专利名称：高炉炉顶料面温度摄象仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及辐射高温测定领域，是一种高炉炉顶温度摄象仪。它是红外光机扫描成象技术、计算机技术和应用技术的有效结合。
对高炉炉顶料面温度场的测量，起初采用红外摄象管摄取炉内料面的热图象。它只能对炉内温度作定性的观察，对定量处理缺乏可靠性。它不能获得炉内温度相对应的具有能为进行电子计算机控制而可靠地进行定量处理的信息。摄象管由于这种本身固有的缺点而被淘汰。取而代之的是光机扫描热象仪。如名称为《热图象仪》(特开昭51-130279，
公开日76年11月12日)的日本专利中，介绍了能再现被摄物表面温度的分布图象，并在分布图中显示最高温度点及其最高温度值的技术。但是，它停留只是仪在温度分布图象上，没有给出料面上相对于炉内中心实际位置的真实温度，没有区别不同炉料和不同料位上的温度分布，也没有提供温度最高点的变化轨迹。
本发明的目的是提供一种高炉炉顶料面温度摄象仪，它能提供料面各点的真实温度，提供不同炉料和不同料位高度上的料面温度分布，提供料面温度最高点位置坐标及一些特定位置的温度变化趋势，从而为操作者提供正确的工艺参数。
本发明目的是这样来达到的由摄象头接收通过高炉炉壁窗口从炉料料面发射来的红外辐射。所说的摄象头包括透射镜组、扫描棱镜、平面摆镜二维扫描机构、红外探测器、同步信号产生和报警电路。摄象头将红外辐射转换成料面温度信号再通过长电缆送至中央控制室的信号处理机，进行温度信号的采集和数字化，存贮在计算机内存。然后由视频信号电路把这些信息以图象的方式在监视器上显示或打印出炉内料面的温度分布。
本发明的特点是所说的摄象头的透射镜组的入射瞳与高炉炉壁窗口相重合，有利于窗口的小尺寸、可靠性和成本低。透射镜组的出射瞳与扫描棱镜镜面相重合。透射镜组的焦面设计有特殊的场曲，以跟平面摆镜的扫描相匹配，即把主光学系统的最后一块透镜作为基本成象物镜的主体，利用弯曲该透镜的方法达到预期的象场弯曲的数值。平面摆镜的带动凸轮，也根据与透镜镜组场曲相匹配的曲线制作。即根据光学成象焦面的曲率，采用微机编程线切割方法加工。在摄象头中用了行扫描频率作变频调速的帧扫描驱动电机，来驱动平面摆镜;在摄象头内装有以内调整集成半导体压力传感器为敏感器件的压力报警装置。另外还设有温度报警装置。
本发明的另一些特点是在所说的信号处理机中，设置了有采集和显示料面温度最高点在图象上和炉内实际位置坐标的装置和设置有记录和显示料面温度最高点坐标随时间变化的装置。设置有跟踪炉内二十个特定位置的温度随时间变化的装置。还设置有高炉炉顶煤气温度信号采集显示装置。在所说的信号处理机中，还设置有料面高度位置信号采集，和设定料面高度位置触发图象摄取的装置。还设置有料批信号采集装置及求得显示区料面平均温度的装置。用这些数据可分析炉内气流分布的变化趋势，提供可靠的工艺参数。
下面结合附图对本发明实施例作详细阐述。
图1是本发明高炉炉顶料面温度摄象仪的原理框图。图中1为炉料，2为炉壁窗口，3为摄象头，4为信号处理机，5为监视器，6为打印机，7为键盘。
图2是高炉炉顶料面温度摄象仪的摄象头3的原理示意图。图中8为电动机，9为变速箱，10为凸轮，11为平面摆镜，12为红外探测器，13为半导体致冷器，14为前置放大器，15为直流电平恢复装置，16为温度信号输出，17为报警信号输出，18为同步信号输出，19为同步信号发生器，20为报警电路，21为压力传感器，22为温度传感器，23为四方直角棱镜及其驱动器，24为透射镜组。
