JP7516579B2 - アンテナグレーティングセンシングシステム - Google Patents

Description

本発明は、材料の状態を評価するためのシステムに関する。より具体的には、本発明は、無線周波数信号を使用して耐火材料の状態を監視および決定するためのセンシングシステムに関する。

無線周波数信号を使用して、特定の材料の形成中および形成後に特性を測定するために、様々な業界で多数の評価および監視システムが開示されている。材料の表面特性、内部均一性、厚さ、侵食速度は、監視と評価が必要な重要な属性の一部である。

より大きな規模では、ガラス、鉄鋼、プラスチック産業などのいくつかの産業では、大きな炉を使用して、処理に使用される原材料を溶かす。これらの炉は、２０階建ての建物の高さに相当する長さに達し得る。したがって、それらは、コストと運用機能の点で製造業者にとって重要な資産である。高い動作温度での内部熱損失を最小限に抑えるために、これらの炉は、非常に高い溶融温度と優れた断熱特性を備えた耐火材料を使用して構築され、耐火溶融チャンバを作成する。しかしながら、炉の耐火チャンバの内壁は、運転中に劣化する。この劣化の影響は、内面浸食、応力亀裂、および溶融材料への耐火材料の拡散を含む。一方、耐火材料が時間の経過とともに劣化するにつれて、溶融材料が耐火材料に浸透して劣化プロセスが加速し、耐火壁から溶融材料が漏れる危険性が高くなり、破壊的な結果をもたらす可能性がある。

特に、炉壁などの材料の厚さを測定するためにマイクロ波信号を使用することは、Ｗｏｓｋｏｖらの米国特許第６，１９８，２９３号、およびＷａｌｔｏｎらの米国特許第９，２５５，７９４号に記載されているように、従来技術で対処されてきた。しかしながら、これらの取り組みは、特定の課題と制限に直面している。特に、高温の炉の炉壁の厚さを決定しようとする試みは、特に、比較的高い周波数帯域で耐火材料の内面を評価する際に大きな信号損失が発生するため、一般に成功していない。同様に、比較的低い周波数帯域でも信号に損失が生じ、既存のシステムが必要とする帯域幅と解像度の点で制限される。

さらに、システムコンポーネントを評価対象の耐火材料の表面近くに配置すると、スプリアス信号の反射により、目的の反射信号を分離することが困難になり、そのような材料の内面または内部の状態の評価がさらに複雑になる。主な課題は、温度が上昇するにつれて炉壁の導電性が高くなることである。したがって、高温の炉壁を通過する信号は、これらの信号の検出を非常に困難にする重大な損失を経験する。さらに、ほとんどの場合、監視センサは、評価中の耐火材料に直接物理的にアクセスする必要があり、近くにある特定の物体、特に、金属材料でできた物体の存在に敏感である。

Ｂａｙｒａｍらの米国特許第１０，１５１，７０９号、Ｒｕｅｇｅらの米国特許第９，８８０，１１０号、およびＢａｙｒａｍらの米国特許第１０，０５４，３６７号に記載されているように、耐火材料の評価に伴うスプリアス信号の損失およびレベルを低減することにより、電磁波を使用して材料の状態を評価するためのさらなる努力がなされてきた。しかしながら、これらのシステムは、主に、受信信号に関連するクラッタの抑制に使用される電磁波の多重反射効果を軽減することを目的としている。さらに、これらの試みは、追加された、または長年の運転後に炉に追加される支持構造との統合を欠くスタンドアロンシステムに焦点を当てており、測定データからの情報抽出を最大化するためのソフトウェアがさらに必要であり、アクセスが困難な領域にアクセスするという課題に直面したり、または産業環境での炉の感知を妨げる。その結果、これらのシステムは、炉の支持構造または監視システム自体への大幅な変更のサポートなしでは、その運用寿命を最適化するために工業炉などの大きな資産を監視および評価できない。

現在、周囲の耐火材料への溶融材料の浸透速度を決定論的かつ効果的に測定して、外部支持構造を有する膨大な数の炉の稼働寿命と保守計画の両方を最適化する、十分に確立された統合システムはない。さらに、炉の老朽化に伴い、より多くの支持構造が設置されるため、この数は大幅に増加すると予想される。その結果、製造業者は、炉壁からの溶融材料の予想外の漏れを経験するか、炉の期待寿命に関する製造業者の経験に基づいて、潜在的な漏れの可能性を減らすために再構築のために保守的に炉をシャットダウンし得る。炉の寿命は、稼働年数、平均稼働温度、加熱と冷却の温度速度、稼働温度範囲、稼働サイクル数、および耐火材料の種類と品質、炉内で使用される溶融材料の負荷と種類など、様々な要因の影響を受ける。これらの要因のそれぞれは、炉の期待寿命の正確な見積もりを作成することを困難にする不確実性の影響を受ける。

