CN111443164A - 基于机器视觉的气体模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器视觉的气体模拟实验装置，其技术方案要点是：包括炉体、气体模拟器和检测模块，所述炉体的顶部设有排气管道，且底部设有进气管道；所述气体模拟器设于进气管道的内部，所述气体模拟器包括底端开口的加热筒、转动连接于加热筒内部的蜗杆、连接于蜗杆底端的分料盘、位于加热筒下方且正对分料盘设置的鼓风机，所述蜗杆用于将所述加热筒内的粉尘推送至所述分料盘，所述分料盘的上端面与所述加热筒的下端面之间留有间隙；所述炉体的侧壁设有透明窗口，所述检测模块位于炉体的外部且正对所述透明窗口设置。本发明操作简单，可多次定量检测，且能够较好地模拟有害气体在高温下的形态。
Description
技术领域
本发明涉及实验装置的技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的气体模拟实验装置。
背景技术
熔炼炉是指熔化金属锭和一些废旧金属并加入必要的合金成分，经过扒渣、精炼等操作将它们熔炼成所需要的合金的设备。在熔炼过程中，炉料或添加剂挥发出的有害气体不仅会对炉料的质量产生不利影响，同时也会腐蚀炉体影响设备寿命，因而需要及时排出。目前较为常见的手段是在熔炼炉的出风口配置排风机来排出有害气体。但是，熔炼炉在运行时，即使是接近出风口位置的气体，温度也高达500～600摄氏度，一般的传感器根本无法对炉体内的有害气体浓度进行测量。
现有技术中，有提到一种通过采集图像，并将图像灰度值与实测的烟雾浓度相对应后实现间接检测烟雾浓度的方法。然而对熔炼炉来说，炉体内有害气体的实际浓度值是无法直接测得的(温度过高)，只能通过在排出、过滤、冷却后大致测重的方式进行推算。但是，冷却后的有害气体的颗粒颜色可能会发生变化，这就导致了在熔炼炉实际运行时测得的有害气体的灰度值与浓度值无法准确对应起来。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能解决上述技术问题的基于机器视觉的气体模拟实验装置。
本发明的技术解决方案是：提供一种基于机器视觉的气体模拟实验装置，包括炉体、气体模拟器和检测模块，所述炉体的顶部设有排气管道，且底部设有进气管道；所述气体模拟器设于进气管道的内部，所述气体模拟器包括底端开口的加热筒、转动连接于加热筒内部的蜗杆、连接于蜗杆底端的分料盘、位于加热筒下方且正对分料盘设置的鼓风机，所述蜗杆用于将所述加热筒内的粉尘推送至所述分料盘，所述分料盘的上端面与所述加热筒的下端面之间留有间隙；所述炉体的侧壁设有检测模块。
优选的，所述分料盘的中部设有锥状凸起，所述锥状凸起的顶端与所述蜗杆的底端固定连接。
优选的，所述分料盘的直径大于所述加热筒的内径。
优选的，所述加热筒的下端面固定有刮片，所述刮片的底端与所述分料盘的上端面相抵触以实现对粉末的推动。
优选的，所述加热筒的侧壁环绕有线圈，所述线圈通过涡流效应实现对加热筒的温度的控制。
优选的，所述蜗杆的螺旋齿将加热筒分为上半区与下半区，所述加热筒的上半区设有连通至进气管道外部的填料口。
优选的，所述蜗杆通过位于进气管道外部的电机驱动转动。
优选的，还包括金属水冷器，所述金属水冷器设于所述炉体的中部，所述检测模块有两个且分别设于所述金属水冷器的上方和下方。
优选的，所述检测模块包括红外测温仪、摄像头和补偿射灯。
上述方案的有益效果为：
1、操作简便，能够多次定量检测。通过控制蜗杆的转速，即可定量控制粉末的推送量，从而能够直接换算出混合气体的浓度值；通过控制高频交流电源，即可定量改变加热筒的温度，实现对粉末温度的控制；通过检测模块实时检测混合气体的温度与灰度值后，即可获得所需的混合气体的灰度值与浓度值的对应关系。
2、混合气体的模拟准确度高。在实际的熔炼炉中，有害气体中的颗粒是从熔融状态的炉料内挥发出来的，所以温度极高。普通的加热方法根本无法快速将模拟的混合气体加热到这种温度，而本发明通过加热筒与蜗杆的设置，实现了对粉末的快速加热，同时通过分料盘使得粉末能够均匀地与气流混合，形成稳定的烟雾状混合气体，在温度与形态上都准确地模拟了实际的熔炼炉环境，为后续的温度与灰度值的准确检测提供了条件。
