用于检测纤维材料中的如湿度、密度、或杂质存在等特性的凹入微波谐振器.pdf

一种用于检测烟草的密度和/或湿度和/或杂质存在的微波装置(4)，该装置(4)具有同轴的凹入谐振器(5)，该谐振器包括具有轴向通孔(13)的基本上圆柱形的金属本体(10)，和在本体(10)内部的L形腔(11)。谐振器的内腔被抽空或用诸如空气或聚合物的介电材料填充。

1.  一种用于检测纤维材料的至少一种特性的装置，包括：通道(13)，在使用中、在给定的第一方向(A)上沿着所述通道供给所述纤维材料；以及微波谐振器(5)，所述谐振器(5)包括至少一个由至少第一导电材料制成的本体(10)、由所述本体(10)界定的至少一个腔(11)、用于发射微波信号的发射装置(6)、及用于接收微波信号的接收装置(8)；所述腔(11)至少包含第一介电材料；所述谐振器(5)至少部分地限定所述通道(13)；并且所述装置(4)的特征在于，所述腔(11)包括基本上平行于所述给定的方向(A)纵向延伸的第一部分(14)、及从所述第一部分(14)延伸并与所述给定的方向(A)交叉的第二部分(15)；所述第二部分(15)具有连接至所述第一部分(14)的第一末端(16)、及与所述第一末端(16)相对且面向所述通道(13)的开放的第二末端(17)。

2.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二部分(15)基本上垂直于所述给定的方向(A)延伸。

3.  根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第二部分(15)由所述通道(13)划界。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述腔(11)具有平行于所述给定的方向(A)的L形截面。

5.  根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述腔(11)具有平行于所述给定的方向(A)的T形截面。

6.  根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述第一介电材料包括空气。

7.  根据权利要求6所述的装置，其中，所述腔(11)中的空气的压力在1atm以下。

8.  根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述第一介电材料基本上是真空。

9.  根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述第一介电材料基本上是聚乙烯。

10.  根据权利要求1至9中任一项所述的装置，还包括：由第二介电材料制成的分隔器(20)；所述分隔器(20)在所述第二末端(17)处容纳于所述第二部分(15)的内部。

11.  根据权利要求10所述的装置，其中，所述分隔器(20)被设计成基本上防止纤维材料颗粒进入所述腔(11)。

12.  根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述第二介电材料具有与所述第一介电材料不同的介电常数。

13.  根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其中，所述本体(10)具有由第一导电材料制成的第一部分、及由第二导电材料制成的第二部分。

14.  根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其中，所述谐振器(5)是同轴谐振器。

15.  根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其中，所述谐振器(5)包括短路传输线路和电容。

16.  根据权利要求1至15中任一项所述的装置，其中，所述本体(10)包括：第一壁(24)，所述第一壁将所述第一部分(14)与所述通道(13)分隔开，并且具有端面(25)和与所述端面(25)交叉并至少部分地限定所述通道(13)的外表面(26)；以及第二壁(27)，所述第二壁位于所述第一部分(14)的与所述第一壁(24)相对的一侧上并具有内表面(28)；所述端面(25)部分地限定所述第二部分(15)，并且基本上垂直于所述给定的方向(A)而测得的所述端面的宽度大于或等于所述内表面(28)与所述外表面(26)之间的距离的一半，所述距离在所述第二部分(15)处平行于所述宽度而测得。

17.  根据权利要求16所述的装置，其中，所述外表面(26)基本上平行于所述内表面(28)，并且基本上垂直于所述端面(25)。

18.  根据权利要求17所述的装置，其中，所述本体(10)为圆柱环形，并且限定了至少部分地限定所述通道(13)的管腔(12)；所述宽度和所述距离相对于所述本体(10)的沿着所述管腔(12)延伸的纵向轴线而径向地测量。

19.  根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其中，所述本体(10)为环形，并且限定了至少部分地限定所述通道(13)的管腔(12)。

