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課題・解決手段

材料の状態を評価するための改良されたシステム及び方法が開示される。システム及び方法は、欠陥を特定し、電磁波を用いて耐火材料を含む異なる材料の浸食プロファイル及び厚さを測定するように稼働する。システムは、材料の遠隔の不連続から反射する関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、評価中の材料へ送出される電磁波の伝搬と関連する複数の反射を削減するように設計される。さらに、クラッタを削減し、関心の電磁波の分離を可能にする構造及び信号処理技術を用いる。さらに、ランチャは、評価中の材料とインピーダンス整合され、供給機構は、クラッタをさらに抑制するために複数の反射の効果を軽減するように設計される。

概要

背景

評価の方法及びシステムは、ある物質成形中及び成形後の性質を測定するために、種々の産業に存在する。表面の特性、内部の均一性、及び材料の厚さは、評価を必要とし得る重要な特性のいくつかである。特に、放射線コンテナの方向へ向けるセンサ及びエミッタを配置することによる非接触の反射の及び/又は吸収性の技術を用いるガラス及びプラスチックのコンテナの壁の厚さは、特許文献1に記載されるように先行技術において取り組まれてきた。しかしながら、これらの方法は、そのような放射のレベルにおいて大幅な損失被ること無く、又はそのような材料の外観表面のほんのひとつにさえ接近すること無く、それらの材料を通過することができる放射線を用いることにより、製造されたガラス及びプラスチックのコンテナの厚さを評価することが主な目的である。

より大きな規模では、ガラス、スチール及びプラスチック産業などのいくつかの産業は、加工のために用いられる原材料を溶かすための大きな炉を用いる。これらの炉は、20階のビルの高さに相当する長さに達し得る。よって、それらは、コスト及び稼働の機能性の観点で、製造業者にとって主要な資産である。高い稼働温度における内部の熱損失を最小にするために、これらの炉は、耐火融解チャンバを作り出すために、とても高い融解温度及び良好な断熱特性を有する耐火材料を用いて構成される。しかしながら、炉の耐火チャンバ内壁は、稼働中に劣化するものである。この劣化の効果は、内部表浸食ストレスクラック、及び融解材料への耐火材料の拡散を含む。

現在のところ、そのような炉の壁の厚さ及び浸食プロファイル確定的に測定する確立された方法はない。結果として、製造業者は、炉壁を通る融解材料の予期せぬ漏出、又は炉の予期される寿命についての製造業者の経験に基づいて、任意の起こり得る漏出の可能性を削減するために、炉を保守的に停止することのいずれかを経験する。炉の寿命は、稼働年数、稼働の平均温度、加熱及び冷却の温度レート、稼働の温度の範囲、稼働のサイクル数、並びに、炉で用いられる融解材料の重量及び種類に加えての、耐火材料のタイプ及び質を含む複数の要因により影響される。これらの要因のそれぞれは、炉の予期される寿命の正確な見積もりを作り出すことを困難にする不確実性を被る。さらに、高い温度において、融解ガラスなどの融解材料の流動は、耐火材料の内側表面を浸食し、及び劣化させ、並びに耐火壁を通る融解ガラス漏出に関する高いリスクを作り出す。炉壁内の隙間及びクラックを通る融解ガラスの主な漏出は、炉が稼働モードに戻ることができる前に、少なくとも30日の生産混乱を要することがある。炉が、それは、冷却され、修復され、及び再び点火される必要があるからである。さらに、融解ガラスの漏出は、炉の周辺機器へ重大な損害を引き起こし得、最も重要なことに、労働者の健康及び生活を危険にさらし得る。これらの理由から、ほとんどの場合において、炉のオーバーホールは、必要とされるよりも大幅に速い時点で行われる。これは、これらの初期投資、及び炉の稼働寿命にわたる生産能力の削減の観点で、製造業者への重大なコストにつながる。

別の重要な問題は、炉の耐火チャンバを構築するのに用いられる材料は、表面の検査では目視できない内部の欠陥を有し得ることである。これは、炉のより短い寿命につながり、炉の稼働の間に深刻なリスクをもたらし得る。したがって、一方で耐火材料の製造業者は、欠陥の無い材料を供給するための品質基準に従う、炉の構築のための材料を限定できるように、製造の間に材料を評価する手段を有したいと考える。他方で、耐火材料を購入する消費者は、炉を構築する前にそのような材料の内部検査を行う手段を有したいと考える。

過去の取り組みは、特許文献2及び特許文献3に記載されるように、炉の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用いて行われてきた。しかしながら、これらの取り組みは、ある課題及び限界に直面した。とりわけ、高温の炉の炉壁の厚さを判定するために行われた試みは、耐火材料の内側表面を評価することに関わる大きな信号損失のために、特に相対的に高い周波数帯域において、概して失敗に終わった。同様に、相対的に低い周波数帯域において、信号は、なお損失を経験し、存在するシステムに要求される周波数帯域及び解像度の観点で制限される。さらに、評価される耐火材料の表面へ近接するシステムコンポーネントの配置において、スプリアス信号反射は、関心の反射信号を分離することを困難にし、よって、内側表面又はそのような材料の内部のいずれかの状態の評価をさらに複雑にする。主な取り組みは、炉の壁が、温度上昇につれてより高い導電性を有するようになることである。それゆえに、高温の炉壁を通過する信号は、これらの信号の検出をとても困難にする重大な損失を経験する。

よって、先行技術のシステム及び方法の問題を回避する、伝搬する電磁波の測定を通しての、そのような耐火材料の状態を遠隔に評価することを可能にするシステム及び方法に関する技術のニーズが残る。

概要

材料の状態を評価するための改良されたシステム及び方法が開示される。システム及び方法は、欠陥を特定し、電磁波を用いて耐火材料を含む異なる材料の浸食プロファイル及び厚さを測定するように稼働する。システムは、材料の遠隔の不連続から反射する関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、評価中の材料へ送出される電磁波の伝搬と関連する複数の反射を削減するように設計される。さらに、クラッタを削減し、関心の電磁波の分離を可能にする構造及び信号処理技術を用いる。さらに、ランチャは、評価中の材料とインピーダンス整合され、供給機構は、クラッタをさらに抑制するために複数の反射の効果を軽減するように設計される。

目的

しかしながら、これらの方法は、そのような放射のレベルにおいて大幅な損失を被ること無く、又はそのような材料の外観表面のほんのひとつにさえ接近すること無く、それらの材料を通過することができる放射線を用いることにより、製造されたガラス及びプラスチックのコンテナの厚さを評価することが主な目的である

効果

実績

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請求項1

a.第1の供給端、及び第2の送出端を有する電磁ランチャであって、前記第1の供給端は、前記電磁波ランチャを通って伝搬することができる電磁波を活性化するための供給機構を含み、前記第2の送出端は、材料の遠隔の不連続から反射する関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、複数の反射を削減し、前記送出端を通って伝搬する前記電磁波の共鳴調査するように物理的に構成され、前記電磁波ランチャは、前記材料の近接表面インピーダンスを十分に整合する前記第2の送出端においてインピーダンスを有する物理的な構造を提供され、前記電磁波ランチャは、前記反射する関心の電磁波と前記材料の前記近接表面からの反射スプリアス信号とを区別するのに十分な時間の期間で、前記材料の前記遠隔の不連続から前記反射する関心の電磁波の受信を遅延するように順応され、前記送出端は、前記材料の前記近接表面のエリアコンフォーマルであるように順応される、電磁波ランチャと、並びにb.周波数領域データを生成するために前記反射する関心の電磁波を測定し、前記周波数領域データを時間領域データへ変換し、前記時間領域データを距離領域データへ調整し、前記材料から反射する前記関心の電磁波と関連する前記距離領域のプロファイル内のピークを特定し、前記材料から反射する前記関心の電磁波によって伝わる距離を判定するように構成される実行可能なコンピュータコードを有する、コンピュータベースプロセッサと、を含む、材料の状態を評価するためのシステム

請求項2

前記時間領域データを距離領域データへ調整することは、前記材料を通って伝わる前記関心の電磁波の既知の速度に基づいて前記実行可能なコンピュータコードによって実行される、請求項1に記載のシステム。

請求項3

前記コンピュータベースのプロセッサは、前記材料から反射する前記関心の電磁波によって伝わる前記距離に基づいて前記材料の前記エリアについての情報を視覚的に表示するように順応される、請求項1に記載のシステム。

請求項4

前記材料の前記状態は前記材料の厚さである、請求項1に記載のシステム。

請求項5

前記材料の前記状態は前記材料の欠陥である、請求項1に記載のシステム。

請求項6

前記電磁波ランチャ及び前記システムの少なくとも一つの他のコンポーネントは、単独のユニット統合される、請求項1に記載のシステム。

請求項7

前記第2の送出端は、前記材料の前記近接表面について評価される前記エリアから伸長するように物理的に順応される少なくとも一つのエッジを有する、請求項1に記載のシステム。

請求項8

前記エッジは、滑らかに丸まったエッジ構造を有する、請求項7に記載のシステム。

請求項9

前記電磁波ランチャは、前記第1の供給端と前記第2の送出端との間に配置される可変導電性材料を用いて形成され、前記可変の導電性材料は、前記第1の供給端へ近接する第1の端及び前記第2の送出端へ近接する第2の端を有し、並びに前記導電性は、前記導電性材料上のポイントから前記電磁波ランチャの前記第2の送出端へ近接する前記導電性材料の前記第2の端までの距離の関数として増加する、請求項1に記載のシステム。

請求項10

前記第1の供給端は、前記システムに別に存在するクラッタのレベルを削減するのに十分な度合いで、前記第1の供給端において前記活性化された電磁波の複数の反射を削減するように順応される、請求項1に記載のシステム。

