專利名稱：在線檢測啤酒灌裝量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及在線檢測啤酒灌裝量的裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)在的啤酒生產(chǎn)線上，對灌裝量的檢測是很重要的一個環(huán)節(jié)。灌裝量都有 著嚴(yán)格的要求，灌裝量不合格的產(chǎn)品如果流入市場，就會損害生產(chǎn)廠家的形象，侵害消費者 的利益，這是一定要避免的。目前國內(nèi)多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)在灌裝量的二次檢測上是由人工來完成的，工人工作單 調(diào)，容易造成視覺疲勞，檢測的速度和精度難以滿足36000瓶/小時、72000瓶/小時高速 生產(chǎn)線的要求。國內(nèi)灌裝量在線檢測設(shè)備市場基本上被德國和美國企業(yè)所壟斷，價格昂貴。 研制擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的啤酒灌裝量在線檢測設(shè)備具有重要意義，不僅可滿足國內(nèi)啤酒生 產(chǎn)企業(yè)對該設(shè)備的急需，提高其在國內(nèi)外市場上的競爭能力，而且可有效抑制國外同類產(chǎn) 品的的價格。作為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的灌裝量在線檢測設(shè)備，還有出口創(chuàng)匯的可能性。國外較早的開展了灌裝量在線檢測系統(tǒng)的研究。他們應(yīng)用伽瑪射線、X射線、機器 視覺、紅外線吸收、超聲波等各種現(xiàn)代化實用技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)應(yīng)用了灌裝量在線檢測設(shè)備。 其主要的設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)像德國KR0NES、德國HEUFT、德國MIHO和美國filtec主要采用X射 線技術(shù)檢測灌裝量。而國內(nèi)少數(shù)相關(guān)研究單位主要采用機器視覺進(jìn)行瓶內(nèi)灌裝量的檢測， 啤酒灌裝量在線檢測設(shè)備多數(shù)僅停留在研制階段。伽瑪射線、X射線是對人體有害的，這就限制了它們的應(yīng)用；機器視覺檢測方案成 本昂貴，圖像處理技術(shù)很少單獨用于灌裝量檢測，而多用于驗瓶機設(shè)備檢測，并且要求檢測 容器必須帶有一定的透光性；紅外線檢測和超聲波檢測技術(shù)的檢測精度都相對不高。另外， 啤酒灌裝封蓋后在第二次檢測時還存在泡沫，當(dāng)泡沫轉(zhuǎn)換成啤酒后，會使液位有所上升，以 上技術(shù)方案比較難以對泡沫的影響做出很精確的補償處理。

實用新型內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，現(xiàn)采用以下技術(shù)方案—種在線檢測啤酒灌裝量的裝置，它包括依次連接的高頻信號源模塊、高頻電場 模塊、高頻信號處理模塊和智能處理模塊；其中，所述高頻電場模塊與待檢測啤酒瓶相對應(yīng)。所述高頻信號處理模塊包括依次連接的諧振放大電路、集成放大電路、峰值檢波 電路和電壓轉(zhuǎn)換電路，所述電壓轉(zhuǎn)換電路還與智能處理模塊相連。所述智能處理模塊包括微處理器，所述微處理器分別與A/D轉(zhuǎn)換模塊、泡沫補償 模塊、人機交互模塊、剔除處理模塊和報警處理模塊連接。所述高頻信號源模塊為高頻信號發(fā)射電路，其利用12V電源供電。所述高頻電場模塊由相對應(yīng)的發(fā)射極板和接收極板組成，所述發(fā)射極板和接收極 板位于待檢測啤酒瓶的瓶頸兩側(cè)2-3cm處，兩極板的距離為7-8cm，兩級板的材料是Imm厚度的銅板，尺寸為長3-5cm，寬2-3cm。