(57)【要約】  冶金容器の空洞（３）内の導電材料の垂直充填レベルが、交流電源に接続された場合に電磁場を生成する送信導体（５）と、出力信号を生成する電磁場を検出すべく配置された受信導体（６）とを含むシステムにより測定される。送信および受信導体（５，６）は、金属ケーシング内に配置されて相互間隔を置いて同延することにより空洞（３）に面し且つ当該空洞（３）の外周に沿って実質的に閉ループ状に延在する間隔領域（７）を画定する。相互間隔は、出力信号の変化が、間隔領域（７）に隣接する導電材料の量の局所的変化により生じる電磁場の変化に支配されるように選択される。間隔領域（７）の少なくとも一部が、当該間隔領域（７）が容器の水平および垂直方向から逸脱するように外周に沿って傾斜した垂直測定領域を画定する。これにより、間隔領域（７）は、任意の所望の伝達関数、例えば垂直測定領域の範囲外で変曲点が無い線形伝達関数を有するシステムを設計すべく任意の形状の空洞（３）に適合させることができる。【選択図】図６Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冶金容器（１）の封じ込め体積（３）内の導電材料の垂直充填レベルを測定するシステムであって、前記冶金容器（１）が、前記封じ込め体積（３）を囲み且つ垂直方向に延在する外側の金属ケーシング（２）により画定され、前記システムが、
交流電源に接続された場合に電磁場を生成する送信導体（５）と、
前記垂直充填レベルの関数として出力信号を生成する前記電磁場を検出すべく配置された受信導体（６）とを含み、
前記送信および受信導体（５，６）が、前記金属ケーシング（２）内に配置されて相互間隔（ｄ）を置いて同延することにより前記封じ込め体積（３）に面し且つ前記封じ込め体積（３）の外周に沿って実質的に閉ループ状に延在する間隔領域（７）を画定し、前記相互間隔（ｄ）が、前記出力信号の変化が、前記間隔領域（７）に隣接する前記導電材料の量の局所的変化により生じる電磁場の変化に支配されるように選択され、前記間隔領域（７）の少なくとも一部が、前記間隔領域（７）が前記容器（１）の水平および垂直方向から逸脱するように前記外周に沿って傾斜した垂直測定領域を画定することを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記相互間隔（ｄ）が、前記送信および受信導体（５，６）の間の電磁結合が主として前記間隔領域（７）に沿った前記送信および受信導体（５，６）の対向する区間（Δｌｉ）の間で生じることを保証すべく選択されていることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記相互間隔（ｄ）が、前記封じ込め体積（３）内に導電材料が存在しない場合、電磁場の強さが１／Ｒαの関数として低下するように選択され、Ｒは前記間隔領域（７）における前記送信導体（５）からの距離、およびαは１〜２の範囲にあることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記間隔領域（７）が、前記送信導体（５）に関連し且つ前記封じ込め体積（３）内に導電材料が存在しない場合、前記受信導体（６）における電磁場が、長さが無限の直線的導体の周囲に生じた電磁場で近似されるように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記送信導体（５）が、その水平長が前記送信導体（５）の全長の約１／１０、１／１５または１／２０未満であるように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムにおいて、前記送信導体（５）が、水平方向に延在する部分が実質的に存在しないように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記冶金容器（１）が更に、前記金属ケーシング（２）から間隔が空けられて前記封じ込め体積（３）の外周を画定する内壁（１２）を画定すべく前記金属ケーシング（２）内に配置された保護ライニング（１１）を含み、前記送信および受信導体（５，６）が、前記間隔領域（７）と前記内壁（１２）の間で水平方向に分離して配置され、前記相互間隔（ｄ）が前記水平方向の分離と少なくとも同程度であるように選択されていることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記送信導体（５）が、前記間隔領域（７）に面する前記封じ込め体積（３）の外周における前記導電材料内の電磁場の平均強度が、前記垂直測定領域内における垂直位置から実質的に独立しているように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記相互間隔（ｄ）が、前記受信導体（６）から前記封じ込め体積（３）の外周への水平距離が前記垂直測定領域内で実質的に不変であるように選択されていることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記間隔領域（７）が、前記垂直測定領域内における垂直方向の異なる高さに対してほぼ同じ検出長を生じるように配置されていて、前記検出長が、前記垂直方向における所与の高さで切った水平スライスにおける前記送信および受信導体（５，６）に沿った前記間隔領域（７）の全長であることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項記載のシステムにおいて、前記間隔領域（７）が、前記前記電磁場により前記受信導体（６）に誘導される全起電力が前記垂直測定領域における垂直充填レベルの実質的に線形関数であるように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか１項記載のシステムにおいて、前記間隔領域（７）が、前記垂直充填レベルが前記垂直測定領域外まで延在する場合、前記電磁場により前記受信導体（６）に誘導される全起電力が前記垂直充填レベルに対して実質的に不変であるように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記垂直測定領域が垂直方向において前記ループの長さにわたることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