技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 已进行了进一步传统的尝试，以便或者仅仅测量连续过程系统中食物微粒的温度或者测量该食物微粒的温度和停留时间两者。例如由Kantt等人在Journal of Food Science(食物科学杂志)Volume 63，No.2(1998)(第63卷第2期(1998))上发表的“Temperature Mapping of Particles During Aseptic Processing with Magnetic Resonance Imaging(“利用
磁共振成像进行在无菌处理期间的微粒的温度映射”)中所公开的磁共振成像温度测定法，是无阻隔和无接触方法，但并没有快得足以提供内嵌的实时测量。需要花费八秒来对单幅64×64的截面温度图进行成像。然而，在该时间期间，大量的产品可能穿过未被监测的检测器。因此，能够观测的截面的数目是非常有限的，即不可能针对所有可能的情况确定实现致死热处理的初始位置的检测。
[0011] 其它传统的具有相关联的缺点的方法包括执行热阻植入的方法。其中的一个示例是在授予Ghiron等人的美国专利No.5,722,317中公开的局部
磁性温度测量方法，其致
力于使用球形顺磁微粒作为
植入物和缠绕在管上的
传感器线圈作为传感器。然后，该方法根据三个传感器线圈的信号实现下降的
磁场强度与温度增加之间的相关以计算植入物温度。然而，由该方法采用的在所测量的磁场与增加的温度之间的负相关可能会引起不守恒的温度估计，即最终的计算结果可能指示比植入物中实际存在的温度更高的温度。这是因为以下事实：除了植入物中温度增加以外，磁场降低还可能由多种因素引起，例如由其它材料(例如，存在的其它食物微粒)的检测障碍。更进一步，磁性温度测定法非常易受
电磁干扰的影响，从而大幅增加了
数据采集的复杂性或所采集数据的准确性。
[0012] 授予Palazoglu等人的美国专利No.7,112,954公开了另一方法，其利用沿同一磁极彼此附接且固定在模仿真实食物微粒的性质的载体微粒中的两个以上磁体的磁场强度的变化。这些磁体利用具有特定释放温度的
粘合剂以简单且强制的附接方式放置。当粘合剂在规定的
阈值温度下
熔化时，至少一个磁体旋转到异性极，从而在磁场中产生了可检测的改变。针对给定的磁体对，假设在过程系统中检测到磁场中的这种改变的位置为模拟微粒温度到达阈值温度的位置。该方法的缺点在于，与Ghiron等人所公开的方法类似，不提供直接的温度测量。相反，仅仅提供温度的间接指示。进一步，最终的温度指示仅仅是指示位于粘合剂的预定阈值温度之上，而不是直接的数值温度值。进一步，没有一种在多个磁体对同时引入系统时唯一地识别一个磁体对的方法。
[0013] 因此，现有技术需要对热处理后的具有多个组成食物微粒的异质
流体的颗粒温度进行直接监测的系统和方法。
发明内容
[0014] 根据本发明，公开了利用
专用集成电路(ASIC)为批或连续热处理(例如颗粒食物杀菌、灭菌和/或保存处理)提供与过程相关的数据的方法和装置。优选地，所述电路被嵌入经受这种处理的微粒中，并且描述了用于提供至少接近实时的过程控制的方法，该至少接近实时的过程控制源自由经受这种处理时的电路提供的过程数据。
[0015] 用于监测批或连续热处理的过程条件的优选系统，利用至少一个专用集成电路(ASIC)，该专用集成电路可被
射频信号识别并且与能够测量至少一个过程条件的至少一个传感器连接。该系统进一步具有至少一个能够与该电路通信的收发机以及至少一个嵌有该电路的微粒。该微粒在具有经受直接热处理、间接热处理或其它食物加工处理的多种组成食物微粒的异质流体内经过。在适当的情况下可以采用无菌处理或非无菌处理。嵌有电路的微粒可以是实际的组成微粒或模拟任意数目的组成微粒性质的微粒。
[0016] 一些目前优选的系统利用放置在天然组成微粒内的电路。另一些目前优选的系统利用放置在经过连续过程系统的模拟微粒内的电路。这种电路可以暴露在微粒的表面处，或者可以安置在微粒内，优选在至少接近微粒的中心的位置处，以便该微粒模仿天然组成微粒的至少一个物理、热或介电特性。
[0017] 感兴趣的物理特性可以包括但不限于
含水量、含盐量、形状和/或密度。仅仅作为示例地，介电特性可以包括导电系数、磁导率、相对
