CN101281063A - 高温炉炉内视频图像测温*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温炉炉内温度检测***，尤其涉及一种直接采集来自高温电视的单帧图像数据的高温炉炉内视频图像测温***。该***包括分别与高温电视及CRT相连接的工控主机，工控主机还包括三个部分：数据库、人机界面及计算分析，高温电视采用探头式高温电视；工控主机上装有视频采集卡，工控主机利用控制程序完成高温炉炉内视频图像的采集，并对像数据进行提取、分析、处理、计算、显示。高温炉炉内视频图像测温结果可以指导运行人员保持高温窑炉炉膛最佳热工状况，从而提高热工效率，降低污染物生成，提高工料加工质量，同时对炉膛灭火保护，避免炉壁结焦、耐火材料脱落以及对高温窑炉进行故障诊断都有着重要的作用。

Description

高温炉炉内视频图像测温***

技术领域

本发明涉及高温炉炉内温度监测***，尤其涉及一种基于利用辐射图像处理炉内热工检测原理，对直接采集来自高温电视的单帧图像数据进行提取、分析、处理、计算、显示的测温***。

背景技术

传统的高温炉炉内监测***对温度的测量都是根据物质的物理化学性质与温度的关系而来的。对高温炉内工况的温度测量来说，一般分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量对被测介质会造成干扰，一般只能实现点测量；非接触式温度测量由于不与被测介质直接接触，热惯性小，测量上限不受材料限制等优点而倍受关注。

非接触式测量技术也是高温窑炉温度测量的技术发展方向。目前国外已有高温窑炉温度非接触式测量仪器装置的实际应用，但其设备造价相对昂贵，有些产品也只能实现单点测量。国内也有这方面的研究和试验，但均处于起步和非成熟阶段，要为高温炉提供优质的图像监测和准确的温度测量，必须解决如何将高温炉炉内的图像信息转化为相应的温度这一技术难题。

发明内容

本发明的目的是为了提高窑炉生产的自动化水平，降低生产的运行成本，提高产品质量和降低废品率，特研制出一种测温准确、数据可靠的高温炉炉内视频图像测温***。与传统的高温炉炉内温度监测***相比，本***实现了真正意义上的测量，测量的精确性来自以下几点：

1.***方面：

本***是直接采集来自CCD摄像头的单祯图像用于测温，而不是提取视频流的单祯图像(即经过压缩的图像)。从而保证了图像来源的高质量。

2.温度计算方面：

针对黑白图像，本***使用类似红外测温的原理计算温度，针对彩色图像，本***使用一种结合了单色法和比色法测温优点的全新的计算方法计算温度，从而保证了测温原理的高质量。

3.测温计算的结果与显示方面：

本***实现了十字架测温与区域测温的有机结合。

本***采取的技术方案是：一种高温炉炉内视频图像测温***，包括分别与高温电视及CRT相连接的工控主机，其特征在于：所述的工控主机还包括三个部分：数据库、人机界面及计算分析，其中数据库包括实时记录数据库，历史记录数据库、图像记录数据库及操作记录数据库，人机界面包括文件、基本设置、应用设置、***设置、伪彩色设置、查看及退出***；计算分析包括高温图像处理模块、温度建立算法模块、温度显示模块及运算状态显示模块；所述的高温电视采用包括有防护装置、传动装置、控制装置及摄像装置的探头式高温电视；所述的工控主机上装有视频采集卡，工控主机利用控制程序完成高温炉炉内视频图像的采集，并对像数据进行提取、分析、处理、计算、显示。

本***所达到的有益效果是：高温炉炉内视频图像测温结果可以指导运行人员保持高温窑炉炉膛最佳热工状况，从而提高热工效率，降低污染物生成，提高工料加工质量，同时对炉膛灭火保护，避免炉壁结焦、耐火材料脱落以及对高温窑炉进行故障诊断都有着重要的作用。

