Подсчитать число пузырьков воздуха, Требуется помощь в оценочном расчете Опции

[Vishv]

Доброго времени суток уважаемые форумчане!

Столкнулся с задачей из названия темы.

Суть задачи: по вертикальной стеклянной трубке диаметром 10 мм заполненной жидкостью изредка всплывают отдельные пузырьки
воздуха диаметром 0,2-0,5 мм.
Положение пузырьков - любое в поперечном сечении трубки.
Пузырьки всегда всплывают по одиночке.
Вот число этих пузырьков и надо подсчитать, желательно наиболее простым способом.
Пока остановился на следующей схеме:
Сверхярким светодиодом с узкой диаграммой направленности (м.б. и с коллиматором) просвечиваю трубку в горизонтальном
направлении.
Перпендикулярно лучу светодиода просматриваю трубку фотодиодом.
При появлении пузырька в луче светодиода на выходе фотодиода появляется импульс (ну как пылинка в солнечных лучах).
Вроде бы все должно работать (да и глазом эти пузырьки хорошо различаются - попробовал).
Однако при попытке как-то прикинуть схему обработки сигнала фотодиода понял, что окончательно запутался в оптике вообще и
в оптоэлектронике в частности.

Помогите хотя бы оценочно определить уровень сигнала на выходе фотодиода в этой конструкции, при условии, что светодиод имеет эффективность (если я правильно понял термин, ну запутался я в оптических терминах) 250 лм/Вт.

[Егоров]

Тут скорее узкая диаграмма должна быть у приемника, а освещение общим, равномерным.
Что-то смутно помню в астровизирах применяли стеклянную пластинку торцом. Если это будет те же 0.3-0.5мм, то сигнал , возможно, будет различим при ширине 10мм.
И еще... а нельзя ли трубку сузить в месте измерения и стенки сделать плоскими (прямоугольными). Рядовой стеклодув это умеет, только знать где его взять. На любой ВУЗовской кафедре химии раньше был в штате.

[alexunder]

Пока остановился на следующей схеме:
Сверхярким светодиодом с узкой диаграммой направленности (м.б. и с коллиматором) просвечиваю трубку в горизонтальном
направлении.

отличный вариант!

Однако при попытке как-то прикинуть схему обработки сигнала фотодиода понял, что окончательно запутался в оптике вообще и
в оптоэлектронике в частности.

Тут как раз ничего особенного если следовать совету от Егорова. С электроникой просто: обратносмещенный фотодиод (ФД), трансимпедансный преобразователь (U=-I*R, где R-сопротивление ОС ОУ), компаратор. Или же сразу компаратор с токовым входом. Выход компаратора как раз и будет давать Вам бинарное событие (лог "1" = есть пузырь). Дальше МК или что там у Вас планируется.

Помогите хотя бы оценочно определить уровень сигнала на выходе фотодиода в этой конструкции, при условии, что светодиод имеет эффективность (если я правильно понял термин, ну запутался я в оптических терминах) 250 лм/Вт.

чувствительности дешевых кремниевых ФД (выпаяйте из фотоприемника телевизора или DVD-плеера) за глаза хватит при таком светодиоде. Главное - выставить правильно порог срабатывания компаратора, когда свет будет рассеиваться с пузырька и попадать в ФД.

[Xenia]

Да приложить к этой трубке сбоку ... лазерную мышь - и всего делов! Даже электронику не надо городить - сама мышь будет считать пузырьки, как пиксельный сдвиг.

Есть еще и другой вариант, но тоже с мышью. Раньше были старые механические мыши, где шарик по столу катался. Движение того шарика превращалось в импульсы тем, что шарик своими боками крутил стержни, а на тех была надета крыльчатка с прорезями, которая крутилась в U-образной штуковине, с разных сторон которой смотрели на встречу друг на друга светодиод и фотоэлемент. Они-то и считали, сколько прорезей в крыльчатке прокручивается. Так вот надо ту крыльчатку изъять, а вовнутрь U-образной штуковины трубку засунуть, вдоль которой пузырьки всплывают.

P.S. Нашла, как научно называется эта U-образная штуковина - "щелевой оптрон для энкодеров":



Трубка диаметром 10 мм в такой зазор, конечно, не влезет, но возможно бывает такие "щелевые оптроны для энкодеров" и на больший зазор.
Например, у KTIR0511S (Photo-interrupter) зазор 5.4 мм, у KTIR0911S зазор 15 мм. Наверное и 10 мм можно найти, если поискать.

А потом использовать электронику мыши, присоединив вместо родного щелевого оптрона более широкий.

[Plain]

Одной оптопары однозначно мало — и из-за оптических искажений, и из-за относительно малого размера объекта — как минимум, порядка десятка по дуге 90°, и каждому фотодиоду — отдельный ОУ, отдельный вход АЦП и ждать одновременно со всех определённую длину импульса, как функцию скорости всплытия.

