CN115046638A - 一种红外测温装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测温装置技术领域，具体地说是一种红外测温装置及其使用方法，包括视场调节模块、自动对焦模块、视角调节模块、测温模块、主控模块和辅助模块，驱动单元和扫描单元，透镜单元和透镜控制单元，可调光阑和光阑控制组件，敏感单元和数据采集单元，主控单元由高速处理单元组成，辅助单元包括冷却单元和视场吹扫单元，本发明同现有技术相比，通过视场调节模块、自动对焦模块、视角调节模块、测温模块、主控模块和辅助模块的部件，自动对焦及钢水信号抓取算法，实现消除钢包中钢水液面变化及炼制时钢渣飞溅的影响，通过独特设计的装置及特点操作流程实现高效目标对准，提高测量准确度，实现炼钢过程中钢水温度的准确连续监测的技术效果。

Description

一种红外测温装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及测温装置技术领域，具体地说是一种红外测温装置及其使用方法。

背景技术

钢铁工业是国家的基础工业，钢铁冶炼的自动化水平是衡量一个国家工业化的标志。准确实时获取钢水温度是提高各工艺环节钢水温度控制精度的前提，是保证钢材质量、提高效率、降低能耗的关键。

现行的钢水测温方式主要包含三类：消耗型快偶间断测温、铂铑热电偶加保护管连续测温和热辐射式连续测温，其中消耗型快偶间断测温虽然可以直接得到钢水温度，但高温钢水的热冲击及钢渣的腐蚀性使得热电偶只能一次性使用，不能连续监测钢水温度变化，直接制约了生产过程中的工艺控制；铂铑热电偶加保护管连续测温虽然实现了钢水温度的短期连续测量，但加保护管后测温响应滞后严重，难以满足精炼对测温响应速度的要求。热辐射式连续测温由于其不与钢水直接接触，可大大降低高温腐蚀损坏的风险，从而受到了业界的广泛关注。

但基于热辐射的钢水连续测温仪需要解决以下几个问题：

(1)炼钢过程中钢水表面的钢渣由于和钢水热辐射系数不同，测量时测温点必须准确落在钢炉中的鼓泡区域(直径约为几十厘米)，该区域钢水表面不覆盖钢渣，这样才可以避免钢水表面钢渣对测量结果的影响。这牵涉到测量准确定位的问题，由于钢炉鼓泡位置相对固定，安装在钢炉顶盖的测温探头角度可进行初步调整，方便后续进行细调。

(2)虽然钢炉中鼓泡位置和区域大小相对固定，但钢包多次使用后内壁变薄，致使不同炼制批次的钢包加入相同重量的原料其钢水液面的高度也存在上下几十厘米的起浮，导致不同钢包炼制时，测温仪到钢水液面的距离变化较大，致使测温点可能偏离鼓泡区域，导致测量偏差较大。测温点需要在炼钢过程中进行及时动态调整。而在钢水冶炼过程所处的恶劣环境下，手动调整装置是不合适的，而且辅助激光对准装置在该环境也是不合适。

(3)在冶炼过程中存在大量烟雾及钢渣飞溅，这些烟雾和钢渣在测量光路中会严重影响测量信号的稳定性及准确性，另外如果钢渣飞溅到镜头上凝固也会堵塞光路，为了减少该影响，需要在测量探头上沿测量光路用高压气体将光路中的钢渣及烟雾冲开，这一方面保证钢渣不会堵塞镜头，另一方面也提高了测量信号的稳定性。高压气体装置的设计不在本发明专利的保护范围内，但炼钢测量过程中如何在非稳定信号中提取准确的信号是本发明需要解决的问题之一。

本发明设计一种红外测温装置及其使用方法，准确的找到测温目标点，有利于消除不同钢包尺寸及钢水中钢渣的影响，提高测量准确度，同时通过自动对焦及钢水信号抓取算法，有利于消除钢包中钢水液面变化及炼制时钢渣飞溅的影响，提高测量准确度，实现炼钢过程中钢水温度的准确连续监测。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种红外测温装置及其使用方法，准确的找到测温目标点，有利于消除不同钢包尺寸及钢水中钢渣的影响，提高测量准确度，同时通过自动对焦及钢水信号抓取算法，有利于消除钢包中钢水液面变化及炼制时钢渣飞溅的影响，提高测量准确度，实现炼钢过程中钢水温度的准确连续监测。

