CN101084432A - 识别尤其是香烟、棉花、或其它纤维产品中杂质的测量设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用来检测香烟，棉花或某些其它纤维产品(12，312)内的杂质(90)的测量设备(10)，它具有测量装置(11，311)；在该测量装置(11，311)内产生交变电磁场的装置(13)，此交变电磁场受到安置在该测量设备(10)的测量体积(46)内的产品(12，312)的影响；电路装置(28)，它包括测量装置(11，311)并被设计用来确定受到产品(12，312)影响的交变场的至少一个适当的可测量变量；和评估装置(21)，用以通过适当评估由电路装置(28)确定的可测量变量来检测杂质(90)，这个设备的特征在于：测量装置(11，311)是测量电容器，且交变场的频率处在低于微波范围的高频范围内。本发明还涉及相应的测量方法。

Description

识别尤其是香烟、棉花、或其它纤维产品中杂质的测量设备和方法
本发明涉及按权利要求1导言所述检测香烟，棉花或某些其它纤维产品中杂质的测量设备。本发明还涉及相应的测量方法。
为检测香烟中的杂质，可使用如文献DE10037180C1、DE10100664A1、EP1327876B1、EP1330961A1等的微波测量设备。由于所需的高测量精度和所用的高频率，电路非常复杂。
本发明的目的是提供以高测量精度检测杂质的结构简单的测量设备。
本发明利用权利要求1和28的特性来达到这个目的。利用代替微波谐振器的电容器和微波范围以下的高频场，可使电路大大简化。另外，在某些场合下，采用电容器可以在产品室内产生比用微波谐振器更为均匀的场，因为在微波谐振器内的周壁上电场强度将消失。
所谓“杂质”是表示不希望存在于将要被测试的两媒质系统内的任何不同种类材料。被测试的两媒质系统是由产品和潮气(或外壳)，或过滤器材料和甘油三乙酸脂等形成的。在这方面本发明有别于现有在高频范围内检测香烟等质量或密度缺陷的电容性测量设备，后者只涉及产品和潮气的两元件系统。由于不同的介质特性，杂质以某种方式影响着高频场，并因而影响被确定的可测量变量。通过在评估装置中的适当评估，可以从已确定的可测量变量检测产品内的杂质，特别是当可测量变量曲线由于存在杂质而显示出偏差时。
术语“高频”主要指频率低于100MHz，尤其是低于10MHz的场，以区别于微波范围。通常此频率高于10kHz或高于100kHz。在本发明的一个优选方案中，采用频率低于5MHz，尤其是低于1MHz的高频场。这看起来令人意外，因为大家知道，就产品的湿度和/或密度测量而言，只有在朝着低频率不断增加的限制测量范围内才可能得到足够精确的测量，所以看起来对于香烟等的测量频率至少在5MHz才合适。但是，为了确定香烟，棉花和其它纤维产品内的杂质，在测量灵敏度较高的低频率时比较精确。对此的解析是，在较低频率下宏观导电率的影响较大，但对于典型的非导电杂质材料(或者更一般而言是那些具有不同宏观导电率的材料)并非如此，因此，在本发明的测量范围内产品和杂质间的介电常数差比微波范围内要大。
优先使用高频行波和基本上非谐振电路装置(因而其中测量电容器不是确定测量振荡电路频率的元件)的结果是，可以不必使用对温度效应敏感的振荡电路线圈。所谓“基本上”意味着只要测量是主要基于行波原理，则不排除有谐振场元件。由于测量振荡电路不必满足谐振条件，测量电容器可比目前使用的电容量小(最好小于10pF)，因而减少了加工量和尺寸。因此，所述的优选实施倒不同于现有在高频范围内检测香烟中质量或密度缺陷的电容性测量装置(该装置内的测量电容器和线圈连接成为确定高频振荡电路内频率的元件)，其中受产品影响的高频场谐振频率和谐振幅度可作为可测量变量等来确定。
建议依据下述事实来检测杂质：两个独立可测量变量(其中一个可测量变量与测量电容器的电容有关，一个可测量变量与测量电容器的损耗因数有关)之比与预期曲线不相同。因此希望提供两个独立可测量变量的测量结果。在这种场合下最好确定与高频波幅度和相位相关的两个可测量变量。因此产生一个高频波基本上就够了，这与基于使用几个具有不同高频率的高频波的那些设备相比变得更简单。不过确定两个独立可测量变量并不是关键，也可以根据只有一个可测量变量的曲线来检测杂质。
