旋转雷达专利

1、权利要求书一种能够实时监测高炉料面变化的雷达扫描装置，该装置适用于工业生产中高温、高压、高粉尘等恶劣环境场合，该装置涉及以下几方面：支撑装置，选取适当的角度和位置，该装置包括焊接支撑筒和雷达本体套筒两部分；机械传动装置，该装置重点在于天线滑块和改造万向球两部分，用于控制天线按要求进行扫描；专用天线扫描装置，该装置要深入高炉内部，在一个平面内进行扫描。冷却吹扫装置，该装置包括水冷装置和氮气吹扫冷却装置，用于冷却整个装置和吹扫天线；成像及监控装置，该装置包括成像装置、视频采集装置和温度采集装置，用于料面成像和监控雷达内部机械装置。如权利要求1所述的支撑装置，该装置的安装的选取合理的位置和角度，安装

2、位置既要兼顾测距变化最小，又可以最小化雷达波入射角。如权利要求1所述的焊接支撑筒，其上部为阶梯型、下部为马蹄形，阶梯型套筒焊接筋板提高支撑应力强度并可与雷达本体套筒配合安装节省空间；马蹄形套筒深入高炉内部10mm30mm且与高炉内壁平行，理论计算其应力强度较不伸入炉内提高三倍。如权利要求1所述的雷达本体套筒，为上下两个筒的阶梯型设计，上面为大筒，便于有空间安装机械扫描装置，下部是小筒，和雷达固定套筒法兰配对连接，小筒尺寸小，节省在高炉上开孔的大小，减少危险系数。这样在高炉上的开孔尺寸也小。如权利要求4所述的大筒，其上有两个方形的盒子，分别作为电机盒与电路板盒。在高炉生产状态下也方便电路板和电机

3、的更换和选择。如权利要求1所述的机械传动装置，该装置设计一种电机轴向往复移动变转动的机械结构，即丝杠进给运动，经过特殊设计的滑块，滑块内部镶嵌PTFE材料为润滑块，与天线微波通道的外径相配合，使往复运动变成天线以万向节为支点在高炉内部做径向扫描转动，一般选择0.5米的水平往复运动，转换为22度的旋转扫描运动。如权利要求1所述的改造万向球，两种方案改造万向球：方案一，万向球对称两侧加工两个侧耳，并在下托盘与上盖板上分别开槽与万向节侧耳配合，由此限定万向节只在高炉径向扫描方向转动；方案二，对万向节上半部分直接切掉一部分，并在上盖板上加工配合面，保证万向节只在高炉径向扫描方向转动。如权利要求1所述的

4、专用天线扫描装置，采用喇叭形、方形或抛物线形等公知的天线形状设计，微波通道设计尺度一般为0.5-1米，中间为万向节旋转装置，微波通道内嵌PTFE介质改善微波传输信号，在PTFE介质下方微波通道一圈斜角度打三个孔吹入氮气，目的在于吹扫微波通道及天线实现降温和防止高炉内部气体进入雷达套筒内部。如权利要求1所述的冷却装置，采用氮气吹扫配合水冷装置对机械扫描雷达实现降温，保证机械及雷达正常工作。如权利要求1所述的氮气吹扫装置，氮气吹扫不仅有冷却作用而且可以防止高炉内气体进入套筒内部堵塞天线。如权利要求1所述的成像装置，其通讯特征在于，上位机通过串口通信控制伺服电机带动高温丝杠做往复进给运动，微波信号通

5、过方形盒传输到外部的上位机做信号处理。如权利要求1所述的视频采集装置，采用带有夜视功能的摄像头，实时观察雷达内部机械装置的运动状态，机械装置有无故障等。此外，将视频信号采集装置配合冷却装置安装于小筒底部，面向高炉内部，传回高炉内部溜槽和料面视频图像。如权利要求1所述的温度采集装置，在雷达本体套筒内部安装温度传感器，实时监控雷达信号采集装置的工作温度，防止温度过高电机被损坏；此外，将温度传感器置于小筒底部，可以实时监测炉顶高炉内部温度信息。说明书2013-06-15测量高炉料面形状机械扫描式雷达装置技术领域本发明涉及冶金领域使用微波技术进行料面形状测量的场合，特别适用于高炉内三维料面的成像，也适

