CN101566587B - 双源双探头正交式微波测量含水率装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于微波测量技术领域的涉及用于煤传送带上的微波透射式煤含水率测量的一种双源双探头正交式微波测量含水率装置及测量方法。该装置包括9.4GHz和2.4GHz发射天线沿煤输送方向并列安装于煤传送带上方，并分别与相同频率的微波信号源相连，9.4GHz和2.4GHz接收天线位于煤传送带下方，分别与相同频率的检波器相连，9.4GHz检波器和2.4GHz检波器与数据采集卡相连，数据采集卡将采集到的微波功率信号上传给计算机，计算机中配以适当的处理程序，得到传送带上煤实时含水率。本发明提高测量范围，同时提高测量精度，克服传统方法存在的测量范围与精度之间的矛盾，并有效消除相互干扰，满足动态测量的要求。

Description

双源双探头正交式微波测量含水率装置及测量方法

技术领域

本发明属于利用微波测量技术领域。特别涉及用于煤传送带上的微波透射式煤含水率测量的一种双源双探头正交式微波测量含水率装置及测量方法。

背景技术

煤的水分含量是煤炭在生产、贸易、加工利用和科学研究中的一项重要指标，影响产品发热量和价格。在煤热值检测软测量方法的研究中，水分含量和灰分含量一样，是一项重要指标，影响着热值测量的精确度。因此开发一种可靠、准确的在线煤水分测量方法，是提高选煤工业效率的关键点之一。

煤的水分主要有两种：一种是外在水分，另一种是内在水分，此外，煤中的氢和氧，在煤干馏或燃烧时也能生成水，这部分水叫化合水。水分对煤的运输和加工利用都是不利的。目前有多种用于快速测定煤炭水分的方法，如红外法、充氮干燥法、空气干燥法、微波法和中子活化法等。其中能用于在线煤水分测量的方法有红外法、中子活化法、微波法等。

红外法的原理是利用被测物体吸收的近红外线漫反射光谱的不同来测定含水量，该方法广泛应用于粮食、土壤等的含水量检测。然而由于红外线无法穿透厚度较高的煤层，所以只能测量煤层表面的含水量，这在一定程度上限制了其应用。

中子活化法的原理是利用中子源照射被测介质，通过测定激发出的γ射线的特征峰，测定介质内包含的水分、灰分、挥发分、低位热值、碳、氢、氧、硫等元素值。该方法能较准确测量煤层中的各种成分，但是由于具有一定辐射性，且目前尚处于探索阶段，故不适于应用在在线煤水分检测中。

微波法的基本原理是利用微波通过被测介质时被吸收而产生的能量衰减和相位偏移，目前为止被应用于食品、土壤、建材、矿石等介质的含水检测中。通过调节微波的频率至被测成分的吸收峰范围之内，或避开非被测成分的吸收峰，以适应对不同成分的精确检测，具有较高可靠性和抗干扰性。是用于煤炭含水测量的的较理想的方法之一。

在微波电场中，水分子受到场的作用而发生取向极化：一方面，不断从电场中得到能量而转换为水分子的势能并存贮起来，储存能量用ε′度量，称为介电常量；另一方面，由于水分子具有惰性，取向极化运动相对于外电场的变化存在一个时间上的滞后，称为弛豫，弛豫的宏观效果使水分子产生损耗，这种损耗意味着水分子又不断地释放能量，释放能量用ε″度量介电损耗因子。前者表现为对微波信号的相移，后者表现为对微波信号的衰减，这一特性用水分子的介电常数

(电容率)来表征，即：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}={\mathrm{\ϵ}}^{\′}-{\mathrm{j\ϵ}}^{\′\′}---\left(2\right)$

