一种高精度液体媒质浓度超声声速检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高精度液体媒质浓度超声检测系统，该系统包括工控机、脉冲信号发生/接收器、数字化仪、水浴恒温器、测试池、循环泵，超声发射探头、超声接收探头；根据上述检测系统，提供一种采用快速傅里叶变化和偏最小二乘回归建模的方法，提高液体煤质浓度的检测精度。
【专利说明】-种高精度液体媒质浓度超声声速检测系统
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高精度溶液浓度检测系统。
【背景技术】
[0002] 超声波检测技术是一种受到越来越广泛关注的检测技术。超声检测的基本原理 是；发射的超声波经与被测媒质作用后，携带了被测媒质的信息而被接收，通过分析接收到 的信号，从而获得有关媒质的信息，声速、声阻抗、声衰减，是声波的主要参数，该些参数与 工业过程密切相关。因此，工业过程状态的变化，即过程参量，可通过测量声参数来反映。
[0003] 利用超声检测浓度的方法最广泛的是采用声速进行测量，声速可表征很多被测媒 质的特性，如区分不同纯液体、溶液的浓度、二元W及多元液态混合物的状态等。Van (Food Control 2008,19(1) ;31-35)研究了采用超声检测技术在容器壁外实时检测葡萄酒发酵 过程的技术。研究人员分别测量了庶糖-水和己醇-水二元混合溶液在lMHz、500KHz和 54KHZ频率下的声速变化，指出可利用声速的频散特性（声程为40cm，声速测量精度为 0. 001m'S-1)测量发酵过程中己醇和糖浓度的变化。但当被测媒质中有高浓度的气泡或是 散射粒子时，声波很容易被衰减掉，声波不能穿透被测媒质，此时无法采用声速进行检测。 此外，如果混合液中的各组分声速差别不是很大，声速随各组分浓度变化的改变不明显，此 时也不适宜采用声速测量。在进行分散液中分散粒子粒径大小及分布的确定时，测量声衰 减是一种有效方法。声衰减主要与媒质的导热性、粘度、分散粒子大小W及检测使用的频率 有关。德国Sympatec生产的OPUS系统是一台基于超声谱的在线粒径分析仪，可用于分析 浓度在25% W下，粒径分布在5-3000um范围内的溶液体系。Henning扣Itrasonics，2000， 38(1) ;799-803)给出了可W同时求解声速、声衰减和声阻抗的传感器设计。声速测定采用 两次回波之间的传播时间和传播距离计算而得；阻抗和衰减是对比分析参考媒质和被测媒 质的各自前2个回波信号的幅值计算而得。该技术可实现超声密度检测。声阻抗传感器的 另一个可能应用领域是测定乳浊液和固体分散体系的浓度。该是由于该两中体系中声衰减 很大，不适宜用声速和衰减检测。
[0004] 江泽涛等（自动化仪表，2001，22(1) ;25-27)介绍了一种超声波液体溶液浓度的 在线检测方法，并研制了相应的W单片机和计算机为核屯、的在线检测仪。仪器采用了声时、 声幅衰减及数字处理技术联合排除气泡干扰方法，增加了仪器的稳定性；仪器采用了高精 度测声时方法，W提高浓度测量精度；并建立了多种溶液浓度与声速和温度关系的数据库， 实现实时浓度检测。江泽涛（仪器仪表学报，2001,22(3) ;240-243)等介绍了利用超声技 术进行己醇浓度（30%?100% )的在线检测方法、浓度在线检测仪的原理、组成和软件设 计。该仪器的测量误差小于0.2%。
[0005] 目前，利用超声检测浓度的方法主要是采用声速进行测量，当被测量媒质是多元 混合液时，要联合其它分析方法，如温度、频率、电导率等。在声速测量过程中，需消除温度 变化对声速测量造成的影响，提高测量精度。而衰减测量的精度没有声速测量的精度高，而 且影响衰减的因素很多，如声束扩散、液体的粘性、热传导、边界摩擦W及各种弛豫过程，还 包括由晶粒结构、悬浮粒子杂质、气泡等造成的散射衰减。所w即使衰减测量精度很高，但 由于影响因素众多，也不等于分析就很正确。该也是前文所述测量浓度中没有采用衰减进 行测量的原因。同时，和声衰减测量一样，阻抗的测量也是通过回波信号的幅值计算而得， 精度也很难和声速相比。从W上分析可知，上述测量方法主要是利用具体的声参量进行检 巧。，未能将回波信号中与被测过程参量有关的媒质声学信息全面、合理、高效的抽提。
【发明内容】
[0006] 为了避免上述方法不能全面、合理、高效对回波信号中的信息进行提取的缺点，本 发明提供一种能够利用声速进行测量的、全面、合理、高效对回波信号中的信息进行提取的 测量系统。
[0007] 一种高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于；该系统包括工控机、脉冲信 号发生/接收器、数字化仪、水浴恒温器、测试池、循环累，超声发射探头、超声接收探头，其 中数字化仪通过PCI总线与工控机连接，数字化仪与脉冲信号发生/接收器相互连接，与脉 冲信号发生/接收器发射端连接的超声发生探头安装在测试池一侧，与脉冲信号发生/接 收器回波信号接收端连接的超声接收探头安装于测试池相对于所述一侧的另一侧，用于容 纳被测液体煤质的测试池置于水浴恒温器中，水浴恒温器采用PID温度控制器，配备有循 环累，实现温度场温度恒定。
