用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪及检测方法

摘要

本发明公开的用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪包括仪器壳体，仪器壳体一侧壁上有控制面板，仪器壳体内有溶液浓度监测模块，溶液浓度监测模块与控制面板连接；本发明还公开了利用用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪检测溶液浓度的方法，用溶液监测模块采集待测溶液的CCD光学和温度信号，由单片机主控板内的数据处理系统对采集到的信号处理得到待测溶液的浓度值；将浓度值送入标准工业信号输出模块内处理得到标准工业信号以供二次执行仪表对生产浓度进行调节和控制；同时将检测得到的溶液温度、折射率及浓度值显示出来。本发明用于溶液检测的通用型在线工业折光仪具有测量速度快及测量精度高的特点。

说明书

技术领域

本发明属于溶液检测仪器技术领域，涉及一种用于检测溶液浓度 的通用型在线工业折光仪，本发明还涉及利用上述通用型在线工业折 光仪检测溶液浓度的方法。

背景技术

目前，国内外生产的在线折光仪在测量溶液浓度方面大多只能单 纯针对溶液的浓度进行总体的测量；对于多元溶液来说，只能测量出 多元溶液中各种溶质的总浓度，而无法测量多元溶液中每种溶质的浓 度。此外，现有的在线折光仪大多用于糖度测量，这是目前进口和国 产在线折光仪的不足之处。

众所周知，浓度是衡量很多工业产品的一项重要指标，除食品、 酒类及饮料行业外，还有许多行业的液态产品要涉及浓度测量及其质 量的监控。

很多工业产品中，大多数液体属于多元溶液，采用现有的在线折 光仪无法精确测量，因此非常有必要开发出一种能够测量多元醇溶液 且测量精度高、速度快的仪器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于检测溶液浓度的通用型在线工 业折光仪，不仅具有测量速度快及测量精度高的特点，还能直接计算 出溶液的浓度、折射率并将其显示出来。

本发明的另一目的在于提供利用上述通用型在线工业折光仪监 测溶液浓度的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，用于检测溶液浓度的通用型 在线工业折光仪，仪器壳体一侧壁上设置有控制面板，仪器壳体内设 置有溶液浓度监测模块，溶液浓度监测模块与控制面板连接。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

溶液浓度监测模块，包括有单片机主控板，单片机主控板分别与 标准工业信号输出模块、温度采样模块、CCD信号二值化模块、参 数设定模块、PC机通讯模块、浓度低限-高限报警模块、上电复位及 手动复位电路及5V基准电压模块连接；温度采样模块分别与差动放 大器、零点调节电位器及2.5V基准电压模块，差动放大器与增益调 节电位器连接；PC机通讯模块通过通讯电缆直接与中心实验室设置 的计算机终端相连；

控制面板由点阵液晶显示模块和按键模块组成；

点阵液晶显示模块分别通过导线与单片机主控板、灰度调节单元 连接；按键模块，包括有浓度低限报警指示灯、浓度高限报警指示灯、 手动复位键、主菜单翻页键、参数写入键、参数减小键及参数增加键； 浓度低限报警指示灯、浓度高限报警指示灯均通过导线与浓度低限- 高限报警模块连接；手动复位键通过导线与上电复位及手动复位电路 连接；主菜单翻页键、参数写入键、参数减小键及参数增加键均通过 导线与参数设定模块连接。

单片机主控板采用的是STC12C5A60S2单片机。

标准工业信号输出模块内分别设置有D/A转换模块、0mA～10mA 输出模块及4mA～20mA输出模块；温度采样模块内设置有温度采样 电桥，温度采样模块内还集成有温度采样数学模型。

CCD信号二值化模块内分别设置有低通滤波器、电压跟随器、 加法器及比较器；加法器是同向加法器；比较器是同向滞回比较器。

本发明所采用的第二种技术方案是，利用用于检测溶液浓度的通 用型在线工业折光仪检测溶液浓度的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、分别对通用型在线工业折光仪内的温度采样模块、标准 工业信号输出模块及CCD信号二值化模块进行校准；

步骤2、经步骤1后，利用溶液浓度监测模块分别采集待测溶液 的CCD光学信号和温度信号，由单片机主控板内设置的数据处理系 统对采集到的待测溶液的CCD光学信号和温度信号进行处理后，得 到待测溶液的浓度值；

步骤3、将经步骤2得到的浓度值送入溶液浓度监测模块内的标 准工业信号输出模块中进行处理，得到0～10mA和4～20mA的标准工 业信号以供二次执行仪表对生产浓度进行调节和控制；

同时将测量得到的待测溶液的温度、折射率及浓度值在点阵液晶 模块以及PC机上输出显示，完成对待测溶液浓度的测量。

本发明第二种技术方案的特点还在于：

步骤1具体按照以下步骤实施：

对温度采样模块进行如下校准：

零点校准：将100Ω±0.05％的精密电阻接入温度采样模块内的温 度采样电桥，调节温度采样电桥桥臂上连接有温度调零电位器，温度 调零电位器为15Ω电位器，通过调节温度调零电位器使温度采样模 块输出显示为0.00℃，完成对温度采样模块的零点校准；

满量程校准：用146Ω±0.05％的精密电阻接入温度采样模块内的 温度采样电桥，调节温度采样电桥桥臂上连接有2KΩ电位器，利用 2KΩ电位器调节温度采样电桥内设置的3140运算放大器，使温度采 样模块输出显示为120.00℃，完成温度采样模块的满量程校准；

