CN1244256A - 用来确定气溶胶中除空气之外的介质浓度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用置于波导管(1)中的微波发送机(2)和微波接收机(3)确定气溶胶中不同于空气的介质的浓度,特别是空气/H2O2气溶胶中的H2O2浓度。该浓度是用简单的测量技术确定,其中气溶胶通过中间管(4)穿过波导管(1),在波导管(1)中传播的微波信号受到衰减,并通过介质的不同于空气的介电常数而受到相位偏移。考虑行进距离(波导管横截面中的管)测量微波信号的相位偏移,相位偏移与介质浓度成正比。相对于具有已知介电常数的气溶胶的相位偏移进行平衡,并从这样确定的介质浓度值计算出一平均值。

Description

用来确定气溶胶中除空气之外的介质浓度的方法和装置
本发明涉及一种通过用中空波导管中的微波来测量介质的介电常数而确定空气/介质气溶胶中除空气之外的介质浓度的方法、及一种实现这种方法的装置，特别是，用来确定空气/H2O2(过氧化氢)气溶胶中的H2O2浓度。
当在本专利申请中描述H2O2浓度的确定时，这不打算以任何方式限制本发明的范围，而是仅作为确定空气/介质气溶胶中介质的浓度的一种例子。
在用于层压包装中食品的无菌包装的包装设备中，包装在其刚要填充之前通过引入热空气/H2O2气溶胶来杀菌。这种气溶胶通过一种其中在气流中调节H2O2溶液(水中的H2O2)的浓度的计量系统来制备。为了在经济条件下实现最佳杀菌，重要的是测量气溶胶中的H2O2浓度。最后，由使用的空气量和H2O2浓度导出使用的H2O2总量。
尽管计量系统中的空气量借助于悬浮的固体颗粒来测量，并且然后能通过调节空气压力而保持恒定，但是必须计算H2O2浓度。这里有可能使用其中测量的量取决H2O2体积的诸测量方法，或者使用其中测量的量取决于气溶胶中H2O2小滴计数的诸测量方法。
基于体积的测量方法具有它们直接产生希望的测量结果而不用转换的优点。此外，提供了一种这样的测量方法：通过使用不管怎样存在的连接管能够进行测量，而不需要与测量仪器和介质直接接触，例如不与高腐蚀性的H2O2接触。为此目的要考虑不同于空气中的介电常数的测量。
德国专利No.4,431,001 A1公开了用中空波导管和微波收发机来测量介电常数的一种方法和一种装置。把中空波导管设计成一个在其中心区域中带有一个横向狭缝的空腔谐振器，以布置一个垂直于中空波导管纵向的试验页。通过空腔谐振器带有与不带有试样的谐振频率之差，能测量试样的介电常数。
本发明的目的在于设计和改进测量介电常数的已知方法和一种适于进行这种测量的装置，从而能没有什么测量技术方面的复杂性地使用它们，以便在流经中空波导管的气溶胶中测量除空气之外的介质的浓度。
根据这种方法该目的的特征在于这样的事实：气溶胶通过一根中间管和中空波导管相交；在中空波导管中传播的微波信号受到衰减，并且由于介质的介电常数不同于空气的介电常数而经受相位偏移；考虑有效路径距离(中空波导管横截面中的管)测量微波信号的相位偏移，相位偏移与介质的浓度成正比；把结果调节到具有已知介电常数的气溶胶的相位偏移，并且由对于介质如此确定的浓度值形成一个平均值。
就设备而论，该目的借助于一个传感器和一个分析单元实现，其中传感器由中空波导管、微波发送机和接收机形成，和一根中间管穿过中空波导管以便气溶胶流过，及分析单元带有至少一个用于电压平衡的前置放大器、和两个用来测量介质浓度的波动和介质平均浓度的低通滤波器。
关于根据本发明的方法，一个微波信号在其中有带有流动气溶胶的管的中空波导管中传播。该信号由从空气到小滴和返回的过渡散射，产生在波传播方向的衰减。另一方面，由于具有另一种介电常数的小滴的存在，在过渡时间内有在恒定工作频率下从外部能作为相位偏移测量的偏移。
由于已经发现，相位测量和吸收测量定性地按照相同的模式，所以有可能使用具有较高信号产生率的测量、相位偏移或相位偏移和吸收测量的结合。这导致在测量技术方面的复杂性降低，因为相位和幅值不需要相互分开测量，并因此不需要分析在工作频率范围内的信号曲线。由于相位和幅值曲线的相同，相对测量就足够了，并且在混合幅值测量和相位测量中没有害处。
就前言中引用的先有技术的状态而论，有可能把微波发送机布置在中空波导管的一端，而把接收机布置在另一端。然而，本发明的特别讲述在于微波发送机和接收都布置在中空波导管的一端，而中空波导管的另一端通过电气导通的短路密封。这种短路是一个充满中空波导管的整个中空横截面、且反映测量距离的电气导通元件，从而驻波形成在中空波导管中，并且由气溶胶改变。中空波导管最好具有矩形横截面，并且管最好穿过中空波导管的纵向。在本发明的另一个实施例中，管布置在形成在空波导管中驻波的电场最大处。
