JP2022135725A - 距離計における距離信号の処理方法、物体検出装置及び高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】走査の際の掃引における距離信号の遅れを補正し、被検出物体までの距離をより実際に即して計測する。【解決手段】検出波を被検出物体に向けて送信し、被検出物体で反射された検出波を受信して被検出物体までの距離を計測する物体検出方法において、距離信号を処理する方法であって、検出波を送受信してから距離信号が出力されるまでの時間差をΔｔとするとき、それぞれの距離信号について、距離信号が出力された時の時間から、時間差Δｔを差し引いた時における距離信号として採用する時間補正を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、検出波を被検出物体に送信し、被検出物体で反射された検出波を受信し、ＦＭＣＷ方式にて被検出物体までの距離を計測する際の距離信号の処理方法、前記の距離信号の処理機能を備える物体検出装置、及び高炉の操業方法に関する。

検出波を被検出物体に送信し、被検出物体で反射された検出波を受信して被検出物体までの距離を計測する物体検出装置が広く用いられている。

この物体検出装置は、例えば、高炉の炉内に供給された鉄鉱石やコークス、石灰（以下、まとめて「装入物」ともいう。）の表面プロフィールを検出し、装入物の表面プロフィールを基に装入物を補給して安定な操業を行うために使用されている。高炉では、装入物の堆積状態を適正にして、炉内のガスの流れを安定させることにより、燃料費低減や高炉の長寿命化が可能となる。適正な堆積状態を得るためには、これら装入物の表面プロフィールを短時間で正確に測定し、予め求めておいた理論的な堆積状態、即ち「理論堆積プロフィール」となるように装入物を補給する必要がある。炉内は高温で、水蒸気や装入物の一部が浮遊していることから、検出波としてマイクロ波やミリ波が好適である。

このような高炉の装入物の表面プロフィールを検出するために、本出願人も先に特許文献１や特許文献２に示す物体検出装置等を提案している。何れの物体検出装置も、検出波を反射板にて高炉の内部へと送信する構成にするとともに、反射板の反射面の高炉側への傾斜角度を可変にするとともに、特許文献１の物体検出装置では反射板を設置した回転板、特許文献２では反射板を設置したガイドパイプをその軸線を中心にして周方向に回動可能にし、反射板の傾斜角度及び回転板やガイドパイプの回動角度を制御することにより、装入物の表面を線状または面状に走査し、その反射検出波を受信して装入物の表面プロフィールを線状または面状に検出している。

国際公開第２０２０／２４１００８号 特許第５３９１４５８号公報

ＦＭＣＷ方式では、走査の際に、時間とともに直線状に周波数が連続的に増加する掃引信号をアンテナから送信し、この掃引信号と、被検出物体によって反射された受信信号とをミキシングして得られたビート信号を基にして距離測定を行う。受信信号は、掃引信号に対して被検出物体との距離に対応した往復伝搬時間だけ遅延して受信されるため、ビート信号の周波数は遅延時間、すなわち被検出物体との距離によって定まる。時間信号であるビート信号をＦＦＴ処理することにより、アンテナと被検出物体との距離を算出することができる。

しかしながら、ＦＭＣＷ方式では、掃引後にＦＦＴ処理して距離信号が出力される。具体的には、図１（ａ）に示すように、掃引Ｓ１において、掃引開始ｔ０から掃引周波数ｆ１になった時間をｔ１とすると、図１（ｂ）に示すように、ｔ１での掃引周波数ｆ１に対応する距離信号Ｙ１は、掃引開始ｔ０から時間ｔ２経過後に出現する。その後、次回の掃引（Ｓ２、Ｓ３・・・）が行われる。この時間差Δｔ（＝ｔ２－ｔ１）は、ＦＦＴ処理に要する時間であり、演算装置にもよるが、通常は２～５ｍｓｅｃ（ミリ秒）程度かっている。

