高溫爐爐內視頻圖像測溫系統的制作方法

專利名稱：高溫爐爐內視頻圖像測溫系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及高溫爐爐內溫度監測系統，尤其涉及一種基于利用輻射圖像處理爐內熱工檢 測原理，對直接采集來自高溫電視的單幀圖像數據進行提取、分析、處理、計算、顯示的測溫 系統。
技術背景傳統的高溫爐爐內監測系統對溫度的測量都是根據物質的物理化學性質與溫度的關系而 來的。對高溫爐內工況的溫度測量來說， 一般分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量對 被測介質會造成干擾， 一般只能實現點測量；非接觸式溫度測量由于不與被測介質直接接觸， 熱慣性小，測量上限不受材料限制等優點而倍受關注。非接觸式測量技術也是高溫窯爐溫度測量的技術發展方向。目前國外已有高溫窯爐溫度非 接觸式測量儀器裝置的實際應用，但其設備造價相對昂貴，有些產品也只能實現單點測量。國 內也有這方面的研究和試驗，但均處于起步和非成熟階段，要為高溫爐提供優質的圖像監測和 準確的溫度測量，必須解決如何將高溫爐爐內的圖像信息轉化為相應的溫度這一技術難題。 發明內容本發明的目的是為了提高窯爐生產的自動化水平，降低生產的運行成本，提高產品質量和 降低廢品率，特研制出一種測溫準確、數據可靠的高溫爐爐內視頻圖像測溫系統。與傳統的高 溫爐爐內溫度監測系統相比，本系統實現了真正意義上的測量，測量的精確性來自以下幾點1.視頻來源方面本系統是直接采集來自CCD攝像頭的單禎圖像用于測溫，而不是提取視頻流的單禎圖像(即 經過壓縮的圖像)。從而保證了圖像來源的高質量。 2溫度計算方面-針對黑白圖像，本系統使用類似紅外測溫的原理計算溫度，針對彩色圖像，本系統使用一 種結合了單色法和比色法測溫優點的全新的計算方法計算溫度，從而保證了測溫原理的高質3.測溫計算的結果與顯示方面本系統實現了十字架測溫與區域測溫的有機結合。本系統采取的技術方案是 一種高溫爐爐內視頻圖像測溫系統，包括分別與高溫電視及CRT 相連接的工控主機，其特征在于所述的工控主機還包括三個部分數據庫、人機界面及計算 分析，其中數據庫包括實時記錄數據庫，歷史記錄數據庫、圖像記錄數據庫及操作記錄數據庫， 人機界面包括文件、基本設置、應用設置、系統設置、偽彩色設置、查看及退出系統；計算分 析包括高溫圖像處理模塊、溫度建立算法模塊、溫度顯示模塊及運算狀態顯示模塊；所述的高 溫電視采用包括有防護裝置、傳動裝置、控制裝置及攝像裝置的探頭式高溫電視；所述的工控 主機上裝有視頻采集卡，工控主機利用控制程序完成高溫爐爐內視頻圖像的采集，并對像數據 進行提取、分析、處理、計算、顯示。本系統所達到的有益效果是高溫爐爐內視頻圖像測溫結果可以指導運行人員保持高溫窯 爐爐膛最佳熱工狀況，從而提高熱工效率，降低污染物生成，提高工料加工質量，同時對爐膛 滅火保護，避免爐壁結焦、耐火材料脫落以及對高溫窯爐進行故障診斷都有著重要的作用。


