基于管道时延的果汁糖组分浓度测量系统及方法

摘要

本发明公开基于管道时延的果汁糖组分浓度测量系统及方法，所述系统包括螺旋管道样本腔、电路盒和分别位于螺旋管道样本腔的两端的超声发射换能器与超声接收换能器，电路盒位于螺旋管道样本腔的外部，电路盒外置显示设备；电路盒包含主控单元、存储器、发射电路、接收电路和脉冲检测判决电路，所述主控单元分别与存储器、发射电路、脉冲检测判决电路和显示设备相连接，超声发射换能器与电路盒中的发射电路连接，超声接收换能器与电路盒中的接收电路连接，接收电路与脉冲检测判决电路连接。所述方法通过测量超声波在螺旋管道样本腔中的传播时间来计算果汁中组分浓度；本发明既可省去计算声速的步骤，减少了系统的运算量，又能有效提高检测精度。

说明书

技术领域

本发明属于果汁糖组分浓度检测技术领域，具体涉及一种通过测量超声波在螺旋管道中的传播时间来计算果汁中葡萄糖和蔗糖浓度的方法和装置。

背景技术

糖是果汁、饮料中的主要成分，糖的含量直接影响着果汁饮料的口感和营养价值，因此糖度检测是果汁饮料行业中最重要的分析项目之一。

现时的糖度检测有以下几种方法，但都存在各自的不足：传统的化学分析方法可以检测还原糖、蔗糖和总糖含量，但是费时费力；基于光学原理的糖类浓度检测，主要用来测定糖的总量，并不能区分糖的种类及每种糖的含量；色谱法是目前用来对各种糖类进行分离和定量的主要方法，其中气相色谱法和高效液相色谱法分离和定量游离糖的灵敏度较高、选择性好，但设备价格昂贵。因此目前在果汁、饮料生产中尚缺乏合适的方法和设备来实现快速、在线的糖度测定。

果汁中的糖主要有葡萄糖、果糖和蔗糖。果糖和葡萄糖均为单糖，且分子量相同，因此在果汁溶液中以葡萄糖计的果糖含量折算系数为1，即1个果糖相当于1个葡萄糖。所以可把果汁溶液视为葡萄糖、蔗糖和水的混合溶液。在此基础上，果汁的糖组分浓度检测可归结为果汁中葡萄糖浓度和蔗糖浓度的测量。

研究表明，超声波在糖溶液中的传播速度和糖浓度有着一一对应的关系，且“声速－浓度”曲线呈抛物线变化形式，可以用二次方程                                                进行拟合。在不同的糖溶液中，声速和糖度有以下关系式：

在葡萄糖溶液中，声速与葡萄糖浓度的关系为：

             （公式一）

在蔗糖溶液中，声速与蔗糖浓度的关系为：

            （公式二）

在葡萄糖、蔗糖混合溶液中，声速与两类糖浓度的关系为：

 （公式三）

多元混合液的声速与单一溶质溶液及水溶剂的声速存在以下关系：

因此果汁中的声速可表示为：

           （公式四）

式中，、、、分别表示表示葡萄糖溶液的声速、蔗糖溶液的声速、混合糖溶液的声速和水溶剂的声速；、分别表示葡萄糖的质量百分比浓度和蔗糖的质量百分比浓度。联立（公式一）至（公式四）得到以下计算糖组分浓度方程组：

