传感器系统以及传感器的制作方法

专利名称：传感器系统以及传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量用于包装件生产的消毒i殳备中消毒 剂浓度的传感器系统。本发明还涉及一种用于包装件消毒的设备， 其包括该传感器系统。本发明还涉及一种用于测量气态消毒剂浓度 的传感器。
背景技术：
用于容器8消毒的一种设备如图1所示(来自于SE0203692-9 )。 该设备1典型地由被分成数个区域的罩组成。在第一区域，即加热 区域2中，引入热空气用于加热包装件。在第二区域，即消毒区域 3中，引入过氧化氢用于消毒该经加热的容器8。过氧化氢通过喷 嘴13被注入。在第三区域，即排放区域4，引入热的经消毒气体用 于排放容器8，以及在最后区域，即填充区域5中，包装件8填充 入经消毒的内容物。容器8通过设置在传送带10上的设备1被传 送。在图1中，容器的闭合顶端ll朝下放置，而它们打开的底端 12朝上。气态的过氧化氢通常以液态形式提供给气化器(图未示)， 在该气化器中它与加热的经消毒空气气流混合。消毒剂和空气流被 注入到消毒区域3中的分立容器8中。消毒的程度取决于多种因素， 如单个的包装件8暴露于过氧化氢的浓度、暴露时间、温度等。过 低的过氧化氢浓度会导致消毒程度的不充分，而过高的浓度可带来 在经填充的包装件8中的过氧化氢剩余，这是不可接受的。另外， 过高的浓度在经济上是不利的。在一个备选的相关消毒方法中，消 毒剂^皮允许冷凝在包装件的表面并由此^皮蒸发。 另一种用于包装件消毒的设备如图2所示。在该设备21中， 利用引导辊25、 27的方式，包装材^牛巻材24^皮引导通过包含有液 态过氧化氢溶液的处理池29。离开该处理池29后，巻材在两个才齐 干辊31 ( squeegee rollers )之间经过，4吏过氧4匕氢均匀；也分布在巻 才才24上。'然后巻才才(web ) 24通过入口 39进入力口^!室37,并矛j用 引导辊33、 35的方式，该巻材被引导通过该加热室37，最后通过 出口41，巻材离开该加热室37。该力。热室37包4舌力o热酉己置，示意 性地用虚线框43表示，其用于实现巻材上过氧化氢的蒸发。显而 易见地，蒸发率取决于例如加热温度以及过氧化氢的环境浓度。如 杲在加热室中的过氧化氢浓度过低，过氧化氢将会过快蒸发，从而 导致不能完全消毒的风险。另一方面，如果浓度过高，当巻材离开 加热室后，该巻材上保留过氧化氢残留的风险会加大。图2中还显 示了主催化剂45,主催化剂45在过氧化氢释》文入环境空气之前， 对其进行分解。
明显地，在上述任何情况下，对消毒剂浓度的精确测量是至关 重要的。如果浓度测量方法粗略，则会导致过多的消毒剂一皮^吏用， 因为需保证确定量的最低消毒水平。这进而会导致更长的蒸发时 间，从而减緩了生产率。
传统:t也，浓度测量通过以下两种方式中的一种进^亍
间4妻测量，例力o通过测量与加热空气的质量;充量或体积:流量相 结合的液态消毒剂的质量流量或体积流量的方式，以及通过测量如 温度和压力等参H的方式进行。间4妻测量方法的优点是其通常成本 低、测量精确(至少经4交长时间测量后)。而其缺点的例子为，在 响应变化方面，它相当纟爰'隄，因为其测量消毒剂和空气随时间的平 均消耗，这会导致消毒剂非最优化量的使用。另外，用于有效处理 控制的关《建信息涉及针对每个单个包装件的信息。该信息可确^呆安
全处理、可追溯性以及最低损耗。但该关键信息不能利用所述间接 方法获得。
直接测量，例如，通过在特定位置i更置浓度传感器进行直才妄测 量。目前为止，所用的一些已有浓度传感器被证明是精确的，但大
体上，它们(例如IR-传感器的情形)非常易于损坏、体积过大并 且对于期望的应用而言价格过于昂贵。
另外，传感器需要被设置的环境较为苛刻，因为过氧化氢具有 腐蚀性，因此首要标准是传感器材料能够经受该苛刻环境。第二个 标准是该传感器材料不应使该不稳定的过氧化氢品质降低。传感器 通常仅与整个消毒剂体积的一'J、部分接触，因此第二标准不如第一 标准要求那么严格。
经消毒意口未着去除或杀灭孩i生物至适应于特定应用的确定程 度。根据应用，可选"^不同的杀菌水平，以符合包装产品期望的上 架寿命。
