導電体長計測装置及びレベル計測装置
【課題】 金属棒電極やカーボン電極等の導電体の長さの精度の良い計測装置及びこの技術を利用した溶融金属のレベル計測装置。
【解決手段】 第１のクロック周波数ｆ1 に同期した第１擬似ランダム信号発生器３と、前記ｆ1 とわずかに異なる第２のクロック周波数ｆ2 に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２擬似ランダム信号発生器４と、前記第１及び第２擬似ランダム信号の乗算を行う乗算器５と、電磁波として電極１３の一端より長さ方向に伝播させ、その他端からの反射信号を分離して検出する方向性結合器７と、前記反射信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する乗算器６と、出力信号をそれぞれ積分する第１，第２ＬＰＦ８，９と、第１，第２ＬＰＦの出力信号のピーク値検出時刻間の時間から電極１３の長さを計測する計測演算部１０とを備えたもの。
【解決手段】 第１のクロック周波数ｆ1 に同期した第１擬似ランダム信号発生器３と、前記ｆ1 とわずかに異なる第２のクロック周波数ｆ2 に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２擬似ランダム信号発生器４と、前記第１及び第２擬似ランダム信号の乗算を行う乗算器５と、電磁波として電極１３の一端より長さ方向に伝播させ、その他端からの反射信号を分離して検出する方向性結合器７と、前記反射信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する乗算器６と、出力信号をそれぞれ積分する第１，第２ＬＰＦ８，９と、第１，第２ＬＰＦの出力信号のピーク値検出時刻間の時間から電極１３の長さを計測する計測演算部１０とを備えたもの。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば金属棒電極やカーボン電極等の導電体の長さを計測する装置及びその計測技術を利用して溶融金属のレベルを計測する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、導電体の長さを計測する技術としては、例えば通信線路の長さを計測するＴＤＲ（タイム・ドメイン・リフレクトメトリー）がある。ＴＤＲとは一般に通信線路の故障位置を検出する目的で使用される技術であり、同軸ケーブル等の通信線路の一端から高周波のパルス信号を入力し、このパルス信号が通信線路を伝播して進行し、線路の断線又は短絡等による伝播インピーダンスの変化箇所から反射されて信号入力端に戻るのを検出する。このパルス信号の入力時刻から反射波が検出されるまでの時間（実時間）と、信号の伝播速度から上記伝播インピーダンスの変化箇所までの距離を計測するものである。
【０００３】また電気電導性を有する溶融金属のレベルを計測する技術の一例として、溶融金属中に２本の電極を挿入し、一方の電極からパルス信号を入力し、この入力信号が一方の電極を伝播し、この電極と溶融金属との接触部から溶融金属中を伝播し、溶融金属と他方の電極との接触部から他方の電極を伝播した信号を出力として検出すると、このパルス信号の入力時刻から出力信号の検出時刻までの時間を計測し、この計測時間に対応する溶融金属のレベルを算出するものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のＴＤＲ方式により同軸ケーブル等の長さを測定する方法では、信号の入力時刻から反射信号の検出時刻までの実時間を測定するものであるため、長さの計測精度（分解能）は数十〜数百ｍｍと悪い。また信号の伝播速度が速いため短距離の計測は困難であり、長さの短い電極の長さを正確に計測できないという問題があった。また計測精度を向上させるために被測定体に伝播させる信号の周波数を高くすると、同軸ケーブルではない非平衡導線などの導電体に信号を入力した場合に、導電体に沿って伝播する信号の減衰や波形歪みが非常に大きいため、反射信号の検出に基づく計測が困難になるという問題がある。
【０００５】また２本の電極を溶融金属中に挿入して溶融金属のレベルを計測する方法では、２つの電極と溶融金属との接触部分の電気的導通を常に良好な状態に保持する必要があり、溶融金属表面の変動やスラッグ等により接触部分の電気的導通が不良になると計測できないという問題があった。またレベル計測に２本の電極を必要とするため、その電極設置スペースが十分に取れない場合がある等の設置上の制約もあった。本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、金属棒電極やカーボン電極等の導電体の長さの精度の良い計測装置及びこの技術を利用した溶融金属のレベル計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る導電体長計測装置は、第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として被測定導電体の一端より入力し、この入力した信号を前記導電体の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記導電体の長さ方向に沿って伝播し、その他端から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記導電体の信号入力端から信号反射端までの長さを計測する手段とを備えたものである。その結果、前記第１，第２のクロック周波数をそれぞれｆ1 ，ｆ2 とし、ｆ1とｆ2 の差をΔｆとすると、前記計測する時間は実際に電磁波の伝播と反射に要する時間をｆ1 ／Δｆ倍に拡大したものとなるため、きわめて高精度の長さ計測が可能となる。
【０００７】本発明の請求項２に係るレベル計測装置は、第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として一端が溶融金属中に挿入、浸漬された棒状電極の他端より入力し、この入力した信号を前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播し、その先端又は電極と溶融金属の接触部から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さを計測する手段と、前記計測された棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さに基づき前記溶融金属のレベルを計測する手段とを備えたものである。その結果、前記第１，第２のクロック周波数をそれぞれｆ1 ，ｆ2 とし、ｆ1とｆ2 との差をΔｆとすると、前記計測する時間は実際に電磁波の伝播と反射に要する時間をｆ1 ／Δｆ倍に拡大したものとなるため、きわめて高精度のレベル計測が可能となる。
【０００８】本発明の請求項３に係るレベル計測装置は、前記請求項２に係るレベル計測装置において、前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極と平行に隣接する棒状電極を追加して設け、この追加して設けた棒状電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたものである。上記構造によって前記電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極及びこれと平行に隣接する棒状電極は、平行線路と類似の動作を行うようになり、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極を使用した場合に比べ、信号の減衰や波形歪の発生が抑制され、長スパンでの計測や、動作が安定し高精度でのレベル計測が可能となる。
