DE4027975A1 - Vorrichtung zur bestimmung der topographischen karte der begichtungsoberflaeche in einem schachtofen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Festlegung der topographischen Karte der Begichtungsoberfläche in einem Schachtofen, und zwar mit Hilfe einer Radarsonde welche oberhalb der Oberfläche der Beschickung in der Wand des Ofens eingebaut ist.

Es ist bekannt, Radarsonden zu benutzen, um das Profil der Begichtungsoberfläche eines Schachtofens zu bestimmen und auf diese Weise sowohl den Gang des Ofens besser zu kontrollieren, als auch die Konfiguration der Beschickung zu optimieren. Um von Interesse zu sein, müssen es diese Sonden erlauben eine möglichst genaue Messung in einem Minimum von Zeit durchzuführen.

Eine bekannte Sonde ist beispielsweise in der Patent­ anmeldung EP-A1 02 91 757 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt eine Radarsonde, die an dem Ende eines Armes befestigt ist, welcher oberhalb der Oberfläche der Begichtung horizontal in den Ofen eingeführt ist. Diese Sonde besitzt den Vorteil, daß sie in zwei entgegengesetzte Richtungen schwenken kann und daß sie in der Lage ist, entsprechend der Dichte der Stellungen für die Messungen, ein für die ganze Fläche der Beschickung genügend repräsentatives Bild zu liefern. Der Nachteil dieser Sonde liegt darin, daß die Begichtung nicht nur während der Dauer der Messung, sondern auch während der Einführung und während des Zurückfahrens des Armes der Sonde unterbrochen werden muß. Diese Sonde benötigt darüber hinaus eine verhältnismäßig aufwendige mechanische Struktur. Ein weiterer Nachteil dieser Sonde liegt darin, daß sie sich verhältnismäßig nahe an der Oberfläche des Beschickungsgutes befindet, und daß die Radarstrahlen, insbesondere die gegen den äußeren Rand gerichteten Strahlen, die Oberfläche unter einem sehr spitzen Winkel berühren, was die Auswertung der Resultate der Messungen schwierig gestaltet.

Eine andere bekannte Radarsonde ist die in dem Patent US 43 32 374 beschriebene Sonde. Die Antenne dieser Radarsonde ist in dem Mannloch in der schrägen Ofenwand über der Oberfläche des Beschickungsgutes an einer vertikal verfahrbaren Halterung angebracht. Es ist von Vorteil für diese Sonde, daß sie etwas weiter von der Begichtungsoberfläche entfernt ist als die vorhergehende Sonde, und daß die Radarstrahlen etwas weniger schräg sind als diejenigen der vorgenannten Sonde. Obschon die Antenne um ihre vertikale Aufhängungsachse in Drehbewegung versetzt werden kann und daß so durch mehrere aufeinander folgende Messungen das Profil der Beschickung entlang einer kreisrunden Abtastungslinie bestimmt werden kann, erlaubt es die Sonde nicht die ganze Oberfläche abzutasten. Um dies bewerk­ stelligen zu können, müßte die Sonde die Oberfläche entlang zwei zueinander senkrechte Richtungen überstreichen können. Nun ist aber ein bidimensionales mechanisches Abtasten der Oberfläche einer Beschickung nicht denkbar, weil eine große Öffnung in dem schrägen Teil der dicken Wand des Ofens notwendig ist und weil eine solche Öffnung mit einem für die Mikrowellen transparenten Fenster versehen sein müßte. In der Tat würde ein solches Fenster den mechanischen Widerstand der Wand zu stark herabsetzen und es wäre zudem schwierig zu reinigen. Dagegen hat diese Sonde aber den Vorteil, sich mit einer verhältnismäßig einfachen Mechanik zu begnügen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine neue Vorrichtung zu schaffen, um die vollständige topographische Karte der Begichtungsoberfläche in einem Schachtofen schnell erstellen zu können.

Um dieses Ziel zu erreichen, schlägt es die hier vorliegende Erfindung vor, die topographische Karte der Begichtungsoberfläche eines Schachtofens mit Hilfe einer oberhalb der Beschickungslinie in der Ofenwand montierten, aus einer Radarsonde bestehenden Vorrichtung zu erfassen, wobei diese Vorrichtung dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Sonde für ein bidimensionales Bestreichen der Beschickungsoberfläche ausgelegt ist und daß sie mehrere Antennen mit elektronischer Abtastung begreift.

Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die Antennen in einer Reihe angeordnet und sie werden elektronisch abgetastet, während der Halter der Antennen senkrecht zu der elektronischen Abtastungslinie schwenkbar ist. Diese Antenne erlaubt es folglich eine vollständige Abtastung der Oberfläche des Beschickungsgutes vorzunehmen und zwar durch ein mechanisches Abtasten in einer Richtung und durch ein elektronisches Abtasten in der anderen Richtung. Die Anbringung dieser Sonde kann ähnlich sein wie die in dem Patent US 43 32 374 beschriebene Befestigung.

