基于彩色及近红外双CCD的炉内工件表面温度全视场监测系统验收资料

1、安徽省卜一五”攻关项目安徽大学特种电视技术研究中心2007年6月基于彩色及近红外双 CCD的 炉内工件表面温度全视场监测系统项目验收材料主持单位：安徽大学特种电视技术研究中心管理单位：安徽大学项目负责人：吴海滨验收材料 一 目录1 项目研制工作报告1.1 项目背景1.2 项目内容与研究结果1.3 推广应用前景1.4 合同执行情况2项目技术报告2.1 前言2.2 系统构成2.3 检测原理简介及近红外图像获取研究2.4 辐射谱分析及最佳窄带滤波片选取研究2.5 图像处理与温度计算2.6 系统误差分析与校正2.7 双光路高温镜头设计2.8 高温防护装置设计3软件设计说明书4经济效益分析5检验报告6软

2、件产品测试报告7用户使用报告8查新报告9发表论文目录 10 专利获取情况11 附件（销售发票、合同等）基于彩色及近红外双 CCD的炉内工件表面温度全视场监测系统”验收材料1项目研制工作报告基于彩色及近红外双 CCD的炉内工件表面温度全视场监测系统研制工作报告项目研发负责人：吴海滨安徽大学特种电视技术研究中心2007年6月1.1 项目背景 冶金、石化等行业中加热炉内的工件的温度控制是生产过程中的关键环节， 不仅关系到产品质量、生产安全，还涉及到节能降耗、生产成本控制。传统的高 温炉膛内部加热件的温度检测采用的大都是高温辐射计， 检测范围极为有限。 本 项目采用双光路高性能彩色和近红外 CCD成像

3、技术，基于比色测温原理，研制生 产可以实现炉内工件表面温度全视场实时监测的高温测量 （温）电视系统， 该系 统不仅有效地提高了检测速度， 而且大大地减少了检测过程对目标物体发射率的 依赖性，做到了不受检测距离的影响， 成功地解决了工件表面温度全面动态实时 检测的技术难题。该项技术填补了国内空白，可广泛应用于冶金、建材、化工等 行业的各类工业炉窑。冶金及石化行业是国家最重要的支柱产业， 随着我国经济的高速腾飞， 新的 冶金石化工程不断上马， 老工艺旧设备也在不断进行技改更新。 各类加热炉都是 这些行业生产过程中的重要设备， 而炉内工件表面温度的监测不仅直接关系到产 品质量和工艺控制，同时在优化燃

4、烧控制及节能降耗方面有着重要意义。另外， 对炉管等的表面大面积温度检测，可及时发现重大安全隐患（过烧漏管） ，保障 安全生产，延长炉管使用寿命，节约生产成本。传统的高温炉膛内部工件 （管）的温度检测采用的大都是高温辐射计， 检测 区域极为有限， 由于以点代面的检测不能全面反映炉内工件的实际表面温度， 冶 金加热炉依靠模型计算设定加热工艺， 为防止模型计算与实际板坯间的温度偏差 造成加热不足， 往往采用适当过烧的方法 （即在高温辐射计检测到工艺要求的温 度基础上再适当多加热几度，以保障工件温度的全面达标） ，从而造成大量的能 源浪费。在石化行业的加热炉中， 由于没能及时发现管内结焦造成过烧漏管，

5、 致 使烧塌炉体的重大事故也多次发生。所以市场迫切需要一种能对炉内工件（管） 进行全面温度监测的温度测量系统。本项目致力于研制的这套双 CCD 比色测温 电视系统，能提供可靠而全面的温度测量， 为燃烧、及工艺调整提供可靠的依据， 对实现燃烧最优化、降低能耗，提高大型燃烧设备安全性、经济性、成品率、产 品质量及热加工艺保障均有着极为重要的意义。 就节能这一项， 以上钢一厂热轧 板生产线为例， 由于采用了本技术产品， 仅该厂不锈钢生产线的两台加热炉节约 天然气就达到 490 万元/ 年。该项目在冶金及石化领域市场潜力很大， 参加本项目协作单位马鞍山钢铁有 限股份公司就由各类加热炉共计数十座， 加热

6、工件的表面温度全面检测正是他们 的迫切需求， 所以积极参与了本项目的合作开发。 本项目产品在工业电视领域中 属全新产品， 不仅可替代进口类似设备， 而且有望形成出口。 随着规模扩大和系 列产品的推出，项目社会经济效益将更加明显 。1.2 项目内容与研究结果本项目的相关研究始于 2002 年，通过近几年的研究开发，在高温防护、温 度检测技术、近红外成像机理、图像信息处理等方面取得了丰富地经验， 2004 年研制完成了较低精度的基于单彩色 CCD 的电视测温系统，并在宝钢集团一钢 不锈钢工程加热炉、 金陵石化、 马钢得到初步成功应用。 本项目的研究是为了进 一步提高测温精度、测温范围、实时性和抗干

