KR101938031B1 - 야금 용기 내 수준 측정 - Google Patents

Abstract

야금 용기의 공동(30) 내 전기 전도성 물질의 수직 충전 수준은, 교류 전원에 연결될 때 전자기장을 생성하기 위한 전송 전도체(5) 및 출력 신호의 생성을 위한 전자기장을 감지하기 위해 배열되는 수신 전도체(6)를 포함하는 시스템에 의해 측정된다. 전송 및 수신 전도체(5,6)는, 상기 공동(3)과 대면하고 실질적으로 폐루프 내에서 공동(3)의 주변을 따라서 연장되는 이격 영역(7)을 정의하는 상호 간격을 두고 공동 연장되도록 용기의 금속 케이싱 내부에 배열된다. 상호 간격은 출력 신호의 변화가 이격 영역(7)에 인접한 전도성 물질의 양의 국부적 변화에 의해 야기되는 전자기장의 변화에 의해 지배되도록 선택된다. 이격 영역(7)의 적어도 일부는 이격 영역(7)이 용기의 수평 및 수직 방향으로부터 분기하도록 주변을 따라 기울어지는 수직 측정 영역을 정의한다. 이에 의해, 이격 영역(7)은, 임의의 원하는 전달 함수, 예를 들면 수직 측정 영역의 범위 밖으로 분기점 없이 선형 함수로 시스템을 설계하도록 공동(3)의 임의의 형태에 맞게 조절될 수 있다.

Description

야금 용기 내 수준 측정{LEVEL MEASUREMENTS IN METALLURGICAL VESSELS}

본 발명은 야금 용기에 담긴 전기 전도성 물질 용액의 수직 충전 수준을 전자기적으로 측정하기 위한 기술에 관한 것이다.

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2011년 9월 15일에 출원된 스웨덴 특허 출원 번호 제1150836-3호 및 2011년 9월 26일에 출원된 미국 임시 출원 번호 제61/626,309호의 이점을 주장하고, 양 출원 모두는 본 명세서에 참조로 병합된다.

용융 금속을 다루는 산업, 주로 야금 산업에서는, 쇳물 바가지(ladle), 턴디시(tundish), 몰드(mould), 노(furnace) 등과 같은 야금 용기 내 용융 금속 및 비전도 매체 사이 계면의 위치 또는 평균 수준을 측정하거나 추정하기 위한 시스템이 매우 필요하다. 그러한 산업과 연관되어 마주치는 고온, 부식성 물질, 용기 내 상이한 전기 전도성 물질 및 환경과 같은 특별히 열악한 환경으로 인해, 지금까지는 그러한 수준 측정을 위한 일반적인 기술을 제공하기가 어렵다는 것이 밝혀졌다.

야금 산업에서 수준 추정을 위한 몇몇 지배적인 기술은 중량 측정, 방사성 시스템 및 전자기 시스템을 포함한다. 중량 측정은 간접적이고, 방사성 시스템은 제한된 영역을 갖고 전도성 또는 비전도성 매체를 구분하지 않는다. 전자기 시스템은 쇳물 바가지, 턴디시 및 노와 같은 다양한 용기에서 성공적으로 사용되었다. 이러한 용기는 금속 하우징을 갖고, 종종 열 및 마모 물질을 관리하기 위해 내부 세라믹 라이닝(lining)이 제공된다. 전자기 센서는 용융 금속의 과도한 열로부터 보호되도록 라이닝 뒤에 놓일 수 있다. 전자기 센서는 하나 이상의 전송 코일과 하나 이상의 수신 코일의 조합을 포함한다. 전송 코일은 시변 자기장(time-varying magnetic field)을 생성하기 위해 100 Hz 내지 수 kHZ까지의 낮은 주파수에서 구동될 수 있다. 많은 라이닝 물질은 자기장이 용융 금속에 도달하여 거기에서 와류를 유도하도록 허용하는 이러한 주파수에서 투과성이다. 와류는 수신 코일에서 기전력(emf)을 유도하는 장(field)을 생성하고, 코일의 범위 내에서 용융 금속의 양을 나타내기 위하여 검출될 수 있다. 전송기 및 수신기 코일은 전통적으로 용기의 양 측면에 또는 용기의 일 측면 상에 서로 겹쳐서 배치되는 평면 사각형 모양의 코일로 설계된다. 이것은 설치 제한을 초래한다.

코일에 의해 생성되는 자기장은 본래 비선형적이고, 여기에서 자기장의 강도는 코일 전도체 부근에서는 1/R만큼, 거리(R)가 코일의 범위에 비해 클 때는 1/R³만큼 코일 전도체에 대한 거리(R)에 따라 떨어진다. 만일 특별한 주의를 기울이지 않으면, 이것은 비선형 전달 함수, 즉 수신기 코일 내 기전력과 용기 내 수직 충전 수준 사이에 비선형 의존성을 초래한다. 그러한 비선형성은 예를 들어 미국 특허 번호 제4,144,756호에 설명되어 있으며, 전송기 및 수신기 코일은 동축으로 배열되고 야금 용기의 라이닝에서 축방향으로 분리된다. 충전 수준에서 측정 신호의 의존성은 코일의 수평 축에 형성되는 변곡점에 대해 매우 비선형적이다.

몇 가지 기술이 전달 함수를 수직 충전 수준에 대해 더욱 선형적으로 만들기 위해 적용되었다.

미국 특허 제4,475,083호에서, 평면 단일 권선(single-turn) 전송기 코일 및 평면 단일 권선 수신기 코일은 서로 겹치고 용융 금속의 주변으로 평행하게 연장되도록 노 벽의 라이닝에서 수직으로 배열된다. 검출 회로는 전송기 코일에 연결되어 전송기 코일에 공급되는 교류와 수신기 코일에서 결과적인 전자기 교류 자기장 사이에서 상변이를 검출한다. 이 코일 장치는 신호 값과 측정 값 사이에서의 명료성을 나타내기에 충분히 선형적일 수 있는 측정 신호를 초래하는 것으로 기술되어 있다.

미국 특허 제4,708,191호에서, 직사각형 전송기 코일은 야금 용기의 라이닝 내에 설치되어 용기의 수평 및 수직 방향으로 연장된다. 적어도 두 개의 직사각형 수신기 코일이 전송기 코일의 다양한 표면적을 덮기 위해 전송기 코일 내부에서 전송기 코일과 수직으로 엇갈리게 정렬된다. 코일 장치는 전송기 코일 내부에서 수신 코일의 배치에 의해 측정 신호에서 생성되는 영점 교차점과 함께, 수준에 비례하여 측정 신호를 생성하도록 설계될 수 있다.

종래 기술의 코일 장치는 많은 실용적인 상황, 예를 들면 전도성 및 주로 비전도성 매체 사이의 지속적으로 변하는 3차원 계면, 예를 들면 용융 금속의 맹렬하거나 요동하는 상부 표면상에서 측정할 때 덜 적합한 것으로 증명되었다. 이것은 선형 신호 의존성을 갖는 수직 범위가 실질적으로 코일 장치의 물리적 높이보다 더 작다는 사실에 일부 기인한다. 상부 표면의 요동하는 부분이 이 수직 범위 밖으로 도달할 때, 이러한 요동하는 부분에서 유도되는 와류는 실제 물리적인 동작에 대해 반대 방향에서 측정 신호를 구동할 수 있다. 이것은 측정된 충전 수준에서 심각한 오류에 이를 수 있다. 또 다른 문제는 수직 범위의 크기가 시간이 지남에 따라 드리프트(drift)할 수 있고, 이는 측정 신호의 선형화를 위한 기술을 유지하기 어렵게 한다는 것이다.

