專利名稱：高爐料面形狀動態立體監測系統及檢測方法
技術領域：
本發明屬于電子測量技術及計算機三維技術領域，特別提供了一種高爐料面形狀動態立體監測系統及檢測方法，基于雷達的高爐料面形狀動態立體監測系統，也適用于其它豎爐等料面檢測系統。
背景技術：
高爐是一個大型的高溫高壓及高粉塵的密閉反應器，其內部的環境非常復雜。傳統上對高爐料面的監視一般僅限于用機械探尺采集數據。機械探尺的主要缺點有不能連續測量，布料過程中不能測量；在高爐出現滑料、坐料、塌陷時不能及時跟蹤，數據測量誤差大；安裝方式受限制，只能垂直安裝；控制部分極其復雜，現場維護量大，維修成本高；由于測量范圍小，不能全程測量加料面的高度等等。在這種情況下，分析爐內料面分布的難度比較大，現場工人往往只能根據經驗判斷料面的分布情況，這不利于現場操作的實時決策。
針對這種情況，人們研究發展出了一些新的監測手段，如爐窯的視頻監測系統，在高溫下可以看見爐內的布料狀態，火焰的發展，爐邊的火焰發展情況等，但在光線較暗的情況下，則看不見爐內的布料情況，尤其在料位很低時，對爐內情況則難以由攝像頭及人眼判斷；也有運用紅外成像技術，對料面表面的紅外圖像進行處理，能夠檢測出高爐內全料面的溫度分布，并用彩色圖象區分出來，以測定原料的分布均勻性，但此種方式容易受到高溫氣流的干擾，不宜用于短時的實時監測。
本發明采用雷達料位測量技術，能夠很好地克服高爐內部各種不利因素的影響。采用雷達技術，可以完全在黑暗的情況下，準確描述出料面各點的高度，進而得出高爐內料位的分布情況，配合十字測溫和熱電偶的分布，則可以全方位對高爐內的最上層料面情況進行實時連續的監控，同時，綜合運用料層礦/焦分批測量技術，數據采集技術，數據傳輸技術，則可以進一步對高爐內的多個料層進行連續的高度測量和計算。
在正常的生產階段，本發明是通過動態實時成像系統，三維立體化顯示高爐的料面狀態，同時，通過測量數據以及時間的計算，可以顯示出不同的料層情況。在高爐降料面的過程中，該系統可以測量100米的有效距離，并全程跟蹤料面的下降過程，保證安全生產。與本專利相關聯的國內外相關技術專利如下發明專利《高爐裝入物降下速度測量裝置》，日本神戶制鐵所，昭和62年。實現方式為，單個雷達天線穿過高爐頂部傾斜著沿徑向插入爐內，不做掃描；可測量天線下方的料面高度和下降速度，作用類似于機械料尺，不能測量整個料面的形狀和沉降動態。
歐洲發明專利ERG017-664《Mounting Radar Antenna on Shaft Furnace》。雙天線結構，安裝于一圓筒底部。圓筒穿過爐體側壁沿水平徑向插入爐內，旋轉圓筒，使得天線波束在爐內形成一維徑向掃描；不具備全料面形狀的測量能力，且裝置較為復雜，測量時間過長，維護困難。
歐洲發明專利EP291757-A《Charged burden surface determine》，將反射鏡安裝在圓筒頂端，圓筒穿過爐體側壁沿水平徑向插入爐內，在直徑方向另一側的爐外安裝雷達天線。雷達發出微波能量穿透介質窗口沿水平徑向照射到反射鏡上，通過反射鏡實現波束的二維掃描，能夠測量局部料面形狀和料面沉降動態，但裝置復雜，易受干擾，維護困難。
發明專利WPI Acc No94-146697/18 GB2272593A《Apparatus for measuringburden profile in shaft furnace comprising lance with radar sonde》；WPI Acc No91-081658/12 DB4027972A《Radar telemetry of charge level for shaft furnace》；WPIAcc No91-075826/11 GB2235842《Determing of loading surface profile in shaftfurnace》。上述三項專利均為水平徑向插入式結構，只可測量徑向料位分布，不具備全料面形狀測量能力。
