高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法技术方案

一种高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法，属于电子测量技术及计算机三维技术领域。系统包括：雷达（１），套筒（２），阀门（３），套筒（４）、高炉（５），雷达安装至连接套筒的法兰处；一套雷达数据采集单元（７）包括２４路信号接入端子板，以及和端子板相连接的安装于工控机总线上的数据采集卡；一台工控计算机，及其配套的高炉料面立体监测软件组成成像系统（８）。检测步骤为：雷达（１）与数据采集单元（７）实时通讯，计算机将倾斜测量到的数值转化成高炉料面的垂直高度值，并送入到计算机成像系统（８），结合高炉内部的尺寸参数，生成所需３Ｄ料层的曲面数据。优点在于：解决了高炉内部料面在高温含大量粉尘的恶劣工况下的在线实时监控问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子测量技术及计算机三维
，特别提供了一种，基于雷达的高炉料面形状动态立体监测系统，也适用于其它竖炉等料面检测系统。
技术介绍
高炉是一个大型的高温高压及高粉尘的密闭反应器，其内部的环境非常复杂。传统上对高炉料面的监视一般仅限于用机械探尺采集数据。机械探尺的主要缺点有不能连续测量，布料过程中不能测量；在高炉出现滑料、坐料、塌陷时不能及时跟踪，数据测量误差大；安装方式受限制，只能垂直安装；控制部分极其复杂，现场维护量大，维修成本高；由于测量范围小，不能全程测量加料面的高度等等。在这种情况下，分析炉内料面分布的难度比较大，现场工人往往只能根据经验判断料面的分布情况，这不利于现场操作的实时决策。针对这种情况，人们研究发展出了一些新的监测手段，如炉窑的视频监测系统，在高温下可以看见炉内的布料状态，火焰的发展，炉边的火焰发展情况等，但在光线较暗的情况下，则看不见炉内的布料情况，尤其在料位很低时，对炉内情况则难以由摄像头及人眼判断；也有运用红外成像技术，对料面表面的红外图像进行处理，能够检测出高炉内全料面的温度分布，并用彩色图象区分出来，以测定原料的分布均匀性，但此种方式容易受到高温气流的干扰，不宜用于短时的实时监测。本专利技术采用雷达料位测量技术，能够很好地克服高炉内部各种不利因素的影响。采用雷达技术，可以完全在黑暗的情况下，准确描述出料面各点的高度，进而得出高炉内料位的分布情况，配合十字测温和热电偶的分布，则可以全方位对高炉内的最上层料面情况进行实时连续的监控，同时，综合运用料层矿/焦分批测量技术，数据采集技术，数据传输技术，则可以进一步对高炉内的多个料层进行连续的高度测量和计算。在正常的生产阶段，本专利技术是通过动态实时成像系统，三维立体化显示高炉的料面状态，同时，通过测量数据以及时间的计算，可以显示出不同的料层情况。在高炉降料面的过程中，该系统可以测量100米的有效距离，并全程跟踪料面的下降过程，保证安全生产。与本专利相关联的国内外相关技术专利如下专利技术专利《高炉装入物降下速度测量装置》，日本神户制铁所，昭和62年。实现方式为，单个雷达天线穿过高炉顶部倾斜着沿径向插入炉内，不做扫描；可测量天线下方的料面高度和下降速度，作用类似于机械料尺，不能测量整个料面的形状和沉降动态。欧洲专利技术专利ERG017-664《Mounting Radar Antenna on Shaft Furnace》。双天线结构，安装于一圆筒底部。圆筒穿过炉体侧壁沿水平径向插入炉内，旋转圆筒，使得天线波束在炉内形成一维径向扫描；不具备全料面形状的测量能力，且装置较为复杂，测量时间过长，维护困难。欧洲专利技术专利EP291757-A《Charged burden surface determine》，将反射镜安装在圆筒顶端，圆筒穿过炉体侧壁沿水平径向插入炉内，在直径方向另一侧的炉外安装雷达天线。雷达发出微波能量穿透介质窗口沿水平径向照射到反射镜上，通过反射镜实现波束的二维扫描，能够测量局部料面形状和料面沉降动态，但装置复杂，易受干扰，维护困难。专利技术专利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》。上述三项专利均为水平径向插入式结构，只可测量径向料位分布，不具备全料面形状测量能力。