高爐料面雷達掃描3D成像裝置、監控系統及其監控方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種高爐料面雷達掃描3D成像裝置、監控系統及其監控方法，其中成像裝置安裝在高爐上方一側爐壁上，通過最先進的雷達探測技術和360°全息掃描，在數秒內提供數千個點的高爐料面真實掃描信息，實時監控高爐料面真實狀態并生成料面三維圖像；采用該成像裝置構成的監控系統及監控方法能夠實時在線檢測不對稱布料狀態和物料料面下降速度分布，大幅度提高布料信息反饋，使工藝分析達到了新的高度水平；綜上，本發明專利技術具有實時在線、檢測精度高和性能穩定的特點，解決了目前高爐料面高度和表面形狀難以精準測量的技術難題，對高爐優化操作、合理布料。

Blast furnace radar scanning 3D imaging device, monitoring system and monitoring method thereof

The invention discloses a blast furnace radar scanning 3D imaging device, monitoring system and monitoring method thereof, wherein the imaging device is installed in the furnace above one side of the furnace wall, through the most advanced radar detection technology and 360 degree holographic scanning, providing real information of thousands of blast furnace scanning points in seconds, real-time monitoring of real blast furnace the state level and generate the 3D image; monitoring system formed by the imaging device and monitoring method capable of real-time detection of asymmetric cloth condition and the material burden descent velocity distribution, greatly improve the distribution of information feedback, the process analysis reached the high level of new; therefore, the invention has the advantages of real-time and high detection accuracy and stable performance the characteristics of the blast furnace height and surface shape is difficult to accurately measure technical problems, optimization of blast furnace operation Reasonable cloth.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及冶金
，特別涉及一種高爐料面雷達掃描3D成像裝置、監控系統及其監控方法。
技術介紹
在冶金行業的高爐煉鐵生產過程中，高爐布料是高爐煉鐵系統中最重要的環節之一。準確、有效的掌握高爐內料面的分布情況是保證高爐正常生產運行和產品質量的前提條件。長期以來高爐料面測量一直是個難題。目前高爐料面測量方法大致有三種：方法一，傳統上對封閉高爐料面的監視一般使用機械探尺采集數據，每個高爐有兩個機械探尺，探測高爐這兩個點的準確位置。機械探尺雖然準確可靠，但采樣固定單一，數量只有兩個，不能代表整個料面的形狀，只能測量單一固定位置的料高；方法二是在高爐爐體不同的位置上開孔，每個孔裝一個安裝測距雷達，一般最多不會超過10個，因為過多的開孔會嚴重影響高爐爐體強度和壽命，這樣能大致想象出料面的形狀。但是，由于上述兩種辦法監控點偏少，不能遍布爐頂料面的每一點，造成分析和掌握爐內料面分布的難度很大，只能憑借操作人員的經驗來猜測高爐的料面布料和氣流狀態，給高爐操作帶來很大的隨意性，無法保證準確性，更談不上布料操作優化；方法三采用紅外成像技術，對料面表面的紅外圖像進行分析，通過檢測高爐料面的溫度分布來間接推算高爐料面的分布，此法雖然可以根據像素值和像素之間的關系構成三維圖像，全面反映爐頂料面形狀，但實際上存在溫度與料面高度并不對應的問題，而且即使對應了溫度和高度的關系，也只能定性，無法量化。