范雪，張愛(ài)良，孫順遠(yuǎn)

（1.無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，江蘇宜興 214206）（2.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122）

隨著人們對(duì)黃酒需求的逐年增加，黃酒發(fā)酵工業(yè)化程度逐漸提高，大罐黃酒發(fā)酵技術(shù)已逐漸取代傳統(tǒng)壇裝發(fā)酵技術(shù)。黃酒的生產(chǎn)按生產(chǎn)工藝可分為大罐法、淋飯法等，傳統(tǒng)的黃酒發(fā)酵過(guò)程完全依賴工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制發(fā)酵過(guò)程，往往會(huì)造成生產(chǎn)批次不穩(wěn)定、口感風(fēng)味差異大等問(wèn)題，使黃酒的品質(zhì)得不到保證。目前，黃酒發(fā)酵過(guò)程控制已逐漸向工業(yè)化與智能化方向發(fā)展，從前酵蒸飯、風(fēng)冷控制、溫度控制和溶氧控制到 后酵冷凝等過(guò)程均已逐漸實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化控制。由于人們對(duì)黃酒品質(zhì)及口感的要求大幅提升，黃酒發(fā)酵精細(xì)控制已勢(shì)不可擋。

黃酒發(fā)酵多以大罐發(fā)酵為主，粳米等原材料經(jīng)過(guò)浸泡、蒸煮冷卻后，與酵母或酒曲攪拌后呈半固半液狀態(tài)落罐發(fā)酵，在落罐或出罐時(shí)罐內(nèi)混合物物位會(huì)發(fā)生變化。目前，物位測(cè)量技術(shù)在黃酒發(fā)酵過(guò)程中應(yīng)用并不廣泛，筆者在研究射頻導(dǎo)納物位計(jì)原理的基礎(chǔ)上，與罐內(nèi)傳感器相結(jié)合，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)混合物的介電常數(shù)來(lái)求混合物物位，并對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)以降低黃酒混合物的掛料影響；由于射頻導(dǎo)納中掛料阻抗的實(shí)部與虛部相等，在 t=π/4相位點(diǎn)處，采用定點(diǎn)取樣積分電路實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的快速采集提取，可以有效地消除傳感器中由于掛料造成的誤差，并對(duì)硬件電路部分進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，通過(guò)與數(shù)據(jù)模型結(jié)合，可得到相對(duì)準(zhǔn)確的混合物物位。采用軟件visual studio 2015設(shè)計(jì)了黃酒物位上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，可以實(shí)時(shí)在線查看各個(gè)發(fā)酵罐的物位，并針對(duì)罐內(nèi)物料的當(dāng)前物位及實(shí)時(shí)狀態(tài)特征，預(yù)選不同方案進(jìn)行處理，直觀有效地對(duì)黃酒發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行控制。

1 射頻導(dǎo)納在黃酒發(fā)酵中的應(yīng)用

射頻導(dǎo)納是利用電容傳感器將被測(cè)介質(zhì)物位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓缓髴?yīng)用測(cè)量電容量的方法來(lái)求得物位的數(shù)值。在黃酒發(fā)酵前酵過(guò)程中，發(fā)酵罐內(nèi)主要成分有蒸飯、酵母、麥曲和水等物質(zhì)，呈半固半液狀態(tài)，并且物料狀態(tài)隨發(fā)酵過(guò)程的推移也在變化；發(fā)酵后酵過(guò)程中，發(fā)酵罐中主要成分為酒精。前酵發(fā)酵罐中物質(zhì)是導(dǎo)電介質(zhì)，并且隨著介質(zhì)液位由高到低變化時(shí)，會(huì)有物料掛在電極上；后酵發(fā)酵罐中酒精含量較高，導(dǎo)電性強(qiáng)，但流體不易掛料。在研究發(fā)酵罐中射頻導(dǎo)納時(shí)，要充分考慮前后酵物料的區(qū)別，并考慮介質(zhì)導(dǎo)電性。

