一種新型射頻糖液濃度檢測(cè)儀的應(yīng)用及其計(jì)算機(jī)控制(精)

1、一種新型射頻糖液濃度檢測(cè)儀的應(yīng)用及其計(jì)算機(jī)控制糖液濃度的檢測(cè)方法多種多樣。具體到制糖生產(chǎn)過(guò)程中的糖液，由于它的物性 復(fù)雜，受母液純度、入料濃度、蒸汽、色值、溫度和真空程度等變化的影響， 而且它的粘度大，容易結(jié)垢，因而它的物性參數(shù)不易測(cè)定。糖液濃度檢測(cè)儀主 要有基于粘稠性和濃度關(guān)系的流變儀，基于光學(xué)特性的光電折光儀，利用電磁 特性的電導(dǎo)儀和射頻儀。由于微波和射頻技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻測(cè)量濃度技術(shù) 的得到不斷發(fā)展。射頻儀與傳統(tǒng)濃度儀的比較：（ 1）電導(dǎo)值。糖液 糖液濃度的檢測(cè)方法多種多樣。具體到制糖生產(chǎn)過(guò)程中的糖液，由于它的物性 復(fù)雜，受母液純度、入料濃度、蒸汽、色值、溫度和真空程度等變化的影響，

2、而且它的粘度大，容易結(jié)垢，因而它的物性參數(shù)不易測(cè)定。 糖液濃度檢測(cè)儀主 要有基于粘稠性和濃度關(guān)系的流變儀， 基于光學(xué)特性的 光電 折光儀，利用電磁 特性的電導(dǎo)儀和射頻儀。由于微波和射頻技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻測(cè)量濃度技術(shù) 的得到不斷發(fā)展。射頻儀與傳統(tǒng)濃度儀的比較：（1）電導(dǎo)值。糖液的電導(dǎo)值與糖液的非糖份有密切的關(guān)系，電導(dǎo)率隨 純度的增大而急劇降低，由于甘蔗糖原料純度變化較大，糖膏的電導(dǎo)值不穩(wěn) 定，因此，許多國(guó)外盛產(chǎn)甘蔗糖的地區(qū)起初很少采用電導(dǎo)值煮糖，而且電導(dǎo)電 極在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)腐蝕，積垢問(wèn)題，要經(jīng)常清理，很麻煩。（2）折光濃度。利用溶液的折射。率可以測(cè)出溶液中的固溶物濃度。 但是經(jīng)過(guò)實(shí)踐，普遍認(rèn)為

3、折光儀存在一些缺點(diǎn)：對(duì)糖液濃度變化的反應(yīng)較慢， 價(jià)格較貴，需作溫度補(bǔ)償。（3）流變儀。電機(jī)通過(guò)連桿和擺軸式感測(cè)元件做弧形的往復(fù)擺動(dòng)干測(cè) 元件收到的糖液阻力與糖液的助理系數(shù)有關(guān)，進(jìn)而與粘稠度有關(guān)。糖液制動(dòng)力 矩的大小反映了糖液的濃度。但是這種擺動(dòng)式流變儀大體上屬機(jī)械傳動(dòng)裝置， 安裝要求高，不能任意改變其部件的安裝位置，調(diào)試也比較麻煩。因此使用受 到一定的限制。（4）射頻儀。80 年代初期，丹麥 DDS 公司的科研人員將以上集中測(cè) 量糖液濃度的方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究以后，以性能價(jià)格比作為根據(jù)，選定了 射頻糖液濃度測(cè)量方法作為糖液生產(chǎn)在線測(cè)量 儀表進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。DDS 科研人 員對(duì)射頻糖液濃度測(cè)量原

4、理進(jìn)行了探討，到了 80 年代中期，DDSff 發(fā)出應(yīng)用射 頻糖液濃度測(cè)量?jī)x的結(jié)晶罐控制系統(tǒng)，并將起商品化推向市場(chǎng)。實(shí)踐證明，射 頻糖液濃度測(cè)量?jī)x有著價(jià)格低，使用安全，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。1 射頻測(cè)量糖溶液的理論依據(jù)1.1 射頻測(cè)量糖溶液濃度的基本得原理射頻儀實(shí)際上是測(cè)量非純糖液的 電容。測(cè)量時(shí)，測(cè)量電極與結(jié)晶罐 (或煮糖罐)形成等效電容的兩極板，而糖液則是填充在兩極板之間的電介 質(zhì)。通過(guò)射頻儀檢測(cè)出這個(gè)等效電容，從而得出填充糖液的濃度。1.2 傳感器的測(cè)量原理電介質(zhì)本身的特性可用相對(duì)介電系數(shù)& r 來(lái)表示:式中：Co 為電容兩極板之間的電容為真空時(shí)的電容值；C 為電極板之間充滿某種均勻電

