一种火焰中气相钠质量浓度二维分布的检测方法与流程

本发明涉及燃烧测量，尤其是涉及一种火焰中气相钠质量浓度二维分布的检测方法。

背景技术：

1、准东煤、城市固体废弃物、化工废醇废油等燃料中含有较多的气相钠，主要是钠(na)。这些高碱燃料中的钠在燃烧火焰中会挥发成气相，而气相钠会造成受热面沾污、积灰甚至腐蚀等问题，从而影响燃烧装置的换热效率和使用寿命，也给燃烧装置的维护带来较大的困难。因此，开展高钠含量燃料燃烧火焰中气相钠的定量检测，能深入理解气相钠释放及迁移转化规律，也能帮助燃烧装置运行人员更好的优化调整燃烧，减少气相钠给燃烧带来的问题。

2、高碱燃料燃烧过程中的钠测量方法主要分三类：第一类是对燃烧前的高碱燃料或燃烧后的灰渣中钠含量的取样检测，第二类是对燃烧后的烟气中气相钠的取样检测，这两类方法都无法直接得到高碱燃料燃烧火焰中气相钠的含量。第三类是利用光谱技术对燃烧火焰中气相钠进行检测，这类方法是非接触式的测量方法，对被测对象基本没有干扰，可以实现原位测量，无需取样，主要包括激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdownspectroscopy,libs)和自发射光谱分析技术。

3、libs技术已用于实验室火焰中气相钠的定量分析，该技术属于点测量，而且激光设备成本较高，对使用环境也有诸多要求，在锅炉、窑炉等工业现场还难以大规模推广应用。自发射光谱分析技术是通过分析高温下钠、钠等钠的原子发射光谱来定量获得火焰中气相钠浓度，已授权的专利[一种锅炉燃烧火焰中的气相钠浓度的在线检测方法，专利号201510253375.3]、[一种碳氢燃烧火焰中气相钠浓度的检测方法，专利号201610602713.4]以及已公开的专利申请[用于测量锅炉二维气相na浓度场和温度场的装置和方法，申请号cn201810551426.4]中，均是采用这种技术。自发射光谱分析技术不需要激光光源，易于在工业现场实施。

4、但是现有专利存在着一下一些缺陷，具体表现为，授权专利[一种锅炉燃烧火焰中的气相钠浓度的在线检测方法，专利号201510253375.3]利用自发射光谱分析技术，通过标定燃烧火焰中钠特征谱线辐射强度ialkali关于气相钠浓度calkali与火焰温度t之间的拟合模型，标定过程较为复杂，授权专利201610602713.4获取不同空间点的碳氢燃烧火焰发射光谱强度来实现燃烧火焰气相钠浓度，但是不能获得分布信息；授权专利cn201810551426.4可以获得气相钠的二维分布，但是需要加装滤色片，装置较复杂。

5、综上可见，现有授权专利的方法均存在一些缺陷，而本专利可以利用较为简单的装置，获得气相钠的二维分布。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种火焰中气相钠质量浓度二维分布的检测方法，构建了由彩色图像rgb值与钠原子发射光谱强度的模型，通过计算获得气相钠的质量浓度的二维分布，为非接触式测量方法，易于实施，可实现燃烧火焰中气相钠质量浓度二维分布的在线检测，用原始的rgb值与辐射强度计算，再用扩展的rgb值检查重建的超光谱数据和原始数据之间的错误，达到整合光谱采集设备rgb三通道光谱重叠的作用，减小误差。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种火焰中气相钠质量浓度二维分布的检测方法，包括以下步骤：

3、步骤1、采集处理火焰发射光谱图像；

4、步骤2、建立火焰中钠原子的光谱成像模型；

5、步骤3、重建火焰中气相钠源项辐射强度的二维分布；

6、步骤4、计算火焰中气相钠质量浓度的二维分布。

7、优选的，所述步骤1中火焰发射光谱图像的采集设备为多通道3ccd相机，其检测的波长覆盖了可见光及近红外波段，为450-679nm，在这个检测的波长范围内获得彩色rgb图像及近红外波段内的火焰发射光谱灰度图像，提取每个像素点的三颜色值rgb，每个波长下光谱图像的像素为m＝50×100＝5000个，n＝230，n值的选取与所选取的图像采集设备有关，取决于图像采集设备将其全响应波长分成的小波长个数，即光谱间隔为1nm，经过标准辐射热源黑体炉标定多通道3ccd相机，使其正确反映在rg两通道特征波长下的辐射强度值，用比色法计算各像素点的温度数据，根据宽高组成矩阵ta×b，进而计算出发射率矩阵εa×b，其中a＝50代表矩阵的宽，b＝100代表矩阵的高。

