JPH08511107A - 自己校正形炉温度計測のための能動型放射計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 炉の温度計測のため視野上に重合された探索ビームを持つ放射計。放射計は、探索のためのミリ波／準ミリ波供給源を含むヘテロダイン・ミリ波／準ミリ波受信機を含む。受信機は、温度が計測されるべき表面から放射を受取る。放射は、表面放出部分と、表面から反射された探索ビーム・エネルギを含む表面反射部分とを含む。表面放出部分は、表面温度と関連し、表面反射部分は表面の放射率と関連している。表面の放射率の同時計測が、温度の計測のリアルタイム校正として働く。

Description

【発明の詳細な説明】 自己校正形炉温度計測のための能動型放射計 （技術分野） 本発明は、表面温度を測定するための方法および装置に関し、特に動作中の炉 の内表面に関する。 （背景技術） 炉の性能を監視して炉の動作を最適化するため炉内の温度特性を計測するため の信頼性の高い正確な手段に対する必要が存在する。これら温度の計測は空間的 に解決されることが望ましい。経済的および環境的な関心は、廃棄物の改善およ び工業的プロセスの如き用途に用いられる炉が有害な排出物をほとんど生じない かあるいは全く生じない効率的なものであることを不可欠にする。このような炉 の内部空間の温度分布を知り尽くすことが、炉性能の監視のための主たるパラメ ータであり、かつ炉の最適化のため必要である。 現在の温度測定機器は、炉の高温の不良環境内での使用には、これら機器の信 頼性が低く、不正確、あるいは危険にする多くの短所を有する。例えば、赤外線 熱電温度計は、煤煙、霧および（または）粒子が充満した排ガスを通して見るこ とができず、その視野は露呈した視認窓における析出物により更に阻害され得、 表面の輻射能を知ることが温度を正確に解釈するために要求される。熱電対の如 き他の温度センサは、制限された高温容量を持ち、故障しやすく、かつ電気炉の 用途においては危険となる電気配線が炉内へ配置されることを必要とする。 （発明の概要） 本発明による温度計測用の放射計は、その視野において介挿されたミリ波／準 ミリ波の探索ビームを含むヘテロダイン・ミリ波／準ミリ波受信機を含んでいる 。この探索ビームは、ヘテロダイン受信機の局所発振器により生成されることが 望ましい。この受信機は、温度が計測されるべき表面から放射を受取るためのも のである。この放射は、表面放出部分と、前記表面から反射される探索ビーム・ エネルギを含む表面反射部分とを含む。表面放出部分は表面温度と関連し、表面 反射部分は表面の輻射能と関連している。望ましい実施例においては、放射を受 信機へ送る導波管が設けられる。望ましい導波管は、内部の波形部とミラーとを 持つ準光学的（ｑｕａｓｉ−ｏｐｔｉｃａｌ）グラファイト導波管である。この 実施例においては、更に別の波形金属導波管がＴＥ₁₁モードからＨＥ₁₁への変換 のため設けられる。当該実施例はまた、受信機の視野を周期的に遮蔽するチョッ パをも含んでいる。更に、コヒーレントな探索ビームの使用の結果生じる定在波 の干渉を排除するため、分相器が設けられる。また、表面が計測されている表面 が整合に感じない探索ビームの帰還反射を保証する逆反射体を含むことも望まし い。 本発明の更に別の特徴は、温度が測定されるべき表面を持つ炉を含む炉温計測 装置である。窓を通して炉の外部に配置されたヘテロダイン受信機へ指向させる ための導波管が炉内に配置される。この受信機は、ミリ波／準ミリ波の探索ビー ム・エネルギの供給源を含み、この放射は表面放出部分と、表面から反射される 探索ビーム・エネルギを含む表面反射部分とを含む。前記の表面放出部分と表面 反射部分とから表面温度を決定するための装置が設けられる。 放射計の長い動作波長の故に、ミリ波放射計は、霧や煤煙の如き視覚的に不透 明である雰囲気を通して見ることができる。これら放射計の波長は、良好な空間 分解能を得るのに充分なだけ依然として短い。準光学的グラファイト・アンテナ 装置の使用が、高温炉環境内の設置に適している。グラファイト構成要素は、３ ０００℃もの高温で使用することができる。