CN103713044A - 一种分布式超声波液体浓度检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式超声波液体浓度检测系统及方法，系统包括嵌入式计算机、多通道超声浓度检测仪及超声波传感器，超声波传感器置于被测液体内，并通过RS485总线与多通道超声浓度检测仪连接，多通道超声浓度检测仪通过USB数据线与嵌入式计算机连接。与现有技术相比，本发明具有很强的时序控制能力和逻辑组合能力，可以实现对高频率、多时序电路信号的连接，运行速率可达到上百兆赫兹，甚至几百赫兹，采用的外部晶振器件的频率也可以超过100MHz，因此可以很好的实现超声波的收发控制电路的驱动和时序逻辑信号的处理，提高浓度测量精度和抗干扰能力，而且采用分布式多通道超声浓度检测仪，能在线连续遥测，满足实时监控的要求。

Description

一种分布式超声波液体浓度检测系统及方法

技术领域

本发明涉及液体浓度的在线检测技术领域，尤其是涉及一种分布式超声波液体浓度检测系统及方法，适用于自来水、化工、医药、粮油、酿酒等生产部门的液体浓度实时在线测量。

背景技术

超声浓度测量的基础是利用浓度和声速、温度的唯一性关系。由于每种物质在一定的状况(浓度、温度、压力)下具有唯一的声速，当物质的浓度变化时其声速也改变。所以测量出液体声速的变化就可以间接地得知浓度的变化。在实际应用中，由于介质的其他状态如温度、压力的变化会使声速发生变化，因此必须考虑温度和压力的影响，对它们进行补偿。考虑到现场液体的压力变化不大，而且压力对声速的影响很小，压力的影响可以忽略不计，因而只考虑温度对声速的影响。但是，现在液体声速和浓度、温度的关系还无法从理论上导出，因此常用的方法是通过实验建立声速、温度和浓度之间的映射，声时是超声波在固定声程上的传播时间，声时测量的精度越高浓度测量的精度也就越高。

目前，声时测量系统一般采用单片机作为系统核心芯片负责产生超声波发射驱动信号，通过过零检测，接收超声回波信号，实现超声波在液体中渡越的时间的计时(扣除硬件延时)。由于单片机测量系统的运行频率一般达不到用在液体测量中超声波传感器的最优频率40MHz，因此无论是采用定时器方式还是计数器方式，传感器驱动信号的频率和精度都是有限的，与理论的测量精度要求差距较大。为提高计时精度，单片机系统一般采用TTL分立元件(如8253/8254)来实现计数器电路，但TTL分立元件的计时频率有限，例如H8254最高计时频率就不超过10MHz。而且如果设计采用分立元件，则整个系统的电路PCB体积也会增大许多。另外，对超声波回波信号的精确辨识和逻辑综合处理是相当重要的一个环节。超声波传感器在发射超声波时会使器件发生少量谐振，因此其自身会存在1到2μs的不确定误差，而且当前单片机计时器自身的计时误差也是μs级的，所以在进行后期逻辑处理时，两种误差相互叠加，使系统的总体测量误差增大。

近30年来，超声波浓度测量的原理没有很大的变化，但是随着新材料和新技术的应用，不仅浓度测量精度有了大幅度的提高，而且应用范围也大为扩展。但是目前的液体浓度测量仍然存在以下几个需要解决的问题：1)提高浓度测量精度；2)提高抗干扰能力；3)能在线连续遥测，以满足实时监控的要求；4)实现测量过程的数字化、自动化、智能化。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分布式超声波液体浓度检测系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种分布式超声波液体浓度检测系统，其特征在于，包括嵌入式计算机、多通道超声浓度检测仪及超声波传感器，所述的超声波传感器置于被测液体内，并通过RS485总线与多通道超声浓度检测仪连接，所述的多通道超声浓度检测仪通过USB数据线与嵌入式计算机连接。

所述的多通道超声浓度检测仪包括多通道切换电路、测温电路、发射电路、接收放大电路、过零检测电路及CPLD模块，所述的CPLD模块内置有计时器，所述的多通道切换电路通过RS485总线与超声波传感器连接，所述的测温电路、发射电路及接收放大电路分别与多通道切换电路连接，所述的接收放大电路与过零检测电路连接，所述的发射电路和过零检测电路分别与计时器连接，所述的测温电路与CPLD模块连接，所述的CPLD模块通过USB数据线与嵌入式计算机连接。

