微波水分檢測系統(tǒng)的設(shè)計

微波水分檢測系統(tǒng)的設(shè)計

0微波水分檢測技術(shù)水的檢測和控制對許多行業(yè)都非常重要。在一些工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的方法通常用于完成低流量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的測量水分是采用烘干法,這是一種很準確的方法,但是,一次簡單的測量要用很長的時間,使它對于實時水分控制不適用。一種很典型的水分測量的替代方法就是在低頻或者直流狀態(tài)下測量電導(dǎo)率σ,這種方法的主要缺點是σ不僅由所含水分的多少決定,而且,還與混合物中離子的密度有關(guān),而離子的密度是由被測物的質(zhì)量來決定的,所以,對每一種不同的被測物都要進行一次新的校準,使得這種方法在很多的應(yīng)用中不合適?；谖⒉ǖ乃謾z測具有以下優(yōu)點:檢測速度快、靈敏度高、便于動態(tài)檢測和實時處理控制、對環(huán)境的敏感性較小和可以在相對惡劣環(huán)境條件下進行;微波檢測不僅提供了很好的穿透深度,且對顏色、溫度、顆粒大小和鹽分物質(zhì)的敏感性小。微波水分檢測的被測參量可以是單參數(shù),也可以用比對參量方法消除某些影響測量精度的物性參數(shù)的作用,從而獲得高精度檢測;微波系統(tǒng)可以由固態(tài)器件組成,故檢測裝置堅固可靠;水分微波測定方法屬于深度檢測技術(shù),這比之紅外等表面檢測技術(shù)要優(yōu)越得多。與傳統(tǒng)的低頻檢測方法(如,電容法、電阻法)不同,微波水分檢測屬于高頻方法。其原理是利用微波作用于物料產(chǎn)生的功率變化、幅度變化、相位變化或頻率變化信息來計算物料水分含量。專用于物料水分檢測的微波方法可分為:微波反射法、微波透射法和微波諧振腔法。本文采用透射法,使用頻率為10.43～11.46GHz的微波,對一定厚度的物料水分進行了在線檢測,取得了較好的測量結(jié)果。1材料的等效介電常數(shù)純水的相對介電常數(shù)在低頻段大約是80,在微波頻段有所減小,在10GHz頻率處變成大約是60。但是,虛部反而在微波頻段增大,在大約20GHz頻率達到最大值。一般物質(zhì)的相對介電常數(shù)是遠小于水的,因此,含水混合物的介電常數(shù)將隨著它所含水分的多少而變化,且作為極性分子的水分子在微波場的作用下極化,表現(xiàn)出對微波的特殊敏感性。水分子對微波場的宏觀作用效果,使微波電場能量發(fā)生變化,微波接收器拾取的能量變化就反映了水分子的多少,即物料中含水量的多少。在10GHz頻率以下,微波的衰減受水中的鹽分等影響較大,而在這個頻率以上則可以忽略,因為這個特性,10GHz頻率的微波在水分測量中被廣泛應(yīng)用。目前,已經(jīng)得到了含水混合物的等效介電常數(shù)的關(guān)系式為εeff=1+13[FVΗ2Ο(εΗ2Ο-1)(εΗ2Ο+2)εΗ2Ο+1+FVmat(εmat-1)(εmat+2)εmat+1]1-23(FVΗ2ΟεΗ2Ο-1εΗ2Ο+2+FVmatεmat-1εmat+2),(1)εeff=1+13[FVH2O(εH2O?1)(εH2O+2)εH2O+1+FVmat(εmat?1)(εmat+2)εmat+1]1?23(FVH2OεH2O?1εH2O+2+FVmatεmat?1εmat+2),(1)式中εH2O為水的介電常數(shù);εmat為干物質(zhì)的介電常數(shù);系數(shù)FVH2O,FVmat分別為水的體積分數(shù)和干物質(zhì)的體積分數(shù),只要知道干物質(zhì)的介電常數(shù)εmat,水分值就可以從混合物的等效介電常數(shù)εeff推導(dǎo)出來。