专利名称：炉内熔渣料面测定法及其测定仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种炉内熔渣料面测定法，用以预测转炉内精炼期间发生的喷溅现象，并涉及该测定法用的测定仪。
悬浮在转炉内熔融金属表面的熔渣在精炼期间按转炉中精炼的各种因素(即按熔渣的组成和粘度、熔渣的含氧量等因素)的情况而起泡。当熔渣的这种起泡现象剧烈进行时，就产生所谓喷溅现象，对熔融金属的组成起很坏的影响。当这种喷溅现象继续持续下去时，就产生工作能力降低、废气的热量减少、工作环境恶化(例如产生红烟)、设备损坏等问题。
另一方面，采用熔渣起泡抑制剂，或限制供到吹氧管的氧气量从而减少所产生的废气量，这些都是从防止熔渣喷溅的角度而采取的措施。但熔渣起泡抑制剂的用量过大时会带来以下缺点成本增加，热效率因炉内温度降低而变差。另外，限制供氧量会使操作过程因反应效率下降而延长，即降低生产率。
因此为防止喷溅现象发生，对于转炉的正常操作不仅要能预测转炉中的喷溅现象，而且要能定量地精确掌握转炉中熔渣的料面。
所以就考虑定量测定转炉中熔渣料面的方法。这类方法一般主要是考虑采用雷达式料面测定仪，这种测定仪采用即使在多尘、多烟的测量环境中也能直线传播的微波。
未经审查的日本专利出版物昭-63-21584中就公开了这种普通的采用微波雷达的熔渣料面测定仪的一个例子。在该公开的熔渣料面测定仪中，频率约为10千兆赫的载波用的微波FMCM(调频连续波)式雷达天线固定在转炉体的上部分上，用以将微波通过天线发射向熔渣的表面。微波信号在天线与熔渣表面之间往返所需要的传播时间(即微波信号通过天线发射时到微波信号经熔渣表面反射之后由天线加以接收时所经历的时间)经测定后被换算成距离值。但普通熔渣料面测定仪具有这样的缺点，即当起泡的熔渣表面对这种微波的反射率低时，FMCM式雷达就不灵敏。
为解决FMCM式雷达的上述问题，本发明受让人申请的日本专利(即未经审查的日本专利出版物平-2-98685)提出了一种经改进的熔渣料面测定仪。在这种经改进的熔渣料面测定仪中，采用了一种应用载波频率约为10千兆赫的微波的伪随机信号处理式的微波雷达。在该熔渣料面测定仪中，附在水冷式波导的一端的水冷式天线插入转炉中固定起来。微波在水冷却天线与熔渣表面之间往返所需要的传播时间(即从微波通过水冷式天线发射出去到微波信号经熔渣表面反射后由水冷式天线所接收时所经历的时间)经测定后被换算成距离值。
在这些一般方法中，需要将天线固定在转炉上部的炉罩上的固定处或插入孔，因为在任何情况下都必须设置天线。但为将天线固定到炉罩就需要划出一定的空间，这项工作是相当复杂的，从而由于需要密集配置转炉的各种辅助设备(例如主氧枪、副氧枪、辅助原料供料斗、除尘器等)，因而提高了设备成本。特别是，为安装天线而重新装配转炉或近年来为了节约能量而在炉罩上设置锅炉管道以便循环使用废热时，炉罩的重装费用是很大的。
本发明的一个目的是提供一种炉内熔渣料面测定法及其所使用的测定仪，其中将精炼期间最后阶段插副氧枪用的副氧枪插入孔公用，即也用于作为天线的插入孔，从而在转炉精炼期间该孔供天线和副氧枪交替使用。
本发明的另一个目的是提供一种采用廉价器材即能精确连续地测定熔渣料面而不受多尘等的测量环境影响的炉内熔渣料面测定仪。
本发明的中另一个目的是提供一种采用诸如巴克码(Barker code)之类的伪随机信号测定炉内熔渣料面的炉内熔渣料面测定仪。
本发明的另一个目的是提供一种即使炉中熔渣料面的变化很大时也能高度精确测定炉中熔渣料面位置的炉内熔渣料面测定仪。
按照本发明的一个方面，在本发明的炉内熔渣料面测定法和测定仪中，熔渣料面计(微波雷达)中的副氧枪和天线系短时间轮流插入转炉炉罩上的一个公用孔中的。因此，由于两种用途可由一个公用孔来实现，因而本发明的方法和仪器所用的设备结构简单。特别是，采用具有副氧枪插入孔的一般转炉时，转炉的改造就更容易。在精炼期的第一和第二(中间)阶段中将天线插入转炉中测定熔渣料面，就可以真正掌握熔渣的情况，从而精确预测喷溅的发生。这样就可借助于喷溅抑制装置防止喷溅，从而使转炉内的精炼过程高效进行。另一方面，在精炼期的最后阶段，将副氧枪插入转炉中借助于该插入转炉中的副氧枪测定熔融金属的温度、提取所采集的熔融金属样品、提取所采集的熔渣样品等。
按照本发明的另一个方面，本发明的炉内熔渣料面测定法和测定仪具有一个附在转炉上部的梁上使其既可转动又可上下移动的副氧枪、一个附在转炉上部的梁上使其既可转动又可上下移动的水冷式天线、和一个连到水冷式天线的微波雷达。副氧枪和水冷式天线可交替安置，从而将它们的其中之一通过转炉炉罩的一个公用孔插入转炉中。由于副氧枪和水冷式天线系分别附在梁上使其既可转动又可上下移动，因而两者可通过转动彼此交换位置。就是说，副氧枪或水冷式天线可以按需要插入转炉中。
按照本发明的又另一个方面，本发明的微波雷达具有插入炉中的一个发射天线和一个接收天线，以便根据通过发射天线发射、经炉中熔渣表面反射并由接收天线接收的微波信号计算各天线与熔渣表面之间的距离，从而产生熔渣料面测定值信号。
按照本发明的另一个方面，本发明的微波雷达按下列步骤测定至熔渣料面的距离向熔渣表面发射按第一伪随机信号调相的载波;将熔渣表面反射回来的接收信号与第二伪随机信号相乘起来，检测所收到的载波，从而得出检测信号的时序图;将第一和第二伪随机信号彼此直接相乘起来，从而得出乘积值的时序图;然后测定检测信号时序图与乘积值时序图之间的时差。这样，就可以获得下列效果。
