CN102864263A - 一种新型测量高炉料面形状的机械式扫描雷达装置 - Google Patents

Abstract

一种新型测量高炉料面形状的机械式扫描雷达装置，包括雷达本体、雷达专用天线、雷达运动装置及其电控单元、数据传输系统、三维显示系统及控制室，所述雷达运动装置包括一万向球云台及其电控单元，雷达本体及雷达专用天线安装在万向球云台上，所述电控单元控制万向球云台的旋转运动、沿套筒的上下热保护运动及雷达专用天线的三维任意角度旋转运动。本装置可以测量一个比较确定的范围，减少了雷达信号处理的难度，降低了成本。同时延长了伸入到高炉内部的天线的工作寿命。

Description

一种新型测量高炉料面形状的机械式扫描雷达装置

 

技术领域

本发明涉及冶金领域使用微波技术进行料面形状测量的场合，特别适用于高炉内三维料面的成像，也适用于其他领域类似的近场曲面的三维成像。

 

背景技术

钢铁工业中高炉冶炼的过程，是不断添加炉料进行连续冶炼的过程，其中炉顶布料形状的控制是十分重要环节，因此实时准确地获得高炉内三维料面形状信息，对于调节布料方式、控制高炉煤气分布、判断炉况有着十分重要的作用，进而，使得炉缸活跃、高炉顺行、降低焦比、节约能源、稳定高产、减少炉壁侵蚀和延长高炉寿命，提高高炉炼铁生产效益。

目前国内各大钢铁公司几乎都安装了雷达料位计，部分取代机械探尺，实现连续的料面检测， 目前检测高炉料面的方法主要有机械探尺测量法，以及微波雷达料位测量技术。

本发明设计了一种新的三维机械式扫描雷达，可以让机械雷达的高温天线深入到高炉内部，通过天线的移动加旋转，实现在预先优化选定的位置，通过最优视角范围和最优测距范围的考虑，对高炉料面实现全覆盖的微波扫描与三维成像。

    与本专利相关联的国内外相关技术如下：

中国发明专利01126452.7，《高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪》，申请单位宝钢股份，其特点是：采用炉外安装，加透镜透波，存在窗口容易被污染，扫描角度有限的问题。该专利是在炉外安装，而本设计是炉内安装，环境比较恶劣，照射角度增大了，可以在开比较小的孔的同时增加扫描覆盖面积，而且天线可以缩回，有效延长了雷达天线的使用寿命。

中国发明专利申请号：200910089676.1，《一种巡回测量高炉料面的装置》，申请单位首钢股份，采用二维机械扫描的十字杆移动的方法，安装在可沿固定架上某点旋转的斜杆上，利用机械装置的移动旋转等使雷达能够测量高炉料面的各点，优点是利用一台雷达测量出高炉径向的料面形状和下降速度，但是只能实现二维扫描。

中国发明专利申请号：200620150006.8，《一种用于测量高炉内料面高度的雷达探尺》，申请单位天津钢铁股份公司；采用波纹管的微小移动调节雷达测量角，角度可调的范围相当有限，无法做到三维扫描。

中国发明专利申请号：200920014534.4，《一种高炉料面形状雷达测量装置》，申请单位鞍钢股份。采用万向球形密封装置二维测量料面形状，结构简单合理，但无三维扫描，无雷达的自动系统保护。

中国发明专利CN200710064497.3， 《高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法》，是申请者在对比了多种专利方法后，提出的一种新的检测方法，其特点是：在高炉顶部安装多台雷达对高炉料面形状进行检测，将以渐开线分布的雷达测量出的料面高度数据为基准，再以相应的算法拟合动态的料面曲线，可以拟合出较好的动态料面形状，但该方法雷达是数个雷达固定安装，无移动部件。

荷兰专利NL-7707-178“Device for determining charging distribution in blast furnace”，为双天线结构，安装在球形关节上，天线指向可以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，适用于旋转布料式高炉。但由于雷达指向溜槽反射入料面，属雷达波通过旋转设备折射到料面上，间接计算料面高度的一种方法。

