ES2211831T3

ES2211831T3 - Procedimiento y dispositivo para la deteccion de cuerpos extraños en caudales masicos con ayuda de un resonador de microondas.

Info

Publication number: ES2211831T3
Application number: ES02000725T
Authority: ES
Inventors: Rainer Dipl.-Phys. Herrmann; Stefan Dipl.-Ing. Dr. Zaage; Harald Dipl.-Ing. Ceslik
Original assignee: TEWS Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: TEWS Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2004-07-16
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: US6922061B2; DE50200157D1; EP1327876A1; US20030141880A1; EP1327876B1

Abstract

Procedimiento para la detección de cuerpos extraños en caudales másicos continuos de un material fibroso, con forma de hebra o a del tipo de producto a granel, con ayuda de microondas, en el que el caudal másico se conduce a través del campo de un resonador de microondas y en el que se determina la variación (A) de la frecuencia de resonancia provocada por el material y la variación (B) de la anchura de la curva de resonancia del resonador de microondas, caracterizado porque se evalúa la relación (B/A) de las variaciones y se compara con los respectivos valores medios y se comunica la presencia de un cuerpo extraño cuando la relación de los valores medios difiere en más de un valor predeterminado.

Description

Procedimiento y dispositivo para la detección de cuerpos extraños en caudales másicos con ayuda de un resonador de microondas.

La invención se refiere a un procedimiento para la detección de cuerpos extraños en caudales másicos continuos de un material fibroso, con forma de hebra o del tipo de producto a granel, con ayuda de microondas, en el que el caudal másico se conduce a través del campo de un resonador de microondas y en el que se determina la variación (A) de la frecuencia de resonancia provocada por el material y la variación (B) de la anchura de la curva de resonancia del resonador de microondas.

En numerosos procesos de la industria manufacturadora en la que se tratan productos no metálicos en caudales másicos, los cuerpos extraños que llegan de forma no intencionada al flujo de producto influyen en la mayoría de los casos muy negativamente en las siguientes fases del proceso, la calidad del producto o las plantas de producción.

Por ejemplo, en la fabricación de hilos en la industria textil, la alineación paralela y la homogeneización de las fibras de algodón y de material sintético en hilos y dispositivos de estirado depende de una buena homogeneidad ya en la preparación de la hilatura. La inhomogeneidad en la distribución de la fibra causada por los cuerpos extraños depositados o por los nudos, se traduce en una disminución de la calidad obvia para cualquier cliente del producto final, del material tejido acabado o de la cortina. Por consiguiente, se trata de emitir oportunamente un aviso en la máquina de preparación de hilatura mediante medición con ayuda de resonadores de microondas y, en su caso, proceder a la separación manual o automática del cuerpo extraño.

En la fabricación de cigarrillos, las balas de tabaco suministradas de las regiones cultivadoras de tabaco están a menudo sucias con todo tipo de cuerpos extraños como residuos textiles, trozos de plástico, trozos de goma, alambres metálicos, restos de madera o insectos. También en el largo recorrido desde la preparación del tabaco hasta la máquina para fabricar cigarrillos pueden llegar cuerpos extraños al tabaco simplemente por falta de atención. Por último, un cuerpo extraño no separado en un cigarrillo no sólo significa una extrema reducción de la calidad del cigarrillo, sino también, según el tipo del cuerpo extraño al quemar e inhalar el humo, un riesgo para el consumidor caso de poder generarse ácidos halogénicos como sucede en la combustión de hidrocarburos halogenados. Por lo tanto, se trata de, mediante una detección fiable de cuerpos extraños en un punto en el que ya no puedan llegar más cuerpos extraños al tabaco (por ejemplo, en la formación de la línea de cigarrillos y de su envoltura con papel), proceder a una separación automática de los cigarrillos contaminados con ayuda de un resonador de microondas después del corte de la línea en trozos. Dado que estos cigarrillos separados ya no se pueden reciclar, sino que se queman, por motivos económicos se ha planteado a la técnica de medición un gran reto: la cuota de expulsión errónea en una detección de cuerpos extraños aún fiable no puede rebasar un tanto por mil de los cigarrillos producidos, dado que incluso, con esta cuota, en aproximadamente 200 mil millones de cigarrillos producidos al año normalmente por empresa, 200 millones se destruirían como contaminados.

