一種新型的多頻譜微波水分儀

一種新型的多頻譜微波水分儀一、前言微波是一種電磁波，利用微波在特定頻段（1GZH-5GGZ）對(duì)水分子的敏感特性來(lái)測(cè)量物體中的含水率就是微波水分儀。當(dāng)今微波水分測(cè)量技術(shù)越來(lái)越普遍的應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)。該測(cè)量技術(shù)主要用來(lái)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程中物料的水分含量，以便企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效控制生產(chǎn)過(guò)程，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益。二、微波水分儀的基本組成與原理微波水分儀通常由以下幾部分組成：1發(fā)射天線、2接收天線、3微波功能發(fā)生器、4微波水分變送器、5校準(zhǔn)軟件。其基本原理原理如下：發(fā)射天線把微波功能發(fā)生器的發(fā)出的微波能量微波穿透被測(cè)物料，到達(dá)接受天線，接收天線接收到微波能，然后反饋給微波變送器。當(dāng)微波穿透物料時(shí)，由于物料中的水分子是極性分子，會(huì)吸收微波，產(chǎn)生鍵腳振動(dòng)，將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。因此產(chǎn)生了微波相位的差別和振幅的衰減，依靠這兩個(gè)量可以計(jì)算物料中水分的含量。這是微波測(cè)量的基本原理。三、單頻段（2.4GZH）微波水分儀測(cè)量時(shí)所面臨的困難采用2.4GHZ頻段用來(lái)測(cè)量水分是一種聰明的選擇，因?yàn)樗肿釉?.4GZH頻段這個(gè)區(qū)間是最敏感的。而且市場(chǎng)上常用的無(wú)線通訊頻段也是這個(gè)頻段（如大家常用的無(wú)線WIFI）這樣在儀器的生產(chǎn)過(guò)程中可以找到很通用的微波器件。但是單純的2.4GZH在做在線測(cè)量時(shí)面臨很多的困難：因?yàn)槲⒉芰康乃p和相位的變化不僅僅受物料的含水量變化而變化，它還受物料的溫度、密度、厚度、粒度等種種因素影響，如果單純采用能量衰減的比例關(guān)系來(lái)測(cè)量水分，必須會(huì)受以上因素影響，而無(wú)法精確測(cè)量阻尼衰減測(cè)量時(shí)會(huì)遇到溫度的影響，如下表所示：溫度[°C]010203040506075阻尼衰減(dB/cmH2O)7,475,364,033,052,421,911,531,16上述表格顯示，當(dāng)溫度變化10度時(shí)，每cm水分的阻尼數(shù)值變化非常明顯。因此當(dāng)實(shí)際測(cè)量時(shí)物料溫度有大范圍波動(dòng)時(shí)，并且采用阻尼衰減來(lái)測(cè)量物料水分時(shí)，會(huì)受到溫度變化的嚴(yán)重影響，因此一些微波測(cè)量系統(tǒng)必須要添加溫度測(cè)量?jī)x來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償無(wú)論是采用相位差法或者是阻尼衰減法，都不可避免的會(huì)受物料密度變化的影響。當(dāng)一定體積中被測(cè)物料的密度變化時(shí)，微波水分測(cè)量?jī)x將無(wú)法精確的反應(yīng)被測(cè)物料的真實(shí)含水量。比如：當(dāng)一定體積的10公斤含水10%的煙包A經(jīng)過(guò)微波測(cè)量?jī)x時(shí)，微波測(cè)量?jī)x反應(yīng)該物料含水10%。當(dāng)相同體積的20公斤含水10%的煙包B經(jīng)過(guò)時(shí)，這時(shí)微波測(cè)量?jī)x認(rèn)為煙包B含水20%。因?yàn)闊煱麭的重量增加了，密度變大了，單位體積中水分含量增加了，但是實(shí)際上煙包B的真實(shí)水分含量還是10%。生產(chǎn)中物料的重量和密度是無(wú)法保持嚴(yán)格一致的。因此上述物料密度的變化對(duì)微波水分測(cè)量造成嚴(yán)重的不可避免的影響。目前普通的微波水分測(cè)量?jī)x為規(guī)避該上述影響，需采用了各種各樣的補(bǔ)償手段，主要有：重量補(bǔ)償，密度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償?shù)鹊?。還有很多因素?zé)o法用補(bǔ)償來(lái)完成的，比較配方的變化或原料自身產(chǎn)地、形態(tài)的變化都無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)償。四、一種多頻段微波水分儀為了克服以上2.4GZH微波水分儀在測(cè)量時(shí)所遇到的困難，德國(guó)默斯（MOSYE）公司專(zhuān)門(mén)研發(fā)了一款基于1GHZ—5GZH這一微波帶寬之間的連續(xù)多頻譜微波水分儀。德國(guó)默斯(MOSYE)公司為什么要采用多頻連續(xù)微波來(lái)解決問(wèn)題呢？請(qǐng)繼續(xù)往下看。微波測(cè)量水分主要因?yàn)樗值慕殡娦再|(zhì)，介電常數(shù)可以表示為：?r=?′r-j(?′′r+?/ω?0)式中?′′r為介電損耗，?