Регистратор капель на основе емкости

Мне нужно записать интервал между капельницами на полевом участке в пещере без физического взаимодействия с капельницей

(1) Датчик на основе емкости определенно возможен.
ИС, которые позволяют вам измерять изменения емкости намного меньше, чем вам нужно, и с автоматической самоподстройкой доступны по разумным ценам.

Только пример. AD7150 — даташит здесь .
Обнаружение всего 1 фемтофарад.
Время отклика составляет 10 мс, но падающая капля может быть обнаружена, когда она проходит через датчик (окно). Надо бы обследоваться.
Может работать «автономно» без поддержки микроконтроллера и МОЖЕТ быть настроен на ввод данных в регистратор без других «условий».

(2) ИК! Тем не менее, вы можете очень легко [tm] достичь желаемых масштабов времени, используя методы IR, и это может оказаться проще. «Трюк» заключается в том, чтобы модулировать ИК-луч с низким рабочим циклом с достаточно высокой скоростью, чтобы не пропустить ни одной капли.

Емкость батареи мАч и скорость сброса имеют значение.
Предположим сейчас скорость падения 5 м/с и емкость аккумулятора 2000 мАч.
Я также предполагаю, что траектория падения не расходится по горизонтали «слишком сильно» и что ее можно убедить упасть через круг небольшой площади, так что ИК-луч можно заметно прервать без особых усилий. Падение через ИК-темное пространство поможет.

Эти предположения могут быть изменены по желанию.
Например, батарея LiPo емкостью 3600 мАч 3,7 В с большим удовольствием превысит указанную выше емкость с достаточным напряжением для работы системы на основе ИК-светодиода. . 6 месяцев ~= 4000 часов, поэтому средний расход батареи = 2000 мАч/4000 часов = 0,5 мА.
Это
0,5 мА с ИК-приводом постоянного тока
5 мА при 10 % IR вкл. 50 мА при 1 % IR вкл.

В некоторых случаях 5 мА может быть предельным значением.
50 мА должно быть более чем достаточно.

При скорости 5 м/с капля воды падает на 5 мм за 1 миллисекунду.
Вы, вероятно, можете обнаружить прерывание луча капли на физическом расстоянии 5 мм, но если нет, то расстояние и, следовательно, время могут быть уменьшены.

ИК-источник должен быть включен хотя бы на один «период передачи» в течение времени, пока капля воды находится в «апертуре» датчика. При 1 мс и модуляции 10% вам потребуется период передачи 100 мкс и период отключения 900 мкс.
При 1 мс и модуляции 1% вам потребуется 10 мкс на передачу и 990 мкс на выключение.
Если вы хотите уменьшить апертуру, скажем, до 1 мм, вам потребуется время кадра всего 200 мкс (для капли воды со скоростью 5 м/с), 10% вкл. =
20 мкс, выкл. = 190 мкс.
1% 0n = 2 мкА, выкл = 198 мкСм.

Время передачи 2 мкс становится немного сложным, но все же вполне достижимым с базовыми готовыми компонентами.

Приведенные выше требования можно свести к следующей формуле.

Tцикл = A/V миллисекунды (= период повторения импульсов) Ton = D x A/V миллисекунды.

• D = рабочий цикл ( 0 <= D <= 1)
  A = расстояние до апертуры (расстояние падения) в мм
  V = скорость капли в м/с

Если бы было известно минимальное время между сбросами, его можно было бы использовать для отключения детектора между сбросами, НО в этом нет необходимости.

Регистрация данных — это «просто вопрос выполнения».

Регистратор может быть интегрирован с детектором в некоторых реализациях, но концептуально это другая подсистема.
Вам нужно указать, что вы хотите зарегистрировать.
например, время падения - все данные записываются. и/или время падения, сохраненное как дистрибутив.
И или капель в минуту/час/день... - с каким разрешением.
и т. д.

Емкость современной памяти такова, что при необходимости можно регистрировать каждое событие. В качестве предельного примера: 1 капля в секунду в течение 6 месяцев = 4000 часов x 3600 с/ч = 14,4 миллиона капель. 128 МБ памяти позволят разместить около 9 байт на дроп. Время регистрации абсолютно с точностью до 1 секунды в течение 6 месяцев требует около 3 байтов данных на сброс. Выполнение этого постепенно требует меньше. Статическая RAM, FRAM или флэш-память объемом 32 КБ легко справятся с этой задачей при минимальном среднем токе для всего регистратора по сравнению с потребностями ИК-датчика при тщательном проектировании.

