CN1054318A - 炉内料位测量仪及其天线 - Google Patents

Abstract

一种用于在转炉中测量矿渣水平等的炉内料位 测量仪，以及所用的天线。控制天线位置使得插在转 炉中的天线与矿渣水平之间的距离可以设置为恒定 或在预定范围内。使用一种水冷式结构的天线作为 该天线。

Description

本发明涉及一种用于在转炉或类似物内利用微波来测量炉内矿渣、熔解物、原材料等的水平的炉内料位测量仪，并涉及用在炉内料位测量仪中的天线。

在常规炉内料位测量仪中，在转炉的炉顶配备有例如一微波雷达以便由微波雷达通过波导和发送天线发射的电磁波在矿渣表面被反射。由此反射的电磁波通过接收天线和波导接收，然后对其进行信号处理以测量微波雷达与炉内矿渣表面间的距离。

作为用于这类测量的微波雷达，存在以下各种类型的测量系统：

系统之一为例如FM-CW微波雷达系统。如在日本特许公开公报第63-21584号中所公开的，这种测量系统包含的步骤为：从天线到水平表面发送通过对约10  GHz的连续微波调频形成的微波;对通过将传输信号与水平表面的反射波混合而产生的拍频进行计数以由此测量微波雷达与水平表面之间距离。亦即，在该测量系统中的距离测量是基于以下事实，即来回移动天线与水平表面之间距离所需的微波传播时间对应于上述迫频。

另一测量系统是脉冲调制微波雷达系统。该测量系统包含的步骤为：对频率约为10  GHz至20  GHz的微波进行脉冲调制并如同在普通飞机雷达中一样发射输该脉冲调制微波;根据用于接收水平表面反射的微波所需的微波传播时间正比于雷达与水平表面之间的距离这样的事实来测量雷达与水平表面之间的距离。

在使用这样的微波雷达的常规炉内料位测量仪中，发送天线和接收天线固定在转炉炉顶部分或炉内的特定位置。因此，带来下列炉内矿渣水平变化的问题。

当发送和接收天线固定在炉顶部分时，由于因为炉内矿渣水平降低而使发送及接收天线与矿渣水平之间的距离增加时从炉内喷枪、炉开口部分和炉壁部分反射的不需要信号的影响，往往不能精确测量矿渣水平位置。

在发送和接收天线固定于炉内纵深部分的情况下，由于因为炉内矿渣水平增加而使发送及接收天线与矿渣水平之间的距离降低时由沉积在发送和接收天线上的散列矿渣、金属粉、灰尘等引起的信号衰减、发送和接收天线阻塞等，往往不能精确地测量矿渣水平位置。

本发明的一个目的是提供一种即使当炉内矿渣水平变化时也能精确和连续地测量矿渣水平位置并可用在炉内环境温度相当高时的炉内料位仪以及该炉内料位仪中所用的天线。

本发明的另一目的是提供一种不受存在灰尘或类似物的测量环境影响的使用廉价设备可精确和连续地测量目标的水平位置或至该目标的距离的炉内料位仪。

按照本发明的一个方面，炉内料位仪具有带插在炉内的发送和接收天线的微波雷达，该微波雷达产生微波信号给发送天线，并根据在炉内矿渣表面反射和由接收天线接收的微波信号通过计算天线与矿渣表面之间的距离而产生雷达测量值信号。由天线升降装置上下移动发送天线和接收天线。用天线位置测量仪测量天线的位置。信号处理部分根据微波雷达的雷达测量值信号和天线位置测量仪的天线位置信号计算炉内矿渣水平位置，并通过比较炉内矿渣水平位置与设定位置或上限及下限设定位置计算天线的升降距离，从而将天线升降距离作为天线升降控制信号提供给天线升降装置。

天线升降装置根据天线升降控制信号实现天线升降控制以将发送及接收天线（以下统称为“天线”）与矿渣水平之间的距离保持在一预定值。

因此，即使炉内矿渣水平发生变化时天线与矿渣水平之间的距离总是保持恒定或保持在预定距离范围内。所以，有可能克服因炉内矿渣水平降低而使插在炉中的天线与矿渣水平之间的距离增加时炉内喷枪和炉壁反射的不需要信号带来不良影响的缺点。

再者，有可能克服当因炉内矿渣水平增加插在炉内的天线接近矿渣水平时扩散矿渣、金属粉等沉积在天线上的缺点。

按照本发明的另一方面，用在炉内料位仪中的天线具有其内侧部分用作波导而其顶端有一放大直径部分并作为喇叭型天线的内部金属管，以及一个环绕该内部管的外部金属管。内部管的放大直径部分顶端与外部管的顶端接合，同时将隔离件基本上整个地放置于内管和外管之间，由此在两管顶端形成彼此相通的两条冷却水通路。冷却水的入水口和出水口形成在冷却水通路的底端。因此内部管和外部管在炉内吸收的热量被流过冷却水通路的冷却水去除，使得内部管和外部管有效冷却。所以即使炉内环境温度相当高时仍能改进方向性和信噪比（S/N）。

按照本发明的又一方面，在内部管的底端备置有一引入清洗气体的气体清洗器。将清洗气体导入置于内部管底端的气体清洗器并从内部管的顶端释放，由此作为天线的内部管放大直径部分的顶端内表面得到清洗以易于维护天线而不破坏冷却水的冷却效果。

按照本发明的又一方面，炉内料位仪中所用的天线具有第一和第二内部金属管，每个金属管具有作为波导的内侧部分和置于其顶端并用作喇叭型天线的放大直径部分。内部管顶端的放大直径部分与外部管的顶端部分彼此接合，同时一隔离件基本上完全置于内部管与外部管之间，这样形成两管顶端彼此相通的两条冷却水通路。在冷却水通路的底端备置有冷却水的入水口和出水口。

因此，在内部管和外部管的顶端形成彼此相通的两条冷却水通路。内部管和外部管在炉内吸收的热量被流过冷却水路径的冷却水带走，因此天线得到有效地冷却。所以，即使炉内环境温度相当高时也可使用该天线。

在如上所述构造的水冷式喇叭型天线中，可在内部管的底端提供气体清洗器。作为喇叭型天线的内部管放大直径部分顶端内表面由导入气体清洗器的清洗气体进行清洗，以易于维护天线而不损坏冷却水的冷却效果。

