用于強對流天氣觀測的微型云水含量傳感器*

丁 鐵，劉清惓，張加宏

(南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京 210044)

云水含量測量傳感器廣泛應用于人工降雨、云物理研究等領域。例如在人工降雨的工作中，云中過冷水滴要經(jīng)過成冰過程轉換為降雨水滴。一般情況下，決定被作業(yè)的冷云降雨的重要條件在于云中是否有足夠的過冷水滴存在［1－2］，因此如何測量云中液態(tài)水含量對于氣象研究和業(yè)務應用是有較為重要的意義。目前主流的云水含量測量方法主要有光學測量法、微波測量法和熱線儀測量法等。光學測量方法，一般在風洞中進行測試，但是由于受到其設備體積和測量環(huán)境限制，很難安裝在中小型風洞中，成本較大。微波測量方法，它能夠長時間、高分辨率、高精度探測和可無人監(jiān)察的連續(xù)工作，但是由于其測量微弱信號的能力較低，不能完成具體部位具體云層含水量的測量［3］。熱線儀測量方法，傳統(tǒng)熱線儀傳感器由于受到其體積的限制，會造成云中大水滴在熱線上來不及全部蒸發(fā)而流失，使測量結果偏低［4］，并不能完成強對流天氣下的測量作業(yè)。譬如美國SEA 公司生產的J－W 云水含量傳感器，量程為0～3 g/m3，需要由有人駕駛飛機搭載，且功耗達到數(shù)百瓦［5］。隨著技術的發(fā)展，云水含量傳感器逐漸向小型化、集成化發(fā)展，將成為該領域技術發(fā)展的趨勢。本文提出的微型云水含量傳感器采用了獨特的結構和加工工藝，使其具備體積小、功耗低、重量輕等特點，而且制造工藝相對簡單，便于與其它器件集成，成本較低。

1 傳感器的結構與工作原理

微型云水含量傳感器以飛機或探空氣球作為搭載平臺，可以穿越位于各種高度的云層。在工作狀態(tài)下，傳感器表面溫度被自動控制在約140℃，高于水的沸點，以便于云中液態(tài)水滴蒸發(fā)。表面正方形銅片為敏感電極區(qū)域，銅片底部集成了測溫鉑電阻和加熱電阻。在其飛行過程中，云中液態(tài)水滴會粘附在銅片表面，傳感器的高溫引起水滴被加熱及蒸發(fā)，使加熱電阻的溫度下降，其阻值也隨之降低，在固定電壓下通過的電流則變大。一般認為傳感器增加的電流能量等于所捕獲的云中液態(tài)水含量使之加熱及蒸發(fā)所消耗的能量［6］，通過計算從而實時測量云水含量，微型云水含量傳感器結構示意圖如圖1所示。

圖1 微型云水含量傳感器結構示意圖

2 傳感器模擬與仿真

2.1 有限元模型設計

為了研究微型云水含量傳感器在強對流天氣測量結果的準確性和可靠性，利用ANSYS 有限元分析軟件對傳感器結構進行穩(wěn)態(tài)熱分析［7－8］。在進行建模熱分析之前，可以對傳感器模型進行以下簡化和假設［9］:忽略粘貼各模塊之間的硅膠，理想認為不同材料之間的粘接是緊密無縫;由于內部使用極細的引線，可忽略PCB 板和兩電阻之間的連線。

通過上面的簡化和假設，應用ANSYS 仿真軟件對傳感器建模并進行網(wǎng)格劃分，銅片面積為16 mm×16 mm，鉑電阻和加熱電阻的面積分別為1.5 mm×3 mm和4 mm×6 mm，本次仿真為獲得準確的仿真結果和縮短分網(wǎng)時間，可對實體模型采用自由網(wǎng)格劃分，其中各材料的熱特性參數(shù)如表一所示［10］。

表1 材料熱特性參數(shù)

傳感器迎風面熱流密度公式如下:

式(1)中的LWC 代表云水含量，V 代表風速，E水則代表1 g 水從0℃開始到蒸發(fā)掉所需要的熱量。邊界條件:傳感器底面施加溫度載荷，使傳感器表面溫度為0℃，以模擬傳感器在高空中的環(huán)境溫度，給傳感器迎風面加載50 W/(m2×℃)熱對流系數(shù)，各塑料殼體表面加載20 W/(m2×℃)熱對流系數(shù)［11］，根據(jù)式(1)計算得到用來模擬小水滴蒸發(fā)時所需的熱流密度，在傳感器迎風表面上加載－24 000 W/m3的熱流密度(周邊環(huán)境條件:云水含量2 g/m3，風速為5 m/s)。

