(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲を耐火物で覆われた炉の外壁に取付けた１つの探触子から、炉内に向けて弾性波を放射し、その炉内壁面からの反射波を受波して炉内溶融物の液面レベルを測定するにあたり、
前記受波した反射波の波高と、前記炉の高さ方向における前記反射波の受波位置と、前記反射波の波高と炉内溶融物液面位置とに関して予め設定した対応関係と、に基づいて前記液面レベルを算出することを特徴とする炉内溶融物の液面レベル測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の液面レベル測定方法において、
弾性波が放射されてから、前記反射波が受波されるまでの反射波到達時間ｔを検出し、この検出した反射波到達時間ｔと、予め設定した到達時間の基準値ｔ０  との比ｔ／ｔ０  に基づいて、前記算出される液面レベルを補正することを特徴とする炉内溶融物の液面レベル測定方法。
【請求項３】
周囲を耐火物で覆われた炉の外壁に取付けた１つの探触子から、炉内に向けて弾性波を放射して反射波を受信し、その反射波のレベルにより炉内溶融物の液面レベルを測定する装置であって、
炉外壁に設置した弾性波送受信手段と、
この弾性波送受信手段で受信される前記炉の内壁面からの反射波の波高を検出する波高検出手段と、
この波高検出手段で検出される波高、前記弾性波送受信手段の設置高さおよび、予め設定した前記反射波の波高と炉内溶融物液面位置との対応関係に基づいて、前記炉内溶融物の液面レベルを算出する演算手段と、
を設けてなることを特徴とする炉内溶融物の液面レベル測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の液面レベル測定装置において、
前記弾性波送受信手段から弾性波が放射されてから、該弾性波送受信手段で前記反射波が受信されるまでの反射波到達時間ｔを検出する反射波到達時間検出手段を有し、
この反射波到達時間検出手段で検出した反射波到達時間ｔと、予め設定した到達時間の基準値ｔ０  との比ｔ／ｔ０  に基づいて、前記算出される液面レベルを補正するよう構成したことを特徴とする炉内溶融物の液面レベル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高炉やその他の冶金炉内における溶融物の液面レベルを測定する方法およびこの方法を実施するための測定装置に関するものである。以下、説明の便宜上、高炉内の溶銑の液面レベルの測定方法およびその測定装置を例にとって説明する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉の操業に当たって、炉底湯溜まり部における溶銑の液面レベル（以下、単に「溶銑レベル」という）を検知（測定）することは、操業効率を向上させる上で極めて重要である。特に、溶銑レベルが許容レベルを越えて上昇した場合には、羽口送風圧の上昇など炉況の不安定化につながり、ときには出銑・出滓不良や溶滓の逆流といったトラブルを招くに至り多大な損失となる。このため、従来、炉操業の監視という点からも、溶銑レベルを検知することが不可欠な作業であった。
【０００３】
このような高炉内の溶銑レベルを検知する方法として、例えば、特開昭５２−１２７３５４号公報には、炉壁に垂直探傷法超音波探触子を高さ方向に複数個配置し、各探触子の受信する反射超音波のレベルを検出することにより、炉内の溶銑レベルを測定するようにしたものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の測定方法にあっては、炉壁の高さ方向に複数個配置した超音波探触子のそれぞれのエコー信号の振幅を単純に比較するか、あるいは各エコー信号にゲートをかけて炉内壁からのエコー信号を取り出し、その抽出したエコー信号を閾値と比較して２値化することにより、溶銑あり・なしの情報を取り出して溶銑レベルを検出するようにしている。このため、高さ方向に複数個配置した探触子の配置間隔と等しい測定分解能しか得られず、また、閾値の設定によっても、溶銑面が探触子を配置している高さを通過したことしか検知できないため、溶銑レベルをきめ細かく検出することができないという問題があった。一方で、溶銑レベルをきめ細かく検出するためには、多数の超音波探触子を炉壁の高さ方向に微少間隔をもって配列する必要があり、装置のコスト高を招くという別の問題があった。
【０００５】
この発明は、従来技術が抱える上述した問題点に鑑みその解決のために開発されたものであって、その第１の目的は、炉内の溶融物の液面レベルを、単一の探触子を用い、その液面が探触子設置位置を通過する前後の領域についても、高い分解能で検出できる炉内溶融物の液面レベル測定方法を提供することにある。
【０００６】