按照本发明的又一方面，用在炉内料位仪中的天线具有水冷式结构的主散热器和有与该主散热器的孔径表面相对的抛物面水冷式结构反射器。主散热器由水冷式结构波导和双管或三管结构的馈进器构成。

如上所述，主散热器形成基于双管或三管结构的冷却水通路，以使由波导和馈进器吸收的热量被流经冷却水通路的冷却水去除。

按照本发明的又一方面，微波雷达通过以下步骤测量到目标的距离：根据第一伪随机信号发射相位调制载波到目标;通过检波由目标上反射的接收信号乘以第二伪随机信号获得的载波得到检波信号的时序图;将第一和第二伪随机信号直接相乘获得乘积值的时序图;测量检波信号的时序图和乘积值时序图之间的时间差值。因此，可获得如下效果。

（1）由于无接触测量，可保证传感器部分（诸如天线等）的耐用性，同时，可简化装置的安装和维护

（2）由于连续测量，可做到高速响应的测量。

（3）由于使用利用伪随机信号的扩散谱信号，通过在接收部分使用基准伪随机信号的相关过程可获得降噪和信号增强。因此，可灵敏地检测低反射率目标上的反射波，所以该测量可用于广泛的目的。

（4）由于通常用于测量的高速信号可由本发明结构上相当简单的电路转换为低速信号，可形成价格低、体积小的装置。而且，可使调整容易。

作为检测目标上反射的载波并在接收后对其作相关处理以获得检波信号的装置，关于发送载波的相位同相和为其四分之一相位的分量可在相关处理之后从载波中提取出来。这些分量分别通过低通滤波器平方然后彼此相加以获得检波信号。因此，可灵敏地检测目标。

由于借助于将基于第一伪随机信号的相位调制载波发送到目标并随后利用与第一伪随机信号有相同特性曲线且其频率邻近第一伪随机信号频率的第二伪随机信号对该目标反射的接收信号进行相关处理的技术将从目标获得的检波信号与基准信号之间的测量时间在时间轴上作了相当大的放大（例如，12，500倍），所以距离很短。而且，作为测量对象的目标所反射的必要信号在时间轴上可以清楚地与产生检波信号的目标以外的其它物体反射的不需要信号鉴别开来。因此，即使在诸如其中容易产生不需要的反射信号的炉内部狭窄空间的测量环境下，因为可以去除不需要的反射信号，故能够稳定地测量炉中的料位。

亦即，在本发明中，分别由第一伪随机信号发生装置和第二伪随机信号发生装置产生第一伪随机信号和与第一伪随机信号有相同特性曲线且其频率略为不同于第一伪随机信号频率的第二伪随机信号。由发送装置将根据第一伪随机信号相位调制载波形成的扩散谱信号发送给目标。然后，由接收装置接收目标所反射波而得到的接收信号通过第二乘法器与第二伪随机信号相乘。当以第一伪随机信号相位调制接收信号的调制相位与第二伪随机信号的相位一致时，从第二乘法器输出端得到的乘积输出变为同相载波并由后续级中相干检波装置作同步检波。检波输出再通过由一对低通滤波器、一对平方器和一加法器构成的检波信号发生装置进行信号处理，从而输出脉冲形目标检波信号。然而，第一和第二伪随机信号在码型上彼此相等而在信号发生装置的频率上彼此略有差别。因此，在这两个信号的相位彼此相一致以后经过一段时间，两个信号的相位相互产生偏移（即，两信号的相关输出取其最大值）。当两个信号相位的相互偏移达一个码长或更长时，两个伪随机信号的相关性丢失。在这种情况下，由第二伪随机信号和接收信号的乘积结果得到的载波相邻变为随机的，因此在由后续级中相干检波装置作同步检波之后频带被低通滤波器所限制，并且不可能获得目标检波信号。

当再经过一段时间之后第一和第二伪随机信号之间的相位差变得正好等于某一随机信号的一个周期时，两信号的相位再次变为相互一致。在这种情况下，两信号的相关输出再次取其最大值以致于通过相干检波装置和检波信号发生装置再次获得脉冲形目标检波信号。这样，该现象以一定时间间隔重复由此可获得作为目标检波信号的周期脉冲形信号。

另一方面，当从接收信号获得目标检波信号时，有必要为测量时间点设定基准时间。所以，代表基准时间的时间基准信号产生如下。通过第一乘法器将第一伪随机信号直接与第二伪随机信号相乘;然后，通过低通滤波器获取作为乘积结果的时序图，由此得到与目标检波信号有相同周期的脉冲形信号作为时间基准信号。

因此，由于从产生时间基准信号的时间点到产生从接收信号获得的目标检波信号的时间点的时间正比于电磁波在发送及接收天线与目标之间往复运动的传播时间，故可从两信号之间的时间差计算发送及接收天线与目标之间的距离。

前述运算表述如下：

令f1为第一伪随机信号的重复频率。令f2为第二伪随机信号的重复频率。现在假定两伪随机信号的特性曲线彼此相等并且f1大于f2。

当将根据发送的第一和第二伪随机信号的相关性所获得的基准信号取其最大值的周期以TB表示时，包含在周期TB内的第一和第二伪随机信号之间的波形数量之差等于N个数量的一周期波形。亦即，得到下列方程。

TB·f1＝TB·f2+N

整理该方程，TB由下列方程（1）表示。

TB＝N/（f1-f2）……（1）

即，基准信号取其最大值的周期TB随两时钟频率之差的减小而增加。

令τ为从发送以第一伪随机信号调相的载波的时间点到目标反射之后收到载波的时间点的传播时间。令TD为产生通过根据第二伪随机信号解调接收信号并对它进行相干检波而获得的目标检波信号的脉冲形信号的时间点与产生基准信号的脉冲形信号的时间点之间的时间差。由于在周期TD内产生的第二伪随机信号的波形数量比在周期TD内产生的第一伪随机信号的波形数量小传播时间τ内产生的第一伪随机信号的波形的数量，故得到下列方程。

TD·f2＝TD·f1-τ·f1

整理该方程，TD由下列方程（2）表示。

TD＝τ·f1/（f1-f2）……（2）

即，以加长f1/（f1-f2）倍的传播时间或换句话说减小f1/（f1-f2）倍的测量速度得到的值计算周期TD。可以说基本上可按照本发明通过加大测量时间来实现适合于短距离测量的距离测量系统或装置。

