KR20040030448A - 광택 금속 스트립 상의 거리를 측정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

광택 금속 스트립 상의 거리를 측정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

광학 수단에 의하여 광택 금속의 정반사성 또는 준정반사성 스트립(1) 상의 거리를 측정하기 위한 방법은 다음 단계를 특징으로 한다:
- 입사광선은 측정 헤드(10)로 통합되는 광원(7)에 의하여 방사되고, 상기 광원은 금속 표면의 이동 방향에 본질상 수직인 축을 따라서 배열되는 바람직하게는 라인인 다수의 포인트의 형태로 바람직하게는 비정반사성인 설비의 고정부(5) 상의 입사 방향에 패턴(11)을 투사한다;
- 우선, 상기 광선은 입상 광선과 같은 경로를 따라서 반대 방향으로 상기 측정 헤드(10)에 속하고 상기 광원(7) 바로 가까이 위치된 탐지기(8) 쪽으로 상기 고정부(5)에 의하여 부분적으로 반사된다;
- 다음, 상기 광선은 그것이 상기 탐지기(8) 쪽으로 더 반사되는 곳으로부터 상기 금속 스트립(1) 쪽으로 부분적으로 반사된다.

Description

광택 금속 스트립 상의 거리를 측정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR MEASURING DISTANCES ON BRIGHT METAL STRIPS}
아연도금 강철로 불리는, 아연, 아연 합금 또는 철-아연 합금으로 코팅된 강철 또는 가열 냉각된(annealed) 아연도금 강철의 용융(hot-dip) 제조물은 수년간 알려져 왔다. 자동차 산업에서 이들 제조물에 대한 두드러진 관심은 이들 코팅된 제조물의 사용에 있어서 제조물의 균질성 및 성능 특성에 관하여 고 표준으로 이끌었다.
용융 아연도금 라인(line)에서, 아연욕(zinc bath)의 출구에서 나오는 스트립은 "에어 나이프들(air knives)"을 사용하여 건조되고, 그것들은 스트립의 양측을 따라서 취해진 용융 아연에 압축 공기를 불어넣는다. 에어 나이프들의 압력 및 나이프와 스트립 사이의 거리는 부착물(deposit)의 두께가 스트립의 양측에서 희망하는 값에 가능한 한 가깝게 유지되는 식으로 실시간으로 이상적으로 조정되어야 한다.
균일한 코팅을 보증하기 위해서는, 건조 기구 립들(lips)의 맞은 편에서 이동 중인 스트립의 정확한 형상과 위치를 유지하는 것이 필수적이다. 사실, 나이프들의 맞은 편 이동 방향과 가로 방향에서 스트립의 위치에 있어서의 변화들은 부착물의 두께에 있어서의 변화를 일으킬 것이다. 두께에 있어서의 이들 변동은 최종 제조물의 품질에 영향을 준다. 특히, 합금화 용융 아연도금(galvannealing) 공정에서, 아연 무게에 있어서의 변화들은 부착물의 철 함량에 있어서의 변화들을 필연적으로 수반하고 그 결과 사용자에 의해 요구되는 특성과 다르게 된다.
그러나, 열적 그리고 기계적 스트레스, 공기 압력에 있어서 불안정 또는 구조적 진동 때문에, 립들 앞에 이동하는 스트립의 평평도는 완벽하지 않다. 부착물의 두께에 있어서의 상당한 차이는 가로 및 세로 방향에서 관찰된다.
처리하는 동안에 코팅의 무게에 있어서의 변화 때문에, 소비자가 요구하는 부착물의 최소 무게를 얻으려면 충분히 높은 셋 포인트 값(set point value)을 설정하는 것이 필요하다.
아연 코팅의 무게를 1 g/㎡ 줄여서 산출할 이득을 계산해 보자.
T는 매년 생산되는 톤(tonnes) 수, Em은 스트립의 평균 두께(m), P는 아연의 ㎏ 당 가격, 그리고 D는 강철의 상대밀도(kg/㎥)라고 하자.
결과는:
절감된 아연 (톤/년)2T/(D x Emx 1000)
절감된 아연 (㎏/강철 톤) 2/(D x Em)
절감된 비용 (?/강철 톤)2 x P/D x Em)
절감된 비용 (?/년)2 x P x T(D x Em)
예컨대, T = 350,000 톤/년, Em= 0.0007 m, D = 7,800 ㎏/㎥ 및 P = 0.85 ?/㎏ (1050 $/톤)이면, 1 g/㎡을 줄여서 다음과 같이 절감될 것이다:
절감된 아연 : 아연 128 톤/년
절감된 아연 : 아연 0.366 ㎏/강철 톤
절감된 비용 : 0.31 ?/강철 톤 또는 108.5천 ?/년
이들 데이터는 코팅 두께의 제어를 높일 수 있는 해결법을 찾을만한 가치가 있다는 것을 나타낸다.
선행기술
거리 및 형상을 측정하기 위해 많은 방법들이 사용될 수 있다. 용량성 및 유도성 방법들보다 광학 방법들이 종종 선호되는데, 그것들은 물질 특성의 상수에 있어서의 변동에 덜 민감하기 때문이다. 그러나, 용융 아연도금의 특정 적용에 대하여, 광학 센서의 성능에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 요인들이 고려되어야 한다.
고려되는 주요 요인들은 다음과 같다:
- 스트립의 고 반사 계수;
- 지지물들(supports)의 진동;
- 센서의 광축과 관련된 스트립 표면의 경사;
- 대기 조건(온도, 습도, 압력)으로 인한 굴절률에 있어서의 변화;
- 광학 창 위의 아연 증기의 부착물들.
