CN106871804B - 空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，包括设置在安装主体上的视频采集机构和补光机构、以及设置在扇形板上的标识物；其中，视频采集机构包括图像处理器、摄像机及加长镜头；补光机构包括补光源、补光源管路。本发明还公开了一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化方法，预先在转子法兰面上部对应的扇形板外侧位置安装标识物，通过补光灯照射标识物和对应位置的空预器转子法兰面与扇形板之间漏风间隙，利用摄像头采集对应位置的视频，获得空预器转子法兰面与扇形板上标识物下边缘之间的距离，与标识物宽度比较，计算出间隙大小，实时反馈至扇形板控制装置，实现间隙的实时测量及监视报警功能。

Description

空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置及方法

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，用于在零照度环境下的物体间隙视觉测量，具体涉及一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，本发明还涉及一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化方法。

背景技术

火电机组中的“回转式空气预热器”是大型工业锅炉的主要辅机之一，也称为“容克式空气预热器”，简称“空预器”。空预器工作时，其转子整体受热不均匀，使得转子产生“蘑菇”状变形。即旋转转子与固定扇形板之间的密封间隙是一个变化量。密封间隙的存在导致大量的助燃空气泄露到烟道，造成风机电耗增加；同时热空气带走了大量热能，直接导致锅炉燃烧热效率下降。

因此，空预器转子热态变形量的检测具有工业应用价值。但是，由于空预器热端的内部温度高达350℃-450℃，并且烟气中含有大量的灰尘和腐蚀性物质，给传感器设计带来挑战。目前，转子变形量检测传感器主要有探针传感器、电涡流传感器、激光传感器等三种类型，而且都只是测量变形量，但是由于空预器热态运行工况复杂，热态时传感器测量值存在一定的温度漂移，导致测量偏差，使操作人员没有足够的把握投运空预器漏风间隙自动控制系统，影响了机组效率。如果不但能够测量，而且能够以图像画面的形式实时监视到漏风间隙，使运行操作人员能够实时看到间隙并能够估计其大小，必然增加了运行操作人员投入空预器漏风间隙自动控制系统的信心，提高系统投运率，大大降低漏风率，提高机组发电效率。

近年来，随着科学技术的进步，光电成像技术及机器视觉技术的广泛应用，基于视觉的间隙检测可为空预器转子变形控制提供实时间隙监测、报警信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，解决了现有技术中热态时传感器测量值存在一定的温度漂移，导致测量偏差，影响机组工作效率的问题。

本发明的另一目的是提供一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化方法，基于视觉的间隙检测为空预器转子变形控制提供实时间隙监测、报警。

本发明所采用的技术方案是，一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，包括设置在安装主体上的视频采集机构和补光机构、以及设置在扇形板上的标识物；其中，视频采集机构包括图像处理器、摄像机及加长镜头；补光机构包括补光源、补光源管路。

本发明所采用的另一技术方案是，一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化方法，利用上述的空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，称为检测单元，按照以下步骤实施，

步骤1、在扇形板上安装标识物，将标识物安装在转子上方距扇形板下边缘100mm高度位置；

步骤2、将检测单元安装良好，通过摄像机获取目标区域影像，并采用霍夫变换从影像中提取出标识物图像，

2.1)对摄像机4进行标定

将摄像机的参数值作为标定结果，并根据目标在图像中的姿态进行图像姿态校正，完成标定，重新采集图像；

2.2)检测空预器的转子与扇形板之间的间隙

利用已标定的摄像机，根据标识物图像的成像原理换算完成间隙检测；

步骤3、视频采集机构在补光机构的配合下，将目标的图像信号输送给图像处理器，图像处理器将处理得到的间隙尺寸反馈至扇形板控制机构，由扇形板控制机构对扇形板进行位置控制，同时显示于监视画面，以便实时看到间隙大小，当间隙大小超出正常范围时，系统自动报警提示。

本发明的有益效果是，预先在转子法兰面上部对应的扇形板外侧位置安装白色陶瓷的标识物，通过补光灯照射标识物和对应位置的空预器转子法兰面与扇形板之间漏风间隙，利用摄像头采集对应位置的视频，获得空预器转子法兰面与扇形板上白色陶瓷标识物下边缘之间的距离，与白色陶瓷标识物宽度比较，计算出间隙大小，实时反馈至扇形板控制装置并显示在监控画面，实现间隙的实时测量及监视报警功能，具体包括以下方面：