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種高爐料面雷達掃描3D成像裝置、監控系統及其監控方法。為此，本專利技術技術方案如下：一種高爐料面雷達掃描3D成像裝置，包括雷達探測器、防護套、容置腔體、旋轉裝置和后蓋；其中：防護套包括防護內套和防護外套，防護外套以與防護內套存在縫隙的形式設置在防護內套外側，在防護套前端端部設置有一與防護套端面密封連接的環形端蓋，在防護外套后端端部設置并固定有一連接法蘭且連接法蘭的法蘭盤蓋裝在防護套后端端面上，使防護套形成為一具有封閉環空結構且中心形成有通孔的套體；雷達探測器和旋轉裝置連接固定并設置在防護內套的內部，雷達探測器設置在防護套前端端部；其中，雷達探測器優選為微波雷達；防護套后端與容置腔體、后蓋依次密封連接，使防護套后端封閉；容置腔體內部與防護套中心通孔連通，后蓋中心設有進線口，進線口用穿裝雷達探測器和旋轉裝置的電路連接線路，使其與外接電源連接為雷達探測器和旋轉裝置供電；在防護外套后端外壁上設有外層進氣口；在容置腔體外壁上設有內層進氣口；外層進氣口和內層進氣口均與冷氣氣源連接，向防護內套內和防護內套與防護外套之間形成的環空輸送冷氣，對高爐料面雷達掃描3D成像裝置形成雙層冷氣保護；雷達探測器設置在防護套前端，中心通孔前端形成雷達視窗，使進入防護內套的冷氣對雷達探測器和旋轉裝置進行冷卻后從雷達視窗吹出；在防護套的環形端蓋上沿圓周方向開設有多個與防護套封閉環空連通的氣槽，使進入防護外套中的冷氣從氣槽吹出進入爐內。一種高爐料面形狀動態監控系統，包括高爐料面雷達掃描3D成像裝置、現場控制箱、室內控制箱、顯示器、工業計算機、信號轉換器和報警裝置；高爐料面雷達掃描3D成像裝置通過現場控制箱與工業計算機連接，工業計算機與顯示器連接，將掃描的高爐料面信號經現場控制箱輸出給工業計算機并由顯示器顯示出高爐內料面三維形狀圖形；室內控制箱一端與現場控制箱連接、另一端與工業計算機連接，通過室內控制箱實現對現場控制箱的遠程控制；報警裝置通過信號轉換器連接至工業計算機。其中，在防護套外壁上設有用于與高爐爐壁連接固定的安裝法蘭，成像裝置與高爐爐壁所成安裝角度與高爐內部結構相適應，保證雷達探測器旋轉360°的掃描范圍覆蓋全部高爐料面。一種使用上述高爐料面形狀動態監控系統對高爐料面實時狀態監控系統進行實時監控的方法，包括下述具體步驟：一、監控工作準備：按照高爐料面實時狀態監控系統結構布置連接各裝置并將現場控制箱和室內控制箱調試到正常工作狀態，使電源、電氣控制、數據通訊正常工作，氮氣冷卻系統的壓力和溫度調試正常供給狀態；其中，防護外套后端側壁上設置的外層進氣口和容置腔體側壁上設置的內層進氣口均與冷卻介質連接；具體地，冷卻介質采用輸送壓力為0.40～0.6MPa的有壓氮氣，使高爐料面雷達掃描3D成像裝置的工作溫度控制在入口溫度≤35℃。通過氮氣不停的吹掃，確保雷達探測器在高溫、高粉塵的高爐中能夠穩定工作。二、數據收集和圖像擬合：S1、雷達探測器在防護套的保護下通過旋轉裝置帶動雷達旋轉對高爐料面表面進行360°全方位掃描，雷達探測器每轉動固定的角度，發出的信號掃描不同深度的物料，并根據發射出去信號和返回來信號的時間差來計算雷達探測器與高爐料面的距離，然后將雷達探測器采集得到的數據簇通過通訊協議發送至工業計算機上；具體地，雷達探測器360°全方位掃描過程中，掃描每經過10°進行一次數據采集，數據采集時間間隔為0.5s；也就是說，18s轉一周，完成一次完整的料面掃描并將采集的數據傳輸到工業計算機進行3D料面擬合；其中，每次掃描采集的數據量至少為2000簇；每次掃描采集的數據量的多少由雷達探測器最終接收到的從物料表面返回的有效數據點決定；S2、工業計算機對所接收到雷達探測器發送的數據簇依次進行：1)去除數據簇中掃描在爐壁上的無用點；2)采用NURBS曲面全局插值擬合法和最小二乘曲面擬合法相結合的方法對有效數據進行計算處理并得到用于繪制曲面的參數；3)基于OpenGL函數將所得參數繪制成3D視圖模型，從而得到物料的實時狀態，并通過顯示器實時顯示出來；具體地，步驟S2中去除數據簇中掃描在爐壁上的無用點的預處理方法為：設空間中任意一點P，在雷達探測器為中心的坐標系下的坐標為P(x,y,z)，經過旋轉和平移，變換到以Z軸垂直于水平面的坐標系下的坐標為P'(x',y',z')，R為旋轉平移矩陣，表達式如下所示：R=[cosθcosψsinφsinθcosψ-cosφsinψsinφsinψ+cosφsinθcosψΔxcosθsinψcosφcosψ+sinφsinθsinψcosφsinθsinψ-sinφcosψΔy-sinθsinφcosθcosφcosθΔz0001]]]>式中，φ、θ、ψ為沿著三個軸向的旋轉角度，Δx、Δy、Δz為沿著三個軸向的平移矩陣；通過轉換坐標系，找到雷達探測器掃描料面和爐壁的臨界區坐標，舍棄超過臨界區坐標的數據點，即掃描在爐壁上的無用點。