对危险严峻空间或具有恶劣环境条件的空间进行检查或可操作观察的方法和设备与流程

本发明涉及设施或设备领域，其中用于操作目的的维护、修理或监督的直接目视检查不能实现，由于它们对于人类存在不可接近，或由于几何形状、高温、有毒环境、照明或所述设备或设备的其他危险状况而可能是危险的。

背景技术

有一定数量的设施或设备需要目视检查(例如墙壁或内装物、一般的磨损等)；然而，由于恶劣或侵蚀性的环境条件或由于暴露于人类在进入所述恶劣环境时可能遭受的危险而不能直接实现。

可应用本发明的设施或设备的实例是炼钢电炉、气体加热炉、焦炉、玻璃熔化炉、热气堆、核电站、建筑物或房间着火、再热炉、可能有毒性条件的封闭区域等等。这些设施或设备需要对其状况进行周期性目视检查(例如，在涂有耐火材料的情况下，为了确定由于其正常运作而导致的涂层的磨损程度)，并且如果必要的话，进行必要的修理，以避免造成严重的损失，或者造成扩大的和意想不到的巨大停工期并产生相应的生产损失。

现有技术中已知，即使具有保护系统(例如，用于保护摄像机免受高温的冷却系统)，照相机在恶劣环境即具有温度特性和/或例如在钢铁生产炉中对人类有害或危险的大气污染物的恶劣环境中的存在时间是有限的，因此需要一种能够在极短时间内产生环境的详细视图的控制系统，但是具有特定的细节和视觉幅度，以便操作者和/或维护人员作出可能导致停机从而对所监控的设备进行修理或维护或继续进行生产的决定。

同样已知的是，具有安装在可移动基座上的照相机而使得可以通过不同方向上的遥控来移动-例如通过机器人或ptz(摇摄-倾斜-变焦)系统的显示系统是不实用的，因为检查的时间有时非常短，并且该装置的有限视野在已经有限的检查时间中施加约束，因为操作者必须手动指引照相机寻找故障，并且还因为移动相机系统的部件和机械/电气部件由于高温、多尘环境或更一般地由于这种环境的侵蚀性条件而倾向于劣化。

已知的做法还提供了使用在非操作时间间隔期间使用的常规照相机(固定和可移动照相机)或通过具有有限观察角度的小窥视窗和短期评估或使用可在不同方向移动聚焦在设备内侧的所需区域上的相机来进行快速检查(需要继续进行设备的生产循环时)，但始终需要短时间段。

从以上描述可以容易地理解，已知的解决方案具有显著的局限性并且不完全令人满意。

更具体地说，目前用于检查和监测设备的实践和技术，例如用于生产钢的电弧炉等高温炉具有一定的局限性；例如，为了实现对电炉内部的精确控制，照相机应当在炉内保持比在正常关机时当前所允许的时间更长的时间，即在每次铸造之后的时间内，排出钢水并开始装载随后的铁质材料之后。

即使用于控制的照相机配备了良好的冷却系统，也难以抵抗炉的温度，在某些情况下，温度可能会超过1000℃。

在这些条件下，相机可以保持在此环境中的时间远少于一分钟，因此可以收集的数据受到限制。

照相机功能(聚焦、移动等)所需的其余机械/电气/电子可移动装置在这些高温环境中也具有较短的使用寿命。

在现有技术中已经发现了各种建议，旨在利用摄像机来解决工业设施检查的问题。

yorita等人的美国专利第5,162,906号描述了一种用于观察热炉内部的设备，该设备使用受水冷外壳保护的照相机并且还通过吹送冷却空气来冷却以使照相机保持在50℃或更低的温度，而温度炉约为1200℃。yorita的设备可以用于检查焦炉、高炉、金属混合器、混合容器等的耐火涂层。然而，该解决方案不允许揭示炉内部的完整图像或者需要相对较长的时间，与摄像机的暴露于热的时间不相符；此外，分析只能与数据恢复一起进行。

以nance名义的美国专利第6,111,599号也旨在保护照相机免受恶劣的环境条件的影响，其中照相机被插入透明的双壁组内。总的来说，这种解决方案的限制与上述类似。

