TWI465702B

TWI465702B - 非接觸式溫度量測方法

Info

Publication number: TWI465702B
Application number: TW101145283A
Authority: TW
Inventors: jia hong Chen; yi cheng Cheng
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-12-21
Also published as: TW201423068A; CN103852186A; CN103852186B

Description

非接觸式溫度量測方法

本申請是有關於一種溫度量測方法，且特別是有關於一種非接觸式溫度量測方法。

高溫工業製程系統，例如是工業煉鋼爐，火力電廠以及燃燒爐等。在生產製程中常需監控生產設備及產品溫度的分佈，例如爐壁溫度及鋼胚溫度等。其中量測爐壁溫度是為避免因爐壁溫度過高而造成爐體結構損壞，產生危險；而量測鋼胚溫度可預先判斷產品品質，進而改變操作設定，提升產品良率。

溫度量測裝置，分為接觸式以及非接觸式兩種量測方式。其中，傳統接觸式的溫度量測方式以高溫熱電偶為主。然而，接觸式的高溫熱電偶其溫度響應速度慢且僅能單點量測，對高溫製程的調整及監控的幫助有限。

此外，非接觸式的量測方式常以可見光攝影機吸收目標物之輻射能，進而搭配演算法推算出代表整個影像溫度分佈的溫度場。然而，在量測過程中，可見光攝影機會記錄畫面內所有具可見光波長的物體，其中包含非量測標的物，例如水氣、易反光物或是其它背景光源等。此外，影響溫度計算之物體會干擾或遮蔽高溫的量測目標，例如在鋼鐵業的製程中，鋼胚(Steel Billets)在製程中的雜質會以銹皮(Scaling)的形式附著於鋼胚表面，一但銹皮沒有被完全沖洗掉，在檢測鋼胚溫度時，銹皮會遮蔽鋼胚影響測溫結果，使該溫度資訊無效或異常。

本申請提供一種溫度量測方法，能夠在利用可見光攝影機擷取影像計算待測目標溫度時，剔除錯誤的溫度量測點，以增加量測溫度的準確性及正確性。

本申請提出一種溫度量測方法，包括拍攝待測目標，以取得可見光影像。可見光影像包括多個像素，各像素具有影像資料。各像素的影像資料包括多個不同波長的亮度。接著，在可見光影像之像素中擷取多個有效像素，有效像素中不同波長間的至少一亮度比值介於一定值±一容許波動值之間。並且，依據有效像素的影像資料來計算待測目標中對應於有效像素的多個位置的溫度值。

基於上述，本申請的溫度量測方法利用拍攝待測目標取得可見光影像，並藉由判定可見光影像中每個像素在不同波長間的亮度比值以擷取有效像素。這些有效像素能夠被用以計算待測目標中對應於多個有效像素的多個位置的溫度值。本申請的溫度量測方法能夠避免在計算待測目標溫度時，將燃燒過程中因水氣、易反光物或是其它背景光源所產生的異常量測點的像素列入計算，造成待測目標計算結果與實際溫度誤差過大。

為讓本申請之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本申請之一實施例之溫度量測方法的流程圖。圖2A為可見光影像拍攝環境示意圖。圖2B為圖2A之可見光影像示意圖。在本實施例中，量測待測目標10內溫度分布的主要流程包括在步驟S101中，拍攝待測目標10以取得可見光影像I，待測目標10例如是出料鋼胚12的溫度場。可見光影像I包括多個像素P，各像素P具有影像資料，影像資料包括多個不同波長的亮度，例如是：第一波長B的亮度、第二波長G的亮度及第三波長R的亮度。接著在步驟S102中，在可見光影像I之多個像素P中擷取多個有效像素P1，在有效像素P1中不同波長間的至少一亮度比值係介於一定值±一容許波動值之間。並且，在步驟S104中再依據有效像素P1的影像資料來計算待測目標10中對應於有效像素P1的多個位置的溫度值。

圖3為本實施例之可見光影像中雙色波長的亮度比值與溫度的關係圖。請參考圖1、圖2B及圖3，在本實施例中，可見光影像I之每一個像素P，其第一波長B例如是藍光，第二波長G例如是綠光，第三波長R例如是紅光。觀察圖3可以發現，隨溫度的增加或減少，利用可見光攝影機100所拍攝的可見光影像I，其第三波長R與第一波長B的亮度比值會大致上維持在一定值±一容許波動值範圍內而不會有太大的變動，此定值例如是在0.5至1.5之間的一數值，容許波動值例如是該數值的10%。此外，第三波長R與第二波長G的亮度比值隨著溫度的增加而減少，第二波長G與第一波長B的亮度比值隨著溫度的增加而增加。

