CN101905293B - 连铸机二冷区高温铸坯摄像测温系统及测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于炼钢连铸技术领域，尤其是涉及一种连铸机二冷区高温铸坯摄像测温系统及测温方法，该系统包括微型彩色CCD摄像头，安装于连铸机二冷区内弧上方，用于获取铸坯二维图像信息；视频图像采集模块，用于接收所述二维图像信息并存储；工控计算机，用于处理和分析二维图像信息，显示最终结果。本发明基于彩色视频成像和计算机图像处理技术，将图像预处理后的高温铸坯彩色图像中像素点的色度信息转化为温度信息，对表面覆盖氧化铁皮的像素点温度进行修订处理，最终输出温度的最大值和平均值。该测温方法操作简便，精度高，动态响应快，适用范围广，且易于集成到动态轻压下、电磁搅拌、二冷动态配水，具有广泛的行业应用前景。

Description

连铸机二冷区高温铸坯摄像测温系统及测温方法

技术领域

本发明属于炼钢连铸技术领域，尤其是涉及一种连铸机二冷区内高温铸坯表面温度的在线连续检测系统和方法。

背景技术

温度的测量方法大致分为两种：接触法和非接触法。在接触测温法中，热电偶和热电阻温度计应用最普遍，该方法的优点就是设备和操作简单，测得的是物体的真实温度，其缺点是动态特性差，而且由于要接触待测物体，故对被测物体的温度分布有影响。目前，非接触测温法以辐射测温法为主，包括光电比色高温计和红外温度计等，因其具有无测量上限，响应速度快且不影响被测温场等特点，得到广泛发展与应用。辐射温度计的工作波长从单波长逐步发展为两色(比色)和多色，功能亦逐步丰富和智能化。当前经常使用的单波长光学(电)高温计，比色温度计及全波长辐射温度计等，测得的都不是物体的真实温度，只是分别为亮度温度，颜色温度及辐射温度。必须知道待测物体的另一参数——材料发射率(即黑度系数)，才可以获得其真实温度。众所周知，物体的材料发射率不仅与物体的组分，表面状态及考察波长有关，还与它所处的温度有关，一般不宜于在线测量，且易随着表面状态改变而改变。

在钢铁厂连铸生产过程中，常常需要了解连铸结晶器热交换状态是否良好，二冷段冷却效果是否符合要求，铸坯内部冷却凝固状况如何，为此要对铸坯的表面温度进行检测，借此来间接反映铸坯内部的温度分布和凝固情况。也就是说，我们希望通过在线连续监测铸坯表面温度的方法，实现铸坯热状态的监控，从而准确控制铸坯温度，保证铸机的顺行和铸坯的质量。这就必须得涉及到二冷喷淋区内的铸坯表面温度的在线检测，然而，目前这项温度测定技术还没有完全成熟，因为要准确测量出二冷区内铸坯的真实温度尚存在许多方面的困难：①铸坯是不断地运动着，要求测量仪表的动态响应要很好，加之二冷区内铸坯处于高水雾高粉尘的恶劣环境，不适宜接触式探头的使用；②高温铸坯与空气接触会发生氧化反应，铸坯表面将形成大量的氧化铁皮，而且在铸坯的表面会有一层薄的氧化膜，难于直接检测到铸坯的真实表面温度。

一般情况下，我们可以使用计算机过程控制模型采集到现场工艺参数后，利用数学传热理论对铸坯进行热跟踪计算，用计算值取代测量值。但是模型的计算经过了一定的假设简化，并且受模型参数以及多方面的工艺参数和实际的设备状态影响，程序调试困难多，还难以保证较高的精确度和长期的稳定可靠性。这极大地限制了动态轻压下、动态二冷配水和电磁搅拌等先进连铸技术的应用效果。所以面向铸坯本身的温度在线检测成为冶金研究者关注的重点。

发明专利申请号200810115200.6《一种测量连铸坯表面温度的装置及其测量方法》公开的是一种用热电偶进行接触式测温的方法，核心思想是通过多只热电偶组成一个环形测温仪安装在连铸机的支承辊上。它存在多处不足，应用的意义不大：(1)首先是依然无法排除铸坯表面氧化铁皮对测温的影响。(2)测温仪是随着铸机支承辊同步转动，因而温度检测周期会受铸机拉速波动的影响，时快时慢。拉速较低时，两相邻热电偶接触铸坯的时间间隔增长，意味着检测周期的变长。(3)一个测温仪只能测一个点的温度，却要使用多个热电偶，如果数量太少，检测周期的变长，导致测温不及时；如果数量太多，则会增加热电偶的安装难度和维护成本，特别是当某个或某些热电偶出现安装不到位或者读数跳动时，可能带来更多的系统误差。发明专利申请号94202652.7《连铸坯内部面温度的在线测量装置》公开的是一种用铠装热电偶进行接触式测温的方法，在浇注末期将装有三个热电偶的方框架插入结晶器埋入钢水中一定深度后停浇，使之随铸坯一起向下运动，从而获得尾坯的温度随时间变化曲线。这种方法很好地避开了铸坯表面的氧化铁皮和水雾介质干扰，获取了铸坯内部温度，不过热电偶的插入必然会引起钢水(或铸坯)局部的温度场，而且它只是应用于尾坯的温度检测，因此这种方法的应用存在诸多局限性，只能作为一种辅助性的测温方法。

