一种水分含量测量装置及检测方法

1.本发明涉及钢铁生产领域，尤其涉及一种水分含量测量装置及检测方法。


背景技术：

2.钢铁产业中，烧结矿的水分含量对烧结矿的最终产品质量以及经济效益具有重要的影响。水分含量的高低，不仅会影响到烧结矿的透气性，还会直接对烧结过程产生影响，如对烧结矿的过烧、欠烧状态的影响，除此之外，还会对最终烧结矿的质量产生影响，如转鼓强度、feo含量等。
3.目前，对烧结矿水分判定方法中常用的是烘干称重检测法，红外水分测定仪检测法及中子测定法。烘干称重检测法是粉状物料水分测量的通用方法，其原理是将一定重量的试样在低于其品质变化的极限温度下，将试样干燥到恒重，以失去重量占试样原重量的百分数作为被测物料的含水，又称作失重法。但是该方法由于在测量过程中多与人为因素有关，测量结果不精确且检测周期长达半小时，效率低。红外水分测定仪检测法是利用水分可以吸收特定波长的红外线特性来测量水分。但红外线测水受到检测对象的颜色、粒度和表面特性形响，同时还受到光路变化、电路漂移和料面蒸汽等的干扰。中子测定法是利用中子源产生的快速中子被氢原子慢化的次级反应原理来测定物料水分的，由于中子源有泄漏危害，需要特殊防护：且相关装置易被磨损，维修工作量大。
4.中国专利申请号为：cn201210433085.3，名称为：一种烧结过程中检测混合料水分的方法和装置，该专利申请的具体做法为：对第一混合料，利用烘干称重检测法对红外水分测定仪测量值进行修正，利用该修正比例，对第二、三混合料进行水分测量。但对一混、二混、三混也采用同样的修正比例，而没有考虑到实际生产中混料过程中表层和内层的水分含量变化。
5.中国专利申请号为：cn201710012143.8，名称为：一种烧结混合料水分的闭环控制方法，该专利申请的具体做法为：利用微波测水仪和加水流量计检测数据，检测烧结过程中的水分。但该方法没有考虑到物料与水反应后的物理状态变化，且微波测水仪价格昂贵。
6.综上，现有技术有以下缺点：
7.(1)烘干称重法，检测时间过长，不利于进行快速的水分检测。
8.(2)红外水分测定仪检测法受物料表面特性的影响大。
9.(3)中子测定法存在泄漏危险，且维修工作量大。
10.因此，本领域的技术人员致力于开发一种水分含量测量装置及检测方法，应用在烧结过程中检测烧结矿的水分含量，能够对烧结矿的水分含量进行快速检测，且测量装置的结构简单，检测精度高。


技术实现要素：

11.为实现上述目的，本发明提供了一种水分含量测量装置，所述水分含量测量装置用于测量烧结过程中的烧结矿的水分，所述水分含量测量装置包括物料采集系统、压力系
统、接料板、图像检测系统、模型训练系统和控制系统；
12.所述压力系统包括进料口和出料口；
13.所述物料采集系统设置在所述压力系统的所述进料口处，用于采集物料作为样品并通过所述进料口将所述样品输送至所述压力系统；
14.所述压力系统被配置为对所述样品进行挤压，并在挤压完成后将所述样品从所述压力系统的所述出料口排出；
15.所述接料板设置在所述出料口下方，用于接收从所述出料口排出的被挤压后的所述样品；
16.所述图像检测系统设置在所述接料板处，用于检测掉落在所述接料板上的所述样品，获取所述样品的图像并分析所述图像得到所述样品的图像特征；
17.所述模型训练系统与所述图像检测系统之间进行通信，以接收来自所述图像检测系统的数据；所述模型训练系统被配置为以所述样品对应的水分含量标签作为训练目标，对卷积神经网络模型进行训练，并通过训练好的所述卷积神经网络模型输出所述样品的水分含量；
18.所述控制系统与所述物料采集系统以及所述压力系统连接，用于控制所述物料采集系统和所述压力系统的运转。
19.进一步地，所述物料采集系统包括采料板、固定轴，所述采料板连接至所述固定轴并被配置为能够沿着所述固定轴转动；所述采料板被配置为当所述采料板与竖直方向的夹角变大至第一预设值时，采集所述样品并输送至所述进料口；当所述采料板与所述竖直方向的夹角变小至第二预设值时，停止采集所述样品。
20.进一步地，所述压力系统包括圆筒部件、推料板、挡料板、驱动部件、弹力部件和限位部件，所述圆筒部件包括容纳腔，所述容纳腔的一侧设置所述进料口，另一侧设置所述出料口；所述推料板设置在所述容纳腔内且位于所述容纳腔内靠近所述进料口一侧，所述推料板被配置为能够沿着所述容纳腔往复运动，以推动从所述进料口进入的所述样品；所述驱动部件连接至所述推料板以驱动所述推料板运动；所述挡料板设置在所述容纳腔内且为位于所述出料口一侧，所述挡料板被配置为在所述推料板推动所述样品时，与所述推料板一起挤压所述样品；所述弹力部件连接至所述推料板，所述弹力部件被配置为在所述推料板挤压所述样品时，施加作用在所述推料板上的朝向所述进料板方向的弹力；所述限位部件设置在所述圆筒的内侧壁上，所述限位部件被配置为当所述推料板在挤压所述样品的过程中，所述挡料板运动至所述限位部件处时，所述限位部件阻挡所述挡料板继续运动。
21.在一次挤压过程完成后，推料板在控制系统的控制下或者在压力系统的控制下进行复位。