건조 장치로부터 나오는 스트립은 고반사성 표면을 가지기 때문에, 정확한 측정을 위해서는 특별한 주의가 요구된다. 따라서, 매끄러운 (정반사성) 표면의 경우에, 표면에 의해 반사되는 광선들의 각은 그것들의 입사각과 같다. 대조적으로, 거친 질감을 가진 표면은 입사 광선들을 임으로 발산한다. 표면은 그것이 거의 모든 각에서 빛을 반사하기 때문에 선명하지 않게 나타난다.
종래의 아연도금 라인에 있어서, 이동중인 스트립과 건조 장치의 립들 사이의 거리는 5에서 15 ㎜ 범위에 있다. 이전에 계발된 수학적 모델을 사용하여, 에어 나이프들 사이의 스트립 위치의 최고 값에서 1 ㎜의 불안정이 표준 작동 조건에서 9 g/㎡에 달하는 변화를 일으킨다는 것을 발견했다. 이것은 코팅 두께에 있어서 1 g/㎡의 변동을 구별하기 위해서는 0.1 ㎜의 분해능에 이르러야 한다는 것을 의미한다.
전술한 범위 및 감도에 대하여, 비접촉 계측 적용(applications)에 2가지 주요 형태의 센서들이 자주 사용되는데, 즉 레이저 3각 측량 센서 및 프린지(fringe) 투사 방법들로 그것의 확대 그리고 동축(coaxial) 또는 자동초점 레이저 센서이다. 레이저 간섭측정(interferometry) 또한 매우 높은 분해능 측정에서 일반적으로 사용되는 기술이다. 그러나, 간섭측정 방법들은 간혹 너무 민감하다. 따라서, 환경에 있어서의 방해요소들이 측정 신뢰성을 제한한다. 광섬유 변위 센서들은 그것들의 제한된 측정 범위 때문에 보다 좁게 사용된다.
3각 측량 센서
삼각 측량 센서들은 2개의 카테고리, 각각 발산형 및 정반사형에 속한다.
발산형 센서의 경우, 레이저 광선은 표적 표면에 정상적으로 투사되고, 표적 표면에 의해 발산된 상기 광선은 3각 측량 각에서 렌즈를 통하여 탐지기로 반사된다. 발산형 센서의 한가지 이점은 표면 높이와 관계없이 레이저 스폿(spot)이 표면 상의 같은 측위로 투사된다는 것이다. 그러나, 본 적용에서와 같이 거울 (정반사) 표면의 경우, 레이저 광선이 본질상 광원 광학계(optics) 쪽으로 후방으로 반사되기 때문에, 그러한 센서들은 문제를 내포한다.
정반사성 레이저에 관하여, 레이저 광선은 광원 광학계의 각과 같은, 표면의 상태와 관련된 각으로 투사되고, 그것은 수취 광학계의 수집 각이다. 이들 센서의 이점은 그것들이 광택 표면을 측정하는데 사용될 수 있다는 것이다. 그러나, 측정되는 표면으로부터의 거리가 변할 때, 표면에 투사되는 레이저 스폿은 측으로 움직인다. 다른 불리함은 약간이라도 경사진 표면에 의해 유발되는 측정 에러나 부족이다. 아연도금 라인들 상에서 부닥치는 진동 또는 "크로스-보우(cross-bow)"는 그러한 상황을 야기하기에 충분할 수 있다.
문헌 WO-A-94/026 58 및 JP-A-55 141 556에서, 그러한 센서들은 크로스-보우를 평가하기 위하여 스트립의 폭 방향으로 이동된다. 이 경우에는 2가지 주요한 불리함이 있다:
- 측정 불확실이 병진(translation) 메카니즘(마멸 등)에 의해 유발된다;
- 병진 시간으로 인하여, 스트립에 있어서의 빠른 진동이 평가될 수 없다.
투사된 프린지 기술
투사된 프린지들의 이미지는 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 그리드 형태에 있어서의 구조 또는 간섭 이미지는 시험 표면에 투사된다. 높이에 있어 변화들은 원형(original) 또는 합성 그리드 구조와 비교되는 투사된 프린지들의 변형을 가져온다. 프린지 투사에 의해 표면의 지형을 측정하기 위한 대부분의 시스템은 거의 같은 높이의 윤곽을 나타내는 Moire 프린지들을 발생시키기 위하여 제2의 그리드를 사용한다. 많은 장치에 있어서, 마이크로프로세서 및 컴퓨터뿐만 아니라 CCD 카메라, 이미지 처리 테이블이 프린지들의 자동 분석을 위해 통합되어 왔다. 그러나, 프린지 이미지들의 투사는 본 적용에 있어서와 같이 정반사성 표면을 측정하기에는 적합하지 않다.
자동초점 센서
자동초점 센서들의 다이나믹(dynamic) 초점 양상 때문에, 스폿 크기는 센서와 대상물 표면의 거리에 관계없이 일정하게 유지된다. 광 배분은 전 스폿에 걸쳐 균일하다. 결과적으로, 이들 센서의 분해능은 3각 측량 센서들의 분해능보다 한 크기 차수만큼 클 수 있다. 그러나, 자동초점 센서들도 불리함들을 가진다. 스폿의 작은 크기 때문에, 그것들은 표면 질감(surface texture)에 작은 변화가 있더라도 에러를 일으키기 쉽다. 초점 에러 신호를 0에 맞추기 위해 요구되는 매우 정밀한 기계적 운동 때문에, 그것들은 덜 견고하고 3각 측량 센서들보다 긴 응답 시간을 갖는다.
