CN101349674A - 传感器系统以及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消毒剂浓度的传感器系统，该系统包括传感器(300)，适于设置在消毒气体中，用于测量该消毒气体的浓度；电子处理电路，用于测定来自于该传感器(300)的输出，其中该传感器系统进一步包括I/O单元，用于与处理控制系统相通信。该传感器系统进一步包括用于操作该传感器的高压电源供应，第一电极(301)，该第一电极(301)与设置为距其一段距离的第二电极(302)一起形成电晕间隙。当电压施加在该间隙，并且电晕电流在该电极(301、302)之间流动时，该系统利用该间隙的电特性测量，以确定在该间隙中消毒剂的浓度。本发明还涉及一种传感器。

Description

传感器系统以及传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消毒剂浓度的传感器系统。本发明还涉及一种用于包装件消毒的设备，其包括该传感器系统。本发明还涉及一种用于测量气态消毒剂浓度的传感器。

背景技术

用于容器8消毒的一种设备如图1所示(来自于SE0203692-9)。该设备1典型地由被分成数个区域的罩组成。在第一区域，即加热区域2中，引入热空气用于加热包装件。在第二区域，即消毒区域3中，引入过氧化氢用于消毒该经加热的容器8。过氧化氢通过喷嘴13被注入。在第三区域，即排放区域4，引入热的经消毒气体用于排放容器8，以及在最后区域，即填充区域5中，包装件8填充入经消毒的内容物。容器8通过设置在传送带10上的设备1被传送。在图1中，容器的闭合顶端11朝下放置，而它们打开的底端12朝上。气态的过氧化氢通常以液态形式提供给气化器(图未示)，在该气化器中它与加热的经消毒空气气流混合。消毒剂和空气流被注入到消毒区域3中的分立容器8中。消毒的程度取决于多种因素，如单个的包装件8暴露于过氧化氢的浓度、暴露时间、温度等。过低的过氧化氢浓度会导致消毒程度的不充分，而过高的浓度可带来在经填充的包装件8中的过氧化氢剩余，这是不可接受的。另外，过高的浓度在经济上是不利的。在一个备选的相关消毒方法中，消毒剂被允许冷凝在包装件的表面并由此被蒸发。

另一种用于包装件消毒的设备如图2所示。在该设备21中，利用引导辊25、27的方式，包装材料卷材24被引导通过包含有液态过氧化氢溶液的处理池29。离开该处理池29后，卷材在两个挤干辊31(squeegee rollers)之间经过，使过氧化氢均匀地分布在卷材24上。然后卷材(web)24通过入口39进入加热室37，并利用引导辊33、35的方式，该卷材被引导通过该加热室37，最后通过出口41，卷材离开该加热室37。该加热室37包括加热配置，示意性地用虚线框43表示，其用于实现卷材上过氧化氢的蒸发。显而易见地，蒸发率取决于例如加热温度以及过氧化氢的环境浓度。如果在加热室中的过氧化氢浓度过低，过氧化氢将会过快蒸发，从而导致不能完全消毒的风险。另一方面，如果浓度过高，当卷材离开加热室后，该卷材上保留过氧化氢残留的风险会加大。图2中还显示了主催化剂45，主催化剂45在过氧化氢释放入环境空气之前，对其进行分解。

明显地，在上述任何情况下，对消毒剂浓度的精确测量是至关重要的。如果浓度测量方法粗略，则会导致过多的消毒剂被使用，因为需保证确定量的最低消毒水平。这进而会导致更长的蒸发时间，从而减缓了生产率。

传统地，浓度测量通过以下两种方式中的一种进行：

间接测量，例如通过测量与加热空气的质量流量或体积流量相结合的液态消毒剂的质量流量或体积流量的方式，以及通过测量如温度和压力等参数的方式进行。间接测量方法的优点是其通常成本低、测量精确(至少经较长时间测量后)。而其缺点的例子为，在响应变化方面，它相当缓慢，因为其测量消毒剂和空气随时间的平均消耗，这会导致消毒剂非最优化量的使用。另外，用于有效处理控制的关键信息涉及针对每个单个包装件的信息。该信息可确保安全处理、可追溯性以及最低损耗。但该关键信息不能利用所述间接方法获得。

