DE2551965A1

DE2551965A1 - Messanordnung

Info

Publication number: DE2551965A1
Application number: DE19752551965
Authority: DE
Inventors: Holger Marcus; Lennart Nordstroem; Ragnar Schoeldstroem
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Geotronics AB
Priority date: 1974-11-20
Filing date: 1975-11-19
Publication date: 1976-08-12
Also published as: JPS5730228B2; FR2292214B1; JPS5173461A; FR2292214A1; DE2551965C3; DE2551965B2; SE414347B; GB1516336A; US4227802A; SE7414531L

Description

PATENTANWALT DI^L.-iNG. H. STROHSCHÄNK

8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (08 ü) 881608

19.11.1975-SFW(4) 190-1402?

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Messanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung zum Bestimmen der Entfernung zu einem Punkt auf der Innenwand eines Ofens mit einer Temperatur von wenigstens 500⁰C.

Um den auftretenden hohen Temperaturen - bis zu 1 600⁰C - widerstehen zu können, müssen die in der Stahlindustrie verwendeten Frischöfen mit feuerfestem Material wie Dolomit oder Magnesit ausgekleidet sein. Diese Auskleidungen sind anfänglich ziemlich dick - etwa 0,5 m -, sie werden jedoch im Verlaufe des Frischprozesses verbraucht. Um eine Beschädigung der Frischöfen auszuschlxessen, müssen diese zu erneuter Auskleidung stillgesetzt werden, bevor das Auskleidungsmaterial bis zu einer kritischen Dicke aufgebraucht ist, unterhalb deren die Gefahr eines Durchbrennens des tragenden Stahlmantels besteht. Eine solche Neuauskleidung ist sehr kostspielig, was sich teils aus den Kosten für die Neuauskleidung selbst und teils daraus ergibt, dass der betroffene Ofen eine Zeitlang ausser Betrieb ist. Es liegt daher auf der Hand, dass es nicht an Versuchen gefehlt hat, die Dicke der Auskleidung zu messen, um sie sicher unter Kontrolle zu haben, wenn der Ofen in Betrieb ist.

Eine Messmethode für diesen Zweck sollte folgende zwei Forderungen erfüllen:

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_ ο —

1) Kurze Messzeit und rasche Abschätzung der Messergebnisse, damit rechtzeitig Maßnahmen für eine Neuauskleidung getroffen werden können und

2) gute Messgenauigkeit, was in der Praxis bedeutet, dass die interessierende Auskleidungsdicke mit einer Genauigkeit von etwa 5 mm bestimmbar sein muss.

Weiter ist es wichtig, die Profilform der Auskleidung sowohl in axialer Richtung als auch entlang des Umfanges des Ofeninneren feststellen zu können. Dies ist deswegen von Bedeutung, weil es dann durch entsprechende Steuerung des Verfahrensablaufs möglich wird, einen gleichmässigeren Verschleiss der Auskleidung zu erreichen, was offensichtlich von wirtschaftlichem Vorteil ist.

Keine der bisher bekannten Messmethoden vermag nun beide oben aufgeführten Forderungen zu erfüllen. Eine visuelle Beobachtung beispielsweise ist schnell, aber sie liefert nur eine geringe Genauigkeit. Kittels Stereophotogrammetrie ist es möglich, eine Genauigkeit von vielleicht 30 bis 40 mm zu erreichen, aber die Methode ist langsam, und das Messergebnis liegt erst nach einem oder gar mehreren Tagen vor. Daher eignet sich diese Methode nicht für eine Betriebssteuerung und Betriebskontrolle.

Die Isotopenmethode setzt voraus, dass es möglich ist, durch die Analyse von Proben festzustellen, wieviel von einem Draht aufgelöst worden ist, der in radialer Richtung in die Auskleidung eingefügt ist und gute Radioaktivitätseigenschaften zeigt. Diese Methode führt zu guter Genauigkeit, sie setzt jedoch wie die eben zuvor behandelte Methode eine lange Auswertungszeit voraus und eignet sich daher mehr zur Eichung anderer Messmethoden.

