[发明专利]用于测量和控制过程参数的方法及系统

说明书

技术领域

本发明总体涉及适合于利用可由射频信号识别的专用集成电路测量过程系统(主要为处理食品的系统)的过程参数的系统和方法。

背景技术

大多数商业化生产的包装食物(包括饮料)经历了热处理，从而保证该特定食物的消费安全。该热处理的强度随食物的物理特性和化学成分、包装的类型以及所期望的保存期限而变化。热处理可以在将产品装入包装中之前或者之后实现。例如，与在包装中进行热处理的产品相比，产品在装入包装中之前进行热处理的弱酸性食物可能采用非常不同的过程系统。

为了保证热处理后的食品的消费安全，制造商需要知道向产品施加多少热。该热处理可以视为温度和时间的函数。产品温度被加热至某一度数，并且至少保持在该温度下历时规定的时间量，从而与“致死”值相对应，该“致死”值通常用在食物工业中标准化和量化热处理的强度。对于纯液体食物，例如饮料和汤汁，可以通过在过程系统中规定位置处的温度探针容易地测量产品温度。然而，使用传统温度探针不是优选的，并且若期望在诸如汤的颗粒食物(例如，具有天然的组成微粒的液体食物)内测量温度，则实际上几乎不可能。在这些情况下，仅仅可以通过使用传统的温度探针来监测颗粒食物的液体组分的温度。在期望对食物中的不同天然组成微粒进行温度测量时，就出现了明显的难题。

在任何杀菌过程中，目的是确保产品整体的商业无菌性。当产品由同种液体组分组成时，可以通过使用传统的温度探针来方便测量。相反地，当产品由悬浮在液体组分中(例如在配菜汤中)的若干不同的微粒组成时，可能非常难以基于在传统的连续流动杀菌系统中容易获取的过程数据来预测产品整体的无菌性。困难来源于以下事实：产品中的不同微粒类型可能与液体流不同地加热，从而失去了作为微粒温度指示器的液体组分的温度探针测量的实用性和准确性。过程系统中的微粒停留时间分布增加了确保所有成分的商业无菌性的复杂性。

产品在壶或带式混合机中的批混合，例如针对包含大颗粒的汤产品，会因为若干原因导致微粒分布问题，这些原因包括不足的混合时间、不合适的搅拌器设计、不合适的搅拌器速度或方向、壶尺寸和形状、配菜级别和尺寸、总液体量、微粒密度以及液体粘度。因此，可能难以测量感兴趣的多种过程条件，例如微粒在混合容器中的方向、方位、速度或温度。事实上，利用例如温度探针的传统技术进行直接微粒温度测量(如果可能的话)可能会因为微粒在这种单元的操作期间的运动而受到重大挑战。因此，期望进一步优化这些批过程条件。

一般而言，单微粒在该微粒的整个体积中的温度可能并非是均匀的。例如，因为颗粒的外表面与液体组分直接接触，因而微粒的外表面可能比颗粒的核心加热得更快。尽管这对于热水或蒸汽用作加热介质的一些传统操作来说是事实，但对于利用其它手段(例如，红外线、微波、直接太阳能加热、辐射加热、感应加热或电阻加热)加热食物的热操作，事实并非如此。除了在单微粒的体积内的温度变化之外，随着整个食物体积被泵浦通过过程系统，不同类型的微粒将以不同的速度在液体组分中流动。较快流过系统的微粒经受热处理的时间将较少。

无菌热处理一般涉及利用合适的换热器对食材连续杀菌。使用的换热器类型由食材的性质规定，例如粘度、微粒尺寸和同质性。一些食材，例如果汁、牛奶和汤汁，是同质产品并且可以在板式换热器中处理。其它食品，例如具有固体微粒的汤，可以在能够操作微粒的诸如管状换热器之类的换热器中处理。为了能够量化无菌操作的热处理，人们需要能够通过评估微粒的已知特性(例如，尺寸、导热性或密度)来识别在其核心处的最慢变热的微粒。一旦识别到最慢变热的微粒，在与所使用的加热系统相关联的保温管的入口和出口处就会知道该微粒(在其最冷的点)的温度，从而确保由多种决定因素(例如烹饪值、致死率等)所测量的适当的热处理。当前，现有技术缺少一种能够在连续流热处理期间至少接近实时地监测诸如微粒的直接温度之类的过程条件的系统。

食物科学家和工程师已利用各种技术进行试验来使食物制造过程量化和有效。这些传统的尝试一般可以被分成两类，即不同微粒成分的停留时间分布和在系统的重要位置处的微粒成分的温度数据。

例如授予Grabowski等人的美国专利No.5,261,282公开了使用植入式射频发射机应答器(采用RFID芯片的形式)识别通过连续过程系统的模拟微粒的停留时间。授予Arndt等人的美国专利No.5,741,979公开了使用在微粒中的偶极天线标记植入和微波变送器检测器以测量微粒停留时间。然而，诸如此类的系统不能提供关于感兴趣的微粒的温度的信息，并且也不能提供涉及系统的最慢变热和最快移动微粒的相关温度过程信息。