CN103954529B - 快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，包括有测定仪壳体，测定仪壳体一表面上设有液晶显示屏，液晶显示屏的一侧分别设置有开关键、参数设定按键、液晶显示屏调节按键、温度调零按键及压力调零按键；测定仪壳体内设置有单片机、5V基准电源、液晶显示屏背光亮度调节模块、压力采样模块、温度采样模块、复位电路模块及参数设定模块。本发明的快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪具有测试速度快及测试结果准确的优点。

Description

快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪

技术领域

本发明属于啤酒检测设备技术领域，涉及一种检测啤酒内二氧化碳的装置，具体涉及一种快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪。

背景技术

啤酒中所含有的二氧化碳有利于形成均匀的泡沫,赋于啤酒杀口的感觉,还能有效防止啤酒氧化,另外啤酒中含有的二氧化碳还能起到使部分酒花树脂析出，使啤酒的口味更加细腻柔和，同时还能起到抑制杂菌污染的作用。

啤酒中二氧化碳含量是衡量啤酒品质的一个重要指标，若啤酒中没有二氧化碳,在口感上啤酒只是一杯苦水；若啤酒中二氧化碳含量比较低,会影响啤酒的起泡性和泡沫的持久性,产生的泡沫很快会消失,啤酒的口味也变得较为平淡；而啤酒中二氧化碳含量高了也会存在一些弊端，二氧化碳含量过高则在一定温度下啤酒瓶内压力会增大，可能会引起爆裂或爆炸，而且对饮者的人身健康也极为不利。通常的参考标准是在25℃的温度条件下，每100克啤酒中二氧化碳含量约为0.5％左右。

在生产啤酒的过程中要对啤酒瓶中的二氧化碳含量有较为清楚的了解，而目前，对于啤酒中二氧化碳含量的测定方法主要有以下几种：(1)重量法：将二氧化碳从啤酒中逐出，然后被已知重量的碱吸收，吸收前、后重量之差即为二氧化碳含量；这种方法因有一定数量的水随二氧化碳排出，二氧化碳在吸收前要经过干燥，在实用上操作麻烦，但精度较高；(2)容量法：将二氧化碳用不含碳酸盐的氢氧化钠吸收,然后加酸使二氧化碳释放,于滴定管中测定其体积，再根据公式计算二氧化碳含量；(3)滴定法：二氧化碳被碱吸收后，以酚酞为指示剂滴定，其反应方程为NaOH+CO₂＝NaHCO₃，该反应式说明：1克当量氢氧化钠吸收1克当量二氧化碳，即每1/10毫升氢氧化钠能与4.4毫克二氧化碳化合；(4)压力法：基于亨利定律，在一定温度下，某种气体在溶液中的浓度与液面上该气体的平衡压力成正比。前面所述的三种方法操作过程均较烦琐和费时，第四种方法与前三种方法比较，具有操作简便省时的优点。

国内生产的啤酒二氧化碳测定仪主要有两类，即机械式啤酒二氧化碳测定仪和数显式啤酒二氧化碳测定仪，这两种测定仪都需要对瓶颈空气体积和瓶颈空容体积进行测量，因此操作烦琐费时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，具有测试速度快及测试结果准确的优点。

本发明所采用的技术方案是，快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，包括有测定仪壳体，测定仪壳体一表面上设有液晶显示屏，液晶显示屏的一侧分别设置有开关键、参数设定按键、温度调零按键、压力调零按键及液晶显示调节按键；测定仪壳体内设置有单片机、5V基准电源、液晶显示屏背光亮度调节模块、压力采样模块、温度采样模块、复位电路模块及参数设定模块。

本发明的特点还在于：

单片机分别通过导线与5V基准电源、液晶显示屏背光亮度调节模块、压力采样模块、温度采样模块、复位电路模块及参数设定模块连接；液晶显示屏背光亮度调节模块与液晶显示屏调节按键、液晶显示屏通过导线构成闭合回路。

单片机连接有PC机通讯模块，PC机通讯模块通过通讯电缆直接与中心实验室的计算机终端相连。

单片机为STC12C5A32S2单片机。

压力采样模块，包括有压力传感器，压力传感器分别通过导线与恒流电源、第一差动放大电路连接，所述第一差动放大电路分别通过导线与第一增益调节电路、压力调零模块连接，压力调零模块与压力调零按键连接。

