CN102253119A - 乳化液浓度在线检测系统及其超声波接收电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了乳化液浓度在线检测系统及其超声波接收电路，乳化液浓度在线检测系统，包括微处理器、温度传感器、温度检测电路、超声波发射电路、超声波接收电路、超声波发射探头和超声波接收探头；其特征在于：超声波接收电路包括限幅及前置放大电路、变形双积分电路、比较电路和反相及限幅电路；其中：限幅及前置放大电路接收超声波接收探头发射的信号，经双向限幅和前置放大后，输出到变形双积分电路；变形双积分电路接收限幅及前置放大电路输出的信号，转换成双积分超声波信号，输出到比较电路；比较电路将收到的信号与标准信号比较后输出方波信号到反相及限幅电路；反相及限幅电路将收到的方波信号进行反相及限幅后输出到微处理器。

Description

乳化液浓度在线检测系统及其超声波接收电路

技术领域

    本发明涉及乳化液浓度检测，具体涉及乳化液浓度在线检测系统及其超声波接收电路。

背景技术

在煤矿综采工作面，乳化液是液压支架和液压支柱所采用的工作介质，在液压系统中起着血液的作用。它不仅起传递动力、润滑、冷却的作用，而且还对腐蚀和锈蚀起抑制作用。传统的矿用乳化液浓度检测手段是比较落后的，大多数厂矿都是使用折光仪法和破乳法来检测乳化液的浓度，这两种方法都需要人工取样和目测读数，导致乳化液浓度检测的精度较差；由于所采用的检测方法都是在离线状态下进行的，检测出的浓度与实际浓度存在着时间差，不能准确反映乳化液的瞬间状态值，因而控制精度较差，不能满足生产要求。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种乳化液浓度在线检测系统。

本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种超声波接收电路。

为了解决上述问题，根据本发明的第一个技术方案，乳化液浓度在线检测系统，包括微处理器、温度传感器、温度检测电路、超声波发射电路、超声波接收电路、超声波发射探头和超声波接收探头，其中：

温度检测电路接收温度传感器输出的乳化液温度信号，处理后输出到微处理器；

微处理器发出触发脉冲信号到超声波发射电路；

超声波发射电路接收微处理器发出的触发脉冲信号，经过处理后输出高压脉冲信号到超声波发射探头；

超声波发射探头接收超声波发射电路发出的高压脉冲信号后发射超声波；

超声波接收探头接收超声波发射探头发射的超声波，输出到超声波接收电路；

超声波接收电路将收到的信号处理后输出到微处理器；

微处理器接收超声波接收电路和温度检测电路输出的信号，处理后输出到显示电路或上位机；

其特点是：

超声波接收电路包括限幅及前置放大电路、变形双积分电路、比较电路和反相及限幅电路；

其中：限幅及前置放大电路接收超声波接收探头发射的信号，经双向限幅和前置放大后，输出到变形双积分电路；

变形双积分电路接收限幅及前置放大电路输出的信号，转换成双积分超声波信号，输出到比较电路；

比较电路将收到的信号与标准信号比较后输出方波信号到反相及限幅电路；

反相及限幅电路将收到的方波信号进行反相及限幅后输出到微处理器。

现有的超声波接收电路主要由限幅电路、阻抗匹配电路、放大滤波电路以及过零检测电路构成，特别是由于过零检测电路，电路结构复杂，调试不方便，数据准确度不易保证，成本高；采用本发明的超声波接收电路，电路简单、可靠、调试方便，能够保证数据准确度。

根据所述本发明所述的乳化液浓度在线检测系统的优选方案，所述微处理器还将处理后的信号通过通讯电路发送到上位机；同时，微处理器还通过通讯电路接收上位机发出的控制信号。

根据所述本发明所述的乳化液浓度在线检测系统的优选方案，该乳化液浓度在线检测系统还包括遥控器和红外遥控接收电路；

所述红外遥控接收电路接收遥控器发出的红外遥控信号，进行处理后输出到微处理器。

根据所述本发明所述的乳化液浓度在线检测系统的优选方案，超声波发射电路包括光电隔离电路、驱动控制电路和高压脉冲产生电路；其中：

光电隔离电路接收微处理器发出的触发脉冲信号，进行信号隔离处理，将处理后的信号输出到驱动控制电路；

驱动控制电路接收光电隔离电路输出的信号，产生驱动控制信号输出到高压脉冲产生电路；

高压脉冲产生电路接收驱动控制电路输出的驱动控制信号，产生高压脉冲信号输出到超声波发射探头。

根据所述本发明所述的乳化液浓度在线检测系统的优选方案，变形双积分电路包括快恢复二极管、积分电容和放电电阻，其中，快恢复二极管的正极连接限幅及前置放大电路的输出端，积分电容和放电电阻并联连接，并联连接后的一端连接快恢复二极管的负极以及比较电路的其中一个输入端，并联连接后的另一端接地。

