CN112432711B - 一种侧吹炉高温可视化检测方法及检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种侧吹炉高温可视化检测方法及检测系统,包括:采集侧吹炉的高温辐射图像;对高温辐射图像进行处理,处理包括合成、去噪和失真校正;通过定量关系T4 CCD=A`T4,利用专业计算软件计算得到炉内三维空间各点温度数值;将计算的温度数值以可视化的三维温度场输出显示,显示炉内各处温度数值。本发明通过对侧吹炉炉膛内高温辐射图像的采集、处理,并利用专业的辐射算法软件进行计算,得到侧吹炉内三维温度场及液面情况,实现侧吹炉冶炼过程中高温在线可视化检测。其操作简单,准确度高,为侧吹炉冶炼工艺调整和节能降耗提供了重要的参数。
Description
技术领域
本发明涉及冶炼炉温度监测技术领域,具体涉及一种侧吹炉高温可视化检测方法及检测系统。
背景技术
冶炼炉温是侧吹炉冶炼过程中非常重要的一项生产技术参数,尤其是侧吹炉冶炼熔体温度,在冶炼过程中需要保持在1100±50℃,既要保证熔体的黏度及流动性,又要避免温度过高对侧吹炉喷枪和炉壁造成较快的烧损。通过对炉内温度的实时在线监测,可以根据温度变化及时判断侧吹炉内生产状况,及时调整生产工艺参数。
现有对侧吹炉的测温方式包括热电偶、激光测温、声波测温等;由于侧吹炉的炉内温度高,热电偶只能实现固定点测温,其易损坏;声波测温、激光测温目前在实际工业应用中只能提供炉内探头放置固定区域的二维温度场分布;同时,激光测温对环境要求高;声波、激光测温只能对气体区域温度进行检测,不能对物体表面温度直接进行检测,而且声波测温法的实施需要持续较长的时间,不利于瞬态燃烧工况的监测。
因此,欲实现侧吹炉内多区域三维温度场在线监测是侧吹炉生产中急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题,本发明提供一种侧吹炉高温可视化检测方法及检测系统。
本发明公开了一种侧吹炉高温可视化检测方法,包括:
步骤1、采集侧吹炉内高温辐射图像;
步骤2、对所述高温辐射图像进行处理,所述处理包括合成、去噪和失真校正;
步骤3、建立处理后的高温辐射图像与炉内三维温度分布之间的定量关系,通过所述定量关系计算得到炉内三维空间各点温度数值;
步骤4、将计算的温度数值以可视化的三维温度场输出显示,直观的显示出炉内各处温度数值。
作为本发明的进一步改进,采集图像和图像处理,具体包括:
在侧吹炉中部两处观察孔各布置1支高温图像探测器,从不同角度采集侧吹炉炉内的高温辐射图像;
将两幅所述高温辐射图像经过视频分割器及视频采集卡合成一幅图像;
对合成后的高温辐射图像进行滤波处理、图像分割与边缘提取,得到符合要求的高温辐射图像。
作为本发明的进一步改进,所述高温图像探测器的安装方式为:
高温图像探测器向下倾斜40°,其视场角的光轴与炉盖中心连线沿顺时针转30°,并以其能充分俯视液面和炉壁为宜;所述高温图像探测器的镜管缩于炉膛内部200~300mm,前端辅以防止视场角被遮挡的喇叭口。
作为本发明的进一步改进,所述高温图像探测器包括耐高温镜头、光学镜片组、耐高温不锈钢套筒和CCD摄像机、水冷套管、镜头吹扫装置;
在国家标准计量仪器黑体炉上对CCD摄像机进行标定,并得出温度、辐射率的参数与火焰图像间的定量关系;即,得到单色辐射IR和IG同图像的R和G值之间的关系,以及温度(K)与其黑体图像的红色R0之间的关系。
作为本发明的进一步改进,所述高温图像探测器的技术指标为:视场角:水平40°、垂直40°,光轴转角:30°,工作电源:AC12V、5W,视频信号:PAL制、VBS1.0V(p-p)/75Ω(BNC)。
作为本发明的进一步改进,在所述步骤3中:
处理后的高温辐射图像与炉内三维温度分布之间的定量关系为:
T4 CCD=A`T4
式中,T4 CCD为高温辐射图像上某点温度值,其为三维空间中的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果;T为炉内三维温度,A`为常量;
T4 CCD和A`已知之后,应用于线性问题的修正Tikhonov正则化方法计算得到炉内三维空间各点温度数值。
作为本发明的进一步改进,在步骤4中,将处理生成的侧吹炉炉膛三维温度场及液面定位信息显示到显示器上。
作为本发明的进一步改进,所述检测方法的技术指标包括:温度检测范围在800℃~2000℃,误差小于3%,刷新时间快于2秒,液面温度表面分辨率大于0.5m3,熔池液面给出不少于100个离散温度检测值。
本发明还公开了一种实现上述检测方法的侧吹炉高温可视化检测系统,包括:
高温图像探测器,用于实现所述步骤1;
