雙波段微波測量技術用于紙張的水分與密度測量

                                               作者(zhe)：羅炳杰，沈艷東，左(zuo)一陽(yang)

在(zai)許多工業(ye)流程中(zhong)，水分含量(liang)是一個*快速準確記(ji)錄(lu)的(de)重要(yao)參數。通(tong)常，惡劣(lie)的(de)工況(kuang)會妨礙傳感器的(de)正常工作，比如高(gao)溫、低溫、震動等。此(ci)外，測(ce)量(liang)不應改(gai)變所研(yan)究的(de)材料(liao)性(xing)質。 否則此(ci)類方法就不符合在(zai)線測(ce)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)。本文旨在(zai)概述(shu)使用一種新(xin)的(de)現有技術(shu)，規避上述(shu)技術(shu)的(de)缺點。并(bing)且可以連續重復(fu)使用：使用雙波段微(wei)波測(ce)量(liang)技術(shu)來(lai)測(ce)量(liang)物料(liao)水分。

造(zao)紙(zhi)(zhi)(zhi)行業屬于薄(bo)利行業，因此在企業追求紙(zhi)(zhi)(zhi)張質(zhi)量的(de)(de)(de)(de)(de)過程中，成本是一個非常(chang)(chang)重要的(de)(de)(de)(de)(de)因素(su)。紙(zhi)(zhi)(zhi)張的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量取決于紙(zhi)(zhi)(zhi)張的(de)(de)(de)(de)(de)水分，韌(ren)性，密度等，但每(mei)個數據都(dou)需(xu)要不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)檢測儀(yi)表來(lai)完(wan)成，這對企業來(lai)說(shuo)是非常(chang)(chang)大的(de)(de)(de)(de)(de)負擔。本文旨(zhi)在提出一項新的(de)(de)(de)(de)(de)技術來(lai)嘗(chang)試將水分與密度測量合二為一，在為企業的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)品質(zhi)量提升同(tong)時盡可能付(fu)出較少的(de)(de)(de)(de)(de)成本。

雙波(bo)段微(wei)波(bo)測量技術

目(mu)前，水分(fen)的測量方(fang)法很(hen)多(duo)，近紅外(wai)、高頻電容等但他們各自都(dou)有很(hen)多(duo)致命的缺點(dian)。而雙波段(duan)微波水分(fen)測量技(ji)術不僅具有電測量的優點(dian)，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(ta)利用顆粒中的水(shui)分(fen)間接吸收(shou)微波*或微波腔共振(zhen)頻率和相(xiang)(xiang)位參數來測量水(shui)分(fen)含量。相(xiang)(xiang)較(jiao)于(yu)近紅外與高(gao)頻電容的優點(dian)是(shi)：

靈敏度比近紅外高

能實現在線(xian)連續(xu)測量

測量出結(jie)果速(su)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(ke)以(yi)深入到材料中(zhong)或(huo)甚*完全(quan)穿(chuan)透材料。微波與水或(huo)其他(ta)極(ji)性(xing)物質(zhi)的相互作用(yong)是由于(yu)水分子(zi)在施加(jia)的電場中(zhong)自身(shen)對齊的特性(xing)。

將(jiang)電(dian)(dian)(dian)場(chang)電(dian)(dian)(dian)極反轉，分(fen)子會(hui)重新排列對齊(qi)。在(zai)低頻率(lv)(lv)下，水分(fen)子可以毫無延遲地跟(gen)隨電(dian)(dian)(dian)場(chang)。由于與取向相(xiang)關的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)荷傳輸，位移(yi)電(dian)(dian)(dian)流流動并且介(jie)電(dian)(dian)(dian)常(chang)數(shu)（介(jie)電(dian)(dian)(dian)常(chang)數(shu)）非(fei)常(chang)高（在(zai)T = 25℃時?= 79）。增加頻率(lv)(lv)，當前場(chang)強極性的(de)(de)分(fen)子的(de)(de)取向滯后。 這會(hui)導致材料中(zhong)的(de)(de)熱量損(sun)失（耗散）。在(zai)弛豫頻率(lv)(lv)下，*耗散*大。因(yin)(yin)此，介(jie)電(dian)(dian)(dian)損(sun)耗可以通(tong)過(guo)損(sun)耗因(yin)(yin)子計算表示(shi)為百分(fen)比的(de)(de)虛部，具有*大值。