根据所述本发明所述的乳化液浓度在线检测系统的优选方案，比较电路包括高速比较器，其中，高速比较器的正向输入端连接变形双积分电路的输出端，高速比较器的负向输入端通过可调电阻连接直流电源。

为了解决上述问题，根据本发明的第二个技术方案，一种超声波接收电路，包括限幅及前置放大电路、变形双积分电路、比较电路和反相及限幅电路；

其特点是：限幅及前置放大电路接收超声波接收探头发射的信号，经双向限幅和前置放大后，输出到变形双积分电路；

变形双积分电路接收限幅及前置放大电路输出的信号，转换成双积分超声波信号，输出到比较电路；

比较电路将收到的信号与标准信号比较后输出方波信号到反相及限幅电路；

反相及限幅电路对收到的方波信号进行反相及限幅后输出到微处理器。

根据所述本发明所述的超声波接收电路的优选方案，变形双积分电路包括快恢复二极管、积分电容和放电电阻，其中，快恢复二极管的正极连接限幅及前置放大电路的输出端，积分电容和放电电阻并联连接，并联连接后的一端连接快恢复二极管的负极以及比较电路的其中一个输入端，并联连接后的另一端接地。

根据所述本发明所述的超声波接收电路的优选方案，比较电路包括高速比较器，其中，高速比较器的正向输入端连接变形双积分电路的输出端，高速比较器的负向输入端通过可调电阻连接直流电源。

本发明所述的乳化液浓度在线检测系统及其超声波接收电路的有益效果是：本发明通过测试超声波在乳化液中的传播时间，利用微处理器进行数据处理和计算，并对温度变化进行补偿，通过显示电路将浓度数据显示，利用通讯电路将浓度数据传输到上位机，同时，还能通过遥控器进行控制，实现连续自动遥测；本发明实现了乳化液浓度自动在线检测，显示直观，系统结构简单，测量迅速，测试准确度高，使用方便，超声波接收电路简单、可靠、准确；本发明非常适合我国煤矿、石油、化工、机械等行业使用，具有极大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明所述的乳化液浓度在线检测系统的电路原理框图。

图2是本发明所述的超声波接收电路5的电路原理框图。

图3是本发明所述的超声波发射电路4的电路原理框图。

图4是本发明所述的超声波接收电路5的电路原理图。

图5是本发明所述的乳化液浓度在线检测系统工作原理示意图。

图6是本发明所述的微处理器1的程序流程框图。

具体实施方式

参见图1至图3，本发明所述的乳化液浓度在线检测系统，由微处理器1、温度传感器2、温度检测电路3、超声波发射电路4、超声波接收电路5、超声波发射探头6、超声波接收探头7、遥控器8、红外遥控接收电路9、通讯电路10、显示器15和上位机16构成，其中：将温度传感器2、超声波发射探头6和超声波接收探头7放置在待测乳化液中，将温度传感器2、温度检测电路3、微处理器1、超声波发射电路4、超声波发射探头6顺序连接，并将超声波接收探头7的输出端连接超声波接收电路5的输入端、超声波接收电路5的输出端连接微处理器1的其中一个输入端，同时，微处理器1的其中另一个输入端还连接红外遥控接收电路9的输出端，红外遥控接收电路12的输入端连接遥控器8的输出端，微处理器1的其中一个输出端还连接显示器15的输入端；另外，微处理器1还与通讯电路10连接，通讯电路10与上位机16连接，微处理器1与通讯电路10之间以及通讯电路10与上位机16之间信号均为双向传输；其中：

温度检测电路3接收温度传感器2输出的乳化液温度信号，处理后输出到微处理器1；

微处理器1发出触发脉冲信号到超声波发射电路4；同时，微处理器1接收超声波接收电路5和温度检测电路3输出的信号，处理后输出到显示电路或通过通讯电路10发送到上位机；微处理器1还通过通讯电路10接收上位机发出的控制信号；并且，微处理器1接收所述红外遥控接收电路9发出的红外遥控信号；

