專利名稱：用來(lái)確定氣溶膠中除空氣之外的介質(zhì)濃度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)用中空波導(dǎo)管中的微波來(lái)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)而確定空氣/介質(zhì)氣溶膠中除空氣之外的介質(zhì)濃度的方法、及一種實(shí)現(xiàn)這種方法的裝置，特別是，用來(lái)確定空氣/H2O2(過(guò)氧化氫)氣溶膠中的H2O2濃度。
當(dāng)在本專利申請(qǐng)中描述H2O2濃度的確定時(shí)，這不打算以任何方式限制本發(fā)明的范圍，而是僅作為確定空氣/介質(zhì)氣溶膠中介質(zhì)的濃度的一種例子。
在用于層壓包裝中食品的無(wú)菌包裝的包裝設(shè)備中，包裝在其剛要填充之前通過(guò)引入熱空氣/H2O2氣溶膠來(lái)殺菌。這種氣溶膠通過(guò)一種其中在氣流中調(diào)節(jié)H2O2溶液(水中的H2O2)的濃度的計(jì)量系統(tǒng)來(lái)制備。為了在經(jīng)濟(jì)條件下實(shí)現(xiàn)最佳殺菌，重要的是測(cè)量氣溶膠中的H2O2濃度。最后，由使用的空氣量和H2O2濃度導(dǎo)出使用的H2O2總量。
盡管計(jì)量系統(tǒng)中的空氣量借助于懸浮的固體顆粒來(lái)測(cè)量，并且然后能通過(guò)調(diào)節(jié)空氣壓力而保持恒定，但是必須計(jì)算H2O2濃度。這里有可能使用其中測(cè)量的量取決H2O2體積的諸測(cè)量方法，或者使用其中測(cè)量的量取決于氣溶膠中H2O2小滴計(jì)數(shù)的諸測(cè)量方法。
基于體積的測(cè)量方法具有它們直接產(chǎn)生希望的測(cè)量結(jié)果而不用轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)。此外，提供了一種這樣的測(cè)量方法通過(guò)使用不管怎樣存在的連接管能夠進(jìn)行測(cè)量，而不需要與測(cè)量?jī)x器和介質(zhì)直接接觸，例如不與高腐蝕性的H2O2接觸。為此目的要考慮不同于空氣中的介電常數(shù)的測(cè)量。
德國(guó)專利No.4,431,001 A1公開(kāi)了用中空波導(dǎo)管和微波收發(fā)機(jī)來(lái)測(cè)量介電常數(shù)的一種方法和一種裝置。把中空波導(dǎo)管設(shè)計(jì)成一個(gè)在其中心區(qū)域中帶有一個(gè)橫向狹縫的空腔諧振器，以布置一個(gè)垂直于中空波導(dǎo)管縱向的試驗(yàn)頁(yè)。通過(guò)空腔諧振器帶有與不帶有試樣的諧振頻率之差，能測(cè)量試樣的介電常數(shù)。
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)和改進(jìn)測(cè)量介電常數(shù)的已知方法和一種適于進(jìn)行這種測(cè)量的裝置，從而能沒(méi)有什么測(cè)量技術(shù)方面的復(fù)雜性地使用它們，以便在流經(jīng)中空波導(dǎo)管的氣溶膠中測(cè)量除空氣之外的介質(zhì)的濃度。
根據(jù)這種方法該目的的特征在于這樣的事實(shí)氣溶膠通過(guò)一根中間管和中空波導(dǎo)管相交；在中空波導(dǎo)管中傳播的微波信號(hào)受到衰減，并且由于介質(zhì)的介電常數(shù)不同于空氣的介電常數(shù)而經(jīng)受相位偏移；考慮有效路徑距離(中空波導(dǎo)管橫截面中的管)測(cè)量微波信號(hào)的相位偏移，相位偏移與介質(zhì)的濃度成正比；把結(jié)果調(diào)節(jié)到具有已知介電常數(shù)的氣溶膠的相位偏移，并且由對(duì)于介質(zhì)如此確定的濃度值形成一個(gè)平均值。
