铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法

1.本公开实施例涉及计算技术领域，尤其涉及一种铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法。


背景技术：

2.目前，铝是全球产量最大的有色金属，是推动国民经济建设、国防科技工业和战略性新兴产业发展不可或缺的重要基础原材料，被广泛应用于建筑、电力、包装、交通运输、航空航天等领域。铝电解槽作为熔盐电解工艺中的重要生产设备，其良好的槽况是维持电解铝正常生产的根本，也直接影响着电解铝厂的生产效率和经济效益，然而，由于铝电解槽槽况复杂，加之当前技术水平的限制。实际电解铝的生产过程中，铝电解槽很难控制在动态的热平衡之中，常常出现红炉、漏槽的情况，不仅会给企业带来巨大的经济损失，还可能引发火灾、爆炸等严重事故，更有甚者还会造成现场工作人员的伤亡。因此，为避免此类事故的发生，必须对电解槽的铝液波动、两水平及电解质温度进行有效的监测。但是现有的测量方法大多都是采用人工测量结合经验公式进行监测，对操作人员的个人要求较高，且测量的结果大多都是单一且不够精准的。
3.可见，亟需一种测量精准度和适应性高的铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开实施例提供一种铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法，至少部分解决现有技术中存在测量精准度和适应性较差的问题。
5.第一方面，本公开实施例提供了一种铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法，包括：
6.步骤1，控制巡检设备至目标铝电解槽拍摄火眼图片，并通过目标yolo-v5模型识别火眼图片中的目标铝电解槽火眼，得出在像素坐标系中火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标；
7.步骤2，根据锚定框的顶点坐标判断火眼的开口程度是否正常，若是，则进入步骤3，若否，则返回步骤1，对下一个铝电解槽进行测量；
8.步骤3，通过双目视觉的原理将火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标在像素坐标系中的坐标转换为世界坐标系中的坐标，以火眼中心点坐标为目标，驱动测量杆插入火眼口中；
9.步骤4，在驱动测量杆插入火眼口的过程中，根据受力不同记录测量杆进入不同界面的时刻；
10.步骤5，根据测量杆进入不同界面的时刻计算目标铝电解槽的电解质水平数据和铝液水平数据；
11.步骤6，在测量杆触底并停留达到预设时间后，测量目标铝电解槽内的电解质温度
数据；
12.步骤7，在测量杆触底并停留的预设时段内，实时采集力矩数据并根据力矩数据计算预设时段内目标铝电解槽的铝液波动。
13.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤1的步骤之前，所述方法还包括：
14.随机采样预先拍摄的火眼视频数据集中的视频帧图像并进行锚定框的标注；
15.取预设数量的图片数据作为初始yolo-v5模型的训练集，剩余图片数据作为初始yolo-v5模型的测试集；
16.采用k-means聚类方法训练初始yolo-v5模型，得到目标yolo-v5模型。
17.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤2具体包括：
18.步骤2.1，根据锚定框的顶点坐标计算锚定框尺寸；
19.步骤2.2，判断锚定框尺寸是否大于阈值，若是，则判定火眼的开口程度正常，若否，则判定火眼的开口程度异常。
20.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤3具体包括：
21.步骤3.1，设[u，v，1]
t
为火眼中心点在像素坐标系中的坐标，[xw，yw，zw，1]
t
为火眼中心点在世界坐标系中的坐标，则对于巡检设备的左右相机分别存在
[0022][0023][0024]
步骤3.2，根据上述两式转换得到
[0025][0026][0027][0028][0029]
其中，其中矩阵和为相机矩阵；
