JP7026125B2 - 物質浸食監視システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、材料の状態を評価するためのシステム及び方法に関する。さらに具体的に言うと、本発明は、耐火煉瓦を判定するためのシステム及び方法（電磁波を用いる材料インターフェース）に関する。

評価の方法及びシステムは、ある物質の成形中及び成形後の性質を測定するために、種々の産業に存在する。表面の特性、内部の均一性、及び材料の厚さは、評価を必要とし得る重要な特性のいくつかである。特に、放射線をコンテナの方向へ向けるセンサ及びエミッタを配置することによる非接触の反射の及び／又は吸収性の技術を用いるガラス及びプラスチックのコンテナの壁の厚さは、特許文献１に記載されるように先行技術において取り組まれてきた。しかしながら、これらの方法は、そのような放射のレベルにおいて大幅な損失を被ること無く、又はそのような材料の外観表面のほんのひとつにさえ接近すること無く、それらの材料を通過することができる放射線を用いることにより、製造されたガラス及びプラスチックのコンテナの厚さを評価することが主な目的である。

より大きな規模では、ガラス、スチール及びプラスチック産業などのいくつかの産業は、加工のために用いられる原材料を溶かすための大きな炉を用いる。これらの炉は、２０階のビルの高さに相当する長さに達し得る。よって、それらは、コスト及び稼働の機能性の観点で、製造業者にとって主要な資産である。高い稼働温度における内部の熱損失を最小にするために、これらの炉は、耐火融解チャンバを作り出すために、とても高い融解温度及び良好な断熱特性を有する耐火材料を用いて構成される。しかしながら、炉の耐火チャンバの内壁は、稼働中に劣化するものである。この劣化の効果は、内部表面浸食、ストレスクラック、及び融解材料への耐火材料の拡散を含む。

現在のところ、そのような炉の壁の厚さ及び浸食プロファイルを確定的に測定する確立された方法はない。結果として、製造業者は、炉壁を通る融解材料の予期せぬ漏出、又は炉の予期される寿命についての製造業者の経験に基づいて、任意の起こり得る漏出の可能性を削減するために、炉を保守的に停止することのいずれかを経験する。炉の寿命は、稼働年数、稼働の平均温度、加熱及び冷却の温度レート、稼働の温度の範囲、稼働のサイクル数、並びに、炉で用いられる融解材料の重量及び種類に加えての、耐火材料のタイプ及び質を含む複数の要因により影響される。これらの要因のそれぞれは、炉の予期される寿命の正確な見積もりを作り出すことを困難にする不確実性を被る。さらに、高い温度において、融解ガラスなどの融解材料の流動は、耐火材料の内側表面を浸食し、及び劣化させ、並びに耐火壁を通る融解ガラス漏出に関する高いリスクを作り出す。炉壁内の隙間及びクラックを通る融解ガラスの主な漏出は、炉が稼働モードに戻ることができる前に、少なくとも３０日の生産の混乱を要することがある。炉が、それは、冷却され、修復され、及び再び点火される必要があるからである。さらに、融解ガラスの漏出は、炉の周辺の機器へ重大な損害を引き起こし得、最も重要なことに、労働者の健康及び生活を危険にさらし得る。これらの理由から、ほとんどの場合において、炉のオーバーホールは、必要とされるよりも大幅に速い時点で行われる。これは、これらの初期投資、及び炉の稼働寿命にわたる生産能力の削減の観点で、製造業者への重大なコストにつながる。

別の重要な問題は、炉の耐火チャンバを構築するのに用いられる材料は、表面の検査では目視できない内部の欠陥を有し得ることである。これは、炉のより短い寿命につながり、炉の稼働の間に深刻なリスクをもたらし得る。したがって、一方で耐火材料の製造業者は、欠陥の無い材料を供給するための品質基準に従う、炉の構築のための材料を限定できるように、製造の間に材料を評価する手段を有したいと考える。他方で、耐火材料を購入する消費者は、炉を構築する前にそのような材料の内部検査を行う手段を有したいと考える。

過去の取り組みは、特許文献２及び特許文献３に記載されるように、炉の壁などの材料の厚さを測定するためにマイクロ波信号を用いて行われてきた。しかしながら、これらの取り組みは、ある課題及び限界に直面した。とりわけ、高温の炉の炉壁の厚さを判定するために行われた試みは、耐火材料の内側表面を評価することに関わる大きな信号損失のために、特に相対的に高い周波数帯域において、概して失敗に終わった。同様に、相対的に低い周波数帯域において、信号は、なお損失を経験し、存在するシステムに要求される周波数帯域及び解像度の観点で制限される。さらに、評価される耐火材料の表面へ近接するシステムコンポーネントの配置において、スプリアス信号反射は、関心の反射信号を分離することを困難にし、よって、内側表面又はそのような材料の内部のいずれかの状態の評価をさらに複雑にする。主な取り組みは、炉の壁が、温度上昇につれてより高い導電性を有するようになることである。それゆえに、高温の炉壁を通過する信号は、これらの信号の検出をとても困難にする重大な損失を経験する。

よって、先行技術のシステム及び方法の問題を回避する、伝搬する電磁波の測定を通しての、そのような耐火材料の状態を遠隔に評価することを可能にするシステム及び方法に関する技術のニーズが残る。

米国特許出願公開第２０１３０２６８２３７号 米国特許第６１９８２９３号 米国特許出願公開第２０１３０１４４５５４号

材料の状態を評価するための改善されたシステム及び方法は、本明細書に開示される。典型的な実施形態の一つ又はそれ以上の態様は、利点を提供し、一方で先行技術の欠点を避ける。そのシステム及び方法は、欠陥を特定し、並びに電磁波を用いて耐火材料を含む種々の材料の浸食プロファイル及び厚さを測定するように動作する。材料の遠隔の不連続から反射する関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、システムは、評価中の材料へ送出される電磁波の伝搬と関連する複数の反射を削減するように設計される。さらに、システム及び方法は、クラッタを削減し、及び関心の電磁波の分離を可能にする構造及び信号処理技術を利用する。さらに、システムにおいて用いられるランチャは、評価中の材料とインピーダンス整合され、供給機構は、クラッタをさらに抑制するために複数の反射の影響を軽減するように設計される。

システムは、電磁波を、評価される材料の近接表面へ送出する。電磁波は、材料を貫通し、材料の内側の不連続から、並びに材料の近接の、遠隔表面の両方から反射する。反射電磁波は、材料の近接表面から反射する波をリファレンスとして用いて、コンピュータベースのプロセッサによって受信され、測定される。コンピュータベースのプロセッサは、リファレンス波と望まれないクラッタを含む他の反射電磁波との間の時間の遅延を判定する。クラッタの強度が、材料の遠隔の不連続から反射する電磁波の強度より小さい場合には、コンピュータベースのプロセッサは、これらの不連続と関連する強度のピークレベルを特定し、そのような不連続からリファレンス波と関連する材料の近接表面までの距離を判定する。材料のエリアにわたる一つ又はそれ以上の評価は、それぞれの評価において、材料の厚さ及び材料内部の欠陥の位置を提供し、材料の遠隔表面の浸食プロファイルを作り出す。

システムは、コンピュータベースのプロセッサによって受信されるクラッタに大きく寄与する複数の反射を削減するように設計され及び順応される電磁波ランチャも含む。ランチャは、そうでなければ検出することが見込まれ得ない関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、クラッタのレベルの削減を提供する。ランチャは、高温の炉の耐火壁の評価で用いられて、稼働する炉の内側壁の表面の浸食プロファイルを作り出し得る。

状態を評価し、並びに浸食プロファイル及び種々の材料の厚さを測定する方法は、評価中の材料の近接の、外側表面に順応（ｃｏｎｆｏｒｍ）して近接する電磁波ランチャを設定するステップを含む。方法は、さらに、電磁波を材料内へ送出し、周波数帯域にわたって、前記材料からの不連続から反射する波形の大きさ及び位相を測定するステップを含む。方法は、測定されたデータを時間領域へ変換し、データを距離領域へキャリブレーションし、及び関心の反射電磁波、特に、そのような材料の厚さを判定するために、評価中の材料の内側の、遠隔表面から反射する波と関連するデータを特定するステップも含む。

標準的な技術と比較して、伝搬する電磁波の反射、及び共鳴に起因するクラッタのレベルを大幅に削減することによって、並びに評価中の材料からの遠隔の不連続の位置を判定することによって、システム及び方法は、欠陥を特定し、そのような材料の遠隔表面の浸食プロファイルを測定することができる。

本発明の多数の利点は、添付の図を参照して当業者に、より理解され得る。

ロールエッジ（ｒｏｌｌｅｄ－ｅｄｇｅ）電磁波ランチャを用いるシステムの例示的な実施形態の概略図である。 一実施形態に係る２つのロールエッジを有する電磁波ランチャの一態様を示す図である。 一実施形態に係る２つのロールエッジを有する電磁波ランチャの一態様を示す図である。 一実施形態に係る２つのロールエッジを有する電磁波ランチャの一態様を示す図である。 一実施形態に係る２つのロールエッジを有する電磁波ランチャの一態様を示す図である。 供給推移部のデザインを示す図である。 仮説に基づくシナリオに係る、ノイズ、クラッタ、関心のある反射電磁波の強度を示すプロットである。 ロールエッジを有する及びロールエッジを有さないランチャを用いた場合の、ノイズ、クラッタ、及び関心のある反射電磁波の強度を示すプロットである。 別の実施形態に係る平面型電磁波ランチャの斜視図である。 別の実施形態に係る湾曲したエッジを有する平面型電磁波ランチャの斜視図である。 本発明の任意の実施形態に係る誘電体の厚さを計算する方法の概略図である。 本発明の一実施形態に係る電気小型電磁波ランチャの斜視図である。

以下の説明は、本発明の特定の実施形態に関するものであり、当業者が本発明の実施を実行できるようにすることを目指し、望ましい実施形態を限定するように意図されるものではなく、本発明の特定の例としての役割を果たすことが意図される。当業者であれば、本発明の同じ目的を実行するために、他の方法及びシステムを改良し、並びにデザインするための基礎として開示される構想及び特定の実施形態を容易に用い得ることを理解するだろう。当業者であれば、そのような同等の集合が、その最も広い形態において本発明の精神と範囲を逸脱しないことも理解するだろう。

本発明の実施形態のある態様に関して、材料評価システムは、図１に示される。システムは、炉壁として用いられる耐火材料の状態を評価するように構成される。よって、耐火材料は、外側表面及び外側表面の反対側である内側表面を有する。耐火材料の内側表面は、ガラス、プラスチック、又はスチール、又は炉の内部に含まれる任意の他の材料などの融解材料へ近接している（すなわち、接触している）。供給端１２、送出端１４、及び隣接する供給端１２と送出端１４との間の伸長部分１６を含む電磁（ＥＭ）波ランチャ１０は、評価される耐火材料の外側表面のエリアへ近接して配置される。ＥＭ波ランチャ１０は、システムの稼働周波数帯域をカバーするのに十分大きい周波数帯域で稼働するように設計される。具体的に言うと、より詳しく以下に記載されるように、ＥＭ波ランチャ１０の送出端における直交部の寸法（幅及び高さ）、ランチャの長さ（又は、その代わりに誘導角の幅及び高さ、並びに長さ）、及びＥＭ波ランチャ１０の内部の容積を占める材料の誘電特性は、ＥＭ波ランチャ１０に、本発明の実施形態のある態様に関しては、０．５ＧＨｚから１０ＧＨｚまでの周波数帯域である、システムの稼働周波数帯域をカバーするのに十分に大きい周波数帯域で稼働させるように、全て選択される。同様に、ＥＭ波ランチャ１０は、炉壁の近接の、外側表面に関して要求される温度範囲を耐えるように設計される。特に、ＥＭ波ランチャ１０を形成するために用いられる材料は、ＥＭ波ランチャ１０（炉の外側表面へ近接して配置されるエリアである最も高い温度にさらされるランチャのエリア）がそのような高い温度を耐えられるように選択される。例えば、ランチャの側面上及びロールエッジにおける導電性材料は、炉の外側表面の温度よりも大きい（当業者によって選択され得るようないくつかの適切な安全マージンを含む）融解温度ポイントを有するように選択される。同様に、さらに詳細に以下に記載されるようにランチャの内部容積を占める誘電体に関して、典型的なセラミックタイプの材料は、炉の外側表面の最大限の予想温度よりもずっと高い温度に耐える。本発明の実施形態のある態様に関して、誘電体基板材料も、稼働の温度の観点で、セラミックの材料の特性と類似する特性を有する。最後に、（再度、より詳細に以下に記載されるように）可変の導電性材料が用いられる場合に、粘着性の保護層は、可変の導電性材料へ温度の分離を提供する。そのような材料を選択することにより、稼働のために必要なデータを得るのに十分である数秒間に１６００°Ｆに等しい高さの温度を有する表面に対して、ＥＭ波ランチャ１０を用いることができることが好ましい。しかしながら、より長い継続稼働の間に、そのような材料は、約１０００°Ｆまで温度が到達する表面により、約７００°Ｆの周囲温度制限に耐えることができるであろう。

