JP2006208096A - マイクロ波送受信器及び距離計 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ波として回転波を使用して検出精度を高めるとともに、マイクロ波送信プローブからマイクロ波受信プローブへの直接入射、並びに受信波による送信波への影響を排除したマイクロ波送受信器、並びに前記マイクロ波送受信器を備え、より高精度で信頼性の高い距離計を提供する。
【解決手段】 導波管内に、マイクロ波の進行方向に沿ってマイクロ波送信プローブとマイクロ波受信プローブとを所定距離離間して直交配置し、かつ、アンテナの前に円偏波器を付設してなるマイクロ波送受信器、並びに前記マイクロ波送受信器を備え、一方向に回転する電界分布を有するマイクロ波回転波を前記アンテナから送信し、前記被検出物体で反射され、電界分布の回転方向が反転したマイクロ波回転波を受信する距離計。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波を検出媒体として被検出物体までの距離を計測する距離計、並びに前記距離計に組み込まれるマイクロ波送受信器に関する。

従来より、溶鉱炉やコークス炉、焼却炉等における内容物の堆積量（レベル）を検出するために、マイクロ波を検出媒体とする距離計が用いられている。コークスや燃焼しているゴミは高温であり、しかも水蒸気ミストやオイルミスト等が周囲に蔓延しているため、レーザ光や赤外線等の光を用いた方式では感度が著しく低下して検出が困難になる。

この距離計は、炉頂に配設したマイクロ波送信器からマイクロ波を炉底方向に向けて送信し、マイクロ波送信器に近接して配設したマイクロ波受信器で内容物の表面で反射された反射マイクロ波を受信し、マイクロ波の送信から受信までの伝播時間を基に内容物までの距離を求め、内容物の堆積量を算出するのが一般的である。

また、本出願人も、マイクロ波として、電界方向が一方向に回転（例えば、時計回り）する回転波を用いることで、炉壁等の内容物以外による反射波を排除して検出精度を改善した距離計を製品化している（非特許文献１参照）。回転波は、反射により電界分布の回転方向を反転させる性質があるため、内容物のみで反射された回転波と、内容物で反射され、更に炉壁で反射された回転波とでは、電界分布の回転方向が逆となる。そのため、電界分布が反転した回転波のみを受信することで、内容物までの距離をより正確に測定できるようになる。

株式会社ワイヤーデバイスの製品カタログ「マイクロレンジャー ＭＷＳ−ＲＦ」（２００２年１２月２日発行）

非特許文献１に記載の距離計では、導波管のアンテナとは反対側の端部にマイクロ波送信プローブとマイクロ波受信プローブとを配設し、アンテナの前段に円偏波器を配設している。そして、マイクロ波送信プローブからは電界分布が一方向（例えば、垂直方向）を向くマイクロ波（直線波）が発振され、導波管内に付設された円偏波器を通過する際に回転波に変換され、回転波がアンテナから内容物に向けて送信される。そして、内容物で反射され、電界分布が反転した回転波はアンテナで捕集された後、再び円偏波器を通過して直線波に変化されるが、変換後の直線波は、その電界分布が、マイクロ波送信プローブから発振された直線波の電界分布の向きとは直交（ここでは、水平方向）したものとなる。そのため、マイクロ波受信プローブとマイクロ波受信プローブは、同一の基板上に、垂直方向と水平方向とを向くように直交して搭載されており、更にはマイクロ波送受信器全体としての小型化に伴う導波管の小径化のために、かなり近接している。

