一种微波烘干过程中物料含水率的判断方法及装置

本发明属于在线监测领域，具体涉及一种微波烘干过程中物料含水率的判断方法及装置，用于功率微波场内获取含水薄层介质干燥过程含水率。

背景技术：

1、本发明所说的含水薄层介质（材料），具体是指含水薄层厚度与介质内传播的电磁波的穿透深度可比拟的介质（材料），例如水性聚氨酯涂层、纸质文件以及切片的瓜果蔬菜等。将薄层介质接触外部空气的部位定义为表层，其余为内层。由于微波干燥工艺是表里同时干燥，表层内层的水分同时产生扩散运动，由内层介质中的水分受热，向外扩散补充表层介质中的水分，所以内层介质区域含水量降较表层更快。一般地，谷类水分达到14%～15%以后，开始出现游离水。一部分水以氢键与其中的胶体物质结合在一起，为结合水。当内层介质中游离水全部流失过后，若介质中还存在极化分子，那么薄层介质内部温度会极速升高从而导致有机物变性，甚至碳化。

2、在微波干燥的过程中检测被干燥材料的含水率一直是个难题。在微波干燥薄层介质到含水量较少的阶段，相同微波功率作用下可能会导致温度会急剧上升。例如农作物，生黄豆的过度烘干会导致变熟甚至碳化；水性聚氨酯的过度烘干，会导致水性聚氨酯的聚合物发生支化、交联或热降解反应；也有一些条件下，例如水性聚氨酯膜因含水量过低而吸收能力下降，导致能量利用率低，烘干不足，影响干燥效果。因此准确检测被干燥材料含水量，对于干燥过程中能量利用和介质干燥效果都有极为重要的意义。

3、申请号为cn202110255636.0的专利公开了一种微波热风耦合干燥方法，对水性聚氨酯先进行微波干燥，在被干燥材料失去80%的水分时切换为热风干燥，得到了品质较高的水性聚氨酯。他们通过在微波干燥器中，分别在首尾两端加装特殊的水分检测传感器，对涂层水分含量进行在线监测的测量含水量。含水率的监测是关键环节。

4、微波干燥过程中实时监测含水量，可确保最佳的干燥方式转化。

5、含水率检测方法常规是加热失重法，如纸张含水率检测标准方法gb/t 462-2008《纸、纸板和纸浆分析试样水分的测定》，需要取样加热减重，不适合在线监测。

6、微波水分测试方法，通过发射接收微波频率的信号，结合数据模型和算法，确定被测介质的水分含量。例如目前的微波含水率检测方法主要分为空间波法、传输线法和谐振腔法。对于空间波法，微波在穿透含水率物料时，通过测量微波能量的衰减，就可以推算出薄层介质的含水率。根据微波与被测介质作用形式不同，空间波法可分透射式与反射式两种，其原理是通过测量微波与被测介质在空间作用后透射部分或反射部分振幅、相位的变化，反映物料含水率。

7、申请公布号为cn201410058636.1的专利提出了一种基于雷达波的木材含水率检测方法，利用雷达天线对已知厚度的木材发射频率为900mhz雷达波，并收集其发射波，由雷达波在木材中的行进时间，计算出木材的相对介电常数，再由木材的相对介电常数与含水率的关系模型得到木材的含水率。

8、申请公布号为cn202110002084 .2的专利提出了一种基于微波透射原理的木材含水率检测装置及方法，采用微波透射系数的幅值和相位共同表征木材的含水率，建立透射系数的幅值、相位与木材含水率的映射关系，通过映射关系反演得到木材的含水率。

9、申请公布号为cn201210230899.7的专利提出了一种基于微波技术的粮食含水率检测装置及检测方法，利用微波混频微波技术，同时检测微波透射波与反射波的幅值和相位变化，结合单片机的内部算法，实现对粮食含水率的检测。

10、上述用微波方法测试木材、粮食的介电常数，反演含水率的方法，不用于木材和粮食的微波干燥环节中含水率的实时检测。

11、通过上述专利可得到结论：微波射频方法检测含水量，本质上是检测介电常数，根据介电常数间接得到含水量。所采集物理量（传输时间、幅值相位差、透射系数的相位和幅值等）的过程，并不适合在微波大功率作用下的烘干过程的含水率实时监测的应用场景。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种微波烘干过程中物料含水率的判断方法及装置，根据干燥过程中的温度变化率来检测薄层介质含水率。本发明为功率微波烘干过程中实时、在线的含水率判断方法，不需要检测反射波和透射波的特性，与上述方法具有不同的结构和不同方法。