压力传感器采用MPX700GP表压压力传感器。

温度采样模块，包括有温度采样电桥，温度采样电桥分别通过导线与2.5V基准电源、第二差动放大电路连接，第二差动放大电路分别连接有温度调零模块、第二增益调节电路，温度调零模块与温度调零按键连接。

温度调零模块采用的是20Ω电位器。

2.5V基准电源的型号为：MC1403。

本发明的有益效果是：

(1)本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪在保证测量精度的情况下，省去了瓶颈空气体积V₂和瓶颈空容体积V₁的测量过程，与传统测量仪器相比较，使测量时间减少90％以上，具有检测速度快的特点；

(2)本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪省略了人工查表，再计算二氧化碳含量的过程，将原来的数表拟合成一个通用公式后，由通用公式直接计算结果，使测量结果快速而直接的显示在液晶显示屏上，提高了质量检测人员的工作效率；

(3)本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪采用液晶显示屏，除了可以显示单个瓶装啤酒瓶中的二氧化碳含量、温度和压力外，还能显示多个样品测量值的平均值、均方根误差和相对均方根误差；

(4)本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪中增加了与上位PC机的通讯功能，能及时汇总、统计和存贮测量结果，使质量管理人员及时了解啤酒的品质；

(5)本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪中，啤酒的压力及温度采样系统的零点和量程均采用软件校准技术。

(6)本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪主要用于解决瓶装啤酒中二氧化碳测的快速检测问题，同时可以快速测定出瓶装啤酒的内部压力和温度，另外除应用于啤酒二氧化碳的检测外，还可以用于其他含气饮料的CO₂测量。

附图说明

图1是本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪的结构示意图；

图2是本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪的操作面板的结构示意图。

图中，1.单片机，2.液晶显示屏，3.5V基准电源，4.液晶显示屏调节按键，5.液晶显示屏背光亮度调节模块，6.压力采样模块，7.压力传感器，8.恒流电源，9.压力调零模块，10.第一差动放大电路，11.第一增益调节电路，12.温度采样模块，13.温度采样电桥，14.2.5V基准电源，15.温度调零模块，16.第二差动放大电路，17.第二增益调节电路，18.复位电路模块，19.PC机通讯模块，20.参数设定模块，21.开关键，22.参数设定按键，23.温度调零按键，24.压力调零按键。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，包括有测定仪壳体，如图1及图2所示，测定仪壳体一表面上设有液晶显示屏2，液晶显示屏2的一侧分别设置有开关键21、参数设定按键22、温度调零按键23、压力调零按键24及液晶显示屏调节按键4；测定仪壳体内设置有单片机1、5V基准电源3、液晶显示屏背光亮度调节模块5、压力采样模块6、温度采样模块12、复位电路模块18及参数设定模块20。

单片机1连接有PC机通讯模块19，PC机通讯模块19通过通讯电缆直接与中心实验室的计算机终端相连。

如图1所示，单片机1分别通过导线与5V基准电源3、液晶显示屏背光亮度调节模块5、压力采样模块6、温度采样模块12、复位电路模块18及参数设定模块20连接；液晶显示屏背光亮度调节模块5与液晶显示屏调节按键4、液晶显示屏2通过导线构成闭合回路。

压力采样模块6，如图1所示，包括有压力传感器7，压力传感器7分别通过导线与恒流电源8、第一差动放大电路10连接，第一差动放大电路10分别通过导线与第一增益调节电路11、压力调零模块9连接，压力调零模块9与压力调零按键24连接。

温度采样模块12，包括有温度采样电桥13，温度采样电桥13分别通过导线与2.5V基准电源14、第二差动放大电路16连接，第二差动放大电路16分别连接有温度调零模块15、第二增益调节电路17，温度调零模块15与温度调零按键23连接。

本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪中各模块或电路的作用如下：

单片机1选用的是STC12C5A32S2单片机，单片机1是本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪中的重要部件，用于控制瓶装啤酒内部的压力和温度、对压力采样以及对温度采样获取的值进行处理，最终将测定结果输出，显示于液晶显示屏2上；同时能将输入到测定仪中的参数进行设定、修改，还能对测定仪进行校准，通过PC机通讯模块19与上位PC机之间进行通讯。STC12C5A32S2单片机，内含32K程序存储器(FLASH)，128字节随机数据存储器SRAM，28K可电擦除EEPROM，8路A/D转化器，转换精度可选10位或8位(二进制)，转换公式为：数字量＝1024V_in/V_CC；V_CC是单片机1的供电电源的电压值，本发明中选用的是5V基准电源3。