7、扰能力。 项目的主要研究内容包括：1、双光路高温（彩色/红外）光学系统：我们的目标是光学系统既要在高温下正常工作，又要具有双光路，且 有良好的红外响应特性，特别是在系统的红外工作波段。2、红外工作波段的选择和高灵敏度红外CCD的选择，各项参数的测定及数 值修正：最优红外工作波段的选取， 对降低干扰、提高系统测温精度均非常重要。3、背景补偿模型：它是系统真正走向实用的关键。我们的目标是通过该模型能够克服复 杂背景带来的红外干扰，使系统达到预定的性能要求。4、误差分析及校正：本项目成果既是一种提供定性观察的设备，也是一种提供定量检测结 果的设备，检测精度的高低是其最为重要的技术参数之一，通过本项工

8、作 的研究，我们分析明确了各项引起误差的原因，并设计了适当的修正模型， 得到了满意的效果。项目的研究结果：系统能够在高温复杂环境中，对工件进行全视场实时测温。本项目成果技术 指标与世界先进水平同类产品指标对比如下：厂家对比内容安徽大学特电中心美国IST Quadtek公司检测方法彩色/近红外CCD彩色CCD比色测温计检测区域全视场全视场精度0.5%0.5%实时性500ms/场无法实现全视场实时检测测温范围450C 1800C560C1860C1.3推广应用前景冶金、石化、建材等行业是国家重要的支柱产业，随着现代化企业建设的步伐，必将是高科技竞争最激烈的领域之一， 我们必须打破高科技含量的产品多

9、数 依赖进口的局面，大力发展拥有自主知识产权的高科技产品。 本项目中产品是一 种新型的特种电视监测系统，将高温工业电视技术与光谱分析技术有机地结合， 在监视炉内工况的同时完成对加热物料、工件等目标测温，对保障安全生产、降 耗节能、提高生产工艺水平都将起到重要作用，将在在冶金、石化、建材等行业 拥有巨大的市场。冶金行业：目前国内共有各类加热炉11000多座，其中典型的高温加热炉（800C以上）约为3000多座，目前的加热件测温的标准配置为每台炉配置高温 辐射计2套（高、低温区各一套），每套约1525万，其特点是虽然测温较精确， 但测温区域极小（一般为60mmx 60mm），对以百平方米计的加热炉

10、而言，只能 是以点代面。所以本系统的实现可大大扩大监测范围，对提高工艺控制水平、节 约能耗都有着重大意义。根据我们与上海宝钢集团、马鞍山钢铁公司、太原钢铁 公司及各大冶金设计院等相关的交流，他们一致认为这一系统意义重大，市场需求极为迫切。若全国冶金行业适用的加热炉中，有10%采用我们的系统，约有600套的市场容量（按照每台炉 2套计）。按25万/套 （1ST Quadtek公司设备半 价），市场容量可达1.5亿元以上。另外，目前在线运行的传统型内窥式高温工 业电视系统约有2000套以上（本中心约有200套），若其中的20%进行技术更 新而采用本项目产品，则约有 400套的市场，按15万/套的改

11、造费用计算，市 场容量可达 6000 万。本项目产品具有很强的应用前景，项目的实施有利于推进 相关领域的技术进步，产生显著的社会效益。石化行业：目前对内窥式高温工业电视系统的应用，还处在刚刚起步阶段， 主要原因是： 石化行业各类炉窑更注重的是炉管温度分布情况， 而非观察炉内火 焰工况，所以传统的内窥式高温电视很难开拓石化市场， 正是由于本项目产品可 以成功解决石化用户所真正关心的炉管温度监测，必将具有广阔的市场应用前 景。目前，我国石化行业各类加热炉、裂解炉、烯烃炉等等共有 22000 多座，其 中需对炉管进行严格温度监控的适用炉型有 8000 座以上，若只考虑其中的 10% 采用本项目产品，

12、同样按照每台炉 2 套计（由于化工炉型特殊，一般应在 2 套/ 炉以上），应有1600套的市场容量。按25万/套 （1ST Quadtek公司设备半价）， 市场容量可达 4 亿元以上。高温工业电视系统现已逐步成为现代化工业生产过程中必不可少的设备， 市 场正处于成长期；而物料、工件的温度监测更是生产过程中必不可少的重要环节。 本项目产品将两项技术有机地结合， 开辟了一条全新应用领域， 其经济寿命期至 少 20 年，目前刚刚起步。在用户经济效益方面：本项目产品在节能降耗方面将为用户带来产生巨大的 经济效益： 以上钢一厂热轧板为例， 由于采用了该系统， 实现了对板坯表面温度 的实时全面测量， 从而

13、第一时间掌握了模型计算与实际板坯间的温度偏差， 在满 足轧线要求的前提下， 使板坯出炉温度可以按不同的钢种进行适当下浮， 取消了 适当过烧工艺，大大降低了天然气消耗，节约率达到 2.13 %，在炉子工况不变， 热效率不变，出钢加热温度下降10C,按平均每月产量20万吨，平均单耗48 mVt 计算，每月可节约天然气 40.896 万元/月 . 炉，仅该厂不锈钢生产线的两台加热 炉节约天然气达到 490 万元/年。由此可见，本项目产品的成功研制，将为我国 建设节约型经济的战略目标作出重要贡献。本项目产品在国内尚不存在明显的竞争，与国外相近或相同指标产品相比， 有着明显的价格优势 , 可以替代进口；

