CN112485328B - 一种超声波糖度测量设备及方法 - Google Patents

一种超声波糖度测量设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波糖度测量设备及方法，该设备包括依次直线设置的信号发射采集电路板、测量管道固定架和超声波反射板；还包括信号处理电路板，其与信号发射采集电路板相连；其中，测量管道，用于盛放待测溶液；信号发射采集电路板，用于发射和接收超声波；测量管道固定架，用于固定测量管道；超声波反射板，用于反射超声波；信号处理电路板用于计算超声波在待测溶液中的传播速度，然后根据预设的糖度模型计算待测溶液的糖度值，最后根据当前温度对糖度值进行温度补偿。本发明利用超声波在不同糖度溶液中的传播速度不同来实现糖度的测量，能够实现无接触实时测量，具有准确率高、测量迅速、应用范围广等优点。

Description

一种超声波糖度测量设备及方法
技术领域
本发明属于超声波测量技术领域，具体涉及一种超声波糖度测量设备及方法。
背景技术
含糖量一般是指单位质量的可食用品中所含糖分的质量。糖分对于一个人的身体健康非常重要，是人体能量的重要来源，人体每天的糖分摄入量应根据个体需求而定。随着生活水平的不断提高，消费者在购买果汁等饮料时，对口感、糖度和酸度等内部品质也提出了更高的要求。
光线从一种介质进入另一种介质时会产生折射现象，且入射角正弦之比恒为定值，此比值称为折光率，现有糖度计利用果汁中糖含量与折光率在一定条件下(同一温度、压力)成正比例的原理测定含糖溶液的浓度、果酒密度，是制糖、食品、饮料、酿酒等行业必不可少的检测仪器，与我们现实生活也是密不可分。但是目前的水果糖度计检测精度容易受到周边光源环境影响，会降低检测的准确度。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种超声波糖度测量设备及方法，解决目前的水果糖度计检测精度容易受到周边光源环境影响的问题。
本发明提供一种超声波糖度测量设备，包括测量管道、信号发射采集电路板、测量管道固定架、超声波反射板和信号处理电路板；信号发射采集电路板、测量管道固定架和超声波反射板依次直线设置；信号处理电路板与信号发射采集电路板相连；
其中，测量管道，用于盛放待测溶液；信号发射采集电路板，用于发射和接收超声波；测量管道固定架，用于固定测量管道；超声波反射板，用于反射超声波；信号处理电路板用于计算超声波在待测溶液中的传播速度，然后根据预设的糖度模型计算待测溶液的糖度值，最后根据当前温度对糖度值进行温度补偿。
进一步地，糖度模型表达式为：
Figure BDA0002777929990000011
式中，c为超声波在待测溶液中的传播速度，b为待测溶液的糖度值，ρA为水的密度，ρB为糖的密度，χA为水的压缩系数。
进一步地，还包括外壳，信号发射采集电路板和信号处理电路板堆叠设置在外壳内。
进一步地，还包括滑轨，测量管道固定架通过滑轨与外壳连接，测量管道固定架可通过滑轨移动，从而固定不同尺寸的测量管道。
进一步地，信号发射采集电路板设有一个或多个用于发射和接收超声波的声学传感器，声学传感器为电容式超声换能器或压电式超声换能器。
进一步地，信号发射采集电路板采用透声材料进行声学封装，形成透声封装薄膜，透声封装薄膜覆盖在声学传感器的表面。
进一步地，透声材料与待测溶液声学阻抗匹配，透声材料具体为聚乙烯、聚氨酯或者硅胶。
进一步地，信号发射采集电路板设有前级信号处理电路，用于对接收的信号进行放大和滤波，前级信号处理电路包括前级放大电路、带通滤波电路和二级放大电路。
进一步地，超声波反射板为经2K镜面抛光的不锈钢板。
本发明还提供一种超声波糖度测量方法，包括以下步骤：
S1、利用超声波穿过待测溶液；
S2、计算出超声波在待测溶液中的传播速度，然后根据预设的糖度模型计算待测溶液的糖度值，其中，糖度模型表达式为：
Figure BDA0002777929990000021
式中，c为超声波在待测溶液中的传播速度，b为待测溶液的糖度值，ρA为水的密度，ρB为糖的密度，χA为水的压缩系数；
S3、根据当前温度对糖度值进行温度补偿，得到最终的糖度值。
本发明的有益效果是：本发明的超声波糖度测量设备利用超声波在不同糖度溶液中的传播速度不同来实现糖度的测量，首先信号发射采集电路板发射超声波，超声波穿过待测糖度溶液后，经超声波反射板反射返回，信号发射采集电路板接收反射回来的超声波，进而计算出超声波在待测溶液中的传播速度，然后根据预设的糖度模型计算待测溶液的糖度值，最后根据当前温度对糖度值进行温度补偿，能够实现无接触实时测量，具有准确率高、测量迅速、应用范围广等优点。
