[科普中国]-高炉火焰温度

简介

对高炉火焰温度传统的测温方法大多数是接触式测温法。这种方法由于在测量温度时要与被测物体接触，不仅操作不便，而且还会破坏被测对象的温度场，给测量结果带来较大误差。采用的是一种非接触式测温方法，不需要与被测对象接触，并且具有易于操作、测量范围大、测量精度高等优点。

此设计的目的是在提高测温精度的同时提高整个系统便携性。因此，选用Nios II 芯片作为主控芯片，同时利用其多内核系统和高速数据处理的性能，使系统更加小型化、快速化、集成化。选用MV-20S 作为图像采集单元，同时采用专用视频解码芯片ADV7180 将模拟信号转换成数字信号。为了使测量结果更加准确，下面对测量误差进行了分析和处理。

温度测量系统的原理主要包括图像采集模块、图像数据处理模块和LCD 显示模块。整个系统的工作流程是：CCD 摄像机对炉膛火焰进行多点拍摄， 图像经过视频分割器合成一路模拟信号后， 由图像采集模块进行数据的存储和转换， 得到的数字信号经数据处理模块处理后，将得出的温度信息显示在LCD显示屏上，PC 端监控系统用于空间坐标定位。实现火焰温度的多点检测，提高测量精度。

在采集图像的同时，用热电偶测量炉膛内火焰的温度，得出多组数据的平均值和CCD比色测温法得出的测量结果对比， 即可验证此方法测量结果的准确性。光信号经过衰减片和滤光片后，即可以得到更加清晰的图片1。

火焰温度测量之比色测温原理比色测温法具有测量精度高、受外界干扰小等优点， 所以采用比色测温法使测量结果更能接近被测物体的真实温度。

1 辐射测温原理

能够全部吸收入射能量的物体称为黑体。纵坐标表示黑体在某一热力学温度T、某一波长邻近的单位波长间隔中热辐射的强弱，称为黑体光谱辐射亮度。

2 图像采集模块

（1）TCD1206SUP 结构原理

TCD1206SUP 是日本某公司生产的线阵CCD传感器。内部包含2160 像元的光敏二极管，采样保持电路和输出放大电路， 封装形式为22 脚DIP 封装。此传感器的积分时间调整功能可以通过增长/缩短光积分时间的方式使输出信号达到所希望的幅度， 这项功能对于CCD 的应用是非常重要的。中间一列光敏阵列的作用是接收外部的光

信号，并转换为相应的电荷信号。

（2） 驱动电路

为了能使TCD1206SUP 正常工作，需要通过驱动电路产生特定的脉冲。为满足传感器的工作要求，选择CPLD。CPLD 是一种复杂可编程逻辑器件，其主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC 结构较复杂，并具有复杂的I/O 单元互连结构，可根据用户的需要生成规定的电路结构，完成特定的一些功能。

但是由于CPLD 内部是用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连的， 所以设计的逻辑电路具有时间可预测性， 避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。

3 图像处理模块

图像处理部分采用由NiosII CPU 和一系列外设组成的NiosII 处理系统。CycloneII 系列FPGA 支持Altera 公司的NiosII 嵌入式软核处理器。NiosII具有灵活的可配置特性， 而且可以非常容易的实现各种外设的扩展。

由于NiosII 所接外接设备的接口中没有视频解码芯片ADV7180 和Realtek8139C/D 网卡接口，实现对外部A/D 数据采集电路的控制接口逻辑，由于其逻辑功能不是很复杂，因此可采用自定义的方式。视频采集模块的功能设计可分为数据采集控制逻辑、数据接口、数据处理逻辑三部分。

其中，AVALON 总线主要是用于连接片内处理器与外设，以构成可编程单芯片系统。数据采集控制逻辑产生A/D 转换需要的控制信号，数据接口提供一个外部A/D 采集的数据流向AVALON 总线的数据通道，主要是完成速度匹配，接口时序转换。数据处理单元主要是提供一些附加功能。相对于AVALON 总线信号来说，A/D 采样的速率非常低，因此本系统采用两个DMA 完成图像数据的传输，一个用于高速存储数据，另一个用于高速读取数据。同时，加入pipeline bridge 模块，提高整个处理器的最高频率2。

温度测量系统的软件设计通过CCD 摄像机连续拍摄蜡烛的火焰燃烧图像， 火焰的温度场经过图像采集卡处理后变为图像的数字信息，然后利用测温软件对数据进行处理，最后在LCD 上显示出温度值。

温度测量结果以蜡烛火焰为测量对象， 采用WZPK-136/WZPK2-136 型号的热电偶温度计作为标准温度计。并利用其定位测温点坐标。

测量坐标分别定位为（260，240），（280，260），（300，320），（340，320），（350，300），（360，380）。6 个测温点坐标分别用1，2，3，4，5，6 表示， 分别将热电偶和CCD 测温系统测得的温度值作为纵坐标值，可以看出，设计的便携式非接触式测温方法有着很高的测量精度，其最大的测量误差为10 ℃。

总结提出了一种基于CCD 的炉膛火焰测温的实现方法，系统采用Altera 公司的Cyclone-LC20 开发板，借助外接模块，完成图像数据的处理以及测量温度的显示。相信这种测温方法和测温系统能给人们的生产和生活带来方便3。