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特開2023-239マイクロ波の周波数決定方法、レベル計測装置及びレベル計測方法
(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】P2023000239
(43)【公開日】2023-01-04
(54)【発明の名称】マイクロ波の周波数決定方法、レベル計測装置及びレベル計測方法
(51)【国際特許分類】
G01F 23/284 20060101AFI20221222BHJP
C21C 5/46 20060101ALI20221222BHJP
F27D 21/00 20060101ALI20221222BHJP
G01S 13/08 20060101ALI20221222BHJP
G01S 13/34 20060101ALI20221222BHJP
【ＦＩ】
G01F23/284
C21C5/46 B
F27D21/00 N
G01S13/08
G01S13/34
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021100947
(22)【出願日】2021-06-17
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001748
【氏名又は名称】弁理士法人まこと国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】木下 貴博
(72)【発明者】
【氏名】杉橋 敦史
【テーマコード（参考）】
2F014
4K056
4K070
5J070
【Ｆターム（参考）】
2F014AB02
2F014AC06
2F014FC01
4K056AA02
4K056BA01
4K056CA02
4K056FA17
4K070BE20
5J070AB17
5J070AC02
5J070AC20
5J070AD01
5J070AD02
5J070AE07
5J070AH25
5J070AH31
5J070AH35
5J070AK22
(57)【要約】
【課題】炉内の浴面のレベルをマイクロ波を用いて計測するレベル計測装置において、適切なマイクロ波の周波数を決定する方法等を提供する。
【解決手段】本発明は、アンテナ１０及び信号処理部２０を備え、炉１内の浴面３に向けてマイクロ波を送受信することで、浴面のレベルを計測するレベル計測装置１００において、適切なマイクロ波の周波数を決定する方法である。本発明は、炉内の粉塵によるマイクロ波の減衰量と、アンテナのアンテナ利得とによって表される、マイクロ波の受信信号強度を、マイクロ波の周波数の関数として算出し、信号処理部の熱雑音と、浴面からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、マイクロ波の周波数の関数として算出し、マイクロ波の受信信号強度と、ノイズレベルとによって決まるＳＮ比が、所定のしきい値以上となるように、マイクロ波の周波数を決定する。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明は、アンテナ１０及び信号処理部２０を備え、炉１内の浴面３に向けてマイクロ波を送受信することで、浴面のレベルを計測するレベル計測装置１００において、適切なマイクロ波の周波数を決定する方法である。本発明は、炉内の粉塵によるマイクロ波の減衰量と、アンテナのアンテナ利得とによって表される、マイクロ波の受信信号強度を、マイクロ波の周波数の関数として算出し、信号処理部の熱雑音と、浴面からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、マイクロ波の周波数の関数として算出し、マイクロ波の受信信号強度と、ノイズレベルとによって決まるＳＮ比が、所定のしきい値以上となるように、マイクロ波の周波数を決定する。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
炉内の浴面のレベルを計測するレベル計測装置で用いる、マイクロ波の周波数を決定するマイクロ波の周波数決定方法であって、
前記レベル計測装置は、前記浴面に向けてマイクロ波を送信し、前記浴面で反射した前記マイクロ波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した前記マイクロ波に基づいて前記浴面のレベルを算出する信号処理部と、を有し、
前記炉内の粉塵による前記マイクロ波の減衰量と、前記アンテナのアンテナ利得とによって表される、前記マイクロ波の受信信号強度を、前記マイクロ波の周波数の関数として算出する受信信号強度算出工程と、
前記信号処理部の熱雑音と、前記浴面からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、前記マイクロ波の周波数の関数として算出するノイズレベル算出工程と、
前記受信信号強度算出工程で算出された前記マイクロ波の受信信号強度と、前記ノイズレベル算出工程で算出された前記ノイズレベルとによって決まるＳＮ比が、所定のしきい値以上となるように、前記マイクロ波の周波数を決定する周波数決定工程と、
を有する、マイクロ波の周波数決定方法。
前記レベル計測装置は、前記浴面に向けてマイクロ波を送信し、前記浴面で反射した前記マイクロ波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した前記マイクロ波に基づいて前記浴面のレベルを算出する信号処理部と、を有し、
前記炉内の粉塵による前記マイクロ波の減衰量と、前記アンテナのアンテナ利得とによって表される、前記マイクロ波の受信信号強度を、前記マイクロ波の周波数の関数として算出する受信信号強度算出工程と、
前記信号処理部の熱雑音と、前記浴面からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、前記マイクロ波の周波数の関数として算出するノイズレベル算出工程と、
前記受信信号強度算出工程で算出された前記マイクロ波の受信信号強度と、前記ノイズレベル算出工程で算出された前記ノイズレベルとによって決まるＳＮ比が、所定のしきい値以上となるように、前記マイクロ波の周波数を決定する周波数決定工程と、
を有する、マイクロ波の周波数決定方法。
【請求項2】
