射频状态变量测量系统和方法技术方案

公开了一种导电腔谐振和波导测量的测量系统和方法。所述腔或波导可用于监测包含在腔或波导中或穿过腔或波导的材料或样品的量、组成或分布。描述了用于操作所述测量系统以减少测量变化性、提高测量精度并减少测量响应时间的改进装置。本发明专利技术的广泛应用涵盖过滤器、催化剂、管道和管子的测量，其中收集在腔或波导中或穿过腔或波导的材料表现出与其置换的材料不同的介电性质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求2014年6月6日提交的美国临时专利申请序列号62/008,503的优先权，所述专利申请的公开内容以引用的方式并入本文。本专利技术是在政府的支持下根据国家科学基金会(NationalScienceFoundation)授予的基金号IIP1330313进行的。政府对本专利技术拥有某些权利。
技术介绍
在许多应用中使用微波腔和波导来确定给定系统的状态。实例包括(举例来说)监测过滤器的负载、确定材料共混物的组成、检测水分含量、或测量吸附在催化剂上的特定气体物种的数量。微波腔测量可用于在原位提供关于系统的状态的信息，而不需要与正被监测的材料直接接触。说明基于微波的腔和传输测量系统的广泛适用性的附加实例包括：排气微粒过滤器、过程催化剂(包括排放催化剂)、薄膜、以及诸如管道或管子的流通元件。尽管这些系统的特定最终用途从监测原油管道中的空气或水、到测量干衣机中的纺织品中的水分含量、检测微粒过滤器上的碳烟含量或选择性催化还原系统上的氨储存变化很大，所有这些应用共用一个共同的元素。由所有前述系统采用的共同元素是使用通过微波装置询问的导电腔或波导。尽管具有广泛的适用性，但是微波腔和波导测量系统存在许多缺点，这些缺点不利地影响测量精度，或者迄今为止减轻这些缺点需要复杂、昂贵且麻烦的措施。首先，腔和波导测量系统通常具有部分到部分的变化性，因为腔或波导几何形状的小变化(由于制造公差、热膨胀/收缩、组装变化以及其他因素)可能影响微波谐振响应，并且在测量中引入误差。另外，存在于腔或波导内的材料(诸如过滤元件或催化剂衬底)的变化、导电元件的存在或材料在壁上的积聚也可不利地影响系统的微波响应。腔随着时间的变化(诸如夹具或其他紧固件的松动)、对腔几何形状引入某些变化(在一个实例中，诸如凹痕)也可能不利地影响测量。第二，腔和波导测量系统从根本上监测信号传播穿过的腔或波导内的材料的介电性质的变化。通常，腔内样品的介电性质可能受到多个参数的影响，如果未经适当地考虑，这些参数也可能在测量中引入误差。例如，除了其他参数之外，腔或波导内的样品的介电性质可以是进行测量时的温度或频率的函数。在一个实例中，其他物质、水的存在也可能影响测量。因此，可能由测量方法本身或测量环境引入的这些附加参数对腔内样品的介电性质的影响可能在测量中引入显著的误差。第三，腔或波导内的材料的空间分布也基于腔或波导内的特定电场分布而影响测量灵敏度。对于位于腔或波导的具有低电场的区域中的材料，与位于高场强区域中的相同量的材料或样品相比，用于监测这种材料的测量的灵敏度将更低。因此，系统的灵敏度或测量响应也受相对于在测量频率范围内的特定电场分布的材料分布的直接影响。第四，在过程控制应用(诸如发动机、生产过程、化学处理、石油提取以及其他应用的控制)中实现腔或波导测量系统通常需要快速的响应时间以用于实时或接近实时的反馈控制。许多常规的腔和波导测量系统表现出相对较慢的响应(慢于1Hz)，因此对于需要快速响应测量的应用具有有限的实用性。第五，在腔内或穿过腔或波导的样品或材料表现出高度介电损耗的应用中，微波信号可能迅速饱和，这意味着振幅变得难以与噪声区分开。在必须对相对有损耗的材料采用腔或波导测量的应用中，可以大大减小测量范围。第六，在某些应用中，特别是在其中可存在多于一种类型的材料并且对谐振响应具有影响的腔或波导测量系统中，可能难以从多于一种成分的混合物中监测一种特定成分的存在。在相关申请中，所述成分的介电性质可能仅与在腔中置换的介质或混合物中的其他材料的介电性质稍有不同，从而使得所述成分难以检测(弱灵敏度)。第七，微波产生和检测系统可能不是高度稳定的，具有与使用年限、温度和其他环境特性有关的变化。源的强度和/或检测器的响应是可变的。实现精确确定腔的介电特性的装置不仅需要考虑单元到单元的变化性，而且还考虑单元的时间变化性。因此，需要一种改进的腔谐振或波导测量系统和方法，其将对广泛的应用和使用领域具有相当大的实用性。
技术实现思路
公开了一种导电腔谐振和波导测量的测量系统和方法。腔或波导可用于监测包含在腔或波导中或穿过腔或波导的材料或样品的量、组成或分布。描述了用于操作测量系统以减少测量变化性、系统稳定性，提高测量精度并减少测量响应时间的改进装置。本专利技术的广泛应用涵盖过滤器、催化剂、管道和管子的测量，其中收集在腔或波导中或穿过腔或波导的材料表现出与其置换的材料不同的介电性质。