特に、高温での溶融ガラスなどの溶融材料の流れは、耐火材料の内面を侵食して劣化させ、耐火壁を通して溶融ガラスが漏れる危険性が高くなる。炉壁の隙間や亀裂から溶融ガラスが大量に漏れた場合、炉を冷却して修理し、再度点火する必要があるため、炉を稼働モードに戻すには少なくとも３０日間の生産中断が必要になり得る。さらに、溶融ガラスの漏れは、炉の周りの機器に重大な損傷を与える可能性があり、最も重要なことには、労働者の健康と生命を危険にさらす可能性がある。これらの理由から、ほとんどの場合、炉のオーバーホールは必要以上に早い時期に実施される。これは、製造業者にとって、初期投資と、炉の稼働寿命全体にわたる生産能力の低下という点で、かなりのコストにつながる。

もう１つの重要な問題は、炉の耐火チャンバを構築するために使用される材料に、表面検査では見えない内部欠陥があり得ることである。これは、炉の寿命を短くし、炉の稼働中に深刻なリスクをもたらし得る。したがって、炉の故障の影響を最小限に抑え、炉の稼働寿命を延ばすために炉のオペレータが使用する一般的な方法は、炉の外壁を囲むグレーティング構造を構築することである。典型的には、このグレーティングは、グリッドを形成するために実質的に平行および垂直に配置された、鋼または比較的高い導電率を有する材料で作られたプレートまたはバーなどの一連の要素からなる。

グレーティングは、特に、ガラス炉で使用され、耐火壁の劣化だけでなく、予防または修正保守対策として炉に設置された追加の耐火物にも構造的なサポートを提供する。さらに、グレーティングは、熱を吸収および放散することにより、耐火材料の冷却に貢献する。しかしながら、隣接する要素間のグレーティング間隔は数センチメートル程度に小さい場合があり、その結果、無線周波数信号を使用するほとんどのセンサで必要とされる炉壁への直接アクセスが困難になるか、グレーティング間隔の寸法内に物理的に収まらないセンサの信号が妨害される。センサをグレーティングと結合して、センサ単独の場合と比較して検出機能を潜在的に改善する機会がある。したがって、アンテナなどのセンサと、炉の耐火材料を囲む既存または設置予定のグレーティングを効果的に統合することは、炉の稼働寿命と保守計画の両方を最適化するための鍵となる。

したがって、従来技術のシステムの問題を回避する伝搬無線周波数信号の測定を通じて、そのような耐火材料の状態を遠隔で評価できるシステムが当技術分野で依然として必要とされている。

耐火炉の一部を形成する材料の状態を評価および監視し、炉の一部であり得るアンテナおよびグレーティング構造を統合する改良されたセンシングシステムが本明細書に開示される。例示的な実施形態の１つまたは複数の態様は、従来技術の欠点を回避しながら利点を提供する。このシステムは、無線周波数信号を使用して、工業炉の耐火材料を含む（非限定的な例として）様々な材料の傷を識別し、侵食プロファイルおよび厚さを測定するように動作する。このシステムは、炉の外部壁に隣接するグレーティングとアンテナを統合するように設計されており、アクセスが困難な領域であっても、炉の検査中にアンテナのみの場合と比較して、センシングシステムの全体的な性能を向上させる。さらに、このシステムは、アンテナを炉のグレーティングに物理的に取り付けるか、アンテナの周りのグレーティング構成を変更してシステムの性能を改善し、炉の残りの稼働寿命と保守計画をより適切に推定するためのメカニズムを備えている。

アンテナグレーティングセンシングシステムは、アンテナをその表面に隣接して（すなわち、物理的に接触して）配置することによって、評価される材料の表面に無線周波数信号を送信するために使用される。無線周波数信号は、材料を透過し、離れた不連続点から反射する。空隙、欠陥、評価される材料内部の異なる材料の存在、および材料と空気または他の材料との界面は、離れた不連続性を表し得る。反射された無線周波数信号は、同じアンテナまたは別のアンテナによって受信され、送信信号またはアンテナと評価される材料の表面との間の不連続性から反射された信号を基準として使用して、処理およびタイミングがとられる。

通常、受信信号は、望ましくないクラッタを含む。クラッタの大きさが材料の離れた不連続点から反射される信号の大きさよりも小さい場合、そのような不連続点からアンテナに隣接する材料の表面までの距離を決定することが可能である。材料の領域に対する１つまたは複数の評価により、各評価での材料の残留厚さと材料内部の傷の位置が提供され、材料の遠隔表面の侵食プロファイルが作成される。

