DE3321287C2

DE3321287C2 -

Info

Publication number: DE3321287C2
Application number: DE3321287A
Authority: DE
Inventors: Koji Inazaki; Takashi Muroran Hokkaido Jp Nangai; Yasutomo Fujimori; Hiroichi Yokohama Kanagawa Jp Kimura
Original assignee: Toshiba Corp; Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1982-06-14
Filing date: 1983-06-13
Publication date: 1988-06-01
Also published as: DE3321287A1; US4588297A; KR840005210A; KR870000478B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausmessen des Oberflächenprofils der Charge eines Hochofens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem Hochofen werden Koks und Eisenerz alternierend von der Spitze des Hochofens eingefüllt. Deshalb nimmt die Oberfläche der Chargen im Hochofen im allgemeinen eine konkave Form an. Das Profil der Oberfläche ist sehr wichtig für den Heizstoffverbrauch des Hochofens. Dies ist angesichts der Notwendigkeit der Einsparung von Rohstoffen besonders bedeutsam.

Zur Kontrolle des Oberflächenprofils zur Erzielung optimalen Brennstoffverbrauches ist eine präzise Messung erforderlich. Bei derartigen Messungen ist wegen den extrem hohen Temperaturen und Drücken innerhalb des Hochofens eine Fernbedienung bzw. -steuerung erforderlich.

Aus der DE-OS 28 47 604 ist ein optisches Oberflächenprofil-Meßgerät zum Ausmessen des Oberflächenprofils der Charge eines Hochofens unter Verwendung von Laserstrahlen bekannt. Das Profilmeßgerät weist einen Lichtemitter bzw. Lichtsender und einen Lichtempfänger auf. Der Lichtemitter strahlt Laserstrahlen auf die Oberflächen der Charge im Hochofen auf, und der Lichtempfänger empfängt die von der Oberfläche der Charge reflektierten Laserstrahlen. Das Oberflächenprofil der Charge wird aus den Lichtemissionswinkeln bzw. Projektionswinkeln und den Lichtempfangswinkeln bzw. Rezeptionswinkeln durch Triangulierung oder Dreiecksaufnahme bestimmt.

Das bekannte Profilmeßgerät verwendet einen Lichtempfänger mit großem Sichtfeld oder Blickfeld. Aufgrund der Verwendung eines Lichtempfängers mit großem Sichtfeld ist kein beweglicher Empfänger erforderlich, da der Empfänger reflektierte Lichtstrahlen über einen großen Bereich von Reflexionswinkeln empfangen kann, während er in einer Position fest angeordnet ist. Der bekannte Empfänger muß somit Änderungen in den Reflexionswinkeln des reflektierten Lichtstrahles nicht folgen bzw. muß diesen nicht nachlaufen oder nachgesteuert werden. Dies ist wichtig hinsichtlich der technischen Schwierigkeiten beim Erzielen eines exakten und einfachen Nachlaufens ("tracking").

Ein Lichtempfänger mit großem Sichtfeld weist jedoch den Nachteil einer geringen Auflösung auf. Die geringe Auflösung macht präzise Messungen des Oberflächenprofils einer Charge in einem Hochofen nahezu unmöglich. Wenn beispielsweise das Auflösungsvermögen pro Sichtfeld-Einheit eines Lichtempfängers mit großem Feld 1/100 des gesamten Feldes beträgt, beträgt das gesamte Auflösungsvermögen nur 1/100 des gesamten Feldes.

Wenn im Gegensatz dazu das Auflösungsvermögen pro Sichtfeld- Einheit eines Empfängers mit kleinem Sichtfeld 1/100 des gesamten Feldes beträgt, beträgt das gesamte Auflösungsvermögen unter der Annahme, daß seine Sichtfeld-Einheit 1/10 des gesamten Feldes beträgt, 1/1000 des gesamten Feldes.

Wenn deshalb ein hohes Auflösungsvermögen erforderlich ist, beispielsweise wenn das Oberflächenprofil der Charge eines Hochofens sehr präzise gemessen werden soll, sollte ein Lichtempfänger mit kleinem Sichtfeld verwendet werden. Ein derartiger Empfänger muß jedoch angepaßt an die Änderung der Reflexionswinkel der von der Oberfläche der Charge reflektierten Lichtstrahlen beweglich gemacht werden, was technisch schwierig ist.

Aus der US-PS 42 26 536 ist ein Verfahren zum Ausmessen des Oberflächenprofils eines Objekts, insbesondere des Rotorblattes eines Hubschraubers, mittels eines zur Winkelnachführung geeigneten optischen Detektors mit einem Lichtempfänger mit kleinem Sichtfeld bekannt. Die Messung erfolgt dabei durch Triangulation. Die Lichtquelle und der nachgeführte Detektor tasten das Oberflächenprofil schrittweise ab, wobei in jeder Stellung der Lichtquelle der Detektor so lange nachgeführt wird, bis das von dem zu messenden Punkt der Oberfläche reflektierte Licht in den Mittelpunkt des Sichtfeldes des Detektors fällt. Hierzu wird das symmetrische Intensitätsprofil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls am Ort des Detektors herangezogen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Profilmeßverfahren bereitzustellen, mit dem eine rasche und exakte Messung des Oberflächenprofils der Charge eines Hochofens möglich ist und der Lichtempfänger beim Nachführen bzw. beim "tracking" nicht auf jeden Meßpunkt neu ausgerichtet werden muß.

