CN1869669A - 测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测烟草加工业一种物流(3)存在至少一种异物或用于测定该物流的质量、密度或湿度的测量装置，它包括至少一个谐振器外壳(4.1～4.5)，该谐振器外壳具有物料量(3)的至少一个通过孔(10)，并在该谐振器外壳中可产生一个电磁场(23)，其特征为，该测量装置至少包括两个谐振器外壳(4.1～4.5)，它们分别具有一个测量范围，其中这些电磁场分别包括一个电场(23)，而且这些电场在相应的测量范围内在相互不同的空间取向。

Description

测量装置

本申请是申请号为02107199.3发明名称为“谐振装置，特别是微波谐振装置和测量装置”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别是涉及一种用于检测烟草加工业的一种物料量尤其是物料流存在至少一种异物和/或用于测定该物料量的质量、密度和/或湿度的微波测量装置以及一个测量系统，其中，这种测量装置至少包括一个谐振器外壳，该外壳具有该物料量的至少一个通过孔，并在该外壳中可产生一个电磁场。

背景技术

从同一申请人的专利文献DE 198 54 550 A1中已知一个相应的谐振装置或微波谐振器外壳。在该文献中，描述了一个用于通过烟草加工业烟条的谐振器外壳，在该谐振器外壳中输入微波，以便测定烟条中的烟丝的质量和/或湿度。用这种谐振外壳的目的在于，提高在测定烟草加工业烟条中的烟丝的质量和/或湿度时的测量精度和测量灵敏度。根据该文献DE 198 54 550 A1，这个目的是这样实现的，即该外壳至少部分用一种具有低膨胀系数的材料组成，这样在相应温度波动时，该外壳就可保持基本上相同的量。当该谐振器外壳的温度调整到一个恒定值时，有助于提高测量精度。最后，根据该文献，该外壳的内腔壁最好至少部分地涂敷一种耐腐蚀的金属或用这种金属制成。这样，在测定上述物料的质量和/或湿度时就可明显提高测量精度。

此外，从同一申请人的专利文献DE 101 00 664.0中已知一种用来检测一种生产物料或物料量的方法，该物料量主要含一种生产物料，即：检测该物料量中的一种异物的存在，并产生一个微波场，将该物料量输入这个微波场的有效范围，并分析这个微波场的影响，其中同时测出这个微波场的第一和第二特征量的实际值，事先给定这些实际值的允许值范围，并检测这些实际值是否在这个允许值范围内，当这些实际值不在这个允许值范围内时，产生一个信号。在本申请的范围内，作为微波场的量既指产生的微波场的实际量如振幅和相位，又指一个控制该微波场的元件的量，例如一个传播该微波场的谐振器的谐振频率和带宽。

在这种已知的测量方法中，被测物料运动通过一个谐振器的微波场。被测物料的介质特性改变该微波场。通过测量共振特性或该微波场的变化可以确定例如质量、密度和湿度以及识别异物。其中，识别很小的异物或达到相当精确的位置分辨率是困难的。特别是，与场向相比，异物的位置确定检测精度。

发明内容

本发明的目的是，提出一种测量装置，来提高确定物料流中是否含有某种异物或测定该物料流或物料量的质量、密度或湿度的方法的灵敏度。此外，本发明的目的是提高一种相应方法的灵敏度。其次，本发明的目的是设置一些装置和提出一种方法，来提高相应测量的精度和位置分辨率。

这个目的是通过一种谐振装置，特别是通过一种用于检验烟草加工业的一种物料量尤其是物料流存在至少一种异物和/或用于测定该物料量或物料流的质量、密度和/或湿度的微波谐振装置来实现的，该谐振装置具有一个谐振器外壳，该外壳具有该物料量或该物料流的一个通过孔，其中该物料量至少一部分可输入一个特别是设置在该谐振装置中的检测区，至少设置了一个提高电磁波能量密度的元件，且该能量密度可在该检测区的至少一部分内提高。

通过这个措施可实现检测区内的电磁波的聚束，从而增加流经被测物料或被测物流范围的相应波尤其是例如微波的通量。这样就提高了在测量物流的质量、密度和/或湿度和/或检测是否存在在某种异物时的灵敏度，而不需要更多的能量输入该谐振装置中。在本发明的范围内，电磁波能量密度的增加或提高也特别意味着这些波的聚束、聚焦、变窄或变密。这种电磁波最好是指微波。物流可通过本发明的谐振装置进行检测。在本发明的范围内，检测区的概念尤其也包括测量区的概念。

