专利名称：在线检测啤酒灌装量的装置及方法
技术领域：
本发明涉及在线检测啤酒灌装量的装置及方法。
背景技术：
在现在的啤酒生产线上，对灌装量的检测是很重要的一个环节。灌装量都有着严格的要求，灌装量不合格的产品如果流入市场，就会损害生产厂家的形象，侵害消费者的利益，这是一定要避免的。
目前国内多数生产企业在灌装量的二次检测上是由人工来完成的，工人工作单调，容易造成视觉疲劳，检测的速度和精度难以满足36000瓶/小时、72000瓶/小时高速生产线的要求。国内灌装量在线检测设备市场基本上被德国和美国企业所垄断，价格昂贵。研制拥有自主知识产权的啤酒灌装量在线检测设备具有重要意义，不仅可满足国内啤酒生产企业对该设备的急需，提高其在国内外市场上的竞争能力，而且可有效抑制国外同类产品的的价格。作为具有自主知识产权的灌装量在线检测设备，还有出口创汇的可能性。
国外较早的开展了灌装量在线检测系统的研究。他们应用伽玛射线、X射线、机器视觉、红外线吸收、超声波等各种现代化实用技术，已经开发应用了灌装量在线检测设备。其主要的设备生产企业像德国KRONES、德国HEUFT、德国MIHO和美国filtec主要采用X射线技术检测灌装量。而国内少数相关研究单位主要采用机器视觉进行瓶内灌装量的检测，啤酒灌装量在线检测设备多数仅停留在研制阶段。
伽玛射线、X射线是对人体有害的，这就限制了它们的应用；机器视觉检测方案成本昂贵，图像处理技术很少单独用于灌装量检测，而多用于验瓶机设备检测，并且要求检测容器必须带有一定的透光性；红外线检测和超声波检测技术的检测精度都相对不高。另外，啤酒灌装封盖后在第二次检测时还存在泡沫，当泡沫转换成啤酒后，会使液位有所上升，以上技术方案比较难以对泡沫的影响做出很精确的补偿处理。
发明内容
为克服现有技术的不足，现采用以下技术方案 一种在线检测啤酒灌装量的装置，它包括依次连接的高频信号源模块、高频电场模块、高频信号处理模块和智能处理模块；其中，所述高频电场模块与待检测啤酒瓶相对应。
所述高频信号处理模块包括依次连接的谐振放大电路、集成放大电路、峰值检波电路和电压转换电路，所述电压转换电路还与智能处理模块相连。
所述智能处理模块包括微处理器，所述微处理器分别与A/D转换模块、泡沫补偿模块、人机交互模块、剔除处理模块和报警处理模块连接。
所述高频信号源模块为高频信号发射电路，其利用12V电源供电。
所述高频电场模块由相对应的发射极板和接收极板组成，所述发射极板和接收极板位于待检测啤酒瓶的瓶颈两侧2-3cm处，两极板的距离为7-8cm，两级板的材料是1mm厚度的铜板，尺寸为长3-5cm,宽2-3cm。
一种在线检测啤酒灌装量的方法，该检测方法包括以下步骤 step1首先高频信号发射电路将产生的电压信号传送给发射极板； step2接收到电压信号的发射极板与其相对应的接收极板组成了一个高频电场； step3当有待检测容器进入该高频电场时，接收极板将接收到高频小信号； step4高频小信号由接收极板送入高频信号处理电路； step5高频信号处理电路对高频小信号进行调谐放大、集成放大、峰值检波和电压转换后，输出直流电压信号； step6微处理器控制A/D转换器对直流电压信号进行采样，之后对处理后的数值进行泡沫补偿； step7将补偿后的数值与设定的标准值进行比较，如果误差在设定的范围内，则该瓶啤酒灌装量合格，瓶子进入生产线的下一个环节；当误差在设定范围之外时，启动剔除处理模块对不合格瓶子进行剔除。
