利用微波相位和衰減確定含水量的製作方法
2023-05-11 18:25:16
專利名稱：利用微波相位和衰減確定含水量的製作方法
技術領域：
和背景本發明涉及確定保持在筒管或錐體上的材料的含水量的裝置和方法，更具體地說，涉及確定保持在含有中空芯的某種結構上的不同種類的材料的含水量的裝置和方法。
多種不同種類的合成材料以及有機材料是用於構造許多不同方法製造的產品的結構的基礎。在製造過程中使用這些材料之前，必須將這些材料收集到一起、運輸並存儲。製造過程本身可要求多種工序，首先，準備原材料，然後，在形成實際產品時使用加工過的材料。許多的這些工序取決於所述材料的含水量。例如，如果含水量太高，所述材料在使用之前，在存儲和運輸期間就可能分解。如果含水量太低，就可能給加工和使用所述材料帶來困難。
依賴於它們的含水量情況的合成材料和有機材料包括棉花、紙張、絨毛、種子、藥物和有機合成纖維。作為一個例子，可考慮棉花，儘管人們知道對於上述的任何材料也可給出類似的例子。處理棉花，以便將所需要的棉花與諸如種子那樣的汙染材料分開，然後，將棉花紡成纖維，用於紡織製造業。對於要成功地進行這樣的加工和紡織，棉花纖維應該具有均勻的、即不太高也不太低的含水量。例如，低含水量的纖維太弱，更經常折斷。
用於生產紡織品的棉花纖維的最佳含水量在紡織之前為從6．5％到8％，而在筒管上或在錐體上時為6％到10％，這取決於後續工藝步驟的要求。這樣，紡織品中的有效的含水量的控制就取決於精確測量纖維的含水量。
筒管本身的內部結構造成了難以測量纏繞於其上的材料的含水量。圍繞著筒管的纖維層常常並非是平行的，這就可能人為地改變了被傳送的束流的情況，因此，也改變了筒管的表觀含水量。這樣，在計算材料的含水量時就必須考慮筒管的內部結構。
為了補償所有這些潛在的、測量上的假象，可採用微波來進行水分測量。典型的情況是，微波輻射源位於棉花筒管的一側，而天線位於該筒管的對面的那側。發送輻射源的束流穿過一部分筒管，並由接收天線接收，然後，這會產生一個信號。這個信號用來確定那部分筒管的含水量以及該筒管的質量的均勻性。美國專利U．S．5，621，330中公開了一種用於進行這樣的水分測量的方法，這裡，引用這篇專利的全文作為參考。
不過，要進行這樣的測量是困難的，這是因為筒管本身結構的原因。典型的棉花筒管具有一個中空芯。這個中空芯顯著地幹擾了微波輻射所做的測量，並降低了現有技術的裝置和方法的有效性。進一步，筒管上的棉花纖維還具有該纖維本身的內部結構的許多的不均勻性。這明顯地使得使得測量更困難。此後，術語「筒管」就是指具有一個中空芯的、實際上可以是任何三維形狀的一種結構。
當然，不僅僅是棉花才是要運輸、存儲和在筒管上進行加工的材料，紙張、藥物、絨毛纖維、絲的纖維和有機纖維也都是必須合成材料和有機材料，這些材料構成了許多不同產品的基礎。這些材料的每一種也都可以進行運輸並存儲在筒管上。每一中材料的含水量可影響加工、存儲和製造。進而，這些材料的每一種都形成了不同的結構。也就是說，紙的筒管可具有與棉花的筒管極為不同的內部結構。這樣，水分測量裝置就必須能夠補償所有這些不同類型的結構對於所測得的含水量的影響。
這樣，就普遍認識到需要、並且是是極為有益地擁有一種測量材料的筒管含水量的裝置，這種裝置可對筒管的中空芯進行補償、還可確定所述材料的內部結構，並且能夠對於所述材料本身校正這樣的測量結果。
發明概述按照本發明，提供了一種測量在筒管上的材料的含水量的方法，該筒管的特徵是具有一個中空芯，該方法包括下述步驟(a)發送許多實際上是穿過一部分筒管的微波，這使得微波本身成為被發送的微波；(b)接收所發送的微波，這使得微波成為所接收的微波；(c)從所接收的微波確定相移和衰減；(d)至少對一部分在筒管上的材料重複步驟(a)到(c)，這使得能夠得到許多相移和許多衰減；(e)至少採用一種實驗係數，這種實驗係數是從一組由所述筒管的重量、該筒管的溫度、該筒管的形狀以及所述材料的類型所構成的因素中選取的，以便校正上述許多衰減，產生許多校正過的衰減；(f)由上述校正過的那些衰減計算所述材料原始的含水量；(g)對由上述中空芯所導致的假象校正上述的許多相移，這使得所述的許多相移成為許多校正過的相移；(h)從所校正過的那些相移確定上述材料的密度；以及(i)從上述密度並由上述的原始的含水量計算所述材料的最終的含水量。
優選地，材料表徵了一種內部結構，並且，通過將許多校正過的相移中的一個與該校正過的相移的先前的值進行比較，來計算內部結構的不均勻性，這使得如果所述許多校正過的相移之一與先前的值不同就能檢測到不均勻性。更優選地，內部結構的不均勻性表明材料包含一種以上類型的材料。
