专利名称：电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法
技术领域：
本发明涉及一种用电磁波技术无损检测工业物料水分的方法，尤其是对低水分工业物料的检测。
背景技术：
高炉喷吹煤粉技术对现代高炉炼铁技术来说是具有革命性的重要措施，它是高炉炼铁能否与其它炼铁方法竞争，继续存在和发展的关键技术。然而，喷吹煤粉的流量和水分的控制要求高，尤其是对水分含量要求严格。水分高低除了会降低其理论燃烧温度以外，还会堵塞喷枪和管道，影响喷吹系统的稳定运行，测量煤粉流量的技术种类很多，例如申请号为CN86103084的专利申请介绍了以流量噪声为检测信号的气动输送煤粉流量测量方法与装置；申请号为CN90109038.7的专利申请介绍了以压力传感器为基础的煤粉流量监测器及其控制系统；申请号为CN98112839.4的专利申请介绍了以光纤压力传感器为基础的一种管道煤粉流量的检测方法及其装置；申请号为CN90101872.4的专利申请介绍了以检测微波信号衰减为基础的一种多用途微波煤粉流量计；申请号为CN01126941.3的专利申请介绍了以检测接收光透射信号为基础的管道煤粉在线监测装置；申请号为CN01107746.8的专利申请介绍了以能量平衡原理为基础的一种煤粉浓度的测量方法与测控装置；申请号为CN87212927的专利申请介绍了以检测电容量变化为基础的一种电容式煤粉浓度测量仪；申请号为CN02256513.2的专利申请介绍了利用核辐射源测量输煤管道内煤粉状态的煤粉流量仪。
同一发明人的专利号为02125071.5的专利介绍了超高频谐振腔连续测量松散物料流量的方法，亦能测量煤粉的流量。同一发明人的申请号为200410040027.X的中国专利公开了“一种物质成分和含量的检测方法”，系涉及一种电磁波谱技术在识别物质成分和含量上的应用。该方法的核心是考虑了物质的弛豫特性，能识别物质的成分和含量。但该方法太复杂，而且对煤粉水分的快速检测而言，不能通过升温获得其电磁波谱特性。
Ponte和Cutmore分别介绍了利用微波透射法测量煤粉水分的技术，水分范围分别为5％～15％和17.1％～21.3％。目前，低含水量煤粉的水分测量一般采用传统的人工称重干燥法，这种方法不能进行水分快速测量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的弱点，提供一种可靠的电磁波共振腔快速测量低水分含量喷吹煤粉水分的方法，即用电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法。
由电磁波理论可知，对于图1所示的中间填充了物质的圆柱形E010模金属共振腔，其场分量为Hθ＝[AJ1(βr)+BY1(βr)]ejωtEz=-jμϵ[AJ0(βr)+BY0(βr)]ejωt]]>上式中，A、B和β=ϵμ·ω]]>分别是腔内a、b、c区的相应值。利用边界条件可得AaJ0(βaa)+BaY0(βaa)＝0AaJ1(βab)+BaY1(βab)-AbJ1(βbb)-BbY1(βbb)＝0AaϵaJ0(βab)+BaϵaY0(βab)-AbϵbJ0(βbb)-BbϵbY0(βbb)=0]]>AbJ1(βbc)+BbY1(βbc)-AcJ1(βcc)＝0AbϵbJ0(βbc)+BbϵbY0(βbc)-AcϵcJ0(βcc)=0]]>上式中，βa=ωμaϵa,βb=ϵbϵaβa,βc=ϵcϵaβa]]>定义M1＝J0(βbb)Y1(βbc)-J1(βbc)Y0(βbb)M2＝J1(βbb)Y1(βbc)-J1(βbc)Y1(βbb)
