使用微波頻率和射頻諧振器的測(cè)量方法被認(rèn)為是獲得測(cè)量數(shù)據(jù)以計(jì)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(yōu)點(diǎn)

如今，高達(dá)100ghz的微波頻率正越來(lái)越多地被用于工業(yè)應(yīng)用。當(dāng)使用與材料相適應(yīng)的特殊諧振器時(shí)，可以可靠地獲得復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率等電氣數(shù)據(jù)，進(jìn)而準(zhǔn)確地計(jì)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(jù)材料定制測(cè)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(chǎn)生共振的高質(zhì)量因子（Q因子）結(jié)構(gòu)。腔體區(qū)域內(nèi)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(shù)，但微擾法是最常用的技術(shù)。材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等電參數(shù)可以通過(guò)f-Res空載和f-Res加載之間的頻移來(lái)確定。Q系數(shù)是根據(jù)共振時(shí)的頻率3dB計(jì)算的，在標(biāo)記為flu/flo和fuu/fuo的圖中。當(dāng)測(cè)量共振頻率的偏移和Q因子時(shí)，可以確定兩個(gè)相應(yīng)的物理數(shù)據(jù)，例如重量和濕度。在許多情況下，只需要一個(gè)物理數(shù)據(jù)；因此，只需要測(cè)量共振頻率或Q因子的變化，而不是同時(shí)測(cè)量?jī)烧摺５湫偷闹C振腔法測(cè)量系統(tǒng)由諧振腔、信號(hào)處理部分和計(jì)算機(jī)軟件控制組成。

使用基于微波諧振器技術(shù)的海默生高精度水分儀，用戶除了可以識(shí)別可能與這些材料接觸的外來(lái)顆粒或物質(zhì)外，還可以測(cè)量各種材料的水分、質(zhì)量和密度特性。這項(xiàng)技術(shù)特別有利于在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)定紙張的含水量。控制水和木材的混合物或成分的能力有助于優(yōu)化紙張制造商的質(zhì)量、生產(chǎn)能力和總體制造成本。

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案例研究：紙張含水量的測(cè)量

紙張生產(chǎn)中最嚴(yán)重的問(wèn)題之一是當(dāng)材料變得太干或太濕時(shí)，因?yàn)楸仨殎G棄紙張，浪費(fèi)制造商的時(shí)間和金錢。這可以通過(guò)控制生產(chǎn)空間內(nèi)的濕度來(lái)防止。利用微波諧振水分儀的高速測(cè)量技術(shù)，造紙廠可以精確地保持在理想濕度范圍（約4%至8%）內(nèi)，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(cè)量紙張的表面和內(nèi)部，還能夠測(cè)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(guò)探頭對(duì)紙張進(jìn)行非接觸測(cè)量，探頭可檢測(cè)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(zhì)量/紙漿通過(guò)網(wǎng)狀載體運(yùn)輸，水分儀直接安裝在載體下方。（見圖2。）使用特殊的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配置測(cè)量得到的共振頻率。（見圖3）使用數(shù)字信號(hào)處理，進(jìn)行非常精確和快速的測(cè)量，通常速度高達(dá)每秒10000個(gè)樣本。這個(gè)過(guò)程的最后一步是數(shù)據(jù)分析，它向造紙廠提供水分、殘余水分、質(zhì)量、密度和外來(lái)顆粒的測(cè)量結(jié)果。然后，紙張制造商對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，以確定是否需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行任何調(diào)整。

圖 1. 基于諧振腔的測(cè)量系統(tǒng)

圖2. 單面諧振器安裝水分儀系統(tǒng)圖

圖 3. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量共振頻率（速度高達(dá)每秒10000個(gè)樣本）。藍(lán)色曲線表示無(wú)紙共振器測(cè)量（供比較）。紅色曲線表示用紙張測(cè)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(zhì)量的含水量相對(duì)應(yīng)。

圖 4. 確定諧振腔頻率值與含水量關(guān)系的校準(zhǔn)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(yīng)用中使用的水分儀）與廣泛的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信接口兼容，這些接口監(jiān)視和控制水分儀的功能。由于水分儀數(shù)據(jù)接口的通用設(shè)計(jì)，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(huán)境中。