2、本发明采用的技术方案为：研究建立起微波加热烘干环节薄层介质温度随时间和空间的变化率与水分含量（含水率）之间的关系，发明一种可以在微波干燥过程中通过温度变化率实时检测薄层介质水分含量（干燥程度）的方法，是一种在线间接测量含水量的方法，可以在微波干燥含水介质的过程中实时确定干燥效果，提高干燥效率。

3、本发明的具体实现方法如下：本发明所采用的微波干燥装置，如图1所示，包括设置于外部的外壳，所述外壳上设有显示设置模块和装置门，所述外壳内设有微波干燥腔，所述微波干燥装置包括控制模块、功率微波模块、温度测量模块、传送带和电源模块。

4、在所述微波干燥腔上方，安装温度测量模块（测温传感器阵列），如图2所示，用于实时采集微波干燥腔内部的薄层介质温度（优选地，采用红外测温的方式，获取薄层介质表面温度）。本领域的其他人员也可以选择其他方式进行测温，只需保证可以对多点位进行连续准确测温即可。

5、本发明选用amg8833红外热传感器进行测温，此传感器可以设置成 m帧/秒（采样频率固定或可变），将温度测量模块连接到控制模块（单片机）时，通过i2c返回一组64个单独的温度读数，单片机会保存近期的测温数据，并将采样数据传送给控制系统。控制系统初始会预设一个经验获取的温度范围，采样的温度数据，与预设温度范围比对，若测量表层温度值低于该范围，控制装置输出指令增加微波功率；若测量表层温度高于该范围，则控制装置输出指令降低微波功率，避免温度过高带来的影响。同时，根据物料表面温度随时间和物理空间位置（传送带上某一点位置a随传送带运动而变化，如图2所示）的变化的梯度，判断物料的受热均匀程度和干燥程度。

6、通过控制装置调节微波功率、调整传送带速度、调整微波作用于物料的干燥时间达到物料通过通过传送带达到某一设定位置时，含水率恰好达到要求。例如，根据介质上同一处温度变化率为0出现的时间和所处的坐标位置，调整传送带速率，使物料在微波作用下在腔体末端恰好干燥到指定含水率。

7、通过电磁产热理论及基于comsol建立的微波干燥模型分析得知，当温度变化趋于平稳时，即温度梯度趋于零时，水性聚氨酯的大部分游离水的水分被蒸发，此时将其转换至热风干燥可以避免微波加热后期水分含量太低而发生支化、交联、降解等副反应，影响薄层介质物性等缺点。

8、在微波电磁场的作用下，物料中的极性分子会跟随电磁场取向排列，分子间激烈的摩擦，微波能量转化为物质内的热量，使物质呈现为宏观温度的提高。物质的相对介电常数虚部越大，对吸收微波能力越强。水的介电常数虚部大，是吸收微波很好的介质。含水的物质会吸收微波，含水量的大小也就反应了吸收微波的能力，也就是升温的能力。因此可以通过温度随烘干时间的变化，即温度梯度，来判断含水量是否达到预定范围。

9、微波加热理论表明，物料内的微波能转换热源、微波工作频率、物料的损耗角和电场强度 e间存在如下的关系式。

10、

11、式中，为真空中的介电常数，单位为f/m；为介质复介电常数的实部；表示介电损耗；为相对介电常数的虚部； e为电场强度，单位为v/m；为频率，单位为hz； p为微波功率，单位为ｗ。

12、在微波腔中，存在电磁场和传热的双向耦合过程，微波能转换热源公式描述电磁波能量损耗所产生的热。若薄层介质为非饱和多孔介质，在微波干燥过程中，介质内部每个部分都会在微波的作用下产生热。

13、当物料尺寸接近微波穿透深度时，粗略认为微波均匀地分布在整个物料中。物料的水分含量和温度的变化导致物料等效复介电系数发生变化，物料存在随时间变化的微波能转换热源。若将薄层含水介质当作干物质与水的混合物，在介质温度为 t，频率为的微波场中，其宏观等效复介电系数的变化规律可通过经典介质混和理论模拟。

