ES2560625T3

ES2560625T3 - Dispositivo y procedimiento para medir la masa y/o la humedad de objetos dieléctricos mediante determinación de la calidad y frecuencia de resonancia de tres modos no degenerados, ortogonales de un resonador de cavidad

Info

Publication number: ES2560625T3
Application number: ES14163172.1T
Authority: ES
Inventors: Rainer Herrmann; Udo Schlemm
Original assignee: TEWS Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: TEWS Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2016-02-22
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: DE102007029908A1; EP2009427A3; US20090009189A1; US8008928B2; EP2009427A2; EP2801817B1; EP2801817A1

Abstract

Dispositivo para medir la masa y/o la humedad de objetos dieléctricos (40), con una unidad evaluadora (44), al menos un generador de alta frecuencia (14, 16, 18), al menos un detector de alta frecuencia (32, 34, 36) y un resonador de alta frecuencia (12), caracterizado porque - el generador de alta frecuencia (14, 16, 18), de los que al menos hay uno, puede generar tres modos independientes entre sí con distintas frecuencias de resonancia en el resonador, encontrándose los campos eléctricos de los modos en una zona de medición perpendiculares (42) entre sí y teniendo dos resonancias contiguas una distancia mínima de 100 MHz, - el detector de alta frecuencia (32, 34, 36), de los que al menos hay uno, puede medir las frecuencias que se presentan para cada modo en el resonador, presentando el resonador una abertura de entrada y una abertura de salida, que permiten un movimiento del objeto dieléctrico a medir a través del resonador y - la unidad evaluadora (44) puede determinar para las frecuencias medidas en cada modo un desplazamiento de la frecuencia de resonancia (A) y una modificación de la curva de resonancia y a partir de los valores determinados relativos al desplazamiento de la frecuencia de resonancia (A) y a la modificación de la curva de resonancia, puede calcular la masa y/o la humedad del objeto dieléctrico (40) que se mueve a través del resonador (12), registrándose varias veces los valores de medida de los modos uno tras otro mediante la unidad evaluadora (44) para un objeto a medir (40) que se mueve a través del resonador (12) y evaluándose en un momento en el que se ha detectado para un modo el máximo de la desintonización de la frecuencia de resonancia cuando pasa el objeto a medir (40) a través del resonador (12).

Description

DESCRIPCION

Dispositivo y procedimiento para medir la masa y/o la humedad de objetos dielectricos mediante determinacion de la calidad y frecuencia de resonancia de tres modos no degenerados, ortogonales de un resonador de cavidad 5

La presente invencion se refiere a un dispositivo y a un procedimiento para medir la masa y/o la humedad de objetos dielectricos.

La invencion se basa en cuanto a la medicion de la masa y/o de la humedad de objetos dielectricos en la tecnica de 10 las microondas de por sf conocida, en la que el objeto a medir se introduce en un resonador. En base a sus caractensticas dielectricas, modifica el objeto una resonancia electromagnetica inducida en el resonador. En base a la modificacion de la curva de resonancia asf como al desplazamiento de la frecuencia de resonancia, se determinan entonces la masa y la humedad del objeto dielectrico.

15 Por el documento EP 1 669 755 B1 se conoce un procedimiento para medir la masa y/o la humedad del contenido de capsulas. Para la medicion se preve un dispositivo de medida, que presenta al menos dos resonadores. El desplazamiento de de la frecuencia de resonancia (A) y el ensanchamiento de la curva de resonancia (B) provocados por la capsula se determina y evalua en ambos resonadores. El primer resonador posee un campo de medida homogeneo en toda la dimension de la capsula para determinar la masa total y/o la humedad de la capsula. 20 En el segundo resonador, en el que se conduce la capsula mediante una grna de la muestra que depende del formato, el contenido de la capsula no esta distribuido homogeneamente en la capsula, debido a la fuerza de la gravedad, sino que se encuentra en una parte de la capsula, con la que se recorre un estrecho campo de medida para determinar un perfil de la masa y/o de la humedad que depende del lugar. Cuando vana el formato de la capsula es necesario reequipar la configuracion de medida con una nueva grna de la muestra que depende del 25 formato.

Por el documento EP 1 467 191 B1 se conoce un procedimiento y un dispositivo para determinar la masa de las unidades de principio activo porcionadas. En el procedimiento se conducen capsulas, tabletas o grageas a traves de un resonador de microondas, que determina un desplazamiento de la frecuencia de resonancia y un 30 ensanchamiento de la curva de resonancia. Las magnitudes medidas sirven para determinar la masa compensando la influencia de la humedad, suponiendose que la masa es directamente proporcional al desplazamiento de la frecuencia de resonancia y directamente proporcional al ensanchamiento de la curva de resonancia. No obstante se ha comprobado que los resultados quedan siempre afectados en algunas aplicaciones en una cierta medida por inexactitud.

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Por el documento EP 0 372 992 A1 se conoce un dispositivo de medida que presenta un resonador con forma de esfera. En el resonador se inducen dos modos de resonancia identicos, que esencialmente poseen la misma frecuencia de resonancia, pero distinta orientacion del campo entre sf. La estructura de medida debe servir para determinar la masa de filamentos alargados. La evaluacion de los resultados se basa en una diferencia de la 40 frecuencia de resonancia entre ambos modos. La diferencia de frecuencias de resonancia depende con bastante sensibilidad tanto de la masa como tambien de la humedad, por lo que no es posible una medicion de la humedad independiente de la masa.

