CN104931514A

CN104931514A - 微波谐振腔水分传感系统

Info

Publication number: CN104931514A
Application number: CN201510336417.XA
Authority: CN
Inventors: 阳安源
Original assignee: Chengdu Xingsanwei Technology Co Ltd
Current assignee: SICHUAN LAIYUAN TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2015-09-23

Abstract

本发明公开了微波谐振腔水分传感系统，包括以下部件：包括由微波发生器和微波测量器构成的微波发生测量器；还包括进行微波谐振的微波谐振腔；还包括微波谐振腔负极；还包括输出指令和进行逻辑运算的计算机；微波谐振腔负极和微波谐振腔都是一段开口一端封闭的微波谐振空腔，微波谐振腔负极的开口端和微波谐振腔的开口端相对设置构成微波空腔谐振器，还包括放置在微波谐振腔的开口端和微波谐振腔负极的之间的被测物料，微波发生测量器包括设置在一空腔内的控制电路板，控制电路板连接有2个同轴线接头，控制电路板通过控制线缆与计算机连接，2个同轴线接头分别通过射频同轴线与微波谐振腔上的接头连接。

Description

微波谐振腔水分传感系统

技术领域

本发明涉及测水装置，本发明涉及一种在工业造纸、烟草业等行业中广泛应用的微波谐振腔水分传感器，用来对物料的含水率（物料中水重量与物料总重量的百分比）进行快速、无接触、精确在线测量。

背景技术

在工业造纸、烟草业中，对原材料等物料的含水率需要进行精确测量和控制，才能更好地控制产品质量。目前常用的物料含水量测量方法有加热干燥称重法、红外反射率测水法、微波透射法等等。加热干燥称重法是国标测量方法，精度高，但测量速度慢，只能对少量样品含水率进行测试，不能用于在线快速测试，并且只反映样品的含水量，由于物料含水量通常并不均匀，样品含水量与真实物料的平均含水量可能存在偏差，因此要反映真实物料的平均含水量需要多次取样测量进行统计分析，测试周期长，效率低。红外反射率测水法是利用不同含水量样品对特定波长红外线反射率的差异，通过测量红外反射率来反演样品含水量，可以用于在线测试，但由于红外线主要在物料表面反射，对物料的穿透深度小，因此主要用于测量物料表层含水量，难以进行物料体含水量的准确测水。微波透射法是用微波信号源发射微波穿透被测样品，在样品另一侧放置微波接收机，通过测量接收的微波信号功率得到空间衰减系数，并根据不同空间衰减系数对于的样品含水量标定值，得到样品含水量。该方法可以实现无接触、快速在线测试，仅仅利用了微波透射信号的幅度信息，而微波信号幅度受物料形状、尺寸、密度、微波信号源和微波接收机以及物料相对位置关系等影响，仅能对特定品种和规格的物料含水率进行较为准确的测试，并且事先需要进行大量的标定，因此其测试精度和通用性难以满足大量实际应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波谐振腔水分传感系统，提出一种具有良好测试精度和较强通用性的无接触式、快速物料平均体含水率测试技术。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

微波谐振腔水分传感系统，包括以下部件：

包括由微波发生器和微波测量器构成的微波发生测量器；

还包括进行微波谐振的微波谐振腔；

还包括微波谐振腔负极；

还包括输出指令和进行逻辑运算的计算机；

微波谐振腔负极和微波谐振腔都是一段开口一端封闭的微波谐振空腔，微波谐振腔负极的开口端和微波谐振腔的开口端相对设置构成微波空腔谐振器，

还包括放置在微波谐振腔的开口端和微波谐振腔负极的开口端之间的被测物料，

微波发生测量器包括设置在一空腔内的控制电路板，控制电路板连接有2个同轴线接头，控制电路板通过控制线缆与计算机连接，2个同轴线接头分别通过射频同轴线与微波谐振腔上的接头连接；

计算机输出指令通过控制线缆传递到控制电路板，控制电路板产生微波信号通过射频同轴线传递给微波谐振腔，微波信号激励微波谐振腔产生谐振，在微波谐振腔内产生微波，微波穿透被测物料后到达微波谐振腔负极后产生微波反射信号，微波反射信号被控制电路板中的射频检波器检测到后通过控制线缆回馈给计算机。控制电路板在检测到微波谐振信号后，计算机通过微波测量结果通过计算频率偏移的量级，可计算出被测纸张的绝对水分。

本发明提出一种在线式微波纸张水分测量系统，系统的主要组成部件为微波空腔谐振器。微波空腔谐振器仅仅是测量系统的基本部分，系统还包括微波发生测量器，微波发生测量器具备微波发生功能和微波检测功能，因此，微波发生测量器包括微波发生器和微波检测器。有了它我们可以利用国内已有的温度测量、纸张定量测量、纸张灰分测量技术完善其微波水分测量需要的其它相关测量和校正工作，构成完整的微波纸张水分传感系统。