一種在線檢測啤酒灌裝量的方法，該檢測方法包括以下步驟stepl 首先高頻信號發(fā)射電路將產(chǎn)生的電壓信號傳送給發(fā)射極板；step2:接收到電壓信號的發(fā)射極板與其相對應(yīng)的接收極板組成了一個高頻電 場；st印3 當(dāng)有待檢測容器進(jìn)入該高頻電場時，接收極板將接收到高頻小信號；step4 高頻小信號由接收極板送入高頻信號處理電路；step5:高頻信號處理電路對高頻小信號進(jìn)行調(diào)諧放大、集成放大、峰值檢波和電 壓轉(zhuǎn)換后，輸出直流電壓信號；st印6 微處理器控制A/D轉(zhuǎn)換器對直流電壓信號進(jìn)行采樣，之后對處理后的數(shù)值 進(jìn)行泡沫補償；step7:將補償后的數(shù)值與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如果誤差在設(shè)定的范圍內(nèi)，則 該瓶啤酒灌裝量合格，瓶子進(jìn)入生產(chǎn)線的下一個環(huán)節(jié)；當(dāng)誤差在設(shè)定范圍之外時，啟動剔除 處理模塊對不合格瓶子進(jìn)行剔除。在所述stepl中，高頻信號發(fā)射電路利用晶體振蕩電路，產(chǎn)生頻率和幅值穩(wěn)定的 正弦電壓信號。在所述step6中，所述泡沫補償是對泡沫消失后的電壓值進(jìn)行補償，補償方法是， 采用線性回歸分析和最小二乘估計建立泡沫消失后的電壓值與含有泡沫時的電壓值之間 的關(guān)系表達(dá)式，利用該表達(dá)式求出泡沫消失后的電壓值的估計值，該估計值即是補償之后 的電壓值，所述表達(dá)式為
I HI S_ K其中，I = —Σ巧'Jf=-E^，￥ = Σ巧乃，Λ是泡沫消失后電壓值的估計值，
n 2-1n 2-1Z-IY
、是泡沫消失前的電壓值 力泡沫消失前的第r個樣本觀察值，L為泡沫消失后的第r個 樣本觀察值，-為泡沫消失前的3個樣本觀察值的均值，β為泡沫消失后的個樣本觀察值
的均值，石為泡沫消失前和泡沫消失后的個樣本觀察值的乘積和。本實用新型的有益效果是，節(jié)約了人工檢測大量的勞動力；提高了檢測準(zhǔn)確率，本 實用新型的準(zhǔn)確率可以達(dá)到99% ；提高了檢測效率，可以滿足72000瓶/小時的檢測速度； 消除了泡沫對檢測結(jié)果的影響；降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了對人體健康無害的檢測過程。

圖1是檢測原理示意圖；圖2是檢測原理等效電路；圖3是高頻檢測電路總體結(jié)構(gòu)圖；圖4是AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理流程圖；圖5是檢測結(jié)果處理流程圖；[0030]其中1發(fā)射極板，2接收極板，3高頻信號發(fā)射電路，4高頻信號處理模塊，5智 能處理模塊，6諧振放大電路，7集成放大電路，8峰值檢波電路，9電壓轉(zhuǎn)換電路，10 A/D轉(zhuǎn)換模塊，11微處理器，12泡沫補償模塊，13剔除處理模塊，14人機交互模塊，15報 警處理模塊。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖來對本實用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明啤酒灌裝量在線檢測裝置是由高頻信號發(fā)射電路3、發(fā)射極板1、接收極板2，高頻 信號處理模塊4和智能處理模塊5等部分組成的。其中，所述高頻電場模塊與待檢測啤酒 瓶相對應(yīng)。所述高頻信號處理模塊包括依次連接的諧振放大電路6、集成放大電路7、峰值 檢波電路8和電壓轉(zhuǎn)換電路9，所述電壓轉(zhuǎn)換電路9還與智能處理模塊5相連。所述智能處 理模塊5包括微處理器11，所述微處理器11分別與A/D轉(zhuǎn)換模塊10、泡沫補償模塊12、人 機交互模塊14、剔除處理模塊13和報警處理模塊15連接。發(fā)射極板1和接收極板2組成了一個高頻電場。灌裝后的啤酒主要成分是水。水 是一種強極性電介質(zhì)，在外加電場的作用下將產(chǎn)生很強的極化，它相對與其它物質(zhì)具有很 大的的介電常數(shù)(水的介電常數(shù)為81)；當(dāng)外加電場的頻率增大時，水同時會發(fā)生松弛極 化，吸收一定的能量，因此水對高頻信號有一定的吸收作用。