JP2017517004A - 無線周波数状態変化測定システム及び方法 - Google Patents

Abstract

導電空洞共鳴測定及び導電導波管測定の測定システム及び方法が、開示される。空洞または導波管を使用して、空洞または導波管内に含まれる、または空洞または導波管を通過する、物質またはサンプルの量、組成、または分布を監視することができる。測定のばらつきを減らし、測定精度を改善し、測定応答時間を削減するように測定システムを動作させるための改善手段が、開示される。本発明の広い応用は、フィルタと触媒とパイプと導管の測定に渡り、空洞または導波管内で集められた物質または空洞または導波管を通過する物質は、それが置換する物質とは異なる誘電特性を示す。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１４年６月６日に出願された、米国仮特許出願番号第６２／００８，５０３号の優先権を主張し、その開示は参照により、本明細書に組み込まれる。

本発明は、全米科学財団によって授与されたＡｗａｒｄ Ｎｏ． ＩＩＰ １３３０３１３のもとで、政府の支援を受けて行われた。政府は、本発明に対する特定の権利を有する。

マイクロ波空洞及び導波管は、所与のシステムの状態を判断するために、多くのアプリケーションで使用されている。いくつかのアプリケーションの例には、フィルタのローディングを監視すること、物質の混合物の組成を判断すること、水分含量を検出すること、または触媒に吸収された特定の気体種類の量を測定すること、が挙げられる。マイクロ波空洞測定は、システムのそのままの状態に関する情報を、監視されている物質に直接接触する必要なしに提供するために有益である。マイクロ波ベースの空洞及び送信測定システムの幅広い適用性を例示するための追加的な例は、排気微粒子フィルタと、（排出触媒を含む）処理触媒と、膜と、パイプや導管などのフロースルー要素と、を含む。これらのシステムの具体的な最終用途は、原油パイプ内の空気または水を監視することから、衣服乾燥機内の布地内の水分レベルを測定すること、粒子フィルタ上の煤含有量または選択的触媒還元システムのアンモニアストレージを検出することまで、非常に多様であるが、これらのアプリケーションの全ては、１つの共通の要素を共有する。前述のシステムのすべてによって用いられる共通要素は、マイクロ波手段を通して調べられる、導電空洞または導電導波管を使用することである。広い適用性にも関わらず、マイクロ波空洞測定システム及び導波管測定システムには多くの短所があり、それらは、測定の精度に悪影響を与え、または従来、緩和のために、複雑で、費用が高く、面倒な手段を必要としてきた。

第１に、空洞測定システム及び導波管測定システムは、通常、部品毎のばらつきという弱点があり、（製造交差、熱膨張／収縮、組立のばらつき、及び他の要因による）空洞または導波管の形状のわずかな変化が、マイクロ波共鳴応答に影響を与え、測定に誤差を生じさせる。加えて、フィルタ要素または触媒基板などの空洞または導波管内に存在する物質の変化、導電要素の存在、または壁部での物質の堆積は、また、システムのマイクロ波応答に悪影響を与え得る。クランプまたは他の締め具の緩みなどの経時的な空洞の変化、一例として凹みなどの空洞形状の特定の変化の導入も、また、測定に悪影響を与え得る。

第２に、空洞測定システム及び導波管測定システムは、基本的に、信号がその中を通って伝播する空洞または導波管内の物質の誘電特性の変化を監視する。しばしば、空洞内のサンプルの誘電特性は、多数のパラメータによって影響を受け得、それらは、また、適切に考慮されなければ、測定に誤差を生じさせる。たとえば、空洞または導波管内のサンプルの誘電特性は、他のパラメータに加えて、測定が行われる温度または周波数の関数であり得る。他の物質、一例では水の存在は、また、測定に影響を与え得る。これらの追加的なパラメータは、測定方法自体または測定環境によって導入され得、空洞内のサンプルの誘電特性に対するそれらの影響は、したがって、著しい測定に著しい誤差を生じさせ得る。

第３に、空洞または導波管内の物質の空間分布も、また、空洞または導波管内の特定の電場分布に基づいて、測定感度に影響を与える。低電場を有する空洞または導波管の領域内にある物質に関しては、その物質を監視するための測定感度は、同じ量の物質またはサンプルが高電界強度の領域内にある場合よりも低くなる。したがって、システムの感度または測定応答は、また、測定周波数範囲での特定の電場分布に対する物質の分布によって直接影響される。

第４に、エンジンの制御、生産プロセス、化学処理、石油抽出などのプロセス制御アプリケーション、及び他のアプリケーションにおける空洞測定システムまたは導波管測定システムの実装は、しばしば、リアルタイムまたはほぼリアルタイムのフィードバック制御のために、高速の応答を必要とする。多くの従来の空洞測定システム及び導波管測定システムは、比較的遅い（１Ｈｚよりも遅い）応答を示し、したがって、高速応答測定が必要なアプリケーションに対しては用途が限定される。

第５に、空洞内のサンプルまたは物質、または空洞または導波管を通り抜けるサンプルまたは物質が、高度の誘導損失を示すアプリケーションでは、マイクロ波信号は急速に飽和し得、これは、振幅をノイズと区別することが困難になることを意味する。空洞測定または導波管測定を比較的損失の多い物質と共に用いなければならないアプリケーションでは、測定範囲は、大幅に狭められ得る。

第６に、特定のアプリケーション、特に、２種類以上の物質が存在し得、共鳴応答への影響があり得る空洞測定システムまたは導波管測定システムでは、２以上の成分から構成される混合物から、１つの特定の成分の存在を監視することが困難であり得る。関連アプリケーションでは、成分の誘電特性は、それが空洞内で置換する媒体の誘電特性または混合物内の他の物質の誘電特性とはほんのわずかに異なるのみであり得、したがって、検出を困難（低感度）にする。

第７に、マイクロ波生成システム及び検出システムは、高度に安定的でないことがあり、年数、温度、及び他の環境特定に関連するばらつきを有する。ソースの強度および／または検出器の応答は、可変である。空洞の誘電特性の正確な判断を達成するための手段は、ユニット毎のばらつきのみならず、ユニットの時間的ばらつきも考慮する必要がある。

したがって、幅広いアプリケーション及び使用分野に対する高い有用性を有する、改善された空洞共鳴測定システムまたは導波管測定システム及び方法が、必要とされている。

導電空洞共鳴測定及び導波管測定の測定システム及び方法が開示される。空洞または導波管を使用して、空洞または導波管内に含まれる物質またはサンプルの、または空洞または導波管を通り抜ける物質またはサンプルの、量、組成、または分布を監視することができる。測定のばらつきを低減し、システムを安定させ、測定精度を改善し、測定応答時間を短縮する測定システムを動作させるための改善された手段を、説明する。本発明の広いアプリケーションは、空洞または導波管内に集められた物質、または空洞または導波管を通過する物質が、それが置換する物質とは異なる誘電特性を示す場合の、フィルタ、触媒、パイプ、導管の測定に及ぶ。

空洞測定システムの一実施形態と、フィルタ、膜、触媒、または他の種類の媒体であり得る内部媒体の詳細とを示す。 図１の測定空洞を含む、空洞サンプリングシステムを示す。 空洞サンプリングシステムの第２の実施形態を示す。 フロースルー空洞測定システムまたは導波管測定システムの一実施形態を示す。 フロースルー空洞測定システムの第２の実施形態を示す。 フロースルー空洞測定システムの第３の実施形態を示す。 無線周波数プローブの一実施形態を示す。 排出制御空洞測定システムの一実施形態を示す。 物質の堆積を検出するために使用されるマイクロ波プローブの詳細図である。 空洞測定データ、及び測定時間を削減するための手段を示す。 図１１ａ〜図１１ｂは、空洞測定システムの２つの実施形態における特定の電場分布を示す。 空洞測定システムの第３の実施形態における特定の電場分布を示す。 図１３ａ〜図１３ｂは、２つの空洞共鳴モードに対する、特定の物質の効果を示す。 いくつかの空洞共鳴モードに対する、石油ディーゼルとバイオディーゼルとの混合物の効果を示す。 １つの空洞共鳴モードに対する、石油ディーゼルとバイオディーゼルとの混合物の効果の、追加的な詳細を示す。 いくつかの空洞共鳴モードに対する、石油ディーゼルと水との効果を示す。 いくつかの空洞共鳴モードに対する、バイオディーゼルと水との効果を示す。 いくつかの空洞共鳴モードに対する、バイオディーゼルと水との効果を示す。 いくつかの空洞共鳴モードに対する、液体の混合物の効果を示す。 いくつかの空洞共鳴モードに対する、ガソリンとエタノールとの混合物の効果を示す。 いくつかの空洞共鳴モードに対する、より多数の混合物の効果を示す。 いくつかの空洞共鳴モードに対する、布地内の水分含量の効果を示す。 位相を監視することによる空洞測定範囲の拡張を示す。 図２４ａ〜図２４ｂは、複数の共鳴モードに及ぶ広範な周波数範囲における、振幅測定と位相測定との比較を示す。 ＳＣＲ触媒の無線周波数応答に対する、尿素投与により導入されたアンモニア貯蔵の影響を示す。

図１は、一実施形態による、空洞測定システムを示す。測定空洞１００は、筐体１０６から構成され、それは、内部要素１１０を含んでも含まなくてもよい。内部要素１１０は、存在する場合、フィルタ、膜、セラミック基板、触媒サポートなどであってよい。筐体１０６は、円錐形であり得る連結要素１０８と連結要素１０４とによって、流れまたはサンプルを筐体１０６の中に向かわせる、パイプ、チューブ、または導管などのコンジット１１２またはコンジット１１４に接続され得る。連結要素１０８及び連結要素１０４、及びコンジット１１２及びコンジット１１４は、存在してもしなくてもよい。別の実施形態では、筐体１０６の端部は、閉じていてよい。

１つまたは複数の無線周波数プローブ１１６及び１１８は、無線周波数信号を筐体１０６内で送信または受信するために、筐体１０６内、連結要素１０４または連結要素１０８内に設置され得、または別の方法で適切に配置され得る。送信信号及び受信信号は、１つまたは複数の共鳴モードを測定空洞１００内で生成し、サンプリングするために使用され得る。図示しないメッシュまたはふるいを使用して、信号を、筐体１０６によって画定される容積内に、または筐体１０６と１つまたは複数の連結要素１０８及び１０４とによって画定される容積内に、封じ込めることができる。

無線周波数プローブ１１６及び無線周波数プローブ１１８は、棒アンテナ、ループアンテナ、導波管、または他の種類のアンテナ要素またはプローブ要素などの、無線周波数信号を送信または受信するのに適切な任意の種類のプローブであってよい。送信構成要素及び／または受信構成要素は、誘電導波管、共鳴装置、または発射装置であってよい。誘電導波管は、放射型または非放射型であってよい。１つまたは複数のプローブを使用することができる。

図１は、２つの、プローブ１１６とプローブ１１８とを示しているが、いくつかの実施形態では、１つのプローブのみを使用することができ、または３つ以上のプローブを使用することができる。プローブ１１６及びプローブ１１８を、無線周波数制御ユニット１０２に接続することができる。無線周波数制御ユニット１０２を、さらに、ワイヤーハーネスまたはケーブルアセンブリ１２０に接続することができ、それは、電力を無線周波数制御ユニット１０２に供給することができ、または測定情報または操作命令を、（図示しない）外部デバイスに送信し、外部デバイスから受信するために使用され得る。一実施形態では、外部デバイスは、エンジン制御ユニットなどの別の種類の制御ユニット、またはコンピュータであってよい。外部電力は、ワイヤーハーネスまたはケーブルアセンブリ１２０によって供給されてもされなくてもよい。一実施形態では、無線周波数制御ユニット１０２は、バッテリで動作し得る。無線周波数制御ユニット１０２は、計時デバイスを含んでも含まなくてもよく、コンピュータ可読記憶媒体を含んでも含まなくてもよい。

