高炉料面雷达扫描3D成像装置、监控系统及其监控方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高炉料面雷达扫描3D成像装置、监控系统及其监控方法，其中成像装置安装在高炉上方一侧炉壁上，通过最先进的雷达探测技术和360°全息扫描，在数秒内提供数千个点的高炉料面真实扫描信息，实时监控高炉料面真实状态并生成料面三维图像；采用该成像装置构成的监控系统及监控方法能够实时在线检测不对称布料状态和物料料面下降速度分布，大幅度提高布料信息反馈，使工艺分析达到了新的高度水平；综上，本发明专利技术具有实时在线、检测精度高和性能稳定的特点，解决了目前高炉料面高度和表面形状难以精准测量的技术难题，对高炉优化操作、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.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冶金
，特别涉及一种高炉料面雷达扫描3D成像装置、监控系统及其监控方法。
技术介绍
在冶金行业的高炉炼铁生产过程中，高炉布料是高炉炼铁系统中最重要的环节之一。准确、有效的掌握高炉内料面的分布情况是保证高炉正常生产运行和产品质量的前提条件。长期以来高炉料面测量一直是个难题。目前高炉料面测量方法大致有三种：方法一，传统上对封闭高炉料面的监视一般使用机械探尺采集数据，每个高炉有两个机械探尺，探测高炉这两个点的准确位置。机械探尺虽然准确可靠，但采样固定单一，数量只有两个，不能代表整个料面的形状，只能测量单一固定位置的料高；方法二是在高炉炉体不同的位置上开孔，每个孔装一个安装测距雷达，一般最多不会超过10个，因为过多的开孔会严重影响高炉炉体强度和寿命，这样能大致想象出料面的形状。但是，由于上述两种办法监控点偏少，不能遍布炉顶料面的每一点，造成分析和掌握炉内料面分布的难度很大，只能凭借操作人员的经验来猜测高炉的料面布料和气流状态，给高炉操作带来很大的随意性，无法保证准确性，更谈不上布料操作优化；方法三采用红外成像技术，对料面表面的红外图像进行分析，通过检测高炉料面的温度分布来间接推算高炉料面的分布，此法虽然可以根据像素值和像素之间的关系构成三维图像，全面反映炉顶料面形状，但实际上存在温度与料面高度并不对应的问题，而且即使对应了温度和高度的关系，也只能定性，无法量化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高炉料面雷达扫描3D成像装置、监控系统及其监控方法。为此，本专利技术技术方案如下：一种高炉料面雷达扫描3D成像装置，包括雷达探测器、防护套、容置腔体、旋转装置和后盖；其中：防护套包括防护内套和防护外套，防护外套以与防护内套存在缝隙的形式设置在防护内套外侧，在防护套前端端部设置有一与防护套端面密封连接的环形端盖，在防护外套后端端部设置并固定有一连接法兰且连接法兰的法兰盘盖装在防护套后端端面上，使防护套形成为一具有封闭环空结构且中心形成有通孔的套体；雷达探测器和旋转装置连接固定并设置在防护内套的内部，雷达探测器设置在防护套前端端部；其中，雷达探测器优选为微波雷达；防护套后端与容置腔体、后盖依次密封连接，使防护套后端封闭；容置腔体内部与防护套中心通孔连通，后盖中心设有进线口，进线口用穿装雷达探测器和旋转装置的电路连接线路，使其与外接电源连接为雷达探测器和旋转装置供电；在防护外套后端外壁上设有外层进气口；在容置腔体外壁上设有内层进气口；外层进气口和内层进气口均与冷气气源连接，向防护内套内和防护内套与防护外套之间形成的环空输送冷气，对高炉料面雷达扫描3D成像装置形成双层冷气保护；雷达探测器设置在防护套前端，中心通孔前端形成雷达视窗，使进入防护内套的冷气对雷达探测器和旋转装置进行冷却后从雷达视窗吹出；在防护套的环形端盖上沿圆周方向开设有多个与防护套封闭环空连通的气槽，使进入防护外套中的冷气从气槽吹出进入炉内。