微波水分测量仪的设计

　　引言

　　目前,微波水分仪测量物体中含水率大多利用微波衰减原理,即在微波频率下,水的介电常数要比其他物质高得多,大多数物质在含有水分后,介电常数都会明显增加,微波在这种媒质中传输时衰减就会增大,通过检验微波的衰减量就可以得到物料的含水率[1~2]。但是这种水分测量方法易受物料密度、形变、厚度影响,且仪器复杂,体积大,价格高,同时精度较低。由此本文设计一种基于微波干燥的水分测量仪,综合水分测量的经典方法及微波干燥的优点。

　　1　仪器的工作原理

　　在微波加热干燥作用下,物料水分迅速脱离物料而逸失,即物料的含水率为

　　式中　m0———物料干燥前质量

　　m1———物料干燥后质量

　　微波在物料中传输时,单位体积内介质损耗所消耗的微波功率为[3]

　　式中　ε0———真空的介电常数

　　εr———介质的介电常数　　E———电场强度

　　f———电场频率　　δ———介质损耗角

　　式(2)表明,微波加热产生的热能(即介质消耗的微波功率)取决于电场的频率、电场强度以及介质的介电常数、损耗角。由于微波加热时电场强度和频率都很高,所以微波加热速度非常快。同时,微波加热具有选择性,水的介电常数为75·84,远大于其他物质,所以水能强烈地吸收微波热量能。另外,微波具有穿透能力,微波的穿透深度近似为[4]

　　式中　λ———微波波长

　　由式(3)可知,微波的穿透深度D与波长λ是同一数量级,微波加热的波长是厘米级,从几厘米到几十厘米的物体,微波都能内外一起加热,所以微加热均匀,热效率高。

　　2　微波水分仪系统设计

　　2·1　总体设计

　　微波水分仪系统如图1所示,由高精度电源系统、微波磁控管、微波干燥腔、质量传感器系统以及单片机控制系统组成。其中,微波磁控管和高精度电源可以直接选型,微波水分仪设计的重点是微波干燥装置、传感器调理电路以及单片机系统的硬件和软件。

　　2·2　微波干燥装置

　　微波水分仪干燥装置,也就是微波加热器,它是微波电磁场和物料相互作用的空间,是物料吸收微波能而得到加热干燥的工作区域,设计原则是:加热均匀,微波利用率高,微波泄漏小。本文选择箱型微波加热器,箱型微波加热器是一种多模腔,适当选择腔体尺寸,可使腔中电磁场分布均匀,功率密度低。设箱型加热器矩形腔的边长分别为a、b、c,腔的谐振频率为