CN101849167B - 熔融金属液位的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种熔融金属液位测量装置，包括图像测量仪(5)、测量标识物(6)、升降机构(1)、位移传感器(11)、数据处理系统(4)及校正标识(7)；所述图像测量仪(5)安装在所述的升降机构(1)上或独立与升降机构(1)，所述的图像测量仪(5)的光轴与所述测量标识物(6)轴线成一夹角；所述测量标识物(6)安装在所述升降机构(1)上或独立于所述升降机构(1)，所述测量标识物(6)在所述图像测量仪(5)的视场范围内；所述数据处理系统(4)分别与所述图像测量仪(5)、所述位移传感器(11)以及所述升降机构(1)相连接；所述升降机构(1)安装在熔融金属容器(10)上或独立于熔融金属容器(10)。一种熔融金属液位测量方法。由于本发明采用测量标识物(6)穿过渣层插入熔融金属(9)，当测量标识物(6)从熔融金属(9)中升起后其热图像带有渣层的厚度信息，从而可以确定渣层厚度，进而准确地测量熔融金属液位。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔融金属液位的测量装置和使用该装置测量熔融金属液位的方法。
背景技术
在熔融金属连续浇注过程中，为了保持熔融金属温度和防止氧化，常在熔融金属的表面添加保护渣而形成渣层。而在浇注过程中，随时掌握浇注的金属包中的熔融金属液位高度(不包括渣层)，对于决定开浇时间、防止液位过低导致渣卷入铸坯和提高熔融金属的收得率是很重要的。但是，渣层的存在和它的厚度难以确定给熔融金属液位的准确测量带来了困难。
为此，“金属容器称重法”已为人们所熟知，它是通过称量装有熔融金属的金属容器的总重量和一些已知参数(如金属容器容积及重量、熔融金属密度等等)计算出熔融金属的液位高度。但是，由于熔融金属密度和其表面渣层的密度不同，且渣量未知，所以测量中将渣层的厚度也包算在液态金属的液位高度内，造成测量不准；另一方面，金属包的包衬被熔融金属腐蚀使其容积不断变化也会造成液位测量偏差；就是说，金属容器总重量的变化不能与液态金属液位建立准确的对应关系，故该方法只能粗略估计熔融金属液位。
公开号为DE2945251-A1的德国专利公开了一种“使用成像系统检测液面激光点来测量钢包中钢水液位”的方法。该方法是用激光束照射熔融金属渣层上表面并同时用光电传感器检测光点位置，当液面位置变化时，激光点位置随之移动，移动量即反映了液位的变化量。然而，该方法亦无法获取液态金属表面渣层厚度信息，只能测量渣层上表面位置；同时，当渣层上表面凸凹不平时也造成测量误差。
综上所述，现有技术由于不能测量熔融金属表面渣层的厚度而不能准确地测量熔融金属的液位高度。因此提供一种能够测量熔融金属表面渣层厚 度，进而准确测量熔融金属液位的方法和装置就成为该技术领域急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于，克服现有技术不足，提供一种能够测量熔融金属表面渣层厚度，进而准确测量熔融金属液位的装置。
为实现上述目的，根据本发明，提供一种熔融金属液位测量装置，其特征在于：包括图像测量仪、测量标识物、升降机构、位移传感器、数据处理系统和校正标识，所述图像测量仪安装在所述的升降机构上或独立于所述升降机构；所述的图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线成一夹角，所述测量标识物安装在所述升降机构上或独立于所述升降机构，所述测量标识物在所述图像测量仪的视场范围内；所述数据处理系统分别与所述图像测量仪、所述位移传感器以及所述升降机构相连接；所述升降机构安装在熔融金属容器上或独立于熔融金属容器。
一种优选技术方案，其特征在于：所述升降机构包括升降驱动装置，与所述驱动装置相连接的升降导轨，与所述升降导轨相连接的支撑架，以及与所述支撑架相连接的固定装置，所述测量标识物通过所述的固定装置被铅垂安装在升降机构的支撑架上。
