专利名称：一种在线测量高炉料面的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及高炉测量领域，更具体是涉及一种在线测量高炉料面的系统和方法。
背景技术：
冶炼高炉通常在封闭状态下运行，并且具有高温、高压、高粉尘、高湿度等炉内环境。因此，操作人员无法直接观测到炉内信息，如炉料的料面、装料过程、炉内设备运行状态等，而只能通过温度、压力、流量等常规检测仪表的数值来进行推断。为了获取所需的炉内信息，人们已经利用红外扫描和微波扫描等手段来探测高炉内部，但是这些探测手段需要使用复杂的探测和接受装置并且还需要复杂的计算系统来处理所获取的探测数据。另外，这些探测手段所获得探测数据均为距离信息，需要将这些距离信息重建为模拟的图像信息，并不能直接获得“所见即所得”的观测图像。本申请的发明人在中国专利ZL02121M8. 0和ZL200310122476. 4提出了红外摄像的探测装置，其通过拍摄高炉炉料自身所发出的红外光来获得观测图像。但是在装料过程和炉料温度较低的状态下，红外光强度弱，就无法获取清晰的红外图像，从而无法实时探测炉内信息。因此，这种类型的探测装置只能在特定的时间和条件下工作。本申请的发明人在中国专利ZL200610089415. 6中曾创造性地利用激光探测装置来获取炉内信息。在该专利中，多根激光束同时在炉内空间传播，并组成一个平面扇形束 (或者两个相互交叉的平面扇形束)；并且用摄像仪来拍摄激光传播图案。这样，当炉内设备如布料设备穿过该扇形束时则会阻断激光束的传播，从而改变激光图案(即，利用激光图案进行示踪)，这就可以从摄像仪所拍摄的图像中获得炉内设备的运行情况。当所装炉料穿过该扇形束时也会产生类似效果，从而获得炉内装料状况。值得注意的是，该中国专利ZL200610089415. 6也可用于获得炉内炉料的料面信息(如位置和/或形状)。当平面扇形束中的各根激光束入射到高炉的料面上时，每一激光束在料面上的终点则对应该料面的一个实际探测点。在用摄像仪拍摄的炉内图像中，这个终点(实际探测点)会表现为一个激光“亮点”。多根激光束在料面上的终点则对应为图像中多个离散的亮点。摄像仪拍摄包含这些亮点的图像，一方面可以直接将图像输出至显示装置，操作人员通过观测所拍摄的图像中的亮点分布即可获知当前料面的形状和位置(也就是“所见即所得”)；另一方面可以用计算机提取图像中的亮点位置，并结合摄像仪的位置和拍摄角度信息，来计算各亮点在炉内所对应的实际位置，而且还可进一步应用拟合算法将这些离散的点拟合成一条连续的料面形状曲线，并输出至显示装置。进一步分析可知，中国专利ZL200610089415. 6实际上是利用对摄像仪可见的、高穿透性的激光来“照亮”高炉内部，当然，由于激光良好的方向性，所“照亮”的部分仅呈现为传播路径中的线和点。由于这种“照亮”，所以操作人员可以通过摄像仪以一种“所见即所得”的方式来观测炉内信息。这显然不同于之前的利用测距方式的的探测手段。另一中国专利ZL200710005609. 8也公开了一种利用激光来测量高炉料面形状的方法。其利用的是激光测距原理，通过测量从发射激光到接收反射激光之间的时间差来计算料面上各个测量点的距离信息，从而获得料面形状。该专利并没有用摄像仪等仪器来获取前述的用激光照亮的“亮点”图像，因此也无法通过“所见即所得”的方式来观测炉内信息。该专利的方法原理实际上与前面描述的其它用微波等测距探测手段类似。再回到中国专利ZL200610089415. 6中的激光探测装置。在该装置中，为了获取足够的探测信息，其每一个平面扇形束中需要包含足够多数量的激光束，例如通常需要10根或以上的激光束，这样才能在炉内空间形成较为密集的激光图案(对于探测炉内设备运行情况和装料过程)且在料面上形成较为密集的亮点(对于探测料面信息)。这样就需要该装置具有相应数量的激光器。使用如此多数量的激光器一方面会使得装置成本非常高，另一方面，使用这么多激光器会使得装置的体积非常大，对该装置进行防护以使其能在高温、 高压、高粉尘、高湿度的恶劣炉内环境中长时间正常运行也是一件困难的事情。进一步，对于探测料面信息来说，每一根激光束在料面上的“亮点”对应于一个实际探测点，而料面上除实际探测点之外的各个位置是没有探测的，或者是通过后期的图像处理用算法拟合的。 如果想获取更接近实际情况的探测结果，则需要更多的实际探测点，对于该装置来说，这只能通过增加更多的激光器来实现。很容易理解，该装置的激光器数量并不能无限制地增加， 因此，该装置在料面上获取的实际探测点只能有限度地增加。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的一个或多个缺陷，从而提供一种在线测量高炉料面的系统和方法。