CN102230733A - 一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔 - Google Patents

Abstract

一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，属分析仪器领域。其包括构成炉腔的上顶面、下底面和炉腔的侧壁面，其所述炉腔的侧壁面由一段平/直面侧壁面和一段曲面侧壁面相接/组合而构成；其平/直面为平面，其曲面为圆弧面。通过采用径向/轴向聚能与平面反射/漫射相结合的方法，在样品所在的放置空间区域内，形成一个均匀的、场强密度高的微波加热空间区域，提高了微波的加热效率，特别适合于处理片状样品或大面积样品，可更加精确、高效地测定样品的水分挥发物含量，且有助于减小对含水量过高或过低的样品的测量结果偏差，能较大程度地提高整个水分挥发物测定工作的工作效率。可广泛用于样品水分含量的测定/分析领域。

Description

一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔

技术领域

本发明属于分析仪器领域，尤其涉及一种用于快速除去样品水分的微波加热装置。

背景技术

随着科学研究的发展和生产技术的进步，被检测物质样品中所含水分(或称为水分挥发物)的定量分析已被列为各类物质理化分析的基本项目之一，成为各类被检测物质的一项重要的质量监控指标。

根据不同形式样品中的不同水分含量，提出了对测定水分的不同要求。

目前，样品的水分挥发物的测定方法有传统的烘箱加热法、红外加热法、卡尔费休法、库伦法等。

现在，在实际应用中，样品的水分挥发物的测定主要应用于两方面：一种是可出售的某些类商品成品，由于其需要符合的国家规定标准中包含有对水分挥发物含量规定的标准，所以需要将商品成品抽检或送检，测定商品成品中的水分含量。另一种是某些领域的制造型企业，在生产过程中要对产品的水分含量指标进行严格控制，从而对产品的质量进行更好的控制，故也需要能够一种随时快速的水分在线检测方法，也就是通过“在线检测”的方式，来测定水分挥发物。

针对上述的前一种情况，因为是以国家标准为前提的，那么水分挥发物的测定方法也是根据国家标准所提供的方法，一般为“烘箱法”和/或“卡尔费休法”。这两种方法测定的精确度都较高，但普遍测定的时间周期长(烘箱法平均基本在4小时左右，卡尔费休法要视样品含水量而定，含水量的增加会使样品测定时间越来越长)，对操作人员的操作要求高(需要对样品进行预处理，操作过程中的每个环节都需很仔细，不能有失误)。

如果完全将前一种情况下所采用的水分挥发物的测定方法，直接移植到后一种情况的“在线”水分挥发物检测上，就会发现测定所耗费的用时长，对检测人员的要求高，无论是人力成本还是生产成本都很高，根本无法满足生产线上对产品生产过程中的质量变化进行快速调整和控制的目的。

现在，微波快速水分测定仪主要用于上述的后一种情况，也就是“在线”水分挥发物的检测，由于微波加热原理自身的特点，它能够很好的解决“烘箱法”和“卡尔费休法”存在的测定时间长、对操作人员要求高等弊端。

同时，因为采用微波加热法进行水分挥发物的测定时，它的样品分析时间一般是在几分钟之内，而且无须预处理样品，更符合产线上对在线检测快速，简单的要求。

而且，微波对样品的穿透性又能很好的保证样品中水分挥发物的彻底挥发，从而确保样品测定的精确度。

在这点上同样是快速测定的红外水分测定法的精确度就会差一些，因为红外是“先外后里”的加热方式，微波是“从里到外”的加热方式；另外微波快速水分测定仪对样品含水量高低的选择性差异很小，即无论样品含水量高或低对最后测定结果的影响较小，而红外水分测定和卡尔费休法都明显地存在着“对低水分含量样品的检测结果更准确，而对高水分含量样品的检测精确度变差”的缺点。

综上所述，微波水分测定仪是基于企业的“在线”检测而设计的，更能满足“在线”检测的“快速、简单、准确”的要求，同时避免了其他水分挥发物测定方法的各种不足，可广泛用于食品，化工，药品，农产品等领域的在线生产。

