CN112362973A - 射频状态变量测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了射频状态变量测量系统和方法。公开了一种导电腔谐振和波导测量的测量系统和方法。所述腔或波导可用于监测包含在腔或波导中或穿过腔或波导的材料或样品的量、组成或分布。描述了用于操作所述测量系统以减少测量变化性、提高测量精度并减少测量响应时间的改进装置。本发明的广泛应用涵盖过滤器、催化剂、管道和管子的测量，其中收集在腔或波导中或穿过腔或波导的材料表现出与其置换的材料不同的介电性质。
Description
本申请是2016年12月5日提交的申请号为201580029810.2、发明名称为“射频状态变量测量系统和方法”的专利申请的分案申请。
本申请要求2014年6月6日提交的美国临时专利申请序列号62/008,503的优先权，所述专利申请的公开内容以引用的方式并入本文。
本发明是在政府的支持下根据国家科学基金会(National Science Foundation)授予的基金号IIP 1330313进行的。政府对本发明拥有某些权利。
背景技术
在许多应用中使用微波腔和波导来确定给定系统的状态。实例包括(举例来说)监测过滤器的负载、确定材料共混物的组成、检测水分含量、或测量吸附在催化剂上的特定气体物种的数量。微波腔测量可用于在原位提供关于系统的状态的信息，而不需要与正被监测的材料直接接触。说明基于微波的腔和传输测量系统的广泛适用性的附加实例包括：排气微粒过滤器、过程催化剂(包括排放催化剂)、薄膜、以及诸如管道或管子的流通元件。尽管这些系统的特定最终用途从监测原油管道中的空气或水、到测量干衣机中的纺织品中的水分含量、检测微粒过滤器上的碳烟含量或选择性催化还原系统上的氨储存变化很大，所有这些应用共用一个共同的元素。由所有前述系统采用的共同元素是使用通过微波装置询问的导电腔或波导。尽管具有广泛的适用性，但是微波腔和波导测量系统存在许多缺点，这些缺点不利地影响测量精度，或者迄今为止减轻这些缺点需要复杂、昂贵且麻烦的措施。
首先，腔和波导测量系统通常具有部分到部分的变化性，因为腔或波导几何形状的小变化(由于制造公差、热膨胀/收缩、组装变化以及其他因素)可能影响微波谐振响应，并且在测量中引入误差。另外，存在于腔或波导内的材料(诸如过滤元件或催化剂衬底)的变化、导电元件的存在或材料在壁上的积聚也可不利地影响系统的微波响应。腔随着时间的变化(诸如夹具或其他紧固件的松动)、对腔几何形状引入某些变化(在一个实例中，诸如凹痕)也可能不利地影响测量。
第二，腔和波导测量系统从根本上监测信号传播穿过的腔或波导内的材料的介电性质的变化。通常，腔内样品的介电性质可能受到多个参数的影响，如果未经适当地考虑，这些参数也可能在测量中引入误差。例如，除了其他参数之外，腔或波导内的样品的介电性质可以是进行测量时的温度或频率的函数。在一个实例中，其他物质、水的存在也可能影响测量。因此，可能由测量方法本身或测量环境引入的这些附加参数对腔内样品的介电性质的影响可能在测量中引入显著的误差。
第三，腔或波导内的材料的空间分布也基于腔或波导内的特定电场分布而影响测量灵敏度。对于位于腔或波导的具有低电场的区域中的材料，与位于高场强区域中的相同量的材料或样品相比，用于监测这种材料的测量的灵敏度将更低。因此，系统的灵敏度或测量响应也受相对于在测量频率范围内的特定电场分布的材料分布的直接影响。
第四，在过程控制应用(诸如发动机、生产过程、化学处理、石油提取以及其他应用的控制)中实现腔或波导测量系统通常需要快速的响应时间以用于实时或接近实时的反馈控制。许多常规的腔和波导测量系统表现出相对较慢的响应(慢于1Hz)，因此对于需要快速响应测量的应用具有有限的实用性。
第五，在腔内或穿过腔或波导的样品或材料表现出高度介电损耗的应用中，微波信号可能迅速饱和，这意味着振幅变得难以与噪声区分开。在必须对相对有损耗的材料采用腔或波导测量的应用中，可以大大减小测量范围。
第六，在某些应用中，特别是在其中可存在多于一种类型的材料并且对谐振响应具有影响的腔或波导测量系统中，可能难以从多于一种成分的混合物中监测一种特定成分的存在。在相关申请中，所述成分的介电性质可能仅与在腔中置换的介质或混合物中的其他材料的介电性质稍有不同，从而使得所述成分难以检测(弱灵敏度)。
第七，微波产生和检测系统可能不是高度稳定的，具有与使用年限、温度和其他环境特性有关的变化。源的强度和/或检测器的响应是可变的。实现精确确定腔的介电特性的装置不仅需要考虑单元到单元的变化性，而且还考虑单元的时间变化性。
因此，需要一种改进的腔谐振或波导测量系统和方法，其将对广泛的应用和使用领域具有相当大的实用性。
发明内容
公开了一种导电腔谐振和波导测量的测量系统和方法。腔或波导可用于监测包含在腔或波导中或穿过腔或波导的材料或样品的量、组成或分布。描述了用于操作测量系统以减少测量变化性、系统稳定性，提高测量精度并减少测量响应时间的改进装置。本发明的广泛应用涵盖过滤器、催化剂、管道和管子的测量，其中收集在腔或波导中或穿过腔或波导的材料表现出与其置换的材料不同的介电性质。
附图说明
图1表示腔测量系统的一个实施方案以及内部介质的细节，所述内部介质可以是过滤器、薄膜、催化剂或任何其他类型的介质；
图2表示包含图1的测量腔的腔采样系统；
图3表示腔采样系统的第二实施方案；
图4表示流通腔或波导测量系统的一个实施方案；
图5表示流通腔测量系统的第二实施方案；
图6表示流通腔测量系统的第三实施方案；
图7表示射频探针的一个实施方案；
图8表示排放控制腔测量系统的一个实施方案；
图9描绘用于检测材料积聚的微波探针的细节；
图10表示腔测量数据并且示出用于减小测量时间的装置；
图11a-b描绘在腔测量系统的两个实施方案中的特定电场分布；
图12描绘在腔测量系统的第三实施方案中的特定电场分布；
图13a-b描绘特定材料对两种腔谐振模式的影响；
图14描绘石油柴油和生物柴油共混物对若干腔谐振模式的影响；
图15描绘石油柴油和生物柴油共混物对一种腔谐振模式的影响的附加细节；
图16描绘石油柴油和水对若干腔谐振模式的影响；
图17描绘生物柴油和水对若干腔谐振模式的影响；
图18描绘生物柴油和水对若干腔谐振模式的影响；
图19描绘液体共混物对若干腔谐振模式的影响；
图20描述汽油和乙醇共混物对若干腔谐振模式的影响；
图21描述更大数量的共混物对若干腔谐振模式的影响；
图22描绘纺织品中的水分含量对若干腔谐振模式的影响；
图23示出通过监测相位实现的腔测量范围的扩展；
图24a-b提供在跨越多种谐振模式的宽频率范围内的振幅和相位测量的比较；并且
图25描绘了通过尿素给料引入的氨储存对SCR催化剂的射频响应的影响。
具体实施方式
图1描绘根据一个实施方案的腔测量系统。测量腔100由壳体106组成，所述壳体106可以或可以不包含内部元件110。内部元件110(如果存在)可以是过滤器、薄膜、陶瓷衬底、催化剂载体等。壳体106可连接到导管112或114，诸如管道、管或管子，以通过可为锥体的联接元件108和104将流动或样品引导到壳体106中。联接元件108和104以及管子112和114可以或可以不存在。在另一个实施方案中，壳体106的端部可以是闭合的。
一个或多个射频探针116和118可安装在壳体106中、联接元件104或108中，或以其他方式合适地定位以在壳体106中发射或接收射频信号。所发射和接收的信号可用于在测量腔100中产生一种或多种谐振模式和对其进行采样。可以使用网孔或筛网(未示出)来将信号容纳在由壳体106或壳体106和一个或多个联接元件108和104限定的容积内。
射频探针116和118可以是适于发射或接收射频信号的任何类型的探针，诸如棒状天线、环形天线、波导或任何其他类型的天线或探针元件。发射和/或接收部件可以是电介质波导、谐振器或发射器。电介质波导可以是辐射的或非辐射的。可以使用一个或多个探针。
