AT504145B1 - Messvorrichtung und messkopf zum berührungslosen abtasten eines objekts in drei dimensionen - Google Patents

Abstract

Messvorrichtung bzw. Messkopf (10) zum berührungslosen Abtasten eines Objekts (102) in drei Dimensionen mit Hilfe eines optischen Strahls (5), wobei der Messkopf (10) .einen Träger (10A) und einen relativ zu diesem um eine erste Achse (A1) drehbaren Drehteil (10B) aufweist, in welchem eine feste Reflektoreinheit (14) oder eine Lichtwellenleitereinheit für den von einer außerhalb des Drehteils (10B) angeordneten optischen Quelle (104) ausgesendeten optischen Strahl (5) sowie ein um eine zweite, zur ersten Achse (A1) rechtwinkelig verlaufende vorgegebene Achse (A2) dreh- bzw. kippbarer Reflektor (16) angeordnet sind, der den optischen Strahl auf das Objekt (102) gemäß einem Ablenkpfad richtet, welcher durch die Drehbewegungen des Drehteils (10B) und des dreh- bzw. kippbaren Reflektors (16) definiert ist; dabei ist die feste Reflektoreinheit (14) angeordnet, um den optischen Strahl aus einer Richtung koaxial zur ersten Achse (A1) zu empfangen, und der dreh- bzw. kippbare Reflektor (16) ist angeordnet, um den optischen Strahl von der festen Reflektoreinheit (14) oder der Lichtwellenleitereinheit aus einer Richtung koaxial zur zweiten Achse (A2) zu empfangen.

Description

österreichisches patentaint AT504 145B1 2010-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum berührungslosen Abtasten eines Objekts in drei Dimensionen mit Hilfe eines optischen Strahls, mit einem Messkopf, der einen Träger und einen relativ zu diesem um eine erste vorgegebene Achse mit Hilfe eines Drehantriebs drehbaren Drehteil aufweist, in welchem eine feste Reflektoreinheit oder eine Lichtwellenleitereinheit für den von einer außerhalb des Drehteils angeordneten optischen Quelle ausgesendeten optischen Strahl sowie ein mit Hilfe eines Antriebs um eine zweite, zur ersten Achse rechtwinkelig verlaufende vorgegebene Achse dreh- bzw. kippbarer Reflektor angeordnet sind, zu dem die feste Reflektoreinheit oder Lichtwellenleitereinheit den optischen Strahl in Senderichtung lenkt, und der den optischen Strahl auf das Objekt gemäß einem Ablenkpfad auf dessen Oberfläche richtet, welcher durch die Drehbewegungen des Drehteils und des dreh- bzw. kippbaren Reflektors definiert ist, sowie mit einem außerhalb des Drehteils angeordneten Empfangsdetektor für den vom Objekt reflektierten optischen Strahl und einer ebenfalls außerhalb des Drehteils angeordneten Steuereinheit, wobei die feste Reflektoreinheit angeordnet ist, um den optischen Strahl aus einer Richtung koaxial zur ersten Achse zu empfangen.

[0002] Weiters bezieht sich die Erfindung auf einen Messkopf zum berührungslosen Abtasten eines Objekts in drei Dimensionen mit Hilfe eines optischen Strahls, mit einem Träger und einem relativ zu diesem um eine erste vorgegebene Achse mit Hilfe eines Drehantriebs drehbaren Drehteil, in welchem eine feste Reflektoreinheit, oder eine Lichtwellenleitereinheit für den von einer außerhalb des Drehteils angeordneten optischen Quelle ausgesendeten optischen Strahl sowie ein mit Hilfe eines Antriebs um eine zweite, zur ersten Achse rechtwinkelig verlaufende vorgegebene Achse dreh- bzw. kippbarer Reflektor angeordnet sind, zu dem die feste Reflektoreinheit oder Lichtwellenleitereinheit den optischen Strahl in Senderichtung lenkt, und der den optischen Strahl auf das Objekt gemäß einem Ablenkpfad auf dessen Oberfläche richtet, welcher durch die Drehbewegungen des Drehteils und des dreh- bzw. kippbaren Reflektors definiert ist, wobei die feste Reflektoreinheit angeordnet ist, um den optischen Strahl aus einer Richtung koaxial zur ersten Achse zu empfangen.

[0003] Eine Abstands-Messvorrichtung kann ein Entfernungsmesser basierend auf dem Laufzeit-Prinzip sein, z.B. unter Verwendung eines gepulsten Laserstrahls. Ein Laser mit einer geeigneten optischen Anordnung sendet einen optischen Strahl zu einem Mess-Objekt, von dem er zu einem Empfänger oder Detektor reflektiert wird, der eine zum Empfangen geeignete optische Anordnung hat. Die Zeitdauer vom Aussenden des optischen Strahls bis zum Empfang am Detektor kann gemessen werden, und das gemessene Ergebnis kann auf der Basis der Lichtgeschwindigkeit in einen Abstandswert umgewandelt werden.