22.进一步地，所述驱动部件为气缸，所述气缸通过推料杆连接至所述推料板。
23.进一步地，所述弹力部件为弹簧，所述压力系统还包括挡料杆，所述挡料杆的一端固定至所述圆筒的侧壁上，所述挡料板套设在所述挡料杆上并能够沿着所述挡料杆运动，所述弹簧套设在所述挡料杆上且所述挡料板与固定所述挡料杆的所述侧壁之间。
24.进一步地，所述图像特征包括所述样品的物料面积特征和平均颗粒大小特征。
25.本发明还提供了一种使用如上所述的水分含量测量装置检测烧结过程中烧结矿的水分含量的方法，所述方法包括：
26.步骤1：通过物料采集系统，采集样品；
27.步骤2：通过压力系统，挤压所述样品；
28.步骤3：释放压力，利用所述样品的重力，使所述样品掉落至接料板；
29.步骤4：通过图像检测系统，获取所述接料板上的所述样品的图像并提取图像特征；
30.步骤5：通过所述图像、所述图像特征和所述样品对应的水分含量标签，训练卷积神经网络模型；
31.步骤6：通过训练好的所述卷积神经网络模型和所述图像特征检测所述样品的水分含量。
32.进一步地，所述步骤4包括：
33.采集所述样品的图像；
34.通过边缘分割方法，提取所述样品的物料面积特征和平均颗粒大小特征。
35.进一步地，所述步骤5包括：
36.将所述图像输入所述卷积神经网络模型的卷积层；
37.将所述图像特征输入所述卷积神经网络模型的全连接层，以融合所述图像特征；
38.将所述水分含量标签作为所述卷积神经网络模型的训练目标，进行所述卷积神经网络模型的训练。
39.进一步地，重复所述步骤1至所述步骤4，周期性地采集样品，并利用所述训练好的所述卷积神经网络模型输出不同的所述样品的水分含量。
40.本发明提供的水分含量测量装置以及检测方法，具有如下技术效果:
41.1、将水分含量测量装置放置于物料从高处掉落于皮带前的工业流程处，通过固定轴和采料板的设计，实现了便捷的物料采集，同时，在皮带传送物料之前采集物料，避免了传统方法只对皮带表层物料的水分进行采集以及分析的局限。
42.2、经过挤压后物料结成颗粒的物理特性对水分的判断有重要的作用。本发明通过推料板与挡料板的力学平衡，实现对物料的挤压，使得物料受到一定压力的挤压下，进行结粒。
43.3、对于经过挤压的物料，其受到冲击后的物理状态对水分的判断有重要的作用。本发明利用物料自身重力，不需借助外界振动装置，即可模拟物料进行冲击后的物理状态。
44.4、相比与传统的基于人眼的对受到冲击后的结粒图像进行观察，本发明通过卷积神经网络，构建“图像
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水分含量”之间的模型，实现了水分检测的自动化。同时，与基于微波/红外的水分检测仪相比，本发明的成本低廉。
45.5、物料具有一定的热特性，其热蒸汽会对基于视觉的水分检测产生影响。本发明通过采料板与掉落部分，进行了一定程度的散热，降低了热蒸汽对图像检测的影响。
46.6、本发明的装置结构简单，从采料到最终的图像采集以及水分含量的检测，时间周期短，具有短时滞的优点，经济实用。
47.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
48.图1是本发明的一个较佳实施例的水分含量测量装置的结构示意图；
49.图2是本发明的检测方法的流程示意图。
50.其中，10
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物料采集系统，11
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固定轴，12
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采料板，20
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压力系统，21
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圆筒部件，211
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进料口，212
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出料口，213
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容纳腔，22
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推料板，221
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推料杆，23
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挡料板，231
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挡料杆，24