20.  根据权利要求19所述的装置，其中，所述本体(10)基本上为圆柱形。

21.  根据权利要求19或20所述的装置，其中，所述腔(11)的所述第一部分(14)和第二部分(15)分别为环形。

22.  根据权利要求21所述的装置，还包括由介电材料制成的分隔器(20)；所述分隔器(20)在所述第二末端(17)处容纳于所述第二部分(15)的内部，并且防止纤维材料颗粒进入所述腔(11)中；并且所述分隔器呈环形。

23.  根据权利要求21或22所述的装置，其中，所述第一部分(14)和第二部分(15)以及所述分隔器(20)各自为圆柱形。

24.  根据权利要求19至23中任一项所述的装置，其中，所述本体(10)包括两个环形的半壳(18、19)，当所述两个半壳组合时就限定了所述腔。

25.  根据权利要求1至17中任一项所述的装置，其中，所述谐振器(5)包括相互分隔开的第一子单元(21)和第二子单元(22)；所述第一子单元(21)包括由至少一种导电材料制成的第一本体(10)、由所述第一本体(10)限定的第一腔(11)、以及所述发射装置(6)；而所述第二子单元(22)包括由至少一种导电材料制成的第二本体(10)、由所述第二本体(10)限定的第二腔(11)、以及所述接收装置(8)。

26.  根据权利要求25所述的装置，其中，所述第一本体和所述第二本体(10)基本上均为平行六面体形。

27.  根据权利要求25或26所述的装置，其中，所述第一腔和所述第二腔(11)均为T形。

28.  根据权利要求25或26所述的装置，其中，所述第一腔和所述第二腔(11)均为L形。

29.  根据权利要求1至28中任一项所述的装置，还用于检测纤维材料，特别是烟草，的密度和/或湿度。

30.  一种用于检测纤维材料的至少一种特性的装置，包括：通道(13)，在使用中、在给定的第一方向(A)上沿着所述通道供给所述纤维材料；以及微波谐振器(5)，所述谐振器(5)包括至少一个由导电材料制成的本体(10)、由所述本体(10)界定的至少一个腔(11)、用于发射微波信号的发射装置(6)、及用于接收微波信号的接收装置(8)；所述腔(11)包含至少一种介电材料；所述谐振器(5)至少部分地限定所述通道(13)；并且所述装置(4)的特征在于，所述介电材料选自包括空气和真空的组。