(1)由于测定是非接触式测定，因而可以保证象天线等之类传感元件的耐用性，同时简化了器件的安装和维护保养工作。
(2)由于测定过程是连续的，因而能进行响应快速的测量。
(3)由于采用应用伪随机信号的离散频谱信号，因而应用在接收部分采用参考伪随机信号的相关处理既可减小干扰又能加强信号。因此可以灵敏地检测出从低反射率的熔渣料面反射回来的电磁波，从而使这种测量可用于许多用途。
(4)由于用本发明结构较简单的电路将一般测量采用的高速信号变换成低速信号，因而可提供价廉、体积小的测定仪。此外调节起来也容易。
作为检测从目标反射回来并在接收之后经过相关处理的载波以获取检测信号的方法，在相关处理之后，从载波提取与发射载波同相和相差90度的各分量。将这些分量通过低通滤波器分别削方(to square)之后，将它们波此相加以获取检测信号。这样就可以高度灵敏地检测出熔渣料面。
将用第一伪随机信号调相过的载波发送到目标上，然后以波型与第一伪随机信号相同且频率与第一伪随机信号接近的第二伪随机信号去相关处理所收到的从目标反射回来的信号，从而得出经如此处理的载波。因此，在来自目标的检测信号与参考信号之间的测量时间在时间轴线上大大地得到放大，因而即使是距离很短的情况，也可精确测出这个至目标的距离。此外在产生检测信号的时间轴线上，可以将在目标上反射而作为测量主题的必要信号与在目标以外的物体上反射的无用信号完全区别/分离开来。由于能够除去无用的反射信号，因而即使在象炉内那种易于产生无用反射信号的空间狭小测量环境下，也能稳定地测出炉中的熔渣料面。
按照本发明的另一个方面，在微波雷达中，第一伪随机信号发生装置和第二伪随机信号发生装置分别产生第一伪随机信号和第二伪随机信号，第二伪随机信号的波型与第一伪随机信号相同，但频率与第一伪随机信号略有不同。用一个发射装置将按第一伪随机信号调相一个载波而形成的离散频谱信号发射向目标。然后将接收装置接收到的从目标来的反射波(即接收信号)在第二乘法器与第二伪随机信号相乘。当用第一伪随机信号调相的接收信号的经调制的相位与第二伪随机信号的相位一致时，作为第二乘法器的输出而得出的乘积就成了一个同相载波，并在下一级中由一个相干检波器进行同步检波。检波器的输出进一步由一个检测信号发生器进行信号处理，该检测信号发生器由一对低通滤波器、一对方波脉冲发生器和一个加法器组成，从而输出脉冲状的目标检测信号。
虽然，第一和第二伪随机信号的码型彼此相同，但信号发生装置的频率彼此略有不同。因此两个信号的相位彼此一致(即两信号的相关输出达最大值)之后，随着时间的推移彼此偏移。当两信号的相位彼此偏移一个或一个以上的码长时，两个伪随机信号失去相关关系。在此情况下，接收信号与第二伪随机信号相乘得出的载波其相位变成随机，从而使频带在下一级的相干检波器进行同步检波之后受到各低通滤波器的限制，不可能获得目标检测信号。
当第一和第二伪随机信号之间的相位差在时间进一步推移之后正好相当于一个伪随机信号的一个周期时，两个信号的相位再次彼此一致。在此情况下，两个信号的相关输出再次达其最大值，从而通过相干检波装置和检测信号发生装置再次获得脉冲状的目标检测信号。这样，这个现象定期重复出现，因而可以得出作为目标检测信号的周期脉冲状信号。
另一方面，为测定从接收信号获得目标检测信号的时间，需要设定参考时间。于是按下列方式产生表示参考时间的时间参考信号。用第一乘法器将第一伪随机信号与第二伪随机信号直接相乘起来。然后通过低通滤波器提取作为该乘积的时间序列图;从而获得其周期与目标检测信号相同的脉冲状信号，作为时间参考信号。
因此，由于从产生时间参考信号时刻到产生获自接收信号的目标检测信号时刻之间的时间正比于电磁波在发射/接收天线与目标之间往返所需要的传播时间，因而可从两个信号的时差计算出发射/接收天线与目标之间的距离。
上述说明可以明确阐述如下设f1为第一伪随机信号的重复频率，f2为第二伪随机信号的重复频率。现在假设两伪随机信号的波型彼此相等，且f1＞f2。
当用TB代替根据所发送的第一和第二伪随机信号的相关性而得出的参考信号处于其最大值的周期的情况下，周期TB中所包含的第一和第二伪随机信号之间的波数差等于一周期的波数N，即得出下式TB·f1＝TB·f2+N将上式加以整理，于是TB可用下式(1)表示TB＝N/(f1-f2) (1)就是说，参考信号达其最大值时的周期TB随两个时钟脉冲频率差的减小而增加。
设τ为发送用第一伪随机信号调相的载波时刻至接收从目标反射回来的载波时刻的传播时间。设TD为1)产生根据第二伪随机信号解调接收信号并对其相干检测而得出的目标检测信号的脉冲状信号时刻、与2)产生参考信号的脉冲状信号时刻这两者之间的时差，由于在时间TD内所产生的第二伪随机信号的波数比在时间TD内所产生的第一伪随机信号的波数少(即，其差值等于在传播时间τ内所产生的第二伪随机信号的波数)，因而得出下式TD·f2＝TD·f1-τ·f1将上式加以整理，TD就可用(2)式表示TD＝τ·f1/(f1-f2) (2)就是说，时间TD是作为通过将传播时间τ延长f1(f1-f2)倍、或换句话说，通过将测定速度降低f1(f1-f2)倍得出的值测出的。这种测定时间的放大意味着本发明主要适用于短距离的测距。
