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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023104890
(43)【公開日】2023-07-28
(54)【発明の名称】液位測定装置
(51)【国際特許分類】
G01F 23/292 20060101AFI20230721BHJP
G01F 23/284 20060101ALI20230721BHJP
【ＦＩ】
G01F23/292 B
G01F23/284
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022211150
(22)【出願日】2022-12-28
(31)【優先権主張番号】P 2022005276
(32)【優先日】2022-01-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000183303
【氏名又は名称】住友金属鉱山株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100136825
【弁理士】
【氏名又は名称】辻川 典範
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(72)【発明者】
【氏名】佐伯 幸基
(72)【発明者】
【氏名】石川 進太郎
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 拓二
(72)【発明者】
【氏名】矢部 貴之
【テーマコード（参考）】
2F014
【Ｆターム（参考）】
2F014AB01
2F014AC06
2F014FA01
2F014FC01
(57)【要約】
【課題】 高温の熔融金属を取り扱う容器内の液位を安定して測定することが可能な液位測定装置を提供する。
【解決手段】 タンディッシュに代表される上部が開放された容器Ｖ内に貯められている熔融金属Ｍの液面に向けて光波やマイクロ波などの液位検出用の電磁波を発信すると共に、該電磁波が溶融金属Ｍの液面で反射した後の反射電磁波を受信することで熔融金属Ｍの液位を測定する液位測定手段と、該反射前後の電磁波の進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面を備え、好ましくは該反射面にガスを吹き付けるガス吹付手段を備えた板状体からなる反射手段とを有する。
【選択図】 図１
【解決手段】 タンディッシュに代表される上部が開放された容器Ｖ内に貯められている熔融金属Ｍの液面に向けて光波やマイクロ波などの液位検出用の電磁波を発信すると共に、該電磁波が溶融金属Ｍの液面で反射した後の反射電磁波を受信することで熔融金属Ｍの液位を測定する液位測定手段と、該反射前後の電磁波の進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面を備え、好ましくは該反射面にガスを吹き付けるガス吹付手段を備えた板状体からなる反射手段とを有する。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
上部が開放された容器内に貯められている熔融金属の液面に向けて液位検出用の電磁波を発信すると共に、前記電磁波が前記溶融金属の液面で反射した後の反射電磁波を受信することで前記熔融金属の液位を測定する液位測定手段と、
前記反射前後の電磁波の進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面を備えた板状体からなる反射手段とを有する液位測定装置。
前記反射前後の電磁波の進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面を備えた板状体からなる反射手段とを有する液位測定装置。
【請求項2】
前記反射手段が、前記反射面にガスを吹き付けるガス吹付手段を有している、請求項１に記載の液位測定装置。
【請求項3】
前記電磁波が光波であり、前記液位測定手段が、前記発信の役割を担う放射部及び前記受信の役割を担う受光部を具備する光学式変位計であり、前記板状体がセラミック製である、請求項１に記載の液位測定装置。
【請求項4】
前記板状体がアルミナを９９.９質量％以上含有している、請求項３に記載の液位測定装置。
【請求項5】
前記電磁波がマイクロ波であり、前記液位測定手段が、前記発信の役割と前記受信の役割とを共に担う送受信部を具備するマイクロ波式変位計であり、前記板状体がステンレス製である、請求項１に記載の液位測定装置。
【請求項6】
前記マイクロ波の進行方向をガイドする管状体が前記送受信部と前記反射手段との間に設けられており、前記容器の側壁の上端面に全周に亘ってキャスタブル耐火物からなる断面略三角形の反射部が形成されている、請求項５に記載の液位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液位測定装置に関し、特に電磁波を用いることで容器内に貯められている熔融金属の液位を非接触で測定する液位測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
金属製錬プラントに代表される高温の熔融金属（熔体とも称する）を取り扱う設備においては、所定量の熔融金属を受け入れて様々な処理を行なったり、後段の機器への安定供給のために熔融金属を一時的に貯留したりする目的で種々の容器が用いられている。例えば熔融金属として熔鋼を鋳造する設備においては、熔鋼の一時的な貯留用にタンディッシュと称する上部が開放された平面視略矩形の容器が用いられている。このタンディッシュには底部に排出口が設けられており、前段の製錬工程で生成された熔鋼をレードル（取鍋）を介してタンディッシュ内に注ぎ込んで一時的に貯留することで、下流側に位置するモールド（鋳型）に向けて該底部排出口から熔鋼を安定的に供給することが可能になる。
【0003】
上記モールドへの熔鋼の供給の際、熔鋼の供給量が変動すると、該モールドにおいて鋳造される鋳造品の品質にばらつきが生じるおそれがある。そこで、上記レードルの下部排出口にスライディングプレートを設けて該下部排出口の開度を調節することで、タンディッシュ内の熔鋼の貯留量に応じて該レードルからタンディッシュに熔鋼を注ぎ込む量を制御することが行なわれている。これにより、タンディッシュ内の熔鋼の貯留量を一定量に維持できるので、該モールドへの供給量を安定化することが可能になる。
【0004】
上記のようにレードルからタンディッシュに注ぎ込む熔鋼の量の制御するには、該タンディッシュ内の熔鋼の貯留量を把握することが必要になる。これは、タンディッシュ内に貯留している熔鋼の液位を測定することによって間接的に求めることができる。タンディッシュで取り扱う熔鋼の温度は約１０００℃を超える高温になるため、従来、タンディッシュ内の熔鋼の液位の測定には熱電対が用いられていた。例えば特許文献１には、タンディッシュの側壁部を貫通して内側に突出する保護管内に熱電対を挿入し、その熱電対で急激な温度変化を検出したときに、熔鋼の液位がこの熱電対の設置位置（高さ）を通過したと判断する技術が開示されている。すなわち、熔鋼の液位が低下して熱電対の設置位置を下回った場合は、熱電対の検出温度が急激に低下し、逆に熔鋼の液位が上昇して熱電対の設置位置を上回った場合は、熱電対の検出温度が急激に上昇するので、ダンディッシュ内の熔鋼の液位を把握することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平５－３１５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記の特許文献１の液位測定方法では、熱電対を収納する保護管を高温の熔鋼に接液させる必要があるため、熔鋼の液面がこの保護管の位置を境にして上下する度に熱電対は高温環境下及び低温環境下に繰り返し曝されるので断線することがあった。熱電対が断線すると当然のことながらタンディッシュ内の熔鋼の液位を把握することができなくなるので、タンディッシュ内の熔鋼を下流側のモールドに安定的に供給することが困難になるうえ、タンディッシュの上端部から熔鋼が溢れ出て鋳造装置の近くで作業をしている作業者を被災させるおそれがある。更に、上記の特許文献１の液位測定法では、熱電対の取付位置を基準にして液位がその上側にあるか又はその下側にあるかのいずれかしか把握できないので、ダンディッシュ内において例えば低レベル、中レベル、及び高レベルのように複数の液位を検知する必要がある場合は複数個の熱電対を設ける必要があった。
