CN111561980B - 金属液面物位回波信号的识别和液面高度监测方法、装置 - Google Patents

金属液面物位回波信号的识别和液面高度监测方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热金属液面物位回波信号的识别方法、液面监测方法和装置。所述识别方法包括步骤：向热金属液面发射电磁波；接收回波信号；排除第一类、第二类回波信号，得待定回波信号；按照强度、波峰面积和检测距离求取待定回波信号中每个波峰的第一、第二和第三置信度；将第一、第二和第三置信度求和，得每个波峰的综合置信度；选综合置信度最大的波峰作为物位回波信号。所述监测方法包括采用上述识别方法来监测液面高度。所述监测装置包括雷达物位计、控制器，控制器能识别出物位回波信号。本发明有益效果包括：能有效剔除由环境噪声和多重反射产生的回波信号；能够有效剔除罐口结渣和罐底产生的回波信号；能够动态调整回波识别策略。

Description

金属液面物位回波信号的识别和液面高度监测方法、装置
技术领域
本发明涉及冶金领域，特别地，涉及一种热金属液面物位回波信号的识别方法和热金属液面的高度监测方法和监测装置。
背景技术
金属冶炼过程中需要采用雷达物位计对生产运输和过程反应容器中的热金属液面高度进行连续监测。通常情况下，将雷达物位计安装在容器的上方，雷达发射电磁波至被测物体，电磁波遇到被测物体部分能量会被发射回来形成反射回波。反射回波中包括有多个回波信号，雷达物位计接收发射回波，识别物位回波并分析计算得出液面高度。
在实际生产中，雷达物位计接收到的回波易受到多种因素(如环境电磁噪声、罐口结渣和罐底、多重反射、气液面电导率变化等)影响，传统的物位识别方法难以准确或稳定的从众多回波信号中识别出物位回波。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够准确识别出热金属液面物位回波信号的识别方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种热金属液面物位回波信号的识别方法。
所述识别方法可包括以下步骤：向容器中的热金属液面发射电磁波；接收回波信号；从接收的回波信号中排除第一类回波信号和第二类回波信号，得到待定回波信号，其中，第一类回波信号包括环境电磁噪音和多重反射中至少一种产生的信号，第二类回波信号包括检测距离在有效区域以外的信号；按照波峰的信号强度，求取待定回波信号中每个波峰的第一置信度，按照波峰面积，求取待定回波信号中每个波峰的第二置信度，按照检测距离，求取待定回波信号中每个波峰的第三置信度；将待定回波信号中每个波峰的第一、第二和第三置信度进行求和，得到每个波峰的综合置信度；选择待定回波信号中综合置信度最大的波峰作为物位回波信号。
根据本发明的热金属液面物位回波信号的识别方法的一个或多个示例性实施例，所述排除第一类回波信号的步骤可包括：设定强度阈值，将回波信号强度小于强度阈值的波峰作为第一类回波信号并排除。
根据本发明的热金属液面物位回波信号的识别方法的一个或多个示例性实施例，所述有效区域可包括回波图形上对应容器底部检测位置和对应容器顶部检测位置之间的检测区域。
根据本发明的热金属液面物位回波信号的识别方法的一个或多个示例性实施例，所述回波图形的横坐标可以为检测距离，纵坐标可以为回波信号强度。
本发明另一方面提供了一种金属液面高度的监测方法。
所述监测方法可包括：采用上述的热金属液面物位回波信号的识别方法来进行容器中金属液面高度的监测。
根据本发明的热金属液面高度的监测方法的一个示例性实施例，监测方法还可包括步骤：根据所述物位回波信号对应的检测距离来确定所述金属液面的实际高度。
本发明再一方面提供了一种热金属液面高度的监测装置。所述监测装置可包括：至少一个雷达物位计、以及控制器，其中，雷达物位计安装在盛装热金属容器的上方，并能够向热金属液面发射电磁波、以及接收回波信号；控制器与雷达物位计连接以接收回波信号，控制器能够从回波信号中识别出代表金属液面实际高度的物位回波信号，其中，控制器识别出物位回波信号包括：从回波信号中排除第一类回波信号和第二类回波信号，得到待定回波信号，其中，第一类回波信号包括环境电磁噪音和多重反射中至少一种产生的信号，第二类回波信号包括检测距离在有效区域以外的信号；按照波峰的信号强度，求取待定回波信号中每个波峰的第一置信度，按照波峰面积，求取待定回波信号中每个波峰的第二置信度，按照检测距离，求取待定回波信号中每个波峰的第三置信度；将待定回波信号中每个波峰的第一、第二和第三置信度进行求和，得到每个波峰的综合置信度；选择待定回波信号中综合置信度最大的波峰作为物位回波信号。
