JP3530380B2 - 溶融金属容器の内面形状の計測装置及び計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融金属容器の内
面に施工された耐火物の形状を測定するための測定装置
及び測定方法に関し、特に、取鍋等のように移動して使
用される溶融金属容器の内面に施工された耐火物の形状
測定に適するものである。

【０００２】

【従来の技術】取鍋等の溶融金属容器の内面には、高温
の溶融金属から容器の外郭である鉄皮を保護するために
耐火物が施工されている。この耐火物は、高温の溶融金
属との摩擦等や化学的変化により損耗するため、定期的
に補修する必要がある。このような耐火物の補修を効率
的に行うためには、予め耐火物の損耗状態を把握しなけ
ればならない。そこで、従来より、溶融金属容器の内面
に施工された耐火物の形状を計測するための装置や方法
が種々提案されている。

【０００３】このような従来技術としては、例えば、特
開平６−１６００７４号公報に記載された高温溶融物体
容器プロフィル測定装置がある。この測定装置では、測
距儀、トランシット、位置指示器、データ処理装置を用
いて溶融金属容器の内面に施工された耐火物の形状を測
定しようとしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般的に用い
られている従来の技術では、溶融金属容器が移動する
と、この溶融金属容器に対する基準点がなくなってしま
うため、大規模な位置決め装置が必要であった。

【０００５】この場合、基準点は溶融金属容器の外側に
設けられるが、計測対象は溶融金属容器の内面であるた
め、１個の計測装置により、溶融金属容器の外側と内側
とを同時に計測することができない。このため、計測装
置に移動機構を組み込む必要があり、装置が大がかりに
なってしまうという問題点があった。また、溶融金属容
器の開口部付近に基準点を設けることにより、溶融金属
容器の外側と内側とを同時に計測することが可能となる
が、開口部付近に基準点を設けると、溶融金属および、
その飛沫により基準点が汚損したり、計測装置の設置位
置に制約ができる等の新たな問題が発生する。また、特
に、上述した特開平６−１６００７４号公報に記載され
た従来の技術では、位置指示器により溶融金属容器の内
面測定を可能とするためには、位置指示器の腕を伸ばす
必要がある。このため、位置指示器の脱着が必要となっ
て、手間がかかるという問題点があった。

【０００６】さらに、溶融金属容器は大型であるため、
高所作業となり危険が伴うという問題点もあった。本発
明は、上述した従来の技術の有する問題点を解決するた
めに提案されたもので、移動可能な大型の溶融金属容器
であっても、その内面に施工された耐火物の形状を簡易
かつ正確に計測することができる溶融金属容器の内面形
状の計測装置及び計測方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的
を達成するために、以下の特徴点を備えている。請求項
１記載の発明は、溶融金属容器の内面に施工された耐火
物の形状を計測するための計測装置であって、前記溶融
金属容器の外面に設定した３カ所以上の容器基準点と、
前記溶融金属容器の内面の計測点に対向して設置され、
計測点までの角度と距離とを計測するための子機と、前
記子機上に設定した子機位置代表点と、前記容器基準点
と前記子機位置代表点とに対向して設置され、前記容器
基準点と前記子機位置代表点までの角度と距離とを計測
するための親機と、前記子機と前記親機から計測可能な
位置に設定された共通基準点と、前記子機と前記親機に
よる計測データに基づいて、前記溶融金属容器の内面に
施工された耐火物の形状を測定するための演算手段とを
備えたことを特徴とするものである。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、溶融金属容
器の外面に対向する親機と、前記溶融金属容器の内面に
対向する子機とを備えた計測装置を用いて、前記溶融金
属容器の内面に施工された耐火物の形状を計測するため
の計測方法であって、溶融金属容器の外面に３カ所以上
の容器基準点を設定し、前記親機及び前記子機が対向可
能な位置に共通基準点を設定し、前記親機を溶融金属容
器の外面に設けた容器基準点と前記共通基準点とに対向
して設置し、前記子機を溶融金属容器の内面の計測点と
前記共通基準点とに対向して設置し、前記親機からの前
記容器基準点に対する角度及び距離を計測し、前記親機
から共通基準点に対する角度と距離、前記子機からの共
通基準点に対する角度と距離、前記親機と前記子機との
距離に基づいて、前記親機と前記子機との位置関係を計
測し、前記子機からの前記溶融金属容器の計測点に対す
る角度と距離とを計測し、前記各計測結果に基づいて、
溶融金属容器の内面に施工された耐火物の形状を計測す
ることを特徴とするものである。上記した構成を備える
ことにより、移動可能な大型の溶融金属容器の内面に施
工された耐火物の形状を、簡易かつ正確に計測すること
ができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
一実施形態を説明する。図１は、本発明に係る溶融金属
容器の内面形状の計測装置の概略構成図である。この計
測装置１は、図１に示すように、溶融金属容器２の外面
に設定した３カ所以上の容器基準点３と、溶融金属容器
２の内面の計測点に対向して設置され、計測点までの角
度と距離とを計測するための子機４と、子機４上に設定
した子機位置代表点５と、容器基準点３と子機位置代表
点５とに対向して設置され、容器基準点３と子機位置代
表点５までの角度と距離とを計測するための親機６と、
子機４と親機６から計測可能な地面上に設定された共通
基準点７と、子機４と親機６による計測データに基づい
て、溶融金属容器２の内面に施工された耐火物の形状を
測定するための演算手段８とを備えている。なお、前記
親機６及び子機４は、例えば、レーザ測距計からなる。
また、演算手段８は、例えば、コンピュータ及びその付
属機器からなる。