[0004] Eine derartige Abstandsmessung kann zum Messen der Abnutzung von Auskleidungen von metallurgischen Gefäßen, z.B. von Konverter- oder Pfannen-Auskleidungen verwendet werden. Die Kenntnis der Dicke der - verbleibenden - feuerfesten Auskleidung ermöglicht eine effektive Nutzung der Auskleidung bis zur Abnutzungsgrenze ohne ein erhöhtes Risiko für ein Reissen des metallischen Mantels des metallurgischen Gefäßes. Die Messung der Abnutzung dieser Auskleidungen macht es zusätzlich möglich, die Nutzungsdauer der Gefäße zu optimieren und eine übermäßige Abnutzung zu verhindern.

[0005] Auskleidungen von Konvertern müssen relativ häufig erneuert werden, da ihre Lebenszeit von einer Woche bis zu mehreren Monaten variiert, abhängig davon, was geschmolzen wird, vom Material, aus welchem die Auskleidung gemacht ist, und von der Anzahl an Schmelzen, für welche das Gefäß verwendet wird.

[0006] Durch Ablenken des optischen Strahls in zwei Richtungen kann man einen Abstandswert und einen Polarkoordinatenwinkel für jeden Punkt bestimmen, wo der optische Strahl die Oberfläche des Objekts trifft, z.B. die innere Auskleidung eines Gefäßes. Die gemessenen Punkte definieren das Abnutzungsprofil der Auskleidung, welches zum Beispiel an einem Display-Terminal ausgegeben werden kann, durch welches das von einem metallurgischen Gefäß gemessene Abnutzungsprofil graphisch und numerisch mit dem Profil verglichen werden kann, das 1/14 österreichisches Patentamt AT504 145B1 2010-03-15 von der (inneren) Oberfläche des gleichen Gefäßes während des Modellierungsschritts gemessen wurde, bevor das Gefäß tatsächlich in Gebrauch gebracht wurde, also vor der ersten Schmelze.

[0007] Einige Beispiele für derartige Messtechniken sind in WO 2004/068211 A, US 2002/0143506 A und US 2003/0043386 A offenbart. Jedoch sind die Positionierung, Wechselbeziehung und Richtung von Bestandteilen dieser bekannten Messvorrichtungen so, dass diese nicht in der Lage sind, die Bedürfnisse hinsichtlich der Kompatibilität mit nachteiligen Bedingungen, hinsichtlich der Abtast-Bandbreite und hinsichtlich der Größe der Vorrichtung und der Größe des Messkopfs zu erfüllen.

[0008] Als nächstkommender Stand der Technik wird die Messvorrichtung bzw. der Messkopf gemäß JP 60-235005 A angesehen. Bei dieser bekannten Messvorrichtung bzw. diesem bekannten Messkopf, mit den Merkmalen wie eingangs angegeben, leitet die mit drei Spiegeln ausgeführte feste Reflektoreinheit den optischen Strahl einem verdrehbaren Spiegel, der außerhalb der Drehachse des Drehteils des Messkopfs angeordnet ist, unter einem schrägen Winkel relativ zur Drehachse des Messkopfs zu. Dabei wird der optische Strahl durch den letzten Spiegel der festen Reflektoreinheit ebenso wie durch Gehäuseteile des Messkopfs blockiert, und es wird der Messbereich auf einen Winkel von ungefähr 90° beschränkt. Weiters ergeben sich durch die Strahlführung bei der bekannten Messvorrichtung, insbesondere mit dem schrägen Pfadteil ebenso wie durch die exzentrische Anordnung des drehbaren Reflektors, Ausrichtungsprobleme bzw. relativ aufwendige Berechnungen im Hinblick auf die Bestimmung des Orts der Spitze des Messkopfs.

[0009] Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung bzw. einen Messkopf wie eingangs angeführt vorzuschlagen, der in dieser Hinsicht verbessert ist und Ausrichtprobleme ebenso wie einen Aufwand bei der Ermittlung der Position der Messspitze vermeidet.

[0010] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Messvorrichtung bzw. einen Messkopf wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0011] Dadurch, dass der optische Strahl koaxial zur zweiten Achse dem dreh- bzw. kippbaren Reflektor zugeführt wird, ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit eines gegenüber dem Stand der Technik erweiterten Messbereichs, wobei auch Ausrichtprobleme vermieden werden können, da bevorzugt der drehbare bzw. kippbare Reflektor in Ausrichtung zur ersten Drehachse angeordnet werden kann. Eine Ausrichtung des optischen Strahls ist in der Regel kritisch, vor allem wenn es um die Messung von heißen Gießpfannen oder Stahlgefäßen geht. Auch ist die Position der Messspitze bei der vorliegenden Messvorrichtung einfach bestimmbar, ohne dass es notwendig wäre, komplizierte mathematische Berechnungen hierzu durchzuführen.

[0012] Im Zusammenhang mit diesen Vorteilen ist es besonders günstig, wenn der dreh- bzw. kippbare Reflektor in einer im Wesentlichen um 45° relativ zur zweiten Achse geneigten Position vorliegt; und/oder wenn die feste Reflektoreinheit einen im Wesentlichen um 45° relativ zur zweiten Achse geneigten Reflektor aufweist.