本實施例的溫度量測方法能夠利用可見光攝影機100取得一可見光影像I，並在可見光影像I中擷取有效像素P1，其中有效像素P1的第三波長R與第一波長B的亮度比值大致上維持在1±10%之間(即定值為1，容許波動值為定值的10%)。具體而言，本實施例能夠藉由有效像素P1之至少一亮度比值維持在一定值±一容許波動值之範圍的特性，將有效像素P1自可見光影像I的多個像素P中擷取，並利用這些有效像素P1進行待測目標10的溫度分布計算。因此，在本實施例中，有效像素P1可以是可見光影像I中，第三波長R與第一波長B的亮度比值範圍介於0.9至1.1之間的像素點。在可見光影像I中選取特定亮度比值範圍的有效像素P1，能夠提高溫度分布計算的準確性。因此，本實施例之溫度量測方法能夠避免在計算待測目標10的溫度分布時，將燃燒過程中無效像素P2，例如水氣、易反光物或是其它背景光源等列入計算，造成待測目標10的溫度分布計算結果與實際溫度誤差過大。

換言之，在拍攝待測目標10時，在可見光影像I中常會紀錄到生產製程中因水氣、易反光物或是其它背景光源所產生的異常量測點的像素，且這些像素的光學特性會與理想量測點的光學特性不符。本實施例藉由判定可見光影像I中每個像素的第三波長R與第一波長B的亮度比值是否符合圖3之趨勢(例如是0.9至1.1之間)，來排除異常量測點的像素。具體而言，當像素P中的第三波長R與第一波長B的亮度比值不符合圖3所示的趨勢時，便將其視為是無效像素P2，並在擷取有效像素P1時排除這些無效像素P2，以提升待測目標10溫度計算的準確性。

圖4為本實施例之可見光影像中特定波長亮度與溫度的關係圖。請參考圖1、圖2B及圖4，在從可見光影像I藉由亮度比值擷取到有效像素P1之後，還包括一步驟S103以保留有效像素P1中的第一部分S1，並濾除第二部分S2的有效像素P1。第一部分S1的有效像素P1的特定波長的亮度介於一亮度範圍R1內，第二部分S2的有效像素P1的特定波長的亮度位於亮度範圍R1外。換言之，在本實施例中，步驟S103即是將可見光影像I中，亮度過飽和及亮度較小的像素排除。

在本實施例中，特定波長例如是選取波長為紅光的第三波長R，由圖4觀之，當紅光的亮度較小(例如是亮度低於50)及接近飽和(例如是亮度大於240)時，亮度與溫度之線性關係較不明顯，將使溫度計算之偏差較大。相反地，當亮度介於亮度範圍R1之間時，例如是50至240之間，亮度與溫度的變化大致呈線性的關係。一般在感測高溫目標時，量測目標點所發射之第三波長R的亮度通常會較大，所以第三波長R適於被作為過濾亮度過飽和或亮度不足的特定波長。然而，本申請在此並不加以限制。在其他的實施例中，特定波長也可以是綠光的第二波長G或是藍光的第一波長B，也同樣可以達到過濾亮度過飽和或亮度不足的特定波長。當特定波長為第二波長G(即綠光波長)時，則亮度範圍在50至240之間。當特定波長為第一波長B(即藍光波長)時，則亮度範圍在50至240之間。

在可見光影像I中，可見光影像I除了上述之無效像素P2之外，還包括一種錯誤像素，且這些錯誤像素仍會影響待測目標10溫度的計算。以生產鋼筋的製程為例，鋼胚12在加熱爐內進行加熱的程序，鋼胚12上的雜質會以銹皮的形式附著於鋼胚12表面。這些銹皮常在後段製程中以高壓水柱被沖掉，再進行軋延動作。然而，若銹皮無法被完全沖洗掉，當檢測出料鋼胚12溫度時，銹皮會遮蔽鋼胚12影響測溫結果，使溫度資訊無效或異常。因此，本實施例能夠藉由在步驟S103中，利用特定波長的亮度範圍R1選取有效像素P1中的第一部分S1，以將待測目標10中遮蓋高溫物體的遮蔽點過濾，提升量測準確性。

