CN109613026B - 利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置，该装置的微波源通过发射单元向空间传播发射微波信号；反微波功率检测单元分别接收反射接收单元的反射微波功率信号和透射接收单元的透射微波功率信号，并将反射微波功率信号和透射微波功率信号转换为第一、第二直流混频电压信号后输出；数据处理及输出单元对第一、第二直流混频电压信号进行采集并根据预先标定的被测样品的含水率与堆积密度、第一直流混频电压信号和第二直流混频电压信号的函数关系式确定被测样品的含水率。本发明能够有效消除了堆积密度对含水率测量结果的影响，极大地提高了颗粒状固体材料含水率的测量精度，并且结构简单，易于操作，成本低。

Description

利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置
技术领域
本发明属于微波应用技术领域，涉及一种微波检测颗粒状固体样品含水率的装置。
背景技术
在工农业生产过程中，颗粒状固体材料的含水率检测对产品的应用和生产有重要的影响。
含水率测量分为直接测量和间接测量，每种方法适用范围都不相同，精度也不相同。微波检测技术是通过微波与物质中水分子相互作用，尽而实现物料含水率的无损检测，其测量范围大且测量精度高而在含水率测量过程中得到广泛应用。
微波是一种高频电磁波，在微波的作用下，水分子的偶极矩会发生频繁拉伸和换向，消耗大量的能量。微波与物质中水分子相互作用，从而发生微波的反射与透射，被测物料的水分会引起微波功率的损耗，且其远大于其他背底材料引起的损耗，通过测量反射和透射微波功率衰减，相位变化，谐振频率等相关物理量，便能间接的测量物料的含水率。
通常情况下，利用微波法测量含水率会根据实际情况分别采用反射微波功率衰减检测法和透射微波功率衰减检测法。但是，这两种方法在对颗粒状固体材料进行含水率检测过程中确遇到了原理性误差的影响，即材料堆积密度对检测精度的影响。
颗粒状固体样品含水率检测过程中受到堆积密度分布不均匀因素影响很大，对于相同含水率的颗粒状材料样品进行微波空间波检测时，堆积密度越大则空间内水分子分布越密集，对微波反射与透射波能量的损耗与衰减影响越大，直接影响了对于样品含水率的测量精度。通常采用的让样品在相同的高度同时落下的方式解决堆积密度误差问题，虽然在一定程度上消除了影响，但是并没有从根本上解决问题，这样的误差同样也很大。样品堆积密度对含水率测量方法的影响，限制了测量的精准度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效消除堆积密度对测量结果影响，并极大地提高测量精度的利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置。
为了解决上述技术问题，本发明的利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置包括微波源、传输单元、发射单元、反射接收单元、透射接收单元、样品室、微波功率检测单元、数据处理及输出单元组成；被测样品放置在样品室内；微波源通过传输单元与发射单元相连接并通过发射单元向空间传播发射微波信号，同时通过反射接收单元接收与样品作用后反射回来的反射微波信号，通过透射接收单元接收与样品作用后透射过去的透射微波信号；微波功率检测单元分别接收反射接收单元输出的反射微波功率信号P2和透射微波功率信号P3，并将反射微波功率信号P2和透射微波功率信号P3转换为第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2后输出；数据处理及输出单元对第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2进行采集，并根据预先标定的被测样品的含水率与堆积密度、第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2的函数关系式确定被测样品的含水率。
进一步，本发明所述的样品室内设置有热电偶；热电偶的输出连接数据处理及输出单元。
所述微波源的工作频率范围为10GHz。
所述的传输单元采用同轴传输线，其端口阻抗的典型值为50Ω。
所述的发射单元与反射接收单元采用由微波发射器件与接收器件集成在一起并复用其中的波导天线构成的一体化单元。
进一步本发明还可以包括仪表放大器；微波功率检测单元输出的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2经过仪表放大器进行放大后送入数据处理及输出单元。
被测样品的含水率与堆积密度、第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2的函数关系式的标定方法如下：
1、将样品室放置于压机上并将压力传感器固定在压机的压头下面；然后在样品室内装填已知含水率M的颗粒状固体样品及介电常数小于3的液体介质；使得样品完全浸入液体介质；
2、利用压机对样品施加静压，静压每增加ΔN，ΔN≤1Mpa；记录静压值、液体介质的液面高度及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；直至随着静压增大液面高度不再变化；得到一系列静压值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；
