KR20200087255A - 레벨 계측 장치 - Google Patents

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KR20200087255A
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다카히로 기노시타
아츠시 스기하시
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

마이크로파를 사용하여, 취련 중의 슬래그면의 측정을 종래보다도 정확하게 행할 수 있을 수 있는 레벨 계측 장치를 제공한다. 레벨 계측 장치(10)에서는, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 후드 개구부(6) 상방에 배치하여 노 내의 슬래그면(3)으로부터 멀리 떨어지게 하고 있고, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)로의 지금이나 슬래그의 부착을 억제할 수 있고, 그만큼, 취련 중의 슬래그면(3)의 측정을 종래보다도 정확하게 행할 수 있다. 또한, 레벨 계측 장치(10)에서는, 송신 안테나(11)의 직경 φ1을 수신 안테나(12)의 직경 φ2보다도 크게 하여, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 후드 개구부(6) 상방에 배치함으로써, 슬래그면(3)의 레벨 계측 시에 있어서의 불필요 반사를 억제할 수 있고, 취련 중의 슬래그면(3)의 측정을 종래보다도 정확하게 행할 수 있다.

Description

레벨 계측 장치
본 발명은, 노의 내부에 있어서의 슬래그면의 레벨을 계측하기 위한 레벨 계측 장치에 관한 것이다.
전로 제강 프로세스에 있어서 생산성을 향상시키기 위해서는, 산소 등의 가스를 슬래그면에 분사할 때, 송산 속도를 올려서, 취련에 요하는 시간을 단축하는 것이 중요해진다. 그러나, 송산 속도를 올리면, 슬로핑(포밍한 슬래그가 노구로부터 흘러넘치는 현상)이나, 스피팅(분류에 의해 슬래그가 비산하는 현상)이 발생하여 수율의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 노구나, 전로의 노구 상방에 마련한 연도(이하, 배기 후드라고도 칭함) 등에 지금이나 슬래그가 부착되어 버려, 조업이 저해되는 등의 문제가 발생할 가능성이 있다. 따라서, 생산성의 향상을 도모하기 위해서는, 전로의 내용물의 레벨을 측정하여, 슬로핑의 예조로 되는 슬래그의 포밍 거동 등을 정확하게 실시간으로 파악하는 것이 중요해진다.
그 때문에, 예를 들어 특허문헌 1에 도시하는 바와 같이, 마이크로파를 사용한 레이더 방식의 레벨계를 사용하여, 전로에 장입된 용융물의 욕면 레벨을 측정하는 방법이 제안되어 있다. 여기서, 슬래그가 포밍하면, 마이크로파의 반사율이 크게 저하되기 때문에, 지향성이 높은 안테나를 사용할 필요가 있기 때문에, 특허문헌 1에서는, 안테나의 선단을 잘라내고, 또한 안테나의 지향성을 노의 중심 방향을 향한 한 쌍의 안테나를 사용하고 있다.
일본 특허 공개 제2016-180126호 공보
그러나, 특허문헌 1에 나타내는 방법에서는, 안테나의 지향성을 노의 중심 방향을 향하기 위해서, 전로 상부의 배기 후드 내부에 안테나 선단을 삽입할 필요가 있다. 전로 취련(이하, 단순히 취련이라고도 칭함) 중의 배기 후드 내에는, 지금이나 슬래그가 비산하고 있기 때문에, 배기 후드 내에 마련한 안테나 선단에도, 이들 지금이나 슬래그가 부착되고, 안테나에 의한 마이크로파의 측정을 저해해 버릴 우려가 있다. 그 때문에, 특허문헌 1에서는, 취련 중의 슬래그면의 측정을 정확하게 행할 수 없는 우려가 있었다.
또한, 전로나 배기 후드의 상방 공간에는, 각종 배관이나 기계 등이 배치되어 있기 때문에, 안테나를 전로나 배기 후드의 바로 근처에 설치하기 위한 공간을 충분히 확보할 수 없고, 결과적으로, 안테나를 전로나 배기 후드로부터 거리를 이격하여 설치하지 않을 수 없는 경우가 있다. 그러한 경우에는, 안테나로부터의 마이크로파가, 전로 상방의 다양한 장해물로 반사해 버리는 경우가 있고, 정말로 검출하고 싶은 슬래그면에서의 반사 마이크로파를 검출할 수 없어, 슬래그면의 측정을 정확하게 행할 수 없는 우려가 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것이고, 마이크로파를 사용하여, 취련 중의 슬래그면의 측정을 종래보다도 정확하게 행할 수 있는 레벨 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 레벨 계측 장치는, 노의 내부에 있어서의 슬래그면의 레벨을 계측하는 레벨 계측 장치에 있어서, 상기 노의 상방에 마련된 배기 후드의, 상기 슬래그면과 대향하는 위치에 개구된 후드 개구부와, 상기 후드 개구부의 상방에 마련되고, 상기 후드 개구부를 통해 상기 노의 내부를 향하여 마이크로파를 조사하는 송신 안테나와, 상기 송신 안테나와는 별체로, 상기 후드 개구부의 상방에 마련되고, 상기 후드 개구부를 통해 상기 노의 내부로부터의 반사 마이크로파를 수신하는 수신 안테나와, 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 각 선단에 마련되고, 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 안테나 이득을 높이는 렌즈부와, 상기 반사 마이크로파로부터, 상기 슬래그면의 레벨을 산출하는 레벨 산출부를 구비하고, 상기 송신 안테나의 직경이, 상기 수신 안테나의 직경보다 크고, 상기 송신 안테나의 직경을 φ1로 하고, 상기 후드 개구부의 직경을 d로 한 때, φ1>d/2를 만족시키는, 구성을 갖는다.
본 발명에 따르면, 송신 안테나 및 수신 안테나를 후드 개구부 상방에 배치하여 노 내의 슬래그면에서 멀리 떨어지게 한 점에서, 송신 안테나 및 수신 안테나로의 지금이나 슬래그의 부착을 억제할 수 있고, 그만큼, 취련 중의 슬래그면의 측정을 종래보다도 정확하게 행할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 송신 안테나 및 수신 안테나를 별체로 하고, 송신 안테나의 직경을 수신 안테나의 직경보다도 크게 함으로써, 슬래그면의 레벨 계측 시에 있어서의 불필요 반사를 억제할 수 있고, 취련 중의 슬래그면의 측정을 종래보다도 정확하게 행할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 렌즈부에 의해 송신 안테나 및 수신 안테나의 각 안테나 이득이 높여짐으로써, 슬래그면의 레벨 계측 시에 있어서의 S/N비를 향상시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 레벨 계측 장치를 사용한 전로의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는, 송신 안테나 및 수신 안테나의 배치 위치의 설명에 제공하는 개략도이다.
도 3은, 거리와 빔 직경의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는, 송신 안테나 직경과 조사 영역 직경의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 송신 안테나 직경과 간섭 길이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은, 송신 안테나 직경 및 수신 안테나 직경이 동일한 비교예 1의 레벨 계측 장치를 도시하는 개략도이다.
도 7은, 거리와 AD 입력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 송수신 안테나를 사용한 비교예 2의 레벨 계측 장치의 회로 구성을 도시하는 회로도이다.
도 9는, 본 발명의 레벨 계측 장치의 회로 구성을 도시하는 회로도이다.
도 10은, 다른 실시 형태의 송신 안테나 및 수신 안테나의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 11은, 다른 실시 형태에 의한 송신 안테나 및 수신 안테나의 배치 위치의 설명에 제공하는 개략도이다.
도 12는, 다른 실시 형태에 있어서의 송신 안테나 직경과 간섭 길이의 관계를 나타낸 그래프이다.