そのため、マイクロ波送信プローブからの直線波がマイクロ波受信プローブに直接入射し、マイクロ波受信プローブが受信した直線波と干渉を起こして測定精度に悪影響を及ぼす可能性がある。逆に、アンテナで捕獲された直線波がマイクロ波送信プローブに入射して、マイクロ波送信プローブからの直線波に悪影響を及ぼす可能もある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、マイクロ波として回転波を使用して検出精度を高めるとともに、マイクロ波送信プローブからマイクロ波受信プローブへの直接入射、並びに受信波による送信波への影響を排除したマイクロ波送受信器を提供することを目的とする。本発明はまた、前記マイクロ波送受信器を備え、より高精度で信頼性の高い距離計を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下に示すマイクロ波送受信器及び距離計を提供する。
（１）導波管内に、マイクロ波の進行方向に沿ってマイクロ波送信プローブとマイクロ波受信プローブとを所定距離離間して直交配置し、かつ、アンテナの前に円偏波器を付設してなることを特徴とするマイクロ波送受信器。
（２）導電性材料からなり、前記導波管の内径を横断する棒状短絡体を、前記マイクロ波送信プローブと前記マイクロ波受信プローブとの間に、前記マイクロ波受信プローブと平行に挿入したことを特徴とする上記（１）記載のマイクロ波送受信器。
（３）前記導波管の前記アンテナとは反対側の端面を開口して該導波管内をエアーパージするための空気導入口を形成するとともに、前記空気導入口と前記マイクロ波送信プローブとの間に、マイクロ波送信プローブと平行に前記導波管の内径を横断する導電性材料からなる棒状短絡体、または導電性材料からなり、前記導波管の内径を横断する２本の棒状短絡体からなる十字型短絡体、または導電性材料からなるメッシュ板を配設したことを特徴とする上記（１）または（２）記載のマイクロ波送受信器。
（４）前記導波管の少なくとも１部の断面が正方形であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載のマイクロ波送受信器。
（５）マイクロ波を被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体からの反射マイクロ波を受信して前記被検出物体までの距離を計測する距離計であって、
上記（１）〜（４）の何れか１項に記載のマイクロ波送受信器とを備え、一方向に回転する電界分布を有するマイクロ波回転波を前記アンテナから送信し、前記被検出物体で反射され、電界分布の回転方向が反転したマイクロ波回転波を受信すること特徴とする距離計。

本発明のマイクロ波送受信器は、マイクロ波として回転波を用いるため検出精度に優れるとともに、マイクロ波送信プローブからマイクロ波受信プローブへの直接入射並びに受信波による送信波への影響を排除できる。また、エアーパージによる導波管内の浄化を効率良く行うことができる。

また、本発明の距離計は、このようなマイクロ波送受信器を備えることで、高精度で信頼性の高いものとなる。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明のマイクロ波送受信器を示す斜視図であり、図２は本発明の距離計並びにマイクロ波の各位置における電界分布を示す模式図である。

本発明のマイクロ波送受信器１は、導波管１０の一端面（図示せず）の近傍にて、マイクロ波送信プローブ１１とマイクロ波受信プローブ１２とが、マイクロ波の進行方向に沿って所定距離離間し、かつ直交して装着されている。マイクロ波送信プローブ１１及びマイクロ波受信プローブ１２は、共に公知のもので構わず、使用するマイクロ波の周波数に応じて適宜選択される。尚、マイクロ波送信プローブ１１及びマイクロ波受信プローブ１２は、それぞれの先端が導波管１０の内壁に接触しないように突出長が設定されている。このようにマイクロ波送信プローブ１１とマイクロ波受信プローブ１２とが、マイクロ波の進行方向に沿って配置されているため、従来のマイクロ波送信プローブ１１とマイクロ波受信プローブ１２とを同一の基板上に並設した場合に比べて両プローブ１１，１２を離して配置でき、マイクロ波送信プローブ１１からマイクロ波受信プローブ１２への直接入射並びに受信波による送信波への影響を排除できるとともに、導波管１０の断面積が少なくて済み、装置全体としてより小型になる。

また、マイクロ波送信プローブ１１とマイクロ波受信プローブ１２との中間地点には、導電性材料からなる棒状短絡体１３が、マイクロ波受信プローブ１２と平行に、かつ、導波管１０の内径を横断するように挿入されている。棒状短絡体１３としては、金属からなる丸棒や角棒、あるいは幅の狭い板が適当であり、その直径または幅は、マイクロ波受信プローブ１２の直径または幅よりも大きく、かつ、マイクロ波送信プローブ１１から発振されるマイクロ波が、棒状短絡体１３と導波管１０の内壁との間で形成される隙間を自由に通過できるように調整される。

マイクロ波送信プローブ１１、マイクロ波送信プローブ１２及び棒状短絡体１３の各離間距離は、使用するマイクロ波の周波数に応じて適宜設定される。また、棒状短絡体１３はマイクロ波送信プローブ１１とマイクロ波送信プローブ１２との中間地点に挿入される。このマイクロ波送信プローブ１１とマイクロ波受信プローブ１２との離間距離は、従来の両プローブ１１．１２を同一基板上に並設した場合に比べて格段に大きい。

