JP2022098550A - レベル測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミリ波又はマイクロ波を用いて炉内の内容物のレベルを測定可能なレベル測定装置を提供する。【解決手段】レベル測定装置２は、炉に取り付けられるガイド筒１１と、ガイド筒１１の上端部１１ｂ近傍に配置され、ガイド筒１１内にミリ波又はマイクロ波を発射し、炉内の内容物からの反射を利用して内容物のレベルを測定するレーダ１２と、レーダ１２の下又は下方に配置され、ミリ波又はマイクロ波を透過させる保護部材１６と、保護部材１６よりも下方のガイド筒１１内にパージガスを供給するガス供給口１４と、を備える。ガイド筒１１の下端部は開放している。【選択図】図２

Description

本発明は、炉内の内容物のレベルを測定するレベル測定装置及び方法に関する。

灰溶融炉、廃棄物溶融炉等の炉では、安定操業のために、炉内の内容物のレベル（高さ）が管理されている。例えば、灰溶融炉では、内容物として投入した灰のレベルが管理されていて、廃棄物溶融炉では、内容物として投入した廃棄物のレベルが管理されている。

炉内の内容物のレベルを測定する方法として、炉体の重量を測定して間接的に炉内の内容物のレベルを推定する方法が知られている。一方、内容物のレベルを直接的に測定する方法として、炉上部よりワイヤー又はチェーンを下ろす重錘式レベル測定方法（非特許文献１参照）が知られている。重錘式レベル測定方法では、降下中の重錘が内容物に接触すると、ワイヤー又はチェーンの張力が減少する。張力の減少を検出したときのワイヤー又はチェーンの繰り出し長さから内容物のレベルを測定する。

内容物のレベルを直接的に測定する他の方法として、近年、マイクロ波を用いて内容物のレベルを測定する試みがなされている（特許文献１参照）。ここでは、マイクロ波を内容物に向かって発射し、内容物からの反射を利用して内容物のレベルを測定している。

松山 裕，"レベルのお話 第８回 重錘式レベル計とガイド付マイクロ波式レベル計"，［online］，２００３年８月，松山技術コンサルタント，［２０２０年１１月１９日検索］，インターネット<URL:https://www.m-system.co.jp/mstoday1/MSTback/data/2003/08/Level_T.htm> 特開２００４－１９７９８０号公報

しかし、炉体の重量を測定して間接的に内容物のレベルを推定する方法においては、誤差が大きく、炉内に付着物があると測定精度が落ちるという課題がある。

重錘式レベル測定方法においては、高温の炉内でワイヤーやチェーンにダストが付着し、これが原因でワイヤーやチェーンが切れるという課題がある。

マイクロ波を用いて内容物のレベルを測定する方法によれば、上記の課題を解決できる。しかし、この方法においては、炉内のダストがレーダ（ミリ波もしくはマイクロ波を送信するアンテナと、反射波を受信するアンテナを含む）に付着するのを防止するため、レーダをケースに収容し、ケースの下端部にマイクロ波が透過可能なセラミックボードを設けている。炉内のダストがセラミックボードに付着するので、測定が困難になる、という課題がある。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、ミリ波又はマイクロ波を用いて炉内の内容物のレベルを測定可能なレベル測定装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、炉内の内容物のレベルを測定する装置であって、炉に取り付けられるガイド筒と、前記ガイド筒の上端部近傍に配置され、前記ガイド筒内にミリ波又はマイクロ波を発射し、炉内の内容物からの反射を利用して内容物のレベルを測定するレーダと、前記レーダの下又は下方に配置され、ミリ波又はマイクロ波を透過させる保護部材と、前記保護部材よりも下方の前記ガイド筒内にパージガスを供給するガス供給口と、を備え、前記ガイド筒の下端部が開放するレベル測定装置である。

本発明の他の態様は、炉内の内容物のレベルをレベル測定装置によって測定する方法であって、前記レベル測定装置は、炉に取り付けられるガイド筒と、前記ガイド筒の上端部近傍に配置され、前記ガイド筒内にミリ波又はマイクロ波を発射し、炉内の内容物からの反射を利用して内容物のレベルを測定するレーダと、前記レーダの下又は下方に配置され、ミリ波又はマイクロ波を透過させる保護部材と、前記保護部材よりも下方の前記ガイド筒内にパージガスを供給するガス供給口と、を備え、前記ガイド筒の下端部が開放するレベル測定方法である。

本発明によれば、ミリ波又はマイクロ波を用いて炉内の内容物のレベルを測定可能なレベル測定装置及び方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態のレベル測定装置の縦断面図である。 図１のII部拡大図である。 本発明の第２の実施形態のレベル測定装置の縦断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態のレベル測定装置を詳細に説明する。ただし、本発明のレベル測定装置は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
（第１の実施形態）