 测量出超声波在果汁中的传播速度后，即可解方程组，计算出果汁中葡萄糖和蔗糖的浓度、。

根据上述理论，通过测量超声信号在果汁中的传播速度可对果汁中葡萄糖、蔗糖的浓度进行测定。在已知传播路径的情况下，一般通过测量传播时间，然后利用公式“速度＝传播路程÷传播时间”来计算声速。然而短距离的超声测速往往存在较大的误差，这是由于设备对信号接收时刻进行判决时，因信号受噪声影响以及设备本身精度有限，难以准确捕捉信号峰值，从而产生了判决误差。而当样本容器的体积有限时，超声传播距离过短，使得信号的实际传播时间很小，导致在传播时间的测量值中，所占的比重不能忽略，因此把传播时间测量值代入公式“速度＝传播路程÷传播时间”计算声速时，判决误差对计算结果有着非常显著的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有方法的缺陷和不足，提供基于管道时延的果汁糖组分浓度测量系统及方法。本发明使用螺旋管道作为样本腔，通过加长超声信号的传播路径来减小信号接收时刻的判决误差对检测结果的影响；运用比较测定的方法，直接测量超声信号在螺旋管道中的传播时延，并与预先训练出的“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”曲面进行对比分析，进而得到果汁的糖组分浓度。该方法既可省去计算声速的步骤，减少了系统的运算量，又能有效提高检测精度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于管道时延的果汁糖组分浓度测量系统，包括螺旋管道样本腔、电路盒、超声发射换能器、超声接收换能器和显示设备；超声发射换能器和超声接收换能器分别位于螺旋管道样本腔的两端，电路盒位于螺旋管道样本腔的外部，电路盒外置显示设备；电路盒包含主控单元、存储器、发射电路、接收电路和脉冲检测判决电路，所述主控单元分别与存储器、发射电路、脉冲检测判决电路和显示设备相连接，超声发射换能器与电路盒中的发射电路连接，超声接收换能器与电路盒中的接收电路连接，接收电路与脉冲检测判决电路连接；

所述主控单元控制与其连接的各个电路模块的工作，并计算超声信号在螺旋管道样本腔中的传播时间，调用存储器中的经验数据库进行对比分析并把果汁糖组分浓度的检测结果传送至显示设备；

所述存储器中存放着通过训练得到的“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面数据库，供检测果汁糖组分浓度时进行对比分析；

所述发射电路接收主控单元的指令从而产生脉冲信号，经载波信号调制后，由超声发射换能器把脉冲信号发射出去；接收电路对超声接收换能器收到的脉冲信号进行滤波，并送往脉冲检测判决电路；

所述脉冲检测判决电路采用阈值判决的方法检测接收电路传送来的有效脉冲信号，并根据电平阈值对信号的到达时刻进行判决；

所述显示设备用于显示设备操作导向和测试结果。

上述基于管道时延的果汁糖组分浓度测量系统中，所述螺旋管道样本腔采用保温材料制成，管道内壁涂有能将信号反射的反射系数为0.8~0.9较大的物质。

上述基于管道时延的果汁糖组分浓度测量系统中，所述经载波信号调制后信号的频率为20kHz－500kHz。

上述基于管道时延的果汁糖组分浓度测量系统中，所述超声发射换能器和超声接收换能器的中心频率为20kHz－500kHz。

上述基于管道时延的果汁糖组分浓度测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测果汁调节至一定温度并注满螺旋管道样本腔；

步骤2、主控单元发送指令至发射电路，发射电路产生脉冲信号，经载波调制后，由超声发射换能器把信号发射出去；同时，主控单元记录下发射时刻；

步骤3、超声接收换能器接收经螺旋管道样本腔反射的超声脉冲信号，信号经接收电路滤波，然后由脉冲检测判决电路对信号进行检测并判决接收时刻；

步骤4、主控单元根据发射时刻和接收时刻计算超声信号在待测果汁中的管道时延；

步骤5、将管道时延的测量值与存储器中的“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面数据进行对比和分析，在经验曲面上查找与该次管道时延对应的点并获取相应的葡萄糖浓度和蔗糖浓度数据；

步骤6、将果汁糖组分浓度检测结果传送至显示设备进行显示。

上述的测量方法中，所述“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面数据是经过对已知浓度的训练样本进行训练所得，在传播路径不变的条件下，传播时间和声速存在一一对应的关系：速度＝传播路程÷传播时间，而声速和糖组分浓度也是一一对应，传播时间和糖组分也存在一一对应关系。

上述的测量方法中，通过所述训练样本来拟合一个与理论相符的“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面，在训练经验数据时，分别准备不同浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，两两等量混合形成多种糖组分比例不同的溶液；采用多次测量取平均值的方法获取超声信号在这些样本溶液中的管道时延；将测量数据拟合成“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”曲面并将数据存入存储器中。

所述样本腔设计成螺旋管道式样，加长了超声信号的传播距离，使信号在管道中的传播时间远远大于判决误差，从而减少了对检测结果的影响；样本腔用保温材料制成，以减少温度变化对测量值的影响；样本腔的螺旋管道内壁涂有声反射系数较大（0.8~0.9）的物质，使超声接收换能器可接收足够强的反射信号，以作出准确的计算。