前記受信信号強度算出工程において、以下の式（１）～式（５）に基づき、前記炉内の粉塵による前記マイクロ波の減衰量を算出する、請求項１に記載のマイクロ波の周波数決定方法。
上記の式（１）において、Ａ［ｄＢ／ｍ］は前記アンテナから送信されたマイクロ波の単位長さ当たりの減衰量、ｆ［Ｈｚ］は前記マイクロ波の周波数を示す。上記の式（２）及び式（３）において、πは円周率、ｃ［ｍ／ｓ］は光速、ｄ［ｋｇ／ｍ３］は粉塵濃度、ρ［ｋｇ／ｍ３］は粉塵粒子の真比重、Ｄ［ｍ］は粉塵粒子の粒径（直径）、ＶＤ［ｍ３］は粒径Ｄの単一の粉塵粒子の体積、ｑＤは粉塵粒子の粒子数基準の粒径分布を示す。上記の式（４）及び式（５）において、εｒは粉塵粒子の複素比誘電率、μｒは粉塵粒子の複素比透磁率を示す。
【数21】
【請求項3】
請求項１又は２に記載のマイクロ波の周波数決定方法によって決定した周波数のマイクロ波を用いる、前記レベル計測装置。
【請求項4】
周波数が１５～１９ＧＨｚのマイクロ波を用いる、請求項３に記載のレベル計測装置。
【請求項5】
請求項１又は２に記載のマイクロ波の周波数決定方法によって決定した周波数のマイクロ波を用いた前記レベル計測装置を用いて、前記浴面のレベルを計測するレベル計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、転炉のスラグ面等、炉内の浴面のレベルをマイクロ波を用いて計測するレベル計測装置において、適切なマイクロ波の周波数を決定する方法、これを用いたレベル計測装置及びレベル計測方法に関する。
【背景技術】
【0002】
転炉における製鋼プロセスでは、転炉内に溶銑を装入し、溶銑に対してランスから酸素等のガスを吹き込む吹錬を行うことによって、溶銑の成分を調整し、溶鋼を生成する。転炉内の溶融物（溶銑又は溶鋼）の表面には、吹錬の進行に伴って、スラグが生成される。
【0003】
上記の製鋼プロセスにおいて、その生産性を向上させるには、ランスから吹き込むガスの流速（送酸速度）を高めて、吹錬に要する時間を短縮することが重要となる。しかしながら、過度にガスの流速を高めると、スロッピング（フォーミングしたスラグが炉口から溢れる現象）や、スピッティング（噴流によりスラグが飛散する現象）が発生して、歩留まりの低下を招くだけでなく、炉口や排気フード等に地金やスラグが付着して操業が阻害される等の問題が生じる可能性がある。
【0004】
したがって、生産性を向上させるには、転炉内の浴面（スラグ面）のレベルをリアルタイムで正確に計測し、スロッピング等の予兆となるスラグのフォーミング等の挙動をリアルタイムで正確に把握することが重要となる。
【0005】
このため、例えば、特許文献１、２に示すように、転炉内に装入された溶融物のスラグ面のレベルをマイクロ波を用いて計測するレーダ方式のレベル計測装置が提案されている。
【0006】
吹錬中（特に、脱炭吹錬中）の炉内は、浴面からの発塵が多いため、カメラやレーザを用いて浴面のレベルを計測することは困難である。また、可視光に比べて波長の長いマイクロ波を用いたとしても、粉塵によってマイクロ波がある程度減衰することが避けられないため、できるだけ周波数の低いマイクロ波を使用することが望ましい。このような観点から、特許文献１及び特許文献２に記載のレベル計測装置では、Ｘバンド帯以下（約１０ＧＨｚ以下）の周波数のマイクロ波を用いている。
【0007】
しかしながら、転炉の排気フードに設けることのできる開口部の大きさには制約があるため、この開口部に設置できるレベル計測装置のアンテナの大きさにも上限がある（例えば、送信用のアンテナと受信用のアンテナとの合計で６００ｍｍ以下等）。アンテナの大きさが一定の場合、マイクロ波の周波数が高いほどアンテナ利得が大きくなり、マイクロ波の受信信号強度が大きくなる。逆に、アンテナの大きさを一定にしてマイクロ波の周波数を低くした場合、アンテナ利得が小さくなり、マイクロ波の受信信号強度が小さくなる。
【0008】
つまり、マイクロ波の粉塵透過性と、アンテナのアンテナ利得とは、トレードオフの関係にあり、単に周波数を低くして粉塵透過性を向上させただけでは、浴面のレベルを精度良く測定することができない。したがって、粉塵透過性及びアンテナ利得の双方を両立させる適切なマイクロ波の周波数を選定する必要がある。
【0009】
なお、非特許文献１には、レーダ方式によるリモートセンシングの基礎的な理論が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開２０１６－１８０１２６号公報
【特許文献2】特開２０１８－５３３４７号公報
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】深尾昌一郎、浜津享助、“気象と大気のレーダーリモートセンシング”、京都大学学術出版会、２００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、転炉のスラグ面等、炉内の浴面のレベルをマイクロ波を用いて計測するレベル計測装置において、適切なマイクロ波の周波数を決定する方法、これを用いたレベル計測装置及びレベル計測方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記課題を解決するため、本発明は、炉内の浴面のレベルを計測するレベル計測装置で用いる、マイクロ波の周波数を決定するマイクロ波の周波数決定方法であって、
前記レベル計測装置は、前記浴面に向けてマイクロ波を送信し、前記浴面で反射した前記マイクロ波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した前記マイクロ波に基づいて前記浴面のレベルを算出する信号処理部と、を有し、前記炉内の粉塵による前記マイクロ波の減衰量と、前記アンテナのアンテナ利得とによって表される、前記マイクロ波の受信信号強度を、前記マイクロ波の周波数の関数として算出する受信信号強度算出工程と、前記信号処理部の熱雑音と、前記浴面からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、前記マイクロ波の周波数の関数として算出するノイズレベル算出工程と、前記受信信号強度算出工程で算出された前記マイクロ波の受信信号強度と、前記ノイズレベル算出工程で算出された前記ノイズレベルとによって決まるＳＮ比が、所定のしきい値以上となるように、前記マイクロ波の周波数を決定する周波数決定工程と、を有する、マイクロ波の周波数決定方法を提供する。