優選地，所述至少一種實驗係數是許多實驗係數，而這些係數存儲在資料庫中。還有，優選地，按照非確定性的算法來校正許多校正過的衰減，該算法利用實驗係數來校正衰減。更優選地，材料是從下述這組材料中選取的，這組材料包括棉花纖維、絲纖維、絨毛纖維、藥物、紙張、以及合成纖維。優選地，確定密度的步驟包括檢測材料中的缺陷，該缺陷選自包括材料內的不均勻的水分分布以及在該材料內部存在有外來物體在內的這樣一組缺陷。
按照本發明的另一個實施例，提供了一種用於確定在一個組件中的材料的含水量，該方法包括下述這些步驟(a)實際上穿過在所述組件中的一部分材料發送許多頻率的許多微波，使得所述許多頻率的微波的每一頻率的微波順序發送，這使得所述微波成為被發送的、某一特定頻率的微波；(b)接收上述特定頻率的、所發送的微波，這使得微波成為所接收的、某一特定頻率的微波，而且，這使得能夠接收上述許多頻率的、被發送的微波；(c)從上述所接收的、每一特定頻率的微波確定一個衰減，這使得能夠確定許多衰減；(d)從上述許多衰減確定所述那部分材料的含水量；以及(e)重複步驟(a)到(d)，以便確定在上述組件上的所述材料的許多部分的含水量。
優選地，通過調整許多頻率的線性效應來確定衰減，這使得該衰減正比於所述許多頻率的每一個頻率。還有，優選地，含水量正比於許多衰減的和。更優選地，將所述許多衰減的和除以一個相關因子，該相關因子由材料的類型和組件的結構從實驗上來確定。
按照本發明的一些優選的實施例，所述方法進一步包括下述步驟(f)從所接收的、每一特定頻率的微波確定一個相移，這使得能夠確定許多相移；(g)從所述許多相移確定所述材料的密度；以及(h)重複步驟(a)到步驟(g)，以便確定在上述組件上的所述材料的許多部分的密度。優選地，按照一個實驗函數，通過適合於許多相移的線性回歸來確定材料的密度，所述實驗函數按照所述材料的類型和所述組件的結構來選取。可以選擇地，而且是更優選地，將材料的許多部分的每一部分的密度與該材料的許多部分的每一其它部分的密度進行比較，以便確定在組件中的該材料的結構的均勻性，如果所述那些密度基本上不同，那麼，所述結構就是不均勻的。還有，更優選地，按照結構的均勻性來校正材料的許多部分的含水量。
此後，術語「材料」包括可存儲在筒管或任何其它中空芯結構上的任何材料。例如，棉花、絨毛、絲、合成纖維、紙張可存儲在筒管上。藥物，例如粉末狀藥物也可以存儲在「筒管」上，儘管這樣的筒管也許會是一個具有一個中空芯的粉末盒。此後，術語「包」是指任何這樣的結構，材料以一些加壓層的方式存在於該結構中，並且，用圍繞該結構纏繞的帶子捆緊所述材料。以後，術語「組件」是指包括包以及筒管在內的材料的任何結構。
附圖簡述這裡，只是通過舉例的方式並參考附圖來說明本發明，在附圖中
圖1A和圖1B是在筒管上的材料的說明性的例子，可通過本發明的方法測量所述材料的水分；圖2是說明可與本發明的方法一起使用的一種裝置的一個實施例的一幅方框圖；圖3是計算材料含水量的方法一幅流程圖；圖4A和圖4B顯示了在真實的含水量與按照圖3所計算的含水量之間的一致性；圖5A到圖5D更詳細地顯示了對於平行筒管情況時的圖3的計算；圖6A到圖6D更詳細地顯示了對於垂直筒管的情況時的圖3的計算；圖7A和圖7B顯示了用於按照本發明的方法計算含水量的數據曲線的一些例子；圖8顯示了可與本發明的方法一起使用的一種裝置的第二個典型優選實施例的說明本發明是關於可用於測量在具有中空芯的筒管上的材料的含水量和內部結構的方法和裝置。
參照附圖和所附的說明書，可更好地理解本發明的方法和裝置的原理和運作。
現在，參照附圖，圖1A和圖1B是存儲在具有中空芯的筒管上的材料的說明性的例子。圖1A顯示了具有中空芯12的筒管10的內部視圖。術語「中空芯」包括任何實際上中空的空間或區域，而該中空的空間或區域含有不是連續固體的任何物質。例如，這種物質可包括空氣、或另一種氣體或者一些氣體、真空、聚合纖維、沙子或其它顆粒狀物質、或液體。只是為了清楚起見，下面的說明將集中圍繞著含有空氣的中空芯來加以說明。
許多層材料14纏繞在筒管10上。那些層14例如可以是任何諸如棉花纖維那樣的合成材料或有機材料。下面的說明將主要針對於帶有棉花纖維的筒管，應該理解，這只是為了說明的目的，這並不意味著以任何方式來加以限定。
那些層14具有有點不均勻的內部結構，這是指材料的密度可以變化。圖1B顯示了圓柱狀的第二個筒管16的內部視圖。筒管16也有中空芯12以及一些層材料14，例如，那些層材料14可以是紙片。應該注意的是術語「層」即包括一些單獨的片，也包括一些單獨的纖維，以及這些單獨的片和纖維所構成的組。