[Xenia]

Одной оптопары однозначно мало — и из-за оптических искажений, и из-за относительно малого размера объекта — как минимум, порядка десятка по дуге 90°, и каждому фотодиоду — отдельный ОУ, отдельный вход АЦП и ждать одновременно со всех определённую длину импульса, как функцию скорости всплытия.

Авось и так сойдёт! Тем более что в условии сказано "Пузырьки всегда всплывают по одиночке".

Размер объекта действительно мал, но это все-таки пузырь! А у пузырка воздуха в воде большущая кривизна поверхности, из-за чего он является сильнейшей (в смысле диоптрий) линзой. Из этого следует, что падающий на него свет он будет сильно рассеивать, благодаря чему должен хорошо определяться фотоприемником.

[Tano]

Какие светодиоды? Какие оптопары? Какие крыльчатки?
Надо поставить простую камеру и просто анализировать изображение на предмет появления "чего-то круглого".

А камеру с RS-232 выходом.

[Plain]

Подскажите, где такие купить, и ещё автор просил оценочно оценить человеко-часы на простое поднятие простой камеры и простой разбор изображения.

[Tano]

Ну что-то такое... "LCF-23M (протокол OV528) RS232". Плюс Матлаб. Передайте автору, что если договоримся, задачу решим в течении недели.

[Serhiy_UA]

Одной оптопары однозначно мало — и из-за оптических искажений, и из-за относительно малого размера объекта...

Две оптопары, одна над другой. Выходы которых в противоположные плечи мостовой схемы. Чувствительность из-за моста повысится...

[andrewkrot]

Ультразвуковая аппаратура неразрушающего контроля в тему )

[alexunder]

Странно, что еще никто не предложил STM32!

[Огурцов]

верно, и ёмкостной датчик

[gerber]

Поставьте всю колбу на весы (можно электронные), и воспользуйтесь 3-им законом Ньютона.

[Tanya]

Суть задачи: по вертикальной стеклянной трубке диаметром 10 мм заполненной жидкостью изредка всплывают отдельные пузырьки

А можно в трубке сделать сужение?

[Xenia]

А можно в трубке сделать сужение?

Тогда пузырь там застряет , но идея уже понятна - по проводимости на концах. Еще бы в эту трубку добавить катод, анод и сетку .

[Vishv]

Спасибо всем откликнувшимся!
Конечно первое, что пришло в голову это естественно поставить видеокамеру и заняться обработкой изображения
Однако это подразумевает наличие РС со всеми вытекающими последствиями...
Идея с капилляром на выходе и датчиком проводимости была проверена, но, как и указала Xenia, пузырьки упорно не желали лезть в капилляр поодиночке, кроме того этот метод требует предварительного удаления воздуха из системы.
Идея Xenia по использованию оптической мышки требует проверки, но что-то мне подсказывает, что без дополнительной оптики тут не обойтись. Сенсор мышки работает только при условии хорошей фокусировки изображения на матрицу, ну и еще микроконтроллера для извлечения информации (подразумевается, что РС нет).

Ну и собственно возвращаясь к моему первому посту...
Я собственно хотел бы разобраться в методике оценки сигнала фотодиода
Что-то вроде такого:
1. Берем светодиод, подаем на него ток I, по datasheet вычисляем некую характеристику полученного пучка света (вот тут я и запутался)
2. Путем геометрических построений и вычислений (каких?, хотя бы назовите опорные термины) определяем количество света попадающего
на фотодиод.
3. Зная количество света по datasheet вычисляем ток фотодиода.

Собственно говоря мне нужна цепочка физических величин: I светодиода -- ....... -- I фотодиода.

Заранее благодарен

[Егоров]

Я собственно хотел бы разобраться в методике оценки сигнала фотодиода
Что-то вроде такого:
1. Берем светодиод, подаем на него ток I, по datasheet вычисляем некую характеристику полученного пучка света (вот тут я и запутался)
2. Путем геометрических построений и вычислений (каких?, хотя бы назовите опорные термины) определяем количество света попадающего
на фотодиод.
3. Зная количество света по datasheet вычисляем ток фотодиода.

Из любой задачи нужно аккуратно вырезать десять посторонних.
Зная количество света... А нужно Вам его знать?
Вычисляем некую характеристику... А нужна эта характеристика, как таковая?
Задача сводится к организации режима активной области фотодиода (не должен быть в насыщении), желательно в зоне наилучшей чувствительности, если есть характеристики фотодиода можно ее выбрать.
А дальше регистрация более-менее резких изменений в его проводимости (фототока). Это усиление на переменном токе и какой-то гистерезисный компаратор. Хороший ФНЧ для удаления шумов и пульсаций светодиода.
Скорость движения пузырька , наверное, небольшая и "переменный ток" тут очень условная величина, но нужно уйти от постоянной составляющей, регистрировать только относительно резкие приращения
Важно, чтобы оптически контролируемая зона была как можно уже, чтобы этот пузырек занимал в ней достаточно большую относительную площадь.
Или Вам обязательно все это решить на 100 МГц процессоре с решением системы дифуравнений и четко детерминированными характеристиками совершенно нестабильных реальных устройств?