一种优选技术方案，其特征在于：所述测量标识物为由镁碳，或铝碳，或镁碳锆，或铝碳锆高温耐火材料或熔点大于800℃的金属材料组成的棒状、管状，或条状物，所述测量标识物的总长度大于渣层厚度100mm以上。
一种优选技术方案，其特征在于：所述测量标识物由钢水连续测温管兼作。
一种优选技术方案，其特征在于：所述熔融金属液位测量装置设有校正标识，所述校正标识物为厚度大于1毫米小于50毫米、高度大于1毫米小于100毫米的环状物，或长度大于10毫米小于1500毫米、等效直径大于2毫米小于200毫米的棒状、管状、条状物；所述校正标识物由铝碳、镁碳、铝碳锆、镁碳锆材料的耐火材料或者熔点大于500℃的金属材料组成，所述校正标识位于所述升降机构上、或测量标识物未浸入熔融金属的部分上，或 熔融金属容器上部或内部，或独立于熔融金属容器和测量装置之外的能被所述图像测量仪识别并定位的位置。
一种优选技术方案，其特征在于：所述的位移传感器与所述升降机构相连接；所述位置传感器为拉杆式、或拉绳式、或电阻变换式、或光电编码器位移传感器，或图像位移传感器。
一种优选技术方案，其特征在于：所述图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线之间形成的夹角在15°到70°之间。
一种优选技术方案，其特征在于：所述图像测量仪为线阵、面阵或单点扫描式摄像机或热像仪。
一种优选技术方案，其特征在于：所述图像测量仪带有防尘和防热保护罩。
本发明的另一目的在于提供一种能够测量熔融金属表面渣层厚度，进而准确测量熔融金属液位的方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种熔融金属液位测量方法，其步骤如下：
(1)提供一种熔融金属液位测量装置，其特征在于：包括图像测量仪、测量标识物、升降机构、位移传感器、数据处理系统和校正标识，所述图像测量仪安装在所述的升降机构上；所述的图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线成一夹角，所述测量标识物安装在所述升降机构上或独立于所述升降机构，所述测量标识物在所述图像测量仪的视场范围内；所述数据处理系统分别与所述图像测量仪、所述位移传感器以及所述升降机构相连接；所述升降机构安装在熔融金属容器上或独立于熔融金属容器；
(2)所述升降机构带动测量标识物下降插入熔融金属中，当测量标识物的温度达到或接近熔融金属和渣层的温度分布后，所述升降机构迅速地带动测量标识物升起，升起高度超过渣层的厚度；所述图像测量仪采集测量标识物升起部分的热图像；所述数据处理系统根据测量标识物在熔融液体与渣层以及渣层与其上方空气的分界面处局部温度梯度最大这一特点对所述的 热图像信息进行分析计算，分别得到熔融液体与渣层和渣层与其上方空气之间的分界面位置高度，两个分界面位置高度之差即为渣层的厚度；
(3)确定容器底部在液位测量装置中的参考高度，其确定方式为：通过直接测量容器底面的参考高度，或通过升降机构带动测量标识物下降与容器底面接触时的移动量计算容器底面的参考高度，或事先已知；
(4)再根据图像测量仪连续摄取的插入熔融金属中的测量标识物或熔融金属容器的内壁面与渣层上表面交界处图像，分析计算出该交界处的位置高度；
(5)基于步骤(4)所得到的位置高度和步骤(2)所得的渣层厚度求得熔融金属的液位高度，或通过摄取测量标识物升起后其上的熔融液体与渣层位置高度及测量标识物升起高度获得熔融金属的液位高度，所述测量标识物升起高度通过所述位移传感器获取并将该高度数据传输给数据处理器。
一种优选技术方案，其特征在于：所述图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线之间的夹角在15°到70°之间。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(2)中所述渣层的厚度测量所用的图像测量仪和所述步骤(4)中所述渣层上表面位置高度测量所用图像测量仪为同一台图像测量仪或分别各用一台图像测量仪。