광섬유 변위(displacement) 센서
이들 센서는 표적 표면으로부터 빛을 보내고 받기 위하여 유리 섬유 다발을 사용하는 변위 변환기다. 프로브(probe)의 단부에서, 시준되지 않은 광선들은 원뿔형으로 각각의 전송 섬유로부터 바깥쪽으로 발산한다. 광선들은 인접한 수취 섬유 쪽으로 표적 표면 상에 반사된다. 반사된 빛의 강도의 탐지를 기초로 하여, 서로 다른 변위 감도들이 광원, 섬유의 형태, 섬유 다발의 형상 및 크기, 빛을 보내고 받는 섬유들의 분포, 그리고 빛을 보내고 받는 다발들의 배열의 조합을 통하여 형성될 수 있다. 표면이 매끄러울수록, 센서의 기대 성능이 좋다.
두 가지 형태의 광섬유 센서, 반사성 의존 센서와 보정 반사성 특징 센서가 있다.
보정 반사성 특징 센서는 적어도 2개 다발의 섬유로 만들어진다. 각각의 다발은 변위에 의하여 변하는 감도 곡선을 가진 개별적인(separate) 센서로서 고려될 수 있다. 반사성의 보정은 개별적인 섬유들과 함께 이들 프로브의 출력 강도의 비(ratio)를 기초로 하여 얻어진다. 표적의 반사성이 넓은 범위에 걸쳐 변하기 때문에, 개개의 탐지기들의 출력 강도는 비례하여 증가하거나 감소하고, 출력의 비는 반사성에 있어서의 변화에 의해 영향을 받지 않게 된다. 반사성의 보다 정밀한 보정을 보증하기 위하여, 광섬유 다발의 전체 표면 내의 표적 표면은 균일하게 반사적이어야 한다. 보통, 연속적인 스트립의 경우에 있어서, 반사성에 있어서의 변화는 광섬유 센서에 의해 덮이는 작은 표면 영역에 걸쳐 대수롭지 않다고 폭넓게 생각된다. 그러한 센서들은 응답이 빠르고 견고하며, 매우 작고 비싸지 않다. 그러므로, 에어 나이프 노즐의 바로 가까이에서 스트립의 형상을 얻기 위하여 몇몇 센서들을 다중송신하는 것이(multiplexing) 고려될 수 있다. 아연도금의 경우, 이들 센서를 사용하여 얻은 측정은 유도 가열에 의해 발생되는 강한 전자기장에 의해 영향을 받지 않을 것이다. 그러나, 수행되는 측정 형태(광섬유)에 의해 요구되는 그것들의 스트립에 근접 때문에, 아연 증기가 광섬유 단부에 부착되어 측정을 방해할 위험이 있다.
발명의 목적
본 발명은 선행기술의 불리함을 가지지 않는 해법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 이동중인 금속의 준(準)정반사성 스트립과 용융 아연도금 라인에서의 건조기 같은 고정된 장치 사이의 거리를 측정하는 것을 목적으로 한다.
결과로서, 본 발명은 어떤 주어진 순간에 상기 금속 스트립의 형상 및 그것의 이동 방향과 직각 관계인 평면에서 그것의 변위를 결정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 용융 아연도금 라인 상에서 특히 "커핑 효과(cupping effect)"로 인한 스트립 상의 코팅 중량에 있어서의 변화를 감소시키는 것, 그리고 여하튼 간에 셋 포인트 값과 소비자가 요구하는 최소 중량 사이의 차를 감소시키는 것을 목적으로 한다.
결국, 본 발명은 용융 아연도금 방법에 의해 코팅되는 시트(sheet)의 생산비용을 절감시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광택성 또는 정반사성 금속의 스트립 상의 거리를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 건조기의 출구에서 딥(dip) 아연도금된 스트립의 형상을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상기 과정을 실행하기 위한 장치에 관한 것이다.
도1은 선행기술에 따른 딥 아연도금 설비를 나타낸 도면이다.
도2는 본 발명에 따른 탐지 헤드(head)를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명에 따른 장치에 있어서 광선의 반사를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도4는 작동실에 위치한 모니터 상의 처리되지 않은 비디오 이미지를 나타낸 도면이다.
도5는 본 발명에 관한 캘리브레이션 장치의 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도6은 카메라 대상물(objective)의 광학 수차(optical aberration)를 도시적으로 나타낸 도면이다.
도7은 수평면에서 제1 반사의 투사를 도식적으로 나타낸 도면이다.
발명의 주요 특징 요소
본 발명은 설비 내에서, 바람직하게는 다음 단계들을 특징으로 하는 용융 강철 아연도금 설비 내에서 계속 이동중인 정반사성 또는 준정반사성 금속 스트립 또는 표면 상의 거리를 광학 수단, 바람직하게는 레이저 3각 측량에 의하여 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
- 입사 광선으로서 표시되는 광선은 바람직하게는 레이저 광원인 측정 헤드에 통합된 광원에 의하여 방사되고, 상기 광원은 금속 표면의 이동 방향과 본질상 수직인 축을 따라서 배열되는 바람직하게는 라인인 다수의 포인트의 형태로 바람직하게는 비정반사성인 상기 설비의 고정부 상의 입사 방향에 패턴(pattern)을 투사한다;
- 우선, 상기 광선은 입사 광선과 같은 경로를 따라서 반대 방향으로 상기 측정 헤드에 속하고 상기 광원 바로 가까이에 위치한 탐지기 쪽으로 상기 고정부에 의하여 부분적으로 반사된다;
- 다음, 상기 광선은 그것이 상기 탐지기 쪽으로 더 반사되는 곳에서 상기 금속 스트립 쪽으로 부분적으로 반사된다.