さらに、この発明の第２の目的は、かかる炉内溶融物の液面レベル測定を、単一の探触子を用いて、簡単かつ安価に実施できるように構成した炉内溶融物の液面レベル測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するため、この発明は、周囲を耐火物で覆われた炉の外壁から、炉内に向けて弾性波を放射し、その炉内壁面からの反射波を受波して炉内溶融物の液面レベルを測定するにあたり、
前記受波した反射波の波高と、前記炉の高さ方向における前記反射波の受波位置と、前記反射波の波高と炉内溶融物液面位置とに関して予め設定した対応関係と、に基づいて前記液面レベルを算出することを特徴とするものである。
【０００８】
この発明の好ましい一実施形態は、前記弾性波が放射されてから、前記反射波が受波されるまでの反射波到達時間ｔを検出し、この検出した反射波到達時間ｔと、予め設定した到達時間の基準値ｔ０  との比ｔ／ｔ０  に基づいて、前記の算出された液面レベルを補正する方法である。
【０００９】
上記第２の目的を達成するため、この発明の炉内溶融物の液面レベル測定装置は、周囲を耐火物で覆われた炉の外壁から、炉内に向けて弾性波を放射して反射波を受信し、その反射波のレベルにより炉内溶融物の液面レベルを測定する装置であって、
炉外壁に設置した弾性波送受信手段と、この弾性波送受信手段で受信される前記炉の内壁面からの反射波の波高を検出する波高検出手段と、この波高検出手段で検出される波高、前記弾性波送受信手段の設置高さおよび、予め設定した前記反射波の波高と炉内溶融物液面位置との対応関係に基づいて、前記炉内溶融物の液面レベルを算出する演算手段とを設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
上記発明の好ましい実施形態は、さらに、前記弾性波送受信手段から弾性波が放射されてから、該弾性波送受信手段で前記反射波が受信されるまでの反射波到達時間ｔを検出する反射波到達時間検出手段を有し、
この反射波到達時間検出手段で検出した反射波到達時間ｔと、予め設定した到達時間の基準値ｔ０  との比ｔ／ｔ０  に基づいて、前記算出される液面レベルを補正するよう構成したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
先ず、図５を参照して、この発明による炉内溶融物の液面レベルの測定原理について説明する。図５に示すように、固体媒質よりなる炉１の外壁に弾性波送受信子２を取り付け、該弾性波送受信子２から炉内部に弾性波、例えば超音波、を放射してその反射波を受信する場合、観測される受信波の波高値Ｖは、炉１の高さ方向をｘとすると、
【数１】
0003596125.tif 000002
で表わされる。ここで、Ａは送受信機器の能率等で決まる定数、ｒ（ｘ）は炉１の壁内を伝播する弾性波が媒質の境界面で反射する場合の反射率を表す関数、ｆ（ｘ）は弾性波の波長および弾性波送受信子２の振動子径等で決まる弾性波送受信の指向性を表す関数、ｈは弾性波送受信子２の設置高さである。
【００１２】
ここで、指向性関数ｆ（ｘ）は、弾性波送受信子２から放射された弾性波のうち、炉１の内壁面で反射して弾性波送受信子２で検出される成分の、各反射位置ｘ毎の強度で、例えば図６に示すように表わされる。
【００１３】
また、良く知られているように、媒質の境界面での弾性波振幅の反射率ｒは、境界面の両側の媒質の音響的特性により決定され、例えば、図５に示すように、炉１を構成する固体媒質の密度をρ０  、弾性波速度をｃ０  とし、炉内の上側の媒質３の密度をρ１  、弾性波速度をｃ１  とすると、固体媒質内を伝播してきた弾性波が、該固体媒質と媒質３との境界面で反射する場合の弾性波振幅の反射率ｒ１  は、
【数２】
0003596125.tif 000003
で表わされる。
【００１４】
同様に、炉内の下側の媒質４の密度をρ２  、弾性波速度をｃ２  とすると、固体媒質内を伝播してきた弾性波が、該固体媒質と媒質４との境界面で反射する場合の弾性波振幅の反射率ｒ２  は、
【数３】
0003596125.tif 000004
で表わされる。
【００１５】
結局、媒質４の液面高さをｌとすると、式（１）中の反射率関数ｒ（ｘ）は、
【数４】
0003596125.tif 000005
と表わされる。
【００１６】
以上のことから、超音波送受信子２での受信波の波高Ｖは、以下のように表される。
【数５】
0003596125.tif 000006
【００１７】
すなわち、受信波の波高Ｖは、弾性波送受信位置と液面レベルとの差のみを変数とする関数Ｆ（ｘ）と、式（２）および（３）のようにして予め算出できる反射率ｒ１  およびｒ２  と、予め設定可能な定数Ａとで表現されることになる。
