ВСТАВНОЙ ВИДЕОКОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ И СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК H04N5/225 H04N5/33 F27D21/00 

Изобретение относится к технологии контроля и управления производственными процессами, осуществляемыми в промышленных печах, в частности к вставному видеокомплексу, используемому в промышленных печах, а также системе обработки изображений, производимых таким видеокомплексом.

Во многих отраслях промышленности используют самые различные печи. Так, в металлургической промышленности применяют шахтные печи, например доменные печи и иные печи. Для обеспечения возможности управления эксплуатацией печи оператор должен анализировать распределение температур поверхности шихты. Обычно рабочее пространство промышленных печей изолировано от внешней среды, и в газовом потоке над поверхностью шихты часто содержатся пыль, различные ядовитые газы и пар, поэтому наблюдение за состоянием поверхности шихты часто бывает затруднено.

Для решения этой проблемы предпринимались попытки сверления отверстий в кожухе печи и осуществления наблюдения при помощи специальных внешних приборов, в результате чего был достигнут определенный прогресс. Например, в начале 90-х гг. XX века в Китае и за рубежом были изобретены: «Видеокомплекс на колошнике доменной печи для измерения температур поверхности шихты» (Патент КНР на изобретение № 90102986), «Видеокамера для наблюдения» (Патент КНР на изобретение № 94115659) и «Термографическая аппаратура для определения распределения температур поверхности шихты механическим сканированием». Эти установки применяют для наблюдения за состоянием поверхности шихты и анализа распределения температур, соответственно обеспечивается управление эксплуатацией доменной печи.

Описанные разработки в свое время явились существенным достижением, своего рода прорывом в области эксплуатации промышленных печей, в особенности, доменных печей. Однако в этих наблюдательных приборах с учетом потребностей современной технологии проявляются многочисленные недостатки. Например, видеокамера, устанавливаемая вне кожуха печи, является громоздкой и дорогостоящей. Наблюдательное отверстие - чрезмерно большим и меняющим месторасположение, а защитный прибор - слишком сложным по конструкции. Срок эксплуатации сканера при этом является непродолжительным, и приходится часто осуществлять его замену. Слишком большим является затратный объем защитного газа, и имеют место высокие эксплуатационные затраты, а также затраты на текущее обслуживание. В процессе эксплуатации доменной печи объектив и окно видеокамеры быстро покрываются пылью. Сложный вентиль окна и механическая фокусировка часто приходят в неисправность. По всем этим причинам наблюдение за производственным процессом в печи становится невозможным. Кроме того, печь, оснащенная такими устройствами, обычно предназначена для непрерывной выплавки, в то время как ремонт таких устройств проводится только при условии остановки печи. На примере доменной печи очевидно, что ремонт подобных устройств возможен исключительно при условии остановки самой печи.

Из-за вышеуказанных проблем наблюдательные установки, известные из предшествующего уровня техники не могут обеспечить надежную систему обработки изображений, поэтому эти установки не способны найти широкое применение.

Таким образом, актуальной задачей в данной области техники является разработка нового вставного печного видеокомплекса и системы обработки изображений, производимых таким комплексом, которые бы устранили вышеуказанные недостатки предшествующего уровня техники.

Настоящее изобретение призвано решить следующие технические задачи:

*Разработка новой видеокамеры, вставляемой в кожух печи и позволяющей наблюдать за внутренним состоянием промышленной печи, а также системы обработки изображений такой видеокамеры, которые преодолевали бы вышеописанные проблемы, наблюдающиеся в известных устройствах.

*Разработка видеокомплекса и системы обработки изображений, производимых таким видеокомплексом, которые в максимальной степени соответствовали бы потребности в наблюдении за рабочим состоянием поверхности шихты в доменной печи, и позволяли бы производить обработку изображений при помощи компьютера и описывать состояние распределения газового потока и температур по поверхности шихты.

*Разработка видеокомплекса и системы разработки изображений, производимых таким видеокомплексом, которые позволяли бы наблюдать за рабочим состоянием вращающегося желоба или большого конуса, состоянием потока шихты при загрузке, а также отслеживать экстренные состояния, относящиеся к функционированию печи, например, неполадки канального хода и обрыв шихты.

Для решения поставленных задач изобретатель вначале проводил лабораторные исследования, а затем многократно осуществлял промышленные испытания на многих доменных печах. В результате неуклонного усовершенствования разработки автору удалось создать настоящее изобретение, сущность которого состоит в следующем:

1. В первом аспекте изобретение представляет собой вставной печной видеокомплекс. Особенность видеокомплекса заключается в том, что его составными частями являются корпус, видеокамера, монитор и цифровой термометр. Корпус видеокомплекса содержит видеокамеру, видеодатчик -"пулемет", трубку-охладитель, уплотнитель, наблюдательное отверстие, продувочное кольцо и элемент замера температуры.