虽然图1示出了两个探针116和118，但是在一些实施方案中可仅使用一个探针，或者可使用多于两个的探针。探针116和118可连接到射频控制单元102。射频控制单元102可进一步连接到线束或电缆组件120，所述线束或电缆组件120可向射频控制单元102供电或者用于从外部设备(未示出)发送和接收测量信息或操作指令。在一个实施方案中，外部装置可以是另一类型的控制单元，诸如发动机控制单元或计算机。外部电力可以或可以不由线束或电缆组件120供应。在一个实施方案中，射频控制单元102可以是电池操作的。射频控制单元102可以或可以不包含定时装置，并且可以或可以不包含计算机可读存储介质。
测量腔100，并且更具体地壳体106，可以或可以不包含内部元件110。在一个实施方案中，元件110可以不存在。在另一个实施方案中，元件110可以过滤元件、薄膜、支撑衬底、蜂窝结构和设计成与测量腔100内的材料相互作用的任何其他类型的元件的形式存在。在一个实施方案中，相互作用可采取主动过滤、捕获或储存材料(诸如颗粒、气体或液体)的形式，所述材料可流过测量腔100或沉积或保持在测量腔100中。元件110可以是常规的纸、Teflon或石英型过滤器、薄膜、催化剂载体、陶瓷蜂窝型过滤器、多孔介质、网孔或任何其他类型的元件。
在过滤盘的情况下，在一个实施方案中，元件110可以与诸如Pall FiberfilmTM、TissuquartzTM或EmfabTM过滤器的元件相同或类似，然而可以使用任何合适的过滤器或薄膜。元件110可以或可以不在过滤器表面上或在过滤器孔或纤维基质内涂覆有颗粒124或涂层122。在一个实施方案中，颗粒124可以是催化剂颗粒，并且涂层可以是修补基面涂料122或其他类型的涂层。
在流动穿过衬底的情况下，元件110可包括具有任何几何形状的一系列通道126。通道126可以或可以不包含涂层128，所述涂层128可以或可以不由催化剂和/或修补基面涂料组分组成。在一个实施方案中，元件110可以是常规的汽车或工业催化剂。在又一个实施方案中，元件110的通道132可以在交替端部130处被阻塞，诸如在常规的柴油微粒过滤器或汽油微粒过滤器中，并且可以或可以不包含涂层134。虽然涂层134、128和122被示出为在元件110的表面上，但是在一个实施方案中，涂层可不在所述表面上，而是在元件110的孔内。在又一个实施方案中，涂层可以或可以不包含分散在整个涂层中的附加颗粒。颗粒可以或可以不是在一个实施方案中的催化剂颗粒或在另一个实施方案中的沸石。
在一些情况下，可能期望通过添加涂层122、128、134或颗粒124来对元件110进行改性，所述涂层122、128、134或颗粒124优先与流过测量腔100或沉积在测量腔100内的样品相互作用。相互作用可以是化学的或物理的。在一个实施方案中，沉积在元件110上的涂层或颗粒可以被功能化以优先捕获某些类型的材料、或污染物(诸如生物系统中的细菌或病毒)或空气中的颗粒(诸如烟灰、灰分或花粉)或废气过滤系统中的颗粒(或气体、化学有毒化合物(诸如战剂)或挥发性有机化合物(VOC)、或水蒸汽)。
在另一个实施方案中，涂层122、128、134或颗粒124可被设计成在暴露于流过测量腔100或沉积在测量腔100内的某些材料时优先影响元件110的介电状态。在另一个实施方案中，涂层122、128、134或颗粒124可被设计成在老化或一定时间段之后优先影响元件110的介电状态。在以下列表中提供了若干说明性实例，但是许多其他合适的材料可以用于相同或不相关的目的：
储存：可以向元件110添加某些颗粒或涂层以优先储存特定气体，液体或固体，其中这些组分的储存可以影响元件110的介电性质。在一个实例中，可以将含二氧化铈的颗粒或涂层施加到元件110以优先储存氧，氧的储存导致元件110的导电性降低和腔内的介电损耗降低。在另一个实例中，可以将铜或铁沸石等施加到元件110以优先储存氨，氨的储存可导致元件110的介电损耗增加。在又一个实施方案中，硫可以优先储存在各种金属氧化物上，诸如呈金属硫酸盐形式的碱土金属或碱金属，这可以类似地影响元件110的介电性质。在又一个实例中，元件110可以涂覆或包含碱土金属(诸如钡)、碱金属(诸如钾)或稀土金属，它们可用于储存NOx，NOx的储存也影响元件110的介电性质。虽然给出的实例集中于气相物种，但是通过将合适的储存组分施加到元件110，可以类似地储存颗粒(固体)和液体组分。以这种方式，可以优先监测感兴趣的特定物种的储存和释放，只要感兴趣的组分的储存影响元件110或测量腔100的介电性质。变化可以是电介质的实部(即ε-质数)、或电介质的虚部(即ε-双质数)或两者的变化。替代介电常数的虚部(即ε-双质数)，可以影响材料的导电性。
氧化/还原：可以向元件110添加颗粒(诸如催化剂颗粒)或涂层，以氧化储存在元件110上或穿过元件110的某些组分。铂或其他贵金属是一个实例。在一个实施方案中，可以应用贵金属催化剂或含贵金属的催化剂涂层并将其用于氧化烟灰。在另一个实施方案中，氧化可以是碳氢化合物或一氧化碳，但氧化可以是任何材料。在这两种情况下，氧化过程或其输入或结果导致元件110的介电状态的变化，这可以通过微波装置进行监测。介电状态的变化可能是由于氧化产物的形成或初始反应物的损耗或释放。可以通过类似的方法监测其他氧化过程。也可使用除了含有贵金属的颗粒或涂层之外的其他颗粒或涂层。类似地，可以向元件110添加颗粒(诸如催化剂颗粒)或涂层，以减少储存在元件110上或穿过元件110的某些组分，这可以通过微波装置来检测，只要反应物的损耗或反应产物的形成影响元件110或测量腔100的介电性质。尽管给出的实例集中于气相物种，但是通过将合适的储存组分施加到元件110，可以类似地氧化或还原颗粒(固体)和液体组分。
老化：可以向元件110添加颗粒(诸如催化剂颗粒)或涂层，以提供元件110的老化状态、其性能、或催化剂的老化或状态的指示。在一个实例中，老化可以是物理的或化学的。在特定的实例中，老化可能是由于活性部位的损失、颗粒烧结或凝聚，这可影响介电性质并且可以通过微波装置进行监测。在另一个实例中，老化可能是由于由污染物材料导致的催化剂的化学相互作用或中毒。在又一个实例中，中毒可以是通过硫或磷污染，并且可以是可逆的(诸如在一个实例中通过高温脱硫)或不可逆的。
以上提供的说明性实例可广泛应用。宽范围的颗粒或涂层可用于优先控制元件110的性质，以使得：
1.沉积在元件110上或内的涂层或颗粒被选择为优先与可能存在于测量腔100中的一种或多种材料(气体、液体或固体)相互作用；并且
2.不管是通过选择性储存、氧化、还原、老化还是一些其他手段，相互作用导致元件110或测量腔100的介电性质的变化比不添加所述颗粒或涂层的情况下自然发生的变化更显著。
此外，颗粒或涂层的添加可不仅限于元件110，而且还限于构成测量腔100的一种或多种组分的内表面。类似地，所监测的介电性质的变化可以或可以不发生在元件110上，而仅仅发生在测量腔100内。
虽然已经描述了添加颗粒或涂层以优先控制元件110的性质以便增强通过微波装置对某些过程(储存、氧化/还原、老化)的检测，但是在一些实施方案中可能不需要附加的颗粒或涂层并且所期望的过程可以通过元件110本身或已经存在于110上的现有涂层(诸如在一个实例中的SCR涂层(铜或铁沸石)或在另一个实例中的氧化涂层)的介电性质的变化而直接监测。
本发明的一个区别方面是添加到元件110的被称为“介电敏感”颗粒或涂层的附加颗粒或涂层主要用于诊断或感测目的，也就是说，增强元件110的状态的射频测量，而不是改善或支持其主要功能。一个非限制性实例是SCR催化剂，其中添加“介电敏感”颗粒或涂层不用于增强催化剂的氨储存或NOx转化，而是用于增强催化剂氨储存水平、老化状态、活性部位的数量、整体健康状况或完整性、中毒等的射频感测。