本明細書にて用いられるように、「近接」表面は、ＥＭ波ランチャ１０の送出端１４へ近接する、評価中の材料の外側表面を指すことも意図される。同様に、「遠隔」表面は、ＥＭ波ランチャ１０の送出端１４に直接近接する近接表面の反対側の、評価中の材料の内側表面を指すことも意図される。よって、炉の場合において、遠隔表面は、炉の外側壁の内側表面を含み、及び近接表面は、炉の外側壁の外側表面を含む。

供給端１２は、同軸ケーブル２０などの無線周波数（ＲＦ）送信ラインへ電気的に接続される供給推移部１８を含む。コンピュータベースのプロセッサ２２も、同軸ケーブル２０へ電気的に接続される。したがって、同軸ケーブル２０は、第１の端においてコンピュータベースのプロセッサ２２へ、及び第２の端において供給推移部１８へ、電気的に接続される。同軸ケーブル２０は、コンピュータベースのプロセッサ２２から供給推移部１８への物理的な長さを有するように選択され、そのことにより、同軸ケーブル２０の第１の端と第２の端との間で伝搬するＥＭ波の伝搬時間は、供給推移部１８から評価中の耐火材料の遠隔の内側表面へ、及びそこから材料の近接の、外側表面へ戻るＥＭ波の伝搬時間より大きい。言い換えると、同軸ケーブル２０の長さ全体を介して伝搬するＥＭ波の伝搬時間は、ＥＭ波ランチャ１０全体を介して伝搬するＥＭ波の伝搬時間に、耐火材料の厚さを通って往復して伝搬するＥＭ波の伝搬時間を加えた時間よりも大きい。

コンピュータベースのプロセッサ２２は、ＲＦサブシステム２３、信号処理サブシステム、及び実行可能なコンピュータコード又はソフトウェアを含む。ＲＦサブシステム２３は、電圧制御オシレータ又は周波数シンセサイザなどの、望ましくは０．２５ＧＨｚから３０ＧＨｚまでのどこかへの周波数帯域で稼働可能な、調節可能な信号源、少なくとも一つの方向性結合器、コヒーレント検出器、及び少なくとも一つのアナログデジタル変換器を含む。信号処理サブシステムは、データストレージ及びデータ処理アルゴリズムを含む。再び図１を参照して、コンピュータベースのプロセッサ２２のコンポーネントは、これらのコンポーネントがこの実施形態の説明ではそれほど重要では無いので、示されないことに留意する。当業者であれば、ＲＦサブシステム２３コンポーネントの種々の配置が、可能であり、並びにフィルタ、インピーダンス整合ネットワーク、増幅器、ノンコヒーレント検出器、及び他の試験機器類などの更なるコンポーネントが、先行技術にて知られるようにコンピュータベースのプロセッサ２２のＲＦサブシステム２３機能を実行するための種々の方法として用いられ得ることを理解するだろう。

ＥＭ波ランチャ１０の送出端１４は、評価される耐火材料と物理的に接触して配置される。より具体的には、送出端１４は、送出端１４が物理的接触している耐火材料の近接表面のエリアに物理的に順応する（すなわち、送出端１４と検査中の表面との間の間隔を最小にするように構成される）ことが望ましい。言い換えると、送出端１４の表面と送出端１４が物理的接触内にある耐火材料の近接表面のエリアとの間に、２ｍｍより大きい隙間又は間隔を有することは、望まれない。

ＥＭ波ランチャ１０の伸長部分１６は、望ましくは、供給端１２から送出端１４への物理的な長さを有するように選択され、そのことにより、供給端１２から送出端１４へ伝搬するＥＭ波の伝搬時間は、評価中の耐火材料の近接の、外側表面から、材料の遠隔の、内側表面へ伝搬する前記ＥＭ波の伝搬時間よりも大きい。言い換えると、ＥＭ波ランチャ１０に沿って伝搬するＥＭ波の伝搬時間は、耐火材料の厚さを通って伝搬するＥＭ波の伝搬時間よりも大きいことが望ましい。炉壁の耐火材料の典型的な厚さの値は、０．５インチから１２インチまでの範囲である。したがって、厚さ測定のターゲット範囲に依存して、ＥＭ波ランチャ１０の伸長部分１６の長さは、通常２インチから１５インチまでのどこかの範囲となる。

図２Ａから図２Ｄは、図１に用いられるＥＭ波ランチャ１０の一つのバージョンの種々の態様を示す。この実施形態において、図２Ａは、先端が切り取られた、２つのエッジが広がった、供給端１２から送出端１６までの矩形の横断面を有するピラミッドとして物理的に構成される、ＥＭ波ランチャ１０の斜視図を示す。図２Ｂ及び図２Ｃは、供給端１２において０．２インチ×０．１３インチ、及び送出端１４において２．５インチ×４．２５インチの矩形の横断面寸法を有するＥＭ波ランチャ１０の側面図を示す。したがって、四つの側面プレート２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄは、ＥＭ波ランチャ１０を形成する。それぞれの側面プレート２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄは、望ましくは、誘電体又は導電性材料で作られる。典型的に、０．０１インチ及び０．２５インチの範囲で、より望ましくは０．０５インチと０．１インチとの間で厚さを有する導電性材料が、用いられる。図２Ｄに示される特定の実施形態においては、約０．０７８インチの厚さの導電性材料が、用いられた。よって、より具体的には、ＥＭ波ランチャ１０の側面プレート２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄは、ＥＭ波ランチャ１０の内部容積を、完全には取り囲まないが、取り囲む構造を形成する。ＥＭ波ランチャ１０の側面プレート２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄは、ＥＭ波ランチャ１０の供給端１２及び送出端１４においては、内部容積を取り囲まない。

再び図２Ａを参照して、任意の横断面図において、四つのエッジ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄは、ＥＭ波ランチャ１０の矩形の断面を形成する。ＥＭ波ランチャ１０のそのような矩形の断面の寸法は、供給端１２から、供給端１２と送出端１４との間で伸長部分１６に沿って位置付けられる推移ポイント２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、及び２８ｄまで、線形的に増加する。したがって、ＥＭ波ランチャ１０の形状は、供給端１０から推移ポイント２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、及び２８ｄまで、均一な矩形の断面のピラミッドの形状と対応する。しかしながら、推移ポイント２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、及び２８ｄから、送出端１４まで、ＥＭ波ランチャ１０の矩形の横断面の反対のエッジ２６ａ及び２６ｃのそれぞれの端の寸法は、図２Ｄに示されるように、０．７８インチの曲率半径を有する円形関数によって記載されるカーブに従って増加する。より具体的には、ＥＭ波ランチャ１０の構造は、二つの楕円に広がった、又は二つの楕円に丸まった反対側のエッジを有する先端を切り取られた矩形の横断面のピラミッドの構造と対応する。送出端１４の厚さの典型的な値は、０と０．２５インチとの間の範囲であり得る。この特定の実施形態において、送出端１４は、０．０７８インチの厚さを有する。同様に、エッジ２６ａ及び２６ｃの丸まりは、推移ポイント２８ａと２８ｂとの間の、又は同等に、推移ポイント２８ｃと２８ｄとの間の間隔が、２．９インチであるポイントにおいて開始する。したがって、推移ポイント２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、及び２８ｄは、送出端１４から約０．６３インチに位置付けられる。

さらに、ＥＭ波ランチャ１０は、耐火材料の近接表面のインピーダンスに十分に整合するインピーダンスを送出端１４において有するように物理的に構成される。ＥＭ波ランチャ１０の内部容積は、少なくとも部分的に、炉の通常の稼働状態において耐火材料の所定のインピーダンスと十分に整合するインピーダンスを有する材料を充填する固体セラミックで充填され得る。この予めの判定は、先行技術においてよく知られた方法を用いて、種々の温度において耐火材料の誘電特性を測定することによって取得され得る。一方で、耐火材料の製造者は、種々の温度における材料の誘電特性についてのデータを提供し得る。これらのデータが、材料のインピーダンスを判定するために用いられても良い。耐火材料のインピーダンスは、主に、材料の比誘電率及び材料の誘電正接の両方によって判定される。概して、比誘電率は、１から２５までおよび得、材料の特定の種類及び材料の温度に依存する。よって、ＥＭ波ランチャ１０の内部容積は、部分的に又は完全に、耐火材料の比誘電率と類似する比誘電率の材料を充填する誘電体で充填されて、耐火材料のインピーダンスに十分に整合し得る。

ＥＭ波ランチャ１０の内部容積を充填するために用いられる充填材料は、空気、液体、又は固体であり得る。望ましくは、充填材料は、固体粉末又は粒状材料の混合であり、それぞれの粒子の最大寸法が、稼働の最低周波数においてＥＭ波ランチャ１０内を伝搬するＥＭ波の波長の１０パーセント以下であることが望まれる。より望ましくは、充填材料は、ＥＭ波ランチャ１０の内部容積内へ適合するように順応される材料などの固体のセラミックの一片である。あるいは、ＥＭ波ランチャ１０の内部容積は、供給端１２から送出端１４まで階層状にされ得、そのことにより、それぞれの層は、任意の隣接層の充填材料の誘電率に対してわずかに異なる誘電率を有する充填材料で充填され、供給端１２からのインピーダンスを、送出端１４において評価される耐火材料のインピーダンスに、段階的に調整する配置にて、異なる誘電率の複数の層を構成する。必要な場合はいつも、リッド又はキャップが供給端１２及び送出端１４に配置され、ＥＭ波ランチャ１０の操作又は稼働の間に、充填材料がＥＭ波ランチャ１０の内部容積から出ていくことを防ぐ。当業者であれば、送出端１４に配置されるキャップが、前記キャップを通って伝搬するＥＭ波への実質的な不連続を妨げるために、充填材料の誘電特性と類似する誘電特性を有する材料で作成されなければならないということを理解する。同様に、供給端１２に配置されるキャップは、供給推移部１８の特定のデザインに係る材料で作成されなければならない。

図３は、約０．１インチの厚さを有する導電性材料のシェルで形成されるキャップ３０を用いる供給推移部１８のデザインを示す。キャップ３０は、シェルに囲まれ、空気が充填されたキャビティを形成し、第１の寸法の半円形の断面を、及び前記第１の寸法に垂直である第２の寸法の矩形の断面を有する。この実施形態において、半円形の断面は約０．７５インチの内側の半径を有する半円部３２と、約１．６インチの直線部とによって規定され、約１．６インチの直線部はギャップ３５によって分離されるほとんど同じ寸法の第１の部分３４ａ及び第２の部分３４ｂを含み、前記矩形の断面は約１．６インチの幅を規定する前記直線部と、約１．３インチの長さを規定する（図３に示されない）別の直線部とにより、規定される。