所述发射电路和接收电路分别与超声发射换能器和超声接收换能器相连接。发射电路接收主控单元的指令从而产生脉冲信号，经载波信号调制后，由超声发射换能器把脉冲信号发射出去。接收电路对超声接收换能器收到的脉冲信号进行滤波，并送往脉冲检测判决电路。为了避免超声信号在溶液中衰减过快，信号的频率应控制在低频范围内，因此载波频率可在20kHz－500kHz范围内选取。所述超声发射换能器和超声接收换能器分别用于发射和接收超声脉冲信号，换能器的中心频率对应于载波频率可在20kHz－500kHz范围内选取。

所述“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面数据库是经过对已知浓度的训练样本进行训练所得。在传播路径不变的条件下，传播时间和声速存在一一对应的关系：速度＝传播路程÷传播时间，而声速和糖组分浓度也是一一对应，因此在理论上，传播时间和糖组分存在一一对应关系。然而超声信号在螺旋管道中的传播路径难以测算，无法直接套用如前所述的计算糖组分浓度方程组进行求解，所以本发明通过训练样本来拟合一个与理论相符的“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面。在训练经验数据时，分别准备不同浓度的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，两两等量混合形成多种糖组分比例不同的溶液；采用多次测量取平均值的方法获取超声信号在这些样本溶液中的管道时延；将测量数据拟合成“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”曲面并将数据存入存储器中。在实际检测时，根据管道时延的测量值，在经验曲面上查找出与之对应的点即可获取相应的葡萄糖浓度和蔗糖浓度的数值。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点和技术效果：

1、系统构建容易实现，流程简单，无需耗费大量的时间和复杂的操作。

2、使用螺旋形管道，加长超声信号的传播路径，使得传播时间变大且远大于判决误差，从而大大减小了对糖组分浓度计算结果的影响，提高了检测精度。

3、虽然螺旋形管道加长了超声信号的传播路径，但和一般样本腔相比，并没有占用多余的空间。

4、由于训练和实际测量都是在相同的管道环境中进行，因此训练数据和实测数据之间不会有明显的相对误差，所以运用比较测定方法是合理的。

5、该方法直接测量信号的传播时间，然后与经验数据进行对比分析，进而获取糖组分浓度数据。该方法免除了计算声速的步骤，减少了系统的运算量。

6、在训练经验曲面时，采用多次测量取平均值的方法可减少超声信号收发时刻的判决误差，提高了测量精度。

7、该方法和装置实现容易，能应用于大部分果汁饮料的糖组分检测，具有良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置的电路原理框图。

图3是“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面。

图4是本发明装置工作原理图。

图5是实施方式中测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明装置的具体结构如下：包括封闭的用保温材料加工而成的螺旋管道腔体1，分别位于螺旋管道首尾两端的超声发射换能器2和超声接收换能器3（中心频率可在20kHz－500kHz范围内选取），设置在腔体1外部的电路盒5，电路盒和所述两个换能器之间通过电缆4相连，电路盒外置显示设备6和控制面板7。螺旋管道腔体1采用保温材料制成，能有效减少温度变化对测量的影响；管道内壁涂有能将信号反射的反射系数较大（0.8~0.9）的物质，使接收换能器可接收足够强的反射信号，以作出准确的计算。

如图2所示，所述电路盒包含主控单元、存储器、发射电路、接收电路和脉冲检测判决电路。其中，主控单元还与电路盒外部的显示设备6和操作面板7连接。主控单元接收操作面板的信号，然后发送指令至发射电路，发射电路产生脉冲信号，经载波信号调制后，由超声发射换能器把信号发射出去；同时，主控单元记录下发射时刻；超声接收换能器采集从螺旋管道中反射回来的超声脉冲信号，信号经接收电路滤波后送至脉冲检测判决电路中；脉冲检测判决电路对信号进行检测并判决接收时刻；主控单元根据超声信号的收发时刻计算信号的管道时延，并将其与存储器中的“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面数据进行比较和分析，进而得到果汁糖组分浓度的检测结果；检测结果数据通过显示设备6显示。

如图3所示，存储器中存放着训练好的“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面数据。本实施例中采用以下的训练步骤：