本系统的工作原理是：基于水分子在高频交变电磁场中的弛豫效应，水的介电常数（大约75）远远高于纤维素（大约2.5）。这样，在纸张等物料中的水分比例会很清晰地反映在其介电常数中。这种效果可以用微波技术测量出来。具体的原理是：微波谐振腔的单端开口处产生弥散场与物料接触，物料中的水消耗了高频电磁场的能量，当水的含量发生变化的时候，电磁场能量的改变将反应在测试腔体的谐振频率f及品质因数Q上，谐振频率将向低端移动，通过测量频率偏移的量级，便可将水分标定出来。在微波水分测量中，物料的介电常数具有桥梁的作用：一方面微波空腔谐振器的两个参量（谐振频率f和品质因数Q）都与物料的介电常数有函数关系；另一方面由于水的介电特性和干燥物料的介电特性相比有很大的不同，因此物料水分的变化表现为介电常数的变化。所以通过介电常数可以建立谐振频率f和品质因数Q与物料水分的关系。

微波谐振腔负极的开口端和微波谐振腔的开口端之间的间隙为40mm至50mm。

微波谐振腔负极的开口端和微波谐振腔的开口端之间的间隙为48mm。

控制电路板产生的微波信号为2.4GHZ的微波信号。

微波发生测量器通过螺钉安装在微波谐振腔的封闭端。

微波谐振腔负极和微波谐振腔都为圆形谐振器，微波谐振腔负极和微波谐振腔的同轴设置。

微波谐振腔和微波谐振腔负极进行上下层叠设置，两部分分别安装在被测物料(或其它薄膜)的上下,两部分的间距、水面方向的偏差必需精确对齐，因为这些与微波空腔谐振器的机械尺寸相关，也即是说，与微波空腔谐振器的谐振频率相关。

微波谐振腔和微波谐振腔负极的间距(---技术特性中命名为测量间隙，出厂时是按48mm左右的标准调试的，一般情况下，安装时的间隙也应是48mm左右。对于这方面有特殊要求的用户，在订购时提出，可以在一定的范围内改动。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

1．本发明采用透射测量物料的整体水分而不是表面水分。

2．本发明的测量范围达：定量30克/平方米——500克/平方米范围内的纸张2~30%的含水率。

3．本发明的测量精度：优于±0.5%含水率或分辩率±0.05g/m²(标准离差)。

4．本发明的测量灵敏度高,反应时间小于12.5ms;（要求每秒测量80个以上有效数据）。

5．本发明对信号源、接收机以及数据处理电路进行了一体化设计，在减少了产品体积的同时提升了产品的生产效率，并通过电路的集成使故障率进一步下降，长期工作稳定性好,可靠性高,便于维护。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为微波空腔谐振器的结构图。

图3为微波谐振腔与微波发生测量器的连接俯视图。

图4为微波发生测量器的结构图。

图中的附图标记分别表示为：1、微波谐振腔，2、微波谐振腔负极， 12、射频同轴线，13、微波发生测量器，3、控制线缆，6、控制电路板，7、腔体，8、控制线缆接口，9、同轴线接头。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4所示，微波谐振腔水分传感系统，包括以下部件：

包括由微波发生器和微波测量器构成的微波发生测量器13；

还包括进行微波谐振的微波谐振腔1；

还包括微波谐振腔负极2；

还包括输出微波指令和进行逻辑运算的计算机；

微波谐振腔负极2和微波谐振腔1都是一段开口一端封闭的微波谐振空腔，微波谐振腔负极2的开口端和微波谐振腔1的开口端相对设置构成微波空腔谐振器，

还包括放置在微波谐振腔1的开口端和微波谐振腔负极2的之间的开口端被测物料，

微波发生测量器13包括设置在一空腔内的控制电路板6，控制电路板6连接有2个同轴线接头9，控制电路板6通过控制线缆3与计算机连接，2个同轴线接头9分别通过射频同轴线12与微波谐振腔上的接头连接；

计算机输出指令通过控制线缆3传递到控制电路板6，控制电路板6产生微波信号通过射频同轴线12传递给微波谐振腔，在微波谐振腔内产生微波谐振信号，微波谐振信号穿透被测物料后到达微波谐振腔负极2后产生微波反射信号，微波反射信号被控制电路板6中的射频检波器检测到后通过控制线缆3回馈给计算机。控制电路板6通过射频检波器检测到微波谐振信号，计算机通过微波测量结果通过计算频率偏移的量级，可计算出被测纸张的绝对水分。