進一步地，對所得到的數據點進行曲面擬合。常用的曲面擬合方法有Coons曲面擬合法、雙三次Hermite插值法、最小二乘曲面擬合法和NURBS曲面全局插值擬合法等，但本專利技術優選采用NURBS曲面全局插值擬合法和最小二乘曲面擬合法相結合進行曲面擬合，這是因為NURBS曲面全局插值擬合法能彌補最小二乘曲面擬合法在擬合數據時不能精確擬合通過原點的數據的缺點，而最小二乘法又能解決NUR本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高爐料面雷達掃描3D成像裝置，其特征在于，包括雷達探測器(101)、防護套、容置腔體(107)、旋轉裝置(108)和后蓋(110)；其中，防護套包括防護內套(102)和防護外套(103)，防護外套(103)以與防護內套(102)存在縫隙的形式設置在防護內套(102)外側，在防護套前端端部設置有一與防護套端面密封連接的環形端蓋，在防護外套(103)后端端部設置并固定有一連接法蘭(111)且連接法蘭(111)的法蘭盤蓋裝在防護套后端端面上，使防護套形成為一具有封閉環空結構且中心形成有通孔的套體；雷達探測器(101)和旋轉裝置(108)連接固定并設置在防護內套(102)的內部，雷達探測器(101)設置在防護套前端端部，防護套后端與容置腔體(107)、后蓋(110)依次密封連接，使防護套后端封閉；容置腔體(107)內部與防護套中心通孔連通，后蓋(110)中心設有進線口(112)；在防護外套(103)后端側壁上設有外層進氣口(105)；在容置腔體(107)側壁上設有內層進氣口(106)，在防護套的環形端蓋上沿圓周方向開設有多個與防護套封閉環空連通的氣槽。

【技術特征摘要】
1.一種高爐料面雷達掃描3D成像裝置，其特征在于，包括雷達探測器(101)、防護套、容置腔體(107)、旋轉裝置(108)和后蓋(110)；其中，防護套包括防護內套(102)和防護外套(103)，防護外套(103)以與防護內套(102)存在縫隙的形式設置在防護內套(102)外側，在防護套前端端部設置有一與防護套端面密封連接的環形端蓋，在防護外套(103)后端端部設置并固定有一連接法蘭(111)且連接法蘭(111)的法蘭盤蓋裝在防護套后端端面上，使防護套形成為一具有封閉環空結構且中心形成有通孔的套體；雷達探測器(101)和旋轉裝置(108)連接固定并設置在防護內套(102)的內部，雷達探測器(101)設置在防護套前端端部，防護套后端與容置腔體(107)、后蓋(110)依次密封連接，使防護套后端封閉；容置腔體(107)內部與防護套中心通孔連通，后蓋(110)中心設有進線口(112)；在防護外套(103)后端側壁上設有外層進氣口(105)；在容置腔體(107)側壁上設有內層進氣口(106)，在防護套的環形端蓋上沿圓周方向開設有多個與防護套封閉環空連通的氣槽。2.根據權利要求1的高爐料面雷達掃描3D成像裝置，其特征在于，在防護套外壁上設有用于與高爐爐壁連接固定的安裝法蘭(104)，成像裝置與高爐爐壁所成安裝角度與高爐內部結構相適應，保證雷達探測器旋轉360°的掃描范圍覆蓋全部高爐料面。3.根據權利要求1的高爐料面雷達掃描3D成像裝置，其特征在于，雷達探測器(101)采用微波雷達。4.一種高爐料面實時狀態監控系統，其特征在于，包括高爐料面雷達掃描3D成像裝置(1)、現場控制箱(2)、室內控制箱(3)、顯示器(4)、工業計算機(5)、信號轉換器(6)和報警裝置(7)；其中，高爐料面雷達掃描3D成像裝置(1)通過現場控制箱(2)與工業計算機(5)連接，工業計算機(5)與顯示器(4)連接，將高爐料面雷達掃描3D成像裝置(1)掃描收集的高爐料面數據通過現場控制箱(2)輸出給工業計算機(5)，經數據處理后由顯示器(4)顯示出高爐內料面三維形狀圖形；室內控制箱(3)一端與現場控制箱(2)連接、另一端與工業計算機(5)連接，通過室內控制箱(3)實現對現場控制箱(2)的遠程控制；報警裝置(7)通過信號轉換器(6)連接至工業計算機(5)。5.一種使用根據權利要求4的高爐料面實時狀態監控系統的實時監控方法，其特征在于，包括下述具體步驟：S1、雷達探測器(101)在防護套的保護下通過旋轉裝置(108)帶動雷達旋轉對高爐料面表面進行360°全方位掃描，雷達探測器(101)每轉動固定的角度，發出的信號掃描不同深度的物料，并根據發射出去信號和返回來信號的時間差來...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張海根，
申請(專利權)人：天津市三特電子有限公司，
類型：發明
國別省市：天津;12