基于CCD的轉(zhuǎn)爐溫度測(cè)量方法研究

張 巖，楊友良，馬翠紅，景會(huì)成，張偉強(qiáng)

（1.唐山賽福特智能控制股份有限公司，唐山 063000；2.河北聯(lián)合大學(xué) 電氣工程學(xué)院，唐山 063000；3.唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，唐山 063000）

目前，我國(guó)的轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化水平還比較落后，轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)[1]還主要是依靠人工來(lái)判斷，嚴(yán)重降低了鋼鐵生產(chǎn)水平。而轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)主要是鋼水溫度和鋼水成分達(dá)到出鋼的要求，因此準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的鋼水溫度是急需解決的問(wèn)題。

因此研究一套CCD[2]測(cè)溫方法具有巨大意義。目前國(guó)際上位置公認(rèn)的輻射測(cè)溫[3]方法主要有4種：基于參考點(diǎn)的單色測(cè)溫法、比色測(cè)溫法、基于彩色CCD的三色測(cè)溫法和全輻射測(cè)溫法。這4種輻射測(cè)溫法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，但對(duì)于鋼鐵生產(chǎn)而言，比色測(cè)溫法比較方便、快捷，更能適應(yīng)鋼鐵生產(chǎn)的工藝要求。

1 基于CCD的比色測(cè)溫原理

比色測(cè)溫法[4]是一種非接觸測(cè)溫法，又稱雙波段測(cè)溫法或雙色溫度法，是根據(jù)輻射物在2個(gè)波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度之比與溫度之間的函數(shù)關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度。合理的選擇2個(gè)工作波段可很大程度上減小物體比輻射率變化引起的測(cè)量誤差。

設(shè)溫度為Tc的黑體在波長(zhǎng)λ1和λ2下的光譜輻射亮度[5]為 Lb（λ1，Tc）和 Lb（λ2，Tc），令兩光譜輻射亮度之比為Bb，則利用維恩公式[6]轉(zhuǎn)化可得到黑體的比色測(cè)溫公式為

由于絕對(duì)的黑體并不存在，則利用非黑體的維恩公式可得到非黑體的比色測(cè)溫公式為

式中：B=L（λ1，T）/L（λ2，T）為溫度 T 下非黑體在波長(zhǎng)為 λ1和 λ2時(shí)的輻射亮度之比；ε（λ1，T）和 ε（λ2，T）為溫度T時(shí)非黑體在波長(zhǎng)為λ1和λ2下的比輻射率。

2 基于CCD的比色測(cè)溫法

CCD攝像機(jī)是一種新型半導(dǎo)體器件，特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)。CCD攝像機(jī)的成像面是由水平和垂直排列的象素組成，每個(gè)象素的光電轉(zhuǎn)換部分為一個(gè)光敏元件。光敏元件的作用是把接收到的光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?hào)，電荷包的電量反映了照在該象素上的光線強(qiáng)弱，于是成像面上的光的強(qiáng)弱分部就轉(zhuǎn)換成了電荷量多少的分布。由于測(cè)量的是熔融鋼水圖像，因此利用CCD測(cè)量圖像時(shí)光敏元件存在飽和現(xiàn)象，圖像嚴(yán)重失真，不能用來(lái)分析鋼水溫度。為解決這一問(wèn)題，測(cè)量時(shí)在CCD攝像機(jī)前加1個(gè)中性衰減片和2個(gè)不同波長(zhǎng)的濾光片，這樣得到的圖像更能清晰地反映爐內(nèi)的溫度分布情況。

再將這兩幅圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得出兩幅圖像的灰度值[7]，灰度值反映出輻射亮度，將此代入上述比色測(cè)溫公式就可得出爐內(nèi)鋼水的比色溫度。

3 轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)溫度測(cè)量

針對(duì)轉(zhuǎn)爐內(nèi)高溫、高粉塵情況，提出2種轉(zhuǎn)爐測(cè)溫方法：①直接從爐口采集經(jīng)過(guò)不同波長(zhǎng)濾光片的圖像來(lái)測(cè)量溫度；②利用光纖從轉(zhuǎn)爐爐底氧槍[8]采集光學(xué)信息，再經(jīng)850 nm和950 nm波長(zhǎng)濾光片的圖像來(lái)測(cè)量溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖Fig.1 Figure of BOF temperature measurement experiment

圖中旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)由同步電機(jī)帶動(dòng)，盡量使采集的2個(gè)不同波長(zhǎng)下的圖像是同一溫度下的，以減小誤差。2種方法同時(shí)測(cè)溫，在采集圖像的同時(shí)，用熱偶測(cè)量爐內(nèi)鋼水的溫度，并用熱偶來(lái)對(duì)比色測(cè)溫方法進(jìn)行標(biāo)定。圖2為測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of temperature measurement system

采集到的圖像經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理[9]后得到比較清晰的圖像，再提取2幅圖像同一點(diǎn)的灰度值，一般情況下，取圖像中心的灰度值。得到如圖3的圖像。

