(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロ波放射器を使用して材料を検知するためのセンサアセンブリおよび方法を提供する。【解決手段】システム内の材料１１０の存在を検知するための少なくとも１つのプローブ２０２を含み、このプローブはマイクロ波放射器２０６を含む。少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界２０９を生成し、材料１１０がこの電磁界２０９と相互作用するとき、負荷がマイクロ波放射器２０６に引き起２０４が結合され、このデータコンジット２０４内で、負荷を表す少なくとも１つの負荷信号がマイクロ波放射器２０６から反射される。少なくとも１つの信号処理デバイス２００が、データコンジット２０４を介してマイクロ波放射器２０６に結合される。この信号処理デバイス２００は、負荷信号を受け取り、材料１１０の存在を表す電気出力を生成するように構成され、この電気出力はオペレータおよび／またはシステムによって使用可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム（１００）で使用するためのセンサアセンブリ（１２４）であって、
前記システム内の材料（１１０）の存在の検知に使用するための少なくとも１つのプローブであって、少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界（２０９）を生成するマイクロ波放射器（２０６）を備え、前記材料が前記少なくとも１つの電磁界と相互作用するとき、負荷が前記マイクロ波放射器に引き起こされる少なくとも１つのプローブと、
前記マイクロ波放射器に結合されたデータコンジット（２０４）であって、その内部で、前記負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が前記マイクロ波放射器から反射される、データコンジットと、
前記データコンジットを介して前記マイクロ波放射器に結合された少なくとも１つの信号処理デバイス（２００）であって、前記少なくとも１つの負荷信号を受け取って、前記材料の存在を表す電気出力を生成するように構成され、前記電気出力が、オペレータおよび前記システムのうち少なくとも一方によって使用可能である、少なくとも１つの信号処理デバイスとを備える、センサアセンブリ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの信号処理デバイス（２００）が閾値検出回路（２２２）をさらに備える、請求項１記載のセンサアセンブリ（１２４）。
【請求項３】
前記閾値検出回路（２２２）が、前記材料（１１０）の存在を表す前記電気出力が少なくとも１つの閾値に基づくように、前記少なくとも１つの閾値を用いてプログラムされる、請求項２記載のセンサアセンブリ（１２４）。
【請求項４】
前記閾値検出回路（２２２）に結合された変換器（２４０）をさらに備え、前記変換器が、前記電気出力をデジタル信号に変換するように構成される、請求項２記載のセンサアセンブリ（１２４）。
【請求項５】
前記電気出力がアナログ信号である、請求項１記載のセンサアセンブリ（１２４）。
【請求項６】
前記材料（１１０）が液体である、請求項１記載のセンサアセンブリ（１２４）。
【請求項７】
前記材料（１１０）が、金属の物体および非金属の物体のうちの少なくとも一方である、請求項１記載のセンサアセンブリ（１２４）。
【請求項８】
材料（１１０）の存在の検知に使用するためのシステム（１００）であって、
少なくとも１つのセンサアセンブリ（１２４）であって、
前記システム内の材料（１１０）の存在の検知に使用するための少なくとも１つのプローブ（２０２）であって、少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界（２０９）を生成するマイクロ波放射器（２０６）を備え、前記材料が前記少なくとも１つの電磁界と相互作用するとき、負荷が前記マイクロ波放射器（２０６）に引き起こされる少なくとも１つのプローブと、
前記マイクロ波放射器に結合されたデータコンジット（２０４）であって、その内部で、前記負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が前記マイクロ波放射器から反射される、データコンジットと、
前記データコンジットを介して前記マイクロ波放射器に結合された少なくとも１つの信号処理デバイス（２００）であって、前記少なくとも１つの負荷信号を受け取って、前記材料の存在を表す電気出力を生成するように構成され、前記電気出力が、オペレータおよび前記システムのうち少なくとも一方によって使用可能である、少なくとも１つの信号処理デバイスとを備える少なくとも１つのセンサアセンブリと、
前記少なくとも１つのセンサアセンブリに結合された電気デバイス（１３０）とを備えるシステム。
【請求項９】
前記電気デバイス（１３０）が、制御システムおよび診断システムのうちの少なくとも一方である、請求項８記載のシステム（１００）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの信号処理デバイス（２００）が閾値検出回路（２２２）をさらに備える、請求項８記載のシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、一般に、材料の存在を検知するために使用されるシステムに関し、より詳細には、マイクロ波放射器を使用した材料の存在の検知に使用するためのセンサアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくともいくつかの既知のセンサシステムは、金属、液体、または物質の他のバリエーション（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）などの材料の存在を検知するために使用される。材料の存在または材料の存在の欠如の検知は、制御システムなどの種々の適用例で使用することができる。たとえば、このような検知方法は、製造システム、処理システム、化学システム、および安全システムなどであるがこれらに限定されない種々のシステムで使用される用途のためのスイッチ応用例（ｓｗｉｔｃｈ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）、レベル検出器、および／または計数器と共に使用することができる。
