JP5562642B2 - 容器内における試料を識別する方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、容器内における試料を識別する方法及びそのための装置に関する。

特許文献１によれば、物質の存在によって引き起こされる高周波共振器の離調を評価することによって物質の複素誘電率を測定する方法及び装置は公知であり、その際、高周波共振器に可変の周波数を有する高周波電磁界を送信するための高周波送信装置、共振器電磁界のための受信装置、及び受信装置に結合された測定回路が存在し、その際、測定回路によって、受信された高周波信号の振幅が判定可能である。

典型的には、誘電率εｒ及び損失角ｔａｎ（δ）として又は複素誘電率ε＝ε’−ｉε”として表示される物質の誘電体特性を判定するための種々の方法が周知である。このような方法は、たとえば物質の湿気を判定する際に適用される。これらの方法は、物質中における水の大きな誘電率及び大きな損失係数に基づいており、かつ工業的な分野において、たとえば化学物質、食料品、タバコ、コーヒー等の湿気の測定において大きな意味を有する。

マイクロ波により湿気を判定するための共振方法において、検査すべき物質は、空胴共振器内に持ち込まれ、かつ入射される周波数の変化により共振曲線を巡回しかつすべて測定することによって、物質の存在によって引き起こされる空胴共振器の離調が測定される。共振周波数のシフト、及び共振半値幅の大きさ又は共振器のＱ値の変化から、既知の物質組成及び密度において、誘電率、したがって物質の水の含有量を導き出すことができる。そのために通常は校正曲線が必要であり、これらの校正曲線は、種々の既知の湿度を有するそれぞれの物質の前の測定によって取得される。その上ほとんどの周知の方法において、材料密度の別個の測定が必要である。

特許文献２によれば、空胴共振器によって材料の湿気を判定する方法が公知であり、この方法は、検査すべき試料の範囲において空胴共振器の電磁界経過を所定のように選択することによって、構成曲線を利用して既知の材料に対して材料の湿度及び材料の密度を互いに独立して判定することを可能にし、その際、共振曲線の巡回によって検出される共振周波数、及び共振曲線の半値幅が判定され、かつ評価される。ここでも、試料の形の検査すべき材料を空胴共振器内に持ち込むことが必要である。

非特許文献１によれば、前記の公知のものと同様な方法が公知であり、この方法において試料の誘電率は、試料によってマイクロ波領域において動作する空胴共振器に負荷をかけることによって判定される。空胴共振器内における試料の存在によって引き起こされる共振周波数及びＱ値の変化は、空胴共振器内に試料を持ち込んだ後に共振曲線を測定することによって判定される。

特許文献３によれば、誘電体の板の複素誘電率を測定する方法が公知であり、これらの板は、一方の側において金属被覆されている。測定のために板の金属被覆されていない側に、誘電体の共振器が当てられ、かつ共振器においてＴＥ０１１モードが励起される。板の金属被覆された側は、共振可能なシステムの終端部として作用する。誘電体共振器が、金属板に当てられた場合に対する共振周波数の変化から、既知の厚さにおいて板材料の誘電率を判定することができる。

現在では産業上入手可能な湿気センサは、ミリ秒範囲においてセンサによる試料のスキャンを可能にする。その際、密度及び重量に関係なく連続的に製品の湿度を検出することができ、その際、製品温度における変化は、自動的に補償される。これらの方法は、たとえばセラミック工業において製品を製造する際に使用して成功している。

高周波技術に基づく前記の方法は、既知の寸法を有する試料の複素誘電率の判定にとどまっていることは不利である。このことは、測定されたＱ値及び周波数シフトから複素誘電率の実部及び虚部を判定するために、試料の幾何学的構造及び正確な寸法がわかっていなければならないことを意味する。

誘電率を判定するために、センサを試料に接触させなければならないことはさらに不利であり、このことは、ちょうどたとえばアセトン又はその他の燃焼可能な液体のような危険な試料において避けるようにする。

ドイツ連邦共和国特許第４３４２５０５号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第４００４１１９号明細書 ドイツ民主共和国特許第１３８４６８号明細書

Ｅ．ヴェールスドルファー他著、クリスタル・ウント・テヒニク、第１０巻、第６号、１９７５年、第６９５〜７００頁：における論文、"アイン・ディエレクトリツィテーツコンスタンテン−メスプラッツ・ツール・ウンターズーフンク・オプティッシャー・クリスタレ・イム・ミクロヴェレンベライヒ"

本発明の課題は、必ずしも容器をそのために開く必要なく、容器内における試料を識別することができる方法及び装置を提供することにある。

この課題は、独立請求項１に記載の方法及び独立請求項１９に記載の装置によって解決される。有利な構成は、これらをそれぞれ引用する請求項に記載されている。

すなわち、この課題は、試料を含む容器を、共振器に対して配置するステップと、共振器の共振モードを励起するための高周波信号を、共振器に入力結合するステップと、少なくとも１つの共振モードの共振曲線を測定するステップと、試料容器のない測定と比較した、共振周波数の検出された変化から、試料を識別するステップとを有する、試料容器内の試料を識別する方法において、Ｑ値を追加的に検出し、前記共振周波数に関連付けて、すなわち｛Δｆ／ｆｒ｝／｛Δ（１／Ｑ）｝から、前記試料容器内の前記試料を識別することによって解決される。
さらに、この課題は、少なくとも１つの共振器と、試料容器のための１つの保持体と、少なくとも１つの共振器の共振モードを励起するための１つの第１の手段と、試料によって変化した前記共振器の共振曲線を測定するための第２の手段とを有する、試料容器内の試料を識別する装置であって、この共振器の共振モードを励起した後に、前記共振器の共振電界を、試料容器内の試料の少なくとも一部に通過させるように、前記共振器と前記試料容器用の前記保持体が互いに配置されている当該装置において、当該装置が、共振周波数を検出するための第３の手段を有すること、前記第３の手段が、前記試料によって変化した前記共振器のＱ値も検出できるように、この第３の手段が構成されていること、及び
第３の手段が、前記共振器の検出された共振周波数とＱ値とを互いに関連付けできるように、すなわち｛Δｆ／ｆｒ｝／｛Δ（１／Ｑ）｝から、前記容器内の前記試料を識別できるように、この第３の手段が構成されていることによって解決される。