キャップ３０は、同軸ケーブル２０がキャビティの内側に入ることをちょうど可能にするのに十分な大きさの第１の円形の開口部を半円形の部分３２の一側面において有する。同軸ケーブル２０の外側導電体３６は、キャップ３０の半円形の部分３２と供給端１２におけるＥＭ波ランチャ１０の導電側面プレート２４ａとの両方へ電気的に接続される。ピン又はプローブ３８は、同軸ケーブル２０の中央導電体をキャビティ内部の同軸ケーブル２０の外側の導電体を超えて伸長することによって形成され、この場合においては、ピンの長さは、約０．１インチである。同様に、キャップ３０のギャップ３５は、直線部３４ａを直線部３４ｂから分離する第２の開口を規定する。ギャップ３５の寸法は、供給端１２により近いＥＭ波ランチャ１０の切り取られた端の先端がキャビティ内へ適合することをちょうど可能にするのに十分な大きさである。この実施形態において、ＥＭ波ランチャ１０の側面プレート２４ａ及び２４ｃは、導電性材料で作成されている。したがって、ＥＭ波ランチャ１０の側面プレート２４ａは、第２の部分３４ｂへ電気的に接続され、ＥＭ波ランチャ１０の側面プレート２４ｃは、第１の部分３４ａへ電気的に接続される。同様に、同軸ケーブル２０の外側の導電体３６は、第１の部分３４ａへ電気的に接続される。さらに、ピン３８は、第２の部分３４ｂへ電気的に接続される。このように、ＥＭ波ランチャ１０は、キャビティにより支持される供給ピン構造（ｃａｖｉｔｙ－ｂａｃｋｅｄ ｆｅｅｄｉｎｇ ｐｉｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）における同軸ケーブル２０のピン３８によって励起され得る。通常、ピン３８は、ＥＭ波ランチャ１０に沿って伝搬するＥＭ波の周波数帯域の中心周波数と対応する１／４波長に等しいキャップからの距離に位置付けられる。

当業者であれば、半円形の部分３２が、楕円、平面、又は他の滑らかな関数などの種々の構成に従って成形され得ることを理解するだろう。同様に、キャップ３０の一つ又はそれ以上の部分は、ある構造においては除去され得、キャビティは誘電体で充填され得る。さらに、直線部３４ａ及び３４ｂの寸法は、ＥＭ波ランチャ１０の供給端１２との組み合わせでデザインされて、望ましくない共鳴の効果を削減し得る。

稼働
本発明の実施形態の更なる態様に従って、図１の材料評価システムを用いる方法は、ＥＭ波伝搬の原理に基づく。コンピュータベースのプロセッサ２２は、調整可能なＲＦ信号源を制御し、そのＲＦ信号源は、耐火材料を十分に低い損失で適切に通過する周波数帯域で稼働するものであり、その周波数帯域は、望ましくは０．２５ＧＨｚと３０ＧＨｚとの間のどこか、より望ましくは０．２５ＧＨｚと１０ＧＨｚとの間のどこかの周波数帯域である。ＲＦ信号源は、ＥＭ波ランチャ１０内部で少なくとも一つの伝搬モードを励起し、複数のＥＭ波が、関心の周波数帯域において供給端１２から送出端１４へ伝搬することができるように、同軸ケーブル２０によって供給推移部１８へ伝えられる。ＥＭ波ランチャ１０内で伝搬するＥＭ波の帯域は、利用者に要求されるように、通常、低くても２ＧＨｚが選択される。

ＥＭ波ランチャ１０に到達すると、コンピュータベースのプロセッサ２２からのＲＦ信号源は、同軸ケーブル２０に沿って伝搬するＲＦ信号源のＥＭ場を、ＥＭランチャ１０の内側に活性化される伝搬モードのＥＭ場へ順応することに起因して、供給推移部１８において、初期の不連続を経験することになる。この初期の不連続により、ＲＦ信号源の一部の、コンピュータプロセッサ２２への戻り反射が生じる。

さらに、ＥＭ波ランチャ１０に沿って伝搬するＥＭ波が耐火材料の近接の、外側表面に到達すると、ＥＭ波の第１の部分は材料の近接の、外側表面を介して通過し、材料の遠隔の、内側表面に到達するまで材料の内部を伝搬する。ＥＭ波の第２の部分は、耐火材料の近接の、外側表面からＥＭ波ランチャ１０へ戻り反射し、反射ＥＭ波の一部は、コンピュータプロセッサ２２に到達するまで伝搬する。ＥＭ波の第１の部分が、耐火材料の遠隔の、内側表面に到達すると、ＥＭ波の第３の部分は、炉の内部に含まれる融解材料を介して通過し得、及び融解材料の内部へ伝搬する。ＥＭ波の第４の部分は、耐火材料の遠隔の、内側表面からＥＭ波ランチャ１０へ戻り反射し、反射ＥＭ波の一部は、コンピュータプロセッサ２２に到達するまで伝搬する。ＥＭ波の第２の部分は、波が、送出端１４におけるＥＭ波ランチャ１０の内部容積と耐火材料との間の媒体不連続を介して伝搬する結果として、反射する。同様に、ＥＭ波の第４の部分は、波が、耐火材料と融解材料との間の媒体不連続を介して伝搬する結果として、反射する。

さらに、耐火材料を通って伝搬するＥＭ波は、耐火材料の内側の不均一な領域又は欠陥の存在に起因する不連続を経験し得る。よって、ＥＭ波の一部は、耐火材料の内部の欠陥から、ＥＭ波ランチャ１０へ戻り反射し、反射ＥＭ波の一部は、コンピュータプロセッサ２２に到達するまで伝搬する。

その上さらに、ＥＭ波ランチャ１０に沿って伝搬するＥＭ波は、送出端１４において更なるエッジの不連続を経験する。より具体的には、エッジの不連続は、図２Ａに示すように、波が、送出端１４におけるＥＭ波ランチャ１０の内部容積と、耐火材料の近接の、外側表面などのエッジの周辺の媒体と、空気などのＥＭ波ランチャ１０の周辺の媒体と、の間の媒体の不連続を通って伝搬する結果として、送出端１４に対応するエッジ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄにおいて生じ得る。したがって、ＥＭ波の一部は、エッジからＥＭ波ランチャ１０へ戻り反射し、反射ＥＭ波の一部は、コンピュータプロセッサ２２に到達するまで伝搬する。

さらに、送出端１４に対応するエッジ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄから反射するＥＭ波は、他のエッジの一つ又はそれ以上に複数回到達して、ＥＭ波の複数のエッジの反射による、望ましくない「共鳴」の又は「反射」の効果を作り出すことがある。最終的には、複数の反射ＥＭ波の一部は、コンピュータプロセッサ２２に到達する。

同様に、耐火材料の範囲内の、ＥＭ波ランチャ１０内の、又は供給端１２とコンピュータプロセッサ２２との間の、任意の反射波は、耐火材料の近接の、外側表面、送出端１４、及び供給端１２における任意の不連続に影響される。言い換えると、不連続の効果は、コンピュータプロセッサ２２から耐火材料の遠隔の、内側の壁へ、又は耐火材料の遠隔の、内部の壁からコンピュータプロセッサ２２へのいずれかの、ＥＭ波の伝搬の方向に関わらず、ＥＭ波を伝搬することに影響し得る。したがって、共鳴効果を作り出し得、更に関心の反射ＥＭ波を検出するコンピュータプロセッサ２２の能力に悪影響を及ぼし得る複数のＥＭ波反射が、発生する。言い換えると、材料評価システムの深刻なパフォーマンスの問題を生じ得る、複数のスプリアス信号又は所望されないＥＭ波反射は、本質的に存在している。そのようなスプリアス信号の複合の効果、又は所望されないＥＭ波反射を指して共通に用いられる用語は、「クラッタ」である。

特に、耐火材料の状態を評価するための関心の第１のＥＭ波は、送出端１４と耐火材料の近接の、外側の壁との間の不連続からのもとの反射ＥＭ波であり、耐火材料の厚さを判定すること、又は前記材料内部の欠陥の位置を判定することのためのリファレンスを確立するものである。関心の第２のＥＭ波は、耐火材料の遠隔の壁、内側の壁と炉の内部の融解材料との間の不連続からのもとの反射ＥＭ波であり、耐火材料の厚さを判定するものである。関心の第３のＥＭ波は、耐火材料内部の欠陥の不連続からのもとの反射ＥＭ波であり、欠陥の位置を判定するものである。

相応に、複数の様々な要素は、システムの全体のクラッタに対する主な要因である。第１の要素は、供給推移部１８からコンピュータベースのプロセッサ２２への反射ＲＦ信号に対応する。第２の要素は、供給推移部１８とコンピュータベースのプロセッサ２２との間の複数のＲＦ信号反射又は共鳴に対応する。第３の要素は、送出端１４におけるエッジ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄからコンピュータベースのプロセッサ２２への反射ＥＭ波に対応する。第４の要素は、送出端１４におけるエッジ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄからコンピュータベースのプロセッサ２２へのＥＭ波の複数のエッジ反射又は共鳴に対応する。第５の要素は、耐火材料の近接の、外側の壁と、耐火材料の遠隔の、内側の壁との間の、コンピュータベースのプロセッサ２２へ到達するＥＭ波の複数の反射又は共鳴に対応する。第６の要素は、耐火材料内部の欠陥と、耐火材料の近接の、外側の壁との間の、コンピュータベースのプロセッサ２２に到達するＥＭ波の複数の反射又は共鳴に対応する。第７の要素は、耐火材料内部の欠陥と、耐火材料の遠隔の、内側の壁との間の、コンピュータベースのプロセッサ２２に到達するＥＭ波の複数の反射又は共鳴に対応する。第８の要素は、供給端１２と、耐火材料の近接の、外側の壁との間の、コンピュータベースのプロセッサ２２に到達するＥＭ波の複数の反射又は共鳴に対応する。第９の要素は、供給推移部１８と供給端１２との間の、コンピュータベースのプロセッサ２２に到達するＥＭ波の複数の反射又は共鳴に対応する。

この実施形態において、コンピュータベースのプロセッサ２２によって受信されるＲＦ信号又はＥＭ波は、もとのＲＦ信号源のリファレンスバージョンに対する受信ＲＦ信号又はＥＭ波の、同相（Ｉ）及び直角位相（Ｑ）成分に比例する電圧を提供するコヒーレント検出器を通過し、よって、大きさと相対位相との両方を測定することができる。もとのＲＦ信号源のリファレンスバージョンは、方向性結合器を用いて得られるサンプルによって提供される。アナログ－デジタル変換器は、コヒーレント検出器のＩ電圧及びＱ電圧出力に比例するデジタルデータを出力する。デジタルデータは、続いて、コンピュータベースのプロセッサ２２によって読み出され、記録され、処理される。コンピュータベースのプロセッサ２２はさらに、処理されたデータをキャリブレーションして、利用者へ結果を表示する。コンピュータベースのプロセッサ２２は、周波数領域のデータを生成し、周波数領域のデータを時間領域のデータへ変換するために、受信された反射ＥＭ波を測定するように構成される実行可能なコンピュータコードを有する。さらに、コンピュータベースのプロセッサ２２は、時間領域のデータを距離領域のデータにキャリブレーションし、耐火材料から反射する関心のＥＭ波と関連する距離領域のプロファイル内のピークを特定し、関心のＥＭ波の進行を判定する。

よって、コンピュータベースのプロセッサ２２は、受信ＲＦ信号又は受信ＥＭ波と、もとのＲＦ信号源との間の相対的な時間遅延を判定することができる。時間領域のデータは、関心のそれぞれのＥＭ波の到着の相対時間及びクラッタ要素を判定することに用いられ得る。とりわけ重要であるのは、関心の任意のＥＭ波は、リファレンスとして用いられる、関心の第１のＥＭ波の到着と、関心の第２のＥＭ波の到着との間の時間間隔の間に受信されることである。言い換えると、耐火材料の状態の任意の情報は、当該時間間隔の間に、コンピュータベースのプロセッサ２２へ到着する。したがって、コンピュータベースのプロセッサにおける、この時間間隔の間に到着し得るクラッタ要素だけが、第２の、第３の、第４の、第６の、第８の、及び第９のクラッタ要素に対応するクラッタ要素である。