【０００３】
材料の検知は、渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、または静電容量センサを使用して実施することができる。しかし、このようなセンサの測定範囲には制限があるので、このようなセンサを使用できる場所は一般に制限される。さらに、これらのセンサの動作が原因で、これらのセンサは、典型的には、複雑な構成のない導電材料のみに制限される。したがって、既知の検知システムの有用性は制限され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７５８６３０３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態では、システムで使用するためのセンサアセンブリが提供される。このセンサアセンブリは、システム内の材料の存在を検知するための少なくとも１つのプローブを含み、このプローブはマイクロ波放射器を含む。このマイクロ波放射器は、少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界を生成し、材料がこの電磁界と相互作用するとき、負荷（ｌｏａｄｉｎｇ）がマイクロ波放射器に引き起こされる。このマイクロ波放射器にはデータコンジット（ｄａｔａ  ｃｏｎｄｕｉｔ）が結合され、このデータコンジット内で、負荷を表す少なくとも１つの負荷信号がマイクロ波放射器から反射される（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ）。少なくとも１つの信号処理デバイスが、データコンジットを介してマイクロ波放射器に結合される。この信号処理デバイスは、負荷信号を受け取り、材料の存在を表す電気出力を生成するように構成され、この電気出力はオペレータおよび／またはシステムによって使用可能である。
【０００６】
別の実施形態では、材料の存在を検知するための方法が提供される。少なくとも１つのマイクロ波信号がマイクロ波放射器に送られる。次に、少なくとも１つの電磁界が、マイクロ波信号に基づいてマイクロ波放射器によって生成される。さらに、材料がこの電磁界と相互作用するとき、負荷がマイクロ波放射器に引き起こされ、この負荷を表す少なくとも１つの負荷信号が、マイクロ波放射器からデータコンジット内に反射される。次いで、この負荷信号が少なくとも１つの信号処理デバイスによって受け取られる。次に、この信号処理デバイスが、材料の存在を表す電気出力を生成し、この電気出力はオペレータおよび／またはシステムによって使用可能である。
【０００７】
さらに別の実施形態では、材料の存在の検知に使用するためのシステムが提供される。このシステムは、少なくとも１つのセンサアセンブリと、このセンサアセンブリに結合された電気デバイスとを含む。このセンサアセンブリは、システム内の材料の存在を検知するための少なくとも１つのプローブを含み、このプローブはマイクロ波放射器を含む。このマイクロ波放射器は、少なくとも１つのマイクロ波信号から少なくとも１つの電磁界を生成し、材料がこの電磁界と相互作用するとき、負荷がマイクロ波放射器に引き起こされる。このマイクロ波放射器にはデータコンジットが結合され、このデータコンジット内で、負荷を表す少なくとも１つの負荷信号がマイクロ波放射器から反射される。少なくとも１つの信号処理デバイスが、データコンジットを介してマイクロ波放射器に結合される。この信号処理デバイスは、負荷信号を受け取り、材料の存在を表す電気出力を生成するように構成され、この電気出力はオペレータおよび／またはシステムによって使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】材料の存在の検知に使用できる例示的な検知システムのブロック図である。
【図２】図１に示される検知システムと共に使用できる例示的なセンサアセンブリのブロック図である。
【図３】図２に示されるセンサアセンブリを使用した材料の存在の検知に使用するための検知システムの代替実施形態のブロック図である。
【図４】図２に示されるセンサアセンブリを使用して材料の存在を検知するために実施できる例示的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書において説明する例示的な方法、装置、およびシステムは、材料の存在を検知するために使用される既知の検知システムに伴う少なくともいくつかの欠点を解決する。具体的には、本明細書において説明する実施形態は、マイクロ波放射器を使用して材料の存在を検知するセンサアセンブリを提供する。さらに、材料の存在の検知、または材料の存在の欠如の検知すなわち不検知（ｎｏｎ−ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）は、制御システムなどの種々の適用例に使用することができる。たとえば、このような検知方法は、製造システム、処理システム、化学システム、および／または安全システムなどであるがこれらに限定されない種々のシステムで使用される適用例のためのスイッチ、レベル検出器、および／または計数器と共に使用することができる。さらに、材料を検知するためにマイクロ波放射器を使用することによって、既知のシステムと共に使用される既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、および／または静電容量センサと比較して、測定範囲が大きく、周波数応答が高い。