在铸机上使用非接触式红外温度计已是主流方向，发明专利申请号03153364.7《连铸矫直目标温度监测控制与分析系统》公开了一种温度监测控制与分析系统，选用的是1-1.1微米波长的非接触式红外探头测量铸坯矫直点温度。其不足之处在于(1)仅仅局限于对位于矫直区铸坯的进行温度测量，没有涉及到情况更复杂的二次冷却喷淋区。即便是在矫直区，直接采用红外测温探头仍不能准确测量出铸坯的表面温度。(2)分析系统只有简单的分析功能，尚不具备结合连铸工艺进行分析反馈设备状况和铸坯质量的能力。发明专利CN01141418.9《连铸二冷区铸坯表面温度准确测定方法》公开了一种测定方法，采用非接触式测温的方法测量二冷区铸坯表面温度，它是通过获得某相同测温点的在一段时间间隔内若干温度数据然后取最大值作为这段时间的铸坯的真实表面温度。此专利的不足在于(1)没能充分考虑到铸坯周围高温高湿水雾介质和铸坯表面的氧化铁皮对温度测量的影响，(2)通过加大检测周期来获取温度的近似最大值，达不到实时检测表面温度的目的，(3)采用这种方法难于检测出二次冷却区内各个典型控制点的准确温度。发明专利CN200510110014.X《一种连铸坯表面目标温度监控方法及其装置》公开了一种连铸坯表面目标温度的监控分析方法，可以将现有的监测装置反馈结果进行有效分析，并使之与连铸工艺和设备状态的联系起来，但限于其温度检测仍然采用的是红外测温仪，存有上述专利相同的问题。

但同时存在两大问题要解决：一是仪表的指示值如何用被测物的黑度进行校正；二是如何避免工件表面的氧化铁皮和铸坯所处的恶劣环境(如水汽等)对示值的影响，也就是说红外测温测监控的只是一个点的温度，一旦该点被氧化或者其它因素的干扰，就得不到该点的真实温度。所以，受稳定性和准确性的困扰，此类设备在现场未能发挥出理想的测温作用，基本上陷于安装却不能有效使用的尴尬境地。发明专利申请号200710093063.6《水雾介质下高温铸坯表面温度的测量方法》公开了一种水雾介质下高温铸坯表面温度的测量方法，通过空气水雾浓度传感器测得铸坯表面的水雾浓度得到一个辐射能的衰减系数，进而对原始测温数据进行修正。二冷喷淋区内是一个开放空间，喷淋强度是随着工艺参数实时变化的，水雾浓度的量化标准和浓度传感器的安装位置等细节还需要完善。

采取常用的检测手段，或者不能测到真实的温度，或者测温元件过早的损坏而使测量中断，往往难以获取可靠的监测数据。发明专利申请号200780019591.5《连铸坯表面温度测量方法及装置》公开了一种连铸坯表面温度测量装置和方法，使用的是高分辨率热像仪和扫描式红外测温仪，结合模型滤波，基本上满足铸坯测温的要求，不过其设备成本极高，保养维护困难，在连铸机上较少使用。发明专利CN200610083893.6《高温温度场图像的检测装置及其方法》公开了一种高温温度场图像的检测装置，采集混合图像接收光纤阵列后经电脑视频处理，采用比色测温技术获得待测温度场。但是如果不对铸坯图像预处理和结果数据的过滤，受表面水雾和氧化铁皮的影响，依然难于得到铸坯的真实温度，且没有与工艺参数相结合，对生产过程的指导意义不大。

发明专利申请号200910077462.2《一种基于彩色CCD的辐射温度场测量装置及方法》公开了一种基于彩色CCD的温度场测量装置，与本专利不同之处在于在温度计算原理实现上存在差异，并且前者需要进行滤光片的切换，其机械和光学系统较为复杂，还没有考虑到连铸坯被氧化铁皮覆盖等特殊情况。

