JP2022132832A - 炉壁の形状測定装置及び炉壁の形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表示用画像と同一の画像を使用し、比較的小さなデータ処理の負荷で測定を実施する炉壁の形状測定装置を提供する。【解決手段】レーザラインジェネレータと、間隔を空けて配置された２台のカラーカメラと、プロセッサと、を含む表面の温度が７００℃－１０００℃を含む範囲となり得る炉壁の形状測定装置であって、該プロセッサがそれぞれのカラーカメラの画像データから、各画素のＲ値、Ｇ値、及びＢ値のそれぞれに重みを掛けた値を合算した値を各画素の値とするモノクロム画像を生成し、該２台のカラーカメラの画像データから生成されたモノクロム画像を使用して該２台のカラーカメラから該炉壁までの距離を求め、該炉壁の形状を求めるように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、炉壁の形状測定装置及び炉壁の形状測定方法に関する。

炉の内容物により炉壁が１０００℃以上の高温に達する炉においては、高温の内容物によって炉壁が侵食され炉壁の形状が変化する。炉壁の形状が極端に変化すると、炉の破損など重大な事故が生じる恐れがある。したがって、炉壁の形状を高精度で測定することが重要である。

高温に達する炉壁の形状測定を目的として、出願人によってレーザを使用する炉壁の形状測定装置及び炉壁の形状測定方法が開発されている（特許文献１）。

レーザによる測定方法においては、炉壁上にレーザラインを生成し、レーザの波長のフィルタを備えたモノクロムカメラによって炉壁上のレーザラインのモノクロム画像を取得し、そのモノクロム画像を使用して炉壁の形状が測定される。

他方、操作員が炉壁の状態を観察する場合には、モノクロム画像よりも情報量の多いカラー画像が使用される。したがって、レーザラインのモノクロム画像を取得して炉壁の形状を測定する方法においては、炉壁の形状測定に使用される特定の波長のモノクロム画像と操作員の観察用のカラー画像とは異なり、炉壁の形状の測定及び炉壁の表示を実施する際に同一の画像に基づいて一貫した処理を実施することはできない。

他方、炉壁の形状測定にカラー画像を使用するとデータ処理量が膨大となり好ましくない。

このように、表示用画像と同一の画像を使用し、比較的小さなデータ処理の負荷で測定を実施する炉壁の形状測定装置及び炉壁の形状測定方法は開発されていない。

特許6743316号公報

したがって、表示用画像と同一の画像を使用し、比較的小さなデータ処理の負荷で測定を実施する炉壁の形状測定装置及び炉壁の形状測定方法に対するニーズがある。本発明の技術的課題は表示用画像と同一の画像を使用し、比較的小さなデータ処理の負荷で測定を実施する炉壁の形状測定装置及び炉壁の形状測定方法を提供することである。

本発明の第１の態様の炉壁の形状測定装置は、レーザラインジェネレータと、間隔を空けて配置された２台のカラーカメラと、プロセッサと、を含む炉壁の形状測定装置であって、該プロセッサがそれぞれのカラーカメラの画像データから、各画素のＲ値、Ｇ値、及びＢ値のそれぞれに重みを掛けた値を合算した値を各画素の値とするモノクロム画像を生成し、該２台のカラーカメラの画像データから生成されたモノクロム画像を使用して該２台のカラーカメラから該炉壁までの距離を求め、該炉壁の形状を求めるように構成されている。

本態様の炉壁の形状測定装置においては、カラーカメラの画像データから生成されたモノクロム画像を使用して、比較的低温の領域においては該炉壁上に該レーザラインジェネレータによって生成されたレーザラインによって該炉壁上の点が識別され、比較的高温の領域においては該炉壁の表面の温度差による明暗のパターンから該炉壁上の点が識別される。

本態様によれば、カラーカメラの画像データから生成された画像を使用するので表示用画像と同一の画像を使用して炉壁の形状を測定することができる。また、炉壁の形状測定にはモノクロム画像を使用するのでデータ処理の負荷を抑えることができる。

本発明の第１の態様の第１の実施形態の炉壁の形状測定装置において、該レーザラインジェネレータ及び該２台のカラーカメラが炉の中心軸付近に該中心軸の周りに回転可能に取り付けられている。