海默生微波水分儀的通信模塊配備了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3以太網(wǎng)接口，因此制造商可以通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)設(shè)置直接訪問(wèn)水分儀的數(shù)據(jù)。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(zhí)行器的生產(chǎn)環(huán)境中。

對(duì)于惡劣的環(huán)境，水分儀包括一個(gè)DIN66258電流回路串行接口。

利用其中一個(gè)端口，可以方便地從水分儀中讀取重要的操作數(shù)據(jù)，為制造商提供進(jìn)一步的易用性。

射頻諧振器的優(yōu)點(diǎn)

除了精確測(cè)量紙漿中的纖維含量外，采用基于微波諧振器技術(shù)的無(wú)創(chuàng)非接觸傳感技術(shù)的制造商還提供了許多其他測(cè)量方法無(wú)法提供的附加優(yōu)勢(shì)。

例如，諧振器技術(shù)使制造商能夠以比替代系統(tǒng)快得多的速率測(cè)量非常小的樣品，小到1立方米，具有精確的精度。每秒 10000 個(gè)樣品的快速測(cè)量使其成為造紙制造行業(yè)等要求苛刻的在線應(yīng)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(shù)低的材料，這是其他電測(cè)量技術(shù)極難測(cè)量的。介電常數(shù)低的物質(zhì)包括一個(gè)完美的真空；干燥的空氣；以及大多數(shù)純凈、干燥的氣體，如氦和氮。介電常數(shù)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(shù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)用于測(cè)量紙張水分的核水分儀，基于射頻技術(shù)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(xùn)員工所需的成本和時(shí)間。核水分儀總是含有一定數(shù)量的放射性物質(zhì)；因此，制造商在向某些國(guó)家分發(fā)設(shè)備時(shí)面臨限制，或者可能需要申請(qǐng)?zhí)貏e批準(zhǔn)才能出口。這些問(wèn)題可以通過(guò)使用射頻水分儀來(lái)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(duì)大多數(shù)形式的生命和環(huán)境有害，核水分儀也需要嚴(yán)格的廢物處理程序，而這一程序受到政府的嚴(yán)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(huán)境污染源，同時(shí)降低能源成本。

微波諧振器技術(shù)還使制造商能夠使用帶有通流諧振器或單面諧振器測(cè)量的水分儀。兩個(gè)系統(tǒng)都執(zhí)行非接觸式測(cè)量，這意味著水分儀頭不會(huì)接觸到網(wǎng)狀載體。帶通流諧振器的水分儀通常用于測(cè)量一定尺寸的粉末、液體、顆粒或托盤。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(chǎn)這樣的應(yīng)用中，生產(chǎn)線上一張紙的寬度可以達(dá)到6米，在大多數(shù)情況下，使用這種水分儀是不可能的，而且設(shè)計(jì)和制造成本極高。在這種情況下，采用單側(cè)測(cè)量的水分儀是一種合適的解決方案。它也適用于生產(chǎn)過(guò)程中材料厚度變化較大的應(yīng)用。這種水分儀類型可以很容易地集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。

結(jié)論

使用基于諧振器測(cè)量技術(shù)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(huì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。

使用這種技術(shù)的水分儀足夠靈活，以保持低和高的水常數(shù)，因此，這是一種成本有效的解決方案，因?yàn)橹圃焐炭梢允褂靡粋€(gè)水分儀用于雙重目的。微波諧振腔測(cè)量技術(shù)還確保了紙張中水分的緩慢降解，這對(duì)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)紙張至關(guān)重要。

基于微波諧振器技術(shù)的射頻水分儀還可以應(yīng)用于其他行業(yè)，如食品、煙草、制藥、汽車、回收和化學(xué)品，以測(cè)量水分、質(zhì)量和密度，以及識(shí)別外來(lái)顆粒和介電性能。由于質(zhì)量保證在任何制造業(yè)中都是至關(guān)重要的，因此射頻水分儀讓企業(yè)安心，使其材料達(dá)到并超過(guò)質(zhì)量預(yù)期，從而能夠向消費(fèi)者提供最好的產(chǎn)品。