一种原位微波电导率测试装置及其使用方法
本发明涉及微波辅助加热，更具体的是涉及原位微波电导率测试装置及其使用方法。
背景技术：
1、电导率是材料的本质属性，是材料在单位电场强度下单位面积内通过的电流，可以用来描述材料的电子传输性质，同时也是物质的电磁特性之一，它可以表征物质通过电导损耗吸收微波能量的能力强弱。然而电导率受材料自身结构和化学成分的影响，而材料的结构与化学成分受温度的影响，因此在测量材料的电导率时温度因素至关重要。业界亟需一种在线式电导率的测量办法，在对材料进行均匀加热升温的同时，实时测量材料的电导率变化。然而，在使用传统的基于热传导的加热方式对材料进行加热并测量材料的电导率时，存在耗时久、温度梯度大且易受环境影响等问题，使得温度不均匀、不稳定，将导致最终测量的电导率值误差大。微波加热具有穿透式加热，可控性高，加热速度快等特点，可以使得材料内外同时受热，实现待测材料的均匀快速加热，降低外部环境的影响，减小材料电导率的测量误差。
2、目前存在的用于微波加热的微波加热反应器存在加热不均匀、易产生热点等问题，无法达到最佳的均匀加热效果，使得电导率测量结果不准确，因此需要设计改进更加优异的微波加热装置来进行精准的电导率测量，为研究物料的电导率与温度之间的关系提供更准确的帮助。
技术实现思路
1、本发明的目的在于：为了解决现有存在的微波反应器加热不均匀、易产生热点的技术问题，本发明提供一种原位微波电导率测试装置及其使用方法。使用单模脊波导实现均匀的微波加热场对物料进行均匀加热，并使用高精度的直流电阻仪精准的测量被加热物质的电阻值，从而推导出物料的电导率。
2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
3、本发明的一个方面提供一种原位微波电导率测试装置，包括依次连接的微波源、同轴线、波同转换器、微波环形器、双向耦合器、脊波导以及滑动短路面；
4、微波环形器的一个侧面上固定连接有匹配水负载结构；
5、双向耦合器结构的上连接微波功率计；
6、脊波导上设置有贯穿其顶部和底部的且用以插接装有物料粉末的玻璃管，脊波导的侧壁上设置有用于观察玻璃管物料情况的观察口，脊波导的上侧连接有直流电阻仪。
7、具体来说，同轴线的作用是连接微波源和波同转换器，将微波能量从微波源传输至波同转换器中。
8、波同转换器的作用是将从微波源传输来的tem模转换为te10模。
9、双向耦合器的作用是确保微波能量定向地从微波源传输到脊波导中，从而实现加热过程，有效地传输微波能量，同时还可以控制微波系统中的反射，帮助减少反射并最大限度地提高能量传输效率，从而确保系统的稳定性和可靠性。
10、脊波导提供了一个小型但高度均匀的加热区域，从而确保在加热物料时，各物料分子能够内外同时被均匀地加热，解决了传统加热方式温度梯度大、温度分布不均匀的弊端，极大程度地减小了因温度不均匀、不稳定而导致电导率测量值不准确的影响。
11、微波功率计用以实时监测反射波功率和入射波功率；
12、直流电阻仪的作用是对脊波导中被加热物料的电阻进行精准测量，再经过公式推导后得到物料的电导率；需要注意的是，直流电阻仪位置不固定，只要能够测量物料阻值即可。
13、滑动短路面结构的作用是将微波能量反射回脊波导内，从而实现对物料高度均匀的微波加热效果，提高电阻测量的准确性。
14、在一个实施方式中，微波环形器控制微波在装置内实现微波能量从微波源到滑动短路面的单向传输。
15、在一个实施方式中，匹配水负载结构用以吸收从滑动短路面反射回来的微波能量，避免微波反射回微波源，保护整个微波加热系统。
16、在一个实施方式中，脊波导的整体结构呈轴对称形式，脊波导的顶部和底部的中间位置贯穿用以插接装有物料粉末的玻璃管。
17、在一个实施方式中，脊波导的内部上端、下端设置有对称的用于增强微波电场的脊棱，玻璃管穿过两个脊棱。
18、具体来说，两个脊棱的设置使得围绕在脊棱周围的微波电场得到增强，形成了一个高度均匀的温度场，实现了对物料进行高效均匀的加热效果。
19、在一个实施方式中，观察口的数量为两个，两个观察口位于脊波导的前后两侧壁，用以观察物料的实际温度。
20、本发明的第二个方面提供一种原位微波电导率测试装置的使用方法，采用上述的一种原位微波电导率测试装置，包括以下步骤：
21、s1、先将物料装入玻璃管内，然后将玻璃管插接在脊波导的顶部和底部的贯穿处，对玻璃管内的物料施加压力使玻璃管内需要加热的物料阻值达到预定值；
22、s2、在利用该微波加热装置对物料进行均匀的微波加热的同时，用直流电阻仪实时测量物料的电阻值。