Diese Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt einen ersten Verfahrensschritt zum Ermitteln eines ersten Punktes auf der Oberfläche der Charge, einen zweiten Verfahrensschritt zum Ermitteln eines in der Nähe des ermittelten ersten Punktes auf der Oberfläche der Charge angeordneten zweiten Punktes mittels eines Hilfspunktes und einen dritten Verfahrensschritt zum aufeinanderfolgenden Ermitteln von n nachfolgenden Punkten auf der Oberfläche der Charge durch Wiederholen des zweiten Verfahrensschrittes, wobei n eine positive ganze Zahl größer 2 ist, beispielsweise n = 20.

Der erste Verfahrensschritt umfaßt folgende Teilschritte: Emittieren eines gepulverten Laserstrahles aus einer vorherbestimmten Lichtemissionsposition oder Sendeposition, unter einem Lichtemissionswinkel α₁ auf einen Punkt auf der Oberfläche der Charge, Ermitteln eines Lichtempfangswinkels β₁ des Laserstrahles, der an dem vorstehenden Punkt der Oberfläche der Charge reflektiert ist und der auf die Mitte des kleinen Sichtfeldes des Lichtempfängers fokussiert wird zur Ausbildung eines Lichtfleckes oder einer Abbildung an einer bestimmten, in einem Abstand L von der Lichtemissionsposition angeordneten Lichtempfangsposition, wobei der Empfänger einer Winkelbewegung unterworfen wird, und Ermitteln des vorstehenden Punktes als bekannter erster Punkt durch Triangulierung oder Dreiecksaufnahme aus den beiden Winkeln α₁ und β₁ und dem Abstand L.

Der zweite Verfahrensschritt weist folgende Teilschritte auf: Ändern des Lichtemissionswinkels um einen kleinen Winkel auf den Winkel α₂, so daß der Laserstrahl auf einen auf der Oberfläche der Charge in der Nähe des ersten Punktes angeordneten zweiten Punkt auftrifft, ermitteln der Abweichung des auf dem Lichtempfänger ausgebildeten Lichtfleckes bzw. der Abbildung des am zweiten Punkt reflektierten Laserstrahles von der Mitte des Sichtfeldes, wo der Lichtfleck oder die Abbildung des am ersten Punkt reflektierten Lichtstrahles ausgebildet ist, Ermitteln des Lichtempfangswinkels β₂ des am vorstehenden zweiten Punkt auf der Oberfläche der Charge reflektierten Laserstrahles in einer bestimmten Lichtempfangsposition aufgrund der Abweichung, Ermitteln des vorstehenden zweiten Punktes als bekannter zweiter Punkt durch Triangulierung aus den beiden Winkeln α₂ und β₂ und dem Abstand L, und Bewegen des Lichtempfängers um einen kleinen Winkel Δβ = (β₂-β₁), so daß der Lichtfleck des am zweiten Punkt reflektierten Lichtstrahles in die Mitte des Sichtfeldes des Lichtempfängers wandert.

Im nachfolgenden dritten Verfahrensschritt wird der Lichtemissionswinkel jeweils um einen kleinen Winkel variiert bzw. geändert.

Beim zweiten Verfahrensschritt wird dabei der zweite Punkt vorläufig und zeitweilig als identisch mit einem Hilfspunkt angenommen oder bestimmt, der vom ersten Punkt um einen bestimmten kleinen Abstand in horizontaler und/oder vertikaler Richtung entfernt angeordnet ist, so daß der Lichtempfangswinkel des an dem Hilfspunkt reflektierten Lichtstrahles vorläufig erhalten werden kann. Nachdem der Lichtempfangswinkel auf den Winkel α₂ geändert worden ist, wird im zweiten Verfahrensschritt der Lichtempfänger um einen kleinen Winkel Δβ′ bewegt, so daß der Empfangswinkel nunmehr β₂′ ist. Der Lichtfleck oder die Abbildung eines an dem Hilfspunkt reflektierten Lichtstrahles würde nunmehr in die Mitte des Sichtfeldes wandern, wenn der Empfangswinkel β₂′ ist. Der zweite Punkt kann dann aus der Abweichung des auf dem Lichtempfänger ausgebildeten Lichtfleckes oder der Abbildung des vom zweiten Punkt reflektierten Strahles von der Mitte des Sichtfeldes des Empfängers ermittelt werden.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Hochofens, in der das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Profiles der Oberfläche seiner Charge oder Beschickung dargestellt ist,

Fig. 2 eine teilweise gebrochene perspektivische Ansicht der tatsächlichen Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm eines in Fig. 2 dargestellten Lichtsenders oder -übertragers,

Fig. 4 ein Diagramm eines in Fig. 2 dargestellten Lichtempfängers,

Fig. 5 eine schematische Ansicht des Prinzips der Triangulierung oder Dreiecksaufnahme,

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Nachsteuerungs-Verfahrens eines Lichtempfängers gemäß der Bewegung der von der Oberfläche der Charge im Hochofen reflektierten Lichtstrahlen,

Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6, in der das Blickfeld oder Sichtfeld eines Lichtempfängers dargestellt ist,

Fig. 8 eine schematische Ansicht zur Erläuterung, wie ein Lichtempfangswinkel oder Einstrahlwinkel eines reflektierten Strahles erhalten wird durch die Abweichung oder Ablenkung eines Strahlpunktes des reflektierten Strahles vom Mittelpunkt des Sichtfeldes.