<본 발명의 레벨 계측 장치에 대해서>
도 1은, 본 발명의 레벨 계측 장치(10)와, 본 발명의 레벨 계측 장치(10)가 사용되는 전로 제강 프로세스에 있어서의 전로(1)의 구성을 도시한 개략도이다.
전로 제강 프로세스에서는, 전로(1)의 내부(이하, 단순히 노 내라고도 칭함)에 용선(2)을 장입하고, 이러한 용선(2)에 대하여 랜스(4)로부터 산소 등의 가스를 불어 넣음으로써, 용선(2)의 성분 조정을 행하여 용강을 생성한다. 이러한 용융물의 표면에는, 처리의 진행에 따라 슬래그가 생성된다. 본 발명에 의한 레벨 계측 장치(10)는, 이렇게 노 내에 형성되는 슬래그면(3)의 레벨을 실시간으로 계측할 수 있게 이루어져 있다. 본 발명에 있어서, 「슬래그면」이란, 노 내에서 외부에 노출한, 용융 상태의 슬래그 표면을 말한다. 슬래그면(3)의 「레벨」이란, 노 내 저부나 소정 기준 위치에서 본, 노 내에 있어서의 슬래그면(3)의 높이를 말한다.
전로(1)에서 행하여지는 처리에서는, 증기나 더스트 등이 발생하기 때문에, 발생하는 더스트 등을 외부 환경에 방출시키지 않기 위해서, 전로(1)의 상방에 개방한 노구 부근에 단부를 갖고, 상방으로 연장되는 배기 후드(5)가 마련되어 있다. 이 배기 후드(5)에는, 랜스(4)를 전로(1) 내에 삽입하기 위한 랜스용 개구부 외에, 노구 상방에 후드 개구부(6)가 개구되어 있다. 또한, 후드 개구부(6)의 주위에는 상방으로 연장하여 설치된 개구 형성부(7)가 배관상의 구조물로서 마련되어 있다.
개구 형성부(7)는, 전로(1) 상방의 상부 자유 공간과 노 내를, 후드 개구부(6)를 통해 연통시키고 있고, 예를 들어 서브랜스(도시하지 않음)를, 필요에 따라, 후드 개구부(6)를 통해 노 내에 삽입할 수 있다.
후드 개구부(6)는, 배기 후드(5)의 상벽면이며, 또한 노 내의 슬래그면(3)과 대향하는 위치에 개구되어 있고, 개구 형성부(7)의 상방으로부터 삽입된 봉상의 서브랜스가, 후드 개구부(6)를 통해서, 슬래그면(3) 상에 배치될 수 있다.
이러한 구성에 추가하여, 본 발명에 의한 레벨 계측 장치(10)는, 서브랜스가 삽입되는 후드 개구부(6)의 상방에, 안테나 설치 개구부(9a)가 개구된 안테나 설치부(9)를 갖고 있다. 안테나 설치부(9)에는, 전로에서 행하여지는 공정의 종류에 따라, 적절히, 이동 기구를 사용하여 안테나부(10a) 또는 서브랜스 장치 중 어느 것이 설치된다. 안테나부(10a)가 설치될 때에는, 안테나 설치 개구부(9a)를 통해, 마이크로파가 조사되고, 또한, 수신되게 되지만, 한편으로, 서브랜스 장치가 설치 되는 경우에는, 안테나 설치 개구부(9a), 개구 형성부(7) 및 후드 개구부(6)를 통해, 서브랜스가, 슬래그면이나 용강을 향하여 삽입되게 된다. 그 때문에, 안테나 설치 개구부(9a)의 직경, 개구 형성부(7)의 개구 직경 및 후드 개구부(6)의 직경은, 서브랜스의 삽입을 용이하게 하기 위해서, 대략 동일한 크기로 형성된다. 또한, 안테나 설치 개구부(9a), 후드 개구부(6) 및 개구 형성부(7)의 개구는, 그 중심 위치가, 연직 방향으로 직선상으로 나열되도록 형성된다.
레벨 계측 장치(10)는, 후드 개구부(6)에 서브랜스가 비삽입일 때에, 안테나 설치부(9)의 안테나 설치 개구부(9a)에 안테나부(10a)를 배치시킨다. 레벨 계측 장치(10)는, 레벨 산출부(10b)를 갖고 있고, 당해 레벨 산출부(10b)에 의해, 안테나부(10a)로부터 노 내를 향하여 송신한 송신 신호를 기초로 수취한 수신 신호에 기초하여 연산이 행하여져, 슬래그면(3)의 높이를 산출하여 슬래그면(3)의 레벨 계측을 행할 수 있다. 여기서, 안테나 설치부(9)의 안테나 설치 개구부(9a)는, 그 직경이 후드 개구부(6)의 직경 d와 대략 동등하고(대략 동일 직경), 또한, 그 중심축이 후드 개구부(6)의 중심축과 동일 축 상에 배치되어 있다.
후드 개구부(6)의 직경 d는, 전로(1)로부터의 증기나, 지금이나 슬래그의 비산이 배기 후드(5) 밖으로 누설되는 것을 방지하고, 전로(1)나 배기 후드(5)의 상방에 있는 각종 배관이나 기계 등의 배치로부터 허용되는 범위에서, 서브랜스의 사용이 용이하게 되게 하고, 또한, 레벨 계측 장치(10)에 있어서의 안테나부(10a)의 안테나 특성이나, 마이크로파의 파장, 슬래그면(3)의 레이더 반사 단면적 등에 기초하여 최적의 크기로 선정되어 있다.
안테나 설치부(9)는, 후드 개구부(6) 주변에 형성된 개구 형성부(7)의 최상부에 있는 플랜지 상부(7a)로부터, 소정의 높이에 안테나 설치 개구부(9a)를 갖고 있고, 안테나 설치 개구부(9a)에 설치된 안테나부(10a)를 후드 개구부(6)로부터 멀리 떨어지게 하고 있다. 이에 의해, 안테나 설치부(9)는, 노 내의 슬래그면(3)으로부터 안테나부(10a)를 멀리 떨어지게 할 수 있는 만큼, 슬래그면(3)으로부터 비산한 지금이나 슬래그가 안테나부(10a)까지 도달하기 어려워져, 지금이나 슬래그가 안테나부(10a)에 부착되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 거리의 자유도를 높게 취할 수 있기 때문에, 전로(1)나 배기 후드(5)의 상방에 있는 각종 배관이나 기계 등의 배치에 속박되기 어려워진다.
이 실시 형태의 경우, 안테나 설치부(9)에는, 안테나부(10a)가 설치되어 있는 것 외에, 당해 안테나부(10a)와 노 내 사이에 단열판(14)이 마련되어 있다. 단열판(14)은, 예를 들어 알루미나(Al2O3), 질화규소(Si3O4), 이산화규소(SiO2) 등과 같이, 마이크로파가 투과 가능한 무기 세라믹스에 의해 형성되어 있다. 이에 의해, 단열판(14)은, 안테나부(10a)와 노 내 사이에서 마이크로파의 송수신을 가능하게 하면서, 노 내에서의 열을 저감하여 열에 의해 안테나부(10a)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
안테나부(10a)는, 마이크로파를 후드 개구부(6)를 통해 노 내를 향하여 조사하는 송신 안테나(11)와, 당해 송신 안테나(11)와는 별체로 마련되고, 노 내의 슬래그면(3)으로부터 반사하여 후드 개구부(6)를 통과한 반사 마이크로파를 수신하는 수신 안테나(12)를 구비하고 있다. 또한, 노 내를 향하여 조사되는 마이크로파의 주파수로서는, 노 내가 좁고, 또한 슬래그면(3)에 있어서의 마이크로파의 반사율이 작다는 특성에서, 10[GHz] 초과 90[GHz] 이하, 바람직하게는 35[GHz] 이상 85[GHz] 이하인 것이 바람직하다.