进一步地，测量管道固定架可通过滑轨移动，适应不同尺寸的测量管道；透声封装薄膜能够将声音在传输过程中的损失降到最低，同时它可以防止灰尘、污垢和杂质对声学传感器以及信号发射采集电路板产生影响。
附图说明
图1为本发明的超声波糖度测量设备的结构示意图。
图2为图1中A处的放大图。
图3为本发明的超声波糖度测量设备的系统框图。
图4为本发明的超声波糖度测量设备的前级信号处理电路图。
图中：101-超声波反射板，102-测量管道固定架，103-滑轨，104-外壳，105-显示器，106-信号发射采集电路板，107-声学传感器，108-透声封装薄膜，109-微控制器单元，110-信号处理电路板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
本发明实施例的超声波糖度测量设备，如图1和图2所示，包括测量管道、信号发射采集电路板106、测量管道固定架102、超声波反射板101和信号处理电路板110；信号发射采集电路板106、测量管道固定架102和超声波反射板101依次直线设置；信号处理电路板110与信号发射采集电路板106相连；
其中，测量管道，用于盛放待测溶液；信号发射采集电路板106，用于发射和接收超声波；测量管道固定架102，用于固定测量管道；超声波反射板101，用于反射超声波；信号处理电路板110用于计算超声波在待测溶液中的传播速度，然后根据预设的糖度模型计算待测溶液的糖度值，最后根据当前温度对糖度值进行温度补偿。
由于糖溶液中的糖含量直接影响着混合溶液的密度和压缩系数，以及声速又与混合溶液密度、混合溶液压缩系数有关联，因此能够建立起声速和糖含量之间的关联式：
Figure BDA0002777929990000031
式中：c为超声波在待测溶液中传播的速度；ρ为混合溶液的密度；χ为混合溶液的压缩系数；
混合溶液密度ρ和混合溶液压缩系数χ分别由公式(2)和公式(3)求得：
Figure BDA0002777929990000041
Figure BDA0002777929990000042
式中：
Figure BDA0002777929990000043
为体积百分比浓度；
对于糖水溶液：
χ＝χ水(1-χ糖) (4)
则糖度模型的表达式为：
Figure BDA0002777929990000044
式中，c为超声波在待测溶液中的传播速度，b为待测溶液的糖度值，ρA为水的密度，ρB为糖的密度，χA为水的压缩系数。
进一步地，还包括外壳104，信号发射采集电路板106和信号处理电路板110从上到下堆叠设置在外壳104内，并通过内部插拔口或者电缆进行电学连接。还包括滑轨103，测量管道固定架102通过滑轨103与外壳104连接，测量管道固定架102可通过滑轨103移动，从而固定不同尺寸的测量管道。
进一步地，信号发射采集电路板106的正面，即朝向测量管道固定架102和超声波反射板101的一面，设有一个或多个用于发射和接收超声波的声学传感器107，声学传感器为电容式超声换能器或压电式超声换能器。信号发射采集电路板106采用透声材料进行声学封装，形成透声封装薄膜108，透声封装薄膜108位于信号发射采集电路板106的正面且完全覆盖在声学传感器107的表面。透声材料与待测溶液声学阻抗匹配，能够将声音在传输过程中的损失降到最低，同时它可以防止灰尘、污垢和杂质对声学传感器以及信号发射/采集电路板产生影响。透声材料具体为聚乙烯、聚氨酯或者硅胶。
进一步地，信号发射采集电路板110设有前级信号处理电路，用于对接收的信号进行放大和滤波，如图4所示，前级信号处理电路包括前级放大电路、带通滤波电路和二级放大电路。
进一步地，如图3所示，信号处理电路板110包括微控制器单元109、数据存储和传输单元、电源管理模块、温度补偿模块、脉冲发生模块。微控制器单元控制脉冲发生模块向声学传感器发射脉冲信号，使声学传感器发射超声波，随后将采集到的模拟电压回波信号进行调理并分析计算出超声波传播时间，进而计算出超声波在待测溶液中传播的速度，通过预设的糖度模型计算出果汁的糖度值。温度补偿模块，对温度进行测量并对所计算出的数据进行补偿；数据存储与传输单元用来将处理好的声学信号以及计算数据保存到超声波糖度测量设备内部的存储器上，或者通过有线接口或无线接口传输出去；电源管理模块用来给整个超声波糖度测量设备系统供电。
