(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射によって、物体、特に冶金容器の位置を確認及び測定して、特に該物体の耐火ライニングを測定する方法において、
形状とサイズが既知である二次元又は三次元の構造物に関して演算子が定義され、
この構造物の範囲内で距離値(Rad(m,n))とこれに帰属する測定角((φm),(θn))が測定され、
測定された距離値(Rad(m,n))とこれに帰属する測定角((φm),(θn))が使用されて、ピクセル座標系において演算子をスケーリングし、
ここで、ピクセル座標系において演算子をスケーリングするために、ピクセル座標系(i:[-imax,imax,Δi],j:[-jmax,jmax,Δj])における演算子の次元(imax, jmax)及び分解(Δi,Δj)並びに演算子の期待値(R(m+i,n+j))が、測定された極座標(Rad(m,n),(φm),(θn))に適合され、
演算子の期待値(R(m+i,n+j))と測定値(Rad(m+i,n+j))との差異から結果値(S(m,n))が計算され、かつ
探索されるべき構造物の位置が最小の結果値の位置から決定される
ところの方法。
【請求項２】
二次元ないし三次元の空間で、構造物の探索されるべき既知の形状とサイズを用いて演算子を定義し、
次いでループの形で、
マトリクスRad(m,n)をピクセルごとに走査し、
走査された最新の座標に基づいて演算子のスケーリングを繰り返すことで、
a)グリッド化された極座標画像におけるピクセル境界と、
b)上記算出した境界内における、演算子のすべてのピクセルについての期待距離R(m+i,n+j)とを算出し、
期待距離と測定された距離との二次偏差を通じて、走査した位置(m,n)における演算子を次式で算出し、
【数１】
0003794959.tif 000014
最善の演算子結果値をもつ、探索されている座標Rad(m_opt,n_opt)ないしRad(φ_opt,θ_opt)を最小値計算によって選択する、
という各方法ステップを備えている請求項１記載の方法。
【請求項３】
距離値(Rad(m、n))に追加して、反射された電磁放射の強度値(Amp(m,n))を測定する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
構造物として球を使用する、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
構造物として、明るい彩色によって周囲に対して目立つ平面状のマークを使用し、振幅画像で相関法によって演算子をスケーリングする、請求項３記載の方法。
【請求項６】
構造物として容器自体を利用し、演算子は開口領域にある１つの点を探索し、この点の周囲に分散された、容器の開口にある少なくとも２つの別の点を探索し、点検のために少なくとも１つの別の点を容器内部で探索する、請求項１または２記載の方法。
【請求項７】
容器の開口にある点の距離値と角度値を、見出された容器中心に対して半径方向に延びる探索窓の中で測定し、それをもとにベクトル(Rad(K))を抽出し、このベクトルの上で、開口リングの厚さにほぼ相当する所定の長さ(b)の線分を、スケーリングされた演算子によって探索する、請求項１，２または６記載の方法。
【請求項８】
追加的に容器の傾斜角γを、有利には容器をその長軸に対して垂直に延びる軸を中心として旋回可能に支持しているインクリノメータによって検出して、容器の位置決定のときに考慮する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
構造物として容器の壁部と底面の移行領域を利用し、各々の端部が1点で接触して所定の角度(δ)を互いになす、長さ(Δx，Δz)の2本の線分によって演算子を定義する、請求項１，２または６記載の方法。
【請求項１０】
転炉の位置を決定するために利用する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
取鍋の位置を決定するために利用する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
アーク炉の位置を決定するために利用する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
請求項１から９までのいずれか１項記載の方法を実施する装置において、
パルス状の電磁放射を射出するための送信装置と、
物体で反射された電磁放射を受信するための受信装置と、
射出から、物体で反射された後の受信までの、電磁放射のパルスの進行時間を検出するための時間検出装置と、
互いに垂直な２つの方向で、パルス状の電磁放射に事前設定された周期的な偏向をさせるための偏向装置と、
電磁放射が互いに垂直な２つの方向で射出された角度と、進行時間とを検出するため、ならびに、事前に既知である空間構造物ないし事前に求めた空間構造物を記憶し、角度と進行時間を検出することで測定された空間構造物と、事前に既知である構造物ないし事前に求めた構造物とを比較して、測定された構造物の最新の位置を決定するためのデータ検出／処理装置とを含んでいる装置。
【請求項１４】
受信装置が、物体で反射された電磁放射の振幅を検出する手段をさらに含んでいる、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
受信装置が、ほぼ電磁放射を反射する地点で射出される熱放射を検出する手段をさらに含んでいる、請求項１３または１４記載の装置。
【請求項１６】
送信装置がパルス動作で作動可能なレーザダイオードである、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
受信装置が、レーザダイオードから放出される放射の周波数に適合化されたフォトダイオードである、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
