一種新型射頻糖液濃度檢測儀的應用及其計算機控制

1、    一種新型射頻糖液濃度檢測儀的應用及其計算機控制糖液濃度的檢測方法多種多樣。具體到制糖生產(chǎn)過程中的糖液，由于它的物性復雜，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)不易測定。糖液濃度檢測儀主要有基于粘稠性和濃度關系的流變儀，基于光學特性的光電折光儀，利用電磁特性的電導儀和射頻儀。由于微波和射頻技術的迅速發(fā)展，射頻測量濃度技術的得到不斷發(fā)展。射頻儀與傳統(tǒng)濃度儀的比較：（1）電導值。糖液糖液濃度的檢測方法多種多樣。具體到制糖生產(chǎn)過程中的糖液，由于它的物性復雜，受母液純度、入料濃度、蒸汽、色值

2、、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)不易測定。糖液濃度檢測儀主要有基于粘稠性和濃度關系的流變儀，基于光學特性的光電折光儀，利用電磁特性的電導儀和射頻儀。由于微波和射頻技術的迅速發(fā)展，射頻測量濃度技術的得到不斷發(fā)展。     射頻儀與傳統(tǒng)濃度儀的比較：    （1）電導值。糖液的電導值與糖液的非糖份有密切的關系，電導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，糖膏的電導值不穩(wěn)定，因此，許多國外盛產(chǎn)甘蔗糖的地區(qū)起初很少采用電導值煮糖，而且電導電極在使用時會出現(xiàn)腐蝕

3、，積垢問題，要經(jīng)常清理，很麻煩。    （2）折光濃度。利用溶液的折射。率可以測出溶液中的固溶物濃度。但是經(jīng)過實踐，普遍認為折光儀存在一些缺點：對糖液濃度變化的反應較慢，價格較貴，需作溫度補償。    （3）流變儀。電機通過連桿和擺軸式感測元件做弧形的往復擺動干測元件收到的糖液阻力與糖液的助理系數(shù)有關，進而與粘稠度有關。糖液制動力矩的大小反映了糖液的濃度。但是這種擺動式流變儀大體上屬機械傳動裝置，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、#160;（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量糖液濃度的方法進行了對比試驗研究以后，以性能價格比作為根據(jù)，選定了射頻糖液濃度測量方法作為糖液生產(chǎn)在線測量儀表進行開發(fā)研究。DDS科研人員對射頻糖液濃度測量原理進行了探討，到了80年代中期，DDS開發(fā)出應用射頻糖液濃度測量儀的結(jié)晶罐控制系統(tǒng)，并將起商品化推向市場。實踐證明，射頻糖液濃度測量儀有著價格低，使用安全，維護方便等優(yōu)點。    1 射頻測量糖溶液的理論依據(jù)    1.1 射頻測量糖溶液濃度的基本得原理 

5、   射頻儀實際上是測量非純糖液的電容。測量時，測量電極與結(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)。通過射頻儀檢測出這個等效電容，從而得出填充糖液的濃度。    1.2 傳感器的測量原理    電介質(zhì)本身的特性可用相對介電系數(shù)r來表示：    式中：Co為電容兩極板之間的電容為真空時的電容值；C為電極板之間充滿某種均勻電介質(zhì)時的電容值。    不同的物質(zhì)有著不同的

6、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。但是一些諸如無機鹽雜質(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)近似為一個關于非晶粒糖份、水和雜質(zhì)的三元函數(shù)。    Dcf（S，W，I）    數(shù)值處理時可以分段線性化為    DcAlSA2WA3I 

7、;   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，所以Dc為溫度的函數(shù)    DcA1S（t）A2W （t）A3I（t）      （1）    則測量電極與煮糖罐和糖液形成的等效電容為：    CDc·Co        

8、 （2）    混合介質(zhì)的射頻阻抗為    Z1/jC          （3）    式中：。為射頻信號角頻率（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，進而與糖液的濃度（糖份和水的比例）有關。這就是該射頻傳感器的測量原理。   

9、60;FS DUOTRAC傳感器插裝在煮糖管的外壁上是一個被動組件，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械損傷的影響，電路輸出兩個420 mA的信號，分別與糖膏的串聯(lián)電阻和串聯(lián)電容成比例關系，這兩個信號可以單獨地也可以聯(lián)合起來來控制真空罐糖蜜或母液的流量。    2 射頻頻率的選擇    如果振蕩器的頻率足夠高，就有足夠的電流通過糖膏，從而可測量出糖膏對振蕩器的負載效應。頻率越高，藕合越大，負載效應就越明顯。但頻率過高，不需要的寄生電容效應也增大電路越復雜，頻率

10、的穩(wěn)定性就越難保證。從而使測量發(fā)生困難。因此，頻率的選擇應兼顧到足夠的藕合和設備結(jié)構(gòu)的簡易。實驗證明：對于糖膏的測量，1015 MHz的頻率是比較合適的。    3 與計算機的連接    FS DUOTRAC數(shù)字傳感器用來測量真空罐煮糖過程中糖膏電導率的變化，把糖膏的介電特性的變化和已調(diào)諧的射頻電路進行比較來測量。利用射頻的優(yōu)點使傳感器上的積垢和覆蓋物對信號的靈敏性幾乎沒有影響。這就意味著在間歇罐煮糖時不需要經(jīng)常清理傳感器，使連續(xù)煮糖時清理傳感器的時間間隔大大延長。而用直接接觸電極測量

11、糖膏濃度時則不能這樣。    儀表在投入使用前要在現(xiàn)場進行動態(tài)標定。根據(jù)現(xiàn)場試驗測定的數(shù)據(jù)，得到了濃度y與儀表輸出電流x的回歸關系式    為了使?jié)舛葍x的輸出值更為平穩(wěn)和準確，特配置了一個微處理器對數(shù)據(jù)進行處理預先將式（4）和修正用曲線寫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間內(nèi)的濃度進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均各計算1次總平均值并進行打印記錄。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個數(shù)字顯示器和1臺小型打印機，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，而射頻傳感器對介電常數(shù)的變化很敏感，所以，可以把糖膏的濃度