相同的總熱量），以及氮?dú)夂繙p少的結(jié)果，使火焰溫度提高，從而增強(qiáng)了火焰靠輻射和對(duì)流向周圍的熱傳導(dǎo)。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，燃燒重油時(shí)，如把空氣中氧的濃度從21%增濃到22%，其理論燃燒溫度可提高80℃。 2100433B

火焰溫度是火焰的主要特性之一。它對(duì)火焰中化合物的形成和解離，從而對(duì)待測(cè)元素的原子化有著重大的影響。

在火焰中，一方面由于燃燒反應(yīng)要產(chǎn)生熱量，另一方面由于火焰中化合物的解離，以及為了將火焰中存在的平衡混合物提高到火焰溫度需要消耗熱量，火焰的溫度就是由火焰中這二者之間的熱量平衡來(lái)決定的。當(dāng)火焰處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度就可用來(lái)表征火焰的真實(shí)能量。

當(dāng)燃燒釋放出的熱量全部用來(lái)加熱氣態(tài)產(chǎn)物時(shí)，產(chǎn)物的溫度就是絕熱火焰溫度。實(shí)際燃燒過(guò)程中的溫度要取決于釋熱和散熱兩個(gè)方面。絕熱火焰溫度雖然沒(méi)有考慮熱損失，但它是衡量可燃物特征的一個(gè)尺度，對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘纫灿杏绊?。因此，絕熱火焰溫度在許多燃燒問(wèn)題中常被看作是一個(gè)相當(dāng)重要的熱力學(xué)量。某些文獻(xiàn)給出的定義是：在一個(gè)孤立系統(tǒng)中的放熱反應(yīng)，如使混合物從一個(gè)規(guī)定的初始?jí)毫统跏紲囟冉?jīng)過(guò)定壓且絕熱的過(guò)程達(dá)到化學(xué)平衡，系統(tǒng)達(dá)到的最終溫度稱為絕熱火焰溫度T。由于沒(méi)考慮熱損失，又稱“理論火焰溫度”；由于與有熱損失的各種情況比較，這時(shí)達(dá)到的溫度將是最高的，故又稱“最高燃燒溫度”。不過(guò)這一定義并未考慮空氣和燃料的比例和惰性添加劑的影響，所以并不代表在最佳空燃比下所能達(dá)到的最高溫度。

如果燃燒前的反應(yīng)物和燃燒后的最終產(chǎn)物的成分都是已知的，則絕熱火焰溫度可根據(jù)能量守恒原理求出。