DE1949868A1

DE1949868A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Entfernungen

Info

Publication number: DE1949868A1
Application number: DE19691949868
Authority: DE
Inventors: Robert Pirlet
Original assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Current assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Priority date: 1968-10-10
Filing date: 1969-10-02
Publication date: 1970-04-23
Also published as: LU57062A1; NL6915407A; BE739017A; FR2020300A1

Description

Centre National de Recherches Metallurgiques, Association sans lucratif, Brüssel (Belgien)

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"Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Entfernungen"

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Entfernungen mittels eines aus einem Sender und einem Empfänger für elektromagnetische Strahlung bestehenden Entfernungsmessers und eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Gegenstand der Erfindung ist besonders geeignet zur Bestimmung des Füllungsstandes von Behältern, insbesondere von Hochöfen.

Es sind bereits eine Reihe von optischen Verfahren zum Messen von Entfernungen, beispielsweise zwischen zwei Punkten oder einem Punkt und einer bestimmten Fläche bekannt.

Bei diesen bekannten Verfahren wird sehr oft eine, beispielsweise durch Verbrennung irgendeines Stoffes, durch elektrische oder nichtelektrische Heizung, durch elektrischen Lichtbogen usw. gebildete Lichtquelle verwendet, wobei diese Lichtquelle ein Lichtbündel auf den Gegenstand aussendet, dessen Entfernung gemessen werden soll.

Diese Verfahren sind im allgemeinen dann zufriedenstellend, wenn keine sonderlich große Genauigkeit erforderlich ist. Da diese Verfahren im Hinblick auf zahlreiche Starfaktoren empfindlich sind, wobei es sich um die Absorption der Strahlung auf

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FUr dai AutlrstjiverhKltnli gilt dl· Gebührenordnung dar Deuticnen Patentanwaltikammer.-Gerlchtittand IUr Lejilung und Zthlung: Nürnberg. '*'* Geiprüdie am Fernsprecher haben keine fedittyerblndllcha Wirkung.

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ihrem Weg, die Ändenmgen der Umgebungstemperatur auf dem Strahlungsweg, eine zu große Entfernung , Anwesenheit von Staubpartikelchen, Diffusion des Strahlungsbündels, geringer Reflektionskoteffizient, Bandbreite der ausgesendeten Frequenz, zu große öffnung des Strahlungsbündels, Abmessungen des Lichtflecks auf dem angestrahlten Gegenstand, Interferenz mit anderen Strahlungsbündeln usw. handelt, ergibt sich, daß diese Meßverfahren im allgemeinen ungeeignet sind oder überhaupt nicht angewendet werden können, wenn eine sehr hohe Meßgenauigkeit gefordert wird.

Um die Entfernung zwischen einem Gegenstand und einem fest- ^ liegenden Punkt mittels eines Entfernungsmesser zu messen, der aus einem Sender und einem Empfänger für elektromagnetische Strahlung besteht, ist bereits vorgeschlagen worden, ein Verfahren anzuwenden, bei dem man das Emissionszentrum mit dem festliegenden bekannten Punkt zusammenfallen läßt, bei dem eine von dem Sender ausgehende elektromagnetische Strahlung, deren Richtung in Bezug auf die Achse des Entfernungsmessers bekannt 1st, auf den Gegenstand gerichtet wird, wobei diese Achse durch die gerade Linie gebildet wird, die das Emissionszentrum und das Empfangszentrum miteinander verbindet, bei dem der Winkel zwischen der Achse des Entfernungsmessers und der Empfangs-. richtung der von dem Gegenstand zum Empfänger reflektierten

Strahlung'gemessen wird und bei dem anschließend die gesuchte " Entfernung mittels einer bekannten trigonometrischen Beziehung errechnet wird.

Bei der verwendeten elektromagnetischen Strahlung kann es sich um Laser-Strahlung, d.h. um eine Strahlung mit ausgeprägter Richtcharakteristik und von hoher Intensität handein, wodurch eine starke Fokussierung, ein sehr kleiner Auftreffleck und dahet eine sehr präzise Messung der Blickwln^kel ermöglicht, wird.

Allgemein zur Messung der Entfernung zwischen einem Gegenstand

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und einem Beobachtungspunkt verwendete Entfernungsmesser bestehen aus einem Sender in Form einer an dem Beobachtungspunkt angeordneten Fadenlampe aus einem Empfänger, der sich an einem weiteren in konstanter Entfernung von dem ersten Beobachtungspunkt angeordneten Beobachtungspunkt befindet, wobei dieser Empfänger mindestens eine fotoelektrische Zelle zur Beobachtung der Abbildung aufweist, und aus einem Gerät, zum Berechnen der gesuchten Entfernung ausgehend von der Stellung der Fotozelle im Augenblick der Messung.

