双波段微波测量技术用于纸张的水分与密度测量

                                               作者：罗炳杰，沈艳东，左一阳

在许多工业流程中，水分含量是一个*快速准确记录的重要参数。通常，恶劣的工况会妨碍传感器的正常工作，比如高温、低温、震动等。此外，测量不应改变所研究的材料性质。 否则此类方法就不符合在线测量的要求。本文旨在概述使用一种新的现有技术，规避上述技术的缺点。并且可以连续重复使用：使用双波段微波测量技术来测量物料水分。

造纸行业属于薄利行业，因此在企业追求纸张质量的过程中，成本是一个非常重要的因素。纸张的质量取决于纸张的水分，韧性，密度等，但每个数据都需要不同的检测仪表来完成，这对企业来说是非常大的负担。本文旨在提出一项新的技术来尝试将水分与密度测量合二为一，在为企业的产品质量提升同时尽可能付出较少的成本。

双波段微波测量技术

目前，水分的测量方法很多，近红外、高频电容等但他们各自都有很多致命的缺点。而双波段微波水分测量技术不仅具有电测量的优点，而且具有

非接触、无损伤

连续、实时、精度高

无毒、无污染等*优点。

利用微波和水的共振特性来测量水分始于19世纪40年代。它利用颗粒中的水分间接吸收微波*或微波腔共振频率和相位参数来测量水分含量。相较于近红外与高频电容的优点是：

灵敏度比近红外高

能实现在线连续测量

测量出结果速度快、比辐射法*

容易将测量结果转为主流信号输出

不会对材料的物理性质与化学性质造成破坏

微波特性

微波是介于普通无线电波(长波、中波、短波、超短波)与红外波之间的波段。它属于无线电波中波长*短、频率*高的波段。频率范围为300 MHz(波长lm)*300GHz(波长0。5%)。lmm）根据波长的不同，可将微波波段划分为四种波段，即暗色波、准波和亚波。微波可以深入到材料中或甚*完全穿透材料。微波与水或其他极性物质的相互作用是由于水分子在施加的电场中自身对齐的特性。

将电场电极反转，分子会重新排列对齐。在低频率下，水分子可以毫无延迟地跟随电场。由于与取向相关的电荷传输，位移电流流动并且介电常数（介电常数）非常高（在T = 25℃时= 79）。增加频率，当前场强极性的分子的取向滞后。 这会导致材料中的热量损失（耗散）。在弛豫频率下，*耗散*大。因此，介电损耗可以通过损耗因子计算表示为百分比的虚部，具有*大值。

因此，介电损耗可以通过损耗因子计算表示为损耗的虚部，具有*大值。在高于弛豫频率的频率，相互作用,然而，由于弛豫过程基本上比共振机制更宽，因此即使在水含量的波动的显着更低的频率下也可以测量介电常数和损耗因子的变化。2.45 GHz的ISM（工业，科学，医疗）频段的优势在于该领域有许多廉价的集成微波电路。在该频带中，离子电导率实际上不再发挥作用。

图1：微波谐振器的密度无关校准。测量与空气测量有关。如果针对共振频率偏移绘制带宽变化，则针对每个湿度产生直线的特定斜率

新一代微波水分测量技术实现了快速*的测量产品的特性，并且弥补了微波水分仪的部分缺点。源自德国的2PMR技术与相应的测量技术有效的避免了一般情况下产品密度对测量的影响。在烟草业和造纸业中，能够快速准确的测量产品水分对于生产而言意义重大。因此新的2PMR技术对于造纸业的中间产品以及终端产品的水分信息有着非常重要的作用。

双波段微波测量技术运用水分子在交换电场的交换作用。

测量所需的电磁波耦合到传感器中。其中由于传感器的几何形状产生一个固定的带有空间膨胀的电磁场。产品在此磁场中会和电磁场之间产生*交换。水分子是一种强极性分子，在磁场中他的运动方向会与磁场的极性保持一致。这种现象致使电磁场*减少。磁场*损失是第一个参数。此固定的电磁场显示出特征性的自振（共振）。

                             图2：微波谐振器示意图

电磁波在密度较大的产品/材料中比在空气中传播得更慢。由于传感器的介入，电磁波传播速度以及传感器的共振发生变化。通过对比空气和测量产品时的传感器中的电磁波的传播速度，确定*参数。测量系统用了2个控制固定频率的微波谐振器，一个封闭的震荡器作参照，另一个在测量腔内来测量。固定频率和基准之间的频率差是由测量间隙决定的，基准和被测对象之间的差异是间隙湿度的值^[1]。水测量的结果取决于测量间隙的侧面，因此间隙的测量用作水分测量的补偿。

因为水和纤维具有不同的介电常数。因此，纸的含水量反映了纸的绝缘性，可以用微波技术精确测量。传感器是一个微波腔谐振器，其中一个谐振频率对绝缘性和腔体中的原材料敏感。另一个谐振频率对原材料不敏感作为参考，频率二者之间的差异是基本的测量信号，用软件综合定量和水分重量可以得到纸张水分的百分比。从而这项技术适合应用于纸张的水分测量。

该测量方法为日常实践中的用户提供的优势

测量过程可在几分之一秒内检测表面和核心水分，并且使用的微波穿透整个产品。避免了由于表面干燥和水分分不均匀布引起的不正确的测量。独立于密度的测量允许在产品流中进行测量。安装简单，不需要恒定的层厚度或体积密度。测量方法提供可重复的，长期稳定的测量，校准工作量低，因为它的测量独立于产品的颜色，结构和表面。平面传感器设计用于工业用途。这种无干扰且深入到产品内部的微波场保证了测量结果的准确性。紧凑型设计，便于在各种位置安装传感器。

END

全新的双波段微波测量技术实现了对于纸张水分与密度的同时测量。使得造纸行业对于纸张的产品质量控制有了更多的选择，快速测定水分与密度有利于企业的自动化管理。同时合二为一的测量设备也为企业的生产设备安装节省了开支与安装空间。