根据本发明的一个方面，提供了一种在线测量高炉料面的系统，用于探测高炉内的料面信息，该系统包括设置在料面上方的激光器，该激光器发出的激光束能够对所述料面的至少一部分进行连续扫描；摄像仪，用于拍摄料面图像，所述料面图像包含所述激光束入射到料面上形成的探测点图案；图像处理装置，所述图像处理装置接收从所述摄像仪输出的所述料面图像，并输出所述料面信息。根据本发明的另一方面，提供了一种在线测量高炉料面的方法，用于探测高炉内的料面信息，包括用激光束对高炉内的料面的至少一部分进行连续扫描；所述激光束入射到所述料面上形成探测点图案；获取所述料面的料面图像，所述料面图像包含所述探测点图案；根据所述料面图像获取料面信息。本发明具有如下有益效果1)相比于中国专利ZL200610089415. 6，本发明的在线测量高炉料面的系统和方法所能获取的料面实际探测点的数量仅受激光扫描速度和摄像仪的采样频率的限制，而与所采用的激光器的数量无关。这一方面可以大大降低系统成本，另一方面，通过获取极大量的实际探测点，也能获取对应的大量实际探测数据，这样，不论是通过“所见即所得”的料面图像还是通过所生成的料面形状曲线，都可以获得更符合实际的料面信息。2)相比于中国专利ZL200610089415.6，本发明的在线测量高炉料面的系统可以使用较少数量的激光器(甚至一个激光器)，因此在系统的小型化方面更具优势，且能够简化激光器防护措施。
图1是按照本发明的第一实施方式的示意图；图2是按照本发明的第二实施方式的示意图；图3是按照摄像仪获取的料面图像生成的料面形状曲线的一个示例。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进一步详细说明。参见图1，高炉1总体上为沿中心轴线L成中心对称的形状，其内的炉料的料面2 通常也呈现为沿中心轴线L成大致中心对称的形状。在图1的剖视图中，这种中心对称呈现为沿轴线L的左右轴对称。在图1所示的实施方式中，本发明的在线测量高炉料面的系统包括设置在料面2 上方的一个激光器3和一个摄像仪5。激光器3和摄像仪5在高炉1上的位置和/或设置方式可以采用常规的方式，如参考中国专利ZL200610089415. 6中那样。激光器3发出一根激光束4，该激光束4对于摄像仪5来说是“可见”的。需要注意的是，这里所说的对摄像仪“可见”的意思是所使用的摄像仪3的感光元件对于激光束 4的频率是敏感的，即摄像仪3可以捕获该频率的光线。在实际应用中，激光束4本身可以是可见激光，也可以是红外激光、紫外激光等不可见激光。通过适当设置激光器3，使得该激光束4能够对料面2的至少一部分或全部进行连续扫描。在图1的示例中，激光器3设置在高炉1的炉壁中。标号4所指向的实线表示激光束4的当前位置，其它用虚线画出的激光束表示激光束4进行扫描时所可能经过的示例性位置，而位于箭头A两个端部处的实线则表示激光束4扫描范围的边界位置。在一种实施方式中，激光器3设置成可绕一枢转轴进行枢转，使得激光束3可以沿方向A对料面2进行扫描。在另一种实施方式中，激光器3可以是带有激光偏转装置的激光扫描仪。在这种激光扫描仪中，激光入射到偏转装置(如反射镜或棱镜)，通过转动偏转装置来改变出射激光的角度，使得激光束3可以沿方向A对料面2进行扫描。在又一种未示出的实施方式中，激光器可以设置在炉内料面上方的一个横梁上，激光器通过在横梁上移动或者由横梁带动激光器移动而对料面2进行扫描。在图1所示出的示例中，激光束3 沿方向A转动沿一条直线路径(例如高炉2的一条直径)对料面2进行扫描，在其它的实施方式中，激光束3也可以沿其它的预定路径对料面2进行扫描。摄像仪5用于拍摄料面2的料面图像，该料面图像实际上是由按时间顺序获得的一系列帧图像组成，并且包含激光束4入射到料面2上形成的探测点图案。激光束4在对料面2进行扫描时，激光束4在料面2上的终点所形成的探测点图案在料面图像的帧图像中表现为一个亮点4’，这个亮点4’也就是激光束4在料面2上的实际探测点。在扫描过程中，该亮点4’随着激光束4的连续移动而在料面2上连续移动，从而形成扫描的轨迹。