对标准工业信号输出模块进行校准：

对标准工业信号输出模块内的0mA～10mA输出模块进行校准， 使其能输出0mA～10mA标准工业信号；

0mA～10mA输出模块内设置有运算放大器，0mA～10mA输出模 块内的运算放大器输出电流与输入电压V_i的关系如下：

$I=\frac{V_i}{R_3}=0-10\mathrm{mA},R_L\le 2\mathrm{K\Omega };$

对标准工业信号输出模块内的4mA～20mA输出模块进行校准， 使其能输出和4mA～20mA标准工业信号；

4mA～20mA输出模块内设置有运算放大器，4mA～20mA输出模 块内的运算放大器输出电流与输入电压V_i的关系如下：

$I=\frac{V_{i2}}{R_2}=\frac{1}{R_2}(1+\frac{R_f}{R_1})\left(R_a\right|\left|R_b\right|\left|R_c\right)(\frac{V_i}{R_a}+\frac{V_2}{R_b})=4-20\mathrm{mA},R_L\le 470\Omega ;$

对CCD信号二值化模块进行校准：

零点校准：采用糖溶液对CCD信号二值化模块进行零点校准， 取浓度为0的标准液进行校准，按下控制面板上的手动复位键，在主 菜单中选择CCD信号二值化零点校准程序并启动该程序，点阵液晶 模块上浓度值应显示为00.0Brix，否则就利用电位器进行调节，使显 示值为00.0Brix，完成对CCD信号二值化模块的零点校准；

量程校准：用浓度为85Brix的糖溶液进行校准，按下控制面板 上的手动复位键，在主菜单中选择CCD信号二值化量程校准程序并 启动该程序，点阵液晶模块上浓度值应显示为85.0Brix，否则就利用 电位器进行调节，使显示值为85.0Brix，完成对CCD信号二值化模 块的量程校准。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、经步骤1后，由溶液浓度监测模块内的CCD信号二值 化模块采集得到待测溶液的CCD光学信号，由温度采样模块采集得 到待测溶液的温度信号；

步骤2.2、经步骤2.1后，将采集到的待测溶液的CCD光学信号 和温度信号输送至单片机主控板内，由单片机主控板内集成的数据处 理系统分别对待测溶液的CCD光学信号和温度信号进行计算处理， 获得待测溶液的浓度值。

步骤2.2中获得待测溶液的浓度值具体按照以下步骤实施：

若单纯针对糖度Bx进行测量，则启动数据处理系统内的糖度测 量数学模型，利用糖度测量数学模型经计算得到糖度值，糖度测量数 学模型具体如下：

Bx＝2¹⁵(-0.2890914+0.65449642DN-0.23454051DN²+0.0744751DN³)(1)；

式(1)给出20℃下糖度值Bx与待测溶液的折射率DN的关系；

在任意温度条件下，糖度补偿值ΔBx具体按照如下算法获得：

ΔBx＝(-0.4742963-0.098763Bx-0.00048996Bx²+6.16475×10^-6Bx³)+ (0.0236243+4.13522×10^-4Bx+4.15331×10^-5Bx²-4.98423×10^-7Bx³)T+ (5.91534×10^-4+3.34744×10^-6Bx-9.68048×10^-7Bx²+1.07746×10^-8Bx³)T²+ (4.2328×10^-6-1.05803×10^-7Bx+5.81466×10^-9Bx²-6.32636×10^-11Bx³)T³(2)；

在任意温度条件下，将得到的糖度值折算成20℃条件下的糖度 值Bx_20℃，完成了对糖度Bx的测量，具体折算方法如下：

Bx_20℃＝Bx+ΔBx(3)；

若待测溶液为四元溶液，要完成对四元溶液浓度的测量，具体按 照以下方法实施：

待测的四元溶液为溶剂水与三种溶质构成的混合溶液，三种溶质 的质量百分比分别为x₁,x₂,x₃，三种溶质的质量百分比x₁,x₂,x₃与待测的四元溶液的折射率、温度、信号光源的波长的关系具体如下：

A+B·n+C·n²＝[(a₀+a₁λ+a₂λ²)+(a₃+a₄λ+a₅λ²)T+(a₆+a₇λ+a₈λ²)T²]x₁

+[(b₀+b₁λ+b₂λ²)+(b₃+b₄λ+b₅λ²)T+(b₆+b₇λ+b₈λ²)T²]x₂(4)；

+[(c₀+c₁λ+c₂λ²)+(c₃+c₄λ+c₅λ²)T+(c₆+c₇λ+c₈λ²)T²]x₃

x₁+x₂+x₃+x_水＝1(5)；

式(4)和式(5)中：T为待测的四元溶液的温度；λ为信号光 源的波长，光源采用共阴极红、绿、蓝三基色复合发光二极管，每种 色由单独管脚靠电流大小独立控制；x₁,x₂,x₃分别为三种溶质质量 百分比；n为在温度T和波长λ下测量得到的待测四元溶液的折射率； 式(4)中其余各项均为仪器定标时的待定系数。

30个待定系数的确定方法具体如下：

步骤a、配制两种不同溶液：

这两种溶液的溶剂均为水，且这两种溶液中含有的溶质种类相 同，但是溶质的质量百分数不同；配制好后，将一组溶液中溶质的浓 度值记为(x₁₁,x₂₁,x₃₁)，另一组溶液中溶质的浓度值记为 (x₁₂,x₂₂,x₃₂)；

步骤b，将配制好两组溶液分别加热成3种温度，记作 (T₁,T₂,T₃)；由程序控制改变信号光源波长5次，即 (λ₁,λ₂,λ₃,λ₄,λ₅)，这样有2×3×5＝30，即由溶质浓度、溶液温度 和信号光源波长改变次数的组合，以及30次的溶液折射率测量值 (n₁,n₂....n₃₀)，给出了一个30元的一次线性方程组，通过求解此方程 组即确定30个待定系数。

本发明的有益效果在于，

(1)本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪与目前 国内外其他在线折光仪相比有着很大的区别，能检测多元溶液中每一 种组分物质的分浓度，同时还解决了与多种液态产品生产线的兼容问 题。

