幾種固體水分電測法及其比較

盧林菊

（樂山師范學院物理與電子信息工程學院，四川　樂山　614004）

幾種固體水分電測法及其比較

盧林菊

（樂山師范學院物理與電子信息工程學院，四川樂山614004）

固體中水分含量是衡量產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)過程控制的一個重要參數(shù)。對水分進行控制可以優(yōu)化加工過程、提高加工質(zhì)量、節(jié)約能源。簡述了幾種固體水分的電測法，并對幾種方法進行了比較。

紅外式；微波式；電阻式；電容式；中子式

1　水分測量的主要方式

測量水分的主要方法如表1所示。直接法是通過干燥或化學反應(yīng)后直接測出額絕對含水量的一種方法，它的精度高，費時，其中，標準干燥法是基準法，測量時不會改變樣品質(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。間接法是通過測量與水分變化相關(guān)的物理量變化，如電阻、介電常數(shù)等來測量水分含量的。

表1　水分測量的主要方法

2　固體水分的電測法

（1）紅外式固體水分電測法。在近紅外光譜區(qū)某些波長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的紅外輻射輪流交替地透過被測固體，取其透過被測固體的輻射強度之比值來測定被測固體的水分。造紙工業(yè)中的紅外水分測定儀就是依據(jù)這個原理測定紙張中的水分的。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、建筑等多個行業(yè)，能對生產(chǎn)線上各個工藝點的水分值進快速準確測量，減少人工采樣化驗，有利于水分數(shù)據(jù)的實時采集、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法。在微波范圍內(nèi)，某些物質(zhì)會強烈地吸收微波能量而引起衰減，特別是水分對微波能量的吸收最為顯著。當物料中的含水量增加時，微波能量的衰減也將成比例增加。因此，利用濕物料對微波的吸收衰減原理，便可測出固體物料如紙張、煙草、木材、糧食等的含水量。波導(dǎo)式微波水分測試儀就是一個實例。通過檢測微波在穿過物料后傳播方向上的傳播速度和強度會發(fā)生的不同變化來計算物料中的水分含量。微波信號可由發(fā)射天線發(fā)射，穿過物料后，由對應(yīng)的接收天線接收。通過精確地分析穿過物料后的微波信號，推導(dǎo)出物料中水的質(zhì)量分數(shù)，將結(jié)果實時輸出并顯示在液晶屏界面上。微波波長不同，對水的衰減靈敏度也不同，在選擇微波的波長時，要從被測物料的材質(zhì)和大小、被測物含水量的高低等綜合考慮。例如，測量紙張水分時，選用波長在1.36cm附近的微波。因為在這個波段范圍內(nèi)，水對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)對微波的吸收所帶來的干擾。

（3）電阻式固體水分電測法。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，可以測量其濕度，例如測量紙頁的電阻值，便可間接地測得紙頁的水分。紙頁電阻的測量頭如圖1所示。圖中3個電極是用不銹鋼制造的電極，它們之間用聚四氟乙烯絕緣，被測紙頁在電極下面，這樣可以測量紙頁表面的電阻值Rx。當紙頁表面水分低于紙頁內(nèi)部水分時，這種測量方法將產(chǎn)生較大的誤差，最好測量穿透電阻，電極還可裝在炒紙機的兩輥之間，在生產(chǎn)過程中測量紙頁的水分。電阻Rx的測量可以采用電橋法。將Rx作為自動平衡電橋的一個橋臂。當紙頁水分變化時間，電橋產(chǎn)生不平衡電壓，經(jīng)電子放大器放大后，驅(qū)動可逆電機轉(zhuǎn)動，帶動滑線電阻RP的滑動觸點，直到電橋重新平衡為止。可逆電機還同時帶動記錄筆移動，記下紙頁水分的變化。記錄儀的刻度要按不同的紙種進行標定。電阻方法因其快速、準確、成本低的特點一直是最常用的水分測量方法，但由于電阻方法存在信號強度小、取樣要求高、抗干擾性較差等缺陷，近年來出現(xiàn)了許多新的基于電阻測量原理的創(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　電阻式測定紙頁水分

（4）電容式固體水分電測法。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，通過測量以物料為電介質(zhì)的電容器的電容值即可確定物料的水分。圖2為用于測量紙頁濕度的共面式平板電容器示意圖。這種傳感器的突出特點是將兩個極板安置在同一平面上，以紙頁作為電介質(zhì)構(gòu)成了所謂共面式平板電容器。在兩極板間形成一個電場，其電力線穿過紙頁的情況如圖中虛線所示。電容器的兩個極板可以與紙頁直接接觸（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板放置在紙頁兩側(cè)。

