JP2013117393A - 管内を流れる粉体または流体の濃度または流量の測定方法、並びにそのための測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送信マイクロ波の直接波のみを検出して粉体や流体の濃度や流量を正確に測定する。
【解決手段】管内の直径に沿ってマイクロ波の送受信を行うとともに、送信マイクロ波の送信周波数を掃引し、その一部を受信マイクロ波と混合してビート信号を生成し、ビート信号をフーリエ変換して得た複素スペクトルから、その大きさとマイクロ波の伝搬距離との関係を示す距離スペクトル、およびその初期位相とマイクロ波の伝搬距離との関係を示す位相スペクトルを求め、距離スペクトルにおいて管の内径に対応する位置に現れる特定ピークを選択し、位相スペクトルの中から特定ピーク位置に対応する特定初期位相を求め、予め求めておいた初期位相と濃度関係を示す検量線から、管内の紛体または流体の濃度を求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、管内を流れる粉体または流体の濃度または流量をマイクロ波を用いて測定する方法、並びにそのための測定装置に関する。

高炉設備では、高炉の羽口から微粉炭を吹き込み、鉄鉱石の還元用に使用している。羽口は通常数十程度あり、高炉の安定運転のために、各羽口に接続する微粉炭供給管内を流れる微粉炭の流量の把握と、各パイプへの分配精度の高性能化が求められている。

このような管内を流通する粉体の流量を測定する方法として、例えば図１に示すように管１を挟んでマイクロ波送信器１０とマイクロ波受信器２０とを対向配置し、マイクロ波送信器１０からの送信マイクロ波Ｍをマイクロ波受信器２０に送り、マイクロ波受信器２０で受信し、送信マイクロ波Ｍの位相を測定することが行われている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、管１を流通する粉体により、破線で示す送信マイクロ波Ｍ´のように、伝搬速度が低下して波長が短くなり、位相が変化する。また、位相の変化量は、粉体の流量が増すほど大きくなる。そこで、管内１を粉体が流通していないときの送信マイクロ波の位相と、粉体が流通しているときの送信マイクロ波の位相との変化量とを求めることで粉体の流量を求めることができる。

特開２００２−９０１９７号公報

しかしながら、現実には、図２に示すように、送信マイクロ波は、マイクロ波送信器１０とマイクロ波受信器２０との間で多重反射を起こす。また、管１の内壁に沿って伝播するマイクロ波もあり、このマイクロ波が管１の不連続部（ベンド部や開放部等）による反射を起こすこともある。そのため、マイクロ波受信器２０では、反射をせずにマイクロ波送信器１０からマイクロ波受信器２０に直接入射するマイクロ波（以下「直接波」）と、反射されたマイクロ波（以下「反射波」）との合成波を受信する。

合成波の位相は、直接波の位相とは異なる値となり、紛体の濃度の測定精度を悪化させる。直接波の位相を測定するには反射波を除去する必要があるが、マイクロ波受信器２０で受信された後で除去することは、従来の方法では原理的に不可能である。上記したような反射を低減するように管１に加工を施すことも考えられるが、現実的ではない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、送信マイクロ波の直接波のみを検出して粉体や流体の濃度や流量を正確に測定することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために下記を提供する。
（１）管内を流れる粉体または流体の濃度をマイクロ波により測定する方法であって、
管内の直径に沿ってマイクロ波の送受信を行うとともに、
送信マイクロ波の送信周波数を掃引し、その一部を受信マイクロ波と混合してビート信号を生成し、
ビート信号をフーリエ変換して得た複素スペクトルから、その大きさとマイクロ波の伝搬距離との関係を示す距離スペクトル、およびその初期位相とマイクロ波の伝搬距離との関係を示す位相スペクトルを求め、距離スペクトルにおいて管の内径に対応する位置に現れる特定ピークを選択し、位相スペクトルの中から特定ピーク位置に対応する特定初期位相を求め、
予め求めておいた初期位相と濃度関係を示す検量線から、管内の紛体または流体の濃度を求めることを特徴とする管内の紛体または流体の濃度測定方法。
（２）管内を流れる粉体または流体の流量をマイクロ波により測定する方法であって、
上記（１）に記載の方法で測定した粉体または流体の濃度と、別途測定した粉体または流体の速度との積から流量を求めることを特徴とする管内の粉体または流体の流量測定方法。
（３）管内を流れる粉体または流体の濃度をマイクロ波により測定する装置であって、
管内の直径に沿ってマイクロ波の送受信を行うマイクロ波送受信手段と、
送信マイクロ波の送信周波数を掃引する掃引手段と、
掃引手段から出力される送信マイクロ波の一部と、受信マイクロ波とを混合してビート信号を生成するミキサと、
ビート信号をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、
フーリエ変換して得た複素スペクトルの大きさとマイクロ波の伝搬距離との関係を求め、得られた距離スペクトルを記憶する位置データ記憶手段と、
フーリエ変換して得た複素スペクトルの初期位相とマイクロ波の伝搬距離との関係を求め、得られた位相スペクトルと、位置データ記憶手段の距離スペクトルの中で管の内径に対応する位置に現れる特定ピークの位置とを比較し、特定ピーク位置に対応する特定初期位相を求める位相−位置比較手段と、
予め求めておいた、初期位相と濃度との関係を示す検量データを記憶する検量データ記憶手段とを備え、
位相−位置比較手段で得られた、特定初期位相と、検量データ記憶手段の検量データとを比較して濃度を求めることを特徴とする管内の粉体または流体の濃度測定装置。
（４）管内を流れる粉体または流体の流量をマイクロ波により測定する装置であって、
流速測定手段で測定された流速データを記憶する速度データ記憶手段を備え、
上記（３）に記載の濃度測定装置で得られた濃度と、速度データとの積を求める乗算手段を備えることを特徴とする管内の粉体または流体の流量測定装置。

