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    雙波段微波測量技術用于紙張的水分與密度測量

                                           作者：羅炳杰，沈艷東，左一陽

在許多工業流程中，水分含量是一個*快速準確記錄的重要參數。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，測量不應改變所研究的材料性質。 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有技術，規避上述技術的缺點。并且可以連續重復使用：使用雙波段微波測量技術來測量物料水分。

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

雙波段微波測量技術

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不僅具有電測量的優點，而且具有

                  非接觸、無損傷

連續、實時、精度高

無毒、無污染等*優點。

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來測量水分含量。相較于近紅外與高頻電容的優點是：

靈敏度比近紅外高

能實現在線連續測量

測量出結果速度快、比輻射法*

容易將測量結果轉為主流信號輸出

不會對材料的物理性質與化學性質造成破壞

                    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，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。由于與取向相關的電荷傳輸，位移電流流動并且介電常數（介電常數）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和損耗因子的變化。2.45 GHz的ISM（工業，科學，醫療）頻段的優勢在于該領域有許多廉價的集成微波電路。在該頻帶中，離子電導率實際上不再發揮作用。

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

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

雙波段微波測量技術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生一個固定的帶有空間膨脹的電磁場。產品在此磁場中會和電磁場之間產生*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。這種現象致使電磁場*減少。磁場*損失是第一個參數。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生變化。通過對比空氣和測量產品時的傳感器中的電磁波的傳播速度，確定*參數。測量系統用了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]。

水測量的結果取決于測量間隙的側面，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。因此，紙的含水量反映了紙的絕緣性，可以用微波技術精確測量。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。從而這項技術適合應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勢

測量過程可在幾分之一秒內檢測表面和核心水分，并且使用的微波穿透整個產品。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的，長期穩定的測量，校準工作量低，因為它的測量獨立于產品的顏色，結構和表面。平面傳感器設計用于工業用途。這種無干擾且深入到產品內部的微波場保證了測量結果的準確性。緊湊型設計，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實現了對于紙張水分與密度的同時測量。

使得造紙行業對于紙張的產品質量控制有了更多的選擇，快速測定水分與密度有利于企業

自動化管理。同時合二為一的測量設備也為企業的生產設備安裝節省了開支與安裝空間。