介电常数ε与电场的频率有关。水分子是一种强极性偶极子，在同样频率同样强度的电场作用下，极化程度远大于其它物质。如在如常温下，在频率f＝10GHz时，水的介电常数ε_水＝64-j29，而煤的ε′≈3，ε″≈0.01。水对微波的吸收比煤高几千倍，这种显著的差别表明，材料中含水量的多少是决定混合物质介电常数的重要因素。因此选择最佳测试频率就是要选择对水吸收最大的微波频率。

微波通过含水煤层衰减率可用以下公式表示：

I_L＝I₀e^-2aL    (3)

其中：

I₀表示发射器天线发射微波的幅度；I_L表示接收到的幅度；L表示煤层厚度；

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}[\sqrt{1+{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}\right)}^2}-1]}{2}}\≈\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}{\sqrt{{\mathrm{\λ\ϵ}}^{\′}}}---\left(4\right)$

这样，只要测出处于含水煤层两端的微波源发射功率和检波器检测到的接收功率，就可以获得煤层的总含水率。

在实际工业应用中，随着煤的种类、粒度、含水率、厚度的不同，使得介质对微波的吸收率的的变化范围非常大，如果只使用单一频率的微波，将很难兼顾测量量程与测量精度。因此本发明提出了采用高敏感度的高频微波结合强穿透性的低频微波共同测量的办法，即在低厚度、低含水率的时候主要采用高频微波通道的测量数据，使得低量程下的精度得以有效保障；而在厚度过高或含水率过高以至于高频微波通道无法获得有效数据的时候，主要采用低频微波的测量数据，使得在该情况下仍能提供有效测量数据。

发明内容

本发明目的在于提供一种双源双探头正交式微波测量含水率装置及测量方法。其特征在于，所述装置包括9.4GHz微波信号源、2.4G微波信号源、9.4GHz检波器、2.4GHz检波器、9.4GHz发射天线、9.4GHz接收天线、2.4GHz发射天线、2.4GHz接收天线、数据采集卡和计算机。9.4GHz发射天线和2.4GHz发射天线沿煤输送方向并列安装于煤传送带上方，并分别与9.4GHz微波信号源和2.4GHz微波信号源相连，9.4GHz接收天线和2.4GHz接收天线位于煤传送带下方，分别与9.4GHz检波器和2.4GHz检波器相连，9.4GHz检波器和2.4GHz检波器与数据采集装置相连，数据采集装置将采集到的微波衰减信号上传给计算机，计算机计算处理得到传送带上煤实时含水率。本发明提供的测量方法式利用所述装置，获取煤传送带上的煤的含水率。

实现本发明方法包括如下步骤：

1)9.4GHz微波源产生微波，经9.4GHz天线发射至煤层表面；

2)2.4GHz微波源产生微波，经2.4GHz天线发射至煤层表面，该天线振荡方向与上述9.4GHz天线振荡方向垂直；

3)9.4GHz接收天线接收到微波，并将微波传送给9.4GHz检波器，检波器将检到的信号功率值传给数据采集卡；

4)2.4GHz接收天线接收到微波，并将微波传送给2.4GHz检波器，检波器将检到的信号功率值传给数据采集卡；

5)计算机根据采集卡采集到的两个频率的功率数据计算出含水率。

本发明的有益效果：

在上述技术方案中，本发明充分利用9.4GHz微波对于含水率的高敏感性和2.4GHz微波的强穿透性能，将二者结合起来对含水率波动较大的传送带上的煤进行穿透式测量，并为防止两个频率的微波相互串扰，将两套天线根据电磁波振荡方向正交安装，在最大程度上克服了此类微波测水仪器高灵敏度与大量程的矛盾，可有效解决实际生产过程中的测量问题。