就設(shè)備而論，該目的借助于一個(gè)傳感器和一個(gè)分析單元實(shí)現(xiàn)，其中傳感器由中空波導(dǎo)管、微波發(fā)送機(jī)和接收機(jī)形成，和一根中間管穿過(guò)中空波導(dǎo)管以便氣溶膠流過(guò)，及分析單元帶有至少一個(gè)用于電壓平衡的前置放大器、和兩個(gè)用來(lái)測(cè)量介質(zhì)濃度的波動(dòng)和介質(zhì)平均濃度的低通濾波器。
關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的方法，一個(gè)微波信號(hào)在其中有帶有流動(dòng)氣溶膠的管的中空波導(dǎo)管中傳播。該信號(hào)由從空氣到小滴和返回的過(guò)渡散射，產(chǎn)生在波傳播方向的衰減。另一方面，由于具有另一種介電常數(shù)的小滴的存在，在過(guò)渡時(shí)間內(nèi)有在恒定工作頻率下從外部能作為相位偏移測(cè)量的偏移。
由于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相位測(cè)量和吸收測(cè)量定性地按照相同的模式，所以有可能使用具有較高信號(hào)產(chǎn)生率的測(cè)量、相位偏移或相位偏移和吸收測(cè)量的結(jié)合。這導(dǎo)致在測(cè)量技術(shù)方面的復(fù)雜性降低，因?yàn)橄辔缓头挡恍枰嗷シ珠_(kāi)測(cè)量，并因此不需要分析在工作頻率范圍內(nèi)的信號(hào)曲線。由于相位和幅值曲線的相同，相對(duì)測(cè)量就足夠了，并且在混合幅值測(cè)量和相位測(cè)量中沒(méi)有害處。
就前言中引用的先有技術(shù)的狀態(tài)而論，有可能把微波發(fā)送機(jī)布置在中空波導(dǎo)管的一端，而把接收機(jī)布置在另一端。然而，本發(fā)明的特別講述在于微波發(fā)送機(jī)和接收都布置在中空波導(dǎo)管的一端，而中空波導(dǎo)管的另一端通過(guò)電氣導(dǎo)通的短路密封。這種短路是一個(gè)充滿中空波導(dǎo)管的整個(gè)中空橫截面、且反映測(cè)量距離的電氣導(dǎo)通元件，從而駐波形成在中空波導(dǎo)管中，并且由氣溶膠改變。中空波導(dǎo)管最好具有矩形橫截面，并且管最好穿過(guò)中空波導(dǎo)管的縱向。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，管布置在形成在空波導(dǎo)管中駐波的電場(chǎng)最大處。
為了標(biāo)準(zhǔn)化在穿過(guò)中空波導(dǎo)管的管中氣溶膠的流動(dòng)條件，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例保證管在其剛進(jìn)入中空波導(dǎo)管之前具有180°的彎曲，并且保證它最好在一根彎曲的管中延伸。以這種方式能標(biāo)準(zhǔn)化在管橫截面上的裝置靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用一個(gè)常規(guī)運(yùn)動(dòng)傳感器作為微波收發(fā)機(jī)，實(shí)現(xiàn)一種在測(cè)量技術(shù)方面特別簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。這種運(yùn)動(dòng)傳感器包括一個(gè)微波源和一個(gè)其輸出信號(hào)已經(jīng)在基帶中的混頻器二極管。此外，已經(jīng)帶有一個(gè)用來(lái)連接到中空波導(dǎo)管上的法蘭的這種運(yùn)動(dòng)傳感器現(xiàn)在可從市場(chǎng)買到。
一個(gè)示波器能用來(lái)顯示氣溶膠濃度的波動(dòng)和平均濃度，而一個(gè)萬(wàn)用表能用來(lái)只顯示平均值。
下面根據(jù)說(shuō)明一個(gè)最佳實(shí)施例的附圖，更詳細(xì)地解釋根據(jù)本發(fā)明的方法和相應(yīng)裝置的準(zhǔn)確作用。
附圖表示

