超聲波濃度密度儀

1、超聲波濃度密度分析儀主要特點(diǎn)采用超聲波測(cè)量技術(shù)，不受流態(tài)和環(huán)境因素影響；實(shí)時(shí)濃度和密度測(cè)量，快速靈敏；內(nèi)置溫度測(cè)量和補(bǔ)償?shù)母呔葴y(cè)量；與液體接觸部分采用不銹鋼材質(zhì)；沒有可動(dòng)部件，低維護(hù)和長(zhǎng)壽命；滿足最惡劣現(xiàn)場(chǎng)要求的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)和防爆防護(hù)等級(jí)；內(nèi)建自診斷和報(bào)警功能，幫助快速確定儀表故障；16位精度420mA模擬輸出，SPST繼電器輸出；2線RS-485物理接口，可選ModBus-RTU或Profibus-DP通訊協(xié)議；多種傳感器規(guī)格，滿足各種應(yīng)用要求；帶提示功能的操作界面，易于使用；圖示和文本顯示方式，可以顯示濃度或密度變化歷史和多種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)值。主要應(yīng)用用于化工、石化、紡織、半導(dǎo)體、鋼鐵、食品、飲

2、料、制藥、酒廠、造紙、環(huán)保等行業(yè)。主要測(cè)量下列介質(zhì)的濃度或密度以及有關(guān)監(jiān)測(cè)控制：酸堿鹽類；化工原料和各類油品；果汁、糖漿、飲料、麥芽汁；各種酒類及制酒原料；各類添加劑；油品和物料輸運(yùn)切換；油水分離和測(cè)量；各類主輔料組分監(jiān)控。美國(guó)FIL公司的F2000系列超聲波濃度密度分析儀，采用超聲波原理并綜合多項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的精密儀表。超聲波檢測(cè)不受介質(zhì)的濁度、色度及電導(dǎo)率的影響，也不會(huì)受流態(tài)及雜質(zhì)的干擾，內(nèi)置高精度的熱電阻測(cè)溫元件和耐用的傳感器設(shè)計(jì)保證儀表的實(shí)時(shí)精確測(cè)量。儀表調(diào)整簡(jiǎn)單、操作方便，是一款非常易用的儀表。工作原理超聲波信號(hào)發(fā)射和接收超聲波探頭發(fā)射一束超聲波信號(hào)后，信號(hào)通過一定濃度的液體后到達(dá)對(duì)面的

3、反射面，之后信號(hào)從反射面返回。此時(shí)探頭轉(zhuǎn)為信號(hào)接收狀態(tài)，以此測(cè)定超聲波信號(hào)傳輸?shù)目倳r(shí)間，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x為2倍間距(2L)。距離除以時(shí)間即為超聲波聲速。超聲波衰減與濃度密度的關(guān)系在一定的濃度或密度范圍內(nèi)，超聲波信號(hào)在液體介質(zhì)中的傳播速度(v)是濃度或密度(c)和溫度(t)的函數(shù)，如圖所示。 幾種不同聲速的介質(zhì)混合后，聲速和濃度之間就存在一定的確定關(guān)系。經(jīng)過標(biāo)定和溫度補(bǔ)償之后，超聲波濃度密度分析儀就能精確地測(cè)量多組分液體介質(zhì)的濃度。相同的原理，聲速和密度之間同樣高度相關(guān)，因此也就可以精確地測(cè)量單組分或多組分液體介質(zhì)的密度。技術(shù)規(guī)格 濃度精度：   

4、 ±0.05%密度精度：    ±0.05%聲速范圍：    300m/s 3000m/s聲速精度：    0.002m/s介質(zhì)溫度：    -20 +150溫度精度：    0.1工作壓力：    4.0MPa環(huán)境溫度：    -30 +50相對(duì)濕度：    0 98%(非凝結(jié))防護(hù)等級(jí)：    IP66防

5、爆等級(jí)：    Ex dBT4顯示：           128x64點(diǎn)圖形LCD模擬輸出：    4 20mADC,最大750負(fù)載繼電器：       1組 SPST觸點(diǎn)(0.5A 60VDC/60VAC)通訊：           RS-485物理接口,可選ModBus-RT

