圖像處理技術(shù)在中包液位檢測中的應(yīng)用

褚姝韞 張進(jìn)猛 王建軍

摘要：實(shí)時(shí)檢測和控制連鑄中間包液位能夠提高連鑄坯的質(zhì)量和鋼水收得率。目前，國內(nèi)外檢測中間包液位的技術(shù)各有其不足之處，在現(xiàn)場很難得到廣泛應(yīng)用。鑒于圖像處理法具有非接觸測量、精度高的優(yōu)點(diǎn)，本文基于圖像處理法，以應(yīng)用于中間包連續(xù)測溫的黑體空腔測溫傳感器為處理對象，通過連續(xù)檢測中間包鋼渣液位和中間包鋼渣厚度來實(shí)現(xiàn)中間包鋼水液位的連續(xù)測量。

關(guān)鍵詞：圖像處理；連鑄；中間包；液位； 實(shí)時(shí)檢測

1 課題的提出背景

連鑄中間包是連結(jié)在鋼包和結(jié)晶器之間的過渡性容器，用于接受鋼包鋼水及向結(jié)晶器內(nèi)注入鋼水。進(jìn)行連鑄時(shí)，中間包操作是重要的一環(huán)，能否準(zhǔn)確平穩(wěn)的向結(jié)晶器供給鋼水，對于防止漏鋼事故以及鑄坯表面和內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生有很大關(guān)系。連鑄澆鑄過程中，中間包內(nèi)鋼水液面高度應(yīng)保持在一個(gè)合適的值，如果液面過高，鋼水供給過多，注流不易圓整，并增大沖擊力，引起飛濺和沖刷初生坯殼，影響凝固坯殼的均勻性，還會(huì)發(fā)生從結(jié)晶器上口溢鋼的事故；如果包內(nèi)液面過低，供給鋼水太少，則結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面下降，有可能發(fā)生拉漏、拉斷等事故，給操作和鑄坯質(zhì)量都會(huì)帶來不利影響。準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲取中包鋼水液位指導(dǎo)中包澆鑄末期操作，能提高鋼水的收得率，增加企業(yè)效益。

國外測量中間包鋼水液位的方法有：超聲波法、雷達(dá)波法、激光法、渦流法、放射性同位素法、電磁法，國內(nèi)主要有稱重法，但這些方法各有其不足之處，在現(xiàn)場很難得到廣泛應(yīng)用，或是存在精度不高的情況。

鑒于圖像處理法具有非接觸測量、精度高的優(yōu)點(diǎn)，本文提出基于圖像處理法，以應(yīng)用于中間包連續(xù)測溫的黑體空腔測溫傳感器為處理對象，通過連續(xù)檢測中間包鋼渣液位和中間包鋼渣厚度來實(shí)現(xiàn)中間包鋼水液位的連續(xù)測量。

2 基于圖像處理的中包液位測量原理

2.1 測量裝置的組成和各部分功能

中間包液位測量裝置構(gòu)成如圖2-1所示：

整個(gè)設(shè)備的主要組成部分有：立柱和帶減速機(jī)的電機(jī)組成的升降裝置、橫臂、檢測攝像機(jī)、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、圖像采集卡、位移傳感器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、測溫傳感器、制冷裝置等。

(1)升降裝置的功能

升降裝置的功能有兩個(gè)：一是升起測溫傳感器，使攝像機(jī)能夠檢測到鋼渣和鋼水的分界線；二是根據(jù)中間包鋼水液位的位置，調(diào)整測溫傳感器插入鋼水的深度。

(2) 攝像機(jī)的功能

裝置的攝像機(jī)按功能分為檢測攝像機(jī)和監(jiān)控?cái)z像機(jī)，檢測攝像機(jī)用來拍攝鋼渣液面圖像和鋼渣厚度圖像；監(jiān)控?cái)z像機(jī)用來監(jiān)控整個(gè)澆鑄過程，判斷當(dāng)前澆鑄的狀態(tài)，來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。攝像機(jī)有夜晚、白天兩種模式。攝像機(jī)在白天模式下采集的圖像為彩色圖像，感應(yīng)的基本是可見光波段和較少的紅外波段，而高溫下的測溫傳感器發(fā)出的紅外光很強(qiáng)烈，所以采集到的鋼渣液面圖像對比度不明顯。攝像機(jī)在夜晚模式下采集的是灰度圖像，主要感應(yīng)紅外光，采集的鋼渣液面圖像對比度較強(qiáng)，效果較好。裝置中使用的攝像頭分為手動(dòng)鏡頭和電動(dòng)鏡頭。檢測攝像機(jī)使用的是手動(dòng)鏡頭，圖像調(diào)好后，將鏡頭的螺絲擰緊，保持焦距和視角不變；監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用的是電動(dòng)鏡頭，可通過軟件控制焦距、視角等。攝像頭前加濾光片衰減光強(qiáng)，防止圖像灰度飽和。使用的濾光片衰減率為OD3.3（衰減到萬分之五），直徑為60mm，透過范圍為400～700nm。