步骤1、分别准备浓度为5％、10％、15％、20％、25％、30％的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，两两等量混合形成36种糖组分比例不同的糖溶液并调节至20。

步骤2、将糖溶液注满螺旋管道样本腔，通过操作面板控制装置开始测量。

步骤3、主控单元发送指令至发射电路，发射电路产生脉冲信号，经载波信号调制后，由发射换能器把信号发射出去；同时，主控单元记录下发射时刻。

步骤4、超声接收换能器接收经螺旋管道反射的超声脉冲信号，信号经接收电路滤波，然后由脉冲检测判决电路对信号进行检测并判决接收时刻。

步骤5、主控单元根据发射时刻和接收时刻计算超声信号在待测果汁中的管道时延，并通过重复3遍取平均值的方法获取更准确的数据。

步骤6、获得36种样本糖溶液的管道时延数据后，在“管道时延”－“葡萄糖浓度”－“蔗糖浓度”坐标空间中将这些数据拟合成“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”经验曲面，并存进系统存储器中。

如图4所示，本发明装置的工作原理是：超声波在糖溶液中的传播速度和糖浓度有着一一对应的关系，在传播路径不变的条件下，传播时间和声速也是一一对应的，因此可建立传播时间和糖组分浓度的一一对应关系。然而在短距离的超声测量中，信号接收时刻的判决误差往往对检测结果造成较大的影响。本发明通过直接测量超声信号的传播时间来计算果汁糖组分浓度，免除了超声信号传播速度的计算，减少了系统运算量；同时通过采用螺旋管道作为样本腔，加长了信号传播路径，有效地减少了判决误差的影响，提高了检测精度。如图4所示，位于螺旋管道样本腔顶端的超声发射换能器发出超声脉冲信号，信号经螺旋管道多次反射后由超声接收换能器接收，然后对信号进行滤波处理并根据有效信号电平阈值判决接收时刻。最后根据发射时刻和接收时刻计算果汁的管道时延，并和存储器中的经验数据进行对比分析，从而获取糖组分浓度数据。由于本发明采用了螺旋管道作为样本腔，加长了信号传播路径，信号在管道中的实际传播时间远大于信号接收时刻的判决误差，因此有效地减少了判决误差对检测结果的影响。

如图2和图5所示，本实施例采用以下步骤检测果汁糖组分浓度：

步骤1、调整待测果汁温度至20并注满螺旋管道样本腔。

步骤2、对操作面板进行操作，主控单元传送指令至发射电路，发射电路产生脉冲信号，经载波信号调制后，由超声发射换能器把脉冲信号发射出去，同时记录下发射时刻。

步骤3、超声脉冲信号在螺旋管道中经多次反射后由超声接收换能器接收，脉冲信号经接收电路滤波后被送至脉冲检测判决电路，脉冲判决电路根据信号波形及预置的有效信号电平阈值检测脉冲信号的到达时刻。

步骤4、主控单元根据超声脉冲信号的发射时刻和接收时刻计算出信号在待测果汁中的管道时延。

步骤5、将管道时延的测量值与存储器中的经验曲面数据进行对比和分析，在经验曲面上查找与该次管道时延对应的点，并获取相应的葡萄糖浓度和蔗糖浓度数据。如果在存储器中找不到与检测结果相近的经验数据，则提示更新数据库，并且把该次测量的数据作为训练样本，重新拟合“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”曲面。

步骤6、将步骤5所述的检测数据传送至显示设备进行显示。

本发明通过测量超声波在螺旋管道样本腔中的传播时间来计算果汁中葡萄糖和蔗糖浓度。本发明的理论依据为：声速与溶液浓度存在一一对应的关系，而在传播路径不变的条件下，声速和传播时间也是一一对应的，因此可以建立传播时间和溶液浓度的一一对应关系。本发明的特点在于使用螺旋管道作为样本腔，通过加长超声信号传播路径来减小信号接收时刻的判决误差对测量结果的影响；运用比较测定的方法，将超声信号在螺旋管道中的传播时延与预先训练出的“管道时延－葡萄糖浓度－蔗糖浓度”曲面数据进行对比和分析，进而得到果汁糖组分的浓度，既减少了系统的计算量，又能有效提高检测精度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。