CN114166865A - 用于相变检测的探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于相变检测的探头。本发明公开一种用于检测容器中介质的变化的探头，该探头包括：过程连接件，该过程连接件用于将探头连接到容器，其中，该过程连接件是壳体的一部分，尤其是该壳体的一体部件；该壳体包括至少一个微波芯片，所述至少一个微波芯片用于生成微波，并且所述至少一个微波芯片连接到至少一个天线，其中，该天线在介质的方向上发射和接收这些微波；接口，该接口用于将探头连接到上级单元；以及数据处理单元，该数据处理单元被设计成经由该接口从上级单元接收数据，尤其是测量数据，并且该数据处理单元被设计成将数据发射到上级单元以激活微波芯片，并处理取决于所接收的微波的信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测容器中相变的探头。
背景技术
通常，出于成本原因，工业上期望对过程进行进一步优化。因此，具有各种过程介质的各种过程经常以时间顺序连续的方式用在同一系统中。主要是在食品工业中，但也在化学、石油和造纸工业中，因此目标是检测介质中的差异，并且激活相关联的过程步骤并使得不必要的产品损失最低。
因此，在食品工业中，有必要按规定的间隔清洁生产线。这些清洁过程导致清洁介质和产品之间出现转变相，必须快速且可靠地检测这些转变相。此外，产品与产品之间的变化也很常见，其中需要尽快识别反应产物的对应纯度或质量。目前，为此经常使用电导率传感器(例如，申请人的CLS54)或浊度传感器(例如，申请人的OUSAF12)。
光学传感器会由于窗口的污染和清洁液体的限制而出现问题。电导率传感器的使用经常被证明是不必要的并且过于昂贵。此外，这些电导率传感器不适用于有机溶剂。为了克服在检测某些介质差异(颜色、电导率)方面的限制，可以设想光学传感器和电导率传感器的组合。然而，这种方法被证明过于复杂且成本较高。这些传感器的另一个缺点是这些传感器突入到管横截面中。于是，这些传感器无法清管，并且产品可能会粘附到传感器表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测相变的非侵入式传感器。
该目的通过一种用于检测容器中介质变化的探头来实现，该探头包括：过程连接件，该过程连接件用于将探头连接到容器，其中，该过程连接件是壳体的一部分，尤其是壳体的一体部件；该壳体包括至少一个微波芯片，所述至少一个微波芯片用于生成微波，所述至少一个微波芯片连接到至少一个天线，其中，该天线在介质的方向上发射和接收微波；接口，该接口用于将探头连接到上级单元；以及数据处理单元，该数据处理单元被设计成经由接口从上级单元接收数据，尤其是测量数据，并且该数据处理单元被设计成将数据发射到上级单元以激活微波芯片，并处理取决于所接收的微波的信号。
一个实施例提供，这些微波的频率为100到10000MHz，尤其是500到3000MHz。
一个实施例提供，该天线被设计成在壳体中印刷电路板上的带状导体。
一个实施例提供，到壳体内部的过程连接件包括导电材料，并且壳体内部包括导电屏蔽件，并且与容器的部段尤其是导电部段形成谐振器空间，其中，由非导电材料制成的隔膜使得探头朝向介质闭合。
一个实施例提供，该壳体连同容器的部段尤其是导电部段以及过程连接件一起被设计成防止微波发射到容器外部。
一个实施例提供，屏蔽件被设计成在印刷电路板上的层。
一个实施例提供，过程连接件被设计成法兰、卡箍连接件、卫生联轴器或无菌螺纹接头、SMS螺纹接头、Varivent N或Neumo BioControl(新生物控制)。
一个实施例提供，该探头被设计成用于反射测量或透射测量，并且该天线被设计成接触传感器或自由束天线。
一个实施例提供，该探头包括在壳体中的至少一个温度传感器。
一个实施例提供，该数据处理单元被设计成从取决于所接收的微波的信号导出相边界和相变。
一个实施例提供，该壳体被设计成气密密封的。
一个实施例提供，该接口被设计成感应接口，并且该探头由此能够被连接到测量换能器。
这产生了一种简单的通用的微波探头，用于在各种实施例中作为谐振器或施加器变型来快速检测介质尤其是食物的相变。
附图说明
参照以下附图对此进行更详细地解释。
图1以横截面图示出了所要求保护的探头(谐振器设计)的实施例；
图2示出了所要求保护的探头(接触传感器)的实施例；
图3示出了所要求保护的探头(自由束)的实施例；
图4以概览视图示出了所要求保护的探头的实施例；以及
图5示出了测量结果。
在附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。
具体实施例
所要求保护的探头以其整体由附图标记1表示，并且在图1中示出。
