用于测量容器内部耐火衬里的系统、装置和方法与流程

本文中公开的主题的实施例大体上涉及用于表征冶金容器的耐火衬里的设备、方法和系统，并且更具体地涉及装置、过程、机构和技术。

背景技术：

当容器中含有熔融金属时，例如钢包的容器内含有耐火衬里，其用以防止高温。然而，耐火衬里易受熔融金属的磨损或沉积。控制耐火衬里对于实现容器的连续和安全操作起着重要作用。在容器空着时执行目视检查是监视耐火衬里的磨损和劣化情况的最常见方式。由于时间和成本的原因，测量方法不应要求将容器冷却；相反，应该有可能在处于或接近操作温度的容器中进行测量。因此，不能使用机械表面接触测量方法。

使用高速扫描激光测距仪测量用于生产熔融金属的容器的内部轮廓已广泛用于金属生产行业。钢铁钢包、碱性氧气炉(bof)、氩氧脱碳容器(aod)、电弧炉(eaf)、铝铜冶炼容器、铸造炉、鱼雷车和底吹炉(q-bop)都是使用激光扫描仪进行分析，以确定内部耐火轮廓并计算剩余衬里厚度。

通过使用具有激光束发射器、用于使激光束偏转的镜和用于接收由耐火衬里的表面反射的激光束的激光束接收器的激光扫描仪在热的耐火容器中执行测量是本领域中已知的。激光扫描仪发射和接收激光束之间的过渡时间可用于计算耐火衬里与激光扫描仪之间的在经发射激光束的方向上的距离。更改激光束的方向会产生一系列过渡时间，从中可以得出一系列距离和一系列点。应用坐标转换以将数据集从扫描仪的坐标系移动到容器的坐标系，且测量结果可用于确定衬里厚度。

使镜围绕第一旋转轴线旋转并使激光扫描仪本身围绕第二旋转轴线旋转允许在两个相互垂直的方向上扫描耐火衬里，以便获得表示经扫描表面的多个点。通过比较表面的连续图像，可以确定耐火衬里的哪些部分由于沉积物而被腐蚀或侵蚀或生长，因为激光扫描仪非常准确。典型的系统能提供+/-5-6mm的衬里厚度测量准确度。

然而，由于容器的内部形状、容器的内部几何约束以及激光扫描仪不能太接近处于或接近操作温度的容器的事实，激光扫描仪可能无法获得所关注表面的完整视图。

为了克服这个问题，可以将激光扫描仪相继移动到不同的位置，或者可以相对于扫描仪重新定位容器，使得扫描仪可以在每个位置获得图像。这些图像接着合并成全局“图像”。将连续图像合并成全局图像需要非常准确地了解激光扫描仪相对于每个测量位置处的容器的位置。这增加了过程的复杂性，降低了所产生的全局图像的准确性，使设备暴露于额外的热量，并延长了完成测量所需的时间。

wo2008109510含有用于测量旨在容纳熔融金属的容器的耐火衬里的磨损的装置的描述。然而，所述装置需要两个扫描仪组合件来执行其预期的功能，因此引入了合并由每个扫描仪组合件产生的数据集的复杂性。另外，两个扫描仪组合件的组合视野受到其中容纳扫描仪组合件的盒子的限制。根据球面坐标系，值(每个激光扫描仪的旋转轴周围的角度)被限制为大约180度。另外，θ值(平面内的角度，由扫描仪组合件内的镜的视野的界限限制)不包括z轴。

us8072613含有用于测量容器(例如鱼雷钢包)的衬里的磨损的系统和方法的描述。容器的内衬由扫描仪头部从容器中的第一位置扫描，所述第一位置相对于容器的竖直轴线成一定角度。扫描仪头部放置在容器中的第二位置中，该第二位置相对于容器的竖直轴线成一定角度，且从所述第二位置，扫描仪头部扫描容器的内部衬里的在第一位置扫描期间未经扫描的部分。通过比较在容器已经装载和卸载后的第一位置扫描和第二位置扫描的衬里的扫描测量结果与衬里的初始参考测量结果，可以测量衬里的磨损。因此，所述系统和方法需要两次扫描以完成测量，并且需要将扫描仪组合件移动到新的位置中以实行第二次扫描。就极坐标系而言，θ的允许值(平面内的角度，由扫描仪组合件内的镜的视野界限限制)在正交于z轴的平面的任一侧上以相等的幅度延伸。θ的允许值在以镜为中心的球体内部的投射在球体上形成了赤道带。θ的允许值不包括z轴。

因此，至少基于常规技术的上述挑战，期望具有如下装置、系统和方法，其将缩减在配置成携带高于金属的熔点的材料的金属容器中获得耐火衬里厚度的测量结果所需的扫描次数且因此缩减测量时间，将缩减扫描仪对被测量的容器的内部条件的暴露，且将重新配置视野以增加实用性且降低扫描过程的复杂性。

技术实现要素：

用以表征容器中的耐火衬里的设备、方法和过程满足了以上概述的需求中的一个或多个或本领域中已知的其它需求。所公开的设备包括扫描仪组合件，所述扫描仪组合件被配置成：安装在扫描仪操纵臂上；放置成靠近容器中的开口或插入容器中的开口中到容器凹入内部的指定位置；并测量从扫描仪组合件内的扫描仪发射器/传感器到耐火衬里的表面上的多个点的距离，以在单次扫描中表征容器的内部。所公开的设备还包括具有附接到扫描仪组合件的操纵臂的扫描仪操纵器，其中所述操纵臂将扫描仪组合件维持在测量位置，并使得扫描仪组合件内的扫描仪发射器/传感器能够采用定向，扫描仪发射器/传感器可从所述定向测量与耐火衬里的表面上的多个点的距离，以在单次扫描中表征容器的内部。所公开的设备还包括附接到扫描仪操纵器的机器人装置，所述机器人装置具有控制系统，其中所述控制系统包括用以控制扫描仪组合件的位置、发射器传感器的定向和由发射器传感器产生的测量结果的获取、存储、处理和呈现的硬件和软件；所述控制系统以通信方式连接到扫描仪组合件；所述控制系统通过将由激光扫描系统测量的多个距离与耐火衬里的参考表面进行比较来表征耐火衬里。

