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雙波段微波測量技術(shù)用于紙張的水分與密度測量

                                               作者：羅炳杰，沈艷東，左一陽

在許多工業(yè)流程中，水分含量是一個*快速準確記錄的重要參數(shù)。通常，惡劣的工況會妨礙傳感器的正常工作，比如高溫、低溫、震動等。此外，測量不應(yīng)改變所研究的材料性質(zhì)。 否則此類方法就不符合在線測量的要求。本文旨在概述使用一種新的現(xiàn)有技術(shù)，規(guī)避上述技術(shù)的缺點。并且可以連續(xù)重復(fù)使用：使用雙波段微波測量技術(shù)來測量物料水分。

造紙行業(yè)屬于薄利行業(yè)，因此在企業(yè)追求紙張質(zhì)量的過程中，成本是一個非常重要的因素。紙張的質(zhì)量取決于紙張的水分，韌性，密度等，但每個數(shù)據(jù)都需要不同的檢測儀表來完成，這對企業(yè)來說是非常大的負擔。本文旨在提出一項新的技術(shù)來嘗試將水分與密度測量合二為一，在為企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量提升同時盡可能付出較少的成本。

雙波段微波測量技術(shù)

目前，水分的測量方法很多，近紅外、高頻電容等但他們各自都有很多致命的缺點。而雙波段微波水分測量技術(shù)不僅具有電測量的優(yōu)點，而且具有

非接觸、無損傷

連續(xù)、實時、精度高

無毒、無污染等*優(yōu)點。

利用微波和水的共振特性來測量水分始于19世紀40年代。它利用顆粒中的水分間接吸收微波*或微波腔共振頻率和相位參數(shù)來測量水分含量。相較于近紅外與高頻電容的優(yōu)點是：

靈敏度比近紅外高

能實現(xiàn)在線連續(xù)測量

測量出結(jié)果速度快、比輻射法*

容易將測量結(jié)果轉(zhuǎn)為主流信號輸出

不會對材料的物理性質(zhì)與化學性質(zhì)造成破壞

微波特性

微波是介于普通無線電波(長波、中波、短波、超短波)與紅外波之間的波段。它屬于無線電波中波長*短、頻率*高的波段。頻率范圍為300 MHz(波長lm)*300GHz(波長0。5%)。lmm）根據(jù)波長的不同，可將微波波段劃分為四種波段，即暗色波、準波和亞波。微波可以深入到材料中或甚*完全穿透材料。微波與水或其他極性物質(zhì)的相互作用是由于水分子在施加的電場中自身對齊的特性。

將電場電極反轉(zhuǎn)，分子會重新排列對齊。在低頻率下，水分子可以毫無延遲地跟隨電場。由于與取向相關(guān)的電荷傳輸，位移電流流動并且介電常數(shù)（介電常數(shù)）非常高（在T = 25℃時?= 79）。增加頻率，當前場強極性的分子的取向滯后。 這會導(dǎo)致材料中的熱量損失（耗散）。在弛豫頻率下，*耗散*大。因此，介電損耗可以通過損耗因子計算表示為百分比的虛部，具有*大值。

因此，介電損耗可以通過損耗因子計算表示為損耗的虛部，具有*大值。在高于弛豫頻率的頻率，相互作用,然而，由于弛豫過程基本上比共振機制更寬，因此即使在水含量的波動的顯著更低的頻率下也可以測量介電常數(shù)和損耗因子的變化。2.45 GHz的ISM（工業(yè)，科學，醫(yī)療）頻段的優(yōu)勢在于該領(lǐng)域有許多廉價的集成微波電路。在該頻帶中，離子電導(dǎo)率實際上不再發(fā)揮作用。

圖1：微波諧振器的密度無關(guān)校準。測量與空氣測量有關(guān)。如果針對共振頻率偏移繪制帶寬變化，則針對每個濕度產(chǎn)生直線的特定斜率

新一代微波水分測量技術(shù)實現(xiàn)了快速*的測量產(chǎn)品的特性，并且彌補了微波水分儀的部分缺點。源自德國的2PMR技術(shù)與相應(yīng)的測量技術(shù)有效的避免了一般情況下產(chǎn)品密度對測量的影響。在煙草業(yè)和造紙業(yè)中，能夠快速準確的測量產(chǎn)品水分對于生產(chǎn)而言意義重大。因此新的2PMR技術(shù)對于造紙業(yè)的中間產(chǎn)品以及終端產(chǎn)品的水分信息有著非常重要的作用。

雙波段微波測量技術(shù)運用水分子在交換電場的交換作用。

測量所需的電磁波耦合到傳感器中。其中由于傳感器的幾何形狀產(chǎn)生一個固定的帶有空間膨脹的電磁場。產(chǎn)品在此磁場中會和電磁場之間產(chǎn)生*交換。水分子是一種強極性分子，在磁場中他的運動方向會與磁場的極性保持一致。這種現(xiàn)象致使電磁場*減少。磁場*損失是第一個參數(shù)。此固定的電磁場顯示出特征性的自振（共振）。

                             圖2：微波諧振器示意圖

電磁波在密度較大的產(chǎn)品/材料中比在空氣中傳播得更慢。由于傳感器的介入，電磁波傳播速度以及傳感器的共振發(fā)生變化。通過對比空氣和測量產(chǎn)品時的傳感器中的電磁波的傳播速度，確定*參數(shù)。測量系統(tǒng)用了2個控制固定頻率的微波諧振器，一個封閉的震蕩器作參照，另一個在測量腔內(nèi)來測量。固定頻率和基準之間的頻率差是由測量間隙決定的，基準和被測對象之間的差異是間隙濕度的值^[1]。水測量的結(jié)果取決于測量間隙的側(cè)面，因此間隙的測量用作水分測量的補償。

因為水和纖維具有不同的介電常數(shù)。因此，紙的含水量反映了紙的絕緣性，可以用微波技術(shù)精確測量。傳感器是一個微波腔諧振器，其中一個諧振頻率對絕緣性和腔體中的原材料敏感。另一個諧振頻率對原材料不敏感作為參考，頻率二者之間的差異是基本的測量信號，用軟件綜合定量和水分重量可以得到紙張水分的百分比。從而這項技術(shù)適合應(yīng)用于紙張的水分測量。

該測量方法為日常實踐中的用戶提供的優(yōu)勢

測量過程可在幾分之一秒內(nèi)檢測表面和核心水分，并且使用的微波穿透整個產(chǎn)品。避免了由于表面干燥和水分分不均勻布引起的不正確的測量。獨立于密度的測量允許在產(chǎn)品流中進行測量。安裝簡單，不需要恒定的層厚度或體積密度。測量方法提供可重復(fù)的，長期穩(wěn)定的測量，校準工作量低，因為它的測量獨立于產(chǎn)品的顏色，結(jié)構(gòu)和表面。平面?zhèn)鞲衅髟O(shè)計用于工業(yè)用途。這種無干擾且深入到產(chǎn)品內(nèi)部的微波場保證了測量結(jié)果的準確性。緊湊型設(shè)計，便于在各種位置安裝傳感器。

END

全新的雙波段微波測量技術(shù)實現(xiàn)了對于紙張水分與密度的同時測量。使得造紙行業(yè)對于紙張的產(chǎn)品質(zhì)量控制有了更多的選擇，快速測定水分與密度有利于企業(yè)的自動化管理。同時合二為一的測量設(shè)備也為企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備安裝節(jié)省了開支與安裝空間。