圖2顯示了用於進行本發明的含水量測量的、一種典型的裝置。應該注意的是，只是為了說明的目的而給出這種裝置，這並不意味著要加以限制。裝置26包括一個在筒管10的一側所示出的微波輻射源28。微波輻射源28優選地只是包括一個用於發射源束流32的源天線30。源束流32射向且穿過筒管10，並作為出射束流34通過且穿出筒管10。由至少一個接收天線36來接收出射束流34。接收天線36位於筒管10相對於源天線30實際上是相對的那一側上。
在接收天線36已接收了出射束流34之後，接收天線36產生一個天線信號38。然後，天線信號38來到衰減單元40。衰減單元40包括一個測量天線信號38的衰減的、衰減測量器42。當源束流32穿過筒管10時，源束流32就衰減。通過基本質量(elementary mass)，並通過源束流32所遇到的筒管10的材料的含水量來確定這一衰減的範圍，該基本質量是源束流32所遇到的筒管10的材料的質量。這樣，衰減測量器實際上測量了源束流32穿過筒管10所產生的衰減的範圍。
至少一部分天線信號38還到相移確定器44，相移確定器44確定天線信號38的相移。這一相移實際上是由穿過筒管10的源束流32所導致的相移，從而該相移是在源束流32的相位與輸出束流34的相位之間的差。然後，確定衰減和相移。
還可選擇微波輻射源28具有大量特性，設計這些特性用來通過控制源束流32的電場密度的方向從而使得含水量測量的靈敏度最大化。微波輻射源28可包括電場導向器86。電場導向器86確定源束流32相對於筒管10的電場密度的方向，從而使得該電場密度的方向部分地確定了衰減的大小和相移的大小。如果筒管10有一些層14(未示出)，當電場密度基本上垂直於筒管10的那些層14(未示出)時，就得到天線信號38的實際上的最大衰減和實際上的最大相移。當電場密度實際上平行於筒管10的那些層14(未示出)時，就得到天線信號38的實際上的最小衰減和實際上的最小相移。即使筒管10沒有那些層14，按照正在測量的材料相對於電場密度的取向，改變電場密度的方向仍舊會改變天線信號38的衰減和相移。電場導向器86按照來自天線測量器42的反饋來確定電場密度的方向。這樣，如果天線信號38的衰減低，那麼，為了補償，電場導向器86就能改變電場密度方向。很清楚，對於使水分測量的靈敏度和精度最高來說，這具有明顯的優點。
然後，水分確定器46使用天線信號38的衰減和相移，以便確定筒管10的含水量。圖3顯示了用於確定在筒管上的材料的含水量和內部結構的那些計算的一幅流程圖。用衰減來確定材料的原始含水量，而用相移來確定材料的內部結構。將衰減和相移這兩者與實驗上確定的校正係數結合，以便計算材料的最終的含水量。
上述流程圖的第一步是掃描材料，可用本質上如上所述的裝置來進行所述掃描。通過穿過筒管發送許多微波來掃描材料，這使得所述許多微波穿過所述筒管並在另一側被接收。由這一掃描步驟計算衰減，就如圖所示的那樣。現在，上述流程圖分成兩部分。右邊的分支顯示了計算材料的原始含水量時所用的步驟，而左邊的分支顯示了確定所示材料的內部結構時所用的步驟。為清楚起見，右邊(含水量)分支中的那些步驟會具有一個附帶的字母「a」；例如「3a」、「4a」、等等。左邊(內部結構)分支中的步驟具有一個附帶的字母「b」，例如，「3b」、「4b」等等。
沿著右邊的分支，在步驟3a中，使用一種算法來過濾對於衰減所得到的數據點。如上面的圖2所示，每次進行一次衰減測量，得到一個數據點。必須如下面的圖7A和圖7B所示的那樣過濾這些數據點，這是因為否則的話可能會得到假的數據點。
一旦過濾了數據，如步驟4a中所示的那樣，就考慮材料和筒管的重量效應校正衰減。這種校正是基於一個實驗上確定的係數，並且，產生了一個校正過重量的衰減值。下一步，在步驟5a中，考慮溫度，校正已校正過重量的衰減，右邊產生一個校正過溫度的衰減值。用於這種校正的函數正比於1-Ts／Te，這裡，Te是標準溫度，而Te是所測得的溫度。這樣，校正過溫度的衰減值就補償了不同溫度時的測量效果。
在步驟6a中，採用一組完整的、來自一片單獨的材料的所有校正過溫度的衰減值來計算對於那片材料的原始水分值。按照一個函數來進行這一計算，該函數可以是所有校正過溫度的衰減值的線性積分，或者是一個多項式，這取決於諸如正在測量的材料的類型、筒管本身的形狀和結構那樣的一些實驗係數。在任何情況下，計算中都要包括這些實驗係數，這使得可以補償它們對於測量的影響。將用這種原始的水分值來確定對於所述那片材料的最終的水分值。不過，不知道材料的密度，就不能確定最終的水分值，如上述流程圖的左邊的分支所示的那樣計算材料的密度。