發明專利CN99111990.8《三維雷達裝置以及用于顯示三維雷達圖像的方法》，其特點是基于一個硬件系統的三維雷達裝置，包括雷達發射接收單元，三維多邊形產生單元，以及三維圖形單元；此系統將涉及方向信息、距離信息以及接收強度信息的諸信號變換為二維雷達圖像數據及亮度信息，并根據亮度信息來生成三維多邊形，進而在三維多邊形基礎上生成三維雷達圖像數據。但此技術應用領域不在于惡劣工業環境方面，并未針對惡劣環境的應用提出任何實際可資實現的方法，如，如何獲取高爐內部料面某點的方位距離，以及如何保證此點的信號接收強度保持穩定等。此技術難以在劇烈干擾和惡劣環境下的運用。
發明專利CN99108366.0《具有三維設計的顯示的雷達》，其特點是具有三維設計顯示的雷達；它將獲取得二維圖像數據和三維設計的圖像數據通過一個圖像控制器結合起來顯示。它的問題在于，其圖像數據為二維，第三維信息需要經過預設的圖像參數來獲取，從而通用性很差。
美國發明專利US6261513B1《Device For Directly Monitoring The ChargingProcess On The Inside Of A Shaft Furnace》。單雷達結構，安裝于爐體上部。裝置前端穿過爐體側壁沿水平徑向插入爐內，其后端裝有徑向導軌，可以使得裝置沿著徑向做伸縮，使雷達波束在爐內形成徑向掃描；具備簡單的全料面形狀測量能力，但裝置含前進機構，在爐壁上反復來回運動，結構較為復雜，測量時間過長，維護困難。
發明專利CN01126452.7《高爐爐頂全料面毫米波三維成像儀》，其特點是采用爐外安裝方式和外置式二維掃描方式工作，并用毫米波段調頻連續波雷達測量料面距離。其成像儀安裝在爐外，以介質窗口將成像儀與爐內高溫粉塵隔離，測量過程中沒有任何部件插入爐內，通過雷達天線在爐外的二維掃描，測量爐內全料面形狀，具有全料面實時三維成像能力。此方法將天線外置，配合一套機械移動裝置，由于有一套復雜的掃描機械機構，在高爐爐頂上現場的機械維護比較困難和麻煩，失去了雷達免維護的突出優點。
美國發明專利4094494，《Furnace Charge Profile Measuring Process AndApparatus》。實現方式為，雷達天線安裝于高爐頂部料斗之上，位于整個高爐的中間縱軸上，不做掃描；可測量天線下方的料面高度和下降速度，作用類似于機械料尺，不能測量整個料面的形狀和沉降動態。
荷蘭發明專利NL-7707-178，《Device for determining charging distribution in blastfurnace》。雙天線結構，安裝在球形關節上，天線隨高爐旋轉布料器轉動，具有測量料面形狀和沉降動態的能力但只適用于旋轉布料式高爐，而且因為雷達整體置于爐內，可靠性和可維護性較差。
從與本專利相關聯的國內外相關專利可以看出，本專利的特點在于1.雷達系統中，其安裝位置可以根據現場對成像的具體要求，如精度要求，位置要求等的不同而有所區別，雷達可以和中心高爐垂直安裝，或者傾斜一定的角度安裝。高爐雷達采用爐外安裝方式，通過套筒2和4安裝到高爐5上，同時在2和4之間加裝了安全閥門3，因此，整個結構安裝簡單，可靠性好，便于維護。其安裝數量根據單點雷達覆蓋高爐內料面的有效面積確定，安裝雷達數量為1～10。雷達接入吹除冷卻裝置6，在吹冷氣體進入雷達發射端之前，安裝了油污濾除裝置。