【００１０】次に、図２〜４に基づいて、上述した計測
装置を用いて溶融金属容器の内面に施工された耐火物の
形状を測定する方法の概略手順を説明する。なお、以下
の説明では、溶融金属容器を鍋として説明する。図２
は、親機座標系からの鍋基準系の観測を説明した説明
図、図３は、子機座標系から鍋の中心軸系の観測を説明
した説明図、図４は、親機座標系から子機座標系の観測
を説明した説明図である。

【００１１】まず、溶融金属容器の内面に施工された耐
火物の形状を測定するための前提として、以下の条件を
満足している必要がある。 ＜前提条件＞ （１）親機、子機ともに水準が出ている（鉛直方向に計
測機本体のｚ軸が一致している）。 （２）鍋の施工厚は、既知とする。なお、施工厚は、単
一でなくとも、ゾーン毎に既知とする。 （３）鍋上基準の位置は、使用前後でも鍋鉄皮に対して
不変とする（熱変形の影響を無視する）。 （４）耐火物残厚は、鍋使用前後の測定点の半径方向座
標の差と考える。 これは、鍋中心を軸とする円筒形座標で考えた場合、鍋
使用前後の測定点は、それぞれ円筒状の円周方向位置、
円筒軸方向位置について、若干のずれを持つからであ
る。測定点の直線距離は、非半径方向の位置ずれを含む
が、耐火物の残厚は、半径方向成分のみが有効と考えら
れるので、円筒座標系表示に変換した上で比較すると、
その差が用意に求められる。

【００１２】１．１回目のデータ処理手順 １回目のデータ処理は、炉修直後あるいは炉使用前に行
う。以下に説明する各座標系間の関係を以下に示す。

【数１】 （１）Ｏ→Ｎ（親機から鍋基準点） 親機にて鍋上基準点（点Ａ，Ｂ，Ｃ）を測定する。鍋上
基準点（３点）［親機基準］獲得

【数２】 交換行列

【数３】 を求める。

【００１３】（２）Ｏ→Ｋ（親機から子機） 親機から子機の位置座標を計測する。親機からバック点
にＸ軸を一致させ、距離を計測する。

【数４】 親機から子機の示準点を計測する。

【数５】 子機からバック点を計測する。

【数６】 交換行列

【数７】 を求める。

【００１４】（３）Ｋ→Ｍ（子機から中心軸） 子機から鍋中心座標系Ｍを見つける。子機から炉口上点
（３点）を計測する。

【数８】 仮想炉口中心Ｖを計算する（外心の求解）

【数９】 子機から炉底中心Ｗを求める。

【数１０】 交換行列

【数１１】 を求める。

【００１５】（４）Ｋ→Ｎ（子機から鍋基準点）

【数１２】 となるので、既知の行列

【数１３】 で表すと、

【数１４】 となる。

【００１６】（５）Ｎ→Ｍ（鍋基準点から中心軸）

【数１５】

【００１７】（６）内面プロフィル測定（複数の測定
点） 子機により測定する。

【数１６】

【００１８】（７）座標変換（中心軸から円筒座標）

【数１７】

【００１９】２．２回目のデータ処理手順 ２回目のデータ処理は、炉使用後に行う。 （１）Ｏ→Ｎ（親機から鍋基準点） 親機にて鍋上基準点（点Ａ，Ｂ，Ｃ）を測定する。鍋上
基準点（３点）［親機基準］獲得

