特開 2024-176009 体積測定方法及び体積測定装置

(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】P2024176009

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】体積測定方法及び体積測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/52 20060101AFI20241212BHJP

   G01F 22/00 20060101ALI20241212BHJP

   G01N 22/00 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

G01S13/52

G01F22/00

G01N22/00 S

G01N22/00 V

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023094189

(22)【出願日】2023-06-07

(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】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】杉橋 敦史

(72)【発明者】

【氏名】室田 康太

(72)【発明者】

【氏名】田村 鉄平

【テーマコード（参考）】

5J070

【Ｆターム（参考）】

5J070AB18

5J070AC02

5J070AC06

5J070AC11

5J070AD05

5J070AD08

5J070AD09

5J070AF01

5J070AH35

(57)【要約】

【課題】周囲に構造物がある場合でも、安定的に測定対象となる流体の体積や重量を測定することができるようにする。
【解決手段】アレイレーダーのアレイアンテナから照射されたマイクロ波が物体または流体に反射して受信される反射波に基づいて、前記物体または流体までの距離、および、前記物体または流体の速度を、前記反射波の方向ごとに算出したデータを生成するデータ生成ステップと、前記算出された前記物体または流体の速度に基づいて計測対象となる流体である計測対象流体の流速に対応する速度を有する前記反射波の成分を特定する速度特定ステップと、前記特定した前記反射波の成分から前記計測対象流体までの距離を、前記反射波の方向ごとに特定することで、前記計測対象流体の２次元断面形状を算出する断面形状算出ステップと、前記２次元断面形状に基づいて前記計測対象流体の体積を算出する体積算出ステップとを含む。
【選択図】図２３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象である流体の体積を測定する体積測定方法であって、
ＦＭＣＷ方式のアレイアンテナを用いて、マイクロ波を前記流体に向けて送信波として送信する送信部と、
前記アレイアンテナを用いて、前記流体及び前記流体の周囲の物体で反射したマイクロ波を反射波として受信する受信部と、
前記送信波に対応する参照波と前記反射波とから生成されるビート波に基づいて、前記流体の体積を算出する演算処理部と、
を有する体積測定装置を用い、
前記演算処理部を用いて、
前記反射波に基づいて前記流体及び前記物体までの距離と、前記流体及び前記物体の速度とを、前記反射波の方向ごとに算出したデータを生成するデータ生成ステップと、
前記流体及び前記物体の速度に基づいて、速度を有する成分を特定する速度特定ステップと、
前記速度を有する成分から、前記流体までの距離を、前記反射波の方向ごとに特定することで、前記流体の２次元断面形状を算出する断面形状算出ステップと、
前記２次元断面形状に基づいて前記流体の体積を算出する体積算出ステップと、
を有する、体積測定方法。

【請求項2】

前記流体の２次元断面形状に対応する面積の２倍の面積を、時間的に積分することで前記流体の体積を算出する、請求項１に記載の体積測定方法。

【請求項3】

前記流体が、中間排滓工程において転炉口から排滓されるスラグ流である、請求項１に記載の体積測定方法。

【請求項4】

前記送信波の照射方向が、鉛直方向下向きに対して、０度より大きく７５度以下又は１０５度以上で１８０度より小さい範囲内で傾いており、前記送信波の照射方向上の前記スラグ流の位置が、前記転炉口より下方又は上方に位置する、請求項３に記載の体積測定方法。

【請求項5】

測定対象である流体の体積を測定する体積測定装置であって、
ＦＭＣＷ方式のアレイアンテナを用いて、マイクロ波を前記流体に向けて送信波として送信する送信部と、
前記アレイアンテナを用いて、前記流体及び前記流体の周囲の物体で反射したマイクロ波を反射波として受信する受信部と、
前記送信波に対応する参照波と前記反射波とから生成されるビート波に基づいて、前記流体の体積を算出する演算処理部と、演算処理部と、
を有し、
前記演算処理部は、
前記反射波に基づいて前記流体及び前記物体までの距離と、前記流体及び前記物体の速度とを、前記反射波の方向ごとに算出したデータを生成するデータ生成部と、
前記流体及び前記物体の速度に基づいて、速度を有する成分を特定する速度特定部と、
前記速度を有する成分から、前記流体までの距離を、前記反射波の方向ごとに特定することで、前記流体の２次元断面形状を算出する断面形状算出部と、
前記２次元断面形状に基づいて前記流体の体積を算出する体積算出部と、
を有する、体積測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、体積測定方法及び体積測定装置に関し、周囲に構造物がある場合でも、安定的に測定対象となる流体の体積を測定することができるようにする体積測定方法及び体積測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

転炉操業では脱リン（Ｐ）、脱炭（Ｃ）を効率的に行うために、ＭＵＲＣと呼ばれる吹錬を２段階に分けて実施する操業が行われている。一連の吹錬の途中でフォーミングしたスラグを排滓して除去したリンをスラグとともに排出することで、後段の脱炭素吹錬の効率を改善している。この工程を中間排滓と呼ぶ。

【0003】

中間排滓では、転炉を傾動させることにより溶鉄を転炉内に残したまま炉口からスラグの一部が排滓される。中間排滓により炉外に排出されたリンの量を推定することは、後段の脱炭吹錬の条件（例えば、送酸条件、副原料の投入条件）を決定する上で極めて重要である。炉外に排出されたリンの量を推定するために排滓されるスラグの体積または重量を測定する技術が求められている。

【0004】

スラグの測定技術の一つとして、排滓されるスラグを受け取る排滓鍋の重量を測定する方式がある。しかし、この方式では、排滓時のスプラッシュなどによる故障のため安定的にスラグの排滓量を測定することができない。

【0005】

一方で、光学的なセンサによって排滓されるスラグ流を測定することも考えられる。しかし、排滓中のスラグ流の周囲からは火炎や、黒煙、スプラッシュなどの粉塵が多く発生しており、光学的なセンサを用いて排滓流を測定することは困難である。一方で、マイクロ波は、波長が長く、黒煙、スプラッシュなどの影響を受け難いため、マイクロ波を用いたスラグ流の状態の測定を可能とする技術が期待される。

【0006】

例えば、マイクロ波レーダーを利用して移動する物体を識別する技術として、特許文献１および特許文献２が提案されている。

【0007】

特許文献１によれば、レーダー装置２により検出された物体を静止物と移動物に分類し、移動物に対応する検出結果情報に基づいて、各反射点の距離を算出し、各反射点の距離および方位を示す反射点情報を出力することで、任意の形状の移動物とその位置を検出する。これにより、パターンマッチングを用いる場合に比べて、様々な形状の物体を検出でき、検出精度が向上する。

【0008】

特許文献２によれば、道路形状を推定するにあたり、レーダーにより測定された物体のドップラー速度と車速センサにより測定された自車両の速度を比較して、当該物体が静止物体であるか否かを識別し、静止物体であると識別されている物体の中から道路形状の推定に適している有効な静止物体が抽出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０１８－１００８９９

【特許文献2】特開２００７－６６０４７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、転炉や排滓鍋は、スプラッシュの飛散防止のため、構造物によって周囲を囲まれて設置される。このため、マイクロ波を用いて排滓中のスラグ流の状態を測定してスラグの体積を算出する場合、周囲を壁に取り囲まれている中で測定を行う必要がある。

【0011】

マイクロ波を用いて排滓流を測定する際には、マイクロ波が広がりながら伝搬する性質を有しているため、マイクロ波がスラグ流のみならず周囲の構造物にも当たって反射するため、スラグ流からの反射信号の他にも周囲の構造物から多数の反射信号が戻ってくることになり、測定上のノイズが多数存在する中でスラグ流からの反射信号を識別する必要がある。