超声波发射电路4接收微处理器1发出的触发脉冲信号，经过处理后输出高压脉冲信号到超声波发射探头6；

超声波发射探头6接收超声波发射电路4发出的高压脉冲信号后发射超声波；

超声波接收探头7接收超声波发射探头6发射的超声波，输出到超声波接收电路5；

超声波接收电路5将收到的信号处理后输出到微处理器1；

超声波接收电路5包括限幅及前置放大电路11、变形双积分电路12、比较电路13和反相及限幅电路14；

其中：限幅及前置放大电路11接收超声波接收探头发射的信号，经双向限幅和前置放大后，输出到变形双积分电路12；

变形双积分电路12接收限幅及前置放大电路11输出的信号，转换成双积分超声波信号，输出到比较电路13；

比较电路13将收到的信号与标准信号比较后输出方波信号到反相及限幅电路14；

反相及限幅电路14将收到的方波信号进行反相及限幅后输出到微处理器1；

所述红外遥控接收电路9接收遥控器8发出的红外遥控信号，进行处理后输出到微处理器1。

在本发明所述的乳化液浓度在线检测系统的具体实施方案中，超声波发射电路4包括光电隔离电路21、驱动控制电路22和高压脉冲产生电路23；其中：

光电隔离电路21接收微处理器1发出的触发脉冲信号，进行信号隔离处理，将处理后的信号输出到驱动控制电路22；

驱动控制电路22接收光电隔离电路21输出的信号，产生驱动控制信号输出到高压脉冲产生电路23；

高压脉冲产生电路23接收驱动控制电路22输出的驱动控制信号，产生高压脉冲信号输出到超声波发射探头6。

参见图4，在本发明所述的乳化液浓度在线检测系统的具体实施方案中，变形双积分电路12包括快恢复二极管D4、积分电容C13和放电电阻R19，其中，快恢复二极管D4的正极连接限幅及前置放大电路11的输出端，积分电容C13和放电电阻R19并联连接，并联连接后的一端连接快恢复二极管D4的负极以及比较电路13的其中一个输入端，并联连接后的另一端接地。

比较电路13包括高速比较器U17，其中，高速比较器U17的正向输入端连接变形双积分电路12的输出端，高速比较器U17的负向输入端通过可调电阻R33连接直流电源。

并且，在微处理器1中设置有图6所示的程序，单片机程序工作流程如下：

系统开始运行时，首先读取工作方式、标定温度、声时等系统参数，判断是否有通信中断，若有，则执行中断服务程序，和上位机进行通信；若没有通信中断，则检测温度并发出触发脉冲信号，同时根据读取的参数，并利用储存的浓度与温度和时间的关系式计算出乳化液的浓度。如果在浓度检测过程中出现温度检测异常或超声波发射接收异常等情况，系统自动产生报警；如果检验正常，则显示浓度。在显示过程中，检测是否有遥控信号接收，若有，则产生中断，执行相应的遥控功能，执行完后返回温度、声速检测。

在具体方案中，温度传感器可以选用DS18B20；超声波探头采用谐振式超声波传感器，并采用收、发独立方式，达到排除发射干扰的目的。同时，采用中心频率为2.5MHz的超声波探头，提高超声波的传播能量；采用处理速度高的单片机，使计时频率可达32MHz，提高声时的分辨率；并且在超声波接收电路中采用变形积分方式对超声波信号进行处理，提高了电路的噪声容限能力，降低了对电路元件的要求，使得测量的超声波声速更加准确。

超声波接收电路5的工作原理是：接收超声波探头接收发射信号后，经二极管D9,D11双向限幅后，经放大器U19、电阻R16 、R17、 R31组成的宽带放大器进行前置放大；前置放大的信号送入由快恢复二极管D4、放电电阻R19、积分电容C13及高速比较器U17的输入阻抗构成的变形双积分电路12，这里以快恢复二极管D4代替积分电路中的电阻，并将积分电容C13并联放电电阻R19，构成双积分电路，由于快恢复二极管D4的正向电阻小，所以正向积分斜率大，上升快，而放电时间由于放电电阻R19的存在变得较慢，从而获得上升沿陡，幅度大的积分波形；该波形包含超声波脉冲波束特征值，并去除了干扰信号，所以相对固定，而与常规的脉冲提取电路通过检测超声波主波不同，无需过零检测电路，把超声波波束作为一个整体来处理，使电路简洁、可靠、准确；双积分超声波信号经高速比较电路后变成方波，经反相及限幅后送入微处理器1计数口。