该元件最好包括一个谐振线(线路谐振器)，该谐振线具有至少一个作为电极用的端面。通过使用一个线路谐振器可按简单的方式和有效的方法使输入谐振器的波聚束，其中特别是波或相应的场从该面聚束地输出。

最好设置一根输入耦合天线和一根输出耦合天线，这两根天线对称于谐振装置进行布置。此外，这两根天线最好布置在谐振线附近的一个位置内，在该处，促成耦合的场分量具有高的振幅，最好具有最大值。

当谐振装置的一个空腔内的该元件最好布置在离该空腔界定的壁有一定距离时，则在该元件上输入耦合的波和从该元件输出耦合的波可达到特别好的耦合。

如果在物料流或物料量或检测区的附近设置至少一个端面，则可获得一个检测物流的特别有效的方法。该端面的尺寸最好小于该物流位于谐振装置内的一个检测区的范围，其中考虑了一个基本上与该端面平行的横截面面积。例如在烟草加工业的物流的情况中，该物流就是一个最好用包裹材料包裹起来的烟丝流，亦即一个香烟条，其直径通常约为6～10毫米的范围。该端面例如可大致为矩形，其尺寸最好小于该物流投影到谐振装置一个壁上的面积的1/10。这里指的是一个例如图2中所示的面积比例，其中图2所示的空腔7中的香烟条的横截面面积是起决定性作用的面积。

谐振线最好是一个金属条或一个用金属制成的薄的直角平行六面体并在检测区的方向内具有一个端面。当该谐振器外壳的至少一个内壁作为电极尤其是作为对电极使用时，则可在该金属条和该内壁之间建立电磁场，这样就给定了一个明确的边界窄的测量区。

最好设置两个对准检测区的端面。在设置了两个端面的情况下，特别是在它们面对面布置的情况下，物流可运动通过两个端面之间的空间，这样就给出了一个谐振装置的特别有利的结构型式。在这种谐振装置结构型式时可实现波的特别均匀的聚束，并可达到特别高的能量密度。该谐振线最好是一个断开的环。此外，这两个端面最好大致相互平行，从而可进一步提高波场的均匀性。

当一个元件至少部分由一种具有一个特别相对于温度低的膨胀系数的材料组成时，可达到很可靠和精确的测量。此外，当至少一个元件用一种防腐材料尤其是一种金属涂覆和/或至少部分用该材料制成时，则谐振装置可达到相当长的寿命。

此外，本发明涉及一种测量装置，特别是一种用于检测烟草加工业的一种物料量尤其是物料流存在至少一种异物和/或用于测定该物料量的质量、密度和/或湿度的微波测量装置，该装置具有至少一个谐振器外壳，该外壳具有该物料量的至少一个通过孔，并在该外壳中可产生一个电磁场，通过该测量装置包括至少两个分别确定一定测量范围的谐振器外壳而获得了改进，其中这些电磁场分别包括一个电场，它们在相应的测量范围内具有相互不同的空间取向。其中，该电磁场最好是一个微波场，该微波场在该谐振器外壳内包括一个驻微波。根据本发明，电场的相互不同的方向可实现异物的较精确的确定，因为用一个谐振器外壳没有测出的异物很可能用另一个谐振器外壳测出；其中，特别是那些在一个方向内具有的几何形状大于另一个方向内的异物。场的空间内的相互不同的方向特别是指这些场朝输送方向的不同的角度。

这些测量范围最好依次位于物流的输送方向内，以便进行各测量范围的相应测量的单独分析和避免相邻的测量范围对相应测量范围产生影响。

当电场基本上相互正交取向时，可构成本发明的一个特别有利的结构型式。在本发明的范围内，正交就是相互垂直。

当一个电场基本上定向在物流的输送方向内和一个电场与之垂直时，则一方面例如可按DE 198 54 550 A1所述的传统的方式方法进行相应的测量，另一方面可垂直于这个方向进行一次附加的和补充的测量。

