乳化液濃度在線檢測系統及其超聲波接收電路的製作方法

2023-10-09 05:30:09

專利名稱：乳化液濃度在線檢測系統及其超聲波接收電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及乳化液濃度檢測，具體涉及乳化液濃度在線檢測系統及其超聲波接收電路。
背景技術：
在煤礦綜採工作面，乳化液是液壓支架和液壓支柱所採用的工作介質，在液壓系統中起著血液的作用。它不僅起傳遞動力、潤滑、冷卻的作用，而且還對腐蝕和鏽蝕起抑制作用。傳統的礦用乳化液濃度檢測手段是比較落後的，大多數廠礦都是使用折光儀法和破乳法來檢測乳化液的濃度，這兩種方法都需要人工取樣和目測讀數，導致乳化液濃度檢測的精度較差；由於所採用的檢測方法都是在離線狀態下進行的，檢測出的濃度與實際濃度存在著時間差，不能準確反映乳化液的瞬間狀態值，因而控制精度較差，不能滿足生產要求。

發明內容
本發明所要解決的技術問題之一在於提供一種乳化液濃度在線檢測系統。本發明所要解決的技術問題之二在於提供一種超聲波接收電路。為了解決上述問題，根據本發明的第一個技術方案，乳化液濃度在線檢測系統，包括微處理器、溫度傳感器、溫度檢測電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、超聲波發射探頭和超聲波接收探頭，其中
溫度檢測電路接收溫度傳感器輸出的乳化液溫度信號，處理後輸出到微處理器； 微處理器發出觸發脈衝信號到超聲波發射電路；
超聲波發射電路接收微處理器發出的觸發脈衝信號，經過處理後輸出高壓脈衝信號到超聲波發射探頭；
超聲波發射探頭接收超聲波發射電路發出的高壓脈衝信號後發射超聲波； 超聲波接收探頭接收超聲波發射探頭髮射的超聲波，輸出到超聲波接收電路； 超聲波接收電路將收到的信號處理後輸出到微處理器；
微處理器接收超聲波接收電路和溫度檢測電路輸出的信號，處理後輸出到顯示電路或上位機；
其特點是
超聲波接收電路包括限幅及前置放大電路、變形雙積分電路、比較電路和反相及限幅電路；
其中限幅及前置放大電路接收超聲波接收探頭髮射的信號，經雙向限幅和前置放大後，輸出到變形雙積分電路；
變形雙積分電路接收限幅及前置放大電路輸出的信號，轉換成雙積分超聲波信號，輸出到比較電路；
比較電路將收到的信號與標準信號比較後輸出方波信號到反相及限幅電路；反相及限幅電路將收到的方波信號進行反相及限幅後輸出到微處理器。現有的超聲波接收電路主要由限幅電路、阻抗匹配電路、放大濾波電路以及過零檢測電路構成，特別是由於過零檢測電路，電路結構複雜，調試不方便，數據準確度不易保證，成本高；採用本發明的超聲波接收電路，電路簡單、可靠、調試方便，能夠保證數據準確
度。 根據所述本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統的優選方案，所述微處理器還將處理後的信號通過通訊電路發送到上位機；同時，微處理器還通過通訊電路接收上位機發出的控制信號。根據所述本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統的優選方案，該乳化液濃度在線檢測系統還包括遙控器和紅外遙控接收電路；
所述紅外遙控接收電路接收遙控器發出的紅外遙控信號，進行處理後輸出到微處理
ο根據所述本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統的優選方案，超聲波發射電路包括光電隔離電路、驅動控制電路和高壓脈衝產生電路；其中