这里，传播时间以下式表示：

τ＝2X/V

其中Ⅴ表达传播速度，Ⅹ表示到目标的距离。

因此，根据方程（2）得到下列方程（3）。

X＝ (f1-f2)/(2f1) ·V·TD……（3）

简言之，按照方程（3）通过测量时间差TD可计算距离X。

本发明的上述和其它目的以及优点从以下结合附图的描述会变得更为明显。

图1是本发明用于炉内料位测量仪的微波雷达结构实例的框图;

图2a至2d是说明图1示出的微波雷达的操作的波形图;

图3是说明7位M型信号发生器结构实例的图形;

图4是示出作为本发明实施例的炉内料位仪的结构实例的框图;

图5是说明图4实施例中天线升降控制过程实例的流程图。

图6a是表明天线位置和矿渣表面之间关系的曲线图;

图6b是表明设定位置与雷达测量值之间关系的曲线图;

图7是表明图4实施例中天线升降控制过程另一实例的流程图。

图8a是表示天线位置与矿渣表面之间关系的曲线图;

图8b是表示设定位置与雷达测量值之间关系的曲线图;

图9是说明作为本发明实施例的水冷式天线的图形;

图10是沿图9的线A-A截取的剖面图;

图11是说明作为本发明的另一实施例的水冷式天线的示图;

图12是沿图11中线A-A截取的剖面图;

图13是表示置于内部圆形管和外部圆形管之间隔离件的说明图。

图14是作为本发明又一实施例的水冷式喇叭型天线从其前端截取的侧视图;

图15是沿图14中线A-A截取的剖面图;

图16是沿图14中线B-B截取的剖面图;

图17是沿图15中线C-C截取、表明该天线前端的剖面图;

图18是沿图15中线C-C截取、表明该天线底端的剖面图;

图19是作为本发明的又一实施例的水冷式喇叭型天线从其前端截取的侧视图;

图20是沿图19中线A-A截取的剖面图;

图21是沿图19中线B-B截取的剖面图;

图22是沿图20中线C-C截取、表明该天线前端的剖面图;

图23是沿图20中线C-C截取、表明该天线底端的剖面图;

图24是作为本发明的一个实施例的水冷式喇叭型天线的侧视图;

图25是图实施例的天线的正视图;

图26是表明主散热器结构实例的剖视图;

图27是表明反射器结构实例的剖面图;

图28是表明隔离件结构实例的视图;

图29是作为本发明的另一实施例的水冷式抛物面型天线的侧视图;

图30是图29实施例的天线的前视图;

在描述作为本发明实施例的炉内料位仪之前，下面先描述作为该料位仪重要构件的微波雷达。

在图1示出的本发明实施例的微波雷达中，标号1和2分别表示时钟发生器，标号3和4分别表示伪随机信号发生器。标号5到9分别表示例如由双对称混频器构成的乘法器。标号10到12分别表示低通滤波器，13和14分别表示分配器，15和16分别表示平方器，17表示一加法器，18表示一时间测量器，19表示载波振荡器，20表示一混合式耦合器，21表示发送器，22表示接收器，23表示发送天线，24表示接收天线，25表示目标。

参照图2中图（a）至图（d）的各个时序图来描述图1装置的操作。例如伪随机信号发生器3和4中的每一个均可由M型信号发生器组成。该M型信号发生器可以是由7段结构的移位寄存器30和“异或”电路31组成的7位M型信号发生器，如图3所示，移位寄存器30是例如由ECL（射极耦合逻辑元件。M型信号是具有码“1”的组合和对应于正电压+E的周期循环信号）和“0”（对应于负电压-E）组成的7段结构。在该7位实例中，当产生127（＝2-1）个信号（也称为127信号块）时完成一个周期。因此，在该实例中，产生重复该周期的循环信号。

伪随机信号发生器3和4是由一个并且相同的电路构成，因此伪随机信号发生器3和4的输出信号具有同样的特性曲线。然而，提供给伪随机信号发生器3和4的时钟频率略为不同，因此它们在一个周期内略为不同。除了M型信号，高尔德（Gold）型信号或JPL型信号也可用作伪随机信号。

每个时钟发生器1和2包括用于产生频率足够稳定的时钟信号的石英振荡器。但是，时钟发生器1和2产生的频率略为不同。在该实施例中，由时钟发生器1和2产生的频率f1和f2分别为100.004MHz和99.996MHz，由此频率间的差值f1-f2为8KHz。分别由时钟发生器1和2产生的时钟信号f1和f2分别提供给伪随机信号发生器3和4。根据驱动时钟信号之间频率上的差异，伪随机信号发生器3和4产生在其一个周期内略有差别但有相同特性曲线的M型信号M1和M2。这里，两个M型信号M1和M2的各自频率可计算如下：

M1的频率＝127×1/100.004MHz＝1269.9492ns

M2的频率＝127×1/99.996MHz＝1270.0508ns

因此，两个M型信号M1和M2基本上具有约1270ns（10^-9秒）的相同周期但约有0.1ns的时间差。所以，如果循环产生两个M型信号M1和M2并随后在一定时间点ta将两个M型信号的特性曲线相互重合，无论何时经过一个周期之后两个信号之间出现0.1ns的时间差异，或换句话说，当经过100个周期时两信号之间出现10ns的时间差。

由于M型信号具有在1270ns周期内产生的127信号块，产生一个信号块所需的时间为10ns。所以，在两个M型信号M1和M2之间出现10ns时钟差值的事实表明M型信号被一个信号块相互脱离。伪随机信号发生器3的输出M1提供给乘法器5和6。伪随机信号发生器4的输出M2提供给乘法器5和7。

例如，载波发生器19产生频率约为10GAz的微波。载波发生器19的输出信号由分配器13分配给乘法器6和混合耦合器20。例如，乘法器6由双对称混频器构成。乘法器6将来自分配器13的约10  GHz载波与伪随机信号发生器3馈给的M型信号M1相乘并将通过相位调制载波形成的扩散谱信号馈送给发送器21。

发送器21对输入扩散谱信号进行功率放大，将它转换为通过发送天线的电磁波并发射到目标25。由于频率为10  GHz的电磁波的波长在空气中为3cm并足够大于铁矿石制造炉中灰尘的大小（直径），所以灰尘或类似物不存在什么影响。例如，发送天线23和接收天线24由喇叭型天线构成以明显地收缩方向性，从而尽可能充分地减小目标以外的其它物体反射的电功率。例如，发送天线23和接收天线24具有大约20dB的天线增益。