31.  根据权利要求30所述的装置，还如同权利要求1至29中任一项所限定的装置。

32.  根据权利要求1至31中任一项所述的装置，其中，所述发射装置(6)包括与所述给定的方向(A)交叉定向的发射天线(6)。

33.  根据权利要求1至32中任一项所述的装置，其中，所述接收装置(8)包括与所述给定的方向(A)交叉定向的接收天线(8)。

34.  一种微波谐振器，如同权利要求1至33中任一项所限定的微波谐振器。

35.  一种用于生产圆柱形的烟草工业制品的机器，包括根据权利要求1至33中任一项所述的装置(4)。

用于检测纤维材料中的如湿度、密度、或杂质存在等特性的凹入微波谐振器
技术领域
本发明涉及用于检测纤维材料的至少一种特性的装置；涉及该装置的谐振器；以及涉及用于生产圆柱形的烟草工业制品(特别是香烟)并且包括这样一种装置的机器。
更确切地说，本发明涉及用于检测纤维材料的至少一种特性的装置，并且该装置包括；一个通道，在使用中沿着该通道在给定方向上供给纤维材料；以及一个微波谐振器。该谐振器包括：至少一个由导电材料制成的本体；由该本体界定的至少一个腔；用于发射微波信号的发射装置；以及用于接收微波信号的接收装置。并且，上述腔至少包含第一介电材料。
这里，“纤维材料”意指包含纤维的材料，并且优选地选自包括烟草和醋酸纤维素的组。
这里，“纤维材料的特性”意指选自包括密度、湿度和杂质的组的特性。
背景技术
US6452404描述了一种用于测量烟草湿度的装置，并且该装置包括一个具有轴向通孔的基本上圆柱形的微波谐振器。
上述类型的检测装置具有相当笨重的缺点，特别是当谐振器的使用频率相对低时。在这种情形下，公知的谐振器是相当笨重的，基本上垂直于给定的方向。
当对平行移动且分开较小距离的两根香烟棒的烟草的湿度和/或密度进行测量时，公知的相对笨重的谐振器是非常难以定位的。
发明内容
本发明的目的在于提供用于检测纤维材料的至少一种特性的装置，具有该装置的谐振器，以及用于生产圆柱形的烟草工业制品并且包括这样一种装置的机器；所有提供的这些至少部分地消除了上述的缺点，同时便宜且容易实施。
根据本发明，提供了用于检测纤维材料的至少一种特性的装置，具有该装置的谐振器，以及用于生产圆柱形的烟草工业制品并且包括这样一种装置的机器，如在所附独立权利要求或者在直接或间接地从属于这些独立权利要求的任一个权利要求中所述。
附图说明
将参考附图通过示例性的方式描述本发明的多个非限制性的实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的香烟制造机器的一部分的示意性主视图，其中为了简明而除去了某些部件；
图2示出了根据本发明的湿度和/或密度检测装置的示意性立体图，其中为了简明而除去了某些部件；
图3示出了图2的装置的纵剖面；
图4示出了图3的装置的另一个实施例的纵剖面；
图5示出了试验数据曲线图，其中x轴以GHz表示频率，且y轴表示功率测量；
图6示出了试验数据曲线图，其中x轴以GHz表示频率离差，且y轴表示功率测量离差；
图7示出了由试验数据的线性插值法描绘的线条，所述试验数据是通过测量已知密度和湿度的烟草而获得的；x轴表示A_△/A_i的比率，且y轴表示密度；
图8示出了由图1的装置产生的微波场的一个电分量(electriccomponent)的试验-检测强度的示意图；
图9示出了由图1的装置产生的微波场的另一个电分量的试验-检测强度的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于生产香烟的机器1的一部分。机器1包括用于在给定的方向A上沿着通道P送进香烟棒3(即，用纸包裹的烟草条)的传送带2，并且香烟棒经过用于检测香烟棒3中的烟草的密度和/或湿度的检测装置4(在图1中示意性地示出)。
具体地参考图2和图3，装置4包括用于测量烟草的密度和/或湿度的微波谐振器5，该微波谐振器产生具有给定几何形状的微波场，并发射检测信号。更确切地说，谐振器5包括连接到发生器7的发射天线6和连接到处理器9的接收天线8。
发射天线6和接收天线8与方向A交叉地设置，优选地是与方向A垂直设置，以实现对微波场的最佳发射和接收。
谐振器5包括：由至少一种导电材料制成的本体10，具体地为诸如钢的金属；及由本体10界定的腔11。腔11包含至少一种介电材料，这种材料是指导电性较差的材料，但是能够相对地有效地维持电场。介电材料的非限制实例包括：空气；液体、固体、泡沫、或者凝胶体形式的聚合物材料(例如，聚乙烯、或聚胺基甲酸酯，其可以呈现为固体或凝胶体或泡沫的形式)；有机液体(即，包含碳化合物的液体)；以及真空。
如图2和图3所示，本体10基本上为圆柱环形(circularcylindrical annular shape)并且限定了一个管腔12，该管腔与本体10基本上同轴并且至少局部地限定了一个通道13，在使用中沿着该通道送进香烟棒3。
