信号与测试技术课程。
大作业报告。
题目：碳酸饮料中碳酸含量的测定与控制。
时间：2023年5月。
第一部分问题提出与基本构想。
一、 问题提出。
现在碳酸饮料受到越来越多的质疑，甚至成为不健康食品的代名词。其中不少碳酸饮料被指出比醋还酸，显然这种酸度的饮料已经大大影响到了人们的健康。考虑到能在一定程度上控制碳酸饮料的酸度，又不至于使得碳酸饮料的爽口感觉消失，同时还可以检测出二氧化碳压气机的工作是否正常，我组同学想到了设计一套传感器系统实现对饮料中碳酸的反馈控制。
二、 解决思路。
由碳酸饮料中的酸度来判断饮料中的碳酸含量是解决该问题的核心思路。影响碳酸饮料酸度的酸主要有三种，分别是磷酸、柠檬酸和碳酸。其中磷酸和柠檬酸添加量较低，且是定量添加的。
而碳酸是通过压力容器添加的，存在到达饱含蒸汽压而出现液气分离的情况。同时如果溶液过酸，碳酸也会从溶液中分离成为二氧化碳。所以，考虑柠檬酸和磷酸盐定量添加，即控制变量法作为基本思路。
同时考虑到溶液中的酸碱度直接和电导率相关，选择电磁式酸碱浓度传感器作为核心测量元件。
三、 可乐生产图示。
四、 基本构想。
由于可乐加压注入二氧化碳后在填充机中对其进行装瓶，可以认为装瓶瞬间进行，装瓶后的液体在瓶中是稳定的。而又可以认为磷酸盐和柠檬酸是定量添加的，所以可以认为这是控制变量的研究。由于整个压气的过程温度不是很高，在零下十度到零上25度的范围内，同时气压在1mpa至5mpa之间。
可将这个温度范围进行分割，同时将温度也进行分割，制作在特定温度及压强下的二氧化碳浓度与电导率的关系。运用电磁式酸碱浓度传感器可以得到此时的溶液电导率，再通过压力传感器测出压强及温度传感器测出温度，在对应的表中找到对应的二氧化碳数值。通过这个二氧化碳溶解数值，决定在压气机中加压还是减压以及冷却系统是增温还是降温，从而实现反馈。
五、 基本原理图。
第二部分电磁式酸碱浓度传感器。
一、 酸碱浓度与电导率的关系。
电解质溶液之所以能导电，是由于溶液中有离子存在。不同的电解质溶液有不同的导电能力，当电流通过电解质溶液时呈现出与金属一样的电阻rs，溶液的电导g用其电阻的倒数rs表示：
l---电解质溶液的导电长度。
a——电解质溶液的导电截面积。
k---电解质溶液的电导率。
k与溶液浓度有关。
当量电导率。
溶液浓度。---溶质的克当量。
从式中可以看出，当、为常数时，电导率k就仅仅是浓度c的函数，而仅决定于溶质的分子质量。当溶液浓度较低时，当量电导率近似为常数，故电导率k与浓度c接近线性关系。
但在浓度较高时，电导率与浓度之间会出现非线性关系。这是因为，电解质溶液的离子数不仅与溶液浓度有关，还与在该浓度下的电离度有关。当浓度增大到一定数值时，溶液的电离度减小，使得离子的总数下降，导致电导率下降。
二、 酸碱浓度对电导率的关系曲线。
图2-1给出了不同电解质溶液电导率与浓度的关系曲线。由图可以看出，随着浓度的增大，曲线会出现拐点，即会有同一个电导率值对应着两个浓度值的情况。所以当杂质和溶剂的变化引起的电导率改变较小，符合仪器内的浓度特性曲线的变化时，测量是合理的。
在实际测量中，测量范围要避开拐点及其附近的浓度值。考虑到碳酸与硫酸都属于二元酸，所以电离的性质应该是与其最为接近。同时，由于碳酸是弱酸且压入汽水中时的气压一定大于标准大气压，所以碳酸一定有大量未电离，所以其电导率性质应该是最高点以后的情况。
三、 传感器工作原理与理论方程式。
电磁式浓度传感器是利用电磁感应原理来反映电解质溶液的电导率变化，实现对溶液浓度的测量。电磁浓度传感器是由两个变压器（磁头），励磁变压器t1和检测变压器t2组成。传感器如图2-2：
其等效电路为：
设定w2=w3=1匝。
设u1为正弦波电压，则根据理想变压器有。
可以求得：当z趋于无穷大时，有。
考虑满足条件：
则有：可以看到u2与1/rs呈近似线性关系，上式为检测器的线性理论关系式。
四、 影响传感器灵敏度的因素。
1. 降低溶液回路本身的rs对提高灵敏度有利。
2. 适当减少励磁变压器的绕组匝数，提高励磁电压。
3. t2铁芯的磁导率高则灵敏度高。
4. 提高励磁变压器的激励频率。
五、 传感器总体设计。
图2-4六、 取样与测试。
在汽水到达填充机前进行流量、温度、及压力测量，而后在填充机后的成品中进行取样，并进行酸碱浓度的测量。
第三部分二氧化碳压力、流量和温度的测量。
一）压力测量。
一、压力测量要求。
1.本传感器用于混合气液体系的压力测量（二氧化碳的压力测量），要求干燥清洁，防尘，密封性好，最好是绝对压力测量。
2.精确度高，灵敏度高。
3．输出数字信号便于应用于控制系统。
4.不与二氧化碳反应。
5.动态特性好。
二、圆柱形应变筒式压力传感器特点：
1、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷。
2、结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长，线形度好。
3、经测量电路后输出电压信号，易于计算机采集、处理。
4、具有温度补偿功能，受温度影响较小。