(2)本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪，对于 多元溶液，若已知其溶液成分，可预先通过实验方法给出数据，然后 将数据代入给定的通用算法模型内，通过求解方程获得各拟合系数， 即得到该多元溶液的具体算法模型，进行在线测量时，能根据该模型 计算出多元溶液物质中每一种组分物质的分浓度。

(3)本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪，可将 浓度和温度测量信号转换为0mA～10mA和4mA～20mA的标准工业信 号，供二次执行仪表进行过程控制参数的调节。

(4)本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪采用点 阵液晶显示，可以显示溶液的浓度、折射率、温度以及仪器校准时的 各种功能参数。

(5)本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪增加了 与上位PC机的通讯功能，可在中央控制室及时监控生产过程随时了 解产品的生产质量。

(6)本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪，仪器 定标由软件自动完成，算法模型中的各个待定系数及仪器的零点和量 程采用软件自动校准技术。

综上所述，本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪主 要用于在线测量溶液的浓度、折射率及温度，同时将测量信号再转换 为0mA～10mA和4mA～20mA的标准工业信号供二次执行仪表进行过 程控制参数的调节；此外，本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工 业折光仪应用领域广泛，市场前景广阔，除应用于单元溶液的浓度检 测外，还可以用于其他多元溶液的浓度测量。

附图说明

图1是本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪的结 构示意图；

图2是本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪的操 作面板的结构示意图；

图3是本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪的光 学原理示意图；

图4是本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪中 CCD信号二值化原理示意图；

图5是本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪中 CCD信号二值化模块测量原理示意图；

图6是本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪中比 较器传输特性图。

图中，1.单片机主控板，2.点阵液晶显示模块，3.液晶显示灰度 调节单元，4.标准工业信号输出模块，5.D/A转换模块，6.0mA～10mA 输出模块，7.4mA～20mA输出模块，8.温度采样模块，9.温度采样电 桥，10.差动放大器，11.增益调节电位器，12.零点调节电位器，13.2.5V 基准电压模块，14.CCD信号二值化模块，15.低通滤波器，16.电压跟 随器，17.加法器，18.比较器，19.参数设定模块，20.PC机通讯模 块，21.浓度低限-高限报警模块，22.上电复位及手动复位电路，23.5V 基准电压模块，24.控制面板，24-1.浓度低限报警指示灯，24-2.浓度 高限报警指示灯，24-3.手动复位键，24-4.主菜单翻页键，24-5.参数 写入键，24-6.参数减小键，24-7.参数增加键。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪，其结构如图 1及图2所示，包括有仪器壳体，仪器壳体一侧壁上设置有控制面板 24，仪器壳体内设置有溶液浓度监测模块，溶液浓度监测模块与控制 面板24连接。

溶液浓度监测模块，如图1所示，包括有单片机主控板1，单片 机主控板1分别与标准工业信号输出模块4、温度采样模块8、CCD 信号二值化模块14、参数设定模块19、PC机通讯模块20、浓度低 限-高限报警模块21、上电复位及手动复位电路22及5V基准电压模 块23连接；温度采样模块8分别与差动放大器10、零点调节电位器 12及2.5V基准电压模块13，差动放大器10与增益调节电位器11连 接；PC机通讯模块20通过通讯电缆直接与中心实验室设置的计算机 终端相连。

如图2所示，控制面板24由点阵液晶显示模块2和按键模块组 成；点阵液晶显示模块2分别通过导线与单片机主控板1、灰度调节 单元3连接。按键模块，包括有浓度低限报警指示灯24-1、浓度高限 报警指示灯24-2、手动复位键24-3、主菜单翻页键24-4、参数写入 键24-5、参数减小键24-6及参数增加键24-7；浓度低限报警指示灯 24-1、浓度高限报警指示灯24-2均通过导线与浓度低限-高限报警模 块21连接；手动复位键24-3通过导线与上电复位及手动复位电路22 连接；主菜单翻页键24-4、参数写入键24-5、参数减小键24-6及参 数增加键24-7均通过导线与参数设定模块19连接。

单片机主控板1采用的是STC12C5A60S2单片机。 STC12C5A60S2单片机内含60K程序存储器(FLASH)，1280字节 随机数据存储器SRAM，28K可电擦除EEPROM，8路A/D转化器， 转换精度可选10位或8位(二进制)，转换公式为：数字量 ＝1024V_in/V_CC。

单片机主控板1：主要负责对数据信息进行处理，即系统数学模 型的算法实现，是整个用于溶液检测的通用型在线工业折光仪的关键 技术部分；单片机主控板1内设置有数据处理系统，数据处理系统由 系统数学模型和运算控制系统两部分，而系统数学模型由单纯针对糖 度测量的糖度测量数学模型和针对三元以上溶液浓度测量的多元溶 液浓度测量数学模型组成。

在实际的使用过程中，若点阵液晶模块2上无法显示信息，则利 用灰度调节单元3调节，灰度调节单元3采用的是10K灰度调节电 位器。

若将本发明的用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪用于 测量多元溶液的浓度，在使用前，必须根据用户提供的溶液成分组成 对仪器进行定标校准，这一工作由仪器生产者完成。

标准工业信号输出模块4内分别设置有D/A转换模块5、 0mA～10mA输出模块6及4mA～20mA输出模块7；D/A转换模块5 内设置有DAC0832D/A转换集成芯片和运算放大器。