以millerii等人的名义的美国专利第6,229,563号公开了一种炉子的监测系统，其中温度经常超过2000°f。安装在流体冷却喷枪末端的照相机由炉外的操作者引入炉内。摄像机用于检查高温炉：摄像机可以准确查看炉子的任何部分。

虽然这种解决方案是功能性的，但要将摄像机引导到炉子的各种敏感区域以构造各种敏感区域需要相对较长的时间。

文献wo2014/152855a2描述了一种具有多个照相机的照相机安装系统，其中每个照相机的镜头朝向感兴趣的区域定向，使得它们可以提供完全球形的无障碍图像或视频。然而，尽管在某些方面有利，但是本专利中描述的实施方案不能用于控制恶劣的环境空间或记录工业设施的图像以检测需要用于维持这些设施的生产能力的预防或纠正措施的磨损变化；此外，可以获得的数据纯粹是图像数据。

美国专利申请号2015/0285559描述了一种用于在高温炉内部进行监测的装置，其包括一个或两个照相机，所述照相机被引入到高温炉中并用于确定熔炉中沉积物的尺寸。然而，该解决方案除了基本上具有与前面提到的前两个文献相同的缺点之外，还使用立体摄影来产生有限区域的3d估计，因此具有相对受限的炉子视野的广度。

本文中引用的文献(包括之前列出的专利)以及本文引用的文献中提及或指出的所有文献在此引入作为参考。在本文中并入以供参考的文献或其中的任何教导可以用于本发明的实践中。

us3504122涉及一种具有用于控制摄像机从远程位置移动的装置的立体电视系统。

us4131914涉及用于检查炉中的耐火涂层的方法和设备。该系统由安装在冷却容器中的摄像机组成，该摄像机通过电缆将电视信号传输到炉外，然后在外部监视器上实时显示电视信号。

发明的目的

本发明的总的目的是解决上述已知技术的缺点。

本发明的另一目的是提供一种方法和装置，其允许在恶劣的环境中在相对较快的时间内进行详细的检查。

本发明的另一目的是提供一种方法和装置，其允许包含不容易接近的恶劣或严峻环境的设施的操作者具有所述设施的相对完整的视图。

本发明的又一个目的是提供一种用于实时检索所述设施的重建以识别和评估缺陷和磨损程度的方法和设备。

本发明的另一个目的是提供一种方法和设备，用于允许具有不容易接近的恶劣或严峻环境的设施的操作者在不干扰工业设施生产程序的情况下检查所述工业设施的结构和内容物。

本发明的另一个目的是提供一种用于检查用于钢铁生产而不影响炉的生产率的高温电弧炉的方法和设备，高温电弧炉需要每次操作之间的维护干预。

本发明的另外的目的是提供一种改善工业炉安全性和维护性的方法和设备。

本发明的其它目的对于本领域的技术人员来说将显而易见，或者将在本发明的详细描述中进行说明。

发明概述

在本发明的基础上的想法是在正在进行检查的空间中放置由多个传感器组成的装置，所述多个传感器被布置用于揭示被检查设备的预定区域的数据，从而产生球形图像或3d结构化重建，这些能够在屏幕、hmd(头戴式显示器)、vr头戴式耳机或任何视频输出设备上实时或延迟时间观看和/或也可以根据需要在收集图像或数据之后的稍晚时刻在更长时间内(相对于检测时间)进行研究。

上述总体构思的另一方面是使用多个传感器，所述多个传感器被设计用于产生所述设施或设备的内侧的完整球形视图并且记录在各种时间收集的图像，以便允许设备的操作者评估随着时间的推移在所述设备中发生的变化，并因此采取适当和合理的决定以在必要时进行逐步的定期维修或停止设施以进行重要的维修干预。

在本发明的一个方面中，电子记录数据以与随时间的新图像比较，以揭示设备中的变化，以便修改设备的维护或维修干预的编程。这种比较可以由受过训练的人员或通过设计用于与设备提供的数据结合起作用以便自动检测异常的算法来实现。