[0030]
步骤3.3，采用最小二乘法求解x,y,z，得到火眼中心点和锚定框的顶点在世界坐标系的坐标。
[0031]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤3还包括：
[0032]
以锚定框的顶点在世界坐标系的坐标作为测量杆的移动边界。
[0033]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤4具体包括：
[0034]
测量杆从空气到电解质液面时，测量杆承受到电解质液流动的作用力，测量杆受力变大，得出运动到此界面的时刻t1；
[0035]
当测量杆从电解质液进入铝液时，受电磁力的作用明显大于电解质液，此时测量杆受力变大，得出运动到此界面的时刻t2；
[0036]
测量杆按驱动至触底之后，记录电机功率的增大时刻t3。
[0037]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤5具体包括：
[0038]
步骤5.1，根据时刻t1和t2之间控制元件产生的脉冲数来计算t1和t2时刻之间的位移x1作为电解质水平；
[0039]
步骤5.2，根据时刻t2和t3之间控制元件产生的脉冲数来计算t2和t3时刻之间的位移x2作为铝液水平。
[0040]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤5.1具体包括：
[0041]
假设设定固定细分数，n
l
个脉冲数转一圈,螺杆螺距为l，t1和t2时刻之间的脉冲数为n1，则x1＝n1/n
l
*l。
[0042]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤5.2具体包括：
[0043]
假设设定固定细分数，n
l
个脉冲数转一圈,螺杆螺距为l，t2和t3时刻之间的脉冲数为n2则x2＝n2/n
l
*l。
[0044]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤7具体包括：
[0045]
设定x轴为铝电解槽a侧向b侧，y轴为铅直方向，假设测量杆与滑块接触点a处受力为f
1x
和f
1y
，测量杆与槽壳接触点b处受力为f
2x
和f
2y
，测量杆转折处为点d，测量杆转折部分与水平方向夹角为θ；
[0046]
测出测量杆质心c和测量杆总重m，据此计算点a、b、c、d之间的距离l
ac
、l
bc
、l
cd
；
[0047]
假设测量杆在目标铝电解槽中受力为f
3x
和f
3y
，对于整个测量杆，在y轴方向上f
1y
+f
2y
+f
3y-mg＝0，，得出f
3y
的值；
[0048]
对于质心点力矩平衡,f
1y
*l
ac
+f
2y
*l
bc
+f
3y
*xn＝0，在波动峰值处得x1，波动低谷处得x2，计算铝液波动h＝(x
1-l
cd
)*tanθ-(x
2-l
cd
)*tanθ。
[0049]
本公开实施例中的铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方案，包括：步骤1，控制巡检设备至目标铝电解槽拍摄火眼图片，并通过目标yolo-v5模型识别火眼图片中的目标铝电解槽火眼，得出在像素坐标系中火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标；步骤2，根据锚定框的顶点坐标判断火眼的开口程度是否正常，若是，则进入步骤3，若否，则返回步骤1，对下一个铝电解槽进行测量；步骤3，通过双目视觉的原理将火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标在像素坐标系中的坐标转换为世界坐标系中的坐标，以火眼中心点坐标为目标，驱动测量杆插入火眼口中；步骤4，在驱动测量杆插入火眼口的过程中，根据受力不同记录测量杆进入不同界面的时刻；步骤5，根据测量杆进入不同界面的时刻计算目标铝电解槽的电解质水平数据和铝液水平数据；步骤6，在测量杆触底并停留达到预设时间后，测量目标铝电解槽内的电解质温度数据；步骤7，在测量杆触底并停留的预设时段内，实时采集力矩数据并根据力矩数据计算预设时段内目标铝电解槽的铝液波动。
[0050]
本公开实施例的有益效果为：通过本公开的方案，通过yolo-v5模型精准识别火眼
