CN102207469B - 微波离线物料湿度和密度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量一腔体内的被测物料的湿度和密度的方法，包括：测量所述腔体为空腔时输入的微波的第一谐振频率和第一谐振幅度；定标以确定多个定标参数；将被测物料放入所述腔体；测量在放入被测物料时输入的微波的第二谐振频率和第二谐振幅度；以及根据所述多个定标参数、所述第一和第二谐振频率之差以及所述第一和第二谐振幅度之差来计算所述被测物料的湿度和密度。该方法方法能对一定形状的物料进行快速、实时、非接触及无损伤的测量，且尤其适合用于烟支生产过程中的离线检测。

Description

微波离线物料湿度和密度测量方法

技术领域

本发明涉及一种微波测量技术，尤其涉及一种微波离线物料湿度和密度测量方法。

背景技术

在一些工业生产过程中，湿度和密度是决定产品品质的关键因素。其测量和控制直接关系到产品质量和生产效率。实时、非接触、无损伤测量是目前湿度和密度测量的重要要求和研究方向。

50年代初，英国人Waston发现，微波透过墙体所产生的衰减量与墙体的湿度呈线性关系，并且提出利用微波方法测量物料的湿度。从此，微波在湿度测量领域有了新的发展。和传统的物料密度测量方法如称重法、核照射法以及物料湿度测量方法如红外线法、烘干法相比较，以微波为手段的物料湿度和密度测量具有快速、实时、在线及非接触和无损伤的特点，因而已得到广泛的应用。

微波测量密度及湿度的方法通常有透射法、反射法和谐振法三种。透射法和反射法设备较简单，但其受外界环境的影响较大、测量精度较低。谐振法测量精度高、受外界环境的影响小，但其测量设备较为复杂。

发明内容

本发明旨在提供一种新颖的湿度和密度测量方法，以代替传统的称重法和核放射法来测量物料密度，同时代替红外线法或烘干法来测量物料湿度。

特别是，本发明提供了一种用于测量一腔体内的被测物料的湿度和密度的方法，包括：测量所述腔体为空腔时输入的微波的第一谐振频率和第一谐振幅度；定标以确定多个定标参数；将被测物料放入所述腔体；测量在放入被测物料时输入的微波的第二谐振频率和第二谐振幅度；以及根据所述多个定标参数、所述第一和第二谐振频率之差以及所述第一和第二谐振幅度之差来计算所述被测物料的湿度和密度。

根据一优选实施例，在上述方法中，所述定标以确定多个定标参数的步骤包括：分别利用至少两个已知密度和湿度且密度相同而湿度不同的第一组样品来确定与湿度相关的第一组定标参数；以及分别利用至少两个已知密度和湿度的第二组样品来确定与密度相关的第二组定标参数。

根据一优选实施例，在上述方法中，所述定标以确定多个定标参数的步骤是基于等式：Ψ＝a(ΔA/ΔF)+b；ρ＝cΔF(Ψ)+d；其中，Ψ表示被测物料的湿度，ρ表示被测物料的密度，A表示微波的谐振幅度，F表示微波的谐振频率，a和b表示所述第一组定标参数，c和d表示所述第二组定标参数。

根据一优选实施例，在上述方法中，测量所述第一和第二谐振幅度的步骤利用等值点平均法。

根据一优选实施例，在上述方法中，所述确定与湿度相关的第一组定标参数的步骤包括：测量在放入第一组样品时输入的微波的谐振频率和谐振幅度；将在放入该第一组样品时输入的微波的谐振频率和谐振幅度分别减去所述第一谐振频率和所述第一谐振幅度以获得所述ΔA和所述ΔF；基于所述第一组样品的已知密度和湿度、所获得的ΔA和ΔF和所述等式Ψ＝a(ΔA/ΔF)+b来确定所述第一组定标参数a和b。

根据一优选实施例，在上述方法中，所述被测物料为烟支。

本发明的方法能对一定形状的物料进行快速、实时、非接触及无损伤的测量。微波测量方法是一种解决这个问题的较好的方法。本发明的方法具有检测速度快，测量结果准确，可靠性高，对操作者人体安全的特点。本发明通常可用于各种非金属材料的实时检测，用来对物料在线测量装置进行抽样校准和定标。特别是，本发明尤其适合用于烟支生产过程中的离线检测，用于烟支密度和湿度的抽样校准和定标。

