（模式识别与智能系统专业论文）基于驻波比的煤水分测量研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 煤中的水分含量是一项重要煤质指标，它在煤的生产、贸易、加工利用以及基础 理论研究中具有重要作用。因此，准确，快速，简便的测量煤水分成为亟待解决的问 题。本文简要综述了国内外煤水分测量方法的研究现状。从理论基础、测量原理方面 研究了基于驻波率原理测量煤水分含量的方法，并根据煤水分测量要求设计了相应测 量探头，并研究开发了测量系统。实验表明：该测量方法是可行的，所设计测量系统 的测量信号具有随煤水量不同而有明显变化的特点。 关键词：煤水分，驻波比，测量电路，介电常数 a b s t r a c t t h em o i s t u r ec o n t e n to fc o a li sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro fc o a l i tp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei np r o d u c t i o n ，t r a d e , p r o c e s s i n ga n du s a g eo fc o a l ，b a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds oo n t h e r e f o r e ，a l la c c u r a t e ，r a p i da n ds i m p l em e a s u r i n gm e t h o df o rm e a s u r i n gt h ew a t e ri nc o a l i sd e s i d e r a t e d t h i sp a p e rb r i e f l ys u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t eo fc o a lm o i s t u r em e a s u r i n g t e c h n i q u e sa th o m ea n da b r o a d m e a s u r i n gt h e o r ya n dm e t h o do fc o a lm o i s t u r eb a s e do nt h e s t a n d i n g w a v er a t i ow e r er e s e a r c h e d t h em e a s u r i n gp r o b ew a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e m e a s u r i n gd e m a n d so fc o a lm o i s t u r ea n dt h em e a s u r i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d t h e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em e a s u r i n gm e t h o di sf e a s i b l e ，a n dt h em e a s u r i n gs i g n a lr e f l e c t s t h ec h a n g eo fw a t e rc o n t e n ti nc o a ls e n s i t i v e l y k e yw o r d s ：c o a lm o i s t u r e ，s t a n d i n g - w a v er a t i o ，m e a s u r ec i r c u i t , p e r m i t t i v i t y 华北电力大学硕士学位论文 摘要 煤中的水分含量是一项重要煤质指标，它在煤的生产、贸易、加工利用以及基础 理论研究中具有重要作用。因此，准确，快速，简便的测量煤水分成为亟待解决的问 题。本文简要综述了国内外煤水分测量方法的研究现状。从理论基础、测量原理方面 研究了基于驻波率原理测量煤水分含量的方法，并根据煤水分测量要求设计了相应测 量探头，并研究开发了测量系统。实验表明：该测量方法是可行的，所设计测量系统 的测量信号具有随煤水量不同而有明显变化的特点。 关键词：煤水分，驻波比，测量电路，介电常数 a b s t r a c t t h em o i s t u r ec o n t e n to fc o a li sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro fc o a l i tp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei np r o d u c t i o n ，t r a d e , p r o c e s s i n ga n du s a g eo fc o a l ，b a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds oo n t h e r e f o r e ，a l la c c u r a t e ，r a p i da n ds i m p l em e a s u r i n gm e t h o df o rm e a s u r i n gt h ew a t e ri nc o a l i sd e s i d e r a t e d t h i sp a p e rb r i e f l ys u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t eo fc o a lm o i s t u r em e a s u r i n g t e c h n i q u e sa th o m ea n da b r o a d m e a s u r i n gt h e o r ya n dm e t h o do fc o a lm o i s t u r eb a s e do nt h e s t a n d i n g w a v er a t i ow e r er e s e a r c h e d t h em e a s u r i n gp r o b ew a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e m e a s u r i n gd e m a n d so fc o a lm o i s t u r ea n dt h em e a s u r i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d t h e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em e a s u r i n gm e t h o di sf e a s i b l e ，a n dt h em e a s u r i n gs i g n a lr e f l e c t s t h ec h a n g eo fw a t e rc o n t e n ti nc o a ls e n s i t i v e l y k e yw o r d s ：c o a lm o i s t u r e ，s t a n d i n g - w a v er a t i o ，m e a s u r ec i r c u i t , p e r m i t t i v i t y p 士= l明明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文基于驻波比的煤水分测量系统 设计，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，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。 学位论文作者签名辫耻一e l 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：蔓鱼波 导师签名： 日期： 羔丝雄 j 渺鲁卜弓p 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 煤不仅是工农业和人民生活必不可少的主要燃料，而且还是冶金、化工、医药等 部门的重要原料。主要用于燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等。燃烧。煤 炭是人类的重要能源资源，任何煤都可作为工业和民用燃料。炼焦。把煤置于干馏 炉中，隔绝空气加热，煤中有机质随温度升高逐渐被分解，其中挥发性物质以气态或 蒸气状态逸出，成为焦炉煤气和煤焦油，而非挥发性固体剩留物即为焦炭。焦炉煤气 是一种燃料，也是重要的化工原料。煤焦油可用于生产化肥、农药、合成纤维、合成 橡胶、油漆、染料、医药、炸药等。焦炭主要用于高炉炼铁和铸造，也可用来制造氮 肥、电石。电石是塑料、合成纤维、合成橡胶等合成化工产品。气化。气化是指转 变为可作为工业或民用燃料以及化工合成原料的煤气。低温干馏。把煤或油页岩置 于5 5 0 ( 2 左右的温度下低温干馏可制取低温焦油和低温焦炉煤气，低温焦油可用于制 取高级液体燃料和作为化工原料。加氢液化。将煤、催化剂和重油混合在一起，在 高温高压下使煤中有机质破坏，与氢作用转化为低分子液态和气态产物，进一步加工 可得汽油、柴油等液体燃料。加氢液化的原料煤以褐煤、长焰煤、气煤为主。据统计， 在我国能源生产和消费构成中，煤炭一直居于主导地位，1 9 9 5 年，生产占7 5 5 ，消 费占7 5 o 。在国民经济中，工业、农业、交通运输的发展都离不开煤炭。随着近代 科学技术的发展和新工艺、新方法的应用，煤炭的用途和综合利用价值将会越来越大。 可以预计，在未来相当长的时期内，煤炭在我国国民经济中都将占有相当重要的地位。 然而，煤中的水分含量是煤炭在生产、贸易、加工利用和科学研究中十分重要的指 标，而有关煤中水分的各种名词，常使一些人感到迷惑不解，不知如何面对同一煤样的不 同水分值。下面将对这一问题进行阐述，以便人们对煤中各种水分有一个比较清晰的了 解。 水分是指单位重量的煤中水的含量。煤中的水分有外在水分、内在水分和结晶水 等几种存在状态。