走査は繰り返し行われ、例えば特許文献１，２に示す物体検出装置では、走査様式に応じて、反射板の傾斜角度を変えて走査したり、ガイドパイプや回転板を所定角度で回動させて走査しており、反射板の傾斜と、ガイドパイプや回転板の回動の両方を同時に制御して走査することもあり、上記した距離信号の時間差が積み重なっていく。その結果、得られた装入物の表面プロフィールに乱れが生じて、正確な表面プロフィールが得られない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ＦＭＣＷ方式における走査の際の距離信号の遅れを補正し、被検出物体までの距離をより実際に即して計測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は、下記のＦＭＣＷ方式による距離測定方法における距離信号の処理方法及び物体検出装置、並びに高炉の操業方法を提供する。
（１）検出波を被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体で反射された前記検出波を受信して前記被検出物体までの距離を計測する物体検出方法において、距離信号を処理する方法であって、
前記検出波を送受信してから前記距離信号が出力されるまでの時間差をΔｔとするとき、
それぞれの前記距離信号について、距離信号が出力された時の時間から、前記時間差Δｔを差し引いた時における距離信号として採用する時間補正を行うことを特徴とする距離信号の処理方法。
（２）検出波を被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体の表面を線状または面状に走査し、前記被検出物体で反射された前記検出波を受信して前記被検出物体までの距離を計測する物体検出装置において、
前記検出波を送受信してから前記距離信号が出力されるまでの時間差をΔｔとするとき、
それぞれの前記距離信号について、距離信号が出力された時の時間から、前記時間差Δｔを差し引いた時における距離信号として採用する時間補正機能を備えることを特徴とする物体検出装置。
（３）前記被検出物体が、高炉に供給され、炉内に堆積した装入物であることを特徴とする上記（２）記載の物体検出装置。
（４）上記（３）記載の物体検出装置を用いて、前記装入物の供給を制御して操業することを特徴とする高炉の操業方法。

本発明によれば、ＦＭＣＷ方式における距離信号の遅延を補正して、被検出物体までの距離をより実際の走査時間に即して計測することができる。また、高炉の装入物の表面プロフィールを検出する物体検出装置に適用して、装入物の供給を制御することにより、より良好に高炉を操業することができる。

図１は、掃引時間と距離信号の出現時間との関係を示す図であり、本発明の時間補正を説明するための図である。尚、同図の（ａ）は掃引周波数、（ｂ）はある掃引周波数ｆ１になった時間と、ｆ１に対応する距離信号が出力された時間との関係を示す図である。 図２は、物体検出装置の一例を示す概略図である。 図３は、図２に示す物体検出装置のＸ方向の走査を制御するエンコーダ（１２６）の出力信号を示す図である。 図４は、図２に示す物体検出装置のＹ方向の走査を制御するエンコーダ（１５０）の出力信号を示す図である。 図５は、エンコーダの周辺を示す構成図である。 図６は、時間補正がない場合における、断面プロフィールを示す図である。 図７は、時間補正がある場合における、断面プロフィールを示す図である。 図８は、装入物の表面を走査するときの検出波の送受信を示す模式図であり、時間補正がある場合と、時間補正がない場合とで得られる距離信号の違いを説明するための図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、ＦＭＣＷ方式では、掃引時間軸上で、掃引開始ｔ０から掃引周波数ｆ１になった時間ｔ１と、ｆ１に対応する距離信号Ｙ１が出力された時間ｔ２との間に、（ｔ２－ｔ１）の時間差Δｔがある。

そこで本発明では、各掃引時に出力される距離信号を、時間差Δｔだけ差し引いた時間における距離信号として採用する。図１を参照すると、次回の走査Ｓ２において、先の掃引Ｓ１と同じ掃引周波数ｆ１になった時間をｔ３とすると、ｔ３における距離信号Ｙ２が時間ｔ４に出力される。そのため、ｔ４から時間差Δｔを差し引いた時間に出現した距離信号を、実際にはｔ３における距離出力であるとして採用する。