Видеокамера установлена на передней части видеодатчика -"пулемета" и вставляется в печь через трубку-охладитель, которая располагается на фланцевой трубке на кожухе печи.

Аппарат замера температуры расположен около верхней части видеокамеры внутри видеодатчика -"пулемета".

Между продувочным кольцом и видеокамерой образована щель для продувки видеокамеры.

Уплотнитель представляет собой двойную уплотняющую конструкцию, образованную клапаном и уплотнительным футляром.

Видеокамера оснащена широкоугольным объективом с углом обзора 90-120°.

В устройстве применяется двойная газовая защита в виде внутренней продувки наблюдательного отверстия и продувки щели продувочного кольца.

Устройство видеозаписи, монитор и цифровой термометр располагаются на кожухе печи и соединяются с видеокамерой и устройством замера температуры при помощи кабелей.

2. Во втором аспекте данное изобретение заключается в том, что видеокомплекс, описанный в первом аспекте изобретения, характеризуется следующими особенностями:

*промышленная печь является доменной печью,

*видеокамера представляет собой микровидеокамеру,

*диапазон диаметра трубного охладителя составляет 60-200 мм, диапазон его длины - 200-3000 мм,

*диаметр наблюдательного отверстия составляет 3-15 мм,

*ширина щели продувочного кольца 0.2-3.0 мм,

3. В третьем аспекте изобретение представляет собой вставной печной видеокомплекс согласно вышеизложенному второму аспекту, причем в микровидеокамере применяется CCD (прибор с зарядовой связью) широкого светочувствительного диапазона.

4. В четвертом аспекте изобретение представляет собой систему обработки изображений. Ее особенность заключается в том, что составными частями системы являются следующие устройства:

*Корпус видеокомплекса. В условиях отсутствия видимого света внутри доменной печи в ходе производства корпус видеокомплекса согласно второму и третьему аспектам данного изобретения принимает инфракрасный свет от шихты и трансформирует его в инфракрасное изображение поверхности шихты и деталей загрузочного устройства.

"Компьютер. Обрабатывая изображений, компьютер производит данные по распределению газового потока и температур поверхности шихты.

*Цветной монитор. Отображая соотношение между интенсивностью инфракрасного излучения и измеряемой температурой тела, подвергающегося замеру, цветной монитор трансформирует значение степени яркости поверхности на разных точках изображений в значение температур и показывает распределение газового потока или температур поверхности шихты в форме псевдоцветных графиков, численных графиков и диаграмм.

В настоящем изобретении не применяется технология, характерная для предшествующего уровня техники, когда наблюдательную аппаратуру устанавливают снаружи печи, но новаторским способом используется видеокомплекс, вставляемый в печь.

Трубка-охладитель оснащена конструкцией, приспособленной для подачи в него воды из клапана и вывода воды из выпускного отверстия, благодаря чему обеспечивают охлаждение видеокомплекса и функционирование последнего в определенном допустимом диапазоне температур.

В устройстве применяют двойную газовую защиту, которая заключается во внутренней продувке наблюдательного отверстия и продувке наблюдательного отверстия снаружи. Соответственно создаются условия для непрерывного функционирования видеокомплекса в неблагоприятных условиях - при высокой температуре, высоком давлении, существенной запыленности и влажности.

В изобретении предусмотрено применение двойной уплотняющей конструкции при помощи клапана и уплотнительного футляра, поэтому ремонт видеокомплекса может проводиться без остановки производственного процесса.

Устройство замера температуры располагается около верхней части видеокамеры, поэтому цифровой термометр показывает рабочую температуру видеокамеры в режиме реального времени.

По необходимости в микровидеокамере используют CCD (прибор с зарядовой связью) широкого светочувствительного диапазона. При отсутствии видимого света в печи при доменном производстве CCD (прибор с зарядовой связью) принимает инфракрасный свет от шихты печи и превращает этот инфракрасный свет в инфракрасное изображение поверхности шихты и прилегающей к ней аппаратуры, затем изображение обрабатывается компьютером и формируются данные по распределению газового потока и температур поверхности шихты.

