分光特性测定装置、分光特性测定方法和炉的控制方法
阅读说明：本技术 分光特性测定装置、分光特性测定方法和炉的控制方法 (Spectroscopic characteristic measurement device, spectroscopic characteristic measurement method, and furnace control method ) 是由 儿玉俊文 天野胜太 高桥幸雄 于 2019-03-01 设计创作，主要内容包括：本发明的一个实施方式的分光特性测定装置(1)具备：将对象物A的直线状区域所发出的光或者来自直线状区域的反射光作为分光信息获取的成像分光装置(4)；对包含直线状区域的对象物A的二维区域的图像进行拍摄的二维摄像装置(6)；以及基于通过二维摄像装置(6)拍摄的图像而决定成像分光装置(4)获取分光信息的范围的运算装置(7)。(A spectroscopic characteristic measurement device (1) according to one embodiment of the present invention includes: an image forming spectroscopic device (4) for acquiring light emitted from the linear region of the object (A) or reflected light from the linear region as spectroscopic information; a two-dimensional imaging device (6) for imaging a two-dimensional region of an object (A) including a linear region; and an arithmetic device (7) for determining the range of the imaging spectroscopic device (4) for acquiring spectroscopic information based on the image captured by the two-dimensional imaging device (6).)
技术领域
本发明涉及分光特性测定装置、分光特性测定方法和炉的控制方法。
背景技术
作为将对象物的颜色的特征定量化的手段，已知有使用棱镜、衍射光栅、可变过滤器等元件的分光计测的方法。并且，基于多种原理开发有对于对象物的细分化的区域细微地进行这种分光计测的成像分光法甚至是多光谱摄像方法，并且，近年来已经开始在市场上进行销售。具体而言，已知有摄像体系内埋入能够使透过特性连续地变化的可变过滤器的方式(参照专利文献1)以及在面传感器照相机的像素镶嵌状地张贴透过特性不同的过滤膜而同时等价地获取多个分光图像的方式(参照非专利文献1)。
然而，专利文献1记载的方式中，存在如下问题：由于各个波长的数据获取时机不同，无法测定移动体等时间上非恒定的对象物的分光特性。并且，非专利文献1中记载的方式中，存在增加观测波长的数时图像的分辨率降低的问题，难以获取对象物的广泛部分的详细的分光光谱分布。
对此，提出有一种将衍射光栅和面传感器照相机组合而成的成像分光器(参照非专利文献2)。通过使用非专利文献2所记载的成像分光器，能够获取对象物的直线状区域的详细分光特性。非专利文献2所记载的成像分光器能够将一个方向的视野内的测定分解能，即，将分辨率、测定波长范围内的波长分解能分别以1000以上的高分解进行测定，用于专利文献2中所公开的印刷物的浓度、色彩的详细检查，近年来用于森林、圃地的植被分布的解析等。
专利文献1：日本特开2008-139062号公报
专利文献2：日本特开2000-356552号公报
非专利文献1：株式会社ARGO，“分光滤波器搭载超光谱照相机”，[online]，平成30年1月15日检索，网站＜URL：https：//www.argocorp.com/cam/special/IMEC/IMEC_snapshot.html＞
非专利文献2：Daitron株式会社，“成像分光器ImSpector”，[online]，平成30年1月15日检索，网站＜URL：http：//www.daitron.co.jp/products/category/？c＝zoom&pk＝1942&sw＝1＞。
发明内容