ここで、ｆ（ｘ）は、予め実験的あるいは理論的に求めることができるので、Ｆ（ｘ）をｆ（ｘ）と式（６）とによって定めておけば、その逆関数Ｇ（ｘ）を用いて式（５）を変形した式、
【数６】
0003596125.tif 000007
に基づいて、検出した受信波の波高Ｖから液面高さｌを算出することができる。
【００１８】
また、炉１を長期間にわたって稼働させると、炉１の内壁から消耗し、壁の厚みｄが初期状態での厚みｄ０  より次第に薄くなる場合がある。ここで、測定に使用する弾性波の波長は、一般に、炉壁厚みに比べて十分小さく、炉内壁においては遠距離音場領域内であることから、反射指向性ｆ（ｘ）の広がりは、炉壁の厚みｄに比例して小さくなる。このような炉壁の厚みｄの初期厚みｄ０  に対する比は、弾性波の反射波の到達時間ｔと、その到達時間の初期値または基準値ｔ０  との比に等しいので、ｆ（ｘ）の代わりに、ｆ（ｘ・ｔ０  ／ｔ）を用いた式、
【数７】
0003596125.tif 000008
に基づいて、液面高さｌを算出すれば、炉壁厚みの減少による影響を補正することが可能となる。
【００１９】
なお、以上の説明では、同一素子で弾性波送受信子２を構成するようにしたが、弾性波送信子と弾性波受信子とを別々の素子で構成して、これらを並べて配置してもよい。
また、高炉のバンキング（長期休風）などの著しく異なる液面レベルを測定するために、前記弾性搬送受信子２を炉高方向に複数個設置して、それぞれのレベルで独立した測定装置を構成するようにしてもよい。
【００２０】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、この発明の第１実施形態を示す模式図である。図１において、１００は耐火物よりなる炉、１０１は炉内の溶融物、１１は弾性波送受信子、１２は弾性波計測器、１３は波形処理回路、１４は演算回路、１５は表示装置を示す。
【００２１】
弾性波送受信子１１は、圧電材料の電気−音響変換効果を利用したもので、好適には、数十ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度の弾性波を送受信する市販されているものを用いる。この弾性波送受信子１１は、好適には、適当な弾性波結合材を介して炉壁のレンガ面に密着して取り付ける。なお、この弾性波送受信子１１は、同一の素子を後段の弾性波計測器１２において送信と受信とに切り替えて用いるが、送信子と受信子とを別個に並べて設置して、適当な弾性波計測器と組み合わせて用いても良い。
【００２２】
弾性波計測器１２は、液面レベル監視頻度に応じた時間間隔で弾性波送受信子１１に高電圧信号を印加して弾性波を励起させると共に、弾性波送受信子１１において電気信号に変換された受信弾性波の信号を適当な範囲の電圧信号、例えば数百ｍＶないし数Ｖに増幅して、後段の波形処理回路１３に供給するよう構成する。
【００２３】
波形処理回路１３は、弾性波計測器１２からの出力波形中から、炉壁内面での反射波の波高Ｖを検出するよう構成する。ここで、波高Ｖは、例えば、通常の弾性波計測で用いられているように、ゲート回路により炉壁内面での反射波を抽出して、その絶対値のピークを検出することもできるが、好ましくは、ゲート出力のスペクトラム振幅を算出することにより、高周波ノイズを分離して、弾性反射波のピークを検出するか、あるいは、ゲート出力と予め記憶させた基準反射波形との逆畳み込み演算を行うことにより、高周波ノイズを除去して、その演算結果のピークを検出するよう構成する。このようにすれば、反射波の波高Ｖを、より高精度で検出することができる。
【００２４】
演算回路１４は、波形処理回路１３で検出したピーク値（反射波の波高Ｖ）から炉内溶融物１０１の液面レベルｌを算出するもので、上述した式（９）の関数関係を記憶する手段と、その関数関係と波高Ｖとから液面レベルｌを演算する手段とを有し、その演算結果を後段の表示装置１５に表示するよう構成する。
【００２５】
なお、波形処理回路１３および演算回路１４は、アナログ素子で実現することもできるし、弾性波計測器１２以降のデータを全てデジタル化することにより、マイクロプロセッサ等の演算回路を用いた演算処理で代用するよう構成することもできる。
【００２６】
以下、この実施形態の動作について説明する。
弾性波送受信子１１は、弾性波計測器１２により駆動制御され、これにより弾性波送受信子１１から弾性波が放射され、その反射波が該弾性波送受信子１１で受波されて、弾性波計測器１２で処理される。ここで、弾性波計測器１２から出力される反射波の受信波形は、図１に（ａ）〜（ｅ）で示す１００内の溶融物１０１の液面レベルに応じて、それぞれ図２（ａ）〜（ｅ）に示すようになる。
【００２７】
