(57)【要約】  容器（１１）内に保持された物質の材料層の厚さを決定する方法及び装置であって、上記物質が、上側層（１０１）に配置された第１の材料と、下側層（１０２）に配置された第２の材料とを備え、物質を通過して容器部分（１３）に向かう無線信号を送信し、上側層の表面（１２）から、第２の層の表面（１４）から、及び、容器部分（１３）からの反射信号を受け、送信信号の周波数を変えて送信信号と反射信号との間の位相変位を決定し、位相変位に基づいて表面及び容器部分までの光学距離を決定し、上記層のうちの一方の層の厚さ（Ｌ１）を、その層の厚さ方向における位相変位及びその層の屈折率に基づいて決定し、他方の層の厚さ（Ｌ２）を、上記層のうちの上記一方の層の厚さに基づいて決定する、方法及び装置。【選択図】  図１
2008534940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に保持された物質の材料層の厚さを決定する方法であって、前記物質が、上側層に配置された第１の材料と、下側層に配置された第２の材料とを備え、
−容器部分から所定の距離に配置されたアンテナ手段から、前記物質を通過して、前記容器部分に向かう無線信号を送信するステップと、
−前記上側層の上側の第１の表面部分からの反射信号、第２の層の上側の第２の表面部分からの反射信号、及び、前記容器部分からの反射信号を前記アンテナ手段で受けるステップと、
−所定の周波数帯域にわたって前記送信される信号の周波数を変えて、前記送信される信号と複数の前記反射信号との間の位相変位を決定するステップと、
−前記位相変位に基づいて、前記アンテナ手段から前記第１の表面部分までの光学距離、前記アンテナ手段から第２の表面部分までの光学距離及び前記アンテナ手段から前記容器部分までの光学距離を決定するステップと、
−前記層のうちの一方の層の厚さを、該一方の層の厚さ方向における位相変位及び該一方の層の屈折率に基づいて決定するステップと、
−前記層のうちの他方の層の厚さを、前記所定の距離及び前記層のうちの前記一方の層の厚さに基づいて決定するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記層のうちの前記一方の層が前記下側層である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記層のうちの前記一方の層が前記上側層である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の材料が油系液体であり、前記第２の材料が水系液体である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記容器がオイルタンカー船舶のオイル容器である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記容器が陸上オイルタンクである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記材料のうちの一方の材料が液体であり、前記材料のうちの他方の材料が微粒子である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
−前記材料のうちの一方の材料から成る層上の１つの表面に対する幾何学的距離を決定するとともに、該層の厚さ方向における光学距離を決定するステップと、
−前記層の所定量の材料を前記物質に対して加えるステップと、
−前記層上の前記表面に対する幾何学的距離及び前記層の厚さ方向における光学距離を再び決定するステップと、
−前記層の追加の厚さ、及び、前記層にわたった追加の光学距離を計算するステップと、
−前記層にわたった追加の厚さ及び追加の光学距離に基づいて、前記層の材料の屈折率を決定するステップと、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記材料のうちの一方の材料から成る層上の前記表面が前記物質の上面である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
−前記物質における１つの表面に対する幾何学的距離を決定するステップと、
−前記表面上に配置される第３の層に対して所定量の第３の材料を加えるステップと、