圖1是本發明的系統構成方框圖并作為摘要附圖。 圖2是本發明采用的探頭式高溫電視結構示意圖。圖3是高溫攝像探頭成像位置及與CCD攝像探頭成像靶面的關系示意圖。圖4是CCD攝像探頭角度修正示意圖。圖5是本發明的系統功能框圖。圖6是本發明的系統程序模塊框圖。圖7是本發明的控制程序流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行詳細說明。參照圖l、 2，本系統的前端主要是由攝像裝置、傳動裝置、防護裝置、控制裝置構成的高 溫電視。高溫電視中的攝像裝置是高溫探頭，高溫探頭通過傳動裝置和防護裝置探進高溫爐爐 內。高溫爐爐內物像通過預制孔(或借助觀察孔)由耐高溫鏡頭對火焰成像，經鏡管傳輸到其 后的攝像機靶面上轉變為電信號再經同軸電纜傳給控制室工控主機。傳動裝置主要由爐壁防護 裝置、拖動機構、行程開關、電機和減速機等組成，傳動系統的作用是推動攝像探頭進出爐膛， 正常情況下探頭可長期在爐內工作，在出現報警時控制系統自動控制傳動系統將探頭退出爐 膛，并自動關閉爐門。傳動機構采用抗腐蝕、耐高溫和高粉塵的鏈式裝置，電機采用單相電源作動力源，對工業 爐場合的惡劣環境具有極強的適應性。水冷氣封防護裝置是整個系統安全工作的重要保證。鑒 于工業電視系統工作環境的惡劣情況，本系統在常規水冷探頭的一級保護下，又研制開發了爐 壁水冷卻基板的二級保護，并對探頭進行氣封保護，最大限度地降低熱交換的同時保證了很好 的監視效果，保證攝像機在高溫環境下正常工作。控制裝置是專為控制和保護高溫工業電視的攝像探頭而設計的，控制傳動裝置的執行動作 和防護警報。電控裝置控制電路采用電子技術與電工技術相結合，以邏輯控制電路為核心，伴 以傳感器檢測電路、電動執行控制電路、報警指示與操作電路，控制電機最終達到控制和保護 攝像探頭的目的。電控系統具有完善的全自動保護功能，冷卻氣氣壓降低、攝像機環境溫度升 高、系統輸入電源斷電、電機過載等異常情況下均發出聲光報警信號并在10秒鐘內使攝像機 探頭自動退到爐外。]本系統的工作原理木系統是一種視頻攝像和由計算機驅動的測溫儀的綜合應用設備，這 種測溫儀能測量監視器屏幕上所看到的圖像范圍內的區域(由操作者選擇)的溫度。為了獲得 更詳細的現場圖像，有必要將攝像機的光學物鏡靠近處理過程。該裝置的物鏡放在冷卻的并允 許進入高溫窯爐的鏡頭管中。物鏡外用藍寶石覆蓋以滿足惡劣環境下對鏡頭的保護。物鏡能形 成較大視角的圖像，然后通過一系列的傳輸鏡片傳送到攝像機。有不同視角和不同光學路徑的 鏡頭可供選擇。將攝像機安裝在高溫窯爐適宜的觀測口上上既可看到燃燒區也能看到己形成的 物料。視頻信號在處理器內部被數字化并且疊加一些圖形元素(像定義測量區域和溫度顯示的光 標)。最終的圖像可在彩色計算機顯示器(CRT)上看到。由該裝置獲得的圖像質量是相當好的， 清晰度也極高。用戶既可以看到熟料的溫度也能得到窯內燃燒區域的一幅清晰畫面。圖像的不 同視頻控制能在控制室內通過連接到處理器的鼠標完成。這種功能允許操作者不需接觸爐內攝 像機就可根據自己的需要方便地對圖像質量進行優化調整。屏幕菜單則是提供給操作者的另一 友好界面。該裝置的安裝不比安裝一套普通攝像機復雜，只是前端作好攝像系統的高溫防護， 中控室將信息接入數據圖像處理器。本系統能掃描到攝像機視角范圍內的任何地方。它可以讓處理器處理由用戶在監視器屏幕 上定義的36個測量區。能夠直接觀察測溫區正指向的地方正是這項技術的最主要的優點，因 為傳統的測溫儀的一個主要問題是很難確切的知道哪個區域正在被測量，有時爐內大量的粉塵 會影響到測量。當使用傳統的測溫儀時操作者無法確定測量條件。而本系統在溫度測量性能方 面提供了很大的靈活性，36個溫度測量區能疊加在視頻圖像上，并且這些區域可在圖像范圍內 任意移動，因此能為操作者提供測量點的精確信息。