SE517315C2 - Apparat och metod för detektering av främmande kroppar i produkter - Google Patents

Description

15 20 25 , ,. u .- n. ... - ' ", .Z .' .. . ~ -- g . -. -. .- _ , _ . . u» ----- ::: ..-- --;;-w . - f' I' .. v u o v 4 v _, .- . u .. användning av penetrerande strålning, där strålningen kan vara vilken våglängd som helst. Apparaten innefattar en anordning för parallell strålning från en sida av en bestrålningsbar kropp, en anordning för mottagning av strålningen som lämnar kroppen och som härleder en transmissionssignal därifrån, och medel för att härleda information från transmissionssignalen som har att göra med egenskaperna på den bestrålade kroppen, såsom benrester i köttbitar.

Från informationen som härleds från transmissionssignalen bestäms massan av den undersökta kroppen, där kroppens massa är en funktion av höjd och densitet och en samband finns mellan massa och strålningsdâmpning, sålunda kan en närvaro av möjliga inhomogeniteter upptäckas.

Ett problem som påträffas med den kända tekniken är att det är omöjligt, eller väldigt svårt, att upptäcka en mångfald av olika typer av främande kroppar i produkter. Metall eller partiklar med hög densitet är lätta att upptäcka i en produkt som innehåller material med låg densitet, men främmande kroppar inbäddade i ett material med liknande densitet är svåra att upptäcka.

Ett ytterligare problem med nuvarande tekniker år att det âr svårt att åstadkomma on-line detektering av främmande kroppar på en färdig produkt i produktion, vilket innebär att detekteringsmetoden måste vara snabb, icke-inträngande och icke-destruktive.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en apparat och en metod för detektering av främmande kroppar i produkter, speciellt i matprodukter, som överkommer ovan nämnda problem. 10 15 20 25 , , - . n. 51 7 5 1 5 ;::= -2"==ïï= Syftet uppnås genom en apparat enligt den kânnetecknande delen av krav 1.

Ytterligare uppnås syftet med metoden enligt den kännetecknade delen av krav 10.

En fördel med föreliggande uppfinning är att ett stort urval av främande kroppar är detekterbara i en produkt.

En annan fördel är att föreliggande uppfinning tillåter snabb mätning, detektering och utvärdering.

Ytterligare en annan fördel år att föreliggande uppfinning är billig och enkel att implementera och kan integreras i befintliga produktionsenheter.

Ytterligare en annan fördel är att föreliggande uppfinning tillåter detektering av främmande kroppar i produkter efter slutprocessning, pä ett icke-förstörande sätt.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Fig. 1 visar en apparat enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 2 visar en antennanordning, vilken kan användas i apparaten i fig. 1.

Fig. 3 visar en sidovy av ett antennarrangemang enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 4 visar en sidovy av ett antennarrangemang, såsom i figur 2, visande diffraktion/spridning i en undersökt produkt.

Fig. Sa-5c visar en metod för att extrahera information avseende diffraktionsmätningar, enligt föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 517 315 ;::= Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Figur 1 visar en apparat 10 för detektering av främmande kroppar i en produkt 1 enligt föreliggande uppfinning.

Apparaten enligt uppfinningen innefattar en första antennanordning 11, en andra antennanordning 12, där nämnda första antennanordning 11 sänder ut elektromagnetiska signales 13' i mikrovågsområdet. De sända signalerna 13' är anordnade att, åtminstone delvis, passera produkten 1, vilken undersöks.

Efter det att signalerna har passerat genom materialet 1 tas signalerna 13" emot vid nämnda andra antennanordning.

Den första och andra antennanordningen 11, 12 sänder och tar emot signaler som har åtminstone två separata frekvenser, företrädesvis fler, t.ex. 400, olika separerade frekvenser i flera angränsande frekvensblock hädanefter refererade till såsom frekvenskanaler. Antennanordningarna, vilka beskrivs i närmare detalj i figur 2, är anslutna till en mikrovågskrets 14, såsom en nätverksanalysator. Mikrovågskretsen 14 innefattar en mikrovågsoscillator 15, vilken matar signaler 13' som skall sändas ut av den första antennanordningen 11, och ett mikrovågsmätsystem 16, t.ex. en vektorvoltmeter, vilken samlar in och mäter vissa parametrar, såsom amplitud hk och/eller fas Q, hos den emottagna signalen 13” från den andra antennanordningen 12.

Produkten 1 vilken undersöks är företrädesvis placerad på ett transportsystem 17 innefattande, exempelvis, en bärare 18 på en transportutrustning 19, ett transportband, en vertikal tub med flytande produkter eller liknande.

