CN100535128C - 高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法，属于电子测量技术及计算机三维技术领域。系统包括：雷达(1)，套筒(2)，阀门(3)，套筒(4)、高炉(5)，雷达安装至连接套筒的法兰处；一套雷达数据采集单元(7)包括24路信号接入端子板，以及和端子板相连接的安装于工控机总线上的数据采集卡；一台工控计算机，及其配套的高炉料面立体监测软件组成成像系统(8)。检测步骤为：雷达(1)与数据采集单元(7)实时通讯，计算机将倾斜测量到的数值转化成高炉料面的垂直高度值，并送入到计算机成像系统(8)，结合高炉内部的尺寸参数，生成所需3D料层的曲面数据。优点在于：解决了高炉内部料面在高温含大量粉尘的恶劣工况下的在线实时监控问题。

Description

高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法

技术领域

本发明属于电子测量技术及计算机三维技术领域，特别提供了一种高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法，基于雷达的高炉料面形状动态立体监测系统，也适用于其它竖炉等料面检测系统。

背景技术

高炉是一个大型的高温高压及高粉尘的密闭反应器，其内部的环境非常复杂。传统上对高炉料面的监视一般仅限于用机械探尺采集数据。机械探尺的主要缺点有：不能连续测量，布料过程中不能测量；在高炉出现滑料、坐料、塌陷时不能及时跟踪，数据测量误差大；安装方式受限制，只能垂直安装；控制部分极其复杂，现场维护量大，维修成本高；由于测量范围小，不能全程测量加料面的高度等等。在这种情况下，分析炉内料面分布的难度比较大，现场工人往往只能根据经验判断料面的分布情况，这不利于现场操作的实时决策。

针对这种情况，人们研究发展出了一些新的监测手段，如炉窑的视频监测系统，在高温下可以看见炉内的布料状态，火焰的发展，炉边的火焰发展情况等，但在光线较暗的情况下，则看不见炉内的布料情况，尤其在料位很低时，对炉内情况则难以由摄像头及人眼判断；也有运用红外成像技术，对料面表面的红外图像进行处理，能够检测出高炉内全料面的温度分布，并用彩色图象区分出来，以测定原料的分布均匀性，但此种方式容易受到高温气流的干扰，不宜用于短时的实时监测。

本发明采用雷达料位测量技术，能够很好地克服高炉内部各种不利因素的影响。采用雷达技术，可以完全在黑暗的情况下，准确描述出料面各点的高度，进而得出高炉内料位的分布情况，配合十字测温和热电偶的分布，则可以全方位对高炉内的最上层料面情况进行实时连续的监控，同时，综合运用料层矿/焦分批测量技术，数据采集技术，数据传输技术，则可以进一步对高炉内的多个料层进行连续的高度测量和计算。

在正常的生产阶段，本发明是通过动态实时成像系统，三维立体化显示高炉的料面状态，同时，通过测量数据以及时间的计算，可以显示出不同的料层情况。在高炉降料面的过程中，该系统可以测量100米的有效距离，并全程跟踪料面的下降过程，保证安全生产。与本专利相关联的国内外相关技术专利如下：

发明专利《高炉装入物降下速度测量装置》，日本神户制铁所，昭和62年。实现方式为，单个雷达天线穿过高炉顶部倾斜着沿径向插入炉内，不做扫描；可测量天线下方的料面高度和下降速度，作用类似于机械料尺，不能测量整个料面的形状和沉降动态。

欧洲发明专利ER G017-664《Mounting Radar Antenna on Shaft Furnace》。双天线结构，安装于一圆筒底部。圆筒穿过炉体侧壁沿水平径向插入炉内，旋转圆筒，使得天线波束在炉内形成一维径向扫描；不具备全料面形状的测量能力，且装置较为复杂，测量时间过长，维护困难。

