微波水份測試技術(shù)開創(chuàng)水分測定儀的新紀(jì)元

1 前言

長期以來水份測試多以烘干稱量法為主；其他還有烘箱法、蒸餾法、光譜法、電化學(xué)等，但這些方法都比較繁瑣，而且費(fèi)時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測試，利用微波測量水份是一個(gè)嶄新的測量理論和方法，能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)水份含量的快速測試。不用烘干、不用任何試劑，快速準(zhǔn)確，同時(shí)能在現(xiàn)場進(jìn)行測試。
微波水份測試是我國獨(dú)立自主創(chuàng)新的測試技術(shù)，由于其具有快速準(zhǔn)確，無可比擬的優(yōu)越性?？梢哉f它開創(chuàng)了水份測試的新紀(jì)元。

2 微波測試原理

水分子是極性分子，在受到微波場的作用下會(huì)反復(fù)取向，造成微波信號的衰減。

介電常數(shù)表征為：ε=ε’+aε”

式中：ε’為儲(chǔ)能的度量；ε”為衰減的度量；a為常數(shù)。

ε’ 與ε”不僅與材料有關(guān)，還與測試信號頻率有關(guān)。所有極性分子均有此特性，一般干燥的物體，如橡膠、木材、皮革、谷物、塑料等，其ε’在1~5范圍內(nèi)，而水的ε’則高達(dá)64~80，因此，材料中含有少量水分時(shí)，其ε’將顯著上升，ε”也有類似性質(zhì)。使用微博傳感器，測量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號的衰減量，就可以換算成物體的含水量。

3 儀器原理及先進(jìn)性

由于水在微波波段呈現(xiàn)寬帶旋轉(zhuǎn)松弛左右，微波被水分子強(qiáng)烈地吸收和散射。完全干燥的基質(zhì)材料在相同的頻率范圍是可以透過的，從而適度測量技術(shù)就成為可能。該項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于連續(xù)過程和實(shí)驗(yàn)室樣件濕度測量，用9.4GHz的微波穿透法，可以測得其固體的性狀、稀漿和液體。由于水是極化分子，其介電性質(zhì)是穩(wěn)定的函數(shù)，所以，若基體材料存在溫度的變化，儀器校正時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖1為穿透法測濕應(yīng)用示意圖。

微波水份測試技術(shù)開創(chuàng)水分測定儀的新紀(jì)元插圖1

以乳膠測試為例：

微波測濕在乳膠測試中，應(yīng)用衰減法測定乳膠中的干膠含量，實(shí)質(zhì)上是測定其含水量對微波的衰減。由于橡膠烴分子的外層吸附有一薄層蛋白質(zhì)與類脂物的緣故，干膠中絕大部分是橡膠烴，常吸附少量的水、蛋白質(zhì)、碳水化合物和無機(jī)鹽等，這些非膠組分往往隨樹齡、物候、土壤、季節(jié)、割膠強(qiáng)度和化學(xué)保護(hù)劑含量等因素的不同而變化。大部分非膠組分是極性分子，如白堅(jiān)木皮醇、堿性蛋白質(zhì)、丙酮溶物等，介電常數(shù)均較高，可以將它們折合成含水量來處理，這樣使得干膠含量的測定誤差大為減少。微波的量化零點(diǎn)偏差與溫度關(guān)系、微波強(qiáng)度量化電壓與干膠含量關(guān)系如圖2、圖3所示。

微波水份測試技術(shù)開創(chuàng)水分測定儀的新紀(jì)元插圖2

4 流體微波水分測定儀系列

① 流體微波水份測定儀系列可以快速智能測定各種流體的水份含量，單次測量時(shí)間在1~3s內(nèi)實(shí)現(xiàn)含量數(shù)字化。

② 微波水份測定儀利用各種流體中的水分子、固形物等在不同溫度下對微波的不同反應(yīng)進(jìn)行測量，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速修正計(jì)算，得出正確的測量結(jié)果。

③ 微波水份測定儀運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制波導(dǎo)振蕩器輻射出一固定頻率、固定強(qiáng)度且與被測樣品相匹配的微波。

④ 微波水份測定儀運(yùn)用自動(dòng)進(jìn)料器將待測定的流體均勻穩(wěn)定地送入測量管，最大限度地減少了手工操作所帶來的不確定性誤差。

⑤ 微波水份測定運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)直觀地顯示出正確的測量結(jié)果。

⑥ 在測量完成后自動(dòng)的對流體進(jìn)行回收，最大限度地減少對原料的浪費(fèi)。

5 微波水份測定技術(shù)指標(biāo)

① 量程：10%~55%（D.R.C）；

② 分辨率：0.01%（D.R.C）；

③ 測量精度：1%（D.R.C）；

④ 讀數(shù)方式：TFT-LCD數(shù)字顯示；

⑤ 通過USB數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)，并可控。
常規(guī)水份測定法方法與快速微波水份測定法的對比如圖4所示。

表1
檢測方法	精度	節(jié)能環(huán)保	實(shí)驗(yàn)時(shí)間	被檢測樣品	每臺價(jià)格（元）
烘箱稱重法	0.1%	不	5min以上	破壞	10000
紅外烘干稱重法	0.1%	不	5min以上	破壞	30000
微波烘干稱重法	0.1%	不	5min以上	破壞	48000
蒸餾法	0.1%	不	60min以上	破壞	2000
電化學(xué)法	0.1%	不	5min以上	破壞	220000
紅外光譜法	0.1%	不	快5min以上	不破壞	200000
快速微波檢測法	0.1%	節(jié)能環(huán)保	更快10s以內(nèi)	不破壞	50000

從對比中可以看出微波測試具有無可匹敵的優(yōu)越性，可以充分肯定微波測試水份開創(chuàng)了水份測試新時(shí)代，在不久的將來會(huì)在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用和發(fā)展，成為水份測定最有效的測試手段。

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作者簡介：尋繼勇，現(xiàn)任湖南赫西儀器裝備有限公司技術(shù)顧問。負(fù)責(zé)離心機(jī)專業(yè)高速電機(jī)及動(dòng)力測控設(shè)備、煤采樣機(jī)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工；各類天平、顯微鏡、離心機(jī)設(shè)計(jì)、加工制造及銷售技術(shù)支持工作。曾參加超速（30000r/min）臺式冷凍離心機(jī)的開發(fā)工作，并參與離心機(jī)等機(jī)械行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)的起草及編寫工作。

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