6、用于其他领域类似的近场曲面的三维成像。本发明应用于工业生产中高温、高压、高粉尘等恶劣环境场合，特别适用于冶金行业中高炉炼铁环境下料面形状的测量。背景技术钢铁工业中高炉冶炼的过程，是不断添加炉料进行连续冶炼的过程，其中炉顶布料形状的控制是十分重要环节，因此实时准确地获得高炉内料面形状信息，对于调节布料方式、控制高炉煤气分布、判断炉况有着十分重要的作用，进而，使得炉缸活跃、高炉顺行、降低焦比、节约能源、稳定高产、减少炉壁侵蚀和延长高炉寿命，提高高炉炼铁生产效益。我国是钢铁大国，冶金行业对国家的发展具有重大意义。高炉内部工作环境极其恶劣：高温、高压以及高粉尘，使得其内部工作机制一直成为黑箱不被人们了

7、解。高炉内料面的分布形状对高炉生产中节能减排，提高产能，高效利用资源以及安全生产等具有重要的指导价值，因此实时准确的获得高炉料面形状信息，对于调节布料方式、控制高炉煤气分布、判断炉况有着重要的作用。目前冶金行业高炉料面的测量主要采用三种方法：间接测量法；直接接触测量法；直接非接触测量法。间接测量料面的方法主要有十字测温法和红外热成像法。十字测温法通过在测温十字架上不同位置安装温度传感器监测煤气的分布，根据温度信息间接推测出料面形状，缺点是测量时间长，测量误差大；红外热成像技术通过测量料面表面热分布推算出料面信息，但受高炉内恶劣影响较大，无法长时间工作。传统的机械探尺对料面采用的是接触式测量，在

8、高炉炉顶三个不同的位置安装机械探尺，缺点是体积巨大，只能反映料面高度的点信息，不能实时显示料面的形状。目前国内外主要采用两种直接非接触测量方法：激光法和微波法。激光具有很强的方向性和相干性，因此垂直入射时反射信号强度高，但有在一定的入射角度时反射信号非常弱甚至于没有反射信号接收，并且在高炉内高粉尘情况下激光测得料面信息会有很大偏差且成本较高。另一种为微波雷达料位计，高频微波信号具有方向性好、发射角小以及抗干扰能力强等特点，目前国内已安装雷达料位计均采用单点测量不能得出料面的多维信息。本发明设计了一种新的机械扫描式雷达，将雷达天线深入高炉内部，通过机械设计传动装置控制天线的转动，实现在选定位置，

9、通过最优视角范围和最优测距范围的考虑，实现对高炉半个料面的扫描。国内外与本专利相关的技术如下：中国发明专利01126452.7，高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪，申请单位宝钢股份，其特点是：采用炉外安装，加透镜透波，存在窗口容易被污染，扫描角度有限的问题。该专利是在炉外安装，而本设计是炉内安装，环境比较恶劣，照射角度增大了，可以在开比较小的孔的同时增加扫描覆盖面积，而且天线可以缩回，有效延长了雷达天线的使用寿命。中国发明专利申请号：200910089676.1，一种巡回测量高炉料面的装置申请单位首钢股份，采用二维机械扫描的十字杆移动的方法，安装在可沿固定架上某点旋转的斜杆上，利用机械装置的移动旋

10、转等使雷达能够测量高炉料面的各点，优点是利用一台雷达测量出高炉径向的料面形状和下降速度。中国发明专利申请号：200620150006.8，一种用于测量高炉内料面高度的雷达探尺，申请单位天津钢铁股份公司；采用波纹管的微小移动调节雷达测量角，角度可调的范围相当有限，无法做到大范围的料面扫描。中国发明专利申请号：200920014534.4，一种高炉料面形状雷达测量装置，申请单位鞍钢股份。采用万向球形密封装置二维测量料面形状，结构简单合理，但没有雷达的自动系统保护。中国发明专利CN200710064497.3，高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法，是申请者在对比了多种专利方法后，提出的一种新的检测

11、方法，其特点是：在高炉顶部安装多台雷达对高炉料面形状进行检测，将以渐开线分布的雷达测量出的料面高度数据为基准，再以相应的算法拟合动态的料面曲线，可以拟合出较好的动态料面形状，但该方法雷达是数个雷达固定安装，无移动部件。荷兰专利NL-7707-178“Devicefordeterminingchargingdistributioninblastfurnace”，为双天线结构，安装在球形关节上，天线指向可以随高炉旋转布料器转动，具有测量料面形状和沉降动态的能力，适用于旋转布料式高炉。但由于雷达指向溜槽反射入料面，属雷达波通过旋转设备折射到料面上，间接计算料面高度的一种方法。欧洲专利ERG017-6