欧洲发明专利EP 291757-A《Charged burden surface determine》，将反射镜安装在圆筒顶端，圆筒穿过炉体侧壁沿水平径向插入炉内，在直径方向另一侧的炉外安装雷达天线。雷达发出微波能量穿透介质窗口沿水平径向照射到反射镜上，通过反射镜实现波束的二维扫描，能够测量局部料面形状和料面沉降动态，但装置复杂，易受干扰，维护困难。

发明专利WPI Acc No 94-146697/18GB2272593A《Apparatus for measuringburden profile in shaft furnace comprising lance with radar sonde》；WPI Acc No91-081658/12 DB4027972A《Radar telemetry of charge level for shaft furnace》；WPIAcc No 91-075826/11 GB2235842《Determing of loading surface profile in shaftfurnace》。上述三项专利均为水平径向插入式结构，只可测量径向料位分布，不具备全料面形状测量能力。

发明专利CN99111990.8《三维雷达装置以及用于显示三维雷达图像的方法》，其特点是：基于一个硬件系统的三维雷达装置，包括雷达发射接收单元，三维多边形产生单元，以及三维图形单元；此系统将涉及方向信息、距离信息以及接收强度信息的诸信号变换为二维雷达图像数据及亮度信息，并根据亮度信息来生成三维多边形，进而在三维多边形基础上生成三维雷达图像数据。但此技术应用领域不在于恶劣工业环境方面，并未针对恶劣环境的应用提出任何实际可资实现的方法，如，如何获取高炉内部料面某点的方位距离，以及如何保证此点的信号接收强度保持稳定等。此技术难以在剧烈干扰和恶劣环境下的运用。

发明专利CN99108366.0《具有三维设计的显示的雷达》，其特点是：具有三维设计显示的雷达；它将获取得二维图像数据和三维设计的图像数据通过一个图像控制器结合起来显示。它的问题在于，其图像数据为二维，第三维信息需要经过预设的图像参数来获取，从而通用性很差。

美国发明专利US 6261513 B1《Device For Directly Monitoring The ChargingProcess On The Inside Of A Shaft Furnace》。单雷达结构，安装于炉体上部。装置前端穿过炉体侧壁沿水平径向插入炉内，其后端装有径向导轨，可以使得装置沿着径向做伸缩，使雷达波束在炉内形成径向扫描；具备简单的全料面形状测量能力，但装置含前进机构，在炉壁上反复来回运动，结构较为复杂，测量时间过长，维护困难。

发明专利CN01126452.7《高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪》，其特点是：采用炉外安装方式和外置式二维扫描方式工作，并用毫米波段调频连续波雷达测量料面距离。其成像仪安装在炉外，以介质窗口将成像仪与炉内高温粉尘隔离，测量过程中没有任何部件插入炉内，通过雷达天线在炉外的二维扫描，测量炉内全料面形状，具有全料面实时三维成像能力。此方法将天线外置，配合一套机械移动装置，由于有一套复杂的扫描机械机构，在高炉炉顶上现场的机械维护比较困难和麻烦，失去了雷达免维护的突出优点。

美国发明专利4094494，《Furnace Charge Profile Measuring Process AndApparatus》。实现方式为，雷达天线安装于高炉顶部料斗之上，位于整个高炉的中间纵轴上，不做扫描；可测量天线下方的料面高度和下降速度，作用类似于机械料尺，不能测量整个料面的形状和沉降动态。

荷兰发明专利NL-7707-178，《Device for determining charging distribution in blastfurnace》。双天线结构，安装在球形关节上，天线随高炉旋转布料器转动，具有测量料面形状和沉降动态的能力：但只适用于旋转布料式高炉，而且因为雷达整体置于炉内，可靠性和可维护性较差。

