幾種固體水分電測(cè)法及其比較

盧林菊

（樂(lè)山師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，四川　樂(lè)山　614004）

幾種固體水分電測(cè)法及其比較

盧林菊

（樂(lè)山師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，四川樂(lè)山614004）

固體中水分含量是衡量產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)過(guò)程控制的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)水分進(jìn)行控制可以優(yōu)化加工過(guò)程、提高加工質(zhì)量、節(jié)約能源。簡(jiǎn)述了幾種固體水分的電測(cè)法，并對(duì)幾種方法進(jìn)行了比較。

紅外式；微波式；電阻式；電容式；中子式

1　水分測(cè)量的主要方式

測(cè)量水分的主要方法如表1所示。直接法是通過(guò)干燥或化學(xué)反應(yīng)后直接測(cè)出額絕對(duì)含水量的一種方法，它的精度高，費(fèi)時(shí)，其中，標(biāo)準(zhǔn)干燥法是基準(zhǔn)法，測(cè)量時(shí)不會(huì)改變樣品質(zhì)量，只須在常壓下將樣品加熱烘干到100℃左右，求出樣品減小量。間接法是通過(guò)測(cè)量與水分變化相關(guān)的物理量變化，如電阻、介電常數(shù)等來(lái)測(cè)量水分含量的。

表1　水分測(cè)量的主要方法

2　固體水分的電測(cè)法

（1）紅外式固體水分電測(cè)法。在近紅外光譜區(qū)某些波長(zhǎng)的紅外輻射能量可以被水分子選擇性地吸收，而在這些波長(zhǎng)之外的紅外輻射能量幾乎不被水分子吸收。因此我們可利用易被水吸收和不被水吸收的兩種波長(zhǎng)的紅外輻射輪流交替地透過(guò)被測(cè)固體，取其透過(guò)被測(cè)固體的輻射強(qiáng)度之比值來(lái)測(cè)定被測(cè)固體的水分。造紙工業(yè)中的紅外水分測(cè)定儀就是依據(jù)這個(gè)原理測(cè)定紙張中的水分的。紅外水分儀是一種在線非接觸式物料水分檢測(cè)儀。這類產(chǎn)品適用于冶金、煤炭、化工、化纖、造紙、煙草、食品、建筑等多個(gè)行業(yè)，能對(duì)生產(chǎn)線上各個(gè)工藝點(diǎn)的水分值進(jìn)快速準(zhǔn)確測(cè)量，減少人工采樣化驗(yàn)，有利于水分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析，并為生產(chǎn)工作起指導(dǎo)性作用。

（2）微波式固體水分電測(cè)法。在微波范圍內(nèi)，某些物質(zhì)會(huì)強(qiáng)烈地吸收微波能量而引起衰減，特別是水分對(duì)微波能量的吸收最為顯著。當(dāng)物料中的含水量增加時(shí)，微波能量的衰減也將成比例增加。因此，利用濕物料對(duì)微波的吸收衰減原理，便可測(cè)出固體物料如紙張、煙草、木材、糧食等的含水量。波導(dǎo)式微波水分測(cè)試儀就是一個(gè)實(shí)例。通過(guò)檢測(cè)微波在穿過(guò)物料后傳播方向上的傳播速度和強(qiáng)度會(huì)發(fā)生的不同變化來(lái)計(jì)算物料中的水分含量。微波信號(hào)可由發(fā)射天線發(fā)射，穿過(guò)物料后，由對(duì)應(yīng)的接收天線接收。通過(guò)精確地分析穿過(guò)物料后的微波信號(hào)，推導(dǎo)出物料中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將結(jié)果實(shí)時(shí)輸出并顯示在液晶屏界面上。微波波長(zhǎng)不同，對(duì)水的衰減靈敏度也不同，在選擇微波的波長(zhǎng)時(shí)，要從被測(cè)物料的材質(zhì)和大小、被測(cè)物含水量的高低等綜合考慮。例如，測(cè)量紙張水分時(shí)，選用波長(zhǎng)在1.36cm附近的微波。因?yàn)樵谶@個(gè)波段范圍內(nèi)，水對(duì)微波的吸收要比纖維等其他材料大幾十倍以上，從而可以排除其他物質(zhì)對(duì)微波的吸收所帶來(lái)的干擾。

