專利名稱：雙源雙探頭正交式微波測量含水率裝置及測量方法
技術領域：
本發明屬于利用微波測量技術領域。特別涉及用于煤傳送帶上的微波透射式 煤含水率測量的一種雙源雙探頭正交式微波測量含水率裝置及測量方法。
背景技術：
煤的水分含量是煤炭在生產、貿易、加工利用和科學研究中的一項重要指標, 影響產品發熱量和價格。在煤熱值檢測軟測量方法的研究中，水分含量和灰分含 量一樣，是一項重要指標，影響著熱值測量的精確度。因此開發一種可靠、準確 的在線煤水分測量方法，是提高選煤工業效率的關鍵點之一。
煤的水分主要有兩種 一種是外在水分，另一種是內在水分，此外，煤中的 氫和氧，在煤干餾或燃燒時也能生成水，這部分水叫化合水。水分對煤的運輸和 加工利用都是不利的。目前有多種用于快速測定煤炭水分的方法，如紅外法、充 氮干燥法、空氣干燥法、微波法和中子活化法等。其中能用于在線煤水分測量的 方法有紅外法、中子活化法、微波法等。
紅外法的原理是利用被測物體吸收的近紅外線漫反射光譜的不同來測定含 水量，該方法廣泛應用于糧食、土壤等的含水量檢測。然而由于紅外線無法穿透 厚度較高的煤層，所以只能測量煤層表面的含水量，這在一定程度上限制了其應 用。
中子活化法的原理是利用中子源照射被測介質，通過測定激發出的Y射線的 特征峰，測定介質內包含的水分、灰分、揮發分、低位熱值、碳、氫、氧、硫等 元素值。該方法能較準確測量煤層中的各種成分，但是由于具有一定輻射性，且 目前尚處于探索階段，故不適于應用在在線煤水分檢測中。
微波法的基本原理是利用微波通過被測介質時被吸收而產生的能量衰減和 相位偏移，目前為止被應用于食品、土壤、建材、礦石等介質的含水檢測中。通 過調節微波的頻率至被測成分的吸收峰范圍之內，或避開非被測成分的吸收峰， 以適應對不同成分的精確檢測，具有較高可靠性和抗干擾性。是用于煤炭含水測量的的較理想的方法之一。
在微波電場中，水分子受到場的作用而發生取向極化:一方面，不斷從電場中得
到能量而轉換為水分子的勢能并存貯起來，儲存能量用s'度量，稱為介電常量；另 一方面，由于水分子具有惰性，取向極化運動相對于外電場的變化存在一個時間 上的滯后，稱為弛豫，弛豫的宏觀效果使水分子產生損耗,這種損耗意味著水分子又 不斷地釋放能量，釋放能量用s'度量介電損耗因子。前者表現為對微波信號的相 移,后者表現為對微波信號的衰減，這一特性用水分子的介電常數》(電容率)來 表征,即
(2)
介電常數s與電場的頻率有關。水分子是一種強極性偶極子，在同樣頻率同樣 強度的電場作用下,極化程度遠大于其它物質。如在如常溫下，在頻率—10GHz 時，水的介電常數f ^64-j29，而煤的s'"3， /"0.01。水對微波的吸收比煤高幾
千倍,這種顯著的差別表明,材料中含水量的多少是決定混合物質介電常數的重要 因素。因此選擇最佳測試頻率就是要選擇對水吸收最大的微波頻率。 微波通過含水煤層衰減率可用以下公式表示-
Io表示發射器天線發射微波的幅度；L表示接收到的幅度；L表示煤層厚度;
這樣，只要測出處于含水煤層兩端的微波源發射功率和檢波器檢測到的接收 功率，就可以獲得煤層的總含水率。
在實際工業應用中，隨著煤的種類、粒度、含水率、厚度的不同，使得介質 對微波的吸收率的的變化范圍非常大，如果只使用單一頻率的微波，將很難兼顧 測量量程與測量精度。因此本發明提出了采用高敏感度的高頻微波結合強穿透性 的低頻微波共同測量的辦法，即在低厚度、低含水率的時候主要采用高頻微波通道的測量數據，使得低量程下的精度得以有效保障；而在厚度過高或含水率過高 以至于高頻微波通道無法獲得有效數據的時候，主要釆用低頻微波的測量數據， 使得在該情況下仍能提供有效測量數據。
發明內容
