CN103562693A - 熔融金属液位测定装置和熔融金属液位测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供构造简单、且针对熔融金属表面的局部液位变动的鲁棒性高的熔融金属液位测定装置。本发明的熔融金属液位测定装置是测定铸模内的熔融金属的液位的熔融金属液位测定装置，该熔融金属液位测定装置具有：无指向性的发送天线；无指向性的接收天线；以及信号处理部，使用通过该发送天线发射到该铸模内的超高频带的电磁波测定该铸模内的熔融金属液位。

Description

熔融金属液位测定装置和熔融金属液位测定方法
技术领域
本发明涉及使用了电磁波的熔融金属液位测定装置和熔融金属液位测定方法。
背景技术
连续铸造方法是将熔融金属连续注入到铸模、并使其冷却/凝固以制造出规定形状的铸片的方法。
作为测定铸模内的熔融金属表面的液位的熔融金属液位测定装置，提出了使用电磁波的装置（专利文献1至3）。这样的使用电磁波的现有装置为了减轻被熔融金属表面以外的物体反射的电磁波的影响，使用指向性高的电磁波（专利文献1的第2页右上栏第16行至该页左下栏第3行和专利文献3的0037段），并且在铸模壁部等上设置了防止反射用的电波吸收体（专利文献2的第2页右下栏第2行至第9行）。而且，使用电磁波的现有方法为了使指向性高的电磁波用的天线小型化，使用了10GHz以上的高频率的电磁波（专利文献1的第3页右上栏第6行至第11行和专利文献3的0019段）。
但是，高频率的电磁波由于电缆引起的信号损失较大，处理比较困难，因此装置的构造烦杂且昂贵。此外，当使用指向性高的电磁波时，熔融金属表面的局部液位变动对熔融金属液位测定产生过大的影响，无法得到针对熔融金属表面的局部液位变动的鲁棒性高的熔融金属液位测定装置。由此，现有的熔融金属液位测定装置的构造烦杂且昂贵，针对熔融金属表面的局部液位变动的鲁棒性低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭58-22922号公报
专利文献2：日本特开昭61-68520号公报
专利文献3：日本特开2005-34886号公报
发明内容
发明所要解决的课题
因此，存在对构造简单、且针对熔融金属表面的局部液位变动的鲁棒性高的熔融金属液位测定装置的需求。
用于解决课题的手段
本发明的第1方式的熔融金属液位测定装置是测定铸模内的熔融金属的液位的熔融金属液位测定装置，该熔融金属液位测定装置具有：无指向性的发送天线；无指向性的接收天线；以及信号处理部，使用通过该发送天线发射到该铸模内的超高频带的电磁波，测定该铸模内的熔融金属液位。
本方式的熔融金属液位测定装置使用超高频带（频率300MHz－3GHz）的电磁波，因此与使用更高频率的电磁波的装置相比构造简单。此外，本发明的熔融金属液位测定装置使用无指向性的天线，因此针对熔融金属表面的局部液位变动的鲁棒性高。在本方式的熔融金属液位测定装置中，向由铸模的壁面和熔融金属表面形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间送出电磁波，并利用熔融金属表面上的反射波来测定熔融金属表面的液位。
在本发明的第1实施方式的熔融金属液位测定装置中，所述发送天线和所述接收天线在高于熔融金属表面的位置处，在与熔融金属表面平行的方向上彼此相对地配置。
根据本实施方式，通过在高于熔融金属表面的位置处、在与熔融金属表面平行的方向上彼此相对地配置的发送天线和接收天线，能够向由铸模的壁面和熔融金属表面形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间送出电磁波，并接收熔融金属表面上的反射波。
本发明的第2实施方式的熔融金属液位测定装置构成为使用两种频率的超高频带的电磁波。
根据本实施方式，利用两种中的一种频率的载波，在接收天线附近形成驻波的波节部分，即使在电磁波的信号减小的情况下，也能够使用另一种频率的载波进行测定。
本发明的第3实施方式的熔融金属液位测定装置构成为通过检测由所述发送天线发送的电磁波与由所述接收天线接收的电磁波之间的相位差，测定所述铸模内的熔融金属液位。
