專(zhuān)利名稱(chēng)：圖象分析式液位測(cè)量裝置及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種測(cè)量液位高低的方法及裝置。特別適用于熔融玻璃液位高低的測(cè)定。
熔融玻璃液位的高低的穩(wěn)定性是玻璃熔窯生產(chǎn)作業(yè)的重要指標(biāo)之一。故在玻璃及其制品的工業(yè)生產(chǎn)中，在線自動(dòng)檢測(cè)玻璃液位的儀器是必不可少的。
目前，國(guó)內(nèi)外在線自動(dòng)檢測(cè)玻璃液位的裝置按其作用原理來(lái)分有四大類(lèi)電接觸式、氣動(dòng)式、光電式和放射性同位素式。
光電式液位計(jì)的工作原理是在窯體一側(cè)有一發(fā)射光，以一定入射角投射到被測(cè)玻璃液面上，按照光的反射定律，則一反射光在窯另一側(cè)射出。當(dāng)被測(cè)液位變化時(shí)，則反射光產(chǎn)生了位移，故在窯體另一側(cè)裝一光電轉(zhuǎn)換元件，測(cè)其位移量即可測(cè)出液位高低，當(dāng)前多用激光源取代了普通光源。常說(shuō)的激光液位計(jì)實(shí)為光電式液位計(jì)之一種，它是當(dāng)前光電式液位計(jì)的主要種類(lèi)，發(fā)展也較快。但它用在玻璃熔窯上時(shí)，由于火焰和熱氣流對(duì)光產(chǎn)生干擾，使測(cè)量精度降低，甚至影響正常使用，故影響了它的推廣使用。
其它檢測(cè)裝置也都存在著許多不足之處，如電接觸式玻璃液位計(jì)的測(cè)量精度和可靠性在很大程度上取決于玻璃液面干凈程度，玻璃液比電阻和溫度、探針尖端形狀及被侵蝕情況和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期，而且鉑金探針的價(jià)格較高。氣動(dòng)式玻璃液位計(jì)需要一套專(zhuān)用氣源裝置，同時(shí)測(cè)量精度受氣源壓力和窯內(nèi)氣氛壓力的波動(dòng)影響較大。放射性同位素玻璃液位計(jì)由于應(yīng)用了放射性同位素，在防護(hù)和心理因素上影響了它的推廣應(yīng)用。
基于上述四種液位計(jì)所存在的缺點(diǎn)，當(dāng)前玻璃工業(yè)正在尋求一種新的玻璃液位測(cè)量裝置。本發(fā)明的目的就是為了克服當(dāng)今玻璃液位計(jì)所存在的種種弊端，設(shè)計(jì)出一套用以滿足玻璃工業(yè)及其他工業(yè)生產(chǎn)控制需要的液位計(jì)和檢測(cè)方法。
本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的圖象分析式液位測(cè)量裝置，在窯體側(cè)墻靠近玻璃液面的上方設(shè)置一標(biāo)志目標(biāo)，該標(biāo)志目標(biāo)有一長(zhǎng)方形凹槽A或色標(biāo)A，凹槽面向玻璃液面。由于玻璃液面的鏡面反射，則在玻璃液面下方有一對(duì)稱(chēng)A的虛象A1。當(dāng)A距離液面為h，則A與A1的距離為2h。當(dāng)被測(cè)液位上升△h時(shí)，則A與A1的距離縮小2△h。反之，如被測(cè)液位下降△h，則A與A1的距離增大2△h。在窯體另一側(cè)墻相對(duì)于標(biāo)志目標(biāo)的地方開(kāi)一觀察孔，用攝像機(jī)通過(guò)該觀察孔對(duì)A與A1進(jìn)行攝象，攝象機(jī)輸出的視頻信號(hào)輸入到圖象處理系統(tǒng)，并進(jìn)行采樣、分析處理后，就可計(jì)算出2h，從而測(cè)量出被測(cè)液位的高低。
