（模式识别与智能系统专业论文）煤介电特性及水分测量理论与方法研究.pdf

华北l 乜力大学硕士学位论文 摘要 本文阐述了测量煤粉水份以及物质介电常数的一般方法，提出了采用驻波比法 测量煤粉水分的原理和方法。基于驻波比原理的煤粉含水量测量方法主要是根据介 电常数的原理测量含水量。本文从煤粉介电常数与容积含水量之| 日j 的关系，提出了 煤粉介电常数与含水量问关系的模型，指出影响煤粉介电常数的因素主要是堆密 度、温度和测量频率。最后，本文通过实验数据拟合了煤粉介电常数、温度、堆密 度与含水量间关系的相应模型。 关键词：煤，驻波比，介电常数，模型，水份 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o do fm e a s u r i n gc o a lm o i s t u r ew a si n t r o d u c e d a n d t h ec o n c e p to fp e r m i t t i v i t ya n dt h e i rm e a s u r i n gm e t h o d sw e r ep r o p o s e d t h e s t a n d i n g w a v er a t i o ( s w r ) t h a ti san e wm e t h o dt om e a s u r ec o a lm o i s t u r ew a s s u g g e s t e d a n dt h ep r i n c i p l e ，m e t h o do fs w rw a se x p l a i n e d t h ep r i n c i p l e o fs w ri sb a s e do np e r m i t t i v i t vw h i c hv a t i e dw i t hm o i s t u r ei nc o a l i nt h e v i e wo f c o a l p e r m i t t i v i t ya n dw a t e rv o l u m ec o n t e n t ，t h em o d e l o f c o a l p e r m i t t i v i t ya n dm o i s t u r ew a sp r e s e n t e d t h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c to n t h ec o a lp e r m i t t i v i t ya r ed e n s i t y ，t e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c y t h em o d e l s r e l a t i n gp e r m i t t i v i t y ，t e m p e r a t u r e ，d e n s i t ya n dm o i s t u r ew e r eb u i l tb y f i t t i n gt h ed a t a k e yw o r d s ：c o a l ，s t a n d i n g - - - w a v er a t i o ，p e r m i t t i v i t y ，m o d e l ，m o i s t u r e 华北l 乜力大学硕士学位论文 摘要 本文阐述了测量煤粉水份以及物质介电常数的一般方法，提出了采用驻波比法 测量煤粉水分的原理和方法。基于驻波比原理的煤粉含水量测量方法主要是根据介 电常数的原理测量含水量。本文从煤粉介电常数与容积含水量之| 日j 的关系，提出了 煤粉介电常数与含水量问关系的模型，指出影响煤粉介电常数的因素主要是堆密 度、温度和测量频率。最后，本文通过实验数据拟合了煤粉介电常数、温度、堆密 度与含水量间关系的相应模型。 关键词：煤，驻波比，介电常数，模型，水份 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o do fm e a s u r i n gc o a lm o i s t u r ew a si n t r o d u c e d a n d t h ec o n c e p to fp e r m i t t i v i t ya n dt h e i rm e a s u r i n gm e t h o d sw e r ep r o p o s e d t h e s t a n d i n g w a v er a t i o ( s w r ) t h a ti san e wm e t h o dt om e a s u r ec o a lm o i s t u r ew a s s u g g e s t e d a n dt h ep r i n c i p l e ，m e t h o do fs w rw a se x p l a i n e d t h ep r i n c i p l e