圖1以縱向剖面示意地表示根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器，圖2根據(jù)本發(fā)明的裝置的分析單元的布線圖和方塊圖，圖3裝有根據(jù)本發(fā)明的裝置的計(jì)量系統(tǒng)的示意圖，圖4至6用根據(jù)本發(fā)明的裝置進(jìn)行測(cè)量的圖，圖1以縱向剖面示意地表示根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器，在該最佳實(shí)施例中表示一個(gè)中空波導(dǎo)管1具有矩形橫截面，一個(gè)微波發(fā)送機(jī)2和一個(gè)微波接收機(jī)3布置在其一端。一根由塑料制的、用來(lái)傳導(dǎo)通過(guò)中空波導(dǎo)管1的氣溶膠的管4被設(shè)置成十字狀穿過(guò)中空波導(dǎo)管1。中空波導(dǎo)管1的另一端由一個(gè)充滿中空波導(dǎo)管1的整個(gè)內(nèi)側(cè)橫截面的電氣導(dǎo)通短路5填充。短路5如此布置，從而它可在中空波導(dǎo)管1的縱向移位，并且從中空波導(dǎo)管1以恒定增量抽出，以確定對(duì)應(yīng)于增大要測(cè)量介質(zhì)的濃度的最好工作點(diǎn)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)增大檢測(cè)器電壓的范圍近似是線性的。通過(guò)可移位短路5要建立的零點(diǎn)，應(yīng)該最好在超過(guò)最大負(fù)檢測(cè)器電壓后短時(shí)間內(nèi)定位。
為了實(shí)現(xiàn)氣溶膠對(duì)相位偏移位移的最大影響，在形成在中空波導(dǎo)管1中的駐波電場(chǎng)的最大處，布置管4。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量中傳感器的輸出電壓表現(xiàn)出對(duì)管4的位置、和其在進(jìn)入中空波導(dǎo)管1之前的彎曲的強(qiáng)烈依賴性。這種影響基于在管4的橫截面上靈敏度不是常數(shù)的事實(shí)。而輸出電壓受氣溶膠濃度在管4橫截面上的分布的影響。在表示在這里并且最好到這種程度的根據(jù)本發(fā)明的裝置的傳感器的實(shí)施例中，通過(guò)管4的固定180°彎曲能消除在中空波導(dǎo)管1外面對(duì)管4的位置和彎曲的依賴性，管4在進(jìn)入中空波導(dǎo)管1的點(diǎn)之前在一根彎曲管6中延伸。
圖2其次表示根據(jù)本發(fā)明的裝置的分析單元的方塊圖和布線圖。參照?qǐng)D1較詳細(xì)描述的傳感器，僅示意地表示在方塊圖中，并且標(biāo)有標(biāo)號(hào)7。在微波接收機(jī)3的混頻器二極管處拾取的電壓依據(jù)設(shè)計(jì)而處于-1V與-2V之間。隨介質(zhì)濃度的增大，負(fù)電壓變低。為了作為電壓信號(hào)直接得到濃度，輸出電壓因此必須在零點(diǎn)值附近偏移。因此，分析單元在前置放大器8中帶有一個(gè)電位計(jì)P1。
最后，方塊圖還表示分析單元帶有兩個(gè)低通濾波器9、10。在空氣/H2O2氣溶膠中H2O2濃度的最佳測(cè)量中，一個(gè)低通濾波器9的轉(zhuǎn)角頻率是500Hz，而另一個(gè)低通濾波器10的轉(zhuǎn)角頻率是0.1Hz。因而，在低通濾波器9的輸出處能測(cè)量管中氣溶膠濃度的電壓，而在低通濾波器10的輸出處能讀出濃度的平均值Wm。低通濾波器9、10具有Butterworth特性，以保證對(duì)輸出信號(hào)中微小超調(diào)的迅速穩(wěn)定。
分析單元電壓源的電子系統(tǒng)用電源SV工作。應(yīng)該選擇僅允許正輸出電壓的電源。輸出信號(hào)相對(duì)于機(jī)殼接地最好為+1V，從而也能檢測(cè)在零點(diǎn)中的負(fù)偏移。