3、热能利用率高。加热筒内的粉末首先与加热筒的内壁接触实现加热；加热后的粉末被推送到分料盘的外边缘并被鼓风机向上吹起时，混合气体将被加热筒的外壁进一步加热，保证了混合气体的温度能保持在需要的范围内。
附图说明
图1为本发明的基于机器视觉的气体模拟实验装置的结构示意图(虚线代表电连接)；
图2为图1中A区域的局部放大图；
图3为图2中沿B-B剖面线的局部剖视图；
附图中：1-炉体；2-进气管道；3-排气管道；4-加热筒；4.1-线圈；4.2-填料口；4.3-刮片；5-蜗杆；6-分料盘；7-鼓风机；8-检测模块；9-金属水冷器。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的气体模拟实验装置，该基于机器视觉的气体模拟实验装置的操作简单，可多次定量检测，且能够较好地模拟有害气体在高温下的形态。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的基于机器视觉的气体模拟实验装置的结构示意图，图2为图1中A区域的局部放大图。
本发明实施例提供的一种基于机器视觉的气体模拟实验装置，炉体1为圆柱形，炉体1的顶端连接有排气管道3，底端连接有进气管道2，且排气管道3与进气管道2正对设置。
气体模拟器位于进气管道2的内部。气体模拟器包括加热筒4、蜗杆5、分料盘6和鼓风机7。加热筒4为圆环形，且加热筒4由铁磁材料制成。加热筒4的外侧壁环绕有线圈4.1，且线圈4.1的两端与高频交流电源相连接。当高频交流电源打开后，由于涡流效应，加热筒4的温度能够被快速加热到700～800摄氏度。加热筒4的顶端设有封盖，从而使得加热筒4的顶端开口被封闭。
蜗杆5的上部通过轴承转动连接于加热筒4的封盖，且蜗杆5的轴线与加热筒4的轴线共线设置，蜗杆5的中部和下部均位于加热筒4的内部。蜗杆5的螺旋齿位于蜗杆5的中部，螺旋齿的齿尖与加热筒4的内侧壁相抵触，并将加热筒4的内部分隔成上半区和下半区。加热筒4的上半区的侧壁设有填料口4.2，且填料口4.2连通至进气管道2的外部。填料口4.2倾斜设置，从而操作人员从外部向填料口4.2充入粉末后，粉末将自动流向加热筒4的上半区。
蜗杆5的顶端固定有锥齿轮，位于进气管道2外部的交流电机通过锥齿轮的传动驱动蜗杆5的转动，从而使得位于加热筒4上半区的粉末随着螺旋齿的转动作用而被推送到加热筒4的下半区，并落入分料盘6。
分料盘6为圆盘状，且分料盘6的中部设有锥状凸起。锥状凸起的顶端与蜗杆5的底端固定连接，从而使得分料盘6将随之蜗杆5一同旋转。分料盘6的上端面与加热筒4的下端面之间留有间隙，从而使得分料盘6上的粉末能够均匀地从间隙进入到进气通道。
鼓风机7位于分料盘6的下方，并向上鼓风形成气流，气流将带动分料盘6外边缘的粉末并形成烟雾状的混合气体。显然，由于分料盘6的设置，粉末与气流的混合将更为均匀，便于后续的检测。此外，由于此时的加热筒4的侧壁温度较高，混合气体在向上流动的过程中会被加热筒4继续加热，从而保证混合气体能够保持在一个较高的温度范围内，尽可能模拟为与实际熔炼炉一样的温度。
需要说明的是，蜗杆5的螺旋齿的底端是不断旋转的，这就导致了被螺旋齿推送出的粉末的位置也是不断旋转的，若直接与鼓风机7的气流相混合，会导致混合气体中的粉末分布不均匀，故分料盘6的设置有效改善了这一问题。
作为进一步的改进，分料盘6的直径大于加热筒4的内径，从而能够保证鼓风机7吹出的气流不会直接进入加热筒4的内部，避免气流对加热筒4内部粉末的影响。加热筒4的下端面设有若干刮片4.3。刮片4.3倾斜设置，且刮片4.3的外边缘与分料盘6的外边缘相切，刮片4.3的内边缘与锥状凸起相切，刮片4.3的底端与分料盘6的上端面相抵触。在本实施例中，刮片4.3的个数为4块，且沿加热筒4的底面周向均匀排布。当粉末被蜗杆5推送到加热筒4的下半区后，由于重力作用而堆积在分料盘6上。由于分料盘6相对刮片4.3在不断转动，分料盘6上的粉末就会被刮片4.3推向外侧，直至被甩出分料盘6，从而使得粉末与鼓风机7吹出的气体混合更为均匀。