探索ビームとしての放射計自体の局 所発振器の出力漏れが、温度の計測を校正するため表面輻射能と関連させ得る表 面基準計測を行う。従来技術においては、出力信号を温度として解釈するため、 内部の炉の表面輻射能について仮定がなされねばならない。輻射能は、温度と、 前以て正確に予測し得ない壁部の析出物とに依存する。輻射能の計測を行うこと により、本発明の放射計の精度は、従来技術の赤外線パイロメータに勝るよう改 善される。 （図面の簡単な説明） 図１は、本発明の能動型放射計の概略図、 図２ａは、本発明と関連して使用される分相器の平面図、 図２ｂは、図２ａの分相器の断面図、 図３は、温度が計測されるべき表面の断面図、 図４は、本発明において使用されるミリ波／準ミリ波受信機のブロック図であ る。 （実施例） 本発明は、ミリ波／準ミリ波放射計を用いて炉の壁部からの電磁放射を検出す ることに基く。ミリ波放射計は、環境内の温度を計測するために一般に使用され る。Ｊ．Ｈ．Ｒａｉｎｗａｔｅｒ著「放射計：ノイズを見出す電子アイ（Ｒａｄ ｉｏｍｅｔｅｒｓ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｙｅｓ ｔｈａｔ Ｓｃｅ Ｎｏ ｉｓｅ）」（Ｍｉｃｒｏｗａｖｃｓ、５８〜６２ページ、１９７８年９月）参照 。しかし、このような放射計は、炉内に存在する高温の危険な環境では使用され なかった、、次に図１において、本発明の能動型放射計装置１０は、ミリ波／準 ミリ波受信機１２を含む。受信機１２は、受信機の基本導波路１６と更に有効な オーバモード形伝送管路１８との間の境界として働く導波管のテーパ状遷移部１ ４を介してエネルギを受取る。この境界はまた、受信機１２のミクサが隅部キュ ーブの如き準光学的アンテナを使用するならば、レンズまたは集束ミラーを介し て光学的でもある。Ｈ．Ｒ．Ｆｅｔｔｃｒｍａｎ、Ｐ．Ｅ．Ｔａｎｎｃｎｗａｌ ｄ、Ｂ．Ｊ．Ｃｌｉｆｔｏｎ、Ｄ．Ｃ．Ｐａｒｋｃｒ、Ｗ．Ｄ．Ｆｉｔｚｇｅｒ ａｌｄおよびＮ．Ｒ．Ｅｒｉｃｋｓｏｎ著「準光学的ショットキー・ダイオード ・ミクサによる遠赤外線ヘテロダイン放射計計測（Ｆａｒ−ＩＲ Ｈｅｔｅｒｏ ｄｙｎｅ Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ Ｑ ｕａｓｉ−ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｄｉｏｄｃ Ｍｉｘｃｒｓ）」 （Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｃｔｔ．、第３３巻、１５１〜１５４ページ、１９７ ８年）参照。１８で示される如き円筒状チョッパ管の如 き平滑壁部を持つ金属導波管が横方向電界（ＴＥ）モードを伝搬する伝送管路と して使用されるならば、ＴＥ伝送管路モードをＨＥ₁₁へ変換するモード・コンバ ータ２０が存在する。Ｍ．Ｔｕｍｍ著「高度に過剰モードの導波管における波形 状のＴＥ₁₁のＨＥ₁₁への変換コンバータのコンピュータ支援分析および設計（Ｃ ｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ＴＥ₁₁ ｔｏ ＨＥ₁₁ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅ ｒｓ ｉｎ Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｖｃｒｍｏｄｃｄ Ｗａｖｃｇｕｉｄｅｓ）」（ Ｉｎｔｅｒｎ．Ｊ．ｏｆ Ｉｎｆｒａｒｃｄ ａｎｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｃｓ、第６巻、５７７〜５９７ページ、１９８５年）参照。受信機の視野 が既に隅部キューブ・アンテナなどからの光ビーム内にあるならば、モード・コ ンバータ２０の如きモード・コンバータは不要である。 横方向電磁界モードであるＨＥ₁₁モードは、導波管により伝搬ができかつ自由 空間ガウス・ビームに結合する最も効率のよい導波管モードである。