图像处理技术在中包液位检测中的应用

褚姝韫 张进猛 王建军

摘要：实时检测和控制连铸中间包液位能够提高连铸坯的质量和钢水收得率。目前，國内外检测中间包液位的技术各有其不足之处，在现场很难得到广泛应用。鉴于图像处理法具有非接触测量、精度高的优点，本文基于图像处理法，以应用于中间包连续测温的黑体空腔测温传感器为处理对象，通过连续检测中间包钢渣液位和中间包钢渣厚度来实现中间包钢水液位的连续测量。

关键词：图像处理；连铸；中间包；液位； 实时检测

1 课题的提出背景

连铸中间包是连结在钢包和结晶器之间的过渡性容器，用于接受钢包钢水及向结晶器内注入钢水。进行连铸时，中间包操作是重要的一环，能否准确平稳的向结晶器供给钢水，对于防止漏钢事故以及铸坯表面和内部缺陷的产生有很大关系。连铸浇铸过程中，中间包内钢水液面高度应保持在一个合适的值，如果液面过高，钢水供给过多，注流不易圆整，并增大冲击力，引起飞溅和冲刷初生坯壳，影响凝固坯壳的均匀性，还会发生从结晶器上口溢钢的事故；如果包内液面过低，供给钢水太少，则结晶器内钢水液面下降，有可能发生拉漏、拉断等事故，给操作和铸坯质量都会带来不利影响。准确实时获取中包钢水液位指导中包浇铸末期操作，能提高钢水的收得率，增加企业效益。

国外测量中间包钢水液位的方法有：超声波法、雷达波法、激光法、涡流法、放射性同位素法、电磁法，国内主要有称重法，但这些方法各有其不足之处，在现场很难得到广泛应用，或是存在精度不高的情况。

鉴于图像处理法具有非接触测量、精度高的优点，本文提出基于图像处理法，以应用于中间包连续测温的黑体空腔测温传感器为处理对象，通过连续检测中间包钢渣液位和中间包钢渣厚度来实现中间包钢水液位的连续测量。

2 基于图像处理的中包液位测量原理

2.1 测量装置的组成和各部分功能

中间包液位测量装置构成如图2-1所示：

整个设备的主要组成部分有：立柱和带减速机的电机组成的升降装置、横臂、检测摄像机、监控摄像机、图像采集卡、位移传感器、工业计算机、测温传感器、制冷装置等。

(1)升降装置的功能

升降装置的功能有两个：一是升起测温传感器，使摄像机能够检测到钢渣和钢水的分界线；二是根据中间包钢水液位的位置，调整测温传感器插入钢水的深度。

(2) 摄像机的功能

装置的摄像机按功能分为检测摄像机和监控摄像机，检测摄像机用来拍摄钢渣液面图像和钢渣厚度图像；监控摄像机用来监控整个浇铸过程，判断当前浇铸的状态，来执行相应的动作。摄像机有夜晚、白天两种模式。摄像机在白天模式下采集的图像为彩色图像，感应的基本是可见光波段和较少的红外波段，而高温下的测温传感器发出的红外光很强烈，所以采集到的钢渣液面图像对比度不明显。摄像机在夜晚模式下采集的是灰度图像，主要感应红外光，采集的钢渣液面图像对比度较强，效果较好。装置中使用的摄像头分为手动镜头和电动镜头。检测摄像机使用的是手动镜头，图像调好后，将镜头的螺丝拧紧，保持焦距和视角不变；监控摄像机采用的是电动镜头，可通过软件控制焦距、视角等。摄像头前加滤光片衰减光强，防止图像灰度饱和。使用的滤光片衰减率为OD3.3（衰减到万分之五），直径为60mm，透过范围为400～700nm。

(3) 图像采集卡的功能

图像采集卡接收从CCD摄像头中的模拟电信号，经过A/D转换成计算机可用的离散数字信号，以便于计算机处理。

(4) 位移传感器的功能

位移传感器同升降机构安装在一起，测量升降机构升降的距离。

(5) 制冷装置的功能

制冷装置用来冷却常温气体。工作中，摄像机罩直接放在中包上方烘烤，如果摄像机的工作环境不经过冷却空气冷却，温度将上升到很高，致使摄像机受到致命的损坏。通过把制冷装置制冷的气体通过金属管连接到摄像机罩上来冷却摄像机，能使摄像机的环境温度保持在40℃（50℃以下摄像机可以保持正常工作）之下。

2.2 液位测量的过程

在连铸中，中间包钢水表面覆盖一层保温剂，摄像机不能直接采集到钢水液面图像，只能直接采集钢渣液面图像。在正常的浇筑过程中，钢渣的厚度变化是缓慢的，可认为正常浇铸过程中钢渣厚度不变，钢渣厚度有较大的变化时机是将要换大包时。将要换大包时，里面剩余钢水较少，渣滓也会随着钢水注入到中间包中。在现场的连铸工艺中，每次更换大包前后都会进行排渣操作，这时钢渣厚度会有较大的变化，此时需要检测渣厚，对渣厚的值进行校正。整个设备的工作流程为：检测摄像机实时拍摄钢渣液面图像，把图像通过图像采集卡传送到计算机中，程序对采集的图像进行处理，根据检测到的边缘位置和位移传感器输出值得到渣面高度。监控摄像机一直处于监控大包工作的状态，如果监控摄像机检测到更换大包，则控制升降装置升起测温传感器，使检测摄像机能拍摄到钢渣和钢水的分界面，图像处理得到钢渣厚度，对钢渣厚度值进行校正。

2.3 测量的原理

插入中间包的黑体空腔连续测温传感器，从没入的介质来看分成三部分：处于钢水液面下的部分；钢水之上保护渣之下部分；裸露在空气中的部分。钢水温度最高，空气的温度最低，钢渣的温度介于两者之间，这三部分的温度差异在测温传感器上形成温度梯度，在图像中造成亮度差异，在空气与钢渣、钢渣与钢水的交界面上形成交界线。通过图象处理检测出交界线的位置则能计算出钢渣液面的高度。钢水温度很高（1500℃左右），直接用摄像机拍摄测温传感器图像会使图像中钢渣部分和钢水部分的灰度都达到饱和值，无法检测到钢渣和钢水的分界面，因此需要用滤光片衰减光强。中间包钢水液位高度为：

H=H1-H2 (2.1)

其中：H为中间包钢水液面高度；

H1为钢渣液面 高度；

H2为钢渣厚度。

3 结束语

图像处理法具有非接触测量、精度高的优点。本文介绍了基于图像处理的中间包钢水液位测量装置和测量原理，介绍了测量装置各组成部分的功能，描述了实时检测中间包液位的过程。

参考文献

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