一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括嵌入式計(jì)算機(jī)、多通道超聲濃度檢測儀及超聲波傳感器，超聲波傳感器置于被測液體內(nèi)，并通過RS485總線與多通道超聲濃度檢測儀連接，多通道超聲濃度檢測儀通過USB數(shù)據(jù)線與嵌入式計(jì)算機(jī)連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有很強(qiáng)的時(shí)序控制能力和邏輯組合能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻率、多時(shí)序電路信號(hào)的連接，運(yùn)行速率可達(dá)到上百兆赫茲，甚至幾百赫茲，采用的外部晶振器件的頻率也可以超過100MHz，因此可以很好的實(shí)現(xiàn)超聲波的收發(fā)控制電路的驅(qū)動(dòng)和時(shí)序邏輯信號(hào)的處理，提高濃度測量精度和抗干擾能力，而且采用分布式多通道超聲濃度檢測儀，能在線連續(xù)遙測，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。
【專利說明】一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及液體濃度的在線檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)及方法，適用于自來水、化工、醫(yī)藥、糧油、釀酒等生產(chǎn)部門的液體濃度實(shí)時(shí)在線測量。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲濃度測量的基礎(chǔ)是利用濃度和聲速、溫度的唯一性關(guān)系。由于每種物質(zhì)在一定的狀況(濃度、溫度、壓力)下具有唯一的聲速，當(dāng)物質(zhì)的濃度變化時(shí)其聲速也改變。所以測量出液體聲速的變化就可以間接地得知濃度的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，由于介質(zhì)的其他狀態(tài)如溫度、壓力的變化會(huì)使聲速發(fā)生變化，因此必須考慮溫度和壓力的影響，對(duì)它們進(jìn)行補(bǔ)償?？紤]到現(xiàn)場液體的壓力變化不大，而且壓力對(duì)聲速的影響很小，壓力的影響可以忽略不計(jì)，因而只考慮溫度對(duì)聲速的影響。但是，現(xiàn)在液體聲速和濃度、溫度的關(guān)系還無法從理論上導(dǎo)出，因此常用的方法是通過實(shí)驗(yàn)建立聲速、溫度和濃度之間的映射，聲時(shí)是超聲波在固定聲程上的傳播時(shí)間，聲時(shí)測量的精度越高濃度測量的精度也就越高。
[0003]目前，聲時(shí)測量系統(tǒng)一般米用單片機(jī)作為系統(tǒng)核心芯片負(fù)責(zé)產(chǎn)生超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過過零檢測，接收超聲回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超聲波在液體中渡越的時(shí)間的計(jì)時(shí)(扣除硬件延時(shí))。由于單片機(jī)測量系統(tǒng)的運(yùn)行頻率一般達(dá)不到用在液體測量中超聲波傳感器的最優(yōu)頻率40MHz，因此無論是采用定時(shí)器方式還是計(jì)數(shù)器方式，傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和精度都是有限的，與理論的測量精度要求差距較大。為提高計(jì)時(shí)精度，單片機(jī)系統(tǒng)一般采用TTL分立元件(如8253/8254)來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器電路，但TTL分立元件的計(jì)時(shí)頻率有限，例如H8254最高計(jì)時(shí)頻率就不超過10MHz。而且如果設(shè)計(jì)采用分立元件，則整個(gè)系統(tǒng)的電路PCB體積也會(huì)增大許多。另外，對(duì)超聲波回波信號(hào)的精確辨識(shí)和邏輯綜合處理是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。超聲波傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)會(huì)使器件發(fā)生少量諧振，因此其自身會(huì)存在I到2 μ s的不確定誤差，而且當(dāng)前單片機(jī)計(jì)時(shí)器自身的計(jì)時(shí)誤差也是μ s級(jí)的，所以在進(jìn)行后期邏輯處理時(shí)，兩種誤差相互疊加，使系統(tǒng)的總體測量誤差增大。
[0004]近30年來，超聲波濃度測量的原理沒有很大的變化，但是隨著新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，不僅濃度測量精度有了大幅度的提高，而且應(yīng)用范圍也大為擴(kuò)展。但是目前的液體濃度測量仍然存在以下幾個(gè)需要解決的問題:1)提高濃度測量精度；2)提高抗干擾能力；3)能在線連續(xù)遙測，以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求；4)實(shí)現(xiàn)測量過程的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)及方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括嵌入式計(jì)算機(jī)、多通道超聲濃度檢測儀及超聲波傳感器，所述的超聲波傳感器置于被測液體內(nèi)，并通過RS485總線與多通道超聲濃度檢測儀連接，所述的多通道超聲濃度檢測儀通過USB數(shù)據(jù)線與嵌入式計(jì)算機(jī)連接。