В видеокомплексе используют широкоугольный объектив с углом обзора 90-120°, поэтому диапазон наблюдения расширяется. На примере доменной печи очевидно, что один видеокомплекс позволяет наблюдать за всем рабочим состоянием поверхности шихты, вращающегося желоба или большого конуса. Тем самым снижаются затраты на оснащение и эксплуатацию установки. Кроме того, это позволяет устранить сложную проблему компоновки неполных изображений, полученных под разными углами обзора с разных сторон при использовании более чем двух наборов видеокамер, следовательно, данное изобретение обеспечивает более благоприятные условия для обработки изображений поверхности шихты.

В отличие от уже существующих систем обработки изображений составными частями данной системы являются корпус видеокомплекса, компьютер и цветной монитор. Приборы, известные из уровня техники, измеряют температуру каждой точки на уровне шихты посредством механического сканирования, а затем воссоздают график распределения температур по поверхности шихты. В противоположность этому, в новом устройстве согласно настоящему изобретению используют CCD широкого светочувствительного диапазона. При отсутствии видимого света в доменной печи в процессе производства CCD (прибор с зарядовой связью) способен принимать инфракрасный свет, исходящий от шихты печи, и превращать его в инфракрасное изображение поверхности шихты и прилегающих к ней деталей печи, затем полученное изображение обрабатывают при помощи компьютера, и в результате получают данные по распределению газового потока и температур поверхности шихты.

Отображая соотношение между интенсивностью инфракрасного света и измеряемой температурой тела, подвергающегося замеру, цветной монитор превращает значение степени яркости на разных точках изображений в значение температур и показывает распределение газового потока или температур поверхности шихты в виде псевдоцветных графиков, численных графиков и диаграмм, помогающих осуществлять управление производственными процессами в печи.

Преимущества настоящего изобретения заключаются также в следующем:

при помощи микровидеокамеры без подвижных элементов получают инфракрасное изображение внутри печи;

аппаратура отличается небольшим размером и невысокой ценой;

аппаратура характеризуется легкостью установки и ремонта, а также длительным сроком эксплуатации;

наблюдательное отверстие отличается небольшим диаметром, щель продувочного кольца является узкой, эффективность защиты - высокой, требуется небольшой объем защитного газа, эксплуатационные расходы соответственно сокращаются.

Настоящее изобретение может найти соответствующее применение в различных промышленных печах, например в шахтных, доменных и иных печах, в особенности, подходит для применения в доменных печах с бесконусным двухконусным загрузочным устройством.

Фиг.1 является общим схематическим изображением конкретного варианта воплощения настоящего изобретения.

Фиг.2 является схематическим изображением конструкции корпуса видеокомплекса, выполненного согласно настоящему изобретению.

Конкретные позиции обозначены на чертежах следующими цифрами:

1. доменная печь

2. вращающийся желоб

3. поверхность шихты

4. фланцевая трубка

5. прокладка-уплотнитель

6. болт

7. прокладка

8. гайка

9. трубка-охладитель

10. клапан

11. вывод воды

12. клапан

13. клапан

14. соединительная труба

15. уплотнительный футляр

16. видеодатчик -"пулемет"

17. клапан

18. головка соединительной трубы

19. видеокамера

20. устройство замера температуры

21. наблюдательное отверстие

22. продувочное кольцо

23. устройство видеозаписи

24. монитор

25. цифровой термометр

26. компьютер

27. цветной монитор

28. щель продувочного кольца

Настоящее изобретение далее поясняется на примере конкретного варианта его воплощения со ссылками на фиг.1 и 2.

Фиг.1 является общим схематическим изображением конкретного варианта воплощения настоящего изобретения.

Фиг.2 является схематическим изображением конструкции видеокомплекса. Настоящий вариант разработан специально для доменных печей.

Как показано на Фиг.1, данный вариант воплощения представляет собой видеокомплекс (включая корпус видеокомплекса, устройство видеозаписи 23, монитор 24, цифровой термометр 25) и систему обработки изображений (включая корпус видеокомплекса, цветной монитор 26, компьютер 27). Как изображено на Фиг.2, корпус видеокомплекса включает видеодатчик -"пулемет" 16, трубку-охладитель 9, уплотнительный футляр 15, наблюдательное отверстие 21, продувочное кольцо 22, устройство замера температур 20, видеокамеру 19. Видеокамеру устанавливают на переднем окончании видеодатчика -"пулемета" 16, и вставляют в печь через трубку-охладитель 9, установленную на фланцевой трубке 4 кожуха печи. Диапазон диаметра трубки-охладителя 9 составляет 60-200 мм, диапазон длины - 200-3000 мм. С использованием двойной газовой защиты наблюдательного отверстия 21 в виде внутренней продувки и продувки снаружи наблюдательного отверстия видеокомплекс работает непрерывно даже в неблагоприятных условиях высоких температур, при высоком давлении, большой запыленности и высокой влажности.