【0012】

特許文献１および特許文献２に示される方式では、周囲の構造物からの反射信号の影響が考慮されていなかった。

【0013】

本発明の一態様は、周囲に構造物がある場合でも、安定的に測定対象となる流体の体積や重量を測定することができるようにする技術を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る体積測定方法は、測定対象である流体の体積を測定する体積測定方法であって、ＦＭＣＷ方式のアレイアンテナを用いて、マイクロ波を前記流体に向けて送信波として送信する送信部と、前記アレイアンテナを用いて、前記流体及び前記流体の周囲の物体で反射したマイクロ波を反射波として受信する受信部と、前記送信波に対応する参照波と前記反射波とから生成されるビート波に基づいて、前記流体の体積を算出する演算処理部と、を有する体積測定装置を用い、前記演算処理部を用いて、前記反射波に基づいて前記流体及び前記物体までの距離と、前記流体及び前記物体の速度とを、前記反射波の方向ごとに算出したデータを生成するデータ生成ステップと、前記流体及び前記物体の速度に基づいて、速度を有する成分を特定する速度特定ステップと、前記速度を有する成分から、前記流体までの距離を、前記反射波の方向ごとに特定することで、前記流体の２次元断面形状を算出する断面形状算出ステップと、前記２次元断面形状に基づいて前記流体の体積を算出する体積算出ステップと、を有する。

【0015】

上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る体積測定装置は、測定対象である流体の体積を測定する体積測定装置であって、ＦＭＣＷ方式のアレイアンテナを用いて、マイクロ波を前記流体に向けて送信波として送信する送信部と、前記アレイアンテナを用いて、前記流体及び前記流体の周囲の物体で反射したマイクロ波を反射波として受信する受信部と、前記送信波に対応する参照波と前記反射波とから生成されるビート波に基づいて、前記流体の体積を算出する演算処理部と、演算処理部と、を有し、前記演算処理部は、前記反射波に基づいて前記流体及び前記物体までの距離と、前記流体及び前記物体の速度とを、前記反射波の方向ごとに算出したデータを生成するデータ生成部と、前記流体及び前記物体の速度に基づいて、速度を有する成分を特定する速度特定部と、前記速度を有する成分から、前記流体までの距離を、前記反射波の方向ごとに特定することで、前記流体の２次元断面形状を算出する断面形状算出部と、前記２次元断面形状に基づいて前記流体の体積を算出する体積算出部と、を有する。

【発明の効果】

【0016】

本発明の一態様によれば、周囲に構造物がある場合でも、安定的に測定対象となる流体の体積や重量を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】中間排滓の一例を説明する図である。

【図2】本実施形態における体積測定方法の概略を説明する図である。

【図3】本実施形態に係る体積測定装置の構成例を示すブロック図である。

【図4】体積測定装置の設置例を説明する図である

【図5】送信波（または参照波）と反射波（または受信波）の例を示す図である。

【図6】ビート波の例を示す図である。

【図7】ビート波のデジタル信号に対してＦＦＴを実行して得られる情報の例を示す図である。

【図8】複数の反射波が重なって受信されたときのビート波に対するＦＦＴの演算結果の例を示す図である。

【図9】所定の時間間隔で連続して発振されるマイクロ波の例を示す図である。

【図10】連続して送信される送信波と、当該送信波に対応する反射波による受信波を説明する図である。

【図11】連続して送信されるチャープのそれぞれに対応するビート波の波形を示す図である。

【図12】図１１の１チャープ内の時間中の所定の時刻における各ビート波の振幅を時間軸に並べた波形を示す図である。

【図13】受信アンテナごとに生成されるビート波の例を説明する図である。

【図14】Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ法による電波の到来方向の推定を説明する図である。

【図15】各受信アンテナに対応するビート波列のうちの１つのビート波の波形を示す図である。

【図16】図１５の１チャープ内の時間中の所定の時刻における各ビート波の振幅を時間軸に並べた波形を示す図である。

【図17】３次元データの例を示す図である。

【図18】キューブデータの例を示す図である。

【図19】キューブデータの例を示す図である。

【図20】キューブデータの中で、特定の速度ビンに対応するブロックを抽出する例を説明する図である。

【図21】特定の速度ビンに対応するブロックを解析して得られる物体等の方向と距離の関係を示す図である。

【図22】演算器の詳細な構成例を示すブロック図である。

【図23】体積算出処理の例について説明するフローチャートである。

【図24】演算器として用いられるコンピュータの物理的構成を例示したブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の例示的実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0019】

転炉を用いた精錬時には、まず、転炉内に溶銑が装入され、装入された溶銑に第１精錬材が加えられる。そして、転炉を傾動させてスラグを排滓する中間排滓が行われる。

【0020】

（中間排滓）
図１は、中間排滓の一例を説明する図である。図１においては、この転炉１０が傾動されることにより、転炉１０内に溶銑を残しつつ、炉口１０ａからリン（Ｐ）の濃度が高いスラグが排滓されている。排滓されたスラグは、流体のスラグ流１２として、転炉１０の下方に配置された図示せぬ排滓鍋に流下される。転炉１０および排滓鍋は、スプラッシュの飛散防止のために、ピット構造の地下に設置され周囲を壁に取り囲まれた構造物の中に設置される。

【0021】

（体積測定方法の概略）
図２は、本実施形態における体積測定方法の概略を説明する図である。本実施形態の体積測定方法では、体積を測定する対象となる流体の体積を測定する。体積を測定する対象となる流体は、一例として炉口１０ａから排滓されるスラグ流である。

【0022】

図２に示されるように、本実施形態では、体積測定装置２０によってスラグ流１２に向けてマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信して解析することでスラグ流１２の体積を測定する。体積測定装置２０は、１又は複数の送信アンテナと、１又は複数の受信アンテナとを有するアレイアンテナを備えており、アレイアンテナを構成する送信アンテナからマイクロ波が送信されることにより、マイクロ波の照射が行われる。

【0023】

複数の受信アンテナは、マイクロ波の受信アンテナ素子が１次元配列または２次元配列で配置された配列構造を有する。ここでは、体積測定装置２０は、１次元に配列された複数の受信アンテナを有するものとし、例えば、図２では、アレイアンテナを構成する、ｘ軸方向に並べられた１次元配列のアンテナ素子により、複数の受信アンテナが構成されるものとして説明する。

【0024】

体積測定装置２０は、図２に示すように、破線の矢印で示す方向に向けてマイクロ波を照射する。その結果、マイクロ波が破線の矢印の方向を中心に広がって伝搬することで、図２において三角形で示される照射範囲２１に向けて、マイクロ波が照射される。すなわち、スラグ流１２を囲むようにマイクロ波が照射される。一方、照射範囲２１の中心を示す線（図２に示す実線の矢印）がｙ軸となり、スラグ流１２の水平方向の中心に向けられる。
なお、実際には、照射されたマイクロ波は、上下方向にも範囲を有するが、ここでは説明を簡単にするために水平方向の範囲だけについて説明している。

【0025】

図２のｕ，ｖ，ｗ軸は、地球に固定の座標軸を示し、ｗ軸が鉛直方向を示している。体積測定装置２０のマイクロ波照射方向であるｙ軸および受信アンテナの配列方向であるｘ軸は、それぞれｖ軸およびｕ軸と平行であることが望ましいが、ｖ軸およびｕ軸と平行でなくてもよい。スラグ流１２は、ｗ軸方向の流速を有するが、ｕ軸方向およびｖ軸方向の流速は有していないと考えられるからである。

【0026】

体積測定装置２０は、マイクロ波照射方向に対して角度θａを有する方向におけるスラグ流１２までの距離Ｌ（図２に示す破線の矢印）を測定する。すなわち、距離Ｌは、体積測定装置２０の送信アンテナからスラグ流１２までの距離であり、角度θａは、距離Ｌを示す直線（図２中点線で示す）と、ｙ軸がなす角度である。後述するように、体積測定装置２０は、複数の角度θａに対応する距離Ｌを測定することで、スラグ流１２の断面形状を求める。

【0027】

（体積測定装置の構成例）
図３は、体積測定装置２０の構成例を示すブロック図である。図３に示される体積測定装置２０は、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：周波数変調連続波）方式のアレイレーダーとして構成される。

