特許 5738411 溶融金属レベル測定装置及び溶融金属レベル測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5738411

(24)【登録日】2015年5月1日

(45)【発行日】2015年6月24日

(54)【発明の名称】溶融金属レベル測定装置及び溶融金属レベル測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/284 20060101AFI20150604BHJP

   B22D 11/16 20060101ALI20150604BHJP

【ＦＩ】

   G01F23/284

   B22D11/16 104H

【請求項の数】8

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-521304(P2013-521304)

(86)(22)【出願日】2011年6月24日

(86)【国際出願番号】JP2011003622

(87)【国際公開番号】WO2012176243

(87)【国際公開日】20121227

【審査請求日】2014年3月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000135254

【氏名又は名称】株式会社ニレコ

(74)【代理人】

【識別番号】100105393

【弁理士】

【氏名又は名称】伏見 直哉

(72)【発明者】

【氏名】松本 幸一

(72)【発明者】

【氏名】加藤 裕雅

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００７−５１７２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３４８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２０７３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−１７８５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−５０７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１−１４５５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−６８５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１５０８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−２２９２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ２３／２２−２３／２９６

Ｂ２２Ｄ１１／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モールド内の溶融金属のレベルを測定する溶融金属レベル測定装置であって、
無指向性の送信アンテナと、
無指向性の受信アンテナと、
信号処理部と、を備え、
該送信アンテナによって該モールド内に放出した、電磁波を使用して該モールド内の溶融金属レベルを測定する溶融金属レベル測定装置。

【請求項2】

前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、溶融金属面より高い位置に、溶融金属面と平行な方向に互いに対向して配置された請求項１に記載の溶融金属レベル測定装置。

【請求項3】

２種類の周波数の極超短波帯域の電磁波を使用するように構成された請求項１または２に記載の溶融金属レベル測定装置。

【請求項4】

前記送信アンテナによって送信される電磁波及び前記受信アンテナによって受信される電磁波の位相差を検出することによって、前記モールド内の溶融金属レベルを測定するように構成された請求項１から３のいずれかに記載の溶融金属レベル測定装置。

【請求項5】

前記送信アンテナから放出される信号を周波数ｆ_Ｍ１の疑似ランダム信号で拡散し、前記受信アンテナが受信した信号を周波数ｆ_Ｍ２（ｆ_Ｍ２＜ｆ_Ｍ１）の同一パターンの疑似ランダム信号で逆拡散し、疑似ランダム信号の１周期の波数をＮとして、
Ｔ_Ｂ ＝Ｎ／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）
によって定まる測定サイクルＴ_Ｂごとに溶融金属レベル測定を行うように構成された請求項１から４のいずれかに記載の溶融金属レベル測定装置。

【請求項6】

測定サイクルＴ_Ｂごとに、２種類の周波数の極超短波帯域の電磁波を切り替えて使用するように構成された請求項５に記載の溶融金属レベル測定装置。

【請求項7】

モールド内の溶融金属のレベルを測定する溶融金属レベル測定方法であって、
無指向性の送信アンテナによって電磁波を放出するステップと、
無指向性の受信アンテナによって、溶融金属面に反射された電磁波を受信するステップと、
前記送信アンテナによって放出された電磁波の信号及び前記受信アンテナによって受信された電磁波の信号を、信号処理部によって処理して溶融金属面のレベルを求めるステップと、を含む溶融金属レベル測定方法。

【請求項8】

前記電磁波が極超短波域の電磁波である請求項７に記載の溶融金属レベル測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁波を使用した溶融金属レベル測定装置及び溶融金属レベル測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