이러한 구성에 추가하여, 송신 안테나(11)는, 직경이 수신 안테나(12)의 직경보다도 크게 형성되어 있다. 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)는, 각각, 예를 들어 원추형의 혼 안테나이고, 개구된 확경의 선단을 노 내를 향하여, 확경의 선단을 인접시켜서 안테나 설치 개구부(9a)의 면 내에 배치하고 있다. 본 실시 형태의 경우, 송신 안테나(11)는, 확경의 선단에 있어서의 직경이, 수신 안테나(12)의 확경 선단에 있어서의 직경보다도 크게 형성되어 있다. 송신 안테나(11)에 있어서의 선단의 직경과, 수신 안테나(12)에 있어서의 선단의 직경을 합친 거리는, 후드 개구부(6)의 직경 d와 같다. 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)의 선단은, 후드 개구부(6)와 대략 동일한 직경인 안테나 설치 개구부(9a)의 직경 방향의 대략 전역에 걸쳐서 배치되어 있다.
송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)에는, 각 선단에, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(테플론(등록 상표))으로 이루어지는 렌즈부(13)가 마련되어 있다. 송신 안테나(11)는, 슬래그면(3)에 조사하는 마이크로파를 렌즈부(13)에 의해 수렴 시킴으로써, 송신 안테나(11)의 안테나 이득을 높일 수 있다. 또한, 수신 안테나(12)는, 슬래그면(3)으로부터의 반사 마이크로파를 렌즈부(13)에 의해 수렴시킴으로써, 수신 안테나(12)의 안테나 이득을 높일 수 있다.
여기서, 레벨 계측 장치(10)는, 마이크로파를 이용한 FM-CW 방식의 레벨 계측을 행할 수 있다. 이 경우, 노 내에 조사하는 마이크로파의 주파수 변조 폭과, 당해 마이크로파의 소인 주기는, 미리 소정의 값으로 설정되어 있다. 송신 안테나(11)로부터 노 내를 향하여 조사되는 마이크로파(이하, 단순히 송신파라고도 칭함)의 주파수는, 시간의 경과와 함께 연속적이고 또한 직선적으로 변화한다.
한편, 계측 대상물로 되는 슬래그면(3)에 의해 반사되어서 수신 안테나(12)에서 수신되는 반사 마이크로파(이하, 단순히 수신파라고도 칭함)는, 수신 안테나(12)로부터 슬래그면(3)까지의 거리(이하, 이격 거리라고도 칭함)에 비례한 지연 Δt(초)를 발생하게 된다. 그 결과, 어떤 동시각에 있어서의 송신파와 수신파 사이에는, 이격 거리에 대응한 주파수의 차 Δf(Hz)가 발생한다. 이러한 송신파 및 수신파가 믹서에 의해 혼합되면, Δf에 상당하는 주파수 성분을 가진 차주파 신호(이하, 비트파 또는 비트 신호라고도 칭함)로 된다.
송신파와 수신파의 시간적 지연 Δt는, 마이크로파가 송신 안테나(11)로부터 슬래그면(3)에서 반사하여 수신 안테나(12)까지 되돌아가기 위하여 요하는 시간에 상당한다. 이격 거리를 산출한다는 처리는, 비트 신호의 주파수(비트 주파수 Δf)를 산출하는 것과 등가이다. 여기서, 현실의 계측 환경에 있어서는, 믹서에 의해 생성되는 비트 신호(비트파)에는, 여러가지의 주파수 성분이 서로 섞인 복합파로 되는 경우가 많다.
따라서, 이러한 복수의 주파수 성분으로 이루어지는 비트 신호의 주파수를 구하기 위해서, 레벨 산출부(10b)에서는, 복수의 주파수 성분으로 이루어지는 비트 신호를 기초로 푸리에 변환 처리를 행하고, 주파수 스펙트럼 신호를 생성한 후, 주파수 스펙트럼 신호로부터 구하고 싶은 이격 거리가 메인 피크에서 부여되는 거리 파형을 생성하여, 이격 거리에 기초하여 노 내에 있어서의 슬래그면(3)의 레벨을 특정할 수 있다.
그런데, 안테나부(10a)로부터(즉, 안테나 설치부(9)로부터), 노 내에 연통한 후드 개구부(6)까지의 거리가 이격되면 이격될수록, 배기 후드(5) 내에 비산하는 지금이나 슬래그가, 안테나부(10a)나 단열판(14)에 도달하기 어려워진다. 따라서, 배기 후드(5) 내에 비산하는 지금이나 슬래그가, 안테나부(10a)나 단열판(14)에 부착되는 것을 억제할 수 있고, 슬래그면(3)의 측정 장해로 되는 것을 방지할 수 있다.
한편으로, 안테나부(10a)로부터, 후드 개구부(6)까지의 거리가 이격되면 이격될수록, 송신 안테나(11)로부터 발하는 송신파의 직경이 넓어진다. 이렇게 송신 파가 넓어진 경우에는, 송신파가 노 내에 도달하기 전에, 후드 개구부(6)의 주변에 형성된 개구 형성부(7)의 상부에 있는 플랜지 상부(7a)에 닿는다. 그 결과, 슬래그면(3)에서 반사한 마이크로파 이외의, 불필요 반사가 발생해 버리기 때문에, 슬래그면(3)의 측정이 저해되어 버린다.
그래서, 안테나 설치부(9)로부터 후드 개구부(6)까지의 거리가 이격되어 있는 경우에도, 불필요 반사를 억제할 수 있는, 송신 안테나(11)의 직경(이하, 송신 안테나 직경이라고도 칭함)을 검토하였다.
선단에 렌즈부(13)를 마련한 송신 안테나(11)로부터 방사되는 마이크로파는, 일반적으로, 다음 식과 같은 가우스 빔의 전반을 따르는 것이 알려져 있다.
[수 4]
Figure pct00001
단, ω(x)은 안테나로부터 거리 x에 있는 위치에서의 빔 반경을 나타내고, ω0은 빔 웨스트 반경을 나타내고, λ는 마이크로파의 파장을 나타낸다. 송신 안테나(11)로부터 조사되는 마이크로파에 적용시키면, ω0은 송신 안테나(11)로부터의 거리가 0에서의 빔 반경에 상당한다.
이어서, 도 2에 도시한 바와 같이, 송신 안테나(11)의 직경(이하, 송신 안테나 직경이라고도 칭함)을 φ1[m](=2ω0)로 하고, 송신 안테나(11)로부터 개구 형성부(7)의 플랜지 상부(7a)의 높이 위치까지의 거리 r에서의 송신파의 조사 영역 직경을 φ3[m](=2ω)으로 하고, 상기 수 4를 사용하여 조사 영역 직경 φ3을 계산하면, 조사 영역 직경 φ3은, 사용하는 마이크로파의 주파수 f[Hz]에 따라 변화하고, 다음 식으로 표시된다. 단, c는 광속[m/s]으로 한다.
[수 5]
Figure pct00002
상기 수 5를 사용하여, 마이크로파(송신파)의 주파수를 40[GHz]으로 하고, 송신 안테나 직경 φ1을 20 내지 280[mm]으로 한 때에, 거리 r에 대한 송신파의 조사 영역 직경 φ3을 구한 바, 도 3에 도시하는 것과 같은 결과가 얻어졌다.