또한 종래 기술은 미국 특허 번호 제4887798호, 유럽 특허 번호 제187993호 및 유럽 특허 번호 제0111228호를 포함하고, 이 특허들은 야금 용기의 출구를 통한 용융 금속의 흐름을 감지하기 위한 기술을 개시한다. 전송기 및 수신기 코일은 개구 주위에 동심원 모양으로 배열되고, 수신기 코일은 전송기 코일을 통한 교류 전류에 의해 용융 금속에서 생성되는 와류에서 유래하는 기전력을 검출하기 위해 작동한다. 이것은 동심원 코일의 수준에서 용용 금속의 존재 또는 부재의 검출을 가능하게 한다.

종래 기술은 또한 유럽 특허 번호 제0186584호를 포함하는데, 이것은 수평으로 배열된 원통형 금속 파이프 내 수준 검출을 개시한다. 한 쌍의 전도체는 금속 파이프의 외부 표면상에 감겨져 동심원형으로 배열된 한 쌍의 전송 및 수신 코일을 형성한다. 파이프 내부의 전도성 물질의 양은 전송 코일을 통한 교류 전류에 의해 수신 코일에서 발생하는 기전력을 기초로 측정된다.

본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 한계 중 하나 이상을 적어도 일부 극복하거나 경감하는 것이다.

다른 목적은 야금 용기의 형태와 관계없이 수준 측정을 위한 전자기 센서의 설치를 가능하게 하는 것이다.

또 다른 목적은 전자기 센서의 전달 함수를 특정한 측정 상황의 요구에 맞게 하는 것이다.

특정한 목적은 센서의 수직 범위 내에서 선형적이고 수직 범위의 한계에서 분기점이 없는 전달 함수를 갖는 수준 측정을 위한 전자기 센서를 제공하는 것이다.

아래의 상세한 설명에 언급된 추가의 목적뿐만 아니라 이러한 목적 중 하나 이상은 독립항 및 종속항에 의해 한정된 실시예에 따른 시스템, 야금 용기, 방법에 의해 적어도 부분적으로 달성된다.

본 발명의 제1 양상은 야금 용기의 수용 용적에서 전기 전도성 물질의 수직 충전 수준을 측정하기 위한 시스템으로, 야금 용기는 수용 용적을 둘러싸고 수직 방향으로 연장되는 외부 금속 케이싱에 의해 정의된다. 시스템은 교류 전원에 연결될 때 전자기장을 생성하기 위한 전송 전도체와, 수직 충전 수준의 함수로 출력 신호의 생성을 위한 전자기장을 감지하도록 배열되는 수신 전도체를 포함하고, 전송 및 수신 전도체는 수용 용적과 대면하고 실질적으로 폐루프 내에서 수용 용적의 주변을 따라서 연장되는 이격 영역을 정의하는 상호 간격을 두고 공동 연장되도록 금속 케이싱 내부에 배열되고, 상호 간격은 상기 출력 신호의 변화가 상기 이격 영역에 인접한 전도성 물질의 양의 국부적 변화로 야기되는 전자기장의 변화에 의해 지배되도록 선택되고, 이격 영역의 적어도 일부는 이격 영역이 용기의 수평 및 수직 방향으로부터 분기하도록 상기 주변을 따라 기울어지는 수직 측정 영역을 정의한다.

제1 양상에 따르면, 전송 및 수신 전도체는 수용 용적의 주변을 따라서 금속 케이싱 내부에서 루프 내에 쌍으로서 연장되고, 수용 용적은 전도성 물질을 수용하기 위한 것이다. 케이싱 내부에 쌍으로 된 루프를 형성하여 용융 물질 내 와류로부터의 영향은 수신기 전도체에서 총 기전력의 일부로 탐지 가능한 것이 보장된다. 수용 용적을 대면하게 전송 및 수신 전도체 사이에서 정의되는 이격 영역을 배열하여, 출력 신호의 변화가 이격 영역에 인접한 용융 물질의 양의 국부적 변화, 즉 이격 영역에 직접 대향하는 수용 용적 주변의 국부 영역에서의 국부 전도도의 변화에 의해 지배되도록 수신기 코일의 반응을 최적화하는 것이 가능하다. 상호 간격은 이격 영역에서 수용 용적 주변까지의 수평 거리, 이격 영역 및 주변 사이의 라이닝 물질의 공급, 교류 전원의 주파수 및 크기 등과 같은 용기 및 시스템의 다른 설계/제어 파라미터와 관련하여 선택될 수 있는 것으로 이해된다.

신호 변화가 국부적인 변화에 의해 지배될 때, 수신기 코일의 반응은 그것의 범위, 즉 루프를 따라 수신기 코일의 각각의 세그먼트의 국부적 반응의 합으로 나타낼 수 있다. 이것의 결과적으로 수직 범위의 상이한 영역 내에서 루프의 임의의 단순 감소 전달 함수의 달성을 가능하게 한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "전달 함수"는, 수직 충전 수준의 함수로, 전송 전도체로 공급되는 전원(전류)에 의해 정규화된 수신 전도체에서의 총 유도 기전력을 나타낸다. 전달 함수는 케이싱 내부의 전도체 쌍의 배열, 즉 이격 영역에 의해 주어진다. 이것은 루프의 모양을 포함하고, 전송 및 수신 전도체 사이의 국부적 상호 간격 및 이격 영역에서 수용 용적의 주변까지의 국부적 수평 거리도 포함할 수 있다.

따라서, 제1 양상의 시스템은 수직 측정 영역 내부에서 선형 전달 함수를 가능하게 하는 것으로 이해된다.

이격 영역이 수용 용적의 주변을 따라 기울어지는 부분을 포함하도록 루프를 설계하여, 수용 용적의 형태와 관계없이, 수용 용적의 대부분에 대하여 루프를 분배하는 것이 가능하다. 또한, 수직 측정 영역의 주어진 범위에 대해서, 기울어진 이격 영역은 수직 측정 영역 내부의 수용 용적의 주변을 따라서 수신 전도체의 보다 긴 범위를 초래한다. 이로 인해, 수직 측정 영역 내부의 주변을 따른 수직 방향으로 연장되는 이격 영역과 비교할 때, 기울어진 이격 영역은 주변에서 더 큰 영역 내부에 와류를 유도한다. 따라서, 기울어진 이격 영역은 수용 용적에서 전도성 물질로부터 수신 전도체의 기전력에 더 큰 기여를 초래한다. 이러한 기술적 이점은 수직 방향으로 신호 분해능을 증가 및/또는 신호 질을 향상시키기 위해서 사용될 수 있다. 기울어진 이격 영역을 사용하여 하나 이상의 전용 분기점이 출력 신호로 생성되도록 루프를 분배하거나, 충전 수준이 루프의 수직 한계를 넘어서 연장될 때조차 그러한 분기점을 완전히 피하는 것이 가능하다.

