液滴分析仪传感信号处理方式的研究

　　1　引　　言

　　液滴分析技术是随着人们对可持续发展战略和保护生态环境的重视而逐步发展起来的,它是指在一定测试系统条件下,在被测液体形成液滴的过程中,采用各种手段对被测液滴实施监测,以获得该被测液体的物理、化学特性参数,对液体进行定性和定量识别的技术。

　　早在一个世纪以前,Tait和Rayleigh首次提出“液滴体积原理”,即在一定条件下,液滴体积的大小包含了该液体的诸多物理、化学特性[1～2]。此后,人们通过对液体表面物理、化学现象的研究,进一步发展了液滴分析技术的基础理论。研究证实,在一定条件下(压力,温度等),液滴的形状、体积以及生成过程,都是由液体本身所特有的性质决定的;测量液滴体积和监测液滴的形成过程,可以获得该液体的某些物理、化学参数。

　　1992年,爱尔兰的McMillan博士等人提出了光纤滴滴分析的实验方法FDA ( Fiber DropAnalyzer)[3],其原理是通过两根插入液滴的光纤分别将光导入液滴并获取经过液滴反射、散射、折射后的光信号,由此得到接收光强在生长过程中随时间变化的曲线,它反映液体的多种特性且在确定条件下具有唯一性,称为“液滴指纹图”FDT(Fiber Drop Trace)。对于液滴指纹图在规律机械振动情况下的变化,以及利用液滴指纹图对液体进行识别等方面,也有相应的研究报道[4～5]。

　　光纤液滴分析技术是从光学角度出发,在液滴形成过程中获得被测液体的特性,它与液滴体积原理没有直接联系,不能直接测出液滴的体积。天津大学的王春海博士等人于1999年提出了电容液滴分析的方法CDA(Capacitive Drop Analyzer)[6],由滴头和环形极板构成特殊的电容传感器,将液滴生长过程中的体积变化转变成电容传感器电容量的变化。通过电容液滴分析方法可以获得液滴在生长过程中任意时刻的体积值,其前提是被测液体的介电常数已知或者可以实时测量获得。由于FDT反映的是光信号随时间变化的规律,这实际上意味着液滴生长速度不仅要慢,以达到所谓准平衡状态,而且要在每次测量时必须以确定的流量形成液滴,否则,测量结果将没有可比性。由于液滴生长速度是由供液系统对毛细管流量的定量控制决定的,因此这无疑在实践中对供液系统的设计和制造都提出了非常高的要求。如果液滴生长速度不能精确控制在要求范围内,那么就无法保证测量的重复性和指纹图的唯一性。

　　基于光纤液滴分析技术和电容液滴分析技术,天津大学裘祖荣博士提出了“基于液滴体积的液滴指纹图”的表达VFDT(Volume-based Fiber Drop Trace),即光纤接收端的光强信号随液滴瞬时体积变化的曲线[7～8]。该表达方式理论上解决了以时间为基准的液滴指纹图受供液系统流量稳定性影响的难题,排除了液滴生长速度和液体挥发性对液滴指纹图的影响,既提高了测量的重复性,也提高了液滴指纹图的可比性。同时,光纤、电容液滴分析技术使液滴分析涉及了被测液体更多的特性,从而能够更全面地分析、鉴别被测液体。