自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度(0K)以上，都以电磁波的形式时刻不停地向外发送能量，这种能量以光辐射的形式表现出来。当温度上升到一定程度后，辐射光波开始进入可见光波波段。并且物体温度越高，辐射能量落在可见光光谱范围内的分量也会随之增加，从而形成不同的颜色信息。一个颜色值对应着一个温度值，基于此，有经验的“老师傅”们可以直接通过肉眼观察出高温铸坯的亮度和颜色来大致估计出铸坯的温度。能不能通过提取实际铸坯图像，从原始彩色图像出发，由计算机分析取代人工判断，把三原色信息当作辐射在红、绿、蓝为代表性波长下的单色图像，根据高温铸坯表面的颜色信息来计算出待测铸坯的表面温度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种操作简便，精度较高，动态响应快，且易于集成到动态轻压下、电磁搅拌、二冷动态配水等先进的连铸控制技术软件包，具有广泛的行业应用前景的高温铸坯的新型远距离摄像测温方法。

本发明的技术方案是：一种连铸机二冷区高温铸坯摄像测温系统，该系统包括：该系统包括微型彩色CCD摄像头，安装于连铸机二冷区内弧上方，用于获取铸坯二维图像信息；视频图像采集模块，用于接收所述二维图像信息并存储；工控计算机，用于处理和分析二维图像信息，显示最终结果。

本发明的另一目的是提出一种连铸机二冷区高温铸坯摄像测温系统的测温方法：具体包括以下步骤：

1.在连铸机二冷区各测温点上方安装一个微型彩色CCD摄像头，实时采集高温铸坯的二维图像；

2.通过视频采集卡将这些图像信号快速接入到工控计算机；

3.由工控计算机对二维平面图像进行预处理后获得各像素点的颜色值，继而由颜色值计算出各像素点的温度值；

4.通过上述步骤得到的温度值，将统计出平均值与最大值作为主要结果加以显示，同时以图形化显示整个监测面上的温度数据，并支持鼠标的选定读数；

5.将上述步骤中：采集的铸坯图像以影像文件保存，温度的最大值和平均值则保存在数据库文件中，报警信息则保存在日志文件中。

为了最大程度减少铸坯表面覆盖的氧化铁皮和其他因素对测温结果的影响，需要对上述第3步计算的温度值进行一定的修正。只有最大温度值才是铸坯的真实表面温度，这是因为当运动着的铸坯通过镜头时，不是一直都被氧化铁皮覆盖着，氧化铁皮脱落后，会露出新鲜表面，其温度比氧化皮的温度高得多。除最大温度值以外，其它温度值需要进行以下步骤判断和处理：

1.取拉速方向一定长度内(如0.1m)的铸坯为一单元体，将单元体内在拉速方向上的最大值视为基准温度，

2.比较单元体内拉速方向上的其它像素点温度与这个基准温度的差值，对于温度差值在设定范围内的像素点视为有效像素点予以保留，否则加以剔除标记，如赋值为0；

3.近似认为相邻有效像素点存在线性分布从而推算得到具有标记点的温度，如仍不合适则取上一时刻作为最终值。

按照上述修正方法就可以得到相对准确的铸坯温度场分布，以等温线或者等温云图将这些数据直观显示。另外，在温度判断的过程中，还可以对铸坯表面氧化铁皮覆盖率定量计算，只需要统计出曾经被标记为剔除点的像素点个数，然后除以检测面内总的像素点个数即可。

本发明使用的摄像头采用感光范围宽的CCD芯片。CCD是由高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由视频采集卡把图像数据传输给工控计算机。关于CCD摄像头需要考虑以下几个细节问题：(1)CCD摄像头的安装位置及固定；(2)CCD镜头选型；(3)对CCD镜头防水雾和粉尘干扰的防护处理。这是因为在实际生产过程中，连铸机处于高温高湿的状态，摄像头在恶劣的环境下长期持续工作，有必要摄像头选定最佳工作参数并对镜头进行特殊化防护处理，因镜头周围空间有烟尘、水汽等能散射或吸收辐射能的介质存在，使用净化空气进行吹扫，如使用保护罩和喷吹惰性气体(如N₂)进行气封，以减少对镜头的污损，同时要注意定期检查和清洁镜头。

基于图像处理的温度测量必须对原始的数字化图像进行适当的预处理才能进行后续的分析计算，图像的预处理包括中值滤波、图像分割和图像的增强和复原等。由图像分割算法或者手动选定铸坯待测面轮廓，将待测平面区域按照铸坯的规格平铺显示在程序界面窗口，至此图像的像素点颜色值很容易通过计算机实现获取。寻找出铸坯颜色与铸坯温度之间的定量关系是涉及本专利准确度的重要内容之一，也就是温度的标定，本专利可支持两种方法，两者都需要进行大量的前期测温实验：一个是理论计算值与实际测量值之间多次拟合，建立确定的数学函数关系；另一个方法是借助神经网络技术，反复训练出图像RGB值与温度测量值的关系。