图像处理模块,用于实现所述步骤2;
工控机,用于实现所述步骤3;
显示器,用于实现所述步骤4。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明利用高温辐射图像,实现炉内高温在线监测,操作简单,准确率高,覆盖面广;
本发明的测量为连续非接触式检测,能提供辐射炉膛任意区域的三维、二维(断面)温度场;
本发明的高温图像探测器安装位置更灵活,而声波测温要求发射、接收器在同一平面才能组成一个检测的二维断面;
本发明由于建立了监测系统内热量传递方程,因此可以根据能量传递方程及系统内温度关联性可以检测有遮挡、不可视区域温度分布;
本发明除了能对火焰及烟气辐射区域的温度进行检测外,还可检测壁面或者熔体表面的辐射温度;
本发明由于直接得到炉内图像,因此具有看火电视功能;可以从采集得到的图像中直接观察炉内受热情况或者火焰刷墙情况。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的侧吹炉高温可视化检测方法的流程图;
图2a为本发明一种实施例公开的采集的高温辐射图像;
图2b为本发明一种实施例公开的合成的高温辐射图像;
图2c为本发明一种实施例公开的处理后的高温辐射图像;
图3为本发明一种实施例公开的侧吹炉高温可视化检测系统的框架图。
图中:
1、第一高温图像探测器;2、第二高温图像探测器;3、视频分割器;4、工控机;5、显示器;6、侧吹炉;7、喇叭口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述:
如图1所示,本发明提供一种侧吹炉高温可视化检测方法,包括:
S1、采集侧吹炉内高温辐射图像;其中,
如图3所示,本发明可通过两支高温图像探测器(第一高温图像探测器1和第二高温图像探测器2)实现对侧吹炉6内高温辐射图像的采集,即在侧吹炉中部两处观察孔各布置1支高温图像探测器1、2,从不同角度采集侧吹炉炉内的高温辐射图像,高温辐射图像如图2a所示;高温图像探测器1、2的具体安装方式为:高温图像探测器1、2均向下倾斜40°,其视场角的光轴与炉盖中心连线沿顺时针转30°,并以其能充分俯视液面和炉壁为宜;高温图像探测器1的镜管缩于炉膛内部200~300mm,前端辅以防止视场角被遮挡的喇叭口7。进一步,本发明的高温图像探测器1、2包括耐高温镜头、光学镜片组、耐高温不锈钢套筒和CCD摄像机、水冷套管、镜头吹扫装置;其中,本发明在原有图像采集探测器的结构基础上增加了水冷套管用于给镜头降温,增加了吹扫装置用于定期吹扫镜头表面集尘,保证图像采集效果。进一步,本发明的高温图像探测器1、2在进行采集前,需进行相机标定;即,在国家标准计量仪器黑体炉上对CCD摄像机进行标定,并得出温度、辐射率的参数与火焰图像间的定量关系;即,得到单色辐射IR和IG同图像的R和G值之间的关系,以及温度(K)与其黑体图像的红色R0之间的关系。更进一步,高温图像探测器1、2的技术指标为:视场角:水平40°、垂直40°,光轴转角:30°,工作电源:AC12V、5W,视频信号:PAL制、VBS1.0V(p-p)/75Ω(BNC)。
S2、对高温辐射图像进行处理,处理包括合成、去噪和失真校正;其中,具体包括:
S21、将两幅高温辐射图像经过视频分割器3及视频采集卡合成一幅图像,合成后的图像如图2b所示;
S22、对合成后的高温辐射图像进行滤波处理、图像分割与边缘提取,得到符合要求的高温辐射图像,处理后的图像如图2c所示;其中,滤波是为了降噪提高图像质量,图像分割是将非熔体部分切除,边缘提取所测量熔体边缘,该法是基于熔体边缘部位辐射能的急剧变化来在二维辐射图像中进行识别、分割、提取,该技术可显示炉内液面高度及外形。
S3、建立处理后的高温辐射图像与炉内三维温度分布之间的定量关系,通过定量关系,利用专业计算软件计算得到炉内三维空间各点温度数值;其中,上述S3在工控机4中执行,具体包括:
将三维炉膛系统视为一个由灰色固体壁面及所包围的灰色介质构成的灰色系统;网格划分:空间区域M个单元,壁面区域N个单元,共计I个单元。用CCD获取炉内辐射信息,每个CCD靶面J个像素单元;CCD安放在炉壁,要求其视场角尽可能的覆盖炉膛区域
建立辐射能成像模型,火焰辐射能与炉内三维温度分布之间的定量关系:
E=AT4
式中,E为辐射能,T为三维空间某点温度,A为常量、主要通过DRESOR数计算而来;
建立辐射成像新模型,其二维高温辐射图像与炉内三维温度分布之间的定量关系:
T4 CCD=A`T4
式中,T4 CCD为高温辐射图像上某点温度值,其为三维空间中的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果,T4 CCD与火焰辐射能信息E成正比;T为炉内三维温度,A`为常量;