一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低，煤的内 部表面积越大，水分含量越高。水分对煤的加工利用是有害物质。在煤的贮存过程中， 它能加速风化、破裂，甚至自燃；在运输时，会增加运量，浪费运力，增加运费；炼 焦时，消耗热量，降低炉温，延长炼焦时间，降低生产效率；燃烧时，降低有效发热 量；在高寒地区的冬季，还会使煤冻结，造成装卸困难。只有在压制煤砖和煤球时， 需要适量的水分才能成型。水分是煤炭计价和基准换算的依据，它是影响煤炭计价的 最重要的因素。对一个煤样来说煤样的全水分值( 质量分数) 每变化1 ，其收到基低 位热值将变化2 0 9 - - - , 2 9 3j g 。由此可见，对煤的水分准确测定是十分重要的；但水 华北电力大学硕士学位论文 分是煤中最容易发生变化的成分，天气变化等多种因素均直接影响到商品煤全水分的 准确测定 了解煤中各种水分的概念以及煤水分对其它指标的影响，了解煤的各种水分的测 定方法( 通过有关标准) ，对在煤炭生产、贸易、加工利用和科学研究中是非常重要的。 煤中的水分不宜高，如果水分含量增加，会使煤的热值相应降低，亦不利于着火， 同时在煤燃烧过程中，水分的蒸发需要消耗大量的热量，并增加烟气带走的热损失，使 炉温降低。但是，从燃烧动力学来讲，燃煤中含有少量( 5 8 ) 的外在水分，对煤的燃 烧是有利的。因此，煤中的水分根据含量的多少对煤的燃烧及其发电效率各有利弊，下 面，就从这两个方面进行分析说明。适宜的水分对燃煤燃烧的益处：( 1 ) 适宜的水分 能加快燃煤中固定碳的燃烧【l 】。当燃煤中存在适宜水分时，在燃烧过程中水分蒸发，形 成水蒸气，水蒸气能与灼热的碳发生反应，具体如下： c + h 2o = c o + h 2 c + 2 h 2o = c 0 2 + 2 h 2 c + c 0 22 2 c 0 c o + h 2o = c 0 2 + h 2 以上反应加速了固定碳的气化，同时生成的水煤气中的c o 使原来碳粒表面的c o 浓度大大增加，促进c o 从其表面扩散出来，并与0 ，迅速反应，放出大量的热，从而 提高了固定碳的燃烧速度。( 2 ) 适宜的水分能减少不完全燃烧热损失。当燃煤中含有 一定量的水分时，在燃烧阶段，由于水蒸气和灼热碳的气化反应，固定碳燃烧迅速且 完全，使燃尽阶段的残碳大大减少，即使在燃尽阶段存在一定的残余固定碳，水蒸气 仍可与之反应，使残余固定碳燃烧完全。( 3 ) 适宜的水分有利于稳定燃烧。当燃煤中 含有一定水分，使炉床上煤的堆积密度减小( 因为水的密度比煤小) ，这样当水分蒸发 后，能使煤层孔隙率增多( 尤其是碎煤) ，从而改善空气与煤粒接触混合，减少了“风 眼 的产生，达到拨火操作之目的，而炉内温度和气氛波动小，燃烧稳定。当燃煤中 含有适宜的水分，在燃烧过程中，水分蒸发可使烟气中三原子气体含量增加，从而提 高了烟气的黑度，有利于燃烧产物与物体之间的辐射换热。由于水蒸气与灼热的碳反 应，生成水煤气，而水煤气的燃烧速度不仅比固定碳的燃烧速度快得多，且燃烧的火 焰长度要比固定碳燃烧的火焰长度长，这样，火焰能够更直接与物体进行对流和辐射 换热，提高传热效率。煤水分对燃煤燃烧的不良影响：( 1 ) 煤水分对锅炉燃烧的不良 影响。水分过高，在锅炉燃烧中会影响燃烧的稳定性和热传导，同时会降低炉内温度， 使着火困难，燃烧不易完全，机械和化学不完全燃烧热损失增加。煤内水分会吸热变 成水蒸气并随着烟气排出炉内，增加烟气量而使得排烟热损失增大，降低锅炉热效率； 同时使引风机电耗增加；也为低温受热面的积灰、腐蚀创造了条件；原煤中水分过多， 会给给煤机制备增加困难，造成原煤仓、给煤机和落煤管中的粘结性堵塞以及磨煤机 出力下降等不良后果。( 2 ) 燃煤水分对发电效率的影响。当燃煤水分高时，水分的蒸 2 华北电力大学硕士学位论文 发将消耗热量，从而降低锅炉效率，增加燃煤量；当燃煤水分高时，运煤设备、碎煤 机和磨煤机等就得加工处理更多的煤量，这时将需要一次风机供应更多的风量对煤进 行干燥，并且水分蒸发后产生的蒸汽也需要借助引风机抽出，因而厂用电消耗量将增 加；湿煤将使输煤管或煤仓堵塞，据报道，对容量为1 0 0 0 m w 的火电厂而言，煤中水分 每增大1 ，估计每年将损失1 0 0 万美元。此外，若水分已超过规定范围没有及时测出 时，可能燃烧过程产生意想不到的变化，从而造成事故和附加损失。因此，对燃煤水 分的检测和测量必须给予充分的重视。 1 2 国内外相关研究现状 当前发展较为成熟，已被国内外一些行业和用户普遍采用的水分检测方法主要分 为直接法和间接法，包括烘干法、化学法、射线法、中子法和电测法等【2 1 。直接法是 直接通过干燥或化学方法，直接去除煤粉中的水分，检测出样品的绝对含水量，含水 率公式为： m ：竺二竺1 0 0 q 式中，。为被测样品干燥前的重量； ：为被测样品干燥后的重量。 直接法检测精度高，但费时，不适于在线检测。间接法是通过与水分有关的物理 量( 例如物质的电导率、介电常数等) 的检测，相应地测定物质的含水量，一般速度 较快，易于实现在线检测。 1 2 1 烘干法 烘干法是测量煤粉含水量的经典方法，为国际公认的标准方法。利用电烘箱对被 测物质进行加热使水分蒸发的物理原理进行水分检测。利用样品加热前后重量的变化 检测样品水分，进而可以求出物质的含水率。