o fs w ri sb a s e do np e r m i t t i v i t vw h i c hv a t i e dw i t hm o i s t u r ei nc o a l i nt h e v i e wo f c o a l p e r m i t t i v i t ya n dw a t e rv o l u m ec o n t e n t ，t h em o d e lo f c o a l p e r m i t t i v i t ya n dm o i s t u r ew a sp r e s e n t e d t h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c to n t h ec o a lp e r m i t t i v i t ya r ed e n s i t y ，t e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c y t h em o d e l s r e l a t i n gp e r m i t t i v i t y ，t e m p e r a t u r e ，d e n s i t ya n dm o i s t u r ew e r eb u i l tb y f i t t i n gt h ed a t a k e yw o r d s ：c o a l ，s t a n d i n g - - - w a v er a t i o ，p e r m i t t i v i t y ，m o d e l ，m o i s t u r e 华北电力人学硕士学何论文 主要符号表 符号含义量纲 c真空中电磁波的速度m s 介电常数实部( 一) s _ 介电常数虚部( 一) 占 占c 煤粉混合物介电常数( 一) f j 煤粉颗粒介电常数( ) s w 水介电常数( 一) g d 空气介电常数( ) k 煤粉颗粒所占混合物的体积 匕 水所占混合物的体积 圪 空气所占混合物的体积 1 探针长度 c m u传输线两端电压差 v 圪 空气所占混合物的体积 p 士= i明叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文煤介电特性及水分测量理论与方法研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。掘本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：筮趔 日期：丝帮! 复垄 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名：易以禾 日期：墅墨：篓翌日期：0 3 o - d - 牙、f 、多d 华电力人学硕士学位论文 1 1 研究意义 第一章绪论 首先，介绍一下煤水分有哪几种存在形式，然后再介绍一下测量煤水分的重要 意义。 1 1 1 煤中水分的存在形及它的特征 煤中的水分按结合状态可分为游离水和化合求两大类，游离水以吸附附着等机 械方式与煤结合；而化合水则以化合方式同煤中的矿物质结合，是矿物晶格的部 分，如硫酸钙( c a s o 。2 h ：0 ) ，高岭土( n l 。0 3 2 s i o ：2 h 。0 ) 中的结晶水。游离水按其 赋存状态又可分为外在水分和内在水分。 外在水分是指吸附在煤颗粒表面上或非毛细孔穴中的水分。通常煤的外在水分 不稳定，易受环境条件影响。 内在水分是指吸附或凝聚在煤颗粒内部范细孔中的水。内在水分在常温下不会 失去，只有加热到定温度时彳1 会失去。癸在水分和内在水分酌总和称为全水分。 化合水是与矿物质结合的水分，在实际测定中，是指除去全水分后仍保留下来 的水分。在1 0 5 1 1 0 温度下化合水是不会分解逸出的。通常在2 0 0 以上才能 分解逸出。 其中，全水分是在煤质分析中需要测得的水分聃1 。 1 1 2 煤水分测量的重要慧义 在许多王业和煤炭行业中，煤水分是一个很重要的参数。它广泛应用于煤炭的 加工、处理、运输、贸易和储存中。煤炭工业更是需要精确地测量煤的含水量，这 是因为它与煤的发热量有关。发热量是燃料利用的一个重要的煤质特征指标，是 锅炉热平衡，配煤燃烧及负荷调节等的重要依据强1 。 由于煤中水分不能燃烧，所以煤中水分越高可燃物就相对减少，发热量降低， 焉且在燃烧时永蒸发还要吸收一部分热量，l k g 水分，大约要消耗2 5 m j 的热量， 由于水分蒸发消耗大量热量，导致炉膛温度下降，煤粉着火困难。水分增加还导致 煤粉失去松散性，煤粉斗和给粉枫出现煤粉粘结现象绋3 。 此外，进行煤的含水量测量是进行煤矿和火电厂的交易，高效性的运营电厂所 必须的。因为传统的测量方法是采用实验室测量，丽基于实验室的检测方法往往较 慢池1 。这不便于煤矿与电厂间进行快速的贸易结算，丽且也引发了许多纠纷。所以， 开发一种快速的用于检测煤水分的仪器是有现实意义的。 2 国内外研究进展 华l 电力犬学硕士学位论文 首先来介绍一下一般水分测量的方法，再介绍煤水分的测量方法。 ，2 ， 一般水分的测量方法 水分的测量方法可分为直接法和间接法两大类，现分述如下。 ( 1 ) 直接测璧方法 包括有干燥法，蒸馏法，卡尔费休法，碳化钙法等。 蒸馏法：蒸馏法是一种较常用的化学检测水分方法。这秭方法是将样品粉末及 蒸馏液( 甲苯、二甲苯) 混合入蒸馏瓶中，组成沸点较低的二元共沸体系，利用所加 蒸馏液不溶于水及混合后沸点低的特点，加热将水分蒸馏出来。这种方法容器壁易 附着蒸馏出来的水分，测董结果比一般干燥法略高，所以会造成一定的误差。 卡尔费休法：该法是非水溶液中的氧化还原滴定法，主要用于微量水分测量。 卡尔费体法水分测定仪是化学法中有代表性的产品，应用广泛。 卡尔一费休水分仪主要有两种，容量法和库仑法。容量法测定水分是根据试剂 中的碘能与水发生定量反应的原理进行检测，譬前在试剂的组成、配制和标定等方 面都有了很大的发展，分析量限从常量扩展到微量水范围，但每次工作前要用标准 测定试剂的漓定度，以保证检测结果的准确可靠。库仑法的研究稍晚于容量法，它 基于容量法产生碘的技术。同容量法相比，后者有独特的优点，由于同水进行定量 反应的碘是通过电解反应产生的，这不但有利于解决卡氏试剂存储过程中的不稳定 问题，同时省去了试剂的标定工作，可以用标准物质对仪器直接进行标定，而且电 解液可以连续使用，非常适用于做微量水的测定。这种方法检测精度高，但可测样 晶量少，试夯| j 成本嵩，安装麻烦，电路复杂，维护黧难。 碳化钙法：碳化钙法测量含水率是利用碳化钙与水的化学反应将被测量物质中 的水分去掉。测试原理为水与碳佬钙化学反疲生成气体，根援气体产生气压，不同 的气压换算出水的质量。利用碳化钙测量的另一种方法是碳化钙化学反应失重法。 该方法利用的化学反应原理与碳化钙气压法相同，但测试原理不同。与碳化钙气压 法相比，它用称重方法代替测压方法，避开了温度对气体压力的影响，解决了如何 测试黏性物质的含水量问题，在测试精度和测试范围等方面有了较大的改进。 。( 2 ) 间接测量方法 包括各种电测法和其他物理方法，主要有电导法，电容法，微波法，中子法， 核磁法，红井法等。下面篱单加以介绍。 电导法：电导法的基本工作原理是建立在物体中的电导或直流电阻随含水量的 不同面改变来测量水分含量的。例如，般固体的绝缘材料的比容积电阻为 1 0 m - - - - 1 0 巧q 佣，如果其含水量不断地增加，则其比容积电阻可以降为 1 0 q 1 0 3 q 铡。 电导法测量的特点是结构简单，成本低，操作简单，测量速度快，能实现在线 2 华乾电力人学硕士学位论文 测量水分。 电容法：电容法的测量原理是在一定范圈内，许多稀释物质的介电常数随着它 的含水量地增加而成比例地增大。例如纤维，木材，纸张，谷物等物质的介电常数 在干燥状态下为2 5 。但出于纯水的介电常数很大( 为8 1 ) ，所以当物质的含水 藿有微小的增加，就会使介电常数变大。基于此法制成的传感器称为电容式传感器。 它一般是出两个金属电极组成，被测物质相当于电容器的介质置于电极问或从电极 间连续通过。再通过测量电路将混合后的介电常数变成可用电量或换为水的含量 值。 由该原理制威的传感器，具有如下特点：灵敏度高，当水分发生较小变化时， 可使电容产生较大的变化；试件中含有少量电介质时，对测量的影响要比电导法小； 电极可用绝缘材料制成，不与试件接触，对减少潺电和连续测量有利；电极对试件 不必施加服力；用高频低压工作比较安全。 微波法：微波法的测量原理是，电磁波通过含有水分的物质时，有一部分电磁 波被水分子吸收，其强度被减弱。微波式水分计，即采用该原理。它采用1 0 0 0 m h z 以上的微波频率工作，特别是在2 4 5 0 m h z ( s 波段) 和1 0 6 8 0 m h z ( x 波段) 水分子 对微波的吸收最为显著，丽其他物质的分子吸收甚微。水分含量的高低与微波强度 成线性关系变化。 由微波法制成的传感器的特点是：不损坏试件；能测褥水分含量的绝对值；可 以用于自动连续测量水分；测量速度快；仪器结构复杂，价格较贵。 中子法：它的测量原理是根据中子散射原理工作的。中予式水位计，即是根据 此原理制作的。它是采用能发射快中子的中子源( 能量为0 5 1 0 m e v ) ，射出的快中 子与含有氢原子核的物质相遇互相发生碰撞而减速为慢中子( 能量为1 0 0 0 e v 以下) ， 如用拾测器，测出慢中子的密度，即可测出物质中含氢的总量。水是氢原子和氧原 予的化合物。采用中子法测量水分可以得到较高灵敏度和精度。 由中子法制褥的中子水分计具有如下特点：经过严格校准可得较离精度；不麓 用于含有非水的其它氢原子物质如碳氢化合物等；采用中子法测量水分所受的其它 干扰因素较少，可以实现用一般水分计不易褥到理想效果的场合。 核磁法：该方法主要用来找水。核磁共振是一种量子效应，是指具有核予顺磁 性的物质选择性地吸收电磁能量。布洛赫方程是核磁共振的理论基础。 从理论上讲，应用n m r ( 核磁共振) 技术的唯一条件是所讨论物质的原予核具 有非零磁矩，即在h 2 0 和c h 4 等分予中电子磁矩成对相互抵消，电子的总磁矩为零， 两在这些分子中只有原子核的磁矩。