JP4396841B2 - レースウェイ深度の測定方法と測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、竪型炉下部で周方向に設けられた羽口近傍に形成されるレースウェイの深度の測定方法と、測定装置に関するものである。

竪型炉、例えば、高炉は、その上部から鉄鉱石および還元剤であるコークス等を装入し、下部から熱風を吹込んで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造するものである。高炉内で半径方向に適正なガス流速分布が得られるように炉内装入物の粒度を調整し、送風条件を適切に制御することで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応が効率よく進行し、低燃料比で効率よく操業可能となる。
高炉下部の側壁には、周方向に複数の開口すなわち羽口が形成されており、この羽口を介して、熱風炉、熱風管、熱風環状管、熱風支管を経由してきた熱風（蒸気を含んだ空気）を吹き込むようになっている。さらに、この羽口からは、還元剤として作用する微粉炭を吹き込むようにしている。

高炉内で羽口前には、羽口からの送風によって、いわゆる「レースウェイ」と呼ばれるコークスが著しく疎な状態で存在する空洞部分が形成されている。この羽口近傍のレースウェイでは高炉に装入されたコークスの大部分と羽口から噴射された微粉炭とが燃焼しており、炉内で必要な還元ガスと鉄鉱石等の溶解および反応に必要な熱の大部分がこの部分から供給されている。レースウェイの大きさおよび形状は、高炉の状況や生産性に対して極めて重大な影響を与えると考えられている。
しかしながら、操業中において、レースウェイの大きさや形状を正確に把握することは困難であるため、従来より、高炉径方向でレースウェイ最深部と羽口との間の距離をレースウェイ深度とし、レースウェイの大きさや形状を代表する値として取り扱ってきている。

レースウェイ深度を測定する方法としては、レースウェイ内が高温で、しかも溶銑の流下などにより局所的に大きな熱負荷状態が出現するので、この部分にプローブを挿入することは極めて困難であり、遠隔で計測する技術が開発されてきた。
例えば、特許文献１には、羽口に差し込まれているブローパイプの後端に設けられた羽口メガネを介して、周波数変調したマイクロ波を連続的に送信すると共に、レースウェイ最深部からの反射波を連続的に受信し、両者の時間的ずれからレースウェイ深度を計測する技術が開示されている。
特開２００２−２４３８４５号公報（第４頁〜第５頁、図１）

しかしながら、特許文献１の技術を実際の高炉に適用した場合、前記羽口メガネはその直径が数センチと小さく、さらに、前記ブローパイプには、熱風管と連結する開口部や微粉炭を吹き込むパイプ（ランス）があるため、送信されたマイクロ波は、ブローパイプの内側壁や熱風管開口、微粉炭ランス開口部等によっても反射され、受信波の中には、レースウェイ最深部以外からの反射波が多く含まれるものとなっていた。従って、測定されるレースウェイ深度は非常に誤差の多いものとなっていた。
そこで、本発明は、羽口を介してレースウェイ最深部に送信波を発射し、そこからの反射波を受信すると共に、レースウェイ最深部以外からの反射波を効率的に除去することで、精度よくレースウェイ深度を測定可能とするレースウェイ深度の測定方法と測定装置を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明方法における課題解決のための技術的手段は、下部の周方向に複数の羽口が設けられると共にこの羽口の近傍にレースウェイが形成されている高炉で、高炉径方向に羽口からレースウェイの最深部までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定方法であって、前記レースウェイの最深部に向けて周波数変調された送信波を羽口を介して送信する送信工程と、前記送信波がレースウェイの最深部で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信工程と、前記送信工程の送信波と受信工程で得られた各反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生工程と、前記ビート波内に含まれる非最深部反射波を除去するための帯域除去工程と、前記帯域除去工程の出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理工程と、前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出する距離算出工程とを備えることを特徴とする。

これによれば、送信工程で羽口を介してレースウェイ最深部に送信波を発射し、受信工程で各反射波を受信し、ビート波発生工程で、前記送信波と受信工程で得られた各反射波とを重ね合わせてビート波を発生させ、帯域除去工程でビート波内に含まれる非最深部反射波を除去し、フーリエ変換処理工程で前記帯域除去工程の出力をフーリエ変換して周波数スペクトルを導出し、距離算出工程で前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出することで、精度のよくレースウェイ深度を測定することが可能となる。

また、本発明方法における課題解決のための技術的手段は、下部の周方向に複数の羽口が設けられると共にこの羽口の近傍にレースウェイが形成されている高炉で、高炉径方向に羽口からレースウェイの最深部までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定方法であって、前記レースウェイの最深部に向けて周波数変調された送信波を羽口を介して送信する送信工程と、前記送信波がレースウェイの最深部で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信工程と、前記受信工程で得られた各反射波に含まれている所定の円偏向波を選択的に除去する円偏向波選択工程と、前記円偏向波選択工程の出力と前記送信波とを重ね合わせビート波を発生させるビート波発生工程と、前記ビート波内に含まれる非最深部反射波を除去するための帯域除去工程と、前記帯域除去工程の出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理工程と、前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出する距離算出工程とを備えることを特徴とする。

