DE10257422A1

DE10257422A1 - Verfahren zum Positionieren einer Messvorrichtung, die optische Strahlung emittiert und empfängt, zum Messen von Verschleiß der Auskleidung eines Behälters

Info

Publication number: DE10257422A1
Application number: DE10257422A
Authority: DE
Inventors: Hannu E. Jokinen
Original assignee: Specialty Minerals Michigan Inc
Current assignee: Specialty Minerals Michigan Inc
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-07-08
Also published as: CN100334423C; ZA200503827B; BR0316802A; WO2004053427A1; NO20053255L; KR20050084171A; AR042325A1; CN1723382A; TW200415339A; MXPA05006108A; CA2505258A1; JP2006509206A; PL376729A1; AU2003293659A1; RU2005121557A; EP1570233A1; US20060023227A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren einer Messvorrichtung, die optische Strahlung emittiert und empfängt, zum Messen von Verschleiß der Auskleidung eines Behälters, wobei das Verfahren das Fixieren von Koordinatensystemen für die Messvorrichtung und den Behälter beinhaltet, indem diese Koordinatensysteme kombiniert werden und die Positionen einer Vielzahl spezifischer Fixierungsmarkierungen in dem Koordinatensystem der Messvorrichtung individuell bestimmt werden, wobei jede der Fixierungsmarkierungen eine im Wesentlichen reguläre Form hat, wobei die Position der Fixierungsmarkierungen bestimmt wird durch: DOLLAR A (a) Auslenken eines optischen Strahlungsstrahls über eine erste Fixierungsmarkierung hinweg in ersten und zweiten sich schneidenden Richtungen und Bestimmen der Position der Mitte und mindestens zwei linearer Ränder derselben und Erzeugen eines ersten temporären Koordinatensystems auf Basis der Position der Mitten und der Richtungen der mindestens zwei Ränder, DOLLAR A (b) Suchen von mindestens zwei weiteren Fixierungsmarkierungen und Bestimmen der Position von deren Mitten auf Basis des ersten temporären Koordinatensystems, DOLLAR A (c) Definieren des Koordinatensystems des Behälters auf Basis der Mittenpositionen der Fixierungsmarkierungen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren einer Messvorrichtung, die optische Strahlung emittiert und empfängt, zum Messen von Verschleiß der Auskleidung eines Behälters, wobei bei dem Verfahren das Koordinatensystem fixiert wird, das für das Messvorrichtung und den Behälter festgesetzt ist, wobei das Fixieren das mathematische Kombinieren der Koordinatensysteme der Messvorrichtungen und des Behälters durch Messen der Position bestimmter Fixpunkte in dem Koordinatensystem der Messvorrichtung umfasst.
Es ist extrem wichtig, Verschleiß in der Auskleidung von Konvertern von Gießtiegeln zu messen, die bei der Stahlherstellung verwendet werden. Hierdurch kann die Gebrauchsdauer des Behälters optimiert werden und verhindert werden, dass übermäßiger Verschleiß der Auskleidung zu Risiken in Bezug auf Produktion oder industrielle Sicherheit führt. Verschleißauskleidungen von Konvertern müssen vergleichsweise oft erneuert werden, da ihre Lebensdauer von normalerweise einer oder zwei Wochen bis zu nicht mehr als einigen Monaten variiert, was davon abhängt, was in dem Konverter geschmolzen wird, aus welchem Material die Auskleidung hergestellt ist und natürlich von der Anzahl der Schmelzvorgänge, für die der Konverter verwendet wird. Allgemein gesagt kann ein Konverter etwa 100 bis 5000 Schmelzvorgänge aushalten.
Der Verschleiß einer Auskleidung wird nach einem Verfahren gemessen, das auf Messen der Ausbreitungszeit oder Phasendifferenz eines Laserstrahls basiert. Der Laserstrahl wird auf die Auskleidung auf der Innenoberfläche eines Konverters gerichtet, von wo aus er zu der Messvorrichtung zurück reflektiert wird. In dem auf Messung der Ausbreitungszeit basierenden Verfahren kann der Abstand zwischen der Messvorrichtung und jedem gemessenen Punkt auf der zu messenden Auskleidung in dem Koordinatensystem der Messvorrichtung auf Basis der Zeitdifferenz zwischen der Emittierungszeit und der Rückkehrzeit des Laserstrahls berechnet werden. Die gemessenen Punkte definieren das Verschleißprofil der Auskleidung, das beispielsweise an ein Anzeigeterminal ausgegeben werden kann, durch das das Verschleißprofil, das von einem Konverter in Gebrauch gemessen wurde, graphisch und numerisch mit dem Profil verglichen werden kann, das während des Modellierungsschritts der Innenoberfläche desselben Behälters gemessen wurde, bevor der Behälter tatsächlich in Dienst genommen wurde, d. h vor dem ersten Schmelzvorgang.