在本发明的范围内，场特别是指电场。在动态场的情况中，场的方向或取向象在驻电磁波时那样，是场强向量的方向。

在设置三个谐振器外壳时，可进一步提高测量的精确度。为此，第三个谐振器外壳最好设计成使其电场基本上与另外两个谐振器外壳的电场正交。

本发明的测量装置最好包括一个本发明的或最好按上述设计成的谐振装置。如果唯一的外壳包括至少两个谐振器外壳，则可获得一个结构紧凑的测量装置。

此外，这个目的是通过一种测量系统，特别是通过一种用于检测烟草加工业的一种物流存在至少一种异物和/或用于测定该物流的至少一个区段的质量、密度和/或湿度的微波测量系统来实现的；该微波测量系统通过设置至少两个测量装置而获得了改进，因为该物流可用它们在空间的相互不同的方向内进行测量。这里所指的测量方向就是对测量起决定性作用的场尤其是电场的方向。为此，最好至少一个测量方向设置成能在物流的输送方向内进行测量。为此，例如参阅DE 198 54 550 A1，该文献提出了一种适当的测量装置，用该测量装置可在物流的输送方向内进行测量。如果其中至少一个测量装置设置成能在垂直于物流的输送方向进行测量，则可使用上述的例如本发明谐振装置之一。

最好设置三个测量装置，这时这些装置是这样设计的，即物流可在三个相互不同的方向内尤其是在基本上正交的空间方向内进行测量。用这样一个测量系统可达到特别精确的测量，特别是可达到很好的位置分辨率。可进行垂直于输送方向的测量用的测量装置最好是上述的本发明谐振装置之一。

此外，这个目的是通过一种用于检测烟草加工业的一种物料量尤其是一种物料流存在至少一种异物和/或用于测定该物料量的质量、密度和/或湿度的方法来实现的，其中第一电磁场在第一谐振器中产生，第二电磁场在第二谐振器中产生，物料量通过该第一和第二电磁场，并测量电磁场的至少一个特性的变化。

电磁场的一个特性例如可以是场强、频率或相位。此外，在一个驻波场的情况中，例如在一个谐振器的情况中，一个电磁场的一个特性可以是波腹或波节的位置或谐振频率以及还可以是振幅。

电磁场最好在相互不同的方向内取向。在这种情况下，不论是E-场还是H-场都分别在不同的方向内取向。如果设置了第三谐振器，则该谐振器产生第三电磁场，其中物料量通过该第三电磁场，且该第三电磁场在朝第一和第二电磁场的不同方向内取向，并测量第三电磁场的至少一个特性的变化，这样就可更精确地分析出物流中的异物或更精确地测定该物流的密度、湿度和质量。

各电磁场在各自的谐振器中最好基本上是相互正交的。为了产生一个剔出信号，在分析测出的值时，例如可把物流的各区段与下一步的处理分开，这样就可避免在卷制香烟时制造出充填不良的香烟或太干的香烟或带异物的香烟。最好把各谐振器测出的值相互联系起来，这样就可达到很精确的位置分辨率。借助于这个精确的位置分辨率就可保持物料的尽可能小的废品率。亦即把不同谐振器的测量结果联系起来可提高测量的精确度或位置分辨率。

附图说明

下面参照附图所示的实施例来详细说明本发明，其中全部未详细说明的本发明细节皆可参考附图。这些附图表示：

图1通过一个谐振器外壳剖开的一个横断面图；

图2沿图1剖面线A-A剖开的该谐振器外壳的横断面；

图3本发明另一个实施例的一个谐振器外壳的横断面图；

图4沿图3剖面线C-C剖开的该谐振器外壳的横断面侧视图；

图5本发明测量装置的示意图。

图6本发明测量装置的另一种结构示意图。

具体实施方式

在各图中，凡是相同的元件在下面都用相同的参考号表示并不作重复说明。

图1表示通过谐振器4.1剖开的一个横断面图，即沿图2剖面B-B的箭头B看去的横断面图。在图1中只示出了一些特征。为清晰起见，一些在图2中示出的特征没有在图1中表示出来。一个用金属制成的空心圆筒6界定谐振器外壳4.1，该圆筒至少里面镀了一层金12。在空心圆筒6的中心示出了一根立柱19，该立柱也镀了一层金12。空心圆筒6和立柱19都用横截面示出。在内腔7或空腔7中示出了一根谐振线21的外观图，该谐振线是一个断开的环并具有两个端面20。此外，示出了一根香烟条1的通过用的一个通过孔10。

在图2中示出了香烟条1，该香烟条部分地剥去了外皮并沿箭头5的方向运动。香烟条1由一种烟丝制成的填料3和一种香烟纸制成的包皮2组成。为了测定该填料的质量、密度和/或湿度，或为了检测该填料中是否存在某种异物，香烟条1运动通过一个谐振器外壳4.1。该外壳中输入了微波。谐振器外壳4.1具有一状如空心圆筒6的空心体，其内腔7对称于立柱19布置。一个关闭用的盖8用螺丝拧在该空心圆筒上。空心圆筒6和盖8都用一种具有很低的温度膨胀系数的材料制成。为此，一种至少接近于由64％的铁和36％的镍组成的合金是适合的。由于谐振器外壳4.1的几何尺寸的良好的稳定性，也可达到测量结果的良好的稳定性。例如再加上图2中所示的谐振器外壳的温度调节有助于达到这个目的，该外壳的温度通过一个温度敏感元件9来探测。该温度敏感元件控制一只例如由西门子公司生产的BUZ 80型热晶体管11，它的损耗热最好通过环境温度加热该谐振器外壳。调节装置本身在图2中没有示出，这当然是业内人士熟知的。