在所述step1中，高频信号发射电路利用晶体振荡电路，产生频率和幅值稳定的正弦电压信号。
在所述step6中，所述泡沫补偿是对泡沫消失后的电压值进行补偿，补偿方法是，采用线性回归分析和最小二乘估计建立泡沫消失后的电压值与含有泡沫时的电压值之间的关系表达式，利用该表达式求出泡沫消失后的电压值的估计值，该估计值即是补偿之后的电压值，所述表达式为
其中，
，
，
，
是泡沫消失后电压值的估计值，
是泡沫消失前的电压值，
为泡沫消失前的第
个样本观察值，
为泡沫消失后的第
个样本观察值，
为泡沫消失前的
个样本观察值的均值，
为泡沫消失后的
个样本观察值的均值，
为泡沫消失前和泡沫消失后的
个样本观察值的乘积和。
本发明的有益效果是，节约了人工检测大量的劳动力；提高了检测准确率，本发明的准确率可以达到99%；提高了检测效率，可以满足72000瓶/小时的检测速度；消除了泡沫对检测结果的影响；降低了生产成本，实现了对人体健康无害的检测过程。
图1是检测原理示意图； 图2是检测原理等效电路； 图3是高频检测电路总体结构图； 图4是AD转换数据处理流程图； 图5是检测结果处理流程图； 其中1发射极板，2接收极板，3高频信号发射电路，4高频信号处理模块，5智能处理模块，6谐振放大电路，7集成放大电路，8峰值检波电路，9电压转换电路，10 A/D转换模块，11微处理器，12泡沫补偿模块，13剔除处理模块，14人机交互模块，15报警处理模块。
具体实施例方式 下面结合附图来对本发明做进一步的详细说明 啤酒灌装量在线检测装置是由高频信号发射电路3、发射极板1、接收极板2，高频信号处理模块4和智能处理模块5等部分组成的。其中，所述高频电场模块与待检测啤酒瓶相对应。所述高频信号处理模块包括依次连接的谐振放大电路6、集成放大电路7、峰值检波电路8和电压转换电路9，所述电压转换电路9还与智能处理模块5相连。所述智能处理模块5包括微处理器11，所述微处理器11分别与A/D转换模块10、泡沫补偿模块12、人机交互模块14、剔除处理模块13和报警处理模块15连接。
发射极板1和接收极板2组成了一个高频电场。灌装后的啤酒主要成分是水。水是一种强极性电介质，在外加电场的作用下将产生很强的极化，它相对与其它物质具有很大的的介电常数(水的介电常数为81)；当外加电场的频率增大时，水同时会发生松弛极化，吸收一定的能量，因此水对高频信号有一定的吸收作用。当经过电场的待检测容器内灌装量不同时，对电场的吸收作用也不同，从而接收极板2上的信号强弱也不同。在本发明中，具体体现在信号的峰值随着灌装量的不同而不同。
如图1所示，将高频信号发射电路3与高频电场的发射极板1相连接，高频信号处理模块4与高频电场的接收极板2相连接。高频电场的发射极板1和高频电场的接收极板2分别位于啤酒瓶的距离瓶口2-3cm处的瓶颈两侧。经过反复的实验数据证明，当极板距离为7-8cm的时候检测精度达到最大。发射极板1和接收极板2的材料是1mm厚度的铜板，尺寸为长3-5cm,宽2-3cm。由于接收极板2上接收到的高频信号非常微弱，因此接收极板2和高频信号处理模块4的连线要尽量的短，过长的连线会使接收信号衰减过多，影响检测的精度。
本装置采用12V电源供电，高频信号发射电路1采用的是12V供电。微处理器11采用的是+5V电压，因此需要用相应的电压转换芯片进行转换。另外，高频信号处理模块4是采用±6V电压供电，需要将+12V的电压转换成±6V电压。单极性电源转换比较容易，本装置主要涉及单极性电源到双极性电源的转换。极性变换电路的核心是功率放大器。在运算放大器的同相输入端接入一只10-100