前記レベル計測装置は、前記浴面に向けてマイクロ波を送信し、前記浴面で反射した前記マイクロ波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した前記マイクロ波に基づいて前記浴面のレベルを算出する信号処理部と、を有し、前記炉内の粉塵による前記マイクロ波の減衰量と、前記アンテナのアンテナ利得とによって表される、前記マイクロ波の受信信号強度を、前記マイクロ波の周波数の関数として算出する受信信号強度算出工程と、前記信号処理部の熱雑音と、前記浴面からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、前記マイクロ波の周波数の関数として算出するノイズレベル算出工程と、前記受信信号強度算出工程で算出された前記マイクロ波の受信信号強度と、前記ノイズレベル算出工程で算出された前記ノイズレベルとによって決まるＳＮ比が、所定のしきい値以上となるように、前記マイクロ波の周波数を決定する周波数決定工程と、を有する、マイクロ波の周波数決定方法を提供する。
【0014】
本発明に係る周波数決定方法によれば、受信信号強度算出工程において、炉内の粉塵によるマイクロ波の減衰量と、アンテナのアンテナ利得とによって表される、マイクロ波の受信信号強度を、マイクロ波の周波数の関数として算出する。換言すれば、粉塵透過性及びアンテナ利得の双方の周波数依存性を考慮してマイクロ波の受信信号強度を算出する。また、ノイズレベル算出工程において、レベル計測装置の信号処理部の熱雑音と、浴面からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、マイクロ波の周波数の関数として算出する。すなわち、受信信号強度算出工程及びノイズレベル算出工程によって、マイクロ波の受信信号強度及びノイズレベルの双方をマイクロ波の周波数の関数として算出する。
本発明に係る周波数決定方法によれば、マイクロ波の受信信号強度及びノイズレベルの双方がマイクロ波の周波数の関数で表されるため、周波数決定工程において、マイクロ波の受信信号強度とノイズレベルとによって決まるＳＮ比が、所定のしきい値以上となるように、マイクロ波の周波数を決定することが可能である。すなわち、ＳＮ比が所定のしきい値以上となる適切なマイクロ波の周波数を決定することが可能である。
本発明に係る周波数決定方法によれば、マイクロ波の受信信号強度及びノイズレベルの双方がマイクロ波の周波数の関数で表されるため、周波数決定工程において、マイクロ波の受信信号強度とノイズレベルとによって決まるＳＮ比が、所定のしきい値以上となるように、マイクロ波の周波数を決定することが可能である。すなわち、ＳＮ比が所定のしきい値以上となる適切なマイクロ波の周波数を決定することが可能である。
【0015】
具体的には、例えば、前記受信信号強度算出工程において、以下の式（１）～式（５）に基づき、前記炉内の粉塵による前記マイクロ波の減衰量を算出することができる。
上記の式（１）において、Ａ［ｄＢ／ｍ］は前記アンテナから送信されたマイクロ波の単位長さ当たりの減衰量、ｆ［Ｈｚ］は前記マイクロ波の周波数を示す。上記の式（２）及び式（３）において、πは円周率、ｃ［ｍ／ｓ］は光速、ｄ［ｋｇ／ｍ３］は粉塵濃度、ρ［ｋｇ／ｍ３］は粉塵粒子の真比重、Ｄ［ｍ］は粉塵粒子の粒径（直径）、ＶＤ［ｍ３］は粒径Ｄの単一の粉塵粒子の体積、ｑＤは粉塵粒子の粒子数基準の粒径分布を示す。上記の式（４）及び式（５）において、εｒは粉塵粒子の複素比誘電率、μｒは粉塵粒子の複素比透磁率を示す。
【数1】
上記の式（１）において、Ａ［ｄＢ／ｍ］は前記アンテナから送信されたマイクロ波の単位長さ当たりの減衰量、ｆ［Ｈｚ］は前記マイクロ波の周波数を示す。上記の式（２）及び式（３）において、πは円周率、ｃ［ｍ／ｓ］は光速、ｄ［ｋｇ／ｍ３］は粉塵濃度、ρ［ｋｇ／ｍ３］は粉塵粒子の真比重、Ｄ［ｍ］は粉塵粒子の粒径（直径）、ＶＤ［ｍ３］は粒径Ｄの単一の粉塵粒子の体積、ｑＤは粉塵粒子の粒子数基準の粒径分布を示す。上記の式（４）及び式（５）において、εｒは粉塵粒子の複素比誘電率、μｒは粉塵粒子の複素比透磁率を示す。
【0016】
また、前記課題を解決するため、本発明は、上述のマイクロ波の周波数決定方法によって決定した周波数のマイクロ波を用いる、前記レベル計測装置としても提供される。また、本発明は、上述のマイクロ波の周波数決定方法によって決定した周波数のマイクロ波を用いた前記レベル計測装置を用いて、前記浴面のレベルを計測するレベル計測方法としても提供される。
本発明に係るレベル計測装置及びレベル計測方法によれば、本発明に係る周波数決定方法によって決定した適切な周波数のマイクロ波を用いて、浴面のレベルを精度良く計測することが可能である。
本発明に係るレベル計測装置及びレベル計測方法によれば、本発明に係る周波数決定方法によって決定した適切な周波数のマイクロ波を用いて、浴面のレベルを精度良く計測することが可能である。
【0017】
本発明に係るレベル計測装置及びレベル計測方法では、例えば、周波数が１５～１９ＧＨｚのマイクロ波を用いて、前記浴面のレベルを計測することが考えられる。
【0018】
本発明に係るレベル計測装置及びレベル計測方法は、前記炉が転炉であり、前記浴面がスラグ面である場合に好適に用いられる。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、炉内の浴面のレベルをマイクロ波を用いて計測するレベル計測装置において、適切なマイクロ波の周波数を決定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】転炉及び本発明の一実施形態に係るレベル計測装置の概略構成を模式的に説明する説明図である。
【図3】本発明の一実施形態に係るマイクロ波の周波数決定方法が有する工程を示すフロー図である。
【図4】実施例で用いた粉塵粒子の粒子数基準の粒径分布を示す図である。
【図5】実施例において、受信信号強度、ノイズレベル及びＳＮ比を周波数の関数として算出した結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について、レベルを計測する対象である炉が転炉であり、レベルを計測する炉内の浴面がスラグ面である場合を例に挙げて説明する。
図１は、転炉及び本実施形態に係るレベル計測装置の概略構成を模式的に説明する説明図である。図１（ａ）は転炉及びレベル計測装置の全体構成を示す図であり、図１（ｂ）はレベル計測装置の回路構成を示す図である。
