馮國(guó)紅，裘祖榮 ，廖和琴

(1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072;2.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

液滴分析技術(shù)是依據(jù)一定測(cè)試條件下得到的液滴指紋圖，來細(xì)微識(shí)別液體的［1－3］。如圖1所示，在同一測(cè)試條件下，得到的兩種礦泉水的液滴指紋圖存在明顯差別，可見，可以借助液體的液滴指紋圖進(jìn)行不同水質(zhì)的識(shí)別。

目前液滴分析技術(shù)的研究，主要是在保證測(cè)試條件相同的前提下，獲得不同液體的液滴指紋圖，通過對(duì)液滴指紋圖進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)液體的識(shí)別。但在實(shí)際應(yīng)用中，很難保證測(cè)試條件不變，尤其是水本身溫度及周圍環(huán)境溫度，此時(shí)水本身溫度及環(huán)境溫度的變化是否會(huì)引起液滴指紋圖發(fā)生很大變化?如果液滴指紋圖受這兩方面溫度影響較大，將不利于液滴分析儀進(jìn)行戶外連續(xù)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)儀器時(shí)，需要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償方案;如果影響較小，則不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)?？梢姡芯繙囟葘?duì)液滴指紋圖的影響，對(duì)設(shè)計(jì)投入實(shí)際應(yīng)用的水質(zhì)液滴分析儀，有著不容忽視的實(shí)際意義。

圖1 兩種礦泉水的液滴指紋圖

目前用于液滴分析技術(shù)采用的方法主要有光纖液滴分析法［4－5］，電容液滴分析法［6－7］，光纖、電容液滴分析法［8］，圖像液滴分析法和光譜液滴分析法等［9－10］。其中光纖、電容液滴分析法是光纖液滴分析技術(shù)和電容液滴分析技術(shù)的融合，既可以獲得液滴形成時(shí)的輪廓信息，又可以獲得液滴不同生長(zhǎng)時(shí)刻的體積信息。將兩者信號(hào)融合，形成的基于體積的液滴指紋圖，不受供液泵供液速度的影響，提高了測(cè)量的重復(fù)性和可比性。本文將基于光纖、電容液滴分析技術(shù)，在環(huán)境溫度基本不變，水本身由較高溫度(57℃)降至接近室溫(31.3℃)期間，連續(xù)采集液滴指紋圖，比較各組液滴指紋圖，給出光纖信號(hào)和電容信號(hào)的變化幅度;并由光纖信號(hào)與折射率，電容信號(hào)與表面張力和介電常數(shù)的關(guān)系，計(jì)算不同溫度下純水的光纖信號(hào)和電容信號(hào)的變化幅度。

1 光纖、電容液滴分析法原理

光纖、電容液滴分析法的原理框圖如圖2所示。

圖2 光纖、電容液滴分析儀原理框圖

液體由供液泵推動(dòng)注射器、經(jīng)毛細(xì)管緩慢流向滴頭，由滴頭形成液滴。

光纖傳感器由光源、輸入光纖和輸出光纖組成。光源發(fā)出的光，由輸入光纖導(dǎo)入液滴，光線經(jīng)液滴反射、吸收和透射等作用后，部分反射光進(jìn)入輸出光纖，經(jīng)光電二極管接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再對(duì)電信號(hào)做相應(yīng)的放大濾波處理后，由采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，得到光纖液滴指紋圖。

電容傳感器由環(huán)形極板和滴頭組成。隨著液滴生長(zhǎng)過程中體積和形狀的變化，電容液滴傳感器的電容量也隨之發(fā)生變化，且二者呈線性關(guān)系。液滴體積(V)與電容變化量(C－C0)的關(guān)系為［11］:

式(1)中，V是液滴體積(m3);C0是無(wú)液滴時(shí)，環(huán)形極板和滴頭形成的本體電容(pF)，C是液滴體積V時(shí)的電容值(pF);ε0為真空介電常數(shù)(F/m)，其值為8.85×10－12F/m，εa為電容液滴傳感器的環(huán)形極板與液滴之間的空氣相對(duì)介電常數(shù)，其值為1，ε1為被測(cè)液體在實(shí)測(cè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)的相對(duì)介電常數(shù);k1(m2)，k2(無(wú)量綱)是與滴頭的幾何尺寸有關(guān)的修正系數(shù)，本文滴頭半徑 r=3 mm，k1=11.23×10－6m2，k2=0.185。

電容傳感器獲得的電容值，通過電容信號(hào)處理電路［12－13］，由采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，可得到電容體積變化曲線。