本发明的构思是提供一种用于在装置的所述空间中利用定位装置来检查恶劣或严峻的环境空间的方法，所述装置包括布置在三维群集中的多个传感器，其中每个传感器在所述空间中具有不同的取向。

在这些实施方案中，传感器设有用于视频记录的光学器件。

传感器被定向并配合以形成同时覆盖大约80％近似4π球面度的全向球形图像。由传感器和/或摄像机揭示的数据通过合适的硬件和/或软件在板上或板外使用图像处理技术进行处理，这允许重建球形数字图像。该球形数字图像同时覆盖至少超过60％的4π球面度，并且可供操作者使用，操作者可以使用适当的手段(其包括但不限于操纵杆、pc鼠标或智能手机、平板电脑、虚拟现实观看器)来直接地(即，当装置在恶劣环境内时)或在稍后时刻(即，在装置已经从恶劣的环境移除后由装置收集的图像的可视化)选择和可视化一个或多个具有期望的尺寸和取向的球形部分。

本发明的构思是提供一种用于检查恶劣或严峻的环境空间的设备，其包括具有以三维群集布置的多个传感器的装置，其中每个传感器具有不同的取向以形成同时覆盖超过约80％的4π球面度的全向球形图像；该设备还包括适于将所述装置定位在所述空间内的支撑装置以及本地数据处理单元(在设备的引入到待检测空间中的部分上)或远程数据处理单元(在设备的仍然在待检测空间之外的部分上)；该设备还包括用于将由传感器揭示的数据再现到位于所述空间外部的显示装置的传输装置。

根据本发明，全向球形图像由与可见光、红外辐射、uv光或热成像交替地或相结合操作的传感器产生。

本发明还包括对由传感器揭示的数据的操纵，以重建恶劣空间的球形或三维图像。

在特定实施方案中，传感器可以由商业自主普通照相机或摄像机代替。

附图说明

-图1是示出本发明的一个实施方案的示意性过程图，其中该装置通过位置控制杆被引入用于钢生产的电弧炉中；

-图2是本发明中使用的装置的另一实施方案的示意性过程图，该装置用于通过机器人手臂产生电弧炉内部的全向球形图像，该机器人手臂保持和引入产生炉内图像的装置；

-图3和4是根据本发明的设备的部分的示意性透视图，详细示出了传感器的保护壳体。

-图5是本发明设备的实施方案的示意图；

-图6是示出可布置用于产生各种配置的基础传感器70的示意图；

-图7是示出显示由前面附图的设备收集的数据的操作检查阶段的图像的示意图。

发明详述

首先在下文中首先以其总体特征描述本发明，然后参考附图的实施例来描述本发明。

根据本发明的恶劣环境的检查设备包括：

-传感装置26又包括多个图像传感器42,44,46,48，所述多个图像传感器42,44,46,48相对于彼此以不同取向定位，以便检测所述恶劣环境的至少60％的4π球面度的同期图像数据，

-用于在所述恶劣环境中支撑所述装置的支撑件30，

-所述图像数据的处理装置，用于基于所述图像数据生成球形和/或三维图像，

-相对于所述传感装置26的远程显示装置，其预定位于恶劣环境之外并至少与图像数据的处理装置通信。

根据本发明装置的任选和有利的特征，装置26包括保护壳体52，所述图像传感器42,44,46,48被容纳在保护壳体52内。

根据本发明设备的任选和有利的特征，保护壳体包括优选由钢制成的金属主体、施加到所述主体的透明晶体，优选为石英晶体56,58，并且能操作地连接到预定用于用冷却流体冷却所述壳体的冷却单元，冷却流体优选为氮气或干燥的压缩空气。

