專利名稱：一種在線測量高爐料面的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及高爐測量領域，更具體是涉及一種在線測量高爐料面的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
冶煉高爐通常在封閉狀態(tài)下運行，并且具有高溫、高壓、高粉塵、高濕度等爐內(nèi)環(huán)境。因此，操作人員無法直接觀測到爐內(nèi)信息，如爐料的料面、裝料過程、爐內(nèi)設備運行狀態(tài)等，而只能通過溫度、壓力、流量等常規(guī)檢測儀表的數(shù)值來進行推斷。為了獲取所需的爐內(nèi)信息，人們已經(jīng)利用紅外掃描和微波掃描等手段來探測高爐內(nèi)部，但是這些探測手段需要使用復雜的探測和接受裝置并且還需要復雜的計算系統(tǒng)來處理所獲取的探測數(shù)據(jù)。另外，這些探測手段所獲得探測數(shù)據(jù)均為距離信息，需要將這些距離信息重建為模擬的圖像信息，并不能直接獲得“所見即所得”的觀測圖像。本申請的發(fā)明人在中國專利ZL02121M8. 0和ZL200310122476. 4提出了紅外攝像的探測裝置，其通過拍攝高爐爐料自身所發(fā)出的紅外光來獲得觀測圖像。但是在裝料過程和爐料溫度較低的狀態(tài)下，紅外光強度弱，就無法獲取清晰的紅外圖像，從而無法實時探測爐內(nèi)信息。因此，這種類型的探測裝置只能在特定的時間和條件下工作。本申請的發(fā)明人在中國專利ZL200610089415. 6中曾創(chuàng)造性地利用激光探測裝置來獲取爐內(nèi)信息。在該專利中，多根激光束同時在爐內(nèi)空間傳播，并組成一個平面扇形束 (或者兩個相互交叉的平面扇形束)；并且用攝像儀來拍攝激光傳播圖案。這樣，當爐內(nèi)設備如布料設備穿過該扇形束時則會阻斷激光束的傳播，從而改變激光圖案(即，利用激光圖案進行示蹤)，這就可以從攝像儀所拍攝的圖像中獲得爐內(nèi)設備的運行情況。當所裝爐料穿過該扇形束時也會產(chǎn)生類似效果，從而獲得爐內(nèi)裝料狀況。值得注意的是，該中國專利ZL200610089415. 6也可用于獲得爐內(nèi)爐料的料面信息(如位置和/或形狀)。當平面扇形束中的各根激光束入射到高爐的料面上時，每一激光束在料面上的終點則對應該料面的一個實際探測點。在用攝像儀拍攝的爐內(nèi)圖像中，這個終點(實際探測點)會表現(xiàn)為一個激光“亮點”。多根激光束在料面上的終點則對應為圖像中多個離散的亮點。攝像儀拍攝包含這些亮點的圖像，一方面可以直接將圖像輸出至顯示裝置，操作人員通過觀測所拍攝的圖像中的亮點分布即可獲知當前料面的形狀和位置(也就是“所見即所得”)；另一方面可以用計算機提取圖像中的亮點位置，并結合攝像儀的位置和拍攝角度信息，來計算各亮點在爐內(nèi)所對應的實際位置，而且還可進一步應用擬合算法將這些離散的點擬合成一條連續(xù)的料面形狀曲線，并輸出至顯示裝置。進一步分析可知，中國專利ZL200610089415. 6實際上是利用對攝像儀可見的、高穿透性的激光來“照亮”高爐內(nèi)部，當然，由于激光良好的方向性，所“照亮”的部分僅呈現(xiàn)為傳播路徑中的線和點。由于這種“照亮”，所以操作人員可以通過攝像儀以一種“所見即所得”的方式來觀測爐內(nèi)信息。這顯然不同于之前的利用測距方式的的探測手段。另一中國專利ZL200710005609. 8也公開了一種利用激光來測量高爐料面形狀的方法。其利用的是激光測距原理，通過測量從發(fā)射激光到接收反射激光之間的時間差來計算料面上各個測量點的距離信息，從而獲得料面形狀。該專利并沒有用攝像儀等儀器來獲取前述的用激光照亮的“亮點”圖像，因此也無法通過“所見即所得”的方式來觀測爐內(nèi)信息。該專利的方法原理實際上與前面描述的其它用微波等測距探測手段類似。再回到中國專利ZL200610089415. 6中的激光探測裝置。在該裝置中，為了獲取足夠的探測信息，其每一個平面扇形束中需要包含足夠多數(shù)量的激光束，例如通常需要10根或以上的激光束，這樣才能在爐內(nèi)空間形成較為密集的激光圖案(對于探測爐內(nèi)設備運行情況和裝料過程)且在料面上形成較為密集的亮點(對于探測料面信息)。