M3＝J0(βbb)Y0(βbc)-J0(βbc)Y0(βbb)M4＝J1(βbb)Y0(βbc)-J0(βbc)Y1(βbb)M=Y1(βab)/J1(βab)-Y0(βaa)/J0(βaa)Y0(βab)/J0(βab)-Y0(βab)/J0(βaa)]]>=1+1F·ab·J0(βaa)J1(βaa)]]>F=[Y0(βaa)J0(βab)-Y0(βab)J0(βaa)]πβaa2]]>利用上述方程简化后得ϵcϵa=b2c2[1+(βab)28][M-Mb(1-(βab)28)]1+(βab)28[M-Mb]]]>Q1=Q0[a2c2Fb2+b2c2(ϵbϵa-1)][1-2βc(b-c)J1(βcc)J0(βcc)]+ϵc-ϵbϵaaa+lf0f1[a(a+l)l2Fb2+b2c2(ϵb-1ϵa)][1-2βb(b-c)J1(βcc)J0(βcc)+ϵc-ϵbϵa]]]>+2Q02b-ccϵbϵatgδb]]>若中空介质管内为煤粉，由于煤粉是水和干煤粉的混合物，则εc＝ε1α1+ε2α2上式中，ε1和ε2分别为水和干燥煤粉的相对介电常数；α1和α2分别为水和干燥煤粉的体积百分比。由上述讨论可见，仅需测量出煤粉进入共振腔前后的频偏Δf＝f1-f0、电磁波信号的衰减和温度，通过实验校准，即可反演出煤粉的水分含量。
实验结果如下在图2所示的实验条件和25℃的室内环境下，对表1所示的煤粉，用昆明金汇通无线与微波技术研究所开发的电磁波波谱仪测量得到的波谱图见图3所示。低水分含量煤粉电磁波信号的衰减与水分含量的关系见图4所示，实验结果见表2。以上结果与理论分析一致。
表1 某钢铁厂喷吹煤粉的成份
表2 电磁波测量某钢铁厂喷吹煤粉水分的实验结果
另一方面，在煤粉体积一定时，上述结果受温度的影响，故必须对煤粉的温度进行测量校准，校准定标过程如下静态时，对共振腔内不同温度、不同填充密度和不同水分含量的煤粉进行测量，获得此时共振腔内煤粉引起的频偏Δf和电磁波信号的衰减，列表存入计算机，完成定标校准过程；动态时，煤粉连续进入共振腔，在取样时刻计算机从USB口读取煤粉流经共振腔时的频偏Δf、电磁波信号的衰减和温度，经查表等处理后即知该时刻介质管内煤粉的水分。
本发明所述的电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法，所使用的装置包括金属共振腔、中空介质管和计算机，所述的金属共振腔为被电磁波激励的、恒温的金属共振腔，所述的中空介质管位于金属共振腔中，该方法包括以下步骤(一)、事先将不同填充密度和水分的煤粉放入共振腔内，并对其频偏Δf和电磁波信号的衰减进行测量，同时测量煤粉的温度，列表存入计算机，完成定标校准过程；(二)、使煤粉连续流过中空介质管，在取样时刻从计算机读出煤粉流经共振腔时的频偏Δf、电磁波信号的衰减和温度，经查表等处理后即知该时刻介质管内煤粉的水分。
上述的喷吹煤粉为低含水量喷吹煤粉，具体是指含水量在4％(重量百分比)以下的喷吹煤粉；除了喷吹煤粉以外，本发明还可用于低含水量(含水量在4％以下)工业物料的水分测定，例如，精矿、水泥、化工原料等。
本发明是提供一个电磁波与喷吹煤粉或低含水量工业物料的强相互作用区，即金属共振腔，采用分布参数谐振腔会使检测精度更高。所述的金属共振腔可以是开放式的，也可以是封闭式的，其形状可为多种形状，如圆柱形、方形、平面形等；当金属共振腔为封闭时，腔壁上应有开口，让中空介质管从中穿过；当共振腔为开放时，中空介质管应靠近共振腔，其距离应小于激励的共振腔的电磁波的一个波长；所述的中空介质管不吸收电磁波。
根据上面的方法，本专业的普通技术人员就可以实施本发明技术，实现发明的目的。
本发明的优点与人工称重干燥法相比较，本发明测量速度快；与微波透射法比较，本发明可用于低水分含量煤粉水分的检测；与同一发明人的公开号为200410040027.X的专利比较，本发明实现简单，更适于煤粉水分的测定。本发明是一种无接触式测量，测量稳定性好、易调整、免维护。对水分含量为0.31％～1.49％的煤粉，检测结果误差小于0.16％。
图1为圆柱形金属共振腔及其坐标系。
图2为电磁波测量煤粉水分装置示意图。
图3为在前述实验条件下获得的电磁波谱图。
图4为低水分含量煤粉电磁波信号的衰减与水分含量的关系。
图5为实施例中的装置结构示意图。
图6为实施例中电路方框图。