谐振器外壳4.1的内腔7和最好谐振线21(这里是一个断开的环)都蒸镀一层薄的金层12，该金层可靠地防止了对测量值稳定性有害的腐蚀形成并同时以其导电性好而防止了有害的集肤效应。为了也防止外部腐蚀，最好谐振器外壳4.1的外周也镀金。

为了对香烟条1及其可能带入的脏物微粒进行内腔7的机械的封闭，亦即为了防止内腔7的污染而损害测量结果，采用了一个最好用一种聚芳醚酮(PAEK)类的材料例如用聚醚醚酮制成的保护管13。在烟条1进入谐振器外壳4的那一端，保护管13扩大成喇叭形，但为清晰起见，在图2中没有表示出来。

谐振器外壳4.1在内腔7外部呈管状(14)在两侧沿烟条1的方向向外延伸，以防止微波从谐振器空腔中输出。该谐振器外壳也可呈管状稍向里延伸，但在图2中没有表示出来。

为了耦合由一个微波发生器发生的微波，使用了一根通过一绝缘件16与金属外壳4.1绝缘的输入耦合天线17。为了输入一个图中未示出的测定电路中的微波的输出耦合，使用了一根通过绝缘件16与盖8绝缘的输出耦合天线18。上述天线17和18也可布置在外壳的同一侧上。这时它们最好错开布置在圆周方向内。一个合适的测定电路可从德国专利申请197 34 978.1中得知，其公开内容这里可一并引作参考。

通过本发明现在可在谐振线21的两个端面20或场输出面20之间形成一个具有高能密度的窄聚束的场，在本实施例中，该谐振线作为一个断开的环构成。从而实现一个很短的或很小的测量窗，这就明显地提高了特别是对异物的测量灵敏度。

谐振线21直接布置在耦合天线17和18附近。为了固定该谐振线，设置了若干不导电的固定元件，它们连接带有该谐振线的外壳。从耦合天线17的露出端输出一个高频电磁交变场，所以在谐振线21中通过感应激励一个驻波。当谐振条件被满足时，亦即当该驻波的波长与该谐振器的长度L一致时，该驻波从输入耦合天线17接受能量。当L＝n×λ/2时，即是这种情况。该驻波在谐振线中通过感应在输出耦合天线18中激励一个电磁波，该电磁波从谐振器导出能量。上面描述的是一种电容耦合。在本发明的范围内，也可用电感耦合。

该驻波的电压波腹位于谐振线21的断开端20。其中，当n为偶数时，内表面的极性是相同的，而当n为奇数时，内表面的极性则是相反的。在后一种情况中，在端面之间产生一个聚焦电场，该电场通过烟条的通过孔延伸。这导致了被测物的介电特性对谐振器特性的特别大的影响并由此导致有效的异物识别。

图3表示本发明的另一种结构型式，与图1和2所示实施例的区别在于，空腔矩形22起谐振器外壳4.2的作用，且谐振线21是一个金属条。图3是图4剖面线D-D的一个断面图，这个断面是从箭头方向观察的。图4是沿图3剖面线C-C剖开的断面图。为了使示出的元件清楚起见，在这些图中都没有表示诸如保护管13、镀金属12、香烟条1等其他特征。

从谐振线21或从端面20或从场输出面20输出的场作为对向电极使用，对面的外壳壁则在该处作为接地电极使用。

为了实施按德国申请专利101 00 664.0的一种生产材料的检验方法，上面列出的本发明的实施例是特别适合的。该申请专利的内容这里一并引作参考；相应地，DE 198 54 550 A1的内容和德国申请专利19734 978.1的内容也是这样。

按上述101 00 664.0的一种生产物料的检测方法特别适用于检测烟草加工业自动化加工的大量烟草，亦即特别适用于检测香烟中可能存在的异物，这类异物对产品性能例如外观，味道和烟雾产生诸多影响。为此，产生一个微波场，物料量被输入该微波场的有效范围，并分析微波场的影响，同时测量该微波场的第一个和第二个特征量的实际值，预先给定这些实际值的允许值范围，并检测这些实际值是否在允许值范围。如果这些实际值不在允许值范围，则产生一个信号。