本発明による方法によれば、そのために試料のための容器を開く必要なく、簡単かつきわめて迅速な方法で試料が識別される。たとえば酸又はアセトンのような危険な試料によって人間及び対象物を危険にさらすリスクを最小にすることは、それにより未知の試料においてとくに有利である。識別のために試料に接触する必要はないので、方法が非接触方法であるということは、この意味においてとくに有利である。

試料は、試料の容器のない、したがって空気に対する測定と比較して共振周波数の検出された変化から識別される。

本発明による方法が、摂取可能な液体及び固体から摂取不可能なものを区別する際に確実であるということはまったくとくに有利である。このことは、旅行客手続きの際における“チェック−イン”範囲にとって、方法をとくに興味あるものにする。

非金属製の材料の特性は、交番電磁界に対して一般に複素誘電率εｒ＝ε１＋ｉε２によって記述される。実部及び虚部は、一般に周波数及び温度に依存する。所定のεｒを有する物質を共振器の交番電界内に持ち込んだ場合、実部（ε_１）は、共振周波数のシフトを引き起こし、虚部（ε_１）は、Ｑ値の減少を引き起こす。

とくにマイクロ波領域における液体の吸収特性は、入力結合された電磁波の交番電界による平衡位置からの外れの際における分子の緩和によって記述される。公式により特性は、交番電磁界の周波数ｆに依存する複素誘電率ε（ｆ）によって記述することができる。
ε（ｆ）＝ε_１（ｆ）＋ｉε_２（ｆ）＝｛εｓ−ε_∞｝／｛１＋ｉ２πｆτ｝ （１）
その際、εｓ＝静的な誘電率；
ε∞＝光学的な誘電率；τ＝緩和時間；ｆ＝励起周波数。

前記の式によれば、種々の液体は、静的な誘電率εｓ及び緩和時間τの値によって際立って区別される。ｆ＝１／２πτの周波数より上において、εの実部は大幅に減少し、かつ虚部は最大値を有する。

このとき、前記の方法によれば、その際に容器を開く必要なく、任意の非金属製の容器内における液体を、εｓ、ε_∞及びτの種々の値に基づく容器の特性によってほぼ１００ミリ秒の期間内に識別することは成功する。その際、容器の直径は、共振器の直径よりもずっと小さいわけではないので、場合によっては生じることがあるすべての瓶の大きさをカバーするために、種々の直径を有する複数の共振器を利用することができる。

方法を実施するために、とくに液体の試料が選択され、かつ識別されるが、その際、固体の試料は除外されているわけではない。ガス状の試料を検査することも考えることができる。

そのために試料の容器は、共振器の外において望ましくは共振器に対して既知の間隔を置いて保持体内に配置される。

共振器の材料の所定の幾何学的構造及び種類の際に、共振器の共振モードを励起するための周波数はわかっている。それ故に共振器の共振モードを励起するためのこの周波数の信号は、この共振器内に入力結合することができる。

共振モードを励起するためのマイクロ波は、望ましくは１ＧＨｚないし３０ＧＨｚの範囲内において選択される。この範囲において、試料として種々の液体がその複素誘電率の明らかに異なった値を有することは有利である。さらにこの周波数範囲内において、大きなＱ値を有するコンパクトな誘電体共振器を実現することができる。共振器の１つのモードの共振電界は、本発明による方法を実施する際に、容器内における試料の少なくとも一部を通過する。

共振周波数の及び場合によってはＱ値の値は、試料の容器を含む及び含まない方法の間に、測定された共振曲線から検出される。

このとき、区別すべき試料の、とくに液体の一義的な識別のために、共振器に対する試料の間隔に依存して容器内における試料によって結果として生じる共振器のＱ値の変化を単独で考察することは、共振器に対する試料の容器の間隔を変化し、かつ改めて測定した場合にも、不十分であると思われることがわかった。

さらに本発明によれば試料を識別するために、共振周波数の変化の知識が、試料の識別のために十分であることがわかった。

共振周波数の単独の測定の際に、試料の識別は、共振器から試料までの間隔の知識を必要とすることを考慮することができる。このことは、保持体内に挿入される種々の形成の容器のために、間隔を測定技術的に検出しなければならず、かつ所定の値に設定することができることを意味する。したがって共振周波数の単独の測定は、標準化された試料の容器の際に十分である。種々の形成の容器において、容器壁の種々の厚さに基づいて誤解釈が生じることがある。

本発明の有利な構成において、方法の間に、Ｑ値も検出され、特に有利には、特にＱ値の逆数が検出され、かつ共振周波数に関連付けられ、かつ表示される。このようにして試料の識別の際における一義性及び選択性が高められ、しかも試料の容器を有する及び試料の容器を持たない（空気に対する）共振曲線の単独の測定によって高められることが、まったくとくに有利に引き起こされ、その際、共振器に対する試料の容器の間隔は、ささいなことである。さらに結果の表示によって、未熟な人に対しても危険な試料から危険でないものをきわめて簡単かつ確実に区別することが可能になることが、まったくとくに有利に引き起こされる。

それ故に一義的及び選択的な識別のために、両方のパラメータは、すなわち共振周波数及びＱ値の変化は、互いに関連付けられるようにする。このとき、共振器から試料の容器までの間隔の正確な知識がなくとも、試料を有する及び持たない単独の測定は、試料の識別のために十分である。

その際、試料によって変化するＱ値の逆数及び共振周波数の検出、及びＱ値の逆数及び共振周波数からなる関係の表示は、試料の容器の種類に関係なく試料の識別を極めて迅速に行なうために、とくに適している。