[Plain]

хотел бы разобраться в методике оценки сигнала фотодиода
Что-то вроде такого:
1. Берем светодиод, подаем на него ток I, по datasheet вычисляем некую характеристику полученного пучка света (вот тут я и запутался)
2. Путем геометрических построений и вычислений (каких?, хотя бы назовите опорные термины) определяем количество света попадающего на фотодиод.
3. Зная количество света по datasheet вычисляем ток фотодиода.

Собственно говоря мне нужна цепочка физических величин: I светодиода -- ....... -- I фотодиода.

Берёте первый попавшийся абстрактный светодиод, даёте ему условный I1 (т.е. абстрактное нечто, например, с выхода ЦАП МК, преобразованное кое-как в ток) и измеряете соответствующее ему условное напряжение U1 (т.е. абстрактное нечто, пришедшее на вход АЦП МК с выхода такого же кое-какного усилителя кое-какного фотодиода), затем подаёте условный I2 и измеряете соответствующее ему U2, после чего делите разность измеренной пары на разность исходной, что и будет — нет, не кое-какной — а на этот раз абсолютно точной функцией для данной системы в целом, т.е. абсолютно бесполезной для данной задачи величиной, что Вам неоднократно и было сказано ранее.

[Tanya]

Тогда пузырь там застряет , но идея уже понятна - по проводимости на концах. Еще бы в эту трубку добавить катод, анод и сетку .

Точно. Так устроены современные автоматы для анализа крови. Можно по диаметру различать клетки.

[Xenia]

Идея Xenia по использованию оптической мышки требует проверки, но что-то мне подсказывает, что без дополнительной оптики тут не обойтись. Сенсор мышки работает только при условии хорошей фокусировки изображения на матрицу, ну и еще микроконтроллера для извлечения информации (подразумевается, что РС нет).

Тогда еще идею слушайте . Идея в том, чтобы вообще не фокусироваться на "матрице" или фотодиоде, а измерять отраженный свет. При этом освещать можно гораздо более сильным источником света, например, лазерной указкой.

Суть в том, что освещаете вы трубку в одном направлении, а измеряете световой поток в перпендикулярном. Типа того, как аквариум освещаете сбоку, а смотрите на него спереди. Если луч света от лампы вам в глаз не попадает, и в аквариуме ничего кроме чистой воды нет, то света в нем вы не увидите. Но если запустить в тот аквариум рыбок или барботировать пузырьки воздуха (это чтобы рыбам лучше дышалось), то вы очень ярко увидете и рыбок и пузырьки, т.к. те и другие будут какое-то количество света отражать во все стороны.

Точно так же и ваш пузырек воздуха, проходя мимо фотодиода, тоже будет ярко светиться, если его освещать в перпендикулярном направлении. Такое освещение теоретически не дает свету от источника попадать непосредственно на фотодиод, а лишь посредством его отражения от чего-то такого, что плавает в жидкости и имеет иную, чем она, плотность.

P.S.
Кстати, направления подачи освещения и его отражения, не обязательно должны быть перпердикулярны, но могут составлять и острый угол (по типу радиолокатора). Т.е. здесь лишь требуется, чтобы прямой свет не попадал в приемник, а только отраженный.

На этом же принципе дальномеры видела у детских игрушек - там излучающий ИК-светодиод и фотосенсор смонтированы на одной и той же плате где-то в 5 мм друг от друга, однако глядят они в одну строну, а потому фотосенсор не видит, что рядом что-то светится. С таким дальномером игрушечная машинка тормозит перед препятствием и меняет направление движения.

Относительно полным решением такого рода может, например, послужить модуль MOD-LTR501 от Olimex, вставляемый в ее платы:

Слева внизу - цифровой фотосенсор U1 (LTR-501ALS-01), а справа от него ИК-светодиод IR (LTE-C216R-14). Я сама такой использую, но только, как фотосенсор, а потому светодиод не зажигаю. А нравится он мне тем, что дает 16 двоичных разрядов яркости без АЦП , точнее говоря, фотосенсор этого типа сам себе АЦП, т.к. он по механизму действия "зарядовый сумматор". Из контактов разъема (5х2) используются только четыре - два для питания и два I2C.

[Егоров]

Тогда еще идею слушайте . Идея в том, чтобы вообще не фокусироваться на "матрице" или фотодиоде, а измерять отраженный свет. ь.

Хорошее предложение.
Не полное решение, но значительно облегчает его. Картинка для детектирования в разы четче.

[Vishv]

Всем откликнувшимся.

1. По Вашим оценкам я понял, что поставленная задача вполне реализуема достаточно простыми средствами - БОЛЬШОЕ СПАСИБО!!!
2. В процессе анализа задачи я обнаружил, что у меня есть пробелы (дыры!!!) в этой области знаний и поэтому попросил помощи в их заполнении.
Просто захотелось разобраться в физике процессов - "из въедливости"....

Еще раз Всем СПАСИБО!!!

[andrewkrot]

http://www.alibaba.com/product-detail/Ultr..._622454332.html если еще актуально..)