Es ist im übrigen bekannt, daß die Qualität des Empfangs beeinträchtigt wird, wenn der angepeilte Gegenstand, oder seine Umgebung eine Strahlung aussendet, die geeignet ist, von dem Empfänger in gleicher Weise wie die von dem Sender ausgehende Strahlung registriert zu werden und damit ein unbeabsichtigtes Signal zu liefern.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, einen Sender zu verwenden, der eine Strahlung mit einer Charakteristik erzeugt, die es erlaubt, sie mit Sicherheit von jeder anderen Strahlung zu unterscheiden. Hierzu genügt es, die Strahlung des Senders in geeigneter Weise zu modulieren, in dem beispielsweise die Strahlungsquelle des Senders periodisch abgedeckt oder ausgeschaltet wird. Diese periodische Abdeckung oder Ausschaltung wird in der Regel mittels eines beweglichen Elementes bewirkt, wie z.B. durch ein Zahnrad oder einen mit Schlitzen oder öffnungen versehenen Zylinder, wobei die geschlossenen und die offenen Bereiche jeweils untereinander gleich groß sind. Dieses bewegliche Element wird mit konstanter Gescnwlndigkeit gedreht, wobei es so angeordnet wird, daß es die Lichtquelle periodisch abdeckt und freigibt. Es ist von außerordentlichem Nachteil, daß hierbei ein beweglicher Modulator erforderlieh ist, weshalb dieses Verfahren nur selten angewandt wird.

Um die Empfangsgenauigkeit bei Abwesenheit eines solchen als Modulator dienenden beweglichen Elementes zu verbessern, ist

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bereits vorgeschlagen worden, einen optischen Entfernungsmesser mit einem Empfänger zu verwenden, der mindestens eine fotoelektrische Zelle zur Beobachtung des Bildes aufweist, wobei der Sender von einem Laser-Strahler gebildet wird, der mit einem optischen Moduliergerät verbunden ist, das nach einem vorgegebenen Gesetz jede es durchlaufende Strahlung moduliert. Das mit dem Laser-Strahler verbundene optische ■ Moduliergerät wird vorzugsweise durch mindestens einen elektrooptischen Kristall gebildet.

Es ist erkannt worden, daß es nicht immer leicht 1st, den Auftreffleck der elektromagnetischen Strahlung auf dem angepeilten Gegenstand in zufriedenstellender Weise zu ermitteln. Wenn das Medium, durch das sich die elektromagnetische Welle ausbreitet, absorbierende Eigenschaften aufweist, beispielsweise weil sich Staubpartikelchen in dem gasförmigen Medium oder irgendein Stoff in Lösung befinden, kann es vorkommen, daß in der Nähe des Senders die von der von dem Laserbündel durchdrungenen Staubwolke weitergegebene Strahlung intensiver ist als die von den Auftreffpunkt selbst kommende Strahlung. Unter solchen Umständen 1st es schwierig, und gelegentlich sogar unmöglich, die eine Strahlung von der anderen zu unterscheiden.

Der Erfindung liegt daherdie Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entfernungsmessung anzugeben, das diese Nachteile vermeidet, d.h. das eine zufriedenstellende Ermittlung des Auftreffpunktes der elektromagnetischen Strahlung auf das Ziel unabhängig von der Art des durchlaufenden Mediums ermöglicht und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine elektromagnetische Strahlung auf das Ziel gerichtet wird, dessen Entfernung zu einem durch die Emissionsachse festgelegten Fixpunkt gemessen werden soll, daß der Empfänger um eine senkrecht auf der durch die Basis des Entfernungsmessers und die Emissionsachse aufgespannten Ebene stehende und vorzugsweise durch den Augen-

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punkt des Empfängers gehende Achse gedreht wird, daß die Drehung aus einer Lage heraus durchgeführt wird, in der bis zum Erreichen der von dem Ziel reflektierten Strahlung keine vom Sender ausgestrählte Strahlung empfangen werden kann, daß der Winkel zwischen der Empfangsachse der Strahlung des Auftreffpunktes und einer Bezugsempfangsachse gemessen wird und daß diese Winkelmessung mittels einer geeigneten Umrechnung in eine Entfernungsmessung umgeformt wird.

Erläuternd sei hinzugefügt, daß unter der "Baals des Entfernungsmessers" eine Strecke verstanden wird, die durch die Schnittpunkte einer senkrecht auf der optischen Achse des Senders stehenden und durch einen Punkt der optischen Achse des Empfängers, vorzugsweise durch dessen Augenpunkt, verlaufenden Geraden begrenzt wird.