連続鋳造方法は、溶融金属を連続的にモールドに注入し、冷却・凝固させて所定の形状の鋳片を製造する方法である。

【0003】

モールド内の溶融金属の面のレベルを測定する溶融金属レベル測定装置として、電磁波を使用する装置が提案されている（特許文献１乃至３）。このような電磁波を使用する従来の装置は、溶融金属の面以外の物体に反射される電磁波の影響を軽減するため、指向性の高い電磁波を使用し（特許文献１の第２頁右上欄第１６行目から同頁左下欄第３行目及び特許文献３の段落［００３７］）、また、モールド壁部などに反射防止用の電波吸収体を設けていた（特許文献２第２頁右下欄第２行目から第９行目）。さらに、電磁波を使用する従来の方法は、指向性の高い電磁波用のアンテナを小型化するために、１０ＧＨｚ以上の高い周波数の電磁波を使用していた（特許文献１の第３頁右上欄第６行目から第１１行目及び特許文献３の段落［００１９］）。

【0004】

しかし、高い周波数の電磁波は、ケーブルによる信号ロスが大きく取り扱いが困難であり、装置の構造が煩雑で高価となる。また、指向性の高い電磁波を使用すると、溶融金属面の局所的なレベル変動が溶融金属レベル測定に過大な影響を与えることとなり、溶融金属面の局所的なレベル変動に対してロバスト性の高い溶融金属レベル測定装置が得られない。このように、従来の溶融金属レベル測定装置は、構造が煩雑で高価であり、溶融金属面の局所的なレベル変動に対するロバスト性が低い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭５８−２２９２２号公報

【特許文献2】特開昭６１−６８５２０号公報

【特許文献3】特開２００５−３４８８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、構造が簡単であり、溶融金属面の局所的なレベル変動に対するロバスト性が高い溶融金属レベル測定装置に対するニーズがある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様の溶融金属レベル測定装置は、モールド内の溶融金属のレベルを測定する溶融金属レベル測定装置であって、無指向性の送信アンテナと、無指向性の受信アンテナと、信号処理部と、を備え、該送信アンテナによって該モールド内に放出した、極超短波帯域の電磁波を使用して該モールド内の溶融金属レベルを測定する溶融金属レベル測定装置である。

【0008】

本態様の溶融金属レベル測定装置は、極超短波帯（周波数３００ＭＨｚ−３ＧＨｚ）の電磁波を使用するので、より高い周波数の電磁波を使用する装置と比較して構造が簡単である。また、本発明の溶融金属レベル測定装置は、無指向性のアンテナを使用するので、溶融金属面の局所的なレベル変動に対するロバスト性が高い。本態様の溶融金属レベル測定装置においては、モールドの壁面及び溶融金属の面によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間に電磁波を送り、溶融金属面における反射波を利用することによって溶融金属面のレベルが測定される。

【0009】

本発明の第１の実施形態による溶融金属レベル測定装置において、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、溶融金属面より高い位置に、溶融金属面と平行な方向に互いに対向して配置されている。

【0010】

本実施形態によれば、溶融金属面より高い位置に、溶融金属面と平行な方向に互いに対向して配置された送信アンテナ及び受信アンテナによって、モールドの壁面及び溶融金属の面によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間に電磁波を送り、溶融金属面における反射波を受け取ることができる。

【0011】

本発明の第２の実施形態による溶融金属レベル測定装置は、２種類の周波数の極超短波帯域の電磁波を使用するように構成されている。

【0012】

本実施形態によれば、２種類のうち一方の周波数の搬送波によって、受信アンテナ付近に定在波の節の部分が形成され、電磁波の信号が小さくなる場合であっても、他方の周波数の搬送波を使用して測定を行うことができる。

【0013】

本発明の第３の実施形態による溶融金属レベル測定装置は、前記送信アンテナによって送信される電磁波及び前記受信アンテナによって受信される電磁波の位相差を検出することによって、前記モールド内の溶融金属レベルを測定するように構成されている。

【0014】

本実施形態によれば、送信される電磁波及び受信される電磁波の位相差を利用することにより高い精度で溶融金属面のレベルを測定することができる。なお、本発明においては、従来の装置において使用される電磁波よりも周波数の低い極超短波帯域の電磁波が使用される。このため、電磁波の位相差から一意的に求めることのできる距離の範囲は大きくなり好都合である。

