(57)【要約】【課題】金属遮蔽空間内部における対象物の位置を正確に取得することが可能な位置測定システムを提供することを目的とする。【解決手段】位置測定システム１は、UWBの周波数を有するパルス波の電波を塵芥、砂又は炭が存在する金属遮蔽空間内へ送信する送信アンテナ１４と、金属遮蔽空間内を移動し、送信アンテナ１４から送信された電波を反射する対象物２と、対象物２で反射した電波を受信する受信アンテナ１５とを備え、対象物２は、再帰性反射が可能な形状を有する複数のコーナーリフレクタが外部側に面して設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
UWBの周波数を有するパルス波の電波を塵芥、砂又は炭が存在する金属遮蔽空間内へ送信する送信部と、
前記金属遮蔽空間内を移動し、前記送信部から送信された前記電波を反射する対象物と、
前記対象物で反射した前記電波を受信する受信部と、
を備え、
前記対象物は、再帰性反射が可能な形状を有する複数のコーナーリフレクタが外部側に面して設けられる位置測定システム。
【請求項２】
UWBの周波数を有するパルス波の電波を塵芥、砂又は炭が存在する金属遮蔽空間内へパルス通信で送信する送信部と、
前記金属遮蔽空間内を移動し、前記送信部から送信された前記電波を反射する対象物と、
前記対象物で反射した前記電波を受信する受信部と、
を備え、
前記送信部又は前記受信部は、前記金属遮蔽空間内部に面して設置される設置部の内部に設けられ、
前記設置部は、前記金属遮蔽空間側の熱を低減する断熱構造を有し、前記設置部のうち前記電波が通過する面は、耐熱性及び電波透過性を有する材料で形成されている位置測定システム。
【請求項３】
前記対象物は、
前記対象物周囲の温度を測定する測定部と、
測定された前記温度を時刻と共に記録する記憶部と、
を有する請求項１又は２に記載の位置測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属壁で覆われた金属遮蔽空間において、高温条件下、かつ、炭や砂が浮遊している場所で、固体状物質を移動させる改質炭キルン炉や流動炉などの製品群がある。しかし、固体状物質の移動などの挙動について、シミュレーション精度の検証が不十分な場合があり、改質炭キルン炉や流動炉などの性能向上やスケールアップを経験や実験に依存している。そのため、実験実施による開発費用の増加や開発期間の長期化が懸念される。
【０００３】
特許文献１では、地中探査装置の発明であって、地中に存在する物質の種類、３次元的位置及び量を特定するため、大地に高周波電流を通流することによって出現する高周波電圧の多点計測を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３１１７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
シミュレーション精度の検証を行う場合、実際の金属遮蔽空間において、高温条件下、かつ、炭や砂が浮遊している場所での固体状物質の移動状況を測定（モニタリング）できることが望ましいが、このような場所での固体状物質の移動を測定する技術がない。
【０００６】
ある空間での固体状物質の移動状況を確認する技術としては、電波や音波などを利用し対象物質の挙動を検知する方法があるが、金属遮蔽空間において、高温条件下、かつ、炭や砂が浮遊している場所での適用実績は報告されていない。
この理由の一つとしては、電波を使用して対象物質の位置を検知しようとすると、電波の経路となる空間に炭や砂が存在し、電波が減衰するため、受信機側で電波を受信できなくなり、検知不能となることが挙げられる。
なお、電波の減衰量は、その影響を及ぼす物質の誘電率やtanδ（誘電正接）、透磁率の値などによって変化することが知られている。また、それらの物質が空気と混合する場合、その比率によっても影響を受ける。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、金属遮蔽空間内部における対象物の位置を正確に取得することが可能な位置測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の位置測定システムは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る位置測定システムは、UWBの周波数を有するパルス波の電波を塵芥、砂又は炭が存在する金属遮蔽空間内へ送信する送信部と、前記金属遮蔽空間内を移動し、前記送信部から送信された前記電波を反射する対象物と、前記対象物で反射した前記電波を受信する受信部とを備え、前記対象物は、再帰性反射が可能な形状を有する複数のコーナーリフレクタが外部側に面して設けられる。
【０００９】
この発明によれば、砂又は炭が存在する金属遮蔽空間内において、UWB（超広帯域無線）の周波数を有する電波が送信部から対象物へ送信され、対象物で反射して、受信部で受信されるところ、電波がUWBの周波数を有するため、金属遮蔽空間でも金属壁の影響がなく、対象物が壁面から離れていることを認識できる。また、電波がUWBの周波数を有するため、塵芥、砂又は炭が存在する空間でも電波の減衰がないため、対象物を検知できる。さらに、対象物の表面がコーナーリフレクタによって覆われていることから、送信部から送信された電波を同一方向に反射することができ、受信部を送信部と同一又は近傍に設置することができる。