14、同时该项目产品部分技术性能明显优于国 外同类产品，因此该项目产品无论在国内市场还是在国外市场都有着很强的竞争 能力。1.4 合同执行情况 本项目合同的要求为：1. 提交成果形式：完成样机；申请鉴定； 完成情况：不仅样机已完成，且已形成销售；鉴定工作申请中（计划今 年三季度通过）。2. 主要技术指标： 检测方法：彩色 /近红外 双 CCD 检测区域：全视场 相对精度： 0.5% 实时性： 500ms/ 场测温范围：450C 1800C（分级测量） 完成情况：完成，详见检验报告和软件测试报告。3. 经济指标： 在项目执行期内（一年半） ，完成销售收入 75 万元，利税 16 万元。 完成情况：在项

15、目执行期内，完成销售收入 85 万元（开出发票） ，实利税 18 万元，另已签订合同 60 万元（有的已发货，发票暂 为开具）。“基于彩色及近红外双 CCD的炉内工件表面温度全视场监测系统”项目验收材料2项目技术报告基于彩色及近红外双 CCD的炉内工件表面温度全视场监测系统项目技术报告项目研发负责人：吴海滨安徽大学特种电视技术研究中心2007年6月2.1 前言在石化、冶金等行业中， 控制高温加热炉中加热工件的表面温度显的尤为重 要。例如在冶炼过程中， 通过精确检测钢铁表面温度场， 可以使钢铁在整个加工 过程中保持良好的金相性能， 从而提高钢铁的生产率和生产质量。 而在石化加热 炉生产中， 需要

16、对炉内炉管表面温度进行精确测量， 以严格控制工艺参数， 防止 过烧漏管，保障安全生产，延长炉管使用寿命，节约生产成本。红外测温技术应用极其广泛， 在生产过程， 产品质量控制和监测， 设备在线 故障诊断和安全保护以及节约能源等方面都发挥着重要作用。 红外测温技术是一 种在线监测式高科技检测技术， 它集光电成像技术、 计算机技术、 图像处理技术 于一身，通过接收物体发出的红外辐射， 将其成像显示于荧光屏上， 根据辐射图 像的分析结果准确判断物体表面的温度分布情况， 具有准确、实时、快速等优点。2.2 系统构成及功能介绍2.2.1 概述本系统采用气冷保护（特殊情况下也可以采用水冷却、微气量密封）方式

17、， 高温监测探头通过密封连接机构直接固定安装在炉体侧墙或炉顶（根据工艺要 求），获取加热炉内加热工件工况的实时视频图像及红外辐射图谱，送入计算机 进行分析处理， 准确计算出的加热工件表面温度实时分布情况， 并将此信息及时反馈给炉膛燃烧控制系统。伪彩图。，可在监视器上显示炉膛内部实时工况或显示温度分布2.2.2 主要技术指标高温监测探头最高工作温度2000 oC高温监测探头工作行程600mm镜头视场角（测量范围）45o100o （系列）图像综合分辨率丈00TVL温度测量范围：450 oC-1800 oC温度测量精度：0.5% （相对值）单点温度检测速率：50毫秒全场目标表面温度分布检测数率总秒电

18、源 220V/50Hz 功耗 500W2.2.3主要功能及系统特点在控制室 CRT 上集中显示炉内加热工件的位置及运行实时图像，便于操作人员及时了解加热炉内工作状态，有效保障安全生产。不仅可以完成高温辐射计或红外测温仪对加热工件的局部实时检测， 而且 通过特别研制的高技术、专业的图像分析、控制软件，可以对视场范围内 加热件所有可视表面进行温度测量； 准确得到的加热工件表面温度分布情况，便于指导炉内各区域的温度调 控，有利于提高产品质量及节约能耗； 高性能工业级控制计算机，运行稳定、可靠。图像分析、控制软件设计，有效掌握的运行规律，保证测温控制的稳定、可靠。人性化的软件操作控制界面，设置、操作简

19、单，易学易用。采用特种耐高温针孔镜头 ,分辨率高 ,镜片采用耐高温材料制造 ,最前端为蓝 宝石镜片 ,大大提高了镜头的耐高温性能、抗污染能力和使用寿命。检测专用型红外数字式图像传感器， 传输信号为DV（数字视频）信号，抗干扰性能极强，图像更加清晰。高温监测探头防护罩采用特种耐高温耐腐蚀材料及特殊的结构设计，保证高温光学镜头及摄像机长期稳定工作。 摄像探头结构设计简洁， 维护方便。探头伸入炉内部分采用先进的超耐磨航空材料进行等离子喷涂，确保耐高 温耐腐蚀性能。炉壁连接机构采用全密封结构，保证系统可以应用于正压及含有危险气体的锅炉或加热炉，安装、维护方便。224系统构成图工作流程图推进器电气控制柜