偏向装置が、互いに平行な面に対して垂直に延びる軸(X)を中心として回転可能なポリゴンミラー(12)を含んでおり、このポリゴンミラーの互いに鋭角に交わる面が電磁放射を反射する、請求項１３から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
偏向装置が、ポリゴンミラー(12)の回転軸(X)に対してほぼ垂直な軸(Y)を中心として測定装置(100)を往復旋回させることが可能な手段を含んでいる、請求項１３から１８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２０】
本装置が支持アームに取り付けられており、それにより、冶金容器(たとえばアーク炉)から離れた位置と、開いている容器の上側の位置または開いている容器の下側の位置との間で往復変位可能である、請求項１３から１９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
支持アームに、測定装置に対して固定された空間的関係で、冶金容器の内部に耐火材料を塗布する装置が設けられている、請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
耐火材料を塗布する装置が、それ自体として公知となっている、冶金容器の内部にモノリシックな耐火材料を塗布するスプレーロボットである、請求項２１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に耐火ライニングの磨耗測定をするときに、物体、特に冶金容器の位置を確認及び測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製鋼所で冶金容器の耐火ライニングの効率向上と高い操業安全性とを得るには、容器を使用している間（いわゆる「旅程」）に、ライニングの磨耗に関する情報をできるだけ多く集めることが必要である。
【０００３】
その際には、特に、「残留石厚」とも呼ばれる耐火ライニングの厚さを厳密に知ることが格別に重要である。なぜならそうした知見は、冶金容器の金属外套が溶断する危険性を高めることなしに、耐火ライニングを磨耗限界に達するまで効率的に活用することを可能にするからである。
【０００４】
そのため、すでに久しい以前から、冶金容器における正確な測定を可能にする方法を開発しようとする努力がなされている。このような方法は、時間やコスト上の理由から、容器の冷却を前提とするのではなく、まだ高温のままの容器で実施可能であることが望ましい。この理由からだけでも、多くの冶金容器は接近が不可能であり、接触式の測定は初めから採用することができない。
【０００５】
そこでライニングの磨耗を測定するための無接触式の測定方法があり、これはＦｅｒｒｏｔｒｏｎ  Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ  ＧｍｂＨ社（Ｍｏｅｒｓ所在）によって公知となっている。この方法では、容器の内面がレーザビームで走査され、間隔と角度の測定によって耐火ライニングの表面構造を画像表示することができる。また、旅程前の冶金容器で求められた参照測定値と比較することで、残留石厚を求めることができる。
【０００６】
無接触の方法で冶金容器の耐火ライニングの磨耗測定をするための前提条件は、測定に使用する測定機構の装置座標系に対して相対的に、測定されるべき冶金容器の物体座標系の位置を規定し、それによって、測定機構と容器を座標変換によって同一の座標系にできるようにすることである。
【０００７】
旅程前の容器の参照測定のときに基礎となった物体座標系を、後続する磨耗測定の際に再構成するために、たとえばＵＳ−ＰＳ４０２５１９２より、冶金容器のライニングを測定する光学式の方法が公知となっている。この方法では、第１のステップで冶金容器の開口周辺の３つの参照点の座標を、経緯儀での角度と間隔の測定によって決定し、同じく個々の点の角度と間隔の測定によってライニングを測定する。
【０００８】
容器を使用した後、参照点とライニングをあらためて測定し、最初に測定しておいた参照点の座標と、最後に測定した参照点の座標とを比較することで、装置座標系の位置に対する物体座標系の最新の位置を求め、ライニングの測定点の評価するときに位置変化を考慮に入れる。測定装置から射出される電磁放射は、照準望遠鏡を使って手動で基準点に合わせて方向づけられる。
【０００９】
確かに、この方法によって容器の位置と方向づけを決定し、後続する磨耗測定の前にこれを再構成できることが示されてはいるが、この方法は手作業で実施するためにコストがかかり、大幅な誤差が生じる蓋然性があることが欠点である。
【００１０】
この理由、および、方法の自動化が格別に困難だと考えられるという理由から、容器の外套面に設けられた基準記号系を、参照測定中およびこれに後続する磨耗測定前にカメラ装置によって撮影する、ＤＥ１９６１４５６４Ａ１に記載の方法が開発されている。基準記号系の位置および幾何学形状の差異から、参照状態と測定状態の間の容器位置の差異を推定する。この方法によって原則的には自動化がなされるものの、一方では基準記号系のサイズが必然的に小さくなり、そのために容器の位置変化が起きた場合に基準記号系の個々の点の変位もわずかしか生じないために、また他方では基準点の位置測定が二次元でしか行われないために、実現可能な測定精度が限定されていることが欠点である。しかもこの方法は、測定装置に対して相対的に容器の位置を事前に別途測定することを前提としており、そのため、磨耗測定を実施するのに必要な時間コストが増大する。
【００１１】
一方、冶金容器に設けた３つの基準点をまず光学認識装置によって検出し、続いて、レーザ距離測定装置を含んでいてよい本来の測定機構によって、測定機構を相互に基準点に合わせて自動的に方向づけした後、空間における基準点の正確な位置を求める方法がある。これは、ＤＥ１９８０８４６２Ａ１より公知である。
【００１２】