とくにこの関係によって、摂取可能な液体から摂取不可能なものを、又は一般的に述べれば、危険のない試料から危険なものを、有利に区別することができる。

両方の量を測定する際に共振周波数とＱ値の逆数との間の線形の関係に基づいて、試料と共振器との間における間隔に関係のない試料の識別が可能である。このことは、間隔の正確な知識なしですべての容器の形に対して液体の識別を行うことができることに通じる。このことは、任意の形の容器内における液体又は試料を識別するために、共振器に対して固定の間隔を置いて試料の容器のための保持体を選択することができることを意味する。

したがって共振器の共振周波数の変化とＱ値の逆数の変化とからなる比が、かなりの程度まで容器の幾何学的構造に及び共振器に対する容器の間隔に無関係であるということは、妨害理論的な考察の枠内に引きとどめることができる。

したがって特にＱ値の逆数及び共振周波数の変化の結果として生じる比は、試料の識別のために適している。

この考察の結果として次のことが生じる：
｛Δ（１／Ｑ）｝／｛Δｆ／ｆｒ｝＝一定 （２）
この場合、
Δ（１／Ｑ）は、Ｑ値の逆数の、試料によって生じた変化量であり、Δｆ／ｆｒは、共振周波数ｆｒの、試料によって生じた相対変化量である。

このことは、種々の間隔の際に測定されたＱ値の逆数が、共振周波数にかなりの程度まで線形に依存しており、かつその結果生じる直線の勾配が、物質に対して特徴的であることを意味する。

それ故に小さな及び大きな、滑らかな及び粗い、角張った及び膨らんだ、又はますます異なった種類の閉じた容器、瓶、缶、プラスチック容器等は、これらを開く必要なく、かつこれらを共振器に対して種々の間隔にして測定する必要なく、きわめて有利にその内容物をテストすることができる。

試料の容器の壁が、共振器のすぐ近くにおいて金属被覆されておらず、又は共振器の共振電界が、容器内における試料を少なくとも一部通過することができるということが保証される限り、部分的な金属被覆を有する又は持たない及びラベルを有する又は持たないガラス又はプラスチック又はセラミックからなる試料の容器又は対象物は、それ以上の制限なく検査することができる。

本発明の構成において、試料を識別するために、共振曲線は、複数回測定され、かつそれぞれ共振曲線から共振器の共振周波数及び場合によってはＱ値も検出され、かつ互いに関連付けられる。

これらの測定は、本発明の別の構成において、共振器に対する試料のそれぞれ種々の間隔を置いて行うことができる。その際、望ましくは試料に対する間隔を変更するために１つ又は複数の共振器の位置は移動させられる。

しかしながら同じ共振器の種々の共振モードを互いに順に励起し、かつこのようにして高められた選択度において試料の識別を行うことも可能である。種々の周波数における測定によって、方法は、多くの液体の複素誘電率の強力な周波数依存性に基づいて、もう一度一義性及び選択性を高める。

種々の共振モードの励起によってそれぞれのモードに所属の共振器の共振曲線が有利に測定される。

１つより多くの共振器の共振モードを励起する方法は、とくに有利に実行される。このようにして方法の間に、たとえば同じ構造の共振器の種々の共振モードを励起することができる。しかし同じ構造の共振器の同じ共振モードを、まさしく良好に励起することができる。

複数回の測定の際に、次のものからなるパラメータの任意の組み合わせによって、
−共振器に対する試料の異なった間隔、
−１つ又は複数の共振器の適当な選択、
−共振器の種々の共振モードの順に行なわれる励起、
−及び／又は異なった共振モードを励起する同じ構造の複数の共振器の配置から、
−及び／又は同一の共振モードを励起する同じ構造の複数の共振器の配置から、
大きな変形能力が提供され、この変形能力において方法を実施することができる。

方法の間における、とくに同様に共振器に対する試料の容器の間隔を変化した後における複数回の測定は、試料の正確な識別に至り、かつこのようにして摂取可能な又は摂取不可能な、又は一般的に述べれば、危険な又は危険でない試料又は液体に試料を支障なく分類することに至る。

方法を実施する本発明による装置には、少なくとも１つの共振器及び試料の容器のための保持体、及び少なくとも１つの共振器の共振モードを励起するための第１の手段が設けられており、その際、共振器の共振モードを励起した後に、共振器の共振電界が、試料の容器内における試料を少なくとも一部通過することができるように、共振器及び保持体が、互いに配置されており、かつ共振器の共振曲線を測定するための第２の手段が設けられている。装置は、この装置が共振周波数を検出するための第３の手段を含むことを特徴としている。

試料又は試料の容器は、明らかに本発明による装置の構成部分をなしているわけではない。

共振周波数は、望ましくは第３の手段によって共振器に対する試料の容器の間隔に依存してたとえば画像スクリーン上に表示される。

試料の容器と共振器との間の間隔は、方法の間に、１００と１０００との間のＱ値が結果として生じるように選択することができる。この値範囲におけるＱ値は、容易に測定可能であり、かつ特別の液体を区別する際の選択性は、きわめて良好である。これに関連して間隔は、０ミリメートルと５ミリメートルとの間の範囲内にある。それにしたがって試料の容器のための保持体は、装置内に構想することができ、かつ共振器に対して配置することができる。

本発明の別の構成において、共振器に対する試料の容器のための保持体の間の間隔は、望ましくはミリメートルの間隔において変更することができる。

共振器に対する試料の容器の種々の間隔における複数回の測定によって、たとえばＱ値の変化のような別のパラメータを考慮する必要なく、試料の識別が保証されていることが、とくに有利に引き起こされる。共振器に対する試料の間隔に依存するこのようにして得られた共振周波数曲線は、曲線の勾配を介して試料の識別を可能にする。

本発明による構成において装置は、共振器の共振モードを励起するための第１の手段として、マイクロ波発振器、とくに可変周波数マイクロ波発振器又は帰還回路内に共振器を有する広帯域増幅器を有する。