Fig. 9 und 10 schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Nachsteuerungs- Verfahrens des Lichtempfängers,

Fig. 11 die Photographie eines experimentellen Ergebnisses eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einem Monitor dargestellten Oberflächenprofiles.

In den Fig. 1 und 2 ist die schematische Ansicht des Oberteiles eines Hochofens 10 dargestellt, an dem die Erfindung angewandt wird.

Koks und Eisenerz werden alternierend in den Hochofen 10 eingefüllt, wodurch sich eine konkave Oberfläche der Charge 12 ausbildet.

Das Profil der Oberfläche der Charge 12 weist nicht notwendigerweise eine derartige konkave Form auf und kann beispielsweise auch M-förmig oder dergleichen sein. Der Bauch oder Hauptteil des Ofens besteht aus einer eisernen Ofenwand 11 und in der Außenwand 11 vorgesehenen Feuersteinen oder -ziegeln 15. Der obere Abschnitt 13 der Ofenwand 11 ist konisch. Im geneigten oberen Abschnitt 13 sind diametral gegenüberliegende Lichtemissionsfenster 14 und Lichtempfangsfenster 16 angeordnet. Die gegenüberliegenden Fenster 14 und 16 sind derart angeordnet, daß der Abstand zwischen ihnen in Horizontalrichtung L beträgt (Fig. 1).

Außerhalb des Hochofens 10 ist ein Lichtsender 50 mit einer als Lichtquelle dienenden Riesenimpuls-Laseranordnung 51 vorgesehen, die beispielsweise ein Riesenimpulse erzeugender Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (YAG-Laser) sein kann.

Wie in Fig. 2 dargestellt, weist der Sender 50 auch einen Laseroszillator 53 und einen Sendescanner 55 oder -abtaster auf. Der Laseroszillator 53 und der Sendescanner 55 können in einer Einheit zusammengefaßt sein.

Der Laserstrahl 17 wird über eine Spiegel- und Linsenanordnung (Kollimator) 57 (Fig. 3) in den Scanner 55 übertragen. Der Scanner verwendet beispielsweise ein rotierendes Prisma 19. Der Laserstrahl wird vom Prisma total reflektiert, und wird über das Fenster 14 in den Hochofen übertragen. Der Scanner wird mittels Fernsteuerung von einem Schrittmotor 59 angetrieben und tastet die Oberfläche der Charge 12 vollständig ab; sein Winkel wird von einer (nicht dargestellten) Rotations-Codiereinrichtung ermittelt.

Ein optischer Detektor 70 weist einen Empfangsscanner oder -abtaster 71, ein Empfangsteleskop oder -fernrohr 80 und einen Signalwandler 75 auf. Der Scanner 71 und das Teleskop 80 sind in einer Einheit zusammengefaßt und in der Nähe des Fensters 16 angeordnet. Der Detektor 70 ist in Fig. 4 dargestellt.

Der Scanner 71 ist beispielsweise ein mit Aluminium beschichteter Spiegel, der von einem Schrittmotor 79 gedreht werden kann. Das Sichtfeld des Lichtempfängers des Detektors 70 beträgt beispielsweise etwa 5,5°, aber der Detektor deckt aufgrund der Rotation des Scanners die gesamte Oberfläche der Charge 12 in einer Ebene ab.

In der Bildebene 77 des Teleskops 80 ist ein optisches Faserbündel 76 angeordnet, das Licht zum Signalwandler 75 überträgt. Das Faserbündel ist beispielsweise in 32 Kanäle unterteilt.

Der Signalwandler 75 weist beispielsweise 32 Photovervielfacher auf, die beispielsweise hochempfindliche Photodetektoren sind, und 32 Kanäle eines sehr schnellen Analog-Digital-Wandlers (A/D-Wandler).

Die den Photovervielfachern zugeführte Hochspannung wird von einer System-Regeleinrichtung 90 kontrolliert. Das Ausgangssignal der Photovervielfacher wird verstärkt und vom A/D- Wandler von einem Analogsignal in ein Digitalsignal umgewandelt.

Anders ausgedrückt ist der Empfänger ein linearer Feld- Empfänger (Dipolreihen-Empfänger) mit 32 Kanälen und sehr hoher Empfindlichkeit.