这里，传播时间τ用下式表示τ＝2X/V其中V代表传播速率，X代表至目标的距离。
于是根据(2)式可得出下列(3)式。
X＝ (f1-f2)/(2f1) ·V·TD (3)总之，按(3)式测定时差TD即可测出距离X。
按照本发明的另一方面，由于伪随机信号发生器是由一个计数器、一个存储装置和一个信号变换器构成的，因而可以采用任何M型信号和M型信号以外的其它伪随机信号，例如巴克码(Barker code)等。例如，当用巴克码作为伪随机信号时，可以用这样的方法灵敏地检测出从目标反射回来的信号每次输出巴克码时腾出一个时间间隔间歇产生一个信号，同时随着时间的推移改变雷达的信号灵敏度，以便暂时掩蔽无用的反射信号。
按照本发明的另一方面，微波雷达应用了抑制检测信号强度变化的技术，抑制是通过调节接收机/发射机中的信号强度从而抑制因信号饱和和信号电平降低而引起的误差的产生而进行的。因此，即使当从熔渣料面反射回来的微波信号的强度因炉子等里面熔渣料面的变化而变化时也能精确测定出炉中熔渣料面的位置。此外，通过求出测定值的平均值，同时忽略低的A/N测定值，则即使信号电平因熔渣料面突然变化而临时降低时也能精确测定出炉中熔渣料面的位置。
从下面结合附图进行的说明即可更清楚地了解本发明的上述和其它目的以及有利的特点。
图1是一般地表示本发明实施例的剖视图。
图2是图1的平面图。
图3是说明应用本发明的熔渣料面计时的时间过程的示意图。
图4是欲用于图1的炉中熔渣料面测定仪的微波雷达的一个实施例的结构方框图。
图5是说明图1中画出的微波雷达的工作情况的波形图。
图6是7位M型信号发生器一个实施例的结构示意图。
图7是伪随机信号发生器结构另一个实施的方框图。
图8是图4中画出的存储装置中各数据的一个实例的示意图。
图9是图4中画出的信号变换器的输出数据与输出信号之间关系的示意图。
图10是信号变换器波形的示意图。
图11是图1中画出的测距仪中的接收机工作时的时间图。
图12是本发明的微波雷达的另一个实施例的方框图。
图13是本发明的微波雷达的又一个实施例的方框图。
图14是信号强度变换器结构的一个实施例的方框图。
图15a和15b是表示信号强度变换器的工作的曲线图。
图16是信号在平均值运算器中流通的流程图。
在图1所示的转炉中，熔融金属52和熔渣53处在转炉炉体51中。转炉炉体51的上部分设有炉罩54。烟道55固定在炉罩54上。循环发热用的锅炉管道56附在炉罩54的内壁上和烟道55的内壁上。炉罩内设有插入主氧枪71和副氧枪72用的孔57和58。
从图1中可以看到，转炉附近设有梁60。梁60上附有由电动机组成的旋转器61。旋转器61与活动关节62连起来，使活动关节62转动。活动关节62的一端附有由电动机组成的升降机构63。
微波雷达73通过波导74与发射天线23和接收天线24连接，波导74则由升降机构支撑着，从而控制其竖向位置。
因此波导74的竖向位置由升降机构63控制，而波导74在二维平面中的位置则由旋转器61控制。
副氧枪72的支撑机构与波导支撑机构一样。就是说，旋转器61a固定到梁62上，并与活动关节62a连起来使活动关节转动。升降机构63a固定到活动关节62a的一端，从而使升降机构将副氧枪72支撑起来，以便控制其竖向位置。
下面说明将副氧枪72和天线23、24交替插入炉中的方法。从点火经过熔渣熔融期至最佳脱碳期，微波雷达73的天线23和24都插入转炉中以测定熔渣料面从而预测喷溅现象的发生。其后，在低碳氧化期将副氧枪72插入炉中以测定熔融金属的温度并取样。就是说，如图3所示，在点火之后，在历时大约6分钟的熔渣熔融期中会有因反应不正常而喷溅的现象出现的风险。在那之后的最佳脱碳期中，会有因熔渣料面较高而产生喷溅现象有风险。因此在所测定的熔渣料面突然增加或所测定的熔渣料面高于预定点时，就要往炉中加入诸入焦粉、石灰石等泡沫阻止剂。点火之后大约11分钟，精炼过程进入低碳氧化期。在低碳氧化期中，由于熔渣料面较低、较稳定，因而不会有喷溅的风险。但需要进行取样，以便在精炼过程的最后阶段测定熔融金属的温度和调节熔融金属的组成。因此将副氧枪插入炉中。
在图1和图2所示的实施例，可以发现喷溅率从大约9%降到1%或以下。
下面说明将副氧枪72和天线23、24交替插入;图1和图2所示的机构中的操作情况。
图1和2示出了天线23和24在精炼期中插入转炉中以测定熔渣53的料面时的情况。要达到这个状态，在天线23和24都提起的情况下令旋转器61旋转，将升降机构63调节到炉罩54的孔58处。然后操纵升降机构63使波导74往下降，从而使天线23和24通过孔58插入炉中。天线与熔渣表面之间的距离达预定值时，令波导74停止下降。同时，如图中所示，操纵升降机构63a和旋转器61a使副氧枪往后退。
在上述情况下，熔渣53的料面由微波雷达73测定。稍后将介绍微波雷达73的结构和功能。
由于如上所述必须将副氧枪72在精炼过程的最后阶段插入转炉中，因而令天线23和24往后退，同时将副氧枪72插入炉中。这时的操作过程如下。操纵升降机构63将天线23和24从炉罩54的孔58中提起，然后用旋转器61将天线23和24移到二维平面中的适当位置上。
如上所述令天线23和24往后退之后，操纵旋转器61a将升降机构63a调节到炉罩54的孔58处。然后操纵升降机构63a使副氧枪72下降，使其通过孔58插入转炉中。当副氧枪72与熔渣53的表面之间的距离达到适当值时就令副氧枪停止下降。