現在回到左邊的分支，該分支包括計算材料密度的一些步驟，根據來自資料庫的實驗信息、從相移計算密度。所述實驗信息包括材料的類型和筒管本身的結構、以及該筒管相對於天線和發射器的位置。該位置特別重要，這是因為筒管的密度依賴於被檢測的那片材料的剖面而變化。例如，如圖5A所示的那樣，如果筒管以其一側平放，穿過點a-a』所取的片將只包括在筒管上的材料。然而，穿過點b-b』所取的片還包括中空芯，該中空芯可顯著地改變相移，因此，也就改變了所計算的密度。這樣，將所測量的材料的片的相對位置包括在密度計算中。
此外，資料庫優選地含有一些「模糊的描述符」，這些「模糊的描述符」用來找到正確的相位區域並確定所測量的相位值與所計算的相位值之間的適當關係。通過從具有已知特徵的試驗模型的分析收集數據，而且，然後通過將所計算的密度值與該試驗模型的、真實的、已知的密度值做比較，這樣來得到這些「模糊的描述符」。從這種試驗模型的分析，可確定在所測得的相位值與所計算的密度值之間的相關性。由於這種相關性取決於試驗模型的結構和幾何形狀，並取決於上述材料或構造所述試驗模型所用的材料，所以，為了得到這些基本的、實驗關係，這樣的分析必須實際上對於每一所需的模型和材料來進行。
在步驟4b中，確定了材料片的所測得的密度與前述片的密度的前述測量結果的任何偏差。這樣的偏差是重要的，這是因為表明了材料的內部結構的不均勻性。由於像所測的片中的中空芯存在與否這樣的偏差來源已經得到補償，唯一剩下的偏差來源就是材料內部結構的不均勻性。
在步驟5b中，以兩種不同的方式中的一種計算了材料的真實密度，這取決於當在兩個或更多個片之間進行比較時所計算的密度中的偏差。在第一種方法中，所計算的密度在許多片的兩兩之間的差別比較小，這使得可對於所有後續的計算採用一個單獨的密度值。可以選擇地，在許多片的、所計算的密度兩兩之間的差別比較大，這使得許多密度值，而且，優選地，所有的密度值，都用於後續的計算。
最後，在步驟7中，將真實的密度值或那些真實的密度值以及在步驟6a中計算的原始的水分值結合在一起，右邊確定真實的水分值。用於計算真實的水分值的方程即包括真實的密度也包括計算出的在片中的密度中的偏差以及實驗上所確定的相關因子。相關因子取決於材料的類型和結構，並且，通過實驗來從實驗上確定該相關因子。然後，例如通過在顯示單元上顯示來輸出真實的水分值，該顯示單元可包括可視的顯示屏，或者，例如通過其它顯示信息的裝置來輸出真實的水分值。優選地，還可顯示材料的內部結構中的任何偏差，該偏差是通過比較所測得的那些相移而找到的，這是由於這樣的信息可能對於該材料的製造者和加工者都是極為重要的。
圖4A和圖4B顯示了在材料的真實的含水量與按照圖3所計算的含水量之間的關係的一些圖，所述材料的真實的含水量是通過首先完全乾燥該材料，然後，加入預先測量過量的水分來確定的。要得到圖4A中所示的數據，筒管垂直於用於測量的發射和接收天線(見下面用於說明的圖6A)。要得到圖4B中所示的數據，筒管平行於用於測量的發射和接收天線(見下面用於說明的圖5A)。對於這兩種情況，在真實的和所計算的水分測量結果之間顯然存在有線性關係，這表明了圖3的實驗計算是有效的。
圖5和圖6中更詳細地顯示了圖3所示的計算，如圖5A所示，筒管平行於天線和接收器放著來得到測量結果。在圖6中，筒管垂直於天線和接收器放著來得到測量結果就如圖6A所示的那樣。由此，顯而易見的是，筒管相對於接收器和天線的位置對於相移和衰減的測量結果有顯著的影響。
在圖5A中，示出了筒管10平放於一側。微波輻射源28在筒管10的左邊，而接收天線36在右邊，就如所示出的那樣。箭頭顯示了筒管10相對於微波輻射源28和接收天線36的移動的方向。正如所見到的那樣，可從兩種不同類型的片得到測量結果。例如，穿過點a-a』的片包括材料本身，而不包括中空芯12。然而，穿過點b-b』的片包括中空芯12。在圖5B到圖5D中可清楚地看出這兩種不同類型的測量的效果。
圖5B顯示了實際上是對於所有沿著筒管10的長度l的片所得到的、測量出的衰減。測得的衰減可分成有深槽92分開的兩部分88和90。每一部分有兩個峰94和一個扁平部分96。兩個峰94代表第一個和最後一個所測量的片，並且虛假的厲害。對於部分88，當筒管10首先在微波輻射源28和接收天線36兩者之間通過時測量第一個片，而當中空芯12首先在微波輻射源28和接收天線36兩者之間通過時測量最後一個片。兩個測量都不能用於確定校正過的衰減，因此也就不能用於原始的水分值，就如上面圖3所示出的那樣，這是因為，這些測量由於邊緣效應的原因是虛假的。這樣，用於確定部分88的衰減的那些數據點取自兩個峰94之間，就如方框98所示出的那樣。