這樣就需要該裝置具有相應數(shù)量的激光器。使用如此多數(shù)量的激光器一方面會使得裝置成本非常高，另一方面，使用這么多激光器會使得裝置的體積非常大，對該裝置進行防護以使其能在高溫、 高壓、高粉塵、高濕度的惡劣爐內(nèi)環(huán)境中長時間正常運行也是一件困難的事情。進一步，對于探測料面信息來說，每一根激光束在料面上的“亮點”對應于一個實際探測點，而料面上除實際探測點之外的各個位置是沒有探測的，或者是通過后期的圖像處理用算法擬合的。 如果想獲取更接近實際情況的探測結果，則需要更多的實際探測點，對于該裝置來說，這只能通過增加更多的激光器來實現(xiàn)。很容易理解，該裝置的激光器數(shù)量并不能無限制地增加， 因此，該裝置在料面上獲取的實際探測點只能有限度地增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中的一個或多個缺陷，從而提供一種在線測量高爐料面的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種在線測量高爐料面的系統(tǒng)，用于探測高爐內(nèi)的料面信息，該系統(tǒng)包括設置在料面上方的激光器，該激光器發(fā)出的激光束能夠對所述料面的至少一部分進行連續(xù)掃描；攝像儀，用于拍攝料面圖像，所述料面圖像包含所述激光束入射到料面上形成的探測點圖案；圖像處理裝置，所述圖像處理裝置接收從所述攝像儀輸出的所述料面圖像，并輸出所述料面信息。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在線測量高爐料面的方法，用于探測高爐內(nèi)的料面信息，包括用激光束對高爐內(nèi)的料面的至少一部分進行連續(xù)掃描；所述激光束入射到所述料面上形成探測點圖案；獲取所述料面的料面圖像，所述料面圖像包含所述探測點圖案；根據(jù)所述料面圖像獲取料面信息。本發(fā)明具有如下有益效果1)相比于中國專利ZL200610089415. 6，本發(fā)明的在線測量高爐料面的系統(tǒng)和方法所能獲取的料面實際探測點的數(shù)量僅受激光掃描速度和攝像儀的采樣頻率的限制，而與所采用的激光器的數(shù)量無關。這一方面可以大大降低系統(tǒng)成本，另一方面，通過獲取極大量的實際探測點，也能獲取對應的大量實際探測數(shù)據(jù)，這樣，不論是通過“所見即所得”的料面圖像還是通過所生成的料面形狀曲線，都可以獲得更符合實際的料面信息。2)相比于中國專利ZL200610089415.6，本發(fā)明的在線測量高爐料面的系統(tǒng)可以使用較少數(shù)量的激光器(甚至一個激光器)，因此在系統(tǒng)的小型化方面更具優(yōu)勢，且能夠簡化激光器防護措施。


圖1是按照本發(fā)明的第一實施方式的示意圖；圖2是按照本發(fā)明的第二實施方式的示意圖；圖3是按照攝像儀獲取的料面圖像生成的料面形狀曲線的一個示例。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步詳細說明。參見圖1，高爐1總體上為沿中心軸線L成中心對稱的形狀，其內(nèi)的爐料的料面2 通常也呈現(xiàn)為沿中心軸線L成大致中心對稱的形狀。在圖1的剖視圖中，這種中心對稱呈現(xiàn)為沿軸線L的左右軸對稱。在圖1所示的實施方式中，本發(fā)明的在線測量高爐料面的系統(tǒng)包括設置在料面2 上方的一個激光器3和一個攝像儀5。激光器3和攝像儀5在高爐1上的位置和/或設置方式可以采用常規(guī)的方式，如參考中國專利ZL200610089415. 6中那樣。激光器3發(fā)出一根激光束4，該激光束4對于攝像儀5來說是“可見”的。需要注意的是，這里所說的對攝像儀“可見”的意思是所使用的攝像儀3的感光元件對于激光束 4的頻率是敏感的，即攝像儀3可以捕獲該頻率的光線。在實際應用中，激光束4本身可以是可見激光，也可以是紅外激光、紫外激光等不可見激光。通過適當設置激光器3，使得該激光束4能夠對料面2的至少一部分或全部進行連續(xù)掃描。