腔11具有与方向A平行的L形截面，并且包括：基本上与方向A平行的一个部分14；以及与方向A交叉(特别地，基本上与方向A垂直)的一个部分15。部分15具有连接至部分14的一个末端16；和与末端16相对并面向通道13的一个开放的末端17，即没有被导电材料界定。更确切地说，末端17由通道13划界。在优选的实施例中，平行于方向A来测量末端17，其为0.5毫米至3毫米长，更优选地为1毫米长。
部分14和部分15分别为环形，且基本上彼此同轴并与本体10同轴。更确切地说，部分14和部分15分别为基本上圆柱形的。
本体10包括两个半壳18和19，当这两个半壳结合的时候就限定了腔11。半壳18和半壳19是环形的并且由紧固件连接，具体地为两个螺钉(未示出)。
谐振器5基本上是一个同轴谐振器，其中部分14作为短路传输线路，而半壳18和19在部分15处限定了电容(capacitance)。
本体10包括：壁24，该壁将部分14与通道13分隔开，并且该壁具有一个端面25、和与端面25交叉且至少部分地限定通道13的一外表面26；以及壁27，该壁位于部分14的与壁24相对一侧上并且具有一内表面28。端面25部分地限定了部分15，且宽度(基本上垂直于方向A进行测量)大于或等于(优选地大于)内表面28与外表面26之间的距离的一半(在部分15处平行于所述宽度测量)。更确切地说，外表面26基本上平行于内表面28，并且基本上垂直于端面25；并且上述宽度和距离是相对于本体10的沿着管腔12延伸的纵向轴线而径向地测量。
谐振器5还包括由介电材料制成的分隔器(separator)20，该分隔器基本上为圆柱环形，并且基本上与本体10以及部分14和部分15同轴。更确切地说，分隔器20在末端17处容纳于部分15内部，并且被塑造成基本上防止烟草颗粒进入腔11中。优选地，分隔器20的介电材料的介电常数与腔11的部分14内部的介电材料的介电常数不同。在一个优选的实施例中，腔11包含空气；而分隔器是聚乙烯。
在未示出的可替换的实施例中，腔11具有平行于方向A的T形截面。
在可替换的实施例中，腔11包含低压空气(即，低于大气压力)，或者为真空。
图8示意性地示出了由谐振器5产生的微波场的垂直于方向A
的电分量的强度；图9示意性地示出了由谐振器5产生的微波场的
平行于方向A的电分量的强度；且较黑的区域指示了较大的强度。如图8和图9中所示，在腔11的部分15中和在部分15处的通道13的部分中，微波场特别地强。场在部分15处的集中主要是由于腔11的特别的几何形状，其与腔11中的介电材料的类型相反。
谐振器5(特别地为腔11)的特定几何元素(geometrical element)允许微波场频率的变化而没有改变本体10的径向尺寸。关于这一点，重要的是注意到：增加部分14的长度为减小微波场频率作了准备，从而能够获得相对小的谐振器5，并且这也能够用来对香烟制造机器提供便利，其中两个或者更多个平行的香烟棒3在香烟制造机器上并排地前进。
关于微波场频率的变化，上面涉及的端面25的宽度与内表面28与外表面26之间的距离之间的尺寸关系是特别地有利的。
在实际使用中，当香烟棒3穿过装置4时，谐振器5产生微波场，该微波场被香烟棒3中的烟草干扰，则谐振器发出与干扰相关的检测信号。此时，处理器9将检测信号与参考数据项进行比较。更确切地说，处理器9确定作为检测信号的函数的检测数据项，进而将该检测数据项与参考数据项进行比较。当检测信号与参考数据项之间的差值超过一给定的临界值时，就发出指示香烟棒3的缺陷部分的误差信号；在这种情形中，在装置4下游并连接到处理器9的一个废料单元(图中未示出)去除了香烟棒3的缺陷部分。
现在将具体地参照图5和图6更清楚地解释谐振器5和处理器9的操作。谐振器5定期地执行扫描(sweep)以使微波场中的微波的频率在1GHz与300GHz之间变化。微波的频率优选地在2Hz至3GHz之间变化，以避免加热在微波场中的烟草和/或任何生物组织。
图5(其中x轴表示微波频率，而y轴表示功率测量值)示出了在微波场内基本上没有物体时获得的参考信号的参考曲线C_R。参考曲线C_R的峰值在给定的参考频率A_R处，并且在中间峰值高度处具有参考振幅B_R。
图5还示出了各个检测信号的响应曲线C_i、C_ii、C_iii。每个响应曲线均具有峰值检测频率A_i、及在中间峰值高度处的检测振幅B_i，这两个数值取决于香烟棒3一部分的湿度和密度。
在实际使用中，处理器9接收检测信号并确定峰值检测频率A_i和检测振幅B_i，然后对它们进行处理以将检测信号与参考数据项比较。
优选地，处理器9确定峰值检测频率A_i与参考频率A_R之间的第一偏差A_△，以及检测振幅B_i与参考振幅BR之间的第二偏差B_△。在这样的情况下，根据以下的等式计算香烟棒3的检测湿度：

