JPH08506894A - 冶金工程における二以上の表面位置の同時測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 冶金工程において、スラグおよび金属浴の表面位置を同時に測定する技術および方法を提供する。たとえば、転炉法などの冶金工業工程において、金属浴表面にあるスラグ層の厚さを測定することは、装荷重量を決定するために、金属の実際の容積を測定するのと同様に重要である。多くの種々の方法が試みられたが、機械的手段に依らずして、遠隔的に両表面を迅速かつ正確に測定し得る方法は知られていない。本発明は、ある周波数帯域の電波を表面に垂直に伝送し、反射波の位相を伝送波と対応させて比較するのに受信器をどのように用いるか、その方法を開示する。位相変化を多くの周波数チャンネルについて測定し、周波数空間から位置を示す時間遅延空間に変換する変換操作を行う。この方法は、基準レベルから遠い位置で、遠く離れ合って重複した複数の表面を測定するのに適している。この方法の推定誤差は、２ｍｍほどの少なさである。もし、干渉計をアンテナとして使用すると、データは開口面で採取され、表面の三次元構造が再構築可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 冶金工程における二以上の表面位置の同時測定方法 本発明は、冶金工程において、二以上の複数の表面位置を同時に測定する方法 に関わる。 転炉、とりべ、アーク電気炉などの冶金用容器において、スラグ表面、および スラグと溶融金属との境界面の正確な位置を知ることは望ましい。従来技術とし て、これまで多くの方法が用いられてきたが、迅速性、高信頼性、かつ正確さを 同時に満足させる方法はなかった。また、他の表面の位置を測定可能とすること は、例えば、容器のライニングの厚さを調節するなどのために、望ましいことで ある。 電磁波の波先パターンの変化は、最も鋭敏な物理的検出器である。電磁波は、 物理的性質の異なる媒体中を通過して、当該媒体中の成分の特性に対応して振幅 および位相を変化する。したがって、連続体の輻射は媒体を通過する際に、振幅 は減衰し、伝播速度は変化するような影響を受け、その結果、接触面において急 激な位相変化を生じる。電磁波がほこりの多い領域に深く透過可能であり、また 、スラグのようなセラミック物質も貫通できる点で、電磁周波数帯は特に重要性 がある。 伝送波と反射波との位相互干渉によって、その定常波パターンの零位置で測定 されるある特定の周波数において、一つの定常波パターンが形成され、そのよう に測定された信号波長によって、ある一つの面の位置が測定できることが知られ ている（欧州公開特許ＥＰ−Ａ−６０５９７）。しかし、この方法では僅かに一 つの面の位置しか決定できず、そのため、冶金処理工業におけるこの方法の有用 性は著しく限定される。さらに、定常波の位相ではなく振幅を測定することは、 この方法の鮮明度および測定可能性を著しく限定する。 さらに、伝送信号を周波数で掃引し、反射信号および伝送信号を混合して低周 波信号を生成することによって、距離が測定できることが知られている（独国特 許ＤＥ−２８１２８７１）。この低周波信号の周波数は、透過体の掃引時間に比 較しての反射信号の時間遅れに依存する。しかし、この特殊な方法でも僅かに一 つの面の位置しか決定できない。 また、伝送信号が二つの表面で大きな角度で反射したとき、伝送信号の偏波角 が変化することも知られている（ＷＯ９１／１０８９９および米国特許ＵＳ−Ａ −４８１８９３０）。これらの方法は、共に単一周波数で、表面に対して大きな 角度（ブルスター角よりも大きい）で伝送させる方法であり、二表面間の層厚さ および伝送波長係数のみ検出可能である。 上記特許公報のいずれも、周波数通過帯域における位相変化についての説明、 あるいは検討については触れておらず、したがって、上記方法のいずれによって も、表面に垂直に設けたアンテナシステムによって、複数の表面位置を同時に検 出することは不可能である。また、上記特許のいずれも、複数表面の三次元画像 への拡張についての説明あるいは議論をしていない。したがって、本発明の方法 は、上記従来技術とは明らかに異なる。 本発明の目的は、迅速性、高信頼性、かつ正確さを有する上記のような方法を 提供することにある。 他の信号に対するあるひとつの信号の遅延時間は、フーリエ関数的であり、す なわち周波数は周波数に関連して位相を線形移行するスペースを設ける。もし、 対象信号が表面の方向に伝送されて、表面で反射すると、信号の相対的位相は周 波数に依存して線形に変化する。もし信号を周波数帯域にあわせて段階的に測定 し、周波数に対応させて位相をグラフに記入すると線が描け、その線の勾配は標 準信号に対する反射信号の遅れに対応する。したがって、上記のような周波数段 階システムによって距離を測定することが可能である。もし、信号が半透明媒体 に対して伝送されると、信号の一部分は反射され、信号の残りの部分は媒体を通 過して伝播し、次の表面で反射し、そこでも再び屈折率が変化する。これらの二 重に反射された波は、基準信号の共役数と複素乗算することによって、周波数の 関数としてのより複雑な位相曲線を示す。したがって、もしデータを周波数帯域 にあわせて周波数チャンネル中の複合振幅としてサンプリングすれば、両表面ま での距離を再現できる。もし、信号の伝送及び受信が開口面の干渉計によって行 われるならば、二表面の全三次元構造を再構築することが可能である。二以上の 表面が存在する混合物の場合も、これが成立する。 本発明を図面を参考として、さらに詳細に述べる。 図１は、二以上の複数表面の位置測定のための本発明によるシステムを模式的 に示した図である。 図２は、本発明を適用した冶金用容器を模式的に示した図である。 