介电常数、相对介电损耗系数和/或介电损耗
角。
[0018] 另一些优选的方法进一步包括数据日志系统，用于测量并存储与由至少一个嵌有电路的微粒测量的至少一个过程条件相关的信息。可以沿处理通道的至少一部分进行这种数据日志，可以在沿处理通道的至少一个离散位置处进行这种数据日志，或者可以沿处理通道的至少一部分并在沿处理通道的至少一个离散位置处进行这种数据日志。相应地，这种数据日志可以是连续的、间断的或者两者的结合。
[0019] 能够利用这种系统进行测量的过程条件可以包括例如但不限于：液体pH值、颗粒温度、液体温度、颗粒速度、颗粒位置、颗粒旋转、液体速度、液体营养特性、化学特性、系统压力、颗粒方位、颗粒位置和/或液体盐分。营养测量例如可以识别可能存在于异质流体的液体组分中的糖、
蛋白质、
淀粉和/或各种维他命或矿物质的量、浓度或比率。营养测量可以进一步包括识别各种
植物化学物质的量、浓度或比率，这些植物化学物质例如但不限于植物固醇、类胡萝卜素、三烯生育醇、异黄
酮、Ω-3
脂肪酸、磷脂、核苷、核苷酸、胺基
葡萄糖、阿魏酸和/或香豆酸。
[0020] 颗粒或液体温度测量值可以被测量为从约-40℃到约200℃，优选在100℃到140℃之间。优选的系统可以以1℃的
精度来测量温度。系统压力测量值可以最高达1kpsi，优选最高达150kpsi。
[0021] 测量过程条件的又一优选方法利用至少一个可被射频信号识别的专用集成电路，该专用集成电路具有至少一个能够测量至少一个过程条件的传感器，在异质流体中提供专用集成电路，并且在过程系统内的至少一个位置处测量由电路确定的至少一个过程条件。该位置位于沿处理通道的长度的至少一部分、在处理通道的遇到收发机的离散截面处，或者两者处。采用这种方式，例如可以测量相对于过程空间的颗粒方位、颗粒位置或两者。
附图说明
[0022] 图1为示出热处理系统的各种部件的示意图。
[0023] 图2为示出与实际的天然食物微粒相比具有嵌入式换能器的嵌有电路的微粒的示意图。
[0024] 图3为示出与实际的天然食物微粒相比的嵌有电路的微粒的平面截面的示意图。
[0025] 图4为示出嵌入式换能器的放大示意图。
[0026] 图5为示出与处理管连接的传感器天线的分解示意图。
[0027] 图6为示出沿处理通道长度的至少一部分进行的测量和在处理通道的离散空间平面进行的测量的示意图。
具体实施方式
[0028] 结合在连续流动换热器中对颗粒食物进行杀菌的过程来描述根据本发明的优选方法和装置。应当理解，本发明广泛应用于任意类型的过程监测，包括连续或批处理在内，特别是利用在任意维度中尺寸近似为5mm(或更小)的小设备无线测量过程参数的过程监测。
[0029] 以其它方式已知并用在多种工业中的专用集成电路(ASIC)用于各种传感应用。合适的印刷
电路板组件(PCBA)根据其应用可以具有不同的部件并且可以通过利用不同的协议操作。在除了传感之外还期望标识(ID)时，片上存储设备可以用于存储唯一ID。在这种系统中，由集成电路(IC)传送的传感数据伴随有芯片的ID。通信协议可以是有线的或者是无线的。对于无线应用，这种通信可以通过利用无线
电信号建立，与
射频识别(RFID)系统中提供的通信协议类似。在一些情况下，连接到IC的天线用于接收并发送无线电信号到收发机。包括天线的这种单元经常称之为换能器。
[0030] 图1示出作为连续烹饪过程的例证的装置1，其中在配菜汤中的诸如蔬菜之类的食物微粒在流动的流中被杀菌。应当理解，图1所示的装置1仅仅是示例性的，并且可以根据本发明类似地实现能够处理多种不同食品中任意食品的多种不同系统中的任意系统。
[0031] 在所示出的装置1中，并且如在工业中以其它方式已知并常见的那样，汤在混合壶2中进行混合，并且混合后的汤通过定时泵3被泵浦到管状换热器的管中。泵的速度可以利用可变
频率的
驱动器进行调节以维持规定的流速，可以利用流量计4来测量该流速。混合后的汤通过定时泵3的排放口(discharge)进入杀菌换热器中，经过加热部分5、保温部分6和冷却部分7，然后灌装到容器中。取决于包括装置1的各种管的直径，可以调节总保温管长度和产品流速以到达预定的保温时间。正位移泵25优选放置在冷却部分7的排放口与下游灌装设备之间，并且可以用于通过控制泵25的速度来调整贯穿各种管的背压。