Entsprechend einer anderen Ausführungsart, werden die Antennen der Sonde in einem Raster in Reihen und Kolonnen mit einer vollständigen elektronischen Abtastung angeordnet. Diese Ausführungsart hat den Vorteil einer fast augenblicklichen Abtastung der gesamten Oberfläche der Begichtung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mechanische Abtastungselemente nicht mehr benötigt werden, selbst wenn die zum elektronischen Abtasten notwendige Elektronik leicht spitzfindiger sein muß.

Die beiden Ausführungsarten der durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagenen Vorrichtung haben gegenüber den bestehenden Sonden den Vorteil, daß sie viel schneller sind im Erstellen von Messungen der totalen Oberfläche der Begichtung, ohne daß dafür das Begichten unterbrochen werden muß, um eine Lotung vorzunehmen.

Die beiden Ausführungsarten benötigen darüber hinaus nur ein verhältnismäßig kleines Fenster in der schrägen Wand des Ofens.

Andere Eigenarten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend gegebenen eingehenderen Beschreibung einiger vorteilhafter Ausführungsfälle. Diese Fälle werden zum Zwecke der Illustrierung und unter Rückbeziehung auf die Zeichnungen gegeben. In den Zeichnungen ist

- die Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch den Schachtofen mit einer ersten Ausführungsart einer der vorliegenden Erfindung entsprechenden Vorrichtung;

- die Fig. 1a eine schematische Darstellung der in der ersten Ausführungsart benutzten Radarsonde;

- die Fig. 2 ein Blockschema einer Radarsonde mit einer vollständig elektronischen Abtastung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schachtofen 10 mit dem Beschickungsgut 12 von welchem die topographische Karte der Ober­ fläche erstellt werden muß. Zu diesem Zweck benutzt man eine Radarsonde, welche in dem schrägen Teil der Wand 16 des Ofens eingebaut ist. Der Einbau der Sonde 18 kann genau so sein wie der in dem Patent US 43 32 374 beschriebene Einbau. Dies heißt, daß die Sonde vertikal durch eine so eng wie möglich gehaltene Luke 20 bewegt werden kann und daß die Sonde mit Hilfe geeigneter Mittel um eine vertikale Achse drehen kann, um ein mechanisches Abtasten in einer vertikalen Achse drehen kann, um ein mechanisches Abtasten in einer Dimension der Oberfläche der Begichtung 14 vorzunehmen. Anstatt vertikal zu sein, könnte die Luke 20, durch welche die Antenne 18 in den Ofen eindringt, ebenfalls geneigt sein. Die Eindringtiefe der Antenne in den Ofen muß ganz einfach genügend groß sein, um jedes Hindernis zu überragen und eine Gesamtansicht der Oberfläche der Beschickung 14 zu haben.

Im Gegensatz zu den bekannten Radarsonden, welche alle nur mit einzelnen Antennen ausgerüstet sind, begreift die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Sonde eine zusammengesetzte Antenne 22. Diese besteht aus einer Reihe von Antennen, zum Beispiel aus vier einzelnen Antennen 22a, 22b, 22c und 22d, die mit einem Phasenverschiebungssystem 24 in Verbindung stehen. Diese einzelnen Antennen 22a bis 22d sind in einer Richtung aufgereiht, die senkrecht zu der Richtung der mechanischen Abtastung der Sonde 18 verläuft. Wenn zum Beispiel die einzelnen Antennen 22a bis 22d in dem Schnittplan der Fig. 1 angeordnet sind, so erfolgt die mechanische Abtastung der Sonde 18 senkrecht zu dem Plan der Fig. 1.

Durch die Überwachung und die Steuerung der relativen Phasenverschiebung und der Amplitude des Bündels der von einer jeden der Antennen 22a bis 22d ausgesandten Mikrowellen, kann ein jeder der Strahlen genau dirigiert werden, und zwar auf eine gesteuerte und programmierte Art und Weise. Das heißt, daß die Anordnung ein elektronisches Abtasten in dem vertikalen Plan der Achsen der einzelnen Antennen 22a bis 22d erlaubt.

Die individuellen Antennen 22a bis 22d können so ausgelegt sein, daß sie die Form von offenen Wellenleitern haben, oder diejenige von kleinen strahlenden Schalltrichtern, welche in eine Schutzhülle eingebaut sind. Die Verwendung von kleinen einzelnen Antennen verleiht darüber hinaus eine gewisse Anpassungsfähigkeit in bezug auf die Anordnung und auf die geometrische Auslegung, welche die Sonde in Einklang bringen mit dem zur Verfügung stehenden Platz und den äußerst schwierigen Umfeldbedingungen an diesem Ort in dem Schachtofen.

Die Fig. 2 illustriert schematisch eine Ausführungsart mit vollständig elektronischer Abtastung. Es ist also nicht mehr notwendig, die Sonde so anzubringen, daß man ein mechanisches Abtasten ausführen kann. Es genügt einen Halter vorzusehen, der es erlaubt, die Antenne durch eine Luke, wie etwa die Luke 20 der Fig. 1, hindurchdringen zu lassen, so daß die Antenne die Abtastung der Oberfläche der Beschickung durchführen kann und daß die Antenne dann aus ihrer Abtastungsposition zurückgezogen werden kann, um den im Inneren des Ofens herrschenden Bedingungen nicht ausgesetzt zu sein.