/ω?0為導(dǎo)電損耗，ω和微波頻率成正比關(guān)系。當(dāng)?shù)皖l時(shí)，導(dǎo)電損耗占主導(dǎo)地位，因此需要提高頻率，使介電損耗占優(yōu)勢(shì)，這樣才能精確測(cè)量物料中的含水量。比如煤炭，煤炭中的礦物質(zhì)容易在水中形成離子導(dǎo)電，產(chǎn)生導(dǎo)電損耗，當(dāng)煤炭水分小于10%，微波發(fā)射頻率在1GHz到3GHz之間時(shí)，導(dǎo)電損耗有明顯的影響，使得微波衰減和含水量之間的關(guān)系并不明顯。當(dāng)微波頻率高于3GHz后，介電損耗占優(yōu)勢(shì)，微波衰減和含水量成明顯的線性關(guān)系，如下圖所示：因此不同的物料、不同的量程范圍其水分子對(duì)微波能的吸收峰都是不同的，在一個(gè)寬頻區(qū)間，如何選取適合的頻率段只能由被測(cè)物當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)決定。因此采用多頻連續(xù)微波頻譜可以有效采集被測(cè)物在高低頻區(qū)間的全部的微波特性。然后通過(guò)自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)算法，由儀器自主學(xué)習(xí)找到測(cè)量的最佳校準(zhǔn)模型和曲線關(guān)系。這樣就為規(guī)避物料的溫度、厚度、密度等因素帶來(lái)的測(cè)量影響提供很好的方法。所以：默斯（MOSYE）公司的這款水分儀最大的特點(diǎn)在于采用連續(xù)多頻譜分析方法，從1GHZ—5GHZ連續(xù)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行快速掃描，得到被測(cè)物的微波特性。然后，智能自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)算法，讓儀器自主去學(xué)習(xí)被測(cè)特的微波特性。這種自學(xué)習(xí)算法，可以主動(dòng)過(guò)濾和去除因物料溫度、厚度、密度、粒度等因素帶來(lái)的測(cè)量影響，從而實(shí)現(xiàn)精確的在線測(cè)量。五、默斯多頻微波與2.4G單頻段微波的不同點(diǎn)1、硬件上：多頻微波采用1GHZ—5GHZ的連續(xù)多頻段微波，以每10μS一個(gè)掃描周期，以0.02GHZ為間隔連續(xù)從1GZH到5GHZ掃描100次。多通道輸出，可以同時(shí)測(cè)量水分和密度。有遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能有一鍵標(biāo)定功能（在一定條件下）單頻段微波以2.4G為測(cè)量頻段的單頻微波，以每100MS為掃描周期，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行單頻段掃描。2、軟件上：多頻微波由于掃描次數(shù)多，測(cè)量頻帶寬（1-5GZH）每次測(cè)量可以得到更多的被測(cè)物微波特征。也能夠得到更多的測(cè)量分辨率和測(cè)量點(diǎn)數(shù)。這為智能學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)算法提供了良好的數(shù)據(jù)源。有了神經(jīng)網(wǎng)算法，能夠更好的適用于工況復(fù)雜，環(huán)境惡劣的在線測(cè)量領(lǐng)域。自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)算法加上相位與頻幅的比值算法，可以通過(guò)數(shù)據(jù)模型規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)物料厚度、高度、密度、配方變化等帶來(lái)的測(cè)量影響。并或以通過(guò)設(shè)置，自動(dòng)過(guò)濾無(wú)效測(cè)量和干擾頻譜。2.4G單頻段微波：每次掃描測(cè)量只能得到一個(gè)微波阻尼值。這個(gè)阻尼值對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值，然后形成線性校準(zhǔn)曲線。因此只能采用線性標(biāo)定。單純的阻尼線性標(biāo)定校準(zhǔn)，無(wú)法適用物料厚度的度化、物料皮帶高度的變化、物料密度的變化、物料配方的變化、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度的變化所帶來(lái)的阻尼變化對(duì)測(cè)量的影響。因此很難適用在線測(cè)量。六、多頻微波展示圖解1、多頻譜展示打開(kāi)默斯的水分儀校準(zhǔn)軟件，讀取測(cè)量頻譜和測(cè)量值。在原始數(shù)據(jù)顯示界面中可以看到每次掃描的頻譜曲線圖：如圖1所示圖示中的每根折線，代表著每次測(cè)量從1GHZ—5GHZ的掃描頻譜的微波能。2、打開(kāi)默斯水分儀的樣品列表欄可以看到每次測(cè)量取樣系統(tǒng)5個(gè)平均頻譜計(jì)算值對(duì)應(yīng)的標(biāo)實(shí)驗(yàn)室水分、儀器自動(dòng)計(jì)算得到的測(cè)量水分、校準(zhǔn)絕對(duì)差值等信息。如圖所示：圖示中：W1,的值是1GHZ這個(gè)區(qū)間頻譜值。W2,的值是2GHZ區(qū)間，W5是5GHZ區(qū)間的頻譜值黃色列