3、利用数据处理及输出单元拟合出第一直流混频电压信号V1与静压N之间的函数关系式(1)、第二直流混频电压信号V2采集值与静压N之间的函数关系式(2)；
V1＝f1(M，N) (1)
V2＝f2(M，N) (2)
4、令f1(M，ρ)＝f1(M，N)；f2(M，ρ)＝f2(M，N)，得到第一直流混频电压信号V1与堆积密度ρ之间的等效函数关系式(3)、第二直流混频电压信号V2采集值与堆积密度ρ之间的等效函数关系式(4)；
V1＝f1(M，ρ) (3)
V2＝f2(M，ρ) (4)
5、根据步骤4得到的等效关系式(3)、(4)，利用数据处理及输出单元拟合出含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的等效函数关系式(3)；
M＝a0+a1V1+a2V2 (5)。
所述含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的函数关系式中还可以包含温度补偿项，包含温度补偿项的含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的函数关系式获得方法如下：
1、将预先加热至45度的样品放入样品室中，同时在样品室的中间位置放置一热电偶；热电偶的输出连接数据处理及输出单元；
2、打开微波源使其发射微波信号；热电偶输出的温度值每下降ΔT，ΔT≤3°；数据处理及输出单元记录温度采集值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；直至温度下降到室温；得到一系列温度采集值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；
3、利用数据处理及输出单元拟合出温度T与第一直流混频电压信号V1的函数关系式(6)、温度T与第二直流混频电压信号V2的函数关系式(7)；
V1＝f1(T) (6)
V2＝f2(T) (7)
4、利用步骤3得到的两个函数关系式对等效函数关系式(3)、(4)进行修正得到包含了温度补偿项的等效函数关系式(8)、(9)；
V1＝f1(M，ρ)+f1(T) (8)
V2＝f2(M，ρ)+f2(T) (9)
5、根据函数关系式(8)、(9)，利用数据处理及输出单元拟合出包含温度补偿项的含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的函数关系式(10)；
M＝b0+b1V1+b2V2+b3T (10)。
与现有方法和技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的方法和装置采用微波复合技术，即反射和透射功率检测相结合的方式对颗粒状固体材料样品的含水率进行检测，由于微波空间传输的属性，可以在不与样品接触的情况下进行检测；根据微波功率检测单元输出的第一直流混频电压信号和第二直流混频电压信号即可通过预先标定的含水率与第一直流混频电压信号、第二直流混频电压信号的函数关系式得到被测样品的含水率，有效地消除了堆积密度对测量结果的影响，极大地提高了颗粒状固体材料含水率的测量精度，使该类固体材料含水率在线检测成为可能。本发明结构简单，易于操作，成本低。
附图说明
下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是堆积密度补偿函数标定方法示意图。
图中P1是发射功率、P2是反射功率、P3是透射功率。
具体实施方式
如图1所示，本发明的利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置包括微波源、传输单元、发射单元、反射接收单元、透射接收单元、样品室、微波功率检测单元、数据处理及输出单元、热电偶；其中，被测样品放置在样品室内，样品室内还设置有热电偶，热电偶的输出连接数据处理及输出单元。发射单元与反射接收单元采用由微波发射器件与接收器件集成在一起并复用其中的波导天线构成的一体化单元；微波源通过传输单元与一体化单元相连接并通过其中的发射单元向空间传播发射微波信号，同时通过其中的反射接收单元接收与样品作用后反射回来的反射微波信号，而透射接收单元则接收与样品作用后透射过去的透射微波信号；样品室位于一体化单元与透射接收单元之间；微波功率检测单元的双路信号输入端分别与一体化单元和透射接收单元相连接进行双路探测，接收由反射接收单元输出的反射微波功率信号P2和透射接收单元输出的透射微波功率信号P3，并将反射微波功率信号P2和透射微波功率信号P3转换为第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2后输出；数据处理及输出单元通过数据线与微波功率检测单元相连，对第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2进行采集，并根据预先标定的被测样品的含水率与堆积密度、第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2的函数关系式确定被测样品的含水率；被测样品的含水率可以通过数据处理及输出单元的液晶显示屏显示。