欧洲专利ER G017-664“Mounting Radar Antenna on Shaft Furnace”。为双天线结构，安装在圆管底部。测量是圆管穿过炉身侧壁水平径向插入炉内，通过圆管的旋转使天线波束在炉内形成一维径向扫描，不具备全料面形状成像能力，且圆管笨重，圆管的伸缩时间长。

其他国内外还有一类激光扫描方法，如“激光检测料面形状的方法和系统”，（200810240835.9），是基于激光与图像处理的方法获取料面形状的，和本发明的微波法原理不同。

 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种新型测量高炉料面形状的机械式扫描雷达装置。

本发明的技术方案如下：

一种新型测量高炉料面形状的机械式扫描雷达装置，包括雷达本体、雷达专用天线、雷达运动装置及其电控单元、数据传输系统、三维显示系统及控制室，其特征在于：

所述雷达运动装置包括一万向球云台及其电控单元，雷达本体及雷达专用天线安装在万向球云台上，所述电控单元控制万向球云台的旋转运动、沿套筒的上下热保护运动及雷达专用天线的三维任意角度旋转运动；

所述扫描雷达装置还包括：在高炉炉顶开设一个孔，孔上安装一个侧壁带冷却系统的夹层套筒，套筒顶部安装密封法兰盖板，形成一个完整的和高炉内部相通、和外部完全隔离的保护罩，所述万向球云台安装在罩的内部；

所述数据传输系统包括一上位机及下位机，所述上位机安装在炉顶上，下位机安装在控制室，两者之间通过通讯协议，完成云台运动及云台工作信号的双向传输；

所述三维显示系统完成正常料面三维显示、料面局部放大与细部观察。

雷达本体：包括雷达距离测量单元。雷达本体的特征在于雷达信号收发与处理系统具有10GHz，26 GHz或者77 GHz的发射频率，并接受和处理雷达回波信号，采用连续调频波原理测量，雷达一般具有向外的通讯接口等。

雷达专用天线：采用喇叭形或者方形天线，或者抛物线等公知的天线形状设计，天线外面设计一个空腔，在空腔内部通有高压氮气，氮气最后从喇叭口或者其他形状的天线的内表面旋转喷出，在喇叭内面形成旋转气流，对喇叭内表面进行吹扫，可以是间隔或者长期连续吹扫，防止表面灰尘和粘附物附着，同时起到冷却作用。

雷达运动装置包括一万向球云台及其电控单元，雷达本体及雷达专用天线安装在万向球云台上，所述电控单元控制万向球云台的旋转运动、沿套筒的上下热保护运动及雷达专用天线的三维任意角度旋转运动。雷达的旋转运动和上下运动，可以使雷达云台围绕自身旋转，也可以在受热时，自动退回到安全的低温区，远离高温的炉内的位置，旋转运动可以灵活控制天线指向，上下移动可以热保护。

所述数据传输系统包括一上位机及下位机，所述上位机安装在炉顶上，下位机安装在控制室，两者之间通过通讯协议，完成云台运动及云台工作信号的双向传输；

所述三维显示系统完成正常料面三维显示、料面局部放大与细部观察

进一步的，所述装置还包括：在高炉炉顶开设一个孔，孔上安装一个侧壁带水冷或者氮冷的夹层套筒，套筒顶部安装密封法兰盖板，形成一个完整的和高炉内部相通，和外部完全隔离的保护罩。罩的内部包括一个上下可以移动的万向球云台装置，将专用雷达天线安装在万向球云台装置上，喇叭等天线口朝向高炉料面，上下运动的云台是双方向运动，一般在高温时退回到最顶端。云台的万向球结构，保证雷达天线能够自由地朝向料面反射微波和扫描料面测量。云台采用不锈钢等金属材料或者陶瓷材料设计，可以抗至少高温200度（短时最高600度，半小时），密封压力4公斤，抗粉尘，抗油污和热变形。