5、**便宜，性能稳定。
三、应变式压力传感器原理：
主要是通过应变片将金属受应力后产生的应变转化为电信号。
应变片电阻相对变化与应变片受到的轴向应变的关系如下。
k：为电阻应变片的灵敏系数，又称标称灵敏系数。
考虑横向效应后的计算公式。
c：应变片横向灵敏度
筒壁切向应变计算公式：
d：圆柱形应变圆筒的内径。
h：圆柱形应变圆筒的壁厚。
温度补偿方法： 用温度补偿片来抵消温度对金属材料的影响。
四、测量电路。
电桥输出电压计算公式：
选用金属箔式应变片，原因如下：
1.制造工艺成熟，尺寸小，尺寸准确。
2.横向效应小。
3.允许电流大，从而可提高灵敏度。
4.疲劳寿命长，蠕变小，机械滞后小。
5.生产效率高，成本低。
五、安装位置。
1.考虑汽水混合机的密封性和测量的准确性，从混合机上部引出测量筒安装传感器。
2.安装位置应远离二氧化碳气调压站通气口，以保证测量的是静压。
3.采用3个传感器，以保证测量的准确性。
二）流量测量。
一、糖浆管道流量计要求。
1．是体积流量测量。
2.必须无毒、良好的物理化学稳定性。
3.实时性好，精度较高。
4.对流速干扰小，适合测量大粘度、小流量的流体，同时对流体溶质无具体要求。
二、靶式流量计特点。
1.可直接测量体积流量，受流体的粘度、溶质等影响小。
2.结构简单，安装维护方便，不易堵塞。
3.可以测量大粘度、小流量的流体测量。
4.非线性刻度，易受被测流体密度影响。
5．计量精度高，重复性好，而且性能**比高，维修使用简便。
三、工作原理。
图1靶式流量计的原理简图。
在测量管（仪表表体）中心同轴放置一块圆形靶板，当流体冲击靶板时，靶板上受到一个力f，它与流速v，介质密度ρ和靶板受力面积a之间关系式如式（1）所示。
式中 f ——靶板上受的力，n；
cd ——阻力系数；
——流体密度，kg/m3；
v——流体流速，m/s；
a——靶板受力面积，m2。
经推导与换算，得流量计算式如下：
式中 qm，qv——分别为质量流量和体积流量，kg/h，m3/h；
——流量系数；
d ——测量管内径，mm；
——直径比，β＝d/d；
d——靶板直径，mm。
其余符号同上。
四、测量电路。
靶板受力经力转换器转换成电信号，经前置放大，ad转换及计算机处理后，可得到相应的流量和总量。如图1所示。
五、安装方式。
图2 靶式流量计结构简图。
靶式流量计结构简图如图2所示。
它由检测装置，力转换器，信号处理和显示仪几部分组成。检测装置包括测量管和靶板，力转换器为应变计式传感器，信号处理和显示仪可以就地直读显示或远距标准信号传输等。
靶式流量计的结构形式可分为管道式，夹装式和插入式等，各类结构形式还可分为一体式和分离式二种。一体式为现场直读显示，而分离式则把数码显示仪与检测装置分离（一般不超过100m）。
本装置选择分离式，管道式靶式流量计。直接安装在糖浆管道中。
三） 温度传感器的选择。
一、温度传感器选择要求。
1.主要测量0-25℃的温度，测量精度高，实时性好。
2.无污染，可以与糖浆直接接触，密封性好。
二、传感器选型。
本系统拟采用接触式测量系统中电阻式测量的铂热电阻，铂热电阻物理化学性能非常稳定，耐氧化能力强，电阻率高容易加工。 铂热电阻按0℃时的电阻值r(℃)的大小分为10欧姆（分度号为pt10）和100欧姆（分度号为pt100）等，测温范围较大，100欧姆铂热电阻主要用于650℃以下的温区，故在本系统中，选用100欧姆铂热电阻测温。
三、热电阻式温度传感器的工作原理。
工业用热电阻分铂热电阻和铜热电阻两大类。
热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部份(感温元件)是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度发生变化时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质中的平均温度。
图示为铂热电阻电阻随温度的变化，可以看出电阻随温度呈现比较稳定的线性变化，尤其在本系统主要应用的糖浆溶液所在的温度区间内线性度良好。
三）安装方式。
工业中的铂热电阻电路对于精度要求比较低采用二线制，本系统中采用三线制电桥电路测量。
实际安装中可以采用最新的阀门式铂热电阻，不仅便于安装，而且在工程上能较好配合。
三、系统结构图。
第四章系统特点及应用
1、本系统采用计算机作为核心控制部分，实现了工业过程的自动控制。
2、运用了靶式流量计、铂热电阻式温度计、圆筒式应变压力计、电磁式酸碱度传感器四种传感器，能够进行精确的、实时的测量。
3、该系统测量压力、流量、温度、酸碱度等多种物理量，可以很好控制碳酸饮料的co2量，从而得到更好喝的碳酸饮料。
4、该系统还能根据参数作适当调整，应用于饮料产业的各个领域，如纯奶生产等领域。
5、以此系统为样板，将某些部分稍作改动，还可应用于污水检测、酵母菌发酵等方面。
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