【0007】
本発明は上記の熱電対による液位測定方法が抱える問題点に鑑みてなされたものであり、熔鋼を取り扱うタンディッシュのように、高温の熔融金属を取り扱う容器内の液位を安定して測定することが可能な液位測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するため、本発明に係る液位測定装置は、上部が開放された容器内に貯められている熔融金属の液面に向けて液位検出用の電磁波を発信すると共に、前記電磁波が前記溶融金属の液面で反射した後の反射電磁波を受信することで前記熔融金属の液位を測定する液位測定手段と、前記反射前後の電磁波の進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面を備えた板状体からなる反射手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、容器内の熔融金属の液位を安定して測定することができるので、その工業的価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の第１の実施形態の液位測定装置を用いて容器内の熔融金属の液位を測定している状態を示す斜視図である。
【図3】本発明の第１の実施形態の液位測定装置が有する制御手段、並びにその入力手段及び出力手段の構成図である。
【図4】本発明の第１の実施形態の液位測定装置の測定対象となる溶鋼が発する光の波長と分光放射輝度との関係を示すグラフである。
【図7】本発明の第１の実施形態の液位測定装置の使用方法を示すブロックフロー図である。
【図8】本発明の第１の実施形態の液位測定装置において行なわれる演算処理のベースとなる入射位置と液位の関係を示すグラフである。
【図9】本発明の第２の実施形態の液位測定装置を用いて容器内の熔融金属の液位を測定している状態を示す斜視図である。
【図10】本発明の第２の実施形態の液位測定装置が有するマイクロ波式変位計の種々のタイプの模式的な正面図である。
【図12】本発明の第２の実施形態の液位測定装置が有する制御手段、並びにその入力手段及び出力手段の構成図である。
【図13】本発明の第２の実施形態の液位測定装置が好適に具備する管状体をマイクロ波式レベル計及び反射手段と共に示す斜視図である。
【図15】本発明の第２の実施形態の液位測定装置の使用方法を示すブロックフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、容器内の液位測定対象物の液位を電磁波を用いて非接触で測定する本発明の液位測定装置の実施形態について説明する。この本発明の実施形態の液位測定装置は、上部が開放された容器内の熔融金属の液面に向けて液位検出用の電磁波を発信すると共に、該電磁波が該熔融金属の液面で反射した後の反射電磁波を受信することで該熔融金属の液位を測定する液位測定手段と、上記液面での反射前後の電磁波の進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面を備えた板状体からなる反射手段とを有している。
【0012】
上記の電磁波による液位測定は、可視光線や赤外線を用いた光学式と、マイクロ波を用いた電波式（マイクロ波式）とに大別することができる。そこで、以下の説明では、該電磁波に光波（光）を採用する光学式変位計（レベル計）を液位測定手段に用いた第１の実施形態について先ず説明し、次に該電磁波にマイクロ波を採用するマイクロ波式変位計（レベル計）を液位測定手段に用いた第２の実施形態について説明する。
【0013】
１．第１の実施形態
本発明の第１の実施形態の液位測定装置は、図１に示すように、タンディッシュに代表される上部が開放された容器Ｖ内に貯められている液位測定対象となる熔融金属Ｍの液面に向けて液位検出用の検出光Ｄを放射する放射部１１と、この検出光Ｄが液位測定対象の熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出光Ｒを受光する受光部１２とを備える光学式変位計（レーザー変位計）１０を有している。この液位測定装置は、更に上記の検出光Ｄ及び反射検出光Ｒの進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面２０ａを備えた板状体からなる反射手段２０を有している。
本発明の第１の実施形態の液位測定装置は、図１に示すように、タンディッシュに代表される上部が開放された容器Ｖ内に貯められている液位測定対象となる熔融金属Ｍの液面に向けて液位検出用の検出光Ｄを放射する放射部１１と、この検出光Ｄが液位測定対象の熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出光Ｒを受光する受光部１２とを備える光学式変位計（レーザー変位計）１０を有している。この液位測定装置は、更に上記の検出光Ｄ及び反射検出光Ｒの進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面２０ａを備えた板状体からなる反射手段２０を有している。
【0014】
図１に示すように、反射手段２０は容器Ｖの上方において図示しない支持部によって支持されるので、容器Ｖ内の高温の熔融金属Ｍの熱に曝される。従って、反射手段２０を構成する板状体の材質は、かかる高温雰囲気に曝されても容易に変形しないような耐熱性に優れたものであることが好ましい。このような耐熱性に優れた材質としては、セラミック材やＳＵＳ材等を挙げることができ、熱による変形がより生じにくい点からセラミック材がより好ましい。
【0015】
本発明の第１の実施形態の液位測定装置は、従来の熱電対による液位測定装置とは異なり、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象の熔融金属Ｍに対して非接触で液位の測定ができるうえ、上記のように反射手段２０を容器Ｖの上方に設けることによって光学式変位計１０を容器Ｖの上方を避けた位置に配設することができる。これにより、高温の熔融金属Ｍから発せられる輻射熱や上方に向って立ち昇る対流熱から光学式変位計１０の放射部１１や受光部１２が曝されるのを防ぐことができる。また、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に対して、検出光Ｄの光軸をほぼ垂直に入射させることができるので、測定レンジを広くとることができる。すなわち、容器Ｖ内の熔融金属Ｍの液位が空状態から満液状態の範囲内のどのレベルにあるかを長期に亘って安定的に測定することが可能になる。以下、上記の本発明の第１の実施形態の液位測定装置を構成する各要素について具体的に説明する。
【0016】
１－１ 光学式変位計
本発明の第１の実施形態の液位測定装置が有する光学式変位計１０は、前述したように、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に向けて検出光Ｄを放射する放射部１１と、該検出光Ｄが該熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出光Ｒを受光する受光部１２とを備えている。図２に示すように、放射部１１は検出光Ｄを生成する光源１１ａ及び該光源１１ａから発せられる検出光Ｄを集光して測定対象物に投光する投光レンズ１１ｂから主に構成され、受光部１２は反射検出光Ｒを受光する受光素子１２ａ及び反射検出光Ｒを該受光素子１２ａに結像させる受光レンズ１２ｂから主に構成される。これらを図２に示すように配設することで、３角測量方式により熔融金属Ｍの液位を測定することができる。
