CN106475163A - 一种液滴发生装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴发生装置及其使用方法，该装置包括：注射泵、不锈钢管、避震软管、小球发射器、运算后台、工业相机、孔板、针管、偏转电场板、延时控制器、光屏障、多普勒测速仪、测速仪移动轴、收集台移动轴和液滴收集台。本发明通过注射泵改变液滴种类，通过孔板改变液滴数量，通过针管、工业相机、运算后台和小球发射器改变液滴直径，通过偏转电场板改变液滴偏转角度，通过液滴收集台和收集台移动轴改变液滴降落速度，并能稳定、持续产生所需液滴。本装置具有操作简单、使用方便、对液滴各项参数可调且控制精确等特点，适用于诸如发动机的燃油燃烧前相关的油滴研究、打印机的喷墨研究、喷淋杀菌冷却隧道的研究等领域。

Description

一种液滴发生装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种液滴发生装置及其使用方法，属于仪器、仪表技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展和科技的进步，液滴在工业、医学、生活中都有越来越广泛的应用，如发动机的燃油燃烧前相关的油滴研究、打印机的喷墨研究、喷淋杀菌冷却隧道的研究、石油开采以及化学材料制备设备领域的研究等。

液滴碰撞流动液膜是典型的自由表面流动问题，是流体力学研究的热点问题之一，对液滴碰撞问题进行研究具有重要的理论和现实意义，研究结果可用于指导工程实际。而液滴种类、液滴直径、液滴数量、液滴撞击角度及液滴撞击速度等是液滴碰撞液膜产生不同碰撞特性的主要影响因素，因此，为了对液滴碰撞流动液膜进行深入研究，必须设计一种可产生不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴发生装置。

目前，已有的液滴发生装置，大多结构复杂，实现成本高，且液滴直径的精度控制的不精确以及滴落速度与目标值的误差较大，发生原理也各不相同，功能上不能连续产生参数相同的液滴，不能使液滴具有准确的撞击角度，也未能实现产生各项参数大小可调的液滴。

发明内容

本发明目的在于：为了深入探索液滴碰撞流动液膜，研究液滴碰撞液膜表面产生不同碰撞特性的主要影响因素——液滴种类、液滴直径、液滴数量、液滴撞击角度及液滴撞击速度等对实验结果的影响，使液滴更多、更便捷地应用于工业、医学、生活中。

本发明的技术方案如下：

一种液滴发生装置，包括注射泵，不锈钢管，避震软管，小球发射器，计算后台，工业相机，孔板，针管，液滴，偏转电场板，延时控制器，光屏障，连杆，多普勒测速仪，测速仪移动轴，收集台移动轴，液滴收集台；所述不锈钢管一端与注射泵相连，另一端与孔板相连，且不锈钢管中间嵌有一段避震软管，避震软管材质为不锈钢，外表面紧密覆盖有高强度的保护网套，可提供极高的耐太力，确保小球发射器射出小球时只将震动传递给避震软管下方的不锈钢管，避免避震软管上方的不锈钢管受到震动而影响注射泵稳定工作，引起流量误差；所述孔板上插有针管，液滴从针管中滴落；所述工业相机置于与液滴生成口即针管末端同一高度处，所述小球发射器置于避震软管下方的不锈钢管左边，工业相机和小球发射器通过计算后台传输信号；所述针管下方设有偏转电场板，偏转电场板下方两边分别装有测速仪移动轴和收集台移动轴，所述测速仪移动轴上设有可上下移动的多普勒测速仪，收集台移动轴上设有可上下移动的液滴收集台，光屏障通过连杆固定在多普勒测速仪右上方，光屏障通过延时控制器向多普勒测速仪传输信号，所述多普勒测速仪和液滴收集台通过运算后台传输信号；所述注射泵推进液体流动，经过不锈钢管、避震软管及孔板，最终生成液滴从针管自由下落，穿过偏转电场板，滴落至液滴收集台上。