測定空洞１００、及びより具体的には筐体１０６は、内部要素１１０を含んでも含まなくてもよい。一実施形態では、要素１１０は、存在しなくてもよい。別の実施形態では、要素１１０は、フィルタ要素、膜、サポート基板、ハニカム構造、及び測定空洞１００内の物質と相互作用するように設計された別の種類の要素という形態で、存在することができる。相互作用は、粒子、気体、または液体などの、測定空洞１００内を通過し得る物質、または一実施形態では測定空洞１００内に堆積または留まり得る物質を、積極的にフィルタにかけ、捕らえ、または貯えるという形態で、起こり得る。要素１１０は、従来的な紙、テフロン（登録商標）、または水晶型フィルタ、膜、触媒サポート、セラミックハニカム型フィルタ、多孔媒体、メッシュ、または他の種類の要素であってよい。

フィルタディスクの場合では、要素１１０は、一実施形態では、Ｐａｌｌ Ｆｉｂｅｒｆｉｌｍ（商標）フィルタ、Ｔｉｓｓｕｑｕａｒｔｚ（商標）フィルタ、またはＥｍｆａｂ（商標）フィルタなどと同じまたは類似のものであってよいが、任意の適切なフィルタまたは膜を使用することができる。要素１１０は、フィルタ表面を、またはフィルタ孔内または繊維性マトリックス内を、粒子１２４またはコーティング層１２２で覆われていてもいなくてもよい。一実施形態では、粒子１２４は、触媒粒子であってよく、コーティング層は、ウォッシュコート１２２または他の種類のコーティングであってよい。

フロースルー基板の場合、要素１１０は、任意の形状の、一連の経路１２６から成ることができる。経路１２６は、コーティング１２８を含んでも含まなくてもよく、コーティング１２８は、触媒構成要素またはウォッシュコート構成要素を備えても備えなくてもよい。一実施形態では、要素１１０は、従来の自動車用触媒または工業用触媒であってよい。さらに別の実施形態では、要素１１０の経路１３２は、従来のディーゼル粒子フィルタまたはガソリン粒子フィルタなどのように、交互になった端部１３０で塞がれ得、コーティング１３４を含んでも含まなくてもよい。コーティング１３４とコーティング１２８とコーティング１２２とを、要素１１０の表面上に示したが、コーティングは、表面上でなくてよく、一実施形態では、むしろ要素１１０の孔内にあってよい。さらに別の実施形態では、コーティングは、コーティング中に分散した追加的な粒子を、含んでも含まなくてもよい。粒子は、一実施例では触媒粒子、または別の実施例ではゼオライトであってよく、そうでなくてもよい。

いくつかの場合では、コーティング１２２、コーティング１２８、コーティング１３４、または粒子１２４を追加することを通して、要素１１０を変更することが望ましいことがあり、それは、測定空洞１００を通って流れるサンプルまたは測定空洞１００内に堆積するサンプルと、優先的に相互作用する。相互作用は、化学的または物理的であり得る。一実施形態では、要素１１０上に堆積した粒子またはコーティングは、特定の種類の物質、または生態系におけるバクテリアまたはウィルスなどの汚染物質、または煤、灰、または花粉などの、空気ろ過システムまたは排気ろ過システム内の粒子（または気体、兵器または揮発性有機化合物などの化学毒性化合物、ＶＯＣ、または水蒸気）を優先的に捕らえるように、機能付加され得る。

別の実施形態では、コーティング１２２、コーティング１２８、コーティング１３４、または粒子１２４は、測定空洞１００を通って流れる特定の物質または測定空洞１００内に堆積する特定の物質に曝された時に、要素１１０の誘電状態に優先的に影響するように設計され得る。別の実施形態では、コーティング１２２、コーティング１２８、コーティング１３４、または粒子１２４は、経年劣化後またはある期間後の要素１１０の誘電状態に優先的に影響するように設計され得る。いくつかの例示的な例を以下の一覧に提供するが、多くの他の適切な物質が、同じ目的または関連しない目的のために使用され得る。
貯蔵：特定の粒子またはコーティングを要素１１０に追加して、特定の気体、液体、または固体を優先的に貯えることができ、そのような成分を貯えることは、要素１１０の誘電特性に影響を与え得る。一実施例では、セリア含有粒子またはコーティングを要素１１０に適用して、酸素を優先的に貯えることができ、酸素を貯えることは、要素１１０の導電性を低減させ、空洞内の誘導損失を低減させる結果になる。別の実施例では、銅ゼオライトまたは鉄ゼオライトなどを要素１１０に適用して、アンモニアを優先的に貯えることができ、アンモニアを貯えることは、要素１１０の誘導損失を増加させる結果になる。さらに別の実施形態では、硫黄を、アルカリ土類またはアルカリ金属などのさまざまな金属酸化物上に、金属硫酸塩の形態で優先的に貯えることができ、それにより、要素１１０の誘電特性に同様の影響を与えることができる。さらに別の実施例では、要素１１０は、バリウムなどのアルカリ土類金属、カリウムなどのアルカリ金属、または希土類金属で覆われ得、またはそれらを含むことができ、それらを使用してＮＯｘを貯えることができ、ＮＯｘを貯えることは、また、要素１１０の誘電特性に影響を与える。示した実施例は、気相種に注目しているが、粒子（固体）成分と液体成分とを、適切な貯蔵成分を要素１１０に適用することによって、同様に貯えることができる。このようにして、興味を有する特定の種の貯蔵と解放との両方は、興味を有する成分の貯蔵が要素１１０または測定空洞１００の誘電特性に影響を及ぼす限り、優先的に監視され得る。変化は、誘電の実数部であるε’、または誘電の虚数部であるε’’のいずれか、またはその両方であり得る。誘電率の虚数部ε’’の代わりに、物質の導電性が影響を受けることがある。
酸化／還元：触媒粒子などの粒子またはコーティングを要素１１０に追加して、要素１１０上に蓄えられた特定成分または要素１１０を通過する特定成分を酸化させることができる。プラチナまたは他の貴金属は、一例である。一実施形態では、貴金属触媒または貴金属含有触媒コーティングを適用し、煤を酸化するために使用することができる。別の実施形態では、酸化は、炭化水素または一酸化炭素の酸化であってよいが、酸化は、任意の物質の酸化であってよい。両方の場合では、酸化プロセス、またはその入力または結果は、要素１１０の誘電状態の変化という結果になり、それは、マイクロ波手段を介して監視され得る。誘電状態の変化は、酸化生成物の形成、または初期反応物の喪失または解放によることがある。他の酸化プロセスを、同様の手段を通して監視することができる。粒子またはコーティングを含む貴金属以外の他の粒子またはコーティングも使用することができる。同様に、触媒粒子などの粒子またはコーティングを要素１１０に追加して、要素１１０上に貯えられている特定成分または要素１１０を通過する特定成分のいずれかを還元することができ、特定成分は、反応物の損失または反応生成物の形成が要素１１０または測定空洞１００の誘電特性に影響を与えるのであれば、マイクロ波手段を介して検出され得る。示した実施例は、気相種に注目しているが、粒子（固体）成分と液体成分とを、適切な貯蔵成分を要素１１０に適用することによって、同様に酸化または還元することができる。
経年劣化：触媒粒子などの粒子またはコーティングを要素１１０に追加して、要素１１０の経年劣化状態、その性能、または触媒の経年劣化または状態の兆候を提供することができる。一実施例では、経年劣化は、物理的または化学的であってよい。特定の実施例では、経年劣化は、活性部位の損失、粒子焼結、または凝集によることがあり、経年劣化は、誘電特性に影響を与えることがあり、マイクロ波手段を介して監視され得る。別の実施例では、経年劣化は、化学的相互作用または汚染物質による触媒の被毒によることがある。さらに別の実施例では、被毒は、硫黄汚染またはリン汚染によることがあり、可逆（一実施例では、高温脱硫酸化など）または非可逆であり得る。

上記に提供した例示的な実施例は、広範囲に適用可能である。広範囲に渡る粒子またはコーティングを使用して、以下になるように、要素１１０の特性を優先的に制御することができる。
１．要素１１０上または要素１１０内に堆積したコーティングまたは粒子は、測定空洞１００内に存在し得る１つまたは複数の物質（気体、液体、または固体）と優先的に相互作用するように選択される。
２．選択的な貯蔵、酸化、還元、経年劣化、またはいくつかの他の手段によるものであろうと、相互作用は、前記粒子またはコーティングを追加しない場合に自然的に発生するものよりも、要素１１０または測定空洞１００の誘電特性のより大きな変化をもたらす。

さらに、粒子またはコーティングの追加は、要素１１０のみに制限されなくてよく、測定空洞１００を備える１つまたは複数の構成要素の内部表面にも追加されてもよい。同様に、誘電特性の監視される変化は、要素１１０上だけでなく、測定空洞１００内のみで発生してもよいが、しなくてもよい。

マイクロ波手段による特定のプロセス（貯蔵、酸化／還元、経年劣化）の検出を強化するために、要素１１０の特性を優先的に制御するための粒子またはコーティングの追加を説明したが、いくつかの実施形態では、追加的な粒子またはコーティングは必要でないことがあり、所望のプロセスは、要素１１０自体の誘電特性の変化、または一実施例ではＳＣＲコーティング（銅ゼオライトまたは鉄ゼオライト）、または別の実施例では酸化コーティングなど、１１０上にすでに存在する既存コーティングの誘電特性の変化によって、直接監視され得る。

本発明の１つの際立った態様は、要素１１０に加えられる、「誘電感度のよい」粒子またはコーティングという名前の、追加的な粒子またはコーティングが、主に診断目的または感知目的を果たすこと、つまり、その主要機能を改善またはサポートするのではなく、要素１１０の状態の無線周波数測定を強化することである。１つの非限定的な例は、ＳＣＲ触媒であり、その場合、「誘電感度のよい」粒子またはコーティングの追加は、触媒のアンモニア貯蔵またはＮＯｘ変換を強化する役割を果たすのではなく、触媒アンモニア貯蔵レベル、経年劣化状態、活性部位の数、全体的な調子または完全性、被毒などの無線周波数感知を強化するという役割を果たす。

図１に示す空洞測定システムのアプリケーション、及び測定空洞１００の内部への粒子とコーティングとの追加は、要素１１０上または測定空洞１００の内部構成部品上であろうと、広まっている。１つの具体的なアプリケーションは、自動車用触媒と工業用触媒とを含む。適用される粒子またはコーティングは、三元触媒、リーンＮＯｘトラップ、選択的触媒還元システム、酸化触媒、触媒粒子フィルタ（ガソリンまたはディーゼル）、炭化水素トラップ、アンモニアスリップ触媒、または他の種類の触媒のためのものなど、従来の触媒及びコーティングであってよく、触媒筐体は、マイクロ波共鳴空洞または導波管を形成する。共鳴曲線の監視される変化は、酸素貯蔵、アンモニア貯蔵、ＮＯｘ貯蔵、煤貯蔵、灰貯蔵、煤酸化、炭化水素酸化または炭化水素貯蔵、ＣＯ酸化、及び他のプロセスなどの、触媒上で発生する化学プロセス（化学吸着）または物理プロセスに関連し得る。空洞共鳴の監視される変化は、共鳴振動数シフト、絶対電力損失、相対電力損失、または位相シフト、並びに、品質係数、特定電力レベルでのピーク幅、曲線下面積、平均電力、及び関連パラメータなどから導かれるパラメータに基づき得る。

