利用微波透射检测技术检测松散物料湿度

作者:本网编辑 文章来源:《流程工业》(制药) 发布时间:2010-07-05

在松散物料的湿度检测中,剥离下来的碎屑、沉积物、粘合物或者松散物料堆积的高度都会对检测的精度造成不良影响。因此,接触式的湿度检测传感器在这一领域中的应用受到了很大的限制。而利用微波透射检测技术则是一种非常明智的检测方法。

大多数原材料和产品的湿度检测原理都是类似的,与空气湿度检测的方法没有多少差别。而这些湿度检测方法在实践中的应用多多少少的都有自身的局限性。湿度检测属于检测和调节技术中相对比较复杂的一种检测任务,是涉及到被测物体物理和化学特性的问题。即使是对那些经验丰富的专业人员来讲,材料湿度的检测技术也是一个捉摸不透的领域。

本文介绍的Moist xP微波透射湿度检测技术就是一种新的、以模块式结构设计为基础的适合于不同微波传感器的非接触式湿度检测技术。它将迄今为止一直没有标准化的各种湿度检测技术统一起来,提供了适合于标准化的湿度检测方案,能够简单方便的完成各种湿度检测。

微波湿度检测的基础

介电的检测方法,包括微波湿度检测方法在内的介电检测技术都基于水的介电特性。水分子能够磁化,磁化后的水分子在外部磁场的作用下沿着一定的顺序排列,即呈现一定的极性。此时,若受到交变电磁场的作用,水分子则随着电磁场的频率而不断的旋转变换方向(定向极化)。这一效应通常用介电常数DK表示。水的介电常数大约为80;而大多数的固体材料,包括粉碎成松散物料的固体材料的介电常数则要小的多(一般在2~10之间,大多数在3~6之间)。由于这一明显的差异,因此即使只有很少量的水也能够轻易的鉴别出来。

随着外部电磁场频率的提高,水分子在物体内部结合力的作用下很难与外部电磁场同步旋转。水分子旋转运动与外部电磁场之间就会存在一个相位差。在微波波长的范围内,由于物体内部的结合力可以使水分子的介电常数出现虚数,换一种说法就是介电常数的“丢失”。物体电量丢失的总量由介电丢失和电离子(例如盐离子)的导电损失两部分组成。

在透射式的检测技术中,通常是利用被测物体的整个横截面进行检测的。在微波频率的湿度检测领域中,可以只对一定的厚度进行检测。

作用原理

从各种科技文献中可以找出很多利用高频和微波技术对物体参数进行检测的工作原理。这些种种不同的检测原理可以粗略的划分为几个大的类别:

共振/共鸣的检测方法;

透射/反射式的检测方法;

散射场/辐射场式的检测方法。

在许多简单的检测任务中,反射式配置的检测设备是最合适的(图2)。在这种检测方法中,由一个天线向被测物体发射电磁波;或者是散射场配置方式中由旋转的扁馈线发射的电磁波形成的电磁场。检测接收的不仅仅是摄入到物体内部的电磁波,而且也检测由物体反射回来的电磁波。反射式配置方式原则上只用于从一侧接近被测物体的检测场合。

共振检测是利用物体共振参数的变化进行检测的,在微波检测技术领域中使用的是微波传感器。检测的参数包括共振频率、品质和耦合系数。共振频率检测最主要的优点在于:它属于时间测定的方法,具有比其它检测方法高出很多的检测精度。因此,共振式的湿度检测方法可用于检测精度和重复检测精度要求很高的检测场合。精密的湿度检测直至超精密的湿度检测范围是这种共振湿度检测最理想的检测领域。

共振检测技术的最大缺点是:被测物体与共振器之间的几何尺寸比例关系必须非常准确。高精度的检测最好是在封闭的环境中进行,这对生产现场的检测应用有极大的限制。

透射式微波检测技术是各种微波检测中最“坚固耐用”的检测技术(图3)。由于在这种检测中微波射线穿透了被测物体,因此得到的是总体的湿度值;可排除少量不均匀性的干扰。这种检测方法的缺点是:检测仪器设备分为两部分,发射器和接收器。在检测点必须要安装这两部分设备,从而降低了透射式检测技术的集成性能。因为在许多生产场合中是“寸土寸金”的。

在透射式检测中使用的微波参数是蒸发量和物体通过电磁微波时的相位差。简单的、单纯的蒸发检测或者相位差检测是不够的。因为单纯的蒸发检测或者相位差检测与被测物体的高度尺寸有关,为排除这一高度尺寸引起的差异通常要将蒸发和相位差检测结合起来使用,或者增加一道辅助的高度检测步骤。

微波透射式湿度检测方法

透射式的湿度检测设备至少有一个发射装置和一个接收装置组成,一般情况下还要在上述两个装置当中的一个里配备一个数据分析单元。迄今为止的与现代技术水平相适应的透射式检测系统所需的所有微波信号都在一个数据分析评判单元发射和处理,实际从事微波透射检测的只有一个发射天线和一个接收天线。发射天线和接收天线与微波设备之间的连接采用的是同轴电缆。

