一种高温熔融流体流速检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高温熔融流体流速检测方法及系统，通过采集高温高速熔融流体的视频流，将视频流分解成以时间为序的帧图像序列，并提取帧图像序列中的感兴趣熔融流体区域，提取感兴趣熔融流体区域的熔融流体轮廓，提取熔融流体轮廓的特征块，并基于特征块获取熔融流体的流速，解决了现有对具有高温、高速、高光的熔融流体的流速检测精度不高的技术问题，通过利用非侵入式获取高温熔融流体出流的高帧率视频流，通过实时精确跟踪定位熔融流体上的小目标显著性特征块，从而实现对具有高温、高速、高光的熔融流体的流速检测过程。该方法及系统具有高精确性，强稳定性，长周期性，适用于高温或过高温的高速流动的流体，投资成本少等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高温熔融流体流速检测方法及系统
本专利技术主要涉及高温熔融流体流速检测
，特指一种高温熔融流体流速检测方法及系统。
技术介绍
冶金行业中，黑色金属和有色金属多是在高温条件下通过火法冶金的方法从矿石或精矿中提取，产出熔融态的粗金属或金属富集物和炉渣从高温密闭的反应炉内高速流出，如在钢铁工业流程中铁水从高炉出铁口流出，在火法炼铜工业流程中冰铜从反射炉流出，在火法炼锌流程中粗锌从熔炼炉流出等。反应炉内压力的变化趋势是表征反应炉是否平稳顺行的重要指标，但由于反应炉内环境恶劣导致难以直接检测反应炉内压力的变化情况，检测反应炉出口处熔融流体的流速能表征反应炉炉内的压力，同时也能反映产出的金属和渣之间的比例关系，助于及时发现并排除异常工况，改善反应炉透气性，保证反应炉平稳顺行生产。因此，检测反应炉出口处熔融流体的流速对于反应炉安全生产、提质提量的意义尤为重要。本专利技术检测对象为反应炉出口处出流的高温高光熔融流体，同时检测现场存在不可避免的震动及大量分布不均的粉尘，极大地增加了检测的难度。现有技术中，其主流检测的方法分为接触式测量法和非接触式测量法两种，检测高温熔融流体的接触式检测方法需要采用耐高温的材质与高温熔融流体直接接触，高速流动的高温流体会逐渐磨损侵蚀耐高温材质，导致装置重复性差、使用周期短，不仅如此，在大量粉尘及高温的恶劣环境下同样会影响装置的使用寿命和使用性能，投资成本高，检测准确度低，使得接触式检测方法受到了较大的限制；非接触式的检测方法主要是通过建立机理模型的方式来达到非侵入式地检测流速目的，但同样会因检测对象的超高温性及环境的恶劣性严重影响检测的准确性。专利公开号CN103480813A专利技术专利是一种连铸结晶器高温钢液流速测量装置及测量方法，其工作原理是轴承通过固定轴固定在固定装置上，轴承上、下对称位置分别安装弹簧和测量杆，弹簧安装“T”型固定装置上，轴承安装轴承套，通过联轴器连接轴承套和角度位移感器，角度位移传感器由电源供电，记录测量杆在流动钢液中的实时偏转角度，并通过数据线传输到数据采集分析系统，将角度数据转化为钢液流速值。但该专利根据装置检测对象的不同进行重新配准，使用前需将装置预热至1200～1400℃，使用复杂，检测量程较小，对于流速过大的流体检测误差较大，且检测结束后装置不能直接检测下一个对象，在使用的可重复性上受到限制。专利公开号CN104131126A专利技术专利是一种基于模糊模型的高炉熔渣流量检测方法，该专利建立高炉熔渣流量的模糊推理模型，结合第i时刻的渣面高度的大小对高炉熔渣流量的影响特性，设定关于第i时刻的渣面高度的模糊隶属函数，利用模糊推理模型与模糊隶属函数，建立高炉熔渣流量计算模型，使用高炉熔渣流量计算模型进行高炉实时熔渣总流量的在线检测。但该专利中的初始值是通过工艺人员由人工操作经验知识中获得的，人为因素影响较大，主观性强，且设计流程是一个开环，无法保证长期运行结果的准确性。
技术实现思路
