本發(fā)明是在政府的支持下根據(jù)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Fou ndation)授予的基金號(hào)IIP 1330313進(jìn)行的。政府對(duì)本發(fā)明擁有某些權(quán)利。

背景技術(shù)：

在許多應(yīng)用中使用微波腔和波導(dǎo)來(lái)確定給定系統(tǒng)的狀態(tài)。實(shí)例包括(舉例來(lái)說(shuō))監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的負(fù)載、確定材料共混物的組成、檢測(cè)水分含量、或測(cè)量吸附在催化劑上的特定氣體物種的數(shù)量。微波腔測(cè)量可用于在原位提供關(guān)于系統(tǒng)的狀態(tài)的信息，而不需要與正被監(jiān)測(cè)的材料直接接觸。說(shuō)明基于微波的腔和傳輸測(cè)量系統(tǒng)的廣泛適用性的附加實(shí)例包括：排氣微粒過(guò)濾器、過(guò)程催化劑(包括排放催化劑)、薄膜、以及諸如管道或管子的流通元件。盡管這些系統(tǒng)的特定最終用途從監(jiān)測(cè)原油管道中的空氣或水、到測(cè)量干衣機(jī)中的紡織品中的水分含量、檢測(cè)微粒過(guò)濾器上的碳煙含量或選擇性催化還原系統(tǒng)上的氨儲(chǔ)存變化很大，所有這些應(yīng)用共用一個(gè)共同的元素。由所有前述系統(tǒng)采用的共同元素是使用通過(guò)微波裝置詢問(wèn)的導(dǎo)電腔或波導(dǎo)。盡管具有廣泛的適用性，但是微波腔和波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)存在許多缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)不利地影響測(cè)量精度，或者迄今為止減輕這些缺點(diǎn)需要復(fù)雜、昂貴且麻煩的措施。

首先，腔和波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)通常具有部分到部分的變化性，因?yàn)榍换虿▽?dǎo)幾何形狀的小變化(由于制造公差、熱膨脹/收縮、組裝變化以及其他因素)可能影響微波諧振響應(yīng)，并且在測(cè)量中引入誤差。另外，存在于腔或波導(dǎo)內(nèi)的材料(諸如過(guò)濾元件或催化劑襯底)的變化、導(dǎo)電元件的存在或材料在壁上的積聚也可不利地影響系統(tǒng)的微波響應(yīng)。腔隨著時(shí)間的變化(諸如夾具或其他緊固件的松動(dòng))、對(duì)腔幾何形狀引入某些變化(在一個(gè)實(shí)例中，諸如凹痕)也可能不利地影響測(cè)量。

第二，腔和波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)從根本上監(jiān)測(cè)信號(hào)傳播穿過(guò)的腔或波導(dǎo)內(nèi)的材料的介電性質(zhì)的變化。通常，腔內(nèi)樣品的介電性質(zhì)可能受到多個(gè)參數(shù)的影響，如果未經(jīng)適當(dāng)?shù)乜紤]，這些參數(shù)也可能在測(cè)量中引入誤差。例如，除了其他參數(shù)之外，腔或波導(dǎo)內(nèi)的樣品的介電性質(zhì)可以是進(jìn)行測(cè)量時(shí)的溫度或頻率的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)例中，其他物質(zhì)、水的存在也可能影響測(cè)量。因此，可能由測(cè)量方法本身或測(cè)量環(huán)境引入的這些附加參數(shù)對(duì)腔內(nèi)樣品的介電性質(zhì)的影響可能在測(cè)量中引入顯著的誤差。

第三，腔或波導(dǎo)內(nèi)的材料的空間分布也基于腔或波導(dǎo)內(nèi)的特定電場(chǎng)分布而影響測(cè)量靈敏度。對(duì)于位于腔或波導(dǎo)的具有低電場(chǎng)的區(qū)域中的材料，與位于高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域中的相同量的材料或樣品相比，用于監(jiān)測(cè)這種材料的測(cè)量的靈敏度將更低。因此，系統(tǒng)的靈敏度或測(cè)量響應(yīng)也受相對(duì)于在測(cè)量頻率范圍內(nèi)的特定電場(chǎng)分布的材料分布的直接影響。

第四，在過(guò)程控制應(yīng)用(諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)過(guò)程、化學(xué)處理、石油提取以及其他應(yīng)用的控制)中實(shí)現(xiàn)腔或波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)通常需要快速的響應(yīng)時(shí)間以用于實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)的反饋控制。許多常規(guī)的腔和波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)表現(xiàn)出相對(duì)較慢的響應(yīng)(慢于1Hz)，因此對(duì)于需要快速響應(yīng)測(cè)量的應(yīng)用具有有限的實(shí)用性。

第五，在腔內(nèi)或穿過(guò)腔或波導(dǎo)的樣品或材料表現(xiàn)出高度介電損耗的應(yīng)用中，微波信號(hào)可能迅速飽和，這意味著振幅變得難以與噪聲區(qū)分開。在必須對(duì)相對(duì)有損耗的材料采用腔或波導(dǎo)測(cè)量的應(yīng)用中，可以大大減小測(cè)量范圍。

第六，在某些應(yīng)用中，特別是在其中可存在多于一種類型的材料并且對(duì)諧振響應(yīng)具有影響的腔或波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)中，可能難以從多于一種成分的混合物中監(jiān)測(cè)一種特定成分的存在。在相關(guān)申請(qǐng)中，所述成分的介電性質(zhì)可能僅與在腔中置換的介質(zhì)或混合物中的其他材料的介電性質(zhì)稍有不同，從而使得所述成分難以檢測(cè)(弱靈敏度)。

第七，微波產(chǎn)生和檢測(cè)系統(tǒng)可能不是高度穩(wěn)定的，具有與使用年限、溫度和其他環(huán)境特性有關(guān)的變化。源的強(qiáng)度和/或檢測(cè)器的響應(yīng)是可變的。實(shí)現(xiàn)精確確定腔的介電特性的裝置不僅需要考慮單元到單元的變化性，而且還考慮單元的時(shí)間變化性。

因此，需要一種改進(jìn)的腔諧振或波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)和方法，其將對(duì)廣泛的應(yīng)用和使用領(lǐng)域具有相當(dāng)大的實(shí)用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開了一種導(dǎo)電腔諧振和波導(dǎo)測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)和方法。腔或波導(dǎo)可用于監(jiān)測(cè)包含在腔或波導(dǎo)中或穿過(guò)腔或波導(dǎo)的材料或樣品的量、組成或分布。描述了用于操作測(cè)量系統(tǒng)以減少測(cè)量變化性、系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高測(cè)量精度并減少測(cè)量響應(yīng)時(shí)間的改進(jìn)裝置。本發(fā)明的廣泛應(yīng)用涵蓋過(guò)濾器、催化劑、管道和管子的測(cè)量，其中收集在腔或波導(dǎo)中或穿過(guò)腔或波導(dǎo)的材料表現(xiàn)出與其置換的材料不同的介電性質(zhì)。

附圖說(shuō)明

圖1表示腔測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案以及內(nèi)部介質(zhì)的細(xì)節(jié)，所述內(nèi)部介質(zhì)可以是過(guò)濾器、薄膜、催化劑或任何其他類型的介質(zhì)；

圖2表示包含圖1的測(cè)量腔的腔采樣系統(tǒng)；

圖3表示腔采樣系統(tǒng)的第二實(shí)施方案；

圖4表示流通腔或波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案；

圖5表示流通腔測(cè)量系統(tǒng)的第二實(shí)施方案；

圖6表示流通腔測(cè)量系統(tǒng)的第三實(shí)施方案；

圖7表示射頻探針的一個(gè)實(shí)施方案；

圖8表示排放控制腔測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案；

圖9描繪用于檢測(cè)材料積聚的微波探針的細(xì)節(jié)；

圖10表示腔測(cè)量數(shù)據(jù)并且示出用于減小測(cè)量時(shí)間的裝置；

圖11a-b描繪在腔測(cè)量系統(tǒng)的兩個(gè)實(shí)施方案中的特定電場(chǎng)分布；

圖12描繪在腔測(cè)量系統(tǒng)的第三實(shí)施方案中的特定電場(chǎng)分布；

圖13a-b描繪特定材料對(duì)兩種腔諧振模式的影響；

圖14描繪石油柴油和生物柴油共混物對(duì)若干腔諧振模式的影響；

圖15描繪石油柴油和生物柴油共混物對(duì)一種腔諧振模式的影響的附加細(xì)節(jié)；

圖16描繪石油柴油和水對(duì)若干腔諧振模式的影響；

圖17描繪生物柴油和水對(duì)若干腔諧振模式的影響；

圖18描繪生物柴油和水對(duì)若干腔諧振模式的影響；

圖19描繪液體共混物對(duì)若干腔諧振模式的影響；

圖20描述汽油和乙醇共混物對(duì)若干腔諧振模式的影響；

圖21描述更大數(shù)量的共混物對(duì)若干腔諧振模式的影響；

圖22描繪紡織品中的水分含量對(duì)若干腔諧振模式的影響；

圖23示出通過(guò)監(jiān)測(cè)相位實(shí)現(xiàn)的腔測(cè)量范圍的擴(kuò)展；

圖24a-b提供在跨越多種諧振模式的寬頻率范圍內(nèi)的振幅和相位測(cè)量的比較；并且

圖25描繪了通過(guò)尿素給料引入的氨儲(chǔ)存對(duì)SCR催化劑的射頻響應(yīng)的影響。

具體實(shí)施方式

圖1描繪根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的腔測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量腔100由殼體106組成，所述殼體106可以或可以不包含內(nèi)部元件110。內(nèi)部元件110(如果存在)可以是過(guò)濾器、薄膜、陶瓷襯底、催化劑載體等。殼體106可連接到導(dǎo)管112或114，諸如管道、管或管子，以通過(guò)可為錐體的聯(lián)接元件108和104將流動(dòng)或樣品引導(dǎo)到殼體106中。聯(lián)接元件108和104以及管子112和114可以或可以不存在。在另一個(gè)實(shí)施方案中，殼體106的端部可以是閉合的。

一個(gè)或多個(gè)射頻探針116和118可安裝在殼體106中、聯(lián)接元件104或108中，或以其他方式合適地定位以在殼體106中發(fā)射或接收射頻信號(hào)。所發(fā)射和接收的信號(hào)可用于在測(cè)量腔100中產(chǎn)生一種或多種諧振模式和對(duì)其進(jìn)行采樣?？梢允褂镁W(wǎng)孔或篩網(wǎng)(未示出)來(lái)將信號(hào)容納在由殼體106或殼體106和一個(gè)或多個(gè)聯(lián)接元件108和104限定的容積內(nèi)。

射頻探針116和118可以是適于發(fā)射或接收射頻信號(hào)的任何類型的探針，諸如棒狀天線、環(huán)形天線、波導(dǎo)或任何其他類型的天線或探針元件。發(fā)射和/或接收部件可以是電介質(zhì)波導(dǎo)、諧振器或發(fā)射器。電介質(zhì)波導(dǎo)可以是輻射的或非輻射的?？梢允褂靡粋€(gè)或多個(gè)探針。

雖然圖1示出了兩個(gè)探針116和118，但是在一些實(shí)施方案中可僅使用一個(gè)探針，或者可使用多于兩個(gè)的探針。探針116和118可連接到射頻控制單元102。射頻控制單元102可進(jìn)一步連接到線束或電纜組件120，所述線束或電纜組件120可向射頻控制單元102供電或者用于從外部設(shè)備(未示出)發(fā)送和接收測(cè)量信息或操作指令。在一個(gè)實(shí)施方案中，外部裝置可以是另一類型的控制單元，諸如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元或計(jì)算機(jī)。外部電力可以或可以不由線束或電纜組件120供應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，射頻控制單元102可以是電池操作的。射頻控制單元102可以或可以不包含定時(shí)裝置，并且可以或可以不包含計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。