本文中，消毒处理为用于进行的与物体消毒相关的操作的通用 术语，例如，上述处理中的一种、用于暴露该消毒剂的气体生成、 之后的蒸发和/或在暴露后排;改以去除消毒剂。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种传感器系统，当用于消毒处理 时，其可消除或至少减少现有技术中存在的缺点。本发明的另一个
目的是提供一种消毒设备，其通过使用本发明的传感器系统可容许 改进的处理控制。这些目的通过根据权利要求l中的系统以及利用 所述系统的设备实现。优选的实施方式在从属权利要求中4皮露。
因此本发明涉及一种用于测量用于包装件生产的消毒i殳备中
消毒剂浓度的传感器系统。该系统包括传感器，适于设置在消毒气
体中，用于测量该消毒气体的浓度；电子处理电^各，用于测定来自 于该传感器的l餘出，以及i/o单元，用于与处理4空制系统相通信。 本发明的传感器系统进一步包括高压电源供应，用于该传感器才喿 作；第一电极，该第一电极与设置为距其一段距离的第二电极一起 形成电暈间隙(corona gap )。当电压施力口在该间隙，并且电晕电;充 在该电4及之间流动时，该系统利用该间隙的电特性测量以确定在该 间隙中消毒剂的浓度。
本发明的传感器系统提供了 一种简单、价格合理以及可靠的在 线浓度测量。其简单确保了传感器系统的坚固耐用。其合理的成本 可使必要时在单个的消毒i殳备中i殳置ft个传感器，而不显著影响该 消毒设备的总成本。该测量的可靠性和精确度确保了进行预定程度 的消毒的同时，消^毛最少量的消毒剂的可能性。该传感器系统确保 了监测单个容器的消毒程度。在一些方面偏离的容器(涉及它们的 消毒剂暴露)可^皮分别标记，并—皮丟弃或留待后续处理。
在一个或多个实施方式中，该系统可包括"没置于同才羊消毒气体 中的温度传感器。使用温度传感器确保了传感器输出和环境气体温 度的相关性。因为该输出多少与温度相关，因此为4青确地得出该消 毒剂的绝对浓度，使用温度传感器是必要的。
该第 一 电极也可具有比该第二电极低的电位。该关系被称作 "负电4立"。为该电晕间隙l吏用负电位已一皮i正明可导致在水和消毒 剂之间的改进的区別，这确保了对消毒剂的改进的测量以及区别水 和消毒剂的可能性。
在一个或多个实施方式中，该系统适于倾4+变4匕(ramp)施加 在该电晕间隙的电压，并测定所4f的作为电压函凄t的该电晕间隙的
电特性，以推断冷凝和/或该传感器的状态。消毒剂的冷凝在很多消 毒处理中是 一 个关键参数。利用本发明的用于该测量的传感器系 统，可高度精确及高速率地确定冷凝的发生(例如，实际露点)。 电压的倾斜变化还可4全查该电晕间隙的状态，并由此自动地传送状
态信息至控制系统。通过该方式，该传感器系统的维护可针对单个 的应用特别进行，从而降低了维护成本。
在一个或多个实施方式中，该第一电才及具有尖端头的形式，并 且该第二电极提供了 一种保护结构，优选地以大致上U形环或圆顶 形的形式。利用周围保护该电极的结构作为4妻地点，可减少该传感 器中部件的数量。另外，绕电极的较少的材料增加了该电极周围气 体的流动，这改进了精确度，同时不显著影响消毒气体的气流。由
于基本上相同的原因， <吏用u形环也减少了存在于消毒剂中的化学 稳定剂在该环绕结构上的堆积。该第二电极还可具有L的形式(相 比普通的火花塞的电极)。
在一个或多个实施方式中，该第一电才及、第二电才及和温度传感 器(当存在时)可通过普通的绝缘体引导，该绝缘体优选地由陶瓷 材料构成。使用普通的绝缘体确保了传感器的简单和坚固耐用。使 用陶瓷材料从多个方面看都是合适的。例如，陶瓷是一种优良的电 绝缘体、耐受性强、并且符合高卫生标准。其他潜在的材料包括玻 璃，聚合物等。
在本发明的一个实施方式中，提供了一种用于包装件消毒处理 的设备，所述设备包括一种独创的传感器系统。该用于包装件消毒 处理的设备可进一步包括使某个包装件、包装件组、或者包装材料 巻材的一部分与施加在该特定包装件、包装件组或者包装材料巻材 的 一部分上的消毒剂浓度相关的装置。该后续特征实施了 一种对本 发明的传感器系统有益的特征。它使该消毒处理时间上更有效率、 更加节省成本并且更加可靠。这些后续的处理的例子包括，但不局