上述的小球发射器包括气体室、挡板、进球管道、小球、小球弹出管道和小球收集网兜；所述小球弹出管道的左端连接气体室，右端连接小球收集网兜，垂直段连接进球管道；所述气体室为气压为2Mpa高压气体室，通过挡板与小球弹出管道相隔，挡板由电磁阀控制，小球由进球管道进入小球发射器，进球管道与小球弹出管道的直径一致，均大于小球直径。

上述小球弹出管道中设有弹性挡圈，以约束小球的位置，小球收集网兜为棉线材质，以避免小球发生弹跳。

上述孔板与不锈钢管通过螺纹连接，装配时设有垫圈起密封作用，所述孔板具有可互换性，包括一孔制、二孔制、三孔制、四孔制的孔板，孔径均为4mm，且孔板上的孔都对称均匀布置，通过在不锈钢管末端更换不同型号的孔板，可产生不同数量的液滴。

上述注射泵型号为Longer LSP01-1BH，内径为34.9mm，容量为100ml，流量稳定在0.001ml/s。通过往注射泵中注入不同液体种类，可产生多种不同属性的液滴。

上述工业相机为TEO-CCD工业相机，帧率为100帧/秒。

上述偏转电场板输入的直流电压范围为0-1000V，液滴发生偏转角度范围为0-34.5°。

一种液滴发生方法，利用上述的装置，其步骤如下：

a.向注射泵中注入所需液体，同时排尽不锈钢管及装置中的空气，根据所需液滴数量和直径选择相应型号的孔板及针管；

b.将直径目标值和速度目标值输入至运算后台，计算得出目标直径的液滴具有目标速度时所处的最大高度位移和最小高度位移，并将两个极限位移值输出至多普勒测速仪，多普勒测速仪先移至最小高度位移处；

c.偏转电场板根据所需液滴偏转角度加载对应额度的电压，液体由注射泵开始推进液体流动，经过不锈钢管、避震软管及孔板，在针管末端逐渐形成一定直径的液滴；

d.工业相机按100帧/秒的帧率拍摄针管末端形成的液滴，运算后台根据传输来的图像像素信息计算出已形成的液滴直径，并与目标直径值对比；

e.液滴直径与目标直径值的差值随注射泵的运行不断缩小，当对比结果显示两者差值在允许误差范围内时，运算后台向小球发射器发送信号发射小球撞击不锈钢管，针管末端已满足直径要求的液滴受到震动而滴落；

f.液滴经过偏转电场板发生角度偏转，穿过光屏障，触发延时控制器，延时控制器延时几秒后，输出多普勒测速仪动作信号，多普勒测速仪测得落至最小高度位移处的液滴速度值并输出至运算后台；

g.多普勒测速仪移动至最大高度位移处，第二轮液滴重复上述生成、滴落过程，多普勒测速仪同样测得落至最大高度位移处的液滴速度值并输出至运算后台，

h.运算后台通过计算，确认目标速度在两个极限位移对应的液滴速度之间，若不在，运算后台重新计算，多普勒测速仪再移至两极限位移的中间位置，开始第三轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪再次测得滴落速度值并输出至运算后台，运算后台将该速度值与目标速度值进行对比，运用二分法，找寻下一个中间位置，再进行第四轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪同样测得滴落速度值，运算后台通过二分法，再找寻下一个中间位置，如此重复，所测速度值与目标速度值越来越接近，直到所测速度值与目标速度值对比结果显示两者差值在误差范围内，多普勒测速仪停止移动；

i.运算后台将多普勒测速仪的位置信息输出给液滴收集台，液滴收集台根据收集台移动轴上的刻度，也移至同一高度处。再重复一次液滴生成、滴落过程，测出降落至液滴收集台的液滴速度，以验证液滴收集台获得的液滴是否满足指定的速度要求；

j.如此操作，装置便生成了满足了所需种类、直径、数量、偏转角度及滴落速度要求的液滴，可稳定持续产生指定种类、指定直径、指定数量、指定偏转角度及指定滴落速度的液滴，若又要产生新的种类、直径、数量、偏转角度或滴落速度要求的液滴，则再重新准备相关工作，重复上述过程即可。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种液滴发生装置及其使用方法，可产生不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴，也可稳定持续产生大量指定种类、指定直径、指定数量、指定偏转角度及指定滴落速度的液滴。