云台自动退回到顶端，属机械提升与自动保护，当炉况异常时，云台或者万向球或者是其他专门设计的运动系统，带着天线自动往回缩，离开高温区，到达保护罩顶部的低温区，采用闸板阀等隔离装置将雷达天线与高炉内部，部分地或者全部地与高炉内部隔离，需要测量时，打开隔离装置，天线重新进入炉内测量。在实际施工中，也可以使云台选好一个位置后，固定不动，取消闸板阀，则安装成本和维护成本会大大下降

天线三维任意角度旋转运动是核心，它使微波束直接指向料面，并得到反射回波。天线设置了定位和起点检测装置。作为高炉料面形状的显示，必须要确定天线旋转的空间起始位置，从而形成由多个检测点组成的料线或料面的空间形状和数值，这就必须要求雷达天线在任何时候，其起始点的位置都要一致和不变，因此，进一步的，我们采用限位的方法，即在万向球云台上面的十字卡槽上，设置定位块，每次机械装置开始测量时，都退到卡槽的定位块上，该定位块可以是活动的，也可以是焊死的，每次雷达开始工作的时候，都从固定的挡块，即相当于起始点位置开始工作，则天线的坐标始终都能回归原点，从而保证起点位置不变，这样，任何空间换算的坐标都有明确和固定的起始点。

万向球云台的高温保护一般采用氮气冷却，水冷却，或者其他公知的冷却方式。系统安装水量检测，氮气压力检测，润滑脂注入系统等。由于系统本身是关键的运动件，必须稳定可靠地工作，因此对其保护的设计为：运动系统本身周边通氮气冷却，氮气经过冷却通道进入高炉内部，而保护罩由于采用水冷等方式，因此内部运动件区域的温度一般不会超过150度的安全温度。

所述数据传输系统控制万向球云台的运动从而控制雷达专用天线的运动路径：按照确定的路径走一边，获得料面数据；或控制雷达专用天线移到某一个点，测量该点的料面数据，实现定点测量、任意料线或者料面的测量。取决于用户的需求。任意位置的测量调整，都需要保证测量点起点位置的稳定性与重复性，我们采用了上述的定位块定位原理。

云台上天线运动电控单元，一般采用两台高精度伺服步进电机，带高精度编码系统，精度0.1度，耐温200度。

三维显示系统的特征在于：三维成像装置与合成算法和高炉三维成像软件，完成的功能有正常料面三维显示，料面局部放大与细部观察。对重要布料点可以在控制室，手动控制雷达到达观察点位置，对该点或该区域的料面进行交互式细致观察。

炉下控制室的计算机包括终端服务器，显示器与数据采集卡，控制柜，电源，开关，隔离器等。

进一步的，所述三维显示系统的三维料面成像模块：首先，根据雷达对应的数值，在高炉的圆坐标系上，沿半径方向是多条交叉的点，构建连续曲线；交叉线为样条插值曲线，配合每个圆环和相邻圆环之间通过最小二乘法等插值法进行的样条曲面拟合，形成连续光滑曲面，显示出具有料面特征的三维曲面图像。

进一步的，所述三维显示系统的三维料面成像模块：将所有雷达和探尺测量数据沿半径的圆周方向移到沿半径方向的一个剖面上，在剖面上把所有点都沿圆柱的中心轴旋转到该剖面上，多个点连成一个连续曲线，其曲率的大小由料面形状修正因子修正；该曲线沿中心轴旋转形成一个连续光滑曲面，在高炉的三维显示系统显示，获得三维高度曲面。

进一步的，所述三维显示系统在经过对数据的多次采样，即形成连续的料面下降效果，结合下料时间，停料时间等高炉下料控制系统的信息，进而推算出在一个下料周期内，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；最后，系统将长时间累计下来的数据进行日志分析，料面的剖面及剖面线分析，并提供报警和切除故障雷达的辅助功能。

进一步的，所述雷达本体的安装位置是高炉炉顶，选择位置的依据是：料面保持夹角最小，或者左右最大量程差别最小的方法；根据情况选择人孔安装，或者单独开孔安装；雷达的入射角度与炉顶风罩垂直，向下垂直，或者选靠近高炉风罩上部，斜入照射，夹角保持和料面最大覆盖区域的等角度的方法开斜入孔。既兼顾测距变化可以最小，又可以最小化雷达波入射角。

