張 巖，楊友良，馬翠紅，景會成，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，我國的轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化水平還比較落后，轉(zhuǎn)爐煉鋼終點[1]還主要是依靠人工來判斷，嚴(yán)重降低了鋼鐵生產(chǎn)水平。而轉(zhuǎn)爐煉鋼終點主要是鋼水溫度和鋼水成分達(dá)到出鋼的要求，因此準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的鋼水溫度是急需解決的問題。

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

1 基于CCD的比色測溫原理

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

設(shè)溫度為Tc的黑體在波長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溫公式為

由于絕對的黑體并不存在，則利用非黑體的維恩公式可得到非黑體的比色測溫公式為

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

2 基于CCD的比色測溫法

CCD攝像機(jī)是一種新型半導(dǎo)體器件，特點是以電荷為信號。CCD攝像機(jī)的成像面是由水平和垂直排列的象素組成，每個象素的光電轉(zhuǎn)換部分為一個光敏元件。光敏元件的作用是把接收到的光輻射信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?，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。由于測量的是熔融鋼水圖像，因此利用CCD測量圖像時光敏元件存在飽和現(xiàn)象，圖像嚴(yán)重失真，不能用來分析鋼水溫度。為解決這一問題，測量時在CCD攝像機(jī)前加1個中性衰減片和2個不同波長的濾光片，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)溫度測量

針對轉(zhuǎn)爐內(nèi)高溫、高粉塵情況，提出2種轉(zhuǎn)爐測溫方法：①直接從爐口采集經(jīng)過不同波長濾光片的圖像來測量溫度；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波長濾光片的圖像來測量溫度。實驗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐溫度測量實驗圖Fig.1 Figure of BOF temperature measurement experiment

圖中旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺由同步電機(jī)帶動，盡量使采集的2個不同波長下的圖像是同一溫度下的，以減小誤差。2種方法同時測溫，在采集圖像的同時，用熱偶測量爐內(nèi)鋼水的溫度，并用熱偶來對比色測溫方法進(jìn)行標(biāo)定。圖2為測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 測溫系統(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，代入比色測溫公式就能測得轉(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]對溫度測量的影響，實驗中利用熱偶測得的實際溫度來反推物體的比輻射率。在利用熱偶測溫的同時利用CCD采集鋼水圖像，將熱偶測得的溫度與圖像的灰度值代入比色測溫公式，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)爐終點溫度在1600℃左右，因此為了提高測溫的準(zhǔn)確率，參考鋼水溫度在1450～1620℃時的比輻射率的變化情況，經(jīng)大量的帶入計算，當(dāng)比輻射率為0.95時，比色測溫計算得到的溫度值與實際溫度相差較小。通過9次分別采集爐口和爐內(nèi)的圖像實驗得到如表1所示數(shù)據(jù)。

表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.1 Results data table of experiment

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

通過分析可知：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，因此最終計算得到的溫度與實際溫度誤差較大。而通過氧槍采集得到的方法誤差較小，因此時的圖像信息正好是鋼水內(nèi)部信息，沒有煙氣和爐渣[11]影響，采集的氧槍部位空腔的光學(xué)信息穩(wěn)定，所以更接近熱偶測得的真實溫度。此方法使得轉(zhuǎn)爐煉鋼終點命中率[12]提高。

5 結(jié)語

針對轉(zhuǎn)爐煉鋼過程溫度對轉(zhuǎn)爐終點出鋼的重要性，提出了基于CCD圖像處理的比色測溫方法測量溫度。考慮了2種不同地方采集圖像的測溫方法，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，會在爐底形成一個光學(xué)信息穩(wěn)定的空腔，通過氧槍采集的圖像更能準(zhǔn)確地計算出溫度，鋼水溫度穩(wěn)定時，測溫誤差在1%左右。建立了一套適用于中小型鋼廠測溫的方法，已投入運(yùn)用，改善了傳統(tǒng)依靠人工觀察測溫的方法，具有良好的應(yīng)用前景。

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