检测模块8包括红外测温仪、摄像头和补偿射灯。炉体1的左侧壁与右侧壁均设有背景板，红外测温仪、摄像头和补偿射灯均设置于背景板的中心，且背景板的灰度值可根据需要进行调节。红外测温仪的检测范围为0～900摄氏度，保证能够相对准确的测得炉体1内的温度；摄像头将采集到的混合气体与背景板的叠加图像自动输送至计算机并计算灰度值；补偿射灯可以调节为不同的亮度，从而实现对气体的亮度补偿，使得摄像头采集到的图像更为清晰。
在另一实施例中，还包括金属水冷器9。金属水冷器9设于炉体1的中部。透明窗口9有两个且分别位于金属水冷器9的上方和下方，且每个透明窗口9均配备有检测模块8。金属水冷器9的设置使得实验人员能够同时观测温度不同的混合气体的灰度值差异，形成对比参照。
在发明实施例使用时，首先通过填料口4.2向加热筒4内充入粉末，并打开高频交流电源对加热筒4进行加热。待位于加热筒4上半区的粉末被加热到所需温度后，打开鼓风机7与交流电机，蜗杆5转动并将粉末均匀的推送至分料盘6上。鼓风机7吹出的气流带动粉末后形成混合气体并流入炉体1。检测模块8通过透明窗口9即可采集混合气体的温度与灰度值。
需要说明的是，上述粉末优选是从实际熔炼炉的排风口过滤后收集的。
本发明包括但不限于以下优点：
1、操作简便，能够多次定量检测。通过控制蜗杆5的转速，即可定量控制粉末的推送量，从而能够直接换算出混合气体的浓度值；通过控制高频交流电源，即可定量改变加热筒4的温度，实现对粉末温度的控制；通过检测模块8实时检测混合气体的温度与灰度值后，即可获得所需的混合气体的灰度值与浓度值的对应关系。
2、混合气体的模拟准确度高。在实际的熔炼炉中，有害气体中的颗粒是从熔融状态的炉料内挥发出来的，所以温度极高。普通的加热方法根本无法快速将模拟的混合气体加热到这种温度，而本发明通过加热筒4与蜗杆5的设置，实现了对粉末的快速加热，同时通过分料盘6使得粉末能够均匀地与气流混合，形成稳定的烟雾状混合气体，在温度与形态上都准确地模拟了实际的熔炼炉环境，为后续的温度与灰度值的准确检测提供了条件。
3、热能利用率高。加热筒4内的粉末首先与加热筒4的内壁接触实现加热；加热后的粉末被推送到分料盘6的外边缘并被鼓风机7向上吹起时，混合气体将被加热筒4的外壁进一步加热，保证了混合气体的温度能保持在需要的范围内。
本发明实施例还提供一种基于机器视觉的气体模拟实验装置的实验方法。为方便表述，将位于炉体1左侧的背景板称为补偿板，将炉体1右侧的背景板称为测量板；将位于炉体1左侧的摄像头称为第一摄像头，将位于炉体1右侧的摄像头称为第二摄像头。
具体包括以下步骤：
测量没有有害气体时的熔炼炉内壁的灰度值为x，预设测量板的右半区的灰度值为x；
打开气体模拟器，使得混合气体在炉体1内形成流动状态；
进行采样：在同一采样时间内，第一摄像头采集混合气体与测量板左半区的叠加图像p1以及混合气体与测量板右半区的叠加图像p2，第二摄像头采集混合气体与补偿板左半区的叠加图像q1以及混合气体与补偿板右半区的叠加图像q2；
构建叠加图像p1、叠加图像p2、叠加图像q1、叠加图像q2的直方图模型，并比较叠加图像p1与叠加图像q1的相似度得到值y，若值y小于设定值0.85则重新进行采样与比较，若值y大于设定值0.85则判定叠加图像p2与叠加图像q2的相似度合格；
对判定合格后的叠加图像q2的直方图模型中各区域的灰度值进行测量，得到数列(a1、a2……)；
对判定合格后的叠加图像p2的直方图模型中各区域的灰度值进行测量，得到数列(b1、b2……)；
将数列(a1、a2……)与数列(b1、b2……)中的值一一对应，即得到叠加图像p2各区域的灰度值与混合气体浓度的对应关系。举例来说，若数列(a1、a2……)中值最大的是a3，且a3＝130；值最小的是a5，且a5＝0。此时b3的值为200，b5的值为220，此时即可得到结果:当混合气体与熔炼炉内壁的叠加图像的灰度值为200时，混合气体的浓度最高；当混合气体与熔炼炉内壁的叠加图像的灰度值为220时，混合气体的浓度最低。进一步通过将数列(b1、b2……)中大小介于200～220之间的数值与数列(a1、a2……)一一对应，即可得到较为准确的灰度值与混合气体浓度的对应关系。