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1示出了适用于本发明的微波检测装置的结构示意图。

图2示出了F与A的实验曲线图。

图3示出了本发明的方法的示意性流程图。

具体实施方式

本发明是基于如下所述的微波技术原理做出的。现在将详细参考附图描述本发明的实施例。

微波在一个金属制成的容器(亦称微波谐振腔)内具有谐振特性。对于一个空的微波谐振腔，当其几何形状确定后，其谐振频率和谐振幅度也是确定的。但当在该谐振腔内部分或全部填充有其它非金属物料(亦称介质材料)时，其谐振频率和谐振幅度会因填充的介质材料的介电常数、介质的多少和形状的不同而产生不同的变化。这种变化对于所填充的介质材料的不同所产生的响应的十分敏感的。因此，可以利用对微波谐振腔的谐振频率和谐振幅度的测量来快速、精确地测出微波谐振腔内所填充的介质材料的密度和湿度。

介质材料在微波谐振腔内的对谐振腔谐振频率和谐振幅度的影响是由于介质材料的介电常数不同而产生的。介质材料的介电常数通常是一个复数：

ε＝ε′-jε″             (1)

其虚部ε″表示微波能量通过介质材料时的损耗；而实部ε′表示微波能量在介质材料中的储存。

另一方面，湿度通常可表示为：

$\mathrm{\ψ}=\frac{m_W}{m_W+m_D}=\frac{m_W/V}{(m_W+m_D)/V}=\frac{m_W/V}{\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

其中，m_W和m_D分别为物料中水分和干燥部分物料的质量，V为物料的整体体积，ρ为其整体密度。复介电常数ε是关于一定体积内的水和干燥物料两者的浓度的函数。通常情况下，该函数是非线性的，可以表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{m_D}{\mathrm{V\ρ}}{\mathrm{\ϵ}}_D+\frac{m_W}{\mathrm{V\ρ}}{\mathrm{\ϵ}}_W---\left(3\right)$

将上式分解成ε′、ε″后，代入式(3)中，可得计算物料湿度和其整体密度的关系式：

$\mathrm{\ψ}=\frac{m_W}{m_W+m_D}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_W{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′\′}{\mathrm{\ϵ}}^{\′}-{\mathrm{\ρ}}_W{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′}{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}({\mathrm{\ρ}}_W{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′\′}-{\mathrm{\ρ}}_D{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′\′})-{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}({\mathrm{\ρ}}_W{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′}-{\mathrm{\ρ}}_D{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′})}---\left(4\right)$

$\mathrm{\ρ}=\frac{m_W+m_D}{V}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}({\mathrm{\ρ}}_W{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′\′}-{\mathrm{\ρ}}_D{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′\′})-{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}({\mathrm{\ρ}}_W{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′}-{\mathrm{\ρ}}_D{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′})}{{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′}{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′\′}-{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′}{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′\′}}---\left(5\right)$

干燥物料通常具有低损耗特性但是有显著的介电特性。也就是说ε_D′是一个有限值，同时ε_D″趋于零。这样上式可以简化如下：

$\mathrm{\ψ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′}}{{\mathrm{\ρ}}_D}}{\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′\′}}{{\mathrm{\ρ}}_W}-{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′}}{{\mathrm{\ρ}}_W}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′}}{{\mathrm{\ρ}}_D})}---\left(6\right)$

$\mathrm{\ρ}=\frac{\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′\′}}{{\mathrm{\ρ}}_W}-{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′}}{{\mathrm{\ρ}}_W}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′}}{{\mathrm{\ρ}}_D})}{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_D^{\′}{\mathrm{\ϵ}}_W^{\′\′}}{{\mathrm{\ρ}}_D{\mathrm{\ρ}}_W}}---\left(7\right)$

可见，通过ε′和ε″即可得到物料湿度，同时也可得到物料的整体密度。而功率衰减和谐振频率等是与介电常数密切相关的物理量，只要测得这两个物理量就能够测得材料的含水量。