これによれば、送信工程で羽口を介してレースウェイ最深部に送信波を発射し、受信工程で各反射波を受信し、円偏向波選択工程で各反射波に含まれている所定の円偏向波を選択的に除去し、ビート波発生工程で、前記円偏向波選択工程の出力と前記送信波とを重ね合わせビート波を発生させ、帯域除去工程でビート波内に含まれる非最深部反射波を除去し、フーリエ変換処理工程で前記帯域除去工程の出力をフーリエ変換して周波数スペクトルを導出し、距離算出工程で前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出することで、精度のよくレースウェイ深度を測定することが可能となる。

好ましくは、前記円偏向波選択工程は、送信波を一定方向に偏向している円偏向波とし、受信工程で得られた反射波から、前記送信波と逆方向に偏向している円偏向波を取り出すとよい。
そうすることで、レースウェイ最深部とその他の場所（例えば、熱風支管内側壁）とで２重反射し、円偏向方向が送信波と同一となっている反射波を除去することができ、測定精度を向上させることが可能となる。
さらに好ましくは、前記帯域除去工程は、ビート波の周波数成分に着目した上で、非最深部反射波に起因する周波数成分を予め推定しておき、該周波数成分のみを除去する帯域除去フィルタを用いて、ビート波から前記周波数成分を除去するようにするとよい。

こうすることで、レースウェイ最深部以外の場所で反射した非最深部反射波の周波数成分を推定し、この周波数成分のみを除去する帯域除去フィルタにより、ビート波から前記周波数成分を除去することができ、測定精度を向上させることが可能となる。
また、前記帯域除去工程は、ハイパスフィルタを用いてビート波の低周波数成分を除去するものとしてもよい。
アンテナ先端から発射された送信波は、ブローパイプを通り羽口を抜けレースウェイ内に到達するが、送信波の一部はアンテナの先端〜羽口の間で反射し、非最深部反射波となる。かかる非最深部反射波は反射するまでの距離が短いため、非最深部反射波と送信波とを重ね合わせてビート波を作った場合、ビート波の周波数成分は低周波となることが物理法則より明らかである。

この低周波成分は、レースウェイ深度測定にとっては雑音成分となるため、該低周波成分をハイパスフィルタ等で除去することで、測定精度を向上させることが可能となる。
なお、前記距離算出工程は、ビート波の周波数スペクトルの分布をもとに［数２］により距離を算出するようにしている。

ここで、ｌ：装置本体〜レースウェイ最深部間距離、ｔ：送信波の往復時間、Ｔ：周期、ｆｂ：ビート波周波数、Ｆ：周波数変調幅、ｃ：送信波の速度である。
この技術的手段によれば、ビート波の周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を測定することが可能となる。
好ましくは、前述した課題を解決するための手段における前記送信波は、マイクロ波であるとよい。
これによれば、送信波がマイクロ波であるため、高温環境や粉塵、水蒸気がが多い環境、輝度の高い環境であっても、それらの影響をほとんど受けることがない。また、送信波の指向性が高いため、細い羽口から送信波を発射することが可能となる。

また、本発明装置における課題解決のための技術的手段は、下部の周方向に複数の羽口が設けられると共にこの羽口の近傍にレースウェイが形成されている高炉で、高炉径方向に羽口からレースウェイの最深部までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定装置であって、前記レースウェイの最深部に向けて周波数変調された送信波を羽口を介して送信する送信部と、前記送信波がレースウェイの最深部で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信部と、前記送信部の送信波と受信部で得られた反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生部と、前記ビート波内に含まれる非最深部反射波を除去するための帯域除去部と、前記帯域除去部の出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理部と、前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出する距離算出部とを備えることを特徴とする。

この技術的手段によれば、送信部で、レースウェイの最深部に向けて周波数変調された送信波を羽口を介して送信し、受信部で、送信波がレースウェイの最深部で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信し、ビート波発生部で、前記送信工程の送信波と受信工程で得られた反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させ、帯域除去部で、前記ビート波内に含まれる非最深部反射波を除去し、フーリエ変換処理部で、前記帯域除去工程の出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出し、距離算出部で、前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出することができるようになる。