本実施形態によれば、該レーザラインジェネレータ及び該２台のカラーカメラを該中心軸の周りに回転させることにより炉壁全体の形状を測定することができる。

本発明の第１の態様の第２の実施形態の炉壁の形状測定装置において、該レーザラインジェネレータによって生成されるレーザの波長が緑色の波長範囲である。

緑色の波長範囲において、一般的なカラーカメラの感度が最も高いので、緑色の波長範囲のレーザ光を使用するのが有利である。

本態様の第２の実施形態の炉壁の形状測定装置において、該２台のカラーカメラのそれぞれが減光フィルタと赤外カットフィルタとを備えている。

本発明の第２の態様の炉壁の形状測定方法は、７００℃－１０００℃を含む温度範囲となり得る炉壁の形状測定方法であって、少なくとも１台のレーザラインジェネレータによって該炉壁上にレーザラインを生成するステップと、間隔を空けて配置した２台のカラーカメラによって該炉壁の画像を取得するステップと、プロセッサによって、それぞれのカラーカメラの画像データから、各画素のＲ値、Ｇ値、及びＢ値のそれぞれに重みを掛けた値を合算した値を各画素の値とするモノクロム画像を生成するステップと、該プロセッサによって、該２台のカラーカメラの画像データから生成されたモノクロム画像を使用して該２台のカラーカメラから該炉壁までの距離を求め、該炉壁の形状を求めるステップと、を含む。

本態様の炉壁の形状測定方法においては、カラーカメラの画像データから生成されたモノクロム画像を使用して、比較的低温の領域においては該炉壁上に該レーザラインジェネレータによって生成されたレーザラインによって該炉壁上の点が識別され、比較的高温の領域においては該炉壁の表面の温度差による明暗のパターンから該炉壁上の点が識別される。

本態様によれば、カラーカメラの画像データから生成された画像を使用するので表示用画像と同一の画像を使用して炉壁の形状を測定することができる。また、炉壁の形状測定にはモノクロム画像を使用するのでデータ処理の負荷を抑えることができる。

本発明の炉壁の形状測定装置の構成を示す図である。 ２台のカラーカメラと、レーザラインジェネレータと、を炉に設置した状態を示す図である。 ２台のカメラによる炉壁の形状測定の原理を説明するための図である。 フィルタを備えた一方のカラーカメラによる、バッチ処理直後の炉壁の画像を示す図である。 上記のカラーカメラによる、バッチ処理後の補修作業によってスラリー状の耐火物を吹き付けた後の炉壁の画像を示す図である。 本発明による炉壁の形状測定方法を説明するための流れ図である。 図６のステップＳ１０３０を説明するための図である。 定期修理後の製鋼用電気炉の上面図である。 定期修理後の製鋼用電気炉の側面図である。 バッチ処理後の製鋼用電気炉の上面図である。 バッチ処理後の製鋼用電気炉の側面図である。

図１は、本発明の炉壁の形状測定装置１００の構成を示す図である。本発明の炉壁の形状測定装置は、２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂと、レーザラインジェネレータ１２０と、プロセッサ１３０と、を含む。カラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂには、それぞれフィルタ１１１Ａ及び１１１Ｂが備わる。

図２は、２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂと、レーザラインジェネレータ１２０と、を炉２００に設置した状態を示す図である。図２は、炉２００の平面図と炉の中心軸ＡＸを含む断面図とを含む。図２に示した炉２００は製鋼用の電気炉である。炉２００は、図２に示す中心軸ＡＸの周りにほぼ軸対称で凹面の炉壁２１０を有する。２台のカラーカメラ１１０Ａ、１１０Ｂ及びレーザラインジェネレータ１２０は、中心軸ＡＸ付近に中心軸ＡＸの周りに回転可能に設置される。レーザラインジェネレータ１２０は、中心軸ＡＸを含む平面及び炉壁２１０の表面のほぼ交線上にレーザラインを生成するように設置される。カラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂは、図２の平面図に示すように、２台のカメラの互いに平行な視野中心軸と垂直な方向に間隔を空けて炉の中心軸ＡＸ付近に配置され、炉壁２１０の画像を取得する。カメラ１１０Ａ及びカメラ１１０Ｂが配置された炉の中心軸ＡＸ付近の位置を測定点と呼称する。図２に２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂのカメラ視野並びにレーザラインの描画範囲を破線で示す。２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂと、レーザラインジェネレータ１２０とを中心軸ＡＸの周りに回転させることによって、炉壁２１０の全範囲がレーザラインによって走査され、また炉壁の２１０の全範囲のレーザラインを含む画像が取得される。

図２に示した炉の半径は３メートル、 炉底を基準としてカラーカメラ１１０Ａ、１１０Ｂ及びレーザラインジェネレータ１２０の設置面の高さは４．３メートル、炉壁面に沿ったレーザラインの長さは約４メートルである。また、２台のカラーカメラ間の間隔は０．５メートルである。