虽然上面是就天线23和24的后退和副氧枪72的插入按一定的时序进行说明的，但本发明也适用于天线23和24的后退和副氧枪72的插入同步进行从而避免碰撞进而使交替操作过程更平稳地进行的情况。后一种情况经改进的那个方法可应用于副氧枪72的后退和天线23和24的插入过程。
下面更详细说明微波雷达3的结构和工作情况。
在图4画出的本发明一个实施例的微波雷达73中，编号1和2分别表示时钟脉冲发生器，3和4分别表示伪随机信号发生器。编号5至9分别表示由例如双平衡混频器构成的乘法器。编号10至12分别表示低通滤波器，13和14分别表示分配器，15和16分别表示方波脉冲发生器，17表示加法器，18计时器(包括18a传播时间测定器，18b距离换算器)，19载波振荡器，20混合耦合器，21发射机，22接收机，23发射天线，24接收天线，25目标(炉中的熔渣表面)。
下面参看图5中图(a)至(d)的时间图说明图4微波雷达的工作情况。举例说，各伪随机信号发生器3和4可由M型信号发生器构成。M型信号发生器可以是一个由7级结构的移位寄存器30和“异-或”电路31(如图6所示)构成的7位M型信号发生器，移位寄存器30则由例如7级结构的ECL(发射极耦合逻辑)元件构成。M型信号是具有代码“1”(相应于正电压+E)和“0”(相应于负电压-E)组合码的周期循环信号。在此7位的实施例中，产生127(＝2-1)个信号(也称做127个信号单元)时就经过了一个周期。因此在本实施例中，产生重复此周期的循环信号。
各伪随机信号发生器3和4由同一个电路构成，因而伪随机信号发生器3和4的输出信号型式相同。但加到伪随机信号发生器3和4上的时钟脉冲频率略有不同，因此发生器的一个周期略有不同。M型信号以外的信号，例如Gold型信号或JPL型信号都可用作伪随机信号。
各时钟信号发生器1和2装有一个石英振荡器，由此振荡器产生频率足够稳定的时钟脉冲信号，但时钟脉冲发生器1和2在所产生的频率方面略有不同。在此实施例中，时钟脉冲发生器1和2产生的频率f1和f2分别为100.004兆赫和99.996兆赫，因而两频率的差值f1-f2为8千赫。时钟脉冲发生器1和2分别产生的时钟脉冲信号f1和f2分别加到伪随机信号发生器3和4上。伪随机信号发生器3和4根据驱动时钟脉冲信号之间的频差而产生型式相同但其一个周期略有不同的M型信号M1和M2。这里，M型信号M1和M2各自的频率可计算如下。
(M1的频率)＝127×1/100.004兆赫＝1269.9492毫微秒(M2的频率)＝127×1/99.996兆赫＝1270.0508毫微秒因此，两个M型信号M1和M2的周期大致相同，约为1270毫微秒(10-9秒)，但时差约为0.1毫微秒。所以若M型信号M1和M2是循环产生且两个M型信号的型式在某一时刻ta彼此匹配，则每当一个周期经过之后，两信号之间产生0.1毫微秒的时差，或换句话说，当100个周期过了时，两信号之间产生10毫微秒的时差。
M型信号在1270毫微秒的周期产生127个信号单元，因此产生一个信号单元需时10毫微秒。所以，两M型信号M1与M2之间发生10毫微秒时差的这一事实，意味着M型信号彼此偏离一个信号单元。伪随机信号发生器3的输出M1加到乘法器5和6上。伪随机信号发生器4的输出M2加到乘法器5和7上。
举例说，载波发生器19产生频率约17千兆赫的微波。载波发生器19的输出信号由分配器13分配到乘法器6和混合耦合器20上。乘法器6例如由双平衡混频器构成。乘法器6将馈自分配器13的约17千兆赫的载波与馈自伪随机信号发生器3的M型信号M1相乘起来，并将通过对载波调相而形成的离散频谱信号馈到发射机21上。
发射机21对所输入的离散频谱信号进行功率放大，将其通过发射天线变换成电磁波，并将电磁波发射向目标25。由于频率17千兆赫的电磁波在空气中的波长是1.3厘米，且比炼钢炉中尘埃的大小(直径)足够大，因此尘埃等的影响不大。举例说，各发射天线23和接收天线24是由喇叭天线构成，以急剧限制其方向性，从尽可能充分减小从目标以外的物体反射的电波能量。各发射天线23和接收天线24的天线增益例如约为20分贝。
从发射天线23射向目标25(对应于图1的熔渣53)的电磁波经目标25反射之后，由接收天线24变换成电信号，然后馈到接收机22上。当然，输出信号加到接收机22上的时刻从电磁波从发射天线23发射起，延迟了电磁波从发射天线23向前传播到目标25上、然后从目标25往回传播到接收天线24所需要的传播时间。接收机22将输入信号放大，然后将经放大的信号馈到放大器7上。
另一方面，将从伪随机信号发生器3和4分别馈到乘法器5的M型信号M1和M2彼此相乘起来。表示乘积的时序信号加到低通滤波器10上。输入到低通滤波器10的信号(即表示乘法器5的输出值的时序信号)其波形如图5中的图(a)所示，在馈到乘法器5的两个伪随机信号的相位彼此匹配的时区a1中，输出电压+E是连续的。在两信号的相位彼此不匹配的时区a2中，输出电压+E和输出电压-E随机产生。