本発明では、アンテナは、典型的には導電性材料でできている炉グレーティングに電磁気的に結合される。その結果、アンテナと共にグレーティングは、放射構造の一部となり、アンテナのみの有効開口と比較してアンテナグレーティングシステムの有効開口を増加させる。これは、アンテナグレーティングシステムの有効なアンテナゲインを高めることにつながる。さらに、アンテナグレーティング結合により、アンテナ縁部が効果的に拡張される。したがって、伝搬する電磁波がアンテナの縁部に衝突することによって生成されるリンギング信号は、遅延され、レベルが低下する。これは、望ましくない効果をフィルタリングするプロセスを容易にし、クラッタのレベルを減らし、受信信号の信号対クラッタ比を改善することにつながる。その結果、システムが処理する信号のダイナミックレンジが増加し、システムの低い信号レベルを検出する能力が向上する。

さらに、炉グレーティングをアンテナに物理的に接続するために、異なる取り付け機構をアンテナに組み込み得る。さらに、アンテナを囲むグレーティングは、アンテナグレーティングセンシングシステムの性能を向上させるために、グレーティングピースを追加または削除することによって再構成され得る。したがって、ダイナミックレンジを拡大し、受信信号の信号対クラッタ比を低減することにより、統合されたアンテナグレーティングセンシングシステムは、周囲の材料への溶融材料の浸透速度を決定する能力を向上させる。その結果、システムは、評価中の材料内の異質材料の存在の改善された視覚化を可能にし、絶縁材料への溶融材料の浸透を早期に検出できるようにする。

したがって、炉の余寿命の推定がより有効になり、実質的に炉の寿命を延ばすことができる。これにより、より効果的かつ正確なスケジューリングが可能になり、炉の修理、廃止措置、または交換の費用のかかるプロセスを最適化するとともに、操業停止または溶融材料の漏れのリスクレベルを大幅に削減できる。

炉壁に隣接するグレーティングを備えたアンテナをセンシングシステムに統合することにより、収集されるデータの品質が大幅に向上する。これは、標準的な技術と比較して、炉の稼働状態に関連する１つまたは複数の状態のより効果的な評価、監視、診断、または追跡に変換され、システムは、欠陥の位置を特定および決定する能力を向上させることができ、工業炉などの高価で潜在的に危険な資産の保守スケジュールを最適化できる。

本発明の多数の利点は、添付の図面を参照することによって当業者によってよりよく理解され得る。

構成の特定の態様に従って、被試験ユニットの状態を評価および監視するために使用されるアンテナグレーティングセンシングシステムの概略正面図を示している。 アンテナの１つの縁部がグレーティングに物理的に直接結合する、他の構成の特定の態様に従って、被試験ユニットの状態を評価および監視するために使用されるアンテナグレーティングセンシングシステムの概略側面図を示している。 アンテナの２つの縁部がグレーティングに物理的に直接結合する、他の構成の特定の態様に従って、被試験ユニットの状態を評価および監視するために使用されるアンテナグレーティングセンシングシステムの概略側面図を示している。 アンテナの２つの縁部が結合機構を介してグレーティングに物理的に結合する、他の構成の特定の態様に従って、被試験ユニットの状態を評価および監視するために使用されるアンテナグレーティングセンシングシステムの概略側面図を示している。 様々なシナリオの下で稼働中の炉に設置された耐火材料の評価に対応する、時間の関数としてのクラッタとノイズの測定された電力レベルのグラフを示している。

以下の説明は、本発明の実装を実施できるようにするために設定された本発明の特定の実施形態に関するものであり、好ましい実施形態を限定することを意図するものではなく、その特定の例として役立つことを意図している。当業者は、本発明の同じ目的を実行するための他の方法およびシステムを変更または設計するための基礎として、開示された概念および特定の実施形態を容易に使用できることを理解すべきである。当業者はまた、そのような均等のアセンブリが、その最も広い形態における本発明の精神および範囲から逸脱しないことを理解すべきである。

本発明の構成の特定の態様によれば、被試験ユニット（ＵＵＴ）１６を評価および監視または検査する典型的な用途に使用されるアンテナグレーティングセンシングシステム１０の概略正面図が図１に示されている。アンテナグレーティングセンシングシステム１０は、矩形断面を有する角錐ホーンアンテナなどのアンテナ１２と、グレーティング１４とを備える。アンテナ１２は、好ましくは、０．２５ＧＨｚ～３０ＧＨｚの周波数帯域内の周波数範囲内で、その領域から対応する１つまたは複数のＥＭ波を受信するだけでなく、アンテナ１２の周囲の領域に１つまたは複数の電磁（ＥＭ）波を送信できる。

