ES2303858T3 - Procedimiento de medicion optica de distancias. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la medición de distancias por vía óptica, preferentemente por triangulación láser, sobre una banda o superficie metálica (1) especular o casi especular en desplazamiento continuo en una instalación, preferentemente de galvanización de acero por inmersión en caliente, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: -un haz luminoso, denominado haz incidente, es emitido por una fuente (7), preferentemente una fuente láser, incorporada en un cabezal de medición (10), proyectando dicha fuente un motivo (11) en forma de una pluralidad de puntos, preferentemente una línea, dispuestos según un eje perpendicular a la dirección de desplazamiento de la superficie metálica, según una dirección de incidencia sobre una parte fija (5) no especular, de dicha instalación; -en primer lugar, una primera parte de dicho haz es reflejada por dicha parte fija (5), según la misma dirección que la del haz incidente y en sentido opuesto, hacia un detector (8) que pertenece a dicho cabezal de medición (10) y que se encuentra en la proximidad inmediata de dicha fuente (7); -en segundo lugar, otra parte de dicho haz es reflejada hacia dicha banda metálica (1), de la que es también reflejada en dirección a dicho detector (8).
Description
Procedimiento de medición óptica de
distancias.
La presente invención se refiere a un
procedimiento destinado a la medición de distancias sobre unas
bandas de metal brillante o especular.
En particular, la invención se refiere a un
procedimiento para la medición de la forma de bandas galvanizadas
por inmersión a la salida del escurridor.
La invención se refiere asimismo al dispositivo
para la realización del procedimiento.
Desde hace años se conoce la producción por
inmersión en caliente de aceros recubiertos de zinc, de aleaciones
de zinc, de aleaciones de hierro y zinc o de aceros galvanizados
recocidos denominados galvannealed. El interés manifestado por la
industria del automóvil hacia estos productos ha generado altas
exigencias en términos de propiedades de homogeneidad de producto y
de prestaciones en el uso de estos productos recubiertos.
En una línea de galvanización por inmersión en
caliente, la banda emergente a la salida del baño de zinc es
escurrida utilizando unas "cuchillas de aire" que soplan aire
comprimido sobre el zinc líquido arrastrado por cada lado de la
banda. La presión de las cuchillas de aire así como la distancia
entre la cuchilla y la banda deberían ser reguladas de forma ideal
en tiempo real de tal manera que el espesor del depósito se conserve
tan próximo como sea posible al valor deseado a cada lado de la
banda.
Con vistas a garantizar un recubrimiento
uniforme, es esencial conservar una forma y una posición de la banda
en movimiento correctas frente a los labios del aparato de
escurrido. En efecto, unas variaciones de la posición de la banda,
en dirección transversal a la dirección de desplazamiento, frente a
las cuchillas producirán una dispersión del espesor del depósito.
Estas fluctuaciones del espesor afectan a la calidad del producto
final. En particular, en el procedimiento del recocido
galvanización, unas variaciones de peso de zinc provocan
automáticamente unas variaciones del contenido de hierro del
depósito y por ello, unas heterogeneidades en las propiedades
requeridas por el usuario.
Sin embargo, a consecuencia de unas tensiones
térmicas y mecánicas, unas inestabilidades de la presión de aire o
unas vibraciones de estructura, la planeidad de la banda que se
desplaza frente a los labios no es perfecta. Se observan unas
desviaciones significativas en el espesor del depósito en las
direcciones transversal y longitudinal.
En virtud de la dispersión del peso de
revestimiento durante el tratamiento, es necesario establecer un
valor de consigna suficientemente elevado con vistas a obtener el
peso de depósito mínimo requerido por el consumidor.
Se calcula la ganancia que sería aportada por
una reducción de 1 g/m^{2} en el peso de revestimiento de
zinc.
Siendo T el número de toneladas producidas por
año, E_{m} el espesor medio de la banda (en m), P el precio del
zinc por kg y D el peso específico del acero (en kg/m^{3}),
Se obtiene:
- Ganancia de zinc (toneladas/año)
- 2T/(D x E_{m} x 1000)
- Ganancia de zinc (kg/tonelada de acero)
- 2/(D x E_{m} )
- Ganancia de dinero (EUR/tonelada de acero)
- 2 x P/(D x E_{m} )
- Ganancia de dinero (EUR/año)
- 2 x P x T/(D x E_{m} )
\vskip1.000000\baselineskip
Por ejemplo, si T= 350.000 toneladas/año,
E_{m} = 0,0007 m, D = 7.800 kg/m^{3} y P = 0,85 EUR/kg (1.050
\textdollar/tonelada), se obtendrán las ganancias siguientes para
una reducción de 1 g/m^{2}:
- Ganancia de Zinc:
- 128 toneladas de zinc/año
- Ganancia de zinc:
- 0,366 kg de zinc/tonelada de acero
- Ganancia de dinero:
- 0,31 EUR/tonelada de acero o 108,5 kEUR/año.
Estos datos muestran que vale la pena buscar
unas soluciones adecuadas para incrementar el control del espesor
del revestimiento.
Se pueden utilizar muchos métodos para la
medición de la distancia y de la forma. A menudo se prefieren los
métodos ópticos frente a los métodos capacitivos e inductivos, en la
medida en que son menos sensibles a las fluctuaciones de las
constantes de las propiedades de los materiales. Sin embargo, para
la aplicación particular de galvanización por inmersión en caliente,
se deben considerar varios factores que pueden afectar a la
prestación de un sensor óptico.
Los principales factores considerados son los
siguientes:
- -
- alto coeficiente de reflexión de la banda;
- -
- vibración de los soportes;
- -
- inclinación de la superficie de la banda con respecto al eje óptico del sensor;
- -
- variación del índice de refracción debida a las condiciones atmosféricas (temperatura, humedad, presión);
- -
- depósitos de vapores de zinc sobre las ventanas ópticas.