【0028】

この例では、体積測定装置２０は、測定対象である流体の体積を計測する装置であり、アレイアンテナ３０、マイクロ波発振器４１、ミキサー４２、ＡＤ変換器４３、および、演算器４４を有している。アレイアンテナ３０には、一又は複数の送信アンテナ３１および一又は複数の受信アンテナ３２が含まれる。
なお、図３では、送信アンテナ３１と受信アンテナ３２がそれぞれ１つだけ示されているが、実際には、１又は多数の送信アンテナ３１と、１又は多数の受信アンテナ３２がアレイアンテナ３０に含まれている。そのため、以降の説明では、例として１つの送信アンテナ３１と複数の受信アンテナ３２からなるアレイアンテナ３０を用いて説明をしているが、本発明に係るアレイアンテナ３０は、複数の送信アンテナ３１と１つの受信アンテナ３２から構成されていても良く、複数の送信アンテナ３１と複数の受信アンテナ３２から構成されていても良い。

【0029】

マイクロ波発振器４１は、予め決められた掃引時間の間に、予め決められた掃引周波数だけ周波数が線形に変化する波形のマイクロ波を、所定回数分発振する。マイクロ波発振器４１により発振されたマイクロ波は、アレイアンテナ３０の送信アンテナ３１と、ミキサー４２とにそれぞれ供給される。

【0030】

送信アンテナ３１は、ＦＭＣＷ方式のアレイアンテナ３０を用いて、マイクロ波を流体に向けて送信波として送信する送信部として機能する。即ち、１つ以上Ｊ個の送信アンテナ３１は、マイクロ波発振器４１により発振されたマイクロ波を、測定対象の流体であるスラグ流に向けて送信する。受信アンテナ３２は、アレイアンテナ３０を用いて、流体及び流体の周囲の物体で反射したマイクロ波を反射波として受信する受信部として機能する。即ち、１つ以上Ｋ個の受信アンテナ３２は、送信アンテナから送信されたマイクロ波である送信波が、物体や流体（物体等と称する）に当たって反射することで生じる反射波を受信する。

【0031】

アレイアンテナ３０に含まれるＫ個の受信アンテナ３２では、異なる方向からのマイクロ波が、重畳された状態で受信される。

【0032】

ミキサー４２は、マイクロ波発振器４１により発振されたマイクロ波である送信波と実質同一な参照波（図３では、送信波を分岐して参照波としている）と、受信アンテナ３２によって受信された反射波とを合成する。なお、合成されて生成された波形は、ビート波と称される。

【0033】

ＡＤ変換器４３は、ミキサー４２から出力されるビート波のアナログ信号をデジタル信号に変換する。

【0034】

演算器４４は、送信波に対応する参照波と反射波とから生成されるビート波に基づいて、流体の体積を算出する。即ち、演算器４４は、ＡＤ変換器４３から出力されるデジタル信号に対して演算処理を実行することで、物体等までの距離、および、物体等の速度を、反射波の方向ごとに算出する。演算器４４は、さらに、所定の速度を有する物体等までの距離を、反射波の方向ごとに特定することで、当該物体等の２次元断面形状を算出し、その２次元断面形状に基づいて当該物体等の体積を算出する。

【0035】

（体積測定装置の設置例）
図４は、体積測定装置２０の設置例を説明する図である。図４は、転炉１０を真横から見た図である。体積測定装置２０は転炉の炉口１０ａより低い位置に配置され、体積測定装置２０からは転炉の炉口１０ａを見上げることになり、この角度から炉口１０ａの開口部の奥は見えない。

【0036】

排滓されるスラグ流１２は、重力に従って鉛直下方向に落下していく。体積測定装置２０から照射されるマイクロ波の照射範囲の中心を示す破線２１ａは、マイクロ波の照射方向を示し、鉛直方向に対して角度θｂだけ傾いている。図４では、Ｗ軸と平行な鉛直方向が一点鎖線で示されており、破線２１ａと鉛直方向との間の鋭角の角度θｂが示されている。また、破線２１ａは、炉口１０ａから鉛直下方向に距離ｈだけ離れた位置においてスラグ流１２に当たる。

【0037】

上述したように、演算器４４では、物体等の速度が算出される。スラグ流１２の流速方向は鉛直方向下向きとほぼ等しくなるので、スラグ流１２の流速をＶｓで表す場合、図４に示されるように体積測定装置２０を設置したときの、体積測定装置２０のマイクロ波の照射方向から見た流速Ｖｄは、Ｖｓｃｏｓθｂによって表すことができる。ただし、マイクロ波の照射方向が、スラグ流１２に当たる方向を向いていたとしても、スラグ流１２の流速方向と垂直になると、スラグ流１２の速度を測定できなくなる。このため、マイクロ波の照射方向は、鉛直方向下向きに対して傾いている必要があり、鉛直方向下向きに対し９０度周辺以外の所定の角度だけ傾くように設定され、好ましくは、９０度より小さく、例えば０度より大きく７５度（＝９０－１５度）以下の角度θｂだけ傾くように設定される。

【0038】

なお、図４では、体積測定装置２０が炉口１０ａより低い位置に設置され、スラグ流１２を見上げる配置となっている場合を用いて説明しているが、体積測定装置２０が炉口１０ａより上方に設置され、スラグ流１２を見下ろす配置となっていても良い。その場合は、体積測定装置２０のマイクロ波の照射方向から見た流速Ｖｄは、体積測定装置２０から遠ざかる方向の速度を持つ。体積測定装置２０が炉口１０ａより上方に設置される場合は、図４のθｂは９０度より大きな値となり、θｂを、９０度より大きく、例えば１０５度（＝９０＋１５度）以上で１８０度より小さい角度とすることが望ましい。

【0039】

このように、本実施形態においては、アレイアンテナ３０から照射される送信波の照射方向が、鉛直方向下向きに対して、９０度±１５度を除く角度、すなわち、０度より大きく７５度以下又は１０５度以上で１８０度より小さい範囲内で傾いており、送信波の照射方向上のスラグ流の位置が、炉口１０ａより下方又は上方に位置する。

【0040】

（マイクロ波による距離の測定の説明）
図５は、送信波（または参照波）と反射波（または受信波）の例を示す図である。図５の横軸は時間を示し、縦軸は周波数を示している。図５に示されるように、マイクロ波発振器４１は、時間Ｔの間に、周波数Ｆだけ周波数が線形に変化するマイクロ波を生成する。

【0041】

ここで、時間Ｔを掃引時間と称し、周波数Ｆを掃引周波数と称する。また、このように、掃引時間Ｔの間、掃引周波数Ｆだけ線形変調される波形は、チャープ波形と称される。マイクロ波発振器４１は、このチャープ波形を連続的に所定回数繰り返して発振することで、送信波を生成する。

【0042】

この場合、一つのチャープ波形に着目すると、送信アンテナ３１から送信される送信波１２１は、時刻ｔ１において周波数がｆ（ｔ１）となり、時刻ｔ２において周波数がｆ（ｔ２）となる。受信アンテナ３２で受信される反射波１２２は、送信波と同様の掃引時間Ｔと掃引周波数Ｆとにより規定される波形を有するが、送信波１２１が送信された時刻より、マイクロ波が測定対象まで往復するのに掛かる時間の分だけ、時間的に遅れて受信される。図５の例では、時刻ｔ１に送信されたマイクロ波は、反射波となって時刻ｔ２に受信されることになる。

【0043】

このとき、体積測定装置２０から測定対象までの距離Ｒは、空気中でのマイクロ波の伝播速度をｃとすると、式（１）により表される。

【0044】

【数1】

（１）
ここで、Δｔ＝ｔ２－ｔ１であるものとする。

【0045】

ミキサー４２は、時刻ｔ２における参照波（周波数ｆ（ｔ２））と受信波（即ち、反射波）（周波数ｆ（ｔ１））とを合成し、ビート波を生成する。ビート波の周波数Δｆは、｜ｆ（ｔ２）－ｆ（ｔ１）｜で表されることになる。

【0046】

図６はビート波の例を示す図である。図６は、横軸が時間とされ、縦軸が振幅とされ、参照波と受信波（即ち、反射波）がミキサー４２によって合成されて生成されたビート波の波形が示されている。

【0047】

送信波を反射する物体等が１つだけしか存在しない場合、ビート波は一定の周波数と一定の振幅を有する正弦波となる。しかし、実際には、送信波が複数の物体等により反射され、それらの反射による複数の反射波が受信されるため、図６に示されるように、複雑な波形のビート波が生成される。

【0048】

マイクロ波発振器４１で発振するマイクロ波は、周波数が時間に対して線形に変化するため、Δｆ／Δｔ＝Ｆ／Ｔの関係が成立し、これを式（1）に代入することで式（２）が得られる。