用来确定可测量变量的电路装置部分一般与包括测量电容器的实际测量  电路的输出相连接。虽然通常测量电路具有一个受产品影响的高频场输出，但用来确定高频场的装置一般具有几个输出，建议有两个输出，它们与被确定的可测量变量的数量相当。也可以将测量电路和用来确定可测量变量的装置做成一个部件。用来确定可测量变量的装置与实际评估装置的输入相连接，该评估装置通过评估测量信号来检测杂质。也可以将用来确定可测量变量的装置和评估装置做成一个部件。
在一个优选实施例中，用来确定可测量变量(一个或多个)的电路装置部件是用数字电路构建的。这样就可以利用简单的确定所需的可测量变量方法，如测量电路输出电压值的电容分量和损耗分量。特别简单因而也是优选的方法是基于正弦和余弦分量的正交性，并包括测量在高频场每个振荡周期内n个被测量值(如电压值)中的几个离散数，将n个被测量值分别乘以相应的正弦和余弦值，以及分别将这些正弦和余弦乘积相加。由所得的总数形成可测量变量，或经过进一步处理以确定可测量变量。
测量电路，即包括测量电容器的电路装置部分的特别简单形式是RC网络，最好是带运算放大器的。建议包括RC微分网络，但也可以使用RC积分网络等。
在一个优选实施例中，探测器部件采用低温度膨胀系数材料制成，以保持温度起伏对测量精度的影响尽可能小。为同一目的，探测器有一个附加装置，以保持测量电容器的温度不变。还可以有一个用来测量该测量电容器温度的附加装置，如温度探测器等，以便能根据它来校正测量信号。
建议将电容器安置成基本垂直于产品传送方向。因此，对于平板电容器，是将电容器板垂直于传送方向安置。这样可以使电极彼此间的距离很短，例如小于无端产品杆的厚度。这样可以改善在纵向检测杂质的分辨率，并因此增大检测的灵敏度。
探测器设计成能将产品送过测量电容器电极间的空间，以便尽可能完整而均匀地检测产品。因此不建议使用泄漏场探测器。
另一个优选实施例涉及比较宽的产品测量，例如香烟卷或拖网或棉花层羊毛，或者一些彼此并排安置的无端产品杆。在这种情况下，探测器包括一些沿产品宽度安置的测量电容器。这种安置可以简单地找出被捡测杂质的横向位置。与高频场发生装置连接的各电极保持在同一电位，例如是简单的短路连接，以使各测量电容器之间的干扰最小。为了同一目的，建议通过反转运算放大器在每种场合下使其它电极实际上保持相同的电位。
从各从属的权利要求以及参照附图对一些优选实施例的说明，可了解本发明的另一些优点。附图中：
图1是基本为模拟的测量设备的电路示意图；
图2是测量设备的微分测量电路；
图3是测量设备的积分测量电路；
图4是电容性探测器的纵剖视图；
图5是另一实施例中电容性探测器的剖视图；
图6是基本为数字的测量设备的电路示意图；
图7是在宽产品上测量的测量设备电路示意图；
图8是图7测量设备的微分测量电路的运算放大器。
根据图1至6的电容性测量装置10，包括高频发生装置13，用它来产生高频波，并通过输入线14提供给电路装置28。电路装置28包括测量电容器11，被测量产品12通过该电容器，在目前情况下该产品是一根无端杆。由高频发生装置13产生的高频波被送到测量电容器11的电极15，以在电容器内产生高频场，它与产品12相互作用。从测量电容器11另一电极16发射并受产品12影响的高频波由电路装置28处理，以确定至少一个，最好是两个彼此独立的可测量变量，后者与受到产品12影响的高频波的幅度和/或相位有关。最好有两个与测量电容器11的电容和损耗因数有关的可测量变量。与可测量变量相应的测量信号被送到评估装置21，例如已适当编程的计算机。