【００１０】
図１は、材料１１０の存在を検知するために使用できる例示的なシステム１００を示す。例示的な実施形態では、材料１１０は液体であり、より具体的には、材料１１０は残留燃料である。あるいは、材料１１０は、金属、非金属物体、および／もしくは他の任意の生産物などの固体、またはシステム１００が本明細書において説明するように機能することを可能にする物質のバリエーションであってもよい。例示的な実施形態では、材料１１０は、油溜め（ｓｕｍｐ）などのリザーバ１１１の内部に含まれる。さらに、例示的な実施形態では、システム１００は機械（ｍａｃｈｉｎｅ）１１２を含む。例示的な実施形態では、機械１１２は、ガスタービンエンジンとすることができる。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジンが含まれるが、本発明は、いかなる特定の機械および／またはシステムにも限定されない。本発明は他の機械および／またはシステムと一緒に使用できることが、当業者には理解されよう。
【００１１】
例示的な実施形態では、機械１１２は、排出管１１６を介してリザーバ１１１に結合される。本明細書では、「結合する」という用語は、構成要素間の直接的な機械的接続および／または電気接続に限定されるものではなく、複数の構成要素間の間接的な機械的接続および／または電気接続も含むことができることに留意されたい。さらに、例示的な実施形態では、排出管１１６は、材料１１０を機械１１２の燃焼器セクション１２０からリザーバ１１１に運び、材料１１０を周期的にサンプリングして、材料タンク、廃液タンク、および／または他の廃棄手段などの廃棄手段（図示せず）に移送することができる。
【００１２】
例示的な実施形態では、システム１００は、リザーバ１１１を監視する少なくとも１つのセンサアセンブリ１２４を含む。センサアセンブリ１２４は、リザーバ１１１内の材料１１０の存在の検知に使用するための、リザーバ１１１近傍に位置する近接センサアセンブリ１２４である。センサアセンブリ１２４は、放射器（図１には示さず）を含むプローブ（図１には示さず）を含み、このプローブは、マイクロ波放射器を含むマイクロ波プローブである。
【００１３】
センサアセンブリ１２４は、材料１１０の存在を検知するために、または材料１１０の存在の欠如すなわち非存在（ｎｏｎ−ｐｒｅｓｅｎｃｅ）を検知するために１つまたは複数のマイクロ波信号を使用する。本明細書では、「マイクロ波」という用語は、信号、または約３００メガヘルツ（ＭＨｚ）から約３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の間の周波数を有する信号を受け取り、および／または送る構成要素を指す。
【００１４】
各センサアセンブリ１２４は、システム１００内の任意の相対的位置に配置される。さらに、例示的な実施形態では、システム１００は、１つまたは複数のセンサアセンブリ１２４に結合された少なくとも１つの電気デバイス１３０を含む。より具体的には、センサアセンブリ１２４は、データコンジット１３４を介して、またはデータコンジット１３６を介して、電気デバイス１３０に結合される。あるいは、センサアセンブリ１２４は、電気デバイス１３０に無線で結合されてもよい。
【００１５】
例示的な実施形態では、電気デバイス１３０は診断システムである。電気デバイス１３０は、システム１００が本明細書において説明するように機能することを可能にする、制御システムおよび／またはディスプレイデバイスなどの、他の任意の種類の電気デバイスであってよい。電気デバイス１３０は、センサアセンブリ１２４によって生成された１つまたは複数の信号を処理および／または解析するコンピュータ１４０を含む。本明細書では、「処理する」という用語は、信号に対する操作の実施、信号の調整、フィルタリング、バッファリング、および／または信号の少なくとも１つの特性の変更を指す。コンピュータ１４０は、キーボード１４４を介してオペレータからコマンドを受け取る。オペレータは、液晶表示装置（ＬＣＤ）および陰極線管などであるがこれらに限定されない付随するモニタ１４６によって、コンピュータ１４０から受け取ったデータを見ることができる。モニタ１４６は、データの図表および／または文字による表現を提供する。モニタ１４６は、波形、アラート、アラーム、停止、チャートおよび／またはグラフなどの種々の形態で信号の表現を提供することができる。
【００１６】
オペレータが与えたコマンドおよびパラメータは、センサアセンブリ１２４から受け取った信号に関する情報を提供するためにコンピュータ１４０によって使用される。より具体的には、例示的な実施形態では、リザーバ１１１内の材料１１０が堆積してあらかじめ定義された閾値レベルに達すると、コンピュータ１４０がオペレータに通知する。この閾値レベルは、センサアセンブリ１２４および／または電気デバイス１３０内でプログラム化されてよい。
【００１７】