當(dāng)物位計(jì)測(cè)量發(fā)酵罐中導(dǎo)電介質(zhì)液位時(shí)，若物位由低到高或由高到低變化時(shí)，此時(shí)傳感器的電容正好反應(yīng)真實(shí)液位引起的電容變化；而當(dāng)非純液體物位由高到低變化時(shí)，電極上會(huì)附有被測(cè)介質(zhì)掛料。黏附在傳感電極上的物料層只是很薄的一層，比物料位下面的物料要少得多，橫截面積和物料位以下的物料相比幾乎可以忽略；而物料的橫戴面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掛料層的橫截面積，且物料具有較好的導(dǎo)電性，因而可以認(rèn)為物料的電阻非常小，可以忽略。因此在測(cè)量時(shí)認(rèn)為物料的電位和發(fā)酵罐的電位一樣，從而可以把物料當(dāng)作電容的一個(gè)極板。但掛料層的電阻卻很大，從電學(xué)的角度看，掛料層相當(dāng)于一條由無(wú)窮多個(gè)無(wú)窮小的電容元件和無(wú)窮小的電阻元件組成的傳輸線。如圖1所示。

圖1 黃酒發(fā)酵罐射頻導(dǎo)納電阻示意圖 Fig.1 Rice wine fermentation radio frequency admittance resistance diagram

當(dāng)物位高度由H降低至H0時(shí)，金屬電極上可能會(huì)有黏附有米飯和酒曲等物質(zhì)，極容易造成虛假物位，影響測(cè)量精度。

2 射頻導(dǎo)納在發(fā)酵過(guò)程中的工作原理

2.1 黃酒發(fā)酵物位測(cè)量原理

將金屬電極置入發(fā)酵罐內(nèi)，與發(fā)酵罐金屬罐內(nèi)壁構(gòu)成電容器的極板，無(wú)論兩者之間是空氣或是發(fā)酵物料、酒精等物質(zhì)，均可根據(jù)其介電常數(shù)求得物料高度。由于在黃酒發(fā)酵過(guò)程中的中間物質(zhì)與產(chǎn)物均為導(dǎo)電介質(zhì)，因此，金屬電極周圍必然要覆蓋一層絕緣物質(zhì)，只要根據(jù)發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵罐內(nèi)物質(zhì)的介電常數(shù)，即根據(jù)圖1，可得出物料位以下總電容為：

物料以上介電常數(shù)包含兩部分，分別為絕緣層與空氣，則有：

空氣中電容與物料電容為并聯(lián)連接，總電容為：

因?yàn)辄S酒發(fā)酵的周期比較長(zhǎng)，發(fā)酵過(guò)程中間產(chǎn)物成分復(fù)雜且不穩(wěn)定，導(dǎo)致物料介電常數(shù)不固定，因此，若需計(jì)算準(zhǔn)確的液位，需配合罐內(nèi)在線監(jiān)測(cè)介電常數(shù)的傳感器，并需控制器將兩者采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

2.2 黃酒發(fā)酵物位測(cè)量算法的改進(jìn)

黃酒發(fā)酵前酵過(guò)程物料為半固半液狀態(tài)，罐內(nèi)產(chǎn)物在出罐時(shí)會(huì)有一部分物料掛在射頻導(dǎo)納桿上，對(duì)公式（2）中介電常數(shù)有非常大的影響，導(dǎo)致虛假液位。

由于黃酒發(fā)酵罐中掛料的橫截面積較小，因此，掛料的等效電阻很大，相當(dāng)于一條由無(wú)窮多個(gè)無(wú)窮小的電容元件和無(wú)窮小的電阻元件組成的傳輸線。只要掛料黏附層足夠長(zhǎng)，根據(jù)均勻傳輸線原理可以得出掛料層等效阻抗的實(shí)部與虛部在數(shù)值上相等，這就是射頻導(dǎo)納定理。若單位長(zhǎng)度上的電阻為R0，電容為C0，激勵(lì)電壓的角頻率為ω，掛料的等效阻抗Zg可表示為：

金屬電極的等效電路如圖2所示。其中Rg為掛料部分的等效電阻，Cg為掛料部分的等效電容，Cw為物位的等效電容。且：

圖2 掛料阻抗等效電路 Fig.2 Hanging impedance equivalent circuit

與實(shí)際物位電容C之間存在線性關(guān)系，因此，在ww時(shí)對(duì)電流I進(jìn)行測(cè)量，可以得到實(shí)際的物位值，而且不會(huì)因此掛料而對(duì)物位造成虛假計(jì)算。