[0007]所述的多通道超聲濃度檢測儀包括多通道切換電路、測溫電路、發(fā)射電路、接收放大電路、過零檢測電路及CPLD模塊，所述的CPLD模塊內(nèi)置有計(jì)時(shí)器，所述的多通道切換電路通過RS485總線與超聲波傳感器連接，所述的測溫電路、發(fā)射電路及接收放大電路分別與多通道切換電路連接，所述的接收放大電路與過零檢測電路連接，所述的發(fā)射電路和過零檢測電路分別與計(jì)時(shí)器連接，所述的測溫電路與CPLD模塊連接，所述的CPLD模塊通過USB數(shù)據(jù)線與嵌入式計(jì)算機(jī)連接。
[0008]所述的超聲波傳感器采用壓電式超聲探頭與溫度傳感器一體化設(shè)計(jì)，所述的壓電式超聲探頭由兩個(gè)不銹鋼基體的探頭分別實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收，所述的溫度傳感器內(nèi)嵌入探頭內(nèi)。
[0009]所述的多通道超聲濃度檢測儀還包括晶振，該晶振與計(jì)時(shí)器連接。
[0010]所述的晶振為80MHz晶振。
[0011]一種分布式超聲波液體濃度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0012](I)在不同溫度下測量多個(gè)不同溶劑及溶質(zhì)的樣品溶液的聲時(shí)，用最小二乘法擬合出表示濃度、聲時(shí)和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，并將擬合得到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)，所述的聲時(shí)指超聲波在固定聲程上的傳播時(shí)間；
[0013](2)先利用嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)定檢測參數(shù)，再將超聲波傳感器放在待測溶液內(nèi)，測量得到溶液的實(shí)時(shí)溫度值和聲時(shí)，根據(jù)步驟(I)得到的標(biāo)定曲線得出待測溶液的濃度值，并在顯示屏上顯示出來，同時(shí)嵌入式計(jì)算機(jī)判斷溶液濃度值是否與設(shè)定的檢測參數(shù)一致，不一致則進(jìn)行語音報(bào)警等控制輸出動(dòng)作。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0015]1、采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD，具有很強(qiáng)的時(shí)序控制能力和邏輯組合能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻率、多時(shí)序電路信號(hào)的連接，運(yùn)行速率可達(dá)到上百兆赫茲，甚至幾百赫茲，采用的外部晶振器件的頻率也可以超過100MHz，因此可以很好的實(shí)現(xiàn)超聲波的收發(fā)控制電路的驅(qū)動(dòng)和時(shí)序邏輯信號(hào)的處理，提高濃度測量精度和抗干擾能力，提高系統(tǒng)的整體性能；
[0016]2、CPLD其豐富的內(nèi)部資源可以將各種邏輯功能集中在一塊芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，集成度高，整體設(shè)計(jì)電路PCB體積也會(huì)減小；
[0017]3、檢測精度高，采用80MHz晶振，接收精度達(dá)到12.5ns ；
[0018]4、采用分布式多通道超聲濃度檢測儀，能在線連續(xù)遙測，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖2為本發(fā)明多通道超聲濃度檢測儀的結(jié)構(gòu)框圖；
[0021]圖3為實(shí)施例中純水被聚乙二醇污染后檢測得到的標(biāo)定曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0023]如圖1所示，一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括嵌入式計(jì)算機(jī)1、多通道超聲濃度檢測儀2及超聲波傳感器3，所述的超聲波傳感器3置于被測液體內(nèi)，并通過RS485總線與多通道超聲濃度檢測儀2連接，所述的多通道超聲濃度檢測儀2通過USB數(shù)據(jù)線與嵌入式計(jì)算機(jī)I連接。所述的超聲波傳感器3采用壓電式超聲探頭與溫度傳感器一體化設(shè)計(jì)，所述的壓電式超聲探頭由兩個(gè)不銹鋼基體的探頭分別實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收，所述的溫度傳感器內(nèi)嵌入探頭內(nèi)。
[0024]如圖2所示，所述的多通道超聲濃度檢測儀2包括多通道切換電路21、測溫電路22、發(fā)射電路23、接收放大電路24、過零檢測電路25、CPLD模塊及晶振27，所述的CPLD模塊內(nèi)置有計(jì)時(shí)器26，該計(jì)時(shí)器26與晶振27連接，所述的多通道切換電路21通過RS485總線與超聲波傳感器3連接，所述的測溫電路22、發(fā)射電路23及接收放大電路24分別與多通道切換電路21連接，所述的接收放大電路24與過零檢測電路25連接，所述的發(fā)射電路23和過零檢測電路25分別與計(jì)時(shí)器26連接，所述的測溫電路22與CPLD模塊連接，所述的CPLD模塊通過USB數(shù)據(jù)線與嵌入式計(jì)算機(jī)I連接。所述的晶振27為80MHz晶振。
[0025]所述的多通道超聲濃度檢測儀2的通道數(shù)為16 (通道數(shù)是根據(jù)使用傳感器數(shù)量來確定，可任意擴(kuò)展)，聲時(shí)檢測靈敏度為12.5ns，溫度檢測靈敏度為0.1C°，濃度檢測靈敏度為0.2%。
[0026]所述的多通道超聲濃度檢測儀2和嵌入式計(jì)算機(jī)I是檢測本發(fā)明系統(tǒng)的主控機(jī)，它們具有如下功能:
[0027]a.多通道超聲濃度檢測儀2準(zhǔn)確無誤地接收超聲波傳感器傳送過來的檢測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理以備后用；
[0028]b.嵌入式計(jì)算機(jī)I對(duì)多個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行管理、調(diào)配；
[0029]c.嵌入式計(jì)算機(jī)I判斷現(xiàn)場數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定限，超出則進(jìn)行報(bào)警等控制輸出動(dòng)作；
[0030]d.嵌入式計(jì)算機(jī)I顯示屏輸出現(xiàn)場參數(shù)、報(bào)警歷史數(shù)據(jù)，并可通過鍵盤顯示屏聯(lián)合作業(yè)進(jìn)行時(shí)間設(shè)置、通信設(shè)置、報(bào)警限設(shè)置等；
[0031]e.嵌入式計(jì)算機(jī)I與語音輔助裝置進(jìn)行通信，響應(yīng)語音裝置的中斷，并把要語音報(bào)出的數(shù)據(jù)傳給語音裝置；
[0032]f.嵌入式計(jì)算機(jī)I預(yù)留通信接口，作為系統(tǒng)檢修和計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的接□。
[0033]基于本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式超聲波液體濃度檢測的方法，包括以下步驟:
[0034](I)在不同溫度下測量多個(gè)不同溶劑及溶質(zhì)的樣品溶液的聲時(shí)，用最小二乘法擬合出表示濃度、聲時(shí)和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，并將擬合得到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)，所述的聲時(shí)指超聲波在固定聲程上的傳播時(shí)間；
[0035]實(shí)施例:
[0036]表1為純水被5g/L的聚乙二醇污染后在不同水溫下聲時(shí)變化的檢測數(shù)據(jù)，表2為純水被10g/L的聚乙二醇污染后在不同水溫下聲時(shí)變化的檢測數(shù)據(jù):
[0037]表1不同水溫下聲時(shí)變化(1000次平均)(5g/L)
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括嵌入式計(jì)算機(jī)、多通道超聲濃度檢測儀及超聲波傳感器，所述的超聲波傳感器置于被測液體內(nèi)，并通過RS485總線與多通道超聲濃度檢測儀連接，所述的多通道超聲濃度檢測儀通過USB數(shù)據(jù)線與嵌入式計(jì)算機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的多通道超聲濃度檢測儀包括多通道切換電路、測溫電路、發(fā)射電路、接收放大電路、過零檢測電路及CPLD模塊，所述的CPLD模塊內(nèi)置有計(jì)時(shí)器，所述的多通道切換電路通過RS485總線與超聲波傳感器連接，所述的測溫電路、發(fā)射電路及接收放大電路分別與多通道切換電路連接，所述的接收放大電路與過零檢測電路連接，所述的發(fā)射電路和過零檢測電路分別與計(jì)時(shí)器連接，所述的測溫電路與CPLD模塊連接，所述的CPLD模塊通過USB數(shù)據(jù)線與嵌入式計(jì)算機(jī)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的超聲波傳感器采用壓電式超聲探頭與溫度傳感器一體化設(shè)計(jì)，所述的壓電式超聲探頭由兩個(gè)不銹鋼基體的探頭分別實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收，所述的溫度傳感器內(nèi)嵌入探頭內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的多通道超聲濃度檢測儀還包括晶振，該晶振與計(jì)時(shí)器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式超聲波液體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的晶振為80MHz晶振。
6.一種基于權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)的分布式超聲波液體濃度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在不同溫度下測量多個(gè)不同溶劑及溶質(zhì)的樣品溶液的聲時(shí)，用最小二乘法擬合出表示濃度、聲時(shí)和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，并將擬合得到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)，所述的聲時(shí)指超聲波在固定聲程上的傳播時(shí)間； (2)先利用嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)定檢測參數(shù)，再將超聲波傳感器放在待測溶液內(nèi)，測量得到溶液的實(shí)時(shí)溫度值和聲時(shí)，根據(jù)步驟(I)得到的標(biāo)定曲線得出待測溶液的濃度值，并在顯示屏上顯示出來，同時(shí)嵌入式計(jì)算機(jī)判斷溶液濃度值是否與設(shè)定的檢測參數(shù)一致，不一致則進(jìn)行語音報(bào)警等控制輸出動(dòng)作。
【文檔編號(hào)】G01N29/024GK103713044SQ201310670667
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】李立兵, 潘永東, 凌松, 吳振杰 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)