2.2 模擬結果及分析

本文設計的傳感器主要用來測量強對流天氣下的云水含量，云中液態(tài)水含量會隨著高度的增加而緩慢減小。在云水含量為2 g/m3時，給加熱電阻加一定的生熱率，使前端探頭溫度保持在140℃。由于傳感器各材料的導熱系數(shù)不一致，可采用APDL語言編程試算加熱功率大小，根據(jù)前次計算結果，不斷修改計算值，直到滿足傳感器迎風面溫度精度的要求。通過多次計算，將大小為3.6×108W/m3的生熱率載荷施加于加熱電阻上(相當于加熱電阻加熱功率8.6 W)，使探頭表面溫度達到140℃，其溫度分布圖由圖2所示。

圖2 加載生熱率時溫度分布圖(℃)

加熱電阻加載一定的發(fā)熱率，由圖2 可以看出，其表面溫度達到143.175℃，傳熱到銅片表面，使溫度達到140℃，滿足實驗條件。通過ANSYS 軟件仿真得到在不同云水含量下傳感器模塊的溫度分布圖，得到一組云水含量和所需加熱功率的數(shù)據(jù)如表2所示，由此推出加熱電阻所需加熱功率的大小和云水含量之間的關系。

表2 云水含量和加熱電阻加熱功率數(shù)據(jù)關系

水滴蒸發(fā)熱功率公式如下:

式(2)中的P 代表水滴蒸發(fā)熱功率，mV指單位體積的水含量，V和E水與式(1)中代表的意義相同，A表代表接觸面積。通過仿真得到加熱功率數(shù)據(jù)與采用式(2)計算得到的數(shù)值大致相同，可推出傳感器的設計是可行的。

從表2和圖3 可以看出，云水含量的大小與加熱功率的大小呈線性關系，當云水含量增大時，所需的加熱功率也隨之變大。可見，可通過計算加熱電阻所需的加熱功率來得到云水含量大小，以達到檢測云中液態(tài)水含量的目的。

圖3 云水含量與加熱電阻生熱功率關系圖

3 溫度控制電路設計

3.1 溫度控制工作原理

本文提出的微型云水含量傳感器前端探頭表面溫度可與傳統(tǒng)傳感器保持一致，根據(jù)國外一些文獻資料，將其溫度控制在140℃［12］，以保證測量結果的準確性。外圍溫度控制電路的電源選用12 V 穩(wěn)壓電源，加熱電阻阻值為40Ω。其溫度控制系統(tǒng)選用單片機MSP430F149為控制核心，內部自帶一個12 bit AD和兩個16 bit 定時器，在定時器的比較模式下產生PWM 波，通過測量鉑電阻阻值以控制PWM 波形的占空比來達到控制溫度的目的［13－14］，傳感器溫度控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 地面調試傳感器溫度控制系統(tǒng)框圖

3.2 PID 控制算法

溫度控制已經(jīng)成為工業(yè)和科研活動中的一個重要環(huán)節(jié)，能否準確的進行溫度控制也就變的尤為重要，因為控制對象的多樣性和復雜性，所以溫控手段也具有多樣化。本文中采用PID 控制原理進行溫度控制，PID 控制算法能夠在控制過程中根據(jù)設定好的控制規(guī)律不停的自動控制使溫度控制值朝設定值過渡，最后能夠達到在控制精度范圍內的穩(wěn)定平衡狀態(tài)［15］。其算法有2種:位置式算法和增量式算法。

位置式算法主要是控制當前需要的測量值，其過程與整個過去的狀態(tài)有關，用到誤差的累加值，如式(3)所示:

增量式算法則是兩次相鄰標準運算之差，得到的結果是增量，也就是說在上一次控制量基礎上所需要的增量，其公式如式(4)所示:

其中Kp為比例項系數(shù)，Ki為積分項系數(shù)，Kd為微分項系數(shù)，e(t)為輸入偏差量，e(t－1)為上次輸入偏差量，e(t－2)為上上次輸入偏差量。輸入偏差量e(t)表示為當前測量值與設定值之差，設定目標值是被減數(shù)，結果可以是正或者負，正數(shù)表示還沒有達到，而負數(shù)則表示已超過設定值，這是面向比例項所需要運用的變動數(shù)據(jù)。累計偏差∑e(t)表示每一次測量偏差值的誤差，這是代數(shù)和，是面向積分項運用的變動數(shù)據(jù)。輸入偏差量的相對偏差Δe(t)=e(t)－e(t－1)表示本次的輸入偏差量與上次的輸入偏差量差值，用來考察當前控制對象的變化趨勢，作出快速反應的重要依據(jù)，這是面向微分項的一個變動依據(jù)。

3.3 測量方式選擇及結果

本文對傳感器迎風表面進行溫度控制，控制量占空比與整個過程有關，需要不停測量誤差的累加值，可選用PID 位置式算法進行控制。每隔50 ms采樣一次測量值，進行PID 運算，通過調試PID 的各種參數(shù)，使溫度控制的精度能夠達到實驗的要求。

圖5為云水含量傳感器控制參量溫度和占空比結果顯示圖。從圖5(a)可以看出溫度準確控制在140℃±0.3℃。圖5(b)中則可以看出此時控制量占空比在0.6 左右，由于加熱電源為12 V，加熱電阻為40Ω，因此通過運算可得到加熱功率為2.16 W?？梢钥闯?，與上文云水含量為0 時所需的加熱功率2.32 W 相差僅7%。

圖5 云水含量傳感器控制參量結果顯示圖

在強對流天氣下，傳感器需以氣球為搭載平臺進行云水含量測量。為了測量的準確性，在實驗室中搭建一個模擬實際操作環(huán)境的實驗平臺。在近似密閉環(huán)境中，利用噴霧裝置噴質量m為0.1 g 的液態(tài)水以模擬，假設水滴均勻分布，測其分布面積S為0.05 m2，水滴加熱及蒸發(fā)的時間t為1 s，通過式(5)計算可將此模擬成云水含量為0.4 g/m3的云水含量。在實驗中，使用風機產生氣流，氣流方向與傳感器迎風面垂直，用以模擬傳感器在高空中空氣對流對傳感器的影響。

圖6為水滴粘附傳感器迎風面結果顯示圖。從圖6(a)可看出傳感器在水滴粘附到其表面之前，溫度能夠保持在140℃±0.3℃。當受到空氣對流和水滴對它的影響時，溫度會驟降2℃左右，然后在短時間(約1 s 內)回升保持到140℃±0.3℃。實驗結果表明，微型云水含量傳感器在測量云水含量時，即使遇到云中大水滴，傳感器表面的溫度也大于水的沸點，能夠將其完全蒸發(fā)以避免水滴量流失，保證了測量結果的準確性，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)熱線儀傳感器。從圖6(b)中可看出當水滴粘附到傳感器迎風面時，占空比會變大并進行調節(jié)，最后穩(wěn)定在0.6 左右。這段時間的占空比值如表3所示，經(jīng)過運算可得到此期間加熱電阻所加載的平均功率P1為3.32 W。通過式(6)計算可得到此時云水含量為0.37 g/m3，與所模擬的0.4 g/m3云水含量基本符合。由此推出此微型云水含量傳感器可用來測量強對流天氣下的云水含量。

其中，P0為云水含量為0 時所需的加熱功率，t為水滴加熱及蒸發(fā)的時間，E水、V和A表與式(2)中代表的意義相同。

圖6 水滴粘附傳感器迎風面結果顯示圖

表3 水滴粘附傳感器迎風面時占空比值

4 結論

本文設計了一種在傳統(tǒng)技術基礎上研制出來的微型云水含量傳感器，它具有較高的靈敏度和線性度。并利用有限元仿真分析和實際實驗相結合的方法對傳感器的結構及性能進行模擬測試，得到了加熱電阻的加熱功率與云水含量之間的關系，以此推出強對流云層中液態(tài)水含量的大小。還利用PID控制原理對傳感器芯片探頭表面進行溫度控制，便于得到準確的云水含量測量值。與傳統(tǒng)熱線儀傳感器比較，微型熱線儀傳感器具有體積小、功耗低、性能可靠等優(yōu)點，在氣象探測和災害預警領域具有廣闊的應用前景。

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