附图说明

图1为双源双探头正交式微波测水装置结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了用于煤传送带上的微波透射式煤含水率测量的一种双源双探头正交式微波测量含水率装置及测量方法。图1所示为用于煤传送带上的微波透射式煤含水率测量示意图。所述装置包括9.4GHz微波信号源101、2.4G微波信号源103、9.4GHz检波器106、2.4GHz检波器108、9.4GHz发射天线102、9.4GHz接收天线105、2.4GHz发射天线104、2.4GHz接收天线107、数据采集卡110和计算机111。9.4GHz发射天线102和2.4GHz发射天线104沿煤输送方向并列安装于煤传送带109上方，并分别与9.4GHz微波信号源101和2.4GHz微波信号源103相连，9.4GHz接收天线105和2.4GHz接收天线107位于煤传送带109下方，分别与9.4GHz检波器106和2.4GHz检波器108相连，9.4GHz检波器106和2.4GHz检波器108与数据采集卡110相连，数据采集卡110将采集到的微波衰减信号上传给计算机111，计算机111中配以适当的处理程序，实现对传输带109上煤水分的测量。

本发明提供的用于煤传送带上的微波透射式煤含水率测量方法，是通过测量两路微波信号通过煤层后的剩余的功率，反推出两路微波信号在煤层中的衰减率，从而得出含水率。含水率的计算公式如下：

其中M为含水率，I_L1为9.4GHz检波器测得的功率，I_L2为2.4GHz检波器测得的功率，I_o1为9.4GHz检波器在传送带上无煤通过时测得的功率，I_o2为2.4GHz检波器在传送带上无煤通过时测得的功率，μ₁和μ₂分别为9.4GHz频段和2.4GHz频段的标定因子，需在传感器安装完成后实施数据标定后确定。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种双源双探头正交式微波测量含水率装置，包括9.4GHz微波信号源、2.4G微波信号源、9.4GHz检波器、2.4GHz检波器、9.4GHz发射天线、9.4GHz接收天线、2.4GHz发射天线、2.4GHz接收天线、数据采集卡和计算机：其特征在于，所述9.4GHz发射天线和2.4GHz发射天线沿煤输送方向并列安装于煤传送带上方，所述9.4GHz、2.4GHz两套天线振荡方向相互正交，并分别与9.4GHz微波信号源和2.4GHz微波信号源相连，9.4GHz接收天线和2.4GHz接收天线位于煤传送带下方，分别与9.4GHz检波器和2.4GHz检波器相连，9.4GHz检波器和2.4GHz检波器与数据采集装置相连，由此数据采集装置将采集到的微波衰减信号上传给计算机，数据采集装置将采集到的微波衰减信号上传给计算机，计算机启动数据处理程序，获得传送带上煤实时含水率。

2.一种双源双探头正交式微波测量含水率测量方法，其特征在于：该方法通过振荡方向相互正交的两套微波发射天线分别穿过传送带上的煤层，相对应的微波接收天线分别接收相对应的电磁波，并通过检波器获取穿透煤层后各自剩余的微波功率，获得煤层的含水率，该方法包括如下步骤：

1)9.4GHz微波源产生微波，经9.4GHz天线发射至煤层表面；

2)2.4GHz微波源产生微波，经2.4GHz天线发射至煤层表面，该天线振荡方向与上述9.4GHz天线振荡方向垂直；

3)9.4GHz接收天线接收到微波，并将微波传送给9.4GHz检波器，该检波器将检到的信号功率值传给数据采集卡；

4)2.4GHz接收天线接收到微波，并将微波传送给2.4GHz检波器，该检波器将检到的信号功率值传给数据采集卡；

5)计算机根据采集卡采集到的两个频率的功率数据计算出含水率。

3.根据权利要求2所述双源双探头正交式微波测量含水率测量方法，其特征在于，所述计算机计算含水率为

其中M为含水率，I_L1为9.4GHz检波器测得的功率，I_L2为2.4GHz检波器测得的功率，I_o1为9.4GHz检波器在传送带上无煤通过时测得的功率，I_o2为2.4GHz检波器在传送带上无煤通过时测得的功率，μ₁和μ₂分别为9.4GHz频段和2.4GHz频段的标定因子。

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