所述微波源的工作频率范围为10GHz。
所述传输单元采用同轴传输线，其端口阻抗的典型值为50Ω。
所述微波功率检测单元输出的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2可以直接输出到数据处理及输出单元，也可以经过具体选型为AD620的仪表放大器进行放大后送入数据处理及输出单元。
所述数据处理及输出单元采用STM32单片机为核心的嵌入式软件及硬件处理系统。
在实际测量颗粒状固体样品含水率之前，需要利用上述装置对该类样品的含水率与堆积密度、温度、第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2的函数关系式进行标定；标定方法如下：
步骤一、在样品含水率、温度不变的条件下对堆积密度补偿函数进行标定；
由于测量过程中每次装填样品时的堆积密度很难确定。因此，本发明采用等静压的方式来表征样品的堆积密度，即在相同的等静压下认为样品的堆积密度是相同的，这个结论在一定范围内得到实验的验证。
1、将样品室放置于压机上并将压力传感器固定在压机的压头下面；然后在样品室内装填已知含水率M的样品及介电常数小于3的液体介质(如，高级润滑油)；使得样品完全浸入液体介质；
2、利用压机对样品施加静压，静压每增加1Mpa，记录静压值、液体介质的液面高度及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；直至随着静压增大液面高度不再变化为止(由于随着静压增大液面高度不再变化后，样品体积不再随压力而发生变化，因此此时采集的数据应当舍弃)；得到一系列静压值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；
3、数据处理及输出单元利用Origin软件拟合出第一直流混频电压信号V1与静压N之间的函数关系式(1)、第二直流混频电压信号V2采集值与静压N之间的函数关系式(2)；
V1＝f1(M，N) (1)
V2＝f2(M，N) (2)
由于在施加静压过程中随着静压N的加大样品的堆积密度ρ也逐步增大，样品的堆积密度ρ与静压N成正比，因此可以得到第一直流混频电压信号V1与堆积密度ρ之间的等效函数关系式(3)、第二直流混频电压信号V2采集值与堆积密度ρ之间的等效函数关系式(4)；
V1＝f1(M，ρ) (3)
V2＝f2(M，ρ) (4)
f1(M，ρ)＝f1(M，N)；f2(M，ρ)＝f2(M，N)
影响颗粒状固体材料含水率测量精度的主要因素就是颗粒状固体样品的堆积密度问题，环境温度的变化对测量结果也会产生影响，因此应当对温度进行补偿以消除温度变化对含水率测量精度的影响；这样含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的函数关系式中就包含了温度补偿项。包含了温度补偿项的含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的函数关系式获得方法如下：
1、将预先加热至45度的样品(在此采用的样品为塑料颗粒原料)放入样品室中，同时在样品室的中间位置放置一K型热电偶以测量样品的温度变化；K型热电偶的输出连接数据处理及输出单元；
2、打开微波源使其发射微波信号；K型热电偶输出的温度值每下降一度，数据处理及输出单元记录温度采集值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；直至温度下降到室温；得到一系列温度采集值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；
3、数据处理及输出单元利用Origin软件拟合出温度T与第一直流混频电压信号V1的函数关系式(6)、温度T与第二直流混频电压信号V2的函数关系式(7)；
V1＝f1(T) (6)
V2＝f2(T) (7)
4、根据温度T与第一直流混频电压信号V1的函数关系式(6)、温度T与第二直流混频电压信号V2的函数关系式(7)对等效函数关系式(3)、(4)进行修正得到关系式(8)、(9)；
V1＝f1(M，ρ)+f1(T) (8)
V2＝f2(M，ρ)+f2(T) (9)
步骤三、利用Origin软件，根据关系式(8)、(9)即可拟合出包含了温度补偿项的含水率M与温度、第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的函数关系式(10)；
M＝b0+b1V1+b2V2+b3T (10)。
这样，在颗粒状固体样品含水率的测量过程中，只要将样品放置在样品室中即可通过微波功率检测单元输出的第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2直接计算出样品的含水率；含水率可通过数据处理及输出单元的液晶显示屏显示。

Claims (5)