用于表征容器中的耐火衬里的方法和过程也在本文中所公开的主题的范围内。此类方法包括以下步骤：将机器人装置放置在观测位置中；通过使用包括硬件和软件的控制系统来控制机器人，所述控制系统以通信方式连接到扫描仪组合件；将安装在附接到机器人装置的操纵臂上的扫描仪组合件延伸到接近容器或延伸到容器的内部中；定位扫描仪组合件；在多个连续定向上定向扫描仪发射器/传感器；测量从扫描仪发射器/传感器到容器的内部的在每一定向上的距离；及通过比较由激光扫描系统测量的多个距离与耐火衬里的参考表面，得出耐火衬里的表征。

附图简要说明

图1是配置成容纳高温材料的容器的截面视图；

图2是本发明的扫描仪操纵器的示意图；

图3是根据本发明的扫描仪组合件的侧视图；

图4是根据本发明的扫描仪组合件的透视图；

图5是根明本发明的含有扫描仪操纵器的鱼雷钢包的截面视图；

图6是根据本发明的扫描仪系统的示意性表示；

图7是球面坐标系的示意性表示；

图8是扫描仪组合件的放置的几何形状的示意性表示；

图9是根据本发明的扫描仪系统的机械部分的示意性表示；

图10是根据本发明的扫描仪系统的机械部分的示意性表示；

图11是根据本发明的扫描仪系统的机械部分的透视图；且

图12是根据本发明的扫描仪系统的机械部分的示意性表示。

具体实施方式

示范性实施例的以下描述参考附图。不同图式中的相同附图标记识别相同或类似元件。以下详细描述不限制本发明。反而，本发明的范围由所附权利要求书限定。为了简单起见，关于用于自主扫描冶金容器中的耐火衬里的设备、系统或方法的术语和结构，论述了以下实施例。然而，接下来将要论述的实施例不限于这些集合，而是可以应用于其他设备、系统或方法，包括但不限于被配置成携带温度高于构造容器的材料的熔点的物质的容器中的衬里材料的表征。如本文中通篇所使用，如例如表达“对耐火衬里进行表征”中的术语“表征”意为使用自主激光扫描仪来测量耐火衬里的内部表面，以便确定内部耐火衬里轮廓且计算剩余的衬里厚度以便例如评估最大允许寿命，同时维持较低的穿透概率或确定何时需要维修。衬里表征也可用于在处理期间确定用于冶金行业中的辅助装置的位置，例如，在氧枪高度的熔池上方的适当设定点高度。

整个说明书中对“一个配置”或“一配置”的引用意为结合配置描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个配置中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个配置中”或“在一配置中”不一定是指相同的配置。此外，可以任何合适的方式以一个或多个配置来组合特定特征、结构或特性。

整个说明书中对“在数据通信中”的引用意为连接两个元件，使得电子或辐射形式的数据可以从至少一个元件传递到另一个元件。表达“在命令通信中”意为可以将电子或辐射形式的命令从一个元件传递到另一元件。表达“在控制通信中”意为元件中的一个能够通过以电子或辐射形式发送的指令来控制另一个元件的运动或活动。表达“可移动地连接”意为连接两个元件，使得一个元件可以相对于另一元件例如沿着共同轴线、围绕轴线或以铰接的方式移动，同时保持与另一元件接触。表达“以铰接的方式运动”和词语“铰链地”涉及如下运动：其中在通信中的一对元件中的一个被约束为相对于另一元件围绕通信轴线运动。表达“固定地连接”意为连接两个元件，使得其保持接触并且不能旋转，以铰链方式移动或相对于彼此平移移动。表达“超过半球”是指表示球体的一部分或球体表面的一部分的形状，所述形状由相对于极的360度经度和大于90度纬度描述，并且包括极。如果线穿过角的顶点，在角的平面中成直线并且位于角的侧面之间，那么角“包括线”。

图1示出了被配置成容纳高温材料的容器2。如本文中通篇所使用，术语“容器(container)”或“容器(vessel)”可互换且广泛地使用，包括涉及设计成用于容纳可低于、处于或高于容器材料的熔点的高温材料或玻璃(在气化炉的状况下)的各种大小和形状的所有类型的金属或非金属容器。此类容器的实例为用于诸多应用中的容器，所述应用例如但不限于化工和电力生产中的气化过程、钢铁制造中的电弧炉(eaf)、碱性氧气炉(bof)、钢包、高炉、脱气器和氩氧脱碳(aod)炉。另外，如本文中通篇所使用，术语“高温材料”被广泛地用于意指被构造为沉积在这些容器内部的材料，所述材料具有足够高的温度，一旦在覆盖容器的表面的至少一部分的耐火材料的完整性经损害以将容器暴露于高温材料时容器暴露于所述材料，则会造成损坏。如所显示，容器2具有容器纵向轴线3、壳体4、壳体4内的耐火材料6的内层和开口8。容器纵向轴线3穿过开口8。图1中的虚线7示出了在使用容器之前的耐火材料6的原始层。