采用本发明，基本上可实现以下功能：

1.在线检测二冷区内高温铸坯温度场：可实时、动态、连续检测铸坯表面温度。基于铸坯彩色数字化图像，依据一定的算法将各像素点的色度和亮度值转化为温度值，之后按照设定范围对这些温度值加以分析过滤，以减少水雾介质和氧化铁皮对测温的干扰。

2.显示铸坯温度计算结果：充分利用“点、线、面、形”等多形式多角度地展示铸坯温度场，包括以温度云图或等温线的形式重构铸坯的温度场；选取铸坯上的几何特征点，绘制其温度值随着时间变化曲线等。

3.监视高温铸坯的形貌：人工监视图像中铸坯形貌，辅助性判断其表面质量和喷淋效果，同时基于温度场还可以判断出氧化铁皮在铸坯的分布情况，计算出氧化铁皮的覆盖率。

4.事故报警：当控制点检测温度或其波动率超出预先设定范围时开始报警，直至恢复到正常范围。

5.数据储存：可实时保存铸坯图像，铸坯温度场计算结果、报警事件及重要工艺参数，支持历史图像的回放和主要工艺参数的查询。

与现有的铸坯温度检测技术相比，本发明具有如下优点：

1.测温方式上：面向高温铸坯的多点非接触式温度测量，结构简单、安装方便、操作简便。

2.测温原理上：采取二维平面测温，凭借计算机强大的计算功能，初步计算出铸坯图像上所有像素点的温度后，由计算机分析对比这些温度初始值后计算出铸坯的真实表面温度，动态响应快，测量精度高。

3.适用范围广：可应用于各种规格和断面的连铸机上，一般可通过选定镜头的距离系数与调节安装角度，获取到铸坯的最佳图像。

4.集成度高：以软件包的形式集成至连铸过程控制软件，包括动态轻压下、电磁搅拌、二冷动态配水等，将铸坯温度的检测与先进的工艺技术融合，并更好地用于指导生产。这对连铸过程的自动检测乃至整个连铸自动化水平的提升起到一定推动作用，应用前景广阔。

造成测量误差的主要因素包括：

1.铸坯所处的恶劣环境：铸坯表面覆盖的氧化铁皮和水膜对于图像法测温会造成一定的误差，因此要对温度值进行修正，另外不仅要做好摄像头镜头的安全防护，而且还得定期检查和清洁。

2.测量背景：铸坯图像中既存在高温铸坯的影像，又存在常温背景的影像，也就是意味着，既有高温铸坯本体的辐射，又有高温铸坯对其它光源的反射，测量背景一定会对测量带来误差。因此在对被检测物体进行拍摄时，要尽量避免其它光源对其照射，保证所测铸坯的辐射光强度要比其它光源所形成的反射光强度大得多，当铸坯温度较低时，则应尽量在相对黑暗的环境中采集图像。

3.系统分辨率：分辨率不高会造成测量的误差，这是由于测量时对量化后的灰度值取对数，实际上是对信号进行了压缩。

4.颜色深度：指的是每一像素的颜色值的二进制位数，颜色深度越大则表示像素颜色的数目越多。在RGB颜色表示法中，颜色数越多，则图像所反映的图像信息就越多。一般采用真彩色图像，即彩色图像中每一点的信息量用24位来储存，

附图说明

图1为高温铸坯的CCD图像，其中图1a显示二冷喷淋区的铸坯，图1b显示二冷非喷淋区的铸坯。

图2为测温系统结构简单示意图，

图3为测温系统主程序框图。

图4为测温系统测温计算子程序框图。

图5为高温铸坯表面氧化铁皮的监视实例，其中图5a是铸坯原始图像，图5b为铸坯表面的氧化铁皮分布情况。

图中：

1.连铸机，2.CCD摄像头，3.工控计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本实施例应用对象是某大方坯连铸机的某一流铸坯，其二冷喷淋区铸坯CCD照相机图像见图1a，未喷淋区铸坯CCD照相机图像见图1b。参照图2，在1连铸机内弧侧二冷区上方适当部位焊接固定架，将四个2彩色面阵CCD摄像头安装在指定位置上，分别是：各个摄像头采集的图像均经过图像采集卡传输给一台3工业控制计算机。摄像头全部采用广角镜头，安装于距离高温连铸坯3-5m处，以获取铸坯完整图像并且不受铸机设备遮挡为宜。摄像头尽量垂直对准监测面，偏离角度应在0°～30°。摄像头设有防护罩，其内选择性地喷扫保护性气体(一般为N₂)，从而防止镜头的污损和高温损坏。选用彩色图像采集卡，可以在800×640分辨率下实现24bit图像的25帧/秒采样速度传递至工控计算机。工控机除了实时采集视频图像数据外，还与现场的PLC设备直接通信，可参与到实际生产的控制中。测温系统主程序框图见图3。

