CN104990610A - 一种结晶器液位测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于结晶器液位检测技术领域，公开了一种结晶器液位测量系统及测量方法，通过在结晶器上缘设置可发射结构光的照明装置，并通过图像采集装置采集该结构光在保护渣表面、结晶器内壁以及两者交界处的投影，分析得出钢水的真实液位高度。本发明无放射性危害，生产运输存储安装使用等过程无需特殊防护，可以得到金属液位的多点信息，自动控制系统可以据此进行更好的控制；本发明对安装环境要求较低，可以安装在包括小断面的各种连铸机上；不受烟气等干扰，不受现场环境影响，不影响加渣等作业，安装便利；无需改造结晶器内壁，价格更具优势。

Description

一种结晶器液位测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及结晶器液位检测技术领域，特别涉及一种结晶器液位测量系统及测量方法。

背景技术

在钢铁生产过程中，需要快速准确地检测钢水的液面位置，这是稳定控制钢水液位的前提；将钢水液位控制在预定的位置上，可提高铸坯质量，减少钢水溢出或漏钢等事故，使得连铸生产自动化，同时降低工人劳动强度，避免人为误操作或疲劳引起的事故。

现有的结晶器钢水液面检测系统常用的钢水液面检测有以下4种结构：射源型、涡流型、红外型、电磁型。

(1)射源型。采用同位素射线源，利用闪烁晶体接收装置接收随钢水液面高度变化的射线，从而检测出液面高度。Cs-137液面检测系统检测精度达到±0.5mm。铯源型和钴源型是一种应用最普遍的方法，方坯、圆坯、矩形坯、异形坯都可以采用。但该方法致命缺点是有射线辐射,危害工人的健康.

(2)涡流型。涡流传感器中的电磁信号在钢水表面产生涡电流，此涡电流在传感器线圈中产生感应信号，其大小随钢水表面到传感器的距离而变化。适用于板坯、大断面的矩形坯。将涡流传感器竖直悬架安装在结晶器铜管口的上方，并通压缩空气冷却。不需对结晶器进行改造，因其受安装条件的限制，涡流型不能在小断面连铸机上应用。

(3)红外型。适用于不加保护渣时的敞开浇注方式。易受水汽、烟雾等影响，目前，这种方式很少采用。

(4)电磁型。传感器安装于结晶器铜板上，感应面与铜板内表面齐平，传感器发射电磁信号并接收返回的涡电流，其强度与钢水液面成正比，其基本原理与涡流型相似，只是安装方式不一样(涡流型把传感器悬挂安装在结晶器上方，而电磁型将传感器安装在结晶器铜板上)。适用于板坯及大断面矩形坯。与涡流型相比，电磁型省去了每次更换中间包时须搬移传感器的操作过程，但其价格昂贵。

此外，在生产过程中，需要连续对结晶器内加入保护渣，而保持正确的保护渣的厚度和有序分布可有效提高铸坯质量。有些自动加渣系统可以利用保护渣厚度变化和分布信息控制保护渣的加入速度及加入位置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：为解决现有结晶器液位检测系统中，射源型系统具有放射性，不利于操作人员的健康，红外形易受干扰，电磁型需要改造结晶器内壁，造价较高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种结晶器液位测量系统，包括：

照明装置，用于发出结构光，所述结构光照射于：结晶器内的液面、结晶器内壁、以及所述内壁与液面的交界处；

图像采集装置，用于获取所述结构光在：结晶器内的液面、内壁与液面交界处、以及结晶器内壁的投影组成的图像；

图像处理装置，用于对所述图像采集装置获取到的图像进行处理，得出液面高度；

所述图像采集装置与所述图像处理装置连接，所述照明装置与图像采集装置均安装在所述结晶器的上缘上、或设置于所述结晶器上缘的上方。

其中，还包括振动检测装置，所述振动检测装置与所述图像处理装置连接，所述振动检测装置用于检测所述结晶器的振动状态，并将将测到的参数输送至所述图像处理装置。

其中，还包括用于对所述照明装置与图像采集装置进行冷却的冷却装置，所述冷却装置包括上冷却板和下冷却板，所述下冷却板与所述结晶器连接，所述上冷却板与所述下冷却板连接，所述照明装置与图像采集装置设置于所述上冷却板与下冷却板之间；所述上冷却板与下冷却板内均设有空腔，且所述上冷却板与下冷却板均连接有用于接入冷却循环水的冷却水管接头。

