一種分布式超聲波液體濃度檢測系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種分布式超聲波液體濃度檢測系統及方法，系統包括嵌入式計算機、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，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數據線與嵌入式計算機連接。與現有技術相比，本發明具有很強的時序控制能力和邏輯組合能力，可以實現對高頻率、多時序電路信號的連接，運行速率可達到上百兆赫茲，甚至幾百赫茲，采用的外部晶振器件的頻率也可以超過100MHz，因此可以很好的實現超聲波的收發控制電路的驅動和時序邏輯信號的處理，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，能在線連續遙測，滿足實時監控的要求。
【專利說明】一種分布式超聲波液體濃度檢測系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及液體濃度的在線檢測【技術領域】，尤其是涉及一種分布式超聲波液體濃度檢測系統及方法，適用于自來水、化工、醫藥、糧油、釀酒等生產部門的液體濃度實時在線測量。
【背景技術】
[0002]超聲濃度測量的基礎是利用濃度和聲速、溫度的唯一性關系。由于每種物質在一定的狀況(濃度、溫度、壓力)下具有唯一的聲速，當物質的濃度變化時其聲速也改變。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。在實際應用中，由于介質的其他狀態如溫度、壓力的變化會使聲速發生變化，因此必須考慮溫度和壓力的影響，對它們進行補償。考慮到現場液體的壓力變化不大，而且壓力對聲速的影響很小，壓力的影響可以忽略不計，因而只考慮溫度對聲速的影響。但是，現在液體聲速和濃度、溫度的關系還無法從理論上導出，因此常用的方法是通過實驗建立聲速、溫度和濃度之間的映射，聲時是超聲波在固定聲程上的傳播時間，聲時測量的精度越高濃度測量的精度也就越高。
[0003]目前，聲時測量系統一般米用單片機作為系統核心芯片負責產生超聲波發射驅動信號，通過過零檢測，接收超聲回波信號，實現超聲波在液體中渡越的時間的計時(扣除硬件延時)。由于單片機測量系統的運行頻率一般達不到用在液體測量中超聲波傳感器的最優頻率40MHz，因此無論是采用定時器方式還是計數器方式，傳感器驅動信號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。為提高計時精度，單片機系統一般采用TTL分立元件(如8253/8254)來實現計數器電路，但TTL分立元件的計時頻率有限，例如H8254最高計時頻率就不超過10MHz。而且如果設計采用分立元件，則整個系統的電路PCB體積也會增大許多。另外，對超聲波回波信號的精確辨識和邏輯綜合處理是相當重要的一個環節。超聲波傳感器在發射超聲波時會使器件發生少量諧振，因此其自身會存在I到2 μ s的不確定誤差，而且當前單片機計時器自身的計時誤差也是μ s級的，所以在進行后期邏輯處理時，兩種誤差相互疊加，使系統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的應用，不僅濃度測量精度有了大幅度的提高，而且應用范圍也大為擴展。但是目前的液體濃度測量仍然存在以下幾個需要解決的問題:1)提高濃度測量精度；2)提高抗干擾能力；3)能在線連續遙測，以滿足實時監控的要求；4)實現測量過程的數字化、自動化、智能化。
【發明內容】
[0005]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種分布式超聲波液體濃度檢測系統及方法。
[0006]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:一種分布式超聲波液體濃度檢測系統，其特征在于，包括嵌入式計算機、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，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數據線與嵌入式計算機連接。
[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模塊內置有計時器，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，所述的發射電路和過零檢測電路分別與計時器連接，所述的測溫電路與CPLD模塊連接，所述的CPLD模塊通過USB數據線與嵌入式計算機連接。
[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計，所述的壓電式超聲探頭由兩個不銹鋼基體的探頭分別實現發射和接收，所述的溫度傳感器內嵌入探頭內。
[0009]所述的多通道超聲濃度檢測儀還包括晶振，該晶振與計時器連接。
[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不同溶劑及溶質的樣品溶液的聲時，用最小二乘法擬合出表示濃度、聲時和溫度的對應關系的標定曲線，并將擬合得到的數據儲存在嵌入式計算機內，所述的聲時指超聲波在固定聲程上的傳播時間；
[0013](2)先利用嵌入式計算機設定檢測參數，再將超聲波傳感器放在待測溶液內，測量得到溶液的實時溫度值和聲時，根據步驟(I)得到的標定曲線得出待測溶液的濃度值，并在顯示屏上顯示出來，同時嵌入式計算機判斷溶液濃度值是否與設定的檢測參數一致，不一致則進行語音報警等控制輸出動作。
[0014]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0015]1、采用復雜可編程邏輯器件CPLD，具有很強的時序控制能力和邏輯組合能力，可以實現對高頻率、多時序電路信號的連接，運行速率可達到上百兆赫茲，甚至幾百赫茲，采用的外部晶振器件的頻率也可以超過100MHz，因此可以很好的實現超聲波的收發控制電路的驅動和時序邏輯信號的處理，提高濃度測量精度和抗干擾能力，提高系統的整體性能；
