专利名称：一种单ccd成像系统的炉膛内三维温度场检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种单CXD成像系统的炉膛内三维温度场检测装置及方法
背景技术：
煤气化技术是发展煤基化学品、煤基液体燃料、先进的IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础，是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术。气流床煤气化技术采用1300°C至1700°C的气化温度，液态排渣，使气化过程由900°C左右的化学反应控制(固定床)、1100°C左右的化学反应与传递共同控制(流化床)跃升为传递控制。气流床气化炉在高温、高压下运行，可能存在不正常工况，使炉内温度场分布不合理，火焰中心靠近炉壁导致局部温度过高，进而影响气化炉喷嘴和耐火衬里的使用寿命和效率。因此，监测气化炉内火焰特征及温度分布，对温度的监控、防止气化炉等设备的局部温度偏高、判别反应温度范围是否合理以及燃烧状态的判断、预测和诊断等方面有着十分重要的意义。
工作状态变得十分困难。相对于燃烧炉，较高的炉膛压力极大地局限了气化炉膛的图像采集口数量，基于多视角的三维温度场监测极难实现。因此需要一种能够耐高温及高压的炉膛火焰可视化系统，通过尽可能少的视角实现炉内三维温度场的检测，实现气流床气化装置的长周期稳定运行。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于单视角CXD成像系统的炉膛内三维温度场的检测装置及其检测方法。本发明总的技术构思是首先通过光学分层成像方法计算得到空间内不同截面的原始光亮度分布。光学分层成像方法是将三维结构的透明或半透明发光体看作由N层二维截面组合而成，利用固定位置的CCD相机对每层聚焦拍摄，并得到一系列投影图像，然后经算法反演得到每层的截面光亮度分布，由此重建染色体的三维光亮度分布。厚度为D的三维透明物体发出单色非相干光，光亮度分布为f (x，y，z)，采用物距df、像距Cl1的光学透镜成像系统对其进行光学成像。假定三维物空间坐标原点在物体左边界，Z轴与光轴重合。物空间坐标为(x，y，z)，像面坐标为(X' ,1' ,Z')。对位于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层离焦像的叠加像。由傅里叶光学理论可知，对于线性平移不变光学成像系统，像面上的光亮度函数是相应物面上的光亮度函数和光学成像系统点扩散函数h(x, y, Z1-Z')的卷积，gj (x, y, z' ) = f (x, y, z)*h(x, y, Z1-Z' )(I)所关注的是物体本身而非放大或缩小的像，因而将投影所成的像反投影至物空间焦平面上，此时聚焦z'平面时的光亮度分布为g{x,y,z') = ^ f{x,y,z)*h{x,y,z'-z)dz(2)
对其进行离散化，得
权利要求
1.一种单CCD成像系统的炉膛内三维温度场检测装置，其特征在于，该装置包括耐高温、高压水冷夹套，工业内窥镜，彩色工业面阵CCD相机以及数据采集分析单元。
所述耐高温、高压水冷夹套，用于在高温、高压设备内形成嵌入式保护壳体，通过水冷夹套和惰性气体吹扫对内窥镜光路进行冷却，并保护水冷夹套前端镜片以防止其被污染，确保内窥镜的工作环境； 所述工业内窥镜，用于将高温、高压的炉内的辐射图像通过光学镜头引出工业炉膛外，并与工业相机接口进行匹配； 所述彩色工业面阵CCD相机，包括普通CCD相机或CCD光场相机,对不同焦平面的可见光波段辐射图像进行成像，并分解转换为红、绿、蓝三路波段辐射信号； 所述数据采集分析单元，采集不同焦平面图像的红、绿、蓝三路波段辐射信号，利用光学分层成像方法结合比色测温法计算三维温度场。
2.如权利要求I所述的单CCD成像系统三维温度场测量装置，其特征在于，通过水冷盘管的冷却作用实现最大程度的温度保护，结构简单，便于维护。
3.如权利要求I所述的单CCD成像系统三维温度场测量装置，其特征在于，水冷夹套内的石英镜片面积很小，能够使本套装置工作在高压条件下，同时水冷夹套内环隙通惰性吹扫气，能够保护该石英镜片，防止其受到颗粒杂质的污染，该装置尤其适用于如气化炉类的高温、高压且炉内含有大量颗粒的炉膛环境。
4.如权利要求I所述的单CCD成像系统三维温度场测量装置，其特征在于，石英镜片后的管道内可插入内窥镜或光纤等光路，该通道与炉膛隔压隔热，因此可方便地进行内窥镜或其他设备的更换。内窥镜等光路通过小孔成像原理将炉内图像导出至CCD相机。针对高压环境，该管道出口可配压力控制阀门，避免权利要求3所述的石英镜片意外损坏而造成压力泄露的危险。
5.如权利要求I所述的单CCD成像系统三维温度场测量装置，其特征在于，所述待测物体为温度范围为IOOOK 3000K的具有连续辐射特性的透明或半透明高温物体。
6.如权利要求3所述的单CCD成像系统三维温度场测量装置，其特征在于，所述可见光波段为450nm 750nm。
7.—种单C⑶成像系统的炉膛内三维温度场检测方法，其特征在于，该方法包括 通过光学透镜，将不同焦距下的待测物体的辐射图像投影至像面； 利用普通面阵CCD相机或CCD光场相机获得不同焦平面下的投影光亮度分布； 利用光学分层成像方法，得到空间内不同焦平面对应的截面光亮度分布； 利用比色测温法，结合各截面的原始光亮度分布，计算各截面的温度分布，并组合而成三维温度分布。
8.如权利要求7所述的单CCD成像系统三维温度场测量方法，其特征在于，所述空间内不同焦平面对应的截面光亮度分布是利用光学分层成像方法计算得到的，而对应各截面的温度分布，是通过比色测温法计算得到的。针对普通工业面阵CCD相机，可通过调节成像系统焦距，使其在不同焦平面下分别聚焦拍摄系列图像，再经时均处理和光学分层成像计算后得到各截面的平均光亮度分布，再经双色法计算截面温度分布，组合得到空间内时均三维温度场；针对工业面阵CCD光场相机，其可在一次快门下同时获得不同焦平面的光亮度分布，经光学分层成像计算后得到同一时刻各截面的瞬时光亮度分布，再经双色法计算截面温度分布，组合得到空间内瞬时三维温 度场，该相机亦适用于时均三维温度场的计算。
全文摘要
本发明涉及一种单CCD成像系统三维温度场检测装置，包括耐高温、高压水冷夹套，用于在设备内形成嵌入式保护壳体，通过水冷盘管和惰性气体吹扫对内窥镜光路进行冷却，并保护夹套前端耐压镜片，维持内窥镜的正常工作；内窥镜，用于将高温、高压的炉内的辐射图像通过光路引出炉膛外；彩色工业面阵CCD相机，对可见光波段辐射图像进行成像；数据采集分析单元，采集不同焦平面的辐射图像，利用光学分层成像方法结合比色测温法计算三维温度场。本发明还涉及一种对应的三维温度场测量方法。本发明的技术方案可以实现基于单CCD相机的三维温度场检测，技术方案实现简单，可应用于高温、高压等较为苛刻的测量环境，在工业生产领域易于推广。
文档编号G01J5/08GK102706459SQ20121020789
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者于广锁, 代正华, 刘海峰, 刘霞, 周志杰, 李伟锋, 梁钦锋, 王亦飞, 王兴军, 王辅臣, 许建良, 郭庆华, 郭晓镭, 陈雪莉, 龚岩, 龚欣 申请人:华东理工大学