煤介电特性及水分测量理论与方法研究_图文

1、华北电力大学（北京）硕士学位论文煤介电特性及水分测量理论与方法研究姓名：张志诚申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：刘禾20080401华北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

2、，（），：，华北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，（），：，华北电力人学硕士学何论文主要符号表符号含义真空中电磁波的速度介电常数实部介电常数虚部煤粉混合物介电常数煤粉颗粒介电常数水介电常

3、数空气介电常数煤粉颗粒所占混合物的体积水所占混合物的体积空气所占混合物的体积探针长度传输线两端电压差空气所占混合物的体积量纲（一）（一）（一）（）（一）（）占占匕圪圪士叫明本人郑重声明：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

4、！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：日期：墅墨：篓翌易以禾日期：牙、多华电力人学硕士学位论文第一章绪论研究意义首先，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。煤中水分的存在形及它的特征煤中的水分按结合状态

5、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（。：），高岭土（。：。）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。在温度下化合水是不会分解逸出的。通常在以上才能分解逸出。其中，全水分是在煤质分

6、析中需要测得的水分聃。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。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，水分，大约要消耗的热量，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。此外，进行煤的含水量测量是进行煤矿和火电厂的交易，

7、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。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。国内外研究进展华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。，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。（）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

8、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

9、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

10、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。（）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巧佣，如果其含水量不断地增加，则其比容积电阻可以降为铡。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

11、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。但出于纯水的介电常数很大（为），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

12、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。它采用以上的微波频率工作，特别是在（波段）和（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），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（能量为以下），如用拾测器，测出慢

13、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（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，即在和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。

14、水中氢核质子）具有足够大的磁矩，英核磁共振性质明显，在比较重要的种物质原子核的效应中，氢核的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。在地面上用华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

15、理论知，水分对波长的红外辐射有强烈的吸收带。水分子的结构是，对红外辐射的吸收是由羟键的伸缩振动和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。，。式中，厶隽通过被测物前的光强，为通过被测物后的光强，七，为吸收物在频率为的克分子消光系数，为吸收物的厚度，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。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。（）直接测量

16、：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，取粒度小于以下的空气干燥煤样（），（精确至），打开瓶盖，放入预先通入子燥氮气，并澄加热到的干燥箱中，烟煤于燥王骚，褐煤和无烟煤干燥。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（），（精确至），置于预先鼓风并加热到的干燥箱中，在一直鼓风的条件下，烟煤干燥，无烟煤干燥。取出，冷却，称量，并进行检查性干燥。（）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

17、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。这种方法与测电导华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

18、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。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年代初发表的比较多加。文献】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射线法，它是对中子法进行改进来测量煤全

19、水分的。该装置是由中子发生器产生的中子与煤中所含元素的原予核发生非弹性散射，反应和热中子俘获，反应，感生出的瞬发射线（）由探头探测，经主放大器传输到道能谱分析器获得射线谱，根据特征射线峰的面积，来确定煤中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】。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。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及介电常数的变化。文中通过实验对堆密度、被测物料的电阻率及介电常数关系的进行分析得出，对的影响和它对影响的方向相反

20、，即，如果增大，则减小，而增大，由此将雩起测量探头处的的减小和的增大。然后在不同堆密度下进行测量，得出结论：（）当一定时，与之间及与之间基本表现势线性关系，但与的变纯率方向相反；（）在一￥及一￥平面上，当水分改变时仅仅表现为直线和直线斜率和截距的改变。通过公式代换消去了堆密度，从面缛出水分值。近红外法测量煤的含水量近红外是指波长在一￥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。霆红羚具有以下特点：（）霹在菲破坏

21、（无需采制榉）和菲接触的条件下进行分析；（）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；（）分板响应迅速；（）安全性能好；（）抗干扰能力强；（）因为煤的漫反射信号很弱，故对探测器要求较高；（）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、和这几个特征波长引。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

22、。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，定标标准差为，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，这个能量场以亿次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

23、的加热于燥方法。微波加热干燥煤样可分为个阶段：（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。（）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。（）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。（）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

24、干燥法）测得的结果相比较，平均偏差值为，微波加热干燥煤样为常规憩加热干燥煤样时间的。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。研究内容。本论文研究的内容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，测量上限约为筠，测量下限约为筠。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。

25、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，固体的介电常数大约为，而空气的介电常数大约是。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，一的范围内，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。麸上面可以看出，煤炭与壤在某些方面是相似的，例如

26、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（）和（）。、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

27、阻抗法，又称驻波比法。驻波法传感器的原理冤图卜。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。图阻抗法测量原理虽然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技术，所以这里测量介电常数选用的是方法。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