从与本专利相关联的国内外相关专利可以看出，本专利的特点在于：

1、雷达系统中，其安装位置可以根据现场对成像的具体要求，如精度要求，位置要求等的不同而有所区别，雷达可以和中心高炉垂直安装，或者倾斜一定的角度安装。高炉雷达采用炉外安装方式，通过第一套筒2和第二套筒4安装到高炉5上，同时在2和4之间加装了安全阀门3，因此，整个结构安装简单，可靠性好，便于维护。其安装数量根据单点雷达覆盖高炉内料面的有效面积确定，安装雷达数量为1～10。雷达接入吹除冷却装置6，在吹冷气体进入雷达发射端之前，安装了油污滤除装置。

2.针对高炉安装过程中不可避免的角度倾斜问题，本发明通过在高炉内部设立坐标换算的方法，将倾斜测量到的数值通过勾股定律转化成垂直的距离值，即高炉料面的真实高度，从而由全部雷达的真实高度，实时形成动态3D料面的形状，这在以往的专利中无人涉及。

3.本发明中，数据采集单元7收集高炉雷达采集的1～10个实际测量点，以及采集高炉原有的分布于高炉内部两侧的重锤料位计的两个测量点，作为辅助的高度参考信息，把实测高度值和两个参考点值都送入到成像系统6中和成像，这种做法，相比单独采用雷达测量数据，明显提高了数据计算和成像的可信度，也是本发明的检测方法的特色。

4.通过数学换算的数值，再通过在高炉内部坐标系的曲线旋转，曲面重构，以及样条插值等多种数学手段和图形学方法，可以绘制出完整逼真的虚拟料面形状，形成的曲面通过高炉空间坐标轴的转化，结合计算机控制系统提供的每一次下料时间，则可以推算出各个料层的形状，这种料层推算和估计方法所生成的立体动态图像，也是本发明的特色。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法，解决了高炉内部料面在高温含大量粉尘的恶劣工况下的在线实时监控问题。

本发明的监测系统包括：设置在高炉炉顶的1-10个高炉雷达；在其下方安装的第一套筒2，其底部接入阀门3，再接第二套筒4连接至高炉5的炉壁，套筒作雷达导波和保护之用，雷达安装至连接套筒的法兰处；一套雷达数据采集单元7包括一个24路雷达信号和其他控制信号的接入端子板，以及和端子板相连接的安装于工控机总线上的数据采集卡；一台工控计算机，及其配套的高炉料面立体监测软件组成的成像系统8，数据采集卡通过高速实时通讯，将雷达的回波信号(电压信号)经过数据采集单元7读入工控计算机形成成像所需的数据；以及可使雷达免受高温和粉尘的影响的雷达吹除冷却装置6，它可以在每一个雷达上安装一套吹冷装置，也可以在高温位置有选择的安装该装置。一般接入现场常见且使用方便的压缩气体，如氮气，使其大于炉内压力1kg/cm2，且冷却介质管的内径大于10mm，即可克服高温对普通雷达的干扰。在气体进入雷达发射端之前，一般需要安装油污滤除装置，避免油污对雷达回波信号的干扰。

设置在高炉炉顶雷达数量为1～10台，雷达沿轴对称分布，为渐开线分布；雷达倾斜的角度，以照射到料面成像需要的半径为准，角度一般在0°～15°。

雷达在高炉5炉顶上安装位置的依据是，在炉顶上部的位置至少垂直安装一台雷达，目的是反映料面在垂直状态下的真实的回波强度，并对比其他倾斜雷达回波的强度，垂直安装提高了雷达的抗干扰能力，同时也为判断倾斜雷达的回波信号的可信性提供参考；此外雷达在高炉5炉顶上安装位置还可以布置在重要的料面监测的重点部位之上，如计算过程中的重要曲面拟合点，料面的堆尖位置，相关的煤气流分布的位置等。

检测系统中，确定有效雷达数量的依据是，根据单点雷达覆盖高炉内料面的有效面积，计算出所需雷达的最低数量。以雷达发射角10°，雷达安装位置离料面3米计算，则单点雷达覆盖直径为tan5°*3*2＝0.525米。如果炉体半径为3.4米，则半径方向上安装雷达数量为：3.4/0.525＝6个，即半径方向上需要安装6个雷达料位计。通过以上有效面积的计算，是确定雷达数量的一种方法，实际一般采用1～10台不等的雷达料位计的安装，对高炉内料面的进行检测。