然而，非专利文献2记载的成像分光器的测定视野为1个线(一维)，由此在从远方测定大型的制造装置、制造状态等的对象物的情况下难以使对象物的位置与测定视野进行对应。具体而言，对象物在相对于成像分光器的测定视野即一维的线方向正交的方向上移动时，对象物立即从测定视野脱离而不能进行测定。如此在对象物从成像分光器的测定视野脱离时，每次均需要再调整成像分光器的测定视野与对象物的位置。为了解决这种问题，可考虑正确地进行对象物和测定装置的定位，但实际应用中，对象物移动或测定装置的固定状态发生变化等而测定装置与对象物的位置关系发生变化，难以稳定地测定对象物的分光特性。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种即使在与对象物的位置关系发生变化的情况下，正确地进行对象物的位置与测定视野的对应，能够稳定地测定对象物的分光特性的分光特性测定装置及分光特性测定方法。并且，本发明的其它目的在于提供一种能够将炉稳定地控制成所期望的状态的炉的控制方法。
本发明的分光特性测定装置的特征在于，具备：将对象物的直线状区域所发出的光或来自该直线状区域的反射光作为分光信息而获取的成像分光装置；拍摄包含所述直线状区域的对象物的二维区域的图像的二维摄像装置；以及基于由所述二维摄像装置拍摄的图像来决定所述成像分光装置获取所述分光信息的范围的运算装置。
本发明的分光特性测定方法的特征在于，包括如下步骤：使用成像分光装置而将对象物的直线状区域所发出的光或来自该直线状区域的反射光作为分光信息获取的步骤；使用二维摄像装置拍摄包含所述直线状区域的对象物的2次元区域的图像的步骤；基于由所述二维摄像装置拍摄的图像决定根据所述成像分光装置获取所述分光信息的范围的步骤。
本发明的炉的控制方法的特征在于，包括如下步骤：通过利用本发明的分光特性测定方法来测定炉的所述分光信息，从而测定所述炉的燃烧状态，基于所测定的所述炉的燃烧状态控制所述炉的燃烧状态的步骤。
根据本发明的分光特性测定装置和分光特性测定方法，即使与对象物的位置关系发生变化的情况下，也能够正确地进行对象物的位置与测定视野的对应，能够稳定地测定对象物的分光特性。并且，根据本发明的炉的控制方法，能够将炉稳定地控制成所期望的状态。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的分光特性测定装置的构成的示意图。
图2是表示成像分光装置的测定视野的宽度与成像分光装置的测定视野方向的二维摄像装置的摄像视野的宽度之间的关系的示意图。
图3是表示二维摄像装置的拍摄图像和通过成像分光装置测定的分光光谱的强度的图。
图4是表示通过二维摄像装置的拍摄图像和成像分光装置测定的分光光谱强度的图。
图5是表示通过二维摄像装置的拍摄图像和成像分光装置测定的分光光谱强度的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的一实施方式的分光特性测定装置的构成进行说明。
图1是表示本发明的一实施方式的分光特性测定装置的构成的示意图。图2是表示图1所示的成像分光装置4的测定视野的宽度与成像分光装置4的测定视野方向的二维摄像装置6的摄像视野的宽度之间的关系的示意图。如图1所示，本发明的一个实施方式的分光特性测定装置1是用于测定炉、激光熔接部位等对象物A的分光特性(分光光谱强度)的装置，该例中设置在固定板2上。分光特性测定装置1具备成像用透镜3、成像分光装置4、成像用透镜5、二维摄像装置6和运算装置7。
成像分光装置4将介由成像用透镜3而将对象物A的直线状区域(一维区域)所发出的光或者来自该直线状区域的反射光分光而获取分光特性，将获取的分光特性输出到显示装置8。
二维摄像装置6配置成结合与对象物A之间的距离而包含成像分光装置4的测定视野。二维摄像装置6介由成像用透镜5而拍摄包含成像分光装置4获取分光特性的直线状区域的对象物A的2次元区域的图像，将拍摄的图像输出到表示装置8。应予说明，如图2所示，优选相对于成像分光装置4的测定视野的宽度W1来增大二维摄像装置6的摄像视野的宽度W2。由此，能够利用二维摄像装置6的拍摄图像完全确认成像分光装置4的测定视野。
此时，成像分光装置4和二维摄像装置6优选成像分光装置4的测定视野方向和二维摄像装置6的拍摄方向与成像分光装置4和二维摄像装置6的设置面平行，并且优选成像分光装置4和二维摄像装置6的光轴中心以从设置面起成为相同高度的方式进行配置。
然而，成像分光装置4和二维摄像装置6的光轴优选为尽可能近，进一步优选为大致相同。若成像分光装置4和二维摄像装置6的光轴偏离，则难以获取后述的成像分光装置4的测定视野与二维摄像装置6的摄像视野的对应关系。但是，通过后述的运算装置7，有时能够校正后述的成像分光装置4的测定视野与二维摄像装置6的摄像视野的对应关系的情况。
运算装置7基于二维摄像装置6的拍摄图像而决定通过成像分光装置4获取二维信息的对象物A的范围。应予说明，用户也可以基于输出到显示装置8的图像而决定获取二维信息的对象物A的范围。