測(cè)量腔100，并且更具體地殼體106，可以或可以不包含內(nèi)部元件110。在一個(gè)實(shí)施方案中，元件110可以不存在。在另一個(gè)實(shí)施方案中，元件110可以過(guò)濾元件、薄膜、支撐襯底、蜂窩結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)成與測(cè)量腔100內(nèi)的材料相互作用的任何其他類型的元件的形式存在。在一個(gè)實(shí)施方案中，相互作用可采取主動(dòng)過(guò)濾、捕獲或儲(chǔ)存材料(諸如顆粒、氣體或液體)的形式，所述材料可流過(guò)測(cè)量腔100或沉積或保持在測(cè)量腔100中。元件110可以是常規(guī)的紙、Teflon或石英型過(guò)濾器、薄膜、催化劑載體、陶瓷蜂窩型過(guò)濾器、多孔介質(zhì)、網(wǎng)孔或任何其他類型的元件。

在過(guò)濾盤的情況下，在一個(gè)實(shí)施方案中，元件110可以與諸如Pall FiberfilmTM、TissuquartzTM或EmfabTM過(guò)濾器的元件相同或類似，然而可以使用任何合適的過(guò)濾器或薄膜。元件110可以或可以不在過(guò)濾器表面上或在過(guò)濾器孔或纖維基質(zhì)內(nèi)涂覆有顆粒124或涂層122。在一個(gè)實(shí)施方案中，顆粒124可以是催化劑顆粒，并且涂層可以是修補(bǔ)基面涂料122或其他類型的涂層。

在流動(dòng)穿過(guò)襯底的情況下，元件110可包括具有任何幾何形狀的一系列通道126。通道126可以或可以不包含涂層128，所述涂層128可以或可以不由催化劑和/或修補(bǔ)基面涂料組分組成。在一個(gè)實(shí)施方案中，元件110可以是常規(guī)的汽車或工業(yè)催化劑。在又一個(gè)實(shí)施方案中，元件110的通道132可以在交替端部130處被阻塞，諸如在常規(guī)的柴油微粒過(guò)濾器或汽油微粒過(guò)濾器中，并且可以或可以不包含涂層134。雖然涂層134、128和122被示出為在元件110的表面上，但是在一個(gè)實(shí)施方案中，涂層可不在所述表面上，而是在元件110的孔內(nèi)。在又一個(gè)實(shí)施方案中，涂層可以或可以不包含分散在整個(gè)涂層中的附加顆粒。顆?？梢曰蚩梢圆皇窃谝粋€(gè)實(shí)施方案中的催化劑顆?；蛟诹硪粋€(gè)實(shí)施方案中的沸石。

在一些情況下，可能期望通過(guò)添加涂層122、128、134或顆粒124來(lái)對(duì)元件110進(jìn)行改性，所述涂層122、128、134或顆粒124優(yōu)先與流過(guò)測(cè)量腔100或沉積在測(cè)量腔100內(nèi)的樣品相互作用。相互作用可以是化學(xué)的或物理的。在一個(gè)實(shí)施方案中，沉積在元件110上的涂層或顆粒可以被功能化以優(yōu)先捕獲某些類型的材料、或污染物(諸如生物系統(tǒng)中的細(xì)菌或病毒)或空氣中的顆粒(諸如煙灰、灰分或花粉)或廢氣過(guò)濾系統(tǒng)中的顆粒(或氣體、化學(xué)有毒化合物(諸如戰(zhàn)劑)或揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)、或水蒸汽)。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，涂層122、128、134或顆粒124可被設(shè)計(jì)成在暴露于流過(guò)測(cè)量腔100或沉積在測(cè)量腔100內(nèi)的某些材料時(shí)優(yōu)先影響元件110的介電狀態(tài)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，涂層122、128、134或顆粒124可被設(shè)計(jì)成在老化或一定時(shí)間段之后優(yōu)先影響元件110的介電狀態(tài)。在以下列表中提供了若干說(shuō)明性實(shí)例，但是許多其他合適的材料可以用于相同或不相關(guān)的目的：

儲(chǔ)存：可以向元件110添加某些顆?；蛲繉右詢?yōu)先儲(chǔ)存特定氣體，液體或固體，其中這些組分的儲(chǔ)存可以影響元件110的介電性質(zhì)。在一個(gè)實(shí)例中，可以將含二氧化鈰的顆?；蛲繉邮┘拥皆?10以優(yōu)先儲(chǔ)存氧，氧的儲(chǔ)存導(dǎo)致元件110的導(dǎo)電性降低和腔內(nèi)的介電損耗降低。在另一個(gè)實(shí)例中，可以將銅或鐵沸石等施加到元件110以優(yōu)先儲(chǔ)存氨，氨的儲(chǔ)存可導(dǎo)致元件110的介電損耗增加。在又一個(gè)實(shí)施方案中，硫可以優(yōu)先儲(chǔ)存在各種金屬氧化物上，諸如呈金屬硫酸鹽形式的堿土金屬或堿金屬，這可以類似地影響元件110的介電性質(zhì)。在又一個(gè)實(shí)例中，元件110可以涂覆或包含堿土金屬(諸如鋇)、堿金屬(諸如鉀)或稀土金屬，它們可用于儲(chǔ)存NOx，NOx的儲(chǔ)存也影響元件110的介電性質(zhì)。雖然給出的實(shí)例集中于氣相物種，但是通過(guò)將合適的儲(chǔ)存組分施加到元件110，可以類似地儲(chǔ)存顆粒(固體)和液體組分。以這種方式，可以優(yōu)先監(jiān)測(cè)感興趣的特定物種的儲(chǔ)存和釋放，只要感興趣的組分的儲(chǔ)存影響元件110或測(cè)量腔100的介電性質(zhì)。變化可以是電介質(zhì)的實(shí)部(即ε-質(zhì)數(shù))、或電介質(zhì)的虛部(即ε-雙質(zhì)數(shù))或兩者的變化。替代介電常數(shù)的虛部(即ε-雙質(zhì)數(shù))，可以影響材料的導(dǎo)電性。

氧化/還原：可以向元件110添加顆粒(諸如催化劑顆粒)或涂層，以氧化儲(chǔ)存在元件110上或穿過(guò)元件110的某些組分。鉑或其他貴金屬是一個(gè)實(shí)例。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以應(yīng)用貴金屬催化劑或含貴金屬的催化劑涂層并將其用于氧化煙灰。在另一個(gè)實(shí)施方案中，氧化可以是碳?xì)浠衔锘蛞谎趸迹趸梢允侨魏尾牧?。在這兩種情況下，氧化過(guò)程或其輸入或結(jié)果導(dǎo)致元件110的介電狀態(tài)的變化，這可以通過(guò)微波裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。介電狀態(tài)的變化可能是由于氧化產(chǎn)物的形成或初始反應(yīng)物的損耗或釋放?？梢酝ㄟ^(guò)類似的方法監(jiān)測(cè)其他氧化過(guò)程。也可使用除了含有貴金屬的顆粒或涂層之外的其他顆?；蛲繉?。類似地，可以向元件110添加顆粒(諸如催化劑顆粒)或涂層，以減少儲(chǔ)存在元件110上或穿過(guò)元件110的某些組分，這可以通過(guò)微波裝置來(lái)檢測(cè)，只要反應(yīng)物的損耗或反應(yīng)產(chǎn)物的形成影響元件110或測(cè)量腔100的介電性質(zhì)。盡管給出的實(shí)例集中于氣相物種，但是通過(guò)將合適的儲(chǔ)存組分施加到元件110，可以類似地氧化或還原顆粒(固體)和液體組分。

老化：可以向元件110添加顆粒(諸如催化劑顆粒)或涂層，以提供元件110的老化狀態(tài)、其性能、或催化劑的老化或狀態(tài)的指示。在一個(gè)實(shí)例中，老化可以是物理的或化學(xué)的。在特定的實(shí)例中，老化可能是由于活性部位的損失、顆粒燒結(jié)或凝聚，這可影響介電性質(zhì)并且可以通過(guò)微波裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在另一個(gè)實(shí)例中，老化可能是由于由污染物材料導(dǎo)致的催化劑的化學(xué)相互作用或中毒。在又一個(gè)實(shí)例中，中毒可以是通過(guò)硫或磷污染，并且可以是可逆的(諸如在一個(gè)實(shí)例中通過(guò)高溫脫硫)或不可逆的。

以上提供的說(shuō)明性實(shí)例可廣泛應(yīng)用。寬范圍的顆?；蛲繉涌捎糜趦?yōu)先控制元件110的性質(zhì)，以使得：

1.沉積在元件110上或內(nèi)的涂層或顆粒被選擇為優(yōu)先與可能存在于測(cè)量腔100中的一種或多種材料(氣體、液體或固體)相互作用；并且

2.不管是通過(guò)選擇性儲(chǔ)存、氧化、還原、老化還是一些其他手段，相互作用導(dǎo)致元件110或測(cè)量腔100的介電性質(zhì)的變化比不添加所述顆粒或涂層的情況下自然發(fā)生的變化更顯著。

此外，顆粒或涂層的添加可不僅限于元件110，而且還限于構(gòu)成測(cè)量腔100的一種或多種組分的內(nèi)表面。類似地，所監(jiān)測(cè)的介電性質(zhì)的變化可以或可以不發(fā)生在元件110上，而僅僅發(fā)生在測(cè)量腔100內(nèi)。

雖然已經(jīng)描述了添加顆?；蛲繉右詢?yōu)先控制元件110的性質(zhì)以便增強(qiáng)通過(guò)微波裝置對(duì)某些過(guò)程(儲(chǔ)存、氧化/還原、老化)的檢測(cè)，但是在一些實(shí)施方案中可能不需要附加的顆粒或涂層并且所期望的過(guò)程可以通過(guò)元件110本身或已經(jīng)存在于110上的現(xiàn)有涂層(諸如在一個(gè)實(shí)例中的SCR涂層(銅或鐵沸石)或在另一個(gè)實(shí)例中的氧化涂層)的介電性質(zhì)的變化而直接監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明的一個(gè)區(qū)別方面是添加到元件110的被稱為“介電敏感”顆粒或涂層的附加顆?；蛲繉又饕糜谠\斷或感測(cè)目的，也就是說(shuō)，增強(qiáng)元件110的狀態(tài)的射頻測(cè)量，而不是改善或支持其主要功能。一個(gè)非限制性實(shí)例是SCR催化劑，其中添加“介電敏感”顆?；蛲繉硬挥糜谠鰪?qiáng)催化劑的氨儲(chǔ)存或NOx轉(zhuǎn)化，而是用于增強(qiáng)催化劑氨儲(chǔ)存水平、老化狀態(tài)、活性部位的數(shù)量、整體健康狀況或完整性、中毒等的射頻感測(cè)。

