CN1405330A - 高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪。它采用炉外安装方式和外置式二维扫描方式工作，并用毫米波段调频连续波雷达测量料面距离。在发明方案中，成像仪安装在炉外，以介质窗口将成像仪与炉内高温粉尘隔离，测量过程中没有任何部件***炉内，通过雷达天线在炉外的二维扫描，测量炉内全料面形状，具有全料面实时三维成像能力。

Description

高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪

技术领域：

本发明属于电子测量技术领域，特别涉及毫米波雷达技术领域。

背景技术：

高炉的测定和解剖研究表明，料面分布形状与高炉冶炼行程有着紧密的关系，合理的布料和料面分布形状对有效地控制高炉煤气分布，使得炉缸活跃、高炉顺行、降低焦比、节约能源、稳定高产、减少炉壁侵蚀和延长高炉寿命等方面有着重要的作用。因此，高炉料面分布形状控制是高炉炼铁生产自动化的重要环节，实时准确地获得高炉料面形状信息对于高炉炼铁生产效益的提高具有重要价值。实时、准确地获得高温、高压、全封闭的高炉内部不断变化的料面形状，在冶金行业中是一个世界性的技术难题，从七十年代起，国内外就已开始发展该项技术，至今已取得了不少积极的进展。

目前最普遍使用的料面检测手段主要有四种。

一种是通过机械料尺在不同位置直接对料位高度进行接触式测定，通常采用三个料尺实现三个不同位置的料位高度检测，但不能反映料面的形状，所需测量时间较长。

另一种是间接测量料面的方法，通过测温十字架监测煤气分布，间接地推测出料面形状，这种方法精度低，延迟时间过长。

间接料面检测的另一种手段是红外热成像，能获得料面的热分布，但不能获得料面形状。由于高炉内粉尘对红外介质窗口影响严重，红外成像仪的难以在高炉上持续工作。

与本发明专利相关的料面检测方法称为微波法，即采用雷达原理对高炉炉内料面形状进行直接的非接触式测量。从国外公开发表的文献和专利可以看到，世界上钢铁工业发达的国家，如日本、荷兰、卢森堡等国都已进行了这方面的研制开发工作，尤其以日本开展的工作最多，取得的成果相对集中。但均未完全解决高炉料面形状的实时监测问题，实现方式及性能仍有较多不足之处。现将国外相关研究和设备列举如下：

(1)日本神户制铁所于昭和62年研制的“高炉装入物降下速度测量装置”。雷达天线穿过高炉顶部沿径向倾斜***炉内，天线不作扫描。该装置可以测量雷达天线下方料面的料位高度和下降速度，相当于一只在加料间歇期可调整测量位置的非接触式的料尺，不能测量整个料面的形状和沉降动态。

(2)日本川崎制铁所和千叶制铁所共同研制的“マィクは波による高炉装入物ブはフイ一ル测定装置”。雷达天线穿过炉身侧壁沿水平径向***炉内，天线不作扫描，可以测量雷达天线下方料面的料位高度，精度为±100毫米。也相当于一只在加料间歇期可调整测量位置的非接触式的料尺，不能测量整个料面的形状和沉降动态。

(3)欧洲专利ER G017-664“Mounting Radar Antenna on Shaft Furnace”。为双天线结构，安装在园管底部。测量时园管穿过炉身侧壁水平径向***炉内，通过园管的旋转使天线波束在炉内形成一维径向扫描，不具备全料面形状成像能力，且笨重的园管的伸缩过程使测量所需时间过长。

(4)日本文献“Burden profile meter in blast furnace using a new type of microwaveradar”报道的装置已应用于日本某高炉，也采用雷达天线水平径向***方式工作，可以测量径向料位分布，不具备全料面形状测量能力。

(5)以下三项专利均为水平径向***式结构，可测量径向料位分布，不具备全料面形状测量能力。

WPI Acc No 94-146697/18 GB2272593A“Apparatus for measuring burden profile inshaft furnace comprising lance with radar sonde”；