Die System-Regeleinrichtung 90 weist einen Minicomputer 93 und eine Kathodenstrahlrohr-(CRT-)Anzeige 91 auf. Der Minicomputer 93 steuert den Sender und den Empfänger und führt die Berechnung des Profiles durch. Die CRT-Anzeige 91 stellt das gemessene Ergebnis graphisch dar. Wenn ein scharfgebündelter Laserstrahl vom Sender in der Sendeposition A durch das Fenster 14 auf die Oberfläche der Charge 12 projiziert wird, fängt der auf der anderen Seite in einer den Durchmesser des Ofens einschließenden senkrechten Ebene angeordnete Empfänger den Lichtpunkt auf der Oberfläche der Charge 12 in der Empfangsposition B auf, wie in Fig. 5 dargestellt. Der Lichtemissionswinkel des durch das Lichtübertragungsfenster 14 auf die Oberfläche der Charge 12 auftreffenden Lichtes bezüglich der Horizontalrichtung beträgt α, und der Lichtempfangswinkel des von der Oberfläche in das Fenster 16 reflektierten Lichtes bezüglich der Horizontalrichtung beträgt β. Wenn der Lichtempfänger eine korrekte Winkelposition einnimmt, in der der Lichtstrahl unter dem Winkel β in den Mittelpunkt des Sichtfeldes fällt, wird ein Lichtfleck des Einfallspunktes auf der Oberfläche der Charge 12 auf den Mittelpunkt des Sichtfeldes, d. h. auf den Mittelpunkt 78 (vgl. Fig. 4) des Feldes der optischen Fasern fokussiert und abgebildet. Wenn die Lichtemissions- und Lichtempfangswinkel α und β in der Lichtemissions- oder Sendeposition A und der Lichtempfangsposition B und der Abstand L zwischen den beiden Positionen A und B bekannt sind, kann der Einfallspunkt P auf der Oberfläche der Charge 12 durch Triangulierung erhalten werden.

In diesem Fall wird der Ort des bestrahlten Punktes P unter Verwendung der nachstehenden Gleichungen berechnet:

mit

α:Projektionswinkel (Lichtemissionswinkel) [rad]β:Projektionswinkel (Lichtemissionswinkel) [rad]L:Abstand zwischen den beiden Positionen A und B [m]H:Vertikaler Abstand von einer die Positionen A und B verbindenden horizontalen Linie [m]R:Radialer Abstand vom Mittelpunkt des Hochofens [m].

Durch sukzessives Ändern des Winkels α des durch das Lichtübertragungsfenster 14 einfallenden Lichtes kann das Profil der Oberfläche der Charge 12 in ähnlicher Weise durch Triangulierung ermittelt werden.

Wie vorstehend erläutert, wurde früher ein Lichtempfänger mit einem großen Sichtfeld verwendet. In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung mußte das Sichtfeld den Durchmesser des Hochofens 10 abdecken, da der optische Detektor unbeweglich war. Der Durchmesser des Hochofens 10 beträgt üblicherweise beispielsweise etwa 6500 mm. Dementsprechend beträgt, wenn die Auflösung des Lichtempfängers 1/100 ist, die Grenze der Auflösung auf einer horizontalen Linie 65 mm, was nicht ausreichend ist. Andererseits beträgt, wenn erfindungsgemäß ein Empfänger mit kleinem Sichtfeld verwendet wird, wenn beispielsweise das Sichtfeld des Empfängers 1/10 des Durchmessers des Hochofens beträgt, das kleine Sichtfeld 650 mm. Wenn die Auflösung 1/100 ist, ist die Grenze der Auflösung auf einer horizontalen Linie 6,5 mm, also viel höher als bei bekannten Verfahren.

Die Verwendung eines Empfängers mit kleinem Sichtfeld weist viele weitere Vorteile auf. Im Falle eines großen Sichtfeldes muß eine große Anzahl von Signalen verarbeitet werden, um von dem vom Empfänger empfangenen Licht das tatsächlich erwünschte Licht zu abstrahieren oder zu selektieren. Bei einem kleinen Sichtfeld ist die Anzahl der zu verarbeitenden Signale beträchtlich kleiner. Deshalb ist im Hinblick auf die Signalverarbeitung ein kleines Gesichtsfeld vorteilhafter. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn Korrelationsverfahren erforderlich sind. In diesem Fall ist ein kleines Sichtfeld von beträchtlichem Vorteil, da die Anzahl der zu verarbeitenden Signale proportional zum Quadrat der Größe des Sichtfeldes zunimmt.

Zudem neigt der optische Detektor bzw. Empfänger im Falle eines großen Sichtfeldes dazu, gesteuerte starke Laserstrahlen innerhalb des Sichtfeldes zu empfangen oder einzufangen. Entsprechend ist es erforderlich, den dynamischen Bereich des optischen Detektors 18 groß zu machen, oder die Stärke der Signale der tatsächlich irregulär reflektierten Lichtstrahlen 17 a relativ zu derjenigen von Signalen der gestreuten Lichtstrahlen wird klein, was zu einem kleineren Signal/ Untergrund-Verhältnis (S/N-Verhältnis) führt.

Zudem muß ein großes Sichtfeld die gesamte Oberfläche der Charge 12 abdecken. Es ist jedoch sehr schwierig, über das gesamte Feld gemeinsam eine Fokussierung durchzuführen. Im Gegensatz dazu kann bei einem kleinen Sichtfeld das Fokussieren für jedes individuelle Feld durchgeführt werden, selbst wenn eine hochempfindliche Linse mit einer Blendenzahl oder Lichtstärke von beispielsweise 2 verwendet wird. Entsprechend kann der optimale Fokus für jedes erreicht werden.

Wie vorstehend erläutert, ist der Einsatz eines optischen Detektors, wie Lichtempfängers, mit einem kleinen Sichtfeld sehr vorteilhaft. Wie vorstehend ebenfalls erläutert, ist jedoch das Nachsteuerungs- oder "tracking"-Verfahren technisch schwierig. Nachstehend wird das erfindungsgemäße Nachsteuerungs- Verfahren (Winkelnachführung) für den optischen Detektor erläutert.

