CN107331254A - 一种用于教学演示的气泡发生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于教学仪器技术领域，涉及一种用于教学演示的气泡发生系统，包括水源和气源，分别与气泡发生装置连接，在气源和气泡发生装置之间设有第一调节阀和第二调节阀，第二调节阀和气泡发生装置之间通过磁控分流阀，将气体分成两个气道用于控制气动拉杆运动。所述系统的控制方法，从水源向放气室注水，直至水充满展示管，通过第一调节阀向气体均衡室充入高压气体，通过磁控分流阀调节气动拉杆上下移动，从而产生气泡，在展示管中观察气泡的变化。本发明的有益效果为：结构简单，操作方便；实现了超过300多种气泡形状和大小的改变；观察气泡的变化直观、方便；有效地演示了气泡的变化；有利于工业实验室的检测；成本低，维护方便。

Description

一种用于教学演示的气泡发生系统及方法

技术领域

本发明属于教学仪器技术领域，涉及一种用于教学演示的气泡发生系统及方法。

背景技术

现在，在生产、生活中，经常会观察到各种各样的气泡形状，尤其在某些工业生产场合中，气泡的形状不同，意味着生产环境不同，定量的衡量不同形状的气泡生成条件对工业生产具有指导意义。在教学中，为了让学生能够掌握相应的知识，也会经常用到在液体中加入不同气泡等的实验，使得学生更容易地掌握知识。例如，在流体力学的教学中，气泡在水中因不同的水流动情况、压力等因素可以展示出各种形状，涉及到十分复杂的流体力学原理。如果能够某种装置，通过改变一些参数，演示出各种形状的气泡，利于学生直观的了解晦涩难懂的流体力学、增加学习乐趣。在工业上也经常需要在实验室中利用气泡做各种实验，以便进行检测等工作。

但是，现在已经有很多种气泡发生器，例如，申请号为CN201610053752的中国发明专利，公开了一种气泡发生装置，包括壳体，所述壳体内形成有过水腔，所述过水腔包括大孔径段和小孔径段，所述大孔径段与所述壳体的进水口连通，所述小孔径段与所述壳体的出水口连通；所述大孔径段内设有绕流部，所述绕流部包括轮轴和设于所述轮轴上的叶轮，所述轮轴的朝向所述小孔径段的一端设有出气孔，所述过水腔的腔壁还设有进气孔，所述进气孔与所述轮轴的出气孔连通，用于使空气依次经由所述进气孔、所述出气孔而进入到所述过水腔内。

该专利通过该气泡发生装置，可不依靠其他动力设备，通过结构本身产生微纳米气泡，使得气泡发生装置结构简单、体积减小、耗能低、以及应用方便。在使用时，水流经过所述进水口进入到所述过水腔内，先流经所述大孔径段，在大孔径段的绕流部的叶轮处产生环绕水流，环绕水流的中心处产生负压区域，利用负压区域的吸力可使得空气经由进气孔进入到轮轴中后，经由出气孔喷出后形成气柱。在大孔径段和小孔径段的连接处，环绕水流剪切空气段，气柱被旋转液流剪切成一段段的气柱，当高速旋转的气液混合体从所述出水口喷出时，混有气柱的旋转液流在离心力的作用下被甩出所述出水口，受到外部相对静止液体的阻力影响，旋转急速减弱被破坏，产生大量的微纳米气泡。

但是，如上所述的气泡发生器大多都是单一的，设备简陋，实验过程中不能实现智能化控制，以实现根据需要改变气泡各种参数的功能。因此，现在亟待一种能够直观、方便的演示各种不同形状的气泡，以便方便进行教学、工业等实验的气泡发生装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于教学演示的气泡发生系统及方法，能够直观、方便的演示超过300种不同形状的气泡，用于教学使用，也可以用于工程试验使用。

本发明解决问题的技术方案是：一种用于教学演示的气泡发生系统，包括水源和气源，水源通过依次设有水泵和水阀门的进水管与气泡发生装置连通，并且从气泡发生装置的另一个出口通过回水管连接到水源；

从气源出口连接依次设有气泵、进气阀门和出气阀门的管道，再通过回气管从出气阀门与气源连通；

在进气阀门和出气阀门之间，通过两个管道分别连接有第一减压阀和第二减压阀，第一减压阀通过第一进气管与气泡发生装置连通，第二减压阀连接有磁控分流阀，从磁控分流阀通过第二进气管和第三进气管与气泡发生装置连通；