WPI Acc No 91-081658/12 DB4027972A“Radar telemetry of charge level for shaftfurnace”；

WPI Acc No 91-075826/11 GB2235842“Determing of loading surface profile inshaft furnace”。

(6)欧洲专利EP 291757-A“Charged burden surface determine”，将反射镜安装在园管顶端，测量时园管穿过炉身侧壁沿水平径向***炉内，在直径方向另一侧的炉外安装雷达天线，雷达发射的微波能量穿透介质窗口沿水平径向照射到反射镜上，通过反射镜实现波束的二维扫描，具有测量局部料面形状和沉降动态的能力。

(7)日本川崎制铁所和千叶制铁所于昭和51年共同研制的“高炉のマイクは波式原料レペル计”，采用炉顶外部安装方式，雷达发射的微波能量穿透介质窗口对料面进行测量，天线不作扫描，只测量天线指向上料面的料位高度。也相当于一只非接触式的料尺，不能测量整个料面的形状和沉降动态。

(8)荷兰专利NL-7707-178“Device for determining charging distribution in blastfurnace”，为双天线结构，安装在球形关节上，天线指向可以随高炉旋转布料器转动，具有测量料面形状和沉降动态的能力，适用于旋转布料式高炉。但由于雷达置于炉内，可靠性和可维护性较差。

从以上情况可以看出，国外已经有利用雷达对高炉料面进行监测的设备和专利，而且大体上可以分为外置式、内置式、***式和部分***式等四种。采用最多的是***式(1)～(7)，即在布料间隙期将雷达沿径向***高炉内对料面进行单点或径向测量，这种方式的测量范围有限、设备庞大、造价高、维护困难、可靠性差、不具备对料面形状的三维成像能力，而且机械运作时间过长，往往一次布料间隙只能进行一次测量，如果炉况特别顺利，布料加快，一次测量都难以完成。在部分***式中^[8]，虽然已将雷达安装在炉外，提高了雷达的可靠性和可维护性，并具备了有限的三维成像能力，但反射镜及其***机构仍继承了***式的缺点。在外置式中，雷达安装在炉外，提高了雷达部分的可靠性和可维护性，但雷达天线没有进行扫描，不具备三维成像能力。在内置方式中^[10]，雷达置于炉内并与高炉旋转布料器联动，具备了三维成像能力，但设备的可靠性和可维护性较差。同时，以上的设备和专利工作在微波频段，分辨力差、精度较低。据了解，新日铁制铁所研制的性能相对较好的***式微波雷达，只能进行半料面的测量、测量时间长达200秒、测试精度仅为25cm。

发明内容：

本发明专利的任务是，根据全封闭高炉的高温、高压、高粉尘的特点和高炉炼铁生产过程布料操作的实际需要，提供一种能够实时监测高炉内部炉顶整个料面三维形状及料面各部位沉降动态的高炉炉顶全料面三维成像仪，为指导高炉生产过程的布料和料面形状控制提供依据。

本发明专利提出的高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪方案，它包括：线性化单元1、调频连续波雷达收发前端2、天线3、窗口介质4、信号预处理单元5、信号放大传输驱动单元6、信号采集单元7、信号处理器8、主控计算机9、PLC监控***10、接口电路11、扫描***处理器12、扫描驱动器13、扫描机构14、天线指向测量单元15。如图1所示。本发明采用炉外安装方式和外置式二维扫描方式工作，并用毫米波调频连续波雷达测量料面距离。在本发明方案中，成像仪安装于炉外，以介质窗口将成像仪与炉内高温粉尘隔离，测量过程中没有任何部件***炉内，通过雷达天线在炉外的二维扫描，测量炉内全料面各点的料面空间位置，具有全料面实时三维成像能力。

