用于强对流天气观测的微型云水含量传感器*

2012-08-09刘清惓张加宏

电子器件 2012年6期

丁铁，刘清惓，张加宏

(南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044)

云水含量测量传感器广泛应用于人工降雨、云物理研究等领域。例如在人工降雨的工作中，云中过冷水滴要经过成冰过程转换为降雨水滴。一般情况下，决定被作业的冷云降雨的重要条件在于云中是否有足够的过冷水滴存在［1－2］，因此如何测量云中液态水含量对于气象研究和业务应用是有较为重要的意义。目前主流的云水含量测量方法主要有光学测量法、微波测量法和热线仪测量法等。光学测量方法，一般在风洞中进行测试，但是由于受到其设备体积和测量环境限制，很难安装在中小型风洞中，成本较大。微波测量方法，它能够长时间、高分辨率、高精度探测和可无人监察的连续工作，但是由于其测量微弱信号的能力较低，不能完成具体部位具体云层含水量的测量［3］。热线仪测量方法，传统热线仪传感器由于受到其体积的限制，会造成云中大水滴在热线上来不及全部蒸发而流失，使测量结果偏低［4］，并不能完成强对流天气下的测量作业。譬如美国SEA 公司生产的J－W 云水含量传感器，量程为0～3 g/m3，需要由有人驾驶飞机搭载，且功耗达到数百瓦［5］。随着技术的发展，云水含量传感器逐渐向小型化、集成化发展，将成为该领域技术发展的趋势。本文提出的微型云水含量传感器采用了独特的结构和加工工艺，使其具备体积小、功耗低、重量轻等特点，而且制造工艺相对简单，便于与其它器件集成，成本较低。

1 传感器的结构与工作原理

微型云水含量传感器以飞机或探空气球作为搭载平台，可以穿越位于各种高度的云层。在工作状态下，传感器表面温度被自动控制在约140℃，高于水的沸点，以便于云中液态水滴蒸发。表面正方形铜片为敏感电极区域，铜片底部集成了测温铂电阻和加热电阻。在其飞行过程中，云中液态水滴会粘附在铜片表面，传感器的高温引起水滴被加热及蒸发，使加热电阻的温度下降，其阻值也随之降低，在固定电压下通过的电流则变大。一般认为传感器增加的电流能量等于所捕获的云中液态水含量使之加热及蒸发所消耗的能量［6］，通过计算从而实时测量云水含量，微型云水含量传感器结构示意图如图1所示。

图1 微型云水含量传感器结构示意图

2 传感器模拟与仿真

2.1 有限元模型设计

为了研究微型云水含量传感器在强对流天气测量结果的准确性和可靠性，利用ANSYS 有限元分析软件对传感器结构进行稳态热分析［7－8］。在进行建模热分析之前，可以对传感器模型进行以下简化和假设［9］:忽略粘贴各模块之间的硅胶，理想认为不同材料之间的粘接是紧密无缝;由于内部使用极细的引线，可忽略PCB 板和两电阻之间的连线。

通过上面的简化和假设，应用ANSYS 仿真软件对传感器建模并进行网格划分，铜片面积为16 mm×16 mm，铂电阻和加热电阻的面积分别为1.5 mm×3 mm和4 mm×6 mm，本次仿真为获得准确的仿真结果和缩短分网时间，可对实体模型采用自由网格划分，其中各材料的热特性参数如表一所示［10］。

表1 材料热特性参数

传感器迎风面热流密度公式如下:

式(1)中的LWC 代表云水含量，V 代表风速，E水则代表1 g 水从0℃开始到蒸发掉所需要的热量。边界条件:传感器底面施加温度载荷，使传感器表面温度为0℃，以模拟传感器在高空中的环境温度，给传感器迎风面加载50 W/(m2×℃)热对流系数，各塑料壳体表面加载20 W/(m2×℃)热对流系数［11］，根据式(1)计算得到用来模拟小水滴蒸发时所需的热流密度，在传感器迎风表面上加载－24 000 W/m3的热流密度(周边环境条件:云水含量2 g/m3，风速为5 m/s)。

2.2 模拟结果及分析

本文设计的传感器主要用来测量强对流天气下的云水含量，云中液态水含量会随着高度的增加而缓慢减小。在云水含量为2 g/m3时，给加热电阻加一定的生热率，使前端探头温度保持在140℃。由于传感器各材料的导热系数不一致，可采用APDL语言编程试算加热功率大小，根据前次计算结果，不断修改计算值，直到满足传感器迎风面温度精度的要求。通过多次计算，将大小为3.6×108W/m3的生热率载荷施加于加热电阻上(相当于加热电阻加热功率8.6 W)，使探头表面温度达到140℃，其温度分布图由图2所示。

图2 加载生热率时温度分布图(℃)

加热电阻加载一定的发热率，由图2 可以看出，其表面温度达到143.175℃，传热到铜片表面，使温度达到140℃，满足实验条件。通过ANSYS 软件仿真得到在不同云水含量下传感器模块的温度分布图，得到一组云水含量和所需加热功率的数据如表2所示，由此推出加热电阻所需加热功率的大小和云水含量之间的关系。

表2 云水含量和加热电阻加热功率数据关系

水滴蒸发热功率公式如下:

式(2)中的P 代表水滴蒸发热功率，mV指单位体积的水含量，V和E水与式(1)中代表的意义相同，A表代表接触面积。通过仿真得到加热功率数据与采用式(2)计算得到的数值大致相同，可推出传感器的设计是可行的。

从表2和图3 可以看出，云水含量的大小与加热功率的大小呈线性关系，当云水含量增大时，所需的加热功率也随之变大。可见，可通过计算加热电阻所需的加热功率来得到云水含量大小，以达到检测云中液态水含量的目的。