このように、時間差Δｔの時間補正を行うことにより、走査時間に即した距離信号が得られる。

尚、時間差Δｔは、物体検出装置毎に同一であり、任意に設定できるが、一般的なＦＦＴ処理に要する時間は２～５ｍｓｅｃ程度であることから、この時間範囲で任意に設定することが好ましい。

このような時間補正は、例えば高炉の装入物の表面プロフィールを検出するための物体検出装置に適用することができる。以下、特許文献１に示されている物体検出装置を例にして説明する。装置の詳細は特許文献１を参照でき、ここでは装置の主要部分を示す。

図２に示すように、物体検出装置１００は、高炉１の炉頂近傍の開口部２に設置される。物体検出装置１００は、符号Ｙで示すように高炉１の開口部２に対して水平に回転する回転板１２０を備える。回転板１２０は、中央部に開口１２１を有する円環状の円板である。回転板１２０には、円筒状の回転軸１１０が取り付けられており、その内部にアンテナ１３５を収容しており、回転板１２０の開口１２１と同心状に取り付けられる。

アンテナ１３５は、導波管１３３を介して検出波Ｍの送受信手段１３０に接続している。導波管１３３は、送受信手段１３０側の上端部分に分離部分１８０があり、送受信手段１３０が回転しない構成となっている。また、導波管１３３は、回転軸１１０の軸線と一致している。尚、アンテナ１３５には、検出波Ｍの指向性を高めるために、誘電体レンズ１３６を付設してもよい。

回転軸１１０の外周面にはギア１１２が設けられており、ギア１１２には、モータ１１３のギア１５５が噛合している。従って、モータ１１３を駆動させることにより、回転軸１１０が図中の符号Ｙで示すように回動し、それに伴って回転板１２０が、回転軸１１０と同方向に、高炉１の開口部２に対して水平に回転する。

回転板１２０の下方の、高炉１の開口部２との間の空間には、炉内に検出波Ｍを送信し、受信するための角度固定反射板１３８と、角度可変反射板１４０とが配設されている。

角度固定反射板１３８は、その反射面の傾斜角度が４５°に固定されている反射板であり、第１の角度固定反射板１３８Ａ、第２の角度固定反射板１３８Ｂ、第３の角度固定反射板１３８Ｃで構成されている。第１の角度固定反射板１３８Ａは、回転板１２０の開口１２１を通じてアンテナ１３５のアンテナ面と対向している。第２の角度固定反射板１３８Ｂは、第１の角度固定反射板１３８Ａと対向配置しており、第２の角度固定反射板１３８Ｂとは第３の角度固定反射板１３８Ｃが対向配置している。そのため、図中の一点鎖線で示すように、アンテナ１３５から送信された検出波Ｍは、第１の角度固定反射板１３８Ａで反射されて第２の角度固定反射板１３８Ｂに送られ、第２の角度固定反射板１３８Ｂで反射された後、第３の角度固定反射板１３８Ｃに送られる。そして、第３の角度固定反射板１３８Ｃで反射されて、角度可変反射板１４０に送られる。

これら第１の角度固定反射板１３８Ａ、第２の角度固定反射板１３８Ｂ及び第３の角度固定反射板１３８Ｃは、回転板１２０から高炉１の開口部２に向かって垂下する固定部材（図示せず）に取り付けられる。あるいは、回転板１２０から高炉１の開口部２に向かって延び、回転板１２０の周縁に取り付けられる側壁１７０に、第１の角度固定反射板１３８Ａ、第２の角度固定反射板１３８Ｂ及び第３の角度固定反射板１３８Ｃが取り付けられる。

尚、検出波Ｍとしては、炉内が高温で、粉塵や水蒸気が存在していることからマイクロ波やミリ波が用いられる。

角度可変反射板１４０は、反射面１４０ａの傾斜角度が図中の符号Ｘで示す方向に可変する反射板である。この角度可変反射板１４０では、反射面１４０ａとは反対側の面（裏面）の中心に、リンク機構１１７の第１リンク１１７ａが固定されており、第１リンク１１７ａには第２リンク１１７ｂが連結している。また、第２リンク１１７ｂには、回転軸１１０の開口１２１を通じて回転軸１１０の内部を貫通する連結棒１１４が連結しており、連結棒１１４の第２リンク１１７ｂとは反対側の端部にラックギア１１８が形成されている。

