（机械电子工程专业论文）射频法糖液浓度在线检测传感器的研究.pdf

产 ，7 0 ， r 掣咄掣掣哕粤驾攀 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其 他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说 明并致谢。 论文尊者签名茜苞苑 b 年 一学位论文使用授权说明 易月2 9 日 | 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 一| 时发布口解密后发布 论文作者签名嘻，甄聊签纠豺兰及年月。 劫p 彦习 - i ， 一 i 射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 摘要 通过调查国内制糖业现状，发现国内尚无适用于煮糖过程中的在线浓 度测量仪器。文中分析了煮糖过程蔗糖结晶与糖液浓度之间关系，论述了 采用射频法对糖液浓度进行在线测量的方法。完成了传感器总体方案设计， 传感器的硬件电路以数据采集系统a d u c 8 1 2 芯片为微处理器，采用了射频 和锁相环技术对糖液浓度进行检测；传感器探头表面有一层聚四氟乙烯保 护套，从而避免了电化学反应，克服了电导仪测量糖液浓度时电极会发生 腐蚀、积垢而造成测量误差。 针对传感器测量精度问题，建立了b p 神经网络温度补偿模型，利用 m a t l a b 提供的b p 神经网络工具箱中神经网络函数编程进行数据融合，解 决了传感器受温度影响的问题。仿真的补偿结果表明：糖液浓度传感器补 偿后受温度的影响明显减小，从而提高了传感器测量精度和抗干扰能力。 最后，针对以上设计方案，制作了印刷电路板，完成了传感器测量电 路的设计，并在实验室进行了试验。实验结果表明，采用射频法测量糖液 浓度具有测量精度高，重复性好，体积小，响应快等特点，能够满足糖液 浓度在线测量的要求。 关键词：射频法糖液浓度传感器在线检测温度补偿b p 神经网络 令 讧 一 r e s e a r c ho fo n l i n es e n s o rf o rs y r u p c o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n gb a s e d o nr a d i o f r e q u e n c y a b s t r a c t t h ec u r r e n ts t a t u so nt h er e f i n e s u g a ri n d u s t r y i no u rc o u n t r yw a s r e s e a r c h e d ，a n df o u n dt h a tt h e r ei sn ot h ea u t o m a t i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t a p p l i e di ns y r u pc o n c e n t r a t i o no n l i n em e a s u r i n gi nt h ep r o c e s so fb o i l i n gs u g a r t h er e l a t i o n s h i po ft h ec a n e - s u g a rc r y s t a la n di t s s y r u pc o n c e n t r a t i o nw a s a n a l y z e di nt h ep a p e r , a n dt h em e t h o do fo n l i n em e a s u r i n gs y r u pc o n c e n t r a t i o n b a s e do n r fp r i n c i p l ew a si n t r o d u c e d t a k i n gt h ed a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m a d u c 812a st h em i c r o p r o c e s s o ro fh a r d w a r ec i r c u i t ，t h eo v e r a l lp l a no fs e n s o r s y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n dt h er a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g ya n dp h a s e l o c k e dl o o p t e c h n o l o g yw e r ea p p l i e di