图2示出了用于测量耐火衬里中的磨损的扫描仪组合件10。扫描仪组合件包括扫描仪组合件近端12、扫描仪组合件远端14和从近端12延伸至远端14的扫描仪组合件纵向轴线16。具有安装臂近端22和安装臂远端24的安装臂20位于扫描仪组合件10的近端12处。具有隔热罩近端28和隔热罩远端30的隔热罩26围绕安装臂远端24的周缘的至少一部分安置。具有转台近端34和转台远端36的转台32位于扫描仪组合件10的远端14处。安装臂20的远端可旋转地接合到转台34的近端。因此，转台34能够围绕扫描仪组合件纵向轴线16旋转。安装臂20和转台32也可以被描述为连通的，其中转台32的近端34可旋转地安装在安装臂20的远端24上，因为转台32可相对于安装臂20围绕纵向轴线旋转。安装臂20与转台32之间的连通可以包括在与纵向轴线正交的平面中。发射器/传感器40安装在转台34中的固定位置中。发射器/传感器40的光学中心位于扫描仪组合件纵向轴线16上。发射器/传感器40的视野在纵向方向上是线性的。还可以将发射器/传感器40的视野描述为包括在还含有扫描仪组合件纵向轴线16的平面中。在所显示的配置中，发射器/传感器40的视野平面含有在发射器/传感器40的远侧方向上延伸的扫描仪组合件纵向轴线16的一部分。发射器/传感器视野42包括从转台的远端延伸的发射器/传感器视野远侧界限44，并且包括与远侧界限相对安置的发射器/传感器视场近侧界限46。发射器/传感器42的视野在纵向方向上以钝角来描述，所述钝角含有扫描仪组合件纵向轴线16从扫描仪组合件的远端的延伸，且含有视野42的平面中的在正交于纵向轴线16的平面中从发射器/传感器40延伸的线48。

在选定的配置中，发射器/传感器视野44的远侧界限与正交于扫描仪组合件纵向轴线16并穿过发射器/传感器40的平面之间的锐角50可具有从1度到10度包括1度和10度的值。在选定的配置中，发射器/传感器视场42的近端界限46与扫描仪组合件纵向轴线16之间的锐角52可具有从70度到88度包括70度和88度的值。

发射器/传感器40通常含有激光器、光学件、光电检测器和接收器电子件(未展示)。此类发射器/传感器装置被配置为在目标表面处发射激光的快速脉冲，其中一些发射器/传感器装置高达每秒500,000脉冲。发射器/传感器40的传感器能力测量每个脉冲通过给定视野从目标表面返回到扫描仪所花费的时间量。光以恒定且已知的速度移动，使得由发射器/传感器40提供的信息可用于以高准确度计算发射器/传感器40与目标之间的距离。通过快速连续地重复此过程并且通过结合发射器/传感器40的定向与扫描仪组合件10相对于被测量的容器的位置，仪器建立了其所测量的耐火表面的复杂厚度“图”。通过计算及/或比较耐火衬里的内部表面的所测量耐火厚度图之间的改变与相同表面的参考测量结果，会针对可导致耐火衬里/壳体组合的失效的可能条件检测且评估改变。单次测量可以在20到30秒内完成。

发射器/传感器40可以包括激光扫描仪，所述激光扫描仪的射束直径小(约4mm)、准确度高(约±6mm范围误差峰-峰值)，扫描率高(高达500,000hz)，设计稳健适于工厂环境和扫描高温表面时施加的热负荷，激光波长对人眼安全(其消除及/或基本缩减了工作场所的安全隐患)，±55°的竖直扫描角和0-360°的水平扫描角。此类激光扫描仪允许在大约二十到三十秒内对容器内部进行标准分辨率的扫描，从而减少了容器停工时间，并提高了生产效率。在高分辨率模式下，扫描仪可以提供容器的详细图像，所述图像可用于表征耐火衬里，限定出炉孔周围的区域或排出塞的状况。

发射器/传感器在竖直平面中的视野以角度42展示。在转台32的所有旋转位置中，发射器-传感器在竖直平面中的视野42包括发射器-传感器光学中心线46和线48，所述线在正交于发射器-传感器光学中心线46的水平面中从发射器/传感器40向外延伸。

图3是扫描仪组合件10的侧视图，所述扫描仪组合件布置成使得近端14和安装臂20向左侧定向，并且使得以可旋转的方式附接到安装臂20的转台32在右侧展示。扫描仪组合件12的远端向右侧定向。在此视图中，扫描仪组合件纵向轴线16是水平的。发射器-传感器的视野42显示为包括扫描仪组合件纵向轴线16和线48，所述线在正交于扫描仪组合件纵向轴线16的平面中从发射器/传感器40向外延伸。发射器/传感器40被发射器/传感器窗口62屏蔽。隔热罩26围绕安装臂远端24的周缘的至少一部分安置。

图4是扫描仪组合件10的透视图。转台32以可旋转方式附接到安装臂20。固定隔热罩26围绕安装臂20的周缘的至少一部分安置。安装臂20被配置成固定地附接到操纵臂。

扫描仪组合件10可包括一体式冷却系统和广泛的辐射屏蔽，以便允许扫描仪组合件10被定位成尽可能靠近(例如，在约2至约3m的范围内)高温(1700℃表面)，从而允许在光学通路有限的高温环境(例如气化炉)中测量耐火厚度。

图5展示容器2中的扫描仪操纵器80的竖直截面，该容器在此示出中是鱼雷钢包。扫描仪操纵器80含有扫描仪组合件10，其含有转台32和发射器/传感器40。扫描仪操纵器还包括具有远端和近端的延伸形式或扫描仪操纵臂82，以及可与扫描仪组合件10的纵向轴线平行或共线且从操纵臂的远端延伸到近端的操纵臂纵向轴线84。在所展示的定向上，扫描仪组合件10、扫描仪操纵器80和扫描仪操纵臂82的近端是上端；远端是下端。操纵臂82的远端固定地附接到扫描仪组合件10的近端；且操纵臂82从扫描仪组合件10纵向延伸。操纵器臂82和扫描仪组合件10可以端对端的方式附接；操纵臂82和扫描仪组合件10中的一个可以含有收纳部分，以容纳操纵臂82和扫描仪组合件10中的另一个的插入部分；或者，操纵臂82和扫描仪组合件10可以重叠的方式接合。