为了达到上述目的，本发明提供一种红外测温装置，其特征在于，包括视场调节模块、自动对焦模块、视角调节模块、测温模块、主控模块和辅助模块，视场调节模块包括驱动单元和扫描单元，自动对焦模块包括透镜单元和透镜控制单元，视角调节模块包括可调光阑和光阑控制组件，测温模块包括敏感单元和数据采集单元，主控单元由高速处理单元组成，辅助单元包括冷却单元和视场吹扫单元。

可调光阑的孔径包括目标识别档、目标扫描档和目标测量档。

目标识别档的孔径大于目标扫描档的孔径，目标扫描档的孔径大于目标测量档的孔径。

测温模块的敏感单元设置至少1个参考通道和至少1个测量通道，参考通道和测量通道信号归一化后的数据作为目标温度计算的信号。

一种红外测温装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：系统状态自动调整：对数据采集单元，冷却单元，吹扫单元工作进行检查与调整，满足所需工作正常；

S1-1，数据采集单元状态检查：

检查判断信噪比是否满足要求；

S1-2，冷却单元状态检查与调整：

冷却单元与模块测温模块互连，通过实时反馈温度及冷却水流量调整，保证测温模块的在设定的恒温状态下控制；

S1-3，吹扫单元状态检查与调整，选择最佳的数据采集频率及数据提取时间窗口：

S1-3-1：在(0.1～1000Hz)范围内选择采样频率和信号提取时间窗口范围(0.1～600s)；

在S1-3-1范围内所选采样频率及信号提取时间窗口能满足统计数据分析的要求，满足统计数据分析的要求为在该时间窗口内的数据存在比例大于10％，相对偏差小于1％的数值，则认为吹扫单元吹扫效果达到要求，否则调整吹扫流量直到其满足该条件为止；

当吹扫效果满足要求后，认为测量条件具备，所测数据可作为原始测量信号进行后续信号处理；

S1-3-2：在时间窗口内采集所有数据并排序，取其中数值最大比例数据的平均值作为有效测量值；

S1-3-3：选择不同的时间窗口，重复S1-3-1～S1-3-2的操作，获得所有时间窗口的有效测量值；

S2，目标识别与初步测温范围定位：

红外测温装置开机初始化后进入目标识别模式，主控模块发送指令调节可调光阑至第目标识别档，开始采集和比对测温模块上传的数据，并在指定范围内进行扫描获得范围内的二维平面温度数据，然后按照目标区域判定标准算法初步选定测量区域；

S2-1，扫描的方式为：

在装置上有两个角度调节装置，分别对应测量平面的X轴维度和Y轴维度，扫描时可以全扫描，x维度从0到θxmax,调整最小步伐为dθx,y维度从0到θymax,调整最小步伐为dθy，扫描包括“几”字形、“8”字形、螺旋形和四叶草形；

S2-2：目标区域判定标准算法为：

S2-2-1：目标测量区域测量数值较钢渣区域温度高；

S2-2-2：在目标测量区域温度相对均匀，角度变化对测量数值影响不大，dS/dθ趋于0，S为测量信号，θ为视角；

S2-2-3：在目标测量区域边界，钢渣与钢水辐射系数不同，所在目标测量区域的范围边界dS/dθ较大；

利用S2-2的算法确定测量范围，通过X轴和Y轴维度调节角度扫描，只利用测量信号就可初步选定范围测量；

S3，测温点精确定位：

主控模块发送指令调节可调光阑至目标扫描档，同时发送指令至视场调节模块，在S2所选定的测量区域范围内做视场扫描，获取二维平面温度数据，依目标区域判定标准算法确定测量范围，并选择其中点作为温度测量点；