この方法の測定精度は、本来の測定機構を使用することによって、参照点の位置を決定するためにも三次元の情報を得ることができるという理由からだけでも、すでにＤＥ１９６１４５６４Ａ１の方法に比べて高くなってはいるものの、そのために、光学認識装置による参照測定が事前に必要となることが欠点である。
【００１３】
冶金容器の位置を測定するさらに別の方法がＵＳ５２１２７３８から公知である。この方法では２つの異なる点から容器を測定し、画像を重ね合わせることによって位置決定を行う。
【００１４】
この方法の欠点は、それぞれの位置が互いに相対的に正確に既知でなくてはならず、そのために測定コストが増大することである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、物体、特に冶金容器を、容器自体によって、または容器に対して所定の関係にある、幾何学形状が既知の定置の構造物によって構成されていてよい二次元構造物または三次元構造物の認識によって同定し、その位置を光学認識装置に対して相対的に求めることができ、そのために、異なる位置から複数回の測定を不要とする方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１に記載の発明によって解決される。本発明は、電磁放射を用いる距離測定装置、たとえばレーザ距離スキャナによって記録された空間的な測定データが極座標に存在しており、しかも、測定体の位置およびこれに帰属する距離値Ｒａｄ（ｍ、ｎ）に対して相対的な角度φ（ｍ），θ（ｎ）（Δφ＝一定、Δθ＝一定）のグリッドに配列されていることを利用したものである。
【００１７】
こうして形成された二次元の測定値マトリクスｍ×ｎの典型的なサイズは４５０×４５０である。
【００１８】
以下において「ピクセル」と言うときは、このマトリクスの個々の点を指している。帰属の距離値Ｒａｄ（ｍ，ｎ）から得られる結像を「距離像」と呼ぶ。
【００１９】
距離Ｒａｄ（ｍ，ｎ）に加えて、各々のピクセルで、反射されたレーザパルスＡｍｐ（ｍ，ｎ）の帰属の強度値を検出することができる。それにより、距離像にならって振幅像と呼ぶものが得られる。
【００２０】
このように均等なグリッドに測定値が存在している場合、マトリクス演算子を適用することが画像処理から公知であり、この場合、距離値はカメラ画像のグレー値のように取り扱われる。ただしこの場合、冶金容器の耐火ライニングの磨耗測定では起こるのが通例である、測定装置と測定物体の間隔の変化が起こると、この方法は、距離Ｒａｄ（ｍ，ｎ）と極角度位置（φ，θ）をもつ、結像された構造のサイズが変化したという事実に対処できないという欠点がある。したがってこの従来式の演算子は、発生するあらゆる測定状況に対処できるような多数のなかでスケーリングする必要がある。これは膨大な計算コストを意味しており、認識エラーが起こる危険性をはらんでいる。
【００２１】
本発明による方法では、画像処理と同様に、マトリクス全体またはその部分領域を離散的なステップで特定の構造物に関して分析はするものの、演算子をスケーリングするために、測定された距離値ないし帰属の極角度を利用する。このことは、任意のピクセル（ｍ，ｎ）の周囲で既知の空間的次元の構造物を探索するときに、まず、測定された距離値Ｒａｄ（ｍ，ｎ）と測定角φ（ｍ），θ（ｎ）が演算子のスケーリングのために援用されることによって行われる。このとき演算子のスケーリングとは、ピクセル座標系ｉ：［−ｉｍａｘ，ｉｍａｘ，Δｉ］，ｊ：［−ｊｍａｘ，ｊｍａｘ，Δｊ］における演算子の次元［ｉｍａｘ，ｊｍａｘ］と分解［Δｉ，Δｊ］、および演算子の期待値Ｒ（ｍ＋ｉ、ｎ＋ｊ）が、測定された極座標Ｒａｄ（ｍ，ｎ），φ（ｍ），θ（ｎ）に適合化されることを意味している。演算子の期待値は、既知の二次元または三次元の空間構造物から算出される。したがって、演算子は構造物の理想形である。構造物の画像サイズは、有利とするために、ピクセルの個数で表される。そして位置（ｍ，ｎ）における演算子の結果値を、期待値Ｒと測定された距離Ｒａｄとの二次偏差を通じて、次式によって算出することができ、
【数２】
0003794959.tif 000002
【００２２】
このときｎｏｒｍ（ｍ，ｎ）は、それぞれ走査されたピクセル数に関する結果値を標準化したものである。
【００２３】
そして、結果マトリクスＳ（ｍ，ｎ）を、従来式のやり方でその最小位置に関して評価することができ、次いでこれらの最小位置から、探索されている１つの物体（ないし複数の物体）の空間座標を算出することができる。
【００２４】
本発明による方法を適用するときは、次の各方法ステップを実施するのが好ましい：
１．二次元ないし三次元のデカルト空間で、構造の探索されるべき既知の形状とサイズに基づいて演算子を定義し、
２．次いでループの形で、
ｉ）マトリクスＲａｄ（ｍ，ｎ）のピクセルごとの走査と、
ｉｉ）走査された最新の座標に基づいて演算子のスケーリングを反復することで、
ａ）グリッド化された極座標画像におけるピクセル境界と、
ｂ）先ほど算出した境界内における、演算子のすべてのピクセルについての期待距離Ｒ（ｍ＋ｉ，ｎ＋ｊ）とを算出する。
【００２５】
ｉｉｉ）期待距離と測定された距離との二次偏差を通じて、走査した位置Ｐ（ｍ，ｎ）における演算子を次式で算出する。
【００２６】
【数３】
0003794959.tif 000003
【００２７】
３．最善の演算子結果値をもつ、探索されている座標Ｒａｄ（ｍ＿ｏｐｔ，ｎ＿ｏｐｔ）ないしＲａｄ（φ＿ｏｐｔ，θ＿ｏｐｔ）を最小値計算によって選択する。
【００２８】
本発明による方法の第１実施形態では、構造物として球が使用される。球が特に適している理由は、スケーリング可能な演算子の構造物が距離にしか依存しておらず、異なる観察角には依存していないからである。演算子は、既知の球半径と一般的な球幾何学によって定義される。結果座標としては、既知の球半径ρを加算することによって球の中心点Ｍを算出するのが好都合である。この参照点座標は、測定されるその他の参照点座標とともに、装置座標系で容器位置を決定するために用いられる。
【００２９】