在这种方法中，该允许值范围最好包括在通过物料量尤其通过只含有产品物料的一个香烟条影响的微波场时所产生的这两个量的上述值。这时，物料流最好在通过该微波场的有效范围之前或之后分成若干段，并把那些在通过时产生信号的段随即从物料流中剔出。容许值范围可这样进行确定：把不含异物的生产物料的一定的参考量输送通过微波场的有效范围，并在该参考量通过的过程中测量实际值，这些实际值形成允许值范围。其中，该参考量最好用包裹材料包裹起来。

这个方法最好用另一种可同时地和独立地从该微波场的相同特征量的实际值中确定该生产物料的至少一个特性的方法来进行。这个特性尤其是作为生产物料用的烟丝的密度、质量和/或湿度。

作为异物尤指金属和塑料，它们引起微波场在物理上的变化与烟草中所含的水引起的变化截然不同。金属的高的导电率例如导致微波明显反射或散射；而塑料则具有与烟草明显不同的介电常数和损耗因数，所以塑料也容易被检测出来。

在用这种方法时，最好把不同的频率输入谐振器中，并确定在这些频率时的传输功率，从这些数据中根据一种数学方法确定这两个量或多个特征量。为此，最好用谐振曲线并确定相应的值偶，这些值偶是根据一个中心频率的微小失调测出的。有关的详细说明可参阅德国申请专利101 00 664.0。

图1和2所示实施例中所用的材料和镀层可用于图3和4所示的实施例中。

图5表示具有三个谐振器外壳4.3～4.5的本发明测量装置的示意图。用一种填料3充填的香烟条1运动通过谐振器外壳4.3～4.5。填料3用一个包裹纸条2包裹起来。谐振器外壳4.3～4.5具有未示出的空腔。在这些空腔中产生电磁场，这些电磁场具有不同取向的电场力线23。布置在图5右方的谐振器4.5的场力线23在输送方向5内延伸。布置在图5中间的谐振器4.4中的场力线13垂直于输送方向在图的平面内延伸，而在左方的谐振器4.3内，场力线23则垂直于输送方向5延伸并从图的平面中出来。

当被测物3或1在各个方向内被场穿透时，每个附加的方向都会带来进一步的测量信息。最好在两个甚至三个方向内进行测量，这些方向既位于运动方向，又垂直于运动方向。这样就可识别许多例如只在一个方向内进行检测时不可能测出的异物。

紧接着可单独分析测量信号，如果至少一个传感器或测量装置识别出一种异物，则将该段扔掉。但测量信号也可相互联系起来，以便改善位置分辨率或提高系统的总灵敏度。测量时间的错开可从被测物料的生产速度或输送速度的谐振器外壳的距离中得知，并容易用计算的方式进行补偿。

图6示出了本发明测量装置另一种结构的示意图，其中有一个公共的外壳4，其包括多个谐振器外壳4.3-4.5。

Claims (8)

1.测量装置，用于检测烟草加工业的一种物料流(3)存在至少一种异物或用于测定该物料流(3)的质量、密度或湿度，包括至少一个谐振器外壳(4.1～4.5)，该谐振器外壳具有物料量(3)的至少一个通过孔(10)，并在该谐振器外壳中可产生一个电磁场(23)，其特征为，该测量装置至少包括两个谐振器外壳(4.1～4.5)，它们分别具有一个测量范围，其中这些电磁场分别包括一个电场(23)，而且这些电场在相应的测量范围内在相互不同的空间取向。

2.按权利要求1所述的测量装置，其特征为，该测量装置是一微波测量装置。

3.按权利要求1的测量装置，其特征为，这些测量范围依次位于物料流(3)的输送方向上。

4.按权利要求1所述的测量装置，其特征为，这些电场(23)基本上相互正交取向。

5.按权利要求1所述的测量装置，其特征为，一个电场(23)基本上在物料流(3)的输送方向(5)内取向和一个电场(23)垂直于该物料流的输送方向取向。

6.按权利要求1所述的测量装置，其特征为，设置了三个谐振器外壳(4.1～4.5)。

7.按权利要求1所述的测量装置，其特征为，该测量装置包括至少一个谐振装置。

8.按权利要求1所述的测量装置，其特征为，唯一的一个外壳至少包括两个谐振器外壳(4.1～4.5)。

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