ガウス・ビ ームは、回折が制限された空間解像度を達成するための最良の自由空間伝搬モー ドである。導波管内のＨＥ₁₁モードの伝搬は、誘電導波管あるいは導電性材料か ら作られた導波管の波形状内面のいずれかを必要とする。炉２２内のグラファイ ト導波管材料を使用する基礎を形成して、可能な限りの空間解像度を達成するこ とが、ＨＥ₁₁モードの特性である。本発明の発明者たちは、グラファイトがミリ 波／準ミリ波の波長範囲内では良導体であり、短い距離のＨＥ₁₁モード伝搬のた めの有効な波形状導波管に作れることを発見した。 モード・コンバータ２０に対する入力には、室温ブレード２６による炉２２内 への受信機１２の視野を周期的に遮蔽するチョッパ２４が存在する。ブレード２ ６は、Ｅｃｃｏｓｏｒｂ（商標）の如きミリ波／準ミリ波吸収材料で覆われて、 Ｄｉｃｋｅ受信機における如き室温遮蔽体基準信号を提供する。Ｊ．Ｄ．Ｋｒａ ｕｓs著「電波天文学（Ｒａｄｉｏ Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ）」（Ｍ．Ｅ．Ｔｉｕ ｒｉ著「電波望遠鏡受信機（Ｒａｄｉｏ−Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ Ｒｅｃｅｉｖｅ ｒｓ）」、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９７５年による）参 照。チョッパ２４は、増幅器３２、３４においてロックするチョッピング周波数 と対応する基準信号２８、３０を提供する。増幅器３２におけるロックは、表面 放射と対応する受信機１２からの中間周波数（ＩＦ）信号３６の検出のため行わ れ、増幅器３４におけるロックは、表面基準と対応する受信機１２からのチョッ パ変調ＤＣ信号３８の検出のため行われる。あるいはまた、探索ビームが局所発 振器に関して異なる周波数であるならば、信号３８はＩＦ信号３６からの異なる 周波数のＩＦ信号であり得る。 分相器４０は、チョッパ２４とグラファイト導波管４４の窓４２との間に配置 される。分相器４０は、図２ａおよび図２ｂに関して以下に更に詳細に述べるこ とにする。窓４２は、導波管４４に跨がって炉２２を封止する。窓４２は、テフ ロン、ポリエチレンあるいは石英の如きミリ波／準ミリ波範囲内では透明である 材料から作られる。テフロンは、窓の表面反射損失を最小限に抑えるその小さな 屈折率の故に、ミリ波／準ミリ波範囲のより長い波長端で選好される選択である 。窓の反射損失も更に、表面を波状にする（Ｓ．Ｊ．ＷｉｌｓｏｎおよびＭ．Ｃ ．Ｈｕｔｌｅｙ著「蛾の目の逆反射面の光学的特性（Ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｍｏｔｈ Ｅｙｅ Ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏ ｎ Ｓｕｒｆａｃｅｓ）」（Ｏｐｔｉｃａ Ａｃｔａ、第２９巻、９９３〜１０ ０９ページ、１９８２年）参照）か、あるいはブルースター角の位置によって最 小限に抑えることができる。 波形ＨＥ₁₁グラファイト導波管４４は、グラファイトの比較的高い抵抗率の故 に、伝送損を低く保持するため銅の導線１８より大きな直径である。当業者には 明らかなように、導線の損失は導波管の半径の３乗に反比例する。炉の端部にお ける比較的大きな直径の導波管の別の利点は、受信機１２の視野の発散が良好な 空間解像度を得るように最小化されることである。導波管のテーパを用いて導波 管の直径を大きくする。図１では、このテーパは窓４２の炉側におけるグラファ イト導波管４４に示されるが、炉の窓の外側に銅から作ることもできる。 炉２２の内部では、グラファイト・ミラー４６を用いて受信機１２の視野を温 度について監視されるべき高温の炉面４８へ指向させる。グラファイト導波管４ ４とミラー４６が回転されて、温度プロフィールを走査する。ミラー４６の更に 別の機能は、窓４２が高温炉面４８に直接面しないように遮蔽することで、これ により窓４２をより清潔にかつより低温に保持する。しかし、窓４２またはミラ ー４６上の析出物は、動作のミリ波／準ミリ波長の故に危険ではない。 