また、導波管１０の他端はアンテナ１４に接続しており、マイクロ波受信プローブ１２とアンテナ１４との間には円偏波器１５が装着されている。円偏波器１５は、導波管１０の軸線に向かって突出する金属製の平板とすることができ、更にこの金属製平板の両端部１５ａは、マイクロ波の反射を防止するためにテーパ状に切除されている。そして、円偏波器１５は、マイクロ波送信プローブ１１及びマイクロ波受信プローブ１２の両方に対して４５°の角度で交差するように、導波管１０の内壁に装着される。また、図示は省略するが、円偏波器１５として、導波管１０の内径を横断する誘電体製の平板とすることもできる。

マイクロ波送信プローブ１１からは、電界分布が一方向を向くマイクロ波（直線波）が発振されるが、この直線波が円偏波器１５を通過する際に電界分布が時計回り、あるいは反時計回りに回転するマイクロ波（回転波）に変換される。そして、アンテナ１４からはこの回転波が送信される。

本発明のマイクロ波送受信器１は上記の如く構成されるが、本発明は更に上記のマイクロ波送受信器１を備える距離計を提供する。図２に模式的に示すように、距離計は、上記のマイクロ波送受信器１と、アンテナ１４と、図示は省略される制御回路とから概略構成される。アンテナ１４には制限がなく、ホーンアンテナやカセグレンアンテナ等を用途に合わせて適宜選択できる。また、制御回路は、マイクロ波送信プローブ１１及びマイクロ波受信プローブ１２の駆動、制御を行う制御部や、マイクロ波送信プローブ１１から送信され、被検出物体２０で反射されたマイクロ波をマイクロ波受信プローブ１２で受信するまでの伝搬時間に基づいて被検出物体２０までの距離を算出する演算部等で構成されており、その具体的な回路構成は公知のものでかまわない。

尚、ＦＭＣＷ方式の距離計については、本出願人による特開２００２−１５６４４７号公報を参照することができる。当該距離計は、制御電圧により発振周波数を可変して出力する電圧制御型発振器と、階段波形電圧を電圧制御型発振器に供給して電圧制御型発振器からの出力周波数を測定する周波数測定手段と、周波数測定手段で得られた階段波形電圧の各電圧に対応する測定周波数からスイープ速度を一定化するための印加電圧を算出し、この印加電圧を所定間隔で電圧制御型発振器に供給する制御手段とを具備するスイープ発振装置を備えており、被検出物体２０からの反射波と、電圧制御型発振器からの送信波の周波数とを混合してビート信号を生成し、このビート信号に基づいて被検出物体２０との間の距離を算出する構成となっている。このような構成により、被検出物体以外からの不要反射波を排除してより正確な距離検出が可能になる。

上記距離計において、マイクロ波送受信器１のマイクロ波送信プローブ１１から直線波Ｗ１が発振される。この直線波Ｗ１は、電界分布がマイクロ波送信プローブ１１の配置方向に一致（ここでは図中左右方向）しており、棒状短絡体１３及びマイクロ波受信プローブ１２と直交するため、棒状短絡体１３及びマイクロ波受信プローブ１２で反射されることなくそのままの電界分布を維持して導波管１０を伝搬する。そして、この直線波Ｗ１は、円偏波器１５を通過する際に、電界分布がある方向に回転（ここでは時計回り）する回転波Ｗ２に変換され、回転波Ｗ２がアンテナ１４から被検出物体２０に向けて送信される。

回転波Ｗ２は反射により電界分布の回転方向が反転する性質があり、被検出物体２０で反射された回転波Ｗ３は、図中反時計回りに回転する電界分布を持つようになる。そして、回転波Ｗ３はアンテナ１４で捕獲されると、電界分布の回転方向を維持したまま導波管１０を伝搬し、円偏波器１５を通過する際に直線波Ｗ４に変換される。この直線波Ｗ４は、電界分布の向きがマイクロ波送信プローブ１１から発振された直線波Ｗ１の電界分布と直交しており（図中上下方向）、即ちマイクロ波受信プローブ１２と平行であるため、マイクロ波受信プローブ１２で検波される。

ここで、マイクロ波送信プローブ１１から発振される直線波Ｗ１は、マイクロ波受信プローブ１２の配置方向（ここでは図中上下方向）に一致する成分も多少含まれている。この成分は、棒状短絡体１３で短絡され消滅するため、被検出物体２０で反射され円偏波器１５を通過した直線波Ｗ４と混合してマイクロ波受信プローブ１２で受信されることはない。