因(yin)此，介(jie)電損(sun)耗(hao)(hao)可以通過損(sun)耗(hao)(hao)因(yin)子計算表示為損(sun)耗(hao)(hao)的(de)(de)(de)虛部，具有*大(da)值(zhi)。在(zai)高于(yu)(yu)弛(chi)(chi)豫頻(pin)(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)，相互作用,然(ran)而，由于(yu)(yu)弛(chi)(chi)豫過程基本上(shang)比共振機制更寬，因(yin)此即使在(zai)水含量(liang)的(de)(de)(de)波(bo)(bo)動(dong)的(de)(de)(de)顯(xian)著更低的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)下也可以測量(liang)介(jie)電常數(shu)和損(sun)耗(hao)(hao)因(yin)子的(de)(de)(de)變化。2.45 GHz的(de)(de)(de)ISM（工(gong)業，科學，醫療）頻(pin)(pin)(pin)段的(de)(de)(de)優(you)勢(shi)在(zai)于(yu)(yu)該領域有許多(duo)廉價的(de)(de)(de)集成(cheng)微波(bo)(bo)電路(lu)。在(zai)該頻(pin)(pin)(pin)帶中，離(li)子電導(dao)率(lv)實際上(shang)不(bu)再(zai)發揮作用。

圖(tu)1：微波(bo)諧振器的密(mi)度(du)無關校準。測量與空(kong)氣測量有關。如果針對(dui)共(gong)振頻率偏移繪制帶寬變化，則針對(dui)每個濕度(du)產生直線的特(te)定斜(xie)率

新一(yi)代微(wei)波(bo)水分(fen)(fen)(fen)測量技術(shu)(shu)實現了快速(su)*的(de)(de)測量產(chan)品(pin)的(de)(de)特(te)性，并且彌補了微(wei)波(bo)水分(fen)(fen)(fen)儀的(de)(de)部(bu)分(fen)(fen)(fen)缺點。源自德國的(de)(de)2PMR技術(shu)(shu)與相應的(de)(de)測量技術(shu)(shu)有效的(de)(de)避免了一(yi)般情況下產(chan)品(pin)密(mi)度對測量的(de)(de)影響。在**業(ye)(ye)和造(zao)紙業(ye)(ye)中(zhong)，能夠快速(su)準的(de)(de)測量產(chan)品(pin)水分(fen)(fen)(fen)對于(yu)(yu)生產(chan)而言(yan)意義重大。因此新的(de)(de)2PMR技術(shu)(shu)對于(yu)(yu)造(zao)紙業(ye)(ye)的(de)(de)中(zhong)間(jian)產(chan)品(pin)以及終端產(chan)品(pin)的(de)(de)水分(fen)(fen)(fen)信息有著非(fei)常重要的(de)(de)作用(yong)。

雙波段微(wei)波測量(liang)技術運用(yong)水分子在交換電場(chang)的交換作用(yong)。

測量所需的(de)(de)(de)電磁(ci)(ci)波耦合到傳感器中。其中由于(yu)傳感器的(de)(de)(de)幾何形(xing)狀產(chan)生一個固(gu)(gu)定(ding)的(de)(de)(de)帶有(you)空間膨(peng)脹(zhang)的(de)(de)(de)電磁(ci)(ci)場(chang)。產(chan)品在此磁(ci)(ci)場(chang)中會(hui)和電磁(ci)(ci)場(chang)之間產(chan)生*交換。水分(fen)子(zi)是(shi)一種強極性分(fen)子(zi)，在磁(ci)(ci)場(chang)中他的(de)(de)(de)運動(dong)方向會(hui)與磁(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)(de)極性保持一致。這(zhe)種現(xian)象致使電磁(ci)(ci)場(chang)*減(jian)少。磁(ci)(ci)場(chang)*損失是(shi)**個參數。此固(gu)(gu)定(ding)的(de)(de)(de)電磁(ci)(ci)場(chang)顯(xian)示出特征性的(de)(de)(de)自振（共(gong)振）。