定位扫描仪操纵器80，使得在转台32围绕扫描仪组合件纵向轴线16旋转后，发射器/传感器能够观察到容器2的整个内部。

发射器/传感器在纵向平面中的视野以角度42表示。角度42是以下各项的总和：(a)竖直平面中的远侧视野构成钝角86，所述角度86由以下各项限定：(i)线48，其在正交于扫描仪组合件纵向轴线的平面中从发射器/传感器40向外延伸；及(ii)线，其从发射器/传感器40向外延伸通过扫描仪组合件10的远端(此处对应于视野远侧界限44)；及(b)视野构成锐角88，其与远侧视野构成角度86共面，角度88由以下各项限定：(i)线48，其在正交于扫描仪组合件纵向轴线的平面中从发射器/传感器40向外延伸；及(ii)线，其在与角度86相对的线48的侧上从发射器/传感器40向外延伸(此处对应于视野近侧界限46)。发射器-传感器的视野42被展示为包括扫描仪组合件纵向轴线16，以及线48，其在正交于扫描仪组合件纵向轴线的平面中从发射器/传感器40向外延伸，且在转台32的所有旋转位置中，纵向平面中的发射器-传感器的视野42包括：扫描仪组合件纵向轴线16的部分，其在远侧方向上从发射器/传感器40向外延伸；及线48的部分，其在正交于扫描仪组合件纵向轴线16的纵向平面中从发射器/传感器40向外延伸。

图6描绘用于测量容器2的内部耐火衬里的扫描系统100。所述系统含有扫描仪组合件10，所述扫描仪组合件含有其中容纳发射器/传感器40的转台32。扫描仪组合件10附接到操纵臂82以形成扫描仪操纵器80。操纵臂82的近端通过支撑臂112附接到支撑基座110，所述支撑臂被配置成将操纵臂82移动到预定位置和定向。支撑臂112的近端可以可移动地连接到支撑基座110。支撑平台臂112可以相对于支撑基座110铰接地平移，旋转和/或移动。支撑臂112可以借助于支撑基座平台114附接到支撑基座110，所述支撑基座平台可相对于支撑基座110移动或旋转。支撑臂致动器116安置在支撑臂112的经铰接区段上，以控制经连接区段的相对位置，或运用操纵臂82控制支撑臂112的定向。扫描仪操纵器80的近端可以可移动地或铰接地连接到支撑臂12的远端。扫描仪操纵器80可以铰接方式相对于支撑臂112平移、旋转或移动。

支撑基座110、支撑基座平台114、支撑臂112和操纵臂82的组合，或使扫描仪组合件10移动的元件的类似组合，具有从静止位置移动到测量位置然后返回到静止位置的简单要求。应选择操纵器的几何形状和尺寸，使得可以将扫描仪组合件10放置在测量位置中以用于检查具体的容器。

扫描系统的其他配置可以利用支撑件、支撑臂、接头和旋转装置的不同组合来将扫描仪组合件10移动到测量位置。支撑臂112和操纵臂82可以在一组合件中组合，其中支撑臂112和操纵臂82成直角安置，并且支撑臂112包括与支撑件连通的枢轴。

传感器130可以安置在支撑基座110、操纵臂82、扫描仪组合件10及/或容器2上，以提供数据来确定容器相对于独立参考系的位置，所述独立参考系与扫描系统所参考的参考系相同，最多占六个自由度。安置在容器2上的传感器130可以是单点激光测距仪或测斜仪。

可以位于扫描仪组合件10内的致动器134控制转台32相对于扫描仪组合件10的安装臂的旋转运动。致动器134控制反射由发射器/传感器40产生或感测到的光的镜的角位置；所述角度包括在包括扫描仪组合件纵向轴线的平面中。致动器134可以包括微处理器，并且可以具有在测量过程中使用的额外能力，包括控制转台32围绕扫描仪组合件纵向轴线16的慢速扫描电动机移动(方位角)、控制设置在发射器/传感器40的发射/感测方向与扫描仪组合件纵向轴线16之间描述的角度的快速扫描电动机移动(仰角)、激光发射，距离数据计算和数据缓冲以及将距离数据最终传送到控制装置140。

控制装置140与位于支撑基座110、操纵臂82和扫描仪组合件10的组合上的传感器130和发射器/传感器40进行数据通信。数据通信可以通过物理连接或通过无线传输来实现。在一些配置中，控制装置140连接到安装在容器2上的一个或多个传感器130并与之进行数据通信。

控制装置140组合支撑基座110、操纵臂82和扫描仪组合件10接受来自传感器130和来自发射器/传感器40的数据输入。在一些配置中，控制装置140接受来自安装在容器2上的一个或多个传感器130的数据输入。通过一个或多个数据输入端口142接受数据。

控制装置140将命令传输到位于扫描仪组合件10中的一个或多个致动器134，以使组件在扫描仪组合件10中相对于彼此移动，支撑臂致动器116以使支撑臂112的组件相对于彼此移动，且支撑基座平台致动器118以使支撑基座平台114相对于支撑基座110的其余部分移动。致动器命令从控制装置140通过一个或多个控制输出端口144传输到致动器。控制装置140被配置成使得能够通过向致动器116、118和134传输命令来解决六个自由度，以按与总体测量不确定性相对应的准确度将扫描仪组合件10定位在预定位置和定向上。总体准确度可以视需要通过命令致动器抵靠机械止动件移动(止动件限制进一步运移动)或移动到通过使用线性或角度编码器的组合来测量臂位置确定的位置来确定。致动器116、118和134可包括伺服电动机和/或液压致动器。