도 3으로부터 명백해진 바와 같이, 송신 안테나 직경 φ1이 작을수록, 근거리에서의 조사 영역 직경 φ3은 작아지고, 송신 안테나 직경 φ1이 클수록, 근거리에서의 조사 영역 직경 φ3은 커진다. 그러나, 송신 안테나(11)로부터 먼 곳에 이격됨(거리 r이 커짐)에 따라서, 이 경향은 역전되고, 송신 안테나 직경 φ1이 클수록, 조사 영역 직경 φ3은 작아진다.
그 때문에, 송신 안테나(11)의 선단으로부터, 개구 형성부(7) 상부의 플랜지 상부(7a)의 높이 위치까지의 일반적인 거리 r은 3 내지 5[m] 정도이기 때문에, 그러한 일반적인 노에 있어서의 송신 안테나(11)로부터 3 내지 5[m] 이격된 플랜지 상부(7a)의 위치에 있어서, 조사 영역 직경 φ3을 작게 하기 위한 최적의 송신 안테나 직경 φ1의 범위가 존재하는 것이 밝혀졌다.
거리 r=4[m]에 있어서의 조사 영역 직경 φ3을 송신 안테나 직경 φ1에 대하여 계산한 바, 도 4에 도시하는 것과 같은 결과를 얻었다. 거리 r=4[m]에 있어서는, 송신 안테나 직경 φ1이 195[mm]일 때에, 가장 조사 영역 직경 φ3이 작아진다. 또한, 거리 r=3[m]인 경우에는, 송신 안테나 직경 φ1이 169[mm]일 때에 조사 영역 직경 φ3이 최소로 되고, 거리 r=5[m]인 경우에는, 송신 안테나 직경 φ1이 219[mm]일 때에 조사 영역 직경 φ3이 최소로 된다. 따라서, 송신 안테나 직경 φ1은, 거리 r이 3 내지 5[m]일 때, 169 내지 219[mm]로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 후드 개구부(6)의 직경 d가 전로 취련 설비 상의 제약으로부터 정해진 경우, 도 2에 도시한 바와 같이, 송신 안테나 직경 φ1과 수신 안테나 직경 φ2의 합이 직경 d와 동등해지는 것과 같은 안테나 치수로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 후드 개구부(6)의 개구 면적을 유효하게 활용할 수 있기 때문에, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)에 있어서의 송수신의 효율을 좋게 할 수 있다.
이때, 송신 안테나 직경 φ1의 값에 의해 송신 안테나(11)의 중심축 Z1과 후드 개구부(6)(즉, 안테나 설치 개구부(9a))의 중심축 Z2의 수평 방향 거리가 변화한다. 그 결과, 노 내와 연통하는 개구 형성부(7) 상부의 플랜지 상부(7a)와, 송신 안테나(11)로부터의 송신파와의 간섭량도 변화한다. 그래서, 도 2에 도시한 바와 같이, 송신 안테나 직경 φ1과, 중심축 Z1, Z2의 위치 변화를 고려하여, 플랜지 상부(7a)와 조사 영역 직경 φ3이 간섭하는 길이(이하, 간섭 길이라고 칭함) Li=φ3/2-φ1/2를 산출하였다.
거리 r=4[m]에 있어서의 간섭 길이 Li의 계산 결과를, 도 5에 나타낸다. 송신 안테나 직경 φ1이 커지면 커질수록, 조사 영역 직경 φ3이 작아짐과 함께, 송신 안테나(11)의 중심축 Z1이 후드 개구부(6)의 중심축 Z2에 가까이 가기 때문에, 간섭 길이 Li는 작아진다.
여기서, 도 1과의 대응 부분에 동일 부호를 붙여서 도시하는 도 6과 같이, 비교예 1로서, 송신 안테나(111)의 직경과 수신 안테나(112)의 직경이 동등한 안테나부(100a)를 갖는 레벨 계측 장치(100)에 대하여 검토한다. 여기서, 레벨 계측 장치(100)에 있어서, 상술한 바와 같이, 송신 안테나(111)로부터의 송신파와 수신 안테나(112)에서의 수신파로부터 얻어진 비트 신호를 기초로 푸리에 변환 처리를 행하고, 횡축을 주파수(Hz)로 한 주파수 스펙트럼 신호를 생성하였다.
이어서, 얻어진 주파수 스펙트럼 신호를 기초로, 횡축을 거리[m]로 변환하고, 종축을 AD 입력[dB]으로 한, 도 7과 같은 파형(이하, 「거리 파형」이라고도 칭함)을 생성하였다. 이 거리 파형에 있어서, 거리가 18 내지 25[m]에 있어서 메인 피크를 부여하는 위치가, 구하고 싶은 이격 거리(안테나부(100a)로부터 슬래그면(3)까지의 거리)에 대응한다.
송신 안테나(111) 및 수신 안테나(112)를 별체로 한 경우, 공간적으로 분할한 송신 안테나(111) 및 수신 안테나(112) 사이에는, 미소한 송신 신호의 스니크가 발생한다. 또한, 도 7에서는, 송신 안테나(111) 및 수신 안테나(112)의 선단을 기준(거리 0[m])으로 하지 않고, 거리 파형을 생성하는 레벨 산출부(10b) 내의 AD 변환기(도시하지 않음)의 위치를 기준(거리 0[m])으로 하고 있다. 따라서, 도 7에 있어서, 스니크 웨이브를 나타내는 피크는, 횡축에 있어서 거리 0[m]에 나타나고 있지 않고, 거리 1[m] 정도 어긋나서 나타나 있다.
도 7에 있어서, 횡축의 거리 2 내지 4[m] 전후에 나타나 있는 피크는, 개구 형성부(7) 상부의 플랜지 상부(7a)로부터의 불필요 반사를 나타내고 있다.
일반적으로, 스니크 웨이브는 불가피하게 발생하기 때문에, 안테나부(100a)의 회로 설계상, 스니크 웨이브가 발생하는 상태에서, 필요한 반사 마이크로파의 측정을 할 수 있도록 감도 등의 설계가 이루어진다. 그 때문에, 불필요 반사의 크기를, 스니크 웨이브의 크기보다 작게 할 수 있으면, 구하고 싶은 거리를 문제없이 측정하는 것이 가능하게 되므로, 불필요 반사의 크기를, 스니크 웨이브의 크기에 대하여 작게 하는 것이 중요하다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 송신 안테나(111)의 직경과 수신 안테나(112)의 직경이 동등한 레벨 계측 장치(100)에서는, 플랜지 상부(7a)로부터의 불필요 반사의 크기와, 스니크 웨이브의 크기가 거의 동등해진다고 하는 결과가 얻어졌다. 그 때문에, 이 비교예 1의 상태보다 불필요 반사를 작게 할 수 있으면, 거리의 측정이 가능하게 된다.
도 7에 도시하는 불필요 반사는, 간섭 길이 Li가 있음으로써 발생하고 있기 때문에, 도 7에 있어서의 경우보다도, 간섭 길이 Li를 작게 하면, 불필요 반사도 작아진다고 생각된다. 따라서, 불필요 반사를 스니크 웨이브 이하로 억제하기 위해서는, 도 5로부터, 송신 안테나 직경 φ1을 크게 하는, 즉, 송신 안테나 직경 φ1을 수신 안테나 직경 φ2보다도 크게 하는(φ1>d/2) 것이 좋다.
여기서, 슬래그면(3)의 반사율, 혹은, 슬래그면(3)의 레이더 반사 단면적은, 슬래그가 포밍하면 크게 저하되고, 포밍한 슬래그면(3)의 위치가, 일정 이상 멀리에 있으면, 측정할 수 없게 되는 것이 발명자들의 검토에 의해 밝혀졌다. 이 점에 대해서, 이하, 레이더 방정식을 사용하여 설명한다.