的电位器，将+12V电压进行分压之后接入同相输入端，运算放大器以跟随器的形式相连，将运算放大器的输出端为相对接地电压。此时，调节电位器到合适的位置便可以得到±6V电压。
高频信号发射电路3采用晶体振荡电路，产生频率和幅值都很稳定的正弦电压信号。然后把这个电压信号传送给高频电场发射极板1。
检测原理的等效电路如附图2所示。两极板之间的耦合总电容C数值本身比较小(不足1pF)，并且瓶颈进入两极板之间的体积也比较小，因此对两极板之间的耦合电容的影响比较小，可以忽略。进入检测区域的啤酒对电场信号的吸收作用可以用电阻R来等效。实验证明，啤酒对电场的吸收作用不可忽略，通过对接收信号的处理，可以判断出进入检测区域的液位高低。整个检测过程如附图3所示。当进入检测区域的灌装量不同时，等效电阻值R也不相同，而后续电路的等效阻抗Z可以看作是常量，因此高频信号处理模块4接收到的信号就随着灌装量的不同而不同。对接收信号的处理过程包括谐振放大，集成放大，峰值检波，电压转换等。对检测结果，送给检测结果智能处理模块5的微处理器11进行数字化处理，微处理器11对检测结果的数字化处理包括A/D转换10，泡沫补偿12等。其数字化处理，补偿流程图如附图4所示。对于不合格的瓶子，由微处理器11驱动相应的剔除装置进行剔除，同时，对于处理后的结果进行统计，当连续剔除的不合格瓶子数过多时，说明机器可能出现系统故障，此时，该装置做出报警响应，处理过程流程图如附图5所示。对于啤酒灌装量标准值，检测精度等参数，可以通过参数设置模块进行设定和显示。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在高频信号处理模块4中，首先由谐振放大电路6对接收极板上的高频小信号进行调谐放大。在该电路中，谐振频率可以调整，这样可以保证谐振频率尽可能在高频信号的中心频率上，并且保证谐振放大电路6有一定的信噪比和增益值。由于谐振放大电路6的放大增益有限，还不能满足本系统的要求，我们将经过调谐放大的高频信号送给集成带宽放大电路进行进一步的放大。在多级放大器的放大倍数增大的同时，通频带也随着减小，即增益和通频带是相互矛盾的，因此在进一步的放大电路中需要选取具有一定带宽的放大器。为了提取出放大后的高频信号的电压峰值，我们将放大后的高频信号送给峰值检波电路7进行进一步的处理，提取出其电压峰值。此时的电压值就是随着灌装量的不同而不同的直流电压信号。但是，此时的直流电压信号不在控制器可以检测的范围之内，因此，需要把直流电压信号送给电压转换电路9进行处理，将其电压变化范围控制在微处理器11的A/D转换模块10能接受的范围之内。
经过高频信号处理模块4之后，得到的直流电压值已经可以表征灌装量了。当有啤酒瓶进入检测区域时，高频信号处理模块4把直流电压信号送给智能处理模块5，由微处理器11控制A/D转换模块10对这个电压信号进行采样，从而判断该检测区域内的容器内灌装量是否合格。由于该检测装置工作在有电磁干扰的环境之中，在某一时刻，AD采样值可能出现错误或者传感器受到干扰，使数据过高或者过低，导致后续的剔除器误剔。因此我们在本装置中采用中值滤波与算数平均值相结合的方法。对每个啤酒瓶所对应的电压信号进行采样，随机提取50个数值进行排序，然后取中间的30个数值进行平均，得出的就是与该容器内液位相关的数值。虽然容器在检测过程中是运动的，但是由于这50次采样仅在几毫秒内完成，从时间情况可知，此时的容器依然完全在检测区域内，因此采用这种方法在没有影响检测灌装量精度的情况下，提高了检测系统的抗干扰能力。