本発明によれば、送信マイクロ波の直接波のみを検出して、管内を流れる粉体や流体の濃度や流量を正確に測定することができる。

管内を伝播するマイクロ波を模式的に示す断面図である。 管内を伝播するマイクロ波が反射される状態を模式的に示す断面図である。 本発明の装置構成を示す図である。 受信マイクロ波のピークを示す図である。 本発明の装置構成の変更例を示す図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図２に示したように、管１の内部を伝搬するマイクロ波は様々な反射を起こし、直接波と反射波とは、マイクロ波送信器１０からマイクロ波受信器２０までの伝搬距離がそれぞれ異なる。そこで、本発明では、伝搬距離が異なるマイクロ波を分離するために、送信マイクロ波の送信周波数を掃引して受信マイクロ波の伝搬距離に対応するピークを求め、ピークの位相情報を利用する。

送信周波数の掃引は、ＦＭＣＷレーダの原理としてよく知られている。図３は本発明の装置構成を示すブロック図であるが、ＦＭＣＷレーダ部３０において、スイープ信号発生器３１からの掃引信号を周波数可変発振器３２に送り、分配器３３を経てマイクロ波送信器１０から送信マイクロ波を送信する。そして、送信マイクロ波をマイクロ波受信器２０で受信する。受信マイクロ波は、直接波の他に、多重反射や、ベンド部及び開放部での反射等による種々の反射波の合成波である。

受信マイクロ波は、ミキサ３４に送られ、分配器３３からの送信マイクロ波と混合されてビート信号となって出力される。このビート信号の周波数（ビート周波数）ｆ_Ｂ は（１）式で表される。尚、式中のＴは掃引時間、ｆ_ｗは掃引周波数、Ｒは伝搬距離、ｃは伝搬速度である。

このように、伝搬距離Ｒとビート周波数ｆ_Ｂ とは比例関係にあり、様々な伝搬距離を経た複数のマイクロ波がマイクロ波受信器２０に到達すると、ビート信号ｆ_Ｂには、伝播距離Ｒに応じた異なるビート周波数ｆ_Ｂが含まれる。従って、ビート信号を周波数分析すれば、直接波と反射波とを分離することができる。

例えば、ｎ個の受信マイクロ波が存在し、Ｒ_ｋの距離を経てマイクロ波受信器２０で受信されたｋ番目のマイクロ波の振幅をＡ_ｋ、ビート信号のビート周波数をｆ_Ｂｋ、初期位相をΦｋとすると、ビート信号は（２）式で表すことができる。