本發明目的在于提供一種雙源雙探頭正交式微波測量含水率裝置及測量方 法。其特征在于，所述裝置包括9.4GHz微波信號源、2.4G微波信號源、9.4GHz 檢波器、2.4GHz檢波器、9.4GHz發射天線、9.4GHz接收天線、2.4GHz發射天 線、2.4GHz接收天線、數據采集卡和計算機。9.4GHz發射天線和2.4GHz發射 天線沿煤輸送方向并列安裝于煤傳送帶上方，并分別與9.4GHz微波信號源和 2.4GHz微波信號源相連，9.4GHz接收天線和2.4GHz接收天線位于煤傳送帶下 方，分別與9.4GHz檢波器和2.4GHz檢波器相連，9.4GHz檢波器和2.4GHz檢波 器與數據采集裝置相連，數據采集裝置將釆集到的微波衰減信號上傳給計算機， 計算機計算處理得到傳送帶上煤實時含水率。本發明提供的測量方法式利用所述
裝置，獲取煤傳送帶上的煤的含水率。 實現本發明方法包括如下步驟
1) 9.4GHz微波源產生微波，經9.4GHz天線發射至煤層表面；
2) 2.4GHz微波源產生微波，經2.4GHz天線發射至煤層表面，該天線振蕩 方向與上述9.4GHz天線振蕩方向垂直；
3) 9.4GHz接收天線接收到微波，并將微波傳送給9.4GHz檢波器，檢波器 將檢到的信號功率值傳給數據采集卡；
4) 2.4GHz接收天線接收到微波，并將微波傳送給2.4GHz檢波器，檢波器 將檢到的信號功率值傳給數據采集卡；
5) 計算機根據采集卡采集到的兩個頻率的功率數據計算出含水率。 本發明的有益效果-
在上述技術方案中，本發明充分利用9.4GHz微波對于含水率的高敏感性和 2.4GHz微波的強穿透性能，將二者結合起來對含水率波動較大的傳送帶上的煤 進行穿透式測量，并為防止兩個頻率的微波相互串擾，將兩套天線根據電磁波振蕩方向正交安裝，在最大程度上克服了此類微波測水儀器高靈敏度與大量程的矛 盾，可有效解決實際生產過程中的測量問題。
圖1為雙源雙探頭正交式微波測水裝置結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提供了用于煤傳送帶上的微波透射式煤含水率測量的一種雙源雙探 頭正交式微波測量含水率裝置及測量方法。圖1所示為用于煤傳送帶上的微波透
射式煤含水率測量示意圖。所述裝置包括9.4GHz微波信號源101、 2.4G微波信 號源103、 9.4GHz檢波器106、 2.4GHz檢波器108、 9.4GHz發射天線102、 9.4GHz 接收天線105、 2.4GHz發射天線104、 2.4GHz接收天線107、數據采集卡IIO和 計算機111。 9.4GHz發射天線102和2.4GHz發射天線104沿煤輸送方向并列安 裝于煤傳送帶109上方，并分別與9.4GHz微波信號源101和2.4GHz微波信號源 103相連，9.4GHz接收天線105和2.4GHz接收天線107位于煤傳送帶109下方， 分別與9.4GHz檢波器106和2.4GHz檢波器108相連，9.4GHz檢波器106和 2.4GHz檢波器108與數據采集卡IIO相連，數據采集卡IIO將采集到的微波衰減 信號上傳給計算機111,計算機111中配以適當的處理程序，實現對傳輸帶109 上煤水分的測量。
本發明提供的用于煤傳送帶上的微波透射式煤含水率測量方法，是通過測量 兩路微波信號通過煤層后的剩余的功率，反推出兩路微波信號在煤層中的衰減 率，從而得出含水率。含水率的計算公式如下-
7" (5)
'。2 7ol
其中M為含水率，7"為9.4GHz檢波器測得的功率，7"為2.4GHz檢波器測
得的功率，7。'為9.4GHz檢波器在傳送帶上無煤通過時測得的功率，7。2為2.4GHz
檢波器在傳送帶上無煤通過時測得的功率，^和A分別為9.4GHz頻段和2.4GHz 頻段的標定因子，需在傳感器安裝完成后實施數據標定后確定。以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對