請求項11

前記第1の供給端は、さらにキャビティに支持された供給ピンを含む、請求項10に記載のシステム。

請求項12

前記システムは、0.25と30GHzとの間の周波数帯域において、電磁波を生成するRFサブシステムをさらに含む、請求項1に記載のシステム。

請求項13

前記システムは、0.25と6GHzとの間の周波数帯域において、電磁波を生成するRFサブシステムをさらに含む、請求項1に記載のシステム。

請求項14

a.伸長部分を有する電磁波ランチャであって、前記伸長部分は、第1の供給端及び第2の送出端を有し、前記第1の供給端は、前記電磁波ランチャを通って伝搬することが可能な電磁波を活性化するための供給機構を含み、前記伸長部分は、前記材料の遠隔の不連続から反射する関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、前記送出端を通って伝搬する前記電磁波の複数の反射を削減するように物理的に構成され、前記電磁波ランチャは、前記材料の近接表面のインピーダンスを十分に整合する前記第2の送出端においてインピーダンスを有する物理的な構造を提供され、前記電磁波ランチャは、前記反射する関心の電磁波と前記材料の前記近接表面からの反射スプリアス信号との間を区別するのに十分な時間の期間で、前記材料の前記遠隔の不連続から反射する前記関心の電磁波の受信を遅延させるように順応され、及び前記送出端は、前記材料の前記近接表面のエリアへコンフォーマルであるように順応される、電磁波ランチャと、並びにb.周波数領域データを生成するために前記反射する関心の電磁波を測定し、前記周波数領域データを時間領域データへ変換し、前記時間領域データを距離領域データへ調整し、前記材料から反射する前記関心の電磁波と関連する前記距離領域のプロファイル内のピークを特定し、及び前記材料から反射する前記関心の電磁波によって伝わる距離を判定するように構成される実行可能なコンピュータコードを有するコンピュータベースのプロセッサと、を含む、材料の状態を評価するためのシステム。

請求項15

a.電磁波を活性化するための供給機構を含む供給端を有する電磁波ランチャであって、前記電磁波ランチャは、前記電磁波を前記材料の近接表面へ送出し、前記電磁波ランチャは、前記材料の遠隔の不連続から反射する関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、前記送出される電磁波の複数の反射を削減するように物理的に構成され、前記電磁波ランチャは、前記材料の前記近接表面のエリアへコンフォーマルであるように順応され、及び前記材料の前記近接表面のインピーダンスを十分に整合するインピーダンスを有する物理的な構造を提供され、前記電磁波ランチャは、前記反射する関心の電磁波と前記材料からの反射スプリアス信号との間を区別するのに十分な時間の期間で、前記材料の前記遠隔の不連続から反射する前記関心の電磁波の受信を遅延するように順応される、電磁波ランチャと、並びにb.周波数領域データを生成するために前記反射する関心の電磁波を測定し、前記周波数領域データを時間領域データへ変換し、前記時間領域データを距離領域データへ調整し、前記材料から反射する前記関心の電磁波と関連する前記距離領域のプロファイル内のピークを特定し、及び前記材料から反射する前記関心の電磁波によって伝わる距離を判定するように構成される実行可能なコンピュータコードを有するコンピュータベースのプロセッサと、を含む、材料の状態を評価するためのシステム。

請求項16

a.第1の供給端及び第2の送出端を有する電磁波ランチャを提供するステップであって、前記第1の供給端は、前記電磁波ランチャを通って伝搬することが可能な電磁波を活性化するための供給機構を含み、前記第2の送出端は、前記材料の遠隔の不連続から反射する関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、前記送出端を通って伝搬する前記電磁波の複数の反射を削減するように物理的に構成され、前記電磁波ランチャは、前記材料の近接表面のインピーダンスを十分に整合する前記第2の送出端においてインピーダンスを有する物理的な構造を提供され、前記電磁波ランチャは、前記反射する関心の電磁波と前記材料の前記近接表面からの反射スプリアス信号との間を区別するのに十分な時間の期間で、前記材料の前記遠隔の不連続から反射する前記関心の電磁波の受信を遅延するように順応され、及び前記送出端は、前記材料の前記近接表面のエリアへコンフォーマルであるように順応される、ステップと、b.評価される前記材料の前記近接表面の前記エリアへコンフォーマルに近接する前記電磁波ランチャの前記送出端を配置するステップと、c.前記材料の前記近接表面の評価される前記エリア上で所定の周波数帯域に伝搬する複数の電磁波を送出するステップと、d.前記所定の周波数帯域内で前記関心の電磁波を検出するステップと、及びe.前記材料の前記遠隔の不連続から反射する前記関心の電磁波によって伝わる判定された距離に基づいて前記材料の前記状態を判定するステップと、を含む、材料の状態を評価するための方法。

請求項17

前記関心の電磁波によって伝わる前記距離は、前記関心の電磁波の伝搬の時間に基づいて判定される、請求項16に記載の方法。

請求項18

前記関心の電磁波の前記伝搬の時間は、前記スプリアス信号からの前記関心の電磁波の一時的な分離を可能にするのに十分な度合いで前記スプリアス信号の伝搬の時間より大きい、請求項17に記載の方法。

請求項19

前記材料の前記状態を判定するステップは、さらに、a.周波数領域データを生成するために前記検出された関心の電磁波に関する一連のデータを測定するステップと、b.前記周波数領域データを時間領域データへ変換するステップと、c.前記時間領域データを距離領域データへ調整するステップと、d.前記材料の前記遠隔の不連続から反射する前記関心の電磁波と関連する前記距離領域データ内のピークを特定するステップと、e.前記材料の前記遠隔の不連続から反射する前記関心の電磁波によって伝わる距離を判定するステップと、及びf.前記材料の前記遠隔の不連続から反射する前記関心の電磁波によって伝わる前記距離に基づいて、前記材料の前記近接表面から前記材料の前記遠隔の不連続までの距離の測定を判定するステップと、を含む、請求項16に記載の方法。

請求項20

前記時間領域データを前記距離領域データへ調整するステップは、前記材料を通る前記関心の電磁波の既知の伝搬速度に基づいて実行される、請求項19に記載の方法。

請求項21

前記材料の前記状態を判定するステップは、さらに、a.前記検出された関心の電磁波に関する一連のデータを判定するステップと、b.前記一連のデータを記録するための第1の手段を提供するステップと、c.前記材料の前記状態を評価するために前記一連のデータを処理するためのコンピュータベースのデータプロセッサを提供するステップと、d.前記第1の手段から前記コンピュータベースのデータプロセッサへ、前記一連のデータを送信するステップと、及びe.少なくとも一つの信号処理方法によって前記一連のデータを処理するステップと、を含む、請求項16に記載の方法。

請求項22

評価される前記材料の特性に従って選択される信号処理方法を用いて、前記一連のデータを処理するステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。

請求項23

前記材料の前記状態は、前記材料の厚さである、請求項16に記載の方法。

請求項24

前記材料の前記状態についての情報を視覚的に表示するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。

請求項25

前記周波数帯域は、0.25と30GHzとの間である、請求項16に記載の方法。

請求項26

前記周波数帯域は、0.25と6GHzとの間である、請求項25に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、材料の状態を評価するためのシステム及び方法に関する。さらに具体的に言うと、本発明は、耐火煉瓦を判定するためのシステム及び方法(電磁波を用いる材料インターフェース)に関する。

背景技術

0002

評価の方法及びシステムは、ある物質成形中及び成形後の性質を測定するために、種々の産業に存在する。表面の特性、内部の均一性、及び材料の厚さは、評価を必要とし得る重要な特性のいくつかである。特に、放射線コンテナの方向へ向けるセンサ及びエミッタを配置することによる非接触の反射の及び/又は吸収性の技術を用いるガラス及びプラスチックのコンテナの壁の厚さは、特許文献1に記載されるように先行技術において取り組まれてきた。しかしながら、これらの方法は、そのような放射のレベルにおいて大幅な損失被ること無く、又はそのような材料の外観表面のほんのひとつにさえ接近すること無く、それらの材料を通過することができる放射線を用いることにより、製造されたガラス及びプラスチックのコンテナの厚さを評価することが主な目的である。

0003

より大きな規模では、ガラス、スチール及びプラスチック産業などのいくつかの産業は、加工のために用いられる原材料を溶かすための大きな炉を用いる。これらの炉は、20階のビルの高さに相当する長さに達し得る。よって、それらは、コスト及び稼働の機能性の観点で、製造業者にとって主要な資産である。高い稼働温度における内部の熱損失を最小にするために、これらの炉は、耐火融解チャンバを作り出すために、とても高い融解温度及び良好な断熱特性を有する耐火材料を用いて構成される。しかしながら、炉の耐火チャンバ内壁は、稼働中に劣化するものである。この劣化の効果は、内部表浸食ストレスクラック、及び融解材料への耐火材料の拡散を含む。

0004

現在のところ、そのような炉の壁の厚さ及び浸食プロファイル確定的に測定する確立された方法はない。結果として、製造業者は、炉壁を通る融解材料の予期せぬ漏出、又は炉の予期される寿命についての製造業者の経験に基づいて、任意の起こり得る漏出の可能性を削減するために、炉を保守的に停止することのいずれかを経験する。炉の寿命は、稼働年数、稼働の平均温度、加熱及び冷却の温度レート、稼働の温度の範囲、稼働のサイクル数、並びに、炉で用いられる融解材料の重量及び種類に加えての、耐火材料のタイプ及び質を含む複数の要因により影響される。これらの要因のそれぞれは、炉の予期される寿命の正確な見積もりを作り出すことを困難にする不確実性を被る。さらに、高い温度において、融解ガラスなどの融解材料の流動は、耐火材料の内側表面を浸食し、及び劣化させ、並びに耐火壁を通る融解ガラス漏出に関する高いリスクを作り出す。炉壁内の隙間及びクラックを通る融解ガラスの主な漏出は、炉が稼働モードに戻ることができる前に、少なくとも30日の生産混乱を要することがある。炉が、それは、冷却され、修復され、及び再び点火される必要があるからである。さらに、融解ガラスの漏出は、炉の周辺機器へ重大な損害を引き起こし得、最も重要なことに、労働者の健康及び生活を危険にさらし得る。これらの理由から、ほとんどの場合において、炉のオーバーホールは、必要とされるよりも大幅に速い時点で行われる。これは、これらの初期投資、及び炉の稼働寿命にわたる生産能力の削減の観点で、製造業者への重大なコストにつながる。

0005

別の重要な問題は、炉の耐火チャンバを構築するのに用いられる材料は、表面の検査では目視できない内部の欠陥を有し得ることである。これは、炉のより短い寿命につながり、炉の稼働の間に深刻なリスクをもたらし得る。したがって、一方で耐火材料の製造業者は、欠陥の無い材料を供給するための品質基準に従う、炉の構築のための材料を限定できるように、製造の間に材料を評価する手段を有したいと考える。他方で、耐火材料を購入する消費者は、炉を構築する前にそのような材料の内部検査を行う手段を有したいと考える。