图1所示的腔测量系统的应用以及颗粒和涂层到测量腔100内部的添加，不管是添加在元件110上还是添加在测量腔100的内部组分部分上，都是普遍的。一种具体的应用包括汽车和工业催化剂。所应用的颗粒或涂层可以是常规的催化剂和涂层，诸如对于三元催化剂、稀NOx捕集器、选择性催化还原系统、氧化催化剂、催化颗粒过滤器(汽油或柴油)、碳氢化合物捕集器、氨逃逸催化剂或任何其他类型的催化剂，其中催化剂壳体形成微波谐振腔或波导。所监测的谐振曲线的变化可与在催化剂上发生的化学过程(诸如化学吸附)或物理过程有关，所述化学或物理过程诸如氧储存、氨储存、NOx储存、烟灰储存、灰分储存、烟灰氧化、碳氢化合物氧化或储存、CO氧化以及其他过程。所监测的腔谐振的变化可基于谐振频移、绝对功率衰减、相对功率衰减或相移，以及由此导出的参数诸如品质因数、特定功率电平处的峰值宽度、曲线下面积、平均功率和相关参数。
绝对功率衰减在本文中被定义为所测量的RF信号的幅度相对于预定幅度的变化，而相对功率被定义为所测量的穿过腔或波导的RF信号的幅度相对于所产生的输入到腔或波导的RF信号的变化。可针对每个测量连续地或以指定的间隔间歇地确定所产生的RF信号的幅度。用于确定所产生的RF信号的幅度的一个示例性方法是通过旁路路径，所述旁通路径绕过测量腔或波导并将所产生的RF信号直接发送回到检测器。然后可通过将旁路信号与从腔或波导测量获得的信号进行比较来确定相对功率衰减。以相同的方式，也可以确定绝对相移和相对相移。
在一个实施方案中，射频控制单元102可与两个检测器通信，并且可同时测量穿过测量腔的信号和旁路信号。在具有单个检测器的不同实施方案中，测量是顺序的；也就是说，首先测量一个信号，然后测量第二个信号(例如，测量穿过测量腔的信号，然后测量在测量腔被绕过时的信号)。对这些信号中的一个进行频率扫描，接着对另一个信号进行频率扫描是可能的。对旁路信号的扫描可以在每次扫描时进行，或者可以周期性地(在通过测量腔的确定数量的扫描之后)进行。另外，可以具有不同的频率范围以增加穿过测量腔的信号的时间响应。在替代的测量模式中，以相同的频率测量两个信号(穿过测量腔的信号和旁路信号)，然后改变频率以完成频率扫描。
对两个信号的监测使得能够在特定的测量期间或在不同的条件下使用不同的发射功率。例如，在信噪比较高的情况下，在通过监测旁路信号来监测输入到测量腔的功率的同时降低发射功率将是可能的。类似地，如果信噪比较低，这使得能够使用增加的功率。一种操作模式将是连续地调整输入功率，直到测量出所期望的穿过测量腔的信号的目标振幅，然后使用所产生的功率作为用于确定测量腔的状况的变量。根据测量腔的状况，可以有一个或多个目标测量信号电平。
放置或引入腔中的掺杂材料也可用于监测组分的温度。例如，Fischer-Tropsh或甲醇催化剂对局部温度剧增非常敏感，所述局部温度剧增损坏催化剂或导致不合期望的产物(在Fischer/Tropsch的情况下，可能堵塞反应器的重质蜡)。通过在腔中放置对温度敏感的材料，可能远程监测反应器的温度，这现在仅通过测量反应器上游或下游的温度或通过仅测量非常局部温度的阻塞性热电偶来完成。掺杂材料具有温度敏感的介电常数。可以选择掺杂材料，以使得介电材料的实部(折射率)或虚部(吸收)或两者对温度敏感。可以从微波信号的绝对振幅、相对振幅、谐振频移、相位或品质因数中提取温度信息。通过调节试剂的入口温度或入口的组成，使得反应器的温度在基值附近振荡，可以通过对反应器中的条件进行抖动来连续校准单元。在另一个实施方案中，掺杂材料可对温度不敏感，但是可对与腔中的材料的任何其他相互作用(诸如与特定物种的化学或物理相互作用)敏感，所述相互作用影响掺杂材料的介电性质。
所监测的微波腔响应的变化可用于基于腔测量来控制腔或装置、设备件、工厂、过程或相关系统的操作。在一个应用中，射频控制单元102对测量腔100谐振曲线进行采样(所述谐振曲线可包括一种或多于一种谐振模式)，并且监测或计算与谐振频移、绝对振幅、相对振幅或相位或其导数有关的一个或多个测量参数。这些谐振参数中的一个或多个可与腔的状态有关，所述腔的状态可由以下来表征：积聚或储存在腔中的特定材料的量、腔内材料的类型(诸如材料组成)或基于与特定谐振模式相关联的电场分布的腔中材料的分布。
腔测量参数的变化可用于监测特定过程的操作或监测腔内的元件110的健康状况。在一个实施方案中，元件110可以是设计成减少CO、HC、NOx或烟灰的排放的常规汽车或工业催化剂。虽然催化剂的主要功能可以是减少一种或多种废气排放，但是在一个实例中，催化剂也可能遭受诸如由于硫造成的污染、中毒或结垢。被设计为选择性地储存污染物组分(诸如硫)或增强优于其他组分的硫储存选择性(诸如单独使用银、锌、镍、铬或铜或除了碱土金属或碱金属之外)的颗粒124或涂层122、128或132的添加，可以在催化剂的整体性能受到显著影响之前实现增加的储存灵敏度，并且因此通过微波装置测量催化剂上的硫或其他污染物水平。以这种方式，添加颗粒124或涂层122、128或134用于诊断目的。类似地，由于颗粒124或涂层122、128或134引起的元件110或测量腔100的介电性质的变化可用于提供系统性能随时间的老化或降级的指示。在涵盖药物加工、石油提取和精炼、水净化、燃料电池薄膜等的其他应用中，存在许多其他类似的实施方案。
以上提供的具体实例通过下文限定的要求进一步说明，使得施加到元件110或测量腔100的一个或多个内表面的颗粒或涂层主要用于诊断功能，所述功能定义为：
1.增加选择性或增强测量腔100内的一种或多种感兴趣的组分物种的整体储存、沉积或捕获；或者
2.增强或扩大一种或多种感兴趣的组分物种对元件110的介电性质或测量腔100的内部容积内的介电性质的影响；并且
3.其中感兴趣的组分物种不是受元件110的主要功能直接影响的相同物种。
说明上文列出的要求的实例包括向常规三元催化剂添加硫或磷选择性材料(颗粒、涂层等)，其中催化剂的主要功能不是捕获硫或磷，而是减少CO、HC或NOx的排放。然而，在这种情况下，硫或磷选择性材料扩大了硫或磷对腔介电性质的影响，从而使得能够直接检测硫或磷水平，硫或磷水平如果过量可能有害地影响系统性能。以这种方式，附加颗粒或涂层的主要目的本质上是纯诊断性的，也就是说，它增强了提供系统的健康状况或功能的指示的特定系统参数的测量。在另一个实施方案中，附加颗粒或涂层可以不用于监测附加污染物，而是作为催化剂或元件110本身的有效性或降级的指示。在又一个实施方案中，通过直接监测催化剂的介电响应的变化，而不需要附加材料来增强其介电响应，可以直接监测催化剂或元件110的状况。
除了监测常规过程之外，可以向流动中添加物质以确定单元的性能。例如，可以向流动中添加外来材料以与这些颗粒或与衬底相互作用，从而使得RF测量结果指示组分的健康状况。例如，如果颗粒或涂层感测材料位于单元中的下游，那么单元上游的材料的健康状况可以通过测量下游(损坏诸如过滤器性质的破坏(破裂或熔化)、或催化剂/衬底的烧结(其使单元的可用保持最小化)或局部温度)来确定。例如，假设烟灰感测元件被添加在DPF的排气通道中，并且使用微波传感器来监测烟灰感测元件。如果在那里检测到烟灰，这意味着DPF在某处失效。对于氨的情况，如果在催化剂的端部或其附近加入添加剂，那么在此添加剂中存在氨的指示表明氨即将突破进入排气流。
图1中描述的系统可以是流动系统(如在汽车应用中)或分批系统(诸如在化学反应器中)。在分批系统的情况下，所述方法将确定试剂的转化程度、转化速率以及其他参数，诸如温度或压力。
图2呈现整合的采样和腔测量系统202的一个实施方案。在一个实施方案中，入口204和218(诸如管道、管或管子)可连接到可以或可以不包含元件208的腔206。腔206还可以包含被设计成发送或接收射频信号的一个或多个RF探针210，诸如棒状天线、环形天线、波导或任何其他合适的发送或接收装置。腔206还可连接到出口216和220，诸如管道、管、管子或提供类似功能的装置。
图2还示出单元214，所述单元214可以是鼓风机、泵、发动机或可诱使样品流过腔206的类似系统，并且也可以或可以不包括出口220，诸如管道、管或管子等。虽然流动方向由图2中的箭头从左向右指示，但是流动可以是在相反的方向上。可以或可以不使用单元214。单元214可连接到控制单元212，所述控制单元212可以或可以不向单元214提供电力或控制单元214的操作。在另一个实施方案中，单元214可以在腔206的上游。在一个实施方案中，控制单元212可以包含定时装置，以确定与特定测量相关联的时间或测量之间的时间差。
