1 液滴体积测量原理
液滴经承雨器从毛细管上部缓慢流下时,在管端形成稳定的液滴。当液滴重量大于管周边的液体表面张力时,液滴在管端收缩,而后断裂。断裂后的液滴垂直下落,从电容的两个极板之间通过,电容的变化量是一个pF级的微弱信号。测量微小电容变化量的检测方法有许多,我们选用美国MAXIM公司生产的MAX038芯片构成函数发生器振荡电路,用脉冲数定时测频法:记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Nx,则待测频率为Fx=Nx/Tc,将电容的变化量ΔCi→Δfi→ΔNi转换成计数脉冲的变化。
MAX038是一个高频率、精确的信号发生器,用最少的外围元件就可以产生精确的高频三角波、正弦波、方波。通过一个内置2.5V的参考电压和外围的电阻、电容元件,可使它的输出频率在0.1Hz到20MHz内变化。其输出频率由下式给出:
I是MAX038电流输入端电流,可置为常量。CF为外接电容。
若采用平行极板电容,忽略边界效应,且假设水滴在平行极板内部时,其位置变化对电容没有影响,水滴的存在改变了极板电容的大小,将水滴等效为厚度为D的长方体,水的存在,相当于给极板的厚度增加了D,同时将极板间的距离减小了D。变化后的极板电容为:
因为频率F=N/T,N为所计脉冲个数,则
F0,C0为无液滴经过时对应的频率和电容;
F1,C1为有液滴经过时对应的频率和电容。
因此液滴的体积公式
F0,C0为无液滴经过时对应的频率和电容;
F1,C1为有液滴经过时对应的频率和电容。
因此液滴的体积公式
即液滴体积理论上与电容的相对变化,与引起的频率变化,与一定时间内的脉冲相对变化成线性关系。因此我们在电容传感器的上下放置两个垂直重叠的位置传感器,如图1所示。由两个位置传感器检测液滴经过电容传感器的起止时间及时间差。有液滴经过与无液滴经过两状态下电容传感器的输出由MAX038转换为频率变化,并由微处理器μPSD3251控制频率计数器对频率脉冲计数,并将该计数值转化为等时间比率下的相对变化值,用该相对变化值计算出对应液滴的体积。
2 软硬件实现
由于电容液滴传感器的初始电容量很小,被测基频很高,高于(5MHz),而且液滴经过时的电容变化量更小,以纯水为测量对象,液滴通过时振荡器输出频率的变化约为l00kHz。因此液滴电容传感器的处理电路必须尽量减小和消除电缆电容、寄生电容等的影响,需要高精度的频率计数电路。
选用μPSD3251为微控制器(MCU),它有双Flash存储器和SRAM,许多外设接口,可编程逻辑(DPLD,CPLD),以及JTAG在系统编程(ISP)。带两个标准异步通讯口,三个16位定时/计数器和两个外部中断,内置WDT。如图3所示用一个芯片即可实现频率的测量和数据处理。在μPSD3251的XTALI和XTAL2之间跨接22MHz晶体振荡器和微调电容,形成一个稳定的自激振荡器,构成时钟电路。RESET引脚外接电阻电容,实现上电自动复位。
即液滴体积理论上与电容的相对变化,与引起的频率变化,与一定时间内的脉冲相对变化成线性关系。因此我们在电容传感器的上下放置两个垂直重叠的位置传感器,如图1所示。由两个位置传感器检测液滴经过电容传感器的起止时间及时间差。有液滴经过与无液滴经过两状态下电容传感器的输出由MAX038转换为频率变化,并由微处理器μPSD3251控制频率计数器对频率脉冲计数,并将该计数值转化为等时间比率下的相对变化值,用该相对变化值计算出对应液滴的体积。
2 软硬件实现
由于电容液滴传感器的初始电容量很小,被测基频很高,高于(5MHz),而且液滴经过时的电容变化量更小,以纯水为测量对象,液滴通过时振荡器输出频率的变化约为l00kHz。因此液滴电容传感器的处理电路必须尽量减小和消除电缆电容、寄生电容等的影响,需要高精度的频率计数电路。