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弹力部件，25
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限位部件，30
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图像检测系统，31
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摄像头，40
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挡料板。
具体实施方式
51.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
52.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
53.如图1所示，本发明公开了一种水分含量测量装置，用于在烧结过程中测量烧结矿中的水分含量。该水分含量测量装置包括物料采集系统10、压力系统20、接料板、图像检测系统30、模型训练系统(图中未示出)、控制系统(图中未示出)。
54.压力系统20用于挤压样品，压力系统20包括进料口211和出料口212。
55.物料采集系统10设置在压力系统20的进料口211附近，用于采集物料作为样品，物料采集系统10将采集到的样品通过进料口211输送至压力系统20。
56.接料板40设置在压力系统20的出料口212的下方，用于接收从出料口212排出的被挤压后的样品。由于接料板40位于出料口212的下方，样品从出料口212被排出后，在自身重力的作用下掉落在接料板40上。
57.图像检测系统30设置在接料板40的附近并能够采集掉落到接料板40上的样品的图像以及对图像进行分析，以提取物料面积特征和颗粒的平均颗粒大小特征。
58.模型训练系统与图像采集系统30之间进行数据通讯，接收来自图像采集系统30的分析结果，然后对该分析结果进行运算得到水分含量。
59.控制系统作为水分含量测量装置的核心，能够控制水分含量测量装置进行周期性的采样，具体地，控制系统分别与物料采集系统10以及压力系统20连接，能够控制物料采集系统10以及压力系统20的运转。
60.物料采集系统10放置在混料后物料从高处下落到皮带的工艺流程处，通过控制系统来控制物料采集系统10是否进行采样。在一些实施方式中，物料采集系统10包括采料板12和固定轴11，采料板12连接至固定轴11并能够沿着固定轴11往复转动。当采料板12绕固定轴11往远离竖直方向的方向转动时，采料板12与竖直方向之间的夹角逐渐变大，当增大至第一预设值时，采料板12的一端对准了进料口211，采料板12的角度足以使从高处落下的物料沿着采料板12滑动进入进料口211；当采料板12绕固定轴11往靠近竖直方向的方向转动时，采料板12与竖直方向之间的夹角逐渐变小，当减小至第二预设值时，采料板12停止物料采集。第一预设值和第二预设值可以根据现场其他工艺设备的布置情况进行设定，以使得采料板12在特定位置时开始采样以及在特定位置时停止采样，其具体数值并不构成对本
发明的限制。
61.压力系统20用于挤压从进料口211进入的样品，使样品受到挤压后结成颗粒。挤压后的样品，其结成颗粒的物理特征对水分的判断有重要的作用。在一些实施方式中，压力系统20包括圆筒部件21、推料板22、挡料板23、驱动部件(图中未示出)、弹力部件24和限位部件25。圆筒部件21内部设置有容纳腔213，容纳腔213的一侧形成进料口211，容纳腔213的另一侧形成出料口212。较佳地，进料口211位于圆筒部件21的上方，出料口212位于圆筒部件21的下方。推料板22设置在容纳腔213内且位于容纳腔213内靠近进料口211的一侧，且能够沿着容纳腔213往复运动。驱动部件与推料板22连接，能够在控制系统的控制下，驱动推料板22往复运动。在初始状态下，推料板22位于进料口211的一侧，此时，样品通过进料口211可以进入到容纳腔213。当样品从进料口211进入到容纳腔213内时，驱动推料板22往出料口212方向运动，推料板22的外径等于容纳腔213的内径，推料板22形成作用在样品上的作用力，能够推动样品往出料口212方向运动。挡料板23设置在容纳腔213内且位于容纳腔213内靠近出料口212的一侧，且能够沿着容纳腔213往复运动。弹力部件24与挡料板23连接。在初始状态下，挡料板23位于出料口212的一侧，此时，挡料板23能够阻挡样品通过出料口212。挡料板23的外径与容纳腔213的内径相同。样品被推料板22推动至与挡料板23接触，挡料板23和推料板22一起对样品形成挤压，同时挡料板23也会在推料板22的作用力下往出料口212方向运动，从而使得弹力部件24被压缩。