水中氢核质子) 具有足够大的磁矩，英核磁共 振性质明显，在比较重要的1 6 种物质原子核的n m r 效应中，氢核的n m r 效应实际 应用处于蓠位。在稳定磁场作用下，原子核处子一定的能级。如果用适当频率的交 变磁场激发它，可以使原子核在能级间产生共振跃迁，称为核磁共振。在地面上用 3 华l 艺电力人学硕士学位论文 专用仪器设备拾取核磁共振信号，就可以探测到是否有地下水存在。因为核磁共振 信号的初始振辐与所研究空闻内鸯融水中质子的数量( 含水量) 呈正比，即在该方 法探测深度范围内，在信噪比适宜的情况下，地层中有自由水存在，就有核磁共振 信号响应，地层中含水愈多，核磁共振响应愈强。这样，就构成了有水就有反映， 无水则无反映的宣接找水新方法。 红外法：由红外理论知，水分对1 9 4 p r o 波长的红外辐射有强烈的吸收带。水分 子的结构是h - o - f l ，对红外辐射的吸收是由羟键o - h 的伸缩振动和h - o - h 的变建振 动而产生的。当使用一定波长红外光照射被测物时，红外辐射能量将由被测物中的 水分子有选择性的吸收，水浓度与吸收能量的关系为i = i o 。e - o d k ，。式中，厶隽通过 被测物前的光强，i 为通过被测物后的光强，七，为吸收物在频率为r 的克分子消光 系数，d 为吸收物的厚度，c 为吸收物质的浓度。 由红外法制成的红外水分计具有如下特点：红外辐射是以比辐射率发射的，它 只与被测物体的表面状态有关，而与内部无关，所以红外水分计只能测物体表面水 分，对于厚度大的物质烫唾不易于使阁。 1 2 2 煤水分的测量方法 煤水分的测量也可分为直接测量和间接测量两种。 ( 1 ) 直接测量：直接煤水分测量可分为通氮干燥法和空气干燥法。 通氮干燥法( 适用于所有煤种) ：用预先干燥和称量过的称量瓶，取粒度小于 0 2 m m 以下的空气干燥煤样( 1 0 1 ) g ，( 精确至0 0 0 0 2 9 ) ，打开瓶盖，放入预先 通入子燥氮气，并澄加热到1 0 5 1 1 0 的干燥箱中，烟煤于燥王骚，褐煤和无 烟煤干燥2 h 。取出，冷却，称量，并进行检查性干燥。 一 空气干燥法( 适用于烟煤和无烟煤) ：称取一定量的空气干燥煤样( 1 0 1 ) g ， ( 精确至0 0 0 0 2 9 ) ，置于预先鼓风并加热到1 0 5 1 1 0 c 的干燥箱中，在一直鼓 风的条件下，烟煤干燥l h ，无烟煤干燥1 5 h 。取出，冷却，称量，并进行检查性 干燥。 ( 2 ) 间接测量法： 目前闻接测量煤水分的方法主要有，中予法，电导法，电容法，红外反射法， 微波法。其中适合在线测煤粉水分的主要有，电容法，微波法以及红外法。 中子法，基予测量物质中的氢的含量。它已经被成功的用于沙和水泥工业，但 是不适合于有机物质的测量，如煤炭，这是因为干煤中氢的含量不只与水分予中的 氢有关。 电导法，通过测量电导率，可以获得较低精度的结果，这是由于电解质之问的 相互影响。 电容法，基于水与大多数于澡物质褶比有很大的介电常数。这种方法与测电导 4 华l 匕电力大学硕七学位论文 率的方法一样也受者电解质含量的强烈影响。 红外反射法，基于水分的吸收作用，尽管它的吸收率很商，僵可以用来测量黑 色煤的含水量。然而，它受颗粒大小的影响要比微波法高一个数量级。它的另一个 缺点是只窍物质流中的一小部分样本被采样。 微波法目前是比较好的测量方法，它的优点是测量可以矗接穿过煤层，而不仅 仅是在表丽测量。并且，微波只被水分子中以液态形式存在的分子所吸收。该方法 也不被物质中诸如颜色电予发射率质地以及物质移动速度的影响。此外，微波设备 也有很好的稳定性和可重复性。 2 3 国离外的最籀进展情况 在国外有关微波法测量煤水分的文章在9 0 年代初发表的比较多2 加1 。 文献 1 】采用的是微波法测量煤的含水率，微波法检测煤含水量主要是报据微 波通过水分子时会产生能量损耗，在煤的含水量与微波信号吸收之间有确定的关 系，并且微波信号哭与液态的水存在关系。文中通过测量数掇进行拟合建立了微波 信号与含水量之间的关系。 在国走测量媒水分的方法，有东北师范大学的迟延涛等用快热中予感生瞬发y 射线法，它是对中子法进行改进来测量煤全水分的。该装置是由中子发生器产生的 1 4 m ev 中子与煤中所含元素的原予核发生非弹性散射 n ，r l7 ，y 反应和热中子 俘获 r i ，y 反应，感生出的瞬发y 射线( n i p g n e u t r o ni n d u c e dp r o m p tg a m m a r a y ) 由b g o 探头探测，经主放大器传输到4 0 9 6 道能谱分析器获得y 射线谱，根 据特征y 射线峰的面积，来确定煤中c 和嚣两种元素的含量，从而得毒煤的全水分， 用该方法测的含水率与化验值偏差不超过o 5 n 】。 黑龙江工程学院齐长庆等人提恕的旨在消除材料堆密度￥影响的，通过对电阻 法电容法及双参数法进行拟合提出的在线测量方法瞄1 。由于散状物料其有其堆密度 ￥因物料的松紧程度不同面变化的特点，由此将引起被测材料的电阻率p 及介电常 数的变化。文中通过实验对堆密度y 、被测物料的电阻率p 及介电常数关系的 进行分析得出，y 对p 的影响和它对影响的方向相反，即，如果y 增大，则p 减 小，而e 增大，由此将雩l 起测量探头处的r 的减小和c 的增大。