JP4823532B2 - マイクロ波用アンテナ及びマイクロ波レベル計 - Google Patents

Description

本発明は、溶鉱炉、コークス炉及び焼却炉等の内容物を高温で処理する装置に装着され、マイクロ波を装置内部に送信し、内容物による反射マイクロ波を検波して該内容物の堆積量を検知するマイクロ波レベル計、並びに前記マイクロ波レベル計に使用されるマイクロ波用アンテナ（以下、単に「アンテナ」ともいう）に関する。

溶鉱炉、コークス炉、焼却炉等の炉では、炉内に水蒸気ミストやオイルミストをはじめとして各種浮遊物が存在するため、内容物の堆積量を検出するために、炉内にマイクロ波を送信し、内容物による反射マイクロ波を受信するマイクロ波レベル計が使用されている。

図７は、マイクロ波レベル計を備えた焼却炉を示す概略断面図である。図示されるように、焼却炉３０では、投入されたゴミ等の燃焼物３１が礫床部３２に堆積しており、燃焼物３１の直上には、開口部３３が設けられるとともに、開口部３３には、マイクロ波レベル計４０が取り付けられている。

マイクロ波レベル計４０は、マイクロ波送信器、マイクロ波受信器及び演算部等を備えたコントロールユニット４１と、コントロールユニット４１から導波管や同軸ケーブル４２を介して接続されるアンテナ４３とから概略構成されている。アンテナ４３は、例えば、金属板を一端の開口部に向かって徐々に拡径するホーン状に加工したものであり、開口部の周縁を焼却炉３０の開口部３３のフランジ３４にボルト締結して焼却炉３０の上部に取り付けられる。

上述したマイクロ波レベル計４０では、マイクロ波送信器からのマイクロ波Ｍが、アンテナ４３を介して燃焼物３１の上面に垂直に入射するように発射されるとともに、燃焼物３１で反射されたマイクロ波Ｍが、アンテナ４３を介してマイクロ波受信器で受信される。そして、受信されたマイクロ波Ｍに基づき、コントロールユニット４１に設けられた演算部にて焼却物３１までの距離が求められ、算出された距離に基づいて焼却物３１の堆積量を推定している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１―１５８８８２号公報

溶鉱炉、コークス炉、焼却炉等では炉内温度がかなり高くなるため、この熱によるマイクロ波送信器やマイクロ波受信器、演算部の誤作動を防ぐために、アンテナ４３とコントロールユニット４１とをある程度離して配置する必要があり、導波管や同軸ケーブル４２は必然的に長くなる。しかし、マイクロ波レベル計４０では、導波管や同軸ケーブル４２が長くなると、アンテナや同軸ケーブル４２のアンテナ側終端からの不要反射波による受信信号の影響が大きくなり、内容物からの反射マイクロ波を判別するのが難しくなる。また、導波管や同軸ケーブル４２が長くなると、装置の大型化を招き、設置上の不具合も招く。コントロールユニット４１をアンテナ４３の近くに配置することも考えられなくもないが、高度の断熱、冷却構造を必要とし、多大な設備コストを要する。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、導波管や同軸ケーブルが長くなることによる検出精度の低下を抑え、高温の内容物の堆積量を正確に検出することか可能で、しかも小型化も同時に図れ、断熱、冷却構造も簡易で設備コストの上でも有利なマイクロ波レベル計、並びに前記マイクロ波レベル計に使用されるアンテナ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、本発明は以下のアンテナ及びマイクロ波レベル計を提供する。
（１）収容した内容物を高温で処理する装置に装着され、送受信面によりマイクロ波を前記装置内に送信し、前記内容物で反射された反射マイクロ波を受信するアンテナであって、
前記送受信面とは反対側の裏面に、通風用の隙間を形成するように離間させてハウジングを装着し、前記ハウジングの天板または側板に設けた基板に、外部に配設したマイクロ波発振器からのマイクロ波を前記送受信面に導くためのアイソレータ、方向性結合器、サーキュレータ及びミキサから構成されるＲＦ送受信部を搭載し、かつ、前記ＲＦ送受信部と前記送受信面とを最短の同軸ケーブルまたは導波管で連結したことを特徴とするマイクロ波用アンテナ。
（２）前記ＲＦ送受信部が、前記ハウジングの天井面または側面に装着されたヒートシンクにより冷却されることを特徴とする上記（１）記載のマイクロ波用アンテナ。
（３）カセグレン型であることを特徴とする上記（１）または（２）記載のマイクロ波用アンテナ。
（４）収容した内容物を高温で処理する装置に装着され、マイクロ波を炉内に送信し、前記内容物で反射された反射マイクロ波を検波して該内容物の堆積量を検知するレベル計であって、
前記装置の底面と対向して形成された開口部に、請求項１〜３の何れか１項に記載のマイクロ波用アンテナが前記送受信面を装置内部に向けて装着され、かつ、マイクロ波の送受信の制御及び受信したマイクロ波を基に前記内容物の堆積量の算出を行う制御部、並びにマイクロ波発振器が装置外に配設されていることを特徴とするマイクロ波レベル計。
（５）前記マイクロ波発振器が、前記ＲＦ送受信部と前記制御部との間に挿入されることを特徴とする上記（４）記載のマイクロ波レベル計。
（６）コークス炉中の石炭堆積量を測定することを特徴とする上記（４）または（５）記載のレベル計。

