JP4160409B2 - アンテナ及び物体検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波を送信、受信または送受信を行うためのアンテナ及びそれを用いた物体検出装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、工場生産現場、作業現場等において、加工品等の物体の存在や位置を検出するために、レーザ光や赤外線等を用いた物体検出装置が広く使用されている。しかし、このような光を用いた方式では、例えば高温の溶鉱炉、焼却炉、又は水蒸気ミストやオイルミスト等が存在する使用環境では感度が著しく低下して検出が困難となる。そこで、このような悪環境下での物体検出方法として、従来の光学式検出方法に代えて、検出媒体として、マイクロ波を使用することが行われている。
【０００３】
図５は、マイクロ波による物体検出装置の一つであるレベル計を備える焼却炉を示す概略断面図である。図示される焼却炉５では、投入されたゴミ等の燃焼物３が礫床部１に堆積しており、この燃焼物３の直上に開口部７が設けられ、この開口部７にレベル計９が取り付けられている。レベル計９は、マイクロ波送波器、マイクロ波受波器及び演算部等を備えるコントローラ１５と、このコントローラ１５から導波管１３を介して接続されるアンテナ１１とを備える。
【０００４】
アンテナ１１は、金属板を一端の開口部１７に向かって徐々に拡径するホーン状に加工したものであり、開口部１７の周縁にはフランジ２１が一体に設けられている。そして、アンテナ１１は、開口部１７のフランジ２１を焼却炉５の開口部７のフランジ２３にボルト締めすることにより、焼却炉５の上部に取り付けられる。
【０００５】
このようなレベル計９では、マイクロ波送波器からアンテナ１１を介して燃焼物３の上面に垂直に入射するように送信マイクロ波２５を発射し、燃焼物３で反射された反射マイクロ波２５ａをアンテナ１１を介してマイクロ波受波器によって受信し、その受信信号をコントローラ１５の演算部で演算することにより被検出物体までの距離、即ち燃焼物３の堆積量を検出している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開２００１−１５８８８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、焼却炉５では、燃焼物３の燃焼によって発生した揮発成分に由来する異物や粉塵等が浮遊し、粉塵アンテナ１１の開口部１７から内方に進入して内面に付着し、更にはこれらが堆積してアンテナ１１の導波管１３との接続側の狭窄部１９を閉塞して検出精度が低下したり、場合によっては検出不能の事態に陥ることが多発している。そのため、従来では、定期的にアンテナ１１を清掃することが行われている。
【０００７】
また、このような不具合を解消するために、図５に示すように焼却炉５の上部に設けた開口部７とアンテナ１１の開口部１７との間に、マイクロ波を透過する材料（例えばガラス等）からなり、複数の貫通孔２９が形成された邪魔板２７を介在させ、更に邪魔板２７とアンテナ１１の開口部１７との間の空間に給気管３１から空気や不活性ガスを導入することにより、揮発成分に由来する器物や粉塵がアンテナ１１の内方に侵入するのを防止するとともに、邪魔板２７の炉内側表面への付着物を除去する等の対策も提案されている。
【０００８】
しかし、邪魔板２７の存在により、マイクロ波の送信・受信強度の低下は避けられず、特に燃焼物３の中に低誘電率のものが混入している場合には、マイクロ波２５の吸収が大きく反射マイクロ波２５ａの反射量が大きく低下することから、検出精度が大きく低下してしまう。
【０００９】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、検出精度維持のための清掃が不要で、揮発成分に由来する異物や粉塵等の付着が無く、しかもマイクロ波の送信・受信強度を低下させることのないアンテナ、並びに前記アンテナを具備し、浮遊物が存在する環境であっても高精度で被検出物体を検出できる物体検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、マイクロ波の送信、受信または送受信を行うためのアンテナであって、
