王浩帆，付 睿，袁 怡，李智聰，蒲 旸，婁 春，翁 燦

(1.華中科技大學 能源與動力工程學院 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.成都三峰環(huán)保發(fā)電有限公司，四川 成都 610200)

1 引 言

溫度是燃燒過程中的重要物理參數(shù)，合理地控制火焰溫度，可以提高燃燒效率，控制燃燒污染物的排放[1]，如在垃圾焚燒爐中，控制溫度范圍可以減少二噁英等有毒物質的生成，燃燒室溫度升高對碳煙生成存在促進作用等。在實際控制燃燒過程中，需要對火焰溫度的準確測量提出了要求[2]。

現(xiàn)有的火焰溫度測量方式主要有熱電偶、紅外熱像儀和激光測溫等。其中熱電偶為單點測量，不能獲得燃燒的溫度分布，且對流場有一定干擾；紅外熱像儀成本較高，且因發(fā)射率的設置不準確造成一定的誤差；激光測溫的裝置復雜。根據(jù)維恩輻射定律，在大部分火焰溫度范圍內，物體溫度越高熱輻射峰值越向可見光波段移動，于是可以根據(jù)輻射理論，結合可見光圖像處理技術，測量火焰溫度。該方法可以在不干擾流場的情況下獲得火焰溫度分布，且不需要設置發(fā)射率，避免出現(xiàn)誤差[2,3]。基于輻射理論與可見光圖像處理技術的雙色法測量火焰溫度的技術已廣泛應用于燃燒檢測與診斷，如用于測量燃燒室溫度或其他燃燒特性[4,5]。

基于電荷耦合傳感器(charge-coupled device，CCD)雙色測溫技術已經(jīng)廣泛應用到工業(yè)生產(chǎn)過程中。薛飛等使用雙色法，通過面陣CCD獲得的彩色圖像，定量計算除燃煤鍋爐燃燒溫度場[6]；劉建浩等使用雙色法獲得了玻璃熔窯內的可靠溫度分布[7]；閆勇等分別使用該方法計算了實驗室尺度的甲烷軸對稱擴散火焰和500 kW鍋爐火焰溫度[8～10]；何旭等用雙色法研究了汽油機火焰的溫度分布，證明了雙色法的有效性[11]。

在計量測試領域，智能手機可以作為計算機的部分替代和便攜化應用。如醫(yī)學血壓測量，Patrick等利用智能手機從患者指尖收集光信號，無創(chuàng)測量血壓[12]，Sang等利用智能手機攝像頭，測量分析血液的血紅蛋白[13]；在工程測量方面，倪彤元等開發(fā)了測量混凝土裂縫長度、面積等特征的手機APP[14,15]。

本文基于輻射理論和圖像處理技術，以智能手機為硬件，利用手機攝像頭與CPU，自主開發(fā)火焰溫度測量Android APP。通過標定實驗，獲得色度值與對應輻射能的定量關系，以保證火焰溫度測量精度。通過拍攝燃燒圖片，可以在10 s左右獲得燃燒二維溫度場。

2 火焰溫度測量原理

燃燒過程伴隨著強烈的輻射傳遞過程，燃燒火焰的主要波長范圍為300～1 000 nm，溫度范圍為800～2 000 K，在這個范圍內根據(jù)維恩輻射定律可以得到火焰的單色光譜輻射亮度[2,3]。

智能手機的攝像頭的傳感器接收到火焰發(fā)射出的輻射光，傳感器對接收到的輻射光亮度進行一定的處理。處理步驟包括：入射的光子將電子激發(fā)形成自由電子，傳感器收集電子電荷，并轉換為電壓值，最后通過A/D轉換將電壓值轉換為數(shù)字信號。不同的相機光電響應、A/D轉換效率不同，所以對某一特定相機的標定過程是必要的[3]。

2.1 測溫原理

相機傳感器接收到的輻射亮度進行一定處理，輸出的是RGB三色信號幅度。其中，紅、綠兩色的信號幅度可由公式(1)計算：

(1)

式中：I(λ)為單色輻射亮度；ηR(λ)與ηG(λ)為相機在紅色響應波段與綠色響應波段的對應的響應函數(shù)，對于不同的相機，響應函數(shù)也不相同，兩者的乘積在對應波長范圍內的積分結果即分別為傳感器接收到的紅色、綠色輻射亮度ER和EG；公式中用f(ER)與f(EG)代表傳感器對輻射亮度的光電轉換、A/D轉換等過程；R和G分別為紅色、綠色的信號幅度。