Por el documento US 5,124,662 se conoce un procedimiento para clasificar objetos que se introducen en un 45 resonador. Los objetos a clasificar son atravesados en el centro del resonador por un campo electrico lo mas fuerte posible. Para poder medir la muestra independientemente de su posicion en el centro del resonador, se superpone la radiacion de microondas procedente de distintas direcciones, con lo que las mismas difieren en el centro del resonador en un campo de la maxima intensidad de campo. Al moverse la muestra mediante la superposicion de tres campos ortogonales con aproximadamente las mismas resonancias, se promedian la forma y la orientacion de 50 la muestra y el resultado es independiente de la posicion de la muestra. El promediado se realiza mediante la rotacion del vector del campo electrico y no significa ningun analisis independiente en distintas orientaciones espaciales. En este proceso de clasificacion es un inconveniente que solo puedan medirse valores medios espaciales y con ello queda limitada la resolucion de la medida. Ademas es un inconveniente que el procedimiento solo funcione cuando la muestra a probar se coloca exactamente en el centro del resonador. Para ello es necesaria 55 una sensorica adicional.

Por el documento DE 102 26 845 A1 se conoce una configuracion para determinar la distribucion de la permitividad compleja de un objeto a investigar. En el resonador se introducen microondas de una sola frecuencia y se evaluan la amplitud y la fase de las senales transmitidas y reflejadas. No se realiza una evaluacion de la resonancia del

resonador. El material a medir reposa durante la medicion en el resonador, que solo tiene la funcion de apantallamiento. La distribucion espacial de la permitividad se investiga acoplando y desacoplando microondas en diversas posiciones.

5 En B.J. Downing y col. “Online Fruit Weighing Using a 500 MHz Waveguide Cavity” (Pesaje de frutas online usando una cavidad gmaondas de 500 MHz), Electronics Letters, vol. 24, n° 4, paginas 212 a 213, se propone un procedimiento para medir frutas de forma irregular, en el que se mide a la vez en planos de polarizacion perpendiculares entre sr

10 La tesis doctoral “ROCK DIFFERENTIATION USING THE PROPERTIES OF RESONANT WAVEGUIDE CAVITIES AT 500 MHZ (diferenciacion de rocas usando las propiedades de cavidades gmaondas resonantes a 500 MHz) de A. De Waal en Profesor B.J. Downing (Universidad de Cape Town, 3 noviembre 1987) da a conocer un dispositivo para medir la masa y/o la humedad de objetos dielectricos, con una unidad evaluadora, un generador de alta frecuencia, un detector de alta frecuencia y un resonador de alta frecuencia, en el que 15

- el detector de alta frecuencia puede medir las frecuencias que se presentan en el resonador, presentando el resonador una abertura de entrada y una abertura de salida, que permiten un movimiento del objeto dielectrico a medir mediante el resonador y

20 - la unidad evaluadora puede determinar para las frecuencias medidas un desplazamiento de la frecuencia de resonancia y una modificacion de la curva de resonancia y a partir de los valores determinados relativos al desplazamiento de la frecuencia de resonancia y/o de la modificacion de la curva de resonancia, puede determinar la masa y/o la humedad del objeto dielectrico que se mueve a traves del resonador, registrandose uno tras otro los valores de medida 1800 veces para un objeto que se mueve a traves del resonador y evaluandose en un momento 25 en el que se ha detectado para el modo el maximo de la desintonizacion de la frecuencia de resonancia cuando pasa el objeto a medir a traves del resonador.

El trabajo doctoral senala tambien que para aumentar la dependencia de la orientacion en la medicion, puede activarse el resonador con modos perpendiculares entre sb 30

La invencion tiene como objetivo basico proporcionar un dispositivo y un procedimiento para medir la masa y/o la humedad de objetos dielectricos, que permita con medios sencillos una medicion rapida y precisa en los objetos dielectricos.

35 Segun la invencion se logra el objetivo mediante un dispositivo con las caractensticas de la reivindicacion 1. El objetivo se logra igualmente mediante un procedimiento con las caractensticas de la reivindicacion 7. Ventajosas configuraciones del procedimiento asf como del dispositivo son objeto de las reivindicaciones secundarias.