以下において図４に関して述べるように、受信機１２は、局所発振器または他 の探索ビームの供給源を含む。分相器４０の目的は、探索ビームのコヒーレント 性を補償することである。機器の定在波干渉効果は、分相冊４０により平均化さ れる。次に図２ａおよび図２ｂにおいて、テフロンの如き材料から作られること が望ましい分相器４０は、下式により与えられる寸法を持つ段部Ｓを含む、，即 ち、 Ｓ ＝ ｍ／４ｎλ 但し、ｍは奇数（ｍ−１，３，５．．．）で望ましくは１であり、ｎは分相器材 料の屈折率、λは自由空間における波長である。分相冊４０は、前記段部が正確 に放射計ビームの中心を切り、その結果ビームの半分がより厚い部分を通り他の 半分がより薄い部分を通るように配置される。このため、反射時に、ビームの２ つの半部が相互に１８０°だけ位相がずれる。ビームの上半部が干渉ピーク値に あるならば、下半部は干渉の最小値にあることになる。従って、局所発振器ビー ムにおけるコヒーレント干渉は、常に自動的に平均化される。分相器の正確な配 置のための要件を減じるように１つ以上の段部を用いることができる。 図３に示されるように、温度が計測されるべき高温炉面４８は、炉２２の壁部 のライニングのため用いられるレンガ４９の如き耐火性材料における９０°の隅 部からなることが望ましい。前記隅部が放射計ビーム５０が入射する方向で加工 されるように、θで表わされる方位角を斜めにすることができる。 図３に示される９０°の隅部は、放射計ビーム５０がこの隅部と同じ面内にあ るならば、３次元とする必要はない。レンガ材料４９の平面サンプルの反射率が 最初に室温で校正され、次いでこの値を用いて隅部の反射体の室温の反射率を校 正する。隅部の反射信号は、一般に平面の反射率の２乗に等しい。これに代わる 逆反射体の設計は、耐火性材料に加工される集束ミラー面を含むことができる。 分相器４０の段部は、隅部４８の谷に対して直角に指向される。 次に図４において、受信機１２は２つの出力、即ち、ＩＦ信号３６とＤＣ信号 ３８とを有する。２つの出力３６、３８は、中間周波数信号と、ミクサ５２にお ける直流レベルとに対応する。ＩＦ信号３６は、広い帯域幅（約１〜１０ＧＨｚ ）の両側波帯を持ち、監視される高温炉面４８からのダウンシフト放出周波数で ある。この信号３６は、炉面４８の温度に正比例する。信号対雑音比が帯域幅の 平方根に比例するため、良好な信号対雑音比を得るために広帯域幅の使用が重要 である。 ＤＣ信号３８は、局所発振器（ＬＯ）５４のビーム５５（図１）の高温炉面４ ８からの反射に比例する成分を有する。ＤＣ信号３８は、チョッパ２４により変 調され、従ってミクサ５２におけるＬＯおよびＤＣバイアス・レベルから容易に 弁別することができる。重要なことは、本発明が、高温炉面４８からの反射後受 信機の視野に沿って再びミクサ５２に入射する局所発振器５４の信号５５の一部 の逆反射を利用することである。あるいはまた、局所発振器とは異なる供給源を 探索ビームに対して用いることもできる。この場合、信号３８は表面反射信号を 含むＩＦ信号となり、信号３６は、表面反射信号を持たないＩＦ信号となる。高 温炉面の反射率は、キルヒホッフの法則によりその放射率と関連する。Ｆ．Ｐ． ＩｎｃｒｏｐｅｒａおよびＤ．Ｐ．ＤｅＷｉｔｔ著「熱伝達概論（Ｉｎｔｒｏｄ ｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）」第２版、第１２．６章（ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９０年）参 照。表面の放射率は、炉面放出ＩＦ信号により計測される如き炉面放出を温度と して解釈するために知られねばならない。本発明は、同時の表面放射率の校正を 提供する。 分相器４０を用いて局所発振器５４の信号のコヒーレント性を補償する代わり に、別方式の周波数が局所発振器を変調する。この変調の周波数掃引は、 ｃ／２Ｌ と同じ大きさかあるいはこれより大きくなければならない。但し、ｃは光の速度 であり、Ｌは受信機１２から観察中の高温炉面４８までの経路長さである。この ような周波数掃引は、信号の積分時間に比して迅速に行われるべきである。