在圖1的示例中，激光器3設置在高爐1的爐壁中。標號4所指向的實線表示激光束4的當前位置，其它用虛線畫出的激光束表示激光束4進行掃描時所可能經(jīng)過的示例性位置，而位于箭頭A兩個端部處的實線則表示激光束4掃描范圍的邊界位置。在一種實施方式中，激光器3設置成可繞一樞轉軸進行樞轉，使得激光束3可以沿方向A對料面2進行掃描。在另一種實施方式中，激光器3可以是帶有激光偏轉裝置的激光掃描儀。在這種激光掃描儀中，激光入射到偏轉裝置(如反射鏡或棱鏡)，通過轉動偏轉裝置來改變出射激光的角度，使得激光束3可以沿方向A對料面2進行掃描。在又一種未示出的實施方式中，激光器可以設置在爐內(nèi)料面上方的一個橫梁上，激光器通過在橫梁上移動或者由橫梁帶動激光器移動而對料面2進行掃描。在圖1所示出的示例中，激光束3 沿方向A轉動沿一條直線路徑(例如高爐2的一條直徑)對料面2進行掃描，在其它的實施方式中，激光束3也可以沿其它的預定路徑對料面2進行掃描。攝像儀5用于拍攝料面2的料面圖像，該料面圖像實際上是由按時間順序獲得的一系列幀圖像組成，并且包含激光束4入射到料面2上形成的探測點圖案。激光束4在對料面2進行掃描時，激光束4在料面2上的終點所形成的探測點圖案在料面圖像的幀圖像中表現(xiàn)為一個亮點4’，這個亮點4’也就是激光束4在料面2上的實際探測點。在掃描過程中，該亮點4’隨著激光束4的連續(xù)移動而在料面2上連續(xù)移動，從而形成掃描的軌跡。
為了使得攝像儀5所拍攝的料面圖像能夠反映料面的形狀變化，攝像儀5應設置在激光束4的掃描軌跡所在平面之外并有一定角度。如圖1所示，攝像儀5可以設置在與激光束4的掃描軌跡所在平面相面對的爐壁處。攝像儀5可以將料面圖像輸出到高爐2外部的圖像處理裝置(未示出)中。按照本發(fā)明，圖像處理裝置能夠采用多種方式處理該料面圖像。在一種方式中，該圖像處理裝置可以包括一個顯示器，料面圖像可以直接經(jīng)由顯示器顯示給操作員。這樣，隨著激光束4的連續(xù)掃描，在顯示器中可以看到不斷行進的亮點 4’。操作員通過觀測料面圖像中亮點4’的位置移動即可了解當前的料面信息，如料面的形狀和/或位置。在另一種方式中，圖像處理裝置還可以包括計算處理系統(tǒng)，該計算處理系統(tǒng)實時接收料面圖像，并將所接收的當前幀圖像與之前已接收的幀圖像進行疊加，并通過顯示器實時顯示所疊加形成的圖像。這樣，隨著激光束4的連續(xù)掃描，可以在顯示器中實時地看到由多幀圖像中的多個亮點4’組成的圖案。如果攝像儀5的采樣頻率足夠高的話，在顯示器中可以實時地看到由多幀圖像中的亮點4’形成的一條不斷延伸的料面形狀曲線。當激光束4是沿一條直線路徑對料面進行掃描時，所疊加形成的圖像為料面2沿該條直線路徑的料面形狀曲線。在又一種方式中，該圖像處理裝置的計算處理系統(tǒng)可以對料面圖像進行處理，獲取每一幀圖像或者選定的多幀圖像中的亮點位置信息，并可以結合激光器的掃描方向和速度、攝像儀的位置和角度信息等參數(shù)，計算獲得各幀圖像中的亮點4’所對應的料面信息數(shù)據(jù)。該料面信息數(shù)據(jù)可包括所處理的該幀圖像中的亮點4’所代表的實際探測點的實際位置數(shù)據(jù)。該計算處理系統(tǒng)還可以將計算獲得的料面信息數(shù)據(jù)生成為料面形狀曲線，并輸出到輸出裝置如顯示器中。按照這種方式所生成的料面形狀曲線的一個示例如圖3所示。需要注意的是，這種處理方式也是可以以實時的方式進行的。計算處理系統(tǒng)實時計算處理當前幀圖像，并獲得當前幀圖像中的亮點4’的料面信息數(shù)據(jù)，并利用從當前幀圖像及之前的幀圖像獲得的料面信息數(shù)據(jù)實時生成料面形狀曲線。這樣，當將所生成的料面形狀曲線實時地輸出到顯示器時，可以看到，隨著激光束4的連續(xù)掃描，顯示器會顯示由多個實際探測點組成的圖案。如果攝像儀5的采樣頻率足夠高的話，在顯示器中可以實時地看到由多個實際探測點形成的一條不斷延伸的料面形狀曲線。可以理解的是，由于激光束4對料面2進行連續(xù)掃描，那么攝像儀5所能拍攝到的實際探測點(亮點4’)的數(shù)量僅受到激光掃描速度和攝像儀的采樣頻率。