I den beskrivna föredragna utföringsformen passerar produkten genom ett gap mellan den första 11 och den andra 12 antennanordningen, för att tillåta de utsända signalerna att, 10 15 20 25 nous n o u o oron 517 315 åtminstone delvis, passera genom produkten som helhet.

Produkten 1, vilken är placerad på bäraren 18, förflyttas genom det öppna utrymmet med användning av, till exempel, en motordriven vagn. Signaler som har ett förutbestämt antal frekvenser i mikrovågsomràdet, i en eller flera frekvenskanaler, utsänds från nämnda första antennanordning och tas emot vis nämnda andra antennanordning för att mätas i nätverksanalysatorn 14. En ny mätning görs efter ett förutbestämt tidsintervall, under vilket produkten har flyttats ett avstånd i en första riktning x.

Antennanordningarna innefattar åtminstone en frekvenskanal inom vilken kanal åtminstone två separata frekvenser kan utsândas. Detta kan implementeras genom att använda en separat antenn, eller antenndel, för varje frekvenskanal, där frekvensen hos varje utsänd signal inom frekvenskanalen kan styras av mikrovågsoscillatorn 15.

En föredragen utföringsform av en första antennanordning 11 visas i figur 2, vilken sänder ut signaler i ett flertal frekvenskanaler, fl-fö. Denna typ av antenn kallas för patch- antenn med kapacitivt kopplade patchar. Mellanfrekvensen för varje frekvenskanal kan vara såsom presenteras i tabell 1.

Denna typ av patch-antenn är billig att tillverka och enkel att styra för att erhålla det önskade antalet kanaler, där varje kanal är styrbar till att innehålla åtminstone två signaler med separata frekvenser. Den andra antennanordningen 12 innefattar samma delar som den första antennanordningen ll för mottagning av de utsända signalerna. 10 15 20 517 315 - n nooouo u c 6 Kanal Frekvens [GHz] fl 1.45 fg 3.2 f3 4.1 f4 4.5 f5 5.2 f; 5.8 Tabell 1: En schematisk utformning av vågmönstret hos centrumfrekvensen illustreras i figur 2 som streckade linjer med hänvisning till olika kanaler ffi-f; i tabell l.

Genom att använda denna typ av antennanordning 11, i den ovan beskrivna apparaten 10, kan information innehållande den dielektriska funktionen erhållas i en undersökt produkt som funktion av nämnda första riktning x och nämnda utvalda frekvenser.

Det är väsentligt att ha åtminstone två signaler med separata frekvenser inom åtminstone en frekvenskanal för att nå fram till ovan nämnda information avseende den dielektriska konstanten, enligt uppfinningen. Detta komer att bli mer tydligt i följande.

Basteorin bakom uppfinningen är att detektera olikheter, såsom främmande kroppar, kontaminering, skador (sprickor etc.), vilka orsakar en ändring i den dielektriska konstanten hos den undersökta produkten. Detta görs genom att sända signaler, åtminstone delvis, genom nämnda produkt, vilken i sig måste, åtminstone delvis, bestå av en dielektrisk substans.

Parametervården från nämnda parametrar, såsom amplitud|AÄ och/eller fas Q, vilka används för att bestämma den dielektriska konstanten hos den undersökta produkten, uppmåtes i nämnda mikrovågsmätsystem 16. De uppmätta parametervärdena 10 15 20 25 30 517 3 1 5 g: a v | | av jämförs med motsvarande värden av de utsända signalerna, för att erhålla ett jämförelsevärde för varje frekvens i varje frekvenskanal.

Varje jämförelsevârde jämförs därefter med ett referensvârde, vilket år tillgängligt för mikrovågskretsen 14, t.ex. lagrat i ett minne 20 i nämnda mikrovägskrets 14. Referensvärdet erhålls företrädesvis genom mätning av parametrar från emottagna signaler som har passerat genom ett referensprov av den undersökta produkten, vilket referensprov är fritt från främande kroppar eller andra defekter som kommer att orsaka en ändring av egenskaperna hos mikrovägstransmissionen genom produkten såsom beskrivs av profilen hos den dielektriska funktionen som funktion av frekvensen.

Ibland är det svårt att erhålla ett ”rent” referensprov och, därför, erhålls referensvärdet företrädesvis genom att mäta parametervärden hos ett flertal produkter, och beräkna statistik, såsom ett medelvärde för varje frekvens. Ett typiskt antal produkter, uppmätta för att erhålla nämnda beräknade referensvârde, är approximativt 100 produkter.

