專(zhuān)利名稱(chēng)：用于測(cè)量和控制過(guò)程參數(shù)的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及適合于利用可由射頻信號(hào)識(shí)別的專(zhuān)用集成電路測(cè)量過(guò)程系統(tǒng) (主要為處理食品的系統(tǒng))的過(guò)程參數(shù)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
大多數(shù)商業(yè)化生產(chǎn)的包裝食物(包括飲料)經(jīng)歷了熱處理，從而保證該特定食物的消費(fèi)安全。該熱處理的強(qiáng)度隨食物的物理特性和化學(xué)成分、包裝的類(lèi)型以及所期望的保存期限而變化。熱處理可以在將產(chǎn)品裝入包裝中之前或者之后實(shí)現(xiàn)。例如，與在包裝中進(jìn)行熱處理的產(chǎn)品相比，產(chǎn)品在裝入包裝中之前進(jìn)行熱處理的弱酸性食物可能采用非常不同的過(guò)程系統(tǒng)。為了保證熱處理后的食品的消費(fèi)安全，制造商需要知道向產(chǎn)品施加多少熱。該熱處理可以視為溫度和時(shí)間的函數(shù)。產(chǎn)品溫度被加熱至某一度數(shù)，并且至少保持在該溫度下歷時(shí)規(guī)定的時(shí)間量，從而與“致死”值相對(duì)應(yīng)，該“致死”值通常用在食物工業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)化和量化熱處理的強(qiáng)度。對(duì)于純液體食物，例如飲料和湯汁，可以通過(guò)在過(guò)程系統(tǒng)中規(guī)定位置處的溫度探針容易地測(cè)量產(chǎn)品溫度。然而，使用傳統(tǒng)溫度探針不是優(yōu)選的，并且若期望在諸如湯的顆粒食物(例如，具有天然的組成微粒的液體食物)內(nèi)測(cè)量溫度，則實(shí)際上幾乎不可能。 在這些情況下，僅僅可以通過(guò)使用傳統(tǒng)的溫度探針來(lái)監(jiān)測(cè)顆粒食物的液體組分的溫度。在期望對(duì)食物中的不同天然組成微粒進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，就出現(xiàn)了明顯的難題。在任何殺菌過(guò)程中，目的是確保產(chǎn)品整體的商業(yè)無(wú)菌性。當(dāng)產(chǎn)品由同種液體組分組成時(shí)，可以通過(guò)使用傳統(tǒng)的溫度探針來(lái)方便測(cè)量。相反地，當(dāng)產(chǎn)品由懸浮在液體組分中 (例如在配菜湯中)的若干不同的微粒組成時(shí)，可能非常難以基于在傳統(tǒng)的連續(xù)流動(dòng)殺菌系統(tǒng)中容易獲取的過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)產(chǎn)品整體的無(wú)菌性。困難來(lái)源于以下事實(shí)產(chǎn)品中的不同微粒類(lèi)型可能與液體流不同地加熱，從而失去了作為微粒溫度指示器的液體組分的溫度探針測(cè)量的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。過(guò)程系統(tǒng)中的微粒停留時(shí)間分布增加了確保所有成分的商業(yè)無(wú)菌性的復(fù)雜性。產(chǎn)品在壺或帶式混合機(jī)中的批混合，例如針對(duì)包含大顆粒的湯產(chǎn)品，會(huì)因?yàn)槿舾稍驅(qū)е挛⒘７植紗?wèn)題，這些原因包括不足的混合時(shí)間、不合適的攪拌器設(shè)計(jì)、不合適的攪拌器速度或方向、壺尺寸和形狀、配菜級(jí)別和尺寸、總液體量、微粒密度以及液體粘度。因此，可能難以測(cè)量感興趣的多種過(guò)程條件，例如微粒在混合容器中的方向、方位、速度或溫度。事實(shí)上，利用例如溫度探針的傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行直接微粒溫度測(cè)量(如果可能的話)可能會(huì)因?yàn)槲⒘Ｔ谶@種單元的操作期間的運(yùn)動(dòng)而受到重大挑戰(zhàn)。因此，期望進(jìn)一步優(yōu)化這些批過(guò)程條件。一般而言，單微粒在該微粒的整個(gè)體積中的溫度可能并非是均勻的。例如，因?yàn)轭w粒的外表面與液體組分直接接觸，因而微粒的外表面可能比顆粒的核心加熱得更快。盡管這對(duì)于熱水或蒸汽用作加熱介質(zhì)的一些傳統(tǒng)操作來(lái)說(shuō)是事實(shí)，但對(duì)于利用其它手段(例如，紅外線、微波、直接太陽(yáng)能加熱、輻射加熱、感應(yīng)加熱或電阻加熱)加熱食物的熱操作，