在微波湿度的测量中，被测物料的介电常数起到了桥梁的作用：一方面穿透被测物料的微波的两个参量(衰减A和谐振频率f₀)与不同物料的介电常数和其密度有关；另一方面由于水的介电常数远远大于一般物料，因此被测物湿度的变化也表现为被测物料的介电常数的变化。

根据电磁波入射有耗媒质的相关原理和近似条件，能够得到如下的公式：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}={\left(\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\β}}_0}\right)}^2$

${\mathrm{\β}}^{\′\′}=\frac{2\mathrm{\α\β}}{{{\mathrm{\β}}_0}^2}---\left(8\right)$

其中，α＝A/d，β＝φ/d+β₀，β₀＝2π/λ₀

所以通过介电常数可以建立入射波衰减量A和谐振频率f₀与被测物湿度ψ的关系。

$A=D\×f_0\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{\′\′}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}}---\left(9\right)$

$f=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}{f}_0---\left(10\right)$

由此，通过ε′和ε″的中介，可以建立被测物的密度及湿度与被测量衰减A和谐振频率f₀的关系。

但通常这种关系相当复杂，本案的发明人通过大量的实验确定了以下关系：在被测量衰减A和谐振频率f₀的关系图中，被测物料的密度表现为一条直线关系，而被测物料的湿度决定该直线的斜率，参见图2(其中×表示实验测试点)。

从图2的曲线中，可得出如下关系：

Ψ＝a(ΔA/ΔF)+b        (11)

ρ＝cΔF(Ψ)+d          (12)

式中，a、b、c及d是定标常数。

基于上述关系式，本案的发明人提出了一种新颖的用于测量一腔体内的被测物料的湿度和密度的方法。如图3所示，该方法至少包含以下步骤：

步骤301：测量空腔时输入的微波的第一谐振频率和第一谐振幅度；

步骤302-303：定标以确定多个定标参数；

步骤304：将被测物料放入腔体；

步骤305：测量在放入被测物料时输入的微波的第二谐振频率和第二谐振幅度；以及

步骤306：根据多个定标参数、第一和第二谐振频率之差以及第一和第二谐振幅度之差来计算被测物料的湿度和密度。

在该方法中，定标是一个很关键的步骤。具体地，如图3所示，该定标需要分成两个部分，先定标关系式(11)中的第一组定标参数a和b，然后定标关系式(12)中的第二组定标参数c和d。

对于第一组定标参数的定标，首先，根据步骤301已能获得空腔谐振频率f₀及谐振幅度A₀。然后，将至少两个(2个或3个)已知密度和湿度且密度相同而湿度不同的一组样品分别放入腔体中，以测出对应的微波谐振频率f及谐振幅度A，计算与空腔谐振频率f₀及谐振幅度A₀的差值ΔF及ΔA；最后通过方程联立即可解出定标常数a、b，从而完成Ψ的定标过程。

对于第二组定标参数的定标，则选用至少两个(2个或3个)已知密度和湿度的另一组样品来确定与密度相关的第二组定标参数，测出其谐振频率f，计算出与空腔谐振频率f₀的差值ΔF，由式(12)确定定标常数c及d。

由此，完成了整个定标过程。

接着，如步骤304-306所述，通过将被测物料放入腔体并测量对应的谐振频率和谐振幅度，就能根据已确定的定标常数a、b、c、d及实际测得的ΔF及ΔA，计算出被测物料的湿度Ψ及密度ρ。

发明人在实践中发现，当谐振曲线峰值比较平滑时，谐振幅度A的直接测量可能存在较大的误差，因而在测量谐振幅度A时，优选采用等值点平均法。即，在谐振曲线峰值两边各取幅度相等的一点，以这两点的频率值的平均值为谐振频率，然后求得对应于这一频率点的幅度，作为谐振幅度。这样就可大幅提高谐振幅度A的测量精度。

图1示出了适用于图3所示方法的微波检测装置的结构示意图。该微波检测装置包含微波谐振腔5，该微波谐振腔5可根据被测物料的形状和体积来设计。此外，该微波检测装置还包括与微波谐振腔5的输入探针相连接的微波信号发生器1、与微波谐振腔5的输出探针相连接的检波器及放大器组件9、与该检波器及放大器组件9相连接的数模转换及信号处理单元10以及分别与数模转换及信号处理单元10和微波信号发生器1相连接的计算及控制单元。在图1的优选实施例中，该计算及控制单元由数据采集及处理计算机11、显示及存储单元12、系统控制单元13三部分构成。此外，较佳地，微波隔离器2和8分别设置于微波信号发生器1和输入探针4之间以及检波器及放大器组件9和输出探针6之间。