−前記層上の前記表面に対する幾何学的距離及び前記第３の層の厚さ方向における光学距離を再び決定するステップと、
−前記第３の層の厚さを計算するステップと、
−前記第３の層の厚さ方向における光学距離及び前記厚さに基づいて、前記第３の材料の屈折率を決定するステップと、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記アンテナ手段が、無線信号波を略垂直下方へ方向付けるように向けられ、前記容器部分が内側底壁部である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
−第１の反射信号と送信信号とを周波数領域で掛け合わせて、第１の位相変位を決定するステップと、
−前記第１の位相変位を時間領域へ変換して、前記表面部分から前記容器部分までの光学距離を決定するステップと、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
−所定の周波数帯域にわたって複数の周波数で信号を発生する信号発生手段を設けるステップと、
−前記アンテナ手段を前記信号発生手段に接続して、前記信号発生手段により発生された前記信号を受けるとともに、前記周波数帯域にわたって前記複数の周波数で電磁波を送信するステップと、
を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記送信信号と前記第１の反射信号との間の第１の位相変位を決定する前記ステップが、前記送信信号と前記受信された反射信号とを相互相関させるステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記アンテナ手段が干渉計を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記送信信号の周波数を変える前記ステップが、前記複数の周波数の連続した周波数で前記信号を送信するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
容器内に保持された物質の材料層の厚さを決定する装置において、前記物質が、上側層に配置された第１の材料と、下側層に配置された第２の材料とを備え、
−容器部分から所定の距離に配置されるとともに、前記物質を通過して前記容器部分へと向けられたアンテナ手段と、
−前記アンテナ手段を通じて送信される送信信号と、前記上側層の上側の第１の表面部分からの反射信号、第２の層の上側の第２の表面部分からの反射信号、及び、前記容器部分からの反射信号とを比較するようになっている比較ユニットと、
−所定の周波数帯域にわたって前記送信信号の周波数を変えて、前記送信信号と複数の前記反射信号との間の位相変位を決定するようになっている制御ユニットであって、前記位相変位に基づいて前記アンテナ手段から前記第１の表面部分及び第２の表面部分までの光学距離並びに前記アンテナ手段から前記容器部分までの光学距離を決定し、前記層のうちの一方の層の厚さを、該一方の層の厚さ方向における位相変位及び該一方の層の屈折率に基づいて決定するとともに、前記層のうちの他方の層の厚さを、前記所定の距離及び前記層のうちの前記一方の層の厚さに基づいて決定するようになっている計算ユニットを備える制御ユニットと、
を備える装置。
【請求項１８】
前記アンテナ手段への電磁波信号を発生するようになっている信号発生器と、
前記発生器と前記アンテナ手段との間に接続された信号パワースプリッタと
を備え、
前記比較ユニットが前記アンテナ手段及び前記信号パワースプリッタに接続されている、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記制御ユニットが、請求項２〜１６のいずれか一項に記載のステップを実行する手段を更に備える、請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、容器内に案出された、２つ以上の材料を備える物質の高さを測定する方法及び装置であって、材料が容器内に層状に配置される方法及び装置に関する。方法は、電磁波を使用して異なる層の表面の位置を測定することを含むことが好ましい。
【背景】
【０００２】