6、U或Profibus-DP協(xié)議供電電源：    24VDC或12VDC電源消耗：    5W顯示和操作測(cè)量顯示濃度分析儀工作時(shí)，有文本和圖形兩種顯示模式。文本顯示模式下，實(shí)時(shí)的濃度或密度、超聲波聲速和溫度值分三行顯示在屏幕上。圖形顯示模式下，濃度或密度值是以圖示的形式顯示在屏幕上，這種模式可以直觀地觀察到濃度或密度的變化和歷史情況。同時(shí)，實(shí)時(shí)的聲速和溫度值也顯示在屏幕上。鍵操作和參數(shù)設(shè)置超聲波濃度分析儀的面板上有3個(gè)操作鍵，儀表的所有操作都可以通過對(duì)這三個(gè)鍵的操作來實(shí)現(xiàn)。濃度分析儀的鍵操作不需要打開儀表殼體，在儀表正面的玻璃上，使用隨

7、表附帶的磁筆對(duì)準(zhǔn)操作鍵的位置點(diǎn)擊即可。F2000系列超聲波濃度密度分析儀應(yīng)用濃度密度分析儀安裝F2000系列超聲波濃度密度分析儀根據(jù)不同的應(yīng)用，其探頭有多種安裝型式。以下是幾種典型的安裝。 .探頭安裝于容器上                                

8、;     .探頭安裝在水平管道上                       .探頭安裝在垂直管道上  電氣接線 超聲波濃度密度分析儀選型濃度密度分析儀選型表濃度密度分析儀選型舉例超聲波濃度密度分析儀型號(hào)：F2000-d100A2-H1M1上述型號(hào)表示：在線超聲波濃度密度分析儀；100mm間距傳感

9、器；法蘭安裝方式；傳感器材質(zhì)：316不銹鋼；供電電壓：DC24V；帶LCD圖形顯示器；輸出：420mA, 繼電器, RS485(ModBus-RTU)；Ex dIIBT4隔爆型。基于超聲波回波衰減理論的超聲波濃度計(jì)設(shè)計(jì)1、理論分析超聲波在懸浮液中傳播時(shí)，與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減，其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減，最后到達(dá)接收端。各種衰減的機(jī)理是很復(fù)雜的，但都是由懸濁粒子所引起，并與懸濁粒子的數(shù)目成比例，故在一定條件下衰減是和濃度成比例的，測(cè)知懸浮液的聲衰減系數(shù)，就能求出濃度。設(shè)液體中有懸浮粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為（a0+ax）和E。液體中沒有懸

10、濁粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為a0和E0，發(fā)射、接收端之間的距離為L(zhǎng)，發(fā)射電壓為Er，則：根據(jù)上述兩個(gè)公式，懸濁粒子引起的衰減率可由ax=（lnE0-lnEx）L求得。由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減，聲波幅度轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減，該濃度一電壓衰減曲線經(jīng)過標(biāo)定后，即可從測(cè)量電壓得到濃度值。2、硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心，采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，超聲波經(jīng)過懸濁液到達(dá)接收換能器，利用92dB對(duì)數(shù)放大器AD8307對(duì)回波衰減信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)放大，最后由微控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出濃度

11、值。系統(tǒng)還包括鍵盤、顯示、參數(shù)存儲(chǔ)、開關(guān)量輸出、繼電器輸出、電流輸出、UART通信等部分。21、主控芯片電路本系統(tǒng)以美國(guó)Silab的高速混合信號(hào)ISPFlash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計(jì)在超聲波發(fā)射和接收的時(shí)序上需要精確的控制，這不僅需要處理器的速度快，而且需要多個(gè)定時(shí)器；由接收單元返回的是低于25V的電壓信號(hào)，需要經(jīng)過精確的AD采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給CPU處理。C8051F021的特點(diǎn)如下；高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）。12位的片上SARADC，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大100kbps，可編程放大器增益。4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM

12、，64KBFlash存儲(chǔ)器；可以在系統(tǒng)編程。5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列，硬件SMBus、SPI及2個(gè)UART串口。功耗低（10mA20MHz），多種節(jié)電休眠和停機(jī)方式。22、DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串直接數(shù)字頻率合成器（DDS）以“相位”的概念進(jìn)行頻率合成，不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，還可以產(chǎn)生三角波和方波。本系統(tǒng)采用DDSAD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器。AD9833是可編程的，通過高速串口外圍接口（SPI），只需要一個(gè)外部時(shí)鐘去產(chǎn)生簡(jiǎn)單正弦波就可工作。AD9833可以在基于25MHz的時(shí)鐘下產(chǎn)生0Hz125MHz的波形。超聲波發(fā)射單元的脈