根据本发明的热金属液面高度的监测装置的一个示例性实施例，所述控制器排除第一类回波信号的步骤可包括：设定强度阈值，将回波信号强度小于强度阈值的波峰作为第一类回波信号并排除。
根据本发明的热金属液面高度的监测装置的一个示例性实施例，所述控制器还可以与所述容器的摆动流嘴连接，并能够向其输出开关量信号，以用于控制摆动流嘴的开启和关闭。
根据本发明的热金属液面高度的监测装置的一个示例性实施例，所述控制器还能够根据所述识别出的物位回波信号得到热金属液面的实际高度，所述监测装置还包括与所述控制器连接的显示屏和报警器，其中，显示屏能够实时显示所述控制器得到的热金属液面的实际高度；在所实际高度接近警戒高度时，报警器能够发出警报。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：能够有效的剔除由环境电磁噪声和多重反射产生的回波信号；能够有效地剔除容器顶部结渣、容器底部以下物体(包括地面)产生的回波信号；能够动态地调整回波识别策略，跟踪并锁定物位回波。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明在接收的回波信号中排除第一类回波信号的一个示意图；
图2示出了本发明在接收的回波信号中排除第二类回波信号的一个示意图；
图3示出了本发明的热金属液面高度的监测装置的一个示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的热金属液面物位回波信号的识别方法和液面高度监测方法、装置。
本发明一方面提供了一种热金属液面物位回波信号的识别方法。
在本发明的热金属液面物位回波信号识别方法的一个示例性实施例中，所述识别方法包括以下步骤：
S01：向容器中的热金属液面发射电磁波。
S02：接收回波信号。
S03：从接收的回波信号中排除第一类回波信号和第二类回波信号，得到待定回波信号。其中，第一类回波信号包括环境电磁噪音和多重反射中至少一种产生的信号，例如由电磁噪声和多重反射所致的弱反射所产生的回波信号。在回波信号强度中设定阈值(也可称为强度阈值)，将回波信号强度小于阈值的波峰作为第一类回波信号并排除。第二类回波信号是检测距离在有效区域以外的波峰；其中，有效区域是指特定的检测距离，其可根据应容器底部检测距离和对应容器顶部检测距离来确定，即容器顶部和底部之间的检测距离。容器内高温金属液面的高度不会超过容器顶部，亦不会低于容器底部。因此对于距离高于容器顶部和低于容器底部的回波波峰即可排除。
S04：按照波峰的信号强度，求取待定回波信号中每个波峰的第一置信度，按照波峰面积，求取待定回波信号中每个波峰的第二置信度，按照检测距离，求取待定回波信号中每个波峰的第三置信度。
S05：将待定回波信号中每个波峰的第一、第二和第三置信度进行求和，得到每个波峰的综合置信度。
S06：选择待定回波信号中综合置信度最大的波峰作为物位回波信号。其中，可根据识别出的物位回波信号所对应的检测距离，来确定所述金属液面的实际高度。换而言之，识别出的物位回波信号所对应的检测距离即为实际液位对应的距离。
在本实施例中，第一类回波信号可包括环境电磁噪音和多重反射产生的信号。
在本实施例中，一个回波信号对应一个波峰，信号等同于波峰，只是应用不同的场景。雷达接收到的信号具有与检测距离相关的特征值，将所有信号的信号强度与其距离特征做分析后，即可得出回波波形图，其中横坐标为距离，纵坐标为信号强度。往往图形中会包含多个波峰。反而言之，每个波峰对应的是具有特定的与检测距离相关的特征值的信号。
在本发明的热金属液面物位回波信号识别方法的另一个示例性实施例中，所述物位回波识别方法可包括以下步骤：
(1)剔除环境电磁噪声和多重反射产生的回波。
