基于CCD的转炉温度测量方法研究

张 岩，杨友良，马翠红，景会成，张伟强

（1.唐山赛福特智能控制股份有限公司，唐山 063000；2.河北联合大学 电气工程学院，唐山 063000；3.唐山职业技术学院 机电工程系，唐山 063000）

目前，我国的转炉炼钢自动化水平还比较落后，转炉炼钢终点[1]还主要是依靠人工来判断，严重降低了钢铁生产水平。而转炉炼钢终点主要是钢水温度和钢水成分达到出钢的要求，因此准确测量转炉炼钢过程中的钢水温度是急需解决的问题。

因此研究一套CCD[2]测温方法具有巨大意义。目前国际上位置公认的辐射测温[3]方法主要有4种：基于参考点的单色测温法、比色测温法、基于彩色CCD的三色测温法和全辐射测温法。这4种辐射测温法都有自己的优缺点，但对于钢铁生产而言，比色测温法比较方便、快捷，更能适应钢铁生产的工艺要求。

1 基于CCD的比色测温原理

比色测温法[4]是一种非接触测温法，又称双波段测温法或双色温度法，是根据辐射物在2个波长下的光谱辐射亮度之比与温度之间的函数关系来测量温度。合理的选择2个工作波段可很大程度上减小物体比辐射率变化引起的测量误差。

设温度为Tc的黑体在波长λ1和λ2下的光谱辐射亮度[5]为 Lb（λ1，Tc）和 Lb（λ2，Tc），令两光谱辐射亮度之比为Bb，则利用维恩公式[6]转化可得到黑体的比色测温公式为

由于绝对的黑体并不存在，则利用非黑体的维恩公式可得到非黑体的比色测温公式为

式中：B=L（λ1，T）/L（λ2，T）为温度 T 下非黑体在波长为 λ1和 λ2时的辐射亮度之比；ε（λ1，T）和 ε（λ2，T）为温度T时非黑体在波长为λ1和λ2下的比辐射率。

2 基于CCD的比色测温法

CCD摄像机是一种新型半导体器件，特点是以电荷为信号。CCD摄像机的成像面是由水平和垂直排列的象素组成，每个象素的光电转换部分为一个光敏元件。光敏元件的作用是把接收到的光辐射信号转变为电荷信号，电荷包的电量反映了照在该象素上的光线强弱，于是成像面上的光的强弱分部就转换成了电荷量多少的分布。由于测量的是熔融钢水图像，因此利用CCD测量图像时光敏元件存在饱和现象，图像严重失真，不能用来分析钢水温度。为解决这一问题，测量时在CCD摄像机前加1个中性衰减片和2个不同波长的滤光片，这样得到的图像更能清晰地反映炉内的温度分布情况。

再将这两幅图像经过预处理后得出两幅图像的灰度值[7]，灰度值反映出辐射亮度，将此代入上述比色测温公式就可得出炉内钢水的比色温度。

3 转炉炉内温度测量

针对转炉内高温、高粉尘情况，提出2种转炉测温方法：①直接从炉口采集经过不同波长滤光片的图像来测量温度；②利用光纤从转炉炉底氧枪[8]采集光学信息，再经850 nm和950 nm波长滤光片的图像来测量温度。实验结构如图1所示。

图1 转炉温度测量实验图Fig.1 Figure of BOF temperature measurement experiment

图中旋转转台由同步电机带动，尽量使采集的2个不同波长下的图像是同一温度下的，以减小误差。2种方法同时测温，在采集图像的同时，用热偶测量炉内钢水的温度，并用热偶来对比色测温方法进行标定。图2为测温系统结构图。

图2 测温系统结构图Fig.2 Structure diagram of temperature measurement system

采集到的图像经过图像预处理[9]后得到比较清晰的图像，再提取2幅图像同一点的灰度值，一般情况下，取图像中心的灰度值。得到如图3的图像。

图3 CCD采集的经过滤波后的图像Fig.3 Image of CCD acquisition after filtered

将图中采集到的图像中心的灰度值提取出来，代入比色测温公式就能测得转炉中钢水的温度。

4 数据分析与处理

为减小比辐射率[10]对温度测量的影响，实验中利用热偶测得的实际温度来反推物体的比辐射率。在利用热偶测温的同时利用CCD采集钢水图像，将热偶测得的温度与图像的灰度值代入比色测温公式，就可得出该温度下的比辐射率 ε（λ2，T）/ε（λ1，T），比辐射率随实际温度变化的图像如图4所示。

图4 温度与比辐射率关系图Fig.4 Diagram of temperature and emissivity

由于转炉终点温度在1600℃左右，因此为了提高测温的准确率，参考钢水温度在1450～1620℃时的比辐射率的变化情况，经大量的带入计算，当比辐射率为0.95时，比色测温计算得到的温度值与实际温度相差较小。通过9次分别采集炉口和炉内的图像实验得到如表1所示数据。

表1 实验结果数据Tab.1 Results data table of experiment

由实验数据可得：在转炉炉口测得的温度值与实际温度值的差距比炉内测得的温度值与实际温度值的差距要大。在实际参考的1450℃～1620℃温度范围内，炉口温度与实际温度差值在20℃以内，而炉内温度与实际温度差值不超过12℃，误差率小于1%，完全能满足工业生产的需求，但超过参考温度范围时，温度误差较大。

通过分析可知：由于转炉炉口浓烟和钢水表面炉渣的影响，使得CCD采集图像质量低，虽经图像处理，但仍存在一定误差，因此最终计算得到的温度与实际温度误差较大。而通过氧枪采集得到的方法误差较小，因此时的图像信息正好是钢水内部信息，没有烟气和炉渣[11]影响，采集的氧枪部位空腔的光学信息稳定，所以更接近热偶测得的真实温度。此方法使得转炉炼钢终点命中率[12]提高。

5 结语

针对转炉炼钢过程温度对转炉终点出钢的重要性，提出了基于CCD图像处理的比色测温方法测量温度。考虑了2种不同地方采集图像的测温方法，经数据分析显示，由于底部氧枪以固定的流量向炉内通入氧气，会在炉底形成一个光学信息稳定的空腔，通过氧枪采集的图像更能准确地计算出温度，钢水温度稳定时，测温误差在1%左右。建立了一套适用于中小型钢厂测温的方法，已投入运用，改善了传统依靠人工观察测温的方法，具有良好的应用前景。

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