一种高炉料面形状动态监控系统，包括高炉料面雷达扫描3D成像装置、现场控制箱、室内控制箱、显示器、工业计算机、信号转换器和报警装置；高炉料面雷达扫描3D成像装置通过现场控制箱与工业计算机连接，工业计算机与显示器连接，将扫描的高炉料面信号经现场控制箱输出给工业计算机并由显示器显示出高炉内料面三维形状图形；室内控制箱一端与现场控制箱连接、另一端与工业计算机连接，通过室内控制箱实现对现场控制箱的远程控制；报警装置通过信号转换器连接至工业计算机。其中，在防护套外壁上设有用于与高炉炉壁连接固定的安装法兰，成像装置与高炉炉壁所成安装角度与高炉内部结构相适应，保证雷达探测器旋转360°的扫描范围覆盖全部高炉料面。一种使用上述高炉料面形状动态监控系统对高炉料面实时状态监控系统进行实时监控的方法，包括下述具体步骤：一、监控工作准备：按照高炉料面实时状态监控系统结构布置连接各装置并将现场控制箱和室内控制箱调试到正常工作状态，使电源、电气控制、数据通讯正常工作，氮气冷却系统的压力和温度调试正常供给状态；其中，防护外套后端侧壁上设置的外层进气口和容置腔体侧壁上设置的内层进气口均与冷却介质连接；具体地，冷却介质采用输送压力为0.40～0.6MPa的有压氮气，使高炉料面雷达扫描3D成像装置的工作温度控制在入口温度≤35℃。通过氮气不停的吹扫，确保雷达探测器在高温、高粉尘的高炉中能够稳定工作。二、数据收集和图像拟合：S1、雷达探测器在防护套的保护下通过旋转装置带动雷达旋转对高炉料面表面进行360°全方位扫描，雷达探测器每转动固定的角度，发出的信号扫描不同深度的物料，并根据发射出去信号和返回来信号的时间差来计算雷达探测器与高炉料面的距离，然后将雷达探测器采集得到的数据簇通过通讯协议发送至工业计算机上；具体地，雷达探测器360°全方位扫描过程中，扫描每经过10°进行一次数据采集，数据采集时间间隔为0.5s；也就是说，18s转一周，完成一次完整的料面扫描并将采集的数据传输到工业计算机进行3D料面拟合；其中，每次扫描采集的数据量至少为2000簇；每次扫描采集的数据量的多少由雷达探测器最终接收到的从物料表面返回的有效数据点决定；S2、工业计算机对所接收到雷达探测器发送的数据簇依次进行：1)去除数据簇中扫描在炉壁上的无用点；2)采用NURBS曲面全局插值拟合法和最小二乘曲面拟合法相结合的方法对有效数据进行计算处理并得到用于绘制曲面的参数；3)基于OpenGL函数将所得参数绘制成3D视图模型，从而得到物料的实时状态，并通过显示器实时显示出来；具体地，步骤S2中去除数据簇中扫描在炉壁上的无用点的预处理方法为：设空间中任意一点P，在雷达探测器为中心的坐标系下的坐标为P(x,y,z)，经过旋转和平移，变换到以Z轴垂直于水平面的坐标系下的坐标为P'(x',y',z')，R为旋转平移矩阵，表达式如下所示：R=[cosθcosψsinφsinθcosψ-cosφsinψsinφsinψ+cosφsinθcosψΔxcosθsinψcosφcosψ+sinφsinθsinψcosφsinθsinψ-sinφcosψΔy-sinθsinφcosθcosφcosθΔz0001]]]>式中，φ、θ、ψ为沿着三个轴向的旋转角度，Δx、Δy、Δz为沿着三个轴向的平移矩阵；通过转换坐标系，找到雷达探测器扫描料面和炉壁的临界区坐标，舍弃超过临界区坐标的数据点，即扫描在炉壁上的无用点。进一步地，对所得到的数据点进行曲面拟合。常用的曲面拟合方法有Coons曲面拟合法、双三次Hermite插值法、最小二乘曲面拟合法和NURBS曲面全局插值拟合法等，但本专利技术优选采用NURBS曲面全局插值拟合法和最小二乘曲面拟合法相结合进行曲面拟合，这是因为NURBS曲面全局插值拟合法能弥补最小二乘曲面拟合法在拟合数据时不能精确拟合通过原点的数据的缺点，而最小二乘法又能解决NUR本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高炉料面雷达扫描3D成像装置，其特征在于，包括雷达探测器(101)、防护套、容置腔体(107)、旋转