特許 6297258 マイクロ波距離測定装置

(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】6297258

(24)【登録日】2018年3月2日

(45)【発行日】2018年3月20日

(54)【発明の名称】マイクロ波距離測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/02 20060101AFI20180312BHJP

   G01S 7/03 20060101ALI20180312BHJP

   G01B 15/04 20060101ALI20180312BHJP

   C21B 7/24 20060101ALI20180312BHJP

   H01Q 15/08 20060101ALI20180312BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/02 202

   G01S7/03 246

   G01B15/04 C

   C21B7/24 302

   H01Q15/08

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-2393(P2013-2393)

(22)【出願日】2013年1月10日

(65)【公開番号】特開2014-134447(P2014-134447A)

(43)【公開日】2014年7月24日

【審査請求日】2015年10月19日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000203977

【氏名又は名称】日鉄住金テックスエンジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101557

【弁理士】

【氏名又は名称】萩原 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100096389

【弁理士】

【氏名又は名称】金本 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100095957

【弁理士】

【氏名又は名称】亀谷 美明

(72)【発明者】

【氏名】遠山 治幸

(72)【発明者】

【氏名】尾形 知輝

(72)【発明者】

【氏名】秋元 哲哉

【審査官】 三田村 陽平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３２１３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４５２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３０６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１７４５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２２９３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００３１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９６５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４５４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１００３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１０５３００（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／００− ７／４２

Ｇ０１Ｓ １３／００−１３／９５

Ｇ０１Ｂ １５／００−１５／０８

Ｇ０１Ｂ ２１／００−２１／３２

Ｃ２１Ｂ ７／００− ９／１６

Ｈ０１Ｑ １５／００−１９／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

マイクロ波の発信および受信が可能なマイクロ波送受信器と、
マイクロ波を放射するアンテナと、
前記マイクロ波送受信器と前記アンテナとを連結する導波管と、
マイクロ波透過材と、を有し、
前記マイクロ波送受信器から発信されたマイクロ波が前記アンテナから放射され、前記マイクロ波透過材を透過して測定対象物に照射される距離測定装置において、
前記マイクロ波透過材は、マイクロ波の発信方向に対して直角方向から傾斜角度を有して設置され、
マイクロ波が前記マイクロ波透過材を通過する距離が、式（１）で求められる厚さｔに近似するように、前記マイクロ波透過材の板厚および前記傾斜角度を設定することを特徴とする、マイクロ波距離測定装置。
ｔ＝λ／（２√ε）×ｎ （１）
ただし、
λ：マイクロ波の波長（ｍｍ）
ε：マイクロ波透過材の誘電率
ｎ：自然数

【請求項2】

前記マイクロ波透過材は、誘電率が５以下の材料であることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波距離測定装置。

【請求項3】

前記マイクロ波透過材は、石英ガラスであることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のマイクロ波距離測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロ波を用いた距離測定装置に関するものであり、詳しくは、マイクロ波透過材を介して測定対象物にマイクロ波を照射し、反射波を受信して測定対象物までの距離を算出するマイクロ波距離測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１等において、高炉に装入された鉄鉱石及びコークスによって形成される炉頂部の装入物分布を測定するためのプロフィル測定装置等が記載されている。このプロフィル測定装置は、マイクロ波送受信器で発生させたマイクロ波をアンテナから放射し、反射板で反射させて測定対象物である装入物へ照射し、装入物からの反射波をマイクロ波送受信器で受信して、装入物までの距離を算出するものである。このような測定装置においては、反射板等を高炉内の熱や圧力、粉塵等から保護するため、耐圧耐熱性能を有し且つマイクロ波を透過するガラス等のマイクロ波透過材を介して、マイクロ波を高炉内装入物の表面に照射している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−１４５２３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のようにマイクロ波透過材を介してマイクロ波を測定対象物に照射する場合、従来、マイクロ波透過材の面が、マイクロ波の発信方向に対して直角になるように設置されていた。ところが、この場合、マイクロ波透過材により反射される反射波の量が多く、この反射波によるノイズの影響で、測定に支障をきたしていた。