Wie vorstehend erläutert, kann durch Bewegen des Scanners 19 der Laserstrahl 17 unter jedem beliebigen Lichtemissionswinkel α, beispielsweise α = 90°, durch das Fenster 14 auf die Oberfläche der Charge 12 zum Einfall gebracht werden. Zur näheren Erläuterung soll angenommen werden, daß der Laserstrahl mittels des Scanners 19, der um den in Fig. 5 dargestellten Punkt A rotieren kann, auf die Oberfläche der Charge 12 auftritt, und daß der Lichtempfänger 70 ein kleines Sichtfeld aufweist und um den Punkt B rotieren kann, so daß eine Winkelbewegung oder "tracking" beispielsweise mittels eines Schrittmotors durchgeführt werden kann. Die Winkelnachführung des Empfängers 70 kann durch die Rotation des Empfängers selbst um den Punkt B durchgeführt werden. Alternativ dazu kann die Winkelnachführung, wenn der Empfänger einen das Licht empfangenden Spiegel, wie den Scanner- Spiegel 71 (vgl. Fig. 4) zum Reflektieren der Lichtstrahlen aufweist, auch durch die Winkelbewegung des Spiegels um den Punkt B durchgeführt werden. Da das Profil der Oberfläche der Charge 12 vor Beendigung der Messung unbekannt ist, muß zunächst ein Punkt P₁ auf der Oberfläche ermittelt werden.

Der Lichtemissionswinkel des Laserstrahls am Lichtübertragungspunkt A wird auf den Winkel α₁ festgelegt, der beispielsweise 90° wie in Fig. 6 beträgt. Dann führt der Detektor 70 eine Winkelbewegung durch, um das gesamte Sichtfeld, das in der dargestellten Ausführungsform dem Durchmesser des Hochofens entspricht, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit abzutasten. Wenn das Feld der optischen Fasern in seinem Mittelpunkt, der dem Mittelpunkt des Sichtfeldes entspricht, den Lichtfleck des Punktes P₁ einfängt, wird die Bewegung oder das "tracking" des Empfängers 70, d. h. des Scanners 71 gestoppt. Somit wird der Lichtempfangswinkel β₁ des reflektierten Laserstrahles 17 a am Lichtempfangspunkt B ermittelt. Der Punkt P₁ kann, wie vorstehend erläutert, mittels Triangulierung aus dem Abstand L zwischen den beiden Punkten A und B und den beiden Winkeln α₁ und β₁ ermittelt werden.

Nachdem der Punkt P₁ auf diese Weise erhalten worden ist, werden die nachfolgenden Punkte P₂, P₃ . . . P _n auf der Oberfläche der Charge 12 ermittelt. Theoretisch kann jeder Punkt P _i, wobei i eine positive ganze Zahl größer als 1 ist, auf der Oberfläche mit derselben Methode wie derjenigen zum Ermitteln des ersten Punktes P₁ ermittelt werden. Dies würde jedoch lange Zeit in Anspruch nehmen, da der Empfänger jedes Mal, wenn er den Punkt P₁ ermittelt, den großen Winkel, der den Durchmesser des Hochofens abdeckt, abtasten müßte. Deshalb ist es nicht praktisch, den Punkt P _i mit derselben Methode wie den ersten Punkt P₁ zu ermitteln.

Um einen dem ersten Punkt P₁ benachbarten zweiten Punkt P₂ zu ermitteln, wird der Lichtemissionswinkel α mittels des Scanners 19 um einen kleinen Winkel Δα geändert, so daß der Lichtemissionswinkel α nunmehr α₂ beträgt, wobei Δα = α₂-α₁ ist.

Nach der in Fig. 6 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung kann der Lichtempfangswinkel β₂ des vom Punkt P₂ reflektierten Strahles, da Δα einen sehr kleinen Wert einnimmt, als identisch mit dem Lichtempfangswinkel β₁ des vom bekannten Punkt P₁ reflektierten Strahles angenommen werden.

Der zweite Punkt P₂ wird damit zwischenzeitlich als identisch mit einem imaginären Punkt oder Hilfspunkt P₂′ angenommen, der auf einer die Punkte A und P₂ verbindenden Linie und auf einer die Punkte P₁ und B verbindenden Linie angeordnet ist. Deshalb ist es in diesem Stadium noch nicht erforderlich, den Empfangswinkel β zu ändern. Der tatsächliche Punkt P₂ auf der Oberfläche der Charge 12 unterscheidet sich jedoch von dem angenommenen Punkt P₂′. Entsprechend weicht der Lichtfleck auf der Bildebene 77 (vgl. Fig. 4) des Empfängers 70 vom Mittelpunkt des Sichtfeldes ab. Aus dieser Abweichung kann der wahre Lichtempfangswinkel b₂ des vom Punkt P₂ reflektierten Lichtstrahles, der sich um den sehr kleinen Winkel Δβ geringfügig von dem Lichtempfangswinkel β₁ des vom Punkt P₁ (und von P₂′) reflektierten Lichtstrahles unterscheidet, durch ein in Fig. 8 dargestelltes, bekanntes optisches Prinzip mathematisch berechnet werden.