单片机1内集成有计算模块，用于进行如下计算：

$P_{{\mathrm{CO}}_2}=P-0.0266---\left(1\right);$

P＝P_meter+0.101(2)；

${\mathrm{CO}}_2(W/W)\%=a_0+a_{1}t+a_2{t}^2+(b_0+b_{1}t+b_2{t}^2)P_{{\mathrm{CO}}_2}+(c_0+c_{1}t+c_2{t}^2)P_{\mathrm{CO}2}^2---\left(3\right);$

式(3)中，a₀，a₁，a₂，b₀，b₁，b₂，c₀，c₁，c₂均为拟合常数，具体如下：

a₀＝0.331，a₁＝-0.01186，a₂＝0.000158，；

b₀＝2.379，b₁＝-0.0544，b₂＝0.00082；

c₀＝-0.18833，c₁＝0.01397，c₂＝-0.00027。

液晶显示屏2采用OCM320240阵液晶显示模块控制，用于显示待测定的瓶装啤酒的压力、温度、二氧化碳含量，还能用于显示多个待测样品测量值的平均值、均方根误差、相对均方根误差及显示设置参数；液晶显示屏2的供电电压为5V，为了延长使用寿命，可人工通过液晶显示屏背光亮度调节模块即550K电位器调节亮度，能使显示信息达到最佳显示效果。

利用单片机1内部A/D转换器将压力采样模块6和温度采样模块12输入的数据进行转换，本发明的测定仪中，选择三端可调精密稳压集成电路，该电路内芯片内部基准电压为2.5V，输出稳压范围2.5V～36V，阴极电流可调范围1mA～150Ma，最大功耗1.25W，输出电流负载能力可达500mA，单片机1最大灌电流能力不超过100mA。

压力传感器7采用MPX700GP表压压力传感器，压力测量范围为：0MPa～0.7MPa；MPX700GP压力传感器的零点输出电压约为20mV，因此所给电路参数能够保证可靠调零。压力传感器一般都存在温漂问题，本发明的测定仪中的压力传感器7可通过压力调零模块9(电位器)进行调零予以消除。在3V供电电压、温度为25℃时，满量程响应60mV。本发明的测定仪中的压力传感器7在3V供电电压、温度为125℃下的满量程响应为53mV，-40℃下的满量程响应为66mV。本发明的测定仪中，由压力传感器7输出信号电压与环境温度(非啤酒温度)及压力的关系如下：

$U_o=E\left[\begin{array}{c}0.0063916+0.0000105352\·t+1.8658\×{10}^{-8}{t}^2+\\ (0.020504-0.00005847\·t+8.8625\×{10}^{-9}{t}^2)P\end{array}\right];$

上式中：U_O为压力传感器7输出电压信号，单位为：V；E为压力传感器7的供电电压，单位为：V；t为环境温度，单位为：℃；P为啤酒瓶内的压力，单位为：MPa。

为了消除温漂影响，温度采样模块12内的温度传感器采用性能稳定、高精度的铂电阻，温度采样桥13可采用精度等级为0.05％金属膜电阻。温度采样桥13采用2.5V基准电源14供电，具体的型号为：MC1403。温度采样桥13上的温度调零模块15采用的是20Ω电位器，用于调零。温度采样桥13产生的差模信号输出给后面的第二差动放大电路16，因放大倍数较高(约100倍)，为了减小第二差动放大电路16的不稳定性，在运放输出端利用第二增益调节电路17进行增益调节，由第二增益调节电路17内设置的6K电位器实现。

本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪中，采用恒流电源8供电替代电压源供电，目的在于：用来消除电压源供电时存在温度漂移问题。

复位电路模块18与单片机1连接，用于启动整个测定仪开始工作。

参数设定模块20与单片机1连接，用于设定参数、修改参数、查阅测量记录等。

本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪使得啤酒内二氧化碳含量的检测过程大大简化，进而实现啤酒内二氧化碳的快速测量；所谓“快速”是指省去了用于测量啤酒瓶颈空气体积V₂的附加实验装置部分，包括吸收管、水准瓶、乳胶管等，即省去瓶颈空气体积V₂和瓶颈空容体积V₁的测量过程，使测量时间减少90％以上，从而使测量时间大大缩短；本发明的测定仪在测定啤酒的温度和啤酒瓶内啤酒的压力后，无须人为再进行计算和查表，即能将二氧化碳含量显示出来。