なお、前記送信部は、送信波を発射するアンテナを有し、このアンテナは高炉に形成された羽口に一体に取り付けられるようにするとよい。
こうすることで、高炉に形成された羽口に一体に取り付けられたアンテナより、効率的にレースウェイ内に送信波を発射することが可能となる。
好ましくは、前記アンテナは、ホーンアンテナとするとよく、これにより高い利得でマイクロ波を送受信できるようになる。
なお、本発明にかかるレースウェイ深度の測定方法の最も好ましい形態としては、周方向に複数の羽口が設けられると共にこの羽口の近傍にレースウェイが形成され、且つ羽口に差し込まれているブローパイプの基端側の開口部に羽口メガネが設けられている竪型炉で、竪型炉径方向に羽口からレースウェイの最深部までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定方法であって、前記レースウェイの最深部に向けて周波数変調されたマイクロ波である送信波を、前記羽口メガネに嵌入されたホーンアンテナを用いて羽口を介して送信する送信工程と、前記送信波がレースウェイの最深部で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信工程と、前記送信工程の送信波と受信工程で得られた各反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生工程と、前記ビート波内に含まれる非最深部反射波をハイパスフィルタを用いて除去する帯域除去工程と、前記帯域除去工程からの出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理工程と、前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出する距離算出工程と、を備えることを特徴とする。

また、周方向に複数の羽口が設けられると共にこの羽口の近傍にレースウェイが形成され、且つ羽口に差し込まれているブローパイプの基端側の開口部に羽口メガネが設けられている竪型炉で、竪型炉径方向に羽口からレースウェイの最深部までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定方法であって、前記レースウェイの最深部に向けて周波数変調されたマイクロ波である送信波を、前記羽口メガネに嵌入されたホーンアンテナを用いて羽口を介して送信する送信工程と、前記送信波がレースウェイの最深部で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信工程と、前記受信工程で得られた各反射波に含まれている所定の円偏向波を選択的に除去する円偏向波選択工程と、前記円偏向波選択工程の出力と前記送信波とを重ね合わせビート波を発生させるビート波発生工程と、前記ビート波内に含まれる非最深部反射波をハイパスフィルタを用いて除去する帯域除去工程と、前記帯域除去工程からの出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理工程と、前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出する距離算出工程と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかるレースウェイ深度の測定装置の最も好ましい形態としては、周方向に複数の羽口が設けられると共にこの羽口の近傍にレースウェイが形成され、且つ羽口に差し込まれているブローパイプの基端側の開口部に羽口メガネが設けられている竪型炉で、竪型炉径方向に羽口からレースウェイの最深部までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定装置であって、前記レースウェイの最深部に向けて周波数変調されたマイクロ波である送信波を、前記羽口メガネに嵌入されたホーンアンテナを用いて羽口を介して送信する送信部と、前記送信波がレースウェイの最深部で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信部と、前記送信部の送信波と受信部で得られた反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生部と、前記ビート波内に含まれる非最深部反射波をハイパスフィルタを用いて除去する帯域除去部と、前記帯域除去部からの出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理部と、前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出する距離算出部と、を備えることを特徴とする。

また、周方向に複数の羽口が設けられると共にこの羽口の近傍にレースウェイが形成され、且つ羽口に差し込まれているブローパイプの基端側に開口部が形成されている竪型炉で、竪型炉径方向に羽口からレースウェイの最深部までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定装置であって、前記レースウェイの最深部に向けて周波数変調されたマイクロ波である送信波を、前記開口部に直接嵌入されて羽口と一体となったホーンアンテナを用いて羽口を介して送信する送信部と、前記送信波がレースウェイの最深部で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信部と、前記送信部の送信波と受信部で得られた反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生部と、前記ビート波内に含まれる非最深部反射波をハイパスフィルタを用いて除去する帯域除去部と、前記帯域除去部からの出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理部と、前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部までの距離を算出する距離算出部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、羽口を介してレースウェイ最深部に送信波を発射し、そこからの反射波を受信すると共に、レースウェイ最深部以外からの反射波を効率的に除去することで、精度よくレースウェイ深度を測定することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図を基に説明する。
高炉（竪型炉）は、その上部から鉄鉱石および還元剤であるコークス等を装入し、下部から熱風を吹込んで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造するものである。
図１に示す如く、高炉１の下部の側壁２には、周方向に複数の開口すなわち羽口３が形成されており、この羽口３を介して、熱風炉、熱風管（共に図示せず）、熱風環状管４、熱風支管５を経由してきた熱風（蒸気を含んだ空気）を吹き込むようになっている。さらに、この羽口３からは、還元剤として作用する微粉炭を吹き込むようにしている。