特定の状況では、物質が容器内に保管され、容器内では、物質の異なる材料が異なる層へと分けられる。物質が油系材料及び水系材料などの混合しない２つの液体材料を備える場合には、密度が高い方の材料が容器の底部近傍に集まり、密度が低い方の材料が表面近傍に集まる。他の例は第１の略液状の材料を備える物質であってもよく、この液状材料中には第２の材料から成る固体粒子が分散される。放置されたままの状態の場合、第２の材料粒子は、その後、どの材料がより高密度かに基づいて、第１の液状材料の上端又はその下側のいずれかに集まる。
【０００３】
このような状態では、容器内の異なる材料の量又は材料層を規定する表面の高さを測定することが興味深い。そのような測定が興味深い状況の１つの例は、特定量の水も収容する石油の容器におけるものである。これは、オイルタンカー船舶のタンク又は例えば精油所のオイルタンクにおけるケースであってもよい。水は、容器内に意図的に配置され、或いは、凝縮に起因して存在する。それにもかかわらず、油及び水は、容器内に配置されると分離し、油が上側層に集められ且つ水が下側層に集められるようになる。油の量が一般に水の量よりもかなり多いため、２つの層を分ける表面が容器の底部近傍に配置され、境界面の実際の位置は容易にアクセスできない。
【０００４】
オイルタンク内の水の高さを測定するための解決策が従来技術で提供されてきた。問題点は、水層が油層よりも最大で３５メートル以上下側に位置されている場合であっても、好ましくは数ミリの精度をもって水の高さが決定されなければならず、その誘電率がよく知られていないという点である。したがって、油を通過して妥当な精度で水の高さを決定するための非接触方法を提供することが不可能であった。従来技術の解決策は、結果として、容器の底部から上端へと延びる狭いチューブ内に適用される容量センサなどの他の解決策を使用してきた。
【発明の概要】
【０００５】
容器内、オイルタンクなどの容器内で材料が層に分けられる多くの状況では、非接触解析方法が好ましい。この理由は、例えば、検出装置と接触して簡単に反応し、危険な物質が、使用される検出装置に不必要な摩耗を与えるからである。また、物質自体がプローブ又は他の装置からの接触によって汚染される場合があるからである。また、非接触センサは、一般に、メンテナンス又は修理の目的でアクセスするのが容易である。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、容器内に配置され且つ層状に配置される２つ以上の異なる材料を備える物質を解析するための非接触方法を提供することである。
【０００７】
本発明によれば、この目的は、添付の請求項に記載された方法及び装置によって果たされる。
【好ましい実施形態の説明】
【０００８】
添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を更に詳しく説明する。
【０００９】
電磁波面のパターンの変化は、物理的に最も感度が良いプローブを表わす。電磁波は、様々な物理特性を有する媒体を貫くことができ、それにより、その振幅及び位相が変化する。これは、ある意味では、媒体の内容物に固有のものである。したがって、連続放射は、振幅が減衰されて伝搬速度が変化し、それにより界面の位相が急激に変化するという意味では、媒体を貫くときに影響を受ける。無線帯域は、この帯域で波が汚れた領域中へと深く貫通でき可視光を通さない材料を貫通できるという点で、特に興味深い。
【００１０】
本発明者に対して発行された米国特許第５，６２９，７０６号明細書は、加熱炉内等の冶金融解物表面の位置を測定する方法を開示している。この場合、融解物の金属部分はスラグ層によって覆われる。その方法は、所定の周波数帯域にわたって複数の周波数で信号を発生する信号発生器を設けるとともに、信号発生器により発生された信号を受け且つ上記周波数帯域にわたって複数の周波数で電磁波を送信するためのアンテナを設けることを含んでいる。アンテナは冶金融解物に隣接して配置されており、それにより、上記周波数帯域にわたって複数の周波数でアンテナから冶金融解物に向かって電磁波が送信される。送信された電磁波は、スラグ層の上側表面及び金属部分の表面で反射される。したがって、アンテナは、これらの表面から送信された電磁波の反射像を受け、そのため、送信された電磁波と送信された電磁波の受信された反射像との間の位相変位を決定し、その決定された位相変位を周波数から時間平面へ変換し、時間平面変換から金属部及びスラグ層の位置を決定する手段が設けられている。このようにして、加熱炉内に存在する金属量の測定値を得ることができる。しかしながら、放射線は金属溶解物を貫通しない。