Wenn gemäß Fig. 8 ein auf der Bildebene 77 (vgl. auch Fig. 4) ausgebildeter Lichtfleck oder eine Abbildung des Punktes P₂ vom Mittelpunkt 78 (vgl. Fig. 4) der Bildebene um eine Abweichung x abweicht, ist der Winkel Δβ näherungsweise durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei f die Brennweite einer Linse l ist. Deshalb kann, wenn die Abweichung x bekannt ist, der Winkel β₂ erhalten werden (β₂ = β₁ + Δβ). Dann kann aus den beiden Winkeln α₂ und β₂ und dem Abstand L zwischen den beiden Punkten A und B der zweite Punkt P₂ ermittelt werden. Danach wird der Scanner 71 um den kleinen Winkel Δβ gedreht, so daß der Lichtfleck des zweiten Punktes P₂ in den Mittelpunkt des Sichtfeldes rückt. In ähnlicher Weise können die nachfolgenden Punkte P₃, P₄ . . . P _n durch Ändern des Projektionswinkels α um Δα nacheinander ermittelt werden. Wenn der dem zweiten Punkt P₂ benachbarte dritte Punkt P₃ ermittelt wird, wird der Empfangswinkel β₃ des vom dritten Punkt P₃ reflektierten Lichtstrahles als identisch mit demjenigen des vom zweiten Punkt P₂ reflektierten Lichtstrahles angenommen. Das heißt, daß der dritte Punkt P₃ als identisch mit einem Hilfspunkt P₃′ angenommen wird, der auf einer die Punkte A und P₃ verbindenden Linie und auf einer die Punkte B und P₂ verbindenden Linie angeordnet ist. Der Projektionswinkel unterscheidet sich von α₂ um den kleinen Winkel Δα (Δα = α₂ - α₃).

Die jeweilige Variation des Projektionswinkels α ist im allgemeinen in der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform identisch mit Δα, wenn die nachfolgenden Punkte P₂, P₃, P₄.... P _n ermittelt werden.

Wenn, wie in Fig. 7 dargestellt, das kleine Sichtfeld des Empfängers mit dem Winkel γ bezeichnet wird und eine kleine Variation des Lichtempfangswinkels β, wenn der Lichtemissionswinkel sich um eine kleine Variation Δα ändert, mit Δβ bezeichnet wird, wird die kleine Winkelvariation Δβ aus einem nachstehend erläuterten Grund und vorzugsweise derart gewählt, daß sie die nachstehende Beziehung erfüllt:

Es versteht sich von selbst, daß bei der Ermittlung von Δβ und Δα die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der Charge 12 in Betracht gezogen werden müssen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 9 wird als der dem ersten Punkt P₁ benachbarte zweite Punkt P₂ ein Punkt P₂′ angenommen, dessen vertikale Position mit der des ersten Punktes P₁ identisch ist und der sich vom ersten Punkt P₁ in horizontaler Richtung um d unterscheidet. Der Lichtemissionswinkel α₂ wird derart bestimmt, daß der Laserstrahl 17 durch den Punkt P₂′ verläuft. Der Lichtemissionswinkel α₂ wird also um einen Wert Δα₁ verschoben, der dem horizontalen Abstand d entspricht. Bei dieser Ausführungsform ist die horizontale Verschiebung d immer konstant, wenn der zweite, dritte bis n-te Punkt P₂, P₃ . . . P _n ermittelt wird. Der Lichtempfangswinkel β₂′ wird mathematisch durch Triangulierung erhalten, da der Punkt P₂′ ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform bekannt ist. Danach führt der Scanner 71 eine Winkelbewegung um einen kleinen Winkel (β₂′-β₁) durch, so daß der Lichtempfangswinkel gleich β₂′ wird. Diese Winkelbewegung kann in außerordentlich kurzem Zeitraum durchgeführt werden, da der Winkel β₂′ vorher bekannt ist.

Der Punkt P₂′ unterscheidet sich von dem tatsächlichen durch Licht bestrahlten Punkt P₂. Entsprechend weicht der Lichtfleck bzw. die Abbildung des vom Punkt P₂ reflektierten Strahles von der Mitte des Sichtfeldes ab. Aus der Abweichung des Lichtfleckes von der Mitte des Sichtfeldes kann der wahre Lichtempfangswinkel β₂ mathematisch ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform erhalten werden. Wie vorstehend erläutert, kann der Punkt P₂ aus den beiden Winkeln α₂ und β₂ und dem Abstand L zwischen den beiden Punkten A und B durch Triangulierung ermittelt werden.

Die vorstehenden Verfahrensschritte werden zur Ermittlung der nachfolgenden Punkte P₃, P₄ . . . P _n wiederholt. Nach der Ermittlung des zweiten Punktes P₂ wird der Lichtemissionswinkel α₂ um den dem horizontalen Abstand d entsprechenden Wert Δα₂ verschoben, so daß der Laserstrahl 17 durch den dem zweiten Punkt P₂ benachbarten dritten Punkt P₃′ verläuft. Vor der Ermittlung des dritten Punktes P₃ wird der Punkt P₃ als ein Punkt P₃′ angenommen, dessen vertikale Position identisch mit der des Punktes P₂ ist und der in horizontaler Richtung vom Punkt P₂ um den Abstand d entfernt ist. Danach wird der dem angenommenen Punkt P₃′ entsprechende Lichtempfangswinkel β₃′ zunächst in der gleichen Weise erhalten, wie vorher beim angenommenen zweiten Punkt P₂′. Der Empfänger bewirkt eine Winkelbewegung, so daß der Lichtempfangswinkel gleich β₃′ wird. Danach wird aus der Abweichung des Lichtfleckes des vom dritten Punkt P₃ reflektierten Lichtstrahles von der Mitte des Sichtfeldes ein wahrer Lichtempfangswinkel β₃ erhalten, der dem dritten Punkt P₃ entspricht. Schließlich wird der dritte Punkt P₃ durch Triangulierung aus den beiden Winkeln α₃ und β₃ und dem Abstand L ermittelt.