D/A转换模块5用于将浓度测量信号由数字量转换为0～5VDC 直流电压。

0mA～10mA输出模块6内设置有运算放大器，用于将0～5VDC 直流电压转换为对应的0mA～10mA标准工业信号。

4mA～20mA输出模块7内设置有两个运算放大器，用于将 0～5VDC直流电压转换为对应的4mA～20mA标准工业信号。

温度采样模块8内设置有温度采样电桥9，温度采样模块8内还 集成有温度采样数学模型。

温度采样模块8利用单片机主控板1内部A/D转换器，因V_CC直接影响着转换精度，故V_CC采用基准电源供电，基准电源选择三端 可调精密稳压集成电路TL431JG，该芯片内部基准电压为2.5V，输 出稳压范围2.5V～36V，阴极电流可调范围1mA～150mA，最大功耗 1.25W，输出电流负载能力能达到500mA(单片机主控板1最大灌 电流能力不超过100mA)；若单片机主控板1的供电电压不是5V， 调节5V基准电压模块23中的40Ω电位器即可达到5V；

温度采样模块8内集成的温度采样数学模型具体如下：

$U=E·(1+\frac{R_8}{R_9}+\frac{R_8}{R_f})·(\frac{R_t}{R_1+R_t}-\frac{R_3}{R_2+R_3})-\frac{R_8}{{2R}_f}·E_2;$

式中，E＝2.5V±3mV，为MC1403芯片的基准输出电压，U为 采样电压，E₂＜＜E，R₁＝R₂＝2.00K，R₃＝95Ω+15Ω电位器， R₈＝9.1K+2K电位器，R₉＝500Ω，R_f＝1.00MΩ，R_t为测温铂电阻 (Pt100)，在温度0≤T≤120℃范围内，R_t(单位：Ω)与温度T(单 位：℃)的关系如下：

R_t＝100+0.386167×T；

由于R₈/R_f≤11.1KΩ/1.00MΩ＝0.011，E₂＝E×R_t/(R₁+R_t)≤0.32V， R₈×E₂/(2R_f)≤0.0018V，所以在不影响测量精度的情况下，温度采样 模块8内的温度采样数学模型转换为如下表达方式：

$U=E·(1+\frac{R_8}{R_9})·(\frac{R_t}{R_1+R_t}-\frac{R_3}{R_2+R_3});$

取R₃＝100Ω，R₈＝11K，并将R_t的表达式及其余给定参数代入 式转化后的温度采样数学模型中，得温度T与采样电压U(单位：V) 的关系如下：

T＝39.154×U+0.5888×U²。

CCD信号二值化模块14选择东芝公司线阵CCD器件，型号为 TCD1200D，含2160个光电池像素元，相邻像素元中心距为14μm， 视窗开孔长度L＝30mm，CCD主频20Hz～2MHz可调，积分周期与 主频关系如下：

如图5所示，积分周期τ、开孔长度L、光斑直径D(该直径大 小由光学系统出射透镜的直径决定)、偏移量x及脉冲时间宽度Δt之 间关系如下：

$x=\frac{L}{\tau }\mathrm{\Delta t}-\frac{D}{2};$

式中，L＝30mm，D＝21mm，选取f_CCD主频＝31.9KHz，积分周 期τ＝35ms，则偏移量x就转化为如下表达形式：

x＝0.65714Δt-10.5；

式中，x和Δt的单位分别为mm和ms；

根据图3所示的光路图，利用棱镜和光照配合对容器中盛装的待 测溶液的折射率和偏移量关系进行推导，经推导得出：容器内盛装的 待测的多元溶液的折射率n与偏移量x的关系如下：

n＝1.403371-0.03103538x-7.0826×10^-4x²+1.6063×10^-6x³+2.19761×10^-8x⁴。

CCD信号二值化模块14内分别设置有低通滤波器15、电压跟随 器16、加法器17及比较器18。

低通滤波器15由运算放大器A4、电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄及电容C₁₄组成，设定A点为CCD器件输出信号，即低通滤波器的 输入信号V_i，设定B点电压U₁，信号波形如图4所示，输入信号V_i与 B点输出电压U₁的关系如下：

$U_1\left(\omega \right)=\frac{R_{12}+R_{13}}{R_{13}}\frac{V_i\left(\omega \right)}{1+\mathrm{j\omega }/{\omega }_0};$

$\left|U_1\left(\omega \right)\right|=\frac{R_{12}+R_{13}}{R_{13}}\frac{\left|V_i\left(\omega \right)\right|}{\sqrt{1+{(\omega /{\omega }_0)}^2}};$

式中，ω为CCD输出信号频率，即ω＝2π×f_CCD主频；

则${\omega }_0=\frac{1}{R_{14}{C}_{14}};$

当输出信号衰减10％，即当时，

ω₀＝2.07ω＝1/R₁₄C₁₄；

取C₁₄＝0.1μF，ω＝2π×f_CCD主频＝2π×31.9KHz＝200434；

则R₁₄＝1/2.07ωC₁₄＝240Ω。

电压跟随器16为一个运算放大器A1，主要实现低通滤波器15 与加法器17之间的阻抗匹配。

加法器17采用的是同向加法器，由运算放大器A2及电阻R₆、 电阻R₇、电阻R₈及电阻R₉组成；加法器17的作用是实现后面同相 滞回比较器(即比较器18)阈值电压的调节，其次是自动消除发光 二极管亮度的不稳定变化对系统带来的干扰影响。加法器17的输出 电压U_R与低通滤波器15输出电压U₁及阈值调节电压E的关系如下：

$U_R=(1+\frac{R_6}{R_7})\frac{R_8{R}_9}{R_8+R_9}(\frac{U_1}{R_8}+\frac{E}{R_9}).$