限于，容器或容器组的物理标记、记录浓度测量到预定的容器标识，等。
总的来说，利用本发明系统的消毒设备可受益于所有与本发明 的传感器系统有关的优点。
本发明还涉及一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消 毒剂浓度的传感器。所述传感器适于设置在消毒气体中，用于测量 该消毒气体的浓度。该传感器的特征在于它包括第一电才及，该第一 电极与设置为距其一段距离的第二电极一起形成电晕间隙，该两个 电才及连4妻到电压电源供应，以及当电压施力口在该间隙、并且电暈电 流在该电才及之间流动时，该系统利用该间隙的电特性测量，以确定 在该间隙中消毒剂的浓度。


图1是第一容器消毒设备的透视图，部分被切去；
图2是第二容器消毒设备的剖面侧视图2和图3中的设备在先已经存在；
图3是关于电晕释放原理的说明性略图4是显示电晕电流测量原理的电路框图5是显示出实验结果的图表；
图6是电暈电流作为电晕电位函数的图表，分别在该电暈电极 上冷凝以及不冷凝；
图7是在本发明的一个实施方式中4吏用的浓度传感器的剖面透 视图，其设置于管道中。
具体实施例方式
在集中讨论本发明的传感器系统之前，以下参考图3，简要讨 i仑电晕电流测量的一些原理性方面。
图3是显示电晕释放原理的说明性略图。第一电极101设置为 距连接到地电位的第二电极102 —段距离，两个电极一起形成电晕 间隙。在该实施例中，It kV的正电位施加到该电4及，/人而形成电 场，由电场线110表示。带来的结果是，自由电子111开始在施力口 的电场中运动，从而形成电流或电暈电流。当电子接近电极IOI时， 它们会加速到与中性分子112的碰撞将产生更多自由电子的程度， 々。此反复。这种雪崩,爻应会》文大该电晕电流。
上述处5里中的马区动力为电才及101、 102之间电4立的相^寸差，并 且上述或以下实施例中为第二电极102使用地电位不应当从限制的 意义上理解。用语"正电位，，是指上述情况，其中第一电极101具 有比第二电极102高的电位，但它们可以在该限定内，同时为负、 同时为正、或者各为正负。
如果离子，尤其是带负电的离子113,存在于电晕间隙中，它 们会p及收石並才童电子111, 乂人而消除一些雪崩分支，并在电晕电;克中 产生可标i己及可测量的减少。
施加在电暈间隙上的电压产生通过电晕间隙的电暈电流，,人而 可赋予该间隙电阻性、导电性和其它电特性。以下参考图4,解释 了一种实验性的设置。
该电才及， 一种尖的金属端头101，由开口的金属罩体102环绕。 该罩体102设计为允许气体自由通过，并且设计为保护该尖端头IOI 免受机械破坏。端头101优选地通过无孔陶瓷绝缘体103,与其周 围(包括金属罩体102)电绝缘。罩体102通常可通过电导线200 连接到地电位。该组件i殳置于气体104 (例如湿空气)中，在该气 体104中，期望获得过氧化氢蒸汽的浓度。
由稳定的电源202产生的高直流电压(典型地3-8kV)通过电 导线201和电阻105施加到端头101。该电压足以在该金属端头101 的自由端产生稳定的电晕释放106,通过测量流经它的电流，可得 出该电晕释》丈106的大小，该电流可义人在电阻105产生的压降107 计算得出。观察发现该电流的大小，以及由此导致的压降107,大 约与过氧化氢的浓度成反比。有多种用于测量高压电^各中部件(例 如电晕间隙)电特性(对应于电暈电流、电晕导电性等)的才支术， jt匕处不再"^细"i寸i仑。
与上述的原理性讨论相关，过氧化氢气体是带负电的，这意味 着分子具有捕获自由电子的趋势。当被引入到电晕间隙中时，过氧 化氢分子将会作为电子清除剂，捕获通过电暈间隙产生电流的自由 电子。因为相比电子，分子具有很大的质量，因此它们会有效地降 低电流。该电流的降低(或者电阻的增加)是可测量的，并且与间 隙中的过氧化氢浓度成正比。在过氧化氢的分解过程中，形成羟基 自由基团，它们甚至是更强的电子清除剂。最终，这些种类会有效 i也固定电子，并由jt匕降〗氐电晕电流。