光電隔離電路接收微處理器發出的觸發脈衝信號，進行信號隔離處理，將處理後的信號輸出到驅動控制電路；
驅動控制電路接收光電隔離電路輸出的信號，產生驅動控制信號輸出到高壓脈衝產生電路；
高壓脈衝產生電路接收驅動控制電路輸出的驅動控制信號，產生高壓脈衝信號輸出到超聲波發射探頭。根據所述本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統的優選方案，變形雙積分電路包括快恢復二極體、積分電容和放電電阻，其中，快恢復二極體的正極連接限幅及前置放大電路的輸出端，積分電容和放電電阻並聯連接，並聯連接後的一端連接快恢復二極體的負極以及比較電路的其中一個輸入端，並聯連接後的另一端接地。根據所述本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統的優選方案，比較電路包括高速比較器，其中，高速比較器的正向輸入端連接變形雙積分電路的輸出端，高速比較器的負向輸入端通過可調電阻連接直流電源。為了解決上述問題，根據本發明的第二個技術方案，一種超聲波接收電路，包括限幅及前置放大電路、變形雙積分電路、比較電路和反相及限幅電路；
其特點是限幅及前置放大電路接收超聲波接收探頭髮射的信號，經雙向限幅和前置放大後，輸出到變形雙積分電路；
變形雙積分電路接收限幅及前置放大電路輸出的信號，轉換成雙積分超聲波信號，輸出到比較電路；
比較電路將收到的信號與標準信號比較後輸出方波信號到反相及限幅電路； 反相及限幅電路對收到的方波信號進行反相及限幅後輸出到微處理器。根據所述本發明所述的超聲波接收電路的優選方案，變形雙積分電路包括快恢復二極體、積分電容和放電電阻，其中，快恢復二極體的正極連接限幅及前置放大電路的輸出端，積分電容和放電電阻並聯連接，並聯連接後的一端連接快恢復二極體的負極以及比較電路的其中一個輸入端，並聯連接後的另一端接地。
根據所述本發明所述的超聲波接收電路的優選方案，比較電路包括高速比較器， 其中，高速比較器的正向輸入端連接變形雙積分電路的輸出端，高速比較器的負向輸入端通過可調電阻連接直流電源。本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統及其超聲波接收電路的有益效果是本發明通過測試超聲波在乳化液中的傳播時間，利用微處理器進行數據處理和計算，並對溫度變化進行補償，通過顯示電路將濃度數據顯示，利用通訊電路將濃度數據傳輸到上位機，同時，還能通過遙控器進行控制，實現連續自動遙測；本發明實現了乳化液濃度自動在線檢測，顯示直觀，系統結構簡單，測量迅速，測試準確度高，使用方便，超聲波接收電路簡單、可靠、準確；本發明非常適合我國煤礦、石油、化工、機械等行業使用，具有極大的經濟效益和社會效益。


圖1是本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統的電路原理框圖。圖2是本發明所述的超聲波接收電路5的電路原理框圖。圖3是本發明所述的超聲波發射電路4的電路原理框圖。圖4是本發明所述的超聲波接收電路5的電路原理圖。圖5是本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統工作原理示意圖。圖6是本發明所述的微處理器1的程序流程框圖。