nt h es y r u pc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n gc i r c u i t i no r d e r t oa v o i dt h ee l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o no c c u r r i n ga n dr e m o v et h em e a s u r i n ge r r o r s b e c a u s eo ft h ee l e c t r o d ec o r r o s i o na n df o u l i n gi nt h ec o n d u c t i v i t ym e a s u r i n g ，t h e s u r f a c eo ft h es e n s o rp r o b ew a sd e s i g n e dw i t hal a y e ro fp t f e a sf o rt h en o n l i n e a r i t yo ns e n s o r , t h eb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e l w a sb u i l tt oc o m p e n s a t ei t t h es e n s o rd a t aw e r ep r o c e s s e db yb pa n nf u n c t i o n i nt h em a t l a ba n n t o o l b o x ，i th a ss o l v e dt h ep r o b l e mt h a ts e n s o ra f f e c t e db y k 卜k 卜膏l i _ ， t e m p e r a t u r e t h eb pa n ns i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es e n s o ra f f e c t e db yt h e t e m p e r a t u r eb e c o m el e s s e n i n ga f t e rt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；t h i se n h a n c e s t h es e n s o r sp r e c i s i o na n d a n t i - j a m m i n ga b i l i t y f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np l a n ，t h ep c bw a sm a d ea n dt h et e s tw a s f i n i s h e di nt h e l a b o r a t o r y t h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h er f s y r u p c o n c e n t r a t i o ns e n s o rh a st h ea d v a n t a g e so f h i g hp r e c i s i o n ，g o o dr e p e t i t i o n ，s m a l l v o l u m e ，f a s tr e s p o n s ea n ds oo n i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fs y r u p c o n c e n t r a t i o no n l i n em e a s u r i n g k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c y ( r f ) ；s y r u pc o n c e n t r a t i o n ；s e n s o r ；o n l i n e m e a s u r i n g ；t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；b pa r t if i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) 卜 k 讧 ， 目录 摘要j i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 自动化煮糖工艺介绍1 1 2 1 煮糖结晶阶段2 1 2 2 蔗糖结晶与过饱和度之间的关系3 1 2 3 蔗糖在水中的溶解度与温度的关系4 1 2 4 煮糖过程中各种参数的控制要求4 1 2 5 自动化煮糖技术：5 1 3 国内煮糖过程未实现自动化的原因6 1 4 课题研究目的及意义j 6 1 5 课题研究的主要内容7 第二章射频糖液浓度传感器的总体方案设计? 