【０００９】本発明の請求項４に係るレベル計測装置は、前記請求項２に係るレベル計測装置において、前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極の外側に同心円筒状の電極を追加して設け、この追加して設けた同心円筒状の電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたものである。上記構造によって前記電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極及びこれの外側の同心円筒状の電極は、同軸ケーブルと類似の動作を行うようになり、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極や２本の並行電極の場合に比べ、信号の減衰や波形歪みの発生がさらに抑制され、動作がより安定化した高精度のレベル計測が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施形態１．図１は本発明の実施形態１に係る導電体長計測装置の構成を示す図である。図１において、１，２はそれぞれ第１，第２クロック信号発生器、３，４はそれぞれ第１，第２擬似ランダム信号発生器、５，６はそれぞれ第１，第２の乗算器、７は方向性結合器、８，９はそれぞれ第１，第２ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１０は計測演算部、１１は前記１〜１０の各機器により構成された導電体長計測装置、１２は方向性結合器７と電極１３間を接続する同軸ケーブル、１３は長さの被測定対象である棒状電極である。この例においては、電極１３として直径５ｍｍ、長さ約１ｍの金属棒（鉄棒）を使用した。また第１，第２クロック信号発生器１，２はそれぞれ周波数１５００．００５ＭＨｚと１５００．０００ＭＨｚのクロック信号を発生し、第１，第２擬似ランダム信号発生器３，４はそれぞれ符号長１２７のＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2 を発生するようにした。なお、Ｍ系列信号以外の例えばバーカ符号（Ｂａｋｅｒ Ｃｏｄｅ）等の擬似ランダム信号を発生するようにしてもよい。
【００１１】図２は図１の動作を説明するための波形図であり、図２を参照して図１の動作を説明する。第１クロック信号発生器１から出力される周波数ｆ1 ＝１５００．００５ＭＨｚのクロック信号は第１擬似ランダム信号発生器３に供給され、第１擬似ランダム信号発生器３は、このクロック周波数ｆ1 に同期したＭ系列信号Ｍ1 を発生して出力する。同様に第２クロック信号発生器２から出力される周波数ｆ2 ＝１５００．０００ＭＨｚのクロック信号は第２擬似ランダム信号発生器４に供給され、第２擬似ランダム信号発生器４はこのクロック周波数ｆ2 に同期したＭ系列信号Ｍ2 を発生して出力する。
【００１２】ここで２つのクロック周波数の差（Δｆ＝ｆ1 −ｆ2 ）はきわめてわずかであるため、前記第１，第２擬似ランダム信号発生器３，４からそれぞれ出力されるＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2 は、発生する周期はわずかに異なるが、１周期の符号長を１２７とする同一符号（同一パターン）の信号である。またこのＭ系列信号Ｍ1，Ｍ2 は、それぞれＭ系列符号の符号が“１”のときは正電圧（＋Ｅ）、“０”のときは負電圧（−Ｅ）の電圧信号として出力される。従って第１，第２擬似ランダム信号発生器３，４は、振幅が前記正・負の電圧で、１周期の符号長１２７毎に繰り返される周期性循環信号として出力する。そしてこの例におけるクロック周波数約１．５ＧＨｚのＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2は、一般にＬバンドと呼ばれるマイクロ波であるため、これらの信号の伝送や処理には、マイクロ波の伝送路や処理器が使用される。
【００１３】第１擬似ランダム信号発生器３の出力するＭ系列信号Ｍ1 は、乗算器５と方向性結合器７に供給され、第２擬似ランダム信号発生器４の出力するＭ系列信号Ｍ2 は乗算器５と乗算器６とに供給される。乗算器５は入力される２つのＭ系列信号Ｍ1 とＭ2 の乗算を行い、その乗算結果を第１ローパスフィルタ８へ供給する。なお、乗算器５，６へ入力されるＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2 は約１．５ＧＨｚのマイクロ波であるため、乗算器５，６にはマイクロ波用の周波数混合器を使用することができる。ここで２つのＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2 は同一符号による正・負の信号で循環周期がわずかに異っているので、２つの信号の信号パターンの位相は、時間の経過により、ゆっくりと変化し、２つの信号が同一符号（即ち２つの信号が共に正電圧又は共に負電圧）のときには、その乗算結果は正電圧となり、異符号（即ち２つの信号の一方が正電圧で他方が負電圧）のときには、その乗算結果は負電圧となり、２つの信号パターンがほぼ一致した場合には正電圧が連続する（図２の（ａ）を参照）。
【００１４】第１，第２ローパスフィルタ８，９は、それぞれ入力信号中の高周波成分を除去し、低周波成分のみを通過させるので、結果としてこのローパスフィルタ８，９は、入力信号を積分処理する機能を有することになり、出力信号は入力信号を積分した滑らかな信号（直流信号に近い信号）になる。いま図２の（ａ）に示されるような乗算器５の出力信号が入力されると、第１ローパスフィルタ８は、図２の（ｂ）に示されるような三角波に近い波形を出力して計測演算部１０へ供給する。計測演算部１０は、第１ローパスフィルタ８から供給される三角波に近い波形のピーク値（最大振幅値）を検出し、この検出時刻ｔa （図２の（ｄ）に示された時刻ｔa を参照）を記憶する。例えば三角波形の振幅値を単位時間毎にサンプリングし、このサンプリングされた前回のサンプル値と今回のサンプル値とを比較し、振幅値が増加から減少へ移行したことを検出した時刻に図２の（ｄ）のように１つのパルスを発生し、このパルスの発生時刻を記憶するようにしてもよい。そしてこのＭ系列信号Ｍ1 の伝送による時間遅れのない場合の相関信号ピーク値検出時刻ｔa を時間計測の基準時刻とする。
【００１５】方向性接合器７は、レーダ等で使用されているＬバンド用の市販品を使用することができる。第１擬似ランダム信号発生器３から直接又は図示されない電力増幅器を介して出力されたＭ系列信号Ｍ1 は、同軸ケーブル等のマイクロ波伝送路を用いて方向性結合器７の左側へ入力される。この入力信号は、方向性結合器７の右側から電磁波として同軸ケーブル１２側へのみ出力され、乗算器６（下側）へは出力されない。また同軸ケーブル１２側から入力される反射信号は、乗算器６側へのみ出力され、第１擬似ランダム信号発生器３側へは出力されないように方向性結合器７は動作する。このようにして第１擬似ランダム信号発生器３から出力され方向性結合器７を通過した電磁波としてのＭ系列信号Ｍ1 は、同軸ケーブル１２を通って電極１３の一端に供給される。ここで電極１３の長さをＬx とし、このＬx を計測するものとする。
【００１６】ここでＭ系列信号Ｍ1 は前記周波数約１．５ＧＨｚのマイクロ波であり、同軸ケーブル１２はマイクロ波の伝送路として公知のものである。そしてこの同軸ケーブル１２の長さＬ0 は、予め較正され、この較正値Ｌ0 は測定前に計測演算部１０に入力され、記憶されている。電極１３は、この例では前記のように直径５ｍｍ、長さ約１ｍの鉄棒であり、その一端が、同軸ケーブル１２の一端の芯線と結合され、その他端は開放（ｏｐｅｎ）され、電極１３のほかに他の電気的導体は特に設けられていない。
【００１７】このような構造においては、電極１３はロッドアンテナに近い構造となるが、アンテナ輻射器として輻射効率は悪いため、電極１３から大気中に輻射されるマイクロ波のエネルギーは少なく、信号は電磁波として電極１３に沿って伝播する。結果的に電極１３は、近隣の電気的導体又は大地（同軸ケーブルの外側の被覆導体と同一機能の導体）とで構成される信号伝播路として動作する。従って電極１３に沿って伝播した電磁波は、その他端が開放されていることによる伝播インピーダンスの変化に基づき反射される。上記説明のように電極１３と平行に隣接する第２の電気的導体を設けるか、または電極１３を大地と近接させ平行に保持するようにすれば、計測動作がより安定化される。
【００１８】このようにして電極１３の先端から反射されたＭ系列信号Ｍ1 は、再び同軸ケーブル１２を通って方向性結合器７に入力され、この方向性結合器７によって反射信号のみが取り出されて乗算器６に入力される。ここで電極１３の先端から反射されて乗算器６へ入力されるＭ系列信号Ｍ1 は、乗算器５へ第１擬似ランダム信号発生器３から直接入力されるＭ系列信号Ｍ1との時間比較において、同軸ケーブル１２と電極１３の合計長さ（Ｌ0 ＋Ｌx ）をマイクロ波が伝播して往復するのに要する時間だけ遅延した信号となる。