其中，所述图像采集装置为红外摄像机。

其中，所述图像采集装置还包括用于辅助所述红外摄像机进行图像采集的两台第二摄像机，两台所述第二摄像机对称设置于所述红外摄像机的两侧。

其中，所述照明装置发出的结构光的照射方向与所述图像采集装置的拍摄方向之间的夹角为10-30度。

其中，所述照明装置发出的结构光为一条或多条。

其中，所述照明装置为结构光激光器。

如上所述结晶器液位测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1、将所述照明装置与所述图像采集装置安装在所述结晶器上缘；

S2、打开照明装置，使其发出的发出结构光依次照射于：结晶器内的液面、结晶器内壁与液面的交界处、以及结晶器内壁上；

S3、利用所述图像采集装置获取照明装置投射的结构光线条和结晶器内部的图像信息；

S4、将保护渣的厚度信息输入图像处理装置；

S5、将结晶器的振动信息输入图像处理装置；

S6、图像处理装置分析图像采集信息得到的结构光线条图像和结晶器内部图像信息，得到保护渣表面高度信息；

S7、图像处理装置结合保护渣厚度信息和保护渣表面高度信息，得到结晶器内钢水的液位高度信息；

S8、图像处理装置结合结晶器内钢水的液位高度信息与结晶器振动信息，得到单点或多点的结晶器内钢水的实时液位信息。

S9、图像处理装置将最终的结晶器内钢水的实时液位信息输送至控制装置以进行调节。

其中，在所述步骤S4中，所述保护渣的厚度信息为经验值、或利用熔融法测量到的厚度值。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下优点：本发明所述的结晶器液位测量系统及测量方法，通过在结晶器上缘设置可发射结构光的照明装置，并通过图像采集装置采集该结构光在保护渣表面、结晶器内壁以及两者交界处的投影，分析得出钢水的真实液位高度。与射源型结晶器液位检测系统相比，本发明无放射性危害，生产运输存储安装使用等过程无需特殊防护；本发明还可以实现多点备份；射源型结晶器液位检测系统只能整个液面的平均值，而本发明可以得到金属液位的多点信息，自动控制系统可以据此进行更好的控制；与涡流型结晶器液位检测系统相比，本发明对安装环境要求较低，可以安装在包括小断面的各种连铸机上；与红外型相比，本发明不受烟气等干扰，不受现场环境影响，不影响加渣等作业，安装也更为便利；与电磁型相比，本发明无需改造结晶器内壁，价格更具优势，安装更方便。

附图说明

图1是本发明所述结晶器液位测量系统的结构示意图；

图2是本发明所述结晶器液位测量系统的爆炸图；

图3是本发明所述下冷却板的结构示意图；

图4是本发明所述检测单元的背面结构示意图；

图5是本发明所述检测单元的正面结构示意图。

其中，1、下冷却板；2、激光器；3、第二摄像机；4、红外摄像机；5、电缆插头；6、冷却水管接头；7、上冷却板；8、冷却板连接螺钉；9、安装螺钉；10、钢水液面；11、结构光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-2所示，本发明所述的一种结晶器液位测量系统，包括：