使用具有这种构成的分光特性测定装置1而测定对象物A的分光特性时，首先将成像分光装置4的测定视野和由包含二维摄像装置6拍摄的对象物A的拍摄图像进行对应。具体而言，用户在与到对象物A为止的距离相同的位置将波长已知的点光源配置于成像分光装置4的测定视野的一端，通过二维摄像装置6标记点光源。接着，移动固定板2，使点光源到达成像分光装置4的测定视野的另一端，通过二维摄像装置6标记点光源的图像。如此，标记点光源的图像位于成像分光装置4的测定视野的两端时的由二维摄像装置6拍摄的点光源的图像的位置。由此，决定成像分光装置4的测定视野的宽度W1，同时成像分光装置4的测定视野与二维摄像装置6的摄像视野的对应关系变得明确，因此，即使在分光特性测定装置1与对象物A的位置关系发生变化的情况下，也能够正确进行对象物A的位置与测定视野的对应，能够稳定地测定对象物A的分光特性。
应予说明，也可以配置在成像分光装置4的测定视野的一端并通过二维摄像装置6标记点光源后，使点光源移动到成像分光装置4的测定视野的另一端，使成像分光装置4的测定视野与二维摄像装置6的摄像视野进行对应。并且，还可以准备多个点光源，配置于成像分光装置4的测定视野的两端，进行上述的对应。对象物A的直线状区域设定在成像分光装置4的测定视野内，但也可以为与测定视野的宽度W1相同的宽度。
接着，使用成像分光装置4而测定对象物A的分光特性。基于二维摄像装置6的对象物A的拍摄图像和成像分光装置4的测定视野的宽度W1，根据运算装置7，决定测定分光特性的范围。即使对象物A本身发光的情况下或者对象物A反射来自其它光源的光的情况下，也能够应用本发明。分光特性基本上能够在直线状区域的任意点进行测定，但也可以遍及整个直线状区域进行测定。即，可以从直线状区域的一端依次以规定的时间、规定的间隔，测定到直线状区域的另一端，求出一维分光特性。并且，也可以设定多个直线状区域而作为二维分光特性。分光特性可以在任意的波长测定。波长可以使用1种或多种。
应予说明，测定分光特性时，定期确认二维摄像装置6的拍摄图像，当对象物A的图像位置从连结进行视野的对应时进行的标记的2点的直线上脱离的情况下，校正固定板2的位置以使对象物A的图像位于直线上。应予说明，也可以进行将成像分光装置4和二维摄像装置6结合于同一个光学系统而测定分光特性这样的变更，即可以进行将单一的光轴利用半透半反镜等而进行分割从而测定分光特性等的变更。该情况下，光轴完全一致，因此两者的视野的对应关系变得更为正确。
关于对象物A的图像的位置是否从连结进行视野的对应时进行标记的2点的直线上脱离，例如可通过成像分光装置4所测定的分光特性是否成为了预先设定的阈值以下等而进行判断。具体而言，分光强度成为预先设定的阈值以下的情况等。并且，对象物A的图像的位置的校正除了固定板2的位置的校正之外，还可以使用其他手段。
如此，本发明的一实施方式的分光特性测定装置1中，在使用成像分光装置4的分光特性的测定中，将具有包含成像分光装置4的一维测定视野的二维摄像视野的二维摄像装置6进行并设而同时测定，因此能够将对象物A的测定视野的脱离作为图像进行检测出来并校正测定视野。
由此，在对象物A与相对于成像分光装置4的光轴大致垂直方向的位置关系发生变化的情况下，也能够正确地进行对象物A的位置与测定视野的对应，能够稳定地测定对象物A的分光特性。并且，由于事先掌握了对象物A和成像分光装置4之间的距离并进行了测定，因此无论到对象物A为止的距离的长短是多少，均能够稳定地测定对象物A的分光特性。关于此，对象物A与分光特性测定装置1的距离大致15m以上时尤其有效。因此，在对象物A为炉等危险物的情况下，即使不接近对象物A也能够稳定地测定分光特性，因此特别优选。应予说明，与对象物A的距离的上限依赖于分光特性测定装置1所使用的成像分光装置4、二维摄像装置6和成像用透镜3、5的性能。因此，现实中为50m以下。并且，由于能够容易地辨别应测定的对象物和干扰物，因此还能够提高测定结果的信赖性。
实施例
本实施例中，使用图1所示的分光特性测定装置1测定从制钢工厂的精炼炉发出的火焰的分光特性。从分光特性测定装置1到精炼炉为止的距离出于安全上和保护装置远离火花和熔钢飞沫的目的，约设定为20m。图3的(a)、图3的(b)分别是分光特性的测定开始时的二维摄像装置6的拍摄图像和通过成像分光装置4测定的分光光谱强度(发光强度)的图。火焰相当于图3的(a)的影线所示的部分。应予说明，图中，虚线L1表示成像分光装置4的观察线，虚线L2表示分光光谱的测定位置。即，对虚线L1与虚线L2的交点的分光特性进行测定。并且，该实施例中，上述直线状区域是图3(a)的影线所示的部分和虚线L1重合的部分R。
如图3的(a)、图3的(b)所示，在分光特性的测定开始时，由于成像分光装置4的测定视野包含从精炼炉发出的火焰，能够测定火焰的分光光谱。然而，进行精炼炉作业后，火焰发生位置在高度方向上变化，尽管发生有火焰，火焰位置也从成像分光装置4的测定视野脱离，如图4的(a)、图4的(b)所示，火焰的分光光谱强度减少。