さらに、アンテナ１２は、この複数のＥＭ波の時間領域表現が、例えば、ガウス、レイリー、エルミート、またはラプラシアンパルスなどの短い持続時間の無線周波数（ＲＦ）信号、またはそれらの組み合わせに対応するように、複数のＥＭ波を周波数領域で送信し得る。あるいは、アンテナ１２は、ガウス、レイリー、エルミート、またはラプラシアンパルスなど、またはそれらの組み合わせとして、時間領域で直接、そのようなタイプのパルスを送信し得る。

この構成では、グレーティング１４は、鋼などの比較的高い導電率を有する材料で作られたプレートまたはバーなどの要素のセットからなり、グリッドを形成するために実質的に平行および垂直に配置される。より具体的には、セル１８など、同じ寸法を有するいくつかの長方形（または正方形）のセルを画定する要素のセットの結果として、グレーティンググリッドは、均一である。セル１８などの各セルの面積は、第１の次元における２つの隣接する平行グレーティング要素間の距離、および第２の次元における２つの隣接する垂直グレーティング要素間の距離によって与えられる。

理想的には、グレーティング１４は、ＵＵＴ１６に隣接し、ＵＵＴ１６に構造的支持を提供する。しかしながら、実際には、グレーティングのゆがみや壁の粗さにより、最大１０ｍｍの小さな隙間が観察され得る。さらに、ＵＵＴ１６は、炉、炉の耐火外壁、またはガラス、鋼、およびプラスチック産業で使用される用途を代表する耐火材料の多層を含む構造を表すことが好ましい。これらの用途では、溶融材料を含むチャンバは、典型的には、熱損失および溶融材料の外部への漏れを防止するために、材料の複数の層で囲まれている。多くの場合、ＵＵＴ１６は、ＵＵＴ１６の周囲で作業する作業員や機器に対するさらなる安全対策として、グレーティング１４によって構造的に支持されている。

当業者は、グレーティング１４が、セルが異なる寸法を有する不均一なグリッドから構成され得ることを理解するであろう。あるいは、グレーティング１４の要素のセットは、グリッドを形成せずに、平行にのみ、または垂直にのみ配置され得、セルは、第１の次元における隣接する２つの要素間の間隔と、第２の次元におけるこれら２つの要素のうち小さい方のサイズとによって画定される。一般に、グレーティング１４の隣接する要素間の分離は、最大１００ミリメートル以上であり得る。

通常、アンテナ１２は、ＲＦ送信機およびＲＦ受信機からなるＲＦトランシーバと、アンテナ１２によって受信されたＥＭ波またはＲＦ信号からデータを測定および収集することができる、実行可能なコンピュータコードまたはソフトウェアを搭載したコンピュータベースのプロセッサ、および収集されたデータに関連する情報を格納するデータ記憶ユニットの両方を備える制御ユニットとに電気的に接続されている。検査プロセスの間、アンテナ１２は、一方では、アンテナ１２によって送信された信号が、検査されるＵＵＴ１６の領域に発射され、他方では、ＵＵＴ１６によって反射されたアンテナ１２によって送信された信号がアンテナ１２によって受信され得るように、ＵＵＴ１６の近くに、好ましくは、ＵＵＴ１６に隣接して配置される。

この特定の構成では、アンテナ１２は、グレーティング１４のセル１８などのセルの領域内に配置される。これにより、アンテナ１２をＵＵＴ１６に隣接して配置できる。さらに、これにより、グレーティング１４の任意の要素が、動作中にアンテナ１２によって送信または受信されるＥＭ波またはＲＦ信号と干渉することが防止される。さらに、アンテナ１２は、好ましくは、アンテナ１２がグレーティング１４に電磁気的に適切に結合するように、グレーティング１４から、アンテナ１２によって送信されるＲＦ信号の最大周波数に対応する波長の５パーセント以内に配置される。しかしながら、最も好ましくは、アンテナ１２は、グレーティング１４と直接物理的に接触している。

グレーティング１４とアンテナ１２との間の強力な電磁結合により、グレーティング１４は、アンテナ１２と共に放射構造の一部となり、アンテナ１２単独の場合と比較して、アンテナグレーティングシステム１０の開口および放射利得を効果的に増加させる。同様に、アンテナ１２をグレーティング１４と結合してアンテナグレーティングシステム１０を形成することにより、アンテナ１２のサイズは、アンテナ１２の実際の物理的縁部を超えて効果的に拡張される。したがって、アンテナの縁部を伝搬するＥＭ波によって生成されるリンギング信号は、遅延され、レベルが低下する。これにより、望ましくない効果のフィルタリングが促進され、受信されたクラッタのレベルが減少し、受信信号の信号対クラッタ比が改善される。その結果、システムによって処理される信号のダイナミックレンジが大幅に増加し、より低い信号レベルを検出する能力が向上し得る。