측정 헤드의 탐지기는 바람직하게는 한편으로는 상기 고정부로부터 다른 한편으로는 금속 스트립으로부터 상기 투사된 패턴의 이미지를 받는 카메라이고, 금속 스트립으로부터 나오는 이미지의 각각의 포인트는 상기 스트립을 통과하는 중앙평면에 대하여 상기 고정부 상의 입사 광선의 상응하는 포인트와 대칭인 포인트인 가상 포인트에 상당하는 것으로 나타난다. 또한, 바람직하게는 교차부(cross-section)에서, 스트립의 위치 및 형상의 결정은 상기 탐지기에 의해 포착된 이미지로부터 유도되고, 상기 측정은 실시간으로 수행된다.
또한 본 발명에 따라서, 상기 설비의 고정부는 연속적인 용융 아연도금 라인의 출구에 있는 건조기이고 에어 나이프들을 포함하며, 측정 헤드는 상기 건조기에 건조기의 에어 나이프들과 본질상 평행한 발광 라인을 투사한다.
바람직한 실시예에 따라서, 본 발명의 방법은 다음 단계를 특징으로 한다:
- 설비가 작동하기 전에 측정 헤드를 캘리브레이션;
- 실시간으로 이미지들을 포착;
- 획득 이미지들을 처리, 캘리브레이션 고려;
- 스트립과 건조 나이프들 사이의 거리를 다수의 포인트에서 계산.
바람직하게는, 캘리브레이션은 차례로 적어도 다음 단계를 특징으로 한다.
- 건조기의 립들과 평행한 라인들인 다수의 수평 흑색 라인들과 상기 립들과 수직인 라인들인 다수의 수직 흑색 라인들을 포함하는 스탠더드(standard)에 상당하는 이미지의 포착, 상기 스탠더드는 건조기의 고정부 상의 광선의 반사면에 위치되고 고정된 기준점에 관하여 마크됨;
- 이미지 상에서 처리되는 존을 추출하고 상기 존을 2차원 그레이스케일 테이블로 전환;
- 처리되는 존에서 고정된 가로좌표들에 상당하는 다수의 칼럼을 상기 테이블로부터 추출;
- 상기 수평 라인들의 위치를 상기 가로좌표들에서 그것들의 세로좌표들을 탐지하여 결정;
- 상기 수평 라인들의 결정된 위치의 기능으로서 계산된 세로좌표들에서 그레이스케일 테이블로부터 몇 개의 줄을 추출;
- 상기 수직 라인들의 위치를 계산된 세로좌표들에서 그것들의 가로좌표들을 탐지하여 결정;
- 이전 단계에서 얻은 좌표들을 기초로 하여 다항식 최적화에 의해 그리드의 서로 다른 라인들에 대한 방정식들을 결정;
- 상기 방정식들에 의해 나타난 상기 수평 라인들과 상기 수직 라인들의 교점들을 계산.
또 다른 바람직한 방법에서, 본 발명의 방법은 다음 단계를 포함한다.
- 이미지 상에서 처리되는 상기 존으로부터 캘리브레이션 방법의 수직 라인의 방정식에 따라서 일련의 좌표들에 상당하는 그레이스케일을 추출, 이 작업은 다수의 가상 수직 라인들에 대하여 반복됨;
- 이들 가상 라인들을 따라서 2개의 레이저 반사의 위치 탐지;
- 이미지 상에 2개의 레이저 반사의 위치를 제공하는 좌표들을 상기 기준점과 관련된 실제 좌표들로 전환;
- 스트립 위치 계산.
좌표들을 전환하기 위하여, 캘리브레이션 그리드의 서로 다른 수평선들과의교차 포인트들의 일련의 세로좌표들 상에 주어진 수직선, 즉 주어진 가로좌표들에 대하여 보간법이 실행되고, 상기 포인트들은 캘리브레이션에 의해 제공된다.
또 다른 바람직한 방법에서, 스트립 위치를 계산할 때, 주어진 가로좌표들에 대한 스트립 상의 각각의 포인트의 계산된 세로좌표는 2개의 상기 반사의 세로좌표들의 중심점에 상당하고, 상기 포인트들의 가로좌표는 바람직하게는 카메라인 탐지기의 절점을 레이저 라인의 가상 이미지의 상응하는 포인트와 결합하는 직선의 방정식을 세우고 상기 계산된 세로좌표에 상당하는 세로좌표를 가진 포인트를 추출하여 결정된다.
본 발명의 다른 특징에 따라서, 압축 공기의 분사 강도는 스트립 상의 코팅 두께에 있어서의 변화를 줄이거나 최소화하기 위하여 또는 유효 코팅 두께가 셋 포인트 값에 가깝게 하기 위하여 립의 단부와 스트립 사이의 거리의 기능으로서 각각의 나이프에 대하여 실시간으로 그리고 폐루프에서 제어된다.
본 발명의 특정 실시예에 따라서, 적어도 2개의 레이저 라인은 제1 레이저 반사에 대한 2개의 곡선과 스트립 상의 반사에 대한 2개의 곡선을 바람직하게는 카메라인 탐지기 상에서 얻는 것과 같은 식으로 광원에 의해 방사되고, 각 쌍의 라인들의 위치는 한 쌍의 2개의 라인을 가르는 거리가 결정되는 것과 같이 결정되며, 획득 정보는 상기 스트립의 경사를 결정하기 위하여 처리된다.
본 발명의 다른 양상은 단일 보호 케이스에서 인접하고 축들이 평행한 광원 및 탐지 카메라를 포함하는 측정 헤드에 관한 것이다.
레이저 및 카메라는 수냉식 설치 플레이트에 배열되고 보호 케이스는 광학창을 가지며, 그것의 맞은 편에 케이스 내의 공기를 퍼지하기(purge) 위한 개구가 만들어진다.