El dispositivo correspondiente a la invencion sirve para medir la masa y/o la humedad de objetos dielectricos. El 40 dispositivo utiliza la tecnica de la resonancia de microondas y posee una unidad evaluadora, al menos un generador de alta frecuencia, al menos un detector de alta frecuencia y un resonador de alta frecuencia. Los campos electromagneticos que generan la resonancia se generan mediante el generador de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, y se introducen en el resonador de alta frecuencia. Mediante el detector de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, pueden medirse las propiedades electricas y/o magneticas de resonancias en el resonador 45 de alta frecuencia. Segun la invencion genera el generador de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, tres modos independientes entre sf con distintas frecuencias de resonancia en el resonador de alta frecuencia. Modos independientes significa en este contexto que cuando se activa el primer modo no se genera ninguna activacion, o solo una muy pequena, para los otros modos y los campos electricos de los modos abarcan entre si un angulo distinto de 0° y 180°. Las direcciones de los campos electricos no son coincidentes, sino que estan orientadas en 50 diversas direcciones espaciales independientes entre si, encontrandose entonces tres campos perpendiculares entre sf. Ademas puede medir el detector de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, para cada modo en el resonador las frecuencias que se presentan. El detector de alta frecuencia esta en condiciones de medir en cada modo separadamente las frecuencias que se presentan, permitiendo la medicion de las frecuencias determinar una curva de resonancia y la frecuencia de resonancia. La unidad evaluadora determina para las frecuencias medidas de 55 cada modo un desplazamiento de la frecuencia de resonancia y una modificacion de la curva de resonancia. A partir de los valores determinados para el desplazamiento de la frecuencia de resonancia y para la modificacion de la curva de resonancia, se determinan los valores de la masa y/o humedad del objeto dielectrico independientemente entre sf en el resonador, siendo entonces los valores determinados independientes de la posicion, de la clase de movimiento y de la forma especial del objeto. Una particularidad del dispositivo correspondiente a la invencion reside

en que se generan varios modos independientes entre sf en un resonador y se evaluan independientemente entre sb La invencion se basa en el conocimiento de que las oscilaciones sistematicas de los valores de medida que resultan en la estructura conocida son debidas a la distinta posicion del objeto a medir. Si se considera por ejemplo un objeto dielectrico que respecto a dos ejes posee una extension diferente y con ello diferentes distribuciones de la masa y 5 de la humedad, entonces depende el resultado de la medicion de la posicion del objeto a medir respecto al campo electrico. Mediante la utilizacion de dos o mas modos independientes puede realizarse el proceso de medicion en direcciones independientes entre sf del objeto a medir y por lo tanto compensan distintas orientaciones espaciales de la muestra durante los movimientos y distintas formas de la muestra a lo largo de las direcciones medidas.

10 Segun la invencion determina el detector de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, durante un ciclo de medida varias veces las frecuencias que se presentan en el resonador. Esto significa que durante un ciclo de medida no se mide solo una vez la variacion del campo electromagnetico, sino que durante un ciclo de medida se realiza una pluralidad de procesos de medida.

15 Segun la invencion presenta cada modo una frecuencia de resonancia que es distinta de las frecuencias de resonancia de los demas modos. Las frecuencias de resonancia de los modos poseen en cada caso por pares una distancia minima entre frecuencias, que es de al menos 100 MHz. Mediante la distancia entre las frecuencias de resonancia de los distintos modos puede asegurarse que las senales para cada frecuencia de resonancia pueden evaluarse sin distorsion debida a las senales de las demas frecuencias de resonancia. De esta manera es posible un 20 analisis independiente del objeto dielectrico en cada direccion espacial, que viene prescrito por uno de los modos y puede evitarse una formacion del valor medio.

Para poder aportar los objetos electricos para la medicion en la zona de medida del resonador, esta dotado el resonador segun la invencion de una abertura de entrada y una abertura de salida. Las aberturas estan situadas en 25 el resonador tal que permiten un movimiento del objeto dielectrico a medir a traves del resonador. El movimiento puede ser entonces un movimiento libre, en el que el objeto a medir cae por ejemplo libremente bajo la influencia de la fuerza de la gravedad a traves del resonador. Tambien es posible mover el objeto a medir en un flujo de aire libremente a traves del resonador.

30 Ademas la clase de movimiento del objeto de muestra a traves del resonador solo juega un papel secundario, por lo que no es imprescindible una conduccion de las muestras a probar en funcion del formato. Con ello se evita no solo un reequipamiento que cuesta mucho tiempo en la secuencia de fabricacion en el aparato al cambiar el formato, sino que tambien es posible aumentar el rendimiento de paso de muestras a probar por unidad de tiempo sin una limitacion mecanica. Con ello es posible por ejemplo en tasas de produccion de 106 muestras a probar por hora un 35 control al ciento por ciento de la masa y humedad de cada muestra individual a probar.

Preferiblemente se preven al menos dos generadores de alta frecuencia cuyas respectivas frecuencias de resonancia son distintas entre sf. Preferiblemente esta previsto para cada modo de resonancia con su frecuencia de resonancia un generador de alta frecuencia propio.

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En una configuracion preferente determina la unidad evaluadora como modificacion de la curva de resonancia un ensanchamiento de la curva de resonancia en la zona de la frecuencia de resonancia. Alternativamente es posible que la unidad evaluadora determine como modificacion de la curva de resonancia la variacion de la amplitud de resonancia. Tambien es posible utilizar para la evaluacion una combinacion de la variacion de la amplitud de 45 resonancia y del ensanchamiento de la curva de resonancia. Para la evaluacion se combina la modificacion de la curva de resonancia con un desplazamiento de la frecuencia de resonancia debido al objeto dielectrico que ha penetrado.

