CN112330612A - 一种铅冶炼炉内工况检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铅冶炼炉内工况检测方法及系统，该方法包括：S1、图像采集设备布置；S2、图像处理；S3、炉内工况分析诊断，该方法利用布置在炉侧壁的两只高温辐射图像探测器实时拍摄炉内的辐射图像，对采集的图像进行数字处理后，将图像分割为若干交迭的区域，采用边缘增强和图像的灰度值提取方法，判定冶炼炉内沿程物料分布，并根据面阵CCD所获得的火焰图像，重建炉内断面温度场。通过该方案可以对铅冶炼炉内火焰温度精确测量，保证测量结果的准确可靠并能降低检测成本，实现冶炼设备的自动化运行，提高铅冶炼效率，并可以为企业节能降耗、提高经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧检测领域，尤其涉及一种铅冶炼炉内工况检测方法及系统。
背景技术
铅是所有金属中再生率最高的，再生铅的生产能耗比原生铅低1/3左右，世界上有80％以上的铅被用来生产铅酸电池。回收再生铅有利于环境保护，消除铅酸蓄电池等废弃物对环境的影响。电池回收利用有火法和湿法两种方法。火法制铅存在物料反应时炉况波动、粉料在熔炼过程中“搭桥”不易掌控；炉内反应工况无法实时监视、持渣层维护困难、铅熔渣温度及驻存时间缺少准确判断等难题，这些问题将引起铅质量偏差，以及炉内壁和端盖结焦导致出渣困难，甚至产生火灾、爆膛、人身安全事故。
为解决上述问题，需定量获取冶炼过程中炉内各个区域的能量分布、液面实时变化规律，以改进进料方式，合理分配各区域加料量，保证炉内物料均匀熔化，避免炉况发生波动。国外先进的铅生产厂采用了基于二级模型的自动控制，由于缺乏炉内实时检测，加之不同冶炼炉模型偏差，应用范围受限。热物理量场非接触检测技术与声波、激光测温相比，辐射图像处理法在实际检测中能提供铅冶炼炉内任意区域二维、三维信息，安装位置灵活，可以根据可见光能量传递及温度关联性，检测不同颗粒浓度、复杂空间和介面的可视化信息，获取铅冶炼炉壁面或铅渣表面的辐射温度，适宜特种冶炼环境下炉内工况及温度检测。
现有的铅冶炼炉温度检测，常采用浸入式热电偶或热成像仪进行，浸入式热电偶对热偶响应时滞影响检测精度，并且单次使用后即融熔，成本高；热像仪获得的是三维空间过程在二维成像平面上的“投影”信息，检测时辐射参数需人工设置，随机性大，对于铅冶炼炉这类高温工业对象非接触的实时工况检测实际应用效果较差。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种铅冶炼炉内工况检测方法及系统，以解决的现有铅冶炼炉工况检测方法检测精度低、成本高及随机性大的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种铅冶炼炉内工况检测方法，包括：
S1、图像采集设备布置
在炉盖加料管两侧布置高温火焰图像探测器探头，通过高温火焰探测器探头采集冶炼炉内图像；
S2、图像处理
S2.1、将图像分割为若干交迭区域；
S2.2、通过CCD图像传感器获取RGB三色值，并根据公式(1)计算图像灰度值：
G＝0.11r+0.59g+0.3b； (1)
其中，G表示灰度值，r表示红色通道分量值，g表示绿色通道分量值，b表示蓝色通道分量值；
S2.3、将图像相邻像素中灰度值变化最大的点作为边界点，逐行扫描图像得到火焰变化边界线；
S3、炉内工况分析诊断
S3.1、基于彩色图像RGB三基色的比色法，根据公式(2)计算参考点温度：
其中，tCCD(i0)为参考点温度，C2为常数，λr为红色波长，λg为绿色波长，r0、g0为参考点温度检测区域红、绿像素的平均值，i0为参考测温像素，r'(i0)表示参考点i0红色像素平均值，g'(i0)表示参考点i0绿色像素平均值；S3.2、基于火焰二维温度四次方与火焰辐射能正比例关系，根据公式(3)计算火焰二维温度图像：
其中，
为火焰二维温度图像，表示三维空间的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果，表示任意像素点，
表示参考点i0温度，G(i)为像素i灰度值，G(i0)为参考点i0灰度值,k'(i)和k'(i0)表示像素点i、参考点i0的比例系数；
S3.3、通过数字图像处理技术，并利用公式(1)的像素灰度计算方法，分析铅冶炼炉内沿程物料分布状况及铅液面火口区域变化行为。
在本发明实施例的第二方面，提供了一种铅冶炼炉内工况检测系统，包括：
图像采集模块，用于在炉盖加料管两侧布置高温火焰图像探测器探头，通过高温火焰探测器探头采集冶炼炉内图像；