図１は、転炉及び本実施形態に係るレベル計測装置の概略構成を模式的に説明する説明図である。図１（ａ）は転炉及びレベル計測装置の全体構成を示す図であり、図１（ｂ）はレベル計測装置の回路構成を示す図である。
【0022】
図１（ａ）に示すように、転炉における製鋼プロセスでは、転炉１内に溶銑２を装入し、溶銑２に対してランス４から酸素等のガスを吹き込む吹錬を行うことによって、溶銑２の成分を調整し、溶鋼を生成する。転炉１内の溶融物（溶銑２又は溶鋼）の表面には、吹錬の進行に伴って、スラグが生成される。本実施形態に係るレベル計測装置１００は、転炉１内に生成されるスラグの表面（スラグ面）３のレベルをリアルタイムで計測する。スラグ面３のレベルとは、転炉１の炉底や所定の基準位置から見た、スラグ面３の高さを意味する。
【0023】
転炉１内で行われる吹錬により、転炉１内に蒸気や粉塵（ダスト）等が発生するため、発生する粉塵等が外部環境に放出されないように、転炉１の炉口付近に排気フード５が設けられている。この排気フード５には、ランス４を転炉１内に挿入するための開口部５１や、レベル計測装置１００が備えるアンテナ１０が配置される開口部５２が形成されている。
【0024】
図１に示すように、レベル計測装置１００は、炉内の浴面であるスラグ面３に向けてマイクロ波を送信し、スラグ面３で反射したマイクロ波を受信するアンテナ１０と、アンテナ１０に接続され、アンテナ１０が受信したマイクロ波に基づいてスラグ面３のレベルを算出する信号処理部２０と、を備える。なお、本実施形態の信号処理部２０は、アンテナ１０からのマイクロ波の送信を制御する機能も有する。
本実施形態では、アンテナ１０として、マイクロ波送信用のアンテナ１０ａと、マイクロ波受信用のアンテナ１０ｂと、を具備する。アンテナ１０ａ、１０ｂは、円錐形のホーンアンテナである。図１（ａ）に破線の矢符で示すように、送信用アンテナ１０ａから転炉１内のスラグ面３に向けてマイクロ波が送信され、スラグ面３で反射したマイクロ波が受信用アンテナ１０ｂで受信され、信号処理部２０での演算により、スラグ面３のレベルが計測される。ただし、本発明はこれに限るものではなく、送信用と受信用を兼ねる単一のアンテナ１０を用いることも可能である。
本実施形態では、アンテナ１０として、マイクロ波送信用のアンテナ１０ａと、マイクロ波受信用のアンテナ１０ｂと、を具備する。アンテナ１０ａ、１０ｂは、円錐形のホーンアンテナである。図１（ａ）に破線の矢符で示すように、送信用アンテナ１０ａから転炉１内のスラグ面３に向けてマイクロ波が送信され、スラグ面３で反射したマイクロ波が受信用アンテナ１０ｂで受信され、信号処理部２０での演算により、スラグ面３のレベルが計測される。ただし、本発明はこれに限るものではなく、送信用と受信用を兼ねる単一のアンテナ１０を用いることも可能である。
【0025】
本実施形態の信号処理部２０は、送信用アンテナ１０ａからスラグ面３に向けて送信するマイクロ波（以下、適宜「送信波」という）と、スラグ面３で反射し受信用アンテナ１０ｂで受信されるマイクロ波（以下、適宜「受信波」という）とを混合することによって生じるビート波を利用する、いわゆるＦＭ－ＣＷ方式で、スラグ面３のレベルを計測する構成である。ただし、本発明はこれに限るものではなく、単一周波数のマイクロ波の位相差を用いる等、他の方式でスラグ面３のレベルを計測する構成を採用することも可能である。
図１（ｂ）に示すように、本実施形態の信号処理部２０は、発振器２１と、パワーアンプ２２と、ミキサ２３と、ローノイズアンプ２４と、ＩＦアンプ２５と、ローパスフィルタ２６と、ＡＤ変換器２７と、コンピュータ２８と、を具備する。
図１（ｂ）に示すように、本実施形態の信号処理部２０は、発振器２１と、パワーアンプ２２と、ミキサ２３と、ローノイズアンプ２４と、ＩＦアンプ２５と、ローパスフィルタ２６と、ＡＤ変換器２７と、コンピュータ２８と、を具備する。
【0026】
図２は、アンテナ１０から送信される送信波と、アンテナ１０で受信される受信波との関係を模式的に説明する説明図である。
信号処理部２０の発振器２１では、周波数変調した波形、すなわち、時間の経過と共に周波数が変化する波形を生成し、この波形をパワーアンプ２２及びミキサ２３に送信する。パワーアンプ２２は、この波形を増幅した後、送信用アンテナ１０ａに送信する。これにより、送信用アンテナ１０ａから、図２に示すように周波数ｆが掃引周期毎に直線的に変化する送信波が送信される。図２に示す例では、送信波の周波数変調の幅がＦ［Ｈｚ］であり、掃引周期がＳＴ［ｓ］の送信波が送信される。
信号処理部２０の発振器２１では、周波数変調した波形、すなわち、時間の経過と共に周波数が変化する波形を生成し、この波形をパワーアンプ２２及びミキサ２３に送信する。パワーアンプ２２は、この波形を増幅した後、送信用アンテナ１０ａに送信する。これにより、送信用アンテナ１０ａから、図２に示すように周波数ｆが掃引周期毎に直線的に変化する送信波が送信される。図２に示す例では、送信波の周波数変調の幅がＦ［Ｈｚ］であり、掃引周期がＳＴ［ｓ］の送信波が送信される。
【0027】
一方、図２に示すように、受信用アンテナ１０ｂで受信される受信波も、送信波と同様に、周波数変調の幅がＦ［Ｈｚ］であり、掃引周期がＳＴ［ｓ］である。ただし、受信波は、送信波に対して、測定対象であるスラグ面３までの距離Ｒに比例する時間遅れΔｔ［ｓ］を生じることになる。この時間遅れΔｔ［ｓ］は、同時刻における送信波と受信波との周波数の差Δｆ［Ｈｚ］に比例する。この受信波はローノイズアンプ２４で増幅された後、ミキサ２３に送信される。ミキサ２３では、送信波と受信波とが混合され（正確には、発振器２１の出力波形とローノイズアンプ２４の出力波形とが混合され）、周波数Δｆを有するビート波が生成される。
【0028】
ミキサ２３で生成されたビート波は、ＩＦアンプ２５で増幅され、ローパスフィルタ２６で不要な高周波成分が除去された後、ＡＤ変換器２７でＡＤ変換されて、コンピュータ２８に取り込まれる。コンピュータ２８には、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理等を実行するためのプログラムがインストールされており、コンピュータ２８がＡＤ変換後のビート波にＦＦＴ処理を実行することで、周波数を横軸とするパワースペクトルが生成される。このパワースペクトルのピーク位置を検出することで、周波数Δｆを特定し、この特定した周波数Δｆから、時間遅れΔｔ、ひいてはスラグ面３までの距離Ｒを算出することが可能である。