Die Variationen Δα₁, Δα₂ usw. sind üblicherweise nicht miteinander identisch.

Durch das vorstehende Detektionsverfahren können alle Punkte P₂, P₃ . . . P _n ermittelt werden, so daß das Profil der Oberfläche der Charge 12 ermittelt werden kann.

Wenn das Sichtfeld des Empfängers als ein Kreis mit dem Durchmesser D angenommen wird, erfüllt der konstante Abstand d vorzugsweise ähnlich wie bei dem in Fig. 7 gezeigten Fall die Beziehung d <D/4. Bei der Bestimmung des Abstandes d wird der Grad der Unregelmäßigkeit der Oberfläche der Charge 12 in Betracht gezogen. Der Abstand d kann minimalisiert werden, da selbst dann, wenn der Abstand d so klein wie möglich ist, der Lichtfleck nicht aus dem Sichtfeld kommen kann, was zu einer Unterbrechung der Winkelbewegung des Lichtempfängers führen würde. Wenn jedoch der Abstand d extrem klein ist, dauert die Messung des Profiles eine lange Zeit. Wenn andererseits der Abstand d groß ist, kann gegebenenfalls der Lichtfleck je nach der Unregelmäßigkeit der Oberfläche der Charge nicht in das Sichtfeld fallen, was zu einem Versagen der Winkelnachführung bzw. des "tracking" des optischen Detektors führt. Auch in diesem Falle kann jedoch jeder Punkt der Oberfläche der Charge durch die gleiche Methode, wie sie zur Ermittlung des ersten Punktes P₁ angewandt wird, ermittelt werden.

Alternativ dazu kann, wenn das Profil der Oberfläche der Charge 12 vorher im allgemeinen bekannt ist, ein anderes Verfahren anstelle desjenigen Verfahrens angewandt werden, bei dem die vertikale Position des Punktes P₂′ gleich der des Punktes P₂ angenommen wird. Es ist insbesondere möglich, wie in Fig. 10 dargestellt, einen anderen Hilfspunkt Q₂′ anzunehmen, der näher am Punkt P₂ liegt als der Punkt P₂′. Der Punkt Q₂′ liegt auf der die beiden Punkte A und P₂ verbindenden Linie und ist näher am Punkt P₂. Der Fehler bei Annahme des Punktes Q₂′ ist kleiner als derjenige beim Punkt P₂′.

Bei der in Fig. 10 gezeigte Ausführungsform unterscheiden sich die Variationen Δα₁′, Δα₂′ usw. üblicherweise voneinander.

Bei der in Fig. 10 gezeigte Anordnung ist diese Möglichkeit eines Versagens der Winkelnachführung sehr klein, selbst wenn der Abstand d im Vergleich mit der in Fig. 9 gezeigten Anordnung größer ist. Bei der in Fig. 10 gezeigten Anordnung kann somit der Abstand d ohne Gefahr des Versagens der Winkelnachführung vergrößert werden.

Üblicherweise werden etwa 20 bis 30 Meßpunkte P₁, P₂ . . . P₂₀ bzw. P₃₀ in der gleichen vertikalen Ebene ermittelt, die vorzugsweise einen Durchmesser des Hochofens einschließt, um das Oberflächenprofil der Charge im Hochofen auszumessen. Weiterhin werden die Messungen des Oberflächenprofiles in einem bestimmten Abstand wiederholt. Es ist deshalb möglich und bevorzugt, die Ergebnisse der direkt vorhergehenden Messungen insbesondere bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform als das allgemeine und vorher bekannte Profil zu verwenden. Insbesondere sind die Hilfspunkte Q₂′, Q₃′ usw. auf dem Profil angeordnet, das durch die vorhergehende Messung ermittelt worden ist.

Fig. 11 ist eine auf der CRT-Anzeige 91 (vgl. Fig. 2) ausgebildete Photographie, die ein Beispiel für das Oberflächenprofil unmittelbar nach dem Beschicken mit Erz zeigt. Die vertikale Achse der Anzeige zeigt die Tiefe in mm, und die horizontale Achse zeigt den Ort entlang des Durchmessers. Der Abstand zwischen zwei benachbarten horizontalen Linien entspricht 1 m. Auf der obersten horizontalen Linie der Anzeige sind einige Daten angegeben, wie die Art der Charge, Startzeit der Messung, Beendigung der Messung und Versuchsbedingungen. Die beiden unteren Linien zeigen 33 numerische Daten des Profils in mm.