マイクロ波の送信、受信または送受信を行うための開口に向かって漸次拡径するホーン状またはパラボラ状を呈するアンテナ本体と、
前記アンテナ本体の前記開口を除いて全面を気密に包囲するエアチャンバとを備え、
前記アンテナ本体は、全面にわたり通気孔が複数形成されており、
前記エアチャンバは前記アンテナ本体とで形成される空間に気体を導入するための給気孔を備えており、
前記エアチャンバに導入した気体を前記アンテナ本体の通気孔を通じて前記開口に向けて吹き出すことを特徴とするアンテナを提供する。
【００１１】
上記本発明のアンテナは、アンテナ本体が通気性であり、この通気孔を通じてアンテナの外面側から内面側に気体が供給されるため、邪魔板を介在させることなく異物のアンテナ内方への侵入及び内面への付着を防止できる。そのため、高感度で被検出物体を検出することができ、また検出精度維持のための清掃も必要無く、メンテナンスコストが不要となる。
【００１２】
また、本発明は、マイクロ波送波器からマイクロ波を被測定物に向けて発射し、その反射マイクロ波をマイクロ波受波器で検出して前記被測定物までの距離または前記被検出物体の有無を検出する物体検出装置であって、前記マイクロ波送波器及び前記マイクロ波受波器が、請求項１または２に記載のアンテナを具備することを特徴とする物体検出装置を提供する。
【００１３】
上記本発明のレベル計は、上記のアンテナを具備することにより、メンテナンスフリーで、長期にわたり高精度で被検出物体を検出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るアンテナ及び物体検出装置の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。尚、物体検出装置として、焼却炉に使用されるレベル計を例示して説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る物体検出装置であるレベル計を備えた焼却炉の構成を示す概略断面図、図２はコントローラの構成を示すブロック図、図３は測定原理の説明図、図４は図１に示したアンテナの拡大半断面図である。尚、図５に示した部材と同一の部材には同一の符号を付してある。
【００１６】
焼却炉５の上部には開口部７が設けられ、この開口部７には本発明のアンテナ５３を備えるレベル計４１が取り付けられている。レベル計４１は、コントローラ１５とアンテナ５３とを導波管１３で接続して構成されており、アンテナ１５から送信マイクロ波２５を燃焼物３の上面に垂直に入射するように発射し、その反射マイクロ波２５ａをアンテナ１５で受信する構成となっている。
【００１７】
コントローラ１５は、例えば図２に示すように、マイクロ波送波器４３、マイクロ波受波器４５及び演算部６０を備える。マイクロ波送波器４３及びマイクロ波受波器４５は共に公知のもので構わないが、送信マイクロ波２５及び反射マイクロ波２５ａを、電界の向きが時計回りまたは反時計回りの何れか一方に回転する回転波に偏波する構成とすることが好ましい。燃焼物３の上面は、一般に複雑な凹凸面となっており、この燃焼物３に入射した送信マイクロ波２５は多方向に反射し、中には焼却炉５の内壁に衝突し反射された後にアンテナ５３に入射する反射マイクロ波２５ａも存在する。レベル計４１の検出原理は、後述されるように、送信マイクロ波２５が受信されるまでの伝搬時間または伝搬距離に基づくため、焼却炉５の内壁で反射された反射マイクロ波２５ａはその分伝搬時間または伝搬距離が長くなり、ノイズとなる。一方、回転波は、ある物体で反射されると電界の回転方向を反転させる性質があるため、燃焼物３で反射されただけの反射マイクロ波２５ａと、焼却炉５の内壁で更に反射された反射マイクロ波２５ａとでは電界の回転方向が反対になる。そこで、例えばマイクロ波送波器４３からアンテナ５３を介して時計回りの電界を有する回転波（送信マイクロ波２５）を発射し、アンテナ５３で受信する回転波（反射マイクロ波２５ａ）の中で反時計回りの電界を有する回転波をマイクロ波受波器４５で検波する構成とすることにより、燃焼物３による反射マイクロ波２５ａのみを検知でき、燃焼物３の堆積量を高精度で検出できるようになる。