En muchos sectores de la industria química, los cuerpos extraños no deseados no sólo conducen a una disminución de la calidad del producto, sino también a un deterioro de las plantas de producción. Las fibras de acetato de celulosa (empleadas principalmente para la producción de filtros de cigarrillos) se fabrican a partir de un granulado de acetato de celulosa disuelto en acetona mediante prensado a través de hileras finas. Los cuerpos extraños en el granulado que no se convierten en solución, pueden obstruir las toberas de hilar y provocar roturas del hilo en la fabricación de fibras. El vidrio se fabrica a partir de la fusión de arena cuarzosa. Los cuerpos extraños en la arena cuarzosa pueden causar daños irreparables en los hornos de fusión. Aquí también se trata de detectar la variación de la composición del material en virtud de un cuerpo extraño por medio de la guía del producto a granel a través de una disposición de medición adecuada y de proceder a su separación, sin que las enormes fluctuaciones de densidad que se producen al mismo tiempo en el proceso de vertido, no actúen de forma perturbadora en la medición.

Por lo tanto, por cuerpos extraños se han de entender, por una parte, todas las variaciones graves de la composición física o química de un producto que rebasan en el punto de medición la fluctuación estadística normal de la composición del flujo de producto en un valor medio típico. Entre éstos también cuentan las impurezas metálicas. Por otra parte, también se pueden entender las fluctuaciones importantes del caudal másico en una composición constante, valores mínimos de densidad algo extremos a causa de huecos en el cigarrillo o valores máximos como consecuencia de excesivos porcentajes de cordoncillos o engrosamientos de material en la hebra textil que se forma.

Los procedimientos de detección para los distintos tipos especiales de cuerpos extraños se conocen desde hace mucho tiempo, como por ejemplo, los detectores inductivos de metal (por ejemplo, DE 3714009 A1, Schröder, Fa. Hauni, Hamburgo 1987). Sin embargo, éstos sólo actúan en clases especiales de cuerpos extraños, teniendo un efecto muy limitado y no actuando en la mayoría de los cuerpos extraños.

Los procedimientos de detección de cuerpos extraños en general se conocen, sobre todo, en la industria tabaquera en la última década. Se realizó un gran esfuerzo para aprovechar el comportamiento de flujo modificado de algunos cuerpos extraños para la separación por medio de un remolino de aire especial (por ejemplo, US 5,267,576 Heitmann, Fa. Hauni, Hamburgo 1992) o (WO 00/40105, Rizzolo, Fa. Fabriques de Tabac Reunies, Neuchatel, 1998). No obstante, en este caso sólo se ha demostrado en la práctica el rendimiento limitado de estos equipos. Un porcentaje determinado de, sobre todo, cuerpos extraños gruesos se separa en función de su forma geométrica, aunque no se recoge la mayor parte de cuerpos extraños fibrosos cortados en trozos pequeños.

Se llevaron a cabo muchos intentos para detectar cuerpos extraños con ayuda de detectores ópticos, preferiblemente detectores de infrarrojos, y apartarlos mediante soplado de aire. (US 4,657,144, Martin, Philip Morris, New York, 1985) o (US 5,476,108, Domínguez, R.J. Reynolds Tobacco Company, Winston Salem, 1992). Sin embargo, dado que los sensores ópticos o de infrarrojos apenas pueden penetrar en la superficie del producto examinado, es preciso esparcir el producto en una capa muy fina, a fin de poder detectar ópticamente los cuerpos extraños (DE 4325838, Roether, Hauni, Hamburgo, 1993). Por consiguiente, estos procedimientos sólo se pueden utilizar en las posiciones en las que sea posible una dispersión de este tipo del flujo de material, es decir, por ejemplo, no en la línea de tabaco acabada envuelta con papel. Sin embargo, en este caso las similitudes en la superficie y el color entre los cuerpos extraños y el flujo de producto conducen a que no se detecten muchos cuerpos extraños. La dispersión del flujo principal del producto a examinar también provoca en los índices de caudal, habitualmente altos en los procesos industriales, un remolino del producto, de modo que un cuerpo extraño detectado ópticamente también varía su posición como consecuencia del remolino y no se puede separar mediante soplado.