En cuanto a la evaluacion de los resultados de medida para los distintos modos, hay distintos planteamientos. En un 50 planteamiento preferente evalua la unidad evaluadora simultaneamente la modificacion de la curva de resonancia y el desplazamiento de la frecuencia de resonancia para cada modo. Esto significa que los resultados de la medicion de los tres modos se evaluan en un instante comun. En un planteamiento alternativo evalua la unidad evaluadora la modificacion de la curva de resonancia y el desplazamiento de la frecuencia de resonancia independientemente para cada modo. Ambos planteamientos para la evaluacion permiten obtener resultados de medida independientes de la 55 posicion para el objeto dielectrico.

En una configuracion preferente estan previstos para cada modo exactamente un generador de alta frecuencia y exactamente un detector de alta frecuencia. En una configuracion alternativa esta previsto al menos uno de los generadores de alta frecuencia para generar varios modos. Igualmente es posible prever un detector de alta

frecuencia que puede medir las frecuencias que se presentan para varios modos. En una configuracion preferente pueden conmutarse el detector de alta frecuencia y el generador de alta frecuencia entre los modos, con lo que durante un ciclo de medida puede captarse una pluralidad de valores de medida.

5 En el dispositivo correspondiente a la invencion esta disenado el resonador tal que se generan tres modos en el resonador. Segun la invencion estan orientados en una zona de medida central los campos electricos de los modos en distintas direcciones espaciales, estando las direcciones espaciales perpendiculares entre sb Adicionalmente estan desacoplados los tres modos. Con ello en un dispositivo desacoplador que pertenece a un modo y que conduce al correspondiente detector solo se detectan oscilaciones de resonancia que pertenecen a ese modo, no 10 teniendo otros modos que oscilan independientemente del mismo ninguna componente en esta senal de medida.

En una configuracion preferente se encuentran los modos del resonador en una gama de frecuencias de 0,5 GHz y 20 GHz.

15 Las dimensiones geometricas del resonador, en particular del espacio interior del resonador, pueden tener diferentes formas. En una configuracion preferente esta realizado el espacio interior del resonador como un paralelepfpedo. Alternativamente puede presentar el resonador tambien un espacio interior en forma de un elipsoide o bien una forma cilmdrica con una seccion en forma de elipse.

20 En un perfeccionamiento esta prevista entre la abertura de entrada y la abertura de salida del resonador una pieza de formato para conducir el objeto a medir. Por ejemplo puede resbalar o caer el objeto a medir libremente a traves del resonador a lo largo de la pieza de formato. Este tubo que conduce el producto, no metalico y con forma circular o rectangular tiene un diametro de seccion tan grande que todas las muestras a probar de las que se trata pueden atravesarlo, no teniendo por lo tanto ninguna importancia el formato de las muestras a probar. No obstante, en una 25 forma de realizacion preferente es posible tambien adaptar el diametro del tubo para las muestras al formato de las muestras a probar, para limitar las posibilidades de movimiento de las muestras a probar cuando se mueven a traves del resonador. En este caso cuando cambia el formato del producto ha de cambiar tambien el formato del tubo que conduce la muestra. Es especialmente ventajosa la utilizacion de piezas de formato cuando se realiza la medicion con dos modos independientes.

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El objetivo de la invencion se logra igualmente mediante un procedimiento para la medicion independiente una de otra de masa y/o humedad de objetos dielectricos. En el procedimiento correspondiente a la invencion esta prevista una unidad evaluadora, al menos un generador de alta frecuencia y al menos un detector de alta frecuencia, que interactuan con un resonador, para detectar la modificacion de un modo en el resonador. Durante el proceso de 35 medida se generan en el resonador tres modos desacoplados entre sf y se miden con el detector de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, para cada uno de los modos las frecuencias que se presentan en el resonador. Los modos desacoplados son independientes entre sf y constituyen preferentemente en el resonador una zona de medida en la que los campos electricos estan orientados en direcciones espaciales linealmente independientes. La unidad evaluadora determina para las frecuencias medidas para cada modo un desplazamiento de la frecuencia de 40 resonancia y evalua una modificacion de la curva de resonancia. A partir del desplazamiento de la frecuencia de resonancia y de la modificacion de la curva de resonancia, se determinan independientemente entre sf la masa y/o la humedad del objeto dielectrico.

Preferentemente evalua la unidad evaluadora como modificacion de la curva de resonancia un ensanchamiento de 45 la curva de resonancia.

En un procedimiento alternativo evalua la unidad evaluadora como modificacion de la curva de resonancia una variacion de la amplitud de resonancia.

50 Segun la invencion determina el detector de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, las frecuencias que se presentan en el resonador varias veces durante un ciclo de medida.

En el procedimiento correspondiente a la invencion se genera cada modo con una frecuencia de resonancia que es diferente a las frecuencias de resonancia de los demas modos. Las frecuencias de resonancia de los modos 55 presentan en cada caso por pares una distancia minima entre frecuencias. La distancia minima entre frecuencias, que es de al menos 100 MHz, asegura que los modos de resonancia pueden evaluarse individual e independientemente entre sf. De esta manera es posible detectar en los objetos dielectricos a medir las caractensticas dielectricas para cada direccion de un modo independientemente de las direcciones de los otros modos, con lo que es posible un analisis preciso de los resultados de medida y no tienen que promediarse los

resultados.

