燃烧火焰的温度场测量方法概述

林　婷

摘要：众所周知，燃烧火焰的温度场测量对于现代武器的改进有着非常重要的现实意义。文章概述了接触式测温方法和非接触式测温方法，探讨了火焰温度测量法的新技术。

关键词：燃烧火焰温度场测量；火焰温度测量法；接触式测温；非接触式测温

中图分类号：TH811文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）08-0031-02

燃烧火焰的温度场测量是燃烧领域一个极其重要的问题，它对于燃烧状态的判断、预测和诊断有着十分重要的意义。在工业运用方面，对于火力发电、供热锅炉、工业窑炉、冶金等一系列使用工业炉的生产过程，有效控制炉内的燃烧过程，是提高生产效率和节约成本的必要手段。在军事方面，可以通过对炸药的燃烧火焰的温度分布测量，有助于改进炸药的特性，对于我们武器制造有着重要的意义。

目前，温度测量方法很多，从传感器与被测物的关系来看，大致可分为两类：接触式测温方法和非接触式测温方法。

一、接触式温度测量法

所谓接触式测温方法：即两个物体接触后，在足够长的时间内达到热平衡，两个互为热平衡的物体温度相等。如果将其中一个选为标准并当作温度计使用，它就可以对另一个实现温度测量这种测温方式称为接触式测温。这种方法不受火焰的黑度、热物理性参数等因素的影响，可以直接求得被测物体的真实温度，具有测温精度高、使用方便等优点。但是，对于火焰这样具有瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法很难测量出火焰真正的温度场分布。主要是由于接触法得到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个燃烧空间场信号，必须在燃烧空间内合理布点，才可以根据相应的方法（如插值法等）获得对燃烧温度场的近似。同时，考虑到测量过程中的热平衡，一般接触式测温的反映速度比较慢。

二、非接触式测温方法

所谓非接触式测温方法：即选为标准并当作温度计使用的物体与被测物体相互不接触，利用物体的热辐射或其他一些特性，通过对辐射能量（或亮度）的检测实现测温。分为两大类:一类是通过测量燃烧介质的热力学特性参数，进而求解出温度;另一类是利用高温火焰的辐射特性，通过光学法来测量温度。非接触式测温方法由于测温元件不与被测对象接触，不会破坏被测对象的温度场；同时，感温元件传热惯性小，因此可用于测量快速变化及不稳定热力过程的温度。其测量上限不受材料性质的影响，可在工业炉、焊接、火箭发动机等高温场合应用。但其工作时，必须要有可供热辐射光谱传播的通道（光路），即:非接触式测量方法通常需开设光学窗口，窗口的透过率经常山于局部污染而造成不均匀性地减弱，这增加了火焰温度测量的困难。

三、基于数字图像处理技术的火焰温度测量方法

近年来，随着计算机技术和半导体技术的发展，出现图像采集卡和CCD图像传感器以后，使数码摄像机、数码照相机输出的视频信号能转化为计算机可以处理的数字化图像，这样可以对火焰图像信号进行定量分析，又为火焰的后续分析和自动监控提供了可能。目前，越来越多的学者将数字图像处理技术与热辐射原理相结合，用以测量火焰动态投影温度场分布等参数。

日本由于其本国的资源及环保等条件的约束，它最早将图像技术应用到火焰监测中，开发了多套火焰监测系统。日立公司1985年问世的I-RACS-3000系统中应用该技术获得了火焰温度场的分布并进行了燃烧经济性的估算。该公司技术人员提出了类似于比色法的图像温度测量方法。为了测量炉内温度场，他采用在CCD前面加装两块通滤光片的方法，通过变换滤光片获得两幅单色图像，根据比色法的原理来求得燃烧温度的分布。其他国家基于相同的原因，也先后开展了类似的研究。芬兰IOV公司开发的燃烧监测与数字分析系统（DDIMAC）。美国于九十年代初由EPRI的M&D中心牵头，主要由美国五家电力公司参与，开展了一项利用红外光学法测量电站燃烧火焰及炉内部件温度的大型研究项目。

在国内，许多科研单位也在火焰图像处理领域中进行了一系列的研究与探索。清华大学吴占松首先进行了小型发光火焰温度分布测量的研究，采用的方法以火焰亮度图像处理为基础，推导了图像亮度信号与火焰温度之间的关系，这种方法我们称为基于亮度图像处理的全色法。经黑体炉标定获得了多项式回归模型，开创了国内火焰图像处理的先河。但是这种温度分布检测方法很复杂，且标定困难。

华中理工大学周怀春等通过在CCD前加装单色滤光片，获取了火焰的单色辐射图像，并借助辐射定律将单色图像与其中某一参考点的辐射强度进行比较以获得温度场。其参考点用双色高温计或热电偶测温获得。根据所测得的温度场进行燃烧工况诊断。该方法比较简单，是一种能在电厂现场实施的二维温度场测量方法。但是由于所获得的二维图像是三维火焰的投影，使参考点的具体位置难以确定，给测量带来了的困难。目前周怀春等正在进行将火焰辐射图像和燃烧过程数值模拟相结合来重建三维温度场的研究。

浙江大学热能工程研究所也开展了火焰图像处理方面的研究工作。通过建立油燃烧火焰、小型煤粉燃烧火焰、煤粉辐射特性沉降炉等试验台，开展投影温度场、断面温度场、三维温度场等一系列的试验研究，并通过理论分析建立了基于普通彩色CCD的火焰可视化测量技术。

数字图像处理技术用于火焰监测主要有三个方面，其一是测温和温度场重建。通过色度学原理对所获取的火焰图像的象素进行色度分析，计算出相应的温度值。进一步可以得出图像所对应的二维温度场。选取多幅不同角度的火焰图像利用ART 代数重建技术可以建立整个炉膛三维温度场，这部分的功能可以取代常规的热电偶测温系统并具有更完备的功能，如燃烧稳定性经济性评估等内容。其二是火焰检测。通过使用边缘检测等技术，对火焰图像进行火焰的中心长度及外形的确定，从而检测火焰的燃烧状况、判断火焰的有无，提供给FSSS系统使用这部分功能可以取代现有的火检装置。其三，是火焰监视通过对火焰的温度测量边缘提取进行温度的伪彩色显示，得到新的温度化的火焰图像进行监视，效果明显优于常规的看火电视。因此数字图像处理技术的应用，使系统从以往分立的测温检测和监视转化为综合的监测实现测检监一体化。

四、结语

传统的温度测量采用的是热电偶、热电阻、光学高温计等传感器，这些传感器在火焰温度测量中起到了很好的作用，但是它们也都有着各自的缺点。由于这些传感器本质上只能测量被测点的温度，而且某些传感器的温度惰性很大，很难及时地反映整个火焰的燃烧状况，也就很难及时采取相应措施进行控制。因此一种能全面及时测量整个燃烧火焰温度的测量方法是进一步提高生产效率的必要手段，并对提高产品质量、保护生态环境、改善工人工作条件、保证生产安全也具有重要意义。

作者简介：林婷（1983－），女，浙江台州人，浙江省计量科学研究院助理工程师，研究方向：电磁计量。