【００１８】
上記のような回転波による送受信を行うために、図２に示すように、マイクロ波送波器４３を、変調回路４７に基づきマイクロ波発振器４９を作動させてマイクロ波を発信させ、発信マイクロ波を偏波変換器５１に入射させて回転波に偏波する構成とする。また、マイクロ波受波器４５を、アンテナ５３で受信した回転波を偏波変換器５７に入射させた後にマイクロ波検波器５９に入射させる構成とする。ここで、偏波変換器５１及び偏波変換器５７は共に誘電材料からなる平板である。また、マイクロ波発振器４９の電流印加方向とマイクロ波検波器５９の電流印加方向（検波方向）とを直交して配置させ、それに伴い偏波変換器５１をその端面がマイクロ波発振器４９の電流印加方向と一致し、偏波変換器５７をその端面がマイクロ波検波器５９の電流印加方向と一致するようにそれぞれ配置する。
【００１９】
また、マイクロ波受波器４５は、マイクロ波検波器５９で検波した信号を増幅する低周波アンプ６１、波形整形と波形調整を行う検波回路６３及び出力回路６５等を備えており、出力回路６５から演算部６０に受信信号を出力する。一方、マイクロ波送波器４３も、演算部６０からの信号により変調回路４７を介してマイクロ波の発振が行われる。演算部６０は、例えば演算手段（ＣＰＵ）、記憶手段（ＲＡＭ・ＲＯＭ）、表示手段等を有し、記憶手段（ＲＯＭ）に格納された所定の処理プログラムにより、アンテナ５３から送信マイクロ波２５を発射するとともに、受信した反射マイクロ波２５ａに基づく検波信号を基に燃焼物３までの距離を求め、その信号を表示手段や記憶手段に出力する。尚、演算部６０では以下のようにして燃焼物３までの距離を測定する。
【００２０】
即ち、図３に示すように、周波数が時間に対して直線的に増加する送信マイクロ波２５を燃焼物３に向けて発射すると、ある時間（ｔ１）に、ある周波数（ｆ１）で発射された送信マイクロ波２５は、燃焼物３で反射されて往復に要した時間（Δｔ）後に受信される。一方、その時受信された反射マイクロ波２５ａの周波数はｆ１からｆ２に変化している。そして、この時の送信マイクロ波２５と反射マイクロ波２５ａとの周波数の差（Δｆ）は、距離（ｄ）に比例する。そこで、演算部６０では、送信マイクロ波２５と反射マイクロ波２５ａとをミキシングし、差の周波数を持った受信信号波形を取り出し、この波形をＦＦＴ（高速フーリエ変換）して差の周波数を求め、距離信号として出力する。
【００２１】
本発明のアンテナ５３は、図４に示すように、複数の通気孔７５を有し、一端の開口部１７に向かって漸次拡径するホーン状を定するするアンテナ本体６７と、このアンテナ本体６７の外面側を気密に包囲するエアチャンバ７１とで構成されている。エアチャンバ７１は金属板を一端が開口した箱状に加工したものであり、アンテナ本体６７との間に形成される空間６９に気体を導入するための給気孔７３を有する。アンテナ本体６７は、開口部１７側の周縁にフランジ２１を備えており、このフランジ２１にエアチャンバ７１のフランジ７４を重ねた状態で焼却炉５の開口部７に設けられたフランジ２３に一体に固定される。
【００２２】
アンテナ本体６７は、複数の通気孔７５を有する金属板を所定のアンテナ形状、例えばホーン状やパラボラ状に加工して得られる。通気孔７５の開口径や開口数、配置には制限が無く、適宜設定することができる。また、通気孔７５は格子状等のように規則的に形成されてもよいし、ランダムに形成されてもよい。
【００２３】
また、アンテナ本体６７は、金属製の網または布、あるいは多孔質金属板とすることもできる。
【００２４】
