高炉火焰温度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。

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 。

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 。

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。

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 ℃。

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 。2100433B

因火焰强度增加（即在较小的体积内释放出相同的总热量），以及氮气含量减少的结果，使火焰温度提高，从而增强了火焰靠辐射和对流向周围的热传导。据国外文献报道，燃烧重油时，如把空气中氧的浓度从21%增浓到22%，其理论燃烧温度可提高80℃。 2100433B

火焰温度是火焰的主要特性之一。它对火焰中化合物的形成和解离，从而对待测元素的原子化有着重大的影响。

在火焰中，一方面由于燃烧反应要产生热量，另一方面由于火焰中化合物的解离，以及为了将火焰中存在的平衡混合物提高到火焰温度需要消耗热量，火焰的温度就是由火焰中这二者之间的热量平衡来决定的。当火焰处于热平衡状态时，温度就可用来表征火焰的真实能量。

当燃烧释放出的热量全部用来加热气态产物时，产物的温度就是绝热火焰温度。实际燃烧过程中的温度要取决于释热和散热两个方面。绝热火焰温度虽然没有考虑热损失，但它是衡量可燃物特征的一个尺度，对火焰传播特性等也有影响。因此，绝热火焰温度在许多燃烧问题中常被看作是一个相当重要的热力学量。某些文献给出的定义是：在一个孤立系统中的放热反应，如使混合物从一个规定的初始压力和初始温度经过定压且绝热的过程达到化学平衡，系统达到的最终温度称为绝热火焰温度T。由于没考虑热损失，又称“理论火焰温度”；由于与有热损失的各种情况比较，这时达到的温度将是最高的，故又称“最高燃烧温度”。不过这一定义并未考虑空气和燃料的比例和惰性添加剂的影响，所以并不代表在最佳空燃比下所能达到的最高温度。

如果燃烧前的反应物和燃烧后的最终产物的成分都是已知的，则绝热火焰温度可根据能量守恒原理求出。