高炉１内で羽口３前には、羽口３からの送風によって、いわゆる「レースウェイ」と呼ばれるコークスが著しく疎な状態で存在する空洞部分が形成されている。この羽口３近傍のレースウェイ６では高炉１に装入されたコークスの大部分と羽口３から噴射された微粉炭とが燃焼しており、炉内で必要な還元ガスと鉄鉱石等の溶解および反応に必要な熱の大部分がこの部分から供給されている。
レースウェイ６の大きさおよび形状は、高炉１の状況や生産性に対して極めて重大な影響を与えると考えられているものの、操業中において、レースウェイ６の大きさや形状を正確に把握することは困難であるため、高炉１の径方向でレースウェイ最深部７と羽口３との間の距離をレースウェイ深度とし、レースウェイ６の大きさや形状を代表する値として取り扱ってきている。
（第１実施形態）
図１は、本発明にかかるレースウェイ深度の測定装置の第１実施形態であり、測定装置が熱風支管５の基端側に取り付けられているものとなっている。

この図に示されているように、高炉１の側壁２を形成している炉壁レンガ８に開口が形成され、この開口に円筒状の羽口３がはめ込まれている。羽口３は、高炉１下部の全周にわたってほぼ等間隔で設けられているものであり、この羽口３に熱風支管５が差し込まれるように配置されている。
熱風支管５は、羽口３に差し込まれている長尺のブローパイプ１０と、このブローパイプ１０の基端側で略垂直に突出している下部ベンド１１と、それに延設された上部ベンド１２とからなり、この上部ベンド１２が、熱風環状管４に連結されている。各部材は熱風が通風するように中空となっており、内壁面１３は耐火物でライニングされている。

前記ブローパイプ１０には、高炉１内に還元剤である微粉炭を噴射するための微粉炭ランス１４（微粉炭投入用パイプ）が複数設けられていると共に、ブローパイプ１０の基端側には開口部１５（のぞき窓）が形成されている。
本発明にかかるレースウェイ深度の測定装置は、図１に示す如く、装置本体１７と、それから延びる導波管１８と、導波管１８の先端に設けられた円柱状のアンテナ１９と、前記装置本体１７からの出力結果を表示する表示器２０とを有している。
アンテナ１９は、マイクロ波である送信波を効率よく前方に発射するために、その内部には円錐状の凹部２１が形成されており、図１０に詳しく示すように、ブローパイプ１０の基端側に形成された開口部１５に羽口メガネ１６が設けられ、この羽口メガネ１６に隣接するようにアンテナ１９は配置されるものとなっている。なお、当該アンテナ１９は、羽口メガネ１６に嵌入されるように設けられてもよく、前記ブローパイプ１０の基端側に形成された開口部１５に直接嵌入するように配置され、羽口３と一体となっていても問題はない。

装置本体１７で発生された送信波は、導波管１８により導かれ、当該アンテナ１９からブローパイプ１０内及び羽口３の開口を通じてレースウェイ６の最深部７へ向けて発射される。発射された送信波は、レースウェイ最深部７で反射され戻ってきた後、アンテナ１９で受信されて導波管１８を介して装置本体１７へと導かれるようになっている。
装置本体１７内では、送信波と、反射波（受信波）とを利用して、装置本体１７からレースウェイ最深部７までの距離を算出するようにしている。
算出されたレースウェイ深度やそれに関連する情報（例えば、後述する周波数スペクトル等）は、表示器２０に出力される。表示器２０では、各種情報をグラフィック化して表示することが可能である。

図２は、装置本体１７の構成を示したものである。すなわち、本発明にかかる測定装置は、レースウェイ６の最深部７に向けて周波数変調された送信波を送信する送信部２３を有しており、この送信部２３は、測定に用いるマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部２４と、前記マイクロ波に周波数変調をかける周波数変調部２５と、導波管１８と、アンテナ１９とを備えている。
また、前記送信波がレースウェイ最深部７で反射することで生じる最深部反射波と、最深部７以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信部２６を有しており、この受信部２６はアンテナ１９と導波管１８とから構成されている。

加えて、前記送信部２３からの送信波と受信部２６で得られた反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生部２７と、ビート波内に含まれる非最深部反射波を除去するための帯域除去部２８と、この帯域除去部２８の出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理部２９と、周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部７までの距離を算出する距離算出部３０とを有している。
この測定装置は、多数設けられている羽口３の複数、あるいは全てに取り付けてよく、１つの測定装置を各羽口３毎に順次移動させつつ計測を行うようにしてもよい。

なお、この測定装置は、高温(９００〜１２００℃) の熱風支管５の基端側に設置されるため、熱風支管５や高炉１の本体からの輻射熱や伝導による熱を受けることになる。しかしながら、羽口３と一体に設けられたアンテナ１９と、電子部品等から構成され、熱に弱い装置本体１７とが、導波管１８により隔離される構成となっているため、装置本体１７に冷却手段を設けたりする必要がなく、製造コストの低減化が図れるものとなっている。
次に、本計測装置における信号処理について、図２〜図４に基づいて説明する。