絶対電力損失は、本明細書では、所定の大きさからの、ＲＦ信号の測定された大きさの変化として定義され、一方で、相対電力は、空洞または導波管への生成ＲＦ信号入力からの、空洞または導波管を通過するＲＦ信号の測定された大きさの変化として定義される。生成ＲＦ信号の大きさは、すべての測定の間継続的に、または特定の間隔で断続的に、判断され得る。生成ＲＦ信号の大きさを判断するための１つの例示的な手段は、測定空洞または測定導波管を回避し、生成ＲＦ信号を検出器に直接返送する、バイパス経路という手段である。その後、バイパス信号を、空洞測定または導波管測定から取得した信号と比較することによって、相対電力損失を判断することができる。同じ方法で、絶対位相シフトと相対位相シフトとを、また、判断することができる。

一実施形態では、無線周波数制御ユニット１０２は、２つの検出器と通信することができ、測定空洞を通過する信号とバイパス信号との両方を、同時に測定することができる。１つの検出器を用いる異なる実施形態では、測定は、順次的である、つまり、まず１つの信号を測定し、その後、第２の信号を測定する（たとえば、測定空洞を通過する信号を測定し、その後、測定空洞をバイパスした時の信号を測定する）。これらの信号のうちの１つの周波数走査を行い、その後に他の信号の周波数走査を行うことが可能である。バイパス信号の走査は、走査毎に実施することができ、または定期的に行うことができる（決定された数の測定空洞走査の後）。加えて、測定空洞を通過する信号の時間応答を高めるために、異なる周波数範囲を有することが可能であり得る。代替的な測定モードでは、両方の信号（測定空洞を通過する信号及びバイパス信号）は、同じ周波数で測定され、その後、周波数は、周波数走査を完了するために、変更される。

２つの信号の監視は、特定の測定中、または異なる条件において、異なる送信電力を使用することを可能にする。たとえば、信号対ノイズ比が大きい条件では、バイパス信号を監視することによって、測定空洞への電力入力を監視しながら、送信電力を減少させることが可能である。同様に、信号対ノイズ比が小さい場合、大きくした電力を使用することが可能である。動作の１つのモードは、測定空洞を通過する信号の所望の目標振幅が測定されるまで、入力電力を継続的に調整し、その後、生成された電力を、測定空洞の状態を判断するために使用される変数として、使用する。測定空洞の状態により、１つまたは複数の目標測定信号レベルがあり得る。

空洞内に配置または導入されるドーピング物質も使用して、成分の温度を監視することができる。たとえば、フィッシャー・トロプシュ触媒またはメタノール触媒は、触媒を損傷する、または望ましくない生成物（フィッシャー／トロプシュの場合、反応装置を詰まらせ得る厚いワックス状物質）という結果になる、局所的な温度逸脱に非常に敏感である。温度に敏感な物質を空洞内に配置することによって、反応装置の温度を遠隔で監視することが可能であり、これは、現在は、反応装置の上流または下流の温度を測定することによってのみ、または非常に局所的な温度のみを測定する、邪魔になるサーモカップルを通してのみ、行われている。ドーピング物質は、温度に敏感な誘電率を有する。ドーピング物質は、誘電物質の実数部（屈折率）または虚数部（吸収）が温度に敏感であるように、または両方が温度に敏感であるように、選択され得る。温度情報は、絶対振幅、相対振幅、共鳴振動数シフト、マイクロ波信号の位相または品質係数から抽出され得る。ユニットは、反応装置の温度が、基準値の辺りで振動するように、試薬の流入口温度または流入口の組成のいずれかを調整することによって、反応装置の状態を変えることによって継続的に較正され得る。別の実施形態では、ドーピング物質は、温度に敏感でないかもしれないが、ドーピング物質の誘電特性に影響を与える特定の種との化学的相互作用または物理的相互作用などの、空洞内の物質との他の相互作用に敏感であり得る。

マイクロ波空洞応答の監視される変化を使用して、空洞、またはデバイス、装置の一部、工場、プロセス、または空洞測定に基づいた関連システムの動作を制御することができる。１つのアプリケーションでは、無線周波数制御ユニット１０２は、１つまたは２つ以上の共鳴モードを含むことができる測定空洞１００の共鳴曲線をサンプリングし、共鳴振動数シフト、絶対振幅、相対振幅または位相、またはそれらの導関数に関連する、１つまたは複数の測定パラメータを監視または計算する。これらの共鳴パラメータのうちの１つまたは複数は、空洞の状態に関連し得、空洞の状態は、空洞内に堆積されまたは貯えられた特定物質の量、物質組成などの空洞内の物質の種類、または特定の共鳴モードに関連する電場の分布に基づいた空洞内における物質の分布によって特徴付けられ得る。

空洞測定パラメータの変化を使用して、特定のプロセスの動作を監視することができ、または空洞内の要素１１０の調子を監視することができる。一実施形態では、要素１１０は、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ、または煤の排出を低減するように設計された、従来の自動車用触媒または工業用触媒であってよい。触媒の主要機能は、１つまたは複数の排気排出を削減することであり得るが、触媒もまた、汚染、被毒、または、一実施例では硫黄からなどの付着物に曝され得る。硫黄などの汚染成分を選択的に貯えるように、または他の成分に対する硫黄貯蔵選択性を強化するように設計された、銀、亜鉛、ニッケル、クロム、または銅の、単独での、またはアルカリ土類またはアルカリ金属に加えての使用などの、粒子１２４またはコーティング１２２、コーティング１２８、またはコーティング１３２の追加は、貯えるための感度を高めることを可能にすることができ、したがって、触媒の全体的な性能が著しく影響を受ける前に、触媒上の硫黄または他の汚染物質のレベルを、マイクロ波手段を介して測定することができる。このようにして、粒子１２４またはコーティング１２２、コーティング１２８、またはコーティング１３４の追加は、診断目的を果たす。同様に、粒子１２４またはコーティング１２２、コーティング１２８、またはコーティング１３４による要素１１０または測定空洞１００の誘電特性の変化は、経年劣化、またはシステム性能の時間による劣化の兆候を提供する役割を果たすことができる。製剤処理、石油抽出及び精製、浄水、燃料電池膜などに渡る他のアプリケーションでは、多くの他の同様な実施形態が存在する。

上記で提供した具体的な実施例は、さらに、以下に定義される要件によってさらに例示され、要素１１０または測定空洞１００の１つまたは複数の内部表面に適用された粒子またはコーティングが、以下を行うように定義された主要な診断機能を果たすようにする。
１．感度を高める、または測定空洞１００内の興味を有する１つまたは複数の成分種の全体的な貯蔵、堆積、または捕獲を強化すること、または、
２．興味を有する１つまたは複数の成分種の、要素１１０の誘電特性または測定空洞１００の内部容積内の誘電特性に対する影響を強化または増幅させること、及び
３．興味を有する成分種は、要素１１０の主要機能によって直接影響される種と同じ種でない。

上記に挙げた要件を例示する例は、硫黄選択性物質またはリン選択性物質（粒子、コーティングなど）を従来の三元触媒に追加することを含み、触媒の主要機能は、硫黄またはリンを捕らえることではなく、ＣＯ、ＨＣ、またはＮＯｘの排出を削減することである。しかしながら、この場合では、硫黄選択性物質またはリン選択性物質は、硫黄またはリンの空洞誘電特性に対する影響を増幅し、したがって、硫黄またはリンのレベルを直接検出することを可能にし、レベルが過度である場合、それはシステム性能に有害な影響を与え得る。このようにして、追加的な粒子またはコーティングの主要目的は、純粋に診断的な性質であり、つまり、それは、システムの調子または機能の兆候を提供する特定のシステムパラメータの測定を強化する。さらに別の実施形態では、追加的な粒子またはコーティングは、追加的な汚染物質を監視するために使用されないかもしれないが、むしろ、触媒または要素１１０自体の有効性または劣化の兆候として使用され得る。さらに別の実施形態では、触媒または要素１１０の状態は、その誘電応答を強化するための追加的な物質の必要性なしに、触媒の誘電応答の変化を直接監視することによって、直接監視され得る。

従来のプロセスを監視することに加えて、物質を流れに追加して、ユニットの性能を判断することができる。たとえば、ＲＦ測定が構成要素の調子を示すように、異物を流れに追加して、これらの粒子または基板と相互作用させることができる。たとえば、粒子感知物質またはコーティング感知物質がユニットの下流に配置された場合、ユニットの上流の物質の調子を、下流（フィルタ特性の中断などの損傷（割れまたは溶融）、またはユニットの利用可能な保持を最小化する触媒／基板の焼結、または局所的な温度）を測定することによって、判断することができる。たとえば、煤感知要素がＤＰＦの排気経路内に追加され、それらがマイクロ波センサを使用して監視されると仮定する。煤がそこで検出された場合、それは、ＤＰＦがどこかで故障したことを意味している。アンモニアの場合では、触媒の端部またはその近くに追加された添加物がある場合、この添加物内におけるアンモニアの存在の兆候は、アンモニアが排気ストリームの中に切迫して入ってきていることを示す。

図１で説明したシステムは、自動車アプリケーションにおけるような流れシステム、または化学反応装置におけるものなどのバッチシステムであってよい。バッチシステムの場合では、プロセスは、試薬の変換の度合いと、変換率と、温度または圧力などの他のパラメータとを判断する。

図２は、統合サンプリング及び空洞測定システム２０２の一実施形態を示している。一実施形態におけるパイプ、チューブ、または導管などの、流入口２０４と流入口２１８とを、要素２０８を含んでも含まなくてもよい空洞２０６に接続することができる。空洞２０６は、また、棒アンテナ、ループアンテナ、導波管、または他の適切な送信デバイスまたは受信デバイスなどの、無線周波数信号を送信または受信するように設計された１つまたは複数のＲＦプローブ２１０を含むことができる。空洞２０６は、また、パイプ、導管、チューブ、または同様の機能を提供するデバイスなどの、流出口２１６と流出口２２０に接続され得る。

図２は、また、ユニット２１４を示し、ユニット２１４は、送風機、ポンプ、エンジン、または、空洞２０６を通って流れるようにサンプルを誘導することができる同様のシステムであってよく、また、パイプ、チューブ、または導管、などの流出口２２０を含んでも含まなくてもよい。流れの方向は、図２では、左から右に、矢印によって示されているが、流れは、反対方向であってよい。ユニット２１４を、使用してもしなくてもよい。ユニット２１４を、制御ユニット２１２に接続することができ、制御ユニット２１２は、電力をユニット２１４に供給してもしなくてもよく、またはユニット２１４の動作を制御してもしなくてもよい。別の実施形態では、ユニット２１４は、空洞２０６の上流にあってよい。制御ユニット２１２は、一実施形態では特定の測定に関連する時間を判断する計時デバイス、または一実施形態では測定間の時間差を判断する計時デバイスを含むことができる。