図３は、２台のカメラによる炉壁の形状測定の原理を説明するための図である。２台のカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂによって炉壁上の点P１を測定した場合の視差は、θ１＋φ１である。炉壁２１０の位置が損耗などによって変化した後に炉壁上の点P２を測定した場合の視差は、θ２＋φ２である。２台のカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂの間隔及び視差から三角測量によって２台のカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂから炉壁２１０上の任意の点までの距離を求めることができる。測定点から炉壁２１０上の任意の点までの距離が求まれば、炉壁の形状を求めることができる。

ところで、測定点から炉壁上の点までの距離を視差によって求めるためには、２台のカメラによって取得された炉壁の画像において当該炉壁上の点が認識される必要がある。仮に炉壁の面が滑らかであればその画像は一様となり、画像において炉壁上の点を識別することはできない。この結果、２台のカメラの炉壁の画像を使用して当該点までの距離を測定することはできない。

ここで、本発明が適用される対象の一例である製鋼用電気炉について説明する。なお、本発明の対象は一般的に７００℃―１０００℃を含む広い温度範囲となり得る炉壁であり、製鋼用電気炉の炉壁に限定されない。

原料のスクラップ及び副原料の石灰石が投入された製鋼用の電気炉は鉄の溶融温度まで加熱される。電気炉内のスクラップは溶鋼となる。電気炉内においてスクラップ中の不純物を吸収した石灰石によってスラグが生成される。スラグは、溶鋼よりも比重が小さいので電気炉内において不純物が除かれた溶鋼上に浮上する。スラグと溶鋼は電気炉から別々に取り出される。製鋼用の電気炉においては、原料及び副原料の投入からスラグ及び溶鋼の取り出しまでのバッチ処理が繰り返される。炉壁は耐火物によって覆われているが、上記のバッチ処理が繰り返されることにより炉壁の耐火物は損耗し炉壁の形状は変化する。炉壁の局所的な損耗が進行すると重大な事故が発生する危険がある。炉壁の局所的な損耗を防止するために、バッチ処理の合間に、炉壁の形状を観察し、損耗が大きな箇所に補修機によってスラリー状の耐火物を吹き付ける炉壁の補修作業が実施される。この場合に局所的な損耗を防止するための炉壁の補修作業を適切に実施するためには、炉壁の形状を高精度で測定する必要がある。

製鋼用の電気炉はバッチ処理が繰り返され所定の期間使用された後、操業を停止した状態で修理が実施される。この修理は定期修理と呼称され、定期修理によって電気炉の耐火物は基準状態に復元される。定期修理後の炉壁の形状を基準の形状としてバッチ処理の合間に測定した炉壁の形状に基づいて炉壁の補修作業を実施してもよい。

定期修理後の炉壁の温度は常温である。バッチ処理直後の炉壁の温度は１６５０℃に達する。また、バッチ処理後の補修作業によってスラリー状の耐火物を吹き付けたのちの炉壁の温度は常温に近くなる。したがって、炉壁の形状測定装置は常温から１６５０℃までの温度範囲で炉壁の形状を測定することができるのが好ましい。

通常のカラーカメラの画像は対象が１０００℃を超える高温となるとハレーションによって対象の色及び濃淡の差を明確に識別することができない。したがって、対象が高温の炉壁である場合に炉壁上の点を明確に識別することはできないので、カラーカメラの画像を使用して炉壁の形状（測定点から炉壁までの距離）を求めることはできない。

そこで、本発明のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂは、それぞれフィルタ１１１Ａ及び１１１Ｂを備える。フィルタ１１１Ａ及び１１１Ｂは、減光フィルタ及び赤外カットフィルタを含む。減光フィルタ及び赤外カットフィルタによってハレーションを防止することができる。

図４は、フィルタを備えた一方のカラーカメラによる、バッチ処理直後の炉壁の画像を示す図である。この場合の炉壁の温度は１０００℃以上である。

図４に示す炉壁は高温であるので、図４の画像において高温の炉壁の放射による色及び濃淡の差によって生じるパターンをはっきり識別することができる。したがって、２台のカメラによる画像において上記のパターンによって炉壁上の点を識別し、２台のカメラによる画像から炉壁の形状（測定点から炉壁までの距離）を求めることができる。他方、図４の画像において炉壁上に生成されたレーザラインは識別できない。

図５は、上記のカラーカメラによる、バッチ処理後の補修作業によってスラリー状の耐火物を吹き付けた後の炉壁の画像を示す図である。上述のようにこの場合の炉壁の温度は常温に近い。