控制装置140含有用于输入和显示数据的人/系统接口152，其可以包括诸如小键盘、显示屏、触摸屏、指示器以及控制装置和表面的装置。

控制装置140含有数据存储装置154，例如ram或硬盘驱动器，其存储由传感器130、发射器/传感器40产生的数据，存储将用于执行计算的数据，存储用于例如致动器116、118和134的装置的元件的运动的命令和控制程序，且存储用于所获取数据的处理的计算程序。

控制装置140含有数据缓冲区156，其临时存储通过数据导入端口142获取的数据，直到其可以被数据存储装置154容纳为止。

控制装置140含有处理器170，其将经编程的指令转换为命令，并处理获取的数据。处理器170将与容器2的位置有关并且与发射器/传感器40的位置有关的位置信息转换成公共参考系。

如图1到6中累积地描绘，控制装置140发出进行测量的命令，并且扫描仪组合件10内部的致动器134或微处理器控制测量过程，包括转台32围绕扫描仪组合件纵向轴线16的慢速扫描电动机移动(方位角)、设置在发射器/传感器40的发射/感测方向与扫描仪组合件纵向轴线16之间描述的角度的快速扫描电动机移动(仰角)、激光发射，距离数据计算和数据缓冲以及将距离数据最终传送到控制装置140。在操作方法的实例中，扫描仪组合件可以指定的方位角定向，且在一定范围的仰角值范围内进行测量。在一定范围的方位角值内重复所述过程。

发射器/传感器40是一种遥感技术，其通过以下方式来测量距离：通过用激光照射目标并测量由激光源发射的光子穿过激光源与远场反射表面之间的往返距离的传播时间。典型的3-d发射器/传感器40包括激光器、扫描仪、光学件、光电检测器和接收器电子件。在回顾本文中所公开的主题之后，适用领域的普通技术人员将了解，发射器/传感器40中可以使用各种不同类型的激光器，包括具有不同波长以及不同操作模式(例如，脉冲的或连续类型)的激光器。容器2的耐火磨损的表征和测量的准确度和分辨率将取决于光学件如何聚焦发射器/传感器40中的激光，这还将限定发射器/传感器40的视野。如果接收器检测器和电子件具有足够的带宽来应对缩减的脉冲宽度，那么较佳的分辨率可以用较短的脉冲实现。可以显影图像的速度受其可被扫描到系统中的速度影响。多种扫描方法可用于通过所需的仰角扫描射束。准确的镜定位会影响测量准确度。

另外，激光扫描系统100的控制装置140可以包括处理器170以处置磨损表征和表面温度测量。处理器170可以被并入在激光扫描系统100的内部或连接到所述激光扫描系统。典型的激光测距仪发射器/传感器40并有一组合件，其由脉冲激光器(检测激光发射事件的方法)、多面镜、用以检测从远场表面反射的光的高速检测器，以及用于使上述组合件在感兴趣的场景中缓慢旋转的电动机或驱动器组成。在实践中，激光器和检测器组合地工作以测量距离，并且镜/电动机引导激光器在整个场景中创建光栅图像。高分辨率编码器通常用于确定快速扫描(仰角)旋转的角位置(以及在相同分辨率情况下的慢速扫描轴线)。

在一个配置中，激光扫描系统100包括发射器/传感器40，其射束直径小(约3.6mm)、扫描准确度高(6mm峰-峰值范围误差)，扫描率高(高达500,000hz)，设计稳健适于工厂环境和扫描高温表面期间施加的热负荷，激光波长对人眼安全(其消除及/或基本缩减了工作场所的安全隐患)，能够安装在扫描仪组合件中以产生+95°到-15°的竖直扫描角范围和0°到360°的水平扫描角范围。此激光扫描仪允许在约6到10秒内对容器内部进行标准分辨率的扫描，从而减少了容器停工时间并提高了生产效率。在高分辨率模式中，扫描仪可以提供容器的详细图像，所述图像可用于检测裂缝，定义出炉孔周围的区域或排出塞的状况。仪器上的传感器测量每个激光脉冲离开、行进到远场表面以及反射后从目标表面返回到扫描仪所花费的时间量。光以恒定的已知速度移动，因此发射器/传感器40可以提供数据，从而使得能够以高准确度计算发射器/传感器40与目标之间的距离。通过快速连续重复此过程，仪器建立其所测量的表面的范围“图”。通过计算耐火材料6的经测量范围图之间的改变及/或比较所述改变与相同表面的参考测量结果，会检测到可能导致容器2的失效的耐火厚度或表面拓扑的改变。

图7是球面坐标系200的示意性表示。角度202是θ，极角从固定的定点方向z测量。角度204是极角在穿过原点且正交于顶点方向的参考平面上的正交投射的方位角从固定的参考方向y测量。长度206是r，即，点距坐标系的固定原点的径向距离。

可以根据球面坐标系200来描述扫描仪组合件10的视野。如果将扫描仪组合件10对准使得扫描仪组合件的远端12对应于z轴的正方向，且扫描仪组合件的近端145对应于z轴的负方向，且扫描仪组合件纵向轴线16经布置成对应于z轴，那么扫描仪组合件10的视野包括从0度到360度的所有值(即扫描仪围绕z轴自由旋转)及从0度到90度的所有θ值，因此包括z轴的正范围，且包括转台围绕z轴的旋转时的xy平面。可包含在视野中的θ的额外值为-10°、-9°、-8°、-7°、-6°、-5°、-4°、-3°、-2°、-1°、91°、92°、93°、94°、95°、96°、97°、98°、99°、100°、101°、102°、103°、104°和105°。在某些配置中，发射器/传感器视野远侧界限44、发射器/传感器视野近侧界限46在发射器/传感器40围绕x轴旋转后保持恒定。