28、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。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

29、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。第二章介电特性测量方法研究电介质的认识现代物理学认为：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。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

30、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

31、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。图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是综合地反映这四种微观过程的宏观物理量，它是频率（矿）的函数（）。其变化规律见图：占（）（）一”（）（）当频率为零或频率很低（例如）时，四种微观过程都参与作用，这时的介电常数（）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

32、时，介电常数取复数形式：其中虚部占（）代表介质损耗，实部占（）随频率增加而下降，同时虚部出现图所示的峰值，这种变化规律成为弛豫型的。频率再增加，实部（们降至新的恒定值，而虚部”（）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。介电弛豫和德拜方程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，

33、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的是德拜弛豫方程。德拜（）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普遍关系的形式来描述：（计民（）（）其中：（）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

34、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：（）口叫（）占一”。兰王玉其中：占一，土上（）小簿萱州（）（），静态介电常数；。高频介电常数。可得出损耗角的正切表达式如下：锄万：三：堡迎。（）式（）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：当时，）。，介质仅有位移极化，没有松弛损耗；当时，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

35、场的角频率时，外施电场的周期近似等于松弛时间的倒数，此时，在松弛极化建立过程中占。显著减小，“具有极大值。占和。与频率的关系曲线如图所示。图松弛极化介质、”、万与角频率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。图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。

36、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”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。频率从千兆赫范围内，即波长从米厘米，水的为，为；而其它介质的占为。拶为。可见，水的介电常数比其它物质的介电常数大的多。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

37、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。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探针，出于电缆线和探针的阻抗不同，部分电磁波便在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

38、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探针来回传播的总时（）便由接收器获得，可表示为（，）：一，。，（）、，式中是电磁波来回传播的时间（）；是探针长度（）；。是被测物质的介电常数，是真空中电磁波的速度（）。整理上式，得。（）（）只要测褥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，对如图的微带环形谐振腔，若微带线宽度很窄，即环的内径、外径和其平均半径殛）接近相等（），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（务）（神（）图微波环形谐振腔法溅奔电常数示意翻式中，。又根据幻厶，厶可得吼谢志协式中办为环形谐振腔

39、第个谐振频率，为光速，。为介质的相对有效介电常华北电力人学硕十学位论文数。另由式一乞孚孚警可计算得出相对介电常数。治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带宽的函数。因此，通过测量天线的谐振频率和带宽就可以反演介质的介电常数。基于驻波比法测量介电常数：整个测量装置如图所示，它由信号源、传输线和探针三部分构成（见介绍）。图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

40、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，其折射率与介质的光频介电常数。和导磁率存在着刀矗万（）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引。圆筒电容法测量煤粉介电常数参考文献，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。圆筒电容法数学模型同轴圆柱形电容传感器的数学模型。如图所示，、为两个同轴圆

41、柱形导体。设为导体半径（即内筒外圆半径）；为导体半径（即外筒内圆半径），华北电力人学硕十学位论文且）；为导体长度。当时，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。一一，、多，多多图圆柱式电容传感器卜导体：一被测物质（设介电常数为）；一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上掣与（）二二。式中，为圆柱形电容器每个极板上的总电荷；。为两圆柱形导体问的电位差；为圆柱形电容器的高度，单位为；、单位相同，也取；占，为、导体间填充的被测物质的相对介电常数。圆筒电容法实验结果参考文献，圆筒电容传感器的结构原理图为图，它是由两个同芯金属圆柱面作为电极组成。两电极高为，内电极半

42、径为，外电极半径为。参数为：，。一；内极内嵌套介质腔外嵌套外极图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，误差在以下。然而在高含水率（以上）下，并不能很好的测量煤粉中的重量含水率。爨测暑溪臻醪毁被实际溅量馕（）图圆筒电容法神经网络输出与实际测量值曲线。，圆筒电容法误差分析从文献中，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造成了不小的影响。并且在高含水

43、分下，在将样本取出测量其真实重量含水率时，样本不易取出，仍有少量样本黏着在圆筒壁上，对测量造成了一定的影响。这多少是由予结构设计方面的因素引起的，在选择驻波法测量介电常数前曾设想用平行板电容法来测量煤粉介电常数。虽然平行板电容法可以解决样本难以取如这一闻题，僵它仍存在着其他润题，所以最终也没有被采用，而最后采用的是驻波法来测量煤粉介质的介电常数。电容传感器工作机理分析含水物质的介电常数与体积含水率及外电场中的极化程度有关。根据电介质物理学，当两种介质并联或平行于电场的连续层时，混合介质麴分电常数应为赣嬲（一）当两种介质串联或垂直予电场的连续层时的混合介质的分电常数魔为（）串君（一口）】一（）式

