摘 要:原麦汁浓度是啤酒生产过程中的一项重要指标。溶液的折射率是其浓度的函数,全反射的临界角与其浓度之间有一一对应关系。利用线阵CCD做为高精度探测器件,检测全反射临界角的变化,可测量溶液的浓度。临界角的变化与电源的波动及光源的强度变化等因素无关,并且溶液中的固体颗粒、小气泡等不影响检测精度。研制了一种在线检测原麦汁浓度的测试仪器,介绍了仪器的光学结构及数据处理方法。现场测量精度为±0·1(以浓度表示)。
1 引 言
啤酒生产过程中原麦汁浓度直接影响啤酒的口味、颜色,因此需时刻对各工艺阶段的原麦汁浓度进行检测。在糖化工序中,该指标尤其重要,它是该工序中最主要的测量及控制参数。原麦汁浓度的高低,直接影响后期的发酵过程,决定着成品啤酒的产量和质量。
本文介绍一种基于全反射原理的新型的光电测量原麦汁浓度的在线自动检测系统,它克服了早期折光仪的固有缺陷,抗干扰能力强,量程宽,精度高,重复性好,并且测量结果不受溶液的颜色、气泡或浊度的影响,保证了啤酒的质量。
2 检测原理
溶液的折射率与其浓度之间具有一一对应的函数关系。对于啤酒来说,在一定的浓度范围内,其折射率与浓度之间呈线性比例关系,其关系式为
式中n表示折射率;c表示浓度;k为比例系数。因而可通过检测啤酒溶液的折射率来确定其浓度。
根据光的反射与折射原理,当光线从光密介质n1射入光疏介质n2时,在两种介质的交界面上将发生如图1(a)的部分反射和部分折射现象,且
由(3)式可知,当入射角θ1增大到一定角度时,θ2=90°,此时折射光线为A″,如图1(b),入射角大小为
若入射角进一步增大,则入射光将全部被反射回光密介质,在两种介质的交界面上将发生全反射现象。
该入射角θc即被称为全反射临界角。如图1(b)所示。当n2发生变化时,θc将发生变化。
在仪器设计中,用蓝宝石棱镜做为光密介质,其折射率为1·76,光疏介质为被测量的啤酒。当光从光密介质向光疏介质入射,入射光包含有临界角θc附近的各种角度的光线时,大于θc的入射光将会发生全反射。对于没有发生全反射的部分入射光来说,其反射光强与折射光强相比很小,大部分能量折射到光疏介质,相对于全反射部分其反射图像为暗的,因此在反射区域内形成亮暗分明的图像,其分界线即对应于入射角为临界角的光线。如图2所示。光疏介质浓度的变化会导致全反射临界角的大小发生变化,从而导致反射光的分界线发生变化,并且分界线位置与溶液折射率一一对应,因而只要测出分界线的位置变化即可知被测溶液的折射率变化,进而获得溶液的原麦汁浓度。
由于溶液的浓度受温度的影响,一般情况下,其浓度随温度的升高而减小。特定溶液中,溶液的浓度与温度的变化呈线性比例关系,因而在仪器中,要有测温装置,随时检测溶液温度的变化,并对由于温度的变化引起的测量误差进行补偿。
3 光电检测系统
光电检测系统如图3所示,红光LED发出的光,经透镜L1准直后传输到透镜L2,L2将光束会聚后入射到蓝宝石棱镜的一侧,在棱镜与溶液的交界面处发生反射后,形成包含有全反射光的亮暗分明的光斑图像,从棱镜另一侧反射出,经L3与L4组成的反射光路,将图像传输到CCD探测器上。
以电荷藕合器件CCD作为光电探测器,接收从测量棱镜反射的光学图像,把常规的反射能量强度信号的检测变为光强分布图像位置信号的检测,由此以高低电平脉冲数的分布确定原麦汁浓度值,避免了通常探测和放大能量信号时的漂移及数据采集误差导致测量精度降低的缺点,具有极强的抗干扰能力。