【００１０】
また、本発明に係る位置測定システムは、UWBの周波数を有するパルス波の電波を塵芥、砂又は炭が存在する金属遮蔽空間内へパルス通信で送信する送信部と、前記金属遮蔽空間内を移動し、前記送信部から送信された前記電波を反射する対象物と、前記対象物で反射した前記電波を受信する受信部とを備え、前記送信部又は前記受信部は、前記金属遮蔽空間内部に面して設置される設置部の内部に設けられ、前記設置部は、前記金属遮蔽空間側の熱を低減する断熱構造を有し、前記設置部のうち前記電波が通過する面は、耐熱性及び電波透過性を有する材料で形成されている。
【００１１】
この発明によれば、金属遮蔽空間側の熱を低減する断熱構造を有する設置部の内部に、送信部又は受信部が設置されることから、送信部又は受信部の高温化を防止できる。また、設置部のうち電波が通過する面が耐熱性及び電波透過性を有する材料で形成されているため、減衰することなく、設置部の内部から金属遮蔽空間へと電波を送信し、金属遮蔽空間から設置部内部へと電波を受信することができる。
【００１２】
上記発明において、前記対象物は、前記対象物周囲の温度を測定する測定部と、測定された前記温度を時刻と共に記録する記憶部とを有してもよい。
【００１３】
この発明によれば、対象物が周囲の温度変化を測定できることから、対象物の位置情報とマッチングすることによって、金属遮蔽空間内で対象物が通過した経路の温度分布を取得することができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、金属遮蔽空間内部における対象物の位置を正確に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る位置測定システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る位置測定システム及び位置測定システムが適用される金属遮蔽空間を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る対象物を示す部分縦断面図である。
【図４】コーナーリフレクタを示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る送受信装置を示す正面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る送受信装置を示す側面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る装置設置部を示す縦断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る装置設置部を示す縦断面図であり、図１１のＤ−Ｄ線で切断した断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る装置設置部を示す縦断面図であり、図８のＣ−Ｃ線で切断した断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る装置設置部を示す横断面図であり、図７のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る装置設置部を示す横断面図であり、図７のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る位置測定システム１は、図１に示すように、金属遮蔽空間３０内部を移動する対象物（トレーサ又はターゲット）２と、電波（例えばレーダ）を送受信する送受信装置３と、送受信装置３に接続された制御装置４などを備える。対象物２の時計部１１と制御装置４の時計部１８は同期している。
【００１７】
位置測定システム１は、図２に示すように、金属壁で覆われた金属遮蔽空間３０であって、高温条件下、かつ、塵芥、炭又は砂が浮遊している場所３１での固体状物質（対象物２）の位置を測定できる。また、対象物２が周辺の温度変化を計測しており、測定された対象物２の位置と時刻をマッチングすることで、金属遮蔽空間３０内部の温度分布を取得できる。金属遮蔽空間３０は、例えばごみ焼却炉、改質炭キルン炉又は流動炉などである。
【００１８】
対象物２は、内部に時計部１１、温度測定部１２及び記憶部１３などを備える。対象物２は、外殻が耐熱性能を有しており、高温条件下の金属遮蔽空間３０内部に入れられても、内蔵する各構成部材を保護できる。対象物２は、改質炭キルン炉や流動炉などの機能に従って、金属遮蔽空間３０内部を移動する。例えば、流動炉の場合、金属遮蔽空間３０内部の入口から投入されると、対象物２は、流動層の流れに沿って移動し、最終的には出口から取り出されることになる。
【００１９】
対象物２は、送信アンテナ１４から送信された電波を反射する。対象物２の外面２１の内部側には、図３に示すように、外面２１に沿って複数のコーナーリフレクタ２２が設けられる。図３は、対象物２を示す部分縦断面図であり、対象物２の中心を通るように切断されている。コーナーリフレクタ２２は、再帰性反射、すなわち、送信されてきた電波をもとの方向へ反射することが可能な形状を有する。例えば、コーナーリフレクタ２２は、図４に示すように、３枚の板状部材が直角に組み合わされたものである。