【００１１】
前述の米国特許に反して、本発明は、容器内の物質を解析する方法に関するものであり、この物質は、マイクロ波放射線を通す２つ以上の材料を備える。この場合、マイクロ波放射線信号は、物質を貫通して伝搬することができ、容器部分、典型的には容器の底部へ向けて反射され得る。
【００１２】
１つの波信号の他の波信号に対する時間遅延は、フーリエ空間又は周波数空間内では、周波数に伴う位相の線形シフトである。したがって、信号が１つの表面に向かって送信されて当該表面で反射される場合には、送信信号及び受信信号の相対位相が周波数に伴って直線的に変化する。所定の周波数帯域にわたって信号がステップ状に測定される場合、周波数に伴う位相のプロットは、基準信号と比べた反射信号の遅延に対応する傾きと一致する。したがって、そのような周波数ステッピングシステムによって光学距離を測定することができ、また、一般的には空気である第１の媒体の屈折率が分かっていれば、幾何学的距離も測定することができる。代わりに信号が半透明媒体へ向けて送信される場合には、信号の一部が反射されるとともに、信号の一部が、媒体を通過して伝搬して、次の表面すなわち屈折率が再び変化している表面で反射される。これらの二重に或いはそれ以上に反射される波は、基準信号の共役すなわち送信信号と複素乗算される際に、周波数に応じた位相のより複雑な曲線を示す。したがって、所定の周波数帯域にわたって周波数チャンネルにおける複素振幅としてデータがサンプリングされる場合、反射が起こる全ての面に対する光学距離を復元することができる。その後、信号が送信されて開口面内で干渉計によって反射される場合には、２つの表面の３次元構造全体を再構成することができる。
【００１３】
本発明は、発明者の前述した特許の背後にある基本的な考えを、冶金融解物とは異なる物質、一般的にマイクロ波放射線を透過させ容器内に層状態で配置される２つ以上の材料を備える物質において使用することができるという発明者の認識に基づいている。また、ここに記載された発明は、典型的には容器の内側底壁部である容器部分から及びへの、物質を通過して伝搬される反射信号及び容器部分から伝搬される反射信号を関与させることによって、物質の透明性を使用する。しかしながら、反射する容器部分は、この目的のために容器内に配置され具体的に設けられた表面となる場合もあり、容器の底部に必ずしも配置される必要はない。しかしながら、本発明は、容器部分への実際の幾何学的距離を知ることを伴うとともに、アンテナから見て第１の材料から成る第１の層の背後及び第２の材料から成る第２の層の背後又は第２の層中に容器部分が配置されることを伴っている。本発明の好ましい実施形態は、米国特許第５，６２９，７０６号明細書のシステムと同様のシステムを使用する。しかしながら、そのシステムは異なる方法で使用される。
【００１４】
本発明の一実施形態で用いる装置が図２に示されている。信号発生器１を用いて所定の周波数で信号が形成される。この信号はケーブルを経由してパワースプリッタ２へと送信され、このパワースプリッタにおいて１つの経路がケーブルを経由してアンテナ３へと運ばれる。第２の経路はケーブルを経由して位相比較ユニット４へと運ばれ、このユニットにおいてそれが基準信号として使用される。アンテナは、例えば円偏光電磁波の形態を成す電磁信号を物体表面（図２には図示せず）へ向けて送信するようになっている。送信された信号が物体表面にぶつかると、信号の少なくとも一部が反射され、反射された信号が同じアンテナ３によって受けられる。円偏光波の場合、反射信号は、奇数の反射によって逆回転の円偏光で受けられる。受信信号は、ケーブルを経由して位相比較器４へと送信され、そこで、時間基準信号の共役と虚数乗算（複素乗算）される。複素共役乗算の位相及びおそらく振幅も、一般にコンピュータである制御ユニット５により１つのテーブルに記憶され、また、信号発生器が周波数ステッピングされて、新たな測定値が取得される。この手続きは、周波数帯域にわたって特定数の周波数チャンネルが別個に測定されるまで続く。