附图说明

图1是本发明的***构成方框图并作为摘要附图。

图2是本发明采用的探头式高温电视结构示意图。

图3是高温摄像探头成像位置及与CCD摄像探头成像靶面的关系示意图。

图4是CCD摄像探头角度修正示意图。

图5是本发明的***功能框图。

图6是本发明的***程序模块框图。

图7是本发明的控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1、2，本***的前端主要是由摄像装置、传动装置、防护装置、控制装置构成的高温电视。高温电视中的摄像装置是高温探头，高温探头通过传动装置和防护装置探进高温炉炉内。高温炉炉内物像通过预制孔(或借助观察孔)由耐高温镜头对火焰成像，经镜管传输到其后的摄像机靶面上转变为电信号再经同轴电缆传给控制室工控主机。传动装置主要由炉壁防护装置、拖动机构、行程开关、电机和减速机等组成，传动***的作用是推动摄像探头进出炉膛，正常情况下探头可长期在炉内工作，在出现报警时控制***自动控制传动***将探头退出炉膛，并自动关闭炉门。

传动机构采用抗腐蚀、耐高温和高粉尘的链式装置，电机采用单相电源作动力源，对工业炉场合的恶劣环境具有极强的适应性。水冷气封防护装置是整个***安全工作的重要保证。鉴于工业电视***工作环境的恶劣情况，本***在常规水冷探头的一级保护下，又研制开发了炉壁水冷却基板的二级保护，并对探头进行气封保护，最大限度地降低热交换的同时保证了很好的监视效果，保证摄像机在高温环境下正常工作。

控制装置是专为控制和保护高温工业电视的摄像探头而设计的，控制传动装置的执行动作和防护警报。电控装置控制电路采用电子技术与电工技术相结合，以逻辑控制电路为核心，伴以传感器检测电路、电动执行控制电路、报警指示与操作电路，控制电机最终达到控制和保护摄像探头的目的。电控***具有完善的全自动保护功能，冷却气气压降低、摄像机环境温度升高、***输入电源断电、电机过载等异常情况下均发出声光报警信号并在10秒钟内使摄像机探头自动退到炉外。]

本***的工作原理：本***是一种视频摄像和由计算机驱动的测温仪的综合应用设备，这种测温仪能测量监视器屏幕上所看到的图像范围内的区域(由操作者选择)的温度。为了获得更详细的现场图像，有必要将摄像机的光学物镜靠近处理过程。该装置的物镜放在冷却的并允许进入高温窑炉的镜头管中。物镜外用蓝宝石覆盖以满足恶劣环境下对镜头的保护。物镜能形成较大视角的图像，然后通过一系列的传输镜片传送到摄像机。有不同视角和不同光学路径的镜头可供选择。将摄像机安装在高温窑炉适宜的观测口上上既可看到燃烧区也能看到已形成的物料。

视频信号在处理器内部被数字化并且叠加一些图形元素(像定义测量区域和温度显示的光标)。最终的图像可在彩色计算机显示器(CRT)上看到。由该装置获得的图像质量是相当好的，清晰度也极高。用户既可以看到熟料的温度也能得到窑内燃烧区域的一幅清晰画面。图像的不同视频控制能在控制室内通过连接到处理器的鼠标完成。这种功能允许操作者不需接触炉内摄像机就可根据自己的需要方便地对图像质量进行优化调整。屏幕菜单则是提供给操作者的另一友好界面。该装置的安装不比安装一套普通摄像机复杂，只是前端作好摄像***的高温防护，中控室将信息接入数据图像处理器。

本***能扫描到摄像机视角范围内的任何地方。它可以让处理器处理由用户在监视器屏幕上定义的36个测量区。能够直接观察测温区正指向的地方正是这项技术的最主要的优点，因为传统的测温仪的一个主要问题是很难确切的知道哪个区域正在被测量，有时炉内大量的粉尘会影响到测量。当使用传统的测温仪时操作者无法确定测量条件。而本***在温度测量性能方面提供了很大的灵活性，36个温度测量区能叠加在视频图像上，并且这些区域可在图像范围内任意移动，因此能为操作者提供测量点的精确信息。测量区的大小也可被改变。每个区域的温度可以设置来分别代表此区域的平均值、最小值、最大值。

本***解决的技术问题：

(1)非接触式测量不与高温炉内被测介质直接接触。

(2)CCD摄像探头作为直接温度信息采集装置可以满足从0℃至2000℃的各种高温窑炉的测温环境，并且不会产生热惯性，从而避免了由于测量探头的热惯性而带来的测温不准确问题。