Alternativt kan referensvärden erhållas genom beräkning av en modell för mikrovägstransmission genom produkten och sändnings och mottagningsegenskaperna hos antennerna 11 och 12.

Figur 3 visar en sidovy av mätgapet där den undersökta produkten 1 passerar igenom. På vänster sida av produkten är den första antennanordningen 11 anordnad och på den högra sidan är den andra antennanordningen 12 anordnad. En signal 30 utsändes från nämnda första antennanordning ll och tas emot av nämnda andra antennanordning 12. Den emottagna signalen som en funktion av x, s(x), kan uttryckas genom: sm = lAl e”. 10 15 20 25 u o 5 1 7 5 15 f; .;'_j:j',§ï där U\|âr amplituden and Q är fasen hos den emottagna signalen. Fasen Q är proportionell mot: Q ++ k¿z+2nn, där z år avståndet mellan den första och den andra antennanordningen 11, 12, kz är utbredningskonstanten i Z-led, och n är ett heltal och står för antalet hela vågor i gapet.

Utbredningskonstanten är i sin tur lika med: h==wJ5;, där m är vinkelfrekvensen hos mikrovägssignalen relaterad till frekvensen hos mikrovägssignalen f genom: w=2nf. e(m) är den ekvivalenta dielektriska funktionen och p är den ekvivalenta permeabiliteten hos materialet i det specifika mâtgapet. Genom att transmittera en enda signal finns det en möjlighet att bestämma absolutvârdet av amplituden och fasskiftet hos den emottagna signalen, men det är omöjligt att unikt bestämma den ekvivalenta dielektriska funktionen, eftersom fasmätningarna endast tillåter bestämning av vägmodulen i 360 grader. Därför är inte antalet hela vågor inom mätgapet känt frän en enda mätning.

I figur 3 visas en första utsând signal 30, ritad med en kontinuerlig linje, vilken har två fullständiga oscilleringsperioder 31, 32, före den sista inte fullständiga perioden 33. Genom att lägga till en andra signal 34, ritad med en streckad linje, i en annan frekvens jämfört med den första signalen 30, vilken har två fullständiga oscilleringsperioder 35, 36, före den sista inte fullständiga perioden 37, kan utbredningstiden bestämmas genom att rita den ekvivalenta dielektriska funktionen under antagande av olika oscilleringsperioder, såsom visas i figur 4. 10 15 20 25 51 7 3 15 =§§ I en undersökt produkt är den ekvivalenta dielektriska funktionen okänd, men kan uttryckas som en känd del, , qm«m“(m,§), vilken tillhör en ren produkt och en okänd del, afiu¿gnbmW(m,§), som tillhör egenskaperna hos mikrovägstransmissionen hos den främmande kroppen. Den ekvivalenta dielektriska funktionen hos den främande kroppen innehåller effekter frän de främmande kropparna genom spridning, diffraktion, absorption, reflektion och transmission. Därför beror det starkt pä frekvens m (eftersom diffraktions lober ändras med frekvensen) och med observationsvinkeln § (om skarpa kanter finnes). Den uppmätta transmitterade signalen kan därför delas upp i följande form innefattande n, vilken beskriver abundansen av främmande kroppar i produkten där n=O indikerar att inga främmande kroppar är närvarande: stor = (1'7])'9product + nfforeign body: (I) där n varierar mellan 0 och 1, beroende på antalet närvarande främmande kroppar i den undersökta produkten.

Amplituden H\|och fasen Q hos den transmitterade mikrovägssignalen Sn uppmätes för samtliga frekvenser och för varje förflyttning x, vilket resulterar i en tvädimensionell graf av en komplex variabel (S2f4AÄexp[io]), där ändringar i produktens sammansättning lätt kan detekteras.

Figur 4 visar vad som händer dä en signal 13' transmitteras från nämnda första antennanordning 11, genom en produkt 1.

Inuti nämnda produkt finns en liten del av en främmande kropp, såsom metall, sten, etc., som stör signalen pà dess väg mot den mottagande antennanordningen 12. Den emottagna signalen 13" kommer i detta fall att vara utsatt för diffraktion eller 10 15 20 25 30 spridning, vilket orsakar ett interferensmönster att uppkomma.

Detta kommer i huvudsak att vara detekterbart som ett känt mönster i amplituden U\|som en funktion av förflyttningen och frekvens.