图像处理模块，用于对冶炼炉内进行图像处理；
其中，所述图像处理模块包括：
分割单元，用于将图像分割为若干交迭区域；
灰度值计算单元，用于通过CCD图像传感器获取RGB三色值，并根据公式(1)计算图像灰度值：
G＝0.11r+0.59g+0.3b； (1)
式中，G表示灰度值，r表示红色通道分量值，g表示绿色通道分量值，b表示蓝色通道分量值；
边界点扫描单元，用于将图像相邻像素中灰度值变化最大的点作为边界点，逐行扫描图像得到火焰变化边界线；
分析诊断模块，用于对铅冶炼炉内工况分析诊断；
其中，所述分析诊断模块包括：
温度计算单元，用于基于彩色图像RGB三基色的比色法，根据公式(2)计算参考点温度：
式中，tCCD(i0)为参考点温度，C2为常数，λr为红色波长，λg为绿色波长，r0、g0为参考点温度检测区域红、绿像素的平均值，i0为参考测温像素，r'(i0)表示参考点i0红色像素平均值，g'(i0)表示参考点i0绿色像素平均值；
温度图像计算单元，用于基于火焰二维温度四次方与火焰辐射能正比例关系，根据公式(3)计算火焰二维温度图像：
式中，
为火焰二维温度图像，表示三维空间的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果，表示任意像素点，
表示参考点i0温度，G(i)为像素i灰度值，G(i0)为参考点i0灰度值,k'(i)和k'(i0)表示像素点i、参考点i0的比例系数；
工况诊断单元，用于通过数字图像处理技术，并利用公式(1)的像素灰度计算方法，分析铅冶炼炉内沿程物料分布状况及铅液面火口区域变化行为。
本发明实施例中，通过布置在炉侧壁的高温辐射图像探测器，获得炉内高温辐射图像，采用一般的边缘增强和提取方法，求出图像的灰度值寻找图像的边缘，采用差分法判断图像边缘。根据火焰二维温度四次方与火焰辐射能成正比，得出炉膛燃烧温度分布图像。本发明中通过对炉膛内温度等数据的精确测量显示，可靠性强，且测量范围大，可以提高设备的自动化水平及运行效率，进而使得铅冶炼装置安全、稳定、长周期运行，降低维修成本，为企业节能降耗、提高经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
图1为本发明的一个实施例提供的铅冶炼炉内工况检测方法的流程示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的铅冶炼炉内工况检测系统的结构示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的铅冶炼炉内工况检测系统的另一结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种铅冶炼炉内工况检测方法的流程示意图，包括：
S1、图像采集设备布置
在炉盖加料管两侧布置高温火焰图像探测器探头，通过高温火焰探测器探头采集冶炼炉内图像；
具体的，在铅冶炼炉的炉盖加料管两侧布置多只高温火焰图像探测器，探头前端辅以喇叭口，通过炉内侧壁的高温辐射探测器拍摄炉内高温辐射图像
S2、图像处理
S2.1、将图像分割为若干交迭区域；
同一区域内部特性变化平缓，图像特征相近。区域边界处特性变化较为剧烈，图像特征相差较大。
S2.2、通过CCD图像传感器获取RGB三色值，并根据公式(1)计算图像灰度值：
G＝0.11r+0.59g+0.3b； (1)
其中，G表示灰度值，r表示红色通道分量值，g表示绿色通道分量值，b表示蓝色通道分量值；基于图像的灰度值可以判定区域边缘。
S2.3、将图像相邻像素中灰度值变化最大的点作为边界点，逐行扫描图像得到火焰变化边界线；
采用微分方法找到图像相邻像素中灰度值变化最大的点，将改点作为边界点，在CCD图像上通过逐行扫描获得边界点形成的边界线。
S3、炉内工况分析诊断
S3.1、基于彩色图像RGB三基色的比色法，根据公式(2)计算参考点温度：
其中，tCCD(i0)为参考点温度，C2为常数，λr为红色波长，λg为绿色波长，r0、g0为参考点温度检测区域红、绿像素的平均值，i0为参考测温像素，r'(i0)表示参考点i0红色像素平均值，g'(i0)表示参考点i0绿色像素平均值；
需要说明的是，所述参考点也称基准点，一般是以图像中灰度最大的点作为参考点。所述边界点(即灰度值变化最大的点)构成的分界线，是被测对象与背景的分界线。S3.2、基于火焰二维温度四次方与火焰辐射能正比例关系，根据公式(3)计算火焰二维温度图像：
其中，