當中空芯12在微波輻射源28和接收天線36兩者之間通過時，就產生深槽92，例如，就如同在點c-c』之間所取的片中一樣。這個深槽92的原因是中空芯12隻含有空氣或主要含的是空氣，這使得幾乎沒有或根本就沒有衰減和／或穿過中空芯12的波的反射。當然，當中空芯12在微波輻射源28和接收天線36兩者之間時所取得的測量結果是有假象的，而且，不能用來確定測量的含水量。
當在筒管10上的材料再次在微波輻射源28和接收天線36兩者之間通過時就產生所測得的衰減的部分90，例如，就如同在片d-d』中一樣。再一次，有來自第一個片和最後一個片的的測量結果的虛假的高峰。對於部分90，當中空芯12首先在微波輻射源28和接收天線36兩者之間通過時，就測量第一個片，而當筒管10首先在微波輻射源28和接收天線36兩者之間通過時，就測量最後一個片。再一次，兩個測量結果都不能用來確定校正過的衰減，因此，也就不能確定原始的水分值，就如上面圖3所示的那樣，這是因為由於邊緣效應造成這些測量結果是虛假的緣故。這樣，用來確定對於那部分的衰減的那些數據點就取自在兩個峰94之間，就如同方框100所示出的那樣。
圖5C顯示了實際上是對於沿著筒管10的長度l的所有的片所測得的相移。當測量第一個片時，相移首先升起，然後，保持穩定，直到中空芯12在微波輻射源28和接收天線36兩者之間通過時，這時，它實際上是降落。這一降落是由這樣的事實造成的，即，中空芯12含有密度較稀疏的空氣。當中空芯12離開微波輻射源28和接收天線36兩者之間的區域時，相移再次升起，並保持穩定，直到筒管10離開微波輻射源28和接收天線36兩者之間的區域。類似於衰減，用來確定相移的那些數據點取自兩個峰之間。
圖5D顯示了對於所有的片的、校正過的密度的一個例子，所述校正是按照圖3所勾畫出的方法進行校正的。在這個例子中，材料的密度是不均勻的。在筒管10的邊上的那些外層中的材料密度有一個值ρ1，就如圖5D中的圖上所標識出的那樣。然而，靠近筒管10的中空芯的材料的密度表觀上較高，為ρ2，就如圖上所示出的那樣(ρ2＞＞ρ1)。這樣，材料的內部結構就不是均勻的，可通過測量相移來檢測到這一點。
在圖6A中，顯示了筒管10基本上是垂直於微波輻射源和接收天線。微波射線穿過那些片中的筒管10，例如，穿過d-d』所取的片。在那個片中，射線首先穿過測量層14，然後，穿過中空芯，再一次穿過測量層14。不過，筒管10的底部的全部的材料的量比該筒管頂部的材料的量多，這是由於筒管10的形狀實際上是一個圓錐的形狀。如圖6A所示，在筒管10的頂部開始測量，然後，沿著筒管10的長度移向底部。
圖6B顯示了實際上是對於沿著筒管10的長度l的所有的片所測得的相移。如上所述，在筒管10的底部的材料的總量較多，這使得所測得的衰減沿著筒管10的長度增加。兩個峰102和104代表第一個和最後一個所測量的片，虛假地高。當筒管10首先在微波輻射源28和接收天線36兩者之間通過時，測量第一個片，而當筒管10離開微波輻射源28和接收天線36兩者之間的區域時測量最後一個片。兩個測量結果都不能用來確定校正過的衰減，因此，也就不能確定原始的水分值，就如同上面的圖3所示的那樣，這是因為這些測量結果由於邊緣效應的緣故是虛假的。這樣，用來確定衰減的數據點取自兩個峰102和104之間，就如同方框106所示出的那樣。
類似地，圖6C示出了實際上是對於沿著筒管10的長度l的所有的片所測得的相移。當測量第一個片時，相移首先升起，然後，保持穩定，直到筒管10離開微波輻射源28和接收天線36兩者之間的區域。類似於衰減，用來確定相移的那些數據點取自峰108和峰110之間，就如同方框112所示出的那樣。
圖6D顯示了對於所有的片的校正過的密度的一個例子，所述校正是按照圖3所勾畫的方法進行的。在這個例子中，材料的密度是不均勻的。在筒管10的頂部和在筒管10的底部的材料密度有一個值ρ1，就如同圖6D中的圖上所標識出的那樣。然而，在筒管10的中間處的材料密度表觀是較高的，為ρ2，就如同圖上所示出的那樣(ρ2＞＞ρ1)。這樣，那些層14的內部結構是不均勻的，這可通過測量相移來檢測到。