まず、前記送信部２３において、発生させたマイクロ波に周波数変調をかけて送信波とし、この送信波をアンテナ１９からブローパイプ１０の中空部及び羽口３を介して、レースウェイ最深部７に発射する。（送信工程、Ｓ３１）
詳しくは、ガンダイオード等の半導体素子から構成されるマイクロ波発生部２４によりマイクロ波を発生させ、このマイクロ波に周波数変調部２５により、のこぎり波となるとように周波数変調をかける。ここで言う周波数変調とは、「時間に比例して周波数が一定の変化をする」ような制御を行うことである。周波数変調をかけられたマイクロ波は周波数変調連続波（ＦＭ−ＣＷ）となる。

この周波数変調連続波は送信波として、導波管１８を介してアンテナ１９に導かれ、そこからレースウェイ最深部７に発射されることとなる。
送信波の一部は、後述のビート波を生成するために、サーキュレータ（方向性結合器）によって後述のビート波発生部２７に伝送されるようになっている。
送信工程（Ｓ３１）により発射された送信波は、レースウェイ６の最深部７で反射することで生じる最深部反射波と、最深部７以外で反射することで生じる非最深部反射波とになり、受信部２６、すなわちアンテナ１９で受信され、導波管１８により前記サーキュレータに伝送される。（受信工程、Ｓ３２）
本実施形態では、最深部７以外での送信波の反射としては、ブローパイプ１０の内壁面１３、下部ベンド１１のブローパイプ側開口部３６、微粉炭ランスのブローパイプ側開口部３７などからの反射が挙げられる。

サーキュレータを通った各反射波（受信波）は、ビート波発生部２７に導入され、このビート波発生部２７では、送信波と受信波とが重ね合わせられ、ビート波が生成されることになる。（ビート波発生工程、Ｓ３３）
ビート波とは、わずかに周波数が異なる２つの波が重なり合った時に、干渉の結果発生するもので、音波の世界でいう「うなり波」のことであり、その周波数は、受信波と送信波との周波数の差であることが知られている。
このビート波の周波数が明らかになると、それを用いて、アンテナ１９から発射された送信波を反射させた対象物（本実施形態の場合は、レースウェイ最深部７）までの距離を算出することができることが、物理法則から明らかになっている。ゆえに、ビート波は後述の帯域除去部２８を経て、フーリエ変換処理部２９において、ＦＦＴ等のアルゴリズムを用いてフーリエ変換され、周波数スペクトルが求められることになる。（フーリエ変換処理工程、Ｓ３５）
求められた周波数スペクトルの一例を図６に示す。

次に、この周波数スペクトルの分布、例えばピーク値を基に、［数３］を用いて、レースウェイ最深部７までの距離を求めるようにする。（距離算出工程、Ｓ３６）

ここで、ｌ：レースウェイ深度（装置本体〜レースウェイ最深部間距離）、ｔ：マイクロ波の往復時間、Ｔ：周期(周波数掃引時間）、ｆｂ：ビート波周波数、Ｆ：周波数変調幅、ｃ：光速である。
本実施形態の場合は、より正確で、且つ視覚的にわかりやすい測定結果を得るために、距離算出工程は、図４に示すような工程から構成されている。
すなわち、ビート波の周波数スペクトルは、［数３］を用いて、周波数−距離変換を施される。これにより、周波数スペクトルは、反射対象物までの距離を横軸とした距離スペクトルへと変換される。（Ｓ４１）
この距離スペクトルに平滑化処理を施すことで、データ上にあるノイズを除去する。（Ｓ４２）
その上で、スペクトルのピーク値を算出（Ｓ４３）した上で、距離スペクトルを表示器２０に表示させる。

なお、このスペクトルは時間的な変動が大きいことがあるため、移動平均を施した上で、測定結果を表示器２０に表示するようにしている。（Ｓ４４、Ｓ４５）
上述のステップを行うことで、レースウェイ深度を求めることが可能となる。しかしながら、本実施形態の場合は、マイクロ波である送信波を羽口３に設けられたブローパイプ１０の中空部を介して発信しているため、最深部７からの反射波である最深部反射波以外に、非最深部、例えば下部ベント１１や微粉炭ランス１４の開口部３６，３７等からの反射波である非最深部反射波が受信波の中に含まれることになる。

図６に示した、周波数スペクトルにおいていえば、ｐｅａｋ２が最深部反射波に起因するビート波の周波数であって、ｐｅａｋ１が非最深部反射波に起因するビート波の周波数である。
そこで、図６の周波数スペクトルをそのまま利用し、そのピーク値（ｐｅａｋ１）を求め、距離算出工程Ｓ３６により距離を求めても、レースウェイ深度とはならない。
従って、本実施形態では、あらかじめその位置（距離）がわかっている非最深部反射波の周波数成分を推定しておき、この周波数成分のみを除去する帯域除去フィルタ（バンド・エリミネイト・フィルタ又はノッチ・フィルタ）により、ビート波から前記周波数成分を除去する帯域除去工程を備えている。（Ｓ３４）
詳しくは、図６のｐｅａｋ１の周波数を有する非最深部反射波を除去するために、図５に示すように、ｐｅａｋ１の周波数近傍を遮断し、ｐｅａｋ１から離れた周波数帯はよく通過させる特性を有する帯域除去フィルタを用意し、このフィルタにビート波を通すようにしている。この帯域除去フィルタは具体的にはＩＣ等の電子回路で構成されるアナログフィルタである。

