徐樂年，薛婉婷，于后瑞，程國(guó)帥

(1.山東科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山東青島 266590；2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東菏澤 274900)

0 引言

我國(guó)是世界上最重要的啤酒、飲料生產(chǎn)消費(fèi)的國(guó)家之一[1]，為了提高飲料的品質(zhì)與質(zhì)量，對(duì)瓶裝飲料的液位進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)剔除是生產(chǎn)中必不可少的環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)外已有的液位檢測(cè)方法主要是機(jī)器視覺檢測(cè)、X射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)以及變介質(zhì)電容法檢測(cè)等，其中變介質(zhì)電容法因其成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛使用，但精度不高。為了實(shí)現(xiàn)高精度、高速率、低成本以及智能化的檢測(cè)目的，本文對(duì)已有的變介質(zhì)電容法進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，設(shè)計(jì)出一套瓶裝液位高精度智能檢測(cè)系統(tǒng)，滿足生產(chǎn)線的需求。

1 變介質(zhì)電容法檢測(cè)

1.1 檢測(cè)原理分析

變介質(zhì)電容法檢測(cè)是利用不同介電常數(shù)的介質(zhì)會(huì)引起電容變化的原理，根據(jù)監(jiān)測(cè)改變值來(lái)判斷液位值是否合格。當(dāng)待測(cè)瓶經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)發(fā)生極化[2]，由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣和瓶身材料的介電常數(shù)，可將瓶?jī)?nèi)溶液等價(jià)于一個(gè)導(dǎo)體，當(dāng)瓶底接地時(shí)，一部分交流信號(hào)被溶液吸收，一部分交流信號(hào)被接收電容極板接收，液位高度越高則信號(hào)被溶液吸收的越多，被接收極板接收的交流信號(hào)也就越少，導(dǎo)致液位值越小，因此液位的高低可以由接收電容極板接收到的信號(hào)強(qiáng)弱分析得到，進(jìn)而判斷待測(cè)瓶?jī)?nèi)液位是否合格。

1.2 檢測(cè)等效模型

當(dāng)平行板電容器中間的介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起電容器的電容值發(fā)生改變，這時(shí)就可以將平行板電容器視為一個(gè)可變電容傳感器[3]。當(dāng)待測(cè)瓶進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域后，發(fā)生電容耦合，等效電路如圖1所示。

圖1 檢測(cè)等效電路

圖1中，Ck為液體上方發(fā)射、接收電容極板與空氣進(jìn)行耦合形成的電容，C1、C2分別為發(fā)射、接收電容極板和瓶壁耦合形成的電容，R為瓶?jī)?nèi)溶液吸收信號(hào)后的等效電阻[4]，Z為后面電路的負(fù)載。在發(fā)射電容極板上施加一個(gè)高頻率的交流信號(hào)源U，高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)空氣、液體等耦合后，被接收電容極板捕獲到。瓶?jī)?nèi)液體高度的改變會(huì)引起電容量C的改變。

設(shè)空氣的相對(duì)介電常數(shù)為εk，瓶?jī)?nèi)溶液(以水為主)的相對(duì)介電常數(shù)為εr。由于εk<<εr，C1、C2的影響可以忽略?？梢缘玫截?fù)載Z的電壓UZ：

(1)

式中ZC為極板間的等效阻抗。

由式(1)可知，隨著液位的升高，極板與空氣耦合的電容Ck會(huì)變小，液體對(duì)高頻信號(hào)的吸收作用變強(qiáng)，R變大，在信號(hào)源U固定的情況下，負(fù)載Z的電壓UZ會(huì)變小。

綜上所述，利用電容耦合的原理，通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的信號(hào)源電路、負(fù)載電路等，采集到負(fù)載Z上的電壓變化，就可以得到極板間液體高度的變化。液位的高度與負(fù)載電壓UZ成反比關(guān)系。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要分為可控信號(hào)源、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、溫度采集電路、人機(jī)交互模塊、剔除器以及光電開關(guān)等部分，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。文獻(xiàn)[1]得出信號(hào)源的最合適頻率為8 MHz，在該頻率下液位的等效電感容抗的變化明顯[5]。微處理器采用STM32F103VET6芯片，一方面觸摸屏或手機(jī)端通過(guò)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，利用該芯片控制DDS的AD9851模塊[6]產(chǎn)生穩(wěn)定的8 MHz的正弦信號(hào)源，另一方面可將電容耦合后的信號(hào)進(jìn)行一系列數(shù)字化處理得到液位值，并通過(guò)RS485通信接口實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，增加人機(jī)交互模塊對(duì)檢測(cè)實(shí)行在線監(jiān)控。同時(shí)采用MLX90614采集液體輻射溫度，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)液位值進(jìn)行溫度補(bǔ)償[7]。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

