基于图像处理的回转窑火焰温度测量技术研究

　　1　引　言

　　熟料在回转窑中的煅烧是烧结法生产氧化铝过程中最重要的工艺,能否优质、高产、低消耗地生产熟料的关键因素是烧成带温度。如果烧成带温度高于生 料烧结要求的温度,就会形成过烧熟料,容重大,溶出率低;如果烧成带温度低于生料烧结要求的温度,则烧结反应不完全,形成黄料,溶出率低[1]。目前对回 转窑的控制手段一般是通过测量窑内烧成带的温度,再通过温度情况推测熟料内部燃烧情况。但由于窑体长,属大滞后、多干扰、时变、非线性对象,且烧成带温度 测量受烟雾、煤粉、熟料、火焰等的影响,测量不能准确反映实际烧成带的温度。有效检测范围窄、瞬时值波动大、系统跟踪能力差和测量值滞后等因素使基于烧成 带温度的控制器性能难以稳定,甚至使该控制器失效。我们通过对郑州铝厂氧化铝生产回转窑进行现场调查、实验和理论研究的基础上,克服了回转窑自动控制中的 难题,开发了基于火焰图像数字处理的氧化铝回转窑监控系统。

　　2　图像采集硬件结构

　　图像采集硬件结构主要由CCD摄像机和同轴电缆组成,作为一次传感元件,它是智能型火焰检测装置的关键部件。不但要求这种新型的光学图像传感器视野宽阔、传像清晰,还要求它能适应恶劣的生产环境和便于维护。

　　图像采集由图像采集卡完成。光学图像传感器的图像信号由同轴电缆送至计算机上的图像采集卡,图像采集卡将视频信号转换成数字信号,送入计算机进 行相应的数字处理并显示图像。图像采集卡通过取样把连续的图像在空间离散化,再把取样所得到的各离散点的值量化,按256个量化级(或称灰度级)把图像中 不同的亮度转化成0~255的数值,即完成模拟量/数字量的变换[2]。图像卡通过接受PC主机送来的控制信号,实现对卡上硬件的控制管理。由于回转窑窑 体的自转,在窑体内部形成了旋转气流,因此煤粉喷入后呈圆形旋转状,大部分在烧成带爆炸燃烧,操作工通过看火孔观察火焰形状。在看火孔位置安装摄像机,将 火焰图像摄下,通过同轴电缆将图像信号传输到位于中心控制室内的图像分配器上。其中一路送到监视器,由操作工对窑内物料烧结状况与火焰燃烧图像进行直接观 测,并可由人工操作控制熟料窑的烧结给定条件;另一路送到计算机内的专用图像采集卡,由计算机进行图像的处理和自动分析。图像采集硬件结构如图1所示。

　　3火焰图像的数据分析

　　摄像机摄取的图像经分配器送入图像采集卡,图像采集卡处理后将彩色信号转换成红(R)、绿(G)、蓝(B)三色信号,依照NTSC制式对亮度Y 和RGB色度之间关系定义(Y=0.30R+0.59G+0.11B),转化为每点像素的亮度值。图像处理就是对原始图像信号数据进行处理,获取图像中反 映火焰强度(窑内煤粉燃烧的剧烈程度)与熟料烧结状态(熟料的欠烧、较好和过烧等)的特征,以达到计算机看火的目的。其过程主要分为图像的边缘检测和图像 采样区域的选择、黑色背景的滤除、火焰图像的伪彩色显示、火焰等级和熟料等级信号的生成等几个部分[3],其图像采集软件结构如图2所示。