Huvuduppgiften hos signalbearbetningsdelen är den lämpliga filtreringen av data och definition av ett tröskelvärde som möjliggör sârskiljning av kontaminerade och icke-kontaminerade produkter som minimerar uppskattningsfel ät bäda häll, dvs. (1) tilldelning av en främmande kropp till en ren produkt och (2) tillåta att en kontaminerad produkt att passera.

Självklart ges vissa toleranser vid (1) emedan (2) måste reduceras så långt som möjligt. För enkla klasser av produkter och främmande kroppar (dvs. homogena, vàta produkter och torra främmande kroppar) är det tillräckligt att applicera ekvation (I) direkt och ersätta den ekvivalenta dielektriska funktionen hos den rena produkten av uppmätt data fràn en ren produkt och beräkna skillnaden mellan den mätta referensen och den mätta produkten. Om medelvärdet av kvadraten pà restvårdet inte överstiger a visst tröskelvärde anses produkten vara ok, i annat fall förkastas den.

Figur 5a-5c visar hur ett användbart värde kan erhållas genom att speciellt använda informationen som finns i diffraktionsmönstren. Figur Sa visar dämpningsvärdet |Snj för an specifik position x=x1 för ett flertal frekvenser f, vilket resulterar i en kurva 70. Genom att tillämpa ”Fast Fourier Transform” (FFT) pä dämpningen |Sni erhàlls ett resultat, sàsom visas i figur 5b. Detta resultat undergàr en lämplig filtreringsteknik för att välja ut ett fönster 71 inom vilket önskad information finns. Dessa typer av filtreringstekniker är välkända för en fackman inom det tekniska området och är, sålunda, inte närmare beskriven i detalj i denna ansökan. 517 315 ll Figur 5c visar den resulterande kurvan 73 efter en àtertransformering av det filtrerade FFT-spektrumet i figur 5b tillbaka till dämpning |SnÅ(x1) som en funktion av frekvens f.

Ett tröskelvårde 74 är även visat, där lägre vården än tröskelvârdet för varje frekvens är tillåtet, och således âr vården högre än tröskelvärdet oacceptabla och medför en larmsignal från mikrovágskretsen 14, där FFT-behandlingen utförs.

Claims (14)

10 15 20 25 517 315 12 Krav

1. En apparat (10) för detektering av främmande kroppar i en produkt (1), innefattande: - en första antennanordning (11) för utsändning av elektromagnetiska signaler (l3') i mikrovågsområdet, där nämnda signaler (l3') innefattar åtminstone två signaler vid olika frekvenser (fl-fs), - en andra antennanordning (12) för mottagning av signaler (l3”) som härrör från nämnda första antenn (11), där nämnda mottagna signaler (l3”), åtminstone delvis, har passerat igenom nämnda produkt (1), kännetecknat av att varje signal innefattar amplitud- och fasinformation och att nämnda apparat ytterligare innefattar: - ett gap mellan nämnda första och andra antenn i en öppen struktur, varigenom en produktionslina kan placeras i nämnda gap sä att nämnda produkt (1) förflyttas igenom gapet i en riktning (x), - medel för att mäta (16) åtminstone amplitud- och fasinformation hos nämnda mottagna signaler (l3”) för varje frekvens (fl-fs), för att erhålla parametervärden för varje förflyttning av produkten (1) i en riktning (x), - medel för att jämföra (14) parametervärdet med motsvarande amplitud- och fasinformation hos nämnda utsända signaler (l3'), för att erhålla ett jämförelsevärde för varje förflyttning av produkten (1) i en riktning (x) och för varje av nämnda frekvenser (fl-fy, - medel för att analysera (14) varje jämförelsevärde baserat på ett referensvärde, vilket referensvärde är tillgängligt för nämnda apparat, och 10 15 20 25 517 315 n ~ a a ; nu 13 - medel för att ge ifrån sig en signal när nämnda jämförelsevärde skiljer sig ett förutbestämt belopp från nämnda referensvärde.

2. Apparat enligt krav 1, varvid varje referensvärde erhålls från mätning av åtminstone nämnda amplitud- och fasinformation hos nämnda utsända signaler (l3'), för varje av nämnda frekvenser (fl-fs).

3. Apparat enligt krav 1, varvid varje referensvärde erhålls från jämförelse av nämnda amplitud- och fasinformation hos nämnda utsända signal (l3') med amplitud- och fasinformation hos en mottagen referenssignal för varje av nämnda frekvenser (fl-fs), där nämnda mottagna referenssignal, åtminstone delvis, har passerat genom en referensprodukt utan några främmande kroppar.

