Brevet FR2141844A1 — publié le 19730126

La qualité et la quantité du fer élaboré par unité de temps dans les hauts fourneaux dépendent du niveau de remplissage. Pour cette raison, on s'efforce de contrler avec précision le niveau de remplissage d'un haut fourneau pendant le service. Jusqu'd présent, on mesure le niveau de remplissage par des dispositifs mécaniques. Pendant ces mesures, on fait descendre dans le haut fourneau, à de brefs intervalles de temps et généralement à trois endroits différents, des channes ou des sondes, jusqu'à ce que la chatne ou la sonde touche la surface du matériau chargé dans le haut fourneau. La longueur de la partie de la chatne ou de la sonde descendue dans le haut fourneau correspond alors au niveau de remplissage. Les mesures au moyen des appareils mécaniques sont cependant longues et sujettes aux perturbations. C'est pourquoi l'on s'est efforcé de déterminer le niveau de remplissage par des procédés travaillant sans contact. Des tentatives effectuées avec des procédés optiques, acoustiques et électroniques basés sur une réflexion ont démontré que de tels procédés sont inutilisables en raison des dimensions particulières des hauts fourneaux et de l'atmosphère particulière régnant à l'intérieur. Le diamètre moyen d'un haut fourneau est de l'ordre de 12 m, et sa hauteur de remplissage moyenne est de l'ordre de 15 m. L'atmosphère à l'intérieur d'un haut fourneau contient généralement 50% de poussière de fer et 30% de poussière de charbon, tandis que la température à la surface des matériaux chargés est de l'ordre de 6000C. Dans un procédé connu pour la détermination du niveau de remplissage de trémies et de silos, la mesure est basée sur le principe du radar, selon lequel on mesure le temps de propagation d'une impulsion émise par une antenne émettrice jusqu'à la surface du matériau plus le temps pour le retour de cette impulsion jusqu'à une antenne réceptrice. Ce procédé de mesure peut donner des résultats satisfaisants s'il s'agit de -trémies et de silos d'une grande profondeur, supérieure à 75 m, car une erreur de mesure de + - 1 m est dans ce cas dans la tolérance admissible. En revanche, ce procédé ne convient pas pour la mesure du niveau de remplissage dans les hauts fourneaux car une tolérance de + - I m est trop importante pour un haut fourneau dont la hauteur est beaucoup plus faible. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif pour mesurer le niveau de remplissage de hauts fourneaux, qui travaille avec une précision de mesure stable de + - 0,25 m pendant une longue durée de service. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu par un dispositif qui est caractérisé en ce qu'il est constitué par un appareil radar de mesure de hauteur, comprenant au moins une antenne émettrice et une antenne réceptrice disposées dans le haut fourneau, dont la fréquence d'émission, de quelques GHz, est modulée en fréquence, dans lequel la fréquence de l'écho réfléchi par la surface des matériaux chargés dans le haut fourneau est superposée à la fréquence d'émission en vue de la formation de la fréquence différentielle, et dans lequel la fréquence de répétition, commandant un basculeur ayant une durée d'enclenchement stable, peut atre modifiée par une boucle de réglage de manière que la fréquence piffé rentielle soit ramenée à zéro et que le taux d'enclenchement, dépendant du niveau de remplissage, serve d'indication. Dans l'atmosphère particulière régnant dans un haut fourneau, un dispositif suivant l'invention travaille sans contact, sans usure, donc également sans entretien. Sa précision de mesure est d'au moins + - 0,25 m. Un compteur de fréquence est prévu pour la mesure de la fréquence différentielle. Bien que, en principe, un dispositif suivant l'invention nécessite seulement une antenne émettrice et une antenne réceptrice, il est préférable d'employer plusieurs paires d'antennes disposées à la meme hauteur à la périphérie du four. Etant donné qu'une petite partie seulement de la surface est sondée lors de chaque mesure de distance > alors que la surface est irrégulière, l'utilisation de plusieurs paires d'antennes permet d'effectuer des mesures de distance à différents endroits de la surface, et le niveau de remplissage peut Stre déterminé ensuite en prenant la moyenne de ces diverses mesures. Les antennes sont de préférence des antennes à tube à embout évasé en acier fin, refroidies à l'eau, dont la surface est balayée par l'azote. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique illustrant le principe d'un dispositif de mesure suivant l'invention; - la figure 2 est un diagramme de fréquences; - la figure 3 est une coupe schématique d'une partie de la paroi d'un haut fourneau dans laquelle sont montées une antenne émettrice et une antenne réceptrice; et - la figure 4 est une vue en élévation, à plus grande échelle, d'une antenne. Dans l'appareil radar de mesure de hauteur utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention, la mesure du niveau de remplissage d'un haut fourneau s'effectue par la modulation de fréquence(FN)del'émetteur T, dont la fréquence est hétérodynée directement, dans l'étage mélangeur M, avec l'écho réfléchi par la surface des matériaux chargés dans le haut fourneau et reçu dans le récepteur R. Cet appareil radar de mesure de hauteur est entièrement réalisé en semi-conducteurs. L'antenne émettrice TA et l'antenne réceptrice RA sont directement montées dans la paroi du haut fourneau et à la mmme hauteur. Les antennes doivent etre montées à une distance minimale l'une de l'autre pour assurer le désaccouplement nécessaire.La puissance émise vers la surface Sch des matériaux chargés dans le haut fourneau est obtenue dans un multiplicateur V par la multiplication par huit d'une fréquence d'environ 500 MHz d'un oscillateur au moyen d'une diode de rétablissement pas à pas. L'hyperfréquence est donc d'environ 4 GHz et le balayage de fréquence est d'environ 120 MHz. Sur iSereaKrdrle genre particulier de cet appareil radar de mesure de hauteur, son principe technique