為了提高測(cè)量的分辨率和精度，凹槽A(色標(biāo)A)距玻璃液面的高度h在滿足量程和生產(chǎn)要求的前提下，其值應(yīng)盡量小。同時(shí)攝象機(jī)所攝視場(chǎng)也應(yīng)只取A到A1范圍的區(qū)域，這樣就可使攝象機(jī)的靶面僅由A到A1的影象所占滿，充分有效地利用了該靶的象素。為此，在攝象機(jī)前需裝有合適的鏡頭，根據(jù)不同距離可作適當(dāng)調(diào)整，用以達(dá)到上述目的。
鏡頭也可采用望遠(yuǎn)鏡，它簡(jiǎn)單地由物鏡、目鏡和鏡筒組成，如圖2所示。用幾何光學(xué)原理不難推導(dǎo)出下面公式(1)和(2)f＝ (L)/(1±B) …(1)1＝ (L)/(B) …(2)式中f為透鏡焦距，L為目標(biāo)到透鏡的距離(物距)，B為物與象的高度化，1為象到透鏡的距離(象距)。(1)式中B前正負(fù)號(hào)，當(dāng)象為實(shí)象時(shí)，取正號(hào);當(dāng)象為虛象時(shí)，取負(fù)號(hào)。
通常我們可先選定物鏡和目鏡的焦距f1、f2，而目標(biāo)到物鏡的距離L1是現(xiàn)場(chǎng)確定的，通常為5～10米，目標(biāo)視場(chǎng)高度可定為50～100毫米。攝象機(jī)的靶高即為目鏡的象高。根據(jù)這些條件和公式(1)、(2)就可計(jì)算出鏡筒的長(zhǎng)度，物鏡和目鏡的焦距。
攝象機(jī)可選用線陣或面陣CCD，它的靶面所含象素點(diǎn)的多少直接影響到液位計(jì)的分辨率和測(cè)量精度。例如測(cè)量范圍為100毫米，為了得到0.1毫米的分辨率，則攝象機(jī)一行的象點(diǎn)數(shù)不少于1000。當(dāng)測(cè)量范圍縮小到50毫米的話，則攝象機(jī)一行的象點(diǎn)數(shù)為512時(shí)也能得到0.1毫米的分辨率。
本發(fā)明實(shí)際上采用了光電方法，與光電式液位計(jì)一樣，熔窯內(nèi)火焰和熱氣流對(duì)光有干擾。但本發(fā)明根據(jù)攝象機(jī)的攝象特點(diǎn)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理來(lái)消除這種干擾給測(cè)量帶來(lái)的誤差。
如

圖1所示，因火焰及熱氣流對(duì)光進(jìn)行干擾，造成所攝視場(chǎng)影象抖動(dòng)或形變。對(duì)于抖動(dòng)或形變速度較快的場(chǎng)合，當(dāng)選用帶電子快門(mén)的攝象機(jī)攝象時(shí)，視場(chǎng)影象的抖動(dòng)不會(huì)造成模糊和拖尾效應(yīng)，故不會(huì)引起測(cè)量誤差。但電子快門(mén)不能消除影象形變帶來(lái)的誤差。為此，在測(cè)量采樣時(shí)進(jìn)行軟件處理，用計(jì)算機(jī)對(duì)影象進(jìn)行分析，以消除影象形變的影響。具體的做法是在每次進(jìn)行2h的采樣處理運(yùn)算之前，先對(duì)標(biāo)志A及其虛象A1進(jìn)行采樣處理運(yùn)算，將它們計(jì)算出來(lái)的值與原定標(biāo)時(shí)A及A1的值比較。如相等，則可進(jìn)行2h采樣處理運(yùn)算，得到液位值。否則，就不進(jìn)行2h采樣處理運(yùn)算，在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，這種“形變”的現(xiàn)象只是間斷性出現(xiàn)的，故在測(cè)量中舍去“形變”時(shí)的采樣，并不影響測(cè)量的連續(xù)運(yùn)行，但卻有效地克服了“形變”給測(cè)量帶來(lái)的影響。