圖2　共面式平板電容傳感器

（5）中子式水分檢測法。中子水分儀可用于工業(yè)生產(chǎn)過程中對物料水分含量的在線連續(xù)檢測，廣泛適用于鋼鐵、建材、水泥、鑄造、玻璃、陶瓷等行業(yè)，并能輸出控制信號以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的閉環(huán)自動控制。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)過程中對各種輸送機輸送過程中物料水分含量的在線連續(xù)檢測，廣泛適用于鋼鐵、建材、水泥、鑄造、玻璃、陶瓷等行業(yè)，并能輸出控制信號以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的閉環(huán)自動控制。工作原理：檢測原理是基于中子對水分中的H元素敏感，H元素可以使中子發(fā)生慢化，而其它物質(zhì)則是幾乎沒有這一過程。礦槽水分儀可用于工業(yè)生產(chǎn)過程中對礦槽、料倉、料斗等各種物料水分含量的在線連續(xù)檢測，廣泛適用于鋼鐵、建材、水泥、鑄造、玻璃、陶瓷等行業(yè)，并能輸出控制信號以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的閉環(huán)自動控制。檢測原理是基于中子對水分中的H元素敏感，H元素可以使中子發(fā)生慢化，而其它物質(zhì)則是幾乎沒有這一過程。

3　幾種固體水分電測法的比較

紅外在線檢測法是非接觸式測量，可以盡量靠近檢測點安裝；具有成熟技術(shù)，為國外大多數(shù)廠所采用；無放射性危害；與物料的流量和料層厚度無關(guān)；對物料成分及配比的變化不敏感；響應(yīng)速度快，測量精度高，便于實現(xiàn)混合料水分自動控制；標定簡單，維護方便。

微波在線檢測法也是非接觸式測量，無磨損，無干擾，維護量小；微波檢測法不能用于燒結(jié)混合料，因為燒結(jié)混合料含大量的金屬礦，對微波有屏蔽作用；快速的實時結(jié)果：可達到毫秒級的反應(yīng)速度；全自動化運轉(zhuǎn)：自動檢查各部分單元運行狀態(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)場安裝環(huán)境選型；無放射性核源：安全無污染，可靠性高。

電阻在線檢測法是接觸式測量；電極直接接觸物料，磨損很大；所測電阻受其他因素影響很大，對水分的選擇性很差。

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。

中子在線檢測法是通過探測物料中的氫原子推測物料水分，分為有接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量——礦槽安裝；探頭外壁接觸物料，磨損嚴重；物料易粘在探頭上；探頭附近的物料流動緩慢；測量滯后很大；實物標定十分復(fù)雜；物料結(jié)晶水及碳氫化合物組分的變化都會影響測量結(jié)果。非接觸式測量——皮帶機安裝，仍然在探索階段，技術(shù)不成熟；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)時間長；性能及精度差；需配放射性密度計；不易消除水蒸氣的影響；如靠近混合機出口安裝，可能給現(xiàn)場工人帶來放射性危害。

4　固體水分測量的展望

常規(guī)水分測量方法精度高，適用于實驗室檢測，但耗時，無法實現(xiàn)快速、在線檢測，樣品中結(jié)合水常常無法檢測，不能準確反映體系的水分結(jié)合特征，而且在測量過程中待測物粉碎或發(fā)生了化學變化，致使其不能保持原有的形狀、結(jié)構(gòu)和組分。現(xiàn)代儀器檢測方法能夠在不破壞待測物原來的狀態(tài)和化學性質(zhì)的前提下，通過體系本身的物理、光學及化學性質(zhì)來測其含水量，并且可以測結(jié)合水，真正的反映體系水分含量，同時檢測方便、快速，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，大量樣品檢測。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有廣闊的應(yīng)用前景。計算機技術(shù)、原子技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，給各領(lǐng)域水分檢測的數(shù)字化、在線化提供了廣闊的空間，現(xiàn)代儀器測試技術(shù)必將為其提供技術(shù)保證。市場檢測儀器的標準化、通用化和系列化又會加速現(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：傳感器與檢測技術(shù)、高頻電子線路的教學與講究。