控制单元212还可连接到一个或多个RF探针210以发送、接收和处理射频信号。信号处理可包括从射频信号计算参考图1所述的各种参数。附加传感器224、226和228，诸如温度传感器、流量传感器、压力传感器、湿度传感器或组成传感器，也可存在于系统中并且连接到控制单元212。来自这些附加传感器224、226和228的输入可以由控制单元212使用以控制采样和腔测量系统202的操作。连接件230可用于向控制单元212或腔测量系统202的各种部件提供电力，或者还用于向各种其他系统(未示出)例如像计算机或主控制单元提供通信或数据链路。
还可存在附加的样品调节单元，诸如调节单元222。在一个实施方案中，调节单元222可提供温度控制，诸如加热器或冷却器。在另一个实施方案中，调节单元222可以从进入的样品中去除水分，充当干燥剂，或者诸如通过过滤或薄膜分离从样品中去除或分离其他组分。在另一个实施方案中，调节单元222可以为系统提供流量控制和/或流量测量。在其他实施方案中，调节单元222将可用于确定系统的性能或校准其性能的外来物质引入到流动中。在又一个实施方案中，流动可由单元214控制。在另一个实施方案中，可改变流动的组成以确定腔206中的元件208的介电特性的时间响应。在一些实施方案中，可不需要调节单元222，并且在其他实施方案中，可使用多于一个调节单元222。
在另一个实施方案中，腔206的条件也可以被控制，诸如通过控制腔的温度(在一个实例中，对壁进行加热或冷却)，或通过控制腔206的内部容积，诸如通过全部或部分地填充有电介质、气体、液体或固体(诸如用于腔的负载的电介质)。
元件208可以是过滤器、薄膜、蜂窝载体(诸如催化剂载体)或类似于参考图1所述的元件110的任何其他元件。元件208可以或可以不包含颗粒或其他涂层。可以或可以不使用元件208。
图2所示的系统的优选实施方案的操作可以作为采样系统，其中可为样品泵的单元214由控制单元212控制以通过管道连接件204、218、216穿过腔206抽取样品流动(固体、液体或气体)，并通过出口220排出。流速可以由控制单元212控制，诸如通过改变单元214的操作。在一个实施方案中，调节单元222可以是电加热器，或在另一个实施方案中包含干燥剂，以向腔206提供温度和水分含量受控的样品流动。在另一个实施方案中，调节单元222可以执行多个功能。在一个实施方案中，可基于来自分别位于调节单元222之前和之后的附加传感器224和226(诸如用于提供闭环温度控制的温度传感器)的输入来控制调节单元222的操作。还可使用包括压力传感器、湿度传感器、组成传感器以及甚至RF探针210等的附加传感器。以这种方式，可以很好地控制进入腔206的样品流的性质，诸如温度、水分含量、组成和相关性质。
元件208可以或可以不存在。如果存在，元件208可以与样品流相互作用，诸如在一个实例中通过过滤器或薄膜捕获某些组分，或在另一个实例中通过与特定样品组分发生化学反应(诸如在元件208上的化学储存或与元件208的反应)或与这种特定样品组分物理反应(吸收/吸附)。在另一个实例中，样品流可以与腔206的内表面相互作用。
RF探针210可在腔206内发送和接收射频信号。在另一个实施方案中，可以存在多于一个探针。测量可包括在一种或多种腔谐振模式上的传输S12或S21或反射S11或S22测量。控制单元212可控制RF探针210和其他元件(如果存在)的操作。由于样品流而导致的腔206内或元件208上的介电性质的变化可通过监测一种或多种谐振模式(包括谐振之间的区域)的变化来检测，所述变化可与样品的特定性质相关。可监测的样品性质包括特定成分的量、成分的分布(基于一种或多种腔谐振模式的电场分布)、成分的类型或组成、或甚至元件208的状态的变化，不管是否是由于样品的缘故。
样品流可以或可以不是连续的，并且可以或可以不流过腔206。在一个实施方案中，样品流可以是间歇的。在另一实施方案中，样品可以放置在腔206内，诸如通过物理地打开腔206并手动地将样品放置在腔206内或通过入口204倾倒或填充样品。在另一个实施方案中，单元214可通过腔206抽取样品。在又一个实施方案中，在使用或不使用单元214的情况下，可以使用压力差来诱使样品流过腔206。
在一个优选的实施方案中，采样和腔测量系统202是颗粒测量仪器，其可用于对周围环境中或来自诸如排气系统的源的颗粒进行采样或监测。在另一个实施方案中，采样和腔测量系统202是用于测量液体共混物的相对比例或组成的液体组成测量系统，所述液体共混物可包括气体、液体或固体。
如果流动包含作为腔中波长的一部分的非均匀性，那么通过非接触装置使用微波信号监测流动的速度将是可能的。随着不同浓度的区域移动通过电场中的梯度(由于电场的谐振模式结构)，在微波场中存在与流动速度相关联的响应(绝对振幅、相对振幅、谐振频移、相位或品质因数)。例如，除了确定其中存在油流动的管道中的水含量之外，微波响应的快速移动使得能够确定腔中的流动的速度。非均匀性可以嵌入在流动(诸如油中的水)中，或者其可以被添加(向流动添加材料)，或者可以通过产生气泡的空化产生。
腔测量系统202的重要优点是精确控制进入腔206的样品条件以及腔206的条件的能力。样品条件(诸如温度、流速、水分含量、组成和其他参数)的控制显著减少腔谐振测量的误差源，从而使得能够进行更精确的测量。除了控制样品性质之外，来自附加传感器224、226和228的测量也可用于提供腔谐振测量的补偿。
图3呈现采样和腔测量系统的另一个实施方案。类似于元件110和208，图3示出了呈条带形式的元件310，其可通过辊306或308进料或前进。在一个实例中，元件310可以是过滤条或薄膜条，但可以使用任何合适的材料条或材料卷。元件310被示出为穿过样品腔312和测量腔320，所述样品腔312和测量腔320以截面图的形式示出。腔312和320在一个实施方案中可以是单独的腔，或在另一个实施方案中可以是同一个腔。开口314和322，诸如狭缝或孔洞或间隙，使得元件310能够穿过腔312和320。虽然开口314和322在图3中被描绘为空隙空间，但是在操作的一部分或全部期间，开口可以是密封的(未示出)。在一个实施方案中，腔312或320可以不是单个部件，而是包括多个部件的组件，诸如围绕由元件310限定的线分开的两个半部，其可以打开以允许元件310前进，然后关闭以将元件310牢固地保持在适当位置，同时还密封腔312或320。
样品腔312可包含一个或多个开口或连接端口316和318，以允许样品进入或离开所述腔。在元件310是过滤元件的情况下，样品的一部分可能被捕获在过滤器上，而其余部分离开腔312。样品腔312也可不包含任何开口或连接端口，而是替代地需要去除腔312的一个或多个部分以允许样品沉积在腔312内的元件310上。可替代地，样品也可沉积在腔312外部的元件310上。
测量腔320可包含一个或多个射频探针304和一个或多个端口324。探针304可以是棒状天线、环形天线、波导或用于发送或接收无线信号的任何其他合适的探针，诸如介电波导、谐振器或发射器。探针304可连接到控制单元302，所述控制单元302可产生和检测射频信号并且还执行信号处理。控制单元302还可连接到连接件328，所述连接件328可提供用于电力或通信信号的连接。
测量腔320的内部容积326可以或可以不完全或部分地填充有材料。所述材料可以是固体、液体或气体。在一个实例中，内部容积326可以填充有介电材料，诸如以便装载测量腔320来优先地将谐振模式移动到较低频率。在一个实例中，优选的材料可以是氧化铝，但也可以使用其他材料。在另一个实施方案中，测量腔320的内表面可涂覆有高导电材料，诸如金、银或铜，以改善腔品质因数Q。在又一个实施方案中，内部容积326可以填充有惰性气体，并且在另一个实例中，内部容积326可以是氧化或还原环境。内部容积326的组成和性质可通过经由端口324引入或排出材料来控制。