본 명세서에 사용된 "상호 간격"은 전송 전도체를 따라 모든 소정의 지점에서 수신 전도체로의 가장 작은 거리를 말한다.

본 명세서에 사용된 "기울어진"은, 전송 및 수신 전도체를 따라 이격 영역을 통과하여 수용 용적의 주변 상에 투사되듯이, 이격 영역의 범위가 수평 및 수직 방향으로부터 벗어나는 것을 나타내기 위한 것이다. 본 명세서에 수직 방향은 중력 방향이고, 수평 방향은 수직 방향과 직각인 수평면에서의 방향이다.

이격 영역은 상이한 정도로 수용 용적을 대면하도록 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 이격 영역은, 전도체의 범위와 수직인 단면적에서 보이는 바와 같이, 수직 측정 영역 내부에서 주변과 실질적으로 평행하게 배열된다. 이러한 실시예는 측정 시스템의 민감도를 최적화할 수 있다. 다른 실시예에서, 이격 영역은 전도체 범위와 수직인 단면적에서 보이는 바와 같이 90° 미만, 전형적으로 45°, 35°, 25°, 15°, 10° 또는 5° 미만의 각도만큼 주변과 떨어지거나 주변을 향해 경사진다.

제1 양상에 따른 수직 충전 수준의 측정은 용융 금속 및 공기 또는 용융 금속 및 슬래그 층 사이의 계면과 같은 전기 전도성 물질과 더 낮은 전도도를 갖는 영역 사이의 계면의 위치를 확인하는 작업을 포함한다. 그러나, 수직 충전 수준의 측정은 단지 루프의 수직 범위 내부 또는 수직 측정 영역 내부에서 전기 전도성 물질의 존재 또는 부재의 감지를 포함할 수 있다.

이격 영역에 인접한 용융 물질 양의 국부적 변화에 의해 지배되는 출력 신호의 변화를 일으키기 위해 단독 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있는 많은 설계 기준이 있다.

그러한 일 기준에 따르면, 상호 간격은 전송 및 수신 전도체 사이에서의 전자기 결합이 이격 영역을 따라 전송 및 수신 전도체의 대향하는 세그먼트 사이에서 주로 달성되는 것을 보장하도록 선택된다.

다른 기준에 다르면, 상호 간격은 수용 용적 내 전도성 물질의 부재 시, 전자기장의 세기가 1/R^α의 함수로 떨어지도록 선택되고, 여기서 R은 이격 영역에서 전송 전도체로부터의 거리이고 α는 1 내지 2의 범위에 있다. 이러한 기준에 의해 수신 전도체는 전송 전도체의 근접장에 배열되어 수용 용적의 주변에서 용융 물질의 존재 및 부재에 대한 높은 국부적 민감도를 가능하게 하는 것이 보장된다.

또 다른 기준에 따르면, 이격 영역은, 수용 용적 내 전도성 물질의 부재시 수신 전도체에서 전송 전도체에 의해 생성되는 전자기장의 근사값을 무한 길이의 직선 전도체의 주위에 생성되는 전자기장에 의해 구하도록 배열된다. 이 기준은 수용 용적의 주변에서 용융 물질의 존재 및 부재에 대한 높은 국부적 민감도를 가능하게 한다.

또 다른 기준에 따르면, 전송 전도체는 그것의 수평 범위가 전송 전도체의 총 길이의 약 1/10, 1/15 또는 1/20 미만이 되도록 배열된다. 이러한 기준에 의해, 강한 전자기장이 임의의 수직 위치에서 발생하여 이러한 수직 위치 또는 다른 수직 위치에서 대향하는 세그먼트 사이에서 국부적인 결합을 방해하는 것이 회피된다. 일 특정한 실시예에서, 전송 전도체는 수평 범위의 부분이 실질적으로 없도록 배열된다.

다른 또 다른 기준에서, 만일 야금 용기가 금속 케이싱으로부터 이격된 안쪽 벽을 정의하도록 금속 케이싱 내부에 배열되고 수용 용적의 주변을 정의하는 보호 라이닝을 더 포함한다면, 전송 및 수신 전도체는 이격 영역과 안쪽 벽 사이의 수평 이격을 두고 배열되고, 여기서 상호 간격은 수평 이격과 적어도 동일한 등급의 크기가 되도록 선택된다. 구현예에 따라, 전송 및 수신 전도체는 라이닝 내부 또는 라이닝과 금속 케이싱 사이에 배열될 수 있다. 이 기준은 상호 간격 및 수평 이격 사이의 비가 대략 0.5 내지 5의 범위가 되도록 구현될 수 있다.

또한 시스템의 선형 전달 함수를 달성하기 위하여, 즉 출력 신호(또는 출력 신호에 내재된 파라미터) 및 수직 측정 영역에서의 수직 충전 수준 사이에서 선형 의존성을 획득하기 위하여 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용되는 많은 설계 기준이 있다.

그러한 기준에 따르면, 전송 전도체는 이격 영역과 대면하는 수용 용적의 주변에서 용융 물질 내 전자기장의 평균 강도가 수직 측정 영역 내부의 수직 위치와 실질적으로 의존하지 않게 배열된다. 즉, 용융 물질의 존재는 모든 높이에서 신호 강도에 동일한 변화를 낳는다. 반응은 국부적이고, 따라서 수신기 코일의 총 반응이 국부적 반응의 총합에 의해 주어지는 것을 고려하면, 이 기준은 선형 전달 함수를 낳을 수 있다.

다른 기준에 따르면, 상호 간격은 수신 전도체로부터 수용 용적의 주변까지의 수평 거리가 수직 측정 영역 내부에서 실질적으로 일정하도록 선택된다. 이 기준은 용융 금속에 대한 국부적 반응이 루프를 따라 실질적으로 동일한 것을 보장할 수 있다. 이것은 결과적으로 시스템의 설계 및 용기 내 전송 및 수신 전도체의 설치 모두를 단순화할 수 있다. "실질적으로 일정"은 설치 허용 오차를 포함하는 명목 기준이고, 이 허용 오차는 예를 들어 ±20°, ±15°, ±10°, 또는 ±5°이 될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 수평 거리는 시간이 지남에 따라, 예를 들면 라이닝 물질의 마모로 인해 변할 수 있다는 것에 주목해야 한다.

다른 기준에 따르면, 상호 간격은 수직 측정 영역 내부의 이격 영역을 따라서 실질적으로 동일하다. 앞선 기준과 같이, 이는 시스템의 설계 및 용기 내 전송 및 수신 전도체의 설치 모두를 단순화할 수 있다. 앞선 기준에서와 같이, "실질적으로 일정"은 상기 언급한 설치 허용 오차를 포함할 수 있는 명목 기준이다.

또 다른 기준에 따르면, 이격 영역은 수직 측정 영역 내부에 수직 방향으로 상이한 높이에 대해 거의 동일한 감지 길이를 낳도록 배열되고, 감지 길이는 수직 방향으로 소정 높이에서 취해진 수평 단면 내 전송 및 수신 전도체를 따라 이격 영역의 총 범위가 된다.

다른 또 다른 기준에 따르면, 이격 영역은 수신 전도체 내에서 전자기장에 의해 유도되는 총 기전력이 수직 측정 영역에서 수직 충전 수준의 실질적으로 선형 함수가 되도록 배열된다.