本発明による方法に有利な第２実施形態では、構造物として、明るい彩色によって周囲に対して目立つ平面状のマークが使用される。演算子（以下、「振幅演算子」という）を、まず、測定された距離値Ｒａｄ（ｍ，ｎ）によってスケーリングし、それにより、マークの見込まれるサイズを算出する。そして、公知の相関法を適用することによって振幅画像でマークを探索する。
【００３０】
測定マークとしては、十字型の明るいマークを転炉の底面に貼りつけることができる。最善に一致するピクセル位置がすでに判明しているときは、装置系におけるその空間座標を、帰属の距離値Ｒａｄ（ｍ，ｎ）を計算に入れながら算出することができる。
【００３１】
本発明による方法の第３実施形態では、構造物として容器自体が用いられる。構造物のこのような選択は、特に、基本構造が円筒状になっている容器を測定するのに適している。この場合、演算子（以下、「Ｖ演算子」という）は、まず容器の開口にある１つの点を探索し、この点を起点として、容器の開口にある少なくとも２つの別の点を求め、このとき、点検のために少なくとも１つの点が容器内部で探索される。本方法のこのような実施形態により、傾いた状態のときでも容器の位置と方向づけを大まかに決定できる。これは、たとえば有利とするために後述する本発明の方法の実施形態に基づいて行われる、容器の正確な位置計算といった後続する計算のために必要である。
【００３２】
容器の正確な位置計算のために用いられる、本発明の方法の後続する実施形態は、構造物として容器の開口を利用する。先行する方法ステップで見出された大まかな位置を用いて、容器の開口にある点の距離値と角度値を、見出された容器中心に対して半径方向に延びる探索窓の中で観察する。それをもとにベクトルＲａｄ（Ｋ）を抽出することができ、このベクトルの上で、（デカルト座標における）開口リングの厚さに相当する所定の長さｂの線分を、スケーリングされた演算子（以下、「開口演算子」という）によって探索する。Ｖ演算子によって測定された容器の傾斜姿勢から、探索されるべき線分の傾斜角ｙが得られる。
【００３３】
本方法のこの実施形態を、測定される開口領域全体をカバーする複数の探索窓に適用すると一定量の開口点を得るのに有利であり、次いでこれらの開口点から、円近似を通じて、円形の開口部の探索されている位置を算出することができる。
【００３４】
冶金容器の旅程中、開口が著しく汚れ、容器開口にある点がＶ演算子によって確実に認識できないために、容器の傾斜姿勢を求めることができないという事態が起こる。
【００３５】
このような場合には、たとえば容器を外側で取り囲むリングや鍔など、容器の別の円筒状の構造物を容器の位置決定のために援用する、本発明による方法の実施形態が有利である。この場合、傾斜姿勢はインクリノメータによって求める。
【００３６】
本発明による方法のさらに別の有利な実施形態では、構造物として、容器の壁部と底面の移行領域が利用され、演算子（以下、「壁底演算子」という）は、各々の端部が１点で接触して所定の角度δを互いになす、長さΔｘ，Δｚの２本の線分によって定義される。それにより、先に説明した本発明による方法の実施形態のときと同じく、壁部から底面への移行領域における容器の断面形状の推移が模式化され、この構造がスケーリングされて、大まかに求めた容器中心に対して半径方向に延びる探索窓の範囲内で位置特定される。そして円形の壁底移行部の位置が、適当な回数のこのような探索演算から得られる。
【００３７】
本発明による方法は、特に、測定装置に対して相対的な、転炉、取鍋、アーク炉の位置を決定するのに利用することができる。
【００３８】
通常、直立したカップ状の炉身を含んでおり、この炉身の内部へは上からしかアクセスが可能でないアーク炉での適用は、本発明の方法によって初めて、炉がまだ高温のときに行うことが可能である。なぜなら測定時間が原則として２０秒以下であり、是認できないような大きいコストを要することなく、測定工程中に作用してくる熱にこの時間のあいだ耐えられるように測定装置を装備することが可能だからである。
【００３９】
本発明の方法を実施するのに格別に適した装置は、
−  パルス状の電磁放射を射出するための送信装置と、
−  物体で反射された電磁放射を受信するための受信装置と、
−  射出から、物体で反射された後の受信までの、電磁放射のパルスの進行時間を検出するための時間検出装置と、
−  互いに垂直な２つの方向で、パルス状の電磁放射に事前設定された周期的な偏向をさせるための偏向装置と、
−  電磁放射が互いに垂直な２つの方向で射出された角度と、進行時間とを検出するため、ならびに、事前に既知である空間構造物ないし事前に求めた空間構造物を記憶し、角度と進行時間を検出することで測定された空間構造物と、事前に既知である構造物ないし事前に求めた構造物とを比較して、測定された構造物の最新の位置を決定するためのデータ検出／処理装置とを含んでいる。
【００４０】
本装置が、上記に追加して、物体で反射された電磁放射の振幅を検出する手段を有していると、この装置で、実際には白黒写真と類似した振幅画像を記録することができる。この振幅画像により、特に、物体（冶金容器）が画像断片を充填しているかどうかをチェックすることができ、本発明方法で得られた結果の視覚的な点検をすることができる。
【００４１】
ほぼ電磁放射を反射する場所で射出された熱放射を検出する装置が追加的に設けられていると、たとえば特別に温度負荷の強い容器の領域についての情報をもたらすことができる熱分布画像を記録することができる。
【００４２】
特に、送信装置は、パルス動作で作動するレーザダイオードを含んでおり、受信装置はフォトダイオードとして構成される。
【００４３】
測定を実施するため、すでに前述したように、測定値グリッドが記録される。そのために必要になるレーザの周期的な偏向は、水平方向の軸を中心として回転するポリゴンミラーによって垂直方向で行われるとともに、垂直方向の軸を中心とした測定装置の上下動によって水平方向で行われる。
【００４４】