S4，自动对焦和目标测量：

目标测量点确定后，主控模块发送对焦指令到自动对焦模块，实现焦距微调，此时测量信号最大且测量值与对焦距变化不敏感，此时采集测温模块数据，然后按照既定算法进行测温信息的处理，完成目标温度的精确测量。

本发明解决了高炉炼钢过程中钢水温度的可靠性测量问题，同现有技术相比，有以下几方面的特点：

系统可自动判断并调整测量参数使其满足复杂环境(强电磁干扰，高温环境，钢渣飞溅等)下钢水温度测量的要求，保证测量的可靠性。

通过所获得测量信号特点分析及两级调节方式快速选择最佳测量点，简化测量装置，提升装置在恶劣条件下应用的便利性，可靠性与准确性。

附图说明

图1为本发明的红外测温装置工作流程示意图；

图2为本发明的红外测温装置组成示意图；

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步描述。

参见图1-2，本发明提供一种红外测温装置，包括视场调节模块、自动对焦模块、视角调节模块、测温模块、主控模块和辅助模块，视场调节模块包括驱动单元和扫描单元，自动对焦模块包括透镜单元和透镜控制单元，视角调节模块包括可调光阑和光阑控制组件，测温模块包括敏感单元和数据采集单元，主控单元由高速处理单元组成，辅助单元包括冷却单元和视场吹扫单元。

可调光阑的孔径包括目标识别档、目标扫描档和目标测量档。

目标识别档的孔径大于目标扫描档的孔径，目标扫描档的孔径大于目标测量档的孔径。

测温模块的敏感单元设置至少1个参考通道和至少1个测量通道，参考通道和测量通道信号归一化后的数据作为目标温度计算的信号。

一种红外测温装置的使用方法，包括以下步骤：

S1：系统状态自动调整：对数据采集单元，冷却单元，吹扫单元工作进行检查与调整，满足所需工作正常；；

S1-1，数据采集单元状态检查：

由于高炉炼钢环境非常复杂恶劣，电弧加热也会导致非常严重的电磁干扰，抗干扰设计与电磁屏蔽设计非常重要，在系统准备阶段应检查该单元部分工作正常，数据质量是否满足后期数据分析的要求。

检查判断信噪比是否满足要求；

S1-2，冷却单元状态检查与调整：

炼钢过程钢水温度一般在1600度左右，而红外测温模块通常固定在钢炉盖观察孔附近，必须通过水冷或其它方式将其工作温度降到100度以下并恒温，这样才能最大程度地保证测量的准确性，冷却单元与模块测温模块互连，通过实时反馈温度及冷却水流量调整，保证测温模块的在设定的恒温状态下控制；

S1-3，吹扫单元状态检查与调整，选择最佳的数据采集频率及数据提取时间窗口，在钢水温度测量过程中除了电磁干扰影响测量信号外，由于钢渣飞溅及烟雾对测量信号的遮挡光路也会影响测量信号的稳定性，因而本发明装置在测温探头上设置了吹扫单元，在沿测量光路方向将钢渣及烟雾吹开以减少该因素的影响；

考虑到钢渣飞溅程度及大小具有一定的随机性且对测量信号的影响是相对低频的，但在一定的时间窗口下它是服从统计分布的(正态分布)，因而在一定的采样频率下可以通过统计学方法对其进行处理，如在时间窗口全体数据中按其分布规律选取其中固定比例的数据进行处理(如出现频率最高的10％的数据或测量值最高的10％的数据)。

合适的采样频率及信号提取时间窗口对数据质量影响很大，合适的采样频率保证了数据的独立性，合适的时间窗口保证了所获取数据满足统计规律，这两个参数可通过试验选择。

其中一个优选的思路是：由于光路遮挡对信号的影响是单向减小的，在气压、气流大到一定程度时，可以将测量光路上的钢渣或雾气全部吹扫干净，在整个测量光路上可以认为没有遮挡，此时获得的检测信号最大，在合适的测量时间窗口范围内，从统计上讲总能获得没有遮挡的信号，该测量值应该最接近实际钢水温度。