【００１９】この電極１３から反射され遅延したＭ系列信号Ｍ1 と第２擬似ランダム信号発生器４から直接入力されるＭ系列信号Ｍ2 とが乗算器６によって乗算され、その乗算結果が第２ローパスフィルタ９へ入力される。第２ローパスフィルタ９は、第１ローパスフィルタ８と同様に動作し、図２の（ｃ）に示されるような三角波に近い波形を出力して計測演算部１０へ供給する。計測演算部１０は、第１ローパスフィルタ８からの入力信号の場合と同様に、第２ローパスフィルタ９から入力される三角波に近い波形のピーク値（最大振幅値）を検出し、この検出時刻に例えば図２の（ｅ）に示すように１つのパルスを発生し、このパルスの発生時刻ｔb を記憶する。そしてこのＭ系列信号Ｍ1 の伝送距離に応じて遅延した相関信号ピーク値検出時刻ｔb を信号検知時刻とし、前記基準時刻ｔa から信号検知時刻ｔb までの時間ＴD を計測する（図２の（ｅ）に示されたＴD を参照）。
【００２０】次に前記計測時間ＴD から長さ又は距離を算出する方法を説明する。第１の擬似ランダム信号の繰り返し周波数をｆ1 、第２の擬似ランダム信号の繰り返し周波数をｆ2 とし、各々の擬似ランダム信号のパターンは同一とする。ここでｆ1 ＞ｆ2 とする。送信される第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号との相関（前記乗算及び積分処理により相関信号が得られる）をとって得られる基準信号が最大値となる周期をＴB （図２の（ｄ）に示されたＴB を参照）とすると、このＴB間に含まれる第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号の波数の差がちょうど１周期の波数Ｎ（符号長と同じ）になる。
即ち ＴB ・ｆ1 ＝ＴB ・ｆ2 ＋Ｎ上記を整理するとＴB は次の（１）式で与えられる。
ＴB ＝Ｎ／（ｆ1 −ｆ2 ） …（１）
即ち２つのクロック周波数の差が小さいほど、基準信号が最大値となる周期ＴB は大きくなる。
【００２１】次に、第１の擬似ランダム信号が長さｘ（この例ではｘ＝Ｌ0 ＋Ｌx ）の伝播経路を伝播し、この伝播経路の先端から反射されて戻ってきた信号と第２の擬似ランダム信号との相関をとって得られる検出信号が最大値となる時刻ｔb と上記基準信号が最大値となる時刻ｔa との間の時間をＴD とすると、ＴD 間に発生する第２の擬似ランダム信号の波数は、ＴD 間に発生する第１の擬似ランダム信号の波数より、上記第１の擬似ランダム信号の伝播及び反射に要した実時間τに発生する第１の擬似ランダム信号の波数だけ少ないので、次式が成立する。
ＴD ・ｆ2 ＝ＴD ・ｆ1 −τ・ｆ1上式を整理するとＴD は次の（２）式で与えられる。
ＴD ＝τ・ｆ1 ／（ｆ1 −ｆ2 ） …（２）
ここでマイクロ波の伝播時間τは、その伝播速度をｖ、その伝播距離をｘとすると、τ＝２・ｘ／ｖ であるから、（２）式により次の（３）式を得る。
【００２２】
【数１】
【００２３】従って前記２つのクロック周波数ｆ1 ，ｆ2 、マイクロ波の伝播速度ｖ、較正された同軸ケーブルの長さＬ0 の値を予め計測演算部１０に入力しておくことにより、計測演算部１０は、前記時間ＴD を計測し、前記（３）式から伝播距離ｘを算出する。そして図１の例においては、ｘ＝（Ｌ0 ＋Ｌx ）であるので、ｘから同軸ケーブル１２の長さＬ0 を減算することにより、電極１３の長さＬx を求めることができる。
【００２４】この例においては、第１の擬似ランダム信号の周波数ｆ1 ＝１５００．００５ＭＨｚ、第２の擬似ランダム信号の周波数ｆ2 ＝１５００．０００ＭＨｚ、１周期の波数Ｎ＝１２７としたので、これらの値を（１）式に代入すると時間基準信号（及び検知信号）の繰り返し周期ＴB ＝２５．４ｍsec となる。また計測時間ＴD は（２）式によって実際の信号の伝播時間τのｆ1 ／（ｆ1−ｆ2 ）倍になっているので、この例における上記数値を代入すると、計測時間ＴD は実時間τの３００，０００倍に拡大される結果、高精度の計測が可能となる。
【００２５】計測演算部１０は、この例では、図２の（ｂ），（ｃ）に示されるような第１，第２ローパスフィルタ８，９の各出力信号について、それぞれサンプリング周期１０μsec でＡ／Ｄ変換した振幅データを逐次読取り、各信号が最大振幅値となる時刻ｔa ，ｔb を検出し、この両時刻ｔa ，ｔb 間の時間ＴD を計測し、長さ算出を行った。この場合のサンプリング周期１０μsec は、前記時間拡大率から、実時間では、１０μsec ／３００，０００＝３．３３ｐsec に相当し、距離に換算すると０．５ｍｍでの信号サンプリングを行ったことになり、高精度で電極１３の長さを計測することができる。さらに本計測演算部１０は、複数の測定データの平均化処理を行うことにより精度１ｍｍでの電極長さの計測が可能となった。
【００２６】なお被測定物からの反射信号にノイズが含まれることが有るが、このノイズ成分は擬似ランダム信号との相関がないことから、乗算器６と第２ローパスフィルタによる相関処理の結果得られる信号出力ではノイズは抑制され、ＳＮ比の改善された高感度での信号検知が可能となる。またこの例において、計測対象として金属棒を使用したが、擬似ランダム信号が伝播する各種導電性材料も計測対象として使用可能である。例えばカーボン電極、鋼材、カーボンブロック等を計測対象としてその長さを求めることができる。
【００２７】実施形態２．図３は本発明の実施形態２に係り、図１の装置を用いたレベル計測装置を示す図であり、図の（ａ）は測定対象を側面からみた図で、（ｂ）は同一測定対象を真上からみた図である。図３において、２０は同軸ケーブル、２１は電極、２２は導電体長計測装置、２３はレベル計測用信号処理装置、２４は電極保持装置、２５はモールド、２６はタンディッシュ、２７はノズル、２８は溶鋼、２９はダミーバーである。またこの例において、電極２１は直径３ｍｍの金属棒（鉄棒）とし、導電体長計測装置２２は、図１に示したものと同一装置を使用した。図３の例においては、金属棒である電極２１を溶融金属モールド２５内に垂直に挿入し、その先端部をモールド２５内の溶鋼２８に浸漬させて、モールド２５内の溶鋼レベルの計測を行うものである。
【００２８】図３の動作を説明する。導電体長計測装置２２から送出される前記Ｍ系列信号Ｍ1 による電磁波は同軸ケーブル２０を介して電極２１の一端に入力され、電極２１に沿って長さ方向に伝播して行く。この場合、図１の説明のように、電極２１と近隣の電気的導体（この場合ノズル２２、モールド２５又は溶鋼２８）とで構成される信号伝播路により伝播する。そして電極２１と溶鋼２８との接触位置における伝播インピーダンスの変化（伝播面が棒から平面へ移行すること及び接触部での電気的導通が不良の場合には電気抵抗をもつこと等に起因する伝播インピーダンス変化）によって反射が生じ、この接触位置から反射されたＭ系列信号Ｍ1 の電磁波は再び同軸ケーブル２０を通って半導体長計測装置２２に戻る。導電体長計測装置２２は、図１で説明したように時間ＴD の計測に基づき電極２１の長さを算出する。信号処理装置２３は、予め較正された電極２１の長さと溶鋼レベルとの対応データを記憶しており、導電体長計測装置２２から供給される電極２１の長さデータと前記対応データに基づき、モールド内溶鋼レベルを求める。
【００２９】この例では、電極２１として金属棒を使用したので溶鋼中に浸漬させた場合電極２１は溶融してゆく。しかし電極２１としてタングステン等の高融点導電性材料を使用することによって長時間の連続レベル計測が可能となる。また金属棒の電極２１であっても、鋳造開始時のモールド内溶鋼レベルの上昇を計測することはできる。さらにモールド内の溶鋼レベルが変動する場合の計測においても、長尺の電極棒を使用し、電極棒を連続的にモールド内に挿入する電極棒の自動供給手段を設けることにより、電極と溶鋼との接触を常に維持するようにして連続計測を行うことができる。図３では、連続鋳造設備のモールド内溶鋼レベルを計測する場合の例を示したが、その他の溶融金属レベルの計測にもこのレベル計測装置を適用することができる。
【００３０】実施形態３．図４は本発明の実施形態３に係り、図３の装置に２本の電極を用いたレベル計測例を示す図である。図４の（ａ）では、２本の電極、即ち第１電極２１Ａと第２電極２１Ｂとを平行に隣接させて保持させている。そして第１電極２１Ａは信号電極として同軸ケーブル２０の芯線に接続し、電磁波によるＭ系列信号Ｍ1 の伝播及び反射を行わせ、第２電極２１Ｂは接地電極として接地して使用している。従ってマイクロ波の伝播及び反射の状態は、単一の電極を使用した場合に比べて安定し、信号の減衰や波形歪の発生が抑制されるので、長スパンでの計測や、動作が安定で高精度でのレベル計測が可能となる。なおその他の計測動作は図３の場合と同一であるので、その説明は省略する。