直接测量，例如，通过在特定位置设置浓度传感器进行直接测量。目前为止，所用的一些已有浓度传感器被证明是精确的，但大体上，它们(例如IR-传感器的情形)非常易于损坏、体积过大并且对于期望的应用而言价格过于昂贵。

另外，传感器需要被设置的环境较为苛刻，因为过氧化氢具有腐蚀性，因此首要标准是传感器材料能够经受该苛刻环境。第二个标准是该传感器材料不应使该不稳定的过氧化氢品质降低。传感器通常仅与整个消毒剂体积的一小部分接触，因此第二标准不如第一标准要求那么严格。

经消毒意味着去除或杀灭微生物至适应于特定应用的确定程度。根据应用，可选择不同的杀菌水平，以符合包装产品期望的上架寿命。

本文中，消毒处理为用于进行的与物体消毒相关的操作的通用术语，例如，上述处理中的一种、用于暴露该消毒剂的气体生成、之后的蒸发和/或在暴露后排放以去除消毒剂。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种传感器系统，当用于消毒处理时，其可消除或至少减少现有技术中存在的缺点。本发明的另一个目的是提供一种消毒设备，其通过使用本发明的传感器系统可容许改进的处理控制。这些目的通过根据权利要求1中的系统以及利用所述系统的设备实现。优选的实施方式在从属权利要求中披露。

因此本发明涉及一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消毒剂浓度的传感器系统。该系统包括传感器，适于设置在消毒气体中，用于测量该消毒气体的浓度；电子处理电路，用于测定来自于该传感器的输出，以及I/O单元，用于与处理控制系统相通信。本发明的传感器系统进一步包括高压电源供应，用于该传感器操作；第一电极，该第一电极与设置为距其一段距离的第二电极一起形成电晕间隙(corona gap)。当电压施加在该间隙，并且电晕电流在该电极之间流动时，该系统利用该间隙的电特性测量以确定在该间隙中消毒剂的浓度。

本发明的传感器系统提供了一种简单、价格合理以及可靠的在线浓度测量。其简单确保了传感器系统的坚固耐用。其合理的成本可使必要时在单个的消毒设备中设置数个传感器，而不显著影响该消毒设备的总成本。该测量的可靠性和精确度确保了进行预定程度的消毒的同时，消耗最少量的消毒剂的可能性。该传感器系统确保了监测单个容器的消毒程度。在一些方面偏离的容器(涉及它们的消毒剂暴露)可被分别标记，并被丢弃或留待后续处理。

在一个或多个实施方式中，该系统可包括设置于同样消毒气体中的温度传感器。使用温度传感器确保了传感器输出和环境气体温度的相关性。因为该输出多少与温度相关，因此为精确地得出该消毒剂的绝对浓度，使用温度传感器是必要的。

该第一电极也可具有比该第二电极低的电位。该关系被称作“负电位”。为该电晕间隙使用负电位已被证明可导致在水和消毒剂之间的改进的区别，这确保了对消毒剂的改进的测量以及区别水和消毒剂的可能性。

在一个或多个实施方式中，该系统适于倾斜变化(ramp)施加在该电晕间隙的电压，并测定所得的作为电压函数的该电晕间隙的电特性，以推断冷凝和/或该传感器的状态。消毒剂的冷凝在很多消毒处理中是一个关键参数。利用本发明的用于该测量的传感器系统，可高度精确及高速率地确定冷凝的发生(例如，实际露点)。电压的倾斜变化还可检查该电晕间隙的状态，并由此自动地传送状态信息至控制系统。通过该方式，该传感器系统的维护可针对单个的应用特别进行，从而降低了维护成本。