1)与探针式技术、激光测距技术、电涡流测距技术相比，本发明间隙测量方法及装置，采用图像处理技术，能够实时同时观察间隙画面及间隙大小信息；

2)与探针式技术相比，本发明间隙测量方法及装置为非接触式测量，不存在机械磨损问题，测量效果能够长期保持稳定。

3)通过使用固定尺寸的白色陶瓷标识物，采用图像处理技术，可以自动进行图像姿态校正，自动实现标定，热态时可以自动校正，不存在测量值热态温度漂移问题；通过使用白色陶瓷标识物，采用图像处理技术，高效计算间隙大小；通过合理安装白色陶瓷标识物位置，采用图像处理技术检测转子法兰面与标识物下边缘的距离，简化间隙的计算。

4)所有电子元件安装在空预器外部，更换装置时不需要进入空预器内部测量标定物，维护、更换方便。

附图说明

图1为本发明装置(检测单元)的结构示意图；

图2为本发明装置和标识物与空气预热器的安装位置示意图；

图3为本发明装置中的标识物安装位置示意图；

图4为本发明方法的间隙检测流程图。

图中，1.图像处理器，2.线缆接口，3.补光源，4.摄像机，5.微调顶丝一，6.微调顶丝二，7.设备保护壳，8.设备安装座，9.进气口，10.球阀，11.补光源管路，12.高温保护壳，13.补光源光路，14.加长镜头，15.直角棱镜，16.凸镜，17.检测单元，18.炉壁，19.标识物，20.扇形板，21.检测间隙，22.转子，23.固定法兰，24.防火门，25.双通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1、图2，本发明空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置的结构是，包括设置在安装主体上的视频采集机构和补光机构、以及设置在扇形板20上的标识物19；其中，视频采集机构主要包括图像处理器1(包含报警设备、输入面板及显示器)、摄像机4及加长镜头14；补光机构包括补光源3、补光源管路11(其内腔为补光源光路13)、直角棱镜15及凸镜16；标识物19为白色陶瓷材料的方块；

其中的补光源管路11长直段与加长镜头14长直段制作为轴心线平行的一体双孔管道结构，称为双通道25；加长镜头14长直段内端为拐角结构，该拐角末端轴心线与摄像机4视向轴心线呈一定角度，角度范围最大为90°，根据工作条件进行设计；优选加长镜头14末端开口方向与摄像机4拍摄方向呈直角；补光源管路11长直段内端直角拐弯位置设置有直角棱镜15，用于改变补光源光路13的方向；补光源管路11直角拐弯末端口安装有凸镜16，用于扩散补光的光线范围，保证目标区域的光照；补光源管路11直角拐弯末端口与加长镜头14的指向方向一致；

安装主体的结构是，包括高温保护壳12，高温保护壳12靠近外端口安装有球阀10，邻近球阀10的外圆周上设置有固定法兰23，固定法兰23用于与炉壁18斜开口的法兰安装边对口连接；球阀10与固定法兰23之间的高温保护壳12壁上开有输入压缩气体的进气口9，根据需要，间隔一定时间从进气口9输入压缩空气，用于降低加长镜头14与补光源管路11的工作温度并进行灰尘吹扫；高温保护壳12内端开有侧开口，双通道25内端拐角(加长镜头14末端开口方向及凸镜16)轴心线与该侧开口的开口方向一致；该侧开口内设置有防火门24，防火门24通过弹簧的回复力能够自动关闭，防火门24和球阀10称为保护组件；

视频采集机构和补光机构的结构是，包括安装在设备安装座8外侧面的摄像机4与补光源3，以及安装在设备安装座8内侧面的加长镜头14与补光源管路11；摄像机4与加长镜头14对应设置，补光源3与补光源管路11对应连通；在设备安装座8外侧面还安装有设备保护壳7，摄像机4与补光源3被围护在设备保护壳7内腔中，设备保护壳7壁上设置有微调顶丝二6和微调顶丝一5，微调顶丝二6与摄像机4传动连接，微调顶丝一5与补光源3传动连接，微调顶丝二6和微调顶丝一5分别用于调节摄像机4与补光源3的位置，保证摄像机4与补光源3的照射方向能够覆盖并对正目标区域；设备保护壳7上还开有光缆接口2，摄像机4与补光源3的线缆各自通过光缆接口2与外部的图像处理器1连接，用来给摄像机4与补光源3供电及传递信号。