【0015】

本発明の第４の実施形態による溶融金属レベル測定装置は、前記送信アンテナから放出される信号を周波数ｆ_１の疑似ランダム信号で拡散し、前記受信アンテナが受信した信号を周波数ｆ_２（ｆ_２＜ｆ_１）の同一パターンの疑似ランダム信号で逆拡散し、疑似ランダム信号の１周期の波数をＮとして、
Ｔ_Ｂ ＝Ｎ／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）
によって定まる測定サイクルＴ_Ｂごとに溶融金属レベル測定を行うように構成されている。

【0016】

本実施形態による溶融金属レベル測定装置によれば、電磁波の伝播時間は、ｆ_Ｍ１／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）倍だけ時間的に拡大され、測定が容易になる。また、疑似ランダム信号の拡散及び逆拡散を利用しているのでノイズの影響を大幅に低減することができる。

【0017】

本発明の第５の実施形態による溶融金属レベル測定装置は、第４の実施形態による溶融金属レベル測定装置であって、測定サイクルＴ_Ｂごとに、２種類の周波数の極超短波帯域の電磁波を切り替えて使用するように構成されている。

【0018】

本実施形態による溶融金属レベル測定装置は、測定サイクルＴ_Ｂごとに、２種類の周波数の極超短波帯域の電磁波を切り替えて使用するように構成されているので、定在波の節の位置にかかわらず安定した測定を行うことができる。

【0019】

本発明の第２の態様の溶融金属レベル測定方法は、モールド内の溶融金属のレベルを測定する溶融金属レベル測定方法であって、無指向性の送信アンテナによって極超短波帯域の電磁波を放出するステップと、無指向性の受信アンテナによって、溶融金属面に反射された電磁波を受信するステップと、前記送信アンテナによって放出された電磁波の信号及び前記受信アンテナによって受信された電磁波の信号を、信号処理部によって処理して溶融金属面のレベルを求めるステップと、を含む溶融金属レベル測定方法である。

【0020】

本態様の溶融金属レベル測定方法は、極超短波帯（周波数３００ＭＨｚ−３ＧＨｚ）の電磁波を使用するので、より高い周波数の電磁波を使用する方法と比較して使用する装置の構造が簡単である。また、本発明の溶融金属レベル測定方法は、無指向性のアンテナを使用するので、溶融金属面の局所的なレベル変動に対するロバスト性が高い。本態様の溶融金属レベル測定方法においては、モールドの壁面及び溶融金属の面によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間に電磁波を送り、溶融金属面における反射波を利用することによって溶融金属面のレベルが測定される。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の一実施形態による溶融金属レベル測定装置の構成を示す図である。

【図2】送信アンテナ、受信アンテナ、及びモールドの壁面及び溶融金属の面によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間の関係を示す図である。

【図3】定在波を説明するための図である。

【図4】ディスコーンアンテナの構成を示す図である。

【図5】信号処理部の構成を示す図である。

【図6】信号処理部の構成を示す図である。

【図7】搬送波の切り替えを説明するためのタイムチャートである。

【図8】本発明の一実施形態による溶融金属レベル測定装置の、実験による測定結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１は、本発明の一実施形態による溶融金属レベル測定装置の構成を示す図である。

【0023】

タンディッシュ３０１内に蓄えられた溶融金属は、モールド３０３内に注入され、モールド３０３内で凝固してモールド３０３から送り出される。一定時間において、注入される溶融金属の量が送り出される金属の量よりも多い場合には、モールド内３０３内の溶融金属の面４０１のレベルが上昇し、一定時間において、送り出される金属の量が注入される溶融金属の量がよりも多い場合には、モールド内３０３内の溶融金属の面４０１のレベルが下降する。本実施形態による溶融金属レベル測定装置は、このような状況において、モールド内の溶融金属の面４０１のレベルを測定する。