附图说明

图1是液滴发生装置结构示意图；

图2是小球发射器主视图；

图3是小球发射器的剖视图；

图4是小球发射器的右视图；

图5是孔板结构示意图；

图6是一孔制孔板的示意图；

图7是二孔制孔板的示意图；

图8是三孔制孔板的示意图；

图9是四孔制孔板的示意图；

图10是2mm型针管结构示意图；

图11是3mm型针管结构示意图；

图12是4mm型针管结构示意图；

图13 是装置控制液滴直径时计算后台的工作流程图；

图14 是装置控制液滴速度时计算后台的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种液滴发生装置，包括注射泵1，不锈钢管2，避震软管3，小球发射器4，计算后台5，工业相机6，孔板7，针管8，液滴9，偏转电场板10，延时控制器11，光屏障12，连杆13，多普勒测速仪14，测速仪移动轴15，收集台移动轴16，液滴收集台17；不锈钢管2型号为304不锈钢管，内径为15mm，一端与注射泵1相连，另一端与孔板7相连，且不锈钢管2中间嵌有一段避震软管3；避震软管3材质为不锈钢，外表面紧密覆盖有高强度的保护网套，可提供极高的耐太力。孔板7上插有针管8，液滴9从针管8中滴落；工业相机6置于与液滴9生成口即针管8末端同一高度处，小球发射器4置于避震软管3下方的不锈钢管2左边，工业相机6和小球发射器4通过计算后台5传输信号；针管8下方设有偏转电场板10，偏转电场板10下方两边分别装有测速仪移动轴15和收集台移动轴16，测速仪移动轴15上设有可上下移动的多普勒测速仪14，收集台移动轴16上设有可上下移动的液滴收集台17，光屏障12通过连杆13固定在多普勒测速仪14右上方，光屏障12通过延时控制器11向多普勒测速仪14传输信号，下落液滴穿过光屏障12时，光屏障12给延时控制器11一个触发信号，延时控制器11延时几秒后，输出多普勒测速仪14动作信号，多普勒测速仪14检测并记录落至所在平面高度的液滴速度，延时控制器11,避免了多普勒测速仪14长时间在线工作，降低了器材磨损，延长了设备使用寿命。多普勒测速仪14和液滴收集台17通过运算后台5传输信号；注射泵1推进液体流动，经过不锈钢管2、避震软管3及孔板7，最终生成液滴9从针管8自由下落，穿过偏转电场板10，滴落至液滴收集台17上。

如图2、图3、图4所示，小球发射器4包括气体室4-1、挡板4-2、进球管道4-3、小球4-4、小球弹出管道4-6和小球收集网兜4-7；小球弹出管道4-6的左端连接气体室4-1，右端连接小球收集网兜4-7，垂直段连接进球管道4-3；气体室4-1为气压为2Mpa高压气体室，通过挡板4-2与小球弹出管道4-3相隔，挡板4-2由电磁阀控制，小球4-4由进球管道4-3进入小球发射器4，进球管道4-3与小球弹出管道4-6的直径一致，均大于小球4-4直径。小球弹出管道4-6中设有弹性挡圈4-5，以约束小球4-4的位置，小球收集网兜4-7为棉线材质，以避免小球4-4发生弹跳。

小球发射器接收到运算后台5输出的发射信号后，电磁阀动作，挡板4-2打开，气体室4-1的高气压气体冲击小球4-4越过弹性挡圈4-5，快速发射撞击不锈钢管2，后落入小球收集网兜4-7，同时，电磁阀动作后依靠弹簧复位，挡板4-2关闭，进球管道4-3中的小球4-4也依次下降一个小球直径距离。