2.針對高爐安裝過程中不可避免的角度傾斜問題，本發明通過在高爐內部設立坐標換算的方法，將傾斜測量到的數值通過勾股定律轉化成垂直的距離值，即高爐料面的真實高度，從而由全部雷達的真實高度，實時形成動態3D料面的形狀，這在以往的專利中無人涉及。
3.本發明中，數據采集單元7收集高爐雷達采集的1～10個實際測量點，以及采集高爐原有的分布于高爐內部兩側的重錘料位計的兩個測量點，作為輔助的高度參考信息，把實測高度值和兩個參考點值都送入到成像系統6中和成像，這種做法，相比單獨采用雷達測量數據，明顯提高了數據計算和成像的可信度，也是本發明的檢測方法的特色。
4.通過數學換算的數值，再通過在高爐內部坐標系的曲線旋轉，曲面重構，以及樣條插值等多種數學手段和圖形學方法，可以繪制出完整逼真的虛擬料面形狀，形成的曲面通過高爐空間坐標軸的轉化，結合計算機控制系統提供的每一次下料時間，則可以推算出各個料層的形狀，這種料層推算和估計方法所生成的立體動態圖像，也是本發明的特色。

發明內容
本發明的目的在于提供一種高爐料面形狀動態立體監測系統及檢測方法，解決了高爐內部料面在高溫含大量粉塵的惡劣工況下的在線實時監控問題。
本發明的監測系統包括設置在高爐爐頂的1-10個高爐雷達；在其下方安裝的套筒2，其底部接入閥門3，再接套筒4連接至高爐5的爐壁，套筒作雷達導波和保護之用，雷達安裝至連接套筒的法蘭處；一套雷達數據采集單元7包括一個24路雷達信號和其他控制信號的接入端子板，以及和端子板相連接的安裝于工控機總線上的數據采集卡；一臺工控計算機，及其配套的高爐料面立體監測軟件組成的成像系統8，數據采集卡通過高速實時通訊，將雷達的回波信號(電壓信號)經過數據采集單元7讀入工控計算機形成成像所需的數據；以及可使雷達免受高溫和粉塵的影響的雷達吹除冷卻裝置6，它可以在每一個雷達上安裝一套吹冷裝置，也可以在高溫位置有選擇的安裝該裝置。一般接入現場常見且使用方便的壓縮氣體，如氮氣，使其大于爐內壓力1kg/cm2，且冷卻介質管的內徑大于10mm，即可克服高溫對普通雷達的干擾。在氣體進入雷達發射端之前，一般需要安裝油污濾除裝置，避免油污對雷達回波信號的干擾。
設置在高爐爐頂雷達數量為1～10臺，雷達沿軸對稱分布，為漸開線分布；雷達傾斜的角度，以照射到料面成像需要的半徑為準，角度一般在0°～15°。
雷達在高爐爐頂5上安裝位置的依據是，在爐頂上部的位置至少垂直安裝一臺雷達，目的是反映料面在垂直狀態下的真實的回波強度，并對比其他傾斜雷達回波的強度，垂直安裝提高了雷達的抗干擾能力，同時也為判斷傾斜雷達的回波信號的可信性提供參考；此外雷達在高爐爐頂5上安裝位置還可以布置在重要的料面監測的重點部位之上，如計算過程中的重要曲面擬合點，料面的堆尖位置，相關的煤氣流分布的位置等。
檢測系統中，確定有效雷達數量的依據是，根據單點雷達覆蓋高爐內料面的有效面積，計算出所需雷達的最低數量。以雷達發射角10°，雷達安裝位置離料面3米計算，則單點雷達覆蓋直徑為tan5°*3*2＝0.525米。如果爐體半徑為3.4米，則半徑方向上安裝雷達數量為3.4/0.525＝6個，即半徑方向上需要安裝6個雷達料位計。通過以上有效面積的計算，是確定雷達數量的一種方法，實際一般采用1～10臺不等的雷達料位計的安裝，對高爐內料面的進行檢測。