さらに、同軸ケーブル２０の長さの至る所を伝搬するＥＭ波の伝搬時間が、耐火材料の厚さを通って往復して伝搬するＥＭ波の伝搬時間を加えたＥＭ波ランチャ１０の至る所を伝搬するＥＭ波の伝搬時間よりも大きいように、同軸ケーブル２０の長さを選択することによって、第２のクラッタ要素と対応する複数の反射は、関心の任意のＥＭ波よりも遅れて、コンピュータベースのプロセッサ２２に到着する。同様に、ＥＭ波ランチャ１０に沿って伝搬するＥＭ波の伝搬時間が、耐火材料の厚さを通って伝搬するＥＭ波の伝搬時間よりも大きいように、ＥＭ波ランチャ１０の伸長部分１６の長さを選択することによって、第８のクラッタ要素と対応する複数の反射は、関心の任意のＥＭ波よりも遅れて、コンピュータベースのプロセッサ２２に到着する。

第６のクラッタ要素によって生成される共鳴の効果、すなわち、耐火材料内部の欠陥と耐火材料の近接の、外側の壁との間のコンピュータベースのプロセッサ２２に到着するＥＭ波の共鳴は、欠陥が、耐火材料の遠隔の、内側の壁よりも、耐火材料の近接の、外側の壁へより近く位置付けられる場合に限り、関心のＥＭ波と同じ間隔時間でコンピュータベースのプロセッサ２２に到着する。しかしながら、この効果は、欠陥が、材料の厚さの半分よりも小さい、材料の近接の、外側の壁からの距離に存在しているときにのみ、顕著である。当業者であれば、複数の周波数における測定及び既知の信号処理技術により、いつこの状況が生じるのか判定できることを理解するだろう。

図３に示すように、この実施形態におけるキャビティに支持される供給推移の利用は、第９のクラッタ要素の効果、すなわち、供給推移部１８と供給端１２との間の、関心のＥＭ波と同じ時間間隔でコンピュータベースのプロセッサ２２に到達し得るＥＭ波の共鳴を削減し得る。ＥＭ波ランチャ１０の固有の広帯域の条件のために、重要な１／４波長距離は、稼働の全周波数帯域にわたって維持することが難しい。したがって、共鳴の効果は、なお有意ではあるが、部分的に除去され得る。

それゆえに、もっとも関連のある、同時に、システムから除去することが最も難しいクラッタ要素は、送出端１４におけるエッジ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄに対するそれらである。これらは、前述のように第３の及び第４のクラッタ要素である。

コンピュータベースのプロセッサ２２の実行可能なコンピュータコードは、同軸ケーブル２０及びＥＭ波発射装置１０に沿って進行する、そして評価中の耐火材料を通って進行するＥＭ波の既知の速度に基づいて、時間領域のデータを、距離領域のデータへのキャリブレーションを可能にする。また、リファレンスの、又は０距離の値は、ＥＭ波ランチャ１０の送出端１４と、耐火材料の近接の、外側表面との間の推移に対応する。図４は、コンピュータベースのプロセッサ２２における受信ＥＭ波の大きさのプロットを距離の関数として示す。これは、図１に示すシステムに見込まれる状況を示し、耐火材料内部の欠陥が存在している。コンピュータベースのプロセッサ２２において関心のＥＭ波を判定するにあたり、クラッタ要素の効果が、顕著となり得る。実線のカーブは、システムノイズを加えた関心のＥＭ波の大きさを表す。破線のカーブは、システムノイズを加えたクラッタの大きさを表す。関心の距離間隔は、耐火材料の厚さに対応する距離に過ぎず、この場合には約６インチ、であることにも留意されたい。ノイズを加えたクラッタの大きさが、図４に示すように、欠陥と耐火材料の厚さとの両方と関連する関心のＥＭ波の大きさとおおよそ同じ又はより大きいならば、そのような関心のＥＭ波は、コンピュータベースのプロセッサ２２によって検出され得ない。よって、図４において４インチの距離に概略示す、耐火材料の欠陥と関連する関心のＥＭ波と、６インチの距離に概略示す、前記材料の遠隔の、内側の壁と関連する関心のＥＭ波との、いずれもが、クラッタの効果により検出され得ない。したがって、耐火材料の厚さは、判定され得ない。この場合において、耐火材料の近接の、外側表面と関連する関心のＥＭ波の大きさは、ノイズを加えたクラッタの前記大きさよりも上であるので、耐火材料の近接の、外側表面と関連する関心のＥＭ波の大きさのみが判定され得る。しかしながら、材料の近接の、外側表面と関連する関心のＥＭ波のみの大きさを判定することは、あまり役に立たない。

従って、ノイズを加えたクラッタの大きさを、欠陥又は材料の状態を判定することができる耐火材料の厚さと、関連する関心のＥＭ波の大きさを下回るレベルまで削減することは、極めて重要である。通常、耐火材料の評価を含むほとんどの利用例において、クラッタはとても大きいので、材料評価システムは信頼できなくなり、概して、材料の状態を判定することができなくなる。さらに、炉壁の表面上の種々の位置において得られる反射ＥＭ波の測定の減算に基づくものなどの周知の技術は、クラッタを削減するのに有効ではない。技術の効果のなさの理由は、測定ごとの表面温度、誘電正接、並びに、ＥＭ波ランチャ１０及び炉壁の表面の配置の、変動に起因する、測定のそれぞれと関連するクラッタ成分の変動性である。

図１及び図２は、送出端１４におけるエッジ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄに関するクラッタ要素を大幅に削減するＥＭ波ランチャ１０のデザインを示す。先に示したように、送出端１４におけるエッジ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄに関するクラッタ要素は、システムから抑制することに最も関連し、同時に最も困難なクラッタ要素である。図５は、稼働している炉に取り付けられた１０インチの厚さの耐火材料の実際の測定データを示す。この場合において、耐火壁の厚さは、欠陥を含まないように選択され、かつ、欠陥からの反射ＥＭ波がなく、炉壁の遠隔の、内側表面からの反射ＥＭ波が、コンピュータベースのプロセッサ２２に到達せずに減衰するように選択される。よって、図５は、ロールエッジを有するＥＭ波ランチャ１０及びロールエッジを有していない実質的に同様のＥＭ波ランチャ１０についてのクラッタプラスノイズの測定結果のみを示す。実線カーブは、前述のように、ロールエッジを有するＥＭ波ランチャ１０を用いて、処理された時間領域のデータのクラッタプラスノイズの大きさを表す。破線カーブは、ロールエッジを有していない実質的に同様のＥＭ波ランチャ１０が用いられる場合に、クラッタプラスノイズの大きさを表す。図４に示すように、ロールエッジを有するＥＭ波ランチャを用いることの効果は、炉壁の近接の外側表面に関連する関心のある反射ＥＭ波が出現することが予測される領域、例えば、時間が１ナノ秒を超える領域において、クラッタプラスノイズを約２０ｄＢから３０ｄＢ以上低減させたことである。

ロールエッジを有するＥＭ波ランチャを用いることの別の効果は、炉壁の近接の外側表面と関連する関心のある反射ＥＭ波に対して、クラッタプラスノイズを１０ｄＢ程度低減させたことである。また、システムノイズは、双方の場合に実質的に同様であるため、ロールエッジを有する、及びロールエッジを有さないＥＭ波ランチャ１０を用いるときに、図５に見られるクラッタプラスノイズの低減は、主にクラッタレベルの低減に対応する。

単独のＥＭ波ランチャ１０が用いられる図１に関しては、そのようなシステムは、モノスタティック構造と、一般的に呼ばれる。更なるＥＭ波ランチャ１０が、反射ＥＭ波を受信するためにのみ加えられてもよい。一般的にバイスタティック構造として知られるそのような構造において、第１の「能動的な」ＥＭ波ランチャ１０は、図１に示されるように、ＥＭ波を評価中の材料に送出することに用いられる。第２の「受動的な」ＥＭ波ランチャ１０は、第１のＥＭ波ランチャ１０に隣接して配置される。第２のＥＭ波ランチャ１０は、反射ＥＭ波を受信するに過ぎない。よって、反射ＥＭ波は、送出ＥＭ波に用いられるパスと異なるパスを用いてコンピュータベースのプロセッサ２２へ戻る。このことは、送出ＥＭ波と受信ＥＭ波との間に固有の分離を提供する。図１とは違って、このバイスタティック構造は、反射ＥＭ波のコヒーレント検出を行うためにコンピュータベースのプロセッサ２２から生じる及びコンピュータベースのプロセッサ２２に向かう、送信ＥＭ波と受信ＥＭ波とを分離するための、方向性結合器などの更なるコンポーネントを要求しない。

バイスタティック構造において、第１のＥＭ波ランチャ１０の送出端１４を含む仮想平面の中心点が、第２のＥＭランチャ１０の送出端１４を含む平面の対応する中心点と、可能な限り近接して配置され、両方の送出端が耐火材料の近接の、外側表面と接触して順応するように配置されるのが望ましい。この構造におけるＥＭ波ランチャの間の望ましい最小限の分離に関する一つの理由は、反射ＥＭ波によって伝えられる距離がより短いことであり、より少ない損失で済む。第２の理由は、第２のＥＭ波ランチャが、より多くの反射ＥＭ波、特に送出ＥＭ波に対して１８０°に近い角度で反射するそれらのＥＭ波、を受信できることである。さらに、送出ＥＭ波の電場分極と実質的に同じ電場分極を有する反射ＥＭ波を受信するために、ある状況において、第２のＥＭ波ランチャ１０に対する第１のＥＭ波ランチャ１０の方向は、第１のＥＭ波ランチャ１０の送出端１４におけるエッジ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄが、第２のＥＭ波ランチャ１０の送出端１４にエッジ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄと実質的に平行となるように選択され得る。当業者であれば、第２のＥＭ波ランチャ１０に対する第１のＥＭ波ランチャ１０の相対方向が、送出ＥＭ波の電場分極と比較して、相互分極、交差分極、又はそれらの任意の組み合わせなどの実質的に望ましい電場分極を有する反射ＥＭ波を受信するように調整される必要があり得ることを理解するだろう。さらに、第２のＥＭ波ランチャは、第１のＥＭ波ランチャと同一であること又は類似であることは要求されない。

横電磁界（ＴＥＭ）波が排他的に用いられる本発明の更なる態様に関して、ＥＭ波ランチャ１０は、導電性材料でできている二つの向かい合う側面プレートのみを有するように構成され得る。言い換えると、第１の構造においては、側面プレート２４ａ及び２４ｃのみが、導電性材料を用いて作られる。第２の構造においては、側面プレート２４ｂ及び２４ｄのみが、導電性材料を用いて作られる。これらの二つの異なる構造のための望ましい厚さ寸法は、図２に示されるように、四つの導電側面プレートを有する構造のためのものと同じである。よって、より具体的には、ＥＭ波ランチャ１０の２つの向かい合う側面プレートの第１のグループは、導電性材料でできており、二つの向かい合う側面プレートの第２のグループは、取り除かれてもよく、誘電性の材料、又は先行技術において知られているような他の材料で作られてもよく、若しくは単に、セラミックなどの固体の充填誘電物質の向かい合う表面に置き換えられてもよい。

さらに、ＥＭ波ランチャ１０は、導電性材料を用いて作られる代わりに、可変の導電性を有する材料が配置される少なくとも二つの向かい合う側面プレートを別途、提供されてもよい。当業者であれば、ＥＭ波ランチャ１０の内側容積を充填する誘電体に塗布される導電性材料の一つ又はそれ以上の被膜の利用例が、側面プレートに沿う可変の導電性の望まれるプロファイルを達成するために用いられ得ることを理解するだろう。あるいは、厚さが均一であり、可変の導電性を有するフィルムは、供給端１２と送出端１４との間に配置され得る。より具体的には、可変の導電性材料は、少なくとも側面プレート２４ａ及び２４ｃ上に、又は少なくとも側面プレート２４ｂ及び２４ｄ上に配置され得る。この別途の実施形態において、ＥＭ波ランチャ１０の内部容積は、固体の誘電体、望ましくはセラミックで充填される。可変の導電フィルムは、供給端１２から送出端１４へ向かう、誘電体の二つの向かい合う側面の表面上に配置され、ＥＭ波ランチャ１０の側面プレート２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、及び２４ｄを形成する。この構造において、種々の導電性材料の第１の端は、供給端１２とより近接して配置され、可変の導電性材料の第２の端は、送出端１４とより近接して配置される。よって、電磁波は、可変の導電性材料に部分的に囲まれる領域内部でＥＭ波ランチャ１０中を伝搬し、導電性は、可変の導電性材料上のポイントから送出端１４への距離の関数として変動する。あるいは、それぞれが可変の導電性を有する、導電フィルムの複数の部分が、より低い導電性からより高い導電性まで連続して配置され、部分の最初のものから最後のものまでの距離の関数として増加する導電プロファイルを作り出し得る。導電フィルムのそれぞれの個々の層の厚さは、０．００１インチと０．１インチとの間の範囲であることが好ましい。

