CN204346979U - 一种高精度液体媒质浓度超声检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型设计一种高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于：该系统包括工控机、脉冲信号发生/接收器、数字化仪、水浴恒温器、测试池、循环泵，超声发射探头、超声接收探头，其中数字化仪通过PCI总线与工控机连接，数字化仪与脉冲信号发生/接收器相互连接，与脉冲信号发生/接收器发射端连接的超声发生探头安装在测试池一侧，与脉冲信号发生/接收器回波信号接收端连接的超声接收探头安装于测试池相对于所述一侧的另一侧，用于容纳被测液体煤质的测试池置于水浴恒温器中，水浴恒温器采用PID温度控制器，配备有循环泵，实现温度场温度恒定。

Description

一种高精度液体媒质浓度超声检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种高精度溶液浓度检测系统。

背景技术

超声波检测技术是一种受到越来越广泛关注的检测技术。超声检测的基本原理是：发射的超声波经与被测媒质作用后，携带了被测媒质的信息而被接收，通过分析接收到的信号，从而获得有关媒质的信息，声速、声阻抗、声衰减，是声波的主要参数，这些参数与工业过程密切相关。因此，工业过程状态的变化，即过程参量，可通过测量声参数来反映。

利用超声检测浓度的方法最广泛的是采用声速进行测量，声速可表征很多被测媒质的特性，如区分不同纯液体、溶液的浓度、二元以及多元液态混合物的状态等。Van(Food control，2008，19(1)：31-35)研究了采用超声检测技术在容器壁外实时检测葡萄酒发酵过程的技术。研究人员分别测量了蔗糖-水和乙醇-水二元混合溶液在1MHz、500KHz和54KHz频率下的声速变化，指出可利用声速的频散特性(声程为40cm，声速测量精度为0.001m·s-1)测量发酵过程中乙醇和糖浓度的变化。但当被测媒质中有高浓度的气泡或是散射粒子时，声波很容易被衰减掉，声波不能穿透被测媒质，此时无法采用声速进行检测。此外，如果混合液中的各组分声速差别不是很大，声速随各组分浓度变化的改变不明显，此时也不适宜采用声速测量。在进行分散液中分散粒子粒径大小及分布的确定时，测量声衰减是一种有效方法。声衰减主要与媒质的导热性、粘度、分散粒子大小以及检测使用的频率有关。德国Sympatec生产的OPUS系统是一台基于超声谱的在线粒径分析仪，可用于分析浓度在25％以下，粒径分布在5-3000um范围内的溶液体系。Henning(Ultrasonics，2000，38(1)：799-803)给出了可以同时求解声速、声衰减和声阻抗的传感器设计。声速测定采用两次回波之间的传播时间和传播距离计算而得；阻抗和衰减是对比分析参考媒质和被测媒质的各自前2个回波信号的幅值计算而得。该技术可实现超声密度检测。声阻抗传感 器的另一个可能应用领域是测定乳浊液和固体分散体系的浓度。这是由于这两中体系中声衰减很大，不适宜用声速和衰减检测。

江泽涛等(自动化仪表，2001，22(1)：25-27)介绍了一种超声波液体溶液浓度的在线检测方法，并研制了相应的以单片机和计算机为核心的在线检测仪。仪器采用了声时、声幅衰减及数字处理技术联合排除气泡干扰方法，增加了仪器的稳定性；仪器采用了高精度测声时方法，以提高浓度测量精度；并建立了多种溶液浓度与声速和温度关系的数据库，实现实时浓度检测。江泽涛(仪器仪表学报，2001，22(3)：240-243)等介绍了利用超声技术进行乙醇浓度(30％～100％)的在线检测方法、浓度在线检测仪的原理、组成和软件设计。该仪器的测量误差小于0.2％。

目前，利用超声检测浓度的方法主要是采用声速进行测量，当被测量媒质是多元混合液时，要联合其它分析方法，如温度、频率、电导率等。在声速测量过程中，需消除温度变化对声速测量造成的影响，提高测量精度。而衰减测量的精度没有声速测量的精度高，而且影响衰减的因素很多，如声束扩散、液体的粘性、热传导、边界摩擦以及各种弛豫过程，还包括由晶粒结构、悬浮粒子杂质、气泡等造成的散射衰减。所以即使衰减测量精度很高，但由于影响因素众多，也不等于分析就很正确。这也是前文所述测量浓度中没有采用衰减进行测量的原因。同时，和声衰减测量一样，阻抗的测量也是通过回波信号的幅值计算而得，精度也很难和声速相比。从以上分析可知，上述测量方法主要是利用具体的声参量进行检测，未能将回波信号中与被测过程参量有关的媒质声学信息全面、合理、高效的抽提。

发明内容

为了避免上述方法不能全面、合理、高效对回波信号中的信息进行提取的缺点，本实用新型提供一种能够利用声速进行测量的、全面、合理、高效对回波信号中的信息进行提取的测量系统。