图3 云水含量与加热电阻生热功率关系图

3 温度控制电路设计

3.1 温度控制工作原理

本文提出的微型云水含量传感器前端探头表面温度可与传统传感器保持一致，根据国外一些文献资料，将其温度控制在140℃［12］，以保证测量结果的准确性。外围温度控制电路的电源选用12 V 稳压电源，加热电阻阻值为40Ω。其温度控制系统选用单片机MSP430F149为控制核心，内部自带一个12 bit AD和两个16 bit 定时器，在定时器的比较模式下产生PWM 波，通过测量铂电阻阻值以控制PWM 波形的占空比来达到控制温度的目的［13－14］，传感器温度控制系统框图如图4所示。

图4 地面调试传感器温度控制系统框图

3.2 PID 控制算法

温度控制已经成为工业和科研活动中的一个重要环节，能否准确的进行温度控制也就变的尤为重要，因为控制对象的多样性和复杂性，所以温控手段也具有多样化。本文中采用PID 控制原理进行温度控制，PID 控制算法能够在控制过程中根据设定好的控制规律不停的自动控制使温度控制值朝设定值过渡，最后能够达到在控制精度范围内的稳定平衡状态［15］。其算法有2种:位置式算法和增量式算法。

位置式算法主要是控制当前需要的测量值，其过程与整个过去的状态有关，用到误差的累加值，如式(3)所示:

增量式算法则是两次相邻标准运算之差，得到的结果是增量，也就是说在上一次控制量基础上所需要的增量，其公式如式(4)所示:

其中Kp为比例项系数，Ki为积分项系数，Kd为微分项系数，e(t)为输入偏差量，e(t－1)为上次输入偏差量，e(t－2)为上上次输入偏差量。输入偏差量e(t)表示为当前测量值与设定值之差，设定目标值是被减数，结果可以是正或者负，正数表示还没有达到，而负数则表示已超过设定值，这是面向比例项所需要运用的变动数据。累计偏差∑e(t)表示每一次测量偏差值的误差，这是代数和，是面向积分项运用的变动数据。输入偏差量的相对偏差Δe(t)=e(t)－e(t－1)表示本次的输入偏差量与上次的输入偏差量差值，用来考察当前控制对象的变化趋势，作出快速反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动依据。

3.3 测量方式选择及结果

本文对传感器迎风表面进行温度控制，控制量占空比与整个过程有关，需要不停测量误差的累加值，可选用PID 位置式算法进行控制。每隔50 ms采样一次测量值，进行PID 运算，通过调试PID 的各种参数，使温度控制的精度能够达到实验的要求。

图5为云水含量传感器控制参量温度和占空比结果显示图。从图5(a)可以看出温度准确控制在140℃±0.3℃。图5(b)中则可以看出此时控制量占空比在0.6 左右，由于加热电源为12 V，加热电阻为40Ω，因此通过运算可得到加热功率为2.16 W。可以看出，与上文云水含量为0 时所需的加热功率2.32 W 相差仅7%。

图5 云水含量传感器控制参量结果显示图

在强对流天气下，传感器需以气球为搭载平台进行云水含量测量。为了测量的准确性，在实验室中搭建一个模拟实际操作环境的实验平台。在近似密闭环境中，利用喷雾装置喷质量m为0.1 g 的液态水以模拟，假设水滴均匀分布，测其分布面积S为0.05 m2，水滴加热及蒸发的时间t为1 s，通过式(5)计算可将此模拟成云水含量为0.4 g/m3的云水含量。在实验中，使用风机产生气流，气流方向与传感器迎风面垂直，用以模拟传感器在高空中空气对流对传感器的影响。

图6为水滴粘附传感器迎风面结果显示图。从图6(a)可看出传感器在水滴粘附到其表面之前，温度能够保持在140℃±0.3℃。当受到空气对流和水滴对它的影响时，温度会骤降2℃左右，然后在短时间(约1 s 内)回升保持到140℃±0.3℃。实验结果表明，微型云水含量传感器在测量云水含量时，即使遇到云中大水滴，传感器表面的温度也大于水的沸点，能够将其完全蒸发以避免水滴量流失，保证了测量结果的准确性，其性能优于传统热线仪传感器。从图6(b)中可看出当水滴粘附到传感器迎风面时，占空比会变大并进行调节，最后稳定在0.6 左右。这段时间的占空比值如表3所示，经过运算可得到此期间加热电阻所加载的平均功率P1为3.32 W。通过式(6)计算可得到此时云水含量为0.37 g/m3，与所模拟的0.4 g/m3云水含量基本符合。由此推出此微型云水含量传感器可用来测量强对流天气下的云水含量。

其中，P0为云水含量为0 时所需的加热功率，t为水滴加热及蒸发的时间，E水、V和A表与式(2)中代表的意义相同。

图6 水滴粘附传感器迎风面结果显示图

表3 水滴粘附传感器迎风面时占空比值

4 结论

本文设计了一种在传统技术基础上研制出来的微型云水含量传感器，它具有较高的灵敏度和线性度。并利用有限元仿真分析和实际实验相结合的方法对传感器的结构及性能进行模拟测试，得到了加热电阻的加热功率与云水含量之间的关系，以此推出强对流云层中液态水含量的大小。还利用PID控制原理对传感器芯片探头表面进行温度控制，便于得到准确的云水含量测量值。与传统热线仪传感器比较，微型热线仪传感器具有体积小、功耗低、性能可靠等优点，在气象探测和灾害预警领域具有广阔的应用前景。

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