如已經(jīng)描述的那樣，在最佳實(shí)施例中測(cè)量在計(jì)量系統(tǒng)中在空氣/H2O2氣溶膠中的H2O2濃度。這樣一種計(jì)量系統(tǒng)表示為圖3中的示意圖。這里計(jì)量發(fā)生在一個(gè)活塞計(jì)量裝置11中，活塞計(jì)量裝置11借助于進(jìn)口和返回管線(未表示)連接到用來(lái)供給H2O2的箱12上。由壓縮機(jī)13提供的壓縮空氣在氣流計(jì)14中測(cè)量，并且送到活塞計(jì)量裝置11。在整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)和在連接管線中產(chǎn)生湍流，因而形成空氣/H2O2氣溶膠。這種氣溶膠首先通過(guò)一個(gè)加熱器15，然后進(jìn)入殺菌的空包裝16。
圖4表示輸出電壓相對(duì)于時(shí)間的測(cè)量圖。上部電壓曲線表示在500Hz低通濾波器9的輸出處測(cè)量的瞬時(shí)值Wa的濃度波動(dòng)，而下部電壓曲線是在0.1Hz低通濾波器10的輸出處測(cè)量的，表示測(cè)量電壓的平均值Wm。這種測(cè)量用以每秒一個(gè)行程工作的活塞計(jì)量裝置11來(lái)進(jìn)行。在這個(gè)例子中，把測(cè)量裝置的輸出校準(zhǔn)到在氣溶膠中1V/mL水。在3.5m3[STP]/h的氣流中，活塞計(jì)量裝置11每行程輸送0.5mL水。在整個(gè)時(shí)間上平均，這在每秒一個(gè)行程下產(chǎn)生30mL/min的水流量。
圖5表示與圖4相同的測(cè)量，但活塞計(jì)量裝置11以每秒兩個(gè)行程工作。結(jié)果，平均值Wa也與圖4中測(cè)量的兩倍一樣大。
最后，圖6表示根據(jù)本發(fā)明的裝置的顯示幾乎獨(dú)立于空氣流量。就圖6中確定的、在0.1Hz低通濾波器的輸出處拾取的電壓曲線而論，使用了10秒之后5m3[STP]/h的空氣流量，并且每10秒減小0.5m3[STP]每小時(shí)。測(cè)量以1m3[STP]/h結(jié)束。
為了根據(jù)本發(fā)明的裝置的補(bǔ)償，首先對(duì)相對(duì)于機(jī)殼接地的最大負(fù)電壓，必須用縱向可移位短路5調(diào)節(jié)在微波接收機(jī)3的混頻器二極管處的電壓，同時(shí)切斷活塞計(jì)量裝置11。
此外，隨著斷路活塞計(jì)量裝置11，在低通濾波器10的輸出處的電壓必須用電位計(jì)P1設(shè)置在0V處。然后隨著活塞計(jì)量裝置運(yùn)行，在相對(duì)于機(jī)殼接地設(shè)置在0.5V處的0.1Hz低通濾波器10的輸出的測(cè)量點(diǎn)處，用前置放大器8的電位計(jì)P1進(jìn)行測(cè)量。最后，隨著再次切斷活塞計(jì)量裝置11，現(xiàn)在相對(duì)于+1V測(cè)量的、在低通濾波器10的輸出處的電壓，用前置放大器8的電位計(jì)P1從-1V調(diào)節(jié)到0V。因而，結(jié)束根據(jù)本發(fā)明的裝置的調(diào)節(jié)，并且測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)備使用。
參考標(biāo)號(hào)表1中空波導(dǎo)管2微波發(fā)送機(jī)3微波接收機(jī)4管5短路6彎曲管7傳感器8前置放大器9低通濾波器10低通濾波器11活塞計(jì)量裝置12箱13壓縮機(jī)14氣流計(jì)15加熱器16包裝P1電位計(jì)P2電位計(jì)Wm平均值Wa瞬時(shí)值SV電源
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)用中空波導(dǎo)管中的微波來(lái)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)而確定空氣/介質(zhì)氣溶膠中除空氣之外的介質(zhì)濃度的方法，其特征在于氣溶膠通過(guò)一根中間管和中空波導(dǎo)管相交；在中空波導(dǎo)管中傳播的微波信號(hào)受到衰減，并且由于介質(zhì)的介電常數(shù)不同于空氣的介電常數(shù)而經(jīng)受相位偏移；考慮有效路徑距離(中空波導(dǎo)管橫截面中的管)測(cè)量微波信號(hào)的相位偏移，相位偏移與介質(zhì)的濃度成正比；用已知的介電常數(shù)對(duì)氣溶膠的相位偏移進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且由如此確定的介質(zhì)濃度值形成一個(gè)平均值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過(guò)在中空波導(dǎo)管中的短路處反射微波信號(hào)產(chǎn)生駐波。