Se conoce la posibilidad de aprovechar microondas con una longitud de onda muy corta (5 a 3 mm, es decir, en frecuencias de 40 a 90 GHz), cuya longitud de onda debe encontrarse en el campo de expansión de los cuerpos extraños a detectar, con respecto a su comportamiento de dispersión en cuerpos extraños, y utilizarlas para la detección de cuerpos extraños (US 4 707 652, Lowitz, Philip Morris Incorp., New York, 1985). Dado que la penetración de ondas electromagnéticas en un producto dieléctrico se encuentra aproximadamente en el campo de la longitud de onda en virtud de la atenuación de microondas causada por la humedad del material, el comportamiento sólo tiene un efecto limitado como consecuencia de la profundidad de penetración limitada. Además, no sólo actúan cuerpos extraños como centros de dispersión, sino también todas las fluctuaciones de densidad en el flujo normal del producto que no se pueden evitar en el material fibroso típico o en mercancías a granel.

También se conoce un procedimiento radiográfico en el que el producto se encuentra entre una antena de emisión y una antena de recepción, con el que se deben detectar cuerpos extraños (WO 00/09983, Moshe, Malcan Ltd, Nazareth - Israel, 1998). No obstante, este procedimiento tiene el inconveniente que, al igual que en otros procedimientos radiográficos, la señal recibida también depende de forma muy crítica de otras variaciones en el flujo de material. Por consiguiente, el procedimiento es impreciso y requiere una evaluación muy costosa con redes neuronales o "fuzzy logic" (págs. 32/33 del escrito de oposición).

En un procedimiento propuesto del tipo citado al principio (WO 02/09539 A1) se calculan señales de combinación en virtud de las variaciones de la frecuencia de resonancia y de la anchura de la curva de resonancia, a fin de detectar cuerpos extraños.

El objetivo de la invención consiste en proporcionar un procedimiento sencillo y fiable para detectar cuerpos extraños. La solución según la invención consiste en valorar la relación (B/A) de las variaciones, compararla con los valores medios correspondientes y comunicar la presencia de un cuerpo extraño si la relación de los valores medios difiere en más de un valor predeterminado.

Los resonadores de microondas crean en la frecuencia de resonancia una onda estacionaria por medio de la cual, y con ayuda de aberturas especiales y guías de productos revestidas con un material dieléctrico, el material a medir se mueve, incluido el cuerpo extraño a detectar. Mediante la acción recíproca especial entre la microonda estacionaria y el producto se modifican las propiedades de resonancia de los resonadores de microondas. Las ventajas principales de estos resonadores consisten en que gracias a la configuración geométrica es posible adaptarse a las más diversas aplicaciones, en que a pesar de unas longitudes de onda relativamente grandes de hasta 30 cm, es posible alcanzar una zona de alta resolución de la interacción con respecto al producto de hasta 1 mm mediante un enfoque del campo y, en este caso, conseguir además una gran profundidad de penetración en el producto. Por otra parte, al contrario que en las técnicas de medición radiográficas, la medición de las pérdidas de energía de microondas posee, como consecuencia de la absorción en el producto, la calidad de una magnitud medida exacta, lo que no sucede en mediciones radiográficas a causa de las pérdidas por fuga que no se pueden registrar.