为了标准化在穿过中空波导管的管中气溶胶的流动条件，本发明的另一个实施例保证管在其刚进入中空波导管之前具有180°的弯曲，并且保证它最好在一根弯曲的管中延伸。以这种方式能标准化在管横截面上的装置灵敏度。
根据本发明，通过使用一个常规运动传感器作为微波收发机，实现一种在测量技术方面特别简单的设计。这种运动传感器包括一个微波源和一个其输出信号已经在基带中的混频器二极管。此外，已经带有一个用来连接到中空波导管上的法兰的这种运动传感器现在可从市场买到。
一个示波器能用来显示气溶胶浓度的波动和平均浓度，而一个万用表能用来只显示平均值。
下面根据说明一个最佳实施例的附图，更详细地解释根据本发明的方法和相应装置的准确作用。
附图表示：
图1：以纵向剖面示意地表示根据本发明的装置的传感器，
图2：根据本发明的装置的分析单元的布线图和方块图，
图3：装有根据本发明的装置的计量系统的示意图，
图4至6：用根据本发明的装置进行测量的图，
图1以纵向剖面示意地表示根据本发明的装置的传感器，在该最佳实施例中表示一个中空波导管1具有矩形横截面，一个微波发送机2和一个微波接收机3布置在其一端。一根由塑料制的、用来传导通过中空波导管1的气溶胶的管4被设置成十字状穿过中空波导管1。中空波导管1的另一端由一个充满中空波导管1的整个内侧横截面的电气导通短路5填充。短路5如此布置，从而它可在中空波导管1的纵向移位，并且从中空波导管1以恒定增量抽出，以确定对应于增大要测量介质的浓度的最好工作点。已经发现增大检测器电压的范围近似是线性的。通过可移位短路5要建立的零点，应该最好在超过最大负检测器电压后短时间内定位。
为了实现气溶胶对相位偏移位移的最大影响，在形成在中空波导管1中的驻波电场的最大处，布置管4。
已经发现，在测量中传感器的输出电压表现出对管4的位置、和其在进入中空波导管1之前的弯曲的强烈依赖性。这种影响基于在管4的横截面上灵敏度不是常数的事实。而输出电压受气溶胶浓度在管4横截面上的分布的影响。在表示在这里并且最好到这种程度的根据本发明的装置的传感器的实施例中，通过管4的固定180°弯曲能消除在中空波导管1外面对管4的位置和弯曲的依赖性，管4在进入中空波导管1的点之前在一根弯曲管6中延伸。
图2其次表示根据本发明的装置的分析单元的方块图和布线图。参照图1较详细描述的传感器，仅示意地表示在方块图中，并且标有标号7。在微波接收机3的混频器二极管处拾取的电压依据设计而处于-1V与-2V之间。随介质浓度的增大，负电压变低。为了作为电压信号直接得到浓度，输出电压因此必须在零点值附近偏移。因此，分析单元在前置放大器8中带有一个电位计P1。
最后，方块图还表示分析单元带有两个低通滤波器9、10。在空气/H2O2气溶胶中H2O2浓度的最佳测量中，一个低通滤波器9的转角频率是500Hz，而另一个低通滤波器10的转角频率是0.1Hz。因而，在低通滤波器9的输出处能测量管中气溶胶浓度的电压，而在低通滤波器10的输出处能读出浓度的平均值Wm。低通滤波器9、10具有Butterworth特性，以保证对输出信号中微小超调的迅速稳定。
分析单元电压源的电子系统用电源SV工作。应该选择仅允许正输出电压的电源。输出信号相对于机壳接地最好为+1V，从而也能检测在零点中的负偏移。
如已经描述的那样，在最佳实施例中测量在计量系统中在空气/H2O2气溶胶中的H2O2浓度。这样一种计量系统表示为图3中的示意图。这里计量发生在一个活塞计量装置11中，活塞计量装置11借助于进口和返回管线(未表示)连接到用来供给H2O2的箱12上。由压缩机13提供的压缩空气在气流计14中测量，并且送到活塞计量装置11。在整个计量系统和在连接管线中产生湍流，因而形成空气/H2O2气溶胶。这种气溶胶首先通过一个加热器15，然后进入杀菌的空包装16。
图4表示输出电压相对于时间的测量图。上部电压曲线表示在500Hz低通滤波器9的输出处测量的瞬时值Wa的浓度波动，而下部电压曲线是在0.1Hz低通滤波器10的输出处测量的，表示测量电压的平均值Wm。这种测量用以每秒一个行程工作的活塞计量装置11来进行。在这个例子中，把测量装置的输出校准到在气溶胶中1V/mL水。在3.5m3[STP]/h的气流中，活塞计量装置11每行程输送0.5mL水。在整个时间上平均，这在每秒一个行程下产生30mL/min的水流量。