所述的超声波传感器采用压电式超声探头与温度传感器一体化设计，所述的压电式超声探头由两个不锈钢基体的探头分别实现发射和接收，所述的温度传感器内嵌入探头内。

所述的多通道超声浓度检测仪还包括晶振，该晶振与计时器连接。

所述的晶振为80MHz晶振。

一种分布式超声波液体浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在不同温度下测量多个不同溶剂及溶质的样品溶液的声时，用最小二乘法拟合出表示浓度、声时和温度的对应关系的标定曲线，并将拟合得到的数据储存在嵌入式计算机内，所述的声时指超声波在固定声程上的传播时间；

(2)先利用嵌入式计算机设定检测参数，再将超声波传感器放在待测溶液内，测量得到溶液的实时温度值和声时，根据步骤(1)得到的标定曲线得出待测溶液的浓度值，并在显示屏上显示出来，同时嵌入式计算机判断溶液浓度值是否与设定的检测参数一致，不一致则进行语音报警等控制输出动作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用复杂可编程逻辑器件CPLD，具有很强的时序控制能力和逻辑组合能力，可以实现对高频率、多时序电路信号的连接，运行速率可达到上百兆赫兹，甚至几百赫兹，采用的外部晶振器件的频率也可以超过100MHz，因此可以很好的实现超声波的收发控制电路的驱动和时序逻辑信号的处理，提高浓度测量精度和抗干扰能力，提高系统的整体性能；

2、CPLD其丰富的内部资源可以将各种逻辑功能集中在一块芯片内部实现，集成度高，整体设计电路PCB体积也会减小；

3、检测精度高，采用80MHz晶振，接收精度达到12.5ns；

4、采用分布式多通道超声浓度检测仪，能在线连续遥测，满足实时监控的要求。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图；

图2为本发明多通道超声浓度检测仪的结构框图；

图3为实施例中纯水被聚乙二醇污染后检测得到的标定曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种分布式超声波液体浓度检测系统，其特征在于，包括嵌入式计算机1、多通道超声浓度检测仪2及超声波传感器3，所述的超声波传感器3置于被测液体内，并通过RS485总线与多通道超声浓度检测仪2连接，所述的多通道超声浓度检测仪2通过USB数据线与嵌入式计算机1连接。所述的超声波传感器3采用压电式超声探头与温度传感器一体化设计，所述的压电式超声探头由两个不锈钢基体的探头分别实现发射和接收，所述的温度传感器内嵌入探头内。

如图2所示，所述的多通道超声浓度检测仪2包括多通道切换电路21、测温电路22、发射电路23、接收放大电路24、过零检测电路25、CPLD模块及晶振27，所述的CPLD模块内置有计时器26，该计时器26与晶振27连接，所述的多通道切换电路21通过RS485总线与超声波传感器3连接，所述的测温电路22、发射电路23及接收放大电路24分别与多通道切换电路21连接，所述的接收放大电路24与过零检测电路25连接，所述的发射电路23和过零检测电路25分别与计时器26连接，所述的测温电路22与CPLD模块连接，所述的CPLD模块通过USB数据线与嵌入式计算机1连接。所述的晶振27为80MHz晶振。

所述的多通道超声浓度检测仪2的通道数为16(通道数是根据使用传感器数量来确定，可任意扩展)，声时检测灵敏度为12.5ns，温度检测灵敏度为0.1C°，浓度检测灵敏度为0.2％。

所述的多通道超声浓度检测仪2和嵌入式计算机1是检测本发明系统的主控机，它们具有如下功能：

a.多通道超声浓度检测仪2准确无误地接收超声波传感器传送过来的检测数据，并进行整理以备后用；

b.嵌入式计算机1对多个超声波传感器进行管理、调配；

c.嵌入式计算机1判断现场数据是否超出设定限，超出则进行报警等控制输出动作；

d.嵌入式计算机1显示屏输出现场参数、报警历史数据，并可通过键盘显示屏联合作业进行时间设置、通信设置、报警限设置等；

e.嵌入式计算机1与语音辅助装置进行通信，响应语音装置的中断，并把要语音报出的数据传给语音装置；

f.嵌入式计算机1预留通信接口，作为系统检修和计算机主机进行远程通信的接口。

基于本发明系统实现分布式超声波液体浓度检测的方法，包括以下步骤：

(1)在不同温度下测量多个不同溶剂及溶质的样品溶液的声时，用最小二乘法拟合出表示浓度、声时和温度的对应关系的标定曲线，并将拟合得到的数据储存在嵌入式计算机内，所述的声时指超声波在固定声程上的传播时间；