機器は、例えば、データを記憶して信号解析を行う制御ユニット５によってコンピュータ制御される。その結果、制御ユニット５は、一般に、データプロセッサ、メモリ手段、コンピュータプログラムコードを備えるコンピュータシステムを含んでおり、コンピュータプログラムコードは、データプロセッサで実行されるときに制御ユニットを適合させてこの明細書本文で説明するステップを実行する、すなわち、例えば、送信信号の周波数をステップ状に変化させ、組み合わされた送受信信号のフーリエ変換解析を行い、計算を行って地理的距離及び屈折率を決定する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る容器１１で案出された、第１の上側層１０１中に配置される第１の材料と第２の下側層１０２中に配置される第２の材料とを含む物質における材料層高さ（レベル）を測定するためのシステムセットアップを示している。層１０１、１０２の材料は、積極的に攪拌しなければ或いは影響を与えなければそれらが混合しないようになっている。そのため、第１の材料及び第２の材料はそれらが混合しないようにそれらの組成が異なっていてもよい。その場合、第１の材料は油系であり、第２の材料は水系である。他の想定し得るシナリオは、第１の材料及び第２の材料の一方が微粒子であり、他方の材料が液体であるというものである。この場合、密度関係に基づいて、第１の材料の粒子が液体の第２の材料の表面に浮かび、或いは、第２の材料の粒子が液体の第１の材料の底部に沈む。更なる他の可能性は、第１の材料及び第２の材料の両方が微粒子材料又は粉末であるというものであり、これらの材料は、層１０１、１０２を形成するために特定の順序で容器１１内に配置される。
【００１６】
アンテナ３が図示されているが、図２の装置の残りの部分は図１に示されていない。図１のセットアップの目的は、表面部分１４の高さ位置を得ることであり、それにより、物質中の第１の材料及び第２の材料の相対的な量及び絶対的な量を決定することもできる。この目的のため、アンテナ３は、物質の上側表面１２に隣接して配置されるとともに、表面部分１２に対して垂直に向けられることが好ましい。アンテナ３と表面部分１２との間に存在する媒体は、一般に空気であるが、汚染されていてもよく或いは異なるガス組成から成っていてもよく、屈折率ｎ０を有している。この屈折率は一般に１に非常に近く、そのため、以下の説明では、ｎ０＝１として概算する。その結果、アンテナ３と表面部分１２との間での信号伝搬速度を光の速度ｃとして近似する。
【００１７】
アンテナ３から送信された無線信号が表面部分１２にぶつかると、信号の一部が元のアンテナ３に向かって反射され、アンテナで信号が受信される。受信された信号は、ケーブルを経由して位相比較器４へと送信され、前述した送信信号とともに処理される。送信信号の一部は、層１０１を経由して伝搬し、層１０１、１０２が分かれる表面部分１４からアンテナ３へ向けて部分的に反射される。層１０２も送信信号の放射線を透過させるため、表面部分１４にぶつかる放射線の一部は第２の層１０２を通過し続ける。表面部分１４の反射率は、強度の（ｎ２−ｎ１）／（ｎ１＋ｎ２）に比例する。
【００１８】
本発明によれば、アンテナ３は、容器１１に対して固定された物体から所定の幾何学的距離Ｌで配置され、好ましくは上記物体に向かって垂直に向けられる。この場合、アンテナ３から物体への視線が表面部分１２を通過する。この物体は、容器の内部に配置された基準面であってもよい。しかしながら、図１の実施形態では、物体が容器１１の底壁部１３であり、以下ではこれを容器部分１３と称する。したがって、送信信号の一部は、層１０１、１０２を通過し、容器部分１３で元のアンテナ３へ向けて反射する。
【００１９】
時間ｔ０及び周波数ωで受けられる基準波は、以下のように書き表すことができる。
【数１】
2008534940.tif 000003
【００２０】
表面部分１２がその一部を形成する物質１０の上側表面は、アンテナ３から幾何学的距離Ｌ０で位置される。Ｌ０は、既知であってもよいが、図１に係る一般的な実施形態では既知ではない。特に、物質１０が粉末又は微粒子物質である場合には物質１０の上側表面が平らでない場合があり、したがって、表面部分１２の実際の位置は、一般的な表面位置を決定できる場合であっても分からない場合がある。第１の反射面である表面部分１２から反射された信号は、同じ受信時間ｔ０では、以下のように書き表すことができる。