具體實施例方式參見圖1至圖3，本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統，由微處理器1、溫度傳感器2、溫度檢測電路3、超聲波發射電路4、超聲波接收電路5、超聲波發射探頭6、超聲波接收探頭7、遙控器8、紅外遙控接收電路9、通訊電路10、顯示器15和上位機16構成，其中將溫度傳感器2、超聲波發射探頭6和超聲波接收探頭7放置在待測乳化液中，將溫度傳感器 2、溫度檢測電路3、微處理器1、超聲波發射電路4、超聲波發射探頭6順序連接，並將超聲波接收探頭7的輸出端連接超聲波接收電路5的輸入端、超聲波接收電路5的輸出端連接微處理器1的其中一個輸入端，同時，微處理器1的其中另一個輸入端還連接紅外遙控接收電路9的輸出端，紅外遙控接收電路12的輸入端連接遙控器8的輸出端，微處理器1的其中一個輸出端還連接顯示器15的輸入端；另外，微處理器1還與通訊電路10連接，通訊電路 10與上位機16連接，微處理器1與通訊電路10之間以及通訊電路10與上位機16之間信號均為雙向傳輸；其中
溫度檢測電路3接收溫度傳感器2輸出的乳化液溫度信號，處理後輸出到微處理器1 ； 微處理器1發出觸發脈衝信號到超聲波發射電路4 ；同時，微處理器1接收超聲波接收電路5和溫度檢測電路3輸出的信號，處理後輸出到顯示電路或通過通訊電路10發送到上位機；微處理器1還通過通訊電路10接收上位機發出的控制信號；並且，微處理器1接收所述紅外遙控接收電路9發出的紅外遙控信號；
超聲波發射電路4接收微處理器1發出的觸發脈衝信號，經過處理後輸出高壓脈衝信號到超聲波發射探頭6 ；
超聲波發射探頭6接收超聲波發射電路4發出的高壓脈衝信號後發射超聲波；超聲波接收探頭7接收超聲波發射探頭6發射的超聲波，輸出到超聲波接收電路5 ； 超聲波接收電路5將收到的信號處理後輸出到微處理器1 ；
超聲波接收電路5包括限幅及前置放大電路11、變形雙積分電路12、比較電路13和反相及限幅電路14 ；
其中限幅及前置放大電路11接收超聲波接收探頭髮射的信號，經雙向限幅和前置放大後，輸出到變形雙積分電路12 ；
變形雙積分電路12接收限幅及前置放大電路11輸出的信號，轉換成雙積分超聲波信號，輸出到比較電路13;
比較電路13將收到的信號與標準信號比較後輸出方波信號到反相及限幅電路14 ； 反相及限幅電路14將收到的方波信號進行反相及限幅後輸出到微處理器1 ； 所述紅外遙控接收電路9接收遙控器8發出的紅外遙控信號，進行處理後輸出到微處理器1。在本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統的具體實施方案中，超聲波發射電路4 包括光電隔離電路21、驅動控制電路22和高壓脈衝產生電路23 ；其中
光電隔離電路21接收微處理器1發出的觸發脈衝信號，進行信號隔離處理，將處理後的信號輸出到驅動控制電路22 ；
驅動控制電路22接收光電隔離電路21輸出的信號，產生驅動控制信號輸出到高壓脈衝產生電路23 ；
高壓脈衝產生電路23接收驅動控制電路22輸出的驅動控制信號，產生高壓脈衝信號輸出到超聲波發射探頭6。參見圖4，在本發明所述的乳化液濃度在線檢測系統的具體實施方案中，變形雙積分電路12包括快恢復二極體D4、積分電容C13和放電電阻R19，其中，快恢復二極體D4的正極連接限幅及前置放大電路11的輸出端，積分電容C13和放電電阻R19並聯連接，並聯連接後的一端連接快恢復二極體D4的負極以及比較電路13的其中一個輸入端，並聯連接後的另一端接地。比較電路13包括高速比較器U17，其中，高速比較器U17的正向輸入端連接變形雙積分電路12的輸出端，高速比較器U17的負向輸入端通過可調電阻R33連接直流電源。並且，在微處理器1中設置有圖6所示的程序，單片機程序工作流程如下