Como la banda que sale del dispositivo de
escurrido posee una superficie fuertemente reflectante, debe tenerse
un cuidado particular para obtener una medición correcta. Así, en el
caso de superficies lisas (especulares), el ángulo de los rayos
luminosos reflejados por la superficie es igual a su ángulo de
incidencia. Por el contrario, una superficie que presenta una
textura rugosa difunde de manera aleatoria los rayos incidentes. La
superficie parece mate puesto que refleja la luz en casi todos los
ángulos.
En una línea de galvanización convencional, la
distancia entre la banda en movimiento y los labios del dispositivo
de escurrido se sitúa en un intervalo de 5 a 15 mm. Utilizando un
modelo matemático desarrollado anteriormente, se observa que las
inestabilidades de 1 mm en valor de cresta de la posición de la
banda entre las cuchillas de aire provocan unas variaciones que
alcanzan hasta 9 g/m^{2} para unas condiciones operativas
estándar. Esto significa que se debería alcanzar una resolución de
0,1 mm para distinguir unas fluctuaciones de espesor del
recubrimiento de 1 g/m^{2}.
Para el intervalo y la sensibilidad mencionados
anteriormente, existen dos tipos principales de sensores utilizados
frecuentemente en las aplicaciones de metrología sin contacto, a
saber el sensor de triangulación láser y su extensión a unos métodos
de proyección de franjas y el sensor láser coaxial o autofocus. La
interferometría láser es también una técnica habitualmente utilizada
en las mediciones de muy alta resolución. Sin embargo, los métodos
interferométricos son a veces demasiado sensibles. Así, unas
perturbaciones del entorno limitan la fiabilidad de la medición. Los
sensores de desplazamiento de fibras ópticas están menos extendidos
a causa de su campo limitado de medición.
Los sensores de triangulación pertenecen a dos
categorías, respectivamente al tipo difuso y al tipo especular.
En el caso de los sensores difusos, el haz láser
es proyectado normalmente sobre la superficie objeto y el haz
difundido por la superficie objeto es reenviado al detector a través
de una lente que se encuentra en el ángulo de triangulación. Una
ventaja del sensor difuso es que el punto láser es proyectado sobre
la misma posición lateral sobre la superficie, independientemente de
la altura de la superficie. Pero dichos sensores plantean problemas
en el caso de superficies espejo (especulares) como en la presente
solicitud, porque el haz láser es esencialmente reflejado hacia
atrás en dirección a la óptica fuente.
Para los sensores especulares, el haz láser es
proyectado con respecto a la normal de la superficie con el mismo
ángulo que el de la óptica fuente, que es el ángulo de recogida de
la óptica receptora. La ventaja de estos sensores es que pueden ser
utilizados para las mediciones sobre unas superficies brillantes.
Sin embargo, el punto láser proyectado sobre la superficie se
desplaza lateralmente, cuando la distancia de la superficie medida
cambia. Otra desventaja es el error o la ausencia de medición
causada por unas superficies inclinadas, incluso ligeramente. El
"cross-bow" o las vibraciones encontradas sobre
las líneas de galvanización puede ser suficiente para generar dichas
situaciones.
En los documentos
WO-A-94/026 58 y
JP-A-55 141 556, dichos sensores son
desplazados en la dirección de la anchura de la banda para evaluar
el cross-bow. Dos inconvenientes mayores existen en
este caso:
- -
- se generan unas incertidumbres de medición por el mecanismo de translación (desgaste, etc.);
- -
- a consecuencia del tiempo de translación, no se puede evaluar una fluctuación rápida de la banda.
Se pueden formar unas imágenes de franjas
proyectadas mediante diferentes métodos. En el caso general, una
estructura en forma de red o una imagen de interferencia es
proyectada sobre la superficie de ensayo. Unas variaciones en la
altura llevan a una deformación de las franjas proyectadas que a su
vez son comparadas con el original o con la estructura de red
sintética. La mayoría de los sistemas de medición de topografía de
superficie por proyección de franjas utilizan una segunda red para
generar unas franjas de Moiré que representan unos contornos de
altura más o menos igual. En muchos dispositivos, unas cámaras CCD,
unas tablas de tratamiento de imágenes así como unos
microprocesadores y ordenadores han sido incorporados para el
análisis automático de franjas. Sin embargo, las proyecciones de
imágenes de franjas no son convenientes para la medición sobre unas
superficies especulares como es el caso en la presente
solicitud.
A causa del aspecto de enfocado dinámico de los
sensores autofocus, se mantiene constante el tamaño del punto sea
cual sea la distancia entre el sensor y la superficie objeto. La
distribución de luz es uniforme sobre el punto completo. Por ello,
la resolución de estos sensores puede llegar hasta un orden de
magnitud más elevado que la resolución de los sensores de
triangulación. Sin embargo, los sensores autofocus adolecen de
ciertas desventajas. A causa del pequeño tamaño del punto, tienden a
provocar errores en presencia incluso de pequeños cambios de textura
de la superficie. Son menos robustos y poseen un tiempo de respuesta
más largo que los sensores por triangulación a causa de los
movimientos mecánicos de alta precisión necesarios para la búsqueda
del cero de la señal de error del foco.
Estos sensores son unos transductores de
desplazamiento que utilizan un haz de fibra de vidrio para
transmitir y recibir luz de una superficie diana. En el extremo de
la sonda, los rayos no colimados divergen hacia el exterior a partir
de cada fibra de transmisión, según un cono. Los rayos luminosos son
reflejados sobre la superficie diana hacia unas fibras de recepción
adyacentes. Sobre la base de la detección de la intensidad de la luz
reflejada, se pueden crear diferentes sensibilidades de
desplazamiento mediante una combinación de fuentes luminosas, de
tipos de fibra, de formas y de tamaños de haz de fibras, de
distribuciones de fibras que transmiten y reciben la luz así como de
disposiciones de haces que transmiten y reciben la luz. Cuanto más
lisa es la superficie, mejores son las prestaciones que se esperan
del sensor.
Los sensores de fibra óptica son de dos tipos,
el tipo dependiente de la reflectividad y el tipo de reflectividad
compensada.