磁控分流阀与控制器连接。

进一步的，气泡发生装置包括由上至下依次连接的展示管、气泡发生缸和气动拉杆设备；

展示管包括用于连接回水管的回水接口和用于与气泡发生缸连接的气泡发生缸接口，回水接口与气泡发生缸接口通过竖管连通；

气泡发生缸包括筒状的放气室，在放气室的上端开口处设有放气室上盖，放气室上盖中心设有与展示管的气泡发生缸接口连接的展示管接口；在气泡发生缸的下端开口设有具有中心孔的放气室下盖，在放气室侧壁上设有与进水管相连接的进水口；在放弃室内，与放气室下盖固定有具有与放气室下盖的中心孔同轴的中心孔的气体均衡室下盖，以及一端开口与气体均衡室下盖配合，另一端封闭的中空状的气体均衡室上盖，由气体均衡室下盖和气体均衡室上盖围成气体均衡室，在放气室下盖和气体均衡室的下盖的通孔内插入拉杆，气体均衡室的封闭端的中心具有放气口，在气体均衡室下盖的圆周上设有通孔，在放气室侧壁上设有与气体均衡室下盖的通孔同轴的通孔，在放气室和气体均衡室下盖的通孔内插入具有中心通孔的进气接口，进气接口与第一进气管连通；

气动拉杆设备包括气缸和气动拉杆，气动拉杆安装于气缸内部，下端设有活塞，活塞与气缸壁接触，气动拉杆上端从气缸上端开口伸出与拉杆连接，第二进气管在所述活塞以上与气缸上部连通，第三进气管在所述活塞以下与气缸下部连通。

进一步的，竖管采用透明树脂制成。

进一步的，展示管的气泡发生缸接口与气泡发生缸的展示管接口通过沟槽卡箍连接。

进一步的，气动拉杆与拉杆通过螺纹连接。

进一步的，一种用于教学演示的气泡发生系统的控制方法，包括：

(1)给系统供电，启动控制器；

(2)通过水泵从水源抽水，打开水阀门，通过进水管从气泡发生缸的进水口向放气室内注水，使水充满整个放气室，并沿管道向展示管注水，通过透明的展示管观察水位，当水充满整个展示管后，关闭水阀门、关闭水泵；

(3)通过气泵从气源输入气体，打开进气阀门和出气阀门，调节第一减压阀，通过第一进气管从进气接口向气体均衡室内注入气体，同时通过回气管将多余的气体流回到气源，形成气体循环；

(4)调节出气阀门开度，在气体排出后，使得管道中的气体保持高压状态；

(5)通过第一减压阀调节压力，使得气体均衡室内注入高压气体；

(6)调节第二减压阀，使得高压气体经过第二进气管和第三进气管进入气动拉杆设备；

(7)通过控制器控制磁控分流阀，高压气体从第二进气管进入气动拉杆设备，带动拉杆向下移动，从气体均衡室的放气口排出高压气体，放气室内产生气泡，气泡上升到展示管内；

(8)通过控制器控制磁控分流阀，高压气体从第三进气管进入气动拉杆设备，带动拉杆向上移动，直到接触到放气口，停止从气体均衡室中排出高压气体保持气泡形状；

(9)控制器重复步骤(6)～(8)循环往复动作。

进一步的，在实验过程中，通过调节第一减压阀改变气体均衡室中气体的压力；通过控制器调节磁控分流阀的分流改变气动拉杆向上和向下移动的时间间隔；通过调节第二减压阀改变气动拉杆的移动速度，实现对气泡的大小和形状的改变，通过展示管观察。

本发明的有益效果为：

1.结构简单，操作方便；

2.通过一个系统实现了超过300多种气泡形状和大小的改变；

3.观察气泡的变化直观、方便；

4.有效地演示了气泡的变化，使得学生对知识的理解变得更为容易；

5.有利于工业实验室的检测；

6.成本低，维护方便。

附图说明

图1为所述系统构成的示意图。

图2为气泡发生装置构成的示意图。

图3为展示管的剖面图。

图4为气泡发生缸的剖面图。

图中：1-水源，2-水泵，3-水阀门，4-气泡发生装置，41-展示管，411-回水接口，412-竖管，413-气泡发生缸接口，42-气泡发生缸，4201-展示管接口，4202-放气室上盖，4203-放气室侧壁，4204-放气室，4205-放气口，4206-进水口，4207-气体均衡室上盖，4208-气体均衡室，4209-拉杆，4210-气体均衡室下盖，4211-进气接口，4212-放气室下盖，43-气动拉杆设备，5-第三进气管，6-第二进气管，7-第一进气管，8-回水管，9-气源，10-气泵，11-进气阀门，12-第一减压阀，13-第二减压阀，14-磁控分流阀，15-控制器，16-进水管,17-回气管，18-出气阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明。