Можно использовать готовый регистратор или реализовать индивидуальный дизайн. Фактическая концепция очень проста. Как всегда, на пути практической реализации обычно есть несколько ловушек, но регистратор — это простой проект.

Вопросы:

Максимальная скорость падения = ?

Макс. 1D (по горизонтали) или 2D (площадь) рассеивания капель на плоскости сенсора.

Общая обстановка? темно/светло, ветрено/безветренно. (Предполагается, что в пещере темно и спокойно, но может быть и нет)

Минимальный междропный период?

Насколько большая батарея приемлема?

Характеристики ведения журнала (как указано выше)

Вы хотите/нужны 1/10/100/1000000 или эти (Позвоните мне, если 1000000 :-)).
Сколько купит международное братство лесозаготовителей пещеры в обычный год и сколько они будут готовы заплатить?

Другой ...?

Еще один совершенно другой подход — использовать сверхчувствительный датчик давления воздуха, чтобы чувствовать, как капли со свистом проносятся мимо.

Эти датчики имеют два порта и могут измерять разницу давлений между ними. Это удобно тем, что перед капельницей давление выше, а сзади немного меньше.

Пусть капля падает через трубку, чтобы сконцентрировать волну давления. Установите датчик так, чтобы вы измеряли разницу давлений между верхом и низом трубы (хотя и не прямо вверху и внизу).

Подключите выход к фильтру верхних частот и компаратору, и вы должны получать импульс для каждой проходящей капли.

Недостатком является то, что потребляемая мощность составляет около 2 мА. Тем не менее, вы можете сэкономить энергию, пульсируя этими вещами. Если скорость капель достаточно постоянна и не меняется быстро, измерьте скорость капель для первых двух капель. Теперь вы можете примерно предсказать, когда прибудет следующая капельница. Выключите датчик за мгновение до появления следующей капли, а затем снова выключите, как только обнаружите каплю.

Не емкостный, а вот бумажка , измеряющая кинетическую энергию капель воды с помощью пьезоэлемента.

Вы говорите, что капля не может коснуться какой-либо поверхности, но в конце концов она должна во что-то попасть. И когда это произойдет, он должен будет наделать шума. Если вы можете установить микрофон близко к точке удара, вы сможете сделать очень чувствительный детектор, потребляющий очень мало энергии.

Используя маломощный операционный усилитель и компаратор, вы можете создать схему, которая пробуждает ваш микроконтроллер от глубокого сна при каждой капле. Затем MCU записывает каплю и снова засыпает, пока не приземлится следующая капля. Это будет решение с гораздо меньшим энергопотреблением, чем что-либо, связанное с ИК-подсветкой, и вы сможете поддерживать его в рабочем состоянии не менее года.

Что касается IR-решений. Это полностью темная пещера?

Если это так, то 0,5 мА должно хватить для работы светодиода. Вероятно, вы даже сможете заставить его работать на более низком токе. Не нужно даже пульсировать. Чтобы получить максимальную эффективность, используйте несколько ИК-светодиодов последовательно. Если источник питания составляет 6 В, а прямое падение напряжения на ИК-светодиодах составляет менее 1,5 В, то, вероятно, вам удастся использовать 3 последовательных резистора плюс небольшой последовательный резистор. Таким образом, больше энергии поступает на светодиоды и меньше на резистор. Кроме того, используйте линзу, чтобы сфокусировать свет на датчик.

Если пещера подвергается воздействию дневного света, вы можете обнаружить, что дневной свет мешает вашему сенсору. В этом случае стоит включить пульсацию светодиода, чтобы можно было использовать фильтр верхних частот для обнаружения разницы между светом светодиода и дневным светом.

Насколько плотно расположены капельницы? ИК-луч не будет очень широким, поэтому рассеянные капли (возможно, вызванные изменением воздушных потоков) не попадут в луч.

Одним из решений является использование одного ИК-светодиода и нескольких детекторов. Таким образом, у вас будет несколько лучей. Однако вам нужно будет использовать цилиндрическую линзу, чтобы создать плоский лист света, а не луч.

Другое решение состоит в том, чтобы использовать луч и отражать его между двумя зеркалами, создавая паутину света, которая должна улавливать капли на большей площади. Это сложнее настроить, и было бы проще, если бы вы использовали видимый свет, чтобы вы могли видеть, где разместить датчик.