在一个实施方案中，元件310首先通过旋转辊306和308而前进预定的量。样品流可通过入口连接件316引入到样品腔312中，并且可通过出口连接件318离开腔312。在一个实施方案中，样品流可以是通过连接到连接件316或318的泵、鼓风机或类似装置产生的连续或间歇的流动。在另一个实施方案中，样品流可以由压力梯度驱动，诸如通过将316或318连接到高压或低压储存器。
样品流的一部分或全部可以被收集、捕获、沉积、吸附，或者可以其他方式与元件310的全部或部分相互作用。样品腔312的一个目的是促进样品流的一些或全部与元件310的相互作用。在样品收集周期期间或之后，可以控制样品腔312内部或腔312外部的条件，诸如通过改变温度、湿度或环境组成以优先预调节元件310。在一个实例中，预调节元件310，诸如通过将元件310维持在指定的温度或湿度水平下，减少了射频测量上的这种误差源。可通过惯性沉积(通过加速流动并从流体流动中分离颗粒物质)或通过静电效应(如在静电除尘器中)或磁效应(如在高梯度磁分离中)来增强样品中固体物质在过滤元件310上的沉积。
在预定的采样时间之后，元件310可以前进到测量腔320中。元件310可以连续地或在延迟周期之后前进。元件310可以前进以将任何收集到的样品或样品与元件310相互作用的结果传送到测量腔320中。一旦在测量腔320内，元件310就可以由射频装置询问。一个或多个探针304可用于在足以产生一种或多于一种腔谐振模式的频率范围内将射频信号发送到测量腔320中。在另一实施方案中，信号可不处于谐振下，并且可处于一个特定频率或多个频率下。一个或多个探针304可接收所发送的信号。接收探针304可以与发射探针304或单独的探针(未示出)相同。
控制单元302可产生并发送射频信号，并且还可检测接收到的信号。控制单元302可进一步处理射频信号，诸如通过应用校准算法或传递函数，以使信号参数的变化与感兴趣的状态变量相关。控制单元302可进一步通过控制速度或起动和停止辊306和308来确定何时使元件310前进。控制单元302还可以调节样品条件，诸如测量腔320内的温度、湿度或环境。在另一个实施方案中，控制单元302可以操作连接到端口324的阀或泵(未示出)，以将材料引入内部容积326或从内部容积326排出材料。
在另一个实施方案中，腔320的射频测量，诸如对具有或不具有样品温度变化的一个或多个谐振曲线或离散频率范围或特定频率进行采样，可以由控制单元302进行以确定所收集、吸附或以某种其他方式沉积或捕获在元件310上的材料的量、类型或分布。在另一个实施方案中，控制单元302可以测量元件310本身的性质的变化，诸如由于与样品流中的样品的相互作用。在一个实例中，相互作用可包括颗粒或液体在元件310上的沉积，并且由控制单元302进行的测量可用于确定收集在元件310上的颗粒或液体的量。在一个实施方案中，图3所描绘的测量系统是烟灰或黑碳测量系统。在另一个实施方案中，图3所描绘的测量系统是气体或液体传感器。
在一个实施方案中，在采样腔312中进行采样过程，而在测量腔320中进行射频测量，以便将采样和测量环境分离并且提供受控的环境以在腔320中执行射频测量。在这个实施方案中，可以或可以不使用附加装置(未示出)来进一步调节元件310，诸如通过温度控制、对腔312或腔320进行加热或通过接触或非接触装置直接对元件310进行加热。调节元件310的其他装置也是可能的。在两个或更多个腔312或320中的采样和测量过程的分离使得能够独立于射频测量进行采样和样品调节。在一个实施方案中，采样条件可发生很大变化，而随后的射频腔测量可以在更受控的条件下进行，从而减少测量中的否则将由改变的采样条件引起的任何误差。
在另一个实施方案中，可存在附加的腔或区(图3中未示出)，以使得能够对进入或离开样品腔312的样品进行附加的调节或处理。在又一个实施方案中，在腔312与腔320之间可存在附加的腔或区，以进一步调节样品，诸如在一个实例中通过附加的加热器或鼓风机。在又一个实施方案中，采样腔312和测量腔320的功能可以组合到单个腔中。图3所描绘的测量系统因此允许对元件310和腔320内的测量环境的仔细控制和调节，以通过减少或消除否则将负面地影响测量的变量的影响来增强射频测量精度。通过在测量期间改变样品的温度或改变RF信号的频率以包括低频和高频范围，可以获得关于沉积在样品上的材料的负载和组成的附加信息。
可以在外部向流动添加已知量的物质，以协助表征系统的性能和/或帮助进行校准。
图4描绘射频腔或波导测量系统的另一个实施方案，其中腔402是流通设计，诸如管道、导管、管、管子或类似的通道。一种或多种材料406或404，诸如任何类型的固体、液体或气相材料，可以流过腔402的内部容积或驻留在腔402的内部容积内。一个或多个射频探针414可以连接到腔402的壁，并且可以或可以不延伸穿过腔402的壁。探针414可以是棒状天线或环形天线、波导或用于发送或接收射频信号的任何其他合适的装置，包括介质波导、发射器和谐振器。
在一个实施方案中，探针414可以是由外导体408、内电介质412和内导体410组成的棒状天线，但其他类型的天线和其他设计也是可能的。网孔、筛网或其他穿孔的导电元件(未示出)可以或可以不用于将射频信号容纳或隔离在腔402的特定区域内。控制单元(未示出)可用于控制来自探针414的射频信号的传输或检测。射频信号可跨越频率范围，诸如以便产生一种或多于一种腔谐振模式。在另一个实施方案中，信号可以不处于谐振下。虽然图4示出了两个探针414，但一个探针或多于一个探针可用于进行传输、反射、或传输和反射测量。
可以监测射频信号的变化，包括谐振模式的绝对振幅、相对振幅、相位、谐振频率或谐振曲线的易于区分的特征(诸如质量因数Q、谷值、边带或简并模式)(或其导数)的变化，以检测与包含在腔402内或穿过腔402或沉积在腔402的内表面上的一种或多种材料406或404(诸如416)有关的量、类型、分布或其他状态变量。在一个实施方案中，感兴趣的状态变量是气体或液体流406中的颗粒404的量或液体流中的气体(气泡)的分数。
在另一个实施方案中，感兴趣的状态变量是可能存在的一种或多种材料(诸如液体、固体或气体的共混物)的量或相对比例。在另一个实例中，可以测量油中的水的量，或汽油中的乙醇或柴油中的生物柴油的相对比例。在另一个实例中，可以确定不均匀介质的流速。在又一个实例中，可以确定介质的温度。在又一个实例中，感兴趣的状态变量可以是积聚在腔402的壁上的一种或多种材料406或404的量，示出为材料416的积累。也可以这种方式测量夹带在液体中的气体(即气泡)的量。在又一个实例中，还可以检测积聚在管道、管子或导管402内的材料416的量，诸如在管道中的淤泥积累或沿着管子的烟灰沉积。在颗粒材料416积聚的情况下，可通过气旋作用(即由于惯性力)或电磁装置(即静电或静磁沉淀)或热泳装置(即温度梯度)来增加沉积速率。在静电沉淀的情况下，颗粒需要进行充电，自然地充电(如在发动机排气中)或通过将电荷引入到流动中来充电。在磁性沉淀的情况下，颗粒需要具有磁性(抗磁性、顺磁性或铁磁性)。
在一个实施方案中，流动被引导穿过腔402，所述腔402可包含任何类型的固体、液体或气相材料。一个或多于一个探针414可用于在腔402内建立一种或多种谐振模式。所监测的谐振特性或其某个导数的变化可与感兴趣的状态变量有关，所述状态变量诸如流动中包含的特定组分的量或流动的特性(诸如流量、温度或其他相关参数)。在又一个实施方案中，可以不在腔402内建立谐振，并且可以监测在非谐振条件下的射频信号的变化。
如上所述，也可以监测非流动系统，例如像分批化学反应器。图3中的样品测量可以分批模式进行。
在另一个实施方案中，腔或波导402可以是具有各种分支、互连件、过渡部或弯曲部的长区段或区段网络(在一个实例中，诸如管道或管子的网络)。一个或多个探针414可安装在沿着波导或腔402的各个位置处，并且用于通过腔402发送射频信号，以便检测波导或腔402的壁或表面的故障或缺陷，诸如在管道或排气系统检查中。在一个实例中，可使用频域反射测量或时域反射测量来确定可能故障的数量和位置。监测作为时间的函数的射频信号响应的变化提供了关于腔或波导402随时间的降级或变化的信息。