在涉及包装件消毒的实际应用中，与水和稳、定剂相混合的过氧 化氢通常用作过氧化氢源。这意味着在电暈间隙中还存在有水分 子。在有关本发明的观察中，该存在在评价该传感器信号时^皮补偿。
图5的图表显示了过氧化氢浓度随时间的实际变化，该浓度变 4匕用白线表示，其由测量电晕电流(由实线表示)而测定。由该图 可明显看出电暈电阻(或电流)与过氧化氢浓度的高度相关性，从 而可利用电暈电流作为过氧化氢浓度的测量。测量曲线周围的多条 线只于应于相7于实际变的+/-10%的间隔。
在利用气态消毒剂消毒的过程中，露点是重要的。在一些情况 下期望避免消毒剂的冷凝，而在另一些情况下，冷凝是期望的结果。
但在任何情况下，期望对冷凝的发生进行可靠的测量。图6示意性
地显示了如何通过电晕电压/电位和电晕电流之间的相关性，利用本
发明的传感器系统确定冷凝存在。在图6中，显示了两个曲线。第 一曲线(实线)显示了不带有冷;疑的曲线冲羊态。在电暈电位乂人零倾 斜变化并增加的过程中，电晕电流将会为零，直至到达确定的阈值 电位。这对应于显著的电子产生雪崩开始发生时的电位。在该阈值 后，电晕电流正比于电暈电位增加。第二曲线(虚线)显示了冷凝 存在于电才及上时的才羊态。这会导致泄漏电流，在图中明确J也显示为 在阈值电位以下(伪)电暈电流明确地增加。电位的倾斜变化可容 易地操作。
该传感器系统多功能的另 一 个示例为其操作可被持续或以固 定的间隔进行监测。这可通过例如监测基于天到天的阈值电位。随 着电极的损耗，阈值电位将会改变，这使在不拆除传感器的情况下 进行维护或置换成为可能。监测该操作的另一种方式是如在露点测 量中一样倾存牛变化该电压，或,人负电位到正电位倾斜变化该电压。
在消毒处理中，消毒剂的浓度可能緩慢变化或者不变化。电暈 电流的突发峰点表示一种物理对象已撞击到浓度传感器。因为物理 对象在消毒处理中不期望出现，因此该信息对于处理控制是重要的。
在传感器系统中使用的传感器300的 一个实施方式以下将会参 考图7进4亍说明，其中传感器300i殳置在管道310中，在该管道310
中过氧化氬的浓度将一皮测量。
传感器300包括第一电极301,其为尖金属端头的形式，以及 第二电才及302,其为U形环303的形式。该环303还在处理和-使用 中保护第 一 电极301 。第 一 电极301和U形环302设置于绝缘体303 中，该绝缘体303由电绝缘材料制成。当为特定目的用于消毒设备 时，绝缘体303需由符合现存标准的材料制成，例如涉及食品处理 的卫生标准。已证明可候选的材料种类的示例为陶瓷、玻璃或聚合 物。在该显示的示例中，绝缘体303包括陶乾材料。陶资绝缘体303 进而设置于套管311中，套管311优选地由不4秀钢制成。传感器还 可包括温度传感器312,其为热电偶形式。需要精确的温度测量以 精确测量浓度，因此优选使用原位测量。套管311 一皮装入管道310 的开口 ，并且密封元件(图未示)可被设置于周缘凹槽313中，从 而当该套管311的凸乡彖通过紧固套环314朝向管道310压迫时，密 封该开口，紧固套环314旋入到管道310。
有限种类的材料可理论上适合于传感器的作用部分(通常是电 才及301、 302)。该初3+不应一皮过氧4^氢降角竿，也不应降解过氧化氢。 这些材料的示例包括不锈钢和铝，但数种其它材料也是可能的。实 际应用中，对于测量物质的合适的传感器应答可比第二标准、甚至 第一标准更为重要。另外，电才及可包4舌多种才才津+,例如由一种材泮牛 形成芯，并涂敷另一种材料。
在实际应用中，该传感器系统设置在消毒设备中。在如图1所 示的设备l的情形，消毒剂被喷射到单个的容器内，传感器大致位 于管道中，该管道导引消毒剂到喷射孔13。在如图2所示的设备 21的情形，带有消毒处理室29和加热室37，传感器大致i殳置于加 热室37中的合适位置。在浓度测量过程中传感器300由带有可变 输出的高压电源进行供电。来自于传感器的信号在微处理器中进行 处理，在该樣i处理器中该电暈间隙相关的电特性一皮得出。该樣i处理 器与处理控制单元相通信，在该处理控制单元中， 一艮据浓度测量， 决定采耳又何种^亍为。这些^亍为包4舌，4旦不限于，^!亭止处理、增加消 毒剂的量、减少消毒剂的量、标记出不充分消毒或过量消毒的容器 等。