本発明の第１の実施形態の液位測定装置が有する光学式変位計１０は、前述したように、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に向けて検出光Ｄを放射する放射部１１と、該検出光Ｄが該熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出光Ｒを受光する受光部１２とを備えている。図２に示すように、放射部１１は検出光Ｄを生成する光源１１ａ及び該光源１１ａから発せられる検出光Ｄを集光して測定対象物に投光する投光レンズ１１ｂから主に構成され、受光部１２は反射検出光Ｒを受光する受光素子１２ａ及び反射検出光Ｒを該受光素子１２ａに結像させる受光レンズ１２ｂから主に構成される。これらを図２に示すように配設することで、３角測量方式により熔融金属Ｍの液位を測定することができる。
【0017】
すなわち、液位測定対象の熔融金属Ｍの液面から同じ距離Ｐで離間する投光レンズ１１ｂの中心と受光レンズ１２ｂの中心とが互いに離間する距離をＱとし、受光レンズ１２ｂの中心が受光素子１２ａの受光面から離間する距離をＦとし、受光レンズ１２ｂの中心から受光素子１２ａの受光面に下した垂線が該受光面に交わる点から反射検出光Ｒが該受光面に入射する位置までの距離をＸとしたとき、距離Ｐは下記式１から求めることができる。
【0018】
［式１］
Ｐ＝(Ｆ／Ｘ)・Ｑ
Ｐ＝(Ｆ／Ｘ)・Ｑ
【0019】
上記式１の４つの変数のうち、Ｑ及びＦは光学式変位計１０の構造で定まる値であるので、距離Ｐは距離Ｘから一意的に求めることができる。後述するように、受光素子１２ａから出力される反射検出光Ｒの入射位置に応じた出力値に基づいて容器Ｖ内の熔融金属Ｍの液位を求める演算処理は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の制御手段によって行なうことができる。このＣＰＵは、例えば図３に示すように、上記の所定のアルゴリズムに沿った演算処理に必要な情報を格納する記憶部１３と、この記憶部１３に格納された情報に基づいて該演算処理する演算部１４とから構成される。なお、ＣＰＵは光学式変位計１０に内蔵されていてもよいし、光学式変位計１０とＣＰＵとは別の装置でもよい。記憶部１３には、キーボードやタッチスクリーンなどの基準液位入力手段１５から後述するように基準となる熔融金属Ｍの液位を入力できるようになっており、更に、上記の演算処理で求めた液位のデータはディスプレイなどの液位表示手段１６に出力され、そこで表示されるようになっている。
【0020】
（１）放射部
放射部１１は、検出光Ｄとして例えばレーザー光を発振するレーザー発振器を含む光源１１ａと、この光源１１ａから照射したレーザー光を集光させる投光レンズ１１ｂとで構成される。光源１１ａは高温の熔融金属Ｍの液位検出に適した波長のレーザー光を発振できるものであれば特に限定はなく、一般的なものを採用することができる。ここで液位検出に適した波長とは、検出光Ｄが熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出光Ｒを受光部１２において正確に受光可能な波長であり、例えば測定対象の熔融金属Ｍが熔鋼の場合は、波長４００ｎｍ～７００ｎｍのレーザー光が好ましく、波長５００ｎｍ～５５０ｎｍの緑色のレーザー光や波長４００ｎｍ～５００ｎｍの紫色や青色のレーザー光がより好ましい。その理由は、溶鋼が発する光の波長と、ある面積から放出される（又は通過する）光線の強度を示す物理量である分光放射輝度との関係を熔融の温度をパラメータとして示した図４のグラフから分かるように、熔鋼が発する光は波長７８０ｎｍ以上の赤外線を多く含むので、この波長とは異なる波長を有するレーザー光を検出光に用いることで液位をより正確に測定することが可能になるからである。
放射部１１は、検出光Ｄとして例えばレーザー光を発振するレーザー発振器を含む光源１１ａと、この光源１１ａから照射したレーザー光を集光させる投光レンズ１１ｂとで構成される。光源１１ａは高温の熔融金属Ｍの液位検出に適した波長のレーザー光を発振できるものであれば特に限定はなく、一般的なものを採用することができる。ここで液位検出に適した波長とは、検出光Ｄが熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出光Ｒを受光部１２において正確に受光可能な波長であり、例えば測定対象の熔融金属Ｍが熔鋼の場合は、波長４００ｎｍ～７００ｎｍのレーザー光が好ましく、波長５００ｎｍ～５５０ｎｍの緑色のレーザー光や波長４００ｎｍ～５００ｎｍの紫色や青色のレーザー光がより好ましい。その理由は、溶鋼が発する光の波長と、ある面積から放出される（又は通過する）光線の強度を示す物理量である分光放射輝度との関係を熔融の温度をパラメータとして示した図４のグラフから分かるように、熔鋼が発する光は波長７８０ｎｍ以上の赤外線を多く含むので、この波長とは異なる波長を有するレーザー光を検出光に用いることで液位をより正確に測定することが可能になるからである。
【0021】
図４を参照しながら具体的に説明すると、波長５００ｎｍ～５５０ｎｍの緑色のレーザー光に関しては、溶鋼の温度が２０００Ｋである場合は、溶鋼が発する５００ｎｍ～５５０ｎｍの領域（緑色光）の分散放射輝度が、溶鋼が発する７８０ｎｍ～８２０ｎｍ（赤色光）の領域の分散放射輝度に比べて１／１０以下となっており、この比率は、溶鋼の温度が１５００Ｋになると１／１００以下になる。すなわち、熔鋼が発する光は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線に比べて波長５００ｎｍ～５５０ｎｍの光をあまり多く含んでいないため、この波長５００ｎｍ～５５０ｎｍに対応する波長領域を有する緑色のレーザー光を発振する発振器を用いることにより、溶鋼が発する光と反射検出光Ｒとを区別しやすくなる。しかも、緑色のレーザー光は可視光であり視認しやすいため、反射検出光Ｒを受光部１２に入射させる際の位置合わせの作業が、赤色レーザー光を用いる場合に比べて容易になる。
【0022】
他方、波長４００ｎｍ～５００ｎｍの紫色や青色のレーザー光に関しては、溶鋼の温度が２０００Ｋである場合は、溶鋼が発する４００ｎｍ～５００ｎｍの領域（緑色光）の分散放射輝度が、溶鋼が発する７８０ｎｍ～８２０ｎｍ（赤色光）の領域の分散放射輝度に比べて１／１００以下となっており、この比率は溶鋼の温度が１５００Ｋになると１／１０００以下になる。よって、この波長４００ｎｍ～５００ｎｍに対応する波長領域を有する紫色や青色のレーザー光を発振する発振器を用いる場合は、溶鋼が発する光と反射検出光Ｒとをより一層容易に区別することができる。
【0023】
（２）受光部
受光部１２は、例えばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）からなる受光素子１２ａと、光学式変位計１０の光源１１ａから発振された検出光Ｄとしてのレーザー光が、容器Ｖ内に貯められている熔融金属Ｍの液面で反射した後に再び光学式変位計１０に戻ってきたレーザー光である反射検出光Ｒを受光素子１２ａにスポット光として集光させる受光レンズ１２ｂとで構成されている。なお、受光部１２には、特定の波長の光のみを通過させる干渉フィルターを取り付けてもよい。例えば検出光Ｄに採用した波長の光のみを通過させる干渉フィルターを取り付けることで、スポット光以外の光の入射を効果的に抑制することができる。
受光部１２は、例えばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）からなる受光素子１２ａと、光学式変位計１０の光源１１ａから発振された検出光Ｄとしてのレーザー光が、容器Ｖ内に貯められている熔融金属Ｍの液面で反射した後に再び光学式変位計１０に戻ってきたレーザー光である反射検出光Ｒを受光素子１２ａにスポット光として集光させる受光レンズ１２ｂとで構成されている。なお、受光部１２には、特定の波長の光のみを通過させる干渉フィルターを取り付けてもよい。例えば検出光Ｄに採用した波長の光のみを通過させる干渉フィルターを取り付けることで、スポット光以外の光の入射を効果的に抑制することができる。