并通过双目视觉的原理将火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标在像素坐标系中的坐标转换为世界坐标系中的坐标以控制测量杆插入，并实施根据受力记录测量杆进入不同界面的时刻，并据此计算目标铝电解槽的电解质水平数据和铝液水平数据，同时在触底后测量目标铝电解槽内的电解质温度数据，并在测量杆触底并停留的预设时段内，实时采集力矩数据并根据力矩数据计算预设时段内目标铝电解槽的铝液波动，在一次插入过程测量了多种数据，提高了对铝电解槽的测量精准度和适应性。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0052]
图1为本公开实施例提供的一种铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法的流程示意图；
[0053]
图2为本公开实施例提供的一种铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法的涉及的铝液波动计算过程中测量杆受力示意图。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
[0055]
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0056]
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0057]
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0058]
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
[0059]
本公开实施例提供一种铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法，所述
方法可以应用于工业生产场景的铝电解监测过程中。
[0060]
参见图1，为本公开实施例提供的一种铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法的流程示意图。如图1所示，所述方法主要包括以下步骤：
[0061]
步骤1，控制巡检设备至目标铝电解槽拍摄火眼图片，并通过目标yolo-v5模型识别火眼图片中的目标铝电解槽火眼，得出在像素坐标系中火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标；
[0062]
可选的，所述步骤1的步骤之前，所述方法还包括：
[0063]
随机采样预先拍摄的火眼视频数据集中的视频帧图像并进行锚定框的标注；
[0064]
取预设数量的图片数据作为初始yolo-v5模型的训练集，剩余图片数据作为初始yolo-v5模型的测试集；
[0065]
采用k-means聚类方法训练初始yolo-v5模型，得到目标yolo-v5模型。
[0066]
具体实施时，巡检设备可以包括机器人运动底盘，螺杆抬升装置，推杆探测装置。螺杆抬升装置固定在运动底盘上，通过电机驱动推杆探测装置的上下移动。推杆探测装置包括装置外壳、通过电机驱动的壳体内部的丝杆滑块结构、力信号测量杆和温度测量杆，以及测量信号和处理信号所需的双目摄像头、热电偶、力传感器、功率传感器、单片机、信号处理器等电子元件。所述测量杆均采用钢棒，温度测量杆为带有螺纹的管状结构，热电偶通过螺纹连接嵌入测量杆中，热电偶探头伸出测量杆外以便充分接触电解质液。所述力传感器采用二维力传感器，以获取二维平面上力的分布情况。所述装置的电机均采用伺服电机，通过控制脉冲频率来调速。
[0067]
在对目标铝电解槽进行检测之前，可以先随机采样预先拍摄的火眼视频数据集中的视频帧图像并进行锚定框的标注，然后取90％的图片数据作为yolo-v5模型的训练集，剩余10％的图片数据作为yolo-v5模型的测试集，采用k-means聚类的方法获得更加合理的锚定框，从而训练得到所述目标yolo-v5模型，在对目标铝电解槽进行检测时，可以控制巡检设备至目标铝电解槽拍摄火眼图片，并通过目标yolo-v5模型识别火眼图片中的目标铝电解槽火眼，得出在像素坐标系中火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标。