連結棒１１４は、アンテナ１３５と送受信手段１３０とを接続する導波管１３３を内嵌とする外管部１１４ａを有し、外管部１１４ａの外周面にラックギア１１８が形成されている。このラックギア１１８には、モータ１２５のギア１１９が噛合しており、モータ１２５を駆動することによりギア１１９が回転し、ラックギア１１８で直線運動に変換される。ここで、モータ１２５には、エンコーダ１２６が接続しており、モータ１２５の回転量、更にはギア１１９の回転量が検出される。

また、連結棒１１４は、回転軸１１０の内部で、アンテナ１３５を避けるように回転板１２０に向かって延びる中間部１１４ｂを有している。外管部１１４ａの回転軸１１０側の端部は外方に屈曲しており、この屈曲部分に中間部１１４ｂが連続している。中間部１１４ｂは、回転板１２０の開口１２１を通じて高炉１の開口部２に延びる下端部１１４ｃを有している。この下端部１１４ｃが、リンク機構１１７の第２リンク１１７ｂに連結している。

連結棒１１４はこのように構成され、モータ１２５の回転がギア１１９を通じてラックギア１１８により直線運動に変換され、図中に符号Ｈで示すように、連結棒１１４が角度可変反射板１４０の側、あるいは反対側へと直線状に移動する。

そして、連結棒１１４が角度可変反射板１４０の側へと移動（図中の下降）すると、リンク機構１１７を介して角度可変反射板１４０の反射面１４０ａが高炉１の内壁を向くように傾斜し、連結棒１１４が角度可変反射板１４０とは反対側へと移動（図中の上昇）すると、リンク機構１１７を介して角度可変反射板１４０の反射面１４０ａが高炉１の軸線を向くように傾斜する。即ち、連結棒１１４の下降及び上昇により、角度可変反射板１４０の反射面１４０ａの傾斜を、図中の符号Ｘ方向に変えることができる。

それに伴って、角度固定反射板１３８の第３の角度固定反射板１３８Ｃから角度可変反射板１４０に送られた検出波Ｍは、符号Ｚで示すように図中左右方向に振られ、回転板１２０の径方向に沿った線状となって炉内に送られる。

検出波Ｍは、炉内に堆積している装入物の表面で反射され、送信時と同経路を辿って送受信手段１３０で受信される。送受信はＦＭＣＷ方式で行われ、送受信手段１３０に接続するアンテナ１３５から送信された検出波Ｍは、角度固定反射板１３８Ａ～１３８Ｃで反射されて角度可変反射板１４０に送られ、角度可変反射板１４０から所定の角度で送信された検出波Ｍ（送信波）は、高炉１の開口部２を通じて炉内へと送られた後、装入物の表面で反射され、その反射波が逆の経路（角度可変反射板１４０→角度固定反射板１３８Ｃ～１３８Ａ→アンテナ１３５→送受信手段１３０）を辿って送受信手段１３０で検波される。そして、送信波と反射波との周波数差（ビート周波数）から送受信手段１３０と装入物の表面との間の距離情報が得られる。

この線状の検出波Ｍの送受信を、回転軸１１０を中心にして回転板１２０を回転させながら行うことにより、高炉１の炉内全域にわたる円形の走査領域における距離情報が得られる。

このとき、モータ１１３に接続するエンコーダ１５０により、回転板１２０の回転位置に相当する回転軸１１０の回動角度が検出されるため、走査領域における検出波Ｍの位置情報が得られる。また、エンコーダ１２６によるモータ１２５及びギア１１９の回転量から、角度可変反射板１４０の反射面１４０ａの傾斜角度が検出され、回転板１２０の径方向における位置情報が検出される。これら距離情報と位置情報とから、装入物の全面の表面プロフィールが得られる。

