DE69433175T2

DE69433175T2 - Verfahren zur gleichzeitigen messung der positionen von mehr als einer oberfläche in metallurgischen prozessen

Info

Publication number: DE69433175T2
Application number: DE69433175T
Authority: DE
Inventors: Lars Baath
Original assignee: Mefos-Stiftelsen For Metallurgisk Forskning; STIFTELSEN METALLURG FORSK
Current assignee: Mefos-Stiftelsen For Metallurgisk Forskning; STIFTELSEN METALLURG FORSK
Priority date: 1993-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: JPH08506894A; KR960701360A; EP0697108A1; WO1994018549A1; KR100316440B1; US5629706A; CA2155682C; AU6012994A; CA2155682A1; SE9300348D0; ATE250760T1; AU703330B2; SE9300348L; EP0697108B1; ES2208654T3; DE69433175D1; SE501472C2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Methode in metallurgischen Verfahren um gleichzeitig die Positionen von mehr als einer Oberfläche zu messen.
Bei Konvertern, Pfannen, Elektrolichtbogenöfen und anderen metallurgischen Behältern ist es wünschenswert, die genaue Position der Schlackenoberfläche zu kennen sowie die Position der Schnittstelle zwischen der Schlacke und dem Flüssigmetall. Obwohl viele Methoden nach dem bisherigen Stand der Technik verwendet worden sind, war keine Methode gleichzeitig schnell, zuverlässig und sorgfältig. Es kann auch wünschenswert sein, die Positionen von anderen Oberflächen messen zu können, zum Beispiel um die Stärke der Zustellung von Behältern zu kontrollieren.
Veränderungen in dem Muster von elektromagnetischen Wellenfronten stellen die empfindlichstesten Sonden in der Physik dar. Elektromagnetische Wellen können Medien verschiedener physikalischer Eigenschaften durchdringen, wobei sie ihre Amplitude und Phase auf eine Art verändern, die spezifisch für den Inhalt der Medien ist. Daher wird die Kontinuumsstrahlung beeinflusst, wenn sie ein Medium durchdringt, da die Amplitude abgeschwächt wird und die Ausbreitungsgeschwindigkeit verändert wird, was zu einer plötzliche Phasenveränderung an der Schnittstellenoberfläche führt. Das Radioband ist von besonderem Interesse, da hier Wellen tiefer in staubige Bereiche dringen können wie auch durch Keramikmaterial hindurch, z.B. Schlacke.
Es ist bekannt, dass die Interferenz zwischen einer übertragenen Welle und einer reflektierten Welle ein stehendes Wellenmuster bei einer spezifischen Frequenz erzeugt, das durch die Positionen der Null in diesem stehenden Wellenmuster bestimmt wird, und dass die so bestimmte Wellenlänge des Signals die Position einer einzelnen Oberfläche angibt, EP-A-60 597. Nur die Position einer einzelnen Oberfläche kann mit dieser Technik bestimmt werden, was die Nützlichkeit dieser Methode in der metallurgischen Industrie stark einschränkt. Darüberhinaus wird die Amplitude der stehenden Welle gemessen statt ihrer Phase – was die Auflösung und die Testbarkeit der Methode stark einschränkt.
Es ist auch bekannt, dass ein Abstand gemessen werden kann, wenn das übertragene Signal in Frequenz abgetastet wird und das reflektierte und übertragene Signal vermischt werden, so dass ein Niederfrequenz(IF)signal erzeugt wird, DE-2812 871. Die Frequenz dieses IF-Signals hängt von der Zeitverzögerung des reflektierten Signals im Vergleich zu der Abtastzeit des Senders ab. Diese besondere Methode kann nur eine einzige Oberfläche ermitteln.
Es ist auch bekannt, dass der Polarisationswinkel eines übertragenen Signals verändert wird, wenn es in einem stumpfen Winkel auf zwei Oberflächen reflektiert wird, WO 91/10899 und US-A-4818 930. Diese Methoden senden beide auf einer einzigen Frequenz in einem stumpfen Winkel (stumpfer als der Brewster-Winkel) auf die Oberfläche und können nur die Stärke der Schicht zwischen den beiden Oberflächen erkennen und nur das Modul der übertragenen Wellenlänge.
Keiner von den obigen Patentveröffentlichungen zeigt oder behandelt die Phasenveränderung über den Frequenz-Bandpass, und keine der obigen Methoden kann daher die Positionen von mehreren Oberflächen gleichzeitig mit einem Antennensystem ermitteln, das in rechtem Winkel zu den Oberflächen montiert ist. Keines der obigen Patente zeigt oder behandelt die Ausdehnung auf dreidimensionalen Bilder von mehreren Oberflächen. Die hier dargestellte Methode ist daher signifikant anders als der obengenannte Stand der Technik.
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, eine Methode dieser Art vorzusehen, die schnell, zuverlässig und sorgfältig ist.
Die Zeitverzögerung eines Signals ro einem anderen Signal ist im Fourier- oder Frequenzraum eine lineare Phasenverschiebung mit Frequenz. Wenn das Objektsignal zu einer Oberfläche gesendet und daran reflektiert wird, dann verändert sich die relative Phase der Signale linear mit Frequenz. Wenn das Signal in Schritten über ein Frequenzband gemessen wird, dann wäre eine graphische Darstellung der Phase mit Frequenz eine Linie mit einer Schräge entsprechend der Verzögerung des reflektierenden Signals verglichen mit dem Bezugssignal. Der Abstand kann daher über ein derartiges nach Frequenz abgestuftes System gemessen werden. Wenn das Signal stattdessen auf ein halbdurchsichtiges Medium übertragen wird, dann wird ein Teil des Signals reflektiert und ein Teil des Signals breitet sich durch das Medium hindurch aus und wird an der nächsten Oberfläche reflektiert, wobei sich der Brechungsindex wieder ändert. Diese doppelt reflektierte Wellen ergeben, wenn sie mit dem Konjugat des Bezugssignals komplex multipliziert werden, eine kompliziertere Phasenkurve als eine Frequenzfunktion. Wenn daher Probedaten als komplexe Amplituden in Frequenzkanälen über ein Frequenzband entnommen werden, können die Entfernungen zu beiden Oberflächen erhalten werden. Wenn dann das Signal von einem Interferometer in der Aperturebene ausgesendet und empfangen wird, kann die volle dreidimensionale Struktur der beiden Oberflächen rekonstruiert werden. Dies gilt auch für eine Mischung, bei der mehr als zwei Oberflächen vorhanden sind:
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Messung der Positionen von multiplen Oberflächen.
2 zeigt schematisch einen metallurgischen Behälter, bei dem die Erfindung angewandt werden kann.
3 ist ein Diagramm, das eine Punkt-Streufunktion (PSF) des Frequenz-Passbands zeigt, das aus einem Experiment nach 1 und 2 erhalten wurde.
4 ist ein Diagramm der Reflektionen von der Schlacken- und Metallbadoberfläche, die bei demselben Experiment erhalten wurden.
Ein Beispiel der Erfindung wird in den 1 und 2 gezeigt. Ein Signal wird auf einer definierten Frequenz mit einem Signalgenerator 1 erzeugt. Dieses Signal wird über ein Kabel zu einem Leistungsteiler 2 übertragen, wo ein Pfad über ein Kabel zu einer Antenne 3 führt. Der zweite Pfad geht über ein Kabel zu einer Phasenkomparatoranlage 4, wo er als Bezugssignal benutzt wird. Die Antenne sendet das Radiosignal als eine zirkulare Polarisation zu dem metallurgischen Behälter aus Metall in Form einer Pfanne 10, der in Bild 2 gezeigt ist. Das Signal wird in senkrechtem Winkel auf die Oberfläche des Metallbads in dem Behälter 10 gerichtet und an den Oberflächen des Schlacke- und Metallbads reflektiert, wie in 2 zu sehen ist, und von derselben Antenne 3 in der entgegengesetzten zirkularen Polarisation empfangen, infolge der ungeraden Zahl der Reflektionen. Das empfangene Signal wird durch ein Kabel an den Phasenkomparator 4 übertragen und dort mit dem Konjugat- des Bezugssignals komplex vervielfacht. Die Amplitude und Phase der komplexen Konjugat-Multiplikation wird von einem Computer 5 in einer Tabelle gespeichert, und der Signalgenerator wird frequenzabgestuft, und eine neue Messung wird durchgeführt. Dieser Ablauf geht weiter, bis eine festgelegte Anzahl von Frequenzkanälen separat über ein Frequenzband gemessen worden ist. Die Ausrüstung wird von einem Computer kontrolliert, der auch die Daten speichert und die Signalanalyse durchführt.
Die Bezugswelle; die zum Zeitpunkt t_o und auf der Frequenz w empfangen wird, kann wie folgt geschrieben werden:
Das Signal, das von der ersten Oberfläche reflektiert wird und sich auf dieselbe Empfangzeit t_o bezieht, kann wie folgt geschrieben werden:
[0018] Das Signal das von der zweiten Oberfläche reflektiert wird und sich auf dieselbe Empfangzeit t_o bezieht, kann wie folgt geschrieben werden:
Dl_slag und Dl_bad sind in 2 dargestellt.
DI_slag ist der Abstand von der ersten (slag = Schlacken-) Oberfläche, von einer Bezugsposition in der Antenne die als eine Höhe 11 dargestellt wird. Dl_bad ist der Abstand zwischen den beiden Oberflächen (Schlacke und Metallbad), c ist die Lichtgeschwindigkeit in der Luft und n_slag ist die Brechungszahl des Mediums zwischen den beiden Oberflächen. Die komplexe Multiplikation des Konjugats oder Kreuzwechselbeziehung im Zeitbereich der reflektierten und Bezugssignale ist dann: (U* ist das Konjugat von U)
oder, wenn die Frequenz auf ein Passband Bpass(w_l, w_h) beschränkt wird:
Die umgekehrte Fourier-Transformation transformiert von der Frequenz zur Zeitebene (Verzögerung oder Abstandsebene). Bpass(w_i, w_h) kann mit Rect(w_l, w_h) angenähert werden:
Die Zeitverzögerungsreaktion des Systems wird in der Optik üblicherweise Punktstreufunktion genannt und ist in diesem Fall die Fourier-Transformation des Frequenz-Passbands. Diese Reaktion wird gemessen, indem man die Reaktion eines Metallreflektors in einem bekannten Abstand studiert. Die Entfernungen von den Oberflächen werden dann aus dem beobachteten Signal durch Dekonvolvieren mit der gemessenen Punktstreufunktion rekonstruiert. Der Abstand kann dann auf eine präzisierte Bezugshöhe bezogen werden. Dl_ref, durch eine Translation der Zeitkoordinate: Dt' = Dt – 2Dl_ref/c. Die Bezugshöhe kann ein vorher gemessener Metallreflektor im Signalpfad sein oder die Kante des Metallbehälters. Die Transformation enthält die Struktur in der Tiefenrichtung. Wenn von den Daten auch in der Aperturebene durch Verwendung eines Interferometers als Sende- und Empfangsantennen Proben entnommen werden, dann zeigt eine weitere zweidimensionale Transformation über der Aperturebene die Struktur über den verbleibenden zwei Dimensionen. Bei Verwendung eines Interferometers als Antenne hat die Messung auch einen Aperturebenenausdruck für jeden gemessenen Punkt (u,v) in dieser Ebene:
Hierbei ist Q_x, Q_y die Position in der Bildebene. u,v ist die Position der Interferometerelemente in der Fourier-Aperturebene, wobei das Interferometer in diesem Fall aus individuellen Radio-Hornstrahlern besteht, deren Signale gegeneinander kreuzkorreliert sowie mit dem Konjugat des Bezugssignals komplex vervielfacht werden. Das Sende-Interferometer erzeugt eine ebene Wellenfront parallel zu den Oberflächen. Das Empfangsinterferometer ermittelt die Phasenveränderungen über die Wellenfront und misst daher Positionen der Oberflächen wie oben, aber in drei Dimensionen über einen Bereich der Oberflächen.
Die oben beschriebene Technik und Vorrichtung wurde in einem Testexperiment mit einem Eisen-Metallbad verwendet. Auf dem Metallbad befand sich eine geschmolzene Schlacke in bekannter Zusammensetzung von einer metallurgischen Anlage. Bild 4 zeigt Aufnahmen der Schlackenoberfläche sowie der Metallbadoberfläche. Die Höhen beziehen sich auf eine willkürlich gewählte Bezugshöhe (den Boden). Auf diese Weise kann die Schlackendicke in der Sekundärmetallurgie (Pfannenmetallurgie) mit großer Präzision (1-2 mm) ermittelt werden.
3 zeigt die Punktstreufunktion (PSF) des Frequenzbandes für das am besten verlaufene Experiment.