参见图5，乳化液浓度在线检测系统的工作原理是：乳化液浓度在线检测系统采用超声波声速法来实现矿用乳化液浓度的在线实时监测，对于不同浓度的乳化液，超声波在其传播的速度是不相同的。但在实际应用中，由于乳化液的其它状态如温度、压力的变化也会使声速发生变化，因此必须考虑温度和压力的影响，对它们进行补偿。考虑到乳化液的压力变化不大，而且压力对声速的影响很小，可忽略不计，因而只考虑温度对声速的影响。由于声速是通过测量超声波在固定声程上的传播时间即声时算出的，因此，超声波在乳化液中传播速度的测量最终归结为对传播时间的测量，即测量超声波脉冲从发射到接收所用时间                                               

，发射探头和接收探头之间的距离为

即超声波传播的声程为

，由于超声波传播的声程

是一定的，因此只要测出超声波传播的时间

，就可以得到超声波在乳化液中的传播速度。因此只要测量出从发射超声波信号到接收到超声波信号所需要的时间，通过距离和时间计算出超声波在乳化液中传播的速度。同时，由于乳化液温度变化时，超声波传播速度也会发生改变，因此在测试乳化液的浓度时，还需要用温度传感器来检测乳化液的温度，以便补偿温度变化对声速变化造成的影响，保证测试准确度。浓度与温度和时间的关系式如下：

N=f（T，t）

其中：N表示乳化液的浓度；T表示乳化液的温度；t表示超声波脉冲从发射到接收所用时间，即超声波在乳化液中传播L距离所用的时间；L表示超声波发射探头6与超声波接收探头7之间的距离；

在对乳化液浓度进行实时检测之前，一方面，需要在实验室配制浓度值介于需要测试浓度范围的乳化液；另一方面，还要确保乳化液的温度有所变化。在此基础上，首先，在实验室用微处理器和超声波发射电路、接收电路测量出不同浓度的乳化液随温度变化而变化的传播时间。然后，依据实验得到的数据，得出乳化液浓度、超声波传播时间及温度三者之间的函数关系曲线。最后，用软件编写函数表达式的程序，并将其存进微处理器1芯片中，作为后续乳化液浓度在线检测的经验公式使用。

一种超声波接收电路，由限幅及前置放大电路11、变形双积分电路12、比较电路13和反相及限幅电路14构成；

其中：限幅及前置放大电路11接收超声波接收探头发射的信号，经双向限幅和前置放大后，输出到变形双积分电路12；

变形双积分电路12接收限幅及前置放大电路11输出的信号，转换成双积分超声波信号，输出到比较电路13；

比较电路13将收到的信号与标准信号比较后输出方波信号到反相及限幅电路14；

反相及限幅电路14对收到的方波信号进行反相及限幅后输出到微处理器1。

在具体实施例中，变形双积分电路12包括快恢复二极管D4、积分电容C13和放电电阻R19，其中，快恢复二极管D4的正极连接限幅及前置放大电路11的输出端，积分电容C13和放电电阻R19并联连接，并联连接后的一端连接快恢复二极管D4的负极以及比较电路13的其中一个输入端，并联连接后的另一端接地。

比较电路13包括高速比较器U17，其中，高速比较器U17的正向输入端连接变形双积分电路12的输出端，高速比较器U17的负向输入端通过可调电阻R33连接直流电源。

Claims (9)

1.乳化液浓度在线检测系统，包括微处理器（1）、温度传感器（2）、温度检测电路（3）、超声波发射电路（4）、超声波接收电路（5）、超声波发射探头（6）和超声波接收探头（7），其中：