根据本实施方式，通过利用发送的电磁波与接收的电磁波之间的相位差，能够以高精度测定熔融金属表面的液位。另外，在本发明中使用了频率比在现有装置中使用的电磁波低的超高频带的电磁波。因此，能够根据电磁波的相位差唯一求出的距离范围增大，比较方便。
本发明的第4实施方式的熔融金属液位测定装置构成为用频率为f1的伪随机信号对从所述发送天线发射的信号进行扩散，用频率为f2的相同模式的伪随机信号对所述接收天线接收到的信号进行逆扩散，设伪随机信号的1周期的波数为N，按照通过下式确定的测定周期TB，进行熔融金属液位测定：
TB＝N/（fM1－fM2）
其中f2＜f1。
根据本实施方式的熔融金属液位测定装置，电磁波的传播时间在时间上被放大fM1/（fM1－fM2）倍，从而测定变得容易。此外，利用了伪随机信号的扩散和逆扩散，因此能够大幅度降低噪声的影响。
本发明的第5实施方式的熔融金属液位测定装置在第4实施方式的熔融金属液位测定装置中，构成为按照测定周期TB，切换使用两种频率的超高频带的电磁波。
本实施方式的熔融金属液位测定装置构成为按照测定周期TB，切换使用两种频率的超高频带的电磁波，因此不论驻波的波节位置如何，都能够进行稳定的测定。
本发明的第2方式的熔融金属液位测定方法是测定铸模内的熔融金属的液位的熔融金属液位测定方法，该熔融金属液位测定方法包含以下步骤：由无指向性的发送天线发射超高频带的电磁波；由无指向性的接收天线接收被熔融金属表面反射后的电磁波；以及由信号处理部对由所述发送天线发射的电磁波的信号和由所述接收天线接收到的电磁波的信号进行处理，求出熔融金属表面的液位。
本方式的熔融金属液位测定方法使用超高频带（频率300MHz－3GHz）的电磁波，因此与使用更高频率的电磁波的方法相比，所使用的装置的构造简单。此外，本发明的熔融金属液位测定方法使用无指向性的天线，因此针对熔融金属表面的局部的液位变动的鲁棒性高。在本方式的熔融金属液位测定方法中，向由铸模的壁面和熔融金属表面形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间送出电磁波，并通过利用熔融金属表面上的反射波测定熔融金属表面的液位。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的熔融金属液位测定装置的结构的图。
图2是示出发送天线、接收天线以及由铸模的壁面和熔融金属表面形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间之间的关系的图。
图3是用于说明驻波的图。
图4是示出盘锥天线的结构的图。
图5是示出信号处理部的结构的图。
图6是示出信号处理部的结构的图。
图7是用于说明载波的切换的时序图。
图8是示出本发明的一实施方式的熔融金属液位测定装置的基于实验的测定结果的图。
具体实施方式
图1是示出本发明的一实施方式的熔融金属液位测定装置的结构的图。
蓄积在浇口盘301内的熔融金属被注入到铸模303内，在铸模303内凝固后从铸模303被送出。在一定时间内注入的熔融金属的量比送出的金属的量多的情况下，铸模303内的熔融金属表面401的液位上升，在一定时间内送出的金属的量比注入的熔融金属的量多的情况下，铸模303内的熔融金属表面401的液位下降。本实施方式的熔融金属液位测定装置在这种状况下测定铸模内的熔融金属表面401的液位。
本实施方式的熔融金属液位测定装置具有发送天线101、接收天线103和信号处理部200。在本实施方式中，发送天线101和接收天线103在铸模303的上表面上沿水平方向彼此相对地设置。信号处理部200生成发送信号并送出到发送天线101。发送天线101发射电磁波的发送信号。接收天线103接收被发射到铸模303内，并由熔融金属表面401反射后的电磁波作为接收信号，并送出到信号处理部200。信号处理部200通过对上述发送信号和接收信号进行处理，求出从铸模303的上表面至铸模303内的熔融金属表面401的距离数据、即铸模内的熔融金属表面401的液位。之后将说明信号处理部200的详细内容。
此处，发明人得到了如下的新的见解：向由铸模303的壁面和熔融金属表面401形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间送出电磁波，并测定熔融金属表面401上的反射波，由此能够求出熔融金属表面401的位置。