なお、周波数を横軸とするパワースペクトルの代わりに、各周波数に対応する距離を横軸とするパワースペクトルを生成し、このパワースペクトルのピーク位置を検出することで、スラグ面３までの距離Ｒを直接算出することも可能である。
なお、周波数を横軸とするパワースペクトルの代わりに、各周波数に対応する距離を横軸とするパワースペクトルを生成し、このパワースペクトルのピーク位置を検出することで、スラグ面３までの距離Ｒを直接算出することも可能である。
【0029】
本実施形態に係るレベル計測装置１００は、以上のようにして、スラグ面３までの距離Ｒ、ひいてはスラグ面３のレベルを計測可能であるが、用いるマイクロ波の周波数ｆ（発振器２１で生成する波形の周波数ｆに相当）の決定方法に特徴を有する。以下、この点について説明する。
【0030】
図３は、本実施形態に係るマイクロ波の周波数決定方法が有する工程を示すフロー図である。図３に示すように、本実施形態に係る周波数決定方法は、受信信号強度算出工程ＳＴ１と、ノイズレベル算出工程ＳＴ２と、周波数決定工程ＳＴ３と、を有する。以下、各工程ＳＴ１～ＳＴ３について説明する。
【0031】
＜受信信号強度算出工程ＳＴ１＞
受信信号強度算出工程ＳＴ１では、転炉１内の粉塵によるマイクロ波の減衰量と、アンテナ１０のアンテナ利得とによって表される、マイクロ波の受信信号強度（具体的には、受信用アンテナ１０ｂで受信される受信波の強度）を、マイクロ波の周波数ｆの関数として算出する。
受信信号強度算出工程ＳＴ１では、転炉１内の粉塵によるマイクロ波の減衰量と、アンテナ１０のアンテナ利得とによって表される、マイクロ波の受信信号強度（具体的には、受信用アンテナ１０ｂで受信される受信波の強度）を、マイクロ波の周波数ｆの関数として算出する。
【0032】
［粉塵によるマイクロ波の減衰量］
粉塵によるマイクロ波の減衰量は、転炉１内の溶融物の上方で飛散している粉塵粒子によるマイクロ波の散乱モデルによって定量化することができる。アンテナ１０から送信されたマイクロ波（電磁波）の単位長さ当たりの減衰量Ａは、その単位を［ｄＢ／ｍ］とし、減衰する側を正の値とすると、マイクロ波の周波数をｆ［Ｈｚ］として、以下の式（１）で表される。
上記の式（１）において、α、βは、それぞれ以下の式（２）及び式（３）で表される。なお、式（１）において、αに比例する項（４．３４×αｆ４）はレイリー散乱を表し、βに比例する項（４．３４×βｆ）は吸収減衰を表す。
上記の式（２）及び式（３）において、πは円周率、ｃ［ｍ／ｓ］は光速、ｄ［ｋｇ／ｍ３］は粉塵濃度（ダスト濃度）、ρ［ｋｇ／ｍ３］は粉塵粒子の真比重、Ｄ［ｍ］は粉塵粒子の粒径（直径）、ＶＤ［ｍ３］は粒径Ｄの単一の粉塵粒子の体積、ｑＤは粉塵粒子の粒子数基準の粒径分布を示す。
式（２）におけるＫαの右側に位置する項（以下の（２ａ）に示す項）は、飛散している全ての粉塵粒子の影響を考慮するために、粉塵粒子の粒径Ｄに依存する影響因子Ｄ６を粒子数基準の粒径分布ｑＤで重み付け平均することを意味する。同様に、式（３）におけるＫβの右側に位置する項（以下の（３ａ）に示す項）は、飛散している全ての粉塵粒子の影響を考慮するために、粉塵粒子の粒径Ｄに依存する影響因子Ｄ３を粒子数基準の粒径分布ｑＤで重み付け平均することを意味する。
粉塵によるマイクロ波の減衰量は、転炉１内の溶融物の上方で飛散している粉塵粒子によるマイクロ波の散乱モデルによって定量化することができる。アンテナ１０から送信されたマイクロ波（電磁波）の単位長さ当たりの減衰量Ａは、その単位を［ｄＢ／ｍ］とし、減衰する側を正の値とすると、マイクロ波の周波数をｆ［Ｈｚ］として、以下の式（１）で表される。
【数2】
【数3】
【数4】
式（２）におけるＫαの右側に位置する項（以下の（２ａ）に示す項）は、飛散している全ての粉塵粒子の影響を考慮するために、粉塵粒子の粒径Ｄに依存する影響因子Ｄ６を粒子数基準の粒径分布ｑＤで重み付け平均することを意味する。同様に、式（３）におけるＫβの右側に位置する項（以下の（３ａ）に示す項）は、飛散している全ての粉塵粒子の影響を考慮するために、粉塵粒子の粒径Ｄに依存する影響因子Ｄ３を粒子数基準の粒径分布ｑＤで重み付け平均することを意味する。
【数5】
【数6】
【0033】
また、上記の式（２）におけるＫαは、以下の式（４）で表され、上記の式（３）におけるＫβは、以下の式（５）で表される。
上記の式（４）及び式（５）において、εｒは粉塵粒子の複素比誘電率、μｒは粉塵粒子の複素比透磁率を示す。
なお、式（４）で表されるＫα及び式（５）で表されるＫβについては、それぞれ複素比誘電率のみを考慮した以下の式（４ａ）及び式（５ａ）が公知である。具体的には、例えば、非特許文献１の第４２頁に記載の式（３．１７）を第５１頁に記載の式（３．６６）に当てはめて、散乱と吸収とに分けて記述すれば、式（４ａ）及び式（５ａ）が得られる。
しかしながら、転炉１内で飛散している粉塵粒子には、酸化鉄や金属鉄等の磁性体も含まれていることから、本実施形態では、磁気双極子の影響を考慮して、式（４）及び式（５）に示すように、複素比透磁率μｒを含む形に修正している。
【数7】
【数8】
なお、式（４）で表されるＫα及び式（５）で表されるＫβについては、それぞれ複素比誘電率のみを考慮した以下の式（４ａ）及び式（５ａ）が公知である。具体的には、例えば、非特許文献１の第４２頁に記載の式（３．１７）を第５１頁に記載の式（３．６６）に当てはめて、散乱と吸収とに分けて記述すれば、式（４ａ）及び式（５ａ）が得られる。
【数9】
【数10】
【0034】
以上に説明した式（１）は、マイクロ波の周波数ｆが高いほど、粉塵粒子によるマイクロ波の減衰量（マイクロ波の単位長さ当たりの減衰量Ａ）が大きくなることを示している。
【0035】
［アンテナ１０のアンテナ利得］
レベル計測装置１００の性能を決定するアンテナ１０のアンテナ利得Ｇは、以下の式（６）で表される。
上記の式（６）において、ηはアンテナ１０の開口効率、ｒ［ｍ］はアンテナ１０の半径、λ［ｍ］はマイクロ波の波長を示す。
なお、上記の式（６）は、非特許文献１の第２３頁に記載の式（２．８３）に有効開口面積Ａｅ＝η×πｒ２を代入することにより得られる。
レベル計測装置１００の性能を決定するアンテナ１０のアンテナ利得Ｇは、以下の式（６）で表される。
【数11】