Los sensores de reflectividad compensada son
construidos con por lo menos dos haces de fibras. Cada haz puede ser
considerado como un sensor separado, que tiene una curva de
sensibilidad que varía con el desplazamiento. La compensación de
reflectividad se obtiene a partir de la relación de las intensidades
de salida de estas sondas de fibras separadas. Como la reflectividad
de la diana cambia sobre una gran escala, las intensidades de salida
de los detectores individuales aumentan o disminuyen
proporcionalmente, lo que deja la relación de las salidas de estas
sondas no afectada por los cambios de reflectividad. Con el fin de
asegurar la compensación de la reflectividad con más precisión, la
superficie diana en el interior de la superficie total del haz de
fibras ópticas debe ser uniformemente reflectante. Habitualmente, es
prudente suponer, en el caso de la bandas contínuas, que las
variaciones de reflectividad son despreciables sobre la pequeña
superficie cubierta por el sensor de fibra óptica. Los sensores de
este tipo son de respuesta rápida, robustos, muy pequeños y poco
costosos. Se puede por lo tanto imaginar multiplexar varios sensores
de manera que se obtenga la forma de la banda en la proximidad
inmediata de las boquillas de las cuchillas de aire. En el caso del
recocido galvanización, las mediciones realizadas con estos sensores
no estarán afectadas por el campo electromagnético intenso generado
por el calentamiento por inducción. Sin embargo, a consecuencia de
su proximidad a la banda impuesta por el tipo de medición a realizar
(fibras ópticas), existe un riesgo de que se depositen vapores de
zinc sobre el extremo de las fibras ópticas, lo que perturbaría la
medición.
El documento
US-A-5.087.822 da a conocer un
aparato y un procedimiento para inspeccionar la calidad de
superficie de una banda metálica en movimiento, en el que una zona
iluminada por dos lámparas es controlada por un detector. Los
ángulos de incidencia de los haces luminosos emitidos por las
lámparas corresponden respectivamente a los campos oscuros cercano y
lejano. El detector captura unas porciones de la banda puestas en
evidencia y que se han vuelto brillantes por unas irregularidades de
superficie. Mediante la utilización de una pluralidad de lámparas
con un solo detector, como un grabador de vídeo, se suministra un
dispositivo económico aunque muy sensible para la detección de
irregularidades sobre la superficie de una banda en movimiento. Un
operador puede observar el sistema para determinar la posición en la
que se sitúan las irregularidades pero, también, puede estar
adaptado para documentar acerca de los lugares sobre la banda en
movimiento en los que se producen las irregularidades.
El documento WO 98/21550 A describe un sistema y
un procedimiento para crear imágenes de las superficies reflectantes
en el que una fuente de luz difusa que tiene un intervalo de
frecuencia predeterminado según un motivo predeterminado es dirigida
hacia la superficie reflectante. La luz reflejada por la superficie
es filtrada para eliminar la luz ambiental y alcanza un detector.
Utilizando una triangulación mediante dos puntos en el motivo, un
microprocesador determina la distancia de una imagen formada detrás
de la superficie reflectante. El microprocesador calcula también la
distancia de la superficie reflectante en relación con la distancia
de la imagen y las posiciones de la fuente de luz difundida y del
detector. Alternativamente, se pueden utilizar dos detectores y un
punto fuente de luz difusa.
El documento
US-A-5.477.332 da a conocer un
sistema controlado por ordenador para determinar diferentes
características físicas de la superficie de un objeto, que comprende
una red de luz fuente, posicionada para iluminar la superficie a
evaluar, tal como las luces individuales de la red iluminan el
objeto sobre una base mutuamente exclusiva, un radiómetro,
posicionado para recibir la luz del objeto, que produce unos datos
de imagen relativos a las posiciones de los píxeles de luz y un
ordenador que interpreta los datos de imagen y determina por lo
menos la ondulación, el radio de curvatura y la inclinación de la
superficie.
El documento
US-A-4.735.508 da a conocer un
método para medir la curvatura de una superficie reflectante, que
comprende las etapas de dirigir un par de haces luminosos colimados
sobre una porción esencialmente lisa de la superficie reflectante y
de medir la separación entre las imágenes de los haces luminosos
reflejadas por la superficie, como representación de la curvatura de
la superficie. Un aparato que utiliza este método comprende una par
de láseres para producir los haces luminosos colimados respectivos,
un montaje láser dispuesto para dirigir los haces de luz separados
como haces de luz esencialmente paralelos sobre la porción lisa de
la superficie reflectante medida para producir unos puntos
brillantes respectivos sobre la superficie, recibiendo las imágenes
de los puntos brillantes sobre una superficie diana difusa, mirando
estas imágenes de puntos brillantes con un sensor para producir un
motivo de intensidad luminosa que cubre los puntos y calculando la
separación entre las imágenes de los puntos brillantes a partir de
un motivo de intensidad luminosa como medición de la curvatura de la
superficie.
El documento WO 94/02658 A da a conocer una
instalación para la galvanización en continuo de una banda de acero,
provista de un par de boquillas de escurrido corriente abajo de por
lo menos un rodillo-guía, que puede ser alimentada
por un medio de escurrido, en particular aire comprimido, entre los
cuerpos de las boquillas con respecto a los cuales la banda es
guiada a distancia de las hendiduras de boquillas que se extienden
transversalmente a la dirección del movimiento de la banda. Para
aumentar la uniformidad del recubrimiento, en una primera forma de
realización de la invención se asigna a uno de los dos cuerpos de
boquilla un instrumento óptico para determinar la distancia entre la
hendidura de boquilla y la superficie de la banda metálica, pudiendo
la señal de salida del cual ser introducida en el dispositivo de
ajuste del rodillo-guía y/o en el del cuerpo de
boquilla de tal manera que la distancia entre la hendidura de
boquilla y la superficie de la banda metálica pueda tomar un valor
predeterminado. En una segunda forma de realización de la invención,
el instrumento óptico puede ser desplazado paralelamente a la
hendidura de boquilla para cubrir por lo menos la zona de un borde
de la banda metálica y el cuerpo de la boquilla opuesta posee un
reflector sobre el que el eje óptico del instrumento de medición es
dirigido en su posición externa al borde de la banda metálica.