环境电磁噪声和多重反射产生的回波通常强度较低。如图1所示，本发明可通过设定强度阈值的方法来排除干扰信号对检测结果的影响，即可通过设定有效回波信号强度阈值，来自动剔除强度低于阈值的回波信号。
需要说明的是，不同的使用环境下，电磁信号的干扰是不一样，故不同的工作环境需要的强度阈值也不会相同。因此，强度阈值的数量值可根据现场的实际工况来进行确定。
(2)剔除容器顶部结渣和容器底部以下的产生的回波。
容器顶部结渣和地面与雷达物位计的相对位置固定。由于容器中的热金属的液面高度不可能高于容器顶部(否则溢出)，如图2中(a)图中的M位置，不可能低于容器底部，如图2中(a)图中的N位置，因此，本发明设定了包括容器顶部M以上和容器底部N以下的静区，静区之外的部分(即M与N之间)即为有效区间，静区以外的信号直接剔除。因此，本发明静区的设定能够有效的排除容器顶部结渣和容器底部以下物体(例如地面)产生的回波。
如图2中的(b)图所示，雷达的回波信号强度是与检测到的距离是相对的，(b)图中的横坐标为检测距离，纵坐标为回波信号的回波响应(即强度)。因为罐口、罐底与雷达的相对位置都可以实地测量得到的，故(a)图中所示的罐口位置M和罐底位置N在(a)图中所示回波图形上对应在的位置也是可以确定的。
(3)通过置信度来确定物位回波信号。
Figure GDA0003754451030000051
式(1)为回波信号中波峰的置信度矩阵。其中，1≤i≤n，i为整数，n为波峰的个数。
einte,i为依照信号强度由强到弱排序排在第i位的波峰对应的置信度。
earea,i为依照波峰面积有大到小排序排在第i位的波峰对应的置信度。
edist,i为依照波峰对应测量距离由近到远排序排在第i位的波峰对应的置信度。
置信度的数值为0到1之间的小数。
置信度值的选择可直接决定了被测物体对应的回波波峰识别的可靠性。置信度的加权权重值可根据不同的使用环境下(例如被测物体能够有效反射雷达发出的电磁波的面积，被测物体对于电磁波的反射率等)进行调整。
对每个波峰的上述三种置信度进行求和得到综合置信度，根据综合置信度的大小来确定物位回波信号。
例如，某时刻雷达共检测到四个波峰(对应名字分别为A，B，C，D)。
rankinte(A)为将所有检测到的波峰依照信号强度进行排序后波峰A的序号。rankarea(A)为将所有波峰依照面积进行排序后波峰A的序号。rankdist(A)为将所有检测到的波峰依照测量距离进行排序后波峰A的序号。
依照置信度矩阵，波峰A对应的置信度为三种策略的置信度之和。
Figure GDA0003754451030000061
同理可得波峰B、C和D对应的置信度E(B)、E(C)和E(D)。
在获得所有波峰的置信度E(A)、E(B)、E(C)和E(D)之后，置信度值最大波峰即为最终选择的波峰，其对应的距离即为实际液位对应的距离。
因此，本发明可不再依靠任何单一的识别策略识别物位回波，而是同时参考三种识别策略，能够动态的、综合的做出判断，有助于准确稳定的识别出物位回波。
本发明另一方面提供了一种热金属液面高度的监测方法。所述监测方法可包括采用上述的热金属液面物位回波信号的识别方法来监测热金属液面的高度。
本发明再一方面提供了一种金属液面高度的监测装置。
在本发明的金属液面高度的监测装置的一个示例性实施例中，所述监测装置可包括：包括至少一个雷达物位计、控制器。其中，
雷达物位计安装在盛装热金属容器的上方，并能够向热金属液面发射电磁波、以及接收回波信号。雷达物位计有可以有多个，例如在容器具有两个受铁位的情况下，每个受铁位可安装一个雷达物位计；当然，多个雷达物位计也可以共用一个控制器。
控制器与雷达物位计连接以接收回波信号，控制器能够从回波信号中识别出代表金属液面实际高度的物位回波信号。
其中，控制器识别出物位回波信号可包括：
从回波信号中排除第一类回波信号和第二类回波信号，得到待定回波信号。按照波峰的信号强度，求取待定回波信号中每个波峰的第一置信度，按照波峰面积，求取待定回波信号中每个波峰的第二置信度，按照检测距离，求取待定回波信号中每个波峰的第三置信度。将待定回波信号中每个波峰的第一、第二和第三置信度进行求和，得到每个波峰的综合置信度。选择待定回波信号中综合置信度最大的波峰作为物位回波信号。其中，排除第一、第二类回波信号，求取第一、第二、第三和综合置信度，以及选择物位回波信号可以与所述热金属液面物位回波信号的识别方法的示例性实施例中的相同。