En la evaluacion evalua la unidad evaluadora la modificacion de la curva de resonancia y el desplazamiento de la frecuencia de resonancia para cada modo simultaneamente.

La exigencia de simultaneidad de la evaluacion, que debe formularse para muestras a probar que se mueven rapidamente, exige la utilizacion independiente de tres generadores de microondas y tres detectores de microondas. Cuando el movimiento de la muestra a probar es suficientemente lento, puede realizarse tambien la medicion de los modos de resonancia independientes entre sf tambien una tras otra en secuencia en el tiempo mediante un 10 conmutador de generadores de microondas y/o detectores a los distintos modos de resonancia.

En una configuracion ventajosa del procedimiento se evalua la modificacion de la curva de resonancia y el desplazamiento de la frecuencia de resonancia para cada modo en un instante independiente de los momentos en los que se evaluan los valores de los otros modos.

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Tambien en cuanto a la generacion de las resonancias en el resonador son posibles distintos planteamientos. En un primer planteamiento se genera cada modo mediante exactamente un generador de alta frecuencia y se mide mediante exactamente un detector de alta frecuencia. Alternativamente es posible tambien generar al menos dos modos mediante un generador de alta frecuencia. Tambien es posible alternativa o complementariamente medir las 20 frecuencias que se presentan en al menos dos modos mediante exactamente un detector de alta frecuencia.

Preferiblemente esta previsto para cada modo un equipo desacoplador, que se encuentra en un nodo de oscilacion de los otros modos. Tomando medidas constructivas especiales en el resonador, estan convenientemente tan espaciadas entre sf las frecuencias de resonancia de los distintos modos que la separacion de los modos puede 25 reforzarse mediante filtros pasabanda especiales en cada lmea individual de detector.

En una realizacion alternativa del procedimiento correspondiente a la invencion se conmuta el detector de alta frecuencia, de los que al menos hay uno y/o el generador de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, entre los modos.

30

Segun la invencion se generan en el resonador tres modos. Los modos estan orientados en el resonador tal que en una zona de medida los campos electricos de los modos presentan distintas orientaciones. Los campos electricos son segun la invencion perpendiculares entre sf.

35 Para lograr el maximo flujo de paso de objetos a medir, se mueven los mismos a traves del resonador durante el proceso de medida. Al respecto es posible que los objetos se muevan libremente a traves de la zona de medida. Un movimiento libre puede generarse mediante la fuerza de la gravedad cuando los objetos caen libremente o deslizan por resbaladeros y/o mediante un flujo de aire. En una configuracion alternativa se mueven los objetos a medir conducidos a traves de la zona de medida. Esto significa que los objetos a medir resbalan por ejemplo a traves de la 40 zona de medida en tubos que dependen del formato.

Un ejemplo de realizacion preferente se describira a continuacion mas en detalle. Se muestra en:

Figura 1: resultados de medida para distintas clases de tableta, para un calibrado unificado del dispositivo de 45 medida, moviendose las mismas sobre un resbaladero con 40° de inclinacion a traves del resonador de microondas,

Figura 2: resultados de medida para distintas tabletas que se mueven, para un calibrado unificado del dispositivo de medida, sobre un resbaladero del 40° a traves del resonador,

50 Figura 3: un resonador con tres modos de resonancia independientes.

Una medicion rapida y muy precisa de la masa de objetos relativamente pequenos es de especial importancia en el ambito de los productos farmaceuticos, como por ejemplo en tabletas o capsulas, ya que en estos objetos la masa total es proporcional a su contenido en principios activos. De una medicion de la humedad resultan importantes 55 informaciones adicionales sobre las caractensticas de estos objetos, siendo por ejemplo las caractensticas mecanicas de tabletas prensadas o capsulas de gelatina dura fuertemente dependientes de su contenido en humedad y tambien el contenido de la capsula muestra distintas caractensticas con distintas humedades. Una dificultad especial en la medicion de tabletas prensadas consiste en que estas pueden presentar cualquier forma espacial. Asf pueden estar conformados los objetos a medir por ejemplo con forma esferica, forma de cubo,

alargados, triangulares o de cualquier otra forma. En objetos de medida de no presentan simetna esferica, la medicion en un resonador depende siempre de la posicion. El resultado depende de la relacion entre la parte de superficie del objeto que se encuentra en paralelo a las lmeas de campo del resonador y la parte de superficie del objeto sobre la que se encuentran perpendiculares las lmeas de campo. Cuando hay paralelismo de las lmeas de 5 campo y las partes de la superficie del objeto a medir, continua el campo electrico por el producto sin discontinuidades, resultando el desplazamiento de la frecuencia de resonancia del resonador del efecto de acortamiento de la longitud de onda dentro del producto a medir. Cuando desciende la frecuencia de resonancia hasta el nuevo valor, tiene el campo practicamente una evolucion espacial identica a en el caso del resonador vado. La solucion teorica a la perturbacion correspondiente a la ecuacion de Maxwell da como resultado en este caso, 10 cuando la evolucion del campo no se modifica debido a un producto presente, a la siguiente expresion de la variacion relativa de la frecuencia de resonancia:

imagen1

15 siendo fo la frecuencia de resonancia del resonador vado, fp la frecuencia de resonancia que resulta para la accion de las partes de superficie paralelas del objeto a medir que llena el resonador, F la relacion entre la energfa de campo de microondas en la zona de la muestra y la del resonador completo y £ la constante dielectrica relativa (parte real) del material de muestra.