図５に示す炉壁は常温に近いので、図５の画像において炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンは識別することはできないが、レーザラインは鮮明に識別することができる。したがって、２台のカメラによる画像においてレーザラインによって炉壁上の点を識別し、２台のカメラによる画像から炉壁の形状（測定点から炉壁までの距離）を求めることができる。

一般的に、７００℃以上の場合など炉壁の温度が比較的高い場合には、炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンによって炉壁上の点が識別される。７００度未満の場合など炉壁の温度が比較的低い場合には、炉壁上に描画されたレーザラインによって炉壁上の点が識別される。このように本発明による炉壁の形状測定方法によれば、常温から１６５０℃までの広い温度範囲の炉壁の形状を高精度に測定することができる。

レーザの波長は緑色の波長域とするのが好ましい。一例としてレーザの波長は５２０ナノメータである。レーザの波長を緑色の波長域とする理由は、一般的なカラーカメラの感度がこの波長域で最も高いからである。

図６は本発明による炉壁の形状測定方法を説明するための流れ図である。

図６のステップＳ１０１０において、レーザラインジェネレータ１２０によって炉壁２１０上にレーザラインを生成する。

図６のステップＳ１０２０において、２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂによって炉壁２１０の画像を取得する。

図６のステップＳ１０３０において、２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂのカラーの画像データからモノクロム画像を生成する。ステップＳ１０３０の詳細については後で説明する。

カラー画像から生成したモノクロム画像を使用する理由は以下のとおりである。第一に、カラー画像の大量の情報を活用できる。第二に、カラーカメラの画像データの各画素のＲ値、Ｇ値、及びＢ値のそれぞれに重みを掛けることにより、炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンによって炉壁上の点を識別しやすくするように画像を調整ができる。第三に、最終的にモノクロム画像とすることによってデータ処理の負荷を低減できる。

カラー画像から生成したモノクロム画像を使用することにより、炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンを高い精度で識別することができる。他方、モノクロムカメラによるモノクロム画像では炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンを高い精度で識別することができない。

なお、カラーの画像データからからモノクロム画像を生成する方法は、本出願の出願人による特願2020-003664号（特許6734999号）に説明されている。

図７は、図６のステップＳ１０３０を説明するための図である。

図７のステップＳ２０１０において、プロセッサ１３０は２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂから画像の各画素のＲＧＢ値から構成される画像データを受け取りメモリに記憶する。プロセッサ３１０は画像データからＲ画像データ、Ｇ画像データ及びＢ画像データを生成する。Ｒ画像データ、Ｇ画像データ及びＢ画像データは、各画素の値が、それぞれＲの値、Ｇの値及びＢの値であるデータである。ＲＧＢ値を含むカラー画像の画素のデータ量が２４ビットであるのに対し、Ｒ画像、Ｇ画像及びＢ画像の各画素のデータ量は８ビットである。

図７のステップＳ２０２０において、プロセッサ１３０は、各画素のＲ値、Ｇ値、及びＢ値のそれぞれに重みｃ１、ｃ２及びｃ３を掛けた値を合算した値を各画素の値とするモノクロム画像を生成する。画像内の画素の位置を(i,j)で表し、Ｒ画像、Ｇ画像、Ｂ画像及びモノクロム画像の(i,j)の位置の画素値をそれぞれ R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)及びM(i,j)で表すと以下の関係が成立する。

M(i,j)=c1・R(i,j)＋c2・G(i,j)＋c3・B(i,j)

ここで、c1、c2及びc3の和は１．０である。プロセッサ３１０に接続されたディスプレイ３２０に生成されたモノクロ画像を表示させて観察しながらモノクロ画像ができるだけ鮮明になるようにc1、c2及びc3の値を定める。c1、c2及びc3の値は、それぞれ０から０．８の範囲である。一例として、c1、c2及びc3の値は、それぞれ０．２，０．５及び０．３である。

他の実施形態において、c1、c2及びc3の和は１．０であり、c1、c2及びc3の値は、それぞれ０から０．８の範囲である場合に、c1、c2及びc3のそれぞれの値をＲ値の関数、Ｇ値の関数、Ｂ値の関数またはＲ値、Ｇ値、及びＢ値の合計値の関数として定めてもよい。

一般的にc1、c2及びc3の和は正の定数であればよい。該正の定数をc0とすると、c1、c2及びc3の値は、それぞれ０から0.8×c0の範囲である。

図６のステップＳ１０４０において、２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂの画像データから生成されたモノクロム画像を使用して測定点から炉壁までの距離を求める。