在产品12中可能出现不想要的杂质90，例如塑料或金属颗粒。由于不同的介质特性，杂质按一定方式确定高频波的幅度和相位，并因此也确定被确定的可测量变量。通过在评估装置21内的适当评估，产品12内的杂质90可以根据被确定的可测量变量检测出来，尤其是当可测量变量的曲线由于杂质90而造成偏差时。举例来说，杂质90可以让测量曲线内出现尖峰，那么可以适当地设计评估装置，以检测测量曲线中这些尖峰。尝试评估两个彼此独立的可测量变量的比率，并为检测杂质而进行测试。如需要评估装置21可控制清除装置91(如吹风喷口)，以清除已检测到杂质90的那部分产品12。
图1的实施例涉及基本为模拟的测量装置。高频发生装置13包括谐振振荡器22，用来产生高频波。所产生的高频波电压幅度Ue最好通过调节装置23-26保持不变，以使测量不受输入幅度起伏的影响。为此将谐振振荡器22产生的高频波提供给可控放大器23。放大器23的输出信号提供给整流器24，后者的输出信号通过低通滤波器25传给控制器26。控制器26按这样一种方式控制放大器23，使得在放大器23输出处谐振振荡的幅度Ue不变。
测量电路27是直接连接到测量电容器11的电路装置28的部分。当产品12通过测量电容器11时高频波产生适当幅度和相位变化的任何测量电路都适用于此。图2和3为该测量电路27的两个优选实施例，其中测量电容器11，电阻29和反转运算放大器30被连接到图2的微分装置或图3的积分装置。运算放大器30的非反转输入被适当接地。按图3的积分装置提供了附加电阻31，以在需要时防止通过边界的输出信号。由于和产品12的相互作用，与输出高频波相应的测量电路27的输出信号与输入信号相比，具有与输入幅度Ue不同的电压幅度Ua，并有相移δ。
通过电容器11的高频波经测量电路27的输出线17送到确定可测量变量的装置18。用来确定可测量变量的装置18根据高频信号确定适当的可测量变量。为此，在图1的实施例中，测量电路27的输出信号被送到整流器32并在低通滤波器33内滤波。这样所得的信号比例于输出幅度Ua。此外，由高频发生装置13产生的输入信号经线34送到确定可测量变量的装置18。通常最好将与所产生的高频波有关的信号经线34，234(除了经测量电容器11的测量线以外另外提供的)送到电路装置28，以便能利用输入信号的相位信息来确定输出信号的相位移。在现在的情况下，测量电容器11的输入信号经线34，同时测量电容器11的输出信号或测量电路27经线35送至乘法放大器36，并在该放大器内彼此相乘且由低通滤波器37滤波。这样得到的信号比例于输出幅度Ua乘以相位移δ的正弦(或余弦)。根据用来确定可测量变量的装置18确定的可测量变量曲线，特别是相应形成的比率，以及与预期曲线的比较，如发现偏差则可检测出包含在产品中的任何杂质90。为作相应的评估，测量信号经输出线19，20送到评估装置21，并利用贮存在其中的计算程序等进行评估。
图4所示为高频探测器38的优选实施例。探测器38的结构基本上是绕纵轴线L旋转对称的。通过探测器38的中心纵向孔39，无端产品杆12(如无端香烟杆)沿与纵轴L重合的传送方向T传送。探测器包括两个旋转对称的盘形基体40、41，后者垂直于纵向L且彼此间通过边远非导电边界体44隔开，而且每个基体包含一个用于无端产品杆的通孔39。在每个垂直于纵向L的基体40、41内表面上，加上一个由金属表面形成的测量电容11的电极15、16，金属表面可以是金属涂层，如金的蒸汽沉积物。因此，测量电容器11被设计成具有平板形电极15、16的平板电容器，这些电极为盘形且垂直于纵向L，并包含一个用于无端产品杆12的通孔。在这种装置中，电场线走向基本平行于传送方向。在两个基体40、41之间形成充满电场的空间45，它由边界体44在径向与外面隔离。高频场延伸到中心产品空间46并在那儿与产品12相互作用。为防止高频场渗到探测器周围，平板15、16的半径比基体40、41小一些。平板电容器11的平板15、16彼此相隔一个短距离d，以改善在纵向L的测量分辨率。距离d可以比无端产品杆12的直径短些，例如小于8mm，最好小于4mm。还提供了电极15、16和外接线端之间的导线连接42，43。每个基体40、41有一个轴向朝外的管状延伸段47、48将无端产品杆罩住。延伸段47、48的内壁为金属表面或涂层49，它们被适当地连接到电极15、16。金属涂层49形成金属通道，以防止电场从电容器11的产品通孔泄漏出去。另外，还提供了一个非导电材料管50，它直接包围无端产品杆12并为它导向，而且伸展到探测器的整个长度内，这样可以防止探测器内部被产品残留物所污染。在另一个实施例中，电极15、16之间所形成的充满电场空间45可以用介质材料部分或全部填充(除产品空间之外)，以改善电场模式。