選取各個像素點中滿顏色信號幅度的95%作為參考像素點，選擇參考點的原因是：在實際的工程應用中直接采用雙色法測溫時，較小的顏色信號幅度變化會引起溫度大范圍的波動。對于拍攝的火焰圖像而言，忽略紅綠2個特征波長下光譜輻射率的變化與圖像各個像素點(i0，j0)的光譜輻射率變化。則可以根據(jù)輻射理論得到參考像素點對應的溫度T(i0，j0)：

(2)

式中：ER(i0，j0)和EG(i0，j0)為參考點的紅、綠的輻射亮度。設火焰圖像中任意一點的坐標為(i，j)，其紅色特征波長下的輻射能為ER(i，j)，根據(jù)維恩輻射定律，即可得到：

(3)

設火焰圖像中其他像素坐標為(i，j)，由式(2)、式(3)可求得任一像素點的溫度T(i，j)：

(4)

式中：c2為第二輻射常數(shù)，其值為1.438 775 2×10-2m·K；λ為波長；T為溫度。

值得說明的是，在雙色法計算溫度過程中，直接使用了RGB的比值，實質上是用寬帶的輻射亮度代替了窄帶的單色輻射亮度計算溫度。如前所述，這種方法是在圖像法燃燒學溫度測量過程中，研究者們普遍使用的方法，并且認為該方法是一種誤差在可接受范圍內、結果可信的測溫方法[6～11]。

2.2 標定過程

標定目的是正確建立每一像素的RG值與紅、綠輻射亮度ER和EG的大小關系。由于不同的手機型號具有不同的CMOS，對于同一輻射對象的響應函數(shù)不同，需要對不同型號的手機進行標定。本文標定的手機型號為小米MIX 2S，其主要的參數(shù)見表1。

表1 小米MIX 2S手機主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of MI MIX 2S smartphone

為消除拍照參數(shù)對標定的影響，在進行標定圖像采集前需要對手機參數(shù)進行設置：將白平衡設置為手動模式；關閉自動增益功能；設置合適的快門速度。本次標定使用的快門速度為1/1 000 s，ISO感光度為100，白平衡為0。

圖1 黑體爐標定圖像Fig.1 Blackbody furnace calibration images

標定實驗采用美國MiKron公司生產(chǎn)的M330型高溫黑體爐，黑體爐是一種標準輻射熱源，校準溫度范圍為300～1 700 ℃。本次實驗標定溫度范圍為860～1 140 ℃，每隔40 ℃采集1組圖像，見圖1。

輻射亮度ER、EG和圖像顏色信號幅度R、G之間各自的對應關系、擬合曲線分別見圖2(a)與如圖2(b)。

圖2 輻射亮度與RGB值關系曲線Fig.2 The relationship between monochromatic radiation intensity and RGB value

完成對手機相機的黑體爐標定后，可以將標定公式導入APP中，利用APP拍攝黑體爐圖像，反算溫度值，并與黑體爐設定溫度對比，以驗證標定結果的準確性，結果如表2。

表2 黑體爐溫度與APP測量溫度對比Tab.2 Comparison of blackbody furnace temperature and APP measurement temperature ℃

對比結果顯示，相機自身存在著一定的噪聲干擾，APP測量黑體爐的溫度結果誤差均在3%以內，表明黑體爐標定手機相機的結果是較可靠的。

3 火焰溫度分布測量APP設計

二維火焰溫度測量手機APP的框架如圖3。APP分為4個模塊，分別為相機模塊、儲存模塊、計算模塊與顯示模塊。為保證溫度測量準確性，實際使用時拍照參數(shù)必須與標定參數(shù)一致，因此需要調用相機專業(yè)模式。在專業(yè)模式中，設置拍照參數(shù)與標定參數(shù)完全相同，拍攝燃燒圖像；此外，用戶還可以選擇已經(jīng)儲存在圖庫中的圖片，由APP讀取圖片的Exif參數(shù)并顯示，Exif參數(shù)包含快門速度、光圈、白平衡等重要信息。之后，代入獲得的標定公式，計算出圖片中各個像素點的溫度數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)溫度數(shù)據(jù)繪制溫度云圖，控制Imageview控件顯示溫度云圖。

圖3 火焰溫度分布測量APP框架Fig.3 Development framework of two-dimensional combustion temperature measurement APP