照明装置，用于发出结构光11，所述结构光11照射于：结晶器内的液面、结晶器内壁、以及所述内壁与液面的交界处；

图像采集装置，用于获取所述结构光11在：结晶器内的液面、内壁与液面交界处、以及结晶器内壁的投影组成的图像；

图像处理装置，用于对所述图像采集装置获取到的图像进行处理，得出液面高度；

所述图像采集装置与所述图像处理装置连接，所述照明装置与图像采集装置均安装在所述结晶器的上缘上、或设置于所述结晶器上缘的上方。

图像采集装置根据照明装置发射出的结构光11在液面、内壁以及液面与内壁的交界处的投影拍摄图像；由于液位面在水平方向上，结晶器内壁在竖直方向上，结构光11在液面与内壁交界处必然会发生偏转；由于结晶器的尺寸不变，照明装置与图像采集装置的位置也不便，因此可以根据投影偏转位置的不同，确定相应图片对应的液位高度；此处的得到的液位高度是保护渣表面的液位高度，只要减去保护渣的厚度即可得到钢水液面10的实时液位高度。保护渣的厚度可以预先输入至图像处理装置，或者将根据熔融法测量到的结果传输至图像处理装置进行计算，从而得到真实的钢水液面10高度。

当然，也可以利用其他设备将所述照明装置与图像采集装置设置在结晶器上缘的上方；比如利用机械手将照明装置与图像采集装置悬空设置在结晶器上缘上方的某一固定坐标处进行检测；当需要清理或维修结晶器，照明装置与图像采集装置可能妨碍到清理或维修操作时，可以控制机械手将照明装置与图像采集装置移到一旁，待清理或维修操作结束后，将机械手恢复至原始空间坐标处即可；机械手所处三维空间没有变化，照明装置与图像采集装置的位置不会发生改变，不影响后期的检测；同时机械手可以根据结晶器的振动状态进行补偿，测量结果不受影响。

上述结构光11可以是如图2所示的线状结构光，但不局限于此，也可以采用网格状结构光11或其他形式的结构光11，只要能够实现辅助检测结晶器内液面高度的目的即可。

上述结构光11只会照射在结晶器内，因此不会对外界环境造成影响；照明装置与图像采集装置均无辐射产生，不会对操作人员的健康造成危害；所有操作均由上述装置自动执行，几乎无需人为参与，操作人员无需频繁靠近时刻处于高温状态的结晶器进行操作，有利于保障操作人员的人身安全；数据采集过程不会受到外界影响；无需对结晶器内壁进行改造，安装成本低。

进一步的，本发明所述的结晶器液位测量系统还包括振动检测装置，所述振动检测装置与所述图像处理装置连接，所述振动检测装置用于检测所述结晶器的振动状态，并将将测到的参数输送至所述图像处理装置。图像处理装置根据钢水的实时液位高度与结晶器的振动参数，获得该检测点的钢水液面10在不同时间的实际高度，然后取平均值作为钢水在这一段时间内的液面高度。结合结晶器振动状态可以得到钢水液面10在不同时间段的波动信息，可以获得更加真实的钢水液面10高度，方便进行控制与调整，不会出现因检测结果与真实值偏差过大而导致结晶器内实际钢水过少或钢水液面10过高导致溢出等现象发生，保证安全。

本发明还包括用于对所述照明装置与图像采集装置进行冷却的冷却装置，所述冷却装置包括上冷却板7和下冷却板1，所述下冷却板1与所述结晶器连接，所述上冷却板7与所述下冷却板1连接，所述照明装置与图像采集装置设置于所述上冷却板7与下冷却板1之间；所述上冷却板7与下冷却板1内均设有空腔，且所述上冷却板7与下冷却板1均连接有用于接入冷却循环水的冷却水管接头6。由于钢水温度较高，为了保护照明装置与图像采集装置，避免因温度过高而被损坏，将所述照明装置与图像采集装置安装在上冷却板7与下冷却板1之间，上冷却板7与下冷却板1的内部均为空心结构，其内通有循环冷却水，利用冷却循环水将热量带走，保证照明装置与图像采集装置能够正常工作。

安装时，下冷却板1通过安装螺钉9安装在结晶器的上缘，照明装置与图像采集装置安装在下冷却板1上，上冷却板7通过冷却板连接螺钉8连接在下冷却板1上；照明装置与图像采集装置的电源线、通信线缆等的电缆插头5均设置在下冷却板1上，见图3-5所示。