圖1所示的腔測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用以及顆粒和涂層到測(cè)量腔100內(nèi)部的添加，不管是添加在元件110上還是添加在測(cè)量腔100的內(nèi)部組分部分上，都是普遍的。一種具體的應(yīng)用包括汽車和工業(yè)催化劑。所應(yīng)用的顆粒或涂層可以是常規(guī)的催化劑和涂層，諸如對(duì)于三元催化劑、稀NOx捕集器、選擇性催化還原系統(tǒng)、氧化催化劑、催化顆粒過(guò)濾器(汽油或柴油)、碳?xì)浠衔锊都?、氨逃逸催化劑或任何其他類型的催化劑，其中催化劑殼體形成微波諧振腔或波導(dǎo)。所監(jiān)測(cè)的諧振曲線的變化可與在催化劑上發(fā)生的化學(xué)過(guò)程(諸如化學(xué)吸附)或物理過(guò)程有關(guān)，所述化學(xué)或物理過(guò)程諸如氧儲(chǔ)存、氨儲(chǔ)存、NOx儲(chǔ)存、煙灰儲(chǔ)存、灰分儲(chǔ)存、煙灰氧化、碳?xì)浠衔镅趸騼?chǔ)存、CO氧化以及其他過(guò)程。所監(jiān)測(cè)的腔諧振的變化可基于諧振頻移、絕對(duì)功率衰減、相對(duì)功率衰減或相移，以及由此導(dǎo)出的參數(shù)諸如品質(zhì)因數(shù)、特定功率電平處的峰值寬度、曲線下面積、平均功率和相關(guān)參數(shù)。

絕對(duì)功率衰減在本文中被定義為所測(cè)量的RF信號(hào)的幅度相對(duì)于預(yù)定幅度的變化，而相對(duì)功率被定義為所測(cè)量的穿過(guò)腔或波導(dǎo)的RF信號(hào)的幅度相對(duì)于所產(chǎn)生的輸入到腔或波導(dǎo)的RF信號(hào)的變化。可針對(duì)每個(gè)測(cè)量連續(xù)地或以指定的間隔間歇地確定所產(chǎn)生的RF信號(hào)的幅度。用于確定所產(chǎn)生的RF信號(hào)的幅度的一個(gè)示例性方法是通過(guò)旁路路徑，所述旁通路徑繞過(guò)測(cè)量腔或波導(dǎo)并將所產(chǎn)生的RF信號(hào)直接發(fā)送回到檢測(cè)器。然后可通過(guò)將旁路信號(hào)與從腔或波導(dǎo)測(cè)量獲得的信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)確定相對(duì)功率衰減。以相同的方式，也可以確定絕對(duì)相移和相對(duì)相移。

在一個(gè)實(shí)施方案中，射頻控制單元102可與兩個(gè)檢測(cè)器通信，并且可同時(shí)測(cè)量穿過(guò)測(cè)量腔的信號(hào)和旁路信號(hào)。在具有單個(gè)檢測(cè)器的不同實(shí)施方案中，測(cè)量是順序的；也就是說(shuō)，首先測(cè)量一個(gè)信號(hào)，然后測(cè)量第二個(gè)信號(hào)(例如，測(cè)量穿過(guò)測(cè)量腔的信號(hào)，然后測(cè)量在測(cè)量腔被繞過(guò)時(shí)的信號(hào))。對(duì)這些信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行頻率掃描，接著對(duì)另一個(gè)信號(hào)進(jìn)行頻率掃描是可能的。對(duì)旁路信號(hào)的掃描可以在每次掃描時(shí)進(jìn)行，或者可以周期性地(在通過(guò)測(cè)量腔的確定數(shù)量的掃描之后)進(jìn)行。另外，可以具有不同的頻率范圍以增加穿過(guò)測(cè)量腔的信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)。在替代的測(cè)量模式中，以相同的頻率測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)(穿過(guò)測(cè)量腔的信號(hào)和旁路信號(hào))，然后改變頻率以完成頻率掃描。

對(duì)兩個(gè)信號(hào)的監(jiān)測(cè)使得能夠在特定的測(cè)量期間或在不同的條件下使用不同的發(fā)射功率。例如，在信噪比較高的情況下，在通過(guò)監(jiān)測(cè)旁路信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)輸入到測(cè)量腔的功率的同時(shí)降低發(fā)射功率將是可能的。類似地，如果信噪比較低，這使得能夠使用增加的功率。一種操作模式將是連續(xù)地調(diào)整輸入功率，直到測(cè)量出所期望的穿過(guò)測(cè)量腔的信號(hào)的目標(biāo)振幅，然后使用所產(chǎn)生的功率作為用于確定測(cè)量腔的狀況的變量。根據(jù)測(cè)量腔的狀況，可以有一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)測(cè)量信號(hào)電平。

放置或引入腔中的摻雜材料也可用于監(jiān)測(cè)組分的溫度。例如，F(xiàn)ischer-Tropsh或甲醇催化劑對(duì)局部溫度劇增非常敏感，所述局部溫度劇增損壞催化劑或?qū)е虏缓掀谕漠a(chǎn)物(在Fischer/Tropsch的情況下，可能堵塞反應(yīng)器的重質(zhì)蠟)。通過(guò)在腔中放置對(duì)溫度敏感的材料，可能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)反應(yīng)器的溫度，這現(xiàn)在僅通過(guò)測(cè)量反應(yīng)器上游或下游的溫度或通過(guò)僅測(cè)量非常局部溫度的阻塞性熱電偶來(lái)完成。摻雜材料具有溫度敏感的介電常數(shù)。可以選擇摻雜材料，以使得介電材料的實(shí)部(折射率)或虛部(吸收)或兩者對(duì)溫度敏感。可以從微波信號(hào)的絕對(duì)振幅、相對(duì)振幅、諧振頻移、相位或品質(zhì)因數(shù)中提取溫度信息。通過(guò)調(diào)節(jié)試劑的入口溫度或入口的組成，使得反應(yīng)器的溫度在基值附近振蕩，可以通過(guò)對(duì)反應(yīng)器中的條件進(jìn)行抖動(dòng)來(lái)連續(xù)校準(zhǔn)單元。在另一個(gè)實(shí)施方案中，摻雜材料可對(duì)溫度不敏感，但是可對(duì)與腔中的材料的任何其他相互作用(諸如與特定物種的化學(xué)或物理相互作用)敏感，所述相互作用影響摻雜材料的介電性質(zhì)。

所監(jiān)測(cè)的微波腔響應(yīng)的變化可用于基于腔測(cè)量來(lái)控制腔或裝置、設(shè)備件、工廠、過(guò)程或相關(guān)系統(tǒng)的操作。在一個(gè)應(yīng)用中，射頻控制單元102對(duì)測(cè)量腔100諧振曲線進(jìn)行采樣(所述諧振曲線可包括一種或多于一種諧振模式)，并且監(jiān)測(cè)或計(jì)算與諧振頻移、絕對(duì)振幅、相對(duì)振幅或相位或其導(dǎo)數(shù)有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量參數(shù)。這些諧振參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)可與腔的狀態(tài)有關(guān)，所述腔的狀態(tài)可由以下來(lái)表征：積聚或儲(chǔ)存在腔中的特定材料的量、腔內(nèi)材料的類型(諸如材料組成)或基于與特定諧振模式相關(guān)聯(lián)的電場(chǎng)分布的腔中材料的分布。

腔測(cè)量參數(shù)的變化可用于監(jiān)測(cè)特定過(guò)程的操作或監(jiān)測(cè)腔內(nèi)的元件110的健康狀況。在一個(gè)實(shí)施方案中，元件110可以是設(shè)計(jì)成減少CO、HC、NOx或煙灰的排放的常規(guī)汽車或工業(yè)催化劑。雖然催化劑的主要功能可以是減少一種或多種廢氣排放，但是在一個(gè)實(shí)例中，催化劑也可能遭受諸如由于硫造成的污染、中毒或結(jié)垢。被設(shè)計(jì)為選擇性地儲(chǔ)存污染物組分(諸如硫)或增強(qiáng)優(yōu)于其他組分的硫儲(chǔ)存選擇性(諸如單獨(dú)使用銀、鋅、鎳、鉻或銅或除了堿土金屬或堿金屬之外)的顆粒124或涂層122、128或132的添加，可以在催化劑的整體性能受到顯著影響之前實(shí)現(xiàn)增加的儲(chǔ)存靈敏度，并且因此通過(guò)微波裝置測(cè)量催化劑上的硫或其他污染物水平。以這種方式，添加顆粒124或涂層122、128或134用于診斷目的。類似地，由于顆粒124或涂層122、128或134引起的元件110或測(cè)量腔100的介電性質(zhì)的變化可用于提供系統(tǒng)性能隨時(shí)間的老化或降級(jí)的指示。在涵蓋藥物加工、石油提取和精煉、水凈化、燃料電池薄膜等的其他應(yīng)用中，存在許多其他類似的實(shí)施方案。

以上提供的具體實(shí)例通過(guò)下文限定的要求進(jìn)一步說(shuō)明，使得施加到元件110或測(cè)量腔100的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)表面的顆?；蛲繉又饕糜谠\斷功能，所述功能定義為：

1.增加選擇性或增強(qiáng)測(cè)量腔100內(nèi)的一種或多種感興趣的組分物種的整體儲(chǔ)存、沉積或捕獲；或者

2.增強(qiáng)或擴(kuò)大一種或多種感興趣的組分物種對(duì)元件110的介電性質(zhì)或測(cè)量腔100的內(nèi)部容積內(nèi)的介電性質(zhì)的影響；并且

3.其中感興趣的組分物種不是受元件110的主要功能直接影響的相同物種。

說(shuō)明上文列出的要求的實(shí)例包括向常規(guī)三元催化劑添加硫或磷選擇性材料(顆粒、涂層等)，其中催化劑的主要功能不是捕獲硫或磷，而是減少CO、HC或NOx的排放。然而，在這種情況下，硫或磷選擇性材料擴(kuò)大了硫或磷對(duì)腔介電性質(zhì)的影響，從而使得能夠直接檢測(cè)硫或磷水平，硫或磷水平如果過(guò)量可能有害地影響系統(tǒng)性能。以這種方式，附加顆粒或涂層的主要目的本質(zhì)上是純?cè)\斷性的，也就是說(shuō)，它增強(qiáng)了提供系統(tǒng)的健康狀況或功能的指示的特定系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)量。在另一個(gè)實(shí)施方案中，附加顆?；蛲繉涌梢圆挥糜诒O(jiān)測(cè)附加污染物，而是作為催化劑或元件110本身的有效性或降級(jí)的指示。在又一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)直接監(jiān)測(cè)催化劑的介電響應(yīng)的變化，而不需要附加材料來(lái)增強(qiáng)其介電響應(yīng)，可以直接監(jiān)測(cè)催化劑或元件110的狀況。

除了監(jiān)測(cè)常規(guī)過(guò)程之外，可以向流動(dòng)中添加物質(zhì)以確定單元的性能。例如，可以向流動(dòng)中添加外來(lái)材料以與這些顆?；蚺c襯底相互作用，從而使得RF測(cè)量結(jié)果指示組分的健康狀況。例如，如果顆粒或涂層感測(cè)材料位于單元中的下游，那么單元上游的材料的健康狀況可以通過(guò)測(cè)量下游(損壞諸如過(guò)濾器性質(zhì)的破壞(破裂或熔化)、或催化劑/襯底的燒結(jié)(其使單元的可用保持最小化)或局部溫度)來(lái)確定。例如，假設(shè)煙灰感測(cè)元件被添加在DPF的排氣通道中，并且使用微波傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)煙灰感測(cè)元件。如果在那里檢測(cè)到煙灰，這意味著DPF在某處失效。對(duì)于氨的情況，如果在催化劑的端部或其附近加入添加劑，那么在此添加劑中存在氨的指示表明氨即將突破進(jìn)入排氣流。

圖1中描述的系統(tǒng)可以是流動(dòng)系統(tǒng)(如在汽車應(yīng)用中)或分批系統(tǒng)(諸如在化學(xué)反應(yīng)器中)。在分批系統(tǒng)的情況下，所述方法將確定試劑的轉(zhuǎn)化程度、轉(zhuǎn)化速率以及其他參數(shù)，諸如溫度或壓力。