工控机接收到铸坯图像后，由测温软件对图像进行中值滤波，然后将铸坯图像平铺到软件界面中。在获取图像像素点的颜色值后经过软件内置的算法转化成高温铸坯的温度值。为修正氧化铁皮和水雾介质对测温结果准确性的影响，还需要对这些温度值进行修订处理，一般获取该二维图像中像素点温度的最大值或平均值作为该检测点的输出值，同时将明显不符合实际温度的像素点作出剔除标记并重新赋值，由其他正常值进行插值计算或者取上一时刻保留值。测温计算子程序框图见图4。

测温软件可以显示出鼠标指定的连铸坯图像中任意点温度，并且可以用等温线或温度云图的形式实时显示温度场的整体情况。因为有高质量摄像设备作保障，可直接用肉眼观察实时采集的铸坯原始图像，大致判断出比如铸坯表面形貌或喷嘴的喷淋状态等其它重要信息。图像信息、计算结果和相关工艺参数会分别以影像文件和数据库文件的形式周期性保存到工控机的硬盘中，同时配有特定的报警日志文件，作为优化工艺和维护设备的重要参考依据。

基于铸坯表面温度值，还可以粗略计算出氧化铁皮的覆盖区域。如图5a为铸坯的原始图像，经过图像处理后得到图5b，从而给出了铸坯表面氧化铁皮的分布，其覆盖率大小为32.9％。

因摄像头镜头周围空间有烟尘、水汽等能散射或吸收辐射能的介质存在，要注意定期检查和清洁镜头。

采用本实施例，基本可实现以下功能：

1.采集待测铸坯的图像，将数字化图像中各像素点的色度和亮度信息经过计算转化为其温度值，之后分析比较这些温度值按照设定范围加以温度过滤，从而得到较准确的温度场。

2.鼠标放在铸坯的图像上后可立即显示当点温度，为获得待测铸坯温度整体信息，以温度云图的形式重构出铸坯二维温度场。并选取铸坯上的几何特征点，作出其温度值随着时间变化曲线。

3.基于铸坯高清原始图像，人工监视连铸坯的形貌，辅助性判断其表面质量和冷却水喷淋效果。

4.设定各监控点温度的上下限，当实际检测温度超出范围时开始报警，通过调节相关工艺参数直至该温度恢复到正常范围，有利于生产顺行和工艺优化。

5.可保存实时铸坯图像，铸坯温度场数据、报警事件及重要工艺参数，支持历史图像和主要工艺参数的回放与查询。

Claims (1)

1.一种连铸机二冷区高温铸坯摄像测温系统的测温方法，该系统包括微型彩色CCD摄像头，安装于连铸机二冷区内弧上方，用于获取铸坯二维图像信息；视频图像采集模块，用于接收所述二维图像信息并存储；工控计算机，用于处理和分析二维图像信息，显示最终结果；具体包括以下步骤：

1)在连铸机二冷区各测温点上方安装一个微型彩色CCD摄像头，实时采集高温铸坯的二维图像；

2)视频采集卡将所述二维图像信号接入到工控计算机；

3)所述工控计算机对所述二维平面图像进行预处理后获得各像素点的颜色值，继而由颜色值计算出各像素点的温度值；

4)通过上述步骤得到的温度值，将统计出平均值与最大值作为主要结果加以显示，同时以图形化显示整个监测面上的温度数据；

5)将上述步骤中采集的铸坯图像以影像文件保存，温度的最大值和平均值则保存在数据库文件中，报警信息则保存在日志文件中；

其特征在于，所述步骤3中在根据计算出各像素点的温度值后，取拉速方向一定长度内的铸坯为一单元体，将单元体内在拉速方向上的最大值视为基准温度，比较单元体内拉速方向上的其它像素点温度与这个基准温度的差值，对于温度差值在设定范围内的像素点视为有效像素点予以保留，否则加以剔除标记，赋值为0；近似认为相邻有效像素点存在线性分布从而推算得到具有标记点的温度，如仍不合适则取上一时刻作为最终值。

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