制御ユニット２１２を、また、無線周波数信号を送信し、受信し、処理する、１つまたは複数のＲＦプローブ２１０に接続することができる。信号処理は、図１を参照して説明したさまざまなパラメータを、無線周波数信号から計算することを含むことができる。温度センサ、流量センサ、圧力センサ、湿度センサ、または組成センサなどの、追加的な、センサ２２４、センサ２２６、及びセンサ２２８が、システム内に存在することができ、制御ユニット２１２に接続され得る。これらの追加的な、センサ２２４とセンサ２２６とセンサ２２８とからの入力を、サンプリング及び空洞測定システム２０２の動作を制御するために、制御ユニット２１２によって使用することができる。接続２３０は、電力を、空洞測定システム２０２の制御ユニット２１２またはさまざまな構成要素に供給するために、または、通信リンクまたはデータリンクを、たとえば、コンピュータまたは主制御ユニットなどの（図示しない）さまざまな他のシステムに提供するために、使用され得る。

調整ユニット２２２などの追加的なサンプル調整ユニットも、また、存在することができる。一実施形態では、調整ユニット２２２は、ヒータまたはチラーなどの温度制御を提供することができる。別の実施形態では、調整ユニット２２２は、乾燥剤として動作して、水分を入ってくるサンプルから除去することができ、またはろ過または膜分離などによって、他の成分をサンプルから除去または分離することができる。別の実施形態では、調整ユニット２２２は、流量制御及び／または流量測定を、システムに提供することができる。他の実施形態では、調整ユニット２２２は、流れの中に、システムの性能を判断するために使用され得る異物、またはその性能を較正するために使用され得る異物を導入する。さらに別の実施形態では、流れを、ユニット２１４によって制御することができる。別の実施形態では、流れの組成を変えて、空洞２０６内の要素２０８の誘電特性の時間応答を判断することができる。いくつかの実施形態では、調整ユニット２２２は必要でないことがあり、他の実施形態では、２つ以上の調整ユニット２２２を使用することができる。

別の実施形態では、空洞２０６の状態は、また、空洞の温度を制御する（一実施例では、壁部を加熱または冷却する）ことによって、または空洞のローディングのための誘電体などの、誘電体、気体、液体、または固体で全体または一部を満たすことなどによって、内部容積空洞２０６を制御することによって、制御され得る。

要素２０８は、フィルタ、膜、触媒サポートなどのハニカムサポート、または図１を参照して説明した要素１１０に類似の他の要素であってよい。要素２０８は、粒子または他のコーティングを含んでも含まなくてもよい。要素２０８を使用してもしなくてもよい。

図２に示すシステムの好適な実施形態の動作は、サンプリングシステムとしてであってよく、その場合、サンプルポンプであり得るユニット２１４は、サンプルの流れ（固体、液体、または気体）を、パイプ接続２０４とパイプ接続２１８とパイプ接続２１６とにより空洞２０６を通して引き、流出口２２０を介して排出させるように、制御ユニット２１２によって制御される。流量は、制御ユニット２１２によって、ユニット２１４の動作を変化させることなどによって制御され得る。調整ユニット２２２は、制御された温度と水分含量とのサンプルの流れを空洞２０６に提供するために、一実施形態では、電気ヒータであってよく、または、別の実施形態では、乾燥剤を含むことができる。調整ユニット２２２は、別の実施形態では、複数の機能を実行することができる。調整ユニット２２２の動作は、一実施形態では閉ループ温度制御を提供する温度センサなどの、調整ユニット２２２の前後にそれぞれ配置された、追加的な、センサ２２４とセンサ２２６とからの入力に基づいて、制御され得る。圧力センサと湿度センサと組成センサとＲＦプローブ２１０さえなども含む追加的なセンサを、使用することもできる。このようにして、空洞２０６に入ってくるサンプルストリームの温度、水分含量、組成、及び関連特性などの特性を、上手く制御することができる。

要素２０８は、存在してもしなくてもよい。存在する場合、要素２０８は、一実施例では、特定の成分をフィルタまたは膜を介して捕らえることによって、または別の実施例では、要素２０８上の化学貯蔵または要素２０８との反応、またはそのような特定のサンプル成分と物理的に反応する（吸収／吸着）など、特定のサンプル成分と化学反応することなどによって、サンプルストリームと相互作用することができる。別の実施例では、サンプルストリームは、空洞２０６の内部表面と相互作用することができる。

ＲＦプローブ２１０は、無線周波数信号を、空洞２０６内で送受信することができる。２つ以上のプローブが、別の実施形態では存在してよい。測定は、１つまたは複数の空洞共鳴モードに対して、送信測定Ｓ１２または送信測定Ｓ２１、または反射測定Ｓ１１または反射測定Ｓ２２から成り得る。制御ユニット２１２は、ＲＦプローブ２１０の動作と、存在する場合は他のものの動作とを制御することができる。サンプルストリームによる、空洞２０６内または要素２０８上の誘電特性の変化は、共鳴間の領域を含む１つまたは複数の共鳴モードの変化を監視することによって検出され得、それは、サンプルの特定の特性に関連し得る。監視され得るサンプル特性は、特定の成分の量、（１つまたは複数の空洞共鳴モードの電場分布に基づいた）成分の分布、成分の種類または組成、または、サンプルによるものかに関わらず、要素２０８の状態の変化さえも含む。

サンプルストリームは、連続的であってもなくてもよく、空洞２０６を通って流れても流れなくてもよい。一実施形態では、サンプルストリームは、断続的であってよい。別の実施形態では、物理的に空洞２０６を開け、サンプルを空洞２０６内に手作業で置くことによって、またはサンプルを流入口２０４から流し入れるまたは充填することなどによって、サンプルを空洞２０６に配置することができる。別の実施形態では、ユニット２１４は、サンプルを空洞２０６から引くことができる。さらに別の実施形態では、圧力差を使用して、ユニット２１４の使用の有無にかかわらず空洞２０６を通って流れるように、サンプルを誘導することができる。

好適な実施形態では、サンプリング及び空洞測定システム２０２は、粒子測定装置であり、それを使用して、周囲環境内の粒子を、または排気システムなどのソースからの粒子を、サンプリングまたは監視することができる。別の実施形態では、サンプリング及び空洞測定システム２０２は、気体と液体と固体とを含み得る液体混合物の相対的な比率または組成を測定するために使用される液体組成測定システムである。

流れが、波長の一部である不均一性を空洞内に含む場合、流れの速度を、非接触手段を用いたマイクロ波信号を使用して監視することが可能である。異なる濃度の領域が、（電場の共鳴−モード構造のために）電場内の勾配を通って移動するにつれて、流れのスピードに関連するマイクロ波場（絶対振幅、相対振幅、共鳴振動数シフト、位相、または品質係数）において反応がある。たとえば、オイルの流れがその中あるパイプ内の、水分含量を判断することに加えて、マイクロ波応答の急激なシフトは、空洞内の流れの速度の判断を可能にする。非均一性を、（オイル中の水などの）流れの中に含めることができ、またはそれを追加することができ（物質を流れに追加する）、またはそれをキャビテーションによって作ることができ、そこで泡が作られる。

空洞測定システム２０２の重要な利点は、空洞２０６に入ってくるサンプルの状態と、空洞２０６の状態とを、正確に制御する能力である。温度、流量、水分含量、組成、及び他のパラメータなどのサンプル状態の制御は、空洞共鳴測定における誤差の源を大幅に減少させ、それによって、より正確な測定を可能にする。サンプル特性を制御することに加えて、追加的なセンサ２２４とセンサ２２６とセンサ２２８とからの測定値も使用して、空洞共鳴測定の補正を提供することができる。

図３は、サンプリング及び空洞測定システムの別の実施形態を示している。要素１１０と要素２０８と同様に、図３は、要素３１０を、ローラー３０６またはローラー３０８により供給または前進させられ得るストリップという形態で示している。一実施例では、要素３１０は、フィルタストリップまたは膜ストリップであってよいが、物質の適切なストリップまたはロールを使用することができる。要素３１０は、サンプル空洞３１２と測定空洞３２０とを通過するように示されており、サンプル空洞３１２及び測定空洞３２０は、断面図で示されている。空洞３１２及び空洞３２０は、一実施例では、別々の空洞であってよく、または、別の実施形態では、同じ空洞であってよい。スリットまたは穴または隙間などの開口部３１４及び開口部３２２は、要素３１０が空洞３１２と空洞３２０とを通過することを可能にする。開口部３１４及び開口部３２２は、図３では空スペースとして図示されているが、開口部は、動作の一部または全部の間に密閉され得る（図示せず）。一実施形態では、空洞３１２または空洞３２０は、１つの単体構成要素ではなく、要素３１０によって画定される線の辺りで分かれ、要素３１０を前進させるために開き、その後、要素３１０を正しい位置にしっかりと保持しながら、空洞３１２または空洞３２０を密閉するために閉じることができる２つの半分のものなどの、構成要素のアセンブリから成ることができる。

サンプル空洞３１２は、サンプルが空洞に入りまたは空洞から出ることを可能にする、１つまたは複数の開口部、または接続ポート３１６と接続ポート３１８とを含むことができる。要素３１０がフィルタ要素である場合では、サンプルの一部は、フィルタ上で捕らえられ得、一方で、残りは、空洞３１２から出る。サンプル空洞３１２は、また、開口部または接続ポートを含まないことがあるが、代わりに、空洞３１２内の要素３１０上にサンプル堆積を可能にするように、空洞３１２の１つまたは複数の部分を除去する必要があり得る。代替的に、サンプルは、また、空洞３１２の外部の要素３１０上に堆積し得る。

測定空洞３２０は、１つまたは複数の無線周波数プローブ３０４と、１つまたは複数のポート３２４とを含むことができる。プローブ３０４は、棒アンテナ、ループアンテナ、導波管、または、誘電導波管、共鳴装置、または発射装置などの、無線信号を送信または受信するための他の適切なプローブであってよい。プローブ３０４を、制御ユニット３０２に接続することができ、制御ユニット３０２は、無線周波数信号を生成し、検出することができ、また、信号処理を実行することができる。制御ユニット３０２を、また、接続３２８に接続することができ、接続３２８は、電力信号または通信信号のための接続を提供することができる。

測定空洞３２０の内部容積３２６は、物質で、完全にまたは部分的に、満たされていてもいなくてもよい。物質は、固体、液体、または気体であってよい。一実施例では、内部容積３２６は、測定空洞３２０に負荷をかけて共鳴モードをより低い周波数に優先的にシフトさせるためなどに、誘電物質で満たされていてよい。一実施例では、好適な物質は、アルミナであってよいが、他の物質も使用することができる。別の実施形態では、測定空洞３２０の内部表面は、空洞の品質係数、Ｑを改善するために、金、銀、または銅などの高導電性の物質で覆われ得る。さらに別の実施形態では、内部容積３２６を、不活性ガスで満たすことができ、別の実施例では、内部容積３２６は、酸化環境または還元環境であってよい。内部容積３２６の組成及び特性は、物質をポート３２４から導入するまたは抜くことによって、制御され得る。

一実施形態では、要素３１０を、まず、ローラー３０６とローラー３０８とを回転させることによって、所定の量前進させる。サンプルストリームは、サンプル空洞３１２の中に、流入口接続３１６から導入され得、空洞３１２から、流出口接続３１８を通って出ることができる。一実施形態では、サンプルストリームは、ポンプ、送風機、または接続３１６または接続３１８に接続された類似のデバイスによって生成された、連続的または断続的な流れであってよい。別の実施形態では、サンプルストリームは、３１６または３１８を高圧タンクまたは低圧タンクに接続することなどによって、圧力勾配によって動かされ得る。