【0024】
上記のＰＳＤは、高抵抗半導体基板の片面又は両面に形成された均一な抵抗層の両端に、信号取り出し用の１対の電極が設けられた構造を有している。これにより、該抵抗層の表面にスポット光として反射検出光Ｒが入射すると、その入射位置に光量に比例した電荷が発生する。発生した電荷は光電流として抵抗層に到達し、上記の１対の電極までのそれぞれの距離に逆比例して分割され、出力電極から取り出される。例えばＰＳＤが図５に示す構造を有する場合は、反射検出光Ｒの入射位置と、出力電極Ｘ１、Ｘ２のそれぞれの出力電流ＩＸ１、ＩＸ２との間には下記式２及び式３に示す関係が成立する。よって、これら式２及び式３から導くことのできる式４に基づいて、光量及びその変化とは無関係にスポット光の入射位置ＸＡを求めることができる。ここで、ＩＸ１は電極Ｘ１の出力電流、ＩＸ２は電極Ｘ２の出力電流、Ｉ０は全光電流(ＩＸ１＋ＩＸ２)、ＬＸは受光面の長さ、ＸＡはＰＳＤの電気的中心位置から入射位置までの距離をそれぞれ表している。
【0025】
［式２］
ＩＸ１＝((ＬＸ／２－ＸＡ)／ＬＸ)×Ｉ０
［式３］
ＩＸ２＝((ＬＸ／２＋ＸＡ)／ＬＸ)×Ｉ０
［式４］
(ＩＸ２－ＩＸ１)／(ＩＸ１＋ＩＸ２)＝２×ＸＡ／ＬＸ
ＩＸ１＝((ＬＸ／２－ＸＡ)／ＬＸ)×Ｉ０
［式３］
ＩＸ２＝((ＬＸ／２＋ＸＡ)／ＬＸ)×Ｉ０
［式４］
(ＩＸ２－ＩＸ１)／(ＩＸ１＋ＩＸ２)＝２×ＸＡ／ＬＸ
【0026】
（３）記憶部
光学式変位計１０内に一般的に内蔵されるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の内部に割り当てられた記憶領域である記憶部１３は、上記の式４の他、熔融金属Ｍの液位の算出に必要な式を記憶すると共に、後述する演算部１４から出力される値や、基準液位入力手段１５において入力された値を記憶する役割を担っている。
光学式変位計１０内に一般的に内蔵されるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の内部に割り当てられた記憶領域である記憶部１３は、上記の式４の他、熔融金属Ｍの液位の算出に必要な式を記憶すると共に、後述する演算部１４から出力される値や、基準液位入力手段１５において入力された値を記憶する役割を担っている。
【0027】
（４）演算部
光学式変位計１０内に一般的に内蔵されるＣＰＵの内部に割り当てられた演算領域である演算部１４は、上記の記憶部１３に格納された情報を取り出して所定のアルゴリズムに沿って演算を実行し、演算結果を上記記憶部１３に出力する役割を担っている。
光学式変位計１０内に一般的に内蔵されるＣＰＵの内部に割り当てられた演算領域である演算部１４は、上記の記憶部１３に格納された情報を取り出して所定のアルゴリズムに沿って演算を実行し、演算結果を上記記憶部１３に出力する役割を担っている。
【0028】
（５）基準液位入力手段及び液位表示手段
上記の受光素子１２ａから出力される出力値は、光学式変位計１０から測定対象の熔融金属Ｍの液面までの距離を相対的に表わすデータであるので、上記の演算部１４で演算処理するには、基準となる液位を入力する必要がある。そのため、上記の記憶部１３には、入力端末からなる基準液位入力手段１５を介して該基準となる液位を入力できるようになっている。
上記の受光素子１２ａから出力される出力値は、光学式変位計１０から測定対象の熔融金属Ｍの液面までの距離を相対的に表わすデータであるので、上記の演算部１４で演算処理するには、基準となる液位を入力する必要がある。そのため、上記の記憶部１３には、入力端末からなる基準液位入力手段１５を介して該基準となる液位を入力できるようになっている。
【0029】
この基準液位入力手段１５には、例えばディスプレイに表示されているメニュー画面に指で直接触れることで入力操作を行なうことが可能な入力装置であるタッチパネルが好適に用いられる。このようにして基準液位入力手段１５から入力された基準液位の情報に、受光素子１２ａにおける入射位置の変位に応じて一意的に変化する補正値を加算することで、容器Ｖ内の液位測定対象の熔融金属Ｍの液位を算出することができる。上記の演算処理で求めた液位のデータは、計器室に設けたディスプレイなどの液位表示手段１６に出力され、そこで表示されるようになっている。
【0030】
１－２ 反射手段
本発明の第１の実施形態の液位測定装置が有する反射手段２０は、前述したように検出光Ｄ及び反射検出光Ｒの進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる反射面２０ａを備えた好適には平面視略矩形の板状体からなり、この板状体の材料は、耐熱性に優れたセラミック材であることが好ましい。このセラミック材の種類には特に限定はないが、より低い熱膨張係数を有するものが好ましく、また、より高いヤング率を有するものがより好ましい。このようなセラミック材としては、例えばアルミナを９９.９質量％以上含有するセラミック材を挙げることができる。上記のように板状体をセラミック材にすることで、液位測定対象の熔融金属Ｍが貯められている容器Ｖのほぼ真上に反射手段２０を設けることが可能になる。これにより、容器Ｖの上方を避けて設けられている光学式変位計１０の放射部１１から放射される検出光（レーザー光）Ｄの光軸を、液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に対してほぼ垂直に入射させることができる。
本発明の第１の実施形態の液位測定装置が有する反射手段２０は、前述したように検出光Ｄ及び反射検出光Ｒの進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる反射面２０ａを備えた好適には平面視略矩形の板状体からなり、この板状体の材料は、耐熱性に優れたセラミック材であることが好ましい。このセラミック材の種類には特に限定はないが、より低い熱膨張係数を有するものが好ましく、また、より高いヤング率を有するものがより好ましい。このようなセラミック材としては、例えばアルミナを９９.９質量％以上含有するセラミック材を挙げることができる。上記のように板状体をセラミック材にすることで、液位測定対象の熔融金属Ｍが貯められている容器Ｖのほぼ真上に反射手段２０を設けることが可能になる。これにより、容器Ｖの上方を避けて設けられている光学式変位計１０の放射部１１から放射される検出光（レーザー光）Ｄの光軸を、液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に対してほぼ垂直に入射させることができる。
【0031】
すなわち、レーザー光の反射手段として一般的に用いられるガラス材製のミラーや樹脂製のプリズムを反射手段２０を構成する板状体の材質に用いると、熱の影響を受けて変形しやすいため、使用しているうちに検出光Ｄや反射検出光Ｒの進行方向がずれていき、熔融金属Ｍの液位を正確に測定できなくなることが懸念される。また、ガラス製のミラーは熱伝導率が非常に低く、反射面側とその反対側とで熱膨張差が生じやすいため、割れてしまうことが懸念される。これに対して、上記のように反射手段２０の板状体をセラミック製にすることで、容器Ｖ内の溶鋼による輻射熱や対流熱によって反射手段２０が加熱された場合でも、その熱影響による変形を防止することができる。これにより、液位測定対象の熔融金属Ｍの液位を長期間に亘って安定的に測定することができる。
【0032】
