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一种新型的多频谱微波水分仪

一、前言
微波是一种电磁波，利用微波在特定频段（1GZH-5GGZ）对水分子的敏感特性来测量物体中的含水率就是微波水分仪。当今微波水分测量技术越来越普遍的应用到各个行业。该测量技术主要用来监控生产过程中物料的水分含量，以便企业提高产品质量，有效控制生产过程，节约成本，提高生产效率和生产效益。
二、微波水分仪的基本组成与原理
微波水分仪通常由以下几部分组成：1发射天线、2接收天线、3微波功能发生器、4微波水分变送器、5校准软件。
其基本原理原理如下：发射天线把微波功能发生器的发出的微波能量微波穿透被测物料，到达接受天线，接收天线接收到微波能，然后反馈给微波变送器。当微波穿透物料时，由于物料中的水分子是极性分子，会吸收微波，产生键脚振动，将电磁能转化为热能。因此产生了微波相位的差别和振幅的衰减，依靠这两个量可以计算物料中水分的含量。这是微波测量的基本原理。
三、单频段（2.4GZH）微波水分仪测量时所面临的困难
采用2.4GHZ频段用来测量水分是一种聪明的选择，因为水分子在2.4GZH频段这个区间是最敏感的。而且市场上常用的无线通讯频段也是这个频段（如大家常用的无线WIFI）这样在仪器的生产过程中可以找到很通用的微波器件。
但是单纯的2.4GZH在做在线测量时面临很多的困难：因为微波能量的衰减和相位的变化不仅仅受物料的含水量变化而变化，它还受物料的温度、密度、厚度、粒度等种种因素影响，如果单纯采用能量衰减的比例关系来测量水分，必须会受以上因素影响，而无法精确测量
阻尼衰减测量时会遇到温度的影响，如下表所示：
温度[°C]010203040506075阻尼衰减(dB/cmH2O)7,475,364,033,052,421,911,531,16上述表格显示，当温度变化10度时，每cm水分的阻尼数值变化非常明显。因此当实际测量时物料温度有大范围波动时，并且采用阻尼衰减来测量物料水分时，会受到温度变化的严重影响，因此一些微波测量系统必须要添加温度测量仪来进行温度补偿
无论是采用相位差法或者是阻尼衰减法，都不可避免的会受物料密度变化的影响。当一定体积中被测物料的密度变化时，微波水分测量仪将无法精确的反应被测物料的真实含水量。比如：当一定体积的10公斤含水10%的烟包A经过微波测量仪时，微波测量仪反应该物料含水10%。当相同体积的20公斤含水10%的烟包B经过时，这时微波测量仪认为烟包B含水20%。因为烟包B的重量增加了，密度变大了，单位体积中水分含量增加了，但是实际上烟包B的真实水分含量还是10%。生产中物料的重量和密度是无法保持严格一致的。因此上述物料密度的变化对微波水分测量造成严重的不可避免的影响。
目前普通的微波水分测量仪为规避该上述影响，需采用了各种各样的补偿手段，主要有：重量补偿，密度补偿温度补偿等等。还有很多因素无法用补偿来完成的，比较配方的变化或原料自身产地、形态的变化都无法进行补偿。
四、一种多频段微波水分仪
为了克服以上2.4GZH微波水分仪在测量时所遇到的困难，德国默斯（MOSYE）公司专门研发了一款基于1GHZ—5GZH这一微波带宽之间的连续多频谱微波水分仪。
德国默斯(MOSYE)公司为什么要采用多频连续微波来解决问题呢？请继续往下看。
微波测量水分主要因为水分的介电性质，介电常数可以表示为：
Ɛr=Ɛ´r-j(Ɛ´´r+ơ/ωƐ0)
式中Ɛ´´r为介电损耗，ơ/ωƐ0为导电损耗，ω和微波频率成正比关系。当低频时，导电损耗占主导地位，因此需要提高频率，使介电损耗占优势，这样才能精确测量物料中的含水量。比如煤炭，煤炭中的矿物质容易在水中形成离子导电，产生导电损耗，当煤炭水分小于10%，微波发射频率在1GHz到3GHz之间时，导电损耗有明显的影响，使得微波衰减和含水量之间的关系并不明显。当微波频率高于3GHz后，介电损耗占优势，微波衰减和含水量成明显的线性关系，如下图所示：

因此不同的物料、不同的量程范围其水分子对微波能的吸收峰都是不同的，在一个宽频区间，如何选取适合的频率段只能由被测物当时的现场环境来决定。
因此采用多频连续微波频谱可以有效采集被测物在高低频区间的全部的微波特性。然后通过自学习的神经网算法，由仪器自主学习找到测量的最佳校准模型和曲线关系。
这样就为规避物料的温度、厚度、密度等因素带来的测量影响提供很好的方法。
所以：
默斯（MOSYE）公司的这款水分仪最大的特点在于采用连续多频谱分析方法，从1GHZ—5GHZ连续对被测物进行快速扫描，得到被测物的微波特性。然后，智能自学习的神经网算法，让仪器自主去学习被测特的微波特性。这种自学习算法，可以主动过滤和去除因物料温度、厚度、密度、粒度等因素带来的测量影响，从而实现精确的在线测量。
五、默斯多频微波与2.4G单频段微波的不同点