1.一种利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置，其特征在于包括微波源、传输单元、发射单元、反射接收单元、透射接收单元、样品室、微波功率检测单元、数据处理及输出单元组成；被测样品放置在样品室内；微波源通过传输单元与发射单元相连接并通过发射单元向空间传播发射微波信号，同时通过反射接收单元接收与样品作用后反射回来的反射微波信号，通过透射接收单元接收与样品作用后透射过去的透射微波信号；微波功率检测单元分别接收反射接收单元输出的反射微波功率信号P2和透射微波功率信号P3，并将反射微波功率信号P2和透射微波功率信号P3转换为第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2后输出；数据处理及输出单元对第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2进行采集，并根据预先标定的被测样品的含水率与堆积密度、第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2的函数关系式确定被测样品的含水率；被测样品的含水率与堆积密度、第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2的函数关系式的标定方法如下：
（1）、将样品室放置于压机上并将压力传感器固定在压机的压头下面；然后在样品室内装填已知含水率M的颗粒状固体样品及介电常数小于3的液体介质；使得样品完全浸入液体介质；
（2）、利用压机对样品施加静压，静压每增加△N，△N≤ 1 Mpa，记录静压值、液体介质的液面高度及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；直至随着静压增大液面高度不再变化；得到一系列静压值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；
（3）、利用数据处理及输出单元拟合出第一直流混频电压信号V1与静压N之间的函数关系式（1）、第二直流混频电压信号V2采集值与静压N之间的函数关系式（2）；
V1=f1（M,N）（1）
V2=f2（M,N）（2）
（4）、令f1（M,ρ）= f1（M,N）；f2（M,ρ）= f2（M,N），得到第一直流混频电压信号V1与堆积密度ρ之间的等效函数关系式（3）、第二直流混频电压信号V2采集值与堆积密度ρ之间的等效函数关系式（4）；
V1=f1（M,ρ） （3）
V2= f2（M,ρ） （4）
（5）、根据步骤（4）得到的等效关系式(3)、（4），利用数据处理及输出单元拟合出含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的等效函数关系式（5）；
M=α0+α1 V1+α2V2 （5）；
包含温度补偿项的含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的函数关系式的获得方法如下：
（1）、将预先加热至45度的样品放入样品室中，同时在样品室的中间位置放置一热电偶；热电偶的输出端连接数据处理及输出单元；
（2）、打开微波源使其发射微波信号；热电偶输出的温度值每下降△T，△T≤3℃，数据处理及输出单元记录温度采集值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；直至温度下降到室温；得到一系列温度采集值及对应的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2采集值；
（3）、利用数据处理及输出单元拟合出温度T与第一直流混频电压信号V1的函数关系式（6）、温度T与第二直流混频电压信号V2的函数关系式（7）；
V1=f1（T） （6）
V2=f2（T） （7）
（4）、利用步骤（3）得到的两个函数关系式对等效函数关系式（3）、（4）进行修正得到包含了温度补偿项的等效函数关系式（8）、（9）；
V1= f1（M,ρ）+ f1（T） （8）
V2= f2（M,ρ）+f2（T） （9）
（5）、根据函数关系式（8）、（9），利用数据处理及输出单元拟合出包含温度补偿项的含水率M与第一直流混频电压信号V1、第二直流混频电压信号V2的函数关系式（10）；
M=b 0+b 1V1+b 2V2 +b 3T （10）。
2.根据权利要求1所述的利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置，其特征在于所述微波源的工作频率范围为10GHz。
3.根据权利要求1所述的利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置，其特征在于所述的传输单元采用同轴传输线，其端口阻抗值为50Ω。
4.根据权利要求1所述的利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置，其特征在于所述的发射单元与反射接收单元采用由微波发射器件与接收器件集成在一起并复用其中的波导天线构成的一体化单元。
5.根据权利要求1所述的利用微波检测颗粒状固体样品含水率的装置，其特征在于还包括仪表放大器；微波功率检测单元输出的第一直流混频电压信号V1和第二直流混频电压信号V2经过仪表放大器进行放大后送入数据处理及输出单元。
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