检测时间需要较长的烘干时间，但精度 高，可以作为检验其他方法的检测标准，多用于实验室检测，它的含水量表达式为： 口：w ! - w o 1 0 0 1口= w o 式中，w o 叶重( 单位千克) ； w l _ 重( 单位千克) ； ( 1 - 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 口土壤中水分的重量与该煤粉干重的比值。 根据烘干温度和样品含水量的高低分类，有烘箱恒重法( 烘干温度1 0 5 士2 c ， 烘干时间在2 - 3 h ) 、1 3 0 士2 。c 电烘箱法( 烘干时间4 0 m i n ) 及隧道电烘箱法( 1 6 0 士 2 1 2 烘干时间2 0m i n ) 。对于高含水量的煤，可采用双烘干法。测量时，先称取整粒试 样2 0 - - 3 0 9 ，放入1 0 5 1 2 烘干箱中烘干( 3 0m i n ) ，取出冷却称重，然后粉碎，再用1 0 5 恒重法进行烘干测量。 电烘箱法是用电阻炉加热并根据失重测量水分的方法，为实验室广泛使用。1 0 5 士2 c 电烘箱恒重法主要用于准确度要求较高的水分测录或用以校准其它方法。1 3 0 士 2 。c 电烘箱法及隧道电烘箱法是烘箱高温定时法，使用较高温度主要是用来减少测录时 间。1 3 0 士2 。c 电烘箱法是目前实验室最常用的方法。高温定时法必须严格控制烘干温 度和时间，并按照规定条件操作才能保证结果的准确性。 烘干法测量含水量的主要优点是精度高，测量范围宽，许多含水量的测量仪器都 是用烘干法来标定。但是烘干法又有其缺点：( 1 ) 烘干法无法实现在线快速测量。它 必须将所采煤样取回实验室进行烘干、称重，最后通过计算求出煤粉的含水量。( 2 ) 测量周期较长。从采样到烘干、称重、计算往往需要较长时间，通常需要2 4 小时，较 快也要4 - 1 0 小时，这给测量带来很大的不便。 因此，烘干法已无法满足当前煤水分测量的实际需要。 减压法干燥称重，不受被测物料形状影响，无须特殊的预处理，操作简便可靠性 高，适用于质量管理和分析部门。 快速失重法是电烘箱法的发展，与经典电烘箱法的主要区别是烘干温度不同。快 速失重法是利用真空处理技术、微小重量测定技术及数据处理技术来测定水分的，在 物料的极限失重温度下烘干物料。它不受被测物的形状的影响，精度及可靠性高，可 检测微量水分。例如日本的v m e 型微量水分仪采用的就是减压法，测水范围0 0 1 - - 1 0 ，监测时间为5m i n 。快速失重式水分仪是物料称重、温度控制、水分值计算、数 据显示、打印、报警等全部由微型计算机控制的自动的测水装置，可以测量一切粉体 物料。 红外线烘干法是利用煤粉中的水谐振吸收特性来测量煤粉水分的一种方法。红外 辐射器是根据水在特定红外波段上大量吸收红外辐射的原理进行工作的【3 】【4 】。当红外辐 射从物料反射或透射时，辐射的衰减情况可以反应物料中水的含量。水在红外波段的 吸收光谱如图1 - 1 所示，由图分析可见，水在红外波段的吸收波段为1 2 a n 、1 4 3 a n 、 1 9 4 a n 、2 9 5 , u m ，在这些吸收波段中，水的吸收率在1 2 a n 处过小，在2 9 5 u n 处过大， 都不适用，故一般采用1 4 3 z m 和1 9 4 t a n 两个波段。对于低含水量( 0 2 0 ) 物料的 测量，常采用1 9 4 口n 波段，而对于高含水量( 2 0 9 6 ) 物料则常采用1 4 3 t m 波段。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 o 透0 8 光 搴0 6 0 4 o 2 0123 4 t a n 图1 - 1水的红外吸收光谱特性 红外辐射器靠红外线辐射主波长与水吸收峰值波长相匹配，使水分子剧烈运动而 升温加速蒸发，缩短了烘干时间。红外线加热干燥法是利用红外灯加热试样，精度高， 使用方便，测录范围宽，但测录时间长( 1 0 3 0 m i n ) 。检测精度可达0 1 ，检测时间为 10 - - 2 0 m i n ，如日本研制的f d 2 3 0 、f d 310 及f d 6 0 0 型等红外水分仪，均采用红外线 烘干方法。 1 2 2 射线法 水的介电常数特别高，而且在超高频范围内存在介电损耗最大值。微波法就是利 用超高频能量通过样品产生能量损耗的变化计算出水分值。根据电磁能量关系，超高 频能量在含水物质中的衰减量w ( d b ) 为： 矿= 8 6 8 6 a 口m p k t + r - i t e 2 幻c o s 2 b t ( 1 - 3 ) 式中，m 为相对水分含量； i 下i 为空气一被测物之间反射系数的模； b 为含水物质的相数； a 。为水的衰减系数： p 为密度因数； k 为材质因数； t 为被测物的厚度。 若被测物厚度t 足够大，式3 - 4 中的第三项可以忽略，水分量表示为 华北电力大学硕士学位论文 m ： 兰二1 8 6 8 口b 由 ( 1 - 4 ) 微波法的优点是不损坏试样，能检测水分含量的绝对值，可以连续在线检测。缺 点是受形状、密度、厚度等影响，仪器复杂，价格较高。 红外线法吸收式水分仪的理论基础是比尔定律，水分对1 6 4 p a n 或1 9 4 1 a a n 波长的 红外辐射有强烈的吸收带。通过被测样品后的光强为： i = i o e 一蛐。 