S1-3-1：在(0.1～1000Hz)范围内选择采样频率和信号提取时间窗口范围(0.1～600s)；

在S1-3-1范围内所选采样频率及信号提取时间窗口能满足统计数据分析的要求，满足统计数据分析的要求为在该时间窗口内的数据存在比例大于10％，相对偏差小于1％的数值，则认为吹扫单元吹扫效果达到要求，否则调整吹扫流量直到其满足该条件为止；

当吹扫效果满足要求后，认为测量条件具备，所测数据可作为原始测量信号进行后续信号处理；

S1-3-2：在时间窗口内采集所有数据并排序，取其中数值最大比例数据的平均值作为有效测量值；

S1-3-3：选择不同的时间窗口，重复S1-3-1～S1-3-2的操作，获得所有时间窗口的有效测量值：

a)定义采样频率(如1Hz)和信号提取时间窗口(如60秒)

b)在第一时间窗口内采集所有数据(如1～60秒)，提取该时间窗口最大的20％数据的平均值作为第一时间窗口的有效测量值。

c)在第二时间窗口内采集所有数据(如2～61秒)，提取该时间窗口最大的20％数据的平均值作为为第二时间窗口的有效测量值。

d)依次推演获得所有时间点的有效测量数据。

S2，目标识别与初步测温范围定位：

红外测温装置开机初始化后进入目标识别模式，主控模块发送指令调节可调光阑至第目标识别档，开始采集和比对测温模块上传的数据，并在指定范围内进行扫描获得范围内的二维平面温度数据，然后按照目标区域判定标准算法初步选定测量区域；

S2-1，扫描的方式为：

在装置上有两个角度调节装置，分别对应测量平面的X轴维度和Y轴维度，扫描时可以全扫描，x维度从0到θxmax,调整最小步伐为dθx,y维度从0到θymax,调整最小步伐为dθy，扫描包括“几”字形、“8”字形、螺旋形和四叶草形；

S2-2：目标区域判定标准算法为：

S2-2-1：目标测量区域测量数值较钢渣区域温度高；

S2-2-2：在目标测量区域温度相对均匀，角度变化对测量数值影响不大，dS/dθ趋于0，S为测量信号，θ为视角；

S2-2-3：在目标测量区域边界，钢渣与钢水辐射系数不同，所在目标测量区域的范围边界dS/dθ较大；测量光斑(如直径1cm)一般小于测量区域(如直径30cm),在测量区域内温度均匀，测量光斑漂移(对应θ变化)对所测温度影响较小；

利用S2-2的算法确定测量范围，通过X轴和Y轴维度调节角度扫描，只利用测量信号就可初步选定范围测量，相比传统方法利用附加装置(如视觉或激光光斑)进行辅助定位，本发明直接利用测量数据信号特点进行定位，不需要附加装置。

S3，测温点精确定位：

主控模块发送指令调节可调光阑至目标扫描档，同时发送指令至视场调节模块，在S2所选定的测量区域范围内做视场扫描，获取二维平面温度数据，依目标区域判定标准算法确定测量范围，并选择其中点作为温度测量点；

S4，自动对焦和目标测量：

目标测量点确定后，主控模块发送对焦指令到自动对焦模块，实现焦距微调，此时测量信号最大且测量值与对焦距变化不敏感，此时采集测温模块数据，然后按照既定算法进行测温信息的处理，完成目标温度的精确测量。

以上仅是本发明的优选实施方式，只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，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，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明从整体上解决了现有技术中基于热辐射的钢水连续测温仪影响测温准确性及偏差较大的技术问题，通过独特的红外测温装置设计，准确的找到测温目标点，有利于消除不同钢包尺寸及钢水中钢渣的影响，提高测量准确度；通过自动对焦及钢水信号抓取算法，有利于消除钢包中钢水液面变化及炼制时钢渣飞溅的影响，提高测量准确度，实现炼钢过程中钢水温度的准确连续监测。

Claims (5)