                             圖2：微波諧(xie)振器(qi)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(de)(de)結果取(qu)決于測量間(jian)隙的(de)(de)側面，因此間(jian)隙的(de)(de)測量用作水分(fen)測量的(de)(de)補償(chang)。

因為水和纖維具有不同(tong)的(de)(de)(de)介(jie)電常數。因此(ci)，紙(zhi)的(de)(de)(de)含水量(liang)反映了紙(zhi)的(de)(de)(de)絕緣性(xing)，可以用微(wei)(wei)波技(ji)術(shu)準確測量(liang)。傳感器是(shi)一個微(wei)(wei)波腔(qiang)諧振器，其(qi)中一個諧振頻率對(dui)絕緣性(xing)和腔(qiang)體中的(de)(de)(de)原(yuan)材料敏感。另一個諧振頻率對(dui)原(yuan)材料不敏感作為參考，頻率二者(zhe)之間的(de)(de)(de)差(cha)異是(shi)基(ji)本的(de)(de)(de)測量(liang)信號，用軟件綜合定量(liang)和水分重量(liang)可以得到紙(zhi)張水分的(de)(de)(de)百分比。從(cong)而(er)這項技(ji)術(shu)適(shi)合應用于紙(zhi)張的(de)(de)(de)水分測量(liang)。

該測量方法為日常實踐中的用戶提供的優勢

測(ce)(ce)(ce)量過(guo)程可(ke)在(zai)幾分(fen)之(zhi)一秒內檢測(ce)(ce)(ce)表面(mian)和(he)(he)核心水分(fen)，并且(qie)使用的(de)(de)(de)微波(bo)穿透整個(ge)產(chan)品(pin)。避免了由于表面(mian)干(gan)燥和(he)(he)水分(fen)分(fen)不均(jun)勻布引起的(de)(de)(de)不正確的(de)(de)(de)測(ce)(ce)(ce)量。獨(du)立(li)于密度的(de)(de)(de)測(ce)(ce)(ce)量允許(xu)在(zai)產(chan)品(pin)流中(zhong)進(jin)行測(ce)(ce)(ce)量。安裝(zhuang)簡(jian)單，不需要恒定的(de)(de)(de)層厚度或(huo)體積密度。測(ce)(ce)(ce)量方(fang)法提供可(ke)重復的(de)(de)(de)，長期穩(wen)定的(de)(de)(de)測(ce)(ce)(ce)量，校準(zhun)(zhun)工作量低，因為它的(de)(de)(de)測(ce)(ce)(ce)量獨(du)立(li)于產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)顏色，結(jie)(jie)構和(he)(he)表面(mian)。平面(mian)傳(chuan)感器(qi)設計用于工業用途(tu)。這(zhe)種(zhong)無干(gan)擾且(qie)深(shen)入(ru)到產(chan)品(pin)內部的(de)(de)(de)微波(bo)場保證了測(ce)(ce)(ce)量結(jie)(jie)果的(de)(de)(de)準(zhun)(zhun)確性。緊(jin)湊型設計，便于在(zai)各種(zhong)位(wei)置安裝(zhuang)傳(chuan)感器(qi)。

END

全新的(de)雙波(bo)段微波(bo)測量(liang)(liang)技術實現了(le)對于(yu)紙張水分與(yu)密度(du)的(de)同時(shi)測量(liang)(liang)。使(shi)得造紙行(xing)業對于(yu)紙張的(de)產(chan)品質量(liang)(liang)控(kong)制有了(le)更多的(de)選(xuan)擇(ze)，快速測定水分與(yu)密度(du)有利(li)于(yu)企業的(de)自動化管理。同時(shi)合二為(wei)一的(de)測量(liang)(liang)設備也為(wei)企業的(de)生產(chan)設備安裝節省了(le)開支(zhi)與(yu)安裝空間。