Según el documento
US-A-6.154.279, las dimensiones de
un orificio mecanizado o de un cabezal de fijación son determinadas
con precisión y rapidez por un sistema de medición no destructivo.
Por lo menos un láser proyecta unos puntos luminosos sobre la
superficie a analizar. Del conocimiento del ángulo de proyección, y
del desplazamiento lateral de los puntos luminosos causado por unas
variaciones en la profundidad de la superficie, se puede calcular
una profundidad efectiva de cada punto de la superficie. Se ajusta
un conjunto de parámetros, que define un modelo matemático del
orificio o del cabezal de fijación, a un conjunto de coordenadas de
los puntos medidas sobre la superficie a analizar, utilizando unas
técnicas digitales convencionales. Los parámetros optimizados
definen las dimensiones del orificio de mecanizado o del cabezal de
fijación. La presente invención se aplica independientemente del
sistema de coordenadas utilizado para realizar las mediciones, de
tal manera que la invención elimina los errores causados por la
desalineación de los componentes ópticos. La invención puede
asimismo suministrar unos avisos automáticos cuando las dimensiones
de un orificio de mecanizado o de un cabezal de fijación
particulares exceden las tolerancias predeterminadas.
En el documento
US-A-4.948.258, la extensión y/o el
perfil de una superficie de ensayo, en particular una superficie
submarina, son determinados barriendo una red holográfica, por medio
de un láser, estructurado para emitir un haz de luz divergente que
define una red bidimensional de puntos en un motivo predeterminado y
proyectando dicho haz sobre la superficie de ensayo. Un receptor,
por ejemplo una cámara de vídeo, identifica las posiciones de los
puntos en el motivo reflejado por la superficie de ensayo y se
realiza una comparación entre estas posiciones y las posiciones
respectivas reflejadas previamente de manera idéntica por una
superficie patrón. Los valores de los desplazamientos de los puntos
de la superficie de ensayo con respecto a los puntos de la
superficie patrón son utilizados para determinar la extensión o la
orientación de la superficie de ensayo con respecto a la red
holográfica o el perfil de la superficie de ensayo.
La presente invención prevé suministrar una
solución que no presente los inconvenientes del estado de la
técnica.
En particular, la invención tiene como objetivo
medir unas distancias entre una banda de metal casi especular en
movimiento y un dispositivo fijo, tal como por ejemplo, un
escurridor en una línea de galvanización por inmersión en
caliente.
Como corolario, la invención prevé determinar en
cualquier instante tanto la forma de dicha banda metálica como sus
desplazamientos en un plano ortogonal con respecto a su dirección de
desplazamiento.
La invención tiene como objetivo complementario
reducir, sobre una línea de galvanización por inmersión en caliente,
la dispersión de peso del revestimiento sobre la banda, debida en
particular al "efecto teja", y en cualquier caso reducir la
diferencia entre el valor de consigna y el peso mínimo requerido por
el consumidor.
Por último, la invención tiene por objetivo
disminuir el coste de fabricación de una chapa revestida por el
procedimiento de galvanización por inmersión en caliente.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la medición de distancias por vía óptica,
preferentemente por triangulación láser, sobre una banda o
superficie metálica especular o casi especular en desplazamiento
continuo en una instalación, preferentemente de galvanización de
acero por inmersión en caliente, caracterizado porque comprende las
siguientes etapas:
- -
- un haz luminoso, denominado haz incidente, es emitido por una fuente, preferentemente una fuente láser, incorporada en un cabezal de medición, proyectando dicha fuente un motivo en forma de una pluralidad de puntos, preferentemente una línea, dispuestos según un eje perpendicular a la dirección de desplazamiento de la superficie metálica, según una dirección de incidencia sobre una parte fija no especular, de dicha instalación;
- -
- en primer lugar, una primera parte de dicho haz es reflejada por dicha parte fija, según la misma dirección que la del haz incidente y en sentido opuesto, hacia un detector que pertenece a dicho cabezal y que se encuentra en la proximidad inmediata de dicha fuente;
- -
- en segundo lugar, otra parte de dicho haz es reflejada hacia dicha banda metálica, desde donde es todavía reflejada en dirección de dicho detector.
Ventajosamente, el detector del cabezal de
medición es una cámara que recibe la imagen de dicho motivo
proyectado, por un lado a partir de dicha parte fija y por otro lado
a partir de la banda metálica, pareciendo cada punto de la imagen
que procede de la banda metálica corresponder a un punto virtual que
es el punto simétrico con respecto a un plano medio que pasa por
dicha banda del punto correspondiente del haz incidente sobre dicha
parte fija. Además, la determinación de la posición y de la forma de
la banda, preferentemente en sección transversal, son deducidas de
la imagen captada por dicho detector, siendo dichas mediciones
realizadas en tiempo real.
Siempre según la invención, la parte fija de la
instalación es un escurridor a la salida de la línea continua de
galvanización por inmersión en caliente, que comprende unas
cuchillas de aire y el cabezal de medición proyecta sobre este
escurridor una línea luminosa paralela a las cuchillas de aire de
éste.
Según un modo de realización preferido, el
procedimiento de la invención está caracterizado porque comprende
las etapas siguientes:
- -
- calibrar el cabezal de medición antes de la puesta en marcha de la instalación;
- -
- adquirir las imágenes en tiempo real,
- -
- tratar las imágenes obtenidas, teniendo en cuenta el calibrado;
- -
- calcular, en una pluralidad de puntos, la distancia entre la banda y las cuchillas de escurrido.
