微波法检测铝土矿水分研究进展及数学模型的推导.pdf

第 4 期 煤 质 技 术 2 0 1 4 年 7 月 微 波法检测铝土矿水分研 究进展及数学模型 的推导 王英杰 孟祥梅 张 妍 中国河北 出入境检 验检疫局京唐港 办事 处 河北 唐 山0 6 3 6 1 1 摘 要 基 于微 波法 测量 水分 为新 兴 的水分 测量 方 法之一 对 一 些常 用的水 分测 量方 法进行 了介 绍 并 分析 其优 缺点 论 述 了微 波法测 量水 分 的原理 通过微 波相 移 法测量 铝 土矿水 分的 计算 建 立 了 微 波相移 法检 测铝 土矿 水 分的 数 学模 型 为 实际应 用提 供 理论 基础 关键词 铝土矿 微波 水分 数学模型 中 图分 类号 TQ5 3 3 2 文献标 志 码 A 文 章编 号 1 0 0 7 7 6 7 7 2 0 1 4 0 4 0 0 1 3 0 3 Re s e a r c h p r o g r e s s o f b a u x it e mo is t u r e m e a s u r e m e n t u s in g m ic r o wa v e me t h o d a n d d e r iv a t io n o f it s ma t h e ma t ic a l m o d e l WANG Yin g j i e MENG Xia n g me i Z HANG Ya n J in g t a n g Po r t O f f ic e He b e i E n t r y Ex it I n s p e c t io n a n d Q u a r a n t in e Bu r e a u T a n g s h a n 0 6 3 6 1 1 C h in a Ab s t r a c t M o is t u r e m e a s u r e me n t b y mic r o wa v e wa s a n e w k in d o f me t h o d S o me c o m mo n ly mo is t u r e m e a s u r e m e n t me t h o d we r e int r o du c e d a nd t he a dva n t a ge s a nd dis a d va n t a ge s we r e a n a ly z e d mo r e ov e r t h is pa p e r de s c r ibe d t he t he o r y of m e a s ur in g m o is t ur e c o nt e nt by mic r owa ve The ma t he m a t ic a l mo de l o f m e a s u r in g ba ux it e mois t ur e by mic r o wa v e ph a s e s hif t m e t h od wa s e s t a blis he d a nd a t he or e t ic al f ou nd a t io n f o r pr a c t ic a l a p plic a t ion s wa s p r ov id e e d Ke y wo r d s b a u x it e m ic r o wa v e mo is t u r e ma t h e ma t ic a l mo d e l 铝是世界上仅次于铁 的第二大金属 具有多种 优 良性能 是国民经济发 展的基础 原料和 战略金 属 我国是世界铝工业大国 其电解铝和氧化铝产 量及消费量为世界第一l1 铝主要由铝土矿提炼而 成 铝 土 矿 在 世 界 上 分 布 广 泛 主要 分 布 于 几 内 亚 澳大 利亚 巴西 牙买 加 中国 印度 和 印度 尼西亚等国家 铝土矿为我国的大宗紧缺矿产 目 前来源非常依赖进 口 2 铝土矿中含水量是决定其 品位的重要指标之一 因此 水分检测是铝土矿工 业检测中相当重要的任务 1 常用水分检测方法 水分测量方法有直接法和间接法 作为标准方 法的是直接测量法 直接测量法是通过干燥或化学 方 法 直接 去 除样 品 中的 水 分 以检 测 样 品 的 含 水 量 直接法往往需要很长时问 虽然准确但不能进 行在线测量 只适合于取样测量 通常可以将其作 为检 验其 它方 法 的检 测标 准 新兴的方法是间接测量法 所谓问接测量法就 是通过测量跟水分含量有关的电量或者非电量的变 化 相应地测定物质的含水量 该法一般速度较快 易实现在线检测 国内外用于测量物质含水量的间 