然后在不同堆密 度下进行测量，得出结论：( 1 ) 当m 一定时，r 与y 之间及c 与y 之间基本表现 势线性关系，但r 与c 的变纯率方向相反；( 2 ) 在r 一￥及e 一￥平面上，当水 分m 改变时仅仅表现为r y 直线和c _ y 直线斜率和截距的改变。通过公式代 换消去了堆密度y ，从面缛出水分值。 近红外法测量煤的含水量 4 0 o 近红外是指波长在7 8 0 一- 2 5 2 61 1 $ 范围内的光线， 巍近红外线照射到要分析的物体上时，由于组成物体的化学键不同，会产生某些特 征波长的吸收，吸收度的多少与成分含量的大小有密切关系，由子固体对近红外波 5 华北电力大学硕士学位论文 长的吸收较弱，因此适用于漫反射技术，根据其漫反射光谱就可以分析物体成分。 i 霆红羚具有以下特点：( 1 ) 霹在菲破坏( 无需采制榉) 和菲接触的条件下进行分析； ( 2 ) 可对许多煤质参数( 水分、厌分、挥发分、发热量等) 同时进行分析；( 3 ) 分 板响应迅速；( 4 ) 安全性能好；( 5 ) 抗干扰能力强；( 6 ) 因为煤的漫反射信号很弱， 故对探测器要求较高；( 7 ) 当水与试样共同存在时，中红外一般受水的影响较大， 而近红外的优点是可以避+ 丌水的影响而对光谱进行观测，可以省略对水的预处理。 对某些标准煤样的近纽外线光谱进行了分析，从煤质的漫反射光谱上，得到煤 质的特征波长，通过对煤质特征波长的吸光度分析可以得到煤质分析结果。该方法 鬏据原始光谱图之闻的相关度以及公认的水的近似吸收峰，选蠲1 9 3 0n m 、20 7 4n m 和2 3 0 9n m 这几个特征波长引。从原始光谱中读取这几个波长下各样品所对应的吸 光度的值。并采用多元线性回归分析方法得到回归方程，德到的预测值与人工化验 标准值之间的相关系数可达到0 9 7 ，定标标准差为0 5 ，根据回归方程从未知试样 的吸光度数据计算出煤中水分的含量。 利用微波加热干燥技术进行煤含水率测量在我国也有研究蠢。微波加热是一种 内部加热过程，高频微波在炉腔内形成一个微波能量场，这个能量场以2 4 5 亿次 s 的速度不断地改变正负极性，使煤样中带极性的水分子( 包括内水和外水) 随着正 负极性的改变而高频率地改变方向，在高速运动过程中，分子之间因剧烈的碰撞摩 擦看产生热量，于是电磁麓就转化为热能，使煤中的水分很快地散发浅来。微波加 热干燥煤样具有热效率高、加热时间短、可减少能量消耗以及避免环境升温等优点， 是一种快速有效的加热于燥方法。 微波加热干燥煤样可分为4 个阶段：( 王) 预热阶段。湿煤的温度能够增加到水 的沸点。这个阶段没有湿含量损失，且煤样内部的压力可以近似等予大气压。( 2 ) 压力增加阶段。由大气压土舞到压力的最大值，此值决定于流动阻力和功率输入， 煤内部的蒸汽流向表面。( 3 ) 恒速干燥阶段( 功率输入恒定) 。煤内部水蒸汽流动的 速度决定予吸收的功率和蒸汽流动的内部阻力。( 4 ) 降速干燥阶段。煤中水质量分 数降低，其结果是吸收功率下降和水分运动的推动力下降，微波加热干燥煤样过程 结束。文中以1 3 种来自不周煤矿的电厂燃煤，研究微波功率、燃煤粒度以及燃煤 全水分质量分数对微波加热干燥煤样的影响。测得煤中的全水分质量分数与国标中 仲裁方法( 空气干燥法) 测得的结果相比较，平均偏差值为0 2 2 ，微波加热干燥煤 样为常规憩加热干燥煤样时间的1 1 0 。但用微波加热法不能测定无烟煤中全水分质 量分数，这是由予无烟煤挥发分较低，在高频微波作用下易点燃着火。 。3 研究内容 1 。3 。1 本论文研究的内容 6 华l 艺电力大学矮士学侮沦文 虽然在现有的各种方法中，微波水分分析仪无疑是最适合于煤水分的在线测 量，但由于微波技术较复杂，震它来磺发成本比较高，曩前企业生产的成品价格多 在十多万元以上，并且用微波进行煤粉的测量也有一个量程范围，测量上限约为 1 4 筠，测量下限约为4 筠1 。由于微波水分测试仪的上述不足，本文拟采用射频电路 测量含水煤粉介电常数变化的方法，进行煤粉含水量的测量。即同时测量出煤粉的 介电常数与含水率，找出它们之间的对应关系。此方法己在中国农业大学成功应用 于壤水分的测量。 首先让我们来了解一下为什么这种测量土壤水分的方法，也可以用来测煤粉水 分。这要欲它们的介电常数的相似性讲起。土壤是电空气、固体和水组成的多孔介 质，其中水的介电常数大约是8 0 ，固体的介电常数大约为4 ，而空气的介电常数大 约是l 。这就是说含水土壤的介电常数主要是由水来决定的。中国农业大学研制的 仪器就是通过测量土壤的介电常数来测量土壤体积含水率的讳。而煤炭是一种不良 导体，其介电常数( ) ，大致在2 ，一- 3 的范围内，随着煤的变质程度不同而有所差 异。但是水的介电常数却高达8 0 左右，因此当煤中含有水分时，煤的介电常数就 会发生很大变化哺3 。 麸上面可以看出，煤炭与壤在某些方面是相似的，例如它们都是由固体物质 和水分所组成的，并且水的介电常数占了很大一部分，它们所组成的物质的介电常 数基本上是由水来决定的。 