當(dāng)經(jīng)過電場的待檢測容器內(nèi)灌 裝量不同時，對電場的吸收作用也不同，從而接收極板2上的信號強弱也不同。在本實用新 型中，具體體現(xiàn)在信號的峰值隨著灌裝量的不同而不同。如圖1所示，將高頻信號發(fā)射電路3與高頻電場的發(fā)射極板1相連接，高頻信號處 理模塊4與高頻電場的接收極板2相連接。高頻電場的發(fā)射極板1和高頻電場的接收極板 2分別位于啤酒瓶的距離瓶口 2-3cm處的瓶頸兩側(cè)。經(jīng)過反復(fù)的實驗數(shù)據(jù)證明，當(dāng)極板距離 為7-8cm的時候檢測精度達(dá)到最大。發(fā)射極板1和接收極板2的材料是Imm厚度的銅板， 尺寸為長3-5cm，寬2-3cm。由于接收極板2上接收到的高頻信號非常微弱，因此接收極板 2和高頻信號處理模塊4的連線要盡量的短，過長的連線會使接收信號衰減過多，影響檢測 的精度。本裝置采用12V電源供電，高頻信號發(fā)射電路1采用的是12V供電。微處理器11 采用的是+5V電壓，因此需要用相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外，高頻信號處理模塊4 是采用士6V電壓供電，需要將+12V的電壓轉(zhuǎn)換成士6V電壓。單極性電源轉(zhuǎn)換比較容易， 本裝置主要涉及單極性電源到雙極性電源的轉(zhuǎn)換。極性變換電路的核心是功率放大器。在 運算放大器的同相輸入端接入一只10-100 ΓΩ的電位器，將+12V電壓進(jìn)行分壓之后接入 同相輸入端，運算放大器以跟隨器的形式相連，將運算放大器的輸出端為相對接地電壓。此 時，調(diào)節(jié)電位器到合適的位置便可以得到士6V電壓。高頻信號發(fā)射電路3采用晶體振蕩電路，產(chǎn)生頻率和幅值都很穩(wěn)定的正弦電壓信 號。然后把這個電壓信號傳送給高頻電場發(fā)射極板1。檢測原理的等效電路如附圖2所示。兩極板之間的耦合總電容C數(shù)值本身比較小 (不足lpF)，并且瓶頸進(jìn)入兩極板之間的體積也比較小，因此對兩極板之間的耦合電容的影 響比較小，可以忽略。進(jìn)入檢測區(qū)域的啤酒對電場信號的吸收作用可以用電阻R來等效。實 驗證明，啤酒對電場的吸收作用不可忽略，通過對接收信號的處理，可以判斷出進(jìn)入檢測區(qū)域的液位高低。整個檢測過程如附圖3所示。當(dāng)進(jìn)入檢測區(qū)域的灌裝量不同時，等效電阻 值R也不相同，而后續(xù)電路的等效阻抗Z可以看作是常量，因此高頻信號處理模塊4接收到 的信號就隨著灌裝量的不同而不同。對接收信號的處理過程包括諧振放大，集成放大，峰值 檢波，電壓轉(zhuǎn)換等。對檢測結(jié)果，送給檢測結(jié)果智能處理模塊5的微處理器11進(jìn)行數(shù)字化 處理，微處理器11對檢測結(jié)果的數(shù)字化處理包括A/D轉(zhuǎn)換10，泡沫補償12等。其數(shù)字化處 理，補償流程圖如附圖4所示。對于不合格的瓶子，由微處理器11驅(qū)動相應(yīng)的剔除裝置進(jìn) 行剔除，同時，對于處理后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，當(dāng)連續(xù)剔除的不合格瓶子數(shù)過多時，說明機器 可能出現(xiàn)系統(tǒng)故障，此時，該裝置做出報警響應(yīng)，處理過程流程圖如附圖5所示。對于啤酒 灌裝量標(biāo)準(zhǔn)值，檢測精度等參數(shù)，可以通過參數(shù)設(shè)置模塊進(jìn)行設(shè)定和顯示。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在高頻信號處理模塊4中，首 先由諧振放大電路6對接收極板上的高頻小信號進(jìn)行調(diào)諧放大。在該電路中，諧振頻率可 以調(diào)整，這樣可以保證諧振頻率盡可能在高頻信號的中心頻率上，并且保證諧振放大電路6 有一定的信噪比和增益值。由于諧振放大電路6的放大增益有限，還不能滿足本系統(tǒng)的要 求，我們將經(jīng)過調(diào)諧放大的高頻信號送給集成帶寬放大電路進(jìn)行進(jìn)一步的放大。