例示的な実施形態では、コンピュータ１４０は、フロッピー（商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどのコンピュータが読み取り可能な媒体（図示せず）、またはネットワークもしくはインターネットなどの別のデジタルソース、ならびに未開発のデジタル手段から命令および／またはデータを読み込むために、デバイス（図示せず）、たとえば、フロッピー（商標）ディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、磁気光ディスク（ＭＯＤ）デバイス、またはイーサネット（商標）デバイスなどのネットワーク接続デバイスを含む他の任意のデジタルデバイスを含む。コンピュータ１４０は、ファームウェアに保存された命令を実行することができる。コンピュータ１４０は、本明細書において説明する機能を実施するようにプログラムされ、本明細書では、コンピュータという用語は、一般にコンピュータとして知られるそれらの集積回路だけに限定されるものではなく、広くコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路を指し、これらの用語は本明細書において同じ意味で使用される。加えて、本明細書において説明する方法およびシステムは、工業環境（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｓｅｔｔｉｎｇ）で説明されているが、本発明の利点は非工業（ｎｏｎ−ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ）システムでも生じることが企図されている。
【００１８】
動作中に、材料１１０は、燃焼器セクション１２０から排出管１１６を介してリザーバ１１１に運ばれる。さらに、センサアセンブリ１２４は、材料１１０の存在を検知する。リザーバ１１１内の材料１１０の堆積があらかじめ定義された閾値レベルに達すると、センサアセンブリ１２４は材料１１０の存在を検知する。この検知については、以下でより詳細に説明する。次に、センサアセンブリ１２４は、処理および／または解析のために、材料１１０の存在を表すアナログ信号（以下では「検出アナログ信号」と呼ぶ）または材料１１０の存在を表すデジタル信号（以下では「検出デジタル信号」と呼ぶ）を電気デバイス１３０に送る。
【００１９】
電気デバイス１３０が検出アナログ信号または検出デジタル信号を処理および／または解析した後、オペレータは、モニタ１４６を介してデータを見ることができる。オペレータは、リザーバ１１１内の材料があらかじめ定義された閾値レベルに達したか、それともこれを超過したかを確認することができる。閾値レベルを超過した場合、オペレータは、リザーバ１１１内に既に存在する材料１１０が廃棄手段に運ばれるまで、機械１１２が追加の材料１１０をリザーバ１１１に運ぶのを防止することができる。
【００２０】
マイクロ波放射器を使用することによって、センサアセンブリ１２４は、システム１００と共に使用できる既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、または静電容量センサと比較して、大きな測定範囲および高い周波数応答を有することが可能である。材料の存在を検知するためにマイクロ波放射器を使用することによって、検知範囲は、材料１１０の存在を検知するために使用できる既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、または静電容量センサと比較して、大幅に拡大する。センサアセンブリ１２４を使用できる場所については、マイクロ波放射器を使用することによって、既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、または静電容量センサを使用できるセンサアセンブリと比較して、制限がはるかに少なくなる。マイクロ波放射器の周波数応答は既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、または静電容量センサと比較して高いので、センサアセンブリ１２４は、より正確な測定値を提供することが可能となる。
【００２１】
図２は、システム１００（図１に示される）と共に使用できるセンサアセンブリ１２４のブロック図である。センサアセンブリ１２４は、信号処理デバイス２００と、信号処理デバイス２００にデータコンジット２０４を介して結合されたプローブ２０２とを含む。あるいは、プローブ２０２は、信号処理デバイス２００に無線で結合されてもよい。例示的な実施形態では、プローブ２０２は、リザーバ１１１に近接して配置される。あるいは、プローブ２０２は、リザーバ１１１内に配置されてもよい。
【００２２】
プローブ２０２は放射器２０６を含み、放射器２０６は、プローブハウジング２０８に結合され、電磁界２０９を生成することを目的とする。放射器２０６は、データコンジット２０４を介して信号処理デバイス２００に結合される。あるいは、放射器２０６は、信号処理デバイス２００に無線で結合されてもよい。プローブ２０２は、マイクロ波放射器２０６を含むマイクロ波プローブ２０２である。さらに、例示的な実施形態では、信号処理デバイス２００は方向性結合デバイス２１０を含み、方向性結合デバイス２１０は、送信電力検出器２１２、受信電力検出器２１４、および信号調節デバイス２１６に結合される。
【００２３】
信号調節デバイス２１６は、信号発生器２１８と、減算器２２０と、閾値検出回路２２２とを含む。閾値検出回路２２２は、データコンジット１３４を介して、またはデータコンジット１３６（図１に示す）を介して、電気デバイス１３０に結合される。閾値検出回路２２２は、リザーバ１１１内の材料１１０のレベルを制御するために使用される少なくとも１つの閾値を用いてプログラムされる。
【００２４】
センサアセンブリ１２４は、閾値検出回路２２２および電気デバイス１３０に結合された変換器２４０を含む。変換器２４０は、データコンジット１３４および１３６を介して閾値検出回路２２２に結合される。あるいは、変換器２４０は、閾値検出回路２２２に無線で結合されてもよい。例示的な実施形態では、変換器２４０は、データコンジット２４４を介して電気デバイス１３０にも結合される。あるいは、変換器２４０は、電気デバイス１３０に無線で結合されてもよい。例示的な実施形態では、変換器２４０は、閾値検出回路２２２から受け取った少なくとも１つのアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器である。あるいは、変換器２４０は、閾値検出回路２２２から受け取った少なくとも１つのデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル−アナログ変換器であってもよい。