0006

過去の取り組みは、特許文献2及び特許文献3に記載されるように、炉の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用いて行われてきた。しかしながら、これらの取り組みは、ある課題及び限界に直面した。とりわけ、高温の炉の炉壁の厚さを判定するために行われた試みは、耐火材料の内側表面を評価することに関わる大きな信号損失のために、特に相対的に高い周波数帯域において、概して失敗に終わった。同様に、相対的に低い周波数帯域において、信号は、なお損失を経験し、存在するシステムに要求される周波数帯域及び解像度の観点で制限される。さらに、評価される耐火材料の表面へ近接するシステムコンポーネントの配置において、スプリアス信号反射は、関心の反射信号を分離することを困難にし、よって、内側表面又はそのような材料の内部のいずれかの状態の評価をさらに複雑にする。主な取り組みは、炉の壁が、温度上昇につれてより高い導電性を有するようになることである。それゆえに、高温の炉壁を通過する信号は、これらの信号の検出をとても困難にする重大な損失を経験する。

0007

よって、先行技術のシステム及び方法の問題を回避する、伝搬する電磁波の測定を通しての、そのような耐火材料の状態を遠隔に評価することを可能にするシステム及び方法に関する技術のニーズが残る。

先行技術

0008

米国特許出願公開第20130268237号
米国特許第6198293号
米国特許出願公開第20130144554号

発明が解決しようとする課題

0009

材料の状態を評価するための改善されたシステム及び方法は、本明細書に開示される。典型的な実施形態の一つ又はそれ以上の態様は、利点を提供し、一方で先行技術の欠点を避ける。そのシステム及び方法は、欠陥を特定し、並びに電磁波を用いて耐火材料を含む種々の材料の浸食プロファイル及び厚さを測定するように動作する。材料の遠隔の不連続から反射する関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、システムは、評価中の材料へ送出される電磁波の伝搬と関連する複数の反射を削減するように設計される。さらに、システム及び方法は、クラッタを削減し、及び関心の電磁波の分離を可能にする構造及び信号処理技術を利用する。さらに、システムにおいて用いられるランチャは、評価中の材料とインピーダンス整合され、供給機構は、クラッタをさらに抑制するために複数の反射の影響を軽減するように設計される。

0010

システムは、電磁波を、評価される材料の近接表面へ送出する。電磁波は、材料を貫通し、材料の内側の不連続から、並びに材料の近接の、遠隔表面の両方から反射する。反射電磁波は、材料の近接表面から反射する波をリファレンスとして用いて、コンピュータベースプロセッサによって受信され、測定される。コンピュータベースのプロセッサは、リファレンス波と望まれないクラッタを含む他の反射電磁波との間の時間の遅延を判定する。クラッタの強度が、材料の遠隔の不連続から反射する電磁波の強度より小さい場合には、コンピュータベースのプロセッサは、これらの不連続と関連する強度のピークレベルを特定し、そのような不連続からリファレンス波と関連する材料の近接表面までの距離を判定する。材料のエリアにわたる一つ又はそれ以上の評価は、それぞれの評価において、材料の厚さ及び材料内部の欠陥の位置を提供し、材料の遠隔表面の浸食プロファイルを作り出す。

0011

システムは、コンピュータベースのプロセッサによって受信されるクラッタに大きく寄与する複数の反射を削減するように設計され及び順応される電磁波ランチャも含む。ランチャは、そうでなければ検出することが見込まれ得ない関心の電磁波の検出を可能にするのに十分な度合いで、クラッタのレベルの削減を提供する。ランチャは、高温の炉の耐火壁の評価で用いられて、稼働する炉の内側壁の表面の浸食プロファイルを作り出し得る。

0012

状態を評価し、並びに浸食プロファイル及び種々の材料の厚さを測定する方法は、評価中の材料の近接の、外側表面へコンフォーマルに近接する電磁波ランチャを設定するステップを含む。方法は、さらに、電磁波を材料内へ送出し、周波数帯域にわたって、前記材料からの不連続から反射する波形の大きさ及び位相を測定するステップを含む。方法は、測定されたデータを時間領域へ変換し、データを距離領域へ調整し、及び関心の反射電磁波、特に、そのような材料の厚さを判定するために、評価中の材料の内側の、遠隔表面から反射する波と関連するデータを特定するステップも含む。

0013

標準的な技術と比較して、伝搬する電磁波の反射、及び共鳴に起因するクラッタのレベルを大幅に削減することによって、並びに評価中の材料からの遠隔の不連続の位置を判定することによって、システム及び方法は、欠陥を特定し、そのような材料の遠隔表面の浸食プロファイルを測定することができる。

0014

本発明の多数の利点は、添付の図を参照して当業者に、より理解され得る。

図面の簡単な説明

0015

図1は、丸まったエッジの電磁波ランチャを用いるシステムの典型的な実施形態の概略図である。
図2Aは、一つの実施形態に係る2つの丸まったエッジを伴う電磁波ランチャの種々の態様を示す。
図2Bは、一つの実施形態に係る2つの丸まったエッジを伴う電磁波ランチャの種々の態様を示す。
図2Cは、一つの実施形態に係る2つの丸まったエッジを伴う電磁波ランチャの種々の態様を示す。
図2Dは、一つの実施形態に係る2つの丸まったエッジを伴う電磁波ランチャの種々の態様を示す。
図3は、供給推移部のデザインを示す。
図4は、仮説に基づくシナリオに係る、ノイズ、クラッタ、関心の反射電磁波の強度のプロットを示す。
図5は、丸まったエッジを伴う及び伴わないランチャを用いる、ノイズ、クラッタ、及び関心の反射電磁波の強度のプロットを示す。
図6は、別の実施形態に係る平面の電磁波ランチャの斜視図を示す。
図7は、別の実施形態に係る湾曲したエッジを伴う平面の電磁波ランチャの斜視図を示す。
図8は、本発明の任意の実施形態に従う誘電性材料の厚さを計算する方法の概略図である。

実施例

0016

以下の説明は、本発明の特定の実施形態に関するものであり、当業者が本発明の実施を実行できるようにすることを目指し、望ましい実施形態を限定するように意図されるものではなく、本発明の特定の例としての役割を果たすことが意図される。当業者であれば、本発明の同じ目的を実行するために、他の方法及びシステムを改良し、並びにデザインするための基礎として開示される構想及び特定の実施形態を容易に用い得ることを理解するだろう。当業者であれば、そのような同等の集合が、その最も広い形態において本発明の精神と範囲を逸脱しないことも理解するだろう。

0017

本発明の実施形態のある態様に関して、材料評価システムは、図1に示される。システムは、炉壁として用いられる耐火材料の状態を評価するように構成される。よって、耐火材料は、外側表面及び外側表面の反対側である内側表面を有する。耐火材料の内側表面は、ガラス、プラスチック、又はスチール、又は炉の内部に含まれる任意の他の材料などの融解材料へ近接している(すなわち、接触している)。供給端12、送出端14、及び隣接する供給端12と送出端14との間の伸長部分16を含む電磁(EM)波ランチャ10は、評価される耐火材料の外側表面のエリアへ近接して配置される。EM波ランチャ10は、システムの稼働周波数帯域カバーするのに十分大きい周波数帯域で稼働するように設計される。具体的に言うと、より詳しく以下に記載されるように、EM波ランチャ10の送出端における直交部の寸法(幅及び高さ)、ランチャの長さ(又は、その代わりに誘導角の幅及び高さ、並びに長さ)、及びEM波ランチャ10の内部の容積を占める材料の誘電特性は、EM波ランチャ10に、本発明の実施形態のある態様に関しては、0.5GHzから6GHzまでの周波数帯域である、システムの稼働周波数帯域をカバーするのに十分に大きい周波数帯域で稼働させるように、全て選択される。同様に、EM波ランチャ10は、炉壁の近接の、外側表面に関して要求される温度範囲を耐えるように設計される。特に、EM波ランチャ10を形成するために用いられる材料は、EM波ランチャ10(炉の外側表面へ近接して配置されるエリアである最も高い温度にさらされるランチャのエリア)がそのような高い温度を耐えられるように選択される。例えば、ランチャの側面上の及び丸まったエッジ上の導電性材料は、炉の外側表面の温度よりも大きい(当業者によって選択され得るようないくつかの適切な安全マージンを含む)融解温度ポイントを有するように選択される。同様に、さらに詳細に以下に記載されるようにランチャの内部容積を占める誘電性材料に関して、典型的なセラミックタイプの材料は、炉の外側表面の最大限予想温度よりもずっと高い温度に耐える。本発明の実施形態のある態様に関して、誘電体基板材料も、稼働の温度の観点で、セラミックの材料の特性と類似する特性を有する。最後に、(再度、より詳細に以下に記載されるように)可変の導電性材料が用いられる場合に、粘着性の保護層は、可変の導電性材料へ温度の分離を提供する。そのような材料を選択することにより、稼働のために必要なデータを得るのに十分である数秒間に1600°Fに等しい高さの温度を有する表面に対して、EM波ランチャ10を用いることができることが好ましい。しかしながら、より長い継続稼働の間に、そのような材料は、約1000°Fまで温度が到達する表面により、約700°Fの周囲温度制限に耐えることができるであろう。

0018

本明細書にて用いられるように、「近接」表面は、EM波ランチャ10の送出端14へ近接する、評価中の材料の外側表面を指すことも意図される。同様に、「遠隔」表面は、EM波ランチャ10の送出端14に直接近接する近接表面の反対側の、評価中の材料の内側表面を指すことも意図される。よって、炉の場合において、遠隔表面は、炉の外側壁の内側表面を含み、及び近接表面は、炉の外側壁の外側表面を含む。

0019

供給端12は、同軸ケーブル20などの無線周波数(RF)送信ライン電気的に接続される供給推移部18を含む。コンピュータベースのプロセッサ22も、同軸ケーブル20へ電気的に接続される。したがって、同軸ケーブル20は、第1の端においてコンピュータベースのプロセッサ22へ、及び第2の端において供給推移部18へ、電気的に接続される。同軸ケーブル20は、コンピュータベースのプロセッサ22から供給推移部18への物理的な長さを有するように選択され、そのことにより、同軸ケーブル20の第1の端と第2の端との間で伝搬するEM波の伝搬時間は、供給推移部18から評価中の耐火材料の遠隔の内側表面へ、及びそこから材料の近接の、外側表面へ戻るEM波の伝搬時間より大きい。言い換えると、同軸ケーブル20の長さ全体を介して伝搬するEM波の伝搬時間は、EM波ランチャ10全体を介して伝搬するEM波の伝搬時間に、耐火材料の厚さを通って往復して伝搬するEM波の伝搬時間を加えた時間よりも大きい。

