高爐火焰溫度總結(jié)

提出了一種基于CCD 的爐膛火焰測溫的實現(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)的處理以及測量溫度的顯示。相信這種測溫方法和測溫系統(tǒng)能給人們的生產(chǎn)和生活帶來方便 。2100433B

以蠟燭火焰為測量對象， 采用WZPK-136/WZPK2-136 型號的熱電偶溫度計作為標準溫度計。并利用其定位測溫點坐標。

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

通過CCD 攝像機連續(xù)拍攝蠟燭的火焰燃燒圖像， 火焰的溫度場經(jīng)過圖像采集卡處理后變?yōu)閳D像的數(shù)字信息，然后利用測溫軟件對數(shù)據(jù)進行處理，最后在LCD 上顯示出溫度值。

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

1 輻射測溫原理

能夠全部吸收入射能量的物體稱為黑體?？v坐標表示黑體在某一熱力學(xué)溫度T、某一波長鄰近的單位波長間隔中熱輻射的強弱，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。此傳感器的積分時間調(diào)整功能可以通過增長/縮短光積分時間的方式使輸出信號達到所希望的幅度， 這項功能對于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，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷信號。

（2） 驅(qū)動電路

為了能使TCD1206SUP 正常工作，需要通過驅(qū)動電路產(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)部是用固定長度的金屬線進行各邏輯塊的互連的， 所以設(shè)計的邏輯電路具有時間可預(yù)測性， 避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時序不完全預(yù)測的缺點。

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現(xiàn)各種外設(shè)的擴展。

由于NiosII 所接外接設(shè)備的接口中沒有視頻解碼芯片ADV7180 和Realtek8139C/D 網(wǎng)卡接口，實現(xiàn)對外部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，數(shù)據(jù)接口提供一個外部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。相對于AVALON 總線信號來說，A/D 采樣的速率非常低，因此本系統(tǒng)采用兩個DMA 完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸，一個用于高速存儲數(shù)據(jù)，另一個用于高速讀取數(shù)據(jù)。同時，加入pipeline bridge 模塊，提高整個處理器的最高頻率 。

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。整個系統(tǒng)的工作流程是：CCD 攝像機對爐膛火焰進行多點拍攝， 圖像經(jīng)過視頻分割器合成一路模擬信號后， 由圖像采集模塊進行數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)換， 得到的數(shù)字信號經(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)用于空間坐標定位。實現(xiàn)火焰溫度的多點檢測，提高測量精度。

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

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

此設(shè)計的目的是在提高測溫精度的同時提高整個系統(tǒng)便攜性。因此，選用Nios II 芯片作為主控芯片，同時利用其多內(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，同時采用專用視頻解碼芯片ADV7180 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。為了使測量結(jié)果更加準確，下面對測量誤差進行了分析和處理。

因火焰強度增加（即在較小的體積內(nèi)釋放出相同的總熱量），以及氮氣含量減少的結(jié)果，使火焰溫度提高，從而增強了火焰靠輻射和對流向周圍的熱傳導(dǎo)。據(jù)國外文獻報道，燃燒重油時，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。它對火焰中化合物的形成和解離，從而對待測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決定的。當火焰處于熱平衡狀態(tài)時，溫度就可用來表征火焰的真實能量。

當燃燒釋放出的熱量全部用來加熱氣態(tài)產(chǎn)物時，產(chǎn)物的溫度就是絕熱火焰溫度。實際燃燒過程中的溫度要取決于釋熱和散熱兩個方面。絕熱火焰溫度雖然沒有考慮熱損失，但它是衡量可燃物特征的一個尺度，對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘纫灿杏绊?。因此，絕熱火焰溫度在許多燃燒問題中常被看作是一個相當重要的熱力學(xué)量。某些文獻給出的定義是：在一個孤立系統(tǒng)中的放熱反應(yīng)，如使混合物從一個規(guī)定的初始壓力和初始溫度經(jīng)過定壓且絕熱的過程達到化學(xué)平衡，系統(tǒng)達到的最終溫度稱為絕熱火焰溫度T。由于沒考慮熱損失，又稱“理論火焰溫度”；由于與有熱損失的各種情況比較，這時達到的溫度將是最高的，故又稱“最高燃燒溫度”。不過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。