加长镜头14、直角棱镜15、凸镜16均为耐高温材料制作而成，能够承受1400°的高温。

参照图2、图3，标识物19选用白色陶瓷材料制作而成，根据不同空预器设备的尺寸，确定合适大小的白色陶瓷块，确定合适安装位置。本实施例中，空预器的转子22与扇形板20之间间隙大小约为0-100mm，则确定标识物19(白色陶瓷块)的长宽高为60*40*10mm，将标识物19安装在转子22上方距扇形板20下边缘100mm高度位置即可。

本发明上述的结构整体上称为一个检测单元17。

本发明检测单元17在炉壁18上的拆装方法是，

参照图2，需要进入工作状态安装结构时，将固定法兰23与炉壁18斜开口的法兰安装边对口连接，使得高温保护壳12与炉壁18垂直方向呈60°伸入空预器内部，炉壁18同坐标平面OXZ平行，即高温保护壳12与坐标平面OXZ呈60°，将高温保护壳12固定可靠；再将双通道25完全伸进高温保护壳12的内腔中，此时防火门24被顶开，双通道25的末端位置朝向炉壁18内腔中的转子22与扇形板20之间的间隙21，扇形板20上固定有标识物19，标识物19处于视频采集范围内，同时，将设备安装座8与固定法兰23连接，使得视频采集机构和补光机构安装牢靠，即可开始实施检测工作。

当需要进行补光源管路11清洁或摄像机4设备维修更换时，拆开设备安装座8与固定法兰23的连接，将设备安装座8与双通道25一起从高温保护壳12内腔中拔出，在拔出的过程中防火门24在自带弹簧弹力作用下向下转动(移动)，将炉内的侧开口封闭，防止高温气体溢出，拔出部分离开球阀10时，手动将球阀10关闭，进一步防止高温气体溢出，从而保证更换过程中的安全；再将设备保护壳7取掉，即可拆下摄像机4和补光源3进行维修更换；

当光路清洁或更换完毕需要再次安装时，先手动打开球阀10，将双通道25推进高温保护壳12内腔中，一直推到底，防火门24被顶动自动开启，然后将摄像机4和补光源3安装在设备安装座8上，将设备保护壳7安装在设备安装座8上并锁紧可靠，即完成更换。

参照图4，本发明空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化方法的工作过程，利用上述的检测单元17，按照以下步骤实施，

步骤1、在扇形板20上安装标识物19，将标识物19安装在转子22上方距扇形板20下边缘100mm高度位置；

步骤2、将检测单元17安装良好，通过摄像机4获取目标区域影像(参照图3所示区域)，并采用霍夫变换从影像中提取出标识物图像，

2.1)判断是否需要进行摄像机4的标定，若进行标定，根据成像原理计算公式(1)计算摄像机4的像距，

其中，像素尺寸(即转子法兰面与标识物下边缘像素距离)为标识物19长度方向在图像中所占像素数，物距为目标与加长镜头14末端的距离，目标尺寸为标识物19的实际长度(本实施例为60mm)；设置此时摄像机4的参数值，作为标定结果，并根据目标在图像中的姿态(旋转角度)进行图像姿态校正，完成标定，重新采集图像；

2.2)检测空预器的转子22与扇形板20之间的间隙21

利用已标定的摄像机4，根据标识物19图像的成像原理换算完成间隙21的检测；本实施例对间隙检测的计算方式是，通过对已知目标的图像采集处理，获得待测边缘距离像素尺寸，根据下式(2)计算得到间隙实际尺寸：

步骤3、视频采集机构在补光机构的配合下，将目标的图像信号输送给图像处理器1，图像处理器1将处理得到的间隙尺寸反馈至扇形板控制机构，由扇形板控制机构对扇形板20进行位置控制，同时显示于监视画面，以便实时看到间隙大小，当间隙大小超出正常范围时，系统自动报警提示。

本发明的装置及方法，包括对摄像机4及加长镜头14末端的设计，以及补光源3与补光源管路11的设计；通过摄像机4获取目标区域影像，采用霍夫变换提取标识物长度像素尺寸及带检测边缘距离像素尺寸；根据已标定的摄像机4实现间隙大小的检测，通过计算标识物19下边缘与转子法兰面之间的距离，减小检测误差。相比现有间隙检测技术，安装简单方便，大大降低了成本和设备功耗，同时可实时反馈间隙大小，实际检测间隙范围为0-100mm以上，及时对间隙异常状态进行报警。