一? 8 2 1 糖液浓度检测方法的选择8 2 1 1 糖液浓度在线检测方法比较一8 2 1 2 糖液浓度在线检测技术方法选择，：1 0 2 2 射频法测量糖液浓度原理l l 2 2 1 糖液的介电系数一1 l 2 2 2 射频法测量糖液浓度原理1 2 2 3 糖液浓度传感器的总体方案设计1 3 2 3 。1 射频法测量糖液浓度技术上面临的困难。1 3 2 3 2 射频传感器设计要求1 4 2 3 3 糖液浓度传感器总体框图1 4 2 3 4 各功能部分的电路设计1 5 2 3 5m a t l a b 环境下p c 机与a d u c 8 1 2 的串行通讯接口技术2 5 2 3 6 系统电路抗干扰措施2 5 i v 征 严- 、 2 3 7 寄生电容的消除2 6 2 3 8 整体电路设计2 7 2 3 9 传感器探头设计2 8 2 4 本章小结2 9 第三章射频糖液浓度传感器软件设计3 0 3 1 引言3 0 3 2 主程序3 0 3 3 神经网络算法在单片机上的实现j 3 1 3 3 1 神经网络算法程序3 l 3 3 2m a t l a b 环境下p c 机与单片机的通信程序设计3 3 3 4a d 转换程序3 5 3 5 数字滤波程序3 6 3 5 1 数字滤波算法的优点一3 6 3 5 2 常用的数字滤波算法3 7 3 5 3 复合滤波程序设计3 7 3 6 本章小结3 8 第四章射频糖液浓度传感器的非线性校正3 9 ， 4 1 引言j 3 9 4 2 神经网络概述4 0 4 3b p 神经网络4 0 4 3 1b p 神经网络的优点4 0 4 3 2b p 神经网络模型4 1 4 3 3b p 神经网络算法4 2 4 3 4b p 算法的执行步骤一4 5 4 3 5b p 算法的改进一l m 算法：4 8 4 4b p 神经网络的学习性能4 9 4 5 糖液浓度传感器非线性补偿b p 神经网络的设计5 0 4 5 1 网络层数的确定5 0 4 5 2 输入层的节点数5 0 4 5 3 输出层的节点数5 0 4 5 4 隐层的节点数5 0 v l 讧 4 5 5 传输函数5 2 4 5 6 训练方法的选择5 2 4 5 7 糖液浓度传感器非线性补偿b p 神经网络模型的建立5 3 4 6 本章小结5 5 第五章射频法测量糖液浓度的试验研究5 6 5 1 电路调试5 6 5 1 1 温度通道的调试5 6 5 1 2 糖液浓度通道的调试5 6 5 1 3 压控振荡器自由振荡频率的调节5 6 5 2 实验数据采集过程5 7 5 2 1 数据采集系统简介5 7 5 2 2 实验装置5 7 5 2 3 实验数据5 8 5 3 利用m a t l a b 神经网络工具箱函数编程及仿真结果分析6 2 5 3 1 学习样本库的建立6 2 5 3 2b p 神经网络的学习与训练过程6 4 5 3 3 仿真结果分析6 6 5 4 本章小结一6 6 第六章总结与展望6 7 6 1 总结6 7 6 2 展望6 7 参考文献6 9 附录i 7 3 附录1 传感器探头外形7 3 附录2 硬件电路p c b 图7 3 附录3 硬件电路实物图7 4 附录4 试验调试过程7 4 致谢7 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录7 6 v i 一l k 0 r 、 t 射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 1 1 引言 第一章绪论 目前，制糖业已成为广西经济支柱产业，在工业总产值中占有很大的比重，2 0 0 5 年 制糖行业完成工业增加值5 6 4 9 亿元，占全区规模工业增加值的6 8 7 ，实现利润2 9 5 亿 元。全区有2 1 个县的财政收入一半以上来自糖业税收【l j ，可见糖业在广西国民经济发展 中具有举足轻重的地位。 在制糖工业生产中，煮糖是最后一道也是极其重要的一道生产工序，即经过压榨等 一系列处理后得到的糖浆，最终需要在结晶罐中结晶成固体。因此，实现实时在线检测 糖浆浓度( 锤度) 在糖业生产过程中十分重要。制糖工业比较发达的国家在制糖生产过程 中基本上实现了自动控制，而我国在这方面还比较落后，国内制糖工业在煮糖过程中主 要依靠人工经验、手动操作和人工取样分析( 见图1 1 ) 。因此，在制糖生产过程中，其他 条件相同的前提下，不同熟练程度的操作人员所煮出来糖的质量也有差别【2 1 。 