从发送天线23辐射到目标25的电磁波被目标25反射，通过接收天线24转换为电信号馈给接收器22。当然，输入信号加到接收器22上的时间点比电磁波从发送天线23辐射的时间点延迟电磁波从发送天线23传播到目标25、然后从目标25返回传播给接收天线24耗费的电磁波传播时间。接收器22放大输入信号并将放大的信号馈送给乘法器7。

另一方面，分别从伪随机信号发生器3和4馈送到乘法器5的M型信号M1和M2彼此相乘。表示乘积值的时间序列信号提供给低通滤波器10。低通滤波器10的输入信号（即表示乘法器5的输出值的时间序列信号）具有如图2中曲线（a）所示的波形。在输送到乘法器5的两个伪随机信号的相位相互一致的时间域M内，输出电压+E是连续的。在两信号的相位彼此不相符的时间域a2内，随机产生输出电压+E和输出电压-E。

低通滤波器10到12具有一种基于频带限制的积分函数。因此，当两信号的相位相互一致时，低通滤波器10至12的输出信号作为由两信号的积分相关运算值形成的信号是如图2中图形（b）所示出的脉冲形信号。当两信号的相位彼此不相一致时，低通滤波器的输出信号为0值。所以，在低通滤波器10的输出端产生周期脉冲形信号。作为时间基准信号的脉冲形信号提供给时间测量器18。在该实施例中，根据前述方程（1）计算的基准信号的周期TB为15.875ms，因为f1和f2分别为100.004MHz和99.996MHz。基准信号及其周期TB由图2中图形（d）所示出。

来自接收器22的接收信号和来自伪随机信号发生器4的M型信号M2馈入乘法器7并彼此相乘。当根据第一M型信号M1通过对发送载波进行相位调制形成的接收信号的调制相位与第二M型信号M2的相位一致时，从乘法器7得到的乘积作为同相载波信号提供给分配器14。当接收信号的调制相位与M型信号M2的相位不一致时，乘法器7得到的乘积作为随机相位载波信号提供给分配器14。分配器14将输入信号分入两乘法器8和9，即来自分配器14的两输出信号分别提供给乘法器8和9。

由分配器13提供部分发送载波的混合式耦合器20分别将与输入信号有同样相位的同相零相分量信号I和相位垂直于输入信号相位的四分之一（90°相位）分量信号Q提供给乘法器8和9。乘法器8将从混合式耦合器20馈入的信号I（即与载波振荡器19的输出有相同相位的信号）与从分配器14馈入的前述信号R1彼此相乘。与此类似，乘法器9将输入信号Q（即与载波振荡器19的输出有90°相移的信号）与前述信号R2彼此相乘。因此，乘法器8和9分别从接收信号中提取出零相分量（I·R1）和90°相位分量（Q·R2）并将两分量作为检波信号送出。

作为检波信号的信号I·R1和Q·R2分别提供给低通滤波器11和12。

低通滤波器11和12具有基于频带限制的积分函数。通过该积分函数，低通滤波器11和12积分两信号的相关运算值。即，当前述从乘法器7通过分配器14馈入乘法器8的信号R1的相位与前述从混合式耦合器20馈入乘法器8的信号I的相位等并且馈入乘法器9的前述信号R2与馈入乘法器9的信号Q相同，则乘法器8和9的输出信号变为预定极性（电压+E或电压-E）的脉冲信号，使得分别在对信号积分的低通滤波器11和12的输出端出现大电压。

当前述信号R1的相位与信号I的相位不相等，并且前述信号R2与信号Q不相同时，从乘法器8和9输出的信号变为极性随机变化（即电压+E和电压-E）的脉冲信号以致分别在对信号积分的低通滤波器11和12的输出端出现零电压。

通过低通滤波器11和12受到积分处理后的零相和90°相位分量分别提供给平方器15和16。平方器15和16分别平方输入信号的幅度并将输出信号作为运算结果馈入加法器17。加法器17将两个输入信号相加并将如图2中图形（C）所示的脉冲形检波信号提供给时间测量器18。

现在假定检波信号取其最大值的时间点是tb。包括以下分别从通过相关处理接收信号和M型信号M2形成的信号检波发送载波的零相和90°相位分量、分别对检波信号积分并接着平方积分后信号并将这对平方值相加以获得目标检波信号的步骤的前述技术或多或少在构造上较为复杂，但能够获得高灵敏度的目标检波信号。由于能够获得诸如M型信号的伪随机信号的相关输出，可以形成增强信号降低噪声影响的高信噪比（S/N）测量系统。自然，根据技术要求和成本可以使用利用晶体的检波技术，因为该技术灵敏度不好但结构上简单。

时间测量器18是由传播时间测量器18a和距离换算器18b组成的。传播时间测量器18a测量从低通滤波器10馈入的基准信号取其最大值的时间点ta与从加法器17馈入的检波信号取其最大值的时间点之间的时间TD。因此，传播时间测量器18a具有用于检测当两个输入信号分别取最大值时的时间点的功能。例如，输入信号取其最大值的时间点可以通过检测输入信号翻转（对应时间从增加到减小）的时间点、同时临时将当前样值与根据时钟信号对输入电压值抽样保持而连续获得的以前样值相比较来进行检测。时间TD表示如图2中图形（d）所示产生基准信号最大值的时间点ta与如图2中图形（C）所示产生检波信号最大值的时间点tb间的时间。如前述方程（2）所示，时间TD可以相对发送和接收天线23和24与目标25之间的距离通过将电磁波实际往返运动所需的传播时间τ增大f1/（f1-f2）倍进行计算。在该实施例中，由于f1＝100.004MHz和f2＝99.996MHz，通过增加12，500倍的时间得到下列方程（4）。