温度检测电路（3）接收温度传感器（2）输出的乳化液温度信号，处理后输出到微处理器（1）；

微处理器（1）发出触发脉冲信号到超声波发射电路（4）；

超声波发射电路（4）接收微处理器（1）发出的触发脉冲信号，经过处理后输出高压脉冲信号到超声波发射探头（6）；

超声波发射探头（6）接收超声波发射电路（4）发出的高压脉冲信号后发射超声波；

超声波接收探头（7）接收超声波发射探头（6）发射的超声波，输出到超声波接收电路（5）；

超声波接收电路（5）将收到的信号处理后输出到微处理器（1）；

微处理器（1）接收超声波接收电路（5）和温度检测电路（3）输出的信号，处理后输出到显示电路或上位机；

其特征在于：

超声波接收电路（5）包括限幅及前置放大电路（11）、变形双积分电路（12）、比较电路（13）和反相及限幅电路（14）；

其中：限幅及前置放大电路（11）接收超声波接收探头发射的信号，经双向限幅和前置放大后，输出到变形双积分电路（12）；

变形双积分电路（12）接收限幅及前置放大电路（11）输出的信号，转换成双积分超声波信号，输出到比较电路（13）；

比较电路（13）将收到的信号与标准信号比较后输出方波信号到反相及限幅电路（14）；

反相及限幅电路（14）将收到的方波信号进行反相及限幅后输出到微处理器（1）。

2.根据权利要求1所述的乳化液浓度在线检测系统，其特征在于：所述微处理器（1）还将处理后的信号通过通讯电路（10）发送到上位机；同时，微处理器（1）还通过通讯电路（10）接收上位机发出的控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的乳化液浓度在线检测系统，其特征在于：该乳化液浓度在线检测系统还包括遥控器（8）和红外遥控接收电路（9）；

所述红外遥控接收电路（9）接收遥控器（8）发出的红外遥控信号，进行处理后输出到微处理器（1）。

4.根据权利要求3所述的乳化液浓度在线检测系统，其特征在于：超声波发射电路（4）包括光电隔离电路（21）、驱动控制电路（22）和高压脉冲产生电路（23）；其中：

光电隔离电路（21）接收微处理器（1）发出的触发脉冲信号，进行信号隔离处理，将处理后的信号输出到驱动控制电路（22）；

驱动控制电路（22）接收光电隔离电路（21）输出的信号，产生驱动控制信号输出到高压脉冲产生电路（23）；

高压脉冲产生电路（23）接收驱动控制电路（22）输出的驱动控制信号，产生高压脉冲信号输出到超声波发射探头（6）。

5.根据权利要求4所述的乳化液浓度在线检测系统，其特征在于：变形双积分电路（12）包括快恢复二极管（D4）、积分电容（C13）和放电电阻（R19），其中，快恢复二极管（D4）的正极连接限幅及前置放大电路（11）的输出端，积分电容（C13）和放电电阻（R19）并联连接，并联连接后的一端连接快恢复二极管（D4）的负极以及比较电路（13）的其中一个输入端，并联连接后的另一端接地。

6.根据权利要求5所述的乳化液浓度在线检测系统，其特征在于：比较电路（13）包括高速比较器（U17），其中，高速比较器（U17）的正向输入端连接变形双积分电路（12）的输出端，高速比较器（U17）的负向输入端通过可调电阻（R33）连接直流电源。

7.一种超声波接收电路，包括限幅及前置放大电路（11）、变形双积分电路（12）、比较电路（13）和反相及限幅电路（14）；

其特征在于：限幅及前置放大电路（11）接收超声波接收探头发射的信号，经双向限幅和前置放大后，输出到变形双积分电路（12）；

变形双积分电路（12）接收限幅及前置放大电路（11）输出的信号，转换成双积分超声波信号，输出到比较电路（13）；

比较电路（13）将收到的信号与标准信号比较后输出方波信号到反相及限幅电路（14）；

反相及限幅电路（14）对收到的方波信号进行反相及限幅后输出到微处理器（1）。

8.根据权利要求7所述的超声波接收电路，其特征在于：变形双积分电路（12）包括快恢复二极管（D4）、积分电容（C13）和放电电阻（R19），其中，快恢复二极管（D4）的正极连接限幅及前置放大电路（11）的输出端，积分电容（C13）和放电电阻（R19）并联连接，并联连接后的一端连接快恢复二极管（D4）的负极以及比较电路（13）的其中一个输入端，并联连接后的另一端接地。

9.根据权利要求7或8所述的超声波接收电路，其特征在于：比较电路（13）包括高速比较器（U17），其中，高速比较器（U17）的正向输入端连接变形双积分电路（12）的输出端，高速比较器（U17）的负向输入端通过可调电阻（R33）连接直流电源。

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