CN1114045A - 图象分析式液位测量装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图象分析式液位测量装置和 方法，特别适用于玻璃工业及石油化工，钢铁冶金等 工业的熔融液位或料位的测量。主要由摄象机、镜 头、标志目标、计算机图象处理系统构成，它利用摄取 随液位变化的图象经计算机处理后来测定液位高低， 并在数字图象处理中通过补偿及舍取方法来消除抖 动和形变引起的误差。本发明与现有仪器相比，测量 方法先进、测量精度高、装置简单、安装调试方便、定 标及检验简捷可行。

Description

本发明属于一种测量液位高低的方法及装置。特别适用于熔融玻璃液位高低的测定。

熔融玻璃液位的高低的稳定性是玻璃熔窑生产作业的重要指标之一。故在玻璃及其制品的工业生产中，在线自动检测玻璃液位的仪器是必不可少的。

目前，国内外在线自动检测玻璃液位的装置按其作用原理来分有四大类：电接触式、气动式、光电式和放射性同位素式。

光电式液位计的工作原理是在窑体一侧有一发射光，以一定入射角投射到被测玻璃液面上，按照光的反射定律，则一反射光在窑另一侧射出。当被测液位变化时，则反射光产生了位移，故在窑体另一侧装一光电转换元件，测其位移量即可测出液位高低，当前多用激光源取代了普通光源。常说的激光液位计实为光电式液位计之一种，它是当前光电式液位计的主要种类，发展也较快。但它用在玻璃熔窑上时，由于火焰和热气流对光产生干扰，使测量精度降低，甚至影响正常使用，故影响了它的推广使用。

其它检测装置也都存在着许多不足之处，如电接触式玻璃液位计的测量精度和可靠性在很大程度上取决于玻璃液面干净程度，玻璃液比电阻和温度、探针尖端形状及被侵蚀情况和往复运动的周期，而且铂金探针的价格较高。气动式玻璃液位计需要一套专用气源装置，同时测量精度受气源压力和窑内气氛压力的波动影响较大。放射性同位素玻璃液位计由于应用了放射性同位素，在防护和心理因素上影响了它的推广应用。

基于上述四种液位计所存在的缺点，当前玻璃工业正在寻求一种新的玻璃液位测量装置。本发明的目的就是为了克服当今玻璃液位计所存在的种种弊端，设计出一套用以满足玻璃工业及其他工业生产控制需要的液位计和检测方法。

本发明所实现的图象分析式液位测量装置，在窑体侧墙靠近玻璃液面的上方设置一标志目标，该标志目标有一长方形凹槽A或色标A，凹槽面向玻璃液面。由于玻璃液面的镜面反射，则在玻璃液面下方有一对称A的虚象A₁。当A距离液面为h，则A与A₁的距离为2h。当被测液位上升△h时，则A与A₁的距离缩小2△h。反之，如被测液位下降△h，则A与A₁的距离增大2△h。在窑体另一侧墙相对于标志目标的地方开一观察孔，用摄像机通过该观察孔对A与A₁进行摄象，摄象机输出的视频信号输入到图象处理系统，并进行采样、分析处理后，就可计算出2h，从而测量出被测液位的高低。

为了提高测量的分辨率和精度，凹槽A（色标A）距玻璃液面的高度h在满足量程和生产要求的前提下，其值应尽量小。同时摄象机所摄视场也应只取A到A₁范围的区域，这样就可使摄象机的靶面仅由A到A₁的影象所占满，充分有效地利用了该靶的象素。为此，在摄象机前需装有合适的镜头，根据不同距离可作适当调整，用以达到上述目的。

镜头也可采用望远镜，它简单地由物镜、目镜和镜筒组成，如图2所示。用几何光学原理不难推导出下面公式（1）和（2）：

f＝ (L)/(1±B) …（1）

1＝ (L)/(B) …（2）

式中f为透镜焦距，L为目标到透镜的距离（物距），B为物与象的高度化，1为象到透镜的距离（象距）。（1）式中B前正负号，当象为实象时，取正号;当象为虚象时，取负号。

通常我们可先选定物镜和目镜的焦距f₁、f₂，而目标到物镜的距离L₁是现场确定的，通常为5～10米，目标视场高度可定为50～100毫米。摄象机的靶高即为目镜的象高。根据这些条件和公式（1）、（2）就可计算出镜筒的长度，物镜和目镜的焦距。

摄象机可选用线阵或面阵CCD，它的靶面所含象素点的多少直接影响到液位计的分辨率和测量精度。例如测量范围为100毫米，为了得到0.1毫米的分辨率，则摄象机一行的象点数不少于1000。当测量范围缩小到50毫米的话，则摄象机一行的象点数为512时也能得到0.1毫米的分辨率。