【００３１】図４の（ｂ）は、２本の電極の構造とその接続を示すものであり、第１電極２１Ａの外側に同心円筒状の第２電極２１Ｂを設け、第１電極２１Ａを同軸ケーブル２０の芯線に接続すると共に、第２電極２１Ｂを同軸ケーブル２０の外側被覆導体と接続し、第２電極２１Ｂを接地している。このような構造によって、２つの電極２１Ａ，２１Ｂは、同軸ケーブル２０をそのまま延長して溶鋼２８中に挿入したのと類似の構造となり、同軸ケーブルと類似の信号伝播動作を行うので、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極や２本の並行電極の場合に比べ、信号の減衰や波形歪みの発生がさらに抑制され、動作がより安定化した高精度のレベル計測が可能となる。また２つの電極２１Ａ，２１Ｂは、見かけ上は一本の電極のような構造であるので、モールド２５内に挿入する場合のスペースが少くてすみ、計測に便利な構造であるという特徴をも有する。
【００３２】
【発明の効果】以上のように本請求項１に係る発明においては、第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として被測定導電体の一端より入力し、この入力した信号を前記導電体の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記導電体の長さ方向に沿って伝播し、その他端から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記導電体の信号入力端から信号反射端までの長さを計測する手段とを備えて導電体の長さを計測するようにしたので、前記第１，第２のクロック周波数をそれぞれｆ1 ，ｆ2 とし、ｆ1 とｆ2 の差をΔｆとすると、前記計測する時間は実際に電磁波の伝播と反射に要する時間をｆ1 ／Δｆ倍に拡大したものとなるため、きわめて高精度の長さ計測が可能となる。また、同軸ケーブルではない、単体の導電体に信号を入力した事による信号の減衰や波形歪みに対しても、擬似ランダム信号の利用により高感度に信号を検出し、単体の導電体の長さを計測することが出来る。
【００３３】また本請求項２に係る発明においては、第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として一端が溶融金属中に挿入、浸漬された棒状電極の他端より入力し、この入力した信号を前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播し、その先端又は電極と溶融金属の接触部から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さを計測する手段と、前記計測された棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さに基づき前記溶融金属のレベルを計測する手段とを備えて溶融金属のレベルを計測するようにしたので、前記第１，第２のクロック周波数をそれぞれｆ1 ，ｆ2 とし、ｆ1 とｆ2 との差をΔｆとすると、前記計測する時間は実際に電磁波の伝播と反射に要する時間をｆ1 ／Δｆ倍に拡大したものとなるため、きわめて高精度のレベル計測が可能となる。また、溶融金属中に１本の棒状電極を挿入、浸漬させることによりレベル計測が可能であり、設置スペースを小さくすることが出来る。
【００３４】また本請求項３に係る発明においては、前記請求項２に係る発明において、前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極と平行に隣接する棒状電極を追加して設け、この追加して設けた棒状電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたので、前記電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極及びこれと平行に隣接する棒状電極は平行線路と類似の動作を行うようになり、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極を使用した場合に比べ、信号の減衰や波形歪の発生が抑制され、長スパンでの計測や、動作が安定した高精度のレベル計測が可能となる。
【００３５】また本請求項４に係る発明においては、前記請求項２に係る発明において、前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極の外側に同心円筒状の電極を追加して設け、この追加して設けた同心円筒状の電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたので、前記電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極及びこれの外側の同心円筒状の電極は同軸ケーブルと類似の動作を行うようになり、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極や２本の並行電極の場合に比べ、信号の減衰や波形歪の発生がさらに抑制され、動作がより安定化した高精度のレベル計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る導電体長計測装置の構成を示す図である。
【図２】図１の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の実施形態２に係り、図１の装置を用いたレベル計測装置を示す図である。
【図４】本発明の実施形態３に係り、図３の装置に２本の電極を用いた計測例を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１クロック信号発生器
２ 第２クロック信号発生器
３ 第１擬似ランダム信号発生器
４ 第２擬似ランダム信号発生器
５，６ 乗算器
７ 方向性結合器
８ 第１ローパスフィルタ
９ 第２ローパスフィルタ
１０ 計測演算部
１１ 導電体長計測装置
１２ 同軸ケーブル
１３ 電極
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば金属棒電極やカーボン電極等の導電体の長さを計測する装置及びその計測技術を利用して溶融金属のレベルを計測する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、導電体の長さを計測する技術としては、例えば通信線路の長さを計測するＴＤＲ（タイム・ドメイン・リフレクトメトリー）がある。ＴＤＲとは一般に通信線路の故障位置を検出する目的で使用される技術であり、同軸ケーブル等の通信線路の一端から高周波のパルス信号を入力し、このパルス信号が通信線路を伝播して進行し、線路の断線又は短絡等による伝播インピーダンスの変化箇所から反射されて信号入力端に戻るのを検出する。このパルス信号の入力時刻から反射波が検出されるまでの時間（実時間）と、信号の伝播速度から上記伝播インピーダンスの変化箇所までの距離を計測するものである。
【０００３】また電気電導性を有する溶融金属のレベルを計測する技術の一例として、溶融金属中に２本の電極を挿入し、一方の電極からパルス信号を入力し、この入力信号が一方の電極を伝播し、この電極と溶融金属との接触部から溶融金属中を伝播し、溶融金属と他方の電極との接触部から他方の電極を伝播した信号を出力として検出すると、このパルス信号の入力時刻から出力信号の検出時刻までの時間を計測し、この計測時間に対応する溶融金属のレベルを算出するものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のＴＤＲ方式により同軸ケーブル等の長さを測定する方法では、信号の入力時刻から反射信号の検出時刻までの実時間を測定するものであるため、長さの計測精度（分解能）は数十〜数百ｍｍと悪い。また信号の伝播速度が速いため短距離の計測は困難であり、長さの短い電極の長さを正確に計測できないという問題があった。また計測精度を向上させるために被測定体に伝播させる信号の周波数を高くすると、同軸ケーブルではない非平衡導線などの導電体に信号を入力した場合に、導電体に沿って伝播する信号の減衰や波形歪みが非常に大きいため、反射信号の検出に基づく計測が困難になるという問題がある。