Ejemplos de realización para resonadores de este tipo son el sensor de perfil para la creación de una alta resolución local de hasta 1 mm que se puede utilizar con diámetros de probetas de 5-20 mm aproximadamente en la línea de tabaco de una máquina para fabricar cigarrillos o cigarros (EP 0 889 321 A1, Herrmann, Tews, 1998). El sensor planar con una onda estacionaria está indicado para una medición lateral de un producto laminar como bandas de papel, láminas o capas finas, sobre una superficie plana, cuyo campo de dispersión partiendo de la superficie del sensor hacia el interior, disminuye exponencialmente hasta un ensanchamiento de 10 cm (EP 0 908 718 A1, Herrmann y otros, Tews, 1998). Para productos a granel o trozos más anchos de fibra textil resulta apropiado, sobre todo, un tipo de sensor, cuyo campo de medición de microondas se pueda configurar muy homogéneamente en una hendidura de medición de hasta 3 cm de ancho y 30 cm de largo, de modo que la posición del producto en el sensor carece de importancia para la fuerza de la acción recíproca entre la microonda y el producto. Este "resonador de horquilla" es un resonador activado en modo fundamental E010 que se ha abierto en sentido de los flujos de pared, de manera que resulta una zona de medición con un campo de medición extremadamente homogénea (EP 0 468 023 B1, Tews y otros, Tews, 1991).

Como magnitudes de medición directas, la técnica de medición con resonador de microondas nos presenta dos magnitudes: la variación A de la frecuencia de resonancia y la variación B de la anchura de la curva de resonancia frente al estado vacío del resonador. El primer efecto de la desintonización de la frecuencia de resonancia A depende, sobre todo, de la reducción de la longitud de onda a través del producto dieléctrico que en ese momento se encuentra en el campo de medición del resonador (es decir, del, así llamado, componente real de las constantes dieléctricas). El segundo efecto B resulta de la transformación de la energía de microondas en calor que sólo se puede medir con exactitud en el procedimiento de resonador (el "efecto horno microondas" o la, así llamada, parte imaginaria de las constantes dieléctricas). La técnica de medición desarrollada por la solicitante se ha optimizado en la obtención de una alta velocidad de medición y precisión, de modo que después de 0,1 milisegundos sea posible emitir respectivamente un nuevo valor A y B, es decir, 10.000 valores A y B por segundo.

Mediante la valoración de la variación A de la frecuencia de resonancia y la variación B de la anchura de la curva de resonancia se pueden detectar, de forma sencilla y fiable, cuerpos extraños en el caudal másico, comparando los valores medidos continuamente con valores medios y, en caso de una divergencia que rebase una medida predeterminada, notificando la existencia de un cuerpo extraño. Este mensaje puede activar una señal de aviso acústica u óptica o, de un modo ventajoso, provocar con el dispositivo correspondiente una separación de la parte en cuestión del flujo de material.

El método para determinar estas dos magnitudes de medición A y B es secundario. Normalmente, la frecuencia de microondas se modifica de tal manera que se recorre la curva de resonancia momentánea, determinándose así el máximo, la frecuencia de resonancia y la anchura de banda de tres decibelios. A continuación, la comparación con los datos grabados del resonador vacío proporciona las magnitudes de medición básicas A y B. Sin embargo, mediante un seguimiento controlado de la curva de resonancia también es posible conseguir que el equipo de medición accione el resonador siempre en resonancia y deduzca la anchura de banda de tres decibelios a partir de la disminución de la amplitud de resonancia frente a la del estado vacío. O también se pueden utilizar dos o más frecuencias fijas y observar el comportamiento de la resonancia con y sin producto, a fin de llegar a las magnitudes A y B. Incluso en caso de una única frecuencia que se pueda desplazar fácilmente con oscilaciones de barrido, es posible deducir a partir de la señal actual de la parte de la curva de resonancia observada y de su pendiente, la frecuencia de resonancia válida en ese momento y la anchura o la anchura de banda de tres decibelios de la curva de resonancia.