[0013] Bei der vorliegenden Messvorrichtung können wärmeempfindliche Komponenten, also elektronische und optische Komponenten, die nicht innerhalb des Drehteils des Messkopfs anzuordnen sind, auch einfach außerhalb eines das Messobjekt bildenden metallurgischen Gefäßes während der Messung angeordnet werden, so dass sie günstigeren Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die optische Quelle, der Empfangsdetektor und die Steuereinheit im Träger angeordnet sind. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich hier dadurch aus, dass die optische Quelle, der Empfangsdetektor und die Steuereinheit körperlich vom Messkopf getrennt sind und eine optische Verbindung zwischen ihnen und dem Messkopf über einen direkten optischen Strahl vorliegt.

[0014] Bei der vorliegenden Anordnung kann die Abstandsmessung einfach nach dem Laufzeitprinzip erfolgen, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird. 2/14 österreichisches Patentamt AT504 145B1 2010-03-15 [0015] Für eine einfache Strahlführung ist es auch günstig, wenn der optischen Quelle und dem Empfangsdetektor Lichtwellenleiter zur Strahlübertragung zugeordnet sind.

[0016] Der vorliegende Messkopf kann im Übrigen hinsichtlich seiner Größe klein dimensioniert werden, wodurch ermöglicht wird, kleine Objekte oder aber kleine Details von Objekten zu messen.

[0017] Die Erfindung wird nachfolgend mehr in einzelnen unter Bezugnahme auf in der Zeichnung dargestellte, bevorzugte Ausführungsbeispiele noch weiter erläutert. Es zeigen: [0018] Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Messvorrichtung gemäß der Erfin dung; [0019] Fig. 2 den Messkopf-Teil dieser Messvorrichtung in einer schaubildlichen Darstellung; [0020] Fig. 3 in einem Schema, ähnlich Fig. 1 eine Messvorrichtung gemäß einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung; [0021] Fig. 4 in einem Schema die Verwendung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung bei der Messung der Dicke der Auskleidung eines metallurgischen Gefäßes, in Richtung der Längsachse des Gefäßes blickend, wobei die Ablenkung des optischen Strahls auf die Innenfläche des Gefäßes veranschaulicht ist; [0022] Fig. 5 ein Blockschaltbild einerweiteren Messvorrichtung gemäß der Erfindung; und [0023] Fig. 6 in einem Schema eine Messvorrichtung mit Lichtwellenleitern (optischen Fasern).

[0024] In Fig. 1 und 2 ist eine Messvorrichtung mit einem Messkopf 10 zum Abtasten eines Objekts 102 in drei Dimensionen gezeigt. Der Messkopf 10 enthält einen Träger 10A und einen Drehteil 10B, eine optische Quelle 104 zum Erzeugen eines optischen Strahls 5, der den Messkopf 10 in Senderichtung TD durchläuft, einen Detektor 118 zum Empfangen des optischen Strahls 5 nach dessen Reflexion am Objekt 102 und Durchlaufen des Messkopfs 10 in Empfangsrichtung RD sowie eine Steuereinheit 502 zum Steuern des Betriebs der Messvorrichtung und zum Errechnen des gemessenen Abstands.

[0025] Die Vorrichtung kann auch eine Strahlteilereinheit 100 enthalten um den empfangenen optischen Strahl (Empfangsrichtung RD) vom gesendeten optischen Strahl (Senderichtung TD) zu trennen, um so den empfangenen Strahl zum Detektor 118 zu leiten und daran zu hindern zurück zur optischen Quelle 104 zu gelangen.

[0026] Die Funktion der Strahlteilereinheit 100 ergibt sich mehr im Einzelnen aus Fig. 5 und 6, die nachstehend noch näher erläutert werden. Der optische Strahl 5 wird zum Objekt 102 in der Senderichtung TD gesendet und passiert dabei die Strahlteilereinheit 100 sowie den Messkopf 10, welcher danach wiederum den vom Objekt 102 in Empfangsrichtung RD reflektierten optischen Strahl empfängt und zur Strahlteilereinheit 100 leitet, welche sich hinter dem Messkopf 10 befindet. In der Senderichtung TD befindet sich der Messkopf 10 somit hinter der Strahlteilereinheit 100, in der Empfangsrichtung RD ist die Strahlteilereinheit 100 jedoch nach dem Messkopf 10 angeordnet.

[0027] Beim optischen Strahl 5 kann es sich um eine elektromagnetische Strahlung mit einem Wellenlängen-Band von z.B. mehreren hundert nm handeln. Die optische Quelle 104 kann den optischen Strahl 5 in Form von Pulsen senden.

[0028] Der Drehteil 10B des Messkopfs 10 ist um eine erste Achse A1 relativ zum Träger 10A des Messkopfs 10 drehbar. Der Träger 10A sieht somit eine Basis vor, in Bezug auf welche der Drehteil 10B des Messkopfs 10 um die erste Achse A1 gedreht werden kann.