１乃至１３の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記相互間隔（ｄ）が、前記垂直測定領域内における前記間隔領域（７）に沿って実質的に同じであることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１乃至１４の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記送信および受信導体（５、６）が、前記ループが前記封じ込め体積（３）の垂直中心線を囲むように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記封じ込め体積（３）が少なくとも部分的に前記垂直中心線の周囲に延在する実質的に円筒状の壁部分により画定され、前記ループが前記封じ込め体積（３）を囲むように前記円筒状の壁部分に形成されていることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１乃至１６の何れか１項に記載のシステムにおいて、交流電源に接続された場合に電磁場を生成する少なくとも１つの更なる送信導体（５’）、および更なる出力信号を生成する電磁場を検出すべく配置された少なくとも１つの更なる受信導体（６’）を含み、前記送信および受信導体（５’， ６’）が、前記封じ込め体積（３）の周囲で水平方向に相互間隔を置いて同延すべく前記垂直測定範囲内における垂直位置で前記金属ケーシング（２）内に配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１乃至１７の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記送信導体（５）に接続された交流電源（２８，２９，３０）を更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１乃至１８の何れか１項に記載のシステムにおいて、前記垂直充填レベルを表す測定値を抽出するための出力信号を取得して処理すべく構成された処理装置（２７，３１，３２，３３）を更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１乃至１９の何れか１項に記載のシステムを含むことを特徴とする冶金容器。
【請求項２１】
冶金容器（１）の封じ込め体積（３）内の導電溶融材料の垂直充填レベルを測定する方法であって、前記冶金容器（１）が、前記封じ込め体積（３）を囲み且つ垂直方向に延在する外側の金属ケーシング（２）により画定され、前記方法が、
前記冶金容器（１）内に電磁場を生成する送信導体（５）を設置するステップと、
前記垂直充填レベルの関数として出力信号を生成する前記電磁場を検出すべく前記冶金容器（１）内に受信導体（６）を設置するステップとを含み、
前記送信および受信導体（５，６）が、前記金属ケーシング（２）内に配置されて相互間隔（ｄ）を置いて同延することにより前記封じ込め体積（３）に面し且つ前記封じ込め体積（３）の外周に沿って実質的に閉ループ状に延在する間隔領域（７）を画定し、前記相互間隔（ｄ）が、前記出力信号の変化が、前記間隔領域（７）に隣接する前記導電材料の量の局所的変化により生じる電磁場の変化に支配されるように選択され、前記間隔領域（７）の少なくとも一部が、前記間隔領域（７）が前記容器（１）の水平および垂直方向から逸脱するように前記外周に沿って傾斜した垂直測定領域を画定すべく配置されていることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１乃至１９の何れか１項に記載のシステムを動作させる方法であって、
前記送信導体（５）に交流電流力を供給するステップと、
前記受信導体（６）から前記出力信号を取得するステップと、
前記垂直充填レベルを表す測定値を抽出すべく出力信号を処理するステップとを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年９月１５日出願のスウェーデン特許出願第１１５０８３６−３号明細書および２０１１年９月２６日出願の米国仮特許出願第６１／６２６，３０９号明細書の優先権を主張するものであり、両者を本明細書に参照により引用する。
【０００２】
本発明は、冶金容器内に含まれる導電材料の溶液槽の垂直充填レベルを電磁気的に測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
溶融金属を扱う産業、主に冶金産業において、取鍋、タンディッシュ、鋳型、加熱炉等の冶金容器内の溶融金属と非導電媒体の界面の位置または平均レベルを測定または推定するシステムに対する大きなニーズがある。容器内および外周における高温、腐食性材料、および異なる導電材料等、そのような産業との関連で遭遇する固有の厳しい条件に起因して、そのようなレベル測定の一般的な技術を提供することは現時点では困難であることがわかっている。
【０００４】
冶金産業におけるレベル推定で支配的な技術のいくつかは、重量測定、放射性システムおよび電磁気システムを含んでいる。重量測定は間接的であり、放射性システムの範囲は限定されていて、導電と非導電媒体とを区別しない。電磁気システムは、取鍋、タンディッシュおよび加熱炉等、各種の容器にうまく配備されてきた。これらの容器は金属筐体を有し、熱および研磨材料を管理すべく内部セラミックライニングを多くの場合備えている。溶融金属からの過剰な熱から保護すべく電磁センサがライニングの裏側に配置されていてよい。電磁センサは、１つまたは複数の送信コイルと１つまたは複数の受信コイルを組合せたものを含んでいる。送信コイルは、時間変化する磁場を生成すべく１００Ｈｚ〜数ｋＨｚの低周波で駆動することができる。多くのライニング材料がこれらの周波数で透過的であるため磁場が溶融金属に達して内部に渦電流を誘導することができる。渦電流は、受信コイル内で起電力（ｅｍｆ）を誘導する場を生成し、これを検出してコイルの長さ以内にある溶融金属の量を表すことができる。送信および受信コイルは従来、容器の両側または容器の一方の側で重なり合うように配置された平坦な正方形のコイルとして設計されている。これは結果的に設置上の制約になる。
【０００５】