上記の反射手段２０を構成する板状体は、検出光Ｄ及び反射検出光Ｒを反射させる反射面２０ａの表面粗さがＲａ０.２以下である。これにより、反射手段２０の反射面２０ａにおいて、乱反射を抑えて検出光Ｄや反射検出光Ｒの正反射率を高めることができるので、より安定的に液位を測定することが可能になる。なお、上記のＲａ０.２以下の表面粗さは、板状体に対して例えば研磨加工を施すことによって実現することができる。反射手段２０を構成する上記板状体は、更にその厚みが４ｍｍ以上であることが好ましい。このような厚みに設定することで、検出光Ｄや反射検出光Ｒが板状体の厚み方向に透過するのを抑制し、波長領域が３００ｎｍ～１０００ｎｍのレーザー光を８５％以上反射させることができるので、更に安定的な液位の測定が期待できる。
【0033】
上記の反射手段２０は、更に反射面２０ａに圧縮エアーなどのガスを吹き付けるガス吹付手段を備えていてもよい。これにより、反射手段２０を構成する上記板状体を適度に冷却できるので、熱による変形をより確実に抑制することができるうえ、容器Ｖ内の熔融金属Ｍから発生するヒュームなどの微粒子が反射面２０ａに付着するのを防ぐことができる。上記のガス吹付手段は例えば図６に示す構造により実現することができる。
【0034】
すなわち、この図６に示す平面視略矩形の板状体からなる反射手段２０は、該板状体の一端部が反射面２０ａ側に突出することで側方から見た形状が略Ｌ字形になっており、この突出部分にガス導入路２１が設けられている。このガス導入路２１には斜め下方に向って延在する複数の分岐路２２が連通しており、これら分岐路２２の各々の先端開口部２３は、該突出部分の段差面２０ｂにおいて反射面２０ａを臨むようにして開口している。かかる構造により、例えばテフロン（登録商標）などの耐熱性のフレキシブルチューブ２４を介して図示しない圧縮エアーの供給源からガス導入路２１に圧縮エアーを供給することで、反射面２０ａに効果的に圧縮エアーを吹き付けることができる。
【0035】
なお、反射手段２０の個数は図１に示す１個に限定されるものではなく、２個の反射手段を容器Ｖの上方に配設することで、検出光Ｄと反射検出光Ｒとを別々の反射手段でそれぞれ反射させてもよい。また、検出光Ｄ及び反射検出光Ｒの各々を２個以上の反射手段を用いて２回以上反射させてもよい。上記のように複数個の反射手段を用いることで、光学式変位計や反射手段の設置位置の自由度が高まるので、例えば既設の設備において設置スペースに制約のあるような場合であっても、本発明の第２の実施形態の液位測定装置を採用することが可能になる。
【0036】
１－３ 液位測定装置の使用方法
次に、上記した本発明の第１の実施形態の液位測定装置の使用方法について、上部が開放された容器Ｖとしてのダンディッシュ内に液位測定対象の熔融金属Ｍとして熔鋼が貯められている場合を例に挙げて図７のブロックフロー図を参照しながら説明する。先ず、ステップ１において、タンディッシュ内に流下する熔鋼や該ダンディッシュ内に貯められている熔鋼から光学式変位計１０が悪影響を受けないように、溶鋼を装入する前の内部が空の状態のタンディッシュの斜め上方で且つ該ダンディッシュから水平方向に離間した位置に、本発明の第１の実施形態の液位測定装置を構成する光学式変位計１０を設置する。
次に、上記した本発明の第１の実施形態の液位測定装置の使用方法について、上部が開放された容器Ｖとしてのダンディッシュ内に液位測定対象の熔融金属Ｍとして熔鋼が貯められている場合を例に挙げて図７のブロックフロー図を参照しながら説明する。先ず、ステップ１において、タンディッシュ内に流下する熔鋼や該ダンディッシュ内に貯められている熔鋼から光学式変位計１０が悪影響を受けないように、溶鋼を装入する前の内部が空の状態のタンディッシュの斜め上方で且つ該ダンディッシュから水平方向に離間した位置に、本発明の第１の実施形態の液位測定装置を構成する光学式変位計１０を設置する。
【0037】
次に、ステップ２において、本発明の第２の実施形態の液位測定装置を構成する反射手段２０をタンディッシュの上方に配設する。その際、光学式変位計１０を起動し、その光源から放射させた検出光（レーザー光）Ｄが反射手段２０の反射面２０ａで反射した後にタンディッシュの底面で反射することができ、更に、その反射検出光Ｒが再度反射手段２０の反射面２０ａで反射した後に光学式変位計１０の受光部１２で受光できるように、反射手段２０の位置と角度を調節する。また、必要に応じて光学式変位計１０の位置と角度も調節する。
【0038】
次に、ステップ３において、基準液位入力手段１５から基準となる熔鋼の液位Ｌ０（例えば、ゼロ）を入力することでその値を記憶部１３に記憶させる。そして、この液位Ｌ０のときの受光素子１２ａとしてのＰＳＤにおける反射検出光Ｒの入射位置を求めるべく、光学式変位計１０を起動してその放射部１１の光源から検出光Ｄを放射させてタンディッシュの底面で反射させ、その反射検出光Ｒが光学式変位計１０の受光部１２のＰＳＤに入射したときに生じる出力電流Ｉｘ１、Ｉｘ２を記憶部１３に出力させる。これにより、記憶部１３に予め記憶させておいた式４に基づいてタンディッシュが空状態の液位Ｌ０のときのスポット光（反射検出光Ｒ）の入射位置Ｘ０を演算部１４で算出させ、その算出結果の値を記憶部１３に記憶させる。
【0039】
次に、ステップ４において、タンディッシュ内に熔鋼のダミーとして高さＬＢの箱状体を入れ、基準液位入力手段１５から液位ＬＢを入力することでその値を記憶部１３に記憶させる。そして、上記のステップ３と同様に、この液位ＬＢのときのＰＳＤにおける入射位置を求めるべく、光学式変位計１０を起動してその放射部１１の光源から検出光Ｄを放射させて該箱状体の上面で反射させ、その反射検出光Ｒが光学式変位計１０の受光部１２のＰＳＤに入射したときに生じる出力電流ＩＸ１、ＩＸ２を記憶部１３に出力させる。これにより、記憶部１３に予め記憶させておいた式４に基づいて液位ＬＢにおけるスポット光（反射検出光Ｒ）の入射位置ＸＢを演算部１４で算出させ、その算出結果の値を記憶部１３に記憶させる。なお、箱状体による液位測定後はタンディッシュから箱状体を取り出す。
【0040】
次に、ステップ５において、任意のスポット光（反射検出光Ｒ）の入射位置ＸＬに対して熔鋼の液位を一意的に求める下記式５の演算式のパラメータを、上記のステップ３及び４で記憶部１３に記憶させた液位Ｌ０と入射位置Ｘ０との組、及び液位ＬＢと入射位置ＸＢとの組に基づいて演算部１４で算出させ、その算出結果の値を記憶部１３に記憶させる。なお、式５の変数の関係を示す、横軸を入射位置［Ｘ］、縦軸を液位［ｍｍ］とするグラフを図８に示す。
【0041】
［式５］
Ｌ＝Ｌ０＋((ＬＢ－Ｌ０)／(ＸＢ－Ｘ０))×(ＸＬ－Ｘ０)
Ｌ＝Ｌ０＋((ＬＢ－Ｌ０)／(ＸＢ－Ｘ０))×(ＸＬ－Ｘ０)
【0042】
以上で液位測定の準備が完了したので、最後にステップ６において、反射手段２０のガス導入路２１にフレキシブルチューブ２４を介して圧縮エアーを供給した後、タンディッシュ内に熔鋼を装入すると共に、光学式変位計１０を起動してその放射部１１の光源１１ａから検出光Ｄを放射させて反射手段２０での反射を経て熔鋼の液面で反射させた後、その反射検出光Ｒを反射手段２０での反射を経て入射部１２のＰＳＤに入射させる。これにより、ＣＰＵは、ＰＳＤから出力される電流値Ｉｘ１、Ｉｘ２を式４に代入することで、スポット光（反射検出光）の入射位置ＸＬを算出して記憶部１３に記憶すると共に、式５に代入することでタンディッシュ内の熔鋼の液位Ｌを算出する。算出した液位は、液位表示手段１６としての例えば計器室のディスプレイに表示される。
【0043】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態の液位測定装置を用いることで、従来の熱電対による液位測定とは異なり非接触で液位測定ができるうえ、熔融金属を貯留する容器から離間した位置に光学式変位計を配設することができるので、熔融金属から発せられる輻射熱や対流熱によって該光学式変位計が悪影響を受けるのを防ぐことができる。また、該容器に熔融金属が存在していない空の状態から満液状態までの広い測定レンジにおける任意の液位を測定することができる。
【0044】
２．第２の実施形態