4事實(shí)并非如此。除了在單微粒的體積內(nèi)的溫度變化之外，隨著整個(gè)食物體積被泵浦通過(guò)過(guò)程系統(tǒng)，不同類(lèi)型的微粒將以不同的速度在液體組分中流動(dòng)。較快流過(guò)系統(tǒng)的微粒經(jīng)受熱處理的時(shí)間將較少。無(wú)菌熱處理一般涉及利用合適的換熱器對(duì)食材連續(xù)殺菌。使用的換熱器類(lèi)型由食材的性質(zhì)規(guī)定，例如粘度、微粒尺寸和同質(zhì)性。一些食材，例如果汁、牛奶和湯汁，是同質(zhì)產(chǎn)品并且可以在板式換熱器中處理。其它食品，例如具有固體微粒的湯，可以在能夠操作微粒的諸如管狀換熱器之類(lèi)的換熱器中處理。為了能夠量化無(wú)菌操作的熱處理，人們需要能夠通過(guò)評(píng)估微粒的已知特性(例如，尺寸、導(dǎo)熱性或密度)來(lái)識(shí)別在其核心處的最慢變熱的微粒。一旦識(shí)別到最慢變熱的微粒，在與所使用的加熱系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的保溫管的入口和出口處就會(huì)知道該微粒(在其最冷的點(diǎn))的溫度，從而確保由多種決定因素(例如烹飪值、致死率等)所測(cè)量的適當(dāng)?shù)臒崽幚?。?dāng)前，現(xiàn)有技術(shù)缺少一種能夠在連續(xù)流熱處理期間至少接近實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)諸如微粒的直接溫度之類(lèi)的過(guò)程條件的系統(tǒng)。食物科學(xué)家和工程師已利用各種技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)使食物制造過(guò)程量化和有效。這些傳統(tǒng)的嘗試一般可以被分成兩類(lèi)，即不同微粒成分的停留時(shí)間分布和在系統(tǒng)的重要位置處的微粒成分的溫度數(shù)據(jù)。例如授予Grabowski等人的美國(guó)專(zhuān)利No. 5，261, 282公開(kāi)了使用植入式射頻發(fā)射機(jī)應(yīng)答器(采用RFID芯片的形式)識(shí)別通過(guò)連續(xù)過(guò)程系統(tǒng)的模擬微粒的停留時(shí)間。授予 Arndt等人的美國(guó)專(zhuān)利No. 5，741，979公開(kāi)了使用在微粒中的偶極天線標(biāo)記植入和微波變送器檢測(cè)器以測(cè)量微粒停留時(shí)間。然而，諸如此類(lèi)的系統(tǒng)不能提供關(guān)于感興趣的微粒的溫度的信息，并且也不能提供涉及系統(tǒng)的最慢變熱和最快移動(dòng)微粒的相關(guān)溫度過(guò)程信息。已進(jìn)行了進(jìn)一步傳統(tǒng)的嘗試，以便或者僅僅測(cè)量連續(xù)過(guò)程系統(tǒng)中食物微粒的溫度或者測(cè)量該食物微粒的溫度和停留時(shí)間兩者。例如由Kantt等人在Journal of Food Science (食物科學(xué)雜志)Volume 63，No. 2 (1998)(第 63 卷第 2 期(1998))上發(fā)表的"Temperature Mapping of Particles During Aseptic Processing with Magnetic Resonance Imaging(“利用磁共振成像進(jìn)行在無(wú)菌處理期間的微粒的溫度映射”)中所公開(kāi)的磁共振成像溫度測(cè)定法，是無(wú)阻隔和無(wú)接觸方法，但并沒(méi)有快得足以提供內(nèi)嵌的實(shí)時(shí)測(cè)量。需要花費(fèi)八秒來(lái)對(duì)單幅64X64的截面溫度圖進(jìn)行成像。然而，在該時(shí)間期間，大量的產(chǎn)品可能穿過(guò)未被監(jiān)測(cè)的檢測(cè)器。因此，能夠觀測(cè)的截面的數(shù)目是非常有限的，即不可能針對(duì)所有可能的情況確定實(shí)現(xiàn)致死熱處理的初始位置的檢測(cè)。其它傳統(tǒng)的具有相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)的方法包括執(zhí)行熱阻植入的方法。其中的一個(gè)示例是在授予(ihiron等人的美國(guó)專(zhuān)利No. 5，722，317中公開(kāi)的局部磁性溫度測(cè)量方法，其致力于使用球形順磁微粒作為植入物和纏繞在管上的傳感器線圈作為傳感器。然后，該方法根據(jù)三個(gè)傳感器線圈的信號(hào)實(shí)現(xiàn)下降的磁場(chǎng)強(qiáng)度與溫度增加之間的相關(guān)以計(jì)算植入物溫度。然而，由該方法采用的在所測(cè)量的磁場(chǎng)與增加的溫度之間的負(fù)相關(guān)可能會(huì)引起不守恒的溫度估計(jì)，即最終的計(jì)算結(jié)果可能指示比植入物中實(shí)際存在的溫度更高的溫度。這是因?yàn)橐韵率聦?shí)除了植入物中溫度增加以外，磁場(chǎng)降低還可能由多種因素引起，例如由其它材料(例如，存在的其它食物微粒)的檢測(cè)障礙。更進(jìn)一步，磁性溫度測(cè)定法非常易受電磁干擾的影響，從而大幅增加了數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜性或所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。授予1^1擬呢11!