20、30-232U2气源控制柜现场集控室220V图1系统结构示意图本监测系统主要由下述各部分组成：高温监测探头 电动（或气动）推进器 炉壁连接体 电气控制柜 气源控制柜 计算机图像信息分析系统 监视器（选配） UPS电源（选 配）图2系统工作流程图系统工作流程:图像采集单元（高温监测探头）采集炉内加热件视频及热辐射图像，数字视频接入置于现场电气控制柜内的多模光纤适配器，DV信号以光传输方式将传送到控制室内，经光纤适配器光电转换后送入计算机图像信息分析及控制系统。计 算机对输入的数字图像信号进行预处理，经过低通滤波消噪等一系列处理后， 自动识别出加热件目标，并根据工艺程序设定的要求，完成多点定位测温

21、，或 全视场目标表面温度全面检测，当系统工作在多点定位测温模式时，监视器显 示方式为炉内实际彩色或黑白+伪彩图像，并在温度显示栏内显示出各检测点 的实时温度，当系统工作在全视场目标表面温度全面检测模式时，监视器显示 图像为根据表面温度差异而经过伪彩编码的伪彩图，便于直观观察加热件的表 面温度分布的均匀性。另外，本系统还设计了一套计算机远程控制软件，通过 界面操控可以将控制指令经I/O 口传送给高温监测探头或机械执行机构，完成参 数的调整或高温监测探头的进退遥控。2.3检测原理简介及近红外图像获取研究本项目的检测原理建立在黑体辐射理论的基础上， 与经典的比色测温原理基 本一致，以下仅作简单介绍；

22、重点阐述采用红外成像的机理分析及技术应用。2.3.1检测原理简介 2.3.1.1热辐射基本定律1. 普朗克(Planek)辐射定律黑体处于温度T时，在波长处的单色辐射出射度由普朗克公式给出(2-3)5 z he/ -kT (e-1)2 he2式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，k为波尔兹曼常数。令C 2 hc2，C2二hc/k，贝U( 2-3)式可改写为(2-4)Mb(,T)二飞 CCV-5(eC2/ T -1)式中，Ci称为第一辐射常数；C2称为第二辐射常数。由于黑体是余弦漫射体，所以可求得黑体的单色辐射亮度为Lb(,T)Ci(2-5)2. 基尔霍夫(Kirchhoff)定律(2-6)实际

23、上黑体并不存在，一切物体的辐射率和吸收率都小于 I，并且它们的辐 射或吸收红外的能力都与表面温度及红外辐射的波长等因素有关。 在科研和实践 中，常用物体的发射率来定量地描述物体辐射或吸收红外的能力， 它等于物体的 实际辐射强度和同温度下黑体辐射强度之比值，常用符号 &表示。=I / Ib式中I 物体辐射强度；Ib 黑体辐射强度； 物体的发射率。德国的物理学家基尔霍夫，根据大量的实验资料总结出一条有关物体热辐射 的定律：当几个物体处于同一温度时，各物体辐射红外线的能力正比于其本身吸 收红外线的能力，并且任何一个物体的红外辐射能密度可用下面公式表示：,- b(2-7)式中 以物体在单位时间内红外辐

24、射的能量密度； 此黑体在同一温度 下单位时间内红外辐射的能量密度；a物体对红外辐射的吸收系数， 它总是 小于1。(1) 根据基尔霍夫定律和发射率定义可知，物体的发射本领 (发射率)与吸 收本领(吸收比)相等，一般发射率不易直接测定，故常通过测量吸收系数 a的值 来确定发射率的值。(2) 根据式p?+ t+ a = 1，其中，p入为反射率,T为透射率,a入为吸收率。对于不 透明物体，即0，故px= 1- a?所以测得a?值就可确定p入之值。由以上分析 可知，好的吸收体也是好的发射体，而好的反射体，就不是好的发射体，也是不 良的吸收体。(3) 因为任何物体所吸收的能量绝不可能大于辐射到其上面的能量

25、，故a和不但相等，而且其数值绝不可能大于1,同时也一定小于黑体的值，即ax4SiiJLf 户e)图2-2黑体辐射曲线由图2-2黑体辐射曲线可知：对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变 化，且只有一个峰值；对应不同温度的曲线不相交。因而温度能惟一确定单色辐 射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）。物体单色辐射出射度最大值对应的波长韦应由 MJ） =0来决定。将（2-9）式代入可得冷T =2897.9（m K）（2-10）这就是著名的维恩位移定律。根据这一定律，只要知道了黑体的温度，就能 直接得到黑体最大辐射出射度对应的峰值波长-m。当温度上升时，辐射峰值总是朝着较短波长方向移动。例如

26、，在实际可达到的温度下，峰值波长位于红外区 域，温度为3000K时，峰值波长在可见光谱范围之外，-m = 0.96um ;当温度为 5000K时，峰值波长落到可见光谱的黄绿部分，m = 0.577um。可见，随着温度的升高，峰值波长变短。5. 瑞利-琼斯（Rayleigh-Jea ns公 式C由（2-4）式可以看出，当T很大时，eC2/，T M C2，则可得到适合于长扎T波长区的瑞利-琼斯公式(2-11)Mb(,T)当T 7.7 105 Jm K时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%2.3.1.2比色测温法比色测温法又称为双波段测温法或双色温度法，是根据热辐射物体在两个波 长下的光谱辐射