低通滤波器10至12具有基于频带限制的积分功能。因此当两个信号的相位彼此匹配时，通过低通滤波器10至12作为对这两个信号的相关操作值进行积分而形成的信号是如图5的(b)图所示的脉冲状信号。当两信号的相位彼此不匹配时，低通滤波器的输出信号值为0。于是低通滤波器10的输出端产生周期性的脉冲状信号。作为时间参考信号的脉冲状信号加到测时器18上。在本实施例中，f1和f2分别为100.004兆赫和99.996兆赫，因而按上述(1)式计算出来的参考信号的周期TB为15.875毫秒。图5中的图(d)示出了参考信号及其周期TB。
来自接收机22的接收信号和来自伪随机信号发生器4的M型信号M2馈到乘法器上，并将它们彼此相乘起来。当根据第一M型信号M1对发射载波进行调相而形成的接收信号的经调制的相位与第二M型信号M2的相位匹配时，来自乘法器7作为相位匹配的载波信号的乘积就加到分配器14上。当接收信号经调制的相位与M型信号M2的相位不匹配时，来自乘法器7作为随机相位载波信号的乘积就加到分配器14上。分配器14把输入信号分配到两个乘法器8和9上，即来自分配器14的两个输出信号R1和R2分别加到乘法器8和9上。
供以来自分配器13的一部分发射载波的混合耦合器20将与输入信号同相位的同相(0相位)分量信号I和相位垂直于输入信号相位的正交(90°相位)分量信号Q分别加到乘法器8和9上。乘法器8将馈自混合耦合器20的信号I(即相位与载波振荡器19的输出相同的信号)与上述馈自分配器14的信号R1彼此相乘起来。同样，乘法器9将输入信号Q(即相位偏离载波振荡器19的输出90度的信号)与上述信号R2彼此相乘起来。因此乘法器8和9分别从接收信号提取零相位分量(I·R1)和90度相分量(Q·R2)、并将该两分量发送出来。
信号I·R1和Q·R2作为经检测的信号分别加到低通滤波器11和12上。
低通滤波器11和12具有基于频带限制的积分功能。借助于该积分功能，低通滤波器11和12对两个信号的相关操作值进行积分。就是说，当从乘法器7通过分配器14馈到乘法器8的上述信号R1其相位与从混合耦合器20馈到乘法器8的上述信号I的相位区配，且当上述馈到乘法器9的信号R2与馈到乘法器9的信号Q匹配时，来自乘法器8和9的输出信号成了极性(电压+E或电压-E)预定的脉冲信号，从而分别在对各信号进行积分的低通滤波器11和12的输出端上有大电压出现。
当上述信号R1的相位与信号I的相位不匹配，且上述信号R2与信号Q的相位不匹配时，乘发器8和9的输出信号变成极性(即电压+E或电压-E)随机变化的脉冲信号，从而分别在对各信号进行积分的低通滤波器11和12的输出端上有零电压出现。
如此通过低通滤波器11和12积分处理的零相位和90°相位分量分别加到方波脉冲发生器15和16上。方波脉冲发生器15和16分别将各输入信号的振幅削方，并将输出信号作为操作的结果馈到加法器17上。加法器17将两输入信号彼此相加，并将图5的(c)图所示的脉冲状检测信号加到测时器18上。
现在假设检测信号达到其最大值的时刻为tb。上述的技术在结构上或多或少是复杂的，但却能取得高度灵敏的目标检测信号。这里，上述技术包括以下步骤分别从通过相关处理接收信号和M型信号M2而形成的信号分别检测发射载波的零相位和90度相位分量;对各检测信号进行积分，然后分别削方该经积分的信号;最后把该对经削方的值彼此加起来，以获得目标检测信号。由于可获得诸如M型信号之类的伪随机信号的相关输出，因而可提供一个高SN测量系统，以减小干扰的影响，供增强信号之用。当然也可根据技术条件和费用采用应用晶体的检测技术，因为这种技术虽然灵敏度较差但结构简单。
测时器18由传播时间测定器18a和距离换算器18b构成。传播时间测定器18a测定馈自低通滤波器10的参考信号达到最大值时刻ta以及馈自加法器17的检测信号达到最大值时刻两者之间的时间TD。因此传播时间测定器18a具有测定两个输入信号分别达最大值的时刻的功能。举例说，输入信号达其最大值的时刻可以这样检测检测输入信号的转变(从增加到减少)时刻，同时将目前的采样值与通过根据时钟脉冲信号对输入电压值进行采样-保持而依次得出的先前采样值进行临时比较。时间TD表示产生图5的(d)图中所示的参考信号的最大值的时刻ta与产生图5的(c)图中所示的检测信号的最大值的时刻tb两者之间的时间。如上述(2)式中所述，时间TD可以通过将电磁波实际往返发射和接收天线23和24与目标25之间的距离所需要的传播时间τ延长f1(f1-f2)倍而计算出来。在本实施例中，由于f1＝100.004兆赫，f2＝99.916兆赫，因而下面的(4)式是通过将时间τ延长12，500倍得出的。
TD＝12，500τ (4)求出参考信号的各周期TB用(4)式表示的时间TD。
由于本发明的测量时间大大地延长了，因而可高度精确地测出至目标的距离。因此可以说，本发明的测距仪适宜作测定诸如炉中熔渣料面、熔料料面等之类的短距离的料面计。
因此按(4)式计算时，从发射和接收天线23和24至目标25的距离可用下面的(5)式表示。
X＝(f1-f2)/2f1·V·TD＝1.2×104·TD (5)用(5)式表示的操作由距离转换器18b执行，以产生距离信号，并根据距离信号得出熔渣料面测量信号。
虽然天线23和24可以作为单个公用天线设置，但在本实施例中，为了减少干扰，还是将它们分开设置。各天线尺寸取得很小，直径为100毫米，使它们可以插入炉罩54上形成的直径为270毫米的小孔，或从该小孔中移出。
借助上述实施例的微波雷达的熔渣料面测定仪，能够以100毫米的精确度和3秒的响应速度测定转炉中的熔渣料面。