图5描绘图4所示的流通腔测量系统的变化形式，其中测量探针远离样品流定位。可为导管、管道、管子、管或类似结构的非导电导管502可以包含类似于参考图4所述的材料406或404的流动或静止的样品材料506或508，诸如任何固体、液体或气体。导电腔510可围绕非导电导管502的一部分或全部定位。导电腔510用作射频测量腔，并且可包含一个或多于一个射频探针512，诸如天线或波导。在图5中，非导电导管502的内部和周围的导电腔510被示出为环形构型，然而可以使用任何几何形状和构型。在一个实施方案中，非导电导管502不需要位于导电腔510的中心，但在另一个实施方案中可以位于导电腔510的中心。导电腔510可包含可以或可以不完全或部分填充的内部容积514。在一个实施方案中，内部容积514可以完全或部分填充有电介质以装载腔。
非导电导管502的目的可以是将样品材料容纳在导电腔510的特定区域内。在一个实例中，非导电导管502可以是软管或管道，诸如橡胶或塑料软管或管道、或玻璃或陶瓷管。在另一个实施方案中，非导电导管502可用于将样品材料506或508引导到导电腔510内的高电场区域中，以便提高测量灵敏度。在另一个实施方案中，非导电导管502可用于将样品材料506或508引导到导电腔510内的低电场区域中，以便降低测量灵敏度。在又一个实施方案中，非导电导管502在导电腔510内和相对于探针512的位置可以是可变的，以使得能够通过将非导电导管502从一个高电场区域移动到低电场区域或反之亦然来改变非导电导管502相对于导电腔510内的电场的位置以调整灵敏度。
图5所描绘的测量系统将导电腔510与样品材料508或506分离，并且使得能够进行射频测量，包括样品材料508或506的腔谐振测量。这种分离可以是优选的，以避免导电腔510或探针512直接暴露于样品材料506或508，或避免引入可能泄漏样品材料506或508或以其他方式为样品材料506或508从导电腔510逃逸提供通路的附加连接件、配件或密封件。在一个实例中，非导电导管502可以是燃料管线或软管、或石油管线。非导电导管502提供电驱动天线与燃料之间的安全分离，从而防止电信号用作燃料的点火器的情况。
在导电腔510内进行的测量可以或可以不包括一种或多于一种谐振模式。在一个实施方案中，导电腔510可以是设计成在诸如管道的非导电导管502上滑行或滑动的环形腔，或者在另一实例中可以是蛤壳式设计，并且可以安装在固定位置或可变位置中。可以使用射频谐振测量或在除谐振之外的频率下的测量来确定一个或多个参数，以描述非导电导管502内的样品材料508或506的状态，或监测在非导电导管502的内表面或外表面上的材料积累，或检测非导电导管502的结构的变化(诸如可通过开裂，疲劳、腐蚀或一些其他方式引起)。在一个实施方案中，导电腔510的位置可以诸如通过滑动或旋转来移动，以监测非导电导管502的不同位置或区段。在另一个实施方案中，可以控制内部容积514内的条件，诸如在一个实例中通过温度控制。
图6示出腔或波导测量系统的另一个实施方案，其中导管602用作腔或波导并且可包含样品材料606或604，所述样品材料606或604可由一种或多种成分组成。一个或多个探针614或616可安装在导管602中，以便发送或接收射频信号。
具体地，示出了探针设计614；探针614包括导电外套管612、内导体608和完全或部分地包围或围绕内导体608的介电材料610。在一个实施方案中，介电材料610延伸超过内导体608的端部，从而使得内导体608被完全包围。包含在导管602内的材料可沉积在介电质材料610上，示出为沉积的材料618。因此，样品材料606或604的量、类型或其他属性可通过其在介电材料610上的积累或积聚来检测。在一个实施方案中，介电材料610可以是陶瓷或塑料材料。在另一个实施方案中，介电材料610的形状可以是适当地设计成以优先方式与样品材料606或604相互作用的任何形状，例如像通过具有大的表面积。
可以使用仅一个探针614，添加或不添加探针616或附加探针(未示出)。可优先确定介电材料610的外表面与内导体608的间距，使得沉积的材料618在高电场强度的区域中沉积、积聚或与介电材料610相互作用，以提高加测量灵敏度，或在低电场强度强度的区域中沉积、积聚或与介电材料610相互作用，以降低测量灵敏度。测量可以在谐振或在任何合适的频率或一个或多个频率范围下、在一个温度或多个温度下进行。合适的频率可以被定义为使对特定样品材料606或604的测量灵敏度和/或选择性最大化的频率或频率范围。在一个实例中，沉积的材料618可以是烟灰或颗粒，并且导管602可以是排气管道。在另一实施方案中，可以诸如通过加热、手动地或一些其他物理或化学过程周期性或连续地清洁或修复介电材料610以去除沉积的材料618。可通过使用已知量的材料(固体、液体或气体)的人工引入来监测和/或校准装置的性能。
在另一个实施方案中，介电材料610可以被设计成以任何数量的方式与样品材料606或604相互作用。在一个实例中，相互作用可以是化学的，由此可通过添加一种或多种催化剂或附加材料来浸渍、涂覆介电材料610或使其官能化。介电材料610的官能化可用于优先与包括样品材料604或606的一种或多于一种成分相互作用。在一个实例中，在一个实例中，可使用沸石来捕获或储存特定的气相物种(在一个实例中，诸如氨)来使介电材料610官能化。可替代地，可以使用其他材料，诸如氧化锡和其他金属氧化物半导体。在这些情况中的一些情况下，材料的电阻率在气体暴露之后改变。通过使用RF感测，可以使用断开连接的颗粒(每个断开连接的颗粒是单晶，难以生长成相当大的尺寸)，从而消除了对大的单晶颗粒或连续涂层(诸如在低频/DC测量中使用的那些)的需要。选择性和灵敏度可通过导致电导率变化的表面吸收/解吸来增强。也可使用用于提高选择性和灵敏度的多层或官能化结构。
在这个实例中，探针614可以是气体传感器。在另一个实例中，介电材料610可以是设计成吸收水或某种其他液体或蒸汽的多孔陶瓷。一种或多种样品材料与介电材料610的相互作用可用于改变其介电状态，所述介电状态可通过在谐振或任何其他合适频率下所测量的信号响应的变化来检测。以这种方式，先前描述并且被定义为参考图1的元件110、参考图2的元件208和参考图3的元件310的元件可以与图6所示的射频探针614整合在一起。以这种方式，介电材料610用作先前参考图1-图3定义为单独元件的元件，以使得两个元件是相同的。在另一个实例中，图6所示的射频探针614可与附加元件(诸如参考图1的元件110、参考图2的元件208和参考图3的元件310)结合使用，以使得所述元件是单独的元件。
图7描绘具有整合的腔的探针的另一个实施方案，所述整合的腔包括外导电套管702、外护套708，所述外导电套管702可与外护套708电接触，外护套708是穿孔的，具有狭缝或一个或多个开口、或网孔，所述网孔的设计适于允许材料穿过但具有用于将射频信号完全或部分地容纳在外护套708内的网孔或穿孔尺寸。探针还可包含内导体706，诸如棒状天线或环(诸如在棒状天线或环形天线中)，包括介质波导、发射器和谐振器。内电介质704可以或可以不使用，并且可以完全或部分地覆盖或围绕内导体706。在另一个实例中，内电介质704可填充由外护套708限定的整个容积。内电介质704可由陶瓷材料、纤维材料或任何其他合适的材料构成。内电介质704可以在探针内具有不同或变化的组成，以使得完全或部分地延伸到外护套708中的内电介质704可具有与驻留在外导电套管702内的材料不同的材料。在一个实施方案中，可以不使用内导体706，诸如在波导中。
图7所示的测量探针提供与探针组件整合的腔，并且不需要使用诸如导电导管的外部腔，而是可以安装在任何导管(未示出)中或在自由空间中使用。在一种或多种谐振模式或限制在由外护套708形成的腔中的任何合适的一个或多个频率下的射频信号可能受到穿过多孔外护套708或沉积在外护套708本身上的材料的影响。