雷达在高炉5炉顶上安装形式为，在高炉炉顶打孔，如图1所示，如图1是6个雷达沿轴对称分布的一个实例示意图，6个雷达呈渐开线分布，或者如图2所示，6个雷达沿某一直径方向在一条直线上分布。由于在实际应用中，常常会发现高炉炉顶空间有限，或为了避开布料口及侧壁对雷达回波信号的不良影响等，无法按照理想的直线或者渐开线布置雷达装置，此时，可以在炉顶任意位置安装，但雷达倾斜的角度，以照射到料面成像需要的半径上为准，角度一般在0°～15°左右。

在雷达的基座上，通过连接法兰接入雷达吹扫和冷却装置6，使气体从法兰盘进入到雷达的天线位置，对雷达天线部位进行吹冷，保护雷达免受高温的影响；并且通过安装于雷达下端的关断阀门3，可以确保在不停炉的情况下，对雷达进行维修和维护。

本发明的检测方法通过如下步骤实现：

检测过程中，首先启动雷达与数据采集单元7的高速实时通讯，由计算机发出指令，在一次雷达信号发射和采集的周期内，控制1-10个雷达向料面发射雷达波，每个雷达的发射是独立运行的，数据采集单元7顺序采集各雷达的模拟输出值，以及高炉原有的分布于高炉内部两侧的重锤料位计的两个测量点的模拟输出值，采集后模拟值经过A/D转换，经过PCI数据总线送入到工业计算机。

计算机将收到的数字信号，当成垂直或倾斜测量到的数值进一步转换，通过勾股定律转化成垂直的距离值，即高炉料面的真实高值，然后不同雷达高度值再通过在高炉内部设立的统一参照系进行坐标的换算，求出料面距炉顶的统一垂直高度值S，如图4，如果有重锤料位计，则其两个测量参考点值也可参与计算。计算出来的所有数据送入到计算机成像系统8，并结合高炉内部的尺寸参数等，生成所需3D料层的曲面数据。

成像系统8将曲面数据在一个采集样周期内，运用VC++、OPENGL等技术和插值拟合算法，在高炉内部坐标系内进行曲线旋转，曲面重构，以及样条插值等数学处理和图形学处理，拟合出虚拟料面的形状，料面由不同的彩色图案和亮度等区分，如图3和5。

将数据多次采样，就可以形成连续的料面下降的效果，结合下料时间，停料时间等高炉下料控制系统传来的信息，进而推算出在一次下料周期内，所形成的料层的形状和厚度，并推算出各料层的下料速度，以及料层之间的矿/焦比等。成像系统8循环往复，不断进行采样和图形刷新，刷新频率可以在每秒一次到几分钟一次不等，最后，系统将长时间累计下来的数据进行日志分析，料面的剖面分析等，并提供报警和切除故障雷达的辅助功能，如图6和7所示。

本发明系统运用较为成熟的工业雷达技术，通过雷达安装位置、安装角度的变化，结合吹除冷却装置6，使普通雷达可以在高温含大量粉尘的恶劣工况下，稳定可靠并且精确地测量多个点的料位高度信息，并通过监测软件与雷达数据采集模块的实时高速通信，保障高炉料面的实时成像，生成动态三维的料面及高炉的全景图。

本发明技术特点：

1、将雷达电子测量装置安装在高炉的外部，雷达的测量天线和发射装置固定安装在套筒内部，由测量天线和发射装置向高炉内部发射雷达信号，并同时接收雷达的回波信号。此安装方式突出的优点是在粉尘和气流波动等恶劣情况下，雷达回波效果依然很强，不会出现失波现象，同时保护了雷达电子测量装置不会受到高温的影响。