在多級放 大器的放大倍數(shù)增大的同時，通頻帶也隨著減小，即增益和通頻帶是相互矛盾的，因此在進(jìn) 一步的放大電路中需要選取具有一定帶寬的放大器。為了提取出放大后的高頻信號的電壓 峰值，我們將放大后的高頻信號送給峰值檢波電路7進(jìn)行進(jìn)一步的處理，提取出其電壓峰 值。此時的電壓值就是隨著灌裝量的不同而不同的直流電壓信號。但是，此時的直流電壓 信號不在控制器可以檢測的范圍之內(nèi)，因此，需要把直流電壓信號送給電壓轉(zhuǎn)換電路9進(jìn) 行處理，將其電壓變化范圍控制在微處理器11的A/D轉(zhuǎn)換模塊10能接受的范圍之內(nèi)。經(jīng)過高頻信號處理模塊4之后，得到的直流電壓值已經(jīng)可以表征灌裝量了。當(dāng)有 啤酒瓶進(jìn)入檢測區(qū)域時，高頻信號處理模塊4把直流電壓信號送給智能處理模塊5，由微處 理器11控制A/D轉(zhuǎn)換模塊10對這個電壓信號進(jìn)行采樣，從而判斷該檢測區(qū)域內(nèi)的容器內(nèi) 灌裝量是否合格。由于該檢測裝置工作在有電磁干擾的環(huán)境之中，在某一時刻，AD采樣值 可能出現(xiàn)錯誤或者傳感器受到干擾，使數(shù)據(jù)過高或者過低，導(dǎo)致后續(xù)的剔除器誤剔。因此我 們在本裝置中采用中值濾波與算數(shù)平均值相結(jié)合的方法。對每個啤酒瓶所對應(yīng)的電壓信號 進(jìn)行采樣，隨機提取50個數(shù)值進(jìn)行排序，然后取中間的30個數(shù)值進(jìn)行平均，得出的就是與 該容器內(nèi)液位相關(guān)的數(shù)值。雖然容器在檢測過程中是運動的，但是由于這50次采樣僅在幾 毫秒內(nèi)完成，從時間情況可知，此時的容器依然完全在檢測區(qū)域內(nèi)，因此采用這種方法在沒 有影響檢測灌裝量精度的情況下，提高了檢測系統(tǒng)的抗干擾能力。另外，啤酒灌裝后瓶內(nèi)存在大量的泡沫，它是啤酒和二氧化碳的混合物，泡沫消失 后不僅會使啤酒的液位上升，同時泡沫也會對電場有一定的影響。因此A/D采樣、轉(zhuǎn)換得到 的數(shù)值是啤酒和泡沫共同對電場影響的結(jié)果，為了提高精度就必須對啤酒泡沫進(jìn)行補償。實際的檢測過程中，對于同一個被檢測對象可以知道兩個值含有泡沫時的啤酒 測量電壓值、泡沫消失后的啤酒測量電壓值。泡沫消失后的啤酒測量電壓值才是真正反映 啤酒灌裝量的真實值，本實用新型采用線性回歸分析和最小二乘估計建立泡沫消失后的啤 酒測量值與含有泡沫時的啤酒測量之間關(guān)系的近似表達(dá)式。由于兩個變量之間不存在確定 的函數(shù)關(guān)系，因此必須把隨機波動考慮進(jìn)去，求出近似表達(dá)式來對泡沫的影響進(jìn)行補償。故 引入模型如下[0042] 其中 是泡沫消失后的電壓值；X是含有泡沫的電壓值；f是隨機變量(稱為隨 機誤差)。可設(shè)兩個變量之間的表達(dá)式為 其中, 是隨機變量(稱為隨機誤差)，戽，A為待定系數(shù)。可以實驗得到一組測量數(shù)據(jù)作為樣本的觀察值，數(shù)據(jù)(Wi )滿足公式2，則有
(3)其中^為泡沫消失前的第胃個樣本觀察值，η為泡沫消失后的第 個樣本觀察 值，‘b"乂相互獨立。在線性模型中，由假設(shè)知
(4)根據(jù)樣本觀察值尋求β^ A的估計L· A ,對于給定；C值，取 公式5為E(Y) = 4 +A^的估計，是f關(guān)于χ的線性回歸方程或經(jīng)驗公式，其圖像 稱為回歸直線，A稱為回歸系數(shù)。對樣本的一組觀察值, (X2J2) , ...(WJ對每個巧，公式5可以確定一回 歸值
(6)這個回歸值夕與實際觀察值乃之差
(7)若乃與負(fù)的偏離越小，直線與所有觀察值擬和得越好，令 采用最小二乘法尋求爲(wèi),為的估計戽,為，使Ji與負(fù)差的平方和最' Α,Α值為 其中
，-為泡沫消失前的個樣本觀察值