外置式二维扫描方式工作原理如图2所示。将全料面三维成像仪主机21安装在炉顶外部，毫米波雷达收发前端2及天线3在扫描机构14的驱动下，天线波束16对全料面范围进行螺旋形二维扫描，波束透过介质窗口4照射炉内料面20，在料面上形成波束斑点18，雷达通过波束斑点内目标回波与发射信号的差别测量波束斑点区料面的平均距离17，利用该距离和相应的天线波束指向角度数据19，确定出该处料面的三维空间位置。当天线波束对炉内全料面范围完成一次扫描后，成像仪可以获得整个料面数百个不同位置料面的空间位置数据，由此可以确定整个料面的形状，即获得料面形状的三维成像。

成像仪的一个工作周期由等待期、扫描测量期和成像/复位期三个阶段构成，如图3所示。当成像仪接收到高炉仪表传来的挡尘阀开信号后，由等待期进入扫描测量期。在扫描测量期，完成天线波束扫描和全料面空间位置数据测量。在成像/复位期，对获得的料面空间位置数据进行处理，确定整个料面的形状(即完成料面形状的三维成像)，与此同时，扫描机构自动完成复位过程并为下一次扫描测量做好准备。成像/复位期结束后，根据是否接收到挡尘阀闭信号，决定进入等待期或再次进入扫描测量期。若成像仪在扫描成像期接收到挡尘阀闭信号，则立即终止扫描成像期而进入成像/复位期，执行扫描机构复位并放弃已测料面数据，随后进入等待期。

成像仪的工作过程通过主控计算机9实现自动控制，如图1所示。主控计算机9根据PLC监控单元10传来的挡尘阀开信号，通过接口电路11向扫描***处理器12发出启动料面测量的指令和测量方式命令字。扫描***处理器12根据接收到的指令，向扫描驱动器13发出扫描时序控制脉冲序列，由扫描驱动器13控制扫描机构14带动雷达收发前端2及雷达天线3进行二维扫描和复位。

在扫描过程中，扫描***处理器12根据天线指向测量单元15提供的信号，实时判断扫描机构运转位置，当天线中心线在水平面内每扫过设定的弧长时，就产生***同步脉冲输出，提供给线性化单元1和信号采集单元7，用于触发波束照射区料面的距离测量；同时，扫描***处理器12还将当时的天线波束指向数据经接口电路11，传送给主控计算机9，作为与波束照射区料面距离相对应的波束指向角数据。

在扫描过程中，线性化单元1在扫描***处理器12提供的同步信号的触发下，产生调谐电压波形，驱动毫米波调频连续波雷达收发前端2产生线性调频连续波发射信号。该信号送达天线3形成向空间辐射的电磁波波束16。电磁波波束穿过窗口介质层4和炉内粉尘照射到固态料面上形成波束照射区18。波束照射区18料面反射的电磁波信号经相反的路径到达天线3，该信号在收发前端2中与线性调频连续波发射信号进行基带混频，产生出包含料面距离信息的差拍信号。该信号经过信号预处理单元5进行高通滤波、低噪声放大后送达信号传输驱动单元6，形成具有抗干扰能力的差分信号，传送至信号采集单元8。在扫描***处理器12提供的同步信号触发下，信号采集单元7将信号传输驱动单元6传来的信号转化为数字化差拍信号。该信号被送达信号处理器8进行快速傅立叶变换、料面回波识别和跟踪处理，从而获得料面距离和回波强度信息。

在扫描过程中，成像仪不断地对波束照射区18料面与天线3的距离17以及相应的波束指向角19进行测量，借以确定该波束照射区18的空间位置。当天线3对炉内全料面范围完成一次扫描测量后，成像仪就获得了整个料面数百个不同位置料面区域的空间位置数据。这些数据在成像/复位期被用于确定整个料面的形状(即料面三维成像)。