雷達在高爐爐頂5上安裝形式為，在高爐爐頂打孔，如圖1所示，如圖1是6個雷達沿軸對稱分布的一個實例示意圖，6個雷達呈漸開線分布，或者如圖2所示，6個雷達沿某一直徑方向在一條直線上分布。由于在實際應用中，常常會發現高爐爐頂空間有限，或為了避開布料口及側壁對雷達回波信號的不良影響等，無法按照理想的直線或者漸開線布置雷達裝置，此時，可以在爐頂任意位置安裝，但雷達傾斜的角度，以照射到料面成像需要的半徑上為準，角度一般在0°～15°左右。
在雷達的基座上，通過連接法蘭接入雷達吹掃和冷卻裝置6，使氣體從法蘭盤進入到雷達的天線位置，對雷達天線部位進行吹冷，保護雷達免受高溫的影響；并且通過安裝于雷達下端的關斷閥門3，可以確保在不停爐的情況下，對雷達進行維修和維護。
本發明的檢測方法通過如下步驟實現檢測過程中，首先啟動雷達與數據采集單元7的高速實時通訊，由計算機發出指令，在一次雷達信號發射和采集的周期內，控制1-10個雷達向料面發射雷達波，每個雷達的發射是獨立運行的，數據采集單元7順序采集各雷達的模擬輸出值，以及高爐原有的分布于高爐內部兩側的重錘料位計的兩個測量點的模擬輸出值，采集后模擬值經過A/D轉換，經過PCI數據總線送入到工業計算機。
計算機將收到的數字信號，當成垂直或傾斜測量到的數值進一步轉換，通過勾股定律轉化成垂直的距離值，即高爐料面的真實高值，然后不同雷達高度值再通過在高爐內部設立的統一參照系進行坐標的換算，求出料面距爐頂的統一垂直高度值S，如圖4，如果有重錘料位計，則其兩個測量參考點值也可參與計算。計算出來的所有數據送入到計算機成像系統8，并結合高爐內部的尺寸參數等，生成所需3D料層的曲面數據。
成像系統8將曲面數據在一個采集樣周期內，運用VC++、OPENGL等技術和插值擬合算法，在高爐內部坐標系內進行曲線旋轉，曲面重構，以及樣條插值等數學處理和圖形學處理，擬合出虛擬料面的形狀，料面由不同的彩色圖案和亮度等區分，如圖3和5。
將數據多次采樣，就可以形成連續的料面下降的效果，結合下料時間，停料時間等高爐下料控制系統傳來的信息，進而推算出在一次下料周期內，所形成的料層的形狀和厚度，并推算出各料層的下料速度，以及料層之間的礦/焦比等。成像系統8循環往復，不斷進行采樣和圖形刷新，刷新頻率可以在每秒一次到幾分鐘一次不等，最后，系統將長時間累計下來的數據進行日志分析，料面的剖面分析等，并提供報警和切除故障雷達的輔助功能，如圖6和7所示。
本發明系統運用較為成熟的工業雷達技術，通過雷達安裝位置、安裝角度的變化，結合吹除冷卻裝置6，使普通雷達可以在高溫含大量粉塵的惡劣工況下，穩定可靠并且精確地測量多個點的料位高度信息，并通過監測軟件與雷達數據采集模塊的實時高速通信，保障高爐料面的實時成像，生成動態三維的料面及高爐的全景圖。
本發明技術特點1、將雷達電子測量裝置安裝在高爐的外部，雷達的測量天線和發射裝置固定安裝在套筒內部，由測量天線和發射裝置向高爐內部發射雷達信號，并同時接收雷達的回波信號。此安裝方式突出的優點是在粉塵和氣流波動等惡劣情況下，雷達回波效果依然很強，不會出現失波現象，同時保護了雷達電子測量裝置不會受到高溫的影響。
2.在高爐的圓筒內，在同一個采樣時間段，以徑向對稱的方法，將轉換后的數據高度點旋轉掃描，形成中心對稱的曲面圓盤作為料面的基本形狀。如果在同一徑向上存在不同的高度值，可以選取任何一個高度值為基本掃描曲面的基準點，同時將其他同一徑向的點作為修正點，可以根據修正點的位置分布，以及高爐內布料的真實效果，采用樣條曲面中調整修正因子的方法，在曲面的局部形成凸凹的不同圖形效果，見圖3所示。