サンプルストリームの一部または全部は、集められ、捕らえられ、堆積させられ、吸着され得、または他の方法で、要素３１０の全部または一部と相互作用し得る。サンプル空洞３１２の１つの目的は、サンプルストリームの一部または全部の、要素３１０との相互作用を促進することである。サンプル収集期間中またはその後、サンプル空洞３１２の内部の状態または空洞３１２の外部の状態は、温度、湿度、または環境組成を、優先的に前提条件要素３１０に変更することなどによって、制御され得る。一実施例では、要素３１０を特定の温度レベルまたは湿度レベルに維持することなどによって、要素３１０を前提条件に調整することは、無線周波数測定における誤差の源を減少させる。サンプル内の固体物質のフィルタ要素３１０上での堆積は、（流れを加速し、粒子状物質を流体の流れから分離することによる）慣性堆積によって、または（電気集塵装置での）静電気効果または（高勾配磁気分離での）磁気効果を通して、強化され得る。

所定のサンプリング時間の後、要素３１０を、測定空洞３２０内に前進させることができる。要素３１０を、継続的に、または遅延時間の後に、前進させることができる。要素３１０は、収集したサンプルまたは要素３１０とのサンプルの相互作用の結果を、測定空洞３２０の中に運ぶために、前進させられ得る。いったん測定空洞３２０の中に入れば、要素３１０を、無線周波数手段によって調べることができる。１つまたは複数のプローブ３０４は、１つまたは２つ以上の空洞共鳴モードを生成するために十分な周波数範囲にわたって、無線周波数信号を測定空洞３２０に送信するために使用され得る。別の実施形態では、信号は、共鳴でないかもしれず、１つの特定の周波数であってよく、または複数の周波数であってよい。１つまたは複数のプローブ３０４は、送信信号を受信することができる。受信プローブ３０４は、送信プローブ３０４と同じであってよく、または（図示しない）別のプローブであってよい。

制御ユニット３０２は、無線周波数信号を生成し、送信することができ、また、受信信号を検出することができる。制御ユニット３０２は、さらに、較正アルゴリズムまたは伝達関数の適用などを通して、無線周波数信号を処理して、信号パラメータの変化を、興味を有する状態変化に関連付けることができる。制御ユニット３０２は、さらに、スピードを制御することによって、またはローラー３０６とローラー３０８とを始動、停止させることによって、いつ要素３１０を前進させるかを判断することができる。制御ユニット３０２は、また、測定空洞３２０内の温度、湿度、または環境などのサンプル調整を制御することができる。別の実施形態では、制御ユニット３０２は、ポート３２４に接続された（図示しない）バルブまたはポンプを操作して、物質を内部容積３２６に導入し、または物質を内部容積３２６から抜くことができる。

別の実施形態では、１つまたは複数の共鳴曲線または個別の周波数範囲または特定の周波数を、サンプルの温度変化がある時とない時でサンプリングするなど、空洞３２０の無線周波数測定を、収集、吸着、またはいくつかの他の方法で要素３１０上に堆積されまたは捕らえられた、物質の量、種類、または分布を判断するために、制御ユニット３０２によって行うことができる。別の実施形態では、制御ユニット３０２は、サンプルストリームのサンプルとの相互作用によるものなどの、要素３１０自体の特性の変化を測定することができる。一実施例では、相互作用は、要素３１０上での粒子または液体の堆積を含むことができ、制御ユニット３０２によって行われる測定は、要素３１０上に集められた粒子または液体の量を判断するためであり得る。一実施形態では、図３に示した測定システムは、煤測定システムまたは黒色炭素測定システムである。別の実施形態では、図３に示した測定システムは、気体センサまたは液体センサである。

一実施形態では、サンプリング環境と測定環境とを分離し、無線周波数測定を空洞３２０内で実行するための制御環境を提供するために、サンプリングプロセスは、サンプリング空洞３１２内で行われ、一方で、無線周波数測定は、測定空洞３２０内で行われる。本実施形態では、接触手段または非接触手段を直接通した、温度制御、空洞３１２または空洞３２０の加熱、または要素３１０の加熱よってなど、要素３１０をさらに調整するために、（図示しない）追加的な手段を使用してもしなくてもよい。要素３１０を調整する他の手段も可能である。サンプリングプロセスと測定プロセスとを、２つ以上の空洞３１２または空洞３２０に分離することは、無線周波数測定から独立した、サンプリングとサンプル調整とを可能にする。一実施形態では、サンプリング条件は、大きく異なることがあるが、一方で、その後の無線周波数空洞測定は、さらにもっと制御された条件のもとで実行され得、それによって、ばらつきのあるサンプリング条件によって引き起こされる測定の誤差を減少させる。

別の実施形態では、サンプル空洞３１２に入ってくるサンプルまたはサンプル空洞３１２から出るサンプルの追加的な調整または処理を可能にする、（図３では図示しない）追加的な空洞または区域が存在し得る。さらに別の実施形態では、追加的な空洞または区域は、一実施例では追加的なヒータまたは送風機によってなど、サンプルをさらに調整するために、空洞３１２と空洞３２０との間に存在することができる。さらに別の実施形態では、サンプリング空洞３１２と測定空洞３２０との機能を、１つの空洞に結合することができる。したがって、図３に示した測定システムは、要素３１０と空洞３２０内の測定環境との注意深い制御と調整とを可能にし、測定に悪影響を与えるばらつきの影響を低減または除去することによって、無線周波数測定精度を強化する。測定中にサンプルの温度を変化させることによって、または低周波数範囲と高周波数範囲とを含むためにＲＦ信号の周波数を変化させることによって、サンプル上に堆積した物質のローディングまたは組成に関する追加情報を、取得することができる。

システムの性能を特徴付けることを助けるために、及び／または較正を助けるために、分かっている量の物質を、流れに、外部から追加することが可能であり得る。

図４は、無線周波数空洞測定システムまたは無線周波数導波管測定システムの別の実施形態を示しており、空洞４０２は、パイプ、コンジット、チューブ、導管、または同様の通路などの、フロースルー設計である。固体、液体、または気相物質のうちの任意の種類などの、１つまたは複数の物質４０６または４０４は、空洞４０２の内部容積の中を流れ、またはその中に存在することができる。１つまたは複数の無線周波数プローブ４１４を、空洞４０２の壁部に接続することができ、空洞４０２の壁部を通って延長させてもさせなくてもよい。プローブ４１４は、棒アンテナまたはループアンテナ、導波管、または無線周波数信号を送信または受信するための他の適切なデバイスであってよく、誘電導波管と発射装置と共鳴装置とを含む。

一実施形態では、プローブ４１４は、外部導体４０８と内部誘電体４１２と内部導体４１０とから成る棒アンテナであってよいが、他の種類のアンテナ及び他の設計も可能である。メッシュ、ふるい、または（図示しない）他の穴のあいた導電性要素は、無線周波数信号を空洞４０２の特定の領域内に閉じ込めるまたは隔離するために、使用されてもされなくてもよい。（図示しない）制御ユニットを使用して、プローブ４１４からの無線周波数信号の送信または検出を制御することができる。無線周波数信号は、１つまたは２つ以上の空洞共鳴モードを生成するために、ある範囲の周波数に渡り得る。別の実施形態では、信号は、共鳴でないことがある。図４は、２つのプローブ４１４を示しているが、１つのプローブ、または２つ以上のプローブを使用して、送信、反射、または送信測定及び反射測定を行うことができる。

絶対振幅、相対振幅、位相、共鳴モードの共鳴周波数、または品質係数Ｑ、トラフ、側波帯、または生成モード（またはその導関数）などの共鳴曲線の容易に区別できる特徴の変化を含む、無線周波数信号の変化を監視して、空洞４０２内に含まれる、または空洞４０２を通過する、１つまたは複数の物質４０６または４０４、または４１６などの空洞４０２の内部表面上に堆積した物質に関連する、量、種類、分布、または他の状態変化を、検出することができる。一実施形態では、興味を有する状態変化は、気体または液体のストリーム４０６内の粒子４０４の量、または液体ストリーム内の気体（泡）の割合である。

別の実施形態では、興味を有する状態変化は、液体、固体、または気体の混合物などの、存在し得る１つまたは複数の物質の量または相対的比率である。別の実施例では、オイル内の水の量を測定することができ、またはガソリン内のエタノールの相対的比率、またはディーゼル内のバイオディーゼルの相対的比率を、測定することができる。別の実施例では、不均一な媒体の流量を判断することができる。さらに別の実施例では、媒体の温度を判断することができる。さらに別の実施例では、興味を有する状態変化は、物質４１６の堆積として示されている、空洞４０２の壁部上に堆積した１つまたは複数の物質４０６または４０４の量であってよい。液体内に混入された気体（つまり、泡）の量も、また、この方法で測定することができる。さらに別の実施例では、パイプ内のスラッジ堆積またはコンジットに沿った煤堆積などの、パイプ、導管、またはコンジット４０２内に堆積した物質４１６の量も、また、検出することができる。粒子状物質４１６の堆積の場合では、堆積速度を、サイクロン動作（つまり、慣性力による）または電磁的手段（つまり、静電気集塵または静磁気集塵）または温度便乗性手段（つまり、温度勾配）のいずれかによって、増加させることができる。静電気集塵の場合では、粒子を、（エンジン排気での）自然帯電、または電荷を流れの中に導入することによる帯電のいずれかで、帯電させる必要がある。磁気集塵の場合では、粒子は、磁性（反磁性、常磁性、または強磁性）である必要がある。

一実施形態では、任意の種類の固体、液体、または気相物質を含み得る流れは、空洞４０２を通るように向けられる。１つまたは２つ以上のプローブ４１４を使用して、１つまたは複数の共鳴モードを、空洞４０２内に確立することができる。共鳴特性またはそのいくつかの導関数の監視される変化は、流れ内に含まれる特定成分の量、または流量、温度、または他の関連パラメータなどの流れの特性などの、興味を有する状態変化に関連し得る。さらに別の実施形態では、共鳴は、空洞４０２内で確立されないことがあり、無線周波数信号の変化を非共鳴状態で監視することができる。

上述した通り、たとえば、バッチ化学反応装置などの非流れシステムも監視することができる。図３のサンプル測定を、バッチモードで行うことができる。

別の実施形態では、空洞または導波管４０２は、さまざまな枝部、相互接続部、移行部、または屈曲部を有する、長い部分または（一実施例では、パイプまたは導管のネットワークなどの）部分のネットワークであってよい。１つまたは複数のプローブ４１４を、導波管または空洞４０２に沿ってさまざまな場所に取り付けることができ、１つまたは複数のプローブ４１４を使用して、パイプライン検査または排気システム検査などにおいて、導波管または空洞４０２の壁部または表面の故障または欠陥を検出する目的のために、無線周波数信号を、空洞４０２を通して送信することができる。一実施例では、周波数領域反射率測定または時間領域反射率測定を使用して、故障の可能性の数と位置とを判断することができる。無線周波数信号応答の変化を時間の関数として監視することは、空洞または導波管４０２の経時的な劣化または変化に関する情報を提供する。

図５は、図４で示したフロースルー空洞測定システムの変形物を示しており、この場合、測定プローブは、サンプルストリームから離れて配置されている。コンジット、パイプ、導管、チューブ、または同様の構造であり得る、非導電コンジット５０２は、任意の固体、液体、または気体などの、図４を参照して説明した物質４０６または物質４０４に類似の、流れている、または固定の、サンプル物質５０６またはサンプル物質５０８を含むことができる。導電空洞５１０を、非導電コンジット５０２の一部または全部の周りに配置することができる。導電空洞５１０は、無線周波数測定空洞の働きをし、アンテナまたは導波管などの１つまたは２つ以上の無線周波数プローブ５１２を含むことができる。図５では、非導電コンジット５０２の内部及び周囲の導電空洞５１０は、環状構成に示されているが、任意の形状と構成とを使用することができる。非導電コンジット５０２は、一実施形態では、導電空洞５１０の中心に配置される必要はないが、別の実施形態では、導電空洞５１０の中心に配置され得る。導電空洞５１０は、内部容積５１４を含むことができ、内部容積５１４は、完全にまたは部分的に、充填されていてもいなくてもよい。一実施形態では、内部容積５１４を、空洞に負荷をかけるための誘電体で、完全にまたは部分的に満たすことができる。