Диаметр наблюдательного отверстия 21 - 3-15 мм. Ширина щели 28 между продувочным кольцом 22 и видеокамерой 19 - 0.2-3.0 мм. С учетом использования двойной уплотнительной конструкции, образованной клапаном 13 и уплотнительным футляром 15, ремонт видеокомплекса осуществляют в ходе эксплуатации печи (без ее остановки).

На случай отсутствия видимого света над поверхностью шихты 3 работающей доменной печи 1 предусмотрено оснащение микровидеокамеры CCD (прибором с зарядовой связью) широкого светочувствительного диапазона. CCD (прибор с зарядовой связью) в определенном диапазоне температур принимает инфракрасный свет, исходящий от шихты 3, и превращает его в инфракрасное изображение поверхности шихты и прилегающих к ней деталей печи, затем это изображение обрабатывают компьютером 26 и в результате получают данные по распределению газового потока и температур поверхности шихты. В видеокомплексе применяют широкоугольный объектив с углом обзора 90-120°, поэтому при помощи одного видеокомплекса можно наблюдать за всем рабочим состоянием поверхности шихты 3, вращающегося желоба 2 и прилегающей к ним аппаратуры. Тем самым снижаются расходы, связанные с установкой и эксплуатацией установки. При этом удается устранить проблему компоновки двух некомплектных изображений, полученных при обзоре предмета с двух разных сторон, что имеет место при использовании более чем двух наборов видеокамер. Следовательно, создаются более благоприятные условия для обработки изображений поверхности шихты.

Устройство, выполненное согласно настоящему изобретению, функционирует следующим образом. В соответствующем месте верхней части печи и в кожухе колошника печи 1 сверлят отверстие и приваривают короткую фланцевую трубку 4. Трубку-охладитель 9 вставляют в печь через уплотнительную прокладку 5 и фланцевую трубку 4. Охладитель жестко фиксируют при помощи болта 6, прокладки 7 и гайки 8, т.е. обеспечивают его герметичность. Для обеспечения охлаждения видеокамеры из клапана 10 подают охлаждающую воду в трубку-охладитель 9 и отводят из вывода 11. Таким образом, создают условия для функционирования видеокамеры при допустимой температуре. Защитный газ (азот или чистый доменный газ) подают в печь из клапана 12 и непрерывно продувают наблюдательное отверстие 21 через щель 28 между продувочным кольцом 22 и видеокамерой 19. Специальную видеокамеру 19 и устройство 20 для замера температур устанавливают на передней части видеодатчика -"пулемета" 16. Видеокамеру 19 и устройство 20 для замера температур вставляют в переднюю часть охладителя через уплотнительный футляр 15, соединительную трубку 14 и клапан 13. Другой защитный газ (азот или чистый доменный газ) подают в трубку видеодатчика -"пулемета" из клапана 17, и вдувают в печь через наблюдательное отверстие 21 на передней части видеокамеры, обеспечивая изоляцию объектива видеокамеры от доменного газа внутри печи. Таким образом, видеокамера может длительное время функционировать в условиях высокой температуры, высокого давления, большой запыленности и высокой влажности.

При необходимости ремонта видеокамеры и других элементов видеодатчик -"пулемет" 16 протягивают над клапаном 13, не останавливая производства, затем выключают клапан 13, и выдвигают видеодатчик -"пулемет" 16 с видеокамерой 19 и устройством 20 замера температуры из уплотнительного футляра 15. Благодаря наличию двойной уплотняющей защиты (в виде уплотнительного футляра 15 и клапана 13), ремонт и техобслуживание осуществляют без остановки производственного процесса.

Благодаря использованию CCD (прибора с зарядовой связью) с широким светочувствительным диапазоном видеокомплекс способен принимать инфракрасный свет от шихты и трансформировать его в инфракрасное изображение поверхности шихты 3, вращающегося желоба и других деталей печи при отсутствии видимого света в процессе производства. Угол обзора объектива видеокамеры составляет 90-120°. При помощи лишь одного видеокомплекса осуществляют обзор всего рабочего состояния поверхности шихты 3, вращающегося желоба 2, зонда и другой аппаратуры печи.

Одновременно создаются благоприятные условия для обработки изображений поверхности шихты. Видеосигнал видеокамеры 19 и сигнал элемента 20 замера температур выводят из уплотнительной головки соединительной трубы, и подают в операторский пункт управления по специальному кабелю, соединяющему видеокамеру 23, монитор 24 и цифровой термометр 25. Оператор может в режиме реального времени наблюдать за рабочим состоянием поверхности шихты 3, вращающегося желоба 2 и других аппаратов внутри печи, и анализировать рабочее состояние при помощи температуры видеокамеры 19. Одновременно видеосигнал подается в компьютер 26, в котором осуществляют обработку изображений. На цветном мониторе отображаются данные распределения потока и температур в виде псевдоцветных графиков, численных графиков и диаграмм, обеспечивающих условия для руководства эксплуатацией печи.