上記したように、Ｘ方向の走査はエンコーダ１２６により、Ｙ方向の走査はエンコーダ１５０により制御され、Ｘ方向の位置はエンコーダ１２６により出力され、Ｙ方向の位置はエンコーダ１５０により出力される。そして、Ｘ方向の位置情報として、図３に示すように、時間（ｔ１、ｔ２・・・ｔｎ・・・）に対応して、エンコーダ１２６のカウンタの係数値（ｘ１、ｘ２・・・ｘｎ・・・）が出力される。同様に、Ｙ方向の位置情報として、図４に示すように、時間（ｔ１、ｔ２・・・ｔｎ・・・）に対応して、エンコーダ１５０のカウンタの係数値（ｙ１、ｙ２・・・ｙｎ・・・）が出力される。

但し、エンコーダ１２６及びエンコーダ１５０のカウンタの係数値はともに、時間差Δｔ経過した後の係数値を示している。例えば、図３に示すように、時間ｔ１での本来のカウンタの係数値ｘ３は、時間差Δｔだけ経過した時間ｔ２におけるカウンタの係数値ｘｎとなる。同様に、図４に示すように、エンコーダ１５０の出力信号では、時間ｔ１での本来の距離信号ｙ３は、時間差Δｔだけ経過した時間ｔ２におけるカウンタの係数値ｙｎとなる。そこで、時間差Δｔの時間補正を行い、エンコーダ１２６のカウンタの係数値及びエンコーダ１５０のカウンタの係数値をそれぞれ、時間差Δｔを差し引いた時間における係数値とする。

このような時間補正を行うために、例えば図５に示すエンコーダの周辺構成とする。即ち、エンコーダ１２６には、アップダウンカウンタ２００を介して、リングバッファ２１０が接続している。リングバッファ２１０は複数のバッファ（Ｂ１、Ｂ２・・・Ｂｎ・・・Ｂｚ）が環状に連続したものであり、エンコーダ１２６の回転中は、アップダウンカウンタ２００からの信号が送られ、係数値が各バッファに順次記憶される。そして、リングバッファ２１０において、時間差Δに相当する分だけバッファを過去に戻し、戻したバッファに記憶された情報を出力する。図３に従えば、カウンタの係数値ｘｎを記憶しているバッファＢｎを、係数値ｘ３を記憶しているバッファＢ３に戻し、バッファＢｎの係数値ｘｎをバッファＢ３の係数値として出力する。

リングバッファ２１０からの信号は補正回路２２０に送られるが、この補正回路２２０にはＸ方向の距離信号が別途入力される、そして、補正回路２２０からは、戻したバッファ（例えばＢ３）に記憶されているカウンタの係数値（例えばｘ３）を補正されたＸ方向の距離信号として出力される。

エンコーダ１５０においても同様であり、アップダウンカウンタ３００と、リングバッファ３１０、補正回路３２０とを備えている。そして、同様に時間差Δｔだけ戻したバッファ（例えばＢ３）に記憶されているカウンタの係数値（ｙ３）を補正し、補正されたＹ方向の距離信号が出力される。

このように時間補正されたＸ方向の距離信号ＸとＹ方向の距離信号Ｙとが組み合わされ、実際の堆積状態に即した表面プロフィールが表示装置４００に表示される。

本発明の時間補正による効果を検証するために、高炉の装入物に見立て、平板上に小石をほぼ同じ厚さに敷き詰め、ＦＭＣＷ方式により、線状に走査したときのプロフィールを求めた。検出波は、平板の中心直上から送信している。結果を図６と図７に示すが、図６は時間補正がない場合、図７は時間補正がある場合である。尚、時間補正は、時間差Δを４．３ｍｓｅｃに設定して行っている。

図６に示すプロフィールでは、全体的に高低差が大きく現れており、高低差は平板の外側（図の左右両側）に向かうにつれて大きくなっている。これに対して図７に示すプロフィールでは、大きな高低差が見られず、全体的になだらかな曲線を呈している。