圖3 CCD采集的經(jīng)過(guò)濾波后的圖像Fig.3 Image of CCD acquisition after filtered

將圖中采集到的圖像中心的灰度值提取出來(lái)，代入比色測(cè)溫公式就能測(cè)得轉(zhuǎn)爐中鋼水的溫度。

4 數(shù)據(jù)分析與處理

為減小比輻射率[10]對(duì)溫度測(cè)量的影響，實(shí)驗(yàn)中利用熱偶測(cè)得的實(shí)際溫度來(lái)反推物體的比輻射率。在利用熱偶測(cè)溫的同時(shí)利用CCD采集鋼水圖像，將熱偶測(cè)得的溫度與圖像的灰度值代入比色測(cè)溫公式，就可得出該溫度下的比輻射率 ε（λ2，T）/ε（λ1，T），比輻射率隨實(shí)際溫度變化的圖像如圖4所示。

圖4 溫度與比輻射率關(guān)系圖Fig.4 Diagram of temperature and emissivity

由于轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度在1600℃左右，因此為了提高測(cè)溫的準(zhǔn)確率，參考鋼水溫度在1450～1620℃時(shí)的比輻射率的變化情況，經(jīng)大量的帶入計(jì)算，當(dāng)比輻射率為0.95時(shí)，比色測(cè)溫計(jì)算得到的溫度值與實(shí)際溫度相差較小。通過(guò)9次分別采集爐口和爐內(nèi)的圖像實(shí)驗(yàn)得到如表1所示數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.1 Results data table of experiment

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：在轉(zhuǎn)爐爐口測(cè)得的溫度值與實(shí)際溫度值的差距比爐內(nèi)測(cè)得的溫度值與實(shí)際溫度值的差距要大。在實(shí)際參考的1450℃～1620℃溫度范圍內(nèi)，爐口溫度與實(shí)際溫度差值在20℃以內(nèi)，而爐內(nèi)溫度與實(shí)際溫度差值不超過(guò)12℃，誤差率小于1%，完全能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，但超過(guò)參考溫度范圍時(shí)，溫度誤差較大。

通過(guò)分析可知：由于轉(zhuǎn)爐爐口濃煙和鋼水表面爐渣的影響，使得CCD采集圖像質(zhì)量低，雖經(jīng)圖像處理，但仍存在一定誤差，因此最終計(jì)算得到的溫度與實(shí)際溫度誤差較大。而通過(guò)氧槍采集得到的方法誤差較小，因此時(shí)的圖像信息正好是鋼水內(nèi)部信息，沒(méi)有煙氣和爐渣[11]影響，采集的氧槍部位空腔的光學(xué)信息穩(wěn)定，所以更接近熱偶測(cè)得的真實(shí)溫度。此方法使得轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)命中率[12]提高。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程溫度對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼的重要性，提出了基于CCD圖像處理的比色測(cè)溫方法測(cè)量溫度?？紤]了2種不同地方采集圖像的測(cè)溫方法，經(jīng)數(shù)據(jù)分析顯示，由于底部氧槍以固定的流量向爐內(nèi)通入氧氣，會(huì)在爐底形成一個(gè)光學(xué)信息穩(wěn)定的空腔，通過(guò)氧槍采集的圖像更能準(zhǔn)確地計(jì)算出溫度，鋼水溫度穩(wěn)定時(shí)，測(cè)溫誤差在1%左右。建立了一套適用于中小型鋼廠測(cè)溫的方法，已投入運(yùn)用，改善了傳統(tǒng)依靠人工觀察測(cè)溫的方法，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 岳峰，包艷平，崔衡，等.基于副槍控制的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)預(yù)測(cè)模型[J].煉鋼，2009，25（1）：39-40.

[2] 程開富.新穎CCD圖像傳感器最新發(fā)展及應(yīng)用[J].集成電路通訊，2006（3）：30-33.

[3] X Q Pan，P F Barker，J H Grinstead.Temperature measurement by coherent Rayleigh scattering[J].Laser Focus World，2002，27：161-163.

[4] 孫元，彭小奇，唐英.基于彩色CCD的比色測(cè)溫校正方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（1）：49-53.

[5] 雷劍波，楊洗陳，王云山，等.激光再制造熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)與控制方案研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22（5）：56-58.

[6] ZUO Yue-ping，Zhang Jian-qi.Review of simulation in infrared imaging system[J].Infrared and Laser Engineering，2002，31（5）：432-436.

[7] LIU Chang-yi，LIN Jehnming.Thermal processes of a powder particle in coaxial laser cladding[J].OPTICS&Laser Cladding Technology，2003（35）：81-86.

[8] 楊樹棠.我國(guó)氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼的開發(fā)與發(fā)展[J].中國(guó)冶金，2000，45（2）：1415.

[9] Chang J S，Mark H Y.New automatic multi-level thresholding technique for segmentation of thermal images[J].Image and Vision Computing，1997，15：23-34.

[10]孫青林，陳增強(qiáng)，袁著祉，等.變輻射率時(shí)紅外測(cè)溫的自動(dòng)補(bǔ)償[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22（3）：29-30.

[11]WANG Yonggang，DONG Yuehua，YAN Bingzheng.Research and application on automatic control of converter oxygen blowing in converter steelmaking process[J].Laigang Science&Technology，2011，4：49-50.

[12]趙琦，陳延如，王昀，等.光強(qiáng)與圖像信息在轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)判斷中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（增 1）：575-577，580.