CN2374858Y

CN2374858Y - 数字式微波介质水份仪

Info

Publication number: CN2374858Y
Application number: CN 98224549
Authority: CN
Inventors: 沈学民; 廖为群; 周世椿
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2000-04-19
Anticipated expiration: 2008-07-13

Abstract

数字式微波介质水份仪包括三个部分:1.微波部分,2.微波源的温度控制电路,3.微波相位、衰减检测的模拟电路和数字电路。压控场效应微波振荡源及微波发射和接收系统,其形成基本的微波干涉仪体制,保证高灵敏地测量微波相位的变化。对微波源的工作环境实现精确的温度控制,仪器的模拟电路和数字电路是将微弱的微波信号经低噪声放大、整形及数字化处理后输入计算机接口,由计算机给出介质含水量的测量结果。

Description

数字式微波介质水份仪

本发明创造涉及微波和水分测试技术，特别是一种数字式微波介质水份仪。

目前，现有的非接触式测量介质水分含量的方法主要有两种。一是红外测量方法，其工作原理是根据介质中的水分子对红外光吸收的强弱，对应于介质不同的水分值。由于红外对一般介质的透射能力很弱，所以，这种测量方法和相应仪器的应用范围局限于测量表面和内部水分一致的介质。另一种是电磁波测量方法，其中，根据使用的电磁波频率可分为超高频和微波法。由超高频法制成的电容和谐振测试仪，其稳定性较差，已逐步被微波法所替代。在欧美一些发达工业国，主要采用微波透射法、微波反射法及微波相位法。微波透射法和反射法是测量微波振幅变化并推算得到介质的水分。由于微波的振幅受到微波辐射源输出功率的稳定度、介质表面形状、微波系统的匹配等条件的影响，可靠性和探测灵敏度较低，目前，一般不作精确测量。微波相位法可以克服上述不足，但技术较复杂。如德国Berthoid公司和澳大利亚MCI公司生产的相位式微波水份仪均采用了微波锁相，外差高稳频技术，使得这类水份仪造价昂贵(目前在中国市场近100万元人民币一台)，调试困难。

本实用新型的目的在于提供一种能实时高精度地测量介质水分的微波介质水分仪。

本实用新型的目的通过如下技术方案完成：

本数字式微波介质水分仪，包括调频数字式微波干涉仪的硬件和相应的软件，具体为：

a)数字式微波干涉仪的硬件主要由微波部分、微波源的温度控制电路部分、模拟电路和数字电路部分组成；微波部分的微波源1经过隔离器7和波导同轴转换器5后由发射天线10向目标发射；另微波源通过电缆3向功率合成器8传送；由接收天线9接收目标透射的微波，经波导同轴转换器4、隔离器6后传送到功率合成器8，然后经带通滤波器13和峰值探测器11与计算机控制界面18相连；微波源由温度控制电路12进行温控；经带通滤波器后的信号再由过零检测电路15整形后送到相位检测电路进行相位检测16；设有晶振的参考信号电路17产生相位测量脉冲并触发锯齿波发生器14产生调制微波源的锯齿波和相位参考信号；

b).调频数字式微波干涉仪的软件包括采用C++语言产生的中文操作界面软件；数据采集软件；相位计算软件及水分定标软件；

c).机械结构特征是：接收、发射天线装入测量机箱(19)；模拟电路、数字电路采用插板式结构装入微波机箱(20)；计算机与微波机箱(20)由屏蔽线相连。

为阐述方便，先对实用新型附图说明如下：

图1为本数字式微波介质水分仪总体框图。

图2为本数字式微波介质水分仪中的有源滤波器电原理图。

图3为本数字式微波介质水分仪中的过零检测电路电原理图。

图4为本数字式微波介质水分仪中的相位检测电路电原理图。

图5为本数字式微波介质水分仪中的峰值探测电路电原理图。

图6为本数字式微波介质水分仪的使用状态示意图。

下面结合附图对本实用新型实施细节作详细阐述。1，微波部分：

1.1、系统采用了调频线性度为1％，中心频率为3GHz，调频带宽为100Mhz，输出功率40mw的压控场效应微波振荡源1；

1.2、采用带宽为2～3GHz，变频损耗为6.2dB的宽带同轴混频器2，产生可检测的低频相移信号；

1.3、采用10m长，衰减特性为0.2dB/m(在3GHz下)的低损耗同轴电缆3，产生相移为2π的光程差；

1.4、采用一对驻波系数为1.15的频率范围为2.60～3.96Ghz的同轴波导转换器4、5与入射、发射波导喇叭天线相接；

1.5、采用两个隔离度为25dB的同轴隔离器6、7，分别接入同轴波导转换器处，以改善系统的驻波特性；

1.6、采用方向系数为20dB，耦合度为10dB的定向耦合器为参考支路和工作支路的功率合成器8；

1.7、采用一对增益为21dB，半功率角为3°的波导喇叭天线9、10；

1.8、参见图1和图5，在相位测量的同时，采用峰值探测器11测量微波功率衰减，并将衰减值作为确定介质水份值的辅助量，以增加相位测量水份的精度。2.微波源的温度控制电路12：