【００２０】
対象物２が立方体等の６面体で形成される場合、１面につき４個のコーナーリフレクタ２２が設けられ、対象物２は合計２４個のコーナーリフレクタ２２を有する。これにより、金属遮蔽空間３０内部において、対象物２が、移動している間にあらゆる角度に姿勢を変化させたとしても、対象物２は、送信アンテナ１４から送信された電波を、もとの方向へ反射させることができる。したがって、受信アンテナ１５を送信アンテナ１４の近傍に設置することで、対象物２が電波によって確実に検知される。
コーナーリフレクタ２２の１辺のサイズは、送受信される電波の波長に基づいて決定される。周波数が9GHzのパルス波の電波が送受信される場合、コーナーリフレクタ２２の１辺のサイズは、例えば3cmである。
【００２１】
温度測定部１２は、例えば熱電対であり、対象物２の周囲の温度を測定する。記憶部１３は、温度測定部１２で測定された温度と共に、時計部１１に基づく時刻を記録する。制御装置４の位置算出部１６で測定された対象物２の位置及び時刻とマッチングすることで、金属遮蔽空間３０内における対象物２の経路上の温度分布を得ることができる。
【００２２】
送受信装置３は、図２に示すように、金属遮蔽空間３０に設けられた装置設置部３２内部に設置される。送受信装置３は、送信アンテナ１４と、受信アンテナ１５などを備える。送信アンテナ１４は、金属遮蔽空間３０内部に向けて、UWB（超広帯域無線）の周波数を有する電波、例えば周波数が9GHzのパルス波の電波を送信する。本実施形態において送受信される電波は、ＵＷＢの周波数9GHz〜76.5GHzであることが好ましい。これにより、距離分解能±10mm、壁との分離±10mm〜±100mmを実現できる。
【００２３】
送信アンテナ１４は、アンテナ制御部１９によって電波の送信方向が調整される。受信アンテナ１５は、送信アンテナ１４から送信され対象物２で反射した電波を受信する。受信アンテナ１５は、図５に示すように、送信アンテナ１４の近傍に設置される。
【００２４】
送信アンテナ１４は、例えば平面アンテナであり、複数（図５の例では６４個）のアンテナ素子からなる。各アンテナ素子が制御されることによって、送信アンテナ１４から送信される電波の送信方向を３次元的に調整できる。その結果、金属遮蔽空間３０内部を走査し、対象物２を検知、追尾することが可能である。なお、送信アンテナ１４は、平面アンテナに限られず、例えばホーンアンテナでもよい。但し、金属遮蔽空間３０内部を走査するための駆動装置が設けられ、ホーンアンテナの動作空間も広く必要になるため、規模が大きくなる。送受信装置３には、図５及び図６に示すように、ファン２３が設けられて、送受信装置３の内部を冷却できるようにしてもよい。
【００２５】
制御装置４は、例えばコンピュータであり、位置算出部１６と、補正部１７と、時計部１８と、アンテナ制御部１９などを備える。位置算出部１６は、送信アンテナ１４から送信され対象物２で反射した後、受信アンテナ１５で受信した電波に基づく電波の送受信方向や到達時間を用いて、対象物２の位置を算出する。補正部１７は、金属遮蔽空間３０の内部に塵芥、炭又は砂等が存在する場合、塵芥、炭又は砂等の誘電率や、電波の屈折角を考慮して、位置算出部１６が算出した位置を補正する。
【００２６】
次に、図７〜図１１を参照して、送受信装置３が設置される装置設置部３２について説明する。
装置設置部３２は、壁部が耐火材３３によって形成され、かつ、壁部の内部側に冷却用空気流路３４が形成される。冷却空気は、金属遮蔽空間３０の外部から冷却用空気流路３４に導入される。そして、冷却空気は、冷却用空気流路３４を通過して、壁部の内部側全体に行き渡った後、金属遮蔽空間３０の外部へ排出される。このとき、冷却空気は、送受信装置３へ吹き出して、送受信装置３を冷却するようにしてもよい。上述の構成により、装置設置部３２は、金属遮蔽空間３０の熱が内部に伝達されないようにし、送受信装置３の高温化を防止する。
【００２７】
装置設置部３２は、金属遮蔽空間３０の壁面から内部側に向けて突出して形成される。送受信装置３は、送信アンテナ１４及び受信アンテナ１５が下側を向くように、装置設置部３２の内部に固定される。これにより、対象物２が移動する範囲を走査することができる。装置設置部３２のうち送信アンテナ１４及び受信アンテナ１５に面する窓部材３５は、通常の耐火材ではなく、電波透過性を有する耐火材が使用される。窓部材３５は、多孔性であって、誘電率及び導電率が小さい材料、例えば発泡ＳｉＯ２、発泡アルミナなどが使用される。これによって、送受信装置３の高温化を防止しつつ、装置設置部３２内部から金属遮蔽空間３０内部へ電波を通過させることができる。装置設置部３２の底部の窓部材３５以外には、耐熱性のため、金属遮蔽空間３０側にセラミック製薄板が設置されてもよい。
【００２８】
次に、本実施形態に係る位置測定方法について説明する。
まず、金属遮蔽空間３０が炉である場合は、炉を立ち上げる前に、金属遮蔽空間３０の内部に校正用のコーナーリフレクタ４０を設置する。金属遮蔽空間３０内の位置が内挿によって求められるように、複数のコーナーリフレクタ４０は、可能な限り互いに離隔して設置される。その後、炉を立ち上げる。