本発明の別の構成において装置は、それぞれの共振周波数及び場合によってはＱ値を検出する１つ又は複数の振動モードの共振器曲線を測定するための第２の手段として、検波器ダイオード又はボロメータ電力検出器又はヘテロダイン受信機を有する。

本発明の別のとくに有利な構成において装置は、ネットワーク解析器、とくにベクトルネットワーク解析器を含む。本発明の意図においてネットワーク解析は、装置の第１又は第２の手段として、可変周波数マイクロ波発振器及びヘテロダイン受信機を含む。

装置は、適当なソフトウエアを有するＰＣを含む。ソフトウエアは、共振曲線から共振周波数を検出する。

ソフトウエアは、有利にはＰＣの又はネットワーク解析器の構成部分であり、かつ有利には試料の容器と共振器との間の間隔に依存して共振周波数を、画像スクリーン上に出力する。

とくに有利に第３の手段は、試料を有する及び持たない共振器のＱ値を検出する。その際、共振周波数は、共振振幅の最大値が生じる周波数に相当する。Ｑ値は、共振曲線の共振周波数と半値幅との比から得られる。

本発明のまったくとくに有利な別の構成において装置の第３の手段は、測定されたＱ値の逆数の関数として検出された共振周波数を表わしているので、高い選択度において試料の迅速な識別が行われる。

第３の手段としてソフトウエアは、これらのステップを自動的に順に実行する。

ソフトウエアは、とくに有利には試料を識別するために、測定された共振曲線から試料の容器を有する及び持たないＱ値、特にＱ値の逆数及び共振周波数を計算するように構成することができる。ソフトウエアは、これに続いて試料の容器を持たない値に関して共振周波数の変化とＱ値の逆数の変化とからなる比を検出する。この数値は、直線の勾配を記述している。

ソフトウエアは、最も簡単な場合、もっぱら検出された直線の勾配を介して試料の摂取可能なこと又は摂取不可能なことを判定する。

望ましくはこのとき、ソフトウエアは、望ましくはメッセージを介して画像スクリーンに結果を出力することができる。

望ましくはソフトウエアは、画像スクリーン又はプリンタのような出力装置において、適当なグラフ表示、及び摂取可能な及び摂取不可能な試料への試料の割り当て能力を可能にするようになっている。そのために望ましくはソフトウエアは、試料を持たないゼロ値から出発して、摂取可能な液体又は固体に対して特徴的な勾配における範囲を記述する。この範囲の外における液体又は固体が識別されるとすぐに、このことは、適当な方法で、たとえば光学的に表示される。

装置内において共振器は、少なくとも１つの開口部を有する金属製のハウジング内に配置されていることを考慮することができる。共振器のためのハウジングの開口部は、試料の容器のほうに向けられている。ハウジングの開口部は、共振器の電磁界に対して透過性である。

大きな相対誘電率εｒを有する損失の少ないマイクロ波セラミックをベースにしたとくに誘電体の共振器は、一部開いた幾何学的構造の際に大きなＱ値を有する。方位に関して回転するＥフィールド及び軸線方向のダイポーラＨフィールドによって特徴付けられるＴＥ０１δ共振は、シリンダ状のセラミックの大きな誘電率の場合に、一般にきわめて安定である。同じことは、大きな誘導ＴＥ０共振についても当てはまり、これらの共振のフィールド分布は、回転対称に同様に回転対称を有する。金属製のハウジングにおける開口部によって、共振器の電界が、試料を一部通過することができることが保証される。

大きな方位モードインデックスｎ（典型的にはｎ＝８より大きい）を有しかつきわめてわずかな放射損失を有しかつそれどころか一部完全に容器なしで動作することができるいわゆる“ホイスパリングギャラリー共振”、すなわちハイブリッド共振を使用することも、本発明の枠内において提示することができる。

共振器に対する試料の容器のための保持体の間隔は、試料の容器の寸法、幾何学的構造及び共振器の選択されたモードに応じて、数ミリメートルないし数センチメートルとすることができる。

試料の容器の正確な整列のために、試料の容器のための保持体は、少なくとも２つのＶ形の溝を有する。このときたとえば瓶又は缶又はプラスチック容器のような容器は、その長手軸線に対して正確に水平方向に整列することができるので、共振器の軸線は、容器の軸線に直角に交差する。

しかしながら本発明による装置は、この構成に限定されるものではない。

試料の容器が保持体の斜めになった面上に置かれ、かつ容器の位置がこの斜めになった面上においてこれに対して垂直になった保持体の載せ面によって固定される装置は、とくに有利である。この場合、一方が保持体の斜めになった面に対して平行に絞りを有し、第２のものがこれに対して垂直に試料の容器の底部の下に配置されるので、試料の容器の側壁によって及び試料の容器の底部によって試料の識別が行われる、２つの共振器は、とくに有利である。

それにより一方において一部だけ試料の材料によって満たされた試料の容器において、斜めになった面の下に取り付けられた共振器が、試料のできるだけ大きな容積を検出することが、とくに有利に引き起こされ、このことは、測定の精度及び再現能力を高めるために貢献する。他方において試料の容器の底部の下に配置された共振器は、わずかな直径を有する容器内における試料を識別するためにとくに有利に使われる。

水平線に対する保持体の斜めになった面の角度は、したがって水平線に対して試料の容器がなす角度は、望ましくは２０度と５０度との間にあるようにする。

有利なように装置は、シリンダ状の誘電体共振器を有する。それにより高度の対称性に基づいて、多くのモードが大きなＱ値を有することが、とくに有利に引き起こされる。同様に大きなＱ値が生じる球又は半球とは相違して、シリンダ状の誘電体共振器は容易に製造することができ、かつ加えて市販によって入手することができる。

本発明の別の構成において、装置は、共振器が、金属製のハウジング内に中心対称に配置されていることを特徴とすることができる。

金属製のハウジングは、シリンダ状に構成することができる。

共振器のハウジング内における開口部は、中心の円筒形の絞りによって実現することができる。

容器のいちばん低い点が、ハウジング又は共振器の開口部の中心より上に配置されているように、有利なように試料の容器及び共振器のためのハウジングが、互いに配置されている。この配置の高度な対称性は、共振器の生じることがある放射損失を最小にし、かつそれによりＱ値の逆数と共振周波数との間の直線関係からの偏差を最小にするようになっている。