3.一種用布置在一個(gè)中空波導(dǎo)管中的微波收發(fā)機(jī)來(lái)確定氣溶膠中除空氣之外的介質(zhì)濃度，特別是空氣/H2O2氣溶膠中的H2O2濃度，的裝置，其特征在于一個(gè)傳感器(7)和一個(gè)分析單元，傳感器(7)由中空波導(dǎo)管(1)、微波發(fā)送機(jī)(2)和接收機(jī)(3)形成，和一根中間管(4)穿過(guò)中空波導(dǎo)管(1)以便氣溶膠流過(guò)，及分析單元帶有至少一個(gè)用于電壓補(bǔ)償?shù)那爸梅糯笃?8)、和兩個(gè)用來(lái)測(cè)量介質(zhì)濃度波動(dòng)和介質(zhì)平均(Wm)濃度的低通濾波器(9，10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于微波發(fā)送機(jī)(2)和接收機(jī)(3)布置在中空波導(dǎo)管(1)的一端，中空波導(dǎo)管(1)的另一端由一個(gè)電氣導(dǎo)通短路(5)密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于短路(5)以縱向可移位方式布置在中空波導(dǎo)管(1)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于管(4)布置在中空波導(dǎo)管(1)中產(chǎn)生的駐波的電場(chǎng)的最大值處。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6之一所述的裝置，其特征在于中空波導(dǎo)管(1)具有矩形橫截面。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7之一所述的裝置，其特征在于管(4)交叉穿過(guò)中空波導(dǎo)管(1)的縱向。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至8之一所述的裝置，其特征在于管(4)在其剛進(jìn)入中空波導(dǎo)管(1)之前具有180°彎曲。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于管(4)穿過(guò)一根彎曲管(6)以實(shí)現(xiàn)彎曲。
11.根據(jù)權(quán)利要求4至10之一所述的裝置，其特征在于一種常規(guī)可買到的傳感器用作微波發(fā)送機(jī)(2)和接收機(jī)(3)。
12.根據(jù)權(quán)利要求3至11之一所述的裝置，其特征在于一個(gè)示波器用來(lái)顯示氣溶膠的濃度波動(dòng)(Wa)和平均氣溶膠濃度(Wm)。
13.根據(jù)權(quán)利要求3至12之一所述的裝置，其特征在于一個(gè)萬(wàn)用表用來(lái)顯示平均(Wm)氣溶膠濃度。
14.根據(jù)權(quán)利要求3至13之一所述的裝置，其特征在于帶有彎曲管(6)的傳感器(7)，分析單元和電源布置在一個(gè)殼體中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用置于波導(dǎo)管(1)中的微波發(fā)送機(jī)(2)和微波接收機(jī)(3)確定氣溶膠中不同于空氣的介質(zhì)的濃度,特別是空氣/H
文檔編號(hào)G01N22/04GK1244256SQ97180570
公開(kāi)日2000年2月9日 申請(qǐng)日期1997年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月11日
發(fā)明者哈特姆特·坎吉瑟 申請(qǐng)人:Sig孔比布勞克有限公司