일 실시예에서, 이격 영역은, 수직 충전 수준이 수직 측정 영역 밖으로 연장될 때 수신 전도체 내에서 전자기장에 의해 유도되는 총 기전력이 수직 충전 수준에대해 실질적으로 일정하도록 배열된다. 이 실시예는 분기점 없이 출력 신호를 가능하게 한다. 이러한 맥락에서, 분기점은 임의의 높이에서 전달 함수의 도함수가 부호를 변화시키는 것을 의미한다. 발명의 배경 부분에 언급된 바와 같이, 분기점의 존재는 종래 기술에서 내재적이고, 만일 측정이 전도성 물질 내에 격렬한 조건 하에서 이루어진다면 대략적인 충전 수준에서의 커다란 오차를 야기할 수 있다.

일 실시예에서, 수직 측정 영역은 수직 방향으로 루프의 범위에 걸친다. 이것은 이격 영역이 실질적으로 전체 루프를 따라서 기울어진다는 것을 의미한다. 그러한 실시예는 측정 영역의 범위를 최대화할 것이다. 이격 영역의 배치는, 예를 들면 루프의 전체 수직 범위에 대한 선형 전달 함수를 낳도록 및/또는 루프의 수직 범위 밖으로 분기점 없이 전달 함수를 낳도록 설계될 수 있다.

일 실시예에서, 전송 및 수신 전도체는 루프가 수용 용적의 수직 중심선을 둘러싸도록 배열된다. 이것은 루프가 수용 용적의 대부분으로부터 국부적 반응을 수집하기 위해 배치되는 것을 보장할 것이다. 소정 높이에 대한 총 반응은 이러한 소정 높이에서 루프를 따라 모든 국부적 반응의 총합으로 나타나는 것을 상기하면, 이 실시예는 측정의 정확성을 개선할 것이라는 것으로 이해된다.

일 실시예에서, 루프는 수용 용적을 둘러싸도록 설계된다. 그러한 일 구현예에서, 수용 용적은 수직 중앙선 주위로 연장되는 실질적으로 원통형 벽 부분에 의해 적어도 부분적으로 정의되고, 루프는 수용 용적을 둘러싸도록 원통형 벽 부분에서 형성된다. 이러한 맥락에서, "원통형 벽 부분"은 수용 용적의 임의의 단면, 예를 들면 원형, 타원형, 직사각형 또는 어떤 다른 모양을 정의할 수 있다.

일 실시예에서, 시스템은, 교류 전원에 연결될 때 전자기장을 생성하기 위한 제2 전송 전도체와, 제2 출력 신호의 생성을 위한 전자기장을 감지하기 위해 구성되는 제2 수신 전도체를 더 포함하고, 여기서 제2 전송 및 수신 전도체는 수직 측정 영역 내 수직 위치에서 금속 케이싱 내부에 배열되어 상호 간격을 갖는 수용 용적 주변으로로 수평으로 공동으로 연장된다. 이 실시예는 용기 및 시스템 내 드리프트(drift)에 대한 보상을 가능하게 하고, 이는 제2 전송 및 수신 전도체는 수직 충전 수준이 수직 위치와 일치할 때 제2 출력 신호 내에 단계 변화를 생성하도록 배열될 수 있고, 단계 변화의 수직 위치는 실질적으로 드리프트에 의해 영향을 받지 않기 때문이다. 기울어진 이격 영역 내 루프의 출력 신호에 단계 변화의 위치를 매핑(mapping)하여, 이에 따라 출력 신호에서 드리프트에 대한 보상을 가능하게 할 수 있다.

일 실시예에서, 시스템은 전송 전도체에 연결되는 교류 전원을 더 포함한다.

일 실시예에서, 시스템은 수직 충전 수준을 나타내는 측정치를 추출하기 위한 출력 신호를 얻고 처리하도록 구성된 처리 장치를 더 포함한다.

본 발명의 제2 양상은 제1 양상의 시스템을 포함하는 야금 용기이다.

본 발명의 제3 양상은 야금 용기의 수용 용적 내 전기 전도성 용융 물질의 수직 충전 수준을 측정하는 방법이고, 야금 용기는, 수용 용적을 둘러싸고 수직 방향으로 연장되는 외부 금속 케이싱에 의해 정의된다. 방법은 야금 용기 내부에 전자기장을 생성하기 위해 전송 전도체를 설치하는 단계, 및 수직 충전 수준의 함수로서 출력 신호의 생성을 위한 전자기장을 감지하기 위해 야금 용기 내부에 수신 전도체를 설치하는 단계를 포함하고, 전송 및 수신 전도체는 수용 용적과 대면하고 실질적으로 폐루프 내에서 수용 용적의 주변을 따라서 연장되는 이격 영역을 정의하는 상호 간격을 두고 공동 연장되도록 금속 케이싱 내부에 설치되고, 여기서 상호 간격은 출력 신호의 변화가 이격 영역에 인접한 용융 물질의 양의 국부적 변화에 의해 야기되는 전자기장의 변화에 의해 좌우되도록 선택되고, 이격 영역의 적어도 일부는 이격 영역이 용기의 수평 및 수직 방향으로 분기하도록 주변을 따라 기울어지는 수직 측정 영역을 정의하도록 배열된다.

본 발명의 제4 양상은 제1 양상의 시스템을 작동하는 방법이다. 이 방법은 전송 전도체에 교류 전원을 공급하는 단계, 수신 전도체로부터 출력 신호를 획득하는 단계, 및 수직 충전 수준을 나타내는 측정치를 추출하기 위하여 출력 신호를 처리하는 단계를 포함한다.

제1 양상의 실시예 중 어느 하나는 제2 내지 제4 양상과 결합될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징, 양상 및 이점은 도면뿐만 아니라 하기 상세한 설명 및 첨부된 청구항으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 실시예는 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 수준 측정 시스템을 갖는 야금 용기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 측정 시스템 내 전도체 쌍의 부분을 확대한 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 용기 내 생성된 전자기장과 용융 금속 사이에서 상호작용이 없는 경우와 있는 경우 도 2에서 전도체 쌍에 수직인 단면도이다.
도 4는 전도체 쌍 및 전도체 쌍의 다른 부분의 수평 단면도이다.
도 5는 무한 길이의 전도체 주위에 생성된 자기장의 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 수용 용적의 상이한 형상에 대한 전도체 쌍의 예시적인 배치이다.
도 7은 도 6a의 배치에 대해 얻어진 수준의 함수로서 신호 진폭의 그래프이다.
도 8은 신호 생성과 데이터 수집을 위한 처리 장치와 연결된 전도체 쌍의 블록 다이어그램이다.
도 9는 처리 장치에 연결된 복수의 전도체 쌍의 블록 다이어그램이다.
도 10은 경사진 전도체 쌍 및 수평 전도체 쌍의 조합의 사시도이다.
도 11a 내지 도 11c는 도 10의 상이한 전도체 쌍에 대한 민감도 함수의 그래프이다.

하기에서, 본 발명의 몇 가지 예시적 실시예가 단지 예시 목적으로 기술될 것이다. 상세한 설명에서, 동일한 참조 번호는 대응 구성요소를 식별하기 위해 사용된다.

예시적 실시예로 들어가기 전에, 몇 가지 기본 정의 및 설명이 있을 것이다.