接法主要有电阻法 电容法 中子法 红外法等 电阻法 由于 其取样较少 适合于非在线测量 不能测高含水率和 电解质 电容法 电极易受腐蚀 红外线法仪器结构复杂 价格 昂贵 难于普及 受 温度 品种 紧实度等影响较大 中子法则因为氢 的散射物性不稳 理论尚未完善 而且需要特殊防 护 因而使用较少 对于红外法而言 有些粉粒 物料 中的物 质 也 具 有 一 定 程 度 的 吸 收 红 外 线 的 能 力 而且仪器价格也较高 因此微波法显示 出了其 优点 微波测量法是一种非接触式测量方法 其原 理是利用微波作用于被测物料后所产生 的相位变 化 功率变化 幅度变化或频率变化等信息来得出 物料的含水量 根据微波的使用方式不同 可以将 其区分为透射法 反射法和谐振腔法 由于微波的 穿透能力很强 所检 测的不仅仅是物 质表层的水 分 还可检测物质内部的水分含量 而且具有作用 速度快 时间短 效率高等显著优点 在石油 化 工 食品 医药等领域的研究和应用已 日益广泛 2 微 波法简 介 微波 是 电磁波 中介 于普 通无线 电波 长 波 中 波 短波和超短波 与红外线之间的波段 属于无 线电波中波长最短 即频率最高 的波段 通常把 波长为 1 m 1 mm 的 电磁波段称为微波 其对应 3 第 4 期 煤 质 技 术 2 0 1 4 年 7月 的频率 为 3 0 0 MHz 3 0 0 GHz 5 电介质放入电场中后 电场的作用使电子与原 子核之问发生微小的相对位移 即电介质的极化 电介质特性是物质的内在特性 描述波与物质之问 的相互作 用 当微波通过电介质物质后 在比热 密 度和形 状 大致相 同的条件 下 电介 质物质 对微 波 的吸收 穿透和反射性能主要决定于其介 电常数 微波电场 中 水分子受 到场的作用而发 生取 向极 化 首先 不断从 电场 中得到能量而转换为水分子 的势能 e 存贮起来 由于水分子具有惰性 取 向 极化运动相对于外电场 的变化存在时间上的滞后 称为弛豫 弛豫的宏观效果使水分子产生损耗 其 损耗意味着水分子又不断地释放能量 释放能量用 e 表示 前 者表现为对微波信号的相移 后者表 现为对微波信号的衰减 此特性用水分子的介电常 数 e表示 即 e e 一j d 1 介电常 数 e a 3是 介质的导 电率 是 其固有角频率 当微波通过含水物质时 由水分 引起 的微波能量的损耗远远大于其它干物质 引起的 损耗 物质 中的含水量将显著地影响其介 电常数 因此测量通过物质的微波的功率衰减 相位变化 谐振 频 率等 与介 电常数 相关 的物 理量 即可 测 量物 质 的含水 率 3 微 波测水分的进展与趋势 国际上从事微波测湿研究的有美国 德 国 英 国 俄罗斯 波兰 加拿大等国 其应用领域有农 产品 建材 土壤 食品 造纸 烟草 化肥 石 油 纺织 煤炭 选矿等 微波测湿最初的应用是 在 测量 谷物 含水 量上 7 1 9 8 0年出现了消除密度影响的水分测量方法 即同时测量微波通过试样后产生的衰减和相移 2个 参量 8 其特点是水分测量结果与被测试样的厚度 和密度无关 该种方法大大提高了测量结果的准确 度 现已用于许多微波水分测量装置 中 q 在 国 外 美 国MAL C AM公 司 德 国 T E ws E le k t r o n ik公司 冰岛公司已开始制造水分 含量检测系统 特别是德国 TE wS E l e k t r o n i k公司 生产的一 系列微 波水分检测器 采用微波谐振技 术 能精确地测量水分含量 不受标准材料表面结 构 密度和颜色的影响 国内 龙岩卷烟厂采用了 在线式的微波水分检测仪器 昆明维萌科技公司推 1 4 出了 MAL C AM 公司的可用于烟叶的在线 快速 微 波 水分检 测 系统 4 微波相移法测量铝土矿水分的计算 对于铝 土 矿来说 通 过测 量透过 铝土 矿微 波的 相移或衰减参数 就可以得到铝土矿的介 电常数 进而得到铝土矿的水分 在微波 电磁场中 介质与 微波的作用体现在复介电常数上 介 电常数 e与透 射后相移的关系如式 2 1 1 e一 2 式中 是 相移 t是介质厚度 为波长 经 换算平面波经过介质透射后相移与介 电常数的关系 如下 式 一 3 6 0 t 7 1 3 一 一 3 物质 中物质构成决定了其介 电常数 铝土矿的 主体是铝 水的介电常数又远远大于铝 为将问题 简化 将铝土矿视为铝和水的混合物 受到铝和水 的共同影 响 可以认为存在一个 等效的介 电常数 s 透过铝土矿的相移与等效介电常数 e 存在关 系 根据前人所研究的含水混合物等效介 电常数的 模型 把此模型中的一般物质换成铝 便可 以 得到 下式 4 一 十 1 A l 1 