尚、式中のｆ_Ｂｋは（３）式で表される。

そして、フーリエ変換手段３５により、ビート信号Ｂ（ｔ）をフーリエ変換すれば（４）式で表される複素スペクトルＰ（ｘ） が得られる。尚、式中のｘは距離変数である。

そして、絶対値算出手段３６において、複素スペクトルＰ（ｘ）の絶対値｜Ｐ（ｘ）｜を求める。また、ｘ＞０に限定し、ｓｉｎｃ関数のサイドローブの干渉が十分無視できるとすれば、｜Ｐ（ｘ）｜は（５）式で近似できる。

上記のように処理された距離スペクトル｜Ｐ（ｘ）｜の例を図４に示すが、距離Ｒ_１、Ｒ_２・・・Ｒ_ｋ・・・Ｒ_ｎの位置にピークが現れており、受信マイクロ波を伝搬距離ごとに判別することができる。そして、ピークが現れる距離と｜Ｐ（ｘ）｜との関係が、位置データ記憶手段３７に保存される。

一方で、これらのスペクトルの中から、直接波の伝搬距離に相当するピーク、即ち管１の内径に対応する位置に現れるピーク（特定ピーク）を選ぶ。具体的には、直線波は最短距離でマイクロ波受信器２０に入射するため、図４に示すスペクトルの中で、最も左端に現れるピークを選択する。また、直線波による受信強度が最も大きくなることから、図４に示すスペクトルの左側に現れるピークが複数ある場合は、その中から最大のピークを選択する。あるいは、マイクロ波送信器１０とマイクロ波受信器２０とを対向配置した位置の管１の内径は概ね分かっているため、その位置、あるいはその位置に最も近いピークを選択してもよい。

そして、この特定ピークの位置をＲ_ｄ とすると、ｘ＝Ｒ_ｄにおいて（６）式または（７）式となることから、

ｘ＝Ｒ_ｄ＝Ｒ_ｋにおける複素スペクトルは、これらを（４）式 に代入して（８）式となる。

よって、ｘ＝Ｒ_ｄ＝Ｒ_ｋにおける複素スペクトルの偏角は（９）式となり、直接波の初期位相だけを取り出すことができる。

このような直接波の初期位相の取り出しは、先ず、ＦＭＣＷレーダ部３０のフーリエ変換手段３５から出力される複素スペクトルを、位相検出部４０の位相算出手段４１に送り、複素スペクトルの偏角、即ち位相スペクトルを算出する。そして、算出した位相スペクトルを位相−位置比較手段４２に送り、ＦＭＣＷレーダ部３０の位置データ記憶手段３７が保存している位置データと対応付け、管１の内径に相当する位置データに対応する位相（特定初期位相）を求める。あるいは、図示しないが、管１の内径に相当する位置に対応する複素スペクトル値を選択した後にその偏角を求めてもよい。

また、距離Ｒ_ｋに相当するビート信号の初期位相Φ_kは（１０）式で表現される。

尚、式中のｆ_０は掃引の中心周波数、ｆ_ｋは定数である。また、伝搬速度ｃは、媒質の誘電率と透磁率で決まり、空気中でのマイクロ波の伝搬速度ｃ_０は誘電率ε_０と透磁率μ_０により（１１）式で求められる。

空気中を伝搬するマイクロ波の初期位相をΦ_ｋ０とすれば、（１１）式にｃ＝ｃ_０を代入して（１２）式となる。

これに対し、空気中に紛体や他の流体が含まれると誘電率が変化し、これをεとすると、（１３）式となる。

尚、式中のε_ｒは比誘電率（空気中の誘電率に対する比）であり、空気中に含まれる紛体や他の流体の種類及び濃度により変化する。このとき、伝搬速度ｃは（１４）式で表される。

ここで、空気中に紛体や他の流体が含まれるときの初期位相をΦ_ｋ´とすれば、（１０）式に（１４）式を代入して（１５）式が得られる。

そして、空気中に何も含まれないときの初期位相Φ_ｋ０を予め求めておき、空気中に紛体や他の流体が含まれる場合の初期位相Φ_ｋ ^´との差ΔΦ_ｋを求めると（１６）式となる。（１６）式に示されるように、ΔΦ_ｋは比誘電率、すなわち濃度と相関を持つ値である。

ΔΦ_ｋから実際の濃度を求めるには、紛体や流体ごとに作成した濃度と初期位相との関係を示す検量線と比較する。
即ち、既知の粉体や流体の種類及び濃度に対して特定初期位相を予め求め、この濃度対初期位相の関係を検量データとして保存しておき（検量データ記憶手段５０）、測定して得られた特定初期位相と、検量データとを比較すればよい（検量線比較手段６０）。