通常、シート抵抗は、均一な厚さの材料の薄いフィルム層の導電性の度合いを特徴付ける。より大きいシート抵抗は、より低い導電性と対応し、逆の場合も同じである。直前に述べた構造において、可変の導電性材料のシート抵抗は、供給端１２により近接する可変の導電性材料の第１の端から、送出端１４により近接する可変の導電性材料の第２の端まで、指数関数に従って増加する。

特に、供給端１２により近接する第１の端における可変の導電性材料のシート抵抗の最小値は、１オーム／スクエアより小さいことが望ましい。より望ましくは、シート抵抗の最小値は、銅又は銀などの導電性材料のシート抵抗と同様である。一方で、送出端１４により近接する、第２の端における可変の導電性材料のシート抵抗の最大値は、５０オーム／スクエアと１０００オーム／スクエアとの間のどこかの範囲であることが望ましい。より望ましくは、シート抵抗の最小値は、セラミックなどの誘電体のシート抵抗と同様である。言い換えると、可変の導電性材料は、供給端１２により近接する導電性材料として作用し、可変の導電体材料が送出端１４へ近づくにつれて、望ましい最大シート抵抗値を有するように、段階的に推移する。この可変の導電プロファイルは、送出端１４におけるエッジからのＥＭ波の反射の大幅な削減を提供する。したがって、可変の導電プロファイルは、送出端１４におけるエッジから反射するＥＭ波から生じるクラッタの大幅な削減を提供する。

前述の可変の導電プロファイルは、ＥＭ波ランチャ１０の少なくとも二つの向かい合う側面プレート２４ａ及び２４ｃ、又は２４ｂ及び２４ｄのそれぞれに対してほとんど同じである。しかしながら、当業者であれば、それぞれの側面プレート内の異なるプロファイルが用いられ得ることを理解するだろう。概して、可変の導電性材料のシート抵抗のプロファイルは、ステップ、楕円関数、指数関数、若しくは滑らかに推移する関数、又はそれらの任意の組み合わせに従って増加し得、供給端１２により近接する可変の導電性材料の第１の端から、送出端１４により近接する可変の導電性材料の第２の端まで、クラッタを削減するようにデザインされ得る。

送出端１４へ相対的に近接して配置される抵抗フィルムを用いることの重要な問題は、通常の稼働状態において、耐火材料が、炉の近接の、外側表面においてカ氏数百度の温度に到達し得ることである。送出端１４は、高温の材料と物理的に接触する。それ故に、大抵は、フィルムは、保護されない限り物理的に損傷し得る。導電フィルムは、フィルムを保護するために、高温接着剤の二つの層の間に挟まれ得る。この３層構造は、ＥＭ波ランチャ１０の内部容積を充填する誘電体の少なくとも二つの向かい合う側面の表面上に、供給端１２から送出端１４へ向かって配置され、ＥＭ波ランチャ１０の側面プレート２４ａ及び２４ｃを形成し得る。本実施形態において、誘電体及び３層構造は、２時間の間にセ氏約３００°の温度で硬化された。望ましくは、フィルム及び接着剤の層のそれぞれは、０．００１インチと０．０１インチとの間のどこかの範囲にわたる厚さを有する。より望ましくは、接着剤の層は、誘電体の電気特性に類似する電気特性を有する。さらに、高温セラミックセメント又は他の相当する材料が、保護の増強のために３層構造の頂部に配置されてもよい。このように、コンパクトなパッケージングが、フィルムを、送出端１４が経験する高い温度に起因する物理的な損傷から、並びにＥＭ波ランチャ１０の設置及び操作の間の取り扱いから保護するためだけでなく、操作の間にフィルムを適所に保つために提供される。当業者であれば、商業的に利用可能な接着剤及びセメント材料の種々のタイプが用いられ得、それらの接着剤及びセメント材料が、概して、カ氏２００から５００度までの範囲の温度において、１時間と３時間との間の硬化する時間を有することを理解するだろう。

前述のように可変の導電性材料を用いてＥＭ波ランチャ１０を構成することの効果は、ＥＭ波ランチャ１０の送出端１４のエッジに関するクラッタ要素を削減するにあたり有意義であるので、可変の導電性材料を用いる実施形態は、送出端１４において広がったエッジ又はロールエッジを必要とし得ない。よって、ロールエッジＥＭランチャを用いる第１の構造、又は可変の導電性材料の少なくとも二つの側面プレートを有するＥＭ波ランチャを用いる第２の構造のいずれかが、ほとんどの利用例においてエッジ反射を大幅に削減するために用いられ得る。もちろん、エッジ反射を削減するための両方の技術を組み合わせる第３の構造は、更なる改善を、材料評価システムへ提供する。

ＥＭランチャ１０の送出端１４は、評価される材料の近接の、外側表面のトポロジに従って伸長し得る。あるいは、ＥＭ波ランチャ１０の送出端１４のロールエッジは、エッジ反射の効果を削減するために、推移ポイント２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、及び２８ｄから離れて十分に、滑らかに伸長する円関数又は他の関数に従い得る。

全体の材料評価システムは、操作者が、スイッチを有効にすることによって、周波数帯域にわたってＥＭ波の送出を開始する、単独の携帯可能なユニットへパッケージされてもよい。より具体的には、全体の材料評価システムは、単独の携帯式ユニットに封入されてもよい。ユニットは、単独のポイントにおいて炉壁の状態を評価し得、内蔵メモリに情報を記録し得る。あるいは、材料評価システムのコンポーネントのサブセットを伴うＥＭ波ランチャは、ＥＭ波を送出するための、並びにＥＭ波ランチャへ至るＥＭ波の強度及び位相を測定し、記録し、及び格納するだけのための、単独のアセンブリへ統合され得る。続いて、格納されたデータは、携帯可能なメモリドライブを用いて、又はフレキシブルケーブルによって、評価中の対象の材料の状態を判定し、最終的に厚さを測定するために、コンピュータベースのプロセッサ２２へ送信され得る。あるいはデータは、リアルタイムに、又は都合の良い機会に無線で送信され得る。さらに、携帯式ユニットは、データ処理コンポーネント、並びに炉壁の厚さ、及び／又は耐火材料の外側の、近接表面から、評価中の材料に組み込まれた不連続までの距離を表示するディスプレイを含み得る。携帯可能なユニットは、複数の位置で測定する間に、手動で炉壁のエリアをスキャンするようにデザインされ得る。さらに、ＥＭ波ランチャ１０は、評価中の前記材料の一つ又はそれ以上の評価に定期的に用いられ得、若しくは評価中の材料の状態を連続してモニタするために、評価中の材料の外側の、近接表面上に恒久的に設置され、固定され得る。あるいは、評価中の材料の外側の、近接表面の領域は、稼働中にＥＭ波ランチャを移動させ、一方で、評価中の材料の外側の、近接表面との、物理的な接触を維持することにより、スキャンされ得る。

コンピュータベースのプロセッサ２２のＲＦサブシステム２３のＲＦフロントエンドは、ＥＭ波ランチャ１０の供給推移部１８と統合され得る。言い換えると、同軸ケーブル２０は、もはや要求されないので、システムから除去され得る。この状況では、ＲＦフロントエンドと供給推移部１８との間の任意の複数の反射は、関心の反射ＥＭ波のどれよりも前に、コンピュータベースのプロセッサ２２へ到着する。あるいは、同軸ケーブル２０は、所定の物理的なルートに従って配置され、ケーブル内を伝わるＲＦ信号又はＥＭ波の最大限の安定性を生み出す。さらに、そのような安定性は、同軸ケーブル２０のどの動きも最小にするように、支持構造へケーブルを物理的に取り付けることによって達成され得る。同様に、同軸ケーブル２０が、ケーブルに直線ルートからある角度を超えて曲がることを要求するルートに従うことを妨げることは、システムの全体のクラッタを削減するのに役立ち得る。

当業者であれば、ＥＭ波ランチャ１０が、アンテナ、導波管、誘電体、導電性材料、可変の導電性を有する材料、メタマテリアル、又は異なる幾何学的な配置で構成される、それらの任意の組み合わせの、一つまたはそれ以上を含む種々の構造内に、複数のデバイス及び材料を用いて実装され得ることを理解するだろう。

特に、図６は、導電性材料の第１の層６２ａ及び導電性材料の第２の層６２ｂを有するボウタイアンテナを含む平面ＥＭ波ランチャ６０の好ましい構造を示し、層６２ａ及び６２ｂの両方のエッジは、三角形を有するように線形的にテーパー状となり、誘電体基板６４の頂部表面上に配置される。ＥＭ波ランチャ６０は、通常、「平衡不平衡変成器」と呼ばれ、同軸ケーブルなどの不平衡送信ラインのインピーダンスをボウタイアンテナの入力インピーダンスへ順応する、平衡－不平衡デバイスによって供給される。この構造において、ボウタイアンテナの入力インピーダンスは、耐火材料の近接の、外側表面のインピーダンスへ実質的に整合される。基板６４は、導電性材料の層が裏側表面の全部にわたって配置されてグランドプレーンを形成する、裏側表面と、平衡不平衡変換器が、ボウタイアンテナへ供給することを可能にする二つの開口とを有する。通常、当業者によく理解されているように、これらの開口は、基板６４の最小の寸法又は厚さを介して作られ、並びにワイヤが、それぞれの開口を通過することを可能にし、層が、その最も近い距離、この場合において約０．１インチ、にあるポイントで、平衡不平衡変成器をそれぞれの層６２ａ及び６２ｂへ電気的に接続するのにちょうど十分な大きさである。この構造において、基板６４の寸法は、４インチ長、３インチ幅、及び０．２７インチ厚である。それぞれの層６２ａ、６２ｂの最大幅は、約２．７インチであり、長さは、約１．９５インチである。それぞれの層６２ａ、６２ｂの厚さは、誘電体基板へ塗布される導電性材料のフィルム又は被膜と対応する前述のものに特有である。さらに、基板６４は、１と１５０との間のどこかに誘電率を、０と１との間のどこかに誘電正接を有し得る。

材料の一般的な評価において、ボウタイアンテナを含む基板６４の頂部表面は、コンピュータベースのプロセッサ２２から生じるＥＭ波を耐火壁内へ送出するために、及びコンピュータベースのプロセッサ２２へ戻る反射ＥＭ波を受信するために、耐火材料の近接の、外側表面に順応して配置される。当業者であれば、層６２ａ及び６２ｂが、ＥＭ波ランチャ１０の前の実施形態に記載されるように可変の導電性材料を用いて実装され得ることを理解するだろう。同様に、層６２ａ及び６２ｂの形状は、真っ直ぐなエッジ、特定の関数に従う湾曲したエッジ、又はそれらの組み合わせを有する三角形の形状以外であり得る。

同様に、図７は、第１の平面部６４ａ、第１の湾曲したエッジ部６４ｂ、第２の湾曲したエッジ部６４ｃ、第２の平面部６４ｄ、及び第３の平面部６４ｅで構成される基板６４を有する図６の平面ＥＭ波ランチャ６０についての構造を示す。第１の平面部６４ａは、この場合においては約３インチの、基板６４の幅に到達するまでの基板６４の幅に沿った第１の寸法で、並びにこの場合においては推移ポイント６６ａと６６ｂとの間の距離及び推移ポイント６６ｃと６６ｄとの間の距離が約４インチである、推移ポイント６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、及び６６ｄに到達するまでの基板６４の長さに沿った第２の寸法で、ボウタイ供給エリアから平面にわたって伸長する。