Claims (6)

1.一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，其特征在于：包括设置在安装主体上的视频采集机构和补光机构、以及设置在扇形板(20)上的标识物(19)；其中，视频采集机构包括图像处理器(1)、摄像机(4)及加长镜头(14)；补光机构包括补光源(3)、补光源管路(11)；

所述的补光源管路(11)长直段与加长镜头(14)长直段制作为轴心线平行的一体双孔管道结构，称为双通道(25)；加长镜头(14)长直段内端为拐角结构，该拐角末端轴心线与摄像机(4)视向轴心线的角度范围最大为90°；补光源管路(11)长直段内端直角拐弯位置设置有直角棱镜(15)；补光源管路(11)直角拐弯末端口安装有凸镜(16)；补光源管路(11)直角拐弯末端口与加长镜头(14)的指向方向一致；

所述的安装主体的结构是，包括高温保护壳(12)，高温保护壳(12)靠近外端口安装有球阀(10)，邻近球阀(10)的外圆周上设置有固定法兰(23)；球阀(10)与固定法兰(23)之间的高温保护壳(12)壁上开有输入压缩气体的进气口(9)；高温保护壳(12)内端开有侧开口，双通道(25)内端拐角、加长镜头(14)末端开口方向及凸镜(16)轴心线与该侧开口的开口方向一致；该侧开口内设置有防火门(24)。

2.根据权利要求1所述的空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，其特征在于：所述的视频采集机构和补光机构的结构是，包括安装在设备安装座(8)外侧面的摄像机(4)与补光源(3)，以及安装在设备安装座(8)内侧面的加长镜头(14)与补光源管路(11)；摄像机(4)与加长镜头(14)对应设置，补光源(3)与补光源管路(11)对应连通；在设备安装座(8)外侧面还安装有设备保护壳(7)，摄像机(4)与补光源(3)被围护在设备保护壳(7)内腔中，设备保护壳(7)壁上设置有微调顶丝二(6)和微调顶丝一(5)，微调顶丝二(6)与摄像机(4)传动连接，微调顶丝一(5)与补光源(3)传动连接；设备保护壳(7)上还开有光缆接口(2)，摄像机(4)与补光源(3)的线缆各自通过光缆接口(2)与外部的图像处理器(1)连接。

3.根据权利要求1所述的空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，其特征在于：所述的标识物(19)选用白色陶瓷材料制作而成，根据不同空预器设备的尺寸，确定合适大小的白色陶瓷块，确定合适安装位置。

4.一种空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化方法，利用权利要求2或3任一所述的空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化装置，称为检测单元(17)，其特征在于，按照以下步骤实施，

步骤1、在扇形板(20)上安装标识物(19)，将标识物(19)安装在转子(22)上方距扇形板(20)下边缘100mm高度位置；

步骤2、将检测单元(17)安装良好，通过摄像机(4)获取目标区域影像，并采用霍夫变换从影像中提取出标识物图像，

2.1)对摄像机(4)进行标定

将摄像机(4)的参数值作为标定结果，并根据目标在图像中的姿态进行图像姿态校正，完成标定，重新采集图像；

2.2)检测空预器的转子(22)与扇形板(20)之间的间隙

利用已标定的摄像机(4)，根据标识物(19)图像的成像原理换算完成间隙检测；

步骤3、视频采集机构在补光机构的配合下，将目标的图像信号输送给图像处理器(1)，图像处理器(1)将处理得到的间隙尺寸反馈至扇形板控制机构，由扇形板控制机构对扇形板(20)进行位置控制，同时显示于监视画面，以便实时看到间隙大小，当间隙大小超出正常范围时，系统自动报警提示。

5.根据权利要求4所述的空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化方法，其特征在于：所述的步骤2.1)中，若进行标定，根据成像原理计算公式(1)计算摄像机(4)的像距，

其中，像素尺寸为标识物(19)长度方向在图像中所占像素数，物距为目标与加长镜头(14)末端的距离，目标尺寸为标识物(19)的实际长度。

6.根据权利要求4所述的空气预热器漏风间隙视觉测量与可视化方法，其特征在于：所述的步骤2.2)中，对间隙检测的计算方式是，通过对已知目标的图像采集处理，获得待测边缘距离像素尺寸，根据下式(2)计算得到间隙实际尺寸：