在一个或多个实施方式中，该第一电极具有尖端头的形式，并且该第二电极提供了一种保护结构，优选地以大致上U形环或圆顶形的形式。利用周围保护该电极的结构作为接地点，可减少该传感器中部件的数量。另外，绕电极的较少的材料增加了该电极周围气体的流动，这改进了精确度，同时不显著影响消毒气体的气流。由于基本上相同的原因，使用U形环也减少了存在于消毒剂中的化学稳定剂在该环绕结构上的堆积。该第二电极还可具有L的形式(相比普通的火花塞的电极)。

在一个或多个实施方式中，该第一电极、第二电极和温度传感器(当存在时)可通过普通的绝缘体引导，该绝缘体优选地由陶瓷材料构成。使用普通的绝缘体确保了传感器的简单和坚固耐用。使用陶瓷材料从多个方面看都是合适的。例如，陶瓷是一种优良的电绝缘体、耐受性强、并且符合高卫生标准。其他潜在的材料包括玻璃，聚合物等。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种用于包装件消毒处理的设备，所述设备包括一种独创的传感器系统。该用于包装件消毒处理的设备可进一步包括使某个包装件、包装件组、或者包装材料卷材的一部分与施加在该特定包装件、包装件组或者包装材料卷材的一部分上的消毒剂浓度相关的装置。该后续特征实施了一种对本发明的传感器系统有益的特征。它使该消毒处理时间上更有效率、更加节省成本并且更加可靠。这些后续的处理的例子包括，但不局限于，容器或容器组的物理标记、记录浓度测量到预定的容器标识，等。

总的来说，利用本发明系统的消毒设备可受益于所有与本发明的传感器系统有关的优点。

本发明还涉及一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消毒剂浓度的传感器。所述传感器适于设置在消毒气体中，用于测量该消毒气体的浓度。该传感器的特征在于它包括第一电极，该第一电极与设置为距其一段距离的第二电极一起形成电晕间隙，该两个电极连接到电压电源供应，以及当电压施加在该间隙、并且电晕电流在该电极之间流动时，该系统利用该间隙的电特性测量，以确定在该间隙中消毒剂的浓度。

附图说明

图1是第一容器消毒设备的透视图，部分被切去；

图2是第二容器消毒设备的剖面侧视图；

图2和图3中的设备在先已经存在；

图3是关于电晕释放原理的说明性略图；

图4是显示电晕电流测量原理的电路框图；

图5是显示出实验结果的图表；

图6是电晕电流作为电晕电位函数的图表，分别在该电晕电极上冷凝以及不冷凝；

图7是在本发明的一个实施方式中使用的浓度传感器的剖面透视图，其设置于管道中。

具体实施方式

在集中讨论本发明的传感器系统之前，以下参考图3，简要讨论电晕电流测量的一些原理性方面。

图3是显示电晕释放原理的说明性略图。第一电极101设置为距连接到地电位的第二电极102一段距离，两个电极一起形成电晕间隙。在该实施例中，数kV的正电位施加到该电极，从而形成电场，由电场线110表示。带来的结果是，自由电子111开始在施加的电场中运动，从而形成电流或电晕电流。当电子接近电极101时，它们会加速到与中性分子112的碰撞将产生更多自由电子的程度，如此反复。这种雪崩效应会放大该电晕电流。

上述处理中的驱动力为电极101、102之间电位的相对差，并且上述或以下实施例中为第二电极102使用地电位不应当从限制的意义上理解。用语“正电位”是指上述情况，其中第一电极101具有比第二电极102高的电位，但它们可以在该限定内，同时为负、同时为正、或者各为正负。

如果离子，尤其是带负电的离子113，存在于电晕间隙中，它们会吸收碰撞电子111，从而消除一些雪崩分支，并在电晕电流中产生可标记及可测量的减少。

施加在电晕间隙上的电压产生通过电晕间隙的电晕电流，从而可赋予该间隙电阻性、导电性和其它电特性。以下参考图4，解释了一种实验性的设置。

该电极，一种尖的金属端头101，由开口的金属罩体102环绕。该罩体102设计为允许气体自由通过，并且设计为保护该尖端头101免受机械破坏。端头101优选地通过无孔陶瓷绝缘体103，与其周围(包括金属罩体102)电绝缘。罩体102通常可通过电导线200连接到地电位。该组件设置于气体104(例如湿空气)中，在该气体104中，期望获得过氧化氢蒸汽的浓度。