图3为高炉炉顶料面温度摄象仪的信号处理机4的原理框图。图中3为摄象头，16为温度信号，17为报警信号，18为同步信号，25为料位信号，26为炉顶煤气温度信号，27为料批信号，28为模/数转换和帧存储器，29为显示缓冲器及视频输出，30为红色伪彩色电视信号输出，31为绿色伪彩色电视信号输出，32为兰色伪彩色电视信号输出，33为复合同步信号，5为监视器，34为IBM-PC计算机总线，35为打印卡，6为打印机，36为键盘控制电路，7为键盘。
图4为本摄象仪图象显示区域与炉内位置对应关系示意图。图中2为炉壁窗口，3为摄象头，AEFB为最低料位线，CE1F1D为最高料位线，梯形ABCD为测量区域的纵截面。E为最低料位时的炉内中心，E1为最高料位时的炉内中心，F为最低料位时的显示区域中心，F1为最高料位时的显示区域中心。
在高炉操作中，需要及时了解炉内燃烧状况和顶部温度，以便保持矿石和燃料的良好供料关系。过高的顶部温度会烧坏炉顶。要求能观察炉内顶部料面温度分布图象是高炉操作的一种需要。
高炉炉顶料位摄象仪包括摄象头和信号处理机及显示器二大部分，中间用长电缆馈接。
高炉炉顶料面温度摄象仪必须通过一个光学窗口接收物料的红外辐射。这个窗口又起到摄象头与高炉炉腔的隔离和防护作用，用兰宝石制作，跟光学窗口配套的还有多层吹气防尘，闸门和紧急安全阀装置。但是，由于高炉顶部正中有料钟占着，窗口不能位于高炉顶部中心，只能位于炉顶的侧部。即只能与物料表面呈一个夹角进行观测。另外，随着料位的变化，热象仪获得的热象图与炉内料面的对应位置和范围是在改变的。因为热图象是垂直于摄象头光路的扫描中心线的。本发明将高炉炉顶料位信号通过模/数转换送入信号处理机。并根据摄象头部件安装于高炉上的具体位置以及高炉的有关参数，再根据摄象头的二维方向的扫描角等光路的具体参数计算出温度分布图上的某个“象素”所对应的高炉炉内的具体位置，并用高炉炉内坐标来显示温度分布图。
高炉炉顶料面摄象头的摄象头包含有光学系统、二维扫描器、红外探测器及其放大器，同步信号产生和压力、温度报警电路等部件。光学系统由透射镜组和反射的扫描器组成。透镜采用硅材料制成，并涂以增透膜使其平均透射率达到90%以上。扫描器放在象方空间，即在透镜组至探测器的光路中。水平扫描由四方反射直角棱镜的转动来完成，其转速为100周/分。该棱镜和无刷直流电机的外转子做成一体。这种一体化的结构具有体积小、功耗小、寿命长的优点。垂直扫描由平面镜的摆动进行。平面镜的往复摆动由凸轮驱动，凸轮由同步电机经减速带动，凸轮正程为1.5秒，回程为0.5秒。此扫描器给出系统40°×40°的视场范围。所说的摄象头的透射镜组的入射瞳与高炉炉壁窗口相重合，其出射瞳与扫描棱镜镜面相重合。透镜镜组的焦面设计成特殊的场曲，与平面摆镜的扫描相匹配。平面摆镜的带动凸轮，也根据透射镜组场曲相匹配的曲线制作。作为帧扫描驱动电机，应用了以行扫描频率来调速，去驱动平面摆镜。
摄象头采用单元的光导型碲镉汞探测器。使用半导体致冷器，工作于-20摄氏度。探测器所对应的瞬时视场角为6.5毫弧。在视场40°×40°范围内含有100×100个象元数。光学系统和探测器最终的光谱响应波段为3.1-4.1微米，适应于正常炉内料面温度300-400摄氏度的测量，并避开了一氧化碳、二氧化碳对红外辐射的吸收作用。本实施例采用了低噪声的前置放大器与碲镉汞探测器相匹配，将温度信号进行放大。在频宽为17千赫的模拟信号通道内，温度信号得到放大达到一定的电平幅度之后，进行直流电平恢复。让温度信号的电平跟目标辐射能量的绝对值有一定的对应关系，然后根据温度信号的电平求得目标温度。这个计算过程在处理机内由计算机进行。