如图10、图11、图12所示，针管8与孔板7为过盈配合，配合部分直径为4mm。针管有d=2mm，可产生直径为2-3mm的液滴；d=3mm，可产生直径为3-4mm的液滴；d=4mm，可产生直径为4-5mm的液滴三种型号。针管直径体现在针管下部未配合部分，d=2mm型针管和d=3mm型针管主视图呈T字形，d=4mm型针管主视图呈矩形。

针管8根据型号不同产生直径在2-5mm范围内任意直径的液滴，装置开始工作前根据所要求的液滴直径选择相应的针管8型号，并将直径目标值输入到运算后台5，工业相机6按100帧/秒的帧率拍摄针管末端逐渐形成的液滴，运算后台5根据传输来的图像像素信息计算出已形成的液滴直径，并与目标直径值对比，液滴直径随时间推移不断增大，与目标直径值的差值也不断缩小，当对比结果显示两者差值在允许误差范围内时，运算后台5向小球发射器4发送信号发射小球撞击不锈钢管2，针管8末端已满足直径要求的液滴受到震动而下落。

如图5、图6、图7、图8、图9所示，孔板7与不锈钢管2通过螺纹连接，装配时设有垫圈起密封作用，孔板7具有可互换性，包括一孔制、二孔制、三孔制、四孔制的孔板，孔径均为4mm，且孔板7上的孔都对称均匀布置，通过在不锈钢管2末端更换不同型号的孔板，可产生不同数量的液滴。

注射泵型号为Longer LSP01-1BH，内径为34.9mm，容量为100ml，流量稳定在0.001ml/s。

工业相机为TEO-CCD工业相机，帧率为100帧/秒。

偏转电场板10输入的直流电压范围为0-1000V，液滴发生偏转角度范围为0-34.5°。

多普勒测速仪14用于在不同高度平面上测速，以找寻液滴目标速度值对应的高度位置，从而使得液滴收集台17移动到该高度位置收集指定降落速度的液滴。在确定液滴目标速度值对应的高度位移后，液滴收集台17移动到与多普勒测速仪14处于同一高度，并且再次测试降落至液滴收集台17的液滴速度，以验证液滴收集台17获得的液滴是否满足指定的速度要求。

如图13、14所示，一种液滴发生方法，利用上述的装置，其步骤如下：

a.向注射泵1中注入所需液体，同时排尽不锈钢管2及装置中的空气，根据所需液滴数量和直径选择相应型号的孔板7及针管8；

b.将直径目标值和速度目标值输入至运算后台5，计算得出目标直径的液滴具有目标速度时所处的最大高度位移和最小高度位移，并将两个极限位移值输出至多普勒测速仪14，多普勒测速仪14先移至最小高度位移处；

c.偏转电场板10根据所需液滴偏转角度加载对应额度的电压，液体由注射泵1开始推进液体流动，经过不锈钢管2、避震软管3及孔板7，在针管8末端逐渐形成一定直径的液滴；

d.工业相机6按100帧/秒的帧率拍摄针管8末端形成的液滴，运算后台5根据传输来的图像像素信息计算出已形成的液滴直径，并与目标直径值对比；

e.液滴直径与目标直径值的差值随注射泵1的运行不断缩小，当对比结果显示两者差值在允许误差范围内时，运算后台5向小球发射器4发送信号发射小球4-4撞击不锈钢管2，针管8末端已满足直径要求的液滴9受到震动而滴落；

f.液滴9经过偏转电场板10发生角度偏转，穿过光屏障12，触发延时控制器11，延时控制器11延时几秒后，输出多普勒测速仪14动作信号，多普勒测速仪14测得落至最小高度位移处的液滴速度值并输出至运算后台5；

g.多普勒测速仪14移动至最大高度位移处，第二轮液滴重复上述生成、滴落过程，多普勒测速仪14同样测得落至最大高度位移处的液滴速度值并输出至运算后台5，

h.运算后台5通过计算，确认目标速度在两个极限位移对应的液滴速度之间，若不在，运算后台5重新计算，多普勒测速仪14再移至两极限位移的中间位置，开始第三轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪14再次测得滴落速度值并输出至运算后台5，运算后台5将该速度值与目标速度值进行对比，运用二分法，找寻下一个中间位置，再进行第四轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪14同样测得滴落速度值，运算后台5通过二分法，再找寻下一个中间位置，如此重复，所测速度值与目标速度值越来越接近，直到所测速度值与目标速度值对比结果显示两者差值在误差范围内，多普勒测速仪14停止移动；