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Eine gleichzeitig rasche und sichere Iiethode wäre es, die Entfernung von eineiu Punkt aussernalb des Ofens bis zu einem oder mehreren Punkten auf der Ofenauskleidung zu messen. Dies ist durchaus möglich, wenn man den Ofen zuvor abkühlen lässt, so dass sich herkömmliche Hessverfahren zur Entfernungsmessung anwenden lassen. Eine solche Abkühlung des Ofens ist jedoch sehr zeitraubend und damit kostspielig, und ausserdem verlangt die anschliessend erforderliche Wiederaufheizung des Ofens einen hohen Energieaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung zu schaffen, die eine rasche und genaue Dickenbestimmung für die Ofenauskleidung ermöglicht, ohne dass es dazu einer vorherigen Abkühlung des Ofens bedarf.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Strahlungsquelle zum Abstrahlen von modulierter Strahlung mit Mitteln zum Fokussieren dieser Strahlung auf den anzumessenden Punkt, einen Empfänger für die am anzumessenden Punkt reflektierte Strahlung mit einem optischen System, das im wesentlichen vom anzumessenden Punkt stammende Strahlung an einen Detektor im Empfänger abgibt, ein an die abgestrahlte Strahlung angepasstes optisches Filter und einen Phasenmesser zum Vergleichen der abgestrahlten und der empfangenen Strahlung in ihrer Phase als Maß für die gesuchte Entfernung.

Mit Hilfe der erfindungsgemäss ausgebildeten Messanordnung ist es möglich, Entfernungsmessungen durchzuführen, die sehr genau sind und die oben erwähnten Forderungen erfüllen. Diese Messungen erfolgen mit Hilfe eines ausserhalb des jeweiligen Ofens aufgestellten Messgeräts zu einem oder mehreren Punkten der Ofenauskleidung bei heissem Ofen.

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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind im einzelnen in Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäss ausgebildete Messanordnung in Form eines Gesamtschaltbildes und

Fig. 2 eine Einzelheit im optischen Aufbau der Messanordnung von Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Frischofen 1 im Querschnitt dargestellt, der aus einem Stahlmantel 2 besteht und innen mit einer Auskleidung 3 versehen ist, die beispielsweise aus Dolomit oder Magnesit bestehen kann. Die Vorderseite des Ofens 1 ist in der Darstellung in Fig. 1 mit 15 bezeichnet.

Gemäss Fig. 1 soll die Entfernung eines Punktes 4 der Auskleidung 3 mit Hilfe eines elektrooptischen Entfernungsmessers bestimmt werden, der einen Strahl 5 zu diesem Punkt 4 emittiert und nach dessen Reflexion am Punkte 4 einen Strahl 6 empfängt.

Der dargestellte elektrooptische Entfernungsmesser enthält in seinem Sendeteil eine Strahlungsquelle 7, von der monochromatisches und moduliertes Licht in Form des Strahles 5 ausgeht. Die Modulation dieses Lichts erfolgt mit einer Frequenz, die eine ausreichende Auflösung für die Entfernungsmessung gewährleistet. Im dargestellten Falle ist die Strahlungsquelle 7 ein Laser, der Strahlung mit einer Wellenlänge aussendet, die sich einerseits von der Wellenlänge unterscheidet, bei der die Ofenstrahlung pro Bandbreite ihr Maximum hat, um ein günstiges Signal/Rausch-Verhältnis zu erhalten, und die anderseits innerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, für den die verwendeten Photodetektoren empfindlich sind. Weiter ist die Strahlungsquelle 7 mit einer Fokussierungseinrichtung zum Fokussieren des Strahls .5 auf den Punkt 4 versehen. Nach Re-

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flexion am Punkte 4 wird die Strahlung in Fom des Strahles 6 zu einem Empfänger S umgelenkt, der einen Detektor 24 (Fig. 2) enthält.