3 發(fā)酵控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于射頻導(dǎo)納原理中掛料阻抗的實(shí)部與虛部相等，在與真實(shí)物位π/4相位點(diǎn)取值，可以有效地消除傳感器中由于掛料造成的誤差，常用的方法是精確延時(shí)，在π/4相位點(diǎn)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器高速采樣。

3.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)硬件電路圖 Fig.3 The system hardware circuit diagram

本系統(tǒng)控制單元采用STM8S單片機(jī)，通過(guò)PWM功能控制輸出100 KHz方波，再接入運(yùn)放電路作為射頻導(dǎo)納電源電路的輸入信號(hào)；射頻導(dǎo)納將采集信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理，轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào)。10位ADC可精確測(cè)量罐內(nèi)液位，控制單元也可其他傳感模塊進(jìn)一點(diǎn)精確測(cè)量并報(bào)警，使整個(gè)發(fā)酵過(guò)程與智能控制過(guò)程結(jié)合起來(lái)。電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，電路輸入輸出信號(hào)頻率相同但相位相差π/4，這個(gè)信號(hào)通過(guò)同步采集模塊，在真實(shí)物位信號(hào)的π/4相位處采集，就可以消除掛料的影響，實(shí)現(xiàn)精確的物位測(cè)量。

該系統(tǒng)采用的測(cè)量信號(hào)是100 KHz，則周期為10 μs，滯后π/4相位即1.25 μs，因此該方案要求有速度較快的單片機(jī)和高速A/D轉(zhuǎn)換器配合使用。

3.2 數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 前酵發(fā)酵導(dǎo)納數(shù)據(jù)模型

在前酵發(fā)酵過(guò)程中，由于罐內(nèi)是蒸飯、酒曲、酵母和水混合而成的半固半液形態(tài)類物質(zhì)，若罐內(nèi)液位變化時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致某些物質(zhì)粘附在導(dǎo)納表面，而掛料是具有阻抗的，因此單片機(jī)測(cè)得的導(dǎo)納電容值是包含掛料阻抗部分的。為提高液位測(cè)量精確度，在導(dǎo)納計(jì)算過(guò)程中，可通過(guò)改進(jìn)算法來(lái)提高液位測(cè)量精度，提高信噪比。射頻導(dǎo)納在工作時(shí)，實(shí)際物位電容流經(jīng)的總的電流值I在t時(shí)刻為：

其中，α，β為電流參數(shù)，由射頻導(dǎo)納電極及掛料特性決定。

此時(shí)，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開公式，可得粘附掛料射頻導(dǎo)納g為：

其中，I0為電容初始電流，一個(gè)周期結(jié)束后電流達(dá)到最高值，C0是初始化電壓，vε為物位電容和與其并聯(lián)的容抗的電位差。電容值可以通過(guò)公式9-11推導(dǎo)得出。

由一個(gè)周期的電流變化可將α，β求出，初始電流已知，通過(guò)求解公式（10）可將粘附有掛料的總導(dǎo)納求出，根據(jù)控制芯片AD端采集的電壓值，即可求出當(dāng)前導(dǎo)納，再由公式（1）～（3）可求得罐內(nèi)液位。

3.2.2 后酵發(fā)酵導(dǎo)納數(shù)據(jù)模型

相較于前酵，后酵發(fā)酵過(guò)程罐內(nèi)物質(zhì)形態(tài)單一，主要為含有酒精的液體，是導(dǎo)電介質(zhì)。射頻導(dǎo)納可與前酵罐內(nèi)射頻導(dǎo)納一致，但液位變化時(shí)，導(dǎo)納表面不粘帶掛料，在求液位的計(jì)算過(guò)程中，其復(fù)雜度比前酵罐內(nèi)液位計(jì)算簡(jiǎn)單得多。僅通過(guò)控制芯片將導(dǎo)納電容求出后，用公式（1）～（3）即可求出當(dāng)前液位。

3.3 黃酒發(fā)酵上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

將基于射頻導(dǎo)納的黃酒液位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于黃酒在線液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)黃酒的液位、溫度、溶氧等參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，上位機(jī)界面采用 visual studio2015，通過(guò)RS232總線與圖3中的控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，或采用無(wú)線方式與用戶手機(jī)進(jìn)行通信，及時(shí)將信息傳輸至用戶。用戶可通過(guò)電腦界面實(shí)時(shí)查看黃酒發(fā)酵過(guò)狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)調(diào)整發(fā)酵過(guò)程的環(huán)境，保證黃酒發(fā)酵的品質(zhì)。