コイルにより生じる磁場は本質的に非線形であり、磁場の強さはコイル導体までの距離（Ｒ）に応じて、コイル導体の近傍では１／Ｒに減少し、距離Ｒがコイルの長さに相対的に大きい場合は１／Ｒ３に減少する。この結果、特段の処置を講じない限り、非線形伝達関数、すなわち受信コイル内の起電力と容器の垂直充填レベルとの非線形依存関係が生じる。このような非線形性は例えば米国特許第４１４４７５６号明細書に記述されており、送信および受信コイルは同軸に配置され、且つ冶金容器のライニングの軸方向に分離されている。充填レベルに対する測定信号の依存性は極めて非線形であってコイルの横軸に変曲点が生じている。
【０００６】
伝達関数を垂直充填レベルに対してより線形にすべく、いくつかの技術が適用されてきた。
【０００７】
米国特許第４４７５０８３号明細書において、平坦な一巻き送信コイルおよび平坦な一巻き受信コイルが、互いに重なり合って溶融金属の外周に平行して延在するように、炉壁のライニングに垂直に配置されている。検出回路が送信コイルに接続されていて、送信コイルに供給される交流電流と、その結果受信コイルで生じる電磁的交番磁場との間の位相シフトを検出する。このコイル配置は、信号値と測定値の区別を明確にするのに充分に線形となり得る測定信号を生じるものと言える。
【０００８】
米国特許第４７０８１９１号明細書において、長方形の送信コイルが冶金容器のライニングに設置されていて容器の水平および垂直方向に延在する。少なくとも２つの長方形受信コイルが送信コイル内で整列して垂直方向に互い違いに配置されていて送信コイルの各種表面領域を覆っている。コイルの配置は、レベルに比例する測定信号を生成すべく設計されていてよく、送信コイル内における受信コイルを配置することにより交差点が測定信号内に生成されている。
【０００９】
従来技術のコイル配置は、多くの実際的な状況、例えば導電媒体と主として非導電の媒体との間の常時変化する３次元界面、例えば溶融金属の無秩序または乱雑な上面で測定する場合に適していないことが判明している。これは、線形信号依存性を有する垂直範囲がコイル配置の物理的な高さより相当低いという事実に一部起因する。上面の乱雑な部分がこの垂直範囲の外側に達した場合、これらの乱雑な部分で誘導された渦電流が、測定信号を実際の物理的な運動とは反対方向に駆動する恐れがある。これは、測定された充填レベルにおける重大な誤差につながる恐れがある。別の問題として、垂直範囲の長さが時間とともにドリフトして、測定信号の線形化技術を維持することが困難になる恐れがある。
【００１０】
従来技術はまた、米国特許第４８８７７９８号明細書、欧州特許出願公開第０１８７９９３号明細書および欧州特許出願公開第０１１１２２８号明細書を含み、これらは冶金容器の取り出し口を通る溶融金属の流れを検出する技術を開示している。送信および受信コイルは開口部の外周に同心に配置されていて、受信コイルは、送信コイルを通る交流電流により溶融金属内に生じた渦電流から生じた起電力を検出すべく動作する。これにより、同心コイルのレベルにある溶融金属の有無の検出が可能になる。
【００１１】
従来技術はまた、欧州特許出願公開第０１８６５８４号明細書を含み、これは水平に配置された円筒状の金属管のレベル検出を開示している。一対の導体が金属管の外面に巻かれていて、同心に配置された送信および受信コイルの一対を形成している。管内の導電材料の量は、送信コイルを通る交流電流により受信コイル内で生じた起電力に基づいて測定される。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の目的は、従来技術における上述の制約を少なくとも部分的に解決するか、またはその１つまたは複数を軽減することである。
【００１３】
別の目的は、冶金容器の形状に依らずレベル測定用の電磁センサの設置を可能にすることである。
【００１４】
更に別の目的は、電磁センサの伝達関数を特定の測定状況のニーズに合わせて調整可能にすることである。
【００１５】
特定の目的は、センサの垂直長の範囲内で線形であって垂直長の限度で変曲点を有していない伝達関数を有するレベル測定用に電磁センサを提供することである。
【００１６】
これらの目的の１つまたは複数は、下記の説明から明らかになる更なる目的と同様に、独立請求項に記載のシステム、冶金容器、方法により少なくとも部分的に実現され、その実施形態は従属請求項により定義されている。
【００１７】
本発明の第１の態様は、冶金容器の封じ込め体積内の導電材料の垂直充填レベルを測定するシステムであって、冶金容器は、封じ込め体積を囲み且つ垂直方向に延在する外側の金属ケーシングにより画定されるシステムである。本システムは、交流電源に接続された場合に電磁場を生成する送信導体と、垂直充填レベルの関数として出力信号を生成する上記電磁場を検出すべく配置された受信導体とを含み、当該送信および受信導体は、金属ケーシング内に配置されて相互間隔を置いて同延することにより封じ込め体積に面し且つ封じ込め体積の外周に沿って実質的に閉ループ状に延在する間隔領域を画定し、当該相互間隔は、出力信号の変化が、上記間隔領域に隣接する導電材料の量の局所的変化により生じる電磁場の変化に支配されるように選択され、間隔領域の少なくとも一部は、当該間隔領域が容器の水平および垂直方向から逸脱するように外周に沿って傾斜した垂直測定領域を画定する。
【００１８】
第１の態様によれば、従って、送信および受信導体は、導電材料の保持を意図している封じ込め体積の外周に沿って金属ケーシングの内側でループ状に一対として延在する。ケーシング内に一対のループを形成することにより、溶融材料内の渦電流からの寄与が、受信導体内の全起電力の検出可能な部分であることが保証される。送信および受信導体の間で画定された間隔領域を封じ込め体積に対向して配置することにより、出力信号の変化が、間隔領域に隣接する溶融材料の量、すなわち間隔領域に直接対向する封じ込め体積の外周の局所領域における局所導電率の局所的変化に支配されるように受信コイルの応答を最適化することが可能である。相互間隔は、間隔領域から封じ込め体積の外周への水平距離、間隔領域と外周の間へのライニング材料の設置、交流電源の周波数および大きさ等、容器およびシステムの他の設計／制御パラメータとの関係で選択されてよいことが理解される。
【００１９】