【数２】
2008534940.tif 000004
【００２１】
物質の第１の層１０１を通過して伝搬する信号は、第２の表面部分１４に対する反射の前後で２Ｌ１の幾何学的距離をもって層１０１を２回通過する。表面部分１４での反射後に受けられる信号は、同じ受信時間ｔ０では、以下のように書き表すことができる。
【数３】
2008534940.tif 000005
【００２２】
ここで、伝搬速度ｖ１＝ｃ／ｎ１である。この場合、ｎ１は第１の層１０１の材料における屈折率である。
【００２３】
表面部分１４及び物質の第２の層１０２を通過して伝搬する信号は、容器部分１３に対する反射の前後で更に２Ｌ２の幾何学的距離を進む。第３の反射面である容器部分１３での反射後に受けられた信号は、同じ受信時間ｔ０では、以下のように書き表すことができる。
【数４】
2008534940.tif 000006
【００２４】
ここで、伝搬速度ｖ２＝ｃ／ｎ２である。この場合、ｎ２は第２の層１０２の材料における屈折率である。屈折率は周波数に既存していてもよく、その何らかのものは、使用される方式における周波数依存性を評価することにより明らかにできる。
【００２５】
距離Ｌ及びＬ０は、高さ１４として表わされるアンテナの基準位置から測定される。この場合、基準信号及び反射信号の複素共役乗算（Ｕ＊はＵｓの共役である）又は時間領域における相互相関は以下の通りである。
【数５】
2008534940.tif 000007
【００２６】
或いは、周波数が通過帯域Ｂｐａｓｓ（ωｌ，ωｈ）に制限される場合（ωｌは通過帯域の最も低い角周波数であり、ωｈは通過帯域の最も高い角周波数である）には、以下のようになる。
【数６】
2008534940.tif 000008
【００２７】
フーリエ逆変換が周波数から時間平面（遅延平面又は距離平面）へ変換する。Ｂｐａｓｓ（ωｌ，ωｈ）はＲｅｃｔ（ωｌ，ωｈ）をもって近似することができる。
【数７】
2008534940.tif 000009
【００２８】
システムの時間遅延応答は、通常、光学的に点像分布関数（点広がり関数）と呼ばれており、この場合には周波数通過帯域のフーリエ変換である。この応答は、既知の距離で金属リフレクタの応答を調べることにより測定される。表面に対するこの距離は、その後、測定された点像分布関数を用いてデコンボリュート（逆重畳）することにより観測信号から再構成される。当該距離は、その後、時間座標の変換により、特定の基準レベルＤＬｒｅｆに対して関係付けることができる。すなわち、Ｄｔ＝Ｄｔ−２ＤＬｒｅｆ／ｃとなる。基準レベルは、信号経路中の予め測定された金属リフレクタ、金属容器の縁部、又は、例えば物質が容器１１内に存在しない場合には容器部分１３であってもよい。変換は、深さ方向における構造を含んでいる。干渉計を送信アンテナ及び受信アンテナとして使用することにより開口面でデータがサンプリングされる場合には、開口面にわたる更なる二次元変換が、残りの２つの次元にわたる構造を示す。
【００２９】
図１の実施形態によれば、アンテナ３は、コヒーレントな無線信号を表面部分１４を経由して表面部分１２へと送信し、更に容器部分１３へと送信するようになっている。アンテナ３は、その後、表面部分１２、１４及び容器部分１３のそれぞれの反射面から３つの反射無線信号を受ける。前述したように、送信信号及び受信信号の相対位相は、周波数に伴って直線的に変化する。そのため、送信信号の周波数、したがって受信信号の周波数も、周波数帯域にわたってステップ状に変化し、送信信号と比べた受信信号の位相変位が各ステップ毎に測定される。周波数変化に基づいて位相変位がどのように変化するのかを決定することにより、送信信号と比べた受信信号の遅延が決定される。経時的に、各周波数ステップは、少なくとも送信器から受信器までの伝搬時間と同じ程度の長さ、すなわち、送信器と最も遠い反射ターゲットとの間の距離の少なくとも約２倍の長さに維持されなければならない。一例として、１μｓにわたるコヒーレント波の送信は約３００ｍの送信信号を生成し、これは最大で約１５０ｍの距離で測定するのに使用できる。無論、送信時間は、１ｍｓなど、各ステップにおいて更に長くてもよいが、より短いステップが高速プロセスを与える。