(3) 圖像采集卡的功能

圖像采集卡接收從CCD攝像頭中的模擬電信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可用的離散數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)處理。

(4) 位移傳感器的功能

位移傳感器同升降機(jī)構(gòu)安裝在一起，測量升降機(jī)構(gòu)升降的距離。

(5) 制冷裝置的功能

制冷裝置用來冷卻常溫氣體。工作中，攝像機(jī)罩直接放在中包上方烘烤，如果攝像機(jī)的工作環(huán)境不經(jīng)過冷卻空氣冷卻，溫度將上升到很高，致使攝像機(jī)受到致命的損壞。通過把制冷裝置制冷的氣體通過金屬管連接到攝像機(jī)罩上來冷卻攝像機(jī)，能使攝像機(jī)的環(huán)境溫度保持在40℃（50℃以下攝像機(jī)可以保持正常工作）之下。

2.2 液位測量的過程

在連鑄中，中間包鋼水表面覆蓋一層保溫劑，攝像機(jī)不能直接采集到鋼水液面圖像，只能直接采集鋼渣液面圖像。在正常的澆筑過程中，鋼渣的厚度變化是緩慢的，可認(rèn)為正常澆鑄過程中鋼渣厚度不變，鋼渣厚度有較大的變化時(shí)機(jī)是將要換大包時(shí)。將要換大包時(shí)，里面剩余鋼水較少，渣滓也會(huì)隨著鋼水注入到中間包中。在現(xiàn)場的連鑄工藝中，每次更換大包前后都會(huì)進(jìn)行排渣操作，這時(shí)鋼渣厚度會(huì)有較大的變化，此時(shí)需要檢測渣厚，對渣厚的值進(jìn)行校正。整個(gè)設(shè)備的工作流程為：檢測攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝鋼渣液面圖像，把圖像通過圖像采集卡傳送到計(jì)算機(jī)中，程序?qū)Σ杉膱D像進(jìn)行處理，根據(jù)檢測到的邊緣位置和位移傳感器輸出值得到渣面高度。監(jiān)控?cái)z像機(jī)一直處于監(jiān)控大包工作的狀態(tài)，如果監(jiān)控?cái)z像機(jī)檢測到更換大包，則控制升降裝置升起測溫傳感器，使檢測攝像機(jī)能拍攝到鋼渣和鋼水的分界面，圖像處理得到鋼渣厚度，對鋼渣厚度值進(jìn)行校正。

2.3 測量的原理

插入中間包的黑體空腔連續(xù)測溫傳感器，從沒入的介質(zhì)來看分成三部分：處于鋼水液面下的部分；鋼水之上保護(hù)渣之下部分；裸露在空氣中的部分。鋼水溫度最高，空氣的溫度最低，鋼渣的溫度介于兩者之間，這三部分的溫度差異在測溫傳感器上形成溫度梯度，在圖像中造成亮度差異，在空氣與鋼渣、鋼渣與鋼水的交界面上形成交界線。通過圖象處理檢測出交界線的位置則能計(jì)算出鋼渣液面的高度。鋼水溫度很高（1500℃左右），直接用攝像機(jī)拍攝測溫傳感器圖像會(huì)使圖像中鋼渣部分和鋼水部分的灰度都達(dá)到飽和值，無法檢測到鋼渣和鋼水的分界面，因此需要用濾光片衰減光強(qiáng)。中間包鋼水液位高度為：

H=H1-H2 (2.1)

其中：H為中間包鋼水液面高度；

H1為鋼渣液面 高度；

H2為鋼渣厚度。

3 結(jié)束語

圖像處理法具有非接觸測量、精度高的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了基于圖像處理的中間包鋼水液位測量裝置和測量原理，介紹了測量裝置各組成部分的功能，描述了實(shí)時(shí)檢測中間包液位的過程。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文