图4的微波雷达的伪随机信号发生器3和4都可以取图6所示的结构形式，也可取图7所示的结构形式。
图8所示的伪随机信号发生器由一个计数器32、一个存储装置33和一个信号变换器34组成。
计数器32接收时钟脉冲信号作为输入信号，对该输入时钟脉冲信号进行计数，然后将时钟脉冲的计数值馈到存储装置33中。计数器32进行从0到计数上限值n的计数操作。计数值达上限值n时，计数器复位到0，然后重新开始计数操作。在本实施例中，上限值是127，因此计数器32与所馈的时钟信号同步地重复从0至127的计数操作。计数器复位到0时，就有同步脉冲信号向外发出。
存储装置33有一个存储数据用的存储器，由ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)等组成。存储装置33接收来自计数器32输出的计数值，在以计数值作为存储器地址的同时读出存储在存储器中的伪随机信号的代码数据，并将数据馈到信号变换器34中。在本实施例中，存储装置33的容量为数据长度为2位的128个数据，并以0至128的地址而被规定。存储器中各数据的第一位表示待存储的伪随机信号的代码模式。因此第一位定为“1”或“0”，对应于伪随机信号的“1”或“0”。存储器各数据的第二位用以判断存储器中的数据是否为伪随机信号的代码数据。存储器中的数据为代码数据时，第二位定为“1”。存储器中的数据不是代码数据时，第二位定为“0”。
图8的表中示出了存储装置33的存储器中存储有码长为7的巴克码数据的情况。在此实例中，用对应于巴克码数据的“11”和“10”表示的2位数据存储在存储器的0至6的地址中，同时，用“00”表示的2位数据存储在存储器7至127的地址中。由于对应于地址0至127的数据是根据馈自计数器32的输入信号依次读出的，因而存储装置33中的数据读出操作是与馈到计数器32的时钟脉冲信号同步地在128个时钟脉冲组成的一个周期中反复进行的。
在图9的表中示出了本实施例的信号变换器34中输入数据与输出信号之间的关系。信号变换器34接收来自存储装置33的数据，将数据变换成三值信号，然后发送出去。就是说，当馈自存储装置33的2位数据为表示代码数据的“11”或“10”时，信号变换器34产生对应于该数据的正(+)或负(-)信号。当2位数据为“00”或“01”时，信号变换器34产生零信号。
图10示出了信号变换器34输出信号的波形，这也就是当数据是馈自存储内容如图8所示的存储装置时的伪随机信号发生器的输出信号的波形。关于该输出波形，相应于从存储装置33读出的数据而发送出一个正(+)、负(-)或零(0)信号。由于从存储装置33读取数据的操作是在存储器33中存储地址的数目所确定的周期内与时钟脉冲信号同步地重复进行，因而来自信号变换器34的输出信号的波形是由重复7个时钟脉冲的巴克码输出信号和121个时钟脉冲的零信号形成的。
下面叙述图7的伪随机信号发生器应用到图4的微波雷达时微波雷达的工作情况。鉴于图7的工作情况大致上与图4的工作情况相同，因此这里只谈谈不同的部分。
在本实施例中采用了30.002兆赫和29.998兆赫的时钟信号和10千兆赫的载波信号频率。各伪随机信号发生器3和4的结构如图7所示。码长为7的巴克码和持续时间预定的零信号是与时钟脉冲信号同步地重复产生的。
在本实施例中，乘法器(调制器)6根据馈自伪随机信号发生器3的伪随机信号调制通过分配器13馈自载波振荡器19的载波。这里，来自伪随机信号发生器3的输出信号是+、-或0的三值信号。当信号为+或-时，就相应地对信号进行调相。当信号为0时，停止输出载波。因此从雷达通过发射天线23发射到目标的信号成了间歇信号。
在本实施例中，用在微波雷达中的接收机22通过接收天线接收从目标反射回来的信号，并对该信号进行放大或衰减。就是说，接收机22供以来自伪随机信号发生器3的同步脉冲信号，如图中的虚线所示，使接收机22放大/衰减反射信号，同时与同步脉冲信号同步地改变放大或衰减系数，并将经过放大/衰减的检测信号发送出去。
在图11示出接收机22工作情况的时间图中，图11的(a)和(b)图分别示出伪随机信号和作为伪随机信号发生器3的输出信号的同步脉冲信号的波形。图11的(c)图示出了接收机22中信号放大系数的时间变化。当接收机22接收来自伪随机信号发生器3的同步脉冲信号时，接收机22在输入脉冲那一瞬时之后的任意时间段t内将信号衰减系数增加，以便及时限制输自 接收天线24所收到的无用反射信号，从而抑制无用反射信号的影响。
在图12所示的微波雷达的另一个实施例中，采用了图6或图7所示的伪随机信号发生器，且伪随机信号直接用作发射信号。
此外在本实施例中也和图4的上述实施例一样，采用了使用型式相同但频率稍不同的两个伪随机信号的伪随机信号处理方式。就是说，本实施例中采用了30.002兆赫和29.998兆赫的时钟脉冲信号。这里，伪随机信号发生器3和4的结构如图7所示，且产生码长为7的巴克码。
来自伪随机信号发生器3的伪随机信号馈到发射机21上。馈到发射机21的伪随机信号经功率放大后通过发射天线23变换成电磁波。电磁波射向目标。因此图12的微波雷达的结构中取消了图4中的分配器13和乘法器6以及载波振荡器19。
