一种基于DSP、单片机处理器进行浓度计量的微波浓度计及其方法

摘要

本发明涉及一种测量仪器，尤其涉及一种基于DSP、单片机处理器进行浓度计量的微波浓度计及其方法，本发明采用以DSP和单片机为核心处理器嵌入软件的方式实现微波浓度延时差值测量和温度补偿、微波信号幅值自动调节功能，测量准确度高。本发明的有益效果：具有可以适应大温度变化，大浓度变化、大小口径的介质浓度测量的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，尤其涉及一种基于DSP、单片机处理器进行浓度计量的微波浓度计及其方法。

背景技术

浓度计是造纸、食品等轻工业制造生产工艺过程监控必不可少的检测仪表，目前主要使用的浓度计是刀式浓度计、旋转式浓度计、超声波浓度计、微波浓度计。其中刀式浓度计、旋转式浓度计是根据力学原理中的摩擦力、剪切力原理来达到浓度检测目的，这种浓度计的缺陷是浓度测量范围小(检测范围在1.5％和6％之间)、受被测液成分影响(如不能用于泥浆和悬浮液的浓度检测)；而超声波浓度计的缺陷则是浓度计的探头的表面易结垢以及被测液体中存在的气泡在一定程度下将影响浓度的检测精度；微波浓度计克服了上述几种浓度计的缺陷，具有测量精度高、范围广、不受被测介质的流速影响等优点。

微波浓度计测量原理：微波在液体中的行走速度，其中c是光速，e是介质介电常数，所以在不同介质液体中微波的行走速度不同，在水介质中的速度最慢，在水混合其它非金属介质中速度变快，检测微波在通过一定距离的液体介质的延时时间即能反映该介质的浓度。基于这个原理，微波浓度计的基本结构是充满被测介质管道面对的两侧分别安装微波发射天线和微波检测装置，检测微波从发射到接收的混频信号，如图1所示，混频信号的相位偏移即代表了被测介质的微波信号的延时，将通过被测介质检测到的混频信号与已知浓度的标准介质的混频信号的相位差转换成浓度，n＝k*θ1。由于同样浓度的介质在不同温度下的介电常数不同，也就是说同样的浓度在不同温度下测得的相位差是不一样，如图2所示的是50口径管道中，当被测介质在同样浓度下温度变化两度时相位差的变化曲线。如果被测介质在温度发生变化时，仅测量相位差值而不考虑补偿温度引起的相位差，测量值就会显示浓度发生变化，尤其在管道口径变大时，温度的变化将使相位差变化更大，如图3所示150口径管道相位差的变化曲线，对浓度测量影响也最大。

当微波穿越介质时，介质的温度变化不仅影响微波的速度，而且还有一定的衰减，尤其是大口径管道中，衰减情况更为严重，如图2、图3所示。当微波信号低于和高于一定范围时，混频后的中频波形将发生畸变，从而影响电路对相位差的测量，是否能精确检测相位差θ1和做好温度相位差补偿θ2，接收的中频信号幅值的衰减控制将直接影响浓度检测精度，甚至直接影响浓度的测量值，也可能导致浓度计无法使用。目前已知微波浓度计对相位差的检测采用常规电路，且无温度补偿及微波信号的幅值调节功能。

发明内容

本发明为克服现有技术中存在的不足之处，目的在于提供一种基于DSP、单片机处理器进行浓度计量的微波浓度计，采用以DSP和单片机为核心处理器嵌入软件的方式实现微波浓度延时差值测量和温度补偿、微波信号幅值自动调节功能，测量准确度高，具有可以适应大温度变化，大浓度变化、大小口径的介质浓度测量的优点，成功地解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的在于，提供一种基于DSP、单片机处理器进行浓度计量的方法，该方法采用对微波浓度延时差值进行测量和温度补偿、微波信号幅值自动调节，成功地解决了现有技术中存在的问题。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种基于DSP、单片机处理器进行浓度计量的微波浓度计，包括测定管、微波发射装置、微波接收装置、温度传感器、一次表处理单元；微波发射装置、微波接收装置分别相对应地设置在测定管的两侧，温度传感器设置在测定管的内部，微波发射装置、微波接收装置通过同轴电缆和一次表处理单元连接，温度传感器和一次表处理单元连接，还包括有二次表处理单元，所述的一次表处理单元对微波发射和接收的混频信号及被测介质温度信号数字采样，并通过通讯电缆以485通信方式传递给二次表处理单元，二次表处理单元计算混频信号的相位差和温度相位补偿值，按公式浓度＝K*(θ1-θ2)+B，计算被测介质浓度值并显示。