測量區的大小也可被改變。每個區域的溫 度可以設置來分別代表此區域的平均值、最小值、最大值。本系統解決的技術問題(1) 非接觸式測量不與高溫爐內被測介質直接接觸。(2) CCD攝像探頭作為莨接溫度信息采集裝置可以滿足從0'C至2000'C的各種高溫窯爐的 測溫環境，并且不會產生熱慣性，從而避免了由于測量探頭的熱慣性而帶來的測溫不準確問題。(3) 廣角鏡頭可以盡可能多地采集到爐膛高溫圖像，為實現大范圍高溫窯爐溫度在線圖 像監測奠定了基礎。(4) 克服了傳統測溫方式點測量的局限性，可以監測全部可視范圍內的溫度信息。(5) 對CCD攝像裝置的黑體爐標定以及角度和亮度的歧變修正，保證了測溫的準確性和 可靠性。(6) 即可實現高溫窯爐工況的實時監視，又可為窯爐運行提供實時在線的定量溫度信息。(7) 測量結果作為高溫窯爐生產工藝調整的依據，可以及時反饋爐內重點工況位置偏移 信息、爐況異常報警信息及爐內滅火的主動預見性信息。本系統研究開發的重點是如何將高溫窯爐圖像信息實時轉化為相應的溫度信息。由于本監 測裝置的測量、處理和計算以CCD拍攝圖像為測量界面的，而CCD拍攝圖像又存在色度、亮度、 角度歧變的實際問題，所以對CCD攝像裝置的黑體爐標定、亮度和角度的歧變修正是否準確將 直接影響測量結果的準確性，也是本產品研究開發的關鍵技術所在。本系統的技術指標-測溫量程范圍0。C 2000。C;測溫范圍全畫面范圍，可設置36個獨立測溫窗口；各窗口位置、大小均可調；測量精度1°/。(量程范圍內)；響應時間小于80ms;溫度信息刷新時間小于1S;區域位置判斷精度大于90%;顯示方式在視頻實時圖像上(疊加)同步獨立顯示各窗口溫度值； 控制接口標準工業控制接口； 數據存儲24小時溫度變化記錄； 工作方式連續，實時，在線。本系統采用了綜合單色法和雙色法熱輻射圖像溫度的先進檢測方法。熱輻射圖像溫度的檢 測方法一般有單色法和雙色法兩種方法。單色法的特點是對熱輻射圖像的灰度信號進行比較計 算而得出溫度值，雙色法的特點是采用熱輻射圖像中的紅、綠、藍三原色信號之間的比值計算 而得出溫度值。研究表明，盡管假定熱輻射特性是灰性的，但由于在邊界通過成像方式檢測到 的單色輻射能受到邊界反射的影響，沿用灰性物體所遵循的輻射光譜特性進行計算的結果很不正常。而由于彩色圖像處理器件中能夠分配給三原色各自存儲單元的信息量只及單色圖像灰度 信息存儲單元信息量的三分之一，而且由于高溫溫度變化范圍較寬，三原色信號之間相差懸殊， 故雙色法熱輻射圖像溫度檢測方法的適用范圍也受到了限制。困擾水泥窯的主要問題是粉塵 模糊了圖像的輪廓以及原材料的熱輻射系數發生變化，熱輻射系數的變化是由于溫度或表面條 件的改變而造成的。本系統的準確性關鍵也在于測量方法的選擇。采用的熱輻射圖像溫度檢測方法綜合了單色 法和雙色法熱輻射圖像溫度檢測方法的優點，具體方法為采集一幅彩色圖像，在高溫圖像中 亮度最高的區域選擇一個代表性像素，利用其三原色中的任意兩個原色數字化數據之間的經校 正后的比值計算出參考溫度；將彩色圖像轉化為灰度圖像，由各像素灰度之間的比值與各像素 之間的溫度的四次方之間的比值成正比的關系，利用參考溫度計算出熱輻射圖像溫度。CCD高溫攝像探頭的修正由于光學鏡片組在成像過程中會引起圖像亮度衰減以及變形， 而在我們的成像模型中不同像素獲取的能量信息是指所有網格發射出的輻射能能夠到達該像 素所對應的角度范圍之內的份額之和，變形之后的圖像將不再符合這一對應關系，所以必須對圖像亮度以及每個像素所對應的角度進行修正。