TD＝12，500τ……（4）

对基准信号的每个周期TB获得由方程（4）表示的时间TD。

由于本发明中的测量时间进行了相当大的加长，故可以以高精度测量到目标的距离。因此，可以说按照本发的测量装置适合于用于测量诸如炉内矿渣水平、熔化物水平等的短距离。

所以，当根据方程（4）计算时，从发送和接收到线23和24到目标25的距离X（米）由下列方程（5）表示

X＝（f1-f2）/2f1·V·TD＝1.2×10⁴·TD……（5）

由距离换算器18b进行方程（5）表示的运算，以产生距离信号。

从上面的描述已清楚用于本发明的微波雷达。下面，将描述本发明的使用该微波雷达的炉内料位仪的最佳实施例。

在图4所示的炉内料位仪中，标号41表示一个转炉，42表示转炉41中的矿渣，以及43表示转炉41中的熔化物。标号44表示炉41的顶盖，而45表示一喷枪。

标号52表示一利用M型信号处理的高灵敏度微波雷达。微波雷达52的结构如上面所描述并在图1中示出。

标号55表示用于连接微波雷达52与发送天线23及接收天线24的波导。标号56表示用于上下移动发送天线23和接收天线24的升降装置，发送天线23和接收天线24与微波雷达52连成一个整体并相对该转炉插在该炉中。

天线升降装置56由一条悬挂微波雷达52的电缆、一个承装电缆57并用于放出电缆57的电缆卷绕器58以及用于驱动电缆卷绕器58的电机59组成。标号60表示电机59的电机驱动电路。

标号61表示用于根据天线升降装置56的升降值测量炉内天线位置的天线位置测量器。天线位置测量器61由用于检测电机59旋转量的编码器62和用于根据编码器62的检测信号计算由电缆卷绕机58承装的电缆长度并随后根据电缆长度计算天线位置的天线位置运算装置63所组成。

标号64表示用于处理微波雷达52和天线位置测量器61中的信号，以计算天线升降值，从而通过天线升降装置56上下移动天线的信号处理电路。

信号处理电路64由用于根据微波雷达52的雷达测量值和天线位置测量器61的天线位置信号计算炉内矿渣42的矿渣水平位置的矿渣水平运算装置65、以及用于计算天线升降值同时比较由矿渣水平运算装置65计算的矿渣水平位置与预定设定位置或上限及下限设定位置的无线升降值运算装置66组成。标号67表示CRT显示单元。

前述实施例中炉内料位仪的操作将参照图5的流程图和图6a及图6b的曲线图进行描述。

首先，通过微波雷达52开始发送和接收天线23和24与炉内矿渣42的矿渣表面之间距离的测量（步骤51）。然后，将由微波雷达52测量的表示天线与矿渣表面之间距离的雷达测量值信号和由天线位置测量仪61测量的表示炉内天线位置的天线位置信号输入矿渣水平运算装置65（步骤S2）。通过以下步骤获得天线位置信号，即：由编码器62检测电机59旋转量;由天线位置运算装置63根据检测值计算电缆卷绕器58承装的电缆长度;以及根据电缆长度计算天线位置。

借助于信号处理电路64中的矿渣水平运算装置65，根据微波雷达52的雷达测量值信号和天线位置测量器61的天线位置信号计算炉内矿渣水平位置。亦即，通过从天线位置减去天线与矿渣表面之间的距离计算矿渣水平位置，并由显示单元67显示（步骤S3）。

然后，信号处理电路64中的天线升降运算装置66将由微波雷达52的雷达测量值信号表示的距离值与预定设定位置（例如，天线与矿渣表面之间的距离总是设定为2.0米）相比较，计算其间的差值及天线升降值并将表示天线升降值的天线升降信号馈入电机驱动电路60（步骤S4）。信号处理电路中的矿渣水平运算装置65和天线升降值运算装置66接收通过将从微波雷达52馈入的测量值取10秒平增而获得的值作为雷达测量值信号。

提供有来自天线升降值运算装置66的天线升降信号的电机驱动电路60使电机59旋转，以起动电缆卷绕器58进行电缆57的卷入或放出，以将天线上下移动天线升降值（步骤S5）。

随着时间的推移重复进行前述天线升降控制，这样天线位置可以与炉内矿渣42的矿渣表面保持恒定距离，亦即，尽管矿渣水平会象图6a所示出那样变化，仍可将天线保持于设定位置。图6b示出在这种天线升降控制中随时间推移设定位置与表示天线与矿渣42的渣表面之间距离的雷达测量值之间的关系。当矿渣42的渣表面的变化相当小时使用该实施例中的控制。

另外，参照图7的流程图和图8a及8b的曲线图描述天线升降控制的另一实例。

首先，以与图5流程图示出的同样方式实现从开始通过微波雷达52测量天线与矿渣42的矿渣表面之间距离的步骤S11到计算矿渣42的矿渣水平位置并通过显示单元67显示该矿渣水平位置的步骤S13的过程。

然后，借助信号处理电路64中的天线升降值运算装置66，将从微波雷达52馈入的雷达测量值信号与预定下限设定位置1（1.5m）比较（步骤S14）。当由雷达测量值信号表示的距离值不大于下限设定位置1时，产生对应预定天线上升值（1.0m）的天线升降控制信号以使天线升降装置56将天线上移1.0m（步骤S15），然后该过程的情形再返回到步骤S12。当由雷达测量值信号表示的距离值大于下限设定位置1时，将该距离值与上限设定位置2（3.0m）进行比较（步骤S16）。当雷达测量值不小于上限设定位置2时，产生对应预定天线下降值（1.0m）的天线升降控制信号，以使天线升降装置56将天线下移1.0m（步骤S17）。当雷达测量值小于上限设定位置2时，该过程的情形返回到步骤S12。

在这个步骤中，进行天线升降控制以使天线位置与矿渣42的矿渣表面之间的距离保持于预定范围。随时间推移重复进行该控制过程，以便天线位置保持在距离矿渣42的矿渣表面的预定距离范围内，即，尽管矿渣表面会如图8a所示发生变化，天线位置仍可保持在上限设定位置与下限设定位置之间。图8b示出在这种天线升降控制中随着时间的推移上限和下限设定位置与表示天线与矿渣42的渣表面间距离的雷达测量值之间的关系。当矿渣42的的渣表面变化相当大时使用该实施例中的控制。

由于在前述实施例中进行天线升降控制使得尽管炉中矿渣42的矿渣表面可能发生变化但天线位置与矿渣42的矿渣表面仍保持预定距离或保持在离矿渣表面的预定距离范围内，因而可避免现有技术中向下移动炉中矿渣42的矿渣表面以增加插在炉中天线与矿渣表面之间距离所带来的炉中喷枪45以及炉壁反射的不需要信号的不良影响。而且，可以防止由向上移动炉中矿渣42的矿渣表面以让插在炉中的天线53和54接近该矿渣表面所引起的散列矿渣、金属粉等在天线53和54上的沉积。因此，在使用微波雷达52的炉内料位测量仪中总是能够正确地测量炉内矿渣42的水平位置。