【0024】

本実施形態による溶融金属レベル測定装置は、送信アンテナ１０１、受信アンテナ１０３及び信号処理部２００を備える。本実施形態において、送信アンテナ１０１及び受信アンテナ１０３は、モールド３０３の上面に、水平方向に互いに対向して設置されている。信号処理部２００は、送信信号を生成し、送信アンテナ１０１に送る。送信アンテナ１０１は、電磁波の送信信号を放出する。受信アンテナ１０３は、モールド内３０３に放出され、溶融金属の面４０１によって反射された電磁波を受信信号として受け取り、信号処理部２００に送る。信号処理部２００は、上記の送信信号及び受信信号を処理することによって、モールド３０３の上面からモールド３０３内の溶融金属の面４０１までの距離データ、すなわちモールド内の溶融金属の面４０１のレベルを求める。信号処理部２００の詳細については後で説明する。

【0025】

ここで、発明者は、モールド３０３の壁面及び溶融金属の面４０１によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間に電磁波を送り、溶融金属の面４０１における反射波を測定することによって、溶融金属の面４０１の位置を求めることができるという新たな知見を得た。

【0026】

従来の電磁波を使用する測定方法は、溶融金属の面に向けて指向性の高い電磁波を送り、当該面からの反射波を測定することにより当該面の位置を求めるものであった。当業者は、ＳＮ比（信号対ノイズ比）を上げるためには、指向性の高い電磁波を使用する方が有利であると考えていた。このため、当業者は、モールド３０３の壁面及び溶融金属の面４０１によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間に電磁波を送り、溶融金属の面４０１における反射波を利用することに想到することはなかった。仮に想到することがあったとしても、十分なＳＮ比が得られないであろうという先入観が存在していたため、十分に検討されることがなく、モールド３０３の壁面及び溶融金属の面４０１によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間に電磁波を送り、溶融金属の面４０１における反射波を測定することによって溶融金属の面の位置を求めることができるという上記の知見が得られることはなかった。

【0027】

発明者によるこの新たな知見に基づく測定原理は、溶融金属面に向けて放出され、反射された指向性の高い電磁波を測定する、従来の考え方による方法と以下の点が異なる。

【0028】

第１に、モールドの壁面及び溶融金属の面によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間に電磁波を送り、溶融金属の面における反射波を利用するので、特定の対象物に向けた指向性の高い電磁波を使用する必要がない。すなわち、無指向性の電磁波を使用することができる。この点については、実験結果に基づいて後で説明する。

【0029】

第２に、無指向性の電磁波を使用するため、アンテナを小型化するために電磁波の周波数を高くする必要がない。したがって、極超短波帯（周波数３００ＭＨｚ−３ＧＨｚ）の電磁波を使用することができる。

【0030】

図２は、送信アンテナ１０１、受信アンテナ１０３、及びモールド３０３の壁面及び溶融金属の面４０１によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間の関係を示す図である。図２は、送信アンテナ１０１によって放出される電磁波の範囲１０１Ａ及び受信アンテナ１０３によって受信される電磁波の範囲１０３Ａを概念的に示している。

【0031】

図３は、定在波を説明するための図である。図３において、進行波を点線、反射波を一点鎖線、定在波を実線で示す。Ｔは進行波及び反射波の周期である。ｔは、時間の経過を表す。進行波は反射端Ｒで反射されて反射波が生じる。進行波及び反射波が合成されて定在波が形成される。時間が経過しても、定在波の腹の位置（Ａ）及び節の位置（Ｎ）は変化しない。定在波の腹の位置（Ａ）及び節の位置（Ｎ）は、周期Ｔ（送信される電磁波の周波数）及び反射端の位置によって定まる。本実施形態において、溶融金属の面４０１が反射端Ｒに相当する。

【0032】

モールド３０３の壁面及び溶融金属の面４０１によって形成される、モールドの上面以外が閉じた空間に電磁波を送ると、溶融金属の面４０１を反射端として定在波が形成される。定在波の腹の位置及び節の位置は、送信される電磁波の周波数及び反射端、すなわち溶融金属の面４０１の位置によって変化する。電磁波を受け取る受信アンテナ１０３の位置が、定在波の節の位置の周辺であると、電磁波の信号レベルが小さくなる。この対策については、後で説明する。