本发明提出一种在线式微波纸张水分测量系统，系统的主要组成部件为微波空腔谐振器。微波空腔谐振器仅仅是测量系统的基本部分，系统还包括微波发生测量器13，微波发生测量器13具备微波发生功能和微波检测功能，因此，微波发生测量器13包括微波发生器和微波检测器。有了它我们可以利用国内已有的温度测量、纸张定量测量、纸张灰分测量技术完善其微波水分测量需要的其它相关测量和校正工作，构成完整的微波纸张水分传感系统。

本系统的工作原理是：基于水分子在高频交变电磁场中的弛豫效应，水的介电常数（大约75）远远高于纤维素（大约2.5）。这样，在纸张等物料中的水分比例会很清晰地反映在其介电常数中。这种效果可以用微波技术测量出来。具体的原理是：微波谐振腔1的单端开口处产生弥散场与物料接触，物料中的水消耗了高频电磁场的能量，当水的含量发生变化的时候，电磁场能量的改变将反应在测试腔体的谐振频率f及品质因数Q上，谐振频率将向低端移动，通过测量频率偏移的量级，便可将水分标定出来。在微波水分测量中，物料的介电常数具有桥梁的作用：一方面微波空腔谐振器的两个参量（谐振频率f和品质因数Q）都与物料的介电常数有函数关系；另一方面由于水的介电特性和干燥物料的介电特性相比有很大的不同，因此物料水分的变化表现为介电常数的变化。所以通过介电常数可以建立谐振频率f和品质因数Q与物料水分的关系。

微波谐振腔负极2的开口端和微波谐振腔1的开口端之间的间隙为40mm至50mm。

微波谐振腔负极2的开口端和微波谐振腔1的开口端之间的间隙为48mm。

控制电路板6产生的微波信号为2.4GHZ的微波信号。

微波发生测量器13通过螺钉安装在微波谐振腔的封闭端。

微波谐振腔负极2和微波谐振腔1都为圆形谐振器，微波谐振腔负极2和微波谐振腔1的同轴设置。

微波谐振腔1和微波谐振腔负极2进行上下层叠设置，两部分分别安装在被测物料(或其它薄膜)的上下,两部分的间距、水面方向的偏差必需精确对齐，因为这些与微波空腔谐振器的机械尺寸相关，也即是说，与微波空腔谐振器的谐振频率相关。

微波谐振腔1和微波谐振腔负极2的间距(---技术特性中命名为测量间隙，出厂时是按48mm左右的标准调试的，一般情况下，安装时的间隙也应是48mm左右。对于这方面有特殊要求的用户，在订购时提出，可以在一定的范围内改动。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims

1.微波谐振腔水分传感系统，其特征在于：包括以下部件：

包括由微波发生器和微波测量器构成的微波发生测量器（13）；

还包括进行微波谐振的微波谐振腔（1）；

还包括微波谐振腔负极（2）；

还包括输出微波指令和进行逻辑运算的计算机；

微波谐振腔负极（2）和微波谐振腔（1）都是一段开口一端封闭的微波谐振空腔，微波谐振腔负极（2）的开口端和微波谐振腔（1）的开口端相对设置构成微波空腔谐振器，

还包括放置在微波谐振腔（1）的开口端和微波谐振腔负极（2）的开口端之间的被测物料，

微波发生测量器（13）包括设置在一空腔内的控制电路板（6），控制电路板（6）连接有2个同轴线接头（9），控制电路板（6）通过控制线缆（3）与计算机连接，2个同轴线接头（9）分别通过射频同轴线（12）与微波谐振腔上的接头连接；

计算机输出指令通过控制线缆（3）传递到控制电路板（6），控制电路板（6）产生微波信号通过射频同轴线（12）传递给微波谐振腔，在微波谐振腔内产生微波谐振信号，微波谐振信号穿透被测物料后到达微波谐振腔负极（2）后产生微波反射信号，微波反射信号被控制电路板（6）中的射频检波器检测到后通过控制线缆（3）回馈给计算机。

2.根据权利要求1所述的微波谐振腔水分传感系统，其特征在于：微波谐振腔负极（2）的开口端和微波谐振腔（1）的开口端之间的间隙为40mm至50mm。

3.根据权利要求1所述的微波谐振腔水分传感系统，其特征在于：微波谐振腔负极（2）的开口端和微波谐振腔（1）的开口端之间的间隙为48mm。

4.根据权利要求1所述的微波谐振腔水分传感系统，其特征在于：控制电路板（6）产生的微波信号为2.4GHZ的微波信号。

5.根据权利要求1所述的微波谐振腔水分传感系统，其特征在于：微波发生测量器（13）通过螺钉安装在微波谐振腔的封闭端。

6.根据权利要求1所述的微波谐振腔水分传感系统，其特征在于：微波谐振腔负极（2）和微波谐振腔（1）都为圆形谐振器，微波谐振腔负极（2）和微波谐振腔（1）的同轴设置。