本発明のアンテナ５３は、アンテナ本体６７が通気性を有するため、エアチャンバ７１に給気孔７３を通じて空気や不活性ガスを導入することにより、アンテナ本体６７の内面の全面から空気や不活性ガスが均等に吹き出される。これにより、燃焼物３の揮発成分に由来する異物や粉塵等が開口部１７を通じてアンテナ本体６７に入り込めなくなり、これらが付着、堆積することも無い。尚、空気や不活性ガスの導入量は、燃焼物３（揮発成分）の種類やその量、通気孔７５の開口径やその数等により適宜設定される。
【００２５】
このように、本発明のレベル計４１によれば、邪魔板２７（図５参照）を介在することなくアンテナ５３への揮発成分に由来する異物や粉塵等の付着や堆積を防止でき、低誘電率の材料が多数混入していてマイクロ波の受信電力が小さくなるようなな燃焼物３であっても、邪魔板２７による大きな不要反射の影響を受けることなく、高精度でその堆積量を検知することができる。
【００２６】
以上、本発明に関して焼却炉に用いられる場合を例に説明したが、本発明のアンテナ及び物体検出装置はこれに限定されず浮遊物が存在する環境に好適に適用でき、例えば溶鉱炉における融液面の液面の検出等にも好適である。また、マイクロ波送波器とマイクロ波受波器とを一つに統合し、アンテナも一つの場合を示したが、マイクロ波送波器とマイクロ波受波器とを別体とし、それぞれに本発明のアンテナを装着することも勿論可能である。その他にも、アンテナ以外の部分での変更は、公知の範囲内で種々可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のアンテナは、検出精度維持のための清掃が不要で、異物の付着が無く、しかもマイクロ波の送信・受信強度を低下させることも無い。そのため、このアンテナを備える物体検出装置は、浮遊物が存在する環境であっても高精度で被検出物体を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る物体検出装置であるレベル計を備えた焼却炉の構成を示す概略断面図である。
【図２】コントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】測定原理の説明図である。
【図４】図１に示したアンテナの拡大半断面図である。
【図５】従来のマイクロ波によるレベル計を備えた焼却炉の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１５ コントローラ
１７ 開口部
２５ 送信マイクロ波
２５ａ 反射マイクロ波
４１ レベル計
４３ マイクロ波送波器
４５ マイクロ波受波器
５３ アンテナ
６７ アンテナ本体
６９ 密閉空間
７１ エアチャンバ
７３ 給気管
７５ 通気孔

Claims (4)

1. マイクロ波の送信、受信または送受信を行うためのアンテナであって、
   マイクロ波の送信、受信または送受信を行うための開口に向かって漸次拡径するホーン状またはパラボラ状を呈するアンテナ本体と、
   前記アンテナ本体の前記開口を除いて全面を気密に包囲するエアチャンバとを備え、
   前記アンテナ本体は、全面にわたり通気孔が複数形成されており、
   前記エアチャンバは前記アンテナ本体とで形成される空間に気体を導入するための給気孔を備えており、
   前記エアチャンバに導入した気体を前記アンテナ本体の通気孔を通じて前記開口に向けて吹き出すことを特徴とするアンテナ。
2. 前記アンテナ本体が、複数の貫通孔を有する金属板、金属製の網または布、多孔質金属板からなることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. マイクロ波送波器からマイクロ波を被測定物に向けて発射し、その反射マイクロ波をマイクロ波受波器で検出して前記被測定物までの距離または前記被検出物体の有無を検出する物体検出装置であって、
   前記マイクロ波送波器及び前記マイクロ波受波器が、請求項１または２に記載のアンテナを具備することを特徴とする物体検出装置。
4. 焼却炉または溶鉱炉のレベル計に用いられることを特徴とする請求項２記載の物体検出装置。

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