したがって、改善された送信信号と、アンテナ１２とグレーティング１４とを組み合わせてアンテナグレーティングシステム１０を形成することによって測定された改善された信号の両方に基づいて、ＵＵＴ１６の改善された状態を決定し得る。引き続き図１を参照すると、ＲＦトランシーバおよび制御ユニットのコンポーネントは、これらのコンポーネントがこの構成の説明にとって重要ではないため、示されていないことに留意されたい。

図２ａは、本発明の他の構成の特定の態様に従って、ＵＵＴ２４の厚さまたは傷などの状態を評価および監視するために使用されるアンテナグレーティングセンシングシステム２０の概略側面図を示し、グレーティング要素２６ａおよび２６ｂと、グレーティング要素２６ａと２６ｂとの間に配置されたアンテナ２２とを備え、グレーティング要素２６ａは、アンテナ２２の縁部２５ａの少なくとも１つの点に直接物理的に結合される。

具体的には、図２ａにおいて、アンテナ２２は、矩形断面を有する角錐ホーンアンテナからなる。アンテナ２２は、平面部分および第１のフレアプレート２３ａのこのような平面部分の対向する側縁部に沿った２つのフレア部分を有する第１のフレアプレート２３ａと、第１のフレアプレート２３ａに対向して配置された第２のフレアプレート２３ｂとを備え、第２のフレアプレート２３ｂは、平面部分および第２のフレアプレート２３ｂのこのような平面部分の対向する側縁部に沿った２つのフレア部分を備える。第１のフレアプレート２３ａは、第１のフレアプレート２３ａのそのような平面部分の側縁部に実質的に垂直な側縁部２５ａをさらに備える。同様に、フレアプレート２３ｂは、第２のフレアプレート２３ｂのそのような平面部分の側縁部に実質的に垂直な側縁部２５ｂをさらに備える。好ましくは、第１のフレアプレート２３ａと第２のフレアプレート２３ｂの寸法は同一である。さらに、第１のフレアプレート２３ａの厚さおよび／または第２のフレアプレート２３ｂの厚さは可変であり得、第１のフレアプレート２３ａおよび／または第２のフレアプレート２３ｂの厚さ対長さの比は、典型的には１５％～８５％の範囲内である。

より好ましくは、アンテナ２２は、第１のフレアプレート２３ａと第２のフレアプレート２３ｂとの間の、第１のフレアプレート２３ａと第２フレアプレート２３ｂとの対向する側縁部に沿って２つのフレア部分を越えて延在する体積領域の少なくとも一部に配置された材料２８をさらに備える。最も好ましくは、通常の動作条件下で、固体セラミック充填物を含む材料２８のインピーダンスは、耐火材料を含むＵＵＴ２４のインピーダンスと実質的に一致して、材料２８とＵＵＴ２４との間の媒体不連続性を平滑化する。これは、従来技術で周知の方法を使用して、様々な温度で耐火材料の誘電特性を測定することによって予め決定され得る。あるいは、耐火材料の製造業者は、異なる温度での材料の誘電特性に関するデータを提供し得る。これらのデータは、材料のインピーダンスを決定するために使用され得る。

耐火材料のインピーダンスは、主に、材料の比誘電率と材料の正接損失の両方によって決まる。典型的には、比誘電率は、材料の特定のタイプおよび材料の温度に応じて、１～２５の範囲であり得る。したがって、材料２８は、耐火材料のインピーダンスと実質的に一致するように、耐火材料の誘電率と同様の比誘電率を有するように選択され得る。材料２８の物質の状態は、空気、液体、または固体であり得る。好ましくは、充填材料は、動作の最大周波数に対応して、各粒子の最大寸法が波長の５パーセント以下であることが望まれる固体粉末または粒状材料の混合物である。より好ましくは、材料２８は、材料の固体セラミック片などである。代替的に、材料２８は、層が任意の隣接する層の充填材料の誘電率とわずかに異なる誘電率を有し、ＵＵＴ１４の耐火材料のインピーダンスに徐々に適応する構成で異なる誘電率の複数の層を構造化するように積層され得る。

必要に応じて、アンテナ２２の縁部２５ａおよび２５ｂに蓋またはキャップを配置して、アンテナ２２の操作または動作中に材料２８がアンテナ２２内で変位するのを支持、保護、および防止し得る。当業者は、アンテナ２２の縁部２５ａおよび２５ｂに配置されたキャップが、キャップと材料２８との間の実質的なインピーダンス不整合を防止するために、材料２８と同様の誘電特性を有する材料で作られなければならないことを理解するであろう。