在本实施例中，如图3所示，所述监测装置还可包括计算机、显示屏和报警器。其中，
计算机可连接控制器。控制器包括PLC，进一步地，计算机可以与PLC连接。系统计算机安装于调度室，用于显示、保存、分析测量数据。计算机还可远程设置报警阈值，当液态金属盛装液态金属的开口容器中液态金属液位达到设定的警戒值，报警器触发报警。
显示屏、报警器可与控制器电连接。报警器可采用蜂鸣报警器或声光一体报警器。显示屏可包括LED显示屏或液晶显示屏。显示屏悬挂于车间墙壁上，可通过网线与计算机连接。显示屏、报警器都可位于出铁现场，以方便测量和现场工人获取测量结果。控制器也可位于出铁现场。
在本实施例中，容器可以是高炉液态金属盛装液态金属的开口容器，例如液态金属罐。
在本实施例中，控制器输出开关量信号，开关量信号用于开启液态金属罐的摆动流嘴。
在本实施例中，雷达物位计可为连续调频雷达波，可在狭小空间内测量，这可适用于高炉液态金属的测量。雷达物位计本身测量范围可达100m，测量精度为±5mm，具体应用时，测量误差可根据实际工况而定。
雷达物位计中的雷达可采用低功耗设计选型，设备功率在3-5W左右。如果现场温度略高，可加装隔热罩并使用压缩气体吹扫雷达物位计、控制器等单元部件进行吹扫降温及除尘，压缩气体可以是空气或氮气等。
在本实施例中，控制器可位于安装在电气箱中。电气箱还可含变压器，以将220V交流电转换成直流电分别给雷达物位计和LED显示屏供电，LED显示屏供电也可选用220V交流直接供电。
显示屏和雷达物位计信号线分别经电气箱后中转后连接至系统计算机。根据现场安装显示屏与雷达物位计的距离，可以灵活采用一个电气箱或两个电气箱同时给雷达物位计供电。
在本实施例中，控制器或计算机可记录高炉液态金属盛装液态金属的开口容器的罐沿高度。同时雷达物位计可对容器的液面高度进行连续检测，控制器或计算机能够根据检测结果计算液态金属液面到罐沿的距离，同时将检测结果或计算结果输出至显示屏，并还可根据用户设置阈值进行声光报警或操作摆动流嘴。
在本实施例中，与传统的激光和超声波测距相比，雷达物位计特别适用于粉尘、温度、压力变化大的场合。本发明的雷达可在工业频率波段范围内，波束能量低，与普通手机通讯能量类似，对人体和环境均无伤害，受介质比重和介电常数变化的影响较小。
综上所述，本发明的热金属液面物位回波信号识别方法和液面高度监测方法、监测装置的优点可包括：
(1)本发明能够有效的剔除由环境电磁噪声、多重反射产生的回波信号。
(2)本发明能够有效的剔除容器顶部结渣和容器底部以下等物体(包括地面)产生的回波信号。
(3)本发明能够动态的调整回波识别策略。相对于仅依赖于单个策略(信号最强、选取面积最大、选取距离最近)选择回波波峰，本发明选择综合置信度最高的波峰作为被测液面对应的回波波峰更加准确可靠。在现场操作过程中，回波波峰的信号强度、面积可能会发生略微的变化，有赖于单个策略的回波波峰甄别方式容易发生错误，导致检测不稳定，而本发明综合考虑回波波峰的信号强度、面积、距离等因素有助于在复杂多变的工况下稳定有效的识别液面对应的回波波峰，从而准确的测量液面的高度。
(4)本发明的监测装置能够在烟尘比较大的环境下稳定测量开口容器中液态金属的液面高度，给工人提供准确的高度参考，且有利于安全性的提高。
(5)本发明的监测方法和装置能够在保证液态金属注入安全的前提下尽量多的加注液态金属，提高生产效率，同时降低工人劳动强度。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种热金属液面物位回波信号的识别方法，其特征在于，所述识别方法包括以下步骤：
向容器中的热金属液面发射电磁波；
接收回波信号；
从接收的回波信号中排除第一类回波信号和第二类回波信号，得到待定回波信号，其中，第一类回波信号包括环境电磁噪音和多重反射中至少一种产生的信号，第二类回波信号包括检测距离在有效区域以外的信号；
按照波峰的信号强度，求取待定回波信号中每个波峰的第一置信度，按照波峰面积，求取待定回波信号中每个波峰的第二置信度，按照检测距离，求取待定回波信号中每个波峰的第三置信度；