选用μPSD3251为微控制器(MCU),它有双Flash存储器和SRAM,许多外设接口,可编程逻辑(DPLD,CPLD),以及JTAG在系统编程(ISP)。带两个标准异步通讯口,三个16位定时/计数器和两个外部中断,内置WDT。如图3所示用一个芯片即可实现频率的测量和数据处理。在μPSD3251的XTALI和XTAL2之间跨接22MHz晶体振荡器和微调电容,形成一个稳定的自激振荡器,构成时钟电路。RESET引脚外接电阻电容,实现上电自动复位。
μPSD3251的两个外部中断分别接第一位置传感器和第二位置传感器。三个定时器中,T1作为比特率发生器,T2作为定时器中断,而T0用作频率计数器的高16位计数。低16位计数器由μPSD3251的CPLD功能实现,利用其16个输出宏单元(OMC)构成,其进位输出送MCU内部T0计数器,共同构成32位频率计数器。可用PSDsoft Express和Keil软件公司的μVision2集成开发环境来进行具体设计。
上述方法的测量步骤如下:
液滴垂直下落,经过第一个位置传感器时,光电开关1输出脉冲信号,使INT0变低,向微处理器申请中断,在INT0中断服务程序中,微处理器启动T2计时器并控制32位计数器开始对频率计数;当液滴下落经过第二个位置传感器时,该位置传感器输出脉冲信号,使INT1变低,向微处理器申请中断,在INT1中断服务程序中,微处理器停止T2计时,并得到计时时间值T,同时微处理器控制频率脉冲计数器停止对频率计数,并得到对应的计数值N1;微处理器同时根据时间值T启动定时中断,再控制频率脉冲计数器又开始对频率计数,经过时间值T,微处理器控制频率脉冲计数器停止对频率计数,并得到对应计数值N0;微处理器根据液滴经过电容传感器的计数值N1和没经过电容传感器的计数值N0的相对差值ΔN,计算出液滴体积V。
3 实验分析
3.1 流量计算
根据式(4),可计算液滴体积。首先通过实验确定K。对于一定体积Q的液体,其标定公式为:
n为总液滴数。
每隔10m,l取10m,l 20m,l直至90ml纯水做试验,将每一水滴的脉冲累计相加,以相应的累计脉冲相对差值为横轴,水滴流量为纵轴,用MATLAB语言实现最小二乘模拟,如图4所示。
即总流量与相对脉冲的关系:
所以单个液滴体积:
所以单个液滴体积:
按以上公式用不同体积的水验证可得,其相对误差约为0.5%,远高于一般雨量计4%的误差要求。
3.2 水位计算
作为雨量计使用,需要按最大最小降雨强度、雨量分辨率,计算其滴速要求和承雨器的面积。有了承雨器的面积S,即可按H=Q /S折算到相应水位值。
3.3 滴速计算
通过光电传感器采集两滴液滴之间的时间差,由单片机换算获得每分钟滴数值,可对全过程的滴速进行监控。
3.4 液滴分析
液滴分析的理论基础源于滴体积法。此法的基本原理是:当液体在管口成滴落下时,落滴重量与管口半径、液体表面张力有关。所以在一定条件下(压力,温度等),测量液滴体积和监测液体的液滴形成过程,可以获得该液体的某些物理、化学参数。以上获得的液滴体积以及滴速、时间等多参数,为液滴分析提供了可能。
4 结论
这种新型的液滴雨量测量装置,具有显著优点:采用两个位置传感器来检测液滴经过时间,消除了液滴经过电容传感器速度不同对频率计数累计值的影响;而采用对应两个时间段的频率计数值差值也消除了电容传感器及其电容/频率转换器的本底漂移干扰,保证了液滴测量的精确和可靠。该装置能够直接对每个下落液滴体积进行测量,测量精度高,测量动态速度快。除了可应用在气象领域,进行雨量的实时测量外,还可进一步应用在医学、化学领域进行滴速控制和表面张力等的分析。
参考文献:
[1]仇盛柏.光电水滴式分钟雨强计简介[ J].电波与天线,1989, (6): 7-8.
[2]李斌,李霞,等.液滴法电容式雨量计量方法及装置[P].国家知识产权局,发明专利,申请号: 200410084747. 6.
[3]单承赣.函数发生器芯片MAX038及在电容测量中的应用[J].集成电路应用, 2000, (1): 34-38.
作者简介:朱月明(1980—),女,硕士研究生,从事检测、控制与仪表的研究。