现有的使用电磁波的测定方法通过朝向熔融金属表面送出指向性高的电磁波，并测定来自该表面的反射波来求出该表面的位置。本领域技术人员认为为了提高SN比（信噪比），使用指向性高的电磁波比较有利。因此，本领域技术人员不会想到以下方法：向由铸模303的壁面和熔融金属表面401形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间送出电磁波，并利用熔融金属表面401上的反射波。即使假设可以想到，也存在可能无法得到足够的SN比这样的成见，因此不会充分研究，无法得到上述见解，即向由铸模303的壁面和熔融金属表面401形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间送出电磁波，并测定熔融金属表面401上的反射波，由此能够求出熔融金属表面的位置。
基于发明人的该新的见解的测定原理与测定向熔融金属表面发射后进行反射的指向性高的电磁波的基于现有思路的方法在以下方面不同。
第一，向由铸模的壁面和熔融金属表面形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间送出电磁波，并利用熔融金属表面上的反射波，因此不需要使用朝向特定的对象物的指向性高的电磁波。即，能够使用无指向性的电磁波。关于该点，之后将根据实验结果进行说明。
第二，由于使用无指向性的电磁波，因此不需要为了使得天线小型化而提高电磁波的频率。因此，能够使用超高频带（频率300MHz－3GHz）的电磁波。
图2是示出发送天线101、接收天线103以及由铸模303的壁面和熔融金属表面401形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间之间的关系的图。图2示意性示出了由发送天线101发射的电磁波的范围101A和由接收天线103接收的电磁波的范围103A。
图3是用于说明驻波的图。在图3中，用虚线表示行进波，用点划线表示反射波，用实线表示驻波。T是行进波和反射波的周期。t表示时间的经过。行进波在反射端R处进行反射从而产生反射波。对行进波和反射波进行合成而形成驻波。即使时间经过，驻波的波腹位置（A）和波节位置（N）也不发生变化。根据周期T（被发送的电磁波的频率）和反射端的位置确定驻波的波腹位置（A）和波节位置（N）。在本实施方式中，熔融金属表面401相当于反射端R。
在向由铸模303的壁面和熔融金属表面401形成的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间送出电磁波时，将熔融金属表面401作为反射端来形成驻波。驻波的波腹位置和波节位置随着被发送的电磁波的频率和反射端、即熔融金属表面401的位置发生变化。当接收电磁波的接收天线103的位置处于驻波的波节位置周边时，电磁波的信号电平变小。之后将说明该对策。
发送天线101和接收天线103可以使用盘锥天线作为无指向性的天线。
图4是示出盘锥天线的结构的图。盘锥天线由圆盘（直径D）、圆锥（高度A、底面的直径B）和同轴电缆形成。
接着将说明信号处理部200的详细内容。
图5和图6是示出信号处理部200的结构的图。
信号处理部200包含：产生两种频率的载波的两个载波发生器201和203；产生频率稍微不同的两种时钟信号的两个时钟发生器217和219；利用频率稍微不同的两种时钟信号而产生相同模式的伪随机信号的两个伪随机信号发生器（PN码发生器）221和223；提取载波的正交相位分量的两个正交相位分配器209和211；以及根据正交相位分量求出相位的两个相位检测部257和259。
通过高频开关205交替进行切换而使用由两个载波发生器201和203产生的两种频率的载波。作为一例，两种频率是1GHz和1.7GHz。之后将说明两种频率的载波切换。通过分配器207分配所使用的载波，一方用于发送信号的处理，另一方用于接收信号的处理。
由分配器207提供的载波通过乘法器213与由PN码发生器221生成的第1频率的伪随机信号相乘而生成发送信号。在由发送放大器215对发送信号进行放大后，从发送天线101作为电磁波发射。
由接收天线103接收到的电磁波在通过接收放大器227放大后，通过乘法器229与由PN码发生器223生成的第2频率的伪随机信号相乘而生成测定用信号。