使用中，微波信号发生器1可选用由数字控制的快速跳频锁相微波源。其产生的微波信号通过微波同轴电缆及微波隔离器2由输入探针4注入微波谐振腔5。然后，再由输出探针6将受被测物质的影响而变化的微波谐振信号引出。引出的微波谐振信号通过微波同轴电缆及微波隔离器8进入检波器及放大器组件9。检波器及放大器组件9可采用一般的微波检波二极管，检波后再进行直流放大，放大后输出为直流电压信号。为了提高系统的稳定性必须对检波器和放大器组件9进行温度补偿。模数转换及信号处理单元10将检波放大后的直流电压信号经过模数转换，变为数字信号。将各个时刻的检出信号送入单元10的随机存取存储器中。在图1所示的实施例中，由数据采集和处理计算机11对信号进行分析计算、归纳，最后给出被测物质的密度和湿度数据，提供给显示和储存单元12。微波信号的产生及与信号处理过程的同步等工作则可由系统控制单元13控制。但如上所述，数据采集和处理计算机11、显示和储存单元12、系统控制单元13的工作可由单个计算及控制单元代替。由于微波信号发生器1是一个由数字控制的快速跳频锁相微波源，每一时刻对应于一个微波信号频率。比较各个时刻的输出信号大小，即可求得谐振腔5的谐振特性(频率与输出信号幅度的对应关系)，从而得到当时的微波谐振频率及谐振幅度。当谐振腔内被测物质的密度及湿度发生改变时，微波谐振腔5的谐振频率及谐振幅度也将发生改变。再根据微波谐振腔5的谐振频率及谐振幅度与填充物质的密度和湿度的数学关系，通过计算机处理，可得到填充物质的密度和湿度的实时数据。

综上所述，本发明提供了一种微波离线物料湿度和密度测量方法。该方法利用微波谐振原理，对微波谐振腔内填充材料的密度和湿度进行快速、实时、精确、非接触和无损进行检测。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (4)

1.一种用于测量一腔体内的被测物料的湿度和密度的方法，包括：

a.测量所述腔体为空腔时输入的微波的第一谐振频率和第一谐振幅度；

b.定标以确定多个定标参数；

c.将被测物料放入所述腔体；

d.测量在放入被测物料时输入的微波的第二谐振频率和第二谐振幅度；以及

e.根据所述多个定标参数、所述第一和第二谐振频率之差以及所述第一和第二谐振幅度之差来计算所述被测物料的湿度和密度，

其中，所述定标以确定多个定标参数的步骤包括：

分别利用至少两个已知密度和湿度且密度相同而湿度不同的第一组样品来确定与湿度相关的第一组定标参数；以及

分别利用至少两个已知密度和湿度的第二组样品来确定与密度相关的第二组定标参数；

其中，所述定标以确定多个定标参数的步骤是基于等式：

Ψ＝a(ΔA/ΔF)+b；

ρ＝cΔF(Ψ)+d；

其中，Ψ表示被测物料的湿度，ρ表示被测物料的密度，a和b表示所述第一组定标参数，c和d表示所述第二组定标参数，ΔF是放入样品时微波的谐振频率与第一谐振频率的差值，且ΔA是放入样品时微波的谐振幅度与第一谐振幅度的差值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述第一和第二谐振幅度的步骤利用等值点平均法。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定与湿度相关的第一组定标参数的步骤包括：

测量在放入第一组样品时输入的微波的谐振频率和谐振幅度；

将在放入该第一组样品时输入的微波的谐振频率和谐振幅度分别减去所述第一谐振频率和所述第一谐振幅度以获得所述ΔF和所述ΔA；

基于所述第一组样品的已知密度和湿度、所获得的ΔA和ΔF和所述等式Ψ＝a(ΔA/ΔF)+b来确定所述第一组定标参数a和b。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被测物料为烟支。

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