由稳定的电源202产生的高直流电压(典型地3-8kV)通过电导线201和电阻105施加到端头101。该电压足以在该金属端头101的自由端产生稳定的电晕释放106，通过测量流经它的电流，可得出该电晕释放106的大小，该电流可从在电阻105产生的压降107计算得出。观察发现该电流的大小，以及由此导致的压降107，大约与过氧化氢的浓度成反比。有多种用于测量高压电路中部件(例如电晕间隙)电特性(对应于电晕电流、电晕导电性等)的技术，此处不再详细讨论。

与上述的原理性讨论相关，过氧化氢气体是带负电的，这意味着分子具有捕获自由电子的趋势。当被引入到电晕间隙中时，过氧化氢分子将会作为电子清除剂，捕获通过电晕间隙产生电流的自由电子。因为相比电子，分子具有很大的质量，因此它们会有效地降低电流。该电流的降低(或者电阻的增加)是可测量的，并且与间隙中的过氧化氢浓度成正比。在过氧化氢的分解过程中，形成羟基自由基团，它们甚至是更强的电子清除剂。最终，这些种类会有效地固定电子，并由此降低电晕电流。

在涉及包装件消毒的实际应用中，与水和稳定剂相混合的过氧化氢通常用作过氧化氢源。这意味着在电晕间隙中还存在有水分子。在有关本发明的观察中，该存在在评价该传感器信号时被补偿。

图5的图表显示了过氧化氢浓度随时间的实际变化，该浓度变化用白线表示，其由测量电晕电流(由实线表示)而测定。由该图可明显看出电晕电阻(或电流)与过氧化氢浓度的高度相关性，从而可利用电晕电流作为过氧化氢浓度的测量。测量曲线周围的多条线对应于相对实际变化的+/-10％的间隔。

在利用气态消毒剂消毒的过程中，露点是重要的。在一些情况下期望避免消毒剂的冷凝，而在另一些情况下，冷凝是期望的结果。但在任何情况下，期望对冷凝的发生进行可靠的测量。图6示意性地显示了如何通过电晕电压/电位和电晕电流之间的相关性，利用本发明的传感器系统确定冷凝存在。在图6中，显示了两个曲线。第一曲线(实线)显示了不带有冷凝的曲线样态。在电晕电位从零倾斜变化并增加的过程中，电晕电流将会为零，直至到达确定的阈值电位。这对应于显著的电子产生雪崩开始发生时的电位。在该阈值后，电晕电流正比于电晕电位增加。第二曲线(虚线)显示了冷凝存在于电极上时的样态。这会导致泄漏电流，在图中明确地显示为在阈值电位以下(伪)电晕电流明确地增加。电位的倾斜变化可容易地操作。

该传感器系统多功能的另一个示例为其操作可被持续或以固定的间隔进行监测。这可通过例如监测基于天到天的阈值电位。随着电极的损耗，阈值电位将会改变，这使在不拆除传感器的情况下进行维护或置换成为可能。监测该操作的另一种方式是如在露点测量中一样倾斜变化该电压，或从负电位到正电位倾斜变化该电压。

在消毒处理中，消毒剂的浓度可能缓慢变化或者不变化。电晕电流的突发峰点表示一种物理对象已撞击到浓度传感器。因为物理对象在消毒处理中不期望出现，因此该信息对于处理控制是重要的。