信号の変化が局所的変化に支配される場合、受信コイルの応答は、受信コイルの長さに沿った、すなわちループに沿った個々の区間の局所的応答の総和で表すことができる。次いでこれにより、垂直長に沿った異なる領域内でループの任意の単調減少伝達関数を実現することが可能になる。ここで用いる「伝達関数」は、送信導体への供給電力（電流）により正規化された受信導体内の全誘導起電力を、垂直充填レベルの関数として表す。伝達関数は、ケーシング内の導体、すなわち間隔領域の一対の配置により与えられる。これは、ループの形状を含むが、送信と受信導体の間の局所的相互間隔、および間隔領域から封じ込め体積の外周への局所水平距離も含んでいてよい。
【００２０】
従って、第１の態様のシステムが垂直測定領域内における線形伝達関数を有効にすることが分かる。
【００２１】
間隔領域が封じ込め体積の外周に沿って傾斜する部分を含むようにループを設計することにより、封じ込め体積の形状に依らず、封じ込め体積の大部分にわたりループを配線することが可能である。更に、垂直測定領域の所与の長さに対して、間隔領域が傾斜している結果、垂直測定領域内における封じ込め体積の外周に沿った受信導体の長さが長くなる。これにより、垂直測定領域内における外周に沿って垂直方向に延在する間隔領域と比較して、傾斜した間隔領域は、外周上のより大きな領域内で渦電流を誘導する。従って、間隔領域が傾斜している結果、受信導体の起電力に対する封じ込め体積内の導電材料からの寄与がより大きくなる。この技術的利点を利用して、垂直方向の信号解像度の向上および／または信号品質の向上が可能になる。傾斜した間隔領域を用いることにより、充填レベルがループの垂直限度を越えて延在する場合であっても、出力信号に１つまたは複数の専用変曲点が生じるようにループを配線することも、そのような変曲点を一切回避することも可能である。
【００２２】
本明細書で用いる「相互間隔」とは、送信導体に沿った全ての所与の点における受信導体への最短距離を指す。
【００２３】
本明細書で用いる「傾斜した」は、送信および受信導体に沿い、且つ間隔領域を介して封じ込め体積の外周に射影された間隔領域の広がりが、水平および垂直方向からずれていることを示すことを意図している。本明細書で用いるように、垂直方向は重力の方向であり、水平方向は垂直方向に垂直な水平面の方向である。
【００２４】
間隔領域は、異なる程度で封じ込め体積に対向すべく配置されていてよい。一実施形態において、間隔領域は、導体の長さ方向に垂直な断面に見られるように、垂直測定領域内で外周に実質的に平行になるように配置されている。そのような実施形態は、測定システムの感度を最適化することができる。他の実施形態では、間隔領域は、導体の長さ方向に垂直な断面に見られるように９０°未満、典型的には４５°、３５°、２５°、１５°、１０°または５°未満の角度で外周の外側または内側へ傾いている。
【００２５】
第１の態様による垂直充填レベルの測定は、溶融金属と空気の間、または溶融金属とスラグ層の間の界面等、導電材料と導電率がより低い領域の間の界面の位置を識別するタスクを含んでいる。しかし、垂直充填レベルの測定は単に、ループの垂直長内または垂直測定領域内における導電材料の有無の検出を含んでいてよい。
【００２６】
間隔領域に隣接する溶融材料の量の局所的変化に支配される出力信号を変化させる、利用可能な多くの設計基準が単独または任意の組合せで存在する。
【００２７】
そのような基準の一つによれば、相互間隔は、送信および受信導体の間の電磁結合が主として間隔領域に沿った送信および受信導体の対向する区間の間で生じることを保証すべく選択されている。
【００２８】
別の基準によれば、相互間隔は、封じ込め体積内に導電材料が存在しない場合、電磁場の強さが１／Ｒαの関数として低下するように選択され、Ｒは間隔領域における送信導体からの距離、およびαは１〜２の範囲にある。この基準により、受信導体が送信導体の近接場に確実に配置されるため、封じ込め体積の外周における溶融材料の有無に対して局所的に高い感度が得られる。
【００２９】
更に別の基準によれば、間隔領域は、封じ込め体積内に導電材料が存在しない場合、受信導体における送信導体によって生成される電磁場が、長さが無限の直線的導体の周囲に生じた電磁場で近似されるように配置されている。この基準により、封じ込め体積の外周における溶融材料の有無に対して局所的に高い感度が得られる。
【００３０】
更なる基準によれば、送信導体は、その水平長が送信導体の全長の約１／１０、１／１５または１／２０未満であるように配置されている。この基準により、特定の垂直位置で強い電磁場が生じて当該または他の垂直位置において対向する区間の間の局所的結合を阻害することが回避される。特定の一実施形態において、送信導体は、水平方向に延在する部分が実質的に存在しないように配置されている。
【００３１】
更に別の基準によれば、冶金容器が更に、金属ケーシングから間隔が空けられて封じ込め体積の外周を画定する内壁を画定すべく金属ケーシング内に配置された保護ライニングを含んでいる場合、送信および受信導体は間隔領域と内壁の間で水平方向に分離して配置され、相互間隔は水平方向の分離と少なくとも同程度であるように選択されている。実装形態に応じて、送信および受信導体は、ライニング内にまたはライニングと金属ケーシングの間に配置されていてよい。この基準は、相互間隔と水平方向の分離間の比率が近似的に０．５〜５の範囲にあるように実装されていてよい。
【００３２】
また、システムの線形伝達関数を実現するために、すなわち出力信号（または出力信号に埋め込まれたパラメータ）と垂直測定領域内の垂直充填レベルの間で線形従属性を得るために利用可能な多くの設計基準が単独または任意の組合せで存在する。
【００３３】
そのような基準の一つによれば、送信導体は、間隔領域に面する封じ込め体積の外周における溶融材料内の電磁場の平均強度が、垂直測定領域内における垂直位置から実質的に独立しているように配置されている。換言すれば、溶融材料の存在により、あらゆる高さで信号強度に同じ変化が生じる。応答が局所的であり、従って受信コイルの全応答が局所的応答の総和により与えられる仮定すると、この基準から線形伝達関数が得られる。
【００３４】