【００２９】
そして、金属遮蔽空間３０の壁面に設けられた装置設置部３２に冷却空気を流し、装置設置部３２の内壁面が100℃以下になるように冷却する。その後、装置設置部３２内部に送受信装置３を設置する。このとき、制御装置４の時刻と、対象物２の時刻を合わせておく。これにより、測定後、対象物２の位置と金属遮蔽空間３０内部の温度の関係を取得できる。
【００３０】
次に、キャリブレーションを実施して、電波の送受信方向と金属遮蔽空間３０の実際の位置との間の位置ずれを補正する。
補正完了後、対象物２を用意し、金属遮蔽空間３０内部に投入する。送受信装置３は、投入された対象物２を検知するため、距離や角度を細かく調整して、金属遮蔽空間３０の入口付近を詳細にサンプリングする。対象物２が検知されたら、送受信装置３は、対象物２を中心にして対象物２を追尾する。対象物２が検知されなくなった場合、現在の測定箇所を保持したまま、走査範囲を広げる。再び対象物２が検知されたら、対象物２の追尾を再開する。
対象物２が金属遮蔽空間３０の出口から出るまで、上記送受信装置３による対象物２の検知を継続する。
【００３１】
金属遮蔽空間３０から対象物２が出た後は、対象物２が冷却してから、内部の記憶部１３を取り出す。そして、対象物２の記憶部１３に記録された時刻や温度を制御装置４などに移動させ、データ整理を行う。例えば、対象物２の位置測定によって得られた時刻と位置情報を照合することによって、金属遮蔽空間３０内部における対象物２の移動経路の温度分布を把握することができる。
【００３２】
次に、データ処理方法について説明する。
まず、キャリブレーションを実施して、電波の送受信方向と金属遮蔽空間３０の実際の位置との間の位置ずれを補正する。キャリブレーションは、屈折の理論を用いて位置の補正が行われる。
【００３３】
そして、上述した測定方法に基づく、金属遮蔽空間３０における固体状物質（対象物２）の位置測定を開始する。対象物２が金属遮蔽空間３０に投入されている間、位置測定装置は、時刻（ｔ）と対象物２の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を同時に記録する。サンプリング間隔は、例えば２秒以下と短い間隔でもよいし、２０秒といった比較的長い間隔でもよい。位置計測中において、制御装置４に接続された表示装置５は、位置算出部１６で認識された対象物２の位置及び移動経路を３次元的に表示する。
【００３４】
計測が終了すると、測定されたデータが制御装置４に保存される。データを保存しておくことによって、金属遮蔽空間３０内部における対象物２の移動状況や、金属遮蔽空間３０内部の位置と温度の関係をグラフ化することもできる。
【００３５】
以上、本実施形態によれば、塵芥、砂又は炭が存在する金属遮蔽空間３０の高温場で、固体状物質（対象物２）の位置を３次元で把握することができ、対象物２の挙動を測定できる。
【００３６】
また、対象物２の内部に、対象物２の周囲の温度を測定する温度測定部１２と、測定された温度を時刻と共に記録する記憶部１３を設置し、対象物２の位置測定によって得られた時刻と位置情報を照合することによって、金属遮蔽空間３０内部における対象物２の移動経路の温度分布を把握することができる。なお、対象物２を金属遮蔽空間３０に投入する前に、制御装置４の時計部１８と対象物２の時計部１１の時刻を合わせておく必要がある。
【００３７】
さらに、補正部１７が塵芥、砂又は炭によって電波が屈折することによる位置情報のずれを補正する機能を備えていることから、実際の金属遮蔽空間３０における対象物２の移動を正確に把握できる。
【００３８】
またさらに、金属遮蔽空間３０の壁面に設けられた装置設置部３２の内部に送受信装置３を設置していることから、金属遮蔽空間３０内（炉内）が最高温度６００℃であるような環境でも、通常の温度範囲での使用が想定されている送受信装置３を用いることができる。
【００３９】
上記装置設置部３２は、電波が通過する窓部材３５が、耐熱性及び電波透過性を有する材料、例えば、気泡が多く誘電率や導電率が小さい発泡ＳｉＯ２等を使用することで、送信アンテナ１４から送信され受信アンテナ１５で受信される電波の減衰を最小限に抑えることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  位置測定システム
２  対象物
３  送受信装置
４  制御装置
５  表示装置
１１，１８  時計部
１２  温度測定部
１３  記憶部
１４  送信アンテナ（送信部）
１５  受信アンテナ（受信部）
１６  位置算出部
１７  補正部
１９  アンテナ制御部
２２  コーナーリフレクタ
３０  金属遮蔽空間
【図１】
2014095552.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014095552.tif 000009
【図８】
2014095552.tif 000010
【図９】
2014095552.tif 000011
【図１０】
2014095552.tif 000012
【図１１】
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