例如，對于某一段連續(xù)掃描軌跡，激光束4在1秒的時間內(nèi)經(jīng)過0. 5米的水平距離，而攝像儀的采樣頻率為 24幀/秒，那么在這0. 5米的距離內(nèi)將會拍攝到M個實際探測點。攝像儀以M幀/秒采集的圖像如果直接通過顯示器顯示，操作員將會看到亮點連續(xù)移動的掃描圖像。如果通過計算處理系統(tǒng)來生成料面圖像，計算處理系統(tǒng)所能利用的實際探測點數(shù)量也遠遠超過中國專利ZL200610089415. 6中描述的方式，從而能夠生成出與實際料面情況更相符的圖像。圖2示出了本發(fā)明的第二實施方案的示意圖。在圖2中，本發(fā)明的在線測量高爐料面的系統(tǒng)包括兩個激光器3和3’，這兩個激光器沿著高爐2的直徑相對設置。如圖2所示，當由于料面2的形狀原因，使得激光器3存在掃描死角時(如激光器3，的激光束6的當前掃描位置所對應的亮點6’處)，則可用激光器3’來掃描獲取亮點6’及其附近的探測點。另外，也可能由于激光器功率限制，激光器3的照亮距離不能滿足掃描整個料面的需求，這樣通過設置激光器3’，則可分別掃描與其相鄰的一部分料面(如直至掃描到料面的中心附近)，從而一起完成整個料面的掃描。在一種實施方式中，激光器3和3’可以在不同時間對料面2進行掃描，此時，攝像儀5獲得的料面圖像中將含有一個亮點4’或6’。在另一種實施方式中，激光器3和3’也可以同時對料面2進行掃描，此時，攝像儀5獲得料面圖像中將同時含有兩個亮點4’和6’。在圖2的實施方案中，激光器和攝像儀的設置方式以及圖像處理裝置對料面圖像的處理方式均可以采用與圖1的實施方案相同的方式。本領域技術人員可以理解，本發(fā)明的在線測量高爐料面的系統(tǒng)還可以包括其它數(shù)量以及以其它方式布置的激光器，只要這些激光器是以掃描方式工作，并且攝像儀能夠獲得“所見即所得”的料面圖像，則均在本申請的意圖涵蓋范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種在線測量高爐料面的系統(tǒng)，用于探測高爐內(nèi)的料面信息，該系統(tǒng)包括設置在料面上方的激光器，該激光器發(fā)出的激光束能夠對所述料面的至少一部分進行連續(xù)掃描；攝像儀，用于拍攝料面圖像，所述料面圖像包含所述激光束入射到料面上形成的探測點圖案；圖像處理裝置，所述圖像處理裝置接收從所述攝像儀輸出的所述料面圖像，并輸出所述料面信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述料面信息包括料面形狀曲線。
3.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器設置成可繞一樞轉軸進行樞轉，或者所述激光器為帶有激光偏轉裝置的激光掃描儀。
4.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器設置在高爐內(nèi)的橫梁上，所述激光器通過在橫梁上移動或者由橫梁帶動激光器移動而對料面進行掃描。
5.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一個所述激光器。
6.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括設置在不同位置的多個所述激光器。
7.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括沿所述高爐的直徑方向相對設置的兩個所述激光器。
8.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理裝置包括顯示裝置，所述顯示裝置直接顯示所述料面圖像。
9.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述料面圖像由按時間順序獲得的一系列幀圖像組成，所述圖像處理裝置包括計算處理系統(tǒng)，所述計算處理系統(tǒng)實時接收所述料面圖像，并將所接收的當前幀圖像與之前已接收的幀圖像疊加；顯示裝置，所述顯示裝置實時顯示所疊加形成的圖像。