【００３０】
この時点で、アンテナ３から容器部分１３までの幾何学的距離Ｌは予め決められることにより既知である。幾何学的距離Ｌ０は、表面部分１２からの反射信号の測定された時間遅延及び既知の或いは見積もられた屈折率ｎ０からの計算によって分かる。光学距離ｎ１Ｌ１は、表面部分１４からの反射信号の測定された時間遅延からの計算によって分かる。光学距離ｎ２Ｌ２は、容器部分１３からの反射信号の測定された時間遅延からの計算によって分かる。層１０１の材料における屈折率ｎ１が既知であれば、幾何学的距離Ｌ１を計算できる。また、幾何学的距離Ｌ１＋Ｌ２がＬとＬ０との間の差であることによって分かるため、第２の層１０２の材料の屈折率ｎ２が分かっていなくても幾何学的距離Ｌ２を計算することもできる。同じように、表面部分１４の位置、すなわち、層１０１が層１０２に対して接する位置は、第２の層１０２の材料における屈折率ｎ２が分かっていれば第１の層１０１の材料における屈折率ｎ１が分かっていなくても決定することができる。このように、本発明は、特に、層１０１、１０２の材料のうちの一方の屈折率の方が他方よりも確かである場合に、どの屈折率を使用すべきかを選択できるため、有用である。これは、例えば、材料の一方が反射率に影響を及ぼす埃又は物質の未知の要素を含む汚染物質又は汚れた生成物である場合に有利である。例えばオイルタンカー内の油と水とを含む物質の例の場合、油の組成はかなり良く知られているが、水の屈折特性はその純度レベルに依存している。しかしながら、１つの態様においては、厚さが最も少ない層、図１では第２の層１０２における屈折率の既知の値又は見積もられた値を使用することが有利な場合がある。この理由は、幾何学的距離が屈折率及び媒体を通過する進行時間に正比例するからである。したがって、屈折率において特定の正確さを伴う厚い層は、屈折率において同じ正確さを持つ薄い層よりも大きな幾何学的誤差を与える。
【００３１】
本発明の一態様によれば、物質中の層の材料における屈折率を決定するために特定の手続きが使用されてもよい。
【００３２】
最初のステップでは、当該材料の層上の１つの表面に対する幾何学的距離、及び、その層の厚さ方向における光学距離が、前述した方法で決定される。例えば、距離Ｌ０は、表面部分１２からの反射信号の位相変化及び屈折率ｎ０によって決定される。また、層１０１の厚さ方向における光学距離ｎ１Ｌ１は、表面部分１４からの反射信号の位相変化によって決定される。
【００３３】
その後、その層、例えば層１０１の所定量の材料のみが容器に対して加えられる。
【００３４】
その後、最初のステップの手続きが繰り返される。すなわち、表面部分１２に対する幾何学的距離Ｌ０及び層１０１の厚さ方向における光学距離ｎ１Ｌ１が再び決定される。層１０１の材料の物質が加えられたため、Ｌ０及びｎ１Ｌ１の両方が変化してしまっている。
【００３５】
次のステップでは、層１０１の追加の厚さΔＬ１を表わす、繰り返されたステップ間のＬ０の差が計算されるとともに、繰り返されたステップ間の位相変位の差から、その層の厚さ方向における追加の光学距離が計算される。
【００３６】
最後に、層の厚さ方向における追加の光学的厚さと層の追加の厚さとの間の比率を計算することにより、その層の材料の屈折率が決定される。
【００３７】
このように、物質中の材料のうちの一方の屈折率が決定されてもよい。２つの材料だけ、つまり、２つの層１０１、１０２だけが容器１１中に存在する場合、この手続きは、材料のうちの一方における屈折率を決定するために使用することができ、そのため、他方の材料の屈折率は不必要である。これは、特に、２つの材料のいずれかにおいて、或いは、他方の層よりもかなり厚い層の材料のみにおいて屈折率の評価が信頼できない場合に有用である。
【００３８】
また、異なる材料から成る３つ以上の層が存在する場合には、追加のそれぞれの層における１つのパラメータ、つまり、その厚さ又はその屈折率、すなわち、光学的な厚さ、のいずれかが分からなければならない。したがって、第３の層の所定量の更なる材料のみを加えることが可能な場合には、前述した手続きにしたがってその層の材料における屈折率を計算することもできる。その後、物質の材料層と上端面との間の全ての境界面の幾何学的位置が前述した方法にしたがって決定されてもよい。当業者が実現するように、同じことが任意の数の層にも当てはまる。