23、s3、得到物料的电阻值后，利用电阻率公式ρ＝rs/l求出物料的电阻率，其中，ρ表示物料的电阻率，r表示物料的电阻值，s表示玻璃管的内横截面积，l表示玻璃管内填充的物料的整体长度；
24、再利用电导率公式k＝1/ρ得到物料的电阻率，其中，k表示物料的电导率，ρ表示物料的电阻率。
25、具体来说，当微波源发出的微波能量通过脊波导时，会对物料进行均匀的微波加热处理，同时可以在观察口处观察物料温度的变化情况。
26、在一个实施方式中，将物料装入玻璃管后，需要在玻璃管的两个开口处分别插接一根金属丝，各金属丝一端固定有直径小于玻璃管的直径的金属圆片，并将带有金属圆片的一端插入玻璃管内与物料相接触，各金属丝没有金属圆片的另一端与直流电阻仪连接，用以测量物料的电阻值。
27、在一个实施方式中，各金属丝上串有尺寸小于玻璃管的直径的圆台型陶瓷，圆台型陶瓷与对应的金属圆片相接触。
28、具体来说，圆台型陶瓷用以减少微波加热过程中的热量损失，并将更多的能量用于物料的加热，提高测量电导率的效率和准确性。
29、本发明的有益效果如下：
30、1、本发明原位微波电导率测试装置在使用时，通过轴对称式脊波导的设计，使微波在通过脊波导时，围绕在脊棱处的微波电场得到了增强，形成了一个高度均匀的温度场，再结合滑动短路面的设计，将微波能量反射回脊波导内，使得微波能量更加的集中、均匀，有效提高了对物料的加热效率，使加热更加地均匀高效。
31、2、本原位微波电导率测试装置在使用时，通过引入微波环形器结构，有效控制微波实现微波从微波源到加热装置的单向传输，同时搭配匹配水负载结构，吸收反射波，防止微波能量反射回微波源，确保微波加热装置能够正常、稳定的工作。
技术特征：
1.一种原位微波电导率测试装置，其特征在于，包括依次连接的微波源(1)、同轴线(2)、波同转换器(3)、微波环形器(4)、双向耦合器(6)、脊波导(8)以及滑动短路面(12)；
2.根据权利要求1所述的一种原位微波电导率测试装置，其特征在于，所述微波环形器(4)控制微波在装置内实现微波能量从所述微波源(1)到所述滑动短路面(12)的单向传输。
3.根据权利要求1所述的一种原位微波电导率测试装置，其特征在于，所述匹配水负载结构(5)用以吸收从所述滑动短路面(12)反射回来的微波能量。
4.根据权利要求1所述的一种原位微波电导率测试装置，其特征在于，所述脊波导(8)的整体结构呈轴对称形式，所述脊波导(8)的顶部和底部的中间位置贯穿用以插接装有物料粉末的玻璃管。
5.根据权利要求4所述的一种原位微波电导率测试装置，其特征在于，所述脊波导(8)的内部上端、下端设置有对称的用于增强微波电场的脊棱(9)，所述玻璃管穿过两个所述脊棱(9)。
6.根据权利要求1所述的一种原位微波电导率测试装置，其特征在于，所述观察口(10)的数量为两个，两个所述观察口(10)位于所述脊波导(8)的前后两侧壁，用以观察物料的实际温度。
7.一种原位微波电导率测试装置的使用方法，其特征在于，采用权利要求1至5所述的一种原位微波电导率测试装置。
8.根据权利要求7所述一种原位微波电导率测试装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述一种原位微波电导率测试装置的使用方法，其特征在于，步骤s1中，将物料装入玻璃管后，需要在所述玻璃管的两个开口处分别插接一根金属丝，各所述金属丝一端固定有直径小于所述玻璃管的直径的金属圆片，并将带有金属圆片的一端插入玻璃管内与物料相接触，各所述金属丝没有金属圆片的另一端与所述直流电阻仪(11)连接，用以测量物料的电阻值。
10.根据权利要求9所述一种原位微波电导率测试装置的使用方法，其特征在于，各所述金属丝上串有尺寸小于所述玻璃管的直径的圆台型陶瓷，所述圆台型陶瓷与对应的所述金属圆片相接触。
技术总结
本发明公开了一种原位微波电导率测试装置及其使用方法，涉及微波辅助加热技术领域，包括依次连接的微波源、同轴线、波同转换器、微波环形器、双向耦合器、脊波导以及滑动短路面；微波环形器的一个侧面上固定连接有匹配水负载结构；双向耦合器结构的上连接微波功率计；脊波导上设置有贯穿其顶部和底部的且用以插接装有物料粉末的玻璃管，脊波导的侧壁上设置有用于观察玻璃管物料情况的观察口，脊波导的上侧连接有直流电阻仪。本发明设计合理，形成了一个高度均匀的温度场，微波能量更加地集中、均匀，有效提高了对物料的加热效率，使加热更加地均匀高效，且大大提高了物料电导率测量的准确性，为探究温度与物料电导率之间的关系提供了帮助。
技术研发人员：朱铧丞,张文聪,杨阳
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23