[0032] 根据本发明，提供嵌有电路的食物微粒8，其可以在食品的积极制备期间经过装置1。嵌有电路的食物微粒8优选被配置为监测最慢变热且最快流动的食物微粒经过装置1的
进程，并且可以或者利用天然的食物微粒实现，或者用以天然食物微粒的形状形成的模拟食物微粒实现。
[0033] 参见图2，嵌有电路的食物微粒8可以合并嵌入天然组成的食物微粒或模拟食物微粒中的封装换能器10，优选地，合并到食物微粒8的中心或至少接近食物微粒8的中心。最好如图4中示出的那样，换能器10包括具有嵌入ASIC的印刷电路板组件(PCBA)18，该嵌入ASIC具有用于监测期望的参数(例如温度和/或压力)的集成传感器。为了通信的目的，天线19与PCBA连接，并且优选在PCBA周围空气盘绕(air-coiled)。为了避免放电，换能器10也优选利用合适的绝缘材料17进行罐装，如以其它方式已知并用在工业中的那样。
对于用模拟食物微粒实现的嵌有电路的食物微粒8，换能器10优选被封装材料9包围，该封装材料9可以被选择为匹配天然食物微粒的某些物理、热和/或介电性质，包括但不限于几何形状、体积、密度、热扩散率、热导率、
比热和/或电导率。
[0034] 过程系统中最快流动的微粒一般会是相对于液体流具有中性
浮力的微粒。实现中性浮力的实施方式是将微粒的密度与液体的密度进行匹配。为了匹配天然食物微粒的密度，在选择模拟食物微粒的封装材料9的密度时应当考虑换能器10的密度和体积。
[0035] 为了确定封装材料9的热扩散率，第一步是确定哪些天然食物微粒在其最冷点处热得最慢。这可以通过将所有实际的天然食物微粒暴露到同一临界条件下同时监测这些微粒在其中心点处的温度来试验确定。这还可以在已知所有实际的天然食物微粒的热扩散率的情况下通过理论手段确定。在这种情况下，有限元建模(FEM)
软件可以用于确定最慢变热的食物微粒。一旦确定了最慢变热的食物微粒，就可以确定封装材料9的热扩散率。
[0036] 图2示出最慢变热的食物微粒11和嵌有电路的食物微粒8两者。对于所示的嵌有电路的食物微粒8，封装换能器10被放置在中间，并且
密封剂9包围换能器10。如果微粒形状不是不规则形状，则可以利用对称性来确定封装材料的热扩散率。在该示例性
实施例中，最慢变热的食物微粒11和嵌有电路的食物微粒8具有直角棱镜的形状，例如可能遇到的立方体胡萝卜。应当理解，嵌有电路的食物微粒8的形状可以根据需要而变化，并且可以包括规则和不规则形状两者。
[0037] 图3示出模拟食物微粒15和天然组成的食物微粒16两者，它们已经沿三个平面对半切割以充分利用对称性。食物微粒12的中心点是其最冷的点。对于模拟食物微粒15，相应的点13位于换能器体积内，并且换能器体积内的
传热机制由于其异质特性而复杂。因此，做出如下保守的假设：由换能器10测量的温度等于换能器10的到密封剂9的外表面具有最短距离的表面的温度。在图3所示的例证性实施例中，距离14是最短距离。这导致这样的假设：由换能器10测量的温度与位置25处的温度相同。这是保守假设，因为换能器10内的温度传感器在换能器的内层，并且只要换能器在变热，其温度传感器测量的温度就将低于位置25处的温度。利用这种保守假设，密封剂9的热扩散率应当被选择为使得在食物微粒16和模拟食物微粒15被暴露到同一临界条件时，点12处的温度将与位置25处的实际温度相同或略高于位置25处的实际温度。这可以通过利用FEM或其它合适的软件反复试验(trail and error)来确定。
[0038] 热扩散率是热导率、密度和比热的函数，并且可以利用以下公式来计算：
[0039]
[0040] 其中是α热扩散率，k是热导率，ρ是密度，并且Cp是比热。由于之前已确定了封装材料9的密度，因此可以利用FEM分析的结果来计算热导率与比热的比率。涂覆封装材料的方式取决于所选择的材料。可以利用不同的灌封(potting)材料以及相应的不同涂覆方法来进行封装。无论以何种方式涂覆封装材料9，传感器10任凭用户处理而放置在封装内。优选地，封装的换能器10被放置在至少接近封装的中心的位置。更进一步，封装的换能器10根据需要可以暴露在封装的表面处，或者在封装内。
[0041] 可以在某点处利用与嵌有电路的食物微粒8邻近的收发机天线24检测嵌有电路的食物微粒8。由于封装的换能器10在定时泵3的影响下在装置1的处理管中行进，并且在灌装站中结束行进，因此收发机天线24优选被安置为在与装置1的产品管邻近的所选择的位置处。因为在食品工业中使用的传统处理管由不锈