在传感器系统中使用的传感器300的一个实施方式以下将会参考图7进行说明，其中传感器300设置在管道310中，在该管道310中过氧化氢的浓度将被测量。

传感器300包括第一电极301，其为尖金属端头的形式，以及第二电极302，其为U形环303的形式。该环303还在处理和使用中保护第一电极301。第一电极301和U形环302设置于绝缘体303中，该绝缘体303由电绝缘材料制成。当为特定目的用于消毒设备时，绝缘体303需由符合现存标准的材料制成，例如涉及食品处理的卫生标准。已证明可候选的材料种类的示例为陶瓷、玻璃或聚合物。在该显示的示例中，绝缘体303包括陶瓷材料。陶瓷绝缘体303进而设置于套管311中，套管311优选地由不锈钢制成。传感器还可包括温度传感器312，其为热电偶形式。需要精确的温度测量以精确测量浓度，因此优选使用原位测量。套管311被装入管道310的开口，并且密封元件(图未示)可被设置于周缘凹槽313中，从而当该套管311的凸缘通过紧固套环314朝向管道310压迫时，密封该开口，紧固套环314旋入到管道310。

有限种类的材料可理论上适合于传感器的作用部分(通常是电极301、302)。该材料不应被过氧化氢降解，也不应降解过氧化氢。这些材料的示例包括不锈钢和铝，但数种其它材料也是可能的。实际应用中，对于测量物质的合适的传感器应答可比第二标准、甚至第一标准更为重要。另外，电极可包括多种材料，例如由一种材料形成芯，并涂敷另一种材料。

在实际应用中，该传感器系统设置在消毒设备中。在如图1所示的设备1的情形，消毒剂被喷射到单个的容器内，传感器大致位于管道中，该管道导引消毒剂到喷射孔13。在如图2所示的设备21的情形，带有消毒处理室29和加热室37，传感器大致设置于加热室37中的合适位置。在浓度测量过程中传感器300由带有可变输出的高压电源进行供电。来自于传感器的信号在微处理器中进行处理，在该微处理器中该电晕间隙相关的电特性被得出。该微处理器与处理控制单元相通信，在该处理控制单元中，根据浓度测量，决定采取何种行为。这些行为包括，但不限于，停止处理、增加消毒剂的量、减少消毒剂的量、标记出不充分消毒或过量消毒的容器等。

在后附权利要求中引用的标号仅用于解释性的目的，而不应理解为限制该权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消毒剂浓度的传感器系统，所述系统包括：

传感器(300)，其适于设置在消毒气体中，用于测量该消毒气体的浓度；

电子处理电路，其用于测定来自于该传感器(300)的输出，其中该传感器系统进一步包括I/O单元，用于与处理控制系统相通信；

其特征在于，该传感器系统包括用于操作该传感器的高压电源供应，第一电极(301)，该第一电极(301)与设置为距其一段距离的第二电极(302)一起形成电晕间隙，以及当电压施加在该间隙并且电晕电流在该电极(301、302)之间流动时，该系统利用该间隙的电特性测量，以确定在该间隙中消毒剂的浓度。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，进一步包括设置于该相同消毒气体中的温度传感器(312)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中该第一电极(301)具有比该第二电极低的电位。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中该系统适于倾斜变化施加在该电晕间隙上的电压，并测定所得的作为电压函数的该电晕间隙的电特性，以推断冷凝和/或该传感器(300)的状态。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中该第一电极(301)具有尖端头的形式，并且该第二电极(302)提供一种保护结构，该保护结构优选地为大致上U形环或圆顶形。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中该第一电极(301)、该第二电极(302)以及，当存在时，温度传感器(312)通过普通绝缘体(303)引导，该绝缘体(303)优选地由陶瓷材料构成。

7.一种用于包装件消毒处理的设备，其包括根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统。

8.根据权利要求7所述的设备，进一步包括使某个包装件、某包装件组、或者包装材料卷材的一部分与施加在该特定包装件、包装件组或者包装材料卷材的一部分上的消毒剂浓度相关的装置。

9.一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消毒剂浓度的传感器，所述传感器适于设置在消毒气体中，用于测量该消毒气体的浓度，

其特征在于，该传感器包括第一电极(301)，该第一电极(301)与设置为距其一段距离的第二电极(302)一起形成电晕间隙，该两个电极连接到电压电源供应，以及当电压施加在该间隙并且电晕电流在该电极(301、302)之间流动时，通过该间隙的电特性测量，确定在该间隙中消毒剂的浓度。

Images