本发明的测量过程是：测量标识物在升降机构的带动下铅直插入到熔融金属中，测量标识物被插入部分很快会达到或者接近熔融液体与其上渣层的温度分布，然后升降机构带动测量标识物升起，升起高度超过渣层的厚度；图像测量仪分别采集测量标识物插入熔融金属时它与渣层上表面交界处的图像和测量标识物从熔融金属中拔出部分的热图像，之后，升降机构又将测量标识物插入熔融金属中等待下一次升起；数据处理系统对图像测量仪采集的图像信息进行分析计算，并根据熔融金属、渣层及其上方空气三种不同物质的铅直方向的温度分布不同，即根据测量标识物在熔融液体与渣层和渣层与其上方空气环境分界面处温度梯度最大这一特点，分别得到熔融液体与渣层的分界面位置高度和渣层与空气环境的分界面位置高度，两个分界面的位 置高度之差即为渣层的厚度，再依据所述的两个分界面的位置高度和测量标识物的升起高度计算得到熔融金属的液位高度。
还可以从图像测量仪连续摄取的测量标识物在插入状态与熔融金属渣层上表面交界处的图像，确定该交界处的位置高度，依据该位置高度和上述已确定的渣层厚度连续得到熔融金属的液位高度。
为了准确测量液位高度，在测量进行之前，首先要确定容器底部在液位测量装置中的参考高度，其方式为：直接测量空容器底面位置的参考高度，或通过升降机构带动测量标识物下降与容器底面接触时的移动量计算容器底面位置的参考高度，或事先已知。
所述图像测量仪采用摄像机，它的光轴的安装方位与测量标识物轴向夹角大小对测量系统的分辨率影响较大，夹角越小分辨率越低，反之，夹角越大分辨率越高，但测量标识物的成像范围变小；作为优选实施例所述的夹角在15°到70°之间。
为适用恶劣的现场环境图像测量仪带有防尘、防热保护罩，保证它稳定可靠的工作。
组成测量标识物材料的导热系数和几何尺寸决定测量标识物插入熔融金属中的感温速度和从熔融金属中拔出时的散热速度，感温慢会使测量周期变长，散热快会使测量标识物拔起时熔融液体与渣层的温度界限分辨不清而无法测量。因此，本发明的测量标识物为由镁碳，或铝碳，或镁碳锆，或铝碳锆高温耐火材料或熔点大于800℃的金属材料组成的棒状、管状，或条状物，其总长度大于渣层厚度100mm以上。
所述的校正标识用来校正图像测量仪或测量标识物的位置变动造成的测量误差。实际应用中，图像测量仪和测量标识物之间相对位置关系可能会发生变化，若使用预先设定的相对位置关系数据计算液位，则会带来计算误差。故在图像测量仪视野内安装校正标识，它是位于升降机构上、或测量标识物未浸入熔融金属的部分上，或熔融金属容器上部或内部，或独立于熔融金属容器和测量装置之外的被图像测量仪识别并定位的一个或多个特征标 记。当图像测量仪和测量标识物之间相对位置关系发生变化后，在图像测量仪视野中的校正标识的位置和形状会发生变化，从图像测量仪检测校正标识的这些变化，如位置坐标变化、圆弧曲率变化、方向变化、尺寸变化，便可计算得到图像测量仪和测量标识物的真实相对位置关系。
下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是本发明液位测量装置实施例之一的结构示意图。
图2是本发明的液位测量装置另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，是本发明液位测量装置实施例之一的结构示意图。本发明熔融金属液位测量装置包括：图像测量仪5，测量标识物6及测量标识物上的金属环制成的校正标识7，升降机构1，位移传感器11和数据处理系统4。在本实施例中，升降机构1安装在熔融金属容器10的侧壁上，测量标识物6通过固定装置3垂吊在升降机构1的支撑架2的横臂上，由升降机构1带动上下运动使测量标识物6插入熔融金属9或从中升起；位移传感器11获取测量标识物6的升起高度，并反馈给数据处理系统4。金属环制成的校正标识7固定在测量标识物6未浸入熔融金属的部分，用于校正图像测量仪5或测量标识物6的相对位置变化；图像测量仪5安装在升降机构1的支撑架2的横臂上，测量标识物6从熔融金属9中拔出部分和金属环制成的校正标识7同时处于图像测量仪5的视场内。