摄象头内采用发光二极管发射、光敏二极管接收的方式获得棱镜转动和平面镜摆动的位置信号。形成行和帧的同步信号。
摄象头内还有压力和温度报警电路。它们为一种电桥电路，分别采用新型的半导体内调整集成压力传感器和铂电阻片温度传感器为电桥一臂。电桥输出信号经放大后送入比较器跟设定值比较，如超过设定值，接通继电器把报警信号直接输入中央控制室内程控电路。以防止过高压力和温度损害摄象头内各种元部件。
高炉炉顶料面温度摄象仪的信号处理机由一台IBM-PC 0520B计算机及二块摄象仪专用电路板组成。这二块专用电路板接插在IBM-PC机的输入输出扩充槽口上。
第一块专用电路板的主要作用为模/数转换，线性化及保存一幅图象信息。电路板上采用内插法把行和帧两个方向上的象元数各增加一倍。提高显示图象的质量和增强视觉效果。在行方向上，提高采样频率二倍，即获得内插效果。在帧方向上，电路板设有行缓冲器和内插电路，直接获得内插。数据线性化采用查表方法完成。查表过程以硬件方式完成，并不占用计算机的中央处理机时间。在电路板上，温度信号经过模/数转换后，先通过线性化电路，再经过内插，进入帧存贮器。
输入处理机的模拟量信号除了来自摄象头的温度信号和同步信号外，还有高炉料面位信号、四个炉顶煤气温度信号和料批信号。在电路板上使用一个多路模拟开关，由程序选通，让它们进入模/数转换电路，实现数字化。由中央处理机读取并存入内存。这些数据在控制热图象输入、计算图象在炉中实际位置、进行温度的比较等过程中将会被使用。
第二块专用电路板的任务是显示热图象。它包含有视频同步信号发生电路，读出地址发生器，显示缓冲器、伪彩色编码电路，还有视频信号驱动电路。在视频同步信号的控制下，显示缓冲器内容被读出，通过三个伪彩色编码电路和三个数/模转换器，形成红、绿、兰三路电视信号。这三路电视信号加上复合同步信号一起输入电视监视器，得到反映显示缓冲器内容的图象。显示屏幕是这样设计的热图象在中央。右边为温度色标及其温度数值，左边显示计算数据，例如最高温度及其炉内位置坐标，热图象的平均温度，料面位置和平均温度的变化量等。下面是操作菜单和对话文字区。显示缓冲器和计算机内存统一编址，中央处理机可以访问，改变显示缓冲器的内容，在显示屏幕上即可反映。根据设定和选择通过中央处理器的传送作用，把某一温度范围的热图象信息传送入显示缓冲区，实现热图象显示。料面温度最高点随时间的变化轨迹，炉内某个特定位置的温度随时间的变化趋势，不同料批的热图象等等，都可由中央处理机把结果送入显示缓冲器得到显示。或指令打印机把结果打印出来。
由于采用IBM-PC计算机作处理机，系统软件可使用高级语言直接开发。系统软件的任务为初始化系统并监控摄象仪;通过键盘执行摄象仪各项功能;对数字化信息和其他数据进行处理和运算并实现屏幕显示;记录和传输热图象及其相关信息;根据热图象信息和计算结果进行反馈控制。
经试用和测试，本实施例达到如下技术指标1.摄象头(1)测温范围50-800摄氏度。
(2)测温精度满量程的±5%。
(3)温度分辨能力在被测目标为180-200摄氏度时，用两种彩色分辨50摄氏度。
(4)扫描角度40°×40°。
(5)扫描时间2秒/幅。
(6)扫描点数不小于7650。
(7)调焦距离1米-∞。
(8)光谱响应3.1-4.1微米。
(9)红外探测器热电致冷碲镉汞单元器件。
(10)工作环境温度0-45摄氏度。
(11)压力试验壳体能承担4.9×105帕斯卡30分钟耐压试验。
(12)壳体内部含有压力开关、温度开关及摄象系统自检灯泡。
2.控制单元(1)下限温度设定50-800摄氏度。
(2)温度幅度设定50、100、200、300、400、500摄氏度。