さらに、さらに図２ａを参照すると、アンテナ２２は、ＵＵＴ２４に隣接して、２つの隣接するグレーティング要素２６ａおよび２６ｂの間に配置されることが好ましい。より好ましくは、アンテナ２２は、グレーティング要素２６ａの一点に直接物理的に結合される。最も好ましくは、アンテナ２２の縁部２５ａは、グレーティング要素２６ａと物理的に接触している。

図２ｂは、本発明のさらに他の構成の特定の態様による、ＵＵＴ２４の厚さまたは傷などの状態を評価および監視するために使用されるアンテナグレーティングセンシングシステム２０の概略側面図を示し、グレーティング要素２６ａおよび２６ｂと、グレーティング要素２６ａおよび２６ｂとの間に配置されたアンテナ２２とを備え、グレーティング要素２６ａおよび２６ｂは、それぞれ、アンテナ２２の縁部２５ａおよび２５ｂの少なくとも１つの点に直接物理的に結合される。さらに、アンテナ２２は、好ましくは、ＵＵＴ２４に隣接して、２つの隣接するグレーティング要素２６ａおよび２６ｂの間に配置される。より好ましくは、アンテナ２２の縁部２５ａおよび２５ｂは、それぞれグレーティング要素２６ａおよび２６ｂと物理的に接触している。

図２ａおよび図２ｂの構成を参照すると、隣接するグレーティング要素２６ａおよび２６ｂは、第１の次元におけるグレーティング要素２６ａおよび２６ｂ間の間隔と、第２の次元における２つのグレーティング要素２６ａおよび２６ｂのうち小さい方の長さとによって与えられるサイズを有するグレーティングセルを画定する。

さらに他の構成では、図３は、ＵＵＴ３４の厚さまたは傷などの状態を評価および監視するために使用される、アンテナグレーティングセンシングシステム３０の概略側面図を示している。アンテナグレーティングセンシングシステム３０は、グレーティング要素３６ａおよび３６ｂ、グレーティング要素３６ａおよび３６ｂの間に配置されたアンテナ３２、ならびに結合機構３８ａおよび３８ｂを備える。特に、この構成では、アンテナ３２の縁部３５ａは、結合機構３８ａを介してグレーティング要素３６ａに物理的に直接結合される。同様に、アンテナ３２の縁部３５ｂは、結合機構３８ｂを介してグレーティング要素３６ｂに物理的に直接結合される。

さらに、アンテナ３２は、好ましくは、ＵＵＴ３４に隣接して、２つの隣接するグレーティング要素３６ａおよび３６ｂの間に配置される。より好ましくは、結合機構３８ａ、３８ｂは、導電性材料で作られ、アンテナ３２の縁部３５ａ、３５ｂとそれぞれ物理的に接触している。最も好ましくは、結合機構３８ａは、アンテナ３２に機械的に取り付けられ、アンテナ３２の縁部３５ａに沿って物理的および電気的に結合する。同様に、結合機構３８ｂは、アンテナ３２の縁部３５ｂに沿って物理的および電気的に結合するために、アンテナ３２に機械的に取り付けられることが最も好ましい。

したがって、さらに図３を参照すると、結合機構３８ａ、３８ｂは、アンテナ３２の縁部３５ａ、３５ｂの物理的サイズをそれぞれ拡張する。好ましくは、結合機構３８ａ、３８ｂは、アンテナ３２の縁部３５ａ、３５ｂに取り付けられる第１の端部と、アンテナ３２の縁部３５ａ、３５ｂから離れて後方に延びる第２の端部とを有する、柔軟で導電性の材料で作られた湾曲したフランジを備える。より好ましくは、結合機構３８ａ、３８ｂは、アンテナ３２の縁部３５ａ、３５ｂにボルト止めされたヒンジなどを使用してアンテナ３２に取り付けられる。最も好ましくは、結合機構３８ａ、３８ｂは、アンテナ３２の縁部３５ａ、３５ｂから後方および離れる方向に可動範囲にわたって部分的に曲がり、アンテナ３２の縁部３５ａ、３５ｂから可変距離に配置され得るグレーティング要素３６ａ、３６ｂに物理的に結合する。さらに、結合機構３８ａ、３８ｂは、グレーティング要素３６ａ、３６ｂにより効果的に物理的に結合するように曲がる間、物理的抵抗を提供する。通常、アンテナ３２の縁部３５ａ、３５ｂとグレーティング要素３６ａ、３６ｂとの間の隙間は、数ミリメートルから３０ミリメートルまで変化し得る。したがって、結合機構３８ａ、３８ｂを備えるフランジのサイズは、１０～３５ミリメートルのオーダーであることが好ましいが、より大きなまたはより小さな寸法を有するフランジも使用され得る。