比较器18采用的是同向滞回比较器(又称同相施密特触发器)， 由运算放大器A3、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃组成；其作用是把低 通滤波器15的不规整输出信号U₁波形整形为单片机主控板1易识别 处理的方波信号，如图4所示。采用滞回比较器的目的主要是提高抗 干扰能力，这是因为它有两个阈值电压；一般的过零比较器只有一个 阈值电压U_TH，当信号在阈值电压附近有波动时，极易引起干扰而产 生误动作，造成过零比较器输出电压会反复地从一个电平跳变到另一 个电平；而采用滞回比较器，因为它有两个阈值电压U_TH1、U_TH2，当 输入信号因干扰或其他原因发生变化时，只要其变化量不超过两个阈 值电压之差(即ΔU_TH＜U_TH1-U_TH2)，则滞回比较器的输出电压就不 会来回变化，如图6所示。采用同相滞回比较器，其输入电压为U₊， 参考电压为加法器的输出电压U_R，比较器工作时其两个输入端的电 流可视为零，所以比较器18的负端输入电压等于输入电压，即有：

U_-＝U_R；

比较器18正端输入电压为：

$U_{+}=\frac{U_1{R}_3+U_o{R}_2}{R_3+R_2};$

比较器18输出电压发生跳变的临界条件是：比较器18两个输入 端之间的电压等于零，即满足：

U_-＝U₊；

当U_-＝U₊时，比较器18正端输入电压U₊中对应的U₁值就是同相 滞回比较器的阈值电压，由比较器18的负端输入电压U_-和比较器18 正端输入电压U₊得到如下算法：

$\frac{U_1{R}_3+U_o{R}_2}{R_3+R_2}=U_R;$

由加法器17的输出电压U_R结合得到阈值电压 如下：

$U_1=U_{\mathrm{TH}}=\frac{E·R_8(R_2{R}_6+R_2{R}_7+R_3{R}_6+R_3{R}_7)-U_O·R_2{R}_7(R_8+R_9)}{R_3{R}_7{R}_8-R_9(R_2{R}_6+R_2{R}_7+R_3{R}_6)};$

继而得到两个阈值电压，这两个阈值电压分别为：

$U_{\mathrm{TH}1}=\frac{E·R_8(R_2{R}_6+R_2{R}_7+R_3{R}_6+R_3{R}_7)-R_2{R}_7(R_8+R_9)·U_{\mathrm{OL}}}{R_3{R}_7{R}_8-R_9(R_2{R}_6+R_2{R}_7+R_3{R}_6)};$

$U_{\mathrm{TH}2}=\frac{E·R_8(R_2{R}_6+R_2{R}_7+R_3{R}_6+R_3{R}_7)-R_2{R}_7(R_8+R_9)·U_{\mathrm{OH}}}{R_3{R}_7{R}_8-R_9(R_2{R}_6+R_2{R}_7+R_3{R}_6)};$

比较器18采用+5V单电源供电，比较器18输出的低电平和高电 平分别为U_OL＝0和U_OH＝+5V，在两个阈值电压表达式中只有阈值调节 电压E和R₃为可调参数，R₂＝R₈＝2K，R₆＝12K，R₇＝20K, R₉＝500Ω，并取两个阈值电压分别为U_TH1＝2V，U_TH2＝1V， 经计算得到R₃＝29.7K，E＝0.2365V；

将以上参数分别代入以下两式中：

$U_R=(1+\frac{R_6}{R_7})\frac{R_8{R}_9}{R_8+R_9}(\frac{U_1}{R_8}+\frac{E}{R_9})$和$U_{+}=\frac{U_1{R}_3+U_o{R}_2}{R_3+R_2};$

结合图6，给出比较器18输出电压U_O在上升沿和下降沿时的两 个电压值分别如下：

U_O上升沿：

U_R＝1.84V，U₊＝1.84V(U₁＝U_TH1＝2V，U_O＝0)；

U_O下降沿：

U_R＝1.31V，U₊＝1.31V(U₁＝U_TH1＝1V，U_O＝5V)；

这两个电压值是实现CCD光学信号二值化的必要条件，若不满 足，可通过调节5.1K电位器和10K电位器来达到以上条件。

利用通用型在线工业折光仪检测溶液浓度的方法，具体按照以下 步骤实施：

步骤1、分别对通用型在线工业折光仪内的温度采样模块8、标 准工业信号输出模块4及CCD信号二值化模块14进行校准；

对温度采样模块8进行如下校准：

零点校准：将100Ω±0.05％的精密电阻接入温度采样模块8内的 温度采样电桥9，调节温度采样电桥9桥臂上连接有温度调零电位器 12，温度调零电位器12为15Ω电位器，通过调节温度调零电位器12 使温度采样模块8输出显示为0.00℃，完成对温度采样模块8的零点 校准；

满量程校准：用146Ω±0.05％的精密电阻接入温度采样模块8 内的温度采样电桥9，调节温度采样电桥9桥臂上连接有2KΩ电位 器，利用2KΩ电位器调节温度采样电桥9内设置的3140运算放大器， 使温度采样模块8输出显示为120.00℃，完成温度采样模块8的满量 程校准；

对标准工业信号输出模块4进行校准：

对标准工业信号输出模块4内的0mA～10mA输出模块6进行校 准，使其能输出0mA～10mA标准工业信号；

0mA～10mA输出模块6内设置有运算放大器，0mA～10mA输出 模块6内的运算放大器输出电流与输入电压V_i的关系如下：

$I=\frac{V_i}{R_3}=0-10\mathrm{mA},(R_L\le 2\mathrm{K\Omega });$

对标准工业信号输出模块4内的4mA～20mA输出模块7进行校 准，使其能输出和4mA～20mA标准工业信号；

4mA～20mA输出模块7内设置有运算放大器，4mA～20mA输出 模块7内的运算放大器输出电流与输入电压V_i的关系如下：

$I=\frac{V_{i2}}{R_2}=\frac{1}{R_2}(1+\frac{R_f}{R_1})\left(R_a\right|\left|R_b\right|\left|R_c\right)(\frac{V_i}{R_a}+\frac{V_2}{R_b})=4-20\mathrm{mA},(R_L\le 470\Omega );$