Preferentemente, el calibrado está caracterizado
a su vez porque comprende las siguientes etapas:
- -
- adquirir una imagen que corresponde a un patrón que comprende una pluralidad de líneas negras horizontales, es decir paralelas a los labios del escurridor y una pluralidad de líneas negras verticales, es decir perpendiculares a dichos labios, estando colocado dicho patrón en el plano de reflexión del haz luminoso sobre la parte fija del escurridor y localizado con respecto a un punto fijo de referencia;
- -
- extraer una zona a tratar sobre la imagen y transformación de dicha zona en una tabla bidimensional de niveles de gris;
- -
- extraer una pluralidad de columnas de dicha tabla, que corresponden a unas abscisas fijadas en la zona a tratar;
- -
- determinar la posición de dichas líneas horizontales mediante la detección de sus ordenadas en dichas abscisas;
- -
- extraer varias hileras de la tabla de niveles de gris en unas ordenadas calculadas en función de la posición determinada de dichas líneas horizontales;
- -
- determinar la posición de dichas líneas verticales por detección de sus abscisas en las ordenadas calculadas;
- -
- determinar las ecuaciones para las diferentes líneas de la rejilla por optimización polinómica a partir de las coordenadas obtenidas en las etapas anteriores;
- -
- calcular las intersecciones de dichas líneas horizontales y dichas líneas verticales representadas por sus ecuaciones.
De manera también preferida, el procedimiento de
la invención comprende las siguientes etapas:
- -
- extraer, fuera de dicha zona a tratar sobre la imagen, los niveles de gris que corresponden a una serie de coordenadas, según la ecuación de una línea vertical del procedimiento de calibrado, siendo esta operación repetida para una pluralidad de líneas verticales virtuales;
- -
- detectar la posición de las dos reflexiones del láser a lo largo de estas líneas virtuales;
- -
- transformar las coordenadas que dan la posición sobre la imagen de las dos reflexiones de láser, en coordenadas reales relativas a dicho punto de referencia;
- -
- calcular la posición de la banda.
Para realizar esta transformación de
coordenadas, se interpolan ventajosamente para una vertical dada, es
decir una abscisa dada, sobre una serie de ordenadas de unos puntos
de intersección con las diferentes horizontales de la rejilla de
calibrado, habiendo sido dichos puntos suministrados por el
calibrado.
Todavía de forma preferida, en el cálculo de la
posición de la banda, la ordenada calculada de cada punto de la
banda para una abscisa dada que corresponde al medio de las
ordenadas de dichas dos reflexiones, la abscisa de dichos puntos es
determinada estableciendo la ecuación de la recta que une el punto
nodal del detector, preferentemente de la cámara, al punto
correspondiente de la imagen virtual de la línea láser y extrayendo
el punto cuya ordenada corresponde a dicha ordenada calculada.
Según otra característica de la invención, se
regula en bucle cerrado y en tiempo real, para cada cuchilla, la
intensidad del chorro de aire comprimido en función de la distancia
entre el extremo del labio y la banda, para disminuir o minimizar la
dispersión del espesor del revestimiento sobre la banda o incluso
para que el espesor efectivo del revestimiento sea cercano a un
valor de consigna.
Según un modo particular del procedimiento de la
invención, se emiten por lo menos dos líneas láser por la fuente de
tal manera que se obtienen sobre el detector, preferentemente la
cámara, dos curvas para la primera reflexión láser y dos curvas para
la reflexión sobre la banda, y para cada par de líneas, se determina
su posición así como la distancia que separa las dos líneas del par,
siendo tratada la información obtenida para determinar la
inclinación de dicha banda.
La figura 1 representa una instalación de
galvanización por inmersión según el estado de la técnica.
La figura 2 representa un cabezal de detección
según la presente invención.
La figura 3 representa esquemáticamente la
reflexión de los rayos luminosos en el dispositivo según la
invención.
La figura 4 representa una imagen de vídeo no
tratada sobre un monitor que se encuentra en la cabina del
operador.
La figura 5 representa esquemáticamente un
ejemplo de dispositivo de calibrado para la presente invención.
La figura 6 representa esquemáticamente la
aberración óptica del objetivo de la cámara.
La figura 7 representa esquemáticamente la
proyección en el plano horizontal de la primera reflexión.
En una instalación típica de galvanización en
caliente, tal como la representada en la figura 1, la banda de acero
1 entra en el baño de zinc líquido 2, cambia de dirección a nivel
del rodillo de fondo 3 y vuelve a salir del baño pasando entre unos
rodillos 4 de guiado y de corrección de la forma de la banda. A la
salida del baño, la banda pasa entre las cuchillas 5 de un
dispositivo de escurrido neumático, destinado a colocar la capa de
zinc de un espesor sobre el producto final.
La temperatura del baño es típicamente de 460ºC,
la de la banda a la salida del escurridor de 430ºC, pudiendo la
temperatura del entorno alcanzar 100ºC.
El rodillo de fondo 3 impone una flexión a la
banda. La tracción sobre la banda provoca entonces generalmente un
"efecto teja" o "cross bow". Como el perfil de la banda no
es plano, se constata una variación del espesor de la capa de zinc
depositada, como consecuencia de este defecto de planeidad que hace
variar la distancia 9 entre el metal y las cuchillas de aire.
La invención consiste en sacar provecho, -o en
cualquier caso a acomodarse- debido a que la banda, que sale con
una cobertura fresca del baño de zinc líquido, presenta una
superficie especular o casi especular.
Según una forma de realización preferida de la
invención, un cabezal de medición 10 comprende una fuente luminosa 7
y una cámara 8 incluidas en una misma caja de protección 6. La
figura 2 muestra los detalles del cabezal de detección. El láser 7
proyecta una línea luminosa sobre la parte fija del escurridor,
paralelamente a las cuchillas de aire 5.
El haz luminoso salido del cabezal de medición
10 es reflejado una primera vez (13) sobre esta parte fija y a
continuación una segunda vez (14) sobre la banda 1 en movimiento,
antes de ser interceptado por la cámara, estando definido un punto
virtual 15 por el efecto espejo con respecto a la banda 1 (figura
3).
Cada imagen capturada por la cámara contiene por
lo tanto dos líneas, tal como se ha representado en la figura 4:
- -
- la línea 11 proyectada directamente por el láser sobre una parte fija del dispositivo de escurrido y reflejada directamente hacia la cámara;
- -
- la línea 12 reflejada por la banda recubierta en movimiento, que aparece deformada como consecuencia del efecto teja.