本专利技术提供的高温熔融流体流速检测方法及系统，解决了现有对具有高温、高速、高光的熔融流体的流速检测精度不高的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的高温熔融流体流速检测方法包括：采集高温高速熔融流体的视频流；将视频流分解成以时间为序的帧图像序列，并提取帧图像序列中的感兴趣熔融流体区域；提取感兴趣熔融流体区域的熔融流体轮廓；提取熔融流体轮廓的特征块，并基于特征块获取熔融流体的流速，特征块具体为高温熔融流体高速出流过程中出现的波纹或阴影。进一步地，提取感兴趣熔融流体区域的熔融流体轮廓包括：对感兴趣熔融流体区域进行预处理，获得预处理图像；采用一阶偏导有限差分计算预处理图像的梯度幅值和方向，并对梯度幅值进行非极大值抑制；采用双阈值算法检测和连接感兴趣熔融流体区域的熔融流体轮廓，并利用骨架提取算法细化熔融流体轮廓。进一步地，提取熔融流体轮廓的特征块包括：剔除熔融流体轮廓中类水平分布的像素点，保留与水平成预设倾角的特征块像素点，从熔融流体轮廓中分离出特征块轮廓；计算特征块轮廓中两条相邻曲线之间的最小距离、上端点高度差以及夹角差，并基于最小距离、上端点高度差以及夹角差对熔融流体轮廓的特征块进行粗定位；基于熔融流体轮廓对特征块的轮廓进行补全，并基于补全轮廓后的特征块的质心，对熔融流体轮廓的特征块进行精确定位。进一步地，基于特征块获取熔融流体的流速包括：获取特征块的特征，特征包括大小特征、角度特征和位置特征；在相邻两帧之间利用特征块的特征进行相似性匹配，得到特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离；根据现场的安装参数对采集高温高速熔融流体的视频流的高速相机进行标定，建立图像坐标系与世界坐标系之间的关系；求解特征块在世界坐标系中的移动距离，且计算移动距离的计算公式为：其中SW为特征块在世界坐标系中的移动距离，R为反应炉出口圆孔的直径，Rc为反应炉出口在图像上的直径像素，SC为熔融流体上的特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离；基于移动距离以及速度公式获得高温高速熔融流体的流速。进一步地，获取特征块的特征包括：计算特征块边界点的i+j阶矩，计算公式具体为：其中μij为特征块边界点的i+j阶矩，M为特征块边界像素点的个数，m＝0,2,…,M，(xm,ym)为特征块边界上第m个像素点，(xt,yt)为质心坐标；根据i+j阶矩计算特征块的等效椭圆的长半轴r1和短半轴r2，计算公式具体为：其中，r1和r2分别为特征块的等效椭圆的长半轴和短半轴，μ2,0为i＝2，j＝0时μij的取值，μ0,2为i＝0，j＝2时μij的取值，μ1,1为i＝1，j＝1时μij的取值；基于i+j阶矩计算特征块的等效椭圆与水平方向的夹角，计算公式具体为：其中β为特征块的等效椭圆与水平方向的夹角；利用质心公式计算特征块的质心，具体为：其中(xt,yt)为特征块的质心，N为连通域像素点的个数，(xn,yn)为连通域中第n个像素点的坐标；根据长半轴r1、短半轴r2、夹角β和质心(xt,yt)，获得特征块的特征。进一步地，在相邻两帧之间利用特征块的特征进行相似性匹配，得到特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离包括：step1：以前一帧图像T(x,y)的特征块质心的横坐标xt为起点，在后一帧图像T′(x,y)沿横坐标向后搜索特征块质心xt′；step2：在图像T′(x,y)中，将满足xt′-xt＜l条件的质心标记，l为根据观察设定的阈值；step3：判断标记的质心纵坐标是否满足|yt′-yt|≤h′，其中h′为设定的阈值，yt′和yt分别为后一帧图像特征块质心纵坐标和前一帧图像特征块质心纵坐标，并在判定为否时去除特征块的标记，并跳转图像T(x,y)的下一个质心坐标，继续步骤step1；step4：计算图像T′(x,y)被标记特征块的长半轴r1′、短半轴r2′和夹角β′，转化成量纲相同的三个参数(r1′cosβ′,r1′sinβ′,r2′)，特征块参数记为(x1′,x2′,x3′)，同理，图像T(x,y)的特征块参数记为(x1,x2,x3)；step5：为了在线实时评判两个特征块的相似度，计算相似度系数，具体为：其中ρ为相似度系数，ρ的取值范围为[-1,1]，xk为图像T(x,y)的第k个特征块参数，xk′为图像T′(x,y)的第k个特征块参数，图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温熔融流体流速检测方法，其特征在于，所述方法包括：采集高温高速熔融流体的视频流；将所述视频流分解成以时间为序的帧图像序列，并提取所述帧图像序列中的感兴趣熔融流体区域；提取所述感兴趣熔融流体区域的熔融流体轮廓；提取所述熔融流体轮廓的特征块，并基于所述特征块获取熔融流体的流速，所述特征块具体为高温熔融流体高速出流过程中出现的波纹或阴影。

【技术特征摘要】