本方案的优点是：雷达前端及天线安装于炉外，并以介质窗口将雷达和炉内高温粉尘隔离，能够确保电子设备的正常工作环境，雷达的可靠性和可维护性比内置式和***式有显著改善。扫描机构安装于炉外，显著减小了扫描机构的体积、重量和惯性，降低了成本，提高了灵活性，扫描机构的可靠性和可维护性比内置式和***式得到显著改善；与***式和部分***式相比，炉外二维扫描方式的扫描范围可以有效地覆盖炉顶全料面，其扫描速度也得到显著提高，可以实现天线波束快速二维扫描，能够在加料间歇期内连续完成多次全料面三维成像，反映料面形状及其沉降动态。采用工作于毫米波段的调频连续波雷达实现料面距离测量，可以比微波段脉冲雷达获得更高的距离分辨率(有利于降低炉内粉尘杂波影响)和测量精度；也利于减小雷达天线尺寸和介质窗口尺寸，提高***的安全性；同时，由于雷达前端体积、重量减小，可以减小扫描机构体积和重量，有利于实现炉外快速二维扫描。

附图说明：

图1是高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪结构方框图。其中，1是线性化单元，2是调频连续波雷达收发前端，3是雷达天线，4是窗口介质，5是信号预处理单元，6是信号放大传输驱动单元，7是信号采集单元，8是信号处理器，9是主控计算机，10是PLC监控***、11是接口单元，12是扫描***处理器，13是扫描驱动器，14是扫描机构，15是天线指向测量单元，16是天线波束，17是波束斑点区料面平均距离，18是波束斑点区，20是高炉料面，22是窗口法兰盘，24是高炉炉壁。

图2是高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪扫描过程及其在高炉上的安装位置示意图。其中，21是高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪的主机部分，2是毫米波调频连续波雷达收发前端，3是雷达天线，4是窗口介质，14是扫描机构，16是天线波束，17是波束斑点区料面平均距离，18是波束斑点区，19是波束指向角，20是高炉料面，22是窗口法兰，23是波束斑点扫描轨迹，24是高炉炉壁。

图3是高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪一个工作周期方框图。图中示出一个工作周期中，各工作阶段的转换关系。

图4是高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪各工作阶段各单元工作示意表。图中示出高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪各单元的工作情况。

图5是高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪实时信号处理时序图。图中示出高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪各单元的工作时序关系。

图6是高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪实施例结构方框图。其中，1是线性化单元，2是调频连续波雷达收发前端，3是雷达天线，4是窗口介质，5是信号预处理单元，6是信号放大传输驱动单元，7是信号采集单元，8是信号处理器，9是主控计算机，10是PLC监控***、11是接口单元，12是扫描***处理器，13是扫描驱动器，14是扫描机构，15是天线指向测量单元，16是天线波束，17是波束斑点区料面平均距离，18是波束斑点区，20是高炉料面，22是窗口法兰，24是高炉炉壁，25是毫米波耿氏振荡器，26是功率分配器，27是环形器，28是基带混频器，29是放大单元。

具体实施方式：

本发明实施例结构方框图如图6所示，其工作原理如下：

二维扫描和天线波束指向测量过程：天线波束对料面的扫描过程，由主控计算机9根据PLC监控单元10传送来的挡尘阀和切断阀开启信号，通过接口电路11向扫描***处理器12发出启动测试指令和测试方式命令字。扫描***处理器12根据接收到的指令，向扫描驱动器13发出扫描时序控制脉冲序列，由扫描驱动器13控制扫描机构14但带动收发前端2和雷达天线3进行运转和复位。在天线波束扫描过程中，扫描***处理器12根据天线指向测量单元输出信号，判断扫描机构运转位置，发出***同步脉冲，提供给线性化单元1和信号采集单元7，同时，将天线波束指向数据经接口电路11传送给主控计算机9。