4. Apparat enligt krav 1, varvid varje referensvärde erhålls från jämförelse av nämnda amplitud- och fasinformation hos nämnda utsända signal (l3') med amplitud- och fasinformation hos en mottagen referenssignal för varje av nämnda frekvenser (fl-f5), där nämnda mottagna referenssignal har erhållits genom utvärdering av en modell av mâtuppställningen och transmissionsegenskaperna hos en referensprodukt.

5. Apparat enligt något av kraven 1-4, varvid nämnda analyseringsmedel (14) jämför nämnda amplitud- och fasinformation hos varje referensvärde med varje mottagen signal vid de separata frekvenserna (fl-fg.

6. Apparat enligt krav 1-5, varvid nämnda amplitud- och fasinformation innefattar någon ur gruppen: dämpning, signalgångtid, signalfördröjningstid, signalhastighet eller komplex S-parameter. 10 15 20 25 5 1 7 5 1 5 Éïï* - 14

7. Apparaten enligt något av kraven 1-6, varvid nämnda apparat är anpassad för on-line detektering.

8. Apparaten enligt krav 7, varvid nämnda apparat är försedd med ett transporteringsmedel för att transportera nämnda material förbi nämnda första och andra antenn.

9. Apparaten enligt nägot av föregående krav, varvid nämnda referensvärde lagras i ett minne inom nämnda apparat.

10. En metod för detektering av främmande kroppar i en produkt (1) innefattande: - att sända ut elektromagnetiska signaler (l3') i mikrovägsområdet från en första antennanordning (11), där nämnda signaler (l3') innefattar åtminstone två signaler vid olika frekvenser (fl-fs), - att ta emot signaler (13”) i en andra antennanordning (12) som härrör från nämnda signaler (l3') som sänts ut från nämnda första antennanordning (ll), där nämnda mottagna signaler (l3”), ätminstone delvis, har passerat igenom nämnda produkt (1), kännetecknad av att nämnda metod ytterligare innefattar stegen: - att förflytta nämnda produkt (1) igenom ett gap mellan nämnda första (11) och andra (12) antenn i en riktning (x), - att lagra referensvärden, innefattande amplitud- och fasinformation, för varje utsänd olika frekvens i ett minne (20). - att mäta åtminstone amplitud- och fasinformation hos nämnda mottagna signaler för varje separat frekvens (fl-fs), för att erhålla parametervärden för varje förflyttning av produkten (1) i nämnda riktning (x), 10 15 20 25 30 5 1 7 31 5 ;::= gi; . . fax; 15 - att jämföra parametervärdena med motsvarande amplitud- och fasinformation hos nämnda utsända signaler (l3'), för att erhålla ett jämförelsevärde för varje förflyttning av produkten (1) i nämnda riktning (x) och för varje av nämnda frekvens (fl-fs), - att analysera varje jämförelsevärde genom att använda ett av nämnda referensvärden fràn nämnda minne (20), och - att ge ifrån sig en signal när nämnda jämförelsevärde skiljer sig ett förutbestâmt värde frän nämnda referensvärde.

11. Metoden enligt krav 10, varvid metoden ytterligare innefattar steget att erhålla varje referensvärde från mätningar av åtminstone nämnda amplitud- och fasinformation hos nämnda utsända signaler (l3'), för varje frekvens (ff-fy.

12. Metoden enligt krav 10, varvid metoden ytterligare innefattar steget att erhålla varje referensvärde från jämförelse av nämnda amplitud- och fasinformation hos nämnda utsända signal (l3') med amplitud- och fasinformation hos en mottagen referenssignal för varje av nämnda frekvenser (fl-fy, där nämnda mottagna referenssignal, åtminstone delvis, har passerat igenom en referensprodukt utan några främmande kroppar.

13. Metoden enligt krav 10, varvid metoden ytterligare innefattar steget att erhålla varje referensvärde från jämförelse av nämnda amplitud- och fasinformation hos nämnda utsända signal (l3') med amplitud- och fasinformation hos en mottagen signal för varje av nämnda frekvenser, där nämnda mottagna referenssignal har erhållits genom utvärdering av en modell av mätuppställningen och av transmissionsegenskaperna hos ett referensmaterial. 51 7 31 5 ;::= _ 16

14. Metoden enligt nàgot av kraven 10-13, varvid steget för att analysera varje jàmförelsevârde utförs genom att jämföra en amplitud- och fasinformation hos varje mottagen signal med ett motsvarande referensvàrde.