(3)图象输入时间a.自动方式2、4、8、16、32、64秒。
b.手动方式按动键盘时输入一幅图象。
c.料位触发达到料位设定时，输入一幅图象。料位设定点最多为5点。
(4)料位信号接口输入直流1-5伏(对应料位+2～-6米)并在显示器上显示料位。
(5)信息处理a.数据显示温度幅度、下限温度、最高温度及其坐标、平均温度、料位、各色标的温度值、时间(年、月、日、时、分、秒)。
b.显示炉顶料面圆形热图象。
c.图象显示功能扫描图象;定位全图象;直方图。
(6)数据记录实时记录以下数据于软磁盘上
a.温度幅度、下限温度、最高温度及其坐标、平均温度、料位。
b.各跟踪点(最多20点)温度。
(7)任选五个设定点的温度时序列图显示(温度坐标分100-500、400-800摄氏度两个量程)。
本发明有如下积极效果1、本高炉炉顶料面温度摄象仪的光学设计使高炉炉壁窗口做得最小，对安全、密封、成本都很有利。
2、本高炉炉顶料面温度摄象仪结构简单，行、帧扫描机构紧凑，整体体积小巧，可靠性高。
3、操作方便，控制系统用菜单提示;用高级语言可编写程序扩充新的应用功能。
4、能获得炉顶料面真实温度的炉内真实位置，提供可靠的工艺参数，稳定高炉操作。
权利要求
1.一种高炉炉顶料面温度摄象仪，包括摄象头接收通过高炉炉壁窗口由炉料料面发射来的红外辐射，所说摄象头含有透射镜组、扫描棱镜和平面摆镜二维扫描机构、红外探测器、同步信号产生和报警电路，摄象头将红外辐射转换成料面温度信号再通过长电缆馈送至中央控制室的信号处理机，进行温度信号的采集和数字化，存贮在计算机内存，然后由视频信号电路把这些信息以图象的方式在监视器上显示或打印出炉内料面的温度分布，其特征在于a)所说的摄象头的透射镜组的入射瞳与高炉炉壁窗口相重合，透射镜组的出射瞳与扫描棱镜面相重合；b)所说的摄象头透射镜组的焦面设计有特殊的场曲，以跟平面摆镜的扫描相匹配，即把主光学系统的最后一块透镜作为基本成象物镜的主体，利用弯曲该透镜的方法达到预期的象场弯曲的数值;所说的平面摆镜的带动凸轮，根据光学成象焦面的曲率，采用微机编程线切割方法制作;c)所说的摄象头中用了行扫描频率作变频调速的帧扫描驱动电机，来驱动平面摆镜;d)在摄象头内装有以内调整集成半导体压力传感器为敏感器件的压力报警装置;e)在所说的信号处理机中，设置有采集和显示料面温度最高点在图象上和炉内实际位置坐标的装置和设置有显示料面温度最高点坐标随时间变化的装置;f)在所说的信号处理机中，设置有料面高度位置信号采集、料面高度位置设定和触发图象摄取的装置;g)在所说的信号处理机中，设置有高炉炉顶煤气温度信号采集和显示装置;h)在所说的信号处理机中，设置有料批信号采集装置，便于针对所加炉料温度分布进行分析;i)在所说的信号处理机中，设置有求得显示区料面平均温度的装置。
全文摘要
本发明提供了一种高炉炉顶料面温度摄象仪，包括摄象头和信号处理机及显示器二大部分，中间用长电缆馈接。它通过特有的光机设计，信息采集和处理，能提供高炉炉顶料面各点的真实温度，提供不同炉料和不同料位高度上的料面温度分布，提供料面温度最高点位置坐标及其轨迹和一些特定位置的温度变化趋势，并为操作者提供正确的工艺参数，稳定高炉操作。
文档编号G01J5/10GK1051939SQ9010298
公开日1991年6月5日 申请日期1990年11月17日 优先权日1990年11月17日
发明者郁启华, 赵阳基, 肖兴, 郑川, 邹晓国, 吴德生, 沈克毅, 吴学贤, 黄文耀, 康长生, 应月芬 申请人:中国科学院上海技术物理研究所, 上海宝山钢铁总厂