图中1-煤粉，2-中空介质管，3-金属共振腔，4-电磁波耦合装置，5-孔，6-发射系统，7-接口，8-接收系统，9-计算机，10-测温系统。
具体实施例方式
实施例见图5和6。
在本实施例中，煤粉1流入中空介质管2，中空介质管长100mm，内径为12mm，壁厚为1.5mm；圆柱形金属共振腔3高度为14mm，半径为48mm，材质为黄铜；电磁波耦合装置4为电耦合棒，电耦合棒的半径为1mm，长为4mm；圆柱形金属共振腔体中心开孔5，孔直径为15mm；6为发射系统由扫频电路组成；7为接口电路，分别用于将计算机与发射系统连接、将接收系统与将计算机连接和计算机与温度传感器连接；8为接收系统检波放大电路和DSP组成；9为计算机；10为测温系统，温度传感器为红外传感器；空心箭头表示测量时煤粉流出的方向。
该实施例中，电磁波共振电路含有电磁波共振腔、扫频电路、检波器、放大器和DSP。
以上实施例仅对发明做进一步的说明，而本发明的范围不受所举实施例的局限。
权利要求
1.一种电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法，其特征在于所使用的装置包括金属共振腔、中空介质管和计算机，所述的金属共振腔为被电磁波激励的、恒温的金属共振腔，所述的中空介质管位于金属共振腔中，该方法包括以下步骤(一)、事先将不同填充密度和水分的煤粉放入共振腔内，并对其频偏Δf和电磁波信号的衰减进行测量，同时测量煤粉的温度，列表存入计算机，完成定标校准过程；(二)、使煤粉连续流过中空介质管，在取样时刻从计算机读出煤粉流经共振腔时的频偏Δf、电磁波信号的衰减和温度，经查表等处理后即知该时刻介质管内煤粉的水分。
2.如权利要求1所述的电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法，其特征在于所述的喷吹煤粉为含水量在4％以下的喷吹煤粉。
3.如权利要求1所述的电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法，其特征在于所述的金属共振腔为分布参数谐振腔。
4.如权利要求1或3所述的电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法，其特征在于所述的金属共振腔是开放式的，所述的中空介质管靠近共振腔，其距离应小于激励的共振腔的电磁波的一个波长。
5.如权利要求1或3所述的电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法，其特征在于所述的金属共振腔是封闭的，其腔壁上有开口，所述的中空介质管从中穿过。
6.如权利要求1所述的电磁波共振腔快速测量喷吹煤粉水分的方法，其特征在于所述的中空介质管不吸收电磁波。
全文摘要
本发明涉及一种用电磁波技术无损检测工业物料水分的方法，尤其是对低水分工业物料的检测。本发明所述方法所使用的装置包括金属共振腔、中空介质管和计算机，所述的金属共振腔为被电磁波激励的、恒温的金属共振腔，所述的中空介质管位于金属共振腔中，该方法包括以下步骤(一)、事先将不同填充密度和水分的煤粉放入共振腔内，并对其频偏Δf和电磁波信号的衰减进行测量，同时测量煤粉的温度，列表存入计算机，完成定标校准过程；(二)、使煤粉连续流过中空介质管，在取样时刻从计算机读出煤粉流经共振腔时的频偏Δf、电磁波信号的衰减和温度，经查表等处理后即知该时刻介质管内煤粉的水分。本发明是一种无接触式测量，测量稳定性好、易调整、免维护。对水分含量为0.31％～1.49％的煤粉，检测结果误差小于0.16％。
文档编号G01N23/00GK1789991SQ20051004869
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月15日 优先权日2005年12月15日
发明者黄铭, 王威廉, 杨明华, 宗容, 蔡光卉, 施继红, 杨晶晶 申请人:云南大学