圖2呈現(xiàn)整合的采樣和腔測(cè)量系統(tǒng)202的一個(gè)實(shí)施方案。在一個(gè)實(shí)施方案中，入口204和218(諸如管道、管或管子)可連接到可以或可以不包含元件208的腔206。腔206還可以包含被設(shè)計(jì)成發(fā)送或接收射頻信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)RF探針210，諸如棒狀天線、環(huán)形天線、波導(dǎo)或任何其他合適的發(fā)送或接收裝置。腔206還可連接到出口216和220，諸如管道、管、管子或提供類似功能的裝置。

圖2還示出單元214，所述單元214可以是鼓風(fēng)機(jī)、泵、發(fā)動(dòng)機(jī)或可誘使樣品流過(guò)腔206的類似系統(tǒng)，并且也可以或可以不包括出口220，諸如管道、管或管子等。雖然流動(dòng)方向由圖2中的箭頭從左向右指示，但是流動(dòng)可以是在相反的方向上?？梢曰蚩梢圆皇褂脝卧?14。單元214可連接到控制單元212，所述控制單元212可以或可以不向單元214提供電力或控制單元214的操作。在另一個(gè)實(shí)施方案中，單元214可以在腔206的上游。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制單元212可以包含定時(shí)裝置，以確定與特定測(cè)量相關(guān)聯(lián)的時(shí)間或測(cè)量之間的時(shí)間差。

控制單元212還可連接到一個(gè)或多個(gè)RF探針210以發(fā)送、接收和處理射頻信號(hào)。信號(hào)處理可包括從射頻信號(hào)計(jì)算參考圖1所述的各種參數(shù)。附加傳感器224、226和228，諸如溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器或組成傳感器，也可存在于系統(tǒng)中并且連接到控制單元212。來(lái)自這些附加傳感器224、226和228的輸入可以由控制單元212使用以控制采樣和腔測(cè)量系統(tǒng)202的操作。連接件230可用于向控制單元212或腔測(cè)量系統(tǒng)202的各種部件提供電力，或者還用于向各種其他系統(tǒng)(未示出)例如像計(jì)算機(jī)或主控制單元提供通信或數(shù)據(jù)鏈路。

還可存在附加的樣品調(diào)節(jié)單元，諸如調(diào)節(jié)單元222。在一個(gè)實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)單元222可提供溫度控制，諸如加熱器或冷卻器。在另一個(gè)實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)單元222可以從進(jìn)入的樣品中去除水分，充當(dāng)干燥劑，或者諸如通過(guò)過(guò)濾或薄膜分離從樣品中去除或分離其他組分。在另一個(gè)實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)單元222可以為系統(tǒng)提供流量控制和/或流量測(cè)量。在其他實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)單元222將可用于確定系統(tǒng)的性能或校準(zhǔn)其性能的外來(lái)物質(zhì)引入到流動(dòng)中。在又一個(gè)實(shí)施方案中，流動(dòng)可由單元214控制。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可改變流動(dòng)的組成以確定腔206中的元件208的介電特性的時(shí)間響應(yīng)。在一些實(shí)施方案中，可不需要調(diào)節(jié)單元222，并且在其他實(shí)施方案中，可使用多于一個(gè)調(diào)節(jié)單元222。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，腔206的條件也可以被控制，諸如通過(guò)控制腔的溫度(在一個(gè)實(shí)例中，對(duì)壁進(jìn)行加熱或冷卻)，或通過(guò)控制腔206的內(nèi)部容積，諸如通過(guò)全部或部分地填充有電介質(zhì)、氣體、液體或固體(諸如用于腔的負(fù)載的電介質(zhì))。

元件208可以是過(guò)濾器、薄膜、蜂窩載體(諸如催化劑載體)或類似于參考圖1所述的元件110的任何其他元件。元件208可以或可以不包含顆?；蚱渌繉?。可以或可以不使用元件208。

圖2所示的系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案的操作可以作為采樣系統(tǒng)，其中可為樣品泵的單元214由控制單元212控制以通過(guò)管道連接件204、218、216穿過(guò)腔206抽取樣品流動(dòng)(固體、液體或氣體)，并通過(guò)出口220排出。流速可以由控制單元212控制，諸如通過(guò)改變單元214的操作。在一個(gè)實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)單元222可以是電加熱器，或在另一個(gè)實(shí)施方案中包含干燥劑，以向腔206提供溫度和水分含量受控的樣品流動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)單元222可以執(zhí)行多個(gè)功能。在一個(gè)實(shí)施方案中，可基于來(lái)自分別位于調(diào)節(jié)單元222之前和之后的附加傳感器224和226(諸如用于提供閉環(huán)溫度控制的溫度傳感器)的輸入來(lái)控制調(diào)節(jié)單元222的操作。還可使用包括壓力傳感器、濕度傳感器、組成傳感器以及甚至RF探針210等的附加傳感器。以這種方式，可以很好地控制進(jìn)入腔206的樣品流的性質(zhì)，諸如溫度、水分含量、組成和相關(guān)性質(zhì)。

元件208可以或可以不存在。如果存在，元件208可以與樣品流相互作用，諸如在一個(gè)實(shí)例中通過(guò)過(guò)濾器或薄膜捕獲某些組分，或在另一個(gè)實(shí)例中通過(guò)與特定樣品組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(諸如在元件208上的化學(xué)儲(chǔ)存或與元件208的反應(yīng))或與這種特定樣品組分物理反應(yīng)(吸收/吸附)。在另一個(gè)實(shí)例中，樣品流可以與腔206的內(nèi)表面相互作用。

RF探針210可在腔206內(nèi)發(fā)送和接收射頻信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以存在多于一個(gè)探針。測(cè)量可包括在一種或多種腔諧振模式上的傳輸S12或S21或反射S11或S22測(cè)量?？刂茊卧?12可控制RF探針210和其他元件(如果存在)的操作。由于樣品流而導(dǎo)致的腔206內(nèi)或元件208上的介電性質(zhì)的變化可通過(guò)監(jiān)測(cè)一種或多種諧振模式(包括諧振之間的區(qū)域)的變化來(lái)檢測(cè)，所述變化可與樣品的特定性質(zhì)相關(guān)?？杀O(jiān)測(cè)的樣品性質(zhì)包括特定成分的量、成分的分布(基于一種或多種腔諧振模式的電場(chǎng)分布)、成分的類型或組成、或甚至元件208的狀態(tài)的變化，不管是否是由于樣品的緣故。

樣品流可以或可以不是連續(xù)的，并且可以或可以不流過(guò)腔206。在一個(gè)實(shí)施方案中，樣品流可以是間歇的。在另一實(shí)施方案中，樣品可以放置在腔206內(nèi)，諸如通過(guò)物理地打開腔206并手動(dòng)地將樣品放置在腔206內(nèi)或通過(guò)入口204傾倒或填充樣品。在另一個(gè)實(shí)施方案中，單元214可通過(guò)腔206抽取樣品。在又一個(gè)實(shí)施方案中，在使用或不使用單元214的情況下，可以使用壓力差來(lái)誘使樣品流過(guò)腔206。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，采樣和腔測(cè)量系統(tǒng)202是顆粒測(cè)量?jī)x器，其可用于對(duì)周圍環(huán)境中或來(lái)自諸如排氣系統(tǒng)的源的顆粒進(jìn)行采樣或監(jiān)測(cè)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，采樣和腔測(cè)量系統(tǒng)202是用于測(cè)量液體共混物的相對(duì)比例或組成的液體組成測(cè)量系統(tǒng)，所述液體共混物可包括氣體、液體或固體。

如果流動(dòng)包含作為腔中波長(zhǎng)的一部分的非均勻性，那么通過(guò)非接觸裝置使用微波信號(hào)監(jiān)測(cè)流動(dòng)的速度將是可能的。隨著不同濃度的區(qū)域移動(dòng)通過(guò)電場(chǎng)中的梯度(由于電場(chǎng)的諧振模式結(jié)構(gòu))，在微波場(chǎng)中存在與流動(dòng)速度相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)(絕對(duì)振幅、相對(duì)振幅、諧振頻移、相位或品質(zhì)因數(shù))。例如，除了確定其中存在油流動(dòng)的管道中的水含量之外，微波響應(yīng)的快速移動(dòng)使得能夠確定腔中的流動(dòng)的速度。非均勻性可以嵌入在流動(dòng)(諸如油中的水)中，或者其可以被添加(向流動(dòng)添加材料)，或者可以通過(guò)產(chǎn)生氣泡的空化產(chǎn)生。

腔測(cè)量系統(tǒng)202的重要優(yōu)點(diǎn)是精確控制進(jìn)入腔206的樣品條件以及腔206的條件的能力。樣品條件(諸如溫度、流速、水分含量、組成和其他參數(shù))的控制顯著減少腔諧振測(cè)量的誤差源，從而使得能夠進(jìn)行更精確的測(cè)量。除了控制樣品性質(zhì)之外，來(lái)自附加傳感器224、226和228的測(cè)量也可用于提供腔諧振測(cè)量的補(bǔ)償。

圖3呈現(xiàn)采樣和腔測(cè)量系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案。類似于元件110和208，圖3示出了呈條帶形式的元件310，其可通過(guò)輥306或308進(jìn)料或前進(jìn)。在一個(gè)實(shí)例中，元件310可以是過(guò)濾條或薄膜條，但可以使用任何合適的材料條或材料卷。元件310被示出為穿過(guò)樣品腔312和測(cè)量腔320，所述樣品腔312和測(cè)量腔320以截面圖的形式示出。腔312和320在一個(gè)實(shí)施方案中可以是單獨(dú)的腔，或在另一個(gè)實(shí)施方案中可以是同一個(gè)腔。開口314和322，諸如狹縫或孔洞或間隙，使得元件310能夠穿過(guò)腔312和320。雖然開口314和322在圖3中被描繪為空隙空間，但是在操作的一部分或全部期間，開口可以是密封的(未示出)。在一個(gè)實(shí)施方案中，腔312或320可以不是單個(gè)部件，而是包括多個(gè)部件的組件，諸如圍繞由元件310限定的線分開的兩個(gè)半部，其可以打開以允許元件310前進(jìn)，然后關(guān)閉以將元件310牢固地保持在適當(dāng)位置，同時(shí)還密封腔312或320。

樣品腔312可包含一個(gè)或多個(gè)開口或連接端口316和318，以允許樣品進(jìn)入或離開所述腔。在元件310是過(guò)濾元件的情況下，樣品的一部分可能被捕獲在過(guò)濾器上，而其余部分離開腔312。樣品腔312也可不包含任何開口或連接端口，而是替代地需要去除腔312的一個(gè)或多個(gè)部分以允許樣品沉積在腔312內(nèi)的元件310上。可替代地，樣品也可沉積在腔312外部的元件310上。

測(cè)量腔320可包含一個(gè)或多個(gè)射頻探針304和一個(gè)或多個(gè)端口324。探針304可以是棒狀天線、環(huán)形天線、波導(dǎo)或用于發(fā)送或接收無(wú)線信號(hào)的任何其他合適的探針，諸如介電波導(dǎo)、諧振器或發(fā)射器。探針304可連接到控制單元302，所述控制單元302可產(chǎn)生和檢測(cè)射頻信號(hào)并且還執(zhí)行信號(hào)處理?？刂茊卧?02還可連接到連接件328，所述連接件328可提供用于電力或通信信號(hào)的連接。