特にアーク炉を位置決定し、それに続いてアーク炉の耐火ライニングを測定するのに適しているのは、本装置が、冶金容器から離れた位置と、開いている容器の上側または下側の位置との間で往復運動可能である支持アームに取り付けられている場合である。
【００４５】
この場合にはさらに、支持アームに、測定装置に対して固定された空間的関係で、容器内部に耐火材料を塗布する装置を設けることが可能であるとともに、これには、それ自体で考えても発明的な意義がある。
【００４６】
耐火材料を塗布するこの装置は、特に、ＭＩＮＴＥＱ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．社によるＭＩＮＳＣＡＮＴＭの名称でそれ自体として公知となっている、スプレーノズルとともに回転可能、揺動可能、上下動可能となるように容器内部に取付可能なスプレーロボットであってよい。
【００４７】
このスプレーロボットの制御は、本装置で検出された磨耗データによって直接行うことが可能である。
【００４８】
以上に述べたやり方で容器内部をさらに測定をすることで、スプレーロボットの調整不良を、目に見えるようになった塗布の不具合によって検知することができる。
【００４９】
測定装置とスプレーノズルが互いに一定の空間的関係で支持アームの上にあるので、本発明の方法を利用して、容器内のスプレーノズルの実際の位置をスプレー塗布の前に検出し、それによって塗布の不具合を防止することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
本発明の方法を実施するときは、図１に全体として符号１００が付されている測定装置を使用することができ、この測定装置は、レーザパルスＬＰを生成するための送信機１０と、レーザパルスを所望の空間方向へ偏向させるための装置と、物体Ｏで反射されたレーザパルスを検知するための受信機１１とを含んでいる。送信機１０と受信機１１は時間検出電子装置と接続されており、この時間検出電子装置は、送信機１０からのレーザパルスの射出から、物体Ｏで反射されたレーザパルスＬＰの受信機１１による受信までの時間を検出し、光速を考慮したうえで、反射をする物体Ｏから測定装置１０までの距離を算出して、その都度帰属の空間方向に対して記憶する。
【００５１】
送信機１０としてはレーザダイオード、受信機１１としてはフォトダイオードを、それぞれ利用することができる。レーザパルスを偏向させる装置は、互いに平行な面に対して垂直に延びる軸Ｘ（図３（ａ）の軸Ｙ１）を中心として回転可能な互いに鋭角に交わる面がレーザパルスを反射するポリゴンミラー１２と、軸Ｘに対して垂直な軸Ｙ（図３（ａ）の軸Ｚ１）を中心として測定装置１０を旋回させる装置とを含んでいてよい。ポリゴンミラー１２の回転速度は、図示した実施例１０では１秒につき１０回転であり、測定装置の旋回は１秒につき２°で行われる。レーザダイオードは１秒につき２００００パルスを放出する。
【００５２】
図１に示す装置では、ポリゴンミラー１２の回転によってレーザパルスが垂直方向で迅速に偏向され（図１には、地点１，２，３で物体Ｏに当たる連続する３つのレーザパルスの進行方向が、模式的に図示されている）、それに対して水平方向でのレーザパルスの偏向は、測定装置全体が軸Ｙを中心として往復旋回することで行われる。レーザ距離測定装置は均等な時間インターバルで測定値を生成し、回転運動も一定不変なので、物体表面の走査は規則的な角度ステップで行われる。垂直運動は常に上から下に向かって行われるのに対し、水平運動は、時計回りと、時計と反対回りで交互に行われる。つまり測定装置１００により、原則として図１の図ＥＲに示すような構造を有している距離グリッドが記録される。この距離グリッドは、典型的には、ほぼ４００×４００の測定点（ピクセル）を含んでいる。
【００５３】
受信機１１は、距離がちょうど検出されたばかりの物体の点から放出される熱放射ＷＳを検出する装置を追加的に有していてよい。
【００５４】
図２からわかるように、物体Ｏで反射されたレーザパルスＬＰ’の振幅ＡＭ’は、放出されるレーザパルスＬＰの振幅ＡＭと、反射をする部位の表面構造、たとえば粗さとに依存している。
【００５５】
したがって測定装置１００により、測定点ごとに次の測定値が検出される：
−  測定装置と、物体の反射をする部位との間の間隔Ｒａｄ
−  反射されたレーザパルスＬＰ’の振幅
−  物体の反射をする部位における熱放射ＷＳ
−  レーザパルスＬＰが測定装置から放出される水平角と垂直角
水平角および垂直角φ，θを座標軸とみなし、振幅測定値ＡＭ’を、対応する角度座標におけるグレー値として表すと、白黒写真との著しい類似性を有する振幅画像が得られる。これと同じやり方で距離測定値と温度放射測定値も、この場合にはカラースケールを通じてコーディングすることができる画像として表すことができる。
【００５６】
振幅画像は、測定装置の操作者にとって次のような重要な意義がある：
ａ）容器が画像断片をうまく充填しているかどうかのチェック。
【００５７】
ｂ）フェードインされた構造要素（円など）によるインタラクティブなスキャン評価、ないし自動的なスキャン評価の点検。
【００５８】
距離画像は、測定結果の算定のための基礎をなすものである。距離画像のデータは規則的に格子状に配置されているので、構造物を自動的に探索するのに利用することができる（たとえば開口、支持リング（トラニオン）、壁部と底面の移行部、球など）。
【００５９】
較正装置によって温度放射画像の測定値を温度測定値に変換し、これを物体座標系に表示すると、特に同じく測定された残留石厚との関連で、熱状態に関する冶金上重要な情報を得ることができる（たとえば温度分布、耐火ライニングの熱含量）。
【００６０】
たとえば冶金容器の耐火ライニングの磨耗測定を、測定装置１００によってそれ自体公知のやり方で実施できるようにするには、測定装置と容器の相対位置を事前に求めておくことが必要である。
【００６１】