12、64“MountingRadarAntennaonShaftFurnace为双天线结构，安装在圆管底部。测量是圆管穿过炉身侧壁水平径向插入炉内，通过圆管的旋转使天线波束在炉内形成一维径向扫描，不具备全料面形状成像能力，且圆管笨重，圆管的伸缩时间长。其他国内外还有一类激光扫描方法，如“激光检测料面形状的方法和系统”，(200810240835.9)，是基于激光与图像处理的方法获取料面形状的，和本发明的微波法原理不同。从与本专利相关联的国内外相关专利可以看出，本专利的特征在于：1、仅在高炉上安装一台雷达即可完成料面的成像。综合考虑天线的旋转角度，覆盖料面的范围以及高炉内部溜槽及十字测温的安装或运动

13、位置，合理选取雷达的安装位置，保证料面的成像的实时性和真实性。2、伺服电机控制丝杠带动雷达天线旋转扫描。在中控室内即可通过上位机控制实现雷达天线对料面的机械扫描，操作方便、安全。发明内容本专利旨在发明一种能够实时监测高炉料面变化的雷达扫描装置，弥补单点雷达不能测量料面形状的不足，解决高炉生产状态下料面形状不能实时监测的问题，为高炉生产布料控制提供可视化的参考依据，从而实现高炉生产中资源的高效利用，节能减排的目的。机械扫描雷达装置包括支撑装置、机械传动装置、专用天线扫描装置、冷却吹扫装置和成像及监控装置。机械扫描雷达安装位置的特征在于：选择高炉炉顶的一个位置安装，选择位置的依据是：和目前现有的单

14、点雷达安装原则基本相同保持与料面夹角尽可能垂直。但是安装位置选择的区别在于：机械扫描雷达一般安装在靠近炉顶封罩的上部位置，雷达的安装角度一般选择与料面垂直，或者选择靠近高炉风罩上部位置，保证入射夹角对料面的覆盖区域最大化的方法开斜入孔，斜入孔可以保证安装空间最大化，防止出现机械装置与高炉炉皮互相干扰，合理的安装位置既可兼顾测距变化最小，又可以最小化雷达波入射角。安装位置的特征还在于：避开高炉上升管，大方孔和人孔，在靠近高炉风罩最上部位置打直径为300-500mm的孔。支撑装置包括以下两个组成部分：雷达焊接支撑套筒，雷达本体套筒。雷达固定支撑套筒特征：设计上部为阶梯型、下部为马蹄形碳钢支撑套筒焊

15、接在高炉上，阶梯型套筒焊接筋板提高支撑应力强度并可与雷达本体套筒配合安装节省空间；马蹄形套筒深入高炉内部30-50mm且与高炉内壁平行，其应力强度较不伸入炉内提高三倍。支撑套筒与高炉焊接方式为满焊防止高炉内气体溢出，内部焊接倒钩用于涂抹防火泥防止套筒受热开裂。雷达本体套筒结构的特征在于：圆筒为上下两个筒的阶梯型设计，上面为大筒，便于有空间安装机械扫描装置，下部是小筒，和雷达固定套筒法兰配对连接，小筒尺寸小，这样在高炉上的开孔尺寸也小。大套筒底部固定机械传动装置，雷达天线由小套筒底部深入高炉内部，套筒与高炉内部由旋转关节隔离；套筒内充入3-6公斤氮气，冷却机械旋转装置，并经由微波通道将氮气吹至天

16、线，PTFE棒为微波传输介质且起到承压作用，使氮气冷却并吹扫喇叭形天线内部，防止高炉内气体进入套筒内部堵塞天线。大筒的特征在于：在筒两侧焊接两个方形盒，分别安装伺服电机和雷达硬件电路，方形盒与雷达套筒内部采用密封方法隔绝，目的为防止氮气溢出及隔绝高温；在大筒的底部位置，可以安装机械传动装置，包括高温丝杠、轴承及轴承座，上述机械装置实现了天线的往复循环扫描。电机盒与电路板盒与雷达套筒内部密封隔绝，在高炉生产状态下，若电机或电路板被损坏可直接开盒更换，拆卸方便，不需要在休风时开展维修工作。小筒的特征在于：底部开孔，直接连通到炉内，在开孔的位置上，安装带有改进万向节的雷达天线结构，小筒底部支撑天线重

17、量。扫描专用天线特征：采用喇叭形、方形或抛物线形等公知的天线形状设计，微波通道设计尺度一般为0.5-1米，中间为万向节旋转装置，微波通道内嵌PTFE介质改善微波传输信号，在PTFE介质下方微波通道一圈斜角度打三个孔吹入氮气，目的在于吹扫微波通道及天线实现降温和防止高炉内部气体进入雷达套筒内部。小筒和天线之间配对的特征：采用法兰固定连接方式，在小筒底部开4-8个孔，安装固定法兰，法兰面采用圆弧结构设计，和改进万向节正好吻合，起密封和支撑作用。雷达机械往复运动装置的特征：本发明采用电机丝杠传动的方式实现雷达的机械扫描功能，包括伺服电机、高压密封垫、平垫、丝杠、密封轴承、微波通道滑块以及其他附属零件