Wie vorstehend erläutert, läßt sich erfindungsgemäß durch die Verwendung eines optischen Detektors mit einem kleinen Sichtfeld die Auflösung des Detektors erhöhen, und es lassen sich exakte Messungen des Oberflächenprofiles einer Charge in einem Hochofen durchführen.

Die Erfindung wird insbesondere vorteilhaft in einem Profilmeßgerät mit einem gepulsten Laserstrahl hoher Intensität verwendet, da die zuvor erläuterten mit einem bekannten optischen Detektor mit großem Sichtfeld verbundenen Nachteile vermieden werden können.

Da alle Vorrichtungsteile außerhalb des Hochofens angeordnet sind, wird die Vorrichtung durch die schwierigen Umgebungsbedingungen im Hochofen nicht beeinflußt und ist leicht instandzuhalten.

Die Erfindung ist vorstehend lediglich mit Bezug auf ein Inkrement der kleinen Variation des Lichtemissionswinkels α erläutert; sie kann jedoch in ähnlicher Weise mit einem Dekrement dieses Winkels durchgeführt werden. Da zudem die Ermittlung der aufeinanderfolgenden Punkte der Oberfläche der Charge vom Ergebnis der vorhergehenden Messungen ausgehen kann, ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, den ursprünglichen Lichtemissionswinkel und Lichtempfangswinkel, der zur Ermittlung des ersten Punktes P₁ nach der Ermittlung des Ausgangspunktes verwendet wird, mathematisch zu berechnen; dadurch läßt sich das Profil der Oberfläche der Charge schnell und einfach ausmessen.

Claims

1. Verfahren zum Ausmessen des Oberflächenprofils der Charge (12) eines Hochofens (10) mittels eines zur Winkelnachführung geeigneten optischen Detektors (70, 18) mit einem Lichtempfänger mit kleinem Sichtfeld, durch

a) Ermitteln eines ersten Punktes (P₁) auf der Oberfläche der Charge (12) durch
- a 1) Emittieren eines gepulsten Laserstrahls (17) hoher Intensität auf den ersten auszumessenden Punkt (P₁) auf der Oberfläche der Charge (12) von einer bestimmten Lichtemissionsposition (A) unter einem Lichtemissionswinkel (α₁),
- a 2) Ermitteln eines Lichtempfangswinkels (P₁) des an dem ersten Punkt (P₁) auf der Oberfläche der Charge (12) reflektierten Laserstrahls (17 a) an einer bestimmten, im Abstand (L) von der Lichtemissionsposition (A) angeordneten Lichtempfangsposition (B) durch eine Winkelbewegung des optischen Detektors (70, 18), bis der optische Detektor (70, 18) in der Mitte seines kleinen Sichtfeldes einen Lichtfleck des vom ersten Punkt (P₁) reflektierten Lichtes einfängt, und
- a 3) Ermitteln des ersten Punktes (P₁) aus den beiden Winkeln (α₁) und (P₁) und dem Abstand (L),
b) Ermitteln eines dem ermittelten ersten Punkt (P₁) benachbarten zweiten Punktes (P₂) auf der Oberfläche der Charge (12) durch
- b 1) Ändern des Lichtemissionswinkels um einen kleinen Winkel (Δα) auf den Winkel (α₂), so daß der Laserstrahl (17) auf den dem ersten Punkt (P₁) benachbarten zweiten Punkt (P₂) auf der Oberfläche der Charge (12) einfällt,
- b 2) Ermitteln eines Lichtempfangswinkels (P₂) des Laserstrahls (17 a), der am zweiten Punkt (P₂) auf der Oberfläche der Charge (12) reflektiert ist und der im optischen Detektor (70, 18) an der bestimmten Lichtempfangsposition (B) eingefangen wird, und
- b 3) Ermitteln des zweiten Punktes (P₂) aus den beiden Winkeln (α₂) und (P₂) und dem Abstand (L), und
c) sukzessives Ermitteln aufeinanderfolgender Punkte (P₃ . . . P _n) auf der Oberfläche der Charge (12), dadurch gekennzeichnet,
d) daß beim Ermitteln des zweiten Punktes (P₂) auf der Oberfläche der Charge (12) der Lichtempfangswinkel (P₂) des vom zweiten Punkt (P₂) reflektierten Strahles vorläufig und zeitweilig als identisch mit dem Lichtempfangswinkel (P₂′) des von einem Hilfspunkt (P₂′, Q₂′) reflektierten Strahles angenommen wird, wobei der Hilfspunkt (P₂′, Q₂′) in horizontaler und/oder vertikaler Richtung in einem kleinen Abstand (d) vom ersten Punkt (P₁) angeordnet ist,
e) daß der zweite Punkt (P₂) mittels der Abweichung des Lichtflecks des vom zweiten Punkt (P₂) reflektierten Strahles von der Mitte des Sichtfeldes des optischen Detektors (70, 18) ermittelt wird,
f) daß der Detektor (70, 18) in Richtung auf den ermittelten Punkt (P₂) gedreht wird, und
g) daß die nachfolgenden Punkte (P₃ . . . P _n) in gleicher Weise wie der zweite Punkt (P₂) ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspunkte (P₂′ . . . P _n′, Q₂′ . . . Q _n′) auf oder nahe einem zuvor bestimmten und dem tatsächlichen Oberflächenprofil ähnlichen Oberflächenprofil angeordnet sind.