레이더 반사 단면적을 σ[㎡], 레벨 계측 장치(10)의 성능인 송신 출력을 Pt[mW], 송신 안테나 이득을 G1, 수신 안테나 이득을 G2, 노구 상방 환경에서의 1[m]당의 마이크로파의 투과율을 T, 마이크로파의 파장을 λ[m]로 하면, 슬래그면(3)에서 반사하여 수신 안테나(12)에 되돌아 오는 수신 신호 강도 Pr[mW]은, 하기의 수 6에서 부여된다. 또한, 여기에서의 R은, 계측 대상으로 되는 슬래그면(3)이 형성된 때의, 수신 안테나(12)로부터 슬래그면(3)까지의 거리(이격 거리)[m]를 나타낸다. 또한, 송신 안테나(11)과 수신 안테나(12) 사이의 거리는, 수신 안테나(12)로부터 슬래그면(3)까지의 이격 거리 R에 비하여 충분히 짧기 때문에, 송신 안테나(11)로부터 슬래그면(3)까지의 이격 거리도 R로 간주해도 지장 없다.
[수 6]
Figure pct00003
이 수신 신호 강도 Pr[mW]이, 레벨 계측 장치(10)의 최소 수신 전력 Smin의 10배보다도 크면, 레벨 계측 장치(10)에 있어서 반사 마이크로파의 측정이 가능하게 된다. 이것을 부등식으로 나타내면, 하기의 수 7로 된다.
[수 7]
Figure pct00004
여기서, 송신 안테나 이득 G1은 송신 안테나(11)의 선단에 있어서의 개구 면적에 의해 결정되고, 수신 안테나 이득 G2는 수신 안테나(12)의 선단에 있어서의 개구 면적에 의해 결정된다. 예를 들어 원추형의 혼 안테나를 사용하는 경우에는, 그 안테나 직경(개구 직경이라고도 칭함)을 φn(n=1, 2이고, φ1은, 송신 안테나 직경을 나타내고, φ2는, 수신 안테나 직경을 나타냄)[m]으로 하고, 안테나 이득 Gn(n=1, 2이고, G1은 송신 안테나 이득을 나타내고, G2는 수신 안테나 이득을 나타냄)으로 한 때, 하기의 수 8로 나타낼 수 있다.
[수 8]
Figure pct00005
η는 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)의 개구 효율이다. 또한, 개구 효율 η는, 개구 직경과, 안테나의 길이와의 비가 동일한 원추 혼 안테나라면 동일해지고, 여기에서는, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)의 개구 효율 η는 동일하게 하고 있다. 반사 마이크로파의 측정 가능 조건을 나타낸 상기 수 7은, 상기 수 8을 사용하면, 하기의 수 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수 9]
Figure pct00006
여기서, 우선 처음에, 송수신 공통의 송수신 안테나를 노구 상방에 설치한 일반적인 레벨 계측 장치(후술함)를 비교예 2로 하고, 상기 수 9에 나타낸 측정 가능 조건을 비교예 2가 만족시키는지 여부를 검토한다. 비교예 2의 레벨 계측 장치에서는, 최소 수신 전력 Smin이 10-8[mW] 정도이다. 이 비교예 2의 레벨 계측 장치에 있어서는, 일반적인 파라미터로서, 송신 출력 Pt를 10[mW], 마이크로파의 파장 λ를 6.67[mm](주파수 45[GHz]), 송수신 안테나의 개구 효율 η를 0.25, 마이크로파의 투과율 T를 0.98, 슬래그면의 레이더 반사 단면적 σ를 10-4.3[㎡], 슬래그면(3)이 형성된 때의, 송수신 안테나로부터 슬래그면(3)까지의 이격 거리 R을 25[m], 송수신 안테나의 직경 φ(송수신 안테나만 마련하고 있기 때문에, φ=φ1=φ2)를 250[mm]로 하면, 측정 가능 조건을 나타낸 상기 수 9의 부등식을 만족시키지 않는다. 이것으로부터, 이 레벨 계측 장치에 대해서, 상기와 같은 송신 출력 Pt, 파장 λ, 개구 효율 η 등으로 한 때에는, 취련 중의 슬래그면(3)의 레벨을 상시 측정은 불가능하다.
따라서, 슬래그면(3)의 레벨을 상시 측정하기 위해서는, 상기 수 9의 좌변을 크게 하거나, 혹은 우변을 작게 할 필요가 있다.
먼저, 상기 수 9의 좌변에 대하여 검토한다. 좌변에서 변경 가능한 파라미터로서는, 안테나 이득 Gn(수 8)과, 송신 출력 Pt가 있다. 여기서 송신 출력 Pt를 크게 한 경우에 대해서, 도 8을 사용하여 검토한다. 도 8은, 송수신 공통의 송수신 안테나(105)를 노구 상방에 설치한, 비교예 2로 되는 레벨 계측 장치(101)의 회로 구성을 나타낸다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 비교예로 되는 레벨 계측 장치(101)는, 발진기(102)로부터 송출된 송신 신호를 파워 증폭기(103)로 증폭한 후, 써큐레이터(104)를 통해 송수신 안테나(105)에 송출하고, 당해 송수신 안테나(105)로부터 노 내를 향하여 마이크로파를 조사한다.
레벨 계측 장치(101)에서는, 노 내에서의 반사 마이크로파를 송수신 안테나(105)에서 수신하면, 수신 신호로서 써큐레이터(104)를 통해 로우 노이즈 증폭기(106)에 송출된다. 레벨 계측 장치(101)는, 수신 신호를 로우 노이즈 증폭기(106)로 증폭하고, 믹서(107)에 의해, 당해 수신 신호와, 발진기(102)로부터 보내진 참조 신호가 되는 송신 신호를 승산하여 비트 신호를 생성한다. 레벨 계측 장치(101)는, 비트 신호를 IF 증폭기(108)로 증폭한 후, AD 변환기(109)로 아날로그 디지털 변환 처리를 실행하고, 얻어진 신호를 퍼스널 컴퓨터(PC)(110)에 송출한다. 퍼스널 컴퓨터(PC)(110)는, AD 변환기(109)로부터 수취한 신호에 푸리에 변환 처리 등을 행하여, 송수신 안테나(105)로부터 슬래그면(3)까지의 거리(이격 거리)가 메인 피크에서 부여되는 거리 파형을 생성하여, 이격 거리에 기초하여 노 내에 있어서의 슬래그면(3)의 레벨을 특정할 수 있다.
여기서, 써큐레이터(104)는 아이솔레이션 특성을 갖고 있고, 예를 들어 써큐레이터(104)의 아이솔레이션이 15[dB]였을 경우에는, 20[dBm]의 송신 신호가 파워 증폭기(103)로부터 써큐레이터(104)에 보내져도, 수신측(로우 노이즈 증폭기(106)측)으로 옮겨져 넣는 신호가 5[dBm] 발생한다. 써큐레이터(104)를 마련한 레벨 계측 장치(101)에서는, 송신 출력 Pt를 크게 하면, 써큐레이터(104)에 있어서, 송신측으로부터 직접 수신측에 옮겨져 넣는 신호도 커져 버린다.