同時，由于CCD攝像機成像過程中要經過光電、 數模轉換等一系列中間過程，最后進入計算機內的火焰圖像中像素的三基色(R,G,B)值已不能完全反映相應輻射能的大小。所以必須對輻射圖像中的像素進行修正。高溫攝像探頭成像位置以及CCD攝像頭成像靶面的關系如圖3所示。圖像成像在直徑為6腿的圓形位置，CCD攝像頭靶面為一與該圓相接的矩形，大小為3.6腿X4.8ram。圓與矩形的 中心均為0， CCD靶面對角線的視場角為120° 。
CCD高溫攝像探頭亮度修正圖像亮度的衰減只是影響到每個像素所獲得的輻射能的絕對 值的變化，所以只需在亮度發生改變的像素所獲取的亮度信息上乘以一個修正系數即可。修正 系數由廠方提供的修正數據擬合得出，擬合公式如下所示
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其中，o為修正系數，X為像素離耙面中心的距離(單位為咖)。 CCD高溫攝像探頭角度修正假定每個像素所對應角度是均分的，建立起像素與網格的一一對 應關系。而實際廠家提供的CCD高溫攝像探頭所攝取的圖像由于變形，原來的一一對應關系將 被打亂，所以計算需要根據實際CCD高溫攝像探頭的具體情況重新進行角度劃分；在后面我們 所提出的一種快速確定火焰中心位置的分析中，每個像素所對應的角度也起著關鍵性的作用。 所以我們必須對角度進行精確的角度修正。廠家提供了角度修正的一些數據，但是由于在鏡頭 與鏡片組的安裝過程中安裝精度的問題，該數據是不可信的，所以必須另想它法。其修正方法 如圖4所示。
CCD圖像監視器放在0位置，方向為水平朝右(0A方向)，在距其L米的位置放置一垂直 的標尺，標尺上標有等分的刻度(這里我們使用的是普通坐標紙)，然后使用CCD圖像監視器 采集該標尺的一幅圖像。通過該圖像確定出標尺中每個刻度對應的成像像素，使用亮度修正中 確定像素距靶面中心的距離方法確定出這些像素距耙面中心0的距離X，然后通過確定出每個 刻度對應的成像角度(以圖中的B位置為例)，于是便建立了一系列像素距離耙面中心0的距 離與該像素的成像角度的對應關系的數據，通過這些數據，擬合出如下公式
a = 19.361171-52.85264X2 +95.84988JT3 -55.56153Z4+12.7944X5 -0.9868X6②
其中，o為像素對應的角度(單位為度)，X為像素離靶面中心的距離(單位為mm)。 需要說明的是，由于CCD高溫攝像探頭鏡頭較小，在L足夠大的情況下可以近似將其看 作一個點。這雖然會帶來一定的誤差，但是這樣的誤差是在允許范圍之內的。
輻射圖像標定在高溫窯爐爐內圖像中亮度最高(未飽和)的區域選擇一個狹小的象素 區域，利用其平均三原色中的任意兩個原色的數值之間的比值通過比色法計算出參考溫度， 該參考溫度決定了重建出來的溫度場的總體溫度水平(或者說溫度數值的可信程度)。 設紅光與綠光的波長分別為與，輻射能圖像中同一像素得到紅光與綠光的數值為的R和G， 當忽略不同波長下輻射率的變化時該像素對應的溫度值如下計算
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(3)
