CN100359321C

CN100359321C - 利用微波进行物质的质量和水分检测的方法

Info

Publication number: CN100359321C
Application number: CNB2004100251415A
Authority: CN
Inventors: 张跃武; 闵晨; 白绍光; 赵强; 陈林; 王会石
Original assignee: HENGSHANG AUTOMATION EQUIPMENT CO Ltd SHANGHAI
Current assignee: Shanghai HB Auto Machinery Co.,Ltd.
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2008-01-02
Anticipated expiration: 2024-06-14
Also published as: CN1715891A

Abstract

本发明涉及一种利用微波进行物质的质量和水分检测的方法，其特点是，检测方法包括以下步骤，一计算机控制微波发生器产生微波送至谐振腔，二测量谐振腔输出的模拟量信号并送至模数转换器转换为数字信号，三采集器采集经模数转换后的谐振腔输出数据存入存储器III，四计算机调取存储器III中的谐振腔检测数据，根据存储器II中的数学公式进行被测物质的质量和水分含量的分析计算，并将结果存入存储器I，同时输出被测物质质量和水分含量的分析检测数据。由此可在线且精确检测被测物质质量与水分含量。

Description

利用微波进行物质的质量和水分检测的方法

技术领域

本发明涉及一种物质检测的方法，尤其涉及一种利用微波进行物质的质量和水分检测的方法。

背景技术

在科研及生产过程中，物质质量和水分的检测及控制是十分重要的。

物质质量检测方法中，常用的检测方法有秤量法和放射性物质照射法。秤量法和放射性物质照射法在实际使用中的特点和缺陷是：

秤量法是利用各种称衡器对物质质量进行称量，由此可见，秤量法只能用于被测物体静止或低速运动且为接触式场合，此方法还不能够检测出被测物质沿长度方向质量(或密度)分布状况，而在许多生产过程中，需要连续检测出运动物质在各个瞬时流过的物质质量和水分；

放射性物质照射法是利用放射性物质(如锶90)对被测物质质量进行称量，由此可见，放射性物质照射法由于使用了放射性物质，必须要有专门的防护装置，如使用不当，则将对周围环境及人员造成伤害。

物质水分检测方法中，常用的检测方法有烘干法和远红外线检测法。烘干法和远红外线检测法在实际使用中的特点和缺陷是：

烘干法只能用于离线检测，并且烘干法不能检测出物质沿长度方向水分含量分布状况；

远红外线检测法不能准确地检测出物质心部水分含量，并且远红外线检测法受物质表面状况(如粗糙度)影响较大，使之测量的精确度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用微波进行物质的质量和水分检测的方法，它能在被测物质静止或高速运动之中精确可靠地在线或离线检测出物质的质量和水分含量。

本发明的目的是这样实现的：

一种利用微波进行物质的质量和水分检测的方法，其特点是，所述的质量和水分的检测方法包括以下步骤：

步骤一，计算机控制模块控制微波发生器交替产生两个频率不同的微波，并送至谐振腔；

步骤二，测量谐振腔输出的模拟量信号，并将该谐振腔模拟量输出信号送至模数转换器，将谐振腔模拟信号转换为数字信号；

步骤三，高速数据采集器采集经过模数转换后的谐振腔的输出数据并存入存储器III；

步骤四，计算机控制模块调取存入存储器III中的谐振腔检测数据，根据存入存储器II中的数学公式进行被测物质的质量和水分含量的分析计算，并将分析计算结果存入存储器I，同时输出表示被测物质质量和水分含量的分析检测数据，其中，计算机进行被测物质质量和水分含量分析计算的具体步骤包括：

4-1，计算机控制模块调取存入存储器III中的谐振腔检测数据，调取存储器II中所存储的已知数学模型中的常数a、b、c、d、e、f、以及空腔物质质量m₀和空腔物质水分w₀，进行判定微波输出频率“是否低频段”；

4-2，若微波输出频率“是低频段”，则进行U_a＝M，即把被检波器检出的对应于f_a频率的幅值U_a存入存储器中，控制微波发生器将微波输出频率切换到高频段，然后进行4-4步骤；

4-3，若微波输出频率“不是低频段”，则进行U_b＝M，即把被检波器检出的对应于f_b频率的幅值U_b存入存储器中，控制控制微波发生器将微波输出频率切换到低频段，然后进行4-4步骤；