Esta disposición presenta varias ventajas
principales:
- -
- con los sensores de triangulación clásica, es difícil realizar unas mediciones correctas en la medida en que la banda circulante es reflectante. En efecto, como consecuencia de la variación de la posición (distancia, ángulo) entre la fuente de luz y la banda a lo largo del tiempo, debiendo recibir el receptor la posición del punto láser, por ejemplo una cámara, cambia también, lo que lleva por momentos a recibir muy poca energía reflejada por la superficie a nivel del receptor. En efecto, esta particularidad no causa problemas en el caso de una superficie diana rugosa pero es muy incomoda para una superficie especular. En efecto, el lóbulo de distribución de la energía es mucho más estrecho en este último caso. La señal generada, por ejemplo una imagen, puede incluso volverse francamente no detectable durante un tiempo no despreciable. Para intentar poner remedio a este inconveniente, es preciso aumentar entonces la potencia del láser y/o la ganancia del receptor, por ejemplo una cámara, sin por ello estar seguro del resultado;
- -
- reducción del error de medición: como consecuencia de los movimientos relativos accidentales o perturbadores que aparecen en la triangulación clásica entre el soporte de la fuente de luz y el soporte del receptor, se pueden producir errores de medición. En particular, la sensibilidad del sensor disminuye cuando el ángulo entre el eje óptico de la fuente de la luz y el del receptor disminuye. Juntando los dos componentes a una distancia fija en una misma caja, esta fuente de error puede ser reducida;
- -
- simplificación por la disminución del número de componentes: debido al hecho de que todos los componentes sensibles al calor se encuentran en un mismo recinto, se requiere un solo sistema de enfriado para proteger el sistema.
La figura 2 muestra que la placa de montaje del
láser y de la cámara es enfriada por circulación de un fluido 61,
preferentemente agua. Una atmósfera de gas neutro 62,
preferentemente nitrógeno, que se encuentra en el interior de la
caja es purgada permanentemente por una abertura que se encuentra en
la caja frente a la ventana óptica. El objetivo de esta purga es
doble: aumentar el efecto de enfriado y evitar la depositación de
vapores de zinc sobre la ventana óptica.
Se ha desarrollado un sistema lógico específico
para el tratamiento de la imágenes capturadas con vistas a calcular
la distancia entre el escurridor y la banda, así como también se ha
realizado un sistema de calibrado. El dispositivo de calibrado 16 es
por ejemplo una superficie fresada, que comprende un cierto número
de localizaciones (líneas), tal como se ha representado en la figura
5. Se realiza el calibrado antes de la puesta en marcha de la
instalación.
Gracias a un montaje adecuado del diafragma del
objetivo, las imágenes se pueden explotar directamente para una
estimación somera de la forma de la banda. La figura 4 muestra un
ejemplo de imagen de vídeo no tratada (1.600 mm de anchura de
banda). La curva superior en la figura muestra el
"cross-bow" relativo a la forma de la banda,
mientras que la imagen inferior es una línea de referencia.
El dispositivo de la invención es capaz de medir
"on-line" tanto la forma como la posición de la
banda fuertemente reflectante y que está en movimiento entre las
cuchillas de aire. El dispositivo ofrece las siguientes
ventajas:
- -
- tiempo corto de respuesta;
- -
- ausencia de contacto;
- -
- compatibilidad con un poder reflectante elevado;
- -
- poca sensibilidad a los cambios de reflexión de la banda;
- -
- medición muy cercana a los labios del dispositivo de escurrido,
- -
- débil impacto sobre el entorno.
Con el objetivo de reducir la dispersión del
revestimiento, el sensor está integrado en un sistema de regulación
en bucle cerrado que es capaz de ajustar
"on-line" los parámetros de tal manera que el
espesor del revestimiento sea mantenido cercano al valor de
consigna.
Esencialmente, se pueden seguir dos estrategias.
La más convencional consiste en guardar la banda plana entre las
cuchillas de aire actuando sobre los rodillos de guiado en el
interior del baño de zinc, en función de la medición de la forma de
la banda. Gracias a unas cuchillas de aire de hendiduras modulables
(Dynamic Air Knives, DAK) desarrolladas recientemente, otra
estrategia consiste en cambiar "on line" el perfil de los
labios de escurrido en función de las mediciones de forma de la
banda con vistas a asegurar un espesor de depósito uniforme.
Un método conocido por el experto en la materia
para evitar la dispersión del espesor del depósito de zinc sobre la
banda es por lo tanto corregir la forma de teja que afecta la banda
cambiando la posición de los rodillos de regulación sumergidos en el
baño. Este método no asegura una corrección perfecta de la forma y
por lo tanto no es del todo eficaz. También se conoce el escurrido
electromagnético, que influye favorablemente en la estabilización de
la banda efectuada enderezando la banda con ayuda de
electroimanes.
Además, puede no ser deseable utilizar estos
métodos, en la medida en que se desea precisamente provocar el
"cross bow" de la banda con vistas a obtener una banda más
estable a la salida del baño de galvanización.
Según la presente invención, se puede también
adaptar ventajosamente el chorro de aire comprimido en función de la
distancia transversal con respecto a un extremo de la banda. Así, la
cuchilla de aire es subdividida transversalmente, con respecto a la
dirección de desplazamiento de la banda, en una serie de zonas cuya
geometría es modulable (no representado). Desde este momento se
puede adaptar y regular, gracias al procedimiento de la invención,
la presión del aire a la salida de cada labio individual, de tal
manera que se elimina casi exactamente el excedente de zinc
resultante del "cross-bow".
La presente invención no está limitada al campo
del revestimiento en caliente o de la galvanización de chapas de
acero pero puede ser aplicada a la medición de distancias o de
formas en el caso de bandas que se desplazan muy reflectantes o
especulares.
Para tener en cuenta las diferentes
deformaciones introducidas por el sistema óptico, se realiza un
calibrado global.
Un ejemplo de forma de realización preferida del
sistema de calibrado está representado en la figura 5.