装置は、有利なように共振器内にマイクロ波を入力結合しかつ共振モードを励起するために、可変周波数マイクロ波発振器を含む。それにより有利なようにここでも共振周波数及びＱ値の複数回の測定が可能である。

本発明のとくに有利な構成において、装置は、マイクロ波を発生するため及び共振曲線を記録するためにネットワーク解析器を含み、この共振曲線から共振周波数及びＱ値が判定される。

本発明の別の構成において、装置は、複数の共振器を含むことができ、したがって多数の同じ構造の及び／又は異なった構造の共振器を有する測定ステーションを構成することができる。

本発明の意図において同じ構造の共振器は、たとえば異なった直径を有する共振器である。

その際、有利なように装置は、複数の共振器を含み、これらの共振器は、試料の容器の形を模写するように互いに配置されている。たとえば試料として靴の一部の内容物を識別するために方法を実施しようとする場合、たとえば靴ヒールのために２つの共振器、靴先端のために１つの共振器及びたとえば靴底の残りのために別の２つの共振器を、測定ステーション内に配置することができる。その際、靴の着用者としての人は、検査のためにこの靴を脱ぐ必要はない。有利なようにこのようにしてたとえば旅行客の手続きをするための“チェック−イン”範囲において脱いだ靴をレントゲン検査する代わりに、定性的な表現が可能な本発明による方法に置き換えることができる。

さらに実施例及び添付の図面によって本発明を詳細に説明する。ここでは：

本発明による装置の実施例を示す図である。 液体によって満たされた載せられた瓶を有する誘電体共振器の伝送スペクトルを示す図である。 種々の液体及び種々の瓶タイプに対して蓋絞りから瓶までの間隔ｚに関する測定された共振曲線から検出されたＱ値を示す図である。 種々の液体及び種々の瓶タイプに対して蓋絞りから瓶までの間隔ｚに関する測定された共振曲線から検出された共振周波数を示す図である。 種々の間隔、種々の液体及び種々の瓶タイプに対してＱ値の逆数に関して測定された共振周波数からなる本発明の関係を示す図である。空のＰＥＴ瓶に対する測定点は、空のガラス瓶に対する測定点の後に隠れている。 本発明による装置の別の実施例を示す図である。

本発明の第１の実施例によれば、本発明による装置は、誘電体共振器８を含み、この共振器は、少なくとも一方の側から開いた金属製のアルミニウムからなるハウジング６内に配置されている（図１）。

誘電体共振器８は、εｒ＝２８を有するマイクロ波セラミック、バリウム−ジルコニウム−チタネート（ＢＺＴ）からなる。それによりシリンダ状の誘電体マイクロ波共振器が実現されており、このマイクロ波共振器は、半分開いた金属ハウジング６内に配置されている。マイクロ波のためのシリンダ状の特殊セラミック（半径ａ＝１５ｍｍ，高さＨ＝２１ｍｍ，穴４ｍｍ）は、テフロン保持体７上に配置されており、このテフロン保持体は、半分開いたアルミニウムシリンダ（外径１００ｍｍ，内径８０ｍｍ，高さ５４ｍｍ）内にねじ込まれている。共振器は、１ｍｍの厚さのテフロンフィルムからなる蓋９によって覆われる。それによりハウジング６内における共振器８の有意義な固定、及び汚れに対する共振器８の保護が生じる。共振器８の半分開いたシリンダ状のアルミニウムハウジング６は、共振器のＱ値を高めるために、９０ｍｍの外径及び５０ｍｍの内径を有するアルミニウム蓋絞り１０によって追加的に覆われている。共振器セラミックの両側に、軸線方向における面の垂線を有するほぼ３ｍｍの大きさの入力結合ループを備えた局所的な入力結合及び出力結合ガイド４，５がある。左側に、ほぼ３ｍｍの大きさの入力結合ループ（面の垂線はｚ方向）を備えた同軸入力結合ガイドがあり、右側に、出力結合のために同じ大きさの及び同じ配向のループがある。セラミックシリンダのＴＥ０１デルタモードの共振周波数は、近似的に次の式によって
ｆ_０［ＧＨｚ］＝３４｛ａ／Ｈ＋３．４５｝／ａ［ｍｍ］√（ε_ｒ） （３）
検出される。その際、表示された幾何学的なパラメータは次のとおりである：
ｆ_０＝１．７８ＧＨｚ、共振器の励起周波数として。
試料として液体３を含む瓶２は、蓋絞り１０から可変の間隔ｚ（破線の円）を置いて測定される。

共振器８は、この共振器の両方の同軸結合ガイド４，５によって、ベクトルネットワーク解析器１（ヒューレット・パッカード８７５２Ａ）の反射及び伝送ポートに接続されている。周波数に依存した伝送は、０ｄＢｍの高周波出力電力によって測定された。測定を行なうために、共振器から種々の間隔ｚを置いて液体によって満たされた瓶が配置された。良好に定義されたかつ既知の間隔に依存した測定を行なうために、ＰＶＣからなる２つのＶ形の溝１１を有する双腕保持体が製造され、この保持体のうち図１には、図平面の外にあるものが示されている。したがって両方のＶ形の溝１１内に、種々の形の及び表面特性の瓶２を挿入することができる。瓶２は、共振器８の金属蓋絞り１０の上に瓶の壁が載るように、三脚によって調節された。その際、瓶２のいちばん低い点は、できるだけ誘電体共振器８の中心の上方にある。

しかしながらもちろん装置は、９０度だけ転向することができ、その際、共振器と瓶の縁との間のできるだけわずかな間隔の範囲において、瓶の壁にまで液体が到達するので、電界が液体を通過するように注意する。