Zum Messen des Verschleißes der Auskleidung von dreidimensionalen Objekten, wie Konvertern, Gießtiegeln und anderen in der Stahlindustrie verwendeten Behältern, durch kontaktfreie Verfahren, wie Lasermessung, ist es erforderlich, dass die Messvorrichtung und das zu messende Objekt in demselben Koordinatensystem wiedergegeben werden. Das Kombinieren der Koordinatensysteme der Messvorrichtung und des zu messenden Objekts wird als Fixieren bezeichnet. In anderen Worten wird die Messvorrichtung in Relation zu dem Objekt positioniert. Zum Fixieren ist es erforderlich, mindestens drei Fixierungspunkte zu verwenden, wobei der Laserstrahl der Messvorrichtung reihum auf jeden hiervon gerichtet wird und die Koordinaten jedes jeweiligen Fixierungspunkts in dem Koordinatensystem der Messvorrichtung gemessen werden. Selbst wenn die Messvorrichtung eine fixierte oder halbfixierte Position in der Nähe des Behälters aufweist, ist es in jedem Fall erforderlich, das Fixieren für jede Auskleidungsmessung separat durchzuführen, wodurch gewährleistet wird, dass eine Änderung der Umgebungsbedingungen und andere Faktoren keine Fehler hervorrufen. Das Fixieren muss auch jedes Mal erneut durchgeführt werden, um abzuschätzen, ob das Fixieren erfolgreich abgelaufen ist.
In dem sogenannten direkten Verfahren, das normalerweise zum Positionieren oder Fixieren verwendet wird, werden stationäre Fixierungsmarkierungen in dem zu messenden Objekt, wie einem Behälter, befestigt, speziell in der Nähe der Behälteröffnung. Mittels der Fixierungsmarkierungen können die Koordinatensysteme des Objekts und der Messvorrichtung mathematisch kombiniert werden. In dem direkten Verfahren können das zu messende Objekt und die Messvorrichtung in das gleiche Koordinatensystem eingeschlossen werden, indem zu einer Zeit sowohl die Fixierungsmarkierungen als auch die tatsächlich zu messenden Punkte gemessen werden.
In einem speziellen Fall, wenn das zu messende Objekt durch eine schwenkbare Achse gehalten wird, kann indirekte Winkelmessungsfixierung verwendet werden, bei der die Fixierungsmarkierungen sich außerhalb des Behälters befinden. Eine Winkelmessvorrichtung kann beispielsweise auf der Schwenkachse des Behälters. oder anderweitig in dem Behälter montiert werden, wenn ein sogenanntes Inklinometer verwendet wird. Momentan ist Fixieren mittels Winkelmessung ein indirektes Verfahren, das verwendet wird, falls es unmöglich ist, das zu messende Objekt mit notwendigen Fixierungsmarkierungen zu versehen, die eindeutig sichtbar sind und deren Position sogar anderweitig erkennbar ist. Winkelmessungsfixierungen sind unter Verwendung von Fixierungsmarkierungen in Strukturen außerhalb des zu messenden Objekts und eines Winkelwerts, der von der Winkelmessvorrichtung erhalten wurde, durchgeführt worden, wodurch die Koordinatensysteme mathematisch kombiniert werden konnten. Die Fixierungsmarkierungen sind an den Rahmenstrukturen einer Fabrikwand befestigt worden, beispielsweise in der Nähe des Konverters. Wenn Winkelmessung in den bekannten Verfahren verwendet wird, setzt die Winkelmessvorrichtung die Messvorrichtung von der Position des Objekts oder Behälters in Bezug zu der bekannten Umgebung in Kenntnis.