非導電コンジット５０２の目的は、サンプル物質を、導電空洞５１０の特定の領域内に閉じ込めることであってよい。一実施例では、非導電コンジット５０２は、ゴムまたはプラスチックのホースまたはパイプ、またはガラスまたはセラミックのチューブなどの、ホースまたはパイプであってよい。別の実施形態では、非導電コンジット５０２は、測定感度を高めるために、サンプル物質５０６またはサンプル物質５０８を、導電空洞５１０内の高電場領域内に向かわせる働きをすることができる。別の実施形態では、非導電コンジット５０２は、測定感度を低下させるために、サンプル物質５０６またはサンプル物質５０８を、導電空洞５１０内の低電場領域内に向かわせる働きをすることができる。さらに別の実施形態では、導電空洞５１０内での、プローブ５１２に対する非導電コンジット５０２の位置は、非導電コンジット５０２を高場の一領域から低場領域に、またはその逆に、移動させることによって感度を調整するために、導電空洞５１０内の電場に対して非導電コンジット５０２の位置を変化させることを可能にするように、可変であってよい。

図５に示した測定システムは、導電空洞５１０を、サンプル物質５０８またはサンプル物質５０６から分離し、サンプル物質５０８またはサンプル物質５０６の空洞共鳴測定を含む無線周波数測定を可能にする。このような分離は、導電空洞５１０またはプローブ５１２を、サンプル物質５０６またはサンプル物質５０８に直接曝すことを避けるため、または、サンプル物質５０６またはサンプル物質５０８を漏らし、またはそれが導電空洞５１０から逃げる道を提供することになり得る、追加的な接続具、接続金具、またはシール剤の導入を避けるために、好まれ得る。一実施例では、非導電コンジット５０２は、燃料ラインまたは燃料ホース、または石油ラインであってよい。非導電コンジット５０２は、電気的に動かされるアンテナと燃料との間の安全な分離を提供し、電気信号が燃料に対する点火装置として機能する状況を防止する。

導電空洞５１０内で行われる測定は、１つまたは２つ以上の共鳴モードを含んでも含まなくてもよい。一実施形態では、導電空洞５１０は、パイプなどの、非導電コンジット５０２上を滑るまたは滑走するように設計された環状空洞であってよく、または、別の実施例では、シェル型のものであってよく、固定位置または可変位置に取り付けられ得る。無線周波数共鳴測定または共鳴以外の周波数での測定を使用して、非導電コンジット５０２内のサンプル物質５０８またはサンプル物質５０６の状態を説明するための、または非導電コンジット５０２の内部表面または外部表面上での物質の堆積を監視するための、または、割れ、疲労、腐食、または他の手段によって引き起こされ得るものなど、非導電コンジット５０２の構造の変化を検出するための、１つまたは複数のパラメータを判断することができる。一実施形態では、導電空洞５１０の位置を、非導電コンジット５０２の異なる位置または部分を監視するために、摺動または回転させることなどによって、動かすことができる。別の実施形態では、内部容積５１４内の状態を、一実施例では、温度制御などによって、制御することができる。

図６は、空洞測定システムまたは導波管測定システムの別の実施形態を示しており、そこでは、コンジット６０２は、空洞または導波管の働きをし、サンプル物質６０６またはサンプル物質６０４を含むことができ、サンプル物質６０６またはサンプル物質６０４は、１つまたは複数の成分から成り得る。１つまたは複数のプローブ６１４または６１６を、無線周波数信号を送信または受信するために、コンジット６０２内に設置することができる。

特に、プローブ設計、６１４が示されており、プローブ６１４は、導電外部スリーブ６１２と内部導体６０８と誘電物質６１０とから成り、誘電物質６１０は、内部導体６０８を、完全にまたは部分的に包むまたは囲む。一実施形態では、誘電物質６１０は、内部導体６０８が完全に包まれるように、内部導体６０８の端部を超えて延びる。コンジット６０２内に含まれる物質は、誘電物質６１０上に堆積することがあり、堆積物質６１８として示されている。したがって、サンプル物質６０６またはサンプル物質６０４の量、種類、または他の属性を、誘電物質６１０上における、そのビルドアップまたは堆積により検出することができる。一実施形態では、誘電物質６１０は、セラミックまたはプラスチックの物質であってよい。別の実施形態では、誘電物質６１０の形状は、たとえば、大きな表面積を有することなどによって、サンプル物質６０６またはサンプル物質６０４と優先的な方法で相互作用するように適切に設計された、任意の形状であってよい。

プローブ６１６または（図示しない）追加的なプローブの追加の有無にかかわらず、１つのプローブ６１４のみを使用することができる。誘電物質６１０の外面の、内部導体６０８からの隙間は、堆積物質６１８を、測定感度を高めるための高電場強度の領域内で、または測定感度を低下させるための低電場強度の領域内で、堆積させ、蓄積し、または誘電物質６１０と相互作用させるように、優先的に判断され得る。測定を、共鳴で、または任意の適切な周波数または周波数範囲で、１つの温度または複数の温度で、行うことができる。測定感度及び／または特定のサンプル物質６０６またはサンプル物質６０４に対する感度を最大化する周波数または周波数範囲として、適切な周波数を定義することができる。一実施例では、堆積物質６１８は、煤または粒子であってよく、コンジット６０２は、排気パイプであってよい。別の実施形態では、誘電物質６１０は、手作業またはいくつかの他の物理的処理または化学的処理で加熱することなどによって堆積物質６１８を除去するために、定期的または継続的に、清掃または再調整され得る。デバイスの性能は、分かっている量の物質（固体、液体、または気体）の人工的な導入を使用することによって、監視及び／または較正され得る。

別の実施形態では、サンプル物質６０６またはサンプル物質６０４と任意の数の方法で相互作用するように、誘電物質６１０を設計することができる。一実施例では、相互作用は、化学的であってよく、それによって、誘電物質６１０を、１つまたは複数の触媒または追加的な物質を追加することによって、含浸し、覆い、または機能付加することができる。誘電物質６１０の機能付加は、サンプル物質６０４またはサンプル物質６０６を備える１つまたは２つ以上の成分と、優先的に相互作用する働きをすることができる。一実施例では、誘電物質６１０は、一実施例ではアンモニアなどの特定の気相種を捕らえまたは貯えるためのゼオライトを使用して、機能付加され得る。代替的に、酸化スズ半導体及び金属酸化物半導体などの、他の物質を使用することができる。これらの場合のうちのいくつかでは、物質の電気抵抗率は、気体暴露の後に変化する。ＲＦ感知を使用することによって、未結合粒子を使用することができ（各未結合粒子は、単結晶であり、十分な大きさに成長するのは困難である）、低周波数／ＤＣ測定で使用されるものなど、大きな単結晶粒子または連続的なコーティングに対する必要性をなくす。選択性と感度とを、表面吸収／脱着によって強化することができ、それは、電気導電性の変化という結果になる。選択性と感度とを高めるための多層構造または機能付加構造も使用することができる。

本実施例では、プローブ６１４は、気体センサであってよい。別の実施例では、誘電物質６１０は、水またはいくつかの他の液体または蒸気を吸収するように設計された、多孔セラミックであってよい。１つまたは複数のサンプル物質の誘電物質６１０との相互作用は、その誘電状態を変える働きをしてもよく、それを、共鳴または他の適切な周波数での信号応答の変化を測定することによって、検出することができる。このようにして、図１に関連して要素１１０として先に説明し定義した要素と、図２に関連した要素２０８と、図３に関連した要素３１０とを、図６に示した無線周波数プローブ６１４に統合することができる。このようにして、誘電物質６１０は、図１〜図３に関連する別の要素として先に定義された要素としての働をし、２つの要素が同じであるようにする。別の実施例では、要素が別々の要素であるように、図６に示した無線周波数プローブ６１４を、図１に関連した要素１１０、図２に関連した要素２０８、及び図３に関連した要素３１０などの、追加的な要素と連携して使用することができる。

図７は、統合された空洞を有するプローブの別の実施形態を示しており、それは、外部シース７０８に電気接触することができる外部導電スリーブ７０２から成り、外部シース７０８は、穴が開けられており、スリットまたは１つまたは複数の開口部、または物質を通過させるように設計されているが、無線周波数信号を外部シース７０８内に完全にまたは部分的に閉じ込めるメッシュサイズまたは穿孔サイズのメッシュを有している。プローブは、さらに、棒アンテナまたはループアンテナのものなどの、棒アンテナまたはループなどの内部導体７０６を含むことができ、それには、誘電導波管と発射装置と共鳴装置とが含まれる。内部誘電体７０４を使用してもしなくてもよく、内部誘電体７０４は、内部導体７０６を、完全にまたは部分的に覆うまたは囲むことができる。別の実施例では、内部誘電体７０４は、外部シース７０８によって画定される容積全体を満たすことができる。内部誘電体７０４は、セラミック物質、繊維状物質、または他の適切な物質から成ることができる。内部誘電体７０４は、プローブ内で、異なる組成または可変の組成であってよく、外部シース７０８内まで完全にまたは部分的に延びる内部誘電体７０４は、外部導電スリーブ７０２内に存在する物質とは異なる物質であってよい。一実施形態では、内部導体７０６は、導波管内でのように、使用されないことがある。

図７に示した測定プローブは、プローブアセンブリと統合された空洞を提供し、導電コンジットなどの外部空洞の使用を必要としないが、（図示しない）任意のコンジットまたは自由空間に設置して使用され得る。１つまたは複数の共鳴モード、または外部シース７０８によって形成される空洞に閉じ込められた適切な周波数での無線周波数信号は、多孔外部シース７０８を通過する物質によって、または外部シース７０８自体の上に堆積する物質によって、影響を受け得る。

図７に示すシステムの特定の利点は、外部シース７０８によって画定される領域内での測定が、外部導電要素の存在によって影響を受けないために、プローブを、任意の動作環境で使用することができることである。特に、既存のコンジットまたは空洞を使用する空洞測定または導波管測定は、コンジットまたは空洞の形状と大きさとによって影響を受け、たとえば、２４インチの直径のパイプを用いて動作するように設計されたシステムは、２インチの直径のパイプとは異なる周波数で、再較正または動作を必要とし得るようにする。外部シース７０８を外部導電スリーブ７０２に直接固定することは、図７に示すプローブアセンブリが（図示しない）異なる外部空洞または外部コンジットに設置された時のばらつきをなくす。

誘電導波管または共鳴装置の使用は、本実施形態では、非常に魅力的である。本アプリケーションに対する誘電導波管または共鳴装置の１つの魅力的な特徴は、放射が導波管の外側で一過性であるために、シースを必要としないことである。しかしながら、電場は、導波管の表面上にあり、それは、表面上の物質を調べるために使用され得る。