将待定回波信号中每个波峰的第一、第二和第三置信度进行求和，得到每个波峰的综合置信度；
选择待定回波信号中综合置信度最大的波峰作为物位回波信号；
所述排除第一类回波信号的步骤包括：设定强度阈值，将回波信号强度小于强度阈值的波峰作为第一类回波信号并排除；
所述有效区域包括回波图形上对应容器底部检测位置和对应容器顶部检测位置之间的检测区域；
其中，根据回波信号中波峰的置信度矩阵以及将回波信号的波峰根据信号强度由强到弱排序来求取所述第一置信度；根据回波信号中波峰的置信度矩阵以及将回波信号的波峰根据波峰面积由大到小排序来求取所述第二置信度；根据回波信号中波峰的置信度矩阵以及将回波信号的波峰根据检测距离由近及远排序来求取所述第三置信度；
回波信号中波峰的置信度矩阵为：
Figure FDA0003754451020000011
其中，einte,i为依照信号强度由强到弱排序排在第i位的波峰对应的置信度，earea,i为依照波峰面积有大到小排序排在第i位的波峰对应的置信度，edist,i为依照波峰对应测量距离由近到远排序排在第i位的波峰对应的置信度。
2.根据权利要求1所述的热金属液面物位回波信号的识别方法，其特征在于，所述回波图形的横坐标为检测距离，纵坐标为回波信号强度。
3.一种热金属液面高度的监测方法，其特征在于，所述方法包括采用权利要求1或2所述的热金属液面物位回波信号的识别方法来进行容器中金属液面高度的监测。
4.根据权利要求3所述的热金属液面高度的监测方法，其特征在于，监测方法还包括步骤：
根据所述物位回波信号对应的检测距离来确定所述金属液面的实际高度。
5.一种热金属液面高度的监测装置，其特征在于，所述监测装置包括：控制器和至少一个雷达物位计，其中，
雷达物位计安装在盛装热金属容器的上方，并能够向热金属液面发射电磁波、以及接收回波信号；
控制器与雷达物位计连接以接收回波信号，控制器能够从回波信号中识别出代表金属液面实际高度的物位回波信号，
其中，控制器识别出物位回波信号包括：
从回波信号中排除第一类回波信号和第二类回波信号，得到待定回波信号，其中，第一类回波信号包括环境电磁噪音和多重反射中至少一种产生的信号，第二类回波信号包括检测距离在有效区域以外的信号；
按照波峰的信号强度，求取待定回波信号中每个波峰的第一置信度，按照波峰面积，求取待定回波信号中每个波峰的第二置信度，按照检测距离，求取待定回波信号中每个波峰的第三置信度；
将待定回波信号中每个波峰的第一、第二和第三置信度进行求和，得到每个波峰的综合置信度；
选择待定回波信号中综合置信度最大的波峰作为物位回波信号；
所述控制器排除第一类回波信号的步骤包括：设定强度阈值，将回波信号强度小于强度阈值的波峰作为第一类回波信号并排除；
其中，根据回波信号中波峰的置信度矩阵以及将回波信号的波峰根据信号强度由强到弱排序来求取所述第一置信度；根据回波信号中波峰的置信度矩阵以及将回波信号的波峰根据波峰面积由大到小排序来求取所述第二置信度；根据回波信号中波峰的置信度矩阵以及将回波信号的波峰根据检测距离由近及远排序来求取所述第三置信度；
回波信号中波峰的置信度矩阵为：
Figure FDA0003754451020000031
其中，einte,i为依照信号强度由强到弱排序排在第i位的波峰对应的置信度，earea,i为依照波峰面积有大到小排序排在第i位的波峰对应的置信度，edist,i为依照波峰对应测量距离由近到远排序排在第i位的波峰对应的置信度。
6.根据权利要求5所述的热金属液面高度的监测装置，其特征在于，所述控制器还与所述容器的摆动流嘴连接，并能够向其输出开关量信号，以用于控制摆动流嘴的开启和关闭。
7.根据权利要求5所述的热金属液面高度的监测装置，其特征在于，所述控制器还能够根据所述识别出的物位回波信号得到热金属液面的实际高度，
所述监测装置还包括与所述控制器连接的显示屏和报警器，其中，
显示屏能够实时显示所述控制器得到的热金属液面的实际高度；
在所实际高度接近警戒高度时，报警器能够发出警报。
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