Im Empfänger 8 wird die Ctralilungsmodulation in ein elektrisches Signal umgesetzt, das einem Verstärker 9 zugeführt wird. Auf den Verstärker 9 folgt ein Frequenzumsetzer 10, der das empfangene Signal in seiner Frequenz umwandelt. Das dazu nötige Hilfssignal bezieht der Frequenzumsetzer aus einem Signalgenerator 11, dessen Ausgangssignal eine Frequenz aufweist, die im allgemeinen ziemlich nalie bei der Modulationsfrequenz für das empfangene Signal liegt, so dass sich nach Filterung am Ausgang des Frequenzumsetzer 10 ein Signal mit vergleichsweise niedriger Frequenz ergibt.

Dieses niederfrequente Signal enthält Phaseninformation für das empfangene Signal, und daher kann eine Phasenmessung an diesem Signal ebenso gut vorgenommen werden wie an dem hochfrequenten empfangenen Signal selbst. Die Technik der I'requenzumsetzung für das Empfangssignal bei einem elektrooptisehen Entfernungsmesser und ihre Vorteile sind bekannt und allgemein in Anwendung, so dass es hierfür an dieser Stelle keiner ins einzelne gehenden Beschreibung bedarf. Ervahnt sei lediglich, dass das Ausgangssignal aus dem Frequenzumsetzer 10 einem Komparator 13 zugeführt wird, in dem es mit einem gleichfrequenten Signal verglichen wird, das mit Hilfe des Signalgenerators 11 und eines v/eiteren Frequenzumsetzers 12 aus der fiodulation der ausgesandten Strahlung abgeleitet wird.

Das Ergebnis dieses Phasenvergleichs im Komparator 13 wird dann über eine Ausgangsstufe 14 unter manueller oder automatischer Abnahme einem Rechner mit drei Rechnerstufen 31, 32 und

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33 zur weiteren Auswertung zugeführt. Insgesamt bilden der Verstärker 9, die Frequenzumsetzer 10 und 12, der Signalgenerator 11, der Komparator 13 und die Ausgangsstufe 14 einen Phasenmesser, dessen Ausgangssignal ein Maß für die gesuchte Entfernung zum angemessenen Punkt 4 auf der Auskleidung 3 des Ofens 1 darstellt.

Der in Fig. 1 in Form der Blöcke 7 bis 13 schematisch dargestellte Entfernungsmesser besteht abgesehen von den speziellen Eigenschaften des Lichtsenders, wie sie oben erwähnt sind, und von den Besonderheiten des Empfängers, die unten in Verbindung mit der Darstellung in Fig. 2 noch im einzelnen erläutert werden sollen, im wesentlichen aus einem schon bekannten Gerät, so dass auf eine detaillierte Beschreibung seiner Arbeitsweise hier verzichtet werden kann.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispxel ist für den Phasenvergleich eine Frequenzumsetzung zu niederen Frequenzen vorgesehen; im Sinne der Erfindung sind aber ohne weiteres auch Geräte ohne eine solche Frequenzumsetzung brauchbar. Als Beispiel für ein solches Gerät kann etwa das in der US-PS 3 779 645 beschriebene genannt werden. Auch in diesem Falle müssen der Sender und der Empfänger natürlich in Entsprechung zur vorliegenden Erfindung abgewandelt werden.

Beim Einsatz der handelsüblichen elektrooptischen Entfernungsmesser wird stets mit einem am fernen Ende der Messtrecke aufgestellten Reflektor gearbeitet. Dieser Reflektor besteht üblicherweise aus reflektierendem Band, einem Spiegel oder speziellen Reflexionsprismen. Bei Messungen in einem heissen Ofen versteht es sich von selbst, dass Reflektoren nicht verwendet werden können. Hier wird der Umstand ausgenutzt, dass die vom Gerät emittierte Strahlung an der Innenwand des Ofens

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reflektiert wird. Die im Handel erhältlichen Geräte können jedoch nicht scharf genug zwischen der emittierten Strahlung aus dem Gerät und der Eigenstrahlung aus dem jeweiligen Ofen selbst unterscheiden, um eine hohe Genauigkeit zu erzielen.