Resulta fundamental para la detección de cuerpos extraños en el flujo de producto observado que ambas magnitudes de medición directas A y B dependan de tres factores:

A = F * K_{A} * M

B = F * K_{B} * M

1. El factor de campo F

Ambas magnitudes A y B dependen de igual modo de la intensidad del campo de medición de microondas que se configura en el lugar de la prueba. En el caso más sencillo, este factor se puede indicar como relación entre la energía de campo eléctrica en la zona de la prueba y la de todo el resonador.

2. La masa M

Ambas magnitudes dependen de la misma forma de la masa M del producto que se encuentra en ese momento en el campo. Hasta ahora, esta sencilla relación lineal ha demostrado su validez en todos los casos de la comprobación práctica. Se podrían representar relaciones más complejas en principio mediante un desarrollo en serie según M con el elemento absoluto que tiende a cero. En realidad, la serie se puede interrumpir con una exactitud satisfactoria después del primer elemento. Esto expresa el hecho de que en una mezcla de material constante son magnitudes proporcionales en masa tanto las diferencias de la parte real, como las de la parte imaginaria de las constantes dieléctricas frente al vacío.

3. Los factores de concentración K_{A} y K_{B}

Éstos expresan qué partes poseen los diferentes componentes de material en la formación de las dos magnitudes A y B. Ambas constantes también son diferentes en la ponderación de los componentes de una mezcla de material en virtud de las diferencias de los procesos físicos que se basan en las magnitudes A y B. Por ejemplo, un cuerpo extraño en forma de un trozo de plástico puede tener una elevada proporción en la desintonización de la frecuencia de resonancia A, pero prácticamente ninguna proporción en las pérdidas de calor B de la energía de microondas. Si la magnitud de concentración del cuerpo extraño en la parte de producto que en ese momento se encuentra en el campo de medición es C_{FK} y C_{H} es la concentración del flujo de producto que en ese momento se encuentra en el campo de medición, a las magnitudes K_{A} y K_{B} se les aplica respectivamente las proporciones relativas de las constantes dieléctricas de los componentes de la mezcla:

K_{A} = E'_{H} * C_{H} + E'_{FK} * C_{FK}

K_{B} = E''_{H} * C_{H} + E''_{FK} * C_{FK}

C_{H} = M_{H} / M

C_{FK} = M_{FK} / M

Por consiguiente, queda claro que la relación entre las dos magnitudes de medición de microondas directas B y A permanecen constantes mientras no varíe nada en la composición del material. Las fluctuaciones de masa en el flujo de producto (por ejemplo, en caso de productos a granel o en la línea de tabaco) influyen en B y A, aunque por el contrario no lo hacen en la relación de ambas magnitudes. En cambio, si varía la composición del producto que en ese momento se encuentra en el campo de medición del resonador, tal vez por la presencia de un cuerpo extraño, también varía la relación B/A.

Por lo tanto, en caso de una composición generalmente constante del material en el flujo de producto, la detección de cuerpos extraños según la invención consiste en que el equipo de medición divide entre sí las dos magnitudes de medición B y A, lleva a cabo la formación de un valor medio de fluctuación y compara cada valor actual B/A con el valor medio de fluctuación. Si el valor individual de B/A difiere del valor medio de fluctuación por encima de un valor mínimo regulable, el cuerpo extraño se considera detectado y se puede activar un aviso de alarma o una disposición electromecánica para la expulsión.

Sin embargo, generalmente la homogeneidad de la composición del flujo de producto no es ideal, sino que se caracteriza por fluctuaciones estadísticas. Esto sucede, por ejemplo, a causa de las fluctuaciones en el contenido de humedad del material, lo que corresponde a una permanente modificación de la composición del material. La variación estadística que se produce del valor de B/A en un valor medio requiere también la separación de la variación de B/A como consecuencia de fluctuaciones estadísticas de material y de la provocada por un cuerpo extraño. En este caso, la divergencia del valor individual frente al valor medio de deslizamiento que excede la fluctuación estadística normal, también representa una escala para la presencia de un cuerpo extraño: el umbral regulable para la detección se debe adaptar a la fluctuación estadística normal.