도1에 나타난 것과 같은 종래의 핫(hot) 아연도금 설비에서, 강철 스트립(1)은 스트립의 형상을 안내하고 교정하기 위한 바닥 롤들(4) 사이를 통과하는 동안에, 용융 아연(2)욕에 들어가고, 바닥 롤(3)의 수준에서 방향을 바꾸고 욕으로부터 다시 나온다. 욕의 출구에서, 상기 스트립은 최종 제조물상에서 아연층의 정확한 두께를 보증하기 위한 공기 건조 장치의 나이프들(5) 사이를 통과한다.
상기 욕의 온도는 전형적으로 460℃이고 건조기의 출구에서 스트립의 온도는 430℃이고, 한편 주위 온도는 100℃에 달할 수 있다.
바닥 롤(3)은 스트립이 구부러지도록 한다. 그러면 스트립 상의 장력이 일반적으로 "커핑 효과" 또는 "크로스-보우"을 일으킨다. 스트립의 프로파일(profile)은 평평하지 않기 때문에, 부착된(diposited) 아연층의 두께에 있어서의 변화가 이 평평도의 결핍 때문에 관찰되고, 그것은 금속과 에어 나이프들 사이의 거리(9)에 있어서 변화를 일으킨다.
본 발명은 용융 아연욕으로부터 새롭게 코팅되어 나오는 스트립의 표면이 정반사성 또는 준정반사성이라는 사실로부터 이익을 얻거나 여하튼 그러한 사실을 수용하는 데 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 측정 헤드(10)는 단일 보호 케이스(6) 내에 쌓인 광원(7) 및 카메라(8)를 포함한다. 도2는 탐지 헤드의 상세도이다. 레이저(7)는 직선 광선을 에어 나이프들(5)과 평행한 건조기의 고정부에 투사한다.
측정 헤드(10)로부터 나오는 광선은 카메라에 의해 포착되기 전에 이 고정부에 의하여 제1시점(13) 반사되고 이동 중인 스트립(1)에 의하여 제2시점(14) 반사되며, 가상 포인트(15)는 스트립(1)에 관한 거울효과에 의해 한정된다(도3).
따라서, 카메라에 의해 포착되는 각각의 이미지는 도4에 나타난 것처럼 2개의 라인을 포함한다:
- 레이저에 의해 건조 장치의 고정부 상에 직접 투사되고 카메라 쪽으로 직접 반사되는 라인(11);
- 이동 중인 코팅된 스트립에 의해 반사된 라인(12), 그것은 커핑 효과로 인하여 뒤틀려서 나타난다.
이 장치는 몇 가지 주요한 이점이 있다:
- 종래의 3각 측량 센서로는 이동 중인 스트립이 반사하는 정도까지 정확히 측정하기가 어렵다. 실제로, 광원과 시간에 걸친 스트립 사이의 위치(거리, 각)에 있어서의 변화로 인하여, 카메라 같은 리시버(receiver)에 의해 수취되어야 하는 레이저 스폿(spot)의 위치는 마찬가지로 변하고, 종종 표면에 의해 반사되는 너무 작은 에너지를 리시버 수준에서 수취하게 된다. 사실, 이 특별한 양상은 거친 표적 표면의 경우에는 문제를 내포하지 않지만 정반사성 표면에 대해서는 매우 곤란하다. 실제로, 에너지 분배 로브(lobe)는 후자의 경우에 훨씬 좁다. 발생되는 신호는, 예컨대 이미지, 무시할 수 없는 시간에 대하여 탐지가능하지 않게 될 수도 있다. 그래서 이 불리함을 해결하기 위해서는, 결과를 확실히 하는 다른 것들이 없다면 레이저의 파워 및/또는 카메라 같은 리시버의 이득을 증가시키는 것이 필요하다
- 측정 에러에 있어서 감소 : 종래의 3각 측량을 사용하여 광원의 지지물과 리시버의 지지물 사이에서 발생한 우발적이거나 교란시키는 상대적인 움직임으로 인하여 측정 에러가 발생할 수 있다. 특히, 센서의 감도는 광원의 광축과 리시버의 광축 사이의 각이 감소할 때 감소한다. 에러의 이러한 원인은 단일 케이스 내 고정된 거리에서 두 개의 구성요소들을 모음으로써 감소될 수 있다.
- 구성요소들의 수를 감소시킴으로써 간이화: 모든 열-감도성 구성요소들이단일 인클로저(enclosure) 내에 있다는 사실에 의하여, 단일 냉각 시스템은 시스템을 보호하도록 요구된다.
도2는 유체(61), 바람직하게는 물의 순환에 의하여 냉각되는 레이저 및 카메라를 위한 설치 플레이트(plate) 나타낸다. 바람직하게는 질소인, 케이스 내부의 중성 가스 분위기(62)는 광학창 맞은 편의 케이스에서 개구(opening)를 통하여 계속해서 퍼지된다(purged). 이 퍼징(purging) 목적은 두 가지인데, 냉각 효과를 증가시키고 광학창에 아연 증기가 부착하는 것을 피하는 것이다.
건조기와 스트립 사이의 거리를 계산하기 위하여 획득 이미지를 처리하기 위한 특정 소프트웨어가 발달되어 왔고, 캘리브레이션 시스템 또한 생산되어 왔다. 예컨대, 캘리브레이션 장치(16)는 도5에 도시된 것처럼, 일정한 수의 마크(marks) (라인)를 포함하는 밀링된(millded) 표면이다. 캘리브레이션은 설비가 작동하기 전에 수행된다.
대상물 다이아프램(objective diaphragm)의 적절한 설치로 인해, 이미지들은 스트립 형상의 개산(槪算)을 얻기 위하여 곧바로 사용될 수 있다. 도4는 처리되지 않은 비디오 이미지의 예를 나타낸다(1600 mm 대역폭). 도면에서 상부 곡선은 스트립 형상에 관련된 "크로스-보우"를 도시하는 반면, 하부 이미지는 기준(reference) 라인이다.