Sowohl bei direkter als auch bei indirekter Winkelmessungsfixierung sind die Fixierungsmarkierungen beispielsweise kleine Stahlplatten, auf die der von der Messvorrichtung emittierte Laserstrahl manuell gerichtet wird, beispielsweise mittels Binokularen oder anderen Instrumenten. Bei diesen bekannten Verfahren besteht das Ziel darin, den Laserstrahl manuell auf die Mitte der Fixierungsmarkierung zu richten, um einen Fixierungspunkt zu erhalten, damit die Fixierung erfolgreich abläuft. Die Bediener der Messvorrichtung müssen somit mehrere Arbeitsschritte durchführen, bevor alle Fixierungspunkte gemessen worden sind. Der Nachteil dieser bekannten Verfahren liegt darin, dass der Fixierungsvorgang schwierig zu automatisieren ist. Wenn das Fixieren durch einen Menschen durchgeführt wird, besteht außerdem ein Fehlerrisiko sowohl bei der Abschätrung der Mitte der Fixierungsmarkierung als auch bei dem eigentlichen Ausrichtungsschritt.
Es ist aus US-A-5 570 185 bekannt, Fixier- oder Kalibrierungsmarkierungen zum Fixieren der Koordinatensysteme zu verwenden, die eine im Wesentlichen reguläre Form haben, wobei die Position jeder Fixierungsmarkierung in dem Koordinatensystem der Messvorrichtung gemessen wird, indem optische Strahlung in zwei sich schneidenden Richtungen über die Fixierungsmarkierung hinweg ausgelenkt wird, die von der Fixierungsmarkierung reflektierte optische Strahlung gemessen wird, auf Basis der zu der Messvorrichtung reflektierten optischen Strahlung mindestens zwei Schnittpunkte zwischen der Fixierungsmarkierung und der optischen Strahlung bestimmt werden, die in beiden Auslenkrichtungen emittiert wurde, und auf der Basis dieser mindestens vier Schnittpunkte ein Richtpunkt berechnet wird, auf den die von der Messvorrichtung emittierte optische Strahlung gerichtet wird, um die Koordinaten der Fixierungsmarkierung in dem Koordinatensystem der Messvorrichtung zu bestimmen.
Dieses Verfahren basiert auf der Idee, eine konventionelle Fixierungsmarkierung durch eine Fixierungsmarkierung mit regulärer Form, vorzugsweise kreisförmig, zu ersetzen, wobei die Mitte der Fixierungsmarkierung durch zwei Laserstrahlablenkungen mit unterschiedlichen Richtungen und die erforderlichen Berechnungen bestimmt wird, ein Laserstrahl auf diese Mitte gerichtet wird, wodurch die genauen Koordinaten des Fixierpunkts in dem Koordinatensystem der Messvorrichtung automatisch gemessen werden.
Es besteht jedoch nach wie vor ein Bedarf nach weiterer Verbesserung der bestehenden Verfahren, um sie schneller und zuverlässiger zu machen.

Dies wird mit dem vorliegenden Verfahren zum Positionieren einer Messvorrichtung, die optische Strahlung emittiert und empfängt, zum Messen von Verschleiß der Auskleidung eines Behälters erreicht, wobei das Verfahren das Fixieren von Koordinatensystemen für die Messvorrichtung und den Behälter beinhaltet, indem diese Koordinatensysteme kombiniert werden, und die Positionen einer Vielzahl spezifischer Fixierungsmarkierungen in dem Koordinatensystem der Messvorrichtung individuell bestimmt werden, wobei jede der Fixierungsmarkierungen eine im Wesentlichen reguläre Form hat, wobei die Position der Fixierungsmarkierungen bestimmt wird durch:

(a) Auslenken eines optischen Strahls über eine erste Fixierungsmarkierung hinweg in ersten und zweiten sich schneidenden Richtungen und Bestimmen der Position der Mitte und von mindestens zwei linearen Rändern derselben und Erzeugen eines ersten temporären Koordinatensystems auf Basis der Position der Mitte und der Richtungen der mindestens zwei Ränder,
(b) Suchen von mindestens zwei weiteren Fixierungsmarkierungen und Bestimmen der Position von deren Mitten auf Basis des ersten temporären Koordinatensystems, und
(c) Definieren des Koordinatensystems des Behälters auf Basis der Mittenpositionen der Fixierungsmarkierungen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen
1 den ersten Vorbereitungsschritt illustriert, der das System auf die direkte manuelle Positionierung und Messung vorbereitet,
2 den zweiten Vorbereitungsschritt illustriert, der das System auf die indirekte manuelle Positionierung und Messung vorbereitet, und
3 den dritten Vorbereitungsschritt illustriert, der das System auf die automatische Positionierung und Messung vorbereitet.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 illustriert den ersten Vorbereitungsschritt, der das System auf die direkte manuelle Positionierung und Messung vorbereitet. 1 zeigt das zu messende Objekt, d. h. einen Behälter 10, das eine äußere Oberfläche 11 und eine innere Oberfläche 12 umfasst, die eine Auskleidung (nicht dargestellt) aufweist, deren Verschleiß gemessen werden soll. Der Behälter 10, wie ein Konverter, wird an seiner Schwenkachse 13, die von einem Achsenträger 14 gehalten wird, aufgehängt. Die eigentliche Messvorrichtung 20 umfasst einen Laser-Sender-Empfänger 22 und dessen Träger 21. 1 zeigt auch das Koordinatensystem 26 der Messvorrichtung mit x-, y- und z-Achsen. Das Koordinatensystem 36 des zu messenden Objekts, d. h. des Behälters 10, umfasst entsprechend auch x-, y- und z-Achsen. Mathematisch liegt das Koordinatensystem 36 des zu messenden Objekts, d. h. des Behälters 10, wie eines Konverters, in der Mitte von dessen Öffnung, und die z-Achse des Koordinatensystems 36 erstreckt sich entlang der Längsachse des Behälters 10. In dem Koordinatensystem 36 ist die x-Achse horizontal und die y-Achse ist vertikal.