具体的，所述图像采集装置为红外摄像机4；另外，所述图像采集装置还包括用于辅助所述红外摄像机4进行图像采集的两台第二摄像机3，两台所述第二摄像机3对称设置于所述红外摄像机4的两侧。红外摄像机4用于拍摄结构光11的投影图像，第二摄像机3为普通的摄像机，用于拍摄同一时刻结晶器内部的图像，以辅助图像处理装置进行处理、分析；使得图像处理结果更加准确。

优选的，所述照明装置发出的结构光11的照射方向与所述图像采集装置的拍摄方向之间的夹角为10-30度，所述照明装置发出的结构光11的宽度小于或等于1毫米；以便区分不同液位高度时的结构光11的投影图像，使测量结果更加准确。

优选的，所述照明装置发出的结构光11为一条或多条，分析这些结构光11的投影，还可以得到更多的保护渣表面位置信息。可通过图像处理装置的人机交互界面设置一个或多个兴趣区，处理时，对数值偏差过大的不正常图像不予分析。通过设置兴趣区，可排除一些异常干扰图像，如钢流图像等，在保证数据的准确性的同时，减少了需要处理的图像的数量，可提高系统处理和分析速度。

虽然直接分析保护渣与结晶器内部交界的图像，也可以得到保护渣表面高度信息，但是有结构光11的投射，会使得分析变得更简单、快速，更容易排除干扰。

优选的，所述照明装置为结构光激光器2，可以发出宽度小于或等于1mm的结构光11。

其中的图像处理装置具体可以是：计算机、微处理器、DSP(中文名称：数字信号处理器，英文名称：digital signal processor)等具备分析计算能力的装置，该图像处理装置应包括必要的人机交互和显示装置、图像信号及模拟数字信号采集装置。

优选地，图像处理装置可自动调整图像采集装置的光圈和/或曝光时间，多次获取图像。由于结晶器内部各部分亮度不一致，各部分采集最佳图像质量的参数也不一致，通过多次不同参数曝光得到各部分质量的相对较好的、细节较多的图像，拼接出整体质量更好的图像，使得后续处理更方便精准。

图像采集装置优选为针孔镜头，可减小装置整体的体积，降低冷却难度，方便现场安装。

优选地，在同一个结晶器上可安装多套照明装置和图像采集装置，从而可以同时获得多个位置的结晶器液位信息，使得测量结果更加全面可靠。同时，这种安装方式也提高了系统的可靠性，容错性，也更便于在线检修，更换零部件时无需中断生产，不影响生产进度。

另外，本发明还公布了如上所述结晶器液位测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1、将所述照明装置与所述图像采集装置安装在所述结晶器上缘；

S2、打开照明装置，使其发出的发出结构光11依次照射于：结晶器内的液面、结晶器内壁与液面的交界处、以及结晶器内壁上；

S3、利用所述图像采集装置获取照明装置投射的结构光11线条和结晶器内部的图像信息；

S4、将保护渣的厚度信息输入图像处理装置；

S5、将结晶器的振动信息输入图像处理装置；

S6、图像处理装置分析图像采集信息得到的结构光11线条图像和结晶器内部图像信息，得到保护渣表面高度信息；

S7、图像处理装置结合保护渣厚度信息和保护渣表面高度信息，得到结晶器内钢水的液位高度信息；

S8、图像处理装置结合结晶器内钢水的液位高度信息与结晶器振动信息，得到单点或多点的结晶器内钢水的实时液位信息。可通过图像处理装置的人机交互界面设置一个或多个兴趣区，处理时，对数值偏差过大的不正常图像不予分析。通过设置兴趣区，可排除一些异常干扰图像，如钢流图像等，在保证数据的准确性的同时，减少了需要处理的图像的数量，可提高系统处理和分析速度。

S9、图像处理装置将最终的结晶器内钢水的实时液位信息输送至控制装置以进行调节。

其中，在所述步骤S4中，所述保护渣的厚度信息为经验值、或利用熔融法测量到的厚度值。有些现场并不关心结晶器内金属液位的绝对值，这种情况下，可以通过人机界面或其他方式直接输入保护渣厚度值的经验值。