8、优选的，所述步骤2中建立光谱成像模型的步骤为由步骤1中获得的从彩色rgb图像提取的每个像素的rgb数据，进行进一步的处理，使其正确的反映光谱的发光辐射强度，

9、对于1个像素点来说，rgb与全光谱强度之间的数学关系为：

10、x3×1＝s3×nyn×1+e3×1    (1)

11、其中，x3×1是一个3×1向量，对应rgb三通道的颜色，s3×n是三色传感器的rgb光谱响应的3×n矩阵，yn×1是全光谱强度的n×1向量，n值的选取与所选取的图像采集设备有关，取决于图像采集设备将其全响应波长分成的小波长个数，e3×1是系统噪声的3×1矢量，且均值为零，不考虑；

12、建立m个如公式(1)所示的矩阵，将其离散化得到多维形式：x3×m＝s3×n×yn×m，从而构建获得彩色rgb图像所有像素点的rgb数据与全光谱辐射强度的数学模型，即光谱成像模型；

13、对于m个像素点来说，rgb与全光谱强度之间的数学关系为：

14、

15、其中，s1(λ1,λ2,…λn)，s2(λ1,λ2,…λn)，s3(λ1,λ2,…λn)分别为3ccd相机的rgb三通道的光谱响应函数，而i1(λ1,λ2,…λn)为在(λ1,λ2,…λn)等波长下的发光辐射强度。

16、优选的，所述步骤3中钠源项辐射强度二维分布的重建步骤为从步骤1中获得的彩色rgb图像中有m个像素点，其中m为彩色rgb图像的像素点个数，将公式(2)进行变换，得到下式：

17、

18、通过公式(3)用最小二乘法求解光谱响应函数，得到发光辐射强度与rgb值数据之间的变换关系，即tn×3＝[s3×n]-1，之后将x3×m扩展为而展开得到重建的钠源项辐射强度的二维分布：

19、

20、利用通过检查重建的超光谱数据和原始数据之间的错误，确定的不同的光谱采集设备间有区别的i、j、k值，其中表示r1的i次方，表示g1的j次方，表示b1的k次方，从而减小该方法的误差。

21、优选的，所述步骤4中计算步骤为：火焰中气相钠元素的原子在吸收高温火焰中的能量后，会由基态变为激发态，而处于激发态的钠原子跃迁回基态时，会在特定的波长发出谱线，根据统计热力学理论，火焰局部单元的气相钠源项辐射强度表示为：

22、

23、其中，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，aqp为q能级到p的跃迁几率，vqp为q能级到p的频率，t为火焰温度，na(i)为火焰局部空间单元中处于基态的气象钠原子数浓度；

24、火焰局部空间单元中处于基态的气象钠原子数浓度与气相钠质量浓度的关系如下：

25、calkali(i)＝na(i)×m/na    (8)

26、其中，calkali(i)为气相钠质量浓度，m为钠元素的摩尔质量，na为阿伏伽德罗常数，计算出火焰中每个局部单元的气相钠质量浓度，从而得到火焰中气相钠质量浓度的二维分布。

27、因此，本发明采用上述一种火焰中气相钠质量浓度二维分布的检测方法，具有以下有益效果：

28、1.本发明构建了由彩色图像rgb值与钠原子发射光谱强度的模型，首先由彩色图像rgb值获得连续发光光谱数据，结合温度与发射率获得的温度数据，获得火焰图像中钠原子发射光谱强度，进而获得气相钠的质量浓度的二维分布，且该方法为非接触式测量方法，易于实施，可实现燃烧火焰中气相钠质量浓度二维分布的在线检测。

29、2.本发明提出了一种新型的获取图像采集设备的光谱响应函数的方法，即先用原始的rgb值与辐射强度计算，再用扩展的rgb值检查重建的超光谱数据和原始数据之间的错误，达到整合光谱采集设备rgb三通道光谱重叠的作用，减小误差。

30、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。