それぞれの空間測定に際しては、測定単位のほか、測定値が対象としている基準点と方向を指定しなければならない。空間内の１点を、共通の基準点（原点）と、それぞれ互いに垂直をなす方向（座標軸）とをすべて対象とする３つの測定値によって表すことができる（座標）。本発明との関連では、図３（ａ）から図３（ｃ）に冶金容器を例にとって図示している次の座標系がそれぞれ区別される。
【００６２】
１）装置系Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１：原点と軸は測定ヘッドのジオメトリーによって規定（図３（ａ））。
【００６３】
２）回転軸系Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２：原点＝回転軸上の転炉の中心、Ｚ軸（Ｚ２）は１８０°の回転角の方向、Ｙ軸（Ｙ２）は回転軸（図３（ｂ））。
【００６４】
３）物体系Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３：原点＝開口リング３の中心点、Ｚ軸（Ｚ３）は開口リング３に垂直、Ｘ軸（Ｘ３）は回転軸Ｙ２に垂直（図３（ｂ））。物体系にある１点は、円筒状の座標Ｗ，Ｒ，Ｚ３でも表すことができる（図３（ｃ）参照）。
【００６５】
測定スキャンを記録した後には、約２００．０００個の測定点が、装置系Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１を基準とする座標としての極座標φ、θ，Ｒａｄに存在している。このままの形態では、そこからさらに物体Ｏの表面構造に関する判定、ここでは耐火材料Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３に関する判定を行うことはできない。そのためには、物体系に関して測定点を表現することが必要である（座標変換）。測定装置はスキャンのたびに物体に対して別様に向き合うのが通例なので、装置系Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１に対する物体系Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３の位置も毎回新たに求めなくてはならない。このような評価は、結果として物体の探索されている位置を供給し、この位置は数学的には変換マトリクスの形態で表現される。
【００６６】
次に、円筒状の容器Ｇを例にとり、容器の位置を決定する本発明の方法の有利な実施例について図４から図１２を参照して説明する。
【００６７】
図４（ａ）と図４（ｂ）に示されている円筒状の容器Ｇは、底面１と、円筒状の壁部２と、開口３とを有している。図示した実施例では壁部２の外径と一致する開口リングの外径はｄであり、開口リングの厚さはｂである。
【００６８】
図をわかりやすくするため、図４（ａ）と同じ図面で同じ容器を極座標で示している図４（ａ）と図５（ａ）には、容器の内部の点に符号Ａが付されており、底面と内壁４との交点が符号Ｂ、開口３の内側の境界線上にある点が符号Ｃ、開口領域を形成する壁部のほぼ中央に位置する点が符号Ｄ、開口の外側縁を形成する円の上にある点に符号Ｅが、それぞれ付されている。
【００６９】
図６（ａ）と図６（ｂ）に明示されているように、球演算子は、デカルト座標における互いに垂直な３つの空間方向を通って広がり、このようなデカルト座標系の原点が球の中心点Ｍと一致するようになっている。
【００７０】
それに対して三次元のＶ演算子は、開口上で内側の開口境界面と外側の開口境界面の間にある点Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と、容器内部の点Ａとのほぼ中央を通って広がっている。
【００７１】
図８からわかるように、開口演算子は、内側の開口境界面と外側の開口境界面のほぼ中央にある点Ｄと、内側ないし外側の開口境界面上に位置する点ＣおよびＥとを中心とする二次元のデカルト空間で定義される。
【００７２】
同じく二次元の壁底演算子は、長さΔｘ，Δｚの２本の線分によって定義され、これらの線分の端部は１点で互いに接触するとともに、図示した実施例では９０°の角度δを互いになしている。それにより、壁部から底面への移行領域における容器断面形状の推移が模式化される。
【００７３】
次に、図５（ｂ）に示す窓Ｆ１の中の座標ｙ＝０をもつ開口演算子を例にとって、図１０（ａ）と図１０（ｂ）を参照しながら本発明の方法について説明する。
【００７４】
開口演算子は、開口の壁部を区切っている点ないしはほぼ壁部の中央に位置している点Ｃ，ＤおよびＥの間を延びている（図８も参照）。図１０（ａ）からわかるように、走査点Ｄの距離Ｚ０については次式が成り立つ：
【数４】
0003794959.tif 000004
【００７５】
このときＲａｄＤおよびφＤは、走査されたピクセルｎの測定値である。
【００７６】
さらに、同じく図１０（ａ）からわかるように、次式
【数５】
0003794959.tif 000005
【００７７】
が成り立つことを考慮すると、開口演算子の境界が次式として算出される。
【００７８】
【数６】
0003794959.tif 000006
【００７９】
【数７】
0003794959.tif 000007
【００８０】
そして目標距離Ｒ（Ｋ）が次式として算出される。
【００８１】
【数８】
0003794959.tif 000008
【００８２】
【数９】
0003794959.tif 000009
【００８３】
一般に：
【数１０】
0003794959.tif 000010
【００８４】
【数１１】
0003794959.tif 000011
【００８５】
そして、走査位置ｍでの結果値については次式が成り立つ。
【数１２】
0003794959.tif 000012
【００８６】
そして探索されている開口点の座標は、次式に従って、最善に一致する位置を決定することによって算出される。
【数１３】
0003794959.tif 000013
【００８７】
次に、図１１ａ）と図１１ｂ）および図１２を参照しながら、測定装置１００に対する位置が本発明の方法によって求められる冶金容器の耐火ライニングの磨耗測定の過程について説明する。