扫描仪组合件10设计为，在扫描仪组合件的远端定位成对应于极坐标系的z轴的正方向的情况下且在扫描仪组合件纵向轴线与极坐标系的z轴对准的情况下，在转台旋转过极坐标系中的从0度到360度包括0度和360度的所有值后，具有在所有值处包含极坐标系中的从0度到91度包括0度和91度的至少所有θ值的视野。

换句话说，扫描仪组合件10，在扫描仪组合件的远端定位成对应于极坐标系的z轴的正方向的情况下且在扫描仪组合件纵向轴线与极坐标系的z轴对准的情况下，在转台旋转过极坐标系中的从0度到360度包括0度和360度的所有值后，具有相对于z轴对称且超过半球的视野。视野超过半球，因为其包括半球部分且还从与z轴的相交处延伸到大于90度的θ值。

本文中所公开的扫描仪组合件和扫描仪操纵器被配置成使得其必须插入到具有在纵向和横向截面上完全凹入的内部的容器中的深度被最小化。如果从在以容器的口部为yz平面的球面坐标系中的x轴测量的所有角度θ在用于容器的90度到270度的范围内，那么扫描仪组合件可以在容器的纵向轴线上放置在容器外部的任何位置处。如果容器的内部的所测量的θ角小于90度或大于270度，那么随着θ值从90度减小或从270度增加，扫描仪组合件必须放置在较靠近容器的口部。

如果容器的θ角值接近0度或360度，那么则必须将扫描仪组合件和扫描仪操纵器插入容器的口部中以扫描整个内部。图8展示用于扫描具有耐火材料内层6的容器2的内部的扫描仪组合件10。耐火材料内层6的靠近容器开口3的部分正交于容器的纵向轴线，并且正交于扫描仪组合件纵向轴线16。扫描仪转台32含有发射器/传感器40，其具有发射器/传感器视野远侧界限44和发射器/传感器视野近侧界限46。角度86是含有扫描仪组合件纵向轴线16的平面中的视野角的远侧分量。角度88是含有扫描仪组合件纵向轴线16的平面中的视野角的近侧分量。角度86与88的相交处是正交于扫描仪组合件纵向轴线16的平面中所含有的线。

发射器/传感器40插入容器2中所需的插入程度302可以从角度88和发射器/传感器40在正交于扫描仪组合件纵向轴线16的平面中与内层6的距离304确定。在以下公式中，角度88表示为α，距离304表示为x，且所需的插入程度302表示为z：

z＝x(tanα)

这些值是在特殊状况下在容器中获得的，在所述容器中，具有在纵向和横向截面上都完全凹入的内部，在所述容器中，靠近容器开口3的耐火材料内层6的一部分具有基本上等于0°或360°的θ角度值。对于具有在纵向和横向截面上完全凹入的内部并且其中θ值更接近90°或270°的容器，所需的插入程度将小得多。

图9是根据本发明的扫描仪系统的机械部分400的示意性表示。表面405支撑支撑基座110。支撑基座通道410(在此表示中被描绘为竖直)穿过支撑基座110。支撑基座通道容纳第一支撑臂112的上端。支撑基座通道410中的第一支撑臂112的线性运动由致动器412实现和产生。致动器412可包括齿条和齿轮机构，或能够在支撑基座通道410中产生第一支撑臂112的相对线性运动的任何其它机构。箭头414展示第一支撑臂112在支撑基座通道410中的运动方向。

第一支撑臂112的下端通过可旋转连接件420附接到第一支撑臂112的上端。第一支撑臂112的下端相对于第一支撑臂112的上端的旋转由致动器422实现和产生。致动器422可包括步进电动机或能够产生精确且准确的旋转运动的任何其它机构。箭头424展示第一支撑臂112的下端的旋转方向。

第一支撑臂112的下端被配置成固持第二支撑臂112的纵向表面。如所描绘，第二支撑臂112被定位成使得开放端低于闭合端。第二支撑臂112可以放置在水平位置，或放置成与水平面成任何角度。第二支撑臂112含有支撑臂通道426，所述支撑臂通道容纳具有操纵臂82和转台32的扫描仪操纵器。致动器427实现并产生操纵臂82向支撑臂通道426中的回缩和伸出。致动器427可包括齿条和齿轮机构，或能够产生相对线性运动的任何其它机构。箭头428展示操纵臂82在支撑臂通道426中的运动方向。

图10是根据本发明的扫描仪系统的机械部分400的示意性表示。表面405支撑支撑基座110。支撑基座110通过可旋转连接件420附接到支撑基座平台114。支撑基座平台114相对于支撑基座110的旋转由致动器430实现和产生。致动器430可包括步进电动机或能够产生精确且准确的旋转运动的任何其它机构。箭头432展示支撑基座平台114的旋转方向。

第一支撑臂112从支撑基座平台114向下延伸。第一支撑臂112通过枢轴434连接到第二支撑臂112。致动器436实现并产生第二支撑臂112围绕枢轴434的轴线的旋转运动。箭头438展示第二支撑臂112围绕枢轴434的运动方向。第二支撑臂112接合到操纵臂82的近端。第二支撑臂112到操纵臂82的近端的连接经描绘会直角；其可以采取促进对容器的扫描的任何形式；其可以是固定的或可调节的。第二支撑臂112和操纵臂82可以形成为单个零件。第二支撑臂112可以含有额外的枢轴和致动器，以提供额外的运动自由度。