装置(108)和后盖(110)；其中，防护套包括防护内套(102)和防护外套(103)，防护外套(103)以与防护内套(102)存在缝隙的形式设置在防护内套(102)外侧，在防护套前端端部设置有一与防护套端面密封连接的环形端盖，在防护外套(103)后端端部设置并固定有一连接法兰(111)且连接法兰(111)的法兰盘盖装在防护套后端端面上，使防护套形成为一具有封闭环空结构且中心形成有通孔的套体；雷达探测器(101)和旋转装置(108)连接固定并设置在防护内套(102)的内部，雷达探测器(101)设置在防护套前端端部，防护套后端与容置腔体(107)、后盖(110)依次密封连接，使防护套后端封闭；容置腔体(107)内部与防护套中心通孔连通，后盖(110)中心设有进线口(112)；在防护外套(103)后端侧壁上设有外层进气口(105)；在容置腔体(107)侧壁上设有内层进气口(106)，在防护套的环形端盖上沿圆周方向开设有多个与防护套封闭环空连通的气槽。

【技术特征摘要】
1.一种高炉料面雷达扫描3D成像装置，其特征在于，包括雷达探测器(101)、防护套、容置腔体(107)、旋转装置(108)和后盖(110)；其中，防护套包括防护内套(102)和防护外套(103)，防护外套(103)以与防护内套(102)存在缝隙的形式设置在防护内套(102)外侧，在防护套前端端部设置有一与防护套端面密封连接的环形端盖，在防护外套(103)后端端部设置并固定有一连接法兰(111)且连接法兰(111)的法兰盘盖装在防护套后端端面上，使防护套形成为一具有封闭环空结构且中心形成有通孔的套体；雷达探测器(101)和旋转装置(108)连接固定并设置在防护内套(102)的内部，雷达探测器(101)设置在防护套前端端部，防护套后端与容置腔体(107)、后盖(110)依次密封连接，使防护套后端封闭；容置腔体(107)内部与防护套中心通孔连通，后盖(110)中心设有进线口(112)；在防护外套(103)后端侧壁上设有外层进气口(105)；在容置腔体(107)侧壁上设有内层进气口(106)，在防护套的环形端盖上沿圆周方向开设有多个与防护套封闭环空连通的气槽。2.根据权利要求1的高炉料面雷达扫描3D成像装置，其特征在于，在防护套外壁上设有用于与高炉炉壁连接固定的安装法兰(104)，成像装置与高炉炉壁所成安装角度与高炉内部结构相适应，保证雷达探测器旋转360°的扫描范围覆盖全部高炉料面。3.根据权利要求1的高炉料面雷达扫描3D成像装置，其特征在于，雷达探测器(101)采用微波雷达。4.一种高炉料面实时状态监控系统，其特征在于，包括高炉料面雷达扫描3D成像装置(1)、现场控制箱(2)、室内控制箱(3)、显示器(4)、工业计算机(5)、信号转换器(6)和报警装置(7)；其中，高炉料面雷达扫描3D成像装置(1)通过现场控制箱(2)与工业计算机(5)连接，工业计算机(5)与显示器(4)连接，将高炉料面雷达扫描3D成像装置(1)扫描收集的高炉料面数据通过现场控制箱(2)输出给工业计算机(5)，经数据处理后由显示器(4)显示出高炉内料面三维形状图形；室内控制箱(3)一端与现场控制箱(2)连接、另一端与工业计算机(5)连接，通过室内控制箱(3)实现对现场控制箱(2)的远程控制；报警装置(7)通过信号转换器(6)连接至工业计算机(5)。5.一种使用根据权利要求4的高炉料面实时状态监控系统的实时监控方法，其特征在于，包括下述具体步骤：S1、雷达探测器(101)在防护套的保护下通过旋转装置(108)带动雷达旋转对高炉料面表面进行360°全方位扫描，雷达探测器(101)每转动固定的角度，发出的信号扫描不同深度的物料，并根据发射出去信号和返回来信号的时间差来...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海根，
申请(专利权)人：天津市三特电子有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12