目前，国内已有厂商生产微波水分测定仪，但其用于容纳测定样品和进行微波加热的炉腔，均是采用现有家用微波炉的长方体结构形式的炉腔进行改装的，没有针对性地根据微波加热装置工作的特点来设计专用的微波炉腔，因此存在炉腔内微波场强分布不均匀、加热效率低、功率损耗大、耗时长等缺点。

而现有国外微波快速水分测定仪的炉腔，其横截面主要是正八边形和圆形(以下简称为八边形炉腔和圆形炉腔)。

在大量的样品实际测试过程中及经过专业软件模拟分析发现：八边形炉腔虽然其内部的微波场强分布较均匀，但微波聚能效果不明显，所以样品处理时间长，对样品的干燥效率较低。

而圆形炉腔虽然炉腔中心微波聚能效果较明显，通常是聚集在一个点(圆心)上，但炉腔内微波场强分布不均匀，样品处理过程中经常有样品/试样局部被烧焦的现象，严重影响了测量结果的精确度和测试数据的可重复性；同时，由于其聚能加热区域过于集中在一个点上，对于片状样品不能够整体均匀加热，对于水分含量过高(例如，90％以上)或过低(例如，8％以下)的样品，测量结果偏差较大，检测效果不佳，不适合用于对大面积或片状样品的水分检测分析工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，其通过曲-直侧壁面的组合式结构，将微波均匀聚能分布于炉腔的局部区域空间内，在被加热样品附近形成一个均匀的、场强密度高的微波加热空间，具有样品受热均匀、水分挥发物快速挥发的特点，特别适合于处理片状样品或大面积样品，有助于减少对含水量过高/过低的样品的测量结果偏差，可较大程度地提高整个水分挥发物测定工作的工作效率。

本发明的技术方案是：提供一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，包括构成炉腔的上顶面、下底面和炉腔的侧壁面，其特征是：所述炉腔的侧壁面由一段平/直面侧壁面和一段曲面侧壁面相接/组合而构成。

具体的，所述的平/直面为平面，所述的曲面为圆弧面。

本发明还提供了一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，包括炉腔本体，其特征是：所述炉腔本体的横截面为由一直线段和一曲线段所围成的封闭图形。

其所述的曲线段为圆弧线线段、双曲线线段或抛物线线段中的一部分。

本发明又提供了一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，包括构成炉腔本体的各个壁面，其特征是：所述的壁面至少为4个壁面；所述构成炉腔本体的壁面中，至少一个侧面为曲面。

进一步的，所述构成炉腔本体的壁面为4个壁面；所述构成炉腔本体的壁面中，其中一个侧面为曲面。

上述的曲面为圆弧曲面、鼓形曲面或球形曲面。

更进一步的，在上述的平/直面侧壁面上、直线段侧面上或曲面以外的侧面上，设置有用于微波馈入的耦合口，微波发生源通过耦合口将微波馈入炉腔内。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.采用曲面和直面炉壁相结合的炉腔结构形式，其曲面炉壁有助于微波场强的聚能，其直/平面炉壁可有助于炉腔内微波场强的分布均匀，曲-直面炉壁的结合，有利于在样品所在的放置空间区域内，形成一个均匀的、场强密度高的微波加热空间区域，提高了微波的加热效率，特别适合于处理片状样品或大面积样品，且有助于缩小对含水量过高或过低的样品的测量结果偏差；

2.采用曲面和直面相结合的炉腔结构形式，微波耦合口设置在直面炉壁上，便于微波耦合口的加工和制造，简化了产品生产工艺和加工要求，有助于降低产品的制造和购置成本，有利于微波快速水分测定装置的推广和使用；

3.有助于样品的整体均匀受热，更有利于被测样品水分挥发物的快速挥发，可更加精确、高效地测定样品的水分挥发物含量。

附图说明

图1为本技术方案微波炉腔的结构示意图；

图2为上述微波炉腔的横向剖面结构示意图；

图3为本技术方案另一种微波炉腔纵向剖面结构的示意图；

图4为用专业电磁仿真软件模拟的八角形炉腔的场强分布图；

图5为用专业电磁仿真软件模拟的圆形炉腔的场强分布图；

图6为用专业电磁仿真软件模拟的圆弧形炉腔的场强分布图；

图7是样品在八角形炉腔内所做实验结果的图片；

图8是样品在圆形炉腔内所做实验结果的图片；

图9是样品在圆弧形炉腔内所做实验结果的图片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本发明技术方案的圆弧形炉腔，包括构成炉腔的上顶面1、下底面2和炉腔的侧壁面，其主要发明点在于，所述炉腔的侧壁面是由一段直平面3-1和一段曲面3-2相接组合而构成。