实施例：

表1为纯水被5g/L的聚乙二醇污染后在不同水温下声时变化的检测数据，表2为纯水被10g/L的聚乙二醇污染后在不同水温下声时变化的检测数据：

表1不同水温下声时变化(1000次平均)(5g/L)

水温(℃)	28	29	30	31	32	33	34
								声时(μs)	14.450	14.425	14.400	14.400	14.375	14.350	14.325
水温(℃)	35	36	37	38	39	40
								声时(μs)	14.325	14.300	14.300	14.275	14.275	14.250

表2不同水温下声时变化(1000次平均)(10g/L)

水温(℃)	28	29	30	31	32	33	34
								声时(μs)	4.425	14.400	14.375	14.350	14.350	14.325	14.300
水温(℃)	35	36	37	38	39	40
								声时(μs)	14.300	14.275	14.275	14.25	14.25	14.225

根据表1和表2以及国际温标纯水声速表得出纯水被聚乙二醇污染后的检测得到的标定曲线，如图3所示。

(2)先利用嵌入式计算机设定检测参数，再将超声波传感器放在待测溶液内，测量得到溶液的实时温度值和声时，根据步骤(1)得到的标定曲线得出待测溶液的浓度值，并在显示屏上显示出来，同时嵌入式计算机判断溶液浓度值是否与设定的检测参数一致，不一致则进行语音报警等控制输出动作。

Claims (6)

1.一种分布式超声波液体浓度检测系统，其特征在于，包括嵌入式计算机、多通道超声浓度检测仪及超声波传感器，所述的超声波传感器置于被测液体内，并通过RS485总线与多通道超声浓度检测仪连接，所述的多通道超声浓度检测仪通过USB数据线与嵌入式计算机连接。

2.根据权利要求1所述的一种分布式超声波液体浓度检测系统，其特征在于，所述的多通道超声浓度检测仪包括多通道切换电路、测温电路、发射电路、接收放大电路、过零检测电路及CPLD模块，所述的CPLD模块内置有计时器，所述的多通道切换电路通过RS485总线与超声波传感器连接，所述的测温电路、发射电路及接收放大电路分别与多通道切换电路连接，所述的接收放大电路与过零检测电路连接，所述的发射电路和过零检测电路分别与计时器连接，所述的测温电路与CPLD模块连接，所述的CPLD模块通过USB数据线与嵌入式计算机连接。

3.根据权利要求1所述的分布式超声波液体浓度检测系统，其特征在于，所述的超声波传感器采用压电式超声探头与温度传感器一体化设计，所述的压电式超声探头由两个不锈钢基体的探头分别实现发射和接收，所述的温度传感器内嵌入探头内。

4.根据权利要求1所述的分布式超声波液体浓度检测系统，其特征在于，所述的多通道超声浓度检测仪还包括晶振，该晶振与计时器连接。

5.根据权利要求4所述的分布式超声波液体浓度检测系统，其特征在于，所述的晶振为80MHz晶振。

6.一种基于权利要求1所述的系统的分布式超声波液体浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在不同温度下测量多个不同溶剂及溶质的样品溶液的声时，用最小二乘法拟合出表示浓度、声时和温度的对应关系的标定曲线，并将拟合得到的数据储存在嵌入式计算机内，所述的声时指超声波在固定声程上的传播时间；

(2)先利用嵌入式计算机设定检测参数，再将超声波传感器放在待测溶液内，测量得到溶液的实时温度值和声时，根据步骤(1)得到的标定曲线得出待测溶液的浓度值，并在显示屏上显示出来，同时嵌入式计算机判断溶液浓度值是否与设定的检测参数一致，不一致则进行语音报警等控制输出动作。

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