Es ist selbstverständlich, daß die Meinung der gesuchten Entfernung in Bezug auf jeden Punkt durchgeführt werden kann, dessen Lage relativ zur Basis des Entfernungsmessers genau festliegt. Der einzige Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, daß die trigonometrisch© Berechnung, die notwendig ist, um den numerischen Wert der gesuchten Entfernung zu erhalten, etwas komplizierter ist.

Eine vorteilhafte Vorrichtimg zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im wesentlichen gekennzeichnet

a) durch einen Sender für elektromagnetische Strahlen, vorzugsweise Laser-Strahlenj

b) durch einen zum Empfang der von dem Sender ausgesandten Strahlung geeigneten Empfänger, wobei Sender und Empfänger zueinander derart angeordnet sind, daß der Sender in Bezug auf die Basis des Entfernungsmessers fest angeordnet ist und daß die optischen Achsen des, Empfängers und _;;._f des Senders sich stets inderselben Ebene-befinden* wobei- - der Winkel zwischen der optischen Achse:des Empfängers,iandi: der Basis vorzugsweise konstant und 9°° lsti

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c) durch MIttelν zum gleichzeitigen Drehen des Empfängers uiuf ^<? des Senders um die durch die Basis gebildete Achse und

d) durch Mittel zum Messen des durch die optische Achse des Empfängers und die Bezugsempfangsachse gebildeten Winkels.

Vorteilhafterweise weist die erflndungsgemäße Vorrichtung einen hochempfindlichen Empfänger auf, der beispielsweise durch eine PIN-Diode, einen Fotovervielfacher oder dergleichen gebildet wird. " ,

Um eine besonders, scharfe und genaue Abbildung des Auftreff- . Punktes der Strahlung auf dem angepeilten Gegenstand zu, erhalten, ist es besonders vorteilhaft, wenn vor dem Empfänger eine optische Einrichtung mit sehr kleinem öffnungswinkel angeordnet ist, die aus einem Objektiv, einer Sammellinse, einem Spiegel, einem Diaphragma, einem Filter, einem Prisma oder einer Kombination von zwei oder mehreren dieser Elemente besteht, .

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich, aus , ,. der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeich-.. nurig, die eine schematische Darstellung des erfindungsge- . mäßen Entfernungsmessers und des Strahlenweges zeigt, . ■ ,· .

Gemäß der Zeichnung besteht ein beweglicher Entfernungsmesser , aus einem Laser-Sender 1 und einem auf elektromagnetische. .^., \ Strahlung ansprechenden Empfänger 2, Die Basis 5, de,^ ,Entfep-,, :_; nungsmessers wird durch die Strecke j5,4 gebildet, wobei der Punkt 4 den Augenpunkt bzw. das optische Zentrum,des Empfängers 2 und der Punkt 3 das optische Zentrum bzw^den^Augenpuiikt des 3enders 1 bezeichnet, Die Basis 5 steht senkrecht auf.-,;..-- . der optischen Achse 6 des Senders·!. Der ,im wesentlichen au^s _{; ;} _ Sender 1 und, Empfänger 2 bestehende Entfernungsmesser, ist ,. um die durch die Basis 5: gebildete Achse drehbar^ während . _{r r} der Empfänger■ 2 _;in_f.der durch die optische Achse, ,6 -und die:. Achse. 5 au,f,gespannten Ebene, um seinen Augenpunkt, 4 gedreht kann, so daß die optische Achse 7 des Empfängers 2 in dieser Ebene 5,6 bewegt wird.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Bei einer bestimmten vorgegebenen Lage des Senders l' trifft seine optische Achse 6 die Füllung 8 am Punkt 9. An dieser Stelle wird das auftreffende Laser-Bündel diffus reflektiert, wobei auch eine Reflektlon in Richtung auf den Augenpunkt 4 des Empfängers 2 erfolgt. Der Empfänger 2 wird gedreht bis seine optische Achse 7 mit der den Zielpunkt 9 mit dem Augenpunkt 4 verbindenden Geraden zusammenfällt. Dann wird der Winkel 10 zwischen der Empfangsachse 7 und einer Bezugsrichtung 11 gemessen, die senkrecht auf der Basis 5 steht. Daraus folgt, daß der Abstand d des Zielpunktes 9 von dem Augenpunkt J5 des Senders 1 durch die Beziehung d = (Abstand 3-4) χ Tangente des Winkels 10 gegeben ist.