Claims

Verfahren zur gleichzeitigen Messung der Positionen von mehr als einer Oberfläche in metallurgischen Verfahren, gekennzeichnet dadurch, dass es umfasst: Senden eines Radiosignals auf einer Vielzahl von Frequenzen über ein Frequenzband; Empfang besagter Radiosignale auf der besagten Anzahl von Frequenzen, die von den Oberflächen reflektiert worden sind; komplexe Multiplikation des reflektierten Signals als Frequenzfunktion mit dem komplexen Konjugat des übertragenen Signals, wobei die komplexe Multiplikation über besagtem Frequenzband ausgeführt wird; Herstellen einer Transformation in den Zeitbereich des Produkts der komplexen Multiplikation; und Rückgewinnung der Positionen der Oberflächen aus der Transformation.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Vielzahl von Frequenzen durch Abstufen eines Signalgenerators in diskreten Frequenzschritten über dem Frequenzband gebildet werden und die reflektierten Signale für jeden Frequenzschritt empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass es umfasst: Senden eines Radiosignal in zirkularer Polarisation von einer Antenne, die derart angebracht ist, dass die gesendete Welle senkrecht zu den Oberflächen ausgestrahlt wird und die reflektierte Welle mit derselben Antenne empfangen wird, aber in der entgegengesetzten zirkularen Polarisation.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Signal von einem Interferometer ausgestrahlt und empfangen wird und die dreidimensionale Struktur der Oberflächen durch eine dreidimensionale Transformation vom Frequenzbereich und von der Aperturebene abgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass als Transformation eine Fourier-Transformation benutzt wird.