CN101078700B - 一种测量材料吸收微波能量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料特性测试技术领域，涉及一种测量材料吸收微波能量的方法及装置；所述方法通过量热法测量中间介质在微波场中吸收微波后的温度变化来间接度量待测材料吸收微波能量的大小；该方法包括设定测量初始条件，制备样品，测量中间介质温度，计算材料吸收的微波能量等步骤；其测量装置由微波炉、介质盛放容器、待测材料盛放容器及温度测定仪等组成；本发明提供的测量方法操作简单、使用方便、成本低廉、适用范围广。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种测试材料特性的方法及装置，特别是一种测量材料吸收微波能量的方法及装置。
二、背景技术
目前用于测量材料在微波场中吸收微波能量大小的方法是通过测温仪器直接测量材料在微波场中的温度变化，并根据该温度变化来度量材料吸收微波能量的大小。
测量温度变化的仪器有热电偶温度传感器，热电阻温度传感器，热敏电阻——高阻导线组成抗电磁干扰温度传感器，光纤维温度传感器，红外测温仪，超声波测温仪等。但是，无论用何种测温仪器，其测量方法都是利用材料在微波场中的温度变化来度量材料所吸收的微波能量。然而，在测量微波加热后的材料温度时，这些方法存在以下不足：
1、这些测量方法是对材料进行点测温，其测量结果多以材料某点或若干点的温度来代替材料整体温度。微波是一种高频电磁波，对材料加热时具有选择性，使得对微波敏感的物质能快速产生热效应，而对微波不敏感的物质基本不产生热效应，造成材料各点温度存在较大差异。因此，用材料某点温度或若干点温度来代替材料整体温度并不准确。
2、利用点测温的方法对粒度不均匀或块状材料进行温度测量时，在相同的试验条件下，所取得的测量结果重复性差。
3、用这些方法测量材料温度时，微波不敏感的材料及微波敏感性相近的材料经微波加热后温度改变量并不显著，造成测量结果误差大。
三、发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术对材料进行点测温易导致测量结果不准确、难以对微波不敏感材料进行测温、对粒度不均匀的材料或块状材料不易准确测量等不足，提供一种通过测量中间介质的温度变化来间接度量待测材料吸收微波能量大小的测量方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：将待测材料和中间介质共同放入微波场中加热，通过测量中间介质的温度变化来间接度量待测材料吸收微波能量的大小。实现上述测量方法的步骤为设定测量初始条件，制备样品，测量中间介质的温度，计算材料吸收的微波能量。
1)设定测量初始条件
①设定微波炉输出功率和加热时间：根据材料的一般特性、所用微波炉可输出功率及可设的加热时间，设定微波炉适合的输出功率及加热时间，上述条件下微波炉的输出能量按下式计算：
Q1＝Pt
式中Q1：微波炉输出能量，J；
P：微波炉输出功率，w；
t：微波炉加热时间，s。
②确定中间介质的种类和质量：根据①中的Q1值确定中间介质的种类和质 量，则中间介质在测量条件下所能吸收的最大微波能量按下式计算：
Q2＝C中间介质M中间介质ΔT
式中Q2：中间介质可吸收的最大微波能量，J；
C中间介质：中间介质比热，J/(kg·℃)；
M中间介质：中间介质质量，kg；
ΔT：在测量条件下中间介质发生物相转变前的最大温度改变量，℃
上述①和②中，Q1与Q2应满足：Q2≥kQ1(k为微波炉的能量转化效率)。
2)制备样品
根据待测材料盛放容器的大小及研究需要，确定待测样品适合的粒度和质量。
3)测量中间介质温度
首先将质量为Mkg的中间介质置于微波场中加热一定时间，并测量中间介质加热前后的温度T1与T2；然后在微波炉输出功率及加热时间不变的条件下，将质量为m kg的待测材料和质量为M kg的中间介质置于微波场中共同加热，并测量中间介质加热前后的温度T1AN与T2AN。
4)计算材料吸收的微波能量
①中间介质在微波场中单独加热时所吸收的微波能量按下式计算：
Q中间介质＝C中间介质M中间介质(T2-T1)
式中Q中间介质：中间介质在微波场中单独加热时所吸收的微波能量，J；
C中间介质：中间介质比热，J/(kg·℃)；
M中间介质：中间介质质量，kg；
T1：中间介质微波加热前温度，℃；
T2：中间介质微波加热后温度，℃。
②中间介质与待测材料共同加热时中间介质所吸收的微波能量按下式计算：
Q中间介质AN＝C中间介质M中间介质(T2AN-T1AN)
式中Q中间介质AN：中间介质与待测材料共同加热时中间介质所吸收的微波能量，J；
C中间介质：中间介质比热，J/(kg·℃)；
M中间介质：中间介质质量，kg；
T1AN：中间介质微波加热前温度，℃；
T2AN：中间介质微波加热后温度，℃。
③待测材料在此条件下吸收的微波能量：假设①中的微波能量100％被中间介质吸收，②中微波能量除被中间介质吸收外，剩余部分能量全部被待测材料吸收，因此，待测材料所吸收的微波能量按下式计算：
QAN＝Q中间介质-Q中间介质AN
式中QAN：待测材料吸收的微波能量，J；
Q中间介质：中间介质在微波场中单独加热时所吸收的微波能量，J；
Q中间介质AN：中间介质与待测材料共同加热时中间介质所吸收的微波能量，J；