极端恶劣条件下的测量方法的特征还在于:通过虚拟仿真软件，优选雷达安装位置和安装角度、使得雷达在复杂的现场情况下，取得最佳测量效果，并通过合理的机械设计与布局，保证长期稳定，最小维护量的运行雷达料面检测系统，准确反映出料面整体的信息。当雷达在不用，检修和异常情况下，雷达探头自动缩回，隔离装置把天线和高炉内部隔离，从而保护天线，延长寿命，同时便于在线维护和管理。

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.引入单台雷达测量，比多台雷达减少了安装量，安装位置选择更灵活。容易选择一个较好的安装位置，能够综合考虑照射的所有距离变化，都能在一定的范围之内，没有过大的量程比的变化，保证了后继雷达信号处理中，运算放大器测量和放大的处理信号控制在量程范围内，可以测量一个比较确定的范围，减少了雷达信号处理的难度，降低了成本。

2.一个机械旋转云台，云台上有两个垂直方向的机械移动，构成了料面微波机械扫描系统，可以覆盖高炉料面的所有点，设计的伸入高炉的高温雷达天线的设计，加上自动吹扫系统，天线缩回的连锁保护系统，延长了伸入到高炉内部的天线的工作寿命，尤其是在遭遇高温火焰和粘附等恶劣环境下，雷达能够做到自我保护。

3.水冷却系统加氮气吹扫，在圆筒外围设计的水冷却管，在转动机构部分设计了氮气保护系统，传感器包括氮气压力检测，温度检测。

4.基于封闭环境下，高温、高压、粉尘、粘接、水雾等条件下，设计了高温三维扫描雷达的天线吹扫系统，针对高温、粉尘、粘附物，大倾角，信号突变等对雷达回波信号的干扰，设计独特的高温天线旋风多级吹扫与保护设计，确保雷达安全稳定的长期工作在极端恶劣环境。

 

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1  高炉雷达安装实际尺寸图；

图2  旋转扫描机械式雷达组成；

图3  雷达安装位置选择方法；

图4  雷达机械扫描结构原理简图之一；

图5  雷达机械扫描结构原理简图之二；

图6  雷达机械扫描结构原理简图之三；

图7  雷达机械扫描结构原理简图之四；

图8  高炉雷达三维旋转扫描成像；

图9  异型节；

图10  氮气吹扫路线图。

 

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的实施例的特征和功能做详细说明。

图1和3采用高炉尺寸绘图，比例按一般高炉实际比例示意。

如图1所示，雷达安装在高炉外侧。炉顶开孔按总体高炉安装图开孔，直径Φ200-400m之间的通孔，俯仰角度θ按现场要求计算确定。系统包括：雷达安装筒，机械结构，现场控制箱。雷达安装筒焊接在炉墙上、雷达安装筒内部有水冷结构装置；机械结构和高温天线固定在雷达保护筒内，高温天线内部吹扫N₂来冷却（如图10），现场控制箱安装在距高温天线约1-2米的位置处。如果安装闸板阀，则安装在雷达探尺的前端，在探尺工作时闸板阀打开，在探尺停止检测或故障时闸板阀关闭以便维护和检修。

图2是机械扫描时雷达的组要组成部分。

图3安装位置的选择、安装位置包括在高炉上的空间位置及安装时的角度（即选择倾斜角的合适大小），安装位置的选择依据是根据夹角最小（如图所示角度a+b或s+t最小）来确定安装的空间位置，或者左右最大量程差别最小的方法（la-b1或ls-tl最小）来确定倾斜角，