3.根據雷達的測量數據，以及從控制系統來的下料時間，可以計算出剛裝入料批的料面形狀9，以及上幾次料批裝入高爐的料層形狀10。計算方法是用時間軸上的位置數據做標尺，計算出雷達向下照射時回波的測量距離，根據距離信息推算出高爐料面在該點的相對高度。由多個雷達在不同位置的分布，測量和計算出料面上不同點的高度值，如圖4，并將不同高度值的點連接起來，形成一個描述料面形狀的曲面，通過該曲面的擬合，在三維立體圖上給出實時料面的曲面形狀。根據實時測量出的每一加料時的料面曲面形狀，以及料面在下降時的曲面變化，可以計算出料面的下降速度，并實時計算出高爐3-5層的最近幾批料的料層的情況。
4.成像系統8通過雷達的測量數據，可以計算出料下降速度的徑向分布，即沿著料下降的垂直方向上，可以直觀的看到料層緩慢的下降過程，以及加入的新料，從開始到停止的全部過程；通過在圖像上設定礦/焦的不同顏色，可以區別出礦焦的實時分布情況，并計算出礦焦比。
5.通過動態實時成像系統，在高爐開爐初期，該裝置直接觀看高爐的料面分布情況，對布料溜槽不同傾角檔位合理布料，檢測和判斷煤氣流分布的合理，為高爐的順利生產和調整打好基礎。利用該系統的立體成像技術，并結合十字測溫，可以準確判斷出高爐內煤氣流分布的狀況，從而使操作人員進行高爐布料調整。和其他專利相比，我們的特點是整體系統安裝可靠，便捷，獲得的回波信號會更強，在雷達傾斜安裝或者表面波回波特別弱的情況下，仍然能夠正常工作，相比爐內雷達固定安裝方式，爐內雷達動態掃描方式，爐外雷達機械移動這三種方式而言，我們發明的系統無任何可動部件，整個系統簡潔，可靠，可以長期工作。
6.將雷達的回波信號經過數據采集單元7，通過模擬或數字信號，送到控制室，信號為連續采集，掃描周期為100-10000赫茲，利用人們的視覺暫留現象，形成連續的實時高爐內部圖像，如圖3和5所示。
7.本發明同樣適用于豎爐，工業爐等其他料面動態立體成像的系統中。
本發明可以實現以下三種功能基本的料面監測，采用雷達料位計直接替代料尺，進行單點的測量，監測某一點的料面高度；設置多臺雷達料面計檢測高爐料面，根據已知的料面模型和雷達的數據，仿真出爐內內真實料面的具體形狀，通過DCS或者工控機在計算機屏幕上直觀的建立多層高爐爐料的分層三維實時動畫圖。結合十字測溫，高爐冷卻壁的熱電偶數值，以及雷達料位計的綜合信息，通過計算機的數據融合，建立完整的高爐立體可視化綜合數據庫系統。


圖1為本發明高爐雷達的漸開線安裝例圖；圖2為本發明高爐雷達的徑向直線安裝例圖；圖3為高爐料面雷達測量系統示意圖，包括高爐雷達1、套筒2，閥門3，套筒4，高爐5，吹除冷卻裝置6；圖4為本發明高爐料面徑向各點換算后的高度值S的坐標示意圖，圍繞以y軸旋轉后即可成為一個曲面；圖5為高爐料面和料層的三維圖；其中包括高爐料面9，高爐料層的剖面10；圖6為監測系統數據采集示意圖，圖中包括數據采集單元7；工控計算機及其配套的高爐料面立體監測軟件組成的成像系統8；圖7為高爐雷達成像的工作流程圖。
具體實施例方式
圖1～圖6為本發明的具體實施方式
。如圖3所示。A、B、C、D、E、F分別為六臺高爐料面雷達，a、b、c、d、e、f分別為A、B、C、D、E、F六臺雷達相對應的測量點。其中測點b、 c、d、e、f的雷達B、C、D、E、F為傾斜安裝，A為雷達垂直安裝，垂直安裝的雷達A可以根據其安裝位置和雷達獲得的到測點距離直接得到有效測量的高度值。