瓶２は、共振器軸線が瓶軸線に直角に交差するように、共振器８に対して対称的に配置されている。それから瓶２は、マイクロメータねじによって、共振器８に対して垂直に１ｍｍのステップで動かされた。それぞれの位置において、共振周波数及びＱ値のそれぞれ１つの判定が行なわれた。

したがって瓶内容物の識別のために、励起されるモードのＱ値及び共振周波数が測定される。共振器８から瓶２までの種々の間隔に対する測定値の複数回の上昇によって、種々の液体のさらに一義的な識別が行われる。

図２は、液体によって満たされた瓶の典型的な測定された反射スペクトルを示している。ＨＰ８７５２Ａのスイープ帯域幅は、共振の幅に応じて１０ＭＨｚ、２０ＭＨｚ又は５０ＭＨｚに選択された。

図３及び図４は、共振器８に対する瓶２の間隔に関して、検出されたＱ値の逆数及び検出された共振周波数に関するそれぞれ生じた測定値を示しいている。その際、間隔ｚは、対数表示で記載されている。

そのためにＰＥＴ瓶として、図示したすべての結果に対して銘柄、コカコーラ（商標名）の通常市販の１リットル瓶が選択された。

ガラス瓶として、別に何も表示しない限り、粗い表面を有する通常市販の０．７リットルの水の瓶が利用された。

図３及び図４において、それぞれ完全に塗りつぶした円及び正方形により、共振器から瓶までの間隔に関して、ポリエチレン（ＰＥＴ瓶；正方形）及びガラス（円）からなる空気によって満たされた瓶が示されている。しかしながら本来の基準は、ここでも空気に対する測定を表わしており、すなわち試料の容器のない測定を表わしている。

水道水（空の正方形：ＰＥＴ瓶；空の円：ガラス瓶）の他に、２プロパノール（正方形の中に垂直の十字：ＰＥＴ瓶；円の中に垂直の十字：ガラス瓶）、アセトン（正方形の中に斜めの十字：ＰＥＴ瓶；円の中に斜めの十字：ガラス瓶）、アーモンドリキュール（黒く塗りつぶした８角形の円、図３及び図４における線は、区別することができるようにするために“＊”によってマークした、大幅な表面粗さを有する銘柄、ヴェネツィア（商標名）の通常市販の四角形のガラス瓶）、３．５％の脂肪を含有するミルク（塗りつぶしていないひし形）のＱ値及び共振周波数が測定され、かつ共振周波数を測定するために追加的にスパークリングワイン（下方に向いた、塗りつぶしていない三角形）も測定された。スパークリングワイン及びミルクによる測定は、前記のようにここでも通常市販の０．７リットルの水の瓶で行なわれた。

両方の大きさ、すなわち共振周波数及びＱ値は、瓶と共振器との間の間隔の増加とともに減少している。

摂取可能な飲み物（水、リキュール、ミルク、スパークリングワイン）は、摂取不可能な化学物質、すなわち２プロパノール及びアセトンよりもそれぞれ高い共振周波数を有する（図４）。

しかしながら類似の表示は、共振のＱ値の場合には（図３）、的確にとらえることができない。共振器に対する試料の容器（瓶の下側の縁）の間隔に関してＱ値の逆数が図示されている。この場合、摂取可能及び摂取不可能な液体から見境のないように思われる順序が生じる。

図５は、共振器から試料の容器までの種々の間隔において、Ｑ値の逆数１／Ｑに関する共振周波数の最終的な表示を含むとくに有利な方法を示している。図５は、Ｑ値の逆数の係数が試料による共振周波数の測定された変化に対してかなりの程度まで比例しており、かつそれ故に種々の間隔値における測定が、共振周波数とＱ値の逆数との間のかなりの程度まで直線的な関係に通じることを、はっきりと示している。実際にこのことは、液体のきわめて迅速及び正確な識別を意味している。

望ましくは試料の容器と共振器との間の間隔は、０ミリメートルと５ミリメートルとの間の範囲にあるようにする。このことは、図５に示された直線において、それぞれきわめて大きなＱ値の逆数及び共振周波数を有する６つの値に相当する。ほとんどの液体に対してほぼ１００と１０００との間のＱ値が、その結果生じる（図５）。この値範囲におけるＱ値は、容易に測定することができ、かつ種々の液体において区別する際に、選択性はきわめて良好である。

その際、灰色にされた範囲は、摂取可能な液体の範囲を表わしている。図３及び４に示された液体の他に、図５において追加的なアルコール飲料として、ベルノ、ジン、又は任意の香水が図示されている。その他に、追加的な化学物質として、エタノール、クロロフォルム及び酸、すなわち塩酸及びりん酸が測定されている。

結果は、次の推論を可能にする：すなわち
１．摂取可能な液体の範囲は狭い。それ故に未知の液体は、迅速かつ確実に摂取可能又は摂取不可能、又は危険及び危険のないものに分類することができる。
２．摂取可能な液体の範囲は、正の勾配を有する直線を有する。
３．摂取可能な液体において曲線の勾配は、かなりの程度まで瓶の材料（ガラス、プラスチック）に無関係、かつ正確な形に無関係であり、かつ紙又は合成物質のラベルによっても影響を受けることがない。
４．燃焼可能な液体は、はっきりと異なった勾配を有し、これらの勾配は、明確な区別を可能にする。
５．摂取可能な液体の範囲の外において、酸も正の勾配を有する。そのために検出された直線は、摂取可能な液体よりも大きな勾配を有する。
６．摂取可能な液体の範囲の外において、ガラス内におけるアセトン及び合成物質内におけるエタノールも、正の勾配を有する。そのために検出された直線は、摂取可能な液体よりも小さな勾配を有する。
７．負の勾配は、別のすべての摂取不可能な液体において、及びＰＥＴ及びガラスからなる空の瓶において生じる。

それ故に本発明の一般的な結果として、明確な物理的なパラメータ及びその表示が存在し、これらのパラメータ及び表示は、閉じた容器内における試料の迅速及び確実な識別を可能にすることを確認することができる。