본 발명의 장치는 에어 나이프들 사이를 이동하는 고반사성 스트립 위치와 형상을 온-라인(on-line)으로 측정할 수 있다. 상기 장치를 다음 이점을 제공한다:
- 빠른 응답 시간;
- 접촉의 부재;
- 고반사성 파워와의 양립성;
- 스트립의 반사 변화에 대한 저감도성;
- 건조 장치의 립들에 매우 근접한 측정;
- 저 환경 영향.
코팅에 있어서의 변화를 감소시키기 위하여, 코팅의 두께가 셋 포인트 값에 가깝게 유지되는 식으로 파라미터들을 온-라인으로 조정할 수 있는 폐루프 제어를 위한 시스템으로 센서는 통합된다.
두 가지 방책이 본질상 따를 수 있다. 보다 종래의 방책은 스트립 형상의 측정 기능으로서 아연녹 내에서 안내 롤(guiding rolls)에 작용함으로써 스트립 플랫(flat)을 에어 나이프들 사이에서 유지하는 데 있다. 최근에 개발된 가변성 슬릿(slits)(동적 에어 나이프, DAK)을 가진 에어 나이프 덕택으로, 다른 방책은 균일한 부착 두께를 보증할 목적으로 스트립 형상의 측정 기능으로서 건조 립들의 프로파일을 온-라인으로 변화시키는 데 있다.
따라서, 스트립 상의 아연 부착 두께에 있어서 변화를 피하기 위한 당업자에게 알려진 방법은 욕에 잠기는 조정 롤들의 위치를 변화시켜서 스트립에 작용하는 커핑 효과를 교정하는 것이다. 이 방법은 완벽한 형상 교정을 보증하지 않고 따라서 완벽하게 효과적이지 않다. 전자기적 건조 또한 알려져 있고 스트립의 안정에 유리한 효과가 있으며, 그것은 전자기적 방법에 의하여 스트립을 똑바르게 함으로써 수행된다.
더욱이, 스트립의 "크로스-보우"를 초래하는 것이 정확히 아연도금 욕의 출구에서 보다 안정한 스트립을 얻기 위해 요구되는 것일 수 있는 한에서는 이들 방법을 사용하는 것이 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명에 따라서, 압축 공기의 분사는 또한 스트립의 일단(one end)으로부터 가로 거리의 기능으로서 유리하게 조정될 수 있다. 따라서, 에어 나이프는 가변 구조(geometry)를 가진 일련의 존(zones)으로의 스트립 이동 방향과 관련되어 가로로 세분될 수 있다(도시되지 않음). 결과적으로, 본 발명의 방법 때문에, 각각의 립의 출구에서 공기 압력은 "크로스-보우"로부터 기인한 과다 아연을 거의 정확하기 제거하는 식으로 조정되고 조절될 수 있다.
본 발명은 강철 시트의 아연도금 또는 핫-코팅(hot-coating) 분야에 한정되는 것이 아니라 이동 중인 고반사성 또는 정반사성 스트립에 있어서의 거리 또는 형상의 측정에 적용될 수 있다.
캘리브레이션 방법의 실시예의 상세한 설명
광학 시스템에 의해 도입된 다른 변형을 고려하기 위해, 전체적인 캘리브레이션이 수행된다.
캘리브레이션 시스템의 바람직한 실시예는 도5에 나타난다.
도5는 건조기의 립들과 평행하고 25mm 만큼 떨어져 있고 폭이 4mm 인 12 "수평" 흑색 라인들과 상기 립들과 수직이고 160mm 만큼 떨어져 있고 폭이 4mm 인 14 "수직" 흑색 라인들을 포함하는 그리드(grid)를 나타낸다. 이 그리드는 건조기의고정부 상에서 광선의 수평 반사 평면에 위치된다. 그것의 위치는 립들의 일단 같은 고정점과 관련되어 마크된다.
일단 그리드가 적소에 있으면, 이미지가 얻어진다. 획득 이미지는 물론 규칙적인 그리드가 아니라 사실상 광학 시스템에 의해 도입된 변형을 드러내는 곡선들의 집합이다. 결과는 도6에 나타난 바와 같다.
캘리브레이션은 그리드 상의 실제 위치와 이미지 내의 위치 사이를 일치시키는 데 있을 것이다. 전반적인 캘리브레이션은 다음 단계들을 포함한다.
- 획득 이미지의 복원;
- 처리되어야 하는 존의 추출 및 2차원 테이블(table)로 전환, 테이블의 각각의 셀(cell)은 상응하는 픽셀(pixel)의 그레이스케일(greyscale) 값을 포함함;
- 처리되어야 하는 존의 고정된 가로좌표들에서 전형적으로 15인 몇 개의 칼럼을 추출;
- 12 수평 라인들의 위치를 고려중인 가로좌표들에서 그것들의 세로좌표들을 탐지하여 결정;
- 12 수평 라인들의 결정된 위치의 기능으로서 계산된 세로좌표들에서, 전형적으로 이들 상기 라인들 사이, 그레이스케일 테이블로부터 몇 개의 줄(rows)을 추출;
- 14 수직 라인들의 위치를 고려중인 세로좌표들에서 그것들의 가로좌표들을 탐지하여 결정;
- 이전 단계들에서 얻어진 좌표들에 기초하여 다항식 최적화에 의한 그리드의 서로 다른 수직 및 수평 라인들에 대한 방정식의 결정;
- 방정식에 의해 나타난 12 수평 라인들과 14 수직 라인들의 교점들을 산정;
이 캘리브레이션 때문에, 레이저 광선의 제1반사(마크 13, 도3 및 마크 17, 도7)의 포인트의 (픽셀에서) 이미지 상에 마크된 위치는 기준점과 관련되어 mm로 실제 위치로 전환될 수 있다.