第１の湾曲したエッジ部６４ｂ及び第２の湾曲したエッジ部６４ｃは、ボウタイアンテナの供給ポイントから基板６４の長さに沿って伸長するのにつれて、部分６４ｂ及び６４ｃは、円周の１／４で約１．６インチの曲率半径を伴う円形経路に従って、基板６４の裏側表面の方へ湾曲して、推移ポイント６８ａ、６８ｂ、６８ｃ、及び６８ｄへ到達する。言い換えると、推移ポイント６６ａと６８ａとの間の基板６４の湾曲した経路に沿った距離は、約２．５１インチである。これは、推移ポイント６６ｂと６８ｂとの間で、推移ポイント６６ｃと６８ｃとの間で、及び推移ポイント６６ｄと６８ｄとの間で、それぞれ実質的に同じ距離である。同様に、これは、基板６４の湾曲した経路に沿った部分６４ｂ及び部分６４ｃの同じ長さである。推移ポイント６８ａ及び６８ｃにおいて、第２の平面部６４ｄは、約０．５インチだけ基板６４の長さを伸長し始める。それに応じて、推移ポイント６８ｂ及び６８ｄにおいて、第３の平面部６４ｅは、約０．５インチだけ基板６４の長さを伸長し始める。よって、第２の平面部６４ｄ及び第３の平面部６４ｅは、第１の平面部６４ａに対して実質的に直交する。

図６及び図７に示す構造において、最も強力なクラッタ要素は、ボウタイアンテナのエッジにおける複数の反射に対応する。図７の構造の湾曲したエッジの寸法は、基板６４の表面上を伝搬するＥＭ波の伝搬時間を伸ばすように選択され、その時間は、耐火壁の近接の、外側表面から耐火壁の遠隔の、内側表面へ伝搬するＥＭ波の伝搬時間より長いものである。このように、ボウタイアンテナのエッジからのＥＭ波の複数の反射と関連するクラッタの効果は、大幅に削減される。当業者であれば、図７の構造において、層６４ｂ及び６４ｃのエッジが、楕円関数、指数関数、滑らかに推移する関数、又はそれらの任意の組み合わせに従うようにテーパー状にされ得ることを理解するだろう。さらに、部分６４ｄ及び６４ｅの長さは、クラッタを削減するという最終的な目的により調整され得る。

さらに、前述の構造のそれぞれにおいて、当業者であれば、特定の単独信号の処理方法が、評価される材料の推定される厚さに従って選択され得ることを理解するだろう。例えば、フーリエ変換に基づく信号処理方法は、特に、６インチより大きい厚さを伴う壁の評価に関する、コンピュータベースのプロセッサ２２によって受信されるデータを処理するのに用いられ得る。一方で、超解像アルゴリズムに基づく信号処理方法は、３インチより小さい厚さを伴う壁の評価のために望ましい。あるいは、一つ又はそれ以上の単独信号の処理方法からなるハイブリッド信号処理方法は、システムの稼働及び帯域幅の周波数、炉の稼働の温度、並びに耐火材料の種類及び質を含む更なる要因に従って用いられ得る。

同様に、前述の構造のそれぞれにおいて、ＥＭ波ランチャ１０の送出端は、本明細書の別箇所で説明する、評価中の材料とインピーダンス整合され、クラッタを抑制することにさらに役に立つ。

前述の構造のそれぞれに関して、耐火材料などの評価中の対象の材料の厚さを判定するための図８に示す方法は、以下に従って実行され得る。

１．ステップ８１０における、物理的な接触を最大にするために、評価中の材料の外側の、近接表面に順応して近接するＥＭ波ランチャの送出端を配置することによって、ＥＭ波ランチャを設置するステップであって、物理的な接触を最大にすることは、ＥＭ波ランチャの送出端と評価中の材料の外側の、近接表面との間のギャップを最小にすることに対応し、このことにより、ＥＭ波ランチャの稼働の際に、ＥＭ波は評価中の材料の外側の、近接表面へ送出されるステップ。

２．次に、ステップ８２０における、送信周波数帯域にわたって、ＥＭ波ランチャ内部へＥＭ波伝搬モードを励起することによって、ＥＭ波ランチャから評価中の材料の外側表面へＥＭ波を送出し、それに応じて、前記周波数帯域にわたって、ＥＭ波ランチャの供給端からＥＭ波ランチャの送出端へ、ＥＭ波ランチャ内部へ伝搬するＥＭ波を生成するステップ。

３．次に、ステップ８３０における、ＥＭ波ランチャによって送出されるＥＭ波の評価中の材料の外側表面内への伝搬の結果として、周波数帯域にわたって、ＥＭ波ランチャ内へ至るＥＭ波の強度及び位相を測定するステップ。

４．次に、ステップ８４０における、ＥＭ波ランチャ内へ至るＥＭ波の測定された強度及び位相の周波数領域のデータを格納するステップ。

５．次に、ステップ８５０における、記録された周波数領域のデータをコンピュータベースのデータプロセッサへ送信するステップ。

６．次に、ステップ８６０における、コンピュータベースのデータプロセッサを用いて、数理的な逆フーリエ変換、又は他のモデルベースの逆スペクトル変換方法を実行することによって記録された周波数領域のデータを時間領域のデータへ変換するステップ。

７．次に、ステップ８７０における、評価中の材料内のＥＭ波の既知の又は推定される位相速度に従って、時間領域のデータを距離領域のデータにキャリブレーションし、キャリブレーションした距離領域のデータのノイズレベルを加えたクラッタを上回るピーク値に基づいて、ＥＭ波ランチャの供給端と評価中の材料の外側表面、近接表面との間の物理的な長さと対応する距離領域のプロファイルにリファレンスポイントを規定するステップであって、リファレンスポイントは、評価中の材料の外側の、近接表面からＥＭ波ランチャ内へ反射するＥＭ波と関連し得るステップ。

８．次に、ステップ８８０における、リファレンスポイントと評価中の材料の既知のもとの厚さとの間の、ノイズレベルを加えたクラッタを上回る、ピーク値を特定するために、キャリブレーションした距離領域のデータを評価するステップであって、ピーク値は、評価中の材料の内側の、遠隔表面からＥＭ波ランチャ内へ反射するＥＭ波と関連し得るステップ。

９．最後に、ステップ８９０における、ステップ８８０において特定されたピーク値からリファレンスポイントまでの距離を判定するステップであって、その距離は、評価中の材料の厚さ（評価中の材料の外側の、近接表面と評価中の材料の内側の、遠隔表面との間の距離）に対応するステップ。

当業者であれば、先に示したステップは、特定の構造、並びに測定機器、稼働周波数帯域、ＥＭ波ランチャの種類、稼働条件、周囲の環境、及び所与の利用例に対する材料評価システムの実装のための利用可能なエリア及び位置などの、他の制約に対して、相応に調整され得ることを理解するだろう。特に、（９０ｄＢを超過する場合もある）高いダイナミックレンジにわたって要求とされるＥＭ波の強度及び位相の測定は、ネットワークアナライザの利用を通してなどの複数の方法で達成され得、周波数帯域にわたって、モノスタティック構造（ＥＭ波の送出と、ＥＭ波の受信との両方を行う単独のデバイス）を用いてＳパラメータ（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）のＳ１１を測定し得、又は周波数帯域にわたって、バイスタティック構造（ＥＭ波を送出する第１のデバイス及びＥＭ波を受信する第２のデバイス）を用いてＳパラメータのＳ２１を測定し得る。

さらに、当業者であれば、キャリブレーションした距離領域のデータを評価する間に、ノイズレベルを加えたクラッタを上回る中間ピーク値が、評価中の材料の外側の、近接表面から反射するＥＭ波と関連するリファレンスポイントと、評価中の材料の内側の、遠隔表面から反射するＥＭ波と関連するピーク値との間に表れ得ることを理解するだろう。中間ピーク値は、評価中の材料の外側の、近接表面と評価中の材料の内側の、遠隔表面との間に存在する、評価中の材料の欠陥と関連し得ることが理解される。

さらに、時間領域のデータを距離領域のデータにキャリブレーションすることは、ＥＭ波ランチャ及びケーブルと関連する遅延時間（距離）の減算を含む。さらに、ＥＭ波ランチャ及び評価中の材料の周波数分散の効果は、必要であれば、評価中の材料の測定されたデータを、当業者に周知の処理を介して、評価中の材料に類似する材料の既知の特性及び厚さの、限定しない例によるリファレンス構造と対応する測定されたデータの別のセットに関して、正規化することにより、除去され得る。

更に、関心のある周波数帯域内の特定の周波数でＥＭ波を送出することによって、図１の材料評価システムは、周波数領域で動作することに留意されたい。そして、記録された周波数領域のデータは、後続の処理のために時間領域のデータに変換される。しかしながら、システムは時間領域で動作するように実施されてもよい。好ましくは、時間領域動作モードにおいて、ＥＭ波ランチャは、周波数領域の複数のＥＭ波を送出することができ、そのため、当該複数のＥＭ波の時間領域の表現は、持続時間の短いＲＦ波形、例えば、ガウス、レイリー、エルミート、ラプラシアンパルスなど、又はこれらの組み合わせに対応する。

或いは、ＥＭ波ランチャは、時間領域のＲＦ波形発生器によってそのようなタイプのパルスを直接に供給してもよく、より好ましくは、ＲＦ波形の持続時間は５ナノ秒以下である。このように、ＥＭ波ランチャは時間領域のパルスを送受信し、システムは、それらのパルスの振幅及び到着時間を測定し、測定されたデータを記憶し、そして記憶されたデータを時間領域のコンピュータベースの処理ユニットに転送する。次に、時間領域のデータが距離領域のデータにキャリブレーションされ、キャリブレーションした領域データを評価することによって、評価中の材料の内部の遠隔表面における欠陥の位置が識別され、そして評価中の材料の厚さを判定することができる。

上述した構成のそれぞれにおいて、適切に、供給端１２と、供給端１２から最も離れた送出端部分との間のＥＭ波ランチャ１０の伸長部分の長さを、十分に長く選択して、第８のクラッタ要素に対応する多重反射及び他の潜在的な多重反射が、いずれの関心のあるＥＭ波よりも明確に遅れてコンピュータベースのプロセッサ２２に到達するようにする。この状況下で、ＥＭ波ランチャ１０に沿って伝播するＥＭ波の伝播時間は、評価中の耐火材料の厚さを通って伝播するＥＭ波の伝播時間よりも遥かに長い。

このように、ＥＭ波ランチャ１０の構成において、最も重要なのは、評価中の材料の遠隔不連続箇所から反射された関心のあるＥＭ波の受信時間と、評価中の材料の近接表面から反射されたスプリアス信号の受信時間とを識別できることである。従って、供給端１２と、供給端１２から最も離れた送出端部分との間のＥＭ波ランチャ１０の伸長部分１６の長さを短縮することもできる。短縮された長さを、十分に短く選択して、第８のクラッタ要素に対応する多重反射、及び第４のクラッタ要素に対応するものの少なくとも一部を含む他の潜在的な多重反射が、いずれの関心のあるＥＭ波よりも早くコンピュータベースのプロセッサに到達するようにする。この場合、ＥＭ波ランチャ１０に沿って伝播するＥＭ波の伝播時間は、評価中の耐火材料の厚さを通って伝播するＥＭ波及び送出端１４からの多重反射の両方の伝播時間よりも遥かに短い。

図９は、供給端９２と送出端９４とを備える電気小型ＥＭ波ランチャ９０の斜視図を示す。特に、供給端９２と送出端９４との間の長さは、送出端９４と供給端９２との間の多重ＥＭ波反射が、いずれの関心のあるＥＭ波よりも遥かに早く到着するように十分に短く選択されている。同様に、評価中の耐火材料（図示せず）の近接外壁からの多重ＥＭ波反射も、いずれの関心のあるＥＭ波よりも遥かに早く到着する。

