空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化裝置及方法與流程
2023-05-29 04:19:36 3
本發明屬於視覺測量技術領域，用於在零照度環境下的物體間隙視覺測量，具體涉及一種空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化裝置，本發明還涉及一種空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化方法。
背景技術：
火電機組中的「迴轉式空氣預熱器」是大型工業鍋爐的主要輔機之一，也稱為「容克式空氣預熱器」，簡稱「空預器」。空預器工作時，其轉子整體受熱不均勻，使得轉子產生「蘑菇」狀變形。即旋轉轉子與固定扇形板之間的密封間隙是一個變化量。密封間隙的存在導致大量的助燃空氣洩露到煙道，造成風機電耗增加；同時熱空氣帶走了大量熱能，直接導致鍋爐燃燒熱效率下降。
因此，空預器轉子熱態變形量的檢測具有工業應用價值。但是，由於空預器熱端的內部溫度高達350℃-450℃，並且煙氣中含有大量的灰塵和腐蝕性物質，給傳感器設計帶來挑戰。目前，轉子變形量檢測傳感器主要有探針傳感器、電渦流傳感器、雷射傳感器等三種類型，而且都只是測量變形量，但是由於空預器熱態運行工況複雜，熱態時傳感器測量值存在一定的溫度漂移，導致測量偏差，使操作人員沒有足夠的把握投運空預器漏風間隙自動控制系統，影響了機組效率。如果不但能夠測量，而且能夠以圖像畫面的形式實時監視到漏風間隙，使運行操作人員能夠實時看到間隙並能夠估計其大小，必然增加了運行操作人員投入空預器漏風間隙自動控制系統的信心，提高系統投運率，大大降低漏風率，提高機組發電效率。
近年來，隨著科學技術的進步，光電成像技術及機器視覺技術的廣泛應用，基於視覺的間隙檢測可為空預器轉子變形控制提供實時間隙監測、報警信號。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化裝置，解決了現有技術中熱態時傳感器測量值存在一定的溫度漂移，導致測量偏差，影響機組工作效率的問題。
本發明的另一目的是提供一種空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化方法，基於視覺的間隙檢測為空預器轉子變形控制提供實時間隙監測、報警。
本發明所採用的技術方案是，一種空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化裝置，包括設置在安裝主體上的視頻採集機構和補光機構、以及設置在扇形板上的標識物；其中，視頻採集機構包括圖像處理器、攝像機及加長鏡頭；補光機構包括補光源、補光源管路。
本發明所採用的另一技術方案是，一種空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化方法，利用上述的空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化裝置，稱為檢測單元，按照以下步驟實施，
步驟1、在扇形板上安裝標識物，將標識物安裝在轉子上方距扇形板下邊緣100mm高度位置；
步驟2、將檢測單元安裝良好，通過攝像機獲取目標區域影像，並採用霍夫變換從影像中提取出標識物圖像，
2.1)對攝像機4進行標定
將攝像機的參數值作為標定結果，並根據目標在圖像中的姿態進行圖像姿態校正，完成標定，重新採集圖像；
2.2)檢測空預器的轉子與扇形板之間的間隙
利用已標定的攝像機，根據標識物圖像的成像原理換算完成間隙檢測；
步驟3、視頻採集機構在補光機構的配合下，將目標的圖像信號輸送給圖像處理器，圖像處理器將處理得到的間隙尺寸反饋至扇形板控制機構，由扇形板控制機構對扇形板進行位置控制，同時顯示於監視畫面，以便實時看到間隙大小，當間隙大小超出正常範圍時，系統自動報警提示。
本發明的有益效果是，預先在轉子法蘭面上部對應的扇形板外側位置安裝白色陶瓷的標識物，通過補光燈照射標識物和對應位置的空預器轉子法蘭面與扇形板之間漏風間隙，利用攝像頭採集對應位置的視頻，獲得空預器轉子法蘭面與扇形板上白色陶瓷標識物下邊緣之間的距離，與白色陶瓷標識物寬度比較，計算出間隙大小，實時反饋至扇形板控制裝置並顯示在監控畫面，實現間隙的實時測量及監視報警功能，具體包括以下方面：