本發(fā)明的儀器定標(biāo)，不僅容易進(jìn)行，而且可在現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)定標(biāo)和校驗(yàn)，因?yàn)闃?biāo)志目標(biāo)上的凹槽A(色標(biāo)A)可以用長(zhǎng)度計(jì)量器具實(shí)際測(cè)定，例如測(cè)得為C，而測(cè)得凹槽A(色標(biāo)A)的影象所占象素?cái)?shù)為D，可得定標(biāo)系數(shù)K＝C/D。在現(xiàn)場(chǎng)可以經(jīng)常校驗(yàn)該K值。而液位的測(cè)量值可由測(cè)得的2h的象素?cái)?shù)乘以K來(lái)求得。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、測(cè)量時(shí)有效地排除了火焰及熱氣流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)量精度得到極大提高。2、裝置簡(jiǎn)單，安裝時(shí)無(wú)防震要求。無(wú)光電式、放射性同位素式液位計(jì)的發(fā)射源，又無(wú)電接觸式、氣動(dòng)式液位計(jì)插入窯內(nèi)的探測(cè)頭。它可以方便地在遠(yuǎn)離窯體的地方裝設(shè)攝象機(jī)，故使用、維護(hù)特別方便。3、定標(biāo)、校驗(yàn)簡(jiǎn)捷可行，克服了其它類(lèi)型液位計(jì)不能在現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)、校驗(yàn)的缺點(diǎn)。只要按用戶要求，選用合適攝象機(jī)和圖象處理系統(tǒng)，其測(cè)量可達(dá)到各種精度。就目前可方便選到的圖象系統(tǒng)和攝象機(jī)來(lái)講，其精度可達(dá)到±0.02mm。本發(fā)明的裝置和方法，不僅適用于玻璃工業(yè)，并可用于石油化工，鋼鐵冶金等工業(yè)的液位或料位的測(cè)量。
圖1為本發(fā)明的標(biāo)志磚影象示意圖;
圖2為本發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡(鏡頭)的光路示意圖;
圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
結(jié)合附圖，敘述本發(fā)明的實(shí)施方案。
見(jiàn)圖1，圖中A為標(biāo)志目標(biāo)的凹槽，A1為標(biāo)志目標(biāo)的凹槽A在溶融液中的影象，h為標(biāo)志目標(biāo)與溶融液面的距離。攝象機(jī)對(duì)著凹槽A及象A1。
參見(jiàn)圖3，它由裝在窯體側(cè)墻的標(biāo)志目標(biāo)6、鏡頭1、光圈2、攝象機(jī)3和圖象處理系統(tǒng)4、觀察孔5組成。標(biāo)志目標(biāo)6用硅磚或莫來(lái)石制作，上面開(kāi)有凹槽A或色標(biāo)A。
光圈2的作用為調(diào)節(jié)進(jìn)行光量。攝象機(jī)3選用帶電子快門(mén)的CCD，型號(hào)為MTV-1802CB，它為面陣式，象素規(guī)格為795×596，靶面積6.4×4.8mm。圖象系統(tǒng)4由微型計(jì)算機(jī)加插一圖象處理模塊組成。
見(jiàn)圖2，鏡頭1選物鏡焦距f1＝130mm，目鏡焦距f2＝13mm。根據(jù)圖3可知視場(chǎng)高度尺寸為70mm，攝象機(jī)靶高6.4mm，為方便取6mm來(lái)計(jì)算。計(jì)算公式為(1)、(2)兩式。
就物鏡7而言，物距L1＝5000mm時(shí)，可得B1等于37.5，象高1.87mm，象距l(xiāng)1＝133.4mm，當(dāng)物距L1＝10000mm時(shí)，可得B1等于76，象高0.92mm，象距l(xiāng)1＝131.7mm。
就目鏡8而言，當(dāng)L1＝5000mm時(shí)，可得B2等于0.31，它的物距L2＝17mm，象距l(xiāng)2＝54.8mm;當(dāng)物距L1＝10000mm時(shí)，可得B2＝0.15，它的物距L2＝15mm，象距l(xiāng)2＝100mm。
