一種新型的多頻譜微波水分儀

一種新型的多頻譜微波水分儀一、前言微波是一種電磁波，利用微波在特定頻段（1GZH-5GGZ）對水分子的敏感特性來測量物體中的含水率就是微波水分儀。當(dāng)今微波水分測量技術(shù)越來越普遍的應(yīng)用到各個行業(yè)。該測量技術(shù)主要用來監(jiān)控生產(chǎn)過程中物料的水分含量，以便企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效控制生產(chǎn)過程，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益。二、微波水分儀的基本組成與原理微波水分儀通常由以下幾部分組成：1發(fā)射天線、2接收天線、3微波功能發(fā)生器、4微波水分變送器、5校準(zhǔn)軟件。其基本原理原理如下：發(fā)射天線把微波功能發(fā)生器的發(fā)出的微波能量微波穿透被測物料，到達(dá)接受天線，接收天線接收到微波能，然后反饋給微波變送器。當(dāng)微波穿透物料時，由于物料中的水分子是極性分子，會吸收微波，產(chǎn)生鍵腳振動，將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。因此產(chǎn)生了微波相位的差別和振幅的衰減，依靠這兩個量可以計算物料中水分的含量。這是微波測量的基本原理。三、單頻段（2.4GZH）微波水分儀測量時所面臨的困難采用2.4GHZ頻段用來測量水分是一種聰明的選擇，因為水分子在2.4GZH頻段這個區(qū)間是最敏感的。而且市場上常用的無線通訊頻段也是這個頻段（如大家常用的無線WIFI）這樣在儀器的生產(chǎn)過程中可以找到很通用的微波器件。但是單純的2.4GZH在做在線測量時面臨很多的困難：因為微波能量的衰減和相位的變化不僅僅受物料的含水量變化而變化，它還受物料的溫度、密度、厚度、粒度等種種因素影響，如果單純采用能量衰減的比例關(guān)系來測量水分，必須會受以上因素影響，而無法精確測量阻尼衰減測量時會遇到溫度的影響，如下表所示：溫度[°C]010203040506075阻尼衰減(dB/cmH2O)7,475,364,033,052,421,911,531,16上述表格顯示，當(dāng)溫度變化10度時，每cm水分的阻尼數(shù)值變化非常明顯。因此當(dāng)實際測量時物料溫度有大范圍波動時，并且采用阻尼衰減來測量物料水分時，會受到溫度變化的嚴(yán)重影響，因此一些微波測量系統(tǒng)必須要添加溫度測量儀來進(jìn)行溫度補(bǔ)償無論是采用相位差法或者是阻尼衰減法，都不可避免的會受物料密度變化的影響。當(dāng)一定體積中被測物料的密度變化時，微波水分測量儀將無法精確的反應(yīng)被測物料的真實含水量。比如：當(dāng)一定體積的10公斤含水10%的煙包A經(jīng)過微波測量儀時，微波測量儀反應(yīng)該物料含水10%。當(dāng)相同體積的20公斤含水10%的煙包B經(jīng)過時，這時微波測量儀認(rèn)為煙包B含水20%。因為煙包B的重量增加了，密度變大了，單位體積中水分含量增加了，但是實際上煙包B的真實水分含量還是10%。生產(chǎn)中物料的重量和密度是無法保持嚴(yán)格一致的。因此上述物料密度的變化對微波水分測量造成嚴(yán)重的不可避免的影響。目前普通的微波水分測量儀為規(guī)避該上述影響，需采用了各種各樣的補(bǔ)償手段，主要有：重量補(bǔ)償，密度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償?shù)鹊?。還有很多因素?zé)o法用補(bǔ)償來完成的，比較配方的變化或原料自身產(chǎn)地、形態(tài)的變化都無法進(jìn)行補(bǔ)償。四、一種多頻段微波水分儀為了克服以上2.4GZH微波水分儀在測量時所遇到的困難，德國默斯（MOSYE）公司專門研發(fā)了一款基于1GHZ—5GZH這一微波帶寬之間的連續(xù)多頻譜微波水分儀。德國默斯(MOSYE)公司為什么要采用多頻連續(xù)微波來解決問題呢？請繼續(xù)往下看。微波測量水分主要因為水分的介電性質(zhì)，介電常數(shù)可以表示為：?r=?′r-j(?′′r+?/ω?0)式中?′′r為介電損耗，?/ω?0為導(dǎo)電損耗，ω和微波頻率成正比關(guān)系。