이때, 로우 노이즈 증폭기(106)의 동작 영역(신호를 증폭 가능한 최대 전력)이나, AD 변환기(109)의 다이내믹 레인지에는 상한이 있기 때문에, 이 상한을 초과한 신호 부분에는 왜곡이 발생해 버린다. 왜곡된 신호는, 높은 주파수 성분을 가지기 때문에, 측정 주파수(비트 신호의 주파수) 영역에 있어서 큰 노이즈(광대역 노이즈)의 원인으로 된다. 결과, 최소 수신 전력 Smin도 노이즈에 따라서 커져 버려, 결국, 상기 수 9의 부등식을 만족시킬 수는 없다.
이어서, 상기 수 9의 좌변에 있어서의 안테나 이득 Gn(수 8)에 대하여 검토한다. 노구 상방에 있는 후드 개구부(6)의 직경 d는, 배기 후드(5)의 배기량에 영향을 주지 않는 정도의 크기(예를 들어 600[mm])로 제한할 필요가 있다. 예를 들어, 후드 개구부(6)의 직경 d에 대하여, 가능한 한 개구 치수가 큰 송수신 안테나(105)를 사용하려고 하면, 송수신 안테나(105)의 안테나 직경 φ(송수신 안테나(105)만 마련하고 있기 때문에, φ=φ1=φ2)는, d(후드 개구부(6)의 직경)로 부여된다.
그러나, 후드 개구부(6)의 직경 d를, 설비 제약의 2배 정도의 크기인 600[mm]으로 하고, 송수신 안테나(105)의 주파수를, 슬래그면(3)의 레벨 계측에 최적인 45[GHz]로 한 경우, 당해 후드 개구부(6)의 직경 d에 맞춰서 설치 가능한 송수신 안테나(105)의 안테나 이득 G는, 104.9가 거의 최대이다. 그 때문에, 이것 이상, 안테나 이득 G를 크게 하는 것은, 후드 개구부(6)의 직경 d를 크게 하지 않는 한 불가능하다. 104.9의 안테나 이득 G를 갖는 송수신 안테나(105)를 사용했다고 해도, 상기 수 9의 측정 가능 조건을 만족시킬 수는 없고, 슬래그면(3)의 레벨을 상시 측정하는 것은 불가능하다.
그래서, 본 발명자들은, 최소 수신 전력(레벨 계측 장치(10)의 감도)을 작게 하는, 즉 상기 수 9의 우변을 작게 하는 방법을 검토하였다. 본 발명에 의한 레벨 계측 장치(10)에서는, 종래의 송수신 안테나(105)를, 송신 전용의 송신 안테나(11)와, 수신 전용의 수신 안테나(12)로 분리함으로써, 써큐레이터(104)를 생략하고, 노이즈가 발생하는 원인으로 되는, 회로 내에 있어서의 송신 신호의 수신측으로의 스니크를 저감하였다. 여기서, 도 9는, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 별체로 마련한, 본 발명의 레벨 계측 장치(10)의 회로 구성을 나타낸다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 레벨 계측 장치(10)에서는, 발진기(22)에서 발생한 송신 신호를 파워 증폭기(23)로 증폭한 후, 이것을 송신 안테나(11)에 송출하고, 송신 안테나(11)로부터 노 내에 마이크로파를 조사한다. 레벨 계측 장치(10)는, 노 내에서의 반사 마이크로파를 수신 안테나(12)에서 수신하면, 수신 신호로서 로우 노이즈 증폭기(26)에 송출하고, 당해 로우 노이즈 증폭기(26)로 수신 신호를 증폭한 후, 믹서(27)에 의해, 당해 수신 신호와, 발진기(22)로부터 보내진 참조 신호로 되는 송신 신호를 승산하여 비트 신호를 생성한다.
레벨 계측 장치(10)는, 비트 신호를 IF 증폭기(28)로 증폭한 후, AD 변환기(29)로 아날로그 디지털 변환 처리를 실행하고, 얻어진 신호를 퍼스널 컴퓨터(PC)(30)에 송출한다. 퍼스널 컴퓨터(PC)(30)는, AD 변환기(29)로부터 수취한 신호에 푸리에 변환 처리 등을 실행하고, 수신 안테나(12)로부터 슬래그면(3)까지의 거리(이격 거리)가 메인 피크에서 부여되는 거리 파형을 생성하고, 이격 거리에 기초하여 노 내에 있어서의 슬래그면(3)의 레벨을 특정할 수 있다.
이와 같이, 레벨 계측 장치(10)에서는 써큐레이터(104)를 마련하고 있지 않은 점에서, 써큐레이터(104)에 있어서의 송신 신호의 스니크가 발생하는 경우가 없다. 한편, 공간적으로 분할한 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12) 사이의 아이솔레이션은 30[dB] 정도이다. 그러나, 송수신의 아이솔레이션은, 송수신 안테나(105)를 사용한 때에 15[dB]로부터 30[dB]으로 개선하고, 송신 신호의 스니크가 -20[dBm]으로 저감한다. 결과, 로우 노이즈 증폭기(26)나 AD 변환기(29)에 있어서의 신호의 왜곡 발생을 방지할 수 있다.
왜곡이 없으면 스니크 신호에 의해 발생하는 비트 주파수는, 주파수가 낮은 영역에 한정되기 때문에, 노 내에서의 반사 마이크로파에 기초하는 비트 주파수와 구별할 수 있다. 레벨 계측 장치(10)에서는, 도시하지 않은 하이패스 필터를 사용하여, 스니크 신호에 의해 낮은 주파수 영역에 발생한 노이즈를 제거하는 것이 가능하고, 수신 안테나(12)에 발생하는 스니크 신호는, 슬래그면(3)의 레벨 측정에 어떠한 영향을 주지 않는다. 이때, 레벨 계측 장치(10)의 최소 수신 전력 Smin은 10-14[mW]로 된다.
예를 들어, 레벨 계측 장치(10)에 있어서, 증폭한 비트 신호를 아날로그 디지털 변환 처리하는 AD 변환기(29)의 비트 레이트를, 24[bit]로 하면, 그 다이내믹 레인지는 146[dB]으로 된다. 송신 안테나(11)로부터 수신 안테나(12)로의 공간적인 스니크 신호의 강도는 -20[dBm]으로 되므로, 이것을 왜곡하지 않도록 AD 변환 처리하기 위한 다이내믹 레인지를 상한으로 하면, -164[dBm]까지의 수신 신호는 파악할 수 있게 된다. 또한, 샘플링 주파수를 2[MHz]로 하면, kBTaB(kB: 볼츠만 상수, Ta: 온도, B: 대역폭)에서 부여되는 대역 노이즈는 Ta=300[K]에 있어서 -110[dBm]이고, 2048점에서 FFT를 행함으로써, 30[dB] 저감하고, 이에 의해 최소 수신 전력 Smin은 10-14[mW](=-140[dBm])까지 개선된다.
송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 별체로 마련한 경우, 송신 안테나 직경 φ1 및 수신 안테나 직경 φ2는, 도 2에 도시한 바와 같이, 후드 개구부(6)의 직경 d를 사용하여, φ1+φ2=d로 나타낼 수 있다. 그 때문에, 송수신 공통의 송수신 안테나(105)를 사용한 경우(φ=d)에 비해, 안테나 이득 Gn이 103 정도로 작아진다. 그러나, 안테나 이득 Gn이 작아져도, 최대의 이격 거리 R을 25[m]로 한 경우, 수신 신호 강도를 계산하면, 10-11[mW]로 되고, 최소 수신 전력 Smin인 10-14[mW]의 10배보다도 충분히 크기 때문에, 슬래그면(3)의 레벨이 상시 측정 가능하다.