系統開始運行時，首先讀取工作方式、標定溫度、聲時等系統參數，判斷是否有通信中斷，若有，則執行中斷服務程序，和上位機進行通信；若沒有通信中斷，則檢測溫度並發出觸發脈衝信號，同時根據讀取的參數，並利用儲存的濃度與溫度和時間的關係式計算出乳化液的濃度。如果在濃度檢測過程中出現溫度檢測異常或超聲波發射接收異常等情況，系統自動產生報警；如果檢驗正常，則顯示濃度。在顯示過程中，檢測是否有遙控信號接收，若有，則產生中斷，執行相應的遙控功能，執行完後返回溫度、聲速檢測。在具體方案中，溫度傳感器可以選用DS18B20 ；超聲波探頭採用諧振式超聲波傳感器，並採用收、發獨立方式，達到排除發射幹擾的目的。同時，採用中心頻率為2. 5MHz的超聲波探頭，提高超聲波的傳播能量；採用處理速度高的單片機，使計時頻率可達32MHz， 提高聲時的解析度；並且在超聲波接收電路中採用變形積分方式對超聲波信號進行處理， 提高了電路的噪聲容限能力，降低了對電路元件的要求，使得測量的超聲波聲速更加準確。
超聲波接收電路5的工作原理是接收超聲波探頭接收發射信號後，經二極體 D9，D11雙向限幅後，經放大器U19、電阻R16、R17、R31組成的寬帶放大器進行前置放大； 前置放大的信號送入由快恢復二極體D4、放電電阻R19、積分電容C13及高速比較器U17的輸入阻抗構成的變形雙積分電路12，這裡以快恢復二極體D4代替積分電路中的電阻，並將積分電容C13並聯放電電阻R19，構成雙積分電路，由於快恢復二極體D4的正向電阻小，所以正向積分斜率大，上升快，而放電時間由於放電電阻R19的存在變得較慢，從而獲得上升沿陡，幅度大的積分波形；該波形包含超聲波脈衝波束特徵值，並去除了幹擾信號，所以相對固定，而與常規的脈衝提取電路通過檢測超聲波主波不同，無需過零檢測電路，把超聲波波束作為一個整體來處理，使電路簡潔、可靠、準確；雙積分超聲波信號經高速比較電路後變成方波，經反相及限幅後送入微處理器1計數口。參見圖5，乳化液濃度在線檢測系統的工作原理是乳化液濃度在線檢測系統採用超聲波聲速法來實現礦用乳化液濃度的在線實時監測，對於不同濃度的乳化液，超聲波在其傳播的速度是不相同的。但在實際應用中，由於乳化液的其它狀態如溫度、壓力的變化也會使聲速發生變化，因此必須考慮溫度和壓力的影響，對它們進行補償。考慮到乳化液的壓力變化不大，而且壓力對聲速的影響很小，可忽略不計，因而只考慮溫度對聲速的影響。 由於聲速是通過測量超聲波在固定聲程上的傳播時間即聲時算出的，因此，超聲波在乳化液中傳播速度的測量最終歸結為對傳播時間的測量，即測量超聲波脈衝從發射到接收所用時間 ,發射探頭和接收探頭之間的距離為￡即超聲波傳播的聲程力「由於超聲波傳播的聲程￡是一定的，因此只要測出超聲波傳播的時間「就可以得到超聲波在乳化液中的傳播速度。因此只要測量出從發射超聲波信號到接收到超聲波信號所需要的時間，通過距離和時間計算出超聲波在乳化液中傳播的速度。同時，由於乳化液溫度變化時，超聲波傳播速度也會發生改變，因此在測試乳化液的濃度時，還需要用溫度傳感器來檢測乳化液的溫度，以便補償溫度變化對聲速變化造成的影響，保證測試準確度。濃度與溫度和時間的關係式如下
N=f (Τ, t)
其中N表示乳化液的濃度；T表示乳化液的溫度；t表示超聲波脈衝從發射到接收所用時間，即超聲波在乳化液中傳播L距離所用的時間；L表示超聲波發射探頭6與超聲波接收探頭7之間的距離；