当業者は、結合機構をアンテナに機械的に取り付けるために、剛性フランジまたはプレートおよび少なくとも１つの機械的ばねなどの可撓性フランジに加えて、他のタイプの結合機構、および留め具、ねじ、接着剤、溶接、釘、フックなどを含む確実な機械的取り付け、またはそれらの組み合わせが実施され得ることを理解するであろう。同様に、ホーンアンテナ以外の異なるタイプのアンテナ、および／または滑らかな丸められた縁部を有するまたは有しないアンテナを、上述のアンテナグレーティングセンシングシステムで使用し得る。より具体的には、４枚のフレアプレートを有するホーンアンテナ、円錐形などの非角錐形ホーンアンテナ、または、楕円形の断面など、非長方形の断面を有するホーンアンテナを使用し得る。同様に、長方形または非長方形のセルを有する均一または不均一なグレーティングセルサイズを、上述のアンテナグレーティングセンシングシステムの一部として使用し得る。

図４は、図２ａおよび２ｂを参照して上述したようなアンテナを使用して、稼働中の炉に設置された耐火材料に対応する測定データのグラフを示している。この場合、耐火材料は傷がなく、傷からの反射信号がなく、遠隔媒体の不連続からの反射信号が大幅に減衰するように十分に厚いものを選択した。したがって、図４は、様々なシナリオでの時間の関数として測定されたクラッタとノイズの電力レベルを示している。

図４を参照すると、点線の曲線１２は、試験中の耐火材料の隣にグレーティングがない場合の時間の関数としてのクラッタとノイズの測定された電力レベルを表している。一方、破線の曲線１４は、試験中の耐火材料の隣に配置されているが、アンテナがグレーティングに効果的に結合しないように、アンテナから物理的に分離されているグレーティングの存在下での時間の関数としてのクラッタとノイズの測定された電力レベルを表している。最後に、実線の曲線１６は、試験中の耐火材料の隣に配置されたグレーティングの存在下で、時間の関数としてクラッタとノイズの測定された電力レベルを表しており、アンテナの一方の縁部は、アンテナが適切にグレーティングに結合するように、グレーティングと直接物理的に接触している。

図４で、ゼロに等しい基準時間は、アンテナと耐火材料との間の接触位置に対応する。したがって、対象の反射信号を検出するための対象のタイムスロットは、ゼロ時間基準から約２ナノ秒までであり、これは、比誘電率として９の値を有する厚さ１０ｃｍの耐火材料または同等の評価に対応する。図４に見られるように、曲線１４（アンテナに結合されていないグレーティングの存在）に対応するクラッタとノイズの測定された電力レベルは、関心のある領域内で曲線１２（グレーティングの不在）に比べてかなり大きい（最大２０ｄＢ以上）。これは、グレーティングが存在するだけでは、アンテナグレーティングセンシングシステムの性能を向上させるのに十分ではないだけでなく、性能を低下させる可能性があることを意味する。逆に、曲線１６（アンテナに結合されたグレーティングの存在）に対応するクラッタとノイズの測定された電力レベルは、関心のある領域内で、曲線１２（グレーティングの不在）と比較して最大１０ｄＢ以上低くなる。これは、アンテナの少なくとも１つの縁部をグレーティングに物理的に結合することにより、グレーティングとアンテナを適切に結合することによって、アンテナ単独（グレーティングの不在の場合）の性能と比較して、アンテナグレーティングシステムの性能の大幅な改善が達成され得ることを意味する。

さらに、システムノイズは、グレーティングの有無に関わらずほぼ同じであるため、図４で観察されたクラッタとノイズレベルの減少は、主にクラッタレベルの減少に対応する。したがって、測定されたデータによれば、上述のアンテナグレーティングセンシングシステムは、クラッタを１０ｄＢ以上低減できる。したがって、炉または同様の資産にグレーティングシステムが設置されていない場合でも、そのような資産の監視、評価、保守、および／または寿命の最適化を改善するためだけにアンテナグレーティングシステムを導入することは、資産運用者にとって非常に有益であり得る。