专利技术专利CN99111990.8《三维雷达装置以及用于显示三维雷达图像的方法》，其特点是基于一个硬件系统的三维雷达装置，包括雷达发射接收单元，三维多边形产生单元，以及三维图形单元；此系统将涉及方向信息、距离信息以及接收强度信息的诸信号变换为二维雷达图像数据及亮度信息，并根据亮度信息来生成三维多边形，进而在三维多边形基础上生成三维雷达图像数据。但此技术应用领域不在于恶劣工业环境方面，并未针对恶劣环境的应用提出任何实际可资实现的方法，如，如何获取高炉内部料面某点的方位距离，以及如何保证此点的信号接收强度保持稳定等。此技术难以在剧烈干扰和恶劣环境下的运用。专利技术专利CN99108366.0《具有三维设计的显示的雷达》，其特点是具有三维设计显示的雷达；它将获取得二维图像数据和三维设计的图像数据通过一个图像控制器结合起来显示。它的问题在于，其图像数据为二维，第三维信息需要经过预设的图像参数来获取，从而通用性很差。美国专利技术专利US6261513B1《Device For Directly Monitoring The ChargingProcess On The Inside Of A Shaft Furnace》。单雷达结构，安装于炉体上部。装置前端穿过炉体侧壁沿水平径向插入炉内，其后端装有径向导轨，可以使得装置沿着径向做伸缩，使雷达波束在炉内形成径向扫描；具备简单的全料面形状测量能力，但装置含前进机构，在炉壁上反复来回运动，结构较为复杂，测量时间过长，维护困难。专利技术专利CN01126452.7《高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪》，其特点是采用炉外安装方式和外置式二维扫描方式工作，并用毫米波段调频连续波雷达测量料面距离。其成像仪安装在炉外，以介质窗口将成像仪与炉内高温粉尘隔离，测量过程中没有任何部件插入炉内，通过雷达天线在炉外的二维扫描，测量炉内全料面形状，具有全料面实时三维成像能力。此方法将天线外置，配合一套机械移动装置，由于有一套复杂的扫描机械机构，在高炉炉顶上现场的机械维护比较困难和麻烦，失去了雷达免维护的突出优点。美国专利技术专利4094494，《Furnace Charge Profile Measuring Process AndApparatus》。实现方式为，雷达天线安装于高炉顶部料斗之上，位于整个高炉的中间纵轴上，不做扫描；可测量天线下方的料面高度和下降速度，作用类似于机械料尺，不能测量整个料面的形状和沉降动态。荷兰专利技术专利NL-7707-178，《Device for determining charging distribution in blastfurnace》。双天线结构，安装在球形关节上，天线随高炉旋转布料器转动，具有测量料面形状和沉降动态的能力但只适用于旋转布料式高炉，而且因为雷达整体置于炉内，可靠性和可维护性较差。从与本专利相关联的国内外相关专利可以看出，本专利的特点在于1.雷达系统中，其安装位置可以根据现场对成像的具体要求，如精度要求，位置要求等的不同而有所区别，雷达可以和中心高炉垂直安装，或者倾斜一定的角度安装。高炉雷达采用炉外安装方式，通过套筒2和4安装到高炉5上，同时在2和4之间加装了安全阀门3，因此，整个结构安装简单，可靠性好，便于维护。其安装数量根据单点雷达覆盖高炉内料面的有效面积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高炉料面形状动态立体监测系统，其特征在于，在高炉炉顶设置１～１０台雷达，在其下方安装的套筒（２），其底部接入阀门（３），再接套筒（４）连接至高炉（５）的炉壁，套筒作雷达导波和保护用，雷达安装至连接套筒的法兰处；一套雷达数据采集单元（７）包括２４路信号接入端子板，以及和端子板相连接的安装于工控机总线上的数据采集卡；一台工控计算机，及其配套的高炉料面立体监测软件组成成像系统８；数据采集卡通过实时通讯，将雷达的回波信号经过数据采集单元（７）读入工控计算机形成成像所需的数据；使雷达免受高温和粉尘的影响的雷达吹除冷却装置（６），在每一个雷达上安装一套吹冷装置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈先中，吴昀，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]