根据本发明的液位测量装置运行如下：
驱动升降机构1带动测量标识物6下降插入熔融金属中，当测量标识物6达到或接近熔融金属9和渣层8的温度分布后，升降机构1带动测量标识物6迅速升起，升起高度超过渣层8的厚度，位移传感器11获取测量标识物升起高度，并将高度数据传给数据处理系统4。图像测量仪5采集测量标识物6从熔融金属拔起部分的热图像并将图像信息传给数据处理系统4。之后，升降机构1又迅速的将测量标识物6插入熔融金属中。数据处理系统4分析计算所采集的图像信息，并确定出测量标识物6升起时熔融液体9与渣层8和渣层与其上方空气交界面的位置高度，进而得到渣层8的厚度；再根据图像测量仪5连续摄取的插入熔融金属中的测量标识物6或熔融金属容器10的内壁面与渣层8上表面交界处图像，分析计算出该交界处的位置高度，再基于该位置高度和上述求得的渣层厚度或测量标识物升起时熔融金属与渣层分界面的位置高度和渣层与空气环境的分界面位置高度连续获得熔融金属的液位高度。
在本实施例中，图像测量仪5为面阵CCD图像测量仪；该图像测量仪5的光轴与测量标识物6的轴向夹角为21°46’；图像测量仪5带有防尘、防热保护罩，以保证在高温、浓粉尘现场环境下可靠的工作。
在本实施例中，所述位移传感器11采用安装在升降机构中的拉杆式位移传感器。
在本发明的另一个实施例中，所述位移传感器11为光电编码器。
在本实施例中，利用专利号为00120354.1的中国发明专利中披露的钢水连续测温管兼作测量标识物，它是由铝碳材料组成的一端开口一端封闭的空芯双层套管，其导热系数为8.7W/(m·K)，外径为85mm。
在本发明的另一个实施例中，所述的测量标识物为由镁碳材料制成的下端为圆锥形的棒状物，其直径为40mm。
实施例2
在本发明实施例中升降机构1固定在熔融金属容器10的上盖上，对于熔融金属容器侧壁没有安装条件又带有上盖的或者上盖有更佳安装条件时可优选此安装方式。所述图像测量仪为单点扫描式摄像机。图像测量仪5的光轴与测量标识物6的轴向夹角为15°。所述校正标识物为厚度大于1毫米小于50毫米、高度大于1毫米小于100毫米的环状物。其它与实施例1相同。
实施例3
在本发明实施例中升降机构1安装在独立于熔融金属容器10的其他位置。对于熔融金属容器上没有安装条件时可优选此安装方式。所述图像测量仪为线阵扫描式摄像机。图像测量仪5的光轴与测量标识物6的轴向夹角为70°。所述校正标识物为长度大于10毫米小于1500毫米、等效直径大于2毫米小于200毫米的棒状、管状或条状物。其它与实施例1相同。
实施例4
图2为本发明又一个实施例的安装结构示意图。其它与实施例1相同，不同之处在于：校正标识7是悬挂在升降机构1的支撑架2横臂上的铅锤，并处于图像测量仪5的视场范围内。所述图像测量仪为热像仪。
在本实施例中，熔融金属为钢水，渣层为保护渣和覆盖剂，容器为连铸中间包。
工业应用性
本发明的有益效果是，由于本发明采用测量标识物穿过渣层插入熔融金属，当测量标识物从熔融金属中升起后其热图像带有渣层的厚度信息，从而可以确定渣层厚度，进而准确地测量熔融金属液位。
Claims (12)
1.一种熔融金属液位测量装置，其特征在于：包括图像测量仪、测量标识物、升降机构、位移传感器、数据处理系统和校正标识；所述图像测量仪安装在所述的升降机构上或独立于升降机构；所述的图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线成一夹角；所述测量标识物安装在所述升降机构上或独立于所述升降机构；所述测量标识物在所述图像测量仪的视场范围内；所述数据处理系统分别与所述图像测量仪、所述位移传感器以及所述升降机构相连接；所述升降机构安装在熔融金属容器上或独立于熔融金属容器。