4-4，按照公式 U_直＝(U_a+U_b)

U_变＝1/(U_b-U_a)

计算出谐振腔没有任何物质时对应于两个微波频点的被测物质量的中间变量U_直和被测物水分的中间变量U_变；

4-5，按照公式 m＝a+b×U_直+c×(U_直)²-m₀

w＝d+e×U_交+f×(U_交)²-w₀

计算出被测物质包含在谐振腔中的这一段的质量和水分含量，式中，m₀为空腔物质的质量，w₀为空腔物质的水分。

本发明，利用微波进行物质的质量和水分检测的方法，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明由于通过对谐振腔未受物质影响与受物质影响的谐振曲线变化的信号分析及处理，可以检测出被测物质的质量和水分含量；

2.本发明由于微波发生器功率非常小，仅为10mw，因此对被测物质及周围环境不造成任何伤害；

3.本发明由于采用高速的计算机进行数据处理，控制采样间隔时间小于50us，因此能适用于高速在线物质流的质量和水分的检测；

4.本发明由于检波器的微波信号取决于被测物质的温度，由此可以对被测物质进行测温后作温度补偿，克服了由于温度变化所造成的检测信号的漂移。

附图说明

通过以下对本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的方法的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的方法的方框图；

图2是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的方法的工作流程图；

图3是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的方法中检测的控制逻辑原理图；

图4是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的方法中的计算部分控制流程图；

图5是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的原理图；

图6是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的谐振腔的结构示意图；

图7是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的谐振腔所输出的微波谐振的曲线图。

具体实施方式

请参见图1至图4所示，它们是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的方法的方框图、工作流程图、检测控制逻辑原理图和检测方法中的计算部分控制流程图。

本发明一种利用微波进行物质的质量和水分检测的方法包括以下步骤：

步骤一，计算机控制模块控制微波发生器产生微波，并送至谐振腔，其具体步骤是，

1-1，系统启动，计算机控制模块控制方波产生器工作，

1-2，方波产生器向微波发生器送出控制微波发生器工作的不同频率的方波信号，微波发生器交替产生两个频率的微波送入谐振腔；

步骤三，高速数据采集器采集经过模数转换后的谐振腔的输出数据并存入存储器III，当高速数据采集器工作时，需要先中断程序，然后进行数据采集；

步骤四，计算机控制模块调取存入存储器III中的谐振腔检测数据，根据存入存储器II中的数学公式进行被测物质的质量和水分含量的分析计算，同时输出分析检测数据，其具体步骤是，

4-3，若微波输出频率“不是低频段”，

则进行U_b＝M，即把被检波器检出的对应于f_b频率的幅值U_b存入存储器中，控制微波发生器将微波输出频率切换到低频段，然后进行4-4步骤；

4-4，按照公式 U_直＝(U_a+U_b)

U_交＝1/(U_b-U_a)

计算出谐振腔没有任何物质时对应于两个微波频点的被测物质量的中间变量U_直和被测物水分的中间变量U_交；

4-5，按照公式m＝a+b×U_直+c×(U_直)²-m₀

w＝d+e×U_交+f×(U_交)²-w₀

计算出被测物质包含在谐振腔中的这一段的质量和水分含量，式中，m₀为空腔物质的质量(如指聚四氟套管的质量)，w₀为空腔物质的水分(如指聚四氟套管的水分)，并将计算结果存入存储器I；

4-6，形成显示与输出的测量与计算的数据；

4-7，判定是否有“打印请求”，

4-71，若没有“打印请求”，回到步骤三，

4-72，若有“打印请求”，则进行4-7步骤；

4-8，进行后台打印处理，然后回到步骤三。

请参见图5所示，这是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的原理图。图中，标号1为微波发生器，标号3为谐振腔，被测物质位于谐振腔3中，微波发生器1由计算机7控制向谐振腔输送两种不同频率的微波；在谐振腔3的前后两侧分别设置的是隔离环2和隔离环5，隔离环2和5的作用是避免信号的互相干扰；位于隔离环5后的是检波放大器6，检波放大器6的检测信号经计算机7分析处理后由输出装置8输出。