由于容易产生天线上矿渣沉积的影响和炉壁反射不需要信号的影响等，特别是，在转炉41中的矿渣水平测量中，由于矿渣表面微波的反射很弱，因此本发明的应用效果很大。

尽管前述实施例已说明本发明应用于转炉41中矿渣水平测量的情况，事实上本发明可用于转炉中矿渣水平测量、炉内熔化物水平测量、和竖炉内原材料水平测量。

尽管前述实施例已说明插在炉中的每个天线是由无冷却喇叭型天线构成的情况，也可能需要根据使用炉内料位仪的炉中的环境条件，使用气冷式天线或水冷式天线。

图9至图22中示出这种水冷式天线。在图9示出的水冷式天线结构图和沿图9中线A-A截取的图10的剖视图中，标号81表示用铜制成的具有约1000mm长度和25mm直径的内部圆形管81。内部圆形管81具有形成在顶端（图中左端）长度约为200mm以及斜角小于或等于3°-10°的加大直径部分81a。内部圆形管81的整个内部作为波导，加大直径部分81a的顶内作为喇叭型天线。内部圆形管81的内部直径设计为在所用微波的波长范围0.66λ至0.91λ内。标号82表示环绕内部圆形管81的中间圆形管，它用钢制成并具有大约800mm的长度和40mm的直径，用于作为隔离件。标号83表示环绕内部圆形管81和中间圆形管82的钢制外部圆形管，它具有大约800mm的长底和60mm的直径。内部圆形管81的加大直径部分81a的顶端和外部圆形管83的顶端通过焊接相互接合以便封闭形成在其顶端之间的间隙。

在整个内部管81和外部管83之间，由作为隔离件的中间圆形管82形成在内部和外部圆形管81和83的顶端一侧彼此相通的两条水冷通路84a和84b。标号85表示在外部圆形管83一侧形成于冷却水通路84a的底端（图的右端）的入水口。标号86表示在内部圆形管81一侧形成于冷却水通路84b的底端（图中右端）的出水口。标号87表示与内部圆形管81的内部相通并具有6mm直径的气体清洗器。设定该气体清洗器的直径不大于所用微波波长的四分之一。标号88表示形成于内部圆形管81低端的凸缘。

在具有前述结构的水冷式天线中，若冷却水通过入水口85被导入作为由充当内部圆形管81和外部圆形管83之间隔离件的中间管82形成的两条冷却水通路84a和84b之一的外部圆形管83侧冷却水通路84a，则冷却水穿过冷却水通路84a到达内部圆形管81和放大直径部分81a。然后，冷却水穿过另一内部圆形管81侧冷却水通路84b通过出水口86排出。因此，借助在冷却水通路84a和84b中流过的冷却水中有效地去除内部圆形管81、其放大直径部分81a和外部圆形管83在炉中吸收的热量。因此，内部圆形管81和外部圆形管83具有环境温度1500℃的热阻。所以，尽管用作天线的内部圆形管81的放大直径部分81a可深插在炉中，方向性仍得到了改进以获得良好信噪比（S/N）。因此，由于当所用微波频率是20GHz时天线的增益为20dB，故可进行精确的测量。

当诸如氮气、空气、氩气等的清洗气体在置于内部圆形管底端的气体清洗器中流动时，气体进入内部圆形管81并从内部圆形管81的顶端放出，因此用作天线的内部圆形管81的放大直径部分81a顶端内表面得到清洗，使得易于维护而不破坏冷却水的冷却效果。

在该实施例中，入水口84形成在外部圆形管83侧冷却水通路84a的底端，以便外部圆形管83的外表面被干净冷却水冷却，这是因为当内部圆形管82的内表面由气体清洗隔开了与炉内热空气的接触时，位于炉内与热空气接触的外部圆形管的外表面可被有效冷却。

在图11表明水冷式天线又一实施例的结构图、图12沿图11中线A-A截取的剖视图和图13表明置于内部圆形管和外部圆形管之间隔离件的说明图中，相应参考与图9和10示出实施例中相同的部分而略去对相同结构的描述。在该实施例中，隔离板92置于内部圆形管81和外部圆形管83之间，从而形成两条冷却水通路84a和84b。该实施例与前面实施例相比具有造价低的优点。该实施例的操作和效果与前面实施例类似。因此略去对该实施例操作和效果的描述。

尽管这些实施例表明内部圆形管81实际上由铜制成的情况，但如果内部圆形管81可用作波导事实上除了其内表面用铜制成之外内部圆形管81也可由钢制成。

尽管图9至13示出的实施例表示每个内部和外部管为圆形的情况，事实上本发明可用于每个内部和外部管的形状为四边形或多边形的情形。在内部管为四边形的情况下，长边尺寸和短边尺寸分别设定在从0.62λ到0.95λ和从0.28λ到0.42λ的范围内。

图14示出水冷式喇叭型天线又一实施例的从顶端看去的侧视图，图15是沿图14的线A-A截取的剖视图，图16是沿图14的线B-B截取的剖视图，图17是沿图15的线C-C截取并表示顶端的剖视图，图18是沿图15的线C-C截取的表示底端的剖视图，标号91和92表示由铜制成的内部管。两个内部管91和92相互平行排列。内部管91和92分别在其顶端（图的左侧）部分具有放大直径部分91a和92a在其底端具有凸缘91b和92b。

每个内部管91和92的整个内部用作波导，而每个形成于内部管顶端部分的放大直径部分91a和92a作为用于实现来自雷达的微波信号的传播、来自天线的微波信号的辐射、微波信号的接收以及信号至雷达的传播的喇叭型天线。

内部管91和92的内部直径由所用微波信号的波长决定。对应波长的内径‘a’设定在0.58λ至0.76λ的范围内。

喇叭型天线的性能由放大直径部分的内表面形状决定。该喇叭型天线的增益以及该天线关于信号辐射的方向性可通过同时增加放大直径部分顶端的直径和放大直径部分的总长度而得到改进。在该实施例中，当顶端部分的内部直径和放大直径部分的总长度分别为3.7λ和10.7λ时获得大约20dB的增益。