스트립 상의 제2반사(마크 14, 도3 및 마크20, 도7)의 이미지에 관하여, "가상 이미지"(15)의 실제 위치는 이 대응과 함께 제1반사의 수평면에서 얻어진다. 스트립의 위치를 결정하기 위해 사용되는 기하학적 추론은 주어진 이미지를 산출한 스트립 상의 포인트의 세로좌표들이 이들 2개의 이미지들의 세로좌표들의 중심점에 상당함을 나타낸다(도3 참조).
그러나, 이 포인트의 가로좌표는 카메라의 축상에 정확하게 있었을 한 포인트를 제외하고는 이들 두 이미지들의 그것과 같지 않다. 이 가로좌표의 오프셋(offset)을 교정하기 위해서는, 제1반사의 수평면에서 카메라의 절점(19)의 투사 좌표들을 가지는 것이 필요하다(도7 참조).
카메라(10)의 대상물의 절점(19) 위치를 결정하기 위하여, 캘리브레이션의 제1부분에 대하여 얻어진 이미지를 사용한다. 그리드의 서로 다른 라인들의 위치 및 실제 거리를 정확히 알게되면, 상응하는 이미지 상의 결과 거리들이 그러한 이미지를 제공할 수 있었던 카메라의 위치를 재계산하기 위하여 사용된다(2 수평 라인들 및 2 수직 라인들이면 충분하다).
캘리브레이션을 사용하는 탐지 방법의 실시예의 상세한 설명
스트립 위치는 레이저 광선의 2개의 이미지의 위치를 탐지하여 탐색된다: 제1반사에 관한 실제 위치 및 제2반사에 관한 같은 수평면에서 "가상" 위치. 각각의 이들 2개의 반사는 곡선 형태이다.
캘리브레이션 그리드의 수직선들에 상응하는 가상 수직 라인들을 가진 2개의 곡선의 교선 위치는 카메라에 의해 주어지는 이미지 상에 마크된다. 이들 가상 수직선들은 캘리브레이션 동안에 한정되는 그것들의 방정식에 의해 표시된다. 그 다음에, 이들 위치는 광학 시스템에 의해 도입되는 변형을 고려하기 위하여 교정되어야 한다.
총체적인 탐지 방법은 다음 단계를 포함한다:
- 캘리브레이션 방법으로부터의 수직 라인 방정식에 따라서 일련의 좌표에 상응하는 그레이스케일을 이미지를 나타내는 테이블로부터 추출: 따라서 가상 수직 라인은 이미지로부터 추출되고; 이 작업은 14 가상 수직 라인들에 대해 반복된다;
- 이들 14 가상 라인들을 따라서 레이저 광선의 2개의 반사의 위치의 탐지;
- 레이저 광선의 2개의 반사의 이미지 상에 위치를 제공하는 이들 좌표를 기준점과 관련된 실제 좌표들로 전환. 이 전환을 수행하기 위한 절차는 다음과 같다: 주어진 수직선, 즉 가로좌표에 대하여, 캘리브레이션은 교차 포인트들의 일련의 세로좌표들에 캘리브레이션 그리드의 서로 다른 수평선들을 제공한다. 따라서 이러한 일련의 포인트들 상에 삽입하기에 충분하다;
- 스트립 위치의 캘리브레이션:
1. 14 포인트들의 각각의 세로좌표는 2개의 반사들 각각의 실제 세로좌표들의 평균이다;
2. 이들 14 포인트들의 가로좌표에 관하여, 카메라 대상물(19)의 절점을 레이저 라인의 가상 이미지(18) 상의 상응하는 점에 결합하는 직선의 방정식이 정해지고, 세로좌표가 위에서 계산된 것에 상응하는 포인트(20)는 그것으로부터 추출된다(도7).
본 발명의 특히 유리한 실시예에 따라서, 2개의 레이저 라인들이 전술한 단일 라인 대신에 투사된다. 이미지는 2개의 제1 레이저 반사들에 관한 2개의 곡선과 스트립 상의 반사에 관한 2개의 곡선을 포함한다. 각 쌍의 라인들에 대하여, 그것들의 위치 및 상기 쌍의 2개의 라인들을 가르는 거리가 결정된다. 처음의 레이저 라인을 2개로 분리하는 이점은 전술한 데이터의 처리 후 보충 정보를 얻도록 하는 것이다: 스트립의 경사.