14、

15、式中为混合物的等效相对复介电系数，为基底介质的相对复介电系数，为混入介质的相对复介电系数，为混合物的混合比例。将水作为溶剂，薄层介质作为溶质，取水在25℃时的相对介电常数为78.36-j12，假设薄膜介质的相对介电常数为3-j0.1，=2，得到混合物等效相对复介电常数实部和虚部与含水率的关系如图9、图10，其中横轴代表混合体系中水分的含量，从0逐渐变化到1（100%），纵轴分别是介电常数的实部或虚部。

16、由于介质等效复介电系数实部和虚部随着含水率的增大而增大，当含水率逐渐变小过程中，薄层介质的等效复介电系数虚部也随之减小，根据微波能转换热源公式，其吸收微波的能力就会减弱，电磁损耗产热减少。

17、根据能量守恒定律和傅里叶导热定律，含水薄层介质中的导热微分方程，可有如下表示。

18、

19、式中为薄层介质的密度单位为；为薄层介质的比热容单位为j/(kg℃)； t为干燥时间单位为s； t为薄层介质的温度单位为℃； m为薄层介质含水率；为水的汽化潜热，单位为j/kg。

20、当其含水率随时间的变化趋近于0时，表明水分含量的变化率减少，干燥过程趋于结束。

21、若水分蒸发需要的能量与电磁损耗产热的能量接近，此时温度变化梯度就趋于0，表现为介质温度变化较小。

22、由此，假设在介质表面有某一目标a，位置坐标为 z 1，如图2所示。监测到目标a的温度变化率趋于平稳时，说明薄层介质在目标a处，已失去大部分的游离水。通过测试，可获得微波场作用下介质的温度变化率由不为0，首次变为0的 t1时刻处介质的含水率。同样可以通过测试获得介质的最有含水率出现的时刻 t2，在 t1到 t2时间内保持微波作用。由此，可以获得介质出现最优含水率时，介质温度变化率趋于0时，微波功率作用时间之间（ t2- t1）的关系，则可以确定最优干燥效果的物料温度、加热微波功率和时间等条件。即当介质表层某一目标a随传送带运动，从位置 z1到达位置 z2处，测试 z1、 z2两个位置处目标a介质的表面温度，就是目标a的温度变化率趋近于0时，如继续保持微波加热时间 t2- t1，可达到最优干燥效果。

23、对于内部存在杂质的薄层介质，其温度检测结果会表现出局部差异性，例如书籍里的装订金属钉、纸币里的金属线，因金属感应的影响，金属周围升温很快。为了避免因金属干扰而造成的测温误差，从而导致测含水量失败，采用分布式红外测温传感器阵列的测温方法，不仅对被干燥物料的某一位置进行测温，而且对其进行大范围、多点位测温，可观察物料整体的表面温度变化，以此排除因物料成分不一致而产生的温度梯度判断偏差。

24、对于开启传送带的设备，要针对特定的点进行测温，例如放置在传送带上的介质表面某一点a，如图2所示。为了保证在计算确定的温度梯度时是由此介质的同一个点a的温度得出，要采用多个红外测温传感器对所述腔体100内进行全面监测，由于介质随传送带运动，从位置 z1到达位置 z2处，所以点a的位置一直在改变，点a的温度也就会由不同的传感器探头获得，经过单片机计算和控制决策，将不同探头测得的a点温度提取出来，进行温度梯度的计算，所以采用分布式红外测温阵列装置是必要的。

25、对于确定的被干燥介质，在控制模块中输入目标含水量以及温度阈值。随后由控制系统（如单片机）控制各微波功率以及传送带速度，保证在温度变化率趋于稳定时，将被干燥介质送出微波干燥腔体，以此达到最佳的干燥效果。该控制过程可由ai算法、神经网络方法、优化算法进行在线学习、优化控制条件，以提高系统和的适应性和控制精度。

26、本发明的有益效果是：本发明采用在微波干燥过程中物料温度的变化率，实时监测薄层介质水分含量（干燥程度）变化。从理论上推导出温度梯度与含水量之间的关系，从理论上证明了可行性。进行了不同材料的薄层介质干燥实验，证明理论推导的正确性，和本发明的有效性、普适性。与现有微波检测含水量的技术相比，采用测量温度，计算温度变化率，从而获得含水率的变化特征，检测效率高，硬件要求低，可实现大功率微波场下的在线含水量的监测，适用于任何含水薄层介质材料的微波烘干的在线实时控制，提高生产效率，减少能耗。