2.在高炉的圆筒内，在同一个采样时间段，以径向对称的方法，将转换后的数据高度点旋转扫描，形成中心对称的曲面圆盘作为料面的基本形状。如果在同一径向上存在不同的高度值，可以选取任何一个高度值为基本扫描曲面的基准点，同时将其他同一径向的点作为修正点，可以根据修正点的位置分布，以及高炉内布料的真实效果，采用样条曲面中调整修正因子的方法，在曲面的局部形成凸凹的不同图形效果，见图3所示。

3.根据雷达的测量数据，以及从控制系统来的下料时间，可以计算出刚装入料批的料面形状9，以及上几次料批装入高炉的料层形状10。计算方法是用时间轴上的位置数据做标尺，计算出雷达向下照射时回波的测量距离，根据距离信息推算出高炉料面在该点的相对高度。由多个雷达在不同位置的分布，测量和计算出料面上不同点的高度值，如图4，并将不同高度值的点连接起来，形成一个描述料面形状的曲面，通过该曲面的拟合，在三维立体图上给出实时料面的曲面形状。根据实时测量出的每一加料时的料面曲面形状，以及料面在下降时的曲面变化，可以计算出料面的下降速度，并实时计算出高炉3-5层的最近几批料的料层的情况。

4.成像系统8通过雷达的测量数据，可以计算出料下降速度的径向分布，即沿着料下降的垂直方向上，可以直观的看到料层缓慢的下降过程，以及加入的新料，从开始到停止的全部过程；通过在图像上设定矿/焦的不同颜色，可以区别出矿焦的实时分布情况，并计算出矿焦比。

5.通过动态实时成像系统，在高炉开炉初期，该装置直接观看高炉的料面分布情况，对布料溜槽不同倾角档位合理布料，检测和判断煤气流分布的合理，为高炉的顺利生产和调整打好基础。利用该系统的立体成像技术，并结合十字测温，可以准确判断出高炉内煤气流分布的状况，从而使操作人员进行高炉布料调整。和其他专利相比，我们的特点是整体系统安装可靠，便捷，获得的回波信号会更强，在雷达倾斜安装或者表面波回波特别弱的情况下，仍然能够正常工作，相比炉内雷达固定安装方式，炉内雷达动态扫描方式，炉外雷达机械移动这三种方式而言，我们发明的系统无任何可动部件，整个系统简洁，可靠，可以长期工作。

6.将雷达的回波信号经过数据采集单元7，通过模拟或数字信号，送到控制室，信号为连续采集，扫描周期为100-10000赫兹，利用人们的视觉暂留现象，形成连续的实时高炉内部图像，如图3和5所示。

7.本发明同样适用于竖炉，工业炉等其他料面动态立体成像的系统中。

本发明可以实现以下三种功能：基本的料面监测，采用雷达料位计直接替代料尺，进行单点的测量，监测某一点的料面高度；设置多台雷达料面计检测高炉料面，根据已知的料面模型和雷达的数据，仿真出炉内内真实料面的具体形状，通过DCS或者工控机在计算机屏幕上直观的建立多层高炉炉料的分层三维实时动画图。结合十字测温，高炉冷却壁的热电偶数值，以及雷达料位计的综合信息，通过计算机的数据融合，建立完整的高炉立体可视化综合数据库系统。