供給端９２は、同軸コネクタ９８を介して無線周波数（ＲＦ）送信ライン（図示せず）に電気的に接続されている供給推移部９６を含む。当該構成において、供給推移部９６は、同軸ケーブル供給キャビティにより支持される供給部（ｃｏａｘｉａｌ ｃａｂｌｅ－ｆｅｄ ｃａｖｉｔｙ－ｂａｃｋｅｄ ｆｅｅｄ）により構成される。特に、供給推移部９６は、ボックスの各方向において矩形の断面を有する導電性材料製の空気充填ボックスによって形成されている。矩形の断面を有する同軸ケーブル供給キャビティにより支持される供給部に対応する供給推移部９６の設計特性は、従来技術において周知であり、図３を参照して記載された供給推移部１８の設計特性と同等である。当業者であれば、供給推移部９６に電気的接続されたＲＦ送信ラインが、同軸ケーブル、コプレーナ導波路、ストリップライン、又はマイクロストリップを含んでもよいことを理解するであろう。代替的な構成において、コプレーナ導波路は、インピーダンス整合が施され、ＲＦ送信機又はＲＦ受信機の少なくとも１つの構成要素に直接接続するように構成される。

また、前述した実施形態に示されたＥＭ波ランチャ１０の代わりに、ＥＭ波ランチャ９０を使用することができる。より具体的には、本実施形態において、ＥＭ波ランチャ９０は、矩形の断面を有する修正型ピラミッド形のホーンアンテナにより構成されている。ＥＭ波ランチャ９０は、標準型ピラミッド形のホーンアンテナと同様に、構造的には、第１のフレアプレート９１ａと、プレート９１ａの反対側に配置された第２のフレアプレート９１ｂとを含むが、対向する二つのより小さいプレートが取り外されている。当該構成において、第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂは、導電性材料製である。

送出端９４における第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂの厚さは、第１のエッジ９３ａ及び第２のエッジ９３ｂを画定し、第１のエッジ９３ａ及び第２のエッジ９３ｂのそれぞれは、長さが０．０１から１インチの範囲内であってもよい。重要なことに、標準型ホーンアンテナのような先行技術のＥＭ波ランチャは、典型的に、フレアプレートの厚さ対長さの比が概ね５％未満である。しかしながら、好ましい構成において、第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂは、厚さが均一であり、厚さ対長さの比が１５％から８５％の範囲内である。各エッジ９３ａ、９３ｂの長さは、少なくとも０．２５インチであって、それによって、不連続性を有するＥＭ波ランチャに沿って伝播するＥＭ波は、滑らかにされて、送出端９４における第３のエッジ９３ｃに到達する。

より好ましくは、例えば、図１、及び図２Ａ－２Ｄを参照して前述したように、送出端９４における第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂの１つ以上のエッジは、楕円関数又は他の滑らかな関数に従って丸みを帯びてもよい。最も好ましくは、送出端９４における第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂの１つ又は複数のエッジの少なくとも一部（エッジ９３ａ、９３ｂを含み、又はエッジ９３ａ、９３ｂに隣接又は対向の対応するエッジ）は、ロールエッジ構成を有する。

代替的に、第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂは、供給端９２から送出端９４までの厚さが均一である必要はなく、可変の厚さプロファイルを有してもよい。第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂの厚さが可変である場合、好ましい厚さプロファイルは、第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂのそれぞれにおいて厚さが徐々に増加し、送出端９４のエッジ９３ａ、９３ｂにおいて最も厚い部分を有する。更に、ＥＭ波ランチャ９０の第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂは、図２Ａ－図２Ｄを参照して前述したように、導電性材料製の代わりに、可変の導電率を有する材料を有してもよい。

図９に示す特定の構成において、ＥＭ波がＥＭランチャ内で伝播する容積領域において、すなわち、第１のフレアプレート９１ａと第２のフレアプレート９１ｂとの間に、供給端９２から送出端９４までの間には、誘電体９５で充填され、誘電体９５は、気体、液体、又は固体のいずれでもよい。好ましくは、誘電体９５は、炉の通常の動作条件下で耐火材料の所定のインピーダンスと実質的に整合するインピーダンスを有する固体材料である。

より好ましくは、誘電体９５によって画定された容積領域は前述した容積領域よりも大きく、ＥＭ波は、ＥＭ波ランチャ内で伝播し、誘電体９５の部分９５ａ及び対応する同一の対向部分（図示せず）は、少なくとも部分的には、第１及び第２のフレアプレート９１ａ、９１ｂの供給端９２から送出端９４まで伸びる側面からのみ突出する。したがって、誘電体９５のエッジ９５ｂはエッジ９３ａ及び９３ｂと整列し、送出端９４におけるＥＭ波ランチャ９０の側面と、エッジ９３ａ、９３ｂ、９３ｃ、及び９５ｂとは全て同一の平面内にある。最も好ましくは、誘電体９５の部分９５ａと誘電体９５の対応する同一の対向部分（図示せず）とは、供給端９２から送出端９４までのＥＭ波ランチャ９０の両側において対称的な突出を有し、それぞれの突出は、供給端９２において少なくとも０．０５インチの厚い端を有する楔形の形状である。誘電体９５の当該構成は、フレアプレート９１ａ、９１ｂのエッジからのＥＭ波の多重反射の緩和、並びにＥＭ波の外部装置及び他の構成要素へ、又は外部装置及び他の構成要素からのカップリングに寄与する。

当業者は、誘電体９５、部分９５ａ、及び対応する同一の対向部分（図示せず）が、それぞれ異なる形状、サイズ、及び材質を有することを認識するであろう。

好ましくは、ＥＭ波ランチャ９０は、０．２５ＧＨｚから６ＧＨｚの周波数範囲で動作するように設計される。その結果、ＥＭ波ランチャ９０の送出端９４における矩形断面の寸法（幅及び高さ）、ＥＭ波ランチャ９０の長さ、及び誘電体９５の誘電特性の全ては、従来技術において周知のように、ＥＭ波ランチャがこの周波数範囲内で動作可能であるように選択される。更に、ＥＭ波ランチャ９０は、炉壁の外側表面付近の必要な動作温度範囲を許容するように設計される。

任意的に、ＥＭ波ランチャ９０は、図１を参照して前述したように、及び従来技術において周知のように、独立型（モノスタティック）、又は２つ以上のユニットのアレー（マルチスタティック）の構成で使用することができる。同様に、ＥＭ波ランチャ９０は、単一のポータブルユニット、単一の手持ちユニットにパッケージされ、又は前述した単一のアセンブリに統合された材料評価システムの全体の一部であってもよい。

一般に、上述した様々な構成及び方法は、時間領域ベースの材料評価システムの一部として、直接に測定データを収集するように実施することができる。従って、１つ又は複数の時間領域のパルスが送信され、対応する反射パルスがデータ処理及び材料評価のために記録される。特に、図９を参照すると、ＥＭ波ランチャ９０は、時間領域ベースの材料評価システムにおいて動作するように実施されてもよい。この場合、フレアプレート９１ａ、９１ｂの長さは、好ましくは、ＥＭ波ランチャ９０の供給端９２から送出端９４までの送信パルスの伝播時間が１ナノ秒未満となるように寸法設計される。

様々な実施形態を例示的に説明してきたが、使用される用語は、限定的ではなく、説明的な性質であることを意図していることが理解されたい。本明細書に開示されたいずれの実施形態は、他の実施形態の１つ以上の態様を含むことができる。特定の実施形態は、当業者が本発明を実施できるように、本発明の原理のいくつかを説明するために記載されたものである。前記開示に照らして本発明の多くの修正及び変形が可能であることは明らかであり、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの法的に均等の範囲内において、具体的に説明されたものとは別の態様により実施することができる。

Claims (41)