参考点温度用基于彩色图像R、G、B三基色的比色法计算:
火焰二维温度图像的计算公式如下:
T4 CCD和A`已知之后,应用于线性问题的修正Tikhonov正则化方法计算得到炉内三维空间各点温度数值。
S4、将计算的温度数值以可视化的三维温度场输出显示,直观的显示出炉内各处温度数值;其中,
将处理生成的侧吹炉炉膛三维温度场及液面定位信息显示到显示器5上。
进一步,本发明检测方法的技术指标包括:温度检测范围在800℃~2000℃,误差小于3%,刷新时间快于2秒,液面温度表面分辨率大于0.5m3,熔池液面给出不少于100个离散温度检测值。
如图3所示,本发明还提供一种实现上述检测方法的侧吹炉高温可视化检测系统,包括:
高温图像探测器1、2,用于实现上述S1;
图像处理模块,包括视频分割器3和视频采集卡等,用于实现上述S2;
工控机3,用于实现上述S3;
显示器5,用于实现上述S4。
本发明的优点为:
本发明利用高温辐射图像,实现炉内高温在线监测,操作简单,准确率高,覆盖面广;
本发明的测量为连续非接触式检测,能提供辐射炉膛任意区域的三维、二维(断面)温度场;
本发明的高温图像探测器安装位置更灵活,而声波测温要求发射、接收器在同一平面才能组成一个检测的二维断面;
本发明由于建立了监测系统内热量传递方程,因此可以根据能量传递方程及系统内温度关联性可以检测有遮挡、不可视区域温度分布;
本发明除了能对火焰及烟气辐射区域的温度进行检测外,还可检测壁面或者熔体表面的辐射温度;
本发明由于直接得到炉内图像,因此具有看火电视功能;可以从采集得到的图像中直接观察炉内受热情况或者火焰刷墙情况。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种侧吹炉高温可视化检测方法,其特征在于,包括:
步骤1、采集侧吹炉内高温辐射图像;
步骤2、对所述高温辐射图像进行处理,所述处理包括合成、去噪和失真校正;
步骤3、建立处理后的高温辐射图像与炉内三维温度分布之间的定量关系,通过所述定量关系计算得到炉内三维空间各点温度数值;
步骤4、将计算的温度数值以可视化的三维温度场输出显示,直观的显示出炉内各处温度数值;
所述步骤2中,对合成后的高温辐射图像进行滤波处理、图像分割与边缘提取,得到符合要求的高温辐射图像;
采集图像和图像处理,具体包括:
在侧吹炉中部两处观察孔各布置1支高温图像探测器,从不同角度采集侧吹炉炉内的高温辐射图像;
将两幅所述高温辐射图像经过视频分割器及视频采集卡合成一幅图像;
所述高温图像探测器的安装方式为:
高温图像探测器向下倾斜40°,其视场角的光轴与炉盖中心连线沿顺时针转30°,并以其能充分俯视液面和炉壁为宜;所述高温图像探测器的镜管缩于炉膛内部200~300mm,前端辅以防止视场角被遮挡的喇叭口;
在步骤4中,将处理生成的侧吹炉炉膛三维温度场及液面定位信息显示到显示器上;
所述检测方法的技术指标包括:温度检测范围在800℃~2000℃,误差小于3%,刷新时间快于2秒,液面温度表面分辨率大于0.5m3,熔池液面给出不少于100个离散温度检测值。
2.如权利要求1所述的检测方法,其特征在于,所述高温图像探测器包括耐高温镜头、光学镜片组、耐高温不锈钢套筒和CCD摄像机、水冷套管、镜头吹扫装置;
在国家标准计量仪器黑体炉上对CCD摄像机进行标定,并得出温度、辐射率的参数与火焰图像间的定量关系;即,得到单色辐射IR和IG同图像的R和G值之间的关系,以及温度(K)与其黑体图像的红色R0之间的关系。
3.如权利要求2所述的检测方法,其特征在于,所述高温图像探测器的技术指标为:视场角:水平40°、垂直40°,光轴转角:30°,工作电源:AC12V、5W,视频信号:PAL制、VBS1.0V(p-p)/75Ω(BNC)。
4.如权利要求1所述的检测方法,其特征在于,在所述步骤3中:
处理后的高温辐射图像与炉内三维温度分布之间的定量关系为:
T4 CCD=A`T4
式中,T4 CCD为高温辐射图像上某点温度值,其为三维空间中的火焰辐射信息在CCD靶面上的累积结果;T为炉内三维温度,A`为常量;
T4 CCD和A`已知之后,应用于线性问题的修正Tikhonov正则化方法计算得到炉内三维空间各点温度数值。
5.一种实现如权利要求1~4中任一项所述的检测方法的侧吹炉高温可视化检测系统,其特征在于,包括:
高温图像探测器,用于实现所述步骤1;
图像处理模块,用于实现所述步骤2;
工控机,用于实现所述步骤3;
显示器,用于实现所述步骤4。
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