【0033】

送信アンテナ１０１及び受信アンテナ１０３には、無指向性のアンテナとしてディスコーンアンテナを使用してもよい。

【0034】

図４は、ディスコーンアンテナの構成を示す図である。ディスコーンアンテナは、ディスク（直径Ｄ）、円錐（高さＡ、底面の直径Ｂ）及び同軸ケーブルから形成される。

【0035】

つぎに、信号処理部２００の詳細について説明する。

【0036】

図５及び図６は、信号処理部２００の構成を示す図である。

【0037】

信号処理部２００は、２種類の周波数の搬送波を発生させる２個の搬送波発生器２０１及び２０３、周波数がわずかに異なる２種類のクロック信号を発生させる２個のクロック発生器２１７及び２１９、周波数がわずかに異なる２種類のクロック信号を使用して同一パターンの疑似ランダム信号を発生させる２個の疑似ランダム信号発生器（ＰＮ符号発生器）２２１及び２２３、搬送波の直交位相成分を取り出す２個の直交位相分配器２０９及び２１１、並びに直交位相成分から位相を求める２個の位相検出部２５７及び２５９を含む。

【0038】

２個の搬送波発生器２０１及び２０３によって発生させられた２種類の周波数の搬送波は、高周波スイッチ２０５によって交互に切り替えて使用される。一例として、２種類の周波数は、１ＧＨｚ及び１．７ＧＨｚである。２種類の周波数の搬送波の切り替えについては後で説明する。使用される搬送波は、分配器２０７によって分配され、一方は送信信号に使用され、他方は受信信号の処理に使用される。

【0039】

分配器２０７によって供給される搬送波は、ＰＮ符号発生器２２１によって生成された第１の周波数の疑似ランダム信号と掛け算器２１３によって掛け合わされて送信信号が生成される。送信信号は、送信アンプ２１５によって増幅された後、送信アンテナ１０１から電磁波として放出される。

【0040】

受信アンテナ１０３によって受信された電磁波は、受信アンプ２２７によって増幅された後、ＰＮ符号発生器２２３によって生成された第２の周波数の疑似ランダム信号と掛け算器２２９によって掛け合わされて測定用信号が生成される。

【0041】

測定用信号は、４分配器２３１によって４個の信号に分けられ、直交位相分配器２１１及び２０９によって供給される２種類の周波数の搬送波の直交成分と、それぞれ掛け算器２３３、２３５、２３７及び２３９によって掛け合わされる。直交成分と掛け合わされた４個の測定用信号は、それぞれローパスフィルタ２４３、２４５、２４７及び２４９を経て、角度演算器２５１及び２５３によって位相角度が求められる。角度演算器２５１及び２５３によって求められた位相角度は、それぞれ位相検出部２５７及び２５９へ送られる。

【0042】

２個の直交位相分配器２１１及び２０９は、交互に使用される２種類の周波数の搬送波のそれぞれに使用される。使用されていない周波数の搬送波について、直交位相検波は行われない。

【0043】

他方、ＰＮ符号発生器２２１によって生成された第１の周波数の疑似ランダム信号及びＰＮ符号発生器２２３によって生成された第２の周波数の疑似ランダム信号は、掛け算器２２５によって掛け合わされ、ローパスフィルタ２４１を経て、トリガ信号生成部２５５へ送られトリガ信号が生成される。トリガ信号を、基準信号とも呼称する。

【0044】

ここで、基準信号について説明する。以下の説明において、疑似ランダム信号はＭ系列信号であり、第１及び第２のＭ系列信号の周波数を、それぞれｆ_Ｍ１及びｆ_Ｍ２で表す。一例として、
ｆ_Ｍ１＝１００．０５ＭＨｚ
ｆ_Ｍ２＝１００．００ＭＨｚ
である。