本発明のアンテナは、送受信面の背面に、通常１１０℃程度の耐熱性を有する回路構成素子からなるＲＦ送受信部のみを、好ましくは冷却手段を具備した状態で装着したため、優れた耐熱性を有し、更にＲＦ送受信部と送受信面とを最短の同軸ケーブルまたは導波管で接続したことにより、不要反射波によるスペクトル上のノイズも無くなる。従って、このようなアンテナを装着し、熱による影響を受けやすい制御部やマイクロ波発振器を炉外に設置した本発明のマイクロ波レベル計は、高温の炉内の内容物の堆積量を正確に測定することができる。また、アンテナが小型でレベル計全体としての小型化も図られ、更には断熱、冷却構造も簡易で設備コストの上でも有利である。

以下、図示される実施形態により本発明を説明する。
図１は、本発明のマイクロ波レベル計１及びアンテナ２の一例を示す概略断面図である。図示されるように、マイクロ波レベル計１のアンテナ２は、炉の内部３０に対して凸となるように、所定の曲率で湾曲した送受信面３を有し、その曲率中心を通る仮想線Ｏ上には、フレーム４の頂部に支持されてマイクロ波の送受信端５が装着されている。マイクロ波はこの送受信端５から発射されてアンテナ装置２の送受信面３で反射された後、炉内に送られ、更に内容物で反射されたマイクロ波はアンテナ２の送受信面３で反射された後、送受信端５に導かれる。このアンテナ２は、フランジ２ａをボルト締結して炉の開口部（図示せず）に取り付けられる。

また、アンテナ２の送受信面３とは反対側の背面６には、後述される制御部並びにマイクロ波発振器とは分離されて、マイクロ波を送受信端５に導くためのＲＦ送受信部１１が装着される。このＲＦ送受信部１１は、アンテナ２の背面６の何れの場所に装着してもよいが、図示のように、アンテナ２の送受信面３はその周縁に向かって炉側に下降しているため、送受信面３の周縁に近い位置に装着することにより、ＲＦ送受信部１１の突出が少なくなり、小型化を図ることができる。