的均值，—y為泡沫消失后的 個樣本觀察值的均值，i；為泡沫消失前和泡沫消失后的個 樣本觀察值的乘積和。將公式9代入公式5，可得到F關(guān)于X的線性回歸方程 公式(10)即為泡沫消失后的測量值與含有泡沫時的測量值之間的近似表達(dá)式，其 中，f 是泡沫消失后電壓值的估計值。在實際的計算過程中，采用MATLAB中的函數(shù)polyf it (x，y，η)進(jìn)行線性回歸分析， 求解爲(wèi)，A的估計k, A。經(jīng)過啤酒泡沫補償后，系統(tǒng)的檢測精度得到了進(jìn)一步的提高。經(jīng)過補償之后判斷出啤酒灌裝量合格時，該裝置不做出任何動作，瓶子進(jìn)入生產(chǎn) 線的下一個環(huán)節(jié)。當(dāng)檢測出瓶子不合格時，啟動響應(yīng)的剔除處理模塊13對不合格瓶子進(jìn)行 剔除。檢測設(shè)備在長期運行過程中，由于環(huán)境條件反常突變等因素會使系統(tǒng)產(chǎn)生粗大誤差， 它也是影響系統(tǒng)精度不可忽視的因素。本系統(tǒng)啤酒灌裝量的合格判斷同時可以彌補系統(tǒng) 的粗大誤差。我們將補償后的數(shù)值進(jìn)行與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，如果在標(biāo)準(zhǔn)值上下范圍之 內(nèi)(范圍可根據(jù)實際的調(diào)試情況來定)，則判斷這瓶啤酒灌裝量是合格的，同時合格啤酒液 位的總瓶數(shù)加一，相應(yīng)的連續(xù)不合格瓶數(shù)減一；如果連續(xù)不合格瓶數(shù)為負(fù)值，則使連續(xù)不合 格瓶數(shù)等于零。如果判斷啤酒灌裝量不合格，則不合格啤酒瓶總數(shù)加一，同時連續(xù)不合格數(shù)
也加一。于此同時把信號傳給剔除器將不合格啤酒剔除，如果連續(xù)不合格瓶數(shù)超過十，則報
m 目。本實用新型的人機交互模塊14采用液晶顯示器進(jìn)行時間，檢測總瓶數(shù)，合格瓶 數(shù)，檢測合格率等檢測數(shù)據(jù)的顯示；同時，有相應(yīng)按鈕實現(xiàn)檢測參數(shù)的設(shè)置，現(xiàn)實畫面的切 換等功能。
權(quán)利要求一種在線檢測啤酒灌裝量的裝置，其特征是，它包括依次連接的高頻信號源模塊、高頻電場模塊、高頻信號處理模塊和智能處理模塊；其中，所述高頻電場模塊與待檢測啤酒瓶相對應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的在線檢測啤酒灌裝量的裝置，其特征是，所述高頻信號處理模 塊包括依次連接的諧振放大電路、集成放大電路、峰值檢波電路和電壓轉(zhuǎn)換電路，所述電壓 轉(zhuǎn)換電路還與智能處理模塊相連。
3.如權(quán)利要求2所述的在線檢測啤酒灌裝量的裝置，其特征是，所述智能處理模塊包 括微處理器，所述微處理器分別與A/D轉(zhuǎn)換模塊、泡沫補償模塊、人機交互模塊、剔除處理 模塊和報警處理模塊連接。
4.如權(quán)利要求1所述的在線檢測啤酒灌裝量的裝置，其特征是，所述高頻信號源模塊 為高頻信號發(fā)射電路，其利用12V電源供電。
5.如權(quán)利要求1所述的在線檢測啤酒灌裝量的裝置，其特征是，所述高頻電場模塊由 相對應(yīng)的發(fā)射極板和接收極板組成，所述發(fā)射極板和接收極板位于待檢測啤酒瓶的瓶頸兩 側(cè)2-3cm處，兩極板的距離為7-8cm，兩級板的材料是Imm厚度的銅板，尺寸為長3-5cm，寬 2_3cm0
專利摘要本實用新型公開了一種基于高頻電場理論的在線檢測非金屬容器啤酒灌裝量的裝置。它包括電場發(fā)射電路，發(fā)射極板，接收極板，信號處理電路，檢測結(jié)果處理電路等。其中，發(fā)射極板和接收極板放置在瓶頸兩側(cè)，電場發(fā)射電路產(chǎn)生高頻正弦信號，送給發(fā)射極板。在發(fā)射極板與接收極板之間形成電場。啤酒瓶位于極板之間，灌裝量影響電場的強弱，接收極板以及信號處理電路根據(jù)電場的變化，判斷灌裝量是否合格。該產(chǎn)品實現(xiàn)對人體無害的檢測方式；檢測速度快，可以達(dá)到72000瓶/小時；檢測準(zhǔn)確率高達(dá)99%。
文檔編號G01F23/22GK201688889SQ201020190329
公開日2010年12月29日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者李現(xiàn)明, 李璐, 郝增奔, 郭俊美, 陳曉軍, 馬思樂 申請人:山東大學(xué)