圖7A和圖7B說明了對於計算材料水分，選擇所測得的衰減的某一特定部分的重要性。在圖7A中，曲線顯示了真實的水分值(X-軸)與從圖5和圖6所示的虛假的高峰之一所測得的衰減(Y-軸)兩者之間的關係。顯然，在材料的實際含水量和從所示那些峰所得到的虛假的測量結果之間沒有相關性。通過對比，圖7B顯示了真實的水分值(X-軸)和從上述兩個峰之間的區域(例如，方框106)所測得的衰減(Y-軸)之間的關係。相關性顯然極高，這是由於真實的水分和所測得的衰減以接近線性的方式上升。這樣，所測得的衰減只是測量結果的一些特定部分(例如，圖6B中的方框106)中的真實水分的反映。
圖8顯示了本發明的另一個優選的實施例的示意圖，在圖8中，已調整過圖1的裝置，使得能夠發射一個以上的頻率的微波。應該注意，這個優選的實施例可用來確定材料的含水量，該材料實際上具有由術語「組件」所包括的任何結構，術語「組件」包括包、筒管、和／或任何其它的材料塊。注意，一個組件實際上可具有密度不同的不均勻的結構。
多頻率裝置108具有一個用於順序發送多個頻率的微波輻射的多頻率發射器110。通過頻率控制器112來選擇要發送的頻率。然後，發射器110使得輻射天線112發送所需頻率的微波輻射。之後，所發送的微波輻射穿過組件或材料包(未示出)，並由接收天線114接收。接收天線114發送信號給信號接收器116。信號接收器116優選地是外差式(hetrodyne)接收器。基本上是同時將一個參考信號從發射器110送到參考接收器118，參考接收器118優選地也是一個外差式接收器。信號接收器116發送一個測量信號(標記為「I．F．1」)給檢測器120，而參考接收器118發送一個參考信號(標記為「I．F．2」)給檢測器120。檢測器120用參考信號確定測量信號的正確衰減，然後，把這兩個信號都送給相位檢測器122，相位檢測器122確定對於所述測量信號的正確相移。
在已經發送兩種不同頻率的微波輻射穿過材料之後所測得的、兩個相移之間的粗略的相移差可做如下所述△P(粗略的)=F2／(F2-F1)*(P2-P1)最終的相移差是△P(最終的)=Pi+Pgmod(π)這樣，就通過順序地發送至少兩種不同頻率的微波輻射、並且在材料中的每一點至少「跳躍」或更換這兩種頻率來得到粗略的相移差。
說明相移和衰減的公式如下1．λ=C／F；l=(輻射的路徑長度)；ε『=(材料的介電常數)2.P1=21l;]]>3.P2=22l;]]>4.P1=KF1;P2=KF2;K=2Cl;P1-P2=P=K(F1-F2);]]>5．P1=Ph(t)(F1)；P2=Ph(t)(F2)；6.K=P1-P2F1-F2;(F1>F2)]]>7．Pg=(包括nπ項的相位)=K*Fi(i是1或2)8.校正過的相移=(Pg-n)+P1-P22;n=(Pg-n>0)]]>注意，F是微波輻射的頻率；l是當微波輻射束流穿過組件的材料時的束流路徑的長度；ε』是材料塊的介電常數；P1是頻率為F1時的微波輻射的相位偏差；P2是頻率為F2時的微波輻射的相位偏差；K(F1-F2)是頻率為F1和F2時的輻射的相位偏差之間的差；Ph(t)是真實的相移，這使得所測得的相移P1例如是真實相移和頻率F1的函數；Pg是粗略的相移差；而n是滿足方程8的最大數目，這使得Pg-nπ大於0。
儘管這些方程都說明了校正過的相移並可用於相移的計算，但是，必須按照實驗上所觀測到的材料本身的性質和周圍環境的影響來改進計算。圖9顯示了這些基於實驗的計算的一幅流程圖。在步驟1中，順序地將許多頻率的微波輻射發送穿過組件中的材料。在步驟2中，對於上述許多頻率的微波輻射計算衰減和校正過的相移。
在步驟3中，進行一種算法，以便從所計算出的衰減值和校正過的相移值中濾去噪聲。對於頻率F2的衰減可描述為A2i=a1Ali+b1。類似地，相移是P12=a2Pli+b2。注意，Ali和Pli是從先前所測得的頻率Fli得到的衰減和相移值。用於a1、a2、b1、和b2的值取自資料庫，這取決於特定的應用和材料。例如，需要一組值用於包中的棉花，而需要另一組值用於鬆散的合成纖維包。基於所涉及的材料的實驗上的測量結果來從實驗上確定這些值。優選地在對於衰減和校正過的相移的所有的計算值進行濾去噪聲的計算。此外，對於這些計算採用上述許多頻率的每一頻率值，這是由於衰減和相移值還取決於微波輻射頻率。
優選地，從任何後續的計算中消除任何「邊緣」的測量結果或當材料的邊緣穿過微波輻射束時所做的測量結果，這是由於這些測量結果是虛假的。可以許多方式來確定某一特定的測量結果是否是「邊緣」的測量結果。例如，可確定組件相對於束流的位置，這使得當組件的邊緣就要穿過束流時，可發送一個信號給衰減和相移確定器。可以選擇地，並且是優選地，可畫出衰減的測量結果，並消除任何虛假的、衰減的高峰或低槽，例如，通過從平均衰減中去除大於二個或三個標準偏差的任何值。這樣，在這一階段的分析中，優選地消除了任何虛假的「邊緣」測量結果。