Die erfindungsgemäss ausgebildete Messanordnung ist so aufgebaut, dass auf der einen Seite der Senderteil bestimmte Forderungen erfüllt und dass auf der anderen Seite der Empfängerteil angepasst und modifiziert ist, wie dies nachstehend in Verbindung mit Fig. 2 im einzelnen beschrieben ist.

Die Forderungen an den Senderteil sind oben in Verbindung mit Fig. 1 behandelt worden. Der Empfängerteil der dargestellten Messanordnung enthält ein Linsensystem 21 (Fig. 2), hinter dem ein optisches Filter 22 angeordnet ist. Dieses Filter 22 ist an die von der Strahlungsquelle 7 emittierte Strahlung angepasst und seine Bandbreite ist so gering, wie dies mit Rücksicht auf die zu erwartenden Variationen nur möglich ist. Ausserdem ist im Empfängerteil eine Blende 23 vorgesehen, die dafür sorgt, dass der hinter ihr angeordnete Detektor 24 im wesentlichen von senderseitig abgestrahlter und reflektierter Strahlung getroffen wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Blende 23 verhindert soweit wie irgend möglich ein Auftreffen von Eigenstrahlung aus dem Ofen 1 auf den Detektor 24.

Das Filter 22 kann beispielsweise eine Bandbreite von etwa 2 mn haben und ein sogenanntes Interferenzfilter sein, bei dem die Filterwirkung dadurch erzielt wird, dass die einfallende Strahlung durch eine Anzahl von transparenten Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex hindurchgeht. Die Dicke dieser transparenten Schichten ist dabei eine Funktion der gewünschten Sentralwellenlänge und der gewünschten Bandbreite, Mit Rücksicht auf die temperaturbedingte Verschiebung der Zen-

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tralwellenlänge kann die Bandbreite des Filters 22 nicht wesentlich kleiner gemacht werden als die oben erwähnten 2 nrn, wenn das Filter 22 nicht auf konstanter Temperatur gehalten wird.

Kie bereits oben erwähnt erfolgt die Messung geradewegs in den heissen Ofen hinein, und es kann hiermit angemerkt werden, dass ein liessabstand von 20 m normal ist. Dadurch wird die Kessanordnung durch die vom Ofen ausgehende Wärmestrahlung beeinflusst, was es schwierig macht, Filter mit kleiner Bandbreite zu verwenden.

Durch Kombination eines Interferenzfilters der vorerwähnten Art mit einem socjenannten Fabry-Perot-Filter, dessen Zentralwellenlänge sich nit Hilfe des piezoelektrischen Effekts abstimmbar machen lässt, kann die Bandbreite auf eine wenige Hunderstel nia vermindert werden. Dies ermöglicht es, das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern und/oder Kessungen bei höheren Temperaturen durchzuführen, als dies mit den vorerwähnten Filtern möglich ist.

Um das Signal/Rausch-Verhältnis zu berechnen, ist es erforderlich, bestimmte Annahmen hinsichtlich der Eigenschaften der Ofenoberfläche zu machen, an der. die Messungen vorgenommen werden sollen. Wenn angenommen wird, dass für ein bestimmtes Material der Emissionsfaktor des Ofens konstant ist und sich damit für die Bestimmung der Temperaturabhängigkext der Strahlung innerhalb des verwendeten schmalen Wellenlängenbereichs die Planck'sehe Formel verwenden lässt, wenn weiter angenommen wird, dass die Strahlung dem Lambert¹sehen Gesetz folgt, d.h. dass die Intensität so lange konstant bleibt, wie die Projektion der strahlenden Fläche in der Ilessrichtung konstant ist, und wenn schliesslich angenommen wird, dass die Oberfläche voll-

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ständig diffus reflektiert, so wird, da ja die vom Laser beleuchtete Oberfläche auch eine konstante Projektion hat, das Signal/Rausch-Verhültnis bcstiiumt durch verschiedene Konstante multipliziert mit der vom Empfänger aufgefangenen reflektierten Strahlung geteilt durch den Einfluss der Strahlung, die von dem Teil des Ofens in Richtung des Empfängers abgestrahlt wird, der an der Blende irn Empfänger abgebildet wird. Dazu kann bemerkt v/erden, dass die Blendenapertur im Empfänger in der Grosse von 0,25 nun liegen kann.