【００２５】
動作中に、例示的な実施形態では、信号発生器２１８は、放射器２０６の共振周波数に等しいか、および／またはこれにほぼ等しいマイクロ波周波数の少なくとも１つの電気信号（以下では「マイクロ波信号」と呼ぶ）を生成する。信号発生器２１８は、このマイクロ波信号を方向性結合デバイス２１０に送る。方向性結合デバイス２１０は、マイクロ波信号を送信電力検出器２１２および放射器２０６に送る。このマイクロ波信号が放射器２０６によって送られるとき、電磁界２０９は、放射器２０６から外方に、プローブハウジング２０８から放射される。材料１１０などの材料が電磁界２０９に入る場合、材料１１０と界２０９の間に電磁結合が生じ得る。電磁界２０９の内部に材料１１０が存在するので、材料１１０内での誘導効果および／または容量効果が原因で電磁界２０９が壊れ、それによって、電磁界２０９の少なくとも一部分は、電流および／または電荷として物体に誘導結合および／または容量結合することができる。このような例では、放射器２０６は離調され（すなわち、放射器２０６の共振周波数の減少および／または変更などが発生する）、放射器２０６への負荷が引き起こされる。負荷が放射器２０６に引き起こされることによって、マイクロ波信号の反射が（以下では「離調負荷信号（ｄｅｔｕｎｅｄ  ｌｏａｄｉｎｇ  ｓｉｇｎａｌ）」と呼ぶ）、データコンジット２０４を介して方向性結合デバイス２１０に向けて送られる。
【００２６】
この離調負荷信号は、マイクロ波信号の電力振幅より低い電力振幅を有し、および／または位相がマイクロ波信号の位相と異なる。さらに、例示的な実施形態では、離調負荷信号の電力振幅は、放射器２０６に対する物体の近さに依存する。方向性結合デバイス２１０は、離調負荷信号を受信電力検出器２１４に送る。
【００２７】
受信電力検出器２１４は、歪み信号に含まれる電力の量を測定し、測定された離調負荷信号電力を表す信号を信号調節デバイス２１６に送る。送信電力検出器２１２は、マイクロ波信号に含まれる電力の量を検出し、測定されたマイクロ波信号電力を表す信号を信号調節デバイス２１６に送る。減算器２２０は、測定されたマイクロ波信号電力および測定された離調負荷信号電力を受け取り、マイクロ波信号電力と離調負荷信号電力の差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（以下では「電力差分信号」と呼ぶ）を閾値検出回路２２２に送る。
【００２８】
閾値検出回路２２２は、電力差分信号を、材料と電圧出力信号（すなわち、「検出アナログ信号」）の振幅との実質的に線形の関係を示す検出アナログ信号などの電気出力に変換する。検出アナログ信号は、センサアセンブリ１２４に近接して電磁界２０９内にある材料１１０の存在を表す２値出力である。より具体的には、例示的な実施形態では、２値出力は数値０または１を含み、０は、材料１１０がセンサアセンブリ１２４に近接しておらず、電磁界２０９内にないことを示し、１は、材料１１０がセンサアセンブリ１２４に近接し、電磁界２０９内にあることを示す。あるいは、検出アナログ信号は、センサアセンブリ１２４およびシステム１００が本明細書において説明するように機能することを可能にする他の任意の種類の出力であってよい。
【００２９】
閾値検出回路２２２は、電気デバイス１３０内での処理および／もしくは解析のためにスケールファクタが有効にされた電気デバイス１３０、または変換器２４０のどちらかに、検出アナログ信号を送り、検出アナログ信号は、検出デジタル信号に変換されてから電気デバイスに送られる。例示的な実施形態では、電気デバイス１３０は、アナログ信号処理技法またはデジタル信号処理技法のどちらかを使用してもよいし、この２つを混合した組み合わせ（ｈｙｂｒｉｄ  ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）として使用してもよい。たとえば、例示的な実施形態では、検出アナログ信号は、ミリメートルあたり数ボルトのスケールファクタを有する。あるいは、検出アナログ信号は、電気デバイス１３０および／またはシステム１００が本明細書において説明するように機能することを可能にする他の任意のスケールファクタを有してもよい。
【００３０】
図３は、センサアセンブリ１２４を使用する材料３１０の存在の検知に使用できるシステム３００の代替実施形態を示す。例示的な実施形態では、材料３１０は金属の物体である。より具体的には、物体３１０はアルミニウム缶である。あるいは、材料３１０は、液体、非金属物体、および／またはシステム３００が本明細書において説明するように機能することを可能にする他の任意の物質であってもよい。
【００３１】
さらに、例示的な実施形態では、システム３００は、コンベヤベルトなどのプラットフォーム３１４を含む。例示的な実施形態では、物体３１０などの少なくとも１つの物体がプラットフォーム３１４上に配置される。さらに、プラットフォーム３１４は、プラットフォーム３１４上に配置された物体３１０が容器３１８に運ばれ得るように移動可能である。入口３２０はプラットフォーム３１４上に配置され、例示的な実施形態では、入口３２０は開閉して、物体３１０の容器３１８への運搬を可能にする。入口３２０が開くかそれとも閉じるかは、電気信号に基づく。
【００３２】