目前，基于测量介电常数来测量物质含水率的仪器，主要有t d r ( t i m ed o m a i n r e f l e c tm e t e r ) 和f d ( f r e q u e n c yd o m a i n ) 。 、 t d r 首先被应胡于测量土壤水分。它的基本原理是，由于电磁波的传输速度与 传播媒体的介电常数密切相关，而被测物质中的固体水和空气本身的介电常数差异 很大，故定被测物质中水的吃倒不同时其介电常数便有明漫豹变化。由电磁波在 被测物质中的传输速度便可测量其含水量。 基予固原理测量含水量的方法主要有两种：一种是通过测量考比兹电路的振 荡频率来确定传感器探针阻抗，该方法称频差法；另种是通过固定激励频率，测 量探针阻抗引起的信号幅傻变化，该方法称为阻抗法，又称驻波比法。驻波法传感 器的原理冤图卜l 。中国农业大学所研制的土壤水分仪就是基于第二种方法开发的。 图i - i阻抗法测量原理 虽然t d r 方法可以实现对样本奔电常数的快速连续测量，但测量结果受外界因 素影响较大。而且电路复杂，仪器价格较贵，目前只有少数几个发达因家掌握这项 7 华北电力人学硕+ 学位论文 技术，所以这里测量介电常数选用的是s w r 方法。 1 3 2 研究方案及难点 研究方案：本文是基于煤粉介电特性的研究，重点在于找出不同含水率下煤粉 介电常数与含水率的关系。并且分析测量过程中可能会对介电常数测量产生影响的 因素，对诸如堆密度、温度等造成的影响进行分析。选用的方法是用s w r 方法测量 煤粉的介电常数，用干燥法测量煤粉的实际含水率。文中对三种煤粉进行了分析， 分别是大同烟煤、宇县低硫煤和内蒙高硫煤。研究了这三种煤粉在含水率未达到饱 和时的介电特性与含水率的变化规律。 论文中存在的难点，为了实现煤水分的快速测量，首先必须要设计好一个传感 器探头结构。其次，煤粉的介电常数与含水量并没有一个通用的公式可以运用。测 量土壤水分时土壤的介电常数与含水量之间有普遍适用的关系式，即t o p p 关系式， 所以土壤水分测量只需测出介电常数带入关系式即可得出土壤的含水量。且该公式 对于大部分土壤是适用的，也就是说是一个普遍适用的公式哺9 。然而，煤粉的介 电常数与含水量的关系从目前查得的资料来看，尚无这方面的概述，这就意味着要 做出一个普遍适用的煤水分分析仪是有困难的，可能仅能实现对部分煤的水分快速 测量。论文中另一个难点是，煤水分不仅仅与介电常数有关，而且还与其他因素有 关。影响的因素有，堆密度( 煤粉组织的松散程度) ，温度( 这对测量影响很大) 乜m 叫，等。这些方面多是在实验中要考虑的，如何将这些信息进行数据融合是要 考虑的另一个问题。 华，| 艺电力大学硕士学位论文 2 1 电介质的认识 第二章介电特性测量方法研究 现代物理学认为：所有非金属，其至在一定情况下的金属，都属于电介质。因 此，对于这种由多种成分构成的煤粉，我们可以将它看作是一种特殊的电介质。 2 1 1 电极化和介电常数 电介质简称介蒺。任何电介质都是由分子组成，分子正负电荷中心并不一定重 合，若分子的正负电荷作用中心重合在一起，称为无极分子；若分子的j 下负电荷作 用中心不震合，形成电偶极子，称为有极分子。 因为组成介质分子的原子核和其周围的电子云之间有很强的作用力，因而所有 电子都是被束缚的，故介质内部没有自由电荷。在外电场的作用下，介质中正、负 荷朝相反的方向发生微小的位移，从而产生偶极矩的现象称为介质的极化。 电介质和导体的区别是：电介质是以感应而非传导方式反映电场的作用和影 响，在电介质中，起主要 擘焉的是束缚电荷。在电场的作用下，它们以正、负电荷 中心分离或取向的电极化方式作出响应，介电常数正是综合反映介质内部电极化行 为的一个主要宏观的物理量。电介质电极化的微观机理有四种： 电子位移极化，在电场的作用下组成介质原子中的核外电子云发生畸变从而 感应电矩。 离子位移极化，在电场的作用下物质分子中的正负离子发生相对位移从而感 应电矩。 取粒极化( 偶极子极化) ，赉予极性分子中固有的电矩的存在，在癸电场的 作用下电矩转向，沿外电场定向排列，从而在介质中产生宏观电矩。 空间电荷极化( 电极和媒介质各相闯的相爨极化) ，对于均匀物质，空闻电 荷在外电场的作用下发生移动，而在边界区域聚集，从而产生感应电矩。 9 华北电力人学硕十学位论文 图2 1 介质的色散和损耗 在外界电场作用下，介质的相对介电常数s 是综合地反映这四种微观过程的宏 观物理量，它是频率w ( 2 矿) 的函数s ( w ) 。其变化规律见图2 1 ： 占( w ) = f ( w ) 一j e ”( w )( 2 - 1 ) 当频率为零或频率很低( 例如l k h z ) 时，四种微观过程都参与作用，这时的介 电常数s ( w ) 对于一定的电介质而言是一个实数。随着频率的增加，分子固有电矩的 转向极化逐渐落后于外场的变化。这时，介电常数取复数形式：其中虚部占1 ( w ) 代 表介质损耗，实部占( w ) 随频率增加而下降，同时虚部出现图2 1 所示的峰值，这 种变化规律成为弛豫型的。频率再增加，实部f ( 们降至新的恒定值，而虚部s ”( w ) 则变为零，这反映了分子固有电矩的转向极化已经完成，不再作出响应，反映这一 极化特征的是德拜方程。 