1. 材料の状態を評価するためのシステムであって、
   電磁波ランチャと、コンピュータベースのプロセッサとを備え、
   前記電磁波ランチャは、第１の供給端と第２の送出端とを有し、
   前記第１の供給端は、前記電磁波ランチャを通って伝播することができる電磁波を励起する給電機構を含み、
   前記第２の送出端は、前記送出端を通って伝播する前記電磁波の複数の反射及びプローブリンギングを、十分に減らして、前記材料の遠隔不連続部から反射された関心のある電磁波の検出を可能にするように物理的に構成され、
   前記電磁波ランチャは、前記第２の送出端において、前記材料の近接表面のインピーダンスと実質的に整合するインピーダンスを有するように物理的に構成され、
   前記電磁波ランチャは、十分な期間内において前記材料の前記遠隔不連続部から反射された関心のある電磁波の受信を可能にすることによって、関心のある前記反射電磁波と、前記材料の前記近接表面から反射されたスプリアス信号とを識別するように適合され、
   前記送出端は、前記材料の前記近接表面のエリアに順応するように適合されており、
   前記電磁波ランチャは、前記電磁波ランチャの一部分から反射された電磁波の受信を十分な期間だけ短縮することによって、前記関心のある反射電磁波と、前記電磁波ランチャの前記一部分から反射された前記電磁波とを識別するように適合され、
   前記電磁波ランチャは、矩形の断面を有するピラミッド形のホーンアンテナを更に備え、
   前記ピラミッド形のホーンアンテナは、第１のフレアプレートと、前記第１のフレアプレートの対向側に配置された第２のフレアプレートとを有し、
   前記第１のフレアプレートは、
   平面部と、前記第１のフレアプレートの前記平面部の対向するサイドエッジに沿った２つのフレア部とを有し、
   前記第２のフレアプレートは、
   平面部と、前記第２のフレアプレートの前記平面部の対向するサイドエッジに沿った２つのフレア部とを有するように構成され、
   前記コンピュータベースのプロセッサは、実行可能なコンピュータコードを有し、
   前記実行可能なコンピュータコードは、
   前記関心のある反射電磁波を測定して周波数領域のデータを生成することと、
   前記周波数領域のデータを時間領域のデータに変換することと、
   前記時間領域のデータを距離領域のデータにキャリブレーションすることと、
   前記材料から反射された前記関心のある電磁波に関連する前記距離領域のプロファイルにおけるピークを識別することと、
   前記材料から反射された前記関心のある電磁波の進行距離を決定することと、
   を含むことを実行するように構成されている、
   システム。
2. 前記第１のフレアプレート及び前記第２のフレアプレートのうちの少なくとも一方の厚さは可変である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のフレアプレート及び前記第２のフレアプレートのうちの少なくとも一方の厚さ対長さの比は、１５％から８５％の範囲内である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１のフレアプレートと前記第２のフレアプレートとの間の容積領域の少なくとも一部は、誘電体を含み、
   前記誘電体は、
   前記第１のフレアプレート及び前記第２のフレアプレートのうちの少なくとも一方の前記平面部の前記対向するサイドエッジに沿った前記２つのフレア部を越えて延びる、
   請求項１に記載のシステム。
5. 前記時間領域のデータを距離領域のデータにキャリブレーションすることは、
   前記材料を通って進行する前記関心のある電磁波の既知の速度に基づいて、前記実行可能なコンピュータコードによって実行される、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記コンピュータベースのプロセッサは、前記材料から反射された前記関心のある電磁波の前記進行距離に基づいて、前記材料の前記状態に関する情報を視覚的に表示するように適合されている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記材料の前記状態は、前記材料の厚さである、請求項１に記載のシステム。
8. 前記材料の前記状態は、前記材料の欠陥である、請求項１に記載のシステム。
9. 前記電磁波ランチャ及び前記システムの少なくとも１つの他の構成要素は、単一のユニットに統合されている、請求項１に記載のシステム。
10. 前記第２の送出端は、前記材料の前記近接表面の評価すべき前記エリアから離れて延びるように物理的に順応する少なくとも１つのエッジを有する、請求項１に記載のシステム。
11. 前記エッジは滑らかなロールエッジ構成を有する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記電磁波ランチャ内の容積領域は、誘電体を含み、
    前記容積領域内において、前記電磁波は、前記送出端と前記供給端との間で伝播するように構成されている、
    請求項１に記載のシステム。
13. 前記電磁波ランチャは、前記第１の供給端と前記第２の送出端との間に配置された導電率可変材料を用いて形成され、
    前記導電率可変材料は、前記第１の供給端により近い第１の端部と、前記第２の送出端により近い第２の端部とを有し、
    前記導電率は、前記導電率可変材料における一点から、前記電磁波ランチャの前記第２の送出端により近い前記導電率可変材料の前記第２の端部までの距離の関数として増加する、
    請求項１に記載のシステム。
14. 前記第１の供給端は、前記第１の供給端における励起された前記電磁波の複数の反射を十分に減少させることによって、そうでなければ前記システム内に存在するクラッタを低減するように適合されている、請求項１に記載のシステム。
15. 前記第１の供給端は、キャビティにより支持されるピンを更に有する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記第１の供給端は、供給推移部を更に備え、
    前記供給推移部は、無線周波数送信ラインを前記第１の供給端に電気的に接続させる、
    請求項１に記載のシステム。
17. 前記無線周波数送信ラインは、無線周波数受信機と無線周波数送信機とからなる一群から選択された少なくとも１つの構成要素に電気的に接続するように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記システムは、０．２５ＧＨｚから３０ＧＨｚの間の周波数範囲の電磁波を発生するＲＦサブシステムを更に備える、請求項１に記載のシステム。
19. 前記電磁波ランチャは、前記材料の前記近接表面から反射された前記スプリアス信号の受信を十分な期間だけ短縮することによって、前記関心のある反射電磁波と、前記材料の前記近接表面から反射された前記スプリアス信号とを識別するように適合されている、請求項１に記載のシステム。
20. 材料の状態を評価する方法であって、
    第１の供給端と第２の送出端とを備える電磁波ランチャを提供するステップａであって、
    前記第１の供給端は、前記電磁波ランチャを通って伝播することができる電磁波を励起する給電機構を含み、
    前記第２の送出端は、前記送出端を通って伝播する前記電磁波の複数の反射及びプローブリンギングを十分に減らして、前記材料の遠隔不連続部から反射された関心のある電磁波の検出を可能にするように物理的に構成され、
    前記電磁波ランチャは、前記第２の送出端において、前記材料の近接表面のインピーダンスと実質的に整合するインピーダンスを有するように物理的に構成され、
    前記電磁波ランチャは、十分な期間内において前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある電磁波の受信を可能にすることによって、前記関心のある反射電磁波と、前記材料の前記近接表面から反射されたスプリアス信号とを識別するように適合され、
    前記送出端は、前記材料の前記近接表面のエリアに順応するように適合され、
    前記電磁波ランチャは、前記電磁波ランチャの一部分から反射された電磁波の受信を十分な期間だけ短縮することによって、前記関心のある反射電磁波と、前記電磁波ランチャの前記一部分から反射された前記電磁波とを識別するように適合され、
    前記電磁波ランチャは、矩形の断面を有するピラミッド形のホーンアンテナを更に備え、
    前記ピラミッド形のホーンアンテナは、第１のフレアプレートと、前記第１のフレアプレートの対向側に配置された第２のフレアプレートとを有し、
    前記第１のフレアプレートは、
    平面部と、前記第１のフレアプレートの前記平面部の対向するサイドエッジに沿った２つのフレア部とを有し、
    前記第２のフレアプレートは、
    平面部と、前記第２のフレアプレートの前記平面部の対向するサイドエッジに沿った２つのフレア部とを有するように構成された、
    前記電磁波ランチャを提供するステップａと、
    前記電磁波ランチャの前記送出端を、前記材料の近接表面の評価すべき前記エリアに順応するように隣接して設置するステップｂと、
    所定の周波数範囲内で伝播する複数の電磁波を、前記材料の前記近接表面の評価すべき前記エリアに送出するステップｃと、
    前記所定の周波数範囲内の前記関心のある電磁波を検出するステップｄと、
    前記材料の遠隔不連続部から反射された前記関心のある電磁波の決定された進行距離に基づいて、前記材料の状態を判定するステップｅと、
    を含む、方法。
21. 前記関心のある電磁波の前記進行距離は、前記関心のある電磁波の進行時間に基づいて決定される、請求項２０に記載の方法。
22. 前記関心のある電磁波の前記進行時間は、前記スプリアス信号の進行時間よりも十分に長く、それによって前記スプリアス信号から前記関心のある電磁波の時間分離を可能にする、請求項２１に記載の方法。
23. 所定の周波数範囲内で伝播する前記複数の電磁波の時間領域表現は、持続時間の短いパルスの無線周波数波形に対応する、請求項２０に記載の方法。
24. 前記持続時間の短いパルスの無線周波数波形は、ガウスパルス、レイリーパルス、エルミートパルス、ラプラシアンパルス、及びこれらの組み合わせからなる一群から選択される、請求項２３に記載の方法。
25. 前記無線周波数波形の前記パルスの持続時間は５ナノ秒以下である、請求項２３に記載の方法。
26. 前記材料の前記状態を判定するステップは、
    前記検出された関心のある電磁波に関する時間領域のデータセットを測定するステップａと、
    前記時間領域のデータを距離領域のデータにキャリブレーションするステップｂと、
    前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある電磁波に関する前記距離領域のデータにおけるピークを識別ステップｃと、
    前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある電磁波の進行距離を決定するステップｄと、
    前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある電磁波の前記進行距離に基づいて、前記材料の前記近接表面から前記材料の前記遠隔不連続部までの距離の長さを決定するステップｅと、
    を更に含む、請求項２０に記載の方法。
27. 前記時間領域のデータを前記距離領域のデータにキャリブレーションすることは、前記関心のある電磁波が前記材料を通る既知の伝播速度に基づいて実行される、請求項２６に記載の方法。
28. 前記材料の前記状態を判定するステップは、
    前記検出された前記関心のある電磁波に関するデータセットを測定するステップａと、
    前記データセットを記憶するための第１の手段を提供するステップｂと、
    前記材料の前記状態を評価するために前記データセットを処理するためのコンピュータベースのデータプロセッサを提供するステップｃと、
    前記データセットを前記第１の手段から前記コンピュータベースのデータプロセッサに転送するステップｄと、
    少なくとも１つの信号処理方法によって前記データセットを処理するステップｅと、
    を更に含む、請求項２０に記載の方法。
29. 前記評価すべき材料の特性によって選択された信号処理方法を利用して前記データセットを処理するステップを更に含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記材料の前記状態は、前記材料の厚さである、請求項２０に記載の方法。
31. 前記周波数範囲は０．２５ＧＨｚから３０ＧＨｚの間である、請求項２０に記載の方法。
32. 材料の状態を評価する方法であって、
    第１の供給端と第２の送出端とを備える電磁波ランチャを提供するステップａであって、
    前記第１の供給端は、前記電磁波ランチャを通って伝播することができる電磁波を励起する給電機構を含み、
    前記第２の送出端は、前記送出端を通って伝播する前記電磁波の複数の反射及びプローブリンギングを十分に減らして、前記材料の遠隔不連続部から反射された関心のある無線周波数波形の検出を可能にするように物理的に構成され、
    前記電磁波ランチャは、前記第２の送出端において、前記材料の近接表面のインピーダンスと実質的に整合するインピーダンスを有するように物理的に構成され、
    前記電磁波ランチャは、十分な期間内において前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある無線周波数波形の受信を可能にすることによって、前記関心のある反射無線周波数波形と、前記材料の前記近接表面から反射されたスプリアス信号とを識別するように適合され、
    前記送出端は、前記材料の前記近接表面のエリアに順応するように適合され、
    前記無線周波数波形は、短い持続時間を有し、ガウスパルス、レイリーパルス、エルミートパルス、ラプラシアンパルス、及びこれらの組み合わせからなる一群から選択される、
    前記電磁波ランチャを提供するステップａと、
    前記電磁波ランチャの前記送出端を、前記材料の近接表面の評価すべき前記エリアに順応するように隣接して設置するステップｂと、
    前記材料の前記近接表面の評価すべき前記エリアに無線周波数波形を送信するステップｃと、
    前記関心のある無線周波数波形を検出するステップｄと、
    前記材料の遠隔不連続部から反射された前記関心のある無線周波数波形の決定された進行距離に基づいて、前記材料の前記状態を判定するステップｅと、
    を含む、方法。
33. 前記無線周波数波形の前記持続時間は５ナノ秒以下である、請求項３２に記載の方法。
34. 前記関心のある無線周波数波形の前記進行距離は、前記関心のある無線周波数波形の進行時間に基づいて決定される、請求項３２に記載の方法。
35. 前記関心のある無線周波数波形の前記進行時間は、前記スプリアス信号の進行時間よりも十分に長く、それによって前記スプリアス信号から前記関心のある無線周波数波形の時間分離を可能にする、請求項３４に記載の方法。
36. 前記材料の前記状態を判定するステップは、
    前記検出された関心のある無線周波数波形に関する時間領域のデータセットを測定するステップａと、
    前記時間領域のデータを距離領域のデータにキャリブレーションするステップｂと、
    前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある無線周波数波形に関する前記距離領域のデータにおけるピークを識別ステップｃと、
    前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある無線周波数波形の進行距離を決定するステップｄと、
    前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある無線周波数波形の前記進行距離に基づいて、前記材料の前記近接表面から前記材料の前記遠隔不連続部までの距離の長さを決定するステップｅと、
    を更に含む、請求項３２に記載の方法。
37. 前記時間領域のデータを前記距離領域のデータにキャリブレーションすることは、前記関心のある無線周波数波形が前記材料を通る既知の伝播速度に基づいて実行される、請求項３６に記載の方法。
38. 前記材料の前記状態を判定するステップは、
    検出された前記関心のある無線周波数波形に関するデータセットを測定するステップａと、
    前記データセットを記憶するための第１の手段を提供するステップｂと、
    前記材料の前記状態を評価するために前記データセットを処理するためのコンピュータベースのデータプロセッサを提供するステップｃと、
    前記データセットを前記第１の手段から前記コンピュータベースのデータプロセッサに転送するステップｄと、
    少なくとも１つの信号処理方法によって前記データセットを処理するステップｅと、
    を更に含む、請求項３２に記載の方法。
39. 前記評価すべき材料の特性によって選択された信号処理方法を利用して前記データセットを処理するステップを更に含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記材料の前記状態は、前記材料の厚さである、請求項３２に記載の方法。
41. 材料の状態を評価するシステムであって、
    電磁波を励起するための給電機構を含む供給端を有する電磁波ランチャと、
    実行可能なコンピュータコードを有するコンピュータベースのプロセッサと、
    を備え、
    前記電磁波ランチャは、前記電磁波を前記材料の近接表面内に送出し、
    前記電磁波ランチャは、送出された前記電磁波の複数の反射を、十分に減らして、前記材料の遠隔不連続部から反射された関心のある電磁波の検出を可能にするように物理的に構成され、
    前記電磁波ランチャは、前記材料の前記近接表面のエリアに順応するように適合され、前記材料の前記近接表面のインピーダンスと実質的に整合するインピーダンスを有するように物理的に構成され、
    前記電磁波ランチャは、前記材料の前記遠隔不連続部から反射された前記関心のある電磁波の受信を、十分の期間だけ遅らせることによって、前記関心のある反射電磁波と、前記材料から反射されたスプリアス信号とを識別するように適合され、
    所定の周波数範囲内で伝播する前記電磁波の時間領域表現は、持続時間の短いパルスの無線周波数波形に対応し、
    前記持続時間の短いパルスの無線周波数波形は、ガウスパルス、レイリーパルス、エルミートパルス、ラプラシアンパルス、及びこれらの組み合わせからなる一群から選択され、
    前記実行可能なコンピュータコードを有するコンピュータベースのプロセッサは、
    前記関心のある反射電磁波を測定して周波数領域のデータを生成することと、
    前記周波数領域のデータを時間領域のデータに変換することと、
    前記時間領域のデータを距離領域のデータにキャリブレーションすることと、
    前記材料から反射された前記関心のある電磁波に関連する前記距離領域のプロファイルにおけるピークを識別することと、
    前記材料から反射された前記関心のある電磁波の進行距離を決定することと、
    を含むことを実行するように構成されている、
    システム。

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