进一步的，上述的曲面3-2为曲弧面。

具体的，上述的曲面3-2为圆弧面。

在上述的直/平面侧壁面上，设置有用于微波馈入的耦合口4，微波发生源通过耦合口将微波馈入炉腔内。

本技术方案采用曲面-直面炉侧壁面结合的炉腔结构，有利于在样品所在的放置空间区域内形成一个均匀的、场强密度高的微波加热空间区域，特别适合于处理片状样品或大面积样品，且有助于缩小对含水量过高或过低的样品的测量结果偏差；同时，微波耦合口设置在直面炉壁上，简化了产品生产工艺和加工要求，有助于降低产品的制造和购置成本；此外，采用曲-直面炉壁结合的炉腔结构，有助于片状(诸如样品试纸或过滤纸)或较大体积样品的整体均匀受热，更有利于被测样品水分挥发物的快速挥发，可更加精确、高效地测定样品的水分挥发物含量，亦使测试结果的可重复/可再现性大大提高。

图2中，本发明技术方案的圆弧形炉腔，包括炉腔本体，其主要发明点在于，所述炉腔本体的横向(径向)剖面为由一直线段3-1和一曲线段3-2所围成的封闭图形结构。

其所述的曲线段为圆弧线段。

由本图可以明确地看出曲面-直面炉侧壁面相结合的炉腔结构。

其曲线段为圆弧线段或圆弧线段中的一部分。

其余同图1。

图3中，从另一个角度来说，本申请技术方案中的圆弧形炉腔，其发明点在于构成圆弧形炉腔空间的壁面至少为4个壁面(或称为侧壁面，下同)；其中至少一个侧面为曲面。

作为一种实施例，如图1所示，构成本圆弧形炉腔本体空间的壁面为4个壁面1、2、3-1和3-2，其中一个侧面3-2为横向(即炉腔的径向方向上)的曲面，其所述的曲面3-2为圆弧面。

更进一步的，作为另一种实施例，前述的曲面3-2在径向曲面的基础上，在炉腔的纵向(轴向)方向上也可以为圆弧面、圆弧曲面、鼓形曲面或球形曲面等曲面。

本图以轴向圆弧曲面为例给出了结构示意，由图可知，其侧壁面3-2为一个以R为半径的圆弧曲面。

构成圆弧曲面的曲线段可以为圆弧线线段、双曲线线段或抛物线线段中的一部分。

从广义上来讲，凡具有聚焦/向心聚能功能的曲线或曲线段，均可充当构成本炉腔曲面的形状轮廓线。

采用这样的技术特点，是为了在图2所示圆弧侧曲面在径向上的微波向心聚能(可以称之为横向聚能)基础上，进一步实现曲面在轴向上的微波聚能作用(可以称之为纵向聚能)。

其余同图1或图2。

图4是用Ansoft公司的HFSS(High Frequency Structure Simulator，三维结构电磁场仿真软件)软件模拟的八角形炉腔内的微波场强分布图，其中深色为场强密度高处，淡色为场强密度低处。

因为该软件为业内的标准通用软件，故其图形生成方式、初始条件的设定以及结果图的表示方法在此不再叙述，具体可以参考《HFSS电磁仿真设计应用详解》(李明洋编著，人民邮电出版社出版，2010-05)一书中的相关内容。

由图可知，由于八角形炉腔内的各个侧面都是平面，对微波都具有反射作用，所以在其炉腔中心即样品放置区域内没有很明显的场强密度过于集中处，场强较均匀。

但是，由于该炉腔内每个侧壁面对微波都有反射/漫射作用，使得微波在炉腔中心区域没有聚能效果，从而使样品加热时间较长，加热效率较低。

从图中可以看出八角形炉腔内微波分布较均匀但微波聚能效果不明显。

图5同样是用HFSS软件模拟的圆形炉腔的微波场强分布图，其中深色为场强密度高处，淡色为场强密度低处。

由于该结构炉腔的侧壁面是全圆弧面，对微波有横向的向心聚能作用，所以在炉腔中心区域内场强密度过于集中处，并且密度集中区域的横截面小于样品分布面积，就造成了样品中心区域有热点，在加热过程中样品中心有糊点存在，导致了测量结果的偏差和不准确。