请结合图5参见图6所示，图6是图5中谐振腔的结构示意图。该谐振腔3包括腔体31，制作该腔体31的材料为黄铜H62，表面钝化；在腔体31中部设置一贯通的通道32，该通道32根据被测物质的不同而呈不同的形状，可以是一矩形的通道32，用以放置被测物质是，化工工业方面的原料、半成品及成品，制药工业方面的粉末、药片及胶囊，建材工业方面的原料、半成品及成品，食品工业方面的原料、半成品及成品等等，用以在线对物质的质量(密度)及水分含量的检测和控制，以及在试验室对物质进行离线对物质的质量(密度)及水分含量检测；图6中表示的是一管状的通道32，该管状通道32可以放置类似于圆形的被测物质，如烟草工业用于各型卷烟机卷制的香烟条在线的质量(密度)及水分检测控制和试验室离线质量(密度)及水分含量检测；在贯通的通道32沿内壁设置一保护套33，被测物质便位于保护套33内；保护套33的设置将腔体31分割呈上下两部分；在腔体31上部分腔体壁上设置一微波输入探针34，在腔体31下部分腔体壁上设置一微波输出探针35。

在选择微波谐振腔结构尺寸时，要考虑无载时品质因子Q₀的大小。Q₀的计算公式如下：

Q₀＝0.610×(λ₀/S)×{[1+0.168×(D/L)²]^3/2/[1+0.168×(D/L)³]}

式中，

λ₀为微波谐振腔室空载(也即不放入被测物质时谐振频率的倒数)；

S为微波谐振腔材料特征系数，可查表获得；

D为微波谐振腔腔体直径；

L为微波谐振腔腔体长度；

Q₀越大，检测质量和水分的分辨率越高；一般Q₀取值范围为39450-46500。

请参见图5和图6所示，本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的原理是，微波发生器1向谐振腔3输送两种不同频率的微波，通过测量谐振腔3中未受物质影响时(即通道32内未放置被测物质的空腔状态)与受物质影响时(即通道32内放置被测物质的加载状态)的谐振曲线的变化来测定被测物质的质量和水分。同时，由于图5中的检波器6的微波信号取决于被测物质的温度，为此，可以对被测物质进行测温后作温度补偿。

请结合图5和图6参见图7所示，图7是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的谐振腔所输出的微波谐振的曲线图。图7中，其中：

f₀、u₀为空腔(即未放入被测物质)时的谐振曲线。

f₁、u₁为加载(即放入被测物质)时的谐振曲线。

f_a、f_b为微波发生器输送的两个微波频率，U_a、U_b为检波器检出的输出微波信号。

取：U_直＝1/2(U_a+U_b)

U_交＝1/(U_b-U_a)

U_直反映了被测物质的质量，质量越大，U_直越大，设m为被测物质的质量，则m与U_直之间的数学关系如下：m＝a+b×U_直+c×(U_直)²-m₀为二阶方程式。式中常数a、b、c采用已知质量的物质进行标定后获得， m _o为空腔时套管的质量。根据上式，当谐振腔内加入被测物质时，检波器检出U_a、U_b后，在数据处理器中可以求得U_直和m，从而测出物质的质量。

U_变反映了被测物质的水分，水分含量越大，U_交越大，设w为被测物质的水分含量，则w与U_交之间的数学关系如下：w＝d+e×U_交+f×(U_交)²-w₀为二阶方程式，式中常数d、e、f采用已知水分的物质进行标定后获得，w_o为空腔时套管的质量。同样，在数据处理器中可以求得U_交和w，从而测出物质的水分。

请参见图2和图3和图7所示，它们是本发明利用微波进行物质的质量和水分检测的方法的工作流程图、控制逻辑原理图和谐振腔输出的微波谐振的曲线图。

本发明的工作流程是：

当系统启动完成后，方波发生器产生占空比为50％、幅值为+5V的控制方波，微波源根据控制方波交替产生2个不同频率的微波信号，0V对应于低频微波、+5V对应于高频微波，并将两种微波信号以相同时间间隔和连续跳变的方式送到谐振腔里，同时从谐振腔的另一侧引出微波信号。由于被测物质的质量和水分的不同，引出微波信号的强弱是不一样的，根据两个信号的强弱及与空腔谐振时信号的强弱相比较，就可以得出谐振腔内被测物质的质量和水分。经过A/D变换后，通过中断程序高速采集存入存储器III，主程序调取存储器III所存储的检测数据，并根据存储器II中所存储的已知数学模型中的常数a、b、c、d、e、f、以及空腔物质质量m₀和空腔物质水分w₀，按照公式m＝a+b×U_直+c×(U_直)²-m₀和w＝d+e×U_交+f×(U_交)²-w₀进行物质质量和水分含量计算，并将计算结果存入存储器I，同时可输出表示物质的质量和水分含量的信号。