1.一种高温熔融流体流速检测方法，其特征在于，所述方法包括：采集高温高速熔融流体的视频流；将所述视频流分解成以时间为序的帧图像序列，并提取所述帧图像序列中的感兴趣熔融流体区域；提取所述感兴趣熔融流体区域的熔融流体轮廓；提取所述熔融流体轮廓的特征块，并基于所述特征块获取熔融流体的流速，所述特征块具体为高温熔融流体高速出流过程中出现的波纹或阴影。2.根据权利要求1所述的高温熔融流体流速检测方法，其特征在于，提取所述感兴趣熔融流体区域的熔融流体轮廓包括：对所述感兴趣熔融流体区域进行预处理，获得预处理图像；采用一阶偏导有限差分计算所述预处理图像的梯度幅值和方向，并对所述梯度幅值进行非极大值抑制；采用双阈值算法检测和连接所述感兴趣熔融流体区域的熔融流体轮廓，并利用骨架提取算法细化所述熔融流体轮廓。3.根据权利要求1或2所述的高温熔融流体流速检测方法，其特征在于，提取所述熔融流体轮廓的特征块包括：剔除所述熔融流体轮廓中类水平分布的像素点，保留与水平成预设倾角的特征块像素点，从所述熔融流体轮廓中分离出特征块轮廓；计算所述特征块轮廓中两条相邻曲线之间的最小距离、上端点高度差以及夹角差，并基于所述最小距离、上端点高度差以及夹角差对所述熔融流体轮廓的特征块进行粗定位；基于所述熔融流体轮廓对所述特征块的轮廓进行补全，并基于补全轮廓后的所述特征块的质心，对所述熔融流体轮廓的特征块进行精确定位。4.根据权利要求3所述的高温熔融流体流速检测方法，其特征在于，基于所述特征块获取熔融流体的流速包括：获取所述特征块的特征，所述特征包括大小特征、角度特征和位置特征；在相邻两帧之间利用所述特征块的特征进行相似性匹配，得到特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离；根据现场的安装参数对采集高温高速熔融流体的视频流的高速相机进行标定，建立图像坐标系与世界坐标系之间的关系；求解所述特征块在世界坐标系中的移动距离，且计算所述移动距离的计算公式为：其中SW为所述特征块在世界坐标系中的移动距离，R为反应炉出口圆孔的直径，Rc为反应炉出口在图像上的直径像素，SC为熔融流体上的特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离；基于所述移动距离以及速度公式获得高温高速熔融流体的流速。5.根据权利要求4所述的高温熔融流体流速检测方法，其特征在于，获取所述特征块的特征包括：计算所述特征块边界点的i+j阶矩，计算公式具体为：其中μij为所述特征块边界点的i+j阶矩，M为所述特征块边界像素点的个数，m＝0,2,…,M，(xm,ym)为所述特征块边界上第m个像素点，(xt,yt)为质心坐标；根据所述i+j阶矩计算所述特征块的等效椭圆的长半轴r1和短半轴r2，计算公式具体为：其中，r1和r2分别为所述特征块的等效椭圆的长半轴和短半轴，μ2,0为i＝2，j＝0时μij的取值，μ0,2为i＝0，j＝2时μij的取值，μ1,1为i＝1，j＝1时μij的取值；基于所述i+j阶矩计算所述特征块的等效椭圆与水平方向的夹角，计算公式具体为：其中β为所述特征块的等效椭圆与水平方向的夹角；利用质心公式计算所述特征块的质心，具体为：其中(xt,yt)为所述特征块的质心，N为连通域像素点的个数，(xn,yn)为连通域中第n个像素点的坐标；根据所述长半轴r1、短半轴r2、夹角β和质心(xt,yt)，获得所述特征块的特征。6.根据权利要求5所述的高温熔融流体流速检测方法，其特征在于，在相邻两帧之间利用所述特征块的特征进行相似性匹配，得到特征块在相邻两帧时间内移动的像素距离包括：step1：以前一帧图像T(x,y)的特征块质心的横坐标xt为起点，在后一帧图像T′(x,y)沿横坐标向后搜索特征块质心x′t；step2：在图像T′(x,y)中，将满足x′t-xt＜l条件的质心标记，l为根据观察设定的阈值；step3：判断标记的质心纵坐标是否满足|y′t-yt|≤h′，其中h′为设定的阈值，y′t和yt分别为后一帧图像特征块质心纵坐标和前一帧图像特征块质心纵坐标，并在判定为否时去除特征块的标记，并跳转图像T(x,y)的下一个质心坐标，继续步骤step1；step4：计算图像T′(x,y)被标记特征块的长半轴r1′...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋朝辉，何磊，陈致蓬，桂卫华，潘冬，阳春华，谢永芳，张海峰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43