式中：i o 为通过被测样品前的光强； k 为吸收系数； t 为被测物体的厚度； m 为被测物体的含水量。 两边取对数得被测物体的水分含量为： m ：土l n 生 ki ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) 由于物质含水量的不同对特定波长辐射的吸收能量也不同，只要测得吸收光度便 能完成含水率的测定。具体方法有反射法、透射法反射透射复合法。用于煤水分检测 的主要是反射法。它具有无接触、速度快、连续检测、检测范围大、准确度高、稳定 性好等优点，而且可以检测导电性物质的水分，最高精度可达0 1 。缺点是受样品形 状、密度、厚度等影响，难以检测物质内部水分，设备价格高，难以推广应用。 1 2 3 化学法 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，目前在试剂的组成、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 剂的滴定度，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，可以用标准物质对一起直接进行标定，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，但可测样品量少，试剂成本 高，安装麻烦，电路复杂，维护困难。 6 华北电力大学硕士学位论文 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。卡尔费休法水分 测定仪是化学法中有代表性的产品，应用广泛。 蒸馏法是一种较常用的化学检测水分方法，这种方法使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，测量结果比一般干燥法略高，所以会造成一定的误差。 1 2 4 电测法 电容法测量煤水分是基于干燥煤的相对介电常数远小于水，而含水煤的相对介电 常数介于干燥煤与水之间这一介电特性进行的。在常温下，煤粉的介电常数随水分含 量的不同而变化。煤粉水分含量的高低将直接影响煤粉的介电常数数值的变化。若以 煤粉作为电容器的极间介质，当电容器的极板面积，极板间的距离保持不变的时候， 通过测量此电容器的电容值变化即可测定煤的相对介电常数值，由此可获得被测煤的 含水量。根据被测物质的不同，电容的极板结构也有所不同，主要有平板式、圆筒式 等电极结构。这是一种非接触式颗粒测水仪器，可连续测定，在低含水域性能较好。 电容式水分仪采用圆柱形容器作为传感器，与采用平板式容器作为传感器相比，测量 值受边缘效应影响小，操作也较方便。它具有结构简单、分辨率高、可非接触测量， 并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作的优点。其结构原理图如下： ， l 图卜2筒形电容器传感器结构原理图 内极 内嵌套 介质腔 外嵌套 外极 柱型电容器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 。当l r r 时，可忽略圆柱的边缘效应【5 1 。由电容器电容的定义可求 得柱型电容器的电容为： 7 f 一 华北电力大学硕士学位论文 c - 去著 u 一l n 墨 当放入介电常数为s 的物质时相对介电常数为占，有： 则电容为： 放入介质后的电容： g s ，2 一 c = 占，c o c 2 i 2 死z , 6 f o c r 把知= 磊i 1 万矿= 8 8 5 1 0 - 1 2 f m 代入上式，电容的计算公式为： ( 1 - 7 ) ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) ( 1 - 1 0 ) 对于水分含量为m 的煤样，其对应的相对介电常数为s ，当煤样水分含量发生变 化( m + m ) 时，其相对介电常数亦相应变化为( 占，+ 占，) ，由此而引起的电容变化为： c = 等i ( 1 + 等) n1 、 6 7 a c s ， 一= 一 c f ( 1 - 1 2 ) ( 卜1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 所以，电容值相对变化等与煤样相对介电常数的相对变化等之间呈线性关系。可 以通过测量电容值的变化求得煤样介电常数的变化。 u - 正 趔 馋 脚 图卜3电容一煤水分曲线图 电容法与电导法相比，电极与样品接触要求不是很严格，可靠性高，简便经济， 易于维护，可用于在线检测。缺点是影响因素多( 受温度、品种、紧密度等的影响) 、 数据复杂。 电测法检测中，影响检测结果的因素较多。所以在检测过程中必须考虑到这些因 素，进行相应得补偿，才能提高检测的精度。 1 2 5 中子法 高速运动的快中子与物质作用能改变方向和产生能量损失，变成慢中子，形成衰 减，由于被测物中含水量不同产生的衰减也不同，这主要是因为水中含有氢原子，而 中子对氢原子作用的损失远大于对其他原子作用的损失，这样可以通过测定慢中子来 测定煤粉的含水量，也就是通过衰减程度的大小来确定被测物质中含水量的多少。但 中子水分仪必须由人工标定，精度受密度、测量体积影响较大。 这个方法的优点在于测量较快速，它还具有不破坏物料结构和不影响物料正常运 行状态等优点。主要缺点是以其价格昂贵。