等人的美國(guó)專(zhuān)利似.7，112，％4公開(kāi)了另一方法，其利用沿同一磁極彼此附接且固定在模仿真實(shí)食物微粒的性質(zhì)的載體微粒中的兩個(gè)以上磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。這些磁體利用具有特定釋放溫度的粘合劑以簡(jiǎn)單且強(qiáng)制的附接方式放置。當(dāng)粘合劑在規(guī)定的閾值溫度下熔化時(shí)，至少一個(gè)磁體旋轉(zhuǎn)到異性極，從而在磁場(chǎng)中產(chǎn)生了可檢測(cè)的改變。針對(duì)給定的磁體對(duì)，假設(shè)在過(guò)程系統(tǒng)中檢測(cè)到磁場(chǎng)中的這種改變的位置為模擬微粒溫度到達(dá)閾值溫度的位置。該方法的缺點(diǎn)在于，與(Chiron等人所公開(kāi)的方法類(lèi)似，不提供直接的溫度測(cè)量。相反，僅僅提供溫度的間接指示。進(jìn)一步，最終的溫度指示僅僅是指示位于粘合劑的預(yù)定閾值溫度之上，而不是直接的數(shù)值溫度值。進(jìn)一步，沒(méi)有一種在多個(gè)磁體對(duì)同時(shí)引入系統(tǒng)時(shí)唯一地識(shí)別一個(gè)磁體對(duì)的方法。因此，現(xiàn)有技術(shù)需要對(duì)熱處理后的具有多個(gè)組成食物微粒的異質(zhì)流體的顆粒溫度進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，公開(kāi)了利用專(zhuān)用集成電路(ASIC)為批或連續(xù)熱處理(例如顆粒食物殺菌、滅菌和/或保存處理)提供與過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)的方法和裝置。優(yōu)選地，所述電路被嵌入經(jīng)受這種處理的微粒中，并且描述了用于提供至少接近實(shí)時(shí)的過(guò)程控制的方法，該至少接近實(shí)時(shí)的過(guò)程控制源自由經(jīng)受這種處理時(shí)的電路提供的過(guò)程數(shù)據(jù)。用于監(jiān)測(cè)批或連續(xù)熱處理的過(guò)程條件的優(yōu)選系統(tǒng)，利用至少一個(gè)專(zhuān)用集成電路 (ASIC)，該專(zhuān)用集成電路可被射頻信號(hào)識(shí)別并且與能夠測(cè)量至少一個(gè)過(guò)程條件的至少一個(gè)傳感器連接。該系統(tǒng)進(jìn)一步具有至少一個(gè)能夠與該電路通信的收發(fā)機(jī)以及至少一個(gè)嵌有該電路的微粒。該微粒在具有經(jīng)受直接熱處理、間接熱處理或其它食物加工處理的多種組成食物微粒的異質(zhì)流體內(nèi)經(jīng)過(guò)。在適當(dāng)?shù)那闆r下可以采用無(wú)菌處理或非無(wú)菌處理。嵌有電路的微?？梢允菍?shí)際的組成微?；蚰M任意數(shù)目的組成微粒性質(zhì)的微粒。一些目前優(yōu)選的系統(tǒng)利用放置在天然組成微粒內(nèi)的電路。另一些目前優(yōu)選的系統(tǒng)利用放置在經(jīng)過(guò)連續(xù)過(guò)程系統(tǒng)的模擬微粒內(nèi)的電路。這種電路可以暴露在微粒的表面處， 或者可以安置在微粒內(nèi)，優(yōu)選在至少接近微粒的中心的位置處，以便該微粒模仿天然組成微粒的至少一個(gè)物理、熱或介電特性。感興趣的物理特性可以包括但不限于含水量、含鹽量、形狀和/或密度。僅僅作為示例地，介電特性可以包括導(dǎo)電系數(shù)、磁導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)、相對(duì)介電損耗系數(shù)和/或介電損耗角。另一些優(yōu)選的方法進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)日志系統(tǒng)，用于測(cè)量并存儲(chǔ)與由至少一個(gè)嵌有電路的微粒測(cè)量的至少一個(gè)過(guò)程條件相關(guān)的信息?？梢匝靥幚硗ǖ赖闹辽僖徊糠诌M(jìn)行這種數(shù)據(jù)日志，可以在沿處理通道的至少一個(gè)離散位置處進(jìn)行這種數(shù)據(jù)日志，或者可以沿處理通道的至少一部分并在沿處理通道的至少一個(gè)離散位置處進(jìn)行這種數(shù)據(jù)日志。相應(yīng)地，這種數(shù)據(jù)日志可以是連續(xù)的、間斷的或者兩者的結(jié)合。能夠利用這種系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程條件可以包括例如但不限于液體pH值、顆粒溫度、液體溫度、顆粒速度、顆粒位置、顆粒旋轉(zhuǎn)、液體速度、液體營(yíng)養(yǎng)特性、化學(xué)特性、系統(tǒng)壓力、顆粒方位、顆粒位置和/或液體鹽分。營(yíng)養(yǎng)測(cè)量例如可以識(shí)別可能存在于異質(zhì)流體的液體組分中的糖、蛋白質(zhì)、淀粉和/或各種維他命或礦物質(zhì)的量、濃度或比率。