如图4和5是雷达机械扫描结构（方案一）原理简图，雷达探尺1通过万向球安装在法兰2上，探尺1的上端与异型节3铰链连接，探尺可以随着异型节的牵引通过万向球摆动，滑条4穿过异型节3，这样可以使得异型节部分转动转变成平移运动，从而避免垂直方向的运动发生干涉。异型节可沿滑条滑动，滑条可沿滑行套5的滑槽滑动，滑行套5与螺杆相连。螺杆与电机和减速机相连，控制电机使滑行套5在螺杆上滑动，通过连杆机构使雷达探尺在该方向上直线运动。在垂直方向上存在与以上完全相同的机械结构可以在垂直方向上运动。两台电机精确控制雷达天线沿导槽左右前后移动，同时控制系统可以使转台围绕雷达万向节做旋转运动，使天线微波可以指向料面任意位置。因为中间运动传动件多，电机控制要求一台停机后另一台再开始运动。

如图6和7是雷达机械扫描结构（方案二）原理简图，雷达探尺1通过万向球安装在法兰2上，探尺1的上端与传动杆3铰链连接，动力划杆4一端穿过传动杆3，另一端与外直尺螺母5铰接，外直尺螺母5与螺栓6连接，固定在底板上。钢球7放置在外直尺螺母5内，并与动力划杆4底部斜面接触。运动过程：电机驱动外直尺螺母5转动，由于动力划杆4与直尺螺母5通过销子铰接，并受螺栓上钢珠高度距离的控制，开始以渐开式螺旋线转动。动力划杆4通过传动杆3驱动雷达探尺1，这样雷达探尺1将以渐开式螺旋线转动，并且可随机定位，随机正反转或重复扫描。

图8所示高炉雷达三维旋转扫描成像，可以扫出的是一个点，一条线，或者一个面，其本质为多点构成的线或面，经过插值后形成的曲线或曲面，但扫描点扫的很密的时侯，曲线或曲面的分辨率就高，可以安装实际用户的需求来设计程序，雷达测得的数据传递给控制室的计算机后，在控制室计算机上，通过程序可以拟合出任意点，料线和料面的数据或曲线等。

图9 是异型节结构简图。

图10是高炉雷达高温天线设计，其喇叭形天线内部通氮气，氮气最后从喇叭口旋转喷出，在喇叭内面形成旋转气流，对其表面进行吹扫，防止灰尘和粘附物附着，同时起到冷却作用。

为保证设备的安装与维护，以开孔的圆心为中心500mm半径范围内不可被占用。雷达保护套筒与炉顶外皮(钢板)用电焊焊接，要求满焊，否则会造成煤气泄露。

管道铺设：用钢管等将压力大于6Kg的氮气引到现场并加装球阀，在设备通气之前，应先将管路内的污物全部排净后才能将压缩气管路接到设备里。水冷部分根据现场情况计算，在系统没有可靠通气和通水之前不得将探头伸入炉内。

本发明合理优化布置高炉雷达的安装位置，并进行了料面成像。具有料面信息准确，成本低，有针对性的优点。上述装置也可以被用于其他料面检测的场合。

尽管以上结合实例和具体实施方案对本发明做了详细说明，但对于本领域技术人员来说，显然可以在组合形式和特征替代方面对上述实施例和具体实施方案做出各种改进和变化。例如，雷达在安装上位置的变化，三维旋转的方向，路径等的较大形式的变化。本领域技术人员将会意识到，上述的各技术特征可以按照不同于在此所述方式的方式加以组合，或者其本身就能成为保护主题。

Claims (10)

1.一种新型测量高炉料面形状的机械式扫描雷达装置，包括雷达本体、雷达专用天线、雷达运动装置及其电控单元、数据传输系统、三维显示系统及控制室，其特征在于：

所述雷达运动装置包括一万向球云台及其电控单元，雷达本体及雷达专用天线安装在万向球云台上，所述电控单元控制万向球云台的旋转运动、沿套筒的上下热保护运动及雷达专用天线的三维任意角度旋转运动；

所述扫描雷达装置还包括：在高炉炉顶开设一个孔，孔上安装一个侧壁带冷却系统的夹层套筒，套筒顶部安装密封法兰盖板，形成一个完整的和高炉内部相通、和外部完全隔离的保护罩，所述万向球云台安装在罩的内部；