weiter sei angenommen, dass mit einem Keliur.i/Heon-Laser gearbeitet wird, der Licht nit einer Wellenlänge von 532,8 nm abstrahlt. Nunmehr kann der von einem schwarzen Strahler ausgehende Effekt für verschiedene Tempera türen creraessen werden:

527

727

1227

1727

V;/m² , sr und Bandbreite in μ

■', r- f*·

ο υ υ 1000 1ϋ00 2000

	1	■·3	υ
	. 1
3	. 1	*.-2* ν
3

1,5 . 10

v/obei sr für Sttradiant (r.aunwinkel) steht.

Bei einer Temperatur von 1200⁰C liegt dor effekt einen schwarzen Strahlers entsprechend der obigen Tabelle bei etwa 150 Y/if , sr, Bandbreite in μ. ".⁷cnn die .bandbreite dos Filters 2 ma = 2 . 1ü """μ betragt, der Abstand der Jlessanordnung von Ofen bei 10 m liegt und die Eintrittsapertur der Messoptik

2 —3

0,06 . ff"/4 = 2,3 . 10 m² misst, dann berechnet sich der

—3 2 —5

effektive Raurawinkel zu 2,3 . 10 /10" =0,37 . 10 sr.

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Die auf die ülaiide ir. Empfänger projizierte Oberfläche ergibt sich nit einer Apertur von 0,25 rom und einer Drennweite f = 0,4 η zu : I" (~~- . 0,00025)² = IG'"⁴ m² . Der vom Ofen selbst ausgehende Effekt innerhalb des Fassbandes für das Tilter ist dann: £ · 15C . 10~⁴ . 0,37 . 1C~^b . 2 . 10~³ = £ . 2,ü . 10 V, lait £< 1, vrobei ζ das Emissionsvermögen des Ofens ist.

Für die abgestrahlte Laserleistung sei ein Wert von 250 μι/

angenommen. Bei einem Modulationsgrad von 40 % ergibt sich

-4 daraus ein i-les signal mit einer Leistung von 100 μΐ'ί =10 M. Yienn die Ofenoberfläche vollkommen diffus reflektiert, wird diese Leistung über einen Raumwinkel 2 ti" verteilt, woraus sich für das von der Messanordnung wieder empfangene Strahlungssignal eine Leistung von:

J) . 10""⁴ . ^φ^ . 10"⁵ VJ = -n .1,4. 10~¹⁰ U

berechnet, wobei "? ein i·'iaterialfaktor ist, der durch die Kgflexions- und Diffusionseigenschaften der jev/eiligen Ofenauskleidung bestimr.vt wird.

Oben ist angenohiiaen v/orden, dass der Laser zun Heliura/Lleon-Typ gehört. Ein solcher Laser ist unter dem Gesichtspunkt der abgestrahlten Wellenlänge für Ziessungen bei hohen Temperaturen nicht optimal; ein VTechsel zu Lasern mit kurzwelliger Strahlung ist jedoch aus den nachstehend aufgeführten Gründen schwierig.

Ein HeCd-Laser liefert eine Ausgangsleistung von etwa 10 mW mit einer Wellenlänge von 442 nm, was bei 1500⁰C im Vergleich zu einem HeNe-Laser eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses um mehr als das Hundertfache bringen würde. Jedoch

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ist ein HeCd-Laser viel grosser, und er hat auch einen höheren Energieverbrauch. Ausserdera ist die Lebensdauer der HeCd-Laser erheblich kürzer als die der HeBe-Laser. Unter dem Gesichtspunkt der abgestrahlten Wellenlänge lassen sich auch Argonlaser verwenden, auch sie weisen jedoch die Nachteile der HeCd-Laser auf.

