[发明专利]射频状态变量测量系统和方法

说明书

本发明公开了射频状态变量测量系统和方法。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。

本申请是2016年12月5日提交的申请号为201580029810.2、发明名称为“射频状态变量测量系统和方法”的专利申请的分案申请。

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。

本发明是在政府的支持下根据国家科学基金会(National Science Foundation)授予的基金号IIP 1330313进行的。政府对本发明拥有某些权利。

背景技术

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。