[0068]
步骤2，根据锚定框的顶点坐标判断火眼的开口程度是否正常，若是，则进入步骤3，若否，则返回步骤1，对下一个铝电解槽进行测量；
[0069]
进一步的，所述步骤2具体包括：
[0070]
步骤2.1，根据锚定框的顶点坐标计算锚定框尺寸；
[0071]
步骤2.2，判断锚定框尺寸是否大于阈值，若是，则判定火眼的开口程度正常，若否，则判定火眼的开口程度异常。
[0072]
具体实施时，可以通过锚定框的顶点坐标计算出锚定框大小，以锚定框大小判断火眼开口程度，对比事先设定的满足检测需求的开口阈值，判断火眼开口状态。若锚定框尺寸低于测量所需尺寸大小，则标注火眼开口异常并记录，进行下一台铝电解槽的检测。
[0073]
步骤3，通过双目视觉的原理将火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标在像素坐标系中的坐标转换为世界坐标系中的坐标，以火眼中心点坐标为目标，驱动测量杆插入火眼口中；
[0074]
在上述实施例的基础上，所述步骤3具体包括：
[0075]
步骤3.1，设[u，v，1]
t
为火眼中心点在像素坐标系中的坐标，[xw，yw，zw，1]
t
为火眼
中心点在世界坐标系中的坐标，则对于巡检设备的左右相机分别存在
[0076][0077][0078]
步骤3.2，根据上述两式转换得到
[0079][0080][0081][0082][0083]
其中，其中矩阵和为相机矩阵；
[0084]
步骤3.3，采用最小二乘法求解x,y,z，得到火眼中心点和锚定框的顶点在世界坐标系的坐标。
[0085]
进一步的，所述步骤3还包括：
[0086]
以锚定框的顶点在世界坐标系的坐标作为测量杆的移动边界。
[0087]
具体实施时，通过双目视觉的原理将火眼中心坐标和锚定框顶点坐标在像素坐标系中的坐标转换为世界坐标系中的坐标，以火眼中心坐标为目标，驱动测量杆插入火眼口中。以锚定框顶点在世界坐标系中的坐标为边界，避免测量杆碰壁。具体的，可以设[u，v，1]
t
为火眼中心点在像素坐标系中的坐标，[xw，yw，zw，1]
t
为火眼中心点在世界坐标系中的坐标，则对于巡检设备的左右相机分别存在
[0088][0089]
然后根据上述两式转换得到
[0090]
[0091][0092][0093][0094]
其中，其中矩阵和为相机矩阵；
[0095]
再采用最小二乘法求解x,y,z，得到火眼中心点和锚定框的顶点在世界坐标系的坐标。
[0096]
步骤4，在驱动测量杆插入火眼口的过程中，根据受力不同记录测量杆进入不同界面的时刻；
[0097]
在上述实施例的基础上，所述步骤4具体包括：
[0098]
测量杆从空气到电解质液面时，测量杆承受到电解质液流动的作用力，测量杆受力变大，得出运动到此界面的时刻t1；
[0099]
当测量杆从电解质液进入铝液时，受电磁力的作用明显大于电解质液，此时测量杆受力变大，得出运动到此界面的时刻t2；
[0100]
测量杆按驱动至触底之后，记录电机功率的增大时刻t3。
[0101]
具体实施时，在驱动测量杆插入火眼口的过程中，在此过程中，测量杆从空气到电解质液面时，测量杆承受到电解质液流动的作用力，测量杆受力变大，通过力传感器得出运动到此界面的时刻t1。当测量杆从电解质液进入铝液时，铝液为单相流动区域，受电磁力的作用明显大于电解质液，此时测量杆受力变大，通过力传感器得出运动到此界面的时刻t2。测量杆按驱动至触底之后，由控制回路中功率计得出电机功率的增大，同时记录时刻t3。
[0102]
步骤5，根据测量杆进入不同界面的时刻计算目标铝电解槽的电解质水平数据和铝液水平数据；
[0103]
在上述实施例的基础上，所述步骤5具体包括：
[0104]
步骤5.1，根据时刻t1和t2之间控制元件产生的脉冲数来计算t1和t2时刻之间的位移x1作为电解质水平；
[0105]
步骤5.2，根据时刻t2和t3之间控制元件产生的脉冲数来计算t2和t3时刻之间的位移x2作为铝液水平。
[0106]
进一步的，所述步骤5.1具体包括：
[0107]
假设设定固定细分数，n
l
个脉冲数转一圈,螺杆螺距为l，t1和t2时刻之间的脉冲数为n1，则x1＝n1/n
l
*l。
[0108]
进一步的，所述步骤5.2具体包括：