本発明の第２の実施形態の液位測定装置は、図９に示すように、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象となる熔融金属Ｍの液面に向って液位検出用の検出マイクロ波Ｗを送信する役割と、この検出マイクロ波Ｗが液位測定対象の熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出マイクロ波Ｕを受信する役割とを両方とも担う送受信部３１を備えたマイクロ波式変位計３０を有している。この液位測定装置は、更に上記の検出マイクロ波Ｗ及び反射検出マイクロ波Ｕの進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面４０ａを備えた板状体からなる反射手段４０を有している。
本発明の第２の実施形態の液位測定装置は、図９に示すように、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象となる熔融金属Ｍの液面に向って液位検出用の検出マイクロ波Ｗを送信する役割と、この検出マイクロ波Ｗが液位測定対象の熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出マイクロ波Ｕを受信する役割とを両方とも担う送受信部３１を備えたマイクロ波式変位計３０を有している。この液位測定装置は、更に上記の検出マイクロ波Ｗ及び反射検出マイクロ波Ｕの進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる表面粗さＲａ０.２以下の反射面４０ａを備えた板状体からなる反射手段４０を有している。
【0045】
図９に示すように、反射手段４０は容器Ｖの上方において図示しない支持部によって支持されるので、反射手段４０は、容器Ｖ内の高温の熔融金属Ｍの熱に曝される。従って、反射手段４０を構成する板状体の材質は、高温雰囲気に曝されても容易に変形しないような耐熱性に優れたものが好ましく、このような耐熱性に優れた材質としては、セラミック材やＳＵＳ材を挙げることができるが、これらの中では、後述するように、液位測定にマイクロ波を用いる本発明の第２の実施形態の液位測定装置の場合は、反射面での吸収を抑える点からＳＵＳ材を用いるのが好ましい。
【0046】
本発明の第２の実施形態の液位測定装置においても、第１の実施形態の液位測定装置と同様に、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象の熔融金属Ｍに対して非接触で液位の測定ができるうえ、上記のように反射手段４０を容器Ｖの上方に設けることで、マイクロ波式変位計３０を容器Ｖの上方を避けた位置に配設することができる。これにより、高温の熔融金属Ｍから発せられる輻射熱や上方に向って立ち昇る対流熱にマイクロ波式変位計３０の送受信部３１が曝されるのを防ぐことができる。また、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に対して、検出マイクロ波Ｗのマイクロ波軸をほぼ垂直に入射させることができるので、測定レンジを広くとることができる。すなわち、容器Ｖ内の熔融金属Ｍの液位が空状態から満液状態の範囲内のどのレベルにあるかを長期に亘って安定的に測定することが可能になる。
【0047】
更に、上記の検出マイクロ波Ｗ及び反射検出マイクロ波Ｕに採用するマイクロ波は、凡そ０.１ｍｍ～１０００ｍｍ程度の波長を有し、光と同程度の凡そ３０万ｋｍ／秒の速度を有する電磁波であり、その経路に存在する気体の温度、圧力、流速等の雰囲気条件の影響をほとんど受けないうえ、マイクロ波は熔鋼が発する光に多く含まれる波長７８０ｎｍ以上の電磁波（赤外線）と比べても波長が十分に長く、且つ、図４に示す可視光の波長と比べても波長が十分に長いことから、上記赤外線、及び上記可視光との識別が容易である。そのため、可視光線を用いる場合に比べてより高い精度で測定を行なうことが可能になる。
【0048】
上記のマイクロ波式変位計３０で液位を測定する方式には、周波数を時間と共に変化させながら発信した検出マイクロ波が、液位測定対象の液面で反射して戻ってきたときの周波数のずれから液位を求めるＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式、及び液位測定対象の液面に向けて発信したパルス状の検出マイクロ波が、該液面で反射して反射検出マイクロ波として戻ってくるまでの時間を測定して液位を求めるパルス方式があり、上記のマイクロ波式変位計にはいずれも採用することができる。以下、上記の本発明の第２の実施形態の液位測定装置の各要素について、ＦＭＣＷ方式のマイクロ波式変位計を採用する場合をとり挙げて具体的に説明する。
【0049】
２－１ マイクロ波式変位計
本発明の第２の実施形態の液位測定装置が有するマイクロ波式変位計３０は、前述したように、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に向けて検出マイクロ波Ｗを送信すると共に、該検出マイクロ波Ｗが該熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出マイクロ波Ｕを受信する送受信部３１を備えている。この送受信部３１は、図９に示すように、送信方向に延びるアンテナを有しており、ここで例えば周波数５ＧＨｚ～３０ＧＨｚ程度の検出マイクロ波Ｗを送信すると共に、液位測定対象の熔融金属Ｍの液面で反射して戻ってきた反射検出マイクロ波Ｕを受信することができる。
本発明の第２の実施形態の液位測定装置が有するマイクロ波式変位計３０は、前述したように、容器Ｖ内に貯められている液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に向けて検出マイクロ波Ｗを送信すると共に、該検出マイクロ波Ｗが該熔融金属Ｍの液面で反射した後の反射検出マイクロ波Ｕを受信する送受信部３１を備えている。この送受信部３１は、図９に示すように、送信方向に延びるアンテナを有しており、ここで例えば周波数５ＧＨｚ～３０ＧＨｚ程度の検出マイクロ波Ｗを送信すると共に、液位測定対象の熔融金属Ｍの液面で反射して戻ってきた反射検出マイクロ波Ｕを受信することができる。
【0050】
この送受信部３１のタイプは、マイクロ波を適切に送受信できるものであれば特に限定はなく、図１０に示すように、例えば、先細のテーパー形に形成された棒状のアンテナがフッ素樹脂で覆われた形態のロッドアンテナ型（ａ）、アンテナの先端部にメガホン形状のホーンが取り付けられた形態のホーンアンテナ型（ｂ）、マイクロ波を伝搬させる働きをするパイプ状のプローブを取り付けた形態のウェーブガイド型（ｃ）等を好ましく使用することができる。
【0051】
上記のマイクロ波式変位計３０において、熔融金属Ｍの液位を測定するときは、送受信部３１のアンテナから検出マイクロ波Ｗを送信すると共に、該検出マイクロ波Ｗが液位測定対象の熔融金属Ｍの液面で反射した後に戻ってきた反射検出マイクロ波Ｕを送受信部３１で受信する。このとき、送信する検出マイクロ波Ｗの周波数を、所定の範囲内において連続的且つ直線的に変化させる。そして、受信した反射検出マイクロ波Ｕの周波数と、この受信したときに送信する検出マイクロ波Ｗの周波数との差を測定することで、発信したマイクロ波が熔融金属Ｍの液面で反射して戻ってくるまでの時間が間接的に分かるので、熔融金属Ｍの液位を測定することが可能になる。
【0052】
図１１を参照しながら、上記のＦＭＷＣ方式による液位測定の原理について詳細に説明する。例えば図１１に示すように、送受信部３１から送信する検出マイクロ波Ｗの周波数を最大周波数ｆｍａｘと最小周波数ｆｍｉｎとの間で掃引時間Ｔの鋸歯状パターンで連続的且つ直線的に変調させる場合において、送信周波数がｆ(０)となる時点ｔ(０)に送信された検出マイクロ波Ｗが、液位測定対象の溶融金属Ｍの液面で反射した後に送信周波数と同じ周波数ｆ(０)を有する反射検出マイクロ波Ｕとして送受信部３１に戻って受信されたときの時間がｔ(１)のとき、このマイクロ波の往復に要した時間である「Δｔ＝ｔ(１)－ｔ(０)」が経過する間に送受信部３１から送信される検出マイクロ波Ｗの送信周波数は、ｔ(０)時点の送信周波数ｆ(０)からｔ(１)時点の送信周波数ｆ(１)に変化する。