測(cè)量腔320的內(nèi)部容積326可以或可以不完全或部分地填充有材料。所述材料可以是固體、液體或氣體。在一個(gè)實(shí)例中，內(nèi)部容積326可以填充有介電材料，諸如以便裝載測(cè)量腔320來(lái)優(yōu)先地將諧振模式移動(dòng)到較低頻率。在一個(gè)實(shí)例中，優(yōu)選的材料可以是氧化鋁，但也可以使用其他材料。在另一個(gè)實(shí)施方案中，測(cè)量腔320的內(nèi)表面可涂覆有高導(dǎo)電材料，諸如金、銀或銅，以改善腔品質(zhì)因數(shù)Q。在又一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)部容積326可以填充有惰性氣體，并且在另一個(gè)實(shí)例中，內(nèi)部容積326可以是氧化或還原環(huán)境。內(nèi)部容積326的組成和性質(zhì)可通過(guò)經(jīng)由端口324引入或排出材料來(lái)控制。

在一個(gè)實(shí)施方案中，元件310首先通過(guò)旋轉(zhuǎn)輥306和308而前進(jìn)預(yù)定的量。樣品流可通過(guò)入口連接件316引入到樣品腔312中，并且可通過(guò)出口連接件318離開腔312。在一個(gè)實(shí)施方案中，樣品流可以是通過(guò)連接到連接件316或318的泵、鼓風(fēng)機(jī)或類似裝置產(chǎn)生的連續(xù)或間歇的流動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，樣品流可以由壓力梯度驅(qū)動(dòng)，諸如通過(guò)將316或318連接到高壓或低壓儲(chǔ)存器。

樣品流的一部分或全部可以被收集、捕獲、沉積、吸附，或者可以其他方式與元件310的全部或部分相互作用。樣品腔312的一個(gè)目的是促進(jìn)樣品流的一些或全部與元件310的相互作用。在樣品收集周期期間或之后，可以控制樣品腔312內(nèi)部或腔312外部的條件，諸如通過(guò)改變溫度、濕度或環(huán)境組成以優(yōu)先預(yù)調(diào)節(jié)元件310。在一個(gè)實(shí)例中，預(yù)調(diào)節(jié)元件310，諸如通過(guò)將元件310維持在指定的溫度或濕度水平下，減少了射頻測(cè)量上的這種誤差源?？赏ㄟ^(guò)慣性沉積(通過(guò)加速流動(dòng)并從流體流動(dòng)中分離顆粒物質(zhì))或通過(guò)靜電效應(yīng)(如在靜電除塵器中)或磁效應(yīng)(如在高梯度磁分離中)來(lái)增強(qiáng)樣品中固體物質(zhì)在過(guò)濾元件310上的沉積。

在預(yù)定的采樣時(shí)間之后，元件310可以前進(jìn)到測(cè)量腔320中。元件310可以連續(xù)地或在延遲周期之后前進(jìn)。元件310可以前進(jìn)以將任何收集到的樣品或樣品與元件310相互作用的結(jié)果傳送到測(cè)量腔320中。一旦在測(cè)量腔320內(nèi)，元件310就可以由射頻裝置詢問(wèn)。一個(gè)或多個(gè)探針304可用于在足以產(chǎn)生一種或多于一種腔諧振模式的頻率范圍內(nèi)將射頻信號(hào)發(fā)送到測(cè)量腔320中。在另一實(shí)施方案中，信號(hào)可不處于諧振下，并且可處于一個(gè)特定頻率或多個(gè)頻率下。一個(gè)或多個(gè)探針304可接收所發(fā)送的信號(hào)。接收探針304可以與發(fā)射探針304或單獨(dú)的探針(未示出)相同。

控制單元302可產(chǎn)生并發(fā)送射頻信號(hào)，并且還可檢測(cè)接收到的信號(hào)。控制單元302可進(jìn)一步處理射頻信號(hào)，諸如通過(guò)應(yīng)用校準(zhǔn)算法或傳遞函數(shù)，以使信號(hào)參數(shù)的變化與感興趣的狀態(tài)變量相關(guān)?？刂茊卧?02可進(jìn)一步通過(guò)控制速度或起動(dòng)和停止輥306和308來(lái)確定何時(shí)使元件310前進(jìn)。控制單元302還可以調(diào)節(jié)樣品條件，諸如測(cè)量腔320內(nèi)的溫度、濕度或環(huán)境。在另一個(gè)實(shí)施方案中，控制單元302可以操作連接到端口324的閥或泵(未示出)，以將材料引入內(nèi)部容積326或從內(nèi)部容積326排出材料。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，腔320的射頻測(cè)量，諸如對(duì)具有或不具有樣品溫度變化的一個(gè)或多個(gè)諧振曲線或離散頻率范圍或特定頻率進(jìn)行采樣，可以由控制單元302進(jìn)行以確定所收集、吸附或以某種其他方式沉積或捕獲在元件310上的材料的量、類型或分布。在另一個(gè)實(shí)施方案中，控制單元302可以測(cè)量元件310本身的性質(zhì)的變化，諸如由于與樣品流中的樣品的相互作用。在一個(gè)實(shí)例中，相互作用可包括顆?；蛞后w在元件310上的沉積，并且由控制單元302進(jìn)行的測(cè)量可用于確定收集在元件310上的顆?；蛞后w的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，圖3所描繪的測(cè)量系統(tǒng)是煙灰或黑碳測(cè)量系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，圖3所描繪的測(cè)量系統(tǒng)是氣體或液體傳感器。

在一個(gè)實(shí)施方案中，在采樣腔312中進(jìn)行采樣過(guò)程，而在測(cè)量腔320中進(jìn)行射頻測(cè)量，以便將采樣和測(cè)量環(huán)境分離并且提供受控的環(huán)境以在腔320中執(zhí)行射頻測(cè)量。在這個(gè)實(shí)施方案中，可以或可以不使用附加裝置(未示出)來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)元件310，諸如通過(guò)溫度控制、對(duì)腔312或腔320進(jìn)行加熱或通過(guò)接觸或非接觸裝置直接對(duì)元件310進(jìn)行加熱。調(diào)節(jié)元件310的其他裝置也是可能的。在兩個(gè)或更多個(gè)腔312或320中的采樣和測(cè)量過(guò)程的分離使得能夠獨(dú)立于射頻測(cè)量進(jìn)行采樣和樣品調(diào)節(jié)。在一個(gè)實(shí)施方案中，采樣條件可發(fā)生很大變化，而隨后的射頻腔測(cè)量可以在更受控的條件下進(jìn)行，從而減少測(cè)量中的否則將由改變的采樣條件引起的任何誤差。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，可存在附加的腔或區(qū)(圖3中未示出)，以使得能夠?qū)M(jìn)入或離開樣品腔312的樣品進(jìn)行附加的調(diào)節(jié)或處理。在又一個(gè)實(shí)施方案中，在腔312與腔320之間可存在附加的腔或區(qū)，以進(jìn)一步調(diào)節(jié)樣品，諸如在一個(gè)實(shí)例中通過(guò)附加的加熱器或鼓風(fēng)機(jī)。在又一個(gè)實(shí)施方案中，采樣腔312和測(cè)量腔320的功能可以組合到單個(gè)腔中。圖3所描繪的測(cè)量系統(tǒng)因此允許對(duì)元件310和腔320內(nèi)的測(cè)量環(huán)境的仔細(xì)控制和調(diào)節(jié)，以通過(guò)減少或消除否則將負(fù)面地影響測(cè)量的變量的影響來(lái)增強(qiáng)射頻測(cè)量精度。通過(guò)在測(cè)量期間改變樣品的溫度或改變RF信號(hào)的頻率以包括低頻和高頻范圍，可以獲得關(guān)于沉積在樣品上的材料的負(fù)載和組成的附加信息。

可以在外部向流動(dòng)添加已知量的物質(zhì)，以協(xié)助表征系統(tǒng)的性能和/或幫助進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖4描繪射頻腔或波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案，其中腔402是流通設(shè)計(jì)，諸如管道、導(dǎo)管、管、管子或類似的通道。一種或多種材料406或404，諸如任何類型的固體、液體或氣相材料，可以流過(guò)腔402的內(nèi)部容積或駐留在腔402的內(nèi)部容積內(nèi)。一個(gè)或多個(gè)射頻探針414可以連接到腔402的壁，并且可以或可以不延伸穿過(guò)腔402的壁。探針414可以是棒狀天線或環(huán)形天線、波導(dǎo)或用于發(fā)送或接收射頻信號(hào)的任何其他合適的裝置，包括介質(zhì)波導(dǎo)、發(fā)射器和諧振器。

在一個(gè)實(shí)施方案中，探針414可以是由外導(dǎo)體408、內(nèi)電介質(zhì)412和內(nèi)導(dǎo)體410組成的棒狀天線，但其他類型的天線和其他設(shè)計(jì)也是可能的。網(wǎng)孔、篩網(wǎng)或其他穿孔的導(dǎo)電元件(未示出)可以或可以不用于將射頻信號(hào)容納或隔離在腔402的特定區(qū)域內(nèi)?？刂茊卧?未示出)可用于控制來(lái)自探針414的射頻信號(hào)的傳輸或檢測(cè)。射頻信號(hào)可跨越頻率范圍，諸如以便產(chǎn)生一種或多于一種腔諧振模式。在另一個(gè)實(shí)施方案中，信號(hào)可以不處于諧振下。雖然圖4示出了兩個(gè)探針414，但一個(gè)探針或多于一個(gè)探針可用于進(jìn)行傳輸、反射、或傳輸和反射測(cè)量。

可以監(jiān)測(cè)射頻信號(hào)的變化，包括諧振模式的絕對(duì)振幅、相對(duì)振幅、相位、諧振頻率或諧振曲線的易于區(qū)分的特征(諸如質(zhì)量因數(shù)Q、谷值、邊帶或簡(jiǎn)并模式)(或其導(dǎo)數(shù))的變化，以檢測(cè)與包含在腔402內(nèi)或穿過(guò)腔402或沉積在腔402的內(nèi)表面上的一種或多種材料406或404(諸如416)有關(guān)的量、類型、分布或其他狀態(tài)變量。在一個(gè)實(shí)施方案中，感興趣的狀態(tài)變量是氣體或液體流406中的顆粒404的量或液體流中的氣體(氣泡)的分?jǐn)?shù)。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，感興趣的狀態(tài)變量是可能存在的一種或多種材料(諸如液體、固體或氣體的共混物)的量或相對(duì)比例。在另一個(gè)實(shí)例中，可以測(cè)量油中的水的量，或汽油中的乙醇或柴油中的生物柴油的相對(duì)比例。在另一個(gè)實(shí)例中，可以確定不均勻介質(zhì)的流速。在又一個(gè)實(shí)例中，可以確定介質(zhì)的溫度。在又一個(gè)實(shí)例中，感興趣的狀態(tài)變量可以是積聚在腔402的壁上的一種或多種材料406或404的量，示出為材料416的積累。也可以這種方式測(cè)量夾帶在液體中的氣體(即氣泡)的量。在又一個(gè)實(shí)例中，還可以檢測(cè)積聚在管道、管子或?qū)Ч?02內(nèi)的材料416的量，諸如在管道中的淤泥積累或沿著管子的煙灰沉積。在顆粒材料416積聚的情況下，可通過(guò)氣旋作用(即由于慣性力)或電磁裝置(即靜電或靜磁沉淀)或熱泳裝置(即溫度梯度)來(lái)增加沉積速率。在靜電沉淀的情況下，顆粒需要進(jìn)行充電，自然地充電(如在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中)或通過(guò)將電荷引入到流動(dòng)中來(lái)充電。在磁性沉淀的情況下，顆粒需要具有磁性(抗磁性、順磁性或鐵磁性)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，流動(dòng)被引導(dǎo)穿過(guò)腔402，所述腔402可包含任何類型的固體、液體或氣相材料。一個(gè)或多于一個(gè)探針414可用于在腔402內(nèi)建立一種或多種諧振模式。所監(jiān)測(cè)的諧振特性或其某個(gè)導(dǎo)數(shù)的變化可與感興趣的狀態(tài)變量有關(guān)，所述狀態(tài)變量諸如流動(dòng)中包含的特定組分的量或流動(dòng)的特性(諸如流量、溫度或其他相關(guān)參數(shù))。在又一個(gè)實(shí)施方案中，可以不在腔402內(nèi)建立諧振，并且可以監(jiān)測(cè)在非諧振條件下的射頻信號(hào)的變化。

