Registrador de goteo basado en capacitancia

Necesito registrar el intervalo entre goteos en un sitio de trabajo de campo en una cueva sin interactuar físicamente con el goteo

(1) Definitivamente es posible un sensor basado en capacitancia .
Los circuitos integrados que le permiten medir cambios de capacitancia mucho más pequeños de lo que necesita y con ajuste automático automático están disponibles a precios razonables.

Solo ejemplo. AD7150: hoja de datos aquí .
Detección de tan solo 1 femtofaradio.
El tiempo de respuesta es de 10 ms, pero es posible que se pueda detectar una gota que cae a medida que cae a través del sensor (ventana). Habría que investigar.
Se puede operar "independiente" sin soporte de microcontrolador y PUEDE ser capaz de proporcionar entrada al registrador sin otro 'acondicionamiento'.

(2) IR! Sin embargo, puede [tm] lograr muy fácilmente las escalas de tiempo que desea utilizando técnicas de IR, y puede que le resulte más fácil. El "truco" habilitador es modular el haz IR en un ciclo de trabajo bajo a una velocidad lo suficientemente rápida como para no perder ninguna gota.

La capacidad de mAh de la batería y la velocidad de caída son relevantes.
Suponga por ahora una velocidad de caída de 5 m/s y una capacidad de batería de 2000 mAh.
También supondré que la ruta de caída no diverge horizontalmente "demasiado" y que se puede persuadir para que caiga a través de un círculo de área pequeño, de modo que un haz de infrarrojos se pueda interrumpir notablemente sin demasiado esfuerzo. Caer a través de un espacio oscuro IR ayudará.

Estas suposiciones se pueden modificar según se desee.
Por ejemplo, una batería LiPo media de 3600 mAh y 3,7 V superaría felizmente la capacidad anterior con suficiente voltaje para ejecutar un sistema basado en LED IR. . 6 meses ~= 4000 horas, por lo que el consumo medio de batería = 2000 mAh/4000 horas = 0,5 mA.
Esto es
0,5 mA con controlador IR de CC
5 mA al 10 % de IR encendido 50 mA al 1 % de IR encendido

5 mA puede ser marginal en algunos casos.
50 mA debería ser más que adecuado.

A 5 m/sa, una gota de agua cae 5 mm en 1 milisegundo.
Probablemente pueda detectar la interrupción del haz de una gota en una distancia física de 5 mm, pero si no, la distancia y, por lo tanto, el tiempo pueden reducirse.

La fuente de IR debe estar encendida durante al menos un "período de transmisión" durante el tiempo que la gota de agua está presente en la "abertura" del sensor. A 1 ms y 10 % de modulación, necesita un período de transmisión de 100 uS y un período de desactivación de 900 uS.
A 1mS y 1% de modulación, necesita 10 uS de transmisión y 990 uS de desactivación.
Si desea reducir la apertura a decir 1 mm, necesita un tiempo de cuadro de solo 200 uS (para una gota de agua a 5 m/s) 10%
encendido = 20 uS, apagado = 190 uS.
1% 0n = 2 uA, off = 198 uS.

El tiempo de transmisión de 2 uS está comenzando a convertirse en un desafío leve, pero aún es muy alcanzable con los componentes básicos listos para usar.

Los requisitos anteriores se pueden reducir a la siguiente fórmula.

Tcycle = A/V milisegundos (= período de repetición de pulso) Ton = D x A / V milisegundos.

• D = ciclo de trabajo ( 0 <= D <= 1)
  A = distancia de apertura (distancia de caída) en mm
  V = velocidad de caída en m/s

Si hubiera un tiempo mínimo conocido entre caídas, esto podría usarse para permitir que el detector se apague entre caídas, PERO esto no debería ser necesario.

El registro de datos es "solo cuestión de hacerlo".

El registrador puede integrarse con el detector en algunas implementaciones, pero conceptualmente es un subsistema diferente.
Debe especificar lo que desea registrar.
por ejemplo, tiempo de gota a gota - todos los datos registrados. y/o tiempo de gota a gota, guardado como una distribución.
Y o gotas por minuto/hora/día... - con qué resolución.
etc.

Las capacidades de memoria modernas son tales que es posible registrar todos los eventos si es necesario. Como ejemplo extremo, 1 gota por segundo durante 6 meses = 4000 horas x 3600 s/h = 14,4 millones de gotas. 128 MB de memoria permitirían alrededor de 9 bytes por caída. Registrar el tiempo absolutamente con una precisión de 1 segundo durante 6 meses requiere alrededor de 3 bytes de datos por gota. Hacerlo gradualmente requiere menos. Una memoria RAM estática o FRAM o Flash de 32 kB manejaría la tarea con facilidad con una corriente media mínima para todo el registrador en comparación con las necesidades del sensor IR con un diseño cuidadoso.