여기에서 사용되는 "전자기장"은 하전 물체(electrically charged object)를 이동시켜 생성되는 물리적 장이다. 그것은 장의 부근에서 하전 물체의 거동에 영향을 준다. 전자기장은 공간 도처에 무한하게 연장된다. 장은 전기장(E)과 자기장(B)의 조합으로써 볼 수 있고, 각각은 3차원 벡터 장이다. 각각의 벡터 장은 공간과 시간의 모든 점에서 정의되는 값을 갖고, 공간 및 시간 좌표의 함수로서 여겨질 수 있다. 전기장은 고정 전하에 의해 생성되고, 자기장은 움직이는 전하(전류)에 의해 생성된다.

용어 "전자기 결합(electromagnetic coupling)"("유도 결합(inductive coupling)"으로 알려짐)은 제1 전도체를 통한 전류 흐름의 변화가 전자기 유도를 통하여 제2 전도체의 단부에 걸쳐 전압을 유도하는 현상을 말한다. 두 개의 전도체 사이의 전자기 결합의 양은 그것들의 상호 인덕턴스에 의해 측정된다. 상호 인덕턴스는 제2 전도체에서의 "기전력"(emf)의 생성을 제1 전도체 내 전류 변화에 의해 정량화한다. 변화하는 자기장(B)의 존재 하에 폐루프(C)의 유도된 기전력(ε)은 루프의 고정된 닫힌 경로 주위의 전기장의 아래의 적분에 의해 주어지는 전압이다.

여기에서 E는 전체 전기장이고, 적분은 임의적이지만 고정된 폐곡선(C) 주위에 있고, 폐곡선을 통해 변하는 자기장이 있다.

와류("푸코 전류"로도 알려짐)는 시변 자기장에 노출될 때 전도성 물질에서 유도되는 전류이다. 전류는 인덕턴스를 가져서 자기장을 유도하는 순환하는 와류로서 형성된다. 인가된 자기장이 더 셀수록, 또는 전도성 물질의 전기 전도도가 더 클수록, 또는 장의 변화가 더 빠를수록, 그 때 발생하는 와류는 더욱 커지고 장은 더 크게 생성된다.

본 발명의 실시예는 전송 코일로 공급되는 교류 전류에 의해 수신 코일에서 유도되는 교류 전압을 검출하여 야금 용기 내 수준 측정에 관한 것이다. 수신 코일에서 유도된 전압(emf)의 변화를 야기하도록 교류 전류는 또한 용기 내에서 처리되는 전도성 물질에서 와류를 유도하고, 이러한 와류로 인해 생성된 자기장은 수신 코일에서 자기장을 변화시킨다. 하나의 시도는 출력 신호 및 용기 내 전도성 물질의 양, 즉 충전 수준, 사이의 유용하고 예측 가능한 함수 관계를 달성하는 것이다.

도 1은 야금 용기(1) 내에서 처리될 전기 전도성 물질을 위한 내부 공동(cavity)(수용 용적)(3)을 정의하는 금속으로 된 외부 케이싱 또는 재킷(jacket)(2)을 갖는 야금 용기(1)를 도시한다. 용기(1)은 노, 턴디시, 쇳물 바가지, 몰드 등과 같은 임의 형태의 야금 용기일 수 있다. 전도성 물질은 금속 또는 반도체가 될 수 있고, 전형적으로 액체 상태로 가열되지만, 대안적으로 분말 또는 입자 형태일 수 있다. 단순함을 위해, 전도성 물질은 하기에서 "용융 금속"으로 불릴 것이다. 코일 장치(4)가 공동(3)의 부분을 둘러싸기 위해 케이싱(2) 내부에 설치된다. 코일 장치(4)는 공동(3) 주변에 소정의 상호 간격(d)을 갖는 공동 연장되는 선 쌍으로 도시된 전송 전도체(5)와 수신 전도체(6)에 의해 형성된다. 따라서 전도체(5,6)는 공동(3) 주변에 평행하게 상호 간격(d)에 의해 서로 변위되는 전송기 코일 및 수신기 코일을 형성한다. 개념적으로, 이것은 공동(3) 주변의 전도체(5,6) 사이에 형성되는 "이격 영역"(7)으로 볼 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이격 영역(7)은 공동(3) 주변에 걸쳐 어느 정도 기울어진다.

도 2는 측면 입면도, 즉 공동(3)의 주변으로 투사되어 보여지는 바와 같이 공동 연장되는 전도체(5,6)의 기울어진 부분의 확대도이다. 도 2에서, 공동(3)는 부분적으로 용융 금속으로 채워지고, 따라서 상부 표면(10)을 정의한다. 코일 장치(4)는 양쪽 화살표로 표시된 바와 같이, 전도체 사이의 전자기 결합이 기울어진 부분을 따라서 대향하는 선분(line segment)(Δl_i) 사이에서 주로 발생하도록 배열된다. 이에 의해, 선분은 전도성 물질이 존재하거나 또는 전도성 물질이 부재하는 두 가지 형태의 환경에 놓인다.

도 3a는 도 2에서 점선(3A)을 따라서 자른 부분,즉 선분에 인접한 공동(3)에 용융 물질이 없는 부분의 도면이다. 도시된 예에서, 전도체(5,6)는 공동을 정의하는 벽(12)을 제공하는 라이닝 물질(11)이 내장된다. 임의 형태의 전통적인 라이닝 물질, 예를 들면 일체식 라이닝(monolithic lining)을 형성하는 내화 벽돌 또는 충진되거나 주조된 내화물이 사용될 수 있다. 따라서, 이격 영역(7)과 벽(12) 사이에 소정의 수평 거리가 존재한다. 도 3a는 금속 케이싱(2) 내에서 생성되는 와류(20)뿐만 아니라, 전송 전도체(5)에 의해 생성되고 수신 전도체(6)에 의해 감지되는 자기장(B)과 전기장(E)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 자기장(B)은 공동(3) 내부로 연장된다. 도시된 예에서, 비록 이격 영역(7)이 공동(3)쪽으로 공동으로부터 멀어지는 방향으로 기울어지는 것도 가능하지만, 이격 영역(7)은 공동(3)의 주변과 실질적으로 평행하다.

도 3b는 도 2에서 점선(3B)을 따라 자른 부분, 즉 선분에 인접한 공동(3) 내에 전도 물질이 존재하는 부분의 도면이다. 도시된 바와 같이, 자기장(B)은 벽(12), 즉 공동(3) 주변의 용융 금속 내 와류(21)뿐만 아니라, 금속 케이싱(2) 내 와류(20)를 유도한다. 용융 금속 내 와류(21)는 수신 전도체(6) 주위를 통과하는 자기장(B) 강도의 감소를 초래한다. 이에 의해, 전송 전도체(5)와 수신 전도체(6) 사이의 결합은 국부적으로 감소한다. 전도체(5,6)의 상호 간격은 수신 전도체(6)가 전송 전도체(5)에 의해 생성되는 자기장(B)의 근접장에 위치하도록 된다. 선분의 국부적 환경에서 전도성 물질의 부재시, 자기장은 1/R^α에 비례하는 비율로 떨어지는데, 전형적으로 α=1, 또는 적어도 α는 1 내지 2 범위이고, R은 전송 전도체(5)로부터 수직 거리이다. 선분의 국부적인 환경에서 전도 물질이 존재하는 경우, 자기장은 더욱 가파른 비율로 떨어진다. 이에 의해, 각각의 선분은 수신 전도체(6)에서 생성되는 기전력에 대하여 선분에 대한 부분적인 온/오프 스위치로 나타낼 수 있고, 여기에서 스위치의 작용은 용융 금속의 존재와 부재에 의해 조절된다. 코일 장치(4)에 따른 선분(i)에 대한 유도되는 기전력(Δε_i)은 다음과 같이 기술될 수 있다.