【0049】

【数2】

（２）
図７は、ＡＤ変換器４３から出力されるビート波のデジタル信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行して得られる情報の例を示す図である。図７は、横軸が周波数とされ、縦軸が信号強度とされ、ＦＦＴの演算結果を示す周波数ごとの信号強度の分布である周波数スペクトルが示されている。

【0050】

図７に示されるように、ビート波に対して高速フーリエ変換を実行することにより、信号強度の周波数スペクトルが得られる。

【0051】

この周波数スペクトルにおけるピーク周波数Δｆを式（２）に代入することにより、それぞれのピークに対応する測定対象や測定対象の周囲の物体までの距離Ｒを算出することが可能となる。なお、体積測定装置２０の距離分解能は、掃引周波数Ｆによって定まり、ｃ／２Ｆで表される。ここで、ｃ／２Ｆは、ＦＦＴの演算結果において距離を表す単位となり、距離ビンと称される。従って、図７の横軸（周波数）は、距離ビンによって表すこともできる。

【0052】

ところで、スラグ流１２から近い距離に構造物などの物体が存在する場合にはその物体からの反射波もビート波を生じさせる。このため、マイクロ波を用いてスラグ流までの距離を測定する場合、スラグ流１２からの反射波だけでなく、周囲の構造物からの反射波も受信され、それぞれの反射波が重なって受信されてビート波生成され、このビート波に対してＦＦＴが実行されることになる。

【0053】

図８は、複数の反射波が重なって受信されたときのビート波に対するＦＦＴの演算結果の例を示す図である。図８は、横軸が周波数とされ、縦軸が信号強度とされ、ＦＦＴの演算結果を示す周波数スペクトルが示されている。

【0054】

図８において、実線１３１は、スラグ流１２からの反射波によって生じるビート波に対するＦＦＴの演算結果を示しており、破線１３２は、スラグ流１２の周囲の構造物からの反射波によって生じるビート波に対するＦＦＴの演算結果を示している。

【0055】

この場合、実際には、スラグ流１２からの反射波とともに周囲の構造物からの反射波も受信され、それぞれの反射波が重なって受信波となり、ビート波が生じる。このようなビート波に対してＦＦＴが実行されるので、ＦＦＴの演算結果は、一点鎖線１３３で示されるような信号強度の分布を示すことになる。

【0056】

一点鎖線１３３によれば、信号強度の分布において、主に構造物からの反射によるピークと、主にスラグ流１２からの反射波によるピークが生じている。例えば、ＦＦＴの演算結果において、構造物までの距離に対応する周波数の信号強度が、スラグ流１２までの距離に対応する周波数の信号強度より高い場合、構造物までの距離をスラグ流１２までの距離であると誤判定してしまうおそれがある。

【0057】

また、スラグ流１２からの反射波のビート波が構造物からの反射波のビート波と合成されることで、ＦＦＴの演算結果におけるピークの形状が歪む。図６の例の場合、主にスラグ流１２からの反射波によるによるピークに関し、一点鎖線１３３におけるピークの位置は、実線１３１のピークの位置より、やや右側にずれている。このため、誤判定することなくスラグ流１２までの距離に対応するピークを特定できたとしても、やはり正確に距離を測定することができなくなる。

【0058】

そこで、本実施形態においては、ＦＭＣＷ方式のアレイレーダーによって算出される物体等の速度の違いを利用して測定対象流体であるスラグ流１２までの距離を方向ごとに測定する。

【0059】

（マイクロ波による速度と方向の測定の説明）
次に、マイクロ波による速度の測定について説明する。体積測定装置２０において、速度を測定する場合、図５を参照して上述した送信波を、所定の時間間隔で連続して送信する。図９は、体積測定装置２０のマイクロ波発振器４１により、所定の時間間隔で連続して発振されるマイクロ波の例を示す図である。

【0060】

図９は、横軸が時間とされ、縦軸が周波数とされ、連続して送信されるマイクロ波の送信波が示されている。この例では、送信波Ｓ１、送信波Ｓ２、送信波Ｓ３、・・・送信波ＳＮのＮ個の送信波（チャープ波形）が、送信アンテナ３１から測定対象に向けて照射されている。ここで、各チャープ波形は、それぞれ時間間隔Ｔｃで連続して送信され、連続するＮ個のチャープを１フレームと称する。

【0061】

図１０は、連続して送信される送信波と、当該送信波に対応する反射波による受信波を説明する図である。図１０は、横軸が時間とされ、縦軸が周波数とされ、送信された送信波の周波数および受信された反射波（受信波）の周波数の時間の経過に伴う変化が示されている。図１０に示されるように、送信波は、掃引周波数Ｆと掃引時間Ｔのチャープ波形であり、反射波も送信波と同様の波形となる。送信波（チャープ波形）は、時間間隔Ｔｃで送信される。

【0062】

なお、上述したように、距離分解能は、マイクロ波発振器４１の発振するマイクロ波の掃引周波数によって定まる。スラグ流１２の凡その流速は既知であるから、マイクロ波発振器４１には、１フレーム分のチャープ波形が送信される時間内のスラグ流１２の移動距離を想定して掃引周波数Ｆと、掃引時間Ｔとが設定される。すなわち、１フレームに対応する時間内にスラグ流１２が移動する距離が、体積測定装置２０の距離分解能に対応する距離を超えることがないように、掃引周波数と、掃引時間とが設定される。

【0063】

図１０に示されるように、送信波Ｓ１の送信時刻に対して、反射波に係る物体等の距離に応じた時間Δｔだけ遅れて反射波Ｒ１が受信される。同様に、Ｎ個の送信波Ｓ２～送信波ＳＮに対応して反射波Ｒ２～反射波ＲＮが受信される。そして、送信波Ｓ１と反射波Ｒ１とが合成されることでビート波Ｂ１が生成され、送信波Ｓ２と反射波Ｒ２とが合成されることでビート波Ｂ２が生成され、・・・送信波ＳＮと反射波ＲＮとが合成されることでビート波ＢＮが生成される。

【0064】

例えば、物体が速度ｖで移動している場合、体積測定装置２０が送信波Ｓ１を送信した時刻から、反射波Ｒ１を受信した時刻までの時間に物体は距離ΔＲだけ移動したとする。この場合、物体は、時間Ｔｃの間に距離ΔＲだけ体積測定装置２０から遠ざかったことになり、式（３）が成立する。

【0065】

【数3】

（３）
送信波Ｓ１が送信されてから送信波Ｓ２が送信されるまでの間にも、周波数が線形に変化するため、例えば、ビート波Ｂ１の位相（初期位相）と、ビート波Ｂ２の位相（初期位相）とはずれることになる。

【0066】

隣接するビート波間で生じる位相差Δφは、式（４）により表すことができる。

【0067】

【数4】

（４）
式（４）を変形して、式（５）により、物体の速度ｖを求めることができる。

【0068】

【数5】

（５）
なお、上記では、物体の速度の算出について説明しているが、同様にして流体の流速も算出することが可能である。

【0069】

図１１は、連続して送信されるチャープのそれぞれに対応するビート波の波形を示す図である。図１１は、横軸がビート波の番号とされ、縦軸が振幅とされ、図１１中奥行方向の軸が時間とされ、ビート波Ｂ１、ビート波Ｂ２、・・・ビート波ＢＮの波形が示されている。詳細は後述するが、図１１の奥行方向の軸は、Ｆａｓｔ－ｔｉｍｅ軸とも称され、横軸はＳｌｏｗ－ｔｉｍｅ軸とも称される。

【0070】

１フレームに対応する時間、物体等が同一の速度ｖで移動している場合、図１１に示されるように、各ビート波は、それぞれ時間Δｔに対応する位相差を有している。例えば、１チャープ内の時間中の時刻Ｔｍに対応する振幅を、ビート波Ｂ１、ビート波Ｂ２、・・・ビート波ＢＮのそれぞれから抽出して並べると、図１２に示されるような波形となる。