2 1 2 介电弛豫和德拜方程 1 介电弛豫 弛豫概念是从宏观热力学唯象理论抽象出来的。一个宏观系统由于周围环境的 变化或经受了一个外界的作用而变成非热平衡状态时，这个系统经过一定时间由非 热平衡态过渡到新的热平衡状态的整个过程，称为弛豫。宏观系统的热平衡从统计 意义上来说，是以其中的粒子按某种能量分布规律来表征的，这种规律通常是玻耳 兹曼分布，因此，弛豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最 后达到稳定分布的过程，弛豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性 质。 如果说极化表征在电场作用下物质内各种电矩的有序化过程，那么弛豫则是反 映各电矩的无序化过程，是分析许多极化时都要用到的。反映这一特性最有代表性 1 0 华北电力入学硕+ 学位论文 的是德拜弛豫方程。 2 德拜( p d e b y e ) 弛豫方程 总的介电响应宏观效果可用相对介电常数占来描述，在频率w 的正弦波交变电 场作用下，电介质的极化弛豫现象一般地可用如下的占与w 普遍关系的形式来描述： s ( 计= 民+ f c t ( t ) e j w d t ( 2 - 2 ) 其中：a ( t ) 是衰减因子。它描述了突然去掉外电场后，介质极化衰减的规律以 及迅速加上恒定电场时介质极化趋向于平衡态的规律。由于介质中电矩的运动需要 时间，因此，极化响应显然落后于迅速变化的外电场，而似乎具有一定惯性：同时， 弛豫过程中微观粒子之间的能量交换在宏观方面将表现为一种损耗，可以用复介电 常数的虚部”来描述介电损耗。 在许多情况下，可以令： a ( t ) = 口o e 叫h ( 2 - 3 ) = 占一s ”= s 。+ 兰1 - 王玉j w r ( 2 4 ) = 占一，s = s + 土上 n小 其中： s ，静态介电常数； s 。高频介电常数。 可得出损耗角的正切表达式如下： t 锄万：三：堡迎 s j r 。w 。t 。 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 式( 2 - 5 ) 常被称为德拜方程，它是表述偶极子趋向极化的重要方程，是研究 高频和超高频水分快速测量方法的理论基础。从德拜方程中不难看出：当w f l 时， f - - ) s 。，介质仅有位移极化，没有松弛损耗；当w r l 时，s 专占。，这时介质的 各项极化过程还没有建立起来，损耗主要取决于介电材料的电导率。当外加电场的 角频率w l f 时，外施电场的周期近似等于松弛时间f 的倒数，此时，在松弛极化 建立过程中占。显著减小，s “具有极大值。占和f 。与频率的关系曲线如图2 - 2 所示。 萱州 + 一|+簿 华i 电力大学硕士学位论文 图2 2 松弛极化介质g 、s ”、t a n 万与角频率w 的关系 不丽的外加电场频率，使水分子消耗能量熬主要原因各不相同。麸低频( 包括 直流) 到超短波频段，主要为正负电荷迁移所引起的导电损耗；微波频段，除了存 在位移极化之终，主要为偶极子的驭向极化损耗，波长为l 厘米时，这种损耗最大； 纽外频段时，主要为离子闻共振吸收损耗；光波频段内，主要是电子与原子核间的 共振吸收；这些损耗与频率的关系如图2 - 3 。 图2 - 3 水分子介电损耗的频率特征 水是强极性分子，在外加电场作用下将产生很强的取向极化，与此同时还将产 生位移极化。极化的结果将外加电场的能量转换成水分子的势能，这一势能意味着 将从外加电场获得的能量储存起来，可潋用复介电常数的实部+ 表示。由予分子运 动有惰性，转向极化运动相对于外电场的变化有一个时间上的滞后，这种滞后即前 所述的弛豫。弛豫麴宏观效果是使水分子产生损耗，这损耗霹雳复分电常数的虚 部f ”表示。在外电场作用下，水的极化程度远大于其他物质。在微波频段，不同波 长对应水的介电常数不同。频率从3 3 0 千兆赫范围内，即波长从l 米1 0 厘米， 水的g 为7 7 2 - - 3 0 ，t a n 6 为o 1 7 1 2 ；而其它介质的占为1 - - 5 。t a n 拶为l 1 0 - 4 5 1 0 。2 。可见，水的介电常数比其它物质的介电常数大的多。 2 。2 一般介电常数测量方法 用模拟万用表测量介电常数：由平行板电容器，连在平行板一端的螺旋测微计 及模拟万用表组成。原理是通过改变平行板电容器两平行板之间距离的微小变化， 所引起的两端电容量的变化来实现测量。乎行板两极板之间的距离变化可由螺旋测 微计读出，引起的电容变化可由模拟万用表读出，再经过公式推导求出介电常数的 1 2 华i 电力人学硕士学位论文 值。这种方法适用于高校和中学实验室，尤其对一些学校因缺少仪器设备，而难以 测出电容器的电容和介电常数的场合引。 t d r 测定物质介电常数：它的原理是通过测定电磁波沿插入被测物质的探针传 搂时| b j 来测定陔物质介电常数。具体来讲，就是由脉冲发生器给插入物质的探针加 入个电压的阶梯脉冲波，电磁波沿同轴电缆线传播到不锈钢或钢制的t d r 探针， 出于电缆线和t d r 探针的阻抗不同，部分电磁波便在t d r 探针顶端返回产生一反射 波信号，传回接收器。