此外，本實施例還可以選擇重複上述步驟至少一次，以進一步濾除其他特定波長的亮度範圍之外的有效像素。換言之，在篩選出符合第三波長R的亮度範圍R1的有效像素P1的第一部分S1之後，還可以對剩餘的有效像素P1的第一部分S1，以第二波長G或第一波長B作類似的篩選，以進一步過濾有效像素P1。本實施例在此並不限制進行此篩選步驟所選用的波長範圍以及篩選的次數。

請繼續參考圖1及圖2A，在本實施例中，在完成步驟S104計算待測目標10中對應於有效像素P1的多個位置的溫度值之後，更包括一步驟S105，輸出待測目標10 的溫度分布影像。步驟S105例如是將可見光攝影機100與一電腦設備200連接，電腦設備200不但能夠計算待測目標10中多個位置的溫度值，更可以根據這些溫度值建構出可見光影像I中的溫度分布情形，以輸出待測目標10的溫度分布影像。

待測目標10的溫度分布計算方式，可以利用現有的雙色法或是三色法計算取得。以下將舉一實施例介紹溫度計算的方法。本實施例計算溫度的方法是使用雙色法改良而來的計算式如方程式(1)所示。

在方程式(1)中，λ₁ 為上述之第二波長G，λ₂ 為上述之第三波長R。(T)為對應於第二波長G的亮度，(T)為對應於第三波長R的亮度，A為校正係數，S₁ 為擷取第二波長G之可見光影像I時的快門時間，S₂ 為擷取第三波長R之可見光影像I時的快門時間，C為一常數，且該常數C=hc/k，其中h為浦朗克(Planck)常數，c為光速，k為波茲曼(Boltzmann)常數。在本實施例中，選取第二波長G及第三波長R作為溫度計算的兩種顏色的原因在於，在一般的高溫物體中，第一波長B的亮度相較於第二波長G及第三波長R偏低，較不適於量測亮度並加以計算。此外，在圖3中，第二波長G及第三波長R的亮度比為與溫度呈線性的關係。因此適於套用在雙色法中計算待測目標10 所需的兩種波長。然而，在其他實施例中亦可選擇任兩波長進行雙色法計算，並不以此為限。

此外，根據方程式(1)，校正係數A是唯一待決之參數，若校正係數A確定後，則方程式(1)就可作為待測目標10計算之理論依據。因為校正係數A具有方程式(1)的物理模型。因此，取得校正係數A的方法包含：提供已知溫度的多個校正點，再分別拍攝該些校正點的影像，選定該影像中一校正波長，以取得對應於該校正波長的校正亮度以及對應於一未知波長的校正亮度。則校正係數A可利用透過下列方程式(2)求得。

其中，T_ref 為校正點溫度，λ₃ 為校正波長，λ₄ 為未知波長，S₃ 為擷取校正波長之可見光影像I時的快門時間，S₄ 為擷取未知波長之可見光影像I時的快門時間， (T_ref )為校正波長之校正亮度，(T_ref )為未知波長之校正亮度，C為一常數，該常數C=hc/k，其中h為浦朗克(Planck)常數，c為光速，k為波茲曼(Boltzmann)常數。據此，則可以計算出待測目標10的溫度分布。

綜上所述，本申請的溫度量測方法利用拍攝待測目標取得可見光影像，並藉由判定可見光影像中每個像素在不同波長間的亮度比值以擷取有效像素。這些有效像素能夠被用以計算待測目標中對應於多個有效像素的多個位置的溫度值。本申請的溫度量測方法能夠避免在計算待測目標溫度時，將生產製程中因水氣、易反光物或是其它背景光源所產生的異常量測點的像素列入計算，造成待測目標計算結果與實際溫度誤差過大。此外，本申請能夠利用以特定波長的亮度範圍選取有效像素中的第一部分，以將待測目標中遮蓋高溫物體的遮蔽點過濾，提升量測準確性。另外，更可以選擇重複前述步驟至少一次，以進一步濾除其他特定波長的亮度範圍之外的有效像素。