従っ て、受信された信号は、機器の干渉のピーク値と最小値の平均となる。局所発振 器５４のコヒーレンスの補償のための代替的方式は、時間領域における平均であ り、分相器４０は空間領域における平均化を行う。これらコヒーレンスの両補償 方式の組合わせを用いることができる。 動作において、高温炉面４８からのエネルギ５７はグラファイト導波管４４に 対して指向される。このエネルギ５７は、高温炉面４８から放出されたエネルギ と、高温炉面４８から反射された局所発振器５４のエネルギの部分５５との組合 わせである。この組合わされた放出と反射のエネルギ５７は、窓４２と分相器４ ０とを通過し、チョッパ２４によってチョップされる。このエネルギは、モード ・コンバータ２０を経て導波管１８へ進み、その後基本導波管１６を経て受信機 １２に至る。受信機１２は、ＩＦ出力３６とＤＣ出力３８とを有する。先に述べ たように、ＩＦ信号３６は表面の温度に正比例し、ＤＣ信号３８は高温炉面４８ の反射率に比例する。この反射率は、キルヒホッフの法則に従ってその放射率と 関連する。このため、放射率と関連する信号を監視することにより、本発明の能 動型放射計が、表面の析出物または他の要因の結果として生じる放射率の変化に ついて連続的に校正される。本発明は、炉の監視、制御および開発のための信頼 し得る堅牢な温度計測機器を提供する。本文に開示された本発明の修正および変 更は、当業者により着想されることが認められ、かかる全ての修正および変更は 請求の範囲の範囲内に含まれるべきものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コーン，ダニエル・アール アメリカ合衆国マサチューセッツ州02167, チェスナット・ヒル，ウォルナット・ヒ ル・ロード 26 (72)発明者 タイタス，チャールズ アメリカ合衆国ペンシルバニア州19073, ニュートン・スクエア，エコー・バレー・ レーン 323 (72)発明者 ウィットル，ジェイ・ケネス アメリカ合衆国ペンシルバニア州19425, チェスター・スプリングス，コネストー ガ・ロード 1740 (72)発明者 サーマ，ジェフリー・イー アメリカ合衆国ワシントン州99337，ケネ ウィック，ブライアン・レーン 806

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ミリ波／準ミリ波探索ビーム源を含み、温度が計測されるべき表面からの放 射を受取るためのヘテロダイン・ミリ波／準ミリ波受信機を備え、前記放射が表 面放出部分と前記表面から反射された前記探索ビーム・エネルギを含む表面反射 部分を含み、前記表面放出部分が表面温度と関連し、前記表面反射部分が表面の 放射率と関連する、 温度計測用放射計。 ２．前記探索ビームが前記受信機における局所発振器である請求の範囲第１項記 載の放射計。 ３．前記探索ビームを伝送して放射を前記受信機へ送る導波管／ミラー装置を備 える請求の範囲第１項記載の放射計。 ４．前記導波管がグラファイトである請求の範囲第３項記載の放射計。 ５．前記ミラーがグラファイトである請求の範囲第３項記載の放射計。 ６．ＴＥ₁₁モードからＨＥ₁₁モードへの変換のための導波管を更に備える請求の 範囲第３項記載の放射計。 ７．受信機の視野を周期的に遮蔽するチョッパを備える請求の範囲第１項記載の 放射計。 ８．放射の位相を変更するため配置された分相器を更に備える請求の範囲第１項 記載の放射計。 ９．温度が計測されるべき表面が再帰反射体を含む請求の範囲第１項記載の放射 計。 １０．探索ビームを周波数変調するための装置を更に備える請求の範囲第１項記 載の放射計。 １１．温度が計測されるべき表面を含む炉と、 前記炉内に配置されて、放射を窓を介して前記炉の外部に配置されたヘテロダ イン受信機へ指向させる導波管とを備え、前記受信機が探索ビームを生成する局 所発振器を含み、前記放射が表面放出部分と前記表面から反射された探索ビーム ・エネルギを含む表面反射部分とを含み、 前記表面放出部分と表面反射部分とから表面温度を決定する装置、 を備える炉温度計測装置。