从图中可以看出圆形炉腔中心微波聚能较明显但微波分布不均匀，有热点。

图6也是用HFSS软件模拟的圆弧形炉腔内的微波场强分布图，其中深色为场强密度高处，淡色为场强密度低处。

由于本技术方案中炉腔的侧壁面是由圆弧面和平面组成，圆弧面对微波有聚能作用，使得微波聚能在炉腔中心样品放置的空间区域内，而平面对微波又有反射/漫射作用，使得在炉腔中心即样品放置空间区域内的微波分布相对比较均匀，样品在加热过程中加热速度快，没有糊点。

从图中可以看出圆弧形炉腔内微波聚能效果较明显，同时微波分布也较均匀。

实验数据：

用水分含量为22.00％的蜂蜜水涂于Φ95mm的玻璃纤维滤纸垫上，分别在上述三种结构的炉腔内做水分挥发物含量实验，测得的实验结果及样品外观情况如下：

实验结果分析：

1、八角形形状炉腔：

根据图7所示样品试样外观和实验结果数据来看，试验后的试样上外观无明显糊点，说明该结构炉腔的样品加热区域空间内微波场强较均匀；其水分测量结果与实际值相比，较准确；但加热时间偏长，说明在该形状结构炉腔的样品加热区域空间内微波场强的强度偏弱。

2、圆形形状炉腔：

根据图8所示样品试样外观和实验结果数据来看，试验后的试样上外观有明显的糊点区域(见图中中心部位的深色阴影部分)，说明该结构炉腔的样品加热区域空间内微波场强不均匀，局部微波聚能过强，导致部分加热区域样品过热；且水分测量结果与实际值相比偏差较大。

3、圆弧形形状炉腔：

根据图9所示样品试样外观和实验结果数据来看，试验后的试样上外观无明显糊点，说明在加热区域空间内样品整体受热较均匀，故该结构炉腔的样品加热区域空间内微波场强较均匀；加热时间最短，说明局部微波聚能效果较好；其测量结果最接近实际数值。

通过分析可知，上述实验结果与图4～6所得到的结果是相对应和相匹配的。

本技术方案之所以能够达到炉腔中心微波聚能较明显，同时微波分布也较均匀的技术原因分析：

本技术方案的圆弧形炉腔由炉腔的上顶面、下底面和炉腔的侧壁面组成，其特点在于炉腔的侧壁面由直面和圆弧面相结合构成的。

其中，圆弧面对微波有聚能作用，在炉腔中心即样品放置区域对微波产生聚能效果；而平面对微波又有反射/漫射作用，使得在炉腔中心即样品放置区域内的微波分布较均匀。

采用这样的炉腔结构，既避免了八角形炉腔微波聚能效果不明显、样品加热时间长的不足，又避免了圆形炉腔中心微波聚能过明显、样品加热有热点的不足。

使用本圆弧形结构的微波加热炉腔，使样品在加热过程中加热速度快，没有糊点，由于其微波聚能区域为一个样品加热区域空间，故适合于处理片状样品或大面积样品，且有助于缩小对含水量过高或过低的样品的测量结果偏差。

其次，本炉腔的侧壁面采用了由一段直面和一段曲面相接组合的炉腔结构形式，通过定向反射将微波聚能于样品附近的加热空间区域内，提高了微波的加热效率，微波场强分布也更加均匀，使得样品能够受热更加均匀，有助于样品中的水分挥发物快速挥发，可缩短样品的处理/测试时间，降低了样品处理/测试的工作量和综合实验成本，可明显提高实验工作效率。

此外，采用曲面和直面相结合的炉腔结构形式，微波耦合口设置在直面炉侧壁上，更便于微波耦合口的加工和制造，简化了产品生产工艺和加工要求，有助于降低产品的制造和购置成本，易于为使用单位所接受，便于产品的推广和应用。