于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均 會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種雙源雙探頭正交式微波測量含水率裝置，其特征在于，包括9.4GHz微波信號源、2.4G微波信號源、9.4GHz檢波器、2.4GHz檢波器、9.4GHz發射天線、9.4GHz接收天線、2.4GHz發射天線、2.4GHz接收天線、數據采集卡和計算機所述9.4GHz發射天線和2.4GHz發射天線沿煤輸送方向并列安裝于煤傳送帶上方，并分別與9.4GHz微波信號源和2.4GHz微波信號源相連，9.4GHz接收天線和2.4GHz接收天線位于煤傳送帶下方，分別與9.4GHz檢波器和2.4GHz檢波器相連，9.4GHz檢波器和2.4GHz檢波器與數據采集裝置相連，由此數據采集裝置將采集到的微波衰減信號上傳給計算機，數據采集裝置將采集到的微波衰減信號上傳給計算機，計算機啟動數據處理程序，獲得傳送帶上煤實時含水率。
2. 根據權利要求1所述雙源雙探頭正交式微波測量含水率裝置，其特征在 于，所述9.4GHz、 2.4GHz兩套天線振蕩方向相互正交。
3. —種雙源雙探頭正交式微波測量含水率測量方法，其特征在于該方法通 過振蕩方向相互正交的兩套微波發射天線分別穿過傳送帶上的煤層，相對應的微 波接收天線分別接收相對應的電磁波，并通過檢波器獲取穿透煤層后各自剩余的 微波功率，獲得煤層的含水率，該方法包括如下步驟-1) 9.4GHz微波源產生微波，經9.4GHz天線發射至煤層表面；2) 2.4GHz微波源產生微波，經2.4GHz天線發射至煤層表面，該天線振蕩 方向與上述9.4GHz天線振蕩方向垂直；3) 9.4GHz接收天線接收到微波，并將微波傳送給9.4GHz檢波器，該檢波 器將檢到的信號功率值傳給數據采集卡；4) 2.4GHz接收天線接收到微波，并將微波傳送給2.4GHz檢波器，該檢波 器將檢到的信號功率值傳給數據采集卡；5) 計算機根據采集卡采集到的兩個頻率的功率數據計算出含水率。
4. 根據權利要求2所述雙源雙探頭正交式微波測量含水率測量方法，其特征在于，所述計算機計算含水率為<formula>formula see original document page 2</formula>其中M為含水率，7"為9.4GHz檢波器測得的功率，z"為2.4GHz檢波器測 得的功率，7。'為9.4GHz檢波器在傳送帶上無煤通過時測得的功率，乙為2.4GHz 檢波器在傳送帶上無煤通過時測得的功率，A和A分別為9.4GHz頻段和2.4GHz頻段的標定因子。
全文摘要
本發明公開了屬于微波測量技術領域的涉及用于煤傳送帶上的微波透射式煤含水率測量的一種雙源雙探頭正交式微波測量含水率裝置及測量方法。該裝置包括9.4GHz和2.4GHz發射天線沿煤輸送方向并列安裝于煤傳送帶上方，并分別與相同頻率的微波信號源相連，9.4GHz和2.4GHz接收天線位于煤傳送帶下方，分別與相同頻率的檢波器相連，9.4GHz檢波器和2.4GHz檢波器與數據采集卡相連，數據采集卡將采集到的微波功率信號上傳給計算機，計算機中配以適當的處理程序，得到傳送帶上煤實時含水率。本發明提高測量范圍，同時提高測量精度，克服傳統方法存在的測量范圍與精度之間的矛盾，并有效消除相互干擾，滿足動態測量的要求。
文檔編號G01N22/04GK101566587SQ20091008553
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月25日 優先權日2009年5月25日
發明者徐文立, 麗 曹, 王煥鋼, 耿 陸 申請人:清華大學