例示的な実施形態では、システム３００は、プラットフォーム３１４上の材料３１０を監視する少なくとも１つのセンサアセンブリ１２４を含む。より具体的には、例示的な実施形態では、システム３００は、２つのセンサアセンブリ１２４を含む。あるいは、システム３００は、任意の数のセンサアセンブリを含むことができる。さらに、別法として、各センサアセンブリ１２４は、システム３００が本明細書において説明するように機能することを可能にするシステム３００の他の任意の条件を監視および／または検知することができる。各センサアセンブリ１２４は、例示的な実施形態では、材料３１０がプラットフォーム３１４上でセンサアセンブリ１２４に接近するとき、プラットフォームおよび／または材料３１０の近傍に配置される。このような場所では、プラットフォーム３１４上で材料３１０がセンサアセンブリ１２４に接近するとき、各センサアセンブリ１２４は材料３１０の存在を正確に検知することができる。あるいは、各センサアセンブリ１２４は、システム３００が本明細書において説明するように機能することを可能にするシステム３００内の任意の相対的位置に配置されてもよい。
【００３３】
例示的な実施形態では、システム３００は、１つまたは複数のセンサアセンブリ１２４に結合された電気デバイス３３０を含む。より具体的には、例示的な実施形態では、各センサアセンブリ１２４は、データコンジット３３４を介して、またはデータコンジット３３６を介して、電気デバイス３３０に結合される。あるいは、センサアセンブリ１２４は、電気デバイス３３０に無線で結合されてもよい。
【００３４】
例示的な実施形態では、電気デバイス３３０は制御システムである。あるいは、電気デバイス３３０は、システム３００が本明細書において説明するように機能することを可能にする、診断システムおよび／またはディスプレイデバイスなどの、他の任意の種類の電気デバイスであってよい。より具体的には、例示的な実施形態では、電気デバイス３３０は、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、および／または本明細書において説明する機能を実行することが可能な他の任意の回路またはプロセッサを含む、コンピュータシステムなどの、プロセッサベースまたはマイクロプロセッサベースの任意の適切なシステムを含む実時間制御装置である。一実施形態では、電気デバイス３３０は、たとえば２メガビットの読出し専用メモリ（ＲＯＭ）および６４キロビットのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を搭載した３２ビットマイクロコンピュータなどの、ＲＯＭおよび／またはＲＡＭを含むマイクロプロセッサであってよい。本明細書では、「実時間」という用語は、入力の変化が結果に影響を及ぼした後のかなりの短時間に生じる結果を指し、その期間は、結果の重要性および／または入力を処理して結果を生じさせるシステムの能力に基づいて選択できる設計パラメータである。
【００３５】
例示的な実施形態では、電気デバイス３３０は、実行可能な命令ならびに／または入口３２０の動作条件を表すおよび／もしくはこれを示す１つまたは複数の動作パラメータを記憶するメモリ領域３４０を含む。より具体的には、例示的な実施形態では、メモリ領域３４０は、あらかじめ定義された距離３６０だけセンサアセンブリ１２４から離隔された材料３１０のあらかじめ定義された近接範囲を記憶する。このあらかじめ定義された範囲は、ネットワーク３６６を介して電気デバイス３３０に結合されたユーザコンピューティングデバイス３６４から受け取られる。ネットワーク３６６は、インターネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、ワイヤレスＬＡＮ（ＷＬＡＮ）、メッシュネットワーク、および／または仮想プライベートネットワーク（ＶＰＮ）を含むことができるが、これらに限定されない。ユーザコンピューティングデバイス３６４および電気デバイス３３０は、有線ネットワーク接続（たとえば、イーサネット（商標）または光ファイバ）、無線周波数（ＲＦ）、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）８０２．１１標準（たとえば、８０２．１１（ｇ）または８０２．１１（ｎ））、Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ  Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ａｃｃｅｓｓ（ＷＩＭＡＸ）標準、携帯電話技術（たとえば、Ｇｌｏｂａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＧＳＭ（商標）））、衛星通信リンクなどの無線通信手段、および／または他の任意の適切な通信手段を使用して、互いと、および／またはネットワーク３６６と通信する。ＷＩＭＡＸは、Ｂｅａｖｅｒｔｏｎ、ＯｒｅｇｏｎのＷｉＭａｘ  Ｆｏｒｕｍの登録商標である。ＩＥＥＥは、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋの米国電気電子学会の登録商標である。
【００３６】
例示的な実施形態では、電気デバイス３３０はプロセッサ３７０も含み、プロセッサ３７０は、メモリ領域３４０に結合され、１つまたは複数の動作パラメータに少なくとも部分的に基づいて入口３２０の条件を計算するようにプログラムされる。一実施形態では、プロセッサ３７０は、集積回路（ＩＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、および／または他の任意のプログラマブル回路などであるがこれらに限定されない処理ユニットを含むことができる。あるいは、プロセッサ３７０は、複数の処理ユニットを（たとえば、マルチコア構成で）含むことができる。より具体的には、例示的な実施形態では、プロセッサ３７０は、材料３１０の存在がプラットフォーム３１４上で検知されるかどうかに基づいて、入口３２０を開くべきかそれとも閉じるべきかを決定するようにプログラムされる。さらに、プロセッサ３７０はまた、センサアセンブリ１２４が検知する各物体３１０を計数するようにプログラムされてもよい。
【００３７】