剩余电磁波继续传播到探针末端，产生一反射波信号给接收 器。电磁波沿被测物质中t d r 探针来回传播的总时1 8 j ( t ) 便由t d r 接收器获得，可 表示为( n o b o r i o ，2 0 0 1 ) ： ，r2 l k 。o 5 1 一_( 2 - 8 )，、， 式中t 是电磁波来回传播的时间( s ) ；l 是t d r 探针长度( m ) ；k 。是被测物质的 介电常数，e 是真空中电磁波的速度( 3 1 0 8 m s q ) 。整理上式，得 k 。= ( c t 2 l ) 2 ( 2 - 9 ) 只要测褥t 便可确定被测物质的介电常数。 微波环形谐振腔法测介电常数；根据电介质理论及微波理论，对如图2 4 的微 带环形谐振腔，若微带线宽度很窄，即环的内径a 、外径b 和其平均半径r = 殛+ b ) 2 接近相等( a b r ) ，则在环形的周长等于带内波长的整数倍时，此环形谐振腔发 生谐振。即谐振条件为 群堙= 2 z a = x ( a + 务) = x ( 2 a + 神 ( 2 1 0 ) 图2 - 4 微波环形谐振腔法溅奔电常数示意翻 式中n = l ，2 ，3 ，。又根据幻= 厶i ，厶= c f 可得 吼谢_ 志 2 协 式中办为环形谐振腔第n 个谐振频率，c 为光速，。为介质的相对有效介电常 1 3 华北电力人学硕十学位论文 数。另由式 一1 乞= 孚+ 孚ih 警l 2 治 可计算得出相对介电常数1 。 单极振子探针法测介电常数：该测量方法的基本原理是通过测量天线的谐振参 量来反演介质介电常数。天线在介质中的谐振频率和3 d b 带宽与介质的介电常数有 关。介质介电常数可以表示为天线谐振频率和3 d b 带宽的函数。因此，通过测量天 线的谐振频率和3 d b 带宽就可以反演介质的介电常数n 5 l 。 基于驻波比法测量介电常数：整个测量装置如图2 5 所示，它由信号源、传输 线和探针三部分构成( 见2 5 介绍) 。 图2 5 驻波比法测量介电常数示意图 基于反射光偏振原理测量介电常数：它的测量原理为，光作为一种电磁波，它 在两种不同介质分解面上的行为除了传播方向可能改变之外，还伴随着能流分配相 位跃变和偏振态的改变等其它物理特性的变化。当一束平行光从介电常数为毛的一 侧进入介电常数为岛的介质分界面时，在分界面上会出现反射与折射。对任意电介 质，其折射率1 1 与介质的光频介电常数s 。和导磁率存在着 刀= 矗万 ( 2 1 3 ) 这里与分别表示介质的导磁率与光频介电常数。再根据光的反射与折射定 律，进而可以求出被测物质的介电常数n 引。 波导法测量介电常数：它是将被测物质装入波导进行测量的一种方法n 引。 2 3 圆筒电容法测量煤粉介电常数 参考文献 1 8 ，由于圆筒电容法在高含水量时存在测量误差较大的问题，故实 验中没有选用圆筒电容法测量介电常数的方案。 2 3 1 圆筒电容法数学模型 同轴圆柱形电容传感器的数学模型。如图2 6 所示，a 、b 为两个同轴圆柱形导 体。设r 为a 导体半径( 即内筒外圆半径) ；r 为b 导体半径( 即外筒内圆半径) ， 1 4 华北电力人学硕十学位论文 且r ) r ；l 为导体长度。当l r - r 时，两端边缘效应可忽略，计算电场强度时， 也把圆柱体视为无穷长。 一 、 多 ， 多 多 一， 图2 - 6 圆柱式电容传感器 卜a 导体：2 一被测物质( 设介电常数为) ；3 一b 导体 由高斯定理及静电场计算公式，可得圆柱形电容器的电容为 c=上=掣=05568r与(pf)(2-14)ua b i n 二i n 二。p p 式中，q 为圆柱形电容器每个极板上的总电荷；u 。为两圆柱形导体问的电位差；l 为圆柱形电容器的高度，单位为c m ；r 、r 单位相同，也取c m ；占，为a 、b 导体间填 充的被测物质的相对介电常数。 2 3 2 圆筒电容法实验结果 参考文献 1 8 ，圆筒电容传感器的结构原理图为图2 7 ，它是由两个同芯金属 圆柱面作为电极组成。两电极高为l ，内电极半径为r ，外电极半径为r 。参数为： l = 6 0 c m ，r = 1 5 c m ，r = 1 1 c m 。 r 一 i ； r ； - i r i 内极 内嵌套 介质腔 外嵌套 外极 图2 - 7 圆筒电容传感器结构原理图 该文章通过对影响因素( 温度、堆密度及频率) ，进行神经网络的训练仿真。 最终得出的神经网络输出与实际测量值的曲线如图2 - 8 所示。文中给出的分析结果 是，在低含水率下用圆筒电容传感器可以较好的计算出煤粉中的重量含水率，误差 在5 以下。然而在高含水率( 2 0 以上) 下，并不能很好的测量煤粉中的重量含水 率。 华i 电力犬学硕士学侮论文 爨 v 测 暑j 溪 臻 醪 毁4 被 实际溅量馕( ) 图2 - 8 圆筒电容法神经网络输出与实际测量值曲线 2 。3 ，3 圆筒电容法误差分析 从文献 1 8 中，我们可以看出影晌圆筒电容传感器测量精度的主要因素是实验 测量的时间比较长，其问环境温度可能对整个实验过程