实施例一

所述系统，如图1所示，包括水源1和气源9，水源1通过依次设有水泵2和水阀门3的进水管16与气泡发生装置4连通，并且从气泡发生装置4的另一个出口通过回水管8连接到水源1；

从气源9出口连接依次设有气泵10、进气阀门11和出气阀门18的管道，再通过回气管17从出气阀门18与气源9连通；

在进气阀门11和出气阀门18之间，通过两个管道分别连接有第一减压阀12和第二减压阀13，第一减压阀12通过第一进气管7与气泡发生装置4连通，第二减压阀13连接有磁控分流阀14，从磁控分流阀14通过第二进气管6和第三进气管5与气泡发生装置4连通；

磁控分流阀14与控制器15连接。

进一步的，如图2所示，气泡发生装置4包括由上至下依次连接的展示管41、气泡发生缸42和气动拉杆设备43；

如图3所示，展示管41包括用于连接回水管8的回水接口411和用于与气泡发生缸42连接的气泡发生缸接口413，回水接口411与气泡发生缸接口413通过竖管412连通；

如图4所示，气泡发生缸42包括筒状的放气室4204，在放气室4204的上端开口处设有放气室上盖4202，放气室上盖4202中心设有与展示管41的气泡发生缸接口413连接的展示管接口4201；在气泡发生缸42的下端开口设有具有中心孔的放气室下盖4212，在放气室4204侧壁上设有与进水管16相连接的进水口4206；在放弃室4204内，与放气室下盖4212固定有具有与放气室下盖4212的中心孔同轴的中心孔的气体均衡室下盖4210，以及一端开口与气体均衡室下盖4210配合，另一端封闭的中空状的气体均衡室上盖4207，由气体均衡室下盖4210和气体均衡室上盖4207围成气体均衡室4208，在放气室下盖4212和气体均衡室的下盖4210的通孔内插入拉杆4209，气体均衡室4208的封闭端的中心具有放气口4205，在气体均衡室下盖4210的圆周上设有通孔，在放气室4204侧壁上设有与气体均衡室下盖4210的通孔同轴的通孔，在放气室4204和气体均衡室下盖4210的通孔内插入具有中心通孔的进气接口4211，进气接口4211与第一进气管7连通；

气动拉杆设备43包括气缸和气动拉杆，气动拉杆安装于气缸内部，下端设有活塞，活塞与气缸壁接触，气动拉杆上端从气缸上端开口伸出与拉杆4209连接，第二进气管6在所述活塞以上与气缸上部连通，第三进气管5在所述活塞以下与气缸下部连通。

进一步的，竖管412采用透明树脂制成。

进一步的，展示管41的气泡发生缸接口413与气泡发生缸42的展示管接口4201通过沟槽卡箍连接。

进一步的，气动拉杆与拉杆4209通过螺纹连接。

进一步的，一种用于教学演示的气泡发生系统的控制方法，包括：

(1)给系统供电，启动控制器15；

(2)通过水泵2从水源1抽水，打开水阀门3，通过进水管16从气泡发生缸42的进水口4206向放气室4204内注水，使水充满整个放气室4204，并沿管道向展示管41注水，通过透明的展示管41观察水位，当水充满整个展示管41后，关闭水阀门3、关闭水泵2；

(3)通过气泵10从气源9输入气体，打开进气阀门11和出气阀门18，调节第一减压阀12，通过第一进气管7从进气接口4211向气体均衡室4208内注入气体，同时通过回气管17将多余的气体流回到气源9，形成气体循环；

(4)调节出气阀门18开度，在保证气体能排出的前提下，使得管道中的气体保持高压状态；

(5)通过第一减压阀12调节压力，使得气体均衡室4208内注入高压气体；

(6)调节第二减压阀13，使得高压气体经过第二进气管6和第三进气管5进入气动拉杆设备43；

(7)通过控制器15控制磁控分流阀14，高压气体从第二进气管6进入气动拉杆设备43，带动拉杆4209向下移动，从气体均衡室4208的放气口4205排出高压气体，放气室4204内产生气泡，气泡上升到展示管41内；

(8)通过控制器15控制磁控分流阀14，高压气体从第三进气管5进入气动拉杆设备43，带动拉杆4209向上移动，直到接触到放气口4205，停止从气体均衡室4208中排出高压气体保持气泡形状；