44、中，掰为第一种介质的体积浓度；。为第一种介质的介电常数；：为第二种介质的介电常数。可见，当对被测含水物质施加一个垂直于其表面的电场时，电荷载体将受电场的作用丽极化，从整体看极化是不均匀的，若用等效介电常数采描述其宏观介电性质，则为含水率的函数。般的物质与水相对于电场既有并联又有串联，因此，含水物质等效介电常数应为露并（），（）式中，素为两者相对外电场的并联率系数；一东为两者相对外电场串联系数。这里用木材电极化过程说明串并联是如何起作用的。对于平行板电容器所建立的辐射电场，其强度在与传感器接触处物质表面附近场强最大，由表及晕强度逐渐减弱。在电场的作用下，极化的水分子相互作用，沿电场方向依次连接成

45、串，形成平行于电场方向和垂直于电场方向的连续薄层，如图所示口引。鬟筌忿象图木材电极化模型从串并联模型还可以说明为什么土壤和水的混合溶液为什么会出现分层现象。这同样适朋于煤与水形成的煤粉混合溶液，即当煤粉中的水分超过一定含量时，会发生煤、水分层的现象。由于尚未建立准确的煤粉介电常数与容积含水率的关系，所以这里借助土壤容积含水率中的公式中建立的土壤介电常数与含水率的关系进行一下说明。这里的数据取自文献豹图中的数据。计算的结采如表所示（假定干燥土壤的介电常数为，水的介电常数为。为了分析的方便性，这里仪将壤看成是由干燥壤和水组成的混合物）。表一混合物介电常数串、并联介电常数参数计算士壤容积含水室对应公

46、式中的混合介电常数并露。在表一中，将第一种介质看作水，表中土壤容积含水率。一栏对应式（）、（一）、（一）中的，嚣、魄为按式（）、式（）计算的结果，为式（一）中的并联系数。由表中可见随着容积含水率的增加，混合后介电常数的影响因素出并联模型向串联模型进行了转变（在这里串联模型相当于均匀的混合物，而并联模型相当子分层的混合物，如图一所示）。可以预见的是随着容积含水率的继续增加，必然导致土壤与水分层现象的发生。由于煤与土壤有许多相似的性质，所以这种解释同样适用于煤、水分层现象的解释。十水土水士一水土并联模型串联模型翻介电常数串、并联模型示意图平板电容法测量煤粉介电常数在论文的前期准备工作中，拟采用平行

47、板电容法作为测量介电常数的方法，后因测量灵敏度等原因而没有采用。在这里仍然对平板电容法测量介电常数加以介绍。实验中并没有采用平行板电容器法主要是基于材料的使用、传感器的灵敏度、误差分析、微小信号检测等凡方面来考虑的。首先，扶材料的使用上来看，要达到同样的测量精度，平板电容器所用的煤粉样本要比圆筒电容多，而且其极板的面积更大。极板材料是用铜板做成的，铜板的徐格较贵，出于要提高测量精度就要把传感器做大，这样会明显的增加材料的用量，而测量精度并没有显著的提高。其次，从传感器的灵敏度方面考虑。在测量同样数量的样本时，圆筒电容法的灵敏度与平板电容相差无几，而且此时平板电容还需考虑边缘效应的影响，圆筒电容

48、法则不需要。再次，从误差分析角度来考虑。文献中电容传感器，圆筒传感器的高度与圆筒内外径差值之比大于，而平行板电容器从设计方便取装煤样的角度考虑，两极板之闻的距离不可能太小，设计时使用。褥从节省样本的角度两极叛面积又不可能做得无限大，在煤样与圆筒电容相同的情况下，极板长宽与间距之比很难达到远大于的要求。这是误差产生的一个方面。另一方面，由于比值不是远大于，极板之间的电场分布将较多的受边缘电场的影响，导致两极板上电荷分布不均，从而影响物质允电常数的计算。最后，从微小信号检测的角度加以分析。由于平行板电容器灵敏度没有圆筒电容法高，这就导致了同样的含水量变化平行板电容器能检测的微小变化要小。既要检测出圆筒电容法同样的变化需要更为复杂的检波电路，这更增加了传感器的成本。所以最终没有选择用平行板电容法进行介电常数的测量。驻波法测量煤粉介电常数驻波法原理的测量仪主要是由高频信号发生器、传输线、探针、精密检波电路等组成。高频信号源产生的高频信号沿传输线传播到煤粉探针，由于探针阻