營(yíng)養(yǎng)測(cè)量可以進(jìn)一步包括識(shí)別各種植物化學(xué)物質(zhì)的量、濃度或比率，這些植物化學(xué)物質(zhì)例如但不限于植物固醇、類(lèi)胡蘿卜素、三烯生育醇、異黃酮、Ω-3脂肪酸、磷脂、核苷、核苷酸、胺基葡萄糖、 阿魏酸和/或香豆酸。顆?；蛞后w溫度測(cè)量值可以被測(cè)量為從約_40°C到約200°C，優(yōu)選在100°C到 140°C之間。優(yōu)選的系統(tǒng)可以以1°C的精度來(lái)測(cè)量溫度。系統(tǒng)壓力測(cè)量值可以最高達(dá)lkpsi， 優(yōu)選最高達(dá)150kpsi。測(cè)量過(guò)程條件的又一優(yōu)選方法利用至少一個(gè)可被射頻信號(hào)識(shí)別的專(zhuān)用集成電路， 該專(zhuān)用集成電路具有至少一個(gè)能夠測(cè)量至少一個(gè)過(guò)程條件的傳感器，在異質(zhì)流體中提供專(zhuān)用集成電路，并且在過(guò)程系統(tǒng)內(nèi)的至少一個(gè)位置處測(cè)量由電路確定的至少一個(gè)過(guò)程條件。 該位置位于沿處理通道的長(zhǎng)度的至少一部分、在處理通道的遇到收發(fā)機(jī)的離散截面處，或者兩者處。采用這種方式，例如可以測(cè)量相對(duì)于過(guò)程空間的顆粒方位、顆粒位置或兩者。


圖1為示出熱處理系統(tǒng)的各種部件的示意圖。圖2為示出與實(shí)際的天然食物微粒相比具有嵌入式換能器的嵌有電路的微粒的示意圖。圖3為示出與實(shí)際的天然食物微粒相比的嵌有電路的微粒的平面截面的示意圖。圖4為示出嵌入式換能器的放大示意圖。圖5為示出與處理管連接的傳感器天線的分解示意圖。圖6為示出沿處理通道長(zhǎng)度的至少一部分進(jìn)行的測(cè)量和在處理通道的離散空間平面進(jìn)行的測(cè)量的示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合在連續(xù)流動(dòng)換熱器中對(duì)顆粒食物進(jìn)行殺菌的過(guò)程來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法和裝置。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明廣泛應(yīng)用于任意類(lèi)型的過(guò)程監(jiān)測(cè)，包括連續(xù)或批處理在內(nèi)， 特別是利用在任意維度中尺寸近似為5mm(或更小)的小設(shè)備無(wú)線測(cè)量過(guò)程參數(shù)的過(guò)程監(jiān)測(cè)。以其它方式已知并用在多種工業(yè)中的專(zhuān)用集成電路(ASIC)用于各種傳感應(yīng)用。 合適的印刷電路板組件(PCBA)根據(jù)其應(yīng)用可以具有不同的部件并且可以通過(guò)利用不同的協(xié)議操作。在除了傳感之外還期望標(biāo)識(shí)(ID)時(shí)，片上存儲(chǔ)設(shè)備可以用于存儲(chǔ)唯一 ID。在這種系統(tǒng)中，由集成電路(IC)傳送的傳感數(shù)據(jù)伴隨有芯片的ID。通信協(xié)議可以是有線的或者是無(wú)線的。對(duì)于無(wú)線應(yīng)用，這種通信可以通過(guò)利用無(wú)線電信號(hào)建立，與射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)中提供的通信協(xié)議類(lèi)似。在一些情況下，連接到IC的天線用于接收并發(fā)送無(wú)線電信號(hào)到收發(fā)機(jī)。包括天線的這種單元經(jīng)常稱(chēng)之為換能器。圖1示出作為連續(xù)烹飪過(guò)程的例證的裝置1，其中在配菜湯中的諸如蔬菜之類(lèi)的食物微粒在流動(dòng)的流中被殺菌。應(yīng)當(dāng)理解，圖1所示的裝置1僅僅是示例性的，并且可以根據(jù)本發(fā)明類(lèi)似地實(shí)現(xiàn)能夠處理多種不同食品中任意食品的多種不同系統(tǒng)中的任意系統(tǒng)。在所示出的裝置1中，并且如在工業(yè)中以其它方式已知并常見(jiàn)的那樣，湯在混合壺2中進(jìn)行混合，并且混合后的湯通過(guò)定時(shí)泵3被泵浦到管狀換熱器的管中。泵的速度可以利用可變頻率的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持規(guī)定的流速，可以利用流量計(jì)4來(lái)測(cè)量該流速?；旌虾蟮臏ㄟ^(guò)定時(shí)泵3的排放口(discharge)進(jìn)入殺菌換熱器中，經(jīng)過(guò)加熱部分5、保溫部分6和冷卻部分7，然后灌裝到容器中。取決于包括裝置1的各種管的直徑，可以調(diào)節(jié)總保溫管長(zhǎng)度和產(chǎn)品流速以到達(dá)預(yù)定的保溫時(shí)間。正位移泵25優(yōu)選放置在冷卻部分7的排放口與下游灌裝設(shè)備之間，并且可以用于通過(guò)控制泵25的速度來(lái)調(diào)整貫穿各種管的背壓。根據(jù)本發(fā)明，提供嵌有電路的食物微粒8，其可以在食品的積極制備期間經(jīng)過(guò)裝置 1。