作为优选，所述的一次表处理单元包括DSP处理器、电压控制模块、DA模块、微波信号源模块、放大器I、放大器II、信号衰减模块、混频器、放大器III、电子开关模块、A/D转换模块、通信模块I；电压控制模块、A/D转换模块、通信模块I分别和DSP处理器相连，电压控制模块和DA模块相连，DA模块和微波信号源模块相连，微波信号源模块和放大器I相连，放大器I和微波发射装置相连，微波经被测管道，由微波接收装置接收，微波接收装置和放大器II相连，放大器II、信号衰减模块、混频器、放大器III、电子开关模块顺序相连，温度传感器和电子开关模块相连，电子开关模块与A/D转换模块相连。

作为优选，所述的二次表处理单元，包括单片机处理器、通信模块II、存储模块、键盘输入模块、显示模块、阀位信号输出模块、浓度值信号输出模块；通信模块II、存储模块、键盘输入模块、显示模块、阀位信号输出模块、浓度值信号输出模块分别和单片机处理器相连，通信模块II与通信模块I相连。

作为优选，所述的DSP处理器采用TMS320F2812。

作为优选，单片机处理器采用MSP430F149。

采用如上所述的微波浓度计进行浓度计量的方法，包括如下步骤：

1)在测定管两侧对应地设置微波发射装置、微波接收装置，测定管的内部设有温度传感器；

2)微波浓度计处于标定模式：二次表处理单元接收到次表处理单元上传的数据，判断接收到的数据是否为空管数据，如果为空管则直接退出标定状态；正常则从数据中筛选，将该标准介质微波相位差和标准介质温度数据存储在存储器中直至第二次标定模式；

3)微波浓度计处于测量模式：一次表处理单元的DSP处理器控制微波信号源模块中的压控振荡器产生微波信号，经过放大器放大后，微波信号分成两路，一路给微波发射装置，经被测管道，经微波接收装置，再经放大器II及信号衰减模块到混频器的信号输入端口，另一路直接进入混频器的另一输入端口，混频器产生的中频信号经过放大器III，到达电子开关模块，DSP处理器同时控制电子开关模块接收混频信号，混频信号送至A/D转换模块后将最终转换好的中频信号存入DSP处理器的内存中进行初步计算，DSP输出高电平控制电子开关模块接收温度传感器模拟信号至AD转换模块采集温度信号；

4)一次表处理单元的DSP处理器开启通信模块I将内存中的中频信号数据组和温度采样数据进行编码传输给二次表单元；

5)单片机处理器启动通信模块II接收一次表处理单元的通信数据后，分离出中频信号，判断信号是否为空管信号，是空管信号，停止测量；不是空信号则继续步骤6)；

6)单片机处理器计算出被测介质的微波相位差数据，从存储模块中提取已知浓度值的微波相位差，计算两者差值，即θ1；

7)单片机处理器从一次表处理单元接收的通信数据中分离出被测介质的温度信号，计算出温度相位补偿值θ2；

8)按公式浓度＝K(θ1-θ2)+B(θ1是被测介质的微波混频信号和标准浓度混频信号的相位差；θ2是被测介质的温度与标准浓度的温度差所对应的相位差；K、B是常数)，计算浓度值，送显示模块显示。

9)单片机处理器判断浓度计处于自动控制状态模式时，对浓度采样和浓度设定进行PID运算，并通过阀位信号输出模块，输出水阀控制电流值；同时计算浓度值输出信号，在显示模块显示浓度值的同时浓度信号输出模块输出浓度信号。

作为优选，所述的步骤7)包括如下具体步骤：

1)预先设定标准浓度介质在一定温度范围内间隔温度为一定值变化的引起的相位差值表；

2)以查表方法查得被测介质的温度在温度相位差值表的区域，获取基本相位差值，再采用插值算法，计算精确温度相位差值θ2。

作为优选，空管状态自动判断步骤如下：

1)提取微波浓度计正常工作时的采集波形特征，即波形周期的一致性(相邻波峰与波峰的周期要与相邻波谷与波谷的周期一致)；在二次表处理单元中预存储正常采集波形特征参数——周期值；