壳体部分采用不锈钢制成,为了防止泄漏,采用一体结构,由于溶液温度较高,达100℃,并且探头必须浸入液体中,而CCD和LED不能直接放入探头中,需隔热布局。整个壳体分为前后两部分,它们之间用聚四氟乙烯垫圈隔开,起隔热作用。壳体的尾部制成散热形式,经过这样的处理,被测溶液的热量就不会传递到传感器的尾部。
4 电路及软件
信号检测与处理框图如图4。由专门的驱动电路为CCD提供正常运转所需的同步曝光脉冲信号、电荷转移脉冲信号。在检测电路中,包含临界线的亮暗分布的反射光图像经CCD传感器接收后转换成模拟视频信号,该信号经前置放大后,利用动态阈值跟踪法实现信号的二值化处理,然后进行填充脉冲计数,即可得到临界线的位置变化量,最后将结果送入单片机处理。测温电路的功能是测量溶液温度,用于浓度补偿。本装置采用东芝132D CCD,其为1024像敏单元的高灵敏度线阵CCD,像敏单元尺寸为14μm×14μm,两个像敏单元的中心距离为14μm。
以8031单片机为处理运算单元,填充脉冲与二值化信号、曝光同步信号相与后,形成反映亮暗分界线变化的计数脉冲,该计数脉冲经计数电路计数后,送入8031单片机。测温电路的电压信号,经AD转换器转换成数字信号送入单片机。设定值电路主要用于设定测量次数,设定系数。单片机对采集的数据滤波、计算、补偿,最后将浓度值显示。
同时,单片机根据现场提供的条件、指令,自动地通过控制电路对冲洗装置进行控制,及时冲洗棱镜表面,保证测量的精确性。
5 现场标定及实验结果
本系统采用分段线性回归法进行标定,定标点的选取应根据实际场合和技术要求而定。由于本仪表在煮沸锅内进行麦汁浓度测试,麦汁浓度的变化范围为8·5%到11%,选取三个特殊浓度点作为标定点,即8·5%,10%,11%。分别取这三个特殊点的试样,用化验室内的分析仪器和本仪表分别测出其在同一温度20℃下的标准浓度S1,S2,S3和实测光强图像在CCD上的分界线位置N1,N2,N3(即对应的填充脉冲数)。
在这么窄的范围内,可以认为CCD填充脉冲数与溶液浓度之间成线性比例关系,即:S = A×N+B。由这一公式,分别求出这两个线段的A,B。例如:
在实验过程中,从煮沸锅中抽出试样后输入测量容器内进行检测,由于溶液与传感器探头有一个热平衡过程,达到热平衡后才可以进行正确的检测,因而实验测试时,温度达不到100℃,在50℃—80℃之间。将这一区间分成50℃—60℃, 60℃—70℃, 70℃—80℃,三个温度段,分别观测求出这三个温度段内浓度随温度变化的系数后,进行浓度检测实验。仪表的测试结果与化验室在标准温度(20℃)下的化验分析出的结果如表1所示。从表中可以看出精度优于±0·1%(以浓度表示)。
实际运行时,煮沸锅内的温度在75℃—100℃之间。将这一区间分成75℃—90℃、90℃—100℃两个温度段。在测试出大量数据后,确定浓度随温度变化的系数,并固化到单片机中,即可实现在线检测。
6 结 论
本仪表的在线运行,实现了对浓度的精确测量,提高了产品的质量和产量。该测量原理可用到造纸,制糖,化工等领域,实现对液体浓度的自动测量。
参考文献:
[1] Born M,Wolf E,Principles of Optics[M]·6thEd·,Pergamon Press,Oxford,1980
[2]李兴华·密度浓度测量[M]·北京:中国计量出版社,1991
收稿日期: 2001-05-21
作者简介:钱建强(1966-)男,山东郓城人,清华大学博士研究生,从事光电检测,CCD应用技术、自动化仪表研究。