其中，与检测湿度直接成比例。关于这一点，需要指出的是，在示出了沿x轴的第一偏差A_△和沿y轴的第二偏差B_△的试验曲线图(如图6中所示)中，与香烟棒3的连续部分(湿度基本上相同)的检测信号相关的多个点基本上沿着相同的线分布。
在已经计算了检测湿度的情况下，优选地，处理器9确定烟草的检测密度，该密度为检测湿度和第一偏差A_△或第二偏差B_△的函数。更确切地说，使用由预先根据实验确定的多条曲线(具体地，多条直线)T(图7)计算密度，并且每条曲线在恒定的给定湿度(因此为恒定的给定)下限定了作为比率A_△/A_i的函数的密度图(pattern)(在图7中以ρ指示)。
此时，将检测密度与参考密度比较；并且，当检测密度与参考密度之间的差值超过临界值时，发出一误差信号。
可替换地，谐振器5和处理器9可以如以下文献其中之一所述的那样的操作：DE202005010375、EP791823、EP902277。
在图4中所示的另一实施例中，谐振器5包括分离的、基本上平行六面体形的两个子单元21和22；并且每个子单元21、22均包括各自的本体10，本体具有两个导电材料的各自的半壳体18、19，且两个半壳体18、19界定了各自的腔11。
每个腔11均采用基本上不对称的T形，并且包含为固体介电材料(具体地，聚乙烯或聚氨基甲酸酯)的元件23。
在另外一个未示出的实施例中，每个腔11均是L形。
每个腔11均包括部分14和部分15，而本体10包括：壁24，该壁分隔部分14与通道13，并具有端面25、和与端面25交叉且至少部分地限定通道13的外表面26；以及壁27，该壁位于部分14的与壁24相对一侧上并且具有内表面28。端面25部分地限定部分15，并且宽度(基本上垂直于方向A来测量)大于或等于(优选地大于)内表面28与外表面26之间的距离的一半(在部分15处平行于所述宽度来测量)。更确切地说，外表面26基本上平行于内表面28，并且基本上垂直于端面25；并且上述宽度和距离是相对于本体10的沿着管腔12延伸的纵向轴线而径向地测量。
在这种情形中，也可以通过简单地改变部分14的长度来改变微波场频率。
在未示出的可替换的实施例中，腔11仅仅包含空气。
在未示出的另外的实施例中，本体10一体地形成，与包括两个半壳体的情形相反。
在未示出的可替换的实施例中，限定了腔11的本体10包括：第一导电材料，比如钢；及第二导电材料，比如铝或因瓦合金。例如，本体10的半壳体18可以由第一导电材料制成，而半壳体19由第二导电材料制成，或者半壳体18的一些部分可以由第一导电材料制成，而半壳体19的一些部分由第二导电材料制成。
适当地选择第一和第二导电材料和/或由第一或第二导电材料制成的半壳体部分的位置将使金属材料的本体10的热膨胀最小化，从而防止由本体10界定的腔11的形状的改变。
尽管上面的描述涉及使用装置4来检测和测量烟草密度和/或湿度，应当指出的是，本发明的教导也可以用来为确定其他类型的纤维材料的至少一种特性提供便利。例如，装置4可以安装在香烟过滤嘴(filter)制造机器和/或雪茄制造机器中。
通过适当地处理检测信号，本发明的教导也可以用于确定纤维材料中的杂质(例如，塑料和/或金属颗粒)的存在和/或杂质量。