另外，啤酒灌装后瓶内存在大量的泡沫，它是啤酒和二氧化碳的混合物，泡沫消失后不仅会使啤酒的液位上升，同时泡沫也会对电场有一定的影响。因此A/D采样、转换得到的数值是啤酒和泡沫共同对电场影响的结果，为了提高精度就必须对啤酒泡沫进行补偿。
实际的检测过程中，对于同一个被检测对象可以知道两个值含有泡沫时的啤酒测量电压值、泡沫消失后的啤酒测量电压值。泡沫消失后的啤酒测量电压值才是真正反映啤酒灌装量的真实值，本发明采用线性回归分析和最小二乘估计建立泡沫消失后的啤酒测量值与含有泡沫时的啤酒测量之间关系的近似表达式。由于两个变量之间不存在确定的函数关系，因此必须把随机波动考虑进去，求出近似表达式来对泡沫的影响进行补偿。故引入模型如下
(1) 其中
是泡沫消失后的电压值；
是含有泡沫的电压值；
是随机变量(称为随机误差)。
可设两个变量之间的表达式为
(2) 其中
，
是随机变量(称为随机误差)，
为待定系数。
可以实验得到一组测量数据作为样本的观察值，数据(
)满足公式2，则有
(3) 其中
为泡沫消失前的第
个样本观察值，
为泡沫消失后的第
个样本观察值，
相互独立。在线性模型中,由假设知
，
(4) 根据样本观察值寻求
的估计
，对于给定
值,取
(5) 公式5为
的估计，是
关于
的线性回归方程或经验公式，其图像称为回归直线，
称为回归系数。
对样本的一组观察值
，
，…
对每个
，公式5可以确定一回归值
(6) 这个回归值
与实际观察值
之差
(7) 若
与
的偏离越小，直线与所有观察值拟和得越好，令
(8) 采用最小二乘法寻求
的估计
，使
与
差的平方和最小。则求的
值为
(9) 其中
，
，
，
为泡沫消失前的
个样本观察值的均值，
为泡沫消失后的
个样本观察值的均值，
为泡沫消失前和泡沫消失后的
个样本观察值的乘积和。将公式9代入公式5，可得到
关于
的线性回归方程
(10) 公式(10)即为泡沫消失后的测量值与含有泡沫时的测量值之间的近似表达式，其中，
是泡沫消失后电压值的估计值。
在实际的计算过程中，采用MATLAB中的函数polyfit(x,y,n)进行线性回归分析，求解
的估计
。经过啤酒泡沫补偿后，系统的检测精度得到了进一步的提高。
经过补偿之后判断出啤酒灌装量合格时，该装置不做出任何动作，瓶子进入生产线的下一个环节。当检测出瓶子不合格时，启动响应的剔除处理模块13对不合格瓶子进行剔除。检测设备在长期运行过程中，由于环境条件反常突变等因素会使系统产生粗大误差，它也是影响系统精度不可忽视的因素。本系统啤酒灌装量的合格判断同时可以弥补系统的粗大误差。我们将补偿后的数值进行与设定的标准值相比较，如果在标准值上下范围之内(范围可根据实际的调试情况来定)，则判断这瓶啤酒灌装量是合格的，同时合格啤酒液位的总瓶数加一，相应的连续不合格瓶数减一；如果连续不合格瓶数为负值，则使连续不合格瓶数等于零。如果判断啤酒灌装量不合格，则不合格啤酒瓶总数加一，同时连续不合格数也加一。于此同时把信号传给剔除器将不合格啤酒剔除，如果连续不合格瓶数超过十，则报警。
本发明的人机交互模块14采用液晶显示器进行时间，检测总瓶数，合格瓶数，检测合格率等检测数据的显示；同时，有相应按钮实现检测参数的设置，现实画面的切换等功能。
权利要求
1.一种在线检测啤酒灌装量的装置，其特征是，它包括依次连接的高频信号源模块、高频电场模块、高频信号处理模块和智能处理模块；其中，所述高频电场模块与待检测啤酒瓶相对应。