【０００５】また２本の電極を溶融金属中に挿入して溶融金属のレベルを計測する方法では、２つの電極と溶融金属との接触部分の電気的導通を常に良好な状態に保持する必要があり、溶融金属表面の変動やスラッグ等により接触部分の電気的導通が不良になると計測できないという問題があった。またレベル計測に２本の電極を必要とするため、その電極設置スペースが十分に取れない場合がある等の設置上の制約もあった。本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、金属棒電極やカーボン電極等の導電体の長さの精度の良い計測装置及びこの技術を利用した溶融金属のレベル計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る導電体長計測装置は、第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として被測定導電体の一端より入力し、この入力した信号を前記導電体の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記導電体の長さ方向に沿って伝播し、その他端から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記導電体の信号入力端から信号反射端までの長さを計測する手段とを備えたものである。その結果、前記第１，第２のクロック周波数をそれぞれｆ1 ，ｆ2 とし、ｆ1とｆ2 の差をΔｆとすると、前記計測する時間は実際に電磁波の伝播と反射に要する時間をｆ1 ／Δｆ倍に拡大したものとなるため、きわめて高精度の長さ計測が可能となる。
【０００７】本発明の請求項２に係るレベル計測装置は、第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として一端が溶融金属中に挿入、浸漬された棒状電極の他端より入力し、この入力した信号を前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播し、その先端又は電極と溶融金属の接触部から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さを計測する手段と、前記計測された棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さに基づき前記溶融金属のレベルを計測する手段とを備えたものである。その結果、前記第１，第２のクロック周波数をそれぞれｆ1 ，ｆ2 とし、ｆ1とｆ2 との差をΔｆとすると、前記計測する時間は実際に電磁波の伝播と反射に要する時間をｆ1 ／Δｆ倍に拡大したものとなるため、きわめて高精度のレベル計測が可能となる。
【０００８】本発明の請求項３に係るレベル計測装置は、前記請求項２に係るレベル計測装置において、前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極と平行に隣接する棒状電極を追加して設け、この追加して設けた棒状電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたものである。上記構造によって前記電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極及びこれと平行に隣接する棒状電極は、平行線路と類似の動作を行うようになり、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極を使用した場合に比べ、信号の減衰や波形歪の発生が抑制され、長スパンでの計測や、動作が安定し高精度でのレベル計測が可能となる。
【０００９】本発明の請求項４に係るレベル計測装置は、前記請求項２に係るレベル計測装置において、前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極の外側に同心円筒状の電極を追加して設け、この追加して設けた同心円筒状の電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたものである。上記構造によって前記電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極及びこれの外側の同心円筒状の電極は、同軸ケーブルと類似の動作を行うようになり、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極や２本の並行電極の場合に比べ、信号の減衰や波形歪みの発生がさらに抑制され、動作がより安定化した高精度のレベル計測が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施形態１．図１は本発明の実施形態１に係る導電体長計測装置の構成を示す図である。図１において、１，２はそれぞれ第１，第２クロック信号発生器、３，４はそれぞれ第１，第２擬似ランダム信号発生器、５，６はそれぞれ第１，第２の乗算器、７は方向性結合器、８，９はそれぞれ第１，第２ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１０は計測演算部、１１は前記１〜１０の各機器により構成された導電体長計測装置、１２は方向性結合器７と電極１３間を接続する同軸ケーブル、１３は長さの被測定対象である棒状電極である。この例においては、電極１３として直径５ｍｍ、長さ約１ｍの金属棒（鉄棒）を使用した。また第１，第２クロック信号発生器１，２はそれぞれ周波数１５００．００５ＭＨｚと１５００．０００ＭＨｚのクロック信号を発生し、第１，第２擬似ランダム信号発生器３，４はそれぞれ符号長１２７のＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2 を発生するようにした。なお、Ｍ系列信号以外の例えばバーカ符号（Ｂａｋｅｒ Ｃｏｄｅ）等の擬似ランダム信号を発生するようにしてもよい。
【００１１】図２は図１の動作を説明するための波形図であり、図２を参照して図１の動作を説明する。第１クロック信号発生器１から出力される周波数ｆ1 ＝１５００．００５ＭＨｚのクロック信号は第１擬似ランダム信号発生器３に供給され、第１擬似ランダム信号発生器３は、このクロック周波数ｆ1 に同期したＭ系列信号Ｍ1 を発生して出力する。同様に第２クロック信号発生器２から出力される周波数ｆ2 ＝１５００．０００ＭＨｚのクロック信号は第２擬似ランダム信号発生器４に供給され、第２擬似ランダム信号発生器４はこのクロック周波数ｆ2 に同期したＭ系列信号Ｍ2 を発生して出力する。
【００１２】ここで２つのクロック周波数の差（Δｆ＝ｆ1 −ｆ2 ）はきわめてわずかであるため、前記第１，第２擬似ランダム信号発生器３，４からそれぞれ出力されるＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2 は、発生する周期はわずかに異なるが、１周期の符号長を１２７とする同一符号（同一パターン）の信号である。またこのＭ系列信号Ｍ1，Ｍ2 は、それぞれＭ系列符号の符号が“１”のときは正電圧（＋Ｅ）、“０”のときは負電圧（−Ｅ）の電圧信号として出力される。従って第１，第２擬似ランダム信号発生器３，４は、振幅が前記正・負の電圧で、１周期の符号長１２７毎に繰り返される周期性循環信号として出力する。そしてこの例におけるクロック周波数約１．５ＧＨｚのＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2は、一般にＬバンドと呼ばれるマイクロ波であるため、これらの信号の伝送や処理には、マイクロ波の伝送路や処理器が使用される。
【００１３】第１擬似ランダム信号発生器３の出力するＭ系列信号Ｍ1 は、乗算器５と方向性結合器７に供給され、第２擬似ランダム信号発生器４の出力するＭ系列信号Ｍ2 は乗算器５と乗算器６とに供給される。乗算器５は入力される２つのＭ系列信号Ｍ1 とＭ2 の乗算を行い、その乗算結果を第１ローパスフィルタ８へ供給する。なお、乗算器５，６へ入力されるＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2 は約１．５ＧＨｚのマイクロ波であるため、乗算器５，６にはマイクロ波用の周波数混合器を使用することができる。ここで２つのＭ系列信号Ｍ1 ，Ｍ2 は同一符号による正・負の信号で循環周期がわずかに異っているので、２つの信号の信号パターンの位相は、時間の経過により、ゆっくりと変化し、２つの信号が同一符号（即ち２つの信号が共に正電圧又は共に負電圧）のときには、その乗算結果は正電圧となり、異符号（即ち２つの信号の一方が正電圧で他方が負電圧）のときには、その乗算結果は負電圧となり、２つの信号パターンがほぼ一致した場合には正電圧が連続する（図２の（ａ）を参照）。