根据任选和有利的特征，根据本发明的设备包括稳定的定位装置，其预定用于将传感装置26定位在所述环境的预定和固定的位置中。

根据任选的和有利的特征，形成图像的传感器42,44,46,48从以下传感器组中选择

-对光谱的可见部分敏感，

-对光谱的红外部分敏感，

-对光谱的紫外线部分敏感，

-热成像的，热敏的，

-对x射线敏感。

根据任选的和有利的特征，图像传感器42,44,46,48被定位成检测所述恶劣环境的至少90％的4π球面度的同期图像数据。

根据任选的和有利的特征，图像数据包括视频胶片和/或静态图像。

根据本发明的用于检查恶劣环境的本发明的方法包括以下步骤：

a.通过传感器42,44,46,48检测所述恶劣环境的至少60％的4π球面度的同期图像数据。

b.在所述恶劣环境外传输所述图像数据。

c.重新处理所述图像数据以便基于所述图像数据重建球形和/或三维图像。

根据任选和有利的特征，步骤a.包括引入用于获取所述恶劣环境中的预定位置处的图像数据的传感装置26以便检测与时间相当的图像数据的阶段。

根据任选和有利的特征，步骤a.包括检测所述恶劣环境的至少90％的4π球面度的同期图像数据的阶段。

根据任选和有利的特征，步骤a.包括使用对以下中的至少一个敏感的传感器来检测图像数据的阶段

-光谱的可见部分，

-光谱的红外部分，

-光谱的紫外线部分，

-热成像的，热敏的，

-对x射线敏感。

根据任选的和有利的特征，所述图像数据包括视频胶片和/或静态图像。

根据任选且有利的特征，该方法包括比较与在不同时刻拍摄的恶劣环境的相同区域有关的图像数据的步骤。

现在对于实施例并且具体参考附图，在这些图(从1到5)中，在所有三个图中共同的元素用相同的数字表示以便于参考。

在本说明书中进行非限制性参考的要被监测的恶劣环境，即具有对人类有害或危险的温度特性和/或大气污染物的环境是用于钢铁生产的电炉。

这些具有恶劣环境的设施的其他例子是燃气加热炉、焦炉、玻璃熔炉、热气堆、核电站、建筑物或房间着火、再热炉、可能有毒环境的封闭区域等。

在所有这些情况下，由于恶劣的环境，设施不易于人类直接接近，然而，这对于进行视觉检查以检测部件状态和/或变化以及维护和或修理目的等是必要的。

在其他情况下，当需要人员在离地面一定高度(例如高于5米的高度(例如高架起重机等))进行视觉检查时，环境被定义为“恶劣的”。

虽然本发明的描述是在应用于钢铁生产的电弧炉时进行的，但显然如果将本发明应用于不同的工业炉或恶劣的环境空间，本发明也可适用于其它应用。

参照图1和图2，数字10通常表示用于炼钢生产的电弧炉，其包括形成熔融床12的下部，熔融床12涂覆有耐受机械应力以及熔融钢的高温的耐火材料14；形成炉子侧壁的中央部分，通常由水冷金属板16和通常由水冷板组成的顶盖18构成。

炉子18的盖设有用于引入电极的一个或多个开口20、气体出口并且用于装填金属含铁材料如dri(直接还原铁)和废钢(为简化图起见未示出)。

工作平台24通常靠近用于添加熔化产物和其他材料的侧开口22定位，并且还用于在操作时进行控制。

电弧炉10按照块进行操作。

炉内装有废钢，还原铁丸(dri)或其混合物，炉料熔化；炉内温度高于1,000℃。在每次铸造结束时，将钢倒入钢包中以进行随后的精炼和熔化过程，并且必须检查炉内部，以便在炉加载用于随后的铸造之前修复对耐火涂层或镶板壁的任何损坏。

炉子的生产率很大程度上取决于每次铸造之间进行检查和修理操作所允许的时间。

目前的做法是操作者通过工作开口22目视检查炉子内部，而不能直接看到炉子的整个内表面，由于短时间和操作者从炉外所具有的视角两方面使得检查不充分和受限。

应该记住的是，现有技术中存在各种建议，用于将普通照相机或摄像机安装在炉壁中的固定位置；然而，这些相机不能为操作者提供令人满意的解决方案，因为即使提供有冷却保护，照相机由于其暴露于热辐射而劣化。

另一方面，如果照相机是固定的，则它们只提供可以从该位置聚焦的区域的图像，并且如果照相机被提供有远程控制的运动以覆盖炉内更宽的区域，则由于炉内存在高温和热的含尘气体，控件和机电致动器也会恶化。