別の基準によれば、相互間隔は、受信導体から封じ込め体積の外周への水平距離が垂直測定領域内で実質的に不変であるように選択されている。この基準により、溶融金属に対する局所的応答がループに沿って実質的に同じであることを保証することができる。従ってこれにより、システムの設計および容器内における送信および受信導体の設置を簡素化することができる。「実質的に不変」とは、例えば±２０°、±１５°、±１０°または±５°に達し得る設置許容度を含む名目基準であることを理解されたい。また、例えばライニング材料が摩耗した結果、水平距離が時間の経過に伴い変化し得ることにも注意されたい。
【００３５】
別の基準によれば、相互間隔は実質的に、垂直測定領域内の間隔領域に沿うものと同じである。上述の基準と同様に、これによりシステムの設計および容器内での送信および受信導体の設置を簡素化することができる。上述の基準と同様に、「実質的に不変」は、上述の設置許容度を含み得る名目基準である。
【００３６】
更に別の基準によれば、間隔領域は、垂直測定領域内における垂直方向の異なる高さに対してほぼ同じ検出長を生じるように配置されていて、検出長は、垂直方向における所与の高さで切った水平スライスにおける送信および受信導体に沿った間隔領域の全長である。
【００３７】
更に別の基準によれば、間隔領域は、電磁場により受信導体に誘導される全起電力が垂直測定領域における垂直充填レベルの実質的に線形関数であるように配置されている。
【００３８】
一実施形態において、間隔領域は、垂直充填レベルが垂直測定領域外まで延在する場合、電磁場により受信導体に誘導される全起電力が垂直充填レベルに対して実質的に不変であるように配置されている。この実施形態により変曲点の無い出力信号が可能になる。この文脈において、変曲点とは伝達関数の微分係数の符号が特定の高さで変わることを意味する。背景段落で強調したように、変曲点の存在は従来技術に固有であり、導電材料に乱れがある状況下で測定した場合、推定充填レベルに大きな誤差が生じる恐れがある。
【００３９】
一実施形態において、垂直測定領域は垂直方向においてループの長さにわたる。これは、間隔領域が実質的にループ全体に沿って傾斜していることを意味する。そのような実施形態により垂直測定領域の広がりが最大になる。間隔領域のレイアウトは、例えばループの全垂直長にわたり伝達関数を生じる、および／またはループの垂直長の外側に変曲点が無い状態で線形伝達関数を生じるように設計されていてよい。
【００４０】
一実施形態において、送信および受信導体は、ループが封じ込め体積の垂直中心線を囲むように配置されている。これにより、ループが封じ込め体積の大きい部分からの局所的応答を収集すべく配置されていることを保証する。所与の高さに対する全応答が、この所与の高さでループに沿った全局所的応答の和として表されることを想起すれば、本実施形態により測定精度が向上することがわかる。
【００４１】
一実装形態において、ループは封じ込め体積を囲むように設計されている。そのような一実装形態において、封じ込め体積は少なくとも部分的に垂直中心線の周囲に延在する実質的に円筒状の壁部分により画定され、ループは封じ込め体積を囲むように円筒状の壁部分に形成されている。この文脈において、「円筒状の壁部分」は封じ込め体積の任意の断面、例えば円形、楕円形、長方形、または他の任意の形状を画定することができる。
【００４２】
一実施形態において、本システムは更に、交流電源に接続された場合に電磁場を生成する第２の送信導体、および第２の出力信号を生成する電磁場を検出すべく配置された第２の受信導体を含み、第２の送信および受信導体は、封じ込め体積の周囲で水平方向に相互間隔を置いて同延すべく垂直測定範囲内における垂直位置で金属ケーシング内に配置されている。この実施形態により、容器およびシステム内のドリフトの補償が可能になり、これは、第２の送信および受信導体が、垂直充填レベルと垂直位置が一致した場合に第２の出力信号のステップ変化を生成すべく配置されていてよく、ステップ変化の垂直位置が実質的にドリフトの影響を受けないためである。ステップ変化の位置を傾斜間隔領域内におけるループの出力信号にマッピングすることにより、出力信号のドリフトを補償することが可能である。
【００４３】
一実施形態において、本システムは更に、送信導体に接続された交流電源を含んでいる。
【００４４】
一実施形態において、本システムは更に、垂直充填レベルを表す測定値を抽出するための出力信号を取得して処理すべく構成された処理装置を含んでいる。
【００４５】
本発明の第２の態様は、第１の態様のシステムを含む冶金容器である。
【００４６】
本発明の第３の態様は、冶金容器の封じ込め体積内の導電溶融材料の垂直充填レベルを測定する方法であって、冶金容器は、封じ込め体積を囲み且つ垂直方向に延在する外側の金属ケーシングにより画定される。本方法は、冶金容器内に電磁場を生成する送信導体を設置するステップと、垂直充填レベルの関数として出力信号を生成する上記電磁場を検出すべく冶金容器内に受信導体を設置するステップとを含み、当該送信および受信導体は、金属ケーシング内に配置されて相互間隔を置いて同延することにより封じ込め体積に面し且つ封じ込め体積の外周に沿って実質的に閉ループ状に延在する間隔領域を画定し、当該相互間隔は、出力信号の変化が、上記間隔領域に隣接する溶融材料の量の局所的変化により生じる電磁場の変化に支配されるように選択され、間隔領域の少なくとも一部は、当該間隔領域が容器の水平および垂直方向から逸脱するように外周に沿って傾斜した垂直測定領域を画定するように構成される。
【００４７】
本発明の第４の態様は、第１の態様のシステムを動作させる方法である。本方法は、送信導体に交流電流力を供給するステップと、受信導体から出力信号を取得するステップと、垂直充填レベルを表す測定値を抽出すべく出力信号を処理するステップとを含んでいる。
【００４８】
第１の態様の実施形態の任意の一つを第２〜第４の態様と組み合せることができる。
【００４９】
本発明の、更に他の目的、特徴、態様および利点は、以下の詳細説明、添付の請求項、および図面から明らかになろう。
【００５０】
本発明の実施形態について、添付の模式図を参照しながらより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、レベル測定システムを有する冶金容器の透視図である。