标号93表示环绕内部管91和92的钢制隔离管。半球形形成的孔径93a备置于该图左侧的顶端部分。内部管91和92的放大直径部分91a和92a贯穿隔离管93的顶端端部分。

标号94表示环绕内部管91和92以及隔离管93的钢制外部管。外部圆形管94的顶端和内部圆形管的放大直径部分91a、92a的顶端通过焊接相互接合，以便封闭其顶端形成的间隙。在整个部部管94与内部管91及92之间，由隔离管93在隔离管顶端孔径93a处形成彼此相通的两条冷却水通路95a和95b。

标号96表示形成于外部冷却水通路95a的底端的入水口。标号97表示形成于内部冷却水通路95b底端的出水口。标号98和99表示提供在内部管91和92的底端的气体清洗器。设定每个气体清洗器的直径不大于所用微波信号波长的四分之一。

在该实施例水冷式天线中，当冷却水被导入形成在作为由内部管91和92与外部管94之间的隔离管93形成的两条冷却水通路95a和95b之一的外部管侧冷却水通路95a底端部分的入水口96时，冷却水穿过冷却水通路95a到达其顶端部分，然后，冷却水穿过隔离管顶端的孔径93a到内部管侧冷却水通路95b并随后通过冷却水通路95b从出水口97排出。因此，当水冷式天线插在炉中时，借助于流过冷却水通路的冷却水去除内部管91和92、放大直径部分91a和92a以及外部管94在炉中吸收的热量。

即使当炉中环境温度为1500℃时，本实施例中的水冷天线仍具有足够的冷却效果。因此，为了测量的目的，该天线可以深深地插在炉中。

当诸如氮气、空气、氩气等清洗气体在形成于内部管91和92底端的气体清洗器98和99中流动时，气体进入内部管91和92并在内部管91和92的顶端放出，因此用作喇叭型天线的内部管顶端放大直径部分91a和92a的内表面得到清洗，以易于进行天线维护而不破坏冷却水的冷却效果。

在该实施例中，入水口96形成在外部管侧冷却水通路95a的底端，以导入冷却水。这是因为相对于由气体清洗避免了与炉中热空气接触的内部管91和92，外部管94与炉内热空气接触的外表面可得到有效冷却。

图19是说明水冷式喇叭型天线又一实施例的从顶端看去的侧视图，图20是沿图19中的线A-A截取的剖视图，图21是沿图19中线B-B截取的剖视图，图22是沿图20中线C-C截取的表示顶端的剖视图，图23是沿图20中线C-C截取的表示底端的剖视图，与前述实施例相同的标号涉及相同部分，故省去描述。

在这些图中，标号110表示通过将如图14所示的放大直径部分91a和92a结合为一压制件而形成的整体放大直径部分。内部管91和92连接于该整体放大直径部分，这样该放大直径部分110的内表面110a和110b分别用作喇叭型天线。隔离管93的顶端部分形成如一条长管，由此在内部管91和92与外部管94之间形成顶端部分彼此相通的冷却水通路。

在该实施例中，与图20所示实施例相比较，通过改变放大直径部分的形状和隔离管的形状可使制造过程简化以及制造成本降低。该实施例中的水冷式天线的操作和效果与前面实施例类似。

尽管前述实施例说明了为用作波导内部管91和92由铜制作的情况，事实上除了其铜制内表面该内部管可用钢制成。

尽管这些实施例说明了内部隔离管和外部管部分为圆形的情况，事实上本发明可用于内部管、隔离管和外部管为四边形或多边形的情况。

在图24中示出的是本发明水冷式抛物面型天线的侧视图，图25是该实施例的正视图，图26是表明主辐射器结构的剖视图，图27是表明反射器结构的剖视图以及图28是一隔离件的结构图，标号111和112分别表示发送和接收抛物面天线，标号113和114分别表示作为抛物面天线主辐射器的水冷波导及馈进器。标号115和116分别表示具有与主辐射器的孔径表面相对的抛物曲面的水冷式抛物面型天线反射器。

在该实施例中，水冷式抛物面天线的主辐射器113和114由用作如图26所示的波导和馈进器的内部管117、用钢制成并在其顶端部分通过焊接与内部管接合以便封闭内部管的外部管118以及用钢制成并置于内管117和外部管118之间的隔离管119组成。主辐射器113和114具有在其顶端部分形成彼此相通的冷却水通路120a和120b的三管结构。在该实施例的主辐射器中，主辐射器在炉中吸收的热量由通过冷却水通路120a和120b的流水去除，从而冷却主辐射器。

如图27所示，该实施例水冷式抛物面天线的反射器由用于形成对着主辐射器孔径的抛物面的反射板121、在其外部边缘部分与反射板接合并置于反射板121背面的后板122、放置于反射板121与后板122之间的隔离板123以及放置于反射板121和隔离板123之间的螺旋隔离件124组成。在反射板121和后板122之间，由隔板123和隔离件124形成螺旋冷却水通路125a和冷却水通路125b。标号126表示与隔板123的中心相连并延续到冷却水通路125a的供水管。标号127表示连接于后板122并延续到后部冷却水通路125b的排水管。

在该实施例反射器115和116中，当将冷却水引入供水管126时，冷却水通过冷却水通路125a从中央部分到外侧部分。然后，冷却水在外部周缘部分翻转通过冷却水通路125b。最后，通过排水管127排出冷却水。因此，反射板121在炉中吸收的热量由流过冷却水通路的冷却水去除，由此冷却反射器115和116。通过旋转形成冷却水通路125a，可使由冷却水从反射板121去除的热量均匀。因此，能够防止由反射板121温度分布不均衡引起的抛物面变形和畸变所导致的天线性能下降。

在该实施例水冷式抛物面形天线中，即使炉中环境温度取大约1500℃的高值，仍能获得充分的冷却特性。因此，水冷式抛物面天线可放在转炉或类似物中。

图29是另一实施例的水冷式抛物面天线的侧视图，图30是该实施例的正视图，相同标号指相同部分，故省去其描述。在这些图中，标号130和131表示用于分别支撑发送和接收抛物面天线的主辐射器的支撑件。