在步驟4中，從上述許多過濾過的衰減和過濾過的相移值計算材料的密度和含水量，優選的是從所有的這些值計算。由下述方程確定材料的含水量W%=i=1nWi*ri]]>其中，ri是前面所述的相關因子。項Wi是步驟3中所確定衰減A2和相移P2、以及材料的類型和結構的函數。從由實驗觀測所確定這些值的資料庫中得到上述相關因子。
然後，由相移值的和的統計函數計算材料的密度，所述這些相移值再一次取自資料庫。這一函數依賴於所分析的材料的特性，就像步驟3中所說明的濾去噪聲的計算那樣。而且，密度是步驟3中所確定P2以及材料的類型和結構這兩者的函數。這樣，必需的信息取自實驗上所確定信息的資料庫。
優選地，在這一階段，通過檢查對於一部分材料所收集的密度來檢測該材料中的任何缺陷。該缺陷可包括在材料內部的不均勻的水分分布。例如，在該材料內的異乎尋常高的含水量，以及，例如，在該材料內存在有外來物體。
在步驟5中，如果必須的話，在確定含水量和密度時，優選地對材料的溫度進行補償。再一次，對於步驟5，必須至少部分地按照實驗觀測來確定。
在步驟6中，輸出材料的含水量和密度，例如，在計算機屏幕上顯示，或者通過列印在紙上。
以一個以上的微波輻射頻率確定材料中的每一點處的含水量和密度的優點如下。首先，在材料中的一點處測量衰減和相移，但是以一個以上的頻率，使得能夠對那些值進行平均，以便得到更精確的結果。其次，衰減中的變化是線性的，這使得能夠易於計算由於不同頻率下的測量所造成的衰減中的改變。然後，通過平均去除任何剩下的差別。第三，可對於材料的任何特定類型和形式來選擇良好的頻率範圍，而不是依賴於一個單獨的頻率。最後，在所選擇的頻率範圍的測量結果還使得能夠確定真實的相移。
第三點，對於材料的特定類型和形式選擇良好的頻率範圍的能力對混合材料或含有一種以上類型的物質的材料來說特別重要。例如，種子中常常混進雜草、根莖、和葉子，這些影響了所測量的種子本身的含水量。此外，具有不同性質的、不同類型的材料的混合物導致在所發送的微波中出現諧波。然而，從所畫出的相移對頻率的曲線的線性部分，可確定真實的相移。這樣，採用許多的頻率可簡化確定混合材料的相移。
可以選擇地，而且是優選地，可選擇微波輻射的頻率範圍，使得來自材料的輻射的反射最小，並使得所發送的穿過該材料的微波輻射最大。更優選地，在進行測量之前，從資料庫中選擇合適的頻率範圍。基於這樣一些因素來選擇特定的範圍，這些因素是材料的類型和材料的結構。因此，包中的棉花就與筒管中的紗線需要不同的頻率範圍。當進行測量時，還可選擇頻率範圍，以便減少或消除來自環境幹擾的外界噪聲。這樣的幹擾的一個例子例如是手機。優選地，在選擇用於進行測量的特定範圍之前，檢查一個以上頻率範圍，這是為了減少或消除這一問題。
此外，對所選擇的頻率範圍進行優選的調整，這使得在一個更小的頻率範圍內進行更多測量，這給出了最好的結果。這樣，跳躍著對頻率範圍所進行的調整使得能夠做出最靈敏和最精確的測量結果。
儘管已經參照有限數量的實施例對本發明做了說明，應該理解的是可以做出許多變化、改進、以及本發明的其它一些應用。
權利要求
1.一種確定在一個筒管上的材料的含水量的方法，該筒管的特徵是有一個中空芯，所述方法包括下述步驟(a)發送許多實際上是穿過至少一部分所述筒管的微波，這使得所述微波成為被發送的微波；(b)接收所述被發送的微波，這使得所述微波成為被接收的微波；(c)由所述被接收的微波確定相移和衰減；(d)至少對於一部分上述在筒管上的材料重複步驟(a)到步驟(c)，這使得得到許多相移和許多衰減；(e)從一組實驗係數中選擇採用至少一種實驗係數，所述這組實驗係數包括上述筒管的重量、該筒管的溫度、該筒管的形狀、以及所述材料的類型，以便校正所述衰減，這產生了許多校正過的衰減；(f)由所述校正過的衰減計算所述材料的原始的含水量；(g)對由中空芯所造成的假象校正所述許多相移，這使得所述許多相移成為許多校正過的相移；(h)由所述校正過的相移確定上述材料的密度；以及(i)由所述密度並由所述原始的含水量計算最終的含水量。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述材料以一個內部結構為特徵，並且，通過將所述許多校正過的相移中的一個相移與所述那些校正過的相移的先前的值做比較來計算所述內部結構的所述密度的不均勻性，這使得如果所述許多校正過的相移與所述先前值不同，就檢測到所述不均勻性。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於所述內部結構的所述密度的所述不均勻性表明在上述筒管上的所述材料是一種以上類型的材料。