圖4 黃酒液位測(cè)量系統(tǒng)界面設(shè)計(jì) Fig.4 Interface design of rice wine liquid level measurement

4 液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)

4.1 RFID無(wú)線傳輸系統(tǒng)方案

黃酒發(fā)酵系統(tǒng)需要將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)控制系統(tǒng)，確保控制系統(tǒng)及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于黃酒發(fā)酵液位測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)與控制系統(tǒng)距離往往較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法多采用有線傳輸，經(jīng)濟(jì)投入多，數(shù)據(jù)傳輸易受其他信號(hào)干擾，穩(wěn)定性差；該套黃酒液位采集系統(tǒng)采用 RFID無(wú)線傳輸?shù)姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，每個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)配置一個(gè)RFID模塊，彼此之間相互通信，并均可與控制系統(tǒng)RFID模塊進(jìn)行通信；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由發(fā)酵罐內(nèi)RFID模塊以單跳或多跳路由形式傳輸至控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。

射頻模塊采用億佰特公司生產(chǎn)的 E31-TTL-50模塊，是一款基于AX5043射頻芯片的433 MHz直插式無(wú)線串口模塊；采用半雙工，收發(fā)一體，透明傳輸方式，發(fā)射功耗低，僅50 mW；并且，該模塊具有4種工作模式可供選擇，發(fā)酵系統(tǒng)可根據(jù)其工作特點(diǎn)及狀態(tài)選擇組合不同工作模式，以盡量使系統(tǒng)功耗達(dá)到最低。

即可得導(dǎo)納為：

將電容C做傅里葉展開級(jí)數(shù)，行當(dāng)前電容值為：

為確保系統(tǒng)能耗最低，在黃酒發(fā)酵整個(gè)流程中，當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)液位達(dá)到設(shè)定閾值或其他狀態(tài)達(dá)到要求需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)酵罐內(nèi)RFID模塊轉(zhuǎn)換為發(fā)送模式；否則處于省電模式。由于發(fā)酵罐數(shù)據(jù)多，存在多個(gè)發(fā)酵罐RFID同時(shí)向控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的情況，為避免沖突，本系統(tǒng)采用控制系統(tǒng)RFID模塊輪循查詢的方式，對(duì)每個(gè)發(fā)酵罐進(jìn)行逐次發(fā)送信息標(biāo)志位，當(dāng)射頻導(dǎo)納液位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)有問(wèn)題時(shí)，啟動(dòng) RFID模塊工作模式，并接收控制系統(tǒng)標(biāo)志位數(shù)據(jù)；當(dāng)標(biāo)志位數(shù)據(jù)接收成功后，RFID模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至控制系統(tǒng)，完成一次數(shù)據(jù)的傳輸。圖5為RFID系統(tǒng)在傳輸過(guò)程中的整個(gè)流程。

圖5 RFID系統(tǒng)工作流程 Fig.5 Work flow of RFID system

4.2 比較器驅(qū)動(dòng)方案

本系統(tǒng)也可采用高頻波形發(fā)生器產(chǎn)生頻率為 100 KHz的正弦波激勵(lì)信號(hào)，將該正弦波信號(hào)送入變壓器電橋電路的原線圈，兩個(gè)副線圈，一組用于測(cè)量橋路，具有中心抽頭，另一組副線圈產(chǎn)生的信號(hào)作為同步信號(hào)，它與原線圈同頻率同相位，用為A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。測(cè)量橋路的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)量程調(diào)整電路后成為0～5 V的正弦電路信號(hào)，被送到高速A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將結(jié)果送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理后進(jìn)行顯示，并送到D/A轉(zhuǎn)換器和U/I變換模塊變換成4～20 mA的信號(hào)輸出。A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由同步信號(hào)Ur=Asinωt（頻率為 100 KHz，幅值為 5 V），當(dāng)相位為π/4時(shí)，Ur=3.5V，經(jīng)比較器進(jìn)行幅值比較后，輸出為移相π/4的方波。