【図２】図２は、図１の測定システム内の導体対の一部の拡大側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、容器内で生成された電磁場と溶融金属の間の相互作用が存在しない、図２の導体対に垂直な断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、容器内で生成された電磁場と溶融金属の間の相互作用が存在する、図２の導体対に垂直な断面図である。
【図４】図４は、導体対および当該導体対の別の一部の水平方向断面図である。
【図５】図５は、長さが無限の導体の周囲に生じた磁場の透視図である。
【図６Ａ】図６Ａは、封じ込め体積の異なる形状に対する導体対の例示的レイアウトである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、封じ込め体積の異なる形状に対する導体対の例示的レイアウトである。
【図６Ｃ】図６Ｃは、封じ込め体積の異なる形状に対する導体対の例示的レイアウトである。
【図７】図７は、図６Ａのレイアウト用に得られたレベルの関数としての信号振幅のグラフである。
【図８】図８は、信号生成およびデータ収集用の処理装置に接続された導体対のブロック図である。
【図９】図９は、処理装置に接続された複数の導体対のブロック図である。
【図１０】図１０は、傾斜した導体対および水平導体対の組合せの透視図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０のある導体対における感度関数のグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０の別の導体対における感度関数のグラフである。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１０の別の導体対における感度関数のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
以下に、本発明のいくつかの例示的実施形態を説明目的に限定して記述する。記述全体を通じて同一参照番号を用いて対応する要素を識別する。
【００５３】
例示的実施形態へ取り掛かる前に、いくつかの基本的な定義および説明を行う。
【００５４】
本明細書で用いる「電磁場」は、帯電した物体を移動させることにより生じる物理的な場である。これは、磁場の近傍にある帯電した物体の挙動に影響を及ぼす。電磁場は、空間全体にわたり無限遠まで延在する。場は、各々が３次元ベクトル場である電場Ｅおよび磁場Ｂの組合せとみなすことができる。各々のベクトル場は、空間および時間の各点で定義される値を有し、ある空間および時間座標の関数とみなすことができる。電場は静電荷により生じ、磁場は移動する電荷（電流）による生じる。
【００５５】
用語「電磁結合」（「誘導結合」としても知られる）は、第１の導体を通る電流の変化が、電磁誘導を介して第２の導体の両端に電圧を誘導する現象を指す。２つの導体間の電磁結合の量は、それらの相互インダクタンスにより測定される。相互インダクタンスは、第１の導体における電流の変化により第２の導体に生じる「起電力」（ｅｍｆ）を定量化する。変化する磁場Ｂが存在する状況で閉じたループＣの誘導起電力εは、ループの静止した閉経路の周囲における電場の積分により与えられる電圧である。
2014526698.tif 000003
ここでＥは全電場であり、積分は、変化する磁場が存在する任意の、但し静止した閉曲線Ｃの周囲でなされる。
【００５６】
渦電流（「フーコー電流」としても知られる）は、時間変化する磁場に露出された場合に導電材料に誘導される電流である。当該電流は、インダクタンスを有しているために磁場を誘導する循環する渦として形成される。印加される磁場が強いほど、または導電材料の導電性が高いほど、あるいは磁場の変化が速いほど、より大きい渦電流が生じ、且つより強い場が生じる。
【００５７】
本発明の実施形態は、送信コイルに供給される交流電流により受信コイルに誘導される交流電圧を検出することによる冶金容器のレベル測定に関する。交流電流はまた、容器内で処理される導電材料に渦電流を誘導し、これらの渦電流により生じる磁場が、受信コイル内の誘導電圧（ｅｍｆ）を変化させるべく、受信コイルにおける磁場を変化させる。一つの課題は、出力信号と容器内の導電材料の量、すなわち充填レベルとの有用且つ予測可能な関数関係を得ることである。
【００５８】
図１に、容器１内で処理される導電材料用の内側空洞３（封じ込め体積）を画定する外側ケーシングまたは金属ジャケット２を有する冶金容器１を示す。容器１は、加熱炉、タンディッシュ、取鍋、鋳型等、任意の種類の冶金容器であってよい。導電材料は、典型的には液状になるまでに加熱される金属または半導体であってよいが、代替的には粉末状または粒状であってもよい。簡便のため、以下では導電材料を「溶融材料」と呼ぶ。空洞３の一部を囲むようにコイル配置４がケーシング２に設置されている。コイル配置４は、空洞３の周囲に引き回された送信導体５および受信導体６により、所与の相互間隔ｄで同延するライン対として形成されている。導体５、６は従って、空洞３の外周と平行に相互間隔ｄだけ互いに離れた送信コイルおよび受信コイルを形成する。これは概念的に、「間隔領域」７が空洞３の周囲に導体５、６の間で形成されているとみなすことができる。図１に示すように、間隔領域７は、空洞３の外周に沿って部分的に傾斜している。
【００５９】
図２は、同延する導体５、６の傾斜部分の立面側面図で示した、すなわち空洞３の外周に射影された拡大図である。図２において、空洞３は溶融金属で一部満たされており、これが上面１０を画定している。コイル配置４は、双方向矢印で示すように、傾斜部分に沿って導体間の電磁結合が対向するライン区間（Δｌｉ）の間で主に生じるように配置されている。これにより、ライン区間は、導電材料が存在する、または導電材料が存在しないという２種類の環境に置かれる。
【００６０】
図３Ａは、図２の破線３Ａに沿った、すなわちライン区間に隣接する空洞３内に溶融材料が存在しないときのスライスを示す。図に示す例において、導体５、６は、空洞を画定する壁１２を設けるライニング材料１１に埋め込まれている。任意の種類の従来型ライニング材料を用いてよく、例えばモノリシックライニングを形成する耐火性の煉瓦、練り土または鋳造耐火材料を用いてもよい。従って、間隔領域７と壁１２の間に一定の水平方向距離がある。図３Ａに、送信導体５により生成されて受信導体６により検出される磁場Ｂおよび電場Ｅを、金属ケーシング２内で生じた渦電流２０と共に示す。図に示すように、磁場Ｂは空洞３内まで延在している。図に示す例において、間隔領域７は、空洞３の外周に実質的に平行であるが、間隔領域７が空洞３へ向かって、または空洞３から遠ざかる方向に傾いていることも考えられる。