(3)广角镜头可以尽可能多地采集到炉膛高温图像，为实现大范围高温窑炉温度在线图像监测奠定了基础。

(4)克服了传统测温方式点测量的局限性，可以监测全部可视范围内的温度信息。

(5)对CCD摄像装置的黑体炉标定以及角度和亮度的歧变修正，保证了测温的准确性和可靠性。

(6)即可实现高温窑炉工况的实时监视，又可为窑炉运行提供实时在线的定量温度信息。

(7)测量结果作为高温窑炉生产工艺调整的依据，可以及时反馈炉内重点工况位置偏移信息、炉况异常报警信息及炉内灭火的主动预见性信息。

本***研究开发的重点是如何将高温窑炉图像信息实时转化为相应的温度信息。由于本监测装置的测量、处理和计算以CCD拍摄图像为测量界面的，而CCD拍摄图像又存在色度、亮度、角度歧变的实际问题，所以对CCD摄像装置的黑体炉标定、亮度和角度的歧变修正是否准确将直接影响测量结果的准确性，也是本产品研究开发的关键技术所在。

本***的技术指标：

测温量程范围：0℃～2000℃；

测温范围：全画面范围，可设置36个独立测温窗口；

各窗口位置、大小均可调；

测量精度：1％(量程范围内)；

响应时间：小于80ms；

温度信息刷新时间：小于1s；

区域位置判断精度：大于90％；

显示方式：在视频实时图像上(叠加)同步独立显示各窗口温度值；

控制接口：标准工业控制接口；

数据存储：24小时温度变化记录；

工作方式：连续，实时，在线。

本***采用了综合单色法和双色法热辐射图像温度的先进检测方法。热辐射图像温度的检测方法一般有单色法和双色法两种方法。单色法的特点是对热辐射图像的灰度信号进行比较计算而得出温度值，双色法的特点是采用热辐射图像中的红、绿、蓝三原色信号之间的比值计算而得出温度值。研究表明，尽管假定热辐射特性是灰性的，但由于在边界通过成像方式检测到的单色辐射能受到边界反射的影响，沿用灰性物体所遵循的辐射光谱特性进行计算的结果很不正常。而由于彩色图像处理器件中能够分配给三原色各自存储单元的信息量只及单色图像灰度信息存储单元信息量的三分之一，而且由于高温温度变化范围较宽，三原色信号之间相差悬殊，故双色法热辐射图像温度检测方法的适用范围也受到了限制。困扰水泥窑的主要问题是：粉尘模糊了图像的轮廓以及原材料的热辐射系数发生变化，热辐射系数的变化是由于温度或表面条件的改变而造成的。

本***的准确性关键也在于测量方法的选择。采用的热辐射图像温度检测方法综合了单色法和双色法热辐射图像温度检测方法的优点，具体方法为：采集一幅彩色图像，在高温图像中亮度最高的区域选择一个代表性像素，利用其三原色中的任意两个原色数字化数据之间的经校正后的比值计算出参考温度；将彩色图像转化为灰度图像，由各像素灰度之间的比值与各像素之间的温度的四次方之间的比值成正比的关系，利用参考温度计算出热辐射图像温度。

CCD高温摄像探头的修正：由于光学镜片组在成像过程中会引起图像亮度衰减以及变形，而在我们的成像模型中不同像素获取的能量信息是指所有网格发射出的辐射能能够到达该像素所对应的角度范围之内的份额之和，变形之后的图像将不再符合这一对应关系，所以必须对图像亮度以及每个像素所对应的角度进行修正。同时，由于CCD摄像机成像过程中要经过光电、数模转换等一系列中间过程，最后进入计算机内的火焰图像中像素的三基色(R，G，B)值已不能完全反映相应辐射能的大小。所以必须对辐射图像中的像素进行修正。

高温摄像探头成像位置以及CCD摄像头成像靶面的关系如图3所示。图像成像在直径为6mm的圆形位置，CCD摄像头靶面为一与该圆相接的矩形，大小为3.6mm×4.8mm。圆与矩形的中心均为0，CCD靶面对角线的视场角为120°。

CCD高温摄像探头亮度修正：图像亮度的衰减只是影响到每个像素所获得的辐射能的绝对值的变化，所以只需在亮度发生改变的像素所获取的亮度信息上乘以一个修正系数即可。修正系数由厂方提供的修正数据拟合得出，拟合公式如下所示：

σ＝1.0-0.1004X+0.07875X²-0.17578X³+0.01761X⁴

+0.02888X⁵-0.00652X⁶                       (1)