図１は、本発明の第１の実施形態のレベル測定装置の縦断面図である。１は炉（１ａは炉の鉄皮、１ｂは炉の耐火物）、２はレベル測定装置である。炉１は、例えば灰溶融炉、廃棄物溶融炉等である。灰溶融炉は、焼却炉で発生した灰を溶融する。廃棄物溶融炉は、廃棄物を燃焼及び溶融する。灰溶融炉、廃棄物溶融炉等の炉１は、炉１内の温度が高く、炉１内のダスト濃度が高い。可視光や赤外線を用いて炉１内の内容物Ｗのレベルを測定しようとしても、炉１内の微細な霧状のダストによって可視光や赤外線が散乱してしまい、測定が困難になる。このため、光より波長が長い電磁波であるミリ波又はマイクロ波３を用いて炉１内の内容物Ｗのレベルを測定する。なお、炉１は、灰溶融炉、廃棄物溶融炉に限られることはなく、他の溶融炉でもよい。

レベル測定装置２は、ガイド筒１１と、レーダ１２と、ケース１３と、ガス供給口１４と、を備える。炉１の上部には、取付け座１ｃが取り付けられる。ガイド筒１１の下端部１１ａは、取付け座１ｃの開口１ｃ１に挿入されて、炉１内に連通する。ガイド筒１１は、筒状であり、上下方向を向く。ガイド筒１１は、中空であり、ガイド筒１１の下端部１１ａは開放する。

レーダ１２は、ガイド筒１１の上端部１１ｂ近傍に配置される。レーダ１２は、ガイド筒１１内にミリ波又はマイクロ波３を発射し、炉１内の内容物Ｗからの反射を利用して内容物Ｗのレベルを測定する。

ミリ波は、波長が１ｍｍ～１０ｍｍ（周波数が３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ）の電磁波である。マイクロ波は、波長が１ｃｍ～１０ｃｍ（周波数が３ＧＨｚ～３０ＧＨｚ）の電磁波である。このように、ミリ波又はマイクロ波３の波長は、炉１内のダスト（μｍオーダ）に比べて十分に大きく、炉１内のダストによって散乱されにくいという特徴を持つ。

なお、ミリ波や周波数が２４ＧＨｚ程度の準ミリ波は、周波数が２０ＧＨｚ以下のマイクロ波に比べて、波長が短く、直進性に優れていて、アンテナを例えば直径５０ｍｍ程度に小型化できる、という特徴がある。このため、ミリ波や準ミリ波を用いることが望ましい。もちろん、炉１内の内容物Ｗのレベルを測定できることには変わりがないので、マイクロ波を用いてもよい。

レーダ１２は、パルス方式又はＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式によって内容物Ｗのレベル、すなわちレーダ１２から内容物Ｗの表面までの距離を測定する。パルス方式は、パルス状にした送信波を送信し、内容物Ｗからの反射波が戻ってくるまでの時間を測定する方式である。ＦＭＣＷ方式は、周波数を時間とともに変化させた送信波を送信し、送信波の送信信号と反射波の受信信号を干渉させてＩＦ信号を発生させ、ＩＦ信号の周波数を検知する方式である。ＦＭＣＷ方式のレーダ１２は、シンセサイザ、ＴＸアンテナ（例えばパッチ平面アンテナ１２ａ、図２参照）、ＲＸアンテナ（例えばパッチ平面アンテナ１２ａ、図２参照）、ミキサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）を備える。シンセサイザが送信波を生成し、ＴＸアンテナが送信波を送信する。送信波が炉１内の内容物Ｗにあたり反射すると、ＲＸアンテナが反射波を受信する。ミキサが送信波と反射波を混合し、ＩＦ信号を生成する。ＤＳＰがＩＦ信号を信号処理し、炉１内の内容物Ｗまでの距離に変換する。なお、レーダ１２は、パルス方式、ＦＭＣＷ方式のいずれでもよい。

図２は、図１のII部詳細図である。ガイド筒１１の上端部１１ｂには、ケース１３が取り付けられる。ケース１３には、レーダ１２が収容される。ケース１３の底部１３ｃには、開口１３ｃ１が形成される。レーダ１２は、この開口１３ｃ１内に配置されて、ガイド筒１１内にミリ波又はマイクロ波３を発射する。

ケース１３には、冷却装置１８の下部が収容される。冷却装置１８は、水冷方式又はペルチェ方式の冷却装置である。図２には、水冷方式の冷却装置１８を示す。１８ａは冷却水の入側であり、１８ｂは冷却水の出側である。レーダ１２は、例えば熱伝導ペースト１５を介して冷却装置１８の下面に接着される。

レーダ１２の下には、ミリ波又はマイクロ波３を透過させる保護部材１６が配置される。保護部材１６の材質は、ミリ波又はマイクロ波３を透過させるものであれば、特に限定されるものではなく、例えばガラス、樹脂等である。この実施形態では、保護部材１６は、レーダ１２の下面に接触するように配置される。保護部材１６は、板状であり、ケース１３の底部１３ｃの開口１３ｃ１に嵌められる。ケース１３の内部を密封できるように、ケース１３と保護部材１６との間には、シール１７が設けられる。

