使用微波頻率和射頻諧振器的測量方法被認為是獲得測量數據以計算各種材料中水的重量、濕度或含量的最精確方法。

微波頻率的優點

如今，高達100ghz的微波頻率正越來越多地被用于工業應用。當使用與材料相適應的特殊諧振器時，可以可靠地獲得復介電常數和復磁導率等電氣數據，進而準確地計算水的重量、濕度或含量。由于可用的微波頻率范圍很廣，因此可以根據材料定制測量方法。此外，微波水分儀提供了整體的易用性，特別是與核水分儀相比。

諧振器是在一定頻率下產生共振的高質量因子（Q因子）結構。腔體區域內的樣品材料影響腔體的中心頻率和Q因子。有各種各樣的共振技術，但微擾法是最常用的技術。材料的介電常數和磁導率等電參數可以通過f-Res空載和f-Res加載之間的頻移來確定。Q系數是根據共振時的頻率3dB計算的，在標記為flu/flo和fuu/fuo的圖中。當測量共振頻率的偏移和Q因子時，可以確定兩個相應的物理數據，例如重量和濕度。在許多情況下，只需要一個物理數據；因此，只需要測量共振頻率或Q因子的變化，而不是同時測量兩者。典型的諧振腔法測量系統由諧振腔、信號處理部分和計算機軟件控制組成。

使用基于微波諧振器技術的海默生高精度水分儀，用戶除了可以識別可能與這些材料接觸的外來顆?；蛭镔|外，還可以測量各種材料的水分、質量和密度特性。這項技術特別有利于在生產過程中測定紙張的含水量?？刂扑湍静牡幕旌衔锘虺煞值哪芰τ兄趦灮垙堉圃焐痰馁|量、生產能力和總體制造成本。

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案例研究：紙張含水量的測量

紙張生產中最嚴重的問題之一是當材料變得太干或太濕時，因為必須丟棄紙張，浪費制造商的時間和金錢。這可以通過控制生產空間內的濕度來防止。利用微波諧振水分儀的高速測量技術，造紙廠可以精確地保持在理想濕度范圍（約4%至8%）內，從而消除了水分的威脅。水分儀可以在不接觸材料的情況下測量紙張的表面和內部，還能夠測量紙張上的膠層和印刷油墨的干燥度。

安裝海默生微波水分儀后，該裝置通過探頭對紙張進行非接觸測量，探頭可檢測任何固體、液體、氣體和顆粒材料（在本例中為紙張）。（見圖1）然后，諧振器確定紙張的含水量。紙張質量/紙漿通過網狀載體運輸，水分儀直接安裝在載體下方。（見圖2。）使用特殊的矢量網絡分析儀配置測量得到的共振頻率。（見圖3）使用數字信號處理，進行非常精確和快速的測量，通常速度高達每秒10000個樣本。這個過程的最后一步是數據分析，它向造紙廠提供水分、殘余水分、質量、密度和外來顆粒的測量結果。然后，紙張制造商對結果進行評估，以確定是否需要對生產過程進行任何調整。

圖 1. 基于諧振腔的測量系統

圖2. 單面諧振器安裝水分儀系統圖

圖 3. 矢量網絡分析儀測量共振頻率（速度高達每秒10000個樣本）。藍色曲線表示無紙共振器測量（供比較）。紅色曲線表示用紙張測量諧振器。紅色曲線的峰值表示諧振器頻率值，在本例中等于F1。頻移與紙張質量的含水量相對應。

圖 4. 確定諧振腔頻率值與含水量關系的校準曲線。

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用戶界面

基于微波諧振器的海默生水分儀（如本應用中使用的水分儀）與廣泛的工業標準通信接口兼容，這些接口監視和控制水分儀的功能。由于水分儀數據接口的通用設計，通信接口和定制接口板可以很容易地添加到水分儀中，以便將水分儀最佳集成到特定環境中。

海默生微波水分儀的通信模塊配備了標準的IEEE 802.3以太網接口，因此制造商可以通過簡單的計算機設置直接訪問水分儀的數據。該水分儀還支持符合ISO 11898的CAN 2.0接口，因此可以完全集成在包含各種水分儀和執行器的生產環境中。

對于惡劣的環境，水分儀包括一個DIN66258電流回路串行接口。

利用其中一個端口，可以方便地從水分儀中讀取重要的操作數據，為制造商提供進一步的易用性。

射頻諧振器的優點

除了精確測量紙漿中的纖維含量外，采用基于微波諧振器技術的無創非接觸傳感技術的制造商還提供了許多其他測量方法無法提供的附加優勢。

例如，諧振器技術使制造商能夠以比替代系統快得多的速率測量非常小的樣品，小到1立方米，具有精確的精度。每秒 10000 個樣品的快速測量使其成為造紙制造行業等要求苛刻的在線應用的理想選擇。

微波諧振器方法還能夠表征低損耗材料和介電常數低的材料，這是其他電測量技術極難測量的。介電常數低的物質包括一個完美的真空；干燥的空氣；以及大多數純凈、干燥的氣體，如氦和氮。介電常數適中的材料包括陶瓷、蒸餾水、紙張、云母、聚乙烯和玻璃。金屬氧化物一般具有高的介電常數。

相對于傳統用于測量紙張水分的核水分儀，基于射頻技術的新型水分儀完全消除了核水分儀的弊端，使用戶能夠避免專門處理和培訓員工所需的成本和時間。核水分儀總是含有一定數量的放射性物質；因此，制造商在向某些國家分發設備時面臨限制，或者可能需要申請特別批準才能出口。這些問題可以通過使用射頻水分儀來避免，而射頻水分儀不受這些限制的影響。由于放射性廢物對大多數形式的生命和環境有害，核水分儀也需要嚴格的廢物處理程序，而這一程序受到政府的嚴格管制。使用基于射頻的水分儀，制造商可以減少任何潛在的環境污染源，同時降低能源成本。

微波諧振器技術還使制造商能夠使用帶有通流諧振器或單面諧振器測量的水分儀。兩個系統都執行非接觸式測量，這意味著水分儀頭不會接觸到網狀載體。帶通流諧振器的水分儀通常用于測量一定尺寸的粉末、液體、顆?；蛲斜P。材料的尺寸是通流式諧振器的主要限制因素。在像紙張生產這樣的應用中，生產線上一張紙的寬度可以達到6米，在大多數情況下，使用這種水分儀是不可能的，而且設計和制造成本極高。在這種情況下，采用單側測量的水分儀是一種合適的解決方案。它也適用于生產過程中材料厚度變化較大的應用。這種水分儀類型可以很容易地集成到現有系統中。

結論

使用基于諧振器測量技術的水分儀，紙張制造商可以確定諧振器的最佳頻率范圍，從而以極高的精度確保紙張保持低含水量。這最終會提高產品質量和生產率。

使用這種技術的水分儀足夠靈活，以保持低和高的水常數，因此，這是一種成本有效的解決方案，因為制造商可以使用一個水分儀用于雙重目的。微波諧振腔測量技術還確保了紙張中水分的緩慢降解，這對生產優質紙張至關重要。

基于微波諧振器技術的射頻水分儀還可以應用于其他行業，如食品、煙草、制藥、汽車、回收和化學品，以測量水分、質量和密度，以及識別外來顆粒和介電性能。由于質量保證在任何制造業中都是至關重要的，因此射頻水分儀讓企業安心，使其材料達到并超過質量預期，從而能夠向消費者提供最好的產品。