【００８８】
そのために、３つの基礎的な種類の測定ないしその評価を次のように区別することができる：
１）基本測定
２）参照測定
３）磨耗測定
１）一般的には清掃された容器で行われる基本測定は、容器の次のような構造物の空間配置を測定する：
−  回転軸系（転炉）ないし物体系（取鍋）を基準とする、恒常的に清浄な構造物の位置
−  回転軸系（転炉）を基準とする、開口リングの位置
これらの情報が容器固有の基本ファイルとして保存される。これらの情報は、本発明の方法に基づいて測定装置に対する容器の位置を決定するために、磨耗測定の実施前に行うことが必要である。
【００８９】
参照測定は、一般的には、永久ライニングで内張りされた容器の測定、または完全にくり抜かれた容器（スチールケーシング）の測定であり、したがって特定の時期にしか可能でない（数週間、数ヶ月、または数年ごとに周期的）。参照測定の代わりに、永久ライニングを備える容器または備えていない容器の断面形状を、図面から読み取ることもできる（参照断面形状の編集）。参照断面形状は、参照ファイルに保存される。
【００９０】
容器のスチールケーシングでの測定が実施されていて、容器の比較断面形状（図面）を含むファイルが存在しているときは、データ処理装置によって変形評価を実行し、最新のスチールケーシング断面形状に関する測定ファイルを作成する。それに対して、永久ライニングを測定するときは相応の測定ファイルを作成し、これをスチールケーシング断面形状に関して評価し、ないしこれに関する測定値がない場合には比較断面形状に関して評価する。
【００９１】
磨耗測定は、内部ライニングで内張りされた容器を対象とするものであり、空にした容器で事実上いつでも実施することができる。この場合、生産を妨げないようにするために、できるだけ短い測定の総時間が特に重要である。磨耗断面形状もやはりファイルに保存される。
【００９２】
多くの場合、この測定のときには容器開口が汚れているので、測定の前ごとに基本ファイルを用いて容器開口を再構成しなければならない（スキャン評価）。それに続いて、最新の断面形状データと所定のスチール量から溶湯レベルを算出することができる。内部ライニングの最新の石厚（残留石厚）を得るために、事前に記録しておいた永久ライニングの参照断面形状を参照ファイルから読み出し、最新の測定と比較する。
【００９３】
測定（磨耗測定、参照測定、または基本測定）のたびに、一般的には複数回のスキャン、たとえば反復スキャン、異なる物体傾斜でのスキャン、異なる測定位置からのスキャンなどを実施する。
【００９４】
任意選択で、１回のスキャンの典型的には４５０×４５０の測定点をスキャンファイルに保存しておくことができる。このとき各測定点は次の５つの測定値を含むことができる。
−  測定装置と、物体の反射をする部位との間の間隔Ｒａｄ
−  反射されたレーザパルスＬＰ’の振幅
−  物体の反射をする部位における熱放射ＷＳ
−  レーザパルスＬＰが測定装置から放出される水平角と垂直角
測定装置に対する容器の位置は、通常のケースでは既知ではないため、本発明の方法に基づく位置スキャンを実施することで、外部に位置する清浄な構造物が検出される。そしてそれに基づいて、容器に対する測定装置の未知の測定位置を求めることができる。これら全スキャンの合計、場合によって外部の測定値（たとえばインクリノメータによって事前に既知となっている転炉の傾斜角）の合計から、測定の生データを生成する。
【００９５】
次に、転炉測定を例にとって、測定がどのように組み合わされて個々のスキャンから構成されているかを示す。
【００９６】
測定位置Ｍに測定装置１００を設置した後（図１１（ａ）参照）、容器Ｇを傾斜位置０で作動させる。操作者は、インクリノメータによって既知である場合には、最新の傾斜角を入力して位置スキャンＮｒ．１を記録する。
【００９７】
この生データを用いて、本発明の方法により、容器Ｇに対する測定装置の位置を算出する（スキャン評価）。
【００９８】
個々のスキャン評価は、生産を不必要に遅らせないようにするために、すべてのスキャンを記録した後で初めて行うこともできる。
【００９９】
次いで、容器Ｇを傾斜位置Ｉに回転させる。操作者は再び最新の傾斜角を入力し、測定スキャンＮｒ．１を記録する。位置スキャンのスキャン評価がすでに行われていれば、ここでプログラムが開口円の位置を直接算出して振幅画像にフェードインすることができる。そして操作者は、さらに２回の測定スキャンＮｒ．２およびＮｒ．３を傾斜位置ＩＩおよびＩＩＩで同様に実行する。
【０１００】
９０°の物体角のときに、本例では開口によって隠されることになる容器Ｇの側方上側の側面を測定するため、操作者は測定装置１００を測定位置Ｌに移動させる。この位置で測定装置１００の正確な位置を測定するため、操作者は容器Ｇを再び傾斜位置０に回転させて、位置スキャンＮｒ．２を記録する。続いて操作者は転炉を傾斜位置ＩＩに回転させ、測定スキャンＮｒ．４を記録する。この測定スキャンがどの位置スキャンに属しているかが検出され、操作者に表示される。
【０１０１】
物体角が２７０°のときに上側の容器側面を検出するため、測定装置１００を今度は測定位置Ｒへ移し、容器を再び傾斜位置０に回転させて位置スキャンＮｒ．３を記録する。続いて容器を位置ＩＩに回転させ、測定スキャンＮｒ．５を記録する。
【０１０２】
上に述べた順序は次のような簡略な形で記述することもできる：
１）位置スキャンＮｒ．１  Ｍ０
２）測定スキャンＮｒ．１  ＭＩ
３）測定スキャンＮｒ．２  ＭＩＩ
４）測定スキャンＮｒ．３  ＭＩＩＩ
５）位置スキャンＮｒ．２  Ｌ０
６）測定スキャンＮｒ．４  ＬＩＩ
７）位置スキャンＮｒ．３  Ｒ０
８）測定スキャンＮｒ．５  ＲＩＩ
この場合、次の規則が適用される：
データ処理装置は、番号がそれぞれ下から上に満たされていくように位置スキャンと測定スキャンの番号付けを行う。測定スキャンは、最後に実施された位置スキャンに割り当てられる。最初のスキャンとしては、常に位置スキャンを行わなければならない。