（3）電阻式固體水分電測(cè)法。利用固體物質(zhì)的電阻阻值隨含水量的不同而不同的特性，可以測(cè)量其濕度，例如測(cè)量紙頁(yè)的電阻值，便可間接地測(cè)得紙頁(yè)的水分。紙頁(yè)電阻的測(cè)量頭如圖1所示。圖中3個(gè)電極是用不銹鋼制造的電極，它們之間用聚四氟乙烯絕緣，被測(cè)紙頁(yè)在電極下面，這樣可以測(cè)量紙頁(yè)表面的電阻值Rx。當(dāng)紙頁(yè)表面水分低于紙頁(yè)內(nèi)部水分時(shí)，這種測(cè)量方法將產(chǎn)生較大的誤差，最好測(cè)量穿透電阻，電極還可裝在炒紙機(jī)的兩輥之間，在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量紙頁(yè)的水分。電阻Rx的測(cè)量可以采用電橋法。將Rx作為自動(dòng)平衡電橋的一個(gè)橋臂。當(dāng)紙頁(yè)水分變化時(shí)間，電橋產(chǎn)生不平衡電壓，經(jīng)電子放大器放大后，驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑線電阻RP的滑動(dòng)觸點(diǎn)，直到電橋重新平衡為止?？赡骐姍C(jī)還同時(shí)帶動(dòng)記錄筆移動(dòng)，記下紙頁(yè)水分的變化。記錄儀的刻度要按不同的紙種進(jìn)行標(biāo)定。電阻方法因其快速、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)一直是最常用的水分測(cè)量方法，但由于電阻方法存在信號(hào)強(qiáng)度小、取樣要求高、抗干擾性較差等缺陷，近年來(lái)出現(xiàn)了許多新的基于電阻測(cè)量原理的創(chuàng)新方法，如兩量程直流電阻法，脈沖電阻法，復(fù)阻抗分離法，交流阻抗法等。

圖1　電阻式測(cè)定紙頁(yè)水分

（4）電容式固體水分電測(cè)法。干物料吸收水分以后，其介電常數(shù)將大大增加，根據(jù)物料介電常數(shù)與水分的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量以物料為電介質(zhì)的電容器的電容值即可確定物料的水分。圖2為用于測(cè)量紙頁(yè)濕度的共面式平板電容器示意圖。這種傳感器的突出特點(diǎn)是將兩個(gè)極板安置在同一平面上，以紙頁(yè)作為電介質(zhì)構(gòu)成了所謂共面式平板電容器。在兩極板間形成一個(gè)電場(chǎng)，其電力線穿過(guò)紙頁(yè)的情況如圖中虛線所示。電容器的兩個(gè)極板可以與紙頁(yè)直接接觸（甚至可以加一定壓力），中間也可以有一定距離。為了防止極板的邊緣效應(yīng)，極板可以制成同心圓形式。此外，極板還可制成方形或?qū)O板放置在紙頁(yè)兩側(cè)。

圖2　共面式平板電容傳感器

（5）中子式水分檢測(cè)法。中子水分儀可用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)物料水分含量的在線連續(xù)檢測(cè)，廣泛適用于鋼鐵、建材、水泥、鑄造、玻璃、陶瓷等行業(yè)，并能輸出控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的閉環(huán)自動(dòng)控制。中子水分儀按應(yīng)用分為兩種：皮帶水分儀，礦槽水分儀。皮帶水分儀可用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)各種輸送機(jī)輸送過(guò)程中物料水分含量的在線連續(xù)檢測(cè)，廣泛適用于鋼鐵、建材、水泥、鑄造、玻璃、陶瓷等行業(yè)，并能輸出控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的閉環(huán)自動(dòng)控制。工作原理：檢測(cè)原理是基于中子對(duì)水分中的H元素敏感，H元素可以使中子發(fā)生慢化，而其它物質(zhì)則是幾乎沒(méi)有這一過(guò)程。礦槽水分儀可用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)礦槽、料倉(cāng)、料斗等各種物料水分含量的在線連續(xù)檢測(cè)，廣泛適用于鋼鐵、建材、水泥、鑄造、玻璃、陶瓷等行業(yè)，并能輸出控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的閉環(huán)自動(dòng)控制。檢測(cè)原理是基于中子對(duì)水分中的H元素敏感，H元素可以使中子發(fā)生慢化，而其它物質(zhì)則是幾乎沒(méi)有這一過(guò)程。