5、介質(zhì)時(shí)的電容值。不同的物質(zhì)有著不同的介電系數(shù)，糖液可視為由下列物質(zhì)組成：晶粒 糖份、非晶粒糖份、水份、雜質(zhì)。液體的介電常數(shù)比固體的高，水的介電常數(shù)又更高。糖屬于非電介 質(zhì)，因此，溶液介電常數(shù)的變化主要是由水分的變化引起的，而晶粒糖份的影 響很小。但是一些諸如無(wú)機(jī)鹽雜質(zhì)的影響是不容忽視的(以往經(jīng)常被忽視)， 因此，糖液的介電系數(shù)近似為一個(gè)關(guān)于非晶粒糖份、水和雜質(zhì)的三元函數(shù)。Dg f (S，W I )數(shù)值處理時(shí)可以分段線性化為Dg AIS +A2W-A3式中 A，A2, A3 為待定系數(shù)。由于物質(zhì)的介電特性與溫度有關(guān)，所以 Dc 為溫度的函數(shù)Dg A1S (t)+ A2W (t)+ A3I (t)

6、(1)則測(cè)量電極與煮糖罐和糖液形成的等效電容為：C= Dc - Co(2)混合介質(zhì)的射頻阻抗為Z=1/j3C(3)式中：。為射頻信號(hào)角頻率(f=10 MHZ ; C 為電容量。由上式可以看出，傳感器的射頻阻抗與糖液的介電常數(shù)有關(guān)，進(jìn)而與 糖液的濃度(糖份和水的比例)有關(guān)。這就是該射頻傳感器的測(cè)量原理。FS DUOTRA 傳感器插裝在煮糖管的外壁上是一個(gè)被動(dòng)組件，它直接 與包含電子電路的單元相連，電路被封裝以防止受到糖膏和機(jī)械損傷的影響， 電路輸出兩個(gè) 420 mA 的信號(hào)，分別與糖膏的串聯(lián) 電阻和串聯(lián)電容成比例關(guān) 系，這兩個(gè)信號(hào)可以單獨(dú)地也可以聯(lián)合起來(lái)來(lái)控制真空罐糖蜜或母液的流量。2 射頻頻率

7、的選擇如果振蕩器的頻率足夠高，就有足夠的 電流通過(guò)糖膏，從而可測(cè)量出 糖膏對(duì)振蕩器的負(fù)載效應(yīng)。頻率越咼，藕合越大，負(fù)載效應(yīng)就越明顯。但頻率 過(guò)高，不需要的寄生電容效應(yīng)也增大電路越復(fù)雜，頻率的穩(wěn)定性就越難保 證。從而使測(cè)量發(fā)生困難。因此，頻率的選擇應(yīng)兼顧到足夠的藕合和設(shè)備結(jié)構(gòu) 的簡(jiǎn)易。實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于糖膏的測(cè)量，1015 MHZ 的頻率是比較合適的。3 與計(jì)算機(jī)的連接FS DUOTRA 數(shù)字傳感器用來(lái)測(cè)量真空罐煮糖過(guò)程中糖膏電導(dǎo)率的變 化，把糖膏的介電特性的變化和已調(diào)諧的射頻電路進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量。禾 U 用射頻 的優(yōu)點(diǎn)使傳感器上的積垢和覆蓋物對(duì)信號(hào)的靈敏性幾乎沒(méi)有影響。這就意味著 在間歇罐煮糖時(shí)不需

8、要經(jīng)常清理傳感器，使連續(xù)煮糖時(shí)清理傳感器的時(shí)間間隔 大大延長(zhǎng)。而用直接接觸電極測(cè)量糖膏濃度時(shí)則不能這樣。儀表在投入使用前要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定的數(shù) 據(jù)，得到了濃度 y 與儀表輸出電流 x 的回歸關(guān)系式為了使?jié)舛葍x的輸出值更為平穩(wěn)和準(zhǔn)確，特配置了一個(gè)微處理器對(duì)數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理預(yù)先將式（4）和修正用曲線寫(xiě)人微處理器微處理器即按式（4）將射頻儀的電流值不斷轉(zhuǎn)換成濃度值，其轉(zhuǎn)換頻率（采樣頻率）約 50 次 /s，每經(jīng) 1.5 min,微處理器即將此段時(shí)間內(nèi)的濃度進(jìn)行平均并將平均值輸出 作指示和控制之用，其后每經(jīng) 15 min、2 h 和 8h 均各計(jì)算 1 次總平均值并進(jìn) 行打印記錄。微處理器的程序框圖如圖3 所示。該微處理器的結(jié)構(gòu)包括有 1 只 CPU 1 只 A/D 轉(zhuǎn)換器、1 個(gè)數(shù)字顯示器和 1 臺(tái)小型打印機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 所示。4 結(jié)論糖膏的介電常數(shù)隨著濃度的變化而變化，而射頻傳感器對(duì)介電常數(shù)的 變化很敏感，所以，可以把糖膏的濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，實(shí)踐證明，射頻傳 感器具有測(cè)量精度高，重復(fù)