图1 1 煮糖过程中人工取样分析 f i g 1 1m a n u a ls a m p l e sa n a l y s i si ns u g a rb o i l i n g 1 2 自动化煮糖工艺介绍 要实现自动化煮糖，通常要对糖液的浓度( 锤度) 、糖度、p h 值等参数进行在线 实时快速测量，将获得的数据用来指导生产，以正确地监控生产过程中的各项技术参数， k 严、 、 广西大学硕士掌位论文射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 保证生产在规定的技术工艺条件下进行。在煮糖养晶过程中，控制适当的母液过饱和度 是极其重要的，可以通过控制入料、入水、进汽以及保持适当的真空度和良好的对流来 实现。操作方式可以采用连续入料和间歇入料两种【3 1 。 目前，国外的大多数糖厂己基本实现自动化煮糖，国内糖厂对自动化煮糖兴趣很高， 近十年来，国内也有很多研究人员在不断探索自动煮糖的原理。目前，明阳糖厂、东亚 糖厂都在做自动煮糖的尝试；还有一些高校也在做这方面的研究，但由于技术不够可靠、 成熟，得不到应用。下面对自动化煮糖过程工艺要求作简单介绍。 1 2 1 煮糖结晶阶段 从甘蔗原料到白砂糖需要经历几个阶段，包括提取蔗汁、澄清、蒸发，最后是煮糖， 当达到饱和时结晶分离成糖2 1 。 ( 1 ) 底料的浓缩 将底料置于糖罐中，并且保持最高的真空度和较大压力，目的是加快水分的蒸发， 加快浓缩速度。 ( 2 ) 起晶 在起晶阶段，对投粉时机的把握至关重要，而且对起晶数目以及固晶时间等都需要 精确控制，当采用自动控制系统煮糖时，投粉时对过饱和度的掌握应与人工操作时有所 区分，前者应比后者稍低。全晶种投粉法是比较先进的起晶方法，现在国内外较多糖厂 在研究应用。我国的“五一”煮糖法，也是采用此种起晶法，将糖液浓缩到过饱和度稳定 区的中部，如过饱和度1 0 5 - - - 1 1 5 ，投入适量的糖粉，这样就可以用投入糖粉的数量和 大小来控制煮成的糖膏的晶体数目和大小。只有采用上述方法，才能够把握晶粒的数量 并且能较好的保持晶粒的均匀度。 ( 3 ) 固晶 在固晶阶段，由于晶粒含量不高，此时，要控制较慢的蒸发速度，为了促进晶体长 大，需要稳定饱和度和真空度。对固晶的要求是保持糖液中晶粒总数不变( 不产生新晶 也不溶晶) ，使糖粉的微细晶粒迅速长大和变得坚固结实、晶型良好、整齐，增大晶体 容积与糖液容积的比例，为下一步养晶操作打下良好基础。 ( 4 ) 养晶阶段 养晶时，进汽压力不能过高，降低蒸发速度，并且要降低真空度和保持较高的温度， 2 广西大掌硕士学位论文 j r j 频法糖液浓度在线检钡q 传感器的研究 便于提高结晶速度，减小能耗。 1 2 2 蔗糖结晶与过饱和度之间的关系 0 1 、糖浓度、糖锤度、过饱和度 糖浓度的描述有百分比浓度，摩尔浓度以及当量浓度等几种不同的分类方式，表示 的是溶质和溶剂的比例。纯糖溶液的浓度就是溶液中所含溶质( 蔗糖) 对糖溶液的百分 比。例如1 0 的纯糖溶液，就表示该溶液1 0 0 t 中有1 0 t 是蔗糖，而另# b 9 0 t 是水。目前测定 浓度常用的方法有几种，分别为糖锤度测量、折光锤度测量、真干固物以及波美度测量 笙【2 l 可 。 糖锤度：以纯糖溶液比重关系为依据制成的浓度计测出的浓度，叫糖锤度，通常简 写为o b x 。 例如6 0 0 b x 糖浆，即表示该糖浆1 0 0 t 中有6 0 t 是固溶物( 蔗糖及溶于水的杂质) ，而 另# - 4 0 t 是水。 在一定温度和压力下，当溶液中溶质的浓度己超过该温度和压力下溶质的溶 解度，而溶质仍不析出的现象称为过饱和，相应的溶液叫做过饱和溶液。当溶解与结 晶达到平衡时，该溶液可长时间保持，此时的溶液并不稳定，但只要投入少量蔗糖晶体， 过饱和溶液中就会析出蔗糖晶体和使原有的蔗糖晶体长大。糖液的过饱和程度用过饱和 系数表示： 过饱和系数= 蒿盖蓑雾鼋雾燃 设h 为过饱和溶液中每l 份水所溶解的蔗糖量，h i 为同温度饱和溶液中每l 份水所溶 解的蔗糖量，n h 与h l 之比，称为真过饱和系数。即： 口。：h(1-1)口l 2 一h i 2 、过饱和糖液的起晶特性 当糖液浓缩达到过饱和以后，随过饱和度的升高，起晶过程基本上经过以下三个区 域： ( 1 ) 过饱和稳定区：范围在1 0 0 - - 1 2 0 内的糖液过饱和度，可以使已存在的蔗糖 晶体吸收糖份长大而不会产生新的晶体，是晶体的安全生长区。 0 1 、 广西大掌硕士掌位论文射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 ( 2 ) 过饱和不稳定区：1 2 0 l3 0 的糖液过饱和度，此范围的糖液并不稳定，但 一经刺激就有可能出现晶核，在有足够晶核存在的糖膏中，应控制在此阶段进行养育晶 体长大。 ( 3 ) 自然起晶区：当糖液过饱和度大子1 3 0 时，大量新晶体可以突然地自发生成。 可见，煮糖结晶过程受烈糖液过饱和度的影响很大。因此，实时检测和控制煮糖罐中糖 膏的过饱和系数对实现煮糖过程的自动控制具有很大的现实意义。 