上述检测方法的主要优点为：由于熔炼炉内壁与混合气体的灰度值的差值较小，直接测量熔炼炉内壁与有害气体的叠加图像后测量各区域平均灰度值的方法不仅会存在较大的误差，而且无法得到灰度值与有害气体浓度的对应关系。而本实验方法通过先划分直方图模型，并通过叠加图像q2将混合气体浓度转换为代表灰度值的数列(a1、a2……)，然后通过数值比较的方式将数列(b1、b2……)与数列(a1、a2……)对应起来，由于数列(a1、a2……)的数值跨度远大于数列(b1、b2……)，数列(b1、b2……)能够更为准确地与混合气体的实际浓度值对应起来。
以上是本发明的优选实施方式，而本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明原理前提下的任何改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于机器视觉的气体模拟实验装置，包括炉体(1)，其特征在于，还包括气体模拟器和检测模块(8)，所述炉体(1)的顶部设有排气管道(3)，且底部设有进气管道(2)；所述气体模拟器设于进气管道(2)的内部，所述气体模拟器包括底端开口的加热筒(4)、转动连接于加热筒(4)内部的蜗杆(5)、连接于蜗杆(5)底端的分料盘(6)、位于加热筒(4)下方且正对分料盘(6)设置的鼓风机(7)，所述蜗杆(5)用于将所述加热筒(4)内的粉尘推送至所述分料盘(6)，所述分料盘(6)的上端面与所述加热筒(4)的下端面之间留有间隙；所述炉体(1)的侧壁设有检测模块(8)。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的气体模拟实验装置，其特征在于，所述分料盘(6)的中部设有锥状凸起，所述锥状凸起的顶端与所述蜗杆(5)的底端固定连接。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的气体模拟实验装置，其特征在于，所述分料盘(6)的直径大于所述加热筒(4)的内径。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的气体模拟实验装置，其特征在于，所述加热筒(4)的下端面固定有刮片(4.3)，所述刮片(4.3)的底端与所述分料盘(6)的上端面相抵触以实现对粉末的推动。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的气体模拟实验装置，其特征在于，所述加热筒(4)的侧壁环绕有线圈(4.1)，所述线圈(4.1)通过涡流效应实现对加热筒(4)的温度的控制。
6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的气体模拟实验装置，其特征在于，所述蜗杆(5)的螺旋齿将加热筒(4)分为上半区与下半区，所述加热筒(4)的上半区设有连通至进气管道(2)外部的填料口(4.2)。
7.根据权利要求6所述的基于机器视觉的气体模拟实验装置，其特征在于，所述蜗杆(5)通过位于进气管道(2)外部的电机驱动转动。
8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的气体模拟实验装置，其特征在于，还包括金属水冷器(9)，所述金属水冷器(9)设于所述炉体(1)的中部，所述检测模块(8)有两个且分别设于所述金属水冷器(9)的上方和下方。
9.根据权利要求1或8所述的基于机器视觉的气体模拟实验装置，其特征在于，所述检测模块(8)包括红外测温仪、摄像头和补偿射灯。
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