测定用信号通过4分配器231被分为4个信号，分别通过乘法器233、235、237和239与由正交相位分配器211和209提供的两种频率的载波的正交分量相乘。与正交分量相乘的4个测定用信号分别经过低通滤波器243、245、247和249，并通过角度运算器251和253求出相位角度。通过角度运算器251和253求出的相位角度分别被送到相位检测部257和259。
两个正交相位分配器211和209分别用于交替使用的两种频率的载波。关于不被使用的频率的载波，不进行正交相位检波。
另一方面，通过乘法器225对由PN码发生器221生成的第1频率的伪随机信号和由PN码发生器223生成的第2频率的伪随机信号进行相乘，经过低通滤波器241被送到触发信号生成部255而生成触发信号。也将触发信号称作基准信号。
此处，对基准信号进行说明。在以下的说明中，伪随机信号是M序列信号，分别用fM1和fM2表示第一和第二M序列信号的频率。作为一例，
fM1＝100.05MHz
fM2＝100.00MHz。
在设使得上述基准信号为最大值的周期为TB时，包含在TB期间的第一M序列信号与第二M序列信号的波数之差恰好为M序列的1周期的波数N。
TB·fM1＝TB·fM2＋N
对该式进行整理而得到以下的式子。
TB＝N/（fM1－fM2）    （1）
两个M序列信号的频率之差越小，使得基准信号成为最大值的周期TB越大。此处，设为n是移位寄存器的级数，M序列的1周期的波数N一般通过以下的式子表示。
N＝2n－1    （2）
如果n＝7，则N＝127。此外，（fM1－fM2）如下所示。
fM1－fM2＝100.05MHz－100.0MHz＝50kHz
此处，将从基准信号成为最大值的时刻到下一个成为最大值的时刻为止的期间称作测定周期。在式（1）中代入上述数值时，本实施方式中的测定周期为：
TB＝127/50kHz＝2.54msec。
接着，设接收到从发送天线101A发射的通过第一M序列信号扩散后的载波为止的时间为τ，在利用第二M序列信号对接收到的信号逆扩散而得到的测定用信号中，关于产生有效的测定信号的时刻，设距离基准信号的产生时刻的时间差为TD。在TD期间产生的第二M序列信号的波数比在TD期间产生的第一M序列信号的波数少相当于在时间τ产生的第一M序列信号的波数的量，因此下式成立。
TD·fM2＝TD·fM1－τ·fM1
在对上式进行整理后，TD可用如下的式子给出。
TD＝τ·fM1/（fM1－fM2）    （3）
即，传播时间τ在时间上被放大fM1/（fM1－fM2）倍、或者被测定为低速化的TD。
一般而言，设波长为λ，用以下的式子表示电磁波的传播距离l与将弧度作为单位的相位差θ之间的关系。
【数学式1】
2 πθ = l λ - - - ( 4 )
在本实施方式中，在设铸模的上表面到熔融金属表面之间的距离（熔融金属表面的液位）为x、固定长度为2α时，
l＝2x＋2α。
将上述式子代入到式（4）而能够得到以下的式子。
【数学式2】
x＝πλθ-α    (5)
因此，如果求出由发送天线101发射后由熔融金属表面反射并由接收天线103接收到的电磁波的相位差θ，则能够根据式（5）求出熔融金属表面的液位x。
另外，在根据电磁波的相位差求出距离的情况下，当距离小于电磁波的波长的1/2时，不能唯一确定距离。即，存在与彼此具有波长的整数倍之差的多个相位差对应的多个距离。本实施方式中，如上所述，测定周期TB为2.54毫秒。因此，测定周期中的熔融金属表面的液位变化量需要小于载波频率1.7GHz的电磁波的波长的1/2、即小于大约88mm。此处，在2.54毫秒内变化88mm的熔融金属表面的液位变化速度相当于每秒34645mm，远远高于现实的速度。因此，能够针对实际的熔融金属表面的液位变化，根据电磁波的相位唯一确定距离。由此，在本实施方式中，通过利用相位差，能够以高精度求出熔融金属表面的液位。
在信号处理部200中，通过求出两种频率的载波的相位差，能够求出熔融金属表面的液位。
图7是用于说明载波的切换的时序图。本实施方式中，通过触发信号（基准信号）按照测定周期，对两种频率的载波进行切换。图7中，在测定周期1中选择频率为1GHz的载波A，在测定周期2中选择频率为1.7GHz的载波B，在测定周期3中，再次选择频率为1GHz的载波A，以下重复这样的选择。按照测定周期，通过相位检测部257或259求出相位，最终通过相位检测部261根据利用所选择的载波求出的相位，求出距离数据。