0020

コンピュータベースのプロセッサ22は、RFサブシステム23、信号処理サブシステム、及び実行可能なコンピュータコード又はソフトウェアを含む。RFサブシステム23は、電圧制御オシレータ又は周波数シンセサイザなどの、望ましくは0.25GHzから30GHzまでのどこかへの周波数帯域で稼働可能な、調節可能な信号源、少なくとも一つの方向性結合器コヒーレント検出器、及び少なくとも一つのアナログデジタル変換器を含む。信号処理サブシステムは、データストレージ及びデータ処理アルゴリズムを含む。再び図1を参照して、コンピュータベースのプロセッサ22のコンポーネントは、これらのコンポーネントがこの実施形態の説明ではそれほど重要では無いので、示されないことに留意する。当業者であれば、RFサブシステム23コンポーネントの種々の配置が、可能であり、並びにフィルタインピーダンス整合ネットワーク増幅器ノンコヒーレント検出器、及び他の試験機器類などの更なるコンポーネントが、先行技術にて知られるようにコンピュータベースのプロセッサ22のRFサブシステム23機能を実行するための種々の方法として用いられ得ることを理解するだろう。

0021

EM波ランチャ10の送出端14は、評価される耐火材料と物理的に接触して配置される。より具体的には、送出端14は、送出端14が物理的接触内にある(すなわち、送出端14と試験中の表面との間の空間を最小限にするように構成される)耐火材料の近接表面のエリアへ、物理的にコンフォーマルであることが望ましい。言い換えると、送出端14の表面と送出端14が物理的接触内にある耐火材料の近接表面のエリアとの間に、2mmより大きい隙間又は間隔を有することは、望まれない。

0022

EM波ランチャ10の伸長部分16は、望ましくは、供給端12から送出端14への物理的な長さを有するように選択され、そのことにより、供給端12から送出端14へ伝搬するEM波の伝搬時間は、評価中の耐火材料の近接の、外側表面から、材料の遠隔の、内側表面へ伝搬する前記EM波の伝搬時間よりも大きい。言い換えると、EM波ランチャ10に沿って伝搬するEM波の伝搬時間は、耐火材料の厚さを通って伝搬するEM波の伝搬時間よりも大きいことが望ましい。炉壁の耐火材料の典型的な厚さの値は、0.5インチから12インチまでの範囲である。したがって、厚さ測定ターゲット範囲に依存して、EM波ランチャ10の伸長部分16の長さは、通常2インチから15インチまでのどこかの範囲となる。

0023

図2Aから図2Dは、図1に用いられるEM波ランチャ10の一つのバージョンの種々の態様を示す。この実施形態において、図2Aは、先端が切り取られた、2つのエッジが広がった、供給端12から送出端16までの矩形横断面を有するピラミッドとして物理的に構成される、EM波ランチャ10の斜視図を示す。図2B及び図2Cは、供給端12において0.2インチ×0.13インチ、及び送出端14において2.5インチ×4.25インチの矩形の横断面寸法を有するEM波ランチャ10の側面図を示す。したがって、四つの側面プレート24a、24b、24c、及び24dは、EM波ランチャ10を形成する。それぞれの側面プレート24a、24b、24c、及び24dは、望ましくは、誘電性材料又は導電性材料で作られる。典型的に、0.01インチ及び0.25インチの範囲で、より望ましくは0.05インチと0.1インチとの間で厚さを有する導電性材料が、用いられる。図2Dに示される特定の実施形態においては、約0.078インチの厚さの導電性材料が、用いられた。よって、より具体的には、EM波ランチャ10の側面プレート24a、24b、24c、及び24dは、EM波ランチャ10の内部容積を、完全には取り囲まないが、取り囲む構造を形成する。EM波ランチャ10の側面プレート24a、24b、24c、及び24dは、EM波ランチャ10の供給端12及び送出端14においては、内部容積を取り囲まない。

0024

再び図2Aを参照して、任意の横断面図において、四つのエッジ26a、26b、26c、及び26dは、EM波ランチャ10の矩形の断面を形成する。EM波ランチャ10のそのような矩形の断面の寸法は、供給端12から、供給端12と送出端14との間で伸長部分16に沿って位置付けられる推移ポイント28a、28b、28c、及び28dまで、線形的に増加する。したがって、EM波ランチャ10の形状は、供給端10から推移ポイント28a、28b、28c、及び28dまで、均一な矩形の断面のピラミッドの形状と対応する。しかしながら、推移ポイント28a、28b、28c、及び28dから、送出端14まで、EM波ランチャ10の矩形の横断面の反対のエッジ26a及び26cのそれぞれの端の寸法は、図2Dに示されるように、0.78インチの曲率半径を有する円形関数によって記載されるカーブに従って増加する。より具体的には、EM波ランチャ10の構造は、二つの楕円に広がった、又は二つの楕円に丸まった反対側のエッジを有する先端を切り取られた矩形の横断面のピラミッドの構造と対応する。送出端14の厚さの典型的な値は、0と0.25インチとの間の範囲であり得る。この特定の実施形態において、送出端14は、0.078インチの厚さを有する。同様に、エッジ26a及び26cの丸まりは、推移ポイント28aと28bとの間の、又は同等に、推移ポイント28cと28dとの間の間隔が、2.9インチであるポイントにおいて開始する。したがって、推移ポイント28a、28b、28c、及び28dは、送出端14から約0.63インチに位置付けられる。

0025

さらに、EM波ランチャ10は、耐火材料の近接表面のインピーダンスに十分に整合するインピーダンスを送出端14において有するように物理的に構成される。EM波ランチャ10の内部容積は、少なくとも部分的に、炉の通常の稼働状態において耐火材料の所定のインピーダンスと十分に整合するインピーダンスを有する材料を充填する固体セラミックで充填され得る。この予めの判定は、先行技術においてよく知られた方法を用いて、種々の温度において耐火材料の誘電特性を測定することによって取得され得る。一方で、耐火材料の製造者は、種々の温度における材料の誘電特性についてのデータを提供し得る。これらのデータが、材料のインピーダンスを判定するために用いられても良い。耐火材料のインピーダンスは、主に、材料の比誘電率及び材料の誘電正接の両方によって判定される。概して、比誘電率は、1から25までおよび得、材料の特定の種類及び材料の温度に依存する。よって、EM波ランチャ10の内部容積は、部分的に又は完全に、耐火材料の比誘電率と類似する比誘電率の材料を充填する誘電体で充填されて、耐火材料のインピーダンスに十分に整合し得る。

0026

EM波ランチャ10の内部容積を充填するために用いられる充填材料は、空気、液体、又は固体であり得る。望ましくは、充填材料は、固体粉末又は粒状材料の混合であり、それぞれの粒子の最大寸法が、稼働の最低周波数においてEM波ランチャ10内を伝搬するEM波の波長の10パーセント以下であることが望まれる。より望ましくは、充填材料は、EM波ランチャ10の内部容積内適合するように順応される材料などの固体のセラミックの一片である。あるいは、EM波ランチャ10の内部容積は、供給端12から送出端14まで階層状にされ得、そのことにより、それぞれの層は、任意の隣接層の充填材料の誘電率に対してわずかに異なる誘電率を有する充填材料で充填され、供給端12からのインピーダンスを、送出端14において評価される耐火材料のインピーダンスに、段階的に調整する配置にて、異なる誘電率の複数の層を構成する。必要な場合はいつも、リッド又はキャップが供給端12及び送出端14に配置され、EM波ランチャ10の操作又は稼働の間に、充填材料がEM波ランチャ10の内部容積から出ていくことを防ぐ。当業者であれば、送出端14に配置されるキャップが、前記キャップを通って伝搬するEM波への実質的な不連続を妨げるために、充填材料の誘電特性と類似する誘電特性を有する材料で作成されなければならないということを理解する。同様に、供給端12に配置されるキャップは、供給推移部18の特定のデザインに係る材料で作成されなければならない。

0027

図3は、約0.1インチの厚さを有する導電性材料のシェルで形成されるキャップ30を用いる供給推移部18のデザインを示す。キャップ30は、シェルに囲まれ、空気が充填されたキャビティを形成し、第1の寸法の半円形の断面を、及び前記第1の寸法に垂直である第2の寸法の矩形の断面を有する。この実施形態において、半円形の断面は約0.75インチの内側の半径を有する半円部32と、約1.6インチの直線部とによって規定され、約1.6インチの直線部はギャップ35によって分離されるほとんど同じ寸法の第1の部分34a及び第2の部分34bを含み、前記矩形の断面は約1.6インチの幅を規定する前記直線部と、約1.3インチの長さを規定する(図3に示されない)別の直線部とにより、規定される。

0028

キャップ30は、同軸ケーブル20がキャビティの内側に入ることをちょうど可能にするのに十分な大きさの第1の円形の開口部を半円形の部分32の一側面において有する。同軸ケーブル20の外側導電体36は、キャップ30の半円形の部分32と供給端12におけるEM波ランチャ10の導電側面プレート24aとの両方へ電気的に接続される。ピン又はプローブ38は、同軸ケーブル20の中央導電体をキャビティ内部の同軸ケーブル20の外側の導電体を超えて伸長することによって形成され、この場合においては、ピンの長さは、約0.1インチである。同様に、キャップ30のギャップ35は、直線部34aを直線部34bから分離する第2の開口を規定する。ギャップ35の寸法は、供給端12により近いEM波ランチャ10の切り取られた端の先端がキャビティ内へ適合することをちょうど可能にするのに十分な大きさである。この実施形態において、EM波ランチャ10の側面プレート24a及び24cは、導電性材料で作成されている。したがって、EM波ランチャ10の側面プレート24aは、第2の部分34bへ電気的に接続され、EM波ランチャ10の側面プレート24cは、第1の部分34aへ電気的に接続される。同様に、同軸ケーブル20の外側の導電体36は、第1の部分34aへ電気的に接続される。さらに、ピン38は、第2の部分34bへ電気的に接続される。このように、EM波ランチャ10は、キャビティが支持する供給ピンの構造内で同軸ケーブル20のピン38によって励起され得る。通常、ピン38は、EM波ランチャ10に沿って伝搬するEM波の周波数帯域の中心周波数と対応する1/4波長に等しいキャップからの距離に位置付けられる。