Die Anordnung schließt vorzugsweise auch eine Winkelmessvorrichtung (nicht gezeigt) ein, die die Inklination des Behälters misst und am meisten bevorzugt auf der Schwenkachse 13 des Behälters 10 angeordnet ist. Winkelmessungsdaten können über Kabel oder auf dem Funkwege an die Messvorrichtung übertragen werden. Die Winkelmessvorrichtung wird benötigt, falls der Behälter 10 zwischen der Fixierungsmessung und der Messung der Auskleidung gedreht wird; sie wird auch benötigt, wenn die Fixierungsmarkierungen (41, 43, 45, 2 und 3) außerhalb des Behälters positioniert sind, d. h. bei einer indirekten Fixierungsmessung.
Die Koordinatensysteme 26, 36 der Messvorrichtung 20 und des Behälters 10 werden konventionell mathematisch kombiniert, indem die Positionen spezifischer Punkte der Fixierungsmarkierungen 31 bis 34 in dem Koordinatensystem 16 der Messvorrichtung 20 gemessen werden. Die Fixierungsmarkierungen 31 bis 34 haben vorzugsweise eine reguläre Form. Die Mitten der Fixierungsmarkierungen 31 bis 34 sind die tatsächlichen Fixierungspunkte, deren Koordinaten gemessen werden. Die Messung ist detailliert in US-A-5 570 185 beschrieben, auf die hier insoweit vollständig Bezug genommen wird.
Nach Durchführung der Messung ist das System bereit zur direkten manuellen Positionierung und Messung. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung muss diese Fixierungsmessung nur einmal bei der Vorbereitung des Systems vorgenommen werden. Alle weiteren Messungen, die zum Fixieren des Systems verwendet werden, werden in Bezug auf exteme Fixierungsmarkierungen (41, 43, 45, 2, 3) durchgeführt.
Wenn wir uns nun 2 und 3 zuwenden, so sind weitere drei externe Fixierungsmarkierungen 41, 43, 45 auf Fixierungsmarkierungsträgern 42, 44, 46 vorzugsweise außerhalb des Gefäßes in einer stabilen Umgebung aufgestellt worden. Die Fixierungsmarkierungen 41, 43, 45 sind beispielsweise an der Fabrikwand oder anderweitig in der Nähe des Behälters 10 befestigt. Die erste Fixierungsmarkierung 41 hat vorzugsweise eine rechteckige Form und ist am meisten bevorzugt größer als die mindestens zwei weiteren Fixierungsmarkierungen 43, 45. Die mindestens zwei weiteren Fixierungsmarkierungen 43, 45 können eine elliptische Form haben oder eine Markierung sein, die sich sowieso auf der Zieloberfläche befindet. Sie haben vorzugsweise jedoch ebenfalls eine rechteckige Form.
Bei der Durchführung der Erfindung werden der Mittelpunkt und Ebenen- und Randrichtungen der ersten Fixierungsmarkierung 41 gemessen, indem ein optischer Strahlungsstrahl über die erste Fixierungsmarkierung 41 in ersten und zweiten, sich schneidenden Richtungen hinweggehend ausgelenkt wird. Basierend auf diesen Informationen wird ein erstes temporäres Koordinatensystem 47 (3) erzeugt.