なお、上記の式（６）は、非特許文献１の第２３頁に記載の式（２．８３）に有効開口面積Ａｅ＝η×πｒ２を代入することにより得られる。
【0036】
光速ｃ、周波数ｆ及び波長λの間には、ｃ＝ｆλが成り立つため、上記の式（６）は、以下の式（７）に書き換えることができる。
上記の式（７）を単位ｄＢｉで書き換えると、以下の式（８）となる。
上記の式（７）及び式（８）は、マイクロ波の周波数ｆが高いほど、アンテナ１０のアンテナ利得Ｇが大きくなることを示している。
【数12】
【数13】
【0037】
［受信信号強度の算出］
受信信号強度算出工程ＳＴ１では、以上に説明した、マイクロ波の単位長さ当たりの減衰量Ａと、アンテナ１０のアンテナ利得Ｇとを用いて、以下の式（９）に基づき、マイクロ波の受信信号強度Ｐｒを算出する。
上記の式（９）において、Ｐｔ［ｄＢ］はマイクロ波の送信信号強度（具体的には、送信用アンテナ１０ａから送信される送信波の強度）、σ［ｄＢｓｍ］は測定対象であるスラグ面３のレーダ反射断面積を示す。
なお、非特許文献１の第３８頁に記載の式（３．８）をｄＢ単位に変換すると、粉塵粒子によるマイクロ波の減衰量を考慮していない、一般的なレーダ方程式である、以下の式（９ａ）が得られる。
上記の式（９）は、この式（９ａ）に、スラグ面３までの往復距離２Ｒでのマイクロ波の減衰量の項である－２ＡＲを加えると共に、ｃ＝ｆλに基づき、波長λを周波数ｆ及び光速ｃで書き換えたものである。
受信信号強度算出工程ＳＴ１では、以上に説明した、マイクロ波の単位長さ当たりの減衰量Ａと、アンテナ１０のアンテナ利得Ｇとを用いて、以下の式（９）に基づき、マイクロ波の受信信号強度Ｐｒを算出する。
【数14】
なお、非特許文献１の第３８頁に記載の式（３．８）をｄＢ単位に変換すると、粉塵粒子によるマイクロ波の減衰量を考慮していない、一般的なレーダ方程式である、以下の式（９ａ）が得られる。
【数15】
【0038】
測定対象であるスラグ面３のレーダ反射断面積σ、粉塵粒子の複素比誘電率εｒ、粉塵粒子の複素比透磁率μｒ、粉塵粒子の粒子数基準の粒径分布ｑＤ、粉塵粒子の真比重ρ、粉塵濃度ｄを予め求めておき、想定されるスラグ面３までの最大距離を式（９）で用いる距離Ｒとして決定し、式（９）のＡとＧとに、それぞれ式（１）及び式（８）を代入すれば、式（９）はマイクロ波の周波数ｆの関数で表される。このため、周波数ｆに対してマイクロ波の受信信号強度Ｐｒを計算することができる。
なお、スラグ面３のレーダ反射断面積σは、例えば、有限要素法による電磁場解析を用いたり、スラグ面３からのマイクロ波の受信信号強度を予め実測しておくことで、算出可能である。また、実測粒径分布ｑＤは、例えば、排気フード５を通る粉塵粒子を収集し、収集した粉塵粒子に対して光学式の粒度分布計を用いて測定可能である。また、粉塵濃度ｄは、例えば、排気フード５に光学式のダスト濃度計を取り付けることで測定可能である。
なお、スラグ面３のレーダ反射断面積σは、例えば、有限要素法による電磁場解析を用いたり、スラグ面３からのマイクロ波の受信信号強度を予め実測しておくことで、算出可能である。また、実測粒径分布ｑＤは、例えば、排気フード５を通る粉塵粒子を収集し、収集した粉塵粒子に対して光学式の粒度分布計を用いて測定可能である。また、粉塵濃度ｄは、例えば、排気フード５に光学式のダスト濃度計を取り付けることで測定可能である。
【0039】
＜ノイズレベル算出工程ＳＴ２＞
ノイズレベル算出工程ＳＴ２では、信号処理部２０（具体的には、ＡＤ変換器２７）の熱雑音と、スラグ面３からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、マイクロ波の周波数ｆの関数として算出する。
ノイズレベル算出工程ＳＴ２では、信号処理部２０（具体的には、ＡＤ変換器２７）の熱雑音と、スラグ面３からの輻射ノイズとによって表されるノイズレベルを、マイクロ波の周波数ｆの関数として算出する。
【0040】
［ＡＤ変換器２７の熱雑音］
レベル計測装置１００に生じる主たるノイズは、信号処理部２０の熱雑音、特に、ＡＤ変換器２７の熱雑音である。ＡＤ変換器２７の熱雑音Ｎｔは、以下の式（１０）で表される。
上記の式（１０）において、ｋＢ［ｍ２ｋｇ／ｓ２Ｋ］はボルツマン定数、ｆｓ［Ｈｚ］はＡＤ変換器２７のサンプリング周波数（ＡＤ変換器２７で取得できる周波数の帯域幅の２倍に相当）、Ｔ［Ｋ］はＡＤ変換器２７の温度を示す。
レベル計測装置１００に生じる主たるノイズは、信号処理部２０の熱雑音、特に、ＡＤ変換器２７の熱雑音である。ＡＤ変換器２７の熱雑音Ｎｔは、以下の式（１０）で表される。
【数16】
【0041】
［スラグ面３からの輻射ノイズ］
本実施形態では、転炉１内の溶融物が１０００℃以上の高温であるため、スラグ面３からのマイクロ波帯の電磁波の放射の影響が無視できない。スラグ面３から放射された電磁波はインコヒーレントであるため、受信用アンテナ１０ｂではホワイトノイズとして検出される。このホワイトノイズに対応する信号は、ミキサ２３にて送信波（発振器２１の出力波形）と混合された後、ＩＦアンプ２５で増幅され、ローパスフィルタ２６を通過し、ＡＤ変換器２７でＡＤ変換されて、コンピュータ２８に取り込まれる。そこで、ローパスフィルタ２６のカットオフ周波数で決められる帯域幅の放射エネルギーを輻射ノイズの大きさとして考えることとする。したがって、輻射ノイズＮｒを算出するに際しては、プランクの法則に従って、以下の式（１１）で表される、単位帯域幅当たりで且つ単位立体角当たりの分光放射輝度Ｌ（λ，Ｔｔ）を算出する。
そして、ローパスフィルタ２６のカットオフ周波数で決められる帯域幅によって算出される波長幅Δλ、発熱源であるスラグ面３のうち受信用アンテナ１０ｂの視野に入る面積Ｓ、アンテナ１０に入り込む立体角Ωを分光放射輝度Ｌ（λ，Ｔｔ）に乗算して、ｄＢ単位に変換すると、輻射ノイズＮｒは、以下の式（１２）で表される。
上記の式（１１）及び式（１２）において、Ｃ１は放射の第１定数、Ｃ２は放射の第２定数、Ｔｔ［Ｋ］は測定対象であるスラグ面３の温度である。