嵌有電路的食物微粒8優(yōu)選被配置為監(jiān)測(cè)最慢變熱且最快流動(dòng)的食物微粒經(jīng)過(guò)裝置1 的進(jìn)程，并且可以或者利用天然的食物微粒實(shí)現(xiàn)，或者用以天然食物微粒的形狀形成的模擬食物微粒實(shí)現(xiàn)。參見(jiàn)圖2，嵌有電路的食物微粒8可以合并嵌入天然組成的食物微?；蚰M食物微粒中的封裝換能器10，優(yōu)選地，合并到食物微粒8的中心或至少接近食物微粒8的中心。 最好如圖4中示出的那樣，換能器10包括具有嵌入ASIC的印刷電路板組件(PCBA) 18，該嵌入ASIC具有用于監(jiān)測(cè)期望的參數(shù)(例如溫度和/或壓力)的集成傳感器。為了通信的目的，天線19與PCBA連接，并且優(yōu)選在PCBA周?chē)諝獗P(pán)繞(air-coiled)。為了避免放電，換能器10也優(yōu)選利用合適的絕緣材料17進(jìn)行罐裝，如以其它方式已知并用在工業(yè)中的那樣。 對(duì)于用模擬食物微粒實(shí)現(xiàn)的嵌有電路的食物微粒8，換能器10優(yōu)選被封裝材料9包圍，該封裝材料9可以被選擇為匹配天然食物微粒的某些物理、熱和/或介電性質(zhì)，包括但不限于幾何形狀、體積、密度、熱擴(kuò)散率、熱導(dǎo)率、比熱和/或電導(dǎo)率。過(guò)程系統(tǒng)中最快流動(dòng)的微粒一般會(huì)是相對(duì)于液體流具有中性浮力的微粒。實(shí)現(xiàn)中性浮力的實(shí)施方式是將微粒的密度與液體的密度進(jìn)行匹配。為了匹配天然食物微粒的密度，在選擇模擬食物微粒的封裝材料9的密度時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮換能器10的密度和體積。為了確定封裝材料9的熱擴(kuò)散率，第一步是確定哪些天然食物微粒在其最冷點(diǎn)處熱得最慢。這可以通過(guò)將所有實(shí)際的天然食物微粒暴露到同一臨界條件下同時(shí)監(jiān)測(cè)這些微粒在其中心點(diǎn)處的溫度來(lái)試驗(yàn)確定。這還可以在已知所有實(shí)際的天然食物微粒的熱擴(kuò)散率的情況下通過(guò)理論手段確定。在這種情況下，有限元建模(FEM)軟件可以用于確定最慢變熱的食物微粒。一旦確定了最慢變熱的食物微粒，就可以確定封裝材料9的熱擴(kuò)散率。圖2示出最慢變熱的食物微粒11和嵌有電路的食物微粒8兩者。對(duì)于所示的嵌有電路的食物微粒8，封裝換能器10被放置在中間，并且密封劑9包圍換能器10。如果微粒形狀不是不規(guī)則形狀，則可以利用對(duì)稱(chēng)性來(lái)確定封裝材料的熱擴(kuò)散率。在該示例性實(shí)施例中，最慢變熱的食物微粒11和嵌有電路的食物微粒8具有直角棱鏡的形狀，例如可能遇到的立方體胡蘿卜。應(yīng)當(dāng)理解，嵌有電路的食物微粒8的形狀可以根據(jù)需要而變化，并且可以包括規(guī)則和不規(guī)則形狀兩者。圖3示出模擬食物微粒15和天然組成的食物微粒16兩者，它們已經(jīng)沿三個(gè)平面對(duì)半切割以充分利用對(duì)稱(chēng)性。食物微粒12的中心點(diǎn)是其最冷的點(diǎn)。對(duì)于模擬食物微粒15， 相應(yīng)的點(diǎn)13位于換能器體積內(nèi)，并且換能器體積內(nèi)的傳熱機(jī)制由于其異質(zhì)特性而復(fù)雜。因此，做出如下保守的假設(shè)由換能器10測(cè)量的溫度等于換能器10的到密封劑9的外表面具有最短距離的表面的溫度。在圖3所示的例證性實(shí)施例中，距離14是最短距離。這導(dǎo)致這樣的假設(shè)由換能器10測(cè)量的溫度與位置25處的溫度相同。這是保守假設(shè)，因?yàn)閾Q能器 10內(nèi)的溫度傳感器在換能器的內(nèi)層，并且只要換能器在變熱，其溫度傳感器測(cè)量的溫度就將低于位置25處的溫度。利用這種保守假設(shè)，密封劑9的熱擴(kuò)散率應(yīng)當(dāng)被選擇為使得在食物微粒16和模擬食物微粒15被暴露到同一臨界條件時(shí)，點(diǎn)12處的溫度將與位置25處的實(shí)際溫度相同或略高于位置25處的實(shí)際溫度。這可以通過(guò)利用FEM或其它合適的軟件反復(fù)試驗(yàn)(trail and error)來(lái)確定。熱擴(kuò)散率是熱導(dǎo)率、密度和比熱的函數(shù)，并且可以利用以下公式來(lái)計(jì)算

PcP其中是α熱擴(kuò)散率，k是熱導(dǎo)率，P是密度，并且Cp是比熱。由于之前已確定了封裝材料9的密度，因此可以利用FEM分析的結(jié)果來(lái)計(jì)算熱導(dǎo)率與比熱的比率。涂覆封裝材料的方式取決于所選擇的材料?？梢岳貌煌墓喾?potting)材料以及相應(yīng)的不同涂覆方法來(lái)進(jìn)行封裝。無(wú)論以何種方式涂覆封裝材料9，傳感器10任憑用戶處理而放置在封裝內(nèi)。優(yōu)選地，封裝的換能器10被放置在至少接近封裝的中心的位置。更進(jìn)一步，封裝的換能器10根據(jù)需要可以暴露在封裝的表面處，或者在封裝內(nèi)?？梢栽谀滁c(diǎn)處利用與嵌有電路的食物微粒8鄰近的收發(fā)機(jī)天線M檢測(cè)嵌有電路的食物微粒8。