【0005】

本発明の目的は、マイクロ波透過材を介してマイクロ波を測定対象物に照射する際、マイクロ波透過材からの反射波を低減させてノイズを抑制し、正確な距離測定が行えるマイクロ波距離測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記問題を解決するため、本発明は、マイクロ波の発信および受信が可能なマイクロ波送受信器と、マイクロ波を放射するアンテナと、前記マイクロ波送受信器と前記アンテナとを連結する導波管と、マイクロ波透過材と、を有し、前記マイクロ波送受信器から発信されたマイクロ波が前記アンテナから放射され、前記マイクロ波透過材を透過して測定対象物に照射される距離測定装置において、前記マイクロ波透過材は、マイクロ波の発信方向に対して直角方向から傾斜角度を有して設置され、マイクロ波が前記マイクロ波透過材を通過する距離が、式（１）で求められる厚さｔに近似するように、前記マイクロ波透過材の板厚および前記傾斜角度を設定することを特徴とする、マイクロ波距離測定装置を提供する。
ｔ＝λ／（２√ε）×ｎ （１）
ただし、
λ：マイクロ波の波長（ｍｍ）
ε：マイクロ波透過材の誘電率
ｎ：自然数

【0009】

前記マイクロ波透過材は、誘電率が５以下の材料であることが好ましく、石英ガラスでもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、マイクロ波透過材からのマイクロ波の反射の影響を低減させて、ノイズの少ない高精度な距離測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施の形態の例を示す構成図である。

【図2】実施例のパターンを示す概略配置図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

【0013】

図１は、本発明の実施の形態の一例を示す。マイクロ波距離測定装置１は、マイクロ波送受信器２、導波管３、アンテナ４、およびマイクロ波透過材５を有する。マイクロ波送受信器２は、周波数が一定範囲で連続的に時間変化するマイクロ波を発生し、当該マイクロ波の発信および受信が可能なものである。アンテナ４は、例えばφ２５０〜φ３６０ｍｍ程度のパラボラアンテナであり、導波管３を介して、マイクロ波送受信器２に連結されている。マイクロ波送受信器２には、データ処理部６が信号線７で接続されている。

【0014】

マイクロ波送受信器２で発生した、周波数が連続的に変化するマイクロ波は、アンテナ４から放射され、マイクロ波透過材５を透過して、測定対象物９の表面に照射される。照射されたマイクロ波は測定対象物９の表面で反射し、その反射波をマイクロ波送受信器２で受信して検出する。データ処理部６では、アンテナ４でのマイクロ波の放射から受信までの間の周波数の変化分から、アンテナ４から測定対象物９の表面までのマイクロ波の往復時間が求められ、アンテナ４から測定対象物９までの距離が算出される。このようなマイクロ波距離測定装置１は、例えば高炉の炉頂部に設けられ、炉内に堆積した装入物のプロフィルを測定する際に用いられる。

【0015】

マイクロ波透過材５は、アンテナ４の送受信面よりも大きい面積を有し、マイクロ波を透過させる材質とする。また、マイクロ波距離測定装置１を高炉の炉頂部で使用する場合には、装置本体部分を炉内の圧力や高熱、粉塵等から保護するために、炉内に向けた開口部等にマイクロ波透過材５を設け、マイクロ波透過材５を介してマイクロ波を照射する。そのため、マイクロ波透過材５は、耐圧および耐熱性能が必要とされ、例えば耐圧設計０．３ＭＰａ程度、耐熱温度２００℃程度の性能を満たす強化ガラスや、耐熱温度１０００℃程度の石英ガラス等が用いられる。