从另一方面上来讲，微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。

国际无线电管理委员会对频率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有433兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫，作为对含水物质进行加热/干燥的微波加热装置，其微波的工作频率通常是采用2450兆赫的微波。

微波炉实际上就是一台产生微波的振荡器，它产生的微波，波长为122毫米，频率为2450兆赫。

炉腔是把微波能变为热能对被测样品或被加热物品进行加热的空间，是一个微波谐振腔。

从微波加热装置所采用的微波的波长范围可知，其与现有微波炉腔在度量尺寸上同属于一个单位数量级。

所以，炉腔在毫米或厘米单位级别的形状变化或改变，将直接影响到微波在炉腔内部空间中的传输/分布/反射或聚能情况；反过来说，炉腔结构在毫米或厘米单位级别上的变化，必然会给馈入炉腔内部的微波的分布均匀度、聚能效果、场强分布结构等重要性能参数指标，带来较大的影响或改变。

此外，从物理基本知识中可知，介质吸收微波功率的大小P正比于频率f、电场强度E的平方、介电常数εr和介质损耗正切值tgδ。

即：P＝2πf·E²·εr·V·tgδ

则炉腔内微波场强的变化，直接影响到被加热样品的干燥速度和达到规定含水量的时间。

所以，炉腔内微波的场强分布形态，直接影响到整个水分快速分析装置的加热/干燥速度和测量工作效率。

故此，微波加热炉腔的形状或结构上的改变和调整，对于提高微波的加热效率，炉腔内场强分布的均匀性，样品受热均匀程度，以及缩短样品的处理/测试时间，降低样品处理/测试的工作量和综合实验成本和实验工作效率的提高，有着关键和事关重要的决定性作用。

在发明思路和改进方法明确后，通过确定合理的曲面与平面之比(可以是面积之比，也可以是尺寸之比)，就可以既满足微波聚能(场强密度)的要求，又通过微波的反射/漫射，来保证样品所在的区域空间内微波的场强均匀度，从而达到本技术方案的发明目的和技术效果。

本技术方案，通过利用微波“直线传播和遇金属反射”的特性，采用前述的“径向”/“轴向”聚能与平面反射/漫射相结合的方法，在样品所在的放置空间区域内，形成一个均匀的、场强密度高的微波加热空间区域，提高了微波的加热效率，特别适合于处理片状样品或大面积样品，且有助于减少样品的测量结果偏差，可较大程度地提高整个水分挥发物测定工作的工作效率。

将本发明应用于微波快速水分测定仪中，符合在线检测的“快速、简单、准确”的要求，可有助于食品、化工、药品、农产品等行业的产品生产企业用最短的时间把好质量关，带来更多的经济效益。

本发明可广泛用于样品水分含量的测定/分析领域。

Claims (10)

1.一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，包括构成炉腔的上顶面、下底面和炉腔的侧壁面，其特征是：所述炉腔的侧壁面由一段平/直面侧壁面和一段曲面侧壁面相接/组合而构成。

2.按照权利要求1所述的用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，其特征是所述的平/直面为平面，所述的曲面为圆弧面。

3.一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，包括炉腔本体，其特征是：所述炉腔本体的横截面为由一直线段和一曲线段所围成的封闭图形。

4.按照权利要求3所述的用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，其特征是所述的曲线段为圆弧线线段、双曲线线段或抛物线线段中的一部分。

5.一种用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，包括构成炉腔本体的各个壁面，其特征是：所述的壁面至少为4个壁面。

6.按照权利要求5所述的用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，其特征是所述构成炉腔本体的壁面为4个壁面。

7.按照权利要求5所述的用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，其特征是所述构成炉腔本体的壁面中，至少一个侧面为曲面。

8.按照权利要求6所述的用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，其特征是所述构成炉腔本体的壁面中，其中一个侧面为曲面。

9.按照权利要求6或7所述的用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，其特征所述曲面为圆弧曲面、鼓形曲面或球形曲面。

10.按照权利要求1、3或7所述的用于微波快速水分测定仪的圆弧形炉腔，其特征是在所述的平/直面侧壁面上、直线段侧面上或曲面以外的侧面上，设置有用于微波馈入的耦合口，微波发生源通过耦合口将微波馈入炉腔内。

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