提出了一种卫生设计的气密密封探头1，该气密密封探头1通过微波技术检测工业过程中不同液体介质的相界。“气密”在这方面应理解为意指流体诸如待测量介质、空气或灰尘无法从外部渗入。也不包括任何电气馈通件。
探头1在100到10000MHz的频率范围内操作，但优选地在500到3000MHz的范围内操作。该探头以至少一种频率操作。
在一个实施例中，并非仅仅使用一种测量频率，而是在若干固定频率之间发生切换，或者测量频率在限定的范围内连续改变。于是，由于不同的渗透深度或可用的可分析体积范围，除了检测相互交换的介质的相边界(参见下文)之外，还可以检测待测量的介质12的均质性。此外，这些不同的频率可以用于优化对不同介质的识别。
在一个实施例中，在短波范围内执行附加的测量，其中，除了介质12的介电特性之外，还检测该介质12的电导率。
通过将探头1与另一种测量方法(例如，另一个传感器)相组合，例如在其中一个电导率传感器在靠近探头表面进行测量的情况下，可以将两个不同的信号相关联，从而由此获得关于介质的均质性的附加信息。例如，由此可以监测在均质介质中的碎片分布，诸如酸奶中菠萝片的分布。通过改变微波的参数即频率或幅度，可以影响进入介质的渗透深度。
然而，在与介质接触的第一非侵入性实施例中，该探头1配备有过程连接件2，例如卡箍连接件。
因此，该探头包括过程连接件2，该过程连接件2用于将探头1连接到容器11，其中，该过程连接件2是壳体5的一部分，尤其是壳体5的一体部件。容器11例如是管、管段、烧杯等。壳体5包括用于生成微波的至少一个微波芯片13，所述至少一个微波芯片13连接到至少一个天线3，其中，天线3沿介质12的方向发射和接收微波。在天线3的另一端处，探头1包括接口14，该接口14用于将探头1连接到上级单元15，诸如测量换能器。探头1包括数据处理单元9诸如微控制器，该数据处理单元设计成经由接口14从上级单元15接收数据尤其是测量数据，并且该数据处理单元设计成将数据发射到上级单元15以激活微波芯片13，并处理取决于所接收微波的信号。数据处理单元9可以基于取决于所接收微波的信号导出相边界和相变。
该过程连接件2由导电的例如金属的材料制成，或者包括至少朝向壳体内部的导电层。该过程连接件将位于探头1中的例如在印刷电路板7上的屏蔽件8连接到金属导管，并且由此形成谐振器空间10。屏蔽件8也是导电层。该空间10由此由屏蔽件8、过程连接件2以及部分地由容器11形成。几何形状和材料与待测量的介质12或介质12、12'一起调适，以使得在空间10中引起谐振。
在介质侧上，探头1由非金属材料(例如，PEEK)制成的隔膜4界定。该隔膜4紧密地连接到过程适配件并且位于谐振器空间10内。在屏蔽件8和隔膜4之间的谐振器空间10中的壳体内部中，天线3例如作为带状导体例如安装在印刷电路板7上。在屏蔽件8和隔膜4之间的谐振器空间10的内部中，温度传感器6例如安装到印刷电路板7。天线3和温度传感器6例如经由印刷电路板7的电镀通孔与谐振器空间10外部的数据处理单元9(包括微波芯片13)电气地接触。
通过将不同于第一介质12的第二介质12'引入到管道中，且由此引入到谐振器中，谐振频率和谐振带宽由于改变介电特性而改变。与谐振曲线相关联的材料相关测量值可以是宽度、幅度、边缘斜率或频移。在一个实施例中，这种变化经由检测复反射参数S11来确定。为此，必须通过具有指向性的分量将传播到测量对象的波和返回波彼此分开。在一个实施例中，例如，确定反射参数的相位。这在图5中以任意单位的S11参数示出，这些参数是随时间绘制的。
代替或附加于对复反射因子S11的分析，还可以测量其它散射参数S21、S12和/或S22。代替或附加于对散射因子的相位的测量，还可以测量该散射因子的幅度。
探头1包括用于数据和能量传输的感应接口14。电缆16将探头1连接到测量换能器，即上级单元15。这在图4中示出。该数据以数字形式发射和接收。
代替感应接口和与测量换能器的数字电缆连接，探头1在一个实施例中是这样的紧凑装置，该紧凑装置包括集成操作面板、显示选项和模拟功率输出。
代替感应接口和与测量换能器的数字电缆连接，探头1在一个实施例中包括具有数字传输的固定电缆连接件。
代替仅仅一个天线3，可以提供多个天线，这些天线的形状(天线几何形状)不同，并且由此允许在不同平面中进行测量(用于近场测量的散射场施加器、用于远场测量的天线施加器)。
该探头1也可以不配备温度传感器。在一个实施例中，温度传感器6位于例如印刷电路板7的谐振器一侧上，参见图1，该温度传感器用于介质12的温度补偿。还可以设想到，例如在该印刷电路板的背离该过程的一侧上具有另外的温度传感器，该温度传感器附加地用于补偿环境温度。
代替设计为带状导体，天线3和温度传感器6还可以作为有线部件焊接到该印刷电路板的谐振器一侧上。
