几种固体水分电测法及其比较

卢林菊

（乐山师范学院物理与电子信息工程学院，四川　乐山　614004）

几种固体水分电测法及其比较

卢林菊

（乐山师范学院物理与电子信息工程学院，四川乐山614004）

固体中水分含量是衡量产品质量以及生产过程控制的一个重要参数。对水分进行控制可以优化加工过程、提高加工质量、节约能源。简述了几种固体水分的电测法，并对几种方法进行了比较。

红外式；微波式；电阻式；电容式；中子式

1　水分测量的主要方式

测量水分的主要方法如表1所示。直接法是通过干燥或化学反应后直接测出额绝对含水量的一种方法，它的精度高，费时，其中，标准干燥法是基准法，测量时不会改变样品质量，只须在常压下将样品加热烘干到100℃左右，求出样品减小量。间接法是通过测量与水分变化相关的物理量变化，如电阻、介电常数等来测量水分含量的。

表1　水分测量的主要方法

2　固体水分的电测法

（1）红外式固体水分电测法。在近红外光谱区某些波长的红外辐射能量可以被水分子选择性地吸收，而在这些波长之外的红外辐射能量几乎不被水分子吸收。因此我们可利用易被水吸收和不被水吸收的两种波长的红外辐射轮流交替地透过被测固体，取其透过被测固体的辐射强度之比值来测定被测固体的水分。造纸工业中的红外水分测定仪就是依据这个原理测定纸张中的水分的。红外水分仪是一种在线非接触式物料水分检测仪。这类产品适用于冶金、煤炭、化工、化纤、造纸、烟草、食品、建筑等多个行业，能对生产线上各个工艺点的水分值进快速准确测量，减少人工采样化验，有利于水分数据的实时采集、分析，并为生产工作起指导性作用。

（2）微波式固体水分电测法。在微波范围内，某些物质会强烈地吸收微波能量而引起衰减，特别是水分对微波能量的吸收最为显著。当物料中的含水量增加时，微波能量的衰减也将成比例增加。因此，利用湿物料对微波的吸收衰减原理，便可测出固体物料如纸张、烟草、木材、粮食等的含水量。波导式微波水分测试仪就是一个实例。通过检测微波在穿过物料后传播方向上的传播速度和强度会发生的不同变化来计算物料中的水分含量。微波信号可由发射天线发射，穿过物料后，由对应的接收天线接收。通过精确地分析穿过物料后的微波信号，推导出物料中水的质量分数，将结果实时输出并显示在液晶屏界面上。微波波长不同，对水的衰减灵敏度也不同，在选择微波的波长时，要从被测物料的材质和大小、被测物含水量的高低等综合考虑。例如，测量纸张水分时，选用波长在1.36cm附近的微波。因为在这个波段范围内，水对微波的吸收要比纤维等其他材料大几十倍以上，从而可以排除其他物质对微波的吸收所带来的干扰。

（3）电阻式固体水分电测法。利用固体物质的电阻阻值随含水量的不同而不同的特性，可以测量其湿度，例如测量纸页的电阻值，便可间接地测得纸页的水分。纸页电阻的测量头如图1所示。图中3个电极是用不锈钢制造的电极，它们之间用聚四氟乙烯绝缘，被测纸页在电极下面，这样可以测量纸页表面的电阻值Rx。当纸页表面水分低于纸页内部水分时，这种测量方法将产生较大的误差，最好测量穿透电阻，电极还可装在炒纸机的两辊之间，在生产过程中测量纸页的水分。电阻Rx的测量可以采用电桥法。将Rx作为自动平衡电桥的一个桥臂。当纸页水分变化时间，电桥产生不平衡电压，经电子放大器放大后，驱动可逆电机转动，带动滑线电阻RP的滑动触点，直到电桥重新平衡为止。可逆电机还同时带动记录笔移动，记下纸页水分的变化。记录仪的刻度要按不同的纸种进行标定。电阻方法因其快速、准确、成本低的特点一直是最常用的水分测量方法，但由于电阻方法存在信号强度小、取样要求高、抗干扰性较差等缺陷，近年来出现了许多新的基于电阻测量原理的创新方法，如两量程直流电阻法，脉冲电阻法，复阻抗分离法，交流阻抗法等。

图1　电阻式测定纸页水分

（4）电容式固体水分电测法。干物料吸收水分以后，其介电常数将大大增加，根据物料介电常数与水分的关系，通过测量以物料为电介质的电容器的电容值即可确定物料的水分。图2为用于测量纸页湿度的共面式平板电容器示意图。这种传感器的突出特点是将两个极板安置在同一平面上，以纸页作为电介质构成了所谓共面式平板电容器。在两极板间形成一个电场，其电力线穿过纸页的情况如图中虚线所示。电容器的两个极板可以与纸页直接接触（甚至可以加一定压力），中间也可以有一定距离。为了防止极板的边缘效应，极板可以制成同心圆形式。此外，极板还可制成方形或将极板放置在纸页两侧。