这样使用两种频率的载波是因为，如图3所示，形成于被铸模303的壁面和熔融金属表面围起的将铸模的上表面以外封闭而形成的空间的驻波的波腹和波节位置随着熔融金属表面的液位发生变化，当由接收天线103接收的电磁波处于驻波的波节周边时，被接收的电磁波的信号变小。如果交替使用两种频率的载波，则即使一方频率的电磁波的被接收的部分处于驻波的波节周边，也能够通过接收相当于驻波的波节以外的部分的另一方频率的电磁波而得到足够大的信号。
如下地选定两种频率。以彼此为素数的方式选定两种频率。如果没有共同的约数，则驻波的波节部分不可能一致。此外，优选第2频率的接近波腹的部分来到第1频率的波节部分。但是，当第1频率的波节部分与第2频率的波腹部分一致时，存在约数。而且，即使假设两种频率中存在约数，只要在铸模内的测定范围内波节的部分不一致即可。
接着，对本发明的一实施方式的熔融金属液位测定装置的测定实验进行说明。实验使用具有一边的长度为140mm的正方形的开口部截面、深度为600mm的假想铸模进行。使用金属板作为熔融金属表面。熔融金属液位测定装置的两种载波频率、第1和第二M序列信号的频率fM1和fM2以及M序列的1周期的波数N如上所述。如图1所示，发送天线和接收天线在铸模的上表面沿水平方向彼此相对地设置。
图8是示出本发明的一实施方式的熔融金属液位测定装置的、基于实验的测定结果的图。图8的横轴表示距离铸模上表面的铅直方向的距离。图8的纵轴表示理论值、测定值以及偏差。理论值是指与实际的熔融金属表面（金属板）的位置对应的值。图8的纵轴左侧的刻度表示理论值和测定值。图8的纵轴右侧的刻度表示测定值与理论值的偏差。在熔融金属表面（金属板）的位置从铸模的上表面起在50mm到550mm的范围内变化的情况下，测定值的偏差收敛到－20mm至＋10mm的范围内。
本发明的实施方式的熔融金属液位测定装置使用超高频带（频率为300MHz－3GHz）的电磁波，因此与使用更高频率的电磁波的装置相比构造简单。此外，本发明的实施方式的熔融金属液位测定装置使用无指向性的天线，因此针对熔融金属表面的局部液位变动的鲁棒性高。

Claims (7)

1.一种熔融金属液位测定装置，其测定铸模内的熔融金属的液位，其中，该熔融金属液位测定装置具有：
无指向性的发送天线；
无指向性的接收天线；以及
信号处理部，
使用由该发送天线发射到该铸模内的超高频带的电磁波测定该铸模内的熔融金属液位。
2.根据权利要求1所述的熔融金属液位测定装置，其中，
所述发送天线和所述接收天线在高于熔融金属表面的位置处，在与熔融金属表面平行的方向上彼此相对地配置。
3.根据权利要求1或2所述的熔融金属液位测定装置，其中，
该熔融金属液位测定装置构成为使用两种频率的超高频带的电磁波。
4.根据权利要求1～4中的任意一项所述的熔融金属液位测定装置，其中，
该熔融金属液位测定装置构成为通过检测由所述发送天线发送的电磁波与由所述接收天线接收的电磁波之间的相位差，测定所述铸模内的熔融金属液位。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的熔融金属液位测定装置，其中，
该熔融金属液位测定装置构成为用频率为f1的伪随机信号对从所述发送天线发射的信号进行扩散，用频率为f2的相同模式的伪随机信号对所述接收天线接收到的信号进行逆扩散，设伪随机信号的1周期的波数为N，按照通过下式确定的测定周期TB进行熔融金属液位测定：
TB＝N/（fM1－fM2）
其中f2＜f1。
6.根据权利要求5所述的熔融金属液位测定装置，其中，
该熔融金属液位测定装置构成为按照测定周期TB，切换使用两种频率的超高频带的电磁波。
7.一种熔融金属液位测定方法，测定铸模内的熔融金属的液位，其中，该熔融金属液位测定方法包含以下步骤：
由无指向性的发送天线发射超高频带的电磁波；
由无指向性的接收天线接收被熔融金属表面反射后的电磁波；以及
由信号处理部对由所述发送天线发射的电磁波的信号和由所述接收天线接收到的电磁波的信号进行处理，求出熔融金属表面的液位。
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