20 Por el contrario cuando la orientacion del campo es perpendicular a la parte de superficie del objeto a medir, realiza el campo electrico al pasar al material a probar un salto en el factor £ hasta el valor E/£. Si se denomina fs la frecuencia de resonancia que resulta debido a la accion de la parte perpendicular de superficie del objeto a medir en el resonador lleno, entonces aporta la teona de la perturbacion para el desplazamiento relativo de la frecuencia para orientacion perpendicular del campo en la siguiente formula:

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imagen2

Al comparar ambas formulas queda claro que un objeto de forma arbitraria que se encuentre en el resonador de microondas, provoca en funcion de su orientacion respecto al campo de microondas en la zona de medicion distintas 30 senales de medida. Esto es especialmente importante al medir objetos moviles que a igualdad de volumen pueden atravesar el campo de medida en distinta orientacion y con ello provocan distintos valores de medida de microondas. Debido a ello se tiene una precision limitada en la medicion de la masa y/o de la humedad. Tambien el movimiento de balanceo o de caer rodando de los objetos a medir al pasar el objeto a medir originan errores de medida.

35 En una forma de realizacion preferente del procedimiento correspondiente a la invencion se funciona, para una medicion rapida de la masa y/o de la humedad de objetos de forma arbitraria en cualquier posicion, con un resonador de microondas utilizando tres modos de resonancia que pueden activarse simultaneamente. Los campos electricos de estos modos de resonancia son perpendiculares entre sf y forman un tnpode ortogonal. Asf es posible captar las correspondientes partes de volumen del objeto a medir en las tres orientaciones espaciales con la misma 40 orientacion del campo electrico.

La figura 3 muestra basicamente la estructura de medida de un resonador 12 con tres modos de resonancia independientes perpendiculares entre sf. Los modos de resonancia son generados por tres generadores de alta frecuencia 14, 16, 18 y acoplados a distintos lados del resonador 12. El acoplamiento de los correspondientes 45 modos de resonancia se representa esquematicamente mediante las flechas 20, 22 y 24. Igualmente se representa esquematicamente mediante flechas la lmea de entrada a los filtros de banda 26, 28, 30. Tal como puede observarse en el esquema basico de la figura 3, introduce el generador de alta frecuencia 16 su senal en un lado plano del resonador 12, la cual se desacopla en el lado plano opuesto y se retransmite al filtro de banda 28, desde donde se conducen los resultados filtrados al detector 34. Igual es el comportamiento con las otras direcciones 50 espaciales, acoplandose el generador 14 a un lado plano del resonador 12 y desacoplandose las senales recibidas en el lado opuesto y retransmitiendose al filtro de banda 26. Los valores filtrados llegan al detector 32. Para la tercera direccion espacial se procede analogamente, acoplandose aqrn las senales del generador 18 al lado plano grande del resonador 12 y desacoplandose en el lado plano grande opuesto, desde donde se retransmiten a traves del filtro de banda 30 al detector 36.

Igualmente se representa esquematicamente en la figura 3 un tubo de gma 38, a traves del que pueden caer libremente las tabletas 40 a medir. El tubo de gma esta compuesto por un material no metalico y conduce a traves del centro del resonador 12. Tal como se indica en la figura 3 mediante el tnpode 42, en el centro del resonador 12 5 los campos electricos de los modos son perpendiculares entre sl Las funciones de los filtros de banda 26, 28, que 30 consisten en filtrar los valores de resonancia medidos y amortiguar o suprimir aportaciones no deseadas a las resonancias.

Evidentemente es una premisa para utilizar filtros de banda que los tres generadores de alta frecuencia 14, 16, 18 10 funcionen con frecuencias de resonancia distanciadas entre sb

Los datos tomados por los detectores 32, 34, 36 se retransmiten a una unidad evaluadora 44. La unidad evaluadora 44 esta conectada igualmente con los generadores 14, 16, 18, para controlar los mismos.

15 La unidad evaluadora 44 calcula entonces como resultado la masa 46 del cuerpo dielectrico 6 y la humedad 48 del cuerpo dielectrico. Como humedad se entiende en general siempre una magnitud de concentracion que resulta como cociente entre la masa de agua y la masa total (masa en seco) de una muestra a probar, indicada en porcentaje.