探测器38的本体40、41、44最好用温度系数很低的非导电材料(例如Zerodur)制成，以使探测器38对温度影响具有较高的尺寸稳定性。减少测量电容器11电容特性对周围温度的依赖关系，可达到更高的测量精度。为了同一目的建议提供一个调节装置(未示出)，以保证探测器的温度不变。探测器38的基体40、41也可以部分或全部用金属来做。
图5为探测器38的另一实施例，图中与其它图相当的各元件用参考数字1xx标注。电极15，16为平板形，它们平行于与纸面垂直的传播方向安置。此例中电场线基本垂直于传播方向。平板15，16最好围绕无端产品杆12安置，为此最好作成曲线形。
图6为测量设备10的一个优选实施例，图中与其它图相当的各元件用参考数字2xx标注。不同于图1的实施例，其中用来确定可测量变量的装置18为数字电路。为此用来确定可测量变量的装置18具有A/D转换器66，由测量电路27发射的测量信号被达到此转换器。此转换器66是时钟控制的，其扫描频率比高频波频率高n倍，n为大于1的自然数。A/D转换器66的时钟信号是由石英振荡器222产生的。其信号形状为方波，频率为50MHz，因而在本例中n＝10。因此，一般测量设备10具有用来产生扫描信号的装置222，其扫描频率高于高频波频率n倍。该扫描信号经线70送至A/D转换器66。
用A/D转换器66扫描的被测量值送至数字处理装置67，后者已被编程，以确定合适的彼此独立的可测量变量。在确定可测量变量的一种优选方法中，每次扫描测量一方面被相应的正弦函数值相乘，另一方面被相应的余弦函数值相乘。为此目的，扫描信号经线70送至处理装置67。正弦和余弦值可以从相应的表列存储器68、69等取得。然后把这样得到的n个正弦值和n个余弦值分别在一个高频场周期内相加，因而得到两个总数。为此将高频输入信号经线234送至处理装置67，所以后者与高频发生装置13同相位地工作。根据已知的正交性关系，可以从所得的总数明确确定两个所需的可测量变量，它们与受产品12影响的测量信号的幅度和相位有关。为进行相应的评估，将测量信号经输出线19、20送至评估装置21，利用储存在其中的计算机程序等进行评估。
也可利用高频源222产生的信号来产生用于测量的高频波，这样很方便。为此可利用分频器站60将高频源222产生的信号，以n的倍数向下分成具有在本例中为5MHz的测量频率的同步相位方波，然后用PLL电路61转换成具有相同频率的同步相位正弦信号。
用来使放大器223发射的高频波的电压幅度保持不变的控制装置223，62-64，226也可以由数字电路构成。在这种情况下，放大器223的输出信号被提供给A/D转换器62，它经线65由50MBz的扫描信号控制。由此在每个周期产生由放大器223发射的n个扫描信号值。由A/D转换器62扫描的测量值被送至数字处理装置63。在一种优选方法中，每个扫描电压值乘以相应的余弦函数值。为此将扫描信号经线65送至处理装置63。此余弦值可从相应的表列存储器64等取得。然后将这样得到的n个余弦值在一个高频场周期内相加。为此目的高频输入信号经线71送至处理装置63，所以后者与高频发生装置13同相位地工作。处理装置63的输出信号向前送至控制器226，后者控制放大器223，使得处理装置63的输出信号，因而是在放大器223输出端的振荡幅度Ue，具有不变的值。