図３は、図１および２に関連して述べた実験で得た周波数透過帯域の点展開関 数（ＰＳＦ）を示すグラフである。 図４は、上記と同じ実験で得たスラグ表面と金属浴容器表面からの反射を示す グラフである。 本発明の一例を図１および２に示す。ある特定の周波数を有する信号を信号発 生器１によって発生する。この信号は、ケーブルを通って入力分離器２に入り、 そこから一本の信号はケーブルを通ってアンテナ３に至る。二番目の信号はケー ブルを通って位相比較器４に至り、そこで基準信号として用いられる。アンテナ は、電波信号を円偏波として、図２に示すとりべ１０の形状をした金属冶金容器 に伝送する。信号は、容器１０の金属浴の表面に垂直に向けられ、スラグ及び図 ２に示す金属浴の表面で反射し、同じアンテナ３で奇数番号の反射であるため逆 円偏波として受信する。受信した信号は、ケーブルを通って位相比較器４に入り 、そこで基準信号の共役数と複素乗算される。共役複素乗算によって得られた振 幅および位相は、ケーブルを通ってコンピュータ５に記憶される。信号発生器は 、周波数を一段変えて新しい測定を開始する。この操作は、ある周波数帯域にわ たって一定数の周波数チャンネルそれぞれについての測定が終了するまで継続さ れる。この装置は、コンピュータによって、制御されると共に、データが記憶さ れ、信号解析がなされる。 時刻ｔ_o、及び周波数ｗにおける基準波は次の式であらわされる： 同じ受信時刻ｔ_oに基準化した第一表面からの反射信号は、次式で表される。 同じ受信時刻ｔ_oに基準化した第二表面からの反射信号は、次式で表される。 ここで、Ｄ１_slagおよびＤ１_badは、図２に示した。 Ｄ１_slagは、レベル１１と示したアンテナの基準位置から第一（スラグ）表面 までの距離である。Ｄ１_badは、二表面（スラグおよび金属浴）間の距離、ｃは 空気中の光の速度、ｎ_slagは二表面間の媒体の屈折率である。したがって、反射 信号および基準信号間の共役複素乗算、すなわち時間領域における相互相関は、 次式で表される（Ｕ＊はＵの共役数）： あるいは、もし周波数が帯域Ｂpass（w_l、w_h）に限定されているときには、次 式で表される： 逆フーリエ変換によって、周波数は時間面（遅延あるいは距離面）に変換され る。Ｂpass（wl、w_h）は、Ｒect（wl、w_h）で近似される： このシステムの時間遅れ応答は、通常、光学的には点展開関数と呼ばれ、本発 明の場合には、周波数帯域のフーリエ変換である。この応答は、既知距離にある 金属反射体の応答を調べることで測定可能である。したがって、表面までの距離 は、測定された点展開関数で測定信号の旋回を解くことによって再構築される。 その距離を、特定の基準レベル、Ｄ１_ref、と次の時間座標変換を行って比較す る： 基準レベルとしては、以前に測定した信号経路にある金属反射体、あるいは金 属容器の端のいずれでも良い。変換には、深さ方向の構造を含む。もしデータを 、さらに開口面で、相互干渉計を伝送器および受信アンテナとして使用して採取 し、開口面について二次元変換をすれば、残りの二次元の構造も明らかになる。 相互干渉器をアンテナとして使用する場合、測定は開口面での各測定点（u，v） に対して開口面の項を有する： ここで、Ｑ_x、Ｑ_yは、画像面における位置である。ｕ、ｖは、相互干渉計要素 である開口面のフーリエ関数内の位置であり、この場合には各電波ホーンアンテ ナから成り、その信号は、基準信号の複素共役乗算値と同じく、それぞれ相互相 関している。伝送相互干渉計は、表面に並行な波面を形成する。受信相互干渉計 は、波面上の位相変化を検出し、したがって、上記のごとく表面位置を、ただ し、表面の一領域の三次元位置を測定する。 上記の技術及び装置を使用して、金属浴として鉄を用いて、テスト実験をした 。金属浴の上部には、冶金工場から入手した組成既知の溶融スラグを置いた。図 ４に、金属浴表面と同様にスラグ表面も検出することを示す。レベルは、ある任 意に選んだ基準レベル（床面）との比較である。このように、二次的冶金（とり べ冶金）において、良好な精度（１−２ｍｍ）でスラグの厚さが求められる。 図３には、最善の実験における周波数帯域の点展開関数（ＰＳＦ）を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，Ｂ Ｒ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冶金工程において、二以上の表面位置を同時に測定する方法において、ある 周波数帯域全般に電波信号を伝送し、表面からの反射信号を受信し、上記周波数 帯域全般にわたって伝送波と反射波との位相差を検出し、周波数領域から時間領 域に変換して上記位置を求める工程からなることを特徴とする方法。 ２、請求項１記載の方法において、上記周波数帯域全般にわたって、信号発生器 から段階的に不連続な段階状周波数を発生し、各周波数段階に対応する反射信号 を受信し、上記周波数帯域全般にわたって各段階毎に伝送波と反射波との位相差 を検出し、周波数領域から時間領域に変換して上記位置を求める工程を含むこと を特徴とする方法。 ３、請求項２記載の方法において、表面に垂直に信号を伝送するように装着され たアンテナから円偏波電波信号を発信し、逆円偏波の反射波を同じアンテナで受 信する工程を含むことを特徴とする方法。 ４、請求項３記載の方法において、信号の位相は、各不連続な周波数チャンネル ごとに、周波数面において共役複素乗算を行うこと、すなわち時間領域における 相互相関を求めることによって、比較することを特徴とする方法。 ５、請求項１、２、３、あるいは４、いずれかに記載の方法において、上記アン テナは相互干渉計から形成され、表面の三次元的構造は周波数および開口面を時 間および画像面に三次元変換することによって画像化されることを特徴とする方 法。