20 Un resonador con tres modos de resonancia que pueden activarse a la vez y perpendiculares entre sf puede fabricarse en distintas realizaciones. Una forma de realizacion posible consiste en un resonador conformado como un elipsoide. Otra forma posible de realizacion es la forma de un paralelepfpedo. Igualmente es posible prever un resonador que presente la forma de un cilindro, cuya superficie de seccion posea la forma de una elipse. El acoplamiento del modo al resonador se realiza entonces tal que para los tres campos electricos queda asegurado en 25 cada caso que solo se activa el modo de resonancia deseado. Ademas debe quedar asegurado que no se presenta entre los distintos modos diafoma alguna, que falseana los resultados de medida. En una diafoma se presenta el fenomeno de que al activar un modo se activan otros modos adicionales, que realizan una aportacion al resultado de la medicion. Una tal diafoma puede evitarse por un lado mediante una configuracion especial de los acoplamientos del campo, montando las antenas de acoplamiento o aberturas de acoplamiento del modo de resonancia activado en 30 el nodo electrico de los otros modos de resonancia. Por otro lado puede cuidarse mediante medidas constructivas en el resonador de que las tres frecuencias de resonancia esten tan distanciadas entre sf que mediante filtros pasabanda especialmente adaptados los otros modos no puedan provocar perturbacion alguna en el modo de resonancia propiamente dicho.

35 Segun la invencion se toma en cada modo de resonancia como valor de medida la modificacion de la curva de resonancia en interaccion con el producto a medir. Ademas se registra el desplazamiento de la frecuencia de resonancia (A) para cada modo. Como modificacion de la curva de resonancia se mide en el ejemplo de ejecucion el ensanchamiento de la curva de resonancia (B). El proceso de medicion aporta en total en conjunto tres valores de medida en cada caso, con lo que se dispone de los valores de medida A1, A2, A3, B1, B2, B3 para cada objeto a medir. 40 Estos valores de medida dependen de la humedad y de la masa del objeto a medir en las tres direcciones espaciales asociadas a los modos de resonancia. A partir de los seis valores de medida pueden calcularse la masa y la humedad del objeto a medir completo. Los valores calculados para masa y humedad son entonces independientes de la orientacion del objeto a medir en el campo de medida e independientes de la forma de la muestra del objeto a medir. Al variar la orientacion del objeto a medir en el campo de medida varian las senales en 45 las distintas direcciones espaciales, pero la masa medida y la humedad del objeto a medir completo permanece sin verse influidas por la orientacion.

El calculo de la masa y de la humedad del objeto a medir completo a partir de los seis valores de medida individuales (A1, A2 A3, B1, B2, B3) se realiza de la siguiente manera:

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Masa = k1 • A1 + k2 • A2 + k3 • A3 + k4 • B1 + k5 • B2 + k6 • B3 + k7 Humedad = c • B1/A1 + c2 • B2/A2 + c3 • B3/A3 + c4

55 siendo los coeficientes kj (j = 1, ..., 7)y cj (j = 1, ..., 4) los coeficientes de calibracion. La medicion de la masa esta compensada en cuanto a humedad, siendo la medicion de la humedad asf obtenida igualmente independiente de la masa del objeto a medir.

Si se considera ahora que el objeto a medir necesita un cierto tiempo para su movimiento a traves del campo de

medida, entonces pueden registrarse durante un tal ciclo de medida varias veces las seis magnitudes de medida una tras otra. Para evaluar a partir de esta serie temporal de valores de medida los correctos, existen basicamente dos planteamientos diferentes. En el primer planteamiento, que preferiblemente se aplica cuando se impide o limita un movimiento incontrolado de la muestra a traves del resonador mediante una conduccion de la muestra que depende 5 del formato, se elige para cada modo el maximo del desplazamiento de la frecuencia de resonancia y en ese instante se determinan los valores de medida A y B para ese modo. En un proceso de evaluacion alternativo se determina para un modo el maximo del desplazamiento de la frecuencia de resonancia cuando pasa el objeto a medir a traves del resonador. Si entonces se ha detectado para un modo el maximo de la desintoma de la frecuencia de resonancia, entonces se evaluan los valores de medida de los demas modos en el mismo momento. De esta 10 manera se logra que el objeto de medida se mida mediante los tres modos ortogonales entre sf en una posicion unificada. Con ello se considera la muestra a probar en cualquier posicion desde distintos lados, con lo que es posible una compensacion completa de la influencia de la posicion. Este segundo proceso de evaluacion puede aplicarse allf donde muestras a probar atraviesan el resonador en cualquier movimiento y en interes de un elevado rendimiento del flujo por unidad de tiempo de muestras a probar se renuncia a toda conduccion.

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El transporte de los objetos a medir a traves del resonador puede realizarse mediante un tubo metalico bien en cafda libre o resbalando. La figura 1 muestra por ejemplo los resultados de medida en un resbaladero inclinado en 40°, sobre el que resbala una pluralidad de tabletas de distintas formas con distinto peso a traves del campo de medida. En la medicion representada en la figura 1 se han representado estas tabletas en funcion de su masa de referencia. 20 La curva muestra ya muy claramente que con una tal tecnica de medida de tres modos es posible incrementar claramente la precision de medida para la medicion de la masa de las muestras a probar con una unica curva de calibracion, independientemente de variaciones de posicion de las muestras a probar, de su forma, de su contenido en humedad y composicion. Este resultado se confirma tambien mediante la figura 2, en la que en cada caso han resbalado 50 muestras de tabletas con una forma y una masa sobre un resbaladero de 40°, a traves del campo de 25 medida del resonador. Tambien aqu queda claro que en una gama de masas de 50 mg hasta 450 mg pueden obtenerse mediciones fiables sin que se presenten errores sistematicos en el marco de la precision deseada.