本发明针对对炉子的可靠和快速控制的未满足的需求提供了低成本和高效率的解决方案。

因此，本发明包括装置26，该装置26包括多个传感器，适于在相对有限的时间段内，优选约30秒的量级内引入炉内，仅用于允许所述传感器根据所述传感器的特定取向收集炉内部的部分的数据的序列。

如图1的示意图所示，图像形成装置26可以借助于可移动的手推车28以及具有用于将装置26引入预定位置的合适长度的杆30通过炉22的工作开口定位在炉10内部，可移动的手推车28可以手动地或者通过编程的自动控制器来移动。

手推车28可以设置有用于延伸或收回臂30和/或用于将装置26定位在所述预定位置(或参考位置)中的位置调节器32。

设置炉10内的装置26的预定位置(或参考位置)保证可以比较炉内部的图像(由操作者或由系统自动)，从而允许操作者检测需要立即干预或程序化维护的变化。

为此目的，本发明的装置包括稳定的定位装置，用于总是将装置定位在空间的相同位置。

图像传感器被布置用于以协调的方式检测球形数据(图像和可能的环境的3d数据)，球形数据用表示图像传感器的视角的虚线符号化，从而由传感器再现的数据同时覆盖设备的球形视图的60％，优选至少90％的4π球面度。

参照图2，图像形成装置26也可以通过另一合适的开口34引入到炉10中，这可以更方便，以避免干扰在每次铸造之间的时间期间通过编程的机器人手臂36进行的操作性操纵。

控制装置26也可以用于控制炼钢工业中各种设备的耐火材料的状态，例如在铸件之间的电弧炉中；为了看到需要修复的点；在用于从内部准确控制砖块的热钢包控制中；以高精度控制其他炉(例如再热炉)中的耐火材料的状态。

控制装置26可用于评估出钢后电炉中残留的热渣的量。

可以通过目视检查来评估残余钢水的水平，并且可以通过使用与先前视频信号的差异比较的软件的数据处理来计算残余钢水的百分比变化。

参照图3和图4，根据本发明的示例性实施方案，传感器40,42,44,46和48被布置在所述装置26中以便形成群集(或群组)，其中单个传感器被定向以从炉内采集数据并产生球形图像，并可能进行环境的球形或三维重建以估计测量值和缺陷。

用于形成图像的传感器被支撑在棒或杆30的末端，使得该装置可以被引入到恶劣环境的空间中并被提取以继续被检查的设备或设施的运作。

形成图像的传感器可以选择用于在辐射光谱的可见部分中和/或在红外或紫外辐射中起作用和/或用于创建热图像等其它替代选择。

图像形成传感器群集被保护在设置有厚石英晶体56和58(为了简单起见仅示出两个)并用氮气或干燥压缩空气冷却的钢壳体52(例如钢箱)中。

每个传感器在空间中优选具有不同的取向，并且该布置的几何形状使得整个周围的球形环境被覆盖，接近4π球面度(sr)的立体角的覆盖范围。

这种宽视角有利地在不使用任何移动部件的情况下获得。

在一个实施方案中，传感器检测球形视频(“4πsr视频”)。

在本发明的另一个实施方案中，传感器检测空间同一部分的静态图像(照片、热图像)。

然后将装置26从炉10中移出，继续其正常运行，而不会有任何中断，并因此保持或改进炉的生产率。

根据本发明的一个方面，“4πsr视频”和/或静态图像立即可用于维护团队并且可以重复显示，例如创建不间断的”4πsr-视频“重复序列，例如对应于不同的检测时刻；还可以操纵所述“4πsr视频”和/或静态图像，以在炉子的控制室的屏幕上或者使用现有技术中已知的无线通信技术在平板电脑或智能电话等无线移动设备上产生图像。