Wenn Messungen im Ofeninneren ohne die Mithilfe eines Reflektors möglich sein sollen, dann ist es erforderlich, dass die emittierte Strahlung auf eine sehr kleine Stelle der Ofenauskleidung fokussiert werden kann.

Es sind elektrooptische Entfernungsmesser bekannt, die auf einem Theodoliten angeordnet sind. Dieser Theodolit dient dann zur Bestimmung der Richtung zum anzumessenden Punkt. Jedoch ist es dabei erforderlich, die Parallaxe eines solchen Geräts zu kompensieren, um grössere Genauigkeit zu erreichen.

Die Darstellung in Fig. 1 zeigt eine llebeneinanderanordnung von Senderteil und Empfängerteil der Messanordnung. Unter dem Gesichtspunkt der Parallaxe ist es jedoch zv/eckmässiger, wenn die Strahlung koaxial emittiert und empfangen wird.

Der dargestellte elektrooptische Entfernungsmesser, der auch die Messung der Horizontal- und Vertikalrichtung zulässt, wird vor dem Ofen angeordnet, in dem die Messung erfolgen soll. Dieser Ofen darf dann zwar keinen Stahl mehr enthalten, er muss also leer sein, er braucht aber nicht heruntergekühlt zu v/erden. Für die Messung wird der Ofen so gekippt, dass seine Öffnung auf die Messanordnung zu zeigt.

Es können dann ein oder mehrere Punkte auf der Innenseite des Ofens angemessen werden. Die erhaltenen Messwerte werden

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einen Elektronenrechner zugeführt, der nit TIiIfe von Daten über Horizontal- und Vertikalrichtung, die Lntfemung zu den angemessenen Pun]-;ten und in manchen Fällen auch Laten für einen oder mehrere Bezugspunkte, die Lage der Ilesspunkte und die Dicke uer Ofenauskleidung an diesen -losspunkten bestimmt.

Die nächste I'essung wird vorgenor.ir-.en, vrenri der Ofen eine Zeit lang in betrieb gewesen ist. Zs ist cuibei sweckmässig, \;ioderu:"'i die gleichen :-icsspunJzte zu wühlen wie für die erste Lessung.

Aus den Dateji beider Jlessunren Hisst sich die Veränderung., in der Dicke der Ofenauskleidung ermitteln.

Die charakteristischen Merkmale der vorliegenden Erfindung schaffen die notwendigen Voraussetzungen, um Entfernungsmessungen lait der verlangten hohen Genauigkeit und Sicherheit vornehmen su können. Ungeachtet der hohen Jligenstrahluny des Ofens selbst lassen sich die i-'essungen mit der erfindungsgemäss ausgebildeten /lessanordiiunc- iviit arosser Genauiakeit ausfahren.

Patentansprüche:

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Claims

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1. liessanordnuncf zu;ι iicstirarnen der ί.-ntfernunc zu einer: I/unkt auf eier Innenwand eines Ofens mit einer "3Vi iperatur von v/caignt 50Q⁰C, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (7) sun Abstrahlen von moduliarter itrahlung mit .".ittcln r.xvui Fokussieren dieser Strahlung auf den anzumessenden Punkt (4), einen Lrripi_t"ii ger (S) für die aia anzumessenden Punkt (4) reflektierte Strahlung mit einem optischen ί System (21, 23), das in wesentlichen vom anzumessenden Punkt (4) starmnenöe Strahlung an einen Detektor (24) im i"npfänc;er (3) abgibt, ein an die abgestrahlte Strahlung angepasstes optisches Filter (22) und cjinen Phasennesser (9 bis 14) zum Vergleichen der abgestrahlten und eier empfangenen Strahlung in ihrer Phase als JIa]J für die gesuchte Entfernung.

2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (7) ein Laser ist und das optische j/ilter

(22) eine 3andbreite von etwa 2 nm aufweist.

3. Messanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Helium/.,'eon-Laser ist.

4. Messanordnung nach einar.i der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (22) ein Interferenzfilter und ein Fabry-Perot-Filter aufweist.

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