为了使得摄像仪5所拍摄的料面图像能够反映料面的形状变化，摄像仪5应设置在激光束4的扫描轨迹所在平面之外并有一定角度。如图1所示，摄像仪5可以设置在与激光束4的扫描轨迹所在平面相面对的炉壁处。摄像仪5可以将料面图像输出到高炉2外部的图像处理装置(未示出)中。按照本发明，图像处理装置能够采用多种方式处理该料面图像。在一种方式中，该图像处理装置可以包括一个显示器，料面图像可以直接经由显示器显示给操作员。这样，随着激光束4的连续扫描，在显示器中可以看到不断行进的亮点 4’。操作员通过观测料面图像中亮点4’的位置移动即可了解当前的料面信息，如料面的形状和/或位置。在另一种方式中，图像处理装置还可以包括计算处理系统，该计算处理系统实时接收料面图像，并将所接收的当前帧图像与之前已接收的帧图像进行叠加，并通过显示器实时显示所叠加形成的图像。这样，随着激光束4的连续扫描，可以在显示器中实时地看到由多帧图像中的多个亮点4’组成的图案。如果摄像仪5的采样频率足够高的话，在显示器中可以实时地看到由多帧图像中的亮点4’形成的一条不断延伸的料面形状曲线。当激光束4是沿一条直线路径对料面进行扫描时，所叠加形成的图像为料面2沿该条直线路径的料面形状曲线。在又一种方式中，该图像处理装置的计算处理系统可以对料面图像进行处理，获取每一帧图像或者选定的多帧图像中的亮点位置信息，并可以结合激光器的扫描方向和速度、摄像仪的位置和角度信息等参数，计算获得各帧图像中的亮点4’所对应的料面信息数据。该料面信息数据可包括所处理的该帧图像中的亮点4’所代表的实际探测点的实际位置数据。该计算处理系统还可以将计算获得的料面信息数据生成为料面形状曲线，并输出到输出装置如显示器中。按照这种方式所生成的料面形状曲线的一个示例如图3所示。需要注意的是，这种处理方式也是可以以实时的方式进行的。计算处理系统实时计算处理当前帧图像，并获得当前帧图像中的亮点4’的料面信息数据，并利用从当前帧图像及之前的帧图像获得的料面信息数据实时生成料面形状曲线。这样，当将所生成的料面形状曲线实时地输出到显示器时，可以看到，随着激光束4的连续扫描，显示器会显示由多个实际探测点组成的图案。如果摄像仪5的采样频率足够高的话，在显示器中可以实时地看到由多个实际探测点形成的一条不断延伸的料面形状曲线。可以理解的是，由于激光束4对料面2进行连续扫描，那么摄像仪5所能拍摄到的实际探测点(亮点4’)的数量仅受到激光扫描速度和摄像仪的采样频率。例如，对于某一段连续扫描轨迹，激光束4在1秒的时间内经过0. 5米的水平距离，而摄像仪的采样频率为 24帧/秒，那么在这0. 5米的距离内将会拍摄到M个实际探测点。摄像仪以M帧/秒采集的图像如果直接通过显示器显示，操作员将会看到亮点连续移动的扫描图像。如果通过计算处理系统来生成料面图像，计算处理系统所能利用的实际探测点数量也远远超过中国专利ZL200610089415. 6中描述的方式，从而能够生成出与实际料面情况更相符的图像。图2示出了本发明的第二实施方案的示意图。在图2中，本发明的在线测量高炉料面的系统包括两个激光器3和3’，这两个激光器沿着高炉2的直径相对设置。如图2所示，当由于料面2的形状原因，使得激光器3存在扫描死角时(如激光器3，的激光束6的当前扫描位置所对应的亮点6’处)，则可用激光器3’来扫描获取亮点6’及其附近的探测点。另外，也可能由于激光器功率限制，激光器3的照亮距离不能满足扫描整个料面的需求，这样通过设置激光器3’，则可分别扫描与其相邻的一部分料面(如直至扫描到料面的中心附近)，从而一起完成整个料面的扫描。在一种实施方式中，激光器3和3’可以在不同时间对料面2进行扫描，此时，摄像仪5获得的料面图像中将含有一个亮点4’或6’。在另一种实施方式中，激光器3和3’也可以同时对料面2进行扫描，此时，摄像仪5获得料面图像中将同时含有两个亮点4’和6’。在图2的实施方案中，激光器和摄像仪的设置方式以及图像处理装置对料面图像的处理方式均可以采用与图1的实施方案相同的方式。本领域技术人员可以理解，本发明的在线测量高炉料面的系统还可以包括其它数量以及以其它方式布置的激光器，只要这些激光器是以扫描方式工作，并且摄像仪能够获得“所见即所得”的料面图像，则均在本申请的意图涵盖范围之内。
权利要求
1.一种在线测量高炉料面的系统，用于探测高炉内的料面信息，该系统包括设置在料面上方的激光器，该激光器发出的激光束能够对所述料面的至少一部分进行连续扫描；摄像仪，用于拍摄料面图像，所述料面图像包含所述激光束入射到料面上形成的探测点图案；图像处理装置，所述图像处理装置接收从所述摄像仪输出的所述料面图像，并输出所述料面信息。
2.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述料面信息包括料面形状曲线。
3.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述激光器设置成可绕一枢转轴进行枢转，或者所述激光器为带有激光偏转装置的激光扫描仪。
4.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述激光器设置在高炉内的横梁上，所述激光器通过在横梁上移动或者由横梁带动激光器移动而对料面进行扫描。