【0045】

上記の基準信号が最大値となる周期をＴ_Ｂとすると、Ｔ_Ｂ間に含まれる第１のＭ系列信号と第２のＭ系列信号の波数の差がちょうどＭ系列の１周期の波数Ｎになる。
Ｔ_Ｂ・ｆ_Ｍ１＝Ｔ_Ｂ・ｆ_Ｍ２＋Ｎ
この式を整理して以下の式が得られる。
Ｔ_Ｂ ＝Ｎ／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２） （１）
２つのＭ系列信号の周波数の差が小さいほど、基準信号が最大値となる周期Ｔ_Ｂは大きくなる。ここで、Ｍ系列の１周期の波数Ｎは、ｎがシフトレジスタの段数であるとして、一般的に以下の式によって表せる。
Ｎ＝２^ｎ−１ （２）
ｎ＝７であれば、Ｎ＝１２７である。また、（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）は以下のとおりである。

【0046】

ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２＝１００．０５ＭＨｚ−１００．０ＭＨｚ＝５０ｋＨｚ
ここで、基準信号が最大値となる時刻から、つぎに最大値となる時刻までの期間を測定サイクルと呼称する。式（１）に上記の数値を代入すると、本実施形態における測定サイクルは、
Ｔ_Ｂ ＝１２７／５０ｋＨｚ＝２．５４ｍｓｅｃ
である。

【0047】

つぎに、送信アンテナ１０１Ａから放出された、第１のＭ系列信号によって拡散された搬送波が受信されるまでの時間をτとし、受信された信号を第２のＭ系列信号によって逆拡散して得られた測定用信号において、有効な測定信号が発生する時刻について、基準信号の発生時刻からの時間差をＴ_Ｄとする。Ｔ_Ｄ間に発生する第２のＭ系列信号の波数は、Ｔ_Ｄ間に発生する第１のＭ系列信号の波数より、時間τに発生する第１のＭ系列信号の波数だけ少ないので、次式が成立する。
Ｔ_Ｄ・ｆ_Ｍ２＝Ｔ_Ｄ・ｆ_Ｍ１−τ・ｆ_Ｍ１
上式を整理するとＴ_Ｄは次の以下の式で与えられる。
Ｔ_Ｄ＝τ・ｆ_Ｍ１／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２） （３）
すなわち、伝播時間τは、ｆ_Ｍ１／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）倍だけ時間的に拡大され、あるいは低速化されたＴ_Ｄ として測定される。

【0048】

一般的に、電磁波の伝搬距離ｌとラジアンを単位とする位相差θとの関係は、波長をλとして以下の式で表せる。

【数1】

【0049】

本実施形態において、モールドの上面から溶融金属の面までの距離（溶融金属の面のレベル）をｘとし、固定長を２αとすると
ｌ＝２ｘ＋２α
である。上記の式を式（４）に代入して以下の式が得られる。

【数2】

【0050】

したがって、送信アンテナ１０１によって放射され、溶融金属の面によって反射された後、受信アンテナ１０３によって受信された電磁波の位相差θを求めれば、式（５）から溶融金属の面のレベルｘを求めることができる。

【0051】

なお、電磁波の位相差から距離を求める場合には、距離が電磁波の波長の１／２未満でないと一意的に距離が定まらない。すなわち、互いに波長の整数倍の差を有する複数の位相差に対応する複数の距離が存在する。本実施形態において、上述のように、測定サイクルＴ_Ｂは、２．５４ミリ秒である。そこで、測定サイクルにおける溶融金属の面のレベル変化量が、搬送周波数１．７ＧＨｚの電磁波の波長の１／２、すなわち、約８８ｍｍ未満である必要がある。ここで、２．５４ミリ秒に８８ｍｍ変化する溶融金属の面のレベル変化速度は、毎秒３４６４５ｍｍに相当し、現実的な速度をはるかに上回る。したがって、実際の溶融金属の面のレベル変化に対しては、電磁波の位相から距離を一意的に定めることができる。このように、本実施形態においては、位相差を利用することにより高い精度で溶融金属面のレベルを求めることができる。