對于傾斜安裝的雷達，以E點雷達為例，其中，Ee為雷達E傾斜測量路徑，ee′為傾斜雷達E到料面測量點e等高面的豎直距離，在獲知雷達到料面的距離Ee后，可以根據勾股定理及雷達安裝時的位置和角度，得到相應的測點e的準確徑向位置Ee′，及其相對于雷達的垂直距離ee′，從而在坐標系中確定一個有效測量高度值，其他雷達的測點類推。
通過業已獲得的六個測點數據(或者加上料面兩側端點值，或者是其他料尺的數值)，采取樣條插值產生一個完整的半徑區間曲線(見圖4中示意；實際測點數量根據實際需要的精度和現場條件確定)。在獲得一個完整半徑區間的曲線后，對曲線進行360度旋轉放樣成像，同時利用曲線上各點的不同高度值，賦予色彩和光亮，這樣可以在監測屏幕上清晰地看到料面的高度變化帶來的顏色和光線的梯度分布。應對用戶的不同需求，亦可對曲線進行小角度旋轉放樣，形成直觀的剖面圖形，以供工作人員參考。
權利要求
1.一種高爐料面形狀動態立體監測系統，其特征在于，在高爐爐頂設置1～10臺雷達，在其下方安裝的套筒(2)，其底部接入閥門(3)，再接套筒(4)連接至高爐(5)的爐壁，套筒作雷達導波和保護用，雷達安裝至連接套筒的法蘭處；一套雷達數據采集單元(7)包括24路信號接入端子板，以及和端子板相連接的安裝于工控機總線上的數據采集卡；一臺工控計算機，及其配套的高爐料面立體監測軟件組成成像系統8；數據采集卡通過實時通訊，將雷達的回波信號經過數據采集單元(7)讀入工控計算機形成成像所需的數據；使雷達免受高溫和粉塵的影響的雷達吹除冷卻裝置(6)，在每一個雷達上安裝一套吹冷裝置。
2.按照權利要求1所述的監測系統，其特征在于雷達沿軸對稱分布，為漸開線分布；雷達傾斜的角度，以照射到料面成像需要的半徑為準，角度在0°～15°。
3.一種高爐料面形狀動態立體檢測方法，其特征在于，檢測步驟為(1)雷達(1)與數據采集單元(7)實時通訊，數據采集單元(7)順序采集各雷達的模擬輸出值，以及重錘料位計的兩個測量點的模擬值，經過A/D轉換和PCI數據總線送入到工業計算機；(2)計算機將傾斜測量到的數值通過勾股定律和參照系的坐標換算，轉化成高爐料面的垂直高度值，并送入到計算機成像系統(8)，結合高爐內部的尺寸參數，生成所需3D料層的曲面數據；(3)曲面數據在高爐內部坐標系內進行曲線旋轉，曲面重構，以及樣條插值處理，擬合出虛擬料面的形狀，料面由不同的彩色圖案和亮度區分；(4)成像系統(8)在一個下料周期內，推算出該料層的形狀和厚度，并在循環往復的測量過程中，不斷進行圖形刷新，求出多個下料周期內，各個料層的圖形信息，從而推算出多個料層的下料速度，礦/焦比；并進行日志分析，剖面分析，提供高爐料面的報警和切除故障雷達的輔助功能。
全文摘要
一種高爐料面形狀動態立體監測系統及檢測方法，屬于電子測量技術及計算機三維技術領域。系統包括雷達(1)，套筒(2)，閥門(3)，套筒(4)、高爐(5)，雷達安裝至連接套筒的法蘭處；一套雷達數據采集單元(7)包括24路信號接入端子板，以及和端子板相連接的安裝于工控機總線上的數據采集卡；一臺工控計算機，及其配套的高爐料面立體監測軟件組成成像系統(8)。檢測步驟為雷達(1)與數據采集單元(7)實時通訊，計算機將傾斜測量到的數值轉化成高爐料面的垂直高度值，并送入到計算機成像系統(8)，結合高爐內部的尺寸參數，生成所需3D料層的曲面數據。優點在于解決了高爐內部料面在高溫含大量粉塵的惡劣工況下的在線實時監控問題。
文檔編號C21B7/24GK101020933SQ20071006449
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月16日 優先權日2007年3月16日
發明者陳先中, 吳昀 申請人:北京科技大學