在所描绘的扫描仪系统的机械部分400的变型中，省略了基座平台114和致动器430，并且第二支撑臂112与支撑基座110直接连通。

图11是根据本发明的扫描仪系统400的机械部分的透视图，所述机械部分被支撑在支撑基座110上。支撑基座110通过可旋转连接件420附接到支撑基座平台114。支撑基座平台114相对于支撑基座110的旋转由致动器430实现和产生。致动器430可以包括步进电动机或能够产生精确且准确的旋转运动的任何其它机构。箭头432展示支撑基座平台114的旋转方向。

第一支撑臂112从支撑基座平台114向上延伸。第一支撑臂112通过枢轴434连接到第二支撑臂112。致动器436实现并产生第二支撑臂112围绕枢轴434的轴线的旋转运动。箭头438展示第二支撑臂112围绕枢轴434的运动方向。第二支撑臂112围绕枢轴434的轴线的旋转运动可以由伺服电动机及/或液压致动来控制。

第二支撑臂112具有开放端，并且含有内部支撑臂通道，所述内部支撑臂通道以伸缩的方式容纳第三支撑臂112。第三支撑臂112具有开放端，并且含有内部支撑臂通道，所述内部支撑臂通道以伸缩的方式容纳扫描仪操纵器，所述扫描仪操纵器具有操纵臂82和转台32。致动器440实现并产生操纵臂82向第三支撑臂112的支撑臂通道的回缩和伸出，和第三支撑臂112向第二支撑臂112的支撑臂通道的回缩和伸出。致动器440可以包括齿条和齿轮机构或能够产生相对线性运动的任何其它机构。箭头442展示第三支撑臂112进入和离开第二支撑臂112的支撑臂通道的运动方向。箭头428展示操纵臂82进入和离开第三支撑臂112的支撑臂通道的运动方向。

图12是根据本发明的扫描仪系统的机械部分400的示意性表示。枢轴434由表面405支撑或支撑在所述表面上。致动器436使得支撑臂112在其近端处能够从竖直位置(由实线指示的存储位置)旋转到虚线指示的水平工作位置。箭头438展示支撑臂112在竖直位置与水平位置之间的运动方向。

支撑臂112在其远端处通过可旋转连接件420接合到在其远端处具有转台32的操纵臂82的近端。可旋转连接件420的旋转围绕正交于支撑臂112的纵向轴线且正交于操纵臂82的纵向轴线的轴线进行，且由致动器422实现和产生。致动器422可以包括步进电动机或能够产生精确且准确的旋转运动的任何其它机构。箭头424展示在扫描仪系统机械部分400的水平工作位置中第一支撑臂112的下端的旋转方向。

以下过程用于对容器执行测量：清空容器，并去除异物。接着，通过推算定位(每次测量时将容器放置在同一位置)或使用外部传感器来确定容器位置。接着将容器定向成使得容器内的所关注表面可以包括在附接到扫描仪操纵器的扫描仪组合件的视野中。扫描仪操纵器被放置在测量位置，通常是在穿过容器开口的容器的纵向轴线上或接近所述纵向轴线的位置。扫描仪操纵器的转台围绕扫描仪组合件的纵向轴线旋转；进行测量并产生容器内部的轮廓。将容器内部的轮廓与参考数据集或容器的经创建三维模型进行比较。比较使得能够检测到出现磨损或沉积的区域。

一种测量耐火衬里的磨损的方法包括：

a)清空含有衬里的容器；

b)定位容器；

c)将容器定向成使得容器内部所关注的衬里表面可以包括在扫描仪组合件的视野中；

d)提供扫描仪组合件，其包括安装臂；以可旋转方式附接到安装臂的转台；以及包括在转台内的发射器/传感器；

其中，扫描仪组合件，在扫描仪组合件的远端定位成对应于极坐标系的z轴的正方向的情况下且在扫描仪组合件纵向轴线与极坐标系的z轴对准的情况下，在转台旋转过极坐标系中的从0度到360度包括0度和360度的所有值后，具有相对于z轴对称且超过半球的视野；

e)将扫描仪组合件放置在测量位置处；

f)启动发射器/传感器；

g)使转台旋转过极坐标系中的所有值；

h)对于选定的值，获得用于极坐标系中的选定的θ值的数据；

i)收集由发射器/传感器提供的数据；及

j)从收集的数据生成容器内部的轮廓。

一种用于测量耐火衬里的磨损的扫描仪组合件包括：

远端，近端和从近端延伸到远端的纵向轴线；

安装臂，其具有近端和远端并且位于扫描仪组合件的近端处；

具有近端和远端的转台，其中安装臂的远端可旋转地接合到转台的近端，其中安装臂与转台之间的连通包括在正交于纵向轴线的平面中；及

安装在转台中的固定位置中的发射器/传感器；

其中发射器/传感器的光学中心位于纵向轴线上；

其中发射器/传感器的视野在纵向方向上是线性的；

其中视野包括从转台的远端延伸的远侧界限，并且包括与远侧界限相对安置的近侧界限；

且其中发射器/传感器的视野在纵向方向上以钝角描述，所述钝角含有纵向轴线从扫描仪组合件的远端开始的延伸部分，并含有在正交于纵向轴线的平面中从发射器/传感器延伸的线。扫描仪组合件可以被配置成使得安装臂的远端与转台的近端的可旋转接合使得转台能够围绕扫描仪组合件的纵向轴线旋转360度。扫描仪组合件可以被配置成使得发射器/传感器的视野位于包括发射器/传感器的纵向轴线的平面中。扫描仪组合件可以包括隔热罩，所述隔热罩安置在安装臂的远端的周缘的至少一部分上。扫描仪组合件可以含有单个发射器/传感器；扫描仪组合件可以排除第二发射器/传感器；扫描仪组合件中的发射器/传感器的数量可以恰好是一个。