图5表示与图4相同的测量，但活塞计量装置11以每秒两个行程工作。结果，平均值Wa也与图4中测量的两倍一样大。
最后，图6表示根据本发明的装置的显示几乎独立于空气流量。就图6中确定的、在0.1Hz低通滤波器的输出处拾取的电压曲线而论，使用了10秒之后5m3[STP]/h的空气流量，并且每10秒减小0.5m3[STP]每小时。测量以1m3[STP]/h结束。
为了根据本发明的装置的补偿，首先对相对于机壳接地的最大负电压，必须用纵向可移位短路5调节在微波接收机3的混频器二极管处的电压，同时切断活塞计量装置11。
此外，随着断路活塞计量装置11，在低通滤波器10的输出处的电压必须用电位计P1设置在0V处。然后随着活塞计量装置运行，在相对于机壳接地设置在0.5V处的0.1Hz低通滤波器10的输出的测量点处，用前置放大器8的电位计P1进行测量。最后，随着再次切断活塞计量装置11，现在相对于+1V测量的、在低通滤波器10的输出处的电压，用前置放大器8的电位计P1从-1V调节到0V。因而，结束根据本发明的装置的调节，并且测量仪器准备使用。
参考标号表：
1中空波导管
2微波发送机
3微波接收机
4管
5短路
6弯曲管
7传感器
8前置放大器
9低通滤波器
10低通滤波器
11活塞计量装置
12箱
13压缩机
14气流计
15加热器
16包装
P1电位计
P2电位计
Wm平均值
Wa瞬时值
SV电源

Claims (14)

1.一种通过用中空波导管中的微波来测量介质的介电常数而确定空气/介质气溶胶中除空气之外的介质浓度的方法，其特征在于：气溶胶通过一根中间管和中空波导管相交；在中空波导管中传播的微波信号受到衰减，并且由于介质的介电常数不同于空气的介电常数而经受相位偏移；考虑有效路径距离(中空波导管横截面中的管)测量微波信号的相位偏移，相位偏移与介质的浓度成正比；用已知的介电常数对气溶胶的相位偏移进行调节，并且由如此确定的介质浓度值形成一个平均值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过在中空波导管中的短路处反射微波信号产生驻波。
3.一种用布置在一个中空波导管中的微波收发机来确定气溶胶中除空气之外的介质浓度，特别是空气/H2O2气溶胶中的H2O2浓度，的装置，其特征在于：一个传感器(7)和一个分析单元，传感器(7)由中空波导管(1)、微波发送机(2)和接收机(3)形成，和一根中间管(4)穿过中空波导管(1)以便气溶胶流过，及分析单元带有至少一个用于电压补偿的前置放大器(8)、和两个用来测量介质浓度波动和介质平均(Wm)浓度的低通滤波器(9，10)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于微波发送机(2)和接收机(3)布置在中空波导管(1)的一端，中空波导管(1)的另一端由一个电气导通短路(5)密封。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于短路(5)以纵向可移位方式布置在中空波导管(1)中。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于管(4)布置在中空波导管(1)中产生的驻波的电场的最大值处。
7.根据权利要求3至6之一所述的装置，其特征在于中空波导管(1)具有矩形横截面。
8.根据权利要求3至7之一所述的装置，其特征在于管(4)交叉穿过中空波导管(1)的纵向。
9.根据权利要求3至8之一所述的装置，其特征在于管(4)在其刚进入中空波导管(1)之前具有180°弯曲。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于管(4)穿过一根弯曲管(6)以实现弯曲。
11.根据权利要求4至10之一所述的装置，其特征在于一种常规可买到的传感器用作微波发送机(2)和接收机(3)。
12.根据权利要求3至11之一所述的装置，其特征在于一个示波器用来显示气溶胶的浓度波动(Wa)和平均气溶胶浓度(Wm)。
13.根据权利要求3至12之一所述的装置，其特征在于一个万用表用来显示平均(Wm)气溶胶浓度。
14.根据权利要求3至13之一所述的装置，其特征在于带有弯曲管(6)的传感器(7)，分析单元和电源布置在一个壳体中。
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