一种高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于：该系统包括工控机、脉冲信号发生/接收器、数字化仪、水浴恒温器、测试池、循环泵，超声发射探 头、超声接收探头，其中数字化仪通过PCI总线与工控机连接，数字化仪与脉冲信号发生/接收器相互连接，与脉冲信号发生/接收器发射端连接的超声发生探头安装在测试池一侧，与脉冲信号发生/接收器回波信号接收端连接的超声接收探头安装于测试池相对于所述一侧的另一侧，用于容纳被测液体煤质的测试池置于水浴恒温器中，水浴恒温器采用PID温度控制器，配备有循环泵，实现温度场温度恒定。

所述脉冲信号发生/接收器为CTS-8077PR脉冲发生/接收仪。

所述数字化仪为PCI-9846H/512数字化仪。 

所述水浴恒温器为DC-0506水浴恒温器。 

所述超声发生探头和超声接收探头为宽频超声TOFD换能器。

本实用新型测试原理为：脉冲发生接收仪CTS-80787PR按一定的重复频率(100Hz)发射脉冲，经发射端T将电脉冲信号送入中心频率为5MHz、直径为6mm的宽频超声TOFD换能器，声波在两端池壁内和内壁之间进行多次反射、透射和重叠后，回波信号被接收端R接收，信号经脉冲发生器进行+10dB增益调节后送入PCI-9846H/512数字化仪。上位工控机运行2010环境下开发的数据采集程序，实现回波信号的采集。对于超声信号的分析方法，利用透过液体媒质超声频率信息结合偏最小二乘法来有效提取媒质声学信息，建立被测液体煤质的测试模型。

本实用新型的有益效果是，可以利用偏最小二乘法结合超声频谱信息将回波信号中与被测过程参量有关的媒质声学信息全面、合理、高效的抽提。

附图说明

图1是本实用新型的系统示意图。

图2是本实用新型的2010中数据采集程序前面板(用户界面)。

图3是本实用新型的2010中数据采集程序框图。

图中，(1)工控机，(2)PCI总线，(3)CTS-8077PR脉冲发生/接收仪，(4)数字化仪PCI-9846H/5123，(5)DC-0506水浴恒温器，(6)循环泵，(7)电脉冲：-75V，100ns，(8)超声发射探头，(9)被测流体，(10)超声接收探头，(11)测 试池，(12)采样通道，(13)最大值，(14)最小值，(15)采样频率，(16)采样点数，(17)上升沿触发，(18)外部数字信号，(19)保存路径，(20)测量波型。

具体实施方式

在图1中，脉冲发生接收仪CTS-80787PR按一定的重复频率(100Hz)发射脉冲，经发射端T将电脉冲信号送入宽频超声换能器TOFD 5MHz 6mm，声波在两端池壁内和内壁之间进行多次反射、透射和重叠后，回波信号被接收端R接收，信号经脉冲发生器进行+10dB增益调节后送入PCI-9846H/512数字化仪。上位工控机运行2010环境下开发的数据采集程序，实现回波信号的采集。

在图2中，根据系统的物理连接及超声脉冲回波信号的特征，在用户界面中设置采样通道、最大值、最小值、采样频率、采样点数等。本系统装有的PCI-9846H/512采集卡的名称被设置为Dev0(在板卡自带的DAQ Master软件中设置)，连接的模拟输入通道为ai0；PCI-9846H/512采集卡的触发采用外部数字信号上升沿触发，触发信号来自CTS-8077PR脉冲发射-接收仪的同步信号输出端SYNC Out(TTL电平)。前面板实时提供所采集信号的时域波形图。采集好的数据保存在用户自行选择的路径下，供MATLAB软件后续分析使用。

超声信号的处理方法采用快速傅里叶变化FFT，系统的多元线性统计回归模型建立采用偏最小二乘回归PLSR，并且分析中的自变量和因变量都是经过标准化的。

时域离散超声信号x(n)的离散傅里叶变换(DFT)的幅值信息为P(k)，相位信息为φ(k)：

k＝0，1，…(N/2-1)其中N为一次采样点数，P(k)和φ(k)为行向量，本系统中N＝8000。

设第i个浓度溶液的离散超声信号x_i(n)离散傅里叶变化幅值信息为P_i(k)，相位信息为φ_i(k)，由m个不同浓度溶液的超声信号离散傅里叶变化的幅值信息和相位信息组成建模自变量矩阵X：

建模之前需对建模自变量举证进行标准化，标注化包括数据的中心化和压缩处理。中心化处理的目的是使样本点集合的重心与坐标原点重合，而压缩处理可以消除由量纲不同所引起的虚假变异信息，使分析结果更加合理。标准化方法如下：

${\tilde{x}}_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{\mathrm{ij}}-{\stackrel{\‾}{x}}_j}{s_j},i=\mathrm{1,2},\·\·\·m;j=\mathrm{1,2},\·\·\·N---\left(2\right)$

式中：m为样本点数，N为解释变量的个数(也即一次采样点数)，是第j个解释变量x_j的均值，s_j是x_j的样本方差，是x_j的标准化结果。标准化后的自变量矩阵也记为x。利用标准化后的频谱和相位数据，建立系统的偏最小二乘检测模型。