其中，σ为修正系数，X为像素离靶面中心的距离(单位为mm)。

CCD高温摄像探头角度修正：假定每个像素所对应角度是均分的，建立起像素与网格的一一对应关系。而实际厂家提供的CCD高温摄像探头所摄取的图像由于变形，原来的一一对应关系将被打乱，所以计算需要根据实际CCD高温摄像探头的具体情况重新进行角度划分；在后面我们所提出的一种快速确定火焰中心位置的分析中，每个像素所对应的角度也起着关键性的作用。所以我们必须对角度进行精确的角度修正。厂家提供了角度修正的一些数据，但是由于在镜头与镜片组的安装过程中安装精度的问题，该数据是不可信的，所以必须另想它法。其修正方法如图4所示。

CCD图像监视器放在O位置，方向为水平朝右(OA方向)，在距其L米的位置放置一垂直的标尺，标尺上标有等分的刻度(这里我们使用的是普通坐标纸)，然后使用CCD图像监视器采集该标尺的一幅图像。通过该图像确定出标尺中每个刻度对应的成像像素，使用亮度修正中确定像素距靶面中心的距离方法确定出这些像素距靶面中心O的距离X，然后通过确定出每个刻度对应的成像角度(以图中的B位置为例)，于是便建立了一系列像素距离靶面中心O的距离与该像素的成像角度的对应关系的数据，通过这些数据，拟合出如下公式：

α＝19.36117X-52.85264X²+95.84988X³-55.56153X⁴+12.7944X⁵-0.9868X⁶    (2)

其中，α为像素对应的角度(单位为度)，X为像素离靶面中心的距离(单位为mm)。

需要说明的是，由于CCD高温摄像探头镜头较小，在L足够大的情况下可以近似将其看作一个点。这虽然会带来一定的误差，但是这样的误差是在允许范围之内的。

辐射图像标定：在高温窑炉炉内图像中亮度最高(未饱和)的区域选择一个狭小的象素区域，利用其平均三原色中的任意两个原色的数值之间的比值通过比色法计算出参考温度，该参考温度决定了重建出来的温度场的总体温度水平(或者说温度数值的可信程度)。设红光与绿光的波长分别为与，辐射能图像中同一像素得到红光与绿光的数值为的R和G，当忽略不同波长下辐射率的变化时该像素对应的温度值如下计算：

$T=-C2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G})/\ln [\frac{R}{G}\·\frac{{{\mathrm{\λ}}_R}^5}{{{\mathrm{\λ}}_G}^5}]---\left(3\right)$

但是，由于CCD摄像机成像过程中要经过光电、数模转换等一系列中间过程，最后进入计算机内的火焰图像中像素的三基色(R，G，B)值已不能完全反映相应辐射能的大小。所以必须对CCD摄像机进行标定。本***在实验中，是通过标准黑体炉来进行标定的，

黑体炉的温度是可以精确设定的，在知道黑体炉温度的情况下，通过式3就可以反推出该温度对应的R/G值。那么如果通过CCD摄像机摄取到该温度下的一幅图像，我们就得到该幅图像中各像素测量得到的R_meas/G_meas，我们设它们的比值为k，那么它们直接的关系就为R/G＝kR_meas/G_meas，于是式3变为如下形式：

$T=-C2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G})/\ln [k\frac{R_{\mathrm{meas}}}{G_{\mathrm{meas}}}\·\frac{{{\mathrm{\λ}}_R}^5}{{{\mathrm{\λ}}_G}^5}]---\left(4\right)$

k便是要标定的系数。

本***软件的设计采用基于本机数据库的模块化设计结构。运用计算机图像处理技术和相关的辐射能理论针对CCD摄像机检测的炉膛工况，计算炉膛温度与重点位置监测，通过进一步的分析处理，实时、定量的反映炉膛工况，指导机组人员调节控制***。整个结构采用模块化设计原则，由数据库、人机界面、计算分析三部分组成。软件程序流程见图7。

控制程序包括以下步骤：

(1)、首先启动***，程序进行环境有效性检测，然后对输入的用户名及密码进行确认；

(2)、用户名、密码确认有效后，程序变量初始化，采集卡初始化，启动实时工作线程程序，即进入程序主界面；

(3)、进入程序主界面，默认为进行实时录象，即启动实时录象；如果关闭录象、即可进行录象回放，通过用户响应，可对***主用户界面进行操作；

(4)、如果选择关闭***，则进入***资源回放，初始化信息写入之后***关闭；

(5)、如果选择不关闭***，则返回到默认实时录象状态；

(6)、在***操作中，如有***时间事件发生，则图像保存和实时计算线程开始，此时复制图像数据计算缓冲，同时启动计算线程，保存录象数据；

(7)、如有采集回放事件发生，图像采集线程开始，此时采集图像到缓冲，同时更新用户界面图像显示及时间显示。

基于模块化的设计使得本***具有良好的可扩充性，便于升级和维护。本***中，数据库的建立和维护遵循就近处理的原则，由所在主机的程序实现。***运行的各种数据资源保存在数据库中，便于数据的分析管理，程序的结构化程度高。