當(dāng)?shù)皖l時，導(dǎo)電損耗占主導(dǎo)地位，因此需要提高頻率，使介電損耗占優(yōu)勢，這樣才能精確測量物料中的含水量。比如煤炭，煤炭中的礦物質(zhì)容易在水中形成離子導(dǎo)電，產(chǎn)生導(dǎo)電損耗，當(dāng)煤炭水分小于10%，微波發(fā)射頻率在1GHz到3GHz之間時，導(dǎo)電損耗有明顯的影響，使得微波衰減和含水量之間的關(guān)系并不明顯。當(dāng)微波頻率高于3GHz后，介電損耗占優(yōu)勢，微波衰減和含水量成明顯的線性關(guān)系，如下圖所示：因此不同的物料、不同的量程范圍其水分子對微波能的吸收峰都是不同的，在一個寬頻區(qū)間，如何選取適合的頻率段只能由被測物當(dāng)時的現(xiàn)場環(huán)境來決定。因此采用多頻連續(xù)微波頻譜可以有效采集被測物在高低頻區(qū)間的全部的微波特性。然后通過自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)算法，由儀器自主學(xué)習(xí)找到測量的最佳校準(zhǔn)模型和曲線關(guān)系。這樣就為規(guī)避物料的溫度、厚度、密度等因素帶來的測量影響提供很好的方法。所以：默斯（MOSYE）公司的這款水分儀最大的特點在于采用連續(xù)多頻譜分析方法，從1GHZ—5GHZ連續(xù)對被測物進(jìn)行快速掃描，得到被測物的微波特性。然后，智能自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)算法，讓儀器自主去學(xué)習(xí)被測特的微波特性。這種自學(xué)習(xí)算法，可以主動過濾和去除因物料溫度、厚度、密度、粒度等因素帶來的測量影響，從而實現(xiàn)精確的在線測量。五、默斯多頻微波與2.4G單頻段微波的不同點1、硬件上：多頻微波采用1GHZ—5GHZ的連續(xù)多頻段微波，以每10μS一個掃描周期，以0.02GHZ為間隔連續(xù)從1GZH到5GHZ掃描100次。多通道輸出，可以同時測量水分和密度。有遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、無線數(shù)據(jù)傳輸功能有一鍵標(biāo)定功能（在一定條件下）單頻段微波以2.4G為測量頻段的單頻微波，以每100MS為掃描周期，對被測物體進(jìn)行單頻段掃描。2、軟件上：多頻微波由于掃描次數(shù)多，測量頻帶寬（1-5GZH）每次測量可以得到更多的被測物微波特征。也能夠得到更多的測量分辨率和測量點數(shù)。這為智能學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)算法提供了良好的數(shù)據(jù)源。有了神經(jīng)網(wǎng)算法，能夠更好的適用于工況復(fù)雜，環(huán)境惡劣的在線測量領(lǐng)域。自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)算法加上相位與頻幅的比值算法，可以通過數(shù)據(jù)模型規(guī)避現(xiàn)場物料厚度、高度、密度、配方變化等帶來的測量影響。并或以通過設(shè)置，自動過濾無效測量和干擾頻譜。2.4G單頻段微波：每次掃描測量只能得到一個微波阻尼值。這個阻尼值對應(yīng)一個實驗室測量值，然后形成線性校準(zhǔn)曲線。因此只能采用線性標(biāo)定。單純的阻尼線性標(biāo)定校準(zhǔn)，無法適用物料厚度的度化、物料皮帶高度的變化、物料密度的變化、物料配方的變化、現(xiàn)場環(huán)境溫濕度的變化所帶來的阻尼變化對測量的影響。因此很難適用在線測量。六、多頻微波展示圖解1、多頻譜展示打開默斯的水分儀校準(zhǔn)軟件，讀取測量頻譜和測量值。在原始數(shù)據(jù)顯示界面中可以看到每次掃描的頻譜曲線圖：如圖1所示圖示中的每根折線，代表著每次測量從1GHZ—5GHZ的掃描頻譜的微波能。2、打開默斯水分儀的樣品列表欄可以看到每次測量取樣系統(tǒng)5個平均頻譜計算值對應(yīng)的標(biāo)實驗室水分、儀器自動計算得到的測量水分、校準(zhǔn)絕對差值等信息。如圖所示：圖示中：W1,的值是1GHZ這個區(qū)間頻譜值。W2,的值是2GHZ區(qū)間，W5是5GHZ區(qū)間的頻譜值黃色列