[0029] Fig. 4 veranschaulicht, dass der Drehteil 10B durch eine Welle oder ein anderes Mittel mit dem Träger 10A verbunden sein kann, was es ermöglicht, den Drehteil 10B in größerem Abstand vom Träger 10A vorzusehen. Dadurch kann der Träger 10A in einer sicheren Umgebung, z.B. außerhalb eines heißen Gefäßes, platziert werden.

[0030] Gemäß Fig. 1 und 3 enthält die Messvorrichtung einen ersten Drehantrieb 12 zum Dre- 3/14 österreichisches patentaint AT504 145B1 2010-03-15 hen des Drehteils 10B des Messkopfs 10 um die erste Achse A1 relativ zum Träger 10A. Die erste Achse A1 muss keine körperliche Achse sein und kann eine gedachte Achse der Drehung des Drehteils 10B sein. Der Drehantrieb 12 kann ein Motor, insbesondere ein elektrischer Motor, sein. Ein Lager 13 oder eine andere geeignete Struktur kann sich zwischen dem Träger 10A und dem Drehteil 10B befinden, um die Drehung des Drehteils 10B zu ermöglichen. Der Drehantrieb 12 ist gemäß Fig. 1 und 3 am Träger 10A befestigt und ausgebildet, um den Drehteil 10B des Messkopfs 10 von dessen äußerer Oberfläche her zu drehen. Selbstverständlich gibt es aber auch andere Möglichkeiten, um die Drehung auf den Drehteil 10B zu übertragen, z.B. eine Verbindung des Drehteils 10B mit dem Träger 10A und dem Drehantrieb 12 über eine Welle, vgl. Fig. 6.

[0031] Im Drehteil 10B des Messkopfs 10 befindet sich gemäß Fig. 1 und 3 eine feste Reflektoreinheit 14, welche mindestens einen Reflektor 14d (Fig. 3), vorzugsweise jedoch mehrere Reflektoren 14a, 14b (Fig. 1) aufweist. Alternativ kann eine Anordnung mit Lichtwellenleitern anstelle der reflektierenden Führungsanordnung verwendet werden, s. Fig. 6.

[0032] Die feste Reflektoreinheit 14 ist ausgebildet, den optischen Strahl 5 zu empfangen und weiter in Senderichtung TD zu führen, wobei sie den optischen Strahl 5 zu einem drehbaren bzw. kippbaren Reflektor 16 im Messkopf 10 lenkt. Der drehbare Reflektor 16 kann relativ zu einer zweiten Achse A2 gedreht bzw. gekippt werden, um den optischen Strahl in einer Abtastbewegung zum Objekt 102 zu richten.

[0033] Der drehbare Reflektor 16 ist ebenfalls im Drehteil 10B des Messkopfs 10 angeordnet und dreht sich demgemäß zusammen mit diesem Drehteil 10B um die erste Achse A1; zusätzlich erfolgt seine Drehung um die zweite Achse, wozu ein Antrieb 18 vorgesehen ist.

[0034] Wie aus Fig. 4 ersichtlich definieren die Drehpositionen des Drehteils 10B um die erste Achse A1 herum und die zusätzliche Drehpositionen des Reflektors 16 relativ zur zweiten Achse A2 einen Ablenkpfad des optischen Strahls 5 auf der Oberfläche (Innenfläche) des Objekts 102. Die gleichzeitige Drehung um die beiden Achsen A1, A2 ermöglicht eine Messung der gesamten Oberfläche des Objekts 102, wie mit der schraffierten Fläche DP in Fig. 4 schematisch angedeutet ist. Das Objekt 102 gemäß Fig. 4 ist ein metallurgisches Gefäß, dessen Öffnung mit DPM bezeichnet ist; durch diese Öffnung DPM ragt gemäß Fig. 4 der Drehteil 10B in das Gefäßinnere.

[0035] In Fig. 1 ist die dort gezeichnete Position des drehbaren Reflektors 16 eine Nulleinsteil-Position, in der es bei der Drehung des Drehteils 10B keine weitere Ablenkung auf der Oberfläche des Objekts 102 gibt, weil der optische Strahl immer nur in einem Punkt P auftrifft, nicht aber z.B. gemäß einem kreis- oder spiralförmigen oder irgendeinem anderen Ablenkpfad. Sobald jedoch der drehbare Reflektor 16 durch seine eigene Drehung in andere Positionen relativ zur zweiten Achse A2 gelangt, wird der optische Strahl in einem anderen Winkel zum Objekt 102 reflektiert, und durch die Drehung des Drehteils 10B des Messkopfs 10 bewegt sich der Punkt P gemäß dem durch den geänderten Ablenkwinkel am drehbaren Reflektor 16 und die Drehung um die erste Achse A1 definierten Ablenkpfad.