[0016]2、CPLD其豐富的內部資源可以將各種邏輯功能集中在一塊芯片內部實現，集成度高，整體設計電路PCB體積也會減小；
[0017]3、檢測精度高，采用80MHz晶振，接收精度達到12.5ns ；
[0018]4、采用分布式多通道超聲濃度檢測儀，能在線連續遙測，滿足實時監控的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明系統的結構框圖；
[0020]圖2為本發明多通道超聲濃度檢測儀的結構框圖；
[0021]圖3為實施例中純水被聚乙二醇污染后檢測得到的標定曲線圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0023]如圖1所示，一種分布式超聲波液體濃度檢測系統，其特征在于，包括嵌入式計算機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，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數據線與嵌入式計算機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計，所述的壓電式超聲探頭由兩個不銹鋼基體的探頭分別實現發射和接收，所述的溫度傳感器內嵌入探頭內。
[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模塊內置有計時器26，該計時器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，所述的發射電路23和過零檢測電路25分別與計時器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數據線與嵌入式計算機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的通道數為16 (通道數是根據使用傳感器數量來確定，可任意擴展)，聲時檢測靈敏度為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和嵌入式計算機I是檢測本發明系統的主控機，它們具有如下功能:
[0027]a.多通道超聲濃度檢測儀2準確無誤地接收超聲波傳感器傳送過來的檢測數據，并進行整理以備后用；
[0028]b.嵌入式計算機I對多個超聲波傳感器進行管理、調配；
[0029]c.嵌入式計算機I判斷現場數據是否超出設定限，超出則進行報警等控制輸出動作；
[0030]d.嵌入式計算機I顯示屏輸出現場參數、報警歷史數據，并可通過鍵盤顯示屏聯合作業進行時間設置、通信設置、報警限設置等；
[0031]e.嵌入式計算機I與語音輔助裝置進行通信，響應語音裝置的中斷，并把要語音報出的數據傳給語音裝置；
[0032]f.嵌入式計算機I預留通信接口，作為系統檢修和計算機主機進行遠程通信的接□。
[0033]基于本發明系統實現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不同溶劑及溶質的樣品溶液的聲時，用最小二乘法擬合出表示濃度、聲時和溫度的對應關系的標定曲線，并將擬合得到的數據儲存在嵌入式計算機內，所述的聲時指超聲波在固定聲程上的傳播時間；
[0035]實施例:
[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變化的檢測數據，表2為純水被10g/L的聚乙二醇污染后在不同水溫下聲時變化的檢測數據:
[0037]表1不同水溫下聲時變化(1000次平均)(5g/L)
[0038]
【權利要求】
1.一種分布式超聲波液體濃度檢測系統，其特征在于，包括嵌入式計算機、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，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數據線與嵌入式計算機連接。
2.根據權利要求1所述的一種分布式超聲波液體濃度檢測系統，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模塊內置有計時器，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，所述的發射電路和過零檢測電路分別與計時器連接，所述的測溫電路與CPLD模塊連接，所述的CPLD模塊通過USB數據線與嵌入式計算機連接。
3.根據權利要求1所述的分布式超聲波液體濃度檢測系統，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計，所述的壓電式超聲探頭由兩個不銹鋼基體的探頭分別實現發射和接收，所述的溫度傳感器內嵌入探頭內。
4.根據權利要求1所述的分布式超聲波液體濃度檢測系統，其特征在于，所述的多通道超聲濃度檢測儀還包括晶振，該晶振與計時器連接。
5.根據權利要求4所述的分布式超聲波液體濃度檢測系統，其特征在于，所述的晶振為80MHz晶振。
6.一種基于權利要求1所述的系統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不同溶劑及溶質的樣品溶液的聲時，用最小二乘法擬合出表示濃度、聲時和溫度的對應關系的標定曲線，并將擬合得到的數據儲存在嵌入式計算機內，所述的聲時指超聲波在固定聲程上的傳播時間； (2)先利用嵌入式計算機設定檢測參數，再將超聲波傳感器放在待測溶液內，測量得到溶液的實時溫度值和聲時，根據步驟(I)得到的標定曲線得出待測溶液的濃度值，并在顯示屏上顯示出來，同時嵌入式計算機判斷溶液濃度值是否與設定的檢測參數一致，不一致則進行語音報警等控制輸出動作。
【文檔編號】G01N29/024GK103713044SQ201310670667
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】李立兵, 潘永東, 凌松, 吳振杰 申請人:同濟大學