Die Messung der gesuchten Entfernung wird zum einen dadurch bewirkt, daß der Empfänger 1 durch ein ausreichendes Lichtsignal, wie das von dem Zielpunkt 9 kommende, angeregt wird. Um zu verhindern, daß der Empfänger von Lichtsignalen erreicht wird, die aus einer Reflektion des Laser-Strahls stammen, wie sie beispielsweise durch auf dem Lichtweg 6 getroffenen Staubteilchen hervorgerufen wird, wird die Abtastung der Füllung 8 mit der optischen Achse 7 derart begonnen, daß in der ursprünglichen Bezugsrichtung 11 angefangen wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß die optische Achse 7 den Zielpunkt 9 trifft, bevor sie die optische Achse 6 schneidet. Dies führt dazu, daß die Winkelmessung sich tatsächlich auf den Zielpunkt 9 und nicht auf irgendeine parasitäre Strahlung bezieht.

Es ist von Vorteil, die Sende- und Empfangscharakteristik des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers zu optimieren, d.h. die Stärke des Senders 1 und die Empfindlichkeit des Empfängers 2 so abzustimmen, daß die Strahlung ein gegebenes Medium durchstrahlt, von dem Auftreffpunkt reflektiert wird und sich in dem Medium bis zum Empfänger fortpflanzt. Dies führt zu gr-Ößter Einfachheit und niedrigstem Preis des des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers. Es ist gleichermas-

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sen von Vorteil, als Empfänger eine fotoempfindliche Zelle zu verwenden, die mit integrierten VoryerstÄrkenschaltungen versehen ist.

Vorteilhafterweise kann die elektro-magnetische Strahlung auch mit einem geeigneten Gerät moduliert werden.

- Ansprüche -

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Claims

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A ns ρ r Ü e h e

ll Verfahren zum Messen von Entfernungen lüibfcela eines aus ■ "einem Sender und einem Empfänger fUr elektromagnetische Strahlung bestehenden Entfernungsmessers, dadurch gekgrmaelchnet, daß eine elektromagnetische Strahlung auf das Ziel (9) gerichtet wird, dessen Entfernung zu einem durch die Emissionsachse (6) des Senders (l) festgelegten Fixpunkt (3) gemessen werden soll, daß der Empfänger (2) um eine auf der durch die Basis (5) des Entfernungsmessers und die Emissionsachse (6) aufgespannten Ebene senkrecht stehende und vorzugsweise durch seinen Augenpunkt (4) gellende Achse gedreht wird, daß die Drehung aus einer Lage (11) heraus durchgeführt wird, in der bis zum Erreichen der von dem Ziel (9) reflektierten Strahlung keine vom Sender ausgestrahlte Strahlung empfangen werden kann, daß der Winkel (10) «Tischen der Empfangsachse (7) der Strahlung des Auftreffpunktes(9) und einer Bezugeempfangsachse (ll) gemessen wird und daß diese Winkelmessung mittels einer geeigneten Umrechnung in eine Entfernungsmessung umgeformt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, /gekennzeichnet durch

a) einen Sender (1) für elektromagnetische Strahlen, vorzugsweise Laser-Strahlen;

b) einen zum Empfang der von dem Sender auegtsandten Strahlung geeigneten Empfänger (2), wobei Sender und Empfänger zueinander derart angeordnet sind, daß dtr Sender in Bezug auf die Basis (5) fest angeordnet ist und daß die optischen Achsen (6,7) des Empfängers und des Senders sich stets in derselben Ebene befinden, wobei der Winkel zwischen der optischen Achse des Empfängers und der Basis vorzugsweise konstant und 9O⁰ 1st,

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C) Mittel zum ' gleichzeitigen..Drehen."j!es..,Empfängers,jünid des Senders um die.durch dieBasis (5) gebildete-Achse

und ,, v-

d) Mittel zum Messen des durch die optische Achse (7) des Empfängers und die Bezugsempf.angsachse (11) gebildeten Winkels (10),

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3. Vorrichtung nach'*Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Empjfltiger (2) eine optische Einrichtung mit sehr klelnemi/üffniin-gswinkeL angeordnet ist, die aus einem Objektiv, eiitsf' saiinne-fciinee^ einem Spiegel, einem Diaphragma, einem Filter, einem Prisma oder einer Kombination von zwei oder mehreren dieser Elemente besteht,

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder J>, gekennzeichnet durch einen hochempfindliche^ Empfänger,

5. Vorrichtung nach Anspruö^ 4, gekennzeichnet durch eine PIN-Diode, einen Fotovervielfacher oder dergleichen als Empfänger.

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