この弾性波計測器１２からの受信出力は、波形処理回路１３に供給され、ここでゲート回路により炉内壁面での反射信号が切り出されて、その抽出された反射信号のピーク値、すなわち反射波の波高Ｖａ  〜Ｖｅ  が検出される。なお、この波形処理回路１３においては、上述したように、ゲート回路により抽出された反射信号の絶対値を演算してそのピーク値を検出したり、ゲート出力のスペクトラム振幅を算出してそのピーク値を検出したり、あるいは、ゲート出力と予め記憶した基準反射波形との逆畳み込み演算を行って、その出力波形のピーク値を検出して、波高Ｖａ  〜Ｖｅ  を得る。
【００２８】
波形処理回路１３で検出された反射波の波高は、演算回路１４に供給され、ここで入力波高と、弾性波の反射指向性に応じて予め記憶された、例えば図３に示すような反射波波高と液面高さとの関数形とに基づいて、炉内溶融物１０１の液面レベルｌが算出され、その算出結果が表示装置１５に表示される。
【００２９】
図４は、この発明の第２実施形態を示す模式図である。この実施形態では、図１に示す構成において、反射波到達時間検出回路１６を付加すると共に、演算回路１４において、上述した式（１０）に基づいて液面レベルｌを演算するようにしたもので、その他の構成は図１と同様である。反射波到達時間検出回路１６は、弾性波の炉内壁反射波の到達時間ｔを検出するもので、例えば、反射波の有無を検出する閾値回路と、時間を計測するための高周波カウンタとを組み合わせ、弾性波が放射されてから、閾値回路によって反射波が検出されるまでの高周波カウンタの計数値に基づいて到達時間ｔを検出するようにする。
【００３０】
演算回路１４では、波形処理回路１３で検出された反射波の波高と、反射波到達時間検出回路１６からの到達時間ｔと、予め記憶した到達時間の初期値または基準値ｔ０  とにより、上述した式（１０）に基づいて液面レベルｌを演算する。すなわち、第１の実施形態において算出される液面レベルを、検出した反射波到達時間ｔと、予め設定した到達時間の基準値ｔ０  との比ｔ／ｔ０  に基づいて補正して、その演算結果を後段の表示装置１５に表示する。
【００３１】
なお、この発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変更または変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、炉壁に１つの弾性波送受信子を取り付けるようにしたが、共通の弾性波計測器に切り替え接続し得るように、複数個の弾性波送受信子を炉の高さ方向に取り付け、これらを炉の操業状態に応じて弾性波計測器に切り替え接続して液面レベルを検出するよう構成することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明によれば、炉内溶融物の液面が探触子設置位置を通過する前後においても、液面レベルを高い分解能で検出することができるので、炉内溶融物の液面レベルをきめ細かく把握しながら操業することが可能となる。また、単一の探触子を用い、炉体の耐火物の外側から弾性波を送受信する非襲侵的測定法であることから、耐火物の性能を損ねることもなく、液面レベルを長期間に亘って安定して測定することができると共に、装置の構成も簡単かつ安価にでき、またその設置あるいは保全上の点についても極めて有利となる。
【００３３】
また、弾性波の反射波到達時間に応じて算出される液面レベルを補正する場合には、炉壁の厚みの変化による影響を有効に補正することができるので、炉を長期間に亘って連続して操業させた場合でも、信頼性の高い液面レベル検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】図１において、炉内の液面レベルに応じて受信される弾性波の反射波の波形の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態において、反射波波高から液面レベルを算出する際に用いる関数形の一例を示す図である。。
【図４】この発明の第２の実施形態を示す模式図である。
【図５】この発明による液面レベルの測定原理を説明するための図である。
【図６】図５において、炉内壁面で反射されて弾性波送受信子で検出される反射波の指向性関数の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  炉
２  弾性波送受信子
３，４  媒質
１１  弾性波送受信子
１２  弾性波計測器
１３  波形処理回路
１４  演算回路
１５  表示装置
１６  反射波到達時間検出回路
１００  炉
１０１  溶融物
【図１】
0003596125.tif 000009
【図２】
0003596125.tif 000010
【図３】
0003596125.tif 000011
【図４】
0003596125.tif 000012
【図５】
0003596125.tif 000013
【図６】
0003596125.tif 000014