1)與探針式技術、雷射測距技術、電渦流測距技術相比，本發明間隙測量方法及裝置，採用圖像處理技術，能夠實時同時觀察間隙畫面及間隙大小信息；
2)與探針式技術相比，本發明間隙測量方法及裝置為非接觸式測量，不存在機械磨損問題，測量效果能夠長期保持穩定。
3)通過使用固定尺寸的白色陶瓷標識物，採用圖像處理技術，可以自動進行圖像姿態校正，自動實現標定，熱態時可以自動校正，不存在測量值熱態溫度漂移問題；通過使用白色陶瓷標識物，採用圖像處理技術，高效計算間隙大小；通過合理安裝白色陶瓷標識物位置，採用圖像處理技術檢測轉子法蘭面與標識物下邊緣的距離，簡化間隙的計算。
4)所有電子元件安裝在空預器外部，更換裝置時不需要進入空預器內部測量標定物，維護、更換方便。
附圖說明
圖1為本發明裝置(檢測單元)的結構示意圖；
圖2為本發明裝置和標識物與空氣預熱器的安裝位置示意圖；
圖3為本發明裝置中的標識物安裝位置示意圖；
圖4為本發明方法的間隙檢測流程圖。
圖中，1.圖像處理器，2.線纜接口，3.補光源，4.攝像機，5.微調頂絲一，6.微調頂絲二，7.設備保護殼，8.設備安裝座，9.進氣口，10.球閥，11.補光源管路，12.高溫保護殼，13.補光源光路，14.加長鏡頭，15.直角稜鏡，16.凸鏡，17.檢測單元，18.爐壁，19.標識物，20.扇形板，21.檢測間隙，22.轉子，23.固定法蘭，24.防火門，25.雙通道。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
參照圖1、圖2，本發明空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化裝置的結構是，包括設置在安裝主體上的視頻採集機構和補光機構、以及設置在扇形板20上的標識物19；其中，視頻採集機構主要包括圖像處理器1(包含報警設備、輸入面板及顯示器)、攝像機4及加長鏡頭14；補光機構包括補光源3、補光源管路11(其內腔為補光源光路13)、直角稜鏡15及凸鏡16；標識物19為白色陶瓷材料的方塊；
其中的補光源管路11長直段與加長鏡頭14長直段製作為軸心線平行的一體雙孔管道結構，稱為雙通道25；加長鏡頭14長直段內端為拐角結構，該拐角末端軸心線與攝像機4視向軸心線呈一定角度，角度範圍最大為90°，根據工作條件進行設計；優選加長鏡頭14末端開口方向與攝像機4拍攝方向呈直角；補光源管路11長直段內端直角拐彎位置設置有直角稜鏡15，用於改變補光源光路13的方向；補光源管路11直角拐彎末埠安裝有凸鏡16，用於擴散補光的光線範圍，保證目標區域的光照；補光源管路11直角拐彎末埠與加長鏡頭14的指向方向一致；
安裝主體的結構是，包括高溫保護殼12，高溫保護殼12靠近外埠安裝有球閥10，鄰近球閥10的外圓周上設置有固定法蘭23，固定法蘭23用於與爐壁18斜開口的法蘭安裝邊對口連接；球閥10與固定法蘭23之間的高溫保護殼12壁上開有輸入壓縮氣體的進氣口9，根據需要，間隔一定時間從進氣口9輸入壓縮空氣，用於降低加長鏡頭14與補光源管路11的工作溫度並進行灰塵吹掃；高溫保護殼12內端開有側開口，雙通道25內端拐角(加長鏡頭14末端開口方向及凸鏡16)軸心線與該側開口的開口方向一致；該側開口內設置有防火門24，防火門24通過彈簧的回覆力能夠自動關閉，防火門24和球閥10稱為保護組件；
視頻採集機構和補光機構的結構是，包括安裝在設備安裝座8外側面的攝像機4與補光源3，以及安裝在設備安裝座8內側面的加長鏡頭14與補光源管路11；攝像機4與加長鏡頭14對應設置，補光源3與補光源管路11對應連通；在設備安裝座8外側面還安裝有設備保護殼7，攝像機4與補光源3被圍護在設備保護殼7內腔中，設備保護殼7壁上設置有微調頂絲二6和微調頂絲一5，微調頂絲二6與攝像機4傳動連接，微調頂絲一5與補光源3傳動連接，微調頂絲二6和微調頂絲一5分別用於調節攝像機4與補光源3的位置，保證攝像機4與補光源3的照射方向能夠覆蓋並對正目標區域；設備保護殼7上還開有光纜接口2，攝像機4與補光源3的線纜各自通過光纜接口2與外部的圖像處理器1連接，用來給攝像機4與補光源3供電及傳遞信號。