Изобретатели проводили промышленные испытания вышеописанной конструкции на многих доменных печах. Практическое применение изобретения показало, что данная конструкция характеризуется не только вышеупомянутыми полезными признаками, но обладает и иными преимуществами: продолжительностью работы самого видеокомплекса, возможностью ремонта и текущего обслуживания непосредственно в ходе производства, без остановки печи.

Хотя выше в качестве иллюстрации воплощения изобретения описывался вариант с доменной печью, специалисту в данной области техники будет очевидна возможность его эксплуатации также в самых различных промышленных печах.

Изобретение относится к системам контроля и управления производственными процессорами, осуществляемыми в промышленных печах. Техническим результатом является обеспечение возможности наблюдать за внутренним состоянием печи посредством вставного видеокомплекса с возможностью ее технического обслуживания без прерывания производственного процесса печи, достигаемый тем, что вставной видеокомплекс содержит видеокамеру, установленную на переднем окончании считывающего датчика изображения, вставляемую через уплотнительный футляр, соединительную трубку и клапан в переднюю часть трубки-охладителя, расположенной на фланцевой трубке кожуха печи, датчик температуры, расположенный на передней части видеокамеры, блок управления, соединенный с датчиком температуры и видеокамерой, двойную систему защитного обдува, первая из которой предназначена для подачи защитного газа через клапан трубки, в которой расположен считывающий датчик изображения и далее через наблюдательное отверстие в печь, а вторая - для подачи защитного газа через клапан, предусмотренный в трубке-охладителе, далее через кольцеобразную щель, расположенную между продувочным кольцом и видеокамерой, в печь, и компьютер, который обеспечивает функцию обработки изображений и количественного отображения состояния распределения газовых потоков и температур поверхности шихты в виде графиков и диаграмм. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вставной видеокомплекс для промышленных печей, содержащий видеокамеру, установленную на переднем окончании считывающего датчика изображения, вставляемую через уплотнительный футляр, соединительную трубку и клапан в переднюю часть трубки-охладителя, расположенной на фланцевой трубке кожуха печи, датчик температуры, расположенный на передней части видеокамеры, и блок управления, соединенный с датчиком температуры и видеокамерой, отличающийся тем, что он оснащен двойной системой защитного обдува, первая из которых выполнена с возможностью подачи защитного газа через клапан трубки, в которой расположен считывающий датчик изображения, и далее через наблюдательное отверстие в печь, а вторая выполнена с возможностью подачи защитного газа через клапан, предусмотренный в трубке-охладителе, далее через кольцеобразную щель, сформированную между продувочным кольцом и видеокамерой, в печь.2. Видеокомплекс по п.1, отличающийся тем, что промышленная печь выполнена в виде доменной печи, видеокамера - в виде микровидеокамеры, при этом трубка-охладитель выполнена с диаметром от 60 до 200 мм и длиной от 200 до 3000 мм, наблюдательное отверстие выполнено с диаметром от 3 до 15 мм, а ширина щели продувочного кольца составляет от 0,2 до 3,0 мм.3. Видеокомплекс по п.2, отличающийся тем, что микровидеокамера снабжена прибором с зарядовой связью широкого светочувствительного диапазона.4. Система обработки изображений, содержащая компьютер и цветной монитор, функционирующие совместно в сочетании с видеокамерой вставного видеокомплекса для промышленных печей, отличающаяся тем, что вставной видеокомплекс выполнен по любому из пп.1-3 формулы и содержит видеокамеру, способную принимать инфракрасный свет, исходящий от шихты, и трансформировать его в инфракрасное изображение поверхности шихты, расположенной внутри печи, и прилегающих к шихте деталей печи в условиях отсутствия видимого света в процессе эксплуатации печи, компьютер служит для обработки вышеуказанного инфракрасного изображения, произведения количественных данных по распределению газа и температуры по поверхности шихты и трансформации полутоновых значений, формируемых различными точками таких инфракрасных изображений, в значения температур в соответствии с соотношением между интенсивностью инфракрасного излучения и измеряемой температурой тела, подвергнутого замеру, а цветной монитор служит для отображения состояния распределения газового потока или температур поверхности в форме псевдоцветных графиков, численных графиков и диаграмм.