27、亮度之比与温度之间的函数关系来测量温度的方法。比色测温法是非接触测温，该技术采用双色信号对比的办法可较好地消除环境及发射率的影 响，有效地提高了测温精度，比色测温法受被测物体比辐射率的影响小，针对被 测物体的辐射特性，合理的选择两个工作波段可以大大减小因被测物体比辐射率变化而引起的测量误差。由于比色温度要比亮度温度和辐射温度更接近于这类物 体的真实温度，因此比色测温法应用较为广泛。设温度为Tc的黑体在波长i和匕下的光谱辐射亮度为Lb（jTc）和Lb（2,Tc），令Bb二Lb（i,Tc）d，/Lb（2,Tc）d为两光谱辐射亮度之比，利用维恩公式可得黑体的比色测温公式：In Bb5ln2(2-12

28、)一般的测温对象都不是黑体，利用非黑体的维恩公式可得出非黑体的光谱辐 射亮度之比与其温度之间的关系式：In B - In315ln；2,T)(2-13)C2(2上式中：B =L（、,T）d/L（dT）d是温度为T的非黑体在波长和工下的光谱辐射亮度之比， （T）和；（dT）是温度为T的非黑体在波长1和-2下的 比辐射率。按定义，黑体的 心，T）=1 ,灰体的（1,T）=（2,T）= ；（T），因此对于灰体可简化为式（2-12）进行计算。用比色法测温度时，只有当实际物体是黑体或灰体时所测得的温度才是实际物体的真实温度。若实际物体不是黑体或灰体，那么比色法测得的并不是实际物体的真实温度，而是所谓的比

29、色温度Tc,原因在于被测对象的比辐射率无法确定。当（ 1，T）= ；（，2，T）二；仃）时，实际物体为“灰体”（本项目所研究的目标均 为灰体），即它在某一光谱范围内的比辐射率与波长无关。灰体的比色温度等于 它的真实温度，即Tc = T。图2-3辐射光学成像示意图比色测温的辐射光学成像系统如图2-3所示，由于存在光学成像系统和光电 转换器件，因此对于采集的光谱辐射图像必须考虑光学成像系统和光电转换器件 参数的影响。由图2-3可知：若被测炉内工件表面的温度场分布为 T（r,“，由照度与距离 平方反比定律，照度与相对孔径平方正比定律等关系可得其辐射光通过成像系统 在CCD面上的光谱辐射照度为（T（r

30、,“ ）：L（T（L）, ）E仃（r,r）,）卒H （）（，）（2-14）式中，（r，=）为被测炉内工件表面各点的位置坐标，（门）为（rJ）在CCD 光敏面上图像对应点的坐标，；（T（rJ）J）为炉内工件的比辐射率，F为透镜的 光圈系数，（，）为透镜的光谱透过率，1为成像距离，为透镜的杂光系数，H为渐晕系数，（）为滤光片的透过率。光谱辐照度E仃（；=）,）先经由ccD勺光电转换后成为电荷量信号，然后由 CCD勺驱动电路转换成标准视频信号，最后由图像采集卡转换成灰度图像：N（T（D,）二 k。（）E（T（r 户），）砒k（）* 呼厂 ）. h叭=F 1（2-15）式中，ko为图像A/ D转换系数

31、，（）为CCD勺光谱响应，t为曝光时间所以，对于在波长r，2下采集到的图像灰度”仃（门），1）和N仃（门）,2）,其图像灰度的比值为R(T(r,2)_N(T(r), -!)= N(T(r), 2)1 1C2(-)21T =2.（打）呂（T （r,日），打）*（人）./（人）比打In R（T, 5 2） -In v 2111丿1*仏2）“ （T （,日）,扎2）吧（入2）（妇）渝2(2-18)-5ln( J * ；(T(r,r), )()(-)L(T(rj), ) (厂；仃(r,n),()L(T(rj), ) （2-16）因为（），；仃（C ）， L（T（r）,）为的慢变函数，所以上式可化为:R

32、(T(r,Rji, 2)(2-17)(1) ；(T(rC (1)( J 1 L(T(r,旳, J( 2)(T(rc)j2)(2) (2p 2 L(T(rj), -2)上式中、：为滤光片的带宽。由（2-17）式可知，R（T（r）, 1, 2）与成像因素如距离、角度、杂光系数、光圈系数、渐晕系数以及CCD的曝光时间等没有关系，为了减小测量误差我们将（2-17）式代入测温公式（2-13），可得：(2-19)(2-20)令设备因子（1）；2（T（rJ）,1）（1）（1）八 1（2）2（T（r,R, 2）（2）（2）2则式（2-18）可改写为T =In R(T, 11, 2) -5In 2 - In K