2.如权利要求1所述的在线检测啤酒灌装量的装置，其特征是，所述高频信号处理模块包括依次连接的谐振放大电路、集成放大电路、峰值检波电路和电压转换电路，所述电压转换电路还与智能处理模块相连。
3.如权利要求2所述的在线检测啤酒灌装量的装置，其特征是，所述智能处理模块包括微处理器，所述微处理器分别与A/D转换模块、泡沫补偿模块、人机交互模块、剔除处理模块和报警处理模块连接。
4.如权利要求1所述的在线检测啤酒灌装量的装置，其特征是，所述高频信号源模块为高频信号发射电路，其利用12V电源供电。
5.如权利要求1所述的在线检测啤酒灌装量的装置，其特征是，所述高频电场模块由相对应的发射极板和接收极板组成，所述发射极板和接收极板位于待检测啤酒瓶的瓶颈两侧2-3cm处，两极板的距离为7-8cm，两级板的材料是1mm厚度的铜板，尺寸为长3-5cm,宽2-3cm。
6.一种采用权利要求1所述的在线检测啤酒灌装量的方法，其特征是，该检测方法包括以下步骤
step1首先高频信号发射电路将产生的电压信号传送给发射极板；
step2接收到电压信号的发射极板与其相对应的接收极板组成了一个高频电场；
step3当有待检测容器进入该高频电场时，接收极板将接收到高频小信号；
step4高频小信号由接收极板送入高频信号处理电路；
step5高频信号处理电路对高频小信号进行调谐放大、集成放大、峰值检波和电压转换后，输出直流电压信号；
step6微处理器控制A/D转换器对直流电压信号进行采样，之后对处理后的数值进行泡沫补偿；
step7将补偿后的数值与设定的标准值进行比较，如果误差在设定的范围内，则该瓶啤酒灌装量合格，瓶子进入生产线的下一个环节；当误差在设定范围之外时，启动剔除处理模块对不合格瓶子进行剔除。
7.如权利要求6所述的在线检测啤酒灌装量的方法，其特征是，在所述step1中，高频信号发射电路利用晶体振荡电路，产生频率和幅值稳定的正弦电压信号。
8.如权利要求6所述的在线检测啤酒灌装量的方法，其特征是，在所述step6中，所述泡沫补偿是对泡沫消失后的电压值进行补偿，补偿方法是，采用线性回归分析和最小二乘估计建立泡沫消失后的电压值与含有泡沫时的电压值之间的关系表达式，利用该表达式求出泡沫消失后的电压值的估计值，该估计值即是补偿之后的电压值，所述表达式为
其中，
，
，
，
是泡沫消失后电压值的估计值，
是泡沫消失前的电压值，
为泡沫消失前的第
个样本观察值，
为泡沫消失后的第
个样本观察值，
为泡沫消失前的
个样本观察值的均值，
为泡沫消失后的
个样本观察值的均值，
为泡沫消失前和泡沫消失后的
个样本观察值的乘积和。
全文摘要
本发明公开了一种在线检测啤酒灌装量的装置及方法，它包括电场发射电路，发射极板，接收极板，信号处理电路，检测结果处理电路等。其中，发射极板和接收极板放置在瓶颈两侧，电场发射电路产生高频正弦信号，送给发射极板。在发射极板与接收极板之间形成电场。啤酒瓶位于极板之间，灌装量影响电场的强弱，接收极板以及信号处理电路根据电场的变化，判断灌装量是否合格。该产品实现对人体无害的检测方式；检测速度快，可以达到72000瓶/小时；检测准确率高达99%。
文档编号B67C3/20GK101823679SQ20101017212
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者马思乐, 陈晓军, 陈国章, 黄彬, 付伟, 李璐 申请人:山东大学