如上所述，也可以監(jiān)測(cè)非流動(dòng)系統(tǒng)，例如像分批化學(xué)反應(yīng)器。圖3中的樣品測(cè)量可以分批模式進(jìn)行。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，腔或波導(dǎo)402可以是具有各種分支、互連件、過(guò)渡部或彎曲部的長(zhǎng)區(qū)段或區(qū)段網(wǎng)絡(luò)(在一個(gè)實(shí)例中，諸如管道或管子的網(wǎng)絡(luò))。一個(gè)或多個(gè)探針414可安裝在沿著波導(dǎo)或腔402的各個(gè)位置處，并且用于通過(guò)腔402發(fā)送射頻信號(hào)，以便檢測(cè)波導(dǎo)或腔402的壁或表面的故障或缺陷，諸如在管道或排氣系統(tǒng)檢查中。在一個(gè)實(shí)例中，可使用頻域反射測(cè)量或時(shí)域反射測(cè)量來(lái)確定可能故障的數(shù)量和位置。監(jiān)測(cè)作為時(shí)間的函數(shù)的射頻信號(hào)響應(yīng)的變化提供了關(guān)于腔或波導(dǎo)402隨時(shí)間的降級(jí)或變化的信息。

圖5描繪圖4所示的流通腔測(cè)量系統(tǒng)的變化形式，其中測(cè)量探針遠(yuǎn)離樣品流定位?？蔀閷?dǎo)管、管道、管子、管或類似結(jié)構(gòu)的非導(dǎo)電導(dǎo)管502可以包含類似于參考圖4所述的材料406或404的流動(dòng)或靜止的樣品材料506或508，諸如任何固體、液體或氣體。導(dǎo)電腔510可圍繞非導(dǎo)電導(dǎo)管502的一部分或全部定位。導(dǎo)電腔510用作射頻測(cè)量腔，并且可包含一個(gè)或多于一個(gè)射頻探針512，諸如天線或波導(dǎo)。在圖5中，非導(dǎo)電導(dǎo)管502的內(nèi)部和周圍的導(dǎo)電腔510被示出為環(huán)形構(gòu)型，然而可以使用任何幾何形狀和構(gòu)型。在一個(gè)實(shí)施方案中，非導(dǎo)電導(dǎo)管502不需要位于導(dǎo)電腔510的中心，但在另一個(gè)實(shí)施方案中可以位于導(dǎo)電腔510的中心。導(dǎo)電腔510可包含可以或可以不完全或部分填充的內(nèi)部容積514。在一個(gè)實(shí)施方案中，內(nèi)部容積514可以完全或部分填充有電介質(zhì)以裝載腔。

非導(dǎo)電導(dǎo)管502的目的可以是將樣品材料容納在導(dǎo)電腔510的特定區(qū)域內(nèi)。在一個(gè)實(shí)例中，非導(dǎo)電導(dǎo)管502可以是軟管或管道，諸如橡膠或塑料軟管或管道、或玻璃或陶瓷管。在另一個(gè)實(shí)施方案中，非導(dǎo)電導(dǎo)管502可用于將樣品材料506或508引導(dǎo)到導(dǎo)電腔510內(nèi)的高電場(chǎng)區(qū)域中，以便提高測(cè)量靈敏度。在另一個(gè)實(shí)施方案中，非導(dǎo)電導(dǎo)管502可用于將樣品材料506或508引導(dǎo)到導(dǎo)電腔510內(nèi)的低電場(chǎng)區(qū)域中，以便降低測(cè)量靈敏度。在又一個(gè)實(shí)施方案中，非導(dǎo)電導(dǎo)管502在導(dǎo)電腔510內(nèi)和相對(duì)于探針512的位置可以是可變的，以使得能夠通過(guò)將非導(dǎo)電導(dǎo)管502從一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)域移動(dòng)到低電場(chǎng)區(qū)域或反之亦然來(lái)改變非導(dǎo)電導(dǎo)管502相對(duì)于導(dǎo)電腔510內(nèi)的電場(chǎng)的位置以調(diào)整靈敏度。

圖5所描繪的測(cè)量系統(tǒng)將導(dǎo)電腔510與樣品材料508或506分離，并且使得能夠進(jìn)行射頻測(cè)量，包括樣品材料508或506的腔諧振測(cè)量。這種分離可以是優(yōu)選的，以避免導(dǎo)電腔510或探針512直接暴露于樣品材料506或508，或避免引入可能泄漏樣品材料506或508或以其他方式為樣品材料506或508從導(dǎo)電腔510逃逸提供通路的附加連接件、配件或密封件。在一個(gè)實(shí)例中，非導(dǎo)電導(dǎo)管502可以是燃料管線或軟管、或石油管線。非導(dǎo)電導(dǎo)管502提供電驅(qū)動(dòng)天線與燃料之間的安全分離，從而防止電信號(hào)用作燃料的點(diǎn)火器的情況。

在導(dǎo)電腔510內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量可以或可以不包括一種或多于一種諧振模式。在一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)電腔510可以是設(shè)計(jì)成在諸如管道的非導(dǎo)電導(dǎo)管502上滑行或滑動(dòng)的環(huán)形腔，或者在另一實(shí)例中可以是蛤殼式設(shè)計(jì)，并且可以安裝在固定位置或可變位置中。可以使用射頻諧振測(cè)量或在除諧振之外的頻率下的測(cè)量來(lái)確定一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，以描述非導(dǎo)電導(dǎo)管502內(nèi)的樣品材料508或506的狀態(tài)，或監(jiān)測(cè)在非導(dǎo)電導(dǎo)管502的內(nèi)表面或外表面上的材料積累，或檢測(cè)非導(dǎo)電導(dǎo)管502的結(jié)構(gòu)的變化(諸如可通過(guò)開裂，疲勞、腐蝕或一些其他方式引起)。在一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)電腔510的位置可以諸如通過(guò)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)來(lái)移動(dòng)，以監(jiān)測(cè)非導(dǎo)電導(dǎo)管502的不同位置或區(qū)段。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以控制內(nèi)部容積514內(nèi)的條件，諸如在一個(gè)實(shí)例中通過(guò)溫度控制。

圖6示出腔或波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案，其中導(dǎo)管602用作腔或波導(dǎo)并且可包含樣品材料606或604，所述樣品材料606或604可由一種或多種成分組成。一個(gè)或多個(gè)探針614或616可安裝在導(dǎo)管602中，以便發(fā)送或接收射頻信號(hào)。

具體地，示出了探針設(shè)計(jì)614；探針614包括導(dǎo)電外套管612、內(nèi)導(dǎo)體608和完全或部分地包圍或圍繞內(nèi)導(dǎo)體608的介電材料610。在一個(gè)實(shí)施方案中，介電材料610延伸超過(guò)內(nèi)導(dǎo)體608的端部，從而使得內(nèi)導(dǎo)體608被完全包圍。包含在導(dǎo)管602內(nèi)的材料可沉積在介電質(zhì)材料610上，示出為沉積的材料618。因此，樣品材料606或604的量、類型或其他屬性可通過(guò)其在介電材料610上的積累或積聚來(lái)檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施方案中，介電材料610可以是陶瓷或塑料材料。在另一個(gè)實(shí)施方案中，介電材料610的形狀可以是適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)成以優(yōu)先方式與樣品材料606或604相互作用的任何形狀，例如像通過(guò)具有大的表面積。

可以使用僅一個(gè)探針614，添加或不添加探針616或附加探針(未示出)?？蓛?yōu)先確定介電材料610的外表面與內(nèi)導(dǎo)體608的間距，使得沉積的材料618在高電場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域中沉積、積聚或與介電材料610相互作用，以提高加測(cè)量靈敏度，或在低電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度的區(qū)域中沉積、積聚或與介電材料610相互作用，以降低測(cè)量靈敏度。測(cè)量可以在諧振或在任何合適的頻率或一個(gè)或多個(gè)頻率范圍下、在一個(gè)溫度或多個(gè)溫度下進(jìn)行。合適的頻率可以被定義為使對(duì)特定樣品材料606或604的測(cè)量靈敏度和/或選擇性最大化的頻率或頻率范圍。在一個(gè)實(shí)例中，沉積的材料618可以是煙灰或顆粒，并且導(dǎo)管602可以是排氣管道。在另一實(shí)施方案中，可以諸如通過(guò)加熱、手動(dòng)地或一些其他物理或化學(xué)過(guò)程周期性或連續(xù)地清潔或修復(fù)介電材料610以去除沉積的材料618。可通過(guò)使用已知量的材料(固體、液體或氣體)的人工引入來(lái)監(jiān)測(cè)和/或校準(zhǔn)裝置的性能。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，介電材料610可以被設(shè)計(jì)成以任何數(shù)量的方式與樣品材料606或604相互作用。在一個(gè)實(shí)例中，相互作用可以是化學(xué)的，由此可通過(guò)添加一種或多種催化劑或附加材料來(lái)浸漬、涂覆介電材料610或使其官能化。介電材料610的官能化可用于優(yōu)先與包括樣品材料604或606的一種或多于一種成分相互作用。在一個(gè)實(shí)例中，在一個(gè)實(shí)例中，可使用沸石來(lái)捕獲或儲(chǔ)存特定的氣相物種(在一個(gè)實(shí)例中，諸如氨)來(lái)使介電材料610官能化。可替代地，可以使用其他材料，諸如氧化錫和其他金屬氧化物半導(dǎo)體。在這些情況中的一些情況下，材料的電阻率在氣體暴露之后改變。通過(guò)使用RF感測(cè)，可以使用斷開連接的顆粒(每個(gè)斷開連接的顆粒是單晶，難以生長(zhǎng)成相當(dāng)大的尺寸)，從而消除了對(duì)大的單晶顆粒或連續(xù)涂層(諸如在低頻/DC測(cè)量中使用的那些)的需要。選擇性和靈敏度可通過(guò)導(dǎo)致電導(dǎo)率變化的表面吸收/解吸來(lái)增強(qiáng)。也可使用用于提高選擇性和靈敏度的多層或官能化結(jié)構(gòu)。

在這個(gè)實(shí)例中，探針614可以是氣體傳感器。在另一個(gè)實(shí)例中，介電材料610可以是設(shè)計(jì)成吸收水或某種其他液體或蒸汽的多孔陶瓷。一種或多種樣品材料與介電材料610的相互作用可用于改變其介電狀態(tài)，所述介電狀態(tài)可通過(guò)在諧振或任何其他合適頻率下所測(cè)量的信號(hào)響應(yīng)的變化來(lái)檢測(cè)。以這種方式，先前描述并且被定義為參考圖1的元件110、參考圖2的元件208和參考圖3的元件310的元件可以與圖6所示的射頻探針614整合在一起。以這種方式，介電材料610用作先前參考圖1-圖3定義為單獨(dú)元件的元件，以使得兩個(gè)元件是相同的。在另一個(gè)實(shí)例中，圖6所示的射頻探針614可與附加元件(諸如參考圖1的元件110、參考圖2的元件208和參考圖3的元件310)結(jié)合使用，以使得所述元件是單獨(dú)的元件。