“实时记录数据库”对***监测的温度进行实时记录刷新，记录的数据是有时效的，是不断更新的。该数据为温度显示和运行状态显示提供实时数据。

“历史记录数据库”记录的是一些典型的或特定时刻阶段的温度数值，由该数据库的数据，可重现某些时段***运行的历史趋势图，对应相应的炉膛工况。

“图像记录数据库”主要是以连续变化的形式再现某些时段炉膛的温度变化值。便于机组运行人员观察炉膛的温度变化。这是本***一个具有特色的技术表现，也是进一步研究将温度变化引入控制的技术关键。

“操作记录数据库”记录的是***运行人员所进行的***操作，同时也记录***自动进行的一些操作切换。这样，便于今后对***性能的分析和事故分析。

根据***的主要功能进行了软件的结构划分。其中“人机界面”包括文件、基本设置、应用设置、***设置、伪彩色设置、查看及退出***。人机界面主要实现人机对话，对操作行为进行解释并使***对操作指令做出响应，建立***操作界面，开辟人工干预***的通道等功能。模块的运行采用多线程方式，提高了***执行效率。

“高温图像处理模块”需要完成对炉膛图像的实时采集，同时进行图像数据提取、分析、处理，获得炉膛的相关数据，提供给“算法模块”。

“温度建立算法模块”由编译好的Fortran动态链接库实现，主要是计算温度场。采用Fortran语言，是因为它在科学计算方面具有其他编程语言不可替代的优势。

“温度显示模块”向机组运行人员直观的展示了炉膛工况的温度分布。机组人员可自行选择不同的炉膛区域。

“运行状态显示模块”主要对某些敏感的温度区域进行量化，以数值、图像等方式来指导机组运行人员改善对高温窑炉的控制。

考虑高温窑炉运行监控***物理空间广，电磁干扰强，***的硬件布置分为两个方面，一是高温窑炉的CCD摄像装置的安装，二是集控室内工控机的放置。两者之间要求用抗干扰强的线缆连接。

Claims (2)

1、一种高温炉炉内视频图像测温***，包括分别与高温电视及CRT相连接的工控主机，其特征在于：所述的工控主机还包括三个部分：数据库、人机界面及计算分析，其中数据库包括实时记录数据库，历史记录数据库、图像记录数据库及操作记录数据库，人机界面包括文件、基本设置、应用设置、***设置、伪彩色设置、查看及退出***；计算分析包括高温图像处理模块、温度建立算法模块、温度显示模块及运算状态显示模块；所述的高温电视采用包括有防护装置(1)、传动装置(2)、控制装置(3)及摄像装置(4)的探头式高温电视；所述的工控主机上装有视频采集卡，工控主机利用控制程序完成高温炉炉内视频图像的采集，并对像数据进行提取、分析、处理、计算、显示。

2、如权利要求1所述的高温炉炉内视频图像测温***，其特征在于：所述的控制程序包括以下步骤：

(1)、首先启动***，程序进行环境有效性检测，然后对输入的用户名及密码进行确认；

(2)、用户名、密码确认有效后，程序变量初始化，采集卡初始化，启动实时工作线程程序，即进入程序主界面；

(3)、进入程序主界面，默认为进行实时录象，即启动实时录象；如果关闭录象、即可进行录象回放，通过用户响应，可对***主用户界面进行操作；

(4)、如果选择关闭***，则进入***资源回放，初始化信息写入之后***关闭；

(5)、如果选择不关闭***，则返回到默认实时录象状态；

(6)、在***操作中，如有***时间事件发生，则图像保存和实时计算线程开始，此时复制图像数据计算缓冲，同时启动计算线程，保存录象数据；

(7)、如有采集回放事件发生，图像采集线程开始，此时采集图像到缓冲，同时更新用户界面图像显示及时间显示。

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