Es posible que se pueda utilizar un registrador estándar o se podría implementar un diseño personalizado. El concepto real es muy simple. Como siempre, la implementación práctica generalmente tendrá algunas trampas en el camino, pero el registrador es un proyecto simple.

Preguntas:

Velocidad máxima de caída = ?

Max 1D (horizontal) o 2D (área) de dispersión de gotas en el plano del sensor.

ambiente general? oscuro/claro, ventoso/calmado. (Supuesto oscuro y tranquilo en la cueva, pero tal vez no)

¿Período mínimo entre caídas?

¿Qué tamaño de batería es aceptable?

Especificaciones de registro (como arriba)

¿Quieres/necesitas 1/10/100/1000000 o estos (Llámame si 1000000 :-)).
¿Cuántos compraría la fraternidad maderera internacional cave ater drop en un año típico y cuánto estarían dispuestos a pagar?

Otro ...?

Otro enfoque completamente diferente es usar un sensor de presión de aire ultrasensible para sentir el goteo zumbando.

Estos sensores tienen dos puertos que pueden medir una diferencia de presión entre ellos. Esto es conveniente porque el goteo tiene una presión más alta delante y una presión ligeramente más baja detrás.

Deje que el goteo caiga a través de un tubo para ayudar a concentrar la onda de presión. Monte el sensor de modo que esté midiendo la diferencia de presión entre la parte superior e inferior del tubo (aunque no justo en la parte superior e inferior).

Conecta la salida a un filtro de paso alto y un comparador, y deberías obtener un pulso por cada goteo que pasa.

La desventaja es que el consumo de energía es de aproximadamente 2 mA. Sin embargo, podría ahorrar energía pulsando estas cosas. Si la tasa de goteo es razonablemente constante y no cambia rápidamente, mida la tasa de goteo para el primer par de gotas. Ahora puede predecir aproximadamente cuándo llegará el próximo goteo. Apague el sensor hasta un momento antes de que llegue el siguiente goteo, luego vuelva a apagarlo tan pronto como detecte el goteo.

No capacitivo, pero aquí hay un papel que mide la energía cinética de las gotas de agua con un piezoeléctrico.

Dices que el goteo no puede golpear ninguna superficie, pero eventualmente tendrá que golpear algo. Y cuando lo haga, tendrá que hacer ruido. Si puede montar un micrófono cerca del punto de impacto, entonces debería poder hacer un detector muy sensible que use muy poca energía.

Usando un amplificador operacional y un comparador de baja potencia, puede hacer un circuito que despierte su microcontrolador del sueño profundo en cada goteo. Luego, la MCU registra el goteo y vuelve a dormir hasta que cae el siguiente goteo. Esta será una solución de potencia mucho menor que cualquier otra que involucre IR, y debería poder mantener esto funcionando durante al menos un año.

En cuanto a las soluciones IR. ¿Es esta una cueva completamente oscura?

Si es así, entonces 0,5 mA debería ser suficiente corriente para hacer funcionar el LED. Probablemente incluso podrá hacer que funcione con una corriente más baja. Ni siquiera es necesario pulsarlo. Para obtener la máxima eficiencia, utilice varios LED IR en serie. Si la fuente de alimentación es de 6v y los LED IR tienen una caída de voltaje directo de menos de 1,5v, entonces probablemente pueda salirse con la suya usando 3 en serie, más una pequeña resistencia en serie. De esta manera, más potencia va a los LED y menos a la resistencia. Además, use una lente para enfocar la luz en el sensor.

Si la cueva está expuesta a la luz del día, es posible que la luz del día interfiera con su sensor. En ese caso, vale la pena pulsar el LED para que pueda usar un filtro de paso alto para detectar la diferencia entre la luz del LED y la luz del día.

¿Qué tan estrechamente espaciados están los goteos? Un haz de infrarrojos no será muy ancho, por lo que las gotas dispersas (quizás provocadas por el cambio de las corrientes de aire) no llegarán al haz.

Una solución es usar un LED IR y varios detectores. De esa manera, esencialmente tienes varios haces. Sin embargo, necesitará usar una lente cilíndrica para crear una lámina plana de luz, en lugar de un haz.

Otra solución es usar un haz y hacerlo rebotar entre dos espejos, creando una red de luz que debería poder atrapar gotas en un área más grande. Esto es más difícil de configurar y sería más fácil si estuviera usando luz visible, para que pueda ver dónde colocar el sensor.