例示的な実施形態では、電気デバイス３３０は、入口３２０の動作を制御するように構成された制御インタフェース３７６も含む。さらに、例示的な実施形態では、制御インタフェース３７６は、データコンジット３８０を介して入口３２０に結合される。あるいは、制御インタフェース３７６は、入口３２０に無線で結合されてもよい。例示的な実施形態では、制御インタフェース３７６は、入口３２０を開くかまたは閉じるためにデータコンジット３８０を介して入口３２０に電気信号を送るように構成される。
【００３８】
動作中に、例示的な実施形態では、材料３１０がセンサアセンブリ１２４に接近するとき、材料３１０の存在が各センサアセンブリ１２４によって検知され、各センサアセンブリ１２４は、処理および／または解析のために、材料３１０の存在を表すアナログ信号（すなわち、「検出アナログ信号」）を電気デバイス３３０に送る。より具体的には、例示的な実施形態では、信号発生器２１８（図２に示される）は、放射器２０６（図２に示される）の共振周波数に等しいか、および／またはこれにほぼ等しいマイクロ波周波数の少なくとも１つの電気信号（以下では「マイクロ波信号」と呼ぶ）を生成する。信号発生器２１８は、このマイクロ波信号を方向性結合デバイス２１０（図２に示される）に送る。方向性結合デバイス２１０は、マイクロ波信号を送信電力検出器２１２（図２に示される）および放射器２０６に送る。このマイクロ波信号が放射器２０６によって送られるとき、電磁界２０９（図２に示される）は、放射器２０６から外方に、プローブハウジング２０８（図２に示される）から放射される。材料３１０などの材料が電磁界２０９に入る場合、材料３１０と界２０９の間に電磁結合が生じ得る。より具体的には、電磁界２０９の内部に材料３１０が存在するので、材料３１０内での誘導効果および／または容量効果が原因で電磁界２０９が壊れ、それによって、電磁界２０９の少なくとも一部分は、電流および／または電荷として物体に誘導結合および／または容量結合することができる。このような例では、放射器２０６は離調され（すなわち、放射器２０６の共振周波数の減少および／または変更などが発生する）、放射器２０６への負荷が引き起こされる。負荷が放射器２０６に引き起こされることによって、マイクロ波信号の反射が（すなわち「離調負荷信号」）、データコンジット２０４（図２に示される）を介して方向性結合デバイス２１０に向けて送られる。
【００３９】
例示的な実施形態では、離調負荷信号は、マイクロ波信号の電力振幅より低い電力振幅を有し、および／または位相がマイクロ波信号の位相と異なる。さらに、例示的な実施形態では、離調負荷信号の電力振幅は、放射器２０６に対する材料３１０の近さに依存する。方向性結合デバイス２１０は、離調負荷信号を受信電力検出器２１４（図２に示される）に送る。
【００４０】
例示的な実施形態では、受信電力検出器２１４は、歪み信号に含まれる電力の量を測定し、測定された離調負荷信号電力を表す信号を信号調節デバイス２１６（図２に示される）に送る。送信電力検出器２１２は、マイクロ波信号に含まれる電力の量を検出し、測定されたマイクロ波信号電力を表す信号を信号調節デバイス２１６に送る。例示的な実施形態では、減算器２２０（図２に示される）は、測定されたマイクロ波信号電力および測定された離調負荷信号電力を受け取り、マイクロ波信号電力と離調負荷信号電力の差を計算する。減算器２２０は、計算された差を表す信号（すなわち「電力差分信号」）を、放射器２０６に対する材料３１０の近さに関する閾値を用いてプログラムされる閾値検出回路２２２（図２に示される）に送る。より具体的には、例示的な実施形態では、閾値検出回路２２２は、材料３１０が放射器２０６の近傍にあるかどうかおよび材料３１０が電磁界２０９内にあるかどうかを表す値を用いてプログラムされる。
【００４１】
例示的な実施形態では、閾値検出回路２２２は、電力差分信号を、材料と電圧出力信号（すなわち、「検出アナログ信号」）の振幅との実質的に線形の関係を示す検出アナログ信号などの電気出力に変換する。さらに、例示的な実施形態では、検出アナログ信号は、センサアセンブリ１２４に近接して電磁界２０９内にある材料３１０の存在を表す２値出力である。より具体的には、例示的な実施形態では、２値出力は数値０または１を含み、０は、材料３１０がセンサアセンブリ１２４に近接しておらず、電磁界２０９内にないことを示し、１は、材料３１０がセンサアセンブリ１２４に近接し、電磁界２０９内にあることを示す。あるいは、検出アナログ信号は、センサアセンブリ１２４およびシステム３００が本明細書において説明するように機能することを可能にする他の任意の種類の出力であってよい。
【００４２】
さらに、例示的な実施形態では、閾値検出回路２２２は、電気デバイス３３０内での処理および／または解析のためにスケールファクタが有効にされた電気デバイス３３０に検出アナログ信号を送る。電気デバイス３３０が検出アナログ信号を処理および／または解析した後、制御インタフェース３７６は、データコンジット３８０を介して入口３２０に電気信号を送る。例示的な実施形態では、次に、入口３２０が、材料３１０が容器３１８に運び得るように開く。
【００４３】
図４は、センサアセンブリ１２４（図１、２、および３に示される）などのセンサアセンブリを使用して材料１１０（図１に示される）または材料３１０（図３に示される）などの材料の存在を検知するために使用できる例示的な方法４００である。例示的な実施形態では、少なくとも１つのマイクロ波信号が、マイクロ波放射器２０６（図２に示される）に送られる４０２。次に、少なくとも１つの電磁界２０９（図２に示される）が、放射器２０６によってマイクロ波信号から生成される４０４。次に、材料１１０または３１０が電磁界２０９と相互作用するとき、負荷が放射器２０６に引き起こされ４０６、負荷を表す少なくとも１つの負荷信号がマイクロ波放射器２０６からデータコンジット２０４（図２に示される）の内部に反射される。少なくとも１つの信号処理デバイス２００（図２に示される）は、負荷信号を受け取る４０８。次に、材料１１０または材料３１０の存在を表す電気出力が生成される４１０。