【0016】

そして、本実施形態では、マイクロ波透過材５からアンテナ４へ向けた反射Ｒを低減させるために、マイクロ波透過材５を、マイクロ波１１の進行方向に対して垂直の方向から傾斜角度θだけ傾けて配置する。傾斜角度θは５°〜４５°の範囲とし、１０°〜３０°の範囲が更に好ましい。傾斜角度θが５°未満の場合には、反射Ｒを低減させる効果が低い。傾斜角度が４５°を超えると、マイクロ波透過材５のサイズが大きくなり、装置全体が大型になるため、好ましくない。

【0017】

また、マイクロ波透過材５のマイクロ波透過性能を考慮して傾斜角度θを設定することにより、測定精度をさらに向上させることができる。以下に、マイクロ波透過材５の傾斜角度θの設定方法について詳細に説明する。

【0018】

誘電率εのマイクロ波透過材５にマイクロ波を透過させる際の、マイクロ波透過材５の適正な厚さｔ（ｍｍ）は、マイクロ波透過材５中の波長の自然数倍とすることが好ましく、式（１）で求められる。
ｔ＝λ／（２√ε）×ｎ （１）
ただし、
λ：マイクロ波の波長（ｍｍ）
ｎ：自然数
厚さｔとマイクロ波透過材の板厚ｔ０とは、式（２）の関係にある。
ｔ＝ｔ０／ｃｏｓθ （２）

【0019】

式（１）を用いて、例えばマイクロ波送受信器２の周波数が２４ＧＨｚ（波長λ＝１２．５ｍｍ）であり、マイクロ波透過材５として誘電率ε＝３．８の石英ガラスを用いる場合に、マイクロ波透過のために適正な厚さｔ（ｍｍ）を求めると、表１のようになる。

【0020】

【表1】

【0021】

また、マイクロ波透過材５の大きさおよび板厚ｔ０は、マイクロ波距離測定装置１の用途や使用環境等に応じて設定される。例えば高炉内装入物のプロフィルを測定する場合、炉内圧力０．３ＭＰａに対して、２６０φの円板状の石英ガラスを用いるとき、安全率を１０とした耐圧強度を有する板厚ｔ０は２５ｍｍ程度となる。板厚ｔ０＝２５ｍｍの石英ガラスを用いる場合、傾斜角度θ＝１３°傾けると、マイクロ波が石英ガラス内を通過する距離、すなわち石英ガラスのマイクロ波発信方向の厚さが、表１のｎ＝８のときの厚さｔ＝２５．６４９に近くなる。しかも、マイクロ波透過材５（石英ガラス）を、マイクロ波１１の発信方向に対して直角方向から１３°傾けることで、マイクロ波送受信器２が受信するマイクロ波透過材５からの反射波のうち、アンテナ４に届く反射Ｒが低減する。すなわち、板厚２５ｍｍの石英ガラスを１３°傾けて配置することで、マイクロ波透過性能の向上とノイズ低下との両立が図れ、測定精度が向上する。

【0022】

このように、本実施形態によれば、式（１）によってマイクロ波透過のために適正な厚さｔを計算し、一方、マイクロ波距離測定装置１の使用環境等に応じてマイクロ波透過材５のサイズを決定して、マイクロ波がマイクロ波透過材５内を通過する距離が、マイクロ波透過材５の板厚ｔ０よりも少し大きい適正厚さｔになるような傾斜角度θを算出する。その傾斜角度θが５°〜４５°、好ましくは１０°〜３０°の範囲となるようにすれば、透過性能の向上とノイズ低下の両立が図れる。尚、マイクロ波がマイクロ波透過材５内を通過する距離は、式（１）で求められる適正な厚さｔに近似していればよく、厚さｔに対して１０％以内の増減量であることが好ましい。

【0023】

マイクロ波透過材５としては、石英ガラスが好適であるが、その他、耐圧耐熱性能を有する各種強化ガラスでもよい。また、誘電率５．０以下の強化ガラス以外の材質についても使用可能である。