【0071】

図１２は、１チャープ内の時間中の時刻Ｔｍにおける各ビート波の振幅を時間軸に並べて得られる波形を示す図である。図１２は、横軸が時間とされ、縦軸がビート波の振幅とされ、１チャープ内の時間中の時刻Ｔｍにおけるビート波Ｂ１、ビート波Ｂ２、・・・ビート波ＢＮの振幅の変化が示されている。

【0072】

なお、横軸の単位時間は、チャープ波形が送信される際の時間間隔Ｔｃとなる。例えば、時刻０はビート波Ｂ１に対応し、時刻Ｔｃはビート波Ｂ２に対応し、・・・時刻（Ｎ－１）×Ｔｃはビート波ＢＮに対応する。

【0073】

図１２に示される波形に対してＦＦＴを実行することにより、ビート波間の位相差を示す周波数に応じた信号強度の分布を得ることができる。すなわち、ビート波間の位相差を示す周波数ｆｃが信号強度のピークとなる周波数スペクトルを得ることができる。このようにして求められたビート波間の位相差を、式（５）に代入することにより、物体等の速度を算出することができる。

【0074】

このときのＦＦＴの演算結果における周波数の分解能は、測定時間の逆数１／ＮＴｃであることから、ビート波の位相差Δφ（＝ｆｃ×２πＴｃ）の分解能は、２π／Ｎとなる。よって速度分解能δｖは、式（６）によって表される。

【0075】

【数6】

（６）
ここで、δｖは、ＦＦＴの演算結果において速度を表す単位となり、速度ビンと称される。すなわち、ｋ番目のビンの速度は、（１－ｋ）×δｖとなる。

【0076】

次にマイクロ波による方向の測定について説明する。図１３は、受信アンテナごとに生成されるビート波の例を説明する図である。

【0077】

図１３の例では、Ｋ個の受信アンテナ（素子）３２－１～受信アンテナ（素子）３２－Ｋのそれぞれによって反射波Ｒ１～反射波ＲＮが受信される。そして、ミキサー４２によって、反射波Ｒ１～反射波ＲＮのそれぞれが、送信波Ｓ１～送信波ＳＮのそれぞれに対応する参照波と合成されることにより、ビート波Ｂ１～ビート波ＢＮが生成される。すなわち、Ｋ個の受信アンテナ３２－１～受信アンテナ３２－Ｋのそれぞれに対応して、Ｎ個のビート波から成るビート波列が生成される。

【0078】

これら複数の受信アンテナのそれぞれに対応して得られる複数のビート波を用いて、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ法による電波の到来方向の推定と同様にして、反射波の到来方向を推定することができる。

【0079】

図１４は、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ法による電波の到来方向の推定を説明する図である。図１４の例では、送信アンテナ３１から送信されたマイクロ波が物体Ｏに当たって反射し、反射波が受信アンテナ３２－１～受信アンテナ３２－Ｋによって受信される場合の例を示している。この例では、物体Ｏは、マイクロ波の照射方向から角度θａだけずれた位置に存在しており、物体Ｏから受信アンテナ３２－１に到達する反射波の経路は、距離Ｌを有している。

【0080】

図１４に示されるように、受信アンテナ３２－１～受信アンテナ３２－Ｋのそれぞれの間隔をｄで表す。この場合、物体Ｏから受信アンテナ３２－２に到達する反射波の経路の距離は、物体Ｏから受信アンテナ３２－１に到達する反射波の経路よりｄｓｉｎθａだけ伸びることになる。同様に、物体Ｏから受信アンテナ３２－３に到達する反射波の経路の距離も、・・・物体Ｏから受信アンテナ３２－Ｋ到達する反射波の経路の距離もｄｓｉｎθａずつのびていく。

【0081】

したがって、空気中でのマイクロ波の伝播速度をｃとすると、受信アンテナ３２－Ｋで受信する反射波は、受信アンテナ３２－１で受信する電波に対して、時間Δｔｋ（＝（Ｋ－１）ｄ・ｓｉｎθａ／ｃ）だけ遅れて届くことになる。よって、各アンテナの受信波の位相は（２π／λ）×（ｄ・ｓｉｎθａ）ずつ異なることになる。ここでλは、マイクロ波の波長を表している。

【0082】

Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ法では、このように、各アンテナの受信波の位相が各アンテナ間の距離と電波の到来方向の積の値に対応してずれていると考えて、電波の到来方向を推定する。従って、複数の受信アンテナのそれぞれに対応して得られる複数のビート波間の位相差を算出することにより、反射波の方向を測定することができる。

【0083】

上述したように、Ｋ個の受信アンテナのそれぞれに対応して、Ｎ個のビート波から成るビート波列が生成される。ここで、例えば、ビート波列に含まれるｉ番目のビート波Ｂｉに注目する。

【0084】

図１５は、各受信アンテナに対応するビート波列のうちの１つのビート波Ｂｉの波形を示す図である。図１５は、横軸が受信アンテナの番号とされ、縦軸が振幅とされ、図１５中奥行方向の軸が時間（Ｆａｓｔ－ｔｉｍｅ軸）とされ、受信アンテナ３２－１に対応するビート波Ｂｉ、受信アンテナ３２－２に対応するビート波Ｂｉ、・・・受信アンテナ３２－Ｋに対応するビート波Ｂｉの波形が示されている。

【0085】

図１５に示されるように、各ビート波は、時間Δｔ（＝ｄ・ｓｉｎθａ／ｃ）に対応する位相差を有している。例えば、１チャープ内の時間中の時刻Ｔｍに対応するビート波の振幅を、受信アンテナ３２－１のビート波Ｂｉ、受信アンテナ３２－２のビート波Ｂｉ、・・・受信アンテナ３２－Ｋのビート波Ｂｉのそれぞれから抽出して並べると、図１６に示されるような波形となる。

【0086】

図１６は、１チャープ内の時間中の時刻Ｔｍにおける各ビート波の振幅をアンテナ番号に対応するように並べて得られる波形を示す図である。図１６は、横軸が受信アンテナの番号とされ、縦軸がビート波の振幅とされ、１チャープ内の時間中の時刻Ｔｍにおける受信アンテナ３２－１のビート波Ｂｉ、受信アンテナ３２－２のビート波Ｂｉ、・・・受信アンテナ３２－Ｋのビート波Ｂｉの振幅の変化が示されている。

【0087】

図１６に示される波形に対してＦＦＴを実行することにより、ビート波間の位相差を示す周波数に応じた信号強度の分布を得ることができる。これにより、反射波の方向を測定することができる。

【0088】

（３次元データの生成）
演算器４４は、ビート波列に含まれる各ビート波を、送信波の波形形状を識別できるサンプリング周期τでサンプリングする。また、演算器４４は、ビート波列に含まれる各ビート波を、各ビート波のそれぞれを識別できる周期Ｔｃでサンプリングすることで、各サンプリング周期に対応する２軸を有する２次元データを生成する。ここで、サンプリング周期τに対応する軸はＦａｓｔ－ｔｉｍｅ軸と称され、サンプリング周期Ｔｃに対応する軸はＳｌｏｗ－ｔｉｍｅ軸と称される。

【0089】

さらに、演算器４４は、Ｆａｓｔ－ｔｉｍｅ軸とＳｌｏｗ－ｔｉｍｅ軸とで構成される２次元データを受信アンテナ３２ごとに並べることで３次元データを生成する。各受信アンテナ３２に対応する軸は、Ｅｌｅｍｅｎｔ軸と称される。

【0090】

図１７は、このようにして生成される３次元データ１７０の例を示す図である。

【0091】

演算器４４は、３次元データ１７０のデータを、Ｆａｓｔ－ｔｉｍｅ軸に沿って抽出して１回目のＦＦＴを実行することにより、物体等までの距離を示す周波数スペクトルに変換する。１回目のＦＦＴの演算結果として、各距離に対応する周波数における信号強度が算出される。

【0092】

また、演算器４４は、１回目のＦＦＴの演算結果に変換されたデータを、３次元データ１７０のＳｌｏｗ－ｔｉｍｅ軸に沿って抽出して２回目のＦＦＴを実行することにより、各距離に位置する物体等の速度を示す周波数スペクトルに変換する。２回目のＦＦＴの演算結果として、各速度に対応する周波数における信号強度が算出される。