图7所示的系统的特别优点是探针可以用于任何操作环境中，因为在由外护套708限定的区域内的测量不受外部导电元件的存在的影响。具体地，使用现有导管或腔的腔或波导测量受导管或腔的几何形状和尺寸的影响，从而使得设计成例如与24英寸直径的管道一起操作的系统可能需要在与2英寸直径的管道不同的频率下重新校准或操作。将外护套708固定到外导电套管702直接消除了当图7所示的探针组件安装在不同的外部腔或导管(未示出)中时的任何变化。
在这个实施方案中，使用介质波导或谐振器是非常有吸引力的。用于本申请的介质波导或谐振器的一个有吸引力的特征是不需要护套，因为辐射在波导外部消散。然而，在波导的表面上存在可用于探测表面上的材料的电场。
在图8中示出特定的腔组件802，所述腔组件802在一个实施方案中可以是过滤器或催化剂系统或其某种组合。在一个实例中，腔组件802是柴油或汽油微粒过滤器或催化剂组件，诸如三元催化剂、选择性催化还原系统、稀NOx捕集器、氨逃逸催化剂、碳氢化合物捕集器或任何其他类型的催化剂。在另一个实施方案中，腔组件802可以是任何类型的腔。腔组件802可包括入口区段804、第一模块806、第二模块808和出口区段810。入口导管814可连接到入口区段804，并且出口导管816可连接到出口区段810。入口导管814或出口导管816可以或可以不延伸到入口区段804或出口区段810中。入口区段804和出口区段810以及模块806和808可通过互连件812(诸如凸缘、夹具或类似装置)连接，如图8所示。元件818和820可分别包含在模块806和808中。
虽然示出了两个元件和模块，但是其中具有仅一个元件和模块或多于一个元件和模块、或多个元件包含在单个模块内的多种构型是可能的。在一个实施方案中，元件818和820是催化剂、过滤器、薄膜或其某种组合。
在一个实例中，元件818可以是氧化催化剂或三元催化剂，并且元件820可以是汽油或柴油颗粒过滤器。在另一个实施方案中，元件820可以是氨逃逸催化剂，并且元件818可以是SCR催化剂。
附加元件822，诸如挡板、通道、混合板或管等，也可包含在一个或多个区段或模块内。导管816或814可以或可以不延伸到出口区段810或入口区段804中。这些元件可以或可以不是导电的。在一个实例中，附加元件822是挡板或流量分配板。
附加的结构、探针、传感器或其他元件824、826、828、830、832或834也可延伸到模块806或808的内部或入口区段804或出口区段810中。在一个实施方案中，附加结构824、826、828可以是温度传感器，并且附加结构828或832可以是氧传感器、NOx传感器、烟灰传感器、氨传感器等。探针834可以是射频测量探针，诸如棒状天线、环形天线或波导，包括介质波导、发射器和谐振器。探针834还可以被配置来发送和接收足以在腔组件802内或在任何一个或多个频率范围内产生一种或多于一种谐振模式的射频信号。可以使用一个或多于一个探针834。探针834可以监测发生在元件818或820上或由腔组件802限定的容积或腔组件802内的区域内发生的过程。
在另一个实施方案中，探针834可以是多功能传感器，在一个实例中诸如组合的射频探针和温度传感器。
上述内导电元件(诸如探针、挡板、导管等)的存在可影响腔组件802的电场分布。内导电元件可以被设计和定位成使对电场的干扰最小化(诸如在局部电场最小值处的安装)或在另一实施方案中，优选影响电场分布。对腔的几何形状或内部结构的修改(诸如翅片、挡板和导电元件的添加)也可用于优先影响电场分布并且增加腔组件802的特定区域中的测量灵敏度。
腔组件802的射频响应受模块806和808、入口区段804和出口区段810以及内导电元件、探针、传感器822、824、826、828、830、832等以及互连件812的几何形状的影响。元件818和820的类型以及它们分别在模块806和808内的位置也可影响射频测量。此外，探针834的几何形状、位置和安装以及射频控制单元(包括附接的电缆(未示出))的操作也可影响测量。为了减少这些变化性源，可通过以下方式中的一种或两种将在任何时间点测量的射频信号归一化到已知的参考状态：
归一化完全信号：(i)在期望的频率范围内发射和检测射频信号以产生一种或多于一种谐振模式，或在任何频率范围内，而不管是否建立谐振。(ii)将每个随后采样的频率范围除以在针对所测量的振幅或相位的每个相同离散频率点处针对参考状态采样的信号，或从所述信号中减去每个随后采样的频率范围。
归一化信号参数：(i)在期望的频率范围内发射和检测射频信号以产生一种或多于一种谐振模式，或在任何频率范围内，而不管是否建立谐振。(ii)从针对参考情况采样的射频振幅或相位信号计算一个或多个特性参数，包括但不限于：在给定功率电平、相移、谐振频移或其任何导数参数下谐振的面积、局部或绝对最大值或最小值、平均值、品质因数、峰值宽度。(iii)针对随后采样的信号计算与(ii)中相同的参数，并且将这个值除以针对参考条件的值或从针对参考条件的值中减去这个值。
在以上列出的情况下，参考信号或值可以是预定的参考信号或值，诸如当系统是新的或干净的或处于某种参考状态(在一个实例中，在制造商处的安装)时，并且作为存储在控制单元或专家系统中的值存在。
在另一个实例中，以上所发射和检测的信号可以是指由发射器的强度校正的信号，其可产生不稳定的信号振幅。在这种情况下，可通过对所产生的RF信号进行采样(诸如通过旁路路径绕过RF腔或波导)来连续地或周期性地校正所发射和检测的信号。
以这种方式，归一化将考虑任何部分到部分的变化性并且减小包含几何形状或内部元件的变化的腔的测量误差。这种归一化方案显著地减少了部分到部分的变化性、几何公差、各种部件的不对准、信号漂移等问题。
当进行腔测量时，存在多种改善信噪比的方法。下文描述它们的实施方案。
通过使用天线的近场来优先监测腔中的局部区域是可能的。谐振模式具有用于场峰值和场零值的复杂结构。然而，在发射结构附近，场可以是显著较高的，所述发射结构可以是天线、环路或介电波导。在非辐射波导的情况下，介电波导的使用是有吸引力的，因为可以使用比可由腔或波导(不使用筛网或网孔)支持的那些频率高得多的频率。在没有筛网或网孔的情况下，辐射将通过后处理部件的入口或出口泄漏出去。
信号处理可用于改善信噪比。围绕每个谐振，可以将曲线拟合到微波响应(振幅或相位)。曲线拟合允许例如提取质量因数信息，即使信号的峰值和谷值之间的差小于Q的常规测量所需的3dB。可以使用许多拟合，并且可以在不同模式下使用信号对频率的不同功能依赖性。当信号表现良好时，在A/((ω-ω0)2+D2)的分析形式上拟合，其中w是频率，并且其他参数通过曲线拟合来计算。然而，可以使用其他功能形式。
可用于改善信噪比的另一种信号处理方法是执行信号(S11、S21、S22或S12)的平均。存在计算这些元素(振幅和相位)并产生模拟或数字输出的模块。代替使单个测量离散化，通过在离散化之前进行信号的短平均，可以减少噪声。可通过快速模数转换模块进行平均，所述模数转换模块随后执行数字平均，或者其可以进行模拟，其中积分值被离散化并储存。可通过使用简单的积分器来执行模拟平均。在从频率到频率的跳变之后发生的瞬变逐渐消失之后进行积分是重要的。与采用单个离散测量相比，所述过程减少了降低信噪比所需的时间，并且在频率上进行若干扫描的平均。
改善信噪比的另一种方法是针对特定模式将接收天线定位在场零值处。信号在基线条件下将为0或非常低的(比如，在一个实例中，当TWC上未储存氧时)。氧含量的变化使频率移动，并且空间场分布调整，从而允许信号的大变化(因为所述场在接收器的位置处不再为零值)。发射和接收结构可以是偶极、环路或其他天线或波导，包括介质波导。
可用于改善信噪比和/或提供校准的另一种方法是对微波的响应进行抖动。氧含量可以这样的方式变化，以确保例如完全储存或不储存氧。同样的操作可以用尿素(氨)给料或任何其他正被监测的化合物来完成。另外，添加外来材料(系统中不存在)以协助微波传感器的校准和表征。
改善灵敏度和可检测性限度的另一种方法是使用发射信号的FM调制。使用调制，信号在频率范围内改变，并且可通过使用常规的信号处理技术(包括锁定检测)来检测信号。