【数１８】 交換行列

【数１９】 を求める。

【００２０】（２）Ｏ→Ｋ（親機から子機） 親機から子機の位置座標を計測する。親機からバック点
にＸ軸を一致させ、距離を計測する。

【数２０】 親機から子機の示準点を計測する。

【数２１】 子機からバック点を計測する。

【数２２】 交換行列

【数２３】 を求める。

【００２１】（３）Ｋ→Ｎ（子機から鍋基準点）

【数２４】 となるので、既知の行列

【数２５】 で表すと、

【数２６】 となる。

【００２２】（４）内面プロフィル測定（複数の測定
点）

【数２７】

【００２３】（５）座標変換（中心軸から円筒座標）

【数２８】

【００２４】３．残厚を求める 円筒座標系上で考える。円筒座標系上で、補修前後の測
定位置は中心軸方向、円周方向でもずれているが、測定
したいのは半径方向（Ｐ軸）の変化量のみ。そこで、

【数２９】 となる。

【００２５】

【実施例】上述した測定方法を、図５〜８に基づいて、
さらに具体的に説明する。図５は、計測装置と鍋の座標
系Ｋ，Ｎを説明する説明図、図６は、鍋系（鍋上の座標
系）Ｎを説明する説明図、図７は、計測装置系と鍋の仮
想中心軸の座標系Ｋ，Ｍを説明する説明図、図８は、計
測装置間座標（平面）、Ｏ系（親機）、Ｋ系（子機）を
説明する説明図である。

【００２６】１．書き方の規約 書き方の規約は、以下の通りである。

【数３０】 座標系は左手系である。したがって、方向規約は、逆ネ
ジ式となる。ベクトル積は右手系なので、負号を付けて
表す。Ｍ^T は行列Ｍの転置行列である。

【００２７】２．直交座標系同士の座標変換 ２−１．同時変換行列 一般に、３次元直交座標系の座標変換は、回転成分と並
進成分とに分解でき、

【数３１】 となる。Ｋ座標系で表される位置ベクトル

【数３２】 を、座標系Ｋから座標系Ｎへ回転変換する行列

【数３３】 と、並進ベクトル

【数３４】 の、線形結合で表す。これを、行列計算で簡単に書くた
めに、

【数３５】 と表す。ただし、

【数３６】 となる。

【００２８】２−２．計測機から鍋系への座標変換 （１）Ｋ座標系 規約１：計測機の計測座標系をＫとする。左手系。 なお、実機では鉛直方向をＺ軸とする。

【００２９】（２）Ｎ座標系 規約２：鍋上の基準点Ａ，Ｂ，Ｃによって定まる座標系
を鍋座標系Ｎとする。左手系。 Ａを原点、ＡからＢへの方向をＸ軸、ＡＢＣを含む平面
内に、Ｘ軸を線分ＣＡに向かって重なる方向に回転させ
たとき進む逆ネジの方向の、平面ＡＢＣの法線をＺ軸、
Ｚ軸をＸ軸に重ねるように回転させたときに進む逆ネジ
の方向をＹ軸とする。

【００３０】（３）Ｎ座標系の基準点のＫ座標系での配
列表現 子機から測ったＡ，Ｂ，Ｃの座標点の配列のデータを下
記のように表す。

【数３７】

【００３１】（４）並進行列 式（２−１）の

【数３８】 行列を求める。（２）の規約２で、Ａ点は原点なので、
Ｋ座標系で表現されるＮ座標系の原点が

【数３９】 行列となり、

【数４０】 となる。

【００３２】（５）回転行列 回転行列は、式（２−３）を反映して式（２−１）を変
形した、

【数４１】 の、

【数４２】 となる。Ｋ座標系での各軸の単位ベクトルが、Ｎ座標系
上で、

【数４３】 で表されるとする。その線形結合で全ての位置ベクトル
の座標変換が記述できるから、回転行列はＫ座標系で表
現されたＮ座標系の単位ベクトルによる行列で表され、
以下のようになる。