加長鏡頭14、直角稜鏡15、凸鏡16均為耐高溫材料製作而成，能夠承受1400°的高溫。
參照圖2、圖3，標識物19選用白色陶瓷材料製作而成，根據不同空預器設備的尺寸，確定合適大小的白色陶瓷塊，確定合適安裝位置。本實施例中，空預器的轉子22與扇形板20之間間隙大小約為0-100mm，則確定標識物19(白色陶瓷塊)的長寬高為60*40*10mm，將標識物19安裝在轉子22上方距扇形板20下邊緣100mm高度位置即可。
本發明上述的結構整體上稱為一個檢測單元17。
本發明檢測單元17在爐壁18上的拆裝方法是，
參照圖2，需要進入工作狀態安裝結構時，將固定法蘭23與爐壁18斜開口的法蘭安裝邊對口連接，使得高溫保護殼12與爐壁18垂直方向呈60°伸入空預器內部，爐壁18同坐標平面OXZ平行，即高溫保護殼12與坐標平面OXZ呈60°，將高溫保護殼12固定可靠；再將雙通道25完全伸進高溫保護殼12的內腔中，此時防火門24被頂開，雙通道25的末端位置朝向爐壁18內腔中的轉子22與扇形板20之間的間隙21，扇形板20上固定有標識物19，標識物19處於視頻採集範圍內，同時，將設備安裝座8與固定法蘭23連接，使得視頻採集機構和補光機構安裝牢靠，即可開始實施檢測工作。
當需要進行補光源管路11清潔或攝像機4設備維修更換時，拆開設備安裝座8與固定法蘭23的連接，將設備安裝座8與雙通道25一起從高溫保護殼12內腔中拔出，在拔出的過程中防火門24在自帶彈簧彈力作用下向下轉動(移動)，將爐內的側開口封閉，防止高溫氣體溢出，拔出部分離開球閥10時，手動將球閥10關閉，進一步防止高溫氣體溢出，從而保證更換過程中的安全；再將設備保護殼7取掉，即可拆下攝像機4和補光源3進行維修更換；
當光路清潔或更換完畢需要再次安裝時，先手動打開球閥10，將雙通道25推進高溫保護殼12內腔中，一直推到底，防火門24被頂動自動開啟，然後將攝像機4和補光源3安裝在設備安裝座8上，將設備保護殼7安裝在設備安裝座8上並鎖緊可靠，即完成更換。
參照圖4，本發明空氣預熱器漏風間隙視覺測量與可視化方法的工作過程，利用上述的檢測單元17，按照以下步驟實施，
步驟1、在扇形板20上安裝標識物19，將標識物19安裝在轉子22上方距扇形板20下邊緣100mm高度位置；
步驟2、將檢測單元17安裝良好，通過攝像機4獲取目標區域影像(參照圖3所示區域)，並採用霍夫變換從影像中提取出標識物圖像，
2.1)判斷是否需要進行攝像機4的標定，若進行標定，根據成像原理計算公式(1)計算攝像機4的像距，
其中，像素尺寸(即轉子法蘭面與標識物下邊緣像素距離)為標識物19長度方向在圖像中所佔像素數，物距為目標與加長鏡頭14末端的距離，目標尺寸為標識物19的實際長度(本實施例為60mm)；設置此時攝像機4的參數值，作為標定結果，並根據目標在圖像中的姿態(旋轉角度)進行圖像姿態校正，完成標定，重新採集圖像；
2.2)檢測空預器的轉子22與扇形板20之間的間隙21
利用已標定的攝像機4，根據標識物19圖像的成像原理換算完成間隙21的檢測；本實施例對間隙檢測的計算方式是，通過對已知目標的圖像採集處理，獲得待測邊緣距離像素尺寸，根據下式(2)計算得到間隙實際尺寸：
步驟3、視頻採集機構在補光機構的配合下，將目標的圖像信號輸送給圖像處理器1，圖像處理器1將處理得到的間隙尺寸反饋至扇形板控制機構，由扇形板控制機構對扇形板20進行位置控制，同時顯示於監視畫面，以便實時看到間隙大小，當間隙大小超出正常範圍時，系統自動報警提示。
本發明的裝置及方法，包括對攝像機4及加長鏡頭14末端的設計，以及補光源3與補光源管路11的設計；通過攝像機4獲取目標區域影像，採用霍夫變換提取標識物長度像素尺寸及帶檢測邊緣距離像素尺寸；根據已標定的攝像機4實現間隙大小的檢測，通過計算標識物19下邊緣與轉子法蘭面之間的距離，減小檢測誤差。相比現有間隙檢測技術，安裝簡單方便，大大降低了成本和設備功耗，同時可實時反饋間隙大小，實際檢測間隙範圍為0-100mm以上，及時對間隙異常狀態進行報警。