因此，基于二维摄像装置6的拍摄图像校正了成像分光装置4的测定视野的高度方向的位置。其结果，如图5的(a)、图5的(b)所示火焰的位置进入成像分光装置4的测定视野，能够正确获取火焰的分光光谱。根据这种构成，即使在与火焰的位置关系发生变化的情况下，也能够稳定地测定火焰的分光特性，换言之能够测定精炼炉的燃烧状态，能够基于测定结果稳定地控制精炼炉的状态。应予说明，该实施例中，示出了在虚线L1与虚线L2的交点测定了分光特性的例子，虚线L2只要在直线状区域的范围内，就能够任意地设定。
接着，记载将本发明的分光特性测定装置和分光特性测定方法应用于转炉的作业而进行炉的控制的例子。
使用容量300t的顶吹转炉(氧气顶吹、氩气底吹)对铁液进行氧化精炼而进行脱磷和脱碳。顶吹炉使用将拉瓦尔型的喷嘴以等间隔地配置在同一圆周上的炉。应予说明，喷嘴的槽径为73.6mm，出口径为78.0mm，5孔，喷嘴倾角使用15°。分光特性测定装置1与转炉之间的距离约为20m。
首先，在转炉内装入铁碎屑后，装入以下表1所示的成分和温度的铁液。接着，从底吹封口将氩气从顶吹炉将氧气喷吹到铁液浴面而开始铁液的氧化精炼。应予说明，将铁碎屑的装入量调整为氧化精炼结束后的铁液温度成为1650℃。接着，在氧精炼中作为CaO系溶剂而投入生石灰，进行氧化精炼直到熔融铁中的碳浓度成为0.05质量％。将石灰的投入量调整成在炉内生成的炉渣的碱度成为2.5。
氧吹炼中，以规定的测定时间间隔Δt：1～10秒，利用分光特性测定装置1拍摄转炉的炉口附近的炉口燃烧火焰，进行算出波长610nm的光的发光强度In的解析。在此，610nm的波长是根据预先的考察决定的值，在钢种、作业条件、炉的形状不同的情况下，或者转炉以外的设备，例如应用于精炼锅的情况下，优选根据情况每次预先决定。使用得到的各时间点的波长610nm的发光强度In，算出以下数式(1)、(2)所示的发光强度的移动平均变化率。
发光强度移动平均变化率
＝{I(n,s)―I(n-m,s)}/[{I(n,s)+I(n-m,s)}/2]…(1)
I(n,s)＝Σs-1 i＝0In-I…(2)
在此，在数式(1)、(2)中，I(n,s)是以可计算数为s、以时刻n为基准的特定波长的发光强度的移动平均(a.u.)、I(n-m,s)是以可计算数为s，从时刻n开始以m×Δt秒前为基准的特定波长的移动平均(a.u.)。并且，m为自然数，s为移动平均的可计算数(0以上的整数)，Δt为测定时间间隔(s)。
将得到的各时间点的发光强度移动平均变化率作为转炉炉内状况的指标，监视转炉作业。而且，在得到的发光强度移动平均变化率小于预先决定的阈值1.6的时刻，调整来自顶吹炉的氧气流量、顶吹炉的枪位、以及底吹气体流量中的至少一个。另外，本发明例中，吹炼中的特定波长的发光强度减少的情况下，每次实施视野调整。
具体而言，使来自顶吹炉的氧气流量从1000Nm3/min向833Nm3/min减少，枪位是从3.0m向2.5m降低，底吹气体流量从15Nm3/min向30Nm3/min增加。应予说明，表2中的实施率是指相对于总吹炼数，可稳定地进行炉口燃烧火焰的分光测定的装料的比例。在没有稳定地进行火焰的分光测定的吹炼中，即发光强度的移动平均变化率不满足数式(2)时，基于已知的过程计算机的热物质计算，在推定熔液中碳浓度为0.45质量％的时刻，进行上述顶吹条件和底吹条件的调整。
应予说明，作为比较例，记载不进行分光测定的视野调整的级别以及与发光强度变化没有关联地基于已知的过程计算机的热物质计算而推定熔液中碳浓度为0.45质量％的时刻进行上述顶吹条件和底吹条件的调整的级别。
如表2所示，本发明例中，与比较例相比炉渣中的总铁分量少，铁成品率提高。并且，在本发明例和比较例中，精炼时间几乎是相同的，生产率也大致同等。由此可知通过应用本发明，能够使转炉的作业条件最优化。
[表1]
[表2]
以上，对于应用根据本发明人等进行的发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于基于本实施方式的、构成本发明的公开的一部分的上述记载和附图。即，本领域技术人员等所进行的基于本实施方式的其它实施方式、实施例和技术运用等全部包含于本发明的范畴内。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种即使与对象物的位置关系发生变化的情况下，也正确地进行对象物的位置和测定视野的对应的、能够稳定地测定对象物的分光特性的分光特性测定装置和分光特性测定方法。
符号说明
1：分光特性测定装置
2：固定板
3,5：成像用透镜
4：成像分光装置
6：二维摄像装置
7：运算装置
8：显示装置
A：对象物