從式(1)中可以清楚的看出:因為一般情況下水的介電常數(shù)εH2O遠大于干物質(zhì)的介電常數(shù)εmat的值,當含水量增加時,即水的體積分數(shù)FVH2O增大,物料的體積分數(shù),FVmat減小,混合物的等效介電常數(shù)εeff增大,這與實際情況相符。微波透射法測量水分的系統(tǒng)是利用被吸收的微波能量與水分子的極化相對應(yīng),當電磁場作用在介質(zhì)上時,由于介質(zhì)的馳豫過程,電磁能量消耗在介質(zhì)中,這之間的相互作用體現(xiàn)在有效復(fù)介電常數(shù)上ε=ε′-jε″.(2)這個相對復(fù)介電常數(shù)的實部ε′稱為介電常量,虛部ε″稱為介電損耗因子,介電常量ε′是用來描述物質(zhì)儲存能量本領(lǐng)的,而介電損耗因子ε″是描述電磁能量在介質(zhì)中的損耗。當一個平面電磁波作用在介質(zhì)上的時候,在自由空間與介質(zhì)的交界面上有一部分進入介質(zhì),另一部分被反射,進入介質(zhì)的微波被介質(zhì)衰減后,在另一側(cè)被接收,如圖1所示。式(3)和式(4)分別給出了經(jīng)介質(zhì)透射后相移和衰減與ε′,ε″的函數(shù)關(guān)系ε′=(1+Δ?λ0360d)2,(3)ε′=(1+Δ?λ0360d)2,(3)ε″=ΔAλ0√ε′8.686πd,(4)式中Δ?為有無被測物時相位的變化;ΔA為有無被測物時衰減量的變化;λ0為自由空間的波長;d為被測物的厚度,即ΔA=8.686πλ0?ε″√ε′d.(5)式(5)表明:當波長λ0和樣品的厚度d確定了以后,微波能量的衰減量變化ΔA是介電常數(shù)的函數(shù),可以通過檢測接收天線的信號能量測量物料的水分。微波透射法水分檢測系統(tǒng)如圖2所示。由電源和振蕩器構(gòu)成微波信號源,這里使用5V穩(wěn)壓電源、10.5GHz頻率微波振蕩器(采用美國Hittite公司HMC513LP5/513LP5型VCO,調(diào)諧范圍在10.43～11.46GHz;并且,輸出功率為5mW)。隔離器使正向傳輸?shù)牟o衰減或衰減很小地通過,而對于反向傳輸?shù)牟ㄓ休^大的衰減,在微波檢測系統(tǒng)中使用隔離器的目的是使信號源穩(wěn)定地工作。衰減器用來限制或控制系統(tǒng)中的功率電平。微波發(fā)射器和接收器是指發(fā)射、接收微波的天線。一般使用喇叭天線,其增益高(增益高達20dB),方向性好。檢波器和選頻放大器實質(zhì)上為放大濾波電路。由于微波信號需要調(diào)制,檢波后,要經(jīng)帶通濾波器后再進行放大,以保證測量精度。顯示器用于顯示檢測電平值。實際還要加上無損耗的保護層。2接收功率衰減量隨時間的變化利用該系統(tǒng)對一個工業(yè)過程中的產(chǎn)品進行了水分在線檢測,不同的水分含量,由于其極化、介質(zhì)損耗等造成的微波功率衰減量也隨之顯著變化,導(dǎo)致接收的解調(diào)電平明顯變化。表1是在恒溫27℃的環(huán)境下,對一個干燥過程的測量結(jié)果。表1的數(shù)據(jù)反映不同的水分含量所對應(yīng)的不同收信電平,從顯示的接收電平來看,分辨力約為5%。并且,進行了多次測試,重復(fù)性好,測量范圍很大,完全可以用于在線