【００４４】
材料１１０または材料３１０の存在の検知または非存在の検知は、種々の適用例で使用することができる。一実施形態では、材料１１０の検知は、機械１１２（図１に示される）に結合されたリザーバ１１１（図１に示される）内の材料１１０のレベルを正確に監視するために使用することができる。別の実施形態では、入口３２０（図３に示される）は、材料３１０の存在の検知に基づいて開くかまたは閉じることができる。
【００４５】
上述の実施形態は、材料の存在の検知に使用するための効率的かつコスト効果の高いセンサアセンブリを提供する。具体的には、本明細書において説明する実施形態は、マイクロ波放射器を使用して材料の存在を検知するセンサアセンブリを提供する。さらに、材料の存在または存在の欠如の検知は、制御システムなどの種々の適用例で使用することができる。たとえば、このような検知方法は、製造システム、処理システム、化学システム、および安全システムを含むがこれらに限定されない種々のシステムで使用される適用例のためのスイッチ、レベル検出器、または計数器に使用することができる。マイクロ波放射器ベースのセンサアセンブリでは、既知のシステムと共に使用される既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、および／または静電容量センサと比較して、大きな測定範囲および高い周波数応答を提供する。したがって、材料の存在を検知するためにマイクロ波放射器を使用すると、検知範囲は、材料の存在を検知するために使用できる既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、または静電容量センサと比較して、大幅に拡大する。さらに、センサアセンブリを使用する場所については、既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、または静電容量センサを使用するセンサアセンブリと比較して、制限がはるかに少なくなる。さらに、マイクロ波放射器の周波数応答は既知の渦電流センサ、磁気ピックアップセンサ、または静電容量センサと比較して高いので、本明細書において論じるセンサアセンブリは、より正確な測定値を提供することが可能となる。
【００４６】
材料の存在を検知するためのセンサアセンブリおよび方法の例示的な実施形態が上記で詳細に説明されている。この方法およびセンサアセンブリは、本明細書において説明する特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、センサアセンブリの構成要素および／または方法のステップは、本明細書において説明する他の構成要素および／またはステップと独立して個別に利用することができる。たとえば、センサアセンブリは、他のシステムおよび方法と組み合わせて使用することもでき、本明細書において説明するシステムのみを用いて実施することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、多くの他の測定および／または監視の適用例と共に実施および利用することができる。
【００４７】
本発明の種々の実施形態の特定の特徴が示されている図面と示されていない図面があるが、これは単に便宜のためである。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴は他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求の範囲に記載されてよい。
【００４８】
本明細書では、いくつかの例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示し、また、すべての当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、任意の採用した方法を遂行することを含めて本発明を実施することができるようにする。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、請求項の書字言語と異ならない構造要素を有する場合、または請求項の書字言語とのわずかな違いを有する等価な構造要素を含む場合、請求項の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４９】
１００  システム
１１０  材料
１１１  リザーバ
１１２  機械
１１６  排出管
１２０  燃焼器セクション
１２４  センサアセンブリ
１３０  電気デバイス
１３４  データコンジット
１３６  データコンジット
１４０  コンピュータ
１４４  キーボード
１４６  モニタ
２００  信号処理デバイス
２０２  プローブ
２０４  データコンジット
２０６  マイクロ波放射器
２０８  プローブハウジング
２０９  電磁界
２１０  方向性結合デバイス
２１２  送信電力検出器
２１４  受信電力検出器
２１６  信号調節デバイス
２１８  信号発生器
２２０  減算器
２２２  閾値検出回路
２４０  変換器
２４４  データコンジット
３００  システム
３１０  材料
３１４  プラットフォーム
３１８  容器
３２０  入口
３３０  電気デバイス
３３４  データコンジット
３３６  データコンジット
３４０  メモリ領域
３６０  材料とセンサアセンブリの間のあらかじめ定義された距離
３６４  コンピューティングデバイス
３６６  ネットワーク
３７０  プロセッサ
３７６  制御インタフェース
３８０  データコンジット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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