この帯域除去工程を通過した出力波を、前述のフーリエ変換処理工程Ｓ３５に入力した結果は、図７の如くであって、周波数スペクトルのピーク値が、最深部反射波の周波数ｐｅａｋ２となり且つ大きく際だっており、距離算出工程を経て、レースウェイ深度が精度よく、求められることになる。
（第２実施形態）
図８は、本発明にかかる測定装置の第２実施形態を示したものであり、図９は、当該測定装置上で作動する測定方法の第２実施形態を示したフローチャートである。

本実施形態は、サーキュレータからでた受信波が円偏向波選択部３１を通り、その出力がビート波発生部２７に入力される構成が、第１実施形態とは大きく異なっている。その他の構成は、略同一であり、第１実施形態と同一ステップ番号を記している。
この円偏向波選択部３１では、図９に示した円偏向波選択工程Ｓ９１が行われており、以下の信号処理を行うものとなっている。
すなわち、送信波を、電界と磁界の合成ベクトルが右回りに螺旋状に進行していく波（右旋円偏向波）とし、円偏向波選択工程Ｓ９１において、送信波と同相の右旋円偏向波の反射波を除去するようにしたものである。換言すれば、送信波と逆送の円偏向波のみを取り出すようにしている。

これは、送信波が右旋円偏向波である場合、レースウェイ最深部７で反射した反射波は前記合成ベクトルが左回りとなる左旋円偏向波になるからである。これは電磁波が一度反射すると、その偏向方向が反転する性質に基づくものである。
この性質を用いると、最深部７で反射した送信波が、更に別の面（例えば、ブローパイプ１０の内側面１３）で反射した場合には、（送信波）右旋→（反射）左旋→（反射）右旋となり、送信彼と同相になってしまい、前記円偏向波選択部３１で確実に除去されるものとなる。

このように、二重反射を起こした反射波を受信しないことで精度の高いレースウェイ深度測定が可能となっているものである。
なお、説明では、送信波の偏向方向を右旋回としたが、左旋回としても何ら問題はない。その際、除去すべき二重反射波の偏向方向も左旋回となる。
（第３実施形態）
図１１〜図１４は、本発明の第３実施形態における帯域除去工程Ｓ３４の処理結果を示すものである。

前述した第１実施形態の熱風支管５基端側（図１０）を見るとわかるように、多くの場合、アンテナ１９と羽口メガネ１６が一体となっておらず、両者１６，１９の間には必ず隙間ができることが多い。その結果、アンテナ１９から発射されたマイクロ波は、羽口メガネ１６で反射し非最深部反射波となって、信号処理における雑音成分となる。加えて、アンテナ１９が受信する受信波には、レースウェイ最深部７からの反射波である最深部反射波以外に、非最深部、例えば下部ベント１１や微粉炭ランス１４の開口部３６，３７等からの反射波である非最深部反射波が含まれることになる。

このような非最深部反射波は全て、送信波がアンテナ１９の先端〜羽口３の間で反射されて発生することは明らかである。かかる非最深部反射波は、反射するまでの距離が短いため（０ｍ〜４ｍ）、非最深部反射波と送信波とを重ね合わせてビート波を作った場合、ビート波の周波数成分は低周波となることが物理法則からわかっている。
そこで、本実施形態の帯域除去工程Ｓ３４は、送信波が発射されるアンテナ１９の先端〜羽口３の間で反射した非最深部反射波に起因するビート波の周波数成分（低周波成分）を、ハイパスフィルタにより除去するようにしている。

図１１に、ビート波発生工程Ｓ３３から出力されたビート波の周波数特性を示している。横軸はマイクロ波反射位置までの距離であって周波数と考えてもよい（数２を参照）。縦軸はゲインである。
この周波数スペクトルにおいて、ｐｅａｋ２が最深部反射波に起因するビート波の周波数であって、ｐｅａｋ１がアンテナ１９の先端〜羽口３の間で反射した非最深部反射波により生じたビート波の周波数成分の１つである。
仮に、図１１の周波数スペクトルをそのまま利用し、ｐｅａｋ１の値から、距離算出工程Ｓ３６により距離を求めても、レースウェイ深度とはならない。そこで、この信号にハイパスフィルタをかけるようにする。その結果、ビート波は図１２のような周波数成分を持つようになり、レースウェイ深度を表す周波数成分（ｐｅａｋ２）が明確に現れており、レースウェイ深度を正確に測定することができるようになる。