【００１４】第１，第２ローパスフィルタ８，９は、それぞれ入力信号中の高周波成分を除去し、低周波成分のみを通過させるので、結果としてこのローパスフィルタ８，９は、入力信号を積分処理する機能を有することになり、出力信号は入力信号を積分した滑らかな信号（直流信号に近い信号）になる。いま図２の（ａ）に示されるような乗算器５の出力信号が入力されると、第１ローパスフィルタ８は、図２の（ｂ）に示されるような三角波に近い波形を出力して計測演算部１０へ供給する。計測演算部１０は、第１ローパスフィルタ８から供給される三角波に近い波形のピーク値（最大振幅値）を検出し、この検出時刻ｔa （図２の（ｄ）に示された時刻ｔa を参照）を記憶する。例えば三角波形の振幅値を単位時間毎にサンプリングし、このサンプリングされた前回のサンプル値と今回のサンプル値とを比較し、振幅値が増加から減少へ移行したことを検出した時刻に図２の（ｄ）のように１つのパルスを発生し、このパルスの発生時刻を記憶するようにしてもよい。そしてこのＭ系列信号Ｍ1 の伝送による時間遅れのない場合の相関信号ピーク値検出時刻ｔa を時間計測の基準時刻とする。
【００１５】方向性接合器７は、レーダ等で使用されているＬバンド用の市販品を使用することができる。第１擬似ランダム信号発生器３から直接又は図示されない電力増幅器を介して出力されたＭ系列信号Ｍ1 は、同軸ケーブル等のマイクロ波伝送路を用いて方向性結合器７の左側へ入力される。この入力信号は、方向性結合器７の右側から電磁波として同軸ケーブル１２側へのみ出力され、乗算器６（下側）へは出力されない。また同軸ケーブル１２側から入力される反射信号は、乗算器６側へのみ出力され、第１擬似ランダム信号発生器３側へは出力されないように方向性結合器７は動作する。このようにして第１擬似ランダム信号発生器３から出力され方向性結合器７を通過した電磁波としてのＭ系列信号Ｍ1 は、同軸ケーブル１２を通って電極１３の一端に供給される。ここで電極１３の長さをＬx とし、このＬx を計測するものとする。
【００１６】ここでＭ系列信号Ｍ1 は前記周波数約１．５ＧＨｚのマイクロ波であり、同軸ケーブル１２はマイクロ波の伝送路として公知のものである。そしてこの同軸ケーブル１２の長さＬ0 は、予め較正され、この較正値Ｌ0 は測定前に計測演算部１０に入力され、記憶されている。電極１３は、この例では前記のように直径５ｍｍ、長さ約１ｍの鉄棒であり、その一端が、同軸ケーブル１２の一端の芯線と結合され、その他端は開放（ｏｐｅｎ）され、電極１３のほかに他の電気的導体は特に設けられていない。
【００１７】このような構造においては、電極１３はロッドアンテナに近い構造となるが、アンテナ輻射器として輻射効率は悪いため、電極１３から大気中に輻射されるマイクロ波のエネルギーは少なく、信号は電磁波として電極１３に沿って伝播する。結果的に電極１３は、近隣の電気的導体又は大地（同軸ケーブルの外側の被覆導体と同一機能の導体）とで構成される信号伝播路として動作する。従って電極１３に沿って伝播した電磁波は、その他端が開放されていることによる伝播インピーダンスの変化に基づき反射される。上記説明のように電極１３と平行に隣接する第２の電気的導体を設けるか、または電極１３を大地と近接させ平行に保持するようにすれば、計測動作がより安定化される。
【００１８】このようにして電極１３の先端から反射されたＭ系列信号Ｍ1 は、再び同軸ケーブル１２を通って方向性結合器７に入力され、この方向性結合器７によって反射信号のみが取り出されて乗算器６に入力される。ここで電極１３の先端から反射されて乗算器６へ入力されるＭ系列信号Ｍ1 は、乗算器５へ第１擬似ランダム信号発生器３から直接入力されるＭ系列信号Ｍ1との時間比較において、同軸ケーブル１２と電極１３の合計長さ（Ｌ0 ＋Ｌx ）をマイクロ波が伝播して往復するのに要する時間だけ遅延した信号となる。
【００１９】この電極１３から反射され遅延したＭ系列信号Ｍ1 と第２擬似ランダム信号発生器４から直接入力されるＭ系列信号Ｍ2 とが乗算器６によって乗算され、その乗算結果が第２ローパスフィルタ９へ入力される。第２ローパスフィルタ９は、第１ローパスフィルタ８と同様に動作し、図２の（ｃ）に示されるような三角波に近い波形を出力して計測演算部１０へ供給する。計測演算部１０は、第１ローパスフィルタ８からの入力信号の場合と同様に、第２ローパスフィルタ９から入力される三角波に近い波形のピーク値（最大振幅値）を検出し、この検出時刻に例えば図２の（ｅ）に示すように１つのパルスを発生し、このパルスの発生時刻ｔb を記憶する。そしてこのＭ系列信号Ｍ1 の伝送距離に応じて遅延した相関信号ピーク値検出時刻ｔb を信号検知時刻とし、前記基準時刻ｔa から信号検知時刻ｔb までの時間ＴD を計測する（図２の（ｅ）に示されたＴD を参照）。
【００２０】次に前記計測時間ＴD から長さ又は距離を算出する方法を説明する。第１の擬似ランダム信号の繰り返し周波数をｆ1 、第２の擬似ランダム信号の繰り返し周波数をｆ2 とし、各々の擬似ランダム信号のパターンは同一とする。ここでｆ1 ＞ｆ2 とする。送信される第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号との相関（前記乗算及び積分処理により相関信号が得られる）をとって得られる基準信号が最大値となる周期をＴB （図２の（ｄ）に示されたＴB を参照）とすると、このＴB間に含まれる第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号の波数の差がちょうど１周期の波数Ｎ（符号長と同じ）になる。
即ち ＴB ・ｆ1 ＝ＴB ・ｆ2 ＋Ｎ上記を整理するとＴB は次の（１）式で与えられる。
ＴB ＝Ｎ／（ｆ1 −ｆ2 ） …（１）
即ち２つのクロック周波数の差が小さいほど、基準信号が最大値となる周期ＴB は大きくなる。
【００２１】次に、第１の擬似ランダム信号が長さｘ（この例ではｘ＝Ｌ0 ＋Ｌx ）の伝播経路を伝播し、この伝播経路の先端から反射されて戻ってきた信号と第２の擬似ランダム信号との相関をとって得られる検出信号が最大値となる時刻ｔb と上記基準信号が最大値となる時刻ｔa との間の時間をＴD とすると、ＴD 間に発生する第２の擬似ランダム信号の波数は、ＴD 間に発生する第１の擬似ランダム信号の波数より、上記第１の擬似ランダム信号の伝播及び反射に要した実時間τに発生する第１の擬似ランダム信号の波数だけ少ないので、次式が成立する。
ＴD ・ｆ2 ＝ＴD ・ｆ1 −τ・ｆ1上式を整理するとＴD は次の（２）式で与えられる。
ＴD ＝τ・ｆ1 ／（ｆ1 −ｆ2 ） …（２）
ここでマイクロ波の伝播時間τは、その伝播速度をｖ、その伝播距離をｘとすると、τ＝２・ｘ／ｖ であるから、（２）式により次の（３）式を得る。
【００２２】
【数１】
【００２３】従って前記２つのクロック周波数ｆ1 ，ｆ2 、マイクロ波の伝播速度ｖ、較正された同軸ケーブルの長さＬ0 の値を予め計測演算部１０に入力しておくことにより、計測演算部１０は、前記時間ＴD を計測し、前記（３）式から伝播距離ｘを算出する。そして図１の例においては、ｘ＝（Ｌ0 ＋Ｌx ）であるので、ｘから同軸ケーブル１２の長さＬ0 を減算することにより、電極１３の長さＬx を求めることができる。
【００２４】この例においては、第１の擬似ランダム信号の周波数ｆ1 ＝１５００．００５ＭＨｚ、第２の擬似ランダム信号の周波数ｆ2 ＝１５００．０００ＭＨｚ、１周期の波数Ｎ＝１２７としたので、これらの値を（１）式に代入すると時間基準信号（及び検知信号）の繰り返し周期ＴB ＝２５．４ｍsec となる。また計測時間ＴD は（２）式によって実際の信号の伝播時間τのｆ1 ／（ｆ1−ｆ2 ）倍になっているので、この例における上記数値を代入すると、計測時間ＴD は実時間τの３００，０００倍に拡大される結果、高精度の計測が可能となる。