1 2 3 蔗糖在水中的溶解度与温度的关系 煮糖过程中温度对蔗糖的溶解度影响很大，随着温度的升高溶解度增大，通过测定 蔗糖在水中的溶解度与温度的关系，可得到如下式子【2 l ： s ：6 4 3 9 7 + 0 0 7 2 5 1t + 0 0 0 2 0 5 6 9t 2 9 0 3 5 1 0 6 ，3 ( 1 2 ) 母( 根据i c u m s al9 7 0 年建议采用) 式中：江溶解度( 克蔗糖1 0 0 克，即重量) ；卜温度( o c ) 影响蔗糖溶解度的因素很多，除了温度之外，还有糖汁中杂质的影响。 1 2 4 煮糖过程中各种参数的控制要求1 4 l ( 1 ) 真空度：真空度是容器外的大气压力与容器内绝对压力之差。真空度越大， 绝对压力就越小。糖膏沸腾时，起沸点温度与蒸发压力成正比。当糖膏温度较低时，煮 糖时间可以缩短、也节省煮糖用蒸汽、提高传热效能，因此，采用真空煮糖较多。为了 使糖音获得良好对流，可以控制稳定而较高的真空度。煮糖时，一般真空度控制在 0 8 5 kl o s - , o 8 9 1 0 s p a 范围内，超过0 8 9 1 0 5 p a 可作不正常处理。 ( 2 ) 糖液锤度：糖液锤度对煮糖时间的影响很明显，晶体长大的速度也直接受糖锤 度的影响，所以保持扩散和沉积速度之间的平衡非常重要。煮糖时，糖液浓度在6 0 , - - 6 5 0 b x 之间比较适宜，在煮糖技术较高的情况下，该数值可以提高至1 1 6 8 7 0 0 b x 之间，此时将原 料直接投入罐中，不宜稀释；煮糖用的原料还有纯度低的甲洗蜜、甲原蜜及乙蜜等，这 些原料一般稀释到7 0 7 5 0 b x ，以便溶去幼砂【列。上述的锤度控制依据并不唯，如果从 节约能源的角度考虑，糖液锤度比纯度饱和时减少1 0 0 b x ，这在国外一些糖厂经常采用， 指标约为7 5 0 b x 左右。 ( 3 ) 温度：蔗糖的结晶速度与温度成正比，当温度升高时，结晶速度相应增加，温 4 f t l o 广西大掌硕士学位论文 射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 度每提高l o ，结晶速度约增加一倍。特别注意，蔗糖溶液在酸性条件下，温度对结晶 速度的影响将加剧，降低煮糖温度可以减少蔗糖的转化损失。如果温度过高，如在8 0 。c 以上时会增加糖液的色素，且较低的糖膏温度可以减少糖蜜回煮量和最终废蜜的糖分损 失。因此，煮糖温度宜控制在6 0 , - - 6 5 * c 进行。 ( 4 ) 粘度：当流体运动时，由于内部分子之间的摩擦力不同，就直接影响到流体的 流动性，摩擦力越大，就会导致粘度增大，同时导致扩散速度和晶粒长大的速度变慢， 而且粘度还会对母液和晶粒的运动产生影响，引起循环对流不良。 ( 5 ) 蒸汽压力：结晶罐中的蒸汽压力和汽温会影响糖膏的对流。由于结晶热会阻碍 晶体的长大，增大对流可以使晶体在母液中移动，晶体位置的移动可以消除结晶热对晶 体长大的影响，同时，对流也能使晶体较顺利的进入蔗糖分子较多的高浓度区去。而蒸 汽压力如果不稳定将会导致母液循环不良甚至产生焦化现象，并可能产生伪晶。 ( 6 ) 煮糖锅液位：由物理常识可知，液面高度对压力将会产生直接影响，因此，结 晶罐中的液面高度对静压力的影响很大，如果液面太高，引起静压力增大，增加糖膏向 上流动的阻力，导致对流变差。因此，煮糖时，当糖溶液体积过大时，必须提高汽压以 增加温差改善对流 ( 7 ) 过饱和度：控制过饱和度在亚稳定区可以得到大小均匀的晶体。在实际生产过 程中，实现过饱和度的在线检测有_ 定的难度，目前，常用电导率来表征煮炼糖膏的过 饱和度的大小。当溶液浓度低时，水分含量大，无机盐类电解离子多，电导率大；糖液 浓缩后，会增强糖液中离子间相互吸引，导致糖液粘度增大，其电导率反而会减低。 1 2 5 自动化煮糖技术 实现煮糖过程的自动化，可以依据上述对煮糖影响因素的分析，比如液面高度、蒸 汽压力、蒸汽温度、真空度、糖液锤度等，这些参数可以借助液位计、温度计、真空检 测仪、电导仪等来测量，根据测量得到的参数来实时地调节阀门，控制糖浆流量，进水 量和蒸汽量，最终使糖液过饱和度和浓度处于正常范围【5 】，如图1 2 所示。 自动控制煮糖的理论就是根据结晶过程的相关参数建立数学模型，完成优化控制， 从而得出最优参数，以对工艺曲线进行预设。通过仪器仪表检测并反馈相关参量，借助 预设好的参数与实际测得的参数相比较，比较结果用于控制循环装置，从而调节锤度、 温度、液面高度、压力以及真空度等参数，从而实现了对煮糖过程的控制，这样，消耗 5 t o 广西大学硕士学位论文射频法糖液浓度在线检波q 传感器的研究 的能量比较低而得到的砂糖质量也比较高1 6 ) 。 上述的煮糖自动控制系统，对糖液浓度测量准确度有很高的要求，目前国内市场上 的检测仪表尚且不能满足高精确的在线测量的要求。 