钢(其将阻挡射频(RF)信号)制成，因此无论RF天线放置在何处，产品管优选被提供有等效RF透明管，例如玻璃或
聚合物管。所选择的RF透明管材料还应当耐高温和耐高压。通过示例的方式，图5示出与RF信号透明管21结合的
不锈钢(SS)端部20。
[0042] 图5进一步示出合适的RF收发机天线24的示例。至少一个天线结构23可以用在单RF收发机天线24内。在该例证性示例中，天线结构23包括用于向换能器10供电的驱动天线以及用于从换能器10接收回信号的接收天线，以形成作为收发机操作的天线结构23。为了最大化天线结构23与换能器天线19之间的信号强度，驱动天线和接收天线围绕中空管22盘绕，该中空管22具有比接纳它的产品管的直径略微大的直径。然后，中空管22优选容纳在防水盒26中以保护它免受环境的影响。
[0043] 无论需要在哪里监测条件测量的食物微粒8(例如，ID和温度)，收发机天线24都被安置在装置1的处理管周围。图1示出包括五个收发机天线24的例证性实施例(但是其它配置同样可以)。
[0044] 合适放置收发机天线24便于在各个收发机天线24与封装换能器10之间进行适当的可重复通信，该封装换能器10以在食物杀菌应用中正常观测到的流速在经过处理管的食物混合物内移动。优选地，这些位置沿处理通道的长度的至少一部分、在处理通道的遇到收发机的离散截面处，或者沿处理通道的长度的至少一部分并在处理通道的遇到收发机的离散截面处。相应地，这种位置可以如图1所示，在加热部分5的入口处、在加热部分5的中间、在保温部分6的入口(加热部分5的出口)处、在保温部分6的出口(冷却部分7的入口)以及在冷却部分7的出口处，或者在任意其它期望的结合中。收发机天线24的数目和位置可以根据需要而变化。
[0045] 优选提供数据日志系统，用于测量和可选地存储或记录关于由至少一个嵌有电路的食物微粒8测量的至少一个过程条件的信息。这种数据日志可以是连续的、间断的或者其结合，并且进一步设想位置和数据日志实施例。例如，可以针对处理通道的某些部分记录过程信息，并且在规定的位置处读取这些信息，或者针对大部分处理通道记录和存储过程信息，并且在处理完成之后在收发机处并且在距过程空间一定距离处读取这些信息。
[0046] 图6和图1中示出某些位置和数据日志实施例。当条件测量的食物微粒8通过收发机天线24时，例如利用能够与相对应的无线收发机29进行通信的通信模
块27将经过的时间、换能器10的温度和换能器10的ID传送到计算机28，用于实时数据监测和存储。作为替代，可以类似地使用有线通信。每个收发机天线24优选连接到独立的通信模块27。
[0047] 当数据由通信模块27发送到计算机28时，计算机获取换能器10所经过的收发机天线24的ID。计算机还可以根据需要获取通信模块27的标识(ID)。该数据允许为经过过程系统的每个换能器10创建时间-温度-位置历史。然后，编译后的数据可以用于分析类似的模拟微粒的停留时间(RTD)和温度的变化。这可以用于优选利用在装置1的加热部分5中累积的致死率以及在保温部分6中累积的致死率，开发食品的杀菌或灭菌的计划方法。更进一步，所测量的过程条件可以用于提供至少接近实时的反馈，从而可以控制定时泵3或背压泵25来改变由嵌有电路的食物微粒8经历的处理时间。采用这种方式，可以避免与颗粒食物的加热和流动特性有关的某些过于保守的处理假设，这可以最小化加到产品中的超出实现商业杀菌所必需的点之外的热负荷量，从而潜在地提高食品的感官品质和营养价值。这允许通过利用受监测的过程数据来优化食品。
[0048] 可以利用前述过程系统来实现更进一步的过程优化。例如，本发明的某些实施例可适合于监测用于在连续或批
烤箱操作中制作诸如馅饼、甜饼、面包等之类的
烘焙物的烘焙过程。嵌入的颗粒8可以在操作期间放置在烘焙物的表面处或下面。采用这种方式，所采集的数据可以用于优化诸如加热、冷却和冷冻循环之类的热处理，并且用于识别产品和/或烤箱中诸如热点和冷点之类的热变化。
[0049] 应当理解，虽然基于包括
指定部件的特定实施例对本发明进行了描述，但本发明进一步包括所描述的部件的所有能够实现的等同方式，并且在以下
权利要求中所表述的本发明的原理和范围内，本领域技术人员可以对在此处为了说明本发明的特性而进行描述并示出的部件的细节、材料和布置进行各种改变。