测距过程：毫米波耿式振荡器25在线性化单元1产生的调谐电压波形的驱动下，产生线性调频连续波信号，该信号经功率分配器26进行功率分配，分别馈送给环形器27和基带混频器28。振荡器输出信号的一部分经环形器27后送达卡赛格龙型雷达天线3形成向空间辐射的电磁波波束16。发射信号穿过隔离炉内外环境的窗口介质4、通过锥形窗口法兰22、穿越炉内粉尘照射到固态高炉料面20上，料面反射的电磁波信号经相反的路径到达天线3并馈送至基带混频器28，与经由功率分配器26到达基带混频器28的另一部分振荡器输出信号进行基带混频，产生出包含料面距离信息的差拍信号。该信号经过信号预处理单元5进行高通滤波、低噪声放大后送达信号传输驱动单元6，形成差分形式的具有抗干扰能力的差拍信号，传送至信号接收放大单元29和信号采集单元7，形成数字化差拍信号，然后送达信号处理器8进行快速傅立叶变换(FFT)，从而获得料面的距离和回波强度信息。相应的天线波束指向数据由天线指向测量单元15产生，并通过接口电路11传送到主控计算机9。主控计算机9根据已测得的料面距离数据和天线指向数据，计算出该处料面的平均空间位置。

辅助设备工作原理：PLC监控单元10处理***各部分的温度压力传感器输出信号、挡尘阀和切断阀状态信号以及高炉运转状态信号，能够自动控制挡尘阀和切断阀启闭、雷达主机电源开关。PLC监控单元10将有关信号通过接口电路11传送至主控计算机9，并接受主控计算机9经由接口电路11发来的控制信号。同时，主控计算机9根据***状态信号、测试过程应答时序关系判断***是否适宜工作、是否存在故障以及故障原因和部位，并在显示终端提供声光报警和故障原因描述。整个***可以根据高炉仪表信号或操作人员的干预指令自动运行，在加料间歇期内完成打开挡尘阀、扫描机构准备/扫描/复位、信号发射与接收、角度数据传送、数据处理、成像显示、存储和历史数据的重现等工作。

本发明专利实施例，采用工作于三毫米波段(工作频率94GHz)的调频连续波雷达测量波束斑点区料面距离。其优点是：在3mm毫米波段可以用较小的天线口径获得窄的波束，料面上的波束斑点18直径缩小到60cm左右，有利于料面测试精度的提高；3mm毫米波段的调频连续波雷达，容易获得1GHz以上的绝对带宽，实现优于2cm的测距精度和优于15cm的距离分辨率，前者有利于料面距离的精确测量，后者有利于减小炉内粉尘杂波单元体积、提高料面回波对粉尘的信杂比，减小毫米波段强的杂波干扰，增强数据可靠性；在相同检测能力和测距精度条件下，3mm毫米波调频连续波雷达所需峰值功率和工作电压比脉冲雷达分别低6和3个数量级，因此可以采用固态器件构成体积小、重量轻的一体化收发前段，有利于实现天线波束的快速扫描。

本发明专利实施例，采用外置式二维扫描方式工作，成像仪安装于炉外，以介质窗口将成像仪和高温粉尘隔离，雷达收发前端和天线在扫描机构驱动下进行二维扫描，可以在加料间歇期进行连续三次全料面实时三维成像，反映料面的形状和沉降动态，发现异常料形，如图2、6所示。一次测量即可以测得炉顶料面的800多个不同位置料面的三维位置，测量时间仅需25秒钟，并在数秒钟内形成该料面的三维像，料位测量精度为2cm。本发明专利方案综合性能优于国外高炉料面检测雷达，并在可靠性、可维护性、设备造价等方面有明显的优势。

Claims (3)

1.一种高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪，其特征是所述的高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪安装在高炉炉顶外部，它包括：线性化单元(1)、调频连续波雷达收发前端(2)、雷达天线(3)、窗口介质(4)、信号预处理单元(5)、信号放大传输驱动单元(6)、信号采集单元(7)、信号处理器(8)、主控计算机(9)、状态监控***(10)、接口电路(11)、扫描***处理器(12)、扫描驱动器(13)、扫描机构(14)、天线指向测量单元(15)组成。

2.根据权利要求1所述的一种高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪，其特征是所述的高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪用外置式二维扫描方式实现炉顶全料面形状的三维成像。

3.根据权利要求1所述的一种高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪，其特征是所述的高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪用工作于毫米波段的调频连续波雷达实现料面距离测量。

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