真空阀9 图i - 2 煮糖自动化系统示意副6 】 f i g 1 2s k e t c hc h a r to fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi ns u g a rb o i l i n g 1 3 国内煮糖过程未实现自动控制的原因 目前，由于资金短缺、员工素质不高、技术落后及设备供应商的售后服务水平等原 因，国内糖厂未能实现煮糖自动控制，其中最主要的原因是没有完全掌握关键技术。要 想实现煮糖过程的自动控制，需要解决以下几个关键问题【5 】： ( 1 ) 在结晶罐中，物料浓度要均匀，从而保证所测点的数据能真实表征物料状态。 ( 2 ) 检测仪器的测量精确度足够高，并且安装位置合理，可靠性高，持久； ( 3 ) 需要人机界面友好的控制软件，可以顺利的进行自动或者手动切换，无需涉 及太多人工操作。 因此，检测仪表在煮糖自动控制过程扮演的角色很重要，而在线检测技术是实时了 解生产过程工艺状况的重要手段。 1 4 课题研究目的及意义 根据国外实施自动化煮糖效果表吲6 】： 6 o ，l 广西大学硕士掌位论文射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 ( 1 ) 提高了热传递速度，使煮糖时间减短，减少煮糖过程中产生的色素； ( 2 ) 能控制锤度液位曲线保持稳定上升，把糖的结晶控制在稳定的环境中，吸收 好，基本不用加水调节，母液中的糖分被吸收多，使得甲原纯度降低；而人工操作波动 的幅度较大，还需要经常加水调节，这样会浪费蒸汽，使得甲原纯度高； ( 3 ) 操作人员不用经常抽拉取样棒和控制阀门，操作人员的劳动强度降低了，避免 操作人员水平不同影响煮糖质量。 目前，国内测量糖液浓度方法主要依靠人工在现场间隔抽取样品测定，然后通过人 工把检测结果送到车间，车间工人再根据检测结果进行操作。这样，不同的操作工人煮 糖质量的差异很大。而糖液浓度的实时在线检测在国外已经有一定的发展，而且已经应 用于生产实际中【3 1 。我国在这个领域起步较晚，尚处在理论研究和论证阶段，由于发展 条件的限制，即使一些糖厂购买了国外设备，但由于在维护过程中对外界依赖太大，既 提高了成本又影响了效率，影响了制糖企业的积极性。国外用于糖液浓度检测的方法和 仪器科技含量很高，美、法、丹麦、澳大利亚等国家在制糖自动控制方面发展较快，几， 年前就实现了自动控制【4 】。国内没有实现煮糖过程自动化控制，主要是因为长期以来糖 汁与传感器接触产生的积垢等问题无法解决。我国经济技术的发展迫切要求在制糖生产 中实现自动化控制，以此来提高生产效率。 本课题对煮糖过程中在线检测传感器的研究对广西乃至全国的经济社会发展具有 十分深远的意义。 1 5 课题研究白勺主要内容 第一章介绍了课题的研究背景、自动化煮糖的工艺要求，分析了煮糖过程中温 度、真空度、糖液锤度、过饱和度、压力等各参数的控制要求等。 第二章介绍了煮糖过程中糖液浓度的检测方法，确定了课题研究采用的方法一 一射频法，并阐述了射频法测量糖液浓度的理论：设计了传感器的硬件电路及传感器探 头并分析传感器在煮糖罐中合理的安装位置。 第三章糖液浓度检测仪各部分功能软件设计。 第四章建立了糖液浓度传感器非线性补偿b p 神经网络模型。 第五章对所设计的糖液浓度传感器进行试验验证。 第六章全文的总结和对未来的展望。 7 广西大学硕士学位论文射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 第二章射频糖液浓度传感器的总体方案设计 2 1 糖液浓度检测方法的选择 2 1 1 糖液浓度在线检测方法比较 对糖液浓度进行测量是实现煮糖过程自动控制的关键环节。糖液浓度过高或过低， 都会对煮糖结晶过程产生明显影响。所以整个煮糖过程的不同阶段都要实时监控糖液浓 度。对任何一个阶段，都必须根据实际测得的信号发出控制信号。否则，控制信号以及 执行机构将无法正常工作。所以，对糖液浓度进行在线检测就成为能否实现自动控制煮 糖过程的关键因素。目前测量糖液浓度的方法有：电导值检测法、射频法、过饱和系数 软测量法、折光法：射线法：红外光检测等【7 1 。 1 、电导仪 在糖液浓度测量中，电导仪的使用非常普遍。其工作原理为：糖溶液的导电能力及 电导率与粘度密切相关，而粘度又是浓度高低的具体体现，糖液浓度越高，其粘度相应 的也就越大，而电导率却相应越低。需要指出的是，纯净的糖溶液是不导电的，之所以 可以借助于糖液的电导率变化实现浓度测量，就是因为糖液中含有一些带电离子，糖液 纯度越高，带电离子的数量也就越少，电导率于是就越低。在一定条件下糖溶液浓度跟 过饱和系数近似满足正比关系。一定条件指的是测量需在一定的温度范围内，因为电导 率不但是粘度的函数，而且受温度变化的影响明显，温度的变化同样会对电导率产生影 响，温度升高。