但是，由于CCD攝像機成像過程中要經過光電、數模轉換等一系列中間過程，最后進入計 算機內的火焰圖像中像素的三基色(R, G, B)值已不能完全反映相應輻射能的大小。所以必 須對CCD攝像機進行標定。本系統在實驗中，是通過標準黑體爐來進行標定的，
黑體爐的溫度是可以精確設定的，在知道黑體爐溫度的情況下，通過式3就可以反推出該 溫度對應的i /G值。那么如果通過CCD攝像機攝取到該溫度下的一幅圖像，我們就得到該幅 圖像中各像素測量得到的&_/0_5.，我們設它們的比值為h那么它們直接的關系就為
<formula>formula see original document page 6</formula> ，于是式3變為如下形式<formula>formula see original document page 7</formula>(4)k便是要標定的系數。本系統軟件的設計采用基于本機數據庫的模塊化設計結構。運用計算機圖像處理技術和 相關的輻射能理論針對CCD攝像機檢測的爐膛工況，計算爐膛溫度與重點位置監測，通過進 一步的分析處理，實時、定量的反映爐膛工況，指導機組人員調節控制系統。整個結構采用 模塊化設計原則，由數據庫、人機界面、計算分析三部分組成。軟件程序流程見圖7。控制程序包括以下步驟(1) 、首先啟動系統，程序進行環境有效性檢測，然后對輸入的用戶名及密碼進行確認;(2) 、用戶名、密碼確認有效后，程序變量初始化，采集卡初始化，啟動實時工作線程程序，即進入程序主界面；(3) 、進入程序主界面，默認為進行實時錄象，即啟動實時錄象；如果關閉錄象、即可 進行錄象回放，通過用戶響應，可對系統主用戶界面進行操作；(4) 、如果選擇關閉系統，則進入系統資源回放，初始化信息寫入之后系統關閉；(5) 、如果選擇不關閉系統，則返回到默認實時錄象狀態；(6) 、在系統操作中，如有系統時間事件發生，則圖像保存和實時計算線程開始，此時 復制圖像數據計算緩沖，同時啟動計算線程，保存錄象數據；(7) 、如有采集回放事件發生，圖像采集線程開始，此時采集圖像到緩沖，同時更新用 戶界面圖像顯示及時間顯示。基于模塊化的設計使得本系統具有良好的可擴充性，便于升級和維護。本系統中，數據 庫的建立和維護遵循就近處理的原則，由所在主機的程序實現。系統運行的各種數據資源保 存在數據庫中，便于數據的分析管理，程序的結構化程度高。"實時記錄數據庫"對系統監測的溫度進行實時記錄刷新，記錄的數據是有時效的，是 不斷更新的。該數據為溫度顯示和運行狀態顯示提供實時數據。"歷史記錄數據庫"記錄的是一些典型的或特定時刻階段的溫度數值，由該數據庫的數 據，可重現某些時段系統運行的歷史趨勢圖，對應相應的爐膛工況。"圖像記錄數據庫"主要是以連續變化的形式再現某些時段爐膛的溫度變化值。便于機 組運行人員觀察爐膛的溫度變化。這是本系統一個具有特色的技術表現，也是進一步研究將 溫度變化引入控制的技術關鍵。"操作記錄數據庫"記錄的是系統運行人員所進行的系統操作，同吋也記錄系統自動進 行的一些操作切換。這樣，便于今后對系統性能的分析和事故分析。根據系統的主要功能進行了軟件的結構劃分。其中"人機界面"包括文件、基本設置、 應用設置、系統設置、偽彩色設置、査看及退出系統。人機界面主要實現人機對話，對操作 行為進行解釋并使系統對操作指令做出響應，建立系統操作界面，開辟人工干預系統的通道 等功能。模塊的運行采用多線程方式，提高了系統執行效率。"高溫圖像處理模塊"需要完成對爐膛圖像的實時采集，同時進行圖像數據提取、分析、 處理，獲得爐膛的相關數據，提供給"算法模塊"。"