図８は、高炉１の装入物１０の表面を、物体検出装置２０からの検出波Ｍで走査するときの検出波（ここでは「符号ｄ、ｒ、ｅ」で示す。）の送受信を示す模式図である。検出波は、装入物３０の表面に対して、斜め上方から送信され、反射板４０の傾斜角度を矢印Ｘで示すように変えることにより、高炉１の直径に沿って、図中の左右方向に線状に走査するものとする。また、装入物３０は、石炭やコークスの粒体であり、表面に存在する装入物３０を球状に示している。

ここで、位置Ｒにある装入物について、その距離信号を求めると、検出波は、線ｒに沿って送信され、その反射波が受信されなければならない。しかし、実際には時間差Δｔだけ遅れて位置Ｒの距離信号が得られる。例えば、図中の左側に向かって走査する場合は、反射板４０の傾斜角度は、線ｒに対応するθｒから、時間差Δに対応してθｄまで変化（増加）している。反射板４０の傾斜角度をθｄとしたときの検出波は線ｄとなるが、線ｒの位置Ｒまでの距離をＬとすると、線ｄの距離Ｌに相当する位置はＲであり、装入物１０の高さがあたかも位置Ｄにあるように検出される。即ち、反射板４０の傾斜角がθｒのときの装入物１０の高さは、実際の位置Ｒよりも高い位置Ｄであると検出される。

逆に図中の右側に向かって走査する場合は、反射板４０の傾斜角度は、線ｒに対応するθｒから、時間差Δに対応してθｅまで変化（減少）している。反射板４０の傾斜角度をθ ｅとしたときの検出波は線ｅとなるが、線ｅの距離Ｌに相当する位置はＥであり、装入物１０の高さがあたかも位置Ｅにあるように検出される。即ち、反射板４０の傾斜角がθｒのときの装入物１０の高さは、実際の位置Ｒよりも低い位置Ｅであると検出される。

これに対して時間補正を行った場合は、線ｄと線ｅの代わりに、線ｒで測定した結果になるため、位置Ｒにおける装入物１０の高さが、そのまま計測される。

そのため、時間補正がない場合は、図６に示すように大きな高低差のある凹凸のプロフィールとなり、時間補正すると図７に示すように公高低差のないなだらかなプロフィールとなる。

１ 高炉
２ 開口部
１００ 物体検出装置
１１４ 連結棒
１１７ リンク機構
１２０ 回転板
１２６ エンコーダ（Ｘ方向）
１３０ 送受信手段
１３５ アンテナ
１３８、１３８Ａ、１３８Ｂ、１３８Ｃ 角度固定反射板
１４０ 角度可変反射板
１５０ エンコーダ（Ｙ方向）
２００、３００ アップダウンカウンタ
２１０、３１０ リングバッファ
２２０、３２０ 補正回路
４００ 表面プロフィール表示装置

Claims (4)

1. 検出波を被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体で反射された前記検出波を受信して前記被検出物体までの距離を計測する物体検出方法において、距離信号を処理する方法であって、
   前記検出波を送受信してから前記距離信号が出力されるまでの時間差をΔｔとするとき、
   それぞれの前記距離信号について、距離信号が出力された時の時間から、前記時間差Δｔを差し引いた時における距離信号として採用する時間補正を行うことを特徴とする距離信号の処理方法。
2. 検出波を被検出物体に向けて送信し、前記被検出物体の表面を線状または面状に走査し、前記被検出物体で反射された前記検出波を受信して前記被検出物体までの距離を計測する物体検出装置において、
   前記検出波を送受信してから前記距離信号が出力されるまでの時間差をΔｔとするとき、
   それぞれの前記距離信号について、距離信号が出力された時の時間から、前記時間差Δｔを差し引いた時における距離信号として採用する時間補正機能を備えることを特徴とする物体検出装置。
3. 前記被検出物体が、高炉に供給され、炉内に堆積した装入物であることを特徴とする請求項２記載の物体検出装置。
4. 請求項３記載の物体検出装置を用いて、前記装入物の供給を制御して操業することを特徴とする高炉の操業方法。

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