此外，来自发射天线23的电磁波从目标反射回来之后通过接收天线24被变换成电信号。然后电信号馈到接收机22上。然后由乘法器(混频器)7将来自接收机22的接收信号和来自伪随机信号发生器4的伪随机信号彼此相乘起来。相乘的乘积馈到低通滤波器11上。因此在本实施例的结构中取消了图4中画出的分配器14、乘法器8和9、低通滤波器12、方波脉冲发生器15和16、加法器17、混合耦合器20。
来自低通滤波器10的输出和来自低通滤波器11的输出馈到传播时间，测定器18a，然后按与图4的情况相同的方式进行处理，以便从距离换算器18b送出熔渣料面测定信号。
在诸如易于产生无用反射波的炉中空间这样的狭窄测量环境中，通过时间选通电路并利用由于使用微波雷达来测定至目标的距离而使测距时间可得到延长的这个好处，就可以基于有用反射波而检取检测信号。或换句话说，可以消除基于无用反射波的检测信号，从而可以稳定地测定出料面位置或距离。
虽然以上诸实施例示出了两个天线分别用作发射天线和接收天线的情况，但是显然，本发明并不局限于上述实施例，并且本发明可适用于单个天线兼作发射和接收天线的情况。在此情况下，在天线系统中采用利用定向耦合器或发射/接收切换开关分离发射信号和接收信号的技术。
尽管上述诸实施例举的是采用10千兆赫微波作为载波的情况，不言而喻，本发明不仅适用于采用极高频(EHF)电磁波作为载波的情况，而且也适用于采用诸如光、声波、超声波等之类的电磁波作为载波的情况。
另外，可以在上述微波雷达中增设计时器计算所测定的至目标的距离在单位时间内的变化从而测定目标的速率。
本实施例中的微波雷达不仅可用于炉中熔渣料面测定仪中(这稍后即将介绍)，而且也可用以测定埋置在地下或水中的目标的位置，或在地下等进行探测。此外，如果适当设定供产生两个伪随机信号之用的时脉冲频率，本发明的微波雷达就足可用以测定至诸如飞行物、船舶、车辆等之类的一般目标的较大距离，或测定它们的位置。
在上述实施例的炉中熔渣料面测定仪中，天线与炉中熔渣料面之间的距离是根据检测信号脉冲峰与时间参考信号的脉冲峰之间的时距计算出来的，这样效果很好。此外，在将反射信号的强度大致调节到预定水平的情况下将反射信号输入到微波雷达52中去还可以进一步提高测量的精确度。
图13示出了微波雷达系构制得使反射信号的强度可加以调节的一个实施例。在该微波雷达中，将图4的微波雷达中加上了一个信号强度变换器26、一个平均值运算装置27和一个阴极射线管显示器28。
虽然本实施例示出的是信号强度变换器26设在微波雷达52的接收端与插入炉中的接收天线24之间的情况，但本发明也可用于信号强度变换器26设在微波雷达发射端与发射天线23之间的情况。
图14示出了信号强度变换器26的一个实施例。在此实施例中，控制信号是根据馈自微波雷达52的接收强度信号的峰值计算出来的，以便根据控制信号调节接收信号的衰减量。装有信号强度变换器26中的可变衰减器156时对正比于供到其上的控制信号的信号强度的信号起衰减作用，并在没有输入控制信号加到其上时让接收信号原封不动地通过。
在本实施例的信号强度变换器26中，来自微波雷达52的加法器17的接收强度信号输入到死区电路151中。当输入信号未达到预定电平时，没有控制信号产生，因而可变衰减器156中不进行信号衰减操作。当输入信号大于死区电路151中的一个极限值时，信号经放大器152放大后输入到峰值保持电路153中。峰值保持电路的时间常数与输入脉冲信号的周期为同等数量级，由峰值保持电路保持作为其输出的输入脉冲的峰值。可变衰减器116的控制信号是通过放大器154将所保持的信号加以放大并加上一个补偿值获得的，因而可变衰减器156中的衰减量根据控制信号确定。
图15a是信号强度变换器26的特性曲线。图15a中示出了控制信号的输出变化(即可变衰减器156中衰减量的变化)与所输入的接收强度信号的关系曲线。当接收强度信号不小于死区电路151所确定的极限值时，控制信号就成了正比于接收强度信号的信号。在本实施例中，极限值取0.7伏。因此，当接收强度信号的最大值不小于0.7伏时，有控制信号产生。
图15b为整个测定仪中信号电平的特性曲线，它示出了接收天线24所收到的反射信号强度与接收强度信号之间的关系。在反射信号强度小的区域中，接收强度信号值也小。因此信号强度变换器26中不进行信号衰减操作，因而反射信号强度正比于接收强度信号。反射信号强度增加时，信号强度变换器26中开始进行信号衰减操作。因此当反射信号强度的变化值在几十分贝数量级时，可以使接收强度信号的变化量减小。
图16示出了平均操作处理的流程图。如图13中所示，平均值运算装置27既从微波雷达52的距离换算器18b接收料面测定值，也从加法器17接收接收强度信号。当接收强度信号的峰值大于预定的设定值时，所输入的料面测定值就加到料面值的和上去。当接收强度信号的峰值小于设定值时，不把所输入的料面测定值加进去。这时，当加入次数达一该设定值时，熔渣料面平均值就通过将料面值的和除以加入次数计算出来。然后，将料面值的和置零，为下一次的平均运算作好准备。这时过程就返回到第一步骤，于是就可以进行下一个信号输入操作。当加入次数没有达到设定值，过程就直接返回到下一个信号输入操作。
在本实施例中，一系列平均值运算处理是由个人计算机进行的，熔渣料面平均值传送到阴极射线管显示装置28中。
权利要求
1.一种炉内熔渣料面测定法，其特征在于包括下列步骤在转炉精炼期的第一和中间阶段中，通过在所述转炉炉罩上形成的一个孔将微波雷达天线插入转炉中，以便测定熔渣料面；和在所述转炉精炼期的最后阶段将所述天线退出所述孔，并通过所述孔将副氧枪插入转炉中，以便进行各种测量。