【００６１】
図３Ｂは、図２の破線３Ｂに沿った、すなわちライン区間に隣接した空洞３内に導電材料が存在するときのスライスを示す。図に示すように、磁場Ｂは、壁１２、すなわち空洞３の外周において、金属ケーシング２に渦電流２０を、および溶融材料に渦電流２１を誘導する。溶融金属内の渦電流２１により、受信導体６の周囲を通る磁場Ｂの強さが減少する。これにより、送信導体５と受信導体６の間の結合が局所的に減少する。導体５、６の相互間隔は、受信導体６が送信導体５により生じた磁場Ｂの近接場に位置するように取られる。ライン区間の局所的環境に導電材料が存在しない場合、磁場は、１／Ｒαに比例する率で低下し、典型的にはα＝１であるか、またはαは少なくとも１〜２の範囲であり、Ｒは送信導体５からの垂直距離である。ライン区間の局所的環境に導電材料が存在する場合、磁場はより急激に低下する。これにより、各ライン区間は、受信導体６で生じた起電力に関して、当該ライン区間の部分オン／オフスイッチとして表すことができる。スイッチの動作は溶融金属の有無に応じて制御される。コイル配置４に沿ったライン区間ｉに対して誘導ｅｍｆΔεｉは、次式で表すことができる。
Δεｉ＝Δεｅｍｐｔｙ，ｉ−Δεｅｄｄｙ，ｉ
ここでΔεｅｍｐｔｙ，ｉは、隣接する溶融金属が存在しない場合に誘導ｅｍｆであり、Δεｅｄｄｙ，ｉは、隣接する溶融金属内の渦電流２１の結果として減少した誘導ｅｍｆである。隣接する溶融金属が存在しない場合、Δεｅｄｄｙ，ｉ＝０である。隣接する溶融金属が存在する場合、Δεｅｄｄｙ，ｉは、個々のライン区間の特定の構成に依存する値を有している。コイル配置４の全応答、すなわちコイル配置４に沿った全誘導ｅｍｆは、誘導ｅｍｆの全てのライン区間についての和として表すことができる。
ε＝εｅｍｐｔｙ−β・f（ｈ）
ここで、εｅｍｐｔｙは、空洞３が空である場合の誘導ｅｍｆ、βは送信コイル、溶融金属および受信コイルの間の実際の局所的結合に依存する定数である。感度関数ｆ（ｈ）は、個々のライン区間の構成、すなわち充填レベルｈの関数としての間隔領域７の分布に依存する。これにより、全応答（伝達関数）は、空洞内の溶融金属の垂直充填レベルの関数である。充填レベルが時間とともに変化するにつれて、全応答も変化する。ライン区間が完全なオン／オフスイッチを形成していなくても上述の関係はほぼ有効である。
【００６２】
コイル配置４の適切な配置により任意の単調減少伝達関数が得られることが分かる。図１でわかるように、傾斜した導体体を用いることでコイル配置４が空洞３の大きい部分と相互作用することが可能になる。
【００６３】
更に、水平方向の送信導体５の周囲に生じる電磁場により、傾斜した導体対に電圧が誘導される恐れがあるため、コイル配置４が水平方向に余り延在しないようにすることが望ましいと現在考えられている。従って、導体対の水平長が導体対の全長の約１／１０未満、および好適には約１／１５または１／２０未満である筈と現在考えられている。
【００６４】
発明の概要の段落で述べたように、電磁結合が局所的であることを保証するために適用できる多くの設計基準が利用である。受信導体６に垂直に延在する全ての幾何学的平面内の受信導体６が送信導体５の他の部分から充分に間隔が置かれていることを保証する更なる設計基準を図４に示す。図４に示すこの距離Ｄは、相互間隔の少なくとも３倍、恐らくは相互間隔の少なくとも４、５、６、７、８、９または１０倍でなければならない。
【００６５】
また、空洞３の外周の回りに導体対が滑らかに延在することを保証することが望ましい。例えば、延在する導体対が折れ曲がるのを回避することが望ましい。別の設計基準によれば、ループに沿った導体対の長さは、例えば図５に示すように、受信導体６で生成された電磁場が、長さが無限の直線状の導体の周囲の電磁場により近似できる程度である。例えば、相互距離ｄは、受信導体６に沿った任意の位置から見た送信導体５の局所的な長さが直線状の導体により近似できるように選択されていてよい。
【００６６】
また、特定の領域内における応答は、例えば相互距離ｄを局所的に修正することにより調整できることにも注意されたい。例えば、相互距離ｄは、コイル配置４の応答を局所的に減らすために導体対が（例えばコーナーで）折り曲げられた箇所で長くされていてよい。
【００６７】
コイル配置４は、任意の所望の垂直測定範囲、例えば所与の高さから容器１の底部までの全長にわたり検出を可能にすべく任意の形状の空洞３に対して設計されて容器１に設置されていてよい。概要の段落で概説したように、特定の設計基準を用いて、所望の測定範囲にわたり一切の変曲点無しに線形伝達関数が得られる。そのような基準の一つによれば、コイル配置４は、高さの関数として実質的に一定の検出長を維持すべく設計されており、検出長は、測定範囲内における各々の高さで取られた水平方向スライス内の導体５、６に沿った間隔領域７の集計された長さである。この基準が、図１のコイル配置４の傾斜した部分では満たされるが、容器１の奥行全体にわたり水平方向に延在する最上部および底部では満たされないことがわかる。従って、図１のコイル配置４は、傾斜領域内で線形応答を与えることが可能であるが、最上部および底部では非線形性および変曲点を生じる可能性が高い。図６Ａは、コイル配置４の全垂直長に沿って上述の基準を満たし、それにより変曲点の無い線形応答が得られるような図１のコイル配置４の変更例の透視図である。
【００６８】
図６Ｂ、６Ｃは各々、上記基準を満たし、且つ円形断面を有する円筒状空洞３および球面壁部分を有する空洞３内で変曲点無しに線形応答を生じ得るコイル配置４の透視図である。これらの空洞の形状は説明目的のためだけに含まれ、コイル配置４は空洞形状によらず上述の基準を満たすべく設計されていてよい点を理解されたい。
【００６９】
図７は、図６Ａのコイル配置４に対する応答曲線（伝達関数）のグラフであり、容器１の充填レベルの関数として受信導体６から得られた電圧信号の振幅として与えられる。図に見られるように、応答はコイル配置４の垂直長に一致する測定範囲内で充填レベルに線形に依存し、測定範囲の外側の充填レベルに対して不変である。