図１３に、当該ハイパスフィルタの特性を示す。ハイパスフィルタのカットオフ周波数は２３００Ｈｚであり、羽口３先端部（アンテナ１９からの距離が約４ｍ）で反射した非最深部反射波に起因するビート波の周波数となっている。当該ハイパスフィルタは、前記カットオフ周波数以下の周波数を確実に除去すると共に、カットオフ周波数以上の周波数成分は確実に通過させるような、急峻な立ち上がり特性を有するものである。
このフィルタ特性を実現させるために、本ハイパスフィルタとしてはＣＲ回路を４段備えた４次フィルタを用いることが好ましい。より好ましくは、ＣＲ回路を４段以上備えた、例えば８次フィルタを用いるとよい。

さらに、本実施形態では、図１４に示すように、非最深部反射波を極力少なくするために、アンテナ１９を、金属製の円筒の内部を円錐状に削りだした上でかかる錐面（円錐状の凹部）２１をマイクロ波反射面３８とした「ホーンアンテナ」としている。
ホーンアンテナ１９は、マイクロ波をその前面開口３９から前方に効率よく発射できるものであって、送信波の広がりを極力少なくした状態で発信可能なものである。ホーンアンテナはその開口角（反射面３８と反射面３８とのなす角度θ）が小さく且つ反射面３８がマイクロ波発射方向に長いほど、利得がよくなることがわかっている。ゆえに、本ホーンアンテナもθを可能な限り小さくしている。そのため、アンテナ自体の長さは長いものとなっている。

これらのことより、当該アンテナから発射された送信波は極力広がることなくブローパイプ１０内に進入することになり、羽口メガネ１６に衝突し反射波（非最深部反射波）を生じることが非常に少なくなる。
なお、本実施形態の他の部分の構成については、第１実施形態又は第２実施形態と略同様であり、その説明を省略する。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
すなわち、送信波はマイクロ波に限定されるものではない。例えば、波長が多少異なる極超短波等であってもよい。

また、本実施形態では、周波数スペクトルの分布、すなわち最大ピーク値を基に、レースウェイ最深部までの計測していたが、最大ピーク値の前後に位置する複数のピーク値（極大値）を基にすると、レースウェイ空洞部を旋回しているコークスまでの距離を計測することができるようになり、レースウェイの挙動をより明らかにすることができるようになる。

第１実施形態の測定装置が高炉羽口に取り付けられていることを示す断面図である。 第１実施形態の測定装置の構成を示した図である。 第１実施形態の測定方法を示したフローチャートである。 第１実施形態の測定方法を示したフローチャートである。 帯域除去フィルタの特性を示す図である。 非最深部反射波を含んだビート波の周波数スペクトルである。 最深部反射波だけを含んだビート波の周波数スペクトルである（帯域除去フィルタ処理後）。 第２実施形態の測定装置の構成を示した図である。 第２実施形態の測定方法を示したフローチャートである。 熱風支管基端側の拡大図である。 非最深部反射波を含んだビート波の周波数スペクトルである。 熱最深部反射波だけを含んだビート波の周波数スペクトルである（ハイパスフィルタ処理後）。 ハイパスフィルタの特性を示す図である。 第３実施形態にかかる熱風支管基端側の拡大図である。

符号の説明

１ 高炉
３ 羽口
６ レースウェイ
７ レースウェイ最深部
２３ 送信部
２６ 受信部
２７ ビート波発生部
２８ 帯域除去部
２９ フーリエ変換処理部
３０ 距離算出部

Claims (6)