また、図示は省略するが、上記で得られた粉体や流体の濃度に、既知の方法で別途測定した流速を乗じることにより粉体や流体の流量を算出することもできる。尚、流速測定手段は、例えば、管１の出口近傍に設置して、管１から排出されるキャリアガスの流速を測定して得られる。そして、測定された流速データと、測定した濃度データとを乗算手段に送り、それらの積を算出する。

尚、上記はマイクロ波送信器１０とマイクロ波受信器２０とを管１を挟んで対向配置した場合を示したが、図５に示すように、マイクロ波送受信器７０を管１の一方の側に配置し、マイクロ波を管内で往復させて送受信を行うこともできる。但し、この場合、図４に示すようなスペクトルが、対向配置したときの２倍の距離に現れるため、２倍の距離に現れるピークを特定距離スペクトルとし、上記と同様の処理を行う。

また、本発明において粉体や流体の種類には制限はなく、例えば粉体として高炉で使用される微粉炭を挙げることができる。流体も気体に限らず、液体であってもよい。尚、管１は、断面が円形の他、断面が角形のものも含む。

１ 管
１０ マイクロ波送信器
２０ マイクロ波受信器
３０ ＦＭＣＷレーダ部
３１ スイープ信号発生器
３２ 周波数可変発振器
３３ 分配器
３４ ミキサ
３５ フーリエ変換手段
３６ 絶対値算出手段
３７ 位置データ記憶手段
４０ 位相検出部
４１ 位相算出手段
４２ 位相−位置比較手段
５０ 検量データ記憶手段
６０ 検量線比較手段

Claims (4)

1. 管内を流れる粉体または流体の濃度をマイクロ波により測定する方法であって、
   管内の直径に沿ってマイクロ波の送受信を行うとともに、
   送信マイクロ波の送信周波数を掃引し、その一部を受信マイクロ波と混合してビート信号を生成し、
   ビート信号をフーリエ変換して得た複素スペクトルから、その大きさとマイクロ波の伝搬距離との関係を示す距離スペクトル、およびその初期位相とマイクロ波の伝搬距離との関係を示す位相スペクトルを求め、距離スペクトルにおいて管の内径に対応する位置に現れる特定ピークを選択し、位相スペクトルの中から特定ピーク位置に対応する特定初期位相を求め、
   予め求めておいた初期位相と濃度関係を示す検量線から、管内の紛体または流体の濃度を求めることを特徴とする管内の紛体または流体の濃度測定方法。
2. 管内を流れる粉体または流体の流量をマイクロ波により測定する方法であって、
   請求項１に記載の方法で測定した粉体または流体の濃度と、別途測定した粉体または流体の速度との積から流量を求めることを特徴とする管内の粉体または流体の流量測定方法。
3. 管内を流れる粉体または流体の濃度をマイクロ波により測定する装置であって、
   管内の直径に沿ってマイクロ波の送受信を行うマイクロ波送受信手段と、
   送信マイクロ波の送信周波数を掃引する掃引手段と、
   掃引手段から出力される送信マイクロ波の一部と、受信マイクロ波とを混合してビート信号を生成するミキサと、
   ビート信号をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、
   フーリエ変換して得た複素スペクトルの大きさとマイクロ波の伝搬距離との関係を求め、得られた距離スペクトルを記憶する位置データ記憶手段と、
   フーリエ変換して得た複素スペクトルの初期位相とマイクロ波の伝搬距離との関係を求め、得られた位相スペクトルと、位置データ記憶手段の距離スペクトルの中で管の内径に対応する位置に現れる特定ピークの位置とを比較し、特定ピーク位置に対応する特定初期位相を求める位相−位置比較手段と、
   予め求めておいた、初期位相と濃度との関係を示す検量データを記憶する検量データ記憶手段とを備え、
   位相−位置比較手段で得られた、特定初期位相と、検量データ記憶手段の検量データとを比較して濃度を求めることを特徴とする管内の粉体または流体の濃度測定装置。
4. 管内を流れる粉体または流体の流量をマイクロ波により測定する装置であって、
   流速測定手段で測定された流速データを記憶する速度データ記憶手段を備え、
   請求項３に記載の濃度測定装置で得られた濃度と、速度データとの積を求める乗算手段を備えることを特徴とする管内の粉体または流体の流量測定装置。

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