二維火焰溫度測量手機APP的操作流程如圖4。首次使用前，需要選擇恰當?shù)南鄼C參數(shù)，進行標定實驗，獲得標定公式；進入APP后，可以選擇在專業(yè)模式下拍照或在圖庫中選擇圖片的方式，確定測量的燃燒圖片，提取燃燒圖片的Exif參數(shù)，顯示在APP界面上；通過APP算法計算各個像素點的溫度，將各個像素點的溫度繪制為二維溫度云圖并顯示在APP圖片控件中。

圖4 火焰溫度分布測量APP操作流程圖Fig.4 Flow chart of two-dimensional combustion temperature measurement APP

二維火焰溫度測量APP的主要界面見圖5。圖5(a)為APP的首界面，圖5(b)為燃燒圖片界面，圖5(c)為計算的溫度云圖界面。在圖5(b)中，燃燒圖片下的文字即為該圖片的Exif參數(shù)，同時APP支持觸摸圖片的某一點得到該點的溫度。

圖5 APP主要界面圖Fig.5 Main interface of the APP

4 火焰溫度測量實驗驗證

實驗使用手機型號為小米MIX 2S，主要參數(shù)如表1，經(jīng)過標定并驗證其準確性后，選擇反擴散火焰檢驗APP的可用性。反擴散火焰的燃燒器由3個同心圓管組成，中心圓管內徑為8 mm，流過空氣；中間圓管內徑為30 mm，中間圓管與中心圓管構成的圓環(huán)區(qū)域流過乙烯；外側圓管內徑為60 mm，外側圓管與中間圓管形成的圓環(huán)區(qū)域流過氮氣，氮氣作為保護氣體，以避免火焰受到環(huán)境的影響。為了氣體流動均勻，乙烯與氮氣均經(jīng)過多空泡沫金屬層與玻璃珠層。實驗中反擴散火焰工況如表3，其中QC2H4為乙烯流量；Qair為空氣流量；vC2H4為乙烯出口流速；vair為空氣出口流速，使用N2作為保護氣。

表3 反擴散火焰工況Tab.3 Inverse fiffusion flame experiment condition

使用手機APP，在曝光時間為1/1 000 s，ISO為100，白平衡為0時，拍攝實驗的燃燒圖像，通過APP計算，繪制溫度云圖。

實驗演示圖片如圖6。圖6(a)為調用專業(yè)模式拍攝燃燒圖片，圖6(b)為用戶操作APP示意圖。

圖6 反擴散火焰實驗圖Fig.6 Inverse diffusion flames experiment images

為了驗證APP測量溫度的準確性，測量結果與文獻[16]采用的多波長法測量結果進行了對比，見圖7。多波長法采用高光譜儀采集輻射信息，計算獲得溫度分布。圖7(a)為APP的測溫結果，圖7(b)為多波長法測溫結果。對比兩圖，APP計算的乙烯反擴散火焰溫度分布與多波長法測量結果近似，高溫區(qū)均分布在火焰邊緣內側，火焰頂部溫度均較低。APP測量最高溫度為1 958 K，多波長法測量的最高溫度為2 040 K，相對偏差為4%。目前，本APP已經(jīng)取得了軟件著作權[17]。

圖7 APP測溫結果與多波長法測溫結果對比Fig.7 Comparison of APP temperature measurement result and multi-wavelength measurement result

5 結 論

基于輻射理論與可見光圖像處理技術，本文開發(fā)了Android系統(tǒng)下測量火焰溫度的手機APP，介紹了APP的框架與操作流程，測量反擴散火焰的二維溫度分布，并與文獻結果對比，證明了APP測量的準確性。

(1) 在固定的拍照參數(shù)下，使用手機相機獲得燃燒的可見光圖片，提取各個像素點的色度值；使用標準輻射熱源黑體爐，獲得色度值RGB與對應特征波長下的輻射能的定量關系，根據(jù)維恩輻射定律，計算各個像素點的溫度值。

(2) 本文的主要創(chuàng)新點是自主開發(fā)了測量火焰溫度的手機APP技術，通過APP可以得到火焰溫度的二維分布，實現(xiàn)火焰溫度非接觸式檢測。

(3) 使用APP在實驗室尺度下測量反擴散火焰溫度二維分布，結果表明：與使用高光譜儀的多波長方法相比，APP測量最高溫度的相對偏差為4%。