燃焼可能な液体において観察される瓶の材料に関する曲線の関係、及び負の勾配の発生は、定性的に次のように説明することができる。水において、大きな誘電率を有する媒体内に電界エネルギーが増大するように再分配されることによって、瓶の接近によって共振周波数の観察される増大が生じ、それにより電界エネルギーの増大が生じる（正の勾配）。その際、磁界エネルギーは、明らかにわずかな役割しか演じない。それより小さな誘電率を有する液体において、瓶における部分反射によって電界容積の実効的な減少の効果が支配的であり、それにより共振周波数の増大が生じる（負の勾配）。それ故に空の瓶に対して負の勾配も観察される。どの効果が支配的であるかに応じて、勾配の符号は、アセトンにおいて観察されるように、瓶の材料に依存することがある。

マイクロ波周波数範囲において液体に対するεの強力な周波数依存性に基づいて、別の周波数において別の画像が生じることを予測することができる。このようにしてたとえば５〜１０ＧＨｚの範囲における励起周波数の際に、そのアルコール含有量にしたがってアルコール飲料の明確な区別が生じることを予測することができる。

図５に示した曲線が、１つの点において（すなわち瓶を持たない共振器のｆ及び１／Ｑ値において）交差する直線であるということに基づいて、それぞれの液体は、１つだけの間隔値における測定によって完全に特徴付けることができる。このような測定は、ほぼ１００ミリ秒の期間内に実施することができる。これらのことに基づいて、非金属製の瓶の内容物を識別する方法は、空港における“チェック−イン”の際に適している。

図６は、本発明による装置の別の有利な構成を概略的に示している。

ここにおいて保持体の斜めになった部分６１ｂの上に配置された試料の容器、ここでは瓶６２の長手軸線が水平線Ｘとともに３０度の角度をなしているように、保持体６１ａ，６１ｂは、本発明による装置６０内に配置されている。

瓶６２は、保持体の斜めになった面６１ｂ上におかれ、かつこの瓶の位置は、下からこれに対して垂直になった載せ面６１ａによって固定される。この場合、２つの共振器６８ａ，６８ｂ、すなわち斜めになった面に対して平行に絞りを有する一方のもの（６８ａ）、瓶の底においてこれに対して垂直な第２のもの（６８ｂ）が配置されている。

瓶内容物、したがって試料６３の識別は、それぞれの瓶の側壁を通してかつ瓶の底を通して行なわれる。その下に共振器がある瓶６２のための保持体の載せ面６１ａ，６１ｂは、消失するマイクロ波フィールドに対して透過性の材料から、たとえばテフロンからなる。

一方において一部だけ満たされた瓶６２において保持体の斜めにされた面６１ｂの下に取り付けられた共振器６８ａが、できるだけ多くの容積の試料６３を検出し、このことが測定の精度及び再現能力を高めるために貢献することは、この装置６０において有利である。他方において瓶の底部の下に配置された共振器６８ｂは、わずかな直径を有する瓶内における試料を識別するために有利に使われる。図６に示された場合に、水平線Ｘに対する斜めになった載せ面６１ｂの間の角度は、３０度である。共振器６８ａ、６８ｂは、ハウジング６６内に収納されている。

現在ネットワーク解析器によって行なわれる測定は、移動無線及びマイクロエレクトロニクスのための標準部品に基づいて開発すべき電子回路によって実現することができる。このことは、極端にコンパクトなかつ望ましいコストのテスト装置を構成することを可能にする。

ハウジング内におけるこのような電子装置及び共振器の統合は、いわゆるハンドスキャナを構成するための前提条件を提供する。このようなハンドスキャナは、たとえばバッテリーによって動作させることができ、かつ試料を検査するために移動装置として使用することができる。

別の適用分野は、たとえば木材の貯蔵時間を管理するための建築材料の水含有量の判定である。包装した食料品を検査するために方法を使用することもできる。農業のために、穀物粒子における水含有量を判定するために方法を利用することができる。医療用の適用の分野において、皮膚の水含有量（水和）の測定を考えることができる。

利用される振動モードに対して金属ハウジングにおける開口部の直径をそれぞれ最適化することができることは明らかである。共振器は、それぞれわずかな放射損失を有する振動モードにおいて励起される。

ここに述べたものとは別の用途に対して、試料の一義的な識別のために、共振周波数の検出の代わりにＱ値の検出でも十分であることを考えることができる。

このとき、容器内における試料を識別する方法は、次のステップを考慮している。すなわち：
−試料を含む容器が、共振器に対して配置され、
−共振器に、共振器の共振モードを励起するための高周波信号が入力結合され、
−少なくとも１つの共振モードの共振曲線が測定され、かつ
−試料の容器のない測定と比較してＱ値の検出された変化から、試料が識別される。試料の容器内における試料を識別する本発明による装置には、少なくとも１つの共振器及び試料の容器のための保持体、及び少なくとも１つの共振器の共振モードを励起するための第１の手段が設けられており、その際、共振器の共振モードを励起した後に、共振器の共振電界が、試料の容器内における試料を少なくとも一部通過することができるように、共振器及び試料の容器のための保持体が、互いに配置されており、かつ試料によって変化した共振器の共振曲線を測定するための第２の手段が設けられている。装置が、共振周波数を検出するための第３の手段を有する。

Claims (37)