所述数据传输系统包括一上位机及下位机，所述上位机安装在炉顶上，下位机安装在控制室，两者之间通过通讯协议，完成云台运动及云台工作信号的双向传输；

所述三维显示系统完成正常料面三维显示、料面局部放大与细部观察。

2.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于：所述雷达专用天线外面设计一个空腔，在空腔内部通有高压氮气，氮气从天线的内表面旋转喷出，在天线内面形成旋转气流，对天线内表面进行间隔或者长期连续吹扫。

3.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于：所述万向球云台上面的十字卡槽上，设置有定位块，每次装置开始测量时，万向球云台都退到卡槽的定位块上；所述该定位块活动安装或固定焊死。

4.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于：所述数据传输系统控制万向球云台的运动从而控制雷达专用天线的运动路径：按照确定的路径走一边，获得料面数据；或控制雷达专用天线移到某一个点，测量该点的料面数据，实现定点测量、任意料线或者料面的测量。

5.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于,所述三维显示系统的三维料面成像模块：首先，根据雷达对应的数值，在高炉的圆坐标系上，沿半径方向是多条交叉的点，构建连续曲线；交叉线为样条插值曲线，配合每个圆环和相邻圆环之间通过最小二乘法等插值法进行的样条曲面拟合，形成连续光滑曲面，显示出具有料面特征的三维曲面图像。

6.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于,所述三维显示系统的三维料面成像模块：将所有雷达和探尺测量数据沿半径的圆周方向移到沿半径方向的一个剖面上，在剖面上把所有点都沿圆柱的中心轴旋转到该剖面上，多个点连成一个连续曲线，其曲率的大小由料面形状修正因子修正；该曲线沿中心轴旋转形成一个连续光滑曲面，在高炉的三维显示系统显示，获得三维高度曲面。

7.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于：所述三维显示系统在经过对数据的多次采样，即形成连续的料面下降效果，结合下料时间，停料时间等高炉下料控制系统的信息，进而推算出在一个下料周期内，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；最后，系统将长时间累计下来的数据进行日志分析，料面的剖面及剖面线分析，并提供报警和切除故障雷达的辅助功能。

8.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于：所述雷达本体的安装位置是高炉炉顶，选择位置的依据是：料面保持夹角最小，或者左右最大量程差别最小的方法；根据情况选择人孔安装，或者单独开孔安装；雷达的入射角度与炉顶风罩垂直，向下垂直，或者选靠近高炉风罩上部，斜入照射，夹角保持和料面最大覆盖区域的等角度的方法开斜入孔。

9.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于，所述雷达运动装置具体结构如下：雷达本体的探尺通过万向球云台安装在法兰上，探尺的上端与一异型节铰链连接，探尺随着异型节的牵引通过万向球云台摆动；一滑条穿过异型节，使得异型节部分转动转变成平移运动，避免垂直方向的运动发生干涉；异型节能沿滑条滑动，滑条能沿滑行套的滑槽滑动，滑行套与螺杆相连，螺杆与电机和减速机相连，控制电机使滑行套5在螺杆上滑动，通过连杆机构使雷达探尺在该方向上直线运动；在垂直方向上存在与以上完全相同的机械结构可以在垂直方向上运动；两台电机精确控制雷达天线沿导槽左右前后移动，同时电控单元使转台围绕万向球云台做旋转运动，使天线微波能够指向料面任意位置。

10.根据权利要求1所述的雷达装置，其特征在于，所述雷达运动装置具体结构如下：雷达本体探尺通过万向球云台安装在法兰上，探尺的上端与传动杆铰链连接，一动力划杆一端穿过传动杆，另一端与外直尺螺母铰接，外直尺螺母与螺栓连接，固定在底板上；一钢球放置在外直尺螺母内，并与动力划杆底部斜面接触；电机驱动外直尺螺母转动，动力划杆以渐开式螺旋线转动，动力划杆通过传动杆驱动探尺，雷达探尺也以渐开式螺旋线转动，并且可随机定位、随机正反转或重复扫描。

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