图7的实施例特别用来测量宽的网状产品312，例如香烟卷，拖网或均匀铺开的棉花层，其宽度B远大于高度H，例如至少大3倍。其它的应用包括测量一些彼此相邻的无端产品杆，例如无端香烟杆。图7中传送方向垂直于纸面。与其它图相当的各部件相应用参考数字3xx标示。在此实施例中，采用了许多(此处为6个)测量电容器311A、311B......，它们沿着产品宽度安置。这种装置可以确定杂质，或者在许多彼此邻近的无端产品杆的情况下是包含杂质的无端产品杆，的横向位置。测量电容器311A、311B......由同一高频发生装置13适当地供电。最好让测量电容器311A、311B......的所有输入电极315处于同一电位，最简单就是如图7所示将各电极短路。这样可使各测量电容器311A、311B......之间的干扰最小。每个测量电容器311A、311B......的输出电极316A、316B......被连接至测量电路80A、80B......。这些测量电路80A、80B......建议按图8的结构，并与各测量电容器311A、311B......共同形成如图2所示的微分测量电路27。采用运算放大器330，每个连接至测量电容器311A、311B......，在本实施例特别有利，因为这样一来所有测量电容器311A、311B......的输出电极316A、316B......实际上处于相同的电位，包括接地。这样可使各测量电容器311A、311B......之间的干扰最小。每个测量电路80A、80B......的输出被适当连接到用来确定可测量变量的装置18A、18B、......，它们可用如图6所示的数字电路等构建。确定可测量变量的装置18A、18B、......被适当连接到检测杂质的评估装置21。建议按以上所述执行确定可测量变量和检测杂质的相应方法。

Claims (33)

1.用来检测尤其是香烟、棉花或某些其它纤维产品(12，312)内的杂质(90)的测量设备(10)，它具有测量装置(11，311)；在该测量装置(11，311)内产生交变电磁场的装置(13)，此交变电磁场受到安置在该测量设备(10)的测量体积(46)内的产品(12，312)的影响；电路装置(28)，它包括测量装置(11，311)并被设计用来确定受到产品(12，312)影响的交变场的至少一个适当的可测量变量；和评估装置(21)，用以通过适当评估由电路装置(28)确定的可测量变量来检测杂质(90)，这个设备的特征在于：测量装置(11，311)是测量电容器，且交变场的频率处在低于微波范围的高频范围内。
2.如权利要求1的测量设备，其特征在于：交变场的频率低于100MHz，以低于10MHz为宜，低于5MHz更好，最好是低于1MHz。
3.如权利要求1或2的测量设备，其特征在于：电路装置(28)在所用交变场的测量频率上基本上不谐振，且测量是基于高频行波在测量电容器(11，311)内的传播。
4.如权利要求3的测量设备，其特征在于：电路装置(28)被用来确定至少一个，最好是两个相互独立的可测量变量，后者与受产品(12，312)影响的高频波的幅度和/或相移有关。
5.如权利要求3或4的测量设备，其特征在于：高频场发生装置(13)具有控制装置(23-26，223，62-64，226)，用来保持所产生的高频波的幅度不变。
6.如权利要求1至5中任一条的测量设备，其特征在于：用来确定至少一个可测量变量的电路装置(28)的一部分(18)是按数字电路构建的。
7.如权利要求6的测量设备，其特征在于：确定可测量变量的装置(18)被用来以比高频场频率高n倍的扫描频率扫描测量信号。
8.如权利要求7的测量设备，其特征在于：确定可测量变量的装置(18)包括数字处理装置(67)，用来将n个扫描测量分别乘以相应的正弦和余弦值，并分别将这些正弦和余弦乘积相加。
9.如权利要求1至8中任一条的测量设备，其特征在于：包含测量电容器(11，311)的探测器(38)至少部分是用低温度膨胀系数材料制成。
10.如权利要求1至9中任一条的测量设备，其特征在于：包含测量电容器(11，311)的探测器(38)有一个用来保持测量电容器(11，311)的温度不变的装置。
11.如权利要求1至10中任一条的测量设备，其特征在于：测量电容器(11，311)基本上垂直于产品(12，312)传送方向安置。