在對乳化液濃度進行實時檢測之前，一方面，需要在實驗室配製濃度值介於需要測試濃度範圍的乳化液；另一方面，還要確保乳化液的溫度有所變化。在此基礎上，首先，在實驗室用微處理器和超聲波發射電路、接收電路測量出不同濃度的乳化液隨溫度變化而變化的傳播時間。然後，依據實驗得到的數據，得出乳化液濃度、超聲波傳播時間及溫度三者之間的函數關係曲線。最後，用軟體編寫函數表達式的程序，並將其存進微處理器1晶片中，作為後續乳化液濃度在線檢測的經驗公式使用。一種超聲波接收電路，由限幅及前置放大電路11、變形雙積分電路12、比較電路 13和反相及限幅電路14構成； 其中限幅及前置放大電路11接收超聲波接收探頭髮射的信號，經雙向限幅和前置放大後，輸出到變形雙積分電路12 ；
變形雙積分電路12接收限幅及前置放大電路11輸出的信號，轉換成雙積分超聲波信號，輸出到比較電路13;
比較電路13將收到的信號與標準信號比較後輸出方波信號到反相及限幅電路14 ； 反相及限幅電路14對收到的方波信號進行反相及限幅後輸出到微處理器1。在具體實施例中，變形雙積分電路12包括快恢復二極體D4、積分電容C13和放電電阻R19，其中，快恢復二極體D4的正極連接限幅及前置放大電路11的輸出端，積分電容 C13和放電電阻R19並聯連接，並聯連接後的一端連接快恢復二極體D4的負極以及比較電路13的其中一個輸入端，並聯連接後的另一端接地。比較電路13包括高速比較器U17，其中，高速比較器U17的正向輸入端連接變形雙積分電路12的輸出端，高速比較器U17的負向輸入端通過可調電阻R33連接直流電源。
權利要求
1.乳化液濃度在線檢測系統，包括微處理器(1)、溫度傳感器(2)、溫度檢測電路(3)、 超聲波發射電路(4)、超聲波接收電路(5)、超聲波發射探頭(6)和超聲波接收探頭(7)，其中溫度檢測電路(3)接收溫度傳感器(2)輸出的乳化液溫度信號，處理後輸出到微處理器⑴；微處理器(1)發出觸發脈衝信號到超聲波發射電路(4)；超聲波發射電路(4)接收微處理器(1)發出的觸發脈衝信號，經過處理後輸出高壓脈衝信號到超聲波發射探頭(6)；超聲波發射探頭(6 )接收超聲波發射電路(4 )發出的高壓脈衝信號後發射超聲波； 超聲波接收探頭(7)接收超聲波發射探頭(6)發射的超聲波，輸出到超聲波接收電路(5)；超聲波接收電路(5)將收到的信號處理後輸出到微處理器(1)； 微處理器(1)接收超聲波接收電路(5)和溫度檢測電路(3)輸出的信號，處理後輸出到顯示電路或上位機； 其特徵在於超聲波接收電路(5)包括限幅及前置放大電路(11)、變形雙積分電路(12)、比較電路(13)和反相及限幅電路(14)；其中限幅及前置放大電路(11)接收超聲波接收探頭髮射的信號，經雙向限幅和前置放大後，輸出到變形雙積分電路(12)；變形雙積分電路(12)接收限幅及前置放大電路(11)輸出的信號，轉換成雙積分超聲波信號，輸出到比較電路(13);比較電路(13)將收到的信號與標準信號比較後輸出方波信號到反相及限幅電路(14)；反相及限幅電路(14)將收到的方波信號進行反相及限幅後輸出到微處理器(1)。
2.根據權利要求1所述的乳化液濃度在線檢測系統，其特徵在於所述微處理器(1) 還將處理後的信號通過通訊電路(10)發送到上位機；同時，微處理器(1)還通過通訊電路 (10)接收上位機發出的控制信號。
3.根據權利要求1或2所述的乳化液濃度在線檢測系統，其特徵在於該乳化液濃度在線檢測系統還包括遙控器(8)和紅外遙控接收電路(9)；所述紅外遙控接收電路(9)接收遙控器(8)發出的紅外遙控信號，進行處理後輸出到微處理器(1)。