No obstante, el procedimiento de resonador también se puede utilizar para la detección de cuerpos extraños en caso de oscilaciones de B/A que se produzcan dentro del campo de variación estadístico del flujo de producto. Para ello se puede comparar el efecto de un cuerpo extraño en la expresión B/A con el efecto en la magnitud proporcional en masa A: si, por ejemplo, en el transcurso de B/A se produce un mínimo también dentro de la fluctuación estadística normal, generalmente a causa del rápido movimiento de un cuerpo extraño por el campo de medición, y dicho mínimo coincide con la aparición simultánea de un máximo en el transcurso de A, se puede afirmar con gran probabilidad la presencia de un cuerpo extraño. Este es el caso en cuerpos extraños en forma de plásticos, trozos de goma, etc., que apenas provocan un aumento de A de acuerdo con el porcentaje relativo de la parte real e imaginaria del cuerpo extraño con respecto al porcentaje del flujo de producto. Sin embargo, también hay cuerpos extraños en los que un máximo local de B/A coincide con un máximo de A (por ejemplo, trozos de madera mojados en el tabaco) o un máximo local de B/A coincide con un mínimo de A (por ejemplo, partes ligeras de cuerpos extraños con una densidad reducida y una humedad más alta en el flujo principal con una densidad elevada y una menor humedad). Resulta decisiva para la detección la coincidencia temporal del movimiento en la expresión de concentración B/A y en A. El cálculo de coeficientes de correlación muy limitados en el tiempo es una buena ayuda.

No obstante, en algunas circunstancias la única consulta de la magnitud A tiene sentido para la detección de cuerpos extraños, si, por ejemplo, se debe detectar y clasificar un hueco de material en la línea de tabaco o una compactación de material en fibras textiles. Un punto defectuoso de este tipo se considera detectado cuando el valor individual se ha separado en un umbral mínimo regulable frente al valor medio de fluctuación.

En resumen se puede comprobar que ambas magnitudes de medición del resonador de microondas B/A y A son apropiadas para la detección de cuerpos extraños. Por una parte, se pueden valorar por separado: B/A resulta adecuada en caso de cuerpos extraños suficientemente grandes que varían la composición del material de una forma mucho más intensa que la variación que se produce como consecuencia de fluctuaciones estadísticas normales. A está indicada para la detección de fluctuaciones de masa extremas como las que se producen en agujeros o compactaciones. En ambos casos se compara la divergencia del valor individual de cuerpo extraño de microondas B/A o bien A con el valor medio de fluctuación de B/A o bien A y, en caso de rebasar un umbral regulable, se muestra como señal de cuerpo extraño. En el otro caso, si las señales de cuerpo extraño no son tan marcadas, la coincidencia en el tiempo de valores extremos de B/A y de A, así como la determinación de una estrecha correlación entre ambas señales proporcionan una señal fiable de la existencia de un cuerpo extraño. La distinción de los diferentes casos se puede llevar a cabo automáticamente durante la medición.

Claims

1. Procedimiento para la detección de cuerpos extraños en caudales másicos continuos de un material fibroso, con forma de hebra o a del tipo de producto a granel, con ayuda de microondas, en el que el caudal másico se conduce a través del campo de un resonador de microondas y en el que se determina la variación (A) de la frecuencia de resonancia provocada por el material y la variación (B) de la anchura de la curva de resonancia del resonador de microondas, caracterizado porque se evalúa la relación (B/A) de las variaciones y se compara con los respectivos valores medios y se comunica la presencia de un cuerpo extraño cuando la relación de los valores medios difiere en más de un valor predeterminado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se utilizan valores medios que fluctúan.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque en caso de comprobar la existencia de un cuerpo extraño se emite una señal de aviso.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque en caso de comprobar la existencia de un cuerpo extraño se separa una parte del caudal másico que contiene el cuerpo extraño.