２台のカラーカメラ１１０Ａ及び１１０Ｂと、レーザラインジェネレータ１２０とを中心軸ＡＸの周りに回転させながら図６のステップＳ１０１０―Ｓ１０４０を繰り返すことによってほぼ炉の中心軸ＡＸ上の測定点から炉壁上の各点までの距離が求まり炉壁全体の形状を求めることができる。

図８は定期修理後の製鋼用電気炉の上面図である。

図９は定期修理後の製鋼用電気炉の側面図である。

図８及び図９において、図６に示した方法にしたがって求めた測定点から炉壁までの距離を濃度によって示している。濃度の高い箇所は測定点からの距離が大きい。

図８及び図９は定期修理後で炉壁がほぼ常温の状態を示す。したがって、図８及び図９に示す炉壁の形状（測定点から炉壁までの距離）は、主にレーザラインによって炉壁上の点を識別することによって測定されたものである。

図１０はバッチ処理後の製鋼用電気炉の上面図である。

図１１はバッチ処理後の製鋼用電気炉の側面図である。

図１０及び図１１において、図６に示した方法にしたがって求めた、カメラ１１０Ａ及びカメラ１１０Ｂが配置された測定点から炉壁までの距離を濃度によって示している。濃度の高い箇所は測定点からの距離が大きい。図８と図１０及び図９と図１１をそれぞれ比較すると、図１０において濃度の高い部分が図８よりも増加し、図１１において濃度の高い部分が図９よりも増加している。このように炉壁の少なくとも一部において、バッチ処理後の炉壁の測定点からの距離は、定期修理後の炉壁の測定点からの距離よりも大きくなっている。

図１０及び図１１はバッチ処理直後で炉壁が１０００℃以上の高温の状態を示す。したがって、図１０及び図１１に示す炉壁の形状（測定点から炉壁までの距離）は、主に炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンによって炉壁上の点を識別することによって測定されたものである。

上述のように本発明によれば、カラーカメラの画像データから生成された画像を使用するので表示用画像と同一の画像を使用して炉壁の形状を測定することができる。さらに、本発明は、レーザラインの画像をモノクロムカメラで取得する方法と比較して以下のその他の利点も有する。第一に、バッチ処理の間に比較的温度の高い炉壁を短時間で測定するには、画像処理量の観点から、レーザラインによるよりも炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンによって炉壁上の点を識別する方が有利である。その理由は、炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンによって炉壁上のある領域の全ての点を識別するために必要な画像数は、レーザラインに同一の領域の全ての点を識別するために必要な画像数よりも少ないからである。第二に、炉壁の色及び濃淡の差によって生じるパターンによって炉壁上の点を識別する場合には、炉壁上の一つの点を繰り返し測定することによってノイズを削減し測定精度を向上させることが期待できる。

Claims (5)

1. レーザラインジェネレータと、間隔を空けて配置された２台のカラーカメラと、プロセッサと、を含む炉壁の形状測定装置であって、該プロセッサがそれぞれのカラーカメラの画像データから、各画素のＲ値、Ｇ値、及びＢ値のそれぞれに重みを掛けた値を合算した値を各画素の値とするモノクロム画像を生成し、該２台のカラーカメラの画像データから生成されたモノクロム画像を使用して該２台のカラーカメラから該炉壁までの距離を求め、該炉壁の形状を求めるように構成された炉壁の形状測定装置。
2. 該レーザラインジェネレータ及び該２台のカラーカメラが炉の中心軸付近に該中心軸の周りに回転可能に取り付けられた請求項１に記載の炉壁の形状測定装置。
3. 該レーザラインジェネレータによって生成されるレーザの波長が緑色の波長範囲である請求項１または２に記載の炉壁の形状測定装置。
4. 該２台のカラーカメラのそれぞれが減光フィルタと赤外カットフィルタとを備えた請求項１から３のいずれかに記載の炉壁の形状測定装置。
5. ７００℃－１０００℃を含む温度範囲となり得る炉壁の形状測定方法であって、
   少なくとも１台のレーザラインジェネレータによって該炉壁上にレーザラインを生成するステップと、
   間隔を空けて配置した２台のカラーカメラによって該炉壁の画像を取得するステップと、
   プロセッサによって、それぞれのカラーカメラの画像データから、各画素のＲ値、Ｇ値、及びＢ値のそれぞれに重みを掛けた値を合算した値を各画素の値とするモノクロム画像を生成するステップと、
   該プロセッサによって、該２台のカラーカメラの画像データから生成されたモノクロム画像を使用して該２台のカラーカメラから該炉壁までの距離を求め、該炉壁の形状を求めるステップと、を含む炉壁の形状測定方法。

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