이상에서, 개구의 크기에 제약이 있는 후드 개구부(6)의 상방에 안테나를 설치하는 경우, 종래의 사고 방식에서는, 안테나 이득을 크게 하기 위해서, 안테나 치수가 후드 개구부(6)의 직경 d에 수렴되는 최대 치수로 되도록, 송수신 공통의 1개의 송수신 안테나(105)를 배치하고 있다. 이에 비해, 본 발명의 레벨 계측 장치(10)에서는, 별체의 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 마련하도록 하였다. 이에 의해, 레벨 계측 장치(10)에서는, 종래, 송수신 안테나(105)를 사용함으로써 필요해지는 써큐레이터(104)를 요하지 않게 하고, 송신 신호의 스니크를 억제하여 노이즈를 저하시킴으로써, 취련 전반에 걸쳐, S/N비가 높은 레벨 계측이 가능해진다.
단, 상술한 바와 같이, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 별체로 한 경우, 송신 안테나 직경 φ1 및 수신 안테나 직경 φ2는, 후드 개구부(6)의 직경 d 사이에서, φ1+φ2=d, 즉, φ2=d-φ1의 관계가 있다(도 2). 즉, 감도의 개선과, 안테나 이득 Gn은, 트레이드오프의 관계에 있기 때문에, 송수신 공통의 송수신 안테나(105)를 사용한 쪽이 S/N비가 커지는, 직경 d의 조건도 있을 수 있다. 그래서, 송수신 안테나(105)를 배치하는 것보다도, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 배치한 쪽이 좋은 직경 d의 조건에 대하여 검토한다.
송수신 공통의 송수신 안테나(105)를 사용한 비교예 2의 경우, 최소 수신 전력 Smin이 10-8[mW]이고, 안테나 직경 φ가 d이다. 따라서, 송수신 공통의 송수신 안테나(105)에서의 측정 가능 조건은, 상기 수 9로부터 하기 수 10과 같아진다.
[수 10]
Figure pct00007
한편, 송수신을 분리한 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 사용한 경우, 최소 수신 전력 Smin이 10-14[mW]이다. 따라서, 송수신을 분리한 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)에서의 측정 가능 조건은, 상기 수 9로부터 하기 수 11과 같아진다. 단, 송신 안테나 직경 φ1 및 수신 안테나 직경 φ2는 사용하는 마이크로파의 파장 이상인 것이 바람직하고, φ1≥λ, 또한 φ2=d-φ1≥λ, 즉 λ≤φ1≤d-λ를 만족시키는 것이 바람직하다.
[수 11]
Figure pct00008
따라서, 송수신을 분리한 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 사용한 경우, 가장 S/N비가 높아지는 직경 d의 조건은, 상기 수 10 및 수 11을 조합하여, 하기 수 12와 같이 나타낼 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, R은, 계측 대상으로 되는 슬래그면(3)이 형성된 때의, 수신 안테나(12)로부터 슬래그면(3)까지의 거리(이격 거리)를 나타내고, λ는 마이크로파의 파장을 나타내고, Pt는 레벨 계측 장치(10)에 있어서의 마이크로파의 송신 출력[mW]을 나타내고, σ는 슬래그면(3)의 레이더 반사 단면적을 나타내고, T는 1[m] 근처의 마이크로파의 투과율을 나타내고, η는 수신 안테나(12)의 개구 효율을 나타낸다. 단, λ≤φ1≤d-λ이다.
[수 12]
Figure pct00009
<작용 및 효과>
이상의 구성에 있어서, 레벨 계측 장치(10)에서는, 송신 안테나(11)과 별체로 수신 안테나(12)를 마련하고, 이들 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)의 각 선단에 각 안테나 이득을 높이기 위한 렌즈부(13)를 각각 마련하도록 하였다. 이에 의해, 레벨 계측 장치(10)에서는, 렌즈부(13)에 의해 송신 안테나(11)의 송신 안테나 이득 G1과 수신 안테나(12)의 수신 안테나 이득 G2가 높아지고, 슬래그면(3)의 레벨 계측 시에 있어서의 S/N비를 향상시킬 수 있다.
또한, 레벨 계측 장치(10)에서는, 상부 자유 공간과 노 내를 연통시키는 후드 개구부(6)를 형성하는 개구 형성부(7)를, 배기 후드(5)에 마련함과 함께, 후드 개구부(6)의 상방에 안테나 설치부(9)를 마련하고, 안테나 설치부(9)에 의해, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)의 양쪽을 후드 개구부(6) 상방에 배치시키도록 하였다. 레벨 계측 장치(10)에서는, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 별체로 마련함으로써, 회로 내에 있어서, 송신 신호가 직접 수신측에 스니크하는 일이 없고, 스니크 신호에 의해 발생하는 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.
레벨 계측 장치(10)에서는, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 후드 개구부(6) 상방에 배치하여 노 내의 슬래그면(3)으로부터 멀리 떨어지게 한 점에서, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)로의 지금이나 슬래그의 부착을 억제할 수 있고, 그만큼, 취련 중의 슬래그면(3)의 측정을 종래보다도 정확하게 행할 수 있다.
또한, 레벨 계측 장치(10)에서는, 송신 안테나(11)의 직경 φ1을 수신 안테나(12)의 직경 φ2보다도 크게 하여, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)를 인접시켜서 후드 개구부(6) 상방에 배치시킨 구성으로 함으로써, 슬래그면(3)의 레벨 계측 시에 있어서의 불필요 반사를 억제할 수 있고, 취련 중의 슬래그면(3)의 측정을 종래보다도 정확하게 행할 수 있을 수 있다.
또한, 레벨 계측 장치(10)에서는, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)의 안테나 특성이나 슬래그면(3)의 특성을 고려하여, 후드 개구부(6)의 직경 d를 S/N비를 향상시키는데 최적인 직경 d로 선정함으로써, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)의 양쪽을 배치해도, 슬래그면(3)의 레벨 계측 시에 있어서의 S/N비를 향상시킬 수 있다.
구체적으로는, 직경 d가 상기 수 12로 표시되는 조건을 만족시킴으로써, 송신 안테나(11) 및 수신 안테나(12)의 양쪽을, 후드 개구부(6) 상방에 배치해도, 슬래그면(3)의 레벨 계측 시에 있어서의 S/N비를 향상시킬 수 있다.
<다른 실시 형태>
상술한 실시 형태에 있어서는, 1개의 송신 안테나(11)와 1개의 수신 안테나(12)를 후드 개구부(6) 상방에 배치한 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 1개의 송신 안테나(31)의 주위에 2개 이상의 수신 안테나(32)를 마련하여, 이들을 후드 개구부(6) 상방에 배치한 구성으로 해도 된다.
예를 들어, 도 10에 도시하는 바와 같이, 안테나 설치 개구부(9a)에는, 송신 안테나(31)를 둘러싸도록 복수의 수신 안테나(32)가 등간격으로 배치되어 있다. 안테나 설치 개구부(9a)에서는, 송신 안테나(31)의 주연에, 각 수신 안테나(32)의 주연이 접하도록 배치되어 있다. 또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 안테나 설치 개구부(9a)에는, 송신 안테나(31)의 중심축 Z1과, 후드 개구부(6)의 중심축 Z2가 동일 축 상에 배치되도록, 송신 안테나(31)가 배치되어 있다. 이에 의해, 후드 개구부(6)의 직경 d, 송신 안테나(31)의 직경 φ1, 수신 안테나(32)의 직경 φ2는, d=φ1+2φ2의 관계를 갖는다.