4.3 定點(diǎn)取樣積分的測(cè)量方案

上述兩種方案的共同點(diǎn)是對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度要求很高，且抗干擾能力不強(qiáng)。對(duì)于微弱號(hào)來(lái)說(shuō)定點(diǎn)取樣積分是信號(hào)處理的方法之一，對(duì)于周期信號(hào)的固定相位點(diǎn)，每隔一個(gè)或都幾個(gè)周期對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行取樣，長(zhǎng)時(shí)間累積并平均，能夠得到該點(diǎn)準(zhǔn)確的幅值信息，基本不受噪聲的影響[5～7]。利用定點(diǎn)積分方法來(lái)解決射頻導(dǎo)納物位測(cè)量中對(duì)電橋輸出信號(hào)的π/4相位點(diǎn)的取值，是微弱信號(hào)技術(shù)與射頻導(dǎo)納物位測(cè)量的巧妙結(jié)合，在獲得真實(shí)信號(hào)、消除掛料影響的同時(shí)，還能夠提高輸出信號(hào)的噪比，改善系統(tǒng)性能，同時(shí)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度也大大降低。取樣積分電路及測(cè)量原理框圖如圖6所示。

圖6 取樣積分電路及測(cè)量電路原理 Fig.6 Sampling integral circuit and measurement circuit principle

激勵(lì)信號(hào)源輸出幅值為1 V，頻率為100 KHz的正弦波，進(jìn)入交流電橋后輸出兩路信號(hào)，一路是與被測(cè)物位有關(guān)的正弦信號(hào)，另外一路是與激勵(lì)信號(hào)同頻同相的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)高速過(guò)零比較器后，輸出與激勵(lì)信號(hào)同頻同相的同步方波信號(hào)，為取樣脈沖的產(chǎn)生提供觸發(fā)信號(hào)。取樣脈沖由雙路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，以同步方波作為第一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)，選擇合適的R1C1參數(shù)，輸出與觸發(fā)信號(hào)同周期的矩形波VQ1，將VQ1作為第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)，同樣可以得到一個(gè)同周期的矩形波信號(hào)VQ（低電平持續(xù)時(shí)間由R2C2決定），VQ的反相輸出信號(hào)就是取樣積分器的取樣脈沖，延遲時(shí)間t和取樣脈沖寬度Tg可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)任意相位點(diǎn)的取樣及取得最佳的取樣效果。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以前酵發(fā)酵罐內(nèi)落米后發(fā)酵5 h后的半固半液溶液為例，因?yàn)槿芤褐写嬖诠腆w物質(zhì)，所以，當(dāng)罐內(nèi)溶液液位下降時(shí)，會(huì)有黏附物質(zhì)掛料。罐內(nèi)總高度2 m，罐內(nèi)初始液位高為1.5 m，讀取當(dāng)前電容值與電壓值；液位下降至0.3 m結(jié)束，再讀取當(dāng)前電容值與電壓值；測(cè)量當(dāng)前實(shí)時(shí)液位的高度，并與公式（1）～（3）求得的液位高度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的精度比較高，基本在可接受的范圍內(nèi)；由于液位越低，黏附在射頻導(dǎo)納上的掛料狀態(tài)越復(fù)雜，因此，測(cè)量精度越低。

表1 物位高度與電容電壓的關(guān)系 Table 1 The relationship between level height and capacitance voltage

5 結(jié)論

黃酒發(fā)酵物位測(cè)量技術(shù)在黃酒發(fā)酵期間十分關(guān)鍵，其準(zhǔn)確性直接影響了黃酒的品質(zhì)與口感，文章將射頻導(dǎo)納技術(shù)與黃酒發(fā)酵結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)分析前后酵發(fā)酵罐內(nèi)物料的導(dǎo)電性及掛料的問(wèn)題，提出了合理的解決方案。設(shè)計(jì)了前后罐發(fā)酵系統(tǒng)物位測(cè)量數(shù)據(jù)模型，并提出了兩種電源電路輸入方案，利用單片機(jī)PWM 功能做為時(shí)鐘信號(hào)的輸入，并設(shè)計(jì)了硬件驅(qū)動(dòng)電路及取樣積分電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，通過(guò)算法測(cè)量的液位高度與實(shí)際液位高度誤差小，因此，該方案在處理黃酒發(fā)酵液位變化時(shí)存在的掛料問(wèn)題有極大的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)不僅提高了黃酒發(fā)酵系統(tǒng)的精確度，也為黃酒發(fā)酵領(lǐng)域提出了一個(gè)新的解決方案。