弹力部件24在挡料板23上施加朝向推料板22方向的弹力，使得挡料板23施加作用在样品上的反作用力，该反作用力的方向与推料板22形成的作用力方向相反，对样品进行一定压力的挤压，而且挡料板23在这个过程中仍然往出料口212方向运动。限位部件25设置在圆筒部件21的内侧壁上，可以阻止挡料板23的继续运动。在挤压样品的过程中，挡料板23运动至越过出料口212的位置后，被限位部件25阻挡而停止了运动，使得样品能够从出料口212排出，释放了对样品的压力。另外，在推料板22刚开始挤压样品时，控制系统可以控制固定轴11反转，从而停止物料采集。在一些实施方式中，驱动部件选用气缸，气缸通过推料杆221与推料板22连接。也可以选用诸如电机的驱动部件，通过丝杆结构与推料板22连接。在一些实施方式中，弹力部件24选用弹簧，设置一挡料杆231，该挡料杆231的一端固定在圆筒部件21的侧壁上，挡料板23套设在挡料杆231上并能够沿着挡料杆231运动，弹簧套设在挡料杆231上且位于挡料板23和侧壁之间，当挡料板23在挤压样品的过程中，往远离进料口211的方向运动时，弹簧被压缩，从而施加弹力作用在挡料板23上，弹簧所施加的弹力与驱动部件驱动推料板22的推动力方向相反，从而起到较好的挤压效果。在一些实施方式中，限位部件25在与挡料板23接触后能够锁住挡料板23，当样品被排出后，在控制系统的作用下，限位部件25解锁挡料板23，使得挡料板23在弹簧的作用下恢复至初始位置，复位的距离为弹簧处于松弛状态时的长度。限位部件25可以选用卡槽，在挡料板23上设置有与卡槽配合的突起部。在一些实施方式中，推料板22在挡料板23被锁住时，通过控制系统控制，进行复位。
62.样品从出料口212出来后，在其自身的重力作用下，掉落在接料板40上。在这个过程中，利用出料口212与接料板40之间的距离差以及样品自身的重力，可以将样品打散。
63.对于掉落在接料板40上的样品，利用图像采集系统30进行图像采集和分析。图像采集系统30包括摄像机以及相应的处理电路，摄像机用于采集图像，处理电路用户处理和分析图像，得到图像特征。图像特征可以包括样品的物料面积特征和颗粒平均颗粒大小特
征。
64.模型训练系统与图像检测系统30之间进行通信，实现数据交互。在一些实施方式中，模型训练系统、图像检测系统30可以集成在一个装置中；在一些实施方式中，模型训练系统和图像检测系统30之间可以通过数据线连接。此外，模型训练系统还可以和控制系统集成在一个装置中，或者也可以和控制系统是独立的两个系统，两者之间通过光缆或网线等方式进行通信。控制系统可以pc机，也可以是其他工业现场控制设备。
65.本发明还提供了一种利用上述水分含量测量装置检测烧结矿的水分含量的方法，包括如下步骤：
66.步骤1：通过物料采集系统10，采集样品；
67.步骤2：通过压力系统20，挤压样品；
68.步骤3：释放压力，利用样品的重力，使样品掉落至接料板40；
69.步骤4：通过图像检测系统30，获取接料板40上的样品的图像并提取图像特征；
70.步骤5：通过图像、图像特征和样品对应的水分含量标签，训练卷积神经网络模型；
71.步骤6：通过训练好的卷积神经网络模型和图像特征检测所述样品的水分含量。
72.在步骤1中，可以控制采样板绕固定轴11旋转的角度，实现物料的采集以及停止物料的采集。采样板将采集的样品通过压力系统20的进料口211输入至压力系统20的容纳腔213内。在步骤2中，控制系统控制驱动部件工作，驱动推料板22往出料口212方向运动，在推料板22和挡料板23的作用下，样品被一定压力挤压。与此同时，控制系统可以控制采样板转动，停止物料采集。推料板22推动样品在容纳腔213内运动，使样品与挡料板23接触，此时挡料板23也随着一起运动，弹力部件24作用在挡料板23上的弹力形成一反作用力，从而挤压样品。在步骤3中，挡料板23运动至限位部件25处时，停止运动；样品则可以从出料口212被排出。
73.在步骤4中，利用图像检测系统30中的摄像机拍摄掉落在接料板40上的样品，以获得样品的图像。然后图像检测系统30对采集的图像进行分析：通过边缘分割方法，提取物料面积特征；通过图像特征检测方法，提取图像的颗粒平均颗粒大小特征。
74.水分含量标签通过对同一样品进行微波/红外测水仪检测获得，之后，控制系统控制图像检测系统30和微波/红外测水仪将对应的数据传输给模型训练系统。如果模型训练系统和控制系统集成在一起，例如现场的pc机上，则将这些数据传输给pc机。
75.在步骤5中，模型训练系统获取数据后，输入卷积神经网络模型，进行模型的训练。具体地，将获取的图像输入卷积神经网络的卷积层。将提取的图像特征输入到卷积神经网络的全连接层，进行特征的融合。将对应的水分含量标签作为网络模型的训练目标，进行模型的训练。
76.重复步骤1至步骤5，完成卷积神经网络模型的训练。
77.重复步骤1至步骤4，进行周期性的采样，并使用训练好的卷积神经网络模型，对多个样品的水分含量进行检测，从而实现生产过程中样品的水分含量的持续检测。
78.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。