1.一种红外测温装置，其特征在于，包括视场调节模块、自动对焦模块、视角调节模块、测温模块、主控模块和辅助模块，所述视场调节模块包括驱动单元和扫描单元，所述自动对焦模块包括透镜单元和透镜控制单元，所述视角调节模块包括可调光阑和光阑控制组件，所述测温模块包括敏感单元和数据采集单元，所述主控单元由高速处理单元组成，所述辅助单元包括冷却单元和视场吹扫单元。

2.根据权利要求1所述的一种红外测温装置，其特征在于，所述可调光阑的孔径包括目标识别档、目标扫描档和目标测量档。

3.根据权利要求2所述的一种红外测温装置，其特征在于，所述目标识别档的孔径大于目标扫描档的孔径，目标扫描档的孔径大于目标测量档的孔径。

4.根据权利要求1所述的一种红外测温装置，其特征在于，所述测温模块的敏感单元设置至少1个参考通道和至少1个测量通道，所述参考通道和测量通道信号归一化后的数据作为目标温度计算的信号。

5.一种红外测温装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：系统状态自动调整：

对数据采集单元，冷却单元，吹扫单元工作进行检查与调整，满足所需工作正常；；

S1-1，数据采集单元状态检查：

检查判断信噪比是否满足要求；

S1-2，冷却单元状态检查与调整：

冷却单元与模块测温模块互连，通过实时反馈温度及冷却水流量调整，保证测温模块的在设定的恒温状态下控制；

S1-3，吹扫单元状态检查与调整，选择最佳的数据采集频率及数据提取时间窗口：

S1-3-1：在(0.1～1000Hz)范围内选择采样频率和信号提取时间窗口范围(0.1～600s)；

在S1-3-1所述范围内所选采样频率及信号提取时间窗口能满足统计数据分析的要求，所述满足统计数据分析的要求为在该时间窗口内的数据存在比例大于10％，相对偏差小于1％的数值，则认为所述吹扫单元吹扫效果达到要求，否则调整吹扫流量直到其满足该条件为止；

当吹扫效果满足要求后，认为测量条件具备，所测数据可作为原始测量信号进行后续信号处理；

S1-3-2：在所述时间窗口内采集所有数据并排序，取其中数值最大比例数据的平均值作为有效测量值；

S1-3-3：选择不同的时间窗口，重复所述S1-3-1～S1-3-2的操作，获得所有时间窗口的有效测量值；

S2，目标识别与初步测温范围定位：

红外测温装置开机初始化后进入目标识别模式，主控模块发送指令调节可调光阑至第目标识别档，开始采集和比对测温模块上传的数据，并在指定范围内进行扫描获得范围内的二维平面温度数据，然后按照目标区域判定标准算法初步选定测量区域；

S2-1，所述扫描的方式为：

在装置上有两个角度调节装置，分别对应测量平面的X轴维度和Y轴维度，扫描时可以全扫描，x维度从0到θxmax,调整最小步伐为dθx,y维度从0到θymax,调整最小步伐为dθy，扫描包括“几”字形、“8”字形、螺旋形和四叶草形；

S2-2：所述目标区域判定标准算法为：

S2-2-1：目标测量区域测量数值较钢渣区域温度高；

S2-2-2：在目标测量区域温度相对均匀，角度变化对测量数值影响不大，dS/dθ趋于0，S为测量信号，θ为视角；

S2-2-3：在目标测量区域边界，钢渣与钢水辐射系数不同，所在目标测量区域的范围边界dS/dθ较大；

利用所述S2-2的算法确定测量范围，通过所述X轴和Y轴维度调节角度扫描，只利用测量信号就可初步选定范围测量；

S3，测温点精确定位：

主控模块发送指令调节可调光阑至目标扫描档，同时发送指令至视场调节模块，在所述S2所选定的测量区域范围内做视场扫描，获取二维平面温度数据，依所述目标区域判定标准算法确定测量范围，并选择其中点作为温度测量点；

S4，自动对焦和目标测量：

目标测量点确定后，主控模块发送对焦指令到自动对焦模块，实现焦距微调，此时测量信号最大且测量值与对焦距变化不敏感，此时采集测温模块数据，然后按照既定算法进行测温信息的处理，完成目标温度的精确测量。

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