代替卡箍连接件，在容器11的各种直径中，还可以设想在工业中使用的任何其它过程连接件，诸如卫生联轴器螺纹接头、无菌螺纹接头、ISO 2852卡箍、SMS螺纹接头、Varivent N或Neumo BioControl等。尤其是，包括谐振器空间10的上述变型与管径无关。
在一个实施例中，该探头1使用法兰连接件固定地附连到管段中。在这个意义上，可以为不同的管径提供探头1。
在一个实施例中，过程连接件2是金属化的导电的塑料过程连接件。
在一个实施例中，隔膜4由非金属诸如塑料、陶瓷或玻璃制成。
代替图1所示的谐振器测量，还可以设想任何其它类型的微波测量系统。
图2示出了利用非金属管段11上作为接触传感器17或两个接触传感器17的天线3的实施例(利用对应的天线3、3')进行的反射测量(左)和透射测量(右)。发射波由附图标记18指代，接收波由附图标记19指代。
图3示出了在开放介质束12处利用自由天线3或两个自由天线3、3'进行的反射测量(顶部)和透射测量(底部)。这里的一种可能应用是填充过程。
在工业的某些分支中，所谓的清管器用于清洁管道。这种清洁清管器由塑料(具有大约2到5的介电常数)或金属/塑料制成，并且由此可以容易地检测到。这些清管器可以由探头1检测到。
为了优化探头1的能量需求，具有最大序列、多音或突发测量的不连续操作模式是可能的。
附图标记列表
1 探头
2 过程连接件
3 天线
3' 天线
4 隔膜
5 壳体
6 温度传感器
7 印刷电路板
8 屏蔽件
9 数据处理单元
10 谐振器空间
11 容器
12 介质
12' 介质
13 微波芯片
14 接口
15 上级单元
16 电缆
17 接触传感器
18 发射波
19 接收波
Claims (11)
1.一种用于检测容器(11)中介质(12)的变化的探头(1)，所述探头包括：
–过程连接件(2)，所述过程连接件用于将所述探头(1)连接到所述容器(11)，其中，所述过程连接件(2)是壳体(5)的一部分，尤其是所述壳体(5)的一体部件；
–所述壳体(5)包括
–至少一个微波芯片(13)，所述至少一个微波芯片用于生成微波，所述至少一个微波芯片连接到
–至少一个天线(3)，其中，所述天线(3)在所述介质(12)的方向上发射和接收所述微波；
–接口(14)，所述接口用于将所述探头(1)连接到上级单元(15)；以及
–数据处理单元(9)，所述数据处理单元被设计成经由所述接口(14)从所述上级单元(15)接收数据，尤其是测量数据，并且所述数据处理单元被设计成将数据发射到所述上级单元(15)以激活所述微波芯片(13)，并处理取决于所接收的微波的信号。
2.根据权利要求1所述的探头(1)，
其中，所述微波的频率为100到10000MHz，尤其是500到3000MHz。
3.根据权利要求1或2所述的探头(1)，
其中，所述天线(3)被设计成作为在所述壳体(5)中的印刷电路板(7)上的带状导体。
4.根据权利要求1到3中至少一项所述的探头(1)，
其中，到壳体内部的过程连接件(2)包括导电材料，并且所述壳体内部包括导电屏蔽件，
并且与所述容器(11)的部段，尤其是导电部段，形成谐振器空间(10)，
其中，由非导电材料制成的隔膜(4)使得所述探头(1)朝向所述介质(12)闭合。
5.根据权利要求4所述的探头(1)，
其中，所述屏蔽件(8)被设计成在印刷电路板(7)上的层。
6.根据前述两项权利要求中至少一项所述的探头(1)，
其中，所述过程连接件(2)被设计成法兰、卡箍连接件、卫生联轴器或无菌螺纹接头、SMS螺纹接头、Varivent N或Neumo BioControl。
7.根据权利要求1到3中至少一项所述的探头(1)，
其中，所述探头被设计成用于反射测量或透射测量，并且所述天线(3)被设计成接触传感器或自由束天线。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的探头(1)，
其中，所述探头(1)包括在所述壳体(5)中的至少一个温度传感器(6)。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的探头(1)，
其中，所述数据处理单元(9)被设计成从取决于所接收的微波的信号导出相边界和相变。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的探头(1)，
其中，所述壳体(5)被设计成气密地密封。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的探头(1)，
其中，所述接口(14)被设计成感应接口，并且所述探头(1)由此能够被连接到测量换能器。
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