对CCD信号二值化模块14进行校准：

零点校准：采用糖溶液对CCD信号二值化模块14进行零点校准， 取浓度为0的标准液(通常是蒸馏水)，按下控制面板24上的手动复 位键24-3，在主菜单中选择CCD信号二值化零点校准程序并启动该 程序，点阵液晶模块2上浓度值应显示为00.0Brix，否则就利用电位 器进行调节，使显示值为00.0Brix，完成对CCD信号二值化模块14 的零点校准；

量程校准：采用浓度为85Brix的糖溶液进行校准，按下控制面 板24上的手动复位键24-3，在主菜单中选择CCD信号二值化量程校 准程序并启动该程序，点阵液晶模块2上浓度值应显示为85.0Brix， 否则就利用电位器进行调节，使显示值为85.0Brix，完成对CCD信 号二值化模块14的量程校准。

步骤2、经步骤1后，利用溶液浓度监测模块分别采集待测溶液 的CCD光学信号和温度信号，由单片机主控板1内设置的数据处理 系统对采集到的待测溶液的CCD光学信号和温度信号进行处理后， 得到待测溶液的浓度值；

步骤2.1、经步骤1后，由溶液浓度监测模块内的CCD信号二值 化模块14采集得到待测溶液的CCD光学信号，由温度采样模块8 采集得到待测溶液的温度信号；

步骤2.2、经步骤2.1后，将采集到的待测溶液的CCD光学信号 和温度信号输送至单片机主控板1内，由单片机主控板1内集成的数 据处理系统分别对待测溶液的CCD光学信号和温度信号进行计算处 理，获得待测溶液的浓度值：

单片机主控板1内设置有数据处理系统，数据处理系统由系统数 学模型和运算控制系统两大部分组成；系统数学模型内集成有单纯针 对糖度测量的糖度测量数学模型和针对三元以上溶液浓度测量的多 元溶液浓度测量数学模型；

具体获得待测溶液浓度的方法如下：

首先要确定是单纯针对糖度Bx进行测量，还是对多元溶液进行 测量：

若单纯针对溶液的糖度Bx进行测量，则启动数据处理系统内的 糖度测量数学模型，利用糖度测量数学模型经计算得到糖度值，糖度 测量数学模型具体如下：

Bx＝2¹⁵(-0.2890914+0.65449642DN-0.23454051DN²+0.0744751DN³)(1)；

式(1)给出20℃下糖度值Bx与待测溶液的折射率DN(下文用 符号n表示)的关系；

在任意温度条件下，糖度补偿值ΔBx具体按照如下算法获得：

ΔBx＝(-0.4742963-0.098763Bx-0.00048996Bx²+6.16475×10^-6Bx³)+ (0.0236243+4.13522×10^-4Bx+4.15331×10^-5Bx²-4.98423×10^-7Bx³)T+ (5.91534×10^-4+3.34744×10^-6Bx-9.68048×10^-7Bx²+1.07746×10^-8Bx³)T²+ (4.2328×10^-6-1.05803×10^-7Bx+5.81466×10^-9Bx²-6.32636×10^-11Bx³)T³(2)；

在任意温度条件下，将得到的糖度值折算成20℃条件(标准条 件)下的糖度值Bx_20℃，完成了对糖度Bx的测量，具体折算方法如下：

Bx_20℃＝Bx+ΔBx(3)；

若待测溶液为四元溶液(即为多元溶液)，要完成对四元溶液浓 度的测量，具体按照以下方法实施：

待测的四元溶液为溶剂水与三种溶质构成的混合溶液，三种溶质 的质量百分比分别为x₁,x₂,x₃，三种溶质的质量百分比x₁,x₂,x₃与待测的四元溶液的折射率、温度、信号光源的波长的关系具体如下：

A+B·n+C·n²＝[(a₀+a₁λ+a₂λ²)+(a₃+a₄λ+a₅λ²)T+(a₆+a₇λ+a₈λ²)T²]x₁

+[(b₀+b₁λ+b₂λ²)+(b₃+b₄λ+b₅λ²)T+(b₆+b₇λ+b₈λ²)T²]x₂(4)；

+[(c₀+c₁λ+c₂λ²)+(c₃+c₄λ+c₅λ²)T+(c₆+c₇λ+c₈λ²)T²]x₃

x₁+x₂+x₃+x_水＝1(5)；

式(4)和式(5)中，T为待测的四元溶液的温度，λ为信号光 源的波长(光源采用共阴极红、绿、蓝三基色复合发光二极管，每种 色由单独管脚靠电流大小独立控制)，x₁,x₂,x₃分别为三种溶质质 量百分比，n为在温度T和波长λ下测量得到的待测四元溶液的折射 率，式(4)中其余各项均为仪器定标时的待定系数；

对于多元溶液(三元以上溶液)进行测量时，若在测量前对其内 部的溶质成分未知，就要先通过理化实验确定内部的溶质成分，待确 定溶质成分后，通过定标实验程序，确定出待测多元溶液中溶质浓度、 溶质温度及信号光源波长，如图5中的光源与待测多元溶液折射率关 系式中的待定系数，见式(4)；待仪器定标完成后，式(4)中的待 定系数就确定下来。在现场进行测量时，通过软件程序改变信号光源 的波长，使得温度前面的以波长为函数的整体系数取得不同的值(即 使线性方程组有解)，再测量出溶液的浓度及折射率，然后通过解关 于x₁,x₂,x₃的三元线性方程组就得到x₁,x₂,x₃的值，即得到多元 溶液中各种溶质的含量。