【0053】
前述したように、送受信部３１から送信する検出マイクロ波Ｗの送信周波数は連続的且つ直線的に変調され、その経時的変化である増加率αは図１１に示すα＝(ｆｍａｘ－ｆｍｉｎ)／Ｔであることが分かっているので、時間ｔ(０)での検出マイクロ波Ｗの送信周波数ｆ(０)と、この周波数ｆ(０)に等しい周波数を有する反射検出マイクロ波Ｕを受信したときの検出マイクロ波Ｗの送信周波数ｆ(１)を検出することで、これらの周波数差であるΔｆを「Δｆ＝ｆ(１)－ｆ(０)」としたとき、比例関係から導かれる下記式６からΔｔを求めることができる。
【0054】
［式６］
Δｔ＝Δｆ・Ｔ／(ｆｍａｘ－ｆｍｉｎ)
Δｔ＝Δｆ・Ｔ／(ｆｍａｘ－ｆｍｉｎ)
【0055】
上記の式６で求めた時間Δｔは、送受信部３１のアンテナと熔融金属Ｍの液面との間をマイクロ波が往復するのに要した時間であるので、下記式７に示すように、この時間Δｔにマイクロ波の速度Ｖをかけて２で除することで、液位測定対象の熔融金属Ｍの液面から送受信部３１のアンテナまでマイクロ波が進行した距離Ｌを求めることができる。そして、容器Ｖ内の熔融金属Ｍの液位が基準となる液位のとき（例えば液位ゼロの空のとき）の上記の距離Ｌを予め液位測定装置を用いて求めておくことで、容器Ｖ内の熔融金属Ｍの任意の液位を液位測定装置で測定することが可能になる。
【0056】
［式７］
Ｌ＝Δｔ・Ｖ・(１／２)
Ｌ＝Δｔ・Ｖ・(１／２)
【0057】
上記のように、式６の演算式に送受信部３１から出力される周波数の値ｆ(０)及びｆ(１)を代入した後、式７の演算式に基づいて容器Ｖ内の熔融金属Ｍの液位を求める演算処理は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等の制御手段によって行なうことができる。このＣＰＵは、例えば図１２に示すように、上記の所定のアルゴリズムに沿った演算処理に必要な情報を格納する記憶部３２と、この記憶部３２に格納された情報に基づいて該演算処理を行なう演算部３３とから構成される。なお、ＣＰＵはマイクロ波式変位計３０に内蔵されていてもよいし、マイクロ波式変位計３０とＣＰＵとは別の装置でもよい。
【0058】
上記の記憶部３２は、キーボードやタッチスクリーンなどの基準液位入力手段３４から入力される後述する基準となる熔融金属Ｍの液位のほか、熔融金属Ｍの液位の算出に必要な式を記憶すると共に、後述する演算部３３から出力される値を記憶する役割を担っている。また、上記演算部３３は、上記の記憶部３２に格納された情報を取り出して所定のアルゴリズムに沿って演算を実行し、演算結果を上記記憶部３２に出力する役割を担っている。更に、上記の演算処理で求めた液位のデータはディスプレイなどの液位表示手段３５に出力され、そこで表示されるようになっている。なお、送受信部３１から出力される出力値に基づいて算出される値は、この送受信部３１のアンテナから液位測定対象の熔融金属Ｍの液面までの距離であるので、上記の演算部３３で容器Ｖ内の熔融金属Ｍの液面を演算処理させるため、容器Ｖ内の基準となる液位を入力する必要がある。この基準液位を入力する入力端末として、基準液位入力手段３４が設けられている。
【0059】
２－２ 反射手段
本発明の第２の実施形態の液位測定装置が有する反射手段４０は、前述したように検出マイクロ波Ｗ及び反射検出マイクロ波Ｕの進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる反射面４０ａを備えた好適には平面視略矩形の板状体からなり、反射手段４０は液位測定対象の熔融金属Ｍが貯められるダンディッシュなどの容器Ｖのほぼ真上に設けられるので、該板状体の材質は、耐熱性に優れたものであることが好ましい。このような耐熱性に優れた材質としてはセラミック材やＳＵＳ材等を挙げることができる。このように耐熱性に優れた材質で板状体を形成することで、容器Ｖの上方を避けて設けられているマイクロ波式変位計３０の送受信部３１から送信される検出マイクロ波Ｗを、液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に対してほぼ垂直に入射させることができる。
本発明の第２の実施形態の液位測定装置が有する反射手段４０は、前述したように検出マイクロ波Ｗ及び反射検出マイクロ波Ｕの進行方向をそれぞれ所定の方向に変えるために反射させる反射面４０ａを備えた好適には平面視略矩形の板状体からなり、反射手段４０は液位測定対象の熔融金属Ｍが貯められるダンディッシュなどの容器Ｖのほぼ真上に設けられるので、該板状体の材質は、耐熱性に優れたものであることが好ましい。このような耐熱性に優れた材質としてはセラミック材やＳＵＳ材等を挙げることができる。このように耐熱性に優れた材質で板状体を形成することで、容器Ｖの上方を避けて設けられているマイクロ波式変位計３０の送受信部３１から送信される検出マイクロ波Ｗを、液位測定対象の熔融金属Ｍの液面に対してほぼ垂直に入射させることができる。
【0060】
上記の材質の中では、マイクロ波をより高い反射率で反射できる点からＳＵＳ材がより好ましい。すなわち、セラミック材は一般的に無機粉末を焼結させて成形するので、微視的には無数の微細な空隙部が存在している。そのため、マイクロ波がセラミック材の表面で反射する際、このセラミック材においてマイクロ波が透過や吸収により減衰してしまう。これに対して、ＳＵＳ材の場合は、上記のセラミック材とは異なりその表面（即ち、反射面４０ａ）に微細な空隙部がほぼ存在しておらず緻密であるため、ＳＵＳ材で上記板状体を形成することで、検出マイクロ波Ｗ及び反射検出マイクロ波Ｕの進行方向を変えるために反射させる際のこれら検出マイクロ波Ｗ及び反射検出マイクロ波Ｕの減衰を抑制することができる。これにより、板状体の材質にセラミック材を用いる場合に比べて、より良好に液位測定を行なうことが可能になる。なお、ＳＵＳ材は熱膨張係数がガラス材とほぼ同等であるものの、熱伝導率がガラス材と比べて十分に高いため、反射面側とその反対側とで熱膨張差が生じにくい。よって熱による曲がりが生じにくいという利点も有している。
【0061】
上記板状体に用いるＳＵＳ材にはＳＵＳ３０４等のオーステナイト系のステンレス鋼を用いてもよいが、ＳＵＳ４３０等のフェライト系や、ＳＵＳ４１０等のマルテンサイト系ステンレス鋼のように、より低い熱膨張係数を有するステンレス鋼を用いることがより好ましい。なお、炭素鋼はステンレス鋼と比べて腐食が生じやすい材料であるうえ、表面に酸化膜が形成されやすく反射面において高い反射率を維持するのが困難であるため、反射手段２０の板状体の材質に炭素鋼を用いるのは好ましくない。
【0062】
上記の反射手段４０を構成する板状体は、検出マイクロ波Ｗ及び反射検出マイクロ波Ｕを反射させる反射面４０ａの表面粗さがＲａ０.２以下である。これにより、反射手段４０の反射面４０ａにおいて、乱反射を抑えて検出マイクロ波Ｗや反射検出マイクロ波Ｕの正反射率を高めることができるので、より安定的に液位を測定することが可能になる。なお、上記のＲａ０.２以下の表面粗さは、板状体に対して例えば研磨加工を施すことによって実現することができる。
【0063】
上記の反射手段４０は、図６に示す第１の実施形態の反射手段２０と同様に、反射面４０ａに圧縮エアーなどのガスを吹き付けるガス吹付手段を備えていてもよい。これにより、反射手段４０を構成する上記板状体を適度に冷却できるので、熱による変形をより確実に抑制することができるうえ、熔融金属Ｍから発生するヒュームなどの微粒子が反射面４０ａに付着するのを防ぐことができる。
【0064】
本発明の第２の実施形態の液位測定装置においては、更に図１３に示すように、両端が開口した例えば金属製のパイプからなる管状体４１の一端部に上記の反射手段４０を設けると共に、管状体４１の他端部にマイクロ波式変位計３０の送受信部３１のアンテナを挿し込むように設けるのが好ましい。これにより、容器Ｖ内の熔融金属Ｍから発生する輻射熱や熱風等から送受信部３１のアンテナをより確実に保護することができる。また、マイクロ波の進行方向を管状体４１の内側でその延在方向にガイドすることができるので、より高精度に液位を測定することが可能になる。