フィルタシステムまたは触媒システム、または一実施形態ではそれらのいくつかの組み合わせであり得る、特定の空洞アセンブリ８０２が、図８に示されている。一実施例では、空洞アセンブリ８０２は、三元触媒、選択的触媒還元システム、リーンＮＯｘトラップ、アンモニアスリップ触媒、炭化水素トラップ、または他の種類の触媒などの、ディーゼル用またはガソリン用の粒子フィルタアセンブリまたは触媒アセンブリである。別の実施形態では、空洞アセンブリ８０２は、任意の種類の空洞であってよい。空洞アセンブリ８０２は、流入口部分８０４と、第１のモジュール８０６と、第２のモジュール８０８と、流出口部分８１０と、から成ることができる。流入口コンジット８１４を、流入口部分８０４に接続することができ、流出口コンジット８１６を、流出口部分８１０に接続することができる。流入口コンジット８１４または流出口コンジット８１６は、流入口部分８０４または流出口部分８１０の中まで延長してもしなくてもよい。流入口部分８０４及び流出口部分８１０と、モジュール８０６及びモジュール８０８とを、フランジ、クランプ、または同様の手段などの相互接続８１２によって、図８に示す通り、接続することができる。要素８１８と要素８２０とを、モジュール８０６とモジュール８０８とをそれぞれ用いて収容することができる。２つの要素とモジュールとを示したが、１つの要素とモジュールのみ、または２つ以上の要素とモジュール、または１つのモジュール内に収容された複数の要素を用いた、複数の構成が可能である。一実施形態では、要素８１８及び要素８２０は、触媒、フィルタ、膜、またはそれらのいくつかの組み合わせである。

一実施例では、要素８１８は、酸化触媒または三元触媒であってよく、要素８２０は、ガソリン用粒子フィルタまたはディーゼル用粒子フィルタであってよい。別の実施形態では、要素８２０は、アンモニアスリップ触媒であってよく、要素８１８は、ＳＣＲ触媒であってよい。

バッフル、通路、ミキシングプレート、またはチューブなどの追加的な要素８２２を、また、１つまたは複数の部分またはモジュール内に含むことができる。コンジット８１６またはコンジット８１４は、流出口部分８１０または流入口部分８０４の中まで延びても延びなくてもよい。これらの要素は、導電性であってもなくてもよい。一実施例では、追加的な要素８２２は、バッフルまたは流量分布プレートである。

追加的な構造、プローブ、センサ、または他の、要素８２４、要素８２６、要素８２８、要素８３０、要素８３２、または要素８３４は、また、モジュール８０６またはモジュール８０８の中まで、または流入口部分８０４または流出口部分８１０の中まで延びることができる。一実施形態では、追加的な、構造８２４、構造８２６、及び構造８２８は、温度センサであってよく、追加的な、構造８２８または構造８３２は、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、煤センサ、アンモニアセンサなどであってよい。プローブ８３４は、棒アンテナ、ループアンテナ、または導波管などの無線周波数測定プローブであってよく、それには、誘電導波管と発射装置と共鳴装置とが含まれる。プローブ８３４は、さらに、１つまたは２つ以上の共鳴モードまたは任意の周波数範囲を空洞アセンブリ８０２内で生成するために十分な無線周波数信号を、送信し、受信するように構成され得る。１つまたは２つ以上のプローブ８３４を使用することができる。プローブ８３４は、要素８１８または要素８２０上で、または空洞アセンブリ８０２によって画定される容積内で、または空洞アセンブリ８０２内の領域内で発生するプロセスを監視することができる。

別の実施形態では、プローブ８３４は、一実施例では、一体化させた無線周波数プローブと温度センサなどの、多機能センサであってよい。

プローブ、バッフル、コンジットなどの、上記で説明した内部導電要素の存在は、電場分布に、空洞アセンブリ８０２を用いて影響を与えることができる。内部導電要素を、局所場ミニマムに設置するなど、電場へのかく乱を最小限にするように、または別の実施形態では、電場分布に優先的に影響を与えるように、設計し、配置することができる。フィン、バッフル、及び導電要素の追加などの、空洞の形状から幾何形状または内部構造の変更は、また、電場分布に優先的に影響を与えるために、空洞アセンブリ８０２の特定領域内の測定感度を高めるために、使用され得る。

空洞アセンブリ８０２の無線周波数応答は、モジュール８０６及びモジュール８０８と、流入口部分８０４及び流出口部分８１０と、内部導電要素、プローブ、センサ、など８２２、８２４、８２６、８２８、８３０、８３２と、相互接続８１２と、の形状によって影響される。要素８１８と要素８２０との種類、及びそれぞれモジュール８０６とモジュール８０８との中のそれらの位置は、また、無線周波数測定に影響を与えることができる。さらに、（図示しない）付属ケーブルを含む、プローブ８３４の形状、位置、及び取り付け、及び無線周波数制御ユニットの動作は、また、測定に影響を与えることができる。ばらつきのこれらの源を減少させるために、時間の任意の時点における測定無線周波数信号を、以下の手段のうちの１つまたは両方によって、知られている基準状態に正規化することができる。
［全部の信号を正規化する］：（ｉ）１つまたは２つ以上の共鳴モードを生成するための所望の周波数範囲で、または共鳴が確立されるかどうかにかかわらず任意の周波数範囲で、無線周波数信号を送信し、検出する。（ｉｉ）後からサンプリングされた各周波数範囲を、測定振幅または測定位相のいずれかに対して、各同じ個別の周波数点での基準状態でサンプリングされた信号で除算し、またはそれから減算する。
［１つの信号パラメータを正規化する］：（ｉ）１つまたは２つ以上の共鳴モードを生成するための所望の周波数範囲で、または共鳴が確立されるかどうかにかかわらず任意の周波数範囲で、無線周波数信号を送信し、検出する。（ｉｉ）１つまたは複数の特性パラメータを、基準の場合に対してサンプリングされた無線周波数振幅信号または無線周波数位相信号から計算し、それらには、面積、極大または絶対最大値、または極小または絶対最小値、平均、品質係数、所与の電力レベルでの共鳴のためのピーク幅、位相シフト、共鳴振動数シフト、またはそれらの任意の導関数パラメータが含まれるが、これらに限定されない。（ｉｉｉ）後からサンプリングされた信号に対して、（ｉｉ）と同じパラメータを計算し、この値を、基準状態に対する値で除算、またはそれから減算する。

上記で挙げた場合では、基準信号または基準値は、システムが新しい時、またはきれいな時、またはある基準状態にある（一実施例では、メーカーでの設置）時などの、所定の基準信号または基準値であってよく、格納値として、制御ユニットまたはエキスパートシステム内に存在することができる。

別の実施例では、上記の、送信され、検出される信号は、安定でない信号振幅を生成することがあり、送信機の強度によって補正される信号を指すことがある。この場合では、送信され、検出される信号は、ＲＦ空洞または導波管を回避するためのバイパス経路などにより、生成ＲＦ信号をサンプリングすることによって、継続的または周期的に修正され得る。

このようにして、正規化は、部品毎のばらつきを考慮し、形状または内部要素のばらつきを含む空洞に対する測定誤差を減少させる。この正規化スキームは、部品毎のばらつき、形状の公差、さまざまな構成要素のずれ、信号ドリフトなどの問題を著しく減少させる。

空洞測定を行う際の信号対ノイズ比を改善する複数の手段がある。それらの実施形態を以下で説明する。

空洞内の局所的領域を、アンテナの近接場を使用することによって、優先的に監視することが可能である。共鳴モードは、ピーク場と零場との複雑な構造を有している。しかしながら、場は、アンテナ、ループ、または誘電導波管であり得る発射構造の近くで、著しく高くなり得る。非放射導波管の場合では、誘電導波管の使用は魅力的であり、その場合、（ふるいまたはメッシュを使用せずに）空洞または導波管によってサポートされ得る周波数よりも著しく高い周波数を使用することができる。ふるいまたはメッシュなしでは、放射は、処理後の成分の流入口ポートまたは流出口ポートから漏れ得る。

信号処理を使用して、信号対ノイズ比を改善することができる。各共鳴の辺りでは、曲線をマイクロ波応答、振幅または位相のいずれかに合わせることが可能である。曲線を合わせることは、たとえば、信号のピークと谷との間の差がＱの従来測定に必要な３ｄＢ未満であっても、品質係数情報を抽出することを可能にする。多くの合わせることを使用することができ、信号のさまざまな周波数への機能依存を、異なるモードで使用することができる。信号が上手く挙動する時、Ａ／（（ω−ω_０）^２＋Ｄ^２）、式中、ｗは周波数である、という分析形式との一致、及び他のパラメータが、曲線を合わせることによって計算される。しかしながら、他の機能形式を使用することができる。

信号対ノイズ比を改善するために使用され得る信号処理のための別の方法は、信号（Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ２２またはＳ１２）を平均化することである。これらの要素（振幅及び位相）を計算し、アナログまたはデジタルである出力を生成するモジュールがある。単一測定を離散化する代わりに、離散化の前に信号を短期平均化することによって、ノイズを減少させることが可能である。平均化は、後からデジタル平均化を行う高速アナログ・デジタルモジュールによって行われ得、またはアナログで行われ得、統合値は、離散され、格納される。アナログ平均を、簡単な積分器を使用することによって求めることができる。周波数から周波数への移動がおさまった後に発生する過渡信号の後に統合を行うことが重要である。プロセスは、１つの個別の測定を行い、周波数のいくつかのスキャンを平均化することに比べて、信号対ノイズ比を減少させるために必要な時間を削減する。

信号対ノイズ比を改善するための別の方法は、特定のモードに対して、受信アンテナを零場に配置することである。信号は、基準状態（例えば、一実施例では、ＴＷＣ上に貯えられた酸素がない時）では、０または非常に低い。酸素含量の変化は、周波数をシフトさせ、空間場プロファイルが、（場は、受信機の位置ではもはや零ではないため、）信号の大きな変化を可能にしながら、調整を行う。発射構造及び受信構造は、ダイポールアンテナ、ループアンテナまたは他のアンテナ、または、誘電導波管を含む導波管であってよい。

信号対ノイズ比を改善するため、及び／または較正を提供するために使用され得る別の方法は、マイクロ波の応答を変えることである。酸素含量を、たとえば、酸素の完全貯蔵または貯蔵なしを確実にするような方法で変化させることができる。同じことを、尿素（アンモニア）投与で、または監視されている任意の他の成分で、行うことができる。加えて、（システム内には存在しない）異物を加えて、マイクロ波センサの較正と特性評価とを補助することが可能であり得る。

さらに、感度限度と検出性限度とを改善するための別の方法は、送信信号のＦＭ変調を使用することである。変調を使用して、信号は、ある範囲の周波数で変化し、信号は、ロックイン検出を含む従来の信号処理手法を使用して、検出され得る。

図９は、さらに別の測定システムを示しており、プローブは、内部導体９０８と内部誘電体９０６とを含む外部導電スリーブ９０４から成る。外部導電スリーブ９０４は、空洞または導波管の壁部などの導電性表面９０２と電気接触していてよい。導電表面９０２の内部表面上への導電物質９１０の堆積は、導電経路を、内部導体９０８と導電表面９０２との間に形成し、それによって、図９に示すプローブを効果的に短絡する。これにより、物質９１０が容易に検出されるようになる。

図１０は、１ＧＨｚの周波数範囲に渡る、無線周波数共鳴曲線を備えるいくつかの空洞共鳴モードのプロットを示している。一実施形態では、興味を有する共鳴曲線の領域のみをサンプリングすることによって、測定時間を大幅に削減することができる。たとえば、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、及び領域Ｄのみをサンプリングすることは、共鳴曲線全体をサンプリングすることに対して、基本的にモード間を移動することであり、測定応答時間内で著しい還元を可能にする。一実施例では、図１０に示した共鳴曲線全体を、１，０００周波数点をカバーして、１，０００ｍｓでサンプルすることができ、一方で、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、及び領域Ｄを、それぞれで１００周波数点をカバーして、それぞれ１００ｍｓでサンプリングすることができる。