La figura 5 muestra una rejilla que comprende 12
líneas negras "horizontales", paralelas a los labios del
escurridor, separadas 25 mm y con una anchura de 4 mm y 14 líneas
negras "verticales", perpendiculares a los labios, separadas
160 mm y con una anchura de 4 mm. Esta rejilla es colocada en el
plano horizontal de la reflexión del haz luminoso sobre la parte
fija del escurridor. Su posición es localizada con respecto a un
punto fijo tal como un extremo de los labios.
Una vez la rejilla es colocada en su lugar, se
adquiere una imagen. La imagen obtenida no es naturalmente una
rejilla regular, sino más bien un conjunto de curvas que ponen en
evidencia las deformaciones introducidas por el sistema óptico. El
resultado puede ser tal como el que se ha representado en la figura
6.
El calibrado consistirá en establecer la
correspondencia entre la posición real sobre la rejilla y la
posición en la imagen. El procedimiento global de calibrado
comprende las siguientes etapas:
- -
- recuperar la imagen capturada;
- -
- extraer la zona a tratar y transformarla en una tabla bidimensional, conteniendo cada célula de la tabla el valor de los niveles de gris de un píxel correspondiente;
- -
- extraer varias columnas, típicamente 15, con unas abscisas fijadas en la zona a tratar;
- -
- determinar la posición de las 12 líneas horizontales por detección de sus ordenadas en las abscisas consideradas;
- -
- extraer varias hileras de la tabla de niveles de gris con unas ordenadas calculadas en función de la posición determinada de las 12 líneas horizontales, típicamente entre dichas líneas;
- -
- determinar la posición de las 14 líneas verticales mediante la detección de sus abscisas en la ordenadas consideradas;
\newpage
- -
- determinar ecuaciones para las diferentes líneas verticales y horizontales de la rejilla por optimización polinómica a partir de las coordenadas obtenidas en las etapas anteriores;
- -
- calcular las intersecciones de las 12 líneas horizontales y de las 14 líneas verticales representadas por sus ecuaciones.
Gracias a este calibrado, la posición localizada
sobre una imagen (en píxeles) de un punto de la primera reflexión
(localización 13, figura 3 y localización 17, figura 7) del haz de
láser podrá ser transformada en una posición real en mm con respecto
a un punto de referencia.
Para la imagen de la segunda reflexión
(localización 14, figura 3 y localización 20, figura 7), sobre la
banda, se obtiene con esta correspondencia la posición real de la
"imagen virtual" 15 en el plano horizontal de la primera
reflexión. El razonamiento geométrico utilizado para determinar la
posición de la banda indica que la ordenada del punto de la banda
que ha producido una imagen dada corresponde al medio de las
ordenadas de estas dos imágenes (véase la figura 3).
Sin embargo, la abscisa de este punto no es la
misma que la de estas dos imágenes, excepto para un punto que
estaría situado exactamente sobre el eje de la cámara. Para corregir
el desfase de esta abscisa, se necesitan unas coordenadas de la
proyección del punto nodal 19 de la cámara en el plano horizontal de
la primera reflexión (véase la figura 7).
Para determinar la posición del punto nodal 19
del objetivo de la cámara 10, se utiliza la imagen capturada por la
primera parte del calibrado. Siendo la posición y las distancias
reales de las diferentes líneas de la rejilla conocidas con
precisión, se utilizan las distancias resultantes sobre la imagen
correspondiente (bastan 2 líneas horizontales y 2 líneas verticales)
con la finalidad de recalcular la posición de la cámara que ha
podido suministrar dicha imagen.
Se realiza la detección de la posición de la
banda por medio de la detección de la posición de las dos imágenes
del haz de láser: posición real para la primera reflexión y posición
"virtual" en el mismo plano horizontal para la segunda. Cada
una de estas dos reflexiones se presenta en forma de una curva.
Se localiza sobre la imagen dada por la cámara
la posición de la intersección de las dos curvas con las líneas
verticales virtuales que corresponden a las verticales de la rejilla
de calibrado. Estas verticales virtuales están descritas por su
ecuación definida durante el calibrado. Estas posiciones deben ser
corregidas a continuación con la finalidad de tener en cuenta la
deformación inducida por el sistema óptico.
El procedimiento global de detección comprende
las siguientes etapas:
- -
- extraer, fuera de la tabla que representa la imagen, los niveles de gris que corresponden a una serie de coordenadas, según la ecuación de una línea vertical del procedimiento de calibrado: se extrae por lo tanto una línea vertical real fuera de la imagen; esta operación es repetida para las 14 líneas verticales virtuales;
- -
- detectar la posición de las dos reflexiones del haz de láser a lo largo de estas 14 líneas virtuales;
- -
- transformar estas coordenadas que dan la posición sobre la imagen de las dos reflexiones del haz de láser, en coordenadas reales relativas al punto de referencia. Para realizar esta transformación, se procede como sigue: para una vertical, es decir una abscisa dada, el calibrado ha suministrado una serie de ordenadas de los puntos de intersección con las diferentes horizontales de la rejilla de calibrado. Es suficiente por lo tanto interpolar sobre esta serie de puntos;
- -
- calcular la posición de la banda:
- 1.
- la ordenada de cada uno de los 14 puntos es la media de las ordenadas reales de cada una de las dos reflexiones;
- 2.
- para la abscisa de estos 14 puntos, se establece la ecuación de la recta que une el punto nodal del objetivo 19 de la cámara con el punto correspondiente de la imagen virtual 18 de la línea láser y se extrae el punto 20 cuya ordenada corresponde a la calculada anteriormente (figura 7).
Según un modo de ejecución particularmente
ventajoso de la invención, se proyectan dos líneas láser en vez de
una sola como anteriormente. La imagen contiene dos curvas para las
dos primeras reflexiones láser y dos curvas para la reflexión sobre
la banda. Para cada par de líneas, se determina su posición así como
la distancia que separa las dos líneas del par. La ventaja del
desdoblamiento de la línea láser de partida es poder obtener una
información complementaria después del tratamiento de los datos como
anteriormente: la inclinación de la banda.