2)二次表处理单元对每次采集的波形，进行计算两个相邻波峰的周期、两个相邻波谷的周期，和存储器的特征参数进行匹配，当连续若干次不符合时即判断为空管状态。

作为优选，所述的若干次不符合为三次。

作为优选，K、B值的取得采用如下方法：在同样的室温情况下，实验室取10组已知不同浓度的相同液体，将他们依次倒入管道，记录每次的微波曲线数据，根据相位差及温度值可以得到θ1，θ2值，则根据公式“浓度＝K(θ1-θ2)+B”可以得到5组K值和B值，计算出K和B值的平均数，即为系数K和B值。

作为优选，K＝0.25，B＝0.15。

本发明的有益效果：本发明就是克服上述微波浓度计缺陷，采用以DSP和单片机为核心处理器嵌入软件的方法实现微波浓度延时差值测量和温度补偿、微波信号幅值自动调节功能，测量准确度高，具有可以适应大温度变化，大浓度变化、大小口径的介质浓度测量的优点。

附图说明

图1是背景技术中所述的为检测微波从发射到接受的混频信号，

图2是背景技术中当被测介质在同样浓度下50口径管道中温度每变化二度相位差的变化(53度～35度)图；

图3是背景技术中当被测介质在同样浓度下150口径管道中温度每变化二度相位差的变化(53度～35度)图；

图4是微波浓度计基本结构示意图；

图5是微波浓度计电路工作原理图；

图6是微波浓度计标定流程图；

图7是自动空管状态判断流程图；

图8是管道中充满介质以及为空管时的微波波形图。

具体实施方式

实施例1：下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

一种基于DSP、单片机处理器进行浓度计量的微波浓度计，包括测定管1、微波发射装置3、微波接收装置4、温度传感器2、一次表处理单元7、二次表处理单元8；微波发射装置3、微波接收装置4分别相对应地设置在测定管1的两侧，温度传感器2设置在测定管1的内部，微波发射装置3、微波接收装置4通过同轴电缆5和一次表处理单元7连接，温度传感器2和一次表处理单元7连接，所述的一次表处理单元7对微波发射和接收的混频信号及被测介质温度信号数字采样，并通过通讯电缆9以485通信方式传递给二次表处理单元8，二次表处理单元8计算混频信号的相位差和温度相位补偿值，按公式浓度＝K*(θ1-θ2)+B，计算被测介质浓度值并显示。

所述的一次表处理单元7包括DSP处理器10、电压控制模块17、DA模块18、微波信号源模块12、放大器I19、放大器II20、信号衰减模块11、混频器13、放大器III21、电子开关模块15、A/D转换模块16、通信模块I14；电压控制模块17、A/D转换模块16、通信模块I14分别和DSP处理器10相连，电压控制模块17和DA模块18相连，DA模块18和微波信号源模块12相连，微波信号源模块12和放大器I19相连，放大器I19和微波发射装置3相连，微波经被测管道，由微波接收装置4接收，微波接收装置4和放大器II20相连，放大器II20、信号衰减模块11、混频器13、放大器III21、电子开关模块15顺序相连，温度传感器2和电子开关模块15相连，电子开关模块15与A/D转换模块16相连。

所述的二次表处理单元8，包括单片机处理器22、通信模块II23、存储模块24、键盘输入模块25、显示模块26、阀位信号输出模块28、浓度值信号输出模块27；通信模块II23、存储模块24、键盘输入模块25、显示模块26、阀位信号输出模块28、浓度值信号输出模块27分别和单片机处理器22相连，通信模块II23与通信模块I14相连。

所述的DSP处理器采用TMS320F2812。

单片机处理器采用MSP430F149。

具体工作过程如下：微波浓度计包括测定管1、微波发射装置3、微波接收装置4、温度传感器2、一次表处理单元7、二次表处理单元8、同轴电缆5、导线6和通讯电缆9。测定管1是被测介质的流通管道，是一段不锈钢管道，一次表处理单元7产生微波信号，通过同轴电缆5，通过微波发射装置3发射微波信号，微波接收装置4接收到微波信号将其通过同轴电缆5连接到一次表处理单元7的混频器13进行混频处理，得到一组中频信号，如图5。一次表单元7的电子开关模块15切换A/D采样中频信号和介质温度采样信号后，通过通信方式将混频后的一组中频信号数据和介质温度数据传给二次表处理单元8。二次表单元8对接收到的混频信号数据进行相位偏移计算和温度补偿计算，最后转换成浓度显示。