圖7描繪具有整合的腔的探針的另一個(gè)實(shí)施方案，所述整合的腔包括外導(dǎo)電套管702、外護(hù)套708，所述外導(dǎo)電套管702可與外護(hù)套708電接觸，外護(hù)套708是穿孔的，具有狹縫或一個(gè)或多個(gè)開口、或網(wǎng)孔，所述網(wǎng)孔的設(shè)計(jì)適于允許材料穿過(guò)但具有用于將射頻信號(hào)完全或部分地容納在外護(hù)套708內(nèi)的網(wǎng)孔或穿孔尺寸。探針還可包含內(nèi)導(dǎo)體706，諸如棒狀天線或環(huán)(諸如在棒狀天線或環(huán)形天線中)，包括介質(zhì)波導(dǎo)、發(fā)射器和諧振器。內(nèi)電介質(zhì)704可以或可以不使用，并且可以完全或部分地覆蓋或圍繞內(nèi)導(dǎo)體706。在另一個(gè)實(shí)例中，內(nèi)電介質(zhì)704可填充由外護(hù)套708限定的整個(gè)容積。內(nèi)電介質(zhì)704可由陶瓷材料、纖維材料或任何其他合適的材料構(gòu)成。內(nèi)電介質(zhì)704可以在探針內(nèi)具有不同或變化的組成，以使得完全或部分地延伸到外護(hù)套708中的內(nèi)電介質(zhì)704可具有與駐留在外導(dǎo)電套管702內(nèi)的材料不同的材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以不使用內(nèi)導(dǎo)體706，諸如在波導(dǎo)中。

圖7所示的測(cè)量探針提供與探針組件整合的腔，并且不需要使用諸如導(dǎo)電導(dǎo)管的外部腔，而是可以安裝在任何導(dǎo)管(未示出)中或在自由空間中使用。在一種或多種諧振模式或限制在由外護(hù)套708形成的腔中的任何合適的一個(gè)或多個(gè)頻率下的射頻信號(hào)可能受到穿過(guò)多孔外護(hù)套708或沉積在外護(hù)套708本身上的材料的影響。

圖7所示的系統(tǒng)的特別優(yōu)點(diǎn)是探針可以用于任何操作環(huán)境中，因?yàn)樵谟赏庾o(hù)套708限定的區(qū)域內(nèi)的測(cè)量不受外部導(dǎo)電元件的存在的影響。具體地，使用現(xiàn)有導(dǎo)管或腔的腔或波導(dǎo)測(cè)量受導(dǎo)管或腔的幾何形狀和尺寸的影響，從而使得設(shè)計(jì)成例如與24英寸直徑的管道一起操作的系統(tǒng)可能需要在與2英寸直徑的管道不同的頻率下重新校準(zhǔn)或操作。將外護(hù)套708固定到外導(dǎo)電套管702直接消除了當(dāng)圖7所示的探針組件安裝在不同的外部腔或?qū)Ч?未示出)中時(shí)的任何變化。

在這個(gè)實(shí)施方案中，使用介質(zhì)波導(dǎo)或諧振器是非常有吸引力的。用于本申請(qǐng)的介質(zhì)波導(dǎo)或諧振器的一個(gè)有吸引力的特征是不需要護(hù)套，因?yàn)檩椛湓诓▽?dǎo)外部消散。然而，在波導(dǎo)的表面上存在可用于探測(cè)表面上的材料的電場(chǎng)。

在圖8中示出特定的腔組件802，所述腔組件802在一個(gè)實(shí)施方案中可以是過(guò)濾器或催化劑系統(tǒng)或其某種組合。在一個(gè)實(shí)例中，腔組件802是柴油或汽油微粒過(guò)濾器或催化劑組件，諸如三元催化劑、選擇性催化還原系統(tǒng)、稀NOx捕集器、氨逃逸催化劑、碳?xì)浠衔锊都骰蛉魏纹渌愋偷拇呋瘎Ｔ诹硪粋€(gè)實(shí)施方案中，腔組件802可以是任何類型的腔。腔組件802可包括入口區(qū)段804、第一模塊806、第二模塊808和出口區(qū)段810。入口導(dǎo)管814可連接到入口區(qū)段804，并且出口導(dǎo)管816可連接到出口區(qū)段810。入口導(dǎo)管814或出口導(dǎo)管816可以或可以不延伸到入口區(qū)段804或出口區(qū)段810中。入口區(qū)段804和出口區(qū)段810以及模塊806和808可通過(guò)互連件812(諸如凸緣、夾具或類似裝置)連接，如圖8所示。元件818和820可分別包含在模塊806和808中。

雖然示出了兩個(gè)元件和模塊，但是其中具有僅一個(gè)元件和模塊或多于一個(gè)元件和模塊、或多個(gè)元件包含在單個(gè)模塊內(nèi)的多種構(gòu)型是可能的。在一個(gè)實(shí)施方案中，元件818和820是催化劑、過(guò)濾器、薄膜或其某種組合。

在一個(gè)實(shí)例中，元件818可以是氧化催化劑或三元催化劑，并且元件820可以是汽油或柴油顆粒過(guò)濾器。在另一個(gè)實(shí)施方案中，元件820可以是氨逃逸催化劑，并且元件818可以是SCR催化劑。

附加元件822，諸如擋板、通道、混合板或管等，也可包含在一個(gè)或多個(gè)區(qū)段或模塊內(nèi)。導(dǎo)管816或814可以或可以不延伸到出口區(qū)段810或入口區(qū)段804中。這些元件可以或可以不是導(dǎo)電的。在一個(gè)實(shí)例中，附加元件822是擋板或流量分配板。

附加的結(jié)構(gòu)、探針、傳感器或其他元件824、826、828、830、832或834也可延伸到模塊806或808的內(nèi)部或入口區(qū)段804或出口區(qū)段810中。在一個(gè)實(shí)施方案中，附加結(jié)構(gòu)824、826、828可以是溫度傳感器，并且附加結(jié)構(gòu)828或832可以是氧傳感器、NOx傳感器、煙灰傳感器、氨傳感器等。探針834可以是射頻測(cè)量探針，諸如棒狀天線、環(huán)形天線或波導(dǎo)，包括介質(zhì)波導(dǎo)、發(fā)射器和諧振器。探針834還可以被配置來(lái)發(fā)送和接收足以在腔組件802內(nèi)或在任何一個(gè)或多個(gè)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生一種或多于一種諧振模式的射頻信號(hào)?？梢允褂靡粋€(gè)或多于一個(gè)探針834。探針834可以監(jiān)測(cè)發(fā)生在元件818或820上或由腔組件802限定的容積或腔組件802內(nèi)的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的過(guò)程。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，探針834可以是多功能傳感器，在一個(gè)實(shí)例中諸如組合的射頻探針和溫度傳感器。

上述內(nèi)導(dǎo)電元件(諸如探針、擋板、導(dǎo)管等)的存在可影響腔組件802的電場(chǎng)分布。內(nèi)導(dǎo)電元件可以被設(shè)計(jì)和定位成使對(duì)電場(chǎng)的干擾最小化(諸如在局部電場(chǎng)最小值處的安裝)或在另一實(shí)施方案中，優(yōu)選影響電場(chǎng)分布。對(duì)腔的幾何形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修改(諸如翅片、擋板和導(dǎo)電元件的添加)也可用于優(yōu)先影響電場(chǎng)分布并且增加腔組件802的特定區(qū)域中的測(cè)量靈敏度。

腔組件802的射頻響應(yīng)受模塊806和808、入口區(qū)段804和出口區(qū)段810以及內(nèi)導(dǎo)電元件、探針、傳感器822、824、826、828、830、832等以及互連件812的幾何形狀的影響。元件818和820的類型以及它們分別在模塊806和808內(nèi)的位置也可影響射頻測(cè)量。此外，探針834的幾何形狀、位置和安裝以及射頻控制單元(包括附接的電纜(未示出))的操作也可影響測(cè)量。為了減少這些變化性源，可通過(guò)以下方式中的一種或兩種將在任何時(shí)間點(diǎn)測(cè)量的射頻信號(hào)歸一化到已知的參考狀態(tài)：

歸一化完全信號(hào)：(i)在期望的頻率范圍內(nèi)發(fā)射和檢測(cè)射頻信號(hào)以產(chǎn)生一種或多于一種諧振模式，或在任何頻率范圍內(nèi)，而不管是否建立諧振。(ii)將每個(gè)隨后采樣的頻率范圍除以在針對(duì)所測(cè)量的振幅或相位的每個(gè)相同離散頻率點(diǎn)處針對(duì)參考狀態(tài)采樣的信號(hào)，或從所述信號(hào)中減去每個(gè)隨后采樣的頻率范圍。

歸一化信號(hào)參數(shù)：(i)在期望的頻率范圍內(nèi)發(fā)射和檢測(cè)射頻信號(hào)以產(chǎn)生一種或多于一種諧振模式，或在任何頻率范圍內(nèi)，而不管是否建立諧振。(ii)從針對(duì)參考情況采樣的射頻振幅或相位信號(hào)計(jì)算一個(gè)或多個(gè)特性參數(shù)，包括但不限于：在給定功率電平、相移、諧振頻移或其任何導(dǎo)數(shù)參數(shù)下諧振的面積、局部或絕對(duì)最大值或最小值、平均值、品質(zhì)因數(shù)、峰值寬度。(iii)針對(duì)隨后采樣的信號(hào)計(jì)算與(ii)中相同的參數(shù)，并且將這個(gè)值除以針對(duì)參考條件的值或從針對(duì)參考條件的值中減去這個(gè)值。

在以上列出的情況下，參考信號(hào)或值可以是預(yù)定的參考信號(hào)或值，諸如當(dāng)系統(tǒng)是新的或干凈的或處于某種參考狀態(tài)(在一個(gè)實(shí)例中，在制造商處的安裝)時(shí)，并且作為存儲(chǔ)在控制單元或?qū)＜蚁到y(tǒng)中的值存在。

在另一個(gè)實(shí)例中，以上所發(fā)射和檢測(cè)的信號(hào)可以是指由發(fā)射器的強(qiáng)度校正的信號(hào)，其可產(chǎn)生不穩(wěn)定的信號(hào)振幅。在這種情況下，可通過(guò)對(duì)所產(chǎn)生的RF信號(hào)進(jìn)行采樣(諸如通過(guò)旁路路徑繞過(guò)RF腔或波導(dǎo))來(lái)連續(xù)地或周期性地校正所發(fā)射和檢測(cè)的信號(hào)。

以這種方式，歸一化將考慮任何部分到部分的變化性并且減小包含幾何形狀或內(nèi)部元件的變化的腔的測(cè)量誤差。這種歸一化方案顯著地減少了部分到部分的變化性、幾何公差、各種部件的不對(duì)準(zhǔn)、信號(hào)漂移等問(wèn)題。

當(dāng)進(jìn)行腔測(cè)量時(shí)，存在多種改善信噪比的方法。下文描述它們的實(shí)施方案。

通過(guò)使用天線的近場(chǎng)來(lái)優(yōu)先監(jiān)測(cè)腔中的局部區(qū)域是可能的。諧振模式具有用于場(chǎng)峰值和場(chǎng)零值的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而，在發(fā)射結(jié)構(gòu)附近，場(chǎng)可以是顯著較高的，所述發(fā)射結(jié)構(gòu)可以是天線、環(huán)路或介電波導(dǎo)。在非輻射波導(dǎo)的情況下，介電波導(dǎo)的使用是有吸引力的，因?yàn)榭梢允褂帽瓤捎汕换虿▽?dǎo)(不使用篩網(wǎng)或網(wǎng)孔)支持的那些頻率高得多的頻率。在沒(méi)有篩網(wǎng)或網(wǎng)孔的情況下，輻射將通過(guò)后處理部件的入口或出口泄漏出去。

