一種新型射頻糖液濃度檢測儀的應(yīng)用及其計(jì)算機(jī)控制

1、    一種新型射頻糖液濃度檢測儀的應(yīng)用及其計(jì)算機(jī)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(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)不易測定。糖液濃度檢測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(fù)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(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(shí)踐，普遍認(rèn)為折光儀存在一些缺點(diǎn)：對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)通過連桿和擺軸式感測元件做弧形的往復(fù)擺動干測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(jī)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(jìn)行了對比試驗(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量方法作為糖液生產(chǎn)在線測量儀表進(jìn)行開發(fā)研究。DDS科研人員對射頻糖液濃度測量原理進(jìn)行了探討，到了80年代中期，DDS開發(fā)出應(yīng)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(shí)踐證明，射頻糖液濃度測量儀有著價(jià)格低，使用安全，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。    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(shí)際上是測量非純糖液的電容。測量時(shí)，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(gè)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(shí)的電容值；C為電極板之間充滿某種均勻電介質(zhì)時(shí)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(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)。    Dcf（S，W，I）    數(shù)值處理時(shí)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(guān)，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(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量原理。   

9、60;FS DUOTRAC傳感器插裝在煮糖管的外壁上是一個(gè)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(jī)械損傷的影響，電路輸出兩個(gè)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(guān)系，這兩個(gè)信號可以單獨(dú)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(fù)載效應(yīng)。頻率越高，藕合越大，負(fù)載效應(yīng)就越明顯。但頻率過高，不需要的寄生電容效應(yīng)也增大電路越復(fù)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(yīng)兼顧到足夠的藕合和設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡易。實(shí)驗(yàn)證明：對于糖膏的測量，1015 MHz的頻率是比較合適的。    3 與計(jì)算機(jī)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(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)行比較來測量。利用射頻的優(yōu)點(diǎn)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(shí)不需要經(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。而用直接接觸電極測量

11、糖膏濃度時(shí)則不能這樣。    儀表在投入使用前要在現(xiàn)場進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)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(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)微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理預(yù)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(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，而射頻傳感器對介電常數(shù)的變化很敏感，所以，可以把糖膏的濃度