为火焰二维温度图像，表示三维空间的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果，表示任意像素点，
表示参考点i0温度，G(i)为像素i灰度值，G(i0)为参考点i0灰度值,k'(i)和k'(i0)表示像素点i、参考点i0的比例系数；
S3.3、通过数字图像处理技术，并利用公式(1)的像素灰度计算方法，分析铅冶炼炉内沿程物料分布状况及铅液面火口区域变化行为。
通过数字图像分析，可以得到物料在炉内的变化行为，即物料分布。
基于冶炼炉内火焰图像的处理得到炉内温度图像，进而经过分析可以冶炼炉内沿程物料分布状况及液面火口区域变化，实现炉内工况的实时监测。
本发明实施例提供的炉内工况检测方法，温度检测范围大(800℃～2000℃)，误差小于5％，铅液表面分辨率大于0.5平方米，熔池液面给出不少于100个离散温度检测值。通过数字图像处理技术，获得铅冶炼炉内沿程物料分布状况及铅液液面火口区域的变化行为，可以诊断铅熔炼炉内工况。
本实施例中，采用宽视场角探测器，温度场计算精度高，测量范围大，在全过程工况下对炉内从入料、加热，直至铅液出炉进行组织和监控，保证冶炼炉安全高效运行。
从布置在炉侧壁的两只高温辐射图像探测器，获得炉内高温辐射图像，采用一般的边缘增强和提取方法，求出图像的灰度值寻找图像的边缘，采用差分法判断图像边缘。根据火焰二维温度四次方与火焰辐射能成正比，得出炉膛燃烧温度分布图像。通过对炉膛内的精确测量显示，可以提高设备的自动化水平及运行效率，使装置安全、稳定、长周期运行，降低维修成本，为企业节能降耗、提高经济效益。
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图2为本发明实施例提供的一种铅冶炼炉内工况检测系统的结构示意图，该系统包括：
图像采集模块210，用于在炉盖加料管两侧布置高温火焰图像探测器探头，通过高温火焰探测器探头采集冶炼炉内图像；
图像处理模块220，用于对冶炼炉内进行图像处理；
其中，所述图像处理模块220包括：
分割单元，用于将图像分割为若干交迭区域；
灰度值计算单元，用于通过CCD图像传感器获取RGB三色值，并根据公式(1)计算图像灰度值：
G＝0.11r+0.59g+0.3b； (1)
式中，G表示灰度值，r表示红色通道分量值，g表示绿色通道分量值，b表示蓝色通道分量值；
边界点扫描单元，用于将图像相邻像素中灰度值变化最大的点作为边界点，逐行扫描图像得到火焰变化边界线；
分析诊断模块230，用于对铅冶炼炉内工况分析诊断；
其中，所述分析诊断模块230包括：
温度计算单元，用于基于彩色图像RGB三基色的比色法，根据公式(2)计算参考点温度：
式中，tCCD(i0)为参考点温度，C2为常数，λr为红色波长，λg为绿色波长，r0、g0为参考点温度检测区域红、绿像素的平均值，i0为参考测温像素，r'(i0)表示参考点i0红色像素平均值，g'(i0)表示参考点i0绿色像素平均值；
温度图像计算单元，用于基于火焰二维温度四次方与火焰辐射能正比例关系，根据公式(3)计算火焰二维温度图像：
式中，
为火焰二维温度图像，表示三维空间的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果，表示任意像素点，
表示参考点i0温度，G(i)为像素i灰度值，G(i0)为参考点i0灰度值,k'(i)和k'(i0)表示像素点i、参考点i0的比例系数；
工况诊断单元，用于通过数字图像处理技术，并利用公式(1)的像素灰度计算方法，分析铅冶炼炉内沿程物料分布状况及铅液面火口区域变化行为。
图3为本发明实施例提供的一种铅冶炼炉内工况检测系统的另一结构示意图，如图所示：
在冶炼炉上，安装两只CCD高温火焰探测器探头在炉盖加料管两侧，探测器向下倾斜30°，其视场角的光轴与炉盖中心连线沿顺时针转25°，镜管缩于炉膛内部100～200mm，前端辅以喇叭口。
两只高温辐射图像检测器分别从炉侧壁实时拍摄炉内高温辐射图像，图像视频信号经视频分割器合成后，送入工控机中。通过实时采集的炉内图像，分析物料及燃烧加热作用的图像动态变化规律，进行图像边缘检测，得到熔炼中后期铅渣液面高度和壁面铅渣厚度。研究铅液面的形态和高度，最终得到实时铅渣液面温度分布。在加热炉运行下，温度场可视化检测系统每隔2秒自动提供铅液温度场精确的实时温度读数。
其中，在所述工控机中对采集的炉内火焰图像进行处理分析，得到物料分布及铅渣液面温度分布等状况。