18、，伺服电机带动丝杠滑动，微波通道滑块在微波通道延长杆上下滑动实现机械传动，使天线在高炉内部做往复运动，实现料面扫描。冷却吹扫装置特征：本发明采用氮气吹扫配合水冷装置对机械扫描雷达实现降温，保证机械及雷达正常工作。由雷达套筒法兰盘吹入3-6公斤压力氮气，对高温丝杠及轴承直接吹扫实现降温，雷达套筒为密封装置，氮气经由微波通道上的孔吹入喇叭形天线内部对天线实现降温并最终吹入高炉内部；小筒内部用水冷套冷却整个金属腔体，尤其是对万向节的冷却，防止高温金属膨胀抱死现象的发生。视频监控装置的特征：采用带有夜视功能的摄像头，或者已知的任何视频监控功能的摄像头，在雷达后盖完全密封后，提取视频信号，可以实时观察雷

19、达内部机械装置的运动状态，机械装置有无故障等。此外，将视频信号采集装置配合冷却装置安装于小筒底部，面向高炉内部，传回高炉内部溜槽和料面视频图像。温度采集装置：本发明雷达套筒内部安装2-3路温度传感器，分别安装在电机盒及雷达套筒内部，实时监控雷达信号采集装置的工作温度，温度高于电机工作上限后自动断电并报警，防止电机被损坏；此外，将温度传感器置于小筒底部，可以实时监测炉顶高炉内部温度信息。雷达与外部成像系统的通讯特征在于：上位机通过串口通信控制伺服电机带动高温丝杠做往复进给运动，微波信号通过方形盒传输到外部的上位机做信号处理。机械旋转装置与天线的微波通道之间的配合特征在于：设计一种电机轴向往复移动

20、变转动的机械结构，即丝杠进给运动，经过特殊设计的滑块，滑块内部镶嵌PTFE材料为润滑块，与天线微波通道的外径相配合，使往复运动变成天线以万向节为支点在高炉内部做径向扫描转动，一般选择0.5米的水平往复运动，转换为22度的旋转扫描运动。最终由上位机实现料面图形的实时显示，视频采集与温度采集为辅助作用。图1雷达安装位置示意图图2雷达装配及内部示意图图3机械扫描机构示意图图4雷达专用天线示意图图5机械扫描滑动部分示意图图6微波通道滑块图7滑块轴承固定零件图8氮气吹扫路线图图9万向节旋转密封及水冷示意图图10万向节改造方案图11水冷箱具体实施方式结合附图来详细说明本专利的特征和功能。图1为雷达在高炉上

21、的安装位置及角度，雷达安装在高炉外侧。炉顶开孔按总体高炉安装图开孔，直径0300-600m之间的通孔，俯仰角度0按现场要求计算确定。图2为机械扫描雷达系统基本构成，主要包括：雷达本体套筒（包括大筒2和小筒3），焊接支撑筒4，机械结构以及现场控制箱。焊接支撑筒焊接在高炉炉顶打孔处，焊接方式为满焊，防止高炉内气体溢出；雷达套筒内部有水冷及气冷结构装置，氮气通过安装在法兰盘上气孔吹入雷达套筒内部，经由微波通道处的排气孔吹入高炉内部，实现对雷达套筒及天线5降温，并对天线进行吹扫防止堵塞而影响信号质量，在小筒底部设计水冷套7，主要用于对旋转密封装置万向球6的冷却，防止出现金属高温膨胀抱死现象。图3为机械

22、传动结构和高温天线，安装在雷达套筒内。天线通过滑块8与连接板13和高温丝杠相连，丝杠固定在滑动导轨滑块5、6上两端由轴承2及轴承座3支撑，由伺服电机11传动力矩实现滑动导轨滑块5、6的左右进给运动及天线滑块8沿微波通道的上下滑动，从而带动天线对料面进行径向扫描。图4为天线滑块设计，连接板移动带动滑块2在微波通道3上进行上下滑动，滑块2通过轴承座固定件1固定在轴承4上，最终实现天线在高炉内的径向扫描；图6为轴承座固定件；图5为滑块示意图，其中凹槽2内嵌PTFE材料，PTFE材料直接与微波通道3接触摩擦滑动，防止金属之间直接摩擦发生高温抱死现象。防止金属之间直接摩擦上网另一种方法：去除凹槽2内嵌的PTFE材料，此时微波通道3和滑块2之间会出现