2.根据权利要求1所述的熔融金属液位测量装置，其特征在于：所述升降机构包括升降驱动装置，与所述驱动装置相连接的升降导轨，与所述升降导轨相连接的支撑架，以及与所述支撑架相连接的测量标识物的固定装置。
3.根据权利要求1所述的熔融金属液位测量装置，其特征在于：所述测量标识物由铝碳、镁碳、铝碳锆、镁碳锆材料的耐火材料或者熔点大于800℃的金属材料组成。
4.根据权利要求1所述的熔融金属液位测量装置，其特征在于：所述测量标识物由钢水连续测温管兼用。
5.根据权利要求1所述的熔融金属液位测量装置，其特征在于：所述熔融金属液位测量装置设有校正标识，所述校正标识为厚度大于1毫米小于50毫米、高度大于1毫米小于100毫米的环状物，或长度大于10毫米小于1500毫米、等效直径大于2毫米小于200毫米的棒状、管状、条状物，所述校正标识由铝碳、镁碳、铝碳锆、镁碳锆材料的耐火材料或者熔点大于500℃的金属材料组成；所述校正标识位于所述升降机构上、或测量标识物未浸入熔融金属的部分上，或熔融金属容器上部或内部，或独立于熔融金属容器和测量装置之外的能被所述图像测量仪识别并定位的位置。
6.根据权利要求5所述的熔融金属液位测量装置，其特征在于：所述的位移传感器与所述升降机构相连接；所述位移传感器为拉杆式、或拉绳式、或电阻变换式、或光电编码器位移传感器，或图像位移传感器。
7.根据权利要求6所述的熔融金属液位的测量装置，其特征在于：所述图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线之间形成的夹角在15°到70°之间。
8.根据权利要求7所述的熔融金属液位测量装置，其特征在于：所述图像测量仪为线阵、面阵或单点扫描式摄像机或热像仪。
9.根据权利要求8所述的熔融金属液位测量装置，其特征在于：所述图像测量仪带有防尘和防热保护罩。
10.一种用权利要求1-9中任一种熔融金属液位的测量装置测量熔融金属液位的方法，其步骤如下：
(1)将所述熔融金属液位测量装置安装在熔融金属容器上；
(2)所述升降机构带动测量标识物下降插入熔融金属中，当测量标识物的温度达到或接近熔融金属和渣层的温度分布后，所述升降机构迅速地带动测量标识物升起，升起高度超过渣层的厚度；所述图像测量仪采集测量标识物升起部分的热图像；所述数据处理系统根据测量标识物在熔融液体与渣层以及渣层与其上方空气的分界面处局部温度梯度最大这一特点对所述的热图像信息进行分析计算，分别得到熔融液体与渣层和渣层与其上方空气之间的分界面位置高度，两个分界面位置高度之差即为渣层的厚度；
(3)确定容器底部在液位测量装置中的参考高度，其确定方式为：通过直接测量容器底面的参考高度，或通过升降机构带动测量标识物下降与容器底面接触时的移动量计算容器底面的参考高度，或事先已知；
(4)再根据图像测量仪连续摄取的插入熔融金属中的测量标识物或熔融金属容器的内壁面与渣层上表面交界处图像，分析计算出该交界处的位置高度；
(5)基于步骤(4)所得到的位置高度和步骤(2)所得的渣层厚度求 得熔融金属的液位高度，或通过摄取测量标识物升起后其上的熔融金属与渣层位置高度及测量标识物升起高度获得熔融金属的液位高度，所述测量标识物升起高度通过所述位移传感器获取并将该高度数据传输给数据处理器。
11.根据权利要求10所述的测量熔融金属液位的方法，其特征在于：所述图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线之间的夹角在15°到70°之间。
12.根据权利要求11所述的测量熔融金属液位的方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述渣层的厚度测量所用的图像测量仪和所述步骤(4)中所述渣层上表面位置高度测量所用图像测量仪为同一台图像测量仪或分别各用一台图像测量仪。
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