CN110687135A - 一种微波同轴探头传感器水质硬度测量方法 - Google Patents

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肖夏
熊杰
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Abstract

本发明涉及一种微波同轴探头传感器水质硬度测量方法,包括下列步骤：利用无水CaCl2粉末配制不同硬度的测试溶液，使微波同轴探头浸入不同硬度的测试溶液中；将同轴探头、网络分析仪、计算机正确连接，通过计算机中相应的软件进行单端口校准工作；设置网络分析仪的扫频范围，根据扫频范围设置采样点数；对不同硬度的溶液检测，得到对应的介电常数与扫描频率的关系；按频率的采样点对每组数据进行分析，找出溶液硬度和介电常数相关性最强的频点；在该频点下，建立溶液硬度与介电常数的函数关系，从而实现通过微波同轴探头达到测量溶液硬度的目的。

Description

一种微波同轴探头传感器水质硬度测量方法
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种水质硬度测量方法。
背景技术
水质硬度主要表示水中钙离子和镁离子的含量多少，其表示方法有多种，最普遍的为德国度表示法，即1个德国度(1°dH)表示每升水中含有相当于10mg的CaO。一般认为硬度高于8°dH的水为硬水。硬水易在锅炉、冷却塔或其他水处理设备中产生聚碳酸钙、硫酸钙和钙磷等沉积物的隔热层而对设备的性能造成不利的影响，故在工业界，为了维持工厂生产效率、实现节能目标、降低设备损坏的风险，建立一套高效准确的水质硬度监测系统十分重要。
目前工业冷却水系统中水质的常规监测主要为技术人员进行定期化学试验，测试诸如酸碱度、导电性、悬浮固体等性质，通过对结果的评估来调节水质[1]。从可持续发展角度来看，基于微波传感技术的监测系统能够提供实时、高效的连续监测，取代传统的化学试验操作将有助于工业的快速生产过程。本发明基于Speag微波同轴探头，提供一种水质硬度的测量方法。
参考文献:
[1]K.H.Teng,A.Shaw,M.Ateeq,A.AL-shamma’a,A.Wylie,S.N.Kazi,B.T.Chewand P.kot,“Design and implementation of a non-invasive real-time microwavesensor for assessing water hardness in heat exchangers,”J.Electromagn.WavesAppl.,vol.32,no.7,pp.797-811,Nov 2017.
[2]Gadani D,Rana VA,Bhatnagar SP,et al,“Effect of salinity on thedielectric properties of water,”Ind J Pure Appl Phys.,vol.50,no.6,pp.405-410,June 2012.
[3]Kovacs Z,Bázár G,Oshima M,et al,“Water spectral pattern asholistic marker for water quality monitoring,”Talanta.,vol.147,pp.598-608,Jan2016.
发明内容
本发明提出一种微波同轴探头测量水质硬度的方法。Speag同轴探头可直接测出液体在不同频率下的介电常数值，在合适的频率下建立水质硬度与介电常数之间的数学关系，通过测得的介电常数值得出水质硬度的大小。该测量方法的精度很高，可以达到0.01°dH。技术方案如下：
一种微波同轴探头传感器水质硬度测量方法,包括下列步骤：
(1)利用无水CaCl2粉末配制不同硬度的测试溶液，使微波同轴探头浸入不同硬度的测试溶液中；
(2)将同轴探头、网络分析仪、计算机正确连接，通过计算机中相应的软件进行单端口校准工作；
(3)设置网络分析仪的扫频范围，根据扫频范围设置采样点数；
(4)对不同硬度的溶液检测，得到对应的介电常数与扫描频率的关系；
(5)按频率的采样点对每组数据进行分析，找出溶液硬度和介电常数相关性最强的频点；
(6)在该频点下，建立溶液硬度与介电常数的函数关系，从而实现通过微波同轴探头达到测量溶液硬度的目的。
附图说明
图1 Speag同轴探头测量结果图
图2测量数据(频率为240MHz)及拟合图
图3测量数据(频率为8.51GHz)及拟合图
具体实施方式
一种微波同轴探头传感器水质硬度测量方法,包括下列步骤：
(1)利用无水CaCl2粉末配制不同硬度的测试溶液，其浓度cmg/dl与硬度x°dH的转换关系为：x＝0.5052·c，将溶液用大小合适的烧杯盛放，使Speag同轴探头浸入溶液中；
(2)将同轴探头、网络分析仪、计算机正确连接，通过计算机中相应的软件进行单端口校准工作；
(3)设置网络分析仪的扫频范围，根据扫频范围设置采样点数；
(4)对不同硬度的溶液检测，得到对应的介电常数与扫描频率的关系；
(5)按频率的采样点对每组数据进行分析，找出溶液硬度和介电常数相关性最强的频点；
(6)在该频点下，建立溶液硬度与介电常数的函数关系，从而实现通过同轴探头达到测量溶液硬度的目的。
下面结合实施例对本发明进行说明。
使用无水氯化钙配制不同软硬程度的9份溶液样品放置于同一实验环境中等待测量。将Speag微波同轴探头、网络分析仪、计算机相连形成测量系统。在计算机中通过相应的软件对探头进行校准工作，并利用去离子水进行检验。对网络分析仪进行设置，其中扫频范围设置为200MHz～10GHz，每隔10MHz设置一个采样点。
将9份溶液样品分别置于烧杯中，使同轴探头浸入溶液，通过DAK软件获得溶液在不同测量频率下的介电常数，多次重复上述的实验测量，对测得的数据取平均值作为最终结果，图1显示了所有的测量数据，可以得出，随着测量频率的增高，溶液的介电常数均降低。
将所有的数据按不同的测量频率进行分组，分析每组数据硬度与介电常数的相关性，进行线性拟合与多项式拟合，找出相关系数最高的几组最为最终参考。图2显示了测试频率为240MHz时的数据及其拟合函数。图3显示了测试频率为8.51GHz时的数据及其拟合函数。从图中可以看出，两拟合函数的相关系数均大于0.99，说明此时水质硬度与其介电常数具有强相关性。通过Speag同轴探头测量得到溶液的介电常数值，再通过拟合函数转化，从而实现测量水质硬度的目的，该方法在测量频率为200MHz和8.51GHz时具有介电常数与硬度之间的强相关性，从而能获得最高的测量精度。

Claims (1)

1.一种微波同轴探头传感器水质硬度测量方法,包括下列步骤：
(1)利用无水CaCl2粉末配制不同硬度的测试溶液，使微波同轴探头浸入不同硬度的测试溶液中。
(2)将同轴探头、网络分析仪、计算机正确连接，通过计算机中相应的软件进行单端口校准工作；
(3)设置网络分析仪的扫频范围，根据扫频范围设置采样点数；
(4)对不同硬度的溶液检测，得到对应的介电常数与扫描频率的关系；
(5)按频率的采样点对每组数据进行分析，找出溶液硬度和介电常数相关性最强的频点；
(6)在该频点下，建立溶液硬度与介电常数的函数关系，从而实现通过微波同轴探头达到测量溶液硬度的目的。
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