【００３９】
先の特許は、スラグ厚測定を対象にしており、スラグ材料の屈折率の知識を必要とするとともに、２つ以上の表面を通過して容器部分から反射する信号の測定を伴っていた。本発明が異なって実施するとしても、同様の構成を使用して本発明が実現されてもよい。したがって、米国特許第５，６２９，７０６号明細書に記載された実施例で与えられる構成要素の例は、本発明の方法を実施するための実施形態の一例として参照として本明細書に組み入れられる。その例及び図１を参照すると、出力分割器２の右側からの２つの出力信号は、好ましくは左側回転偏光の信号を送信するアンテナ３の第１のポートに対して螺旋ケーブル（Ａｎｄｒｅｗ  ＦＳＪ４−５０Ｂ）を用いて接続されるとともに、スチール同軸ケーブルを用いて受信器４に対して接続される。受信器４の右側の他の無線周波数ポートは、螺旋同軸ケーブル（Ａｎｄｒｅｗ  ＦＳＪ４−５０Ｂ）を経由して、好ましくは反対の右側回転偏光の信号を受けるアンテナ３の第２のポートに接続される。データ取得システム５は、ＧＰＩＢバスケーブルを経由して信号発生器１及び出力分割器２に対して接続されている。データ取得システム５、好ましくはベクトルネットワークアナライザは、この実施形態では、有用な周波数帯域を構成する１０〜１５ＧＨｚの５０１個の周波数ステップでステッピングするように設定されてもよく、また、送信器からの基準信号及び受信信号の複素除算は各周波数チャンネル毎に記憶される。１秒の全積分時間が各データサンプリング毎に使用されてもよい。複素データは、好ましくは、コンピュータディスク及び各スペクトルに記憶され、その後、屈折率ｎ１を決定するために先に与えられた方程式に基づき特定のコンピュータプログラムを用いてオフラインで解析される。
【００４０】
米国特許第５，６２９，７０６号明細書に記載された例は、１０〜１４ＧＨｚ範囲のマイクロ波周波数を使用して行われた。これは、本発明において使用できる周波数帯域でもある。しかしながら、使用される周波数帯域の実際の範囲は、対象の層１０１、１０２の材料に基づいてバランスがとられなければならないことに留意すべきである。１つの態様において、距離測定の精度は、電磁波信号の周波数の増大に伴って高まる。しかしながら、一部のケースにおいて、前述した周波数範囲は機能しない。これは、物質での吸収が非常に高いからである。これは、例えば材料のうちの１つが吸収性の高い材料である場合、また、物質の全体の深さが大きい場合のケースであってもよい。その例は、前述したように最大３５ｍのオイル及び水を含む場合があるオイルタンクであり、約１０ＧＨｚで１０００−５０００ｄＢの減衰を伴う。その結果、低い周波数範囲、例えば１−５ＧＨｚの範囲を使用しなければならない。これは、それによって方法の精度が低下する場合であってもそうである。吸収に起因する減衰は理論的に１００−５００ｄＢまで降下する。
【００４１】
既に説明したように、本発明は、容器１１内に保持された物質の異なる材料層１０１、１０２の１つ以上の表面の高さを決定するようになっている。本発明の方法の一般的な用途は、容器１１内の物質が第１の油系材料と第２の水系材料とを含む場合である。容器１１は、オイルタンカー船舶のタンク又は静止オイルタンクであってもよい。
【００４２】
好ましい実施形態を参照することによって本発明を説明してきたが、本発明は与えられたその内容の全てに限定されるように解釈されるべきではない。これは、添付の請求項によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく本発明の改良及び変形を行うことができるからである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】容器内の物質の材料層における高さの位置を決定するための本発明の一実施形態に係る方法を行うためのシステムセットアップを概略的に示している。
【図２】容器内の物質を解析するための本発明の一実施形態に係るシステム又は方法で用いる装置の一実施形態を概略的に示している。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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