可以理解的是，在一个实施例中，还提供一种电子设备，所述电子设备可以为一种工控机，用于铅冶炼炉内火焰图像处理分析，该电子设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现步骤S101至S103以实现铅冶炼炉内工况检测。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种铅冶炼炉内工况检测方法，其特征在于，包括：
S1、图像采集设备布置
在炉盖加料管两侧布置高温火焰图像探测器探头，通过高温火焰探测器探头采集冶炼炉内图像；
S2、图像处理
S2.1、将图像分割为若干交迭区域；
S2.2、通过CCD图像传感器获取RGB三色值，并根据公式(1)计算图像灰度值：
G＝0.11r+0.59g+0.3b； (1)
其中，G表示灰度值，r表示红色通道分量值，g表示绿色通道分量值，b表示蓝色通道分量值；
S2.3、将图像相邻像素中灰度值变化最大的点作为边界点，逐行扫描图像得到火焰变化边界线；
S3、炉内工况分析诊断
S3.1、基于彩色图像RGB三基色的比色法，根据公式(2)计算参考点温度：
其中，tCCD(i0)为参考点温度，C2为常数，λr为红色波长，λg为绿色波长，r0、g0为参考点温度检测区域红、绿像素的平均值，i0为参考测温像素，r'(i0)表示参考点i0红色像素平均值，g'(i0)表示参考点i0绿色像素平均值；
S3.2、基于火焰二维温度四次方与火焰辐射能正比例关系，根据公式(3)计算火焰二维温度图像：
其中，
为火焰二维温度图像，表示三维空间的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果，表示任意像素点，
表示参考点i0温度，G(i)为像素i灰度值，G(i0)为参考点i0灰度值,k'(i)和k'(i0)表示像素点i、参考点i0的比例系数；
S3.3、通过数字图像处理技术，并利用公式(1)的像素灰度计算方法，分析铅冶炼炉内沿程物料分布状况及铅液面火口区域变化行为。
2.一种铅冶炼炉内工况检测系统，其特征在于，包括：
图像采集模块，用于在炉盖加料管两侧布置高温火焰图像探测器探头，通过高温火焰探测器探头采集冶炼炉内图像；
图像处理模块，用于对冶炼炉内进行图像处理；
其中，所述图像处理模块包括：
分割单元，用于将图像分割为若干交迭区域；
灰度值计算单元，用于通过CCD图像传感器获取RGB三色值，并根据公式(1)计算图像灰度值：
G＝0.11r+0.59g+0.3b；(1)
式中，G表示灰度值，r表示红色通道分量值，g表示绿色通道分量值，b表示蓝色通道分量值；
边界点扫描单元，用于将图像相邻像素中灰度值变化最大的点作为边界点，逐行扫描图像得到火焰变化边界线；
分析诊断模块，用于对铅冶炼炉内工况分析诊断；
其中，所述分析诊断模块包括：
温度计算单元，用于基于彩色图像RGB三基色的比色法，根据公式(2)计算参考点温度：
式中，tCCD(i0)为参考点温度，C2为常数，λr为红色波长，λg为绿色波长，r0、g0为参考点温度检测区域红、绿像素的平均值，i0为参考测温像素，r'(i0)表示参考点i0红色像素平均值，g'(i0)表示参考点i0绿色像素平均值；
温度图像计算单元，用于基于火焰二维温度四次方与火焰辐射能正比例关系，根据公式(3)计算火焰二维温度图像：
式中，
为火焰二维温度图像，表示三维空间的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果，表示任意像素点，
表示参考点i0温度，G(i)为像素i灰度值，G(i0)为参考点i0灰度值,k'(i)和k'(i0)表示像素点i、参考点i0的比例系数；
工况诊断单元，用于通过数字图像处理技术，并利用公式(1)的像素灰度计算方法，分析铅冶炼炉内沿程物料分布状况及铅液面火口区域变化行为。
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| CN113432146A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-09-24 | 国网河北能源技术服务有限公司 | 炉内温度测量方法、装置及设备 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1308224A (zh) * | 2001-03-27 | 2001-08-15 | 华中科技大学 | 炉膛燃烧温度图像检测方法 |
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2020
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