【0065】
上記の管状体４１の長さには特に限定はないが、容器Ｖ内の熔融金属Ｍの熱の影響を受けないように送受信部３１を容器Ｖから水平方向に十分に離間させることが可能な十分な長さを有していることが好ましい。このように容器Ｖから送受信部３１を離間させた場合であっても、検出マイクロ波Ｗや反射検出マイクロ波Ｕを管状体４１の内側でガイドできるので、液位測定の精度を損なうことなくマイクロ波変位計３０をより確実に熱影響から保護することが可能になる。また、管状体４１に反射手段４０を支持する役割も担わせることで反射手段４０用の支持具を別途設ける必要がなくなるので設置コストを抑えることができるうえ、例えば容器Ｖの周辺に十分な設置スペースがない場合でも反射手段４０と管状体４１とを容易に配置することが可能になる。
【0066】
上記の上部が開放された容器Ｖは、図９の容器ＶをＡ－Ａ部分で切断した断面図である図１４に示すように、その側壁の上端面に全周に亘ってキャスタブル耐火材からなる断面略三角形の反射部Ｖ１が形成されていることが好ましい。これにより、容器Ｖの側壁の上端面に入射する検出マイクロ波Ｗ２やＷ３を、反射手段４０が設けられている方向とは異なる方向に反射させることができるので、これら容器Ｖの側壁の上端面で反射するマイクロ波Ｗ２やＷ３と、容器Ｖ内の熔融金属Ｍの液面で反射するマイクロ波Ｗ１とが共に送受信部３１に受信されて不正確な液位を測定する問題を効果的に回避することができる。
【0067】
２－３ 液位測定装置の使用方法
次に、上記した本発明の第２の実施形態の液位測定装置の使用方法について、上部が開放された容器Ｖとしてダンディッシュ内に液位測定対象の熔融金属Ｍとして熔鋼が貯められている場合を例に挙げて図１５のブロックフロー図を参照しながら説明する。先ず、ステップ１において、タンディッシュ内に流下する熔鋼や該ダンディッシュ内に貯められている熔鋼からマイクロ波式変位計３０が悪影響を受けないように、熔鋼を装入する前の内部が空の状態のタンディッシュの斜め上方で且つダンディッシュから水平方向に離間した位置に、本発明の第２の実施形態の液位測定装置を構成するマイクロ波式変位計３０を設置する。
次に、上記した本発明の第２の実施形態の液位測定装置の使用方法について、上部が開放された容器Ｖとしてダンディッシュ内に液位測定対象の熔融金属Ｍとして熔鋼が貯められている場合を例に挙げて図１５のブロックフロー図を参照しながら説明する。先ず、ステップ１において、タンディッシュ内に流下する熔鋼や該ダンディッシュ内に貯められている熔鋼からマイクロ波式変位計３０が悪影響を受けないように、熔鋼を装入する前の内部が空の状態のタンディッシュの斜め上方で且つダンディッシュから水平方向に離間した位置に、本発明の第２の実施形態の液位測定装置を構成するマイクロ波式変位計３０を設置する。
【0068】
次に、ステップ２において、本発明の第２の実施形態の液位測定装置を構成する反射手段４０をタンディッシュの上方に配設する。その際、マイクロ波式変位計３０を起動し、その送受信部３１から送信した検出マイクロ波Ｗが反射手段４０の反射面４０ａで反射した後にタンディッシュの底面で反射することができ、更にその反射検出マイクロ波Ｕが再度反射手段４０の反射面４０ａで反射した後にマイクロ波式変位計３０の送受信部３１で受信できるように、反射手段４０の位置と角度を調節する。また、必要に応じてマイクロ波式変位計３０の位置と角度も調節する。
【0069】
次に、ステップ３において、基準液位入力手段３４から基準となる熔鋼の液位Ｌ０（例えば、ゼロ）を入力することでその値を記憶部３２に記憶させる。例えば液位Ｌ０をタンディッシュ内に熔鋼が存在していない空の状態の液位とする場合は、この空の状態において検出マイクロ波Ｗを送信し、その送信周波数ｆ(０)を記憶部３２に記憶させる。そして、タンディッシュの底面で反射させた反射検出マイクロ波Ｕを受信し、その受信時点における検出マイクロ波Ｗの送信周波数ｆ(１)を記憶部３２に記憶させる。これら記憶部３２に記憶させたｆ(０)及びｆ(１)と、予め記憶部３２に記憶させておいた送信周波数の経時的な増加率α、及びマイクロ波の速度Ｖから、送受信部３１のアンテナからタンディッシュ底面までのマイクロ波の経路距離Ｌ０´を下記式８に基づいて算出し、その値を記憶部３２に記憶させる。
【0070】
［式８］
Ｌ０´＝((ｆ(１)－ｆ(０))／α)×Ｖ×(１／２)
Ｌ０´＝((ｆ(１)－ｆ(０))／α)×Ｖ×(１／２)
【0071】
以上で液位測定の準備が完了したので、最後にステップ４において、反射手段４０のガス導入路にフレキシブルチューブを介して圧縮エアーを供給した後、タンディッシュ内に熔鋼を装入すると共に、マイクロ波式変位計３０を起動して熔鋼の液位Ｌの測定を開始する。即ち、送受信部３１から検出マイクロ波Ｗを送信し、その送信周波数Ｆ(０)を記憶部３２に記憶させる。
【0072】
そして、熔鋼の液面（液位Ｌ）で反射させた反射検出マイクロ波Ｕを受信し、その受信時点における検出マイクロ波Ｗの送信周波数Ｆ(１)を記憶部３２に記憶させる。そして、記憶部３２に記憶させたＦ(０)及びＦ(１)と、予め記憶部３２に記憶させておいた送信周波数の経時的な増加率α、及びマイクロ波の速度Ｖから、送受信部３１から熔鋼の液面（液位Ｌ）までのマイクロ波の経路距離Ｌ´を下記式９に基づいて算出させ、その値を記憶部３２に記憶させる。
【0073】
［式９］
Ｌ´＝((Ｆ(１)－Ｆ(０))／α)×Ｖ×(１／２)
Ｌ´＝((Ｆ(１)－Ｆ(０))／α)×Ｖ×(１／２)
【0074】
そして、記憶部３２に記憶させたＬ０と、算出したマイクロ波の経路距離Ｌ０´及びＬ´とを下記式１０に代入することで、タンディッシュ内の熔鋼の液位Ｌを算出させる。算出した液位は液位表示手段３５としての例えば計器室のディスプレイに表示させることができる。
【0075】
［式１０］
Ｌ＝Ｌ０＋(Ｌ０´－Ｌ´)
Ｌ＝Ｌ０＋(Ｌ０´－Ｌ´)
【0076】
以上説明したように、本発明の第２の実施形態の液位測定装置を用いることで、従来の熱電対による液位測定とは異なり非接触で測定ができるうえ、熔融金属を貯留する容器から離間した位置にマイクロ波式変位計を配設することができるので、熔融金属から発せられる輻射熱や対流熱によってマイクロ波式変位計が悪影響を受けるのを防ぐことができる。また、容器に熔融金属が存在していない空の状態から満液状態までの広い測定レンジにおける任意の液位を測定することができる。
【符号の説明】
【0077】
１０ 光学式変位計
１１ 放射部
１１ａ 光源
１１ｂ 投光レンズ
１２ 受光部
１２ａ 受光素子
１２ｂ 受光レンズ
１３ 記憶部
１４ 演算部
１５ 基準液位入力手段
１６ 液位表示手段
２０、４０ 反射手段
２０ａ、４０ａ 反射面
２０ｂ 段差面
２１ ガス吹出口
２２ 連通孔
２３ ガス導入孔
２４ フレキシブルチューブ
３０ マイクロ波式変位計
３１ 送受信部
３２ 記憶部
３３ 演算部
３４ 基準液位入力手段
３５ 液位表示手段
Ｄ 検出光
Ｗ 検出マイクロ波
Ｍ 熔融金属
Ｒ 反射検出光
Ｕ 反射検出マイクロ波
Ｖ 容器
Ｖ１ 反射部
Ｉｘ１、Ｉｘ２ 出力電流
Ｘ１、Ｘ２ 出力電極
１１ 放射部
１１ａ 光源
１１ｂ 投光レンズ
１２ 受光部
１２ａ 受光素子
１２ｂ 受光レンズ
１３ 記憶部
１４ 演算部
１５ 基準液位入力手段
１６ 液位表示手段
２０、４０ 反射手段
２０ａ、４０ａ 反射面
２０ｂ 段差面
２１ ガス吹出口
２２ 連通孔
２３ ガス導入孔
２４ フレキシブルチューブ
３０ マイクロ波式変位計
３１ 送受信部
３２ 記憶部
３３ 演算部
３４ 基準液位入力手段
３５ 液位表示手段
Ｄ 検出光
Ｗ 検出マイクロ波
Ｍ 熔融金属
Ｒ 反射検出光
Ｕ 反射検出マイクロ波
Ｖ 容器
Ｖ１ 反射部
Ｉｘ１、Ｉｘ２ 出力電流
Ｘ１、Ｘ２ 出力電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】