由于封裝的換能器10在定時(shí)泵3的影響下在裝置1的處理管中行進(jìn)，并且在灌裝站中結(jié)束行進(jìn)，因此收發(fā)機(jī)天線M優(yōu)選被安置為在與裝置1的產(chǎn)品管鄰近的所選擇的位置處。因?yàn)樵谑称饭I(yè)中使用的傳統(tǒng)處理管由不銹鋼(其將阻擋射頻(RF)信號(hào))制成，因此無(wú)論RF天線放置在何處，產(chǎn)品管優(yōu)選被提供有等效RF透明管，例如玻璃或聚合物管。所選擇的RF透明管材料還應(yīng)當(dāng)耐高溫和耐高壓。通過(guò)示例的方式，圖5示出與RF信號(hào)透明管21結(jié)合的不銹鋼(SS)端部20。圖5進(jìn)一步示出合適的RF收發(fā)機(jī)天線M的示例。至少一個(gè)天線結(jié)構(gòu)23可以用在單RF收發(fā)機(jī)天線M內(nèi)。在該例證性示例中，天線結(jié)構(gòu)23包括用于向換能器10供電的驅(qū)動(dòng)天線以及用于從換能器10接收回信號(hào)的接收天線，以形成作為收發(fā)機(jī)操作的天線結(jié)構(gòu)23。為了最大化天線結(jié)構(gòu)23與換能器天線19之間的信號(hào)強(qiáng)度，驅(qū)動(dòng)天線和接收天線圍繞中空管22盤(pán)繞，該中空管22具有比接納它的產(chǎn)品管的直徑略微大的直徑。然后，中空管 22優(yōu)選容納在防水盒沈中以保護(hù)它免受環(huán)境的影響。無(wú)論需要在哪里監(jiān)測(cè)條件測(cè)量的食物微粒8 (例如，ID和溫度)，收發(fā)機(jī)天線M都被安置在裝置1的處理管周?chē)D1示出包括五個(gè)收發(fā)機(jī)天線M的例證性實(shí)施例(但是其它配置同樣可以)。合適放置收發(fā)機(jī)天線M便于在各個(gè)收發(fā)機(jī)天線M與封裝換能器10之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)目芍貜?fù)通信，該封裝換能器10以在食物殺菌應(yīng)用中正常觀測(cè)到的流速在經(jīng)過(guò)處理管的食物混合物內(nèi)移動(dòng)。優(yōu)選地，這些位置沿處理通道的長(zhǎng)度的至少一部分、在處理通道的遇到收發(fā)機(jī)的離散截面處，或者沿處理通道的長(zhǎng)度的至少一部分并在處理通道的遇到收發(fā)機(jī)的離散截面處。相應(yīng)地，這種位置可以如圖1所示，在加熱部分5的入口處、在加熱部分5 的中間、在保溫部分6的入口(加熱部分5的出口)處、在保溫部分6的出口(冷卻部分7 的入口)以及在冷卻部分7的出口處，或者在任意其它期望的結(jié)合中。收發(fā)機(jī)天線M的數(shù)目和位置可以根據(jù)需要而變化。優(yōu)選提供數(shù)據(jù)日志系統(tǒng)，用于測(cè)量和可選地存儲(chǔ)或記錄關(guān)于由至少一個(gè)嵌有電路的食物微粒8測(cè)量的至少一個(gè)過(guò)程條件的信息。這種數(shù)據(jù)日志可以是連續(xù)的、間斷的或者其結(jié)合，并且進(jìn)一步設(shè)想位置和數(shù)據(jù)日志實(shí)施例。例如，可以針對(duì)處理通道的某些部分記錄過(guò)程信息，并且在規(guī)定的位置處讀取這些信息，或者針對(duì)大部分處理通道記錄和存儲(chǔ)過(guò)程信息，并且在處理完成之后在收發(fā)機(jī)處并且在距過(guò)程空間一定距離處讀取這些信息。圖6和圖1中示出某些位置和數(shù)據(jù)日志實(shí)施例。當(dāng)條件測(cè)量的食物微粒8通過(guò)收發(fā)機(jī)天線M時(shí)，例如利用能夠與相對(duì)應(yīng)的無(wú)線收發(fā)機(jī)四進(jìn)行通信的通信模塊27將經(jīng)過(guò)的時(shí)間、換能器10的溫度和換能器10的ID傳送到計(jì)算機(jī)觀，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)。作為替代，可以類(lèi)似地使用有線通信。每個(gè)收發(fā)機(jī)天線M優(yōu)選連接到獨(dú)立的通信模塊27。當(dāng)數(shù)據(jù)由通信模塊27發(fā)送到計(jì)算機(jī)觀時(shí)，計(jì)算機(jī)獲取換能器10所經(jīng)過(guò)的收發(fā)機(jī)天線M的ID。計(jì)算機(jī)還可以根據(jù)需要獲取通信模塊27的標(biāo)識(shí)(ID)。該數(shù)據(jù)允許為經(jīng)過(guò)過(guò)程系統(tǒng)的每個(gè)換能器10創(chuàng)建時(shí)間-溫度-位置歷史。然后，編譯后的數(shù)據(jù)可以用于分析類(lèi)似的模擬微粒的停留時(shí)間(RTD)和溫度的變化。這可以用于優(yōu)選利用在裝置1的加熱部分5中累積的致死率以及在保溫部分6中累積的致死率，開(kāi)發(fā)食品的殺菌或滅菌的計(jì)劃方法。更進(jìn)一步，所測(cè)量的過(guò)程條件可以用于提供至少接近實(shí)時(shí)的反饋，從而可以控制定時(shí)泵 3或背壓泵25來(lái)改變由嵌有電路的食物微粒8經(jīng)歷的處理時(shí)間。