0029

当業者であれば、半円形の部分32が、楕円、平面、又は他の滑らかな関数などの種々の構成に従って成形され得ることを理解するだろう。同様に、キャップ30の一つ又はそれ以上の部分は、ある構造においては除去され得、キャビティは誘電性材料で充填され得る。さらに、直線部34a及び34bの寸法は、EM波ランチャ10の供給端12との組み合わせでデザインされて、望ましくない共鳴の効果を削減し得る。

0030

稼働
本発明の実施形態の更なる態様に従って、図1の材料評価システムを用いる方法は、EM波伝搬の原理に基づく。コンピュータベースのプロセッサ22は、調整可能なRF信号源を制御し、そのRF信号源は、耐火材料を十分に低い損失で適切に通過する周波数帯域で稼働するものであり、その周波数帯域は、望ましくは0.25GHzと30GHzとの間のどこか、より望ましくは0.25GHzと6GHzとの間のどこかの周波数帯域である。RF信号源は、EM波ランチャ10内部で少なくとも一つの伝搬モードを励起し、複数のEM波が、関心の周波数帯域において供給端12から送出端14へ伝搬することができるように、同軸ケーブル20によって供給推移部18へ伝えられる。EM波ランチャ10内で伝搬するEM波の帯域は、利用者に要求されるように、通常、低くても2GHzが選択される。

0031

EM波ランチャ10に到達すると、コンピュータベースのプロセッサ22からのRF信号源は、同軸ケーブル20に沿って伝搬するRF信号源のEM場を、EMランチャ10の内側に活性化される伝搬モードのEM場へ順応することに起因して、供給推移部18において、初期の不連続を経験することになる。この初期の不連続により、RF信号源の一部の、コンピュータプロセッサ22への戻り反射が生じる。

0032

さらに、EM波ランチャ10に沿って伝搬するEM波が耐火材料の近接の、外側表面に到達すると、EM波の第1の部分は材料の近接の、外側表面を介して通過し、材料の遠隔の、内側表面に到達するまで材料の内部を伝搬する。EM波の第2の部分は、耐火材料の近接の、外側表面からEM波ランチャ10へ戻り反射し、反射EM波の一部は、コンピュータプロセッサ22に到達するまで伝搬する。EM波の第1の部分が、耐火材料の遠隔の、内側表面に到達すると、EM波の第3の部分は、炉の内部に含まれる融解材料を介して通過し得、及び融解材料の内部へ伝搬する。EM波の第4の部分は、耐火材料の遠隔の、内側表面からEM波ランチャ10へ戻り反射し、反射EM波の一部は、コンピュータプロセッサ22に到達するまで伝搬する。EM波の第2の部分は、波が、送出端14におけるEM波ランチャ10の内部容積と耐火材料との間の媒体不連続を介して伝搬する結果として、反射する。同様に、EM波の第4の部分は、波が、耐火材料と融解材料との間の媒体不連続を介して伝搬する結果として、反射する。

0033

さらに、耐火材料を通って伝搬するEM波は、耐火材料の内側の不均一な領域又は欠陥の存在に起因する不連続を経験し得る。よって、EM波の一部は、耐火材料の内部の欠陥から、EM波ランチャ10へ戻り反射し、反射EM波の一部は、コンピュータプロセッサ22に到達するまで伝搬する。

0034

その上さらに、EM波ランチャ10に沿って伝搬するEM波は、送出端14において更なるエッジの不連続を経験する。より具体的には、エッジの不連続は、図2Aに示すように、波が、送出端14におけるEM波ランチャ10の内部容積と、耐火材料の近接の、外側表面などのエッジの周辺の媒体と、空気などのEM波ランチャ10の周辺の媒体と、の間の媒体の不連続を通って伝搬する結果として、送出端14に対応するエッジ26a、26b、26c、及び26dにおいて生じ得る。したがって、EM波の一部は、エッジからEM波ランチャ10へ戻り反射し、反射EM波の一部は、コンピュータプロセッサ22に到達するまで伝搬する。

0035

さらに、送出端14に対応するエッジ26a、26b、26c、及び26dから反射するEM波は、他のエッジの一つ又はそれ以上に複数回到達して、EM波の複数のエッジの反射による、望ましくない「共鳴」の又は「反射」の効果を作り出すことがある。最終的には、複数の反射EM波の一部は、コンピュータプロセッサ22に到達する。

0036

同様に、耐火材料の範囲内の、EM波ランチャ10内の、又は供給端12とコンピュータプロセッサ22との間の、任意の反射波は、耐火材料の近接の、外側表面、送出端14、及び供給端12における任意の不連続に影響される。言い換えると、不連続の効果は、コンピュータプロセッサ22から耐火材料の遠隔の、内側の壁へ、又は耐火材料の遠隔の、内部の壁からコンピュータプロセッサ22へのいずれかの、EM波の伝搬の方向に関わらず、EM波を伝搬することに影響し得る。したがって、共鳴効果を作り出し得、更に関心の反射EM波を検出するコンピュータプロセッサ22の能力に悪影響を及ぼし得る複数のEM波反射が、発生する。言い換えると、材料評価システムの深刻なパフォーマンスの問題を生じ得る、複数のスプリアス信号又は所望されないEM波反射は、本質的に存在している。そのようなスプリアス信号の複合の効果、又は所望されないEM波反射を指して共通に用いられる用語は、「クラッタ」である。

0037

特に、耐火材料の状態を評価するための関心の第1のEM波は、送出端14と耐火材料の近接の、外側の壁との間の不連続からのもとの反射EM波であり、耐火材料の厚さを判定すること、又は前記材料内部の欠陥の位置を判定することのためのリファレンスを確立するものである。関心の第2のEM波は、耐火材料の遠隔の壁、内側の壁と炉の内部の融解材料との間の不連続からのもとの反射EM波であり、耐火材料の厚さを判定するものである。関心の第3のEM波は、耐火材料内部の欠陥の不連続からのもとの反射EM波であり、欠陥の位置を判定するものである。

0038

相応に、複数の様々な要素は、システムの全体のクラッタに対する主な要因である。第1の要素は、供給推移部18からコンピュータベースのプロセッサ22への反射RF信号に対応する。第2の要素は、供給推移部18とコンピュータベースのプロセッサ22との間の複数のRF信号反射又は共鳴に対応する。第3の要素は、送出端14におけるエッジ26a、26b、26c、及び26dからコンピュータベースのプロセッサ22への反射EM波に対応する。第4の要素は、送出端14におけるエッジ26a、26b、26c、及び26dからコンピュータベースのプロセッサ22へのEM波の複数のエッジ反射又は共鳴に対応する。第5の要素は、耐火材料の近接の、外側の壁と、耐火材料の遠隔の、内側の壁との間の、コンピュータベースのプロセッサ22へ到達するEM波の複数の反射又は共鳴に対応する。第6の要素は、耐火材料内部の欠陥と、耐火材料の近接の、外側の壁との間の、コンピュータベースのプロセッサ22に到達するEM波の複数の反射又は共鳴に対応する。第7の要素は、耐火材料内部の欠陥と、耐火材料の遠隔の、内側の壁との間の、コンピュータベースのプロセッサ22に到達するEM波の複数の反射又は共鳴に対応する。第8の要素は、供給端12と、耐火材料の近接の、外側の壁との間の、コンピュータベースのプロセッサ22に到達するEM波の複数の反射又は共鳴に対応する。第9の要素は、供給推移部18と供給端12との間の、コンピュータベースのプロセッサ22に到達するEM波の複数の反射又は共鳴に対応する。

0039

この実施形態において、コンピュータベースのプロセッサ22によって受信されるRF信号又はEM波は、もとのRF信号源のリファレンスバージョンに対する受信RF信号又はEM波の、同相(I)及び直角位相(Q)成分に比例する電圧を提供するコヒーレント検出器を通過し、よって、大きさと相対位相との両方を測定することができる。もとのRF信号源のリファレンスバージョンは、方向性結合器を用いて得られるサンプルによって提供される。アナログ−デジタル変換器は、コヒーレント検出器のI電圧及びQ電圧出力に比例するデジタルデータを出力する。デジタルデータは、続いて、コンピュータベースのプロセッサ22によって読み出され、記録され、処理される。コンピュータベースのプロセッサ22はさらに、処理されたデータを調整して、利用者へ結果を表示する。コンピュータベースのプロセッサ22は、周波数領域データを生成し、周波数領域データを時間領域データへ変換するために、受信された反射EM波を測定するように構成される実行可能なコンピュータコードを有する。さらに、コンピュータベースのプロセッサ22は、時間領域データを距離領域データへ調整し、耐火材料から反射する関心のEM波と関連する距離領域のプロファイル内のピークを特定し、関心のEM波によって伝わる距離を判定する。

0040

よって、コンピュータベースのプロセッサ22は、受信RF信号又は受信EM波と、もとのRF信号源との間の相対的な時間遅延を判定することができる。時間領域データは、関心のそれぞれのEM波の到着の相対時間及びクラッタ要素を判定することに用いられ得る。とりわけ重要であるのは、関心の任意のEM波は、リファレンスとして用いられる、関心の第1のEM波の到着と、関心の第2のEM波の到着との間の時間間隔の間に受信されることである。言い換えると、耐火材料の状態の任意の情報は、時間間隔の間に、コンピュータベースのプロセッサ22へ到着する。したがって、コンピュータベースのプロセッサにおける、この時間間隔の間に到着し得るクラッタ要素だけが、第2の、第3の、第4の、第6の、第8の、及び第9のクラッタ要素に対応するクラッタ要素である。

0041

さらに、同軸ケーブル20の長さの至る所を伝搬するEM波の伝搬時間が、耐火材料の厚さを通って往復して伝搬するEM波の伝搬時間を加えたEM波ランチャ10の至る所を伝搬するEM波の伝搬時間よりも大きいように、同軸ケーブル20の長さを選択することによって、第2のクラッタ要素と対応する複数の反射は、関心の任意のEM波よりも遅れて、コンピュータベースのプロセッサ22に到着する。同様に、EM波ランチャ10に沿って伝搬するEM波の伝搬時間が、耐火材料の厚さを通って伝搬するEM波の伝搬時間よりも大きいように、EM波ランチャ10の伸長部分16の長さを選択することによって、第8のクラッタ要素と対応する複数の反射は、関心の任意のEM波よりも遅れて、コンピュータベースのプロセッサ22に到着する。