信號(hào)處理可用于改善信噪比。圍繞每個(gè)諧振，可以將曲線擬合到微波響應(yīng)(振幅或相位)。曲線擬合允許例如提取質(zhì)量因數(shù)信息，即使信號(hào)的峰值和谷值之間的差小于Q的常規(guī)測(cè)量所需的3dB?？梢允褂迷S多擬合，并且可以在不同模式下使用信號(hào)對(duì)頻率的不同功能依賴性。當(dāng)信號(hào)表現(xiàn)良好時(shí)，在A/((ω-ω0)2+D2)的分析形式上擬合，其中w是頻率，并且其他參數(shù)通過(guò)曲線擬合來(lái)計(jì)算。然而，可以使用其他功能形式。

可用于改善信噪比的另一種信號(hào)處理方法是執(zhí)行信號(hào)(S11、S21、S22或S12)的平均。存在計(jì)算這些元素(振幅和相位)并產(chǎn)生模擬或數(shù)字輸出的模塊。代替使單個(gè)測(cè)量離散化，通過(guò)在離散化之前進(jìn)行信號(hào)的短平均，可以減少噪聲?？赏ㄟ^(guò)快速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行平均，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊隨后執(zhí)行數(shù)字平均，或者其可以進(jìn)行模擬，其中積分值被離散化并儲(chǔ)存。可通過(guò)使用簡(jiǎn)單的積分器來(lái)執(zhí)行模擬平均。在從頻率到頻率的跳變之后發(fā)生的瞬變逐漸消失之后進(jìn)行積分是重要的。與采用單個(gè)離散測(cè)量相比，所述過(guò)程減少了降低信噪比所需的時(shí)間，并且在頻率上進(jìn)行若干掃描的平均。

改善信噪比的另一種方法是針對(duì)特定模式將接收天線定位在場(chǎng)零值處。信號(hào)在基線條件下將為0或非常低的(比如，在一個(gè)實(shí)例中，當(dāng)TWC上未儲(chǔ)存氧時(shí))。氧含量的變化使頻率移動(dòng)，并且空間場(chǎng)分布調(diào)整，從而允許信號(hào)的大變化(因?yàn)樗鰣?chǎng)在接收器的位置處不再為零值)。發(fā)射和接收結(jié)構(gòu)可以是偶極、環(huán)路或其他天線或波導(dǎo)，包括介質(zhì)波導(dǎo)。

可用于改善信噪比和/或提供校準(zhǔn)的另一種方法是對(duì)微波的響應(yīng)進(jìn)行抖動(dòng)。氧含量可以這樣的方式變化，以確保例如完全儲(chǔ)存或不儲(chǔ)存氧。同樣的操作可以用尿素(氨)給料或任何其他正被監(jiān)測(cè)的化合物來(lái)完成。另外，添加外來(lái)材料(系統(tǒng)中不存在)以協(xié)助微波傳感器的校準(zhǔn)和表征。

改善靈敏度和可檢測(cè)性限度的另一種方法是使用發(fā)射信號(hào)的FM調(diào)制。使用調(diào)制，信號(hào)在頻率范圍內(nèi)改變，并且可通過(guò)使用常規(guī)的信號(hào)處理技術(shù)(包括鎖定檢測(cè))來(lái)檢測(cè)信號(hào)。

圖9示出另一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，其中由外導(dǎo)電套管904組成的探針包含內(nèi)導(dǎo)體908和內(nèi)電介質(zhì)906。外導(dǎo)電套管904可與導(dǎo)電表面902(諸如腔或波導(dǎo)的壁)電接觸。在導(dǎo)電表面902的內(nèi)表面上的導(dǎo)電材料910沉積形成內(nèi)導(dǎo)體908與導(dǎo)電表面902之間的導(dǎo)電路徑，從而有效地使圖9所描繪的探針短路。這容易允許檢測(cè)材料910。

圖10呈現(xiàn)包括跨越1GHz頻率范圍的射頻諧振曲線的若干諧振腔模式的圖。在一個(gè)實(shí)施方案中，可通過(guò)僅對(duì)諧振曲線的感興趣的那些區(qū)域進(jìn)行采樣來(lái)大大減少測(cè)量時(shí)間。與對(duì)完全諧振曲線進(jìn)行采樣相對(duì)，例如僅對(duì)區(qū)域A、B、C和D進(jìn)行采樣(實(shí)質(zhì)上是在模式之間進(jìn)行跳躍)，使得能夠顯著減少測(cè)量響應(yīng)時(shí)間。在一個(gè)實(shí)例中，圖10中所描繪的完全諧振曲線可以在覆蓋1000個(gè)頻率點(diǎn)的1000ms中進(jìn)行采樣，而區(qū)域A、B、C和D可以在100ms中進(jìn)行采樣，其中每個(gè)區(qū)域覆蓋100個(gè)頻率點(diǎn)。

圖11A-B呈現(xiàn)用于與圓盤型元件(在一個(gè)實(shí)例中，諸如紙過(guò)濾器)一起使用的測(cè)量腔內(nèi)的三種諧振模式的電場(chǎng)分布。在圖11A中，導(dǎo)電網(wǎng)孔在過(guò)濾器平面中緊接在過(guò)濾器后方放置。在圖11B中，放置非導(dǎo)電網(wǎng)格以將過(guò)濾器支撐在過(guò)濾器平面中。此圖描繪電場(chǎng)分布中的徑向和軸向變化。理想地，紙過(guò)濾器位于高電場(chǎng)區(qū)域中，并且導(dǎo)電的過(guò)濾器支撐件應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)紙過(guò)濾器區(qū)域中的電場(chǎng)。

圖12呈現(xiàn)安裝在金屬殼體中的陶瓷蜂窩元件的三種諧振模式的附加電場(chǎng)分布。此圖示出電場(chǎng)的空間分布。測(cè)量靈敏度在高場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域(紅色和黃色)中最高，在低場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域(藍(lán)色)中最低。

圖13A-B示出在兩種諧振模式下在Teflon過(guò)濾器上收集的兩種不同材料的效果。黑碳顯示信號(hào)中顯著的衰減，而測(cè)試灰塵不影響信號(hào)幅度。測(cè)量說(shuō)明對(duì)其他材料的混合物中的單一組分的檢測(cè)。

圖14-21示出腔諧振測(cè)量的應(yīng)用，以監(jiān)測(cè)材料共混物(諸如腔和流通導(dǎo)管中的液體)的量和組成的變化。

圖22示出腔諧振測(cè)量的應(yīng)用，以確定紡織品(例如干燥器中的衣物)的水分含量，其中干燥器的滾筒用作腔。

圖23示出與諧振曲線的幅度測(cè)量相對(duì)，在監(jiān)視測(cè)有損耗的材料時(shí)優(yōu)先使用相移來(lái)擴(kuò)展測(cè)量范圍。圖23中的結(jié)果對(duì)應(yīng)于過(guò)濾器上的煙灰積聚。

圖24進(jìn)一步示出針對(duì)若干諧振監(jiān)測(cè)相對(duì)于振幅的相移的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)。振幅曲線(i)示出在第一條件(A)和第二條件(B)下的RF信號(hào)。在條件(B)下，由于高RF損耗，信號(hào)衰減是顯著的，并且諧振(峰值)難以區(qū)分。在振幅的情況下，信號(hào)在條件(B)下有效地飽和。

另一方面，圖24中的相位(ii)的測(cè)量值顯示條件(B)相對(duì)于條件(A)的不同的相移。因此，監(jiān)測(cè)相位提供高達(dá)360度的相移，從而顯著地?cái)U(kuò)展了RF測(cè)量范圍，否則所述范圍將由于條件(B)的振幅信號(hào)中的靈敏度的飽和或損失而受到限制。相位測(cè)量在某些應(yīng)用中是特別有利的，諸如在一個(gè)實(shí)例中監(jiān)測(cè)微粒過(guò)濾器中的煙灰負(fù)載。

相位測(cè)量可包括在特定相位角(諸如零交叉或任何其他相位角)處的絕對(duì)或相對(duì)相移、給定頻率或頻率范圍處的平均相位、相位曲線下的面積或從相位測(cè)量值中直接或間接導(dǎo)出的任何其他參數(shù)。相位測(cè)量可以或可以不被歸一化到參考條件，并且可以或可以不被校正以考慮外部變量(在一個(gè)實(shí)例中，諸如溫度或水分含量)對(duì)信號(hào)的影響。

在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可以使用振幅測(cè)量和相位測(cè)量。在另一個(gè)實(shí)例中，絕對(duì)振幅測(cè)量或相對(duì)振幅測(cè)量可用于低損耗測(cè)量值(例如，對(duì)應(yīng)于過(guò)濾器的輕微煙灰負(fù)載)，并且相位測(cè)量可用于高損耗測(cè)量值(例如，用于過(guò)濾器的高煙灰負(fù)載)?？梢允褂谜穹畔?lái)校正相位信號(hào)，或者可以使用相位信息來(lái)校正振幅信號(hào)。

可通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇射頻源與檢測(cè)器之間的電磁長(zhǎng)度(即，波長(zhǎng)數(shù))來(lái)選擇圖24所示的相位回轉(zhuǎn)速率(當(dāng)頻率改變時(shí)的相位變化)。

在相對(duì)于圖24的一個(gè)實(shí)例中，所監(jiān)測(cè)的射頻參數(shù)可根據(jù)絕對(duì)或相對(duì)振幅或相位測(cè)量值或其某個(gè)導(dǎo)數(shù)諸如最大值或最小值、平均值、頻移、在給定功率電平下的峰值或諧振寬度、品質(zhì)因數(shù)Q或相關(guān)參數(shù)來(lái)確定。所述參數(shù)可以在固定頻率下、或在連續(xù)或不連續(xù)頻率范圍內(nèi)確定。頻率可以或可以不包括諧振條件。

可以在特定時(shí)間t處計(jì)算一個(gè)或多個(gè)所測(cè)量的射頻參數(shù)P的變化速率(Δ/t)，如下：

(Δ/t)＝(Pt-1－Pt)/((t－1)－t) 方程式1

其中符號(hào)(t-1)表示在前一個(gè)時(shí)間處的參數(shù)P的測(cè)量值，并且下標(biāo)(t)表示當(dāng)前測(cè)量時(shí)間。以這種方式，可以在給定的時(shí)間間隔內(nèi)確定所監(jiān)測(cè)的射頻參數(shù)的變化。

圖25提供了另一個(gè)實(shí)例，其示出了選擇性催化還原系統(tǒng)對(duì)相對(duì)于來(lái)自催化前和催化后傳感器的測(cè)量值的尿素噴射事件(氨吸附)的射頻響應(yīng)。此圖表清楚地示出隨著尿素給料和催化劑上的氨儲(chǔ)存的增加(包括在高給料速率下氨泄漏的影響)，RF響應(yīng)增加。結(jié)果提供了用于通過(guò)微波裝置監(jiān)測(cè)吸附在催化劑上的氣體物種的另一個(gè)實(shí)例。

本文所述的射頻測(cè)量可用作感測(cè)、診斷或控制系統(tǒng)的一部分以檢測(cè)故障，諸如在一個(gè)實(shí)例中用于車載診斷。在另一個(gè)實(shí)例中，射頻或腔波導(dǎo)測(cè)量可用于通過(guò)啟動(dòng)或終止動(dòng)作來(lái)控制系統(tǒng)。

所意圖的是，本公開中提供的實(shí)例和描述是射頻腔，并且所公開的波導(dǎo)狀態(tài)變量測(cè)量系統(tǒng)和方法同樣適用于在寬范圍的應(yīng)用中使用的所有類型的柴油腔和波導(dǎo)。