本发明的测定仪还能对多个瓶装啤酒样品进行连续测量(一次只能测量一个啤酒瓶)，并将多个测量结果，包括啤酒内二氧化碳含量、温度、内部压力保存在单片机1中，同时能统计出其平均值(MEAN)、均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(RRMSE)，单个样品的测量值及多个样品的统计结果值可输出显示或传输到中心实验室的PC机上。

通过对现场不同品种、不同生产线和不同生产日期的瓶装啤酒的大量实验数据的统计分析表明，0.101·V₂/V₁约为一个常数，其平均值为0.0266，以该平均值为标准值，对N个测量数据给出的均方根误差(RMSE)和相对均方根误差(RRMSE)分别为：

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(0.101\·V_2\left(i\right)/V_1\left(i\right)-0.0266)}^2}=0.00985_{\mathrm{MPa}};$

$\mathrm{RRMSE}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{0.101\·V_2\left(i\right)/V_1\left(i\right)-0.0266}{0.0266}\right)}^2}=0.37.$

本发明快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪的工作过程为：

由压力传感器7采集啤酒瓶内的压力P_meter，将压力采样值P_meter送单片机1中；同时由温度采样模块采集啤酒温度，将温度采样值t送单片机1中；由单片机1内的计算模块进行计算，先计算出P＝P_meter+0.101，接着计算出最后经计算得到啤酒内二氧化碳的含量为： ${\mathrm{CO}}_2(W/W)\%=a_0+a_{1}t+a_2{t}^2+(b_0+b_{1}t+b_2{t}^2)P_{{\mathrm{CO}}_2}+(c_0+c_{1}t+c_2{t}^2){P_{{\mathrm{CO}}_2}}^2;$ 由液晶显示屏2显示测量结果。

采用 ${\mathrm{CO}}_2(W/W)\%=a_0+a_{1}t+a_2{t}^2+(b_0+b_{1}t+b_2{t}^2)P_{{\mathrm{CO}}_2}+(c_0+c_{1}t+c_2{t}^2){P_{{\mathrm{CO}}_2}}^2$ 计算得到啤酒内二氧化碳含量与原数表比较，误差小于0.08％。

Claims (5)

1.快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，其特征在于，包括有测定仪壳体，所述测定仪壳体一表面上设有液晶显示屏(2)，所述液晶显示屏(2)的一侧分别设置有开关键(21)、参数设定按键(22)、温度调零按键(23)、压力调零按键(24)及液晶显示调节按键(4)；

所述测定仪壳体内设置有单片机(1)、5V基准电源(3)、液晶显示屏背光亮度调节模块(5)、压力采样模块(6)、温度采样模块(12)、复位电路模块(18)及参数设定模块(20)；

所述单片机(1)分别通过导线与5V基准电源(3)、液晶显示屏背光亮度调节模块(5)、压力采样模块(6)、温度采样模块(12)、复位电路模块(18)及参数设定模块(20)连接；

所述液晶显示屏背光亮度调节模块(5)与所述液晶显示屏调节按键(4)、液晶显示屏(2)通过导线构成闭合回路；

所述单片机(1)连接有PC机通讯模块(19)，所述PC机通讯模块(19)通过通讯电缆直接与中心实验室的计算机终端相连；

所述压力采样模块(6)，包括有压力传感器(7)，所述压力传感器(7)分别通过导线与恒流电源(8)、第一差动放大电路(10)连接，所述第一差动放大电路(10)分别通过导线与第一增益调节电路(11)、压力调零模块(9)连接，所述压力调零模块(9)与压力调零按键(24)连接；

所述温度采样模块(12)，包括有温度采样电桥(13)，所述温度采样电桥(13)分别通过导线与2.5V基准电源(14)、第二差动放大电路(16)连接，所述第二差动放大电路(16)分别连接有温度调零模块(15)、第二增益调节电路(17)，所述温度调零模块(15)与温度调零按键(23)连接。

2.根据权利要求1所述的快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，其特征在于，所述单片机(1)为STC12C5A32S2单片机。

3.根据权利要求1所述的快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，其特征在于，所述压力传感器(7)采用MPX700GP表压压力传感器。

4.根据权利要求1所述的快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，其特征在于，所述温度调零模块(15)采用的是20Ω电位器。

5.根据权利要求1所述的快速检测啤酒内二氧化碳含量的测定仪，其特征在于，所述2.5V基准电源(14)的型号为：MC1403。