このように、本発明のマイクロ波送受信器１はマイクロ波送信プローブ１１とマイクロ波受信プローブ１２との間のアイソレーションを高くとることができ、これを組み込んだ距離計も高精度で、信頼性の高いものとなる。

尚、ＦＭＣＷ方式の距離計としたきに、マイクロ波送受信器１の導波管１０の断面形状を正方形とすることにより、使用するマイクロ波の振り幅を拡げることができるため、検出精度がより高まり好ましい。

また、上記では、マイクロ波送受信器１を、アンテナ１４に遠い順に、マイクロ波送信プローブ１１、棒状短絡体１３及びマイクロ波受信プローブ１２を配設して構成したが、交差の状態はそのままで、マイクロ波受信プローブ１２、棒状短絡体１３及びマイクロ波送信プローブ１１の順に配置してもよい。

ところで、本発明の距離計は溶鉱炉やコークス炉、焼却炉等に好適に使用されるが、これらの炉内には各種の粉状物が浮遊しており、粉状物がアンテナ１４を通じてマイクロ波送受信器１の導波管１０に入り込み、マイクロ波の送受信に悪影響を及ぼすことがある。そのため、導波管１０に空気を導入して内部を浄化（エアーパージ）することが有効であるが、導波管１０の周壁から空気を導入すると導波管内で複雑な気流が発生して粉状物を効果的に排出できない。

そこで、図３に示すように、導波管１０の端面を開口して空気導入口１０Ａとし、この空気導入口１０Ａから空気を導入する。導入空気は、導波管１０の内部で直線状の気流を形成するため、粉状物を確実に排出できるようになる。

その一方で、空気導入口１０Ａとマイクロ波送信プローブ１１との間に同様の棒状短絡体１３Ａを配設し、この棒状短絡体１３Ａによりマイクロ波送信プローブ１１から発振される直線波をアンテナ側に反射する。

このような構成とすることで、マイクロ波の送受信に何ら影響を与えることなく、エアーパージによる浄化を良好に行うことが可能になる。

尚、図示は省略するが、棒状短絡体１３Ａに代えて、棒状短絡体１３Ａを２本、十字状に交差させた十字型短絡体を用いてもよい。また、空気導入口１０Ａを塞ぐように金属のメッシュ板を付設してもよい。

本発明のマイクロ波送受信器を示す一部破断斜視図である。 本発明の距離計並びにマイクロ波の各位置における電界分布を示す模式図である。 本発明のマイクロ波送受信器の他の例を示す一部破断斜視図である。

符号の説明

１ マイクロ波送受信器
１０ 導波管
１０Ａ 空気導入口
１１ マイクロ波送信プローブ
１２ マイクロ波受信プローブ
１３ 棒状短絡体
１３Ａ 棒状短絡体
１４ アンテナ
１５ 円偏波器
２０ 被検出物体

Claims (5)

1. 導波管内に、マイクロ波の進行方向に沿ってマイクロ波送信プローブとマイクロ波受信プローブとを所定距離離間して直交配置し、かつ、アンテナの前に円偏波器を付設してなることを特徴とするマイクロ波送受信器。
2. 導電性材料からなり、前記導波管の内径を横断する棒状短絡体を、前記マイクロ波送信プローブと前記マイクロ波受信プローブとの間に、前記マイクロ波受信プローブと平行に挿入したことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波送受信器。
3. 前記導波管の前記アンテナとは反対側の端面を開口して該導波管内をエアーパージするための空気導入口を形成するとともに、前記空気導入口と前記マイクロ波送信プローブとの間に、マイクロ波送信プローブと平行に前記導波管の内径を横断する導電性材料からなる棒状短絡体、または導電性材料からなり、前記導波管の内径を横断する２本の棒状短絡体からなる十字型短絡体、または導電性材料からなるメッシュ板を配設したことを特徴とする請求項１または２記載のマイクロ波送受信器。
4. 前記導波管の少なくとも１部の断面が正方形であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のマイクロ波送受信器。
5. マイクロ波を被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体からの反射マイクロ波を受信して前記被検出物体までの距離を計測する距離計であって、
   請求項１〜４の何れか１項に記載のマイクロ波送受信器とを備え、一方向に回転する電界分布を有するマイクロ波回転波を前記アンテナから送信し、前記被検出物体で反射され、電界分布の回転方向が反転したマイクロ波回転波を受信すること特徴とする距離計。

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