여기에서 Δε _empty,i 는 인접한 용융 금속의 부재 시 유도되는 기전력이고, Δε _eddy,i 는 인접하는 용융 금속에서 와류(21)의 결과 유도된 기전력의 감소이다. 인접한 용융 금속이 없는 경우, Δε _eddy,i = 0이다. 인접한 용융 금속이 있는 경우, Δε _eddy,i 는 개별 선분의 특정한 구성에 의존하는 값을 갖는다. 코일 장치(4)의 총 반응, 즉 코일 장치(4)를 따른 총 유도된 기전력은 모든 선분에 대한 유도된 기전력의 합으로서 나타낼 수 있다.

여기에서 Δε _empty 는 공동(3)이 비어 있는 경우 유도된 기전력(emf)이고, β는 전송 코일, 용융 금속 및 수신 코일 사이에서 실제적인 국부 결합에 의존하는 상수이다. 감도 함수 f(h)는 개별 선분의 구성, 즉 충전 수준(h)의 함수로 이격 영역(7)의 분포에 의존할 것이다. 이에 의해, 총 반응(전달 함수)은 공동 내 용융 금속의 수직 충전 수준의 함수이다. 충전 수준이 시간에 따라서 변하듯이, 총 반응도 변한다. 상기 관계는 설사 선분이 완벽한 온/오프 스위치를 형성하지 않더라도 대략 유효하다.

임의의 단수 감소 전달 함수가 코일 장치(4)의 적절한 배치에 의해 얻어질 수 있는 것으로 이해된다. 도 1로부터 이해되는 바와 같이, 기울어진 전도체 쌍의 사용은 코일 장치(4)가 공동(3)의 대부분과 상호 작용할 수 있게 한다.

더욱이, 코일 장치(4)이 수평 방향으로 실질적인 범위를 갖는 것을 피하는 것이 바람직할 수 있다고 현재 여겨지는데, 이것은 수평의 전송 전도체(5) 주위로 생성된 전자기장이 기울어진 전도체 쌍에서 전압을 유도하도록 할 수 있기 때문이다. 따라서, 전도체 쌍의 수평 범위는 전도체 쌍의 총 길이의 약 1/10 미만, 바람직하게는 약 1/15 또는 1/20 미만이어야 한다고 현재 여겨진다.

발명의 요약 부분에 설명된 바와 같이, 전자기 결합은 국부적임을 보장하기 위해 적용될 수 있는 수많은 유용한 설계 기준이 있다. 다른 설계 기준이 도 4에 도시되어 있으며, 즉 수신 전도체(6)가 수신 전도체(6)에 수직으로 연장되는 모든 기하 평면에서 전송 전도체(5)의 다른 부분으로부터 충분히 이격하는 것을 보장한다. 도 4에 표시된 이 거리(D)는 상호 간격의 적어도 3배, 가능하게는 상호 간격의 적어도 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 배가 될 필요가 있을 수 있다.

공동(3)의 주변의 주위로 전도체 쌍의 평탄한 범위를 보장하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 예를 들면, 전도체 쌍의 범위를 따라서 급격한 전환(turn)을 피하는 것이 바람직할 수 있다. 또 다른 설계 기준에 따라서, 루프를 따라 전도체 쌍의 범위는 수신 전도체(6)에서 발생된 전자기장의 근사값이, 예를 들면, 도 5에서 도시된 바와 같이 무한 길이의 직선 전도체 주위 전자기장에 의해 구해질 수 있도록 정해진다. 예를 들면, 상호 거리(d)는, 수신 전도체(6)를 따라서 임의의 위치로부터 보이는 바와 같이, 전송 전도체(5)의 국부적 범위의 근사값을 직선 전도체에 의해 구할 수 있도록 선택될 수 있다.

또한, 특정한 영역 내에서의 반응이 예를 들면 상호 거리(d)를 국부적으로 수정하여 조정될 수 있는 것도 주목해야 한다. 예를 들면, 상호 거리(d)는, 전도체 쌍이 코일 장치(4)의 반응을 국부적으로 감소시키도록 (예를 들어 모서리에서) 조정되는 경우 증가될 수 있다.

코일 장치(4)는 공동(3)의 임의의 모양에 대해 설계될 수 있고, 임의의 원하는 수직 측정 영역에 걸쳐, 예를 들어 소정 높이에서 용기(1)의 밑바닥까지 전부에 걸쳐 검출이 가능하게 용기(1) 내에 설치될 수 있다. 발명의 요약 부분에서 개략적으로 설명된 바와 같이, 임의의 설계 기준을 이용하면, 선형 전달 함수는 원하는 측정 영역에 걸쳐 분기점 없이 달성될 수 있다. 그러한 일 기준에 따라서, 코일 장치(4)는 높이의 함수로 실질적으로 일정한 감지 길이를 유지하도록 설계되는데, 감지 길이는 측정 영역 내부의 각각의 높이에서 취해진 수평 부분 내부의 전도체(5,6)를 따라 이격 영역(7)의 총 범위이다. 이 기준은 도 1에서 코일 장치(4)의 기울어진 부분에서 달성되지만, 용기(1)의 전체 깊이에 걸쳐 수평으로 연장되는 상부 및 밑바닥 부분에서는 위반되는 것으로 이해된다. 따라서, 도 1에서 코일 장치(4)는 기울어진 영역 내에서의 선형 반응을 제공할 수 있으나, 상부 및 밑바닥 부분에서는 비선형성과 분기점을 생성할 가능성이 있다. 도 6a는 코일 장치(4)의 전체 수직 범위를 따라 상기 기준을 충족시키고 이로 인해 분기점 없이 선형 반응을 생성하도록 도 1에서 코일 장치(4)의 변형의 사시도이다.

도 6b 및 6c는 이 기준을 충족하고 각각 원형 단면을 갖는 원통형 공동(3)과 구형 벽 부분을 갖는 공동(3)에서 분기점 없이 선형 반응을 생성할 수 있는 코일 장치(4)의 사시도이다. 이러한 공동 모양은 단지 예시 목적으로 포함되고, 코일 장치(4)는 공동 모양과 관계없이 상기 기준을 충족하도록 설계될 수 있는 것으로 이해해야 한다.

도 7은 도 6a에서 코일 장치(4)에 대한 반응 곡선(전달 함수)의 그래프이고, 용기(1) 내 충전 수준의 함수로 수신 전도체(6)로부터 얻어지는 전압 신호에서 진폭으로 주어진다. 도시된 바와 같이, 반응은 코일 장치(4)의 수직 범위와 일치하는 측정 영역 내부에서 충전 수준에 선형적으로 의존하고, 측정 영역 밖에서 충전 수준에 일정하다.