Claims (15)

  1. 바람직하게는 레이저 3각 측량인 광학 수단에 의하여 바람직하게는 용융 강철 아연도금 설비인 설비에서 연속적으로 이동중인 정반사성 또는 준정반사성 금속 스트립 또는 표면(1) 상의 거리를 측정하기 위한 방법이
    - 입사 광선으로서 표시되는 광선은 측정 헤드(10)에 통합된 바람직하게는 레이저 광원인 광원(7)에 의하여 방사되고, 상기 광원은 금속 표면의 이동 방향과 본질상 수직인 축을 따라서 배열되는 바람직하게는 라인인 다수의 포인트의 형태로 바람직하게는 비정반사성인 상기 설비의 고정부(5) 상의 입사 방향에 패턴(11)을 투사하는 단계;
    - 우선, 상기 광선은 입사 광선과 같은 경로를 따라서 반대 방향으로 상기 측정 헤드(10)에 속하고 상기 광원(7) 바로 가까이에 위치한 탐지기(8) 쪽으로 상기 고정부(5)에 의하여 부분적으로 반사되는 단계; 및
    - 다음, 상기 광선은 그것이 상기 탐지기(8) 쪽으로 더 반사되는 곳에서 상기 금속 스트립(1) 쪽으로 부분적으로 반사되는 단계;
    를 특징으로 하는 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 측정 헤드(10)의 탐지기는 한편으로는 상기 고정부(5)로부터 다른 한편으로는 금속 스트립(1)으로부터 상기 투사된 패턴(11)의 이미지를 받는 카메라(8)이고, 금속 스트립(1)으로부터 나오는 이미지(12)의 각각의 포인트는상기 스트립(1)을 통과하는 중앙 평면에 대하여 상기 고정부 상의 입사 광선의 상응하는 포인트와 대칭인 본질상 포인트인 가상 포인트(15)에 상당하는 것으로 나타나는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바람직하게는 교차부에서, 스트립의 위치 및 형상의 결정이 상기 탐지기에 의해 포착된 이미지(11, 12)로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정은 실시간으로 수행되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 설비의 고정부는 연속적인 용융 아연도금 라인의 출구에 있고 에어 나이프들을 포함하는 건조기(5)인 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 측정 헤드(10)는 상기 건조기에 건조기의 에어 나이프들과 본질상 평행한 발광 라인을 투사하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은
    - 설비가 작동하기 전에 측정 헤드를 캘리브레이션;
    - 실시간으로 이미지들을 포착;
    - 캘리브레이션을 고려하여 획득 이미지들을 처리; 및
    - 다수의 포인트에서 스트립과 건조 나이프들 사이의 거리를 계산;
    단계를 특징으로 하는 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 캘리브레이션은 적어도
    - 건조기(5)의 립들과 평행한 라인들인 다수의 수평 흑색 라인들과 상기 립들과 수직인 라인들인 다수의 수직 흑색 라인들을 포함하는 스탠더드에 상당하는 이미지의 포착, 상기 스탠더드는 건조기(5)의 고정부 상의 광선의 반사면에 위치되고 고정된 기준점에 관하여 마크됨;
    - 이미지 상에서 처리되는 존을 추출하고 상기 존을 2차원 그레이스케일 테이블로 전환;
    - 처리되는 존에서 고정된 가로좌표들에 상당하는 다수의 칼럼을 상기 테이블로부터 추출;
    - 상기 수평 라인들의 위치를 상기 가로좌표들에서 그것들의 세로좌표들을 탐지하여 결정;
    - 상기 수평 라인들의 결정된 위치의 기능으로서 계산된 세로좌표들에서 그레이스케일 테이블로부터 몇 개의 줄을 추출;
    - 상기 수직 라인들의 위치를 계산된 세로좌표들에서 그것들의 가로좌표들을 탐지하여 결정;
    - 이전 단계에서 얻은 좌표들을 기초로 하여 다항식 최적화에 의해 그리드의 서로 다른 라인들에 대한 방정식들을 결정; 및
    - 상기 방정식들에 의해 나타난 상기 수평 라인들과 상기 수직 라인들의 교점들을 계산;
    단계를 특징으로 하는 측정 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 방법은
    - 이미지 상에서 처리되는 상기 존으로부터 캘리브레이션 방법의 수직 라인의 방정식에 따라서 일련의 좌표들에 상당하는 그레이스케일을 추출, 이 작업은 다수의 가상 수직 라인들에 대하여 반복됨;
    - 이들 가상 라인들을 따라서 2개의 레이저 반사의 위치 탐지;
    - 이미지 상에 2개의 레이저 반사의 위치를 제공하는 좌표들을 상기 기준점과 관련된 실제 좌표들로 전환; 및
    - 스트립 위치 계산;
    단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 좌표들을 전환하기 위하여, 캘리브레이션 그리드의 서로 다른 수평선들과의 교차 포인트들의 일련의 세로좌표들 상에 주어진 수직선, 즉 주어진 가로좌표들에 대하여 보간법이 실행되고, 상기 포인트들은 캘리브레이션에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 스트립 위치를 계산할 때, 주어진 가로좌표들에 대한 스트립 상의 각각의 포인트의 계산된 세로좌표는 2개의 상기 반사의 세로좌표들의 중심점에 상당하고, 상기 포인트들의 가로좌표는 바람직하게는 카메라(8)인 탐지기(8) 의 절점(19)을 레이저 라인의 가상 이미지(18)의 상응하는 포인트와 결합하는 직선의 방정식을 세우고 상기 계산된 세로좌표에 상당하는 세로좌표를 가진 포인트(20)를 추출하여 결정되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 공기의 분사 강도는 스트립 상의 코팅 두께에 있어서의 변화를 줄이거나 최소화하기 위하여 또는 유효 코팅 두께가 셋 포인트 값에 가깝게 하기 위하여 립의 단부와 스트립 사이의 거리의 기능으로서 각각의 나이프에 대하여 실시간으로 그리고 폐루프에서 제어되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2개의 레이저 라인은 제1 레이저 반사에 대한 2개의 곡선과 스트립 상의 반사에 대한 2개의 곡선을 바람직하게는 카메라인 탐지기(8) 상에서 얻는 것과 같은 식으로 광원(7)에 의해 방사되고, 각 쌍의 라인들의 위치는 한 쌍의 2개의 라인을 가르는 거리가 결정되는 것과 같이 결정되며, 획득 정보는 상기 스트립의 경사를 결정하기 위하여 처리되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따르는 방법을 수행하기 위한 측정 헤드는 단일 보호 케이스(6)에서 인접하고 축들이 평행한 레이저 광원(7) 및 탐지 카메라(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 헤드.
  15. 제14항에 있어서, 상기 레이저(7) 및 카메라(8)는 수냉식 설치 플레이트에 배열되고 보호 케이스는 광학 창을 가지며, 그것의 맞은 편에 케이스 내의 공기를 퍼지하기 위한 개구가 만들어지는 것을 특징으로 하는 측정 헤드.
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