[0008] 所述脉冲信号发生/接收器为CTS-8077PR脉冲发生/接收仪。
[0009] 所述数字化仪为PCI-9846H/512数字化仪。
[0010] 所述水浴恒温器为DC-0506水浴恒温器。
[0011] 所述超声发生探头和超声接收探头为宽频超声TOFD换能器。
[0012] 本发明另外一个发明目的是提供一种信号处理方法。
[001引超声信号的处理方法采用快速傅里叶变化FFT，系统的多元线性统计回归模型建 立采用偏最小二乘回归化SR，并且分析中的自变量和因变量都是经过标准化的。
[0014] 时域离散超声信号X (n)的离散傅里叶变换值FT)的幅值信息为P化)，相位信息为 4似；
[0015] k = 0，1，…（N/2-1)其中N为一次采样点数，P化）和4化）为行向量，本系统中 N = 8000。
[0016] 设第i个浓度溶液的离散超声信号Xi(n)离散傅里叶变化幅值信息为Pi化)，相位 信息为4 i化)，由m个不同浓度溶液的超声信号离散傅里叶变化的幅值信息和相位信息组 成建模自变量矩阵X:
[0017]
【权利要求】
1. 一种高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于：该系统包括工控机、脉冲信 号发生/接收器、数字化仪、水浴恒温器、测试池、循环泵，超声发射探头、超声接收探头，其 中数字化仪通过PCI总线与工控机连接，数字化仪与脉冲信号发生/接收器相互连接，与脉 冲信号发生/接收器发射端连接的超声发生探头安装在测试池一侧，与脉冲信号发生/接 收器回波信号接收端连接的超声接收探头安装于测试池相对于所述一侧的另一侧，用于容 纳被测液体煤质的测试池置于水浴恒温器中，水浴恒温器采用PID温度控制器，配备有循 环泵，实现温度场温度恒定。
2. 根据权利要求1所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于所述脉冲信 号发生/接收器为CTS-8077PR脉冲发生/接收仪，其发射电压为-75V，脉冲宽度为IOOns。
3. 根据权利要求1或2所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于所述数 字化仪为PCI-9846H/512数字化仪，其最高采样频率为40MHz，分辨率为16位。
4. 根据权利要求1所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于所述超声发 射探头和超声接收探头为宽频超声TOFD探头，探头直径5mm，中心频率6MHz。
5. 根据权利要求1所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于为提高系统 测试精度，测试池采用声阻抗较小的有机玻璃制成。
6. 根据权利要求1所述的高精度液体媒质浓度超声检测系统，其特征在于为使超声探 头能在水浴中使用，应采用橡胶软管对探头密封。
7. -种液体煤质超声信号的处理方法，对频谱信息采用快速傅里叶变FFT，系统的多 元线性统计回归模型建立采用偏最小二乘回归PLSR，并且分析中的自变量和因变量都是经 过标准化的， 时域离散超声信号x(n)的离散傅里叶变换（DFT)的幅值信息为P(k)，相位信息为<i>(k)： k= 0，l，一(Nz^-I)其中N为一次采样点数，P(k)和<Hk)为行向量，本系统中N= 8000， 设第i个浓度溶液的离散超声信号Xi (n)离散傅里叶变化幅值信息为Pi (k)，相位信息 为巾i(k)，由m个不同浓度溶液的超声信号离散傅里叶变化的幅值信息和相位信息组成建 模自变量矩阵X:
建模之前需对建模自变量举证进行标准化，标注化包括数据的中心化和压缩处理。中 心化处理的目的是使样本点集合的重心与坐标原点重合，而压缩处理可以消除由量纲不同 所引起的虚假变异信息，使分析结果更加合理；标准化方法如下：
式中：m为样本点数，N为解释变量的个数（也即一次采样点数），&是第j个解释变量 Xj的均值，h是h的样本方差，&是\的标准化结果；标准化后的自变量矩阵也记为X;利 用标准化后的频谱和相位数据，建立系统的偏最小二乘检测模型； 偏最小二乘回归的基本思想是在自变量矩阵X中提取信息时同时考虑因变量Y，使提 取的信息对因变量有很强的解释能力； 若记m个不同浓度溶液的浓度值为Y1，Y2，…，Ym，则因变量矩阵Y为：
式中R=W(PtW)'P=XtT(TtT)'T:得分矩阵，W:协方差矩阵主特征向量； 在实际处理问题过程中，由于矩阵X中的变量之间存在着相关性，同时还包含有噪声， 所以偏最小二乘回归建模时，取X矩阵分解后的因变量个数h小于实际个数N，使得一些包 含有噪声的因变量被消除，因而具有噪声过滤作用，所建立的模型预测能力强。
【文档编号】G01N29/024GK104502448SQ201410551123
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】孟瑞锋, 苗淑静, 杨涛, 马小康, 王州博 申请人:内蒙古工业大学