Auf Basis des ersten temporären Koordinatensystems werden mindestens zwei weitere Fixierungsmarkierungen 43, 45 gesucht und deren Position bestimmt, vorzugsweise durch Berechnen der Mitte der Fixierungsmarkierungen 43, 45 aus deren Schnittpunkten, am meisten bevorzugt durch eine von Abstandsmessung und Reflexionsintensitätsmessung. Zur Erleichterung der Messung weisen Fixierungsmarkierungen 41, 43, 45 vorzugsweise eine retroreflektierende Oberfläche auf.
Schließlich wird basierend auf den Mittenpositionen der Fixierungsmarkierungen 41, 43, 45 und dem Winkelwert aus der Winkelmessung das Koordinatensystem 36 des Behälters 10 bestimmt. Diese Daten ermöglichen das Kombinieren der Koordinatensysteme 26 und 36.
Das Verfahren kann im Allgemeinen verwendet werden, um das Koordinatensystem eines zu messenden Objekts und der Messvorrichtung zu kombinieren. Das zu messende Objekt kann daher von einem Behälter verschieden sein. Das Verfahren muss nicht auf das Messen von Verschleiß einer Auskleidung oder einer anderen Beschichtung angewendet werden, obwohl es dafür besonders nützlich ist. Das Verfahren kann auch auf andere Messungen angewendet werden, bei denen es notwendig ist, die Koordinatensysteme des zu messenden Objekts und der Messvorrichtung zu kombinieren.
Obwohl die Erfindung oben in Bezug auf die Beispiele gemäß den angefügten Zeichnungen beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass die Erfindung nicht darauf begrenzt ist, sondern auf vielerlei Weise innerhalb des Umfangs des Erfindungskonzepts modifiziert werden kann, das in den angefügten Ansprüchen offenbart ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise nicht auf indirekte Messung des Koordinatensystems 36 des Behälters begrenzt. Es kann auch zur direkten Messung verwendet werden, wobei die Fixierungsmarkierungen direkt an dem Behälter befestigt sind. In diesem Fall ist ein optisches Reflexionsvermögen der Fixierungsmarkierungen vorzugsweise signifikant verschieden von demjenigen einer Fläche des Behälters, die die Fixierungsmarkierungen umgibt. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Zielmarkierungen aus einem separaten Materialstück hergestellt sind. Es ist auch möglich, dass die Fixierungsmarkierungen eine natürliche Form oder Markierung auf der Zieloberfläche sind.

Claims

Verfahren zum Positionieren einer Messvorrichtung (20), die optische Strahlung emittiert und empfängt, zum Messen von Verschleiß der Auskleidung eines Behälters (10), wobei bei dem Verfahren Koordinatensysteme (26, 36) für die Messvorrichtung (20) und den Behälter (10) fixiert werden, indem diese Koordinatensysteme kombiniert werden und individuell die Positionen einer Vielzahl spezieller Fixierungsmarkierungen (41, 43, 45) in dem Koordinatensystem (26) der Messvorrichtung (20) bestimmt werden, wobei jede der Fixierungsmarkierungen (41, 43, 45) eine im Wesentlichen reguläre Form hat, wobei die Position der Fixierungsmarkierungen (41, 43, 45) bestimmt wird durch: (a) Auslenken eines optischen Strahls über eine erste Fixierungsmarkierung (41) hinweg in ersten und zweiten sich schneidenden Richtungen und Bestimmen der Position der Mitte und mindestens zwei linearer Ränder derselben und Erzeugen eines ersten temporären Koordinatensystems (47) auf Basis der Position der Mitte und der Richtungen der mindestens zwei Ränder, (b) Suchen von mindestens zwei weiteren Fixierungsmarkierungen (43, 45) und Bestimmen der Position von deren Mitten auf Basis des ersten temporären Koordinatensystems (47), (c) Definieren des Koordinatensystems (36) des Behälters (10) auf Basis der Mittenpositionen der Fixierungsmarkierungen (41, 43, 45).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Fixierungsmarkierung (41) von im Wesentlichen rechteckiger Form ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die erste Fixierungsmarkierung (41) größer als die mindestens zwei weiteren Fixierungsmarkierungen (43, 45) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mitte der Fixierungsmarkierungen (41, 43, 45) aus deren Schnittpunkten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Schnittpunkte durch eines aus Abstandsmessung und Reflexionsintensitätsmessung ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Fixierungsmarkierungen (41, 43, 45) eine retroreflektierende Oberfläche aufweisen.