【0052】

信号処理部２００においては、２種類の周波数の搬送波の位相差を求めることにより、溶融金属面のレベルが求められる。

【0053】

図７は、搬送波の切り替えを説明するためのタイムチャートである。本実施形態において、トリガ信号（基準信号）によって、測定サイクルごとに２種類の周波数の搬送波を切り替える。図７において、測定サイクル１においては、周波数１ＧＨｚの搬送波Ａが選択され、測定サイクル２においては、周波数１．７ＧＨｚの搬送波Ｂが選択され、測定サイクル３においては、再び周波数１ＧＨｚの搬送波Ａが選択され、以下このような選択が繰り返される。測定サイクルごとに、位相検出部２５７または２５９によって位相が求められ、最終的に、位相検出部２６１によって、選択された搬送波によって求められた位相から距離データが求められる。

【0054】

このように２種類の周波数の搬送波を使用するのは、図３に示すように、モールド３０３の壁面及び溶融金属の面に囲まれた、モールドの上面以外が閉じた空間に形成される定在波の腹及び節の位置が溶融金属の面のレベルによって変化し、受信アンテナ１０３によって受信される電磁波が定在波の節の周辺であると、受信される電磁波の信号が小さくなるためである。２種類の周波数の搬送波を交互に使用すれば、一方の周波数の電磁波の受信される部分が定在波の節の周辺であっても、定在波の節以外の部分に相当する他方の周波数の電磁波を受信することにより十分に大きな信号が得られる。

【0055】

２種類の周波数は以下のように選定する。２種類の周波数は、互いに素であるように選定する。共通の約数がなければ、定在波の節の部分が一致することはない。また、第１の周波数の節の部分に第２の周波数の腹に近い部分が来るのが好ましい。ただし、第１の周波数の節の部分と第２の周波数の腹の部分が一致すると約数が存在することとなる。さらに、仮に２種類の周波数に約数が存在しても、モールド内の測定範囲で節の部分が一致しなければよい。

【0056】

つぎに、本発明の一実施形態による溶融金属レベル測定装置による測定実験について説明する。実験は、一片の長さが１４０ｍｍの正方形の開口部断面を有し、深さが６００ｍｍである仮想モールドを使用して行った。溶融金属の面として、金属板を使用した。溶融金属レベル測定装置の、２種類の搬送波周波数、第１及び第２のＭ系列信号の周波数ｆ_Ｍ１及びｆ_Ｍ２、Ｍ系列の１周期の波数Ｎは、上述のとおりである。送信アンテナ及び受信アンテナは、図１に示すように、モールドの上面に、水平方向に互いに対向して設置した。

【0057】

図８は、本発明の一実施形態による溶融金属レベル測定装置の、実験による測定結果を示す図である。図８の横軸は、モールド上面からの鉛直方向の距離を表す。図８の縦軸は、理論値、測定値及び偏差を表す。理論値とは、実際の溶融金属面（金属板）の位置に対応する値である。図８の縦軸の左側の目盛りは、理論値及び測定値を表す。図８の縦軸の右側の目盛りは、測定値の理論値からの偏差を表す。溶融金属面（金属板）の位置が、モールドの上面から５０ｍｍから５５０ｍｍまでの範囲で変化した場合に、測定値の偏差は、−２０ｍｍから＋１０ｍｍの範囲に収まる。

【0058】

本発明の実施形態による溶融金属レベル測定装置は、極超短波帯（周波数３００ＭＨｚ−３ＧＨｚ）の電磁波を使用するので、より高い周波数の電磁波を使用する装置と比較して構造が簡単である。また、本発明の実施形態による溶融金属レベル測定装置は、無指向性のアンテナを使用するので、溶融金属面の局所的なレベル変動に対するロバスト性が高い。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】