经多次实验验证表明：对于二元溶液，当1.3330≤DN≤1.6000时， 待测二元溶液的折射率和溶质浓度之间基本符合线性关系；而对于三 元以上多元溶液来说，其内部溶质的含量与多元溶液折射率之间的关 系为：只要溶质之间没有发生化学反应，各溶质对溶液折光率的贡献 之和就是该光率值，或者说，溶质的折光率有加和性，即有如下关系：

n＝1+ρ(a₀x₁+a₁x₂+a₃x₃+.....a_kx_k)(6)；

式(6)中，n为待测的多元溶液的折射率，ρ为待测的多元溶 液的密度，x₁,x₂,x₃,...x_k为待测的多元溶液中各溶质的质量百分浓 度，a₀,a₁,….为待定系数；

式(6)表明：多元溶液中溶质的浓度与多元溶液折射率之间是 一种线性组合关系，式(6)也能写成如下形式：

n＝k₀x₁+k₁x₂+k₃x₃+.....(7)；

式(7)中，k₀,k₁,...也为待定系数；

式(6)或(7)不能直接用于在线液态产品浓度的测量，因为各 溶质浓度前的系数为常数，所建立的k元方程组为线性相关方程组因 而不能求解；因此，如何找到一个关于溶液折射率与溶质浓度的普适 性关系式，且仪器定标后能由该关系式解出各溶质的浓度值，是要解 决的核心关键技术问题。对于各向同性介质，其折射率一般都有色散 现象(折射率随信号光源波长而变化)，且随温度变化而改变；另外， 实验和现有数据资料都证明：某种溶液的折射率一般随其内部各种溶 质的浓度的增减而成平滑变化关系且基本接近线性关系，式(7)也 说明了这一点。基于此，建立一个溶液折射率与信号光源波长、溶液 温度及溶质含量之间的一般关系式，将该关系式展成多元麦克劳林级 数，并在给定精度范围内仅取麦克劳林级数的少数有限项即可；

设定y是关于x₁,x₂,x₃,.....x_k的多元非线性函数：

y＝f(x₁,x₂,x₃...x_k)，且y对x_i(i＝0,1,2...k)的各阶偏导数都存 在，则该函数的麦克劳林展开式如下：

$y=f(x_1,x_2,x_3...x_k)=\underset{q=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{q!}{(x_1\frac{\partial }{{\partial x}_1}+x_2\frac{\partial }{{\partial x}_2}+...x_k\frac{\partial }{{\partial x}_k})}^{q}f(\mathrm{0,0},...0)---\left(8\right);$

式(8)展开后在(x₁,x₂,x₃...x_k)＝(0,0,...0)处的各阶偏导数项均 为常数，即展开后的函数仅是关于x₁,x₂,x₃...x_k的非线性代数多项 式，若取有限项，则式(8)具有如下形式：

$y=f(x_1,x_2,x_3...x_k)=\underset{i_1=0}{\overset{N_1}{\Sigma }}[\underset{i_2=0}{\overset{N_2}{\Sigma }}....[\underset{i_k=0}{\overset{N_k}{\Sigma }}\left(G_{i_1{i}_2...i_k}{x}_1^{i_k}\right)x_2^{i_{k-1}}]x_3^{i_{k-2}}...x_k^{i_1}]---\left(9\right);$

式(9)中，为由式(8)中各阶在(x₁,x₂,x₃...x_k)＝(0,0,...0) 处的偏导数决定的常数项；

尽管式(9)为通式，但展开后含有关于x₁,x₂,x₃...x_k的高次项及 各变量之间的乘法项，在各常数项已知和一组函数值确定后，式(9) 成为一个多元非线性方程组，由于无法求出x₁,x₂,x₃...x_k，因而不能 直接应用。

由于在一定折射率范围内，式(9)已经过验证，多元溶液的折 射率随其内部各种溶质的浓度的增减而成平滑变化关系即基本接近 线性关系，在保证所选模型方程可解的条件下，多元溶液折射率与信 号光源波长、溶液温度及溶质含量之间的一般关系式采用如下形式：

若保证由式(7)决定的方程组具有代数解(可给出解的通式—— 由符号表示的代数解)，则只能唯一地选取如下形式：

式(11)中，f(n)为关于折射率的代数多项式，取为二次多项 式，为关于波长和溶液温度的复合代数多项式，则以四元溶 液为例，式(11)采用如下形式：

A+B·n+C·n²＝[(a₀+a₁λ+a₂λ²)+(a₃+a₄λ+a₅λ²)T+(a₆+a₇λ+a₈λ²)T²]x₁

+[(b₀+b₁λ+b₂λ²)+(b₃+b₄λ+b₅λ²)T+(b₆+b₇λ+b₈λ²)T²]x₂(4)；

+[(c₀+c₁λ+c₂λ²)⁺(c₃+c₄λ+c₅λ²)T+(c₆+c₇λ+c₈λ²)T²]x₃

x₁+x₂+x₃+x_水＝1(5)；

式(4)和式(5)中，T为待测的四元溶液的温度，λ为信号光 源的波长(光源采用共阴极红、绿、蓝三基色复合发光二极管，每种 色由单独管脚靠电流大小独立控制)，x₁,x₂,x₃分别为三种溶质质 量百分比，n为在温度T和波长λ下测量得到的待测的四元溶液的折 射率，式(4)中其余各项均为仪器定标时的待定系数；

式(4)中，n，λ，T，x₁，x₂，x₃均为已知值(经测量得 到的或直接给定的)，求解式(4)中的待定系数，就通过求解一个 30元的一次线性方程组获得，待定系数具体获取方法如下：

步骤A、确定待测的多元溶液中各溶质的成分；

步骤B、经步骤a确定好各溶质的成分后，求解出式(4)中的 30个待定系数，这30个待定系数分别为： A,B,C,a₀,a₁,a₂,……c₆,c₇,c₈，具体的求解方法为：