图9示出另一个测量系统，其中由外导电套管904组成的探针包含内导体908和内电介质906。外导电套管904可与导电表面902(诸如腔或波导的壁)电接触。在导电表面902的内表面上的导电材料910沉积形成内导体908与导电表面902之间的导电路径，从而有效地使图9所描绘的探针短路。这容易允许检测材料910。
图10呈现包括跨越1GHz频率范围的射频谐振曲线的若干谐振腔模式的图。在一个实施方案中，可通过仅对谐振曲线的感兴趣的那些区域进行采样来大大减少测量时间。与对完全谐振曲线进行采样相对，例如仅对区域A、B、C和D进行采样(实质上是在模式之间进行跳跃)，使得能够显著减少测量响应时间。在一个实例中，图10中所描绘的完全谐振曲线可以在覆盖1000个频率点的1000ms中进行采样，而区域A、B、C和D可以在100ms中进行采样，其中每个区域覆盖100个频率点。
图11A-B呈现用于与圆盘型元件(在一个实例中，诸如纸过滤器)一起使用的测量腔内的三种谐振模式的电场分布。在图11A中，导电网孔在过滤器平面中紧接在过滤器后方放置。在图11B中，放置非导电网格以将过滤器支撑在过滤器平面中。此图描绘电场分布中的径向和轴向变化。理想地，纸过滤器位于高电场区域中，并且导电的过滤器支撑件应当增强纸过滤器区域中的电场。
图12呈现安装在金属壳体中的陶瓷蜂窝元件的三种谐振模式的附加电场分布。此图示出电场的空间分布。测量灵敏度在高场强度的区域(红色和黄色)中最高，在低场强度的区域(蓝色)中最低。
图13A-B示出在两种谐振模式下在Teflon过滤器上收集的两种不同材料的效果。黑碳显示信号中显著的衰减，而测试灰尘不影响信号幅度。测量说明对其他材料的混合物中的单一组分的检测。
图14-21示出腔谐振测量的应用，以监测材料共混物(诸如腔和流通导管中的液体)的量和组成的变化。
图22示出腔谐振测量的应用，以确定纺织品(例如干燥器中的衣物)的水分含量，其中干燥器的滚筒用作腔。
图23示出与谐振曲线的幅度测量相对，在监视测有损耗的材料时优先使用相移来扩展测量范围。图23中的结果对应于过滤器上的烟灰积聚。
图24进一步示出针对若干谐振监测相对于振幅的相移的一个特殊优点。振幅曲线(i)示出在第一条件(A)和第二条件(B)下的RF信号。在条件(B)下，由于高RF损耗，信号衰减是显著的，并且谐振(峰值)难以区分。在振幅的情况下，信号在条件(B)下有效地饱和。
另一方面，图24中的相位(ii)的测量值显示条件(B)相对于条件(A)的不同的相移。因此，监测相位提供高达360度的相移，从而显著地扩展了RF测量范围，否则所述范围将由于条件(B)的振幅信号中的灵敏度的饱和或损失而受到限制。相位测量在某些应用中是特别有利的，诸如在一个实例中监测微粒过滤器中的烟灰负载。
相位测量可包括在特定相位角(诸如零交叉或任何其他相位角)处的绝对或相对相移、给定频率或频率范围处的平均相位、相位曲线下的面积或从相位测量值中直接或间接导出的任何其他参数。相位测量可以或可以不被归一化到参考条件，并且可以或可以不被校正以考虑外部变量(在一个实例中，诸如温度或水分含量)对信号的影响。
在一个示例性实施方案中，可以使用振幅测量和相位测量。在另一个实例中，绝对振幅测量或相对振幅测量可用于低损耗测量值(例如，对应于过滤器的轻微烟灰负载)，并且相位测量可用于高损耗测量值(例如，用于过滤器的高烟灰负载)。可以使用振幅信息来校正相位信号，或者可以使用相位信息来校正振幅信号。
可通过适当地选择射频源与检测器之间的电磁长度(即，波长数)来选择图24所示的相位回转速率(当频率改变时的相位变化)。
在相对于图24的一个实例中，所监测的射频参数可根据绝对或相对振幅或相位测量值或其某个导数诸如最大值或最小值、平均值、频移、在给定功率电平下的峰值或谐振宽度、品质因数Q或相关参数来确定。所述参数可以在固定频率下、或在连续或不连续频率范围内确定。频率可以或可以不包括谐振条件。
可以在特定时间t处计算一个或多个所测量的射频参数P的变化速率(Δ/t)，如下：
(Δ/t)＝(Pt-1－Pt)/((t－1)－t) 方程式1
其中符号(t-1)表示在前一个时间处的参数P的测量值，并且下标(t)表示当前测量时间。以这种方式，可以在给定的时间间隔内确定所监测的射频参数的变化。
图25提供了另一个实例，其示出了选择性催化还原系统对相对于来自催化前和催化后传感器的测量值的尿素喷射事件(氨吸附)的射频响应。此图表清楚地示出随着尿素给料和催化剂上的氨储存的增加(包括在高给料速率下氨泄漏的影响)，RF响应增加。结果提供了用于通过微波装置监测吸附在催化剂上的气体物种的另一个实例。
本文所述的射频测量可用作感测、诊断或控制系统的一部分以检测故障，诸如在一个实例中用于车载诊断。在另一个实例中，射频或腔波导测量可用于通过启动或终止动作来控制系统。
所意图的是，本公开中提供的实例和描述是射频腔，并且所公开的波导状态变量测量系统和方法同样适用于在宽范围的应用中使用的所有类型的柴油腔和波导。
Claims (15)
1.一种射频测量系统，其包括：
样品调节系统，所述样品调节系统被设计成控制样品的条件；
腔，所述腔与所述样品调节系统连通；
至少一个射频探针，所述至少一个射频探针被配置来通过包含所述样品的所述腔发送和接收射频信号；以及
控制单元，所述控制单元被配置来基于在所述受控条件下所接收的射频信号确定所述样品的至少一个特性。
2.如权利要求1所述的射频测量系统，其中所述样品调节系统调整所述样品的温度。
3.如权利要求1所述的射频测量系统，其中所述样品调节系统调整所述样品中的水分的量。
4.如权利要求1所述的射频测量系统，其还包括：第一传感器，所述第一传感器设置在所述样品调节系统的上游；以及第二传感器，所述第二传感器设置在所述样品调节系统的下游，其中所述控制单元使用闭环控制来控制所述样品的所述条件。
5.一种射频测量系统，其包括：
样品腔，所述样品腔具有用于引入样品的端口；
测量腔；
可移动过滤元件，所述可移动过滤元件在所述样品腔与所述测量腔之间通过；
至少一个射频探针，所述至少一个射频探针被配置来通过所述测量腔发送和接收射频信号；以及
控制单元，所述控制单元被配置来基于所接收的射频信号确定所述样品的至少一个特性。
6.如权利要求5所述的射频测量系统，其中所述可移动过滤元件是设置在第一辊和第二辊上的条状过滤器，其中所述过滤元件通过旋转所述第一辊和所述第二辊从所述样品腔前进到所述测量腔。
7.一种射频探针，其包括：
内导体；
外导电套管；
介电材料，所述介电材料设置在所述外导电套管与所述内导体之间；以及
穿孔的外护套，所述穿孔的外护套与所述外导电套管电连通，从而形成封闭的容积，其中从所述内导体发送的射频信号包含在所述封闭容积内。
8.如权利要求7所述的射频探针，其中所述穿孔的外护套是导电的。
9.一种射频探针，其包括：
内导体；
外导电套管；
介电材料，所述介电材料设置在所述外导电套管与所述内导体之间，并且延伸超过所述内导体和所述外导电套管，以形成暴露的部分，其中材料积聚在所述暴露部分上。
10.一种射频测量系统，其包括：
非导电导管，样品穿过所述非导电导管；
导电腔，所述导电腔围绕所述非导电导管的至少一部分定位；
至少一个射频探针，所述至少一个射频探针被配置来通过所述导电腔发送和接收射频信号；以及
控制单元，所述控制单元被配置来基于所接收的射频信号确定所述样品的至少一个特性。
11.如权利要求10所述的射频测量系统，其中所述非导电导管和所述导电腔具有环形构型。
12.如权利要求10所述的射频测量系统，其中所述非导电导管在所述导电腔的特定区域内引导所述样品。
13.如权利要求12所述的射频测量系统，其中所述特定区域是低电场区域。
14.如权利要求12所述的射频测量系统，其中所述特定区域是高电场区域。
15.如权利要求10所述的射频测量系统，其中所述射频探针未暴露于所述样品。
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