【数４４】 この単位ベクトル系を、基準点Ａ，Ｂ，Ｃの位置ベクト
ルで構成すると、（以下”Ｘ”はベクトル外積を表す）

【００３３】

【数４５】

【数４６】

【数４７】 でいずれも計測機の測定点から計算が可能である。以
下、計測機での測定値で、

【数４８】 を表す。線分ベクトルは位置ベクトルで表せるので、

【数４９】

【数５０】 となる。

【００３４】線分ＡＢの長さは、

【数５１】 線分ＣＡの長さは、

【数５２】 となる。ゆえに、

【数５３】 となる。次に、ベクトル

【数５４】 を以下のように定義してその成分を計算すると、

【数５５】 となり、その絶対値は、

【数５６】 となる。

【００３５】以上から単位ベクトルを求め、その成分を
以下のように定義する。

【数５７】 最後に

【数５８】 は、

【数５９】 ベクトル

【数６０】 ベクトルが単位ベクトルであることを考慮して、（２−
７）式より、

【数６１】 として求められる。

【００３６】（６）変換行列

【数６２】 以上から，（２−２）式で変換行列を求めると、

【数６３】 として計測値から表現できる。

【００３７】２−３．鍋系から仮想中心座標系Ｍへの変
換 （１）Ｍ座標系 規約３：鍋の炉口部の（できるだけ）同一平面内にある
観測点Ｓ，Ｔ，Ｕの外心円の中心を仮想中心Ｖとし、底
部の中心Ｗ、そして鍋のカラス口の逆側（up..）Ｕによ
って定まる座標系を仮想中心座標系Ｍとする。左手系。
Ｗを原点、ＷからＶへの方向をＺ軸、ＵＶＷを含む平面
内に、Ｚ軸を線分ＷＵに向かって重なる方向に回転させ
たとき進む逆ネジの方向の、平面ＵＶＷの法線をＹ軸、
Ｚ軸をＹ軸に重ねるように回転させたときに進む逆ネジ
の方向をＸ軸とする。

【００３８】（２）外心Ｖ Ｓ，Ｔ，Ｕの３点の外心（外接円の中心）の座標成分表
示については別途説明する。以下、２−２．と同様の手
順で同時変換行列

【数６４】 を求める。

【００３９】（３）並進ベクトル Ｕ点の位置ベクトルは

【数６５】 となる。

【００４０】（４）回転行列 回転行列は、Ｋ座標系で表現されたＭ座標系の単位ベク
トルによる行列で表され、以下のように定義する。

【数６６】

【数６７】 この単位ベクトル系を、基準点Ｕ，Ｖ，Ｗの位置ベクト
ルで構成すると、

【数６８】

【数６９】 となる。

【００４１】（５）変換行列

【数７０】 以上から、（２−２）式での変換行列を求めると、

【数７１】 として計測値から表現できる。

【００４２】（６）鍋座標からの変換 合成変換を考えると

【数７２】 となるので、既知の行列

【数７３】 で表すと、

【数７４】 となる。（４×４行列の逆行列につき計算に注意が必要
である）

【００４３】２−４．２つの計測機の間の座標変換 （１）以下、２つの計測機を親機Ｏと子機Ｋとし、両者
の機能を若干分化して考える。測定器の固定されている
フレーム（つまり地面）上の固定点をＥ（バック点、ea
rth...）とする。角度は各測定器のＸ軸から時計回りに
測る。親機ＯのＸ軸はＥ点に向かっているものとする。 （２）両計測機がＺ軸を鉛直軸としている場合 (i)親機、子機とも鉛直示準点を持ち、相互に計測可能
な場合 α：Ｏから測ったＫの水平角 γ：Ｋから測ったＯの水平角 求めたいのは、座標系Ｏと座標系Ｋの水平角の差ω。図
７より、