i.运算后台5将多普勒测速仪14的位置信息输出给液滴收集台17，液滴收集台17根据收集台移动轴16上的刻度，也移至同一高度处。再重复一次液滴生成、滴落过程，测出降落至液滴收集台17的液滴速度，以验证液滴收集台17获得的液滴是否满足指定的速度要求；

j.如此操作，装置便生成了满足了所需种类、直径、数量、偏转角度及滴落速度要求的液滴，可稳定持续产生指定种类、指定直径、指定数量、指定偏转角度及指定滴落速度的液滴，若又要产生新的种类、直径、数量、偏转角度或滴落速度要求的液滴，则再重新准备相关工作，重复上述过程即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种液滴发生装置，其特征在于：包括注射泵（1），不锈钢管（2），避震软管（3），小球发射器（4），计算后台（5），工业相机（6），孔板（7），针管（8），液滴（9），偏转电场板（10），延时控制器（11），光屏障（12），连杆（13），多普勒测速仪（14），测速仪移动轴（15），收集台移动轴（16），液滴收集台（17）；所述不锈钢管（2）一端与注射泵（1）相连，另一端与孔板（7）相连，且不锈钢管（2）中间嵌有一段避震软管（3）；所述孔板（7）上插有针管（8），液滴（9）从针管（8）中滴落；所述工业相机（6）置于与液滴（9）生成口即针管（8）末端同一高度处，所述小球发射器（4）置于避震软管（3）下方的不锈钢管（2）左边，工业相机（6）和小球发射器（4）通过计算后台（5）传输信号；所述针管（8）下方设有偏转电场板（10），偏转电场板（10）下方两边分别装有测速仪移动轴（15）和收集台移动轴（16），所述测速仪移动轴（15）上设有可上下移动的多普勒测速仪（14），收集台移动轴（16）上设有可上下移动的液滴收集台（17），光屏障（12）通过连杆（13）固定在多普勒测速仪（14）右上方，光屏障（12）通过延时控制器（11）向多普勒测速仪（14）传输信号，所述多普勒测速仪（14）和液滴收集台（17）通过运算后台（5）传输信号；所述注射泵（1）推进液体流动，经过不锈钢管（2）、避震软管（3）及孔板（7），最终生成液滴（9）从针管（8）自由下落，穿过偏转电场板（10），滴落至液滴收集台（17）上。

2.根据权利要求1所述的一种液滴发生装置，其特征在于：所述的小球发射器（4）包括气体室（4-1）、挡板（4-2）、进球管道（4-3）、小球（4-4）、小球弹出管道（4-6）和小球收集网兜（4-7）；所述小球弹出管道（4-6）的左端连接气体室（4-1），右端连接小球收集网兜（4-7），垂直段连接进球管道（4-3）；所述气体室（4-1）为气压为2Mpa高压气体室，通过挡板（4-2）与小球弹出管道（4-3）相隔，挡板（4-2）由电磁阀控制，小球（4-4）由进球管道（4-3）进入小球发射器（4），进球管道（4-3）与小球弹出管道（4-6）的直径一致，均大于小球（4-4）直径。

3.根据权利要求2所述的一种液滴发生装置，其特征在于：所述小球弹出管道（4-6）中设有弹性挡圈（4-5），以约束小球（4-4）的位置，小球收集网兜（4-7）为棉线材质，以避免小球（4-4）发生弹跳。

4.根据权利要求1所述的一种液滴发生装置，其特征在于：所述孔板（7）与不锈钢管（2）通过螺纹连接，装配时设有垫圈起密封作用，所述孔板（7）具有可互换性，包括一孔制、二孔制、三孔制、四孔制的孔板，孔径均为4mm，且孔板（7）上的孔都对称均匀布置，通过在不锈钢管（2）末端更换不同型号的孔板，可产生不同数量的液滴。