[0036] Bei der vorliegenden, z.B. in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird, wenn der drehbare Reflektor 16 während der Drehung des Drehteils 10B des Messkopfs 10 gekippt ist, ein optimaler Abtastvorgang ermöglicht, da praktisch alle Bereiche im Inneren des das Objekt 102 bildenden Gefäßes erreicht werden können. Die Steuereinheit 502 ist z.B. dazu ausgebildet, den drehbaren Reflektor 16 gleichzeitig zu kippen, während der Drehteil 10B des Messkopfs 10 gedreht wird. Alternativ kann der kipp- bzw. drehbare Reflektor 16 relativ zur zweiten Achse A2 verdreht werden, während der Drehteil 10B still steht, und der Reflektor 16 wird dann in einer bestimmten Position angehalten, bevor die Drehung des Drehteils 10B des Messkopfs 10 begonnen wird; nach einer vollständigen 360°-Drehung des Drehteils 10B des Messkopfs 10 wird dieser wieder angehalten, und der drehbare Reflektor 16 wird in eine andere Drehposition relativ zur zweiten Achse A2 eingestellt; wonach die Drehung des Drehteils 10B des Messkopfs 10 wieder aufgenommen wird. Hierbei erfolgt die Abtastung entsprechend konzentrischer Kreise. 4/14 österreichisches Patentamt AT504 145B1 2010-03-15 [0037] Der drehbare Reflektor 16 muss nicht notwendigerweise eine vollständige 360°-Drehung durchführen, es kann auch ausreichen den drehbaren Reflektor 16 relativ zur zweiten Achse A2 derart zu kippen, dass der optische Strahl 5 in der Lage ist, den gesamten Bereich zu erreichen, der gemessen werden muss. Mit einem drehbaren ebenen Reflektor 16 kann jedenfalls eine ausreichende Abtastbewegung des Strahls 5 erzielt werden, um sogar die Umgebung des Öffnungsbereichs des Gefäßes zu erreichen, auch wenn sich dieser Öffnungsbereich hinter dem Drehteil 10B des Messkopfs 10 befindet, wie in Fig. 4 gezeigt ist.

[0038] Die Drehung des Drehteils 10B des Messkopfs 10 kann kontinuierlich sein, wenn Schleifringe zur Energieversorgung des zweiten Antriebs 18 verwendet werden, welcher sich im Drehteil 10B befindet. Daher muss die Bewegung des Drehteils 10B nicht eine Hin- und Zurück-Bewegung sein. Die Drehung des drehbaren Reflektors 16 kann ebenfalls kontinuierlich sein.

[0039] Die zweite Achse A2 verläuft rechtwinkelig zur ersten Achse A1, wodurch die Abtastbandbreite maximiert wird.

[0040] Gemäß Fig. 3 kann eine Lagerung 22 oder dergleichen verwendet werden, um die Drehung des drehbaren Reflektors 16 relativ zum drehbaren Teil 10B zu ermöglichen. Der zweite Antrieb 18 ist hier am Körper des Drehteils 10B befestigt, und die Welle des zweiten Antriebs 18 ist angeordnet, um eine Gehäusekomponente 24 des drehbaren Reflektors 16 außenseitig anzutreiben. Selbstverständlich gibt es noch andere Möglichkeiten, um ein Drehmoment auf den drehbaren Reflektor 16 zu übertragen.

[0041] Im Übrigen kann der drehbare Reflektor 16 eine ebene Spiegelfläche aufweisen.

[0042] Die feste Reflektoreinheit 14 befindet sich dagegen an einer im Wesentlichen festen Stelle innerhalb des Drehteils 10B des Messkopfs 10. In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 umfasst die Reflektoreinheit 14 drei Reflektoren 14a, 14b, 14c, wogegen gemäß Fig. 3 die Reflektoreinheit 14 nur einen festen Reflektor 14d umfasst. Gemäß Fig. 1 und 2 empfängt der erste Reflektor 14a den optischen Strahl 5 in Richtung der ersten Achse A1, und er lenkt den optischen Strahl in eine Richtung rechtwinkelig zur ersten Achse A1 zum zweiten Reflektor 14b, der seinerseits den optischen Strahl in einer Richtung parallel zur ersten Achse A1 reflektiert und so zum dritten Reflektor 14c lenkt, von dem so dann der optische Strahl in einer Richtung koaxial zur zweiten Achse A2 zum drehbaren Reflektor 16 hin reflektiert wird. Alternativ kann aber auch ein Lichtwellenleiter anstelle der Reflektoreinheit 14 verwendet werden, um den optischen Strahl 5 in Richtung der zweiten Achse A2 zum Reflektor 16 zu führen.

[0043] Die beschriebene mehrfache rechtwinkelige Umlenkung des optischen Strahls 5 mit Hilfe der Reflektoren 14a, 14b und 14c ermöglicht eine einfachere Ausrichtung der Bestandteile sowie Anpassung und Kalibrierung des Koordinatensystems der Messvorrichtung.

[0044] Die Reflektoren 14a, 14b, 14c von Fig. 1 bzw. der Reflektor 14d von Fig. 3 können ebene Spiegel oder Prismen sein.

[0045] Wärmeempfindliche Bestandteile, also die optische Quelle 104, der oder die Detektoren 118, die Steuereinheit 502 und die Strahlteilereinheit 100 können sich im Träger 10Ades Messkopfs 10 befinden, wie in Fig. 1 gezeigt ist.