10.根據(jù)權利要求9所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述的疊加形成的圖像包含由探測點圖案組成的料面形狀曲線。
11.根據(jù)權利要求1所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理裝置包括計算處理系統(tǒng)，所述計算處理系統(tǒng)用于計算處理所述料面圖像并獲得與探測點圖案對應的料面信息數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權利要求11所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理裝置還包括輸出裝置，所述計算處理系統(tǒng)還利用所述料面信息數(shù)據(jù)生成料面形狀曲線并輸出至輸出裝置。
13.根據(jù)權利要求11所述的在線測量高爐料面的系統(tǒng)，其特征在于，所述料面圖像由按時間順序獲得的一系列幀圖像組成，所述計算處理系統(tǒng)實時計算處理當前幀圖像，并獲得當前幀圖像中的探測點圖案的料面信息數(shù)據(jù)；并且，所述計算處理系統(tǒng)利用從當前幀圖像及之前的幀圖像獲得的料面信息數(shù)據(jù)實時生成料面形狀曲線。
14.一種在線測量高爐料面的方法，用于探測高爐內(nèi)的料面信息，包括用激光束對高爐內(nèi)的料面的至少一部分進行連續(xù)掃描；所述激光束入射到所述料面上形成探測點圖案；獲取所述料面的料面圖像，所述料面圖像包含所述探測點圖案；根據(jù)所述料面圖像獲取料面信息。
15.根據(jù)權利要求14所述的在線測量高爐料面的方法，其特征在于，所述料面信息包括料面形狀曲線。
16.根據(jù)權利要求14所述的在線測量高爐料面的方法，其特征在于，所述料面圖像直接輸出至顯示裝置。
17.根據(jù)權利要求14所述的在線測量高爐料面的方法，其特征在于，所述料面圖像由按時間順序獲得的一系列幀圖像組成，實時地將當前幀圖像與之前的幀圖像疊加，并實時地將所疊加形成的圖像輸出至顯示裝置。
18.根據(jù)權利要求17所述的在線測量高爐料面的方法，其特征在于，所述的疊加形成的圖像包含由探測點圖案組成的料面形狀曲線。
19.根據(jù)權利要求14所述的在線測量高爐料面的方法，其特征在于，計算處理所述料面圖像，以獲得與探測點圖案對應的料面信息數(shù)據(jù)，并利用所述料面信息數(shù)據(jù)生成料面形狀曲線并輸出至輸出裝置。
20.根據(jù)權利要求19所述的在線測量高爐料面的方法，其特征在于，所述料面圖像由按時間順序獲得的一系列幀圖像組成，實時地計算處理當前幀圖像，并獲得當前幀圖像中的探測點圖案的料面信息數(shù)據(jù)；并且，利用從當前幀圖像及之前的幀圖像獲得的料面信息數(shù)據(jù)實時生成料面形狀曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在線測量高爐料面的系統(tǒng)和方法，用于探測高爐內(nèi)的料面信息。該系統(tǒng)包括設置在料面上方的激光器，該激光器發(fā)出的激光束能夠對料面的至少一部分進行連續(xù)掃描。攝像儀用于拍攝料面圖像，料面圖像包含激光束入射到料面上形成的探測點圖案。圖像處理裝置接收從所述攝像儀輸出的所述料面圖像，并輸出所述料面信息。相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明可以大大降低系統(tǒng)成本，而且通過獲取極大量的實際探測點，可以獲得更符合實際的料面信息。而且，本發(fā)明的在線測量高爐料面的系統(tǒng)可以使用較少數(shù)量的激光器(甚至一個激光器)，因此在系統(tǒng)的小型化方面更具優(yōu)勢，且能夠簡化激光器防護措施。
文檔編號C21B7/24GK102382918SQ20111030710
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權日2011年10月11日
發(fā)明者趙承平, 高征鎧, 高永 , 高泰, 高茜 申請人:趙承平, 高征鎧, 高永 , 高泰, 高茜