圖像處理技術在中包液位檢測中的應用

褚姝韞 張進猛 王建軍

摘要：實時檢測和控制連鑄中間包液位能夠提高連鑄坯的質量和鋼水收得率。目前，國內外檢測中間包液位的技術各有其不足之處，在現場很難得到廣泛應用。鑒于圖像處理法具有非接觸測量、精度高的優點，本文基于圖像處理法，以應用于中間包連續測溫的黑體空腔測溫傳感器為處理對象，通過連續檢測中間包鋼渣液位和中間包鋼渣厚度來實現中間包鋼水液位的連續測量。

關鍵詞：圖像處理；連鑄；中間包；液位； 實時檢測

1 課題的提出背景

連鑄中間包是連結在鋼包和結晶器之間的過渡性容器，用于接受鋼包鋼水及向結晶器內注入鋼水。進行連鑄時，中間包操作是重要的一環，能否準確平穩的向結晶器供給鋼水，對于防止漏鋼事故以及鑄坯表面和內部缺陷的產生有很大關系。連鑄澆鑄過程中，中間包內鋼水液面高度應保持在一個合適的值，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，還會發生從結晶器上口溢鋼的事故；如果包內液面過低，供給鋼水太少，則結晶器內鋼水液面下降，有可能發生拉漏、拉斷等事故，給操作和鑄坯質量都會帶來不利影響。準確實時獲取中包鋼水液位指導中包澆鑄末期操作，能提高鋼水的收得率，增加企業效益。

國外測量中間包鋼水液位的方法有：超聲波法、雷達波法、激光法、渦流法、放射性同位素法、電磁法，國內主要有稱重法，但這些方法各有其不足之處，在現場很難得到廣泛應用，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、精度高的優點，本文提出基于圖像處理法，以應用于中間包連續測溫的黑體空腔測溫傳感器為處理對象，通過連續檢測中間包鋼渣液位和中間包鋼渣厚度來實現中間包鋼水液位的連續測量。

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成如圖2-1所示：

整個設備的主要組成部分有：立柱和帶減速機的電機組成的升降裝置、橫臂、檢測攝像機、監控攝像機、圖像采集卡、位移傳感器、工業計算機、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：一是升起測溫傳感器，使攝像機能夠檢測到鋼渣和鋼水的分界線；二是根據中間包鋼水液位的位置，調整測溫傳感器插入鋼水的深度。

(2) 攝像機的功能

裝置的攝像機按功能分為檢測攝像機和監控攝像機，檢測攝像機用來拍攝鋼渣液面圖像和鋼渣厚度圖像；監控攝像機用來監控整個澆鑄過程，判斷當前澆鑄的狀態，來執行相應的動作。攝像機有夜晚、白天兩種模式。攝像機在白天模式下采集的圖像為彩色圖像，感應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出的紅外光很強烈，所以采集到的鋼渣液面圖像對比度不明顯。攝像機在夜晚模式下采集的是灰度圖像，主要感應紅外光，采集的鋼渣液面圖像對比度較強，效果較好。裝置中使用的攝像頭分為手動鏡頭和電動鏡頭。檢測攝像機使用的是手動鏡頭，圖像調好后，將鏡頭的螺絲擰緊，保持焦距和視角不變；監控攝像機采用的是電動鏡頭，可通過軟件控制焦距、視角等。攝像頭前加濾光片衰減光強，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，經過A/D轉換成計算機可用的離散數字信號，以便于計算機處理。

(4) 位移傳感器的功能

位移傳感器同升降機構安裝在一起，測量升降機構升降的距離。

(5) 制冷裝置的功能

制冷裝置用來冷卻常溫氣體。工作中，攝像機罩直接放在中包上方烘烤，如果攝像機的工作環境不經過冷卻空氣冷卻，溫度將上升到很高，致使攝像機受到致命的損壞。通過把制冷裝置制冷的氣體通過金屬管連接到攝像機罩上來冷卻攝像機，能使攝像機的環境溫度保持在40℃（50℃以下攝像機可以保持正常工作）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機是將要換大包時。將要換大包時，里面剩余鋼水較少，渣滓也會隨著鋼水注入到中間包中。在現場的連鑄工藝中，每次更換大包前后都會進行排渣操作，這時鋼渣厚度會有較大的變化，此時需要檢測渣厚，對渣厚的值進行校正。整個設備的工作流程為：檢測攝像機實時拍攝鋼渣液面圖像，把圖像通過圖像采集卡傳送到計算機中，程序對采集的圖像進行處理，根據檢測到的邊緣位置和位移傳感器輸出值得到渣面高度。監控攝像機一直處于監控大包工作的狀態，如果監控攝像機檢測到更換大包，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，對鋼渣厚度值進行校正。

2.3 測量的原理

插入中間包的黑體空腔連續測溫傳感器，從沒入的介質來看分成三部分：處于鋼水液面下的部分；鋼水之上保護渣之下部分；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算出鋼渣液面的高度。鋼水溫度很高（1500℃左右），直接用攝像機拍攝測溫傳感器圖像會使圖像中鋼渣部分和鋼水部分的灰度都達到飽和值，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。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 結束語

圖像處理法具有非接觸測量、精度高的優點。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，描述了實時檢測中間包液位的過程。

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