2.根据权利要求1所述的炉内熔渣料面测定法，其特征在于，通过所述天线发射以伪随机信号调制过的微波，接收从熔渣表面反射回来的该微波反射波，测定微波在所述天线与所述熔渣表面之间往返传播的时间，然后根据测出的微波往返传播时间求出熔渣料面。
3.一种炉内熔渣料面测定仪，其特征在于包括一个副氧枪和一个天线，它们可转动并可上下移动地附在一个梁上，从而可将其通过所述副氧枪用的孔而插入转炉中;和一个微波雷达，连接到所述天线上。
4.一种炉内熔渣面测定仪，其特征在于包括第一旋转器，固定在一个梁上;第一支撑构件，连接到所述第一旋转器上，使其可由所述第一旋转器带动它绕所述梁转动;第一升降机构，连接到所述第一支撑构件顶部，用以控制连接到所述天线的波导的上下运动;第二旋转器，固定在所述梁上;第二支撑构件，连接到所述第二旋转器上，使其可由所述第二旋转器带动它绕所述梁转动，第二升降机构，连接到所述第二支撑构件顶部，用以控制一个副气枪的上下运动。
5.根据权利要求3所述的炉内熔渣料面测定仪，其特征在于，所述微波雷达发射以伪随机信号调制过的微波，接收从熔渣表面反射回来的微波反射波，测定微波在所述微波雷达与所述熔渣表面之间往返传播的时间，然后将测出的时间换算成距离。
6.根据权利要求5所述的炉内熔渣料面测定仪，其特征在于，所述微波雷达包括第一伪随机信号发生装置，用以输出第一伪随机信号;第二伪随机信号发生装置，用以输出型式与所述第一伪随机信号相同但频率与所述第一伪随机信号略有不同的第二伪随机信号;第一乘法器，用以将第一和第二伪随机信号彼此相乘起来;载波发生装置;发射装置，用以将基于所述第一伪随机信号的发射信号发射到熔渣表面;接收装置，用以接收从所述熔渣表面反射回来的信号，从而得出检测信号;第二乘法器，用以将所述接收信号与所述第二伪随机信号相乘起来，从而输出一个载波;一个检测装置，用以检测从所述第二乘法器输出的载波，从而输出接收强度信号;和时差测定装置，用以测定所述检测装置输出的所述检测信号的时间序列图与所述第一乘法器输出的乘积值的时间序列图这两者之间的时差。
7.根据权利要求6所述的炉中熔渣料面测定仪，其特征在于，所述微波雷达还包括一个载波发生装置，该装置产生作为用所述第一伪随机信号调制的发射信号的载波。
8.根据权利要求7所述的炉中熔渣料面测定仪，其特征在于，所述检测装置包括第一分配器，用以取出所述载波发生装置的一部分输出;一个混合耦合器，被供以所述第一分配器的输出，并用以将所述输出变换成一个同相分量，即I信号，和一个正交分量，即Q信号，所述I和Q信号的相位彼此正交;第二分配器，用以将所述第二乘法器的输出分配成两个信号，即R1和R2信号;第三乘法器，用以将所述混合耦合器所输出的I信号和所述第二分配器所输出的所述R1信号相乘起来;和第四乘法器，用以将所述混合耦合器所输出的Q信号与所述第二分配器所输出的所述R2信号相乘起来。
9.根据权利要求7所述的炉中熔渣料面测定仪，其特征在于，所述时差测定装置包括第一低通滤波器，被供以所述第一乘法器的输出，从而限制其频带;第二和第三低通滤波器，分别被供以所述第三和第四乘法器的输出信号，从而分别独立地限制其频带;第一和第二方波脉冲发生器，分别被供以所述第二和第三低通滤波器的输出信号，从而分别独立地进行削方操作;一个加法器，用以将所述第一和第二方波脉冲发生器各自的输出信号彼此相加起来;和一个测时器，用以测定所述第一低通滤波器的输出信号达到最大值时与所述加法器的输出信号达到最大值时这两者之间的时间间隔。
10.根据权利要求7所述的炉中熔渣料面测定仪，其特征在于，各所述第一和第二伪随机信号发生装置包括一个计数器，用以对时钟脉冲信号进行计数，从而输出计数值;一个存储装置，在利用供自所述计数器的计数值作为地址的同时，读取存储在其中的数据;和一个信号变换器，用以将所读出的存储数据变换成作为其输出的三值信号;并且所述接收装置能随着时间的推移与伪随机信号的周期同步地改变信号接收灵敏度。
11.根据权利要求7所述的炉内熔渣料面测定仪，其特征在于，还包括一个信号强度变换器，该信号强度变换器插在所述发射装置与所述发射天线之间或所述接收天线与所述接收装置之间，用以根据从所述检测装置输出的一个接收强度信号在输出一个输入微波强度信号的同时改变所述输入微波强度信号。
12.根据权利要求11所述的炉中熔渣料面测定仪，其特征在于，它还包括一个均化操作装置，用以均化料面测定值信号。
13.根据权利要求12所述的炉中熔渣料面测定仪，其特征在于，所述均化操作装置具有进行均化操作的功能，同时每当所述接收强度信号的值低于一个给定值时忽略所述料面测定值。
全文摘要
一种炉内熔渣料面测定法及其所使用的测定仪。将一个副氧枪和微波雷达的一个天线彼此可互换地配置，以便可将该副氧枪和天线交替地插入转炉中或从转炉中移出。天线是在转炉精炼期的第一和中间阶段插入炉中从而测定熔渣料面，副氧枪插入转炉中则是便于进行各种测定。
文档编号G01S13/06GK1055391SQ9110203
公开日1991年10月16日 申请日期1991年3月28日 优先权日1990年3月30日
发明者长栋章生, 手浩一, 小峰勇, 栗山伸二, 白谷昌纪, 井上明彦 申请人:日本钢管株式会社