步骤a、配制两种不同溶液：

这两种溶液的溶剂均为水，且这两种溶液中含有的溶质种类相 同，但是溶质的质量百分数不同；配制好后，将一组溶液中溶质的浓 度值记为(x₁₁,x₂₁,x₃₁)，另一组溶液中溶质的浓度值记为 (x₁₂,x₂₂,x₃₂)；

步骤b，将配制好两组溶液分别加热成3种温度，记作 (T₁,T₂,T₃)；由程序控制改变信号光源波长5次，即 (λ₁,λ₂,λ₃,λ₄,λ₅)，这样有2×3×5＝30，即由溶质浓度、溶液温度 和信号光源波长改变次数的组合，以及30次的溶液折射率测量值 (n₁,n₂....n₃₀)，给出了一个30元的一次线性方程组，通过求解此方程 组便可求出30个待定系数；

待测的多元溶液的折射率n及温度T是经测量而得到的，而两 组溶液中溶质浓度值(x₁₁,x₂₁,x₃₁)和(x₁₂,x₂₂,x₃₂)则要由专业定标人 员设定到用于溶液检测的通用型在线工业折光仪中；

信号光源采用红、绿、蓝复合色发光二极管(三基色在一个发光 二极管中，有4个引脚，一个公共端三个控制端)，通过分别控制三 基色的电流的大小，能改变归一化波长的大小，归一化波长按如下算 法获得：

$\lambda ={\lambda }_{\min }+\frac{1}{2(I_1+I_2+I_3)}\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}{\int }_{{\lambda }_{i1}}^{{\lambda }_{i2}}\frac{k_i{I}_i{\mathrm{\Delta \lambda }}_i^2}{{(\lambda -{\lambda }_{0i})}^2+{\mathrm{\Delta \lambda }}_i^2/4}\mathrm{d\lambda }---\left(12\right);$

式(12)中，I₁,I₂,I₃分别为红、绿、蓝三色的相对光强； λ_min＝400nm；红、绿、蓝三基色的波长带宽分别为：Δλ₁＝75nm、 Δλ₂＝40nm、Δλ₃＝70nm；三基色的中心波长分别为：λ₀₁＝662nm、 λ₀₂＝540nm、λ₀₃＝476nm；红、绿、蓝的积分上下限分别取值为： 红λ₁₁＝625nm、λ₁₂＝700nm，绿：λ₂₁＝520nm、λ₂₂＝560nm，蓝： λ₃₁＝450nm、λ₃₂＝520nm；k_i为系数，分别为：k₁＝0.66336634、 k₂＝1.686747、k₃＝2.220339；将上述值代入式(12)，经积分后 得到如下算法：

$\lambda =400+\frac{{67I}_1+{140I}_2+{262I}_3}{I_1+I_2+I_3}\left(\mathrm{nm}\right)---\left(13\right);$

式(13)中，三基色的相对光强I₁,I₂,I₃大小用电流独立控制；

待测的多元折射率n与偏移量x之间的关系如下：

n＝1.403371-0.03103538x-7.0826×10^-4x²+1.6063×10^-6x³+2.19761×10^-8x⁴；

式中x的单位为：mm。

获得30个待定系数后，将所有的待定系数及代入下式中：

A+B·n+C·n²＝[(a₀+a₁λ+a₂λ²)+(a₃+a₄λ+a₅λ²)T+(a₆+a₇λ+a₈λ²)T²]x₁

+[(b₀+b₁λ+b₂λ²)+(b₃+b₄λ+b₅λ²)T+(b₆+b₇λ+b₈λ²)T²]x₂；

+[(c₀+c₁λ+c₂λ²)+(c₃+c₄λ+c₅λ²)T+(c₆+c₇λ+c₈λ²)T²]x₃

x₁+x₂+x₃+x_水＝1；

这里以四元溶液为例，要测量三种溶质的浓度，只要靠程序自动 改变信号光源波长3次(因为生产线的温度相对稳定，只测量一次温 度即可)就能得到三个线性无关方程，解此方程组便可得到三种溶质 的浓度值x₁,x₂,x₃。

步骤3、将经步骤2得到的浓度值送入溶液浓度监测模块内的标 准工业信号输出模块4中进行处理，得到0～10mA和4～20mA的标准 工业信号以供二次执行仪表对生产浓度进行调节和控制；

同时将测量得到的待测溶液的温度、折射率及浓度值在点阵液晶 模块2以及PC机上输出显示，完成对待测溶液浓度的测量。

本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪能对糖度进 行测量：其折射率测量范围为：1.3224～1.5093；浓度测量范围为： 0Brix-85Brix；测量精度：绝对误差0.15Brix(测量范围的0.177％)。

本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪，能测量三元 以上溶液中每种溶质的浓度，不仅限于溶液糖度的测量；折射率测量 范围为：1.3224～1.5093；每种溶质浓度测量范围：0～85％(设溶剂为 水的溶液中含有k种溶质，其浓度含量(重量百分比)分别为 x₁,x₂,x₃....·x_k，则x₁+x₂+x₃+....x_k≤1)；温度测量范围：5℃～120℃； 工业信号输出为：0～10mA，2K，4～20mA，470Ω；通讯接口为： RS-232C，DC-20mA电流环；点阵液晶显示：产品折射率、浓度、 温度、CCD曲线及功能说明；全自动温度补；可设定任意测量范围 (工业信号输出随之变化)；可任意设定浓度的上、下线报警值(继 电器信号输出)。

本发明用于检测溶液浓度的通用型在线工业折光仪除了可以测 量二元溶液浓度(如糖度，糖度的单位是白利度，Brix)外，还可在 线测量三元以上溶液中每种溶质的浓度，这是本折光仪与同类产品比 较关键性区别和技术先进性所在。本发明用于溶液检测的通用型在线 工业折光仪，不仅具有测量速度快及测量精度高的特点，而且能直接 计算出溶液的浓度、折射率并将其显示出来，使用方便。