[0046] Alternativ können sich die wärmeempfindlichen Bestandteile sogar noch weiter weg vom Drehteil 10B des Messkopfs 10 befinden. Dies kann bedeuten, dass sich die wärmeempfindlichen Bestandteile auch nicht innerhalb des Trägers 10A des Messkopfs 10, befinden, sondern in noch größerem Abstand vorliegen. Es ist dann ein optischer Pfad, z.B. mittels Lichtwellenleiter vorzusehen, welcher den Abstand zwischen dem Messkopf 10 und den wärmeempfindlichen Bestandteilen, wie der optischen Quelle 104, dem Detektor 118, der Steuereinheit 502 und der Strahlteilereinheit 100, überbrückt.

[0047] Der Messkopf 10 ist derart ausgebildet, dass die feste Reflektoreinheit 14 im Drehteil 10B des Messkopfs 10 den optischen Strahl 5 in einer Richtung empfängt, die zur ersten Achse A1 koaxial ist. Dadurch ist es möglich, die wärmeempfindlichen Bestandteile anderswo als im Drehteil 10B des Messkopfs 10 unterzubringen. Der Messkopf 10 kann weiters derart ausgebil- 5/14 österreichisches patentaint AT504 145B1 2010-03-15 det sein, dass der drehbare Reflektor 16 den optischen Strahl 5 von der festen Reflektoreinheit 14 in einer Richtung empfängt, die zur zweiten Achse A2 koaxial ist. Dadurch wird ein besonders weiter Mess- bzw. Abtastbereich ermöglicht. Die beschriebene Strahlführung ist dabei sowohl bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 als auch bei jener gemäß Fig. 3 gegeben. Die Fig. 1 bis 3 veranschaulichen weiters, dass der drehbare Reflektor 16 mit seiner Spiegelfläche um im Wesentlichen 45° relativ zur zweiten Achse A2 geneigt ist. In ähnlicher Weise sind die Reflektoren 14a bzw. 14d der festen Reflektoreinheiten von Fig. 1 und von Fig. 2 im Wesentlichen um 45° relativ zur ersten Achse A1 geneigt.

[0048] Gemäß Fig. 5 ist die Strahlteilereinheit 100 als nicht-reziprok anzusehen, was bedeutet, dass ihre Arbeitsweise von der Propagationsrichtung des Strahls durch die Strahlteilereinheit 100 abhängt. Dies wird beispielsweise durch mindestens zwei nicht-reziproke Komponenten 108, 110 erreicht, welche z.B. einen Faraday-Dreher und ein Viertel-Wellenlängen-Plättchen einschließen können. Zusätzlich kann die Messvorrichtung eine Vielfalt von anderen optischen Komponenten enthalten, wie z.B. Filter, Linsen, Spiegel, Lichtwellenleiter und dergleichen Komponenten.

[0049] Gemäß Fig. 5 kann ein erster Polarisationswandler 200 einen ersten Strahlteiler 300 und einen ersten Spiegel 302 und ein zweiter Polarisationswandler 202 einen zweiten Strahlteiler 304 und einen zweiten Spiegel 306 enthalten. Im Fall, dass eine Laserquelle oder eine andere Quelle, welche einen polarisierten Strahl erzeugt, als optische Quelle 104 verwendet wird, würde das Element 110, bestehend aus einem Faraday-Dreher und einem Viertel-Wellenlängen-Plättchen, nicht benötigt.

[0050] Die Messvorrichtung gemäß Fig. 5 arbeitet nach dem Laufzeit-Prinzip. Der optische Strahl 5 kann von der optischen Quelle 104 in Senderichtung zur Strahlteilereinheit gesendet werden, wobei die optische Quelle 104 eine monochrome optische Quelle, z.B. ein Laser, eine optische Schmalband-Quelle wie LED (Light Emitting Diode), oder eine optische Breitband-Quelle, wie eine Glimmlampe, Glühlampe, Halogenlampe und dergleichen, sein kann. Der optische Strahl kann durch die Strahlteilereinheit 100 zum zweiten Polarisationswandler 202 wandern, welchen ein Teil 5' des optischen Strahls so durchlaufen kann, dass er zu einem Referenzdetektor 500 gelangt. Der Teil des optischen Strahls kann eine Folge von Unvollkommenheiten im zweiten Polarisationswandler und in der Polarisation sein, und es ist daher nicht notwendig, den zweiten Polarisationswandler 202 so auszubilden, dass er einen (genau) bestimmten Teil des optischen Strahls 5 zum Referenzdetektor 500 durchlässt.

[0051] Der Referenzdetektor 500 erfasst den Strahl-Teil 5, auch Referenzstrahl 5' genannt, welcher einige Prozente bis zu einem milliardsten Teil (oder kleiner) der Energie des Ausgangs-Strahls 5 haben kann, welcher in die Eingangsapertur der Strahlteilereinheit 100 eintritt, und er führt ein entsprechendes elektrisches Signal der Steuereinheit 502 zu, welche eine Anfangs-Zeitmarke für den optischen Strahl generiert. Die Anfangs-Zeitmarke definiert den Zeitpunkt des Abgangs des optischen Strahls von der Strahlteilereinheit 100. Statt der Position relativ zum Polarisations-Strahlteiler 304 im zweiten Polarisationswandler 202 kann der Referenzdetektor 500 neben Spiegeln von einem der beiden Polarisationswandler 200, 202 platziert werden, vgl. die in Fig. 5 mit gestrichelten Linien gezeichneten Blöcke.