具体信号计算与处理过程如下：

1.检波器检出的输出微波信号U_a、U_b(见图7)的数值的采集方法：

将所检出的微波信号经过检波器放大成10V后，经过转换速度为10M的12位A/D转换后，得到0～4096的数据量。对应于低频微波的AD值就是U_a、对应于高频微波的AD值就是U_b。

2.空腔谐振的数值标定：

当谐振腔没有任何物质时，计算出对应于两个微波频点的被测物质的质量u_直0＝(u_a0+u_b0)和被测物质的水分u_交0＝1/(u_b0-u_a0)；计算出空腔物质的质量(如指套管的质量)m₀＝a+b×u_直0+c(u_直0)²和空腔物质的水分(如指套管的水分)w₀＝d+e×u_交0+f(u_交0)²；并将结果存入存储器III，以便以后调用。

3.常数a、b、c、d、e、f的确定：

在实验室里，准备好三份质量不同、但水份百分比含量(假设为P％)相同的物质样品，质量分别为m₁、m₂、m₃(电子秤称量)，水分量分别计算得w₁＝m₁×P％、w₂＝m₂×P％、w₃＝m₃×P％。将三种不同的样品分别放入谐振腔里进行测量，得到u_a1、u_a2、u_a3、u_b1、u_b2、u_b3。计算出u_直1、u_直2、u_直3、u_交1、u_交2、u_交3。列出以下公式：

m₁+m₀＝a+b×u_直1+c×(u_直1)² ..............(1)

m₂+m₀＝a+b×u_直2+c×(u_直2)² ..............(2)

m₃+m₀＝a+b×u_直3+c×(u_直3)² ..............(3)

w₁+w₀＝d+e×u_交1+f×(u_交1)² ..............(4)

w₂+w₀＝d+e×u_交2+f×(u_交2)² ..............(5)

w₃+w₀＝d+e×u_交3+f×(u_交3)² ..............(6)

将m₀＝a+b×u_直0+c×(u_直0)²代入(1)、(2)、(3)式中，通过联立方程解出a、b、c，

将w₀＝d+e×u_交0+f×(u_交0)²代入(4)、(5)、(6)式中，通过联立方程解出d、e、f，

将所解出的a、b、c、d、e、f存在存储器II里，提供每次测量需要调用计算。

4.被测量物质的质量和水分的计算结果：

当AD转换完成之后得到检波器检出的输出微波信号u_a、u_b，计算U_直、U_交；计算得到被测量物质的质量为m＝a+b×U_直+c×(U_直)²-m₀；计算得到被测量物质的水分为w＝d+e×U_交+f×(U_交)²-w₀。

综上所述，本发明，由于通过对微波谐振腔未受物质影响与受物质影响的谐振曲线变化的信号分析及处理，可以检测出被测物质的质量和水分含量；同时，由于微波发生器功率非常小，因此对被测物质及周围环境不造成任何伤害；另外，由于采用计算机控制采样间隔时间，因此能适用于高速在线物质流的质量和水分的检测；并且，可以对被测物质进行测温后作温度补偿，克服了由于温度变化所造成的检测信号的漂移，因此极为实用。

Claims

1.一种利用微波进行物质的质量和水分检测的方法，其特征在于，所述的质量和水分的检测方法包括以下步骤：

4-4，按照公式 U_直＝(U_a+U_b)

U_交＝1/(U_b-U_a)

4-5，按照公式 m＝a+b×U_直+c×(U_直)²-m₀

w＝d+e×U_交+f×(U_交)²-w₀

2.如权利要求1所述的利用微波进行物质的质量和水分检测的方法，其特征在于：在所述的步骤一中，计算机控制模块控制微波发生器产生微波的具体步骤是，

1-1，系统启动，计算机控制模块控制方波产生器工作，

1-2，方波产生器向微波发生器送出控制微波发生器工作的不同频率的方波信号，微波发生器交替产生两个频率的微波送入谐振腔。

3.如权利要求1所述的利用微波进行物质的质量和水分检测的方法，其特征在于：在所述的步骤三中，所述的高速数据采集器工作时，需先中断程序，然后进行数据采集。