0042

第6のクラッタ要素によって生成される共鳴の効果、すなわち、耐火材料内部の欠陥と耐火材料の近接の、外側の壁との間のコンピュータベースのプロセッサ22に到着するEM波の共鳴は、欠陥が、耐火材料の遠隔の、内側の壁よりも、耐火材料の近接の、外側の壁へより近く位置付けられる場合に限り、関心のEM波と同じ間隔時間でコンピュータベースのプロセッサ22に到着する。しかしながら、この効果は、欠陥が、材料の厚さの半分よりも小さい、材料の近接の、外側の壁からの距離に存在しているときにのみ、顕著である。当業者であれば、複数の周波数における測定及び既知の信号処理技術により、いつこの状況が生じるのか判定できることを理解するだろう。

0043

図3に示すように、この実施形態におけるキャビティに支持される供給推移の利用は、第9のクラッタ要素の効果、すなわち、供給推移部18と供給端12との間の、関心のEM波と同じ時間間隔でコンピュータベースのプロセッサ22に到達し得るEM波の共鳴を削減し得る。EM波ランチャ10の固有広帯域の条件のために、重要な1/4波長距離は、稼働の全周波数帯域にわたって維持することが難しい。したがって、共鳴の効果は、なお有意ではあるが、部分的に除去され得る。

0044

それゆえに、もっとも関連のある、同時に、システムから除去することが最も難しいクラッタ要素は、送出端14におけるエッジ26a、26b、26c、及び26dに対するそれらである。これらは、前述のように第3の及び第4のクラッタ要素である。

0045

コンピュータベースのプロセッサ22のコンピュータ実行可能コードは、時間領域データを、同軸ケーブル20及びEM波ランチャ10に沿って伝わり、並びに評価中の耐火材料を通るEM波の既知の速度に基づいて距離領域データへ調整できるようにし得る。また、リファレンスの、又は0距離の値は、EM波ランチャ10の送出端14と、耐火材料の近接の、外側表面との間の推移に対応する。図4は、コンピュータベースのプロセッサ22における受信EM波の大きさのプロットを距離の関数として示す。これは、図1に示すシステムに見込まれる状況を示し、耐火材料内部の欠陥が存在している。コンピュータベースのプロセッサ22において関心のEM波を判定するにあたり、クラッタ要素の効果が、顕著となり得る。実線のカーブは、システムノイズを加えた関心のEM波の大きさを表す。破線のカーブは、システムノイズを加えたクラッタの大きさを表す。関心の距離間隔は、耐火材料の厚さに対応する距離に過ぎず、この場合には約6インチ、であることにも留意されたい。ノイズを加えたクラッタの大きさが、図4に示すように、欠陥と耐火材料の厚さとの両方と関連する関心のEM波の大きさとおおよそ同じ又はより大きいならば、前記関心のEM波は、コンピュータベースのプロセッサ22によって検出され得ない。よって、図4において4インチの距離に概略示す、耐火材料の欠陥と関連する関心のEM波と、6インチの距離に概略示す、前記材料の遠隔の、内側の壁と関連する関心のEM波との、いずれもが、クラッタの効果により検出され得ない。したがって、耐火材料の厚さは、判定され得ない。この場合において、耐火材料の近接の、外側表面と関連する関心のEM波の大きさは、ノイズを加えたクラッタの前記大きさよりも上であるので、耐火材料の近接の、外側表面と関連する関心のEM波の大きさのみが判定され得る。しかしながら、材料の近接の、外側表面と関連する関心のEM波のみの大きさを判定することは、あまり役に立たない。

0046

従って、ノイズを加えたクラッタの大きさを、欠陥又は材料の状態を判定することができる耐火材料の厚さと、関連する関心のEM波の大きさを下回るレベルまで削減することは、極めて重要である。通常、耐火材料の評価を含むほとんどの利用例において、クラッタはとても大きいので、材料評価システムは信頼できなくなり、概して、材料の状態を判定することができなくなる。さらに、炉壁の表面上の種々の位置において得られる反射EM波の測定の減算に基づくものなどの周知の技術は、クラッタを削減するのに有効ではない。技術の効果のなさの理由は、測定ごとの表面温度、誘電正接、並びに、EM波ランチャ10及び炉壁の表面の配置の、変動に起因する、測定のそれぞれと関連するクラッタ成分変動性である。

0047

図1及び図2は、送出端14におけるエッジ26a、26b、26c、及び26dに関するクラッタ要素を大幅に削減するEM波ランチャ10のデザインを示す。先に示したように、送出端14におけるエッジ26a、26b、26c、及び26dに関するクラッタ要素は、システムから抑制することに最も関連し、同時に最も困難なクラッタ要素である。図5は、稼働している炉に取り付けられた10インチの厚さの耐火材料の実際の測定データを示す。この場合において、耐火壁の厚さは、欠陥を含まないように選択され、かつ、欠陥からの反射EM波がなく、炉壁の遠隔の、内側表面からの反射EM波が、コンピュータベースのプロセッサ22に到達せずに減衰するように選択される。よって、図5は、丸まったエッジのEM波ランチャ10及び丸まったエッジのない実質的に同様のEM波ランチャ10に対するノイズを加えたクラッタ測定の結果のみを示す。実線カーブは、前述のように、丸まったエッジのEM波ランチャ10を用いる処理された時間領域データのノイズを加えたクラッタの大きさを表す。破線カーブは、丸まったエッジのない実質的に同様のEM波ランチャ10が用いられる、ノイズを加えたクラッタの大きさを表す。図4に示すように、丸まったエッジのEM波ランチャを用いることの効果は、時間が1ナノ秒より大きい領域などの炉壁の近接の、外側表面と関連する関心の反射EM波が出現することが予測される領域における、約20dBから30dBを上回るノイズを加えたクラッタ内での削減である。

0048

丸まったエッジのEM波ランチャを用いることの別の効果は、炉壁の近接の、外側表面と関連する関心の反射EM波に対する10dBと同程度のノイズを加えたクラッタ内での削減である。同様に、システムノイズは、双方の場合に実質的に類似しているので、丸まったエッジの、及び丸まったエッジのないEM波ランチャ10を用いるときに、図5に見られるノイズレベルを加えたクラッタ内での削減は、クラッタレベル内の削減に主に対応する。

0049

単独のEM波ランチャ10が用いられる図1に関しては、そのようなシステムは、モノスタティック構造と、一般的に呼ばれる。更なるEM波ランチャ10が、反射EM波を受信するためにのみ加えられてもよい。一般的にバイスタティック構造として知られるそのような構造において、第1の「能動的な」EM波ランチャ10は、図1に示されるように、EM波を評価中の材料に送出することに用いられる。第2の「受動的な」EM波ランチャ10は、第1のEM波ランチャ10に隣接して配置される。第2のEM波ランチャ10は、反射EM波を受信するに過ぎない。よって、反射EM波は、送出EM波に用いられるパスと異なるパスを用いてコンピュータベースのプロセッサ22へ戻る。このことは、送出EM波と受信EM波との間に固有の分離を提供する。図1とは違って、このバイスタティック構造は、反射EM波のコヒーレント検出を行うためにコンピュータベースのプロセッサ22から生じる及びコンピュータベースのプロセッサ22に向かう、送信EM波と受信EM波とを分離するための、方向性結合器などの更なるコンポーネントを要求しない。

0050

バイスタティック構造において、第1のEM波ランチャ10の送出端14を含む仮想平面の中心点が、第2のEMランチャ10の送出端14を含む平面の対応する中心点と、可能な限り近接して配置され、両方の送出端が耐火材料の近接の、外側表面と接触してコンフォーマルに配置されるのが望ましい。この構造におけるEM波ランチャの間の望ましい最小限の分離に関する一つの理由は、反射EM波によって伝えられる距離がより短いことであり、より少ない損失で済む。第2の理由は、第2のEM波ランチャが、より多くの反射EM波、特に送出EM波に対して180°に近い角度で反射するそれらのEM波、を受信できることである。さらに、送出EM波の電場分極と実質的に同じ電場分極を有する反射EM波を受信するために、ある状況において、第2のEM波ランチャ10に対する第1のEM波ランチャ10の方向は、第1のEM波ランチャ10の送出端14におけるエッジ24a、24b、24c、及び24dが、第2のEM波ランチャ10の送出端14にエッジ24a、24b、24c、及び24dと実質的に平行となるように選択され得る。当業者であれば、第2のEM波ランチャ10に対する第1のEM波ランチャ10の相対方向が、送出EM波の電場分極と比較して、相互分極、交差分極、又はそれらの任意の組み合わせなどの実質的に望ましい電場分極を有する反射EM波を受信するように調整される必要があり得ることを理解するだろう。さらに、第2のEM波ランチャは、第1のEM波ランチャと同一であること又は類似であることは要求されない。

0051

横電磁界(TEN)波が排他的に用いられる本発明の更なる態様に関して、EM波ランチャ10は、導電性材料でできている二つの向かい合う側面プレートのみを有するように構成され得る。言い換えると、第1の構造においては、側面プレート24a及び24cのみが、導電性材料を用いて作られる。第2の構造においては、側面プレート24b及び24dのみが、導電性材料を用いて作られる。これらの二つの異なる構造のための望ましい厚さ寸法は、図2に示されるように、四つの導電側面プレートを有する構造にのためのものと同じである。よって、より具体的には、EM波ランチャ10の2つの向かい合う側面プレートの第1のグループは、導電性材料でできており、二つの向かい合う側面プレートの第2のグループは、取り除かれてもよく、誘電性の材料、又は先行技術において知られているような他の材料で作られてもよく、若しくは単に、セラミックなどの固体の充填誘電物質の向かい合う表面に置き換えられてもよい。