ＲＦ送受信部１１は、外部に配設されたマイクロ波発振器から発振されるマイクロ波をアンテナ２の送受信端５に導くためのものであり、図２に示すように、アイソレータ１５と、方向性結合器１６と、サーキュレータ１７と、ミキサ１８とで構成する。これら部品は、何れも１１０℃程度までの耐熱性を有しており、溶鉱炉やコークス炉、焼却炉等のレベル計用として使用された場合も、高温に十分に耐え得る。このＲＦ送受信部１１では、外部に配設されたマイクロ波発振器１４から発振される所定の周波数のマイクロ波をアイソレータ１５を経由して方向性結合器１６に送り、方向性結合器１６ではその一部をサーキュレータ１７を経由してアンテナ２の送受信端５に送り、炉の内部３０に向けてマイクロ波Ｍ１を送信し、残りのマイクロ波をミキサ１８に送る。

ＲＦ送受信部１１を構成するこれら部品は、ハウジング１０のアンテナ２からできるだけ離れた位置である天板１０ａや側板１０ｂに装着した基板１３（ここでは天板１０ａに装着）に搭載される。また、基板１３には、ハウジング１０の外部に突出する冷却手段としてのヒートシンク１２が装着されている。更に、ハウジング１０とアンテナ２の背面６との間には隙間が設けられており、空気Ａを流通させてハウジング１０の内部をより効率的に冷却する。また、空気Ａを強制的にパージすることもできる。

また、ＲＦ送受信部１１のサーキュレータ１７は、最短の同軸ケーブル２６によりアンテナ２の送受信端５に接続される。尚、同軸ケーブル２６と送受信端５との接続端面では不要反射を起こすことがあり、ハイパスフィルタ等を付加してもよい。

尚、マイクロ波発振器１４は、減衰等を抑えるために、ＲＦ送受信部１１により接近して配設するため、図示のようにＲＦ送受信部１１と後述する制御部２０との間に挿入することが好ましいが、制御部２０に組み込むことも可能である。

また、ＲＦ送受信部１１には、内容物で反射されたマイクロ波Ｍ２が入射する。即ち、マイクロ波Ｍ２はアンテナ２の送受信面３で反射されて送受信端５に導かれ、サーキュレータ１７を介してミキサ１８に送られる。そして、ミキサ１８では、送信したマイクロ波Ｍ１と、内容物で反射されたマイクロ波Ｍ２とをミキシングし、ビート信号を制御部２０に送る。

上記ＲＦ送受信部１１は、炉外等に遠隔配置された制御部２０と同軸ケーブルや電線で接続している。制御部２０は、マイクロ波の送受信の制御及び受信したマイクロ波を基に内容物の堆積量の算出を行う機能を有する。制御部２０の構成は、例えば図２に示すように、ＲＦ送受信部１１から送られるミキシング信号を増幅器１９で増幅した後、Ａ／Ｄ変換機２１にてＡ／Ｄ変換した後、ＣＰＵ２２にてビート信号をＦＦＴ処理して内容物までの距離を演算し、内容物の堆積量を表示装置２３に表示する。また、制御部２０はＣＰＵ２２からの信号によりＤ／Ａ変換器２４を介してドライブ回路２５によりマイクロ波発振器１４のマイクロ波の発振を制御（例えば、ＦＭ／ＣＷ方式）する。

また、図３に示すように、アンテナ２を所謂「カセグレンアンテナ」とし、同様の構成からなるＲＦ送受信部１１と、送受信端５とを導波管２７で接続する構成とすることもできる。尚、導波管２７を最短とするために、ここでは、アンテナ２の曲率中心を通る仮想線上にＲＦ送受信部１１を配置し、基板１３はハウジング１０の天板に到着してある。導波管２７の一端はＲＦ送受信部１１に接続し、他端はアンテナ２から炉の内部３０に所定長にわたり突出しており、その先端部には所定の間隔で反射部材２８が支持部材２９を介して装着されている。反射部材２７は湾曲面を有し、この湾曲面を送受信面３に向けて配置される。従って、ＲＦ送受信部１１から送信されたマイクロ波は、導波管２７を伝搬して先ず反射部材２８で反射され、この反射されたマイクロ波が送受信面３に送られて送受信面３で反射された後、炉３０の内部へと送られる（符号Ｍ１）。そして、内容物で反射されたマイクロ波Ｍ２は、送受信面３で反射されて反射部材２８へと送られた後、反射部材２８で反射されて導波管２８へと導かれ、ＲＦ送受信器１１に送られる。