Entsprechend der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsart besteht die Antenne 26 der Radarsonde aus einer gewissen Anzahl von individuellen Antennen 26i. Diese sind in einer Matrix (m x n) angeordnet, oder in einem Gitter mit m Kolonnen und n Reihen von individuellen Antennen 26i. In dem dargestellten Beispiel besteht die Antenne 26 aus 16 einzelnen Antennen 26i, welche in 4 Kolonnen und in 4 Reihen angeordnet sind. Eine jede der einzelnen Antennen 26i strahlt unter der Steuerung eines Phasenverschiebers 28 einen kleinen Anteil der verfügbaren Mikrowellenenergie aus.

Die Abtastung erfolgt durch eine relative Phasenverschiebung des Strahles der durch ein jedes der Antennenelemente 26i ausgesandt wird und zwar entsprechend einer auf solche Art und Weise vorher­ bestimmten Kalibrierung, daß eine bidimensionale Kontrolle des gesamten von der Antenne 26 ausgesandten Strahles erhalten wird.

Wie es auf der Fig. 2 dargestellt wird, ist eine jede der individuellen Antennen 26i durch den Phasenverschieber 28 an ein Verteilungsnetz 30 angeschlossen. Letzteres wird gespeist durch einen Mikrowellenkreis 32 mit einem Hochfrequenz-Oszillator. Die Modulation der Frequenz der durch einen Kreis 32 ausgesandten Strahlen wird durch eine unter der Kontrolle einer Programmier­ einheit 36 stehenden Steuereinheit 34 hervorgerufen. Die Steuer­ einheit 34 steuert ebenfalls die Phasenverschiebung einer jeden der Antennen 26i über eine der Kontrolle der Phasenverschiebung dienenden Einheit 38. Die Referenzzahl 40 bezeichnet eine Daten­ verarbeitungszentrale, welche die Entfernung berechnet zwischen einer jeden der individuellen Antennen 26i und dem Punkt an dem die Radarwellen, vor ihrem Einfangen, an der Oberfläche des Beschickungsgutes zurückgestrahlt werden. Die von einer jeden der Antennen 26i eingefangenen Signale werden durch den Mikrowellen­ kreis 32 in die Zentrale 40 zurückgeschickt. Nach der Auswertung der Meßresultate und der Bestimmung der Höhen für eine jede der Antennen 26i, kann das Resultat in der Form einer topographischen Karte der Oberfläche der Begichtung des Ofens veranschaulicht werden.

Der große Vorteil der Art der Verwirklichung entsprechend Fig. 2 liegt in einer fast augenblicklichen zweidimensionalen Sichtbarmachung der ganzen Begichtungsoberfläche des Ofen, wobei dies ohne ein komplexes bewegliches mechanisches Element bewerk­ stelligt wird.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß die individuellen Antennen gemäß der Ausführungsart nach der Fig. 2 und gemäß der Verwirklichung der Fig. 1, von dem monostatischen Typus sein können. Dies heißt, daß eine jede der einzelnen Antennen als Sendeantenne und als Empfangsantenne wirkt. Die Antennen können aber auch vom bistatischen Typus sein, was heißt, daß man eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne besitzen muß, wobei die letztere die von der Oberfläche des Beschickungsmaterials abgebogenen Radarwellen einfängt. Im Falle der Anwendung von bistatischen Antennen, muß deren Zahl natürlich verdoppelt werden.

Die Wahl zwischen dem vollständig elektronischen zwei­ dimensionalen Abtasten gemäß der Fig. 2 oder dem halb elektronischen und halb mechanischen Abtasten gemäß der Fig. 1, ist eine Sache des Kompromisses zwischen den Kosten und zwischen der Komplexität der Elektronik beziehungsweise denselben Faktoren der Mechanik. Dabei erlaubt es aber eine jede der beiden Möglichkeiten eine schnelle und vollständige Kartographie der ganzen von dem Beschickungsgut in dem Schachtofen bedeckten Oberfläche zu erstellen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der topographischen Karte der Begichtungsoberfläche eines Schachtofens mit der Hilfe einer in der Wand des Ofens, oberhalb der Begichtungsoberfläche, angeordneten Radarsonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde ein zweidimensionales Abtasten der ganzen Oberfläche der Begichtung vollzieht und daß sie mehrere einzelne Antennen mit elektronischem Abtasten begreift.

2. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Antennen (26i) der Sonde in einer Gitterform mit Reihen und Kolonnen mit vollständiger elektronischer Abtastung angeordnet sind.

3. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Antennen (22a), (22b), (22c) und (22d) in einer Reihe angeordnet sind und elektronisch abgetastet werden und daß der Halter der Antennen senkrecht zu der Linie der elektronischen Abtastung schwenkbar ist.

4. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter der Antennen (22) und (26) in einer Luke (20) der oberen Wand (16) des Ofens (10) vertikal verschiebbar ist.