这种配置方式有着众多的缺点和不足。信号线的长度被限制在几米之内,这意味着微波数据分析处理器必须在检测现场附近。对于同轴电缆来讲,它也必须是抗扭曲强度很高的、带有坚固防护层的电缆。要想对现有的微波检测系统做点改动,必须付出相当大的劳动。尽管同轴电缆本身有着屏蔽层,但是随着电缆长度的增加,干扰信号进入到数据分析系统中的可能性仍然很高。所有天线与数据分析器之间的电缆是整个系统的薄弱环节,至少是维护保养的重点环节。

透射式微波检测系统采用了Moist xP模块式的结构之后,大大的方便了用户的使用。所有Moist xP湿度检测传感器都带有微波监控器;所使用的连接接口具有与现场总线系统联网的能力。这样一来,一方面是发射器、接收器之间的信号传递、另一方面是数据分析器的数据传递都具有数字化传送的能力了,传送距离也提高到了几百米。

透射式配置的微波湿度检测系统在接收与发射天线之间形成了一个涵盖了整个被测物体的微波场。当被测物体的介电常数因湿度不同而发生变化时,这种变化都会反应为微波场的变化。对这种湿度变化进行评判的是由蒸发量和相位差检测合成的参数——透射指数。
检测过程中的蒸汽由两部分组成:微波场引起的蒸汽和原材料吸湿性引起的蒸汽。而微波场引起的蒸汽在延长检测距离时不受被测原材料的影响。因此,微波信号发射器和接收器之间的相互位置关系不能随意设置。

检测设备的安装

按照微波湿度检测原理和透射式配置方式制造的检测仪器应有下列几个部件:

频率可调节的高稳定性微波发射器;

高灵敏度的高稳定性的微波接收器;

数据分析单元,将数字化的发射器信号和接收器信号转换成湿度数据。

微波发射模块带有改进性能的Moist PP型湿度传感器和PLL频率非常稳定的微波信号源。作为这些基本部件的补充,还有一些用于功率放大、信号调节的部件。在这些零部件的共同作用下微波发射天线能够发射出频率和振幅都非常稳定的微波,和可以调节的信号。
微波接收模块有专门研发设计的多通道微波探测器,它能将接收到的微波信号转换成线性的或者对数型的信号,并进行评判。其优点在于:基于不同被测材料的不同湿度范围,它既能在较高的检测灵敏度条件下工作,也能在较低的检测灵敏度条件下使用。发射器和接收器都带有各自的微波天线。为了增强天线的发射和接收效果,可在发射器和接收器上加装金属的信号放大器和塑料材料制作的微波放大器。同时,这两个放大器也都可以当作防护罩和密封使用。

微波发射器和微波接收器经Moist Control 100型控制器相互连接。在这一控制器中,根据基本的透射指数TI和保存的材料湿度标定值对检测到的湿度数据进行计算,通过一系列的数字信号过滤器对基于基本信号TI的信号进行处理,转换成湿度信号并将处理结果传送出去。

每一个独立的湿度检测速度都非常快。由于实际的检测无疑都是集成式检测过程,所需的时间仅仅是电磁波穿透被测物体的过程,而这一穿透过程仅仅需要几纳秒的时间,因此,检测速度是非常快的。这一技术的限制性因素主要是数据通信接口和形成总线通讯协议的问题。

目前可以调节实现的最小检测时间为10ms,典型使用情况下的每次检测时间为100 ~ 200ms。这一检测时间基本上满足了大多数在线实时检测的要求。

被测物体厚度的影响

被测物体的厚度是影响微波湿度检测的一个因素。在厚度差异不大的情况下,Moist监控器本身的补偿运算过滤器就能够对这些差异进行补偿了。对于高度差异较大的检测场合,例如在对松散物料进行湿度检测时,若被测松散物料像通常生产时那样堆放在传送带上,则无法进行湿度检测。在这种情况下,通过使用附加的间距传感器就可以解决问题。

检测得到的基本数据信号TI还是由控制器进行处理。被测物体的最小厚度尺寸对于准确的得出湿度数据和很高的重复检测精度有着非常重要的意义。这一最小厚度尺寸视具体的被测物体而定,一般不超过几厘米。同样的,被测物体的最大厚度尺寸也不是无限的。对于Moist T型微波湿度检测系统来讲,目前最大厚度尺寸约为500mm。

Moist系统

Moist xP系统是一个模块化的、适用于固体和液体湿度检测的微波透射式湿度检测系统。基于其模块化的结构设计,其检测探头可以按照用户特殊的使用要求进行定制,使检测探头与实际检测任务相互匹配。这种微波湿度检测技术的优点是:对大批量检测物体湿度的实时检测,具有很高的灵敏度,不受酸、碱、盐的影响。使用Moist T型微波湿度检测仪,可以在生产流程中无接触的快速检测松散物料的湿度,并实时的将检测数据传送到过程控制系统,供流程工艺调整时使用。同时,这一系统也可对非均匀材料的湿度进行检测,只是在检测参数的设置时要考虑到非均匀材料湿度分布的系数。

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