33、 九 1式（2-20）即为实际测温时采用的测温公式2.3.1.3比色测温法的优点比色法最理想的测量对象是灰体，它可以在不知道其比辐射率数值或比值的 情况下直接测得这类物体的真实温度。对于实际物体，在用比色测温法测量其温 度时，不需要精确地知道被测物体的比辐射率， 只需知道被测物体在两个波长下 的比辐射率比值即可，由于测量比辐射率的比值要比测量比辐射率的绝对值简便 和精确，从而给实际的测量工作带来许多方便， 而且若两波长选择合适，比辐射 率对测量的影响可以忽略。这既是比色法测温的主要优点之一， 也是比色法测温技术不断发展的主要原因所在。而且物体的比色温度Tc要比亮度温度Ts和辐射温度Tp更接近于

34、这类物体的真实温度 T 25。当实际物体是灰体或接近灰体时,；Ci,T）二；（，2,T），则可以认为实际物体的比色温度 Tc等于它的真实温度T，这 也是比色测温优于其它测温方法的地方。另外，对于在光路中存在有烟雾、水蒸 气、尘埃等干扰因素的环境，红外测温中的亮度测温法和辐射测温法就会大受影 响，产生严重的失真，测量值与真实值之间的差距会非常大。而比色测温法只要避开选择性气体的吸收峰，选用合适的波段，其温度测量受周围的环境影响就很 小，所以比色测温法有着广阔的发展前景。2.3.2近红外图像获取研究为获取清晰、稳定可靠的传感图像，我们对各类炉型的热辐射特性、 频谱及 红外CCD感应频谱和灵敏度等进

35、行了研究分析，采用近红外成像技术，保障了 稳定获取检测图像，增加了系统可靠性。介绍如下：由热力学基本原理可知，物体的温度不可能降到绝对零度（0K ,而所有温 度大于0K的物体均存在热辐射，在一定温度下，黑体的单色辐出度 Ms（T）按 波长分布由普朗克（M.PIanek）公式给出：he / kT eo.(T)二式中e是光速，k是波尔兹曼常量，h为普朗克常量。曲线如图4示。随着物体温度的降低，其辐射最强波长和向长波长方向移动，由维恩（W.wein） 位移定律：其中常量 b=2.897756X 10-3m- K针对冶金、石化的各类加热炉，其辐射最强波长治应为：4.65 m2.14ym左 右（考虑到钢

36、铁为灰体其谱线会略有偏差）。对于普通型工业CCD，其截止波长 为1.05 m左右，而niccd截止波长一般为1.20 m、1.40 m、1.60 m等几种（如 图5所示）。1200 1300 1400图5几种CCD向应波长曲线设某种CCD或NICCD的截止波长为心频谱响应函数为f（ A、光学传递函 数为F，则在其可感应到的红外波段（0.8内的温度为T的物体单位体积的辐射能量为：Eif-x -0.8 10 2hc / ?kT e为得到定性分析，我们对以上公式进行简化：光学传递函数F定为恒量1,各类CCD或NICCD的频谱响应函数f（2）致，且 定义为常量？，则上式简化为：2 口 扎日加_51nE

37、if = 2hc _ .a 10 工ehc/ kT _ 1 d 上式Ef经运算得下表（？值设定为1,单位：J/sm2）:、咚 入x（呵6236737237738238739231.054.39 X 10-32.46 X 10-20.10920.40171.26733.51828.77171.101.05 X 10-25.45 X 10-20.22740.79272.38686.355715.27971.204.72 X 10-20.21590.80652.55557.076017.516339.46611.400.47851.79035.621615.321537.182381.9420166

38、.53921.602.59608.531223.030056.0783123.3043249.0894468.6140由上表可得针对各类NICCD及普通CCD）截止波长的温度-红外辐射能量（In值）曲线如图三示：若设各类NICCD在近红外波 段的频谱响应曲线 及灵敏度一致（在 相同孔径比条件 下），则通过一种NICCD的实验检测 结果，就能根据图 三初步判断其它各类NICCD所能检测 的红外图像的温度 极限。1 r. E“根据以上分析及以往应用经验，我们采用的截止波长为1.10小、灵敏度为O.ILux的NICCD清晰地观测到了温度为480C的退火炉内图像，由此得到判定参图6截止波长-温度-红外

39、辐射能量曲线考线如图6中虚线所示，并由次图中的交点得到各类 NICCD红外图像检测的温度 极限参考值（假设在近红外波段他们的频谱响应曲线及灵敏度一致），如下表示:截止波长（耐1.051.101.201.401.60最低检测温度极限（C）5004804303503002.4辐射谱分析及最佳窄带滤波片选取研究 2.4.1辐射谱分析上一节我们讨论了近红外图像的获取方法，并对各类CCD感应波长及其最低 检测温度极限进行了讨论。比色测温是在波长和2下的光谱辐射亮度之比，但对单一波长的光谱辐射亮度进行检测是极为困难的，所以我们的方法是：采用在近红外区域内的两个窄带波片对辐射谱进行选择测量。 由于炉内燃烧介