可见，通过计算中间介质吸收微波能量的变化可间接得到待测材料吸收微波能量的大小，由此可判断材料吸收微波的能力。
一种可实现上述测量方法的测量装置：其特征是所述测量装置由微波炉、中间介质盛放容器、待测材料盛放容器及温度测定仪等组成。
所述的微波炉是家用微波炉或经改造的家用微波炉、小型实验用微波炉或经改造的小型实验用微波炉，其微波发射方位可在微波炉侧壁或底盘。
所述的中间介质盛放容器和待测材料盛放容器应由微波穿透性强且在一定温度范围内化学性质稳定的材质制成，如玻璃容器、石英容器等。
所述的中间介质是已知比热、微波敏感性强、热传导性好、在一定温度范围内化学性质稳定和不易发生物相转变的单一液体纯净物，例如蒸馏水。
所述温度测定仪可为水银温度计、热电偶温度传感器、热电阻温度传感器、光纤维温度传感器、红外测温仪、超声波测温仪等。
四、附图说明
图1是本发明所述的测量装置示意图。
如图1所示，一种可实现上述测量方法的测量装置，由微波炉底板1、待测材料盛放容器2、温度测定仪3、微波炉谐振腔体4、中间介质盛放容器5、微波炉谐振腔壁6构成。图1中所示的微波炉是以底板方位发射微波的家用平板微波炉为例。
其中，待测材料盛放容器2置于微波炉底板1上，中间介质盛放容器5置于待测材料盛放容器2的正上方，温度测定仪3置于微波炉外面，测温时将测温头通过微波炉顶的孔道直接插入中间介质中。
五、具体实施方式
实施例1
测量二氧化硅吸收的微波能量
选择0.2kg蒸馏水作为中间介质，二氧化硅0.5kg，微波功率800w，微波加热时间10s。
①计算蒸馏水单独在微波场中加热时所吸收的微波能量：首先将质量为0.2kg的蒸馏水装入中间介质盛放容器5中，用温度测定仪3测量蒸馏水的温度T1为23.8℃；然后将中间介质盛放容器5置于微波炉底板1上，启动微波炉加热10s后，停机，用温度测定仪3测量蒸馏水的温度T2为28.0℃。按公式Q水1 ＝C水M水(T2-T1)计算蒸馏水单独加热时所吸收的微波能量Q水1：
Q水1＝C水M水(28.0-23.8)＝4.2×103×0.2×4.2＝3528J
②计算蒸馏水和二氧化硅共同加热时蒸馏水所吸收的微波能量：首先将质量为0.2kg的蒸馏水装入中间介质盛放容器5中，用温度测定仪3测量蒸馏水的温度T1AN为22.9℃；然后将质量为0.5kg的二氧化硅装入待测材料盛放容器2中，并置于微波炉底板1上，并将中间介质盛放容器5置于待测材料盛放容器2的正上方，启动微波炉加热10s后，停机，用温度测定仪3测量蒸馏水的温度T2AN为27.0℃。蒸馏水吸收的微波能量按公式Q水2＝C水M水(T2AN-T1AN)计算：
Q水2＝C水M水(28.0-23.8)＝4.2×103×0.2×4.1＝3444J
③计算二氧化硅吸收的微波能量：由公式Q二氧化硅＝Q水1-Q水2计算
Q二氧化硅＝Q水1-Q水2＝3528-34444＝84J
实施例2
测量活性碳、四氧化三铁、碳酸钙、石膏粉和氧化钙吸收的微波能量。
选择蒸馏水0.2kg作为中间介质，待测材料0.5kg，微波功率800w，加热过程中每加热20s停机测量蒸馏水的温度一次，再继续加热，微波总加热时间为120s，并根据测量结果计算待测材料吸收的微波能量，结果见表1。
表1 各种材料吸收的微波能量测量结果(单位：J)
由表1数据可以看出：不同材料在相同条件下所吸收的微波能量不相同，随着微波加热时间的增加，各种材料吸收的微波能量均逐渐增大。这与实际情况完全相符。因此，这种测量方法具有很强的实际应用价值。
本发明还可用其它的不违背本发明的精神或主要性能的具体形式来描述。所述实施方案只是对本发明的说明而不能限制本发明。
特别说明：本发明获得的测量值只是一个相对比较值，而不是绝对精确值。测量结果可用于比较不同材料吸收微波能量的大小，选择材料及分析性能。
Claims (1)
1.一种测量材料吸收微波能量的方法，其特征是将待测材料和中间介质蒸馏水共同放入微波场中加热，通过测量中间介质蒸馏水的温度变化来间接度量待测材料吸收微波能量的大小，该方法由设定测量初始条件、制备样品、测量中间介质蒸馏水温度以及计算材料吸收的微波能量的步骤组成，
1.1所述设定测量初始条件是根据材料的一般特性、所用微波炉可输出功率及可设的加热时间，设定微波炉输出功率和加热时间，并计算出此条件下微波炉的输出能量，
1.2所述样品制备是根据待测材料盛放容器的大小及研究需要，确定待测样品适合的粒度和质量，
1.3所述的测量中间介质蒸馏水温度是先将中间介质蒸馏水单独放入微波场中加热，并测量中间介质蒸馏水加热前后的温度，然后在微波输出功率及加热时间不变的条件下，将待测材料和中间介质蒸馏水共同放入微波场中加热，测量中间介质蒸馏水加热前后的温度；
1.4所述的计算材料吸收的微波能量是利用中间介质蒸馏水单独在微波场中加热时吸收的微波能量和中间介质蒸馏水与待测材料共同加热时中间介质蒸馏水吸收的微波能量，并通过下式计算得出待测材料吸收的微波能量：
QAN＝Q中间介质-Q中间介质AN
式中QAN：待测材料吸收的微波能量，J；
Q中间介质：中间介质蒸馏水在微波场中单独加热时所吸收的微波能量，J；
Q中间介质AN：中间介质蒸馏水与待测材料共同加热时中间介质蒸馏水所吸收的微波能量，J。
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