0052

さらに、EM波ランチャ10は、導電性材料を用いて作られる代わりに、可変の導電性を有する材料が配置される少なくとも二つの向かい合う側面プレートを別途、提供されてもよい。当業者であれば、EM波ランチャ10の内側容積を充填する誘電性材料に塗布される導電性材料の一つ又はそれ以上の被膜の利用例が、側面プレートに沿う可変の導電性の望まれるプロファイルを達成するために用いられ得ることを理解するだろう。あるいは、厚さが均一であり、可変の導電性を有するフィルムは、供給端12と送出端14との間に配置され得る。より具体的には、可変の導電性材料は、少なくとも側面プレート24a及び24c上に、又は少なくとも側面プレート24b及び24d上に配置され得る。この別途の実施形態において、EM波ランチャ10の内部容積は、固体の誘電体、望ましくはセラミックで充填される。可変の導電フィルムは、供給端12から送出端14へ向かう、誘電体の二つの向かい合う側面の表面上に配置され、EM波ランチャ10の側面プレート24a、24b、24c、及び24dを形成する。この構造において、種々の導電性材料の第1の端は、供給端12とより近接して配置され、可変の導電性材料の第2の端は、送出端14とより近接して配置される。よって、電磁波は、可変の導電性材料に部分的に囲まれる領域内部でEM波ランチャ10中を伝搬し、導電性は、可変の導電性材料上のポイントから送出端14への距離の関数として変動する。あるいは、それぞれが可変の導電性を有する、導電フィルムの複数の部分が、より低い導電性からより高い導電性まで連続して配置され、部分の最初のものから最後のものまでの距離の関数として増加する導電プロファイルを作り出し得る。導電フィルムのそれぞれの個々の層の厚さは、0.001インチと0.1インチとの間の範囲であることが好ましい。

0053

通常、シート抵抗は、均一な厚さの材料の薄いフィルム層の導電性の度合いを特徴付ける。より大きいシート抵抗は、より低い導電性と対応し、逆の場合も同じである。直前に述べた構造において、可変の導電性材料のシート抵抗は、供給端12により近接する可変の導電性材料の第1の端から、送出端14により近接する可変の導電性材料の第2の端まで、指数関数に従って増加する。

0054

特に、供給端12により近接する第1の端における可変の導電性材料のシート抵抗の最小値は、1オームスクエアより小さいことが望ましい。より望ましくは、シート抵抗の最小値は、銅又は銀などの導電性材料のシート抵抗と同様である。一方で、送出端14により近接する、第2の端における可変の導電性材料のシート抵抗の最大値は、50オーム/スクエアと1000オーム/スクエアとの間のどこかの範囲であることが望ましい。より望ましくは、シート抵抗の最小値は、セラミックなどの誘電性材料のシート抵抗と同様である。言い換えると、可変の導電性材料は、供給端12により近接する導電性材料として作用し、可変の導電体材料が送出端14へ近づくにつれて、望ましい最大シート抵抗値を有するように、段階的に推移する。この可変の導電プロファイルは、送出端14におけるエッジからのEM波の反射の大幅な削減を提供する。したがって、可変の導電プロファイルは、送出端14におけるエッジから反射するEM波から生じるクラッタの大幅な削減を提供する。

0055

前述の可変の導電プロファイルは、EM波ランチャ10の少なくとも二つの向かい合う側面プレート24a及び24c、又は24b及び24dのそれぞれに対してほとんど同じである。しかしながら、当業者であれば、それぞれの側面プレート内の異なるプロファイルが用いられ得ることを理解するだろう。概して、可変の導電性材料のシート抵抗のプロファイルは、ステップ、楕円関数、指数関数、若しくは滑らかに推移する関数、又はそれらの任意の組み合わせに従って増加し得、供給端12により近接する可変の導電性材料の第1の端から、送出端14により近接する可変の導電性材料の第2の端まで、クラッタを削減するようにデザインされ得る。

0056

送出端14へ相対的に近接して配置される抵抗フィルムを用いることの重要な問題は、通常の稼働状態において、耐火材料が、炉の近接の、外側表面においてカ氏数百度の温度に到達し得ることである。送出端14は、高温の材料と物理的に接触する。それ故に、大抵は、フィルムは、保護されない限り物理的に損傷し得る。導電フィルムは、フィルムを保護するために、高温接着剤の二つの層の間に挟まれ得る。この3層構造は、EM波ランチャ10の内部容積を充填する誘電性材料の少なくとも二つの向かい合う側面の表面上に、供給端12から送出端14へ向かって配置され、EM波ランチャ10の側面プレート24a及び24cを形成し得る。本実施形態において、誘電性材料及び3層構造は、2時間の間にセ氏約300°の温度で硬化された。望ましくは、フィルム及び接着剤の層のそれぞれは、0.001インチと0.01インチとの間のどこかの範囲にわたる厚さを有する。より望ましくは、接着剤の層は、誘電性材料の電気特性に類似する電気特性を有する。さらに、高温セラミックセメント又は他の相当する材料が、保護の増強のために3層構造の頂部に配置されてもよい。このように、コンパクトパッケージングが、フィルムを、送出端14が経験する高い温度に起因する物理的な損傷から、並びにEM波ランチャ10の設置及び操作の間の取り扱いから保護するためだけでなく、操作の間にフィルムを適所に保つために提供される。当業者であれば、商業的に利用可能な接着剤及びセメント材料の種々のタイプが用いられ得、それらの接着剤及びセメント材料が、概して、カ氏200から500度までの範囲の温度において、1時間と3時間との間の硬化する時間を有することを理解するだろう。

0057

前述のように可変の導電性材料を用いてEM波ランチャ10を構成することの効果は、EM波ランチャ10の送出端14のエッジに関するクラッタ要素を削減するにあたり有意義であるので、可変の導電性材料を用いる実施形態は、送出端14において広がったエッジ又は丸まったエッジを必要とし得ない。よって、丸まったエッジのEMランチャを用いる第1の構造、又は可変の導電性材料の少なくとも二つの側面プレートを有するEM波ランチャを用いる第2の構造のいずれかが、ほとんどの利用例においてエッジ反射を大幅に削減するために用いられ得る。もちろん、エッジ反射を削減するための両方の技術を組み合わせる第3の構造は、更なる改善を、材料評価システムへ提供する。

0058

EMランチャ10の送出端14は、評価される材料の近接の、外側表面のトポロジに従って伸長し得る。あるいは、EM波ランチャ10の送出端14の丸まったエッジは、エッジ反射の効果を削減するために、推移ポイント28a、28b、28c、及び28dから離れて十分に、滑らかに伸長する円関数又は他の関数に従い得る。

0059

全体の材料評価システムは、操作者が、スイッチを有効にすることによって、周波数帯域にわたってEM波の送出を開始する、単独の携帯可能なユニットパッケージされてもよい。より具体的には、全体の材料評価システムは、単独の携帯式ユニットに封入されてもよい。ユニットは、単独のポイントにおいて炉壁の状態を評価し得、内蔵メモリに情報を記録し得る。あるいは、材料評価システムのコンポーネントのサブセットを伴うEM波ランチャは、EM波を送出するための、並びにEM波ランチャへ至るEM波の強度及び位相を測定し、記録し、及び格納するだけのための、単独のアセンブリ統合され得る。続いて、格納されたデータは、携帯可能なメモリドライブを用いて、又はフレキシブルケーブルによって、評価中の対象の材料の状態を判定し、最終的に厚さを測定するために、コンピュータベースのプロセッサ22へ送信され得る。あるいはデータは、リアルタイムに、又は都合の良い機会に無線で送信され得る。さらに、携帯式ユニットは、データ処理コンポーネント、並びに炉壁の厚さ、及び/又は耐火材料の外側の、近接表面から、評価中の材料に組み込まれた不連続までの距離を表示するディスプレイを含み得る。携帯可能なユニットは、複数の位置で測定する間に、手動で炉壁のエリアをスキャンするようにデザインされ得る。さらに、EM波ランチャ10は、評価中の前記材料の一つ又はそれ以上の評価に定期的に用いられ得、若しくは評価中の材料の状態を連続してモニタするために、評価中の材料の外側の、近接表面上に恒久的に設置され、固定され得る。あるいは、評価中の材料の外側の、近接表面の領域は、稼働中にEM波ランチャを移動させ、一方で、評価中の材料の外側の、近接表面との、物理的な接触を維持することにより、スキャンされ得る。

0060

コンピュータベースのプロセッサ22のRFサブシステム23のRFフロントエンドは、EM波ランチャ10の供給推移部18と統合され得る。言い換えると、同軸ケーブル20は、もはや要求されないので、システムから除去され得る。この状況では、RFフロントエンドと供給推移部18との間の任意の複数の反射は、関心の反射EM波のどれよりも前に、コンピュータベースのプロセッサ22へ到着する。あるいは、同軸ケーブル20は、所定の物理的なルートに従って配置され、ケーブル内を伝わるRF信号又はEM波の最大限の安定性を生み出す。さらに、そのような安定性は、同軸ケーブル20のどの動きも最小にするように、支持構造へケーブルを物理的に取り付けることによって達成され得る。同様に、同軸ケーブル20が、ケーブルに直線ルートからある角度を超えて曲がることを要求するルートに従うことを妨げることは、システムの全体のクラッタを削減するのに役立ち得る。

0061

当業者であれば、EM波ランチャ10が、アンテナ導波管、誘電性材料、導電性材料、可変の導電性を有する材料、メタマテリアル、又は異なる幾何学的な配置で構成される、それらの任意の組み合わせの、一つまたはそれ以上を含む種々の構造内に、複数のデバイス及び材料を用いて実装され得ることを理解するだろう。

0062

特に、図6は、導電性材料の第1の層62a及び導電性材料の第2の層62bを有するボウタイアンテナを含む平面EM波ランチャ60の好ましい構造を示し、層62a及び62bの両方のエッジは、三角形を有するように線形的にテーパー状となり、誘電体基板64の頂部表面上に配置される。EM波ランチャ60は、通常、「平衡不平衡変成器」と呼ばれ、同軸ケーブルなどの不平衡送信ラインのインピーダンスをボウタイアンテナの入力インピーダンスへ順応する、平衡−不平衡デバイスによって供給される。この構造において、ボウタイアンテナの入力インピーダンスは、耐火材料の近接の、外側表面のインピーダンスへ実質的に整合される。基板64は、導電性材料の層が裏側表面の全部にわたって配置されてグランドプレーンを形成する、裏側表面と、平衡不平衡変換器が、ボウタイアンテナへ供給することを可能にする二つの開口とを有する。通常、当業者によく理解されているように、これらの開口は、基板64の最小の寸法又は厚さを介して作られ、並びにワイヤが、それぞれの開口を通過することを可能にし、層が、その最も近い距離、この場合において約0.1インチ、にあるポイントで、平衡不平衡変成器をそれぞれの層62a及び62bへ電気的に接続するのにちょうど十分な大きさである。この構造において、基板64の寸法は、4インチ長、3インチ幅、及び0.27インチ厚である。それぞれの層62a、62bの最大幅は、約2.7インチであり、長さは、約1.95インチである。それぞれの層62a、62bの厚さは、誘電体基板へ塗布される導電性材料のフィルム又は被膜と対応する前述のものに特有である。さらに、基板64は、1と150との間のどこかに誘電率を、0と1との間のどこかに誘電正接を有し得る。