40、质的辐 射能谱对本系统来说是一种背景干扰， 所以必须加以回避滤除，所以在燃烧介质 的辐射能谱中寻找“窗口”也是本项目研究内容之一。通过理论分析和实验验证， 我们已摸索出天然气、高炉煤气、瓦斯等燃烧介质的光谱特性，及其可为本项目 所用的合适“窗口”。2.4.2最佳窄带滤波片选取研究对于比色测温系统其灵敏度一个参数，定义为：S（ T）是一个能够明显反映系统的响应特性的(1)2)1 )；( 1 - 1 ) (6)TS（ T）沢（T）（2）5（7cT扎 叫规）1在测温范围内要求热图像的灰度值 R（T）与温度T的关系最好是线性的且 斜率较大，也就是要求灵敏度 S（T）的曲线较为平稳且值较大，这样测温分布

41、 均匀。Figurel. The relative curve of S（T） and T by different 二：图1为利用Matlab语言编程仿真画出的不同亠组合时S（ T）与T的关系 曲线，其中I （j1 = 1（2）2。从图中可以看出温度在10001500K时 =0.13，m的S（ T）较为平稳，而温度在6001000K时，=0.09加 的S（ T） 较为平稳，综合考虑整个测温范围内我们选择=0.1flm较为合适。1.6-31.41.2700800600900100011001200130014001500Figure 2. The relative curve of S(T).

42、图2为利用Matlab语言编程仿真画出的相同在某一数值时S (T)与T 的关系曲线，从图中我们可以看出它们的曲线趋势基本上相同，但随着波长组合向长波方向变化灵敏度S(T)变高，而对于CCD的光谱响应，波长越长则响应 值越小直至截止，信噪比明显下降，因此不宜选择波长太长的组合。通过以上理论分析及实践研究并结合上节所分析的辐射“窗口”，我们寻找出了窄带滤波片的最佳中心波长。0.8 , IrLe(0.85,0.96)/f (0.84,0.95)/y(0.83,0.94)/ /(0.82,0.93)rFt1Iirtx 102.5图像处理与温度测定参见软件设计说明书2.6系统误差分析及校正2.6.1误差

43、分类根据本系统测量误差的性质及其特点，一般将其分为系统误差、随机误差与 粗大误差三类。系统误差：是那些在相同的测量条件下多次测量同一被测量时， 误差的绝对 值与符号保持恒定，或在条件改变时按某种确定规律变化的误差。 系统误差分为 恒定系统误差和变值系统误差。随机误差：是在实际相同的测量条件下多次测量同一被测量时，误差的绝对值与符号以不可预定变化的误差。随机误差具有单峰性、对称行、抵偿行、有界 性的特点。粗大误差：是在一定的测量条件下明显的歪曲测量结果的误差。主要由于读错、记错、算错、测量方法错误、测量仪器有缺陷等原因造成。262误差分析262.1灰度假设误差由前分析我们知道：由比色测温公式（2

44、-20）计算温度温度时，公式中的K值 中的比辐射率；（）无法确定，只能近似的把炉内工件当作灰体来处理，即假 设（）=0，这就是所谓的灰度假设，由于炉内工件不是灰体，所以灰度假 设产生灰度假设误差。262.2滤波片带宽误差从比色测温原理可以看出，温度的测量是通过在两个波长下物体同一点发出 的单色辐射出度来计算的。而滤波片总是有一定带宽的，从测温公式（2-20）的推导过程可以看出滤波片的带宽影响了比色测温的精度，由此产生的误差就是滤波片带宽误差。262.3光学镜片误差分光镜、透镜等光学镜片由于做工的原因，造成镜面的不光滑、增透膜涂的 不均匀，从而使光学器件没有具有各向同性的功能。例如在当透镜在不同

45、的位置时会发现得到的结果有微小的差别。 这种微小差别就是光学镜片误差，由于其相 对于其他误差来说是很小的，因此我们在实际的测量过程中将此误差忽略不计。 2.6.2.4CCD摄像机误差CCD器件是积分型器件，输出电流I既和入射辐射照度E有关，也和积分时 间t有关，即：I -Et - Q（5-1）其中：为比例常数；Q二Et称为曝光量，单位是lx s。在如此多的转换环节中，不免会引入误差，并且由于CCD器件本身特性的原 因，使上述线性关系不能严格成立，从而影响了比色测温的精度，带来误差。其 中包括1. CCD图像中的光晕、拖影和斑点现象2. 暗电流3. 热电子噪声通过我们的研究，针对以上三个典型误差

46、来源，分别可以采用减小光圈、缩 短曝光时间或者设置中性滤色片；设置电子快门，减少光积分时间；恒定CCD工作环境温度、平滑滤波和多次平均来消除之。经实践检验取得良好效果。263误差修正由K值公式(2-19)和测温公式(2-20)可知：对设备因子K值进行标定后就可 以计算出被测高温钢铁的表面温度场分布，K值中包含了除灰度以外的各种因素 引起的误差来源，K值的准确程度决定了测量温度的准确程度。由于设备因子K值中的比辐射率；(T(r),)与温度有关，因此利用一次性标定得到的K值计算温度会产生较大误差，必须对 K值进行插值修正。由于高阶多项式插值存在龙格(Runge)现象，而且数值的稳定性很差,所以我