5.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，该系统包括一个所述激光器。
6.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，该系统包括设置在不同位置的多个所述激光器。
7.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，该系统包括沿所述高炉的直径方向相对设置的两个所述激光器。
8.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述图像处理装置包括显示装置，所述显示装置直接显示所述料面图像。
9.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述料面图像由按时间顺序获得的一系列帧图像组成，所述图像处理装置包括计算处理系统，所述计算处理系统实时接收所述料面图像，并将所接收的当前帧图像与之前已接收的帧图像叠加；显示装置，所述显示装置实时显示所叠加形成的图像。
10.根据权利要求9所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述的叠加形成的图像包含由探测点图案组成的料面形状曲线。
11.根据权利要求1所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述图像处理装置包括计算处理系统，所述计算处理系统用于计算处理所述料面图像并获得与探测点图案对应的料面信息数据。
12.根据权利要求11所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述图像处理装置还包括输出装置，所述计算处理系统还利用所述料面信息数据生成料面形状曲线并输出至输出装置。
13.根据权利要求11所述的在线测量高炉料面的系统，其特征在于，所述料面图像由按时间顺序获得的一系列帧图像组成，所述计算处理系统实时计算处理当前帧图像，并获得当前帧图像中的探测点图案的料面信息数据；并且，所述计算处理系统利用从当前帧图像及之前的帧图像获得的料面信息数据实时生成料面形状曲线。
14.一种在线测量高炉料面的方法，用于探测高炉内的料面信息，包括用激光束对高炉内的料面的至少一部分进行连续扫描；所述激光束入射到所述料面上形成探测点图案；获取所述料面的料面图像，所述料面图像包含所述探测点图案；根据所述料面图像获取料面信息。
15.根据权利要求14所述的在线测量高炉料面的方法，其特征在于，所述料面信息包括料面形状曲线。
16.根据权利要求14所述的在线测量高炉料面的方法，其特征在于，所述料面图像直接输出至显示装置。
17.根据权利要求14所述的在线测量高炉料面的方法，其特征在于，所述料面图像由按时间顺序获得的一系列帧图像组成，实时地将当前帧图像与之前的帧图像叠加，并实时地将所叠加形成的图像输出至显示装置。
18.根据权利要求17所述的在线测量高炉料面的方法，其特征在于，所述的叠加形成的图像包含由探测点图案组成的料面形状曲线。
19.根据权利要求14所述的在线测量高炉料面的方法，其特征在于，计算处理所述料面图像，以获得与探测点图案对应的料面信息数据，并利用所述料面信息数据生成料面形状曲线并输出至输出装置。
20.根据权利要求19所述的在线测量高炉料面的方法，其特征在于，所述料面图像由按时间顺序获得的一系列帧图像组成，实时地计算处理当前帧图像，并获得当前帧图像中的探测点图案的料面信息数据；并且，利用从当前帧图像及之前的帧图像获得的料面信息数据实时生成料面形状曲线。
全文摘要
本发明公开了一种在线测量高炉料面的系统和方法，用于探测高炉内的料面信息。该系统包括设置在料面上方的激光器，该激光器发出的激光束能够对料面的至少一部分进行连续扫描。摄像仪用于拍摄料面图像，料面图像包含激光束入射到料面上形成的探测点图案。图像处理装置接收从所述摄像仪输出的所述料面图像，并输出所述料面信息。相比于现有技术，本发明可以大大降低系统成本，而且通过获取极大量的实际探测点，可以获得更符合实际的料面信息。而且，本发明的在线测量高炉料面的系统可以使用较少数量的激光器(甚至一个激光器)，因此在系统的小型化方面更具优势，且能够简化激光器防护措施。
文档编号C21B7/24GK102382918SQ20111030710
公开日2012年3月21日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者赵承平, 高征铠, 高永 , 高泰, 高茜 申请人:赵承平, 高征铠, 高永 , 高泰, 高茜