[0109]
假设设定固定细分数，n
l
个脉冲数转一圈,螺杆螺距为l，t2和t3时刻之间的脉冲数为n2则x2＝n2/n
l
*l。
[0110]
具体实施时，在驱动过程中通过时刻t1、t2和t3之间控制元件产生的脉冲数来计算出t1和t2时刻之间的位移x1、t2和t3时刻之间的位移x2。即电解质水平为x1，铝液水平为x2.假
设设定固定细分数，n
l
个脉冲数转一圈,螺杆螺距为l。t1和t2时刻之间的脉冲数为n1。t2和t3时刻之间的脉冲数为n2。则x1＝n1/n
l
*l，同理x2＝n2/n
l
*l。即得出铝电解槽两水平数据
[0111]
步骤6，在测量杆触底并停留达到预设时间后，测量目标铝电解槽内的电解质温度数据；
[0112]
例如，考虑到测量杆刚进入电解质内时探测到的温度可能存在误差，可以在触底之后装置停顿一分钟左右时，由表面热电偶测量并输出信号至后端，计算出铝电解槽电解质温度数据并储存到后端。
[0113]
步骤7，在测量杆触底并停留的预设时段内，实时采集力矩数据并根据力矩数据计算预设时段内目标铝电解槽的铝液波动。
[0114]
在上述实施例的基础上，所述步骤7具体包括：
[0115]
设定x轴为铝电解槽a侧向b侧，y轴为铅直方向，假设测量杆与滑块接触点a处受力为f
1x
和f
1y
，测量杆与槽壳接触点b处受力为f
2x
和f
2y
，测量杆转折处为点d，测量杆转折部分与水平方向夹角为θ；
[0116]
测出测量杆质心c和测量杆总重m，据此计算点a、b、c、d之间的距离l
ac
、l
bc
、l
cd
；
[0117]
假设测量杆在目标铝电解槽中受力为f
3x
和f
3y
，对于整个测量杆，在y轴方向上f
1y
+f
2y
+f
3y-mg＝0，得出f
3y
的值；
[0118]
对于质心点力矩平衡,f
1y
*l
ac
+f
2y
*l
bc
+f
3y
*xn＝0，在波动峰值处得x1，波动低谷处得x2，计算铝液波动h＝(x
1-l
cd
)*tanθ-(x
2-l
cd
)*tanθ。
[0119]
具体实施时，考虑到在停顿的过程中，由于铝液存在波动，在波动的过程中铝液高度发生变化，从而力臂变化。为了平衡铝液波动而变化的力矩。测量杆固定端的作用力发生变化。力传感器读取此过程中力的变化并以电信号的形式输出到后端，然后如图2所示，设定x轴为铝电解槽a侧向b侧，y轴为铅直方向。假设测量杆与滑块接触点a处受力为f
1x
和f
1y
，测量杆与槽壳接触点b处受力为f
2x
和f
2y
。测量杆转折处为点d，测量杆转折部分与水平方向夹角为θ。在测量杆安装之前预先测出测量杆质心c和测量杆总重m，可知点a、b、c、d之间的距离l
ac
、l
bc
、l
cd
。测量杆在铝电解槽中受力为f
3x
和f
3y
。对于整个测量杆，在y轴方向上f
1y
+f
2y
+f
3y-mg＝0，从而可得出f
3y
的值。对于质心这个点力矩平衡,f
1y
*l
ac
+f
2y
*l
bc
+f
3y
*xn＝0。在波动峰值处得x1，波动低谷处得x2。波动值h＝(x
1-l
cd
)*tanθ-(x
2-l
cd
)*tanθ。
[0120]
本实施例提供的铝电解槽铝液波动、两水平及电解质温度测量方法，通过yolo-v5模型精准识别火眼并通过双目视觉的原理将火眼中心点坐标和锚定框的顶点坐标在像素坐标系中的坐标转换为世界坐标系中的坐标以控制测量杆插入，并实施根据受力记录测量杆进入不同界面的时刻，并据此计算目标铝电解槽的电解质水平数据和铝液水平数据，同时在触底后测量目标铝电解槽内的电解质温度数据，并在测量杆触底并停留的预设时段内，实时采集力矩数据并根据力矩数据计算预设时段内目标铝电解槽的铝液波动，在一次插入过程测量了多种数据，提高了对铝电解槽的测量精准度和适应性。
[0121]
描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。
[0122]
应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。
[0123]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应
涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。