[0052] Der Großteil des optischen Strahls 5 wird zum Objekt 102 gesendet, welches einen Teil des optischen Strahls zurück zur Strahlteilereinheit 100 reflektiert, die nun diesen Teil 5" des empfangenen optischen Strahls zum Mess- bzw. Empfangsdetektor 118 leitet.

[0053] Die Messvorrichtung kann verwendet werden, um heiße Flächen von Objekten 102 mit hohen Absorptionseigenschaften ohne Einschränkung zu messen, da keine Reflektoren angebracht werden müssen; das Objekt 102 kann daher ein Gefäß für heißen Stahl sein, wie eine Pfanne oder ein Konverter. Die vorliegende Lösung ist jedoch nicht darauf beschränkt.

[0054] Der Detektor 118 erfasst den empfangenen optischen Strahl (5" in Fig. 5) und führt ein entsprechendes elektrisches Signal der Steuereinheit 502 zu, welche eine Stopp-Zeitmarke für den empfangenen optischen Strahl generiert. Die Stopp-Zeitmarke definiert den Zeitpunkt der 6/14

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT504 145B1 2010-03-15 „Ankunft" des optischen Strahls in der Messvorrichtung. Die Steuereinheit 502 kann den Zeitunterschied zwischen der Stopp-Zeitmarke und der Anfangs-Zeitmarke, also At = t2 -t1 berechnen und den Abstand zwischen dem Objekt 102 und der Messvorrichtung als eine Funktion des Zeitunterschieds, also D = f(At), bestimmen. In einem einfachen Modell ist die Abhängigkeit zwischen dem Abstand und dem Zeitunterschied linear, also D = cAt, wobei c eine Konstante ist. In dem Fall, dass das Objekt 102 ein Gefäß für heißen Stahl ist, können die Veränderungen in der Dicke der Wand des Gefäßes als Wandabnutzung gemessen werden, die sich in einer Abstands-Vergrößerung äußert. [0055] Fig. 6 stellt eine Messvorrichtung unter Verwendung von optischen Fasern (Lichtwellenleitern) dar. Der optische Strahl 5 der optischen Quelle 104 kann in einen Sender-Lichtwellenleiter 602 durch eine erste optische Einheit 600 fokussiert werden. Der optische Strahl, welcher diesen Lichtwellenleiter 602 verlässt, kann durch eine zweite optische Einheit 604 auf die Eingangsapertur der Strahlteilereinheit 100 fokussiert werden. Der von dieser abgegebene optische Strahl 5 wird zum Messkopf 10 geleitet und gelangt durch den Drehteil 10B des Messkopfs 10 zum Objekt 102. Ein Teil 5' des optischen Strahls gelangt zum Referenzdetektor 500, und zwar über einen Lichtwellenleiter 610, in den er durch eine dritte optische Einheit 608 fokussiert wird, und aus dem er durch eine vierte optische Einheit 612 auf den Referenzdetektor 500 fokussiert wird. [0056] Der vom Objekt 102 empfangene optische Teil-Strahl 5" kann durch eine fünfte optische Einheit 614 in einen Lichtwellenleiter 616 fokussiert werden, von dem er über eine sechste optische Einheit 618 auf den Detektor 116 fokussiert wird. [0057] Um den reflektierten Strahl vom Objekt 102 zum Detektor 118 zu leiten, wird der Messkopf 10 im Prinzip so angeordnet, wie vorstehend anhand der Fig. 1 und 3 erläutert wurde, wobei sowohl die Möglichkeit besteht, den optischen Strahl über einen Lichtwellenleiter der festen Reflektoreinheit 14 zuzuführen, als auch jene, unter Weglassung der festen Reflektoreinheit 14 direkt in Richtung der zweiten Achse A2 dem drehbaren Reflektor 16 zuzuleiten. Patentansprüche 1. Messvorrichtung zum berührungslosen Abtasten eines Objekts (102) in drei Dimensionen mit Hilfe eines optischen Strahls (5), mit einem Messkopf (10), der einen Träger (10A) und einen relativ zu diesem um eine erste vorgegebene Achse (A1) mit Hilfe eines Drehantriebs (12) drehbaren Drehteil (1 OB) aufweist, in welchem eine feste Reflektoreinheit (14) oder eine Lichtwellenleitereinheit für den von einer außerhalb des Drehteils (10B) angeordneten optischen Quelle (104) ausgesendeten optischen Strahl (5) sowie ein mit Hilfe eines Antriebs (18) um eine zweite, zur ersten Achse (A1) rechtwinkelig verlaufende vorgegebene Achse (A2) dreh- bzw. kippbarer Reflektor (16) angeordnet sind, zu dem die feste Reflektoreinheit (14) oder Lichtwellenleitereinheit den optischen Strahl (5) in Senderichtung (TD) lenkt, und der den optischen Strahl auf das Objekt (102) gemäß einem Ablenkpfad auf dessen Oberfläche richtet, welcher durch die Drehbewegungen des Drehteils (10B) und des dreh- bzw. kippbaren Reflektors (16) definiert ist, sowie mit einem außerhalb des Drehteils (1 OB) angeordneten Empfangsdetektor (118) für den vom Objekt (102) reflektierten optischen Strahl und einer ebenfalls außerhalb des Drehteils (10B) angeordneten