0063

材料の一般的な評価において、ボウタイアンテナを含む基板64の頂部表面は、コンピュータベースのプロセッサ22から生じるEM波を耐火壁内へ送出するために、及びコンピュータベースのプロセッサ22へ戻る反射EM波を受信するために、耐火材料の近接の、外側表面に対してコンフォーマルに配置される。当業者であれば、層62a及び62bが、EM波ランチャ10の前の実施形態に記載されるように可変の導電性材料を用いて実装され得ることを理解するだろう。同様に、層62a及び62bの形状は、真っ直ぐなエッジ、特定の関数に従う湾曲したエッジ、又はそれらの組み合わせを有する三角形の形状以外であり得る。

0064

同様に、図7は、第1の平面部64a、第1の湾曲したエッジ部64b、第2の湾曲したエッジ部64c、第2の平面部64d、及び第3の平面部64eで構成される基板64を有する図6の平面EM波ランチャ60についての構造を示す。第1の平面部64aは、この場合においては約3インチの、基板64の幅に到達するまでの基板64の幅に沿った第1の寸法で、並びにこの場合においては推移ポイント66aと66bとの間の距離及び推移ポイント66cと66dとの間の距離が約4インチである、推移ポイント66a、66b、66c、及び66dに到達するまでの基板64の長さに沿った第2の寸法で、ボウタイ供給エリアから平面にわたって伸長する。

0065

第1の湾曲したエッジ部64b及び第2の湾曲したエッジ部64cは、ボウタイアンテナの供給ポイントから基板64の長さに沿って伸長するのにつれて、部分64b及び64cは、円周の1/4で約1.6インチの曲率半径を伴う円形経路に従って、基板64の裏側表面の方へ湾曲して、推移ポイント68a、68b、68c、及び68dへ到達する。言い換えると、推移ポイント66aと68aとの間の基板64の湾曲した経路に沿った距離は、約2.51インチである。これは、推移ポイント66bと68bとの間で、推移ポイント66cと68cとの間で、及び推移ポイント66dと68dとの間で、それぞれ実質的に同じ距離である。同様に、これは、基板64の湾曲した経路に沿った部分64b及び部分64cの同じ長さである。推移ポイント68a及び68cにおいて、第2の平面部64dは、約0.5インチだけ基板64の長さを伸長し始める。それに応じて、推移ポイント68b及び68dにおいて、第3の平面部64eは、約0.5インチだけ基板64の長さを伸長し始める。よって、第2の平面部64d及び第3の平面部64eは、第1の平面部64aに対して実質的に直交する。

0066

図6及び図7に示す構造において、最も強力なクラッタ要素は、ボウタイアンテナのエッジにおける複数の反射に対応する。図7の構造の湾曲したエッジの寸法は、基板64の表面上を伝搬するEM波の伝搬時間を伸ばすように選択され、その時間は、耐火壁の近接の、外側表面から耐火壁の遠隔の、内側表面へ伝搬するEM波の伝搬時間より長いものである。このように、ボウタイアンテナのエッジからのEM波の複数の反射と関連するクラッタの効果は、大幅に削減される。当業者であれば、図7の構造において、層64b及び64cのエッジが、楕円関数、指数関数、滑らかに推移する関数、又はそれらの任意の組み合わせに従うようにテーパー状にされ得ることを理解するだろう。さらに、部分64d及び64eの長さは、クラッタを削減するという最終的な目的により調整され得る。

0067

さらに、前述の構造のそれぞれにおいて、当業者であれば、特定の単独信号処理方法が、評価される材料の推定される厚さに従って選択され得ることを理解するだろう。例えば、フーリエ変換に基づく信号処理方法は、特に、6インチより大きい厚さを伴う壁の評価に関する、コンピュータベースのプロセッサ22によって受信されるデータを処理するのに用いられ得る。一方で、超解像アルゴリズムに基づく信号処理方法は、3インチより小さい厚さを伴う壁の評価のために望ましい。あるいは、一つ又はそれ以上の単独信号の処理方法からなるハイブリッド信号処理方法は、システムの稼働及び帯域幅の周波数、炉の稼働の温度、並びに耐火材料の種類及び質を含む更なる要因に従って用いられ得る。

0068

同様に、前述の構造のそれぞれにおいて、EM波ランチャ10の送出端は、本明細書の別箇所で説明する、評価中の材料とインピーダンス整合され、クラッタを抑制することにさらに役に立つ。

0069

前述の構造のそれぞれに関して、耐火材料などの評価中の対象の材料の厚さを判定するための図8に示す方法は、以下に従って実行され得る。

0070

1.ステップ810における、物理的な接触を最大にするために、評価中の材料の外側の、近接表面へコンフォーマルに近接するEM波ランチャの送出端を配置することによって、EM波ランチャを設置するステップであって、物理的な接触を最大にすることは、EM波ランチャの送出端と評価中の材料の外側の、近接表面との間のギャップを最小にすることに対応し、このことにより、EM波ランチャの稼働の際に、EM波は評価中の材料の外側の、近接表面へ送出されるステップ。

0071

2.次に、ステップ820における、送信周波数帯域にわたって、EM波ランチャ内部へEM波伝搬モードを励起することによって、EM波ランチャから評価中の材料の外側表面へEM波を送出し、それに応じて、前記周波数帯域にわたって、EM波ランチャの供給端からEM波ランチャの送出端へ、EM波ランチャ内部へ伝搬するEM波を生成するステップ。

0072

3.次に、ステップ830における、EM波ランチャによって送出されるEM波の評価中の材料の外側表面内への伝搬の結果として、周波数帯域にわたって、EM波ランチャ内へ至るEM波の強度及び位相を測定するステップ。

0073

4.次に、ステップ840における、EM波ランチャ内へ至るEM波の測定された強度及び位相の周波数領域データを格納するステップ。

0074

5.次に、ステップ850における、記録された周波数領域データをコンピュータベースのデータプロセッサへ送信するステップ。

0075

6.次に、ステップ860における、コンピュータベースのデータプロセッサを用いて、数理的逆フーリエ変換、又は他のモデルベースの逆スペクトル変換方法を実行することによって記録された周波数領域データを時間領域データへ変換するステップ。

0076

7.次に、ステップ870における、評価中の材料内のEM波の既知の又は推定される位相速度に従って、時間領域データを距離領域データへ調整し、調整された距離領域データのノイズレベルを加えたクラッタを上回るピーク値に基づいて、EM波ランチャの供給端と評価中の材料の外側表面、近接表面との間の物理的な長さと対応する距離領域のプロファイルにリファレンスポイントを規定するステップであって、リファレンスポイントは、評価中の材料の外側の、近接表面からEM波ランチャ内へ反射するEM波と関連し得るステップ。

0077

8.次に、ステップ880における、リファレンスポイントと評価中の材料の既知のもとの厚さとの間の、ノイズレベルを加えたクラッタを上回る、ピーク値を特定するために、調整された距離領域データを評価するステップであって、ピーク値は、評価中の材料の内側の、遠隔表面からEM波ランチャ内へ反射するEM波と関連し得るステップ。

0078

9.最後に、ステップ890における、ステップ880において特定されたピーク値からリファレンスポイントまでの距離を判定するステップであって、その距離は、評価中の材料の厚さ(評価中の材料の外側の、近接表面と評価中の材料の内側の、遠隔表面との間の距離)に対応するステップ。

0079

当業者であれば、先に示したステップは、特定の構造、並びに測定機器、稼働周波数帯域、EM波ランチャの種類、稼働条件、周囲の環境、及び所与の利用例に対する材料評価システムの実装のための利用可能なエリア及び位置などの、他の制約に対して、相応に調整され得ることを理解するだろう。特に、(90dBを超過する場合もある)高いダイナミックレンジにわたって要求とされるEM波の強度及び位相の測定は、ネットワークアナライザの利用を通してなどの複数の方法で達成され得、周波数帯域にわたって、モノスタティック構造(EM波の送出と、EM波の受信との両方を行う単独のデバイス)を用いてS11のSパラメータを測定し得、又は周波数帯域にわたって、バイスタティック構造(EM波を送出する第1のデバイス及びEM波を受信する第2のデバイス)を用いてS21のSパラメータを測定し得る。

0080

さらに、当業者であれば、調整された距離領域データを評価する間に、ノイズレベルを加えたクラッタを上回る中間ピーク値が、評価中の材料の外側の、近接表面から反射するEM波と関連するリファレンスポイントと、評価中の材料の内側の、遠隔表面から反射するEM波と関連するピーク値との間に表れ得ることを理解するだろう。中間ピーク値は、評価中の材料の外側の、近接表面と評価中の材料の内側の、遠隔表面との間に存在する、評価中の材料の欠陥と関連し得ることが理解される。

0081

さらに、距離領域データへの時間領域データの調整は、EM波ランチャ及びケーブルと関連する遅延時間(距離)の減算を含む。さらに、EM波ランチャ及び評価中の材料の周波数分散の効果は、必要であれば、評価中の材料の測定されたデータを、当業者に周知の処理を介して、評価中の材料に類似する材料の既知の特性及び厚さの、限定しない例によるリファレンス構造と対応する測定されたデータの別のセットに関して、正規化することにより、除去され得る。

0082

種々の実施形態を、例示的な態様で本明細書に記載した。用いられる用語は、限定の用語の性質を帯びるというよりはむしろ、説明の用語の性質を帯びるように意図されることが理解されるべきである。本明細書に開示した実施形態はどれも、他の実施形態の一つ又はそれ以上の態様を含み得る。例示的な実施形態は、当業者が発明を実施し得るように、本発明の原理のいくつかを説明するべく記載した。明らかに、本発明の多くの修正及び変更は、先の教示の観点で可能である。本発明は、添付の請求項及びこれらの法的な等価物の範囲で具体的に記載される以外の形態で実施され得る。

0083

産業上の利用可能性
本発明は、電磁波の利用を通して、耐火材料などの材料内部の欠陥を検出して測定するためのシステム及び方法に適用可能である。デバイスは、表面検査の分野で産業上製造され実施され得る。

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