47、们采用分段低阶线性插值方法对K值进行修正。首先在测温的量程范围Tmin ,Tmax内,等距离地取定 门+ 1个标定温度Tj，j =0,1,2,小，由这一组标定 温度Tj可得到对应的一组数组(Rj(Tj),Kj)，然后将得到的数组(Rj(Tj),Kj)存入 计算机中供插值时使用。取步长h二Rj 1 (- Rj仃j),用分段低阶线性插值法拟 合出函数Kh(R)。则插值函数为n(5-2)(R)八 Kjlj(R)j=0式中,lj(R)；_丫 ,R RjRj - Rj 4Rj,R Rj ,Rj 1, j = n0,其他 R JRj 亠 Rj 1由式(5-2)插值修正计算出的K值即为修正后的K值。由插值修

48、正后的K值 计算物体的温度可以减小实验误差。K值的准确程度与选取的步长h有关，选取 的步长h越短，实验数据就越多，修正后的K值的准确度就越高，实验误差也就 越小。2.6.4 数据分析2.6.4.1 K 值标定在实际应用中， 为了降低噪声对温度测量的影响， 我们会对采集到的高温目 标表面辐射图像进行近均值滤波处理。 首先为了对设备因子 K 值进行标定， 我们 在黑体炉中将目标的标定温度每升高 50C采集一次图像，再对采集到的图像采 用近均值滤波处理并将计算得到 ( R(T),K )存入计算机以便对 K 值进行的插值修 正。在进行测温过程中， 我们由采集到的高温目标表面辐射图像计算出图像中目 标表

49、面各点的灰度的比值 R,然后将R值与计算机存储的Rj值比较后确定插值 区间，再由式(5-2)插值计算出修正后的K值，最后由图像灰度的比值R，修正后 的 K 值和测温公式( 2-20)计算出钢铁表面各点的温度 T ，并画出钢铁表面的温 度场分布和温度变化率曲线。2.6.4.2 滤波去噪通过对大量的实验数据进行分析得出： 采用比色法测温时， 系统硬件条件 的限制，尤其是CCD勺硬件条件限制，是造成测温系统产生误差的主要原因。当采集的图像灰度值“过小”时，噪声以及环境误差会对结果造成影响， 灰度值“过 大”时，CCD“饱和”也会对实验结果造成影响。而对于 CCD器件带有的PN结散 粒噪声以及图像中夹

50、杂的Gauss噪声，为了提高测量精度，在进行比色测温计算 前需要对采集图像进行滤波降噪处理。由图 5-1 可以看出近均值滤波后计算的温 度精度有很大的提高。亠冃波度温算计1W0-900BOO-:8001000110012001300标定温度(K)图5-1滤波前后测量温度与计算温度的对比图2.643 误差插值修正在实际的测量过程中，由于炉内环境恶劣，造成了标定温度与实际温度存在 误差30。虽然不同的环境产生误差的原因各不相同， 但是对于同一环境其产生误 差的原因可以看作是基本相同的。 我们采用对同一环境进行多次测量，再根据多 次测量的结果对K值进行标定，提高了通过插值修正得到计算温度的精确度。1

51、300-11100-度温算计1000-900-丄修正前Y修正后600-8DO9001000110012001300标定温度(K)图5-2插值修正前后测量温度与计算温度的对比图2.6.5结论通过合理设置光学参数，并采用了滤波、插值修正等处理方法，我们有效地 控制了误差，提高了系统检测稳定性，并取得了很好的测试结果，通过检测数据 对比，我们已将系统检测相对精度达到0.5%，从而可以满足大部分工业加热炉环境下对炉内工件表面温度测定的要求。2.7双光路镜头设计(专利技术)本项目双光路镜头是我中心最新研制的特种高温针孔式光学镜头， 并获得了 国家专利，物镜镜片米用蓝宝石等耐咼温材料制造， 大大地提咼了镜

52、头的耐咼温 性能，在平行光传输部分采用了分光，将入射光一分为二，最终形成两幅完全一 致的两幅图像，分别接至两台 CCD。2.8高温防护装置设计与实现高温保护套用以保护高温光学镜头及摄像机，它是一种由高品质不锈钢和超合金材料制成的双层结构的筒体，采用气冷却的方式保护镜头及摄像机， 同时密 封、吹扫自清洁。基于彩色及近红外双 CCD的炉内工件表面温度全视场监测系统软件设计说明书项目研发负责人：吴海滨目录1 引言1.1 编写目的A O1.2 背景2总体设计2.1 需求规定2.2 运行环境2.3 基本设计概念和处理流程2.4 结构2.5 人工处理过程3 接口设计3.1 用户接口3.2 外部接口 4系统出错处理设计4.1 出错信息1引言1.1 编写目的本说明书列出软件的设计考虑，包括程序系统的基本处理流程、程序系统的 组织结构、模块划分、功能分配、接口设计、运行设计、数据结构设计和出错处 理设计等，为程序的编制提供基础。A O1.2 背景说明：a. 软件系统名称：炉内工件表面温度全视场监测系统，版本： 1.0；b. 项目任务由安徽大学特种电视技术研究中心提出，系统应用单位为石化、 冶金、建材等行业。软件运行的硬件平台为工业控制计算机，工作环境为 工业生产环境。2总体设计2.1