附图说明

图1为本发明高炉雷达的渐开线安装例图；

图2为本发明高炉雷达的径向直线安装例图；

图3为高炉料面雷达测量系统示意图，包括高炉雷达1、套筒2，阀门3，套筒4，高炉5，吹除冷却装置6；

图4为本发明高炉料面径向各点换算后的高度值S的坐标示意图，围绕以y轴旋转后即可成为一个曲面；

图5为高炉料面和料层的三维图；其中包括高炉料面9，高炉料层的剖面10；

图6为监测系统数据采集示意图，图中包括数据采集单元7；工控计算机及其配套的高炉料面立体监测软件组成的成像系统8；

图7为高炉雷达成像的工作流程图。

具体实施方式

图1～图6为本发明的具体实施方式。如图3所示。A、B、C、D、E、F分别为六台高炉料面雷达，a、b、c、d、e、f分别为A、B、C、D、E、F六台雷达相对应的测量点。其中测点b、c、d、e、f的雷达B、C、D、E、F为倾斜安装，A为雷达垂直安装，垂直安装的雷达A可以根据其安装位置和雷达获得的到测点距离直接得到有效测量的高度值。

对于倾斜安装的雷达，以E点雷达为例，其中，Ee为雷达E倾斜测量路径，ee′为倾斜雷达E到料面测量点e等高面的竖直距离，在获知雷达到料面的距离Ee后，可以根据勾股定理及雷达安装时的位置和角度，得到相应的测点e的准确径向位置Ee′，及其相对于雷达的垂直距离ee′，从而在坐标系中确定一个有效测量高度值，其他雷达的测点类推。

通过业已获得的六个测点数据(或者加上料面两侧端点值，或者是其他料尺的数值)，采取样条插值产生一个完整的半径区间曲线(见图4中示意；实际测点数量根据实际需要的精度和现场条件确定)。在获得一个完整半径区间的曲线后，对曲线进行360度旋转放样成像，同时利用曲线上各点的不同高度值，赋予色彩和光亮，这样可以在监测屏幕上清晰地看到料面的高度变化带来的颜色和光线的梯度分布。应对用户的不同需求，亦可对曲线进行小角度旋转放样，形成直观的剖面图形，以供工作人员参考。

Claims (2)

1.一种采用高炉料面形状动态立体监测装置的高炉料面形状动态立体检测方法，在高炉炉顶设置1～10台雷达，在其下方安装的第一套筒(2)，其底部接入阀门(3)，再接第二套筒(4)连接至高炉(5)的炉壁，两个套筒都做雷达导波和保护用途，雷达安装至连接第一套筒的法兰处；一套雷达数据采集单元(7)包括24路信号接入端子板，以及和端子板相连接的安装于工控机总线上的数据采集卡；一台工控计算机，及其配套的高炉料面立体监测软件组成成像系统(8)；数据采集卡通过实时通讯，将雷达的回波信号经过数据采集单元(7)读入工控计算机形成成像所需的数据；使雷达免受高温和粉尘的影响的雷达吹除冷却装置(6)，在每一个雷达上安装一套吹冷装置，其特征在于，检测步骤为：

首先启动雷达与数据采集单元(7)的高速实时通讯，由计算机发出指令，在一次雷达信号发射和采集的周期内，控制1-10个雷达向料面发射雷达波，每个雷达的发射是独立运行的，数据采集单元(7)顺序采集各雷达的模拟输出值，以及高炉原有的分布于高炉内部两侧的重锤料位计的两个测量点的模拟输出值，采集后模拟值经过A/D转换，经过PCI数据总线送入到工业计算机；

计算机将收到的数字信号，当成垂直或倾斜测量到的数值进一步转换，通过勾股定律转化垂直的距离值，然后不同雷达高度值再通过在高炉内部设立的统一参照系进行坐标的换算，求出料面距炉顶的统一垂直高度值S，计算出来的所有数据送入到计算机成像系统(8)，并结合高炉内部的尺寸参数等，生成所需3D料层的曲面数据；

成像系统(8)将曲面在一个采样周期内，运用VC++、OpenGL技术和插值拟合算法，在高炉内部坐标系内进行曲线旋转，曲面重构，以及样条插值数学处理和图形学处理，拟合出虚拟料面的形状，料面由不同的彩色图案和亮度区分。

2.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：雷达沿轴对称分布，为渐开线分布；雷达倾斜的角度，以照射到料面成像需要的半径为准，角度在0°～15°。

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