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述至少一種實驗係數是許多選自下述這組實驗係數的實驗係數，所述這組實驗係數包括所述筒管的重量、所述材料的類型、該筒管的結構、該筒管相對於所述許多微波的位置、以及溫度，而且，所述係數存儲在一個資料庫中。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於在所述許多微波穿過至少一部分所述芯後，通過去除所產生的衰減，進一步校正所述許多校正過的衰減。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述材料選自下述這組材料，這組材料包括棉花纖維、絲纖維、絨毛纖維、藥物材料、種子、紙張、以及合成纖維。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述筒管具有許多芯，並且，上述材料的結構和密度是不均勻的。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於在所述許多微波穿過上述筒管的邊緣後，通過去除所產生的衰減和相移，進一步校正所述校正過的衰減和所述校正過的相移，這使得所述許多微波的第一部分穿過筒管的所述部分，而所述許多微波的第二部分實際上並不穿過所述那部分筒管。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於確定所述密度的步驟包括檢測上述材料中取自下述這組缺陷中的缺陷，這組缺陷包括上述材料內部中的不均勻的水分分布、以及在該材料內存在有外來物體。
10.一種用於確定在一種組件中的材料的含水量的方法，該方法包括下述步驟(a)發送許多頻率的許多微波實際上穿過所述組件中的一部分材料，順序發送所述許多頻率中的每一頻率的所述微波，這使得所述微波成為被發送的某一特定頻率的微波；(b)接收所述特定頻率的、被發送的微波，這使得所述微波成為所述特定頻率的被接收的微波，並且，這使得接收到來自所述許多頻率的、被發送的微波；(c)由每一所述特定頻率的、被接收的微波確定衰減，這使得確定了許多衰減；(d)由所述許多衰減確定所述那部分材料的含水量；(e)重複步驟(a)到步驟(d)，以便確定在所述組件上的上述材料的許多部分的含水量。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於通過對所述許多頻率的線性效應的調整來確定所述衰減，這使得所述衰減正比於所述許多頻率中的每一頻率。
12.如權利要求10所述的方法，其特徵在於所述含水量正比於所述許多衰減的和。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於將所述許多衰減的所述和除以一個相關因子，由材料的類型和所述組件的結構從實驗上確定所述相關因子。
14.如權利要求10所述的方法，進一步包括下述步驟(f)由所述那些特定頻率中的每一特定頻率的、所接收的微波確定相移，這使得確定了許多相移；(g)由所述許多相移確定材料的密度；以及(h)重複(a)到步驟(g)，以便確定在上述組件上的所述材料的許多部分的所述密度。
15如權利要求14所述的方法，其特徵在於根據一個實驗函數，通過適配於所述許多相移的線性回歸，確定所述材料的所述密度，根據所述材料的類型和所述組件的結構選擇所述實驗函數。
16.如權利要求14所述的方法，其特徵在於將所述許多部分材料的每一部分的所述密度與該材料的所述許多部分材料的每一其它部分的所述密度做比較，以便確定在所述組件中的上述材料的結構的均勻性，如果所述密度實際上是不同的，那麼，所述結構就是不均勻的。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於根據所述結構的所述的均勻性來校正所述材料的所述許多部分的上述含水量。
全文摘要
從微波束流(34,32)的相位和衰減讀數得出材料(10)的含水量。用發射器(30)和接收器(36)得出對於許多頻率的衰減和相移。由前述校正程序所得出的一種校正因素用來校正所述讀數,這是為了提高精度。
文檔編號G01N22/00GK1282421SQ98812199
公開日2001年1月31日 申請日期1998年11月19日 優先權日1997年11月20日
發明者丹尼·S·莫什, 亞歷山大·格林瓦爾德 申請人:馬爾科姆有限公司