采用這種方式，可以避免與顆粒食物的加熱和流動(dòng)特性有關(guān)的某些過(guò)于保守的處理假設(shè)，這可以最小化加到產(chǎn)品中的超出實(shí)現(xiàn)商業(yè)殺菌所必需的點(diǎn)之外的熱負(fù)荷量，從而潛在地提高食品的感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。這允許通過(guò)利用受監(jiān)測(cè)的過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化食品。可以利用前述過(guò)程系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的過(guò)程優(yōu)化。例如，本發(fā)明的某些實(shí)施例可適合于監(jiān)測(cè)用于在連續(xù)或批烤箱操作中制作諸如餡餅、甜餅、面包等之類(lèi)的烘焙物的烘焙過(guò)程。嵌入的顆粒8可以在操作期間放置在烘焙物的表面處或下面。采用這種方式，所采集的數(shù)據(jù)可以用于優(yōu)化諸如加熱、冷卻和冷凍循環(huán)之類(lèi)的熱處理，并且用于識(shí)別產(chǎn)品和/ 或烤箱中諸如熱點(diǎn)和冷點(diǎn)之類(lèi)的熱變化。應(yīng)當(dāng)理解，雖然基于包括指定部件的特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明進(jìn)一步包括所描述的部件的所有能夠?qū)崿F(xiàn)的等同方式，并且在以下權(quán)利要求中所表述的本發(fā)明的原理和范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)在此處為了說(shuō)明本發(fā)明的特性而進(jìn)行描述并示出的部件的細(xì)節(jié)、材料和布置進(jìn)行各種改變。
10
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測(cè)批或連續(xù)熱處理的至少一個(gè)過(guò)程條件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a)至少一個(gè)可被射頻信號(hào)識(shí)別的專(zhuān)用集成電路；(b)所述電路具有至少一個(gè)能夠測(cè)量至少一個(gè)過(guò)程條件的傳感器；(c)至少一個(gè)能夠與所述電路通信的收發(fā)機(jī)；以及(d)至少一個(gè)嵌有所述電路的微粒，所述微粒進(jìn)一步位于具有多個(gè)組成微粒的異質(zhì)流體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過(guò)程條件從由液體PH值、顆粒溫度、液體溫度、顆粒速度、液體速度、液體營(yíng)養(yǎng)特性、系統(tǒng)壓力、顆粒方位、顆粒位置和液體鹽分組成的組中選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過(guò)程條件為顆粒溫度或液體溫度，并且其中所述溫度被測(cè)量為從約_40°C到約200°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過(guò)程條件為顆粒溫度或液體溫度，并且其中所述溫度被測(cè)量為從100°C到140°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過(guò)程條件為顆粒溫度或液體溫度，并且其中所述溫度在rc內(nèi)是準(zhǔn)確的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過(guò)程條件是系統(tǒng)壓力，并且其中所述系統(tǒng)壓力被測(cè)量為最高達(dá)Ikpsi。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過(guò)程條件為系統(tǒng)壓力，并且其中所述系統(tǒng)壓力被測(cè)量為最高達(dá)150kpsi。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述微粒具有中心，并且其中所述電路位于至少接近所述微粒的中心的位置處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電路位于天然組成的食物微粒內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電路位于所述微粒內(nèi)，并且所述微粒模仿天然組成的食物微粒的至少一個(gè)物理特性。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述物理特性從由幾何形狀、密度和體積組成的組中選擇。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電路位于所述微粒內(nèi)，并且所述微粒模仿天然組成的食物微粒的至少一個(gè)熱特性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述熱特性從由熱擴(kuò)散率、熱導(dǎo)率和比熱組成的組中選擇。