図１１Ａ〜図１１Ｂは、一実施例では、紙フィルタなどのディスク型要素と共に使用するための、測定空洞内の３つの共鳴モードの電場分布を示している。図１１Ａでは、導電メッシュが、フィルタ平面内のフィルタのすぐ後に配置されている。図１１Ｂでは、非導電性の格子が、フィルタ平面内のフィルタを支えるために配置されている。図は、電場分布の半径方向ばらつきと軸方向ばらつきとを示している。理想的には、紙フィルタは、高電場の領域内に配置されており、導電フィルタサポートは、紙フィルタの領域内の場を強化すべきである。

図１２は、金属筐体内に設置されたセラミックのハニカム要素の３つの共鳴モードについて、追加的な電場分布を示している。図は、電場の空間分布を示している。測定感度は、高場強度の領域（赤及び黄）で最も高く、低場強度の領域（青）で最も低い。

図１３Ａ〜図１３Ｂは、テフロン（登録商標）フィルタ上に集められた２つの異なる物質の効果を、２つの共鳴モードについて示している。黒色炭素は、信号の明白な減衰を示しているが、テストごみは、信号の大きさに影響を与えない。測定は、他の物質の混合物内での１つの成分の検出を示している。

図１４〜図２１は、空洞及びフロースルーコンジット内の液体などの、物質の混合物の量と組成との変化を監視するための空洞共鳴測定のアプリケーションを示している。

図２２は、乾燥機内の衣服などの布地の水分含量を判断するための空洞共鳴測定のアプリケーションを示しており、乾燥機のドラムは、空洞の役割を果たしている。

図２３は、共鳴曲線の大きさ測定に対して、遊離物質を監視する時に測定範囲を拡張するための位相シフトの優先的使用を示している。図２３における結果は、フィルタ上の煤堆積に対応する。

図２４は、さらに、いくつかの共鳴の振幅に対して位相シフトを監視することの、１つの特定の利点を示している。振幅曲線（ｉ）は、ＲＦ信号を、第１の条件（Ａ）と第２の条件（Ｂ）とで示している。条件（Ｂ）では、信号の減衰が著しく、共鳴（ピーク）は、高ＲＦ損失のために、区別が困難である。振幅の場合では、信号は、条件（Ｂ）で効果的に飽和される。

一方で、図２４の位相の測定（ｉｉ）は、条件（Ａ）に対する条件（Ｂ）の個別位相シフトを示している。したがって、位相を監視することは、最大３６０度の位相シフトを提供し、ＲＦ測定範囲を大幅に広げ、そうでない場合、それは、条件（Ｂ）での振幅信号における感度の飽和または損失によって制限される。位相測定は、一実施例では、粒子フィルタ内への煤ローディングを監視するなどの、特定のアプリケーションで特に有利である。

位相の測定は、ゼロ公差または任意の他の位相角などの、特定の位相角での絶対位相シフトまたは相対位相シフト、所与の周波数または周波数範囲での平均位相、位相曲線の下の面積、または位相測定から直接または間接的に導かれる任意の他のパラメータを含んでもよい。位相測定は、基準条件に正規化してもしなくてもよく、一実施例では、温度または水分含量などの外部変数の信号への影響を考慮するために補正されても、されなくてもよい。

例示的な実施形態では、振幅測定と位相測定との両方を使用することができる。別の実施例では、絶対振幅測定または相対振幅測定を、（たとえば、フィルタの低煤ローディングに対応する）低損失測定のために使用することができ、位相を、（たとえば、フィルタの高煤ローディングに対応する）高損失測定のために使用することができる。振幅情報を使用して、位相信号を補正することができ、または位相情報を使用して、振幅信号を補正することができる。

図２４に示す位相スルーレート（周波数が変化するにつれての位相の変化）を、無線周波数ソースと検出器との間の電磁長（つまり、波長の数）の適切な選択によって、選択することができる。

図２４に関する一実施例では、最大値または最小値、平均値、振動数シフト、所与の電力レベルでのピークまたは共鳴幅、品質係数Ｑ、または関連パラメータなどの、監視される無線周波数パラメータは、絶対的または相対的な、振幅測定または位相測定から、またはそれらのいくつかの導関数から、判断され得る。パラメータを、固定周波数で、連続的または断続的な範囲の周波数で、判断することができる。周波数は、共鳴状態を含んでも含まなくてもよい。
１つまたは複数の測定無線周波数パラメータ、Ｐの変化の速度、（Δ／ｔ）は、以下の通り、特定の時間、ｔで計算することができる。
（Δ／ｔ）＝（Ｐ_ｔ−１−Ｐ_ｔ）／（（ｔ−１）−ｔ） 方程式１
式中、表記（ｔ−１）は、以前の時間におけるパラメータＰの測定を示し、下付き記号（ｔ）は、現在の測定時間を示す。このようにして、監視される無線周波数パラメータの変化を、所与の時間間隔で判断することができる。

図２５は、触媒前センサと触媒後センサとからの測定値に関して、尿素投入イベントに対する選択的触媒還元システムの無線周波数応答を示す別の例を提供している。表は、尿素投与と触媒上のアンモニア貯蔵が増加するにつれて、ＲＦ応答が増加することを明らかに示しており、それには、高投入速度でのアンモニアスリップの影響を含む。結果は、触媒上に吸着される気体種をマイクロ波手段を通して監視するための、さらに別の例を提供している。

本明細書で説明した無線周波数測定を、一実施例では、車載診断用などの、感知システム、診断システム、または制御システムの一部として使用して、故障を検出することができる。別の実施例では、無線周波数測定または空洞導波管測定を使用して、動作を開始または終了することによって、システムを制御することができる。

本開示で提供された実施例及び説明は、無線周波数空洞及び導波管状態変化測定システムであり、開示された方法は、広範囲のアプリケーションで使用されている、すべての種類のディーゼル用の空洞と導波管とに等しく適用可能であることが意図されている。

Claims (24)

1. 無線周波数信号を媒体を通して送受信するように構成された、少なくとも１つの無線周波数プローブと、
   第１の物質を含む前記媒体であって、前記第１の物質の誘電特性が、少なくとも１つの第２の物質が前記媒体に曝される関数として所定の方法で変化する、前記媒体と、
   前記媒体上への前記第２の物質の堆積を、前記受信無線周波数信号に基づいて判断するように構成された制御ユニットと、
   を備える、無線周波数測定システム。
2. 前記第１の物質の特性が、前記第２の物質によって影響を受ける、請求項１に記載の無線周波数測定システム。
3. 前記第１の物質が、前記第２の物質と、物理的または化学的に相互作用する、請求項２に記載の無線周波数測定システム。
4. 前記第１の物質が、前記第２の物質を貯え、それによって、前記第１の物質の誘電率に影響を与える、請求項３に記載の無線周波数測定システム。
5. 前記第１の物質が、前記第２の物質の酸化を引き起こす、請求項３に記載の無線周波数測定システム。
6. 前記媒体が、フィルタ要素であり、前記第１の物質が、コーティングを前記フィルタ要素上に備える、請求項３に記載の無線周波数測定システム。
7. 前記媒体が、フィルタ要素であり、前記第１の物質が、前記フィルタ要素内に埋め込まれた粒子を備える、請求項３に記載の無線周波数測定システム。
8. 前記制御ユニットが、堆積を、前記受信無線周波数信号から計算されたパラメータに基づいて判断し、前記パラメータが、絶対電力損失と相対電力損失と絶対位相シフトと相対位相シフトとから成るグループから選択される、請求項１に記載の無線周波数測定システム。
9. 前記媒体が、第１の目的のために使用され、前記第１の物質が、前記第１の目的を実行するために前記媒体の性能を改善しない、請求項１に記載の無線周波数測定システム。
10. サンプルの状態を制御するように設計されたサンプル調整システムと、
    前記サンプル調整システムと連通している空洞と、
    無線周波数信号を、前記サンプルを含む前記空洞を通して送受信するように構成された、少なくとも１つの無線周波数プローブと、
    前記サンプルの少なくとも１つの特性を、前記受信無線周波数信号に基づいて、前記制御状態のもとで判断するように構成された制御ユニットと、
    を備える、無線周波数測定システム。
11. 前記サンプル調整システムが、前記サンプルの温度を調整する、請求項１０に記載の無線周波数測定システム。
12. 前記サンプル調整システムが、前記サンプル内の水分量を調整する、請求項１０に記載の無線周波数測定システム。
13. 前記サンプル調整システムの上流に置かれたコンジット内に置かれた第１のセンサと、前記サンプル調整システムの下流に置かれたコンジット内に置かれた第２のセンサと、をさらに備え、前記制御ユニットが、閉ループ制御を使用して前記サンプルの前記状態を制御する、請求項１０に記載の無線周波数測定システム。
14. サンプルを導入するためにポートを有するサンプル空洞と、
    測定空洞と、
    前記サンプル空洞と前記測定空洞との間を通る可動フィルタ要素と、
    無線周波数信号を前記測定空洞を通して送受信するように構成された、少なくとも１つの無線周波数プローブと、
    前記サンプルの少なくとも１つの特徴を、前記受信無線周波数信号に基づいて判断するように構成された制御ユニットと、
    を備える、無線周波数測定システム。
15. 前記可動フィルタ要素が、第１のローラーと第２のローラーとの上に置かれたストリップフィルタであり、前記フィルタ要素が、前記サンプル空洞から前記測定空洞に、前記第１のローラーと前記第２のローラーとを回転させることによって前進させられる、請求項１４に記載の無線周波数測定システム。
16. 内部導体と、
    外部導電スリーブと、
    前記外部導電スリーブと前記内部導体との間に置かれた誘電物質と、
    前記外部導電スリーブと電気連通し、閉鎖容積を形成する、穴のあいた外部シースと、
    を備え、前記内部導体から送信された無線周波数信号が、前記閉鎖容積内に収容される、無線周波数プローブ。
17. 前記穴のあいた外部シースが、導電性である、請求項１６に記載の無線周波数プローブ。
18. 内部導体と、
    外部導電スリーブと、
    前記外部導電スリーブと前記内部導体との間に置かれ、露出部分を作るように前記内部導体と前記外部導電スリーブとを超えて延びる誘電物質であって、物質が前記露出部分に堆積する、誘電物質と、
    を備える、無線周波数プローブ。
19. サンプルを通過させる非導電コンジットと、
    前記非導電コンジットの少なくとも一部の周りに配置された導電空洞と、
    無線周波数信号を、前記導電空洞を通して送受信するように構成された、少なくとも１つの無線周波数プローブと、
    前記サンプルの少なくとも１つの特性を、前記受信無線周波数信号に基づいて判断するように構成された制御ユニットと、
    を備える、無線周波数測定システム。
20. 前記非導電コンジット及び前記導電空洞が、環状構成を有する、請求項１９に記載の無線周波数測定システム。
21. 前記非導電コンジットが、前記サンプルを、前記導電空洞の特定領域内に導く、請求項１９に記載の無線周波数測定システム。
22. 前記特定領域が、低電場の領域である、請求項２１に記載の無線周波数測定システム。
23. 前記特定領域が、高電場の領域である、請求項２１に記載の無線周波数測定システム。
24. 前記無線周波数プローブが、前記サンプルに曝されない、請求項１９に記載の無線周波数測定システム。

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