图2　共面式平板电容传感器

（5）中子式水分检测法。中子水分仪可用于工业生产过程中对物料水分含量的在线连续检测，广泛适用于钢铁、建材、水泥、铸造、玻璃、陶瓷等行业，并能输出控制信号以实现生产过程的闭环自动控制。中子水分仪按应用分为两种：皮带水分仪，矿槽水分仪。皮带水分仪可用于工业生产过程中对各种输送机输送过程中物料水分含量的在线连续检测，广泛适用于钢铁、建材、水泥、铸造、玻璃、陶瓷等行业，并能输出控制信号以实现生产过程的闭环自动控制。工作原理：检测原理是基于中子对水分中的H元素敏感，H元素可以使中子发生慢化，而其它物质则是几乎没有这一过程。矿槽水分仪可用于工业生产过程中对矿槽、料仓、料斗等各种物料水分含量的在线连续检测，广泛适用于钢铁、建材、水泥、铸造、玻璃、陶瓷等行业，并能输出控制信号以实现生产过程的闭环自动控制。检测原理是基于中子对水分中的H元素敏感，H元素可以使中子发生慢化，而其它物质则是几乎没有这一过程。

3　几种固体水分电测法的比较

红外在线检测法是非接触式测量，可以尽量靠近检测点安装；具有成熟技术，为国外大多数厂所采用；无放射性危害；与物料的流量和料层厚度无关；对物料成分及配比的变化不敏感；响应速度快，测量精度高，便于实现混合料水分自动控制；标定简单，维护方便。

微波在线检测法也是非接触式测量，无磨损，无干扰，维护量小；微波检测法不能用于烧结混合料，因为烧结混合料含大量的金属矿，对微波有屏蔽作用；快速的实时结果：可达到毫秒级的反应速度；全自动化运转：自动检查各部分单元运行状态；人性化操作界面：配合用户的不同需求；便捷的安装和调试：可根据现场安装环境选型；无放射性核源：安全无污染，可靠性高。

电阻在线检测法是接触式测量；电极直接接触物料，磨损很大；所测电阻受其他因素影响很大，对水分的选择性很差。

Rx=f（x1，x2，x3，L）

其中x1为物料水分，x2为原料导电性（成分、配比），x3为料层厚度。

中子在线检测法是通过探测物料中的氢原子推测物料水分，分为有接触式测量和非接触式测量。接触式测量——矿槽安装；探头外壁接触物料，磨损严重；物料易粘在探头上；探头附近的物料流动缓慢；测量滞后很大；实物标定十分复杂；物料结晶水及碳氢化合物组分的变化都会影响测量结果。非接触式测量——皮带机安装，仍然在探索阶段，技术不成熟；结构复杂，响应时间长；性能及精度差；需配放射性密度计；不易消除水蒸气的影响；如靠近混合机出口安装，可能给现场工人带来放射性危害。

4　固体水分测量的展望

常规水分测量方法精度高，适用于实验室检测，但耗时，无法实现快速、在线检测，样品中结合水常常无法检测，不能准确反映体系的水分结合特征，而且在测量过程中待测物粉碎或发生了化学变化，致使其不能保持原有的形状、结构和组分。现代仪器检测方法能够在不破坏待测物原来的状态和化学性质的前提下，通过体系本身的物理、光学及化学性质来测其含水量，并且可以测结合水，真正的反映体系水分含量，同时检测方便、快速，可以实现在线监测，大量样品检测。随着现代仪器的不断发展，核磁共振法和近红外光谱法以及气相色谱法将会有广阔的应用前景。计算机技术、原子技术与半导体技术的飞速发展，给各领域水分检测的数字化、在线化提供了广阔的空间，现代仪器测试技术必将为其提供技术保证。市场检测仪器的标准化、通用化和系列化又会加速现代仪器方法的研究和应用。

The Comparisons of Several Kinds of Solid Water
Electrical Measuring Methods

LU Lin-ju
（Leshan Teachers College of Physics and Electronic Information Engineering College，Leshan，Sichuan 614004，China）

The moisture content in the solid is an important parameter to measure the quality of the product and production process control.Controlling moisture content can optimize machining process，improve the processing quality and save energy.This paper makes descriptions and comparisons of several kinds of solid water electrical measuring methods.

Infrared type；Microwave type；resistance type；capacitance type；neutron type

O348.2

A

2095-980X（2015）10-0051-02

2015-09-16

卢林菊（1975-），女，讲师，主要研究方向：传感器与检测技术、高频电子线路的教学与讲究。