【００２５】計測演算部１０は、この例では、図２の（ｂ），（ｃ）に示されるような第１，第２ローパスフィルタ８，９の各出力信号について、それぞれサンプリング周期１０μsec でＡ／Ｄ変換した振幅データを逐次読取り、各信号が最大振幅値となる時刻ｔa ，ｔb を検出し、この両時刻ｔa ，ｔb 間の時間ＴD を計測し、長さ算出を行った。この場合のサンプリング周期１０μsec は、前記時間拡大率から、実時間では、１０μsec ／３００，０００＝３．３３ｐsec に相当し、距離に換算すると０．５ｍｍでの信号サンプリングを行ったことになり、高精度で電極１３の長さを計測することができる。さらに本計測演算部１０は、複数の測定データの平均化処理を行うことにより精度１ｍｍでの電極長さの計測が可能となった。
【００２６】なお被測定物からの反射信号にノイズが含まれることが有るが、このノイズ成分は擬似ランダム信号との相関がないことから、乗算器６と第２ローパスフィルタによる相関処理の結果得られる信号出力ではノイズは抑制され、ＳＮ比の改善された高感度での信号検知が可能となる。またこの例において、計測対象として金属棒を使用したが、擬似ランダム信号が伝播する各種導電性材料も計測対象として使用可能である。例えばカーボン電極、鋼材、カーボンブロック等を計測対象としてその長さを求めることができる。
【００２７】実施形態２．図３は本発明の実施形態２に係り、図１の装置を用いたレベル計測装置を示す図であり、図の（ａ）は測定対象を側面からみた図で、（ｂ）は同一測定対象を真上からみた図である。図３において、２０は同軸ケーブル、２１は電極、２２は導電体長計測装置、２３はレベル計測用信号処理装置、２４は電極保持装置、２５はモールド、２６はタンディッシュ、２７はノズル、２８は溶鋼、２９はダミーバーである。またこの例において、電極２１は直径３ｍｍの金属棒（鉄棒）とし、導電体長計測装置２２は、図１に示したものと同一装置を使用した。図３の例においては、金属棒である電極２１を溶融金属モールド２５内に垂直に挿入し、その先端部をモールド２５内の溶鋼２８に浸漬させて、モールド２５内の溶鋼レベルの計測を行うものである。
【００２８】図３の動作を説明する。導電体長計測装置２２から送出される前記Ｍ系列信号Ｍ1 による電磁波は同軸ケーブル２０を介して電極２１の一端に入力され、電極２１に沿って長さ方向に伝播して行く。この場合、図１の説明のように、電極２１と近隣の電気的導体（この場合ノズル２２、モールド２５又は溶鋼２８）とで構成される信号伝播路により伝播する。そして電極２１と溶鋼２８との接触位置における伝播インピーダンスの変化（伝播面が棒から平面へ移行すること及び接触部での電気的導通が不良の場合には電気抵抗をもつこと等に起因する伝播インピーダンス変化）によって反射が生じ、この接触位置から反射されたＭ系列信号Ｍ1 の電磁波は再び同軸ケーブル２０を通って半導体長計測装置２２に戻る。導電体長計測装置２２は、図１で説明したように時間ＴD の計測に基づき電極２１の長さを算出する。信号処理装置２３は、予め較正された電極２１の長さと溶鋼レベルとの対応データを記憶しており、導電体長計測装置２２から供給される電極２１の長さデータと前記対応データに基づき、モールド内溶鋼レベルを求める。
【００２９】この例では、電極２１として金属棒を使用したので溶鋼中に浸漬させた場合電極２１は溶融してゆく。しかし電極２１としてタングステン等の高融点導電性材料を使用することによって長時間の連続レベル計測が可能となる。また金属棒の電極２１であっても、鋳造開始時のモールド内溶鋼レベルの上昇を計測することはできる。さらにモールド内の溶鋼レベルが変動する場合の計測においても、長尺の電極棒を使用し、電極棒を連続的にモールド内に挿入する電極棒の自動供給手段を設けることにより、電極と溶鋼との接触を常に維持するようにして連続計測を行うことができる。図３では、連続鋳造設備のモールド内溶鋼レベルを計測する場合の例を示したが、その他の溶融金属レベルの計測にもこのレベル計測装置を適用することができる。
【００３０】実施形態３．図４は本発明の実施形態３に係り、図３の装置に２本の電極を用いたレベル計測例を示す図である。図４の（ａ）では、２本の電極、即ち第１電極２１Ａと第２電極２１Ｂとを平行に隣接させて保持させている。そして第１電極２１Ａは信号電極として同軸ケーブル２０の芯線に接続し、電磁波によるＭ系列信号Ｍ1 の伝播及び反射を行わせ、第２電極２１Ｂは接地電極として接地して使用している。従ってマイクロ波の伝播及び反射の状態は、単一の電極を使用した場合に比べて安定し、信号の減衰や波形歪の発生が抑制されるので、長スパンでの計測や、動作が安定で高精度でのレベル計測が可能となる。なおその他の計測動作は図３の場合と同一であるので、その説明は省略する。
【００３１】図４の（ｂ）は、２本の電極の構造とその接続を示すものであり、第１電極２１Ａの外側に同心円筒状の第２電極２１Ｂを設け、第１電極２１Ａを同軸ケーブル２０の芯線に接続すると共に、第２電極２１Ｂを同軸ケーブル２０の外側被覆導体と接続し、第２電極２１Ｂを接地している。このような構造によって、２つの電極２１Ａ，２１Ｂは、同軸ケーブル２０をそのまま延長して溶鋼２８中に挿入したのと類似の構造となり、同軸ケーブルと類似の信号伝播動作を行うので、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極や２本の並行電極の場合に比べ、信号の減衰や波形歪みの発生がさらに抑制され、動作がより安定化した高精度のレベル計測が可能となる。また２つの電極２１Ａ，２１Ｂは、見かけ上は一本の電極のような構造であるので、モールド２５内に挿入する場合のスペースが少くてすみ、計測に便利な構造であるという特徴をも有する。
【００３２】
【発明の効果】以上のように本請求項１に係る発明においては、第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として被測定導電体の一端より入力し、この入力した信号を前記導電体の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記導電体の長さ方向に沿って伝播し、その他端から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記導電体の信号入力端から信号反射端までの長さを計測する手段とを備えて導電体の長さを計測するようにしたので、前記第１，第２のクロック周波数をそれぞれｆ1 ，ｆ2 とし、ｆ1 とｆ2 の差をΔｆとすると、前記計測する時間は実際に電磁波の伝播と反射に要する時間をｆ1 ／Δｆ倍に拡大したものとなるため、きわめて高精度の長さ計測が可能となる。また、同軸ケーブルではない、単体の導電体に信号を入力した事による信号の減衰や波形歪みに対しても、擬似ランダム信号の利用により高感度に信号を検出し、単体の導電体の長さを計測することが出来る。
【００３３】また本請求項２に係る発明においては、第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として一端が溶融金属中に挿入、浸漬された棒状電極の他端より入力し、この入力した信号を前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播し、その先端又は電極と溶融金属の接触部から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さを計測する手段と、前記計測された棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さに基づき前記溶融金属のレベルを計測する手段とを備えて溶融金属のレベルを計測するようにしたので、前記第１，第２のクロック周波数をそれぞれｆ1 ，ｆ2 とし、ｆ1 とｆ2 との差をΔｆとすると、前記計測する時間は実際に電磁波の伝播と反射に要する時間をｆ1 ／Δｆ倍に拡大したものとなるため、きわめて高精度のレベル計測が可能となる。また、溶融金属中に１本の棒状電極を挿入、浸漬させることによりレベル計測が可能であり、設置スペースを小さくすることが出来る。