而且这种方法如果屏蔽不好；易造成射线 泄露，以致污染环境，危害人体健康，这种方法在有些发达国家已被禁止使用。 上述几种方法是当前煤水分测量中的常用方法，另外，核磁法、色谱法、碳化钙 9 华北电力大学硕士学位论文 法等也可以用于煤水分的测量。在检测过程中，由于影响因素很多，数据复杂，有些 系统采用一些先进的数据融合技术和人工智能方法，对于加速检测和误差的修正及稳 定性的提高都起到了很好的作用。 1 3 本文研究的主要内容 目前国内外利用介电常数测量水分的研究中，探针多采用四针结构：测量中采用 的传输线是自制传输线。针对这些问题，根据传输线理论，我们采用标准传输线，研 制了一种水分传感器。本文确定的研究目标是致力于在煤粉水分、混合物介电常数以 及在不同温度影响下的实验研究。主要内容包括以下几个方面： 1 根据介电物理学基本理论，分析水和煤粉的介电特性。 2 分析研究煤粉探针的阻抗特性，相应传感器的设计，包括信号源的选择、检波 电路的设计以及探针阻抗计算和探针结构的设计。由于温度也是影响介电特性的一个 重要因素，在本文中加入了对不同温度的讨论。 3 设计制作相应系统并进行相应的调试。 4 对不同煤粉不同温度含水量分别进行实验研究。 5 对测量数据进行分析，验证设计系统的可靠性及精度。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第二章煤粉含水量测量基本理论分析 2 1 介电基本理论 2 1 1 电介质 煤中有机质是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素 组成，而碳、氢、氧三者总和约占有机质的9 5 以上：煤中的无机质也含有少量的碳、 氢、氧、硫等元素。碳是煤中最重要的组成部分，其含量随煤化程度的加深而增高。 现代物理学认为：所有非金属，甚至在定情况下的金属，都属于电介质。因此，对 于这种有多种化学成分构成的煤粉，我们可以将它看成是一种特殊的电介质。 一切绝缘体统称为电介质；或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反 过来影响外电场的物质。电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。电介质简 称介质。任何电介质都是由分子组成，分子正负电荷重心并不一定重合，若分子的正 负电荷作用重心重合在一起，称为无极分子；若分子的正负电荷作用重心不重合，形 成电偶极子，称为有极分子，电介质最基本的物理性质是它的介电性。对介电性的研 究不但在电介质材料的应用上具有重要意义，而且也是了解电介质的分子结构和极化 机理的重要分析手段之一。 介质的介电特性是该介质在电场中被极化程度大小的反应。在外电场的作用下， 介质中正、负电荷朝相反的方向发生微小位移，从而产生偶极矩的现象称为介质的极 化。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场( 真空中) 与最终介质 中电场比值即为介电常数，介电常数正是综合反应介质内部电极化行为的一个主要宏 观物理型6 1 。电介质电极化的微观机理有四种： ( 1 ) 电子位移极化：当外加电场作用于无极分子时，正负电荷重心将产生相对位 移；当外加电场消失时，正负电荷重心又重新重合在一起，这种位移称为弹性位移， 这种极化形式称为电子位移极化。 ( 2 ) 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 应电矩产生的极化。 ( 3 ) 空间电荷极化：对于均匀物质，空间电荷在外电场的作用下发生移动，在边 界区域聚集，从而产生的感应电矩。 ( 4 ) 取向极化：当有外加电场作用时，这些电偶极子沿外加电场的方向排列，外 加电场越强，其取向排列越整齐，电偶极子的这种随外加电场取向的过程，称为有极 分子的取向极化。 华北电力大学硕士学位论文 g l - l z ) 1 01 0 l 旷1 0 1 0 。l o 。1 0 。 图2 - 1 介质的色散和损耗 介质的极化实质上都是介质表面上出现极化电荷，而这种电荷的活动范围只是局 限在分子内部，不能超出分子，故称为束缚电荷。电介质是以感应而非传导的方式反 映电场的作用和影响，在电介质中，其主要作用是束缚电荷。介电常数正是反映介质 内部电极化行为的一个主要的宏观物理量。 2 1 2 损耗角正切 损耗角正切是描述介质特性的一个重要参数，它是介电常数的虚部与实部比值的 正切，用t a n 8 表示： o s t a n d2 _ 占 ( 2 - 1 ) 损耗角是一个与电磁频率有关的物理量，随频率的变化而变化。松弛极化介电常数、 损耗角正切与角频率的关系如下t 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2介电常数、损耗角正切与角频率的关系 不同的外加电场频率，使水分子消耗能量的主要原因各不相同。从低频( 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 移极化之外，主要是偶极子的取向极化损耗：红外频段时，主要为离子间共振吸收损耗； 光波频段内，主要是电子与原子核间的共振吸收，这些损耗与频率之间的关系如下： 占 f，、 心f厂1 7 f lj ，、 ff 、 - 低频射频微波红外可见光 图2 - 3水分子介质损耗的频率特性 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，极化的结果是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，可以用复介电常数的实部占表示。