A l 2 1 e A l 1 一 寻 式中 厂 水是水的体积分数 e 水是水的介 电常数 是 铝 的体 积分 数 e 是铝 的介 电常数 水和 铝体 积分 数与 水的质 量分 数 即混 合物 的 水含 量 存在 着对应 关 系 在 已知 水和铝 的密度 的 情况下 就 可以得到水含 量和 水 铝 的密度 的关 系 因此 在 确定 铝和 水 的密度 与各 自介 电常数 等 4个参数的情况 下 便可 以得到等效 的介 电常 数 e 代入公式经过计算化简 此 2个参数的关系 简化如式 5 e 一 AW B C一 叫 5 其 中 A B c是经化简得出的系数 该 系数 与铝 水 的密 度 及 各 自介 电常 数 有 关 由 式 3 与式 5 便可 得到 铝 土 矿 水分 的 微 波 相 移法 的 数 第 4 期 煤 质 技 术 2 0 1 4 年 7 月 学模型 如式 6 0 C n 一 OU U L 二 万一1 6 由式 6 可 以看 出 通过测量透过铝土矿 的 微波相移 铝土矿的质量 厚度 即可 以实现铝 土 矿水分的计算 实际中式 6 不方便进行 计算和 标定 通过对模型进行修正 使用式 7 代替 一t AW B C 一 7 式中的 A B C是系数 通过所得的实验 数 据 计算 标 定 即可得 到 5 结 语 由于过程检测及过程控制发展的需求 寻求在 线实时测量方法越来越迫切 微波相移法测量速度 快 精度高和非接触 是较理想的铝土矿水分工业 测量方法 目前 国内利用微波进行在线水分测量 的仪器鲜见 在国际也只有少数几个国家研制成功 过微波测湿仪 但也不是大规模的应用 该课题的 研 究在 国 内属 于前 沿 为 急需研 究解 决 的课 题 具 有 很强 的实 用 价值 和市 场价 值 以上介 绍 了水 分测 量 的各 种方 法 并分 析 了在 实际应用中的优缺点 对微波法测量水分含量的原 理及研究进展进行了介绍 进一步对微波测量铝土 矿水含量进行了理论探讨 初步建立了微波相移法 检测铝土矿水分的数理模型 为后续的实际应用提 供了理论基础 参 考文献 1 陈 晨 周 进 生 王 高 尚 全球 铝 需 求分 析 预 测 刀 世界 有色金属 2 0 1 0 1 2 龙翠 红 洪 银 兴 经 济发 展 方 式转 型 与 大 国成 长 J 学术界 2 0 1 2 1 康希拉 精 矿水 分的在 线检测 传 统方 法述评 和新 方法介绍 E J 国外金属矿选矿 2 0 0 3 i0 S a mir T r a b e ls i S t u a r t O Ne ls o n No n d e s t n lc t iv e S e n s in g o f Ph y s ic a l Pr o p e r t ie s o f Gr a nu la r Ma t e r ia ls b y M ic r o wa v e Pe r mit t iv it y M e as u r e me nt I EEE Tr a n s a c t io n s o n I n s t r u me n t a t i o n a n d Me a s u r e me n t r C1 2 0 0 6 5 5 3 顾茂章 张克潜 微波技术 E M 北京 清华 大学 出版 社 1 9 8 9 De Ge r onimo G O Co nn or P Kan da s amy A e t a 1 Adv a nc e d r e a do ut ASI Cs f o r m u hie le m e nt C d Z n Te d e t e c t o r s c P r o c S P I E I n t S o e Op t En g SPI E 20 0 3 侯舜华 电介质介 电常数及 其测 量 J 中原 工 学 院 学 报 2 0 0 3 1 4 8 M e y e r W Sc h ilz W I EEE Tr a ns M ic r o w The o r y T e c h n c MTT一 2 9 1 9 8 1 8 顾金建 黄伟 志 李 健 一种 非接 触式在 线水 分 检测 系统 的硬 件设计 J 仪 器仪表 用户 2 0 1 0 1 7 3 徐 浩 微 波 水 分检 测 系统 的研 究与设 计I D 上海 上海 大学 2 0 0 6 徐 浩 叶 明 微波水分测 量的研 究 J 传 感 器 与 微 系统 2 0 0 7 2 6 5 Bia n c h i G Dio n ig i M Fio r e t t o D e t a 1 A mic r o wa ve s y s t e m f or mo is t u r