13、沖生成電路如圖2所示。DDS的時(shí)鐘來源于25MHz有源晶振。AD9833的SPI總線CLK、DATA、CS與微處理器的IO口通過一片74HC244相連接。74HC244是八同相三態(tài)緩沖器，用于增強(qiáng)信號(hào)帶負(fù)載能力。通過微處理的控制，AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波。AD9833的輸出與微控制器的選通信號(hào)EN在與非門的作用下，在與非門的輸出端產(chǎn)生脈沖串，這個(gè)脈沖串經(jīng)過功率放大電路就可以對(duì)超聲波換能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。23、超聲回波接收單元的對(duì)數(shù)放大器在信號(hào)處理領(lǐng)域中，一些信號(hào)往往具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。比如在雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)中，需要處理的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB以上；超聲波回波接收器前端的電壓也

14、可以從“V”級(jí)到“V”級(jí)。寬動(dòng)態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來很多問題。在實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)對(duì)所要處理的信號(hào)進(jìn)行非線性壓縮。應(yīng)用最多的就是對(duì)數(shù)放大器。它使輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的包絡(luò)成對(duì)數(shù)比例。它對(duì)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號(hào)的電平來控制增益，其增益與信號(hào)的大小成反比，在通信、雷達(dá)、超聲、電子對(duì)抗中有著廣泛的應(yīng)用。如圖3所示，該方案采用單端輸入，有對(duì)數(shù)零點(diǎn)和斜率調(diào)節(jié)電路，將對(duì)數(shù)零點(diǎn)設(shè)在-84dBm，斜率定為大約20mVdB。對(duì)數(shù)放大器后加一級(jí)緩沖（AD8031），主要作用有二：一是使接收模塊最終輸出是低阻抗的，提高抗干擾能力；二是通過這一級(jí)的電壓增益將對(duì)數(shù)斜率恢復(fù)到25mVdB。設(shè)

15、計(jì)的對(duì)數(shù)放大器信號(hào)輸入范圍定為72dBm（在50源阻抗時(shí)，72dBm相當(dāng)于振幅為±80V的正弦波）到+10dBm（振幅為±1V的正弦波），相應(yīng)的對(duì)數(shù)輸出電壓為03235V，對(duì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍82dB。該電路做成模塊形式，封裝在屏蔽罩中。所有引線（地線和輸出信號(hào)線除外）均通過穿心電容引出，穿心電容的外極接地，以提高屏蔽效果。3、軟件設(shè)計(jì)超聲波濃度計(jì)軟件由信號(hào)處理程序、界面程序、控制信號(hào)輸出程序、通信程序四部分組成，軟件總流程如圖4所示。信號(hào)處理程序?qū)崿F(xiàn)DDS控制、超聲波發(fā)射、回波信號(hào)AD采集、信號(hào)綜合處理等功能，是軟件程序的重點(diǎn)。界面程序包括界面顯示、參數(shù)設(shè)置、鍵盤處理等功能，實(shí)現(xiàn)

16、與用戶良好的溝通?？刂菩盘?hào)輸出程序?qū)崿F(xiàn)了電流信號(hào)、繼電器信號(hào)、開關(guān)量的輸出，完成了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的需要。通信程序按一定的協(xié)議送出儀表存儲(chǔ)的單次AD值和綜合處理的顯示值，供儀器的性能校驗(yàn)使用。軟件程序的核心由超聲波發(fā)射（包含DDS脈沖合成）、超聲波回波AD采集程序、信號(hào)濾波程序、濃度計(jì)算程序構(gòu)成。31、超聲波發(fā)射程序、回波AD采集程序本系統(tǒng)選用的DDS是SPI總線的，在串口時(shí)鐘SCLK的作用下，數(shù)據(jù)以16位的方式加載到設(shè)備上。FSYNC引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電平有效。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)SYNC引腳必須置低，要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時(shí)間的最小值。FSYNC置低后，在1

17、6個(gè)SCLK的下降沿?cái)?shù)據(jù)被送到DDS的輸入移位寄存器，在第16個(gè)SCLK的下降沿FSYNC可以被置高，但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的數(shù)據(jù)保持時(shí)間的最小和最大值。當(dāng)然，也可以在FSYNC為低電平的時(shí)候，連續(xù)加載多個(gè)16位數(shù)據(jù)，僅在最后一個(gè)數(shù)據(jù)的第16個(gè)SCLK的下降沿時(shí)將FSYNC置高。最后要注意的是，寫數(shù)據(jù)時(shí)SCLK時(shí)鐘為高低電平脈沖，但是，在FSYNC剛開始變?yōu)榈蜁r(shí)（即將開始寫數(shù)據(jù)時(shí)），SCLK必須為高電平。通過微控制器的硬件SPI（使用微控制器的3個(gè)端口）可以控制DDS輸出0Hz125MHz的方波。另外使用一個(gè)端口和DDS的輸出共同作為與非門的輸入，這樣就可以實(shí)現(xiàn)脈沖串的時(shí)長(zhǎng)