1. 試料を含む容器を、共振器に対して配置するステップと、
   共振器の共振モードを励起するための高周波信号を、共振器に入力結合するステップと、
   少なくとも１つの共振モードの共振曲線を測定するステップと、
   試料容器のない測定と比較した、共振周波数の検出された変化から、試料を識別するステップとを有する、試料容器内の試料を識別する方法において、
   Ｑ値を追加的に検出し、前記共振周波数に関連付けて、すなわち｛Δｆ／ｆｒ｝／｛Δ（１／Ｑ）｝から前記試料容器内の前記試料を識別し、
   Δ（１／Ｑ）は、Ｑ値の逆数の、試料によって生じた変化量であり、
   Δｆ／ｆｒは、共振周波数ｆｒの、試料によって生じた相対変化量であることを特徴とする方法。
2. 液体の試料を選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 固体の試料を選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 誘電体の共振器を選択することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の方法。
5. 共振器の、ＴＥ_０１σモード及び／又はその他のＴＥ_０モード及び／又はホイスパリングギャラリーモードが励起されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 部分的な金属被覆を有する又は有しない且つラベルを有する又は有しないガラス又はプラスチック又はセラミックからなる試料容器を選択することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記試料容器は、測定の間は閉じられたままであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 共振器が、金属製のハウジング内に配置されていて且つ励起されることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の方法。
9. 前記共振器のために開口部を有する金属製のハウジングを選択する結果、電磁界が、外部空間内に侵入し得ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記金属製のハウジングの前記開口部を、前記試料容器の方向に整列することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記試料を識別するため、前記共振器の共振周波数とＱ値との変化を検出するための共振曲線を、複数回測定することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 当該複数回の測定を、前記共振器までの試料のそれぞれ異なった間隔で実施することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記試料容器までの間隔を変えるため、前記共振器の位置を移動させるか、又は、前記共振器までの間隔を変えるため、前記試料容器の位置を移動させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 複数回の測定を実施し、１つの共振器の異なった共振モードを、当該複数回の測定時に励起させることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 複数のモードの共振周波数及びＱ値を検出することによって、識別時の一義性及び選択性が高められることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. １つより多い共振器の複数の共振モードが励起されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 異なった共振モードが、同じ構成の２つの共振器内で励起されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 同じ共振モードが、同じでない構成の２つの共振器内で励起されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 少なくとも１つの共振器と、試料容器のための１つの保持体と、少なくとも１つの共振器の共振モードを励起するための１つの第１の手段と、試料によって変化した前記共振器の共振曲線を測定するための第２の手段とを有する、試料容器内の試料を識別する装置であって、この共振器の共振モードを励起した後に、前記共振器の共振電界を、試料容器内の試料の少なくとも一部に通過させるように、前記共振器と前記試料容器用の前記保持体が互いに配置されている当該装置において、
    当該装置が、共振周波数を検出するための第３の手段を有すること、
    前記第３の手段が、前記試料によって変化した前記共振器のＱ値も検出できるように、この第３の手段が構成されていること、及び
    前記第３の手段が、前記共振器の検出された共振周波数とＱ値とを互いに関連付けできるように、すなわち前記試料容器内の前記試料が、｛Δｆ／ｆｒ｝／｛Δ（１／Ｑ）｝から識別され得るように、この第３の手段が構成されていて、
    Δ（１／Ｑ）は、Ｑ値の逆数の、試料によって生じた変化量であり、
    Δｆ／ｆｒは、共振周波数ｆｒの、試料によって生じた相対変化量であることを特徴とする装置。
20. 前記第３の手段が、前記共振周波数、共振周波数とＱ値とによる関係及び／又は共振周波数とＱ値の逆数とによる関係を、前記共振器までの前記試料容器の間隔に依存して表示できるように、この第３の手段が構成されていることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. ソフトウェアが、第３の手段として設けられていることを特徴とする請求項１９〜２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 前記共振器までの前記試料容器用の保持体の間隔を変化させるための手段が設けられていることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の装置。
23. マイクロ波発振器、可変周波数マイクロ波発振器又は帰還回路内の共振器を有する広帯域増幅器が、共振モードを励起するための第１の手段として設けられていることを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の装置。
24. 検波器ダイオード又はボロメータ電力検出器又はヘテロダイン受信機が、前記共振器の共振周波数とＱ値とを測定するための第２の手段として設けられていることを特徴とする請求項１９〜２３のいずれか１項に記載の装置。
25. ネットワーク解析器が設けられていることを特徴とする請求項１９〜２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 前記共振器は、少なくとも１つの開口部を有する金属製ハウジング内に配置されていることを特徴とする請求項１９〜２５のいずれか１項に記載の装置。
27. 前記ハウジングの、前記試料容器に向けられた開口部が、前記共振器の電磁界に対して透過性であることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. 前記試料容器用の保持体は、少なくとも２つのＶ形の溝を有することを特徴とする請求項１９〜２７のいずれか１項に記載の装置。
29. シリンダ形の誘電体の共振器が設けられていることを特徴とする請求項１９〜２８のいずれか１項に記載の装置。
30. 前記共振器は、前記金属製ハウジング内に中心対称に配置されていることを特徴とする請求項１９〜２９のいずれか１項に記載の装置。
31. 前記金属製ハウジングは、シリンダ状に構成されていることを特徴とする請求項１９〜３０のいずれか１項に記載の装置。
32. 中心の円筒形の絞りが、前記金属製ハウジング内の開口部として設けられていることを特徴とする請求項２６〜３１のいずれか１項に記載の装置。
33. 前記試料容器の一番低い点が、前記ハウジング又は前記共振器の開口部の中心より上に配置されているように、前記試料容器と前記ハウジングとが互いに配置されていることを特徴とする請求項２６〜３２のいずれか１項に記載の装置。
34. 種々の試料容器を収用するために、同じ構造及び／又は異なった構造の複数の共振器を有する測定ステーションを構成する複数の共振器が設けられていることを特徴とする請求項１９〜３３のいずれか１項に記載の装置。
35. 複数の共振器が、前記試料容器の形を表示するように、これらの共振器が配置されていることを特徴とする請求項１９〜３４のいずれか１項に記載の装置。
36. 前記装置内に配置された試料容器が、その長手軸線に関して水平線に対して傾斜して配置されているように、前記試料容器用の前記保持体が、この装置内に配置されていることを特徴とする請求項１９〜３５のいずれか１項に記載の装置。
37. 前記保持体内に配置された試料容器が、その長手軸線に関して前記水平線とほぼ２０°〜５０°の角度を成すことを特徴とする請求項３６に記載の装置。

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