【0093】

さらに、演算器４４は、２回目のＦＦＴの演算結果に変換されたデータを、３次元データ１７０のＥｌｅｍｅｎｔ軸に沿って抽出して３回目のＦＦＴを実行することにより、各距離において各速度を有する物体等の方向を示す周波数スペクトルに変換する。３回目のＦＦＴの演算結果として、各方向に対応する周波数における信号強度が算出される。

【0094】

（速度の違いを利用した測定対象物までの距離の算出）
上述した３回目のＦＦＴの演算結果は、各方向に位置する物体等の速度を、当該物体等までの距離ごとに表すものである。従って、３回目のＦＦＴの演算結果は、反射波に係る物体等の方向、距離、および、速度のそれぞれを軸とした３次元形状のキューブデータとして表すことができる。

【0095】

図１８および図１９は、キューブデータの例を示す図である。図１８は、キューブデータにおける距離を説明する図であり、図１９は、キューブデータにおける速度を説明する図である。

【0096】

図１８および図１９に示されるキューブデータ２００の縦軸は、Ｆａｓｔ－Ｔｉｍｅ軸であって、物体等までの距離を示す軸であり、距離ビンが最小単位とされる。キューブデータ２００の奥行方向の軸は、Ｓｌｏｗ－Ｔｉｍｅ軸であって、物体等の速度を示す軸であり、速度ビンが最小単位とされる。キューブデータ２００の横軸は、Ｅｌｅｍｅｎｔ軸であって、物体等の方向を示す軸であり、反射波の方向の分解能（方向ビンと称することにする）が最小単位とされる。

【0097】

なお、図１８および図１９では、説明を簡単にするために、Ｆａｓｔ－Ｔｉｍｅ軸は６つの距離ビン、Ｓｌｏｗ－Ｔｉｍｅ軸は４つ速度ビン、Ｅｌｅｍｅｎｔ軸は６つの方向ビンによって、それぞれ表されているが、実際には、もっと多くのビンが存在する。

【0098】

ここでは、Ｆａｓｔ－Ｔｉｍｅ軸の６つの距離ビンは、それぞれ距離Ｌ１～Ｌ６に対応し、Ｓｌｏｗ－Ｔｉｍｅ軸の４つ速度ビンは、それぞれ速度Ｖ１～Ｖ４に対応し、Ｅｌｅｍｅｎｔ軸の６つの方向ビンは、それぞれ方向Ｄ１～Ｄ６に対応するものとする。キューブデータ２００は、距離ビン、速度ビン、および、方向ビンのそれぞれを１辺とする単位立方体により構成されており、各単位立方体は、３回目のＦＦＴの演算結果として得られる信号強度を有している。

【0099】

図１８には、キューブデータ２００の中で図１８中縦方向に延びるハッチングされたブロック２０１が示されている。このブロック２０１は、特定の速度ビンと方向ビンに対応する単位立方体を縦方向に６個並べることで構成されている。すなわち、ブロック２０１によって、第１番目の方向ビンに対応する方向Ｄ１に位置し、かつ、第１の速度ビンに対応する速度Ｖ１を有する物体等までの距離を示す信号強度が取得される。例えば、方向Ｄ１において、速度Ｖ１を有する物体等が、距離Ｌ３だけ離れて位置する場合、ブロック２０１の下から３番目の単位立方体の信号強度が高くなる。

【0100】

図１９には、キューブデータ２００の中で図１９中奥行方向に延びるハッチングされたブロック２０２が示されている。このブロック２０２は、特定の距離ビンと方向ビンに対応する単位立方体を奥行方向に４個並べることで構成されている。すなわち、ブロック２０２によって、第１番目の方向ビンに対応する方向Ｄ１に位置し、かつ、第１の距離ビンに対応する距離Ｌ１だけ離れて位置する物体等の速度を示す信号強度が取得される。例えば、方向Ｄ１において、距離Ｌ１に位置する物体等が、速度Ｖ３で移動している場合、ブロック２０２の手前から３番目の単位立方体の信号強度が高くなる。

【0101】

図１８と、図１９の例では、キューブデータ２００から線状（１次元）のブロックを抽出する例について説明した。キューブデータ２００から面状（２次元）のブロックを抽出すれば、例えば、特定の速度を有する物体がどの方向にどれだけ離れて位置するかを示す情報を得ることができる。

【0102】

例えば、図２０に示されるように、キューブデータ２００の中で、特定の速度ビンに対応する面状のブロック２１０を抽出する場合を考える。ブロック２１０は、３６（＝６×６）個の単位立方体により構成され、速度Ｖ３を有する物体等についての各方向における距離に対応する信号強度を示す。すなわち、ブロック２１０に含まれる単位立方体の信号強度から、速度Ｖ３を有する物体等が、方向Ｄ１～Ｄ６のそれぞれにおいて、距離Ｌ１～Ｌ６のどの位置に存在するかを示す情報を得ることができる。

【0103】

なお、本実施形態では、３回のＦＦＴの演算を、距離、速度、方位の順で行う例を用いて説明したが、各ＦＦＴ演算の順序を入れ替えても同様の結果を得ることができる。例えば、速度に関するＦＦＴ演算を最初に実施し、排滓流の流速のマイクロ波の照射方向から見た流速Ｖｄに相当する速度ビンのデータを抽出しておき、それらに対して距離と方位のＦＦＴ演算を行う様にすると、余分な速度成分についてのＦＦＴ演算を行う必要がなくなり、排滓流の形状を求める演算時間を短くすることができる。このようにすると、より細かい時間ステップで排滓流の体積を積分できるので好ましい。

【0104】

（断面形状および体積の算出）
図２１は、キューブデータ２００の中の特定の速度ビンに対応するブロックの信号強度を解析することで得られる、物体等の方向と距離の関係を示す図である。図２１は、横軸が方向、縦軸が距離とされ、反射波の方向に応じた物体等までの距離を示す曲線２８１が示されている。従って曲線２８１は、当該速度を有する物体等の２次元断面形状を示していると考えることができる。

【0105】

なお、各方向に対応する角度θａを用い、ｙ＝Ｌｓｉｎθａ、ｘ＝Ｌｃｏｓθａとして、曲線２８１を構成する各点を図２のｘｙ座標系に置き換えることができる。

【0106】

転炉１０から排滓されるスラグ流１２は自由落下するので、炉口１０ａからｈメートルだけ下方の流速Ｖｓは、√（２ｇｈ）となる。なお、ｇは重力の加速度（≒９．８０６ｍ^２／ｓ）である。よって、図４に示されるように体積測定装置２０を設置した場合、キューブデータ２００の中で、マイクロ波の照射方向から見た流速Ｖｄ（＝Ｖｓｃｏｓθ）に最も近い速度ビンに対応するブロックの信号強度を解析することで、スラグ流１２の断面形状を求めることができる。

【0107】

ただし、ここで得られる２次元断面形状は、スラグ流１２を体積測定装置２０側から見たときの断面形状であり、反対側から見たときの断面形状は得ることができない。換言すれば、スラグ流１２の断面形状のうち、半分の断面形状しか得ることができない。

【0108】

そこで、本実施形態においては、スラグ流１２の一方の半分の断面形状は、他方の半分の断面形状と同一であると仮定する。すなわち、上述のようにキューブデータ２００の中で速度Ｖｄに対応するブロックから求められる断面形状が線対称に配置された形状が、スラグ流１２の断面形状であると仮定する。このようにすることで、スラグ流１２の断面積を算出することができる。すなわち、曲線２８１によって得られる断面形状に対応する面積の２倍の面積が、スラグ流１２の断面積として算出される。

【0109】

そして、算出された断面積を測定周期に対応する時間によって積分することで、スラグ流１２の部分的な体積を算出することができる。測定周期は、例えば、１フレーム分のチャープの送信に要する時間に対応する。このようにして、排滓の開始から終了までスラグ流１２の部分的な体積を連続して算出して合計することで、排滓されたスラグの体積が算出される。また、スラグの体積に、予め算出されたスラグ密度を乗じることで、排滓されたスラグの総重量を算出することができる。従って、本実施形態によれば、炉外に排出されたリンの量を推定するために排滓されるスラグの体積または重量を測定することができる。