物鏡7和目鏡8的距離等于物鏡象距l(xiāng)1和目鏡物距L2之和。當(dāng)L1＝5000mm時(shí)，兩鏡距離為150.4mm;當(dāng)L1＝10000mm時(shí)，兩鏡距離為146.7mm。這就是說(shuō)，為了適應(yīng)5～10米不同窯的寬度，目鏡8與物鏡7之間的鏡筒長(zhǎng)度應(yīng)在146～151毫米之間可調(diào)。同理，目鏡8到攝象機(jī)1的連接鏡筒長(zhǎng)度應(yīng)在54.8～100毫米之間可調(diào)。
以上計(jì)算，是針對(duì)鏡頭1采用望遠(yuǎn)鏡時(shí)進(jìn)行的，根據(jù)以上計(jì)算參數(shù)，也可以采用市售攝象機(jī)用鏡頭。
經(jīng)過(guò)上述對(duì)鏡頭的選取，就可以使得所攝取視場(chǎng)每0.1毫米相對(duì)于攝象機(jī)不會(huì)少于一個(gè)象素，從而保證了儀器靈敏度和精度。
圖3所示圖象處理系統(tǒng)4選用一般的PC機(jī)即可。另配圖象處理卡，例如選用VP32偽彩卡。用軟件處理方法來(lái)判別攝象機(jī)1所攝取的視場(chǎng)影象“形變”與否，從而消除熱氣流和火焰干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
權(quán)利要求
1.一種圖象分析式液位測(cè)量裝置及檢測(cè)方法，其特征在于用攝象機(jī)通過(guò)觀察孔對(duì)標(biāo)志目標(biāo)與熔融液面的視場(chǎng)進(jìn)行攝象，經(jīng)圖象處理系統(tǒng)判別所攝視場(chǎng)影象形變與否，并計(jì)算出液位的高低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖象分析式液位測(cè)量裝置及檢測(cè)方法，其特征在于圖象分析式液位測(cè)量裝置含有標(biāo)志目標(biāo)、攝象機(jī)、觀察孔及圖象處理系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的圖象分析式液位測(cè)量裝置及檢測(cè)方法，其特征在于標(biāo)志目標(biāo)上的標(biāo)志為凹槽或色標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的圖象分析式液位測(cè)量裝置及檢測(cè)方法，其特征在于攝象機(jī)前加有鏡頭或望遠(yuǎn)鏡。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圖象分析式液位測(cè)量裝置和方法，特別適用于玻璃工業(yè)及石油化工，鋼鐵冶金等工業(yè)的熔融液位或料位的測(cè)量。主要由攝象機(jī)、鏡頭、標(biāo)志目標(biāo)、計(jì)算機(jī)圖象處理系統(tǒng)構(gòu)成，它利用攝取隨液位變化的圖象經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后來(lái)測(cè)定液位高低，并在數(shù)字圖象處理中通過(guò)補(bǔ)償及舍取方法來(lái)消除抖動(dòng)和形變引起的誤差。本發(fā)明與現(xiàn)有儀器相比，測(cè)量方法先進(jìn)、測(cè)量精度高、裝置簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便、定標(biāo)及檢驗(yàn)簡(jiǎn)捷可行。
文檔編號(hào)G01F23/00GK1114045SQ9410611
公開(kāi)日1995年12月27日 申請(qǐng)日期1994年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月1日
發(fā)明者余干文, 樓惠群 申請(qǐng)人:余干文, 樓惠群