주로 비선형이고 분기점을 나타내는 종래 기술과 비교할 때, 도 6의 실시예는 전자기장의 주파수(즉 전송 전도체(5)에 공급되는 교류 전류의 주파수)와 필적하거나 더 빨리 시간적으로 변하는 격렬한 표면에서 측정 성능에 상당한 개선을 초래할 수 있다. 유효한 시간 평균이 일련의 연이은 샘플에 대해 계산될 수 있도록 빠른 조그만 변화조차도 그것의 코일과의 전자기 상호 작용에 의해 평균을 낸다.

도 8은 수직 충전 수준(도 7 참조)의 측정치를 생성하기 위한 전송기 및 수신기 전도체(5,6)에 연결되는 처리 장치(25)의 실시예의 블록 다이어그램이다. 점선 상자는 전송기 전도체(5)를 구동하고 수신기 전도체(6)로부터 출력 신호를 얻기 위한 회로를 갖는 트랜시버(26)를 형성한다. 신호 처리기(27)는 출력 신호로부터 수직 충전 수준의 측정치를 추출하기 위해 트랜시버(26)에 연결된다. 도 8의 예에서, 직접 디지털 파형합성기(direct digital synthesizer, DDS)(28)는 공통 기준 클록(clock)(29)을 기본으로 하는 주파수로 사인 곡선과 같은 적당한 파형을 생성하도록 구성된다. 구현예에 따라, 주파수는 약 50 Hz 내지 100 kHz의 주파수 영역에 있을 수 있다. DDS(28)의 출력은 이로 인해 전송 전도체(5)로의 적당한 크기의 안정 상태 교류 신호를 공급하는 전력 증폭기(30)에 공급된다. 전치 증폭기(31)는 수신 전도체(6)에 걸쳐 교류 전압을 검출하고 증폭하기 위해 연결된다. 전용회선 대역통과 필터(32)에서 필터링한 후, 증폭된 전압 신호가 아날로그 디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC)(33)에서 동기 아날로그 디지털 변환에 의해 처리된다. 이로 인해, ADC(33)는 검출된 전압의 위상 및/또는 진폭에 대한 정보를 포함하는 출력 신호를 공급할 수 있다. 구현예에 따라, 수직 충전 수준의 측정은 검출된 전압의 위상 또는 진폭 또는 이들의 조합의 함수로 계산될 수 있다. 이것은 당업자에게 공지되어 있다.

기술은 단일 전도체 쌍을 이용하는 것에 제한되지 않는 것으로 이해해야 한다. 대신에, 둘 이상의 전도체 쌍은 예를 들어 용기의 상이한 높이에서 측정 영역을 제공하고/하거나 상이한 전달 함수를 제공하기 위해서 설치될 수 있다. 도 9는 야금 용기의 공동 주변으로 각각의 루프를 형성하기 위해 배열된 n개의 상이한 전도체 쌍을 갖는 그러한 실시예를 도시한다. 도 9의 실시예에서, 각각의 전도체(5,6) 쌍은 각각의 트랜시버(26)에 연결되고, 트랜시버(26)의 출력 신호는 공통 신호 처리기(27)에 의해 처리된다. 도 9의 실시예에서, 트랜시버(26)는 상이한 주파수에서 작동될 수 있다.

드리프트(drift)는 온도 변화, 라이닝 마모 및 물질 포함에 의한 것과 같은 용기(1)의 기하 형상의 변화로 인한 모든 형태의 전자기 센서 내에 내재한다. 코일 장치(4)의 전달 함수가 기하 형상에서 관련된 변화에 의해 상대적으로 영향을 받지 않기 때문에 본 발명의 측정 시스템은 그러한 드리프트에 유리하게 민감하지 않다는 것이 밝혀졌다. 기하 형상에서 적당한 변화를 위해, 전달 함수는 단지 이동되어, 반응 곡선의 선형 이동을 야기한다. 따라서, 단순한 전달 함수(예를 들면 선형)에서, 하나 또는 두 개의 측정점은 드리프트에 대해 출력 신호를 보상하기에 충분하다. 예를 들어 그러한 측정점은 공동 주변으로 수평으로 연장되어 수평 전도체 쌍을 형성하는 전도체 쌍을 포함함으로서 얻어질 수 있다. 수평 전도체 쌍에 걸친 전압은 충전 수준이 수평 전도체 쌍에 도달하고, 단계 변화의 수직 위치가 실질적으로 기하 변화에 의해 영향을 받지 않을 때 상당히 갑자기(단계 변화) 감소한다. 기울어진 전도체의 선형 반응 곡선은 단계 변화의 위치에서 기울어진 전도체로부터 선형 반응 곡선으로 측정된 반응을 매핑하여 알려지지 않은 이동에 대해 보상받을 수 있는 것으로 이해된다. 추가적인 측정점은 선형 반응 곡선의 경사도에 변화를 고려하기 위하거나, 반응 곡선이 부분적으로 비선형일 때 드리프트를 보상하기 위해 포함될 수 있다. 수평 전도체 쌍(교정 코일)은 도 9와 관련하여 기술된 바와 같이, 공통 신호 처리기에 연결된 각각의 트랜시버에 의해 조절될 수 있는 것으로 이해해야 한다.

도 10은 선형 전달 함수와 두 개의 내재된 측정점을 제공하는 코일 장치(4)의 예를 도시한다. 코일 장치(4)은 수직 측정 영역에 걸쳐 연장되는 한 쌍의 기울어진 전도체 (5,6) 및 측정 영역 내부의 상이한 수직 수준에서 배열되는 두 개의 수평 전도체 쌍(5',6')을 포함한다. 이 실시예는 충전 수준이 수평 전도체 쌍(5',6')을 통과할 때마다 전체 측정 영역의 측정을 고려한다. 도 11a 내지 도 11c는 수직 충전 수준에 대하여, 기울어진 전도체 쌍, 상부 수평 전도체 쌍 및 밑바닥의 수평 전도체 쌍 각각에 대한 민감도 함수 f(h)를 도시한다. 상기에서 설명된 바와 같이, 민감도 함수 f(h)는 이격 영역(7)을 따라 용융 금속에서 와류로부터 기인하는 신호 기여를 나타낸다.

본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 여겨지는 것과 관련하여 기술되기는 했지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고, 반면에 첨부된 청구항의 사상 및 범위 내에서 포함되는 다양한 변경 및 등가의 구성을 포괄하는 것으로 이해해야 한다.

예를 들면, 전송 전도체와 수신 전도체는 단일의 와이어 또는 복수의 와이어에 의해 각각 형성될 수 있다.

또한 공동 연장되는 한 쌍의 전도체에 의해 형성되는 루프는 루프와 공동 연장되고 루프로부터 이격되도록 배열된 하나 이상의 추가의 전송 전도체 및/또는 수신 전도체에 의해 보완될 수 있는 것으로 이해해야 한다.

더욱이, 본 발명은 여기에서 기술된 바와 같이, 비금속 케이싱, 예를 들어 세라믹 소재의 케이싱을 갖는 야금 용기에서의 수준 측정에도 동일하게 적용될 수 있다.