由于分子运动有惰性， 转向极化运动相对于外电场的变化有一个时间上的滞后，这种滞后即弛豫。弛豫的宏观 效果使水分子产生损耗，这一损耗可用复介电常数的虚部占表示。在外电场作用下，水 的极化程度远大于其他物质。 2 1 3 介电常数 介电常数占是用来表征电介质内部电极化强度的宏观物理量，其单位是法米，为 计算方便，习惯采用相对介电常数凸 1 3 华北电力大学硕士学位论文 占 舀= 6 0 ( 2 - 2 ) s o 为自由空间的介电常数； e o = 8 8 5 4 x1 0 1 2 f m 。 本文中的介电常数一般均表示相对介电常数。 在交变电场中，物质的介电常数是一个复数，实部反应物质的储能特性，虚部反应 耗能特性，复介电常数占的频谱特性可用d e b y e 方程描述【7 】【8 】： 出) _ 甜两哥u ) - 弦 ( 2 - 3 ) 将实部与虚部分离，可推出复介电常数实部与虚部各自的频谱特性， 占u ) = 褂葡 t f ，r 、如嚎 占甫 l + i 上i ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) s 复介电常数； s 复介电常数的实部； s ”复介电常数的虚部； 厂电磁频率； 局介电损耗峰值频率； 出叫频时的静态介电常数，反应了介质的松弛损耗； 踟外电场频率趋于无穷大时的介电常数，反应了介质的位移极化贡献。 显然，复介电常数s 与多 b ；o l a 电场频率密切相关，尤其是在交变电场的变化周期与极 1 4 华北电力大学硕士学位论文 化建立时间处于同一数量级时，极化过程相对复杂。位移极化主要包括电子位移极化和 离子位移极化，这类极化到达稳态所需的时间约为1 0 卅6 1 0 _ 2s ，对于从甚低频到射频 的频率变化范围( 5 1 0 1 2 h z 以下) 来说仍可认为是极短的时间。造成电介质松弛极化的 原因有三种，即转向极化、热离子极化和界面极化。松弛极化的建立过程一般要经过 1 0 j 甚至更长的时间才能达到稳态。通常，把建立稳定极化所需的时间称为驰豫时间。 水是一种强极性分子，资料表吲9 】：纯水在常温下的介电驰豫峰值频率约为1 7 4 g h z 。 方程反映了电介质介电常数随频率变化的宏观过程。 2 1 4 煤粉的介电特性 众所周知，物质有三种基本的存在形态，而含水煤粉恰恰是一种固、液、气三态混 合物。水在1 6 3 c 时的介电常数为8 1 5 【1 0 1 ；空气的介电常数约为l ，煤粉颗粒的介电 常数约为2 3 。可见在一定的频率范围内，水的介电常数比其他物质的介电常数大的 多，煤粉的介电常数主要由含水量来决定，因此我们可以通过测量煤粉在一定频率下的 介电常数来达到测量水分的目的。 鉴于不同物质相对介电常数明显不同，它构成了基于介电物理原理煤粉水分传感器 的基本理论依据，煤粉介电常数的半经验半理论模型为【l i j ： 占；= s ? 圪+ f ：匕+ s ：圪 ( 2 6 ) 占。表示煤粉混合物的介电常数； 凸表示煤粉颗粒的介电常数； 踟表示水的介电常数； g a 表示空气的介电常数： k 表示煤粉颗粒在煤粉混合物中所占的体积百分比： k 表示水在煤粉混合物中所占的体积百分比； 圪表示空气在煤粉混合物中所占的体积百分比； 且比+ k + 圪= l 卜待求的未知系数。 当b 等于1 时，模型可以看作各组分等效电容的并联，如下图a 所示：当b 等于一1 时，模型可以看作各组分等效电容的串联，如下图2 4 ( b ) 所示：其他情况下，b 均在 一1 ，1 范围内。 华北电力大学硕士学位论文 a = l ( a ) a ；一1 ( b ) 图2 - 4介电混合模型 其中的阢表示水分占的容积，正是通过它建立了混合物质介电常数与含水量之间 的联系。 测试频率的选择对测量的结果也有一定的影响，在不同的频率段，复介电常数的实 部和虚部作用各不相同。对于水来说，当测试频率高于3 0 m h z 时，复介电常数的虚部将 显著降低，这时起主要作用的是介电常数的实部，为了让煤粉复介电常数的实部起主要 作用，必须选择3 0 m h z 以上的频率进行实验。由于是初次借助这种方法进行测量，且考 虑到测量电路的可行性及仪器的成本，本文选用了1 0 0 m h z 的频率进行测量。在本试验 中根据水特性及煤粉的具体情况，选用了特定频率，极大降低了虚部对测量结果的影响。 试验中测量的是混合物质介电常数的实部。对于不同频率的具体影响和具体的测量效果 如何，需要对不同煤粉混合物的介电特性有进一步的深入研究了解，这还有待于对相关 理论的进一步深入研究。 2 2 基于驻波比原理的快速测量方法 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组成。其中信号源 是1 0 0 m h z 的正弦波，同轴电缆传输线的特性阻抗为5 0 欧姆，探针分布呈同心四针结构。 1 0 0 m h z 信号源同轴传输线探针 图2 - 5传感器组成示意图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 根据电磁场理论【1 2 】：电磁波在真空中以光速进行传播，而且频率越高，波长越短。 