离子浓度会变高，电导率就会相应减小，同一纯度的糖液，也会由于所 含电解质的成分不同而电导率也不同阻1 1 】，经过不断的研究与改进，用电导仪进行糖液 浓度测量在欧洲的制糖企业中已经成为成熟的技术手段。需要指出的是，当糖膏纯度高 于9 5 0 b x 时，该方法便不太适合。 2 、软测量技术 在整个制糖生产过程中，受到各种各样的干扰因素，比如温度、杂质等。这也就决 定了仅用常规的方法很难完成对过饱和度的准确测量，这就需要结合其他方法来完成浓 度检测。若可以采用比较容易测量的变量( 比如温度或锤度) 来估计糖液的过饱和度， 8 0 l i 、 一 广西大学硕士掌位论文射频法糖液浓度在线检涸q 1 专惩器的研冤 ， 并且控制在一定的精度范围内，那就可以通过估计值取代测量值完成检测。所以，采用 软测量方法对过饱和度进行建模，用估计值代替真实的过饱和度1 3 1 便成为一种比较理 想的实现方法。对于锤度的测量，目前广泛应用折光计来完成，为软测量建模的成功进 行提供了客观条件。 3 、 r 射线检测技术 对糖液浓度在线测量的要求即是实现非接触式测量，7 射线浓度计刚好满足了这一 需求，采用y 射线进行浓度测量可靠性高，性能稳定，使用寿命长，具有较强的抗干扰 能力，而且响应时间短【1 4 ，1 5 ，16 1 。完全满足在线测量的要求，只是丫射线仪的测试精度会 受到管道积垢，安装方位以及介质流动等因素的影响，具有一定的误差范围，大概在 1 。 4 、红外光检测技术 红外光在目前的测量系统中，应用十分广泛，是根据糖液对红外光透射特征的不同 而工作的，当糖浆达到饱和温度时，其对红外光的吸收将会发生突变，正是利用这一现 象完成饱和温度的测量。根据蔗糖的溶解度以及蔗糖在不纯溶液中的溶解度理论，可以 由糖浆的结晶操作温度及其饱和温度，求得在煮糖浆的过饱和度。在实际测量装置中， 将实时测得的温度以及透射光情况用单片机进行处理，将被测过饱和度以电信号的形式 体现在输出中。在2 0 世纪9 0 年代初，秦贯丰等采用了红外光度法对糖浆饱和度进行测量， 并进行了试验，将测试结果通过p c 机进行处理，并完成了显示和打印，同时对预结晶作 用等因素对测量误差的影响进行了研究 1 7 a 8 】。 5 、激光自动折光技术 目的市场上广泛存在的光电折光仪也较多的用在糖液浓度检测中，单从理论层面分 析，折光原理是糖业浓度测量中的最佳选择，但由于受电子技术等相关学科技术条件的 限制，该项技术在实际中用的却比较少，虽然后来李忠彦等以c c d 电荷耦合器件为出发 点，在该项领域展开研究，并且制造出了性能稳定，结构简单的折光浓度测量系统，但 始终无法克服其固有的缺点，即成本太高，实际应用中，反映过慢等缺陷，而且需作温 度补偿【1 。 6 、射频检测技术 早在2 0 世纪7 0 年代，有人就利用射频方法对糖液浓度进行测量。由于采用电导仪测 量糖液浓度时，存在电极腐蚀以及积垢等情况而影响测量效果，从而使测量结果发生漂 移，为克服上述缺点，澳大利亚人为了克服以上弊病，将电导仪的测量电极覆盖上绝缘 9 厂西大学硕士掌位论文射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 材料，并接入射频信号来检测浓度。我们把这个认为是射频法测量的技术雏形，当时称 之为“无接触式电导仪”。当交流信号通过被测糖溶液时，由于糖罐可以等效成一个大电 容，其容抗跟电容的介电系数有着一定的对应关系，而介电系数跟糖浓度又是联系在一 起的，所以得到电容容抗与浓度的关系，上述方法对糖液浓度进行测量，价格低，性能 稳定，而且便于维护【l l 】。 在2 0 世纪8 0 年代初，丹麦人综合了各种测量糖液浓度的方法( 温升法、粘稠度、 折光锤度射频法等) 对他们的性能做了综合比较，并以性价比为主要参考指标对浓度 测试系统进行了改进研究。到了2 0 世纪8 0 年代中期，成功开发出利用d d s 的糖液浓 度测量系统，并投入市场应用。从2 0 世纪8 0 年代后期起，南非糖业界也对射频糖液浓 度测量的机制进行了跟进研究。他们将射频糖液浓度测量仪应用于结晶罐的自动煮糖控 制中，取得了良好的效果【1 1 , 1 2 】。 2 1 2 糖液浓度在线检测技术方法选择 综合分析各种测量糖液浓度的方法，各有优劣，电导仪虽然可以测量糖液浓度，但 存在的问题是由于长时间与被测溶液接触，会在电极上产生积垢以及腐蚀现象，导致测 量结果受到影响，而且，其价格相对于其他方法也偏高，故未能普及。折光率虽然不受 积垢等因素的影响，但当糖液浓度变化时，折光率的变化跟浓度变化并不是一一对应关 系，只能在一定程度上反映浓度情况而不够精确，并且受杂质影响也比较明显。丫射线 虽然可以克服上述缺点，但最重要的一条，该射线对人体有害，必须有严格的防护措施， 在使用安全性方面得不到保证，所以近年来逐渐被射频法( 高频无线电波，约1 5 m h z ) 所代替【1 1 , 1 2 】。 目前，射频浓度测量仪器在国外已经得到的普遍应用，但由于受价格，售后服务等 各种客观因素的影响，射频法在我国尚未得到普遍应用。