18、控制，開啟脈沖串輸出的同時(shí)對(duì)時(shí)長(zhǎng)計(jì)數(shù)，依據(jù)超聲波在礦漿中的傳送速度和發(fā)射接收傳感器的間距就可以判斷何時(shí)接收超聲波回波。利用片內(nèi)AD采集超聲波回波，便可以對(duì)AD采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。32、信號(hào)濾波程序常用的軟件濾波方法很多，包括限幅濾波法、中位值濾波法、算數(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，采集到的信號(hào)沒經(jīng)過處理往往不能直接用，這樣就需要對(duì)采集到的AD值進(jìn)行濾波處理。由于現(xiàn)場(chǎng)的跳變是隨機(jī)的，所以不能用常規(guī)的濾波程序，需要用到限幅濾波法和消抖濾波法的綜合方法限幅消抖濾波法。限幅濾波法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷

19、，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為A）。每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差小于等于A，則本次值有效；如果本次值與上次值之差大于A，則本次值無效，放棄本次值，繼續(xù)下一次AD采樣。消抖濾波法是設(shè)置一個(gè)濾波計(jì)數(shù)器，將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較：如果采樣值等于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器清零；如果采樣值大于或小于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器加1，并判斷計(jì)數(shù)器是否大于等于上限N（溢出）。如果計(jì)數(shù)器溢出，則將本次值替換當(dāng)前有效值，并清零計(jì)數(shù)器。限幅消抖濾波程序能隨著現(xiàn)場(chǎng)的跳變做出相應(yīng)的改變，使信號(hào)處理更合理準(zhǔn)確。33、濃度計(jì)算程序濃度計(jì)算程序中包含濃度曲線擬合和溫度補(bǔ)償兩部分。曲線擬合是用連續(xù)曲線近似地刻畫或

20、比擬平面上離散點(diǎn)組所表示的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系的一種數(shù)據(jù)處理方法。濃度曲線擬合經(jīng)過多次的試驗(yàn)校正，采用了2條一次曲線和1條二次曲線，確保濃度的最大程度擬合。同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境的需要，設(shè)置了一些擬合參數(shù)，以便于隨時(shí)調(diào)整。溫度變化給超聲波傳感器實(shí)際測(cè)量帶來誤差，表現(xiàn)在微控制器對(duì)超聲波回波AD采集上產(chǎn)生非線性變化。為了解決這個(gè)問題，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，找出它們之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。本系統(tǒng)用擬合法求出各溫度時(shí)的傳感器靜態(tài)輸出特性的擬合多項(xiàng)式，將各個(gè)擬合參數(shù)b0，b1，b2，bk寫入程序，對(duì)微控制器片上AD采集到的超聲波回波數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即由輸入溫度和AD值查找和計(jì)算相應(yīng)的補(bǔ)償后的正確值，確

21、保濃度數(shù)據(jù)的正確性。4、結(jié)語本文討論了超聲波濃度計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù)，發(fā)射電路采用DDS，接收電路采用對(duì)數(shù)放大器，經(jīng)工程實(shí)踐證明，這些方法都是可行的。但由于自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾，該產(chǎn)品的精度還有待提高。 超聲波濃度計(jì)工作原理：超聲波濃度計(jì)采用超聲波原理，通過測(cè)量液體聲速，從而決定過程參數(shù)，比如液體的濃度或密度。超聲波濃度計(jì)主機(jī)中預(yù)存有各種介質(zhì)的溫度聲速特征參數(shù)曲線，根據(jù)該曲線計(jì)算出所需要的過程控制參數(shù)。超聲波濃度計(jì)主機(jī)基于雙微處理器計(jì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，即使在惡劣工況下也能穩(wěn)定可靠的工作，非常適合控制復(fù)雜的工藝過程，輸入輸出配制靈活，溫度測(cè)量可以通過自帶的溫度探頭完成。超聲波濃度計(jì)可以同時(shí)測(cè)量并顯示濃度和流量，超聲波濃度計(jì)的測(cè)量探頭有兩種，一種是插入式，另一