偏最小二乘回归的基本思想是在自变量矩阵X中提取信息时同时考虑因变量Y，使提取的信息对因变量有很强的解释能力。

若记m个不同浓度溶液的浓度值为Y₁，Y₂，…，Y_m，则因变量矩阵Y为：

$Y={\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ .\\ .\\ .\\ Y_m\end{array}\right]}_{m\×1}---\left(3\right)$

建立偏最小二乘回归模型：

Y＝βX            (4) 

对于未知参数β的估计，采用偏最小二乘回归算法，计算公式如下：

$\widehat{\mathrm{\β}}=R{\left(T^{T}T\right)}^{-1}{R}^T{X}^{T}Y---\left(5\right)$

式中R＝W(P^TW)^-1，P＝X^TT(T^TT)^-1，T：得分矩阵，W：协方差矩阵主特征向量。

在实际处理问题过程中，由于矩阵x中的变量之间存在着相关性，同时还包含有噪声，所以偏最小二乘回归建模时，取x矩阵分解后的因变量个数h小于实际个数N，使得一些包含有噪声的因变量被消除，因而具有噪声过滤作用， 所建立的模型预测能力强。模型好坏可通过标准差进行衡量。

标准差是衡量模型好坏的重要指标，其中包括RMSEC、RMSEP，计算公式如下：

RMSEC或 $\mathrm{RMSECV}=\sqrt{\frac{1}{n_c-1}\underset{i=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{Y}}_i-Y_i)}^2}---\left(6\right)$

$\mathrm{RESEP}=\sqrt{\frac{1}{n_p-1}\underset{i=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{Y}}_i-Y_i)}^2}---\left(7\right)$

$\mathrm{RPD}=\frac{\mathrm{SD}}{\mathrm{RMSEP}}$ 或 $\frac{\mathrm{SD}}{\mathrm{RMSECV}}---\left(8\right)$

式中：n_c为校正集样本数；Y_i为第i个样本的标准值；为模型对第i个样本的预测结果；n_p为预测集样本数，SD为标准值的标准差。当RPD值大于3时，模型可用于预测。

使用偏最小二乘回归其主要原因有两个：一是，与多元线性回归等分析方法相比，虽然求得的模型的残差平方和差别不大，但偏最小二乘模型的预测残差平方和(PRESS)较小，因而具有较高的预测稳定性；二是，偏最小二乘回归较适于处理变量多而样本少得问题，是一种高效抽提信息的方法。

实例：

将柑橘果胶配成不同浓度的溶液，溶液的浓度范围：0～3g/100g，浓度间隔0.3g/100g。各浓度的柑橘果胶溶液在20℃经脉冲超声测量5次，共计测量55个样本点。将浓度分别为0.3g/100g、0.9g/100g、2.1g/100g和2.7g/100g溶液的20个超声测量信号作为验证样本点(每浓度测量5次)，其余浓度溶液的35个超声测量信号作为校正样本点，建立浓度回归模型。

采用柑橘果胶溶液超声脉冲回波信号结合偏最小二乘回归建立模型时，采用2个偏最小二乘成分所建柑橘果胶浓度回归模型的校正决定系数R_cal ²高达0.9994，型校正标准差RMSEC(0.1433g/100g)和交互验证标准差RMSECV(0.1806g/100g)很接近，说明声速模型很稳定；模型的预测标准差RMSEP也 可达到0.0662g/100g，RPD值达24，模型的预测精度明显高于声速模型(校正决定系数R_cal ²为0.9960，模型的预测标准差RMSEP为0.1198g/100g，RPD值20)。

以上实例说明新的检测设备和新的信号处理及建模方法，较现有声速测量法，可有效提高超声检测液体溶液浓度的精度，而且可消除温度对检测的影响。

Claims (6)

1.一种高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于：该系统包括工控机、脉冲信号发生/接收器、数字化仪、水浴恒温器、测试池、循环泵，超声发射探头、超声接收探头，其中数字化仪通过PCI总线与工控机连接，数字化仪与脉冲信号发生/接收器相互连接，与脉冲信号发生/接收器发射端连接的超声发生探头安装在测试池一侧，与脉冲信号发生/接收器回波信号接收端连接的超声接收探头安装于测试池相对于所述一侧的另一侧，用于容纳被测液体煤质的测试池置于水浴恒温器中，水浴恒温器采用PID温度控制器，配备有循环泵，实现温度场温度恒定。

2.根据权利要求1所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于所述脉冲信号发生/接收器为CTS-8077PR脉冲发生/接收仪，其发射电压为-75V，脉冲宽度为100ns。

3.根据权利要求1或2所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于所述数字化仪为PCI-9846H/512数字化仪，其采样频率为40MHz，分辨率为16位。

4.根据权利要求1所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于所述超声发射探头和超声接收探头为宽频超声TOFD探头，探头直径5mm，中心频率6MHz。

5.根据权利要求1所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于为提高系统测试精度，测试池采用声阻抗较小的有机玻璃制成。

6.根据权利要求1所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于为使超声探头能在水浴中使用，应采用橡胶软管对探头密封。