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中沿針對(duì)所述熱處理限定的處理通道的至少一部分對(duì)所述至少一個(gè)過(guò)程條件的測(cè)量值被寫(xiě)入日志，在沿所述處理通道的至少一個(gè)離散位置處對(duì)所述至少一個(gè)過(guò)程條件的測(cè)量值被寫(xiě)入日志，或者沿針對(duì)所述熱處理限定的所述處理通道的至少所述部分并在沿所述處理通道的所述至少一個(gè)離散位置處對(duì)所述至少一個(gè)過(guò)程條件的測(cè)量值寫(xiě)入日志。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)過(guò)程條件的所述測(cè)量值提供至少接近實(shí)時(shí)的反饋以控制至少一個(gè)過(guò)程條件。
16.一種測(cè)量批或連續(xù)熱處理的過(guò)程條件的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供至少一個(gè)可被射頻信號(hào)識(shí)別的專(zhuān)用集成電路，所述專(zhuān)用集成電路具有至少一個(gè)能夠測(cè)量至少一個(gè)過(guò)程條件的傳感器；(b)在與所述批或連續(xù)熱處理相關(guān)聯(lián)的異質(zhì)流體內(nèi)提供所述電路；以及(C)在至少一個(gè)離散位置處測(cè)量由所述電路確定的所述至少一個(gè)過(guò)程條件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟利用所測(cè)量的過(guò)程條件提供至少接近實(shí)時(shí)的反饋，以控制所述至少一個(gè)過(guò)程條件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所測(cè)量的過(guò)程條件為溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所測(cè)量的過(guò)程條件與無(wú)菌處理相關(guān)聯(lián)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所測(cè)量的過(guò)程條件與非無(wú)菌處理相關(guān)聯(lián)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在電阻或輻射加熱處理中測(cè)量所述至少一個(gè)過(guò)程條件的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在所述異質(zhì)流體內(nèi)的至少一個(gè)微粒中嵌入至少一個(gè)電路的步驟，并且其中所述異質(zhì)流體具有多個(gè)組成微粒。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述微粒模仿天然組成微粒的從由物理、熱和介電特性組成的組中選擇的至少一個(gè)特性。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所選擇的特性為介電特性，并且其中所述介電特性為電導(dǎo)率。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述熱處理從由殺菌處理、滅菌處理和保存處理組成的組中選擇。
26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟將沿針對(duì)所述熱處理限定的處理通道的至少一部分所測(cè)量的過(guò)程條件寫(xiě)入日志，將在沿所述處理通道的至少一個(gè)離散位置處所測(cè)量的過(guò)程條件寫(xiě)入日志，或者沿針對(duì)所述熱處理限定的所述處理通道的至少所述部分并在沿所述處理通道的所述至少一個(gè)離散位置處將所測(cè)量的過(guò)程條件寫(xiě)入日志。
全文摘要
本發(fā)明涉及測(cè)量和控制過(guò)程參數(shù)的方法和系統(tǒng)。用于監(jiān)測(cè)各種過(guò)程參數(shù)的系統(tǒng)和方法，主要與在連續(xù)熱處理中對(duì)顆粒食物的殺菌的處理有關(guān)，利用專(zhuān)用集成電路(ASIC)，在電路嵌入經(jīng)受這種處理的微粒中時(shí)，為批或連續(xù)熱處理提供與過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)。利用由這種電路提供的過(guò)程數(shù)據(jù)結(jié)合過(guò)程設(shè)計(jì)以及至少接近實(shí)時(shí)的過(guò)程控制來(lái)描述優(yōu)選的方法。
文檔編號(hào)G01D21/02GK102331277SQ20111018021
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者哈立德·阿卜杜勒拉希姆, 埃迪茲·巴特馬茲, 拉希德·穆罕默德, 穆罕默德·卡爾卡什 申請(qǐng)人:金寶湯公司