【０１０３】
そして８回すべてのスキャン記憶装置がスキャンデータで満たされ、それによって生データベースが作成される。工場での生産活動を続行することができる。
【０１０４】
スキャン評価を各スキャンの直後に行わなかったときは、後でこれを実施することができる。結果として、５回すべての測定スキャンの変換マトリクスが算出される。
【０１０５】
引き続いて本来の評価を実行する。データ処理装置が、まず最初に測定点を装置系から物体系に変換し、その際に容器内部に属していない測定点を選別する。続いてデータ処理装置は参照ファイルとの比較によって残留石厚を計算する。測定ファイルのデータおよびそれに伴う評価のグラフを計算するため、プログラムが特殊なやり方で測定点の平均をとる。測定ファイルが連続番号で保存され、グラフが作成されてプリントアウトされる。このとき操作者は、たとえば当該部位に特別に薄い内部ライニングが測定されたという理由で、容器の特定の縦断面図の計算を追加的に手動でプリントアウトすることができる。それによって評価も測定も完了する。
【０１０６】
ここまでは、測定装置に対する容器の位置決定と、これに続く容器の測定について、転炉を例にとって説明した。本発明の方法は任意の物体の位置決定をするのに適しているので、これ以外の冶金容器の位置決定、およびこれに続く測定も本方法で行えるのは言うまでもない。
【０１０７】
容器が取鍋であるときは、通常、これを横向きに寝かせて測定する。
【０１０８】
そのためには既知の構造物として壁底演算子を、取鍋の座標系を求めるために利用する。この演算子により、まず耐火材料のない底面の内部縁の位置を測定する。続いて、磨耗測定のときにも再現可能に再生可能である、取鍋の別の既知の構造物の位置を決定し、開口部に対してほぼ平行に取鍋ケーシングを取り囲む側方のリングと関係づける。構造物の測定された位置は、物体座標系で把握されて保存され、後で位置決定のために測定された値と比較される。
【０１０９】
本発明による方法の主要な利点は、測定装置に対する容器の位置決定が短い時間で行われ、すでに述べたように、すべてのスキャンの記録が終わってから初めて個々のスキャン評価を行うことができ、それによって測定時間がいっそう短縮されることである。
【０１１０】
したがって本発明の方法により、測定最中に測定装置が十分に傾動可能でなく、容器の上側の高温区域に存在していなくても、高温の冶金容器の内部を測定することが初めて可能になる。
【０１１１】
その結果として生じる極端な温度負荷や、生産のために設定される時間的な枠組条件も、非常に短い測定時間しか必要としない。
【０１１２】
主要な適用例として、蓋を取り外した後に測定装置を炉の開口部上方のほぼ中心部に据えることができるアーク炉を、ここに挙げておく。この場合、炉と測定装置の位置を決定するための既知の構造物として、有利には開口部の縁部を利用することができ、測定は開口演算子によって行われる。
【図面の簡単な説明】
図面を参照しながら、本発明の方法およびこの方法を実施するのに好適な方法を説明する。図面は次のとおりである：
【図１】  本発明の方法を実施するのに適した装置を示す模式図である。
【図２】  距離決定のために用いられるパルス進行時間測定の原理を示す模式図である。
【図３】  図３（ａ）から図３（ｃ）は、本発明の方法によって物体の位置決定をするときに基準となる、円筒状の容器を例にとった場合の座標系である。
【図４】  図４（ａ）は、片側が閉じられた円筒状の容器をデカルト座標で示す縦断面図である；図４（ｂ）は、同じ容器を同じくデカルト座標で示す、開口側から見た図である（図１（ａ）のＡから見た図）。
【図５】  図５（ａ）は、同じ容器を極座標で示す、図１（ａ）に対応する図である；図５（ｂ）は、同じ容器を極座標で示す、図１（ｂ）に対応する図である。
【図６】  図６（ａ）および図６（ｂ）は、球演算子の座標を示す互いに垂直な２つの模式図である。
【図７】  図７（ａ）および図７（ｂ）は、いわゆるＶ演算子の座標を示す互いに垂直な模式図である。
【図８】  二次元の開口演算子の座標を示す模式図である。
【図９】  二次元の「壁底演算子」の座標を示す模式図である。
【図１０】  図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、後続する事例計算をわかりやすくするために開口演算子を例にとって、デカルト座標ないしグリッド化された極座標で測定プロセスを示す図である。
【図１１】  図１１（ａ）は、回転座標系における物体に対する測定装置のさまざまな測定位置を示す模式図である；図１１（ｂ）は、回転座標系における物体のさまざまな傾斜位置を示す模式図である。
【図１２】  本発明の方法によって実施される転炉の磨耗測定を示すデータフローチャートである。
【符号の説明】
１…底面
２…壁部
３…開口
４…内壁
ｄ…開口リングの外径
ｂ…開口リングの厚さ
Ａ…容器内部の点
Ｂ…底面／内壁の交点
Ｃ…開口境界の内側の点
Ｄ…開口境界の内側と外側のほぼ中央に位置する点
Ｅ…開口境界の外側の点
Ｐ…走査点
Ｍ…球中心点
１００…測定装置
１０…送信機
１１…受信機
１２…ポリゴンミラー
ＬＰ…レーザパルス
Ｏ…物体
Ｘ…軸
Ｙ…軸
【図１】
0003794959.tif 000015
【図２】
0003794959.tif 000016
【図３】
0003794959.tif 000017
【図４】
0003794959.tif 000018
【図５】
0003794959.tif 000019
【図６】
0003794959.tif 000020
【図７】
0003794959.tif 000021
【図８】
0003794959.tif 000022
【図９】
0003794959.tif 000023
【図１０】
0003794959.tif 000024
【図１１】
0003794959.tif 000025
【図１２】
0003794959.tif 000026