(9)控制器15重复步骤(6)～(8)循环往复动作。

进一步的，在实验过程中，通过调节第一减压阀12改变气体均衡室4208中气体的压力；通过控制器15调节磁控分流阀14的分流改变气动拉杆向上和向下移动的时间间隔；通过调节第二减压阀6改变气动拉杆的移动速度，实现对气泡的大小和形状的改变，通过展示管41观察。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于教学演示的气泡发生系统，其特征在于，包括水源和气源，水源通过依次设有水泵和水阀门的进水管与气泡发生装置连通，并且从气泡发生装置的另一个出口通过回水管连接到水源；

从气源出口连接依次设有气泵、进气阀门和出气阀门的管道，再通过回气管从出气阀门与气源连通；

在进气阀门和出气阀门之间，通过两个管道分别连接有第一减压阀和第二减压阀，第一减压阀通过第一进气管与气泡发生装置连通，第二减压阀连接有磁控分流阀，从磁控分流阀通过第二进气管和第三进气管与气泡发生装置连通；

磁控分流阀与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，气泡发生装置包括由上至下依次连接的展示管、气泡发生缸和气动拉杆设备；

展示管包括用于连接回水管的回水接口和用于与气泡发生缸连接的气泡发生缸接口，回水接口与气泡发生缸接口通过竖管连通；

气泡发生缸包括筒状的放气室，在放气室的上端开口处设有放气室上盖，放气室上盖中心设有与展示管的气泡发生缸接口连接的展示管接口；在气泡发生缸的下端开口设有具有中心孔的放气室下盖，在放气室侧壁上设有与进水管相连接的进水口；在放弃室内，与放气室下盖固定有具有与放气室下盖的中心孔同轴的中心孔的气体均衡室下盖，以及一端开口与气体均衡室下盖配合，另一端封闭的中空状的气体均衡室上盖，由气体均衡室下盖和气体均衡室上盖围成气体均衡室，在放气室下盖和气体均衡室的下盖的通孔内插入拉杆，气体均衡室的封闭端的中心具有放气口，在气体均衡室下盖的圆周上设有通孔，在放气室侧壁上设有与气体均衡室下盖的通孔同轴的通孔，在放气室和气体均衡室下盖的通孔内插入具有中心通孔的进气接口，进气接口与第一进气管连通；

气动拉杆设备包括气缸和气动拉杆，气动拉杆安装于气缸内部，下端设有活塞，活塞与气缸壁接触，气动拉杆上端从气缸上端开口伸出与拉杆连接，第二进气管在所述活塞以上与气缸上部连通，第三进气管在所述活塞以下与气缸下部连通。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，竖管采用透明树脂制成。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，展示管的气泡发生缸接口与气泡发生缸的展示管接口通过沟槽卡箍连接。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，气动拉杆与拉杆通过螺纹连接。

6.一种权利要求1所述系统的控制方法，其特征在于，包括：

(1)给系统供电，启动控制器；

(2)通过水泵从水源抽水，打开水阀门，通过进水管从气泡发生缸的进水口向放气室内注水，使水充满整个放气室，并延管道向展示管注水，通过透明的展示管观察水位，当水充满整个展示管后，关闭水阀门、关闭水泵；

(3)通过气泵从气源输入气体，打开进气阀门和出气阀门，调节第一减压阀，通过第一进气管从进气接口向气体均衡室内注入气体，同时通过回气管将多余的气体流回到气源，形成气体循环；

(4)调节出气阀门开度，在保证气体能排出的前提下，使得管道中的气体保持高压状态；

(5)通过第一减压阀调节压力，使得气体均衡室内注入高压气体；

(6)调节第二减压阀，使得高压气体经过第二进气管和第三进气管进入气动拉杆设备；

(7)通过控制器控制磁控分流阀，高压气体从第二进气管进入气动拉杆设备，带动拉杆向下移动，从气体均衡室的放气口排出高压气体，放气室内产生气泡，气泡上升到展示管内；

(8)通过控制器控制磁控分流阀，高压气体从第三进气管进入气动拉杆设备，带动拉杆向上移动，直到接触到放气口，停止从气体均衡室中排出高压气体保持气泡形状；

(9)控制器重复步骤(6)～(8)循环往复动作。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在实验过程中，通过调节第一减压阀改变气体均衡室中气体的压力；通过控制器调节磁控分流阀的分流改变气动拉杆向上和向下移动的时间间隔；通过调节第二减压阀改变气动拉杆的移动速度，实现对气泡的大小和形状的改变，通过展示管观察。