ケース１３には、乾燥空気の流入側１３ａと乾燥空気の流出側１３ｂとが設けられる。ケース１３の内部に収容されたレーダ１２を乾燥させるためである。

ガイド筒１１の上端部１１ｂには、保護部材１６よりも下方のガイド筒１１内に窒素ガス等のパージガスを供給するガス供給口１４が設けられる。ガス供給口１４は、ガス供給配管１９に接続される。パージガスの流量は、ガイド筒１１の下端部１１ａにおけるパージガスの圧力が炉１内の圧力を略等しくなるように、又は炉１内の圧力よりも僅かに高くなるように調節される。なお、ガイド筒１１内に上方から下方に向かうガス流れを形成してもよいし、ガイド筒１１内に旋回流を形成してもよい。また、保護部材１６の下面にパージガスを吹きかけるようにしてもよい。

以上に本実施形態のレベル測定装置２の構成を説明した。本実施形態のレベル測定装置２によれば、以下の効果を奏する。

レーダ１２の下に保護部材１６を設けるので、炉１内で火花のように飛散したダストがレーダ１２に付着するのを防止できる。また、ガイド筒１１の下端部１１ａが開放しており、保護部材１６よりも下方のガイド筒１１内にパージガスを供給するので、ガイド筒１１の下端部１１ａにセラミックボードを設けなくても、炉１内のダストがガイド筒１１内に侵入するのを防止することができる。

冷却装置１８がレーダ１２を冷却するので、炉１からのふく射熱によってレーダ１２が高熱になるのを防止できる。

ガイド筒１１の上端部１１ｂに取り付けられるケース１３にレーダ１２を収容するので、ガイド筒１１の上端部１１ｂ近傍にレーダ１２を容易に配置することができる。

ケース１３に乾燥空気の流入側１３ａと乾燥空気の流出側１３ｂを設けるので、ミリ波又はマイクロ波３が水蒸気によって減衰するのを防止でき、内容物Ｗのレベルを高精度に測定することができる。
（第２の実施形態）

図３は、本発明の第２の実施形態のレベル測定装置２１の縦断面図である。１１はガイド筒、１３はケース、１２はレーダ、１８は冷却装置、１６は保護部材、１４はガス供給口である。これらの構成は、第１の実施形態のレベル測定装置２と略同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。

第１の実施形態のレベル測定装置２では、レーダ１２の下に接触するように保護部材１６を配置するのに対し、第２の実施形態のレベル測定装置２１では、レーダ１２の下方に隙間を空けて保護部材１６を配置する。このように、レーダ１２と保護部材１６との間に隙間ｇを設けてもよい。ミリ波又はマイクロ波３は、この隙間ｇを透過可能である。

第２の実施形態のレベル測定装置２１によれば、第１の実施形態のレベル測定装置２と略同一の効果を奏する。

１…炉
２，２１…レベル測定装置
１１…ガイド筒
１１ａ…ガイド筒の下端部
１２…レーダ
１３…ケース
１４…ガス供給口
１６…保護部材
１８…冷却装置
Ｗ…内容物

Claims (5)

1. 炉内の内容物のレベルを測定する装置であって、
   炉に取り付けられるガイド筒と、
   前記ガイド筒の上端部近傍に配置され、前記ガイド筒内にミリ波又はマイクロ波を発射し、炉内の内容物からの反射を利用して内容物のレベルを測定するレーダと、
   前記レーダの下又は下方に配置され、ミリ波又はマイクロ波を透過させる保護部材と、
   前記保護部材よりも下方の前記ガイド筒内にパージガスを供給するガス供給口と、を備え、
   前記ガイド筒の下端部が開放するレベル測定装置。
2. 前記レーダを冷却する冷却装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のレベル測定装置。
3. 前記レーダを前記ガイド筒の上端部に取り付けられるケースに収容することを特徴とする請求項１又は２に記載のレベル測定装置。
4. 前記レーダを乾燥させるために、前記ケースに乾燥空気の流入側と乾燥空気の流出側とを設けることを特徴とする請求項３に記載のレベル測定装置。
5. 炉内の内容物のレベルをレベル測定装置によって測定する方法であって、
   前記レベル測定装置は、
   炉に取り付けられるガイド筒と、
   前記ガイド筒の上端部近傍に配置され、前記ガイド筒内にミリ波又はマイクロ波を発射し、炉内の内容物からの反射を利用して内容物のレベルを測定するレーダと、
   前記レーダの下又は下方に配置され、ミリ波又はマイクロ波を透過させる保護部材と、
   前記保護部材よりも下方の前記ガイド筒内にパージガスを供給するガス供給口と、を備え、
   前記ガイド筒の下端部が開放するレベル測定方法。

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