雖然本申請已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本申請，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本申請之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本申請之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧待測目標

12‧‧‧鋼胚

100‧‧‧可見光攝影機

200‧‧‧電腦設備

I‧‧‧可見光影像

P‧‧‧像素

P1‧‧‧有效像素

P2‧‧‧無效像素

R1‧‧‧亮度範圍

B‧‧‧第一波長

G‧‧‧第二波長

R‧‧‧第三波長

S1‧‧‧第一部分

S2‧‧‧第二部分

S101~S105‧‧‧步驟

圖1為本申請之一實施例之溫度量測方法的流程圖。

圖2A為可見光影像拍攝環境示意圖。

圖2B為圖2A之可見光影像示意圖。

圖3為本實施例之可見光影像中雙色波長的亮度比值與溫度的關係圖。

圖4為本實施例之可見光影像中特定波長亮度與溫度的關係圖。

S101~S105‧‧‧步驟

Claims

一種溫度量測方法，包括：拍攝一待測目標，以取得一可見光影像，該可見光影像包括多個像素，各該像素具有一影像資料，該影像資料包括多個不同波長的亮度；在該可見光影像之該些像素中擷取多個有效像素，其中該些有效像素中該些不同波長間的至少一亮度比值介於一定值±一容許波動值之間；以及依據該些有效像素的該影像資料來計算該待測目標中對應於該些有效像素的多個位置的溫度值。
如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，更包括在擷取到該些有效像素之後，保留一第一部份的該些有效像素，濾除一第二部分的有效像素，其中該第一部分的該些有效像素的一特定波長的亮度介於一亮度範圍內，該第二部分的該些有效像素的該特定波長的亮度位於該亮度範圍外，並且以該第一部分的該些有效像素來計算該待測目標中對應於該些有效像素的多個位置的溫度值。
如申請專利範圍第2項所述之溫度量測方法，其中更包括重複申請專利範圍第2項所述之步驟至少一次，濾除其他特定波長的亮度範圍之外的該些有效像素。
如申請專利範圍第2項所述之溫度量測方法，其中該特定波長為藍光波長，而該亮度範圍為50至240。
如申請專利範圍第2項所述之溫度量測方法，其中該特定波長為綠光波長，而該亮度範圍為50至240。
如申請專利範圍第2項所述之溫度量測方法，其中該特定波長為紅光波長，而該亮度範圍為50至240。
如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，其中該定值為0.5至1.5之間的一數值，該容許波動值為該數值的10%。
如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，其中該影像資料包括一第一波長、一第二波長及一第三波長，該第一波長為藍光，該第二波長為綠光，該第三波長為紅光，且該第三波長與該第一波長的亮度比值介於0.9至1.1之間。
如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，更包括在計算出該些有效像素位置的該些溫度值之後，輸出該待測目標的一溫度分布影像。
如申請專利範圍第1項所述之溫度量測方法，其中該影像資料包括一第一波長、一第二波長與一第三波長，該第一波長為藍光，該第二波長為綠光，該第三波長為紅光，且依據該些有效像素的該影像資料來計算該待測目標中對應於該些有效像素位置的溫度值的方法包括：根據下列方程式來計算各該有效像素的溫度：其中λ₁ 為該第二波長，λ₂ 為該第三波長，(T)為對應於該第二波長的亮度，(T)為對應於該第三波長的亮度，A為一校正係數，S₁ 為擷取該第二波長之可見光影像時的快門時間，S₂ 為擷取該第三波長之可見光影像時的快門時間，C為一常數，該常數C=hc/k，其中h為浦朗克(Planck)常數，c為光速，k為波茲曼(Boltzmann)常數。
申請專利範圍第10項所述之溫度量測方法，其中取得該校正係數A的方法包括：提供已知溫度的多個校正點；分別拍攝該些校正點的影像，並選定影像中的一校正波長，以取得對應於該校正波長的校正亮度以及對應於一未知波長的校正亮度；以及依據下列方程式來計算該校正係數A與該未知波長的關係：其中，T_ref 為校正點溫度，λ₃ 為該校正波長，λ₄ 為該未知波長，S₃ 為擷取該校正波長之可見光影像時的快門時間，S₄ 為擷取該未知波長之可見光影像時的快門時間， (T_ref )為該校正波長的校正亮度，(T_ref )為該未知波長的校正亮度。