当業者は、モノスタティック構成またはマルチスタティック構成のいずれか、ならびに他のタイプの同じタイプの複数のアンテナを使用し得ることを理解するであろう。さらに、１つまたは複数のアンテナを様々な場所に恒久的または一時的にその場で設置し、特にアクセスが困難な領域でグレーティング構造に電磁気的に結合できる。場合によっては、これらのアンテナは、炉の建設中または修理プロセス中に設置することが好ましい。さらに、アンテナグレーティングシステムによって収集されたデータの解析は、１つまたは複数の技術を使用するデータおよび画像処理アルゴリズムの両方の使用を含み得る。これらの技術は、データ処理のためのフーリエ変換、スペクトル解析、周波数および時間領域応答解析、デジタルフィルタリング、畳み込みと相関、デシメーションと補間、適応信号処理、波形解析、およびデータウィンドウと位相アンラッピング、画像処理のための時間領域、逆投影、遅延と和、合成開口レーダイメージング、逆伝播、逆散乱、および超解像、微分イメージングの適用の有無にかかわらずなどを含む。

本明細書では、様々な実施形態が例示的に説明されてきたが、使用される用語は、限定ではなく説明の言葉の性質を意図していることを理解されたい。本明細書で開示される任意の実施形態は、他の実施形態の１つまたは複数の態様を含み得る。例示的な実施形態は、他の当業者が本発明を実施できるように、本発明の原理のいくつかを説明するために説明された。明らかに、上記の教示に照らして、本発明の多くの修正および変形が可能である。本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的均等物の範囲内で、本明細書に具体的に記載されている以外の方法で実施され得る。

Claims (14)

1. 材料の状態を評価するためのセンシングシステムであって、
   ａ．評価される前記材料の表面上への第１の無線周波数信号の送信を可能にし、評価される前記材料の前記表面から受信される第２の無線周波数信号の受信を可能にするように構成されるアンテナであって、前記アンテナは、評価される前記材料に最も近い点において、評価される前記材料の前記表面のインピーダンスと実質的に一致するインピーダンスを有するように物理的構成を提供され、前記アンテナは、前記材料の前記表面に等角であるように適合され、
   ｂ．前記第１の無線周波数信号の動作周波数および前記第２の無線周波数信号の動作周波数で導電性である複数の要素を備えるグレーティング構造であって、前記複数の要素のうちの少なくとも２つは、評価される前記材料の前記表面に隣接して互いに実質的に平行に配置され、
   前記アンテナと前記グレーティングの前記要素の少なくとも１つは、結合機構を介した物理的な結合、および電磁気的な結合からなるグループから選択される方法で結合され、
   前記評価される材料は炉壁の耐火材料である、
   システム。
2. 前記アンテナは、前記第２の無線周波数信号の検出を可能にするのに十分な程度まで、前記アンテナの一部からの前記第１の無線周波数信号および前記第２の無線周波数信号のうちの少なくとも１つの反射を低減するように物理的に構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記アンテナ内の体積領域は、誘電材料を備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記グレーティングの前記要素の前記少なくとも１つは、前記結合機構を介して、前記アンテナの縁部の少なくとも１点に物理的に直接に結合される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記グレーティングの前記要素のうちの前記少なくとも１つは、前記グレーティングの前記要素の前記少なくとも１つから、前記第１の無線周波数信号の最大周波数に対応する波長の５パーセント未満内に前記アンテナを配置することによって、前記アンテナに結合される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記グレーティング構造は、炉の一部である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記グレーティング構造の前記複数の要素は、少なくとも一次元で均一に離間されている、請求項１に記載のシステム。
8. 前記結合機構は、確実な機械的取り付けによって前記アンテナに機械的に取り付けられたフランジを備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記結合機構は、前記アンテナを前記グレーティングの前記要素の前記少なくとも１つに物理的に結合する少なくとも１つの機械的ばねを備える、請求項１に記載のシステム。
10. 前記結合機構は、前記アンテナと前記グレーティングの前記要素のうちの前記少なくとも１つとの間の間隔の隙間の範囲に亘って前記アンテナを前記グレーティングの前記要素のうちの前記少なくとも１つに物理的に結合するために、可動範囲に亘って屈曲可能である、請求項１に記載のシステム。
11. 評価される前記材料の前記状態は、前記材料の厚さ、前記材料の欠陥、および評価される前記材料への溶融材料の浸透レベルのグループから選択される、請求項１に記載のシステム。
12. 前記結合機構は、評価される前記材料の前記表面から離れて延びるように物理的に適合された少なくとも１つの縁部を有する、請求項１に記載のシステム。
13. 前記第１の無線周波数信号は、ガウスパルス、レイリーパルス、エルミートパルス、ラプラシアンパルス、およびそれらの組み合わせのグループから選択される、請求項１に記載のシステム。
14. 前記アンテナは、滑らかな丸められた縁部構成を有する少なくとも１つの縁部を備える、請求項１に記載のシステム。

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