在后附权利要求中引用的标号仅用于解释性的目的，而不应理 解为限制该权利要求的范围。
权利要求
1.一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消毒剂浓度的传感器系统，所述系统包括传感器(300)，其适于设置在消毒气体中，用于测量该消毒气体的浓度；电子处理电路，其用于测定来自于该传感器(300)的输出，其中该传感器系统进一步包括I/O单元，用于与处理控制系统相通信；其特征在于，该传感器系统包括用于操作该传感器的高压电源供应，第一电极(301)，该第一电极(301)与设置为距其一段距离的第二电极(302)一起形成电晕间隙，以及当电压施加在该间隙并且电晕电流在该电极(301、302)之间流动时，该系统利用该间隙的电特性测量，以确定在该间隙中消毒剂的浓度。
2. 根据权利要求1所述的传感器系统，进一步包括设置于该相同 消毒气体中的温度传感器(312)。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中该第 一电 极(301)具有比该第二电极低的电位。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中该系统适 于倾斜变化施加在该电晕间隙上的电压，并测定所得的作为电 压函凄t的该电暈间隙的电特性，以4#断冷;疑和/或该传感器(300)的状态。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中该第 一 电才及(301 )具有尖端头的形式，并且该第二电才及(302 ) ^是供一 种J呆护结构，该4呆护结构伊二选;也为大致上U形环或圆顶形。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统，其中该第 一 电 极(301)、该第二电极(302 )以及，当存在时，温度传感器(312)通过普通绝缘体(303 )引导，该绝缘体(303 )优选 地由陶瓷材并+构成。
7. —种用于包装件消毒处理的设备，其包括根据前述权利要求中 ^f壬 一 项所述的传感器系统。
8. 根据权利要求7所述的设备，进一步包括使某个包装件、某包 装件组、或者包装材料巻材的一部分与施加在该特定包装件、 包装件组或者包装材料巻材的 一部分上的消毒剂浓度相关的装置。
9. 一种用于测量用于包装件生产的消毒i殳备中消毒剂浓度的传 感器，所述传感器适于设置在消毒气体中，用于测量该消毒气 体的浓度，其特^正在于，该传感器包4舌第一电才及(301 )，该第一电 极(301 )与设置为距其一段距离的第二电极(302 ) —起形成 电暈间隙，该两个电才及连4姿到电压电源供应，以及当电压施加 在该间隙并且电暈电流在该电才及(301、 302 )之间流动时，通 过该间隙的电特性测量，确定在该间隙中消毒剂的浓度。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量用于包装件生产的消毒设备中消毒剂浓度的传感器系统，该系统包括传感器(300)，适于设置在消毒气体中，用于测量该消毒气体的浓度；电子处理电路，用于测定来自于该传感器(300)的输出，其中该传感器系统进一步包括I/O单元，用于与处理控制系统相通信。该传感器系统进一步包括用于操作该传感器的高压电源供应，第一电极(301)，该第一电极(301)与设置为距其一段距离的第二电极(302)一起形成电晕间隙。当电压施加在该间隙，并且电晕电流在该电极(301、302)之间流动时，该系统利用该间隙的电特性测量，以确定在该间隙中消毒剂的浓度。本发明还涉及一种传感器。
文档编号G01N27/68GK101349674SQ20071016552
公开日2009年1月21日 申请日期2007年10月26日 优先权日2007年7月19日
发明者佩尔·奥兰德斯, 安东尼·格劳泽, 安德斯·彼得松, 托尔比约恩·罗森勒夫, 爱德华·科尔比 申请人:利乐拉瓦尔集团及财务有限公司