Claims (13)
1. Procedimiento para la medición de distancias
por vía óptica, preferentemente por triangulación láser, sobre una
banda o superficie metálica (1) especular o casi especular en
desplazamiento continuo en una instalación, preferentemente de
galvanización de acero por inmersión en caliente,
caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- -
- un haz luminoso, denominado haz incidente, es emitido por una fuente (7), preferentemente una fuente láser, incorporada en un cabezal de medición (10), proyectando dicha fuente un motivo (11) en forma de una pluralidad de puntos, preferentemente una línea, dispuestos según un eje perpendicular a la dirección de desplazamiento de la superficie metálica, según una dirección de incidencia sobre una parte fija (5) no especular, de dicha instalación;
- -
- en primer lugar, una primera parte de dicho haz es reflejada por dicha parte fija (5), según la misma dirección que la del haz incidente y en sentido opuesto, hacia un detector (8) que pertenece a dicho cabezal de medición (10) y que se encuentra en la proximidad inmediata de dicha fuente (7);
- -
- en segundo lugar, otra parte de dicho haz es reflejada hacia dicha banda metálica (1), de la que es también reflejada en dirección a dicho detector (8).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el detector del cabezal de medición (10)
es una cámara (8) que recibe la imagen de dicho motivo proyectado
(11), por un lado a partir de dicha parte fija (5) y por otro lado a
partir de la banda metálica (1), pareciendo cada punto de la imagen
(12) que procede de la banda metálica (1) corresponder a un punto
virtual (15) que es el punto simétrico con respecto a un plano medio
que pasa por dicha banda (1) del punto correspondiente al haz
incidente sobre dicha parte fija.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la determinación de la posición y de la
forma de la banda, preferentemente en sección transversal, son
deducidas de la imagen (11, 12) captada por dicho detector.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dichas
mediciones son realizadas en tiempo real.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha parte
fija de la instalación es un escurridor (5) a la salida de la línea
continua de galvanización por inmersión en caliente, que comprende
unas cuchillas de aire.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque el cabezal de medición (10) proyecta
sobre dicho escurridor una línea luminosa paralela a las cuchillas
de aire del escurridor.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
las siguientes etapas:
- -
- calibrar el cabezal de medición antes de la puesta en marcha de la instalación;
- -
- adquirir imágenes en tiempo real;
- -
- tratar las imágenes obtenidas, teniendo en cuenta el calibrado;
- -
- calcular, en una pluralidad de puntos, la distancia entre la banda y las cuchillas de escurrido.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque dicho calibrado está
caracterizado por lo menos porque comprende las siguientes
etapas:
- -
- adquisición de una imagen que corresponde a un patrón que comprende una pluralidad de líneas negras horizontales, es decir paralelas a los labios del escurridor (5) y una pluralidad de líneas negras verticales, es decir perpendiculares a dichos labios, estando colocado dicho patrón en el plano de reflexión del haz luminoso sobre la parte fija del escurridor (5) y localizado con respecto a un punto fijo de referencia;
- -
- extraer una zona a tratar sobre la imagen y transformar dicha zona en una tabla bidimensional de niveles de gris;
- -
- extraer una pluralidad de columnas de dicha tabla, que corresponden a unas abscisas fijadas en la zona a tratar;
- -
- determinar la posición de dichas líneas horizontales mediante la detección de sus ordenadas en dichas abscisas;
\newpage
- -
- extraer varias hileras de la tabla de niveles de gris con unas ordenadas calculadas en función de la posición determinada de dichas líneas horizontales;
- -
- determinar la posición de dichas líneas verticales por detección de sus abscisas con las ordenadas calculadas;
- -
- determinar las ecuaciones para las diferentes líneas de la rejilla por optimización polinómica a partir de las coordenadas obtenidas en las etapas anteriores;
- -
- calcular las intersecciones de dichas líneas horizontales y dichas líneas verticales representadas por sus ecuaciones.
9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8,
caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- -
- extraer, fuera de dicha zona a tratar sobre la imagen, los niveles de gris que corresponden a una serie de coordenadas, según la ecuación de una línea vertical del procedimiento de calibrado siendo repetida esta operación para una pluralidad de líneas verticales virtuales;
- -
- detectar la posición de las dos reflexiones del láser a lo largo de estas líneas virtuales;
- -
- transformar las coordenadas que dan la posición sobre la imagen de las dos reflexiones del láser, en coordenadas reales relativas a dicho punto de referencia;
- -
- calcular la posición de la banda.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque, para realizar esta transformación de
coordenadas, se interpolan para una vertical dada, es decir una
abscisa dada, sobre una serie de ordenadas de los puntos de
intersección con las diferentes horizontales de la rejilla de
calibrado, dichos puntos que han sido suministrados por el
calibrado.
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque, en el cálculo de la posición de la
banda, la ordenada calculada de cada punto de la banda para una
abscisa dada correspondiente al medio de las ordenadas de dichas dos
reflexiones, la abscisa de dichos puntos es determinada
estableciendo la ecuación de la recta que une el punto nodal (19)
del detector (8), preferentemente de la cámara (8), con el punto
correspondiente de la imagen virtual (18) de la línea láser y
extrayendo el punto (20) cuya ordenada corresponde a dicha ordenada
calculada.
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque se regula en
bucle cerrado y en tiempo real, para cada cuchilla, la intensidad
del chorro de aire comprimido en función de la distancia entre el
extremo del labio y la banda, para disminuir o minimizar la
dispersión del espesor del revestimiento sobre la banda o incluso
para que el espesor efectivo del revestimiento sea cercano a un
valor de consigna.
13. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque por lo
menos dos líneas láser son emitidas por la fuente (7) de manera que
se obtengan sobre el detector (8), preferentemente la cámara, dos
curvas para la primera reflexión láser y dos curvas para la
reflexión sobre la banda, y porque, para cada par de líneas, se
determina su posición así como la distancia que separa las dos
líneas del par, siendo la información obtenida tratada para
determinar la inclinación de dicha banda.
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