进一步地，还包括显示器105，显示器105与信号处理电路板110连接，用于显示糖度值。显示器105可以位于信号处理电路板110的下方，固定在外壳104的侧面，并通过软排线与信号处理电路板110进行电学连接，在显示微控制器单元处理好的计算数据的同时，还可以显示超声波糖度测量设备的系统状态。
进一步地，超声波反射板101为经2K镜面抛光的不锈钢板，对超声波反射能力强。
当果汁超声波糖度测量设备工作时，通过滑轨调节测量管道固定架至合适位置，将要测量的样品盒或样品测量管道固定在测量管道固定架中，信号处理电路板的微控制器单元控制脉冲发生模块向声学传感器发射脉冲信号，声学传感器发射出超声波信号之后经过超声波反射板反射回来，经声学传感器接收超声波信号进入信号处理电路，随后将采集到的模拟电压回波信号进行调理并分析计算出超声波传播速度，通过预设的糖度模型计算出果汁的糖度值，并进行温度补偿提高测量准确率。
本发明还提供一种利用上述超声波糖度测量设备进行超声波糖度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用超声波穿过待测溶液；
S2、计算出超声波在待测溶液中的传播速度，然后根据预设的糖度模型计算待测溶液的糖度值，其中，糖度模型表达式为：
Figure BDA0002777929990000051
式中，c为超声波在待测溶液中的传播速度，b为待测溶液的糖度值，ρA为水的密度，ρB为糖的密度，χA为水的压缩系数；
S3、根据当前温度对糖度值进行温度补偿，得到最终的糖度值。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声波糖度测量设备，其特征在于，包括测量管道、信号发射采集电路板、测量管道固定架、超声波反射板和信号处理电路板；信号发射采集电路板、测量管道固定架和超声波反射板依次直线设置；信号处理电路板与信号发射采集电路板相连；
其中，测量管道，用于盛放待测溶液；信号发射采集电路板，用于发射和接收超声波；测量管道固定架，用于固定测量管道；超声波反射板，用于反射超声波；信号处理电路板用于计算超声波在待测溶液中的传播速度，然后根据预设的糖度模型计算待测溶液的糖度值，最后根据当前温度对糖度值进行温度补偿；
糖度模型表达式为：
Figure FDA0003199767020000011
式中，c为超声波在待测溶液中的传播速度，b为待测溶液的糖度值，ρA为水的密度，ρB为糖的密度，χA为水的压缩系数。
2.根据权利要求1所述的超声波糖度测量设备，其特征在于，还包括外壳，信号发射采集电路板和信号处理电路板堆叠设置在外壳内。
3.根据权利要求2所述的超声波糖度测量设备，其特征在于，还包括滑轨，测量管道固定架通过滑轨与外壳连接，测量管道固定架可通过滑轨移动，从而固定不同尺寸的测量管道。
4.根据权利要求1所述的超声波糖度测量设备，其特征在于，信号发射采集电路板设有一个或多个用于发射和接收超声波的声学传感器，声学传感器为电容式超声换能器或压电式超声换能器。
5.根据权利要求4所述的超声波糖度测量设备，其特征在于，信号发射采集电路板采用透声材料进行声学封装，形成透声封装薄膜，透声封装薄膜覆盖在声学传感器的表面。
6.根据权利要求5所述的超声波糖度测量设备，其特征在于，透声材料与待测溶液声学阻抗匹配，透声材料具体为聚乙烯、聚氨酯或者硅胶。
7.根据权利要求1所述的超声波糖度测量设备，其特征在于，信号发射采集电路板设有前级信号处理电路，用于对接收的信号进行放大和滤波，前级信号处理电路包括前级放大电路、带通滤波电路和二级放大电路。
8.根据权利要求1所述的超声波糖度测量设备，其特征在于，超声波反射板为经2K镜面抛光的不锈钢板。
9.一种超声波糖度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用超声波穿过待测溶液；
S2、计算出超声波在待测溶液中的传播速度，然后根据预设的糖度模型计算待测溶液的糖度值，其中，糖度模型表达式为：
Figure FDA0003199767020000021
式中，c为超声波在待测溶液中的传播速度，b为待测溶液的糖度值，ρA为水的密度，ρB为糖的密度，χA为水的压缩系数；
S3、根据当前温度对糖度值进行温度补偿，得到最终的糖度值。
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