原则上，本发明的装置的传感器的数量是不受限的，然而，考虑到可用技术的实际尺寸和用于视频信号的软件的计算速度，传感器的数量优选地范围从五到七。

在五个传感器的情况下(如图3的实施例中)以及在基本上立方体的箱体52的情况下，它们布置在立方体的除了一个侧面即连接到杆30的侧面之外的所有侧面上。

然而，随着技术、小型化和处理能力的提高，理论上可以使用更多的传感器。

在本发明的另一方面，参照图5，存在八个图像传感器，其以八边形的形式径向布置，每边一个。

传感器60优选径向地定向在处理卡64上。

形成由图像传感器60获取的图像的信号被传输到图像处理单元66，并且从那里可以通过电缆68或使用无线技术将图像发送到计算机屏幕、视频屏幕或个人观看者。

参考图6，其示出了由于多个模块70的径向定向而使多个传感器径向定向的装置的实施方案，多个模块70中的每一个模块包括传感器和图像处理卡。

以这种方式，图像形成装置26可以被模块化地构造成用于以360度或4π球形视图覆盖。

参照图7，在本发明的另一方面中，提供了个人观看装置72，其可以投影全景或3d图像，使得操作者可以使用例如眼式或者可以作为眼镜佩戴的3d装置观看视频，用于从控制室的舒适环境中检查和/或运行炉子。因此，效果就好像操作者实际上在炉内的时间长度与他所希望的一样长，但总是在相同30秒内，好像时间已经停止了以便他执行他的控制任务。

使用眼式装置，操作者能够从其内部环顾四周并观察炉子的整个内部空间，其优选根据传感器揭示的数据重建为球形或虚拟三维环境。

因此，操作者能够在特定的地方停下来，并且可以开发和放大任何需要详细分析的区域。

由于在装置26中产生多个数据的传感器，视频信号的细节和清晰度水平可能非常高。

还可以通过再现图像形成装置26在一个或多个屏幕74和76上捕获的图像来提供对于操作者的相同效果，所述图像形成装置26可以形成工业设施(例如炉或高架起重机)的过程控制系统的一部分。

操作者可以通过操作界面78观察由图像形成装置26传送的图像并通过工业设施或设备的控制系统执行动作。

计算机或图像处理器和操纵装置80可以将通过电缆82接收的图像分配到期望的屏幕和/或个人观看装置72。

在本发明的另一方面中，提供记录装置以保持连续视频的记录。

然后可以叠加这些视频以将它们与时间进行比较。

系统可以通过经验学习，并且在软件影响的视频比较过程中揭示的任何重要变化，例如小的或大面积出现的主要颜色变化，都会立即向操作者报告为潜在风险区域。

操作者将被要求到该特定点来分析视频信号中揭示的变化是否与维护问题或任何其他特定问题有关。

如有必要，视频也可以保存在历史数据库中供将来分析。

本发明可以应用于炼钢厂不同区域并且用于多种用途，例如：检测漏水；耐火材料磨损检测；热渣评估；检测操作偏差；燃烧器调整支持；耐火材料的维护；警报和监督系统等。

本发明还可以应用且用于控制在近距离难以看见的任何机械设备的状态，例如热旋转底部炉和可移动炉，特别是用于控制机械设备的状态。

本发明还可以应用于且用于调节和调整化学包装，例如用于近距离观察燃烧器的火焰，以便验证燃烧是否正确发生或者是否需要调整流量。

使用本发明的视觉控制还可以检测燃烧器的喷嘴是否已经损坏，因为火焰会与参考标准不同。

可以近距离看到超音速氧气流量，以查看是否需要调节包封气体以改善射流的连贯性。

即使在今天，钢铁工人仍然使用防护服在高温危险区域进行各种监督活动，而仍面临潜在风险。本发明可以安装在这些地方，并且监督者可以通过将图像或视频从远程区域投影到屏幕上或者例如佩戴3d眼镜从而具有运作的相同且广阔的视图，从而完全避开危险区域。

位于预定点的许多图像形成装置可以安装在整个工业设施中，并且相同的操作者可以有利地从一个地方虚拟地到另一个地方而不从他的座位移开。

已经参照一些优选实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员将能够考虑被认为包括在本发明的上下文中的其他变型例和修改例，本发明的范围应该由所附的权利要求确定。