当高频信号源发出1 0 0 h z 的电磁波在传输线中传播时，由于传输线中填充的绝缘介质材 料一般介电常数为吕= 4 5 ，相对磁导率胪= 1 ，由公式矿= c 舀肛可知，其传播速度 大约为光速的一半，对应波长约为1 5 米左右。在这种情况下，我们采用的传输线长度 即实际电路的大小可以和电磁波波长相比较，因此我们在分析的时候采用分布电路来分 析。 设想均匀传输线是由一系列的集总元件构成，可将传输线划分为许多的微分段出， 由于分布参数沿线是均匀分布，且线元长度龙极短，故可用一个r 型网络进行等效，如 下图2 - 6 所示： r g e g 图2 - 6测量装置等效电路 考虑到在射频下同轴电缆的分布电容、电感、电导等参数的影响，在z 轴任意点z 取微元龙，即可得到该点的电压与电流的微分方程。 d u z ：i z z i d z 班：u y 砘 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 令z 忙r , + j c o l i 为单位长度的阻抗( 欧姆) ，y i = g i + j c o c i 为单位长度的导纳。 7 = 口+ 形= 丽：, ( r , + j c o l , x g , + j c o c - ) ，对以上两式做二次微分可以得到传输线 的电报方程： 垡：z l y l 沈 d z 2 1 7 ( 2 - 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 _ d 2 i z ：z l 】，l 厶 一= ，l ，l ，z 如2 ( 2 1 0 ) 其中厂为传播常数，用来描述电压或电流行波沿传输线行进过程中的衰减和相移的 参量，口称为衰减常数，单位是奈米或分贝米，称为相移常数，单位是弧度米。 相位常数又由波长旯决定即五= 2 万。显然这是常系数二阶线性微分方程，其通解为： u z = a l e r 2 + a 2 e 一7 z i z = b i e r z + b 2 e 一芦 定义传输线的特性阻抗或波阻抗： 乙= z _ 2 = 厮 厂 可得积分常数a l 、a 2 与b l 、b 2 的关系： u z = a l e r z + a 2 e 一芦 尼= 去( 妇幽p 膨)z 0l ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 再根据边界条件确定a l 、a 2 。注意到在负载端z = 0 处有u z = u l ，将其代入上式，得 肛圭似+ 酗) 缸圭一酗) 将a l 、a 2 代入上式，可得到传输线上任意点处的电压和电流： 醌= 觇+ + 觇一 1 8 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 - 1 9 ) 上式表明：传输线上的电压和电流均以波动的形式向前传播，并且是由正向行波和反 向行波叠加而成。我们定义一个反射系数，反射系数为在传输线上距终端( 负载端) x 距离处的反射波与入射波电压向量( 或电流向量) 之比，在负载端x = 0 处即终端的 反射系数为： a 2z i z ： p 2 百。乏瓦 ( 2 - 2 0 ) 式中：z ，：警( x = 0 处) ，称为负载阻抗，即探针阻抗。 z 公式( 2 一1 1 ) 中的实部是电压沈的瞬态表达式，将a ：用a l p 置换再平移变换坐标有： u ( z ，t ) = a e 2c o s o t + a p e 一。c o s c o ( t 一2 尼) ( 2 2 1 ) 由于本文所用的传输线属于无损传输线，故有口= 0 ，所以 “( z ，t ) = a c o s ( 0 t + a p c o s ( o ( t 一2 屈) 显然，对于负载端( z = o ) ，电压的峰值为d 。： 令公式( 2 2 2 ) 中2 p z = 7 ，则 u 0 。a - ( 1 + p ) 。a l l l + p ) 万元 z = = 一 2 4 将上式整理可得z ： 时的电压峰值吻： 4 1 9 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 ) j = a - 0 一p ) ( 2 - 2 5 ) 上述几式推导表明当传输线长度为四分之一波长时，驻波的波峰与波谷恰好在传输线 的两端，此时传输线两端的电压差最大，因此在实际的测量中传输线的长度经常取四 分之一波长，此时有： 一t p ：2 a 1 z l - z c - 0 0 = 2 a , = 2 a 1 五夏 ( 2 - 2 6 ) 因为上式中a 的大小取决于振荡器的振幅，故在a - 恒定的情况下传输线两端的电 压差取决于反射系数p ，而在传输线理论中p 又可以用驻波比表示成： r ：生( 2 2 7 ) 1 + p 由上可以看出，传输线上各点电压的实际有效值与反射系数相关，而传输线理论 中反射系数可以用驻波比来表示。反射系数又与探针阻抗有关，即驻波比与探针阻抗 的关系：探针阻抗的大小随煤粉含水量的不同而变化，由此可以建立起传输线上电压 有效值与煤粉含水量之间的关系，通过测量传输线两端电压的变化可以达到测量煤粉 含水量的要求，所以说本文给出的测量煤粉含水量的方法称为基于