5.根据权利要求1所述的一种液滴发生装置，其特征在于：所述注射泵型号为LongerLSP01-1BH，内径为34.9mm，容量为100ml，流量稳定在0.001ml/s。

6.根据权利要求1所述的一种液滴发生装置，其特征在于：所述工业相机为TEO-CCD工业相机，帧率为100帧/秒。

7.根据权利要求1所述的一种液滴发生装置，其特征在于：所述偏转电场板（10）输入的直流电压范围为0-1000V，液滴发生偏转角度范围为0-34.5°。

8.一种液滴发生方法，其特征在于利用权利要求1-6所述的装置，其步骤如下：

（a）向注射泵（1）中注入所需液体，同时排尽不锈钢管（2）及装置中的空气，根据所需液滴数量和直径选择相应型号的孔板（7）及针管（8）；

（b）将直径目标值和速度目标值输入至运算后台（5），计算得出目标直径的液滴具有目标速度时所处的最大高度位移和最小高度位移，并将两个极限位移值输出至多普勒测速仪（14），多普勒测速仪（14）先移至最小高度位移处；

（c）偏转电场板（10）根据所需液滴偏转角度加载对应额度的电压，液体由注射泵（1）开始推进液体流动，经过不锈钢管（2）、避震软管（3）及孔板（7），在针管（8）末端逐渐形成一定直径的液滴；

（d）工业相机（6）按100帧/秒的帧率拍摄针管（8）末端形成的液滴，运算后台（5）根据传输来的图像像素信息计算出已形成的液滴直径，并与目标直径值对比；

（e）液滴直径与目标直径值的差值随注射泵（1）的运行不断缩小，当对比结果显示两者差值在允许误差范围内时，运算后台（5）向小球发射器（4）发送信号发射小球（4-4）撞击不锈钢管（2），针管（8）末端已满足直径要求的液滴（9）受到震动而滴落；

（f）液滴（9）经过偏转电场板（10）发生角度偏转，穿过光屏障（12），触发延时控制器（11），延时控制器（11）延时几秒后，输出多普勒测速仪（14）动作信号，多普勒测速仪（14）测得落至最小高度位移处的液滴速度值并输出至运算后台（5）；

（g）多普勒测速仪（14）移动至最大高度位移处，第二轮液滴重复上述生成、滴落过程，多普勒测速仪（14）同样测得落至最大高度位移处的液滴速度值并输出至运算后台（5），

（h）运算后台（5）通过计算，确认目标速度在两个极限位移对应的液滴速度之间，若不在，运算后台（5）重新计算，多普勒测速仪（14）再移至两极限位移的中间位置，开始第三轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪（14）再次测得滴落速度值并输出至运算后台（5），运算后台（5）将该速度值与目标速度值进行对比，运用二分法，找寻下一个中间位置，再进行第四轮液滴生成、滴落过程，多普勒测速仪（14）同样测得滴落速度值，运算后台（5）通过二分法，再找寻下一个中间位置，如此重复，所测速度值与目标速度值越来越接近，直到所测速度值与目标速度值对比结果显示两者差值在误差范围内，多普勒测速仪（14）停止移动；

（i）运算后台（5）将多普勒测速仪（14）的位置信息输出给液滴收集台（17），液滴收集台（17）根据收集台移动轴（16）上的刻度，也移至同一高度处；

再重复一次液滴生成、滴落过程，测出降落至液滴收集台（17）的液滴速度，以验证液滴收集台（17）获得的液滴是否满足指定的速度要求；

（j）如此操作，装置便生成了满足了所需种类、直径、数量、偏转角度及滴落速度要求的液滴，可稳定持续产生指定种类、指定直径、指定数量、指定偏转角度及指定滴落速度的液滴，若又要产生新的种类、直径、数量、偏转角度或滴落速度要求的液滴，则再重新准备相关工作，重复上述过程即可。