專利名稱：一種單ccd成像系統(tǒng)的爐膛內(nèi)三維溫度場檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單CXD成像系統(tǒng)的爐膛內(nèi)三維溫度場檢測裝置及方法
背景技術(shù)：
煤氣化技術(shù)是發(fā)展煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、先進的IGCC發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫、燃料電池等過程工業(yè)的基礎(chǔ)，是這些行業(yè)的共性技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)和龍頭技術(shù)。氣流床煤氣化技術(shù)采用1300°C至1700°C的氣化溫度，液態(tài)排渣，使氣化過程由900°C左右的化學(xué)反應(yīng)控制(固定床)、1100°C左右的化學(xué)反應(yīng)與傳遞共同控制(流化床)躍升為傳遞控制。氣流床氣化爐在高溫、高壓下運行，可能存在不正常工況，使?fàn)t內(nèi)溫度場分布不合理，火焰中心靠近爐壁導(dǎo)致局部溫度過高，進而影響氣化爐噴嘴和耐火襯里的使用壽命和效率。因此，監(jiān)測氣化爐內(nèi)火焰特征及溫度分布，對溫度的監(jiān)控、防止氣化爐等設(shè)備的局部溫度偏高、判別反應(yīng)溫度范圍是否合理以及燃燒狀態(tài)的判斷、預(yù)測和診斷等方面有著十分重要的意義。
工作狀態(tài)變得十分困難。相對于燃燒爐，較高的爐膛壓力極大地局限了氣化爐膛的圖像采集口數(shù)量，基于多視角的三維溫度場監(jiān)測極難實現(xiàn)。因此需要一種能夠耐高溫及高壓的爐膛火焰可視化系統(tǒng)，通過盡可能少的視角實現(xiàn)爐內(nèi)三維溫度場的檢測，實現(xiàn)氣流床氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于單視角CXD成像系統(tǒng)的爐膛內(nèi)三維溫度場的檢測裝置及其檢測方法。本發(fā)明總的技術(shù)構(gòu)思是首先通過光學(xué)分層成像方法計算得到空間內(nèi)不同截面的原始光亮度分布。光學(xué)分層成像方法是將三維結(jié)構(gòu)的透明或半透明發(fā)光體看作由N層二維截面組合而成，利用固定位置的CCD相機對每層聚焦拍攝，并得到一系列投影圖像，然后經(jīng)算法反演得到每層的截面光亮度分布，由此重建染色體的三維光亮度分布。厚度為D的三維透明物體發(fā)出單色非相干光，光亮度分布為f (x，y，z)，采用物距df、像距Cl1的光學(xué)透鏡成像系統(tǒng)對其進行光學(xué)成像。假定三維物空間坐標(biāo)原點在物體左邊界，Z軸與光軸重合。物空間坐標(biāo)為(x，y，z)，像面坐標(biāo)為(X' ,1' ,Z')。對位于Z'的平面聚焦成像，所得像面的光亮度分布g' (X' , y' , z')是Z'平面的聚焦像和其他各層離焦像的疊加像。由傅里葉光學(xué)理論可知，對于線性平移不變光學(xué)成像系統(tǒng)，像面上的光亮度函數(shù)是相應(yīng)物面上的光亮度函數(shù)和光學(xué)成像系統(tǒng)點擴散函數(shù)h(x, y, Z1-Z')的卷積，gj (x, y, z' ) = f (x, y, z)*h(x, y, Z1-Z' )(I)所關(guān)注的是物體本身而非放大或縮小的像，因而將投影所成的像反投影至物空間焦平面上，此時聚焦z'平面時的光亮度分布為g{x,y,z') = ^ f{x,y,z)*h{x,y,z'-z)dz(2)
對其進行離散化，得
權(quán)利要求
1.一種單CCD成像系統(tǒng)的爐膛內(nèi)三維溫度場檢測裝置，其特征在于，該裝置包括耐高溫、高壓水冷夾套，工業(yè)內(nèi)窺鏡，彩色工業(yè)面陣CCD相機以及數(shù)據(jù)采集分析單元。
所述耐高溫、高壓水冷夾套，用于在高溫、高壓設(shè)備內(nèi)形成嵌入式保護殼體，通過水冷夾套和惰性氣體吹掃對內(nèi)窺鏡光路進行冷卻，并保護水冷夾套前端鏡片以防止其被污染，確保內(nèi)窺鏡的工作環(huán)境； 所述工業(yè)內(nèi)窺鏡，用于將高溫、高壓的爐內(nèi)的輻射圖像通過光學(xué)鏡頭引出工業(yè)爐膛外，并與工業(yè)相機接口進行匹配； 所述彩色工業(yè)面陣CCD相機，包括普通CCD相機或CCD光場相機,對不同焦平面的可見光波段輻射圖像進行成像，并分解轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍三路波段輻射信號； 所述數(shù)據(jù)采集分析單元，采集不同焦平面圖像的紅、綠、藍三路波段輻射信號，利用光學(xué)分層成像方法結(jié)合比色測溫法計算三維溫度場。