【0110】

なお、上述の説明では、スラグ流１２はほぼ自由落下するものと想定して説明したが、例えば、スラグの粘性などを考慮した流体解析によりスラグ流の流速および流速の最大方向を詳細に求めるようにしてもよい。例えば、流体解析により求めたスラグ流の流速が、流速Ｖｓとして適用されるようにしてもよい。また、流体解析によりスラグ流１２の最大流速の方向をあらかじめ求めておき、マイクロ波の照射方向の最大流速の方向に対する傾きである角度を用いて、マイクロ波の照射方向から見た流速Ｖｄを求めるようにしてもよい。

【0111】

また、上述の説明では、マイクロ波の照射方向から見た流速Ｖｄに最も近い速度ビンに対応するブロックの信号強度を解析すると説明した。しかし、例えば、マイクロ波の照射方向から見た流速Ｖｄに近い複数の速度ビンを特定し、特定された複数の速度ビンに対応するブロックの信号強度を解析することで、スラグ流１２の断面形状を求めるようにしてもよい。

【0112】

（演算器の構成）
図２２は、図１の演算器４４の詳細な構成例を示すブロック図である。この例では、演算器４４が、キューブデータ生成部６１、速度特定部６２、断面形状算出部６３、および体積算出部６４を有している。

【0113】

キューブデータ生成部６１は、反射波に基づいて、物体及び流体までの距離と、物体及び流体の速度とを、反射波の方向ごとに算出したデータを生成する。

【0114】

すなわち、キューブデータ生成部６１は、送信波と受信波を合成して得られるＮ個のビート波であるビート波Ｂ１～ビート波ＢＮをサンプリングして、Ｆａｓｔ－ｔｉｍｅ軸、Ｓｌｏｗ－ｔｉｍｅ軸から成る２次元データを生成する。キューブデータ生成部６１は、Ｋ個の受信アンテナである受信アンテナ３２－１～受信アンテナ３２－Ｋごとに、２次元データを生成してＥｌｅｍｅｎｔ軸に並べることにより、図１７に示した３次元データ１７０を生成する。

【0115】

そして、キューブデータ生成部６１は、３次元データ１７０のデータを、Ｆａｓｔ－ｔｉｍｅ軸に沿って抽出して１回目のＦＦＴを実行することにより、物体等までの距離を示す信号強度に変換する。

【0116】

また、キューブデータ生成部６１は、１回目のＦＦＴの演算結果に変換されたデータを、３次元データ１７０のＳｌｏｗ－ｔｉｍｅ軸に沿って抽出して２回目のＦＦＴを実行することにより、各距離に位置する物体等の速度を示す信号強度に変換する。

【0117】

さらに、キューブデータ生成部６１は、２回目のＦＦＴの演算結果に変換されたデータを、３次元データ１７０のＥｌｅｍｅｎｔ軸に沿って抽出して３回目のＦＦＴを実行することにより、反射波の方向を示す信号強度に変換する。

【0118】

このようにして、図１８、図１９および図２０を参照して上述したキューブデータ２００が生成される。

【0119】

速度特定部６２は、流体及び物体の速度に基づいて、速度を有する成分を特定する。即ち、速度特定部６２は、例えば、図２０に示されるように、キューブデータ２００の中で、特定の速度ビンに対応するブロック２１０を抽出する。すなわち、速度特定部６２は、測定対象となるスラグ流１２の流速に対応する速度ビンに対応するブロック２１０をキューブデータ２００から抽出する。これにより、受信アンテナ３２－１～受信アンテナ３２－Ｋにより受信される反射波の中で、スラグ流１２の流速に対応する速度を有する反射波の成分が特定される。

【0120】

断面形状算出部６３は、速度を有する成分から、前記流体までの距離を、前記反射波の方向ごとに特定することで、前記流体の２次元断面形状を算出する。即ち、断面形状算出部６３は、速度特定部６２により抽出された、キューブデータ２００の中で特定の速度ビンに対応するブロック２１０を解析する。そして、断面形状算出部６３は、スラグ流１２までの距離を、反射波の方向ごとに特定することで、スラグ流１２の２次元断面形状を算出する。すなわち、断面形状算出部６３は、図２１に示されるような、反射波の方向に応じた物体等までの距離を示す曲線２８１を算出し、当該曲線２８１によって示される断面形状を求める。

【0121】

なお、ここで得られた断面形状を線対称に配置した形状が、スラグ流１２の断面形状であると仮定する。

【0122】

体積算出部６４は、２次元断面形状に基づいて流体の体積を算出する。即ち、体積算出部６４は、断面形状算出部６３によって算出された２次元断面形状に基づいて測定対象流体の体積を算出する。すなわち、体積算出部６４は、断面形状算出部６３によって算出された断面形状に対応する面積の２倍の面積を測定周期に対応する時間によって積分することで、スラグ流１２の部分的な体積を算出する。そして、体積算出部６４は、排滓の開始から終了までスラグ流１２の部分的な体積を連続して算出して合計することで、排滓されたスラグの全体の体積を算出する。さらに、体積算出部６４は、排滓の開始から終了までのスラグの体積に、予め算出されたスラグ密度を乗じることで、排滓されたスラグの総重量を算出するようにしても良い。

【0123】

（体積算出処理の流れ）
次に、体積測定装置２０による体積算出処理の流れについて説明する。図２３は、体積算出処理の例について説明するフローチャートである。

【0124】

ステップＳ１０１において、体積測定装置２０は、マイクロ波を送信する。このとき、マイクロ波発振器４１は、例えば、図９を参照して上述したように、掃引時間Ｔの間、掃引周波数Ｆだけ周波数を線形変調したチャープを複数、連続して生成することで、例えば、Ｎ個（１フレーム分）のチャープを生成する。そして、マイクロ波発振器４１により発振されたマイクロ波が、送信アンテナ３１から送信される。送信アンテナ３１から送信されたマイクロ波である送信波は、物体に当たって反射することで反射波を生じ、反射波が受信アンテナ３２－１～受信アンテナ３２－２によって受信される。

【0125】

ステップＳ１０２において、ミキサー４２は、ステップＳ２１でマイクロ波発振器４１により発振されたマイクロ波である参照波と、受信アンテナ３２によって受信された反射波である受信波とを合成してビート波を生成する。なお、ミキサー４２によって生成されたビート波は、ＡＤ変換器４３によってＡＤ変換される。

【0126】

ステップＳ１０３において、演算器４４のキューブデータ生成部６１は、物体等までの距離、および、物体等の速度を、反射波の方向ごとに算出したデータを生成する。このとき、キューブデータ生成部６１は、例えば、ステップＳ１０２で生成されたビート波のデジタル信号に対して演算処理を実行することで、図１８、図１９および図２０を参照して上述したキューブデータ２００を生成する。

【0127】

すなわち、キューブデータ生成部６１は、図１７に示した３次元データ１７０を生成して、Ｆａｓｔ－ｔｉｍｅ軸、Ｓｌｏｗ－ｔｉｍｅ軸、および、Ｅｌｅｍｅｎｔ軸の各軸に沿って抽出して３回のＦＦＴを実行する。

【0128】

このように、ステップＳ１０３の処理により、距離、速度、および、方向を各軸とするＦＭＣＷ方式のアレイレーダーのキューブデータが生成される。

【0129】

ステップＳ１０４において、速度特定部６２は、ステップＳ１０４の処理によって算出された物体等の速度に基づいてスラグ流１２の流速に対応する速度を有する反射波の成分を特定する。このとき、例えば、速度特定部６２は、図２０に示されるように、キューブデータ２００の中で、特定の速度ビンに対応するブロック２１０を抽出する。

【0130】

このように、ステップＳ１０４の処理により、キューブデータ２００の速度ビンのうち、測定対象であるスラグ流１２の流速に近い速度ビンが特定される。

【0131】

ステップＳ１０５において、断面形状算出部６３は、特定した反射波の成分からスラグ流１２までの距離を、反射波の方向ごとに特定することで、スラグ流１２の２次元断面形状を算出する。このとき、断面形状算出部６３は、例えば、ステップＳ１０４の処理によって抽出された、キューブデータ２００のブロック２１０を解析する。すなわち、図２１に示されるような、反射波の方向に応じた物体等までの距離を示す曲線２８１が算出される。