溫度建立算法模塊"由編譯好的Fortran動態鏈接庫實現，主要是計算溫度場。采用 Fortran語言，是因為它在科學計算方面具有其他編程語言不可替代的優勢。"溫度顯示模塊"向機組運行人員直觀的展示了爐膛工況的溫度分布。機組人員可自行 選擇不同的爐膛區域。"運行狀態顯示模塊"主要對某些敏感的溫度區域進行量化，以數值、圖像等方式來指 導機組運行人員改善對高溫窯爐的控制。考慮高溫窯爐運行監控系統物理空間廣，電磁干擾強，系統的硬件布置分為兩個方面，一是高溫窯爐的CCD攝像裝置的安裝，二是集控室內工控機的放置。兩者之間要求用抗干擾 強的線纜連接。
權利要求
1. 一種高溫爐爐內視頻圖像測溫系統，包括分別與高溫電視及CRT相連接的工控主機，其特征在于所述的工控主機還包括三個部分數據庫、人機界面及計算分析，其中數據庫包括實時記錄數據庫，歷史記錄數據庫、圖像記錄數據庫及操作記錄數據庫，人機界面包括文件、基本設置、應用設置、系統設置、偽彩色設置、查看及退出系統；計算分析包括高溫圖像處理模塊、溫度建立算法模塊、溫度顯示模塊及運算狀態顯示模塊；所述的高溫電視采用包括有防護裝置(1)、傳動裝置(2)、控制裝置(3)及攝像裝置(4)的探頭式高溫電視；所述的工控主機上裝有視頻采集卡，工控主機利用控制程序完成高溫爐爐內視頻圖像的采集，并對像數據進行提取、分析、處理、計算、顯示。
2、 如權利要求l所述的高溫爐爐內視頻圖像測溫系統，其特征在于所述的控制程序包括以下步驟.(1) 、首先啟動系統，程序進行環境有效性檢測，然后對輸入的用戶名及密碼進行確認；(2) 、用戶名、密碼確認有效后，程序變量初始化，采集卡初始化，啟動實時工作線程程序，即進入程序主界面；(3) 、進入程序主界面，默認為進行實時錄象，即啟動實時錄象；如果關閉錄象、即可進行錄象回放，通過用戶響應，可對系統主用戶界面進行操作；(4) 、如果選擇關閉系統，則進入系統資源回放，初始化信息寫入之后系統關閉；(5) 、如果選擇不關閉系統，則返回到默認實時錄象狀態；(6) 、在系統操作中，如有系統時間事件發生，則圖像保存和實時計算線程開始，此時復制圖像數據計算緩沖，同時啟動計算線程，保存錄象數據；(7) 、如有采集回放事件發生，圖像采集線程開始，此時采集圖像到緩沖，同時更新用戶界面圖像顯示及時間顯示。
全文摘要
本發明涉及高溫爐爐內溫度檢測系統，尤其涉及一種直接采集來自高溫電視的單幀圖像數據的高溫爐爐內視頻圖像測溫系統。該系統包括分別與高溫電視及CRT相連接的工控主機，工控主機還包括三個部分數據庫、人機界面及計算分析，高溫電視采用探頭式高溫電視；工控主機上裝有視頻采集卡，工控主機利用控制程序完成高溫爐爐內視頻圖像的采集，并對像數據進行提取、分析、處理、計算、顯示。高溫爐爐內視頻圖像測溫結果可以指導運行人員保持高溫窯爐爐膛最佳熱工狀況，從而提高熱工效率，降低污染物生成，提高工料加工質量，同時對爐膛滅火保護，避免爐壁結焦、耐火材料脫落以及對高溫窯爐進行故障診斷都有著重要的作用。
文檔編號G01J5/48GK101281063SQ200810053148
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月16日 優先權日2008年5月16日
發明者華作昌, 盧愛澎, 毅 崔, 董宏元, 寧 謝, 費建軍, 洪 韓 申請人:天津市電視技術研究所