本发明的微波浓度计对微波信号的发射、接收、采样的时序控制、信号分析处理计算以及显示是分别由两个处理单元完成，即一次表处理单元7、二次表处理单元8。其中一次表处理单元7包含：DSP处理器(TMS320F2812)10、信号衰减模块11、微波信号源模块12、电子开关模块15、A/D转换模块16，通信模块I14。其主要功能是产生微波信号，对发射微波和接收微波进行混频，采集混频信号、温度信号、自动识别和调节混频信号的幅值。二次表处理单元8包含单片机处理器(MSP430F149)22、通信模块II23、存储模块24、键盘输入模块25、显示模块26、阀位信号输出模块28和浓度信号输出模块27。主要完成微波混频信号相位差的计算、介质温度补偿、浓度计算、显示、参数的键盘输入、浓度PID控制输出、浓度值的输出及管道空管状态识别。

微波浓度计工作方式分测量模式和标定模式，微波浓度计在正常测量时是处于测量模式，也就是当微波浓度计开机上电时自动处于测量模式，具体实施方案和实施流程如图5所示，其工作步骤如下：

1.DSP处理器10通过SPI接口给输出电压DA模块(AD5541)18，控制微波信号源模块12中的压控振荡器(VCO)产生微波信号，经过放大器I19，微波信号分成两路，一路给微波发射装置3，经被测管道1，经微波接收装置4，再经放大器II20及信号衰减模块11到混频器(H213)13的信号输入端口，另一路直接进入混频器13的另一输入端口，混频器13产生的中频信号经过放大器III21到达电子开关模块15，DSP处理器10同时控制电子开关模块15接收混频信号，混频信号送至A/D转换模块(AD7652)16后将最终转换好的中频信号存入DSP处理器10的内存中进行初步计算。

2.DSP管脚48输出高电平控制电子开关模块15接收温度传感器2模拟信号至AD转换模块(AD7652)16采集温度信号。

3.DSP处理器10开启通信模块I(MAX3471)14将内存中的中频信号数据组和温度采样数据进行编码传输给二次表单元8，数据通讯采用CRC校验以确保通讯数据的正确性。

4.二次表单元8中的单片机处理器(MSP430F149)22启动通信模块II(MAX3485)23接收一次表处理单元7的通信数据后，分离出中频信号，判断信号不是空管信号后，计算出被测介质的微波相位差数据，从存储模块24中提取已知浓度值的微波相位差，计算两者差值，即θ1。设标定时相位差为θ”，现在计算的的值则为Δθ＝θ′-θ″，即θ1＝Δθ，θ′＝5.32°，θ″＝0.120°，则θ1＝5.20°。

5.单片机处理器22从一次表处理单元7接收的通信数据中分离出被测介质的温度信号，计算出温度相位补偿值θ2，按公式浓度＝K(θ1-θ2)+B，计算浓度值，送显示模块26显示。如：θ1＝5.2°得到值为12.694，θ2＝0.613，K＝0.25，B＝0.15，则浓度M＝0.25*(12.694-0.613)+0.15＝3.170。

6、单片机处理器22判断浓度计处于自动控制状态模式时，对浓度采样和浓度设定进行PID运算(PID：比例积分微分，英文全称为Proportion Integration Differentiation)，并通过阀位信号输出模块28，输出水阀控制电流值；阀位信号输出模块28输出的信号去控制阀门，然后让水多一点或者少一点来改变浓度；同时计算浓度值输出信号，在显示模块26显示浓度值的同时浓度信号输出模块27输出浓度信号。浓度信号输出模块27可以与其他控制系统接口。

微波浓度计的测量是基于被测介质在测量管的微波相位差和已知浓度的标准介质在同一测定管内的微波相位差值和被测介质的温度与标准介质在标定时的温度差补偿计算得到的，所以每台浓度计的工作模式至少有一次必须在标定模式。当浓度计首次标定时或需要再次标定时，管道内须充满已知浓度介质，可以是清水，也可以是与被测物同类型介质，通过二次表键盘操作——按F1键后浓度计进入标定模式。

流程图如图6所示，其工作步骤如下：

1.进入标定状态，停止PID阀位信号输出及浓度值信号输出。

2.接收到一次表上传的数据，经过CRC校验判断是否为有效数据。无效则继续接收数据。

3.判断接收到的数据是否为空管数据，如果为空管则直接退出标定状态。正常则进入下一步。

4.从数据中筛选信号的最大值X_m、最小值X_n，得到峰峰值X_m-n，DSP处理器从内存提取已设定的最大峰峰值B_m和最小峰峰值B_n，当判断出X_m-n大于B_m或小于B_n，则发送调整信号到一次表(DSP处理器10输出二进制信息控制信号衰减器模块，改变电子衰减器的衰减量)，再重复上述步骤直至B_n＜X_m-n＜B_m。