【００７０】
極めて非線形であって変曲点を有する従来技術と比較して、図６の実施形態は、電磁場の周波数（すなわち送信導体５に供給される交流電流の周波数）に匹敵するかまたはより速い時間測定値で変化する乱雑な表面上での測定性能の大幅な向上をもたらし得る。激しい搖動もコイルとの電磁的相互作用により、連続的なサンプルの組について有効な時間平均を計算できるように平均化される。
【００７１】
図８は、垂直充填レベル（図７参照）の側定値を生成すべく送信および受信導体５、６に接続された処理装置２５の実施形態のブロック図である。破線で囲まれた枠は、送信導体５を駆動する、および受信導体６からの出力信号を取得する回路を有する送信器２６を形成している。信号プロセッサ２７が、出力信号から垂直充填レベルの測定値を抽出すべく送信器２６に接続されている。図８の例において、直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）２８が、適当な波形、例えば正弦波を、共通の基準クロック２９に基づいて所望の周波数で生成すべく構成されている。実装形態に応じて、周波数は約５０Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数範囲にあってよい。ＤＤＳ２８の出力は電力増幅器３０に供給され、これにより電力増幅器３０は適当な大きさの定常状態の交流信号を送信導体５に供給する。プリアンプ３１が、受信導体６にかかる交流電圧を検出して増幅すべく接続されている。専用のバンドパスフィルタ３２内でのフィルタリングされた後、増幅された電圧信号がアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）３３内で同期的アナログ／デジタル変換により処理される。これにより、ＡＤＣ３３は、検出された電圧の位相および／または振幅に関する情報を含む出力信号を供給することができる。実装形態に応じて、垂直充填レベルの測定値を、検出された電圧の位相または振幅またはその組合せの関数として計算することができる。これは当業者には公知である。
【００７２】
上記技術が１つの導体対の使用に限定されない点を理解されたい。代替的に、例えば容器の異なる高さで測定範囲を与えるべく、および／または異なる伝達関数を与えるべく２つ以上の導体対が設置されていてもよい。図９に、冶金容器の空洞の周囲に各々ループを形成すべく配置されたｎ個の異なる導体対を有するそのような実施形態を示す。図９の実施形態において、導体５、６の各対は個々の送信器２６に接続されていて、送信器２６の出力信号は共通の信号プロセッサ２７により処理される。図９の実施形態において、送信器２６は異なる周波数で動作することができる。
【００７３】
ドリフトは、例えば温度の変化、ライニングの疲労および物質の混入により生じる容器１の幾何学的形状の変化に起因してあらゆる種類の電磁センサに固有である。本発明の測定システムが、コイル配置４の伝達関数が幾何学的形状に付随する変化に比較的影響を受けないため、有利な点としてそのようなドリフトに敏感でないことがわかっている。幾何学的形状が若干変化した場合、伝達関数は単にシフトされて、応答曲線の線形シフトが生じる。従って、簡単な伝達関数（例：線形）ではドリフトに対して出力信号を補償するのに１、２つの較正点で充分である。そのような較正点は例えば、空洞の周囲で水平方向に延在して水平導体対を形成する導体対を含めることにより得られる。充填レベルが水平導体対に到達した場合、水平導体対にかかる電圧は大幅且つ急激に低下し（ステップ変化）、ステップ変化の垂直位置は幾何学的形状な変化には実質的に影響されない。傾斜した導体の線形応答曲線は、傾斜した導体からの測定された応答をステップ変化の位置で線形応答曲線にマッピングすることにより、未知のシフトについて補償できることが分かる。線形応答曲線の傾きに対する変化を考慮するため、または応答曲線が部分的に非線形である場合にドリフトを補償するために、更なる較正点を含めてもよい。水平導体対（較正コイル）は、図９に関して記述したように、共通の信号プロセッサに接続された別々の送信器により制御できる点を理解されたい。
【００７４】
図１０に、線形伝達関数および２つの固有の較正点を与えるコイル配置４の例を示す。コイル配置４は、垂直測定範囲にわたり延在する傾斜した一対の導体５、６および測定範囲内の異なる垂直レベルに配置された２対の水平導体５’、６’を含んでいる。この実施形態により、充填レベルが水平導体５’、６’の対を通過する都度、全測定範囲の較正が可能になる。図１１Ａ〜１１Ｃは各々、垂直充填レベルに相対的な、傾斜した導体対、最上部水平導体対および底部水平導体対に対する感度関数ｆ（ｈ）を示す。上述のように、感度関数ｆ（ｈ）は、間隔領域７に沿った溶融金属の渦電流から生じる信号の寄与を表す。
【００７５】
本発明について、現在最も実用的且つ好適であると考えられる実施形態との関連で記述してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されず、逆に、添付の請求項の趣旨および範囲内に含まれる各種の変更形態および均等な構成を含むことを意図している点を理解されたい。
【００７６】
例えば、送信導体および受信導体は各々、１つの導線または複数の導線により形成されていてよい。
【００７７】
また、同延する導体の対により形成されたループが、当該ループと同延し、且つそこから間隔を置いて配置された１つまたは複数の更なる送信導体および／または受信導体により補完できる点を理解されたい。
【００７８】
更に、本明細書に記述する本発明は、非金属ケーシング、例えばセラミック材料のケーシングを有する冶金容器のレベル測定にも同様に適用できる。
【図１】
2014526698.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
2014526698.tif 000006
【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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