1. 周方向に複数の羽口（３）が設けられると共にこの羽口（３）の近傍にレースウェイ（６）が形成され、且つ羽口（３）に差し込まれているブローパイプ（１０）の基端側の開口部（１５）に羽口メガネ（１６）が設けられている竪型炉（１）で、竪型炉径方向に羽口（３）からレースウェイ（６）の最深部（７）までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定方法であって、
   前記レースウェイ（６）の最深部（７）に向けて周波数変調されたマイクロ波である送信波を、前記羽口メガネ（１６）に嵌入されたホーンアンテナ（１９）を用いて羽口を介して送信する送信工程（Ｓ３１）と、
   前記送信波がレースウェイ（６）の最深部（７）で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信工程（Ｓ３２）と、
   前記送信工程（Ｓ３１）の送信波と受信工程（Ｓ３２）で得られた各反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生工程（Ｓ３３）と、
   前記ビート波内に含まれる非最深部反射波をハイパスフィルタを用いて除去する帯域除去工程（Ｓ３４）と、
   前記帯域除去工程（Ｓ３４）からの出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理工程（Ｓ３５）と、
   前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部（７）までの距離を算出する距離算出工程（Ｓ３６）と、
   を備えることを特徴とするレースウェイ深度の測定方法。
2. 周方向に複数の羽口（３）が設けられると共にこの羽口（３）の近傍にレースウェイ（６）が形成され、且つ羽口（３）に差し込まれているブローパイプ（１０）の基端側の開口部（１５）に羽口メガネ（１６）が設けられている竪型炉（１）で、竪型炉径方向に羽口（３）からレースウェイ（６）の最深部（７）までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定方法であって、
   前記レースウェイ（６）の最深部（７）に向けて周波数変調されたマイクロ波である送信波を、前記羽口メガネ（１６）に嵌入されたホーンアンテナ（１９）を用いて羽口（３）を介して送信する送信工程（Ｓ３１）と、
   前記送信波がレースウェイ（６）の最深部（７）で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信工程（Ｓ３２）と、
   前記受信工程（Ｓ３２）で得られた各反射波に含まれている所定の円偏向波を選択的に除去する円偏向波選択工程（Ｓ９１）と、
   前記円偏向波選択工程（Ｓ９１）の出力と前記送信波とを重ね合わせビート波を発生させるビート波発生工程（Ｓ３３）と、
   前記ビート波内に含まれる非最深部反射波をハイパスフィルタを用いて除去する帯域除去工程（Ｓ３４）と、
   前記帯域除去工程（Ｓ３４）からの出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理工程（Ｓ３５）と、
   前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部（７）までの距離を算出する距離算出工程（Ｓ３６）と、
   を備えることを特徴とするレースウェイ深度の測定方法。
3. 前記円偏向波選択工程（Ｓ９１）は、送信波を一定方向に偏向している円偏向波とし、受信工程（Ｓ３２）で得られた反射波から、前記送信波と逆方向に偏向している円偏向波を取り出すことを特徴とする請求項２に記載のレースウェイ深度の測定方法。
4. 前記距離算出工程（Ｓ３６）は、ビート波の周波数スペクトルの分布をもとに[数１]により距離を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレースウェイ深度の測定方法。
   

   

   ここで、ｌ：装置本体〜レースウェイ最深部間距離、ｔ：送信波の往復時間、Ｔ：周期、ｆｂ：ビート波周波数、Ｆ：周波数変調幅、ｃ：送信波の速度である。
5. 周方向に複数の羽口（３）が設けられると共にこの羽口（３）の近傍にレースウェイ（６）が形成され、且つ羽口（３）に差し込まれているブローパイプ（１０）の基端側の開口部（１５）に羽口メガネ（１６）が設けられている竪型炉（１）で、竪型炉径方向に羽口（３）からレースウェイ（６）の最深部（７）までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定装置であって、
   前記レースウェイ（６）の最深部（７）に向けて周波数変調されたマイクロ波である送信波を、前記羽口メガネ（１６）に嵌入されたホーンアンテナ（１９）を用いて羽口（３）を介して送信する送信部（２３）と、
   前記送信波がレースウェイ（６）の最深部（７）で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信部（２６）と、
   前記送信部（２３）の送信波と受信部（２６）で得られた反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生部（２７）と、
   前記ビート波内に含まれる非最深部反射波をハイパスフィルタを用いて除去する帯域除去部（２８）と、
   前記帯域除去部（２８）からの出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理部（２９）と、
   前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部（７）までの距離を算出する距離算出部（３０）と、
   を備えることを特徴とするレースウェイ深度の測定装置。
6. 周方向に複数の羽口（３）が設けられると共にこの羽口（３）の近傍にレースウェイ（６）が形成され、且つ羽口（３）に差し込まれているブローパイプ（１０）の基端側に開口部（１５）が形成されている竪型炉（１）で、竪型炉径方向に羽口（３）からレースウェイ（６）の最深部（７）までの距離であるレースウェイ深度を測定するレースウェイ深度の測定装置であって、
   前記レースウェイ（６）の最深部（７）に向けて周波数変調されたマイクロ波である送信波を、前記開口部（１５）に直接嵌入されて羽口（３）と一体となったホーンアンテナ（１９）を用いて羽口（３）を介して送信する送信部（２３）と、
   前記送信波がレースウェイ（６）の最深部（７）で反射することで生じる最深部反射波と、最深部以外で反射することで生じる非最深部反射波とを受信する受信部（２６）と、
   前記送信部（２３）の送信波と受信部（２６）で得られた反射波とを重ね合わせることでビート波を発生させるビート波発生部（２７）と、
   前記ビート波内に含まれる非最深部反射波をハイパスフィルタを用いて除去する帯域除去部（２８）と、
   前記帯域除去部（２８）からの出力をフーリエ変換し、周波数スペクトルを導出するフーリエ変換処理部（２９）と、
   前記周波数スペクトルの分布からレースウェイ最深部（７）までの距離を算出する距離算出部（３０）と、
   を備えることを特徴とするレースウェイ深度の測定装置。

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