本发明实际上采用了光电方法，与光电式液位计一样，熔窑内火焰和热气流对光有干扰。但本发明根据摄象机的摄象特点通过计算机软件处理来消除这种干扰给测量带来的误差。

如图1所示，因火焰及热气流对光进行干扰，造成所摄视场影象抖动或形变。对于抖动或形变速度较快的场合，当选用带电子快门的摄象机摄象时，视场影象的抖动不会造成模糊和拖尾效应，故不会引起测量误差。但电子快门不能消除影象形变带来的误差。为此，在测量采样时进行软件处理，用计算机对影象进行分析，以消除影象形变的影响。具体的做法是：在每次进行2h的采样处理运算之前，先对标志A及其虚象A₁进行采样处理运算，将它们计算出来的值与原定标时A及A₁的值比较。如相等，则可进行2h采样处理运算，得到液位值。否则，就不进行2h采样处理运算，在实际的测量过程中，这种“形变”的现象只是间断性出现的，故在测量中舍去“形变”时的采样，并不影响测量的连续运行，但却有效地克服了“形变”给测量带来的影响。

本发明的仪器定标，不仅容易进行，而且可在现场随时定标和校验，因为标志目标上的凹槽A（色标A）可以用长度计量器具实际测定，例如测得为C，而测得凹槽A（色标A）的影象所占象素数为D，可得定标系数K＝C/D。在现场可以经常校验该K值。而液位的测量值可由测得的2h的象素数乘以K来求得。

本发明的优点在于：1、测量时有效地排除了火焰及热气流对测量结果的影响，使测量精度得到极大提高。2、装置简单，安装时无防震要求。无光电式、放射性同位素式液位计的发射源，又无电接触式、气动式液位计插入窑内的探测头。它可以方便地在远离窑体的地方装设摄象机，故使用、维护特别方便。3、定标、校验简捷可行，克服了其它类型液位计不能在现场定标、校验的缺点。只要按用户要求，选用合适摄象机和图象处理系统，其测量可达到各种精度。就目前可方便选到的图象系统和摄象机来讲，其精度可达到±0.02mm。本发明的装置和方法，不仅适用于玻璃工业，并可用于石油化工，钢铁冶金等工业的液位或料位的测量。

图1为本发明的标志砖影象示意图;

图2为本发明的望远镜（镜头）的光路示意图;

图3为本发明的系统示意图。

结合附图，叙述本发明的实施方案。

见图1，图中A为标志目标的凹槽，A₁为标志目标的凹槽A在溶融液中的影象，h为标志目标与溶融液面的距离。摄象机对着凹槽A及象A₁。

参见图3，它由装在窑体侧墙的标志目标6、镜头1、光圈2、摄象机3和图象处理系统4、观察孔5组成。标志目标6用硅砖或莫来石制作，上面开有凹槽A或色标A。

光圈2的作用为调节进行光量。摄象机3选用带电子快门的CCD，型号为MTV-1802CB，它为面阵式，象素规格为795×596，靶面积6.4×4.8mm。图象系统4由微型计算机加插一图象处理模块组成。

见图2，镜头1选物镜焦距f₁＝130mm，目镜焦距f₂＝13mm。根据图3可知视场高度尺寸为70mm，摄象机靶高6.4mm，为方便取6mm来计算。计算公式为（1）、（2）两式。

就物镜7而言，物距L₁＝5000mm时，可得B₁等于37.5，象高1.87mm，象距l₁＝133.4mm，当物距L₁＝10000mm时，可得B₁等于76，象高0.92mm，象距l₁＝131.7mm。

就目镜8而言，当L₁＝5000mm时，可得B₂等于0.31，它的物距L₂＝17mm，象距l₂＝54.8mm;当物距L₁＝10000mm时，可得B₂＝0.15，它的物距L₂＝15mm，象距l₂＝100mm。

物镜7和目镜8的距离等于物镜象距l₁和目镜物距L₂之和。当L₁＝5000mm时，两镜距离为150.4mm;当L₁＝10000mm时，两镜距离为146.7mm。这就是说，为了适应5～10米不同窑的宽度，目镜8与物镜7之间的镜筒长度应在146～151毫米之间可调。同理，目镜8到摄象机1的连接镜筒长度应在54.8～100毫米之间可调。

以上计算，是针对镜头1采用望远镜时进行的，根据以上计算参数，也可以采用市售摄象机用镜头。

经过上述对镜头的选取，就可以使得所摄取视场每0.1毫米相对于摄象机不会少于一个象素，从而保证了仪器灵敏度和精度。

图3所示图象处理系统4选用一般的PC机即可。另配图象处理卡，例如选用VP32伪彩卡。用软件处理方法来判别摄象机1所摄取的视场影象“形变”与否，从而消除热气流和火焰干扰对测量结果的影响。

Claims (4)

1、一种图象分析式液位测量装置及检测方法，其特征在于用摄象机通过观察孔对标志目标与熔融液面的视场进行摄象，经图象处理系统判别所摄视场影象形变与否，并计算出液位的高低。

2、根据权利要求1所述的图象分析式液位测量装置及检测方法，其特征在于图象分析式液位测量装置含有标志目标、摄象机、观察孔及图象处理系统。

3、根据权利要求1、2所述的图象分析式液位测量装置及检测方法，其特征在于标志目标上的标志为凹槽或色标。

4、根据权利要求1、2所述的图象分析式液位测量装置及检测方法，其特征在于摄象机前加有镜头或望远镜。

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