在该实施例的水冷式抛物面天线中，不仅能够增加主辐射器113和114的机械长度，而且可通过以支撑件130和131支撑发送和接收天线的主辐射器113和114防止由主辐射器113和114在炉中吸收的热量不均衡引起的主辐射器113和114的变形。因此，可防止由主辐射器和反射器的相对位置移动引起的天线性能下降。在该实施例中，用热阻陶瓷作为支撑件130和131。

尽管在该实施例的水冷式抛物面天线中使用三管结构波导和馈进器作为主辐射器，但可用双管结构波导和馈进器在内部和外部管间放置隔板形成冷却水通路。

在该实施例中，可用诸如氮气、空气、氩气或类似物的清洗气体清洗主辐射器波导的内侧、馈进器内表面和反射器抛物曲面，以易于维护天线而不破坏的冷却水的冷却效果。

Claims (12)

1、一种炉内粒位测量仪，它包含：

一个具有插在炉中的发送和接收天线、用于提供微波信号至所述发送天线、用于根据矿渣表面反射并由所述接收天线接收的所述微波信号计算所述炉中天线与所述矿渣表面之间的距离并输出计算结果作为料位测量值输出信号的微波雷达，

一个用于根据天线升降控制信号测量插在所述炉中的所述发送和接收天线的升降的天线升降装置，

一个用于测量天线位置从而输出天线位置信号的天线位置测量装置，以及

信号处理部分，用于根据所述微波雷达的所述料位测量值信号和所述天线位置测量装置的所述天线位置信号计算炉内矿渣水平位置，并通过将炉内矿渣水平位置与设定位置或上限及下限设定位置相比较计算天线升降距离，以将所述天线升降距离作为所述天线升降控制信号提供给所述天线升降装置。

2、如权利要求1所述的炉内料位测量仪，其特征在于所述微波雷达包含：

用于输出第一伪随机信号的第一伪随机信号发生装置，

用于输出具有与所述第一伪随机信号相同的特性曲线且频率略为不同于所述第一伪随机信号的频率的第二伪随机信号的第二伪随机信号发生装置，

一个将所述第一和第二伪随机信号彼此相乘的第一乘法器，

一个载波发生装置，

一个用于将根据所述第一伪随机信号调制所述载波发生装置的输出信号而形成的发送信号发送到目标的发送装置，

一个用于接收所述目标反射的信号以获得接收信号的接收装置，

一个用所述第二伪随机信号乘以所述接收信号以输出载波的第二乘法器，

一个用于检测所述第二乘法器输出的所述载波、从而输出检波信号的检波装置，以及

一个用于测量所述检波装置输出的所述检波信号的时序图与所述第一乘法器输出的乘积值的时序图之间的时间差值的时间差值测量装置。

3、如权利要求2所述的炉内料位测量仪，其特征在于所述检波装置包含：

一个用于取出所述载波发生装置的一部分输出的第一分配器，

一个提供有所述第一分配器的输出并将所述输出转换为同相分量、即I信号和四分之一分量、即Q信号，所述I和Q信号彼此垂直相交的混合式耦合器，

一个用于将所述第二乘法器的输出分配为两个信号、即R1信号和R2信号的第二分配器，

一个用于将所述混合式耦合器输出的所述I信号与所述第二分配器输出的所述R1信号相乘的第三乘法器，以及

一个用于将所述混合式耦合器输出的所述Q信号与所述第二分配器输出的所述R2信号相乘的第四乘法器。

4、如权利要求2所述的炉内料位测量仪，其特征在于所述时间差值测量装置包含：

一个其上施加有所述第一乘法器的输出以实现频带限制的第一低通滤波器，

分别施加有所述第三和第四乘法器的输出信号以相互独立地实现频带限制的第二和第三低通滤波器，

分别提供有所述第二和第三低通滤波器的输出信号以相互独立地实现平方运算的第一和第二平方器，

一个用于将所述第一和第二平方器的各自输出信号彼此相加的加法器，

一个用于测量所述第一低通滤波器的输出信号取其最大值时的时间点与所述加法器的输出信号取其最大值时的时间点之间的时间的时间测量器。

5、一种用于炉内料位测量仪的水冷式喇叭型天线，所述天线包含：

具有用作波导的内侧部分和置于其前端用作喇叭型天线的放大直径部分的内部金属管，

环绕所述内部管的外部金属管，

通过将所述内部管的前端拼命于所述外部管的前端、同时将一隔离件基本上完全置于所述内部管和所述外部管之间形成的两条冷却水通路，所述两条冷却水通路在两管的前端彼此相通，以及

分别形成在所述冷却水通路底端的冷却水入口和冷却水出口。

6、如权利要求5所述的水冷式喇叭型天线，其特征在于：它还包括一提供在所述内都管底端、用于贯入清洗气体的气体清洗器。

7、一种用在炉内料位测量仪中的水冷式喇叭型天线，所述天线包含：

每一个均具有用作波导的内侧部分和置于其底端作为喇叭型天线的放大直径部分的第一和第二内部金属管，

环绕所述第一和第二内部管的第一和第二外部金属管，

通过将所述第一和第二内部管的所述放大直径部分的前端与所述外部管的前端部分接合、同时将一隔离件基本上完全置于所述内部管与所述外部管之间形成的两条冷却水通路，所述两条冷却水通路在两管的前端彼此相通，以及分别形成于冷却水通路底端的冷却水入口和冷却水出口。

8、如权利要求7所述的水冷式喇叭型天线，其特征在于：它还包括一提供在所述第一和第二内部管的底端、用于贯入清洗气体的气体清洗器。

9、一种炉内料位测量仪的水冷式抛物面型天线，所述天线包含：水冷结构的主辐射器，以及具有与所述主辐射器相对的抛物曲面的水冷结构的反射器。

10、如权利要求9所述的水冷式抛物面型天线，其特征在于：所述主辐射器是由双管或三管结构组成的水冷式结构的一组波导和馈进器所构成。

11、如权利要求9所述的水冷式抛物面型天线，其特征在于：所述反射器具有：

有与所述主辐射器的孔径表面相对的抛物曲面的反射板，

放置在所述反射板背面的后板，

放置于所述反射板和所述后板之间的隔离件，

通过将所述反射板与所述后板在其外部周缘部分接合而形成的冷却水通路，

一冷却水入口，以及

一冷却水出口。

12、如权利要求10所述的水冷式抛物面型天线，其特征在于：用气体从所述反射器的所述抛物曲面表面清洗所述主辐射器的所述波导和所述喇叭型天线的内表面。

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