更に、図４に示すようなホーンアンテナ５０に、上記と同様にＲＦ送受信部１１のみを装着し、同軸ケーブル２６で接続する構成とすることもできる。尚、ホーンアンテナ５０では、マイクロ波の送受信端部は、ホーンの根元部分となる。

このように構成される本発明のマイクロ波レベル計１及びアンテナ２は、同軸ケーブル２６や導波管２７を最短にでき、ケーブル長または管長に由来する不要反射波によるビート信号を大幅に低減し、より正確な内容物の堆積量を検知することが可能になる。具体的には、図５にＲＦ送受信部１１、マイクロ波発振器１４及び制御部２０を一体化したユニットをアンテナ２から離して配置したマイクロ波レベル計を用いてコークス炉中の石炭堆積量を測定した結果を示すが、石炭の堆積量を示すビークが他のピークに埋もれて判別不能となっている。これに対して、本発明に従いアンテナ２の背面６にＲＦ送受信部１１を装着し、マイクロ波発振器１４及び制御部２０を炉外に配設したマイクロ波レベル計を用いて測定すると、図６に示すように、石炭の堆積量を示すピークが明確に現われている。

本発明のマイクロ波レベル計及びアンテナの一例を示す断面図である。 ＲＦ送受信器及び演算部の構成を示す回路図である。 本発明のマイクロ波レベル計及びアンテナの他の例を示す断面図である。 本発明のマイクロ波レベル計及びアンテナの他の例を示す断面図である。 従来のマイクロ波レベル計を用いて石炭の堆積量を測定した結果を示すチャートである。 本発明のマイクロ波レベル計を用いて石炭の堆積量を測定した結果を示すチャートである。 従来のマイクロ波レベル計を備えた焼却炉の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１ マイクロ波レベル計
２ アンテナ
５ 送受信端
１１ ＲＦ送受信部
１２ ヒートシンク
１３ 基板
１４ マイクロ波発振器
２０ 制御部
２６ 同軸ケーブル
２７ 導波管

Claims (6)

1. 収容した内容物を高温で処理する装置に装着され、送受信面によりマイクロ波を前記装置内に送信し、前記内容物で反射された反射マイクロ波を受信するアンテナであって、
   前記送受信面とは反対側の裏面に、通風用の隙間を形成するように離間させてハウジングを装着し、前記ハウジングの天板または側板に設けた基板に、外部に配設したマイクロ波発振器からのマイクロ波を前記送受信面に導くためのアイソレータ、方向性結合器、サーキュレータ及びミキサから構成されるＲＦ送受信部を搭載し、かつ、前記ＲＦ送受信部と前記送受信面とを最短の同軸ケーブルまたは導波管で連結したことを特徴とするマイクロ波用アンテナ。
2. 前記ＲＦ送受信部が、前記ハウジングの天井面または側面に装着されたヒートシンクにより冷却されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波用アンテナ。
3. カセグレン型であることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロ波用アンテナ。
4. 収容した内容物を高温で処理する装置に装着され、マイクロ波を炉内に送信し、前記内容物で反射された反射マイクロ波を検波して該内容物の堆積量を検知するレベル計であって、
   前記装置の底面と対向して形成された開口部に、請求項１〜３の何れか１項に記載のマイクロ波用アンテナが前記送受信面を装置内部に向けて装着され、かつ、マイクロ波の送受信の制御及び受信したマイクロ波を基に前記内容物の堆積量の算出を行う制御部、並びにマイクロ波発振器が装置外に配設されていることを特徴とするマイクロ波レベル計。
5. 前記マイクロ波発振器が、前記ＲＦ送受信部と前記制御部との間に挿入されることを特徴とする請求項４記載のマイクロ波レベル計。
6. コークス炉中の石炭堆積量を測定することを特徴とする請求項４または５記載のレベル計。

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