【0024】

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0025】

例えば、上記の実施形態では、マイクロ波距離測定装置１が高炉の炉頂部に設けられ、炉内に堆積した装入物のプロフィルを測定するものとしたが、本発明はこれに限らない。圧力や熱、粉塵等が発生する環境で測定する際、マイクロ波透過材を介してマイクロ波を照射する場合に適用できる。殊に、測定対象物が、マイクロ波の反射が弱い物質であれば、マイクロ波透過材の反射によるノイズが測定精度に顕著に影響するため、本発明が好適である。

【0026】

また、マイクロ波送受信器の周波数やアンテナおよびマイクロ波透過材の大きさ等は、上記の実施形態の例に限るものではない。

【実施例】

【0027】

（実施例１）
周波数２４ＧＨｚのマイクロ波送受信器２を用いた本発明のマイクロ波距離測定装置１において、マイクロ波透過材５として板厚ｔ０＝１５ｍｍ、２５ｍｍの２種類の石英ガラスを用いて、マイクロ波の透過性を検証した。測定対象物９は焼結鉱とし、マイクロ波透過材５（石英ガラス）から測定対象物９までの距離を、図２に示すように、３ｍ、５ｍ、７．５ｍ、１０ｍと４通りに変化させてスペクトル波形を計測した。また、石英ガラスの傾斜角度θを、マイクロ波１１の発信方向に対して直角方向から０°、１５°、３０°の３通りに変化させた。これらの試験から得られたＳ／Ｎ比を表２に示す。

【0028】

【表2】

【0029】

表２に示すように、石英ガラスを傾けない（傾斜角度０°）よりも、傾けた方が、概ねＳ／Ｎ比が向上した。また、板厚１５ｍｍのガラスよりも２５ｍｍのガラスの方がＳ／Ｎ比が高いことが多く、傾斜角度１５°において、傾けない場合よりも顕著にＳ／Ｎ比が高くなることが多かった。ただし、本実施例は、式（１）で求められる適正厚さｔを満たすように傾斜角度θを設定したものではなく、大まかな傾向を知るための試験であるため、表２中下線を付したものについては、傾斜角度０°の場合に比べてＳ／Ｎ比が低下している。本発明の実施に当たっては、前述の通り、適正な透過性能が得られる厚さｔになる傾斜角度θとすることで、一層の精度向上が図れる。

【0030】

（実施例２）
実施例１により、石英ガラスを１５°傾斜させた場合に、傾斜させない場合に比べて、概ね良好なＳ／Ｎ比が得られた。ところが、表１に示した通り、計算上、マイクロ波が物質を透過する際の適正な厚さｔは、２５ｍｍ付近では２５．６ｍｍであり、板厚ｔ０＝２５ｍｍのガラスを傾けてマイクロ波通過距離を２５．６ｍｍにするには、傾斜角度θは１３°となる。したがって、石英ガラスをマイクロ波発信方向に対して直角方向から１３°傾けて、マイクロ波距離測定装置１での測定を実施した。また、比較対象として、傾斜角度θ＝１５°のデータを採取した。この試験により得られたＳ／Ｎ比を表３に示す。

【0031】

【表3】

【0032】

表３に示すように、傾斜角度θを１３°にすると、１５°の場合よりも大幅にＳ／Ｎ比が向上した。したがって、式（１）で求めた適正厚さｔを実現する傾斜角度θに傾斜させることにより、Ｓ／Ｎ比が向上し、マイクロ波を用いた距離測定精度の向上が期待される。

【産業上の利用可能性】

【0033】

本発明は、高圧力が作用し、高温で粉塵等が発生する場所で、マイクロ波を用いて距離を測定するマイクロ波距離測定装置に適用できる。

【符号の説明】

【0034】

１ マイクロ波距離測定装置
２ マイクロ波送受信器
３ 導波管
４ アンテナ
５ マイクロ波透過材
６ データ処理部
７ 信号線
９ 測定対象物

【図1】

【図2】