【００３４】また本請求項３に係る発明においては、前記請求項２に係る発明において、前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極と平行に隣接する棒状電極を追加して設け、この追加して設けた棒状電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたので、前記電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極及びこれと平行に隣接する棒状電極は平行線路と類似の動作を行うようになり、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極を使用した場合に比べ、信号の減衰や波形歪の発生が抑制され、長スパンでの計測や、動作が安定した高精度のレベル計測が可能となる。
【００３５】また本請求項４に係る発明においては、前記請求項２に係る発明において、前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極の外側に同心円筒状の電極を追加して設け、この追加して設けた同心円筒状の電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたので、前記電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極及びこれの外側の同心円筒状の電極は同軸ケーブルと類似の動作を行うようになり、電磁波（マイクロ波）の伝播及び反射の状態は、単一電極や２本の並行電極の場合に比べ、信号の減衰や波形歪の発生がさらに抑制され、動作がより安定化した高精度のレベル計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る導電体長計測装置の構成を示す図である。
【図２】図１の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の実施形態２に係り、図１の装置を用いたレベル計測装置を示す図である。
【図４】本発明の実施形態３に係り、図３の装置に２本の電極を用いた計測例を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１クロック信号発生器
２ 第２クロック信号発生器
３ 第１擬似ランダム信号発生器
４ 第２擬似ランダム信号発生器
５，６ 乗算器
７ 方向性結合器
８ 第１ローパスフィルタ
９ 第２ローパスフィルタ
１０ 計測演算部
１１ 導電体長計測装置
１２ 同軸ケーブル
１３ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】 第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として被測定導電体の一端より入力し、この入力した信号を前記導電体の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記導電体の長さ方向に沿って伝播し、その他端から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記導電体の信号入力端から信号反射端までの長さを計測する手段とを備えたことを特徴とする導電体長計測装置。
【請求項２】 第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として一端が溶融金属中に挿入、浸漬された棒状電極の他端より入力し、この入力した信号を前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播し、その先端又は電極と溶融金属の接触部から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さを計測する手段と、前記計測された棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さに基づき前記溶融金属のレベルを計測する手段とを備えたことを特徴とするレベル計測装置。
【請求項３】 前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極と平行に隣接する棒状電極を追加して設け、この追加して設けた棒状電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたことを特徴とする請求項２記載のレベル計測装置。
【請求項４】 前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極の外側に同心円筒状の電極を追加して設け、この追加して設けた同心円筒状の電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたことを特徴とする請求項２記載のレベル計測装置。
【請求項１】 第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として被測定導電体の一端より入力し、この入力した信号を前記導電体の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記導電体の長さ方向に沿って伝播し、その他端から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記導電体の信号入力端から信号反射端までの長さを計測する手段とを備えたことを特徴とする導電体長計測装置。
【請求項２】 第１のクロック周波数に同期した第１の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記第１のクロック周波数とわずかに異なる第２のクロック周波数に同期し、前記第１の擬似ランダム信号と同一パターンの第２の擬似ランダム信号を発生する手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号と第２の擬似ランダム信号とを乗算する第１の乗算手段と、前記発生された第１の擬似ランダム信号を電磁波として一端が溶融金属中に挿入、浸漬された棒状電極の他端より入力し、この入力した信号を前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播させる手段と、前記棒状電極の長さ方向に沿って伝播し、その先端又は電極と溶融金属の接触部から反射され前記入力端に戻った反射信号を入力信号と分離して検出する手段と、前記検出された反射信号と前記発生された第２の擬似ランダム信号とを乗算する第２の乗算手段と、前記第１の乗算手段及び第２の乗算手段の乗算結果をそれぞれ積分して出力する第１の積分手段及び第２の積分手段と、前記第１の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻と前記第２の積分手段の出力信号の最大振幅値を検出した時刻との間の時間を計測する手段を含み、この計測された時間に基づき前記棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さを計測する手段と、前記計測された棒状電極の信号入力端から信号反射位置までの長さに基づき前記溶融金属のレベルを計測する手段とを備えたことを特徴とするレベル計測装置。
【請求項３】 前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極と平行に隣接する棒状電極を追加して設け、この追加して設けた棒状電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたことを特徴とする請求項２記載のレベル計測装置。
【請求項４】 前記第１の擬似ランダム信号による電磁波の伝播及び反射を行う棒状電極の外側に同心円筒状の電極を追加して設け、この追加して設けた同心円筒状の電極の一端を前記溶融金属中に挿入、浸漬し、その他端を接地するようにしたことを特徴とする請求項２記載のレベル計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開平９−１６６４７７
【公開日】平成９年（１９９７）６月２４日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−３２８８５４
【出願日】平成７年（１９９５）１２月１８日
【出願人】（０００００４１２３）日本鋼管株式会社 (1,044)
【公開日】平成９年（１９９７）６月２４日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）１２月１８日
【出願人】（０００００４１２３）日本鋼管株式会社 (1,044)
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