sera décrit brièvement ci-après relativement à la figure 2. La fréquence de sortie f est modulée avec la -o tension en dents de scie représentée et produit un balayage de fréquence de #f. La fréquence d'émission f correspond donc à l'équation f = f + s t (1) s o dans laquelle désigne l'augmentation de fréquence par unité de temps ou, puisque la tension de modulation crott linéairement, le balayage de fréquence divisé par la durée de période. La fréquence de réception f e a parcouru la distance par rapport à la surface des matériaux chargés à deux reprises et elle a donc subi un retard, entre le moment d'émission et la réception, qui correspond å : dans laquelle c désigne la vitesse de la lumière. La fréquence différentielle fD, résultant de la superposition de la fréquence d'émission et de la fréquence de réception, correspond donc à : = fD - fs - fe = fo + s t - fo - s (t - #t) = s . #t (4) ou Si le balayage de fréquence f (123 MHz) et la durée de période T sont constants, la hauteur h, plus précisément la différence de p hauteur entre les antennes et la surface des matériaux chargés dans le haut fourneau, est directement proportionnelle à la fréquence différentielle Pour mesurer la fréquence fD, on écrite généralement les signaux sinusotdaux, ce qui assure en meme temps la compensation d'importantes variations d'amplitude et l'obtention de signaux rectangulaires de meme grandeur.Un redresseur monté derrière un circuit différenciateur GD pourrait alors fournir un courant directeur qui peut être transmis directement à un instrument D à cadre mobile, sur le cadran duquel peut autre indiquée directement la hauteur, par exemple en décimètres. L'indication de hauteur dérivée de la mesure de fréquence présente une erreur systématique que l'on appelle l'effet de palier et qui provient du fait que la fréquence différentielle fD ne se présente pas comme une ligne spectrale pure, mais comme une composition de tronçons courbes individuels non cohérents ayant la longueur T * Comme les passages par zéro p de la fréquence fD qu'additionne un compteur de fréquence pendant la période T représentent forcément un nombre entierS l'indication d'une augmentation p ou d'une diminution linéaire de la hauteur est obligatoirement quaRtifiée. Lorsqu'on désire déterminer la hauteur h d'après l'équation (5), on obtient Lorsqu'on compte pendant la durée de période T un seul p passage par zéro comme plus petite unité, on obtent, comme erreur de hauteur: c h = 2 #f (7) Il ressort de la formule (7) que l'on doit s'efforcer d'obtenir un balayage de fréquence f aussi grand que possible pour maintenir l'effet de palier petit. En l'occurrence, on obtient 3 . 108 m / h = =fi 1,20 m 2 . 123 . 106 Cette erreur est fortement diminuée lorsqu'on détermine une moyenne sur un grand nombre de périodes. L'appareil radar de mesure de hauteur représenté sur la figure 1 ne compte pas la fréquence différentielle, mais il modifie la fréquence de répétition (nombre des oscillations d'impulsion par seconde) par l'intermédiaire d'une boucle de réglage C, de manière que D soit pratiquement ramenée à zéro. Un basculeur K de durée d'enclenchement constante, commandé par la fréquence de répétition ainsi devenue variable, fournit un taux d'enclenchement qui dépend de la hauteur h et qui est affiché dans l'instrument A. Le régulateur à action intégrale assure pratiquement l'élimination de l'effet de palier, ce qui se traduit par une diminution considérable de l'erreur de hauteur. La figure 3 représente une coupe d'une partie d'un haut fourneau dont la paroi est désignée par W. Dans cette paroi sont montées l'antenne émettrice TA et, à la mEme hauteur mais avec un décalage de 300, l'antenne réceptrice RA, Comme seulement une petite partie de la surface Sch des matériaux chargés dans le haut fourneau est utilisée pour la mesure de distance, alors que la surface-de ces matériaux est relativement irrégulière, est recommandé d'utiliser trois paires d'antennes montées à la meme hauteur aans la paroi du haut fourneau pour mesurer la différence de hauteur par rapport à la surface des matériaux en trois endroits différents, et de déterminer ensuite une valeur moyenne. Comme représenté sur la figure 4; l'antenne se compose d'un embout évasé ou entonnoir St et d'un tube H qui traverse la paroi du haut fourneau et qui porte une bride FL1 pour la fixation de l'antenne sur cette paroi. Le tube HL raccordé au tube de traversée H de l'antenne par une bride FL2 sert à la transmission de I'hyperfréquence à l'émetteur ou au récepteur. Les raccords Al et A2 servent à l'arrivée et au retour du fluide de refroidissement de l'antenne et de l'azote pour le nettoyage de la surface de l'antenne. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour mesurer le niveau de remplissage de hauts fourneaux, caractérisé en ce qu'il est constitué par un appareil radar de mesure de hauteur, comprenant au moins une antenne émettrice et une antenne réceptrice disposées dans le haut fourneau, dont la fréquence d'émission, de quelques GHz, est modulée en fréquence, dans lequel la fréquence de l'écho réfléchi par la surface des matériaux chargés dans le haut fourneau est superposée à la fréquence d'émission en vue de la formation de la fréquence différentielle, et dans lequel la fréquence de rdpFtition, commandant un basculeur ayant une durée d'enclenchement stable, peut autre modifiée par une boucle de réglage, de manière que la fréquence différentielle soit ramenée à zéro et que le taux d'enclenchement, dépendant du niveau de remplissage, serve d'indication. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un compteur de fréquence est prévu pour la mesure de la fréquence différentielle. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que plusieurs paires d'antennes sont montées à la meme hauteur à la périphérie du haut fourneau. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les antennes sont des antennes à tube à embout évasé en acier fin qui sont refroidies à l'eau et dont la surface est balayée ou nettoyée avec de l'azote.