Claims (22)

1. 야금 용기(1)의 수용 용적(3) 내 전기 전도성 물질의 수직 충전 수준을 측정하기 위한 시스템으로, 상기 야금 용기(1)는 상기 수용 용적(3)을 둘러싸고 수직 방향으로 연장되는 외부 금속 케이싱(2)에 의해 정의되고, 상기 시스템은
   교류 전원에 연결될 때 전자기장을 생성하기 위한 전송 전도체(5)와,
   수직 충전 수준의 함수로써 출력 신호의 생성을 위한 전자기장을 감지하기 위해 배열되는 수신 전도체(6)를 포함하고,
   상기 전송 및 수신 전도체(5,6)는 상기 수용 용적(3)과 대면하고 폐루프 내에 상기 수용 용적(3)의 주변을 따라서 연장되는 이격 영역(7)을 정의하는 상호 간격(d)을 두고 공동 연장되도록 금속 케이싱(2) 내부에 배열되고, 상기 상호 간격(d)은 상기 출력 신호의 변화가 상기 이격 영역(7)에 인접한 전도성 물질의 양의 국부적 변화에 의해 야기되는 전자기장의 변화에 의해 지배되도록 선택되고, 상기 이격 영역(7)의 적어도 일부는 상기 이격 영역(7)이 상기 용기(1)의 수평 및 수직 방향으로 분기하도록 상기 주변을 따라 기울어지는 수직 측정 영역을 정의하는, 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 상호 간격(d)은 전송 및 수신 전도체(5,6) 사이에서 전자기 결합이 상기 이격 영역(7)을 따라 상기 전송 및 수신 전도체(5,6)의 대향하는 세그먼트(Δl_i) 사이에서 달성되는 것을 보장하도록 선택되는, 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 상호 간격(d)은 상기 수용 용적(3) 내에 전도성 물질의 부재 시, 상기 전자기장의 세기가 1/R^α의 함수로 떨어지도록 선택되고, 여기에서 R은 상기 이격 영역(7)에서 상기 전송 전도체(5)로부터 거리이고 α는 1 내지 2의 범위인, 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 이격 영역(7)은 상기 전송 전도체(5)에 대하여 그리고 상기 수용 용적(3) 내에 전도 물질이 없는 경우 상기 수신 전도체(6)에서의 전자기장의 근사값이 무한 길이의 직선 전도체의 주위에 생성되는 전자기장에 의해 구해지도록 배열되는, 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 야금 용기(1)은 상기 금속 케이싱(2)으로부터 이격된 안쪽 벽(12)을 정의하도록 상기 금속 케이싱(2) 내부에 배열되고 상기 수용 용적(3) 주변을 정의하는 보호 라이닝(11)을 더 포함하고, 상기 전송 및 수신 전도체(5,6)는 상기 이격 영역(7)과 상기 안쪽 벽(12) 사이의 수평 이격을 두고 배열되고, 상기 상호 간격(d)은 상기 수평 이격과 적어도 동일한 등급의 크기가 되도록 선택되는, 시스템.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전송 전도체(5)는 상기 이격 영역(7)에 대면하는 상기 수용 용적(3)의 주변에서 상기 전도성 물질 내 상기 전자기장의 평균 강도가 상기 수직 측정 영역 내부의 수직 위치와 의존하지 않게 배열되는, 시스템.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 상호 간격(d)은 상기 수신 전도체(6)로부터 상기 수용 용적(3)의 주변까지의 수평 거리가 수직 측정 영역 내부에서 일정하도록 선택되는, 시스템.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 이격 영역(7)은 상기 수직 측정 영역 내부에서 상기 수직 방향으로 상이한 높이에 대해 동일한 감지 길이를 낳도록 배열되고, 상기 감지 길이는 상기 수직으로 소정의 높이에서 취해진 수평 부분 내부에서 상기 전송 및 수신 전도체(5,6)를 따라 상기 이격 영역(7)의 총 범위인, 시스템.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 이격 영역(7)은 상기 수신 전도체(6) 내에서 상기 전자기장에 의해 유도되는 총 기전력이 상기 수직 측정 영역 내에 상기 수직 충전 수준의 선형 함수가 되도록 배열되는, 시스템.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이격 영역(7)은 상기 수직 충전 수준이 상기 수직 측정 영역 밖으로 연장될 때 상기 수신 전도체(6) 내에서 상기 전자기장에 의해 유도되는 총 기전력이 상기 수직 충전 수준에 일정하도록 배열되는, 시스템.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전송 및 수신 전도체(5,6)는 상기 폐루프가 상기 수용 용적(3)의 수직 중앙선을 둘러싸도록 배열되는, 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    상기 수용 용적(3)은 상기 수직 중앙선 주위로 연장하는 원통형 벽 부분에 의해 적어도 부분적으로 정의되고, 상기 폐루프는 상기 수용 용적(3)을 둘러싸도록 상기 원통형 벽 부분에서 형성되는, 시스템.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    교류 전원에 연결될 때 전자기장을 생성하기 위한 적어도 하나의 추가적인 전송 전도체(5') 및 추가적인 출력 신호의 생성을 위한 전자기장을 감지하도록 배열되는 적어도 하나의 추가적인 수신 전도체(6')를 더 포함하고, 상기 전송 및 수신 전도체(5', 6')는 상호 간격을 두고 상기 수용 용적(3) 주변으로 수평으로 공동 연장되도록 수직 측정 영역 내부의 수직 위치에서 상기 금속 케이싱(2) 내부에서 배열되는, 시스템.
14. 제1항 또는 제2항에 따른 시스템을 포함하는 야금 용기.
15. 야금 용기(1)의 수용 용적(3) 내 전기 전도성 물질의 수직 충전 수준을 측정하는 방법으로서, 상기 야금 용기(1)은 상기 수용 용적(3)을 둘러싸고, 수직 방향 내에 연장되는 외부 금속 케이싱(2)에 의해 정의되고, 상기 방법은
    상기 야금 용기(1) 내부에 전자기장을 생성하기 위해 전송 전도체(5)를 설치하는 단계, 및
    상기 수직 충전 수준의 함수로 출력 신호의 생성을 위한 상기 전자기장을 감지하기 위한 상기 야금 용기(1) 내부에 수신 전도체(6)를 설치하는 단계를 포함하고,
    상기 전송과 수신 전도체(5,6)는 상기 수용 용적(3)과 대면하고 폐루프 내에서 상기 수용 용적(3)의 주변을 따라서 연장되는 이격 영역(7)을 정의하는 상호 간격(d)을 두고 공동 연장되도록 금속 케이싱(2) 내부에 설치되고, 상기 상호 간격(d)은 상기 출력 신호에서의 변화가 상기 이격 영역(7)에 인접한 전도성 물질의 양의 국부적인 변화에 의해 야기되는 전자기장의 변화에 의해 지배되도록 선택되고, 상기 이격 영역(7)의 적어도 일부는 상기 이격 영역(7)이 상기 용기(1)의 수평 및 수직 방향으로부터 분기하도록 상기 주변을 따라 기울어지는 수직 측정 영역을 정의하도록 배열되는, 방법.
16. 제1항 또는 제2항의 시스템을 작동하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    상기 전송 전도체(5)에 교류 전원을 공급하는 단계,
    상기 수신 전도체(6)로부터 상기 출력 신호를 획득하는 단계, 및
    상기 수직 충전 수준을 나타내는 측정치를 추출하기 위하여 상기 출력 신호를 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
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