附图说明图1表示腔测量系统的一个实施方案以及内部介质的细节，所述内部介质可以是过滤器、薄膜、催化剂或任何其他类型的介质；图2表示包含图1的测量腔的腔采样系统；图3表示腔采样系统的第二实施方案；图4表示流通腔或波导测量系统的一个实施方案；图5表示流通腔测量系统的第二实施方案；图6表示流通腔测量系统的第三实施方案；图7表示射频探针的一个实施方案；图8表示排放控制腔测量系统的一个实施方案；图9描绘用于检测材料积聚的微波探针的细节；图10表示腔测量数据并且示出用于减小测量时间的装置；图11a-b描绘在腔测量系统的两个实施方案中的特定电场分布；图12描绘在腔测量系统的第三实施方案中的特定电场分布；图13a-b描绘特定材料对两种腔谐振模式的影响；图14描绘石油柴油和生物柴油共混物对若干腔谐振模式的影响；图15描绘石油柴油和生物柴油共混物对一种腔谐振模式的影响的附加细节；图16描绘石油柴油和水对若干腔谐振模式的影响；图17描绘生物柴油和水对若干腔谐振模式的影响；图18描绘生物柴油和水对若干腔谐振模式的影响；图19描绘液体共混物对若干腔谐振模式的影响；图20描述汽油和乙醇共混物对若干腔谐振模式的影响；图21描述更大数量的共混物对若干腔谐振模式的影响；图22描绘纺织品中的水分含量对若干腔谐振模式的影响；图23示出通过监测相位实现的腔测量范围的扩展；图24a-b提供在跨越多种谐振模式的宽频率范围内的振幅和相位测量的比较；并且图25描绘了通过尿素给料引入的氨储存对SCR催化剂的射频响应的影响。具体实施方式图1描绘根据一个实施方案的腔测量系统。测量腔100由壳体106组成，所述壳体106可以或可以不包含内部元件110。内部元件110(如果存在)可以是过滤器、薄膜、陶瓷衬底、催化剂载体等。壳体106可连接到导管112或114，诸如管道、管或管子，以通过可为锥体的联接元件108和104将流动或样品引导到壳体106中。联接元件108和104以及管子112和114可以或可以不存在。在另一个实施方案中，壳体106的端部可以是闭合的。一个或多个射频探针116和118可安装在壳体106中、联接元件104或108中，或以其他方式合适地定位以在壳体106中发射或接收射频信号。所发射和接收的信号可用于在测量腔100中产生一种或多种谐振模式和对其进行采样。可以使用网孔或筛网(未示出)来将信号容纳在由壳体106或壳体106和一个或多个联接元件108和104限定的容积内。射频探针116和118可以是适于发射或接收射频信号的任何类型的探针，诸如棒状天线、环形天线、波导或任何其他类型的天线或探针元件。发射和/或接收部件可以是电介质波导、谐振器或发射器。电介质波导可以是辐射的或非辐射的。可以使用一个或多个探针。虽然图1示出了两个探针116和118，但是在一些实施方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种射频测量系统，其包括：至少一个射频探针，所述至少一个射频探针被配置来通过介质发送和接收射频信号；所述介质，所述介质包含第一材料，所述第一材料的介电性质随着暴露于至少一种第二材料对所述介质造成的变化而以预定的方式改变；以及控制单元，所述控制单元被配置来基于所接收的射频信号确定所述第二材料在所述介质上的积聚。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.06 US 62/0085031.一种射频测量系统，其包括：至少一个射频探针，所述至少一个射频探针被配置来通过介质发送和接收射频信号；所述介质，所述介质包含第一材料，所述第一材料的介电性质随着暴露于至少一种第二材料对所述介质造成的变化而以预定的方式改变；以及控制单元，所述控制单元被配置来基于所接收的射频信号确定所述第二材料在所述介质上的积聚。2.如权利要求1所述的射频测量系统，其中所述第一材料的性质受所述第二材料的影响。3.如权利要求2所述的射频测量系统，其中所述第一材料以物理或化学方式与所述第二材料相互作用。4.如权利要求3所述的射频测量系统，其中所述第一材料储存所述第二材料，从而影响所述第一材料的介电常数。5.如权利要求3所述的射频测量系统，其中所述第一材料导致所述第二材料的氧化。6.如权利要求3所述的射频测量系统，其中所述介质是过滤元件，并且所述第一材料包括在所述过滤元件上的涂层。7.如权利要求3所述的射频测量系统，其中所述介质是过滤元件，并且所述第一材料包括嵌入所述过滤元件中的颗粒。8.如权利要求1所述的射频测量系统，其中所述控制单元基于从所接收的射频信号计算出的参数来确定积聚，其中所述参数选自由由以下组成的组：绝对功率衰减、相对功率衰减、绝对相移和相对相移。9.如权利要求1所述的射频测量系统，其中所述介质用于第一目的，并且所述第一材料不改善所述介质的性能以执行所述第一目的。10.一种射频测量系统，其包括：样品调节系统，所述样品调节系统被设计成控制样品的条件；腔，所述腔与所述样品调节系统连通；至少一个射频探针，所述至少一个射频探针被配置来通过包含所述样品的所述腔发送和接收射频信号；以及控制单元，所述控制单元被配置来基于在所述受控条件下所接收的射频信号确定所述样品的至少一个特性。11.如权利要求10所述的射频测量系统，其中所述样品调节系统调整所述样品的温度。12.如权利要求10所述的射频测量系统，其中所述样品调节系统调整所述样品中的水分的量。13.如权利要求10所述的射频测量系统，其还包括：第一传感器，所述第一传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·塞博克，L·布朗伯格，P·瑞格勒尔，
申请(专利权)人：滤波器感知技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US