本実施形態では、転炉１内の溶融物が１０００℃以上の高温であるため、スラグ面３からのマイクロ波帯の電磁波の放射の影響が無視できない。スラグ面３から放射された電磁波はインコヒーレントであるため、受信用アンテナ１０ｂではホワイトノイズとして検出される。このホワイトノイズに対応する信号は、ミキサ２３にて送信波（発振器２１の出力波形）と混合された後、ＩＦアンプ２５で増幅され、ローパスフィルタ２６を通過し、ＡＤ変換器２７でＡＤ変換されて、コンピュータ２８に取り込まれる。そこで、ローパスフィルタ２６のカットオフ周波数で決められる帯域幅の放射エネルギーを輻射ノイズの大きさとして考えることとする。したがって、輻射ノイズＮｒを算出するに際しては、プランクの法則に従って、以下の式（１１）で表される、単位帯域幅当たりで且つ単位立体角当たりの分光放射輝度Ｌ（λ，Ｔｔ）を算出する。
【数17】
【数18】
【0042】
［ノイズレベルの算出］
以上に説明したＡＤ変換器２７の熱雑音Ｎｔと輻射ノイズＮｒとの和に、信号処理部２０を構成する回路の雑音指数ＮＦ［ｄＢ］を加えたものが、ＡＤ変換器２７に入力されるノイズとなる。このノイズは、コンピュータ２８で信号処理を施すことにより低減可能である。ノイズを低減するための信号処理としては、例えば、ＦＦＴ処理、オーバーサンプリング及びコヒーレント積分の３つの処理が考えられる。これら３つの処理を合わせたノイズの低減代Ｎｓは、ＦＦＴ点数をＮＦＦＴ、ＡＤ変換器２７のサンプリング周波数を前述のようにｆｓ、コヒーレント積分回数をｎ、ローパスフィルタ２６を通過後の中間周波数信号の帯域幅（ビート波が取り得る周波数の帯域幅）をＢＷとすると、以下の式（１３）で表される。
以上に説明したＡＤ変換器２７の熱雑音Ｎｔと輻射ノイズＮｒとの和に、信号処理部２０を構成する回路の雑音指数ＮＦ［ｄＢ］を加えたものが、ＡＤ変換器２７に入力されるノイズとなる。このノイズは、コンピュータ２８で信号処理を施すことにより低減可能である。ノイズを低減するための信号処理としては、例えば、ＦＦＴ処理、オーバーサンプリング及びコヒーレント積分の３つの処理が考えられる。これら３つの処理を合わせたノイズの低減代Ｎｓは、ＦＦＴ点数をＮＦＦＴ、ＡＤ変換器２７のサンプリング周波数を前述のようにｆｓ、コヒーレント積分回数をｎ、ローパスフィルタ２６を通過後の中間周波数信号の帯域幅（ビート波が取り得る周波数の帯域幅）をＢＷとすると、以下の式（１３）で表される。
【数19】
【0043】
最終的に、ノイズレベル算出工程ＳＴ２では、以上に説明した、式（１０）で表されるＡＤ変換器２７の熱雑音Ｎｔと、式（１２）で表される輻射ノイズＮｒと、信号処理部２０を構成する回路の雑音指数ＮＦと、式（１３）で表されるノイズの低減代Ｎｓとを用いて、以下の式（１４）に基づき、ノイズレベルＮを算出する。
ＡＤ変換器２７の温度Ｔ、スラグ面３の温度Ｔｔを予め求めておけば、ｃ＝ｆλが成り立つため、式（１０）～式（１４）によって算出されるノイズレベルＮも、マイクロ波の周波数ｆの関数で表される。このため、周波数ｆに対してノイズレベルＮを計算することができる。
【数20】
【0044】
＜周波数決定工程ＳＴ３＞
周波数決定工程ＳＴ３では、受信信号強度算出工程ＳＴ１で算出されたマイクロ波の受信信号強度Ｐｒと、ノイズレベル算出工程ＳＴ２で算出されたノイズレベルＮとによって決まるＳＮ比を算出する。具体的には、マイクロ波の受信信号強度ＰｒとノイズレベルＮとの比（ｄＢ単位で表した場合は差）をＳＮ比として算出する。前述のように、マイクロ波の受信信号強度Ｐｒ及びノイズレベルＮの双方がマイクロ波の周波数ｆの関数で表されるため、ＳＮ比もマイクロ波の周波数ｆの関数で表されることになる。
このため、周波数決定工程ＳＴ３では、算出されたＳＮ比が所定のしきい値Ｔｈ（例えば、１０ｄＢ）以上となるように、マイクロ波の周波数ｆ（周波数ｆの範囲）を決定することができる。
周波数決定工程ＳＴ３では、受信信号強度算出工程ＳＴ１で算出されたマイクロ波の受信信号強度Ｐｒと、ノイズレベル算出工程ＳＴ２で算出されたノイズレベルＮとによって決まるＳＮ比を算出する。具体的には、マイクロ波の受信信号強度ＰｒとノイズレベルＮとの比（ｄＢ単位で表した場合は差）をＳＮ比として算出する。前述のように、マイクロ波の受信信号強度Ｐｒ及びノイズレベルＮの双方がマイクロ波の周波数ｆの関数で表されるため、ＳＮ比もマイクロ波の周波数ｆの関数で表されることになる。
このため、周波数決定工程ＳＴ３では、算出されたＳＮ比が所定のしきい値Ｔｈ（例えば、１０ｄＢ）以上となるように、マイクロ波の周波数ｆ（周波数ｆの範囲）を決定することができる。
【0045】
本実施形態に係るレベル計測装置１００は、以上に説明した受信信号強度算出工程ＳＴ１、ノイズレベル算出工程ＳＴ２及び周波数決定工程ＳＴ３を実行することで決定された周波数ｆの波形を生成するように、信号処理部２０の発振器２１が設定されている。具体的には、本実施形態では、ＦＭ－ＣＷ方式でスラグ面３のレベルを計測するため、発振器２１で生成される波形の周波数変調幅Ｆ（図２参照）によって決まる周波数の範囲が、決定された周波数ｆの範囲に含まれるように、設定されている。発振器２１が単一周波数の波形を生成する場合（単一周波数のマイクロ波を用いてスラグ面３のレベルを計測する場合）には、この単一周波数が決定された周波数ｆの範囲に含まれるように、設定すればよい。
【0046】
なお、本実施形態では、ノイズレベル算出工程ＳＴ２でノイズレベルＮを算出する際に、ノイズの低減代Ｎｓを考慮したが、ノイズを低減するための信号処理を施さないのであれば、ノイズの低減代Ｎｓを考慮せずにノイズレベルＮを算出すればよい。
【0047】
また、本実施形態では、レベルを計測する対象である炉が転炉１であり、レベルを計測する炉内の浴面がスラグ面３である場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、高炉の装入物のレベルや、高炉下部の浴面のレベルや、銅の精錬炉の浴面のレベルを計測する場合に適用することも可能である。
また、本実施形態では、アンテナ１０が、送信用アンテナ１０ａと受信用アンテナ１０ｂとに分離した構成を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、送信用と受信用を兼ねる、一体型の単一の送受信アンテナを用いることも可能である。
また、本実施形態では、アンテナ１０が、送信用アンテナ１０ａと受信用アンテナ１０ｂとに分離した構成を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、送信用と受信用を兼ねる、一体型の単一の送受信アンテナを用いることも可能である。
【0048】
以下、本実施形態に係るレベル計測装置１００に対して、適切なマイクロ波の周波数ｆを決定した実施例について説明する。