Para mediciones en objetos a medir muy pequenos puede seguirse configurando la precision de medida al detectar la masa utilizando piezas de formato adicionales para conducir los objetos a medir. Este es el caso especialmente 30 cuando los tres campos de medida utilizados para la medicion no son completamente homogeneos en la zona de medida. La homogeneidad de los campos incide fuertemente en la determinacion de la masa, pero para determinar la humedad juega un papel secundario. Como piezas de formato pueden utilizarse por ejemplo tubitos para muestras con distintos diametros interiores, adaptados al tamano de la muestra. Tambien pueden utilizarse resbaladores de distintas zonas como piezas de formato.

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Ademas de la medicion ya expuesta antes con tres modos de resonancia, es posible tambien realizar el procedimiento de medicion correspondiente a la invencion solo mediante un unico generador de AF y un unico detector de AF, realizando durante la medicion un conmutador semiconductor una conmutacion rapida. Al respecto es importante que la velocidad de conmutacion sea grande respecto a la velocidad del objeto a medir en la zona de 40 medida, con lo que resulta posible realizar la medicion en los tres modos para aproximadamente la misma posicion del objeto a medir. La evaluacion de las magnitudes de medida Ai, Bi (i = 1, ..., 3) puede realizarse entonces tal como antes se describio.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para medir la masa y/o la humedad de objetos dielectricos (40), con una unidad evaluadora

(44), al menos un generador de alta frecuencia (14, 16, 18), al menos un detector de alta frecuencia (32, 34, 36) y un 5 resonador de alta frecuencia (12), caracterizado porque

- el generador de alta frecuencia (14, 16, 18), de los que al menos hay uno, puede generar tres modos independientes entre sf con distintas frecuencias de resonancia en el resonador, encontrandose los campos electricos de los modos en una zona de medicion perpendiculares (42) entre sf y teniendo dos resonancias

10 contiguas una distancia minima de 100 MHz,

- el detector de alta frecuencia (32, 34, 36), de los que al menos hay uno, puede medir las frecuencias que se presentan para cada modo en el resonador, presentando el resonador una abertura de entrada y una abertura de salida, que permiten un movimiento del objeto dielectrico a medir a traves del resonador y

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- la unidad evaluadora (44) puede determinar para las frecuencias medidas en cada modo un desplazamiento de la frecuencia de resonancia (A) y una modificacion de la curva de resonancia y a partir de los valores determinados relativos al desplazamiento de la frecuencia de resonancia (A) y a la modificacion de la curva de resonancia, puede calcular la masa y/o la humedad del objeto dielectrico (40) que se mueve a traves del resonador (12), registrandose

20 varias veces los valores de medida de los modos uno tras otro mediante la unidad evaluadora (44) para un objeto a medir (40) que se mueve a traves del resonador (12) y evaluandose en un momento en el que se ha detectado para un modo el maximo de la desintonizacion de la frecuencia de resonancia cuando pasa el objeto a medir (40) a traves del resonador (12).

25 2. Dispositivo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la unidad evaluadora puede determinar

como modificacion de la curva de resonancia un ensanchamiento (B) de la curva de resonancia.
3. Dispositivo segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque los modos del resonador se encuentran en una gama de frecuencias entre 0,5 GHz y 20 GHz.

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4. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el resonador presenta la forma de un paralelepfpedo, la forma de un elipsoide o la forma de un cilindro con seccion con forma de elipse.
5. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque entre las aberturas de 35 entrada y de salida esta prevista una pieza de formato para conducir el objeto a medir a traves del resonador.
6. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque para cada modo esta previsto un equipo desacoplador, que se encuentra en un nodo de oscilacion de los otros modos.

40 7. Procedimiento para medir masa y/o humedad de objetos dielectricos, con una unidad evaluadora, al

menos un generador de alta frecuencia, al menos un detector de alta frecuencia y un resonador, caracterizado porque para el proceso de medida genera el generador de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, tres modos independientes entre sf en el resonador, encontrandose los campos electricos de los modos en una zona de medicion perpendiculares entre sf y teniendo dos resonancias contiguas una distancia minima de 100 MHz y con el 45 detector de alta frecuencia, de los que al menos hay uno, se miden para cada nodo las frecuencias que se presentan en el resonador, presentando el resonador una abertura de entrada y una abertura de salida, que permiten un movimiento del objeto dielectrico a medir a traves del resonador y la unidad evaluadora evalua para las frecuencias medidas de cada modo un desplazamiento de la frecuencia de resonancia y una modificacion de la curva de resonancia y a partir de la evaluacion determina masa y/o humedad del objeto dielectrico, registrandose varias veces 50 uno tras otro los valores de medida de los modos para un objeto a medir que se mueve a traves del resonador y evaluandose en un momento en el que se ha detectado para un modo el maximo de la desintonizacion de la frecuencia de resonancia cuando pasa el objeto a medir a traves del resonador.
8. Procedimiento segun la reivindicacion 7, caracterizado porque la unidad evaluadora evalua como

55 modificacion de la curva de resonancia el ensanchamiento (B) de la curva de resonancia.