由以上实施例可以看出，与射源型结晶器液位检测系统相比，本发明无放射性危害，生产运输存储安装使用等过程无需特殊防护；本发明还可以实现多点备份；射源型结晶器液位检测系统只能整个液面的平均值，而本发明可以得到金属液位的多点信息，自动控制系统可以据此进行更好的控制；与涡流型结晶器液位检测系统相比，本发明对安装环境要求较低，可以安装在包括小断面的各种连铸机上；与红外型相比，本发明不受烟气等干扰，不受现场环境影响，不影响加渣等作业，安装也更为便利；与电磁型相比，本发明无需改造结晶器内壁，价格更具优势，安装更方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种结晶器液位测量系统，其特征在于，包括：

照明装置，用于发出结构光，所述结构光照射于：结晶器内的液面、结晶器内壁、以及所述内壁与液面的交界处；

图像采集装置，用于获取所述结构光在：结晶器内的液面、内壁与液面交界处、以及结晶器内壁的投影组成的图像；

图像处理装置，用于对所述图像采集装置获取到的图像进行处理，得出液面高度；

所述图像采集装置与所述图像处理装置连接，所述照明装置与图像采集装置均安装在所述结晶器的上缘上、或设置于所述结晶器上缘的上方。

2.如权利要求1所述的结晶器液位测量系统，其特征在于，还包括振动检测装置，所述振动检测装置与所述图像处理装置连接，所述振动检测装置用于检测所述结晶器的振动状态，并将将测到的参数输送至所述图像处理装置。

3.如权利要求1所述的结晶器液位测量系统，其特征在于，还包括用于对所述照明装置与图像采集装置进行冷却的冷却装置，所述冷却装置包括上冷却板(7)和下冷却板(1)，所述下冷却板(1)与所述结晶器连接，所述上冷却板(7)与所述下冷却板(1)连接，所述照明装置与图像采集装置设置于所述上冷却板(7)与下冷却板(1)之间；所述上冷却板(7)与下冷却板(1)内均设有空腔，且所述上冷却板(7)与下冷却板(1)均连接有用于接入冷却循环水的冷却水管接头(6)。

4.如权利要求1所述的结晶器液位测量系统，其特征在于，所述图像采集装置为红外摄像机(4)。

5.如权利要求4所述的结晶器液位测量系统，其特征在于，所述图像采集装置还包括用于辅助所述红外摄像机(4)进行图像采集的两台第二摄像机(3)，两台所述第二摄像机(3)对称设置于所述红外摄像机(4)的两侧。

6.如权利要求1所述的结晶器液位测量系统，其特征在于，所述照明装置发出的结构光的照射方向与所述图像采集装置的拍摄方向之间的夹角为10-30度。

7.如权利要求6所述的结晶器液位测量系统，其特征在于，所述照明装置发出的结构光为一条或多条。

8.如权利要求1所述的结晶器液位测量系统，其特征在于，所述照明装置为结构光激光器(2)。

9.如权利要求1-8任一项所述结晶器液位测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将所述照明装置与所述图像采集装置安装在所述结晶器上缘；

S2、打开照明装置，使其发出的发出结构光依次照射于：结晶器内的液面、结晶器内壁与液面的交界处、以及结晶器内壁上；

S3、利用所述图像采集装置获取照明装置投射的结构光线条和结晶器内部的图像信息；

S4、将保护渣的厚度信息输入图像处理装置；

S5、将结晶器的振动信息输入图像处理装置；

S6、图像处理装置分析图像采集信息得到的结构光线条图像和结晶器内部图像信息，得到保护渣表面高度信息；

S7、图像处理装置结合保护渣厚度信息和保护渣表面高度信息，得到结晶器内钢水的液位高度信息；

S8、图像处理装置结合结晶器内钢水的液位高度信息与结晶器振动信息，得到单点或多点的结晶器内钢水的实时液位信息。

S9、图像处理装置将最终的结晶器内钢水的实时液位信息输送至控制装置以进行调节。

10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述保护渣的厚度信息为经验值、或利用熔融法测量到的厚度值。