3　幾種固體水分電測(cè)法的比較

紅外在線檢測(cè)法是非接觸式測(cè)量，可以盡量靠近檢測(cè)點(diǎn)安裝；具有成熟技術(shù)，為國(guó)外大多數(shù)廠所采用；無(wú)放射性危害；與物料的流量和料層厚度無(wú)關(guān)；對(duì)物料成分及配比的變化不敏感；響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，便于實(shí)現(xiàn)混合料水分自動(dòng)控制；標(biāo)定簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

微波在線檢測(cè)法也是非接觸式測(cè)量，無(wú)磨損，無(wú)干擾，維護(hù)量小；微波檢測(cè)法不能用于燒結(jié)混合料，因?yàn)闊Y(jié)混合料含大量的金屬礦，對(duì)微波有屏蔽作用；快速的實(shí)時(shí)結(jié)果：可達(dá)到毫秒級(jí)的反應(yīng)速度；全自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)：自動(dòng)檢查各部分單元運(yùn)行狀態(tài)；人性化操作界面：配合用戶的不同需求；便捷的安裝和調(diào)試：可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境選型；無(wú)放射性核源：安全無(wú)污染，可靠性高。

電阻在線檢測(cè)法是接觸式測(cè)量；電極直接接觸物料，磨損很大；所測(cè)電阻受其他因素影響很大，對(duì)水分的選擇性很差。

Rx=f（x1，x2，x3，L）

其中x1為物料水分，x2為原料導(dǎo)電性（成分、配比），x3為料層厚度。

中子在線檢測(cè)法是通過(guò)探測(cè)物料中的氫原子推測(cè)物料水分，分為有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量——礦槽安裝；探頭外壁接觸物料，磨損嚴(yán)重；物料易粘在探頭上；探頭附近的物料流動(dòng)緩慢；測(cè)量滯后很大；實(shí)物標(biāo)定十分復(fù)雜；物料結(jié)晶水及碳?xì)浠衔锝M分的變化都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。非接觸式測(cè)量——皮帶機(jī)安裝，仍然在探索階段，技術(shù)不成熟；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；性能及精度差；需配放射性密度計(jì)；不易消除水蒸氣的影響；如靠近混合機(jī)出口安裝，可能給現(xiàn)場(chǎng)工人帶來(lái)放射性危害。

4　固體水分測(cè)量的展望

常規(guī)水分測(cè)量方法精度高，適用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，但耗時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速、在線檢測(cè)，樣品中結(jié)合水常常無(wú)法檢測(cè)，不能準(zhǔn)確反映體系的水分結(jié)合特征，而且在測(cè)量過(guò)程中待測(cè)物粉碎或發(fā)生了化學(xué)變化，致使其不能保持原有的形狀、結(jié)構(gòu)和組分?，F(xiàn)代儀器檢測(cè)方法能夠在不破壞待測(cè)物原來(lái)的狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)的前提下，通過(guò)體系本身的物理、光學(xué)及化學(xué)性質(zhì)來(lái)測(cè)其含水量，并且可以測(cè)結(jié)合水，真正的反映體系水分含量，同時(shí)檢測(cè)方便、快速，可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，大量樣品檢測(cè)。隨著現(xiàn)代儀器的不斷發(fā)展，核磁共振法和近紅外光譜法以及氣相色譜法將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，給各領(lǐng)域水分檢測(cè)的數(shù)字化、在線化提供了廣闊的空間，現(xiàn)代儀器測(cè)試技術(shù)必將為其提供技術(shù)保證。市場(chǎng)檢測(cè)儀器的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化又會(huì)加速現(xiàn)代儀器方法的研究和應(yīng)用。

The Comparisons of Several Kinds of Solid Water
Electrical Measuring Methods

LU Lin-ju
（Leshan Teachers College of Physics and Electronic Information Engineering College，Leshan，Sichuan 614004，China）

The moisture content in the solid is an important parameter to measure the quality of the product and production process control.Controlling moisture content can optimize machining process，improve the processing quality and save energy.This paper makes descriptions and comparisons of several kinds of solid water electrical measuring methods.

Infrared type；Microwave type；resistance type；capacitance type；neutron type

O348.2

A

2095-980X（2015）10-0051-02

2015-09-16

盧林菊（1975-），女，講師，主要研究方向：傳感器與檢測(cè)技術(shù)、高頻電子線路的教學(xué)與講究。