5.将该标准介质微波相位差和标准介质温度数据存储在存储器中直至第二次标定模式。

例：设定的最大峰峰值B_m＝20000，最小峰峰值B_n 10000，则第一次读取最大值X_m1＝62107，最小值X_n1＝10078，计算出峰峰值X_m1-n1＝52029，则X_m1-n1＞B_m，因此加大衰减器衰减量，增加4dB，从而调小微波发射功率；得到第二次数据最大值X_m2＝45027，最小值X_n2＝17023，计算出峰峰值X_m2-n2＝28004，则X_m2-n2＞B_m，仍不满足要求，再次加大衰减器衰减量，增加4dB，再次调小微波发射功率；得到第三组数据X_m3＝32001，最小值X_n3＝25012，计算出峰峰值X_m3-n3＝6989，则X_m3-n3＜B_n，还是不满足要求，减少衰减器衰减量，减小2dB，增加微波发射功率；得到第四组数据X_m4＝38927，最小值X_n4＝19987，计算出峰峰值X_m4-n4＝18940，则B_n＜X_m4-n4＜B_m，满足要求，将微波相位差和标准介质温度数据存储在存储器中，标定结束。

浓度计被安装在充满被测介质管道上进行正常测量时，由于现场工艺要求，管道内的介质被停止供应，被测介质不能充满管道，这种状况被称作空管状态，空管状态时要求浓度计停止测量。否则会给现场造成误判断。本发明具有自动判断空管状态，并当空管状态时停止浓度测量和关闭控制输出。

空管状态自动判断工作原理如下：

微波浓度计中充满介质时的微波接受和微波发射的混频信号如图7中W1曲线所示，而当管道内为空管时的混频信号如图7中W2所示。提取微波浓度计正常工作时的采集波形特征，即波形周期的一致性(相邻波峰与波峰的周期要与相邻波谷与波谷的周期一致)，而当空管状态发生时，采集的中频波形将不满足条件，两个相邻波峰之间的周期与两个相邻波谷之间的周期会存在巨大偏差，所以在二次表处理单元8中预存储正常采集波形特征参数——周期值，二次表处理单元8对每次采集的波形，进行计算两个相邻波峰的周期、两个相邻波谷的周期，和存储器的特征参数进行匹配，当连续几次不符合时即判断为空管状态。如图9为自动空管状态判断流程。

管道中的被测介质和标准浓度介质之间不仅介质浓度不同，而且介质温度也会不同，微波中频信号的相位差θ1既包含了被测介质的浓度变化引起的相位差θ，也包含了被测介质温度变化引起的相位差θ2，要正确测出浓度值，必须在微波中频信号的相位差θ1中减出介质温度变化引起的相位差θ2，得到真正浓度变化产生的相位差θ，既θ＝θ1-θ2。θ2的计算方法如下：

被测介质相位差B，取整B查表得θA和θC，则例如，现在介质下的相位差是5.2°，则从介质相位差表中查得4.176°及6.223°分别对应的值为θ4.176°＝10.568，θ6.223°＝14.818，则θ2＝θ5.2°＝((θ6.223°-θ4.176°)*(5.2-4.176)/(6.223-4.176))+θ4.176°＝12.694。

温度按当前温度T.t度，取整T查表得θT，θt＝(θ(T+5)-θT)*t/5，θ2＝θT+θt。例如，标准介质(清水)温度为20.5度，则从20度及25度分别可查表得到清水的θ20°＝0.56，θ25°＝0.78，而θ0.5则采用插值法进行计算，θ0.5＝(θ25-θ20)*0.5/5＝0.053，θ2＝0.56+0.053＝0.613。

真正的相位差θ＝θ1-θ2，浓度＝K(θ＝θ1-θ2)+B，K＝0.25，B＝0.15。即浓度M＝0.25*(12.694-0.613)+0.15＝3.170)

所查的表1：浓度相位表，可根据被测介质不同浓度打样后，记录相位变化数据，得到浓度相位差表；

所查的表2：温度相位差表，可每隔5度记录一组测试数据，然后记录存放，温度变化相位数据的变化规律记录在那里，然后实际的操作需要时再去查表2。

表1

表2

K值和B值的取值：在同样室温情况下，实验室取10组已知不同浓度的相同液体，将他们依次倒入管道，记录每次的微波曲线数据，根据相位差及温度值可以得到θ1，θ2值，则根据公式“浓度＝K(θ1-θ2)+B”可以得到5组K值和B值，计算出K和B值的平均数，即为系数K和B值，K＝0.25，B＝0.15。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。