【0132】

このように、ステップＳ１０５の処理により、キューブデータ２００の中の特定された速度ビンに対応する距離が、反射波の方向ごとに特定される。

【0133】

ステップＳ１０６において、体積算出部６４は、２次元断面形状に基づいてスラグ流１２の体積を算出する。このとき、体積算出部６４は、例えば、ステップＳ１０５の処理によって算出された曲線２８１によって示される断面形状を線対称に配置することで、スラグ流１２の断面形状としてスラグ流１２の断面積を算出する。そして、体積算出部６４は、断面積を測定周期に対応する時間によって積分することで、スラグ流１２の部分的な体積を算出する。そして、体積算出部６４は、排滓の開始から終了までスラグ流１２の部分的な体積を連続して算出して合計することで、排滓されたスラグの体積を算出する。さらに、体積算出部６４は、排滓の開始から終了までのスラグの体積に、予め算出されたスラグ密度を乗じることで、排滓されたスラグの総重量を算出するようにしても良い。

【0134】

このように、ステップＳ１０５の処理で算出された２次元断面形状に対応する面積の２倍の面積を、時間的に積分することでスラグ流１２の体積が算出される。

【0135】

このようにして、体積算出処理が実行される。

【0136】

（実施形態の効果）
上述したように、本実施形態によれば、マイクロ波を用いた測定によって、排滓されたスラグの体積を求めることができる。このため、火炎や、黒煙、スプラッシュなどの粉塵が多く発生する環境であっても、安全にスラグの排滓量を求めることができる。また、排滓されるスラグを受け取る排滓鍋の重量を測定する方式などと比較して、排滓時のスプラッシュなどによる故障の可能性が低く、安定的にスラグの排滓量を測定することができる。

【0137】

さらに、本実施形態によれば、マイクロ波を反射する物体等のうち、特定の速度を有する物体等に注目して、物体等までの距離を算出することが可能となる。従って、例えば、周囲に構造物がある場合でも、安定してスラグ流までの距離を測定することができる。

【0138】

このように、本実施形態によれば、周囲に構造物がある場合でも、安定的に測定対象となる流体の体積や重量を測定することができる。

【0139】

＜その他の実施形態＞
以上においては、周囲を構造物に囲まれた環境の中で、排滓されるスラグ流を測定対象とする例について説明したが、必ずしも周囲が構造物で囲まれている必要はない。例えば、周囲に構造物がない環境の中で排滓されるスラグ流を測定対象物として、本発明を適用することも可能である。

【0140】

また、以上においては、主にスラグ流を測定対象物とする例について説明したが、測定対象物はスラグ流に限られるものではない。例えば、スラグ流以外の流体を測定対象物として、本発明を適用することも可能である。

【0141】

＜ソフトウェアによる実現例＞
演算器４４の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各ブロックとしてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。

【0142】

図２４は、演算器４４として用いられるコンピュータ５００の物理的構成を例示したブロック図である。演算器４４は、図２４に示すように、バス５１０と、プロセッサ５０１と、主メモリ５０２と、補助メモリ５０３と、通信インタフェース５０４と、入出力インタフェース５０５とを備えたコンピュータ５００によって構成可能である。プロセッサ５０１、主メモリ５０２、補助メモリ５０３、通信インタフェース５０４、及び入出力インタフェース５０５は、バス５１０を介して互いに接続されている。入出力インタフェース５０５には、入力装置５０６および出力装置５０７が接続されている。

【0143】

プロセッサ５０１としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、マイクロコントローラ、またはこれらの組み合わせ等が用いられる。

【0144】

主メモリ５０２としては、例えば、半導体ＲＡＭ（random access memory）等が用いられる。

【0145】

補助メモリ５０３としては、例えば、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、またはこれらの組み合わせ等が用いられる。補助メモリ５０３には、上述した演算器４４の動作をプロセッサ５０１に実行させるためのプログラムが格納されている。プロセッサ５０１は、補助メモリ５０３に格納されたプログラムを主メモリ５０２上に展開し、展開したプログラムに含まれる各命令を実行する。

【0146】

通信インタフェース５０４は、ネットワークに接続するインタフェースである。
入出力インタフェース５０５としては、例えば、ＵＳＢインタフェース、赤外線やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の近距離通信インタフェース、またはこれらの組み合わせが用いられる。

【0147】

入力装置５０６としては、例えば、キーボード、マウス、タッチパッド、マイク、又はこれらの組み合わせ等が用いられる。出力装置５０７としては、例えば、ディスプレイ、プリンタ、スピーカ、又はこれらの組み合わせが用いられる。

【0148】

演算器４４の機能を、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現する場合、プロセッサ５０１と主メモリ５０２により上記プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。

【0149】

上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。

【0150】

また、上記各ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。

【0151】

また、上記各ブロックの機能の一部または全部は、上記装置で動作するものであってもよいし、他の装置（例えばエッジコンピュータまたはクラウドサーバ（cloud server）等）で動作するものであってもよい。

【0152】

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【0153】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る体積測定方法は、測定対象である流体の体積を測定する体積測定方法であって、ＦＭＣＷ方式のアレイアンテナを用いて、マイクロ波を前記流体に向けて送信波として送信する送信部と、前記アレイアンテナを用いて、前記流体及び前記流体の周囲の物体で反射したマイクロ波を反射波として受信する受信部と、前記送信波に対応する参照波と前記反射波とから生成されるビート波に基づいて、前記流体の体積を算出する演算処理部と、を有する体積測定装置を用い、前記演算処理部を用いて、前記反射波に基づいて前記流体及び前記物体までの距離と、前記流体及び前記物体の速度とを、前記反射波の方向ごとに算出したデータを生成するデータ生成ステップと、前記流体及び前記物体の速度に基づいて、速度を有する成分を特定する速度特定ステップと、前記速度を有する成分から、前記流体までの距離を、前記反射波の方向ごとに特定することで、前記流体の２次元断面形状を算出する断面形状算出ステップと、前記２次元断面形状に基づいて前記流体の体積を算出する体積算出ステップと、を有する。

【0154】

本発明の態様２に係る体積測定方法は、上記の態様１において、前記流体の２次元断面形状に対応する面積の２倍の面積を、時間的に積分することで前記流体の体積を算出する。

【0155】

本発明の態様３に係る体積測定方法は、上記の態様１又は２において、前記流体が、中間排滓工程において転炉口から排滓されるスラグ流である。

【0156】

本発明の態様４に係る体積測定方法は、上記の態様３において、前記送信波の照射方向が、鉛直方向下向きに対して、０度より大きく７５度以下又は１０５度以上で１８０度より小さい範囲内で傾いており、前記送信波の照射方向上の前記スラグ流の位置が、前記転炉口より下方又は上方に位置する。

【0157】

本発明の態様５に係る体積測定装置は、測定対象である流体の体積を測定する体積測定装置であって、ＦＭＣＷ方式のアレイアンテナを用いて、マイクロ波を前記流体に向けて送信波として送信する送信部と、前記アレイアンテナを用いて、前記流体及び前記流体の周囲の物体で反射したマイクロ波を反射波として受信する受信部と、前記送信波に対応する参照波と前記反射波とから生成されるビート波に基づいて、前記流体の体積を算出する演算処理部と、演算処理部と、を有し、前記演算処理部は、前記反射波に基づいて前記流体及び前記物体までの距離と、前記流体及び前記物体の速度とを、前記反射波の方向ごとに算出したデータを生成するデータ生成部と、前記流体及び前記物体の速度に基づいて、速度を有する成分を特定する速度特定部と、前記速度を有する成分から、前記流体までの距離を、前記反射波の方向ごとに特定することで、前記流体の２次元断面形状を算出する断面形状算出部と、前記２次元断面形状に基づいて前記流体の体積を算出する体積算出部と、を有する。

【符号の説明】

【0158】

１０ 転炉
１０ａ 炉口
１２ スラグ流
２０ 体積測定装置
３０ アレイアンテナ
３１ 送信アンテナ
３２ 受信アンテナ
４１ マイクロ波発振器
４２ ミキサー
４３ ＡＤ変換器
４４ 演算器
６１ キューブデータ生成部
６２ 速度特定部
６３ 断面形状算出部
６４ 体積算出部

【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】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】