【数７５】 となる。

【００４４】(ii)親機は鉛直示準点を持たず（δが不
明）、子機の示準点まで、およびバック点Ｅまでの距離

【数７６】 を測定し、子機はバック点Ｅの水平角εと距離

【数７７】 を計測する場合、余弦定理

【数７８】 を考慮すると、

【数７９】 となる。

【００４５】(iii)交換行列

【数８０】 座標系Ｏから計測した座標系Ｋと原点の位置ベクトルを

【数８１】 と表すと(i)(ii)で水平角ωがわかっているので

【数８２】 となる。

【００４６】（３）両計測機がＺ軸を鉛直軸としない場
合（不平行の場合） ２−２．２−３．と同じ構造になるので、子機に３示準
点を設けることが必要になる。

【００４７】３．直交座標系から円筒座標系への変換 ２−３．のＭ座標系を前提とする。当然、非線形な変換
となる。 規約４：底部の中心Ｗを原点とし、Ｍ座標系のＺ軸をｚ
軸（変数ｚ）とし、Ｘ軸（カラス口の反対側）を起点と
して半径軸Ｐ（変数ρ）、時計回りに角度軸Φ（変数
ψ）できまる座標系をＣとする。Ｍ座標系で（ｘ ｙ
ｚ）と表される点は、Ｃ座標系では以下のように表され
るので、

【数８３】 （ただし、ψを［−π、π］の範囲で求めるには、tan-
1 は計算機上では、atan2(x,y) であるべき） この変換を関数表現として

【数８４】 と表す。

【００４８】

【発明の効果】本発明は、上記した構成を有するので、
以下に示すような効果を奏する。請求項１及び請求項２
記載の発明によれば、親機及び子機を簡単に移動して設
置することができるので、大規模な位置決め装置等が必
要でない。また、計測装置に移動機構を組み込む必要が
なく、装置を小型化することができる。したがって、移
動可能な大型の溶融金属容器であっても、その内面に施
工された耐火物の形状を簡易かつ正確に計測することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る溶融金属容器の内面形状の計測装
置の概略構成図である。

【図２】親機座標系からの鍋基準系の観測を説明した説
明図である。

【図３】子機座標系から鍋の中心軸系の観測を説明した
説明図である。

【図４】親機座標系から子機座標系の観測を説明した説
明図である。

【図５】計測装置と鍋の座標系Ｋ，Ｎを説明する説明図
である。

【図６】鍋系（鍋上の座標系）Ｎを説明する説明図であ
る。

【図７】計測装置系と鍋の仮想中心軸の座標系Ｋ，Ｍを
説明する説明図である。

【図８】計測装置間座標（平面）、Ｏ系（親機）、Ｋ系
（子機）を説明する説明図である。

【符号の説明】

１ 計測装置 ２ 溶融金属容器 ３ 容器基準点 ４ 子機 ５ 子機位置代表点 ６ 親機 ７ 共通基準点 ８ 演算手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01C 15/00 - 15/14

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融金属容器の内面に施工された耐火物
   の形状を計測するための計測装置であって、 前記溶融金属容器の外面に設定した３カ所以上の容器基
   準点と、 前記溶融金属容器の内面の計測点に対向して設置され、
   計測点までの角度と距離とを計測するための子機と、 前記子機上に設定した子機位置代表点と、 前記容器基準点と前記子機位置代表点とに対向して設置
   され、前記容器基準点と前記子機位置代表点までの角度
   と距離とを計測するための親機と、 前記子機と前記親機から計測可能な位置に設定された共
   通基準点と、 前記子機と前記親機による計測データに基づいて、前記
   溶融金属容器の内面に施工された耐火物の形状を測定す
   るための演算手段と、を備えたことを特徴とする溶融金
   属容器の内面形状の計測装置。
2. 【請求項２】 溶融金属容器の外面に対向する親機と、
   前記溶融金属容器の内面に対向する子機とを備えた計測
   装置を用いて、前記溶融金属容器の内面に施工された耐
   火物の形状を計測するための計測方法であって、 溶融金属容器の外面に３カ所以上の容器基準点を設定
   し、 前記親機及び前記子機が対向可能な位置に共通基準点を
   設定し、 前記親機を溶融金属容器の外面に設定した容器基準点と
   前記共通基準点とに対向して設置し、 前記子機を溶融金属容器の内面の計測点と前記共通基準
   点とに対向して設置し、前記親機からの前記容器基準点
   に対する角度及び距離を計測し、 前記親機から共通基準点に対する角度と距離、前記子機
   からの共通基準点に対する角度と距離、前記親機と前記
   子機との距離に基づいて、前記親機と前記子機との位置
   関係を計測し、 前記子機からの前記溶融金属容器の計測点に対する角度
   と距離とを計測し、 前記各計測結果に基づいて、溶融金属容器の内面に施工
   された耐火物の形状を測定することを特徴とする計測方
   法。