本実施例では、受信信号強度Ｐｒを計算するに際して、スラグ面３までの距離Ｒを２５［ｍ］とし、粉塵粒子の真比重ρを４４９０．５［ｋｇ／ｍ３］とし、粉塵粒子の複素比誘電率εｒを６２．４＋１４．１ｊとし、粉塵粒子の複素比透磁率μｒを１．２４＋０．５９ｊとし、粉塵濃度ｄを５０［ｇ／ｍ３］、１００［ｇ／ｍ３］及び２００［ｇ／ｍ３］の３条件とし、スラグ面３のレーダ反射断面積σを－４３［ｄＢｓｍ］とし、マイクロ波の送信信号強度Ｐｔを１０［ｄＢｍ］とする条件を用いた。また、粉塵粒子の粒子数基準の粒径分布ｑＤとして、図４に示す粒径分布を用いた。図４の縦軸は、横軸に示す各粒径を有する粉塵粒子の粒子数を総粒子数に対する割合で示したものである。
また、ノイズレベルＮを計算するに際して、測定対象であるスラグ面３の温度Ｔｔを１７００［℃］とし、ＡＤ変換器２７の温度Ｔを４０［℃］とし、雑音指数ＮＦを２１．５［ｄＢ］とし、ＦＦＴ点数ＮＦＦＴを２０４８点とし、ＡＤ変換器２７のサンプリング周波数Ｂを１．２［ＭＨｚ］とし、コヒーレント積分回数ｎを１回とする条件を用いた。
以上に述べた条件で、受信信号強度算出工程ＳＴ１、ノイズレベル算出工程ＳＴ２及び周波数決定工程ＳＴ３を実行することで、受信信号強度Ｐｒ、ノイズレベルＮ及びＳＮ比を周波数ｆの関数として算出した。
本実施例では、受信信号強度Ｐｒを計算するに際して、スラグ面３までの距離Ｒを２５［ｍ］とし、粉塵粒子の真比重ρを４４９０．５［ｋｇ／ｍ３］とし、粉塵粒子の複素比誘電率εｒを６２．４＋１４．１ｊとし、粉塵粒子の複素比透磁率μｒを１．２４＋０．５９ｊとし、粉塵濃度ｄを５０［ｇ／ｍ３］、１００［ｇ／ｍ３］及び２００［ｇ／ｍ３］の３条件とし、スラグ面３のレーダ反射断面積σを－４３［ｄＢｓｍ］とし、マイクロ波の送信信号強度Ｐｔを１０［ｄＢｍ］とする条件を用いた。また、粉塵粒子の粒子数基準の粒径分布ｑＤとして、図４に示す粒径分布を用いた。図４の縦軸は、横軸に示す各粒径を有する粉塵粒子の粒子数を総粒子数に対する割合で示したものである。
また、ノイズレベルＮを計算するに際して、測定対象であるスラグ面３の温度Ｔｔを１７００［℃］とし、ＡＤ変換器２７の温度Ｔを４０［℃］とし、雑音指数ＮＦを２１．５［ｄＢ］とし、ＦＦＴ点数ＮＦＦＴを２０４８点とし、ＡＤ変換器２７のサンプリング周波数Ｂを１．２［ＭＨｚ］とし、コヒーレント積分回数ｎを１回とする条件を用いた。
以上に述べた条件で、受信信号強度算出工程ＳＴ１、ノイズレベル算出工程ＳＴ２及び周波数決定工程ＳＴ３を実行することで、受信信号強度Ｐｒ、ノイズレベルＮ及びＳＮ比を周波数ｆの関数として算出した。
【0049】
図５は、本実施例において、受信信号強度Ｐｒ、ノイズレベルＮ及びＳＮ比を周波数ｆの関数として算出した結果を示す。図５（ａ）は粉塵濃度ｄが５０［ｇ／ｍ３］である場合の結果、図５（ｂ）は粉塵濃度ｄが１００［ｇ／ｍ３］である場合の結果、図５（ｃ）は粉塵濃度ｄが２００［ｇ／ｍ３］である場合の結果を示す。
図５に示すように、周波数ｆが高くなると、ノイズレベルＮは単調増加するが、受信信号強度Ｐｒについては、粉塵によるマイクロ波の減衰量が大きくなるものの、アンテナ１０のアンテナ利得も大きくなるため、両者のバランスによって、受信信号強度Ｐｒは極大値を有するように変動する。この結果、ＳＮ比が極大値を示す最適な周波数ｆが存在することが分かる。
図５に示すように、周波数ｆが高くなると、ノイズレベルＮは単調増加するが、受信信号強度Ｐｒについては、粉塵によるマイクロ波の減衰量が大きくなるものの、アンテナ１０のアンテナ利得も大きくなるため、両者のバランスによって、受信信号強度Ｐｒは極大値を有するように変動する。この結果、ＳＮ比が極大値を示す最適な周波数ｆが存在することが分かる。
【0050】
例えば、ＳＮ比が１０ｄＢ以上であればスラグ面３までの距離Ｒを測定可能であると考え、しきい値Ｔｈを１０ｄＢに設定すると、図５（ａ）に示すように、粉塵濃度ｄが５０［ｇ／ｍ３］である場合には、図中に矢符で示す周波数ｆが８～７２［ＧＨｚ］の範囲でＳＮ比がしきい値Ｔｈ以上となる（２５ＧＨｚ付近でＳＮ比が極大値となる）ため、例えば、この範囲を適切な周波数ｆの範囲として決定することができる。また、図５（ｂ）に示すように、粉塵濃度ｄが１００［ｇ／ｍ３］である場合には、図中に矢符で示す周波数ｆが８～３２［ＧＨｚ］の範囲でＳＮ比がしきい値Ｔｈ以上となる（１８ＧＨｚ付近でＳＮ比が極大値となる）ため、例えば、この範囲を適切な周波数ｆの範囲として決定することができる。ただし、図５（ｃ）に示すように、粉塵濃度ｄが２００［ｇ／ｍ３］である場合には、ＳＮ比がしきい値Ｔｈである１０ｄＢ以上となる周波数ｆが存在しない。この場合には、しきい値Ｔｈを下げたり、マイクロ波の送信信号強度を強くしたり、ノイズレベルＮを低減する等の見直しを行う必要がある。
図示を省略するが、ＳＮ比が１０ｄＢ以上となる周波数ｆが存在する粉塵濃度ｄの上限は１３０［ｇ／ｍ３］であり、このときのＳＮ比が極大値となる周波数ｆは１６．５［ＧＨｚ］である。粉塵濃度ｄが１３０［ｇ／ｍ３］である場合、ＦＭ－ＣＷ方式に基づく距離測定に必要な周波数変調幅Ｆを３［ＧＨｚ］とすれば、例えば、適切な周波数ｆの範囲を１５～１９［ＧＨｚ］として決定すればよい。
図示を省略するが、ＳＮ比が１０ｄＢ以上となる周波数ｆが存在する粉塵濃度ｄの上限は１３０［ｇ／ｍ３］であり、このときのＳＮ比が極大値となる周波数ｆは１６．５［ＧＨｚ］である。粉塵濃度ｄが１３０［ｇ／ｍ３］である場合、ＦＭ－ＣＷ方式に基づく距離測定に必要な周波数変調幅Ｆを３［ＧＨｚ］とすれば、例えば、適切な周波数ｆの範囲を１５～１９［ＧＨｚ］として決定すればよい。
【符号の説明】
【0051】
１・・・転炉（炉）
３・・・スラグ面（浴面）
４・・・ランス
５・・・排気フード
１０、１０ａ、１０ｂ・・・アンテナ
２０・・・信号処理部
２３・・・ミキサ
２６・・・ローパスフィルタ
１００・・・レベル計測装置
ＳＴ１・・・受信信号強度算出工程
ＳＴ２・・・ノイズレベル算出工程
ＳＴ３・・・周波数決定工程
３・・・スラグ面（浴面）
４・・・ランス
５・・・排気フード
１０、１０ａ、１０ｂ・・・アンテナ
２０・・・信号処理部
２３・・・ミキサ
２６・・・ローパスフィルタ
１００・・・レベル計測装置
ＳＴ１・・・受信信号強度算出工程
ＳＴ２・・・ノイズレベル算出工程
ＳＴ３・・・周波数決定工程
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】