扫描仪组合件可以被配置成使得由视野的远侧界限和纵向轴线描述的锐角具有从1度到10度包括1度和10度的值。扫描仪组合件可以被配置成使得由视野的近侧界限和纵向轴线描述的锐角具有从70度到88度包括70度和88度的值。

扫描仪组合件可以被配置成使得其不与耐火应用装置通信，或者使得其并非包括耐火应用装置的装置的一部分。耐火应用装置是被配置成将耐火材料喷涂、喷射或以其它方式输送到表面使得材料粘附到表面的装置。扫描仪组合件可以被配置成使得阻止转台围绕安装臂绕除扫描仪组合件的纵向轴线以外的任何轴线旋转。

扫描仪组合件可以被配置成使得，在扫描仪组合件的远端定位成对应于极坐标系的z轴的正方向的情况下且在扫描仪组合件纵向轴线与极坐标系的z轴对准的情况下，在转台旋转过极坐标系中从0度到360度包括0度和360度的所有值后，扫描仪组合件具有在所有值下包括极坐标系中从0度到91度包括0度和91度的所有θ值的视野。

扫描仪组合件可以被配置成使得，在扫描仪组合件的远端定位成对应于极坐标系的z轴的正方向的情况下且在扫描仪组合件纵向轴线与极坐标系的z轴对准的情况下，在转台旋转过极坐标系中从0度到360度包括0度和360度的所有值后，扫描仪组合件具有相对于z轴对称且超过半球的视野。

包括根据以上描述中的任一个或多个的扫描仪组合件的扫描仪操纵器可以被配置成使得扫描仪操纵器进一步包括延伸形式的扫描仪操纵臂，其具有远端和近端，且纵向轴线与扫描仪组合件的纵向轴线共线且从远端延伸到近端；其中扫描仪操纵器的远端固定地附接到扫描仪组合件的近端；且其中延伸形式或扫描仪操纵臂从扫描仪组合件纵向地延伸。

所公开的示范性实施例提供了用于自动表征冶金容器的耐火衬里的设备、方法和系统，以及适用领域的普通技术人员在上文中总结和了解的其它用途。应理解，此描述并非旨在限制本发明。相反，示范性实施例旨在涵盖包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替代物、修改和等效物。此外，在示范性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在无此类具体细节的情况下实践各种实施例。

尽管在实施例中以特定组合描述了本示范性实施例的特征和元件，但每个特征或元件可以在无实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或者在无论是否具有本文中所公开的其它特征和元件的情况下以各种组合使用。

本书面描述使用所公开主题的实例，以使得本领域技术人员能够实践所述主题，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。所述主题的可取得专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员能想到的其它实例。此类其它实例意图在权利要求书的范围内。

虽然本文中所描述的主题的所公开实施例已经在图式中展示并且在上文结合若干示范性实施例进行了详细地描述，但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，许多修改、改变和省略是可能的且实质上不背离本文中所阐述的新颖教示、原理和概念，以及所附权利要求书中所阐述的主题的优点。因此，所公开的创新的适当范围应仅由所附权利要求书的最宽泛的解释来确定，以便涵盖所有此类修改、改变和省略。另外，根据替代实施例，任何过程或方法步骤的次序或顺序可以变化或重新排序。最后，在权利要求书中，任何构件加功能的条款旨在涵盖本文中所描述的执行所叙述的功能的结构，且不仅涵盖结构上的等效物，而且还涵盖等效的结构。

元件

2.容器

3.容器纵向轴线

4.壳体

6.耐火材料层

7.耐火材料原始层

8.开口

10.扫描仪组合件

12.扫描仪组合件的远端

14.扫描仪组合件的近端

16.扫描仪组合件纵向轴线

20.安装臂

22.安装臂的近端

24.安装臂的远端

26.隔热罩

28.隔热罩的近端

30.隔热罩的远端

32.转台

34.转台的近端

36.转台的远端

40.发射器/传感器

42.发射器/传感器视野

44.发射器/传感器视野远侧界限

46.发射器/传感器视野近侧界限

48.在正交于纵向轴线的平面中从发射器/传感器延伸的线

50.发射器/传感器视野的近侧界限与在正交于纵向轴线的平面中从发射器/传感器延伸的线之间的锐角

52.发射器/传感器视野的远侧界限与扫描仪组合件纵向轴线之间的锐角

54.发射器/传感器视野的近侧界限与扫描仪组合件纵向轴线之间的锐角

62.发射器/传感器窗口

80.扫描仪操纵器

82.操纵臂

84.操纵臂纵向轴线(扫描仪的光学中心线)

86.远侧视野构成角度

88.近侧视野构成角度

100.扫描仪系统

110.支撑基座

112.支撑臂

114.支撑基座平台

116.支撑臂致动器

118.支撑基座平台致动器

130.定位传感器

134.操纵器致动器

140.控制装置

142.数据输入端口

144.控制输出端口

152.人/系统接口

154.数据存储装置

170.处理器

200.球面坐标系

202.θ角(θ)

204.角

206.径向距离r

302.发射器/传感器插入到容器中的插入程度

304.发射器/传感器距开口处的水平内表面的距离

400.扫描仪系统的机械部分

405.表面

410.支撑基座通道

412.致动器

414.行进方向

420.可旋转连接件

422.致动器

424.旋转方向

426.支撑臂通道

428.行进方向

430.致动器

432.旋转方向

434.枢轴

436.致动器

438.旋转方向

440.致动器

442.行进方向