对此，我国的胡穗生，李南等 人也对射频技术应用糖液浓度的检测进行了相关的理论研究【7 8 l 。此外，广州甘蔗糖业研 究所在2 0 世纪9 0 年代也进行了大量研究工作，研究表明，射频法测量糖液浓度具有测 量精度高，重复性好，体积小，响应快等特点，能够满足糖液浓度在线测量的要求。使 用1 0 1 5 m h z 的频率取得效果较好【5 1 。 l o 广西大学硕士学位论文 射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 可以看出，我国制糖工业中煮糖在线检测技术还需要进一步从理论和测量机理上对 其进行研究。综合考虑以上几种测量方法的优缺点，本论文采用射频法对煮糖过程中糖 液浓度在线检测进行研究。 2 2 射频法测量糖液浓度原理 2 2 1 糖液的介电系数 电介质本身的特性可用相对介电系数占，来表示： c ：立( 2 1 ) c o 式中：白为电容两极板之间的电容为真空时的电容值；c 为电极板之间充满某种 均匀电介质时的电容值。 不同的物质有着不同的介电系数，糖液可视为由下列物质组成：晶粒糖分、非晶粒 糖分、水分、，杂质。 表2 1某些物质的介电常数1 2 1 1 t a b l e2 - 1p e r m i t t i v i t yi nt h es u b s t a n c e 1 2 1 】 表中：一复合介电浓常数；g 一与物质的电场储能有关的介电常数；一与物 质热能损耗有关的介电常数 液体的介电常数比固体的高，水的介电常数又更高。糖属于非导电介质，因此，溶 液介电常数的变化主要是由水分的变化引起的，而晶粒糖份的影响很小。但是一些诸如 无机盐杂质的影响是不容忽视的( 以往经常被忽视) ，因此，糖液的介电系数近似为一个 关于非晶粒糖份、水和杂质的三元函数吲。 d c = f 岱，w ，矽 ( 2 - 2 ) 数值处理时可以分段线性化为 广西大掌硕士掌位论文射频法糖液浓度在线检测传感器的研究 d c = a t s + a2 w + a s ， 式中a l ，a 2 ，a 3 为待定系数。 由于物质的介电特性与温度有关，所以d e 为温度的函数 d c = a t s ( t ) a 2 w ( t ) + a 3 ( t ) 则测量电极与煮糖罐和糖膏形成的等效电容为： c = d c c o 混合介质的射频阻抗为 z - - - 1 j c 式中：c o 为射频信号角频率( 取f = 1 2 m h z ) ；c 为电容量。 2 2 2 射频法测量糖液浓度原理 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 采用射频法进行糖液浓度测量的原理是：糖罐与测量电极可以等效成电容器的两个 极板，而糖膏充当电介质，当糖液浓度变化时，电介质的介电常数发生变化，从而影响 电容值，电容值变化就导致l c 振荡电路的振荡频率变化，从频率的变化可以反映糖液浓 度的变化【1 9 删，如图2 1 所示。 高频 振荡器 膏 属容器 图2 1 射频法测量糖液浓度不恿图 f i g 2 一ls k e t c hc h a r to fs u g a rs y r u pc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n gb yr f 射频法测量糖液浓度的等效电路如图2 2 所示，振荡器产生稳定的1 2 m h z 的射频振 荡电压，射频信号经谐振电路与糖液等效电容相联形成谐振回路，敏感探头与糖罐之间 的等效电容c 作为谐振回路的一部分，如果振荡器的频率足够高，就有足够的电流通过 糖膏，从而可测量出糖膏对振荡器的负载效应【1 9 】。当糖液浓度变化时将导致其等效电容 1 2 广西大掌硕士掌位论文 射频法糖液浓1 3 r , 在线检测1 t 感器的研究 发生变化，谐振回路阻抗发生变化，进而导致谐振回路谐振频率发生变化。糖液浓度变 化，射频振荡器谐振程度发生变化，谐振程度不同，决定了其检波电压的大小亦有不 同。因此，由检波电压的大小，确定了探头处糖液浓度的大小。通过检波电压变化反 映出等效电容的变化。 图2 2 糖液浓度测量等效电路 f i g 2 - 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tf o rs u g a rs y r u pm e a s u r i n g 频率越高，耦合越大，负载效应就越明显。但频率过高，不需要的寄生电容效应也 增大，从而使测量变得很困难。因此，频率的选择应兼顾到足够的耦合和设备结构的简 易。实践证明，对于糖膏的测量，如采用l n u n 厚的电极绝缘层，1 0 1 5 m h z 的频率是比 较合适的f 2 l 】。 2 3 糖液浓度传感器的总体方案设计 2 3 1 射频法测量糖液浓度技术上面临的困难 ( 1 ) 探头的特性对等效电容的测量影响很大