4.根據權利要求3所述的乳化液濃度在線檢測系統，其特徵在於超聲波發射電路(4) 包括光電隔離電路(21)、驅動控制電路(22)和高壓脈衝產生電路(23)；其中光電隔離電路(21)接收微處理器(1)發出的觸發脈衝信號，進行信號隔離處理，將處理後的信號輸出到驅動控制電路(22)；驅動控制電路(22)接收光電隔離電路(21)輸出的信號，產生驅動控制信號輸出到高壓脈衝產生電路(23);高壓脈衝產生電路(23)接收驅動控制電路(22)輸出的驅動控制信號，產生高壓脈衝信號輸出到超聲波發射探頭(6 )。
5.根據權利要求4所述的乳化液濃度在線檢測系統，其特徵在於變形雙積分電路 (12 )包括快恢復二極體(D4)、積分電容(Cl3 )和放電電阻(R19 )，其中，快恢復二極體(D4) 的正極連接限幅及前置放大電路(11)的輸出端，積分電容(C13)和放電電阻(R19)並聯連接，並聯連接後的一端連接快恢復二極體(D4)的負極以及比較電路(13)的其中一個輸入端，並聯連接後的另一端接地。
6.根據權利要求5所述的乳化液濃度在線檢測系統，其特徵在於比較電路(13)包括高速比較器(U17)，其中，高速比較器(U17)的正向輸入端連接變形雙積分電路(12)的輸出端，高速比較器(U17)的負向輸入端通過可調電阻(R33)連接直流電源。
7.一種超聲波接收電路，包括限幅及前置放大電路(11)、變形雙積分電路(12)、比較電路(13)和反相及限幅電路(14)；其特徵在於限幅及前置放大電路(11)接收超聲波接收探頭髮射的信號，經雙向限幅和前置放大後，輸出到變形雙積分電路(12)；變形雙積分電路(12)接收限幅及前置放大電路(11)輸出的信號，轉換成雙積分超聲波信號，輸出到比較電路(13);比較電路(13)將收到的信號與標準信號比較後輸出方波信號到反相及限幅電路 (14)；反相及限幅電路(14)對收到的方波信號進行反相及限幅後輸出到微處理器(1)。
8.根據權利要求7所述的超聲波接收電路，其特徵在於變形雙積分電路(12)包括快恢復二極體(D4)、積分電容(C13)和放電電阻(R19)，其中，快恢復二極體(D4)的正極連接限幅及前置放大電路(11)的輸出端，積分電容(C13)和放電電阻(R19)並聯連接，並聯連接後的一端連接快恢復二極體(D4)的負極以及比較電路(13)的其中一個輸入端，並聯連接後的另一端接地。
9.根據權利要求7或8所述的超聲波接收電路，其特徵在於比較電路(13)包括高速比較器(U17)，其中，高速比較器(U17)的正向輸入端連接變形雙積分電路(12)的輸出端， 高速比較器(U17)的負向輸入端通過可調電阻(R33)連接直流電源。
全文摘要
本發明公開了乳化液濃度在線檢測系統及其超聲波接收電路，乳化液濃度在線檢測系統，包括微處理器、溫度傳感器、溫度檢測電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、超聲波發射探頭和超聲波接收探頭；其特徵在於超聲波接收電路包括限幅及前置放大電路、變形雙積分電路、比較電路和反相及限幅電路；其中限幅及前置放大電路接收超聲波接收探頭髮射的信號，經雙向限幅和前置放大後，輸出到變形雙積分電路；變形雙積分電路接收限幅及前置放大電路輸出的信號，轉換成雙積分超聲波信號，輸出到比較電路；比較電路將收到的信號與標準信號比較後輸出方波信號到反相及限幅電路；反相及限幅電路將收到的方波信號進行反相及限幅後輸出到微處理器。
文檔編號G01N29/22GK102253119SQ20111020174
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月19日 優先權日2011年7月19日
發明者劉國慶, 吳付祥, 張強, 李德文, 汪春梅, 王傑, 趙恩彪, 黃衛 申請人:中煤科工集團重慶研究院