將得到的電容信號(hào)做橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的光纖信號(hào)做縱坐標(biāo)，可得到基于體積的液滴指紋圖。

2 水本身溫度對(duì)液滴指紋圖的影響分析

為了研究當(dāng)環(huán)境溫度基本保持不變、被測(cè)液體本身溫度發(fā)生變化時(shí)，液滴指紋圖受影響的程度。本文在室內(nèi)溫度為26.3℃ ～27.1℃時(shí)，對(duì)20 mL注射器中水溫由較高(57℃)降至接近室溫(31.3℃)期間，連續(xù)采集了16組液滴指紋圖。經(jīng)過比較各組液滴指紋圖，發(fā)現(xiàn)各組液滴指紋圖幾乎重合。為了表示清晰，文中僅給出最開始(第1組)、中間組(第8組)及最后一組(第16組)的液滴指紋圖，如圖3所示。

圖3 注射器中水溫下降過程中的液滴指紋圖

為了定量對(duì)比每組液滴指紋圖的變化情況，考慮到光纖信號(hào)和電容信號(hào)最大值(Vmax)不受液滴生長(zhǎng)時(shí)間影響，比較有代表性，如圖4和圖5所示。本文將每組液滴指紋圖的光纖信號(hào)和電容信號(hào)最大值(Vmax)進(jìn)行了匯總比較，得到的數(shù)值如表1所示。

由表1可知，在水溫由57℃降至31.3℃期間，光纖信號(hào)和電容信號(hào)最大值最大變化分別為0.17%和1.23%。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)半小時(shí)內(nèi)系統(tǒng)采集到液滴指紋圖中，光纖信號(hào)最大值(Vmax)最大變化 0.16%，電容信號(hào)最大值(Vmax)最大變化0.99%。可見水溫由57℃降至31.3℃期間，光纖信號(hào)和電容信號(hào)最大值最大變化與系統(tǒng)誤差相當(dāng)。

圖4 光纖液滴指紋圖

圖5 電容信號(hào)的變化曲線

表1 光纖信號(hào)及電容信號(hào)的最大值匯總

為什么液體本身溫度相差25.7℃，對(duì)液滴指紋圖影響這么小呢?分析原因發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)裝置中采用的毛細(xì)管直徑為3 mm、長(zhǎng)度為41 cm，僅可存儲(chǔ)約3 mL的水。在流速很慢的情況下，毛細(xì)管中溫度很快接近測(cè)量環(huán)境溫度，再加上一滴液滴的體積僅為0.08 mL左右，液滴從生成到滴落大約需20 s，因此，盡管注射器中液體溫度很高，但是經(jīng)毛細(xì)管流到滴頭形成的液滴溫度基本接近了測(cè)量環(huán)境溫度，而整個(gè)測(cè)試過程中，室溫最大變化為0.8℃，從而使得到的液滴指紋圖幾乎重合。

3 環(huán)境溫度對(duì)液滴指紋圖的影響分析

由水本身溫度對(duì)液滴指紋圖影響分析的結(jié)論可知，環(huán)境溫度的變化，將導(dǎo)致被測(cè)液滴產(chǎn)生相同的溫度變化。因此，本文以純水為例，對(duì)液滴溫度對(duì)光纖、電容信號(hào)的影響進(jìn)行了計(jì)算，以此反映環(huán)境溫度對(duì)液滴指紋圖的影響。

3.1 光纖信號(hào)的影響分析

光從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生反射，折射和吸收。如果入射光的強(qiáng)度為I0，吸收光的強(qiáng)度為Ia，透過光的強(qiáng)度為It，反射光的強(qiáng)度為Ir，則它們之間的關(guān)系為:

吸收光強(qiáng)主要由液體成分、濃度和厚度決定，溫度改變時(shí)，對(duì)吸收光強(qiáng)影響較小，可忽略。此時(shí)引起液滴指紋圖中光纖信號(hào)改變的主要是反射光強(qiáng)，且兩者成正比關(guān)系。反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之間的關(guān)系為:

式(3)中，ρ為反射率。在入射光強(qiáng)不變的情況下，光纖信號(hào)的相對(duì)變化與反射率的相對(duì)變化相等。下面分析一下，不同溫度下，反射率的相對(duì)變化情況。

當(dāng)光以入射角θ1從折射率n1的介質(zhì)射向折射率為 n2、折射角為 θ2的介質(zhì)時(shí)，反射率 ρ可表示為［14］:

當(dāng)光線垂直入射或入射角很小時(shí)，式(4)可簡(jiǎn)化為:

液滴分析中，光是從水中射向空氣，故有n2=1，反射率ρ主要取決于n1。本文為簡(jiǎn)化起見，僅考慮折射角很小的情況。

由物理化學(xué)簡(jiǎn)明手冊(cè)查得［15］，水在不同溫度下的折射率，如表2所示。

表2 不同溫度下水的折射率n1

由式(5)和表2中數(shù)據(jù)，可計(jì)算出不同溫度下水的反射率大小，如表3所示。

表3 不同溫度下水的反射率ρ

由表3中得到的反射率數(shù)據(jù)，可計(jì)算出表3中任意溫度差引起的反射率的相對(duì)變化率。本文計(jì)算了幾種典型溫度范圍的反射率變化率，如表4所示。

表4 幾種典型溫度范圍水的反射率變化率

3.2 電容信號(hào)的影響分析

由式(1)可知，電容信號(hào)的大小與被測(cè)液滴的體積及介電常數(shù)有關(guān)。

又由物理化學(xué)簡(jiǎn)明手冊(cè)可知，表面張力γ(mN/m)與液滴體積V(m3)之間的關(guān)系為:

式(8)中:d為被測(cè)液體與周圍介質(zhì)的密度差異系數(shù)(kg/m3)，簡(jiǎn)化時(shí)可用被測(cè)液體的密度ρ(kg/m3)代替，g為測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?m2/s)，r為毛細(xì)管外圈半徑(m)，F(xiàn)是經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。

由物理化學(xué)手冊(cè)查得，不同溫度下水的表面張力及介電常數(shù)值如表5和表6所示。

表5 不同溫度下水的表面張力γ

表6 不同溫度下水的介電常數(shù)εl

由式(6)及表6中數(shù)據(jù)，可計(jì)算出不同溫度下水的ε，如表7所示。

表7 不同溫度下水的ε

由式(9)、表5及表7中數(shù)據(jù)，可計(jì)算出表5中任意兩個(gè)溫度差之間的電容相對(duì)變化量，這里給出幾個(gè)典型溫度變化范圍的電容相對(duì)變化情況。

由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度變化在1℃左右，而現(xiàn)有液滴分析儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光纖信號(hào)誤差為0.16%、電容信號(hào)誤差為0.99%，因此，暫時(shí)無(wú)法進(jìn)行此部分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

在環(huán)境溫度基本不變，對(duì)水溫由57℃降至31.3℃期間，進(jìn)行了連續(xù)采集液滴指紋圖實(shí)驗(yàn)，分析了水本身溫度對(duì)液滴指紋圖的影響;由不同溫度下純水的折射率、表面張力和介電常數(shù)值，分析了環(huán)境溫度對(duì)純水液滴指紋圖中光纖信號(hào)和電容信號(hào)的影響大小，得出結(jié)論如下:

(1)液體本身溫度對(duì)液滴指紋圖幾乎無(wú)影響。

(2)環(huán)境溫度對(duì)光纖信號(hào)的影響比對(duì)電容信號(hào)影響小。

(3)環(huán)境溫度相差較小，如18℃ ～20℃，光纖信號(hào)和電容信號(hào)的相對(duì)變化僅為0.1%和0.5%，可忽略不計(jì);

(4)環(huán)境溫度相差較大，如18℃ ～30℃，光纖信號(hào)和電容信號(hào)的相對(duì)變化分別為0.64%和3%，對(duì)電容信號(hào)影響較大。識(shí)別精度要求較高時(shí)，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

由上述結(jié)論可以看出，液體本身溫度不影響液滴指紋圖識(shí)別水中的成分及硬度、粘度等;環(huán)境溫度變化大時(shí)，識(shí)別時(shí)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，此時(shí)只需要用普通溫度計(jì)或在系統(tǒng)中加入溫度傳感器測(cè)出環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)光纖、電容信號(hào)影響的大小進(jìn)行補(bǔ)償即可，較容易實(shí)現(xiàn)。需要說明的是，關(guān)于環(huán)境溫度對(duì)光纖信號(hào)和電容信號(hào)的影響，本文僅進(jìn)行了理論推導(dǎo)，推導(dǎo)過程中采用了近似計(jì)算，因此，本文的結(jié)果對(duì)實(shí)際溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)僅起到參考作用，實(shí)際補(bǔ)償數(shù)據(jù)還需要通過實(shí)驗(yàn)獲得。

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