Steuereinheit (502), wobei die feste Reflektoreinheit (14) angeordnet ist, um den optischen Strahl aus einer Richtung koaxial zur ersten Achse (A1) zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass der dreh- bzw. kippbare Reflektor (16) angeordnet ist, um den optischen Strahl von der festen Reflektoreinheit (14) oder der Lichtwellenleitereinheit aus einer Richtung koaxial zur zweiten Achse (A2) zu empfangen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dreh- bzw. kippbare Reflektor (16) in einer im Wesentlichen um 45° relativ zur zweiten Achse (A2) geneigten Position vorliegt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Reflektoreinheit (14a, 14b, 14c) einen im Wesentlichen um 45° relativ zur zweiten Achse (A2) ge- 7/14 österreichisches Patentamt AT504 145B1 2010-03-15 neigten Reflektor (14c; 14d) aufweist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Quelle (104), der Empfangsdetektor (118) und die Steuereinheit (502) im Träger (10A) angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Quelle (104), der Empfangsdetektor (118) und die Steuereinheit (502) körperlich vom Messkopf (10) getrennt sind und eine optische Verbindung zwischen ihnen und dem Messkopf (10) über einen direkten optischen Strahl (5) vorliegt.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der optischen Quelle (104) und der festen Reflektoreinheit (14) eine Strahlteilereinheit (100) angeordnet ist, die in Senderichtung (TD) einerseits einen Abtast-Strahl (5) zur festen Reflektoreinheit (14) und andererseits einen Referenz-Strahl (5') zu einem Referenzdetektor (500) oder dem Empfangsdetektor (118) richtet, und die den empfangenen, vom Objekt (102) reflektierten Abtast-Strahl (5") zum Empfangsdetektor (118) richtet.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optischen Quelle (104) und dem Empfangsdetektor (118) Lichtwellenleiter (602, 616) zur Strahlübertragung zugeordnet sind.
8. 8. Messkopf (10) zum berührungslosen Abtasten eines Objekts (102) in drei Dimensionen mit Hilfe eines optischen Strahls (5), mit einem Träger (10A) und einem relativ zu diesem um eine erste vorgegebene Achse (A1) mit Hilfe eines Drehantriebs (12) drehbaren Drehteil (1 OB), in welchem eine feste Reflektoreinheit (14), odereine Lichtwellenleitereinheit für den von einer außerhalb des Drehteils (1 OB) angeordneten optischen Quelle (104) ausgesendeten optischen Strahl (5) sowie ein mit Hilfe eines Antriebs (18) um eine zweite, zur ersten Achse (A1) rechtwinkelig verlaufende vorgegebene Achse (A2) dreh- bzw. kippbarer Reflektor (16) angeordnet sind, zu dem die feste Reflektoreinheit (14) oder Lichtwellenleitereinheit den optischen Strahl (5) in Senderichtung (TD) lenkt, und der den optischen Strahl auf das Objekt (102) gemäß einem Ablenkpfad auf dessen Oberfläche richtet, welcher durch die Drehbewegungen des Drehteils (1 OB) und des dreh- bzw. kippbaren Reflektors (16) definiert ist, wobei die feste Reflektoreinheit (14) angeordnet ist, um den optischen Strahl aus einer Richtung koaxial zur ersten Achse (A1) zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass der dreh- bzw. kippbare Reflektor (16) angeordnet ist, um den optischen Strahl von der festen Reflektoreinheit (14) oder der Lichtwellenleitereinheit aus einer Richtung koaxial zur zweiten Achse (A2) zu empfangen.
9. 9. Messkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dreh- bzw. kippbare Reflektor (16) in einer im Wesentlichen um 45° relativ zur zweiten Achse (A2) geneigten Position vorliegt.
10. 10. Messkopf nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Reflektoreinheit (14) einen im Wesentlichen um 45° relativ zur zweiten Achse (A2) geneigten Reflektor (14c; 14d) aufweist.
11. 11. Messkopf nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Quelle (104), ein Empfangsdetektor (118) und eine Steuereinheit (502) im Träger (10A) angeordnet sind.
12. 12. Messkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der optischen Quelle (104) und der festen Reflektoreinheit (14) eine Strahlteilereinheit (100) angeordnet ist, die in Senderichtung (TD) einerseits einen Abtast-Strahl (5) zur festen Reflektoreinheit (14) und andererseits einen Referenz-Strahl (5') zu einem Referenzdetektor (500) oder zum Empfangsdetektor (118) richtet, und die den empfangenen, vom Objekt (102) reflektierten Abtast-Strahl zum Empfangsdetektor (118) richtet. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 8/14