2.2 液位測(cè)量電路

待檢測(cè)瓶體經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)區(qū)域時(shí)，由式(1)可知，液位高度的不同導(dǎo)致Ck和R的變化，接收極板上的耦合信號(hào)的幅值會(huì)發(fā)生變化。信號(hào)調(diào)理電路中采用雙通道高速運(yùn)算放大器ADA4817，對(duì)接收到的高頻小信號(hào)進(jìn)行放大，解決傳統(tǒng)放大器的散熱問題，放大后的信號(hào)由檢波電路將其交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，結(jié)合微處理器芯片完成目標(biāo)信號(hào)的采集與數(shù)字化處理，最終獲得可以反映待檢測(cè)液位高低變化的直流電壓信號(hào)Vout，部分電路連接如圖3所示，波形圖如圖4所示。

由圖4可知，輸出的直流電壓信號(hào)的頻率較低，幅值較小會(huì)對(duì)后續(xù)的液位計(jì)算造成影響，因此系統(tǒng)采用雙路單電源運(yùn)算放大器TLC272調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值，并引用數(shù)字電位器CAT5113來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的參考電壓，進(jìn)一步調(diào)整信號(hào)的幅值。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微處理器在光電開關(guān)、編碼器的配合下，給傳感器檢測(cè)部分發(fā)出檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)，依次對(duì)待檢測(cè)瓶的液位進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不合格瓶進(jìn)行剔除。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

2.4 人機(jī)交互

為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的智能化，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互模塊。觸摸屏自帶Modbus通信協(xié)議，可通過(guò)RS485串口與檢測(cè)系統(tǒng)通信連接并在線實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]，內(nèi)設(shè)ESP8266串口無(wú)線WIFI模塊，PC端或手機(jī)端可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手APP完成與檢測(cè)裝置的雙向數(shù)據(jù)傳輸，從而可以遠(yuǎn)程操控。

圖3 液位測(cè)量電路(部分電路)

圖4 放大后波形和檢波后波形

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3 溫度補(bǔ)償

由于生產(chǎn)車間的溫度不恒定，溫度升高會(huì)增加溶液內(nèi)的水分子活躍程度，導(dǎo)致溶液的介電常數(shù)減小，從而電容變小，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的瓶?jī)?nèi)溶液的液位值會(huì)出現(xiàn)誤差，因此需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

本次設(shè)計(jì)用MLX90614非接觸采集液體溫度，MLX90614集成了紅外熱電堆感應(yīng)器 MLX81101和專用處理芯片MLX90302[8]，該器件可以快速處理紅外感應(yīng)器信號(hào)并直接輸出線性化的數(shù)字溫度，適合高速瓶裝液位檢測(cè)。

由于溫度對(duì)液位測(cè)量的影響是非線性的，因此需要采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)液位檢測(cè)進(jìn)行溫度補(bǔ)償[9]。該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)建立液體溫度與液位值之間高擬合度的非線性映射關(guān)系，對(duì)液位值的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖6所示[10]。

圖6 溫度補(bǔ)償?shù)腂P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理圖

圖6中，液位值與瓶?jī)?nèi)液體的溫度作為輸入值，補(bǔ)償后液位值作為輸出值。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)輸入樣本及期望值的多次訓(xùn)練，通過(guò)自學(xué)能力實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位檢測(cè)的溫度補(bǔ)償[10]。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

4.1 抗干擾設(shè)計(jì)

電容檢測(cè)很容易受到周圍環(huán)境的干擾，需要有好的抗干擾設(shè)計(jì)。周圍電磁場(chǎng)和導(dǎo)體對(duì)檢測(cè)結(jié)果有很大的影響，因此在測(cè)試過(guò)程中需要將檢測(cè)裝置密封在金屬殼內(nèi)，金屬鏈道進(jìn)行接地處理。

4.2 測(cè)試結(jié)果

以500 ml容量的飲料為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，取9瓶分別測(cè)試，固定極板間距6 cm，標(biāo)定液位高度為18 cm的飲料瓶為標(biāo)準(zhǔn)瓶，在此基礎(chǔ)上對(duì)液位高度進(jìn)行規(guī)律性的增減，液體溫度為20 ℃條件下測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同液位高度下的液位值數(shù)據(jù)表

設(shè)置20 ℃下的液位值為標(biāo)準(zhǔn)值，使用溫箱控制不同溫度，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，以其中一瓶為例，得到如表2所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 不同溫度下的液位值數(shù)據(jù)表

由表2分析可得該瓶裝液位檢測(cè)系統(tǒng)幾乎不受溫度影響，繼而對(duì)其他飲料瓶進(jìn)行測(cè)試均能發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度可達(dá)±1 mm，滿足高精度智能檢測(cè)的要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)液位檢測(cè)的研究現(xiàn)狀以及市場(chǎng)的需求設(shè)計(jì)改進(jìn)了一套基于變介質(zhì)電容法的高精度智能液位檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)一系列軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)快速生產(chǎn)過(guò)程中的飲料瓶?jī)?nèi)液位的檢測(cè)，消除了溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，系統(tǒng)的檢測(cè)精度可達(dá)±1 mm。同時(shí)人機(jī)交互界面使生產(chǎn)過(guò)程更加智能化，提高了生產(chǎn)效率。