이 경우, 간섭 길이 Li는, Li=φ3/2-d/2로 표시된다. d=300[mm]인 경우의 간섭 길이 Li를, 도 12에 도시한다. 간섭 길이 Li가 0 이하인 경우, 조사 영역과 플랜지 상부(7a)는 간섭하지 않게 된다. 송신 안테나(31)로부터, 개구 형성부(7)의 플랜지 상부(7a)의 높이 위치까지의 거리 r을 4[m]로 하고, 또한 d=300[mm]으로 한 경우, 송신 안테나(31)의 직경 φ1이 148 내지 282[mm]일 때에, 간섭 길이 Li가 0 이하로 된다. 이러한 조건을 통합하면, Li=φ3/2-d/2≤0으로 되고, φ3≤d로 된다. 따라서, 상기 수 5로부터, 하기의 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수 13]
Figure pct00010
단, 수신 안테나(32)의 직경 φ2는, (d-φ1)/2로 부여되고, 이것이 마이크로파의 파장 이상의 크기를 가질 필요가 있다. 그러한 조건은, (d-φ1)/2≥λ이다. 또한, 송신 안테나(31)의 직경 φ1도, 마이크로파의 파장 이상의 크기를 가질 필요가 있다. 따라서, 상기 조건도 합치면, λ≤φ1≤d-2λ로 나타낼 수 있다.
또한, 상기 수 13의 부등식이 해를 갖는 조건은, 하기 수 14가, 1개 이상의 해를 갖는 조건과 같다.
[수 14]
Figure pct00011
수 14에 있어서, φ1, c, r, f, d가 모두 양의 값인 것을 고려하여, φ1 2를 φ'으로 치환하여, 상기 수 14를 변형하면, 하기의 수 15로 된다.
[수 15]
Figure pct00012
상기 수 15에 있어서 1개 이상의 해를 갖는 조건은, 다음의 수 16으로 표시되고, 또한 수 16은, 수 17과 같이 나타낼 수 있다. 후드 개구부(6)의 직경 d는, 상기 수 13 및 하기 수 17의 조건을 만족시킬 필요가 있다. 이상과 같은 구성을 가진 다른 실시 형태에 있어서도, 상술한 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[수 16]
Figure pct00013
[수 17]
Figure pct00014
또한, 상술한 실시 형태에 있어서는, 노로서, 전로 제강 프로세스에 사용하는 전로(1)를 적용한 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 용융 환원로 외에, 비철 금속 정련 프로세스에 사용하는 노 등 기타 여러가지 노에도 적용할 수 있다. 비철 금속 정련 프로세스로서는 예를 들어 구리 용련 프로세스를 들 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서는, 안테나 설치부(9)의 안테나 설치 개구부(9a)에 있어서의 직경을, 후드 개구부(6)의 직경 d와 대략 동일한 크기로 선정 한 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 안테나 설치부(9)의 안테나 설치 개구부(9a)에 있어서의 직경은, 후드 개구부(6)의 직경 d 이상으로 하면, 여러가지 크기로 해도 된다(안테나 설치 개구부(9a)의 직경≥후드 개구부(6)의 직경 d).
1: 전로(노)
3: 슬래그면
5: 배기 후드
6: 후드 개구부
7: 개구 형성부
7a: 플랜지 상부
9: 안테나 설치부
9a: 안테나 설치 개구부
10: 레벨 계측 장치
10b: 레벨 산출부
11: 송신 안테나
12: 수신 안테나

Claims (6)

  1. 노의 내부에 있어서의 슬래그면의 레벨을 계측하는 레벨 계측 장치에 있어서,
    상기 노의 상방에 마련된 배기 후드의, 상기 슬래그면과 대향하는 위치에 개구된 후드 개구부와,
    상기 후드 개구부의 상방에 마련되고, 상기 후드 개구부를 통해 상기 노의 내부를 향하여 마이크로파를 조사하는 송신 안테나와,
    상기 송신 안테나와는 별체로, 상기 후드 개구부의 상방에 마련되고, 상기 후드 개구부를 통해 상기 노의 내부로부터의 반사 마이크로파를 수신하는 수신 안테나와,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 각 선단에 마련되고, 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 안테나 이득을 높이는 렌즈부와,
    상기 반사 마이크로파로부터, 상기 슬래그면의 레벨을 산출하는 레벨 산출부를
    구비하고,
    상기 송신 안테나의 직경이, 상기 수신 안테나의 직경보다 크고,
    상기 송신 안테나의 직경을 φ1로 하고, 상기 후드 개구부의 직경을 d로 한 때, φ1>d/2를 만족시키는, 레벨 계측 장치.
  2. 노의 내부에 있어서의 슬래그면의 레벨을 계측하는 레벨 계측 장치에 있어서,
    상기 노의 상방에 마련된 배기 후드의, 상기 슬래그면과 대향하는 위치에 개구된 후드 개구부와,
    상기 후드 개구부의 주위에 형성되고, 상기 노의 내부로 연통하여, 상방으로 연장하여 설치된 개구 형성부와,
    상기 개구 형성부의 상방에 마련된 안테나 설치부와,
    상기 안테나 설치부에 형성되고, 상기 후드 개구부와 대략 동일 직경의 안테나 설치 개구부와,
    상기 안테나 설치 개구부에 마련되고, 상기 노의 내부를 향하여 마이크로파를 조사하는 송신 안테나와,
    상기 송신 안테나와는 별체로, 상기 안테나 설치 개구부에 마련되고, 상기 노의 내부로부터의 반사 마이크로파를 수신하는 수신 안테나와,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 각 선단에 마련되고, 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 안테나 이득을 높이는 렌즈부와,
    상기 반사 마이크로파로부터, 상기 슬래그면의 레벨을 산출하는 레벨 산출부를
    구비하고,
    상기 송신 안테나의 직경이, 상기 수신 안테나의 직경보다도 크고,
    상기 송신 안테나의 직경을 φ1로 하고, 상기 후드 개구부의 직경을 d로 한 때, φ1>d/2를 만족시키는, 레벨 계측 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 송신 안테나의 선단으로부터 상기 개구 형성부의 높이 위치까지의 거리가, 3 내지 5[m]이고,
    상기 송신 안테나의 직경이, 169 내지 219[mm]인, 레벨 계측 장치.
  4. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 안테나의 직경을 φ1[m]로 하면, 상기 수신 안테나의 직경이, d-φ1[m]이고,
    상기 후드 개구부의 직경 d[m]가, 하기의 식으로 표시되는 조건을 만족시키는, 레벨 계측 장치.
    [수 1]
    Figure pct00015

    단, λ≤Φ1≤d-λ이고,
    R은, 계측 대상으로 되는 상기 슬래그면이 형성된 때의, 상기 수신 안테나로부터 상기 슬래그면까지의 거리[m]를 나타내고, λ는 상기 마이크로파의 파장[m]을 나타내고, Pt는 상기 마이크로파의 송신 출력[mW]을 나타내고, σ는 상기 슬래그면의 레이더 반사 단면적을 나타내고, T는 1[m] 근처의 상기 마이크로파의 투과율을 나타내고, η는 상기 수신 안테나의 개구 효율을 나타내고 있다.
  5. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 안테나의 중심축과 상기 후드 개구부의 중심축이 동일 축 상에 배치되어 있고,
    상기 수신 안테나는, 상기 송신 안테나의 주위에 2개 이상 배치되어 있는, 레벨 계측 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 후드 개구부의 직경 d가, 하기의 식으로 표시되는 조건을 만족시키는, 레벨 계측 장치.
    [수 2]
    Figure pct00016

    [수 3]
    Figure pct00017

    다만, c는, 광속[m/s]을 나타내고, r은, 상기 송신 안테나로부터 상기 개구 형성부의 플랜지 상부의 높이 위치까지의 거리[m]를 나타내고, f는, 마이크로파의 주파수[Hz]를 나타내고 있다.
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