2.如權(quán)利要求I所述的單CCD成像系統(tǒng)三維溫度場測量裝置，其特征在于，通過水冷盤管的冷卻作用實現(xiàn)最大程度的溫度保護，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護。
3.如權(quán)利要求I所述的單CCD成像系統(tǒng)三維溫度場測量裝置，其特征在于，水冷夾套內(nèi)的石英鏡片面積很小，能夠使本套裝置工作在高壓條件下，同時水冷夾套內(nèi)環(huán)隙通惰性吹掃氣，能夠保護該石英鏡片，防止其受到顆粒雜質(zhì)的污染，該裝置尤其適用于如氣化爐類的高溫、高壓且爐內(nèi)含有大量顆粒的爐膛環(huán)境。
4.如權(quán)利要求I所述的單CCD成像系統(tǒng)三維溫度場測量裝置，其特征在于，石英鏡片后的管道內(nèi)可插入內(nèi)窺鏡或光纖等光路，該通道與爐膛隔壓隔熱，因此可方便地進行內(nèi)窺鏡或其他設(shè)備的更換。內(nèi)窺鏡等光路通過小孔成像原理將爐內(nèi)圖像導(dǎo)出至CCD相機。針對高壓環(huán)境，該管道出口可配壓力控制閥門，避免權(quán)利要求3所述的石英鏡片意外損壞而造成壓力泄露的危險。
5.如權(quán)利要求I所述的單CCD成像系統(tǒng)三維溫度場測量裝置，其特征在于，所述待測物體為溫度范圍為IOOOK 3000K的具有連續(xù)輻射特性的透明或半透明高溫物體。
6.如權(quán)利要求3所述的單CCD成像系統(tǒng)三維溫度場測量裝置，其特征在于，所述可見光波段為450nm 750nm。
7.—種單C⑶成像系統(tǒng)的爐膛內(nèi)三維溫度場檢測方法，其特征在于，該方法包括 通過光學(xué)透鏡，將不同焦距下的待測物體的輻射圖像投影至像面； 利用普通面陣CCD相機或CCD光場相機獲得不同焦平面下的投影光亮度分布； 利用光學(xué)分層成像方法，得到空間內(nèi)不同焦平面對應(yīng)的截面光亮度分布； 利用比色測溫法，結(jié)合各截面的原始光亮度分布，計算各截面的溫度分布，并組合而成三維溫度分布。
8.如權(quán)利要求7所述的單CCD成像系統(tǒng)三維溫度場測量方法，其特征在于，所述空間內(nèi)不同焦平面對應(yīng)的截面光亮度分布是利用光學(xué)分層成像方法計算得到的，而對應(yīng)各截面的溫度分布，是通過比色測溫法計算得到的。針對普通工業(yè)面陣CCD相機，可通過調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)焦距，使其在不同焦平面下分別聚焦拍攝系列圖像，再經(jīng)時均處理和光學(xué)分層成像計算后得到各截面的平均光亮度分布，再經(jīng)雙色法計算截面溫度分布，組合得到空間內(nèi)時均三維溫度場；針對工業(yè)面陣CCD光場相機，其可在一次快門下同時獲得不同焦平面的光亮度分布，經(jīng)光學(xué)分層成像計算后得到同一時刻各截面的瞬時光亮度分布，再經(jīng)雙色法計算截面溫度分布，組合得到空間內(nèi)瞬時三維溫 度場，該相機亦適用于時均三維溫度場的計算。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單CCD成像系統(tǒng)三維溫度場檢測裝置，包括耐高溫、高壓水冷夾套，用于在設(shè)備內(nèi)形成嵌入式保護殼體，通過水冷盤管和惰性氣體吹掃對內(nèi)窺鏡光路進行冷卻，并保護夾套前端耐壓鏡片，維持內(nèi)窺鏡的正常工作；內(nèi)窺鏡，用于將高溫、高壓的爐內(nèi)的輻射圖像通過光路引出爐膛外；彩色工業(yè)面陣CCD相機，對可見光波段輻射圖像進行成像；數(shù)據(jù)采集分析單元，采集不同焦平面的輻射圖像，利用光學(xué)分層成像方法結(jié)合比色測溫法計算三維溫度場。本發(fā)明還涉及一種對應(yīng)的三維溫度場測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案可以實現(xiàn)基于單CCD相機的三維溫度場檢測，技術(shù)方案實現(xiàn)簡單，可應(yīng)用于高溫、高壓等較為苛刻的測量環(huán)境，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣。
文檔編號G01J5/08GK102706459SQ20121020789
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者于廣鎖, 代正華, 劉海峰, 劉霞, 周志杰, 李偉鋒, 梁欽鋒, 王亦飛, 王興軍, 王輔臣, 許建良, 郭慶華, 郭曉鐳, 陳雪莉, 龔巖, 龔欣 申請人:華東理工大學(xué)