2.1、采用10w半导体致冷器作为温控源；

2.2、将温控点定为50℃，采用单向加热的温控方法，以提高温控的稳定度；

2.3、采用AD590半导体热敏器件作测温探头，将测温探头直接插入微波源，微波源工作温度控制在50℃±0.2℃的范围。3.模拟电路和数字电路13～17：

3.1、参见图1和图2，D1A、D1B采用LF442器件，组成有源带通滤波器13抑制混频器输出的高频干扰，其截止频率为100KHz。

3.2、参见图1和图3，采用三级运算放大器CA3140，组成锯齿波发生器14，产生直流电平、幅度、频率可调的锯齿波作为微波源的电压控制信号；

3.3、参见图1和图3，采用LM311比较器形成过零检测电路15，对相移信号进行整形并产生方波；

3.4、参见图1和图4，采用将相移信号的上升沿和参考信号的上升沿分别发74HC74器件，得到两个信号相位差的信息，形成高灵敏度的相位检测电路16，采用二个74LS1618作分频器，解决大于2π相移量的测量；

3.5、采用12mMHz晶振产生的信号测量延时脉冲宽度，并作为相位测量时的参考信号17；

采用本实用新型数字式微波介质水分仪经对煤层的水分进行试测，测试煤层数百次，经试运行，仪器工作正常，性能稳定。与称重法测量值相比，仪器测量误差优于0.5％。

本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型适用于钢铁行业、建材行业、粮食储存、造纸业。特别是钢铁行业煤水分测量工艺，可大大节约人力和能源。

2.本实用新型的价格是同类仪器价格的1/10，可节约大量资金。

Claims

1、一种数字式微波介质水分仪，包括调频数字式微波干涉仪的硬件和相应的软件，其特征在于：

a)数字式微波干涉仪的硬件主要由微波部分、微波源的温度控制电路部分、模拟电路和数字电路部分组成；微波部分的微波源(1)经过隔离器(7)和波导同轴转换器(5)后由发射天线(10)向目标发射；另微波源通过电缆(3)向功率合成器(8)传送；由接收天线(9)接收目标透射的微波，经波导同轴转换器(4)、隔离器(6)后传送到功率合成器(8)，然后经带通滤波器(13)和峰值探测器(11)与计算机控制界面(18)相连；微波源与温度控制电路(12)相连；经带通滤波器(13)后的信号再由过零检测电路(15)送到相位检测电路(16)；晶振的参考信号(17)经锯齿波发生器(14)后与微波源(1)相接；

2、根据权利要求1所述的数字式微波介质水分仪，其特征在于所说的微波源(1)为调频线性度为1％，中心频率为3GHz，调频带宽为100MHz，输出功率为40mw的压控场效应微波振荡源。

3、根据权利要求1所述的数字式微波介质水分仪，其特征在于所说的混频器(2)为带宽为2～3GHz，变频损耗为6.2dB的宽带同轴混频器。

4、根据权利要求1所述的数字式微波介质水分仪，其特征在于所说的同轴电缆(3)为10m长，衰减特性为0.2db/m(在3GHz)的低损同轴电缆。

5、根据权利要求1所述的数字式微波介质水分仪，其特征在于所说的波导同轴转换器(4)(5)为驻波系数为1.15，频率范围为2.60～3.96Ghz的波导同轴转换器。

6、根据权利要求1所述的数字式微波介质水分仪，其特征在于所说的隔离器(6)(7)为隔离度为25dB的同轴隔离器。

7、根据权利要求1所述的数字式微波介质水分仪，其特征在于所说的功率合成器(8)为方向系数20dB、耦合度为10dB的耦合器。

8、根据权利要求1所述的数字式微波介质水分仪，其特征在于所说的接收、发射天线(9)(10)为增益21dB、半功率角为3°的波导喇叭天线。

9、根据权利要求1所述的数字式微波介质水分仪，其特征在于所说的温度控制电路是由AD590半导体热敏器件为测温探头和10W的半导体致冷器为温控源组成的。