12.如权利要求1至11中任一条的测量设备，其特征在于：包含测量电容器(11，311)的探测器(38)用来将产品(12，312)送过测量电容器(11，311)的电极(15，16；315，316)之间形成的空间。
13.如权利要求1至12中任一条的测量设备，其特征在于：测量电容器(11)的每一个电极(15，16)具有一个中心产品贯通口。
14.如权利要求13的测量设备，其特征在于：在每个电极(15，16)上提供一个包围产品(12)的向外伸展的管状导电表面(49)。
15.如权利要求1至14中任一条的测量设备，其特征在于：测量电容器(11)的电极(15，16)由金属涂层形成。
16.如权利要求1至15中任一条的测量设备，其特征在于：包含测量电容器(11，311)的探测器(38)包括非导电部分(44，144)，用来界定测量电容器(11)的充满电场的空间(45)。
17.如权利要求1至16中任一条的测量设备，其特征在于：包含测量电容器(11，311)的探测器(38)有一个直接围绕产品(12)的非导电管(50；150)。
18，如权利要求1至17中任一条的测量设备，其特征在于：形成在测量电容器(11)的电极(15，16)之间的充满电场的空间(45)被介质材料部分或全部填充。
19.如权利要求1至18中任一条的测量设备，其特征在于：测量装置(28)用来确定与测量电容器(11，311)的电容有关的可测量变量。
20.如权利要求1至19中任一条的测量设备，其特征在于：测量装置(28)用来确定与测量电容器(11，311)介电损耗因数有关的可测量变量。
21.如权利要求1至20中任一条的测量设备，其特征在于：测量电容器(11，311)构成RC网络(11，29；311，329)，最好是RC微分网络的一部分。
22.如权利要求1至21中任一条的测量设备，其特征在于：测量装置(28)包括运算放大器(30；330)，最好是反转运算放大器。
23.如权利要求1至22中任一条的测量设备，其特征在于：测量电容器(11，311)的电容小于10pF。
24.如权利要求1至23中任一条的测量设备，其特征在于：测量装置包括许多沿产品(312)宽度安置的测量电容器(311A，311B......)。
25.如权利要求24的测量设备，其特征在于：与高频场发生装置(13)连接的测量电容器(311A，311B......)的电极(315)保持在同一电位。
26.如权利要求24或25的测量设备，其特征在于：其它电极(316A，316B，......)通过反转运算放大器(330)分别保持在实际上相同的电位。
27.如权利要求26至27中任一条的测量设备，其特征在于：其它电极(316A，316B，......)分别与电路装置(80A，80B，......)连接，后者用来确定受产品(312)影响的高频场的至少一个适当的可测量变量。
28.检测产品特别是香烟，棉花或某些其它纤维产品中杂质的测量方法，这种方法具有产生交变电磁场的测量装置，此交变电磁场受到包含在该产品中杂质的影响，确定受杂质影响的交变电磁场的至少一个适当的可测量变量，并对所确定的可测量变量进行评估以检测杂质，这种方法的特征在于：测量电容器被用作测量装置，且所用交变电磁场处于微波范围以下的高频范围内。
29.如权利要求28的测量方法，其特征在于：所用交变场的频率低于100MHz，以低于10MHz为宜，低于5MHz更好，最好是低于1MHz。
30.如权利要求28或29的测量方法，其特征在于：测量是利用高频行波按非谐振方式进行。
31.如权利要求30的测量方法，其特征在于：至少要确定一个可测量变量，它与受杂质影响的高频波的幅度和/或相位移有关。
32.如权利要求30或32的测量方法，其特征在于：测量信号用比高频波频率高n倍的扫描频率扫描。
33.如权利要求32的测量方法，其特征在于：在每个情况下将n个被扫描的测量分别乘以相应的正弦和余弦值，并分别将这些正弦和余弦乘积相加。
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